CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Vấn đề thiếu hụt năng lượng và ô nhiễm môi trường Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô trên thế giới, nên nhu cầu về dầu mỏ tăng lên nhanh chóng. Thế giới đang phải đối mặt với thực tế là nguồn nhiên liệu dầu mỏ đang dần cạn kiệt.
Theo dự báo của các nhà khoa học trên thế giới cho biết nguồn cung dầu mỏ có thể đáp ứng nhu cầu của thế giới trong khoảng 40 ÷ 50 năm nữa nếu không phát hiện thêm các nguồn dầu mỏ mới. Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, nhu cầu vận chuyển bằng ô tô ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu trong nước về nhiên liệu ngày càng tăng lên. Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn.
Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa. Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam. Bên cạnh đó động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch từ dầu mỏ phát thải ra môi trường các chất độc hại gây ra ô nhiễm môi trường, phá hủy tầng ô zôn, ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là rất quan trọng và thiết thực. Song hành cùng với việc sử dụng nhiên liệu truyền thống trên động cơ ô tô, các nhà khoa học trong và ngoài nước đã và đang nghiên cứu tìm ra và sử dụng các nguồn nhiên liệu thay thế thân thiện với môi trường cho động cơ đốt trong. Tổng quan về nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương, sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [4].
NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm các loại cồn (Methanol, Ethanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau: * Ưu điểm: + Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống. + Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…).
* Nhược điểm: - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn dẫn đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đó sẽ làm giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọa tới an ninh lương thực. - Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó khăn nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều kiện không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được. - Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên liệu sinh học từ lignin cellulose - có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao. - NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn so với nhiên liệu truyền thống (dễ bị biến tính phân hủy theo thời gian).
Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ [4]: - NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ động vật, dầu thực vật,… - NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose. Các loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa.
- NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng lượng thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5 ÷ 300 lần để sản xuất biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 ÷ 2 lần trong một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 ÷ 10 ngày tùy thuộc vào từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể. Ý tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đang được xem xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch. Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể kể tên như sau: - Bioethanol; - Biodiesel; - Methane (biogas); - Biohydrogen; - Dimethyl ether (DME).
Trong đó bio-ethanol (gọi tắt là ethanol) được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc. Ethanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh lửa cưỡng bức, động cơ chạy ethanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kỳ phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng ethanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp. Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng ethanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới.
Ethanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như ngô, khoai tây, củ cải đường… Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu để chế tạo ra cồn ethanol. Ở Brazil thì ethanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì ethanol được sản xuất chủ yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm.
Ngoài ra ethanol còn có thể được sản xuất từ gỗ. Ethanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường ethanol được pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nhiên liệu ethanol 1.
Tính chất vật lý của ethanol Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan vô hạn trong nước. Sở dĩ ethanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử với nhau và với nước. Một số tính chất vật lý thể hiện trong bảng 1. Tính chất vật lý của ethanol TT Tính chất Giá trị 1 Công thức phân tử C2H5OH hay C2H6O 2 Phân tử gam 46,07 g/mol 3 Cảm quan Chất lỏng trong suốt dễ cháy 4 Tỷ trọng 0,789 5 Độ nhớt 1,2 cP ở 20oC 6 Độ tan trong nước Tan hoàn toàn 7 Nhiệt độ sôi 78,4oC (351,6 K) 8 Nhiệt độ tan 158,8 K (-114,3 oC) 9 Điểm tới hạn 514 K 10 pH 7,0 (trung tính) 11 Cp 65,21 J/mol.K Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, 12 Tác động cấp tính ngừng thở trong trường hợp nặng 13 Tác động kinh niên Nghiện, xơ gan 14 Nhiệt độ tự cháy 425 oC 15 Mật độ giới hạn nổ 3,5 ÷ 15% 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Công nghệ sản xuất ethanol Phương pháp hydrat hóa etylen Cho etylen hợp nước ở 300 0C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit: CH2 = CH2 + H2O CH3-CH2-OH Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất có độ xốp cao như diatomit hay than củi. Chất xúc tác này được công ty Shell sử dụng để sản xuất ethanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo thành ethanol và tái tạo lại axit: CH2 = CH2 + H2SO4 CH3-CH2OSO3H CH3-CH2OSO3H + H2O CH3-CH2-OH + H2SO4 Ethanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa một số thành phần độc hại như: methanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một chất gây đắng, gây tê.
Ethanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có chỉ số UN bằng 1986 ÷ 1987 [4]. Công nghệ lên men sản xuất ethanol Ethanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1. Tinh bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân hủy thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men.