Đặt Vấn Đề: Nhiên liệu diesel (DO) truyền thống được sản xuất bằng phương pháp chưng cất trực tiếp dầu thô, do đó, nguồn DO sử dụng trên thế giới phải phụ thuộc vào nguồn cung cấp d ầ u t h ô. Trong thời gian gần đây, khi trữ lượng dầu thô trên thế giới ngày càng suy giảm, và với những biến động về tình hình chính trị trên thế giới, sản lượng dầu khai thác của thế giới đang giảm và không ổn định, dẫn đến việc giá dầu thô tăng cao (hiện tại là khoảng 100 USD/thùng). Mặt khác, việc sử dụng nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ đã thải ra môi trường khí quyển một lượng khí thải độc hại rất lớn, bao gồm COx, NOx, SO2, hơi hydrocacbon, muội … Khi nhu cầu sử dụng các sản phẩm dầu mỏ nói chung và DO nói riêng gia tăng, vấn nạn ô nhiễm môi trường cũng gia tăng, dẫn đến làm tăng hiện tượng nóng lên của bề mặt trái đất hay còn gọi là hiệu ứng nhà kính. Bên cạnh đó, vấn đề an ninh năng lượng, hay nói cách khác, là có được lượng nhiên liệu đủ để đảm bảo cho sự phát triển của một đất nước là vô cùng quan trọng.
Nhiên liệu nhũ tương DO, một dạng nhiên liệu mới kết hợp giữa nước (hàm lượng 5 – 30%tt) và Diesel, có thể là một giải pháp tốt cho vấn đề nêu trên. Việc pha nước vào Diesel để tạo thành nhiên liệu nhũ tương DO có các ưu điểm như sau: i. Tăng được lượng nhiên liệu; ii. Tiết kiệm được tiêu hao Diesel; iii.
Giảm được phái thải các chất ô nhiễm không khí. Trong đó, các ưu điểm thứ hai và ba là kết quả của hiện tượng vi nổ (microexplosion). Ngoài ra, khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương, không cần phải thay đổi kết cấu động cơ, và không ảnh hưởng đến các vấn đề về an ninh lương thực (như đối với nhiên liệu biodiesel). TS Phan Minh Tân, PGS.
TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 1 HVTH: Nguyễn Quốc Bình. Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi. Vì những ưu điểm đó mà khả năng ứng dụng rộng rãi DO nhũ tương trong thực tế là rất khả quan.
Lý Thuyết Về Hệ Nhũ Tương: Nhũ tương là hệ phân tán lỏng trong lỏng. Hai chất lỏng bất kỳ, không tan lẫn hay ít tan lẫn vào nhau đều có thể tạo một hệ nhũ tương. Như vậy hai chất tạo nhũ tương đều phải có cấu tạo phân tử hoàn toàn khác nhau về tính phân cực. Chất lỏng phân cực thường gặp trong hệ nhũ tương là nước, chất lỏng kia thường là một chất hữu cơ.
Để đơn giản người ta thường gọi chất hữu cơ đó là dầu [34]. Nhũ tương được dùng rất phổ biến trong tự nhiên, trong các quá trình công nghệ. Sữa, bơ, nhựa cây, dầu mỏ, nhựa đường, thuốc, máu. là các nhũ tương.
Nhũ tương hình thành trong các máy hơi nước, trong chưng cất, trong craking, trong việc khai thác dầu. Dầu mỏ bao giờ cũng chứa nước. Các giọt nước phân tán trong dầu thường có kích thước 0,2 đến 100µm. Người ta quen gọi dầu mỏ chứa các giọt nước nhỏ hơn 20µm là nhũ tương tinh, kích thước 20-50 µm là nhũ tương vừa, còn kích thước giọt lớn hơn là nhũ tương thô.
Nhũ tương gồm các giọt lỏng dầu trong nước còn gọi là nhũ tương thuận, ký hiệu D/N. Nhũ tương nghịch gồm các hạt nước trong dầu còn gọi là nhũ tương dầu, ký hiệu là N/D [14]. Nhũ tương D/N Nhũ tương N/D Hình I.1 Cấu tạo nhũ tương thuận và nghịch. Nhũ tương thường được phân loại theo tính chất của pha phân tán và môi trường phân tán (pha liên tục).
Người ta chia nhũ tương ra làm hai loại: GVHD: PGS. TS Phan Minh Tân, PGS. TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 2 HVTH: Nguyễn Quốc Bình.
Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi. - N/D (w/o: water in oil): gọi là nhũ tương nước trong dầu gồm các giọt nước phân tán trong dầu. - D/N (w/o: oil in water): gọi là nhũ tương dầu trong nước gồm các giọt dầu phân tán trong nước. Trong một số trường hợp, người ta phân loại nhũ tương theo nồng độ của pha phân tán, theo cách này nhũ tương được phân làm ba loại: loãng, đặc và rất đặc.
Nhũ tương được gọi là loãng, khi thể tích phân tán nhỏ hơn 0,1% thể tích hệ. Nhũ tương đặc có thể tích chất phân tán từ 0,1% đến 74%. Nhũ tương đậm đặc chứa nhiều chất phân tán hơn (>74%). Trong nhũ tương loãng có các giọt hình cầu, độc lập với nhau.
Trong nhũ tương đậm đặc tất cả các giọt đều tiếp xúc trực tiếp với nhau bằng những mặt đa diện phi hình cầu, vì chúng chèn ép lẫn nhau làm biến dạng nhau [14]. Phương pháp tạo hệ nhũ tương: Để tạo được hỗn hợp nhũ tương dầu (nhiên liệu) – nước, kỹ thuật phân tán truyền thống được sử dụng rộng rãi. Theo kỹ thuật này, một lực khuấy cơ học mạnh được sử dụng như là ngoại lực phá vỡ sức căng bề mặt giữa pha liên tục (dầu) và pha phân tán (nước), qua đó tạo thành các hạt nước nhỏ trong dầu. Tuy nhiên, cho dù lực khuấy cơ học có mạnh thế nào chăng nữa, các hạt nước được phân tán trong hệ nhũ tương dầu – nước sẽ kết hợp lại với nhau và tách pha.
Để tránh hiện tượng tách pha, hỗn hợp nhũ tương cần được ổn định bằng một chất hoạt động bề mặt (chất nhũ hoá) có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt giữa nước và dầu [14]. Ngoài lực khuấy cơ học, có thể sự dụng siêu âm hoặc từ trường để phá vỡ sức căng bề mặt giữa dầu nhiên liệu và nước để tạo nhũ tương. Một phương pháp khác được ứng dụng rộng rãi để tạo hệ nhũ tương là phương pháp dựa trên nguyên lý của hiện tượng cavitation, được trình bày ở một mục riêng. TS Phan Minh Tân, PGS.
TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 3 HVTH: Nguyễn Quốc Bình. Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi.2 Quá trình hình thành nhũ tương. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền nhũ: Ảnh hưởng của sự tích điện: Đối với chất nhũ hóa không ion, sự tích điện xuất hiện khi hai chất lỏng có hằng số điện môi khác nhau bị trộn lẫn.
Khi đó chất có hằng số điện môi cao hơn mang điện tích dương và ngược lại. Lượng chất nhũ hóa: Phải có lượng vừa đủ lượng chất tạo nhũ để tạo ra ít nhất 1 lớp phủ trên bề mặt giọt phân tán. Thông thường độ ổn định có thể được cải thiện bởi 1 lượng chất tạo nhũ vượt hơn mức độ cần thiết tối thiểu. Sự định hướng của pha: Ảnh hưởng của giá trị HLB của hệ chất nhũ hóa đóng vai trò rất lớn.
Rõ ràng pha có sức căng bề mặt lớn có khuynh hướng tạo bề mặt có hình lòng chảo, nó sẽ trở thành pha phân tán. Nếu sức căng bề mặt trên bề mặt pha bằng nhau hoặc gần bằng thì sự đảo pha xảy ra rất dễ dàng. Người ta thấy rằng có 1 giá trị HLB mà tại đó sự đảo pha xảy ra rất dễ. Tỉ lệ dầu và nước: Tỉ lệ này được xem như 1 thông số để cảm nhận sự xuất hiện nhũ và độ nhớt, nó còn ảnh hưởng đến độ bền.
Nếu pha phân tán chiếm tỉ lệ cao (có rất nhiều giọt) va chạm có GVHD: PGS. TS Phan Minh Tân, PGS. TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 4 HVTH: Nguyễn Quốc Bình.
Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi. hiệu quả sẽ tăng lên và khoảng cách trung bình mà các giọt đến gặp nhau được giảm xuống. Tất cả điều này gia tăng khả năng kết tụ. Nhiệt độ: Khi đã dùng đúng chất nhũ hóa thì nhiệt độ là yếu tố quan trọng để có 1 hệ nhũ tương bền tối ưu.
Độ tan của chất nhũ hóa trong hệ phụ thuộc vào nhiệt độ, nói cách khác, giá trị HLB phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, sự thay đổi nhiệt độ có thể làm giảm độ bền của nhũ. Độ nhớt của môi trường phân tán : Chất nhũ hóa tạo thành một lớp xung quanh pha phân tán. Nếu lớp này có độ nhớt cao, có khả năng hydrat hóa mạnh (d/n) cản trở không cho các hạt của pha phân tán kết dính lại với nhau.
Nếu lớp này có độ nhớt thấp thì các giọt cùng pha tiến đến gần nhau, khi các hạt tiến đến gần nhau, giữa chúng sẽ xuất hiện lực hút phân tử (Van der Waals) làm chúng hút nhau. Do lực hút giữa các phân tử trong nội bộ hạt lớn hơn sức căng bề mặt giữa hai pha, hai hạt trong pha phân tán kết hợp nhau. Mức độ dễ dàng của quá trình kết tụ tăng dần theo kích thước hạt. Sự phối hợp các chất nhũ hóa: Tùy thuộc vào cấu trúc phân tử, vào mối quan hệ tính ưa hay kỵ nước của phân tử chất nhũ hóa, mà chúng có tác dụng nhũ hóa nhũ tương này hoặc nhũ tương kia.
Một các tổng quát có thể nói chất hoạt động bề mặt ưa nước thì bảo vệ tốt nhũ tương thuận, chất hoạt động bề mặt ưa dầu bảo vệ tốt nhũ tương nghịch. Phương thức sản xuất: Sự định hướng nhũ phụ thuộc vào cách khuấy và tốc độ khuấy, với tốc độ khuấy đã cho có 1 tỉ lệ thể tích mà trên mức này thì pha nặng là phân tán còn dưới mức này là pha nhẹ là pha phân tán. Chất nhũ hóa: Nhũ tương chỉ bền trong sự có mặt của chất làm bền-còn gọi là chất nhũ hóa, chất nhũ hóa thường là những chất có hoạt tính bề mặt. Chúng bị hấp phụ lên bề mặt hai GVHD: PGS.
TS Phan Minh Tân, PGS. TS Nguyễn Vĩnh Khanh. Page 5 HVTH: Nguyễn Quốc Bình. Nghiên cứu công nghệ sản xuất liên tục nhũ tương DIESEL – NƯỚC ứng dụng kỹ thuật tạo bong bóng hơi.
pha dầu nước. Nhóm ưa nước hướng vào pha nước, nhóm kỵ nước hướng ra pha dầu. Sự hấp phụ đó làm cho hai pha dầu nước dường như liên kết lại với nhau, sự khác biệt giữa chúng ít đi, sức căng bề mặt giữa chúng trở lên bé hơn. Sự giảm sức căng bề mặt bởi sự hấp phụ chất nhũ hóa là điều kiện cần của sự tồn tại nhũ tương.
Đóng vai trò chất bị hấp phụ, lượng chất nhũ hóa cần làm bền nhũ tương thường không cần nhiều [7, 14]. Người ta thường phân loại chất nhũ hóa theo loại điện tích: - Anionic.
