ลิกนินวัสดุทางเลือกใหม่ของเชื้อเพลิงชีวภาพ

         
          ทุกคนก็คงทราบกันดีแล้วว่า พลังงานทางเลือกนั้นได้ถูกคิดค้นเพื่อมาทดแทนการใช้ทรัพยากรในธรรมชาติเพื่อใช้ในการอุปโภคและบริโภคต่างๆมากมาย ไม่ว่าจะเป็นการผลิตกระแสไฟฟ้า ยานพาหนะ เพื่ออำนวยความสะดวกต่อมนุษย์อย่างเรามากมายหลายรูปแบบด้วยกัน ยกตัวอย่างเช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานน้ำ ทั้งสามพลังงานทางเลือกนี้เป็นพลังงานทางเลือกที่เราคุ้นหูกันเป็นอย่างมาก เพื่อใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าใน ครัวเรือน ในเขื่อนกักเก็บน้ำ และอื่นๆอีกมากมาย และยังมีพลังงานทางเลือกจากธรรมชาติในอีกรูปแบบนึงที่เราขาดไม่ได้เลย ก็คือ พลังงานชีวมวลใช้ในยานหานะ ที่มนุษย์เรานั้นได้คิดค้นก็เป็นพลังงานเชื้อเพลิงทางเลือกอีกชนิดนึง เพื่อมาทดแทนการใช้น้ำมัน ยกตัวอย่างเช่น ไบโอเอทานอล และ เอทานอล ที่ผลิตมาจากพืชในเกษตรกรรม ก่อนอื่นเราจะมาเรียนรู้ไปพร้อมกันว่า อะไรคือ พลังงานชีวมวล หรือที่ภาษาอังกฤษเรียกว่า biomass เป็นสารอินทรีย์ที่เป็นแหล่งกักเก็บพลังงานจากธรรมชาติและสามารถนำไปผลิตเป็นพลังงานได้ โดยที่สารอินทรีย์เหล่านี้ล้วนมาจากพืชและสัตว์ เช่น ปาล์ม อ้อย ขยะ วัสดุเหลือใช้ โดยการนำมาเผาไหม้เพื่อนำพลังงานความร้อนที่ได้ไปใช้ต่อในกระบวนการผลิตไฟฟ้าต่อไป


          จากพื้นฐานพลังงานชีวมวล(biomass)ในเบื้องต้นไปแล้ว ได้มีนักวิจัยได้คิดค้นพลังงานทางเลือกโดยใช้วัสดุต่างๆมาทดแทน รวมทั้งวัสดุธรรมชาติอื่นๆ จนกระทั่งทีมวิจัย Georgia Institute of Technology ได้ทำการศึกษาวิจัย โดยการใส่ไฮโดรเจน และ ดึงออกซิเจน ออกจากลิกนินสำหรับทำน้ำมันชีวภาพโดยการใช้ตัวเร่งปฎิกิริยา(catalyst) ที่เป็นกรดและอนุภาคแพลตินั่มควบคู่กัน ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อแหล่งเชื้อเพลิงทางเคมีต่อไป ซึ่งในกระบวนการนี้จะขึ้นอยู่กับความไม่ปกติของวัฎจักรไฮโดรเจน ที่สามารถทำให้เกิดอุณหภูมิที่ต่ำและที่ความดันปกติ โดยที่ในทางปฏิบัติติสามารถนำไปปรับปรุงและลดการใช้พลังงานลงได้ ในกระบวนการนำออกซิเจนออกจากลิกนินและเติมไฮโดรเจนเข้าไปแทนนี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวันที่ 7 กันยายน บนวรสารวิชาการ journal Nature Energy สามารถไปหาอ่านเพิ่มเติมกันได้


          ก่อนที่จะไปเข้าสู่กระบวนการทดลองในตอนต่อไปเราจะไปเกริ่นนำ ว่าอะไรคือลิกนิน รวมถึงว่าทำไมถึงต้องเติมไฮโดรเจนและเอาออกซิเจนออกจากกระบวนการในลิกนิน ไปเริ่มต้นที่ลิกนินกันก่อน ว่ากันว่า ลิกนิน นั้นเป็นส่วนของผนังเซลล์พืช ทำให้เซลล์ของพืชนั้นมีความแข็งแรง และอยู่ร่วมกันกับเซลลูโลส และ เฮมิเซลลูโลส ที่เป็นส่วนประกอบของเปลือก เยื่อใยของราก และ ลำต้น โดยที่ลิกนินนั้นเป็นคาร์โบไฮเดรต(carbohyhdrate) ประเภทใยอาหาร อีกทั้งโครงสร้างโมเลกุลเป็นลักษณะพอลิแซ็คคาไรด์(polysaccharide) ที่มีลักษณะใหญ่ประกอบไปด้วยโซ่โมเลกุลที่มีความสลับซับซ้อนที่มีชื่อว่า ออกซิจิเนตเตตฟีนิลโพรเพน(Oxygenated phenyl propane) โดยมีน้ำหนักโมเลกุลระหว่าง1400-4500 Dalton            ต่อมาทำไมถึงผู้วิจัยได้กล่าวว่า กระบวนการเทคนิควิจัยของเขา ต้องทำการเติมไฮโดรเจนและเอาออกซิเจนออกจากในลิกนิน เพราะว่า สืบเนื่องมาจากขั้นตอนในการทำเชื้อเพลิงชีวภาพนั้นจะต้องใช้กระบวนการที่เรียกว่า ไพโรไลซิส(Pyrolysis) ที่อุณหภูมิ400องศาเซลเซียสจะสามารถสกัดเอาน้ำมันออกมาได้ ตัวอย่างเช่น สกัดฟีนอล(Phenols) จากลิกนิน แต่เมื่อได้น้ำมันมาแล้วทำให้ขาดอะตอมไฮโดรเจนแต่กลับกันมีอะตอมออกซิเจนเป็นจำนวนมากที่ไม่เหมาะสมสำหรับนำมาทำเชื้อเพลิงชีวภาพ ทางทีมวิจัยจึงเลยศึกษาวิจัยและแก้ไขด้วยการนำกระบวนการทางเคมีที่เรียกว่า คาตาไรติก(Catalytic) จะเป็นการเร่งปฏิกิริยาทางเคมีในรูปแบบนึงโดยนำวัสดุแพลตินั่มมาใช้เป็นตัวคาตาไรส์  จากนั้นทำการใส่โมเลกุลไฮโดรเจนเป็นตัวบัฟเฟอร์ในระบบคาตาไลติก และ แยกโมเลกุลออกซิเจนออกจากน้ำมันที่มีลักษณะโมโนเมอร์ เพราะว่า กระบวนการทางไฮโดรดีออกซีเจเนชั่น นั้นจะทำปฏิกิริยากับลิกนินในเชื้อเพลิงชีวภาพได้ยากถ้าไม่สกัดออกซิเจนออก บางคนอาจจะงงอะไรคือ ไฮโดรดีออกซีเจเนชั่น(Hydrodeoxygenation) มาๆตามผมจะไขให้กระจ่างเอง ไฮโดรดีออกซีเจเนชั่น(Hydrodeoxygenation) คือ กระบวนการเติมไฮโดรเจน เพื่อทำปฏิกิริยากับเชื้อเพลิงชีวภาพแล้วกำจัดออกซิเจนออกมาในรูปแบบของน้ำ(Dehydration) จึงเป็นที่มาของคำว่าไฮโดรดีออกซีเจเนชั่น แต่ก็ยังติดที่ว่าไฮโดรดีออกซีเจเนชั่น(Hydrodeoxygenation) นั้นทำปฏิกิริยากับลิกนินในน้ำมันได้ยากอยู่  จากนั้น Deng's หนึ่งในทีมวิจัยนั้นได้นำโพลี่ออกซิโอเมตาเลท(polyoxometalate) ที่เป็นกรดมาใช้ควบคู่กับการเติมไฮโดรเจนเพื่อที่ช่วยในการลำเลียงไฮโดนเจนแก๊สและช่วยในการเร่งปฏิกิริยาจาก ระหว่างเฟสแก๊สของไฮโดรเจนไปเป็นของเหลวตลอดจนเกิดกระบวนการย้อนกลับที่ใช้ในการสกัดโฮโดรเจนออกมาไปยังบนแพลตินั่มที่เป็นตัวคาตาไรส์


          จากผลการทดลอง ทางทีมวิจัยได้ทราบว่า เมื่อได้ทำการนำออกซิเจนออกจากเฟสของแก๊สและของเหลวนั้น จะได้เป็น ไฮโดรเจนไอออน(H+)ที่อยู่บนแผ่นวัสดุแพลตินั่มที่มีอนุภาคนาโนคาร์บอนผสมอยู่ เพราะว่า ที่บนแผ่นแพลตินั่มนั้น จะมีกรดโพลี่ออกซิโอเมตาเลทที่มีอยู่ในสารละลายและมีประจุใช้ในการเปลี่ยนจากไฮโดรเจนแสนจะธรรมดานั้นไปเป็นไฮโดรเจนไอออน ที่ซึ่งสามารถละลายในน้ำได้ และประจุนั้นสามารถขนส่งกลับไปกลับมาได้ในสารละลาย จึงเลยทำให้ไฮโดรเจนไอออนนั้นสามารถทำปฏิกิริยาได้โดยตรงกับลิกนินในสารละลายที่มีน้ำมันอยู่ได้ จากนั้นในส่วนที่2 ในขั้นตอนการเอาออกซินเจนออกนั้น ทำให้ได้ผลทราบว่า กรดโพลี่ออกซิโอเมตาเลท สามารถนำออกซิเจนออกจากเชื้อเพลิงชีวภาพที่อยู่ในรูปแบบโมโนเมอร์ออกได้ เพราะว่า กรดโพลี่ออกซิโอเมตาเลท สามารถลดพลังงานกระตุ้นลงสำหรับในการนำพาออกซิเจนออกมา แต่ในขณะเดียวกัน เรามีไฮโดรเจนไออนในสารละลายที่สามารถทำปฏิกิริยาได้โดยตรงกับโมเลกุลน้ำมันและลิกนินบนผิวคาตาลิส จึงส่งผลให้เกิดการนำพาออกซิเจนออกจากสารละลาย โดยที่ไม่ได้สูญเสียไฮโดรเจนแต่อย่างใด เพราะเกิด ปฏิกิริยาย้อนกลับได้จาก กรดโพลี่ออกซิโอเมตาเลทที่อยู่ในรูปไฮโดรเจนไอออนนั้นสามารถย้อนกลับไปเป็นไฮโดรเจนอะตอมได้แบบเดิม


          สุดท้ายนี้ทางทีมวิจัยยังได้กล่าวทิ้งท้ายไว้ว่า เป็นงานท้าทายมาก ในการใช้เทคนิคนี้ในการสกัดน้ำมันชีวภาพเพื่อไปใช้ในครัวเรือน รวมถึงอุตสาหกรรมยานยนต์โดยที่นำแผ่นแพลตินัมมาเป็นตัวแคตาลิสเพื่อใช้ในการแยกออกซิเจนออกจาก ลิกนิน ในอนาคตข้างหน้าอาจจะมีการศึกษาวิจัยวัสดุที่แตกต่างกันออกไป เนื่องมาจากแผ่นแพลตินัมนั้นแพงมาก อีกทั้งการผลิตยังสูง อาจจะต้องหาวัสดุใหม่ที่มีราคาที่ถูกลงอีกทั้งยังทำให้ได้ประสิทธิภาพที่เท่าเดิม หรือ ดีขึ้นกว่าเดิม และในสุดท้ายนี้ทางทีมวิจัยยังหวังว่า การสกัดลิกนินออกมาใช้นั้นอาจจะได้รับการศึกษาวิจัยเพิ่มเติม เพื่อดัดแปลงไปสู่การนำไปใช้ในชีวิตจริง ไม่ว่าจะเป็นในกระบวนการเคมีหรือ สามารถนำน้ำมันชีวภาพนั้นไปใช้กับยานพาหนะได้ในอนาคต ซึ่งอาจจะเป็นพลังงานทางเลือกอีกชนิดหนึ่งที่สามารถ ตอบโจทย์ความต้องการของประชาคมโลกที่เน้นเรื่อง พลังงานสะอาดลดการปล่อยมลพิษสู่ธรรมชาติและสังคมให้น้อยลงมากยิ่งขึ้นสืบไป


          ก่อนเราจะจากกันไปทางผู้เขียนอยากจะมาให้ความรู้เพิ่มเติม เกี่ยวกับ กระบวนการไพโรไลซิสกัน ว่าคืออะไร มาติดตามรับชมกันได้เลย กระบวนการไพโรไลซิส(Pyrolysis) คือ กระบวนการที่เกิดจากการแตกสลายของสารประกอบด้วยความร้อนที่อยู่ในสภาวะไร้ออกซิเจน โดยที่ผลิตภัณฑ์จะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและลักษณะของวัตถุดิบที่แตกต่างกันไป รวมถึงสภาวะให้ความร้อนอีกด้วย ส่วนใหญ่ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการไพโลไรซิสนั้นจะเป็นจำพวก น้ำมันชีวภาพ(Bio-Oil) น้ำมันหนัก(Tar) รวมถึง ถ่านชาร์(Char)เป็นต้น  

ที่มา

• https://phys.org/news/2020-09-boosts-lignin-bio-oil-next-generation-fuel.html
• https://www.nature.com/articles/s41560-020-00680-x
• https://sites.google.com/site/plantnaru/swn-prakxb-laea-xwaywa-phayni-sell/cell-wall
• https://ienergyguru.com/2015/08/ชีวมวล-biomass/
• http://119.46.166.126/self_all/selfaccess11/m5/chemistry5_2/lesson2/more/page21_3.php