การปรับปรุงคุณภาพน้ำมันไพโรไลซิสจากถั่วเหลืองโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะบนแกมมาอะลูมินา

Abstract

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการปรับปรุงคุณภาพน้ำมันไพโรไลซิสจากถั่วเหลืองผ่านปฏิกิริยาไฮโดรดีออกซิจิเนชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะบนแกมมาอะลูมินา น้ำมันไพโรไลซิสถูกผลิตจากการคาร์บอไนเซชันถั่วเหลืองที่อุณหภูมิ 450 องศาเซลเซียส น้ำมันที่ได้ประกอบไปด้วยสองวัฏภาค ได้แก่ วัฏภาคน้ำ และวัฏภาคอินทรีย์ เฉพาะน้ำมันไพโรไลซิสวัฏภาคอินทรีย์ที่ถูกเลือกน้ำมาใช้ในงานวิจัยนี้เนื่องจากมีร้อยละผลได้ที่สูงกว่าและมีคุณสมบัติที่ดีกว่าวัฏภาคน้ำ แต่อย่างไรก็ตามน้ำมันไพโรไลซิสวัฏภาคอินทรีย์ยังคงมีค่าความร้อนสูงที่ค่อนข้างต้ำเพราะมีปริมาณออกซิเจนในน้ำมันเป็นจำนวนมาก ดังนั้นการกำจัดสารที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบในน้ำมันไพโรไลซิสจากชีวมวลก่อนน้ำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงจึงเป็นสิ่งจำเป็น ปฏิกิริยาไฮโดรดีออกซิจิเนชันเป็นเทคนิคหนึ่งที่น่าสนใจสำหรับใช้กำจัดออกซิเจนในน้ำมันไพโรไลซิส ในงานวิจัยนี้ปฏิกิริยาไฮโดรดีออกซิจิเนชันถูกดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์ความดันสูงภายใต้ความดันไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 300 องศาเซลเซียส ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้สำหรับปฏิกิริยานี้ คือ Ni/Al2O3 Co/Al2O3 และ Ni-Co/Al2O3 ซึ่งเตรียมด้วยวิธีเอิบชุบ ศึกษาปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่อการปรับปรุงคุณภาพน้ำมันไพโรไลซิส ได้แก่ ชนิดและปริมาณของโลหะที่เติมลงบนอะลูมินา อัตราส่วนโลหะนิกเกิลต่อโคบอลต์ ปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา และเวลาในการทำปฏิกิริยา เครื่องวิเคราะห์ CNHS/O ถูกน้ำมาใช้สำหรับวัดปริมาณคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนในน้ำมัน ไพโรไลซิส ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อค่าความร้อนสูงของน้ำมัน เมื่อเปรียบเทียบกับน้ำมันไพโรไลซิสก่อนการปรับปรุงพบว่าน้ำมันไพโรไลซิสหลังผ่านปฏิกิริยาไฮโดรดีออกซิจิเนชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา ทุกชนิดมีคุณภาพดีขึ้นโดยมีปริมาณออกซิเจนลดลงและมีปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยา นิกเกิลบนแกมมาอะลูมินามีประสิทธิภาพที่ดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาโคบอลต์บนแกมมาอะลูมินา สำหรับการปรับปรุงค่าความร้อนสูงของน้ำมันไพโรไลซิส ตัวเร่งปฏิกิริยาหนึ่งเปอร์เซ็นต์นิกเกิลบน อะลูมินาผลิตน้ำมันไพโรไลซิสที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำที่สุดส่งผลให้มีค่าความร้อนสูงของน้ำมันมากที่สุดถึง 37.27 เมกะจูล/กิโลกรัม นอกจากนี้การเพิ่มปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถลดปริมาณของออกซิเจนในน้ำมันไพโรไลซิสได้มากขึ้น ดังนั้น งานวิจัยนี้ได้นำเสนอผลการทดลองที่น่าสนใจเกี่ยวกับการลดปริมาณออกซิเจนและการเพิ่มปริมาณคาร์บอนในน้ำมันไพโรไลซิสจากถั่วเหลืองผ่านปฏิกิริยาไฮโดรดีออกซิจิเนชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะบนแกมมาอะลูมินา ซึ่งสามารถใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาการผลิตน้ำมันไพโรไลซิสจากชีวมวลที่มีคุณภาพสูงต่อไป

This research aims to upgrade the pyrolysis oil from the soybean through the hydrodeoxygenation using 𝛾-alumina-supported metal catalysts. The pyrolysis oil was produced by the carbonization of soybean at 450 ˚C. The obtained oil consisted of two liquid phases: aqueous phase and organic phase. Only the organic phase of the pyrolysis oil was selected in this study because it had a higher yield and better properties. However, its higher heating value was still low as it contained plenty of oxygen content. Thus, the removal of oxygenated compounds in biomass-derived pyrolysis oil before using as fuel was necessary. The hydrodeoxygenation is one of the attractive upgrading techniques to remove oxygen presenting in the pyrolysis oil. In this study, the hydrodeoxygenation was carried out in an autoclave under pressure of hydrogen at 300 ˚C. The catalysts used in this reaction were Ni/Al2O3, Co/Al2O3 and Ni-Co/Al2O3 prepared by an incipient wetness impregnation method. Various factors affecting the pyrolysis oil upgrading were investigated, e.g. type and quantity of metal doping on alumina, ratio of nickel and cobalt metal, amount of catalyst, and reaction time. The CNHS/O analyzer was used to characterize carbon, hydrogen, and oxygen content in pyrolysis oil, which strongly influenced its higher heating value. The pyrolysis oil after hydrodeoxygenation with all catalysts had a high quality with lower oxygen and higher carbon contents when compared to the oil before upgrading. The 𝛾-alumina-supported nickel catalyst showed greater efficiency than the 𝛾-alumina-supported cobalt catalyst for the improvement of high heating value of the pyrolysis oil. The catalyst having one percent of nickel on alumina produced the pyrolysis oil with the lowest oxygen content resulting in the highest heating value of 37.27 MJ/kg. Moreover, increasing the amount of catalyst could reduce more oxygen content in the pyrolysis oil. Therefore, this study presents interesting results involving the reduction of oxygen content and the enhancement of carbon content in the pyrolysis oil from soybean through the hydrodeoxygenation using 𝛾-alumina-supported metal catalysts, which can be a further development guideline for producing high quality of biomass-derived pyrolysis oil.