CHUYỂN HÓA CHẤT THẢI CHỨA NHIỀU DẦU MỠ CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT ĐỂ CHUYỂN THÀNH BIODIESEL

Hiện nay, nhân loại đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng về năng lượng khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Giải pháp mà con người tìm đến để khắc phục những vấn đề đó chính là các nguồn năng lượng mới như năng lượng gió, mặt trời, sinh khối… Khác với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sinh khối như biodiesel chẳng hạn không chỉ thay thế năng lượng hóa thạch mà còn góp phần xử lý ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam, với đặc thù là một nước nông nghiệp, việc nghiên cứu phát triển nguồn vật liệu và năng lượng sinh khối tạo ra những dạng năng lượng, vật liệu sạch, rẻ góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường (trong đó biodiesel đang rất được quan tâm hiện nay) chính là một hướng đi tất yếu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

BÀI TIỂU LUẬN Môn học: Nhiên liệu sinh học – EV 5217

CHUYỂN HÓA CHẤT THẢI CHỨA NHIỀU DẦU MỠ CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT ĐỂ

CHUYỂN THÀNH BIODIESEL

Giảng viên : PGS TS Đoàn Thị Thái Yên Học viên : Nguyễn Mạnh Việt

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

STT Từ viết tắt Tên đầy đủ

1 DTV Dầu thực vật

2 HTPM Methanol Metanol với áp suất và nhiệt độ cao (High

Temperature and Pressured)

3 FAME Axit béo methyl este hay dầu diesel sinh học

4 FFA Axit béo tự do (Free Fatty Axit)

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nhân loại đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng về năng lượng khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Giải pháp mà con người tìm đến để khắc phục những vấn đề

đó chính là các nguồn năng lượng mới như năng lượng gió, mặt trời, sinh khối… Khác với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sinh khối như biodiesel chẳng hạn không chỉ thay thế năng lượng hóa thạch mà còn góp phần xử lý ô nhiễm môi trường Tại Việt Nam, với đặc thù là một nước nông nghiệp, việc nghiên cứu phát triển nguồn vật liệu và năng lượng sinh khối tạo ra những dạng năng lượng, vật liệu sạch, rẻ góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường (trong đó biodiesel đang rất được quan tâm hiện nay) chính là một hướng đi tất yếu

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Sơ lược về Biodiesel

1.1.1 Tổng quan

1.1.1.1 Lịch sử phát triển Biodiesel

Lịch sử hình thành và phát triển của Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glixerin ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl este gọi chung là Biodiesel

Năm 1893, lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế

để chạy máy Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá” Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và những tác động xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái sinh sạch trong đó có Biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi Để tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của Biodiesel, Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng năm bắt đầu từ năm 2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International Biodiesel Day)

1.1.1.2Tình hình sử dụng Biodiesel trên thế giới:

Các nước trên thế giới đã sản xuất Biodiesel với số lượng ngày càng nhiều và tăng rất nhanh Theo xu hướng thế giới, người ta sẽ trộn Bio-Diesel vào thành phần diesel từ 5 tới 30%

+ Ở châu Âu theo chỉ thị 2003/30/EC của EU từ ngày 31 tháng 12 năm 2005 ít nhất

là 2% và cho đến 31 tháng 12 năm 2010 ít nhất là 5,75% các nhiên liệu dùng để chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo Tại Áo, một phần của chỉ thị của EU đã được thực hiện sớm hơn và từ ngày 1 tháng 11 năm 2005 chỉ còn có dầu Diesel với 5% có

nguồn gốc sinh học (B5) là được phép bán.

+ Tại Australia, đã sử dụng B20 và B50 vào tháng 2 năm 2005

+ Tại Mỹ năm 2005, đã sử dụng B20

+ Tại Thái Lan trong năm 2006, sử dụng B5 tại Chiangmai và Bangkok

+ Tại Việt Nam, Petro Việt Nam đã có kế hoạch đưa 10% Bio-Diesel (B10) vào thành phần Diesel để lưu thông trên thị trường

1.1.2 Định nghĩa:

Biodiesel là loại nhiên liệu có những tính chất tương đương với dầu Diesel tự nhiên nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động

vật Biodiesel nói chung đều là loại năng lượng tái tạo và về phương diện hoá học thì Biodiesel là este của những axit béo trong dầu hay mỡ khi được este hoá bởi các ancol

Nhiều nước trên thế giới dùng chữ B với ý nghĩa là Biodiesel, chữ BA hay E

để cho biết hoá hợp với ethanol Ví dụ: nhiên liệu chứa 20% Biodiesel được ký hiệu

là B20, Biodiesel tinh khiết là loại B100

Bản chất của Biodiesel là sản phẩm este hóa giữa Methanol hoặc Ethanol và axit béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật

Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel được định nghĩa: “là các Mono Alkyl Este của các axit 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”

1.1.3 Tính chất và ưu nhược điểm của Biodiesel

1.1.3.1 Tính chất

Biodiesel là một chất lỏng, có màu giữa vàng hay nâu tối phụ thuộc vào

nguyên liệu để chế biến Methyl este điển hình có điểm bốc cháy khoảng ~1500C (3000F), tỷ trọng thấp hơn nước (d= ~0.88g/cm3), có độ nhớt tương tự Diesel từ dầu mỏ

Một số tính chất như chỉ số xetan, tỉ trọng chỉ phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu ban đầu Hầu hết các tính chất còn lại phụ thuộc vào các yếu tố kỹ thuật của quá trình sản xuất

- Yếu tố quan trọng nhất chính là độ chuyển hóa của phản ứng chuyển vị este Thậm chí khi thu được hiệu suất phản ứng cao nhất, trong Biodiesel vẫn chưa một lượng nhỏ tri, đi, Monoglixerit Những chất này làm tăng độ nhớt, giảm độ bền oxi hóa, do

đó hàm lượng của nó phải nhỏ nhất

- Tổng lượng glixerin chính là tổng phần glixerin chứa trong các glixerit và glyxerin

tự do Glyxerin không tan trong Biodiesel, có độ nhớt cao Nhiên liệu chứa nhiều glyxerin dẫn đến hiện tượng lắng glyxerin, làm nghẽn bộ lọc nhiên liệu và làm xấu

đi quá trình cháy trong động cơ

- Metanol bị hạn chế dưới 0.2% trong tiêu chuẩn EN 14214 nhưng không đề cập đến trong ASTM Tuy nhiên, hàm lượng methanol có thể hạn chế thông qua chỉ tiêu

độ chớp cháy (càng nhiều methanol, độ chớp cháy càng thấp) Yêu cầu độ chớp cháy không nhỏ hơn 1300C trong ASTM tương ứng với hàm lượng methanol nhỏ hơn 0.1%

Trong bảng dưới đây giới thiệu một số chỉ tiêu chất lượng đối với dầu Diesel (tiêu chuẩn EN 590) và Biodiesel (tiêu chuẩn EN 14214, ASTM D6751)

Bảng 1.1: Chỉ tiêu chất lượng dầu Diesel và Biodiesel

D6751

Tỉ trọng ở 150C, kg/m3

Độ nhớt ở 400C, mm2/s

Điểm chớp cháy, 0C, không thấp hơn

Lưu huỳnh, mg/kg, không lớn hơn

Chỉ số xetan, không thấp hơn

Nước, mg/kg, không lớn hơn

Este, % khối lượng, không nhỏ hơn

Methanol, % khối lượng, không lớn hơn

Monogixerit, % khối lượng, không lớn hơn

Điglixerit, % khối lượng, không lớn hơn

Triglixerit, % khối lượng, không lớn hơn

Glixerin tự do, % khối lượng, không lớn hơn

Tổng lượng glixerin, % khối lượng, không

lớn hơn…

820 – 845 2,0 – 4.5 55 50 51 200

-860 – 900 3,5 – 5,0 120 10 51 500 96,5 0,2 0,8 0,2 0,2 0,02 0,25

-1,9 – 6,0 130 15 45 500 -0,02 0,24

1.1.3.2 Ưu Điểm

- Về mặt môi trường:

+ Giảm lượng phát thải khí CO2, do đó giảm được lượng khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính

+ Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2% trong dầu Diesel)

+ Hàm lượng các hợp chất khác trong khói thải như: CO, SOX, HC chưa cháy, bồ hóng giảm đi đáng kể nên có lợi rất lớn đến môi trường và sức khoẻ con người + Không chứa HC thơm nên không gây ung thư

+ Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân huỷ từ 85 ¸ 88% trong nước sau 28 ngày)

+ Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất.

+ Giảm sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ

- Về mặt kỹ thuật:

+ Có chỉ số cetan cao hơn Diesel

+ Biodisel rất linh động có thể trộn với Diesel theo bất kì tỉ lệ nào

+ Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn Diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong tồn chứa và sử dụng

+ Biodiesel có tính bôi trơn tốt : ngày nay để hạn chế lượng SOx thải ra không khí, người ta hạn chế tối đa lượng S trong dầu Diesel Nhưng chính những hợp chất lưu huỳnh lại là những tác nhân giảm ma sát của dầu Diesel Do vậy dầu Diesel có tính bôi trơn không tốt và đòi hỏi việc sử dụng thêm các chất phụ gia để tăng tính bôi trơn Trong thành phần của Biodiesel có chứa Oxi Cũng giống như S, O có tác dụng giảm ma sát Cho nên Biodiesel có tính bôi trơn tốt

+ Do có tính năng tượng tự như dầu Diesel nên nhìn chung khi sử dụng không cần cải thiện bất kì chi tiết nào của động cơ (riêng đối với các hệ thống ống dẫn, bồn chứa làm bằng nhựa ta phải thay bằng vật liệu kim loại)

- Về mặt kinh tế:

+ Sử dụng nhiên liệu Biodiesel ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông nghiệp như dầu phế thải, mỡ động vật, các loại dầu khác ít có giá trị sử dụng trong thực phẩm

+ Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp và tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn + Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu Diesel, góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ lớn

1.1.3.3 Nhược Điểm

Hiên nay, từ những thông tin quảng cáo về Biodiesel nhiều người lầm tưởng rằng việc sử dụng Biodiesel chỉ có lợi mà không có hại Trên thực tế, bên cạnh những ưu điểm, Biodiesel cũng có nhều nhược điểm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống Nhiều nhà sản xuất xe hơi và động cơ rất thận trọng với việc sử dụng Biodiesel trong động cơ của họ

+ Việc sử dụng nhiên liệu chứa nhiều hơn 5% Biodiesel có thể gây nên những vấn

đề sau:

 Ăn mòn các chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu do tính dễ

bị oxi hóa của Biodiesel

 Làm hư hại nhanh các vòng đệm cao su do sự không tương thích của Biodiesel với chất liệu làm vòng đệm

+ Nhiệt độ đông đặc Biodiesel phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất nhưng nói chung

là cao hơn nhiều so với dầu Diesel thành phẩm Điều này ảnh hưởng rất lớn đến việc sử dụng Biodiesel ở những vùng có thời tiết lạnh Tuy nhiên đối với các nước nhiệt đới, như Việt Nam chẳng hạn thì ảnh hưởng này không đáng kể

+ Ngoài ra, Biodiesel rất háo nước nên cần những biện pháp bảo quản đặc biệt để tránh tiếp xúc với nước

+ Biodiesel không bền, rất dễ bị oxi hóa gây nhiều khó khăn trong việc bảo quản + Biodisel có nhiệt trị thấp hơn so với Diesel

+ Trở ngại lớn nhất của việc thương mại Biodiesel trước đây là chi phí sản suất cao

Do đó làm cho giá thành Biodiesel khá cao, nhưng với sự leo thang giá cả nhiêu liệu như hiện nay thì vấn đề này không còn là rào cản nữa

+ Hiện nay Biodiesel thường được sản xuất chủ yếu là theo mẻ Đây là điều bất lợi

vì năng suất thấp, khó ổn định được chất lượng sản phẩm cũng như các điều kiện của quá trình phản ứng Một phương pháp có thể tránh hoặc tối thiểu khó khăn này

là sử dụng quá trình sản xuất liên tục

CHƯƠNG 2:

MỘT SỐ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ DẦU MỠ THẢI TỪ NƯỚC THẢI SINH HOẠT CÓ CHẤT THẢI CHỨA

DẦU MỠ

2.1 Qúa trình sản xuất biodiesel từ dầu thải

Hình 2.1: Sản xuất Biodiesel từ dầu thải

- Este hóa axit loãng :dầu nguyên liệu có chứa hơn 4% axit béo tự do trong

quá trình este hóa axit để tăng sản lượng Biodiesel Trước khi tham gia phản ứng este hóa axit, nguyên liệu đã được lọc và xử lý trước để loại bỏ nước và chất gây ô nhiễm Chất xúc tác, sulfuric axit, hòa tan trong methanol và sau đó pha trộn với dầu Hỗn hợp được nung nóng và khuấy đều, các axit béo tự do được chuyển đổi

thành dầu Biodiesel Sau khi phản ứng hoàn tất, nó được xử lí và cung cấp cho quá trình transesteification

- Chuyển đổi este hóa : nguyên liệu dầu có chứa ít hơn 4% axit béo tự

do Chất xúc tác, KOH, hòa tan trong methanol và sau đó trộn với dầu Nếu quá trình este hóa axit được sử dụng, thêm chất xúc tác để trung hòa axit Sau khi phản ứng hoàn tất, sản phẩm gồm glixerin và Biodiesel

- Metanol thu hồi :Các methanol thường được loại bỏ sau khi Biodiesel và

glycerin tách ra, để cản trở phản ứng thuận nghịch Methanol được làm sạch và hồi lưu để sử dụng lại

- Tinh luyện Biodiesel: Sau khi tách ra từ glycerin, Biodiesel thông qua một

quá trình làm sạch hoặc tinh chế để loại bỏ rượu dư thừa, chất xúc tác còn lại và xà phòng Làm sạch một hay nhiều lần bằng nước Sau đó sấy khô và thu sản phẩm Đôi khi Biodiesel qua thêm một bước chưng cất để sản xuất Biodiesel không màu, không mùi, không lưu huỳnh

- Glixerin tinh chế: Sản phẩm phụ glixerin có chứa chất xúc tác không bị

phản ứng và xà phòng trung hòa bằng axit Nước và rượu được loại bỏ để sản xuất 50% -80% glixerin thô Các chất gây ô nhiễm còn lại bao gồm các chất béo không

bị phản ứng và các loại dầu Trong các nhà máy Biodiesel lớn, glycerin có thể được tiếp tục tinh lọc, 99% hoặc độ tinh khiết cao, để bán cho các ngành công nghiệp dược phẩm và mỹ phẩm

2.1.1 Quy trình mới sản xuất Biodiesel từ dầu thực vật, dầu tái chế

Hình 2.3: Quy trình mới sản xuất Biodiesel

Bảng 2.1: Ưu nhược điểm của quá trình mới

Ưu điểm Nhược điểm

• Thời gian phản ứng rất ngắn, 30

phút

• > 95% phản ứng

• Không có muối

• Không có xà phòng

• Loại được 99% nước

• Không khuấy

• Chưng cất đơn giản glixerin

• Nhiệt độ cao

• Áp suất cao

• Chưng cất của các este methyl axit béo nếu chỉ có một bước phản ứng được sử dụng

Bảng 2.2: So sánh các phương pháp cổ điển và quy trình sản xuất mới

cổ điển

Quy trình mới

Nguyên liệu

Dầu thô (đậu nành, hạt cải dầu, cọ, dừa, hướng dương,

jatropha)

Dầu thô với hơn 0,5% axit béo tự do

Dầu thải

Mỡ lợn

Xử lý nguyên liệu

Sự khử

Khử màu

Giảm lượng axit béo tự do

Hạn chế của quá trình

Tạo xà phòng

Xử lý glixerin trước khi sử dụng

Este hóa

Chuyển vị este hóa

Este hóa và chuyển đổi este hóa trong giai đọan đầu

Năng suất

Không

Không Không Không

Có Có Có

Có Có 90%

>90%

-90–95%

Có

Có Có Có

Không Không Không

Không Không

->95%

>95%

Nhiệt độ yêu cầu

MeOH tiêu thụ

Thời gian giai đoạn đầu

Thấp

Thấp 60–120 phút

Cao Phụ thuộc

30 phút

2.1.2 Công nghệ HTPM sản xuất dầu diesel sinh học từ phế liệu động, thực vật.

Ưu điểm nổi bật của công nghệ này là nó không gây ô nhiễm liên quan tới nguồn nguyên liệu đầu vào, hơn nữa không cần tinh lọc hay este hóa axit trong quá trình xử lý sơ bộ

- Giới thiệu

- Một công nghệ HTPM tiên tiến hơn

Quy trình công nghệ

Dầu mỡ và metanol được đưa vào môi trường có nhiệt độ và áp lực cao cùng lúc với tỷ lệ được tính toán hợp lý bằng cách bơm liên tục qua lò phản ứng có chứa chất xúc tác không thuần nhất Các chất xúc tác ở đây không tham gia vào phản ứng hóa học mà chỉ giúp nó xảy ra nhanh hơn Sau đó quá trình tách chất FAME mới được tạo ra cùng glixerin và metanol sẽ được thực hiện bằng phương pháp chưng cất Trong giai đoạn này mức độ hydrat hóa có thể xảy ra do sự hiện diện của FFA được duy trì ở mức ổn định Methanol sẽ được tái sử dụng, hỗn hợp FAME và

glixerin sẽ được tách nhờ quay li tâm Trong giai đoạn chưng cất lần thứ 2 dầu diesel sinh học mới đạt độ tinh khiết 96,5% sẽ lại được nâng lên cấp độ tinh khiết hoàn toàn

Hình 2.4 Quy trình HTPM

Đó là một quy trình liên tục diễn ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

- Không phải sử dụng chất xúc tác rất đắt tiền

- Không sinh ra phế thải

- Không đòi hỏi công đoạn tiền xử lý nguyên liệu đầu vào có hàm lượng axit béo tự do cao (FFA)

- Sản phẩm của quy trình là glixerin có độ tinh khiết cao, có giá trị thương mại cao hơn đối với công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và hóa dược

- Biodiesel chất lượng hoàn hảo

- Thí nghiệm và sản xuất thử nghiệm

Kết Luận

Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt hoàn toàn thì xu hướng sử dụng biodiesel và các nguồn nhiên liệu phi hóa thạch sẽ là tất yếu

Hiện nay biodiesel được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp phương pháp biến tính hóa học dựa trên phản ứng chuyển methyl ester hóa

Để nâng cao tính hiệu và quả kinh tế của quá trình các yếu tố cần quan tâm : tận dụng các sản phẩm phụ của quá trình như glycerin, cải thiện các chỉ tiêu của

methyl ester…

Bên cạnh lợi ích về kinh tế, dự án sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu dầu mỡ trong nước thải còn mang lại những lợi ích rõ nét về mặt môi trường như: giảm thiểu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giảm hiệu ứng nhà kính, giảm thiểu chất thải nguy hại tiến tới xây dựng một môi trường xanh