คลังความรู้ปิโตรเลียม
ทำความรู้จักกับ ปตท. สผ.
ความรู้ปิโตรเลียม
บทความปิโตรเคมี
แก๊สโซฮอล์: เทคโนโลยีสะอาด ช่วยเศรษฐกิจประเทศชาติ
วันที่ 04/02/2551 เวลา 10:08:52 ดู 108,807 ครั้ง
ความเป็นมาของแก๊สโซฮอล์ในประเทศไทยเป็นที่ทราบกันดีว่า เกิดจากพระราชดำริของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวที่ทรงเล็งเห็นว่าประเทศไทยอาจประสบกับปัญหาการขาดแคลนน้ำมัน ประกอบกับปัญหาพืชผลทางการเกษตรตกต่ำ จึงทรงมีพระราชดำริให้โครงการส่วนพระองค์สวนจิตรลดา
แก๊สโซฮอล์คืออะไร

ณีรนุช ควรเชิดชู และ รองศาสตราจารย์ ดร. สุจิตรา วงศ์เกษมจิตต์
วิทยาลัยปิโตรเลียมและปิโตรเคมี
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย



แก๊สโซฮอล์ (gasohol) เป็นน้ำมันที่ได้จากการผสมระหว่างน้ำมันเบนซินไร้สารตะกั่วออกเทน 91 กับเอทานอล หรือที่เรียกว่า “เอทิลแอกอฮอล์ (ethyl alcohol)” ที่มีความบริสุทธิ์ 99.5% โดยปริมาตร ในอัตราส่วน 9:1 จะได้น้ำมันแก๊สโซฮอล์ออกเทน 95 ที่มีคุณสมบัติเป็นไปตามข้อกำหนดคุณภาพของกรมธุรกิจพลังงาน กระทรวงพลังงานทุกประการ การผสมแอลกอฮอล์ลงในน้ำมันเบนซินเพื่อปรับปรุงค่า Oxygenates และออกเทนของน้ำมันเบนซินแทนสาร MTBE (Methyl Tertiaryl Butyl Ether) ซึ่งเป็นสารที่ย่อยสลายยากและต้องนำเข้าจากต่างประเทศ ดังนั้น การใช้เอทานอลเป็นสารเพิ่มปริมาณออกซิเจนในแก๊สโซฮอล์ไม่ส่งผลกระทบกับสิ่งแวดล้อม ในทางตรงกันข้าม จะลดปริมาณสารที่ก่อให้เกิดมลพิษต่างๆ เช่น สารประเภทไฮโดรคาร์บอน และก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ เนื่องจากออกซิเจนในเอทานอลที่ผสมอยู่ในแก๊สโซฮอล์นั้น จะช่วยให้การเผาไหม้ของเครื่องยนต์สมบูรณ์ขึ้น และส่งผลทำให้คาร์บอนมอนอกไซด์จากท่อไอเสียลดลงได้ถึง 40% นอกจากนี้ น้ำมันที่ผสมแอลกอฮอล์สามารถสันดาปได้เร็ว ทำให้คาร์บอนหรือควันดำจากการเผาไหม้ลดลงได้ประมาณ 20% ส่งผลให้อากาศมีคุณภาพดีขึ้นและลดปัญหาสภาวะเรือนกระจกที่ทำให้โลกร้อน อีกทั้งเอทานอลเป็นสารที่สามารถผลิตได้ภายใประเทศ จึงสามารถลดปํญหาการนำเข้าจากต่างประเทศและช่วยประหยัดเงินตราให้ประเทศปีละหลายพันล้านบาท

ความเป็นมาของแก๊สโซฮอล์ในประเทศไทยเป็นที่ทราบกันดีว่า เกิดจากพระราชดำริของพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวเมื่อปี พ.ศ.2528 ที่ทรงเล็งเห็นว่าประเทศไทยอาจประสบกับปัญหาการขาดแคลนน้ำมัน ประกอบกับปัญหาพืชผลทางการเกษตรตกต่ำ จึงทรงมีพระราชดำริให้โครงการส่วนพระองค์สวนจิตรลดา ศึกษาถึงการนำน้ำอ้อยมาแปรรูปเป็นแอลกอฮอล์แล้วนำมาผสมกับน้ำมันเบนซินผลิตเป็นแก๊สโซฮอล์เพื่อใช้เป็นพลังงานทดแทน

การผลิตเอทานอลโดยการหมัก

เทคโนโลยีในการผลิตเอทานอลที่รู้จักกันดีโดยทั่วไปคือ การนำผลิตผลทางการเกษตรชนิดที่มีน้ำตาล เช่น อ้อย, หัวบีท หรือกากน้ำตาล หรือ ชนิดที่มีสารจำพวกแป้ง เช่น มันฝรั่ง หรือข้าว มาทำการหมัก (fermentation) โดยสารจำพวกแป้งต้องเปลี่ยนให้เป็นน้ำตาลก่อนโดยใช้เอนไซม์ชนิด maltase จากจุลินทรีย์ หรือใช้กรดเกลือไปทำปฏิกิริยากับแป้งเกิดการย่อยสลายเปลี่ยนโมเลกุลของแป้งเป็นน้ำตาลที่มีขนาดเล็กลง เพื่อนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับกระบวนการผลิตเอทานอล โดยปกติ กระบวนการหมักจะใช้ความเข้มข้นของน้ำตาลร้อยละ 10 โดยปริมาตร เพื่อให้การเจริญเติบโตของยีสต์เป็นไปตามปกติและได้ผลผลิตเอทานอลในปริมาณที่สูงพอเหมาะที่จะนำไปกลั่นเป็นเอทานอลที่มีความบริสุทธิ์ 95% ดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งแสดงภาพรวมของการผลิตเอทานอลโดยกระบวนการหมัก

[[2603]]
รูปที่ 1 การผลิตเอทานอลโดยกระบวนการหมัก


การผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงผสมเอทานอล
ดังที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้นว่า แก๊สโซฮอล์คือ น้ำมันเบนซินผสมกับเอทานอลที่มีความบริสุทธิ์ 99.5% ขึ้นไปดังนั้น เอทานอลที่ผลิตขึ้นจากการหมักต้องผ่านกรรมวิธีเพื่อทำให้มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้นเป็น 99.5% หรือมากกว่าจึงจะสามารถนำมาผลิตน้ำมันแก๊สโซฮอล์ได้ กระบวนการแยกน้ำออกจากเอทานอลทำได้ 3 วิธี คือ

1. การดูดซับด้วย Molecular sieve (โครงการส่วนพระองค์ฯ จะใช้วิธีการนี้)
2. การกลั่นอะซีโอโทรป (Azeotropic distillation)
3. เทคโนโลยีแผ่นเยื่อบาง (Membrane technology)

1. การดูดซับด้วย Molecular sieve

Molecular sieve เป็นสารประเภทซีโอไลต์ที่สังเคราะห์ขึ้น โดยทั่วไปจะเป็นชนิด 3A [(K2O.Na2O).Al2O3. 2SiO2.xH2O] ซึ่งมีสมบัติพิเศษคือ สามารถดูดน้ำในสภาวะที่เย็นและคายน้ำออกเมื่อได้รับความร้อน หลักการของเทคโนโลยีชนิดนี้ จะใช้สมบัติพิเศษนี้ในการกำจัดน้ำออกจากเอทานอล โดยยอมให้โมเลกุลน้ำผ่านเข้าไปในโมเลกุล ขณะที่โมเลกุลของเอทานอลที่มีขนาดใหญ่กว่าจะผ่านไปไม่ได้ กระบวนการแยกน้ำนี้ (ดังรูปที่ 2) เริ่มจากการใช้เอทานอลที่มีความบริสุทธ์ในช่วง 92-96% ผ่านไปยังปฏิกรณ์ที่บรรจุ molecular sieve ภายในเป็นชั้นๆ ประมาณ 2-3 ชั้นในแนวขนาน โมเลกุลน้ำจะถูกจับไว้ ในขณะที่เอทานอลบริสุทธ์ถึง 99.8-99.9% จะผ่านลงมา และถูกนำไปยังถังเก็บ หลังจากเสร็จสิ้นจากกระบวนการแยกน้ำ ขั้นของ molecular sieve แต่ละชั้นจะชุ่มไปด้วยน้ำ ซึ่งสามารถทำให้แห้งทำได้โดยผ่านไอน้ำ (steam) เพื่อไล่น้ำที่ถูกดูดซับใน molecular sieve ออก ข้อดีของเทคโนโลยีนี้ คือ เป็นเทคโนโลยีที่ง่าย ใช้ไอน้ำและพลังงานที่ต่ำเมื่อเทียบกับวิธีการกลั่น (วิธีที่ 2) นอกจากนี้ยังไม่ต้องใช้สารเคมีอื่นๆ มาช่วยในการแยกน้ำ การกำจัดของเสียจึงไม่จำเป็นต้องคำนึงถึง แต่เทคโนโลยีนี้มีข้อเสียตรงที่ อัตราการสึกกร่อน หรือเกิดการเน่า (fouling of media) ของ Molecular sieve มีค่อนข้างสูง เมื่อมีการใช้งานมากกว่า 5 ปี จำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่ ทำให้ค่าใช้จ่ายในกระบวนการผลิตค่อนข้างสูง

[[2604]]
รูปที่ 2 การแยกน้ำออกจากเอทานอลโดยเทคโนโลยี Molecular sieve


2. การกลั่นอะซีโอโทรป (Azeotropic distillation)

ตามหลักทฤษฎี การกลั่นเอทานอลเพื่อให้มีความบริสุทธ์สูง จะพบปัญหาของการแยกออกจากกันไม่ได้ของน้ำและเอทานอล จุดนี้เรียกว่า จุดอะซีโอโทรป การกลั่นเอทานอลจึงจำเป็นต้องเติมสารประกอบที่ 3 เพื่อทำให้น้ำแยกออกจากเอทานอลได้ดียิ่งขึ้น สารประกอบนี้เรียกว่า entrainer ได้แก่ ไซโคลเฮกเซน (cyclohexane), เบนซีน (benzene), โทลูอีน (toluene), อีเทอร์ (ether) หรือคีโตน (ketone) วิธีนี้เป็นวิธีที่คิดค้นกันมานานและเป็นที่นิยมใช้กันอย่างมาก ถึงแม้มีข้อเสียอยู่มากมาย ข้อเสียที่สำคัญมากที่สุดคือ ต้องใช้พลังงานมหาศาลในการกลั่นเพื่อให้ได้เอทานอลที่บริสุทธ์มากๆ ขิอเสียถัดมาคือ สารที่ใช้เป็น entrainer เป็นสารมีพิษ บางตัวเป็นสารก่อโรคมะเร็งอีกด้วย

[[2605]]
รูปที่ 3 การแยกน้ำออกจากเอทานอลโดยกระบวนการกลั่นอะซีโอโทรป


3. เทคโนโลยีแผ่นเยื่อบาง (Membrane technology)

เทคโนโลยีนี้ นอกจากจะเป็นเทคโนโลยีใหม่ล่าสุด ยังเป็นเทคโนโลยีที่ง่ายและใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ในการแยกสารละลายผสมผ่านเยื่อแผ่น (membrane) โดยใช้เทคนิคการซึมผ่าน (permeation) ของน้ำผ่านแผ่นเยื่อบางในรูปของไอน้ำ ด้วยแรงดึงดูดจากภายนอกที่มีความดันต่ำกว่า (evaporation) สารที่ผ่านเยื่อแผ่น เรียกว่า เพอมีเอท (permeate) การแยกเกิดขึ้นได้เนื่องจากองค์ประกอบของสารในสารผสมมีความเป็นขั้ว (hydrophilicity) ต่างกัน เช่นในกรณีของ น้ำในเอทานอล น้ำมีความเป็นขั้วที่สูงกว่าเอทานอล ความสามารถในการแพร่ผ่านเยื่อแผ่นของน้ำจึงมีค่าสูงกว่า ขณะที่มีการซึมผ่านของน้ำ ความดันต่ำจากภายนอกจะช่วยดึงน้ำออกมาในรูปของไอน้ำ เมื่อทำการลดอุณหภูมิเพื่อให้ไอน้ำกลั่นตัวเป็นของเหลว ดังแสดงในรูปที่ 4

[[2606]]
รูปที่ 4 การแยกน้ำออกจากเอทานอลโดยกระบวนการเพอแวปเพอเรชัน


เยื่อแผ่นที่นำมาใช้แบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดคือ ชนิดที่เป็นพอลิเมอร์และชนิดที่เป็นเซรามิก ชนิดที่เป็นเยื่อแผ่นเซรามิกได้รับความสนใจมากกว่า เนื่องจากสามารถทนต่ออุณหภูมิ สารเคมี และจุลินทรีย์ได้ดี เยื่อแผ่นเซรามิกที่นิยมใช้ในการแยกน้ำออกจากเอทานอลคือ ซีโอไลต์ชนิดโซเดียมเอ (NaA zeolite) ซึ่งมีสมบัติของความมีขั้วสูงกว่าซีโอไลต์ชนิดอื่นๆ ทำให้เป็นปัจจัยสำคัญในการคัดสรรโมเลกุลที่ถูกดูดซับ โดยอาศัยความเข้ากันได้ของระหว่างความมีขั้วของโมเลกุลน้ำกับเยื่อแผ่น นอกจากนี้ ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งในการเลือกใช้ซีโอไลต์ชนิดโซเดียมเอ คือ ความแตกต่างของขนาดโมเลกุลที่ผ่านรูเปิดของซีโอไลต์ เนื่องจากซีโอไลต์มีโครงร่างเป็นผลึกที่มีรุพรุน และมีรูเปิดขนาดเล็ก (4 อังสตรอม) เหมาะสำหรับการคัดสรรโมเลกุลน้ำที่มีขนาดเล็ก

การขึ้นรูปซีโอไลต์ที่มีลักษณะเป็นผงละเอียดของผลึกให้เป็นเยื่อเลือกผ่านโดยตรงนั้น ไม่สามารถกระทำได้ จำเป็นต้องผ่านกระบวนการการสังเคราะห์จากสารตั้งต้นที่มีส่วนประกอบของซิลิกาและอลูมินา มาทำปฏิกิริยากันบนแผ่นของแข็งรองรับที่มีรูพรุน เช่น อลูมินา เป็นต้น เมื่อเกิดผลึกซีโอไลต์ชนิดโซเดียมเอขึ้น ผลึกเหล่านั้นจะมารวมตัวกันเป็นแผ่นต่อเนื่อง (polycrystalline) เกิดเป็นฟิล์มบางขึ้น

เมื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพและพลังงานที่ต้องใช้ ระหว่างกับการกลั่นแบบอะซีโอโทรปและเทคโนโลยีแผ่นเยื่อบางแล้ว (ตารางที่ 1) จะพบว่า เทคโนโลยีแผ่นเยื่อบางใช้พลังงานต่ำกว่า เนื่องจากความสามารถในการแยกโดยใช้แผ่นเยื่อบางขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาระหว่างสารที่แยกกับเยื่อแผ่น ไม่ถูกจำกัดด้วยความสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกส์

ตารางที่ 1 ปริมาณการใช้พลังงานในการแยกน้ำออกจากสารละลายเอทานอล

ความเข้มข้น
%โดยน้ำหนัก

กระบวนการ

พลังงาน
Kgcal / kg-เอทานอล

95-99.5
การกลั่นแบบอะซีโอโทรป
790
90-99.5
เทคโนโลยีแผ่นเยื่อบาง (ค่าการแยกมากกว่า 5000)
101-350


เมื่อนำเอทานอลที่บริสุทธิ์ 99.5% โดยปริมาตร มาผสมกันน้ำมันเบนซินไร้สารตะกั่วในอัตราส่วน 1:9 สมบัติที่ได้จากการทดสอบ โดยสถาบันวิจัยและเทคโนโลยีปตท. (ตารางที่ 2) จะเห็นว่า ไม่แตกต่างจากเบนซิน 95 มากนัก จึงสามารถนำมาใช้ทดแทนน้ำมันเบนซินได้ นั่นคือ แก๊สโซฮอล์จัดเป็นพลังงานทดแทนอีกประเภทหนึ่งที่น่าจับตามอง

ตารางที่ 2 เปรียบเทียบสมบัติทางเคมีและทางฟิสิกส์ของเบนซิน 95 และแก๊สโซฮอล์



รายการ
มาตรฐานทดสอบ
เบนซิน 95
แก๊สโซฮอล์
ค่าออกเทนโดยวิธีวิจัย (RON)
ASTM D2699
95.6
95.8
ความหนาแน่น (กรัม/ลบ.ซม.)
ASTM D4052
0.7415
0.7573
ความดันไอ ณ อุณหภูมิ 37.8 oซ (กิโลปาสคาล)
ASTM D5191
57.7
59.3
การกลั่น อุณหภูมิ o
ASTM D86
1 การระเหยในอัตราร้อยละ 10 โดยปริมาตร
52.1
51.4
2 การระเหยในอัตราร้อยละ 50 โดยปริมาตร
79.5
74.6
3 การระเหยในอัตราร้อยละ 90 โดยปริมาตร
151.3
159.2
4 จุดเดือดสุดท้าย
195.0
185.1
กากน้ำมัน (ร้อยละโดยปริมาตร)
1.7
1.2
ปริมาณกำมะถัน (ส่วนในล้านส่วนโดยน้ำหนัก)
ASTM D3120
96.5
37.50
ปริมาณเบนซีน (ร้อยละโดยปริมาตร)
ASTM D4815
3.08
2.10
ปริมาณอะโรมาติก (ร้อยละโดยปริมาตร)
JIS K2536
32.9
32.9
ปริมาณพาราฟิน (ร้อยละโดยปริมาตร)
JIS K2536
50.8
44.5
ปริมาณแนพทีน (ร้อยละโดยปริมาตร)
JIS K2536
5.81
7.69
ปริมาณโอเลฟิน (ร้อยละโดยปริมาตร)
JIS K2536
4.86
3.15
ปริมาณ MTBE (ร้อยละโดยปริมาตร)
ASTM D4815
5.38
0
ปริมาณเอทานอล (ร้อยละโดยปริมาตร)
ASTM D4815
0
9.47


เอกสารอ้างอิง

1. กองบรรณาธิการ, แก๊สโซฮอล์ พลังงานสะอาด เพื่อเศรษกิจชาติเข้มแข็ง, เทคโนโลยีวัสดุ, 31, 37-49, 2546
2. http://www.xnri.com/RD/04_LTA/index.html
3. .http://www.cleantechindia.com/eicnew/fuel.html
4. http://www.UOP.com/objects/96%20MolecularSieves.pdf
5. รศ.ดร. รัตนา จิระรัตนานนท์, กระบวนการแยกด้วยเยื่อแผ่นสังเคราะห์, พิมพ์ครั้งที่ 2 ปี พ.ศ. 2543