Solketal production from by-product glycerol in biodiesel production process

สภาวะโลกร้อนที่เกิดขึ้นในปัจจุบันผลักดันการใช้พลังงานทางเลือกทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล ไบโอดีเซลเป็นเชื้อเพลิงทางเลือกสังเคราะห์ได้จากน้ำมันพืช ในขณะที่สังคมของเราก้าวไปสู่อนาคตที่ยั่งยืนอย่างช้าๆ ความต้องการใช้ไบโอดีเซลมีแนวโน้มเพิ่มสูงขึ้น กลีเซอรอลเป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้จากการบวนการผลิตไบโอดีเซล ในการเปลี่ยนกลีเซอรอลเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงจะช่วยส่งเสริมการใช้งานเชิงพาณิชย์ กลีเซอรอลสามารถนำมาผลิตเป็นสารชีวเคมีได้หลากหลายเช่น บิวทานอล เอทานอล และกรดมาลิค จากกระบวนการทางชีวภาพ ถึงแม้ว่ากระบวนการทางชีวภาพจะเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แต่การผลิตต้องใช้เวลานาน และความเข้มข้นของสารชีวเคมีต่ำ ทำให้ต้องมีค่าใช้จ่ายในการทำให้บริสุทธิ์ นอกจากนั้นกลีเซรอลยังสามารถผลิตเป็นกลีเซรอลคาร์บอเนต กลีเซรอลเอสเทอร์ และกลีเซรอลอีเทอร์ ซึ่งสามารถใช้เป็นสารตัวเติมในเครื่องยนต์ ตัวทำละลาย และสารตั้งต้นสำหรับพอลีเมอร์ แต่เนื่องจากกระบวนการนี้ต้องอาศัยความร้อน และความดันที่สูงทำให้มีค่าใช้จ่ายในการผลิตมาก โซลคีทาลเป็นผลิตภัณฑ์หนึ่งที่สามารถสังเคราะห์จากชีวภาพ 100% จากปฏิกิริยาระหว่างกลีเซอรอลและอะซิโตน โดยอะซิโตนสามารถสังเคราห์มาจากเฮมิเซลลูโลส (hemicellulose) จากกระบวนการไบโอรีไฟเนอร์ (biorefinery process) (Pham, Sooknoi, Crossley, & Resasco, 2013) การผลิตโซลคีทาลจะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดกรดเปลี่ยนกลีเซอรอลเป็นผลิตภัณฑ์เป็นโซลคีทาล (4-hydroxymethyl-2,2-dimethyl-1,3-dioxane (solketal)) และอะซิทัล (5-hydroxy-2,2-dimethyl-1, 3-dioxane (acetal)) จากปฏิกิริยาอะซิทัลไลเซชั่น (acetalization) ดังรูปที่ 1.2 ปฏิกิริยานี้สามารถดำเนินการภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรงทำให้การผลิตโซลคีทาลในอุตสาหกรรมเป็นที่นิยมเนื่องจากมีต้นทุนที่ต่ำ โซลคีทาลสามารถนำไปใช้ในหลากหลายรูปแบบ ทั้งสารเติมแต่งน้ำมันเชื้อเพลิง (Mota, da Silva, Rosenbach, Costa, & da Silva, 2010) ตัวทำละลายในอุตสาหกรรมสีและหมึก (Fertier et al., 2016) ผลิตภัณฑ์ทำความสะอาด และสารเติมแต่งในอุตสาหกรรมยา (Chen et al., 2010) การเพิ่มมูลค่าผลิตภัณฑ์พลอยได้กลีเซอรอลเป็นโซคีทาลยังสามารถเพิ่มมูลค่าของอุตสาหกรรมการผลิตไบโอดีเซล และส่งเสริมการใช้ประโยชน์น้ำมันปาล์มในท้องตลาด เพิ่มรายได้ให้แก่เกษตรกรอีกด้วย อีกทั้งยังช่วยลดการใช้สารเคมีที่ผลิตจากปิโตรเลียม เป็นการลดการปลดปล่อยแก๊สเรือนกระจก และบรรเทาภาวะโลกร้อนได้

แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดกรดแบบเอกพันธ์ (homogeneous catalyst) จะสามารถเร่งปฏิกิริยาอะซิทัลไลเซชั่นได้ดี แต่การใช้งานก็มีความซับซ้อนโดยต้องแยกตัวเร่งปฏิกิริยาออกจากผลิตภัณฑ์ ดังนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบวิวิธพันธ์ (heterogeneous catalyst) เช่น ซีโอไลต์และตัวเร่งปฏิกิริยาเรซิน (resin catalyst) จึงเป็นตัวเลือกยอดนิยมที่ใช้ในปฏิกริยาอะซิทัลไลเซชั่น (Ferreira et al., 2018) แต่อย่างไรก็ตามความสามารถในการละลายของกลีเซอรอลในอะซิโตนมีความสามารถ ในการละลายต่ำ (5 wt.% หรืออัตราส่วนโมลาร์ของกลีเซอรอล/อะซิโตน ~0.03) (Mohammad Shahinur Rahaman et al., 2020) ทำให้สารตั้งต้นทั้งสองไม่สามารถผสมรวมกันเป็นเนื้อเดียวได้ที่อุณหภูมิห้อง (25 ^oC) ความไม่เข้ากันของสารตั้งต้นทั้งสองทำให้มีข้อจำกัดในการถ่ายเทมวลในปฏิกิริยา ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการเกิดปฏิกิริยาลดลง (Fan et al., 2012) แต่สามารถลดปัญหานี้ให้น้อยลงได้โดยการเติมตัวทำละลาย แต่อย่างไรก็ตามตัวทำละลายนี้จะต้องถูกแยกออกจากผลิตภัณฑ์ทำให้มีค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้น (Weeranoppanant, 2019) งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็งซีโอไลต์  (solid acid catalyst)   ที่ปรับปรุงด้วยออร์กาโนไซเลน โดยมีสมมติฐานว่าการต่อกิ่งสารลดแรงตึงผิวออแกโนไซเลน ลงบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถเพิ่มการสัมผัสระหว่างกลีเซอรอลและอะซิโตนได้ อีกทั้งยังสามารถยืดอายุการเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาเนื่องจากสารปนเปื้อนในกลีเซอรอลได้อีกด้วย โดยจะศึกษาระดับความไม่ชอบน้ำ (degree of hydrophobicity) จากความยาวของสายโซ่คาร์บอนออแกโนไซเลน 3 ชนิด ได้แก่ ethyltrichlorosilane (ETS), octyltrichlorosilane (OTS) และ octadecyltrichlorosilane (ODTS) บนซีโอไลต์ขนิด Y ในรูปของกรด (HY) ที่มีผลต่อประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาอะซิทัลไลเซชั่น (Mohammad Shahinur Rahaman et al., 2020)