Tổng Hợp Xúc Tác Cacbon Hóa Từ Bã Tảo Để Chuyển Hóa Dầu Lanh Thành Biokerosen

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

NỘI DUNG LUẬN ÁN

1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1. Xúc tác cacbon hóa và cacbon hóa MQTB

1.2. Khái quát chung về xúc tác cacbon hóa

1.3. Khái quát về xúc tác cacbon hóa MQTB

1.4. Các phương pháp chế tạo xúc tác cacbon hóa MQTB

1.5. Nguyên liệu bã tảo để tổng hợp xúc tác cacbon hóa MQTB

1.6. Giới thiệu chung về nhiên liệu kerosen và biokerosen

1.7. Kerosen và nhiên liệu phản lực

1.8. Khái quát về nhiên liệu biokerosen

1.9. Các loại nguyên liệu có thể chuyển hóa thành biokerosen

1.10. Các phương pháp tổng hợp biokerosen, phân đoạn cơ sở để chế tạo NLPL sinh học

1.11. Chuyển hóa dầu thực vật thành biokerosen theo phương pháp trao đổi este

1.12. Các phương pháp trao đổi este khác

1.13. Tình hình nghiên cứu về xúc tác meso cacbon hóa, nhiên liệu biokerosen trên thế giới và Việt Nam

1.14. Nghiên cứu về xúc tác meso cacbon hóa

1.15. Nghiên cứu về nhiên liệu biokerosen

2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hóa chất và nguyên liệu sử dụng trong luận án

2.2. Nhiệt phân bã tảo thu biochar

2.3. Chế tạo xúc tác meso cacbon hóa

2.4. Phương pháp ngưng tụ tự sắp xếp - bay hơi dung môi

2.5. Phương pháp ngưng tụ tự sắp xếp - kết tinh thủy nhiệt

2.6. Đánh giá độ bền thủy nhiệt của xúc tác meso cacbon hóa

2.7. Tạo hạt cho xúc tác meso cacbon hóa

2.8. Chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen trên xúc tác meso cacbon hóa

2.9. Xác định một số chỉ tiêu cơ bản của dầu lanh

2.10. Khảo sát quá trình trao đổi este dầu lanh trên xúc tác meso cacbon hóa

2.11. Tính hiệu suất tạo biokerosen

2.12. Phối trộn biokerosen với Jet A-1 tạo NLPL sinh học

2.13. Các phương pháp phân tích hóa lý để xác định đặc trưng xúc tác

2.14. Phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS)

2.15. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng – nhiệt lượng quét kết hợp đầu dò khối phổ (TGA-DSC-MS)

2.16. Xác định độ dị thể của xúc tác. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

2.17. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

2.18. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

2.19. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

2.20. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)

2.21. Phương pháp giải hấp theo chương trình nhiệt độ

2.22. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - nhả hấp phụ N2 (BET)

2.23. Xác định một số tính chất cơ lý của xúc tác

2.24. Các phương pháp phân tích nguyên liệu và sản phẩm

2.25. Xác định tỷ trọng (ASTM D1298)

2.26. Xác định độ nhớt động học (ASTM D445)

2.27. Xác định chỉ số xà phòng (ASTM D5558). Xác định chỉ số axit (ASTM D664)

2.28. Xác định hàm lượng nước (ASTM D95)

2.29. Xác định chỉ số iot (EN-14111)

2.30. Xác định hàm lượng các tạp chất cơ học (ASTM D3042)

2.31. Xác định hàm lượng cặn cacbon (ASTM D189/97)

2.32. Xác định chiều cao ngọn lửa không khói (ASTM D1322)

2.33. Xác định thành phần chưng cất phân đoạn (ASTM D86)

2.34. Xác định nhiệt độ đông đặc (ASTM D97)

2.35. Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc kín (ASTM D93)

2.36. Xác định hàm lượng hydrocacbon thơm (ASTM D1319)

2.37. Xác định hàm lượng lưu huỳnh (ASTM D7679)

2.38. Xác định ăn mòn mảnh đồng (ASTM D130)

2.39. Xác định độ ổn định oxy hóa (ASTM D2274)

2.40. Xác định độ dẫn điện (ASTM D2624)

2.41. Xác định tính bôi trơn (ASTM D5001)

2.42. Xác định hàm lượng nhựa thực tế (ASTM D381). Xác định ngoại quan (màu sắc, mùi) (ASTM D1500, D6045)

2.43. Thành phần hóa học của biokerosen

3. THẢO LUẬN KẾT QUẢ

3.1. Nghiên cứu chế tạo xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình từ nguồn bã tảo

3.2. Nghiên cứu quá trình sunfo hóa biochar

3.3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo xúc tác cacbon hóa MQTB từ biochar sunfo hóa

3.4. Nghiên cứu cấu trúc của xúc tác cacbon hóa MQTB

3.5. Nghiên cứu mở rộng kích thước mao quản cho xúc tác meso cacbon hóa bã tảo

3.6. Nghiên cứu độ bền nhiệt và độ bền thủy nhiệt của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo

3.7. Nghiên cứu trạng thái hóa trị các nguyên tố có trong xúc tác

3.8. Nghiên cứu độ axit của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo

3.9. Nghiên cứu tạo hạt cho xúc tác meso cacbon hóa bã tảo

3.10. Khảo sát quá trình tạo hạt

3.11. Cấu trúc MQTB của xúc tác trước và sau quá trình tạo hạt

3.12. Nghiên cứu quá trình chuyển hóa dầu lanh thành metyl este (biokerosen)

3.13. Phân tích tính chất nguyên liệu dầu lanh

3.14. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biokerosen

3.15. Đánh giá độ ổn định của xúc tác meso cacbon hóa bã tảo

3.16. Xác định thành phần của sản phẩm biokerosen tổng hợp từ dầu lanh

3.17. Nghiên cứu phối trộn để chế tạo nlpl sinh học từ phân đoạn biokerosen đã tổng hợp

3.18. Một số chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của biokerosen tổng hợp

3.19. Kết quả pha trộn tạo NLPL sinh học

NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Xúc Tác Cacbon Hóa Từ Bã Tảo Cho Biokerosen

Xúc tác cacbon hóa từ nguồn sinh khối, đặc biệt là bã tảo, đang nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học. Ưu điểm vượt trội của loại xúc tác này là tính "xanh", khả năng tái tạo và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các quy trình chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen. Tuy nhiên, nhược điểm về bề mặt riêng thấp và hệ thống mao quản chưa tối ưu cần được khắc phục để nâng cao hiệu quả xúc tác. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến xúc tác cacbon hóa từ bã tảo để tạo ra xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình (MQTB), mở ra hướng đi mới cho việc sản xuất biokerosen bền vững. Theo nghiên cứu, biochar tạo thành từ quá trình nhiệt phân sinh khối chính là tiền chất để chế tạo xúc tác cacbon hóa, sản phẩm lỏng và khí của quá trình nhiệt phân đó là nguyên liệu cho các quá trình nâng cấp tiếp theo.

1.1. Giới thiệu về tiềm năng của bã tảo trong sản xuất nhiên liệu

Bã tảo là nguồn nguyên liệu sinh khối dồi dào, có tiềm năng lớn trong sản xuất nhiên liệu sinh học. Việc sử dụng bã tảo không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tận dụng được nguồn tài nguyên tái tạo, góp phần vào sự phát triển kinh tế tuần hoàn. Tảo biển có tốc độ sinh trưởng nhanh, không cạnh tranh đất trồng với cây lương thực, và có khả năng hấp thụ CO2, giúp giảm phát thải khí nhà kính. Do đó, bã tảo là một lựa chọn lý tưởng cho việc sản xuất nhiên liệu sinh học bền vững.

1.2. Vai trò của xúc tác cacbon hóa trong chuyển hóa dầu lanh

Xúc tác cacbon hóa đóng vai trò then chốt trong quá trình chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen. Loại xúc tác này có khả năng xúc tác hiệu quả các phản ứng hóa học cần thiết để biến đổi dầu thực vật thành nhiên liệu có tính chất tương tự như kerosen truyền thống. Xúc tác cacbon hóa có ưu điểm là hoạt tính cao, ổn định và có thể tái sử dụng, giúp giảm chi phí sản xuất và tăng tính bền vững của quy trình. Việc sử dụng xúc tác cacbon hóa từ bã tảo càng làm tăng thêm tính thân thiện với môi trường của quy trình sản xuất biokerosen.

II. Thách Thức Giải Pháp Chuyển Hóa Dầu Lanh Thành Biokerosen

Quá trình chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là hiệu suất chuyển hóa và tính ổn định của xúc tác. Bề mặt riêng thấp và hệ thống mao quản chưa tối ưu của xúc tác cacbon hóa truyền thống gây khó khăn cho quá trình khuếch tán của các phân tử dầu lớn. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu tập trung vào việc phát triển xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình (MQTB) từ bã tảo, với cấu trúc mao quản được kiểm soát và bề mặt riêng lớn hơn. Điều này giúp tăng cường khả năng tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu, từ đó nâng cao hiệu quả chuyển hóa.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa dầu lanh

Hiệu suất chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, tỷ lệ xúc tác, tỷ lệ mol metanol/dầu và tốc độ khuấy. Việc tối ưu hóa các thông số này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất chuyển hóa cao nhất. Ngoài ra, tính chất của nguyên liệu dầu lanh, bao gồm thành phần axit béo và hàm lượng nước, cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa. Nghiên cứu cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố này để đảm bảo quá trình chuyển hóa diễn ra hiệu quả.

2.2. Giải pháp tăng cường độ ổn định của xúc tác cacbon hóa

Độ ổn định của xúc tác cacbon hóa là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính kinh tế của quy trình sản xuất biokerosen. Xúc tác có thể bị mất hoạt tính do nhiều nguyên nhân, bao gồm sự lắng đọng của các chất bẩn trên bề mặt, sự thay đổi cấu trúc mao quản và sự suy giảm số lượng tâm axit. Để tăng cường độ ổn định của xúc tác, cần thực hiện các biện pháp như xử lý bề mặt, cải thiện độ bền cơ học và tối ưu hóa điều kiện phản ứng. Việc tái sử dụng xúc tác nhiều lần mà không làm giảm đáng kể hiệu suất chuyển hóa là mục tiêu quan trọng của nghiên cứu.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Xúc Tác Cacbon Hóa MQTB Từ Bã Tảo

Nghiên cứu này tập trung vào phương pháp tổng hợp xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình (MQTB) từ bã tảo thông qua quá trình cacbon hóa không hoàn toàn, tạo thành biochar làm tiền chất. Sau đó, biochar được sunfo hóa để tăng cường tính axit và tạo điều kiện cho việc hình thành cấu trúc MQTB. Phương pháp sử dụng chất tạo cấu trúc mềm (CTAB) được áp dụng để kiểm soát kích thước và trật tự của mao quản. Quá trình ngưng tụ - bay hơi dung môi được thực hiện trong điều kiện êm dịu để đảm bảo cấu trúc MQTB được hình thành một cách tối ưu.

3.1. Quy trình cacbon hóa và sunfo hóa bã tảo tạo biochar

Quy trình cacbon hóa và sunfo hóa bã tảo là bước quan trọng để tạo ra biochar, tiền chất cho xúc tác cacbon hóa MQTB. Quá trình cacbon hóa được thực hiện ở nhiệt độ cao trong môi trường yếm khí để loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và tạo ra cấu trúc cacbon giàu lỗ xốp. Sau đó, biochar được sunfo hóa bằng axit sulfuric để tạo ra các nhóm axit sulfonic (-SO3H) trên bề mặt, tăng cường tính axit của xúc tác. Các thông số của quá trình cacbon hóa và sunfo hóa, như nhiệt độ, thời gian và nồng độ axit, cần được tối ưu hóa để đạt được biochar có tính chất phù hợp.

3.2. Sử dụng chất tạo cấu trúc mềm CTAB để kiểm soát mao quản

Việc sử dụng chất tạo cấu trúc mềm (CTAB) là chìa khóa để kiểm soát kích thước và trật tự của mao quản trong xúc tác cacbon hóa MQTB. CTAB là một chất hoạt động bề mặt có khả năng tự lắp ráp thành các cấu trúc micelle trong dung dịch. Trong quá trình tổng hợp xúc tác, CTAB đóng vai trò là khuôn mẫu, định hình cấu trúc mao quản khi biochar và các thành phần khác được ngưng tụ xung quanh. Sau khi quá trình ngưng tụ hoàn tất, CTAB được loại bỏ để tạo ra hệ thống mao quản rỗng. Tỷ lệ CTAB/biochar và các điều kiện phản ứng cần được kiểm soát chặt chẽ để đạt được cấu trúc mao quản mong muốn.

IV. Ứng Dụng Xúc Tác Cacbon Hóa MQTB Chuyển Hóa Dầu Lanh

Xúc tác cacbon hóa MQTB từ bã tảo được ứng dụng trong quá trình chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen. Quá trình này bao gồm phản ứng trao đổi este giữa dầu lanh và metanol, tạo ra metyl este (biokerosen) và glycerol. Xúc tác MQTB giúp tăng cường khả năng tiếp xúc giữa các phân tử dầu lớn và tâm axit, từ đó nâng cao hiệu suất phản ứng. Các điều kiện phản ứng, như nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ xúc tác và tỷ lệ mol metanol/dầu, được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất chuyển hóa cao nhất.

4.1. Phản ứng trao đổi este dầu lanh trên xúc tác MQTB

Phản ứng trao đổi este giữa dầu lanh và metanol trên xúc tác cacbon hóa MQTB là quá trình chính để tạo ra biokerosen. Trong phản ứng này, các triglyxerit trong dầu lanh phản ứng với metanol để tạo ra metyl este (biokerosen) và glycerol. Xúc tác MQTB đóng vai trò là chất xúc tác, tăng tốc độ phản ứng và giảm năng lượng hoạt hóa. Cấu trúc mao quản của xúc tác giúp tăng cường khả năng tiếp xúc giữa các phân tử dầu lanh và metanol, từ đó nâng cao hiệu suất phản ứng. Các nhóm axit sulfonic (-SO3H) trên bề mặt xúc tác đóng vai trò là tâm hoạt tính, xúc tác phản ứng trao đổi este.

4.2. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng để đạt hiệu suất cao

Việc tối ưu hóa các điều kiện phản ứng là rất quan trọng để đạt được hiệu suất chuyển hóa cao trong quá trình chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen. Các điều kiện phản ứng cần được xem xét bao gồm nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ xúc tác và tỷ lệ mol metanol/dầu. Nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sự phân hủy của dầu lanh và biokerosen, trong khi nhiệt độ quá thấp có thể làm chậm tốc độ phản ứng. Thời gian phản ứng quá ngắn có thể không đủ để dầu lanh phản ứng hoàn toàn, trong khi thời gian quá dài có thể dẫn đến các phản ứng phụ. Tỷ lệ xúc tác và tỷ lệ mol metanol/dầu cần được điều chỉnh để đảm bảo phản ứng diễn ra hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

V. Đánh Giá Phân Tích Biokerosen Từ Dầu Lanh Kết Quả Nghiên Cứu

Sản phẩm biokerosen từ dầu lanh được đánh giá và phân tích kỹ lưỡng để xác định các tính chất quan trọng, như thành phần hóa học, độ nhớt, tỷ trọng và nhiệt trị. Các kết quả phân tích cho thấy biokerosen có tính chất tương tự như kerosen truyền thống và có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh học thay thế. Nghiên cứu cũng đánh giá khả năng phối trộn biokerosen với nhiên liệu phản lực thương mại để tạo ra nhiên liệu phản lực sinh học (NLPL sinh học).

5.1. Xác định thành phần hóa học và tính chất của biokerosen

Việc xác định thành phần hóa học và tính chất của biokerosen là rất quan trọng để đánh giá chất lượng và khả năng sử dụng của nó làm nhiên liệu sinh học. Các phương pháp phân tích như sắc ký khí – khối phổ (GC-MS) được sử dụng để xác định thành phần hóa học của biokerosen, bao gồm các este metyl của axit béo. Các tính chất vật lý như độ nhớt, tỷ trọng, nhiệt trị và điểm đông đặc cũng được xác định để so sánh với các tiêu chuẩn của kerosen truyền thống. Các kết quả phân tích này cung cấp thông tin quan trọng để đánh giá khả năng sử dụng biokerosen làm nhiên liệu.

5.2. Khả năng phối trộn biokerosen với nhiên liệu phản lực thương mại

Khả năng phối trộn biokerosen với nhiên liệu phản lực thương mại là một yếu tố quan trọng để đánh giá tiềm năng ứng dụng của nó trong ngành hàng không. Việc phối trộn biokerosen với nhiên liệu phản lực có thể giúp giảm lượng khí thải nhà kính và tăng tính bền vững của ngành hàng không. Nghiên cứu cần đánh giá khả năng phối trộn biokerosen với các loại nhiên liệu phản lực khác nhau và xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu để đảm bảo các tính chất của nhiên liệu hỗn hợp đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật. Các thử nghiệm về hiệu suất động cơ và độ ổn định của nhiên liệu hỗn hợp cũng cần được thực hiện.

VI. Kết Luận Triển Vọng Phát Triển Xúc Tác Cacbon Hóa Bã Tảo

Nghiên cứu này đã thành công trong việc tổng hợp xúc tác cacbon hóa MQTB từ bã tảo và ứng dụng nó trong quá trình chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen. Kết quả cho thấy xúc tác MQTB có hoạt tính cao, ổn định và có khả năng tái sử dụng. Việc sử dụng bã tảo làm nguyên liệu giúp giảm thiểu chất thải và tận dụng nguồn tài nguyên tái tạo. Nghiên cứu này mở ra triển vọng phát triển công nghệ xanh và năng lượng tái tạo trong tương lai.

6.1. Tóm tắt những đóng góp mới của nghiên cứu

Nghiên cứu này đã có những đóng góp mới quan trọng trong lĩnh vực xúc tác cacbon hóa và chuyển hóa dầu thực vật thành nhiên liệu sinh học. Các đóng góp chính bao gồm việc phát triển phương pháp tổng hợp xúc tác cacbon hóa MQTB từ bã tảo với cấu trúc mao quản được kiểm soát, việc ứng dụng xúc tác này trong quá trình chuyển hóa dầu lanh thành biokerosen với hiệu suất cao, và việc đánh giá khả năng phối trộn biokerosen với nhiên liệu phản lực thương mại. Các kết quả nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc phát triển công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học bền vững.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và tiềm năng ứng dụng thực tiễn

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện hơn nữa tính chất của xúc tác cacbon hóa MQTB, như tăng cường độ bền cơ học và độ ổn định nhiệt. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang việc sử dụng các loại bã tảo khác nhau và các loại dầu thực vật khác nhau để sản xuất biokerosen. Ngoài ra, cần thực hiện các nghiên cứu về quy trình sản xuất biokerosen ở quy mô lớn hơn để đánh giá tính khả thi về kinh tế và môi trường. Tiềm năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ này là rất lớn, góp phần vào việc giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường.