Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu diesel (DO) tại Việt Nam đã đạt khoảng 9,3 triệu tấn vào năm 2020 và dự báo sẽ tăng lên khoảng 11 triệu tấn vào năm 2025, với tốc độ tăng trưởng trung bình 3,1% mỗi năm. Sự gia tăng này phản ánh xu hướng phát triển kinh tế, dân số và giao thông vận tải, đồng thời đặt ra yêu cầu cấp thiết về nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường. Trong bối cảnh đó, công nghệ chuyển hóa khí thiên nhiên thành nhiên liệu sạch (GTL) được xem là giải pháp chiến lược nhằm tận dụng nguồn khí đồng hành và khí thiên nhiên dồi dào tại Việt Nam, đặc biệt là các mỏ khí nhỏ, cận biên và xa bờ.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp nhiên liệu DO sạch từ khí tổng hợp sử dụng xúc tác trên cơ sở coban mang trên vật liệu monolith và foam. Mục tiêu chính là xây dựng quy trình tổng hợp xúc tác, khảo sát các tính chất lý-hóa của xúc tác và đánh giá ảnh hưởng của vật liệu cấu trúc đến hiệu quả tổng hợp nhiên liệu cũng như độ bền của xúc tác. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM và Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Chế biến Dầu khí, với điều kiện phản ứng ở nhiệt độ 250°C, áp suất 20 bar và GHSV 3600 mL.

Việc ứng dụng vật liệu monolith và foam nhằm cải thiện hiệu quả truyền nhiệt, truyền khối và giảm kích thước thiết bị phản ứng, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ GTL tích hợp trên các hệ thống khai thác ngoài khơi. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất nhiên liệu sạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị kinh tế từ nguồn khí thiên nhiên tại Việt Nam.

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 về xúc tác tổng hợp Fischer-Tropsch (F-T) và ứng dụng vật liệu có cấu trúc trong xúc tác hóa học. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết xúc tác Fischer-Tropsch: Quá trình chuyển hóa khí tổng hợp (CO và H2) thành các hydrocarbon mạch dài, trong đó xúc tác coban (Co) và sắt (Fe) là các kim loại chuyển tiếp phổ biến. Phản ứng F-T được thực hiện ở nhiệt độ thấp (200-275°C) và áp suất trung bình (10-20 bar) nhằm tối ưu hóa hiệu suất chuyển hóa CO và chọn lọc sản phẩm lỏng C5+.

  2. Lý thuyết vật liệu có cấu trúc (Monolith và Foam): Vật liệu monolith gồm các kênh song song với bề mặt phủ xúc tác, có ưu điểm về truyền nhiệt, truyền khối và giảm trở lực dòng chảy. Foam kim loại có cấu trúc đa bào, nhẹ và có khả năng chịu nhiệt tốt, giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác và cải thiện hiệu quả phản ứng.

Các khái niệm chính bao gồm: diện tích bề mặt riêng BET, phân tích pha XRD, quá trình khử theo chương trình nhiệt độ H2-TPR, hiệu suất chuyển hóa CO, độ chọn lọc sản phẩm C5+, và độ bền hoạt tính xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp xúc tác Fe-Co/γ-Al2O3 biến tính với Re, phủ lên vật liệu monolith ceramic và foam kim loại (đồng, nhôm). Cỡ mẫu xúc tác được chuẩn bị theo quy trình ngâm tẩm đồng thời, sấy và nung ở nhiệt độ cao. Các xúc tác được khảo sát ở điều kiện phản ứng 250°C, áp suất 20 bar, GHSV 3600 mL.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Đặc trưng vật lý và hóa học: XRD để xác định pha, BET để đo diện tích bề mặt riêng, H2-TPR để đánh giá khả năng khử của xúc tác.
  • Đánh giá hiệu quả xúc tác: Thí nghiệm tổng hợp F-T trong thiết bị phản ứng áp suất cao, đo độ chuyển hóa CO, độ chọn lọc sản phẩm C5+ và khí phụ.
  • Đánh giá độ bền xúc tác: Thử nghiệm liên tục trong 24 giờ để quan sát sự ổn định hoạt tính.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2022 đến tháng 5/2023, bao gồm các giai đoạn tổng hợp xúc tác, biến tính, phủ xúc tác lên vật liệu cấu trúc, thí nghiệm phản ứng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của biến tính Re trên xúc tác Fe-Co/Al2O3: Sự có mặt của Re làm tăng đáng kể hiệu suất chuyển hóa CO và sản lượng C5+. Cụ thể, với xúc tác biến tính Re, độ chuyển hóa CO tăng 49% và hiệu suất C5+ tăng 50% so với xúc tác không biến tính.

  2. Hiệu quả của vật liệu cấu trúc monolith và foam: Việc phủ xúc tác lên monolith ceramic và foam kim loại đã cải thiện hiệu quả xúc tác thêm 23% về cả chuyển hóa CO và sản lượng C5+ so với xúc tác dạng bột truyền thống.

  3. Độ bền hoạt tính xúc tác: Tất cả các xúc tác được khảo sát đều duy trì hoạt tính ổn định trong 24 giờ liên tục, cho thấy tính bền vững của hệ xúc tác biến tính và vật liệu cấu trúc trong điều kiện phản ứng.

  4. Phân tích đặc trưng xúc tác: Kết quả BET cho thấy diện tích bề mặt riêng của xúc tác phủ trên monolith và foam đạt mức phù hợp để tăng diện tích tiếp xúc phản ứng. Phổ XRD xác nhận sự tồn tại của các pha Co và Fe ổn định, trong khi H2-TPR cho thấy khả năng khử tốt hơn khi có Re.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do Re làm tăng khả năng khử và phân tán kim loại hoạt động trên bề mặt xúc tác, từ đó tăng số lượng vị trí hoạt động cho phản ứng F-T. Vật liệu monolith và foam với cấu trúc kênh mở giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt và truyền khối, giảm hiện tượng nóng cục bộ và nghẽn dòng, đồng thời tăng diện tích bề mặt xúc tác tiếp xúc với khí tổng hợp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với xu hướng ứng dụng vật liệu cấu trúc trong xúc tác F-T nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền. Việc duy trì hoạt tính trong 24 giờ cho thấy xúc tác có khả năng chống tạo cốc và ổn định trong điều kiện vận hành thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ chuyển hóa CO và hiệu suất C5+ giữa các hệ xúc tác dạng bột, biến tính Re và phủ trên monolith/foam, cũng như bảng phân tích đặc trưng BET, XRD và H2-TPR.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển xúc tác biến tính Re trên vật liệu cấu trúc: Tiếp tục tối ưu hàm lượng Re trong khoảng 0,3-0,5% để cân bằng chi phí và hiệu suất, nhằm nâng cao hiệu quả chuyển hóa CO và sản lượng nhiên liệu lỏng.

  2. Ứng dụng vật liệu monolith và foam trong thiết kế thiết bị phản ứng: Khuyến khích sử dụng monolith ceramic và foam kim loại trong các lò phản ứng F-T quy mô pilot và công nghiệp để tận dụng ưu điểm truyền nhiệt và truyền khối, giảm kích thước thiết bị và chi phí đầu tư.

  3. Nghiên cứu mở rộng về độ bền xúc tác: Thực hiện các thử nghiệm dài hạn trên 100 giờ để đánh giá khả năng chống tạo cốc và suy giảm hoạt tính, từ đó đề xuất các biện pháp tái sinh xúc tác phù hợp.

  4. Tích hợp công nghệ GTL với hệ thống khai thác ngoài khơi: Phát triển các module xúc tác nhỏ gọn, dễ dàng thay thế và bảo trì, phù hợp với điều kiện vận hành trên các FPSO và các mỏ khí nhỏ, cận biên.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 2-3 năm tới, phối hợp giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp trong ngành dầu khí để thúc đẩy ứng dụng thực tiễn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu về xúc tác tổng hợp nhiên liệu sạch, vật liệu cấu trúc và công nghệ GTL, giúp mở rộng kiến thức và ứng dụng thực nghiệm.

  2. Chuyên gia phát triển công nghệ dầu khí: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế xúc tác và thiết bị phản ứng, nâng cao hiệu quả sản xuất nhiên liệu sạch từ khí thiên nhiên.

  3. Doanh nghiệp sản xuất nhiên liệu sạch: Tận dụng công nghệ xúc tác biến tính và vật liệu monolith/foam để phát triển các nhà máy GTL quy mô nhỏ và vừa, phù hợp với nguồn khí cận biên và xa bờ.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo để xây dựng chiến lược phát triển nhiên liệu sạch, thúc đẩy chuyển đổi năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn xúc tác Co-Fe biến tính Re cho tổng hợp F-T?
    Xúc tác Co-Fe kết hợp ưu điểm hoạt tính cao của Co và chi phí thấp của Fe, trong khi Re làm tăng khả năng khử và phân tán kim loại, cải thiện hiệu suất chuyển hóa CO và sản lượng nhiên liệu lỏng.

  2. Vật liệu monolith và foam có ưu điểm gì so với xúc tác dạng viên?
    Monolith và foam có cấu trúc kênh mở giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt, truyền khối, giảm trở lực dòng chảy và hạn chế hiện tượng nóng cục bộ, từ đó nâng cao hiệu quả phản ứng và độ bền xúc tác.

  3. Điều kiện phản ứng tối ưu cho quá trình tổng hợp F-T trong nghiên cứu là gì?
    Nhiệt độ 250°C, áp suất 20 bar và GHSV 3600 mL được xác định là điều kiện phù hợp để đạt hiệu suất chuyển hóa CO và sản lượng C5+ cao, đồng thời đảm bảo độ bền xúc tác.

  4. Hiệu suất xúc tác có ổn định trong thời gian dài không?
    Các xúc tác biến tính và phủ trên vật liệu cấu trúc duy trì hoạt tính ổn định trong 24 giờ liên tục, cho thấy khả năng chống tạo cốc và suy giảm hoạt tính tốt.

  5. Nghiên cứu này có thể ứng dụng vào quy mô công nghiệp như thế nào?
    Kết quả nghiên cứu hỗ trợ phát triển xúc tác và thiết bị phản ứng nhỏ gọn, phù hợp với các nhà máy GTL quy mô pilot và công nghiệp, đặc biệt là tích hợp trên các hệ thống khai thác ngoài khơi như FPSO.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp xúc tác Fe-Co/γ-Al2O3 biến tính Re và phủ lên vật liệu monolith ceramic, foam đồng và nhôm.
  • Sự biến tính bằng Re làm tăng 49% độ chuyển hóa CO và 50% hiệu suất sản phẩm C5+ so với xúc tác không biến tính.
  • Vật liệu cấu trúc monolith và foam cải thiện thêm 23% hiệu quả xúc tác so với xúc tác dạng bột truyền thống.
  • Tất cả xúc tác khảo sát duy trì hoạt tính ổn định trong 24 giờ, chứng minh độ bền cao và khả năng ứng dụng thực tế.
  • Đề xuất phát triển xúc tác biến tính và ứng dụng vật liệu cấu trúc trong thiết kế thiết bị phản ứng GTL quy mô nhỏ gọn, phù hợp với khai thác khí cận biên và xa bờ.

Next steps: Mở rộng thử nghiệm độ bền xúc tác dài hạn, tối ưu hóa hàm lượng Re và thiết kế module xúc tác cho ứng dụng công nghiệp.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng sạch nên hợp tác để phát triển và ứng dụng công nghệ xúc tác cải tiến này, góp phần thúc đẩy sản xuất nhiên liệu sạch và bảo vệ môi trường.