Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu xúc tác zirconi sunfat trong chuyển đổi cặn béo thành nhiên liệu sinh học

• Tác giả: Phạm Văn Phong
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Xúc Tác Zirconi Sunfat Cho Chuyển Đổi Cặn Béo Thành Nhiên Liệu Sinh Học
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. CÁC PHẢN ỨNG CHÍNH XẢY RA TRONG QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL THEO PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ESTE
• 1.2. CÁC LOẠI XÚC TÁC SỬ DỤNG CHO QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL THEO PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ESTE
• 1.2.1. Xúc tác bazơ đồng thể
• 1.2.2. Xúc tác axit đồng thể
• 1.3. XÚC TÁC ZIRCONI SUNFAT HÓA TRONG QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL
• 1.3.1. Tổng quan chung về zirconi oxit
• 1.3.2. Tổng quan chung về xúc tác zirconi sunfat hóa (ZrO2/SO42-)
• 1.4. XÚC TÁC ZIRCONI SUNFAT HÓA DẠNG MQTB (SO42-/m-ZrO2) ỨNG DỤNG CHO QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ CẶN BÉO THẢI
• 1.4.1. Nhược điểm của các xúc tác zirconi sunfat hóa thông thường
• 1.4.2. Giới thiệu về xúc tác SO42-/m-ZrO2
• 1.4.3. Vấn đề độ bền nhiệt của xúc tác SO42-/m-ZrO2
• 1.4.4. Ứng dụng của xúc tác SO42-/m-ZrO2 trên thế giới
• 1.5. NGUYÊN LIỆU CHO QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL
• 1.5.1. Thành phần hoá học của dầu, mỡ động thực vật
• 1.5.2. Một số loại dầu, mỡ động thực vật làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp biodiesel. Nguyên liệu cặn béo thải từ quá trình tinh luyện dầu, mỡ động thực vật.
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. HÓA CHẤT, NGUYÊN LIỆU VÀ DỤNG CỤ SỬ DỤNG
• 3.2. CHẾ TẠO XÚC TÁC ZIRCONI SUNFAT HÓA MQTB
• 3.3. NGHIÊN CỨU TĂNG ĐỘ BỀN NHIỆT CHO XÚC TÁC m-ZS-C
• 3.3.1. Phương pháp oxophotphat hóa từng bước
• 3.3.2. Phương pháp oxophotphat hóa đồng thời
• 3.3.3. Đánh giá độ bền thủy nhiệt của xúc tác
• 3.4. CHẾ TẠO MỘT SỐ LOẠI XÚC TÁC, VẬT LIỆU KHÁC ĐỂ SO SÁNH
• 3.4.1. Chế tạo xúc tác meso zirconi oxit (m-ZrO2)
• 3.4.2. Chế tạo xúc tác meso zirconi sunfat hóa có kích thước mao quản tập trung nhỏ
• 3.4.3. Chế tạo xúc tác meso zirconi sunfat hóa có kích thước mao quản tập trung lớn
• 3.4.4. Chế tạo xúc tác zirconi oxit sunfat hóa (SO42-/ZrO2)
• 3.5. NGHIÊN CỨU TẠO HẠT XÚC TÁC
• 3.6. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CẶN BÉO THẢI THÀNH BIODIESEL TRÊN XÚC TÁC MESO ZIRCONI SUNFAT HÓA
• 3.6.1. Phân tích các tính chất của nguyên liệu cặn béo thải
• 3.6.2. Khảo sát tìm các điều kiện thích hợp cho phản ứng tổng hợp biodiesel từ cặn béo thải
• 3.6.3. Nghiên cứu tái sử dụng và tái sinh xúc tác
• 3.6.4. Tính toán hiệu suất phản ứng tổng hợp biodiesel
• 3.7. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG XÚC TÁC
• 3.7.1. Sử dụng phổ hấp thụ tia X (XAS) để nghiên cứu cấu trúc xúc tác
• 3.7.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.7.3. Phương pháp phân tích nhiệt TG-DTA
• 3.7.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.7.5. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3.7.6. Phương pháp hấp phụ-giải hấp phụ đẳng nhiệt (BET-BJH)
• 3.7.7. Phương pháp giải hấp NH3 theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH3)
• 3.7.8. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 3.7.9. Xác định một số tính chất cơ lý của xúc tác
• 3.8. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NGUYÊN LIỆU CẶN BÉO THẢI VÀ SẢN PHẨM BIODIESEL
• 3.8.1. Xác định thành phần hóa học của cặn béo thải và metyl este từ cặn béo thải bằng phương pháp GC-MS
• 3.8.2. Xác định các chỉ tiêu hóa lý của sản phẩm biodiesel
• CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC LUẬN ÁN

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về xúc tác zirconi sunfat cho quá trình chuyển đổi cặn béo thành nhiên liệu sinh học là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ sinh học và hóa học. Cặn béo thải từ quá trình tinh luyện dầu thực vật chứa nhiều axit béo tự do, có tiềm năng lớn để sản xuất nhiên liệu tái tạo. Tuy nhiên, việc chuyển hóa này gặp nhiều khó khăn do các xúc tác axit đồng thể thường gây ra hiện tượng xà phòng hóa. Do đó, việc phát triển các xúc tác dị thể như xúc tác zirconi sunfat hóa là cần thiết để nâng cao hiệu suất chuyển đổi. Luận án này tập trung vào việc chế tạo và tối ưu hóa xúc tác zirconi sunfat hóa có cấu trúc mao quản trung bình, nhằm cải thiện khả năng chuyển hóa cặn béo thành biodiesel.

II. Tổng quan lý thuyết

Quá trình tổng hợp biodiesel từ cặn béo chủ yếu diễn ra qua hai phản ứng: trao đổi este và este hóa. Đối với nguyên liệu có hàm lượng axit béo tự do thấp, phản ứng trao đổi este chiếm ưu thế. Ngược lại, với nguyên liệu có hàm lượng axit béo tự do cao, cả hai phản ứng đều diễn ra. Xúc tác zirconi sunfat hóa (SO42-/ZrO2) đã được chứng minh là có khả năng hoạt động tốt trong các phản ứng này nhờ vào tính axit mạnh và độ ổn định cao. Tuy nhiên, bề mặt riêng nhỏ và đường kính mao quản chưa phù hợp với các phân tử lớn như triglyxerit là những hạn chế lớn. Việc cải thiện cấu trúc mao quản của xúc tác sẽ giúp tăng cường khả năng khuếch tán và hiệu suất phản ứng.

III. Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng các phương pháp chế tạo xúc tác zirconi sunfat hóa với cấu trúc mao quản trung bình thông qua quá trình ngưng tụ tự sắp xếp. Các điều kiện tối ưu bao gồm sử dụng chất tạo cấu trúc CTAB, nhiệt độ 90°C, thời gian 48 giờ và pH 9,5. Sau khi chế tạo, xúc tác được nung tách chất tạo cấu trúc ở 450°C trong 5 giờ. Kết quả cho thấy xúc tác có bề mặt riêng lớn và hệ thống mao quản trật tự, phù hợp cho quá trình chuyển hóa cặn béo thành nhiên liệu sinh học. Phương pháp oxophotphat hóa cũng được áp dụng để nâng cao độ bền nhiệt của xúc tác, giúp xúc tác duy trì hoạt tính trong điều kiện khắc nghiệt.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy xúc tác meso zirconi sunfat hóa có khả năng chuyển hóa cặn béo thành biodiesel với hiệu suất cao. Đặc biệt, việc tối ưu hóa đường kính mao quản và bề mặt riêng của xúc tác đã giúp cải thiện đáng kể khả năng khuếch tán của các phân tử lớn. Các thí nghiệm cho thấy xúc tác có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp hơn so với các xúc tác truyền thống. Điều này không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn tăng tính an toàn trong quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học. Những kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các xúc tác sinh học trong tương lai.

V. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao. Việc phát triển xúc tác zirconi sunfat hóa có cấu trúc mao quản trung bình sẽ giúp tối ưu hóa quá trình chuyển hóa cặn béo thành nhiên liệu sinh học, góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển nguồn năng lượng tái tạo. Hơn nữa, nghiên cứu này có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế biến dầu mỡ, mở ra cơ hội cho việc tái sử dụng các nguồn nguyên liệu thải, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.