Tổng quan nghiên cứu

Nhiên liệu diesel là nguồn năng lượng chủ yếu cho các phương tiện vận tải và máy móc công nghiệp, trong đó nhiên liệu diesel L62 được sử dụng phổ biến cho tàu thuyền tại Việt Nam. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, nhiên liệu diesel L62 thường bị suy giảm chất lượng do các phản ứng oxy hóa, tạo thành các hợp chất nhựa, asphaltene và cặn bẩn, dẫn đến hiện tượng nhiên liệu kém chất lượng. Ước tính hàng năm, lượng nhiên liệu diesel L62 kém chất lượng phát sinh chiếm một phần đáng kể, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu Nano zeolite NaX trực tiếp từ metacaolanh và tro trấu – hai nguyên liệu tự nhiên, sẵn có và giá rẻ tại Việt Nam – nhằm ứng dụng làm chất hấp phụ xử lý nhiên liệu diesel L62 và nhiên liệu phân lắc TC-1 kém chất lượng. Mục tiêu cụ thể là xác định điều kiện tổng hợp Nano-NaX tối ưu, đánh giá đặc tính vật liệu và hiệu quả hấp phụ các hợp chất gây suy giảm chất lượng nhiên liệu, từ đó xây dựng quy trình công nghệ xử lý nhiên liệu kém chất lượng để tái sử dụng. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2022-2023 tại các phòng thí nghiệm của Viện Kỹ thuật Xăng dầu Quân đội và Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, góp phần phát triển vật liệu hấp phụ từ nguồn nguyên liệu tự nhiên, giảm chi phí sản xuất và bảo vệ môi trường, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu diesel trong ngành vận tải biển và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết cấu trúc zeolite: Zeolite là khoáng silicat nhôm có cấu trúc tinh thể ba chiều với các mao quản đều đặn kích thước từ 3-12 Å, cho phép hấp phụ và trao đổi ion hiệu quả. Zeolite NaX có tỷ lệ Si/Al thấp (khoảng 1-1,5), mang nhiều điện tích âm, do đó có khả năng trao đổi cation cao và hấp phụ các phân tử lớn như nhựa, asphaltene trong nhiên liệu.

  • Mô hình tổng hợp zeolite bằng phương pháp kết tinh thủy nhiệt: Quá trình tổng hợp Nano-NaX được thực hiện qua các bước hòa tan nguyên liệu, tạo gel, kết tinh ở nhiệt độ và thời gian xác định, sau đó rửa, sấy và nung để thu vật liệu có cấu trúc nano với diện tích bề mặt lớn và mao quản trung bình (mesoporous).

  • Khái niệm hấp phụ và trao đổi ion: Zeolite NaX hấp phụ các hợp chất hữu cơ có kích thước phân tử phù hợp với mao quản, đồng thời trao đổi các cation kim loại trong nhiên liệu, giúp loại bỏ các tạp chất gây suy giảm chất lượng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu metacaolanh (nguồn cung cấp nhôm và silic) và tro trấu (nguồn silic) thu thập tại các vùng nông nghiệp Việt Nam. Nhiên liệu diesel L62 và nhiên liệu phân lắc TC-1 kém chất lượng được lấy mẫu từ các tàu thuyền và kho nhiên liệu quân đội.

  • Phương pháp tổng hợp: Tổng hợp Nano zeolite NaX bằng phương pháp kết tinh thủy nhiệt với điều kiện tối ưu gồm tỷ lệ mol Na2O, SiO2, Al2O3, nhiệt độ 95°C, thời gian kết tinh 24 giờ có khuấy trộn và 72 giờ không khuấy. Các yếu tố ảnh hưởng như hàm lượng kiềm, silic, muối, thời gian làm già gel, nhiệt độ kết tinh được khảo sát chi tiết.

  • Phương pháp phân tích đặc trưng: Sử dụng các kỹ thuật hiện đại như XRD (phân tích cấu trúc tinh thể), SEM và TEM (quan sát hình thái và kích thước hạt nano), BET (đo diện tích bề mặt và phân bố mao quản), IR (phân tích nhóm chức), xác định dung lượng trao đổi cation (CEC).

  • Phương pháp xử lý nhiên liệu: Thực hiện hấp phụ các hợp chất nhựa, asphaltene trong nhiên liệu diesel L62 và TC-1 trên vật liệu Nano-NaX tổng hợp. Đánh giá hiệu quả qua các chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu theo tiêu chuẩn TCVN 5689 và TCVN/QS 1755:2014, bao gồm hàm lượng lưu huỳnh, chỉ số xetan, độ nhớt, điểm đông đặc, hàm lượng cặn, màu sắc.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 18 tháng, từ khảo sát nguyên liệu, tổng hợp vật liệu, phân tích đặc trưng, thử nghiệm xử lý nhiên liệu đến xây dựng quy trình công nghệ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công Nano zeolite NaX từ metacaolanh và tro trấu
    Vật liệu Nano-NaX được tổng hợp trực tiếp từ nguyên liệu tự nhiên mà không cần bổ sung hóa chất tinh khiết khác. Điều kiện tối ưu là tỷ lệ mol Na2O:SiO2:Al2O3 = 4:1:1, nhiệt độ kết tinh 95°C, thời gian làm già gel 72 giờ và kết tinh 24 giờ có khuấy trộn. Diện tích bề mặt riêng đạt khoảng 600 m²/g, kích thước hạt nano trung bình 20-50 nm, dung lượng trao đổi cation (CEC) đạt 6,4 meq/g, cao hơn 15% so với zeolite NaX tổng hợp từ hóa chất tinh khiết.

  2. Ảnh hưởng các yếu tố đến quá trình tổng hợp
    Hàm lượng kiềm, silic, muối trong gel ảnh hưởng rõ rệt đến cấu trúc và tính chất vật liệu. Ví dụ, tăng hàm lượng kiềm vượt quá 4 mol làm giảm độ tinh khiết tinh thể, trong khi hàm lượng silic và muối phải được kiểm soát chặt chẽ để tránh tạo pha không mong muốn. Thời gian làm già gel trên 72 giờ giúp tăng diện tích bề mặt và phát triển mao quản trung bình (mesoporous), hỗ trợ hấp phụ hiệu quả.

  3. Hiệu quả xử lý nhiên liệu diesel L62 kém chất lượng
    Nano-NaX tổng hợp có khả năng hấp phụ các hợp chất nhựa, asphaltene trong nhiên liệu diesel L62, giảm hàm lượng nhựa từ khoảng 0,04% xuống dưới 0,01%, asphaltene giảm 60%. Sau xử lý, nhiên liệu đạt các chỉ tiêu kỹ thuật theo TCVN 5689:2013 và TCVN/QS 1755:2014, chỉ số xetan tăng từ 46 lên 50, độ nhớt giảm 15%, điểm đông đặc hạ xuống -5°C, màu sắc sáng hơn rõ rệt. Tỷ lệ tái sử dụng nhiên liệu sau xử lý đạt trên 85%.

  4. Xử lý nhiên liệu phân lắc TC-1
    Nhiên liệu phân lắc TC-1 kém chất lượng do oxy hóa lâu ngày cũng được cải thiện đáng kể sau xử lý bằng Nano-NaX. Hàm lượng nhựa và asphaltene giảm lần lượt 55% và 50%, các chỉ tiêu kỹ thuật đạt yêu cầu quân sự, giúp tái sử dụng hiệu quả, tiết kiệm chi phí và giảm ô nhiễm môi trường.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc tổng hợp Nano zeolite NaX trực tiếp từ metacaolanh và tro trấu là khả thi và hiệu quả, mở ra hướng đi mới trong việc tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên phong phú tại Việt Nam. Diện tích bề mặt lớn và cấu trúc mao quản trung bình của vật liệu giúp tăng khả năng hấp phụ các hợp chất hữu cơ phức tạp trong nhiên liệu kém chất lượng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng zeolite tổng hợp từ hóa chất tinh khiết, vật liệu Nano-NaX từ nguyên liệu tự nhiên có hiệu quả tương đương hoặc vượt trội về khả năng hấp phụ và trao đổi ion, đồng thời giảm chi phí sản xuất và thân thiện môi trường hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện độ tinh khiết tinh thể, hình ảnh SEM/TEM minh họa kích thước hạt nano, bảng so sánh các chỉ tiêu nhiên liệu trước và sau xử lý, biểu đồ giảm hàm lượng nhựa và asphaltene.

Việc xử lý nhiên liệu diesel L62 và TC-1 kém chất lượng không chỉ giúp tái sử dụng nhiên liệu mà còn giảm thiểu phát thải khí độc hại, góp phần bảo vệ môi trường biển và đất liền.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất Nano zeolite NaX quy mô công nghiệp
    Áp dụng quy trình tổng hợp đã được tối ưu để sản xuất vật liệu Nano-NaX từ metacaolanh và tro trấu tại các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng hoặc hóa chất, nhằm cung cấp vật liệu hấp phụ chất lượng cao với chi phí thấp. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghiệp hóa chất và viện nghiên cứu.

  2. Xây dựng hệ thống xử lý nhiên liệu diesel kém chất lượng tại cảng biển và kho nhiên liệu
    Lắp đặt thiết bị hấp phụ sử dụng Nano-NaX để xử lý nhiên liệu diesel L62 và TC-1 kém chất lượng trước khi tái sử dụng hoặc tiêu thụ, giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao hiệu quả kinh tế. Thời gian triển khai 6-12 tháng, chủ thể là các công ty vận tải biển và quản lý kho nhiên liệu.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng Nano-NaX trong xử lý các loại nhiên liệu khác và môi trường
    Khảo sát khả năng hấp phụ các tạp chất trong nhiên liệu khác như xăng, dầu FO, cũng như ứng dụng trong xử lý nước thải, khí thải công nghiệp. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian 1-2 năm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các đơn vị liên quan
    Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng Nano-NaX cho cán bộ kỹ thuật, doanh nghiệp và các cơ quan quản lý nhằm thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Thời gian 6 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Kỹ thuật hóa học
    Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp zeolite nano từ nguyên liệu tự nhiên, phương pháp phân tích đặc trưng và ứng dụng trong xử lý nhiên liệu, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và hóa chất
    Tham khảo quy trình tổng hợp Nano-NaX hiệu quả, tiết kiệm chi phí, mở rộng sản xuất vật liệu mới phục vụ ngành công nghiệp lọc hóa dầu và môi trường.

  3. Các công ty vận tải biển và quản lý kho nhiên liệu
    Áp dụng công nghệ xử lý nhiên liệu diesel kém chất lượng, nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu, giảm thiểu chi phí và ô nhiễm môi trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và an ninh năng lượng
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật về xử lý nhiên liệu và bảo vệ môi trường, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano zeolite NaX là gì và tại sao lại quan trọng trong xử lý nhiên liệu?
    Nano zeolite NaX là vật liệu mao quản aluminosilicate có kích thước hạt nano, diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi ion cao. Nó hấp phụ hiệu quả các hợp chất nhựa, asphaltene trong nhiên liệu kém chất lượng, giúp cải thiện chỉ tiêu kỹ thuật và tái sử dụng nhiên liệu.

  2. Tại sao sử dụng metacaolanh và tro trấu làm nguyên liệu tổng hợp Nano-NaX?
    Metacaolanh và tro trấu là nguồn nguyên liệu tự nhiên giàu nhôm và silic, sẵn có tại Việt Nam với chi phí thấp. Sử dụng chúng giúp giảm giá thành sản xuất, tận dụng phế phẩm nông nghiệp và giảm tác động môi trường so với nguyên liệu hóa chất tinh khiết.

  3. Quá trình tổng hợp Nano-NaX được thực hiện như thế nào?
    Quá trình gồm hòa tan nguyên liệu, tạo gel, kết tinh thủy nhiệt ở nhiệt độ khoảng 95°C trong thời gian 24-72 giờ, sau đó rửa, sấy và nung để thu vật liệu có cấu trúc nano với diện tích bề mặt lớn và mao quản trung bình.

  4. Hiệu quả xử lý nhiên liệu diesel kém chất lượng bằng Nano-NaX ra sao?
    Sau xử lý, hàm lượng nhựa và asphaltene giảm trên 50%, chỉ số xetan tăng lên mức tiêu chuẩn, độ nhớt và điểm đông đặc cải thiện, nhiên liệu đạt tiêu chuẩn kỹ thuật và có thể tái sử dụng, giúp tiết kiệm chi phí và giảm ô nhiễm.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại nhiên liệu khác không?
    Có, Nano-NaX có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý các loại nhiên liệu khác như xăng, dầu FO, cũng như trong xử lý nước thải và khí thải công nghiệp nhờ khả năng hấp phụ và trao đổi ion cao.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu Nano zeolite NaX trực tiếp từ metacaolanh và tro trấu tự nhiên, không cần bổ sung hóa chất tinh khiết, với diện tích bề mặt lớn (~600 m²/g) và dung lượng trao đổi cation cao (6,4 meq/g).
  • Xác định được điều kiện tổng hợp tối ưu gồm tỷ lệ mol, nhiệt độ 95°C, thời gian làm già gel 72 giờ và kết tinh 24 giờ có khuấy trộn.
  • Nano-NaX có khả năng hấp phụ hiệu quả các hợp chất nhựa, asphaltene trong nhiên liệu diesel L62 và TC-1 kém chất lượng, cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật theo tiêu chuẩn quốc gia và quân sự.
  • Đề xuất quy trình công nghệ xử lý nhiên liệu kém chất lượng bằng Nano-NaX, góp phần tiết kiệm tài nguyên, giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu.
  • Khuyến nghị triển khai sản xuất quy mô công nghiệp, xây dựng hệ thống xử lý nhiên liệu tại cảng biển, mở rộng ứng dụng và đào tạo chuyển giao công nghệ trong thời gian 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời hoàn thiện quy trình công nghệ để đưa vào ứng dụng thực tiễn, góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng và bảo vệ môi trường Việt Nam.