Tổng quan về nhiên liệu sinh học biodiesel
Sơ lược về biodiesel [1]
Biodiesel, viết tắt là BDF, là nhiên liệu sinh học dành cho động cơ diesel, được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Nhiên liệu này thường được điều chế thông qua phản ứng transester hóa hoặc este hóa các triglyxerit và axit tự do với rượu bậc nhất no, đơn chức có từ 1 đến 8 nguyên tử cacbon.
Biodiesel, chủ yếu là metyl este, được sản xuất từ mỡ động vật và thực vật, được xem là các ankyl este Các axit béo trong dầu và mỡ có số cacbon tương đương với dầu diesel, với cấu trúc mạch thẳng giúp tăng chỉ số cetan Chính vì vậy, dầu thực vật và mỡ động vật thường được lựa chọn làm nguyên liệu cho sản xuất biodiesel.
Bảng 1.1: So sánh tính chất của nhiên liệu diesel khoáng và diesel sinh học [1]
Diesel sinh học Diesel ASTM-D6751 TCVN 5689-2005
Tỷ trọng 0,87-0,89 0,81-0,89 Độ nhớt động học ở 40 0 C 1,9-6,0 1,9-4,1
Hàm lượng lưu huỳnh (% khối lượng), max 0,05 0,5
Nhiệt độ chớp cháy ( o C), min 130 52
Hàm lượng nước (% thể tích), max 0,05 0,05
Ưu, nhược điểm của nhiên liệu biodiesel
Trị số cetan là thước đo khả năng tự bắt cháy của nhiên liệu diesel, với trị số cao giúp cải thiện sự bắt cháy và độ ổn định của động cơ Biodiesel, chủ yếu chứa các ankyl mạch thẳng, có trị số cetan cao hơn diesel khoáng, thường dao động từ 56-58, trong khi dầu diesel thông thường chỉ từ 50-54.
Với trị số cetan cao, biodiesel có khả năng đáp ứng tốt nhu cầu của các động cơ yêu cầu chất lượng cao và khả năng tự bắt cháy mà không cần tăng trị số cetan.
Hàm lượng lưu huỳnh thấp:
Biodiesel có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp, chỉ khoảng 0,001%, so với diesel thông thường từ 0,05% đến 0,25% Đặc điểm này giúp giảm đáng kể khí thải SOx, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường và ngăn ngừa sự ăn mòn thiết bị trong quá trình sử dụng nhiên liệu.
Biodiesel có ưu điểm nổi bật là chứa rất ít lưu huỳnh (chỉ khoảng 0,001%), thấp hơn nhiều so với dầu diesel truyền thống (0,25%) Ngoài ra, biodiesel không chứa các hợp chất cacbon thơm, giúp giảm nguy cơ ung thư Đặc biệt, loại nhiên liệu này có khả năng tự phân hủy và không độc hại cho môi trường.
Sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho diesel khoáng không chỉ giúp quá trình cháy diễn ra gần như hoàn toàn mà còn giảm đáng kể lượng cặn và bụi, từ đó giảm khí thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư Theo nghiên cứu của Bộ Năng lượng Mỹ tại trường Đại học California, việc chuyển đổi sang biodiesel có thể giảm đến 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải động cơ, nhờ vào việc biodiesel chứa ít tạp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh thấp và quá trình cháy triệt để, góp phần làm giảm nhiều thành phần hydrocacbon trong khí thải.
Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn:
Biodiesel có khả năng bôi trơn vượt trội so với diesel thông thường, với giá trị HFRR khoảng 200, cho thấy hiệu suất bôi trơn tốt hơn nhiều so với diesel khoáng (HFRR giới hạn 450) và dầu diesel đã xử lý lưu huỳnh (HFRR ≥ 500) Theo phương pháp ASTM D6079, giá trị HFRR càng thấp đồng nghĩa với khả năng bôi trơn càng tốt Do đó, biodiesel không chỉ là nguồn năng lượng tái tạo mà còn là phụ gia lý tưởng để cải thiện khả năng bôi trơn cho nhiên liệu diesel, giảm thiểu sự cần thiết phải sử dụng phụ gia hóa học.
An toàn về cháy nổ tốt hơn:
Biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao trên 110 độ C, trong khi dầu diesel truyền thống chỉ khoảng 60-80 độ C Điều này khiến biodiesel an toàn hơn trong việc lưu trữ và vận chuyển, vì tính chất nguy hiểm của nó thấp hơn so với diesel khoáng.
Nguồn nguyên liệu cho tổng hợp hóa học:
Các ankyl este của axit béo không chỉ được sử dụng làm nhiên liệu mà còn là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghệ hóa học, phục vụ cho sản xuất rượu béo và ứng dụng trong dược phẩm, mỹ phẩm như isopropylic este và các polyeste dùng làm chất nhựa, chất hoạt động bề mặt Tuy nhiên, cũng cần lưu ý đến một số nhược điểm liên quan đến việc sử dụng chúng.
Tính chất của biodiesel chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học của dầu nguyên liệu, trong đó dầu thực vật chứa nhiều axít béo không no, dẫn đến việc dễ bị oxi hóa Do đó, bảo quản biodiesel trở thành vấn đề quan trọng hàng đầu khi sử dụng.
Biodiesel bị phân hủy rất nhanh (phân hủy 98% chỉ trong 21 ngày), do vậy kém ổn định
Chi phí công nghệ sản xuất cao hơn so với diesel:
Diesel sinh học, mặc dù có giá cao hơn so với nhiên liệu diesel thông thường, nhưng trong quá trình sản xuất, nó tạo ra glyxerin, một sản phẩm phụ có tiềm năng thương mại lớn Sự xuất hiện của glyxerin có thể giúp bù đắp phần nào chi phí cao của diesel sinh học.
Quy trình sản xuất diesel sinh học không đảm bảo:
Hiện nay, diesel sinh học thường được sản xuất theo phương pháp theo mẻ, dẫn đến năng suất thấp và chất lượng sản phẩm không ổn định Việc rửa không sạch diesel sinh học có thể gây ra ô nhiễm nghiêm trọng do sự tồn tại của xà phòng, kiềm dư, methanol và glyxerin tự do.
Để đạt hiệu quả cao trong tổng hợp diesel sinh học, chúng ta cần áp dụng quá trình sản xuất liên tục Sản phẩm biodiesel cần phải tuân thủ tiêu chuẩn ASTM D6751 để đảm bảo chất lượng và hiệu suất.
Tiềm năng sử dụng biodiesel [2]
Trong bối cảnh hiện nay, khi thế giới đang chuyển mình theo xu hướng công nghiệp hóa hiện đại, nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng cao Nhiên liệu hóa thạch, bao gồm dầu mỏ, than và khí đốt, đang trở thành nguồn năng lượng chủ yếu với trữ lượng lớn, phục vụ cho hầu hết các ngành như giao thông vận tải, khai thác chế biến và hoạt động của các khu công nghiệp Trong số các nguồn năng lượng hóa thạch, dầu mỏ đóng vai trò quan trọng nhất.
4 năng lượng được sử dụng nhiều nhất Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng dầu mỏ đã và đang có nhiều hạn chế như sau:
Dầu mỏ là nguồn năng lượng hóa thạch không thể tái chế và đang bị khai thác với tốc độ nhanh chóng Nhu cầu sử dụng dầu mỏ toàn cầu đã đạt khoảng 89,79 triệu thùng/ngày vào năm 2012, cho thấy sự gia tăng tiêu thụ đáng kể Điều này đặt ra thách thức lớn cho Việt Nam và các quốc gia khác trong việc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, khi nguồn tài nguyên này đang cạn kiệt nhanh chóng.
Nhu cầu sử dụng nhiên liệu ngày càng gia tăng trong khi nguồn cung cấp ngày càng hạn chế, dẫn đến việc giá nhiên liệu sẽ tăng cao Điều này sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến sự phát triển kinh tế của đất nước.
Nhiên liệu dầu mỏ sau khi sử dụng thải ra nhiều chất độc hại như NOx, SOx, COx, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường Theo thống kê năm 2012, 33% lượng khí thải carbon toàn cầu xuất phát từ việc sử dụng dầu mỏ.
Sự cố tràn dầu trong quá trình khai thác và vận chuyển không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn tác động tiêu cực đến kinh tế và giao thông vận tải trên biển, dẫn đến ô nhiễm môi trường biển nghiêm trọng.
Hạn chế của nguồn năng lượng dầu mỏ đã tạo ra nhu cầu cấp thiết tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế Hiện nay, nhiều nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, hạt nhân, gió, thủy điện và sinh khối đang được nghiên cứu và áp dụng Trong số đó, năng lượng sinh học, đặc biệt là Biodiesel, đang thể hiện tiềm năng phát triển lớn tại Việt Nam.
Tình hình nghiên cứu, sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới và ở Việt Nam [1]
Vào thập niên 1980, biodiesel đã được nghiên cứu và ứng dụng tại một số quốc gia phát triển Hiện nay, biodiesel đã trở thành nguồn năng lượng phổ biến trên toàn cầu, với hơn 28 quốc gia tham gia vào nghiên cứu, sản xuất và sử dụng Các nhà máy sản xuất biodiesel chủ yếu tập trung ở châu Âu và châu Mỹ.
Tại Mỹ, biodiesel chủ yếu được sản xuất từ dầu đậu nành và thường được pha trộn với diesel dầu mỏ theo tỷ lệ 20% biodiesel và 80% diesel Nhiên liệu này được sử dụng cho các xe buýt đưa đón học sinh ở nhiều thành phố trên toàn quốc Mỗi năm, Mỹ tiêu thụ gần 2 tỷ gallon biodiesel.
Tại Pháp, hầu hết nhiên liệu diesel được pha trộn với 5% biodiesel, với hơn 50% người dân sở hữu xe động cơ diesel sử dụng nhiên liệu này Lượng biodiesel tiêu thụ trên thị trường Pháp đã tăng mạnh trong những năm gần đây, từ 387 ngàn tấn vào năm 2004 lên gần 1 triệu tấn vào năm 2008.
Năm 1991, Đức khởi động chương trình phát triển biodiesel và chính thức triển khai dự án vào năm 1995 Đến năm 2000, nước này đã có 13 nhà máy sản xuất biodiesel với tổng công suất đạt 1 triệu tấn mỗi năm Đặc biệt, vào tháng 1 năm 2005, chính phủ Đức đã ban hành sắc lệnh yêu cầu pha biodiesel vào diesel với tỷ lệ 5%.
Sản lượng Biodiesel của các nước châu Âu năm 2004 được thể hiện trong bảng 1.2 dưới đây
Bảng 1.2: Sản lượng biodiesel ở các nước châu Âu năm 2004
Nước Sản lượng (tấn) Đức 1.088.000
Tây Ban Nha 70.000 Đan Mạch 44.000
Không chỉ châu Âu và Mỹ, nhiều quốc gia châu Á cũng đang chú trọng phát triển nguồn nhiên liệu sinh học, đặc biệt là biodiesel Malaysia và Indonesia, hai nước dẫn đầu thế giới về xuất khẩu dầu cọ, đã triển khai các chiến lược mạnh mẽ để thúc đẩy ngành công nghiệp này.
Để mở rộng thị trường sản xuất dầu ăn và cung cấp nguyên liệu cho biodiesel, Indonesia đang đầu tư trồng 19 triệu ha cây J Curcas nhằm sản xuất dầu sinh học, với mục tiêu sử dụng nhiên liệu B5 vào năm 2015 Trung Quốc, là nước nhập khẩu nhiên liệu lớn nhất thế giới, cũng đang khuyến khích việc sử dụng nhiên liệu sinh học Tại Thái Lan, Bộ Năng lượng đã sẵn sàng hỗ trợ việc sử dụng dầu cọ trên toàn quốc.
Với sự phát triển mạnh mẽ của nguồn nhiên liệu sinh học, đặc biệt là biodiesel trên thế giới, các nhà khoa học Việt Nam đã bắt đầu nghiên cứu và sản xuất biodiesel ở quy mô phòng thí nghiệm và nhỏ Việt Nam, với nền nông nghiệp phát triển và khí hậu thuận lợi, có tiềm năng lớn để trồng các loại cây dầu như vừng, lạc, cải và đậu nành Tuy nhiên, ngành công nghiệp sản xuất dầu thực vật vẫn còn non trẻ, với trữ lượng thấp và giá thành cao Ngoài ra, mỡ động vật cũng là một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất biodiesel, với chi phí rẻ hơn so với dầu thực vật.
Một số doanh nghiệp tại An Giang và Cần Thơ đã thành công trong việc sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa, với giá thành khoảng 7000 đồng/lít vào năm 2005 Bên cạnh đó, nhiều viện nghiên cứu và trường đại học ở Việt Nam cũng đã đạt được những thành tựu đáng kể trong việc sản xuất biodiesel từ các nguyên liệu khác nhau như dầu cọ, dầu dừa, dầu bông, dầu hạt cải, dầu đậu nành, dầu hạt cao su, dầu ăn thải và mỡ cá, thông qua việc sử dụng xúc tác bazơ đồng thể và đang trong quá trình nghiên cứu với xúc tác bazơ dị thể và xúc tác zeolit.
Nhiên liệu sinh học đang thu hút sự chú ý không chỉ từ các nhà khoa học mà còn từ các nhà quản lý tại Việt Nam Đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2020” do Bộ Công nghiệp chủ trì đã được chính phủ phê duyệt và triển khai, bao gồm cả việc phát triển nhiên liệu xăng pha cồn và diesel pha metyl este dầu mỡ động thực vật (biodiesel) Ngoài ra, Bộ Khoa học và Công nghệ cùng Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng cũng chú trọng đến lĩnh vực này, đã tổ chức hội nghị khoa học về etanol và biodiesel, trong đó lãnh đạo Tổng cục đã đề xuất cần sớm thúc đẩy các hoạt động liên quan.
Xây dựng và triển khai một đề án nghiên cứu tiêu chuẩn hóa nhiên liệu sinh học tại Việt Nam là rất cần thiết, đặc biệt là trong việc phát triển tiêu chuẩn cho nhiên liệu biodiesel Việc này không chỉ giúp nâng cao chất lượng nhiên liệu mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp năng lượng sinh học trong nước.
Tổng quan nguyên liệu cho sản xuất biodiesel
Xúc tác
Xúc tác axit
Các axit như H2SO4 và HCl là các xúc tác đồng thể hiệu quả, đạt độ chuyển hóa cao nhưng yêu cầu nhiệt độ trên 100 oC và thời gian phản ứng ít nhất 6 giờ Trong khi đó, xúc tác axit dị thể như zeolit USY-292 và nhựa trao đổi anion Amberlyst A26, A27 có ưu điểm dễ lọc tách và tinh chế sản phẩm, tiêu tốn ít năng lượng Tuy nhiên, chúng ít được sử dụng do độ chuyển hóa thấp.
Xúc tác bazơ
Xúc tác bazơ đồng thể phổ biến nhất là các bazơ mạnh như NaOH, KOH và Na2CO3, nhờ vào khả năng đạt được độ chuyển hóa cao và thời gian phản ứng ngắn.
Quá trình sản xuất biodiesel thường gặp khó khăn do yêu cầu không có nước trong phản ứng, dẫn đến giảm hiệu suất và phức tạp trong tinh chế sản phẩm Để khắc phục những nhược điểm của xúc tác đồng thể, các nhà khoa học hiện đang chuyển hướng sang sử dụng xúc tác dị thể Các hợp chất thường được áp dụng bao gồm NaOH/MgO, NaOH/γ-Al2O3, Na2SiO3/MgO, Na2SiO3/SiO2, Na2CO3/γ-Al2O3 và KI/γ-Al2O3.
Al2O3 Các xúc tác này cũng có độ chuyển hóa khá cao (trên 90%), nhưng thời gian phản
Các nhà khoa học đang nghiên cứu các loại xúc tác mới để cải thiện hiệu suất chuyển hóa biodiesel, cho phép tái sử dụng nhiều lần và giảm chi phí sản phẩm Xúc tác đồng thể hiện đang có thời gian kéo dài hơn, nhưng mục tiêu là phát triển các giải pháp hiệu quả hơn.
Cơ chế của phản ứng trao đổi este sử dụng xúc tác bazơ được mô tả như sau:
ROH + B ↔ RO - + BH + Sau đó, gốc RO - tấn công vào nhóm cacbonyl của phân tử triglyxerit tạo thành hợp chất trung gian:
Hợp chất trung gian này không bền, tiếp tục tạo một anion và một ankyl tương ứng:
Cuối cùng là sự hoàn nguyên lại xúc tác theo phương trình:
Xúc tác B lại tiếp tục phản ứng với các diglyxerit và monoglyxerit giống như cơ chế trên, cuối cùng tạo ra các alkyl este và glyxerin.
Ưu, nhược điểm của xúc tác đồng thể, dị thể
Ưu và nhược điểm của xúc tác đồng thể, dị thể được thể hiện dưới các bảng sau đây [3]
Bảng 1.3: Các thông số về các đặc tính của xúc tác đồng thể, dị thể
Xúc tác Thời gian phản ứng Nhiệt độ Tỉ lệ dầu/ancol Độ chuyển hóa
Công trình, năm Đá cẩm thạch đun nóng và
Bảng 1.4: Ưu, nhược điểm của xúc tác đồng thể, dị thể [7]
Xúc tác Ưu điểm Nhược điểm Đồng thể
- Thời gian phản ứng nhanh
- Tách rửa sản phẩm phức tạp
- Dễ tạo sản phẩm phụ là xà phòng, gây khó khăn cho phản ứng tiếp theo
- Gây ăn mòn thiết bị, ô nhiễm môi trường
- Giá thành rẻ do tái sử dụng và tái sinh xúc tác
- Tách lọc sản phẩm dễ hơn
- Hạn chế phản ứng xà phòng
- Độ chuyển hóa thấp hơn
- Thời gian phản ứng dài hơn
Từ các so sánh trên thấy rằng, dị thể hóa xúc tác tổng hợp diesel sinh học là phương hướng đúng đắn trong tương lai.
Ưu, nhược điểm xúc tác CaO [4]
- Xúc tác chỉ cần nung lên là sử dụng được, không cần qua quá trình tổng hợp phức tạp
- Hiệu suất thu hồi biodiesel cao
- Giá thành rẻ do tái sử dụng và tái sinh được
- Tách lọc sản phẩm dễ hơn và tránh phản ứng xà phòng hóa
- Tỷ lệ mol methanol/dầu, hàm lượng xúc tác cũng sử dụng ít hơn
- Độ chuyển hóa không cao so với xúc tác đồng thể
- Thời gian phản ứng dài hơn
Ưu, nhược điểm xúc tác bentonic [9]
- Xúc tác chỉ cần nung lên là có thể sử dụng được, không qua quá trình tổng hợp phức tạp
- Có nhiều trong tự nhiên, dễ tìm, tái sử dụng và tái sinh được
- Tách lọc sản phẩm dễ dàng
- Hiệu suất thu hồi cao
Bentonit là một loại khoáng chất có tính trơ và bền về mặt hóa học, do đó có thể được sử dụng an toàn trong thực phẩm Nó thường được ứng dụng làm chất độn trong các sản phẩm dược phẩm, thức ăn gia súc và mỹ phẩm, nhờ vào tính năng an toàn và hiệu quả của nó.
- Dễ kết dính lại với nhau, khó khăn trong việc khuấy trộn
Tổng quan quy trình tổng hợp biodiesel
Quy trình tổng hợp biodiesel
Đầu tiên, chuẩn bị nguyên liệu và xúc tác cho quy trình tổng hợp biodiesel Tiếp theo, biodiesel được tổng hợp và sản phẩm sẽ được đánh giá, so sánh với diesel truyền thống Cuối cùng, mở rộng ứng dụng và thử nghiệm quy trình sản xuất biodiesel.
Quy trình tổng hợp Biodiesel được thể hiện như sơ đồ khối dưới đây:
Chuẩn bị nguyên vật liệu, xúc tác
Tổng hợp Biodiesel Đánh giá sản phẩm
So sánh sản phẩm với Diesel
Mở rộng áp dụng chạy thử nghiệm
Hình 1.1: Quy trình tổng hợp Biodiesel Quy trình tổng hợp trải qua 5 giai đoạn
- Giai đoạn 1: Chuẩn bị nguyên liệu gồm dầu ăn đã qua xử lý, xúc tác được nung từ vỏ trứng gà ở 950 o C, methanol
- Giai đoạn 2: Tổng hợp biodiesel là thực hiện quá trình transester hóa bằng cách lắp hệ thống sinh hàn hồi lưu và nhiệt kế để theo dõi
- Giai đoạn 3: Đánh giá sản phẩm bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại IR và phương pháp sắc ký khối phổ GC – MS
Giai đoạn 4: So sánh biodiesel với diesel truyền thống để đánh giá chất lượng của biodiesel Các tính chất của biodiesel cần được phân tích để xác định xem nó có vượt trội hơn diesel truyền thống hay không.
Giai đoạn 5 là bước quan trọng trong việc mở rộng áp dụng chạy thử nghiệm nhằm đánh giá mức độ phù hợp với động cơ Qua đó, chúng ta có thể xác định những cải tiến cần thiết trong quá trình tổng hợp.
Tổng hợp biodiesel theo phương pháp trao đổi este
Xảy ra theo phản ứng: Thực chất quá trình chuyển hóa này gồm một loạt các phản ứng thuận nghịch nối tiếp nhau:
Một số công trình nghiên cứu, tổng hợp biodiesel
Năm 2012, nhóm nghiên cứu K.Faungnawakij đã công bố một nghiên cứu về việc tổng hợp biodiesel từ dầu cọ, sử dụng xúc tác CaO được nung từ vỏ trứng gà Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất sản phẩm đạt 94,1% trong thời gian phản ứng tối ưu.
Nghiên cứu của Guanyi Chen vào năm 2014 đã chỉ ra rằng việc tổng hợp biodiesel từ dầu cây họ cọ sử dụng xúc tác CaO từ vỏ trứng đà điểu châu Phi đạt hiệu suất 92.7% Quá trình này diễn ra trong 1 giờ, với tỷ lệ methanol so với dầu là 9:1 và hàm lượng xúc tác là 8%.
Năm 2015, nhóm nghiên cứu của Yogesh C Sharma đã công bố nghiên cứu về tổng hợp biodiesel từ dầu Jatropha, đạt hiệu suất 96.97% với xúc tác CaO (1%) từ vỏ trứng gà và tỷ lệ methanol so với dầu là 9:1 Đến tháng 5 năm 2017, Jharna Gupta và Madhu Agarwal đã sử dụng cẩm thạch đun nóng và hydroxyapatite (HAP) làm chất xúc tác bazơ không đồng nhất, nâng sản lượng biodiesel từ 91% lên 94% khi phản ứng ở 65 o C trong 3 giờ, với tỷ lệ methanol so với dầu là 12:1 và tỷ trọng chất xúc tác 4% trọng lượng.
Tình hình nghiên cứu tổng hợp B.O sử dụng các nguồn nguyên liệu và xúc tác khác nhau được thể hiện chi tiết trong bảng dưới đây
Bảng 1.5: Một số công trình nghiên cứu tổng hợp Biodiesel trong nước
Năm Tên đề tài nghiên cứu Nguyên liệu Xúc tác Cồn Tỉ lệ
Nghiên cứu tổng hợp Biodiesel từ mỡ cá basa [6]
Mỡ cá basa KOH Methanol 2/10 92
2008 Nghiên cứu tổng hợp Biodiesel từ mỡ cá basa [3]
Mỡ cá basa KOH Ethanol 3/1 97
Nghiên cứu tổng hợp Biodiesel từ dầu ăn phế thải trên xúc tác dị thể MgSiO3 [10]
Dầu ăn phế thải MgSiO3 Methanol 5/1 80
2011 Điều chế Biodiesel từ mỡ cá tra với xúc tác Bazo rắn KOH/-
Biodiesel bằng phản ứng thủy phân mỡ cá da trơn ở Đồng
Mỡ cá basa KOH Methanol 6/1 93
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn phế thải trên hệ xúc tác CaO [7]
Dầu ăn phế thải CaO Methanol 5/1 84
XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
Phương tiện nghiên cứu
- Nguyên liệu để tổng hợp biodiesel là dầu ăn phế thải thu mua từ các nhà hàng, quán ăn ở thành phố Vũng Tàu
Chất xúc tác CaO được sản xuất từ việc nung các nguyên liệu phế thải như vỏ trứng gia cầm, vỏ sò, xương heo và san hô, được thu mua từ các nhà hàng và quán ăn tại thành phố Vũng Tàu.
Trong đề tài này, sử dụng các loại hóa chất chính được thể hiện trong bảng 2.1 dưới đây
Bảng 2.1: Hóa chất cần sử dụng
STT Tên hóa chất Mục đích sử dụng
1 Methanol 95% Phản ứng tổng hợp B.O
6 Aceton công nghiệp Về sinh dụng cụ
Tất cả các loại hóa chất chính được liệt kê trong bảng 2.1 đều có nguồn gốc xuất xứ từ Trung Quốc
2.1.3 Dụng cụ-thiết bị a Dụng cụ
Tất cả các loại dụng cụ sử dụng được liệt kê chi tiết trong bảng 2.2 dưới đây
Bảng 2.2: Danh sách dụng cụ cần sử dụng
STT Tên dụng cụ Số lượng
20 Bộ cối sứ 1 b Thiết bị
Các thiết bị chính sử dụng được thể hiện trong bảng 2.3 dưới đây
Bảng 2.3: Danh sách thiết bị cần sử dụng
1 Máy khuấy từ gia nhiệt
2 Máy cô quay chân không
Đánh giá chất lượng nguyên liệu
2.2.1 Thành phần dầu ăn thải [23]
Dầu ăn thải chủ yếu chứa tryglyxerit, chiếm 95% khối lượng, trong khi 5% còn lại bao gồm acid béo tự do và một số tạp chất khác Trong 5% acid béo này có nhiều loại acid khác nhau, được thể hiện trong bảng 2.4 dưới đây.
Bảng 2.4: Thành phần acid béo trong dầu ăn thải
STT Tên acid Công thức Phần trăm
2.2.2 Xử lý sơ bộ nguyên liệu
Nguyên liệu sau khi thu mua cần được xử lý trước khi tổng hợp biodiesel, vì chúng chứa nhiều tạp chất cơ học, cặn cacbon và có lượng axit béo tự do cao Việc loại bỏ những tạp chất này là cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm biodiesel.
Để xử lý 23 nguồn nguyên liệu phế thải, cần thực hiện các bước tinh chế như lắng, lọc, tách axit béo tự do, rửa và sấy dầu, đồng thời xác định một số chỉ tiêu quan trọng.
Quá trình lắng diễn ra khi các hạt phân tán trong dầu rơi tự do dưới tác động của trọng lực, tuy nhiên, do phụ thuộc vào trọng lực, quá trình này thường kéo dài Để tăng tốc độ lắng, cần nâng nhiệt độ nhằm giảm độ nhớt của dầu; ở nhiệt độ cao, các hạt nhỏ sẽ kết tụ lại thành các hạt lớn hơn, dễ lắng hơn Nhiệt độ lý tưởng cho quá trình lắng cặn là 50 độ C, với thời gian lắng khoảng 1,5 giờ.
Quá trình lọc sử dụng vật liệu xốp cho phép chỉ những phần tử có kích thước nhất định đi qua Trong phòng thí nghiệm, bông hoặc vải thường được sử dụng để lọc, vì dầu mỡ có độ nhớt cao, khiến việc lọc bằng giấy mất nhiều thời gian.
Tách axít béo tự do
Axít béo tự do có trong dầu là nguyên nhân làm giảm chất lượng dầu, vì chúng xúc tác cho phản ứng oxy hóa và phân ly dầu Để sản xuất biodiesel, nguyên liệu dầu cần có chỉ số axít dưới 2 Do đó, việc tách axít béo tự do khỏi dầu là cần thiết và cần đảm bảo các điều kiện thích hợp.
Tác nhân trung hòa cần phản ứng nhanh với axit béo tự do mà không tác động đến dầu trung tính Hỗn hợp phân lớp diễn ra nhanh chóng và triệt để, giúp dầu trung tính tách biệt nhanh chóng khỏi tạp chất mà không tạo thành hệ nhũ tương bền.
Tác nhân trung hòa thường sử dụng các loại kiềm như NaOH, KOH, hoặc muối kiềm như Na2CO3, mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng Việc lựa chọn tác nhân phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu Hiệu quả của quá trình trung hòa được đánh giá qua chỉ số axít của dầu sau khi trung hòa.
Trung hòa bằng NaOH hay KOH
Khi trung hòa bằng NaOH hay KOH ta có phản ứng:
Trong quá trình trung hòa dầu mỡ bằng kiềm, cần chú ý đến nhiệt độ và nồng độ dung dịch kiềm phù hợp với chỉ số acid của dầu mỡ để tránh tình trạng kiềm dư thừa Đầu tiên, cần xác định chỉ số axít của dầu để chọn nồng độ dung dịch kiềm thích hợp, từ đó tính toán lượng kiềm cần thiết để phản ứng với axít béo tự do có trong dầu thải Dầu ăn phế thải đã qua sử dụng có chỉ số axit là 1,139, điều này cần được xem xét trong quá trình trung hòa.
Để thực hiện quá trình trung hòa, chúng ta nên sử dụng lượng kiềm loãng khoảng 40g NaOH/lít Dung dịch kiềm được phun đều lên bề mặt dầu, đồng thời khuấy trộn để kiềm phân tán tốt hơn, giúp quá trình tạo cặn xà phòng diễn ra dễ dàng Sau khi đã cho hết kiềm, bổ sung dung dịch muối ăn 4% vào hỗn hợp để thúc đẩy việc lắng cặn xà phòng nhanh hơn Sau 6 giờ lắng, cặn xà phòng sẽ lắng xuống và dầu nổi lên, lúc này ta tiến hành tách chiết dầu.
Sau khi trung hòa, cần rửa lại bằng nước nóng 70°C để loại bỏ hoàn toàn xà phòng và kiềm dư Sử dụng giấy quỳ để thử nước rửa cho đến khi nước trở nên trong và trung tính Sau khi lắng và tách nước, dầu vẫn còn một ít nước dưới dạng hạt phân tán nhỏ, do đó cần phải sấy để tách nước Sấy ở chân không hoặc áp suất thường, trong đó sấy chân không sẽ mang lại chất lượng dầu cao hơn nhờ vào việc tránh phân hủy và oxy hóa dầu.
Sau đó xác định lại chỉ số axít, chỉ số này nhỏ hơn hai là đạt yêu cầu
- Chiết lấy phần dầu, rửa lại bằng nước vài lần
- Sau đó đem dầu đi sấy ở 120 o C trong 1 giờ để đuổi hết nước và các chất - bay hơi trong dầu, dùng muối hút ẩm để hút nước trong dầu
- Xác định lại các tính chất kỹ thuật của dầu thải đã xử lý
Cho than hoạt tính vào dầu đã qua xử lý và khuấy trong 3 giờ Sau khi khuấy, để than lắng và tiến hành lọc tách Dầu nguyên liệu sau khi xử lý có màu vàng nhạt, tương đương với màu của dầu ăn thương mại trên thị trường.
Xử lý với Na 2 SO 4 khan
Để loại bỏ hoàn toàn nước trong quá trình xử lý dầu, cần thực hiện một công đoạn quan trọng Na2SO4, với tính chất háo nước, được thêm vào dầu và khuấy đều, sau đó để qua đêm để hút hết nước còn lại Tiếp theo, cần lọc sạch phần rắn ra khỏi dầu nguyên liệu, từ đó thu được nguyên liệu chất lượng cao để tiến hành phản ứng tổng hợp Biodiesel.
Để xác định xem dầu ăn thải đã được xử lý sạch hay chưa, chúng ta có thể sử dụng giấy đo pH để kiểm tra nước rửa Bằng cách so sánh với bảng màu của giấy pH, chúng ta có thể xác định hàm lượng kiềm dư còn lại trong nước Quá trình kiểm tra sẽ tiếp tục cho đến khi nước rửa không làm đổi màu giấy pH, điều này cho thấy lượng kiềm dư trong mẫu dầu ăn thải đã được loại bỏ hoàn toàn.
Dầu ăn phế thải sau khi được xử lý có màu vàng trong suốt và chỉ số axit giảm xuống còn 0,488, cho phép sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp biodiesel.
2.2.3 Phân tích các tính chất của dầu thực vật [2] a Xác định tỷ trọng của dầu thải bằng phương pháp dùng picnomet
KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
Khảo sát nguyên liệu và điều kiện để điều chế xúc tác
3.1.1 Tính chất hóa lý trước và sau xử lý
Bảng 3.1: Tính chất hóa lý của dầu ăn thải trước và sau khi xử lý
Chỉ tiêu Dầu ăn thải chưa xử lý Dầu ăn thải đã xử lý
Chỉ số Iốt, gI2/100g 65,82 63,79 Độ nhớt động học 40 o C 33,8 33,7
Màu sắc Vàng đen, hơi sẫm Vàng sáng
Việc sử dụng dầu ăn phế thải chưa qua xử lý làm nguyên liệu tổng hợp biodiesel gặp khó khăn do chỉ số axit cao và lẫn nhiều cặn, dẫn đến khả năng tạo xà phòng và kết khối trong quá trình phản ứng Do đó, cần thiết phải xử lý dầu trước khi tiến hành tổng hợp biodiesel.
Sau khi xử lý, các chỉ tiêu của dầu ăn thải đã được cải thiện rõ rệt, như trình bày ở bảng 3.1 Dầu ăn phế thải ban đầu có màu vàng đen, chỉ số axit là 1,139 và chứa nhiều cặn Tuy nhiên, sau quá trình xử lý, dầu thu được có màu vàng sáng, không còn cặn và chỉ số axit giảm xuống còn 0,488 Các chỉ tiêu khác không có sự chênh lệch lớn so với ban đầu, cho thấy dầu ăn thải đã đủ điều kiện để sử dụng làm nguyên liệu cho phản ứng tổng hợp biodiesel.
3.1.2 Khảo sát nhiệt độ nung cho vỏ trứng gà [19]
Theo lý thuyết, CaCO3 phân hủy thành CaO ở nhiệt độ khoảng 750 °C, bắt đầu phân hủy mạnh ở 850 °C và hoàn toàn ở 928 °C Do đó, chúng tôi đã chọn các mốc nhiệt độ 750 °C và 850 °C cho nghiên cứu của mình.
900 và 950 o C để tiến hành nung vỏ trứng Vỏ trứng sau khi nung có sự thay đổi về màu sắc rất rõ và được thể hiện như hình 3.1 dưới đây
Hình 3.1: Vỏ trứng nung từ 750 – 950 o C hình 1,2,3,4 Theo hình 3.1 thì màu sắc của mẫu vỏ trứng sau khi nung ở các mốc nhiệt độ từ
Ở nhiệt độ từ 750 đến 950 oC, màu sắc của mẫu có sự thay đổi rõ rệt Tại 750 và 850 oC, mẫu có màu xám đậm do CaCO3 chỉ mới phân hủy một phần, với các hạt kích thước lớn không thể nghiền thành bột mịn Tuy nhiên, ở 850 oC, màu xám của mẫu nhạt hơn do hàm lượng CaCO3 bị phân hủy thành CaO nhiều hơn Đến 900 oC, mẫu chuyển sang màu xám trắng và sau khi nghiền, độ mịn của mẫu cao hơn nhiều so với hai mức nhiệt độ trước đó.
Ở nhiệt độ 950 o C, mẫu thu được có dạng bột mịn, màu trắng sáng do CaCO3 đã phân hủy hoàn toàn thành CaO Mẫu nung ở 950 o C có màu sắc và độ mịn tương đương với CaO thương mại hiện nay Đánh giá các mốc nhiệt độ nung cho thấy, nung vỏ trứng gà ở 950 o C tạo ra mẫu xúc tác với độ màu sáng và độ mịn cao Tuy nhiên, cần thực hiện thêm các bước kiểm tra để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình nung xúc tác.
3.1.3 Đánh giá chất lượng của xúc tác sau khi điều chế
Các mẫu xúc tác được điều chế ở bốn mức nhiệt độ khác nhau đã được sử dụng để thực hiện phản ứng mẫu, nhằm kiểm tra khả năng xúc tác và hiệu suất thu hồi Biodiesel Điều kiện thực hiện phản ứng mẫu được thiết lập dựa trên các nghiên cứu trước đây về tổng hợp Biodiesel bằng xúc tác dị thể, cả trong nước và quốc tế Sau khi tham khảo các công trình nghiên cứu, chúng tôi đã tiến hành đánh giá hiệu quả của các mẫu xúc tác này.
41 nghiên cứu trước đó, chúng tôi đã chọn điều kiện phản ứng mẫu như sau:
- Tỉ lệ MeOH/nguyên liệu: 10/1
- Thời gian phản ứng: 6 giờ
Kết quả sau khi chạy các phản ứng của các mẫu xúc tác theo nhiệt độ nung được thể hiện trong bảng 3.2 dưới đây
Bảng 3.2: Hiệu suất thu hồi B.O theo nhiệt độ nung vỏ trứng
STT Mẫu xúc tác Hiệu suất (%)
Kết quả nghiên cứu cho thấy xúc tác VT - 950, được chế tạo từ vỏ trứng nung ở 950 o C, đạt hiệu suất thu hồi Biodiesel cao nhất là 90%, chứng tỏ rằng nhiệt độ nung này là tối ưu cho việc điều chế xúc tác CaO Để xác minh chất lượng của xúc tác từ vỏ trứng, chúng tôi đã tiến hành nung các mẫu vỏ sò (VS - 950), san hô (SH - 950) và xương heo.
Tất cả bốn mẫu được thử nghiệm ở nhiệt độ 950 o C theo các điều kiện đã định sẵn, và kết quả thu được được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 3.3: Khảo sát khả năng xúc tác của các mẫu ở cùng điều kiện
STT Mẫu xúc tác Hiệu suất (%)
Mẫu xúc tác từ vỏ trứng gà đạt hiệu suất thu hồi B.O cao nhất, lên tới 90%, so với các mẫu xúc tác khác trong cùng điều kiện nung Điều này chứng tỏ tính hiệu quả vượt trội của mẫu xúc tác này.
Vì vậy, tối quyết định chọn vỏ trứng gà là nguồn phế phẩm để sử dụng điều chế xúc tác và được nung ở 950 o C trong 3 giờ
3.1.4 Kiểm tra các tính chất hóa lý của xúc tác bằng TGA, SEM, TEM, XRD, IR a TGA
According to TLTK [13], Fabio Seigi Murakami et al (2007) conducted a physicochemical study on calcium carbonate (CaCO3) derived from egg shells, published in Tecnol Aliment, Campinas, volume 27, pages 658-662 The experiment utilized Thermogravimetric Analysis (TGA) to measure the properties of the egg shells using a METTLER device at varying temperatures.
25 đến 900 o C trong môi trường khí nitơ với tốc độ gia nhiệt là 5.00 °C/phút
Theo đường cong TGA của mẫu CaCO3 công nghiệp, mẫu này có khả năng ổn định nhiệt lên đến 600 °C với tổn thất khối lượng chỉ 1,8% Quá trình phân hủy diễn ra nhanh chóng trong khoảng nhiệt độ từ 601 đến 770 °C.
mA.7% Điều này có thể lý giải do CaCO3 bị phân hủy tạo thành CaO và giải phóng
Theo hình 3.2, đường cong TGA của CaCO3 công nghiệp đã được tham khảo Kết quả chụp TGA của vỏ trứng mà chúng tôi đo được, như thể hiện trong hình 3.3, cho thấy mẫu vỏ trứng có độ ổn định nhiệt độ cao.
43 tới 530,60 o C với tổn thất khối lượng m= 3,75 % Quá trình phân hủy diễn ra nhanh ở khoảng nhiệt độ từ 531,06 đến 882,74 o C với độ tổn thất khối lượng m= 43,08 %
Hình 3.3: Kết quả chụp TGA của vỏ trứng
Các phân tích cho thấy CaCO3 trong mẫu vỏ trứng có nhiệt độ phân hủy thấp hơn khoảng 70°C so với CaCO3 công nghiệp, nhưng tổn thất khối lượng của CaCO3 trong vỏ trứng lại lớn hơn Điều này chứng tỏ CaCO3 trong mẫu vỏ trứng phân hủy hiệu quả hơn so với CaCO3 công nghiệp.
Hình ảnh SEM của mẫu xúc tác vỏ trứng nung ở 950 o C cho thấy rõ bề mặt, kích thước tương đối của các hạt và mao quản bên trong mẫu.
Hình 3.4: Ảnh SEM của mẫu xúc tác CaO được điều chế
Dựa vào hình ảnh chụp SEM của mẫu vỏ trứng, kích thước trung bình của các hạt trong mẫu khoảng 1.5 - 2 mm, với các lỗ xốp không đồng đều nhưng không có sự chênh lệch kích thước quá lớn Hình ảnh với độ phóng đại 50 và 500 lần cho thấy bề mặt mẫu có các hạt nhỏ khá đồng đều, tuy nhiên vẫn chưa đạt độ đồng nhất tuyệt đối.
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tổng hợp biodiesel
3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của phương pháp châm mẫu từng giai đoạn
Phương pháp châm mẫu nguyên liệu theo từng giai đoạn giúp tăng cường hiệu quả tiếp xúc giữa nguyên liệu và các tác chất như methanol và xúc tác, rút ngắn thời gian phản ứng Sau khi tham khảo các nghiên cứu trước, chúng tôi thiết lập điều kiện phản ứng với tỷ lệ mol methanol/nguyên liệu là 10/1, hàm lượng xúc tác 10% nguyên liệu, và nhiệt độ 60 °C Quy trình thực hiện bao gồm việc cho xúc tác và methanol vào bình cầu ba cổ, trong đó một cổ lắp nhiệt kế, một cổ lắp ống sinh hàn để ngưng tụ methanol, và một cổ để nạp nguyên liệu Nguyên liệu được nạp từ từ qua phễu chiết, và khi đạt nhiệt độ yêu cầu, nguyên liệu được cho vào bình cầu từng giọt trong suốt thời gian khảo sát Độ chuyển hóa của phản ứng được theo dõi bằng phương pháp TLC, với kết quả thể hiện trong bảng 3.4.
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của phương pháp châm mẫu từng giai đoạn
STT Thời gian châm mẫu
Theo như số liệu trên bảng cho ta thấy khi tăng thời gian châm mẫu từ 30 phút lên
Sau 120 phút, hiệu suất phản ứng tăng từ 80% lên 87%, trong khi thời gian phản ứng giảm từ 6 giờ 30 phút xuống còn 5 giờ Mặc dù việc tăng thời gian châm mẫu không làm tăng đáng kể hiệu suất phản ứng, nhưng thời gian phản ứng lại được rút ngắn Do đó, chúng tôi quyết định chọn thời gian châm mẫu là 2 giờ cho phản ứng tổng hợp B.O.
3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
Sau khi lựa chọn loại cồn phù hợp cho phản ứng tổng hợp B.O, thời gian châm mẫu được xác định là 2 giờ Các thông số tham khảo từ các nghiên cứu trước đây cho thấy tỷ lệ mol methanol/dầu là 10/1, với hàm lượng xúc tác chiếm 10% nguyên liệu và thời gian phản ứng cần thiết.
Vào lúc 5 giờ, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu tác động của nhiệt độ đến hiệu suất của phản ứng, với kết quả được trình bày trong bảng 3.5 và biểu đồ dưới đây.
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
STT Nhiệt độ ( o C) Hiệu suất (%)
Từ bảng trên ta vẽ được đồ thị biễu diễn sự ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng như hình ảnh đồ thị 3.8 dưới đây
Nhiệt độ phản ứng có ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ phản ứng, với sự gia tăng từ 30 o C, 40 o C đến 60 o C tương ứng với tốc độ phản ứng tăng 42%, 69% và 87% Tuy nhiên, nếu kéo dài thời gian phản ứng, lượng methanol bay hơi sẽ tăng lên đáng kể do nhiệt độ sôi của methanol là 64,7 o C, dẫn đến việc tạo ra nhiều sản phẩm phụ và tiêu tốn năng lượng Do đó, nhiệt độ 60 o C được xác định là phù hợp nhất cho quá trình phản ứng.
3.2.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol methanol/dầu
Trong quá trình tổng hợp Biodiesel (B.O), với các điều kiện như thời gian châm mẫu 2 giờ và nhiệt độ phản ứng 60 oC, chúng tôi đã khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ methanol/dầu dựa trên các thông số từ nghiên cứu trước, bao gồm hàm lượng xúc tác 10% và thời gian phản ứng 5 giờ Tỷ lệ methanol/dầu lớn hơn sẽ thuận lợi cho phản ứng, nhưng nếu methanol được sử dụng quá nhiều, sản phẩm có thể bị thủy phân do hơi nước, dẫn đến các sản phẩm phụ không mong muốn và giảm hiệu suất thu hồi Biodiesel Kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 3.6 và đồ thị tương ứng.
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của tỷ lệ mol MeOH/nguyên liệu
STT Tỷ lệ mol (methanol/dầu) Hiệu suất ( % )
Từ bảng trên ta vẽ được đồ thị biễu diễn sự ảnh hưởng của tỷ lệ MeOH/ nguyên liệu như hình ảnh đồ thị dưới đây
Tăng tỷ lệ methanol trong quá trình thu hồi B.O có ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất, cụ thể khi tỷ lệ methanol/nguyên liệu tăng từ 3/1 lên 7/1, hiệu suất thu hồi tăng từ 55% lên 79% Đặc biệt, hiệu suất đạt cao nhất là 87% khi tỷ lệ đạt 10/1, cho thấy đây là tỷ lệ tối ưu cho phản ứng.
Ở tỷ lệ 12/1 và 15/1, hiệu suất thu hồi B.O không thay đổi nhiều so với tỷ lệ 10/1 Điều này có thể do lượng methanol dư thừa ở hai tỷ lệ này, dẫn đến hiệu suất giảm Sự thủy phân sản phẩm tạo ra các sản phẩm phụ cũng góp phần làm giảm hiệu suất thu hồi B.O.
Dựa vào kết quả từ đồ thị, chúng tôi quyết định chọn tỷ lệ phối trộn methanol/nguyên liệu là 10/1 để khảo sát các điều kiện còn lại trong phản ứng tổng hợp B.O.
Tỷ lệ MeOH/ nguyên liệu
3.2.4 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác
Dưới các điều kiện tỷ lệ mol MeOH/nguyên liệu là 10/1, thời gian phản ứng 5 giờ, thời gian châm mẫu 2 giờ, và nhiệt độ 60 o C, chúng tôi đã khảo sát hàm lượng chất xúc tác từ 3-15% nguyên liệu Kết quả của nghiên cứu được trình bày trong bảng 3.7.
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác
STT Hàm lượng xúc tác (% nguyên liệu) Hiệu suất (%)
Khi tăng lượng xúc tác từ 3% lên 5%, hiệu suất thu biodiesel tăng từ 70% đến 78% Sự gia tăng hàm lượng xúc tác làm tăng số lượng tâm hoạt động, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác và cải thiện hiệu suất phản ứng.
Ở mức hàm lượng xúc tác 7%, hiệu suất thu hồi biodiesel đạt ngưỡng tối ưu cho quá trình phản ứng Khi tăng hàm lượng xúc tác lên 10%, 12% và 15%, hiệu suất thu biodiesel lần lượt đạt 85%, 87% và 86%, cho thấy sự chênh lệch không đáng kể Nguyên nhân của sự sai lệch này có thể do thao tác thí nghiệm chưa chuẩn và thiết bị không đạt tiêu chuẩn.
Chúng tôi đã chọn hàm lượng xúc tác là 7% và tỷ lệ phối trộn 10/1 dựa trên các kết quả khảo sát Tiếp theo, chúng tôi sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất thu hồi B.O khi kết hợp hai thông số này.
3.2.5 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Theo nghiên cứu sau khi khảo sát các thông số tối ưu với tỷ lệ mol methanol/dầu
Trong nghiên cứu, với tỉ lệ 51 là 10/1 và hàm lượng xúc tác là 7% nguyên liệu, chúng tôi tiến hành khảo sát thời gian phản ứng ở nhiệt độ 60°C Kết quả của thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.8 và minh họa qua đồ thị ở hình 3.10.
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
STT Thời gian (giờ) Hiệu suất (%)
Từ bảng trên ta vẽ được đồ thị biễu diễn sự ảnh hưởng của thời gian phản ứng như hình ảnh đồ thị dưới đây
Hình 3.10: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Thực nghiệm cho thấy phản ứng este hóa với xúc tác CaO cần thời gian dài hơn so với xúc tác đồng thể Kết quả cho thấy, trong khoảng thời gian từ 3 đến 5 giờ, hiệu suất thu hồi B.O tăng từ 56% lên 87% Tuy nhiên, khi tiếp tục kéo dài thời gian phản ứng từ 5 giờ đến 8 giờ, hiệu suất có xu hướng giảm từ 85% xuống 81% Dựa trên các phân tích này, chúng tôi chọn thời gian phản ứng tối ưu cho quá trình tổng hợp B.O là 5 giờ, với hiệu suất cao nhất đạt 85%.
3.2.6 So sánh sản phẩm B.O khi sử dụng xúc tác CaO nung từ vỏ trứng gà với xúc tác CaO thương mại
Phân tích thành phần sản phẩm Biodiesel
Biodiesel thành phẩm được đem đi xác định thành phần, qua kết quả chạy phổ GC ta có số liệu cụ thể và phổ của biodiesel như dưới đây
Hình 3.11: Phổ GCMS phổ thành phần biodiesel sản phẩm
Sau khi sản phẩm biodiesel được mang đi phân tích GC, ta có thành phần và hàm lượng như bảng 3.13 dưới đây
STT Rt Tên chất Hàm lượng Mass Độ tương hợp khối phổ
The GC analysis of the biodiesel sample derived from waste oil revealed five distinct peaks The primary components of the biodiesel are methyl esters of fatty acids, with Myristic acid at 0.683%, Palmitic acid at 35.17%, Linoleic acid at 8.601%, Oleic acid at 39.89%, and Stearic acid at 3.745% Thus, the composition and profile of this biodiesel closely resemble that of B100 biodiesel.
Kết quả quét phổ hồng ngoại IR được thể hiện qua hình dưới đây
Hình 3.12 Hình ảnh phổ IR của sản phẩm biodiesel
Hình 3.13 Hình ảnh phổ IR của nguyên liệu đã qua xử lý
Phổ IR của nguyên liệu và sản phẩm B.O cho thấy sự tương đồng rõ rệt do sự hiện diện của triglyceride và methyl ester Các dao động kéo dài của C-H đối xứng và không đối xứng từ các nhóm CH3, CH2 và CH lần lượt xuất hiện ở các đỉnh khoảng 2925,16 cm -1, 2854,44 cm -1, 3005,79 cm -1 cho sản phẩm B.O, và 2924,44 cm -1, 2853,83 cm -1, 3008,21 cm -1 cho nguyên liệu.
Có sự khác biệt nhỏ giữa ba vùng ester của các liên kết C=O, CH3 và C-O trong các hợp chất của B.O so với nguyên liệu ban đầu Điều này được thể hiện qua đỉnh ester mạnh ở khoảng 1744,28 cm -1 (C=O) và 1171,03 cm -1, 1196,72 cm -1 (C-O) Bên cạnh đó, sự hiện diện của nhóm CH3 trong hỗn hợp metyl ester cũng được xác định qua đỉnh 1436,17 cm -1.
So sánh tính chất hóa lý của biodiesel với Diesel
Sản phẩm B.O tổng hợp được ở nghiên cứu này được đo các chỉ số hóa lý và được thể hiện trong bảng 3.14 dưới đây
Bảng 3.14: Bảng so sánh tính chất của sản phẩm B.O và Diesel
Chỉ số B.O được tổng hợp
Tỷ trọng (kg/cm 3 ) 0.85 0.87 - 0.89 0.82 – 0.86 Độ nhớt động học (cSt) 4.5 1.9 – 6.0 1,9 – 6,0 Điểm chớp cháy ( o C) 95 130 55 Độ ăn mòn tấm đồng Loại 1 Loại 1 Loại 1
Hàm lượng lưu huỳnh (% khối lượng), max -