Luận Văn Thạc Sĩ: Tổng Hợp Biodiesel Từ Hạt Dầu Cao Su Sử Dụng Xúc Tác Rắn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ hạt dầu cao su trên xúc tác rắn, góp phần phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

• Tác giả: Đặng Nguyễn Văn Khá
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Ngọc Hạnh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ dầu hạt cao su trên xúc tác rắn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TỔNG QUAN NGUỒN NGUYÊN LIỆU
• 1.2. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU BIODIESEL
• 1.2.1. Chỉ tiêu chất lượng biodiesel
• 1.2.2. Tầm quan trọng và những hạn chế của biodiesel
• 1.2.3. Các phương pháp điều chế biodiesel
• 1.3. CÁC LOẠI XÚC TÁC DÙNG TRONG PHẢN ỨNG TRANSESTER HÓA
• 1.3.1. Lựa chọn xúc tác acid rắn thích hợp cho giai đoạn xử lý FFA
• 1.3.2. Lựa chọn xúc tác bazơ thích hợp cho giai đoạn transester hóa
• 1.3.3. Làm sạch sản phẩm bằng chất hấp phụ
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ
• 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 2.2.1. Xác định thành phần acid
• 2.3. THUYẾT MINH QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
• 2.3.1. Quá trình ester hóa với xúc tác acid
• 2.3.2. Quá trình transester hóa với xúc tác bazơ K3PO4
• 2.3.3. Quá trình transester hóa với xúc tác bazơ K2CO3/MgO
• 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG BIODIESEL
• 2.4.1. Điểm chớp cháy (ASTM D93)
• 2.4.2. Hàm lượng nước và các chất bay hơi (ASTM D2709)
• 2.4.3. Hàm lượng than cặn Micro (ASTM I4530-7)
• 2.4.4. Hàm lượng FFA (tính theo tỉ lệ phần trăm)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CỦA DẦU HẠT CAO SU
• 3.2. QUÁ TRÌNH ESTER HÓA DẦU HẠT CAO SU VỚI XÚC TÁC ACID
• 3.2.1. Kết quả khảo sát xúc tác Fe2(SO4)3
• 3.2.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
• 3.3. QUÁ TRÌNH TRANSESTER HÓA DẦU VỚI XÚC TÁC BAZƠ K3PO4
• 3.3.1. Kết quả khảo sát xúc tác K3PO4
• 3.3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
• 3.4. QUÁ TRÌNH TRANSESTER HÓA DẦU HẠT CAO SU VỚI XÚC TÁC BAZƠ K2CO3/MgO
• 3.4.1. Kết quả khảo sát xúc tác K2CO3/MgO
• 3.4.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
• 3.5. SO SÁNH KẾT QUẢ BIODIESEL TỪ DẦU HẠT CAO SU XÚC TÁC K3PO4 VÀ K2CO3/MgO
• 3.6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC PHỤ LỤC
• LỜI CÁM ƠN

Tóm tắt

I. Tổng quan về biodiesel và xúc tác rắn

Biodiesel là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguồn tái tạo như dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp biodiesel từ hạt dầu cao su sử dụng xúc tác rắn. Xúc tác rắn được ưa chuộng do tính thân thiện với môi trường và khả năng tái sử dụng. Hạt dầu cao su là nguồn nguyên liệu tiềm năng vì không cạnh tranh với lương thực và có sẵn tại Việt Nam.

1.1. Nguồn nguyên liệu biodiesel

Hạt dầu cao su chứa hàm lượng acid béo tự do (FFA) cao, đòi hỏi quy trình xử lý phức tạp. Dầu hạt cao su không phù hợp làm thực phẩm do chứa độc tố, nhưng là nguyên liệu lý tưởng cho sản xuất biodiesel. Việt Nam có diện tích trồng cao su lớn, tạo nguồn nguyên liệu dồi dào cho nghiên cứu.

1.2. Xúc tác rắn trong tổng hợp biodiesel

Xúc tác rắn như K3PO4 và K2CO3/MgO được sử dụng để tối ưu hóa quy trình chuyển hóa hóa học. Các xúc tác này giúp giảm thiểu sản phẩm phụ và tăng hiệu suất phản ứng. Xúc tác rắn cũng dễ tách khỏi sản phẩm, giảm ô nhiễm môi trường.

II. Quy trình tổng hợp biodiesel từ hạt dầu cao su

Quy trình tổng hợp biodiesel từ hạt dầu cao su bao gồm hai giai đoạn chính: ester hóa và transester hóa. Giai đoạn đầu sử dụng xúc tác acid rắn Fe2(SO4)3 để xử lý FFA, giai đoạn sau sử dụng xúc tác bazơ rắn để chuyển hóa dầu thành biodiesel. Các yếu tố như nhiệt độ, tỉ lệ methanol/dầu, và thời gian phản ứng được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao.

2.1. Ester hóa với xúc tác acid rắn

Giai đoạn ester hóa sử dụng xúc tác acid rắn Fe2(SO4)3 để giảm hàm lượng FFA trong dầu hạt cao su. Quá trình này đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và thời gian phản ứng để đạt hiệu quả tối ưu.

2.2. Transester hóa với xúc tác bazơ rắn

Giai đoạn transester hóa sử dụng xúc tác bazơ rắn K3PO4 hoặc K2CO3/MgO để chuyển hóa dầu thành biodiesel. Hiệu suất phản ứng đạt trên 90% khi các điều kiện như nhiệt độ, tỉ lệ methanol/dầu, và hàm lượng xúc tác được tối ưu hóa.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đạt được hiệu suất tổng hợp biodiesel trên 90% với xúc tác K3PO4 và trên 82% với xúc tác K2CO3/MgO. Biodiesel từ hạt dầu cao su đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành năng lượng tái tạo. Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ biodiesel bền vững, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

3.1. Đánh giá chất lượng biodiesel

Biodiesel từ hạt dầu cao su được kiểm tra các chỉ tiêu như điểm cháy, hàm lượng nước, và hàm lượng FFA. Kết quả cho thấy sản phẩm đạt tiêu chuẩn quốc tế, phù hợp sử dụng trong động cơ diesel.

3.2. Ứng dụng và triển vọng

Nghiên cứu mở ra hướng phát triển năng lượng tái tạo từ nguồn nguyên liệu sẵn có tại Việt Nam. Biodiesel từ hạt dầu cao su không chỉ giảm ô nhiễm môi trường mà còn góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng quốc gia.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện với môi trường trở thành ưu tiên hàng đầu. Biodiesel, một loại nhiên liệu sinh học được tổng hợp từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, đã thu hút sự quan tâm lớn do khả năng giảm phát thải khí độc hại và tính phân hủy sinh học cao. Tại Việt Nam, cây cao su là một trong những cây công nghiệp chủ lực với diện tích trồng khoảng 640.000 ha năm 2009, dự kiến mở rộng lên 1 triệu ha vào năm 2020. Dầu hạt cao su (DHCS) có tiềm năng lớn để sản xuất biodiesel, với sản lượng hạt thu gom ước tính khoảng 200.000 tấn, tương đương sản xuất 20.000 - 40.000 tấn dầu mỗi năm.

Tuy nhiên, DHCS chứa hàm lượng acid béo tự do (FFA) cao, gây khó khăn cho quá trình chuyển hóa trực tiếp bằng xúc tác kiềm do phản ứng tạo xà phòng làm giảm hiệu suất và gây ô nhiễm môi trường. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ DHCS qua hai giai đoạn: xử lý FFA bằng xúc tác acid rắn Fe₂(SO₄)₃ và chuyển hóa triglyceride thành methyl ester bằng xúc tác bazơ rắn K₃PO₄ hoặc K₂CO₃/MgO. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như tỉ lệ methanol/dầu, hàm lượng xúc tác, nhiệt độ và thời gian phản ứng đến hiệu suất chuyển hóa và chất lượng sản phẩm biodiesel. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam, với nguyên liệu thu thập từ tỉnh Bình Phước, trong khoảng thời gian năm 2010-2011.

Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu sẵn có, không cạnh tranh với lương thực, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển kinh tế nông nghiệp bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính trong quá trình tổng hợp biodiesel:

1. Phản ứng ester hóa acid béo tự do (FFA) với xúc tác acid rắn: Quá trình này nhằm giảm hàm lượng FFA trong dầu thô, tránh tạo xà phòng khi chuyển hóa bằng xúc tác bazơ. Phản ứng thuận nghịch giữa acid béo và methanol tạo thành methyl ester và nước, được xúc tác bởi Fe₂(SO₄)₃. Hiệu suất phản ứng được đánh giá qua chỉ số acid (acid value, AV).

2. Phản ứng transester hóa triglyceride với methanol bằng xúc tác bazơ rắn: Đây là phản ứng chính tạo ra biodiesel (methyl ester) và glycerin. Xúc tác bazơ rắn như K₃PO₄ hoặc K₂CO₃/MgO được sử dụng do tính chọn lọc cao, dễ tách và tái sử dụng. Các yếu tố ảnh hưởng gồm tỉ lệ mol methanol/dầu, hàm lượng xúc tác, nhiệt độ và thời gian phản ứng.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

• Free Fatty Acid (FFA): Acid béo tự do trong dầu, ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa.
• Fatty Acid Methyl Ester (FAME): Sản phẩm biodiesel sau phản ứng transester hóa.
• Xúc tác rắn (heterogeneous catalyst): Xúc tác ở pha khác với chất phản ứng, dễ tách và tái sử dụng.
• Chỉ số acid (AV): Đo lượng acid béo tự do, dùng để đánh giá hiệu quả xử lý FFA.
• Độ nhớt (viscosity): Thông số quan trọng đánh giá tính chất nhiên liệu biodiesel.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là dầu hạt cao su thu thập tại thị xã Đông Xoài, tỉnh Bình Phước. Các hóa chất xúc tác Fe₂(SO₄)₃, K₃PO₄, K₂CO₃/MgO được tổng hợp và chuẩn bị theo quy trình chuẩn. Phân tích thành phần acid béo, chỉ số acid, độ nhớt và hàm lượng methyl ester được thực hiện tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp chuẩn độ để xác định chỉ số acid, sắc ký khí (GC) để đo hàm lượng methyl ester, đo BET và XRD để đặc trưng xúc tác. Độ nhớt được đo theo tiêu chuẩn ASTM D6751.

• Thiết kế thí nghiệm: Nghiên cứu được chia thành hai giai đoạn chính:

  1. Ester hóa FFA: Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ methanol/dầu (0.5 ml/g), hàm lượng xúc tác Fe₂(SO₄)₃ (0-6% wt), nhiệt độ (40-65°C) và thời gian (0-8h) đến chỉ số acid.

  2. Transester hóa triglyceride: Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ methanol/dầu (0.5-0.75 ml/g), hàm lượng xúc tác bazơ (3-10% wt), nhiệt độ (40-65°C) và thời gian (0-3h) đến hiệu suất thu hồi biodiesel và độ nhớt sản phẩm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi thí nghiệm được thực hiện ít nhất ba lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy. Mẫu dầu được lấy đại diện từ lô sản xuất công nghiệp.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong vòng 12 tháng, từ thu thập nguyên liệu, tổng hợp xúc tác, thực hiện thí nghiệm đến phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm hàm lượng FFA qua giai đoạn ester hóa: Khi sử dụng 4% wt xúc tác Fe₂(SO₄)₃, tỉ lệ methanol/dầu 0.5 ml/g, nhiệt độ 65°C và thời gian 6 giờ, chỉ số acid giảm từ khoảng 34 mg KOH/g xuống dưới 1 mg KOH/g, tương đương hiệu suất ester hóa trên 97%. Điều này cho thấy quá trình xử lý acid rắn hiệu quả trong việc giảm FFA, tạo điều kiện thuận lợi cho giai đoạn transester hóa.

2. Ảnh hưởng tỉ lệ methanol/dầu trong transester hóa: Với xúc tác K₃PO₄, tỉ lệ methanol/dầu 0.5 ml/g cho hiệu suất FAME trên 90% sau 3 giờ phản ứng ở 65°C. Trong khi đó, xúc tác K₂CO₃/MgO cần tỉ lệ methanol/dầu cao hơn 0.75 ml/g để đạt hiệu suất trên 82%. Điều này cho thấy K₃PO₄ có hoạt tính bazơ mạnh hơn, giúp phản ứng hiệu quả hơn với lượng methanol thấp hơn.

3. Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác bazơ: Với K₃PO₄, hàm lượng xúc tác 4% wt là tối ưu, tăng thêm không cải thiện đáng kể hiệu suất mà có thể gây khó khăn trong tách sản phẩm. Với K₂CO₃/MgO, hàm lượng xúc tác 3% wt cho hiệu suất tốt nhất, phù hợp với điều kiện phản ứng.

4. Ảnh hưởng thời gian và nhiệt độ phản ứng: Nhiệt độ 65°C và thời gian 3 giờ là điều kiện tối ưu cho cả hai xúc tác bazơ, đảm bảo hiệu suất chuyển hóa cao và tiết kiệm năng lượng. Thời gian ngắn hơn làm giảm hiệu suất, thời gian dài hơn không tăng đáng kể hiệu suất mà làm tăng chi phí.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc xử lý FFA bằng xúc tác acid rắn Fe₂(SO₄)₃ là bước thiết yếu để giảm chỉ số acid từ khoảng 34 mg KOH/g xuống dưới 1 mg KOH/g, phù hợp với yêu cầu của phản ứng transester hóa bazơ. Điều này đồng nhất với các nghiên cứu quốc tế về xử lý nguyên liệu có FFA cao nhằm tránh tạo xà phòng khi dùng xúc tác kiềm.

So sánh hai loại xúc tác bazơ, K₃PO₄ thể hiện hoạt tính cao hơn K₂CO₃/MgO, cho hiệu suất FAME trên 90% so với 82% trong điều kiện tương tự. Điều này có thể giải thích do K₃PO₄ có tính bazơ mạnh hơn và khả năng tái sử dụng tốt hơn, đồng thời không tan trong methanol và sản phẩm, giúp dễ dàng tách và tinh chế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự thay đổi chỉ số acid theo thời gian và nhiệt độ trong giai đoạn ester hóa, cũng như biểu đồ hiệu suất FAME theo hàm lượng xúc tác và tỉ lệ methanol/dầu trong giai đoạn transester hóa. Bảng so sánh các chỉ tiêu chất lượng biodiesel với tiêu chuẩn ASTM D6751 cũng minh họa rõ ràng chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu.

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo trong ngành về sản xuất biodiesel từ nguyên liệu có FFA cao, đồng thời mở ra hướng ứng dụng xúc tác rắn thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm và chi phí xử lý nước thải.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình hai giai đoạn xử lý FFA và transester hóa: Khuyến nghị sử dụng xúc tác acid rắn Fe₂(SO₄)₃ để xử lý FFA trước khi chuyển hóa bằng xúc tác bazơ rắn K₃PO₄ hoặc K₂CO₃/MgO nhằm tối ưu hiệu suất và chất lượng biodiesel. Thời gian thực hiện giai đoạn ester hóa khoảng 6 giờ, transester hóa 3 giờ, nhiệt độ 65°C.

2. Tối ưu tỉ lệ methanol/dầu và hàm lượng xúc tác: Đề xuất sử dụng tỉ lệ methanol/dầu 0.5 ml/g với K₃PO₄ (4% wt xúc tác) và 0.75 ml/g với K₂CO₃/MgO (3% wt xúc tác) để đạt hiệu suất chuyển hóa cao, tiết kiệm nguyên liệu và chi phí.

3. Sử dụng nhựa trao đổi ion GF202 để làm sạch sản phẩm: Áp dụng phương pháp hấp phụ bằng nhựa GF202 giúp loại bỏ xà phòng, glycerin, methanol dư và tạp chất, nâng cao chất lượng biodiesel, giảm lượng nước sử dụng và ô nhiễm môi trường.

4. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng và ứng dụng công nghiệp: Đề xuất các cơ sở sản xuất biodiesel tại Việt Nam nghiên cứu áp dụng quy trình này với nguyên liệu DHCS, đồng thời phát triển xúc tác rắn tái sử dụng nhiều lần để giảm chi phí và tăng tính bền vững.

5. Thời gian triển khai: Các giải pháp nên được thử nghiệm quy mô pilot trong vòng 12-18 tháng, sau đó mở rộng sản xuất thương mại trong 2-3 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về tổng hợp biodiesel từ nguyên liệu có FFA cao, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học và công nghiệp dầu khí: Thông tin về quy trình xử lý FFA và xúc tác rắn giúp cải tiến công nghệ sản xuất biodiesel, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực tiễn về tiềm năng nguyên liệu trong nước, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

4. Các tổ chức môi trường và phát triển bền vững: Luận văn minh chứng cho khả năng giảm ô nhiễm và sử dụng nguồn nguyên liệu không cạnh tranh lương thực, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải xử lý FFA trước khi tổng hợp biodiesel từ dầu hạt cao su?
   Dầu hạt cao su có hàm lượng acid béo tự do (FFA) cao, nếu không xử lý trước, khi dùng xúc tác kiềm sẽ tạo xà phòng, làm giảm hiệu suất và gây khó khăn trong tách sản phẩm. Xử lý FFA bằng xúc tác acid rắn giúp giảm chỉ số acid xuống dưới 1 mg KOH/g, phù hợp cho phản ứng transester hóa bazơ.

2. Lợi ích của việc sử dụng xúc tác rắn trong quá trình tổng hợp biodiesel là gì?
   Xúc tác rắn dễ tách khỏi sản phẩm, có thể tái sử dụng nhiều lần, giảm ô nhiễm môi trường so với xúc tác đồng thể. Ngoài ra, xúc tác rắn giúp tăng tính chọn lọc, giảm phản ứng phụ và chi phí xử lý sản phẩm.

3. Tỉ lệ methanol/dầu ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất phản ứng?
   Tỉ lệ methanol/dầu cao hơn giúp đẩy phản ứng transester hóa về phía sản phẩm, tăng hiệu suất. Tuy nhiên, quá nhiều methanol gây khó khăn trong tách sản phẩm và tăng chi phí. Nghiên cứu cho thấy tỉ lệ 0.5 ml/g với K₃PO₄ và 0.75 ml/g với K₂CO₃/MgO là tối ưu.

4. Nhựa trao đổi ion GF202 có vai trò gì trong quy trình?
   GF202 được sử dụng để hấp phụ và loại bỏ các tạp chất như xà phòng, glycerin, methanol dư trong biodiesel, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm lượng nước sử dụng và ô nhiễm môi trường.

5. Biodiesel từ dầu hạt cao su có đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng không?
   Sản phẩm biodiesel thu được có hàm lượng methyl ester trên 90%, độ nhớt và các chỉ tiêu khác phù hợp với tiêu chuẩn ASTM D6751 của Mỹ và TCVN 7717:2007 của Việt Nam, đảm bảo sử dụng làm nhiên liệu thay thế diesel truyền thống.

Kết luận

• Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp biodiesel từ dầu hạt cao su qua hai giai đoạn xử lý FFA bằng xúc tác acid rắn Fe₂(SO₄)₃ và transester hóa bằng xúc tác bazơ rắn K₃PO₄ hoặc K₂CO₃/MgO.
• Hiệu suất chuyển hóa methyl ester đạt trên 90% với K₃PO₄ và trên 82% với K₂CO₃/MgO trong điều kiện tối ưu.
• Sản phẩm biodiesel đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng quốc tế, có tiềm năng ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam.
• Quy trình sử dụng xúc tác rắn giúp giảm ô nhiễm môi trường, tiết kiệm chi phí xử lý và tăng khả năng tái sử dụng xúc tác.
• Đề xuất triển khai thử nghiệm quy mô pilot và mở rộng ứng dụng trong 1-3 năm tới, góp phần phát triển nguồn nhiên liệu sinh học bền vững trong nước.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ để trao đổi, hợp tác phát triển công nghệ sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu dầu hạt cao su phong phú tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN 1. TONG QUAN NGUON NGUYEN LIEU 1. Cay cao su va hat cao su LII. Cay cao su Cây cao su (Para rubber tree) có tên khoa học là Hevea brasiliensis.

Cay cao su trén thé gidi thudc vao 5 ho thuc vat sau: Euphorbiacéae, Moracéae, Apocynacéae, Asclépiadaceae và Composeae [1]. Mỗi họ chia thành nhiều giống và nhiều loài khác nhau. Trong đó, cây Hevea brasiliensis là loại được ưa chuộng nhất, vì đem lại giá trị kinh té cao, cung cấp khoảng 95 - 97% cao su thiên nhiên thé giới. Cây cao su thích hợp với với khí hậu vùng nhiệt đới, đặc biệt là vùng Bắc Nam Mỹ, Brasil, Trung Mỹ, châu Phi từ Maroc đến Madagasca, Sri Lanka, miền Nam Ấn, Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan, Malaysia và Indonesia [2|.

Với điều kiện khí hau, thé nhưỡng của Việt Nam, cây cao su đã trở thành loại cây công nghiệp quan trọng hàng đầu của nước ta. Hiện nay, cây cao su được trồng nhiều tại Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, Trung tâm phía Bắc và duyên hải miền Trung. Cũng như các loại khác thuộc giống Hevea, cây Hevea brasiliensis cao to từ 20 — 40 mét, cho hoa đơn tính, màu vàng, không cánh, hình chuông nhỏ, tập trung thành chùm. Lá dài từ 20 - 30 em, thuộc lá kép 3.

Đây là cây đơn tính đồng chu (giống như cây bắp), trái là một nang có 3 ngăn, mỗi ngăn chứa 1 hột. Lúc chin, trái nô phóng thích hạt. Nhân hạt giàu chất béo, do đó hạt mat kha năng nảy chổi nhanh. Mỗi cây cao su sẽ cho ra khoảng 800 hạt, 2 lần/năm [3].

ve phương diện sinh thái, cây đòi hỏi nhiệt độ trung bình là 25°C, lượng mưa tối thiểu là 1500 mm mỗi năm và có thé chịu hạn được nhiều tháng trong mùa khô. Cây mém và giòn, do đó có thé bị gãy khi gặp gió mạnh. Mặc dù cây cao su ít Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 6 đòi hỏi chất lượng đất, nhưng nó thích hợp nhất với đất dai phì nhiêu, sâu, dé thoát nước, hơi chua (pH từ 4 — 4.5) và giàu mun.

Hạt cao su Cây cao su trổ bông, kết trái và bắt đầu rụng hạt từ tháng 6 hàng năm. Thời gian rụng hạt kéo dài cho đến hết mùa mưa. Hạt cao su có hình elip với nhiều kích cỡ, dài từ 2cm đến 3.5cm, màu nâu chấm, bóng. Hạt trưởng thành và nứt ra khỏi vỏ quả.

Vỏ hạt cao su khô cứng, giòn, liên kết lỏng lẻo với nhân hạt có mau cream. Khối lượng của hạt cao su tươi dao động từ 3 - 5ø, phân bố 40% ở nhân, 35% ở vỏ và còn lại là lượng âm (25%). San luong tinh toan: O Viét Nam, san luong hat cao su binh quan khoang 200 kg/hecta. Đến năm 2020, Việt Nam có khoảng 1 triệu hecta cây cao su, ước tính tong sản lượng hạt thu gom có thé đạt tới 200 ngàn tan.

Quy ra dầu có thé sản xuất ít nhất khoảng 20 ngàn tấn dau. Nếu thay đổi, cải tiến công nghệ thì hoan toàn có thể sản xuất 30 — 40 ngàn tấn dầu mỗi năm. Dầu hạt cao su Dâu hạt cao su chứa các acid béo no gôm acid palmific và acid stearic. Các acid béo không no, gôm chủ yêu là acid oleic, acid linoleic, và acid linolenic.

Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 7 Bang 1. Thành phan phan trăm các acid có trong DHCS và các dau khác[4, 5] Ký Dầu cao Dau Dau hat Dau Dau dau ae Acid béo hiệu su hướng dương cải bồng nành Palmitic C16:0 10,2 6,8 3,49 11,67 11,75 Stearic C18:0 8,7 3,26 0,85 0,89 3,15 Oleic C18:1 246 16,93 644 13. Một số tinh chất của DHCS so với các dau khác Chỉ tiêu Pau cae ane Dau cải | Dau bông Pay eeu Ti trong 0,91 0,918 0,914 0,912 0,92 Độ nhớt ở 40°C (cSt) 66,2 58 39,5 50 65 Điểm cháy (°C) 198 220 280 210 230 Nhiệt trị (MJ/kg) 37,5 39,5 37,6 39.6 Chỉ số acid _ (mgKOH/g dâu) 34 0,15 1,14 0,11 0,2 [6] Hàm lượng FFA trong DHCS thay đổi trong khoảng lớn tùy theo phương pháp bảo quan hạt, sản xuât và bảo quan dâu.

Tùy thuộc vào các giai đoạn tiên trích ly nhân để thu nhận dầu thô, dầu từ hạt cao su có màu sắc thay đổi từ trong ngả trắng đến màu vàng nhạt khi hàm lượng acid béo tự do thấp (5%) cho đến mảu tối hơn (nâu đỏ sậm) khi hàm lượng này cao (10 — 40%). Dầu tươi có màu vàng nhạt nhưng sản phẩm dau thương mại thu được bang phương pháp ép hay trích ly hạt đã qua quá trình bảo quản đều có màu tối. Nhiều thí nghiệm đã chỉ ra rằng trong khi Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Ngọc Hạnh Trang Š dầu được trích ly từ hạt tươi gần như không có tính acid thì đối với hạt đem bảo quản một thời gian, hàm lượng acid béo tự do có thé tăng 15 — 18%.

Sự khác biệt này là do sự phân hủy dầu trong quá trình bảo quản gây nên biến màu, biến mùi và tăng hàm lượng acid béo tự do. Sự phá hủy dầu của hạt cao su do enzyme (lipase nội bao) va độ âm cao trong quá trình bao quan hạt làm tăng hàm lượng FFA trong dầu trích ly từ hạt bảo quản. Trong DHCS có chứa độc tố nên cho tới nay dâu này vẫn chưa được dùng dé làm thực phẩm. Đây là cơ sở để khang định DHCS là nguôn nguyên liệu dé nghiên cứu sản xuất biodiesel thỏa mãn tiêu chí không ảnh hưởng đến vấn dé lương thực thực phẩm.

Ngoài ra, hiện tại trong công nghiệp, DHCS được dùng làm chất chống dính trong công đoạn cat gọt các khối mủ cao su dạng đông đặc, dùng trong công nghiệp sản xuất sơn, vecni, chế phẩm dầu nhờn. Điều này cho thấy DHCS đang được sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Như vậy, nghiên cứu sản xuất biodiesel sẽ làm phong phú hơn về sản phẩm bắt nguồn từ DHCS. TONG QUAN VE NHIÊN LIEU BIODIESEL Y Định nghĩa Biodiesel (viết tắt B100) là nhiên liệu có nguồn gốc sinh học thay thế cho nhiên liệu chạy trong động cơ diesel.

Theo tiêu chuẩn ASTM, biodiesel “là các mono alkyl ester của các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thé tái tạo lại như: dầu thực vật, mỡ động vat” [7]. Biodiesel có thé coi là ester của các acid béo trong dau mỡ với methanol hay ethanol. Do vậy chúng có thé điều chế biodiesel băng phản ứng ester hoá acid béo hay phản ứng transester triglyceride với rượu. Lịch sử hình thành và phát triển nhiên liệu biodiesel Biodiesel được con người biết đến từ những năm cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20.

Theo đó, Rudolph Diesel là người đầu tiên đã sử dụng dâu lạc làm nhiên liệu cho động co diesel vào ngày 10 tháng 8 năm 1893. Năm 1912, ông dự báo rang trong Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 9 tương lai các loại dầu như thé sẽ có giá trị không thua gì so với các sản pham nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá. Tuy nhiên, phải đợi đến những năm 80 của thế kỉ 20 thì biodiesel mới được các nước trên thế giới bắt tay vào nghiên cứu rộng rãi và sản xuất trên qui mô công nghiệp, khi mà người ta thay được tầm quan trọng không thé thiếu của nhiên liệu và sự cạn kiệt dần của nguồn nhiên liệu dầu mỏ [8.] Châu Au đi tiên phong trong lĩnh vực này vì đa số các nước đó không có nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ.

Nhiều nhà máy sản xuất biodiesel được xây dựng lên ở Áo, Đức, Pháp, Thụy Điển, Italia, Tây Ban Nha. Một số nước ở các khu vực khác cũng nghiên cứu và ứng dung biodiesel như An Độ, Trung Quốc, Nhật Bản. Tuy nhiên trên thực tế nước sử dụng biodiesel rộng rãi nhất hiện nay là Mỹ với nhiều chính sách ưu đãi [9, 10]. Từ những nhu cau biodiesel ngày càng lớn các nghiên cứu về biodiesel ngày càng nhiều trong từng nước trên thế giới.

Các nguồn nguyên liệu thực vat được nghiên cứu là dầu đậu nành, dầu bông cải, dầu cọ, dau hoa hướng dương, dau tao, dầu jatropha, dau an phé thai. Mỡ động vat được nghiên cứu là mỡ heo, mỡ bò, mỡ cá các loại. Tại Việt Nam, các nguồn nguyên liệu đang được nghiên cứu nhiều là dầu jatropha, mỡ cá tra, dầu ăn phế thải. Chỉ tiêu chất lượng biodiesel Việc sản xuất và sử dụng rộng rãi biodiesel đòi hỏi phải đưa ra một tiêu chuẩn chất lượng về biodiesel để đánh giá như: EN 14214 ở Châu Au, ASTM D6751 của Mỹ.

ASTM D6751 không phải là tiêu chuẩn cho nhiên liệu mà là tiêu chuẩn cho biodiesel dùng để pha trộn lên đến 20% thể tích với diesel từ dầu mỏ. Tại Việt Nam, tiêu chuẩn biodiesel được ban hành năm 2007. Tiêu chuẩn biodiesel tại Việt Nam (TCVN 7717:2007, nhiên liệu sinh học gốc B100). Chỉ tiêu Phương pháp thử Giới hạn Don vi Ham luong ester EN 14103 96.5 min % khôi lượng Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.

Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 10 a TCVN 2694 3 Khôi lượng riêng tai 15°C, 860 - 900 kg/m ASTM D 1298 :. TCVN 2693 Điểm chớp cháy coc kín 130 min °C ASTM D 93 TCVN 7757 : Hàm lượng nước và cặn 0.050 max % thê tích ASTM D 2709 TCVN 3171 : Độ nhớt động học 40°C 1.0 mm/s ASTM D 445 TCVN 2689 k.020 max % khôi lượng ASTM D 874 TCVN 6701 k.05 % khôi lượng ASIMD 5453 : \ TCVN 2694 , An mòn lá dong NI Số ASTM D 130 , TCVN 7630 Tri sô cetan 47 min - ASTM D 613 Nhiệt độ cat, 90% thu hoi | ASTM D 1160 360 max °C Ham lượng cặn cacbon ASTM D4530 0.050 max % khôi lượng Chỉ số acid ASTM D664 0.5 max mg KOH/g Ham lượng glycerin tự do ASTM D6584 0.020 max % khối lượng Hàm lượng glycerin tong ASTM D6584 0.240 max % khối lượng Hàm lượng Photpho ASTM D4951 0.001 max mg/kg Tổng hàm lượng Ca, Mg ENI4538 5 max ppm Tổng hàm lượng Na, K ENI4538 5 max ppm Độ 6n định oxi hóa EN14112 3 min gid [11] 1. Tam quan trong va những han chế của biodiesel 1. Tam quan trong Y LA nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường.

Biodiesel cháy sạch và lượng khí thải CO>, SO›, CO,. thoát ra thấp hon so với diesel, làm giảm van dé ô nhiễm Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Ngọc Hạnh Trang 11 không khí. Mac khác, biodiesel không độc với người và có khả năng phân huỷ sinh học tốt.

So sảnh lượng khí thai giam đạt được của B100 và B20 với DO Khói thải BI00 B20 Khí CO 43.