Những hiểu biết về tính chất, tổng hợp và ứng dụng ethanol sinh học và dầu diesel sinh học (BIOETHANOL BIODIESEL).

Đây là một bài tiểu luận của học viên cao học BK về: Những hiểu biết về tính chất, tổng hợp và ứng dụng ethanol sinh học và dầu diesel sinh học (BIOETHANOL BIODIESEL). Bài này dùng để tham khảo viết tiểu luận, hay đề cương luận văn là rất thích hợp.

BIOETHANOL

Giới thiệu

Cùng với sự gia tăng của các nguồn năng lượng thay thế khác nhau như: năng lượng hạt nhân, năng lượng mặt trời, năng lượng gió… năng lượng sinh học cũng đang được ưu tiên phát triển ở nhiều quốc gia, nhất là các nước công nghiệp.

Nhiên liệu sinh học được sử dụng dưới các dạng khác nhau như:

- dạng khí: biogas, hydro …

- dạng rắn: cũi, gỗ, rơm, trấu, mùn cưa, than bùn …

- dạng lỏng: ethanol sinh học, desiel sinh học …

Bioethanol từ tinh bột

Lên

men

Quá trình nấu

Mục đích

bằng cách nấu.

xuống để dịch đi tiếp sang các quá trình tiếp theo.

Quá trình đường hóa

Sử dụng: Enzyme α-amylase

Cơ chế:

Dextrin có chiều dài mạch thay đổi nhiều

Tuy nhiên, mạch càng ngắn công việc còn lại càng ít cho enzyme glucoamylase.

Glucoamylase có thể thủy phân α-1,6 mạch nhánh nhưng ở tốc

độ chậm hơn nhiều

Công việc của glucoamylase là chuyển hóa trực tiếp mạch dextrin thành glucose.

Quá trình lên men

Mục đích: chuyển đường thành ethanol nhờ sự hoạt động của tác nhân vi sinh vật là nấm men

C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2

Điều kiện

- Nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 28-320C

- pH tối ưu để tạo ethanol là 4.5-5.0

- Nồng độ dịch đường được giới hạn ở 22% khối lượng

Quá trình làm khan

1 Chưng cất chân không

Dưới áp suất chân không, hỗn hợp nước-ethanol sẽ có

những điểm đẳng phí như sau:

2 Sử dụng chất hút nước

Có thể dùng các chất hút nước như Clorua Canxi khan, vôi.

(hiệu suất và năng suất thấp)

3 Thẩm thấu qua màng

Dựa trên nguyên tắc sử dụng

màng có khả năng hút nước

cao, có khả năng thẩm thấu

ngược để tách nước ra khỏi hỗn

được đưa tới tháp chưng cất để

thu hồi ethanol.

Quá trình làm khan

4 Chưng cất đẳng phí

Nguyên tắc của phương pháp là cho thêm cấu tử thứ ba vào nhằm thay đổi độ bay hơi tương đối của hai cấu tử trong hệ ban đầu.

Cấu tử thứ ba thường dùng là Benzen, Cloroform hoặc Toluene…

5 Phương pháp rây phân tử

Dựa trên khả năng hấp phụ chọn lọc của rây

Cấu tử có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ sàng sẽ được hấp phụ vào bên trong, còn các cấu tử có kích thước lớn hơn sẽ đi qua bề mặt của nó.

 Kích thước động học của nước là 2,75 Ao < 3A0

 Kích thước động học của ethanol là 3,95 Ao > 3Ao

Quá trình làm khan

Bioethanol từ Cellulose

Tiền xử lý

Lignin Cùng với hemicellulose tạo thành cấu trúc mô vững chắc Những

mô được bền hóa với lignin tương tự như nhựa được gia

cố bằng sợi, trong đó lignin đóng vai trò kết dính những sợi cellulose

Hemicellulose Cũng như lignin, hemicellulose tạo thành lớp bảo vệ xung quanh cellulose

“ NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ LIÊN TỤC

XỬ LÝ RƠM RẠ BẰNG HƠI NƯỚC ĐỂ LÊN MEN ETHANOL”

Làm khan

Dùng tác nhân acid: gồm các phương pháp

- Xử lý với acid loãng

- Bơm hơi nước có acid và nổ hơi có acid

(trong đó, acid sulfuric thường được sử dụng)

Dùng tác nhân base: chủ yếu là dùng NaOH

Dùng tác nhân khác

Dung môi như ethanol, methanol, acetone… để hòa tan lignin

Phương pháp tiền xử lý

Phương pháp cơ học

Quá trình nổ hơi nước là một quá trình cơ – hóa –

nhiệt.

→ phá vỡ cấu trúc các hợp phần với sự giúp đỡ của

nhiệt ở dạng hơi (nhiệt), lực cắt do sự giãn nở của ẩm (cơ), và thủy phân các liên kết glycosidic (hóa).

Lên men ethanol

Ưu điểm

- Khả năng quang hợp cao

- Đa dạng sinh học lớn

- Sản xuất sinh khối nhanh chóng (vi sinh vật)

Các loại vi tảo đã được nghiên cứu:

Chlorella, Dunaliella, Chlamydomonas, Scenedesmus,

Arthrospira, Spirulina

Các loài này chứa một lượng lớn tinh bột và glycogen

Bioethanol từ Tảo

Bioethanol là nhiên liệu sinh học phổ biến nhất, chiếm trên 90% tổng các loại nhiên liệu sinh học đã được sử dụng, với ưu điểm:

 nồng độ cồn trên 99,5%

 có trị số octan cao

 không gây ô nhiễm môi trường

 được sản xuất từ nguồn nguyên liệu dồi dào là sản phẩm, phụ phẩm của nông nghiệp.

Ethanol là một nhiên liệu tiềm năng, có thể được sử dụng như năng lượng thay thế hoặc thay thế 1 phần (pha trộn với xăng thành hỗn hợp E5, E10…) để giảm sự phát thải khí nhà kính, đang được nhiều quốc gia quan tâm, nghiên cứu sản xuất và khuyến khích sử dụng.

Công nghệ sinh học cho nhiên liệu xanh

Nhiên liệu sinh học nói chung, nhiên liệu bioethanol nói riêng sẽ có một vị trí quan trọng trong bức tranh toàn cảnh về năng lượng của thế giới, trong tình hình giá dầu mỏ ngày càng tăng và bất ổn, đặc biệt là hiện tượng hiệu ứng nhà kính, sự biến đổi khí hậu nghiêm trọng do khí thải của quá trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Công nghệ sinh học cho nhiên liệu xanh

Do đó, vấn đề đặt ra là phải nghiên cứu, cải tiến quá trình sản xuất bioethanol sao cho hiệu quả nhất từ nguồn nguyên liệu sinh khối chứa nhiều trong phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, mùn cưa, rơm rạ, lục bình …) – một nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền ở một nước nông nghiệp như nước ta.

Công nghệ sinh học cho nhiên liệu xanh

27

BIODIESEL LÀ GÌ?

Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel (Diesel sinh học) được định nghĩa: “là các mono alkyl Ester của các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo lại như: dầu thực vật, mỡ động vật, được

sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel”

28

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN

 Bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800: chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng, các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là biodiesel.

 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế

BIODIESEL TRÊN THẾ GIỚI

30

(*) Data source: IEA Energy Statistics © OECD/International Energy Agency, 2011

BIODIESEL Ở VIỆT NAM

31

 Chính phủ đã đặt mục tiêu dùng

biodiesel thay thế 5% dầu diesel từ năm

2016 - 2025.

 Số xe động cơ diesel chiếm > 20% thị trường

ôtô mới tại Việt Nam.

 Khó khăn: công nghệ-thiết bị, công suất

nhỏ, tiêu hao nhiều năng lượng, giá

thành cao, nhiều rào cản từ chính sách

thông tin của các nhà sản xuất xe.

ƯU ĐIỂM CỦA BIODIESEL

 Được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái sinh.

 Dễ dàng phân hủy sinh học (gấp 4 lần so với diesel, phân huỷ từ 85 - 88% trong nước sau 28 ngày)

 Giảm thiểu ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính:

 Cháy sạch hơn 75% so với diesel truyền thống.

 Giảm: 90% hàm lượng hydrocacbon không cháy, 50% CO2 trong khí thải, 50% khả năng phá hủy tầng ozon.

 SO2 bị loại bỏ hoàn toàn khi sử dụng động cơ biodiesel.

 Giảm nguy cơ độc hại đến sức khỏe con người (B20,B100)

32

ƯU ĐIỂM CỦA BIODIESEL

 Về mặt kỹ thuật:

 Rất linh động, có thể trộn với diesel theo bất kỳ tỷ lệ nào

 Có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong bồn chứa và sử dụng

 Tính bôi trơn tốt, chỉ số cetan cao hơn Diesel.

 Khi sử dụng không cần cải tiến bất kỳ chi tiết nào của động cơ.

 Về mặt kinh tế: Tận dụng nguồn phế phẩm, các nguyên liệu có giá trị thấp

 thúc đẩy nông nghiệp phát triển.

33

 Dễ bị oxy hóa, gây khó khăn trong việc bảo quản.

 Nguồn nguyên liệu chưa ổn định, giá thành khá cao

34

PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT

36

Phương pháp vi nhũ tương

Phương pháp nhiệt phân

Phương pháp pha loãng

Phương pháp transester hóa

PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG

 Dầu mỡ có độ nhớt cao (11-17 lần so với diesel thông thường) -> phải phối trộn với nhiên liệu diesel hoặc các dung môi như ethanol

 Pha loãng dầu hạt hướng dương với nhiên liệu diesel ở tỷ lệ thể tích 1:3: là 4.88 cSt

 Hỗn hợp 1:1 của dầu nành và dung môi stoddard có độ nhớt 5.12 cSt ở 380C

 Nhược điểm: gây hiện tượng bám muội than ở vòi phun khi

sử dụng động cơ trong thời gian dài

PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT

Dầu dừa và dầu cọ đã được cracking, sử dụng xúc tác SiO/

Al 2 O 3 ở 450 0 C -> nhiên liệu có khối lượng phân hủy nhỏ hơn.

 Nhược điểm:

 Rất khó điểu khiển do có nhiều pu xảy ra khi dùng nhiệt và tạo nhiều phản ứng phụ.

 Thải ra nhiều bụi.

 Phải loại bỏ Oxy sau quá trình nhiệt phân.

38

 Thời gian dài: vòi phun không ổn định, có muội than ở van, nhiên liệu cháy không hoàn toàn.

39

PHƯƠNG PHÁP TRANSESTER HÓA

Qui trình sản xuất Biodiesel (Aleks Kac-2006)

Loại nước Trộn methanol Kết thúc qt acid hóa

Sản xuất biodiesel từ dầu Jatropha

42

Sản xuất biodiesel từ dầu Jatropha

43

Sản xuất biodiesel từ vi tảo

44

Sản xuất biodiesel từ vi tảo

45

Bảng so sánh các thuộc tính giữa biodiesel từ vi tảo với diesel thông thường

Thuộc tính Biodiesel từ vi

tảo Diesel biodiesel ASTM Tiêu chuẩn

Độ nhớt (mm 2 /s, 40 0 C) 5.2 1.9-4.1 3.5-5.0

-Chỉ số acid (mg KOH/g) 0.374 0.5 (max) 0.5 (max)

CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG

46

0.05 max (S500) % mass

Alcohol control - One of the following must be met:

ASTM D6751 (B100)

CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG

47

ASTM D7467 (B6-B20)

Ramsbottom carbon residue on 10%

One of the following must be met: