Tổng quan nghiên cứu

Dầu nhờn là một thành phần thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong bôi trơn, làm mát và bảo vệ các chi tiết máy móc. Theo ước tính, lượng dầu nhờn tiêu thụ toàn cầu ngày càng tăng, kéo theo nhu cầu phát triển các loại dầu nhờn thân thiện với môi trường. Dầu nhờn sinh học, được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu tái tạo như dầu thực vật, nổi lên như một giải pháp thay thế bền vững cho dầu nhờn khoáng truyền thống. Tuy nhiên, việc tổng hợp dầu nhờn sinh học đòi hỏi các quy trình biến đổi hóa học phức tạp và sử dụng xúc tác hiệu quả để nâng cao chất lượng sản phẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp dầu nhờn sinh học sử dụng xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình từ nguồn vỏ trấu – một loại phế liệu nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam. Nghiên cứu sử dụng dầu thầu dầu làm nguyên liệu chính cho quá trình tổng hợp, với mục tiêu tối ưu hóa điều kiện phản ứng nhằm tạo ra dầu nhờn sinh học có đặc tính hóa lý tương đương hoặc vượt trội so với dầu nhờn khoáng. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Hà Nội trong giai đoạn 2016-2018, với các phân tích chi tiết về cấu trúc xúc tác, hiệu suất phản ứng và đặc tính sản phẩm.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do dầu nhờn thải, đồng thời phát triển công nghệ xúc tác mới có khả năng nâng cao hiệu quả tổng hợp dầu nhờn sinh học. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp dầu nhờn sinh học tại Việt Nam, hướng tới phát triển bền vững và thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết xúc tác axit rắn: Xúc tác cacbon hóa mesocacbon hóa vỏ trấu được sunfo hóa tạo các nhóm -SO3H có tính axit mạnh, giúp tăng tốc độ và chọn lọc phản ứng este hóa và mở vòng epoxy trong tổng hợp dầu nhờn sinh học.

  • Mô hình mao quản trung bình (mesoporous structure): Cấu trúc mao quản trung bình với kích thước phù hợp giúp xúc tác có diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng tiếp xúc với các phân tử triglyxerit lớn trong dầu thầu dầu, từ đó nâng cao hiệu suất phản ứng.

  • Khái niệm dầu nhờn sinh học: Là các este polyol tổng hợp từ dầu thực vật có khả năng phân hủy sinh học cao, không độc hại, có đặc tính hóa lý phù hợp với yêu cầu bôi trơn công nghiệp.

Các khái niệm chính bao gồm: xúc tác cacbon hóa, mesocacbon hóa, epoxy hóa, este hóa, chỉ số độ nhớt, điểm chớp cháy, và cấu trúc mao quản trung bình.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là vỏ trấu thu gom tại Hà Nội và dầu thầu dầu nhập khẩu. Hóa chất sử dụng gồm H2SO4, CTAB, NaOH, HF, C2H5OH, CH3OH.

  • Phương pháp chế tạo xúc tác: Vỏ trấu được nhiệt phân ở 400°C trong 3 giờ tạo biochar, xử lý loại bỏ silica bằng HF, sau đó sunfo hóa bằng H2SO4 98% ở 150°C trong 24 giờ. Tiếp theo, biochar sunfo hóa được xử lý với CTAB và NaOH để tạo cấu trúc mao quản trung bình, tách CTAB bằng dung dịch acid hỗn hợp, sấy khô tạo xúc tác mesocacbon hóa vỏ trấu.

  • Phương pháp tổng hợp dầu nhờn sinh học: Phản ứng este hóa một giai đoạn giữa dầu thầu dầu, ethanol, H2O2 và xúc tác mesocacbon hóa vỏ trấu ở 130°C, khuấy 400 vòng/phút trong 6 giờ. Sản phẩm được tách pha, rửa và sấy để thu dầu nhờn sinh học gốc.

  • Phân tích đặc trưng xúc tác: Sử dụng XRD (góc hẹp và rộng) để xác định cấu trúc mao quản và tính vô định hình; phổ FT-IR để xác định nhóm chức -SO3H; TPD-NH3 để đo mật độ và phân bố độ axit.

  • Phân tích đặc tính dầu nhờn sinh học: Đo độ nhớt động học (ASTM D445), chỉ số độ nhớt (ASTM D2270), tỷ trọng (ASTM D1298), chỉ số axit (ASTM D664), chỉ số xà phòng (ASTM D5558), điểm đông đặc (ASTM D97), hàm lượng nước (ASTM D95), điểm chớp cháy (ASTM D92), và phân tích thành phần bằng GC-MS.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trong 24 tháng, với cỡ mẫu xúc tác và dầu nhờn sinh học được chuẩn bị và phân tích lặp lại ít nhất 3 lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng xúc tác mesocacbon hóa vỏ trấu:

    • XRD góc hẹp cho thấy đỉnh pic tại 2θ ≈ 1,6°, đặc trưng cho cấu trúc mao quản trung bình trật tự tương tự MCM-41.
    • XRD góc rộng không phát hiện cấu trúc tinh thể, chứng tỏ xúc tác tồn tại ở dạng vô định hình.
    • FT-IR xác nhận sự hiện diện của nhóm -SO3H với các đỉnh đặc trưng tại ~1700 cm⁻¹ (liên kết H), ~1000 cm⁻¹ (S=O), và ~800 cm⁻¹ (C-S-O).
    • TPD-NH3 đo được mật độ axit tổng là 7,27 mmol/g, trong đó axit mạnh chiếm 60,84%, cho thấy xúc tác có độ axit cao và phân bố axit phù hợp cho phản ứng este hóa.

  2. Tính chất hóa lý của dầu thầu dầu:

    • Độ nhớt động học tại 40°C là 72,8 cSt, chỉ số iot 92,3, điểm rót -21,9°C, chỉ số axit thấp 0,9 mg/g.
    • Hàm lượng nước và tạp chất cơ học rất thấp (0,2%), phù hợp làm nguyên liệu tổng hợp dầu nhờn sinh học.
    • Thành phần axit ricinoleic chiếm 87,7-90,4%, cung cấp nhóm hydroxyl và liên kết đôi thuận lợi cho phản ứng epoxy hóa và este hóa.

  3. Hiệu suất tổng hợp dầu nhờn sinh học:

    • Ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, thời gian, hàm lượng xúc tác, tỷ lệ mol ethanol/dầu, tỷ lệ mol H2O2/dầu và tốc độ khuấy được khảo sát chi tiết.
    • Điều kiện tối ưu: 130°C, 6 giờ, 6g xúc tác trên 60ml dầu thầu dầu, tỷ lệ mol ethanol/dầu 0,33, tỷ lệ mol H2O2/dầu 0,25, tốc độ khuấy 400 vòng/phút.
    • Hiệu suất chuyển hóa đạt khoảng 85-90%, độ nhớt động học của sản phẩm đạt 35-40 cSt tại 40°C, chỉ số độ nhớt trên 150, điểm chớp cháy > 300°C, điểm đông đặc dưới -20°C.

  4. So sánh đặc tính sản phẩm với dầu nhờn khoáng:

    • Dầu nhờn sinh học tổng hợp có chỉ số độ nhớt cao hơn 60-70% so với dầu khoáng thông thường.
    • Điểm chớp cháy cao hơn 50-70°C, giảm nguy cơ cháy nổ trong sử dụng.
    • Khả năng phân hủy sinh học và thân thiện môi trường vượt trội, giảm thiểu ô nhiễm do dầu thải.

Thảo luận kết quả

Kết quả XRD và FT-IR chứng minh thành công việc chế tạo xúc tác mesocacbon hóa vỏ trấu với cấu trúc mao quản trung bình trật tự và nhóm chức axit mạnh -SO3H. Độ axit cao và cấu trúc mao quản thông thoáng giúp xúc tác tiếp xúc hiệu quả với các phân tử triglyxerit lớn trong dầu thầu dầu, từ đó nâng cao hiệu suất phản ứng este hóa và mở vòng epoxy.

Tính chất hóa lý của dầu thầu dầu với độ nhớt cao và thành phần axit ricinoleic phong phú tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình biến đổi hóa học nhằm cải thiện đặc tính dầu nhờn sinh học. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng xúc tác axit lỏng hoặc bazơ lỏng, xúc tác mesocacbon hóa vỏ trấu cho hiệu suất cao hơn và sản phẩm có đặc tính vượt trội hơn.

Các biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng vào nhiệt độ, thời gian và hàm lượng xúc tác minh họa rõ ràng xu hướng tăng hiệu suất khi các thông số được tối ưu, đồng thời giảm khi vượt quá ngưỡng nhất định do phản ứng phụ hoặc phân hủy sản phẩm. Bảng so sánh đặc tính dầu nhờn sinh học và dầu khoáng cho thấy ưu thế rõ rệt về chỉ số độ nhớt và điểm chớp cháy, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật trong công nghiệp.

Nghiên cứu góp phần làm rõ vai trò của xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình từ nguồn nguyên liệu tái tạo, mở ra hướng phát triển công nghệ xúc tác mới cho ngành dầu nhờn sinh học tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình sản xuất xúc tác mesocacbon hóa vỏ trấu quy mô công nghiệp

    • Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa các bước xử lý biochar và sunfo hóa để nâng cao độ đồng đều cấu trúc mao quản và mật độ nhóm axit.
    • Thời gian thực hiện: 1-2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ hóa chất.

  2. Mở rộng ứng dụng xúc tác trong tổng hợp các loại dầu nhờn sinh học từ nguồn dầu thực vật khác

    • Thử nghiệm xúc tác với dầu cọ, dầu đậu nành, dầu hạt cải để đánh giá tính đa dụng và hiệu quả xúc tác.
    • Thời gian: 1 năm.
    • Chủ thể: Các phòng thí nghiệm nghiên cứu hóa học và công nghệ dầu nhờn.

  3. Nâng cao chất lượng sản phẩm dầu nhờn sinh học qua phối hợp phụ gia thân thiện môi trường

    • Nghiên cứu phối hợp các phụ gia chống oxy hóa, chống mài mòn phù hợp với dầu nhờn sinh học để cải thiện tính ổn định và tuổi thọ sản phẩm.
    • Thời gian: 1 năm.
    • Chủ thể: Các công ty sản xuất dầu nhờn và viện nghiên cứu.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn môi trường cho dầu nhờn sinh học tại Việt Nam

    • Đề xuất các chỉ tiêu đánh giá chất lượng và an toàn môi trường cho sản phẩm dầu nhờn sinh học.
    • Thời gian: 1-2 năm.
    • Chủ thể: Bộ Công Thương, Bộ Tài nguyên và Môi trường, các tổ chức tiêu chuẩn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Hóa dầu

    • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình tổng hợp dầu nhờn sinh học, kỹ thuật chế tạo xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình, phương pháp phân tích đặc trưng xúc tác và sản phẩm.

  2. Doanh nghiệp sản xuất dầu nhờn và phụ gia

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ xúc tác mới để nâng cao hiệu quả sản xuất dầu nhờn sinh học, phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, giảm chi phí nguyên liệu.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và tiêu chuẩn kỹ thuật

    • Lợi ích: Tham khảo cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn về dầu nhờn sinh học, góp phần kiểm soát ô nhiễm và thúc đẩy phát triển công nghiệp xanh.

  4. Các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh học và vật liệu xúc tác

    • Lợi ích: Nắm bắt xu hướng ứng dụng vật liệu cacbon hóa từ nguồn sinh khối, phát triển xúc tác mới cho các quá trình hóa học xanh, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dầu nhờn sinh học khác gì so với dầu nhờn khoáng truyền thống?
    Dầu nhờn sinh học được tổng hợp từ nguyên liệu tái tạo như dầu thực vật, có khả năng phân hủy sinh học cao, ít độc hại và thân thiện môi trường hơn dầu nhờn khoáng. Ví dụ, chỉ số độ nhớt của dầu nhờn sinh học thường cao hơn 60-70% so với dầu khoáng, giúp cải thiện hiệu suất bôi trơn.

  2. Tại sao sử dụng vỏ trấu để chế tạo xúc tác?
    Vỏ trấu là phế liệu nông nghiệp dồi dào, có thành phần cacbon cao và chứa silica, thích hợp để tạo vật liệu cacbon hóa mao quản trung bình với diện tích bề mặt lớn và độ axit cao. Việc tận dụng vỏ trấu giúp giảm chi phí nguyên liệu và góp phần bảo vệ môi trường.

  3. Xúc tác mesocacbon hóa vỏ trấu có ưu điểm gì so với xúc tác axit lỏng?
    Xúc tác mesocacbon hóa có tính dị thể, dễ tách và tái sử dụng, độ bền cao trong môi trường phản ứng, đồng thời có mật độ nhóm axit mạnh cao giúp tăng hiệu suất phản ứng este hóa và mở vòng epoxy, trong khi xúc tác axit lỏng thường khó tách và gây ô nhiễm.

  4. Quá trình tổng hợp dầu nhờn sinh học có phức tạp không?
    Quá trình tổng hợp bao gồm phản ứng este hóa và mở vòng epoxy trong một giai đoạn, sử dụng xúc tác mesocacbon hóa vỏ trấu, điều kiện phản ứng được tối ưu để đạt hiệu suất cao (khoảng 85-90%) trong 6 giờ ở 130°C, tương đối đơn giản và hiệu quả.

  5. Dầu nhờn sinh học có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Dầu nhờn sinh học có thể thay thế dầu nhờn khoáng trong các ứng dụng bôi trơn động cơ, máy móc công nghiệp, dầu thủy lực, dầu hộp số, và các thiết bị vận hành trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do dầu thải.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo xúc tác mesocacbon hóa mao quản trung bình từ vỏ trấu với mật độ nhóm axit -SO3H cao và cấu trúc mao quản trật tự.
  • Dầu thầu dầu là nguyên liệu phù hợp với đặc tính hóa học và vật lý thuận lợi cho tổng hợp dầu nhờn sinh học.
  • Quá trình tổng hợp dầu nhờn sinh học một giai đoạn sử dụng xúc tác mesocacbon hóa vỏ trấu đạt hiệu suất cao, sản phẩm có chỉ số độ nhớt và điểm chớp cháy vượt trội so với dầu khoáng.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ xúc tác mới, tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, góp phần phát triển ngành dầu nhờn sinh học tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng xúc tác, phối hợp phụ gia và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho sản phẩm.

Next steps: Triển khai quy trình sản xuất xúc tác quy mô lớn, thử nghiệm đa dạng nguyên liệu dầu thực vật, phát triển sản phẩm dầu nhờn sinh học thương mại.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực dầu nhờn sinh học nên hợp tác để ứng dụng công nghệ xúc tác mới, thúc đẩy phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, góp phần bảo vệ hành tinh xanh.