CHƯƠNG 1.1 Tổng quan về biodiesel 1.1 Khái niệm về biodiesel Biodiesel còn được gọi diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật [1]. Theo tiêu chuẩn ASTM thì biodiesel được định nghĩa: “là các mono alkyl ester của các axit mạch dài có nguồn gốc từ các lipid có thể tái tạo lại như dầu thực vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel”. Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glycerine ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl ester gọi chung là biodiesel. Ngày 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng biodiesel do ông sáng chế để chạy máy.
Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá”. Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và những tác động xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái sinh sạch trong đó có biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi. Để tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của biodiesel, Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng năm bắt đầu từ năm 2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế [1]. Trong những năm của thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu hạt cải và được dùng ở dạng B5 (5% Biodiesel với 95% Diesel), B30 (30% Biodiesel trộn với 70% Diesel) [2].
4 Trong thời gian gần đây, do giá xăng dầu tăng nhanh, nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch đe dọa và yêu cầu bức thiết về chống lại sự biến đổi khí hậu toàn cầu, nhiên liệu sinh học trở thành một nhu cầu thiết thực của nhân loại, nhất là khi các công nghệ biến đổi gen góp phần làm tăng đột biến sản lượng một số sản phẩm nông lâm nghiệp. Tóm lại, diesel là loại nhiên liệu bất kì dùng cho động cơ diesel. Dựa theo nguồn gốc, có thể chia diesel thành 2 loại: - Petrodiesel (thường được gọi tắt là diesel) là 1 loại nhiên liệu lỏng thu được khi chưng cất dầu mỏ ở phân đoạn có nhiệt độ từ 175 0C đến 370 0C, thành phần chủ yếu là hidrocacbon từ C16 – C21. - Biodiesel có nguồn gốc từ dầu thực vật (cỏ, tảo, cây Jatropha, cây cao su…) hay mỡ động vật.
Các loại dầu mỡ động thực vật, dầu mỡ thải tuy rằng có thể cháy ở điều kiện thường nhưng vì có độ nhớt cao, một số loại có chỉ số axit lớn nên chúng không thể dùng trực tiếp cho các động cơ mà chúng cần phải được chuyển hóa thành monoalkyl ester rồi mới đem đi sử dụng. Theo phương diện hóa học, biodiesel là momoalkyl ester của các axit béo (trong đó, thành phần tạo năng lượng chủ yếu là gốc hidrocacbon). Hiện nay biodiesel chính là giải pháp cho việc cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ và sự đe dọa môi trường sống của con người do khói thải từ giao thông và công nghiệp.2 Tính chất nhiên liệu biodiesel Biodiesel là chất lỏng màu vàng nhạt, có mùi nhẹ, dễ bay hơi, tỷ trọng khoảng 0,88 g/cm3, độ nhớt tương đương với diesel, không tan trong nước, bền và không chứa các thành phần nguy hiểm cho môi trường. Biodiesel tồn trữ tốt nhất trong thùng chứa ở 50oF đến 120oF, không tiếp xúc với các chất oxy hóa, nguồn lửa nhiệt, hoặc dưới ánh nắng mặt trời và phải được thông hơi [1].
5 Biodiesel có khả năng đóng vai trò chất khử đối với đồng, chì, thiếc, kẽm. Do đó, người ta không dùng các nguyên liệu trên cũng như hợp kim của chúng làm bồn chứa. Nhôm, thép, polymer hoặc teflon thường được sử dụng làm vật liệu tồn trữ và vận chuyển biodiesel. Biodiesel là một dung môi hữu cơ tốt hơn diesel.
Nó gây ảnh hưởng khi tiếp xúc với các bề mặt sơn, vecni hoặc làm thoái hóa cao su thiên nhiên. Biodiesel chứa từ 10- 11% oxy, do đó quá trình cháy xảy ra hoàn toàn và không có tiếng ồn. Một số chất có trong dầu mỡ động thực vật còn lại trong quá trình sản xuất biodiesel có thể gây ra một số tính chất như oxy hóa, polymer hóa làm ảnh hưởng đến chất lượng của biodiesel. Axit béo không no trong thành phần của biodiesel khi tiếp xúc với không khí sẽ bị oxy hóa thành chất rắn hoặc chất keo.
Do đó, biodiesel có nguồn gốc từ dầu mỡ động vật bền hơn từ thực vật. Tuy nhiên điểm chảy và điểm vẫn đục lại cao hơn, nghĩa là việc sử dụng biodiesel trong môi trường nhiệt độ thấp sẽ khó khăn hơn. Tính chất của biodiesel phụ thuộc rất nhiều vào thành phần của nguyên liệu sử dụng. Mỗi loại dầu mỡ có thành phần axit béo khác nhau.
Các axit béo no như C14:0, C16:0, C18:0 cho biodiesel có chỉ số cetan, độ bền oxy hóa cao hơn nhưng lại dễ bị kết tinh và không chịu được nhiệt độ cao. Ngược lại, các axit béo không no dễ bị oxy hóa nhưng bền trong môi trường lạnh. Axit béo mạch dài làm tăng độ nhớt và biodiesel không ổn định ở thời tiết lạnh. Những nghiên cứu gần đây cho thấy mỡ động vật là nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất biodiesel do thành phần có hàm lượng axit oleic cao làm cho biodiesel có tính ổn định phù hợp với những nước có khí hậu lạnh.
Triglyceride và diglyceride nếu có trong biodiesel do quá trình sản xuất sẽ làm tăng độ nhớt, tạo cặn khi bị đốt cháy. Nhóm –OH trong glycerine hoặc monoglyceride khi 6 phản ứng với hợp kim chứa crom hoặc kim loại sẽ ăn mòn vòng xi hoặc vòng piston làm bằng crom có trong động cơ. Hydroperoxit nếu có trong biodiesel rất dễ bị oxy hóa nhanh thành andehyt và axit cũng như gây ra quá trình polymer tạo nhựa hoặc cặn không tan [1].1 Ảnh hưởng của nguyên liệu đến tính chất của biodiesel [1] Đậu phụng Đậu nành Dầu cọ Diesel B20 2 Độ nhớt động học (mm /s) 4,9 4,5 5,7 3,06 3,2 Chỉ số cetan 54 45 62 50 51 Nhiệt trị (MJ/kg) 33,6 33,5 33,5 43,8 43,2 Điểm vẩn đục 5 1 13 Điểm chảy -7 -16 -16 Điểm chớp cháy 176 178 164 76 128 Tỷ trọng (kg/l) 0,883 0,883 0,880 0,853 0,859 Biodiesel có thể bị oxy hóa khi tiếp xúc với không khí. Khả năng này được đánh giá thông qua chỉ số peroxit.
Trong dầu mỡ động thực vật thường có sẵn một số chất chống oxy hóa như vitamin E (tocopherol). Nếu loại các chất này đi thì quá trình oxy hóa sẽ xảy ra rất nhanh. Người ta nhận thấy rằng chỉ số peroxit tăng tỉ lệ với số nối đôi. Trong quá trình sản xuất để giảm hàm lượng glycerine tổng đáp ứng yêu cầu của các tiêu chuẩn, người ta thường chưng cất lại biodiesel nhưng quá trình này sẽ làm cho biodiesel có chỉ số peroxit cao hơn do các chất chống oxy hóa tự nhiên bị mất đi.3 Ưu điểm và khuyết điểm của biodiesel so với diesel truyến thống So với diesel truyền thống khi sử dụng biodiesel làm nhiên liệu trực tiếp cho động cơ diesel, nó cháy sạch đến 80% so với diesel truyền thống.
Thành phần khí thải hầu như không có SOx, hàm lượng khí CO thải ra giảm đi đáng kể, giảm hàm lượng hydrocacbon không cháy và những thành phần khí thải khác (xem Bảng 1. Biodiesel 7 được điều chế từ dầu thực vật nên có những tác động tích cực đến môi trường như giảm lượng mưa axít, giảm hiệu ứng nhà kính khi đốt cháy chúng.2 Lượng khí thải do đốt cháy biodiesel so với nhiện liệu diesel truyền thống [3] Khí thải Đơn Diesel truyền Biodiesel từ dầu đậu Biodiesel từ dầu vị thống nành thải NOx g 0,944 1,156 1,156 CO g 0,230 0,136 0,156 Hydrocacbon g 0,0835 0,0040 0,0038 Biodiesel là loại nhiên liệu có nguồn gốc sinh học nên bị vi sinh vật phân huỷ. Do đó, khi thất thoát ra ngoài môi trường sẽ ít độc hại hơn rất nhiều so với các sản phẩm dầu mỏ. Biodiesel không chứa các hợp chất vòng thơm là những chất gây hại lên sức khỏe của con người.
Biodiesel không chứa hợp chất lưu huỳnh nên khi sử dụng không xảy ra hiện tượng ăn mòn thiết bị. Biodiesel có thể phối trộn với nhiên liệu diesel theo mọi tỷ lệ, có thể sử dụng trực tiếp biodiesel cho động cơ diesel. Hầu hết các động cơ diesel được thiết kế từ sau năm 1994 đều có thể dùng biodiesel mà không cần cải tạo hoặc thay thế gì. Công suất, lực kéo, mã lực của xe dùng biodiesel và hỗn hợp gần như tương đương với dầu diesel truyền thống.
Nhiệt độ chớp cháy của biodiesel cao hơn diesel nên không tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí và hơi nhiên liệu. Biodiesel có chỉ số cetane cao hơn diesel. Biodiesel có tính năng bôi trơn tốt hơn nhiều so với nhiên liệu diesel truyền thống, do đó làm tăng tuổi thọ của động cơ. Khi sử dụng nhiên liệu biodiesel thì các nước không có nguồn nguyên liệu hóa thạch có thể chủ động về nguồn nguyên liệu đồng thời có thể thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển.
Như vậy, về mặt kinh tế, việc sử dụng biodiesel ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường, còn góp phần thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, giảm mức độ phụ thuộc vào nước ngoài. 8 Bên cạnh những ưu điểm nói trên, biodiesel cũng có những nhược điểm sau. Mức độ không no của biodiesel cao hơn diesel truyền thống, đây chính là tác nhân tạo nhựa trong động cơ. Trong phân tử biodiesel chứa hàm lượng oxygen khá cao nên nhiệt trị thấp hơn diesel truyền thống.
Vì vậy, khi sử dụng biodiesel sẽ làm tiêu hao nhiều nhiên liệu hơn so với diesel truyền thống. Nhiệt độ sôi của biodiesel cao, tăng khả năng hòa tan dầu bôi trơn so với diesel truyền thống, dẫn đến làm thay đổi tính chất của dầu bôi trơn. Khi sử dụng biodiesel thì hàm lượng khí NOx thải ra khi tăng khi giảm, không khống chế được. Đây chính là một trong những nhược điểm đáng kể của biodiesel so với diesel truyền thống.
Biodiesel có điểm đông đặc cao hơn diesel truyền thống nên gây khó khăn cho việc sử dụng ở các nước có nhiệt độ thấp vào mùa đông. Để khắc phục nhược điểm này, phụ gia làm giảm điểm đông đặc được đưa thêm vào biodiesel. Khuyết điểm lớn nhất của biodiesel là giá thành cao hơn nhiều so với diesel truyền thống. Đây chính là nguyên nhân dẫn đến việc sử dụng biodiesel chưa phổ biến hiện nay.
