Reactive flash volatilization
રિએક્ટિવ ફ્લેશ વોલેટિલાઇઝેશન (આર. એફ. વી.) એ એક રાસાયણિક પ્રક્રિયા છે જે ઉત્પ્રેરક રસાયણશાસ્ત્ર સાથે એકીકરણ માટે થર્મલ વિઘટન દ્વારા બિન-અસ્થિર ઘન પદાર્થો અને પ્રવાહીને ઝડપથી અસ્થિર સંયોજનોમાં રૂપાંતરિત કરે છે. રસાયણશાસ્ત્ર ઇંધણ અથવા રસાયણો માટે કાર્બોહાઇડ્રેટ્સ (C6H10O5) n થી સમૃદ્ધ ભારે અશ્મિભૂત ઇંધણ અથવા બાયોમાસના ઉપયોગ માટે પાયરોલિસિસ નામની પ્રારંભિક થર્મોકેમિકલ પ્રક્રિયાની જરૂર પડે છે જે મોટા પોલિમરને નાના અસ્થિર કાર્બનિક સંયોજનો (VOCs) ના મિશ્રણમાં અસ્થિભંગ કરે છે. બાયોમાસના પાયરોલિસિસની એક ચોક્કસ પદ્ધતિ, જેને "ઝડપી પાયરોલિસિસ" કહેવામાં આવે છે, તે બાયોમાસના કણોને લગભગ 10 ટકા કાર્બન-સમૃદ્ધ ઘનમાં રૂપાંતરિત કરે છે જેને ચાર કહેવાય છે, લગભગ 15 ટકા વાયુઓ જેમ કે કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, અને લગભગ 70 ટકા કાર્બનિક સંયોજનોનું મિશ્રણ જેને સામાન્ય રીતે "બાયો-ઓઇલ" તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. પાયરોલિસિસઃ બાયોમાસ + હીટ → 0.70VOCs + 0.10Char + 0.15Gases અસ્થિર કાર્બનિક પદાર્થોને વરાળ સુધારણા, ગેસિફિકેશન, ઉત્પ્રેરક આંશિક ઓક્સિડેશન, ઉત્પ્રેરક ક્રેકિંગ, કમ્બશન અથવા હાઇડ્રોટ્રીટિંગ જેવી પરંપરાગત પ્રક્રિયાઓ દ્વારા વધુ થર્મોકેમિકલ રૂપાંતરણ માટે ભુરો, અત્યંત એસિડિક પ્રવાહી તરીકે એકત્રિત કરી શકાય છે. ઉત્પ્રેરક વરાળ રિફોર્મિંગઃ VOCs + H2O + હીટ + કેટાલિસ્ટ → H2 + CO + કેટાલિસ્ટ કેટાલિસ્ટ આંશિક ઓક્સિડેશનઃ VOCs + O2 + કેટાલિસ્ટ → H2 + CO + હીટ + કેટાલિસ્ટ કેટાલિસ્ટ જ્વલનઃ VOCs + O2 + કેટાલિસ્ટ → CO2 + H2O + હીટ + કેટાલિસ્ટ રસાયણશાસ્ત્રના આ બે સમૂહ, પાયરોલિસિસ અને કેટાલિસ્ટિક પ્રોસેસિંગ, પ્રતિક્રિયાશીલ ફ્લેશ વોલેટિલાઇઝેશન પ્રક્રિયા રચવા માટે જોડાયેલા છે. ઘન હાઇડ્રોકાર્બન અથવા બાયોમાસને વાયુઓ અને અસ્થિર કાર્બનિક સંયોજનો પેદા કરવા માટે ઉચ્ચ તાપમાન (500-900 °C) ઉત્પ્રેરક સાથે સંપર્ક કરવામાં આવે છે. અસ્થિર પ્રજાતિઓ ઇચ્છનીય ઉત્પાદનો (H2, CO, H2O, CO2, અથવા VOCs) માં રૂપાંતરિત કરવા માટે પ્રતિક્રિયાશીલ (H2, O2, અથવા H2O) સાથે ઉત્પ્રેરકમાં વહે છે. RFV: બાયોમાસ + હીટ + રિએક્ટન્ટ + કેટાલિસ્ટ → ગેસ + VOCs + રિએક્ટન્ટ + કેટાલિસ્ટ → પ્રોડક્ટ્સ + કેટાલિસ્ટ ડિસ્કવરી રિએક્ટિવ ફ્લેશ વોલેટિલાઇઝેશન 2006 માં સાયન્સ જર્નલમાં સોયાબીન તેલ (ટ્રાઇગ્લાઇસેરાઇડ્સ) અને ખાંડ (D-(+)-ગ્લુકોઝ) નું સંશ્લેષણ ગેસ (H2 + CO) અને ઓલેફિન (ઇથિલિન અને પ્રોપિલિન) માં ઉચ્ચ તાપમાન (700-800 °C) રૂપાંતર દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. ભારે ઇંધણનું સંપૂર્ણ, સતત ઉત્પ્રેરક રૂપાંતરણ આશ્ચર્યજનક હતું, કારણ કે પ્રારંભિક પાયરોલાઇટિક રસાયણશાસ્ત્ર "ચાર" તરીકે ઓળખાતા નક્કર અવશેષોની નોંધપાત્ર માત્રા ઉત્પન્ન કરે છે જે પ્રતિક્રિયાત્મક સંયોજનો અને નક્કર ધાતુ ઉત્પ્રેરક વચ્ચેની જરૂરી ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને અવરોધે તેવી અપેક્ષા હતી. આ પ્રક્રિયાનું વર્ણન કરવામાં આવ્યું છે, "આ બાયોફ્યુઅલ ફીડસ્ટોક્સની ઓછી વોલેટિલિટી માત્ર ત્યારે જ સૂટ ઉત્પાદન તરફ દોરી જાય છે જ્યારે તેનો સીધો આંતરિક કમ્બશન એન્જિનમાં ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, પરંતુ તે ઔદ્યોગિક ઉત્પ્રેરકોને કાર્બનના નિષ્ક્રિય સ્તર સાથે કોટ કરવાનું કારણ પણ બને છે, આમ તેમના હળવા ઉત્પાદનોમાં રૂપાંતરને અવરોધે છે. જેમ્સ રિચાર્ડ સાલ્જ અને તેમના સાથીદારો દર્શાવે છે કે જો સોયાબીન તેલ અથવા બાયોડિઝલ જેવા ભારે ઇંધણને ઓક્સિજનની હાજરીમાં સૂક્ષ્મ ટીપાં તરીકે ગરમ રોડિયમ-સેરિયમ ઉત્પ્રેરક પર છાંટવામાં આવે, તો ઇંધણ કાર્બનની રચના અને ઉત્પ્રેરક નિષ્ક્રિયતા વિના હાઇડ્રોજન રચવા માટે સ્વ-ગરમ અને સંપૂર્ણ પ્રતિક્રિયા કરી શકે છે. RFV: ટ્રાઇગ્લિસરાઇડ + O2 + ઉત્પ્રેરક → ઇથિલિન + પ્રોપિલિન + CO2 + H2O + ઉત્પ્રેરક આ પ્રક્રિયાએ સોયા-તેલના ટ્રાઇગ્લિસરાઇડ્સમાં 70 ટકા અણુ હાઇડ્રોજનને પરમાણુ H2માં અને 60 ટકા પરમાણુ કાર્બનને Rh-આધારિત ઉત્પ્રેરક પર કાર્બન મોનોક્સાઇડમાં રૂપાંતરિત કર્યું, જેમાં આલ્ફા-એલ્યુમિના પર સપોર્ટેડ સેરિયમ હોય છે. વિવિધ કાર્યકારી પરિસ્થિતિઓમાં, પ્રક્રિયા નોંધપાત્ર માત્રામાં ઇથિલિન અને પ્રોપીલીનનું ઉત્પાદન કરી શકે છે. પ્રતિક્રિયાશીલ ત્વરિત બાષ્પીભવનનું પ્રથમ પ્રદર્શન પ્રાયોગિક પગલાઓની શ્રેણી દ્વારા થયુંઃ સંશોધકો શુદ્ધ સોયાબીન તેલ અથવા જાડા ખાંડની ચાસણીથી શરૂઆત કરે છે. રિએક્ટરમાં ઓટોમોટિવ ઇંધણ ઇન્જેક્ટર હોય છે, જેનો ઉપયોગ ટ્યુબ દ્વારા સૂક્ષ્મ ટીપાં તરીકે તેલ અથવા ચાસણીનો છંટકાવ કરવા માટે થાય છે. ટ્યુબમાં પ્લગની જેમ બેસવું એ રોડિયમ-સિરિયમ ઉત્પ્રેરક સામગ્રીથી બનેલી છિદ્રાળુ સિરામિક ડિસ્ક છે. જેમ જેમ ટીપાં ડિસ્કને અથડાય છે-જેની સપાટીનું તાપમાન 1,000 ડિગ્રી સેલ્સિયસ હોય છે-ગરમી અને ઓક્સિજન તેલ અથવા ખાંડના અણુઓને અલગ કરે છે. ઉત્પ્રેરક પાણીની વરાળ અને કાર્બનને બદલે સિનગેસના ઉત્પાદન તરફ વિભાજનને માર્ગદર્શન આપે છે. સિનગેસ છિદ્રાળુ ડિસ્કમાંથી પસાર થાય છે અને ટ્યુબમાં ડાઉનસ્ટ્રીમમાં એકત્રિત થાય છે. કોઈ બાહ્ય ગરમીની જરૂર નથી કારણ કે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ તેમના પગલે આવતા તેલ અથવા ખાંડના અણુઓને તોડવા માટે પૂરતી ગરમી છોડે છે. 300 °C તાપમાન હાંસલ કરવા માટે ગરમીનો પ્રારંભિક પુરવઠો જરૂરી છે, જે પછી પ્રતિક્રિયા શરૂ થાય છે, અથવા "લાઇટ બંધ" થાય છે, અને ઝડપથી 700-800 °C તાપમાન સુધી વધે છે. સ્થિર પરિસ્થિતિઓમાં, પ્રતિક્રિયા ઉચ્ચ તાપમાન, અત્યંત ઝડપી રસાયણશાસ્ત્ર જાળવવા માટે પૂરતી ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે. ભારે, બિન-અસ્થિર સંયોજનોને અસ્થિર અથવા વાયુયુક્ત પ્રજાતિઓમાં રૂપાંતરિત કરવાનો કુલ સમય મિલિસેકન્ડ્સ (અથવા સેકન્ડનો હજારમો ભાગ) માં આવે છે. સેલ્યુલોઝ, સ્ટાર્ચ, લિગ્નિન, ક્વેકિંગ એસ્પેન (પોપ્યુલસ ટ્રેમ્યુલોઈડ્સ) લાકડાની ચિપ્સ અને પોલિઇથિલિનથી બનેલા નક્કર કણોના સોલિડ બાયોમાસ રિએક્ટિવ ફ્લેશ વોલેટિલાઇઝેશનનો ઉપયોગ 2007માં વૈજ્ઞાનિક જર્નલ એન્જેવાન્ડે કેમીમાં દર્શાવવામાં આવ્યો હતો. સેલ્યુલોઝના કણોને 30 મિલિસેકંડ જેટલા ઓછા સમયમાં સંપૂર્ણપણે સિનગેસ (H2 અને CO) અને દહન ઉત્પાદનો (H2O અને CO2) માં રૂપાંતરિત કરવામાં આવ્યા હતા. 500-900 °C પર કામ કરતી વખતે બાહ્ય ઉષ્મા સ્ત્રોતની જરૂરિયાત વિના તમામ સામગ્રીઓનું ઉત્પ્રેરક સુધારણા થઈ. શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓમાં, તમામ પરમાણુ હાઇડ્રોજનના 50 ટકા અને તમામ પરમાણુ કાર્બનનો 50 ટકા 30 મિલિસેકંડ જેટલા ઓછા સમયમાં પરમાણુ H2 અને કાર્બન મોનોક્સાઇડમાં રૂપાંતરિત થઈ શકે છે. આરએચ-સીઇ/એલ્યુમિના ઉત્પ્રેરક અને ની-સીઇ/એલ્યુમિના ઉત્પ્રેરક બંને પર પ્રતિક્રિયા રસાયણશાસ્ત્ર દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. વૈજ્ઞાનિક જર્નલ ગ્રીન કેમિસ્ટ્રીમાં પ્રકાશિત થયેલા એક પ્રકાશનમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે પ્રતિક્રિયાશીલ ફ્લેશ વોલેટિલાઇઝેશનની પ્રક્રિયાને થર્મલ અને રાસાયણિક એકીકરણ દ્વારા થતા અન્ય કેટલાક વૈશ્વિક રસાયણશાસ્ત્રોનું સંયોજન ગણી શકાય. જમણી બાજુના આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે, પ્રારંભિક પાયરોલિસિસ રસાયણશાસ્ત્ર ત્યારે થાય છે જ્યારે બાયોમાસ કણ (લીલો) ભૌતિક રીતે ગરમ ઉત્પ્રેરક (નારંગી) નો સંપર્ક કરે છે. અસ્થિર કાર્બનિક સંયોજનો (VOCs) ઓક્સિજન સાથે ઉત્પ્રેરકમાં વહે છે, Rh અણુઓ પર શોષાય છે, અને દહન ઉત્પાદનો (H2O અને CO2) અને સિનગેસ (H2 અને CO) બનાવવા માટે પ્રતિક્રિયા આપે છે. આ પ્રારંભિક રસાયણશાસ્ત્ર પછી, ત્રણ મુખ્ય વૈશ્વિક પ્રતિક્રિયાઓ થાય છે. દહન ઉત્પાદનો પાણી-ગેસ શિફ્ટ પ્રતિક્રિયા દ્વારા સિનગેસ સાથે ઉત્પ્રેરક રીતે પ્રતિક્રિયા આપે છે. ઉપરાંત, અસ્થિર કાર્બનિક પદાર્થો નવા દહન ઉત્પાદનો અને સિનગેસની રચના કરવા માટે વરાળ (H2O) સાથે ઉત્પ્રેરક રીતે પ્રતિક્રિયા આપે છે. છેવટે, અસ્થિર ઓર્ગેનિક્સ નાના અસ્થિર ઓર્ગેનિક્સ બનાવવા માટે ગેસ તબક્કામાં એકરૂપ રીતે તિરાડ પાડી શકે છે. કાર્યરત તાપમાન ઉત્પ્રેરકની લંબાઈમાં બદલાતું હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું છે, જ્યારે તે બાયોમાસ-થી-ઓક્સિજન ગુણોત્તરનું મજબૂત કાર્ય પણ છે. એક પ્રાયોગિક તપાસમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે બાયોમાસને ઉષ્મીય રીતે અસ્થિભંગ કરવા માટે જરૂરી ગરમી ઉત્પ્રેરકની અંદર સપાટીના ઓક્સિડેશન પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા પેદા કરવામાં આવી હતી. સંતુલનમાં કાર્બનની રચનાને રોકવા માટે તાપમાન રૂપરેખા (અને પ્રતિક્રિયા તાપમાન) અત્યંત મહત્વપૂર્ણ હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. ખૂબ જ ઝડપી રૂપાંતર ઉચ્ચ કાર્યકારી તાપમાનને આભારી છે, પરંતુ મહત્તમ સેલ્યુલોઝ પ્રક્રિયા દર નક્કી કરવામાં આવ્યો નથી. જો કે, અસ્થિર કાર્બનિક સંયોજનોના ઉત્પ્રેરક આંશિક ઓક્સિડેશન દર્શાવે છે કે સંપૂર્ણ રૂપાંતર 10 મિલિસેકંડથી ઓછા સમયમાં થઈ શકે છે. સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ મિનેસોટા યુનિવર્સિટીમાં લેની ડી. શ્મિટના સંશોધન જૂથ મૂળભૂત સંશોધન જરૂરિયાતોઃ મિનેસોટા યુનિવર્સિટીમાં ઊર્જા રાસાયણિક ઇજનેરી અને સામગ્રી વિજ્ઞાન માટે ઉત્પ્રેરણ મિનેસોટા યુનિવર્સિટીમાં પોલ જે. ડોએનહોરના સંશોધન જૂથ મિનેસોટા યુનિવર્સિટીમાં રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ