TỐI ưu HOÁ QUY TRÌNH TỔNG hợp BIODIESEL từ mỡ cá TRA, cá BA SA BẰNG PHƯƠNG PHÁP bề mặt đáp ỨNG

NHIÊN LIỆU SINH HỌC 2.1 KHÁI NIỆM VÀ P HÂN LOẠI NHIÊN LIỆU SINH HỌC 2.1.1 Khái niệm nhiên liệu sinh học Nhiên liệu sinh học được hiểu là loại nhiên liệu tái tạo, được hình thành từ các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

- -

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TỐI ƯU HOÁ QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRA, CÁ BA SA BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỀ MẶT ĐÁP ỨNG

Ngành: CN Kỹ thuật hóa học – Khóa 36

Tháng 12/2014

Trường Đại học Cần Thơ Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: Ths Nguyễn Văn Đạt

Đề tài: TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ MỠ CÁ

TRA, CÁ B A SA B ẰNG PHƯƠNG PHÁP BỀ MẶT ĐÁP ỨNG

b Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung

chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

Trường Đại học Cần Thơ Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

1 Cán bộ chấm phản biện:

Tên đề tài : TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ MỠ

CÁ TRA, CÁ BA SA BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỀ MẶT ĐÁP ỨNG

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Đạt đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu giúp em hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến cô Bùi Thị Bửu Huê, các quý thầy cô của Bộ môn Hóa – Khoa Khoa Học Tự Nhiên và Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học – Khoa Công Nghệ trường Đại học Cần Thơ đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt tiến trình thực hiện các thí nghiệm trong phạm vi nghiên cứu này

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình là chỗ dựa tinh thần vững chắc giúp em vượt qua những lúc khó khăn nhất và xin chân thành cảm ơn các bạn lớp Công nghệ Hoá học K36 đã trao đổi và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày 02 tháng 12 năm 2014

Nguyễn Yến Bình

MỤC LỤC

Trang

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ P HẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC I TÓM T T III DANH SÁCH CHỮ VIẾT T T IV DANH SÁCH HÌNH V DANH SÁCH B ẢNG VI PHẦN MỘT – LỜI MỞ ĐẦU 1

PHẦN HAI – LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2

CHƯƠNG 1 TÌNH HÌNH NHIÊN LIỆU, NĂNG LƯỢNG VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG HIỆN NAY 2

1.1 TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH TRÊN THẾ GIỚI 2

1.2 VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 3

CHƯƠNG 2 NHIÊN LIỆU SINH HỌC 5

2.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI NHIÊN LIỆU SINH HỌC 5

2.1.1 Khái niệm nhiên liệu sinh học 5

2.1.2 Phân loại nhiên liệu sinh học 5

2.2 BIODIESEL 6

2.2.1 Khái niệm biodiesel và một số khái niệm liên quan đến biodiesel 6

2.2.2 Sự hình thành và phát triển của biodiesel 10

2.2.3 Tính chất của biodiesel 10

2.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của biodiesel 13

2.2.5 Nguồn nguyên liệu, tình hình s ản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới và tiềm năng phát triển sản xuất biodiesel tại Việt Nam 15

2.2.6 Tiêu chuẩn về chất lượng của biodiesel ở một số khu vực 20

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT BIODIESEL 22

2.3.1 Phương pháp cracking 22

2.3.2 Phương pháp sấy nóng 22

2.3.3 Phương pháp pha loãng 23

2.3.4 Phương pháp nhũ tương hóa 23

2.3.5 Phương pháp chuyển ester hóa 23

CHƯƠNG 3 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ MỠ CÁ BA SA BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ESTER 25

3.1 NGUYÊN LIỆU CÁ BA SA 25

3.1.1 Giới thiệu cá ba sa 25

3.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28

3.2.1 Cơ chế phản ứng 28

3.2.2 Hiệu suất phản ứng transester hóa xúc tác base 32

PHẦN B A – THỰC NGHIỆM 35

CHƯƠNG 1 HÓA CHẤT, THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ NGHIÊN CỨU 35

1.1 DỤNG CỤ - THIẾT BỊ 35

1.2 HÓA CHẤT 36

1.3 NGUYÊN LIỆU 36

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 XỬ LÍ SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 36

2.2 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NGUYÊN LIỆU 37

2.2.1 Chỉ số acid (AV) 37

2.2.2 Xác định độ nhớt động học ở 40 C 38

2.2.3 Kết quả xác định một số chỉ tiêu chất lượng 38

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

2.2.1 Ester hóa xúc tác acid 40

2.2.2 Transester hóa xúc tác base .40

2.2.3 Xác định thành phần hỗn hợp methyl ester 41

2.2.4 Các bước thực hiện bài toán quy hoạch theo RSM kết hợp với mô hình CCD 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 THÀNH PHẦN METHYL ESTER CỦA CFB 43

3.2 XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU CỦA PHẢN ỨNG TRANSESTER HÓA CF BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM THEO RSM KẾT HỢP VỚI MÔ HÌNH CCD 45

3.3 NHỮNG TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA CFB 50

PHẦN B ỐN – KẾT LUẬN VÀ KI ẾN NGHỊ 52

KẾT LUẬN 52

KIẾN NGHỊ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO VIII PHỤ LỤC X

TÓM T T

Ngày nay, an ninh năng lượng đang là vấn đề cấp thiết với mỗi quốc gia trên thế giới khi nguồn năng lượng hoá thạch ngày càng cạn kiệt Các nghiên cứu, khảo sát để tìm

ra nguồn năng lượng khác, đáp ứng mục tiêu giảm dần sự phụ thuộc vào nguồn dầu

mỏ thế giới được chú trọng và triển khai tích cực Tổng hợp nhiên liệu sinh học nói chung và biodiesel nói riêng từ những nguồn nguyên liệu khác nhau đã được con người nghiên cứu, sản xuất và đưa vào sử dụng Việc sử dụng mỡ cá tra, cá basa để tổng hợp biodiesel, một loại nhiên liệu thân thiện với môi trường đã được thực hiện trong nghiên cứu này Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp với mô hình tâm phức hợp (CCD) được sử dụng để tìm điều kiện tối ưu cho giai đoạn transester hóa

Đồng thời, những tính chất của nhiên liệu đã được đánh giá thông qua việc xác định những tính chất hóa – lý như chỉ số acid, độ nhớt động học ở 40 o C, chỉ số cetane, hàm lượng methyl ester, điểm chảy, điểm chớp cháy, thành phần cất, khối lượng riêng

ở 15 o

C và thành phần acid béo Kết quả nghiên cứu cho thấy, những tính chất của nhiên liệu nằm trong giới hạn cho phép của các tiêu chuẩn ASTM, JIS và EN Kết quả phân tích GC–MS cho thấy methyl palmitate (C16:0), methyl stearate (C18:0) và methyl oleate (C18:1) là ba thành chính của mỡ cá tra, cá basa Những kết quả nghiên cứu đạt được cho thấy mỡ cá tra, cá basa là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất biodiesel vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL)

: biodiesel, cá tr , cá b s , p ương p áp bề mặt đáp ứng

DANH SÁCH CHỮ VIẾT T T

ASTM American Society for Testing and Materials

DANH SÁCH HÌNH

Trang

Hình 2-1: Mẫu biodiesel 6

Hình 2-2:Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên thế giới 15

Hình 2-3: Biểu tượng nhiên liệu biodiesel 16

Hình 2-4: Jatropha 18

Hình 2-5: Dừa 18

Hình 2-6: Cà phê 18

Hình 2-7: Vi tảo .19

Hình 2-8: Điều 19

Hình 2-9: Mỡ cá ba sa 20

Hình 2-10: Cá ba sa 26

Hình 3-11 Một số thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu 35

Hình 3-12: Sơ đồ xử lý nguyên liệu 36

Hình 3-13: Sơ đồ quy trình điều chế biodiesel từ mỡ cá theo quy trình hai bước 39

Hình 3-14: Tthiết bị thực hiện phản ứng ester hóa 40

Hình 3-15: So sánh hiệu suất biodiesel từ thực nghiệm và từ mô hình được xây dựng, r = 0.9319 46

Hình 3-16: Đồ thị dạng 3D và các đường đồng mức (2D contour) .48

Hình 3-17: Mỡ cá sau giai đoạn ester hóa, transester hóa và mẫu CFB 49

DANH SÁCH BẢNG

Trang

Bảng 2-1: Ảnh hưởng c ủa loại nguyên liệu đến tính chất của biodiesel 11

Bảng 2-2: Tiêu chí tiêu chuẩn của biodiesel theo ASTM D–6751 20

Bảng 2-3: Các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel gốc (B100) 21

Bảng 2-4: Các loại acid béo trong mỡ cá ba sa 27

Bảng 2-5: Hiệu suất phản ứng của một số alcohol thường dùng 31

Bảng 3-6: Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 36

Bảng 3-7: Kết quả xác định một số chỉ tiêu chất lượng 38

Bảng 3-8: Phạm vi biến đổi các nhân tố độc lập trong phản ứng chuyển hóa ester 42

Bảng 3–9: Thành phần methyl ester của acid béo của biodiesel từ mỡ cá ba sa 44

Bảng 3-10: Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thực nghiệm 45

Bảng 3-11: Kết quả phân tích phương sai cho mô hình đa thức bậc hai 46

Bảng 3-12: Điều kiện tối ưu c ủa quá trình điều chế biodiesel từ mỡ cá ba sa 49

Bảng 3-13: Những tính chất hóa – lý của CFB 51

PHẦN MỘT – LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới đang phải đối mặt sự thay đổi liên tục giá của nguồn nhiên liệu hóa thạch, đ ặc biệt là dầu mỏ do những nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt và lượng tiêu thụ ngày càng tăng Điều này đã dẫn đến việc phải tìm nguồn nhiên liệu để thay thế Phản ứng giữa dầu thực vật hoặc mỡ động vật và một alcohol với sự có mặt của base mạnh tạo ra những hợp chất hóa học mới gọi là biodiesel (Guru và các cộng sự, 2009) Biodiesel có hàm lượng O cao nên khi sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel sẽ giảm được CO2, CO, hydrocarbon, SO2, các hạt rắn lơ lững trong khí quyển (PM – particulate matter), khói, tiếng ồn Ngoài ra, sử dụng biodiesel làm nhiên liệu

sẽ không làm tăng hàm lượng CO2 trong khí quyển vì lượng CO2 tạo thành do đốt cháy tương đương lượng CO2 do cây xanh hấp thu trong quá trình quang hợp (Alptekin và các cộng sự, 2010) Với lợi thế là một nước nông nghiệp, việc nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu sinh học chẳng những làm giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu mà còn góp phần bảo vệ môi trường cũng như phát triển kinh tế bền vững

Đồng Bằng Sông Cửu Long là khu vực chăn nuôi và chế biến thủy sản xuất khẩu lớn nhất nước, trong đó điển hình là nguồn thủy sản cá tra, cá basa Do đó, việc nghiên cứu tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải này, một mặt, giải quyết bài toán về vấn đề môi trường, mặt khác, thúc đẩy kinh tế khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long

Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) là một công cụ thống kê hữu hiệu được ứng dụng trong nghiên cứu nhiều quá trình phức tạp Phương pháp phân tích tương quan và hồi quy đa biến cũng được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của hai hay nhiều yếu tố độc lập trên hàm mục tiêu Hơn nữa, mô hình tâm phức hợp (CCD) của RSM được sử dụng để tối ưu hóa nhiều quá trình hóa học và công nghệ (Jeong và các cộng

sự, 2009) Thuận lợi chính của phương pháp này là gi ảm được số thí nghiệm nhưng vẫn cho được thông tin đầy đủ và những kết quả có ý nghĩa về mặt thống kê RSM đã thành công trong việc tối ưu hóa sản xuất biodiesel từ nguyên liệu đầu là dầu thực vật

và mỡ động vật (Ghadge và các cộng sự, 2006) Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm được thực hiện theo mô hình CCD và RSM với năm mức và ba yếu tố để tối ưu hóa quá trình transester hóa tổng hợp CFB Bên cạnh đó, các tính chất hóa – lý của CFB cũng được phân tích đánh giá theo các tiêu chuẩn ASTM, JIS và EN

PHẦN HAI – LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

CHƯƠNG 1 TÌNH HÌNH NHIÊN LIỆU, NĂNG LƯỢNG VÀ VẤN ĐỀ Ô

NHIỄM MÔI TRƯỜNG HIỆN NAY 1.1 TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH TRÊN THẾ GIỚI

Năng lượng đóng vai trò thiết yếu đối với sự phát triển kinh tế xã hội và nâng cao chất lượng cuộc sống Mặt khác, an ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôn gắn liền với an ninh năng lượng Vì vậy, chính sách năng lượng luôn được đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến lược phát triển bền vững

Dầu mỏ là một loại tài nguyên khoáng sản quý mà thiên nhiên ban t ặng cho con người So với các khoáng sản khác như: than đá, đồng, chì, nhôm,…thì dầu mỏ được con người biết đến và sử dụng tương đối muộn hơn Dầu mỏ cùng với các loại khí đốt được coi là “vàng đen”, đóng vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế toàn cầu Đây cũng là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất của xã hội dùng để sản xuất điện

và cũng là nhiên liệu của tất cả các phương tiện giao thông vận tải Hơn nữa, dầu mỏ cũng được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất các loại chất dẻo và nhiều sản phẩm khác Dầu mỏ mang lại lợi nhuận siêu ngạch cho các quốc gia và dân tộc trên thế giới đang sở hữu và tham gia trực tiếp kinh doanh nguồn tài nguyên này

Cuối thế kỷ XXI, năng lượng hóa thạch (đặc biệt là dầu mỏ) vẫn giữ vai trò quan trọng nhất so với các dạng năng lượng khác Cùng với than đá, dầu mỏ cùng các loại khí đốt khác chiếm đến 90% tổng tiêu thụ năng lượng toàn cầu Tuy nhiên, dầu

mỏ là dạng năng lượng khoáng, dù trữ lượng có lớn đến đâu thì cũng không tránh khỏi cạn kiệt Hơn nữa, dầu mỏ lại tập trung chủ yếu ở những khu vực bất ổn về tình hình chính trị như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu thế giới), Trung Á, Trung Phi,…(Thông tin dầu khí thế giới, 2005) Không ít các cuộc chiến tranh, các cuộc khủng hoảng kinh tế và chính trị có nguyên nhân sâu xa từ các hoạt động cạnh tranh sản xuất kinh doanh trong lĩnh vực dầu mỏ Mỗi đợt khủng hoảng dầu mỏ, giá dầu biến động làm lay chuyển tình hình kinh tế của nhiều quốc gia, đ ặc biệt là các quốc gia gặp khó khăn về nền kinh tế

Suốt từ năm 1858 đến năm 1960, mọi hoạt động dầu mỏ được thực hiện chủ

đã nhanh chóng nắm bắt khai thác nguồn năng lượng mới này để khống chế chi phí và thu lợi nhuận tối đa Hoạt động xuất khẩu dầu mỏ đầu tiên được thực hiện tại Nga (1884) và sự phát hiện vùng dầu Texas vào cuối thế kỷ XIX, những năm đầu thế kỷ

XX Venuezela bắt đầu khai thác dầu, đến chiến tranh thế giới thứ hai thì về cơ bản giá dầu đã ở mức từ 5–7 USD/thùng Cuối năm 1960, Tổ chức các nước xuất khẩu dầu mỏ OPEC ra đời, từ đó lấy lại thế bình quân trong cạnh tranh và chi phối giá cả, lợi nhuận dầu khí trên toàn thế giới và cũng đặt nền móng cho hoạt động xuất khẩu dầu khí của các quốc gia – một hoạt động mang lại rất nhiều lợi nhuận cho các quốc gia (Biến động giá dầu thô thế giới, 2003)

Tuỳ theo nguồn tính toán, trữ lượng dầu mỏ thế giới vào khoảng từ 1148 tỉ thùng đến 1260 tỉ thùng Trữ lượng dầu mỏ tìm thấy và có khả năng khai thác mang lại hiệu quả kinh tế với kỹ thuật hiện đại đã tăng lên trong những năm gần đây và đạt mức cao nhất vào năm 2003 Năm 2003, lượng dầu mỏ trên toàn thế giới là 3.6 tỷ tấn

Người ta dự đoán trữ lượng dầu mỏ chỉ có thể cung cấp trong vòng 50 năm nữa (BP Statistical Review, 2004)

Việt Nam được xếp vào các nước xuất khẩu dầu mỏ từ năm 1991, khi sản lượng khai thác mới đạt vài ba triệu tấn Đến nay, sản lượng dầu khí khai thác và xuất khẩu hàng năm đã đạt hơn hai chục triệu tấn Tổng số dầu thô xuất khẩu của Việt Nam tính đến năm 2004 đạt khoảng trên 160 triệu tấn với doanh thu trên 30 tỷ USD Với trữ lượng dầu khí không lớn, nước ta từ chỗ xuất khẩu năng lượng (dầu, than), trong tương lai sẽ phải nhập khẩu năng lượng Nước ta thường xuyên diễn ra vấn đề thiếu điện và giá xăng dầu bất hợp lí, làm ảnh hưởng lớn đến vấn đề tăng trưởng và gây nhiều khó khăn trong quá trình phát triển trở thành nước công nghiệp vào năm 2020 (Thoa N T

P., 2006)

1.2 VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯ ỜNG

Theo báo cáo mới nhất của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), tính riêng năm 2010, lượng phát thải nhà kính trên toàn thế giới đã gia tăng ở mức kỷ lục, phủ bóng mờ lên niềm hy vọng về việc duy trì sự nóng lên toàn cầu ở ngưỡng an toàn Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) của Liên hợp quốc đã cảnh báo sự nóng dần lên đến mức báo động của khí hậu Trái Đất

Theo báo cáo, năm 2010 có tới 30.6 tỷ tấn CO2 phát thải vào bầu khí quyển, chủ yếu là do hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch, tăng 1.6 tỷ tấn so với năm 2009

Ngoài ra, mỗi năm diện tích rừng thế giới bị mất khoảng 13 triệu ha rừng nhiệt đới, lượng rừng bị mất này làm gia tăng 6 tỷ tấn CO2 gây hiệu ứng nhà kính, gấp 3.5 lần lượng khí thải do các nhà máy điện và các nhà máy công nghiệp của Liên minh châu

Âu thải vào khí quyển năm 2010 theo chương trình tín dụng khí thải của Nghị định Kyoto về biến đổi khí hậu Sự gia tăng dân số hằng năm kéo theo nhu cầu năng lượng gia tăng, dẫn đến tình trạng môi trường ngày càng xấu đi Vào cuối thế kỷ này, dân số thế giới sẽ lên tới 15 tỷ người, nếu nhu c ầu năng lượng tính theo đầu người vẫn tiếp tục tăng với tốc độ như hiện nay thì tổng nhu cầu năng lượng vào năm 2100 sẽ tăng 4 lần Ngoài ra, phát thải từ các khu công nghiệp, nông nghiệp và đặc biệt là việc khai thác xăng dầu và khí thải từ các phương tiện giao thông là những nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường Phương tiện giao thông là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến hàng năm toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí nhà kính Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề nóng trên thế giới, ô nhiễm không khí ở các khu công nghiệp và đô thị tăng 2–3 lần, ở các nút giao thông tăng 2–5 lần so với quy định Các nguồn ô nhiễm chính là giao thông vận tải chiếm 70%, các ngành công nghiệp và nhà máy nhiệt điện Mỗi năm lượng khí thải thải vào khí quyển là 250 triệu tấn bụi, 200 tấn CO, 150 triệu tấn SO2, 50 triệu tấn các NOx, .( Huyen B T., 2005)

Giáo sư Lord Stern thuộc Học viện Kinh tế và Chính trị London (LSE) đã cảnh báo: “Hiện tượng Trái Đất nóng lên có thể phá hủy cuộc sống và làm đổ “bát cơm” của hàng trăm triệu người trên khắp hành tinh” Ông Fatih Birol, nhà kinh tế học hàng đầu của IEA cho biết: Sự gia tăng này đồng nghĩa với mục tiêu ngăn nhiệt độ tăng trên 2C – ngưỡng có thể tiềm ẩn nguy cơ gây nên “biến đổi khí hậu nguy hiểm” theo các nhà khoa học – sẽ là “điều không tưởng” Ông cũng hy vọng các chính phủ nhanh chóng hành động và cho rằng: “Cơ hội duy trì mức tăng nhiệt độ dưới 2 C sẽ chỉ xuất hiện khi chúng ta có một hiệp định quốc tế ràng buộc về mặt pháp lý hoặc những thay đổi lớn trong công nghệ năng lượng sạch, hiệu suất năng lượng và các loại hình công nghệ khác”

Nước ta chỉ mới ở giai đoạn đầu của công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa, cần có biện pháp hạn chế ô nhiễm bằng cách ứng dụng công nghệ sản xuất sạch, sử dụng nhiên liệu thân thiện với môi trường và quy trình xanh Chính sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ trên thế giới và tình trạng ô nhiễm môi trường đã đặt ra cho toàn nhân loại một nhiệm vụ to lớn, một nhiệm vụ chung của các quốc gia trên toàn thế giới là nghiên cứu để tìm ra nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ

Trước tình hình đó, nhiên liệu sinh học ra đời được xem như là một dạng nhiên liệu có thể thay thế cho nhiên liệu truyền thống

CHƯƠNG 2 NHIÊN LIỆU SINH HỌC 2.1 KHÁI NIỆM VÀ P HÂN LOẠI NHIÊN LIỆU SINH HỌC 2.1.1 Khái niệm nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được hiểu là loại nhiên liệu tái tạo, được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật, ngũ cốc, chất thải công nghiệp, sản phẩm thải trong công nghiệp Nhiên liệu sinh học chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu cho ngành giao thông vận tải và một số ngành sản xuất công nghiệp

2.1.2 Phân loại nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học có thể ở thể rắn như củi, than củi (than đá thuộc loại nguyên liệu

cổ sinh, không thể tái tạo); thể lỏng như xăng sinh học, biodiesel sinh học hay thể khí như methane sinh học (sản xuất từ lò ủ chất phế thải) Tuy nhiên, nhiên liệu sinh học ở thể rắn mặc dù chứa carbon tái tạo nhưng cho nhiều khói, tro bụi, bồ hóng nên làm ô nhiễm môi trường, nhiên liệu thể khí lại khó kiểm soát vấn đề cháy nổ nên nhiên liệu ở thể lỏng ngày càng được ưa chuộng hơn vì có độ tinh khiết cao, chứa nhiều năng lượng, dễ dàng chuyên chở, dễ tồn trữ và bơm vào bình nhiên liệu của xe

* Diesel sinh học (biodiesel): Là loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể

sử dụng thay thế cho dầu diesel truyền thống Biodiesel được điều chế từ dẫn xuất của một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật) thông qua quá trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại alcohol, phổ biến nhất là methanol Hiện nay, trên thế giới đã và đang sử dụng dạng biodiesel tinh khiết và dạng biodiesel pha trộn

* Xăng sin ọc (Biogasoline): Là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng

ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các s ản phẩm hữu cơ như tinh bột, cenlulose, lignocenlulose Thông thường được pha từ 10–25% ethanol khan với xăng chưng cất từ dầu mỏ không có phụ gia để đạt chỉ số octane 90, 92, 95,…và có tính chất hóa lý tương đương xăng có nguồn gốc từ dầu mỏ Chúng được sử dụng cho động cơ xăng truyền thống mà không cần phải hoán đổi động cơ

* Sinh khối (Biomass): là nguyên liệu sinh học được lấy từ cơ thể sinh vật, hay vừa

mới tồn tại trong cơ thể sinh vật (chất thải) Năng lượng sinh khối có thể dùng trực tiếp, gián tiếp một lần hay chuyển thành dạng năng lượng khác như nhiên liệu sinh học Sinh khối có thể chuyển thành năng lượng theo ba cách: chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi hóa học và chuyển đổi sinh hóa Một số nguồn nguyên liệu sinh khối như: rơm rạ,

bã mía, trấu, xơ dừa,…

* K í sin ọc (Biogas): Là hỗn hợp khí hữu cơ gồm chủ yếu là khí methan (50–

60%), carbon dioxide (>30%), hydrosulfuric, hơi nước,…được tạo thành do sự phân hủy yếm khí các hợp chất hữu cơ trong nông, lâm nghiệp, chăn nuôi, xử lý chất thải,…Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho các s ản phẩm khí từ sản phẩm dầu mỏ

2.2 BIODIESEL 2.2.1 Khái niệm biodiesel và một số khái niệm liên quan đến biodiesel

2.2.1.1 K ái niệm biodiesel

Hình 2-1: Mẫu Biodiesel

(Nguồn: forum.nationstates.net)

Biodiesel (còn gọi là diesel sinh học) là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà được sản xuất

từ dầu thực vật hay mỡ động vật

Theo tiêu chuẩn ASTM, biodiesel được định nghĩa: “Là các monoalkyl ester của các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo lại như: dầu thực vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel” Hiện nay, biodiesel chính

là giải pháp cho việc cạn kiệt nguồn tài nguyên dầu mỏ và sự đe dọa môi trường sống của con người do khói thải từ giao thông và công nghiệp

2.2.1.2 Một số ái niệm liên qu n đến biodiesel

* Khối lượng riêng và tỷ trọng

Khối lượng riêng được đo bằng g.cm-3 hay kg.m-3 là khối lượng c ủa một đơn vị thể tích Tỷ trọng là tỷ số khối lượng riêng của một chất nào đó với khối lượng riêng của chất chuẩn được đo trong những điều kiện xác định (nhiệt độ)

Khối lượng riêng và tỷ trọng là những tính chất cơ bản và cùng với những tính chất vật lý khác nó đặc trưng cho từng loại phân đoạn sản phẩm dầu mỏ cũng như dùng để đánh giá phần nào chất lượng của dầu thô

* Điểm chớp c áy

Điểm chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại áp suất khí quyển (101.3 kPa), mẫu dầu nhớt được đun nóng bốc hơi và bắt lửa, mẫu sẽ chớp cháy khi có ngọn lửa và lan truyền ra khắp bề mặt của mẫu dầu Chỉ số này dùng để phân lo ại vật chất theo khả năng cháy nổ Nó có tầm quan trọng trong biện pháp phòng ngừa an toàn liên quan đến

sử dụng và lưu trữ nhiên liệu So với petrodiesel thì biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn

* Điểm đục

Điểm đục là điểm mà ở nhiệt độ nhất định các tinh thể bắt đầu kết tinh tách ra khỏi dầu biodiesel Điểm đục phụ thuộc vào thành phần các acid béo và các tạp chất có trong biodiesel Biodiesel thường có điểm đục cao hơn petrodiesel do đó phần nào cản trở việc sử dụng biodiesel Những biodiesel có mức độ chưa bão hòa càng cao thì có điểm đục càng thấp

* Độ bền oxy

Quá trình oxy hoá là một dạng làm hỏng tính chất hóa học của dầu Độ bền oxy hóa là một trong những chỉ số quan trọng của nhiên liệu Nếu dầu dễ bị oxy hóa sẽ dễ làm thay đổi chỉ số acid cũng như độ nhớt Quá trình oxy hóa có thể làm phát sinh ra các dạng acid, ketone, aldehyde và các hợp chất khác Ngoài ra, các hợp chất chứa oxy có thể bị polymer hóa tạo thành những chất có độ nhớt cao, mà đến một nhiệt độ nào đó

sẽ trở nên không tan trong dầu Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng nếu các acid béo có độ chưa bão hòa càng cao thì càng dễ bị oxy hóa, đồng phân trans thì

dễ bị oxy hóa hơn đồng phân cis, nếu hợp chất có cùng số liên kết đôi thì chất nào có trọng lượng cao hơn thì có độ bền oxy hóa cao hơn

* Độ nhớt động học

Độ nhớt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát nội sinh ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau, hay được hiểu là đặc trưng cho tính kháng chảy của dầu Dầu càng đặc thì càng khó chảy và ngược lại Độ nhớt động học chính là lý do lại dùng biodiesel thay cho dầu thực vật hay mỡ động vật nguyên chất Độ nhớt của dầu mỡ động thực vật khá cao dẫn đến các vấn đề trong động cơ khi

sử dụng chúng trực tiếp làm nhiên liệu Độ nhớt c ủa biodiesel thấp hơn c ủa dầu mỡ động thực vật và có điểm cháy cao hơn petrodiesel Điều này rất có lợi cho việc vận chuyển cũng như bảo quản biodiesel

* Chỉ số cetane

Chỉ số cetane là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng biodiesel

Chỉ số cetane hay CN là sự đo lường chất lượng cháy của nhiên liệu dẫn đến quá trình đốt nén Chỉ số cetane thường là sự đo lường duy trì sự cháy của một nhiên liệu, thời gian bắt đ ầu nạp và đốt nhiên liệu Thời gian bốc cháy trễ càng ngắn thì chỉ số cetane càng cao và ngược lại

Thông thường động cơ diesel chạy tốt với CN từ 40–55 Nếu chỉ số cetane cao sẽ duy trì sự cháy ngắn Không có lợi khi sử dụng nhiên liệu mà chỉ số cetane cao hơn mức quy định của nhà chế tạo động cơ Nhiên liệu diesel mà chỉ số cetane thấp hơn mức tối thiểu mà động cơ quy định sẽ gây tiếng ầm ỉ trong động cơ, khởi động khó khăn hơn khi thời tiết lạnh và ở độ cao Nhiên liệu có CN thấp sẽ làm tăng chất lắng,

chất c ặn dầu trong động cơ, gây phun nhiều khói, làm tiêu hao năng lượng nhiên liệu

và hao mòn động cơ

* Chỉ số độ nhớt

Chỉ số độ nhớt (VI) là đặc trưng cho mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ nhớt

Dầu có chỉ số độ nhớt càng cao thì độ nhớt của nó ít thay đổi theo nhiệt độ

* Trị số acid tổng (Total acid number – TAN)

Trị số acid tổng là chỉ tiêu đánh giá tính acid của dầu, đặc trưng bởi số mg KOH cần thiết để trung hòa tất cả các hợp chất mang tính acid có trong 1 gam dầu Chỉ số acid giúp đánh giá trực tiếp lượng acid tự do có trong dầu Acid sẽ ăn mòn động cơ và giúp đánh giá sự hiện diện của nước trong nhiên liệu Đây là chỉ số cần phải được kiểm tra thường xuyên trong quá trình bảo quản biodiesel

* Trị số kiềm tổng (Total base number – TBN)

Trị số kiềm tổng là số mg KOH tỉ lượng tương đương với lượng acid HCl (hoặc HClO4) cần thiết để trung hòa các base chứa trong 1 gam dầu Tính kiềm là chỉ tiêu rất cần thiết để xét đoán chất lượng dầu nhờn, nhằm đ ảm bảo trung hoà các hợp chất acid tạo thành trong quá trình sử dụng, tránh hiện tượng rỉ sét trên bề mặt các chi tiết kim loại

Acid tan trong nước biểu hiện sự có mặt của acid vô cơ, được phát hiện định tính theo sự đổi màu của chất chỉ thị đối với lớp nước tách khỏi dầu khi làm kiểm nghiệm

Quy định tuyệt đối không có acid vô cơ trong dầu

* Ăn mòn lá đồng

Là chỉ tiêu giúp đánh giá mức độ ăn mòn tấm đồng của nhiên liệu và dung môi hiện diện Chỉ tiêu này giúp kiểm tra sự hiện diện của acid trong nhiên liệu

2.2.2 Sự hình thành và phát triển của biodiesel

Biodiesel bắt đầu được sản xuất từ kho ảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glycerol ứng dụng làm xà phòng và các phụ phẩm methyl ho ặc ethyl ester gọi chung là biodiesel

Ngày 10/08/1893, Rudlf diesel đã sử dụng biodiesel do ông sáng chế để chạy máy lần đầu tiên Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu dừa 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 đến môi trường của việc sử dụng nhiên liệu truyền thống, 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 người đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của biodiesel, Hiệp hội 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

Năm 1900, tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Pari, Diesel đã biểu diễn động cơ dùng dầu biodiesel chế biến từ dầu lạc

Trong những năm của thập kỉ 90, Pháp đã triển khai sản xuất biodiesel từ dầu hạt cải Và được dùng ở dạng B5 (5% biodiesel với 95% diesel) và B30 (30%

biodiesel trộn với 70% diesel) (Ha V T T., 2009)

2.2.3 Tính chất của biodiesel

2.2.3.1 ín c ất vật lý

Biodiesel là chất lỏng màu vàng nhạt, có mùi nhẹ, dễ bay hơi, tỷ trọng khoảng 0.88 g.cm-3, độ nhớt tương đương với diesel, không tan trong nước, bền và không chứa các thành phần nguy hiểm cho môi trường Biodiesel tồn trữ tốt nhất trong container ở 50

F đến 120 F, không tiếp xúc với các chất oxy hóa, nguồn lửa nhiệt, ho ặc dưới ánh sáng mặt trời và phải được thông hơi

Biodiesel có khả năng đóng vai trò chất khử đối với đồng, chì, thiếc, kẽm,… do

đó người ta không dùng các nguyên liệu trên cũng như hợp kim của chúng làm bồn chứa Nhôm, thép, polymer ho ặc teflon thường được sử dụng làm vật liệu tồn trữ và vận chuyển biodiesel

Biodiesel gây ảnh hưởng ít nhiều khi tiếp xúc với các bề mặt sơn, vecni,…hoặc làm thoái hóa cao su thiên nhiên Biodiesel chứa từ 10–11% oxy, do đó quá trình cháy xảy ra hoàn toàn và không có tiếng ồn

2.2.3.2 Các yếu tố ản ưởng đến tín c ất của biodiesel

Một số chất có trong dầu mỡ động thực vật còn lại trong quá trình sản xuất biodiesel

có thể gây ra một số tính chất như oxy hóa, polymer hóa,…làm ảnh hưởng đến chất lượng của biodiesel Các biodiesel khác nhau được sản xuất từ các loại nguyên liệu khác nhau, do đó cũng cho những đặc tính khác nhau Thành phần về acid béo cũng như sự hiện diện của các chất bẩn, các thành phần nhỏ, khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp, độ nhớt động học, độ bền oxy hóa, chỉ số cetane,…điều ảnh hưởng đến các đặc tính của nhiên liệu

Acid béo no hoặc không no tự do trong thành phần của biodiesel khi tiếp xúc với không khí sẽ bị oxy hóa thành chất rắn hoặc chất keo Do đó mà biodiesel có nguồn gốc từ dầu mỡ động vật bền hơn từ thực vật Tuy nhiên điểm chảy và điểm đục lại cao hơn, nghĩa là việc sử dụng biodiesel trong môi trường nhiệt độ thấp sẽ khó khăn hơn

Tính chất của biodiesel phụ thuộc rất nhiều vào thành phần của nguyên liệu sử dụng Mỗi loại dầu mỡ có thành phần acid béo khác nhau Các acid béo no như C14:0, C16:0, C18:0 cho biodiesel có chỉ số cetane cao, độ bền oxy hóa cao hơn nhưng lại dễ

bị kết tinh trong môi trường nhiệt độ thấp và không chịu được nhiệt độ cao

Bảng 2-1: Ảnh hưởng của loại nguyên liệu đến tính chất của biodiesel

Chỉ số cetane

Ngược lại, các acid béo không no dễ bị oxy hóa nhưng bền trong môi trường lạnh Acid béo mạch dài làm tăng độ nhớt và biodiesel không ổn định ở thời tiết lạnh

Những nghiên cứu gần đây cho thấy mỡ động vật là nguyên liệu thích hợp nhất để sản xuất biodiesel do thành phần có hàm lượng acid oleic cao làm cho biodiesel có tính ổn định phù hợp với những nước có khí hậu lạnh

Các chất bẩn bao gồm các sản phẩm từ phản ứng không mong muốn hoặc chưa hoàn thành như là FFA, xà phòng, TAG, DAG, MAG, alcohol, chất xúc tác, glycerine, kim loại và nước TAG và DAG nếu có trong biodiesel do quá trình sản xuất sẽ làm tăng độ nhớt, tạo cặn khi bị đốt cháy Nhóm –OH trong glycerine hoặc MAG khi phản ứng với hợp kim chứa crom hoặc kim loại sẽ ăn mòn vòng xi hoặc vòng piston làm bằng crom có trong động cơ Hydroperoxide nếu có trong biodiesel rất dễ bị oxy hóa thành aldehyde và acid cũng như gây ra quá trình polymer tạo thành gum hoặc cặn không tan (Dat N V., 2011)

Nếu biodiesel bị ô nhiễm bởi methanol, nó sẽ không đ ạt được đến điểm cháy thấp nhất của nhiên liệu tiêu chuẩn Sự có mặt methanol trong biodiesel thông thường là do tinh chế biodiesel chưa triệt để sau phản ứng transester hóa

Nước là một chất ô nhiễm chính trong dầu Một khi nước có mặt trong dầu sẽ gây

ra các vấn đề nghiêm trọng như: ăn mòn động cơ, thúc đẩy sự sinh trưởng vi sinh vật

và gây thủy phân biodiesel

Chất xúc tác và glycerine có trong dầu là do quá trình tinh chế sau phản ứng transester hóa Glycerine tồn tại trong dầu dưới dạng tự do hoặc liên kết Nó ảnh hưởng đến khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp cũng như đến độ nhớt của biodiesel

Thành phần nhỏ trong dầu động thực vật được tìm thấy có thể gồm tocopherols, phospholipids, chlorophyll, các vitamin tan trong dầu, steryl glucosides và các hydrocarbon Số lượng các thành phần này phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu

và quá trình tinh chế sản phẩm Tocopherols trong biodiesel sẽ có tác dụng giống như một chất chống oxy hóa Trong khi các steryl glucoside lại gây hỏ ng động cơ

Biodiesel có thể bị oxy hóa khi tiếp xúc với không khí Khả năng này được đánh giá thông qua chỉ số peroxit Trong dầu mỡ động thực vật thường có sẵn một số chất chống oxy hóa như vitamin E (tocopherol) Nếu loại các chất này đi thì quá trình oxy

đôi Trong quá trình sản xuất để giảm hàm lượng glycerine tổng đáp ứng yêu cầu của các tiêu chuẩn, người ta thường chưng cất lại biodiesel

2.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của biodiesel

2.2.4.1 Ưu điểm

* Đối với môi trường

Nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật không đóng góp vào quá trình phát thải

CO2 – khí nhà kính Hơn nữa, sự cân bằng trong phát thải CO2 đối với biodiesel còn thể hiện qua chu trình khép kín: biodiesel sau sử dụng sẽ thải khí CO2, cây trồng hấp thụ CO2 với năng lượng mặt trời lại phát triển, tạo ra nguồn nguyên liệu cho sản xuất biodiesel

Ở phạm vi toàn cầu, khí thải ôtô chiếm gần 20% tổng khí thải gây hiệu ứng nhà kính phát ra từ các quá trình liên quan tới năng lượng Cả ethanol và biodiesel đều bảo đảm giảm đáng kể phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính Kết quả công trình nghiên cứu cho thấy biodiesel giảm tới 70% so với dầu diesel Hàm lượng các khí thải độc hại khác như CO, NOx, SOx, hydrocarbon đều giảm đi đáng kể khi sử dụng nhiên liệu sinh học Ngoài ra, nhiên liệu sinh học còn có khả năng phân huỷ sinh học nhanh, ít gây ô nhiễm nguồn nước và đ ất

* Sản xuất và ứng d ụng biodiesel

Sản xuất và sử dụng biodiesel tương đối đơn giản hơn so với các dạng nhiên liệu mới khác như hydro, pin nhiên liệu, LPG; không đòi hỏi phải sử dụng những thiết bị và công nghệ đắt tiền Công nghệ sản xuất biodiesel không phức tạp, có thể sản xuất từ quy mô nhỏ đến quy mô lớn Việc sử dụng nhiên liệu sinh học cũng sẽ nâng cao ý thức tiết kiệm năng lượng cho cộ ng đồng do nhận thức về nguồn nhiên liệu có nguồn gốc từ thực phẩm

* P át triển kinh tế nông ng iệp

Thông qua nguyên liệu đầu vào của các nhà máy là sản phẩm nông nghiệp, do đó việc sản xuất biodiesel có thể kích thích sản xuất nông nghiệp và mở rộng thị trường cho sản phẩm nông nghiệp trong nước Việc sản xuất biodiesel từ một số cây trồng như dừa, lạc mở ra cơ hội thị trường sản phẩm mới cho nông dân với tiềm năng tăng thu nhập ho ặc tăng năng lực sản xuất của đất canh tác hiện có, tận dụng các vùng đất

Chính sách phát triển nguồn nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học phù hợp cũng sẽ tạo sự đa dạng môi trường sinh học với các chủng loại thực vật mới Bên cạnh đó, việc tận dụng các nguồn phụ, phế phẩm nông nghiệp để sản xuất biodiesel giúp đảm bảo không ảnh hưởng đến an ninh lương thực khi phát triển nhiên liệu sinh học, đồng thời nâng cao giá trị của sản phẩm nông nghiệp

* Bảo đảm n nin năng lượng

Phát triển nhiên liệu sinh học giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc vào vấn

đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia không có nguồn dầu mỏ và than đá; đồng thời kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu, ổn định tình hình năng lượng cho thế giới Do được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo, biodiesel thật sự là một lựa chọn ưu tiên cho các quốc gia trong vấn đề an ninh năng lượng Hơn nữa, việc phát triển nhiên liệu sinh học trên cơ sở tận dụng các nguồn nguyên liệu sinh khối khổng lồ

sẽ đảm bảo an ninh năng lượng cho các quốc gia

2.2.4.2 N ược điểm

Hiện nay, từ những thông tin quảng bá về biodiesel, nhiều người lầm tưởng rằng việc

sử dụng nó chỉ có lợi mà không có hại gì Trên thực tế, biodiesel cũng có những nhược điểm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống 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 oxy 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 của 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 nhiệt độ thấp

Biodiesel rất dễ bị oxy hóa nên gây nhiều khó khăn trong việc bảo quản Theo khuyến cáo của NBB thì không nên sử dụng B20 sau 6 tháng bảo quản trong khi hạn

sử dụng của dầu diesel thông thường có thể lên đến 5 năm

Bên cạnh đó, để sản xuất biodiesel ở quy mô lớn cần phải có một nguồn nguyên liệu dồi dào và ổn định Việc thu gom dầu ăn phế thải không khả thi do số lượng hạn chế, lại phân tán nhỏ lẻ Những nguồn nguyên liệu có thể chế biến thành dầu ăn (cải

diện tích đất nông nghiệp cho việc trồng cây lấy dầu ăn là có hạn Để giải quyết bài toán nguyên liệu này, trên thế giới đang có xu hướng phát triển những loại cây lấy dầu

có tính công nghiệp như cây dầu mè (jatropha curcas), hoặc những loại cho năng suất cao như tảo

2.2.5 Nguồn nguyên liệu, tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới và tiềm năng phát tri ển sản xuất biodiesel tại Việt Nam

2.2.5.1 ìn ìn sản xuất và sử dụng biodiesel trên t ế giới

Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và để ổn định nguồn cung ứng, các quốc gia thuộc khối EU đã đặt ra mục tiêu là nhiên liệu sinh học chiếm 5.75% trong lĩnh vực giao thông vào năm 2010, và đạt con số 10% vào năm 2020 Trong các loại nhiên liệu sinh học ở EU thì biodiesel là nhiên liệu được sản xuất nhiều nhất, chiếm 82% tổng số nhiên liệu sinh học Hiện nay, các thị trường dẫn đầu về biodiesel là EU

và Hoa Kỳ đã đạt được năng suất cực lớn trong những năm qua Trong đó, EU đứng đầu với tổng sản lượng biodiesel của năm 2008 là 7.8 triệu tấn (trong đó Đức sản xuất nhiều nhất, chiếm 2.8 triệu tấn), tăng 35.7% so với năm 2007 là 5.7 triệu tấn Hoa Kỳ đứng thứ hai, sản lượng tăng từ 946 triệu lít năm 2006 lên 1.7 tỷ lít năm 2007, và

khoảng 2.46 tỷ lít trong năm 2008 Số liệu được thể hiện ở Hình 2-2 với 1 gallon

tương đương với 3.78 lít (Ha V T T và các cộng sự, 2009)

Hình 2-2: Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên thế giới

(Nguồn: Trung tâm khoa học và công nghệ quốc gia)

Đồ thị trên đã cho thấy sản lượng tăng đều đặn trong những năm gần đây, tăng

từ 7.1 triệu tấn năm 2006 lên 9.0 triệu tấn năm 2007 và 11.1 triệu tấn năm 2008 Còn tiềm năng sản xuất biodiesel thì tăng vọt, trữ lượng biodiesel tăng từ 12.2 triệu tấn năm

2006 lên 23.1 triệu tấn năm 2007, và đạt 32.6 triệu tấn năm 2008 Và hơn thế nữa, thị trường biodiesel của thế giới ước tính sẽ đạt được con số 37 tỷ gallon – tương đương

140 tỷ lít vào năm 2016, tốc độ tăng trưởng hằng năm đạt 42% Trong năm 2007, chỉ

có khoảng 20 quốc gia sản xuất biodiesel Đến năm 2010, có hơn 200 quốc gia tham gia nghiên cứu và sản xuất biodiesel, thúc đẩy thế giới bước vào một thời đại mới, mà các quốc gia đều tích cực tạo ra nguồn năng lượng xanh phục vụ chủ yếu cho ngành giao thông vận tải

Hình 2-3: Biểu tượng nhiên liệu Biodiesel

2.2.5.2 Các nguồn nguyên liệu và xu ướng sản xuất biodiesel trên t ế giới

Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất ra biodiesel là dầu thực vật và mỡ động vật

Nguồn nguyên liệu này rất đa dạng và phong phú, mỗi quốc gia trên thế giới sẽ lựa chọn những nguyên liệu phù hợp nhất với điều kiện sản xuất của quốc gia đó

Với điều kiện ở Châu Âu thì cây c ải dầu với lượng dầu từ 40–50% là cây thích hợp để làm nguyên liệu sản xuất biodiesel Mỹ cũng vận dụng công nghệ sinh học hiện đại như nghiên cứu gen đã được thực hiện tại phòng thí nghiệm năng lượng tái sinh quốc gia tạo được một giống tảo mới có hàm lượng dầu trên 60%, một mẫu có thể sản xuất được trên 2 tấn dầu diesel sinh học

Ở Trung Quốc, người ta sử dụng cây cao lương và mía để sản xuất biodiesel

Cứ 16 tấn cây cao lương có thể sản xuất được 1 tấn cồn, phần bã còn lại có thể chiết xuất được 500 kg biodiesel Ngoài ra, Trung Quốc còn nghiên cứu phát triển khai thác một loại nguyên liệu mới, đó là tảo Khi nghiên cứu lo ại dầu sinh học từ tảo thành công và đưa vào sản xuất, quy mô sản xuất có thể đạt tới hàng chục triệu tấn

Các nước Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất thì sử dụng dầu jojoba, một loại dầu được sử dụng phổ biến trong mỹ phẩm để sản xuất biodiesel Tại Đông Nam Á, các nước Thái Lan, Inđônêxia, Malaysia cũng đã đi trước nước ta một bước trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học Ở Thái Lan, dầu cọ sử dụng phổ biến và đang thử nghiệm hạt cây jatropha, cứ 4 kg hạt jatropha ép được 1 lít biodiesel tinh khiết, đặc biệt loại hạt này không dùng để ép dầu ăn và có thể mọc trên những vùng đất khô cằn, nên giá thành thấp hơn so với các loại hạt có dầu truyền thống khác Tương tự như Thái Lan, Inđônêxia cũng chú ý đến cây jatropha Inđônêxia đặt ra mục tiêu đến năm 2010, nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 10% nhu cầu năng lượng trong ngành điện và giao thông vận tải (Ha V T T., 2009)

Do chi phí cho việc trồng cây nguyên liệu lấy dầu rất thấp, hơn nữa chúng lại có sẵn trong tự nhiên nên trong tương lai, diesel sinh học có thể được sản xuất ra với chi phí thấp hơn nhiều so với diesel lấy từ dầu mỏ Tuy nhiên, bài toán nguyên liệu đặt ra

ở đây là: “Diesel sinh học cũng có thể làm thay đổi nhu cầu đối với đất nông nghiệp”, Trevor Price, một chuyên gia môi trường tại Anh đã nhận định Diesel có thể giải quyết được bài toán hiệu ứng nhà kính và sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch, nhưng dẫu sao nó vẫn cần rất nhiều diện tích đất Các cánh r ừng có thể bị đốt phá để trồng cọ, đậu tương và những cây lấy dầu khác Nhiều quốc gia sẽ phải lựa chọn nhiên liệu và thực phẩm Vì vậy, ở nhiều quốc gia đã sử dụng nguồn nguyên liệu là mỡ các loại động vật ít có giá trị về mặt kinh tế để sản xuất biodiesel

2.2.5.3 Tiềm năng nguyên liệu cho sản xuất biodiesel tại Việt Nam

Việc điều chế và thử nghiệm biodiesel fuel (BDF) từ dầu thực vật ở nước ta bắt đầu được quan tâm từ những năm 1980 Đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học (NLSH) đến năm 2015, tầm nhìn đến 2025” đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 20/11/2007 Trong khoảng 5 năm gần đây các nghiên cứu về BDF được chú ý nhiều, chủ yếu theo phương pháp transester hóa với nguồn nguyên liệu dầu đậu nành, dầu dừa, dầu thải, dầu cá,…

Việc đẩy mạnh nghiên cứu và sử dụng dầu thực vật làm nguyên liệu sản xuất biodiesel sinh học có thể sẽ là tiền đề cho việc định hướng phát triển cây thực vật có dầu và mở rộng ngành công nghiệp sản xuất và tinh chế dầu thực vật làm BDF với quy

nước ta vẫn còn hạn chế vì ta chưa qui hoạch trồng cây có dầu cung cấp cho sản xuất nhiên liệu sinh học và các nguồn nhiên liệu truyền thống vẫn đang đóng vai trò chính

Hơn nữa, tuy là nước nông nghiệp nhưng hằng năm chúng ta vẫn phải nhập một lượng lớn dầu thực vật để tinh luyện phục vụ cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu Một số loại cây có dầu có tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta trong tương lai (Ha V T T và các cộng sự, 2010)

ha đất hoang hóa, dọc ven các đường quốc lộ trồng cây jatropha để lấy dầu

Hình 2-4: Jatropha

* D a

Dừa là cây được trồng phổ biến ở nước ta với diện tích lớn Tuy nhiên, năng suất của dầu thấp, tối đa đạt được 1 tấn dầu/ha Sản lượng dầu ép không cao

vì ngoài sản xuất biodiesel, dừa còn được sử dụng nhiều để sản xuất các sản phẩm khác như: cơm dừa sấy, xơ dừa, than gáo, các s ản phẩm thủ công,…

Hình 2-5: Dừa

* Cà p ê

Cà phê là loại nông sản mang ý nghĩa kinh tế rất lớn Hiện nay có r ất nhiều sản phẩm từ cà phê và được sử dụng hầu hết trên thế giới Cà phê được

sử dụng là thức uống, thực phẩm,….Ngoài ra, bã

cà phê còn được ứng dụng vào sản xuất biodiesel với hiệu suất ở mức trung bình

Hình 2-6: Cà phê

* Vi tảo

TS Trương Vĩnh và các cộng sự ở Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh đã chứng minh cho thấy tảo biển Chlorella có triển vọng là nguồn sản xuất dầu biodiesel phong phú mà không hề xâm hại đến diện tích đất canh tác nông nghiệp (Vinh T., 2011)

* Cây điều

Cây điều có nguồn gốc từ vùng Đông Bắc Brazil, hiện nay đã được du nhập vào nhiều quốc gia trên thế giới để lấy nhân hạt chế biến làm thực phẩm

Ở Việt Nam, điều được trồng nhiều ở các tỉnh miền Đông và các địa phương lân cận

Nhân là sản phẩm chính của cây điều do có giá trị cao, sử dụng đa dạng Sau khi loại hết vỏ, nhân được rang, dùng tươi hoặc chế biến thực phẩm

* Mỡ cá tr , cá b s

Mỡ cá tra, cá ba sa là phụ phẩm của quá trình chế biến cá xuất khẩu, nguồn nguyên liệu quan trọng cho chế biến biodiesel Việt Nam là quốc gia sản xuất và xuất khẩu cá

da trơn lớn nhất thế giới Do đó, lượng phụ phẩm tạo ra cũng rất lớn, chiếm tỉ lệ 15–

20% tổng lượng cá, sử dụng mỡ cá tra, cá ba sa để sản xuất biodiesel là giải pháp hữu ích nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường do mỡ cá thải ra…

Năm 2004, nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Đình Thành đã cho ra công nghệ sản xuất biodiesel từ nguồn dầu phế thải và mỡ cá ba sa Nguồn nguyên liệu cùng chất

xúc tác và methanol qua quá trình phản ứng trong thời gian dài từ 4–6 giờ, ta thu được biodiesel và glycerine (dùng trong pha chế mỹ phẩm) Với phương pháp này, một tấn nguyên liệu có thể thu được 100 kg glycerine

và 800 kg biodiesel Các tiêu chuẩn về điểm chớp cháy, độ nhớt sản phẩm đều đạt tiêu chuẩn chung nhưng giá thành của biodiesel giảm khoảng 20% so với giá dầu diesel trên thị trường

Hình 2-9: Mỡ cá ba sa

2.2.6 Tiêu chuẩn về chất lượng của biodiesel ở một số khu vực

2.2.6.1 iêu c í c uẩn của Hoa Kỳ về chất lượng biodiesel trên t ị trường

Tiêu chí chuẩn của Hoa Kỳ về chất lượng biodiesel trên thị trường được trình bày ở

Bảng 2-2

Bảng 2-2: Tiêu chí tiêu chuẩn của biodiesel theo ASTM D–6751

Nhiệt độ chớp cháy (một trong hai yêu cầu sau) ASTM D 93 93 min  C Hàm lượng methanol EN 1411 0.2 max % khối lượng

Hàm lượng nước và cặn ASTM D 2709 0.05 max % thể tích Hàm lượng cặn carbon ASTM D 4530 0.05 max % khối lượng Hàm lượng tro sulphate ASTM D 874 0.02 max % khối lượng

Độ nhớt động học ở 40  C ASTM D 445 1.9–6.0 cSt (mm2.s-1) Hàm lượng lưu huỳnh ASTM D 5453

Tổng hàm lượng glycerine ASTM D 6854 0.24 max % khối lượng

Nhiệt độ chưng cất, 90% thể tích,

Tổng hàm lượng Ca, Mg EN 14538 5 max mg.kg-1

(Nguồn: EAS–ERIA Biodiesel fuel trade handbook, 2010) Tổng lượng glycerine chính là tổng phần glycerine ở dạng liên kết (MAG, DAG, TAG) và glycerine tự do Glycerine không tan trong biodiesel, có độ nhớt cao Nhiên liệu chứa nhiều glycerine dẫn đến hiện tượng lắng glycerine, làm nghẽn bộ lọc nhiên liệu và làm xấu đi quá trình cháy trong động cơ

2.2.6.2 iêu c uẩn Việt Nam về chất lượng biodiesel

Tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng của biodiesel được xây dựng trên hai tiêu chuẩn ASTM (Hoa Kỳ) và EN (Châu Âu) Bảng giới thiệu một số chỉ tiêu chất lượng đối với biodiesel (B100)

Bảng 2-3: Các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel gốc (B100)

Khối lượng riêng ở 15  C ASTM D 1298 860-900 Kg.m-3

Hàm lượng nước và cặn ASTM D 2709 0.05 max % thể tích Hàm lượng cặn carbon ASTM D 4530 0.05 max % khối lượng Hàm lượng tro sulphate ASTM D 874 0.02 max % khối lượng

Độ nhớt động học ở 40  C ASTM D 445 1.9–6.0 cSt (mm2.s-1)

Hàm lượng glycerine tự do ASTM D 6854 0.02 max % khối lượng Tổng hàm lượng glycerine ASTM D 6854 0.24 max % khối lượng

Nhiệt độ chưng cất, 90% thể tích, T90

(Nguồn: EAS–ERIA Biodiesel fuel trade handbook, 2010)

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT B IODIESEL

Người ta thường dùng dầu thực vật và mỡ động vật để điều chế biodiesel Đối với dầu thực vật, c ần áp dụng phương pháp xử lý dầu để tính chất của nó gần giống với nhiên liệu diesel Sự khác nhau cơ bản của dầu thực vật so với nhiên liệu diesel chính là độ nhớt Ảnh hưởng của độ nhớt cao làm cho hệ thống cấp nhiên liệu của động cơ hoạt động không bình thường, nên chất lượng của quá trình phun và cháy kém hơn Do chất lượng của quá trình phun và cháy kém nên các chỉ tiêu của động cơ diesel sẽ giảm khi

sử dụng biodiesel Vì lý do trên, trong số các giải pháp xử lý biodiesel để tính chất của

nó gần giống với nhiên liệu diesel thì phương pháp làm giảm độ nhớt được quan tâm trước tiên

2.3.1 Phương pháp cracking

Quá trình cracking nguyên liệu sản xuất biodiesel gần giống với quá trình cracking dầu

mỏ Nguyên tắc cơ bản của quá trình là cắt ngắn mạch hydrocarbon bằng tác dụng của nhiệt và chất xúc tác thích hợp Dầu và mỡ sau khi bị nhiệt phân sẽ tạo thành các hợp chất có mạch ngắn hơn do đó độ nhớt sẽ giảm đi Xúc tác tiêu biểu sử dụng trong quá trình nhiệt phân là SiO2 và Al2O3 Sản phẩm của quá trình cracking thông thường bao gồm khí, xăng, nhiên liệu DO và một số sản phẩm phụ khác

Nhược điểm: thiết bị sử dụng trong quá trình rất đắt, tốn năng lượng, khó thực hiện ở quy mô nhỏ và sản phẩm gồm nhiều loại nhiên liệu

2.3.2 Phương pháp sấy nóng

Độ nhớt sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả vì để dầu thực vật và mỡ đạt được độ nhớt cần thiết cho nhiên liệu diesel thì đòi hỏi nhiệt độ khá cao (ví dụ: đối với dầu canola ở nhiệt độ môi trường thì độ nhớt của nó gấp 12 lần

so với nguyên liệu diesel, ở nhiệt độ 80C thì độ nhớt vẫn còn gấp 6 lần so với nguyên liệu diesel), hơn nữa, hệ thống gia nhiệt cho dầu không thể duy trì mãi khi động cơ không hoạt động, điều đó làm cho dầu sẽ bị đông lại, đặc biệt là vào mùa đông Trước khi khởi động, dầu cần được đốt nóng nên gây ra những bất tiện cho người lái xe