บทความเบื้องหลังนี้จัดทำขึ้นเพื่อ Livescience โดยร่วมมือกับมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ
กระดูกสันหลังของโครงสร้างพื้นฐานพลังงานของเราคือเชื้อเพลิงที่ใช้คาร์บอน ในรูปแบบของน้ำมันถ่านหินและก๊าซธรรมชาติคาร์บอนวิ่งรถยนต์ของเราร้อนบ้านของเราและปรุงอาหารของเรา เราสามารถลดความตกใจของการเปลี่ยนจากเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นแหล่งที่ยั่งยืนโดยใช้โครงสร้างพื้นฐานคาร์บอนที่มีอยู่มากที่สุด
พืชเป็นแหล่งเดียวของคาร์บอนที่ยั่งยืนโดยที่ไม่มีวิธีอื่นที่จะจับคาร์บอนจากอากาศเพื่อทำเชื้อเพลิงที่ใช้คาร์บอน นั่นคือความงามของเชื้อเพลิงชีวภาพจากพืชและทำไมพวกเขาต้องมีบทบาทในอนาคตพลังงานที่ยั่งยืนของเรา
ทุกชีวิตเป็นคาร์บอน ในการแปลงคาร์บอนจากพืชเป็นเชื้อเพลิงเราสามารถใช้ในรถยนต์ของเราเราต้องเข้าใจองค์ประกอบของพืชก่อน
พืชเป็นพลังงาน
ก่อนอื่นลองคิดดูว่าร่างกายของคุณเก็บพลังงานเป็นไขมันได้อย่างไร แต่มีโครงสร้างประกอบด้วยโมเลกุลชนิดต่าง ๆ ที่เรียกว่าโปรตีน พืชมีการแบ่งขั้วที่คล้ายกัน พืชเก็บพลังงานเป็นแป้งน้ำตาลและไขมัน แต่ประกอบด้วยโครงสร้างของลิกนินและเซลลูโลส (หรือ 'ลิกโนเซลลูโลส') นำข้าวโพดเป็นตัวอย่าง: จากเมล็ดมาจากแป้งและน้ำตาลที่สามารถหมักเพื่อทำเอทานอล น้ำมันข้าวโพดสามารถใช้ทำไบโอดีเซลได้
ในขณะที่เทคโนโลยีเหล่านั้นสมควรได้รับการศึกษาในสิทธิของตนเองเราจะต้องไม่เพิกเฉยต่อซังที่เหลืออยู่แกลบและก้าน - วัสดุโครงสร้างที่ทำจากลิกนินและเซลลูโลส ไม้และหญ้าทำจากวัสดุโครงสร้างเดียวกัน
วัสดุโครงสร้างของพืชเป็นชีวมวลที่ถูกที่สุดและมีอยู่มากที่สุด - รวมทั้งมนุษย์ไม่สามารถกินได้ (วัวและบีเว่อร์สามารถทำได้เพียงเพราะความกล้าของพวกเขามีแบคทีเรียพิเศษ) เชื้อเพลิงที่ทำจากวัสดุที่กินไม่ได้มีประโยชน์ไม่เคยรบกวนการผลิตอาหารโดยตรง
น้ำมันเบนซินสีเขียว
การวิจัยดำเนินการที่มหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์แอมเฮิร์สต์นำโดย George Huber มุ่งเน้นไปที่การแปลงขี้เลื่อยและ switchgrass เป็น "น้ำมันเบนซินสีเขียว" - เชื้อเพลิงที่เราสามารถใช้ภายในโครงสร้างพื้นฐานปัจจุบันของเรา ในไม่กี่ปีที่ผ่านมาคุณอาจเริ่มเห็นมันผสมกับสิ่งที่คุณซื้อที่ปั๊ม
"ถ้าไม่มีสัญญาณที่บอกคุณดังนั้นคุณจะไม่รู้ว่าก๊าซของคุณเป็น 'สีเขียว'" ฮูเบอร์กล่าว "มันไม่มีรอยเท้าคาร์บอนเป็นศูนย์ CO2[คาร์บอนไดออกไซด์] จากรถของคุณถูกรีไซเคิลไปยังโรงงานเมื่อมันเติบโตขึ้นอีกครั้ง "
น้ำมันเบนซินสีเขียวทำผ่านเทคนิคที่เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาไพโรไลซิสในเตียงฟลูอิไดซ์ มาทำลายกระบวนการนี้ตามข้อกำหนดและเทคนิคที่ใช้:
'ตัวเร่งปฏิกิริยา'
ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวัสดุที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาเคมีที่เฉพาะเจาะจงเกิดขึ้นเร็วกว่าปกติ ปฏิกิริยาในคำถาม? เปลี่ยนลิกโนเซลลูโลสเป็นน้ำมันเบนซิน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำเช่นนั้นเป็นวัสดุพิเศษที่เรียกว่า "ซีโอไลต์" วัสดุที่ทำจากอะตอมของซิลิกอนอลูมิเนียมและออกซิเจนที่จัดเรียงในกรอบเรขาคณิตที่สลับซับซ้อนในรูปแบบคริสตัล
ช่องว่างระหว่างโมเลกุลที่จัดขึ้นด้วยกันในเฟรมเวิร์กเหล่านี้เรียกว่า micropores และถือโมเลกุลที่ใช้คาร์บอนบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาในการจัดเรียงที่ทำให้พวกเขาสร้างผลิตภัณฑ์โมเลกุลที่มีขนาดเท่ากัน เคล็ดลับคือการเลือกซีโอไลต์ที่มีขนาดรูขุมขนเท่ากับโมเลกุลของน้ำมันเบนซิน ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ Huber Lab ใช้เป็นวัสดุราคาถูกที่ใช้ในปัจจุบันในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี
'ไพโรไลซิสเร็ว'
ไพโรไลซิสคือการสลายอุณหภูมิสูงของโมเลกุลขนาดใหญ่ (เช่นเซลลูโลสหรือพลาสติก) ลงในควันโมเลกุลขนาดเล็ก ไพโรไลซิสคือ "เร็ว" เพราะจำเป็นต้องให้ความร้อนอย่างรวดเร็วเพื่อเปลี่ยนคาร์บอนของพืชให้กลายเป็นควันแทนที่จะเป็นถ่าน "ไพโรไลซิสช้า" เป็นวิธีการทำถ่าน
ในไฟค่ายไฟที่คุณเห็นนั้นเป็นควันที่ทำจากกันแบบไพโรไลซิสที่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ความร้อนเปลวไฟทำให้บันทึกเพื่อไพโรไลซ์มากขึ้นและรักษาตัวเองจนกว่าพื้นผิวของบันทึกจะปกคลุมด้วยถ่านมากเกินไปเพื่อผลิตควันมากขึ้น ในห้องแล็บไพโรไลซิสของขี้เลื่อยจะทำในกรณีที่ไม่มีออกซิเจนดังนั้นควันไม่สามารถเผาไหม้ได้เหมือนที่เกิดขึ้นในกองไฟ - ควันแทนที่จะทำปฏิกิริยากับพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อสร้างน้ำมันเบนซิน
'เตียงฟลูอิไดซ์'
Fluidization เป็นเทคนิคในการเพิ่มการสัมผัสและการผสมระหว่างควันก๊าซจากไพโรไลซิสและตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง มองเห็นว่าเตียงของกรวดเต้นรำใต้ปลายท่อไขมันเมื่อทำความสะอาดถังปลา กรวดจะถูกทำให้เป็นของเหลวโดยน้ำ ในห้องปฏิบัติการบทบาทของกรวดจะถูกสันนิษฐานโดยเตียงของอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีลักษณะคล้ายทรายและขี้เลื่อยที่อยู่ระหว่างการเป็นไพโรไลซิส น้ำจะถูกแทนที่ด้วยกระแสของก๊าซร้อนที่เข้ามาจากด้านล่างเรียกว่า "fluidizer" ไอระเหยออกจากพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกเป่าออกจากเครื่องปฏิกรณ์ซึ่งพวกมันถูกควบแน่นเป็นเชื้อเพลิงที่มีระดับออกเทน 108
พืชเคมีไพโรไลซิสที่รวดเร็ว
เนื่องจาก Lignocelluose มีออกซิเจนมากกว่าน้ำมันเบนซินส่วนหนึ่งของคาร์บอน (ประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์) จะต้องออกเป็นคาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์
ที่เครื่องชั่งที่ใหญ่กว่าในห้องแล็บจะใช้เศษเสี้ยวของกระแสเป็นของฟลูอิไดเซอร์ ส่วนที่เหลืออีก 75 เปอร์เซ็นต์นั้นมีให้เลือกทางทฤษฎีสำหรับการผลิตน้ำมันเบนซิน แต่ถ่านจะตัดเป็นจำนวนนี้และสร้างเสื้อคลุมสีดำบนอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยา
สำหรับปฏิกิริยาที่จะทำงานเป็นเวลานานอนุภาคของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไหม้เกรียมจะต้องรีไซเคิลผ่านเตาเผาที่ถ่านถูกเผา เตาหลอมสร้างความร้อนเพียงพอต่อการเร่งปฏิกิริยาไพโรไลซิสอย่างรวดเร็ว ด้วยวิธีนี้ 30 เปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนจากขี้เลื่อยที่ป้อนเข้าสู่ระบบทำให้โรงงานเป็นน้ำมันเบนซิน
ต้องใช้ขี้เลื่อย 45 ปอนด์ในการทำน้ำมันเบนซิน อย่างไรก็ตามโปรดสังเกตว่าสิ่งอำนวยความสะดวกที่ใช้เทคโนโลยีไม่จำเป็นต้องมีอินพุตอื่นนอกเหนือจากขี้เลื่อยและอากาศ-เทคนิคนี้เหมาะสำหรับสถานที่แยกที่แยกออกจากกันซึ่งมีวัสดุพืชจำนวนมาก
ต่อไป
การทดสอบระดับนักบินได้พิสูจน์แล้วว่าประสบความสำเร็จและจะปรับขนาดลงในโรงงานเคมีสาธิตในไม่ช้า
“ นี่เป็นเวลาที่ดีที่จะอยู่ในสาขานี้เนื่องจากราคาน้ำมันเพิ่มขึ้นมันให้โอกาสแก่วิศวกรในอนาคต” ฮูเบอร์กล่าว "มันขึ้นอยู่กับคนรุ่นใหม่ที่จะหาวิธีแก้ปัญหาสำหรับอนาคต"
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมโปรดเยี่ยมชมกลุ่มวิจัยฮูเบอร์เว็บไซต์-
หมายเหตุบรรณาธิการ:งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) หน่วยงานรัฐบาลกลางถูกเรียกเก็บเงินจากการระดมทุนการวิจัยขั้นพื้นฐานและการศึกษาในทุกสาขาของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม ความคิดเห็นการค้นพบและข้อสรุปหรือคำแนะนำใด ๆ ที่แสดงในเนื้อหานี้เป็นของผู้เขียนและไม่จำเป็นต้องสะท้อนมุมมองของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ ดูเบื้องหลังการเก็บถาวร-
