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

เอาแป้งมันไปทำอะไรดี MO Memoir : Saturday 26 May 2555

ในช่วงที่ผ่านมานั้นในบ้านเราได้นำผลิตผลทางการเกษตรได้แก่อ้อยและแป้งมันสำปะหลังไปเข้ากระบวนการหมักเพื่อผลิตเป็นสารละลายเอทานอล จากนั้นจึงนำสารละลายเอทานอลที่ได้ไปกลั่นแยกให้ได้เอทานอลความบริสุทธิ์สูงเพื่อนำไปผลิตเป็นน้ำมันแก๊สโซฮอล์ แต่ก็เป็นที่ทราบกันว่าต้นทุนแอลกอฮอล์ที่ได้จากวิธีการนี้มีราคาสูงแม้ว่าจะใช้ผลิตผลทางการเกษตรที่มีราคาถูกคือแป้งมันสำปะหลัง เมื่อโดนบังคับให้ต้องขายเอทานอลในราคาที่ถูกกว่าการขายในรูปของแป้งมันสำปะหลังจึงทำให้หลายโรงงานไม่ประสงค์ที่จะผลิตเอทานอล

ผมก็เลยลองคิดเล่น ๆ ว่าถ้ามีแป้งมันสำปะหลังอยู่ในมือ จะเอาไปทำอะไรดีที่ไม่ใช่เอทานอล ก็เลยลองคิดโครงการเล่น ๆ ที่ยังไม่รู้ว่าจะทำได้จริงหรือเปล่า คิดว่าถ้ามีเวลาว่างและ (สำคัญมากคือ) มีคนให้ทุนทำวิจัย ผมก็อยากจะลองทำดูเหมือนกัน

๑. จากแป้งเป็นน้ำตาลกลูโคส

โมเลกุลแป้งประกอบด้วยน้ำตาลกลูโคสหลายโมเลกุลมาต่อเข้าด้วยกันเป็นสารโซ่ ซึ่งสามารถแยกออกเป็นโมเลกุลกลูโคสเดี่ยว ๆ ได้ด้วยปฏิกิริยา hydrolysis

เนื่องจากโมเลกุลกลูโคสประกอบด้วยหมู่ไฮดรอกซิล (hydroxyl -OH) ดังนั้นอาจอาศัยการทำปฏิกิริยาของหมู่ -OH นี้กับหมู่ฟังก์ชันอื่น ปฏิกิริยาหนึ่งของหมู่ -OH ที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปคือปฏิกิริยา Esterification กับหมู่ carboxyl (-COOH) ของกรดอินทรีย์กลายเป็นโครงสร้าง ester (R-O-CO-R') หรือทำปฏิกิริยา dehydration กับหมู่ -OH ของอีกโมเลกุลหนึ่งกลายเป็นโครงสร้างอีเทอร์ R-O-R'

ตัวอย่างหนึ่งของการทำปฏิกิริยาระหว่างหมู่ -OH ของน้ำตาลกับกรดอินทรีย์คือการเปลี่ยนน้ำตาลทราย (ชื่อทางเคมีของน้ำตาลทรายคือซูโครส (sucrose) ซึ่งเกิดจากโมเลกุล glucose รวมกับโมเลกุล fructose) ให้กลายเป็นสารทดแทนไขมันที่เรียกว่า "Olestra" ดังรูปที่ ๑

เมื่อ H อะตอมของหมู่ -OH ถูกแทนที่ด้วยหมู่ -CO-R ซึ่งเป็นหมู่ไม่มีขั้ว จีงทำให้ Olestra มีคุณสมบัติเป็นสารไม่มีขั้วเช่นเดียวกับไขมันหรือน้ำมันที่ใช้ปรุงอาหาร Olestra จึงถูกนำมาใช้ในการปรุงอาหารเพื่อลดปริมาณไขมันในอาหาร

รูปที่ ๑ (ซ้าย) โมเลกุลน้ำตาลกลูโคส (กลาง) โมเลกุลน้ำตาลกลูโคสที่หมู่ -OH บางหมู่ทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไขมัน (หมู่ R) ทำให้ได้โมเลกุลที่มีส่วนไม่มีขั้ว (หมู่ R ของกรดไขมัน) กับส่วนที่มีขั้ว (หมู่ -OH ที่หลงเหลืออยู่) (ขวา) รูปร่างโมเลกุล Olestra ซึ่งได้จากการนำเอาน้ำตาลซูโครส (sucrose ซึ่งเป็น disaccharide ระหว่าง glucose กับ fructose) มาทำปฏิกิริยา esterification กับกรดไขมันจนหมู่ -OH ทุกหมู่ทำปฏิกิริยาหมด

(รูป olestra นำมาจาก http://www.scientificpsychic.com/fitness/fattyacids1.html)

ในกรณีของกลูโคสนั้นเนื่องจากมีหมู่ -OH อยู่มาก จึงทำให้กลูโคสละลายน้ำได้ดีมาก แต่ถ้าให้หมู่ -OH ทำปฏิกิริยากับสารอื่นเช่นกรดอินทรีย์ดังแสดงในรูปข้างบนจนหมู่ -OH หายไปหมด จะได้สารประกอบที่มีคุณสมบัติแบบไขมัน (ในทำนองเดียวกันกับ Olestra)

ประเด็นที่น่าสนใจคือถ้าทำการแทนที่หมู่ -OH เพียงส่วนหนึ่งด้วยสายโซ่ไฮโดรคาร์บอน (อาจทำโดยใช้ปฏิกิริยา esterification) ก็จะทำให้ได้โมเลกุลที่มีทั้งส่วนที่มีขั้วและไม่มีขั้วอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน โมเลกุลที่มีโครงสร้างดังกล่าวสามารถทำหน้าที่เป็นสารลดแรงตึงผิว (surfactant) หรือสารช่วยในการประสานเฟสระหว่างโมเลกุลมีขั้วและโมเลกุลไม่มีขั้วได้ ซึ่งถ้าสังเคราะห์โมเลกุลดังกล่าวได้ก็คงต้องหาทางใช้ประโยชน์กันต่อไป

ปัญหาหนึ่งของการบำบัดน้ำเสียคือระยะเวลาที่แบคทีเรียต้องใช้ในการกำจัดสารอินทรีย์ ถ้าหากน้ำเสียมีสารอินทรีย์ที่แบคทีเรียกำจัดได้รวดเร็ว ระบบบำบัดน้ำเสียก็จะทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

สาร surfactant ที่เราใช้กันมากในปัจจุบันคือ linear alkyl benzene sulfonate ที่ใช้กันในผงซักฟอก น้ำยาล้างจาน โฟมล้างหน้า สบู่เหลว แชมพู ฯลฯ นั้นประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็น วงแหวน หมู่อัลคิล และหมู่ฟังก์ชันที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ โครงสร้างโมเลกุลนี้จะมีปัญหาตรงที่แบคทีเรียไม่ค่อยอยากจะย่อยสลายส่วนที่เป็นวงแหวน (ส่วนที่เป็นโซ่ตรงไม่ค่อยมีปัญหา) และการย่อยสลายกำมะถันยังทำให้เกิดแก๊ส H₂S ที่มีกลิ่นไม่พึงประสงค์

สาร surfactant ที่ไม่มีโครงสร้างวงแหวนเบนซีนในโมเลกุล จะมีข้อดีตรงที่แบคทีเรียสามารถย่อยสลายได้สมบูรณ์มากกว่า และการที่ไม่มี S เป็นองค์ประกอบในโมเลกุลทำให้ไม่เกิดแก๊ส H₂S ในระหว่างการย่อยสลาย ซึ่งเป็นแก๊สที่ทำให้เกิดกลิ่นเหม็น

เท่าที่จำได้งานวิจัยทำนองคล้าย ๆ กันนี้ดูเหมือนจะมีอาจารย์ทางสงขลานครินทร์ทำวิจัยเรื่องการเปลี่ยนน้ำมันพืชให้กลายเป็น surfactant เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร คือแทนที่จะนำน้ำมันพื้นมาทำเป็นไบโอดีเซลด้วยการแยกโมเลกุลกรดไขมันออกจนหมดจนได้เป็นเมทิลเอสเทอร์กับกลีเซอรีน ก็ทำการแยกโมเลกุลกรดไขมันออกจากโมเลกุลกลีเซอรีนเพียง ๑ หรือ ๒ โมเลกุลเท่านั้น ตำแหน่งหมู่เอสเทอร์ที่ถูกแยกโมเลกุลกรดไขมันออกมาก็จะกลายเป็นหมู่ -OH ที่มีขั้ว ในขณะที่ส่วนของกรดไขมันที่ไม่ถูกแยกออกมาก็ยังคงเป็นส่วนที่ไม่มีขั้ว ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นสามารถทำหน้าที่เป็นตัวประสานระหว่างเฟสมีขั้วและเฟสไม่มีขั้วได้

๒. Acetone-Butanol-Ethanol

กระบวนการหมักนั้นแม้ว่าจะใช้สารอาหารเดียวกัน แต่ถ้าเปลี่ยนชนิดเชื้อที่ใช้ในการหมักก็สามารถทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันออกไปได้

การหมักแป้งให้กลายเป็นสารผสมระหว่าง acetone, 1-butanol และ ethanol เป็นที่รู้จักกันมานานตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ ๒๐ มีการพัฒนาอย่างเป็นล่ำเป็นสันในอังกฤษในช่วงสงครามโลกครั้งที่ ๑ (ตอนแรกเรียก Great War แล้วค่อยมาเรียกเป็น World War I กันภายหลัง) เพื่อผลิต acetone ไปใช้ในอุตสาหกรรมผลิต cordite ของกองทัพอังกฤษ

ดังนั้นแทนที่จะเน้นไปที่การผลิตเอทานอลก็อาจเปลี่ยนแนวทางเป็นการงผลิต 1-butanol (H₃C-CH₂-CH₂-CH₂-OH) แทน และหาทางใช้ประโยขน์จาก 1-butanol ที่เป็นสารโมเลกุลใหญ่

1-butanol เป็นแอลกอฮอล์ปฐมภูมิ (primary alcohol) คือพวกที่มีหมู่ -OH อยู่ที่ปลายโซ่ การผลิตแอลกอฮอลประเภทนี้ไม่สามารถทำได้โดยการเติมน้ำไปที่พันธะคู่ C=C ของโมเลกุลโอเลฟินส์ เพราะมันจะได้แอลกอฮอล์ทุติยภูมิ (secondary alcohol) เสมอ ถ้าอยากรู้ว่าทำไปเป็นเช่นนั้นก็ลองไปอ่านเรื่อง Markovnikov's rule เอาเองก็แล้วกัน

ถ้าเรานำ 1-butanol ไปดึงไฮโดรเจนออกตรงหมู่ C-OH (หรือออกซิไดซ์แบบเบา ๆ ไม่แรงนัก) เราก็จะได้สารประกอบอัลดีไฮด์ butanal (H₃C-CH₂-CH₂-COH) แต่ถ้าออกซิไดซ์แรงขึ้นไปอีกก็จะกลายเป็นกรดอินทรีย์ butyric acid (H₃C-CH₂-CH₂-COOH)

แต่ถ้าเรานำ 1-butanol ไปทำปฏิกิริยา dehydration ก็จะได้ 1-butene (H₃C-CH₂-CH=CH₂) หรือ dibutyl ether (H₉C₄-O-C₄H₉) ที่เป็นสารประกอบอีเทอร์ที่มีจุดเดือดสูงตัวหนึ่ง (จุดเดือด 142.4ºC) และละลายน้ำได้น้อย

ปัจจุบันมีงานวิจัยที่หาทางนำ CH₄ มาใช้ประโยชน์เป็นเชื้อเพลิงให้กับเครื่องยนต์ดีเซล สิ่งที่ทำกันอยู่ในปัจจุบันคือใช้ระบบเชื้อเพลิงผสมระหว่าง CH₄ กับน้ำมันดีเซล (ใช้น้ำมันดีเซลเป็นตัวจุดระเบิดแล้วค่อยป้อน CH₄ เข้าไปผสม) หรือไม่ก็ทำการดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลให้กลายเป็นเครื่องยนต์แก๊สโซลีน

อีกแนวทางหนึ่งคือทำปฏิกิริยา oxidative coupling ของ CH₄ ให้กลายเป็น dimetyl ether (H₃C-O-CH₃) ซึ่งเป็นสารที่มีเลขซีเทน (cetane no.) ประมาณ 55 ซึ่งอยู่ในระดับน้ำมันดีเซลที่ใช้กันทั่วไป จึงสามารถนำมาผสมกับน้ำมันดีเซลและใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลได้โดยต้องทำการดัดแปลงเครื่องยนต์ดีเซลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

แต่การเปลี่ยนมีเทนเป็น dimethyl ether เพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลผมว่ามันคงไม่น่าจะเหมาะสมเท่าไรนักด้วยเหตุผลต่อไปนี้คือ

(ก) พันธะ C-H ของมีเทนแข็งแรงมาก แข็งแรงกว่าพันธะ C-H หรือพันธะอื่นของสารอินทรีย์ การทำให้พันธะ C-H ของมีเทนแตกออกได้นั้นต้องใช้พลังงานสูงมาก ซึ่งระดับพลังงานดังกล่าวมากพอที่จะทำให้ผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นสลายตัวจนหมดได้ ดังนั้นถ้าต้องการให้เหลือ dimethyl ether ในการทำปฏิกิริยา ก็ต้องทำที่ค่า conversion ต่ำมาก หรือไม่ก็ไปทำปฏิกิริยาบนคอมพิวเตอร์ (ใส่เฉพาะปฏิกิริยาที่เกิด dimethyl ether และอย่าใส่ปฏิกิริยาที่ทำให้ dimetyl ether สลายตัว หรือปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงตัวอื่น)

(ข) dimethyl ether เป็นสารที่มีจุดเดือดต่ำ (-24ºC) ดังนั้นถ้าผสมเข้ากับน้ำมันดีเซลก็จะระเหยออกมาได้ง่าย และยิ่งบ้านเราเป็นเมืองร้อนด้วยคงจะยิ่งไม่เหมาะสมมาก แต่ที่ต่างประเทศเขาศึกษาตัวนี้ก็คงเป็นเพราะอากาศบ้านเขามันหนาว ในฤดูหนาวอุณหภูมิติดลบหลายสิบองศาเซลเซียสต่ำกว่าจุดเดือดของ dimethyl เสียอีก และอาจอาศัยข้อดีของ dimethyl ether ตรงที่มันไม่เกิดเป็นสารประกอบ peroxide ได้ง่ายเหมือนอีเทอร์ตัวอื่น

จุดที่น่าสนใจคือ dibutyl ether มี cetane no. เท่ากับ 100 ซึ่งสูงกว่า dimethyl ether และยังมีจุดเดือดที่สูงกว่า น่าจะใช้ประโยชน์เป็นสารเพิ่มเลขซีเทนให้กับน้ำมันดีเซลได้ โดยที่ไม่เพิ่มความดันไอของน้ำมันดีเซล

แต่ก็ต้องพึงระวังว่า dibutyl ether นั้นสามารถเกิดปฏิกิริยา autoxidation กับออกซิเจนในอากาศกลายเป็นสารประกอบเปอร์ออกไซด์ที่ไม่เสถียรและระเบิดได้ง่าย (ถ้ามีความบริสุทธิ์สูงในปริมาณที่มากพอ) ดังนั้นถ้าจะนำ dibutyl ether มาใช้ผสมเป็นสารเพิ่มเลขซีเทนในน้ำมันดีเซล ก็ต้องพิจารณาด้วยว่าจะหาทางป้องกัน/ลดการเกิดสารประกอบเปอร์ออกไซด์ได้อย่างไรด้วย.

๓. การนำสารละลายจากการหมักไปทำปฏิกิริยาโดยตรง

ปัญหาของการนำผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการหมักไปใช้คือผลิตภัณฑ์ที่ได้จะมีความเข้มข้นต่ำ โดยมีน้ำเป็นส่วนประกอบหลัก การแยกผลิตภัณฑ์ดังกล่าวออกมาเป็นสารบริสุทธิ์แต่ละชนิดก่อน แล้วค่อยนำสารบริสุทธิ์ที่ได้นั้นมาเปลี่ยนเป็นสารอื่น ซึ่งสิ้นเปลืองพลังงานในขั้นตอนการแยกมาก

ทางเลือกที่น่าจะดีกว่าคือการหาทางเปลี่ยนสารผสมที่เป็นสารละลายในน้ำนั้นให้กลายเป็นสารอื่นโดยไม่ต้องทำการแยกสารแต่ละชนิดออกมา ปฏิกิริยาหนึ่งที่น่าจะลองพิจารณาคือปฏิกิริยาการเปลี่ยนแอลกอฮอล์ให้กลายเป็นอีเทอร์

เช่นอาจนำสารละลายที่ได้จากการหมักที่ประกอบด้วย acetone-butanol-ethanol ละลายอยู่และของแข็งต่าง ๆ (สารอาหาร เชื้อที่ใช้หมัก ฯลฯ) ไปกรองแยกของแข็งออกก่อน จากนั้นจึงนำสารละลายที่ได้จากการกรองไปใช้เป็นสารตั้งต้นในการทำปฏิกิริยาโดยไม่จำเป็นต้องทำการแยกสารทั้งสามชนิดออกจากกันก่อน

ในกรณีของสารผสมระหว่าง 1-butanol กับ ethanol นั้น (จากข้อ ๒.) ถ้าทำให้เกิดปฏิกิริยา dehydration เพื่อผลิตอีเทอร์จะมีโอกาสได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นอีเทอร์ 3 ตัวด้วยกันคือ dibutyl ether, diethyl ether และ butyl ethyl ether

ปฏิกิริยาดังกล่าวควรดำเนินในเฟสของเหลว (โดยใช้การเพิ่มความดันเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำเดือด) เพราะการทำให้น้ำที่เป็นของเหลวมีอุณหภูมิสูงขึ้นนั้นใช้พลังงานน้อยกว่าการทำให้น้ำที่เป็นของเหลวกลายเป็นไอน้ำ

dibutyl ether เป็นของเหลวที่เบากว่าน้ำและละลายน้ำได้น้อย ดังนั้นมันควรจะแยกชั้นออกมาจากน้ำได้โดยไม่ต้องไปผ่านกระบวนการกลั่น

แต่ด้วยระบบการทำปฏิกิริยาเดียวกันนี้ ถ้าเราควบคุมอุณหภูมิให้เหมาะสมก็อาจจะทำให้ 1-butanol เปลี่ยนไปเป็น 1-butene และ ethanol เปลี่ยนไปเป็น ethylene โดยไม่ต้องทำการแยกสารทั้งสองตัวออกจากสารละลายในน้ำ เพราะโอเลฟินส์ที่เป็นผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นจะระเหยออกจากน้ำได้เองอยู่แล้ว และระบบนี้ก็อาจจะเหมาะสมที่จะใช้ในการผลิตเอทิลีนจากสารละลายเอทานอลที่ได้จากการหมักโดยตรง (ถ้าต้องการทำ) โดยไม่จำเป็นต้องทำการกลั่นแยกเอทานอลออกมาเป็นสารบริสุทธิ์ หรืออาจทำเพียงแค่กลั่นเพื่อให้ได้ความเข้มข้นสูงขึ้นบ้างเท่านั้นเองก็ได้

ในขณะนี้ในกลุ่มของเราก็พอจะมีประสบการณ์ทำการทดลองในเฟสของเหลว โดยใช้ autoclave ที่มีการความดันเพื่อป้องกันไม่ให้ตัวทำละลาย/สารตั้งต้นเดือดกลายเป็นไอ (ปฏิกิริยา hydroxylation) ถ้าต้องการทำการทดลองที่อุณหภูมิ/ความดันสูงขึ้นไปอีก ก็คงต้องมีการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์กันใหม่ (ปัญหาของตัวปัจจุบันที่มีอยู่ไม่ได้อยู่ที่ความแข็งแรงของโลหะที่ใช้ แต่อยู่ตรงที่ระบบป้องกันการรั่วไหลของสารในระบบ ซึ่งเราใช้ o-ring ที่เป็นยาง ทำให้ทำอุณหภูมิการทดลองถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิสูงสุดที่ o-ring ทนได้

ที่เขียนมาข้างต้นเป็นเพียงความฝันที่ยังไม่รู้ว่าจะมีโอกาสเป็นจริงหรือเปล่า ก็ต้องคอยดูกันต่อไป :)