علم پشت نوآوری سوخت زیستی

مفاهیم اساسی

در این مقاله، شیمی بنیادی سوخت‌های زیستی را بررسی می‌کنیم و تبدیل آن‌ها از زیست توده خام به سوخت قابل استفاده را ردیابی می‌کنیم. ما یک چالش شیمیایی کلیدی، در دسترس بودن اکسیژن را تعریف خواهیم کرد و بررسی خواهیم کرد که چگونه فرآیندهای کاتالیزوری پیشرفته بر محدودیت های نسل اول غلبه می کنند تا پایداری انرژی را دوباره تعریف کنند.

مقدمه

سوخت های زیستی را می توان به عنوان هر سوختی که از موجودات زنده یا اخیراً زنده بدست می آید تعریف کرد.زیست توده). تلاش‌های مدرن پایداری اغلب آنها را به‌عنوان میانبری برای کربن‌زدایی بخش حمل‌ونقل مورد استقبال قرار می‌دهد. با این حال برای شیمیدانان، این سوخت ها یک چالش جدی و دائمی هستند: اکسیژن. برخلاف نفت که مخلوطی از انرژی متراکم است هیدروکربن ها (مولکول هایی که فقط از هیدروژن و کربن تشکیل شده اند)، سوخت های زیستی نسل اول و دوم اساساً ترکیبات اکسیژن هستند.

وجود اکسیژن در مولکول هایی مانند استرهای اسید چرب (شهرت ها) از جمله بیودیزل و اتانول (CH₃CH₂OH) پیامدهای فنی فوری و قابل توجهی دارد. در حالی که اکسیژن باعث احتراق تمیزتر می شود، دارای معایب قابل توجهی است. به عنوان مثال، چگالی انرژی سوخت را کاهش می دهد و خواص نامطلوبی مانند رطوبت سنجی (جاذبه آب)، مشکلات رسیدگی و پیچیدگی ذخیره سازی.

این تفاوت اساسی جامعه علمی را به اتخاذ فرآیندهای شیمیایی پیچیده و پر انرژی، مانند هیدرولیز آنزیمی و هیدروداکسیژناسیون کاتالیزوری (HDO) سوق داده است تا این جایگزین های سبز را در زیرساخت های موجود کاربردی کنند. مبارزه برای مدیریت این اکسیژن داخلی، نبرد تعیین کننده در شیمی سوخت زیستی پیشرفته است. ما می‌توانیم سوخت‌های زیستی را به نسل‌هایی دسته‌بندی کنیم که هر کدام منابع و رویکردهای فناوری مشترک دارند.

سوخت های زیستی نسل اول: شکر، نشاسته و سنتز ساده

نسل اول سوخت های زیستی از محصولات زراعی (مانند قندها، نشاسته ها و روغن های گیاهی) با استفاده از مسیرهای تبدیل بیوشیمیایی به خوبی تثبیت شده استخراج می شوند. در اینجا به شرح دو مورد از آنها می پردازیم.

1. تولید بیواتانول: مسیر تخمیر

بنابراین، تخمیر قندها، فرآیندی که اساساً شبیه دم کردن است، بیواتانول تولید می کند. در مرحله اولیه، آنزیم ها نشاسته (به عنوان مثال در ذرت) را به قندهای ساده، در درجه اول گلوکز (C) تجزیه می کنند.₆ساعت₁₂O₆).

سپس یک واکنش تخمیر رخ می دهد. در طی واکنش تخمیر، مخمر یا باکتری ها این قندها را در غیاب اکسیژن متابولیزه می کنند و اتانول و دی اکسید کربن تولید می کنند:

سی₆ساعت₁₂O₆ → 2CH₃CH₂OH + 2CO₂

مشکل اصلی در تولید اتانول زیستی، خالص سازی “براث تخمیر” است که معمولاً فقط 10-15٪ اتانول در آب دارد. تفکیک این دو جزء مستلزم تقطیر کسریفرآیندی که از اختلاف نقطه جوش بین اتانول (78 درجه سانتیگراد یا 173 درجه فارنهایت) و آب (100 درجه سانتیگراد یا 212 درجه فارنهایت) استفاده می کند.

در طول تقطیر جزئی، مخلوط در یک ستون تقطیر گرم می شود که در آن بخارات اتانول فرارتر بالا آمده و جمع می شوند. با این حال، اتانول و آب حداقل جوش را تشکیل می دهند آزئوتروپ با خلوص 95.6 درصد اساساً، این بدان معنی است که تقطیر ساده نمی تواند 100٪ اتانول “خالص” را بدون کم آبی بیشتر شیمیایی بدست آورد. این فرآیند بسیار انرژی بر است زیرا آب گرمای نهان تبخیر بالایی دارد. بنابراین، مقدار زیادی انرژی گرمایی باید صرف شود تا آب مایع به بخار تبدیل شود. این به طور قابل توجهی بر تعادل انرژی خالص سوخت و ردپای کربن چرخه زندگی تأثیر می گذارد و نیاز به مسیرهای بیوشیمیایی جایگزین را برجسته می کند.

2. تولید بیودیزل: ترانس استریفیکاسیون

سی ترانس استری شدن در فرآیند، ما می توانیم بیودیزل را با واکنش روغن های گیاهی (تری گلیسیرید) با یک الکل با زنجیره کوتاه، معمولا متانول (CH) بدست آوریم.₃اوه).

ماهیت این فرآیند این است که یک تری گلیسیرید (تریستر اسید چرب و گلیسرول) با متانول با استفاده از یک کاتالیزور اساسی مانند KOH یا NaOH واکنش می دهد. این ماده، ستون فقرات گلیسرول را با گروه متیل متانول جایگزین می کند و FAME و گلیسرول را به عنوان یک محصول جانبی تولید می کند.

این فرصت خوبی است تا به تفاوت های ساختاری بین بیودیزل و سایر انواع سوخت اشاره کنیم. در حالی که FAMEها از نظر ساختاری مشابه گازوئیل نفتی هستند، وجود گروه عملکردی استری آنها (COOR) یک تمایز حیاتی است. یک مولکول گازوئیل نفتی معمولاً یک زنجیره آلکان خالص است که تماماً از پیوندهای کربن-کربن و کربن-هیدروژن پر انرژی تشکیل شده است. در مقابل، مولکول FAME حاوی دو اتم اکسیژن است: یکی در یک پیوند دوگانه با کربن و دیگری در یک پیوند اتری. این اتم‌های اکسیژن «سوراخ‌هایی» در زنجیره هیدروکربنی ایجاد می‌کنند و تعداد کل پیوندهای پرانرژی در واحد حجم را کاهش می‌دهند. این تفاوت مولکولی به این دلیل است که بیودیزل به طور مداوم چگالی انرژی کمتر و عملکرد ضعیف تر در دمای پایین را نسبت به زنجیره های هیدروکربنی خالص بدون اکسیژن موجود در نفت معمولی نشان می دهد.

عملکرد نسبتا ضعیف بیودیزل تحت شرایط خاص، دلیل لجستیکی محققان برای بررسی سوخت های زیستی دیگر است. خوشبختانه، از طریق نسل های بعدی سوخت های زیستی، آنها توانسته اند این کار را انجام دهند.

سوخت های زیستی نسل دوم و سوم: شکستن کد لیگنوسلولزی

نسل دوم و نسل سوم سوخت های زیستی به ترتیب از منابع کشاورزی و آبزی پروری می آیند. آنها نشان دهنده امید جدیدی برای زمینه پایداری هستند زیرا این مواد خام فراوان و از نظر شیمیایی مقاوم هستند. به ویژه، این نسل ها استفاده می کنند لیگنوسلولز (ضایعات چوب کشاورزی غیر خوراکی) و جلبک.

سد لیگنوسلولزی

مواد ساختاری گیاهی یک کامپوزیت سلولزی قوی و نامحلول است. همی سلولز و لیگنین این ساختار پیچیده در برابر پردازش ساده بسیار مقاوم است و به روش های شیمیایی و تخریب حرارتی خشن نیاز دارد. در این بخش، به برخی از مسیرهای پیشرفته درگیر در این کار عظیم خواهیم پرداخت.

1. تبدیل بیوشیمیایی (سنگین آنزیمی)

ابتدا، این مسیر با یک پیش تصفیه برای جداسازی لیگنین از سلولز آغاز می شود. به دنبال آن هیدرولیز آنزیمی انجام می شود که در آن آنزیم های بسیار اختصاصی سلولز را به قندهای قابل تخمیر آسان تجزیه می کنند. این مسیر مخصوص مواد خام است. همچنین در حال حاضر به دلیل هزینه های مرتبط با کاتالیزور (آنزیم) نسبتاً گران است.

2. تبدیل ترموشیمیایی (ارتقا با حرارت بالا)

این رویکرد از شرایط شدید به نفع خود استفاده می کند. شرایط شدید، مولکول های بزرگ را از نظر شیمیایی از بین می برد و آنها را به قطعات کوچکتر و قابل استفاده می شکند.

برخلاف نسل های 1 و 2، سوخت های زیستی نسل سوم از ریزجلبک ها به عنوان “کارخانه های نفت” بیولوژیکی استفاده می کنند. جلبک ها به طور قابل توجهی با گیاهان زمینی متفاوت هستند زیرا فاقد سد ساختاری سفت و سخت و غنی از لیگنین هستند که در لیگنوسلولز وجود دارد. در نتیجه، پردازش شیمیایی جلبک ها بسیار آسان تر است.

برخی از گونه های جلبک به جای دیواره های سلولی پیچیده، انرژی را به شکل لیپیدها (روغن های خنثی) در بدن سلولی خود ذخیره می کنند. دانشمندان می توانند این لیپیدها را استخراج کرده و از طریق ترانس استریفیکاسیون، شبیه به روغن های گیاهی نسل اول، به بیودیزل تبدیل کنند. با این حال، جلبک ها یک ماده اولیه برتر هستند زیرا می توانند تا 30 برابر بیشتر از محصولات زمینی در هر هکتار نفت تولید کنند و برای زمین های زراعی رقابت نمی کنند.

علیرغم این مزایا، روغن های جلبکی همچنان دارای اکسیژن قابل توجهی هستند. این امر مستلزم آن است که آنها تحت پردازش مشابه سوخت زیستی نسل دوم قرار گیرند تا آنها را به نسخه های پایدار دیزل یا سوخت جت تبدیل کند. بیایید نگاهی دقیق‌تر به آنچه که این درمان مستلزم آن است بیندازیم.

هیدروداکسیژناسیون کاتالیستی

هنگامی که زیست توده در غیاب اکسیژن به سرعت گرم می شود، روغن پیرولیز یکی از محصولات ممکن است. یک مرحله مهم ترموشیمیایی، تقویت این مایع است که مخلوطی آشفته، خورنده و ناپایدار از اکسیژن ها است.

هیدروداکسیژناسیون کاتالیستی (HDO) این مشکل را با استفاده از فشار، دمای بالا و یک کاتالیزور تحت جریان گاز هیدروژن (H) اصلاح کرد.₂). کاتالیزور اغلب بر پایه آلیاژهای نیکل-مولیبدن (NiMo) یا کبالت-مولیبدن (CoMo) است. مکانیسم این فرآیند شامل استفاده از هیدروژن برای حذف اکسیژن به شکل آب (H₂O) یا اکسیدهای کربن (مانند CO₂). در نهایت، این ترکیبات اکسیژن ناپایدار را به زنجیره های هیدروکربنی تمیزتر و پایدارتر تبدیل می کند.

خروجی HDO دیزل تجدیدپذیر (RD) یا سوخت هوانوردی پایدار (SAF) است. این محصولات از نظر شیمیایی با سوخت های مشتق شده از نفت یکسان هستند، اما پایدارتر هستند، بنابراین می گوییم که می توانند رها کردن جایگزینی برای همتایان سنتی خود. به یک معنا، جام مقدس سوخت های زیستی مدرن است: سوختی که بر مشکل اکسیژن به طور کامل غلبه می کند. این مسیر روشنی را برای دستیابی به منابع پایدار و جایگزین های انرژی سبز فراهم می کند.

نتیجه گیری

سوخت های زیستی بسیار بیشتر از یک کالای ساده کشاورزی هستند. آنها طیف گسترده ای از چالش های شیمیایی پیچیده را ارائه می دهند. درحالی‌که سوخت‌های نسل اول شروعی را به ما دادند، محتوای اکسیژن ذاتی و رقابت با غذا مقیاس بلندمدت آن‌ها را به شدت محدود کرد. انقلاب واقعی در فرآیندهای تولید پیشرفته است که از لیگنوسلولز از طریق قدرت عظیم کاتالیز و هیدروداکسیژناسیون با فشار بالا استفاده می کنند. این مسیر HDO پاسخی به مشکل ریشه‌دار اکسیژن سوخت‌های زیستی است که مواد خام زیستی آشفته را به هیدروکربن‌های تمیز و با چگالی بالا تبدیل می‌کند. تمرکز مهندسان شیمی اکنون از امکان‌سنجی به مقرون‌به‌صرفه اقتصادی تغییر می‌کند: چگونگی کاهش هزینه‌های کاتالیزور و تامین مقدار زیادی هیدروژن مورد نیاز برای تصفیه شیمیایی. انتقال فقط به دنبال یافتن جایگزین نیست. این است که آنها را از نظر شیمیایی، زیست محیطی و اقتصادی بهتر از آنچه در گذشته استفاده می کردیم، بسازیم.