MỞ ĐẦU Đứng trước nguy cơ nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và thách thức về tình trạng ô nhiễm môi trường do khói thải từ các phương tiện giao thông ngày một gia tăng, bên cạnh việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới, sạch, các quốc gia trên thế giới vẫn luôn tìm kiếm các giải pháp tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm khói thải từ động cơ. Song song với việc nghiên cứu phát triển các giải pháp cải tiến phương tiện giao thông theo hướng tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải khí ô nhiễm, các biện pháp cải tiến nhiên liệu trong đó có việc sử dụng nhiên liệu nhũ tương và sử dụng phụ gia tiết kiệm nhiên liệu luôn được quan tâm. Nhiên liệu diesel nhũ tương là nhiên liệu trong đó nước phân tán dưới dạng các hạt nhũ có kích thước cỡ từ micro mét đến nano mét. Phụ gia tiết kiệm nhiên liệu cho diesel thường là bao gồm phụ gia tạo nhũ tương nước trong dầu và phụ gia tiết kiệm nhiên liệu trên có sở các nano oxide kim loại.
Nhiều công trình nghiên cứu điều chế nhiên liệu diesel nhũ tương, chứng minh được hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải của loại nhiên liệu này thông qua các ứng dụng thử nghiệm. Tuy nhiên, chưa có công trình nào nghiên cứu một cách hệ thống và toàn diện từ khâu điều chế chất hoạt động bề mặt đáp ứng yêu cầu chế tạo hệ vi nhũ, điều chế phụ gia, pha chế phụ gia vào nhiên liệu đến khâu đánh giá tác động của nhiên liệu pha phụ gia đến tính an toàn trong vận hành, trong bảo quản, vận chuyển, đánh giá tính hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải. Nhìn chung, mỗi công trình nghiên cứu chỉ chú trọng đến một khía cạnh của vấn đề trong khi để có thể đưa được một loại phụ gia vào ứng dụng rộng rãi, phải quan tâm tới mọi khía cạnh, về kinh tế, kỹ thuật, môi trường, an toàn cháy nổ. Đặc biệt, hầu như không có công trình nào nghiên cứu về ảnh hưởng của phụ gia hay nói một cách trực tiếp là của chất hoạt động bề mặt đến hàm lượng nhựa trong nhiên liệu, ảnh hưởng của chất hoạt động đến an toàn vận hành của động cơ (việc tạo nhựa có thể dẫn đến hiện tượng làm tắc vòi phun, bầu lọc,….
Hơn nữa, lượng phụ gia sử dụng vẫn còn khá cao, đôi khi đến 1% khối lượng mới cho kết quả rõ rệt, do kích thước vi nhũ thường lớn, nằm trong khoảng 20 – 100 nm. Điều này không những làm cho chi 1 phí phụ gia cho một đơn vị nhiên liệu tăng lên mà còn có thể gây ảnh hưởng lên các tính chất, đặc tính của nhiên liệu pha phụ gia dẫn đến các nguy cơ mất an toàn trong vận hành phương tiện. Về phụ gia tiết kiệm nhiên liệu trên cơ sở nano oxide kim loại, hầu như chưa có công trình nghiên cứu một cách hệ thống và bài bản phụ gia tiết kiệm nhiên liệu diesel trên cơ sở nano oxide kim loại trong khi nhu cầu tiết kiệm nhiên liệu diesel và giảm phát thải từ động cơ diesel cũng rất cao, không thua kém nhu cầu đối với nhiên liệu xăng. Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano góp phần vào việc thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành khoa học có liên quan, đặc biệt là phụ gia nhiên liệu.
Công nghệ chế tạo phụ gia cũng được cải thiện đáng kể khi ứng dụng công nghệ nano. Các phụ gia nhiên liệu trên cơ sở công nghệ nano đem lại hiệu quả cao về mặt kỹ thuật và kinh tế. Một lượng nhỏ phụ gia nano đã có thể đem lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải rất đáng kể. Việc ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo phụ gia hứa hẹn khả năng giải quyết được nhiều vấn đề còn tồn tại từ trước khi công nghệ nano ra đời.
Vì những lý do đó, việc nghiên cứu phát triển một cách hệ thống và toàn diện thế hệ phụ gia nhiên liệu vi nhũ mới, dựa trên công nghệ nano, dùng cho động cơ diesel nhằm giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải độc hại là cấp thiết và rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Trên cơ sở đó, ý tưởng của đề tài luận án là nghiên cứu chế tạo hệ phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới cho nhiên liệu diesel, được tổ hợp từ hai loại hệ vi nhũ nước trong dầu có cấu tạo hoàn toàn khác nhau. Hệ phụ gia này đảm nhiệm chức năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí ô nhiễm theo hai cơ chế khác nhau gồm cơ chế vi nổ của các hạt nhũ tương nước trong dầu và cơ chế xúc tác cho quá trình cháy hoàn toàn nhờ các hạt nano oxide sắt. Ưu điểm nổi bật của hệ phụ gia là các thành phần đều có kích cỡ ở cấp độ nano mét nên thể hiện được đầy đủ các đặc tính đặc biệt ưu việt của vật liệu nano.
Nhờ thế, chỉ cần sử dụng một lượng phụ gia rất nhỏ nhưng có thể mang lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải đáng kể. Việc sử dụng lượng nhỏ phụ gia còn có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì nó không đủ nhiều về mặt khối lượng để có thể làm 2 ảnh hưởng tới các tính chất của nhiên liệu và đặc biệt không ảnh hưởng tới sự an toàn trong vận hành động cơ, an toàn trong bảo quản, vận chuyển nhiên liệu. Những nghiên cứu cơ bản về bản chất của mối liên hệ giữa thành phần phụ gia và kích thước hạt vi nhũ, kích thước hạt vi nhũ và hiệu quả cháy của nhiên liệu pha phụ gia sẽ giúp xây dựng cơ sở khoa học cho việc điều chỉnh thành phần phụ gia nhằm đạt được hiệu quả cao nhất. Trong đó, vấn đề cốt lõi trong nghiên cứu điều chế phụ gia vi nhũ nước trong dầu là việc nghiên cứu tổng hợp và sử dụng chất HĐBM có HLB thấp, dao động trong khoảng từ 4 – 15, thường là các chất HĐBM không ion.
Chất HĐBM được sử dụng có tác dụng biến đổi giao diện của các mixen, giảm sức căng bề mặt giao diện, giảm độ cong và tăng độ linh động của các mixen làm cho các hạt mixen có thể trao đổi, “nhập – tách”, dẫn tới sự tái phân bố các chất phản ứng (chẳng hạn như trong phản ứng phản ứng hình thành các nano oxide kim loại). Việc nghiên cứu thử nghiệm phụ gia trên thực tế sẽ góp phần làm tăng khả năng ứng dụng của hướng nghiên cứu của đề tài luận án. Do vậy, mục tiêu của Luận án “ Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát hoạt tính của hệ phụ gia vi nhũ thế hệ mới cho nhiên liệu diesel” là: Nghiên cứu tổng hợp hệ phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới, trên cơ sở nước, chất hoạt động bề mặt nguồn gốc tự nhiên và nano oxide kim loại, dùng cho động cơ diesel. Tổng quan về các biện pháp tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải động cơ diesel 1.
Cải tiến động cơ Do có ưu điểm hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao hơn động cơ xăng và nhiên liệu sử dụng rẻ hơn xăng, động cơ diesel luôn được ưu tiên sử dụng trong các lĩnh vực giao thông vận tải, công nghiệp nặng và máy móc nông nghiệp. Tuy nhiên, khí thải từ động cơ diesel cũng là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường. Chất ô nhiễm chính phát ra từ động cơ diesel là các hạt bụi mịn (Particulate Matter – PM), oxide nitơ (NO 𝑥), oxide lưu huỳnh (SO𝑥), các hydrocarbon chưa cháy hết (HC), carbon monoxít (CO), và carbon dioxide (CO2) [1]. Các qui định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt đối với khí thải dẫn đến những nỗ lực nghiên cứu trong phát triển động cơ nhằm giảm phát thải các chất ô nhiễm [2].
Các giải pháp cải tiến thiết kế động cơ để kiểm soát ô nhiễm môi trường có thể kể đến như: - Công nghệ luân hồi khí xả ERG (Exhaust Gas Recirculation): Thành phần khí thải chủ yếu bao gồm carbon dioxide, nitrogen,. và nó có nhiệt dung cao hơn so với không khí. Khí luân hồi, thay thế một lượng khí mới nạp vào trong buồng đốt động cơ, bao gồm chủ yếu là carbon dioxide và hơi nước. Nhờ vậy, lượng ôxi trong không khí nạp vào động cơ giảm xuống và làm giảm hệ số A/F (không khí/nhiên liệu).
Việc giảm tỷ lệ A/F làm giảm đáng kể các thành phần phát thải độc hại trong khí thải động cơ diesel. Thêm vào đó, việc đưa các thành phần khí thải có nhiệt dung riêng cao kết hợp với không khí mới làm giảm nhiệt độ ngọn lửa cháy trong buồng đốt. Như vậy, việc giảm lượng ô- xy cung cấp và giảm nhiệt độ ngọn lửa cháy trong buồng đốt giúp cho việc giảm lượng NOx hình thành [3]. - Công nghệ tăng áp động cơ (Turbocharger): Giúp tăng áp suất phun nhiên liệu tới khoảng 2.000 bar hoặc cao hơn giúp cho nhiên liệu được 4 phun thành các giọt nhỏ hơn do đó cải thiện quá trình đốt cháy nhờ sử dụng tác động của dòng khí xả [4].
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail, trong đó áp suất phun được thực hiện cho mỗi vòi phun một cách riêng rẽ, nhiên liệu có áp suất cao được chứa trong ống chứa (Rail) và được phân phối theo yêu cầu đến từng vòi phun) [5]. Song song với các công nghệ trên là các giải pháp công nghệ phối hợp quá trình phun nhiên liệu với kết cấu buồng đốt nhằm đảm bảo cho quá trình hình thành hỗn hợp cháy tốt nhất. Bên cạnh đó, các biện pháp xử lý sau quá trình đốt cháy cũng được đặc biệt quan tâm chẳng hạn như hệ thiết bị xử lý khí thải dạng bẫy tái sinh liên tục (CRT - Continuously Regenerating Trap) [6] có thể loại đến 90% hạt rắn và loại gần như hoàn toàn hydrocarbon và carbon monoxide. Hệ thiết bị này là sự kết hợp của hệ thiết bị xúc tác oxi hóa và một bộ lọc chất thải hạt bằng gốm.
Trong đó, modul xúc tác oxi hóa có tác dụng oxi hóa hoàn toàn CO, các hydrocarbon và một phần chất thải hạt thành CO 2 và H2. Bộ lọc bằng gốm có tác dụng lọc các hạt bụi mịn (PM) ra khỏi dòng khí thải. Công nghệ trên có hiệu quả rất tốt trong việc giảm hàm lượng CO, hydrocarbon và hạt rắn trong khí thải nhưng chưa giảm được NOx. Việc kết hợp cả 2 công nghệ CRT và SCR (Selective catalytic reduction – xúc tác khử chọn lọc, cho phép khử NO x) [6 - 8] sẽ tạo ra hệ thiết bị xử lý khí thải có khả năng giảm được cả CO, HC, muội và NOx.