น้ำมันปาล์มเป็นน้ำมันพืชที่ได้จากผลของต้นปาล์มน้ำมันซึ่งเป็นพืชเศรษฐกิจที่หมุนเวียนได้ น้ำมันปาล์มนั้นสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย ตั้งแต่นำมาใช้ได้โดยตรงเพื่อการปรุงอาหาร นำมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์เครื่องสำอาง หรือนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมโอลีโอเคมี (oleochemical industry) เช่น ผลิตสารหล่อลื่นชีวภาพ (biolubricant) ผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงดีเซลชีวภาพ (bio-hydrogenated diesel) ไปจนถึงการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพ (Biojet, sustainable aviation fuel, SAF)

น้ำมันปาล์มสามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมโอลีโอเคมีเพื่อผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงชีวภาพได้เพราะมีองค์ประกอบเป็นกรดไขมันที่มีไฮโดรคาร์บอนสายโซ่ยาวอยู่ในช่วง C16-C18 กว่าร้อยละ 80 ซึ่งใกล้เคียงกับน้ำมันเชื้อเพลิง หนึ่งในกรดไขมันที่เป็นองค์ประกอบสำคัญของน้ำมันปาล์มคือ กรดโอเลอิก (oleic acid) ซึ่งมีสูตรเคมี C18H34O2 (มีสัดส่วน H:C คือ ~2:1 และ C:O คือ 9:1) การมีออกซิเจนอยู่ในโครงสร้างนี้ถือเป็นผลเสียในเชิงพลังงาน เมื่อนำมาเผาไหม้เป็นเชื้อเพลิงจะมีค่าความร้อนจำเพาะต่ำ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของน้ำมันปาล์ม เราจึงควรกำจัดออกซิเจนออกจากโมเลกุลของน้ำมันก่อน โดยดำเนินการผ่านกระบวนการบำบัดที่ใช้ไฮโดรเจน (hydrotreating) เข้าไปช่วยในการดึงออกซิเจนให้ออกมาในรูปของ น้ำ (H2O) คาร์บอนมอนออกไซด์ (CO) หรือคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ผ่านปฏิกิริยาคู่ขนานย่อยๆ ได้แก่ ไฮโดรดีออกซิจิเนชั่น (hydrodeoxygenation), ไฮโดรดีคาร์บอนิลเลชั่น (hydrodecarbonylation) และ ไฮโดรดีคาร์บอกซิเลชั่น (hydrodecarboxylation) ตามลำดับ ปฏิกิริยาเหล่านี้ดำเนินการภายใต้สภาวะที่มีแก๊สไฮโดรเจนที่ช่วงความดัน 10-50 บาร์ อุณหภูมิ 280-350 °C และต้องอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะแพลททินัม นิกเกิล โคบอลต์ (Pt, Ni, Co) หรือ ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะฟอสไฟด์ของนิกเกิล โคบอลต์ และเหล็ก (NiP, CoP, และ FeP) บนตัวรองรับที่มีรูพรุนสูง เช่น คาร์บอน (C) อะลูมินา (Al2O3) หรือตัวเร่งปฏิกิริยาสปิเนลของนิกเกิล-อะลูมินา (NiAl2O4) เป็นต้น หลังจากกระบวนการ hydrotreating เราก็จะได้ผลิตภัณฑ์ของเหลวใสที่มีองค์ประกอบของไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรง ในช่วงคาร์บอน C15-C18 เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งสามารถทำมาใช้ทดแทนน้ำมันเชื้อเพลิงเกรดดีเซลสำหรับรถยนต์ได้แล้ว เพราะมีค่าพลังงานความร้อนใกล้เคียงกัน [อ่านเรื่องความต่างของน้ำมันเชื้อเพลิงรถยนต์และน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยาน SAF ได้ที่เกร็ดความรู้เสริม]

ขั้นตอนถัดไปคือการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพ SAF ซึ่งต้องทำการปรับโครงสร้างไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรงก่อน โดยดำเนินการผ่านกระบวนการไฮโดรไอโซเมอร์ไรเซชั่นและแครกกิ้ง (hydroisomerization/cracking) เพื่อแต่งเติมโซ่กิ่งหรือลดขนาดโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอน ให้ได้ผลิตภัณฑ์น้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพ SAF ที่มีช่วงคาร์บอนที่เหมาะสม คือไม่เกิน C15 ปฏิกิริยาเหล่านี้ดำเนินการภายใต้สภาวะใกล้เคียงกับปฏิกิริยาข้างต้น โดยหากมีการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม เช่น ออกแบบตัวรองรับที่มีความเป็นกรด (acidity) ที่เหมาะสม (เช่น ZSM-5 หรือ SAPO-11) หรือมีรูพรุนที่เหมาะสม (ในช่วง mesoporous) จะสามารถดำเนินการเปลี่ยนน้ำมันปาล์มไปเป็นน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพ SAF ได้ในขั้นตอนเดียวเลย ถึงแม้เชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพ SAF จะไม่ได้ผลิตจากฟอสซิลโดยตรง แต่ต้องมีคุณสมบัติที่ใกล้เคียงและสามารถใช้ทดแทนกันได้ เช่น ต้องไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำ ไม่จับตัวตกตะกอนภายในเครื่องยนต์ที่อุณหภูมิสูง และต้องให้พลังงานไม่ต่ำกว่า 42.8 MJ/kg เป็นต้น ถึงจะผ่านมาตรฐาน ASTM D7566 ซึ่งถือเป็นมาตรฐานหลักในวงการการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพเพื่อจำหน่ายเชิงพาณิชย์นั่นเอง [อ่านเรื่องมาตรฐาน ASTM D7566 ได้ที่เกร็ดความรู้เสริม]
ทีมวิจัยตัวเร่งปฏิกิริยา (CAT) กลุ่มวิจัยการเร่งปฏิกิริยาและการคำนวณระดับนาโน (NCAS) ได้เลือกใช้น้ำมันปาล์มซึ่งเป็นวัตถุดิบที่หมุนเวียนได้ (Renewables) มาใช้ในการพัฒนาพลังงานน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพ SAF ตอบโจทย์ความเป็นกลางทางคาร์บอน (Carbon Neutrality) ผ่านการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา และการปรับปรุงกระบวนการในการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพ SAF อยู่อย่างต่อเนื่อง ยกตัวอย่างผลงานตีพิมพ์ดังต่อไปนี้
ในปี 2022 ทีมวิจัยได้ทำการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาอนุภาคนาโน MoS2/TiO2 ที่มีพื้นที่ผิวสูง 171 ตารางเมตร/กรัม ขนาดอนุภาค 7.87 นาโนเมตร เพื่อเปลี่ยนกรดโอเลอิกไปเป็นน้ำมันเชื้อเพลิง ดำเนินการที่อุณหภูมิ 330 °C และความดันของไฮโดรเจน 40 บาร์ โดยได้ร้อยละการเปลี่ยน (%Conversion) สูงถึง 100 โดยมีสัดส่วนของไฮโดรคาร์บอนในช่วงดีเซล (C17–C18) สูงถึงร้อยละ 90 [1]

ในปี 2021 ทีมวิจัยได้จดอนุสิทธิบัตร (เลขที่คำขอ 2103001346 และ 2103001347) การสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา SAPO-11 แบบที่มีรูพรุนที่จำเพาะเมโซพอรัส โดยใช้วัสดุเทมเพลตจำเพาะ เพื่อเป็นตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยานาโนนิกเกิลและนิกเกิลฟอสไฟด์ในกระบวนการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงดีเซลชีวภาพ ให้มีโซ่กิ่งมากขึ้นถึงร้อยละ 9 โดยส่งผลให้ช่วยลดจุดไหลเทลงได้ถึงร้อยละ 8

ในปี 2020 ทีมวิจัยได้ทำการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะเดี่ยวนิกเกิล (Ni) โคบอลต์ (Co) และ โลหะผสมนิกเกิลโคบอลต์ (NiCo) บนตัวรองรับ SAPO-11 เพื่อกำจัดออกซิเจนของเมทิลเอสเทอร์ของกรดไขมันที่ได้จากน้ำมันปาล์ม (Fatty acid methyl esters, FAMEs) ทั้งยังมีการวิเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงลึกด้วยเทคนิคเอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี (X-ray Photoelectron spectroscopy, XPS) ซึ่งชี้ให้เห็นว่าลำดับการโหลดโลหะลงบนวัสดุรองรับมีผลต่ออัตราส่วนของ Ni:Co แม้ว่าจะใช้ปริมาณการโหลดที่เท่ากัน โดยการให้โลหะโคบอลต์เคลือบอยู่เป็นเปลือกนอกของโลหะนิเกิล (Co/Ni/SAPO-11) นั้น สามารถผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงดีเซลจาก FAMEs ได้สูงถึงร้อยละ 90 ที่อุณหภูมิ 330 °C [2] ตัวเร่งปฏิกิริยากลุ่มดังกล่าว ยังสามารถประยุกต์ใช้ในการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงชีวภาพแบบไม่ใช้ไฮโดรเจนได้อีกด้วย โดยการทำปฏิกิริยาภายใต้สภาวะแก๊สเฉื่อยไนโตรเจน (N2) ร่วมกับกลไกของการแตกตัวของกลีเซอรอลเพื่อให้ไฮโดรเจนระหว่างการทำปฏิกิริยา (in situ H2) และการใช้น้ำ (H2O) เพื่อให้โมเลกุลของน้ำมันจากโมเลกุลใหญ่ (ไตรกลีเซอไรด์) กลายเป็นโมเลกุลเล็ก (กรดไขมันอิสระ) นอกจากนี้ทีมของเรายังได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถเร่งปฏิกิริยาไฮโดรดีออกซิจิเนชั่น (hydrodeoxygenation) รวมถึงไฮโดรไอโซเมอร์ไรเซชั่นและแครกกิ้ง (hydroisomerization/cracking) ได้ภายในขั้นตอนเดียว ทำให้ได้น้ำมันเชื้อเพลิงชีวภาพเกรดน้ำมันดีเซลร้อยละ 41-71 และเกรดน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานร้อยละ 28-58 เป็นต้น [3]

นอกจากความเชี่ยวชาญด้านการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่หลากหลายดังที่กล่าวมาข้างต้น ทีมวิจัย NCAS ของเรายังได้พัฒนาระบบเครื่องปฏิกรณ์แบบต่อเนื่องชนิดเบดนิ่ง (Packed-bed continuous flow reactor) ในระดับห้องปฏิบัติการ มีการทดสอบประสิทธิภาพการทำงานระยะยาวของตัวเร่งปฏิกิริยา (long-term stability testing) กว่า 200 ชั่วโมง ทั้งนี้ทีมวิจัยยังมีการทำงานร่วมกับทั้งภาครัฐและเอกชน ในปัจจุบันเรากำลังผลักดันกระบวนการแปรรูปน้ำมันปาล์มไปสู่ต้นแบบระดับนำร่อง (pre-pilot) เพื่อหาสภาวะการทำปฏิกิริยาที่เหมาะสมตามโจทย์จากภาคเอกชน เป้าหมายหลักคือการถ่ายทอดเทคโนโลยีจากห้องปฏิบัติการสู่อุตสาหกรรมให้ได้ในที่สุด

*เกร็ดความรู้เสริม*
* น้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานต่างกับน้ำมันเชื้อเพลิงรถยนต์อย่างไร ?
สำหรับเครื่องยนต์อากาศยานขนาดเล็กที่ใช้เครื่องยนต์ลูกสูบหรือเครื่องยนต์ดีเซลสามารถใช้น้ำมันเบนซินหรือดีเซลได้ทั้งสองประเภทเช่นเดียวกันกับรถยนต์ แต่สำหรับเครื่องยนต์อากาศยานขนาดใหญ่ที่ใช้เครื่องยนต์ไอพ่นหรือเครื่องยนต์เจทนั้น จะต้องใช้น้ำมันที่มีค่าออกเทนที่สูงขึ้น (น้ำมันเบนซินที่ใช้กับรถยนต์ทั่วไปมีค่าออกเทน = 95 ส่วนน้ำมันที่ใช้กับเครื่องยนต์อากาศยานจะต้องมีค่าออกเทน 100-130 ซึ่งอยู่ในช่วงน้ำมันก๊าดนั่นเอง) น้ำมันที่มีค่าออกเทนสูง สามารถทนแรงบีบอัดได้มากโดยไม่เกิดระเบิด เมื่อถูกบีบอัดได้มากก่อนจะเผาไหม้ จะทำให้เกิดแรงผลักให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้าได้อย่างรวดเร็ว ถึงจะมีความคล้ายกับน้ำมันเติมรถยนต์แต่เอามาใช้ด้วยกันไม่ได้ เพราะน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานมีค่าความร้อนจำเพาะของสูงมาก อาจทำให้เครื่องยนต์รถยนต์พังได้
นอกจากนี้ น้ำมันอากาศยานจะต้องใส่สารป้องการการแข็งตัว เพราะว่าเครื่องบินต้องบินบนความสูง โดยที่ความสูง 11 กิโลเมตรห่างจากพื้นดินนั้น อุณหภูมิก็ติดลบถึง -65 C แล้ว เปรียบเทียบ น้ำมันเชื้อเพลิงรถยนต์ Diesel (ยกตัวอย่างสูตรโครงสร้าง C16H34) มีสัดส่วน H:C คือ 2.125 สามารถทนอุณหภูมิติดลบได้เพียง -15 – 5 °C (ASTM D975) เท่านั้น ในขณะที่น้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยาน สูตร Jet A1 (ยกตัวอย่างสูตรโครงสร้าง C11H21) มีสัดส่วน H:C คือ 1.9:1 สามารถทนอุณหภูมิติดลบได้ต่ำกว่า -47 °C (ASTM D1655 และ ASTM D7566) เลยทีเดียว จะเห็นได้ว่าถึงแม้สูตรโครงสร้างไฮโดรคาร์บอนจะคล้ายกัน แต่ความแตกต่างในเรื่องของจำนวนโซ่คาร์บอน หรือความเป็นโซ่กิ่งนั้น เป็นปัจจัยสำคัญต่อสมบัติของน้ำมัน กล่าวคือ จำนวนโซ่คาร์บอนที่สั้นลงจะช่วยเพิ่มให้คุณสมบัติการจุดติดไฟของน้ำมันเชื้อเพลิงดีขึ้น ความเป็นโซ่กิ่งที่มากขึ้นจะช่วยเพิ่มให้คุณสมบัติการทนการแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำดีขึ้น ยกตัวอย่างเช่น น้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยาน สูตร Jet A1 จะต้องมีองค์ประกอบของไฮโดรคาร์บอนร้อยละ 80 โดยปริมาตร และมีไฮโดรคาร์บอนในช่วง C9–C16 ไม่ว่าจะอยู่ในรูปแบบของ โซ่ตรง โซ่กิ่ง หรือ โซ่ปิด และสารประกอบอะโรเมติกร้อยละ 20 โดยปริมาตร ตามมาตรฐาน ASTM D1655 และ ASTM D975
** มาตรฐานของน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพที่ผลิตจากน้ำมันปาล์ม ASTM D7566 Annex 7(Synthesized paraffinic kerosene from hydrocarbon-hydroprocessed esters and fatty acids, HC-HEFA-SPK)
เดิมทีมาตรฐาน ASTM D7566 ถือเป็นมาตรฐานหลักในวงการการผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานเพื่อจำหน่ายเชิงพาณิชย์ โดยน้ำมันที่ผ่านมาตรฐานนี้มีคุณสมบัติเทียบเท่ากับน้ำมันเจท (น้ำมันก๊าด) แต่อย่างไรก็ตาม การใช้น้ำมันปาล์มเป็นสารตั้งต้นนั้น ส่งผลให้คุณสมบัติบางประการไม่สามารถเทียบเท่ากับน้ำมันเจทได้ เนื่องจากความต่างของขนาดโมเลกุล ดังนั้นจึงมีการเพิ่มพ่วงท้ายจำเพาะ (Annex 7) สำหรับมาตรฐานของน้ำมันเชื้อเพลิงอากาศยานชีวภาพที่ผลิตโดยกระบวนการไฮโดรทรีตติ้งของน้ำมันพืชนี้โดยเฉพาะ ซึ่งก็คือ ASTM D7566 Annex7 HC-HEFA-SPK นั่นเอง
ติดตามอ่านบทความในหัวข้อ Biorefinery series ได้ในตอนถัดไป จากเพจ Nanocatalysis and Molecular Simulation (NCAS) ของพวกเรา

อ้างอิง
[1] Krobkrong, N., Wangvisavawit, V., Chanlek, N., Kidkhunthod, P., Itthibenchapong, V., & Sirisaksoontorn, W. (2022). Bifunctional MoS2/TiO2 Nanoparticles for Hydrodeoxygenation of Oleic Acid and Photodegradation of Carbonaceous Deposits. ACS Applied Nano Materials, 5(3), 3632-3642.
[2] Kaewmeesri, R., Nonkumwong, J., Kiatkittipong, W., Laosiripojana, N., & Faungnawakij, K. (2021). Deoxygenations of palm oil-derived methyl esters over mono-and bimetallic NiCo catalysts. Journal of Environmental Chemical Engineering, 9(2), 105128.
[3] Kaewmeesri, R., Nonkumwong, J., Witoon, T., Laosiripojana, N., & Faungnawakij, K. (2020). Effect of Water and Glycerol in Deoxygenation of Coconut Oil over Bimetallic NiCo/SAPO-11 Nanocatalyst under N2 Atmosphere. Nanomaterials, 10(12), 2548.
[4] The International Air Transport Association (IATA) Fact Sheet 2 “Sustainable Aviation Fuel: Technical Certification” Page 1-3.
https://www.iata.org/…/saf-technical-certifications.pdf (วันที่สืบค้น 28 กุมภาพันธ์ 2566)
เรียบเรียงโดย
ดร. รุ่งนภา แก้วมีศรี