MỞ ĐẦU Ngµy nay, cïng với việc cạn dần của nguồn năng lượng ho¸ thạch, một vấn đề nãng bỏng mà loài người rất quan t©m là hiện tượng « nhiễm m«i trường sinh th¸i toàn cầu, một trong những nguyªn nh©n chủ yếu là do khÝ thải của động cơ đốt trong g©y nªn. Nh÷ng khÝ thải nµy ®· và đang tÝch tụ trong bầu khÝ quyển vượt xa tiªu chuẩn cho phÐp, đe doạ sức khoẻ cộng đồng. Ngoài ra, khÝ thải đã ảnh hưởng rất xấu đến c¸c hệ sinh th¸i và g©y nªn những biến đổi khÝ hậu toàn cầu, cụ thể là làm tăng hiệu ứng nhà kÝnh, tạo ra những trận mưa axit, làm suy giảm tầng «z«n,… ChÝnh v× vậy, việc nghiªn cứu t×m ra c¸c dạng năng lượng mới thay thế nguồn nguyªn liệu ho¸ thạch đang ngày càng cạn kiệt, đảm bảo an ninh năng lượng, giảm thiểu « nhiễm m«i trường sinh th¸i đang trở thành một vấn đề thời sự nãng bỏng của nhiều quốc gia trªn thế giới. Một trong c¸c dạng năng lượng hiện đang được quan t©m hơn cả là nhiªn liệu sinh học và đặc biệt là nhiªn liệu biodiesel do xu hướng diesel ho¸ c¸c loại động cơ.
Biodiesel được sản xuất từ c¸c loại dầu thực vật, mỡ động vật, từ dầu thải,… Đ©y là một phụ gia rất tốt cho nhiªn liệu diesel, làm giảm một c¸ch đ¸ng kể lượng khÝ thải, và nã còng là một nguồn nhiªn liệu cã khả năng t¸i tạo được. Cïng víi c¸c níc kh¸c, ViÖt Nam còng ®ang ph¶i chÞu sù « nhiÔm m«i trêng vµ nÒn kinh tÕ chÞu sù ¶nh hëng m¹nh cña gi¸ dÇu th« trªn thÕ giíi. Nh»m gi¶i quyÕt vÊn ®Ò nµy, ë nhiÒu quèc gia, viÖc sử dụng biodiesel ®· tăng mạnh trong một vài năm gần đ©y. V× thÕ, vÊn ®Ò cÊp thiÕt hiÖn nay lµ chóng ta ph¶i tæng hîp ®îc biodiesel tõ nguån nguyªn liÖu trong níc ®Ó dÇn thay thÕ cho nguån n¨ng lîng dÇu má.
H¬n n÷a, Việt Nam là một nước n«ng nghiệp, 2 cã lợi thế về c¸c loại c©y và hạt cã dầu phong phó, việc nghiªn cứu sử dụng chóng trong sản xuất nhiªn liệu, sản xuất phụ gia cho nhiªn liệu sẽ cã gi¸ trị khoa học và thực tiễn lớn. V× vậy, chóng t«i đ· tiến hành biến tÝnh một số loại dầu thực vật để tổng hợp thành biodiesel. Trong b¶n luËn v¨n nµy ®· ®¹t ®îc nh÷ng ®iÓm míi sau: - Tinh chÕ nguyªn liÖu dÇu thùc vËt ®Ó chuÈn bÞ cho qu¸ tr×nh tæng hîp biodiesel. - Nghiªn cøu c¸c yÕu tè ¶nh hëng ®Õn qu¸ tr×nh lµm s¹ch dÇu thùc vËt.
Ngoµi ra, chóng t«i còng đề cập đến những vấn đề sau: - Nghiªn cøu tinh chÕ dÇu thùc vËt t¹o nguyªn liÖu ®Ó tæng hîp biodiesel. - Kh¶o s¸t c¸c yếu tố ảnh hưởng đến qu¸ tr×nh tæng hîp biodiesel tõ dầu dõa vµ dÇu b«ng như: nhiệt độ, thời gian phản ứng, nồng độ xóc t¸c, tỷ lệ mol metanol/dầu thực vật, tốc độ khuấy trộn, hàm lượng axit tự do trong dầu thực vật. - Nghiªn cứu pha chế biodiesel trong diesel với c¸c tỷ lệ kh¸c nhau (B20 – B100) và thử nghiệm nhiªn liệu biodiesel (B20) trong động cơ để đ¸nh gi¸ thành phần khãi xả và t¸c động của nhiªn liệu đến tÝnh năng của động cơ. 3 ch¬ng 1 – tæng quan lý thuyÕt 1.
Tæng quan vÒ dÇu thùc vËt 1. C¸c nguồn dầu thực vật trong nước Dầu thực vật là nguyªn liệu được sử dụng rộng r·i trong c¸c ngành c«ng nghiệp như: c«ng nghiệp thực phẩm, sản xuất chất tạo màng, sản xuất sơn và vecni, sản xuất chất hoạt động bề mặt, chất tẩy rửa, sản xuất xà phßng, mỹ phẩm, c«ng nghiệp sản xuất dầu mỡ b«i trơn và phụ gia, dung dịch khoan… Hiện nay dầu thực vật đãng một vai trß quan trọng trong qu¸ tr×nh ph¸t triển c¸c nguồn nguyªn liệu thay thế. Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật đang là xu thế của c¸c nước trªn thế giới v× gi¸ thành rẻ, số lượng lớn và sẵn cã, cã thÓ nu«i trång ®îc [2, 7, 8, 51]. Mét sè lo¹i dÇu thùc vËt ®iÓn h×nh nh: • Dầu đậu nành: Đậu nành được xem là một c©y c«ng nghiệp nhất nh× của đồng bằng s«ng Cửu Long và cũng được triển khai trồng ở nhiều nơi kh¸c trong nước, là nguồn cung cấp dầu lớn nhất trªn thế giới.
S¶n lîng trung b×nh kho¶ng 1,5 tÊn/ha, tû lÖ dÇu trong hét kho¶ng 20%. DÇu ®Ëu nµnh tinh khiÕt cã mµu vµng s¸ng, thµnh phÇn axit bÐo chñ yÕu cña nã lµ linoleic (50% - 57%), oleic (23% - 29%). DÇu ®Ëu nµnh ®îc dïng nhiÒu trong môc ®Ých thùc phÈm. Ngoµi ra, dÇu ®Ëu nµnh ®· tinh luyÖn ®îc dïng lµm nguyªn liÖu ®Ó s¶n xuÊt margarin.
Tõ dÇu ®Ëu nµnh cã thÓ t¸ch ra ®îc lexetin dïng trong dîc liÖu, trong s¶n xuÊt b¸nh kÑo. DÇu ®Ëu nµnh cßn ®îc dïng ®Ó s¶n xuÊt s¬n, vecni, xµ phßng… vµ ®Æc biÖt lµ cã thÓ s¶n xuÊt biodiesel. [5, 11, 51] • Dầu dừa: Dừa tập trung nhiều nhất ở Bến Tre, Nghĩa B×nh, Minh Hải, Thuận Hải, một số huyện ở Thanh Ho¸… Dõa lµ c©y sinh trëng l©u 4 n¨m, thÝch hîp víi khÝ hËu nước ta. Ở Việt Nam, dầu dừa được sử dụng vào mục đÝch sản xuất một số thực phẩm.
Tuy nhiªn, lượng dầu dừa sử dụng trong lĩnh vực này kh«ng nhiều, chỉ 15-20% tổng lượng dầu dừa sản xuất được. Lượng cßn lại chủ yếu xuất khẩu qua Trung Quốc song cũng kh«ng ổn định về số lượng và chất lượng. Trong dÇu dõa cã chøa c¸c axit bÐo lauric (44% - 52%), myristic (13% - 19%), palmitic (7,5% - 10%). Hµm lîng c¸c chÊt bÐo kh«ng no rÊt Ýt [5, 9].
DÇu dõa cã thÓ dïng s¶n xuÊt macgarin vµ còng lµ nguyªn liÖu rÊt tèt ®Ó s¶n xuÊt xµ phßng vµ biodiesel. • Dầu b«ng: Dầu b«ng cã màu đen hoặc n©u sẫm , là một sản phẩm phụ của c«ng nghiệp b«ng vải. Hàm lượng dầu trong hột kể cả vỏ là 15 - 25%. N¨ng suÊt hét kho¶ng 2 tÊn/ha.
Trong dầu b«ng cã chứa chất gossipol là một độc tố mạnh, do đã cần t¸ch sạch trước khi đưa vào sử dụng trong ngành thực phẩm. Trong dầu b«ng cã chứa nhiều axit bÐo no palmitic nªn ở nhiệt độ phßng nã đ· ở thể rắn. Bằng c¸ch làm lạnh dầu, người ta cã thể t¸ch được palmitic dïng để sản xuất macgarin và xà phßng [9, 11, 51]. Dầu b«ng cũng là nguyªn liệu rất tốt để sản xuất biodiesel.
• Dầu sở: C©y sở là một loại c©y l©u năm được trồng nhiều ở vïng nhiệt đới. Ở nước ta, sở được trồng nhiều ở c¸c tỉnh trung du và miền nói. Thành phần axit bÐo của dầu sở bao gồm axit oleic (>60%), axit linoleic (15 - 24%) và axit palmitic (15 - 26%). Dầu sở sau khi t¸ch saponin dïng làm dầu thực phẩm rất tốt.
Ngoài ra, dầu sở còng được dïng trong c«ng nghiệp xà phßng, mỹ phẩm [5, 9, 18]. Dầu sở cũng cã thể làm nguyªn liệu để sản xuất biodiesel. • DÇu thÇu dÇu: DÇu thÇu dÇu hay cßn gäi lµ dÇu ve ®îc lÊy tõ h¹t qu¶ cña c©y thÇu dÇu. C©y thÇu dÇu ®îc trång ë nhiÒu n¬i trªn níc ta nh vïng trung du B¾c Bé,Thanh Ho¸,… Hµm lîng dÇu trong hét kho¶ng 35 – 5 55%.
Tuy nhiªn, hiÖn nay dÇu thÇu dÇu ë ViÖt Nam vÉn ph¶i nhËp nhiÒu tõ Trung Quèc. DÇu thÇu dÇu lµ mét chÊt láng sÒn sÖt, trong, kh«ng mµu hay h¬i vµng, vÞ nh¹t. DÇu thÇu dÇu lµ lo¹i dÇu kh«ng kh«, chØ sè iot tõ 80-90, tû träng lín, tan trong ankan, kh«ng tan trong x¨ng vµ dÇu ho¶. H¬n n÷a, do ®é nhít cao cña dÇu thÇu dÇu so víi c¸c lo¹i dÇu kh¸c nªn ngay tõ ®Çu nã ®· ®îc sö dông trong c«ng nghiÖp dÇu mì b«i tr¬n.
HiÖn nay, dÇu thÇu dÇu vÉn lµ lo¹i dÇu nhên cao cÊp dïng trong ®éng c¬ m¸y bay, xe löa vµ c¸c m¸y cã tèc ®é cao, trong dÇu phanh. DÇu thÇu dÇu ®îc dïng nhiÒu trong lÜnh vùc nh: trong y tÕ ®îc dïng lµm thuèc tÈy, thuèc nhuËn trµng; trong c«ng nghiÖp h¬ng liÖu vµ mü phÈm, trong c«ng nghiÖp chÊt dÎo, lµm giÊy than, giÊy nÕn vµ mùc in, trong c«ng nghiÖp b«i tr¬n [9, 11, 51], dÇu thÇu dÇu còng lµ nguyªn liÖu rÊt tèt ®Ó s¶n xuÊt biodiesel. • DÇu cä: Cä lµ mét lo¹i c©y nhiÖt ®íi ®îc trång nhiÒu ë Chilª, Gana, T©y ch©u Phi, mét sè níc ë ch©u ¢u vµ mét sè níc ch©u ¸. Tõ c©y cä cã thÓ s¶n xuÊt ®îc 2 lo¹i dÇu kh¸c nhau: DÇu nh©n cä vµ dÇu cïi cä.
DÇu nh©n cä cã mµu tr¾ng vµ dÇu cïi cä cã mµu vµng. Thµnh phÇn axit bÐo cña chóng còng rÊt kh¸c nhau. DÇu cïi cä lµ lo¹i thùc phÈm tèt dïng ®Ó ¨n trùc tiÕp hoÆc ®Ó s¶n xuÊt chÊt tiÒn sinh tè A. DÇu xÊu cã thÓ dïng ®Ó s¶n xuÊt xµ phßng hoÆc dïng trong ngµnh luyÖn kim.
DÇu nh©n cä cã c«ng dông trong ngµnh thùc phÈm b¸nh kÑo vµ xµ phßng [5, 9, 11, 18]. C¶ hai lo¹i nµy ®Òu cã thÓ lµm nguyªn liÖu rÊt tèt ®Ó s¶n xuÊt biodiesel. Nãi chung, hÇu hÕt c¸c loại dầu thực vật đều thÝch hợp làm nguyªn liệu cho qu¸ tr×nh sản xuất biodiesel. KhÝ hËu níc ta rÊt thÝch hîp víi c¸c lo¹i c©y lÊy dÇu nµy.
Ngµnh s¶n xuÊt c¸c lo¹i dÇu thùc vËt ph¸t triÓn, lµ nguån cung cÊp s¶n lîng lín vµ æn ®Þnh cho qu¸ tr×nh s¶n xuÊt biodiesel. Thµnh phÇn ho¸ häc cña dÇu thùc vËt C¸c lo¹i dÇu kh¸c nhau th× cã thµnh phÇn ho¸ häc kh¸c nhau. Tuy nhiªn, thµnh phÇn chñ yÕu cña dÇu thùc vËt lµ c¸c triglyxerit, nã lµ este t¹o 6 thµnh tõ axit bÐo cã ph©n tö lîng cao vµ glyxerin (chiÕm 95 − 97%). C«ng thøc cÊu t¹o chung cña nã lµ: R1 COOCH2 R2COOCH R3COOCH2 R 1, R 2 , R 3 lµ c¸c gèc hydrocacbon cña axit bÐo, khi chóng cã cÊu t¹o gièng nhau th× gäi lµ glyxerit ®ång nhÊt, nÕu kh¸c nhau th× gäi lµ glyxerit hçn t¹p.
C¸c gèc R cã chøa tõ 8 ®Õn 22 nguyªn tö cacbon. §¹i bé phËn dÇu thùc vËt cã thµnh phÇn glyxerit d¹ng hçn t¹p. Träng lîng ph©n tö dÇu thùc vËt tïy thuéc vµo lo¹i axit bÐo cã trong cÊu t¹o, nãi chung n»m trong kho¶ng 650 – 970, trong ®ã axit bÐo chiÕm 94 – 96% träng lîng. Do ®ã, tÝnh chÊt hãa häc cña dÇu bÐo cã liªn quan chÆt chÏ ®Õn tÝnh chÊt hãa häc cña axit bÐo.
Thêng axit bÐo sinh ra tõ dÇu mì cã thÓ vµo kho¶ng 95% so víi träng lîng dÇu mì ban ®Çu. VÒ cÊu t¹o, axit bÐo lµ nh÷ng axit cacboxylic m¹ch th¼ng cã cÊu t¹o kho¶ng 6 − 30 nguyªn tö cacbon. C¸c axit lóc nµy cã thÓ no hoÆc kh«ng no. C¸c axit bÐo thêng gÆp trong dÇu thùc vËt lµ: axit palmitic (C16:0), axit stearic (C18:0), axit oleic (C18:1), axit linoleic (C18:2), axit linolenic (C18:3) [11, 51-59] B¶ng 1.