ไบโอดเซล: การออกแบบการทดลองส าหรบการเรยนรวทยาศาสตรยคศตวรรษท 21 ระดบมธยมศกษาตอนปลาย

นพพร แสงอาทตย

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรวทยาศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาเคมศกษา

คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยบรพา มกราคม 2559

ลขสทธเปนของมหาวทยาลยบรพา

วทยานพนธนไดรบทนการศกษาจากโครงการสงเสรมการผลตครทมความสามารถพเศษทางวทยาศาสตรและคณตศาสตร (สควค.) สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตร (สสวท.)

กระทรวงศกษาธการ

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธนส าเรจลงไดดวยความกรณาจาก ดร.การะเกด เทศศร อาจารยปรกษาหลก ทกรณาใหค าปรกษาแนะน าแนวทางทถกตอง ตลอดจนแกไขขอบกพรองตาง ๆ ดวยความละเอยด ถถวน และเอาใจใสดวยดเสมอมา ผวจยรสกซาบซงเปนอยางยง จงขอกราบขอบพระคณเปนอยางสงไว ณ โอกาสน ขอขอบพระคณ ดร.เอกพงษ สวฒนมาลา ประธานหลกสตรเคมศกษา ภาควชาเคม คณะวทยาศาสตร ดร.ภทราพร ลกษณสรกล ภาควชาเคม คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร และ ดร. อรณรตน สณฐตกวนสกล โปรแกรมวชาเคม คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยราชภฏนครปฐม ทกรณาใหความร ใหค าปรกษา ตรวจแกไข และวจารณผลงาน ท าใหงานวจยมความสมบรณยงขน และผทรงคณวฒทกทานทใหความอนเคราะหในการตรวจสอบ นอกจากนขอขอบคณนอง ๆ ในหองปฏบตการตวเรงปฏกรยานาโน ทชวยเหลอในการท าการสงเคราะหตวเรงปฏกรยานาโน เนองจากงานวจยครงนสวนหนงไดรบทนอดหนนการวจยจากทนการศกษาระดบปรญญาโทส าหรบขาราชการครทนโครงการสงเสรมการผลตครทมความสามารถพเศษทางวทยาศาสตรและคณตศาสตร (สควค.) สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตร (สสวท.) จงขอขอบพระคณ ณ ทนดวย ขอกราบขอบพระคณ คณแมเลยง แซจง และนอง ๆ ทกคนรวมทงภรรยาทใหก าลงใจ และสนบสนนผวจยเสมอมา คณคา และประโยชนของวทยานพนธฉบบน ผวจยขอมอบเปนกตญญกตเวทตาแด บพการ บรพาจารย และผมพระคณทกทาน ทท าใหขาพเจาเปนผมการศกษา และประสบความส าเรจมาจนตราบเทาทกวนน

นพพร แสงอาทตย

56920131: สาขาวชา: เคมศกษา; วท.ม. (เคมศกษา) ค าส าคญ: ไบโอดเซล การออกแบบการทดลอง วทยาศาสตรในโรงเรยน ตวเรงปฏกรยานาโน นพพร แสงอาทตย: ไบโอดเซล: การออกแบบการทดลองส าหรบการเรยนรวทยาศาสตรยคศตวรรษท 21 ระดบมธยมศกษาตอนปลาย (BIODIESEL: AN EXPERIMENTAL DESIGN FOR 21ST CENTURY SCIENCE LEARNING IN HIGH SCHOOL.) คณะกรรมการควบคมวทยานพนธ : การะเกด เทศศร, Ph.D. 92 หนา. ป พ.ศ. 2559 ไบโอดเซลเปนหนงในเชอเพลงทางเลอกทชวยสรางความมนคงดานพลงงาน และสงแวดลอม งานวจยนสนใจศกษาปจจยตาง ๆ ทมผลตอการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยา ทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม ภายใตสภาวะทมตวเรงปฏกรยาเนอเดยว และตวเรงปฏกรยานาโน เพอใชเปนแนวทางการออกแบบบทปฏบตการส าหรบนกเรยนในระดบมธยมศกษาตอไป โดยเนนการทดลองทงาย ใชเวลาในการเกดปฏกรยาสน และสามารถสงเกตเหนการเปลยนแปลงทเกดขนไดอยางชดเจน ผลตภณฑทไดจากปฎกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน พบวามการแยกชนของไบโอดเซล และกลเซอรอลอยางชดเจนเนองจากความแตกตางของส และ ความหนาแนนปรมาณ กลเซอรอลทเกดขนพบวาสมพนธกบปรมาณไบโอดเซลทเกดขน ปรมาณกลเซอรอลทเกด ขนสามารถใชเปนตวบงชปรมาณไบโอดเซลทเกดขน ส าหรบการเรงปฏกรยา เนอเดยว ผลการศกษาเพอหาสภาวะทเหมาะสมในการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน โดยใชโซเดยมไฮดรอกไซดเปนตวเรงปฏกรยา พบวา ควรใชปรมาณตวเรงปฏกรยารอยละ 0.5 โดยอตราสวนน าหนกของน ามนปาลม ตอเมทานอล เทากบ 1:6 ท าปฏกรยาทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 10 นาท ทสภาวะนไดรอยละผลตภณฑเทากบ 98 ส าหรบการเรงปฏกรยาโดยใชตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซดทสงเคราะหได สามารถผลตไบโอดเซลได 98% ทสภาวะทมการใช นาโนแคลเซยมออกไซด 1 เปอรเซนต อตราสวนน าหนกของน ามนปาลมตอ เมทานอล เทากบ 1:6 ท าปฏกรยาทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท กระบวนการเรยนรการผลตไบโอดเซล ไดรบการออกแบบเปน 2 การทดลอง โดยใช โซเดยมไฮดรอกไซด และ นาโนแคลเซยมออกไซด เปนตวเรงปฏกรยา รายละเอยดการทดลองสนบสนนใหนกเรยนสามารถ คดวเคราะห ในการสรางความสมพนธระหวางสงทเกดขน และการอธบายผลทเกดขนไดอยางมเหตและผล นอกจากนการปฏบตการทดลองจะสามารถเปนแรงจงใจใหนกเรยนเกดความคนเคยกบเทคโนโลยพลงงานทางเลอกในแงตาง ๆ มากขน ซงเหลานลวนสอดคลองกบทกษะการเรยนรในศตวรรษท 21

56920131: MAJOR: CHEMICAL EDUCATION; M.Sc. (CHEMICAL EDUCATION) KEYWORD: BIODIESEL/ LABORATORY-EXPERIMENT DESIGN/ HIGH SCHOOL/ SCIENCE IN SCHOOL/ NANO CATALYST NOPPORN SANGATITH: BIODIESEL: AN EXPERIMENTAL DESIGN FOR 21ST CENTURY SCIENCE LEARNING IN HIGH SCHOOL. ADVISORY COMMITTEE: KARAKED TEDSREE, Ph.D. 92 P. 2015. Biodiesel is known as a sustainable alternative fuel to energy and environment. This research focuses on studying the effect of reaction parameters on the production of biodiesel from transesterification of palm oil via homogenous catalysis and nanocatalysis. The study can be used as guidelines in laboratory experiment designed for high school students. The aims of the experimental design are simple experiment, short reaction time and clearly visible. The experimental results clearly demonstrated the separation phase of biodiesel and glycerol due to the different in color and density. The relationship between the obtained glycerol was found consistency with the biodiesel yield. The amount of glycerol obtained can be used to identify the amounts of biodiesel production. For homogeneous catalysis, suitable experimental conditions for laboratory-experiment setting was 0.5% weight of NaOH catalyst, ratio of oil to methanol of 1:6, reaction temperature at 60 °C and reaction time of 10 min. At these conditions, 98 % of the biodiesel production yield was reached. For nanocatalysis using the synthesized nanocalcium oxide (nano CaO), 98 % of the biodiesel production yield was also reached with the following conditions: 1.0% weight of nano CaO catalyst, ratio of oil to methanol of 1:6, reaction temperature at 60 °C and reaction time of 30 min. The biodiesel learning process was designed into 2 comparable experiments between using NaOH and nano CaO compared with bulk CaO as catalysts for biodiesel production. The text of the experiment gives students to think critically and logically to make the relationship between evidence and explanation. In addition, this exercise will inspire students to become more familiar with the various aspects of renewable energy technologies. These are consistent with skills framework for 21st century learning.

สารบญ

หนา บทคดยอภาษาไทย....................................................................................................................... ก บทคดยอภาษาองกฤษ.................................................................................................................. ข สารบญ......................................................................................................................................... ค สารบญตาราง............................................................................................................................... ง สารบญภาพ.................................................................................................................................. จ บทท 1 บทน า................................................................................................................................... 1 ทมาและความส าคญ................................................................................................... 1 วตถประสงคของการศกษา......................................................................................... 3 ขอบเขตการศกษา....................................................................................................... 3 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ......................................................................................... 3 2 เอกสารและงานวจยทเกยวของ........................................................................................... 4 การจดการเรยนรในศตวรรษท 21............................................................................... 4 การจดการเรยนรวทยาศาสตรศตวรรษท 21............................................................... 5 สภาวะการปจจบน ดานพลงงานและสงแวดลอม....................................................... 6 การผลตไบโอดเซล.................................................................................................... 7 ไขมน และน ามน........................................................................................................ 9 ตวเรงปฏกรยา............................................................................................................. 11 กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยตวเรงปฏกรยาเบส....................... 12 การวเคราะหไบโอดเซล............................................................................................. 14 ความรทวไปเกยวกบนาโนเทคโนโลย....................................................................... 16 วสดนาโน................................................................................................................... 17 ตวเรงปฏกรยานาโน................................................................................................... 19 งานวจยทเกยวของ...................................................................................................... 20 3 วธการทดลอง...................................................................................................................... 24 แผนการด าเนนงาน..................................................................................................... 24

สารบญ (ตอ)

บทท หนา เครองมอวเคราะห อปกรณและสารเคม...................................................................... 25 การผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยใชตวเรงปฏกรยา เนอเดยว...................................................................................................................... 26 การสงเคราะหตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซด........................................................ 26 การทดสอบความเปนเบสของตวเรงปฏกรยาโดยวธ Hammett indicator................... 27 การวเคราะหขนาด สณฐาน และการกระจายตวของอนภาคนาโนแคลเซยมออกไซด โดยเทคนคจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน.......................................................... 27 การผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยใชตวเรงปฏกรยา นาโนแคลเซยมออกไซด............................................................................................. 27 การวเคราะหรอยละเอสเทอรของกรดไขมน (% FAME) โดยเทคนค นวเคลยรแมกเนตกเรโซแนนซ สเปกโทรสโกป........................................................ 28 การออกแบบการทดลองในชนเรยน........................................................................... 29 4 ผลการทดลองและอภปรายผล............................................................................................ 30 ตอนท 1 การผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวโซเดยมไฮดรอกไซด..... 30 การออกแบบชดอปกรณทใชในการผลตไบโอดเซล.................................................. 30 การผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน........................................... 31 การหารอยละของไบโอดเซล โดย 1H NMR สเปกโทรสโกป.................................... 33 การศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอการผลตไบดเซลจากปฏกรยา ทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม.................................................................... 34 กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว....... 39 ตอนท 2 การผลตไบโอดเซลโดยตวเรงปฏกรยาเนอผสมนาโนแคลเซยมออกไซด.... 40 การสงเคราะห และการวเคราะหขนาดของอนภาคนาโนแคลเซยมออกไซด............. 41 การวเคราะหความเปนเบสบนพนผวตวเรงปฏกรยา................................................... 43 การศกษาปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม โดยใชตวเรงปฏกรยา เนอผสมนาโนแคลเซยมออกไซด............................................................................... 44 การศกษาเปรยบเทยบประสทธภาพการเรงปฏกรยาของตวเรงปฏกรยาเนอผสม....... 46

สารบญ (ตอ)

บทท หนา การศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม.. 48 กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซด 53 ตอนท 3 การจดท าคมอชดการทดลอง และการใชคมอการทดอง............................... 55 แนวคดในการจดท าคมอชดการทดลอง และการใชคมอการทดอง............................ 55 5 สรปผลการทดลอง............................................................................................................... 57 สรปผลการทดลอง..................................................................................................... 57 ขอเสนอแนะ............................................................................................................... 58 บรรณานกรม............................................................................................................................... 59ภาคผนวก..................................................................................................................................... 63 ภาคผนวก ก ...................................................................................................................... 64 คมอการทดลองชดท 1................................................................................................ 65 คมอการทดลองชดท 2................................................................................................ 76 ภาคผนวก ข ...................................................................................................................... 86 ภาคผนวก ค ...................................................................................................................... 90 ประวตยอของผวจย..................................................................................................................... 92

สารบญตาราง

ตารางท หนา 2.1 องคประกอบทางเคมของน ามนปาลม……..................................................................... 11 4.1 คาเคมเคลชฟ (chemical shift) ของไบโอดเซล................................................................ 33 4.2 ผลลพธการเปลยนสของแฮมเมตอนดเคเตอรทใชทง 3 ชนด........................................... 44

4.3 รอยละของไบโอดเซลทเกดจากการท าปฏกรยาทเวลาตางกน......................................... 49

4.4 ความสงของชนกลเซอรอล และชนสบจากการท าปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน

โดยใชปรมาณตวเรงปฏกรยาทตางกน............................................................................. 51

สารบญภาพ

ภาพท หนา 2.1 เสาหลกของการจดการเรยนรในศตวรรษท 2.................................................................... 4 2.2 ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของไตรกลเซอไรด........................................................ 7 2.3 ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนเอสเทอรกบแอลกอฮอล................................................. 7 2.4 ผลตภณฑทไดจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน.......................................................... 8 2.5 ปฏกรยาเอสเทอรฟเคชน................................................................................................... 10 2.6 โครงสรางไตรกลเซอไรดในน ามนปาลม.......................................................................... 10 2.7 กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยมตวเรงปฏกรยาเนอเดยวชนดเบส...... 13 2.8 โครงสรางพนผวของโลหะออกไซด................................................................................. 14 2.9 ปฏกรยาสะปอนนฟเคชนของกรดไขมนอสระ................................................................. 14 2.10 1H NMR spectrum ผลตภณฑทไดจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน อกษร A, G และ M หมายถงหมของเมทลนโปรตอน (–CH2), glyceridic และเมทอกซโปรตอน (-O- CH3).......................................................................................................................... 15 2.11 การเปลยนแปลงพนทผวจ าเพาะเมอวสดมขนาดเลกลง.................................................... 18 2.12 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผานของอนภาคนาโน.......................... 18 3.1 แผนการด าเนนงาน............................................................................................................ 24 4.1 อปกรณทใชศกษาปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน.......................................................... 30 4.2 ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนปาลม.................................................................... 31 4.3 ภาพถาย ก) กอนท าปฏกรยา ข) หลงท าปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนปาลม...... 32 4.4 1 H NMR สเปกตรมของไบโอดเซลทผลตจากน ามนปาลม............................................... 34 4.5 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ทเวลา ก) 5 นาท ข) 10 นาท ค) 20 นาท และ ง) 30 นาท สภาวะททดลอง: อตราสวนน ามนปาลมตอเมทานอลเทากบ 1:6 ใชตวเรงปฏกรยารอยละ 0.5 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 601 องศาเซลเซยส…...…….......................................................................................... 35

สารบญภาพ (ตอ)

ภาพท หนา 4.6 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนเมอใชปรมาณตวเรงปฏกรยา รอยละ ก) 0.1 ข) 0.2 ค) 0.3 ง) 0.4 จ) 0.5 ฉ) 0.6 ช) 0.7 ซ) 0.8 ฌ) 0.9 ญ) 1.0 โดยน าหนกน ามนปาลม สภาวะททดลอง: อตราสวนโดยโมลของน ามนปาลมตอ เมทานอล เทากบ 1:6 ท าปฏกรยาทอณหภม 601องศาเซลเซยส เปนเวลา 10 นาท......... 36 4.7 ภาพถายผลตภณฑทไดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนปาลมทอณหภม ก) 45 ข) 50 ค) 55 ง) 60 จ) 65 องศาเซลเซยส สภาวะททดลอง: รอยละโดยน าหนก โซเดยมไฮดรอกไซด เทากบ 0.5 อตราสวนน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 เวลาในการท าปฏกรยา 10 นาท โดย คาความคลาดเคลอนอณหภมทใชในการศกษา อยในชวง 1 องศาเซลเซยส............................................................................................. 38 4.8 (ก) ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผานของอนภาค นาโนแคลเซยมออกไซด (ข) ภาพขยายรป (ก).................................................................. 42 4.9 กราฟการกระจายตวของขนาดของแคลเซยมออกไซดทสงเคราะหได.............................. 43 4.10 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนของแคลเซยมออกไซดจากหนปน...................... 43 4.11 ภาพถาย ก) ของผสมระหวางน ามนปาลม แคลเซยมออกไซด และเมทานอลกอนให ความรอน ข) หลงใหความรอนทอณหภม 601องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท......... 45 4.12 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ก) ใชแคลเซยมออกไซดจาก หนปน 1% ข) ใชแคลเซยมออกไซดจากหนปน 7% ค) ใชแคลเซยมออกไซดนาโน 1% สภาวะททดลอง: อตราสวนโดยเมทานอลตอน ามนปาลม 6:1 ท าปฏกรยาทอณหภม 601องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท............................................................................ 47 4.13 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ทเวลา ก) 10 นาท ข) 20 นาท ค) 30 นาท และ ง) 40 นาท สภาวะททดลอง: อตราสวนเมทานอลตอน ามนปาลม เทากบ 6:1 ใชตวเรงปฏกรยารอยละ 1 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 601 องศาเซลเซยส....................................................................................................... 48

สารบญภาพ (ตอ)

ภาพท หนา 4.14 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนเมอใชปรมาณตวเรงปฏกรยา รอยละ ก) 0.25 ข) 0.5 ค) 1.0 ง) 2.0 จ) 3.0 และ ฉ) 4.0 โดยน าหนกของน ามนปาลม สภาวะททดลอง: อตราสวนโดยโมลของน ามนปาลมตอเมทานอลเทากบ 1:6 ท าปฏกรยา ทอณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท............................................................ 50 4.15 ภาพถายผลตภณฑทไดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนปาลมทอณหภม ก) 501 ข) 601 และ ค) 651 องศาเซลเซยส สภาวะททดลอง: นาโนแคลเซยมออกไซดรอยละ เทากบ 1% โดยน าหนกของน ามนปาลม อตราสวนโดย โมลน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 ท าปฏกรยา 30 นาท.......................................... 52 ข-1 1 H NMR สเปกตรมของไบโอดเซล: สภาวะททดลอง อตราสวนโดยโมลน ามนปาลม ตอเมทานอล 1:6 โซเดยมไฮดรอกไซด รอยละ 0.50 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท........................................ 87 ข-2 1 H NMR สเปกตรมของไบโอดเซล: สภาวะททดลอง อตราสวนโดยโมลน ามนปาลม ตอเมทานอล 1:6 นาโนแคลเซยมออกไซด รอยละ 0.50 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท.......................................... 88 ข-3 1 H NMR สเปกตรมของไบโอดเซล: สภาวะททดลอง อตราสวนโดยโมลน ามนปาลม ตอเมทานอล 1:6 นาโนแคลเซยมออกไซด รอยละ 1.00 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 601องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท........................................... 89

บทท 1 บทน า

1.1 ทมาและความส าคญ ปจจบนทวโลกรวมถงประเทศไทย ก าลงเผชญกบปญหาดานพลงงาน เชน ราคาทสงขน การขาดแคลนในอนาคต รวมถงผลกระทบของการใชพลงงานทมตอสภาวะสงแวดลอม การสนบสนนใหมการใชพลงงานทางเลอกอน ๆ เชน พลงงานแสงอาทตย พลงงานลม รวมทงพลงงานหมนเวยนจากชวมวล ซงเปนพลงงานทใชไดไมมวนหมด และเปนมตรตอสงแวดลอม จงเปนวธหนงในการสรางความมนคงดานพลงงาน และสงแวดลอม ดงนนเพอเปนสวนหนงในการวาง รากฐานความรเรองพลงงานทดแทน และการปลกจตส านกดานสงแวดลอมแกเยาวชนไทย รวมทงสงเสรมใหการเรยนการสอนวทยาศาสตรในชนเรยนมประสทธภาพมากขน จงเกดแนวคดทจะสรางชดการทดลองพนฐาน เรองไบโอดเซล เพอใชประกอบการสอนวชาเคม ในระดบมธยมศกษาตอนปลาย โลกไดกาวเขาสศตวรรษท 21 ซงวทยาศาสตร และเทคโนโลยมความกาวหนาอยางรวดเรวมการคนพบองคความรใหมตลอดเวลาอยางตอเนองในลกษณะทวคณ ท าใหเกดการพฒนาดานตาง ๆ อยางรวดเรว ดงนนแนวการจดการเรยนรทางวทยาศาสตร จงควรเปนการเรยนรทเออตอการน าความรทางวทยาศาสตรมาชวยในการตดสนใจในเรองของธรรมชาต และการเปลยนแปลงทเกดขนจากการกระท าของมนษย โดยควรเนนความเขาใจ และตระหนกในคณคาทจะน าวทยาศาสตร และเทคโนโลยมาผสมผสานเขากบสงคม และสงแวดลอมไดเปนอยางด ดงนนแนวคดการพฒนาชดการสอนพลงงานทดแทนในหวขอไบโอดเซล จงมงเนนการออกแบบการทดลองทตอบสนองตอกระบวนการสรางทกษะการเรยนรทางวทยาศาสตรในยคศตวรรษท 21 นาโนเทคโนโลยเปนกระแสใหมของการพฒนาเทคโนโลยในศตวรรษท 21 ซงเกยวของกบกระบวนการสราง สงเคราะห ควบคม และใชประโยชนจากวสดหรอโครงสรางทมขนาดเลกในระดบนาโนเมตร นาโนเทคโนโลยจะท าใหวสดมสมบตพเศษทสามารถน ามาใชประโยชน เปนประตสนวตกรรมทางวทยาศาสตร และเทคโนโลยทกแขนง ปจจบนมแนวคดการน านาโนเทคโนโลยมาประยกตใชดานพลงงาน และสงแวดลอมมากมาย เชน การพฒนาอนภาคนาโน เพอใชเปนตวเรงปฏกรยา เพอการผลตเซลลแสงอาทตยชนดสยอมไวแสง เซลลเชอเพลง และการผลต ไบโอดเซลคณภาพสง การน าแนวคดทางดานนาโนเทคโนโลย เขามาสชนเรยนระดบมธยม จะชวยใหนกเรยนเกดการเรยนรเทคโนโลยใหม ๆ ทเขามาเกยวของในชวตประจ าวนไดมากขน งานวจยน

จงมแนวคดตอยอด เพอสรางชดการทดลอง การผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยานาโน เพอเปรยบเทยบประสทธภาพ และขอดขอจ ากดของการใชตวเรงปฏกรยาโซเดยมไฮดรอกไซดทนยมใชทวไปในการผลตไบโอดเซล โดยทวไปการผลตไบโอดเซลจะใชปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน (transesterification) โดยการใหความรอนน ามนหรอไขมนกบแอลกอฮอล ภายใตสภาวะทมตวเรงปฏกรยา ตวเรงปฏกรยาทใชในการผลตไบโอดเซลแบงออกเปน 2 ประเภท คอ ตวเรงปฏกรยาเนอเดยว (homogeneous catalyst) และตวเรงปฏกรยาเนอผสม (heterogeneous catalyst) ในปจจบนกระบวน การผลตไบโอดเซลยงคงใชตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว ซงวธการนในขนตอนการก าจดตวเรงปฏกรยา ตองใชน าในการลางตวเรงปฏกรยาออกจากไบโอดเซล กอใหเกดน าเสยในปรมาณมากทเปนปญหาตอสงแวดลอม ดงนนจงมการน าตวเรงปฏกรยาเนอผสมของแขงมาใช โดยทวไปนยมใชในรปของโลหะออกไซด เชน แคลเซยมออกไซด (CaO) แมกนเซยมออกไซด (MgO) และสงกะสออกไซด (ZnO) ซงโลหะออกไซดเหลานมสมบตเปนเบส โลหะออกไซดทมความแรงของเบสสง จะมประสทธภาพในการเรงปฏกรยาไดด ตวเรงปฏกรยาเนอผสมมขอด คอ สามารถแยกออกจากผลตภณฑไดงาย น ากลบมาใชใหมได และเปนมตรกบระบบนเวศวทยา อยางไรกตามปญหาประการหนงทส าคญของการใชตวเรงปฏกรยาเนอผสม คอ อตราเรวในการเกดปฏกรยา เนองจากปฏกรยาเกดเฉพาะทพนผว ท าใหปรมาณพนผวมผลกระทบอยางมากตอประสทธภาพในการเรงปฏกรยา ดงนนเพอใหไดตวเรงปฏกรยาทมประสทธภาพสงจงตองลดขนาดของตวเรงปฏกรยาใหมขนาดในระดบนาโนเมตร หรอเรยกวาตวเรงปฏกรยานาโน (nano catalyst) ซงมลกษณะเฉพาะ คอมอตราสวนพนทผวตอปรมาตรสง ชวยเพมพนทผวสมผสระหวางสารตงตน และตวเรงปฏกรยา ท าใหเกดปฏกรยาไดรวดเรว ซงสอดคลองกบระยะเวลาในการจดการเรยนการสอนในระดบมธยมศกษา งานวจยนสนใจศกษาหาสภาวะตาง ๆ ทใชในการผลตไบโอดเซล และออกแบบชดการทดลองการผลตไบโอดเซล โดยแบงออกเปน 2 การทดลอง การทดลองแรกเกยวกบความรพนฐานการผลตไบโอดเซลดวยปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว และการทดลองท 2 เปนการน าความรเกยวกบนาโนเทคโนโลยมาเพมประสทธภาพในการผลต และลด ปญหาสงแวดลอม โดยการพฒนาการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยานาโน แคลเซยมออกไซด

1.2 วตถประสงคของการศกษา เพอศกษาปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ส าหรบการผลตไบโอดเซล ภายใตสภาวะทมการใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวและตวเรงปฏกรยานาโนเนอผสม รวมทงการออกแบบชดการทดลองการผลตไบโอดเซล และคมอการทดลองทสามารถตอบสนองการเรยนรวทยาศาสตรของนกเรยนในยคศตวรรษท 21

1.3 ขอบเขตการศกษา 1. ศกษาสภาวะทเหมาะสมในการผลตไบโอดเซล จากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม โดยใชโซเดยมไฮดรอกไซดเปนตวเรงปฏกรยา ศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอกระบวนการผลต เชน ปรมาณตวเรงปฏกรยา เวลาทใชในการเกดปฏกรยา เปนตน 2. สงเคราะหตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด และวเคราะหขนาด รปราง และการกระจายตวโดยเทคนคอเลกตรอนไมโครสโกป 3. ศกษาสภาวะทเหมาะสมในการผลตไบโอดเซล จากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม โดยใชตวเรงปฏกรยาเนอผสมนาโนแคลเซยมออกไซด ศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอกระบวนการผลต เชน ปรมาณตวเรงปฏกรยา เวลาทใชในการท าปฏกรยา เปนตน 4. วเคราะหรอยละการเกดไบโอดเซล โดยใชเทคนคโปรตอนนวเคลยร แมกเนตก เรโซแนนซสเปกโทรสโกป 5. น าสภาวะทเหมาะสมทไดจากการศกษาไปออกแบบชดการทดลองผลตไบโอดเซล ทเหมาะสมกบนกเรยนในระดบมธยมศกษาตอนปลาย 6. จดท าคมอการทดลอง ส าหรบการเรยนระดบมธยมศกษา

1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 1. สามารถน าชดการทดลองนไปใชจดกจกรรมอบรมใหความร หรอจดการเรยนร เรองการผลตไบโอดเซลในชนเรยน 2. ชวยฝกฝนใหผเรยนไดเรยนร และเพมทกษะเรองการใชอปกรณการทดลอง และเทคนคการท าการทดลองตาง ๆ ทเกยวของ 3. นกเรยนเกดกระบวนการเรยนร ทน าไปส การคดวเคราะห การแกปญหา และตระหนกในคณคาดานพลงงาน และสงแวดลอม 4. นกเรยนเกดแนวคดในการน านาโนเทคโนโลยไปประยกตใชประโยชน

บทท 2 เอกสารและงานวจยทเกยวของ

2.1 การจดการเรยนรในศตวรรษท 21 การจดการเรยนรในปจจบน ผสอนตองเปลยนแปลงจากการใชวธสอนแบบบรรยาย (lecture teaching) เปนการจดการเรยนรโดยเนนผเรยนเปนส าคญ (child-oriented learning) และเปลยนวธการวดผลจากการวดผลตามจดประสงคเชงพฤตกรรมทผสอนก าหนดตามเนอหาทตองการใหผเรยนเรยนร (forward design) มาเปนก าหนดสมรรถนะหรอผลการเรยนรทผเรยนควรไดรบ กอนเขยนแผนจดการเรยนร และเขยนจดประสงคใหตรงกบสมรรถนะทผเรยนควรไดรบ การจดการเรยนรในยคศตวรรษท 21 เนนใหทงผเรยน และผสอนกาวเขาสการเรยนรในอนาคตไปพรอม ๆ กน จงตองปรบสงแวดลอมในการเรยนรในเรองการออกแบบการจดการเรยนร เวลาในการเรยนร เครองมอหรออปกรณตาง ๆ ชมชน และนโยบายของรฐและสถานศกษา เพอใหสนบสนนสมรรถนะของผสอน และผเรยนในโลกอนาคต (Phornphisutthimas, 2013) ภาพท 2-1 ภาพท 2-1 เสาหลกของการจดการเรยนรในศตวรรษท 21 (Phornphisutthimas, 2013) การจดการเรยนรในปจจบนจ าเปนตองปรบเปลยนใหสอดคลองกบทกษะการเรยนร ในศตวรรษท 21 ซงมลกษณะส าคญ 9 ประการ (Phornphisutthimas, 2013) ไดแก 1. เปนลกษณะการจดการเรยนรทเนนผเรยนเปนส าคญ (child center) 2. ใชสอตาง ๆ เปนองคประกอบในการจดการเรยนร (media-driven) 3. เปนการเรยนรทผเรยนสามารถจดการเรยนรดวยตนเองได (personalized)

4. เปนการเรยนรทผเรยนสามารถปรบเปลยน และสงเคราะหองคความรใหมจากประสบการณเดมทมอยได (transfer-by-design) 5. แสดงออกไดอยางโปรงใส (visibly relevant) โดยยดหลกการเปลยนแปลงโดยธรรมชาต และท าใหเกดความรวมมอในการท างานอยางมความสข 6. ผเรยนไดรบความรในปรมาณมาก (data-rich) จากการจดการเรยนรในหลกสตร โดยใชวธการจดการเรยนร และทรพยากรตาง ๆ ไดอยางเหมาะสม 7. มการปรบเปลยนใหเหมาะสมกบภาวการณตลอดเวลา (adaptable) จนเกดการเรยนรอยางไมมทสนสด 8. มการประสานงานและจดการเรยนรรวมระหวางสถานศกษา และชมชน 9. มความหลากหลาย (diverse) ของกระบวนการวธการ เทคนค และสอทใชใน การจดการเรยนรรวมระหวางผสอน ผเรยน และชมชน 2.2 การจดการเรยนรวทยาศาสตรศตวรรษท 21 การจดการเรยนรกลมสาระการเรยนรวทยาศาสตรในปจจบนเปนการเรยนรวา วทยาศาสตรท างานอยางไร (Toplis, 2011) ซงมองคประกอบทเปนแกนหลกของการเรยนรวทยาศาสตร 3 ประการ ไดแก 1. การศกษาประวต และปรชญาของวทยาศาสตร เปนการเรยนรความเปนมาของวทยาศาสตร เรยนรวธการคดของนกวทยาศาสตร เพอใหเกดความซาบซงใจ และท าใหผเรยนตองการเรยนรวมไปกบนกวทยาศาสตรหรอเนอหาวทยาศาสตรทผเรยนวาดภาพหรอจตนาการไว 2. การทดลอง และสบคนขอมลเพอตรวจสอบสมมตฐานทผเรยนคาดหมายไว 3. เรยนรวธการใหเหตผลเพอน าไปสการอภปราย วเคราะห รวมถงการสงเคราะหประมวลความรทางวทยาศาสตรเพอน าไปใชงานตาง ๆ การเรยนรของผเรยนในยคปจจบนเปนการถายทอดความรจากผสอนไปยงผเรยนโดย จดสภาพแวดลอมของการเรยนรใหเหมาะสมกบเนอหาในรายวชา การเรยนรวชาวทยาศาสตรมลกษณะการจดการเรยนรทเนนผเรยนเปนส าคญ เนองจากในแตละเนอหาจะมบทปฏบตการทสอดคลองกบเนอหาทผเรยนตองศกษาดวย การจดการเรยนรวทยาศาสตรในสถานศกษาควรมการใชสอทเหมาะสมเพอท าใหเกดการเรยนรวทยาศาสตรตามสมรรถนะทผเรยน การเรยนรโดยการ ฝกปฏบต ชวยใหผเรยนเขาใจเนอหาตาง ๆ ดานวทยาศาสตรมากขน บทฝกปฏบตอาจเปนการท าปฏบตการในหองปฏบตการจรง (Phornphisutthimas, 2013) การจดการสถานศกษาเพอใหเกดภาวะแวดลอมทสงเสรมการเรยนรวทยาศาสตรในศตวรรษท 21 และชวยสงเสรมใหผเรยนเกดทกษะ

ในการด ารงชวตในภาวะปจจบน 7 ทกษะ (Wagner, 2008) ไดแก 1. การคดวเคราะหและการแกปญหา 2. การรวมมอกนท างานและความเปนผน า 3. ความคลองตวและการปรบตว 4. ความคดรเรมและการสรางสรรคสงใหม 5. การสอสารดวยภาษาพดและภาษาเขยนอยางมประสทธภาพ 6. การเขาถงและการวเคราะหขอมล 7. ความอยากรอยากเหน และจนตนาการ

2.3 สภาวะการปจจบน ดานพลงงาน และสงแวดลอม ปจจบนประเทศไทยก าลงเผชญปญหาดานพลงงาน เนองจากการขยายตวทางเศรษฐกจ และอตสาหกรรม หากยงมการใชน ามนหรอพลงงานในอตราทสง จากสถานการณพลงงานไทย ป 2557 พบวา ประเทศไทยมการใชพลงงานเชงพาณชยขนตน เทากบ 2,052 พนบารเรลน ามนดบ ตอวน คดเปนรอยละ 1.6 เมอเทยบกบปทผานมา (ส านกงานนโยบายและแผนพลงงาน, 2557) และ มแนวโนมสงขนทก ๆ ป รวมทงเมอมการใชพลงงานปรมาณทสงขน ยอมสงผลกระทบตอสภาพ แวดลอมอยางหลกเลยงไมได จากการประมาณการโดยองคการเพอความรวมมอทางเศรษฐกจและการพฒนา (Organization for Economic Co-operation and Development ;OECD) พบวาการปลอยกาซคารบอนไดออกไซดซงเปนกาซหลกทท าใหเกดปรากฎการณเรอนกระจกสงผลใหเกดปญหาภาวะโลกรอน และฝ นละลองขนาดเลก สาเหตหลกมาจากภาคผลตพลงงาน (Virginie, 2011) มแนวโนมเพมขนรอยละ 3 ตอป (กรมควบคมมลพษ, 2558) ท าใหวกฤตการณดานสงแวดลอมของไทยจดอยในอนดบท 7 ของทวปเอเชย สวนใหญเปนปญหามลพษทางอากาศ รองลงมา คอ มลพษทางน า มลพษทางดน มลพษทางเสยง มลพษจากขยะและสงปฏกล (กระทรวงทรพยากรและสงแวดลอม, 2555) ดงนนจงมความจ าเปนอยางเรงดวนทตองมการจดหาพลงงานทดแทนมาใชแทนพลงงานปโตรเลยมทมราคาแพงขนอยางตอเนอง และก าลงจะหมดไป ไบโอดเซลจงเปนพลงงานเชอเพลงทดแทนน ามนดเซล และเปนพลงงานทางเลอกใหมเปนพลงงานสะอาด ไมมก ามะถน ลดแกสเรอนกระจกทเปนปญหาโลกรอน (คณะกรรมมาธการ สภาผแทนราษฎร, 2545) ไบโอดเซลสามารถผลตไดจากไขมนพชหรอไขมนสตว เหมาะกบประเทศเกษตรกรรมอยางประเทศไทย และรฐบาลไดมการผลกดนสงเสรมใหมการจดท าแผนพฒนาพลงงานทดแทน โดยตงเปาหมายป 2564 ใหมการผลตไบโอดเซลไดวนละ 5.97 ลานลตร เพอใชภายในประเทศเปนการลดการน าเขาพลงงานจากตางประเทศ

2.4 การผลตไบโอดเซล ไบโอดเซล (biodiesel) เปนพลงงานเชอเพลงทผลตจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ระหวางน ามนพชหรอไขมนสตวซงมไตรกลเซอไรดเปนองคประกอบหลก ท าปฏกรยากบแอลกอฮอล มกรดหรอเบสเปนตวเรงปฏกรยา โดยไตรกลเซอไรดจะถกเปลยนไปเปน แอลคลเอสเทอร หรอไบโอดเซล และกลเซอรอล (Yang, Xu, Li, Ren, & Wang, 2013; Garpen, 2005) แสดงดงในภาพท 2-2

ไตรกลเซอไรด แอลกอฮอล กลเซอรอล ไบโอดเซล

ภาพท 2-2 ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของไตรกลเซอไรด (Yang et al., 2013) ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน (transesterification) เปนปฏกรยาการแทนทหมแอลคลของเอสเทอร ดวยแอลกอฮอลอกชนดหนง ใหเอสเทอรชนดใหม เปนการเปลยนหม R'' ใน เอสเทอรเดม กบหม R' ในแอลกอฮอลเดม โดยกรดหรอเบสเปนตวเรงปฏกรยา (ระววรรณ สทธโอสถ, 2555) ดงปฏกรยาในภาพท 2-3 ภาพท 2-3 ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนเอสเทอรกบแอลกอฮอล (Yang et al., 2013) การเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของไตรกลเซอไรด หากปฏกรยาเกดไมสมบรณ จะมไดกลเซอไรด และโมโนกลเซอไรดซงเปนอนเตอรมเดยตเกดขนดงแสดงในภาพท 2-4

R'OH R"OH ++

R OR'

O

R OR"

O

+

Catalysts

CH

CH2

CH2

HO

HO

HOCH3HO

H2C

HC

H2C

O

C

O

R1

O

C

O

R2

O

C

O

R3

+

H3C

H3C

H3C

O

C

O

R1

OC

O

R2

OC

O

R3

3

ภาพท 2-4 ผลตภณฑทไดจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน (Kondo & Noda, 2001) ไบโอดเซลสามารถน ามาใชแทนน ามนดเซลได (คณะกรรมมาธการ สภาผแทนราษฎร, 2554) ไมมก ามะถนเปนองคประกอบท าใหไอเสยทปลอยออกจากเครองยนตไมกอใหเกดฝนกรด สามารถลดมลพษในอากาศ ลดปรมาณฝ นละอองเลก ๆ และมควนด าต ากวาการใชน ามนดเซล สามารถลดควนด าไดมากกวารอยละ 40 ไบโอดเซลมจดวาบไฟสงกวาน ามนดเซล จงมคาการ จดระเบดในเครองยนตชากวาน ามนดเซล และมความปลอดภยในการขนสง และไบโอดเซลยงมคณสมบตในการหลอลนเครองยนตดกวาน ามนดเซล ชวยลดการสกหรอของเครองยนตไดด และนอกจากนยงปองกนการนอกของเครองยนตไดดกวาน ามนดเซล เนองจากมคาซเทนสงกวา น ามนดเซล

+Catalysts

CH3HO

H2C

HC

H2C

O

C

O

R1

O

C

O

R2

O

C

O

R3

+ H3C O

C

O

R2

Triglyceride Methanol Diglyceride Methyl ester(Biodiesel)

+Catalysts

CH3HO +

Methanol Methyl ester(Biodiesel)

H2C

HC

H2C

O

C

O

R1

O

C

O

R2

OH

Diglyceride

H2C

HC

H2C

O

C

O

R1

O

C

O

R2

OH

H3C O

C

O

R2

Monoglyceride

H2C

HC

H2C

O

C

O

R1

OH

OH

Monoglyceride

H2C

HC

H2C

O

C

O

R1

OH

OH

CatalystsCH3HO

Methanol

+ +

Glycerol

H2C

HC

H2C

OH

OH

OH

Methyl ester(Biodiesel)

H3C O

C

O

R2

2.5 ไขมน และน ามน ไขมน และน ามน (lipid and oil ) เปนเอสเทอรของกรดไขมน และกลเซอรอล ไขมนจะเปนของแขงทอณหภมหอง สวนน ามนจะเปนของเหลวทอณหภมหอง ไขมน และน ามนมสวนประกอบหลกทางเคมทเหมอนกน ไดแก ไตรกลเซอไรด และกรดไขมนอสระ 2.5.1 กรดไขมน กรดไขมน (Fatty acid) เปนกรดอนทรยโซตรงทมหมคารบอกซล 1 หม (straight chain aliphatic monocarboxylic acid) ในธรรมชาตจะพบกรดไขมนเปนองคประกอบในโมเลกลของไตรกลเซอไรดทมอยในน ามน ไขมนทพบในรปของกรดไขมนอสระมนอยมาก กรดไขมนแบงออกเปน 2 ชนด ดงน

1) กรดไขมนอมตว (saturated fatty acids) มสตรทวไปเปน CnH2nO2 พนธะระหวางคารบอนอะตอมในโมเลกลเปนพนธะเดยว และไมสามารถรบไฮโดรเจนไดอก ตวอยางกรดไขมนอมตว ไดแก กรดปาลมมตก เปนตน 2) กรดไขมนไมอมตว (unsaturated fatty acids) เปนกรดไขมนทพนธะระหวางคารบอนอะตอมในโมเลกลบางต าแหนงเปนพนธะคท าใหสามารถเตมไฮโดรเจนเขาไปในโมเลกลของกรดไขมนชนดไมอมตวไดอก แบงออกเปนกลมยอย ๆ ตามจ านวนพนธะค ดงน

กรดไขมนไมอมตวทมพนธะคเพยง 1 พนธะ (mono unsaturated) มสตรทวไป CnH2n-2COOH ตวอยาง เชน กรดปาลมมโตเลอก และกรดโอเลอก เปนตน

กรดไขมนไมอมตวทมพนธะคมากกวา 1 พนธะ (polyunsaturated) กรดไขมนชนดนสวนใหญมคารบอนอะตอมในโมเลกล 18-22 อะตอม และมพนธะค 2-6 พนธะ ตวอยางกรดไขมนชนดน ไดแก กรดไขมนชนดไมอมตวทมพนธะค 2 พนธะ ไดแก กรดลโนเลอก (linoleic acid) มจ านวนคารบอนในโมเลกล 18 อะตอม มพนธะคอยทคารบอนต าแหนงท 9 และ 12 และจดอยในกลมทเรยกวา โอเมกา 6 พบมากในน ามนพช เชน น ามนถวเหลอง น ามนถวลสง และน ามนงา กรดไขมนชนดไมอมตวทมพนธะค 3 พนธะ ไดแก กรดลโนเลนก มจ านวนคารบอนในโมเลกล 18 อะตอม มพนธะคอยทคารบอนต าแหนงท 9, 12 และ 15 และจดอยในกลมทเรยกวา โอเมกา 3 พบมากทสดในน ามนถวเหลอง จะพบนอยในน ามนลนสด คณสมบตทางเคม และกายภาพของไขมน ขนกบองคประกอบทเปนโซยาวของ

กรดไขมน นอกจากนไตรกลเซอรไรด และกรดไขมนทเปนองคประกอบทส าคญในน ามนยงประกอบดวย ฟอสฟาไทด วตามน และเมดสซงเปนสารทกอใหเกดสในน ามน (นธยา รตนาปนนท, 2553)

2.5.2 ไตรกลเซอไรด ไตรกลเซอไรด (triglyceride) เกดจากปฏกรยาเอสเทอรฟเคชนของกลเซลรอล 1 โมเลกล กบกรดไขมน 3 โมเลกล ดงภาพท 2-5

กลเซอรอล กรดไขมน ไตรกลเซอไรด ภาพท 2-5 ปฏกรยาเอสเทอรฟเคชน (นธยา รตนาปนนท, 2553)

เนองจากโมเลกลกลเซอรอลมต าแหนงทกรดไขมน เขาไปท าปฏกรยาเอสเทอรฟเคชน ได 3 ต าแหนง ท าใหไดไตรกลเซอไรดหลายชนด ไตรกลเซอไรดทโมเลกลประกอบดวยกรดไขมนชนดเดยวกนทง 3 โมเลกล เรยกวา ไตรกลเซอไรดชนดเดยว (simple triacylglycerols) ถาประกอบ ดวยกรดไขมนตางชนดกน เรยกวา ไตรกลเซอไรดชนดผสม (mixed triacylglycerols) ในธรรมชาตจะพบพวกไตรกลเซอไรดชนดเดยวนอยมาก สวนใหญพบพวกไตรกลเซอไรดชนดผสมเปนจ านวนมาก เชน น ามนปาลม โดยมกรดไขมนทส าคญ ไดแก ปาลมตก โอเลอก และไลโนเลอก เปนองคประกอบ ดงแสดงในภาพท 2-6

H2C O

O

O

H2C O

OOHC

ภาพท 2-6 โครงสรางไตรกลเซอไรดในน ามนปาลม คณสมบตทางเคม และกายภาพของไขมนหรอน ามนนน ขนกบองคประกอบของ

กรดไขมน เชน น ามนปาลม มองคประกอบทางเคมดงตารางท 2-1

+CH

CH2

CH2

HO

HO

HO H2O

H2C

HC

H2C

O

C

O

R

O

C

O

R

O

C

O

R

+ HO C

O

R 33

ตารางท 2-1 องคประกอบทางเคมของน ามนปาลม (Tay, Ping, & Yusof, 2009)

กรดไขมน จ านวนคารบอนและจ านวนพนธะค

สตรโมเลกล % wt

Caprolic acid 8 : 0 C7H15COOH 0.20 Capic acid 10 : 0 C9H19COOH 0.17 Lauric acid 12 : 0 C11H23COOH 0.46 Myristic acid 14 : 0 C13H27COOH 1.20 Palmitic acid 16 : 0 C15H31COOH 46.9 Palmioleic acid 16 : 1 C15H29COOH 0.15 Stearic acid 18 : 0 C17H35COOH 4.30 Arachidic acid 20 : 0 C19H39COOH 0.28 Oleic acid 18 : 1 C17H33COOH 36.7 Lioleic acid 18 : 2 C17H31COOH 9.03 Liolenic acid 18 : 3 C17H29COOH 0.31

2.6 ตวเรงปฏกรยา ตวเรงปฏกรยา (catalyst) หมายถง สารทเพมอตราเรวของปฏกรยาท าใหปฏกรยาเขาสสมดลเรวขน โดยตวเรงปฏกรยาไมถกใชไปในปฏกรยา ตวเรงปฏกรยาท าใหอตราการเกดปฏกรยาเพมขน เนองมาจากตวเรงปฏกรยาชวยลดพลงงานกระตนหรอพลงงานกอกมมนตใหต าลง แตไมท าใหพลงงานของปฏกรยาเปลยนไป จงท าใหปฏกรยาเกดผลตภณฑไดเรวขน (จตพร วทยาคณ และ นรกษ กฤษดานรกษ, 2547) ตวเรงปฏกรยาในปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน แบงไดตามวฏภาคหรอสถานะ เมอเทยบวฏภาคของตวเรงปฏกรยากบวฏภาคของสารตงตน และสารผลตภณฑ สามารถแบงตวเรงปฏกรยาไดเปน 2 ประเภท คอ ตวเรงปฏกรยาเนอเดยว (homogeneous catalyst) และตวเรงปฏกรยาเนอผสม (heterogeneous catalyst) ดงน 2.6.1 ตวเรงปฏกรยาเนอเดยว มสถานะเดยวกบสารตงตน ซงน ามนทเปนสารตงตน และตวเรงปฏกรยานมสถานะเปนของเหลวทงค ตวเรงปฏกรยาเนอเดยวทใชในการผลตไบโอดเซล ไดแก ตวเรงปฏกรยาเนอเดยวชนดเบส (homogeneous base-catalyst) และตวเรงปฏกรยาเนอเดยวชนดกรด (homogeneous acid-catalyst)

ตวเรงปฏกรยาเนอเดยวชนดกรด กรดทใชกนโดยทวไป คอ กรดซลฟวรก (H2SO4) ตวเรงปฏกรยาชนดนจะท าใหไดผลผลต คอ ไบโอดเซลในปรมาณมากแตปฏกรยาจะเกดชามาก อาจจะใชเวลามากกวา 1 วนกวาปฏกรยาจะเกดอยางสมบรณ แตตวเรงปฏกรยาชนดกรดสามารถใชไดดกบไตรกลเซอไรดทมสวนประกอบของกรดไขมนอสระและน าในปรมาณสงได เชน ในน ามนทใชแลว เปนตน (Fukada, Kondo, & Noda, 2001) ตวเรงปฏกรยาเนอเดยวชนดเบส ตวเรงปฏกรยาชนดเบสทใชกนโดยทวไป คอ โซเดยมไฮดรอกไซดหรอโพแทสเซยมไฮดรอกไซด ท าปฏกรยากบเมทานอลหรอเอทานอล และน ามนหรอไขมน โดยเรมตนกอนท าปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนจะเปลยนจากรปเบส ไปเปนในรปของสารประกอบแอลคอกไซด (alkoxide) เมอท าปฏกรยากบแอลกอฮอล 2.6.2 ตวเรงปฏกรยาเนอผสม มสถานะตางจากสารตงตน โดยแตกตางจากน ามนซงเปนสารตงตนทมสถานะเปนของเหลว แตตวเรงปฏกรยาเปนของแขง เมอสนสดปฏกรยาสามารถแยกตวเรงปฏกรยาออกมาไดงาย และสามารถน าตวเรงปฏกรยากลบมาใชใหมได แตอยางไรกตามตวเรงปฏกรยาเนอผสมมประสทธภาพ และความจ าเพาะในการเรงปฏกรยาต ากวาเมอเปรยบเทยบกบตวเรงปฏกรยาเนอเดยว แคลเซยมออกไซดเปนตวเรงปฏกรยาเนอผสมชนดหนงทมการศกษากนมากในการผลตไบโอดเซล เพราะมราคาถก และมความสามารถเปนตวเรงปฏกรยาไดด (Boey, Pragas, & Hamid, 2011; Kouzu & Hidaka, 2012) ในสภาวะของการผลตไบโอดเซล มการละลายในเมทานอลต า งายตอการจดการมากกวาตวเรงปฏกรยาเนอเดยว เปนมตรตอสงแวดลอม (Ibrahim, Ahmed, Bugaje, Mohammed, & Ugwumma, 2013) และยงสามารถท าปฏกรยาไดทอณหภมต า ทความดนบรรยากาศ (Reddy, Reddy, Oshel, & Verkade, 2006)

2.7 กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยตวเรงปฏกรยาชนดเบส กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของไตรกลเซอไรดกบแอลกอฮอลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวแบบเบส ขนตอนแรก ตวเรงปฏกรยาเบสจะเปนตวรบโปรตอนจากแอลกอฮอลไดแอลคอกไซด ขนตอนทสองแอลคอกไซดจะเปนนวคลโอไฟลเขามาจบกบหม คารบอนลของไตรกลเซอไรด อยในรปเตตระฮดรลอนเตอรมเดยต (tetrahedral intermediate) ขนตอนทสาม การแตกของเตตระฮดรลอนเตอรมเดยตจะไดเมทลเอสเทอร และแอนไอออนทอยในรปของไดกลเซอไรด หลงจากนนตวเรงปฏกรยาจะใหโปรตอนกบแอนไอออน และตวเรงปฏกรยาจะเรมเขาท าปฏกรยากบโมเลกลตวตอไป รวมกบแอลกอฮอลจนไดเมทลเอสเทอร และกลเซอรอลอยางสมบรณ (Lam, Lee, & Mohamed, 2010) กลไกการเกดปฏกรยาแสดงดงภาพท 2-7

R1, R2, R3 คอ สายโซคารบอนในกรดไขมน R4 คอ หมแอลคลในแอลกอฮอล B คอ ตวเรงปฏกรยาเบส ภาพท 2-7 กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยมตวเรงปฏกรยาเนอเดยวชนดเบส (Lam et al., 2010)

ตวเรงปฏกรยาของแขงทใชในการผลตไบโอดเซลสวนมากเปนพวกโลหะออกไซด ซงโครงสรางประกอบดวยสวนทเปนบวกของโลหะไอออน ท าหนาทรบอเลกตรอน เรยกวา กรดลวอส และสวนทเปนออกซเจนแอนไอออน ท าหนาทรบโปรตอน ซงเรยกวา เบสบรอนสเตท เมอโลหะออกไซดท าปฏกรยากบแอลกอฮอลจะไดเมทอกไซด ท าหนาทเปนนวคลโอไฟลเขาท าปฏกรยาทหมคารบอนลของไตรกลเซอไรดในน ามน (Refaat, 2011) ดงภาพท 2-8

ภาพท 2-8 โครงสรางพนผวของโลหะออกไซด (Refaat, 2011) ขอจ ากดตวเรงปฏกรยาชนดเบส คอ น า และปรมาณกรดไขมนอสระในน ามนดบ ถามน า และปรมาณกรดไขมนอสระอยในระบบของการเกดปฏกรยาในปรมาณมากจะท าใหมสบเกดขนแทนทจะไดน ามนไบโอดเซลเปนผลตภณฑ ซงปฏกรยาการเกดสบเรยกวา สะปอนนฟเคชน (saponification) ดงภาพท 2-9 ภาพท 2-9 ปฏกรยาสะปอนนฟเคชนของกรดไขมนอสระ (Pohl, Streff, & Brokman, 2012)

2.8 การวเคราะหไบโอดเซล การวเคราะห และตดตามการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนมหลายวธทไดมการพฒนาขนเพอวเคราะหองคประกอบของเอสเทอร เชน เทคนคแกสโครมาโทกราฟ (gas chromatography; GC) เทคนคโปรตอนนวเคลยรแมกเนตกเรโซแนนซสเปกโทรสโคป (proton nuclear magnetic resonance spectroscopy; 1H-NMR) 2.8.1 เทคนคแกสโครมาโทกราฟ แกสโครมาโทกราฟเปนเทคนคทนยมใชในการวเคราะหหาปรมาณไบโอดเซลทผลตได ใชหลกการแยกสารประกอบทผสมกนโดยอาศย ความแตกตางของจดเดอด และลกษณะโครงสรางของสาร เทคนคนเหมาะส าหรบการวเคราะหสารทสามารถระเหยกลายเปนไอได โดย น าตวอยางฉดเขาเครองแกสโครมาโทรกราฟ ตวอยางจะถกแยกในคอลมน คอลมนทใชเปน คะปลลารคอลมนซงภายในบรรจเฟสคงทเกดอนตรกรยากบองคประกอบในตวอยาง การเกด อนตรกรยาของตวอยางกบเฟสคงทจะมากหรอนอยขนอยกบสภาพขวของสาร เมอดเทคเตอรตรวจวดสารประกอบทถกชะออกมาจากคอลมนทเวลาในการคงอยคอลมน (retention time) ซงมชวงเวลาทแนนอนส าหรบสารแตละชนดแสดงขอมลในรปของโครมาโทแกรม

R C

O

OH R'OHNaOH

R C

O

O-+Na

2.8.2 เทคนคโปรตอนนวเคลยรแมกเนตก เรโซแนนซสเปกโตรสโคป (1H NMR Spectroscopy) การวเคราะห และการตดตามการเกดปฏกรยาดวยเทคนคโปรตอนนวเคลยร แมกเนตกเรโซแนนซสเปกโตรสโคป เปนวธทสะดวก และรวดเรวในการตดตามการเปลยนแปลงทเกดขนจากปฏกรยาระหวางแอลกอฮอล และน ามน ใชหลกการเปรยบเทยบพนทใตพคของสญญาณโปรตอนทแสดงลกษณะเฉพาะของไตรกลเซอไรด และสญญาณโปรตอนทแสดงลกษณะ เฉพาะของไบโอดเซล เชน การเปรยบเทยบคาพนทใตพคของโปรตอนตรงหมเมทลน (methylene group; -CH2- ) ทอยในต าแหนงถดจากหม เอสเทอรของสารไตรกลเซอไรดโดยมคาเคมเคลชพ เทากบ 2.3 ppm ลกษณะพคเปนตรปเปต (trippet peak) และเมทอกซโปรตอน (methoxy group; -O-CH3) ในสารเมทลเอสเทอรทต าแหนงของเคมเคลชพ เทากบ 3.7 ppm ลกษณะพคเปนซงเกลต (singlet peak) ดงแสดงในภาพท 2-10

ภาพท 2-10 1H-NMR spectrum ผลตภณฑทไดจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน อกษร A, G และ M หมายถงหมของเมทลนโปรตอน (– CH2), glyceridic และเมทอกซโปรตอน (-O-CH3) ตามล าดบ (Knothe, 2000)

รอยละของการเปลยนไตรกลเซอไรดเปนเมทลเอสเทอร สามารถค านวณ ดงสมการท 2.1

C = 100 ×2AMe

3ACH2

(2.1)

โดย คา C คอ คารอยละของเมทลเอสเทอรทเกดขน AMe คอ พนทใตกราฟทไดจากพนทใตพคโปรตอนตรงหมเมทอกซ ACH2 คอ พนทใตกราฟทไดจากพนทใตพคโปรตอนตรงหมเมทลน 2 และ 3 คอจ านวนโปรตอนของหมเมทลน และหมเมทอกซตามล าดบ

นอกจากนเทคนค 1H-NMR ยงเหมาะทจะตดตามรอยละผลตภณฑจากสญญาณของ glyceridic และโปรตอนจากหมเมทลเอสเทอร Knothe (2000) ไดตดตามความกาวหนาของปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยใช 1H-NMR และเปรยบเทยบขอมลกบ fiber-optic near infrared spectroscopy รอยละผลตภณฑทไดขนอยกบการอนทรเกดสญญาณจากหมเมทอกซ ซงโดยทวไปแลวสามารถใชไดเฉพาะกรณทใชเมทานอลในการเกดปฏกรยา สามารถค านวณไดตามสมการ 2.2

𝐶𝑀𝐸 = 100 × (5×𝐼𝑀𝐸

5×𝐼𝑀𝐸+9×𝐼𝑇𝐴𝐺) (2.2)

โดย CME คอ รอยละการเปลยนเปนเมทลเอสเทอร (ไบโอดเซล) IME คอ คาทไดจากการอนทรเกตสญญาณของเมทลเอสเทอร (3.7 ppm) ITAG คอ คาทไดจากการอนทรเกตสญญาณ glyceridic ของไตรกลเซอไรด (4.1-4.4 ppm) ตวเลข 5 และ 9 ไดมาจากหม glyceryl ของไตรกลเซอไรด ซงมโปรตอนจ านวน 5 ตว และหมเมทลเอสเทอร 3 หมจาก 1 โมเลกลของไตรกลเซอไรด (9 โปรตอน) 2.9 ความรทวไปเกยวกบนาโนเทคโนโลย ป ค.ศ. 1959 นาโนเทคโนโลยไดถกจดประกายแนวคดโดย ศาสตราจารยรชารด ฟลลปส ฟายดแมน (Richard Philips Feynman) นกฟสกสชาวอเมรกน ในการประชมประจ าปของสมาคมฟสกสอเมรกา (American Physical Society) ในหวขอ “There’s plenty of room at the bottom”

(ขางลางยงมทวางอกเยอะ) หลงจากนน ในป ค.ศ. 1981 มการการประดษฐกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกราด (scanning tunneling electron microscope) และ ในป ค.ศ. 1986 ไดมการตพมพหนงสอทเกยวของกบนาโนเทคโนโลย มชอวา จกรกลแหงการสรางสรรค”: (Engines of Creation: The coming era of nanotechnology) แตงโดย อรค เดรกเลอร (Eric Drexler) ท าใหนกวทยาศาสตรไดเรมใหความส าคญกบการศกษาขนาดในระดบนาโนเมตร ในทสดนาโนเทคโนโลยไดกลายเปนเทคโนโลยทเปนความหวงของมนษยชาตทจะน าไปสการแกปญหาตาง ๆ ตอไป มลนธวทยาศาสตรแหงชาตของสหรฐอเมรกา (National Science Foundation, NSF) ไดใหนยามความหมายของนาโนเทคโนโลย 3 มมมองดวยกน คอ 1. การวจยและพฒนาเทคโนโลยระดบอะตอม หรอโมเลกลทมขนาดเลกในชวง 1-100 นาโนเมตร 2. การสรางและการใชประโยชนจากโครงสราง อปกรณ หรอระบบตาง ๆ ทมสมบต และหนาทใหม ๆ เกดขนอนเนองมาจากความเลกในระดบนาโนของสงนน ๆ 3. ความสามารถในการควบคม และจดการไดอยางถกตอง และแมนย าในระดบอะตอม

2.10 วสดนาโน วสดนาโน มขนาดอยในชวง 1-100 นาโนเมตร ซงเปนขนาดทมสมบตระหวางวสด กลมกอน (bulk material) และวสดระดบอะตอมหรอโมเลกล วสดนาโน สงเคราะหขนจากการออกแบบ และควบคมการจดเรยงตวของอะตอมหรอโมเลกลในระดบนาโนเมตร ท าใหคณสมบต และพฤตกรรมตาง ๆ ของวสดทมขนาดเลกเหลานแตกตางจากวสดชนดเดยวกนทมขนาดใหญ ตวอยาง เชน ทองค า มสเหลองทอง มนวาว มจดหลอมเหลวทอณหภมประมาณ 1336 เคลวน และไมมสมบตเชงแมเหลก เมอสมผสอากาศสจะไมหมองและไมเกดสนม เมอทองค ามขนาดอนภาคเลกลงในระดบนาโนเมตร สมบตตาง ๆ ดงกลาวขางตนกลบแตกตางอยางเหนไดชด เชน เมออนภาคมขนาดเลกประมาณ 10 นาโนเมตร ทองค าดดกลนแสงสเขยวท าใหเหนเปนสแดง มจดหลอมเหลวลดลงอยางมาก และเมอมขนาดประมาณ 2-3 นาโนเมตร ทองค ากลบแสดงสมบตเชงแมเหลก นอกจากนยงมสมบตเปนตวเรงปฏกรยาทดเยยม การเปลยนแปลงเหลานเปนตวอยางทแสดงใหเหนถงผลกระทบเนองจากขนาด (size effect) โดยเมอขนาดของอนภาคลดลงจนกระทงต ากวาขนาดวกฤต (critical size) สามารถสงผลใหสมบตตาง ๆ เชน สมบตทางไฟฟา สมบตเชงแสง สมบต

เชงความรอน สมบตเชงแมเหลก และสมบตทางเคมแตกตางจากสมบตของวสดกลมกอน (bulk material) ซงเปนผลกระทบเชงควอนตมจากการจ ากดการเคลอนทของอเลกตรอน (quantum confinement effect) และผลกระทบเชงพนผว (surface effect)

วสดนาโนมพนทผวสงกวาวสดกลมกอนทมมวลเทากนอยางมหาศาล ปรมาณพนทผวสามารถระบในรปพนทผวทงหมดตอหนวยมวล (total surface area per unit of mass) เรยกวาพนทผวจ าเพาะ (specific surface area) อนภาคนาโนมพนทผวตอมวลสงจงมปรมาณพนผวสมผสกบสงแวดลอมมาก เชน รปสเหลยมลกบาศกขนาด 1 cm3 ซงมพนทผวเทากบ 6 cm2/g เมอแบงออก เปนขนาด 1 ไมโครเมตร จ านวนอนภาคเพมขนเปน 1012 อนภาค และเมอแบงตอไปจนถงขนาด 10 นาโนเมตร มจ านวนอนภาคเพมขนเปน 1018 อนภาค และพนทผวเพมขนเปน 600 cm2/g ดงภาพท 2-11

ภาพท 2-11 การเปลยนแปลงพนทผวจ าเพาะเมอวสดมขนาดเลกลง (Aslani, 2012)

อนภาคนาโน (nanoparticles) จดเปนวสดนาโนประเภทหนงเกดจากการรวมกนของอะตอมเปนกลม (clusters) ปรมาณอะตอม และการจดเรยงตวของอะตอมทแตกตางกน ท าใหอนภาคนาโนมขนาด และรปรางทแตกตางกน ตวอยางอนภาคนาโนโลหะทส าคญไดแก นาโนโลหะเงน นาโนโลหะทองค า และตวอยางอนภาคนาโนโลหะออกไซดทส าคญ ไดแก นาโนไทเทเนยมออกไซด นาโนซงคออกไซด และนาโนซลกา

(ก) (ข) ภาพท 2-12 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผานของอนภาคนาโน ก) โลหะแพลทนม ข) โลหะซลเวอร

2.11 ตวเรงปฏกรยานาโน เพอใหตวเรงปฏกรยาเนอผสมมประสทธภาพสงสด จงตองการตวเรงปฏกรยาทมขนาดเลก ในระดบนาโนเมตร หรอเรยกวาตวเรงปฏกรยานาโน ซงสามารถท าหนาทเปนสะพานเชอมชองวางขอด และขอเสยของตวเรงปฏกรยาเนอเดยว และเนอผสม ดวยลกษณะเฉพาะของอนภาคนาโน คอ มขนาดเลก อตราสวนพนผวตอปรมาตรสง จงชวยเพมพนผวสมผสระหวางสารตงตน และตวเรงปฏกรยา และการกระจายตวในรปคอลอยดในตวกลาง ท าใหงายตอการแยกออกจากปฏกรยา เชนเดยวกบตวเรงปฏกรยาเนอผสม นอกจากนประสทธภาพ และความจ าเพาะในการเรงปฏกรยาของตวเรงปฏกรยานาโนสามารถจดการระดบอะตอมโดยการปรบแตงสมบตทางฟสกส และสมบตทางเคม เชน ขนาด รปราง องคประกอบ และลกษณะทางสณฐานวทยา (Tedsree, 2013) 2.11.1 การเตรยมตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด โดยทว ๆ ไปแคลเซยมออกไซดสามารถเตรยมโดยวธการสลายตวโดยใชความรอน จากการเผาวสดใด ๆ ทมแคลเซยมคารบอเนต (CaCO3) เปนองคประกอบ ทอณหภมมากกวา 825 องศาเซลเซยส และมการปลดปลอยกาซคารบอนไดออกไซด (CO2) ตามสมการท 2.3 CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) (2.3) นอกจากนการเตรยมอนภาคนาโนแคลเซยมออกไซด สามารถเตรยมโดยใชหลกการสรางสงใหญขนมาจากสงเลก ๆ ในระดบอะตอมหรอโมเลกล หรอทเรยกวาวธลางขนบน (bottom-up approaches) เชน การเตรยมอนภาคนาโนโดยกระบวนการโซล-เจล กระบวนการโซล-เจล (Ghiasi & Malekzadeh, 2012) เปนการเตรยมวสดโดยการเปลยนสถานะจากอนภาคของแขงขนาดเลกแขวนลอยในของเหลวเรยกวา “โซล” เปนของแขงทเกาะตวกนเปนรางแหอยางไมเปนระเบยบเรยกวา “เจล” สารตงตนทนยมใชในกระบวนการโซล-เจล ไดแก เกลอของโลหะ และสารประกอบโลหะอนทรย เชน โลหะแอลคอกไซด และใชตวเรงปฏกรยาชนดกรดหรอเบส กระบวนการโซล-เจล ประกอบดวย 2 ปฏกรยาทส าคญ คอ ปฏกรยาไฮโดรไลซส (hydrolysis) และปฏกรยาควบแนน (condensation) ในขนปฏกรยาไฮโดรลซส หมแอลคอกไซด (OR) ของสารตงตนจะถกแทนทดวยหมไฮดรอกซลของน า และเกดปฏกรยาควบแนนของน า หรอการควบแนนของแอลกอฮอล ท าใหเกดการเชอมตอระหวางโมเลกลเกดเปนโซลขน การเตบโตของโซล และการชนกนเนองจากการเคลอนทท าใหเกดการควบแนน และเกดเปนอนภาคขนาดใหญจนกระทงขาดความยดหยน และกลายเปนเจล การขจดน าหรอของเหลวอน ๆ ทกกเกบใน

โพรงออกจากโครงสรางของเจล โดยการท าใหแหงดวยวธตางกน ท าใหไดวสดนาโนทมโครงสรางตางกน

2.12 งานวจยทเกยวของ 2.12.1 งานวจยทเกยวของกบการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว Yang, J., Xu, C., Li, B., Ren, G., and Wang, L. (2013) ไดศกษาออกแบบชดการทดลองผลตไบโอดเซล เพอใชในการจดการเรยนการสอนระดบมธยมศกษาตอนปลาย เรองปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน โดยมแนวคดออกแบบการทดลองทงาย สะดวกรวดเรว และผเรยนสามารถปฏบตไดในเวลา 2 ชวโมง โดยศกษาการท าปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนถวเหลอง น ามนงา และน ามน ดอกคาโนลา ใชโซเดยมไฮดรอกไซด ปรมาณรอยละ 0.3, 0.5, 0.6, 0.8 และ 1.0 โดยน าหนกเปนตวเรงปฏกรยา ใชอตราสวนโดยโมลเมทานอลตอน ามนพช เทากบ 6:1 ท าปฏกรยาเปนเวลา 10 นาท ทอณหภม 65 องศาเซลเซยส พบวา เมอสนสดปฏกรยาจะเหนการแยกชนของไบโอดเซล และกลเซอรอล สามารถสงเกตไดดวยตาเปลาใชหลกคาความหนาแนนของสารแตละชนด ไดแก ไบโอดเซล (0.85 g/cm3) กลเซอรอล (1.261 g/cm3) เมทานอล (0.75 g/cm3) น ามนพช (0.919 g/cm3) ในการพจารณา และตรวจสอบปฏกรยาโดยใชเทคนค 1H-NMR และยงพบวาเมอปรมาณตวเรงปฏกรยาเพมมากขน ท าใหเหนชนของกลเซอรอลมากขน และเมอใชน ามนตางชนดกนกใหผลการทดลองไปในทศทางเดยวกน จากผลการทดลองจงน าไปออกแบบการทดลองทเนนผเรยนเปนศนยกลาง (Student-Centered Learning) เหมาะสมตอการจดการเรยนการสอนในระดบมธยมศกษาตอนปลาย Behnia, M. S., Emerson, D. W., Steinberg, S. M., Alwis, R. M., Duenas, J. A., and Serafino, J. O. (2011) ไดศกษาออกแบบการผลตไบโอดเซลทงาย ปลอดภย และเหมาะสม ในการจดการเรยนการสอนเคมอนทรย และสามารถท าการทดลองไดภายในเวลา 3 ชวโมง โดยศกษาจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน โดยใชน ามนถวลสง น ามนถวเหลอง อตราสวนโดยโมลของเมทานอลตอน ามน เทากบ 6:1 มโพแทสเซยมคารบอเนตปราศจากน า (K2CO3) รอยละ 6 โดยน าหนกของน ามนเปนตวเรงปฏกรยา ท าปฏกรยาทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 25 นาท ท าใหเปนกลางโดยการคอย ๆ เตมน าสมสายชลงไป น าไบโอดเซลออกมาตรวจสอบผลตภณฑทเกด ขนดวยแกสโครมาโทรกราฟ - แมสสเปกโทรโฟโตมเตอร (GC-MS) อนฟาเรด สเปกโทรสโกป (IR) และทนเลเยอรโครมาโทรกราฟ (TLC) พบวา เมอใชน ามนถวลสงไดรอยละของไบโอดเซล เทากบ 90.7 และ 93.2 เมอใชน ามนถวเหลอง

จากรายงานการจะเหนไดวาสามารถน าการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว มาใชในการจดการเรยนการสอน โดยปฏกรยาเกดไดในชวงสนๆ ไมเกน 25 นาท ใชอณหภมในชวง 60-65 เซลเซยส และสามารถใชไดกบน ามนหลากหลาย 2.12.2 งานวจยทเกยวของกบการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอผสม Viriya-enpikul, N., Krasae, P., Puttasawat, B., Yoosuk, B., Chollacoop, N., and Faungnawakij, K. (2009). ศกษาการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซด (CaO) ทสงเคราะหจากเปลอกไข และเปลอกหอย โดยเผาทอณหภม 800 องศาเซลเซยส ในเวลา 2-4 ชวโมง และไดน าตวเรงปฏกรยาทสงเคราะหไดมาผลตไบโอดเซลในสภาวะทอตราสวนโดยโมลของเมทานอลตอน ามนเทากบ 12:1 ปรมาณตวเรงปฏกรยารอยละ 10 อณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 3 ชวโมง ไดรอยละผลไดของไบโอดเซลมากกวา 90 Liu, X., He, H., Wang, Y., Zhu, S., and Piao, X. (2008) ศกษาปฏกรยา ทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนถวเหลองเพอผลตไบโอดเซลโดยการใชแคลเซยมออกไซดเปนตวเรงปฏกรยาแบบเบสชนดแขง ศกษาปจจยตาง ๆ ดงน คอ อตราสวนโดยโมลเมทานอลตอน ามน อณหภมของการท าปฏกรยา อตราสวนของตวเรงปฏกรยา และปรมาณน าในเมทานอล ผลการ ศกษาพบวาในการท าปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ใชตวเรงปฏกรยารอยละ 8 โดยน าหนก ทอณหภม 65 องศาเซลเซยส เปนเวลา 3 ชวโมง อตราสวนเมทานอลตอน ามนเทากบ 12:1 ไดรอยละผลไดของไบโอดเซล เทากบ 95 และตวเรงปฏกรยา CaO จะยงคงมความวองไวคงเดมแมวาจะมการใชซ า 20 ครง โดยไมสงผลมากนกตอรอยละผลไดของไบโอดเซล Kouzu, M., Kasuno, T., Tajika, M., Sugimoto, Y., Yamanaka, S., and Hidaka, J. (2008). สงเคราะหไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอผสมของแขงแบบเบส ไดแก แคลเซยมออกไซด แคลเซยมไฮดรอกไซด (Ca(OH)2) แคลเซยมคารบอเนต (CaCO3) ส าหรบปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนถวเหลอง การศกษาในชวงเวลา 1 ชวโมง พบวา แคลเซยมออกไซดสามารถผลตไบโอดเซลไดรอยละผลได เทากบ 93 แคลเซยม ไฮดรอกไซด รอยละ 12 และแคลเซยมคารบอเนต เทากบ 0 ภายใตสภาวะเดยวกน เมอน าแคลเซยมออกไซด ไปใชกบน ามนพชใชแลว พบวาสามารถผลตไบโอดเซลไดรอยละ 99 ในเวลา 2 ชวโมง แตพบวาบางสวนของแคลเซยมออกไซดจะฟอรมตวเปนสบแคลเซยม เมอท าปฏกรยากบกรดไขมนอสระ ในน ามนพชทใชแลว

Ngamcharussrivichai, C., Totarat, P., and Bunyakiat, K. (2008) ใชแคลเซยมออกไซดผสมกบซงคออกไซด เรงปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนในน ามนถวเหลองทอณหภม 60 องศาเซลเซยส ใชตวเรงปฏรยา รอยละ 10 โดยน าหนก อตราสวนโดยโมลของเมทานอลตอน ามนถวเหลอง เทากบ 30:1 ไดปรมาณเมทลเอสเทอรมากกวารอยละ 94 Meher, L. C., Kulkarni, M. G., Dalai, A. K., and Naik, S. N. (2006) ไดศกษา ทรานสเอสเทอรฟเคชน น ามนคารนจา (karanja) ดวยเมทานอลโดยใชแคลเซยมออกไซด ผสมโลหะทงหมด 3 ชนด คอ ลเทยม (Li) โลหะโซเดยม (Na) และโพแทสเซยม (K) เปนตวเรงปฏกรยา น ามนคารนจาทใชมปรมาณกรดไขมนอสระ เทากบ 0.48-5.75% โดยจะศกษาสภาวะตาง ๆ เชน ความเขมขนของตวเรงปฏกรยา เวลา และอตราสวนของเมทานอลตอน ามน พบวาสภาวะทเหมาะสมในการใช Li/CaO ความเขมขนรอยละ 2 จะไดไบโอดเซลรอยละ 94.9 ใชเวลา 8 ชวโมง ทอณหภม 65 องศาเซลเซยส สวนทอตราสวนเมทานอลตอน ามนเทากบ 12:1 รอยละผลไดของ เมทลเอสเทอรจะลดลงจากรอยละ 94.9 เปน 90.3 เมอกรดไขมนอสระเพมขนจากรอยละ 0.48 เปน 5.75 สวนตวเรงปฏกรยา Na/CaO และ K/CaO ศกษาสภาวะทเหมาะสมเหมอนกน ในการใชตวเรงปฏกรยา 2 ตวนปฏกรยาจะเกดชามาก แตอยางไรกตามรอยละผลไดของไบโอดเซลทไดมคาความเปนกรด เทากบ 0.36 mg-KOH/g และไดรอยละผลไดเทากบ 98.6% ซงคาความเปนกรดอยในเกณฑของน ามนไบโอดเซลในแถบยโรป จากรายงานขางตนจะเหนไดวา การผลตไบโอดเซลใหไดมากกวารอยละ 90 ตองใชเวลาในการเกดปฏกรยา 1 ชวโมงเปนตนไป บางรายงานใชเวลามากถง 8 ชวโมง และใชปรมาณตวเรงปฏกรยาสงถงรอยละ 8-10 โดยน าหนกของน ามนพช ใชอตราสวนโดยโมลน ามนพชตอเมทานอล เทากบ 1:6 และ 1:12 สวนใหญท าปฏกรยาทอณหภมชวง 60–65 องศาเซลเซยส เนองจากตองใชเวลาในการเกดปฏกรยานาน ท าใหยงไมมรายงานการน าตวเรงปฏกรยาเนอผสมมาจดการเรยนการสอนไบโอดเซลในระดบมธยม 2.12.3 งานวจยทเกยวของกบการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยานาโน Isahak, W., Ismail, M., Jahim, J. M., Salimon, J., and Yarmo, M.A. (2010) ศกษาการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนพช โดยการเปรยบเทยบชนดตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด ทซอมาจากบรษท ซกมา ออลดรช กบแคลเซยมออกไซดทวไป เผาทอณหภม 700 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง และศกษาปจจยอนดวย ไดแก อตราสวนจ านวนโมลน ามนพชตอเมทานอล ปรมาณของตวเรงปฏกรยา และเวลาของการท าปฏกรยา พบวาสภาวะทเหมาะสมในการผลตไบโอดเซล คอ อตราสวน จ านวนโมลของน ามนพช

ตอเมทานอล เทากบ 1:15 ปรมาณตวเรงปฏกรยารอยละ 2.5 ท าปฏกรยาทอณหภม 65 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2.5 ชวโมง ไดรอยละผลไดของไบโอดเซล เทากบ 94 และ 90 ของตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด กบแคลเซยมออกไซดทวไป ตามล าดบ Reddy, C., Reddy, V., Oshel, R., and Verkade, J. G. (2006) ทดลองท าปฏกรยา ทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนถวเหลองทอณหภมหอง โดยใชตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด ขนาด 20 นาโนเมตร ทซอจากบรษท NanoScale Materials จ ากด พบวา สภาวะทเหมาะสมในการผลตไบโอดเซลใหไดไบโอดเซลรอยละ 99 คอ ใชอตราสวนน ามนตอเมทานอล เทากบ 1:27 ตวเรงปฏกรยา 0.25 กรม ในน ามน 22 มลลลตร ท าปฏกรยาเปนเวลา 24 ชวโมง Lianyuan, W. and Jichu, Y. (2006) ไดศกษาปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนถวเหลองโดยใชนาโนแมกนเซยมออกไซด (nano MgO) ในเมทานอลทมสภาวะเหนอจดวกฤต โดยรอยละผลตผลของเมทลเอสเทอรของปฏกรยาขนอยกบน าหนกของตวเรงปฏกรยา อณหภมในการท าปฏกรยา และอตราสวนของเมทานอลตอน ามนถวเหลอง โดยใชนาโนแมกนเซยมออกไซด 0.5-3 รอยละโดยมวล การเพมอณหภมมผลใหรอยละผลไดของไบโอดเซลเพมมากขน โดยอณหภมตองสงถง 533 เคลวน และปฏกรยาจะเสรจสมบรณท 10 นาท โดยใช นาโนแมกนเซยมออกไซด รอยละ 3 โดยมวล และอตราสวนเมทานอลตอน ามนถวเหลอง 36:1 ปจจบนมรายงานการน านาโนแคลเซยมออกไซดมาใชในการผลตไบโอดเซล ไมมากนกแตจากรายงานขางตนเหนไดวานาโนแคลเซยมออกไซดสามารถเรงปฏกรยา ทรานสเอสเทอรฟเคชนส าหรบการผลตไบโอดเซลไดดกวาตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซด โดยสามารถผลตไบโอดเซลไดมากกวารอยละ 90 โดยใชเวลาทสนกวา และใชปรมาณตวเรงปฏกรยานอยกวา นอกจากน สามารถผลตไบโอดเซลไดทอณหภมหอง อยางไรกตามประสทธภาพในการเกดปฏกรยาขนกบขนาด และโครงสรางพนผวของตวเรงปฏกรยา

บทท 3

วธการทดลอง

3.1 แผนการด าเนนงาน ชดการทดลองผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ทผวจยท าการออกแบบขนเพอเปนชดการทดลอง และคมอชดการทดลองทสามารถน าไปใชในการจดการเรยนการสอนนกเรยนในระดบมธยมศกษา ในการศกษาครงนไดแบงด าเนนงานออกเปน 3 ตอน ดงน 1. การศกษาปฏกรยาการผลตไบโอดเซล โดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว และตวเรงปฏกรยาเนอผสม เพอหาสภาวะทเหมาะสมทจะน ามาใชออกแบบชดการทดลอง 2. การออกแบบชดการทดลอง แบงเปน 2 ชดการทดอง ดงน การทดลองท 1 เรองการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน: ตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว การทดลองท 2 เรองการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน:ตวเรงปฏกรยานาโน 3. การสรางคมอการทดลอง (student handout) แผนการด าเนนงานสามารถสรปดงภาพท 3-1 ภาพท 3-1 แผนการด าเนนงาน

น าผลการทดลองมาออกแบบชดการทดลอง จ านวน 2 ชด

สรางคมอชดการทดลอง จ านวน 2 ชด

การศกษาหาสภาวะทเหมาะสมตอการผลตไบโอดเซล

ตวเรงปฏกรยานาโน

- สงเคราะหตวเรงปฏกรยา

- ปรมาณตวเรงปฏกรยา

- เวลาในการท าปฏกรยา

ตวเรงปฏกรยาเนอเดยว

- ปรมาณตวเรงปฏกรยา

- เวลาในการท าปฏกรยา

3.2 เครองมอวเคราะห อปกรณและสารเคม

3.2.1 เครองมอวเคราะห 1. กลองจลทรรศนอเลกตรอนชนดสองผาน: Transmission electron microscope (TEM) ยหอ Phillips รน TECNAI 20, Holloand 2. เครองนวเคลยรแมกเนตกเรโซแนนซ รน FTNMR บรษท BRUKER 400 MHz 3.2.2. อปกรณ 1. ตอบลมรอน (oven SL Shellab) 2. เตาเผาความรอนสง (carbolite, Science Promotion) 3. เตาแมเหลกความรอน (magnetic stirrer hot plate) และเครองควบคมอณหภม (Thermosatted, Hero Lab Equipment, Heto DT Hetotherm) 4. ปมสญญากาศ (vacuum pumps, Millipore รน wp 6222050) 5. เครองชงสาร (balance) ทศนยม 4 ต าแหนง 6. อางอตราโซนค (ultrasonic cleaner manufacture expert) 7. กระดาษกรอง Whatman NO.1 ขนาดเสนผานศนยกลาง 55 mm. 8. เทอรโมมเตอรชวงอณหภม 0-250±1 องศาเซลเซยส 3.2.3 สารเคม 1.โซเดยมไฮดรอกไซด: sodium hydroxide (NaOH) Mw. 40.00 g mol-1 2. เอทลน ไกลคอล: ethylene glycol (C2H6O2) Cario Erba, Mw. 62.07 g mol-1 3. เมทานอล: methanol (CH4O) Mw. 32.04 g mol-1, analytical grade 4. แคลเซยมไนเตรท เตตระไฮเดรต: calcium nitrate tetrahydrate (Ca(NO3)2•4H2O Mw. 236.15 g mol-1 5. โพลไวนลไพรโรลโดน: polyvinylpyrrolidone (C6H9NO)x Mw. 112.8 g mol-1 6. ฟนอลฟทาลน: phenolphthalein (C20H14O4) Mw.318 g mol-1) 7. พารา-ไนโทรอะนลน: p-nitroaniline (C6H6N2O2) Mw.138.13 g mol-1 8. น ามนปาลม : Palm Oil (C55H98O6) Mw. 856 g mol-1 ยหอไชโย

3.3 การผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยใชตวเรงปฏกรยา เนอเดยว

ศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน โดยควบคมอตราสวนจ านวนโมลน ามนปาลมตอเมทานอล (1:6) ปรมาตรน ามนปาลมทใช เทากบ 15 มลลลตร และแปรเปลยนปจจยอน ๆ ดงตอไปน 1) ปรมาณตวเรงปฏกรยา: ศกษาผลของปรมาณตวเรงปฏกรยาตอประสทธภาพในการเรงปฏกรยาโดยแปรเปลยนปรมาณโซเดยมไฮดรอกไซดตอปรมาณน ามนเทากบรอยละ 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 และ 1.0 โดยน าหนกของน ามนปาลม 2) เวลาท าปฏกรยา: ศกษาผลของเวลาทท าปฏกรยา 5, 10, 20 และ 30 นาท 3) อณหภม: ศกษาผลของอณหภมทท าปฏกรยา 45, 50, 55, 60 และ 65 องศาเซลเซยส ขนตอนการผลตไบโอดเซล มดงน 1. ตวงน ามนปาลม 15.0 มลลลตร ใสลงขวดสามคอขนาด 25 มลลลตร 2. ชงโซเดยมไฮดรอกไซดปรมาณตามทตองการศกษา ใสในบกเกอรทมเมทานอล 4.0 มลลลตร คนดวยแทงแกวจนกระทงโซเดยมไฮดรอกไซดละลาย 3. เทสารละลายผสมทเตรยมไดในขอ 2 ลงในขวดสามคอทมน ามน น าไปรฟลกซทอณหภมทตองการศกษา ปนกวนทความเรว 1,500 รอบตอนาท ตามเวลาทตองการศกษา 4. เทสารผสมทไดจากการท าปฏกรยาลงในหลอดทดลอง ตงทงไว 10 นาท สงเกตการแยกชนของไบโอดเซลกบกลเซอรอล 5. น าไบโอดเซลทไดไปวเคราะหหารอยละผลการเปลยนไปของไตรกลเซอไรด ดวยเทคนค 1H-NMR spectroscopy

3.4 การสงเคราะหตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด

ตวงเอทลนไกลคอล 100.0 มลลลตร ใสขวด 3 คอขนาด 250 มลลลตร น าไปรฟลกใหความรอนทอณหภม 120 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท เตมแคลเซยมไนเตรทเตะตระไฮเดรท 48.00 กรม ทผสมกบโพลไวนลไพรโรลโดน (PVP) 6.5 กรม ปนกวนใหเปนเนอเดยวกน คอย ๆ หยดสารละลายโซเดยมไฮดรอกไซด ความเขมขน 4.30 โมลาร ปรมาตร 48.0 มลลลตร ดวยอตราเรวประมาณ 3 มลลลตร/นาท ปนกวนตอเปนเวลา 10 นาท หยดปนกวน และปลอยใหอยนงทอณหภมของการท าปฏกรยาเปนเวลา 5 นาท สารละลายจะเรมเปนเจลเกดขน กรองขณะรอน ลาง

ตะกอนดวยน า อบตะกอนทไดทอณหภม 120 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง น าของแขงทไดมาบดใหละเอยด แลวน าไปเผาทอณหภม 800 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง

3.5 การทดสอบความเปนเบสของตวเรงปฏกรยาโดยวธ Hammett indicator

ชงตวอยางแคลเซยมออกไซด 2.5 มลลกรม ใสในหลอดทดลอง เตมเมทานอล ปรมาตร 4.0 มลลลตร และหยดสารละลายอนดเคเตอรทศกษา ไดแก ฟนอลฟทาลน และ p-nitroaniline ปรมาตร 2.0 มลลลตร ลงในหลอด คนสารละลายใหเขากนแลวตงทงไวทอณหภมหองเปนเวลา 1 ชวโมง สงเกตการเปลยนแปลงสของตวเรงปฏกรยา

3.6 การวเคราะหขนาด สณฐาน และการกระจายตวของอนภาคนาโนแคลเซยมออกไซด โดยเทคนคจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผาน การเตรยมตวอยางส าหรบการวเคราะหท าโดยการน าตวอยางอนภาคนาโนทสงเคราะหได มาท าใหกระจายตวในรปของคอลลอยดในน าโดยใชเครองอลตราโซนคประมาณ 15 นาท จากนนหยดสารแขวนลอยของตวอยางทไดลงบน carbon film coated copper grid ทงใหแหงทอณหภมหองกอนน าไปวเคราะห

3.7 การผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยใชตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด ศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน โดยควบคมอตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 ปรมาตรน ามนทใชเทากบ 15 มลลลตร และแปรเปลยนปจจยอน ๆ ดงตอไปน 1) ปรมาณตวเรงปฏกรยา: ศกษาผลของปรมาณตวเรงปฏกรยาตอประสทธภาพในการเรงปฏกรยาโดยแปรเปลยนปรมาณนาโนแคลเซยมออกไซดตอปรมาณน ามนปาลม เทากบ รอยละ 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 และ 4.0 ตามล าดบ 2) เวลาทใชในการท าปฏกรยา: ศกษาผลของเวลาทใชในการท าปฏกรยาท 10, 20, 30 และ 40 นาท ตามล าดบ 3) อณหภม: ศกษาผลของอณหภมทท าปฏกรยา 50, 60 และ 65 องศาเซลเซยส

ขนตอนการผลตไบโอดเซล มดงน 1. ชงตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซดน าหนกตามทตองการศกษา ใสลงใน ขวดสามคอ ขนาด 25 มลลลตร 2. เตมเมทานอล 4.0 มลลลตร และน ามนปาลม 15.0 มลลลตร น าไปรฟลกซทอณหภม ตามทตองการศกษา ปนกวนทความเรว 1,500 รอบตอนาท ตามเวลาทตองการศกษา 3. เทสารผสมทไดจากการท าปฏกรยาลงในหลอดทดลอง ตงทงไว 10 นาท สงเกต การแยกชนของไบโอดเซลกบกลเซอรอล 4. น าไบโอดเซลทไดไปวเคราะหหารอยละผลการเปลยนไปของไตรกลเซอไรด ดวยเทคนค 1H-NMR

3.8 การวเคราะหรอยละเอสเทอรของกรดไขมน (% FAME) โดยเทคนคนวเคลยรแมกเนตกเรโซแนนซ สเปกโทรสโกป

วเคราะหปรมาณการเปลยนไตรกลเซอไรดในน ามนปาลมเปนไบโอดเซล โดยใชเครองนวเคลยรแมกเนตกเรโซแนนซ โดยการวดสญญาณ 1H-NMR การเตรยมตวอยางเพอการวเคราะหท าโดยชงไบโอดเซล 0.03 กรม ลงในหลอด NMR ละลายในตวท าละลาย ดวเทอเรยม คลอโรฟอรม (deuterated chloroform,. CDCl3) ความสงประมาณ 5 เซนตเมตร รอยละของการเปลยนไตรกลเซอไรดเปนเมทลเอสเทอร สามารถค านวณไดจากพนทใตกราฟของโปรตอนตรงหมเมทลน (2.3 ppm) และหมเมทอกซ (3.7 ppm) ดงสมการท 2.1 ตามวธของ Gelbard et al. (1995)

3.9 การออกแบบการทดลองในชนเรยน 3.9.1 เครองมอการทดลอง (แสดงในบทท 4) 3.9.2 คมอการทดลอง 1. คมอการทดลองชดท 1 เรองการผลตไบโอดเซลจาก ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน: ตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว ประกอบดวยสวนตาง ๆ ดงน 1) ความรทวไปเกยวกบปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน กลไกการเกดปฏกรยา และตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว 2) ค าถามกอนการทดลอง 3) อปกรณ และสารเคม

4) ขนตอนการทดลอง 5) อนตรายจากสารเคม 2. คมอการทดลองชดท 2 เรองการผลตไบโอดเซล จากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน: ตวเรงปฏกรยานาโน ประกอบดวยสวนตาง ๆ ดงน 1) ความรทวไปเกยวกบอนภาคนาโน และตวเรงปฏกรยานาโน หลกการสรางวสดนาโน สมบตทวไปของแคลเซยมออกไซด และนาโนแคลเซยมออกไซด ขอดขอเสยเกยวกบตวเรงปฏกรยาเนอเดยว ตวเรงปฏกรยาเนอผสม และตวเรงปฏกรยานาโน 2) ค าถามกอนการทดลอง 3) อปกรณ และสารเคม 4) ขนตอนการทดลอง 5) อนตรายจากสารเคม

บทท 4

ผลการทดลองและอภปรายผล

ในการท าวทยานพนธครงน ผศกษาไดท าการทดลองผลตไบโอดเซลจากปฏกรยา ทรานสเอสเทอรฟเคชน เพอหาสภาวะและวธการทเหมาะสมเพอน าไปออกแบบ และสรางชดการทดลอง พรอมทงจดท าคมอการทดลอง ส าหรบนกเรยนในระดบมธยมศกษา ในการศกษาครงนไดแบงการศกษาออกเปน 3 ตอน คอ ตอนท 1 การผลตไบโอดเซลโดยโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว ตอนท 2 การผลตไบโอดเซลโดยโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอผสม และตอนท 3 การออกแบบการทดลองและการสรางคมอการทดลอง

ตอนท 1 การผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวโซเดยมไฮดรอกไซด 4.1 การออกแบบชดอปกรณทใชในการผลตไบโอดเซล การออกแบบชดอปกรณทใชในการศกษาปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน เพอเปนตนแบบในการออกแบบการเรยนร แสดงดงภาพท 4-1 ภาพท 4-1 อปกรณทใชศกษาปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน จากภาพท 4-1 จะเหนไดวาอปกรณทออกแบบเพอใชในการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยา ทรานสเอสเทอรฟเคชน เปนชดรฟลกซขนาดเลก โดยมวตถประสงคเพอลดปรมาณการใชสารเคม

และเพอความปลอดภยในชนเรยน เนองจากการทดลองนมการใชเมทานอลซงเปนสารระเหยงาย และมจดเดอดต า ชดรฟลกซ ประกอบดวยขวดสามคอขนาด 25 มลลลตร คอตรงกลางส าหรบตอกบคอนเดนเซอรแบบเกลยวเพอควบแนนเมทานอลสวนทระเหยใหควบแนนตกลงมาในขวดปฏกรยา และคอขวดดานขางทงสองส าหรบตอกบเทอรโมมเตอรเพอวดอณหภมในขวดปฏกรยา และส าหรบเตมสารลงในขวดปฏกรยา อปกรณส าหรบใหความรอนใชแผนแมเหลกใหความรอน แทงแมเหลกส าหรบคนสาร และใชหลมใหความรอน แทนการใชอางน ามน เพอลดอนตรายทอาจเกดเนองจากการใชน ามนทรอน อยางไรกตามขอควรระวง คอ อยาสมผสกบบรเวณแผนใหความรอน

4.2 การผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน การทดลองนเลอกใชน ามนปาลมโอเลอน ซงสามารถหาซอไดงายตามทองตลาด เมอน ามาผสมกบเมทานอล ภายใตสภาวะทมตวเรงปฏกรยาโซเดยมไฮดรอกไซด และมการใหความรอน ไตรกลเซอไรดซงเปนองคประกอบหลกของน ามน จะเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ไดผลตภณฑเปนเมทลเอสเทอร หรอไบโอดเซล และกลเซอรอล ดงภาพท 4-2

ไตรกลเซอไรด เมทานอล กลเซอรอล ไบโอดเซล ภาพท 4-2 ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนปาลม

การทดลองนเลอกใชแอลกอฮอล ชนดเมทานอล แมวาเมทานอลเปนสารทกอใหเกดอนตรายมากกวาเอทานอล โดยเฉพาะเมอสมผสกบดวงตา เนองจากเมทานอลมอตราการเกด ปฏกรยาทดกวา ใชอณหภมต า ใชเวลาในการท าปฏกรยาสนกวาเอทานอล ดงเชนรายงานของ Hong, Park, Kim, & Lee, (2014) ซงไดศกษาการผลตไบโอดเซลโดยใชเมทานอล และเอทานอล โดยมโพแทสเซยมไฮดรอกไซดรอยละ 1 โดยน าหนก เปนตวเรงปฏกรยา พบวาสภาวะทเหมาะสม เมอใช เมทานอล ท าปฏกรยาทอณหภม 55 องศาเซลเซยส เปนเวลา 60 นาท ไดรอยละของ

CH

CH2

CH2

HO

HO

HO

CH3HO

H2C

HC

H2C

O

C

O

OC

O

OC

O +

3

NaOH

+

H3C

H3C

H3C

O

C

O

OC

O

OC

O

ไบโอดเซล เทากบ 96.4 สวนสภาวะทเหมาะสมเมอใชเอทานอล ท าปฏกรยาทอณหภม 65 องศาเซลเซยส เปนเวลา 80 นาท ไดรอยละของไบโอดเซล เทากบ 94.0 เมอพจารณาขอมลจากรายงานแลว ควรจะเลอกใชเอทานอลในการท าปฏกรยาเพราะมความปลอดภยมากกวา แตไมสามารถเลอกใชเอทานอลได เนองจากขอจ ากดของระยะเวลาในการจดการเรยนการสอนมระยะ เวลาเพยง 120 นาท ถาใชเอทานอลจะท าใหเสยเวลาถง 80 นาท ท าใหไมสามารถจดการเรยนการสอนไดภายในระยะเวลา 2 ชวโมงได ดงนนจงเลอกใชเมทานอลแทนเอทานอล แตอยางไรกตามชดการทดลองทออกแบบมาเปนชดรฟลกซ ทตอเขากบคอนเดนเซอรแบบเกลยว เพอปองกนไอระเหยของเมทานอลได จากภาพท 4-2 ตามอตราสวนปรมาณสมพนธไตรกลเซอไรด 1 โมล ท าปฏกรยาพอดกบ เมทานอล 3 โมล ไดเมทลเอสเทอร (ไบโอดเซล) 3 โมล และกลเซอรอล 1 โมล อยางไรกตามเนองจากปฏกรยานเปนปฏกรยาทผนกลบได การเตมเมทานอลในปรมาณมากเกนพอจะชวยผลกดนใหปฏกรยาเกดไปขางหนาไดมากขน การศกษารายงานการคนควาตาง ๆ (Leung & Guo, 2006) พบวา ทอตราสวนน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 เปนอตราสวนทเหมาะสม และไมใชปรมาณเมทานอลมากเกนไป การทดลองนจงก าหนดใหใชทอตราสวนดงกลาว และศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน จากการทดลอง ๆ ไดแก เวลาทใชในการท าปฏกรยา ปรมาณตวเรงปฏกรยา และอณหภมในการท าปฏกรยา ผลตภณฑทไดจากปฏกรยา ทรานสเอสเทอรฟเคชน เมอตงทงไวเปนเวลาประมาณ 5 นาท จะเรมเหนการแยกชนระหวาง กลเซอรอล และไบโอดเซล การแยกชนจะสมบรณภายใน 15 นาท โดยชนลางเปนชนของ กลเซอรอลมสเหลองสม และชนบนจะเปนชนของไบโอดเซล มสเหลองใส ดงภาพท 4-3

ภาพท 4-3 ภาพถาย ก) กอนท าปฏกรยา ข) หลงท าปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนปาลม

(ก) (ข)

กลเซอรอล

เมทานอล

ไตรกลเซอไรด

เมทานอล

ไบโอดเซล

จากภาพท 4-3 เมอเปรยบเทยบภาพถายกอนกบหลงเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน พบวากอนเกดปฏกรยาเมทานอล (คาความหนาแนน 0.79 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร) (Hong et al., 2014) จะลอยอยดานบน สวนไตรกลเซอไรดซงเปนองคประกอบหลกในน ามนปาลม (คาความหนาแนน 0.919 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร) (Yang et al., 2013) อยดานลางของหลอด หลงเกด ปฏกรยาจะเหนการแยกชนออกเปน 3 สวน สวนบนสด คอ เมทานอลทเหลอจากปฏกรยาซงม ความหนาแนนต าสด สองชนลางควรเปนผลตภณฑทเกดขนเนองจากมสทแตกตางกบสารตงตน ไบโอดเซลซงมคาความหนาแนนประมาณ 0.91 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร (Yang et al., 2013) จะลอยอยดานบนเหนอกลเซอรอล (คาความหนาแนน 1.261 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร) (Yang et al., 2013) ซงมคาความหนาแนนสงกวา ดงนนในการเรยนรเกยวกบกระบวนการผลตไบโอดเซลในระดบมธยมศกษา สามารถน าหลกการความหนาแนนทแตกตางมาใชพจารณาการเกดไบโอดเซลได โดยไมตองใชเครองมอ เชน แกสโครมาโทรกราฟ และนวเคลยรแมกเนตกเรโซแนนซ ซงไมมในโรงเรยน

4.3 การหารอยละของไบโอดเซล โดย 1H NMR สเปกโทรสโกป การหารอยละของไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม เพอยนยนผลการทดลองทเกดขนจากการสงเกตดวยตาเปลา โดยน าไปวเคราะหหารอยละการเปลยนไปของไตรกลเซอไรดในน ามนปาลมเปนไบโอดเซลดวยเทคนค 1H NMR สเปกโทรสโกป ผลการทดลองแสดงดงตารางท 4-1 และภาพท 4-4

ตารางท 4-1 คาเคมเคลชฟ (chemical shift) ของไบโอดเซล

คา chemical shift (ppm)

ต าแหนงกราฟ ชนดของสารประกอบ

5.31-5.40 (multiplet) A Unsaturated hydrocarbon (-CH=CH-) 3.65 (singlet) B methoxy protons of methyl ester 2.8 (triplet) C allylic proton (C=C–CH3)

2.29 (multiplet) D α-methylene protons to ester (-CH2-CO2Me) 1.99-2.05 (multiplet) E α-methylene protons to double bond (-CH2-C=C-) 0.85-0.88 (multiplet) F terminal methyl protons (C-CH3)

ภาพท 4-4 1 H NMR สเปกตรมของไบโอดเซลทผลตจากน ามนปาลม การหารอยละการเปลยนไตรกลเซอไรดเปนเมทลเอสเทอร สามารถค านวณไดจากพนทใตกราฟของโปรตอนตรงหมเมทลน (2.3 ppm) และหมเมทอกซ (3.7 ppm) ดงสมการท 2.1

4.4 การศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม เมอใชตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว การผลตไบโอดเซล รอยละไบโอดเซลทผลตไดขนอยกบสภาวะตาง ๆ ทใชในการทดลอง เชน อตราสวนน ามนปาลมตอเมทานอล ปรมาณตวเรงปฏกรยา เวลาทใชท าปฏกรยา ดงนนเพอหาสภาวะทเหมาะสมทท าใหไดรอยละไบโอดเซลทสง รวมทงสามารถสงเกตการแยกชนของ ไบโอดเซล และกลเซอรอลไดอยางรวดเรว เพอใหผเรยนสามารถสงเกตเหนไดงาย ชดเจน และเหมาะสมกบเวลาในการจดกจกรรมการเรยนร ผลการศกษาเมอแปรเปลยนปจจยตาง ๆ เปนดงน

A

B

C

D

E

F

4.4.1 ผลของเวลาทใชท าปฏกรยา เวลาทใชท าปฏกรยา เปนปจจยส าคญทมผลตอรอยละไบโอดเซลทผลตได โดยทวไปการเพมเวลาทใชในการท าปฏกรยาจะท าใหเกดรอยละผลตภณฑสงขน แตดวยขอจ ากดดานเวลาส าหรบการน าไปใชในหองเรยน จงตองพจารณาเวลาท าปฏกรยาทเหมาะสมทท าใหผเรยนสามารถเหนการเปลยนแปลงไดชดเจน โดยผลการศกษาแสดงดงภาพท 4-5 ภาพท 4-5 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ทเวลา ก) 5 นาท ข) 10 นาท

ค) 20 นาท และ ง) 30 นาท สภาวะททดลอง: อตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอ เมทานอล เทากบ 1:6 ตวเรงปฏกรยารอยละ 0.5 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยา ทอณหภม 601 องศาเซลเซยส

จากภาพท 4-5 การท าปฏกรยาเพยง 5 นาท พบวาผลตภณฑทไดมลกษณะขนขน ไมเกดการแยกชนของไบโอดเซล และกลเซอรอลอสระ อาจเนองมาจากเวลาทใชในท าปฏกรยาสนเกนไป ท าใหเกดเพยงสารตวกลางไดกลเซอไรด และโมโนกลเซอไรด ซงมความหนดมากกวา และมไบโอดเซลเกดในปรมาณนอยมาก จากนนเมอตงทงไว 10 นาท กยงไมพบกลเซอรอลท กนหลอด ในขณะการท าปฏกรยาเปนเวลา 10 นาท จะเหนการแยกชนของกลเซอรอลอยกนหลอดทดลองอยางชดเจน ซงมสเขมอยางชดเจน และการเพมเวลาในการท าปฏกรยาเปน 20 และ 30 นาท ปรมาณกลเซอรอลทกนหลอดมลกษณะ และปรมาณทใกลเคยงกน แสดงใหเหนวาการเกดปฏกรยาเพยง 10 นาท ท าใหไดไบโอดเซล และกลเซอรอลอสระเกอบสมบรณแลว การวเคราะหดวยเทคนคโปรตอน เอน เอม อาร สเปกโทรสโกป เพอยนยนผลการทดลองทไดจากการสงเกต พบวา ไบโอดเซลทเกดขนในชวงเวลา 10-20 นาท มคามากกวารอยละ 97 ดงนนระยะเวลาทใชในการทดลองจงมความเปนไปไดทจะน ามาใชเปนบทปฏบตการเพอการเรยนรไบโอดเซลในชนเรยน

(ก) (ข) (ค) (ง)

4.4.2 ผลของปรมาณตวเรงปฏกรยา ผลการศกษาอทธพลของปรมาณตวเรงปฏกรยาโซเดยมไฮดรอกไซดตอปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม เมอแปรเปลยนรอยละโดยน าหนกของ โซเดยมไฮดรอกไซด ในชวง 0.1 ถง 1.0 ผลการทดลองแสดงดงภาพท 4-6 ภาพท 4-6 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน เมอใชปรมาณตวเรงปฏกรยา

รอยละ ก) 0.1 ข) 0.2 ค) 0.3 ง) 0.4 จ) 0.5 ฉ) 0.6 ช) 0.7 ซ) 0.8 ฌ) 0.9 ญ) 1.0 โดยน าหนกของน ามนปาลม สภาวะททดลอง: อตราสวนโดยโมลของน ามนปาลมตอ เมทานอล เทากบ 1:6 ท าปฏกรยาทอณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 10 นาท

จากภาพท 4-6 เมอเพมปรมาณตวเรงปฏกรยาจากรอยละ 0.1-0.3 จะเหนชนของกลเซอรอลทแยกออกมามระดบสงขนตามล าดบ จนกระทงเรมคงทเมอใชรอยละโดยน าหนกของตวเรงปฏกรยาเทากบ 0.4-1.0 การเพมขนของกลเซอรอลเปนตวบงชถงปรมาณไบโอดเซลทเกดขนดวย ดงนนการใชตวเรงปฏกรยารอยละ 0.4-0.9 ควรจะไดรอยละผลตภณฑทใกลเคยงกน และปฏกรยาเกดขนไดสมบรณหรอใกลเคยงสมบรณ ผลการวเคราะหดวยเทคนค 1H NMR สเปกโทร สโกป พบวามคาในชวงรอยละ 97-99 และเมอเปรยบเทยบปรมาณรอยละผลตภณฑทเกดขน ไบโอดเซลทใชตวเรงปฏกรยารอยละ 0.2, 0.4, 0.6 และ 0.8 พบวา เมอวเคราะหปรมาณไบโอดเซลทเกดขนโดยใชเทคนค 1H NMR สเปกโทรสโกป ไดคารอยละของผลตภณฑเทากบ รอยละ 75, 97, 99 และ 99 ตามล าดบ สวนการเปรยบเทยบเวลาทใชในการแยกชนของกลเซอรอล พบวาการใช

(ก) (ข) (ค) (ง) (จ) (ฉ) (ช) (ซ) (ฌ) (ญ)

รอยละของตวเรงปฏกรยาต ากวาในชวง 01-0.4 ใชเวลาในการเรมแยกชนประมาณ 15 นาท ในขณะท เมอใชรอยละตวเรงปฏกรยา รอยละ 0.4-1.0 การแยกชนสามารถเกดขนไดภายในเวลา 5 นาท แตเมอใชรอยละตวเรงปฏกรยาสงในชวงทรอยละ 0.7-0.9 จะเหนชนกลเซอรอลมลกษณะเปนเจล และพบวากลเซอรอลเรมแขงตวเมอใสตวเรงปฏกรยาทรอยละ 1.0 การแยกชนดวยเวลาทแตกตางกนนสามารถใชเปนตวบงชองคประกอบของผลตภณฑทได แสดงวาการใชตวเรงปฏกรยารอยละ 0.1-0.4 ยงต าเกนไปทจะท าใหเกดปฏกรยาไดเกอบสมบรณในชวงเวลา 10 นาท จงยงคงม ไดกลเซอไรด มอนอกลเซอไรด และไตรกลเซอไรดปนอยในไบโอดเซลท าใหการแยกชนใชเวลานานกวา ในขณะทการใชตวเรงปฏกรยารอยละ 0.4-0.6 ท าใหปฏกรยาเกดเปนกลเซอรอลอสระ และไบโอดเซลไดเกอบสมบรณ เปนปรมาณทเหมาะสม ในกรณการใชตวเรงปฏกรยาในปรมาณมากเกนไป ท าใหปฏกรยามความเปนเบสสง จะชวยเรงใหเกดปฏกรยาสะปอนนฟเคชน (saponification) หรอปฏกรยาการเกดสบ ซงเกดเปนปฏกรยาขางเคยงไดดกวาปฏกรยา ทรานเอสเทอรฟเคชน ท าใหเกดเปนสบขน การใชปรมาณตวเรงปฏกรยาทสงเกนกวาสภาวะทเหมาะสม นอกจากจะท าใหสนเปลองแลว ในขนตอนการลางตองใชน าปรมาณมาก ท าใหเกดน าเสยทเปนเบสจ านวนมาก ซงสงผลกระทบกบสงแวดลอมตอไป นกเรยนสามารถน าไปคดตอไดวา ท าอยางไรจงจะสามารถลดปญหาสงแวดลอมเนองจากการผลตไบโอดเซล เชน การเลอกใชตวเรงปฏกรยาทสามารถแยกออกไดจากปฏกรยา และน ากลบมาใชใหมได 4.4.3 ผลของอณหภมตอการผลตไบโอดเซล การออกแบบการทดลองส าหรบนกเรยนมธยมศกษา สงส าคญทควรพจารณา คอ ความปลอดภย ดงนนเมอมการใหความรอนในการท าปฏกรยา อณหภมทใชไมควรจะสงเกนไป ซงเปนขอจ ากดประเดนหนง อยางไรกตามการเพมอณหภมจะชวยเรงอตราการเกดปฏกรยาท าใหไดผลตภณฑในปรมาณทสงขน ดงนนจงควรศกษาผลของอณหภมตอเพอหาอณหภมทเหมาะสม ผลการทดลองแสดงดงภาพท 4-7

ภาพท 4-7 ภาพถายผลตภณฑทไดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนปาลมทอณหภม ก) 45

ข) 50 ค) 55 ง) 60 จ) 65 องศาเซลเซยส สภาวะททดลอง: โซเดยมไฮดรอกไซด รอยละ 0.5 โดยน าหนกของน ามนปาลม อตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอลเทากบ 1:6 เปนเวลา 10 นาท โดยคาความคลาดเคลอนอณหภมทใชในการศกษาอยในชวง 1 องศาเซลเซยส

จากภาพท 4-7 จะเหนไดวาการเพมอณหภมท าใหปรมาณกลเซอรอลทเกดเพมขน แตมแนวโนมคงททอณหภมในชวง 60-65 องศาเซลเซยส การท าปฏกรยาทอณหภม 45-55 องศาเซลเซยส การแยกชนของไบโอดเซลจะใชเวลานานมากกวา 15 นาท และสของไบโอดเซลไมเหลองใส สวนทอณหภม 60 และ 65 องศาเซลเซยส จะเหนชนของไบโอดเซลมสเหลองใส และเกดการแยกชนระหวางไบโอดเซลกบกลเซอรอลเกดขนชดเจนภายในเวลา 5 นาท การวเคราะห รอยละไบโอดเซลทอณหภมทงสองพบวามคามากกวา 98 ดงนนสภาวะทเหมาะสมในการน าไปออกแบบการทดลองในหองเรยนระดบมธยมศกษาตอนปลาย จงเลอกทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เพราะทอณหภม 65 องศาเซลเซยส เปนอณหภมใกลจดเดอดของเมทานอล (64.7 องศาเซลเซยส) (Hong et al., 2014) ท าใหเมทานอล กลายเปนไอไดมากกวา ดงนนเพอความปลอดภยตอผเรยน และประหยดพลงงาน จงเลอกอณหภมทต าทสดทสามารถเหนผลการทดลองไดรวดเรว และชดเจน จากการทดลองศกษาสภาวะทมผลตอปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม เพอน าผลการทดลองมาออกแบบการทดลอง ซงจะตองเหนผลการทดลองอยางรวดเรว ชดเจน ดงนน จงเลอกสภาวะโดยใชอตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 ใช โซเดยมไฮดรอกไซด รอยละ 0.5 โดยน าหนกของน ามนปาลมเปนตวเรงปฏกรยา ท าปฏกรยาทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 10 นาท มาใชในการออกแบบการทดลองตอไป

(ก) (ข) (ค) (ง) (จ)

4.5 กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนเมอใชตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของไตรกลเซอไรดกบเมทานอลโดยใชโซเดยมไฮดรอกไซดเปนตวเรงปฏกรยา ขนตอนแรก โซเดยมไฮดรอกไซดจะเปนตวรบโปรตอนจากเมทานอลไดเมทอกไซด ดงสมการท 4.1 (4.1) ขนตอนทสอง เมทอกไซดทเกดขนจะเปนนวคลโอไฟลเขามาจบกบหมคารบอนลของไตรกลเซอไรด อยในรปเตตระฮดรลอนเตอรมเดยต (tetrahedral intermediate) และเกดปฏกรยาตอไดไบโอดเซล และไดกลเซอไรดแอนไอออน ดงสมการท 4.2

ขนตอนทสาม ไดกลเซอไรดแอนไอออนจะดงไฮโดรเจนไอออนจากโซเดยมไฮดรอกไซด เกดหมไฮดรอกซลของกลเซอรอล เปนโมเลกลของไดกลเซอไรด ดงสมการท 4.3 ไดกลเซอไรด จะเกดปฏกรยาตอดวยกลไกขางตน ไดไบโอดเซล และกลเซอรอล จนกระทงปฏกรยาเกดสมบรณ (Lam et al., 2010) ขอดของการใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวชนดเบส ในการผลตไบโอดเซล คอ สามารถเรงการเกดปฏกรยาการผลตไบโอดเซล จากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของไตรกลเซอไรดดวยรอยละของผลตภณฑสง สามารถท าปฏกรยาในทความดนบรรยากาศ และอณหภมไมสงมาก และ

H3C OH NaOH H3C O- NaO+ H

H+

H3C O-H2C

HC

H2C

O

C

O

R1

OC

O

R2

O

C

O

R3

H3C O

C

O

R1

H2C

HC

H2C

O

C

R1

OC

O

R3

OCH3

O- H2C

HC

H2C

O-

O

C

O

R2

OC

O

R3

OC

O

R2

Na OH

H+

H2C

HC

H2C

O-

OC

O

R2

OC

O

R3

H2C

HC

H2C

OH

OC

O

R2

OC

O

R3

+ Na OH (4.3)

(4.2)

ตวเรงปฏกรยาเนอเดยวมราคาถก หาซอไดงาย ตนทนในการผลตต า แตอยางไรกตามการใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวชนดเบสในการผลตไบโอดเซล ยงมขอจ ากด ไดแก ตวเรงปฏกรยามสมบตในการกดกรอน ไมสามารถน ากลบมาใชใหมได (Kuozu et al., 2008) ขนตอนการก าจดตวเรงปฏกรยาออกจากไบโอดเซลตองใชน าปรมาณมากในการลางเพอใหน ามนเปนกลาง ท าใหเกดน าเสยปรมาณมากตามไปดวยซงยากตอการจดการ อกทงยงท าใหกลเซอรอลซงเปนผลพลอยไดจากการผลต ไบโอดเซลมคณภาพต าอกดวย (Reyero, Arzamendi, & Gandia, 2014) ดงนนการใชตวเรงปฏกรยานาโนทมประสทธภาพใกลเคยงกนแตสามารถแยกออกไดจากปฏกรยาเปนทางเลอกทนาสนใจ

ตอนท 2 การผลตไบโอดเซลโดยตวเรงปฏกรยาเนอผสมนาโนแคลเซยมออกไซด ดวยขอจ ากดของการใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวส าหรบการผลตไบโอดเซล ดงนนเพอใหกระบวนการผลตไบโอดเซลมประสทธภาพสงขน และเปนมตรตอสงแวดลอม จงควรหาทางเลอกในการเปลยนตวเรงปฏกรยาเนอเดยวเปนการใชตวเรงปฏกรยาเนอผสม ซงสามารถแยกออกจากผลตภณฑไดงาย สามารถน ากลบมาใชใหมได ลดขนตอนการก าจดตวเรง และไมกอใหเกดน าเสยในปรมาณมาก แคลเซยมออกไซด เปนตวเรงปฏกรยาของแขงเนอผสมทมการศกษากนมากในการผลตไบโอดเซล เพราะมราคาถก (Kouzu & Hidaka, 2012) และมความสามารถเปนตวเรงปฏกรยาไดดในสภาวะของการผลตไบโอดเซล (Boey, Pragas, & Hamid, 2011) มการละลายในเมทานอลต า งายตอการจดการมากกวาตวเรงปฏกรยาเนอเดยว เปนมตรตอสงแวดลอม (Ibrahim et al., 2013) และยงสามารถท าปฏกรยาไดทความดนบรรยากาศ และอณหภมต า (Reddy, Reddy, Oshel, & Verkade, 2006) จากคณสมบตดงกลาวจงท าใหแคลเซยมออกไซดเปนทนาสนใจเพอใชเปนตวเรงปฏกรยาการผลตไบโอดเซล อกทงเมอน าไปออกแบบการทดลองท าใหผเรยนไดเหนความแตกตางของการเลอกใชตวเรงปฏกรยาดวย อยางไรกตามประสทธภาพของตวเรงปฏกรยาเนอผสมจะขนอยกบปรมาณพนทผวจ าเพาะ ความแรงของเบส และความเขมขนของบรเวณเรงปฏกรยา (Kouzu & Hidaka, 2012) ดงนนเพอใหแคลเซยมออกไซดเปนตวเรงปฏกรยาเนอผสมมประสทธภาพสงสด จงควรสงเคราะหใหมขนาดเลกในระดบนาโนเมตร หรอทเรยกวา ตวเรงปฏกรยานาโน เนองจากตวเรงปฏกรยานาโนมอตราสวนพนทผวตอปรมาตรสง และสามารถกระจายตวในรปคอลลอยดในตวกลาง จงชวยเพมพนทผวสมผสระหวางน ามน เมทานอล และตวเรงปฏกรยา ท าใหอตราการเกดปฏกรยาสงขน ตวเรงปฏกรยานาโน จงท าหนาทเสมอนสะพานเชอมระหวางตวเรงปฏกรยา เนอเดยว และเนอผสม (Tedsree, 2013)

4.6 การสงเคราะห และการวเคราะหขนาดของอนภาคนาโนแคลเซยมออกไซด

นาโนแคลเซยมออกไซด สามารถเตรยมโดยกระบวนการโซล-เจล ซงประกอบดวย 2 ปฏกรยาทส าคญ คอ ปฏกรยาการแยกสลายน าหรอแอลกอฮอล (hydrolysis/alcoholysis) และปฏกรยาการควบแนน (condensation) การเตรยมนาโนแคลเซยมออกไซดจะใชเกลอแคลเซยมไนเตรต (Ca(NO3)2) เปนโลหะ พรเคอเซอร ละลายในเอทลนไกลคอลท าหนาทเปนสารตวกลาง และเตมสารชวยเสถยรพอลเมอรพอลไวนลไพโรลโดน (PVP) เพอชวยใหอนภาคนาโนคอลลอยดมเสถยรภาพ โดยใชความเกะกะของโมเลกลขนาดใหญปองกนการรวมตว และเมอเตมโซเดยมไฮดรอกไซดซงท าหนาทเปนตวเรงปฏกรยา จะเกดปฏกรยาการแยกสลายแอลกอฮอล ดงสมการท 4.4 และเกดปฏกรยาการควบแนนดงสมการท 4.5 Ca2+ + ROH [Ca(OR)]+ + H+ (4.4) 2Ca(OR)+ [CaOCa]2+ + ROH (4.5) คา pH เปนปจจยทส าคญตอการควบคมขนาดของอนภาค ในกระบวนการโซล-เจล ปฏกรยาการควบแนนจะเกดไดดในสภาวะทเปนเบส ในขณะทปฏกรยาการแยกสลายแอลกอฮอลเกดขนไดดในสภาวะทเปนกรด ในระหวางการทดลองหากสารละลายเปนเบสมากเกนไป สงผลใหมคามากเกนคา Ksp จะท าใหเกดตะกอนขาวของแคลเซยมไฮดรอกไซด (Ca(OH)2) ทนท ดงสมการท 4.6 มขนาดใหญแทนทจะไดเจลเกดขน ตามสมการท 4.4 และ 4.5 จงควรคอย ๆ หยดสารละลายเบส และคนอยางแรงขณะหยด เพอใหเบสกระจายตวสม าเสมอ

Ca(NO3)2 + NaOH Ca(OH)2 (s) Ksp = 5.2 10-6 (4.6) ระหวางปฏกรยาควบแนน ของผสมจะมลกษณะเปนเจลสขาว เมอสนสดปฏกรยา กรองของแขงขณะรอน น าตะกอนมาลางตะกอนดวยน าจ านวน 3 ครง โดยใชเครองเซนทรฟวก ของแขงทไดมลกษณะเปนผงสขาว ท าใหแหงทอณหภม 120 องศาเซลเซยส เปนเวลา 1 ชวโมง เพอระเหยน าทกกเกบในโพรง น าของแขงทไดมาบด และน าไปเผาทอณหภม 800 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง เพอก าจดน าออกจากโครงสรางของแคลเซยมไฮดรอกไซด และก าจดคารบอนไดออกไซดออกจากโครงสรางของแคลเซยมคารบอเนต ตามสมการท 4.7 และ 4.8 นอกจากนการเผาทอณหภมสงยงสามารถชวยก าจดสารชวยเสถยรพอลเมอรพอลไวนลไพโรลโดน ทเตมในชวงการท าปฏกรยา

และยงมสวนชวยใหอนภาคทไดมความพรนสงอกดวย อยางไรกตามแคลเซยมออกไซดเปนสารประกอบทไมเสถยรตอความชน และคารบอนไดออกไซดสามารถเกดปฏกรยายอนกลบได

(4.7) (4.8) ขนาดรปราง และการกระจายตวของแคลเซยมออกไซดทเตรยมไดสามารถวเคราะหไดโดยเทคนคจลทรรศนอเลกตรอนชนดสองผาน ผลการวเคราะหแสดงดงภาพท 4-8

(ก) (ข) ภาพท 4-8 (ก) ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองผานของอนภาค นาโนแคลเซยมออกไซด (ข) ภาพขยายรป (ก) ภาพถายในภาพท 4-8 มลกษณะเปนจดสด ารปทรงกลมกระจายทวอยท วไป ขนาดเลกใหญ แตกตางกน ซงแสดงถงขนาดของอนภาคนาโนแคลเซยมไดออกไซดทเตรยมได ซงมการกระจายตวของขนาดทกวาง เมอวดเสนผานศนยกลางเฉลยของอนภาคจ านวนประมาณ 120 อนภาคในบรเวณเดยวกน พบวามขนาดเฉลยเทากบ 19.249.93 นาโนเมตร กราฟการกระจายตวของขนาดแสดงดงภาพท 4-9

CaO +H2OCa(OH)2

CaO +CO2CaCO3

ภาพท 4-9 กราฟการกระจายตวของขนาดของแคลเซยมออกไซดทสงเคราะหได

แคลเซยมออกไซดทไดจากหนปน เตรยมไดจากการเผาหนปน (CaCO3) ทอณหภม 800 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแสดงใหเหนวามลกษณะเปนกลมกอนนะดบไมโครเมตร ดงภาพท 4-10 ไมสามารถวดขนาดของอนภาคเดยว ๆ ได ภาพท 4-10 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนของแคลเซยมออกไซดจากหนปน

4.7 การวเคราะหความเปนเบสบนพนผวตวเรงปฏกรยา สมบตความเปนเบสของตวเรงปฏกรยาของแขงถกก าหนดโดยปรมาณ และความแรงของบรเวณทเปนเบส สมบตความเปนเบสของแคลเซยมออกไซด สามารถวเคราะหโดยใชการเปรยบเทยบสของอนดเคเตอร ซงเปลยนสตามความแรงของเบสทพนผวและคา pKBH ของ อนดเคเตอร แสดงในรปฟงกชนความเปนกรด (H_) ตามสมการของ Hammett ดงสมการท 4.9

10

68

28

6 8

0

20

40

60

80

1-10 11-20 21-30 31-40 41-50

No. o

f par

tricle

s

Diameter (nm)

H_= -pKBH + log[B-]/[BH] (4.9) H_= ฟงกชนความเปนกรด Hammett ของอนดเคเตอร B และ [BH] คอ ความเขมขนของอนดเคเตอร และคเบส [B-] pKBH คอ คา logarithm ของคาคงทการแตกตวของอนดเคเตอร การทดสอบความเปนเบสโดยใชแฮมเมตอนดเคเตอร (Hammett indicator) ท าโดยการเตมเมทานอลลงในแคลเซยมออกไซด เพอท าปฏกรยา และเกดโลหะอลคอกไซด ความเปนกรดเบสจะพจารณาจากความสามารถของหมอลคอกซในการรบโปรตอนจากไฮโดรเจนของ อนดเคเตอร โดยการเปรยบสของอนดเคเตอร ความแรงของต าแหนงทเปนเบสบนพนผว ทดสอบโดยเปรยบเทยบกบอนดเคเตอรตวอนทมความเปนเบสมากกวา และรายงานผลเปนชวงของความเปนเบส ส าหรบแฮมเมตอนดเคเตอร มอนดเคเตอรทใชในการศกษาความเปนเบสของตวเรงปฏกรยาของการทดลองน คอ โบรโมฟนอลบล (H_= 7.2) ฟนอลฟทาลน (H_= 9.8) และ 2,4-ไดไนโตรอนลน (H_= 15) (Qiu, Li, Yang, Li, & Sun, 2011) แฮมเมตอนดเคเตอรจะเปนตวบงบอกถงความแรง ถาแสดงใหเหนวามการเปลยนส คอ มความแรงทมากกวาอนดเตอรทใช แตถาไมมการเปลยนสแสดงวามความแรงนอยกวาอนดเคเตอรทใช จากการทดสอบแสดงไดดงตารางท 4-2 ตารางท 4-2 ผลลพธการเปลยนสของแฮมเมตอนดเคเตอรทใชทง 3 ชนด

อนดเคเตอร ส ความแรงของเบส ผลลพธ โบรโมฟนอลบล เหลอง-น าเงน H_>7.2 น าเงน ฟนอลทาลน ใสไมมส-สชมพ H_>9.3 สชมพ 2,4-ไดไนโตรอนลน เหลอง-มวง H_>15.0 เหลองสม

โบรโมฟนอลบล ใหผลเปนสน าเงน และฟนอลฟทาลนใหผลการทดสอบเปนสชมพ แสดง

วาตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซดมความแรงของเบสมากกวา 9.8 ใหผลเปนสสมเมอทดสอบดวย

2,4 ไดไนโตรอนลน แสดงวามความแรงของเบสนอยกวา 15.0 ตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซดม

คาความแรงของเบสมากกวา 9.3 แตนอยกวา 15.0 แสดงโดย 9.3 < H_ < 15.0 โดยคาความแรง

สงสดของแคลเซยมออกไซดทพบรายงานโดย Zhu et al. (2006) เทากบ 26.5 < H_ ซงโดยสวนมาก

มรายงานในชวง 15.0 < H_ < 18 (Kouzu and Hidaka, 2012) อยางไรกตามการไดคาเบสต าอาจ

เนองจากในระหวางขนตอนการทดสอบไมสามารถปองกนพนผวไมใหท าปฏกรยากบอากาศได

4.8 ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม โดยใชตวเรงปฏกรยาเนอผสม นาโนแคลเซยมออกไซด การศกษาท าโดยน าน ามนปาลมท าปฏกรยากบเมทานอลโดยมนาโนแคลเซยมออกไซดเปนตวเรงปฏกรยา โดยใชอตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 ทอณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท เมอสนสดปฏกรยา เทของผสมลงในหลอดทดลอง ตงทงไวเปนเวลาประมาณ 5-10 นาท จะเรมเหนการแยกชน ดงภาพท 4-11 ภาพท 4-11 ภาพถาย ก) ของผสมระหวางน ามนปาลม แคลเซยมออกไซด และเมทานอล กอนใหความรอน ข) หลงใหความรอนทอณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท จากภาพท 4-11 จะเหนไดวากอนใหความรอนเมอผสม น ามนปาลม แคลเซยมออกไซด และเมทานอล ของผสมทไดอยในลกษณะทมแคลเซยมไดออกไซดกระจายอยท วไปในน ามน และมเมทานอลแยกชนออกมา หลงจากใหความรอนในการท าปฏกรยา และตงทงไวประมาณ 15-20 นาท จะเหนมการแยกชน ๆ ทแตกตางจากกอนใหความรอน เนองจากความแตกตางของความหนาแนนของผลตภณฑทได โดยชนลางสดซงมสเหลองเขมกวาเปนกลเซอรอล ชนถดมาเปน

(a) (b)

ไบโอดเซล

ไคลสบ

กลเซอรอล

(ก) (ข)

อมลชนของไคลสบ สวนชนบนสดซงมสเหลองใสเปนชนของไบโอดเซล จากการทดลองจะเหนวาหลงจากใหความรอน มการเปลยนแปลงเกดขนอยางชดเจน แสดงวามปฏกรยาเกดขน ซงกคอ ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ท าใหผเรยนสามารถเปรยบเทยบไดวาเมอน าสารตงตน ไดแก น ามนปาลม เมทานอล มาท าปฏกรยากน โดยมนาโนแคลเซยมออกไซด เปนตวเรงปฏกรยา จะสามารถเปลยนสารตงตนใหเกดเปนผลตภณฑ ไดเมอพจารณาจะคลายกบการผลตไบโอดเซลทใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว ซงใชคาความหนาแนนของสารในการสงเกตการแยกชนของผลตภณฑเชนกน แตสงทแตกตางกนทสามามารถสงเกตไดระหวางการใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว และ เนอผสม คอ ไบโอดเซลทใชตวเรงเนอเดยวจะสงเกตเหนการแยกชนเพยงแค 2 ชนเทานน (ไมรวมเมทานอล) ไดแก ชนของไบโอดเซล และชนกลเซอรอล สวนไบโอดเซลทใชตวเรงปฏกรยา เนอผสม จะเหนการแยกชนออกเปน 3 ชน ทแตกตางกน คอ ชนของไคลสบจะมชนสบเกดขนซงในการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวจะไมเหนชนสบเกดขน และทแตกตางอกจะเปนสของกลเซอรอล เมอใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวกลเซอรอลจะมสสม เปนกลเซอรอลทคณภาพต า สวนกลเซอรอลของการใชตวเรงปฏกรยาเนอผสม กลเซอรอลมสเหลองซงเปนกลเซอรอลทมคณภาพ

4.9 การศกษาเปรยบเทยบประสทธภาพการเรงปฏกรยาของตวเรงปฏกรยาเนอผสม การผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอผสมทแตกตางกน ไดแก นาโนแคลเซยมออกไซดทไดจากการสงเคราะหดวยกระบวนการโซล-เจล กบแคลเซยมออกไซดทไดจากการน าหนปนไปเผาทอณหภม 800 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2 ชวโมง น ามาใชเปนตวเรงผลตไบโอดเซล จากน ามนปาลม โดยท าการทดลองทอณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท ไดผลการทดลองดงภาพท 4-12 จากภาพท 4-12 จะเหนไดวาปฏกรยาทใชตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซดจากหนปน 1% ไมเกดการแยกชนของผลตภณฑได สวนไบโอดเซลทใชตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซดจากหนปน 7% โดยน าหนก พบวา เมอสนสดปฏกรยา และตงทงไว 15 นาท ไมสามารถเหนการแยกชนไดอยางชดเจน แตเมอตงทงไว 5 ชวโมง สามารถมองเหนการแยกชนไดเปน 4 ชน ไดแก ชนบนสดเปนชนของไบโอดเซล ถดมาเปนชนของสบ ถดมาอกชนเปน กลเซอรอล และชนสดทายเปนชนของตวเรงปฏกรยาซงเหลอทกนหลอดทดลองเปนจ านวนมากจงท าใหไมสามารถมองเหน กลเซอรอลไดชดเจน การผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงแคลเซยมออกไซดนาโน 1% พบวา เมอสนสดปฏกรยา ตงทงไว 15 นาท สามารถเหนการแยกชนของผลตภณฑไดอยางชดเจน แยกออก เปน 3 ชน ไดแก ชนบนสดเปนชนของไบโอดเซล ถดมาเปนชนของสบ และชนสดทายเปน

กลเซอรอล เมอเปรยบเทยบความสามารถของตวเรงปฏกรยาเนอผสมแคลเซยมออกไซดทไดจากหนปนและแคลเซยมออกไซดนาโนทไดจากกระบวนการโซล-เจล พบวานาโนแคลเซยมออกไซดสามารถเรงปฏกรยาการผลตไบโอดเซลไดดกวาแคลเซยมออกไซดทไดจากหนปน ท าใหการผลต ไบโอดเซลทใชตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซดใชปรมาณตวเรงปฏกรยานอยกวา และมพนทผวในการเกดปฏกรยาสง จงมบรเวณเรงปฏกรยามากกวา ซงสอดคลองกบผลการทดลองของ Isahak, Ismail, Jahim, Salimon, and Yarmo (2010) ทใชตวเรงปฏกรยาในปรมาณทนอย และไดรอยละของไบโอดเซลมากกวา รอยละ 90 การแยกชนของผลตภณฑชดเจนในระยะเวลาอนสนเมอใชนาโนแคลเซยมออกไซดเปนตวเรงปฏกรยาการผลตไบโอดเซล แสดงใหเหนถงความเปนไปไดในการน ามาใชกบการเรยนการสอนในระดบมธยมศกษาได เนองจากสามารถเรงปฏกรยาการผลตไบโอดเซลไดภายในระยะเวลาอนสน และใชตวเรงปฏกรยาปรมาณนอย ดงนนจงไดศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลมโดยใชตวเรงปฏกรยา นาโนแคลเซยมออกไซด

ภาพท 4-12 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ก) ใชแคลเซยมออกไซดจาก หนปน 1% ข) ใชแคลเซยมออกไซดจากหนปน 7% ค) ใชแคลเซยมออกไซดนาโน 1% สภาวะททดลอง: อตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอล 1:6 ท าปฏกรยาท อณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท

4.10 การศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลม เพอใหผเรยนสงเกตเหนผลการทดลองไดงาย เหมาะส าหรบการจดการเรยนรในหองเรยน การทดลองนไดศกษาปจจยตาง ๆ ทมผลกระทบตอการเกดปฏกรยา และหาสภาวะท

(ก) (ข) (ค)

เหมาะสม เพอน าไปใชในหองเรยน โดยศกษาการแยกชนของผลตภณฑ และปรมาณรอยละ ไบโอดเซลทไดเมอแปรเปลยนปจจยตาง ๆ ดงน 4.10.1 ผลของเวลาทใชในการท าปฏกรยา การพจารณาผลการทดลองเพอน าไปออกแบบการทดลองใหเหมาะสมส าหรบการจดการเรยนการสอนในชนเรยนตองใชระยะเวลาสน และเหนการเปลยนแปลงไดอยางชดเจน จงตองมการค านงถงระยะเวลาในการท าปฏกรยา อกทงระยะเวลายงเปนปจจยทส าคญทมผลตอ รอยละไบโอดเซลทผลตได โดยทวไปการเพมเวลาทใชในการท าปฏกรยาจะท าใหเกดรอยละของ ไบโอดเซลสงขน แตดวยขอจ ากดดานเวลาส าหรบการน าไปใชในหองเรยน ใหมความเหมาะสม ดงนนจงมการศกษาผลของเวลา ท าโดยแปรเปลยนเวลาทใชในการท าปฏกรยา ในชวงเวลา 10-40 นาท เปรยบเทยบระยะเวลาในการแยกชนระหวางไบโอดเซลกบกลเซอรอล หลงจากนนตงทงไว 15 นาท ผลการทดลอง ดงภาพท 4-13

ภาพท 4-13 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ทเวลา ก) 10 นาท ข) 20 นาท ค) 30 นาท และ ง) 40 นาท สภาวะททดลอง: อตราสวนเมทานอลตอน ามนปาลมเทากบ 6:1 ใชตวเรงปฏกรยารอยละ 1 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 601 องศาเซลเซยส จากภาพท 4-13 เมอใชเวลาท าปฏกรยาเพยง 10 นาท ผลตภณฑทเกดขนมปรมาณกลเซอรอลเกดนอยทสด เมอสนสดปฏกรยาแลวตองตงทงไว 3 ชวโมง จงเหนการแยกชนระหวาง

(ก) (ข) (ค) (ง)

ไบโอดเซล และกลเซอรอล อาจเนองมาจากเวลาทใชในการท าปฏกรยาสนเกนไป ท าใหเกดเพยงสารตวกลางไดกลเซอไรด และโมโนกลเซอไรด ปะปนอยท าใหมความหนดมากกวา และยงมตวเรงปฏกรยาตกลงมาทกนหลอดทดลอง และสของไบโอดเซลทไดไมใส ในขณะทการท าปฏกรยาเปนเวลา 20, 30 และ 40 นาท ปรมาณกลเซอรอลทกนหลอดทดลองมลกษณะ และปรมาณใกลเคยงกน แตพบวาทเวลา 20 นาท เมอสนสดการทดลองไมสามารถมองเหนการแยกชนของ ไบโอดเซล และกลเซอรอลไดภายในเวลา 10-15 นาท ตองใชระยะเวลาในการตงทงไวมากกวา 1 ชวโมง จงจะเหนการแยกชนไดอยางชดเจน สวนการท าปฏกรยาทเวลา 30 และ 40 นาท เมอสนสดการท าปฏกรยา พบวาเมอเทสารผสมจากขวด 3 คอลงในหลอดทดลองจะเหนการแยกชนของกลเซอรอล และไบโอดเซลไดทนท โดยกลเซอรอลทเหนมลกษณะใส เมอตงทงไว 10-15 นาท จะเหนการแยกชนไดอยางชดเจน แสดงใหเหนวาการเกดปฏกรยาใชเวลาเพยง 30 นาท ท าใหได ไบโอดเซล และกลเซอรอลอสระเกอบสมบรณ เมอยนยนผลทไดจากการสงเกตโดยใชการวเคราะหดวยเทคนคโปรตอน เอน เอม อาร สเปกโทรสโกป ไดผลดงตารางท 4-3 ตารางท 4-3 รอยละของไบโอดเซลทเกดจากการท าปฏกรยาทเวลาตางกน

เวลาท าปฏกรยา (นาท) รอยละการเปลยนไปของไบโอดเซล 10 96 20 96 30 98 40 99

จากตารางท 4-3 พบวา ไบโอดเซลทเกดขนในชวงเวลา 30-40 นาท มคามากกวารอยละ 98 ดงนนระยะเวลาในชวงดงกลาวจงมความเปนไปไดทจะน ามาใชเปนบทปฏบตการ เพอการเรยนรการการผลตไบโอดเซลดวยตวเรงปฏกรยาเนอผสมในชนเรยน มรายงานการใชตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซดในการผลตไบโอดเซล แตจะใชระยะเวลาการท าปฏกรยา ปรมาณตวเรงปฏกรยา และอณหภมทแตกตางกน เชน Isahak et al. (2010) ใชเวลา 2.5 ชวโมง ในการผลตไบโอดเซลจากน ามนพช มตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด รอยละ 2.5 ท าปฏกรยาทอณหภม 65 องศาเซลเซยส ไดรอยละของไบโอดเซล เทากบ 94 และ Reddy et al. (2006) ไดผลตไบโอดเซลจากน ามนถวเหลองทอณหภมหอง เปนเวลา 24 ชวโมง ใชตวเรงปฏกรยาขนาด 20 นาโนเมตร อตราสวนโดยโมลน ามนตอเมทานอล เทากบ 1:27 ไดไบโอดเซลรอยละ 99

4.10.2 ผลของปรมาณตวเรงปฏกรยา จากการศกษาผลของปรมาณตวเรงปฏกรยาทมตอการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว พบวาปรมาณของตวเรงปฏกรยามผลตอปรมาณไบโอดเซลทเกดขน สภาวะทเหมาะสมใชโซเดยมไฮดรอกไซด รอยละ 0.5 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 10 นาท ถาใชตวเรงปฏกรยานอยเกนไปจะท าใหได ไบโอดเซลนอย ถาใชปรมาณมากเกนไปจะท าใหสนเปลอง และเกดสบขนได ส าหรบการศกษาผลของปรมาณตวเรงปฏกรยาโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอผสมนาโนแคลเซยมออกไซด ในชวงรอยละ 0.25-4.0 โดยน าหนกของน ามนปาลม ไดผลการทดลอง ดงภาพท 4-14 ภาพท 4-14 ภาพถายผลตภณฑจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนเมอใชปรมาณตวเรงปฏกรยา รอยละ ก) 0.25 ข) 0.5 ค) 1.0 ง) 2.0 จ) 3.0 และ ฉ) 4.0 โดยน าหนกของน ามนปาลม สภาวะททดลอง: อตราสวนโดยโมลของน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 ท า ปฏกรยาทอณหภม 601 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท จากภาพท 4-14 เมอใชปรมาณตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซดรอยละ 0.25 โดยน าหนกของน ามนปาลม ไมพบการแยกชนของกลเซอรอล และไบโอดเซล อกทงยงสามารถสงเกต เหนชนของเมทานอลลอยอยดานบนสด อาจเนองมาจากปรมาณตวเรงปฏกรยาทใชนอยเกนไป ปฏกรยาไมสามารถเกดไดสมบรณ จงไมพบกลเซอรอลทกนหลอดทดลอง ในขณะทการใชตวเรงปฏกรยาในชวงรอยละ 0.5-4.0 โดยน าหนกของน ามนปาลม จะเหนชนกลเซอรอลทแยกออกมามระดบความสงคงทใกลเคยงกน โดยมความสงของชนกลเซอรอล เทากบ 1.2-1.3 เซนตเมตร ดงนนการใชตวเรงปฏกรยารอยละ 0.5-4.0 โดยน าหนกของน ามนปาลม ควรจะได

(ก) (ข) (ค) (ง) (จ) (ฉ)

รอยละไบโอดเซลทใกลเคยงกน และปฏกรยาเกดขนไดสมบรณหรอใกลเคยงสมบรณ เมอน าไปวเคราะห และยนยนรอยละการเปลยนไปของไตรกลเซอไรดเปนไบโอดเซล ดวยเทคนค 1H NMR พบวามคาในชวงรอยละ 90-99 ความสมพนธระหวางปรมาณตวเรงปฏกรยา เวลาทใชในการแยกชนของกลเซอรอล ปรมาณไคลสบ และปรมาณกลเซอรอลทเกดขน แสดงดงตารางท 4-4 ตารางท 4-4 ความสงของชนกลเซอรอล และชนสบจากการท าปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยใชปรมาณตวเรงปฏกรยาทตางกน

ปรมาณตวเรงปฏกรยา (% โดยน าหนกของน ามนปาลม)

เวลาทใชใน การแยกชน

(นาท)

ความสง ชนกลเซอรอล (เซนตเมตร)

ความสง ชนสบ

(เซนตเมตร)

รอยละ ไบโอดเซล

0.25 15 - - 75 0.5 10-15 1.2 0.7 90 1.0 10-15 1.3 0.8 99 2.0 10-15 1.3 1.1 98 3.0 15 1.3 2.5 97 4.0 15 1.3 5.4 97

จากตารางท 4-4 แสดงใหเหนวาการเพมปรมาณตวเรงปฏกรยาท าใหไดปรมาณ กลเซอรอลอสระ และปรมาณไบโอดเซลสงขน แตการเตมมากเกนไป ท าใหมโอกาสเกดสบไดมากขน และสบทเกดขนท าใหการแยกชนของผลตภณฑชาลง ระยะเวลาการแยกชนทตางกน และความสงของชนสบทตางกน สามารถเปนตวบงชองคประกอบของผลตภณฑทเกดขนได โดยทปรมาณตวเรงปฏกรยารอยละ 0.25 โดยน าหนกของน ามนปาลม ยงนอยเกนไปทจะท าใหปฏกรยาเกดขนอยางสมบรณภายในระยะเวลา 30 นาท จงยงมมอนอกลเซอไรด ไดกลเซอไรด และไตรกลเซอไรด ปนอยในผลตภณฑจงท าใหตองใชระยะเวลาในการแยกชนนานขน หรออาจเกดจากปรมาณ เมทานอลทเหลอจากปฏกรยาจงท าใหกลเซอรอลละลายไดดขน ในขณะทการใชตวเรงปฏกรยา รอยละ 0.5-2.0 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าใหเกดกลเซอรอลอสระ และไบโอดเซลไดเกอบสมบรณ สวนในกรณทใชตวเรงในปรมาณรอยละ 3.0-4.4 โดยน าหนกของน ามนปาลม จะท าใหมสภาวะความเปนเบสทสง แคลเซยมไอออน (Ca2+) ทเกดการละลายออกจากพนผว (leaching) จงท าใหเกดปฏกรยาสะปอนนฟเคชน (saponification) กบกรดไขมนอสระไดไคลสบ ดงสมการท 4.10

นอกจากนสภาวะทเปนเบสสงมาก ไตรกลเซอไรดสามารถเกดปฏกรยาสะปอนนฟเคชนไดเชนกน ดงสมการท 4.11

4.10.3 ผลของอณหภมตอการผลตไบโอดเซล จากการศกษาผลของอณหภมตอการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาแบบ เนอเดยว พบวาอณหภมทเหมาะสม เทากบ 60 องศาเซลเซยส ดงนนในการออกแบบการทดลอง บทปฏบตการเรองการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาแบบเนอผสม จงท าการศกษาผลของอณหภม ในชวง 50 ถง 65 องศาเซลเซยส ผลการศกษา ดงภาพท 4-15 ภาพท 4-15 ภาพถายผลตภณฑทไดจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนปาลม ทอณหภม ก) 501 ข) 601 และ ค) 651 องศาเซลเซยส สภาวะททดลอง: นาโนแคลเซยมออกไซดรอยละ 1 โดยน าหนกของน าปาลม อตราสวนน ามนตอ เมทานอล เทากบ 1:6 ท าปฏกรยา 30 นาท

(4.10)

(4.11)

R

CO O

H + CaO

R

CO O

CaO

CO

R

+

H2C

HC

H2C

OC

O

R1

OC

O

R2

OC

O

R3

C

O

O

CaO

Ca O C

O

CH3H3C

C

O

O Ca O C

O

CH3H3C

C

O

O Ca O C

O

CH3H3C

(ก) (ข) (ค)

จากภาพท 4-15 จะเหนไดวาอณหภมมผลตอการเกดปฏกรยาอยางเหนไดชด ทอณหภม 50 องศาเซลเซยส จะสงเกตเหนปรมาณกลเซอรอลนอยกวาเมอเปรยบเทยบกบทอณหภม 60-65 องศาเซลเซยส และการแยกชนของไบโอดเซลจะเวลานานกวา 45 นาท และยงเกดชนสบในปรมาณสง สวนทอณหภม 60-65 องศาเซลเซยส จะเกดการแยกชนระหวางไบโอดเซลกบ กลเซอรอลเกดขนชดเจนภายในเวลา 5-10 นาท การวเคราะหรอยละไบโอดเซลทอณหภมทงสองพบวามคามากกวา 98 ดงนนเพอความปลอดภยตอผเรยน และประหยดพลงงาน จงเลอกทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนอณหภมทเหมาะสมทใชทดลองในชนเรยน ผลการศกษาสภาวะตาง ๆ ทมผลตอปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน เชน ผลของเวลาท าปฏกรยา ปรมาณตวเรงปฏกรยา อณหภมการท าปฏกรยา พบวา สภาวะทเหมาะสมส าหรบน ามาออกแบบชดการทดลอง คอ ใชอตราสวนโดยโมลของน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 ตวเรงปฏกรยารอยละ 1 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท ไดรอยละไบโอดเซล เทากบ 99 จะเหนไดวามการใชปรมาณตวเรงปฏกรยาทนอย ใชระยะเวลาสน อกทงอณหภมไมสงมาก เมอเปรยบเทยบผลการทดลองกบรายงานการผลต ไบโอดเซลทใชตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด ของ Isahak et al. (2010) ซงใชตวเรงปฏกรยารอยละ 2.5 ใชอตราสวนโดยโมลน ามนพชตอเมทานอล เทากบ 1:15 ท าปฏกรยาทอณหภม 65 องศาเซลเซยส เปนเวลา 2.5 ชวโมง จากผลการทดลองทศกษาได มจดเดน คอ ใชระยะเวลาในการท าปฏกรยาสนกวา อตราสวนโดยโมลน ามนตอเมทานอลนอยกวา และยงใชปรมาณตวเรงปฏกรยาทนอยกวาอกดวย ทงนประสทธภาพในการเรงปฏกรยาทแตกตางกนของนาโนแคลเซยมออกไซดอาจมาจาก กระบวนการเตรยมตวเรงปฏกรยา ซงการทดลองนสามารถเตรยมตวเรงปฏกรยาไดขนาดเลกประมาณ 19.249.93 นาโนเมตร นอกจากนอนภาคยงมลกษณะการกระจายตวทด ท าใหมพนทผวสงในการเกดปฏกรยา สามารถเกดปฏกรยาไดในระยะเวลาสน ๆ แมวาจะใชตวเรงปฏกรยาในปรมาณต ากตาม จากผลการทดลองขางตนจงมความเปนไปไดในการทจะน าสภาวะทเหมาะสมไปออกแบบชดการทดลองผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอผสม ส าหรบจดการเรยนรในระดบมธยมศกษาตอนปลายได

4.11 กลไกการเกดปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยตวเรงฏกรยาแคลเซยมออกไซด การผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน โดยใชตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซด โดยมสารตงตนเปนไตรกลเซอไรดในน ามนปาลม และเมทานอล มกลไกการเกดปฏกรยาดงน

การเกดปฏกรยาเรมตนจากพนผวทมสมบตเปนเบสของแคลเซยมออกไซด ดงโปรตอนจากเมทานอลท าใหเกดเปนแคลเซยมเมทอกไซดแอนไอออน (Lam et al., 2010) แสดงดงสมการ 4.12 (4.12) จากนนแคลเซยมเมทอกไซดแอนไอออน จะเขาท าปฏกรยาทต าแหนงคารบอนลคารบอนในโมเลกลของไตรกลเซอไรด เกดเปนสารเมทอกไซดคารบอนลอนเตอรมเดยต และเกด ปฏกรยาตอได ไบโอดเซล และไดกลเซอไรดแอนไอออน ดงสมการท 4.13 ขนตอนตอไป ไดกลเซอไรดแอนไอออนจะดงไฮโดรเจนไอออนจากแคลเซยมออกไซดเกดหมไฮดรอกซลของกลเซอรอล เปนโมเลกลของไดกลเซอไรด และไดกลเซอไรดจะเกดปฏกรยาตอดวยกลไกตามเดม ในทสดจะไดไบโอดเซล และกลเซอรอล ดงสมการ 4.14

(4.13)

H3C OH CaO

H3C O- H+

Ca O

H3C O- H+

Ca OH2C

HC

H2C

O

C

O

R1

OC

O

R2

OC

O

R3

R OC

O

R1

H2C

HC

H2C

O

CR1

OC

O

R3

OCH3

O-H2C

HC

H2C

O-

OC

O

R2

OC

O

R3

OC

O

R2

(4.14) Ca O

Ca O

H+

H2C

HC

H2C

O-

OC

O

R2

OC

O

R3

H2C

HC

H2C

OH

OC

O

R2

OC

O

R3

+

ตอนท 3 การจดท าคมอชดการทดลอง และการใชคมอการทดอง 4.12 แนวคดในการจดท าคมอชดการทดลอง และการใชคมอการทดอง คมอปฏบตการทดลองการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน จดท าขน เพอใหผเรยนไดเกดทกษะการเรยนรในศตวรรษท 21 (Wagner, 2008) ดงน 1) การคดวเคราะห และการแกปญหา 2) การรวมมอกนท างาน และความเปนผน า 3) ความคลองตว และการปรบตว 4) ความคดรเรม และการสรางสรรคสงใหม 5) การสอสารดวยภาษาพด และภาษาเขยนอยางมประสทธภาพ 6) การเขาถง และการวเคราะหขอมล 7) ความอยากรอยากเหน และจนตนาการ ซงทงหมดลวนเปนทกษะทตองสงเสรมใหเกดกบผเรยนในศตวรรษท 21 เพอเปนพนฐานของการด ารงชวตในปจจบน โดยใชวธการจดการเรยนรผานชดการทดลองการผลต ไบโอดเซล อกทงการทดลองนผเรยนยงไดรบความรเรองพลงงานทางเลอก ซงไบโอดเซลเปน พลงงาน ทางเลอกหนงทมการสนบสนนใหหนมาใชกนในปจจบน เปนการสงเสรมใหผเรยนตระหนกถงปญหาการขาดแคลนพลงงาน และการหาแนวทางแกไข เกดความรบผดชอบตอสงคม มจตส านกตอสงแวดลอม เปนสวนหนงของการสรางความมนคงดานพลงงาน และสงแวดลอมดวย การออกแบบการเรยนการสอนวทยาศาสตรโดยใชชดการทดลองแบงเปน 2 การทดลอง ไดแก การทดลองท 1 เรองการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน: ตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว การทดลองนเหมาะส าหรบนกเรยนระดบมธยมศกษาตอนปลาย เนนการผลตไบโอดเซลเบองตน มขนตอนทงาย ไมยงยาก เหนผลการทดลองชดเจน สามารถจดการเรยนการสอนไดในระยะเวลาสน ซงผเรยนสามารถทจะเรยนรในเรองตอไปน 1) ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน เพอใชในการผลตโอดเซล 2) ปรมาณสารสมพนธ ในการค านวณสารเคมในการทดลอง 3) ปฏกรยาสะปอนนฟเคชน ปฏกรยาการเกดสบ 4) ปจจยทมผลตอการเกดปฏกรยา 5) เทคนคการใชเครองมอและอปกรณทางวทยาศาสตร

การทดลองท 2 เรองการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน: ตวเรงปฏกรยานาโน จากชดการทดลองท 1 ผเรยนจะมความรเรองการผลตไบโอดเซล โดยทราบหลกการของปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน สารตงตน และสารผลตภณฑทเกดขน โดยใชหลกการพจารณาผลตภณฑทเกดขนไดโดยอาศยความแตกตางคาความหนาแนนของสาร สวนในการทดลองท 2 จดการเรยนการสอนการผลตไบโอดเซลคลายกบชดท 1 แตเนนทการเปรยบเทยบขอดขอเสยของการใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว และของแขงเนอผสมในดานตาง ๆ ทเกยวของกบสงแวดลอม และการใหความรเบองตนเกยวกบสมบตทพเศษของวสดนาโน ผเรยนสามารถทจะเรยนรในเรองตอไปน 1) ตวเรงปฏกรยาเนอผสม 2) ตวเรงปฏกรยานาโน 3) วสดนาโน 4) สมบตของวสดนาโน

บทท 5

สรปผลการทดลอง

การศกษาปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ส าหรบการผลตไบโอดเซล ภายใตสภาวะทมการใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวและตวเรงปฏกรยาเนอผสม เพอน าไปออกแบบการทดลองส าหรบใชจดการเรยนรทสามารถตอบสนองการเรยนรวทยาศาสตรของนกเรยนในยคศตวรรษท 21 โดยแบงการทดลองออกเปน 3 ตอน ไดแก ตอนท 1 การผลตไบโอดเซลโดยโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยว ตอนท 2 การผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอผสม และตอนท 3 การออกแบบการทดลองและการสรางคมอการทดลอง จากการศกษาสภาวะทมผลตอการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนของน ามนปาลมโดยใชตวเรงปฏกรยาเนอเดยวโซเดยมไฮดรอกไซด ผลการศกษาสภาวะทเหมาะสม ไดแก ใชปรมาณตวเรงปฏกรยารอยละ 0.5 โดยน าหนก อตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 ท าปฏกรยาทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 10 นาท ไดรอยละผลตภณฑ เทากบ 98 ทสภาวะนผลตภณฑทไดมการแยกชนอยางชดเจนระหวางไบโอดเซล และ กลเซอรอล สามารถน าหลกการความหนาแนนทแตกตางมาใชพจารณาการเกดไบโอดเซลได โดยไมตองใชเครองมอ เชน แกสโครมาโทรกราฟ และนวเคลยรแมกเนตกเรโซแนนซ ซงไมมในโรงเรยน นอกจากนปรมาณกลเซอรอลทเกดขนพบวาความสมพนธกบปรมาณไบโอดเซลทได สามารถใชระดบกลเซอรอลทเกดขนในหลอดทดลองเปนตวแทนในการบงชปรมาณไบโอดเซลทเกดขน จงเหมาะทจะน าไปประยกตใชเพอออกแบบการทดลองในชนเรยน สามารถเตรยมนาโนแคลเซยมออกไซด โดยกระบวนการโซล-เจล ในตวท าละลาย เอทลนไกลคอล โดยใชเกลอแคลเซยมไนเตรต เปนโลหะพรเคอเซอรควบคมสภาวะใหเปนเบส โดยการเตมโซเดยมไฮดรอกไซด และเตมสารชวยเสถยรพอลเมอรพอลไวนลไพโรลโดน (PVP) เมอน ามาวเคราะหขนาดอนภาคทเตรยมไดมขนาด 19.249.93 นาโนเมตร และศกษาความแรงของเบส โดยใช Hammett อนดเคเตอร คอ ฟนอลฟทาลน และ 4-ไนโตรอนลน พบวามคาความแรงของเบสในชวง 9.8 < H_ < 15 การทดลองศกษาสภาวะทมผลตอการผลตไบโอดเซล พบวา สภาวะทเหมาะสมส าหรบน ามาออกแบบชดการทดลอง คอ ใชอตราสวนโดยโมลของน ามนปาลมตอ เมทานอล เทากบ 1:6 ตวเรงปฏกรยารอยละ 1 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท ไดรอยละไบโอดเซล เทากบ 99

จากนนน าสภาวะทเหมาะสมมาเพอใชเปนแนวทางการออกแบบบทปฏบตการส าหรบนกเรยนในระดบมธยมศกษาตอไป โดยเนนการทดลองทงาย ใชเวลาในการเกดปฏกรยาสน และสามารถสงเกตเหนการเปลยนแปลงทเกดขนจากปฏกรยาไดอยางชดเจนมาออกแบบการเรยนการสอนวทยาศาสตรโดยใชชดการทดลองและสรางคมอการทดลองแบงเปน 2 การทดลอง ไดแก การทดลองท 1 เรองการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน: ตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว การทดลองท 2 เรองการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน: ตวเรงปฏกรยานาโน การทดลองทออกแบบเปนการสงเสรมทกษะการเรยนรใหเกดกบผเรยนในศตวรรษท 21 เพอเปนพนฐานของการด ารงชวตในปจจบน ท าใหใหผเรยนตระหนกถงปญหาการขาดแคลนพลงงาน และการหาแนวทางแกไข เกดความรบผดชอบตอสงคม มจตส านกตอสงแวดลอม เปนสวนหนงของการสรางความมนคงดานพลงงาน และสงแวดลอมดวย ขอเสนอแนะ 1. แคลเซยมออกไซดทสงเคราะหไดไมเสถยรเมอสมผสกบอากาศเปนระยะเวลานาน ๆ ตองมการพฒนาตวเรงปฏกรยาเพอใหมความเสถยรตอสงแวดลอมทวไป 2. ควรมการศกษากบน ามนชนดอน ๆ เชน น ามนถวเหลอง น ามนร าขาว เปนตน

บรรณานกรม

กรมควบคมมลพษ กระทรวงทรพยากรธรรมชาตและสงแวดลอม. (2558). รางรายงานสถานการณ

คณภาพสงแวดลอม ป 2557. กระทรวงทรพยากรธรรมชาตและสงแวดลอม. (2555). แผนจดการคณภาพสงแวดลอม พ.ศ. 2555-

2559. ส านกงานนโยบายและแผนทรพยากรธรรมชาตและสงแวดลอม. คณะกรรมมาธการการพลงงาน สภาผแทนราษฎร. (2545). พลงงานทดแทน เอทานอลและไบโอ

ดเซล. กรงเทพฯ: แปลน พรนตง จตพร วทยาคณ และนรกษ กฤษดานรกษ. (2547). การเรงปฏกรยา: พนฐาน และการประยกต.

กรงเทพฯ: ส านกพมพมหาวทยาลยธรรมศาสตร นธยา รตนาปนนท. (2553). เคมอาหาร. กรงเทพฯ: โอเดยนสโตร. ระววรรณ สทธโอสถ. (2555). เคมอนทรยพนฐาน (พมพครงท 2). กรงเทพฯ: ส านกพมพ

มหาวทยาลยรามค าแหง ส านกงานนโยบายและแผนพลงงาน กระทรวงพลงงาน. สถานการณพลงงานไทย ป 2557. วนทคน

ขอมลวนท 8 สงหาคม 2558 เขาถงไดจาก http://www.eppo.go.th Aslani, A. (2012). Microscopy Methods in Nanochemistry. Current Microscopy Contributions to

Advances in Science and Technology, 1291-1311. Azonano. (2013). Calcium Oxide (CaO) Nanoparticles-Properties, Applications. Retrieved form

http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3365. Behnia, M. S., Emerson, D. W., Steinberg, S. M., Alwis, R. M., Duenas, J. A., & Serafino, J. O.

(2011). A Simple, Safe Method for Preparation of Biodiesel. Journal of chemical education, 88, 1290-1292.

Boey, P., Pragas, M. G., & Hamid, S. (2011). Performance of calcium oxide as a heterogeneous catalyst in biodiesel production: a review. Chemical Engineering Journal. 168, 15-22.

Fukada, H., Kondo, A., & Noda, H. (2001). Review biodiesel fuel production by transesterification of oils. Journal of Bioscience and Bioengineering, 92, 405-416.

Gelbard, G., Bre’s, O., Bargas, R. M., Vielfaure, F., & Schuchardt, U. F. (1995) 1H nuclear magnetic resonance determination of the yield of the transesterification of rapeseed oil with methanol. Journal of the American Oil Chemists' Society. 72(10), 1239-1241.

Gerpen, J. V. (2005). Biodiesel processing and production. Fuel Processing Technology, 86, 1097-1107.

Ghias, M. & Malekzadeh, A. (2012). Synthesis of CaCO3 nanoparticles via citrate method and sequential preparation of CaO and Ca(OH)2 nanoparticles. Crystal Research and Technology, 47, 471-478.

Hong, I. K., Park, J. W., Kim, H., & Lee, S. B. (2014). Alcoholysis of canola oil using a short-chain (C1-C3) alcohols. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 20, 3689-3694.

Ibrahim, H., Ahmed, A. S., Bugaje, I. M., Mohammed, D., & Ugwumma, C. D. (2013). Synthesis of Bulk Calcium Oxide (CaO) Catalyst and its Efficacy for Biodiesel Production. Journal of Energy Technologies and Policy, 3(12), 14-16.

Isahak, W., Ismail, M., Jahim, J. M., Salimon, J., & Yarmo, M. A. (2010) Transesterification of Palm oil using nanocalcium oxide as a solid base catalyst. World Applied Sciences Journal, 9, 17-22.

Knothe, G. (2000). Monitoring a progressing transesterification reaction by fiber-optic color near infrared spectroscopy with correlation to 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy. Journal of the American Oil Chemists' Society, 77, 489-493.

Kondo, A. & Noda, H. (2001). Biodiesel fuel production by transesterification of oils. Bioscience and Bioengineering, 92, 405-416.

Kouzu, M., Kasuno, T., Tajika, M., Sugimoto, Y., Yamanaka, S., & Hidaka, J. (2008). Calcium oxide as a solid base catalyst for transesterification of soybean oil and its application to biodiesel production. Fuel, 87, 2798-2806.

Kouzu, M., Kasuno, T., Tajika, M., Yamanaka, S., & Hidaka, J. (2008). Active phase of calcium oxide used as solid base catalyst for transesterification of soybean oil with refluxing methanol. Applied Catalysis A: General, 334, 357-365.

Kouzu, M. & Hidaka, J. (2012). Transesterification of vegetable oil into biodiesel catalyzed by CaO: A review. Fuel, 93, 1-12.

Lam, M. K., Lee, K. T., & Mohamed, A. R. (2010). Homogeneous, heterogeneous and enzymatic catalysis for transesterification of high free fatty acid oil (waste cooking oil) to biodiesel: A review. Biotechnology Advances, 28, 500-518.

Leung, D. Y. C. & Guo, Y. (2006). Transesterification of neat and used frying oil: Optimization for biodiesel production. Fuel Processing Technology, 87(10), 883-890.

Liu, X., He, H., Wang, Y., Zhu, S., & Piao, X. (2008). Transesterification of soybean oil to biodiesel using CaO as a solid base catalyst. Fuel, 87, 216-221.

Lianyuan, W. & Jichu, Y. (2006). Transesterification of soybean oil with nano MgO in supercritical and subcritical methanol. Fuel, 86(3), 328-333.

Meher, L. C., Kulkarni, M. G., Dalai, A. K., & Naik, S. N. (2006). Transesterification of karanja (Pongamia pinnata) oil by solid basic catalysts. European Journal of Lipid Science and Technology, 108(5), 389-397.

Ngamcharussrivichai, C., Totarat, P., & Bunyakiat, K. (2008). Ca and Zn mixed oxide as a heterogeneous base catalyst for transesterification of palm kernel oil. Applied Catalysis A: General. 341, 77-85.

Phornphisutthimas, S. (2013). Learning Management of Science in 21st Century. Journal of Research. Unit on Science and Technology and Environment for Learning, 4(1), 55-63.

Pohl, N. B., Streff, J. M., & Brokman, S. (2012). Evaluating sustainability: soap versus biodiesel production from plant oils. Journal of chemical education, 89, 1053-1056.

Qiu, F., Li, Y., Yang, D., Li, X., & Sun, P. (2011). Heterogeneous solid base nanocatalyst: Preparation, characterization and application in biodiesel production. Bioresource Technology, 102, 4150-4156.

Reddy, C., Reddy, V., Oshel, R., & Verkade, J. G. (2006). Room temperature conversion of soybean oil and poultry fat to biodiesel catalyzed by nanocrystalline calcium oxides. Energy & Fuels, 20, 1310-1314.

Refaat, A. A. (2011). Biodiesel production using solid metal oxide catalyst. Journal of Environmental Science and Technology, 8(1), 203-221.

Reyero, I., Arzamendi, G., & Gandia, L. M. (2014). Heterogenization of the biodiesel synthesiscatalysis: CaO and novel calcium compounds as transesterification catalysts. Chemical Engineering Research and Design, 92, 1519-1530.

Satyarthi, J. K., Srinivas, D., & Ratnasalmy, P. (2009). Estimation of Free Fatty Acid content in oils, fats, and biodiesel by 1H-NMR spectroscopy. Energy & Fuels, 23, 2273-2277.

Tay, B., Ping, Y., & Yusof, M. (2009). Characteristics and Properties of Fatty Acid Distillates from Palm Oil. Oil Palm Bulletin, 59, 5-11.

Tedsree, K. (2013). Nanocatalyst: Next generation of catalytic technology. Burapha science journal, 18(2) 274-280.

Toplis, R., (2011). How Science Works: Exploring Effect Pedagogy and Practice. (ed.) New York: Routledge.

Virginie, M. (2011). OECD Environmental Outlook to 2050. The OECD Environment Directorate (ENV) and the PBL Netherlands Environmental Assessment Agency (PBL).

Viriya-enpikul, N., Krasae, P., Puttasawat, B., Yoosuk, B., Chollacoop, N., & Faungnawakij, K. (2009). Waste shell of mollusk and egg as biodiesel production catalysts. Bioresource technology, 101, 3765-3767.

Wagner, T. (2008). The Global Achievement Gap: When Even Our Best Schools Don’t Teach the New Survival Skills Our Children Need and What We Can Do about It. New York: Basic Books.

Yang, J., Xu, C., Li, B., Ren, G., & Wang, L. (2013). Synthesis and determination of biodiesel: an experiment for high school chemistry laboratory. Journal of chemical education, 90, 1362-1364.

Zhu, H., Wu, Z., Chen, Y., Zhang, P., Duan, S., & Liu, X. (2006) Preparation of biodiesel catalyzed by solid super base of calcium oxide and its refining process. Chinese Journal of Catalysis, 27, 391-396.

ภาคผนวก

ภาคผนวก ก

คมอการทดลองชดท 1

เรอง การผลตไบดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน : ตวเรงปฏกรยาการเรงแบบเนอเดยว Biodiesel Production from Transesterification Reaction: Homogeneous Catalysis

บทน า ปจจบนทวโลกรวมถงประเทศไทย ก าลงเผชญกบปญหาการขาดแคลนพลงงาน และปญหาดานสงแวดลอมสบเนองจากการใชพลงงาน โดยทวไปเชอเพลงหลกทใชใหพลงงานไดแก เชอเพลงฟอสซล ซงไดจากน ามน ถาน และแกสธรรมชาต ซงจดเปนเชอเพลงทใชแลวหมดไป นอกจากนการเพมขนของประชากรโลกอยางตอเนอง ประกอบกบการพฒนาทางดานวทยาการ และเทคโนโลย ตลอดจนการขยายตวทางเศรษฐกจ และอตสาหกรรมตาง ๆ ตงแตอดตจนถงปจจบน ท าใหความตองการใชพลงงานของมนษยเพมสงขนตามไปดวย ปญหาการขาดแคลนพลงงานในอนาคตขางหนาจงทวคณขน การใชเชอเพลงฟอสซล เพอก าเนดพลงงานซงใชหลกการเผาไหม ท าใหเกดผลกระทบตอสงแวดลอมตามมา จากการปลดปลอยควน เขมา และแกสพษ เชน ไนโตรเจนไดออกไซด ซลเฟอรไดออกไซด นอกจากนการเผาไหมเชอเพลงฟอสซล ยงเปนสาเหตหนงของภาวะโลกรอนเนองจาการปลดปลอยแกสคารบอนไดออกไซด ซงเปนสาเหตหนงของปญหาโลกรอน (Global warming) ปญหาการขาดแคลนพลงงาน และปญหาโลกรอนจงเปนปญหาทมนษยชาตจะตองเผชญ แนวทางการแกไขกคอ การหาแหลงพลงงานใหมเพอทดแทนการใชเชอเพลงฟอสซล และทส าคญตองเปนแหลงพลงงานสะอาด เปนมตรตอสงแวดลอม จงจะท าใหเกดความย งยนดานพลงงาน และสงแวดลอมควบคกน เพอเปนการแกปญหาการขาดแคลนพลงงานจากเชอเพลงฟอสซล จงมการสนบสนนสงเสรมใหมการใชพลงงานทางเลอกอน ๆ เชน พลงงานแสงอาทตย พลงงานลม รวมทงพลงงานหมนเวยนจากชวมวล ซงเปนพลงงานทใชไดไมมวนหมด และเปนมตรตอสงแวดลอม อกทงยงเปนวธหนงในการสรางความมนคงดานพลงงาน และสงแวดลอม เปนการรกษาเงนตราตางประเทศ สรางความมนคง และสามารถพงพาตนเองดานพลงงานได ไบโอดเซล (biodiesel) เปนพลงงานทางเลอกทผลตไดจากแหลงชวมวล เชน ไขมน หรอน ามน ปจจบนทวโลกมการสนบสนนใหมการน ามาใชทดแทนน ามนดเซล ส าหรบประเทศไทยไดมการจดท าแผนพฒนาพลงงานทดแทนและพลงงานทางเลอก สงเสรมใหมการผลตไบโอดเซลเปนเชอเพลงทดแทน 25% ใน10 ป (พ.ศ. 2555-2564)

ไบโอดเซลผลตไดจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ระหวางน ามนพชหรอไขมนสตวกบแอลกอฮอล โดยมไตรกลเซอไรดเปนสารตงตนท าปฏกรยากบแอลกอฮอล และกรดหรอเบสเปนตวเรงปฏกรยา ไตรกลเซอไรดในไขมนหรอน ามนจะถกเปลยนไปเปนกลเซอรอล และแอลคลเอสเทอรหรอไบโอดเซล (Yang et.al, 2013; Garpen, 2005) ดงสมการท 1.1 (Yang et.al,

2013) (1.1) ไตรกลเซอไรด เมทานอล กลเซอรอล ไบโอดเซล

R1, R2, R3, คอ สายโซคารบอนในกรดไขมน

จากสมการท 1.1 ปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนใชไตรกลเซอไรดทเปนองคประกอบในน ามนปาลม (คาความหนาแนน 0.919 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร) เปนสารตงตน 1 โมล ท าปฏกรยากบเมทานอล (คาความหนาแนน 0.79 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร) 3 โมล เกดผลตภณฑเปนไบโอดเซล (คาความหนาแนน 0.91 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร) จ านวน 3 โมล และกลเซอรอล (คาความหนาแนน 1.261 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร) 1 โมล การเกดปฏกรยาไดนนตองอาศยตวเรงปฏกรยา ตวเรงปฏกรยาทนยมใชกน เชน โซเดยมไฮดรอกไซด (NaOH) หรอโพแทสเซยมไฮดรอกไซด (KOH) เปนตน นอกจากตวเรงปฏกรยาทมผลตอการเกดไบโอดเซลแลวนนยงมปจจยตาง ๆ ทมผลตอปรมาณการเกดของไบโอดเซล ไดแก อตราสวนของน ามนปาลมตอเมทานอล เวลาการท าปฏกรยา อณหภม เปนตน ถาปฏกรยาเกดอยางสมบรณ เมอตงทงไว ผลตภณฑทไดจะเกดการแยกชนสามารถสงเกตเหนไดดวยตาเปลา ส าหรบการพจารณาผลตภณฑทเกดขน วาสวนใดเปน ไบโอดเซลหรอกลเซอรอลนน จะอาศยหลกคาความหนาแนนของสารแตละชนด นอกจากนนปรมาณของกลเซอรอลยงสามารถเปนตวบงชถงปรมาณของไบโอดเซลไดอกดวย เนองจาก กลเซอรอลเปนผลพลอยไดจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน ถาปรมาณกลเซอรอลทเกดขนมปรมาณมากแสดงวามปรมาณของไบโอดเซลเกดขนมากดวย จากสมการหากปฏกรยาเกดสมบรณ 1โมลของไตรกลเซอไรดจะไดไบโอดเซล 3 โมล และกลเซอรอล 1 โมล เปนผลตภณฑ

+Catalysts

CH

CH2

CH2

HO

HO

HOCH3HO

H2C

HC

H2C

O

C

O

R1

O

C

O

R2

OC

O

R3

+

H3C

H3C

H3C

O

C

O

R1

O

C

O

R2

OC

O

R3

3

ไบโอดเซลมโครงสรางคลายกบน ามนดเซลจงสามารถใชไดในเครองยนตน ามนดเซลทกชนด การใชไบโอดเซลสามารถใชได 100% ทเรยกวา ไบโอดเซล B100 เปนไบโอดเซลทไมมการผสมกบน ามนดเซลเลย หรออาจมการผสมกบน ามนดเซลเปนสตรตาง ๆ เชน ไบโอดเซล สตร B5 จะผสมไบโอดเซลรอยละ 5 เขากบน ามนดเซลรอยละ 95 และไบโอดเซล สตร B20 จะผสม ไบโอดเซลรอยละ 20 และน ามนดเซลรอยละ 80 นอกจากนยงสามารถเตมไบโอดเซลกบน ามนดเซลสลบไปมาไดโดยไมมปญหากบเครองยนต อยางไรกตาม น ามนดเซล และไบโอดเซล มองคประกอบ และมโครงสรางทแตกตางกนดงภาพท 1.1

ภาพท 1.1 ก) โครงสรางโมเลกลของน ามนดเซล ข) โครงสรางของไบโอดเซล

จากภาพท 1.1 ไบโอดเซลมโครงสรางโมเลกลทคลายกบน ามนดเซลบางสวน และแตกตางกนบางสวน สงผลใหไบโอดเซลมคณสมบตทแตกตางจากน ามนดเซล ซงบางคณสมบตเปนขอไดเปรยบ และบางคณสมบตเปนขอเสยเปรยบ เมอน าไบโอดเซลมาใชเปนเชอเพลงเปรยบเทยบกบน ามนดเซล ทไดจากเชอเพลงปโตรเลยม (คณะกรรมมาธการ สภาผแทนราษฎร, 2545) ไดดงน 1. ไบโอดเซลเปนเชอเพลงสะอาด ไมมก ามะถนเปนองคประกอบ ท าใหไอเสยทปลอยออกจากเครองยนตไมกอใหเกดภาวะฝนกรด เมอเปรยบเทยบกบน ามนดเซลทมก ามะถนเปนองคประกอบ เมอถกเผาไหมแลว ก ามะถนในน ามนดเซล จะเปลยนรปเปนซลเฟอรไดออกไซด และกรดซลฟวรก เกดเปนมลพษทางอากาศ 2. น ามนดเซล ไมมออกซเจนอยในโครงสรางโมเลกล และมองคประกอบของสาร Aromatic compound ถงรอยละ 20-40 ขณะทไบโอดเซลไมมสารประกอบประเภท Aromatic

ก) น ามนดเซล

ข) ไบโอดเซล

H3C

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

CH3

CCH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

CH3

O

O

CH3

compound แตมออกซเจนอยในโครงสรางโมเลกลถงรอยละ 10-12 ท าใหเมอใชไบโอดเซลเปนเชอเพลง ไอเสยทเกดขนมปรมาณฝ นละอองขนาดเลก และมควนด าต ากวาการใชน ามนดเซล สามารถลดควนด าไดมากกวารอยละ 40 3. ไบโอดเซลมจดวาบไฟสงกวาน ามนดเซล จงมคาการจดระเบดในเครองยนตชากวาน ามนดเซล และมความปลอดภยในการขนสง 4. ไบโอดเซลมคณสมบตในการหลอลนเครองยนตดกวาน ามนดเซล ท าใหชวยลดการสกหรอของเครองยนตไดด 5. ไบโอดเซลปองกนการนอกของเครองยนตไดดกวาน ามนดเซล เนองจากมคาซเทนสงกวาน ามนดเซล จากขอดของไบโอดเซลจงท าใหสามารถใชทดแทนน ามนดเซลโดยไมสงผลกระทบตอเครองยนตและสงแวดลอม อยางไรกตามการใชไบโอดเซล มขอจ ากดคอ ท าใหเครองยนตมก าลงต ากวาการใชน ามนดเซล ประมาณรอยละ 3 จงตองมการสนเปลองพลงงานเพมขน และรถยนตทใช ไบโอดเซลจะมการบ ารงรกษาถกวาเครองยนตทใชน ามนดเซล

การจดกจกรรมการทดลอง ค าชแจง 1. นกเรยนศกษาเอกสารคมอการทดลอง เรองการผลตไบดเซลจากปฏกรยา ทรานสเอสเทอรฟเคชน 2. นกเรยนแบงกลม 10 กลม โดยในกลมประกอบไปดวยนกเรยน เกง ปานกลาง ออน 3. นกเรยนแตกลมรวมกนอภปรายเรองพลงงานทดแทน เพอจะน าเขาสเรองไบโอดเซล วตถประสงคการทดลอง เพอศกษาการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยใชตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยว ค าถามกอนการทดลอง 1. ในกระบวนการผลตไบโอดเซลใชสารใดเปนสารตงตน และไดสารไดเปนผลตภณฑ (แนวตอบ ในการผลตไบโอดเซล จะใชไตรกลเซอไรดซงเปนองคประกอบในไขมนหรอน ามน ท าปฏกรยากบ แอลกอฮอล เกดผลตภณฑเปนไบโอดเซล และกลเซอรอล)

2. สารใดเปนตวเรงปฏกรยาการผลตไบโอดเซล (แนวตอบ โซเดยมไฮดรอกไซด) 3. ปจจยใดบางทมผลตอปรมาณไบโอดเซลทเกดขน (แนวตอบ ปรมาณตวเรงปฏกรยา อณหภม เวลาท าปฏกรยา) 4. นกเรยนทราบไดอยางไรวามไบโอดเซลเกดขน และมปรมาณมากนอยเพยงใด (แนวตอบ สงเกตชนกลเซอรอล เพราะกลเซอรอลเปนผลพลอยไดจากการผลต ไบโอดเซล และวดความสงของชนกลเซอรอล ถาความสงของชนกลเซอรอลมากแสดงวาม ไบโอดเซลมากดวย) 5. นกเรยนใชหลกการใดในการยนยนผลการทดลองวาผลตภณฑทเกดขนเปน ไบโอดเซล (แนวตอบ หลกความหนาแนนของสาร สารใดทมความหนาแนนสงจะอยชนลาง สารใดทมความหนาแนนต าจะลอยอยดานบน โดยความหนาแนนของเมทานอล (0.79 g/cm3) มความหนาแนนต ากวาน ามนปาลม (0.91 - 0.925 g/cm3) จงท าใหเหนชนของเมทานอลลอยอยชนบนเหนอน ามนปาลม สวนผลตภณฑทเกดขนเปนไบโอดเซล (0.85 - 0.90 g/cm3) มความหนาแนนนอยกวากลเซอรอล (1.26 g/cm3) จงท าใหเหนชนของไบโอดเซลลอยอยเหนอชนกลเซอรอล) อปกรณและสารเคม อปกรณ 1. ชดรฟลกซขนาดเลก ประกอบดวยขวดกนกลม 3 คอ ขนาด 25 มลลลตร คอนเดนเซอร เทอรโมมเตอร เตาแมเหลกใหความรอน พรอมหลมใหความรอน แทงแมเหลกส าหรบคนสาร และเครองตรวจวด (probe) ควบคมอณหภม และปมน าขนาดเลกเพอใชเปนระบบท าความเยน 2. กระบอกตวง (cylinder) ขนาด 10 มลลลตร จ านวน 2 อน 3. หลอดทดลองขนาดกลาง (test tube) จ านวน 2 หลอด 4. บกเกอร (beaker) ขนาด 100 มลลลตร จ านวน 1 ใบ. 5. เครองชงสาร (analytical balance) จ านวน 1 เครอง 6. แทงแกวคนสาร (starring rod) จ านวน 1 อน 7. ชอนตกสาร (spatula) จ านวน 1 อน

สารเคม 1. น ามนปาลม (palm oil) น าหนก 817.00 กรมตอโมล 2. เมทานอล (methanol; CH3OH) เปนของเหลวใสไมมส น าหนก 32.00 กรมตอโมล ความหนาแนน 0.79 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร จดเดอด 64.7 องศาเซลเซยส 3. โซเดยมไฮดรอกไซด (sodium hydroxide; NaOH) ของแขงสขาว น าหนก 40.00 กรมตอโมล สารเคมอนตราย: เมทานอล ตดไฟได และเปนพษตอตา จงควรสวมแวนตากนสารเคม โซเดยมไฮดรอกไซด เปนสารท าใหเกดการระคายเคอง และกดกรอน จงควรหลกเลยงการสมผส และควรสวมถงมอขณะท าการทดลอง ค านวณกอนการทดลอง 1. อตราสวนโดยโมลของเมทานอลตอน ามนปาลม _________________ 2. จ านวนโมลของน ามนปาลมทใชท าปฏกรยา _________________ 3. ปรมาตรของน ามนปาลมทใชท าปฏกรยา (cm3) _________________ 4. น าหนกของน ามนปาลมทใชท าปฏกรยา (g) _________________ 5. จ านวนโมลของเมทานอลทใชท าปฏกรยา _________________ 6. ปรมาตรของเมทานอลทใชท าปฏกรยา (cm3) _________________ 7. น าหนกของเมทานอลทใชท าปฏกรยา (g) _________________ 8. น าหนกของโซเดยมไฮดรอกไซดทใชท าปฏกรยา (g) _________________ ขนตอนการผลตไบโอดเซล มดงน สภาวะทใชในการทดลอง อตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 ปรมาณโซเดยมไฮดรอกไซด แตละกลมแตกตางกนดงน

กลมท ปรมาณ NaOH

(% โดยน าหนกของน ามนปาลม) กลมท

ปรมาณ NaOH (% โดยน าหนกของน ามนปาลม)

1 0.1 6 0.6 2 0.2 7 0.7

กลมท ปรมาณ NaOH

(% โดยน าหนกของน ามนปาลม) กลมท

ปรมาณ NaOH (% โดยน าหนกของน ามนปาลม)

3 0.3 8 0.8 4 0.4 9 0.9 5 0.5 10 1.0

1. จดเตรยมอปกรณชดรฟลกซ และระบบน าหลอเยน โดยใชปมน าขนาดเลกส าหรบตปลา ดงภาพท 1.2

ภาพท 1.2 ชดรฟลกซ

2. ตวงน ามนปาลม 15.0 มลลลตร ใสลงขวดสามคอขนาด 25.0 มลลลตร 3. ชงโซเดยมไฮดรอกไซดตามน าหนกทก าหนด ใสในบกเกอร เตมเมทานอล ปรมาตร 4.0 มลลลตร ใชแทงแกวคนสารกวนจนกระทงโซเดยมไฮดรอกไซดละลายหมด 4. เทสารละลายผสมทเตรยมไดในขอ 3 ลงในขวดสามคอทมน ามนปาลม น าไป รฟลกซ โดยปนกวนทความเรว 1,500 รอบตอนาท ทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 10 นาท 5. เมอครบ 10 นาท เทสารผสมทไดจากการท าปฏกรยาลงในหลอดทดลอง ตงทงไว 5 นาท สงเกตการแยกชนของไบโอดเซลกบกลเซอรอล ดงภาพ 1.3

ภาพท 1.3 ภาพถาย ก) กอนท าปฏกรยา ข) หลงท าปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนน ามนปาลม

6. วดความสงของชนกลเซอรอล บนทกผลการทดลอง 7. ลางอปกรณการทดลอง และเกบเขาทเดมใหเรยบรอย 7. นกเรยนเขยนรายงานการทดลอง บนทกผลการทดลอง อภปรายผลการทดลอง และสรปผลการทดลองของแตกลม 8. นกเรยนแตละกลมน าเสนอหนาชนเรยน โดยน าหลอดทดลองทมไบโอดเซลมาเปรยบเทยบกนทกกลมพรอมทงรวมกนอภปรายผลการทดลองทเกดขน ขอเสนอแนะในการทดลอง ในการท าการทดลองไมควรใหอณหภมสงเกน 65 องศาเซลเซยส เนองจากจดเดอดของ เมทานอล เทากบ 64.7 องศาเซลเซยส จะท าใหมโอกาสทไอของเมทานอลทไมถกควบแนนออกมาไดมากขน ตารางบนทกผลการทดลอง

สาร ผลการเปลยนแปลง ความสงชนกลเซอรอล (cm)

น ามนปาลม + เมทานอล

(ก) (ข)

การค านวณหาปรมาณไบโอดเซล

จากสมการท 1.2 ตามปรมาณสารสมพนธจะใชอตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอ

เมทานอล เทากบ 1:3 โดยไตรกลเซอไรด 1 โมล ท าปฏกรยาพอดกบ เมทานอล 3 โมล ไดผลตภณฑเปนไบโอดเซล 3 โมล และกลเซอรอล 1 โมล อยางไรกตาม เนองจากปฏกรยานเปนปฏกรยาท ผนกลบได การเตมเมทานอลในปรมาณมากเกนพอจะชวยผลกดนใหปฏกรยาเกดไปขางหนาไดมากขน จงใชอตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 ดงนนไตรกลเซอไรด ในน ามนปาลมจงเปนสารก าหนดปรมาณ ก าหนดคา ความหนาแนนของน ามนปาลม 0.919 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร ความหนาแนนของกลเซรอล 1.261 กรม/ลกบาศกเซนตเมตร หาผลไดตามทฤษฎ จากสมการ ไตรกลเซอไรด 856 กรม เกดกลเซอรอล 92 กรม ถาไตรกลเซอไรด 13.785 กรม (15 cm3) เกดกลเซอรอล 1.48 กรม หาผลไดจากการทดลอง ค านวณหาปรมาณของกลเซอรอลจากการวดความสงของชนกลเซอรอลในหลอดทดลอง แลวน ามาค านวณหาปรมาตรกลเซอรอล แลวเปลยนปรมาตรใหเปนน าหนก (กรม) เชน วดความสงของชนกลเซอรอลในหลอดทดลองได เทากบ 1.3 เซนตเมตร ขนาดรศมของหลอดทดลอง เทากบ 0.55 เซนตเมตร ค านวณจากสตรการหาปรมาตรทรงกระบอก ปรมาตรทรงกระบอก = 𝜋𝑟2ℎ เมอ r คอ รศมทรงกระบอก h คอ ความสงของทรงกระบอก ดงนน ปรมาตรกลเซอรอล = (3.14)(0.53cm)2(1.3cm) = 1.15 cm3 เปลยนจากปรมาตรใหเปนมวล โดยใชคาความหนาแนน จะได

(1.2) CH

CH2

CH2

HO

HO

HO

CH3HO

H2C

HC

H2C

O

C

O

OC

O

OC

O +

3

NaOH

+

H3C

H3C

H3C

O

C

O

OC

O

OC

O

มวลของกลเซอรอล (กรม) = (1.15 cm3)(1.261g/ cm3) = 1.45 กรม ดงนนจากการทดลองมกลเซอรอลเกดขน เทากบ 1.55 กรม หารอยละผลไดของผลตภณฑ

รอยละผลไดของผลตภณฑ =ผลไดจรง

ผลไดตามทฤษฎ× 100

= 1.45

1.48× 100

= 97.98

≈ 98

ดงนนมรอยละการเกดของไบโอดเซล เทากบ รอยละ 97.98 หรอ ≈ รอยละ 98 ซงใกลเคยงกบคารอยละการเปลยนไปของไตรกลเซอไรดเปนไบโอดเซลทวเคราะหโดยใชเทคนค 1H-NMR ทมคารอยละของไบโอดเซล เทากบ 99 ค าถามหลงการทดลอง 1. นกเรยนทราบไดอยางไรวามไบโอดเซลเกดขน (แนวตอบ เหนการแยกชนของผลตภณฑเกดขน) 2. ถานกเรยนเพมระยะเวลาในการท าปฏกรยาใหมากกวา 10 นาท ผลจะเปนอยางไร (แนวตอบ เกดไบโอดเซลมากขน จนกระทงเกดสมบรณหรอเกอบสมบรณ) 3. โซเดยมไฮดรอกไซดท าหนาทใดในการผลตไบโอดเซล (แนวตอบ เปนตวเรงปฏกรยา) 4. ปจจยใดทมผลตอปรมาณไบโอดเซลทเกดขน (แนวตอบ ปรมาณของตวเรงปฏกรยา ถาใชปรมาณตวเรงปฏกรยาในปรมาณทเหมาะสมจะเหนกลเซอรอลปรมาณสง และกลเซอรอลเปนตวทบงบอกถงปรมาณไบโอดเซลทเกดขน) 5. นกเรยนใชหลกการใดในการยนยนผลการทดลองวาผลตภณฑทเกดขนเปน ไบโอดเซล (แนวตอบ หลกความหนาแนนของสาร สารใดทมความหนาแนนสงจะอยชนลาง สารใดทมความหนาแนนต าจะลอยอยดานบน โดยความหนาแนนของเมทานอล (0.79 gcm-3) มความหนาแนนต ากวาน ามนปาลม (0.91-0.925 gcm-3) จงท าใหเหนชนของเมทานอลลอยอยชนบนเหนอ

น ามนปาลม สวนผลตภณฑทเกดขนเปนไบโอดเซล (0.85-0.90 gcm-3) มความหนาแนนนอยกวา กลเซอรอล (1.26 gcm-3) จงท าใหเหนชนของไบโอดเซลลอยอยเหนอชนกลเซอรอล) 6. นกเรยนจะน าความรเรองไบโอดเซลไปประยกตใชในชวตประจ าวนไดอยางไร (แนวตอบ น าความรไปผลตไบโอดเซลอยางงายเพอใชในเครองยนต เชน เครองปมน าในการเกษตร เปนตน)

เอกสารอางอง คณะกรรมมาธการการพลงงาน สภาผแทนราษฎร.(2545). พลงงานทดแทน เอทานอล และไบโอ

ดเซล. กรงเทพฯ: แปลน พรนตง Gerpen, J., V. (2005). Biodiesel processing and production. Fuel. Process. Technol, 86, 1097-

1107. Yang, J., Xu, C., Li, B., Ren, G. & Wang, L. (2013). Synthesis and determination of biodiesel: an

experiment for high school chemistry laboratory. Journal of chemical education, 90, 1362-1364.

คมอการทดลองชดท 2

เรอง การผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน : ตวเรงปฏกรยานาโน Biodiesel Production from Transesterification Reaction: Nanocatalyst

บทน า กระบวนการผลตไบโอดเซลจ าเปนตองใชตวเรงปฏกรยาเพอใหไดผลผลตทเรว และสมบรณขน ปจจบนโซเดยมไฮดรอกไซด ไดรบการยอมรบวาเปนตวเรงปฏกรยาทมประสทธภาพสงในการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชน อยางไรกตามการใชตวเรงปฏกรยาดงกลาว ท าใหเกดผลกระทบตอสงแวดลอมตามมา โดยกอใหเกดน าเสยในปรมาณมาก เนองจากการลางตวเรงปฏกรยาออกจากไบโอดเซล นอกจากนยงไมสามารถน าตวเรงปฏกรยากลบมาใชใหมได ในขณะทการใชตวเรงปฏกรยาแบบเนอผสมมขอด คอ สามารถแยกตวเรงปฏกรยาออกจาก ไบโอดเซลไดงาย สามารถน ากลบมาใชใหมได และเปนมตรกบระบบนเวศวทยา ตวเรงปฏกรยาเนอผสมทนยมใชไนการผลตไบโอดเซล ไดแก แคลเซยมออกไซด (CaO) แมกนเซยมออกไซด (MgO) และซงคออกไซด (ZnO) เปนตน เนองจากโลหะออกไซดเหลานมสมบตเปนเบส แคลเซยมออกไซด เปนตวเรงปฏกรยาเนอผสมชนดหนงทมการศกษากนมากในการผลตไบโอดเซล มราคาถก และมความสามารถเปนตวเรงปฏกรยาไดดในสภาวะของการผลตไบโอดเซล (Boey et al., 2011; Kouzu et al., 2008) มการละลายในเมทานอลต า งายตอการจดการมากกวาตวเรงปฏกรยา เนอเดยว เปนมตรตอสงแวดลอม (Ibrahim et al., 2013) และยงสามารถท าปฏกรยาไดทอณหภมต า ทความดนบรรยากาศ (Reddy et al., 2006) แตมขอจ ากดในเรองประสทธภาพในการเรงปฏกรยา ดวยตวเรงปฏกรยาเนอผสมจะไมสามารถละลายเปนเฟสเดยวกบน ามนไดเหมอนกบตวเรงปฏกรยาเนอเดยว ปฏกรยาจงเกดไดเฉพาะทบรเวณพนผว ท าใหตองใชตวเรงปฏกรยาในปรมาณมาก สนเปลอง และอาจเกดผลขางเคยงตอปฏกรยาได ดงนนเพอจะลดปรมาณตวเรงปฏกรยา และยงคงสามารถท าใหเกดไบโอดเซลไดด ตวเรงปฏกรยาทใชควรมพนทผวสง ซงท าไดโดยการลดขนาดอนภาคใหอยในระดบนาโนเมตร โดยการทดลองนจะใหผเรยนไดเปรยบเทยบตวเรงปฏกรยา เนอผสม แคลเซยมออกไซด 2 แบบ ไดแก อนภาคขนาดใหญ และอนภาคขนาดนาโน ผเรยนจะไดเรยนรเกยวกบสมบตพเศษของวสดนาโน โดยเฉพาะสมบตในการเรงปฏกรยา ตวเรงปฏกรยานาโน สามารถท าหนาทเปนสะพานเชอมชองวางระหวางขอด และขอเสยของตวเรงปฏกรยาเนอเดยว และเนอผสม ดวยลกษณะเฉพาะของอนภาคนาโน คอ มขนาดเลก อตราสวนพนผวตอปรมาตรสง (surface to volume ratio) จงชวยเพมพนผวสมผสระหวางสารตงตน

และตวเรงปฏกรยา และการกระจายตวในรปคอลอยดในตวกลาง ท าใหงายตอการแยกออกจากปฏกรยา เชนเดยวกบตวเรงปฏกรยาเนอผสม นอกจากนประสทธภาพ และความจ าเพาะในการเรงปฏกรยาของตวเรงปฏกรยานาโนสามารถจดการระดบอะตอมโดยการปรบแตงสมบตทางฟสกส และสมบตทางเคม เชน ขนาด รปราง องคประกอบ และลกษณะทางสณฐานวทยา (Tedsree, 2013) ตวเรงปฏกรยานาโน จดเปนวสดนาโน (Nanomaterials) ประเภทหนง โดยทวไปมขนาดเลกในชวง 1-100 นาโนเมตร สงเคราะหขนจากการออกแบบ และควบคมการจดเรยงตวของอะตอมหรอโมเลกลในระดบนาโนเมตร ท าใหคณสมบต และพฤตกรรมตาง ๆ ของวสดทมขนาดเลกเหลานแตกตางจากวสดชนดเดยวกนทมขนาดใหญ วสดนาโนมพนทผวสงกวาวสดกลมกอนทมมวลเทากนอยางมหาศาล ปรมาณพนทผวสามารถระบในรปพนทผวทงหมดตอหนวยมวล (total surface area per unit of mass) เรยกวาพนทผวจ าเพาะ (specific surface area) อนภาคนาโนมพนทผวตอมวลสงจงมปรมาณพนผวสมผสกบสงแวดลอมมาก เชน รปสเหลยมลกบาศกขนาด 1 cm3 ซงมพนทผวเทากบ 6 cm2/g เมอแบงออกเปนขนาด 1 ไมโครเมตร จ านวนอนภาคเพมขนเปน 1012

อนภาค และเมอแบงตอไปถงขนาด 10 นาโนเมตร มจ านวนอนภาคเพมขนเปน 1018 อนภาค และมพนทผวเพมขนเปน 600 cm2/g ดงภาพท 2.1

ภาพท 2.1 การเปลยนแปลงพนทผวจ าเพาะเมอวสดมขนาดเลกลง (Aslani, 2012) การมพนทผวสงมาก ท าใหสมบตตาง ๆ ทขนกบปรมาณของอะตอมพนผว เชน ทองค า มสเหลองทอง มนวาว มจดหลอมเหลวทอณหภมประมาณ 1336 เคลวน และไมมสมบตเชงแมเหลก เมอสมผสอากาศสจะไมหมองและไมเกดสนม เมอทองค ามขนาดอนภาคเลกลงในระดบนาโนเมตร สมบตตาง ๆ ดงกลาวขางตนกลบแตกตางอยางเหนไดชด เชน เมออนภาคมขนาดเลกประมาณ 10 นาโนเมตร ทองค าดดกลนแสงสเขยวท าใหเหนเปนสแดง มจดหลอมเหลวลดลงอยางมาก และเมอมขนาดประมาณ 2-3 นาโนเมตร ทองค ากลบแสดงสมบตเชงแมเหลก นอกจากนยงมสมบตเปนตวเรงปฏกรยาทดเยยม การเปลยนแปลงเหลานเปนตวอยางทแสดงใหเหนถงผลกระทบเนองจากขนาด (size effect) โดยเมอขนาดของอนภาคลดลงจนกระทงต ากวาขนาดวกฤต (critical

size) ซงโดยทวไปต ากวา 100 นาโนเมตร สามารถสงผลใหสมบตตาง ๆ เชน สมบตทางไฟฟา สมบตเชงแสง สมบตเชงความรอน สมบตเชงแมเหลก และสมบตทางเคมแตกตางจากสมบตของวสดกลมกอน ปจจบนมการน าวสดนาโนมาใชเปนสวนประกอบในผลตภณฑทเกยวของกบชวตประจ าวนมากมาย เชนการ การใชนาโนไทเทเนยมไดออกไซดในการก าจดกลน แบคทเรย การผสมอนภาคนาโนซลเวอรในผงซกฟอก และอน ๆ ท าใหนาโนเทคโนโลยไดเขามามบทบาทใหชวตประจ าวนเปนอยางมาก เพอใหนกเรยนในระดบมธยมศกษาตอนปลายมความรเรองนาโนเทคโนโลยในระดบพนฐาน โดยเฉพาะในสวนทเกยวของกบความสมพนธระหวางพนผว และสมบตของวสดนาโน โดยผานการทดลองเรอง ตวเรงปฏกรยานาโนเพอการผลตไบโอดเซล จะชวยใหผเรยนเกดการเรยนรเทคโนโลยใหม ๆ ตอบสนองตอการสรางทกษะการเรยนรทางวทยาศาสตรในยคศตวรรษท 21 ตอไป

การจดกจกรรมกอนการทดลอง (30 นาท) กจกรรมกอนการทดลองเปนกจกรรมทจดประกายความคดเพอใหผเรยนไดมความรความเขาใจในเรองลกษณะเฉพาะของอนภาคนาโน ทผเรยนสามารถจนตนาการถงอนภาคนาโนได กจกรรมท 1 เรองอตราสวนพนทผวตอปรมาตร (Surface to Volume Ratio) จดประสงค เพอศกษาอตราสวนพนทผวตอปรมาตรของวสดนาโน วสดอปกรณ 1) ดนน ามน 2) มดคตเตอร วธการ 1. นกเรยนแบงกลม 8 กลม 2. นกเรยนแตละกลมปนดนน ามนเปนสเหลยมลกบาศก ขนาด 2 เซนตเมตร พรอมหาพนทผว และปรมาตรของสเหลยมลกบาศก

3. ใชมดคตเตอรตดกอนดนน ามนจากขอท 2 ออกเปน 8 กอน ทมขนาดเทากน พรอมทงหาพนทผว และปรมาตรของสเหลยมลกบาศก 4. ใชมดคตเตอรตดกอนดนน ามนจากขอท 3 ออกเปนกอนละ 8 กอน ขนาดเทากน จะไดทงหมด 64 กอน พรอมทงหาพนทผว และปรมาตรของสเหลยมลกบาศก 5. นกเรยนวาดกราฟแสดงความสมพนธระหวางขนาดของกอนดนน ามน (อนภาค) กบอตราสวนพนทผวตอปรมาตร ตารางบนทกผลการท ากจกรรม

จ านวนกอนดนน ามน (กอน)

ขนาดกอนดนน ามน (cm)

พนทผว (cm2)

ปรมาตร (cm3)

หมายเหต

1 2.0000 24 8 8 1.0000 48 8

64 0.5000 96 8 512 0.2500 192 8 ไดจากการค านวณ

4,096 0.1250 384 8 ไดจากการค านวณ 32,768 0.0625 768 8 ไดจากการค านวณ

สตรการหาพนทสเหลยมจตรส พนท = (ดาน)2 สตรการหาปรมาตรสเหลยมลกบาศก ปรมาตร = (ดาน)3

2 cm

จากตารางบนทกผลการท ากจกรรม แสดงใหเหนวาอตราสวนพนทผวตอปรมาตรขนอยกบขนาดของอนภาค การลดขนาดอนภาคลงเรอย ๆ จะท าใหอตราสวนพนทผวตอปรมาตรเพมขนอยางเหนไดชด โดยปรมาตรหรอมวลคงทไมมการเปลยนแปลง เมออนภาคมพนทผวสมผสกบสงแวดลอมมากขน จะสงผลใหอตราการเกดปฏกรยาเคมสงขน โดยเฉพาะปฏกรยาเคมทเกดทพนผว จากกจกรรมนจะท าใหผเรยนสามารถเกดแนวคดเรองอตราสวนพนทผวตอปรมาตรของวสดนาโน ซงเปนตวแปรส าคญทใชอธบายสมบตทขนกบขนาด และรปรางของวสด คอ อตราสวนพนทผวตอปรมาตรขนอยกบขนาดของอนภาค การลดขนาดอนภาคในระดบนาโนท าใหอตราสวนพนทผวตอปรมาตรเพมขน เมอผานขนาดวกฤตอตราสวนพนทผวจะเพมขนมหาศาล ดงภาพท 2.2

ภาพท 2.2 ความสมพนธระหวางอตราสวนพนทผวตอปรมาตรและอนภาคนาโนรปทรงกลม ภาพท 2.3 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนของ ก) นาโนแคลเซยมไดออกไซดจากการสงเคราะห ข) แคลเซยมไดออกไซดจากหนปน

(ก)

๗) (ข)

0

200

400

600

800

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5

อตราสว

นพนท

ผวตอ

ปรมาตร

ขนาดอนภาค

จากภาพท 2.3 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแคลเซยมออกไซดจากการสงเคราะห มขนาดอนภาคเลกอยในชวงประมาณ 19.24 ± 9.93 นาโนเมตร และมการกระจายตวทด ในขณะทแคลเซยมออกไซดจากหนปนมลกษณะเกาะกนเปนกลมกอนขนาดใหญไมสามารถวดขนาดในระดบนาโนเมตรได

การจดกจกรรมการทดลอง

ค าชแจง 1. นกเรยนศกษาเอกสารคมอการทดลอง เรองตวเรงปฏกรยานาโนเพอการผลต ไบโอดเซล 2. นกเรยนแบงกลม จ านวน 8 กลม ดงน กลมท 1-4 ทดลองโดยใชตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซดทมาจากหนปน กลมท 5-8 ทดลองโดยใชตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซดทไดจากการสงเคราะห

กลมท ปรมาณตวเรงปฏกรยา

(% โดยน าหนกของน ามนปาลม) กลมท

ปรมาณตวเรงปฏกรยา (% โดยน าหนกของน ามนปาลม)

1 0.5 5 0.5 2 1.0 6 1.0 3 3.0 7 3.0 4 5.0 8 5.0

3. นกเรยนแตกลมรวมกนอภปรายเรองการผลตไบโอดเซลโดยใชตวเรงปฏกรยา เนอเดยวทไดทดลองผานมาในชดการทดลองท 1 ตวเรงปฏกรยาเนอผสม และตวเรงปฏกรยานาโน วตถประสงคการทดลอง เพอศกษาการผลตไบโอดเซลจากปฏกรยาทรานสเอสเทอรฟเคชนโดยใชตวเรงปฏกรยา นาโนเปรยบเทยบกบตวเรงปฏกรยาเนอเดยว

ค าถามกอนการทดลอง 1. สารใดท าหนาทเปนตวเรงปฏกรยาการผลตไบโอดเซล (แนวตอบ นาโนแคลเซยมออกไซด) 2. ตวเรงปฏกรยาเนอผสมตางกบตวเรงปฏกรยาเนอเดยวอยางไร (แนวตอบ ตวเรงปฏกรยาเนอผสมเปนของแขง มสถานะตางกบน ามนพช สวนตวเรงปฏกรยาเนอเดยวสามารถละลายไดในเมทานอลจงท าใหมสถานะเปนของเหลวเหมอนน ามนพช) 3. ปจจยใดทมผลตอปรมาณไบโอดเซลทเกดขนเมอใชตวเรงปฏกรยาเนอผสม (แนวตอบ พนทผวสมผสของตวเรงปฏกรยา) 4. ตวเรงปฏกรยานาโนมลกษณะพเศษอยางไร (แนวตอบ มขนาดเลก อตราสวนพนผวตอปรมาตรสง) อปกรณและสารเคม อปกรณ 1. ชดรฟลกซขนาดเลก ประกอบดวยขวดกนกลม 3 คอ ขนาด 25 มลลลตร คอนเดนเซอร เทอรโมมเตอร เตาแมเหลกใหความรอน พรอมหลมใหความรอน แทงแมเหลกส าหรบคนสาร และเครองตรวจวด (probe) ควบคมอณหภม และปมน าส าหรบตปลาขนาดเลก ส าหรบระบบน าหลอเยน 2. เครองชงสาร (analytical balance) จ านวน 1 เครอง 3. กระบอกตวง (cylinder) ขนาด 10 มลลลตร จ านวน 2 อน 4. หลอดทดลองขนาดกลาง (test tube) จ านวน 2 หลอด 5. บกเกอร (beaker) ขนาด 100 มลลลตร จ านวน 1 ใบ. 6. แทงแกวคนสาร (starring rod) จ านวน 1 อน 7. ชอนตกสาร (spatula) จ านวน 1 อน สารเคม 1. น ามนปาลม (palm oil) น าหนกตอโมล 817.00 กรมตอโมล 2. เมทานอล (methanol; CH3OH) เปนของเหลวใสไมมส น าหนกตอโมล 32.00 กรมตอโมล ความหนาแนน 0.79 กรมตอลกบาศกเซนตเมตร จดเดอด 64.7 องศาเซลเซยส 3. แคลเซยมออกไซดทเตรยมจากหนปน และนาโนแคลเซยมออกไซด ทเตรยมจากการสงเคราะห มลกษณะเปนของแขงสขาว สารเคมอนตราย: เมทานอลตดไฟได และเปนพษตอตา จงควรสวมแวนตากนสารเคม

ขนตอนการผลตไบโอดเซล มดงน สภาวะทใชในการทดลอง อตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอล เทากบ 1:6 1. จดเตรยมชดรฟลกซ และระบบน าหลอเยนโดยใชปมน าขนาดเลกส าหรบตปลา 2. ชงตวเรงปฏกรยา (น าหนกตามทก าหนดใหแตละกลม) ใสลงขวดสามคอขนาด 25 มลลลตร เตมเมทานอล 4.0 มลลลตร และเตมน ามนปาลม 15 มลลลตร 3. น าไปรฟลกซ โดยปนกวนทความเรว 1,500 รอบตอนาท ทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท 4. เทสารผสมทไดจากการท าปฏกรยาลงในหลอดทดลอง ตงทงไว 10 นาท สงเกตการการเปลยนแปลง ดงภาพ 2.3 ภาพท 2.3 ภาพถาย ก) ของผสมระหวางน ามนปาลม นาโนแคลเซยมออกไซด และเมทานอลกอนใหความรอน ข) หลงใหความรอนทอณหภม 60 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท

5. วดความสงของชนกลเซอรอล และชนสบ บนทกผลการทดลอง 6. ลางอปกรณการทดลอง และเกบเขาทเดมใหเรยบรอย 7. นกเรยนเขยนรายงานการทดลอง บนทกผลการทดลอง อภปรายผลการทดลอง และสรปผลการทดลองของแตกลม 8. นกเรยนแตละกลมน าเสนอหนาชนเรยน และน าผลการทดลองมาเปรยบเทยบกนทกกลม พรอมทงรวมกนอภปรายผลการทดลองทเกดขน

ไคลสบ

กลเซอรอล ไคลสบ

ไบโอดเซล

(ก) (ข)

ขอเสนอแนะในการทดลอง ในการท าการทดลองไมควรใหอณหภมสงเกน 65 องศาเซลเซยส เนองจากจดเดอดของ เมทานอล เทากบ 64.7 องศาเซลเซยส จะท าใหมโอกาสทไอของเมทานอลทไมถกควบแนนออกมาไดมากขน ตารางบนทกผลการทดลอง

สาร ผลการเปลยนแปลง ความสงชนกลเซอรอล (cm)

น ามนปาลม + เมทานอล

ค าถามหลงการทดลอง 1. นกเรยนทราบไดอยางไรวามไบโอดเซลเกดขน (แนวตอบ เหนการแยกชนของสารเปน 3 ชน ไดแก ชนไบโอดเซล ชนสบ และชน กลเซอรอล) 2. นกเรยนทราบไดอยางไรวาตวเรงปฏกรยาชนดใดเรงปฏกรยาไดดกวากน (แนวตอบ สงเกตความสงของชนไบโอดเซล ) 3. ใหนกเรยนเปรยบเทยบผลการทดลองการผลตไบโอดเซลระหวางใชตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยวกบตวเรงปฏกรยาแบบเนอผสม (แนวตอบ การแยกชนของผลตภณฑไบโอดเซลทไดตางกน ถาใชตวเรงปฏกรยาแบบเนอเดยวจะเกดแยกชนของสารเปน 2 ชน ไดแก ชนไบโอดเซล และชนกลเซอรอล สวนการใชตวเรงปฏกรยาแบบเนอผสม จะเกดการแยกชนของสารเปน 3 ชน ไดแก ชนไบโอดเซล ชนสบ และชนกลเซอรอล) 4. ผลการใชตวเรงปฏกรยาเนอผสมแคลเซยมออกไซดอนภาคขนาดใหญ นาโนแคลเซยมออกไซด ตางกนอยางไร (แนวตอบ ถาเปนตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซด จะสงเกตเหนชนกลเซอรอลชดเจน ไมมตวเรงปฏกรยามาปน สวนการทดลองทใชตวเรงปฏกรยาแคลเซยมออกไซดขนาดอนภาคใหญ จะใชตวเรงปฏกรยาไมหมดจงท าใหเหลอตกลงมาปนกบกลเซอรอล) 5. เพราะเหตใดตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซดจงเรงปฏกรยาไดดกวาตวเรงปฏกรยาเนอผสมทวไป (แนวตอบ เพราะตวเรงปฏกรยานาโนแคลเซยมออกไซดมพนทผวมากกวา)

เอกสารอางอง Aslani, A. (2012). Microscopy Methods in Nanochemistry. Current Microscopy Contributions to

Advances in Science and Technology, 1291-1311. Boey, P.-L., Pragas Maniam, G., Abd Hamid, S., (2011). Performance of calcium oxide as a

heterogenous catalyst in biodiesel production: a review. Chem. Eng. J. 168, 15-22. Ibrahim H, Ahmed A. S, Bugaje I.M, Mohammed Dabo & Ugwumma C. D. (2013). Synthesis of

Bulk Calcium Oxide (CaO) Catalyst and its Efficacy for Biodiesel Production. Journal of Energy Technologies and Policy. 3(12), 14-16.

Kouzua, M., Kasunob, T., Tajika, M., Sugimoto Y, Yamanaka, S., & Hidakac, J. (2008). Calcium oxide as a solid base catalyst for tranesterification of soybean oil and its application to biodiesel production. Fuel, 87, 2798-2806.

Reddy, C., Reddy, V., Oshel, R. and Verkade, J.G. (2006). Room temperature conversion of soybean oil and poultry fat to biodiesel catalyzed by nanocrystalline calcium oxides. Energy & Fuels. 20, 1310-1314.

Tedsree, K. (2013). Nanocatalyst: Next generation of catalytic technology. Burapha Sci. J., 18(2) 274-280.

ภาคผนวก ข

ภาพผนวก ข-1 1 H NMR สเปกตรมของไบโอดเซล: สภาวะททดลอง อตราสวนโดยโมลน ามน

ปาลมตอเมทานอล 1:6 โซเดยมไฮดรอกไซด รอยละ 0.50 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยา

ทอณหภม 60 1 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท

ภาพผนวก ข-2 1 H NMR สเปกตรมของไบโอดเซล: สภาวะททดลอง อตราสวนโดยโมลน ามน

ปาลมตอเมทานอล 1:6 นาโนแคลเซยมออกไซด รอยละ 0.50 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท า

ปฏกรยาทอณหภม 60 1 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท

ภาพผนวก ข-3 1 H NMR สเปกตรมของไบโอดเซล: สภาวะททดลอง อตราสวนโดยโมลน ามนปาลมตอเมทานอล 1:6 นาโนแคลเซยมออกไซด รอยละ 1.00 โดยน าหนกของน ามนปาลม ท าปฏกรยาทอณหภม 60 1 องศาเซลเซยส เปนเวลา 30 นาท

ภาคผนวก ค

การค านวณหาปรมาณรอยละของไบโอดเซล

รอยละของการเปลยนไตรกลเซอไรดเปนเมทลเอสเทอร สามารถค านวณไดจากพนทใตกราฟของโปรตอนตรงหมเมทลน (2.3 ppm) และหมเมทอกซ (3.7 ppm) ดงสมการ

C = 100 ×2AMe

3ACH2

โดย คา C คอ คารอยละของเมทลเอสเทอรทเกดขน AMe คอ พนทใตกราฟทไดจากการอนทเกรทพคของโปรตอนตรงหมเมทอกซ ACH2 คอ พนทใตกราฟทไดจากการอนทเกรทพคของโปรตอนตรงหมเมทลนสวนตวเลข 2 และ 3 คอจ านวนโปรตอนของหมเมทลน และหมเมทอกซตามล าดบ แทนคา ตวอยางใชขอมลจากภาพ ภาพผนวก ข-3 พนทใตกราฟของโปรตอนตรงหมเมทลน (2.3 ppm) มคา เทากบ 2.022 พนทใตกราฟของโปรตอนตรงหมเมทอกซ (3.7 ppm) มคา เทากบ 3.000

C = 100 ×2(3.000)

3(2.022)

= 99 ดงนนรอยละของการเปลยนไตรกลเซอไรดเปน ไบโอดเซล เทากบ รอยละ 99

ประวตยอของผวจย

ชอ นายนพพร แสงอาทตย วนเกด 15 กมภาพนธ 2529 ทอย 22 หม 6 ต.หนองฝาย อ.เลาขวญ จ.กาญจนบร 71210 ประวตการศกษา พ.ศ. 2548 - 2552 วทยาศาสตรบณฑต (วท.บ.) เกยรตนยมอนดบ 1 เคม ม.ราชภฏนครปฐม พ.ศ. 2553-2554 ประกาศนยบตรบณฑต สาขาวชาชพคร ม.ราชภฏนครสวรรค พ.ศ. 2555-2557 ศกษาศาสตรมหาบณฑต (ศษ.ม.) การบรหารการศกษา ม.รามค าแหง