วันอาทิตย์ที่ 11 ตุลาคม พ.ศ. 2563

การใช้แอลกอฮอล์เป็นสารเพิ่มค่าออกเทนให้กับน้ำมันเบนซิน MO Memoir : Sunday 11 October 2563

จะว่าไป เวลาอ่านบทความวิชาการหรือข้อเสนอโครงการวิจัย ส่วนที่เป็นบทนำที่ผู้เขียนพยายามแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของงานนั้น มันบอกให้เราเห็นว่าผู้เขียนนั้นมีความเข้าใจดีในงานนั้นมากเพียงใด เพราะจากประสบการณ์ที่พบว่าที่บ่อยครั้งที่พบว่าเหตุผลที่ยกมานั้นถ้าฟังดูเผิน ๆ หรือเนื่องด้วยไม่มีความรู้ทางด้านนั้น ก็สามารถทำให้ผู้ฟังนั้นเข้าไปไปว่าเหตุผลนั้นมันสมเหตุสมผลกับงานที่นำเสนอ

เลขออกเทนของน้ำมันเบนซิน (นี่คือชื่อที่บ้านเราเรียก ส่วนชื่อทางการคือ gasoline ที่บางประเทศก็เรียกว่า gas บางประเทศก็เรียกว่า petrol) เป็นตัวเลขที่บอกความสามารถในการป้องกันไม่ให้เครื่องยนต์เกิดการน็อคของเชื้อเพลิง วิธีการวัดค่านี้มีอยู่ ๒ แบบคือ Research Octane Number (RON) และ Motor Octane Number (MON) ค่า RON คือค่าที่เราเห็นกันทั่วไปตามปั๊มน้ำมันในบ้านเรา เรื่องของค่า RON และ MON นี้เคยเล่าไว้ใน Memoir ปีที่ ๕ ฉบับที่ ๕๕๖ วันพุธที่ ๒ มกราคม ๒๕๕๖ เรื่อง "การน๊อคของเครื่องยนต์แก๊สโซลีนและสารเพิ่มเลขออกเทนของน้ำมัน"

รูปที่ ๑ โครงสร้างโมเลกุลของ n-Heptane ที่ใช้เป็นตัวอ้างอิงเลขออกเทน 0 Isooctane ที่ใช้เป็นตัวอ้างอิงเลขออกเทน 100 Ethanol ที่ใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนในน้ำมันแก๊สโซฮอล์ และ 1-Butanol ที่มีคนอ้างว่าสามารถใช้เป็นสารเพิ่มเลขออกเทนแทนเอทานอลได้

สารหลายตัวนั้นเมื่อทดสอบในรูปสารบริสุทธิ์จะมีเลขออกเทนค่าหนึ่ง แต่เมื่อนำไปผสมกับน้ำมันแล้วปรากฏว่ามันแสดงเลขออกเทนที่เปลี่ยนไป ที่เห็นก็คือมันจะแสดงเหมือนว่ามันมีเลขออกเทนสูงขึ้น เลขออกเทนที่ได้เมื่ออยู่ในรูปผสมกับน้ำมันนั้นเรียกว่า Blending Octane Number ซึ่งอาจเป็น Blending RON หรือ Blending MON ก็ขึ้นอยู่กับการทดสอบ ค่า Blending Octane Number นี้ขึ้นอยู่กับน้ำมันพื้นฐานที่นำมาผสมด้วย กล่าวคือน้ำมันพื้นฐานที่มีเลขออกเทนเท่ากัน แต่มีส่วนผสมที่แตกต่างกัน เมื่อผสมด้วยสารเพิ่มเลขออกเทนชนิดเดียวกันในสัดส่วนที่เท่ากัน น้ำมันผสมที่ได้สุดท้ายก็มีเลขออกเทนแตกต่างกันได้

ตัวอย่างเช่นค่า RON ของเอทานอลนั้นอยู่ที่ 110 ถ้าเราเอาน้ำมันเบนซินที่มีเลขออกเทน 87 มา 90 ส่วน ผสมกับเอทานอลที่มีเลขออกเทน 110 อีก 10 ส่วน ถ้าเอทานอลและน้ำมันนั้นไม่มีอันตรกิริยาระหว่างกัน เลขออกเทนของน้ำมันผสมก็ควรจะเป็น (87x 0.9) + (110 x 0.1) = 89.3 แต่เมื่อนำไปทดสอบกลับพบว่าน้ำมันเบนซินผสมที่ได้นั้นมีเลขออกเทน 91 นั่นแสดงว่าเมื่อเอทานอลผสมเข้ากับน้ำมันเบนซินนั้นเอทานอลทำตัวเสมือนว่าเป็นสารที่มีเลขออกเทนสูงขึ้นคือกลายเป็นประมาณ 127 เลขออกเทน 127 นี้คือค่า Blending Octane Number ซึ่งสำหรับเอทานอลแล้วค่านี้จะอยู่ในช่วงประมาณ 120-135 (Blending RON) ซึ่งขึ้นอยู่กับน้ำมันพื้นฐานที่นำมาผสม (รูปที่ ๒)

 
รูปที่ ๒ ตัวอย่างคุณสมบัติของเอทานอลที่นำมาใช้ผลิตแก๊สโซฮอล์ (จาก https://www.iea-amf.org/content/fuel_information/fuel_info_home/ethanol/e10/ethanol_properties)

น้ำมันแก๊สโซฮอล์ในบ้านเรามีอยู่ด้วยกัน ๓ แบบ แบบแรกมีเอทานอลผสมอยู่ 10% หรือที่เรียกว่า E10 น้ำมันแบบนี้มีทั้งชนิดออกเทน 91 และ 95 แบบที่สองมีเอทานอลผสมอยู่ 20% หรือ E20 ที่มีเฉพาะออกเทน 95 เท่านั้น และแบบที่สามมีเอทานอลเป็นหลักถึง 85% ที่เรียกว่า E85 ที่มีเฉพาะเลขออกเทน 95 เท่านั้น สำหรับน้ำมันเบนซินพื้นฐานที่จะใช้ผสมกับเอทานอลนั้น รายละเอียดแนบท้ายประกาศกรมธุรกิจพลังงานฉบับปีพ.ศ. ๒๕๖๒ กำหนดไว้สองชนิดคือ ชนิดที่มีเลขออกเทนขั้นต่ำ 87 และ 89 (รูปที่ ๓)

รูปที่ ๓ เลขออกเทนของน้ำมันเบนซินพื้นฐานที่นำมาใช้ผลิตแก๊สโซฮอล์ในบ้านเรา

ถ้าคิดที่ส่วนผสมเอทานอล 10% และเอทานอลมี Blending Octane Number ที่ระดับ 130 การเพิ่มเลขออกเทนให้กับน้ำมันเบนซินพื้นฐานจนได้แก๊สโซฮอล์ที่มีเลขออกเทน 91 หรือ 95 ที่เราใช้กันอยู่ทั่วไปนั้นมันก็เป็นสิ่งที่ทำได้และทำกันอยู่ในปัจจุบัน

1-Butanol หรือ n-Butanol เป็น primary alcohol (คือมีหมู่ -OH อยู่ที่ปลายโซ่) ที่สามารถสังเคราะห์ได้จากปฏิกิริยา aldol condensation ของ acetaldehyde 2 โมเลกุล ตามด้วยปฏิกิริยา dehydration และ hydrogenation โดย acetaldehyde สามารถเตรียมได้จากปฏิกิริยา dehydrogenation หรือ oxidation ของเอทานอล (อ่านเพิ่มเติมได้จากเรื่อง "การเปลี่ยนเอทานอล (Ethanol) ไปเป็นอะเซทัลดีไฮด์ (Acetaldehyde)" ในMemoir ฉบับวันพฤหัสบดีที่ ๒๔ พฤษภาคม ๒๕๖๑ และ "Aldol condensation กับ Cannizzaro reaction" ใน Memoir ฉบับวันศุกร์ ๙ ตุลาคม ๒๕๕๘)

บิวทานอลนั้นมีหมู่ alkyl ที่ใหญ่กว่าเอทานอล ทำให้มันผสมเข้ากับน้ำมันเบนซินได้ดีกว่าเอทานอล ทำให้มีการเสนอแนวความคิดว่าถ้าเปลี่ยนเอทานอลมาเป็นบิวทานอลก่อน (ซึ่งตัวที่ได้ก็คือ 1-Butanol) เราก็จะได้แอลกอฮอล์ที่มีเลขออกเทน 96 (รูปที่ ๔) ที่มีค่าสูงกว่าเลขออกเทนของน้ำมันเบนซินที่ใช้กันอยู่ (คือ 91 และ 95) และยังไม่มีปัญหาในการผสมเข้าเป็นเนื้อเดียวกับน้ำมันเบนซินดังเช่นเอทานอล

แนวความคิดในย่อหน้าข้างบนฟังเผิน ๆ ก็ดูดีครับ แต่ก่อนจะนำมาใช้จริงมันยังมีอีกหลายคำถามที่ต้องตอบ

ตัวอย่างเช่นค่าความดันไอของน้ำมัน (Reid Vapour Pressure - RVP) เมื่อผสม 1-Butanol ลงไปจะเป็นอย่างไรเพราะ 1-Butanol นั้นมีจุดเดือดประมาณ 117ºC ซึ่งสูงกว่าเอทานอลที่มีจุดเดือดประมาณ 78ºC อยู่มาก เอทานอลนั้นแม้ว่าจะมีจุดเดือดต่ำ แต่เมื่อผสมเข้าไปในน้ำมันแล้วกลับทำให้น้ำมันระเหยได้ยากขึ้น (เมื่อเทียบกับน้ำมันเบนซินที่ไม่ใช่แก๊สโซฮอล์) ปัญหาเรื่องการระเหยยากของเอทานอลนี้เป็นที่ทราบกันมานานแล้ว (รายงานเก่าสุดที่เคยเห็นก็น่าจะราว ๆ ๕๐ ปีแล้ว)และก่อให้เกิดปัญหาในการเริ่มเดินเครื่องเครื่องยนต์ที่ใช้คาบูเรเตอร์ได้ยากเมื่อสภาพอากาศเย็น

รูปที่ ๔ คุณสมบัติของ butanol โครงสร้างต่าง ๆ เมื่อนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเครื่องยนต์เบนซิน https://www.iea-amf.org/content/fuel_information/butanol/properties

ประเด็นที่สองที่ควรต้องพิจารณาคือค่าออกเทนเมื่อนำมาผสม จากข้อมูลในตารางที่ ๔ จะเห็นว่า 1-Butanol นั้นมีค่า Blending RON เพียงแค่ประมาณ 95 เท่านั้นเอง ซึ่งตัวมันเองในสภาพสารบริสุทธิ์อาจนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์เบนซิน แต่ถ้าจะนำมาใช้เป็นสารเพิ่มค่าออกเทนน้ำมันเบนซินพื้นฐานให้สูงถึง 95 คงทำไม่ได้ แม้ว่าจะให้ถึง 91 ก็คงต้องใช้สัดส่วนที่สูงน่าดู ซึ่งจะไปส่งผลต่อค่าความร้อนของเชื้อเพลิงผสมที่ลดต่ำลงไปอีก

ประเด็นที่สามที่น่าสนใจก็คือ ถ้าเอทานอลที่จะนำมาใช้ผลิต 1-Butanol นั้นเป็นเอทานอลที่ได้จากกระบวนการหมัก (fermentaion) ถ้าเช่นนั้นทำไมไม่ผลิต 1-Butanol จากกระบวนการหมักโดยตรง ซึ่งกระบวนการดังกล่าวเป็นที่รู้จักกันมานานกว่า ๑๐๐ ปีแล้วตั้งแต่ช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๑ (Acetone-Butanol-Ethanol fermentation process) ที่อังกฤษใช้เพื่อผลิต Acetone ที่ใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับทำวัตถุระเบิด (รูปที่ ๕)

และในหมู่บรรดาไอโซเมอร์ต่าง ๆ ของบิวทานอลนั้น 1-Butanol เป็นตัวที่มีจุดเดือดสูงสุด แต่มีค่าออกเทนต่ำสุด

จากประสบการณ์ที่ผ่านมานั้น บางเหตุผลมันฟังขึ้น มันใช้ได้ และมีแค่นั้นก็พอแล้ว แต่การพยายามเพิ่มเหตุผลเยอะ ๆ ให้กับงานที่วางแผนจะทำโดยคิดว่าเพื่อให้งานมันดูดีสำหรับผู้รับฟังนั้น มันอาจเป็นการฟ้องตัวผู้ที่นำเสนอเองว่าอันที่จริงแล้วไม่ได้มีพื้นฐานเข้าใจที่มาที่ไปของงานดังกล่าวดี และการนำไปใช้งานจริงตามที่กล่าวอ้างได้ แต่ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับตัวผู้รับฟังเป็นหลักด้วย ว่ามีความรู้ในด้านนั้นเท่าใด

 

รูปที่ ๕ สิทธิบัตรการผลิต 1-Butanol จากกระบวนการหมักของ Charles Weizmann ผู้ที่ต่อมาได้กลายเป็นประธานาธิบดีคนแรกของประเทศอิสราเอล

ไม่มีความคิดเห็น: