Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu quá trình nhiệt phân bã mía thành nhiên liệu lỏng sử dụng chất xúc tác HZSM-5

• Tác giả: Huỳnh Văn Nam
• Người hướng dẫn: Văn Đình Sơn Thọ
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình nhiệt phân bã mía thành nhiên liệu lỏng sử dụng chất xúc tác trên cơ sở HZSM-5
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.4.1. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.6. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN
• 1.7. TRÌNH TỰ LUẬN ÁN
• 1.7.1. Quá trình cháy của dầu nhiệt phân
• 1.7.2. Quá trình nhiệt phân không xúc tác
• 1.7.3. Cơ chế của quá trình nhiệt phân
• 1.7.4. Động học của quá trình nhiệt phân
• 1.7.5. Sản phẩm của quá trình nhiệt phân
• 1.7.6. Nguyên liệu sinh khối
• 1.7.7. Thành phần của bã mía
• 1.7.8. Tiềm năng sinh khối ở Việt Nam
• 1.7.9. Tổng quan về xúc tác zeolite ZSM-5
• 1.7.10. Thành phần và cấu trúc của xúc tác ZSM-5
• 1.7.11. Hoạt tính xúc tác ZSM-5
• 1.7.12. Quá trình nhiệt phân trên xúc tác ZSM-5 và Me/ZSM-5
• 1.7.13. Quá trình chuyển hóa hợp chất furanic và phenolic trên xúc tác ZSM-5
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tình hình nghiên cứu quá trình nhiệt phân ở Việt Nam và trên thế giới
• 2.2. Nguyên liệu, hóa chất
• 2.3. Các phương pháp phân tích
• 2.3.1. Phương pháp xác định thành phần của bã mía
• 2.3.2. Phương pháp xác định thành phần nguyên tố và nhiệt trị
• 2.3.3. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA)
• 2.3.4. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 2.3.5. Phương pháp phân tích sắc ký khí (GC)
• 2.3.6. Phương pháp phân tích sắc ký khí khối phổ (GC-MS)
• 2.3.7. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (XRD)
• 2.3.8. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ N2 ở 77K (BET)
• 2.3.9. Phương pháp khử hấp phụ NH3 theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH3)
• 2.3.10. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích năng lượng tán xạ tia X (EDX)
• 2.3.11. Phương pháp phổ điện tử quang tia X (XPS)
• 2.3.12. Phương pháp đặc trưng hóa lý của sản phẩm lỏng
• 2.3.13. Phương pháp tính toán động học và đặc trưng cháy
• 2.3.14. Động học các giai đoạn của quá trình nhiệt phân
• 2.3.15. Phương pháp xác định mô hình và các thông số động học
• 2.3.16. Phương pháp phân tích đặc trưng cháy
• 2.3.17. Phương pháp tổng hợp vật liệu xúc tác
• 2.3.17.1. Tổng hợp xúc tác HZSM-5
• 2.3.17.2. Tổng hợp xúc tác Zn/HZSM-5, Fe/HZSM-5
• 2.3.18. Thực nghiệm quá trình nhiệt phân
• 2.3.18.1. Nhiệt phân bã mía không xúc tác
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng của nguyên liệu bã mía
• 3.2. Đặc trưng kỹ thuật, thành phần hóa học của bã mía
• 3.3. Đặc trưng các liên kết hóa học của bã mía
• 3.4. Đặc trưng quá trình phân hủy nhiệt của bã mía
• 3.5. Động học quá trình phân hủy nhiệt của bã mía
• 3.6. Động học các giai đoạn và khả năng bẻ gãy các liên kết hóa học trong quá trình phân hủy nhiệt của bã mía
• 3.7. Mô hình động học chung của quá trình nhiệt phân bã mía
• 3.8. Quá trình nhiệt phân bã mía không xúc tác
• 3.9. Hiệu suất sản phẩm quá trình nhiệt phân theo nhiệt độ
• 3.10. Đặc trưng của sản phẩm rắn nhiệt phân
• 3.11. Đặc trưng của sản phẩm khí nhiệt phân
• 3.12. Đặc trưng của sản phẩm lỏng nhiệt phân
• 3.13. Quá trình nhiệt phân bã mía có xúc tác
• 3.13.1. Kết quả tổng hợp và đặc trưng cấu trúc vật liệu xúc tác
• 3.13.2. Nhiệt phân xúc tác furfural và guaiacol
• 3.13.3. Nhiệt phân xúc tác sinh khối bã mía
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về quá trình nhiệt phân bã mía

Nhiệt phân là quá trình phân hủy nhiệt của vật liệu hữu cơ trong điều kiện không có oxy. Bã mía, một phụ phẩm nông nghiệp, được sử dụng làm nguyên liệu chính trong nghiên cứu này. Mục tiêu là chuyển hóa bã mía thành nhiên liệu lỏng thông qua quá trình nhiệt phân với sự hỗ trợ của chất xúc tác HZSM-5. Quá trình này không chỉ giúp tái chế bã mía mà còn góp phần sản xuất nhiên liệu sinh học, một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng.

1.1. Tầm quan trọng của nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học đang trở thành một giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Việc sử dụng bã mía làm nguyên liệu không chỉ giảm thiểu chất thải nông nghiệp mà còn tạo ra nguồn năng lượng bền vững. Công nghệ nhiệt phân đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu lỏng, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất.

1.2. Vai trò của chất xúc tác HZSM 5

Chất xúc tác HZSM-5 được sử dụng để tăng hiệu suất và chất lượng của quá trình nhiệt phân. Nó giúp cải thiện quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp trong bã mía thành các sản phẩm nhiên liệu lỏng có giá trị cao. HZSM-5 cũng giúp giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại để đánh giá quá trình nhiệt phân bã mía. Các phương pháp bao gồm phân tích nhiệt khối lượng (TGA), phổ hồng ngoại (FT-IR), và sắc ký khí khối phổ (GC-MS). Những phương pháp này giúp xác định thành phần hóa học, cấu trúc và đặc tính nhiệt của bã mía cũng như các sản phẩm nhiệt phân.

2.1. Phân tích nhiệt khối lượng TGA

Phân tích nhiệt khối lượng (TGA) được sử dụng để nghiên cứu quá trình phân hủy nhiệt của bã mía. Phương pháp này giúp xác định các giai đoạn phân hủy và nhiệt độ tối ưu cho quá trình nhiệt phân. Kết quả từ TGA cung cấp thông tin quan trọng về động học của quá trình nhiệt phân.

2.2. Phổ hồng ngoại FT IR

Phổ hồng ngoại (FT-IR) được sử dụng để phân tích các liên kết hóa học trong bã mía và các sản phẩm nhiệt phân. Phương pháp này giúp xác định sự hiện diện của các nhóm chức hóa học như hydroxyl, carbonyl và các hợp chất hữu cơ khác.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình nhiệt phân bã mía với chất xúc tác HZSM-5 đạt hiệu suất cao trong việc chuyển hóa thành nhiên liệu lỏng. Các sản phẩm nhiệt phân bao gồm các hợp chất hữu cơ như furan, phenol và các hydrocarbon. Chất xúc tác HZSM-5 đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng và hiệu suất của quá trình nhiệt phân.

3.1. Hiệu suất nhiệt phân

Hiệu suất nhiệt phân được đánh giá dựa trên lượng nhiên liệu lỏng thu được. Kết quả cho thấy hiệu suất tăng đáng kể khi sử dụng chất xúc tác HZSM-5. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nhiệt phân được xác định là khoảng 500°C, nơi hiệu suất chuyển hóa đạt cao nhất.

3.2. Đặc tính của sản phẩm nhiệt phân

Các sản phẩm nhiệt phân được phân tích bằng GC-MS cho thấy sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ có giá trị cao như furan và phenol. Chất xúc tác HZSM-5 giúp giảm thiểu sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn, đồng thời tăng cường sản xuất các hợp chất hydrocarbon.

IV. Kết luận và đề xuất

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của việc sử dụng bã mía làm nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu lỏng thông qua quá trình nhiệt phân với sự hỗ trợ của chất xúc tác HZSM-5. Kết quả cho thấy quá trình này không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình nhiệt phân và mở rộng quy mô sản xuất.

4.1. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nhiên liệu sinh học từ nguồn nguyên liệu tái tạo như bã mía. Việc áp dụng công nghệ nhiệt phân với chất xúc tác HZSM-5 có thể góp phần giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và thúc đẩy phát triển bền vững.

4.2. Hướng nghiên cứu tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình nhiệt phân, cải thiện hiệu suất của chất xúc tác HZSM-5 và mở rộng quy mô sản xuất. Ngoài ra, việc nghiên cứu các loại chất xúc tác mới cũng là một hướng đi tiềm năng để nâng cao hiệu quả của quá trình nhiệt phân.