Tổng quan về nhiên liệu sinh học và tiềm năng sản xuất loại nhiên liệu này tại việt nam

Tổng quan về nhiên liệu sinh học và tiềm năng sản xuất loại nhiên liệu này tại việt nam LỜI MỞ ĐẦUNhư chúng ta đã biết, Việt Nam là nước có nền kinh tế nông nghiệp với sự phát triển phong phú và đa dạng về các giống cây trồng như lúa, ngô, đậu,cọ…v.v. Do đó, nguồn nguyên liệu từ nông nghiệp đối với nước ta rất dồi dào và phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho các ngành công nghiệp sử dụng và tận dụng nguyên liệu là sản phẩm, phế phẩm nông nghiệp, trong đó có công nghiệp chế biến dầu khí phục vụ cho các ngành sản xuất nhiên liệu xăng dầu, cồn, nhiên liệu sinh học, … Hiện nay tình hình xăng dầu trên thế giới luôn có nhiều biến động, giá dầu thô đang liên tục tăng cao. Do trữ lượng dầu mỏ đang ngày càng giảm dần, nên các nước có nguồn tài nguyên dồi dào này đã hạn chế lượng khai thác dầu mỏ gây nhiều biến động xấu đến nền kinh tế toàn cầu. Một số cường quốc kinh tế đang rơi vào tình trạng khủng hoảng kinh tế trầm trọng, còn các nước đang phát triển cũng phải chịu nhiều ảnh hưởng nặng nề do tình hình lạm phát gia tăng ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống của người dân. Việt Nam cũng không phải là ngoại lệ. Đây là mối lo ngại của chính phủ, các cấp ban ngành, các doanh nghiệp và toàn dân vì giá xăng dầu gần như chi phối, ảnh hưởng tới mọi mặt đời sống và lĩnh vực kinh doanh, buôn bán. Cũng như tình trạng chung của các quốc gia có trữ lượng dầu mỏ thì tương lai lượng khai thác dầu mỏ ở nước ta cũng gặp nhiều hạn chế. Việt Nam tính đến tháng đầu năm 2009 vẫn là nước xuất khẩu dầu thô và nhập các sản phẩm xăng dầu thương phẩm là do chưa có nhà máy lọc dầu nào để khai thác, sản xuất các sản phẩm đạt tiêu chuẩn sử dụng. Ngày 22 tháng 2 năm 2009, nhà máy lọc dầu Dung Quất chính thức cho xuất mẻ sản phẩm đầu tiên (đạt chất lượng thương mại theo Tiêu chuẩn Việt Nam). Nhà máy lọc dầu Dung Quất chính thức đi vào hoạt động.Trước tình hình xăng dầu diễn biến phức tạp thì việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế xăng dầu trong tương lai, đã và đang thu hút nhiều sự chú ý của các quốc gia trên thế giới. Các công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học (Bioethanol, Biodiesel, Biogas, …) đã được hình thành và dần dần hoàn thiện hơn. Đối với nước ta, bên cạnh việc xây dựng các nhà máy lọc dầu, chúng ta cũng cần phải nghiên cứu và xây dựng các nhà máy sản xuất nhiên liệu sạch. Một mặt để giải quyết phần nào vấn đề nhiên liệu cho việc phát triển nền kinh tế, một mặt có thể tận dụng được nguồn nguyên liệu từ nông nghiệp vốn là thế mạnh của một quốc gia vùng nhiệt đới như Việt Nam.Mặt khác, ở nước ta với dự báo ngày một gia tăng số lượng phương tiện giao thông vận tải. Nếu không có những biện pháp hữu hiệu nhằm hạn chế mức độ ô nhiễm môi trường (do khí xả của chúng gây ra thì không bao lâu nữa, ô nhiễm môi trường không khí ở nước ta cũng sẽ trầm trọng chẳng kém gì các thành phố lớn ở các nước phát triển có mật độ ô tô cao). Vì vậy tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật để hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm của phương tiện giao thông là rất cần thiết. Một trong những giải pháp này là nghiên cứu nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu sinh học được sử dụng nhằm hướng tới các mục đích như giảm thải và giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu dầu mỏ, giảm ô nhiễm môi trường, cụ thể là khí thải sinh ra từ nhiên liệu sinh học ít chất độc hại hơn xăng được sản xuất từ nguồn dầu mỏ, góp phần nâng cao giá trị của các sản phẩm phụ trong các ngành nông lâm nghiệp. Với tất cả những lý do trên, em đã chọn đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Tổng quan về nhiên liệu sinh học và tiềm năng sản xuất loại nhiên liệu này tại Việt Nam”. Nội dung của đề tài gồm 2 chương:Chương 1: Tổng quan về nhiên liệu sinh họcChương 2: Tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học tại Việt namDo trình độ lý luận và kiến thức còn nhiều hạn chế, mặc dù đã có rất nhiều cố gắng nhưng bài làm không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Đặng Kim Hoàng cũng như sự đóng góp ý kiến của bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn.

LỜI CẢM ƠN

Sau hơn ba tháng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và được sự hướng dẫn tận tìnhcủa cô giáo Đặng Kim Hoàng em đã hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Em xin chânthành cảm ơn quý thầy cô giáo trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng nói chung vàquý thầy cô ngành Công nghệ Chế biến Dầu và Khí nói riêng đã ân cần giảng dạychúng em trong suốt thời gian học tại trường và làm Đồ án tốt nghiệp, đặc biệt là

cô giáo, Tiến sĩ Đặng Kim Hoàng đã trực tiếp chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốtquá trình thực hiện đề tài này Cô đã nhiệt tình giúp đỡ em về tài liệu, truyền đạtkiến thức và hơn hết là hoàn thiện cho em kĩ năng tổng hợp tài liệu, kĩ năng phântích ,lý luận cũng như kinh nghiệm, phương án giải quyết vấn đề liên quan

Kính chúc quý Thầy Cô sức khỏe và thành công

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC 1

1.1 Nhiên liệu sinh học- Nguồn năng lượng tất yếu 1

1.2 Tình hình phát triển nhiên liệu sinh học hiện nay 2

1.2.1 Phát triển biofuel ở các nước trên thế giới 2

1.2.2 Phát triển biofuel tại các nước trong khu vực 4

1.3 Khái niệm và phân loại nhiên liệu sinh học 7

1.3.1 Khí sinh học (biogas) 8

1.3.2 Xăng sinh học (Gasohol) 12

1.3.3 Diesel sinh học (BioDiesel) 21

1.4 Lợi ích từ việc sử dụng nhiên liệu sinh học 39

1.4.1 Nhiên liệu sinh học có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ, đang cạn kiệt 39

1.4.2 Nhiên liệu sinh học có thể giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu 40

1.4.3 Nhiên liệu sinh học có thể tăng cường an ninh năng lượng quốc gia 40

1.4.4 Sử dụng nhiên liệu sinh học sẽ góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế nông nghiệp 41

1.4.5 Nhiên liệu sinh học có thể đóng góp vào phát triển kinh tế - xã hội của các cộng đồng địa phương và các ngành kinh tế đang phát triển 41

1.4.6 Nhiên liệu sinh học có thể hình thành sự tham gia của các xí nghiệp nhỏ và vừa (SMEs) 42

CHƯƠNG 2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SẢN XUẤT VÀ TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ở VIỆT NAM 43

2.1 Khảo sát tiềm năng và xác định loại nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học ở Việt Nam 43

2.1.1 Tổng quan các nguyên liệu sinh khối của Việt Nam 43

2.1.2 Kết quả điều tra các nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học ở Việt Nam 46

2.1.3 Kết quả điều tra các nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol sinh học ở Việt Nam 48

2.1.4 Đánh giá chung 51

2.1.5 Lựa chọn tiềm năng nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học 51

2.2 Giới thiệu công nghệ sản xuất 55

2.2.1 Công nghệ sản xuất bioethanol tại nhà máy cồn Đại Tân – Quảng Nam 55

2.2.2 Công nghệ sản xuất biodiezel từ dầu cọ dừa(tham khảo công nghệ của Colombia) 57

2.2.3 Công nghệ sản xuất dầu sinh học H-esterfipTM 59

2.3 Các tiêu chuẩn nhiên liệu ở Việt Nam 59

2.3.1 Tiêu chuẩn chất lượng của Biodiesel ở Việt Nam 592.3.2 Tiêu chuẩn chất lượng của xăng sinh học ở Việt Nam 622.4 Phát triển nhiên liệu sinh học và tình hình nghiên cứu nhiên liệu sinh học tạiViệt Nam 642.4.1 Các hoạt động nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ (R&D), triển khaisản xuất thử sản phẩm (P) phục vụ phát triển nhiên liệu sinh học 642.4.2 Hoạt động xây dựng và phát triển ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học của Việt Nam 652.4.3 Xây dựng tiềm lực phục vụ phát triển nhiên liệu sinh học trong nước 702.4.4 Các hoạt động hợp tác quốc tế phát triển nhiên liệu sinh học tại Việt Nam 70KẾT LUẬN 73

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Thành phần chủ yếu của khí sinh học 8

Bảng 1-2 Một số tính chất của CH4 và CO2 9

Bảng 1-3 Đặc tính và sản lượng khí có thể thu được của một số nguyên liệu 11

Bảng 1-4 Mối quan hệ giửa nồng độ ethanol trong xăng và lượng tiêu thụ nhiên liệu 13

Bảng 1-5 Mô tả sự ảnh hưởng của E10 và E20 đối với RVP 13

Bảng 1-6 Điều kiện trong thiết bị phản ứng tiền thuỷ phân 16

Bảng 1-7 Bảng biểu diễn lượng biodisel của 10 nước sản xuất nhiều nhất thế giới.24 Bảng 1-8 Thành phần các chất hóa học có trong dầu 25

Bảng 1-9 Một số tính chất liên quan đến quá trình transester 30

Bảng 1-10 Điểm nóng chảy của các axit béo, methyl ester và mono ditriglyceridesa 30

Bảng 1-11 Điều kiện phản ứng của quá trình estesvoiws xúc tác acid 32

Bảng 1-12 Điều kiện điển hình cho quá trình ester hóa với xúc tác kiềm 34

Bảng 1-13 Các điều kiện phản ứng của quá trình este hóa 34

Bảng 1-14 Bảng so sánh ưu nhược điểm của xúc tác bazơ và xúc tác enzyme 35

Bảng 1-15 Điều kiện phản ứng của một số loại xúc tác 37

Bảng 1-16 Điều kiện tới hạn ứng với các loại rượu 38

Bảng 2-1 Tổng hợp tiềm năng cây nguyên liệu chứa tinh bột và đường 46

Bảng 2-2 Tổng hợp nguyên liệu sinh khối chứa xenllulo đến 2010 47

Bảng 2-3 Tổng hợp nguyên liệu sinh khối từ phế thải nông ngiệp 2010 48

Bảng 2-4 Tổng hợp nguyên liệu sinh khối từ rác hữu cơ khu vực đô thị 48

Bảng 2-5 Tổng hợp các cây nguyên liệu chứa dầu ở Việt Nam 49

Bảng 2-6 So sánh chất lượng mía của Việt Nam và các nước 52

Bảng 2-7 So sánh chất lượng sắn của Việt Nam và các nước 52

Bảng 2-8 So sánh giá thành sản xuất Ethanol từ sắn và mía ở Việt Nam 52

Bảng 2-9 Chi phí sản xuất Ethanol của các nước trên thế giới năm 2006 53

Bảng 2-10 Chi phí sản xuất Biodiesel của các nước trên thế giới 2008 54

Bảng 2-11 Bảng so sánh thành phần của hai phế liệu rắn thu được trong quá trình chiết xuất dầu cọ 58

Bảng 2-12 Chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu Diesel TCVN-5689 và Biodiesel EN-14214, ASTM-D6751 60

Bảng 2-13 Chỉ tiêu chất lượng của xăng E5 62

Bảng 2-14 Danh sách một số nhà máy cồn sinh học đã và đang xây dựng 65

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Ảnh hưởng của nồng độ ethanol khi phối trộn vào xăng 13

Hình 1-2 Sơ đồ xử lý nguyên liệu 15

Hình 1-3 Quá trình tiền xử lý 17

Hình 1-4 Sơ đồ biểu diễn qua trình phân hủy nhiệt 29

Hình 1-5 Sơ đồ biểu diễn quá trình chuyển đổi ester 29

Hình 1-6 Cơ chế phản ứng ester hóa có sử dụng xúc tác acid 32

Hình 2-1 Cây nguyên liệu chứa đường 43

Hình 2-2 Cây nguyên liệu chứa tinh bột 44

Hình 2-3 Cây nguyên liệu chứa xenlulo 44

Hình 2-4 Nguyên liệu nguồn gốc dầu mỡ 45

Hình 2-5 Cây Jatropa (cây nguyên liệu sản xuất dầu sinh học) 45

Hình 2-6 Sơ đồ chế biến biodiesel từ dầu dừa 57

Hình 2-7 Sơ đồ công nghệ Công nghệ H esterfip 59

là sản phẩm, phế phẩm nông nghiệp, trong đó có công nghiệp chế biến dầu khí phục

vụ cho các ngành sản xuất nhiên liệu xăng dầu, cồn, nhiên liệu sinh học, …

Hiện nay tình hình xăng dầu trên thế giới luôn có nhiều biến động, giá dầuthô đang liên tục tăng cao Do trữ lượng dầu mỏ đang ngày càng giảm dần, nên cácnước có nguồn tài nguyên dồi dào này đã hạn chế lượng khai thác dầu mỏ gây nhiềubiến động xấu đến nền kinh tế toàn cầu Một số cường quốc kinh tế đang rơi vàotình trạng khủng hoảng kinh tế trầm trọng, còn các nước đang phát triển cũng phảichịu nhiều ảnh hưởng nặng nề do tình hình lạm phát gia tăng ảnh hưởng đến chấtlượng cuộc sống của người dân Việt Nam cũng không phải là ngoại lệ Đây là mối

lo ngại của chính phủ, các cấp ban ngành, các doanh nghiệp và toàn dân vì giá xăngdầu gần như chi phối, ảnh hưởng tới mọi mặt đời sống và lĩnh vực kinh doanh, buônbán Cũng như tình trạng chung của các quốc gia có trữ lượng dầu mỏ thì tương lailượng khai thác dầu mỏ ở nước ta cũng gặp nhiều hạn chế Việt Nam tính đến thángđầu năm 2009 vẫn là nước xuất khẩu dầu thô và nhập các sản phẩm xăng dầuthương phẩm là do chưa có nhà máy lọc dầu nào để khai thác, sản xuất các sảnphẩm đạt tiêu chuẩn sử dụng Ngày 22 tháng 2 năm 2009, nhà máy lọc dầu DungQuất chính thức cho xuất mẻ sản phẩm đầu tiên (đạt chất lượng thương mại theoTiêu chuẩn Việt Nam) Nhà máy lọc dầu Dung Quất chính thức đi vào hoạt động

Trước tình hình xăng dầu diễn biến phức tạp thì việc tìm kiếm nguồn nhiênliệu thay thế xăng dầu trong tương lai, đã và đang thu hút nhiều sự chú ý của cácquốc gia trên thế giới Các công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học (Bioethanol,Biodiesel, Biogas, …) đã được hình thành và dần dần hoàn thiện hơn Đối với nước

ta, bên cạnh việc xây dựng các nhà máy lọc dầu, chúng ta cũng cần phải nghiên cứu

và xây dựng các nhà máy sản xuất nhiên liệu sạch Một mặt để giải quyết phần nàovấn đề nhiên liệu cho việc phát triển nền kinh tế, một mặt có thể tận dụng đượcnguồn nguyên liệu từ nông nghiệp vốn là thế mạnh của một quốc gia vùng nhiệt đớinhư Việt Nam

Mặt khác, ở nước ta với dự báo ngày một gia tăng số lượng phương tiện giaothông vận tải Nếu không có những biện pháp hữu hiệu nhằm hạn chế mức độ ônhiễm môi trường (do khí xả của chúng gây ra thì không bao lâu nữa, ô nhiễm môitrường không khí ở nước ta cũng sẽ trầm trọng chẳng kém gì các thành phố lớn ởcác nước phát triển có mật độ ô tô cao) Vì vậy tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật để

hạn chế mức độ phát sinh ô nhiễm của phương tiện giao thông là rất cần thiết Mộttrong những giải pháp này là nghiên cứu nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được sử dụng nhằm hướng tới các mục đích như giảmthải và giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu dầu mỏ, giảm ô nhiễm môi trường, cụthể là khí thải sinh ra từ nhiên liệu sinh học ít chất độc hại hơn xăng được sản xuất

từ nguồn dầu mỏ, góp phần nâng cao giá trị của các sản phẩm phụ trong các ngànhnông lâm nghiệp

Với tất cả những lý do trên, em đã chọn đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Tổngquan về nhiên liệu sinh học và tiềm năng sản xuất loại nhiên liệu này tại ViệtNam”

Nội dung của đề tài gồm 2 chương:

- Chương 1: Tổng quan về nhiên liệu sinh học

- Chương 2: Tiềm năng sản xuất nhiên liệu sinh học tại Việt nam

Do trình độ lý luận và kiến thức còn nhiều hạn chế, mặc dù đã có rất nhiều

cố gắng nhưng bài làm không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhậnđược sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo Em xin chân thành cảm ơn

sự hướng dẫn tận tình của cô giáo Đặng Kim Hoàng cũng như sự đóng góp ý kiếncủa bạn đọc để đề tài được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC1.1 Nhiên liệu sinh học- Nguồn năng lượng tất yếu

Nhu cầu năng lượng của loài người đã hiện diện cách đây hàng trăm ngànnăm, nhưng lúc đó con người chỉ biết dùng lửa cho hoạt động hàng ngày để nướngthịt, đuổi thú dữ, đốt rừng làm rẫy Kể từ đó, nguồn năng lượng từ vật rắn như gỗcây ngày càng trở nên quan trọng Có hơn hai tỉ người trên thế giới đang dùng chấtrắn trong gia đình để nấu nướng và sưởi ấm mùa đông Năng lượng có vai trò quantrọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội An ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôngắn liền với an ninh năng lượng của một quốc gia Vì vậy trong chính sách pháttriển kinh tế, xã hội bền vững, chính sách năng lượng nên được đặt lên hàng đầu

Vào thế kỷ 19, gỗ là nguồn năng lượng làm chạy máy động cơ hơi nướctrong giao thông vận tải, giúp đẩy mạnh ngành công nghiệp cơ giới Sau đó, conngười chế tạo máy phát điện cung cấp nguồn điện năng mới có nhiều công dụng chođời sống hàng ngày và thay thế dần những máy chạy bằng hơi nước Khi tìm thấynguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt, con người nhanh chóngchuyền sang sử dụng các nguồn năng lượng không tái tạo này để chạy máy nổ, chủyếu trong ngành vận tải, nhiệt và điện năng Dạng nhiên liệu lỏng (xăng dầu) trởnên thông dụng hơn cho nhiên liệu giao thông vận tải vì tỏa nhiều nhiệt lượng, dễ

sử dụng hơn loại nhiên liệu khí và rắn, và từ đó nguồn năng lượng rắn được sử dụnggiảm dần

Theo tính toán của các chuyên gia kinh tế năng lượng, dầu mỏ và khí đốthiện chiếm khoảng 60-80% cán cân năng lượng thế giới Với tốc độ tiêu thụ nhưhiện nay và trữ lượng dầu mỏ hiện đang có thì nguồn năng lượng này sẽ nhanhchóng bị cạn kiệt trong vòng 40-50 năm nữa Diễn biến phức tạp của giá xăng dầugần đây là do nhu cầu dầu thô ngày càng lớn và những bất ổn chính trị tại nhữngnước sản xuất dầu mỏ Hơn nữa nhiên liệu hóa thạch phát sinh nhiều khí thải gâyhiệu ứng nhà kính Để đối phó với tình hình đó chúng ta cần tìm ra các nguồn nănglượng mới thay thế, và ưu tiên hàng đầu được dành cho các nguồn năng lượng táisinh và thân thiện với môi trường

Trong số các nguồn năng lượng thay thế dầu mỏ đang sử dụng hiện nay(năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân,…), năng lượng sinhhọc đang là xu thế phát triển tất yếu, nhất là ở các nước nông nghiệp và nhập khẩunhiên liệu, do các lợi ích của nó như: công nghệ sản xuất không quá phức tạp, tậndụng nguồn nguyên liệu tại chỗ, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, không cần thay

đổi cấu trúc động cơ cũng như cơ sở hạ tầng hiện có và giá thành cạnh tranh so vớixăng dầu.

1.2 Tình hình phát triển nhiên liệu sinh học hiện nay

1.2.1 Phát triển biofuel ở các nước trên thế giới

Năng lượng hóa thạch ngày càng cạn dần, yêu cầu bức xúc về vấn đề ônhiễm môi trường với những tác động gây biến đổi khí hậu toàn cầu là những lý dokhiến các nước trên thế giới từ 5 - 10 năm trở lại đây ráo riết nghiên cứu để pháttriển nguồn năng lượng thay thế Nhiên liệu sinh học (biofuel) không phải là nhiênliệu mới, đã được áp dụng khá lâu kể từ khi động cơ diezel đầu tiên chạy bằng dầulạc ra đời năm 1898 triển lãm ở Paris (Pháp) Tác giả của động cơ diezel đầu tiên -ông Rudolf Diezel đã từng tiên đoán rằng nhiên liệu từ sinh khối sẽ là tương lai thựccho động cơ của mình Hơn 10 năm sau (1912) ngay cả khi dầu mỏ và than bắt đầuđược đề cao, ông cũng vẫn tuyên bố: "Sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu động cơhiện thời có thể chưa được chú trọng, song nó sẽ trở thành nguồn nhiên liệu quantrọng như dầu mỏ và than đá về sau này" Cho tới năm 1920 khi các nhà sản xuấtđộng cơ diesel phải thay đổi động cơ của họ để phù hợp với loại nhiên liệu mới có

độ nhớt thấp hơn và không dùng dầu thực vật nữa thì các cơ sở sản xuất biofuel thời

đó mới dần bị loại bỏ Còn một sự kiện khác cũng đáng chú ý: động cơ đốt trong ô

tô của tác giả Nicola Otto ra đời năm 1877 lại chạy bằng cồn Các loại xe ô tô củahãng Ford sản xuất năm 1928 - 1929 đều được thiết kế để chạy bằng các loại nhiênliệu khác nhau, trong đó có cồn Xe ô tô của hãng Studebaker những năm 1930được thiết kế để chạy được cả xăng và cồn Thật ra trong buổi bình minh của triềuđại ô tô, cồn được đề cao như xăng, dầu sau này Xăng dầu phát triển mạnh sau đó

đã khiến các nhà cung cấp cồn đơn lẻ khó phát triển, tuy rằng trong giai đoạn Đạichiến II, ở những vùng khó cung cấp xăng thì cồn vẫn được đề cao và sử dụng làmnhiên liệu chạy xe Ngày nay do những nguyên nhân đã nêu ở trên, các nước trênthế giới đang có xu hướng tích cực quay trở lại với biofuel Một bài toán đang đặtra: liệu biofuel có thể thay thế hoàn toàn được nhiên liệu hóa thạch trong tương laihay không? Người ta hy vọng cho tới năm 2020, biofuel sẽ được sản xuất và pháttriển trên quy mô thương mại toàn cầu Hiện tại hầu như biofuel được sản xuất trênthế giới mới chỉ là bioethanol Các nhà sản xuất chính hiện nay là Mỹ, Canađa vàBraxin Tổng sản lượng bioethanol hiện nay là vài tỉ gallon/năm, trong đó Braxindẫn đầu với con số 4 tỉ gallon/năm còn Liên minh châu Âu( EU) đóng góp phần rấtnhỏ Tuy nhiên EU lại là nhà sản xuất biodiesel lớn nhất trên thị trường toàn cầu

Từ năm 1993 đến năm 2001, sản lượng biodiesel của EU tăng gấp 10 lần, từ mức80.000 tấn vào năm 1993 lên 780.000tấn vào năm 2001, Đức là nước sản xuấthàng đầu, tiếp theo là Pháp, Italia và Áo Hiện nay, trên toàn EU biodiesel được sử

dụng chạy động cơ dưới dạng pha trộn với diesel thông thường Tại Đức, Áo vàThụy Điển, biodiesel được sử dụng dưới dạng tinh khiết trong các loại xe tải nặng.Bioethanol sử dụng làm nhiên liệu ô tô ở châu Âu tăng gấp 4,5 lần, từ mức 47.000tấn vào năm 1993 lên 216.000tấn vào năm 2001 Pháp, Tây Ban Nha và ThụyĐiển là các nước đóng vai trò lớn trong thị trường bioethanol ở châu Âu.Bioethanol tại đây cũng được dùng cả dưới dạng tinh khiết lẫn pha trộn với xăng.Tại Pháp, bioethanol chủ yếu để chuyển hóa thành phụ gia ETBE pha xăng Quy môsản xuất biofuel toàn cầu mở rộng dần suốt những năm 1980, trước khi đạt mứcphát triển cao hơn nhiều vào những năm 1990 Sản lượng biofuel toàn cầu hiện đạtkhoảng 15 triệu tấn/năm Các nước EU chỉ chiếm mức dưới 6% tổng sản lượng(890.000 tấn vào năm 2000) Hầu hết sản lượng biofuel toàn cầu tập trung vàobioethanol (năm 2000 đạt 14,6 triệu tấn) Trong Sách Trắng về chiến lược và kếhoạch hoạt động của EU (1997) mục "Năng lượng tương lai: nguồn năng lượng táitạo" đã nêu yêu cầu cấp bách phải tăng bằng được thành phần năng lượng sinh họctrong cơ cấu kinh tế, trong đó có biofuel Người ta cho rằng hiện tại biofuel chưa cógiá cạnh tranh được với dầu mỏ, song để đảm bảo an ninh năng lượng trong tươnglai, cần thiết phải đưa ra thị trường nguồn nhiên liệu thay thế mới để đón đầu, bởitrong tương lai khi nguồn năng lượng hóa thạch cạn dần, giá dầu sẽ biến động tớimức khó dự đoán nổi Ưu tiên đầu tiên đề cập tới trong Sách Trắng của EU là tìmcách giảm chi phí sản xuất biofuel Mục tiêu khác là giảm thuế đánh vào các hoạtđộng canh tác cung cấp nguyên liệu sinh khối Trong Sách Xanh, mục "Chiến lượccủa EU về an ninh năng lượng" (2000) đã nhấn mạnh tầm quan trọng của sinh khốitrong vấn đề đảm bảo an ninh năng lượng Người ta cho rằng tiềm năng hết sức tolớn của rừng và phế thải nông nghiệp hầu như chưa được tận dụng, trong khi nhiênliệu từ nguồn sinh khối này khi được sử dụng sẽ làm giảm phát thải gây hiệu ứngnhà kính xuống 40 - 80% so với sử dụng nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên các vấn

đề trong Sách Trắng và Sách Xanh cũng chưa hoàn toàn thúc ép các nước thànhviên EU đề ra chính sách tập trung phát triển biofuel một cách cụ thể Từ 6/2001,hai nghị định mới của EU khuyến khích xúc tiến phát triển biofuel đã được banhành Nghị định thứ nhất bắt buộc các nước thành viên phải có sản phẩm biofuelđưa ra thị trường vào giai đoạn 2005 - 2010 Nghị định thứ hai cho phép các nướcthành viên được áp dụng mức thuế ưu đãi đối với biofuel, nhất là đối với các biofuel

sử dụng trong ngành giao thông vận tải Nhiệm vụ đặt ra cho ngành này là phải sửdụng biofuel thay thế nhiên liệu thông thường

1.2.2 Phát triển biofuel tại các nước trong khu vực

Trung Quốc

Trung Quốc đang dành mối quan tâm lớn cho sự phát triển biofuel Do tốc độphát triển kinh tế cao và kéo dài liên tục nên Trung Quốc đang thiếu hụt nănglượng Nước này xem việc phát triển năng lượng sinh học là một trong các giải phápgiảm thiểu chi phí nhập khẩu dầu mỏ, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng Sảnlượng ethanol của Trung Quốc hiện đứng thứ 3 thế giới với con số 3 tỉ lít/nămTrung Quốc đang xây dựng 11 nhà máy sản xuất ethanol và đang có kế hoạch xâydựng thêm 60 nhà máy mới trong thời gian tới Cuối năm 2003, một nhà máy sảnxuất ethanol công suất 600.000 tấn/ năm với số vốn đầu tư 350 triệu USD đã đượckhánh thành tại tỉnh Cát Lâm Hiện nhà máy này sản xuất 2,5 triệu lít ethanol/ ngày,tiêu thụ 1,92 triệu tấn ngô/năm Nước này cũng đang sản xuất thí điểm biofuel từsắn, mía và khoai tây Trung Quốc sẽ có thể cho ra đời nhiều nhà máy sản xuấtethanol khổng lồ như vậy nhờ có khả năng tập trung nguồn nguyên liệu lớn từ cácvùng canh tác quy mô lớn Doanh thu về biofuel toàn cầu nămg 2003 vượt qua con

số 12 tỉ USD và có triển vọng tăng lên 34 tỷ USD vào năm 2015 Braxin là nướcdẫn đầu chiếm 45%, Mỹ 20%, Trung Quốc đã sớm trở thành nước có vị trí thứ 3 và

sẽ vươn lên vị trí thứ 2 trong vài năm tới nhờ sự giúp đỡ của Braxin Mục tiêu củaTrung Quốc là tới năm 2030 sẽ không phải phụ thuộc vào dầu mỏ nữa Chính phủTrung Quốc đã đưa ra chính sách tài trợ, vay lãi suất thấp và sử dụng ngân sách để

hỗ trợ phát triển biofuel Tất cả ô tô của Trung Quốc hiện đang chuyển sang hướng

sử dụng biofuel, điện, hoặc lắp đặt lại động cơ Tăng thị phần năng lượng sạch làbước cơ bản đáp ứng yêu cầu giảm thiểu CO2 (Trung Quốc là nước phát thải CO2lớn thứ 2 sau Mỹ)

Thái Lan

Hiện tại quy mô sản xuất ethanol ở Thái Lan còn nhỏ, năng suất và kỹ thuậtcanh tác mía và các cây trồng làm nguyên liệu chưa cao nên mặc dù nước này cóquan tâm tới các chương trình biofuel nhưng cho tới nay vẫn chưa có tiến bộ đáng

kể Chính phủ Thái Lan vừa ra thông báo áp dụng chính sách sản xuất gasohol sửdụng rộng rãi khắp thành phố Băng Cốc kể từ 1/2005 với tỉ lệ pha trộn 10 - 20%etanol trong xăng sử dụng

Nhật Bản

Nhật Bản là nước tiêu thụ xăng dầu lớn thứ 2 trên thế giới chỉ đứng sau Mỹ,lên tới 215 triệu tấn trong năm 2003 (theo số liệu của Bộ Kinh tế, Thương mại vàCông nghiệp Nhật Bản) Trong đó 99% được nhập khẩu Do áp lực về vấn đề môitrường ở các thành phố lớn và để tăng cường an ninh năng lượng, từ lâu Nhật Bản

đã chú trọng tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch, tái tạo được Ethanol và

dimethylete(DME) là những loại nhiên liệu được quan tâm ở Nhật Bản Từ 6/2004Nhật Bản cũng đưa ra chính sách phát triển sản xuất và sử dụng biofuel nhằm làmgiảm ô nhiễm môi trường Nội dung chính sách này có phần khuyến khích sản xuấtcác động cơ ô tô có thể vận hành được bằng nhiên liệu diesel pha trộn biofuel với tỉ

lệ cao Một nhóm thực hiện dự án cải tiến động cơ được thành lập để thực hiện kếhoạch này trong 2 năm sau đó Ở Nhật Bản có 5 công ty (Taisei Corp, MaruberiCorp, Sapporo Breweries Ltd, Daiei Inter Nature System Inc và Tokyo BoatIndustries Co) đã thống nhất cùng góp vốn thành lập một công ty liên doanh vào4/2005 với số vốn 100 triệu yên (960.836 USD) để triển khai kế hoạch sản xuấtethanol quy mô lớn vào năm 2007 từ nguồn nguyên liệu gỗ xây dựng đã qua sửdụng để làm nhiên liệu cho ô tô Các công ty cũng đầu tư hơn 3 tỉ yên xây dựng mộtnhà máy sản xuất ethanol công suất 30.000 tấn/năm tại Osaka để cung cấp ethanolcho 100 trạm xăng Nhà máy này đã đi vào hoạt động năm 2007 Ethanol do nhàmáy này sản xuất ra có giá khoảng 50 yên /lít và doanh thu đạt được trong năm

2007 là 500 triệu yên Công nghệ sản xuất ethanol từ gỗ được Công ty Maruberi(Mỹ) giới thiệu Nguồn nguyên liệu gỗ đã qua sử dụng sẽ do hai công ty Taisei vàDaiei cung cấp Riêng về chương trình phát triển DME tại Nhật Bản thì sau khi đã

có được những kết quả nghiên tại phòng thí nghiệm, trong giai đoạn 1997 - 2000Công ty JFE và Trung tâm sử dụng than đã kết hợp xây dựng và chạy thử dâychuyền sản xuất DME, công suất 5tấn/ngày Công ty "DME development Co Ltd"

do ông Yotaro Ohno sáng lập vào 11/2001 với mục tiêu để hỗ trợ cho việc nghiêncứu phát triển và thương mại hóa sản phẩm nhiên liệu mới DME Đây là một công

ty cổ phần với sự góp vốn của 10 tập đoàn và công ty lớn của Nhật Bản thuộc nhiềulĩnh vực chuyên môn khác nhau như nhiên liệu, thương mại, sản xuất xe hơi, điện

tử, v.v…Tháng 7/2002, một nhà máy sản xuất DME, công suất 100 tấn/ngày(côngsuất lớn nhất thế giới ở thời điểm đó), đã được xây dựng tại thành phố Kushiro.Ngày 19/11/2002 nhà máy này đã chính thức đi vào thử nghiệm, sau đi hoạt độngliên tục trong thời gian một tháng rưỡi thì người ta đã thu được sản phẩm 1.240 tấnDME chất lượng tốt, với độ tinh khiết khoảng 99,6% để chuẩn bị cho thử nghiệm.Người ta thấy chương trình sản xuất, thử nghiệm DME ở Nhật Bản đã được xúc tiếnrất khẩn trương, điều này cho thấy đây là dạng nhiên liệu rất được quan tâm tạinước này Theo ý kiến của nhiều chuyên gia, thì trong thế kỷ 21, DME sẽ trở thànhmột dạng nhiên liệu phổ biến trên thế giới Công ty "DME development Co Ltd" sẽtiếp tục nghiên cứu sản xuất, thử nghiệm để hoàn thiện công nghệ và sớm đưa vàosản xuất ở quy mô đại trà Nhật Bản đã sản xuất và tiêu thụ khoảng 200.000 tấnDME/năm vào năm 2006 và sẽ tăng lên 300.000tấn/năm trong vài năm sau đó Tuycòn tồn tại một số vấn đề cần giải quyết trước khi đưa vào sản xuất lớn, nhưng

người ta tin chắc rằng chương trình nhiên liệu mới dimetylete(DME) của Nhật Bản

sẽ thành công, nhất là trong giai đoạn hiện nay khi giá dầu mỏ tăng rất cao và do áplực của cơ chế phát triển sạch(Clean Development Mechanism viết tắt là CDM) màcác nước công nghiệp hàng đầu trên thế giới sẽ phải thực hiện

Philippin

Bộ Khoa học và Hội đồng kỹ thuật R&D về công nghiệp và Năng lượngPhilippin đang có chính sách tích cực thúc đẩy sử dụng biofuel ở xe máy và xe babánh để giảm ô nhiễm môi trường Biodiezel ở Philippin chủ yếu được sản xuất từdầu dừa(cocometyl este - CME) là nguồn năng lượng rẻ tiền có thể dùng thay thếxăng chạy xe máy và xe ba bánh động cơ 2 kỳ (lượng xe máy và xe ba bánh chiếmgần 35% trong tổng số 4 triệu đầu xe ở Philippin và hiện tại 75% trong tổng số xe ởPhilippin là động cơ 2 kỳ) Thúc đẩy sử dụng CME mới chỉ là một chương trìnhmang tính huấn luyện và thử nghiệm, tuy nhiên ưu thế về dầu dừa của Philippin sẽgiúp nước này phát triển sản xuất và kinh doanh biodiezel thành công trong tươnglai Một nguồn nguyên liệu sinh khối tiềm năng khác để sản xuất ethanol ở Philippin

là cây lúa miến ngọt (một loại cây mọc khỏe, cho năng suất đường nhanh hơn mía,chịu được mặn, khô hạn và nghèo dinh dưỡng của đất) Philippin đang cho trồngthử nghiệm lúa miến lấy sinh khối sản xuất ethanol

Nhìn chung, hiện nay trên thế giới đang đứng trước nguy cơ thiếu nănglượng Những vấn đề gì sẽ xảy ra khi nguồn năng lượng hóa thạch hoàn toàn cạnkiệt? Bức tranh môi trường sống toàn cầu sắp tới sẽ ra sao khi không kìm hãm bớttốc độ phát thải ô nhiễm hiện tại Hàng loạt câu hỏi đang chờ câu trả lời Có ý kiếncho rằng, nhiều quốc gia trên toàn cầu còn đang đói nghèo, đất trồng cây lương thựccòn thiếu, lấy đâu ra đất để trồng cây phục vụ sản xuất năng lượng sinh học Songvấn đề vừa phải đảm bảo an ninh lương thực, vừa phải đảm bảo an ninh năng lượng

và giảm ô nhiễm môi trường đang được các quốc gia trên thế giới quan tâm và ráoriết thực hiện Từng quốc gia đang đưa ra các chính sách khác nhau để làm sao đảmbảo được mục tiêu trên Để giải quyết nguồn nguyên liệu sinh khối sản xuất nănglượng sinh học, ngoài cây lương thực, các quốc gia có nguy cơ thiếu nhiều nănglượng đang tìm kiếm các nguồn cây trồng khác có thể canh tác trên đất hoang hóa,trên cạn, dưới nước, đồng thời tích cực tìm kiếm công nghệ mới thu hiệu suất cao,tiết kiệm nguyên liệu, hạ giá thành Mỹ là nước có chỉ tiêu sử dụng năng lượng caonhất thế giới, nhưng chỉ cần 28.000 km2 (3% diện tích toàn nước Mỹ) là đã đủnguyên liệu sản xuất đủ lượng biodiesel cho toàn bộ xe cộ giao thông ở Mỹ Tiềmnăng nguồn sinh khối mới ở Mỹ là: cỏ roi ngựa, rêu tảo, tận dụng nguồn phế thảicông nghệ thực phẩm và nông nghiệp đang bỏ phí, trồng xen cây lương thực vớingô, đậu tương Mỹ dường như đã tìm ra giải pháp đối với nguyên liệu sinh khối

một khi chuyển sang sử dụng năng lượng sinh học thay thế Ấn Độ tuyên bố đã tìm

ra các loại cây làm nguyên liệu sinh khối cung cấp năng lượng mọc hoang trên đấtbạc màu có tiềm năng lớn, Liên minh châu Âu đang nghiên cứu các công nghệ cảitiến mới đồng thời tìm ra các vùng đất canh tác còn bỏ hoang cả ở trên cạn và dướinước Tuy Việt Nam là nước mà nguy cơ thiếu năng lượng vẫn còn xa, song trongtrào lưu toàn cầu nói chung, vấn đề phải phát triển nguồn năng lượng thay thế nănglượng hóa thạch cũng rất cần thiết Để phát triển biofuel ở Việt Nam vì các mục tiêugiảm ô nhiễm môi trường, hiện đại hóa nông thôn, đảm bảo an ninh năng lượng,Việt Nam cần có chính sách đi kèm các biện pháp hỗ trợ phát triển như kinh nghiệmcủa một số nước đang đứng đầu trong lĩnh vực sản xuất và sử dụng biofuel

1.3 Khái niệm và phân loại nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học là những nhiên liệu có nguồn gốc từ các vật liệu như củi,

gỗ, rơm, trấu, phân và mỡ động vật Nhiên liệu sinh học dùng cho giao thông vận tảichủ yếu gồm: các loại cồn tuyệt đối sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản xuất raGasohol (Methanol, Ethanol, Butanol, nhiên liệu tổng hợp Fischer Tropsch), cácloại dầu sinh học để sản xuất diesel sinh học (dầu thực vật, dầu thực vật phế thải,

mỡ động vật) Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡđộng vật, dầu dừa, ), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương ), chất thải trong nôngnghiệp (rơm rạ, phân, ), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗthải ) Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nhiên liệutruyền thống (dầu khí, than đá…)

Nhiên liệu sinh học (Biofuel hay Agrofuel) thường được tái tạo từ nguyênliệu động thực vật (hay còn được gọi là nguồn nguyên liệu sinh khối (biomass) Gọi

là “tái tạo” (renewable) vì chất đốt cơ bản Carbon nằm trong chu trình lục hoá(photosynthesis) ngắn hạn đốt nhiên liệu sinh học thải khí CO2, rồi thực vật canhtác hấp thụ lại CO2 đó, để tạo thành sinh khối chế biến nhiên liệu sinh học Trên lýthuyết coi như không làm tăng CO2 trong khí quyển Nhiên liệu sinh học có thể ởthể rắn như củi, than củi (than đá thuộc loại cổ sinh, không tái tạo), thể lỏng (nhưxăng sinh học, diesel sinh học), hay thể khí như khí methane sinh học (sản xuất từ

lò ủ chất phế thải) Nhiên liệu ở thể lỏng được ưa chuộng hơn vì có độ tinh khiếtcao, chứa nhiều năng lượng, dễ dàng chuyên chở, dễ tồn trữ và bơm vào bình nhiênliệu của xe

Tùy theo tính chất cơ bản mà ta có thể chia nhiên liệu sinh học thành ba loạichính :

 Khí sinh học (Biogas);

 Xăng sinh học (Gasohol);

 Diesel sinh học (BioDiesel)

1.3.1 Khí sinh học (biogas)

1.3.1.1 Khái niệm

Sản phẩm khí từ quá trình phân hủy sinh khối, phân gia súc và phân người,bùn cống… nhờ vi khuẩn lên men yếm khí (trong điều kiện không có oxy khôngkhí) được gọi là biogas Biogas chứa nhiều methane

Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khácphát sinh từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Thành phầnchính của biogas là CH4 (50-60%) và CO2 (>30%) còn lại là các chất khác như hơinước N2, O2, H2S, CO… được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờnhiệt độ từ 20-40ºC, nhiệt trị thấp của CH4 là 37,71.103 KJ/m3, do đó có thể sử dụngbiogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong Và để tiện lợi cho việc sử dụng biogaslàm nhiên liệu ta nên xử lý biogas trước khi cho vào động cơ

1.3.1.2 Thành phần và tính chất hóa lý của khí sinh học

 Thành phần khí sinh học:

- Methanel (CH4): là chất khí không màu, không mùi, nhẹ gần bằng nửa khôngkhí và hòa tan trong nước rất ít Ở áp suất khí quyển methanel hóa lỏng ởnhiệt độ -161,50C

- Methanel là thành phần cháy chủ yếu của khí sinh học Hàm lượng methaneltrong khí sinh học phụ thuộc vào loại nguyên liệu phân hủy và diễn biến củacác quá trình sinh học

- Methanel cháy thành ngọn lửa màu lơ nhạt, tỏa nhiều nhiệt:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 882k

Bảng 1-1 Thành phần chủ yếu của khí sinh học

- Hydro sulfua (H2S): có mùi “trứng thối” khiến cho khí sinh học cũng trở nên

có mùi khó chịu, giúp ta dễ dàng nhận thấy sự có mặt của nó H2S là nguyênnhân chủ yếu làm cho các bộ phận bằng kim loại của hệ thống bị ăn mòn

 Tính chất

Vì thành phần chính trong khí sinh học là khí methanel nên tính chất của khísinh học cũng thay đổi theo hàm lượng methanel, những thông số sau chỉ mang tínhgần đúng Khí sinh học cháy cho ngọn lửa lơ nhạt và không có khói Nhiệt trị củakhí sinh học phụ thuộc vào hàm lượng methanel và có thể tính theo công thức: Q =

8570 x CH4/100 (kCal/m3) Trong đó CH4 là hàm lượng methanel tính theo phầntrăm (%) Với thành phần thông thường là 50 – 70% methanel, khí sinh học có nhiệttrị nằm trong giới hạn 4300 – 6000 kCal/m3 Thông thường người ta lấy hàm lượngmethanel là 60%, khi đó khí sinh học có nhiệt trị là 5142 Kcal/m3 Tỷ trọng so vớikhông khí: 0,94 ( tương ứng với hàm lượng methanel 60%) Giới hạn nổ: từ 6 –25% khi trộn lẫn với không khí Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toànnằm trong giới hạn 5 -7 lần thể tích khí sinh học

Nhiệt độ nguy hiểm 116,0 0F (=64,440C) 88,0 0F(=48,890C)

Nhiệt dung Cp (1atm) 6.962.10-4 J/ kg0C 2,643.10-4 J/ kg0C

1.3.1.3 Nguyên liệu để sản xuất khí sinh học (biogas)

Nhìn chung các chất có nguồn gốc hữu cơ đều là nguyên liệu nạp cho thiết bịkhí sinh học Các nguyên liệu này được chia làm hai loại : Nguyên liệu có nguồngốc từ động vật và nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật

 Nguồn gốc thực vật

Các nguyên liệu thực vật là những lá cây, thân cây, phụ phẩm cây trồng(rơm, rạ, thân lá ngô, khoai, đậu.…), rác sinh hoạt hữu cơ và các loại cây xanhhoang dại (rong, bèo, các cây phân xanh ) Gỗ và thân cây già rất khó phân huỷnên không dùng làm nguyên liệu được Nguyên liệu thực vật thường có lớp vỏ cứngrất khó bị phân huỷ Để quá trình phân huỷ yếm khí diễn ra được thuận lợi, người ta

thường phải chặt nhỏ và xử lý sơ bộ (đập dập, ủ hiếu khí) các loại nguyên liệu nàytrước khi đưa vào thiết bị để phân huỷ Mục đích của công việc này là phá vỡ lớp vỏcứng của nguyên liệu và tăng bề mặt cho vi khuẩn tấn công Thời gian phân huỷ củanguyên liệu thực vật thường dài hơn so với các loại phân (có thể kéo dài hàng năm).

Do vậy nguyên liệu thực vật nên được sử dụng theo cách nạp từng mẻ, mỗi mẻ kéodài từ 3-6 tháng Các loại chất thải của các cơ sở chế biến thực phẩm…cũng chứahàm lượng chất hữu cơ cao là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường khi để chúngphân huỷ trong tự nhiên Vì vậy ta nên xử lý chúng trước khi thải vào hệ thống thoátnước chung Các hợp chất hữu cơ có trong các loại chất thải cũng được xem là mộtnguồn nguyên liệu để sản xuất khí sinh học Tuy nhiên trong một số trường hợpcần phải xử lý sơ bộ để loại các độc tố ảnh hưởng đến sự phát triển và tăng trưởngcủa vi sinh vật kỵ khí trong môi trường xử lý

 Nguồn gốc động vật

Thuộc loại này là các loại phân như phân gia súc, gia cầm, phân bắc , các

bộ phận cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ

sở chế biến thuỷ, hải sản… Các loại phân đã được xử lý trong bộ máy tiêu hoá củađộng vật thì dễ phân huỷ hơn và nhanh chóng tạo khí sinh học Tuy nhiên thời gianphân huỷ của các loại phân không dài (khoảng từ 2-3 tháng) và tổng sản lượng khíthu được từ 1 kg phân cũng không lớn Phân gia súc như trâu, bò, lợn phân huỷnhanh hơn phân gia cầm và phân bắc, nhưng sản lượng khí của phân gia cầm vàphân bắc lại cao hơn Sản lượng phân trên một đàn gia súc phụ thuộc vào trọnglượng cơ thể và chế độ nuôi dưỡng Nhìn chung hàm lượng chất khô của các loạiphân tươi vào khoảng 20%, còn lại là nước Các loại phân thường giàu nitơ, hiệusuất sinh khí của các loại phân tính cho chất khô nằm trong khoảng từ 0,2-0,3

m3/kg/ngày và hàm lượng methanel của khí sinh học sản xuất từ phân chiếm khoảng50-70%

Bảng 1-3 Đặc tính và sản lượng khí có thể thu được của một số nguyên liệu

Loại

nguyên liệu

Lượng thải

ra hàngngày(kg/con)

Hàm lượngchất khô (%)

tỷ lệ C/

N

Sản lượng khí hàng ngày(l/kg nguyên liệu tươi)

1.3.1.4 Phương pháp sản xuất biogas

Để sản xuất khí biogas, người ta xây dựng hoặc chế tạo các thiết bị khí sinhhọc Trong thực tế, hầu hết các thiết bị khí sinh học được áp dụng ở các nước đangphát triển là những thiết bị đơn giản, hoạt động theo chế độ nạp nguyên liệu bổ sungthường xuyên hàng ngày Các thiết bị này có 5 bộ phận chính như sau:

 Bộ phận phân hủy: Là nơi chứa nguyên liệu và đảm bảo những điềukiện thuận lợi cho quá trình phân hủy yếm khí xảy ra Đây là bộ phậnchủ yếu của thiết bị Thể tích phân hủy của thiết bị là thể tích của bộphận này

 Bộ phận chứa khí: Khí sinh ra từ bộ phận phân hủy được thu và chứa

ở đây Yêu cầu cơ bản của bộ phận này là phải kín Thể tích chứa khícủa thiết bị là thể tích của bộ phận này

 Lối vào: Là nơi để nạp nguyên liệu bổ sung vào bể phân hủy

 Lối ra: Nguyên liệu sau khi đã phân hủy được lấy ra qua đây đểnhường chỗ cho nguyên liệu mới bổ sung vào

 Lối lấy khí: Khí được đưa từ bộ tích khí tới nơi sử dụng qua lối lấykhí này

1.3.1.5 Lợi ích khi sử dụng khí sinh học (biogas)

bể KSH đã cải thiện vệ sinh trang trại và hộ gia đình, giảm thiểu ô nhiễm nguồnnước từ trang trại chăn nuôi và cung cấp phân bón hữu cơ cải thiện đất trồng trọt.

 Về mặt xã hội

Sử dụng khí biogas làm nhiên liệu sẽ giảm thời gian vận chuyển nhiên liệucũng như giảm nhẹ lao động cho phụ nữ và trẻ em Bên cạnh đó, công nghệ làm bểsinh khí biogas đã ngăn chặn các bệnh truyền nhiễm gây ra từ chất thải, nhất làtrong quá trình chăn nuôi gia súc

1.3.2 Xăng sinh học (Gasohol)

1.3.2.1 Khái niệm

Xăng sinh học (Gasohol): Bao gồm Biomethanol, Bioethanol, Biobutanol…Trong số các dạng xăng sinh học này, Bio-ethanol là loại nhiên liệu sinh học thôngdụng nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp từnguyên liệu chứa đường như mía, củ cải đường và nguyên liệu chứa tinh bột như:ngũ cốc, khoai tây, sắn

1.3.2.2 Tính chất hóa lý của nhiên liệu xăng sinh học

 Nhiệt trị

Cồn có nhiệt trị cháy thấp nên khi pha vào xăng truyền thống cũng sẽ làmgiảm nhiệt trị của xăng sinh học Lượng nhiên liệu tiêu thụ từ đó mà cũng tiêu tốnnhiều hơn so với xăng truyền thống

Bảng 1-4 Mối quan hệ giửa nồng độ ethanol trong xăng và lượng tiêu thụ nhiên liệu

Phần trăm Ethanol

(%vol)

Nhiệt trị(BTU/gallon)

Tiêu thụ nhiên liệu(mpg)

 Độ bay hơi

Khi cho một lượng nhỏ ethanol vào xăng thì áp suất hơi của hổn hợp

sẽ tăng hơn so với áp suất hơi của ethanol hay xăng khi chưa đưa vào Mối quan hệnày được minh họa bằng đồ thị sau (Hình 1.6)

Hìn

h 1-1 Ảnh hưởng của nồng độ ethanol khi phối trộn vào xăng

Dựa vào đồ thị ta có bảng số liệu sau :

Bảng 1-5 Mô tả sự ảnh hưởng của E10 và E20 đối với RVP

Phần trăm thể tích ethanol thêm vào RVP (kPa)

Mức độ làm tăng RON của ethanol phụ thuôc vào RON ban đầu của hỗnhợp Nếu giá trị RON ban đầu thấp thì khả năng làm tăng RON cao và ngược lại

1.3.2.3 Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học

Tất cả thực vật lục hoá đều có thể biến chế thành xăng sinh học

 Cây nông phẩm chứa đường:

Gồm mía, củ cải đường, sorgho-đường; nông phẩm chứa tinh bột gồm hạtngũ cốc như lúa mì, lúa, bắp, sorgho, v.v.; và củ như khoai tây, khoai mì, khoailang

Mía có hiệu quả kinh tế nhất vì cho năng suất cao (khoảng 170-200 tấn/ha ởBrazil, 80-100 tấn/ha ở Úc, Việt Nam khoảng 35-50 tấn/ha), biến chế ethanol thẳng

từ nước ép, bã mía dùng làm năng lượng chạy máy ép và chưng cất ethanol Mía sảnxuất trung bình 15,500 lít ethanol/ha/năm, và cứ 1 tấn chất khô mía sản xuất được

438 lít ethanol Brazil sản xuất ethanol chính từ mía Sorgho-đường hiện được ưachuộng hơn mía ở một số vùng nhiệt đới khô hạn, có hiệu quả kinh tế hơn mía.Sorgho-đường canh tác ở Hoa Kỳ cho 28,500 lít ethanol/ha/vụ(4 tháng).

 Nông phẩm chứa dầu :

Như đậu nành (sản xuất 379 kg dầu/ha/năm, hay 450 lít dầu/ha/năm), đậuphộng (sản xuất 887 kg dầu/ha/năm), hột-cải-dầu (hột chứa 55% dầu; sản xuất 999

kg dầu/ ha/năm, hay 1,188 lít/ha/năm), hạt bắp (140 lít dầu/ha/năm), v.v…

Cây kỹ nghệ cho dầu như dừa dầu (palm oil, sản xuất 7,061 kg dầu/ha/năm),dừa (coconut, sản xuất 2,260 kg dầu/ha/năm), cây dầu lai (Jatropha curcas, sản xuất1,588 kg dầu/ha/năm), thầu dầu (castor bean, sản xuất 1,188 kg dầu/ha/năm),hướng dương (sunflower, sản xuất 801 kg dầu/ha/năm, hay 954 l/ha/năm), safflower(556 l/ha/năm), v.v…

 Thực vật hoang dại:

Tảo (algae) nước ngọt, tảo biển, lục bình (Eichornia crassipes), cỏ Vetiver,

cỏ voi (elephant grass, Pennisetum purpureum, sản xuất 13,700 lít ethanol/ha/năm), lác (Cyperus), cỏ tranh (Imperata cylindrica), v.v…

 Phó thực vật từ sản xuất cây nông phẩm và cây kỹ nghệ:

Rơm rạ, bã mía, thân, gỗ, mùn cưa, trấu, hột cao su (sản xuất 217 kg dầu/ha/năm), hạt bông vải (sản xuất 273 kg dầu/ha/năm

 Ngoài ra, còn có một số loại nguyên liệu khác như:

- Giấy phế thải: 1 tấn giấy cũ sản xuất khoảng 416 lít ethanol

- Rác thành phố: 1 tấn rác sản xuất khoảng 227 lít ethanol

- Uế thải chuồng trại gia súc: phân chuồng (tạo học rồi chế methanol)

methane-sinh-1.3.2.4 Phương pháp sản xuất xăng sinh học

Để sản xuất xăng sinh học người ta đem phối trộn xăng truyền thống với cồnbiến tính ( nồng độ dưới 25% vì trong khoảng đó chúng ta không cần thay đổi cấutrúc động cơ) Để sản xuất cồn tuyệt đối người ta tiến hành các bước như sau:

 Xử lí nguyên liệu và tiền xử lý

 Đường hoá và lên men

 Tinh chế sản phẩm (chưng cất, tách nước, bốc hơi, tách lỏng rắn)

 Xử lý nguyên liệu và tiền xử lý

loại Sau đó nguyên liệu tiếp tục cho qua máy nghiền để nghiền nhỏ nguyên liệutrước khi đưa đi tiền thủy phân.

Nước bẩn sau khi rửa được bơm qua hệ thống lắng Nước sạch được hồi lưulại quá trình Nước bẩn ở đáy bể lắng bơm qua thiết bị phân tách lỏng rắn hoạt độngnhờ áp lực của dòng khí nén Phần rắn được đưa đi đốt để sản xuất hơi nước hayđiện năng, nước bẩn cho quay lại bể lắng

Hình 1-2 Sơ đồ xử lý nguyên liệu

 Tiền xử lý Nguyên liệu sau khi đã băm nghiền kĩ được đưa vào thiết bị phản ứng tiềnthuỷ phân Để cho phản ứng diễn ra nhanh chóng, người ta bổ xung dung dịchH2SO4 loãng (1,1%) và duy trì ở nhiệt độ 190 0C bằng dòng hơi nước áp suất cao

Bảng 1-6 Điều kiện trong thiết bị phản ứng tiền thuỷ phân

Phản ứng tiền thủy phân diễn ra trong thiết bị, tại đây hầu hết hemicellulose

đã chuyển thành đường hoà tan (chủ yếu là: xylose, manose, arabinose, galactose).Glucan trong hemicellulose và một phần nhỏ cellulose được chuyển thành glucose.Trong quá trình này, một phần nhỏ lignin cũng được hoà tan Ngoài ra, acide acetic

Bể chứa acide

TBPƯ tiền thủy phân

TB giảm áp đột ngột

TB phân tách lỏng rắn

Thùng chứa TB tách CaSO4 TB trung hòa

Đi xử lí nước thải

TB phân phối vôi

Nước hồi lưu

Đi đường hóa

cũng được giải phóng từ sự thuỷ phân hemicellulose Pentose và hexose cũng đượchình thành

Sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng tiền thuỷ phân được giảm áp độtngột từ 12,1 atm đến 1 atm Vì áp suất giảm nhanh nên sẽ bốc hơi một lượng lớnnước, acide acetic, furfural và HMF (Hydroxymethyl Furfural) với khoảng 7.8%acide acetic và 61%HMF và furfural Việc tách furfural và HMF ra khỏi hỗn hợpsản phẩm là có lợi vì đây là những chất độc hại ngăn cản sự phát triển của các visinh vật trong quá trình lên men Nhiệt của hỗn hợp khí trên được tận dụng để đunnóng hỗn hợp giấm chín từ 410C lên 950C để đi chưng cất trước khi được ngưng tụrồi đưa đi xử lí nước thải

Sau khi lưu trong thiết bị giảm áp đột ngột 15 phút, hỗn hợp lỏng rắn (chứa21% rắn) đưa qua thiết bị phân tách lỏng rắn hoạt động nhờ áp lực của dòng khí nénvới áp suất bằng 125 psig Phần lỏng sẽ tiếp tục cho qua bộ phận trung hoà bằngdung dịch Ca(OH)2 để tách CaSO4 Phần lỏng sau khi tách CaSO4 cùng với phần rắncòn lại cho vào thùng chứa Tại đây chúng sẽ được hoà trộn và bổ sung thêm mộtlượng nước nhất định làm nguyên liệu cho quá trình đường hoá

Hình 1-3 Quá trình tiền xử lý

 Đường hóa và lên men

Sau khi tiền thủy phân, nguyên liệu được khử trùng để loại bỏ tạp khuẩn rồipha loãng đến nồng độ 20% tổng lượng rắn bao gồm cả dòng cellulase được hòatrộn vào trước khi đưa vào thùng đường hóa Lượng enzyme cho vào được xác địnhbằng hàm lượng cellulose có trong nguyên liệu và mục tiêu của độ chuyển hóa cầnđạt được cùng với thời gian lưu trong thiết bị đường hóa và men

Nguyên liệu trước khi đi đường hóa được đun nóng đến 650C bằng dòng hơinước áp suất thấp Đây là nhiệt độ tốt nhất cho quá trình đường hóa Quá trìnhđường hóa diễn ra trong nhiều thùng (thường là 5 thùng) có cánh khuấy với thờigian lưu tổng cộng là 36h Nhiệt độ của thùng đường hóa được giữ ổn định bằngcách sử dụng bơm ly tâm 3 và thiết bị trao đổi nhiệt 4 (lưu chất làm lạnh là nước) đểhồi lưu một phần dịch đường đã làm lạnh về thùng đường hóa Hiện nay người tađang tập trung nghiên cứu để tăng khả năng chịu nhiệt của enzyme để tăng tốc độcho quá trình

Sau khi đường hóa, cặn đường chứa khoảng 12,6% đường bao gồm 7%glucose và 4% xylose với chất khác Quá trình đường hóa diễn ra cho đến khi tậptrung đủ điều kiện cho quá trình lên men Lúc này dịch đường chứa khoảng 1%CH3COOH và ít hơn 0,5% furfural và HMF Đây là những chất ức chế hoạt độngcủa enzyme, làm giảm độ chuyển hóa của quá trình đường hóa

Để cho quá trình lên men diễn ra tốt ta phải chọn men phù hợp Ở đây, người

ta chọn men có tên là zymomonas mobils Trong quá trình lên men, zymomonasmobils được dùng như một xúc tác sinh học, làm tăng khả năng lên men của glucose

và xylose thành ethanol Zymomonas mobils được phát triển trong bình sản xuấtmen giống Ở đó, cặn đường, chất dinh dưỡng cùng với men giống được cho vào

bình nhỏ và quá trình này cứ tiếp tục diễn ra cho đến khi đạt được số lượng mengiống cần thiết cho quá trình lên men Cuối cùng men giống, dinh dưỡng và cặnđường được cho liên tục vào thùng lên men Hỗn hợp sau khi lên men gọi là giấmchín được tập trung trong bể chứa trước khi đưa đi chưng cất

Quá trình sản xuất men giống được sản xuất trong hệ thống các thùng nốitiếp nhau có thể tích tăng dần (thùng sau có thể tích gấp 10 lần thùng trước).Thường thì quá trình này được tiến hành trong 5 thùng có cánh khuấy và bộ phậnlàm nguội đáy thùng để duy trì nhiệt độ lên men tốt nhất ở 410C (vì quá trình lênmen là tỏa nhiệt) Thời gian diễn ra quá trình lên men trong mỗi thùng là 24h Thờigian chuyển từ thùng nọ sang thùng kia và làm vệ sinh, thanh trùng là 12h Vậytổng thời gian của một chu kì sản xuất là (12+24)*5 = 180h Quá trình nhân giốngkết thúc khi đạt đủ lượng vi sinh vật cho quá trình lên men (chiếm 10% tổng dịchđường đi lên men)

Quá trình lên men được thực hiện trong 1 thùng lớn với thời gian dự đoán đểlên men đường thành ethanol khoảng 36h Trong thùng lên men, quá trình đườnghóa vẫn tiếp tục diễn ra với tốc độ chậm hơn do nhiệt độ thấp nhưng cũng được tăngcường do lượng glucose giảm dần (theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng) Tuynhiên lượng đường tạo thành không nhiều do hầu hết các chất có khả năng chuyểnhóa thành đường phần lớn bị đường hóa trong quá trình đường hóa

Men giống từ thùng sản xuất men giống (khoảng 10% tổng dịch đường)được cho vào thùng lên men Trong quá trình này người ta cũng bổ sung 0,33gDAP/lít giấm chín để cung cấp dinh dưỡng cho nấm men hoạt động

Trong quá trình lên men, ngoài việc lên men đường thành ethanol còn có sựchuyển hóa đường thành các sản phẩm khác do những vi khuẩn lạ Có khoảng 3%tổng lượng đường chuyển hóa thành những sản phẩm không mong muốn Để giảm

sự nhiễm khuẩn này cần phải thanh trùng và vệ sinh thiết bị thật kỹ trước khi tiếnhành lên men Do phản ứng lên men luôn kèm theo tỏa nhiệt nên để khống chế nhiệt

độ người ta dùng bơm 7 bơm tuần hoàn 1 phần giấm chín được làm lạnh bởi thiết bịtrao đổi nhiệt 8 cho hồi lưu lại thùng lên men Vào cuối quá trình lên men, hỗn hợpgiấm chín được tập trung ở thùng lưu trữ giấm chín 9 (chứa khoảng 5,7% ethanol)trước khi đưa đi chưng cất Một phần nhỏ ethanol cùng với khí CO2 thoát ra ngoàiđược đưa đến thiết bị thu hồi ethanol

 Tinh chế sản phẩm

Giấm chín thu được sau quá trình lên men có nồng độ ethanol rất thấp(khoảng 5,7% ethanol) Vì vậy ta cần tinh chế sản phẩm để nâng nồng độ ethanollên 99,5% Quá trình này gồm 4 giai đoạn sau:

- Chưng cất:

Chưng cất giấm chín để nâng cao nồng độ ethanol lên 95,57% (nồng độ tại

đó tạo hỗn hợp đẳng phí ethanol-nước)

Quá trình chưng cất được tiến hành trong 2 tháp: tháp tách sơ bộ và tháp táchtinh Ban đầu, giấm chín được đun nóng sơ bộ bởi hơi thoát ra từ thiết bị giảm ápđột ngột Sau đó chúng được đun nóng thêm đến 1000C nhờ nhiệt của dòng sảnphẩm đáy của tháp tách thô rồi cho vào đỉnh tháp chưng cất sơ bộ Tại đây quá trìnhphân tách xảy ra Khí CO2 có lẫn ít ethanol thoát ra ở đỉnh tháp Sản phẩm trunggian là ethanol có lẫn nước được lấy ra ở dòng trích ngang thân tháp Ở đáy tháp tậptrung các cấu tử khó bay hơi gọi là bã rượu

Dòng sản phẩm trích ngang đựơc đưa sang tháp tách tinh để nâng cao nồng

độ ethanol đến 95,57% (nồng độ tại đó tạo hỗn hợp đẳng phí ethanol-nước) Hỗnhợp đẳng phí này tiếp tục được đưa đến công đoạn làm khan cồn để nâng nồng độethanol lên 99,5%

- Tách nước:

Nâng nồng độ ethanol từ 95,57% lên 99,5% Do cồn công nghiệp có hàmlượng nước tương đối lớn nên khi pha vào xăng sẽ tạo hiện tượng tách lớp làm chonhiên liệu không đồng nhất, giảm chất lượng của quá trình cháy và gây ăn mònđộng cơ Vì vậy công đoạn làm khan cồn, nâng độ cồn lên 99,5% hoặc lớn hơnđược xem là công đoạn then chốt quyết định đến sự thành công của quá trình sửdụng ethanol làm nhiên liệu Trên thế giới hiện nay người ta thường sử dụng 3 côngnghệ chính để làm khan cồn:

 Phương pháp chưng cất đẳng phí: Đây là phương pháp được sử dụngphổ biến trong công nghiệp Nguyên tắc của phương pháp này là ta đưa vàocồn công nghiệp một chất mới làm thay đổi độ bay hơi tương đối của các cấu

tử trong hỗn hợp, tạo hỗn hợp đẳng phí mới gồm ba cấu tử: cấu tử mới, nước,ethanol có nhiệt độ sôi thấp hơn hỗn hợp đẳng phí ban đầu Nhờ vậy có thểtách nước khỏi ethanol

 Phương pháp sử dụng màng lọc zeolite: Về nguyên tắc hỗn hợpethanol-nước được đưa vào phía trong lõi ống các phân tử nước có kích thướcnhỏ lớp mao quản của màng zeolite sẽ bốc hơi qua lớp màng và đi ra phíangoài, phân tử ethanol có kích thước lớn hơn sẽ được giữ lại và tiếp tục đi raphía sau

 Phương pháp sử dụng rây phân tử (molecular sieve technology):Nguyên lý của phương pháp này là quá trình phân tách dựa trên áp suất chênhlệch hấp phụ (Pressure Swing Adsorption –PSA) hoạt động theo chế độ xen

kẽ, bao gồm hai quá trình cơ bản:

- Tách nước ở điều kiện có áp suất (Dehyration under pressure).Tái sinh ở áp suất chân không ( Regeneration under vacuum)

- Bốc hơi: Thu hồi ethanol còn chứa trong bã rượu

Khí CO2 có lẫn ethanol thoát ra ở đỉnh của quá trình sản xuất men giống, lênmen, tháp tách sơ bộ được thu hồi trong tháp thu hồi ethanol sử dụng nước chuyểnđộng ngược chiều để hấp thụ ethanol, CO2 thoát ra khí quyển

 Phân tách lỏng rắn:

Tách triệt để phần cặn đi ra từ tháp bốc hơi làm nhiên liệu cho lò hơi Sảnphẩm đáy của tháp tách sơ bộ được dẫn vào thiết bị bốc hơi để thu hồi ethanol cònsót lại Hơi thoát ra từ tháp bốc hơi sau khi ngưng tụ cho hồi lưu lại tháp tách tinh.Cặn được đưa sang thiết bị phân tách lỏng rắn nhờ áp lực của dòng khí nén Rắn thuđược làm nhiên liệu đốt cho lò hơi, lỏng đưa đi xử lý nước thải

1.3.2.5 Ưu và nhược điểm khi sử dụng xăng sinh học

 Ưu điểm:

Sử dụng ethanol làm nhiên liệu không chỉ là một biện pháp tình thế nhằmlàm tăng chỉ số octane của xăng, thay thế cho những phụ gia gây ô nhiễm môitrường sinh thái, mà còn đảm bảo an toàn năng lượng cho mỗi quốc gia vì đây lànguồn năng lượng có khả năng tái tạo được (Energy renewable)

 Về mặt môi trường

Việc dùng ethanol làm nhiên liệu, có tác dụng ngăn chặn hiên tượng hiệuứng nhà kính Theo các tính toán cho thấy: nếu thay thế việc đốt một lít xăng bằngmột lít ethanol thì sẽ giảm 40% lượng phát sinh khí CO2 vào khí quyển giúp môitrường được xanh, sạch hơn Khi đốt ethanol sự cháy xảy ra hoàn toàn hơn so vớikhi đốt xăng Ta thường thấy trong các động cơ xăng thường xuất hiện các bụi bẩnchính là do các hydrocacbon cháy không hết Điều đó phải tốn thời gian lau chùi,sửa chữa động cơ Khi pha ethanol vào xăng làm cho xăng cháy hoàn toàn hơn,giảm phát thải các khí gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa, ethanol được điều chế từsản phẩm nông nghiệp sẽ làm tăng diện tích đất trồng cây Điều này có nghĩa làmtăng diện tích lá phổi của trái đất lên

Đốt xăng sinh học thải 18-30% khí nhà kính ít hơn so với xăng truyền thống.Ngoài ra, lượng khí CO2 thải ra được cây hấp thụ lại để tái tạo xăng sinh học, nhưvậy coi như không có làm gia tăng khí CO2 trong khí quyển Tường trình của ViệnNghiên Cứu EMPA Thuỵ Sĩ cho biết trong số 26 loại xăng sinh học chế biến từ cácnguồn nguyên liệu thực vật khác nhau có 21 loại xăng thải 30% khí nhà kính ít hơnxăng cổ sinh Đại học Minnesota cho biết ethanol sinh học sản xuất từ bắp thảiCO2 ít hơn 12% so với xăng Ô nhiễm môi trường sẽ ít hơn, và sức khoẻ con ngườinhờ vậy tốt hơn

 Về mặt kinh tế

Sản xuất ethanol làm nhiên liệu góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp pháttriển vì ethanol được sản xuất theo dây chuyền công nghệ sinh học, nguyên liệu sảnxuất ethanol là tinh bột của các loại củ hạt như: sắn, khoai, ngô, lúa, gạo, trái câyĐây là nguồn nguyên liệu dồi dào trong tự nhiên, tạo ra nhiều công ăn việc làm chonhiều lao động ở nông thôn, và đặc biệt khuyến khích được tinh thần lao động sảnxuất của người dân

Ngoài ra việc sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung cũng như gasohol nóiriêng giúp cho các quốc gia chủ động trong chính sách năng lượng của mình Nướcnào càng có nhiều xăng sinh học thì càng ít phụ thuộc vào nước khác và từ đó có thểphát triển nền kinh tế của mình một cách bền vững

 Nhược điểm

- Hạn chế cơ bản của ethanol nhiên liệu là tính hút nước của nó.Ethanol có khả năng hút ẩm và hoà tan vô hạn trong nước Do đógasohol phải được tồn trữ và bảo quản trong hệ thống bồn chứa đặcbiệt

- Về vấn đề ô nhiễm: tuy giảm các hàm lượng các chất gây ô nhiễmnhư Hydrocacbon, CO nhưng lại tạo ra một số hợp phần khác như cácandehyt, NOx cũng là những chất gây ô nhiễm môi trường

- Do nhiệt trị của ethanol nói riêng (PCIethanol = 26,8 MJ/kg) và cácloại alcohol khác nói chung đều thấp hơn so với xăng (PCIxăng = 42,5MJ/kg) nên khi dùng ethanol để pha trộn vào xăng sẽ làm giảm côngsuất động cơ so với khi dùng xăng Tuy nhiên sự giảm công suất này làkhông đáng kể nếu ta pha với số lượng ít

Tóm lại, việc sử dụng gasohol có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những mặthạn chế Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặt lợi và hại người ta vẫnthấy mặt lợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lược hơn

1.3.3 Diesel sinh học (BioDiesel)

1.3.3.1 Khái niệm

Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệudầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà được sản xuất từ dầu thựcvật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển hóa este (transesterification) Các chấtdầu [còn gọi là fatty acid methyl (hay ethyl) ester (FAME)] trộn với sodiumhydroxide và methanol (hay ethanol) tạo ra dầu diesel sinh học và glycerine bằngphản ứng chuyển hóa ester Biodiesel (methyleste của một số loại dầu, mỡ độngthực vật) Dầu diesel có nguồn gốc hữu cơ được gọi là biodiesel phân biệt với diezel

nguồn gốc dầu mỏ được gọi là petrodiesel Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vậthay mỡ động vật Dầu thực vật ép từ các loại quả hạch và hạt chứa dầu từ lâu đãđược sử dụng làm nhiên liệu Việc sản xuất dầu thực vật làm nhiên liệu chạy xe cộcũng giống như sản xuất dầu ăn Hiện nay ở châu Âu, dầu thực vật làm nguyên liệusản xuất biodiesel chủ yếu có nguồn gốc từ hạt cây cải dầu và biodiesel ở đây đượcmang tên este methylic (hay methyleste) (còn được gọi là RME - rapeseedmethyleste).

1.3.3.2 Tính chất hóa lý của Diesel sinh học

 Chỉ số Cetan:

Chỉ số cetan là đơn vị đo quy ước, dùng để đánh giá khả năng tự bắt cháycủa các loại nhiên liệu diesel, có giá trị đúng bằng giá trị của hỗn hợp chuẩn cócùng khả năng tự bắt cháy Hỗn hợp chuẩn này gồm 2 hydrocacbon:

- nCetan C16H34 là chất khí có khả năng tự bắt cháy cao nhất với chỉ

Biodiesel cần có chỉ số cetan cao để đảm bảo quá trình cháy, nếu cao quá

sẽ gây lãng phí nhiên liệu vì một số thành phần ở nhiệt độ cao trong xilanh sẽphân hủy thành cacbon tự do (còn gọi là muội than) trước khi cháy, tuy nhiên nếuchỉ số cetan quá thấp sẽ dễ gây ra hiện tượng kích nổ (do có nhiều thành phần khí

bị oxy hóa đòi hỏi phải phun rất nhiều nhiên liệu vào xylanh mới xảy ra quá trình

tự cháy, dẫn đến lượng nhiên liệu bị đốt cháy nhiều hơn yêu cầu, nhiệt lượng sinh

ra rất lớn gây tăng mạnh áp suất, làm xylanh dễ bị mài mòn và động cơ runggiật).Vì thế, chỉ số cetan là một trong những tiêu chuẩn đã được quy định theotừng quốc gia cho các loại nhiên liệu trong đó có Biodiesel Thông thường, vớiđộng cơ Diesel chậm (dưới 500 rpm), chỉ số cetan khoảng 45 đến 50, còn đối vớiđộng cơ chạy nhanh (đến 1000 rpm) chỉ cần trên 50

 Điểm vẫn đục

Điểm vẫn đục có ý nghĩa rất quan trọng đối với dầu diesel, đặc biệt khi nóđược sử dụng ở các nước có nhiệt độ hạ thấp khi mùa đông đến Khi nhiệt độthấp, độ nhớt sẽ tăng lên, ảnh hưởng đến việc phun nhiên liệu Nếu nhiệt độ hạthấp hơn nhiệt độ tạo điểm đục thì những tinh thể kết tinh sẽ kết hợp lại với nhau

tạo thành những mạng tinh thể gây tắc nghẽn đường ống dẫn cũng như thiết bịlọc làm động cơ không hoạt động được.

 Điểm chảy

Điểm chảy là nhiệt độ mà toàn bộ thể tích của hỗn hợp chuyển pha từ thểrắn sang thể lỏng Điểm đục và điểm chảy là thông số được xác định nhằm dựđoán khả năng sử dụng của Biodiesel ở nhiệt độ thấp

 Điểm chớp cháy

Điểm chớp cháy là nhiệt độ mà ở đó hỗn hợp bắt đầu bắt lửa và cháy Chỉ

số này dùng để phân loại nhiên liệu theo khả năng cháy nổ của chúng Điểmchớp cháy của methyl este tinh khiết là hơn 2000C, và methyl este được xếp loạivào những chất khí cháy Tuy nhiên, trong quá trình điều chế và tinh chế,methanol dư còn lẫn trong sản phẩm và làm hạ thấp điểm chớp cháy Điều nàygây nguy hiểm khi điểm chớp cháy hạ xuống thấp Đồng thời methanol là chất ănmòn thiết bị kim loại Do vậy, điểm chớp cháy vừa được sử dụng như một tiêuchuẩn quản lý chất lượng Biodiesel vừa để kiểm tra lượng methanol dư thừa

 Độ nhớt

Độ nhớt thể hiện khả năng kháng lại tính chảy của chất lỏng Thông sốnày phụ thuộc vào sự ma sát của một phần chất lỏng khi trượt lên phần chất lỏngkhác Độ nhớt của nhiên liệu càng cao càng không có lợi khi sử dụng vì nó làmgiảm khả năng phân tán khi được phun vào thiết bị để đốt cũng như làm tăng khảnăng lắng cặn trong thiết bị Chính vì vậy người ta mới buộc phải chuyển các loạidầu mỡ động thực vật thành Biodiesel rồi mới đem đi sử dụng vì Biodiesel có độnhớt thấp hơn nhiều

Ngoài ra còn có các chỉ số khác Tất cả các chỉ số hóa lý này được nghiêncứu và xây dựng thành tiêu chuẩn cụ thể cho Biodiesel

1.3.3.3 Nguyên liệu để sản xuất Diesel sinh học (biodiesel)

Nhìn chung, nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học có thể được phân loạithành ba loại: dầu thực vật (gồm dầu ăn được hoặc không ăn được), mỡ động vật, vàdầu ăn phế thải đã qua sử dụng Các nghiên cứu của Johnston và Holloway cho thấysản lượng và giá cả trên 226 quốc gia và các vùng lãnh thổ trên thế giới hiện nayước tính khoảng 51 tỷ lít chủ yếu từ 119 quốc gia

Bảng 1-7 Bảng biểu diễn lượng biodisel của 10 nước sản xuất nhiều nhất thế giới

Quốc gia Khối lượng thu được Giá thành sản phẩm (USD/lít)Malaysia

Indonesia

14,5407595

0.530.49

0.620.70.620.750.790.530.781.71Bảng trên cho thấy mười nước sản xuất biodiesel nhiều nhất trên thế giới.Các nước này chiếm tới 80% tổng sản lượng Trong số các nước này bình quânnguyên liệu chủ yếu là từ 28% từ dầu đậu tương, 22% từ dầu cọ, 20% từ mỡ độngvật, 11% từ dầu dừa, và 5% từ hạt cải dầu, hướng dương và dầu ô liu

 Dầu thực vật

 Dầu ăn được:

Biodiesel trên thế giới chủ yếu được sản xuất từ dầu thực vật ăn được, chiếmhơn 95% biodiesel Lượng dầu thực vật sử dụng tăng nhanh từ năm 2004 đến 2007

và tăng đến 6.6 triệu tấn Từ 2005 đến 2017 dự kiến rằng lượng dầu thực vật ănđược sử dụng để sản xuất biodiesel chiếm hơn 1/3 tổng lượng dầu thực vật trêntoàn thế giới Ước tính sơ bộ cho thấy phải cần đến 7.800 ha đất để cung cấpnguyên liệu cho việc sản xuất Biodiesel tại 4 quốc gia lớn (bảng 1.9) Hiện nay,Biodiesel sản xuất chủ yếu từ dầu hướng dương, đậu tương, hạt cải dầu, dầu cọ dẫnđến việc lương thực bị giảm Hạt cải dầu và dầu hướng dương là hai loại được sửdụng nhiều tại EU, dầu cọ chiếm ưu thế ở các nước nhiệt đới và dầu đậu tương lànguyên liệu chính ở Mỹ Theo Pal thì hạt cải dầu chiếm 59% trong tổng nguyên liệusản xuất Biodiesel, tiếp theo là dầu đậu tương(25%), dầu cọ (10%), dầu hướngdương (5%) và các loại dầu khác (1%)

Bảng 1-8 Thành phần các chất hóa học có trong dầu

Dầu

Các chấthóa học(C16:0)

Palmitoleic(C16:1)

Stearic(C18:0)

Oleic(C18:1)

Linoleic(C18:2)

Linolenic( C18:3)

CácacidNgô

0,3-0,1

-2,00,9-4,42,40,9

44,013,375,440,548,354,1

48,057,71010,132,022,3

0,20,9-

1,19,10,2

1,94,12,924,57,07,022,74,8

13,523,217,744,544,751,837,052,9

7754,272,9-32,817,714,313,5

6,3 0,23,6-0,8

-

Hạt cải dầu là nguyên liệu sản xuất biodiesel chiếm thị phần lớn nhất(80%) Tổng lượng hạt cải dấu sản xuất được trong 2006, 2007 là 15.3triệu tấn 65% trong đó được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất Biodiesel.Hiện nay EU là khu vực nhập khẩu hạt cải dầu với số lượng lớn (0.57 triệutấn trong 2006, 2007)

- Đậu nành là nguyên liệu phổ biến nhất tại Mỹ (chiếm 90%) Năm

2007 mỹ sản xuất 87 triệu tấn

Hiện nay với mức tiêu thụ 227 tỷ lít /năm thì diện tích đất trồng yêu cầu lênđến 500 Mha trồng đậu nành hoặc hơn một nữa tổng đất canh tác của Mỹ để trồngđậu tương Chỉ sản xuất được 0.52 tấn đậu tương/ha đất Thông thường, dầu cónguồn gốc từ đậu tương thương mại gồm có: mately 12% acid palmitic (C16: 0),4% axit stearic (C18: 0), 23% oleic acid (C18: 1), 54% acid linoleic (C18: 2), và 6%acid linolenic tk

- Dầu cọ được sản xuất từ hạt của cây cọ, hoặc cây Elaeis Guineesis cónguồn gốc từ cây Guinea

Loại cây này có mặt đầu tiên ở các khu vực như Châu Phi, Đông Nam Á vàchâu Mỹ La tinh Ngày nay, cây cọ được sản xuất với quy mô lớn trên toàn thế giới,đặc biệt là các nước nhiệt đới như Indonexia, Malaysia,philippin, Myanma và Tháilan Hiện nay, thị trường thế giới tiêu thụ khoảng 38.13 triệu tấn/năm, Indonexia vàMalaysia là hai nước sản xuất lớn nhất và thứ hai thế giới với lượng xuất khẩuchiếm 85% thị phần Trung Quốc là nhà tiêu thụ dầu cọ lớn nhất thế giới với sốlượng ước tính là 5,1 triệu tấn trong năm 2006, 2007 Indonexia, Ấn độ, Malaysia

và các nước EU cũng là những nước tiêu thụ dầu cọ với một lượng lớn, chiếm 55%tổng lượng dầu cọ trên toàn thế giới Đến năm 2010 có không quá 2% tổng lượngdầu cọ được sử dụng trong nhiên liệu sinh học

Nói chung, để sản xuất dầu cọ thì diện tích đất cần dùng ít hơn là để sản xuất

ra hạt cải dầu Dầu cọ có năng suất lớn nhất trong tất cả các loại nguyên liệu sinhhọc, (4000lít/ha) Đăc tính vật lý và hóa học của dầu cọ và hạt cải dầu có sự khác

nhau rất lớn, đó là hàm lượng acid béo có trong chúng Dầu cọ chứa chủ yếu là acidpalmitic và oleic là hai acid béo phổ biến và khoảng 50% acid béo bão hòa Trongkhi hạt cải dầu chứa chủ yếu là acid lauric và hơn 80% acid béo chưa bão hòa.

 Dầu không ăn được

Như ta đã nói ở trên, 95% Biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật ăn được.Tuy nhiên vấn đề này gần đây được quan tâm rất lớn vì chúng đồng thời cũng làlương thực cho người dân Vì vậy đã có ý kiến cho rằng nguồn nguyên liêu sinh học

sẽ cạnh tranh với nguồn cung cấp lương thực trong thời gian tới Do đó việc cânnhắc, so sánh khi sử dụng dầu ăn được và không ăn được để sản xuất biodiesel làmột yêu cầu ở các nước đang phát triển, vì ở đây nhu cầu về lương thực là rất lớn,

và hơn nữa nếu sử dụng dầu thực vật ăn được thì giá thành quá cao để sản xuấtBiodiesel Sản xuất Biodiesel từ các loại dầu không ăn được đã được nghiên cứutrong vài năm qua Một số loại cây có thể được sử dụng là: cây dầu mè (Jatropascurcus), karanja, (Pongamia pinata), hạt thuốc lá, (Nicotiana tabacum), mahua (ẤnĐộ), cây neem, cao su và vi tảo…

Cây Jatropa và pinata là hai loại cây có thể sinh trưởng và phát triển trên mọiloại đất, chi phí đầu và chi phí quản lý thấp và cần lượng nước ít Jatropa đã đượctrồng ở một số vùng khô hạn, cho năng suất 0,5tấn/ha Hạt chứa khoảng 30% dầu.Dầu trong Jatropa bao gồm cả các acide béo bão hòa (14.2% acide palmitic và 7%acide stearic ) và không bão hòa (44.7% acide oleic, 32.8% acide lino-leic)

Jatropa xuất hiện với lợi thế là một nguyên liệu sinh học có thể tái sinh Vì

nó là loại dầu thực vật không ăn được và sinh trưởng được ở những vùng đất khótrồng trọt Đây là nguồn nguyên liệu bền vững và không cạnh trạnh với nguồnlương thực Những thuận lợi này không có được ở những đậu nành, hạt cải dầu, đậutương Với dầu mè thì ngoài năng suất thấp, nó rất độc hại cho gia súc và con người Chất thải sau khi loại bỏ dầu không thể làm thức ăn cho vật nuôi như đậu tương vàngô Giá tương đối cao của Jatropa cũng là một hạn chế

 Mỡ động vật

Mỡ động vật được chia ra làm 2 nhóm: mỡ động vật trên cạn và mỡ động vậtdưới nước

- Mỡ động vật trên cạn:

Chứa nhiều axit béo no, chủ yếu là palmaitic và axit stearic (mỡ heo, mỡ bò)

Mỡ động vật trên cạn chứa nhiều axit béo thuộc nhóm omêga-6 hơn, hầu như không

có omêga-3 nên thường ở trạng thái rắn trong điều kiện nhiệt độ thường Các axitbéo thuộc nhóm omêga-6 có tác dụng làm co mạch, tăng huyết áp

- Mỡ động vật dưới nước:

Chứa hàm lượng axit béo không no thuộc nhóm omêga-3 tương đối lớn, ởthể lỏng trong điều kiện nhiệt độ thường.

 Các loại dầu thải đã qua sử dụng

Xử lý dầu ăn đã qua sử dụng (WCO) là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn

để thay thay dầu thực vật sản xuất diesel sinh học Để giảm chi phí sản xuất, WCO

sẽ là một lựa chọn tốt để làm nguyên liệu vì nó rẻ hơn so với các loại dầu thực vậtnguyên sinh [tk] Giá của nó rẻ hơn 2-3 lần dầu thực vật nguyên sinh [tk]

Tuy nhiên việc sản xuất dầu diesel sinh học từ WCO cũng là thách thức do

sự xuất hiện của các thành phần không mong muốn như acid béo và nước [tk], cùngvới đó là các vấn đề về ô nhiễm môi trường

Hàng năm nhiều triệu tấn của WCO được thu thập và sử dụng Ước tính rằnglượng WCO được sử dụng ở EU xấp xỉ 0,7 - 1,0 triệu tấn/năm [tk] Tại các nhàhàng ở Mỹ, dầu để sản xuất đồ ăn nhanh khoảng 3 tỷgallon WCO/năm [tk] TheoChhetri và các cộng sự [tk], khoảng 135.000 tấn/năm lượng WCO được sản xuất tạiCanada Thổ Nhĩ Kỳ sản xuất hơn 350.000 tấn của WCO/năm [tk] Theo một báocáo của U.S Department of Agriculture(USDA) khoảng 80.000 tấn WCO được sảnxuất diesel sinh học tại Trung Quốc

1.3.3.4 Phương pháp chế biến Diesel sinh học

Việc sử dụng trực tiếp nhiên liệu sinh học chế biến từ dầu thực vật hoặc mỡđộng vật làm nhiên liệu cho động cơ Diesel gặp một số khó khăn như quá trình hóahơi nhiên liệu ở nhiệt độ thấp kém gây trở ngại cho quá trình khởi động, quá trìnhcháy không hoàn toàn dẫn đến giảm công suất của động cơ, độ nhớt cao làm nghẽn

bộ lọc, gây khó khăn cho hệ thống phun nhiên liệu Dầu thực vật và đặc biệt là mỡđộng vật có độ nhớt cao gấp khoảng 11  17 lần so với nhiên liệu Diesel Bằngnhiều nỗ lực, người ta đã cố gắng làm cho dầu thực vật có các tính chất gần tương

tự và hiệu quả như các hydrocacbon cơ sở của nhiên liệu diesel Vấn đề gặp phảikhi dùng chất béo trung tính thay thế cho nhiên liệu diesel là độ nhớt cao, độ bayhơi thấp và chưa bão hòa

Pha loãng/phối trộn, vi nhũ tương hóa, nhiệt phân và ester hóa là 4 kĩ thuậtđược sử dụng để giải quyết vấn đề độ nhớt quá cao của nhiên liệu Trong tất cả các

kĩ thuật này thì ester hóa là lựa chọn tốt nhất vì các tính chất vật lý của ester acidebéo gần giống với diesel và quá trình này cũng khá đơn giản

a Phương pháp pha loãng với diesel

Dầu thực vật có thể được sử dụng như một loại nhiên liệu diesel khi nó đượcpha loãng và biến đổi chút ít Độ nhớt của nó có thể giảm đến tối đa khi pha loãngchúng với diezel Phương pháp này khá đơn giản, không có một quá trình chuyển

hóa hóa học nào xảy ra Có thể sử dụng hỗn hợp diesel thông thường với dầu hướngdương, dầu hạt cải…

Cây caterpillar Brasil, vào năm 1980, đã được sử dụng trong buồng đốt với tỉ

lệ 10% để duy trì tổng nhiệt trị của hốn hợp nhiên liệu mà không có bất kì một sựthay đổi nào về kết cấu của động cơ Vào thời điểm này, dầu thực vật không được

sử dụng để thay thế 100% diesel mà tỉ lệ 20% dầu thực vật và 80% diesel đã được

sử dụng thành công Và một số thí nghiệm đã được thực hiện với tỉ lệ 50-50

Ziejewski cùng cộng sự đã làm một thí nghiệm với tỉ lệ phối trộn 25-75 (dầuthực vật - diesel) trong động cơ diesel loại phun nhiên liệu trực tiếp Độ nhớt củahỗn hợp này khoảng 4.88cSt ở 313K (theo tiêu chuẩn ASTM thì giá trị max ở 313Kchỉ là 4Cst) Hỗn hợp này được xem là không phù hợp khi sử dụng lâu dài cho động

cơ diesel loại phun nhiên liệu trực tiếp

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ nhớt của dầu jatropha curcas và hỗn hợp của

nó trong khoảng từ 298 đến 348K đã được Pramanik nghiên cứu Kết quả củanghiên cứu này chỉ ra rằng độ nhớt của dầu jatropha curcas cao hơn độ nhớt củadiesel ở mọi nhiệt độ Giá trị độ nhớt của hỗn hợp 50:50 và 40:60 (dầu jatrophacurcas/diesel) là gần giống với diesel trong khoảng 328-333K và khoảng 31 tươngứng Trong khi đó hỗn hợp 30-70 lại có giá trị này gần giống với diesel trongkhoảng 308-313K

b Phương pháp vi nhũ tương hóa dầu

Vi nhũ tương hóa là quá trình hình thành nên các vi nhũ, đây cũng là mộtphương pháp nhằm cải thiện độ nhớt của dầu thực vật Hệ vi nhũ tương được địnhnghĩa rất rõ ràng, đó là một hệ phân tán keo ổn định về nhiệt động mà kích thướccác hạt phân tán nhỏ hơn ¼ lần bước sóng ánh sáng khả kiến (ánh sang nhìn thấyđược) Hệ vi nhũ tương nhiên liệu đôi khi cũng được gọi là “nhiên liệu lai hợp”, cho

dù là phối trộn giữa dầu diesel đã được chuyển hóa và dầu thực vật thì hệ lúc nàycũng được gọi là: nhiên liệu lai hợp (hybrid fuel)

Để giải quyết vần đề độ nhớt cao của dầu thực vật, người ta đã nghiên cứu hệ

vi nhũ tương của các chất lỏng không hòa tan như methanol, ethanol và các ionhoặc các không-ion ưa nước Nghiên cứu này chứng minh rằng hệ nhũ tương củaion và không-ion của dung dịch ethanol trong dầu đậu tương có tính chất gần vớidầu diesel Ziejwski và cộng sự đã tạo ra một hệ vi nhũ tương chứa 53%(%V) kiềmnguyên chất và dầu hướng dương, 13,3% ethanol (rượu 95%), 33.4% (%V) 1-butanol Hệ nhũ tương không ion có độ nhớt 6.31cSt ở 313K và có chỉ số cetan là

25 và hàm lượng tro thấp hơn 0,01% Độ nhớt của hệ sẽ giảm thấp hơn nữa nếu tagiảm nồng độ của 1-butanol

c Phương pháp nhiệt phân

Nhiệt phân là phương pháp phân huỷ các phân tử dầu thực vật bằng nhiệt,không có mặt của oxy, tạo ra các ankan, ankadien, các axit cacboxylic, hợp chấtthơm và lượng nhỏ các sản phẩm khí Sản phẩm của quá trình này gồm có cả xăngsinh học (biogasoil) và biodiesel Tuy nhiên thường thu được nhiều nhiên liệu xănghơn là diesel

Hình 1-4 Sơ đồ biểu diễn qua trình phân hủy nhiệt

d Phương pháp chuyển đổi ester

Trong 4 kĩ thuật thì chuyển (ester hóa) là một giải pháp tốt nhất để giải quyếtvấn đề độ nhớt cao Đôi khi, nó cũng được sử dụng để chuyển hóa một nhóm alkylcủa 1 ester thành một nhóm alkyl khác Quá trình này được mô tả trong hình 3

Hình 1-5 Sơ đồ biểu diễn quá trình chuyển đổi ester

Ester hóa là một phản ứng thuận nghịch của một chất béo hoặc dầu với mộtrượu (methanol hoặc ethanol) để tạo ra một ester alkyl của acid béo và glyxerol.Xúc tác cho phản ứng này có thể là kiềm, acid, hoặc một enzyme Tuy nhiên, trongthương mại người ta thường dùng xác tác là kiềm Chủ yếu biodiesel có nguồn gốc

từ phản ứng ester hóa giữa dầu thực vật với methanol hoặc ethanol nhờ xúc tác làNaOH hoặc KOH Các phản ứng ester hóa có mặt chất xúc tác hoặc không có mặtchất xúc tác đều sử dụng các rượu béo một đơn chức bậc 1 hoặc bậc 2 có từ 1 đến 8nguyên tử Cacbon Các loại rượu tham gia phản ứng có mạch càng ngắn thì độ nhớt

càng tăng, là nguyên nhân hình thành gel và làm cho việc tách glyxerol trở nên khókhăn Tính chất vật lý của các sản phẩm bậc một của quá trình ester hóa được chotrong bảng1.10 và 1.11 Tính chất vật lý của các sản phẩm này chỉ ra rằng: điểm sôi

và điểm nóng chảy của acid béo, ester methyl, mono, di và tri glycerin tăng theo sốnguyên tử cacbon có trong mạch cacbon nhưng lại giảm theo sự tăng các liên kếtđôi Điểm chảy sẽ tăng theo thứ tự của tri, di, monoglycerin và theo độ phân cựccủa liên kết hydro và phân tử

Bảng 1-9 Một số tính chất liên quan đến quá trình transester

Loại nguyên liệu Tỷ trọng

(g/ml)

Điểm nóng chảy (K)

Nhiệt độ sôi (K)

Khả năng hòa tan (>10%)

291,0303,8311,2253,4176,2161,2255,3

–469,2488,2463,2337,9351,6563,2

–Acids, benzene, ethanol,Ether

Ethanol, chloroformEthanol, EtherH2O, ether, ethanolH2O, ether

Bảng 1-10 Điểm nóng chảy của các axit béo, methyl ester và mono,

327,6292,0343,7340,0330,2

336,1303,8350,2349,5336,7

342,8312,3254,7352,6346,3

289,5253,4308,4294,7278,7

266,7238,2285,5270,6260,1

a Ester hóa có mặt chất xúc tác

Xúc tác được sử dụng có thể là kiềm, acid hoặc enzyme Ester hóa dầu thựcvật và methanol có mặt chất xúc tác là một phương pháp quan trọng trong côngnghiệp được sử dụng để điều chế biodiesel Nó được nghiên cứu kỹ, sử dụng chấtxúc tác là kiềm (NaOH hoặc acid H2SO4 Tuy nhiên, các loại xúc tác này kém hoạtđộng hoặc hoàn toàn mất hoạt tính trong trường hợp mạch cacbon của rượu dài.Thông thường, trong công nghiệp người ta sử dụng NaOH, KOH hoặc Na-O-CH3(natri metoxit) hoặc KOCH3 làm xúc tác vì chúng tương đối rẻ và có hoạt tính khácho phản ứng này Enzyme lipaza cũng được sử dụng làm chất xúc tác, không tạo ra

phản ứng phụ, nhưng để sản xuất với quy mô công nghiệp thì tốn kém một lượnglớn lipaza và một quy trình 3 bước đòi hỏi độ chuyển hóa phải đạt 95%

 Ester hóa có mặt acid

Biodiesel có thể được sản xuất bằng phản ứng ester hóa với xúc tác là axitsunforic, hydrocloric, phosphoric và các axit hữu cơ sulfonic Hiện nay các axit hữu

cơ được sản xuất nhiều chẳng hạn như dẫn xuất của axit tolueenesulfonic, các axit

vô cơ thường xuyên được sử dụng là sunforic Mặc dù phản ứng sử dụng chất xúctác là axit sẽ có tốc độ phản ứng chậm hơn 4000 lần so với chất xúc tác kiềm kalinhưng nếu trong nguyên liệu có nước và FFAs thì xúc tác acid vẫn được sử dụng.Phản ứng có xúc tác acid đòi hỏi điều kiện phản ứng T>373K và thời gian lưu là 3-

48 h Xúc tác sẽ làm nâng cao hiệu suất của quá trình chuyển hóa Trong thực tế,nếu phản ứng có xúc tác axit thì đòi hỏi tỉ lệ mol giữa rượu và dầu cao để thu đượchiệu suất chuyển hóa cao Tuy nhiên lượng ester không tăng theo khối lượng phân

tử Ví dụ, với phản ứng ester hóa methanol và đậu tương, sử dụng xúc tác axitsulforic thì hiệu suất chuyển hóa tăng mạnh từ 77% khi sử dụng tỉ lệ 3.3:1 lên đến87.8% khi sử dụng tỉ lệ 06:01 Nếu tỉ lệ này cao hơn thì hiệu suất tăng nhưng tốc độchậm lại và đạt lớn nhất khi tỉ lệ này là 30:01, khi đó hiệu suất chuyển hóa là 98.4%

Cơ chế phản ứng ester hóa có sử dụng xúc tác acid được biếu diễn dưới đây:

Hình 1-6 Cơ chế phản ứng ester hóa có sử dụng xúc tác acid

Đối với di-glixerin hoặc tri-glixerin thì cơ chế cũng tương tự như vậy Cácproton của nhóm cacbonyl trong ester sẽ đến các cacbocation, sau đó mộtnucleophin tấn công vào phân tử rượu tạo ra một tứ diện trung gian Chất trung giannày giúp loại bỏ glycerol để tạo thành một ester mới và tái sinh xúc tác Phản ứngester hóa với xúc tác acid đã được nghiên cứu và báo cáo nhiều trong các tài liệu.Điều kiện phản ứng được đưa ra ở dưới đây:

Bảng 1-11 Điều kiện phản ứng của quá trình estesvoiws xúc tác acid

Xúc tác Dầu

Hàm hượngxúc tác (wt

%)

Nhiệt độ

(K)

Thời gianphản ứng (h)

Năng suất(%)H2SO4

1101045

338343343353383

69456218

>9065

>9097,198

 Ester hóa có mặt kiềm

Thường thì người ta hay sử dụng oxit kim loại kiềm hoặc hydroxit,natricacbonat và kalicacbonat Metoxxit natri là chất xúc tác được sử dụng rộng rãinhất, hơn 60% nhà máy công nghiệp sử dụng nó Sử dụng chất xúc tác kiềm có lợithế như thời gian phản ứng ngắn, xảy ra ở nhiệt độ thấp, có thể sử dụng một lượngnhỏ xúc tác và màu sắc của dầu có thể ít hoặc không bị tối Chúng chỉ cho hiệu suấtcao khi dầu có chất lượng cao, nhưng một câu hỏi được đặt ra là: dầu chứa mộtlượng đáng kể FFAs không chuyển hóa thành biodiesel được nhưng lại tạo ra nhiềubọt xà phòng FFAs sẽ phản ứng với xúc tác kiềm tạo ra bọt và điều này làm cản trởquá trình phân tách biodiesel và glicerin, và nước rửa

Trong phương pháp ester hóa methanol với xúc tác kiềm thì xúc tác bị hòatan vào methanol nhờ tác động khuấy trộn trong một thiết bị phản ứng nhỏ Dầuđược đưa vào thiết bị phản ứng, sau đó bơm hỗn hợp (xúc tác/rượu) vào Hỗn hợpcuối cùng được khuấy trộn trong vòng 2h, ở nhiệt độ T=340K và áp suất khí quyển.Một phản ứng thành công sẽ tạo ra hai pha lỏng là ester và glixerol thô

Cơ chế phản ứng ester hóa với xúc tác kiềm gồm 3 giai đoạn Phản ứng vớixúc tác kiềm thì diễn ra nhanh hơn so với xúc tác acide Cơ chế được biếu diễnthông qua hình dưới đây Ở giai đoạn 1, các nucleophiin tấn công vào alkoxit củanhóm cacbonyl của triglixerin tạo ra các tứ diện trung gian, từ đó các alkyl ester vàcác anion tương ứng của diglycerin được hình thành (giai đoạn 2), sau đó khửproton của xúc tác, phục hồi hoạt tính của nó, và bây giờ nó có thể phản ứng tiếpvới một phân tử rượu thứ hai và bắt đầu một chu kì xúc tác mới Diglycerin vàmonoglyxerin cũng chuyển hóa theo cơ chế tương tự tạo thành hỗn hợp các alkylester và glicerol

Nói chung, quá trình ester hóa với xúc tác kiềm được thực hiện ở nhiệt độ và

áp suất thấp (333-338K và 1.4-4.2 bar) với xúc tác có nồng độ thấp (0.5-2% khốilượng) Bảng 1.13 cho thấy các điều kiện điển hình cho quá trình ester hóa với xúctác kiềm tổng hợp Biodiesel

Bảng 1-12 Điều kiện điển hình cho quá trình ester hóa với xúc tác kiềm

Nguyên liệu Hỗn hợp chất béo trung tính với acid

béo tự do có nồng độ thấp(<0,5%)Rượu/dầu

95% (dự kiến sau một giờ phản ứng)Các alkoxit của kim loại kiềm (như CH3ONa trong ester hóa methanol) làcác xúc tác có hoạt tính mạnh nhất, cho hiệu suất phản ứng cao (>98%) trong mộtthời gian ngắn (khoảng 30 phút) ngay cả khi dùng chúng với nồng độ rất thấp(khoảng 0,5% mol) Tuy nhiên, yêu cầu đặt ra ở đây là không có mặt của nước, điềunày làm cho xúc tác kiềm không thích hợp cho các quá trình trong công nghiêp