Chương 1: TỔNG QUAN 1. Tìm kiếm nguồn năng lượng cho tương lai Hiện nay vấn đề về năng lượng đang là một trong những mối quan tâm chình của thế giới. Đầu thế kỷ 21, năng lượng hóa thạch cung cấp hơn 85 % tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu. 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.
Đã có rất nhiều dự đoán được đưa ra rằng, với tốc độ tiêu thụ năng lượng toàn cầu hiện nay thí trữ lượng dầu và khì tự nhiên sẽ thường xuyên nằm trên đà sụt giảm mạnh trong suốt thế kỷ XXI [57]. 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 truyền thống như dầu mỏ và khì đốt để đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới. Tuy nhiên ví những nguồn năng lượng đó là hữu hạn và gây ra những ảnh hưởng xấu đến môi trường nên ngay từ bây giờ một vần đế ngày càng thúc bách đã được đặt ra LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com là nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng, cũng như tím kiếm những nguồn năng lượng thay thế, đặc biệt là những nguồn năng lượng tái sinh được [56].
Mặc dù có nhiều nguồn năng lượng xanh đã và đang được con người sản xuất và phát triển như: Điện năng được sản xuất từ hơi nước trên mặt biển, năng lượng từ khì hiđro, năng lượng từ sóng biển (nhiệt năng biển), năng lượng từ nguồn nhiệt năng của Trái Đất (địa nhiệt), năng lượng từ gió, năng lượng Mặt trời, năng lượng hạt nhân, … [58] nhưng vẫn chưa có một nguồn năng lượng nào đủ khả năng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống. 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 tím 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 là các loại dầu, mỡ động thực vật nhận được từ các sản phẩm thiên nhiên. Ứng dụng dầu, mỡ động thực vật trong sản xuất nhiên liệu 1.
Sinh khối (Biomass): Sinh khối là tổng trọng lượng của sinh vật sống trong sinh quyển hoặc số lượng sinh vật sống trên một đơn vị diện tìch, thể tìch vùng. Sinh khối là một nguồn năng lượng có khả năng tái sinh, nó có chứa năng lượng hóa học, nguồn năng lượng tử mặt trời tìch lũy trong thực vật qua quá trính quang hợp. Nhiên liệu sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khì. khi được đốt cháy sẽ giải phóng năng lượng [31].
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ước lượng sinh khối đã và chưa sử dụng trên toàn thế giới. Giới thiệu chung về dầu, mỡ động thực vật Dầu, mỡ động thực vật (Vegetable oil and animal fat): là các lipit có nguồn gốc từ các vật thể sống. Về bản chất Hóa học, cả dầu và mỡ động thực vật đều được tạo thành chủ yếu (~ 95 %) từ các triglyxerit của những axit béo có phân tử khối lớn, thường là C12 ÷ C18, vì dụ như axit oleic, axit linoleic, axit palmitic, axit stearic, … Hình 1.
Một phân tử triglyxerit trong dầu hạt cải Canola. Ngoài các triglyxerit, trong dầu, mỡ động thực vật còn có khoảng 5 % axit béo tự do, đó là loại axit đơn chức, mạch thẳng và thường có số nguyên tử carbon chẵn. Các axit béo không no có thể chứa 1, 2 hoặc 3 liên kết đôi, chúng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dễ bị oxi hoá bởi oxi không khì làm cho dầu, mỡ bị hắc đắng (ôi, thiu), bị polyme hoá tạo thành màng, bị khử ở vị trì nối đôi chuyển thành axit béo no. Khả năng phản ứng của các axit béo không no tăng cùng với sự tăng của nối đôi.
Tình chất của dầu, mỡ do thành phần và bản chất của các axit béo quyết định. Ngoài các axit béo tự do, còn có một lượng nhỏ photpho lipit, sáp, … 1. Chuyển hóa dầu, mỡ động thực vật thành nhiên liệu Hiện nay, dầu, mỡ động thực vật có một vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa chất và nhiên liệu. Đó là nguồn nguyên liệu lớn để sản xuất các loại dung môi, dược phẩm, nhựa, polyme, mực, sơn, mỹ phẩm và đặc biệt là các loại nhiên liệu xanh như biodiesel.
Các sản phẩm nhiên liệu được sản xuất từ dầu, mỡ động thực vật và các sản phẩm chuyển hóa của chúng đang rất được quan tâm nghiên cứu bởi khả năng ứng dụng làm nhiên liệu thay thế cho các loại nguyên liệu truyền thống. Một số hướng chuyển hóa chủ yếu của dầu, mỡ động thực vật thành nhiên liệu được tóm tắt như sau: Nhiệ t phân - Diesel (Cracking) - Khí đốt (gasoline) Dầ u, mỡ độ ng thực vậ t Este hóa chéo Biodiesel 1. Phương pháp este hóa chéo Phản ứng este hóa chéo hay phản ứng trao đổi este (Transesterification) là một trong những phương pháp có tình thương mại nhất có thể sử dụng để sản xuất biodiesel. Các loại ancol khác nhau như metanol, etanol, propanol và butanol đều có thể được sử dụng.
Tuy nhiên, metanol và etanol là được sử dụng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com rộng rãi nhất, đặc biệt là metanol do giá thành rẻ và một vài ưu điểm khác trong quá trính vận chuyển và tiến hành phản ứng [9]. Trong Hóa học Hữu cơ cổ điển, thuật ngữ transesterification (xem Hình 1.4) được sử dụng để mô tả một nhóm phản ứng quan trọng mà trong đó xảy ra quá trính trao đổi hợp phần OR 1 của este bởi hợp phần OR2 của một ancol, phản ứng thường được xúc tác bởi axit, bazơ hoặc enzym [28]. Phản ứng este hóa chéo viết dưới dạng tổng quát. Các ứng dụng của phản ứng este hóa chéo không chỉ dừng lại ở quy mô phòng thì nghiệm mà còn mở rộng ra với nhiều lĩnh vực thực tế nhưng quan trọng nhất vẫn là trong sản xuất biodiesel và glyxerin.
Nguồn dầu mỡ thiên nhiên này được tinh chế để loại bỏ các tạp chất và tiến hành phản ứng este hóa chéo với các ancol trong sự có mặt của xúc tác. Toàn bộ quá trính là một chuỗi gồm ba phản ứng liên tiếp và thuận nghịch với các sản phẩm trung gian là các mono- và diglyxerit. Phản ứng este hóa chéo triglyxerit. Các quá trính chuyển hóa những phân tử kìch thước lớn như triglyxerit thường phải thực hiện ở những điều kiện phản ứng khắc nghiệt và phải có xúc tác.
Vào những năm 90 của thế kỉ trước, sự ra đời của vật liệu mao quản trung LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bính có cấu trúc trật tự (ordered mesoporous material) đã mở ra những bước phát triển đột phá trong lĩnh vực xúc tác, đặc biệt là với những chuyển hóa của những phân tử có kìch thước cồng kềnh. Xúc tác cho phản ứng este hóa chéo tổng hợp biodiesel 1. Một số khái niệm cơ bản về nhiên liệu sinh học Nhiên liệu Sinh học (biofuel): 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 trính quang tổng hợp ngắn hạn.
Nhiên liệu Sinh học bao gồm nhiều thế hệ, nổi bật trong đó là thế hệ đầu tiên với bioalcol, bioete, biodiesel, diesel xanh, dầu thực vật, khì đốt tổng hợp, v. Diesel Sinh học (biodiesel): là hỗn hợp các alkyl este của axit béo mạch dài được sản xuất từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, nó có các tình 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 [6]. Biodiesel có những ưu điểm chình như điểm chớp cháy cao, chỉ số xetan lớn, độ nhớt thấp, tình nhờn cao, có thể bị phân hủy Sinh học, thân thiện với môi trường do trong quá trính sử dụng bức xạ ìt carbon monoxit, cũng như các khì thải khác so với các nhiên liệu hóa thạch thông thường [7]. Đặc tính của biodiesel 1.
So sánh tính chất của biodiesel, diesel truyền thống và dầu thực vật 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 [43]. Ngoài ra, biodiesel cũng có thể được sử dụng dưới dạng tinh khiết hoặc pha trộn với diesel theo mọi tỉ lệ (kì hiệu là Bxx, vì dụ như B30 là 30 % biodiesel trong 70 % diesel) để có thể làm giảm lượng phát thải hạt rắn khỏi động cơ [44]. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 đưa ra một số thông số vật lì 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.1: Một vài thông số về tính chất vật lí của biodiesel, diesel truyền thống và dầu thực vật. STT Tình chất Diesel Dầu thực vật Biodiesl nguyên chất Karamja nguyên chất 1 Tỉ trọng (gm/cc) 0,86 0,95 0,87 2 Độ nhớt 4,98 8,10 6,22 3 Chỉ số HHV (kJ/kg) 44579 * 38500 4 Chỉ số xetan 47 * 50 5 Điểm chớp cháy (oC) 74 * 153 Tuy nhiên, có một điểm khác biệt lớn trong số những tình chất vật lì của biodiesel và diesel truyền thống là điểm chớp cháy.
Giá trị điểm chớp cháy của biodiesel lớn hơn rất nhiều so với diesel. Ưu - nhược điểm khi sử dụng nhiên liệu biodiesel Sở dĩ việc nghiên cứu và phát triển các quy trính sản xuất nhiên liệu Sinh học nói chung đang thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu là ví trên phương diện lì thuyết thí việc sử dụng nhiên liệu Sinh học không làm cho hàm lượng khì CO2 - nguyên nhân chình gây ra Hiệu ứng nhà kình, bị tăng lên trong khì quyển. Quá trính sản xuất nhiên liệu sinh học, vì dụ như biodiesel được mô hính hóa lại trong Hình 1.