شیمی سبز - جلسه چهارم

اهداف جلسه:
· آشنایی با مزایا و معایب سوخت های زیستی
· شناخت روش های سنتز سوخت زیستی
· شناخت واکنش های درگیر در سنتز سوخت زیستی

وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
· روغن گیاهی
· ضد یخ
· سود
· مخلوط کن
· ظرف پلاستیکی
· قوطی
· ظرف شیشه ای با درب
· چسب
· دماسنج

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

مقدمه:
سوخت های زیستی منبعی از انرژی تجدیدپذیر است که می تواند از دانه های سویای رشد کرده  و یا از روغن های پخت و پز بازیافت شده از رستوران ها ساخته شود. این به این معنی است که یک منبع تجدیدپذیر بر خلاف سوخت های مبتنی بر نفت می باشد. در ایالات متحده تولید بیش از حد سویا وجود دارد؛ بنابراین سوخت های زیستی یک راه اقتصادی برای استفاده از این مازاد تولید است. سوخت های زیستی کمتر از سوخت های دیزلی آلوده کننده محیط زیست هستند. در مقایسه با سوخت دیزل، سوخت های زیستی دود کمتر (ذرات جامد)، مونوکسید کربن، هیدروکربن های غیر آلی و دی اکسید گوگرد کمتری را تولید می کند.
عدم وجود گوگرد در 100٪ سوخت زیستی منجر به افزایش طول عمر مبدل های کاتالیزوری می گردد. سوخت زیستی را می توان در ترکیب با نفت گرمایشی برای گرمایش ساختمان های مسکونی و صنعتی استفاده کرد. این می تواند وابستگی به نفت گرمایشی غیر قابل تجدید را به طور فزاینده ای کاهش دهد. سوخت زیستی تمیز می سوزد و از مواد شیمیایی غیر سمی ساخته شده است، به همین علت، بر خلاف سوخت های معمولی، گازهای سمی تولید نمی کند.

بیوفیل های نسل اول
بیوفیل های «نسل اول» یا سنتی، بیوفیل های ساخته شده از قند، نشاسته، و روغن گیاهی می باشند.

بیو الکل ها
الکل هایی که به طور بیولوژیک ایجاد می گردند، اغلب اتانول و کمتر پروپانول و بوتانول، با عمل میکرو ارگانیسم ها و آنزیم ها، از راه تخمیر قندها، نشاسته (آسان ترین راه) یا سلولز (که دشوار است) تولید می شوند. بیوبوتانول (که همچین بیوبنزین {بیوگازولین} نام دارد) اغلب ادعا می شود که جایگزین مستقیمی برای بنزین است، زیرا می تواند مستقیماً در یک موتور بنزینی به کار رود ( همچنان که بیودیزل در موتورهای دیزلی استفاده می شود). سوخت اتانول شایع ترین سوخت زیستی در جهان، به ویژه در برزیل است. سوخت های الکلی با تخمیر قندهای  مشتق شده از گندم، ذرت، چغندر قند، نیشکر، ملاس، و هر قند یا نشاسته ای که نوشیدنی های الکلی را می توان از آنها ساخت (مانند سیب زمینی و ضایعات میوه) به دست می آیند. تولید اتانول با استفاده از هضم آنزیمی (جهت آزاد سازی قندها از نشاسته های ذخیره ای)، تخمیر قندها، تقطیر و خشک کردن انجام می شود. فرآیند تقطیر نیازمند انرژی قابل ملاحظه ای برای حرارت دادن است.
اتانول می تواند در موتور های بنزینی به عنوان جایگزینی برای بنزین استفاده شود، می توان آن را در هر درصدی با بنزین مخلوط کرد. اتانول نسبت به بنزین انرژی کمتری دارد؛ این واقعیت به مفهوم آن است که برای تولید همان مقدار کار، اتانول بیشتری صرف می شود. مزیت اتانول، اکتان بالاتر آن نسبت به بنزین عاری از اتانولِ در دسترس در پمپ بنزین های کنار جاده ای می باشد. در موقعیت های مرتفع تر (که هوا رقیق تر است)، گاه در برخی کشورها مخلوطی از بنزین و اتانول به عنوان یک اکسید کننده زمستانی برای کاهش برون فرست آلودگی به جو استفاده می شود.
اتانول همچنین به عنوان سوخت شومینه های بیواتانول به کار می رود. از آنجایی که این شومینه ها به دودکش نیاز نداشته و «فاقد دودکش» اند، برای خانه ها و آپارتمان های بدون دودکش جدید سودمند هستند. نقص چنین شومینه هایی در آن است که حرارت خروجی تا اندازه ای کمتر از بخاری های برقی یا گازی می باشد.
متانول، که در حال حاضر از گاز طبیعی تولید می شود، یک سوخت فسیلی غیر قابل تجدید است. این سوخت را همچنین می توان از بیوماس به عنوان بیومتانول تولید نمود.
بوتانول از تخمیر ABE  ( استون، بوتانول، اتانول) ساخته می شود. بوتانول نسبت به اتانول انرژی بیشتری را تولید می کند و ادعا می شود که می تواند «مستقیماً» در موتور های بنزینی ( بدون ایجاد تغییر در موتور یا ماشین) بسوزد.

بیودیزل
بیودیزل (بیوگازوئیل) رایج ترین سوخت زیستی در اروپا است. این سوخت زیستی با استفاده از ترانس استریفیکاسیون، از روغن ها و چربی ها تولید می گردد. از لحاظ شیمیایی، بیودیزل عمدتاً مشتمل بر استرهای اسید چرب متیل (یا اتیل) است. سوبسترای بیودیزل شامل چربی های حیوانی،  روغن های گیاهی، سویا، دانه های کُلزا، جاتروفا (یک گیاه گرمسیری در آمریکا)، ماهوآ (یک درخت گرمسیری در هند)، خردل، برزک، آفتاب گردان، روغن نخل، کنف، پوگامیا پیناتا (چنار هندی)، علف های کشتزار در نواحی معتدل، سالیکورنیا (گیاهان تیره اسفناج)، و جلبک هستند. بیودیزل خالص (B100) سوختی گازوئیلی با کمترین برون فرست است. هنگامی که بیودیزل با دیزل معدنی مخلوط شود، می توان آن را برای هر موتور دیزلی به کار برد. در بعضی از کشورها، کارخانه ها موتورهای دیزلی خود را برای استفاده B100 پوشش گارانتی می دهند. در بسیاری از کشورهای اروپایی، مخلوط 5 درصد بیودیزل به طور وسیع استفاده می شود، و در هزاران پمپ بنزین در دسترس می باشد.
در آمریکا، بیش از 80 درصد از کامیون های تجاری و اتوبوس های شهری دیزلی اند. برآورد می شود بازار نوظهور بیودیزل در آمریکا، از سال 2004 تا 2005، 200 درصد رشد داشته است.

گرین دیزل
گِرین دیزل ( گازوئیل سبز)، که همچنین به عنوان دیزل تجدید پذیر شناخته می شود، شکلی از سوخت گازوئیلی است که در آن به جای سوبسترای مورد استفاده در اکثر سوخت های گازوئیلی، سوبسترای تجدید پذیر مورد استفاده قرار می گیرد. سوبسترای گرین دیزل می تواند انواعی از روغن ها، از جمله از جلبک، جاتروفا، سالیکورنیا، و چربی گوشت باشد.

روغن گیاهی
روغن گیاهی خوراکی تغییر داده نشده، معمولاً به طور مستقیم به عنوان سوخت استفاده نمی شود، اما روغن با کیفیت پایین تر را می توان برای این مقصود استفاده کرد. روغن های گیاهی عمدتاً به بیودیزل فرآوری می گردند.

بیواترها
بیواترها ترکیباتی مقرون به صرفه اند که به عنوان افزایش دهنده های درجه اکتان عمل می کنند. آنها همچنین برکارآیی موتور می افزایند، در حالی که به طور معنی دار از فرسودگی موتور و برون فرست مواد سمی از اگزوز می کاهند.

بیوگاز
بیوگاز، متان تولید شده به واسطه فرآیند هضم بی هوازی ماده آلی توسط بی هوازی ها است.
بیوگاز را می توان از سیستم های فرآوری مکانیکی مواد زائد برداشت نمود. کشاورزان می توانند بیوگاز را با استفاده از یک هضم کننده بی هوازی، از کود گاوها به دست آورند.

سینگاز
سینگاز، مخلوطی از مونوکسید کربن، هیدروژن و دیگر هیدروکربن ها است که با سوختن نسبی بیوماس تولید می شود (سوختن با مقداری از اکسیژن که برای تبدیل کامل بیوماس به دی اکسید کربن و آب کافی نیست). قبل از سوختن نسبی، بیوماس خشک گردیده، و گاه پایرولیز (تجزیه حرارتی) می شود. مخلوط گازی حاصله، سینگاز، نسبت به سوختن مستقیم بیوفیل های اولیه کاراتر بوده، بیشتر انرژی موجود در سوخت استفاده می شود. سینگاز ممکن است مستقیماً در موتورها، توربین ها، یا پیل های سوختی با دمای بالا بسوزد (به عنوان سوخت مصرف شود).
سینگاز می تواند برای تولید متانول، دی میتل اتر (DME) و هیدروژن مورد استفاده قرار گیرد، یا برای تولید یک جایگزین دیزل، یا مخلوطی از الکل ها که می توانند با بنزین ترکیب شوند، به کار رود.

سوخت زیستی های جامد
مثال ها عبارتند از: چوب، خاک اره، بخش های بریده شده و زائد چمن، زباله های خانگی، زغال چوب، ضایعات کشاورزی، محصولات گیاهی غیر خوراکی، و کود خشک شده. یکی از مزایای سوخت های بیوماس جامد آن است که چنین سوخت هایی اغلب محصول فرعی، محصول باقیمانده یا زائد فرآیندهای دیگر، نظیر کشاورزی، دامپروری، و جنگل داری هستند. از لحاظ نظری، این بدان مفهوم است که هیچ رقابتی بین سوخت و تولید غذا وجود ندارد، اگرچه این موضوع همواره صدق نمی کند.
یک مسأله در رابطه با سوختن بیوماس خام آن است که مقادیر قابل ملاحظه ای از آلاینده ها، نظیر ذرات بسیار ریز و PAH ها (پلی سایکلیک آروماتیک هیدروکربن ها یا هیدروکربن های معطر چند حلقه ای) در محیط پخش می شوند. هرچند، مطالعات متعددی نشان داده اند که سوخت های بیوماس نسبت به سوخت های فسیلی، به طور معنی داری اثرات کمتری بر روی محیط زیست می گذارند.
یک مشتق از سوخت زیستی جامد، بیوچار (بیوزغال) است، که به واسطه تجزیه حرارتی بیوماس تولید می شود. بیوچار ایجاد شده از ضایعات کشاورزی می تواند جانشینی برای چارکول (زغال چوب) باشد. برای مثال، در جمهوری دمکراتیک کنگو، زغال قالبی بیوماس به عنوان جایگزینی برای زغال چوب، به منظور جلوگیری از تخریب پارک ملی ویرونگا، به فروش می رسد.

سوخت زیستی های نسل دوم
 سوخت زیستی های نسل دوم، سوخت زیستی های تولید شده از ماده خام پایدار ( ادامه دادنی) هستند. پایداری یک ماده خام در بین سایرین، با در دسترس بودن آن ماده خام، تأثیر بر روی برون فرست های GHG ( گاز گلخانه ای= greenhouse gas)، و تأثیر بر روی تنوع زیستی و استفاده از زمین تعریف می شود.
تعداد زیادی سوخت زیستی نسل دوم تحت توسعه می باشند، نظیر: سلولزیک اتانول (اتانول سلولزی)، آلجی فیول(سوخت جلبکی)، بیوهیدروژن، بیومتانول، DMT( 2،5- دی متیل فلوران)، بیوDME(بیودی متیل اتر)، Fischer-Tropsch دیزل، بیوهیدروژن دیزل، الکل های مخلوط (میکسد الکل) و وود دیزل (دیزل چوب).
در تولید سلولزیک اتانول، گیاهان غیر خوراکی یا محصولات زائد استفاده می شود. لینگو سلولز ماده ی ساختاری «چوبی» گیاهان است. این ماده خام به وفور و به تنوع وجود دارد.
تولید اتانول از سلولز تکنیکی دشوار می باشد. در طبیعت، حیواناتی اهلی نشخوار کننده (مانند گاو) علف ها را می خورند و سپس با استفاده از فرآیند های آهسته هضم آنزیمی، آن را به گلوکز (قند) می شکنند. فرآیندهای آزمایشگاهی مختلفی توسعه پیدا کرده اند که کاری مشابه را انجام می دهند، و سپس قندهای آزاد شده می توانند برای ایجاد سوخت اتانول تخمیر گردند. در سال 2009، دانشمندان با بهره گیری از «بیولوژی مصنوعی»، 15 آنزیم قارچی جدید و بسیار مقاوم را گزارش دادند که به طور مؤثر سلولز را در دمای بالا به قندها می شکستند، که این تعداد افزون بر 10 آنزیمی بود که پیشتر شناخته شده بودند.
کشف اخیر در خصوص قارچ گلیوکلادیوم روزِئوم دانشمندان را به سمت سوختی از سلولز هدایت کرد که اصطلاحاً مایکودیزل نام دارد. این ارگانیسم (که اخیراً در جنگل های استوایی کشف شده است) توانایی منحصر به فردی در تبدیل سلولز به هیدروکربن هایی با طول متوسط دارد، که در سوخت دیزل یافت می شوند.
دانشمندان همچنین بر روی ارگانیسم های مهندسی شده حاوی DNA نو ترکیب کار کرده اند که می توانند تولید سوخت زیستی را افزایش دهند.
دانشمندان با استفاده از کشت همزمان شیوانلا و سینچوکوکوس، هیدروکربن هایی زنجیره بلند را مستقیماً از آب، دی اکسید کربن و نور خورشید تولید کرده اند.

سوخت زیستی ها بر اساس ناحیه
سازمان های بین المللی به وجود آمده اند که هدف آنها افزایش همکاری و تبادل اطلاعات میان کشورهایی است که دارای برنامه هایی ملی در تحقیقات، توسعه و به کارگیری بیو انرژی هستند.
انجمن بین المللی سوخت های زیستی (سوخت زیستی ها) متشکل از برزیل، چین، هند، آفریقای جنوبی، آمریکا، و کمیسیون اروپا می باشند.
پیشگامان توسعه و استفاده از سوخت زیستی در جهان عبارتند از: برزیل، آمریکا، فرانسه، سوئد و آلمان. روسیه نیز با در اختیار داشتن 22 درصد از جنگل های جهان، یک تأمین کننده بزرگ بیوماس (سوخت زیستی های جامد) است.
سوخت زیستی ها در حال حاضر 1/3 درصد از کل سوخت حمل و نقل جاده ای در انگلیس یا 1440 میلیون لیتر را تشکیل می دهند. در سال 2020، 10 درصد از انرژی مورد استفاده در حمل و نقل جاده ای و ریلی در انگلیس قرار است از منابع تجدید پذیر فراهم آیند.

موضوعات مرتبط با تولید و مصرف سوخت زیستی
در ارتباط با تولید و مصرف سوخت زیستی، موضوعات گوناگون اجتماعی، اقتصادی، محیطی و فنی وجود دارد، که رسانه های عمومی و نشریات علمی به بحث در مورد آنها می پردازند. این موضوعات عبارتند از: تأثیر قیمت های متعادل نفت، گفتمان «غذا در برابر سوخت»، سطوح برون فرست کربن، تولید سوخت زیستی پایدار، جنگل زدایی و فرسایش خاک، از دست رفتن تنوع زیستی، تأثیر بر روی منابع آب، به علاوه توازن و بازده انرژی.
هر چند، در حال حاضر، در رابطه با تولید و مصرف سوخت زیستی موضوعات متعددی مطرح است، با توسعه محصولات کشاورزی جدید برای سوخت زیستی و توسعه سوخت زیستی های نسل دوم، کوشش می شود تا این موضوعات دور زده شوند.
بسیاری از دانشمندان و محققان در حال کار بر روی محصولات گیاهی ای برای سوخت زیستی هستند که نسبت به محصولات فعلی برای سوخت زیستی، به زمین و منابع کمتری (همچون آب) نیاز دارند. برای مثال، جلبک منبعی برای سوخت زیستی ها به شمار می رود و برای آن می توان از زمین بی حاصل و فاضلاب صنایع مختلف استفاده کرد.
جلبک قادر به رشد در فاضلاب می باشد، که این موضوع عدم تأثیر آن بر زمین و  آب شیرین لازم برای تولید محصولات غذایی و محصولات سوختی فعلی را به دنبال دارد. وانگهی، جلبک بخشی از زنجیره غذایی انسان محسوب نگردیده، و از این رو، منابع غذایی انسان ها را مورد مصرف قرار نمی دهد.

روش کار
1. 200 میلی لیتر از ضد یخ را اندازه گیری کنید و داخل ظرف شیشه ای بریزید.
2. سود را اضافه کنید تا ضد یخ جذب شود.
3. درب ظرف را ببندید و به خوبی تکان دهید تا مخلوط شوند. بدنه ظرف گرم می شود. ماده تولید شده سدیم متوکسید است.
4. 1 لیتر از روغن گیاهی را با سدیم متوکسید مخلوط کند. برای مدت 20 دقیقه را همزن به هم بزنید.
5. مخلوط را داخل یک بطری بریزید و 8 ساعت صبر کنید تا محصول جانبی آن که گلیسیرین است از سوخت زیستی جدا شود. گلیسیرین به صورت جامد در ته ظرف جمع می شود.
6. سوخت زیستی را جدا کرده و داخل بطری شیشه ای بریزید.
7. یک سوراخ کوچک در گوشه ی بطری پلاستیکی ایجاد کنید و آنرا با چسب زخم بپوشانید.
8. سوخت زیستی را با ریختن آن داخل بطری شستشو دهید و نیم لیتر آب به آن اضافه کنید. اکنون بطری را تکان دهید تا به خوبی مخلوط شوند و بعد چسب را بردارید و اب را تخلیه کنید.
9. آنقدر شستشو را انجام دهید تا سوختی شفاف به دست آید گاهی نیاز است تا اینکار را طی یک هفته تکرار کنید. سوخت زیستی را داخل ظرف شیشه ای نگه دارید.




سوالات:
1. فرمول واکنش تهیه سوخت زیستی را بنویسید.
2. یه مورد ضد یخ را مثال بزنید که در این آزمایش قابل استفاده است.

 


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