Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia hàng đầu thế giới về nuôi trồng và xuất khẩu cá tra, với sản lượng chế biến đạt hơn 1,1 triệu tấn năm 2014 và dự kiến tăng lên khoảng 1,8 - 1,9 triệu tấn vào năm 2020. Quá trình chế biến cá tra tạo ra lượng lớn phế phẩm, trong đó mỡ cá chiếm từ 9,1% đến 11,4% tổng khối lượng cá, tương đương trên một trăm ngàn tấn mỡ cá mỗi năm. Nếu không được xử lý hợp lý, lượng phế phẩm này gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trong khi đó, mỡ cá tra là nguồn nguyên liệu sinh khối tiềm năng có thể ứng dụng làm dầu gốc sinh học thay thế dầu gốc khoáng nhập khẩu, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về dầu nhờn trong lĩnh vực giao thông vận tải tại Việt Nam, với dự báo khoảng 33 triệu xe máy và 3,5 triệu ô tô vào năm 2020.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng mỡ cá tra làm nguyên liệu trực tiếp hoặc qua biến đổi hóa học để pha chế dầu nhờn sinh học, nhằm nâng cao các tính chất kỹ thuật như độ nhớt, điểm rót chảy và độ bền nhiệt. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2016-2017. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, góp phần phát triển kinh tế nông nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường và thúc đẩy sản xuất dầu nhờn sinh học trong nước, giảm phụ thuộc nhập khẩu dầu gốc khoáng.

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 dầu nhờn sinh học, bao gồm:

  • Cấu trúc hóa học triglyceride: Mỡ cá tra chủ yếu là triglyceride chứa các axit béo không no như axit oleic (39,15%), palmitic (29,97%) và linoleic (10,21%), có tỷ lệ không no/bão hòa khoảng 1,1, ảnh hưởng đến tính ổn định oxy hóa của dầu gốc sinh học.
  • Phương pháp xử lý vật lý: Thủy hóa, tách sáp nhằm loại bỏ tạp chất, giảm điểm rót chảy và cải thiện tính chất vật lý của mỡ cá trước khi pha chế dầu nhờn.
  • Phản ứng epoxy hóa và mở vòng epoxy: Biến đổi cấu trúc hóa học mỡ cá bằng phản ứng epoxy hóa với hydro peroxit và axit axetic, sau đó mở vòng epoxy bằng anhydric axetic để tăng độ nhớt, độ bền nhiệt và cải thiện tính ổn định oxy hóa.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật ASTM: Áp dụng các tiêu chuẩn ASTM D445, D2270, D92, D97, D2896 để đánh giá các chỉ tiêu như độ nhớt động học, chỉ số độ nhớt, điểm chớp cháy, điểm rót chảy và trị số kiềm tổng của dầu nhờn sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mỡ cá tra nguyên liệu thu mua từ công ty Argifish An Giang, dầu gốc khoáng SN150 và SN500 nhập khẩu từ Singapore, cùng các phụ gia nhập khẩu từ Nga.
  • Phương pháp xử lý vật lý: Thủy hóa mỡ cá ở 50°C trong 15 phút với 2% thể tích nước, tách sáp ở nhiệt độ 8-12°C trong 4-6 giờ với tốc độ khuấy 40-300 vòng/phút, sau đó rửa và sấy để loại bỏ nước.
  • Phương pháp biến đổi hóa học: Epoxy hóa mỡ cá vật lý với xúc tác axit sulfuric, axit axetic và hydro peroxit ở nhiệt độ 50-70°C trong 3-5 giờ, tỷ lệ mol H₂O₂/nối đôi từ 1 đến 3; mở vòng epoxy bằng anhydric axetic và xúc tác pTSA ở 70-90°C trong 3-5 giờ, tỷ lệ mol anhydric/epoxy từ 1 đến 2.
  • Phương pháp phân tích: Xác định thành phần axit béo bằng GC-ISO/CD 5509, đo chỉ số iot, phổ hồng ngoại FT-IR để xác định vòng oxiran, đánh giá các chỉ tiêu vật lý và hóa học theo tiêu chuẩn ASTM.
  • Thiết kế thí nghiệm: Sử dụng mô hình quy hoạch thực nghiệm cấp 1 và cấp 2, hồi quy đa biến với phần mềm MODDE 5.0 để tối ưu hóa điều kiện phản ứng và pha chế.
  • Cỡ mẫu: Mỗi thí nghiệm sử dụng khoảng 200-400g mẫu mỡ cá hoặc dầu gốc, thực hiện nhiều lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 1/2016 đến tháng 12/2016, bao gồm các giai đoạn xử lý vật lý, biến đổi hóa học, pha chế và đánh giá sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xử lý vật lý mỡ cá tra: Qua thủy hóa và tách sáp, điểm rót chảy của mỡ cá giảm từ 24°C xuống còn khoảng 10°C, giúp cải thiện khả năng sử dụng trực tiếp trong pha chế dầu nhờn. Tỷ lệ phối trộn tối ưu là 70% dầu gốc khoáng và 30% mỡ cá vật lý với phụ gia, đạt các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương dầu nhờn SG 20W-50 trên thị trường.

  2. Phản ứng epoxy hóa: Độ nhớt động học của mỡ cá tăng từ 37,8 cSt lên khoảng 50-60 cSt ở 40°C, chỉ số độ nhớt tăng từ 207 lên trên 250, đồng thời độ bền nhiệt được cải thiện rõ rệt với nhiệt độ phân hủy 10% khối lượng tăng từ 250°C lên trên 300°C. Hiệu suất phản ứng epoxy đạt khoảng 85% dưới điều kiện tối ưu (nhiệt độ 60°C, thời gian 4 giờ, tỷ lệ mol H₂O₂/nối đôi = 2).

  3. Phản ứng mở vòng epoxy: Sản phẩm mở vòng epoxy có điểm rót chảy giảm thêm khoảng 5-7°C so với mỡ cá epoxy, độ nhớt và độ bền oxy hóa tiếp tục được cải thiện. Tỷ lệ phối trộn dầu mở vòng với dầu gốc khoáng 70/30 vẫn đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật ASTM cho dầu nhờn động cơ.

  4. So sánh với dầu nhờn khoáng: Dầu nhờn sinh học từ mỡ cá sau xử lý vật lý và hóa học có chỉ số độ nhớt và điểm chớp cháy tương đương hoặc vượt trội so với dầu nhờn khoáng SG 20W-50, đồng thời có khả năng phân hủy sinh học cao và thân thiện môi trường hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc xử lý vật lý giúp loại bỏ tạp chất và sáp, giảm điểm rót chảy, làm tăng tính ổn định của mỡ cá khi phối trộn với dầu gốc khoáng. Phản ứng epoxy hóa và mở vòng epoxy là phương pháp hiệu quả để biến đổi cấu trúc hóa học, tăng độ nhớt và độ bền nhiệt, khắc phục nhược điểm về độ bền oxy hóa thấp của mỡ cá nguyên liệu. So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng sử dụng phản ứng epoxy hóa để cải thiện tính chất dầu gốc sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh độ nhớt động học, điểm rót chảy và nhiệt độ phân hủy giữa các mẫu mỡ cá nguyên liệu, mỡ cá xử lý vật lý, mỡ cá epoxy và dầu nhờn khoáng SG 20W-50, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng bước xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất dầu nhờn sinh học từ mỡ cá tra: Khuyến khích các doanh nghiệp chế biến thủy sản và dầu nhờn hợp tác để tận dụng nguồn nguyên liệu mỡ cá dồi dào, áp dụng quy trình xử lý vật lý và hóa học đã nghiên cứu nhằm sản xuất dầu nhờn sinh học chất lượng cao, giảm nhập khẩu dầu gốc khoáng. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.

  2. Nâng cao công nghệ xử lý và biến đổi hóa học: Đầu tư nghiên cứu phát triển quy trình epoxy hóa và mở vòng epoxy tối ưu, sử dụng xúc tác thân thiện môi trường, giảm chi phí và tăng hiệu suất sản xuất. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp công nghệ hóa dầu.

  3. Phát triển phụ gia chuyên dụng cho dầu nhờn sinh học: Nghiên cứu và sản xuất các loại phụ gia phù hợp để cải thiện tính ổn định oxy hóa, chống mài mòn và hạ điểm đông cho dầu nhờn sinh học từ mỡ cá, nâng cao hiệu quả sử dụng trong động cơ. Thời gian: 2-3 năm.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn môi trường: Bộ ngành liên quan cần xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho dầu nhờn sinh học từ mỡ cá, đồng thời khuyến khích sử dụng sản phẩm thân thiện môi trường, góp phần giảm phát thải khí nhà kính. Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương, Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất dầu nhờn và hóa dầu: Có thể ứng dụng quy trình xử lý và biến đổi mỡ cá tra để phát triển sản phẩm dầu nhờn sinh học, giảm chi phí nguyên liệu và nâng cao giá trị sản phẩm.

  2. Ngành thủy sản và chế biến cá tra: Tận dụng phế phẩm mỡ cá để tạo ra nguồn thu mới, giảm ô nhiễm môi trường và tăng hiệu quả kinh tế cho người nuôi cá.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, thiết kế thí nghiệm và kết quả để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về dầu nhờn sinh học và công nghệ hóa dầu.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và chính sách: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phát triển năng lượng sinh học, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định môi trường liên quan đến sản xuất và sử dụng dầu nhờn sinh học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mỡ cá tra có thể thay thế hoàn toàn dầu gốc khoáng trong dầu nhờn không?
    Mỡ cá tra sau xử lý vật lý và biến đổi hóa học có thể phối trộn với dầu gốc khoáng ở tỷ lệ tối ưu 30% mỡ cá và 70% dầu khoáng, đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật. Tuy nhiên, chưa thể thay thế hoàn toàn do một số tính chất còn hạn chế như độ bền oxy hóa.

  2. Phản ứng epoxy hóa có ảnh hưởng gì đến tính chất dầu nhờn?
    Phản ứng epoxy hóa làm tăng độ nhớt, chỉ số độ nhớt và độ bền nhiệt của mỡ cá, cải thiện tính ổn định oxy hóa, giúp dầu nhờn sinh học phù hợp hơn với yêu cầu kỹ thuật động cơ.

  3. Điểm rót chảy của dầu nhờn sinh học từ mỡ cá là bao nhiêu?
    Sau xử lý vật lý và mở vòng epoxy, điểm rót chảy của dầu nhờn sinh học từ mỡ cá giảm từ 24°C xuống còn khoảng 10-15°C, phù hợp với điều kiện sử dụng trong khí hậu Việt Nam.

  4. Quy trình xử lý vật lý mỡ cá gồm những bước nào?
    Quy trình gồm thủy hóa để loại bỏ photpholipit và protein, tách sáp ở nhiệt độ thấp để giảm điểm rót chảy, rửa và sấy để loại bỏ nước, đảm bảo chất lượng dầu gốc trước khi pha chế.

  5. Lợi ích môi trường khi sử dụng dầu nhờn sinh học từ mỡ cá?
    Dầu nhờn sinh học có khả năng phân hủy sinh học cao, giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường so với dầu nhờn khoáng, đồng thời tận dụng phế phẩm thủy sản, giảm lượng chất thải ra môi trường.

Kết luận

  • Mỡ cá tra là nguồn nguyên liệu dồi dào và tiềm năng để sản xuất dầu nhờn sinh học tại Việt Nam, góp phần nâng cao giá trị kinh tế ngành thủy sản và bảo vệ môi trường.
  • Xử lý vật lý và biến đổi hóa học bằng phản ứng epoxy hóa và mở vòng epoxy giúp cải thiện đáng kể các tính chất kỹ thuật của mỡ cá, đáp ứng tiêu chuẩn ASTM cho dầu nhờn động cơ.
  • Tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa mỡ cá và dầu gốc khoáng là 30/70, đảm bảo hiệu suất và tính ổn định của sản phẩm dầu nhờn sinh học.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghiệp dầu nhờn sinh học trong nước, giảm nhập khẩu dầu gốc khoáng và thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai sản xuất quy mô công nghiệp, phát triển phụ gia chuyên dụng và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.

Khuyến nghị hành động: Các doanh nghiệp và cơ quan quản lý cần phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu, thúc đẩy sản xuất và sử dụng dầu nhờn sinh học từ mỡ cá tra, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp hóa dầu Việt Nam.