Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chuyển hóa fructose thành 5 hydroxymethyl furfuran trên xúc tác siêu axit meox so42 me ti zn fe zr

Luận văn thạc sĩ phân tích nghiên cứu chuyển hóa fructose thành 5 hydroxymethyl furfuran trên xúc tác siêu axit meox so42 me, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Phan Thanh Hải
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thanh Bình
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa dầu
• Đề tài: Nghiên Cứu Phản Ứng Chuyển Hóa Fructozơ Thành 5-Hydroxymethylfurfural Trên Xúc Tác Siêu Axit
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nhiên liệu sinh học
• 1.2. Phân loại nhiên liệu sinh học
• 1.3. Tình hình phát triển nhiên liệu sinh học đi từ sinh khối
• 1.4. Tổng hợp nhiên liệu sinh học từ lignoxenlulose
• 1.4.1. Thành phần sinh khối lignoxenlulo
• 1.4.2. Tỉ lệ thành phần lignoxenlulozơ
• 1.4.3. Thành phần hóa học của vi sợi xenlulozơ
• 1.4.4. Sơ chế nguyên liệu sinh khối lingnoxenlulozơ
• 1.4.5. Hướng nghiên cứu chuyển hóa lignoxenlulozơ thành nhiên liệu
• 1.5. Chuyển hóa các Furans thành nhiên liệu sinh học
• 1.6. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng xúc tác
• 2.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.2.3. Phổ hồng ngoại IR
• 2.2.4. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.2.5. Phương pháp tổng hợp HMF
• 2.2.6. Hóa chất và thiết bị
• 2.2.7. Quy trình thực nghiệm
• 2.2.8. Phương pháp đánh giá sản phẩm phản ứng
• 2.2.8.1. Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng xúc tác
• 3.1.1. Kết quả nhiễu xạ tia X
• 3.1.2. Phổ hồng ngoại
• 3.1.3. Khảo sát sơ bộ hoạt tính xúc tác MexOy
• 3.1.4. Hoạt tính xúc tác ZrO2
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về chuyển hóa fructose thành HMF trên xúc tác siêu axit

Chuyển hóa fructose thành HMF (5-hydroxymethylfurfural) là một quá trình quan trọng trong lĩnh vực hóa học hữu cơ và nhiên liệu sinh học. HMF được coi là một tiền chất tiềm năng cho nhiều sản phẩm hóa học và nhiên liệu sinh học. Việc sử dụng xúc tác siêu axit trong quá trình này đã mở ra nhiều cơ hội mới cho việc tối ưu hóa hiệu suất và độ chọn lọc của HMF. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương pháp và điều kiện tối ưu để chuyển hóa fructose thành HMF, đồng thời phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.

1.1. Tính chất và ứng dụng của HMF trong công nghiệp

HMF là một hợp chất hữu cơ có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất. Nó có thể được sử dụng để sản xuất các hợp chất như 2,5-dimethylfuran (DMF) và các loại nhựa tổng hợp. HMF cũng có tiềm năng trong việc thay thế các nhiên liệu hóa thạch, góp phần vào việc phát triển bền vững và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.2. Vai trò của xúc tác siêu axit trong chuyển hóa fructose

Xúc tác siêu axit, như MeOx.SO42- (Me: Ti, Fe, Zn, Zr), đã chứng minh hiệu quả cao trong việc chuyển hóa fructose thành HMF. Các nghiên cứu cho thấy rằng xúc tác này không chỉ tăng cường hiệu suất phản ứng mà còn cải thiện độ chọn lọc của HMF, giúp giảm thiểu các sản phẩm phụ không mong muốn.

II. Vấn đề và thách thức trong quá trình chuyển hóa fructose thành HMF

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu chuyển hóa fructose thành HMF, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức cần giải quyết. Một trong những vấn đề chính là hiệu suất thấp và độ chọn lọc không cao của HMF trong các điều kiện phản ứng hiện tại. Ngoài ra, việc kiểm soát nhiệt độ và áp suất trong quá trình phản ứng cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng.

2.1. Hiệu suất và độ chọn lọc của HMF trong các điều kiện khác nhau

Nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất tạo HMF có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, áp suất và nồng độ fructose. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để đạt được hiệu suất cao nhất.

2.2. Các sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình chuyển hóa

Trong quá trình chuyển hóa fructose thành HMF, có thể xảy ra nhiều phản ứng phụ dẫn đến sự hình thành các sản phẩm không mong muốn. Điều này không chỉ làm giảm hiệu suất của HMF mà còn làm tăng chi phí sản xuất. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp để giảm thiểu các sản phẩm phụ này là rất quan trọng.

III. Phương pháp tối ưu hóa chuyển hóa fructose thành HMF

Để tối ưu hóa quá trình chuyển hóa fructose thành HMF, nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu. Các phương pháp này bao gồm việc điều chỉnh các điều kiện phản ứng, sử dụng các loại xúc tác khác nhau và áp dụng các công nghệ mới trong quá trình sản xuất.

3.1. Điều chỉnh nhiệt độ và áp suất trong quá trình phản ứng

Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chọn lọc của HMF. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa nhiệt độ và áp suất có thể giúp tăng cường hiệu suất tạo HMF lên đến 90%.

3.2. Sử dụng các loại xúc tác khác nhau để cải thiện hiệu suất

Việc thử nghiệm với các loại xúc tác khác nhau như MeOx.SO42- đã cho thấy sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất chuyển hóa fructose thành HMF. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các loại xúc tác mới với hiệu suất cao hơn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của HMF trong ngành công nghiệp

HMF không chỉ là một sản phẩm trung gian quan trọng trong quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học mà còn có nhiều ứng dụng khác trong ngành công nghiệp hóa chất. Việc phát triển các quy trình sản xuất HMF hiệu quả sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp này.

4.1. HMF như một tiền chất cho nhiên liệu sinh học

HMF có thể được chuyển hóa thành các hợp chất như DMF, một loại nhiên liệu sinh học tiềm năng. Việc sử dụng HMF trong sản xuất nhiên liệu sinh học không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững.

4.2. Ứng dụng HMF trong sản xuất hóa chất

Ngoài vai trò là tiền chất cho nhiên liệu sinh học, HMF còn được sử dụng trong sản xuất nhiều loại hóa chất khác nhau. Việc phát triển các quy trình sản xuất HMF hiệu quả sẽ giúp tăng cường khả năng cạnh tranh của ngành công nghiệp hóa chất.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu chuyển hóa fructose thành HMF

Nghiên cứu chuyển hóa fructose thành HMF trên xúc tác siêu axit đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp hóa chất và nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất và độ chọn lọc của HMF. Tương lai của nghiên cứu này sẽ phụ thuộc vào việc phát triển các phương pháp mới và cải tiến các quy trình sản xuất hiện tại.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực chuyển hóa HMF

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các loại xúc tác mới và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để nâng cao hiệu suất và độ chọn lọc của HMF. Việc áp dụng các công nghệ mới cũng sẽ là một yếu tố quan trọng trong tương lai.

5.2. Tác động của HMF đến ngành công nghiệp và môi trường

Việc phát triển HMF như một nguồn nhiên liệu sinh học có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và góp phần vào việc phát triển bền vững. HMF có tiềm năng lớn trong việc thay thế các nhiên liệu hóa thạch, tạo ra một tương lai xanh hơn cho ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ và than đá ngày càng cạn kiệt và gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng như hiệu ứng nhà kính, việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế bền vững và thân thiện với môi trường trở thành ưu tiên hàng đầu. Nhiên liệu sinh học, đặc biệt là các hợp chất có nguồn gốc từ sinh khối lignocellulose, được xem là giải pháp tiềm năng nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Theo ước tính, lignocellulose chiếm khoảng 40-50% trọng lượng khô của thành tế bào thực vật, là nguồn nguyên liệu phong phú và tái tạo được.

Một mắt xích quan trọng trong chuỗi chuyển hóa lignocellulose thành nhiên liệu sinh học là phản ứng chuyển hóa fructozơ thành 5-hydroxymethylfurfural (HMF). HMF là hợp chất trung gian có thể được biến đổi thành các nhiên liệu lỏng như 2,5-dimetylfuran (DMF) hoặc các hợp chất hydrocarbon khác. Tuy nhiên, hiệu suất và độ chọn lọc của HMF trong các quy trình hiện tại còn thấp, gây hạn chế cho việc ứng dụng thương mại.

Luận văn tập trung nghiên cứu phản ứng chuyển hóa fructozơ thành HMF sử dụng xúc tác siêu axit rắn MeOx.SO42- (với Me là Ti, Fe, Zn, Zr) nhằm nâng cao hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2016-2017 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, với mục tiêu phát triển xúc tác có hoạt tính cao, ổn định và thân thiện môi trường, góp phần thúc đẩy sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai từ lignocellulose.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết xúc tác siêu axit rắn: Tính siêu axit được hình thành khi nhóm SO42- liên kết với bề mặt oxit kim loại, tạo ra các tâm axit Lewis và Bronsted có vai trò quan trọng trong phản ứng mất nước fructozơ thành HMF. Tỷ lệ tâm Bronsted/Lewis phụ thuộc vào phương pháp điều chế, mức độ hidrat hóa và nhiệt độ nung xúc tác.

• Mô hình chuyển hóa carbohydrate thành HMF: Quá trình mất nước fructozơ qua ba phân tử nước tạo thành HMF, được xúc tác bởi các axit đồng thể hoặc dị thể. Các dung môi như DMSO, acetone, hoặc chất lỏng ion được sử dụng để tăng độ chọn lọc và giảm sản phẩm phụ.

• Khái niệm về lignocellulose và chuyển hóa sinh khối: Lignocellulose gồm cellulose, hemicellulose và lignin, có cấu trúc phức tạp và bền vững, đòi hỏi các phương pháp sơ chế và xúc tác hiệu quả để chuyển hóa thành đường đơn và tiếp tục thành HMF.

Các khái niệm chính bao gồm: xúc tác siêu axit, mất nước fructozơ, hiệu suất chuyển hóa, độ chọn lọc sản phẩm, và các phương pháp sơ chế sinh khối.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các mẫu xúc tác MeOx.SO42- (Me: Ti, Fe, Zn, Zr) được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Nguyên liệu fructozơ tinh khiết được sử dụng làm chất phản ứng.

• Phương pháp tổng hợp xúc tác: Các oxit kim loại được sunfat hóa bằng dung dịch H2SO4 hoặc (NH4)2SO4, sau đó nung ở 550°C trong 3-4 giờ. Phương pháp ngâm tẩm được ưu tiên để đảm bảo hàm lượng lưu huỳnh ổn định và diện tích bề mặt lớn.

• Phương pháp đặc trưng xúc tác: Sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, phổ hồng ngoại (IR) để nhận diện nhóm chức, và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) để phân tích thành phần nguyên tố.

• Phương pháp phản ứng chuyển hóa: Phản ứng mất nước fructozơ được tiến hành trong dung môi DMSO với xúc tác MeOx.SO42- ở nhiệt độ 80-120°C, thời gian 0,5-4 giờ, dưới khí N2 để tránh oxy hóa.

• Phân tích sản phẩm: Sử dụng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) với detector quang diot ở bước sóng 283 nm để xác định nồng độ HMF, tính toán độ chuyển hóa fructozơ, hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm.

• Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực nghiệm với nhiều mẫu xúc tác và điều kiện phản ứng khác nhau, tổng cộng khoảng 30-40 thí nghiệm được thực hiện trong vòng 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc trưng cấu trúc xúc tác:

   • XRD cho thấy xúc tác TiO2.SO42- chủ yếu ở pha anatase (85,8%), ZnO.SO42- chứa muối sunfat kẽm (67,66%), Fe2O3.SO42- có hematite (68,96%).
   • Phổ IR xác nhận sự hiện diện của nhóm SO42- trên bề mặt xúc tác với các dải hấp thụ đặc trưng ở vùng 936-1214 cm⁻¹.
   • Phổ EDX cho thấy hàm lượng lưu huỳnh trong xúc tác ZnO.SO42- lên tới 31,57%, TiO2.SO42- là 9,09%, phù hợp với kết quả sunfat hóa.

2. Hiệu suất chuyển hóa fructozơ thành HMF:

   • Xúc tác ZrO2.SO42- đạt hiệu suất tạo HMF cao nhất khoảng 92% ở 120°C, thời gian 2 giờ, với độ chuyển hóa fructozơ gần 100%.
   • Hiệu suất trên xúc tác Fe2O3.SO42- và TiO2.SO42- lần lượt đạt khoảng 85% và 80% trong điều kiện tương tự.
   • Hiệu suất giảm khi tăng hàm lượng fructozơ quá mức hoặc thời gian phản ứng quá dài do sự hình thành sản phẩm phụ.

3. Ảnh hưởng của điều kiện phản ứng:

   • Nhiệt độ tăng từ 80°C lên 120°C làm tăng hiệu suất HMF từ khoảng 60% lên trên 90%.
   • Thời gian phản ứng tối ưu là 2 giờ; thời gian ngắn hơn chưa đủ chuyển hóa, thời gian dài hơn gây phân hủy HMF.
   • Hàm lượng fructozơ tối ưu là khoảng 0,5 g trong 10 ml dung môi DMSO.

4. Tính ổn định và tái sử dụng xúc tác:

   • Xúc tác Amberlyst-15 và MeOx.SO42- có thể tái sử dụng ít nhất 5 chu kỳ mà không giảm đáng kể hoạt tính và độ chọn lọc.
   • Việc tái sinh xúc tác bằng nung lại ở 550°C giúp duy trì tính siêu axit và diện tích bề mặt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy xúc tác siêu axit MeOx.SO42- có vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất chuyển hóa fructozơ thành HMF nhờ sự kết hợp giữa các tâm axit Bronsted và Lewis. Sự hiện diện của nhóm SO42- trên bề mặt oxit kim loại tạo ra môi trường axit mạnh, thúc đẩy phản ứng mất nước hiệu quả.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất HMF đạt được trong nghiên cứu này (khoảng 90-92%) cao hơn đáng kể so với các xúc tác đồng thể truyền thống (khoảng 60-70%). Việc sử dụng dung môi DMSO giúp giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ như axit levulinic và humins, đồng thời tăng độ chọn lọc.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ phản ứng và hiệu suất HMF sẽ minh họa rõ ràng xu hướng tăng hiệu suất khi nhiệt độ tăng đến 120°C, sau đó giảm nhẹ do phân hủy sản phẩm. Bảng tổng hợp hiệu suất trên các xúc tác khác nhau cũng cho thấy ưu thế của ZrO2.SO42-.

Tuy nhiên, việc tách chiết HMF khỏi dung môi DMSO vẫn là thách thức do tính hòa tan cao, cần nghiên cứu thêm các phương pháp chiết xuất hiệu quả và thân thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp xúc tác MeOx.SO42-

   • Áp dụng phương pháp ngâm tẩm để đảm bảo hàm lượng lưu huỳnh ổn định và diện tích bề mặt lớn.
   • Kiểm soát nhiệt độ nung ở 550°C để duy trì cấu trúc siêu axit và hoạt tính xúc tác.
   • Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm nghiên cứu hóa dầu, thời gian 3-6 tháng.

2. Điều chỉnh điều kiện phản ứng chuyển hóa fructozơ

   • Nhiệt độ phản ứng duy trì ở 120°C, thời gian 2 giờ, hàm lượng fructozơ khoảng 0,5 g/10 ml dung môi.
   • Sử dụng khí N2 để tránh oxy hóa và giảm sản phẩm phụ.
   • Chủ thể thực hiện: nhà máy pilot sản xuất nhiên liệu sinh học, thời gian 6-12 tháng.

3. Phát triển phương pháp chiết xuất HMF hiệu quả

   • Nghiên cứu sử dụng dung môi chiết tách như methyl isobutyl ketone (MIBK) hoặc hệ dung môi hỗn hợp acetone-DMSO để tăng độ chọn lọc và dễ dàng tách sản phẩm.
   • Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu công nghệ hóa học, thời gian 12 tháng.

4. Nâng cao khả năng tái sử dụng xúc tác

   • Xây dựng quy trình tái sinh xúc tác bằng nung lại và xử lý bề mặt để duy trì hoạt tính qua nhiều chu kỳ.
   • Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất xúc tác, thời gian 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa dầu và Hóa học vật liệu

   • Lợi ích: Hiểu rõ cơ chế xúc tác siêu axit và quy trình tổng hợp HMF từ fructozơ, áp dụng trong nghiên cứu phát triển nhiên liệu sinh học.

2. Doanh nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học

   • Lợi ích: Áp dụng công nghệ xúc tác rắn hiệu quả để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng

   • Lợi ích: Đánh giá tiềm năng và hướng phát triển nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.

4. Các trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường và hóa học xanh

   • Lợi ích: Nghiên cứu các phương pháp xúc tác thân thiện môi trường, giảm phát thải và ô nhiễm trong sản xuất nhiên liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn fructozơ làm nguyên liệu chuyển hóa thành HMF?
   Fructozơ có cấu trúc thuận lợi cho phản ứng mất nước tạo HMF với hiệu suất cao hơn so với glucose. Ví dụ, hiệu suất HMF từ fructozơ có thể đạt tới 90%, trong khi từ glucose chỉ khoảng 40%.

2. Xúc tác MeOx.SO42- có ưu điểm gì so với xúc tác đồng thể?
   Xúc tác siêu axit rắn có thể tái sử dụng nhiều lần, giảm ô nhiễm môi trường và dễ dàng tách khỏi sản phẩm, trong khi xúc tác đồng thể thường khó thu hồi và gây ô nhiễm do sử dụng axit hòa tan.

3. Tại sao sử dụng dung môi DMSO trong phản ứng?
   DMSO giúp tăng độ chọn lọc HMF bằng cách giảm sự thủy phân và ngưng tụ sản phẩm phụ, nâng cao hiệu suất lên tới 90%. Tuy nhiên, việc tách DMSO khỏi sản phẩm cuối cùng cần giải pháp kỹ thuật phù hợp.

4. Làm thế nào để tái sử dụng xúc tác hiệu quả?
   Xúc tác được tái sinh bằng cách nung lại ở nhiệt độ 550°C để phục hồi tính siêu axit và diện tích bề mặt, giúp duy trì hoạt tính qua ít nhất 5 chu kỳ phản ứng.

5. Hiệu suất phản ứng bị ảnh hưởng bởi những yếu tố nào?
   Nhiệt độ, thời gian phản ứng, hàm lượng fructozơ và loại xúc tác đều ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chọn lọc HMF. Ví dụ, nhiệt độ 120°C và thời gian 2 giờ là điều kiện tối ưu trong nghiên cứu này.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công xúc tác siêu axit MeOx.SO42- (Me: Ti, Fe, Zn, Zr) với cấu trúc tinh thể và nhóm chức đặc trưng được xác định rõ qua XRD, IR và EDX.
• Xúc tác ZrO2.SO42- cho hiệu suất chuyển hóa fructozơ thành HMF cao nhất, đạt khoảng 92% dưới điều kiện tối ưu.
• Dung môi DMSO giúp tăng độ chọn lọc HMF, giảm sản phẩm phụ không mong muốn.
• Xúc tác có khả năng tái sử dụng ít nhất 5 chu kỳ mà không giảm hoạt tính đáng kể.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa quy trình tổng hợp xúc tác, điều kiện phản ứng và phương pháp chiết xuất HMF để ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu sinh học bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô pilot, phát triển công nghệ chiết xuất và tái sử dụng xúc tác trong điều kiện công nghiệp. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm hợp tác để thúc đẩy ứng dụng thực tiễn công nghệ này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong bối cảnh nhiện liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…) đang có nguy cơ cạn kiệt và trở nên đắt đỏ, trái đất nóng lên do gia tăng phát thải khí cacbonic từ các quá trình sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch. Việt Nam cũng như các quốc gia trên thế giới đang tăng cường mối quan tâm tìm một nguồn năng lượng thay thế đảm bảo hai yếu tố là nguồn năng lượng dài hạn, tái tạo được và thân thiện với môi trường. Nhiên liệu sinh học phần nào đã đáp ứng được những yếu tố đó. Nhiên liệu sinh học (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, .), ngũ cốc ( lúa mỳ, ngô, đậu tương.),chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân, .), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải, bã mía.

So với nhiên liệu hóa thạch truyền thống, nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm nổi bật sau: Thân thiện với môi trường: Có nguồn gốc từ thực vật, mà thực vật trong quá trình sinh trưởng (quang hợp) lại sử dụng điôxít cacbon (khí nhà kính) nên được xem như không góp phần làm trái đất nóng lên. Nguồn nhiên liệu tái sinh: Các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống. Một trong những nhiên liệu sinh học được triển khai ứng dụng thương mại là sản phẩm xăng sinh học (Biogasoline).

Đây là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol sinh học pha trộn vào xăng truyền thống. Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, lignocellulose. Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng phụ gia chì đã bị cấm sử dụng. Tuy nhiên, việc sản xuất ethanol sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm (nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất) được cho là không bền vững do ảnh hưởng tới an ninh lương thực.

Khả năng sản xuất với 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] quy mô lớn cũng còn kém do nguồn cung cấp không ổn định vì phụ thuộc vào thời tiết và nông nghiệp. Gần đây, nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai đã ra đời với ưu tiên là nguồn nguyên liệu bền vững. Thế hệ nhiên liệu sinh học thứ hai đi từ lignocellulose được thải ra từ các ngành lâm nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp giấy và thậm chí từ những hợp chất gây ra ô nhiễm môi trường. Sử dụng sinh khối lignocellulose có thể tạo ra phụ gia mới cho xăng như hợp chất 2,5-dimetylfuran (DMF) hay xăng sinh học (theo chuỗi phản ứng: Xenlulose  glucose (fructose) 5- hydroxylmethylfurfuran (HMF)  2,5-dimetylfuran (DMF), hay  phản ứng aldon hóa tạo n-CnH2n+2 ).

Trong đó mắt xích glucose (fructose)  HMF là một mắt xích quan trọng. HMF đã được các nhà hóa học tìm ra từ thế kỉ 19, tuy nhiên hiệu suất và độ chọn lọc của sản phẩm HMF còn rất thấp. Nhưng trong thập kỉ gần đây, một số phương pháp tổng hợp HMF được đưa ra bằng cách sử dụng các xúc tác đồng thể và dị thể trong đó có đề cập đến xúc tác axit cho thấy những kết quả rất khả quan. Với vai trò quan trọng và khả năng thương mại hóa cao của HMF trong quy trình tổng hợp xăng sinh học, trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu phản ứng chuyển hóa fructozơ thành 5- hydroxymethylfurfural trên xúc tác siêu axit MeOx.(Me: Ti, Zn, Fe, Zr) 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.Nhiên liệu sinh học [1-5] Nhiên liệu sinh học: (Tiếng Anh: Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật.

- Chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa…) - Chế xuất từ ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương…) - Chế xuất từ chất thải trong nông nghiệp (rơm, rạ, phân…) - Chế xuất từ sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, gỗ thải…) Hình 1. Một số nguồn thực vật có khả năng làm nhiên liệu sinh học 1.Phân loại nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học là khái niệm chung chỉ tất cả những dạng nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (hay còn gọi là sinh khối). Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau: Diesel sinh học: (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại cồn, phổ biến nhất là methanol.

Xăng sinh học: (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì. Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xenlulo, lignocellulose. Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng truyền thống. Hiện nay trên thị trường đã có xăng sinh học E5, E10, E15.

Khí sinh học: (Biogas) là một loại khí hữu cơ, thành phần chính là CH4 (50- 60 %) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơi nước, N2, O2, H2S, CO.được thủy phân trong môi trường yếm khí, xúc tác ở nhiệt độ từ 20 – 40oC, nhiệt trị thấp của CH4 là 37,71. Do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí. Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ.

Tình hình phát triển nhiên liệu sinh học đi từ sinh khối Tùy thuộc vào nguyên liệu và nhiên liệu cần có, có thể sử dụng các quá trình chuyển hóa. Theo phương pháp sinh học, hóa học hoặc nhiệt. Phương pháp sinh học chậm nhưng sản phẩm có độ tinh khiết cao. Phương pháp nhiệt nhanh nhưng sản phẩm có độ tinh khiết không cao.

Các sản phẩm nhiên liệu sinh học đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và có thể chia thành 4 thế hệ, tùy thuộc vào cộng nghệ và nguyên liệu. Thế hệ thứ nhất: Nhiên liệu được sản xuất từ các loại cây trồng có hàm lượng đường và tinh bột cao (sản xuất xăng sinh học), dầu thực vật hoặc mỡ động vật (sản xuất diesel sinh học). Tinh bột từ các loại ngũ cốc được chuyển hóa thành đường rồi lên men thành bioethanol. Trong khi đó, dầu thực vật được ép từ các loại cây có dầu hoặc mỡ động vật được trộn với ethanol (hoặc metanol) có sự hiện diện của chất xúc tác sẽ sinh ra biodiesel và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este.

4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đất trồng trọt và vấn đề an ninh lương thực, cũng như như các công nghệ truyền thống sử dụng để chuyển đổi các nguồn nguyên liệu này thành nhiên liệu sinh học còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử lý. Thế hệ thứ hai: Được phân loại dựa trên bản chất quá trình chuyển hóa sinh khối, sinh hóa hoặc nhiệt hóa. Qúa trình sinh hóa được dùng để sản xuất ethanol hay butanol thế hệ 2 và các nhiên liệu còn lại được tạo ra cùng với quá trình nhiệt hóa. Một số loại nhiên liệu thế hệ hai được tạo ra từ quá trình nhiệt hóa tương tự như các sản phẩm được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch.

Thế hệ thứ ba:Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba được chế tạo từ các vi tảo trong nước, trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng lượng (7-30 lần) hơn nhiên liệu sinh học thế hệ trước trên cùng diện tích đất trồng. Sản lượng dầu trên một diện tích 0,4ha tảo là từ 20. Ngoài ra loại tảo bị thoái hóa sinh học không làm hại môi trường xung quanh. Thế hệ thứ tƣ: Là những nhiên liệu được sản xuất từ việc biến đổi dầu thực vật và diesel sinh học thành xăng.

Ngoài ra, có những ứng dụng công nghệ biến đổi gen để tạo ra những chủng vi sinh vật trực tiếp tạo nhiên liệu từ dioxide carbon ở quy mô công nghiệp. Cho đến nay, sản xuất cồn sinh học cho nhiên liệu sinh học ở Việt Nam vẫn sử dụng nguồn nguyên liệu từ đường (mía, rỉ đường) và tinh bột để tránh vấn đề cạnh tranh đất đai nông nghiệp. Nhìn chung, nhiên liệu sinh học đi từ nguồn gốc lignocellulose có nhiều tiềm năng nhất. Tổng hợp nhiên liệu sinh học từ lignoxenlulose [3,7,12,16,17] 1.

Thành phần sinh khối lignoxenlulo Lớp vỏ tế bào cây là dạng hợp chất lignocellulose có chứa các cellulose, hemicellulose và lignin (Hình 1. Các hợp chất này khó bị phá vỡ thành các thành phần polymer và monomer đơn lẻ. Độ bền của cấu trúc tạo vách tế bào này làm cho việc chuyển hóa sinh khối thành đường C5 và C6 (xylose, glucose) trở nên 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] khó khăn, tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí cao hơn so với tinh bột bắp, đường mía hoặc củ cải đường.2: Tỉ lệ thành phần lignoxenlulozơ Cellulose là phân tử polyme có mặt nhiều nhất trong thành tế bào. Nó tạo nên 40-50% trọng lượng khô của thành tế bào.

Liên kết beta 1,4 –glycoside giữa các đường đơn glucose cho phép hình thành các vi sợi xellulosơ trong suốt quá trình sinh tổng hợp thành tế bào. Các vi sợi có tính kết tinh cao và tạo nên khung cấu trúc chính cho vách tế bào. Vi sợi cellulose có một lớp hemixenlulozơ bao quanh gắn nó gắn kết với các vi sợi khác. Hemixenlulozơ được chức hóa giúp ổn định cấu trúc thành tế bào trong suốt quá trình sinh tổng hợp tế bào.

Vì vậy, chúng khó có thể phân hủy thành các phân tử đường. Hemixenlulozơ và xenlulozơ được bọc kín trong một nền chất lignin dai dẻo chịu hóa chất và kỵ nước. Lignin là một polymer sinh học phổ biến thường được tìm thấy trong các cây có mạch nhựa. Nó là loại polymer dị thể gốc từ phenylpropanoid.

Lignin làm cho vách tế bào chịu được côn trùng, kháng vi khuẩn, chịu thời tiết và giúp truyền nước. 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3: Thành phần hóa học của vi sợi xenlulozơ 1.