تحقيق كارگاه اصول اندازه‌گيري كاهش آلودگي زيست محيطي با كاربرد الكل در سوخت خودرو

كاهش آلودگي زيست محيطي با كاربرد الكل در سوخت خودرو
چكيده:
طرح توليد الكل با توجه به كاربردهاي وسيع الكل به عنوان ماده اوليه صنايع شيميايي و امكان استفاده از آن در صنايع نفت به عنوان ماده افزودني به سوخت مصرفي كشور و همچنين جايگزين مناسب براي تترااتيل سرب مورد استفاده در بنزين مورد توجه قرار گرفته دارد. اتانول به عنوان يكي از مواد اكسيژن به بالابرنده عدد اكتان بنزين موتور و جايگزين ماده افزودني تترااتيل سرب در دنيا مطرح شده است. پس از بحران انرژي در سال ۱۹۷۳ و توجه بيشتر دنيا به تامين منابع انرژي، اين توجه جهاني بطور مضاعف افزايش يافته است.

تاكنون بسياري از كشورهاي پيشرفته و در حال رشد پژوهش‌هايي را در مورد كاربرد الكل‌ها به عنوان سوخت خودروها به انجام رسانيده‌‌اند. نتايج بدست آمده ر اين زمينه نشان مي‌دهد كه الكل‌ها و اترها با داشتن عدد اكتان بالا مي‌توانند به عنوان جانشين براي تترااتيل سرب موجود در بنزين موتور خودروها مطرح باشند.
آلودگي پايينتر از حد استاندارد ناشي از احتراق الكل نيز عامل موثري در توجه به اين سوخت مي‌باشد. تحقيقات كاربردي در مورد مخلوط‌هاي اتانول و بنزين در كشورهاي آمريكا، ژاپن، هلند، بلژيك، سوييس و اتريش صورت پذيرفته است و هنوز هم ادامه دارد.

مقدمه
احتراق
در يك موتور متعارف بنزيني، سوخت و هوا در يك سيستم ورودي مخلوط مي‌گردند و از طريق سوپاپ ورودي وارد سيلندر مي‌شوند. در سيلندر اختلاط با گاز باقيمانده صورت گرفته و سپس اين مخلوط متراكم مي‌شود. تحت شرايط معمولي كاركرد، احتراق در انتهاي مرحله تراكم و در اطراف شمع بوسيله جرقه الكتريكي آغاز مي‌‌شود.
در احتراق عادي شعله ايجاد شده توسط جرقه، به آرامي در محفظه احتراق حركت كرده، تا مخلوط سوخت و هوا كاملاً مصرف شود. عوامل متعددي مانند تركيب سوخت، بعضي پارامترهاي خاص و طراحي و عملياتي و رسوبات محفظه احتراق ممكن است از وقوع فرآيند عادي جلوگيري نمايند. دو نوع احتراق غيرعادي وجود دارد كه عبارتند از: ضربه و افروزش سطحي.

ضربه مهمترين پديده احتراق غيرعادي مي‌باشد. نام آن از صداي حاصل از خوداشتغالي قسمتي از مخلوط سوخت، هوا و گاز باقيمانده جلوتر از شعله در حال پيشروي، ناشي مي‌شود. همانطور كه شعله در محفظه احتراق انتشار مي‌يابد، مخلوط نسوخته جلوتر از آن موسوم به گاز پاياني فشرده شده و موجب افزايش فشار، دما و دانسيته آن مي‌‌شود. در قسمتي از مخلوط سوخت و هواي گاز پاياني ممكن است قبل از احتراق عادي، فعل و انفعال شيميايي رخ دهد.

محصولات حاصل از اين فعل و انفعال ممكن است بعداً خودبخود مشتعل شوند، يعني تمام يا قسمتي از انرژي خود را به سرعت آزاد نمايند. در اين صورت گاز پاياني خيلي سريع سوخته و انرژي شيميايي خود را خيلي سريع سوخته و انرژي شيميايي خود را آزاد مي‌كند. اين امر موجب ايجاد صداي فلزي تيزي به نام ضربه مي‌شود.
براي از بين بردن ضربه در موتورهاي درون‌سوز از الكيل‌هاي سرب بخصوص تترااتيل سرب كه يك ماده افزودني ضدضربه‌اي بسيار موثر مي‌باشد، استفاده مي‌كند. ايجاد اين ضربه در سوخت‌هاي مختلف متفاوت است.

جهت مشخص نمودن سوخت‌هاي مختلف از نقطه نظر ايجاد ضربه، درجه آرام‌سوزي يا عدد اكتان مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
توضيح مقاله
عدد اكتان
كيفيت آرام‌سوزي بنزين را بر حسب عدد اكتان تعيين مي‌كنند. برحسب تعريف، براي ايزواكتان (۲-۲-۴ تري‌متيل‌پنتان) عدد اكتان ۱۰۰ و براي نرمال هپتان عدد اكتان صفر منظور شده است. اگر سوختي با درصد معيني ايزواكتان و نرمال هپتان تهيه شود، بر حسب درصد موجود هر كدام در مخلوط، داراي عدد اكتاني بين صفر تا ۱۰۰ خواهد بود.
امروزه مواد شيميايي گوناگوني جهت جلوگيري از ايجاد ضربه و يا بالا بردن اكتان بنزين بكار مي‌رود. تعدادي از اين مواد عبارتند از: بنزين، الكل اتيليك، تركيبات آلي فلزي مثل كربونيل‌هاي آهن يا نيكل و بسياري از آمين‌ها.
خواص مواد اكسيژنه
مواد اكسيژنه به تركيباتي اطلاق مي‌گردد كه در ساختمان مولكولي آنها اتم اكسيژن بكار رفته است. امروزه دو نوع ماده اكسيژنه براي تركيب با سوخت مصرفي (بنزين) مورد استفاده قرار مي‌گيرد كه عبارتند از الكل‌ها و اترها.

 

تمام تركيبات اكسيژنه داراي عدد اكتان بالا و نقطه جوش قابل مقايسه با بنزين مصرفي مي‌باشند: تركيبات الكلي مقدار اكسيژن بيشتري نسبت به تركيبات اتري دارند و اتم اكسيژن بيشتر باعث بهبود احتراق سوخت مي‌گردد.
يكي از بزرگترين تفاوت‌ها بين الكل‌ها و اترها ميزان حلاليت آنها در آب مي‌باشد. الكل‌ها به مراتب بيشتر از اترها در آب حل مي‌گردند و اين به علت وجود اتم اكسيژن در تركيب الكل مي‌باشد كه پيوند قطبي‌تري نسبت به پيوند اكسيژن موجود در اترها بوجود مي‌آورد و حلاليت بيشتر در آب را موجب مي‌گردد.

تاثير اختلاط مواد اكسيژنه گوناگون روي خواص بنزين مصرفي
مواد اكسيژنه گوناگون تاثيرات مختلفي روي خواص بنزين مي‌گذارند.
يكي از پارامترهاي مهم و تاثيرگذار روي خواص بنزين مصرفي عدد اكتان مواد است. مقدار عدد اكتان هر ماده اكسيژنه كه به عنوان جزئي از بنزين و يا ماده افزودني به بنزين بكار مي‌رود، بوسيله عدد اكتان مطلق تعيين مي‌گردد.
يكي از تاثيرات افزودن يك ماده اكسيژنه روي خواص بنزين، افزايش قابليت تحرك مي‌باشد كه اين مواد مي‌تواند قابليت تحرك سوخت را بهبود بخشند. اختلاف بين مواد اكسيژنه‌اي كه به عنوان يك ماده افزودني و يا يك جزء به بنزين افزوده مي‌گردند، ناشي از خواص گوناگون اين مواد مي‌باشد. معمولاً حداكثر ميزان ماده اكسيژنه افزوده شده به بنزين، ۱۵% حجمي مي‌باشد.
اتانول
يكي از مهترين مصارف اتانول مطلق به عنوان سوخت موتور درون‌‌سوز مي‌باشد. امروزه از اتانول در سه بازار مختلف استفاده مي‌شود:
۱٫ بنزين دوباره فرموله شده؛
۲٫ مخلوط نمودن ۱۰ درصد وزني الكل با بنزين؛
۳٫ اكسيژنه نمودن بنزين جهت كنترل مونواكسيد كربن.
مقدار اتانول مصرفي در RGB ناچيز مي‌باشد و حدوداً ۱۰% توليد اتانول در امريكا جهت اين امر مصرف مي‌گردد. كشور برزيل در سال ۱۹۷۵ توليد الكل به مقدار زيادي را شروع نمود كه تا سال ۱۹۸۸ مقدار توليد اتانول به ۱۳۶ ميليون تن رسيده است. در حال حاضر حدود ۱۰ ميليون اتومبيل در برزيل وجود دارد كه تقريباً نصف اين تعداد ماشين با اتانول خالص و مابقي با مخلوط ۲۲درصد اتانول و ۷۸درصد بنزين كار مي‌كنند. لازم به ذكر است كه ۹۰% ماشين‌هايي كه در حال حاضر در برزيل

توليد مي‌شوند، فقط با سوخت اتانول حاصل از ملاس نيشكر كار كرده و از بنزين استفاده نمي‌كنند.
عدد اكتان تحقيقي براي بنزين ۹۵ است، ولي براي اتانول و متانول ۱۰۶ مي‌باشد و اين اجازه را مي‌دهد كه از اتانول به عنوان سوخت در موتور ماشين‌ها (با بازده حرارتي بيشتر) استفاده نمود.
مكانيسم مصرف اتانول به عنوان سوخت در برابر بنزين به قرار زير مي‌‌باشد:

۵۵/۱ كيلوگرم اتانول جانشين يك كيلوگرم بنزين خواهد شد و از آنجايي كه دانسيته اتانول ۷۹۴/۰ و بنزين ۷۳۴/۰ است. در نتيجه ۴۳۳/۱ ليتر اتانول جانشين يك كيلوگرم بنزين مي‌گردد. با بهبود ۱۰% بازدهي حرارتي ما مي‌توانيم فرض كنيم كه ۳۰۳/۱ ليتر اتانول جانشين ۱ ليتر بنزين گردد. از اطلاعات گزارش شده در برزيل در خصوص نتايج علمي بدست آمده با الكل به نظر مي‌رسد هر ليتر اتانول جانشين ۹/۰ ليتر بنزين مي‌شود. جنبه‌هاي اقتصادي استفاده از اتانول يا متانول بجاي بنزين در نتايج حاصل از آزمايش دانشگاه سانتاكلاراي كاليفرنيا آمده است.
استفاده از اتانول به عنوان سوخت خالص مزيت‌هايي به دنبال دارد. براي مثال فشار بخار اتانول خالص يك چهارم فشار بخار بنزين مي‌باشد و اتانول به اندازه كافي مواد خروجي از اگزوز وسايل نقليه را كاهش مي‌دهد. گرماي تبخير بالا، عدد اكتان بالا و ديگر خصوصيات آلي، اتانول را به عنوان يك سوختا خالص مناسب مطرح مي‌سازد. بازده سوخت اتانولي حدوداً ۲۰-۱۵ درصد بيشتر از بنزين دوباره فرموله شده مي‌باشد. بر اساس نتايج بدست آمده، مسافت طي شده توسط يك وسيله نقليه كه از سوخت اتانول استفاده مي‌كند، ۸۰ درصد مسافتي است كه وسيله نقليه‌اي با همان مقدار بنزين (از نظر حجمي) طي خواهد نمود. با درنظر گرفتن اين نكته كه اتانول دو سوم ميزان انرژي بنزين را دارا مي‌باشد.
معضل آلودگي هوا و تركيبات آلاينده
هوا پايه‌اي‌ترين عنصر حيات است. هيچ نوعي از موجودات (جز تعداد انگشت‌شماري ميكروب) بدون وجود هوا و اكسيژن قادر به ادامه حيات نيستند. نقش آن در زندگي روزمره ما چنان است كه مي‌توانيم بگوييم بدون آن هيچ چيز وجود ندارد و نارسايي دريافت آن (مانند آلودگي هوا) به تمام پديده‌هايي كه جلوه‌هايي از زندگي، كار، تندرستي، زيبايي و پويايي هستند، به شدت صدمه مي‌زند.
طبق گزارش شوراي اروپا در سپتامبر ۱۹۷۶ تعريف آلودگي هوا عبارت است از وجود يك جسم خارجي در هوا يا تغيير مهم در نسبت عوامل تشكيل دهنده آن كه موجب آثار زيانبار شناخته شده و بروز بيماري‌هاي متعدد مي‌گردد.

آلودگي هوا به سه شكل تعريف مي‌شود:
۱٫ گاز مانند CO.
2. آتروسل مانند CSF.
3. خرده جامد مانند دوده، گرد و غبار.
آلودگي ايجاد شده توسط انسان شامل وسايل نقليه موتوري شخصي و عمومي، كارخانه، صنايع، واحدهاي تجاري و منازل مي‌باشد. گاز و مواد آلوده كننده اتومبيل‌ها شامل مونواكسيد كربن، اكسيدهاي ازت، هيدروكربن‌ها، سرب و ديگر ذرات است كه در اين ميان سرب آزاد شده در هوا مختص اتومبيل‌هاي بنزيني است. گاز مونواكسيدكربن نتيجه احتراق ناقص سوخت (از هر نوع) است و بر اساس آمار موجود بيش از ۷۰درصد آلودگي هوا را باعث مي‌شود. گاز انيدريد سولفورو ناشي از سوختن گوگرد موجود در ماده سوختي است. هرچه اين سوخت خام‌تر، سنگينتر و تصفيه نشده‌تر باشد (چون مازوت، نفت سياه و …)، ميزان گوگرد موجود در آن و در نتيجه گاز انيدريد سولفورو حاصله بيشتر خواهد بود. اثر تخريبي اين گاز به ويژه در هواي سرد ظاهر مي‌شود، زيرا در تركيب با رطوبت ابرها تبديل به بخار خطرناك اسيدسولفوريك مي‌شود. اين بخار به تدريج در شش‌ها ذخيره مي‌شود و نارسايي‌هاي گوناگون ريه را باعث مي‌گردد. SO2 اثر بسيار سويي بر گياهان، سبزيجات و محيط زيست دارد (بويژه در شكل اسيدهاي شهري و پديده خوردگي از اثرات اين گاز مي‌باشد.
نقش مواد اكسيژنه جهت كاهش هيدروكربن‌هاي خروجي از وسايل نقليه
در موتورهاي احتراق داخلي (درونسوز) افزايش هيدروكربن‌ها و مونوكسيد كربن خروجي از اگزوز وسايل نقليه ناشي از احتراق ناقص سوخت مي‌باشد و با افزايش جزء آروماتيك ميزان هيدروكربن و مونواكسيد كربن خروجي افزايش مي‌يابد. به هر حال، براي كاهش چنين مواد خروجي از لوله اگزوز وسايل نقليه مي‌بايستي ميزان آروماتيك در بنزين كاهش يابد.
تاثير مخلوط اترها با بنزين روي كاهش مواد خروجي از اگزوز وسايل نقليه
يكي از فاكتورهاي مهم در انتخاب جزء افزودني به بنزين، اين است كه در اثر افزودن جزء موردنظر، مخلوط بنزين و ماده افزودني بطور كامل بسوزد. سوخت كامل منجر به كاهش مواد خروجي از اگزوز وسايل نقليه خواهد شد.
با افزايش مقدار اكسيژن در سوخت، مونوكسيد كربن خروجي تمايل به كاهش دارد. حداكثر كاهش هيدروكربن خروجي از اگزوز ماشين در يك مقدار مشخص اكسيژن موجود در بنزين حاصل مي‌شود، كاهش هيدروكربن و مونوكسيد كربن خروجي در اثر افزودن مواد اكسيژنه به بنزين مصرفي را مي‌توان بدين طريق توضيح داد كه اكسژن موجود در ساختار مولكولي بنزين، باعث بهبود احتراق سوخت مي‌گردد.

در حالت كلي، علت حضور هيدروكربن و مونوكسيد كربن در مواد خروجي، ناشي از احتراق ناقص سوخت مي‌باشد. درك اين مساله كه هر يك از مواد اكسيژنه تاثير خاصي روي ماده خروجي از اگزوز وسايل نقليه مي‌گذارد، مهم مي‌باشد.
از طرفي اتانول روي مواد خروجي از اگزوز ماشين نيز مشابه با تاثير مواد اتري مثل MTBE OR ETBE است، با اين تفاوت كه در غلظت يكسان اكسيژن، به مقدار كمتري اتانول جهت افزودن به سوخت مصرفي نياز مي‌باشد.
افزايش ETBE به بنزين به عنوان يك ماده افزودني به تاثيرات زير روي گاز خروجي

از اگزوز وسايل نقليه مي‌انجامد:
• كاهش فرمالدئيد و استالدئيد؛
• كاهش اكسيدهاي نيتروژن.
با افزودن مقداري اتر به بنزين (در شرايطي كه بنزين شامل ۷/۲-۲ درصد وزني اكسيژن باشد) ميزان مونوكسيد كربن و هيدروكربن‌هاي خروجي از اگزوز به ترتيب ۲۰-۰، ۱۰-۵ درصد كاهش مي‌يابند.
بنزين ماده‌اي سمي است كه در گازهاي خروجي مشاهده مي‌گردد. در اثر افزودن اتر به بنزين ميزان خروجي از ۰ به ۱ درصد وزني كاهش مي‌يابد. سولفور موجود در بنزين با افزودن ETBE به مقدار قابل توجهي حدوداً از ۵۰۰ppm به ۱۰۰ppm كاهش مي‌يابد. ميزان آروماتيك و الفين‌ها نيز با كاهش اكسيدهاي نيتروژن كاهش مي‌يابد.
همچنين با مقايسه دو ماده افزودني اتري (MTBE, ETBE) مشاهده مي‌گردد كه ETBE 19% نسبت به MTBE اثر كمتري روي اسيدي كردن اتمسفر مي‌گذارد و اين كاهش روي اسيدي شدن ناشياز مصرف كمتر از ايزوبوتيلن در توليد ETBE مي‌باشد. اين مساله مهم است كه هر دو ماده ETBE, MTBE فاقد سولفور هستند. مزيت‌هاي ETBE نسبت به MTBE عبارتند از: تجديدپذير بودن اتانول و ميزان مصرف كمتر نقت براي توليد ايروبوتيلن. همچنين با افزودن ETBE به بنزين ماده آلاينده خروجي از اگزوز وسايل نقليه كاهش مي‌يابد. در صورتي كه ۱درصد وزني اكسيژن به بنزين مصرفي اضافه شود، ميزان مونوكسيد كربن خروجي حدوداً ۴/۷% خروجي كاهش مي‌يايد. هيدروكربن‌هاي نسوخته (HC) خروجي از اگزوز وسايل نقليه‌اي كه بنزين شامل ETBE مصرف مي‌كنند، ۲۰% كمتر از HC خروجي بنزين كه ETBE به آن اضافه شده است، مي‌باشد.
استفاده از مواد اكسيژنه مخصوصاً اتانول و ETBE براي پاكسازي شهرهاي آلوده بسيار مناسب و قابل قبول تشخيص داده شده است و استفاده از اين مواد همچنان رو به افزايش مي‌باشد. مواد خروجي از اگزوز وسايل نقليه‌اي كه از اتانول به عنوان افزودني سوخت استفاده مي‌كنند، عبارتند از:
• مونوكسيد كربن و هيدروكربن‌هاي نسوخته؛
• فرمالدئيد و استالدئيد.
تركيباتي چون مونوكسيد كربن، اكسيدهاي نيتروژن و اسيدهاي آلي فرار (VOC)، اثرات زيانباري بر لايه ازن مي‌گذارند.
بر اساس تحقيقات كشورهاي اروپايي، استفاده از مواد اكسيژنه مثل اتانول يا ETBE با ۲% وزني اكسيژن، باعث كاهش مقدار تركيبات آروماتيكي (تا ۲۵% نسبت به بنزين) و بنزن (تا ۷% نسبت به بنزين) مي‌گردد. در صورت استفاده از الكل‌ها مقدار هيدروكربن‌هاي سوخته شده و مونوكسيد كربن خروجي نسبت به استفاده از بنزين كاهش مي‌يابد. البته مقدار NOX به ميزان ناچيزي افزايش يافته، ولي اين مساله نبايستي موجب عدم استفاده از سوخت اتانولي در جهان سوم شود. اگر مساله افزودن اتانول به بنزين موردنظر باشد، مقدار مواد خروجي حاصل از احتراق مخلوط سوخت

بطور قابل ملاحظه‌اي كاهش مي‌يابد. امروزه سيستم حمل و نقل با توليد ۲۰% از كل مونوكسيد كربن توليد شده، سهم بسزايي در آلودگي جهاني را دارا مي‌باشد و اين مقدار همچنان رو به افزايش است. استفاده از اتانول مي‌تواند بخش گازهاي خروجي كه باعث اثر گلخانه‌اي مي‌شوند، را بين ۵۰-۲۰ درصد در مقايسه با بنزين كاهش دهد و اين كاهش بستگي به منابع انرژي مورد استفاده در فرآيند توليد دارد.
مراجع: