_______________ชนิดของโมเลกุลต่างๆ ที่พบในน้ำมันเบนซิน_____________
เมื่อคุณทำการเผาไหม้น้ำมันเบนซินภายใต้สภาวะอุดมคติ คือมีปริมาณออกซิเจน (Oxygen) มากเพียงพอ จะได้ก็าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) (ซึ่งก็มาจากคาร์บอนอะตอมในน้ำมันเบนซิน) และได้น้ำ (จากไฮโดรเจนอะตอม) และพลังงานความร้อนปริมาณมาก ประมาณว่าน้ำมันเบนซิน 1 แกลลอน จะให้พลังงานได้ 132x106 จูล ซึ่งเท่ากับ 125,00 BTU หรือ 36,650 วัตต์-ชั่วโมง
หากยังนึกปริมาณของพลังงานดังกล่าวไม่ออก เราพอจะประมาณได้ว่า
- ทำการเปิดใช้เครื่องใช้ไฟฟ้า ประเภทที่ให้ความร้อนอย่าง ฮีตเตอร์ ขนาด 1,500 วัตต์ ตลอดเวลาเป็นเวลา 24 ชม. นั่นคือปริมาณความร้อนที่จะได้จากการเผาไหม้น้ำมันเบนซิน 1 แกลลอน
- ถ้าสมมติว่าคนเราสามารถย่อยน้ำมันเบนซินได้ น้ำมันเบนซินจะมีพลังงานสูงถึง 31,000 แคลอรี หรือเท่ากับการกินแฮมเบอร์เกอร์ของ McDonalds ประมาณ 110 ชิ้น!
น้ำมันเบนซินมาจากไหน?
น้ำมันเบนซิน ผลิตมาจากน้ำมันดิบ (crude oil) น้ำมันดิบนี้จะถูกดูดขึ้นมาจากพื้นโลก มีลักษณะเป็นของเหลวสีดำเรียกว่า ปิโตเลียม (Petroleum) ของเหลวชนิดนี้ประกอบไปด้วยไฮโดรคาร์บอน (Hydrocarbon) และคาร์บอนอะตอมในน้ำมันดิบจะเชื่อมต่อกันเป็นสายโซ่ที่มีความยาวแตกต่างกัน โมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนที่มีความยาวแตกต่างกันนั้น จะมีคุณสมบัติและพฤติกรรมที่แตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น สายโซ่ที่มีคาร์บอนเพียง 1 อะตอม (CH4) จะเป็นโซ่ที่เบาที่สุด ซึ่งก็คือ มีเทน (Methane) มีเทนเป็นก๊าซที่มีน้ำหนักเบามาก สามารถลอยได้พอๆ กับ ฮีเลียม (Helium) และเมื่อสายโซ่มีความยาวมากขึ้น มันก็จะมีน้ำหนักมากขึ้นด้วย สายโซ่ 4 สายแรกคือ CH4 (Methane), C2H6 (Ethane), C3H8 (Propane) และ C4H10 (Butane) ทั้งหมดนี้จะอยู่ในรูปของก๊าซ และมีจุดเดือดอยู่ที่ -161, -88, -46 และ -1 องศาฟาเรนไฮด์ตามลำดับ (หรือ -107, -67, -43 และ -18 องศาเซลเซียส) สายโซ่ที่มีความยาวมากขึ้นถึง C18H32 จะมีสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิห้อง และสายโซ่ที่มีคาร์บอนอะตอมมากกว่า 19 ตัวขึ้นไปจะมีสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง
ด้วยความแตกต่างของความยาวของสายโซ่นี้จะมีผลต่อจุดเดือดของมันด้วย โดยสายโซ่ที่มีความยาวมาก
ก็จะมีจุดเดือดที่สูงขึ้นด้วย ดังนั้นเราสามารถแยกสายโซ่แต่ละความยาวออกจากกันได้โดยการ "กลั่น" โดยการกลั่นในลักษณะนี้อยู่ในรูปของ "การกลั่นน้ำมัน" (Oil Refinery) โดยน้ำมันดิบจะได้รับความร้อนและสายโซ่ที่มีความยาวแตกต่างกันจะถูกดึงออกมาตามลำดับของช่วงอุณหภูมิในการกลายเป็นไอของมัน สายโซ่ที่มีคาร์บอนอะตอม 5, 6 และ 7 จะมีน้ำหนักเบาและสามารถกลายเป็นไอได้ง่าย ของเหลวเหล่านี้เรียกว่า Naphthas ซึ่งใช้เป็นตัวทำละลายในน้ำยาซักแห้ง, ตัวทำละลายในสีทำให้แห้งเร็ว และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่ต้องการการระเหยที่เร็ว สายโซ่ที่มีคาร์บอนอะตอม 7 ตัว (C7H16) ถึง 11 ตัว (C11H24) จะถูกนำมาผสมกันและใช้เป็นน้ำมันเบนซิน (Gasoline) ซึ่งจะมีการระเหยกลายเป็นไอที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือดของน้ำ นั่นคือเหตุผลว่าถ้าคุณทำน้ำมันเบนซินหกบนพิ้น ทำไมมันถึงระเหยไปได้เร็วนัก
ถัดมาคือ คีโรซีน (Kerosene) อยู่ในช่วงที่มีคาร์บอนอะตอม 12 ถึง 15 ตัว จะนำไปใช้ทำน้ำมันดีเซล (Diesel fuel) และน้ำมันเชื้อเพลิงสำหรับงานหนัก
สำหรับน้ำมันหล่อลื่น น้ำมันพวกนี้จะมีการกลายเป็นไอที่ต่ำกว่าในสภาพอุณหภูมิปกติ ยกตัวอย่างเช่น น้ำมันเครื่องยังคงสามารถทำงานได้ดีตลอดทั้งวันภายใต้อุณหภูมิ 250 องศาฟาเรนไฮด์ (หรือ 121 องศาเซลเซียส) โดยไม่เกิดการระเหยกลายเป็นไอ
น้ำมันมีตั้งแต่น้ำมันที่เบาบางมากๆ ไปจนถึงน้ำมันเครื่องที่มีความหนา และหนามากๆ ในน้ำมันเกียร์ ไปจนถึงกึ่งของแข็งอย่างพวกที่มีลักษณะเป็นไข, วาสซาลีน (Vasoline) เป็นต้น
ในสายโซ่ที่มีคาร์บอนอะตอมมากกว่า 20 ตัวจะอยู่ในรูปของแข็งอย่างเช่น ไขขี้ผึ้ง ยางมะตอยซึ่งนิยมนำมาทำเป็นผิวถนนทั้งหมดนี้คือความแตกต่างของสารประกอบต่างๆ ที่ได้จากน้ำมันดิบ ซึ่งแตกต่างกันเพียงของความยาวสายโซ่คาร์บอนเท่านั้น!
ออกเทน (Octane) คืออะไร?
หากคุณพอจะทราบเกี่ยวกับเครื่องยนต์ของรถยนต์อยู่บ้าง คุณจะรู้ว่ารถยนต์ส่วนใหญ่จะใช้เครื่องยนต์เบนซิน
แบบ 4 จังหวะ โดยในจังหวะหนึ่งที่มีการอัด (compression stroke) ภายในกระบอกสูบจะเต็มไปด้วยอากาศและก๊าซซึ่งถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กๆ ก่อนการจุดระเบิดด้วยหัวเทียน ปริมาณของการอัดตัวนี้เรียกว่า อัตราส่วนการอัด (compression ratio) ของเครื่องยนต์ โดยเครื่องยนต์โดยทั่วๆ ไปจะมีอัตราส่วนการอัดอยู่ที่ 8:1
ปริมาณออกเทน (Octane) ของน้ำมันเบนซินจะเป็นตัวบอกว่า น้ำมันเชื้อเพลิงสามารถถูกบีบอัดก่อนที่จะเกิดการจุดระเบิดด้วยตัวเองได้มากน้อยแค่ไหน เมื่อก๊าซภายในกระบอกสูบเกิดการจุดระเบิดด้วยตัวเองก่อนที่จะถูกจุดระเบิดด้วยหัวเทียน เราเรียก
อาการดังกล่าวว่า เครื่องยนต์น็อก (Knocking) การน็อกของเครื่องยนต์จะทำให้เครื่องยนต์เกิดความเสียหายได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่อยากให้เกิดขึ้น ปริมาณออกเทนที่ต่ำ (อย่าง น้ำมันเบนซิน ที่มีค่าออกเทน 87) ความสามารถในการอัดตัวจะทำได้น้อยมากก่อนจะทำการจุดระเบิด
อัตราส่วนการอัดของเครื่องยนต์สามารถบอกค่าออกเทนของน้ำมันที่เครื่องยนต์สามารถใช้งานได้อย่างปกติได้ และวิธีหนึ่งที่จะเพิ่มแรงม้า (Horsepower) ให้กับเครื่องยนต์ก็คือการเพิ่มอัตราส่วนการอัดให้มากขึ้น
ดังนั้นเครื่องยนต์ที่มีสมถณะสูง (High Performance Engine) จะมีอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น และต้องใช้น้ำมันเชื้อเพลิงที่มีค่าออกเทนสูงขึ้นตามไปด้วย ข้อดีของการที่มี่อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นคือจะทำให้เครื่องยนต์ของคุณมีแรงม้ามากขึ้นเมื่อเทียบกับน้ำหนักเครื่องยนต์ และนั่นคือแนวความคิดในการสร้างเครื่องยนต์สมถณะสูง (High Performance) แต่ข้อเสียของเครื่องยนต์ที่มีอัตราส่วนการอัดสูงๆ คือค่าใช้จ่ายสำหรับน้ำมันเชื้อเพลิงที่สูงขึ้นตามไปด้วย
คำว่า "ออกเทน (Octane)" มาจากความจริงที่ว่า เมื่อทำการกลั่นน้ำมันดิบ ผลลัพธ์ที่ได้คือสายโซ่ของ Hydrocarbon ที่มีความยาวแตกต่างกัน ความแตกต่างของสายโซ่เหล่านี้สามารถแยกออกจากกันและนำมาผสมกันจนได้น้ำมันเชื้อเพลิงต่างๆ กัน ยกตัวอย่างเช่น มีเทน (Methane), โพเพน (Propane) และ บิวเทน (Buthane) ซึ่งทั้งหมดคือ Hydrocarbon โดยมีเทนจะมีคาร์บอนอะตอมเพียงตัวเดียว, โพเพนมีคาร์บอนอะตอม 3 ตัวที่ต่อกันเป็นสายโซ่, บิวเทนมี 4 ตัว, เพนเทน (Pentane) มี 5 ตัว, เฮกเซน (Hexane) มี 6 ตัว, เฮปเทน (Heptane) มี 7 ตัว และ ออกเทน (Octane) มีคาร์บอนอะตอม 8 ตัวที่ต่อกันเป็นสายโซ่
การอัดตัวของ เฮปเทน (Heptane) ต่ำมาก เมื่อนำมาอัดตัวเพียงเล็กน้อยแล้วจะเกิดการจุดระเบิดด้วยตัวของมันเอง แต่เมื่อนำ ออกเทน (Octane) มาอัดตัว ออกเทนจะมีการอัดตัวที่ดีกว่า กล่าวคือสามารถอัดตัวได้มากๆ โดยไม่มีอะไรเกิดขึ้น น้ำมันเบนซินที่มีค่าออกเทน 87 ก็คือน้ำมันเบนซินที่ประกอบด้วย ออกเทน 87% และ เฮปเทน 13% (หรืออาจจะมีสารประกอบตัวอื่นๆ ที่ผสมเข้ากับน้ำมันเชื้อเพลิงเพื่อให้มีประสิทธิภาพเท่ากับ 87/13 ของ ออกเทน/เฮปเทน) การจุดระเบิดด้วยตัวเองจะเกิดขึ้นที่การอัดตัวอยู่ระดับหนึ่ง ดังนั้นเครื่องยนต์ที่สามารถใช้ได้จะต้องมีอัตราส่วนการอัดตัวไม่ต่ำกว่าระดับนั้น (ถ้าต่ำกว่าก็จะเกิดอาการ Knocking)
สารที่เติมเข้าไปในน้ำมันเบนซิน
ในระหว่างช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 มีการค้นพบว่า สามารถเติมสารเคมีที่เรียกว่า tetraethyl lead ลงไปในน้ำมันเบนซินได้ซึ่งเป็นการเพิ่มค่าออกเทนให้สูงขึ้นได้อย่างมาก ทำให้ต้นทุนการผลิตน้ำมันเบนซินถูกลง ด้วยการเติมสาร "ethyl" หรือ "สารตะกั่ว (leaded)" ในน้ำมันเบนซิน ซึ่งนิยมใช้กันอย่างกว้างในขณะนั้น แต่ด้วยการเติมสารตะกั่วลงไปในน้ำมันเบนซิน ทำให้มีผลกระทบที่อันตรายดังนี้
- สารตะกั่วจะถูกกักไว้ที่ตัวกรองไอเสียของเครื่องยนต์ (Catalytic Converter) ซึ่งไม่สามารถทำการกรองสารตะกั่วไว้ได้ และจะถูกปล่อยออกมาภายในไม่กี่นาที
- โลกถูกปกคลุมไปด้วยชั้นของตะกั่วบางๆ ซึ่งตะกั่วเป็นพิษแก่สิ่งมีชีวิตหลายชนิดบนโลก รวมทั้งมนุษย์ด้วย
เมื่อสารตะกั่วถูกยกเลิกให้ใช้ น้ำมันเบนซินจึงมีราคาสูงขึ้นเพราะการกลั่นไม่สามารถเพิ่มค่าออกเทนให้กับน้ำมันที่มีเกรดต่ำลงได้ แต่สำหรับเครื่องบินยังคงอนุญาตให้ใช้น้ำมันเบนซินที่มีสารตะกั่ว ซึ่งมีค่าออกเทนอยู่ที่ 115 โดยใช้กับเครื่องบินที่ใช้เครื่องยนต์ลูกสูบประเภท (Super High Performance piston) ในการเผ่าไหม้
สารอีกชนิดหนึ่งที่เข้ามาแทนสารตะกั่วคือสารที่ชื่อว่า MTBE โดย MTBE ย่อมาจาก Methyl Tertiary Butyl Ether ซึ่งก็คือโมเลกุลที่ถูกสร้างมาจาก Methanol
การใช้ MTBE เข้ามาเติมในน้ำมันเบนซินมีอยู่ 2 เหตุผลด้วยกันคือ
- มันช่วยให้ค่าออกเทนสูงขึ้น
- มันจะใส่ออกซิเจนเข้าไป หมายความว่ามันจะเพิ่มออกซิเจนเข้าไปในปฏิกิริยาเมื่อเกิดการเผาไหม้ โดยในสภาวะที่เป็นอุดมคติ ออกซิเจนจะลดการเกิดการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ของ Hydrocarbon และลดการเกิดคาร์บอนมอนนอกไซด์ (CO)
MTBE เริ่มนำเข้ามาใส่ในน้ำมันเบนซินหลังจากงาน Clean Air Act ในปี ค.ศ.1990 ในน้ำมันเบนซินจะมี MTBE อยู่ประมาณ 10% ถึง 15%
ปัญหาหลักของการใช้ MTBE คือมันเป็นสารที่ก่อให้เกิดมะเร็ง (carcinogenic) และมันผสมได้ง่ายกับน้ำ หากถังบรรจุน้ำมันเบนซินที่มี MTBE ใต้ดินเกิดการรั่วขึ้น มันสามารถแพร่เข้าสู่แหล่งน้ำใต้ดิน และเกิดการปนเปื้อนได้อย่างง่ายดาย และแน่นอนว่าในน้ำมันไม่ได้มีเพียงสาร MTBE ตัวเดียวเท่านั้นที่จะลงสู่แหล่งน้ำ
สารที่จะมาแทน MTBE ในน้ำมันเบนซินนั่นก็คือ เอทานอล (Ethanol) เอทานอลก็คือแอลกอฮอล (Alcohol) ธรรมดาๆ นี่เอง แม้มันมีราคาแพงกว่า MTBE มาก แต่ก็ไม่เป็นสารที่ก่อให้เกิดมะเร็ง
ปัญหาของน้ำมันเบนซิน
ผลจากการเผาไหม้ในเครื่องยนต์น้ำมันเบนซินจะพบปัญหาอยู่ 2 ข้อ ข้อแรกคือผลของการเผาไหม้จะทำให้เกิดกลุ่มหมอกควันในเมืองใหญ่ๆ และข้อสองคือผลที่ได้จะอยู่ในรูปของคาร์บอนและก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gases)
เมื่อรถยนต์เผาไหม้น้ำมันเบนซิน ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วมันจะเกิดการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ ผลที่ได้จะไม่มีอะไรมากไปกว่า คาร์บอนได้ออกไซด์ (CO2) และน้ำ แต่ในความเป็นจริงแล้วพบว่า เครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน (Internal Combustion Engine) ไม่เกิดการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ ในกระบวนการเผาไหม้น้ำมันเบนซินนั้น มันจะเกิด
- คาร์บอนมอนนอกไซด์ (Carbon monoxide - CO) ซึ่งเป็นก๊าซพิษ
- ไนโตรเจนออกไซด์ (Nitrogen oxides) ซึ่งเป็นตัวการที่ทำให้เกิดกลุ่มหมอกควันในตัวเมือง
- Hydrocarbons ที่ไม่เกิดการเผาไหม้
ตัวกรองไอเสีย (Catalytic converters) จะกำจัดมลภาวะเหล่านี้ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น มลภาวะทางอากาศจากรถยนต์และโรงไฟฟ้ายังคงเป็นปัญหาหลักของเมืองใหญ่
คาร์บอน ยังคงเป็นปัญหาภายหลังจากการเผาไหม้ มันจะออกมาในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำมันเบนซินประกอบด้วยคาร์บอนเป็นส่วนใหญ่ ประมาณว่าการเผาไหม้น้ำมันเบนซิน 1 แกลลอนจะปล่อยคาร์บอนออกมาประมาณ 5 ถึง 6 ปอนด์ (หรือ 2.5 กิโลกรัม) สู่บรรยากาศ ในสหรัฐอเมริกาจะมีปริมาณคาร์บอนที่ถูกปล่อยสู่บรรยากาศประมาณ 20,000 ล้านปอนด์ในแต่ละวัน
ถ้าอธิบายง่ายๆ โดยให้คาร์บอนอยู่ในรูปของแข็ง ซึ่งสามารถมองเห็นได้ชัดเจน มันจะเหมือนกับการปาถุงน้ำตาลขนาด 5 ปอนด์ออกจากหน้าต่างรถยนต์ในทุกๆ การเผาไหม้น้ำมันเบนซิน 1 แกลลอน เพียงแต่คาร์บอน 5 ปอนด์นั้นมันอยู่ในรูปก๊าซที่เรามองไม่เห็นนั่นก็คือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide) ซึ่งพวกเราแทบทุกคนสัมผัสกับมันเป็นประจำทุกวันโดยไม่รู้ตัว ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมาจากท่อไอเสียรถยนต์ทุกวัน ก๊าซนี้เป็นก๊าซเรือนกระจก (Greenhouse gas) ผลกระทบที่รุนแรงยังไม่ทราบได้ในขณะนี้ แต่มันมีผลอย่างมากต่อการเปลี่ยนแปลงของภูมิอากาศของโลก ยกตัวอย่างเช่น ระดับน้ำทะเลเพิ่มขึ้นจนเกิดน้ำท่วม หรือเกิดการทำลายเมืองตามแนวชายฝั่ง ด้วยเหตุผลนี้ จึงมีการพยายามหาเชื้อเพลิงที่จะมาแทนน้ำมันเบนซินในอนาคต นั่นก็คือ ไฮโดรเจน (Hydrogen)
ขอขอบคุณข้อมูลจาก มหาวิทยาลัยนเรศวร
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น