شیمی سبز - جلسه دوم

عنوان:
شیمی سوخت های زیستی

اهداف جلسه:
· آشنایی با سوخت های زیستی
· آشنایی با انواع سوخت زیستی

وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· عینک ایمنی
· ترازو
· 2 عدد بشر 100 میلی لیتری
· 1 عدد استوانه مدرج
· 5 عدد پیپت
· آب مقطر
· 100 سی سی روغن سرخ کردنی گیاهی
· 15 سی سی متانول
1 سی سی محلول هیدروکسید پتاسیم 50 درصد

نکات ایمنی:
· محلول هیدروکسید پتاسیم خورنده است.
· متانول ماده ای آتش گیر و بسیار سمی است.

مقدمه:
شیمی سبز شاخه ای علم شیمی است که اهداف خود را معطوف به توسعه فرایندها و تولیداتی کرده است که مواد مضر محیط زیست را حذف یا کاهش می دهند. یکی از اهداف شیمی سبز جلوگیری از تولید آلاینده ها به جای تصفیه و حذف آن ها بعد از تولید است. با توجه به اصل منابع تجدیدپذیر در شیمی سبز، بحث سوخت های زیستی مطرح می شود.

سوخت های زیستی
سوخت های زیستی نوعی از سوخت سازگار با محیط زیست می باشد که، جایگزین سوخت های دیزلی از منابع تجدیدپذیر خانگی یا محلی مانند روغن های گیاهی (روغن خوراکی یا غیر خوراکی) و چربی های حیوانی تهیه می شود. این روغن و چربی های طبیعی عمدتا از تری گلیسیرید تشکیل می شود. این تری گلیسیرید ها با شباهت خود به نفت، به نام سوخت های زیستی معروف شده اند.
در کشور هند، در زمینه ی تولید روغن های خوراکی کمبود وجود دارد، از اینرو روغن های غیر خوراکی انتخابی مناسب برای تولید سوخت های زیستی هستند. سوخت زیستی توسط ترانس-اکسیداسیون روغن حاصل از گیاه تولید می شود.


سنتز سوخت زیستی
سوخت زیستی مخلوطی از متیل استرهای اسیدهای چرب (اسیدهای کربوکسیلیک زنجیره ای) است. خواص آن مشابه با سوخت حاصل از نفت خام است که برای سوخت بسیاری از وسایل نقلیه استفاده می شود. این سوخت می تواند به راحتی از روغن پخت و پز سبزیجات حاوی ترکیبات اسید های چرب ساخته شود. در این فعالیت می توان سوخت کافی برای سوختن را ایجاد کرد، اگر چه به اندازه کافی خالص نیست که به عنوان سوخت در یک ماشین یا کامیون استفاده شود. روش سنتز یک واکنش شیمیایی ساده است که تولید کننده سوخت زیستی و پروپان 1،2،3-ترئول (گلیسرول) است. روغن پخت و پز با متانول مخلوط شده و هیدروکسید پتاسیم به عنوان یک کاتالیزور اضافه می شود. این محصولات به دو لایه تقسیم می شوند و سوخت زیستی در بالای آن قرار دارد. سوخت زیستی جدا شده و شسته شده و سپس آماده آزمایش های بعدی می شود.

انواع سوخت زیستی:
در‌حال‌حاضر سوخت زیستی از گیاهان و همچنین میکروب تولید می‌شود. روغن، کربوهیدرات یا چربی تولید شده توسط میکروب‌ها یا گیاهان برای تولید سوخت‌های زیستی تصفیه می‌شود. این انرژی، سبز و تجدید‌پذیر است که به حفظ سوخت فسیلی کمک می‌کند.
سوخت‌های زیستی از طیف گسترده‌ای از منابع به دست می‌آید و می‌توان آن را تقریبا به چهار دسته یا نسل تقسیم‌بندی کرد:
نسل اول سوخت‌های زیستی از قند‌ها، نشاسته، روغن، و چربی‌های حیوانی هستند که با استفاده از فرآیند‌ها یا فناوری‌هایی که در حال حاضر شناخته شده، ساخته شده‌اند. این سوخت‌ها شامل بیو دیزل، بیو الکل، اتانول و بیو گاز‌ها، مانند متان گرفته شده از تجزیه زباله‌های دفن شده است.
نسل دوم سوخت‌های زیستی از محصولات غیر‌غذایی یا ضایعات کشاورزی، به ویژه زیست توده لیگنو- سلولزی مانند بید یا تراشه‌های چوب ساخته شده است.
نسل سوم سوخت‌های زیستی از جلبک یا دیگر منابع زیست توده ساخته شده است.
نسل چهارم سوخت‌های زیستی از گیاهان مهندسی شده یا زیست توده که ممکن است عملکرد انرژی بیشتر یا موانع کمتر به شکست سلولزی دارند یا قادر به رشد در زمین‌های غیر کشاورزی یا آب هستند، ساخته شده است. 

مزایای سوخت‌های زیستی:
قیمت: هزینه سوخت‌های زیستی در مقایسه با بنزین و سایر سوخت‌های فسیلی کمتر است.
مواد اولیه: در حالی که نفت منبع محدودی است و از مواد مشخصی به دست می‌آید ولی سوخت‌های زیستی از گستره ی وسیعی از مواد مانند محصولات زائد، کود و دیگر مواد فرعی به دست می‌آیند. این یک گام موثر در بازیافت مواد است.
تجدید پذیری: تولید سوخت‌های فسیلی زمان بر است اما سوخت‌های فسیلی با تولید محصولات و جمع آوری زباله‌ها قابل تولید است.
امنیت: تولید سوخت‌های زیستی را می‌توان به صورت محلی تولید کرد که باعث کاهش وابستگی به کشورهای خارجی می‌شود. با کاهش وابستگی به منابع سوخت خارجی، کشور‌ها می‌توانند استفاده از منابع انرژی خود را حفظ و آن‌ها را از تأثیرات خارجی امن سازند.
تحریک اقتصادی: از آنجا که سوخت‌های زیستی به صورت محلی تولید می‌شوند، کارخانه‌های تولیدی سوخت‌های زیستی می‌توانند صد‌ها یا هزاران نفر از کارگران را استخدام کرده و فرصت‌های شغلی جدید در مناطق روستایی ایجاد کنند.
کاهش نشر کربن: هنگامی که سوخت‌های زیستی سوزانده می‌شوند مقدار کمتری کربن و سموم تولید کرده و جایگزین امن تری برای حفظ کیفیت جوی و آلودگی هوای پایین‌تر خواهد بود. 

معایب استفاده از سوخت‌های زیستی:
با وجود بسیاری از ویژگی های مثبت سوخت‌های زیستی، همچنین معایب بسیاری در مورد این انرژی وجود دارد.
خروجی انرژی: سوخت‌های زیستی خروجی انرژی پایین تری از سوخت‌های سنتی دارد و در نتیجه برای تولید‌‌ همان مقدار انرژی، باید منابع انرژی بیشتری مصرف شود.
تولید انتشار کربن: مطالعات متعددی به تجزیه و تحلیل کربن از سوخت‌های زیستی انجام شده است، و در حالی که آن‌ها ممکن است برای سوزاندن پاک باشند، دلایل قوی وجود دارد که روند تولید سوخت از جمله ماشین آلات لازم برای کشت محصولات زراعی و گیاهان، دارای انتشار کربن سنگین است.
هزینه بالا: برای تصحیح و تصفیهٔ سوخت‌های زیستی به خروجی انرژی کارآمد‌تر، و برای ساخت کارخانه‌های تولیدی لازم برای افزایش مقدار سوخت‌های زیستی، سرمایه گذاری اولیه بالایی مورد نیاز است.
کمبود مواد غذایی: نگرانی‌هایی وجود دارد که استفادهٔ بیش از حد از گندم زار برای کشت محصولات سوخت می‌تواند بر هزینه‌های مواد غذایی تاثیر داشته باشد و احتمالا می‌تواند به کمبود مواد غذایی منجر شود.
مصرف آب: مقدار زیاد آب برای آبیاری مناسب محصولات سوخت‌های زیستی و هم چنین برای تولید سوخت نیاز است، که می‌تواند منابع آب محلی و منطقه‌ای را تهدید کند.

روش کار
1. 100 سی سی روغن گیاهی را وزن کنید.
2. 15 سی سی متانول به آن اضافه کنید.
3. به آرامی 1 سی سی محلول پتاسیم هیدروکسید را به آن اضافه کنید.
4. مخلوط را به مدت ده دقیقه به هم بزنید.
5. اجازه دهید دو لایه مخلوط از هم جدا شده و لایه بالایی را جدا کنید. این لایه سوخت زیستی ناخالص است.
6. لایه جدا شده را با 10 سی سی اب مقطر مخلوط و به شدت تکان دهید و دوباره اجازه دهید تا دو لایه تشکیل شود.
لایه بالایی را با استفاده از یک پیپت تمیز جدا کنید.
مقدار سوخت زیستی به دست آمده را توزین کنید.

سوالات
 1. دلیل استفاده از آب در مرحله ششم سنتز چیست؟
2. وزن سوخت زیستی به دست آمده با وزن روغن اولیه چه تفاوتی دارد؟


بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
تنظیم: زینب شاه مرادی