MỞ ĐẦU Như chúng ta đã biết, an ninh năng lượng, an ninh lượng thực và biến đổi khí hậu đang là vấn đề sống còn đối với toàn cầu. Việc tìm kiếm những nguồn năng lượng dài hạn và thân thiện với môi trường để dần thay thế năng lượng hóa thạch là nhiệm vụ cấp thiết của nhân loại hiện nay. Quá trình chuyển hóa sinh khối (transformation of biomass) và chuyển hoá các sản phẩm trong động thực vật để thu được các hợp chất hóa học hữu dụng có thể coi là con đường ngắn nhất đi tới mục tiêu phát triển một cách bền vững, là xu thế tất yếu trong tương lai. Quá trình này đang thu hút được sự quan tâm giới khoa học trên thế giới và đang được được ứng dụng nhiều trong hóa học hiện đại.
Các sản phẩm chuyển hóa trên cơ sở các axit béo từ quá trình trao đổi este từ dầu mỡ động thực vật hiện đang được sử dụng rất rộng rãi. Hai hướng ứng dụng được coi là có tiềm năng nhất của quá trình này là điều chế dung môi và nhiên liệu. Biodiesel được sản xuất từ nguồn dầu, mỡ động thực vật qua phản ứng este chéo hóa có thể được xem là con đường để đi tới mục tiêu tạo ra nhiên liệu tái sinh nhanh nhất và là xu thế tất yếu trong tương lai gần. Ở nhiều nơi trên thế giới, biodiesel đã bước đầu được đưa vào ứng dụng thực tế.
Không nằm ngoài xu thế phát triển chung đó Việt Nam đã bắt đầu quan tâm nghiên cứu và tiến hành sản xuất loại nhiên liện này từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước, ví dụ như từ các nguồn mỡ bò hoặc mỡ cá basa. Đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015 tầm nhìn 2020” do Bộ Công Thương chủ trì đã được khởi động trong 2009. Ở Việt Nam, đã có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành để sản xuất biodiesel thông qua phản ứng este hóa chéo dầu mỡ động thực vật với xúc tác kiềm, tuy nhiên theo đánh giá chung thì các sản phẩm đó chưa thỏa mãn được một số thông số kỹ thuật yêu cầu, như về độ nhớt cơ học, cặn carbon hoặc chỉ số axit. Xu thế chung của thế giới hiện nay là sử dụng các xúc tác axit rắn dị thể cho các quá trình chuyển hóa dầu mỡ động thực vật thành nhiên liệu.
Luận văn này, chúng tôi đã tiến hành đề tài “Nghiên cứu chế tạo xúc tác axit rắn trên cơ sở Al2O3 biến tính bằng La và Zn để điều chế biodiesel từ nguồn mỡ động vật đã qua sử dụng”. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1. Năng lƣợng tái tạo, nguồn năng lƣợng cho tƣơng lai Vấn đề năng lượng đang là một trong những mối quan tâm hàng đầu của thế giới trong nhiều năm trở lại đây. Hiện nay, nhiên liệu hóa thạch vẫn đóng vai trò nguồn năng lượng chính cho nhân loại.
Theo thống kê của Cơ quan năng lượng Quốc tế IEA vào năm 2006 (hình 1.1) thì nhiên liệu hóa thạch cung cấp khoảng 81 % tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu (than đá: 26,0 %; dầu mỏ: 34,4 % và khí đốt: 20,5 %); năng lượng hạt nhân chiếm khoảng 6,2 %; phần còn lại từ các nguồn năng lượng mới như hydro (khoảng 2,2 %) và các nguồn năng lượng sinh khối (khoảng 10,7 %). Nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn thế giới năm 2006. Năng lượng hóa thạch cung cấp năng lượng cho những phương tiện giao thông, các nhà máy công nghiệp, sưởi ấm các toà nhà và sản sinh ra điện năng phục vụ đời sống con người. Ước tính, trong khoảng 30 năm cuối của thế kỉ trước, nhu cầu năng lượng của toàn thế giới đã tăng gấp đôi.
Đã có rất nhiều dự đoán được đưa ra rằng, với tốc độ tiêu thụ năng lượng toàn cầu hiện nay thì trữ lượng dầu và khí tự nhiên sẽ thường xuyên nằm trên đà sụt giảm mạnh trong thế kỷ XXI. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Dự đoán về sự biển đổi nhu cầu sử dụng ba nguồn năng lượng chính từ năm 1850 đến năm 2050. Trong tương lai sẽ vẫn cần những nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và khí đốt để đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới. Tuy nhiên, vì những nguồn năng lượng đó là hữu hạn và gây ra những ảnh hưởng xấu đến môi trường nên ngay từ bây giờ nhân loại phải tìm cách nâng sao hiệu quả sử dụng năng lượng và nhanh chóng tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế để giãn dài nhu cầu sử dụng năng lượng hóa thạch.
Mặc dù có nhiều nguồn năng lượng xanh đã và đang được con người sản xuất và phát triển như năng lượng hydro, nhiệt năng biển, nhiệt năng đất, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, hay năng lượng hạt nhân nhưng vẫn chưa có một nguồn năng lượng nào đủ khả năng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch hóa thạch. Trên thế giới hiện nay, có gần hai tỷ người vẫn chưa được tiếp cận với những nguồn năng lượng hiện đại nói trên. Một trong những phương án được xem là khả thi nhất để giải quyết bài toán tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế cho năng lượng hóa thạch đó là sử dụng các loại nhiên liệu Sinh học, đặc biệt là biodiesel được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Nhiên liệu Sinh học 1. Khái niệm Nhiên liệu Sinh học: là một trong số những loại nhiên liệu có nguồn gốc từ sinh khối. Thuật ngữ này bao gồm sinh khối rắn, nhiên liệu lỏng và các loại gas Sinh học khác. Chúng là những chất đốt cơ bản chứa carbon nằm trong chu trình quang tổng hợp ngắn hạn.
Nhiên liệu Sinh học có nhiều thế hệ, nổi bật trong đó là thế hệ đầu tiên với bioancol, bioete, biodiesel, diesel xanh, dầu thực vật, khí đốt tổng hợp [5]. Biodisel: là hỗn hợp các ankyl este (thường là metyl este) của axit béo mạch dài được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, nó có các tính chất tương đồng với diesel được sản xuất từ dầu mỏ và có thể sử dụng trực tiếp trong các động cơ diesel mà không cần phải thay đổi cơ cấu động cơ [21]. Biodiesel có những ưu điểm chính như điểm chớp cháy cao, chỉ số xetan lớn, độ nhớt thấp, tính nhờn cao, có thể bị phân hủy Sinh học, thân thiện với môi trường do trong quá trình sử dụng bức xạ ít carbon monoxit, cũng như các khí thải khác so với các nhiên liệu hóa thạch thông thường [22]. Do giá thành của nhiên liệu hóa thạch luôn ở mức cao nên nhiên liệu Sinh học nổi lên như là một trong những ngành công nghiệp có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất thế giới hiện nay.
Nhiều quốc gia, đặc biệt là Mỹ và các nước EU, đã và đang hỗ trợ tích cực cho các công nghệ sản xuất biodiesel từ sản phẩm nông nghiệp. Năm 2006, gần 6,5 tỷ tấn biodiesel đã được sản xuất trên toàn thế giới, trong đó sản lượng của Mỹ và khối EU chiếm khoảng 88 % (theo thống kê của Ngân hàng Thế giới, 2008). Biodiesel được sản xuất chủ yếu từ dầu, mỡ động thực vật và giá thành của nguồn nguyên liệu sinh khối này chiếm khoảng 80 % giá thành sản xuất biodiesel. Giá thành của biodiesel hiện tại vẫn cao hơn so với diesel hóa thạch.
Để khắc phục nhược điểm này, một số nhà sản xuất biodiesel đang 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com định hướng công nghệ vào các nguồn nguyên liệu giá thành rẻ như mỡ bò. Ưu điểm của việc sử dụng mỡ bò là làm giảm giá thành sản xuất và xử lý được một lượng lớn chất thải gây ô nhiễm môi trường. Ƣu, nhƣợc điểm của biodiesel so với diesel hóa thạch Cũng giống như diesel sản xuất từ dầu mỏ, biodiesel có thể sử dụng cho các động cơ đốt trong. Biodiesel có thể được sử dụng trong các động cơ đốt-nén thông thường [22].
Ngoài ra, biodiesel cũng có thể được sử dụng dưới dạng tinh khiết hoặc pha trộn với diesel theo mọi tỉ lệ (ký hiệu là Bxx, ví dụ như B30 là 30 % biodiesel trong 70 % diesel) để có thể làm giảm lượng phát thải hạt rắn khỏi động cơ [16].1 đưa ra một số thông số vật lý của diesel, biodiesel và một loại dầu thực vật (Karamja). Chỉ số xetan của biodiesel cao hơn diesel cho thấy khả năng đốt cháy nhiên liệu của biodiesel tốt hơn. Các giá trị tỉ trọng, độ nhớt và chỉ số HHV (Higher Heating Value) của biodiesel tương đối gần với diesel. Đây là những yếu tố quan trọng để quyết định khả năng thay thế cho diesel để làm nhiên liệu cho động cơ đốt nén của biodiesel.
Ngoài ra, có thể nhận ra rằng độ nhớt của dầu thực vật lớn hơn rất nhiều so với diesel, do vậy không thể trực tiếp sử dụng dầu thực vật để thay thế diesel được mà phải chuyển về biodiesel. Có một điểm khác biệt lớn về tính chất vật lý của biodiesel và diesel là điểm chớp cháy. Cụ thể, giá trị điểm chớp cháy của biodiesel thường lớn hơn nhiều so với diesel. Một số thông số vật lý của biodiesel, diesel hóa thạch, dầu thực vật.
Tính chất Diesel Dầu Karamja Biodiesl Tỉ trọng (gm/cc) 0,86 0,95 0,87 Độ nhớt 4,98 8,10 6,22 Chỉ số HHV (kJ/kg) 44579 - 38500 Chỉ số xetan 47 - 50 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Điểm chớp cháy (oC) 74 - 153 Ưu điểm của biodiesel so với diesel hóa thạch Sở dĩ việc nghiên cứu và phát triển các quy trình sản xuất nhiên liệu Sinh học nói chung đang thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu là vì trên phương diện lý thuyết thì việc sử dụng nhiên liệu Sinh học không làm cho hàm lượng khí carbonic (nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính) bị tăng lên trong khí quyển. Chu trình sản xuất và sử dụng biodiesel. Chu trình sản xuất và sử dụng biodiesel được mô hình hóa trong hình 1. Ban đầu, khí carbonic trong khí quyển được thực vật hấp thụ trong quá trình quang hợp.
Sau đó, dầu được chiết xuất từ nguồn thực vật được chuyển hóa thành biodiesel. Khi biodiesel cháy, khí carbonic được giải phóng và quay trở lại khí quyển. Thực vật sẽ lại hấp thụ khí carbonic để bắt đầu một chu trình mới. Do vậy, chu trình này hầu như không làm tăng hàm lượng khi carbonic trong khí quyển.
Tuy nhiên, khi đốt cháy các loại nhiên liệu hóa thạch như diesel hoặc than đá thì lượng carbonic phát thải ra môi trường sẽ vô cùng lớn. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sử dụng biodiesel cũng làm giảm sự phát thải carbon monoxit và các hạt chất thải rắn ra môi trường.