MỞ ĐẦU Ô nhiễm không khí gây ảnh hưởng đến đời sống, đặc biệt là sức khỏe của chúng ta do khí thải chủ yếu từ xe máy và ô tô. Do đó, nhu cầu sử dụng nhiên liệu sinh học (đặc biệt là xăng sinh học) được khuyến khích để giảm lượng khí thải độc hại này. Điều này dẫn đến nhiên liệu sinh học đóng vai trò quan trọng và cần được đưa vào sử dụng rộng rãi và hiệu quả hơn nữa. Tuy nhiên, khi sử dụng nhiên liệu sinh học (xăng sinh học đối tượng nghiên cứu của đề tài này) cần chú ý đến hiện tượng ăn mòn bởi vì hiện tượng này chính là nguyên nhân dẫn đến hư hại, giảm chất lượng và tuổi thọ của động cơ.
Để giảm thiểu hiện tượng này, sử dụng chất ức chế ăn mòn là một trong những phương pháp linh hoạt nhất do giá thành cạnh tranh, đặc biệt là sử dụng đơn giản và không ảnh hưởng tới cả quá trình sản xuất và sử dụng xăng sinh học. Trong nghiên cứu này, CeCl3, Na(4-OHCin), Ce(4-OHCin)3 và cao lá giang được tổng hợp, chiết xuất và thử nghiệm như là những phụ gia chống ăn mòn cho xăng sinh học thông qua các phương pháp điện hóa hiện đại được thực hiện trong môi trường giả lập xăng sinh học, phân tích bề mặt tiên tiến, và kiểm tra ô nhiễm khí thải. Đề tài đã thành công trong việc tìm kiếm, tổng hợp và chiết xuất chất ức chế ăn mòn CeCl3, Na(4-OHCin), Ce(4-OHCin)3 và cao lá giang (APLE). Kết quả phân tích điện hóa (phân cực thế động và tổng trở điện hóa) cho thấy, CeCl3 thể hiện tính chất của một ức chế catôt, Na(4-OHCin) lại thể hiện tính chất của một ức chế anôt, trong khi Ce(4- OHCin)3 và cao lá giang (APLE) thể hiện tính chất của một ức chế hỗn hợp anôt - catôt đều ở hiệu suất ức chế cao.
Trong đó chất ức chế ăn mòn APLE đạt giá trị hiệu suất ức chế cao nhất 92,27% ở 1000 ppm. Phân tích bề mặt (quang phổ hồng ngoại (ATR-FTIR), kính hiển vi điện tử quét, phổ quang điện tử tia X (XPS)) cho biết, các chất CeCl3, Na(4-OHCin), Ce(4-OHCin)3 và APLE có khả năng bảo vệ ăn mòn cho thép trong môi trường giả lập xăng sinh học là do hình thành lớp màng bảo vệ trên bề mặt thép. Hơn thế nữa, 1000 ppm cao lá giang (APLE) cũng đã được thêm vào xăng E5 để kiểm tra ô nhiễm khí thải của xe máy và so sánh với xăng E5 không có chất ức 1 chế ăn mòn. Kết quả cho thấy khi thêm 1000 ppm APLE vào xăng, nồng độ khí ô nhiễm giảm nhẹ và không ảnh hưởng đến quá trình cháy của xăng E5.
Ngoài ra, chất ức chế ăn mòn thương mại imidazoline cũng được thử nghiệm ở nồng độ cho phép (50 ppm), kết quả cho thấy ở nồng độ này imidazoline cho hiệu suất khá thấp khi so sánh với các chất đã thử nghiệm trong nghiên cứu này. Để tăng độ tin cậy của kết quả thực nghiệm, đề tài cũng thực hiện thêm phần tính toán lý thuyết bao gồm mô phỏng lý thuyết hàm mật độ (DFT) và động học phân tử để đánh giá năng lượng vân đạo lấp đầy (EHOMO), năng lượng vân đạo trống (ELUMO), vùng cấm năng lượng (E), độ cứng (), ái lực điện tử (), tỉ số electron trao đổi (N) và phân bố Fukui nhằm đánh giá, khả năng hấp phụ của các chất lên trên bề mặt của thép. Kết quả tính toán phù hợp với kết quả thực nghiệm, đặc biệt đã làm tăng độ tin cậy của các phân tích trong nghiên cứu này. Hơn thế nữa, đề tài cũng sử dụng thêm nghiên cứu chất hiệp trợ ức chế (hạt nanô TiO2) để tăng hiệu suất ức chế ăn mòn của APLE.
Sử dụng các phương pháp điện hóa và phân tích bề mặt, kết quả cho thấy TiO2 có đường kính 10 nm ở nồng độ 30 ppm cho hiệu suất cao nhất và cao hơn khi chỉ sử dụng APLE làm chất ức chế. Kết quả nghiên cứu của đề tài cũng đã được đăng tải trên hai (02) tạp chí ISI (Materials, ISSN 1996-1944, Q1, IF = 2,972 và ACS Omega, ISSN 2470-1343, Q1, IF = 2,584 theo SCOPUS), 01 bài báo đăng trên tạp chí uy tín trong nước (Vietnam Journal of Science and Technology), đăng ký 01 sở hữu trí tuệ và đào tạo 01 nghiên cứu sinh đã bảo vệ thành công trước Hội đồng cơ sở trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Như được nêu trong thuyết minh của đề cương, ô nhiễm không khí gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người do khí thải từ hơn 30 triệu chiếc xe máy và 1 triệu chiếc ô tô. Mức độ ô nhiễm ở nhiều thành phố lớn của chúng ta đang ở mức báo động, Chương trình Môi trường liên hợp quốc (UNEP) công bố từ năm 2007 cho biết Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội là một trong những thành phố ô nhiễm nhất trên thế giới.
Lượng khí thải độc hại gây ô nhiễm môi trường sẽ giảm đáng kể khi sử dụng nhiên liệu sinh học, đặc biệt là xăng sinh học [1-2]. Do đó, nhiên liệu sinh học đã và đang được sử dụng rộng rãi tại hơn 100 quốc gia và vùng lãnh thổ ở khắp các châu lục, đặc biệt là Brazil và Mỹ. Việc sử dụng nhiên liệu sinh học pha vào xăng dầu sẽ góp phần giúp cải thiện ô nhiễm môi trường nhờ giảm thiểu khí thải có trong các nhiên liệu truyền thống như CO, SO2, hạt bụi và CO2. Trong 10 năm vừa qua, dầu mỏ đứng trước nguy cơ cạn kiệt nên chính phủ các nước có những chính sách hỗ trợ phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học.
Hơn thế nữa, phát triển nhiên liệu sinh học giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, kiềm chế sự gia tăng giá dầu, ổn định tinh hình năng lượng cho quốc gia và thế giới. Đặc biệt, tận dụng các nguồn nguyên liệu sinh khối và được sản xuất từ nguồn nguyên liệu có thể tái tạo được. Do đó, nó sẽ là một lựa chọn ưu tiên trong việc đảm bảo về vấn đề an ninh năng lượng. Mô hình của chu trình nhiên liệu sinh học trong thực tế được mô tả trong Hình 1.
Cho tới thời điểm hiện tại rất nhiều nước trên thế giới đã sử dụng ethanol pha xăng để chạy xe, đứng đầu là Mỹ, họ đã sử dụng trên 90% ethanol nhiên liệu được pha xăng E10 và Brazil đã bắt buộc sử dụng E22 đến E25. Trong khi, Ấn Độ áp dụng chính sách sử dụng tối đa E5. Tại Đông Nam Á, Thái Lan đã bắt buộc sử dụng E5 và họ cũng đã nghiên cứu, phát triển và giới thiệu E10 và E85 vào năm 2008. Philippines đưa Luật nhiên liệu sinh học vào năm 2006 quy định bắt buộc dùng xăng sinh học E5 từ năm 2009 và E10 từ năm 2011.
Họ cũng miễn thuế cho phần nhiên liệu sinh học pha vào xăng, cũng như miễn thuế VAT cho nguyên liệu thô (mía, sắn…) khi dùng để 3 sản xuất nhiên liệu sinh học. Trong đó, Philippines là một trong những nhà nhập khẩu ethanol lớn nhất ở Châu Á. Ở các nước Châu Âu, Châu Mỹ xăng sinh học hoặc xăng pha cồn đã được sử dụng trong nhiều năm qua và hiện nay tỷ lệ cồn pha vào xăng bắt buộc tối thiểu phải là 10%. Vì vậy, xu thế sử dụng ethanol trong xe tăng nhanh và các nhà sản xuất xe như General Motors, Ford, Daimler, Chrysler, Mercury, Mazda, Isuzu, Mercedes và Nissan tập trung phát triển các dòng xe phù hợp với việc sử dụng xăng sinh học.
Mô hình của chu trình nhiên liệu sinh học trong thực tế. Để có được sự phát triển bền vững, trong đó kinh tế phải gắn liền với các yếu tố xã hội và môi trường thì các nguồn năng lượng xanh, năng lượng có phát thải cacbon thấp phải được ưu tiên phát triển. Vì vậy, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hội nhập với xu thế của thế giới, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành lộ trình sử dụng xăng sinh học, cụ thể: từ ngày 1/12/2014 xăng sinh học E5 được đưa vào sử dụng tại 7 tỉnh thành phố cho các phương tiện cơ giới đường bộ; từ 1/12/2015 áp dụng trên toàn quốc và dự kiến sẽ sớm phát triển và sử dụng xăng E10. Đặc biệt, nước ta có nguồn ethanol (cồn) dồi dào, giá thành cạnh tranh.
Do lượng tiêu thụ lại thấp nên nhu cầu thiết yếu đặt ra là tìm cách sử dụng lượng cồn khổng lồ tại Việt Nam nhằm tận dụng nguồn nguyên và nhiên liệu có sẵn và giá thành cạnh tranh này để phát triển nguồn nhiên liệu xanh cho đất nước. Tuy nhiên, khi sử dụng xăng sinh học cần chú ý đến: (i) hiện tượng tách lớp vì nó có thể ảnh hưởng đến quá trình cung cấp nhiên liệu và chất lượng làm việc của 4 động cơ; (ii) khi hàm lượng cồn cao sẽ ảnh hưởng đến các chi tiết làm bằng kim loại, nhựa, hay cao su vì cồn có tính ăn mòn; (iii) có thể đọng nước trong bình xăng, chế hoà khí, kim phun, và xy lanh khi không đầy (khoảng trống có không khí); (iv) sự phân tách giữa xăng và cồn; và (v) hiện tượng ăn mòn hay gỉ sét và sản phẩm ăn mòn sẽ lọt vào hệ thống xăng hay động cơ, hậu quả làm tắc kim phun. Giữa những vấn đề ảnh hưởng của xăng sinh học thì hiện tượng ăn mòn là một trong những mối lo ngại quan trọng khi sử dụng xăng sinh học và là nguyên nhân chính dẫn đến hư hại, giảm chất lượng, và đặc biệt là tuổi thọ của động cơ. Các yếu tố gây ra ăn mòn là nước do cồn có tính hút ẩm mạnh hơn xăng, các axit tự do, một số axit hữu cơ, andehit, peroxit, xeton, este, oxy hòa tan, sự hiện diện của các ion clorua, sunfat từ quá trình sản xuất ethanol, hay quá trình chế biến xăng, quá trình cháy, và đặc biệt là nhiễm bẩn các chất hòa tan và không hòa tan [5-7].
Trong chu trình từ chế biến đến sử dụng xăng sinh học, quá trình vận chuyển và tàng trữ đóng vai trò khá quan trọng đối với hiện tượng ăn mòn. Hầu hết các bình chứa đều chế tạo bằng thép cacbon do giá thành thấp và dễ gia công hơn so với các hợp kim khác như thép không gỉ [8]. Tuy nhiên, do khả năng chống ăn mòn thấp nên muốn sử dụng thép cacbon hiệu quả cần sử dụng yếu tố hợp kim [9], hoặc bổ sung thêm chất ức chế ăn mòn [10] vv. Trong đó, sử dụng chất ức chế (đối tượng nghiên cứu trong đề tài này) là một trong những phương pháp linh hoạt nhất để kiểm soát ăn mòn dựa trên giá thành thấp, đơn giản và dễ sử dụng.