TÌM HIỂU VỀ TÍNH CHẤT LÝ HÓA – TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT, QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL VÀ KHẢO NGHIỆM ĐỘNG CƠ KUBOTA RK125 2X – GE TẠI XƯỞNG.

Nhiên liệu biodiesel là một trong các loại nhiên liệu sinh học, có một số ưu điểm chính như: Không độc hại, phân hủy được trong tự nhiên, sản xuất từ nguồn nguyên liệu có thể tái tạo, đạ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU VỀ TÍNH CHẤT LÝ HÓA – TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT, QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL VÀ KHẢO

Sinh viên thực hiện: Lê Việt Triều Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô Niên khóa: 2008 – 2012

TP.Hồ Chí Minh Tháng 6 – 2012

TÌM HIỂU VỀ TÍNH CHẤT LÝ HÓA – TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT, QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL VÀ KHẢO NGHIỆM ĐỘNG CƠ

KUBOTA RK125 2X – GE TẠI XƯỞNG

Tác giả

LÊ VIỆT TRIỀU

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Giáo viên hướng dẫn:

Thạc sỹ Thi Hồng xuân

Tháng 6 năm 2012

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt 4 năm học tại trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh, tôi đã nhận được rất nhiều kiến thức từ sự hướng dẫn tận tình của quý thầy cô, cũng như sự giúp đỡ của bạn bè cùng lớp DH08OT Những kiến thức đó là hành trang không thể thiếu để tôi bước tiếp con đường của tôi

Với lòng biết ơn sâu sắc, hôm nay tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến:

 Chân thành cảm ơn cha mẹ đã nuôi dạy con nên người, những người luôn bên cạnh, động viên và tạo điều kiện cho con học tập

 Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học

 Toàn thể thầy cô đã tận tình dạy bảo và truyền đạt kiến thức cho tôi trong thời gian học tập tại trường

 Thầy Th.S Thi Hồng Xuân và thầy Phan Minh Hiếu những người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tận tình để tôi có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

 Tất cả các bạn lớp DH08OT những người đã giúp đỡ tôi trong suốt 4 năm học tập và làm đề tài

Trong quá trình làm đề tài tôi đã cố gắng hết sức nhưng kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi những sai xót Tôi rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô

và bạn bè để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn

Kính chúc quý thầy cô sức khỏe đồi dào để dìu dắt thế hệ trẻ tương lai của đất nước ngày càng tiến xa hơn

Kính chúc các bạn có nhiều sức khỏe và luôn thành công trên con đường của

TÓM TẮT

1 Tên đề tài: TÌM HIỂU VỀ TÍNH CHẤT LÝ HÓA – TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT, QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL VÀ KHẢO NGHIỆM ĐỘNG CƠ KUBOTA RK125 2X – GE TẠI XƯỞNG

2 Thời gian và địa điểm thực hiện:

 Thời gian thực hiện: Từ ngày 15/03/2012 đến ngày 15/06/2012

 Địa điểm thực hiện: Xưởng thực hành thí nghiệm ô tô, khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông lâm TP Hồ Chí Minh

3 Mục đích của đề tài:

 Tìm hiểu tính chất lý hóa, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình sản xuất, điều chế quy

mô nhỏ và quy mô công nghiệp của nhiên liệu biodiesel

 Sản xuất thử và khảo nghiệm trên động cơ diesel hiệu Kubota tại xưởng, so sánh

về tính kinh tế nhiên liệu và độ khói của nhiên liệu biodiesel với nhiên liệu diesel

4 Phương pháp thực hiện:

 Phương pháp lý thuyết: Tra cứu các tài liệu liên quan trên internet và sách báo

 Phương pháp thực nghiệm:

Sử dụng các dụng cụ tại xưởng và các hóa chất để điều chế nhiên liệu biodiesel

Đo và so sánh mức tiêu hao nhiên liệu của nhiên liệu biodiesel với nhiên liệu diesel trên động cơ Kubota tai xưởng

Sử dụng thiết bị đo độ khói động cơ diesel OP160 để đo và so sánh độ khói của nhiên liệu biodiesel và nhiên liệu diesel

MỤC LỤC

TRANG TỰA i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG viii

Chương 1 : MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề : 1

1.2 Mục đích đề tài : 2

1.3 Nội dung nghiên cứu : 2

Chương 2 : TỔNG QUAN 3

2.1 Khái quát về nhiên liệu biodiesel : 3

2.2 Sự hình thành và phát triển nhiên liệu biodiesel : 4

2.3 Khả năng thay thế của nhiên liệu biodiesel : 5

2.3.1 Về môi trường: 6

2.3.2 Về kỹ thuật: 6

2.3.3 Về kinh tế: 7

2.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu biodiesel : 8

2.4.1 Dầu thực vật: 8

2.4.2 Mỡ động vật: 13

2.4.3 Dầu thực vật đã qua sử dụng: 15

2.5 Quy trình sản xuất nhiên liệu biodiesel : 18

2.5.1 Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel bằng phương pháp 19

2.5.2 Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel bằng phương pháp 22

2.6 Tiêu chuẩn kỹ thuật nhiên liệu biodiesel : 26

2.6.1 Quy định chung: 26

2.6.2 Quy định kỹ thuật: 26

2.6.3 Phương pháp thử: 29

2.7 Hiên trạng sử dụng nhiên liệu biodiesel trên thế giới cũng như tại Việt Nam : 30

2.7.1 Hiện trạng sản xuất biodiesel trên thế giới: 30

2.7.2 Hiện trạng sản xuất và sử dụng biodiesel tại Việt Nam: 32

Chương 3 : PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN 34

3.1 Thời gian và địa điểm thực hiện: 34

3.2 Phương tiện: 34

3.2.1 Thiết bị cần thiết dùng điều chế biodiesel: 34

3.2.2 Thiết bị cần thiết khảo nghiệm nhiên liệu biodiesel trên động cơ kubota: 35

3.3 Phương pháp: 39

3.3.1 Phương pháp sản xuất biodiesel tại xưởng: 39

3.3.2 Phương pháp khảo nghiệm trên động cơ Kubota 125: 40

Chương 4 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

4.1 Tiến hành điều chế biodiesel tại xưởng ô tô: 42

4.1.1 Các bước thực hiện điều chế biodiesel: 42

4.1.2 Quá trình điều chế biodiesel tại xưởng thực tập ô tô: 43

4.1.3 Kết quả sau 4 lần điều chế: 55

4.2 Kiểm tra mức tiêu hao nhiên liệu của nhiên liệu 57

4.2.1 Chuẩn bị: 57

4.2.2 Quá trình tiến hành kiểm tra mức tiêu hao nhiên liệu: 59

4.2.3 Kết quả và tính kinh tế của nhiên liệu biodiesel: 64

4.3 Kiểm tra độ mờ khói của động cơ Kubota khi dùng nhiên liệu 67

4.3.1 Chuẩn bị: 67

4.3.2 Quá trình kiểm tra độ mờ khói: 68

4.3.3 Kết quả kiểm tra và những ảnh hưởng của nhiên liệu 72

4.4 Những ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel ở chế độ khởi động: 74

4.5 Những ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel tới công suất của động cơ 76

Chương 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 77

5.1 Kết luận: 77

5.2 Đề nghị: 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 78

PHỤ LỤC 79

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Một mẫu biodiesel 3

Hình 2.2: Công thức cấu tạo của triglyceride 11

Hình 2.3: Phản ứng ester hóa giữa triglyceride với rượu 19

Hình 2.4: Cơ chế phản ứng ester hóa với chất xúc tác kiềm tính 20

Hình 2.5: Các bước quan trọng trong sản xuất biodiesel với chất xúc tác kiềm tính 22

Hình 2.6: Cơ chế phản ứng ester hóa với xúc tác acid 23

Hình 2.7: Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel sử dụng chất xúc tác rắn 26

Hình 3.1: Xưởng thực hành – thí nghiệm ô tô Khoa Cơ khí – Công nghệ trường Đại học Nông lâm TP.Hồ Chí Minh 34

Hình 3.2: NaOH (99,0%) 34

Hình 3.3: Methanol (99,5%) 34

Hình 3.4: Các dụng cụ thiết bị thí nghiệm 35

Hình 3.5: Đường đặt tính động cơ Kubota 125 – 2X – GE 37

Hình 3.6: Ampe kìm vá đồng hồ bấm giờ 38

Hình 3.7: Các bóng đèn và điện trở 38

Hình 3.8: Mặt trước thiết bị OP160 39

Hình 3.9: Mặt sau thiết bị OP160 39

Hình 3.10: Phương trình eseter hóa 40

Hình 4.1: Khuấy đều NAOH và methanol 44

Hình 4.2: Cho NAOH và methanol vào dầu ăn 44

Hình 4.3: Dầu ăn sau khi pha 44

Hình 4.4: Lượng biodiesel hình thành sau 24giờ phản ứng 45

Hình4.5: Lượng biodiesel hình thành sau 48giờ phản ứng 45

Hình 4.6: Bình đun nước 46

Hình 4.7: Sản phẩm thu được sau 24giờ phản ứng 47

Hình 4.8: Tách 175ml biodiesel và glycerin kết tủa đen 48

Hình 4.9: Rửa biodiesel bằng nước với tỷ lệ 1:1 48

Hình 4.10: Đun nóng nước và biodiesel tới nhiệt độ 70 – 80ºC 49

Hình 4.11: Màu của biodiesel thay đổi sau khi sấy ở nhiệt độ 70 – 80ºC 49

Hình 4.12: Hình thành biodiesel ngay khi cho hỗn hợp NAOH và methanol vào dầu ăn.51 Hình 4.13: Hình thành biodiesel và lắng glycerin sau phản ứng 1giờ 51

Hình 4.14: Lượng biodiesel thu được sau phản ứng 52

Hình 4.15: Quá trình rửa biodiesel bằng nước ấm 52

Hình 4.16: Lượng biodiesel sau khi rửa bằng nước ấm 53

Hình 4.17: Sấy biodiesel (làm nóng biodiesel đến 70 – 80ºC) 53

Hình 4.18: Nhiệt độ sấy 83ºC 54

Hình 4.19: Biodiesel sau phản ứng 54

Hình 4.20: Biodiesel thành phẩm B100 54

Hình 4.21: Động cơ máy phát điện Kubota RK125 2X – GE 57

Hình 4.22: Các thiết bị phụ tải là các bóng đèn 58

Hình 4.23: Các thiết bị phụ tải là hai điện trở 58

Hình 4.24: Ampe kìm và đồng hồ bấm giờ 59

Hình 4.25: Giá trị cường độ dòng điện đo được là 7,4 (A) 61

Hình 4.26: Thời gian sử dụng hết 100ml nhiên liệu là 286 giây 62

Hinh 4.27: Ống nối tăng chiều dài của ống xả 68

Hình 4.28: Sơ đồ xác định độ khói của thiết bị OP160 68

Hình 4.29: Chương trình khi khởi động 69

Hình 4.30: Hình số vòng quay ở chế độ ga cầm chừng là 870 vòng/phút 69

Hình 4.31: Số vòng quay ở mức giữa ga 70

Hình 4.32: Số vòng quay ở mức ga tối đa 70

Hình 4.33: Bảng tổng kết 1 sau khi đo hoàn thành 71

Hình 4.34: Bảng tổng kết 2 sau khi đo hoàn thành 72

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: So sánh tính chất của biodiesel với diesel có lưu huỳnh thấp 4

Đồ thị 2.1: Sản lượng dầu thực vật được sản xuất và tiêu thụ qua các năm 9

Bảng 2.2: Sản lượng hạt lấy dầu và lượng dầu thực vật tiêu thụ trong năm 2009 10

Đồ thị 2.2: Phần trăm khối lượng các hạt lấy dầu và lượng tiêu thụ trong năm 2009 10

Bảng 2.3: Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ 12

Bảng 2.4: Các chỉ tiêu kỹ thuậnt cơ bản của nhiên liệu diesel và nhiên liệu 27

Bảng 2.5: Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu biodiesel B5 27

Bảng 2.6: Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu biodiesel B100 28

Đồ thị 2.3: Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của EU 31

Đồ thị 2.4: Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của Mỹ 31

Đồ thị 2.5: Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới 32

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật động cơ Kubota 125 2X – GE 35

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật Máy phát điện ASK – R150 – 50 36

Bảng 4.1: Nhiệt độ và thời gian phản ứng 42

Bảng 4.2: Bảng tổng kết kết quả điều chế biodiesel 56

Bảng 4.3: Mức tiêu hao nhiên liệu diesel, biodiesel B10, biodiesel B20 trên động cơ Kubota ở mức công suất 2,4 HP 63

Bảng 4.4: Mức tiêu hao nhiên liệu diesel, biodiesel B10, biodiesel B20 trên động cơ Kubota ở mức công suất 5,0 HP 63

Bảng 4.5: Mức tiêu hao nhiên liệu diesel, biodiesel B10, biodiesel B20 trên động cơ Kubota ở mức công suất 6,9 HP 64

Bảng 4.6: Bảng tổng hợp mức tiêu hao nhiên liệu của ba loại nhiên liệu 64

Bảng 4.7: Bảng so sánh tính kinh tế của nhiên liệu biodiesel B10 và B20 với nhiên 66

Bảng 4.8: Bảng tổng hợp độ khói của các loại nhiên liệu 72

Bảng 4.9: Bảng số liệu giảm các thành phần khí thải gây ô nhiễm môi trường của nhiên liệu biodiesel B100 so với nhiên liệu diesel 73

Bảng 4.10: Thời gian nhiên liệu chảy qua ống kim 75

Bảng phụ lục 1: Tính chất vật lý của các hợp chất 80

Chương 1 :

MỞ ĐẦU1.1 Đặt vấn đề :

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp và sự bùng nổ dân số, nhu cầu về nhiên liệu sử dụng ngày càng gia tăng Các nguồn năng lượng hóa thạch như: dầu mỏ, than đá khí đốt đang ngày càng cạn kiệt Việc sử dụng những nguồn năng lượng hóa thạch có một số nhược điểm như ô nhiễm môi trường không khí, gây ra hiệu ứng nhà kính… Đồng thời, khủng hoảng năng lượng đang có chiều hướng ngày một gia tăng Do đó, các nước trên thế giới đang ráo riết nghiên cứu phát triển nguồn năng lượng thay thế

Nguồn sinh khối động vật và thực vật được xem là các nguồn có khả năng tái sinh được, đặc biệt la dầu mỡ động thực vật là nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất ra biodiesel Nhiên liệu biodiesel là một trong các loại nhiên liệu sinh học, có một số ưu điểm chính như: Không độc hại, phân hủy được trong tự nhiên, sản xuất từ nguồn nguyên liệu có thể tái tạo, đạt được các tiêu chuẩn về môi trường và nhiều ưu điểm khác khi ứng dụng trên động cơ

Ngày nay, nhiên liệu biodiesel đang được chú trọng phát triển trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Một số quốc gia đã đưa biodiesel vào làm nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu xăng dầu cho các phương tiện và các động cơ Điển hình ở Châu Âu, các quốc gia ở khối liên minh Châu Âu EU đã đặt ra mục tiêu vào năm

2020, tỷ lệ sử dụng nhiên liệu sinh học chiếm 20% trong tổng số nhiên liệu tiêu thụ cho các động cơ Còn ở Mỹ, biodiesel được pha trộn với diesel ở tỷ lệ 20% thể tích đã được đưa vào sử dụng

Do đó, có những vấn đề đặt ra khi thay thế nhiên liệu diesel bằng nhiên liệu biodiesel như: khả năng thay thế đó có khả thi với tất cả những dòng xe và động cơ không? và kết cấu của động cơ có cần thay đổi gì không?

1.2 Mục đích đề tài :

Đề tài nhằm mục đích tìm hiểu một số nội dung sau :

 Tìm hiểu tính chất hóa lý, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình sản xuất, điều chế quy mô nhỏ và quy mô công nghiệp của nhiên liệu biodiesel

 Sản xuất thử và khảo nghiệm trên động cơ diesel hiệu kubota tại xưởng,

so sánh về tính kinh tế nhiên liệu và độ khói của nhiên liệu biodiesel với nhiên liệu dieseel

1.3 Nội dung nghiên cứu :

Nội dung nghiên cứu bao gồm :

 Tìm hiểu thành phần, tính chất lý hóa của Biodiesel

 Tìm hiểu quy trình sản xuất và tiêu chuẩn kỹ thuật Biodiesel

 Sản xuất thử theo phương pháp thử công từ nguyên liệu dầu ăn đã qua sử dụng

 Khảo nghiệm nhiên liệu Biodiesel động cơ máy phát điện Kubota 125 2X – Ge tại xưởng

 Đánh giá kết quả khảo nghiệm

Chương 2 :

TỔNG QUAN2.1 Khái quát về nhiên liệu biodiesel :

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

vật

Hiện nay ở Châu Âu, dầu thực vật dùng để sản xuất Biodiesel chủ yếu có nguồn gốc từ hạt cây cải dầu và biodiesel ở đây được mang tên là este metylic (hay metyleste) hạt cải dầu (còn được gọi là RME – rapeseed metyleste)

Hình 2.1: Một mẫu biodiesel

Biodiesel là một chất lỏng, có màu giữa vàng hay nâu tối phụ thuộc vào nguyên liệu chế biến Methyl eseter điển hình có điểm chớp cháy ~ 150ºC (302 F), tỷ trọng thấp hơn nước ( d ÷ 0,88g/cm³), có độ nhớt tương tự diesel từ dầu mỏ

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

để cho biết hóa hợp với ethanol Ví dụ: nhiên liệu chứa 20% biodiesel ký hiệu B20, biodiesel tinh khiết là loại B100

Bản chất của biodiesel là sản phẩm ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và acid tự do trong dầu thực vật hay mỡ động vật Tính chất vật lý của biodiesel tương tự như diesel nhưng tốt hơn diesel về mặt khí thải Các loại biodiesel đều có tỷ lệ % trọng lượng oxy khá lớn, đây là điều mà dầu diesel không có

Bảng 2.1: So sánh tính chất của biodiesel với diesel có lưu huỳnh thấp

Tính chất Đơn vị Biodiesel Diesel lưu huỳnh thấp

(Ultra-low sulfur diesel) Điểm chớp cháy

mm²/s kJ/kg

130

55

<15 0,88 6,0

40600

60

44

15 0,85 2,6

42700

2.2 Sự hình thành và phát triển nhiên liệu biodiesel :

Biodiesel bắt đầu được sản xuất vào giữa những năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glycerin ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là mixture hoặc fatty esters chúng là biodiesel

Người có công nhiều nhất trong sự phát triển của nhiên liệu biodiesel là ông Rudolf Diesel là một kỹ sư người Đức nổi tiếng với phát minh ra động cơ diesel Ngày 10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã chế tạo ra động cơ diesel trong nhà máy cơ khí Ausburg chạy bằng nhiên liệu biodiesel do ông sáng chế Và tiếp đó, năm 1897 mô hình động cơ diesel đầu tiên được hoàn thành Ngày 01/01/1898, nhà máy động cơ diesel đầu tiên được xây dựng Năm 1903, tàu thủy trang bị động cơ diesel đầu tiên ra đời Năm 1936, động cơ diesel được sản xuất hàng loạt để dùng cho xe ô tô và trang bị cho chiếc Mercedes – Benz 200 – D Năm 1912, ông đã bắt tay vào nghiên cứu về

diesel sinh học và ông đã dự báo rằng: “ Hiện nay, việc dùng dầu thật vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá” Nhưng ngày 13/10/1913, Rudolf Diesel chẳng may qua đời do 1 vụ tai nạn tại Vlissingen ( Tây Nam Hà Lan) và từ đó những nghiên cứu về động cơ diesel cũng như

về nhiên liệu biodiesel bị ngừng lại Những phát minh của Rudolf Diesel được thế giới đánh giá rất cao, do đó năm 1900 tại hội chợ quốt tế tại Pari ( Pháp) ông đã được trao giải thưởng lớn về động cơ chạy bằng nhiên liệu biodiesel Để tưởng nhớ đến Rudolf Diesel và cũng là ngày đầu tiên chiếc động cơ diesel do ông chế tạo, ngày 10/08 hằng năm từ năm 2002 được lấy làm ngày Diesel sinh học Quốc Tế (International Biodiesel Day)

2.3 Khả năng thay thế của nhiên liệu biodiesel :

Hiện nay, có rất nhiều nguồn năng lượng khác nhau trên thế giới như: Năng lượng gió, thủy triều, hạt nhân…trong đó thì nguồn năng lượng được sử dụng nhiều nhất là từ dầu mỏ, các loại than và khí thiên nhiên Nhưng những nguồn năng lượng này có giới hạn của nó và đang dần dần cạn kiệt theo thời gian Do đó, đã có nhiều nguồn năng lượng tái sinh được đưa vào nghiên cứu nhằm thay thế nguồn năng lượng trên để giải quyết một phần nào đó sự thiếu hụt về năng lượng và vấn nạn ô nhiễm môi trường Tuy nhiên khi đưa vào sử dụng thì có một số vấn đề đặt ra như có cần cải tiến lại động cơ hoặc thiết kế riêng cho những nguồn năng lượng mới nêu trên hay không?

Trong số những nguồn năng lượng tái sinh được nghiên cứu hiện nay thì nguồn nhiên liệu biodiesel có tiềm năng ứng dụng nhiều nhất Bởi vì biodiesel có nhiều ưu điểm khi sử dụng trên các phương tiện và động cơ tĩnh tại như: Biodiesel là nguồn năng lượng ít gây ảnh hưởng tới môi trường và sức khỏe con người; là loại nhiên liệu sạch hơn vì khí thải khi đốt biodiesel hầu như không có SOx, hàm lượng

CO và hidrocacbon thơm giảm so với khi đốt diesel truyền thống Và đặc biệt nhất là biodiesel có thể đưa vào sử dụng cho các động cơ đốt trong mà trước đây chỉ được thiết kế cho nhiên liệu diesel

Biodiesel có một số ưu điểm vượt trội so với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ:

2.3.1 Về môi trường:

 Biodiesel được sản xuất từ nguồn nhiên liệu tái sinh là dầu thực vật hoặc

mỡ động vật đã qua quá trình sử dụng trong việc nấu nướng chiên xào điều này làm giảm thiểu một lượng không nhỏ dầu thải ra môi trường Việc sử dụng nguồn nhiên liệu tái sinh để sản xuất ra nguồn năng lượng mới là hết sức quan trọng vì ước tính với mức tiêu thụ như hiện nay thì nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ sẽ cạn kiệt trong khoảng thời gian không xa

 Biodiesel không chứa các chất độc hại như lưu huỳnh, các kim loại nặng vì biodiesel có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Do đó, biodiesel làm giảm một phần hàm lượng chất thải dạng hạt bụi và các khí độc trong khí thải

 Biodiesel dễ dàng phân hủy khi bị rò rỉ ra môi trường (phân hủy nhanh hơn diesel gấp 4 lần, phân hủy từ 85 ÷ 88% trong nước sau 28 ngày), nên không gây ảnh hưởng tới môi trường tránh được vấn nạn tràn dầu trên biển đang nhức nhối hiện nay

2.3.2 Về kỹ thuật:

 Chỉ số cetane của biodiesel cao hơn diesel Đồng thời, biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn diesel nên sẽ an toàn trong dự trữ và sử dụng Nhiệt độ chớp cháy của biodesel cao hơn (khoảng 423 ºK) nhiệt độ chớp cháy của diesel (khoảng 337 ºK)

 Khối lượng riêng của biodiesel cao hơn, và có tính bôi trơn tốt hơn Ngày nay, để hạn chế lượng SOx thải ra không khí, người ta đã tìm cách hạn chế tối đa lượng lưu huỳnh trong diesel Tuy nhiên, chính những hộp chất của lưu huỳnh lại là những tác nhân giảm ma sát của diesel Do đó, diesel có tính bôi trơn không tốt và đòi hỏi cần có thêm các chất phụ gia nhằm tăng tính bôi trơn Vì vậy, biodiesel có tính bôi trơn tốt hơn diesel

 Hàm lượng oxi trong biodiesel lớn hơn so với diesel giúp quá trình cháy hoàn toàn hơn so với diesel

 Do có những tính năng tương tự như diesel nên khi ta thay thế diesel bằng biodiesel thì ta không cần phải cải tiến bất kì chi tiết nào của động cơ

2.3.3 Về kinh tế:

 Sử dụng biodiesel ngoài giải quyết vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường

nó còn thúc đẩy ngành công nghiệp phát triển, và tận dụng những nguồn nhiên liệu tái sinh như dầu thực vật, mỡ động vật, và các loại dầu khác ít có giá trị trong thực phẩm

 Đồng thời, làm đa dạng hóa nền nông nghiệp và tăng thu nhập ở những vùng nông thôn

 Hạn chế nhập khẩu một lượng lớn nhiên liệu diesel

Tuy nhiên biodiesel cũng có một số nhược điểm:

 Biodiesel chứa các mạch hydrocarbon chưa bão hòa nên dễ bị oxy hóa thành các hợp chất khác, do đó quá trình bảo quản nhiên liệu biodiesel không được lâu

so với nhiên liệu diesel

 Nhiên liệu biodiesel gây ra lượng bụi than bám vào vòi phun cao hơn so với diesel

 Tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu khác nhau mà độ đông đặc của biodiesel thấp hơn diesel, sẽ gây khó khăn cho các nước có nhiệt độ về đông thấp Tuy nhiên nước ta là nước nhiệt đới nên vấn đề này ảnh hưởng không đáng kể

 Vấn đề đáng ngại nhất đó là chi phí sản xuất cao đồng nghĩa với giá thành biodiesel cũng khá cao

Tuy biodiesel có những ưu điểm vượt trội hơn so với diesel nhưng biodiesel vần còn những mặt hạn chế cần được cải thiện để có thể sử dụng được ở dạng nguyên chất không cần pha trộn thêm các chất phụ gia nhằm tăng nhiệt trị, tăng khả năng chống ôxi hóa để ngăn chặng nhiên liệu biodiesel không bị hư hỏng Hiện nay, biodiesel được sử dụng thích hợp khi pha trộn biodiesel với diesel theo tỉ lệ 5/95, 10/90, 20/80, hỗn hợp này được gọi là B5, B10, B20 Biodiesel đã được sử dụng rộng rãi ở một số quốc gia như Mỹ, Brazil, Đức, Pháp, Ý, Malaysia, Indonesia, và các nước khác ở Châu Âu

Hiện nay, biodiesel là nguồn nhiên liệu tái sinh duy nhất có thể thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch, mà không cần phải thay đổi bất kỳ các chi tiết nào trong

động cơ Tuy nhiên, chi phí sản xuất biodiesel cao đồng nghĩa với giá thành của nó cũng cao đây là một trong những hạn chế làm cho biodiesel không được sử dụng phổ biến Sản lượng biodiesel từ dầu mỡ động thực vật hiện nay không đủ để thay thế hoàn toàn cho diesel, mà chỉ thay thế được một phần khi được sử dụng phối hợp với nhau Hơn nữa việc sử dụng dầu thực vật để sản xuất biodiesel sẽ tạo nên sự cạnh tranh nguồn nguyên liệu đối với ngành thực phẩm Do đó, việc sử dụng dầu phế thải từ nấu

ăn làm nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel, và ứng dụng các phụ phẩm trong quá trình sản xuất như glycerin là các hướng tích cực trong nỗ lực làm giảm chi phí sản xuất, đồng thời giảm một lượng dầu thực vật đã qua sử dụng thải ra ngoài môi trường

2.4 Nguồn nguyên liệu sản xuất nhiên liệu biodiesel :

2.4.1 Dầu thực vật:

2.4.1.1 Nguồn cung cấp:

Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ các hạt, các quả của cây Nhìn chung, các hạt quả của cây đều chứa dầu, nhưng dầu thực vật dùng làm nguyên liệu để sản xuất ra biodiesel chỉ lấy từ những cây có dầu với hàm lượng lớn mà thôi Dầu lấy

từ hạt cây như: đậu phộng hay còn gọi là lạc, đậu nành, cải dầu, hướng dương, Dầu thực vật lấy từ quả cây có dầu như: dừa, cọ, ô liu, Có thể phân loại dầu thực vật theo nhu cầu làm thực phẩm cho con người: dầu ăn được và dầu không ăn được

Hàm lượng dầu trong các loại hạt cũng khác nhau như: hạt đậu nành chứa 20% tinh dầu, hạt cải dầu chứa đến 40% tinh dầu Hàm lượng tinh dầu trong hạt jatropha và karanja lần lược là 40% và 33%

Các quốc như Mỹ và Châu Âu thì độc lập trong việc sản xuất dầu ăn và thậm chí còn có lượng dư để xuất khẩu Vì thế, dầu thực vật được chiết xuất từ dầu đậu nành, dầu cải được sử dụng ở Mỹ và các quốc gia thuộc khối liên minh Châu Âu dùng vào việc sản xuất biodiesel Các quốc gia khác như Malaysia và Indonesia thì dư thừa

về dầu dừa nên chúng đã được tận dụng để sản xuất biodiesel Ấn Độ chưa sản xuất đủ sản lượng dầu ăn để đáp ứng được nhu cầu thực phẩm nên phải sử dụng thêm các loại dầu khác như dầu từ hạt jatropha và karanja để phục vụ cho sản xuất biodiesel

Sản lượng dầu thực vật được sản xuất trên toàn thế giới tăng từ 56 triệu tấn vào năm 1990 lên tới 88 triệu tấn vào năm 2000

Đồ thị 2.1: Sản lượng dầu thực vật được sản xuất và tiêu thụ qua các năm

Trong các năm 2009, tổng sản lượng các loại hạt lấy dầu trên thế giới được thống kê là 359,2 triệu tấn, trong đó dầu đậu nành chiểm tỉ lệ cao nhất 54% Còn sản lượng dầu thực vật được tiêu thụ trên toàn thế giới là 129,5 triệu tấn, trong đó dầu hạt

cọ chiếm 36%, dầu đậu nành chiếm 28%

Bảng 2.2: Sản lượng hạt lấy dầu và lượng dầu thực vật tiêu thụ trong năm 2009

Đồ thị 2.2: Phần trăm khối lượng các hạt lấy dầu và lượng tiêu thụ trong năm 2009

Loại thực vật Sản lượng hạt lấy dầu Lượng dầu tiêu thụ

Tổng 359,2 129,5

Mỹ đã cung cấp 14,3 triệu tấn và Liên minh Châu Âu cung cấp 9 triệu tấn tinh dầu từ hạt Các quốc gia đang phát triển như: Thổ Nhĩ Kỳ, Mexico có sản lượng dầu từ các loại hạt lần lượt là 765 ngàn tấn và 296 ngàn tấn

2.4.1.2 Thành phần hóa học:

Thành phần chủ yếu của dầu thực vật là các phân tử triglyceride (chiếm khoảng 90 ÷ 98% )

Hình 2.2: Công thức cấu tạo của triglyceride

Triglyceride được tạo thành từ ba phân tử acid (R-COOH) và một phân tử glycerin [C3H5(OH)3] Trong một phân tử triglyceride, khối lượng phân tử của glycerin

là 41g trong khi khối lượng phân tử các gốc của acid béo trong khoảng từ 650 đến 790g Vì vậy, các gốc acid béo ảnh hưởng rất nhiều đến đặt tính của dầu thực vật Tính chất vật lý và hóa học của nhiên liệu biodiesel chủ yếu phụ thuộc vào thành phần gốc acid béo của nguyên liệu ban đầu

Bảng 2.3: Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ

Acid béo Công thức hóa học

CH3(CH2)20COOH CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH

Trong dầu thực vật còn có một lượng nhỏ khoảng 1 - 5% acid béo tự do Acid béo tự do này là các acid monocarboxylic no hoặc chưa no nhưng không liên kết với phân tử glycerin Hàm lượng cao các acid béo tự do dẫn đến chỉ số acid của dầu mỡ cũng cao Chỉ số acid ảnh hưởng đến quá trình xúc tác của phản ứng ester hóa sau này

Do đó, nguồn nguyên liệu lựa chọn nên có chỉ số acid thích hợp, hoặc được điều chỉnh

về giá trị sao cho quá trình ester hóa là tối ưu nhất

Bên cạnh đó, nguyên liệu được sử dụng phải không chứa nhiều nước và hàm lượng nước phải thấp hơn mức 0,1%

Ngoài ra, dầu thực vật còn chứa các hợp chất khác như phospholipid, phosphatide, carotene, tocopherol, và các hợp chất khác của lưu huỳnh

2.4.1.3 Ưu điểm:

Với việc giá cả của nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ đang ngày càng leo thang, và các nguồn tài nguyên khoáng sản dưới lòng đất đang ngày càng cạn kiệt dần thì biodiesel từ dầu thực vật là một trong những giải pháp nhằm thay thế cho nhiên liệu diesel sử dụng cho động cơ đốt trong

Biodiesel từ dầu thực vật có thể sử dụng trực tiếp cho động cơ đốt trong chạy bằng nhiên liệu diesel

Hàm lượng lưu huỳnh thấp, có thể tự phân giải trong tự nhiên góp phần bảo vệ môi trường sống

Chỉ số cetane cao, nhiệt trị cao, và có thể sử dụng trên thị trường cùng lúc với nhiên liệu diesel vì không cần cải tiên động cơ

số loại mỡ có thể sử dụng làm thức ăn gia súc nhưng không được khuyến khích bởi vì

có khả năng gây bệnh, cho nên cần phải tiêu hủy hoặc là tái sử dụng cho mục dích khác đối với các loại mỡ động vật Vì vậy, các loại mỡ động vật phế thải đã được tận dụng vào việc sản xuất biodiesel, góp phần giảm một lượng chất thải ra môi trường đồng thời tìm ra được nguồn nhiên liệu sản xuất biodiesel

Mỡ động vật được sử dụng cho sản xuất biodiesel chủ yếu từ nguồn:

 Mỡ gia súc từ các lò giết mổ và các quy trình sản xuất có thịt

 Mỡ cá từ các quy trình chế biến thủy hải sản

Theo Tổ chức Lương Nông của Liên Hợp Quốc thì sản lượng cá thế giới năm

2006 là 141,6 triệu tấn, và khoảng 50% nguồn nguyên liệu cá này trở thành phế phẩm Tức là khoảng 70,8 triệu tấn phế phẩm, và lượng dầu chứa trong đó là khoảng 40 – 65%

Mặt khác, hầu hết các kỹ thuật được sử dụng để xử lý phế thải từ ngành công nghiệp thịt thủy sản đều tốn một lượng kinh phí nhất định Trái lại, nếu chúng ta sử dụng mỡ động vật vào sản xuất biodiesel thì chúng ta không tốn thêm kinh phí mà lại

có thêm những lợi ích nhất định

Việt Nam chúng ta là quốc gia xuất khẩu cá basa mạnh trên thế giới Năm

2007 sản lượng cá đạt trên 800,000 tấn/năm tương ứng với lượng mỡ cá trên 200,000 tấn/năm Năm 2008 sẽ đạt hơn 1triệu tấn/năm tướng ứng với lượng mỡ cá khoảng 300,000 tấn/năm Từ đó đã có nhiều cơ sở sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa Tuy nhiên, cũng vì thế mà các quy trình công nghệ chưa nghiêm ngoặt, nghiên cứu khoa học chưa sâu, dẫn đến sản phẩm được sản xuất ra chưa đủ tiêu chuẩn kỹ thuật, và gây

ra hậu quả khi đưa vào sử dụng thực tế Điều này dẫn đến một số nhận định sai lầm cho rằng biodiesel từ mỡ cá basa không thể pha trộn làm nhiên liệu biodiesel thay thế cho nhiên liệu diesel

2.4.2.2 Thành phần hóa học:

Thành phần hóa học chính của mỡ động vật cũng là các triglyceride Khoảng 50% các acid béo trong mỡ là acid béo no Chỉ số acid của các loại mỡ động vật thường lớn hơn 1mg KOH/g Ví dụ như mỡ lợn có chỉ số acid lên đến 14,57mg KOH/g

Cũng như các loại dầu thực vật thì mỡ động vật cũng có thành phần các acid béo trong từng nguồn nguyên liệu cũng khác nhau

Mỡ động vật thường chứa một lượng lớn các acid béo, nên ở nhiệt độ phòng chúng tồn tại ở dạng rắn và không thể sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu trong động cơ diesel Bởi vì một số trục trặc gặp phải như các cặn lắng của hợp chất carbon trong động cơ, động cơ hoạt động không ổn định khi sử dụng lâu, làm bẩn dầu bôi trơn Do

đó, mỡ động vật thường phải qua biến đổi trước khi đưa vào làm nhiên liệu

Mặc dù các loại mỡ sau khi được tinh sạch thì hàm lượng acid béo tự do và hàm lượng nước giảm đi Nhưng acid béo tự do và nước với một hàm lượng nhỏ cũng

có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng chuyển hóa mỡ động vật thành biodiesel Nếu

nguồn nguyên liệu không sạch thì chỉ số acid của nhiên liệu sẽ cao, điều này là do các phản ứng thủy phân với sự hiện diện của nước

được dùng trong thực phẩm nên đã gây ra rất nhiều tranh cãi

 Sử dụng lại những nguồn phế phẩm thải ra môi trường Việc này góp phần nào làm giảm ô nhiễm môi trường và không những giảm được một phần giá nguyên

liệu mà còn giảm chi phí cho khâu xử lý ô nhiễm môi trường

 Việc sử dụng nguyên liệu mỡ động vật giúp giảm giá thành sản phẩm, tạo

ra sự cạnh tranh cho biodiesel với những nguồn nhiên liệu khác từ dầu mỏ

2.4.2.4 Nhược điểm:

Cũng như dầu thực vật, các loại phụ phẩm trước khi đưa vào sản xuất biodiesel đều phải qua xử lý, tách các chất béo ra thành dạng lỏng Khi sử dụng làm nhiên liệu một vài nhược điểm cần khắc phục của mỡ động vật khi sử dụng làm nhiên liệu là:

 Độ nhớt cao làm cho quá trình phun nhiên liệu trong động cơ không đều

 Nhiệt độ đông đặc cao do chứa nhiều các mạch hydrocarbon bão hòa Do

đó, chúng không thích hợp để sử dụng ở dạng tinh khiết cho xe cộ khi thời tiết lạnh

 Biodiesel từ mỡ động vật kém bền hơn nên dễ bị oxy hóa, do thiếu các chất

chống oxy hóa tự nhiên khi so sánh với biodiesel từ thực vật

2.4.3 Dầu thực vật đã qua sử dụng:

2.4.3.1 Nguồn cung cấp:

Hiện nay thì biodiesel vẫn có giá thành cao hơn so với giá thành của diesel Một trong những nhân tố làm giá thành cao đó là nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel Do đó,việc sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền như dầu thải ra từ việc chế

biến thực phẩm có thể giúp biodiesel giảm giá thành xuống để cạnh tranh với diesel trên thị trường Biodiesel từ dầu phế thải tuy không giúp thay thế hoàn toàn cho nhiên liệu diesel, nhưng phần nào có thể giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ

Khắp nơi trên thế giới hiện nay, có một lượng lớn chất béo thải ra môi trường

từ các nhà hàng, các quá trình sản xuất thực phẩm, các cữa hàng thức ăn nhanh Lượng dầu này thải ra nhiều hay ít tùy thuộc vào từng quốc gia, phụ thuộc vào mức độ

sử dụng dầu thực vật ở từng nơi

 Ở Trung Quốc, lượng dầu tiêu thụ hàng năm lên tới 22 triệu tấn, và tạo ra khoảng 4,5triệu tấn dầu phế thải hằng năm Trong đó khoảng 2triệu tấn dầu phế thải đã được các cơ quan thu hồi, và đưa vào quá trình sản xuất biodiesel Ở Quảng Châu – Trung Quốc, người ta ước tính lượng dầu phế thải thu gom vượt con số 20,000 tấn mỗi năm

 Ở các nước thuộc liên minh Châu Âu, lượng dầu thải ra trong khoảng 700,000 – 1,000,000 tấn/năm

 Ở Mỹ lượng dầu phế thải thu được trong năm xấp xỉ 2,5tỷ pound/năm tức

là khoảng 1,1triệu tấn/năm

 Còn ở Tây Ban Nha, sản lượng tiêu thụ dầu thực vật khoảng 600triệu lít/năm Trong đó, 70% là dầu ô liu và chủ yếu được dùng trong các quy trình chiên rán Theo viện khoa học thống kê Tây Ban Nha INE thì có khoảng 74 triệu lít dầu ô liu/năm được thải ra hệ thống cống rãnh

Dầu ăn phế thải đã bị biến đổi nhiều về mặt hóa học và vật lý, tạo ra nhiều hợp chất hóa học không mong muốn sau những lần tái sử dụng và chúng không thể sử dụng được nữa Trước đây, dầu ăn phế thải được sử dụng làm thức ăn cho gia súc, nhưng từ năm 2002 việc này đã bị cấm ở các nước Châu Âu và một số các quốc gia khác bởi vì các chất có hại trong dầu có thể quay lại trong chuỗi thức ăn thông qua các sản phẩm thịt Từ đó người ta đã nghiên cứu sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu này Tuy nhiên, việc sản xuất biodiesel từ loại nguyên liệu này bị hạn chế bởi sự hiện

diện của các hợp chất không mong muốn, đặc biệt là các acid béo tự do và nước Các sản phẩm không mong muốn như các dimer và trimer hình thành trong suốt quá trình nấu nướng cũng ảnh hưởng tiêu cực đến biodiesel như cặn lắng carbon Vì thế, việc sử dụng dầu ăn phế thải cho sản xuất biodiesel bị giới hạn và phụ thuộc vào mức độ biến chất của dầu ăn trong suốt quá trình nấu nướng

Dầu thải từ nấu nướng được chia ra làm hai loại dựa vào hàm lượng acid béo

tự do trong dầu Nếu hàm lượng acid béo tự do nhỏ hơn 15% thì dầu đó được gọi là yellow grease, ngược lại thì được gọi là brown grease

Hàm lượng các hợp chất không mong muốn được hình thành trong quá trình nấu nướng làm ảnh hưởng đến tính chất của biodiesel và phản ứng lipid thành nhiên liệu Vì vậy, việc xác định hàm lượng các chất phân cực này là hết sức quan trọng Đồng thời, để loại bỏ các hợp chất không mong muốn ra khỏi dầu phế thải thì ta phải tiến hành quá trình tiền sử lý để tối ưu cho phản ứng ester hóa, điều này là một trong những nguyên nhân làm tăng chi phí quá trình sản xuất nhiên liệu biodiesel

2.4.3.3 Ưu điểm:

Việc sử dụng các nguồn nguyên liệu phế thải rất có ý nghĩa:

 Không cạnh tranh với những nguồn nguyên liệu cho các ngành khác

 Giảm chi phí để xử lý các phế thải này khi thải ra môi trường

 Giảm chi phí sản xuất biodiesel, giúp cạnh tranh với các nguồn nhiên liệu

khác

 Không độc hại và có thể phân giải trong tự nhiên

 Hàm lượng lưu huỳnh thấp

 Chỉ số cetane cao

 Nhiệt trị cao

 Nhiệt độ chớp cháy cao nên an toàn trong sử dụng và bảo quản

 Nhiên liệu biodiesel từ dầu ăn phế thải có thể được sử dụng trực tiếp cho các động cơ diesel mà không cần cải tiến động cơ gì cả, giúp thay thế một phần nhiên

liệu sử dụng trên thị trường

2.4.3.4 Nhược điểm:

Bất cứ sản phẩm nào cũng có những mặt lợi và hại riêng của nó, dưới đây là những nhược điểm của biodiesel từ dầu ăn phế thải:

 Độ nhớt khá cao, độ bay hơi tương đối thấp nên nhiên liệu khó cháy

 Chứa nhiều hợp chất (dimer và trimer) dễ hình thành các cặn lắng

 Trong quá trình chiên rán, các hợp chất chống oxy hóa bị phân hủy, cho

nên dầu chiên rán dễ bị oxy hóa hơn so với dầu thực vật

 Có sự hiện diện của acid béo tự do gây cản trở cho phản ứng chuyên hóa

dầu thành biodiesel, và khó khăn cho khâu tách sản phẩm sau này

 Biodiesel thu được từ dầu thải chiên rán tạo ra nhiều khí NOx hơn khi thử

nghiệm trên động cơ diesel

2.5 Quy trình sản xuất nhiên liệu biodiesel :

Phương pháp sản xuất biodiesel là phương pháp ester hóa Ester hóa là phản ứng để chuyển hóa các phân tử triglyceride thành các alkyl este của các acid béo mạch dài bằng cách sử dụng các loại rượu như methanol, ethanol và các chất xúc tác khác nhau Ester hóa bao gồm nhiều phản ứng thuận nghịch nối tiếp nhau Trong đó, phân

tử triglyceride được chuyển hóa từng bước thành diglyceride, monoglyceride và cuối cùng là glycerin (hình minh họa hình 2.3)

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng lên phản ứng như loại chất xúc tác, tỉ lệ mol rượu và dầu động thực vật, nhiệt độ, hàm lượng nước, acid béo tự do Trong phản ứng này nước và acid luôn có ảnh hưởng tiêu cực, bởi sự hiện diện của nó sẽ tạo ra các sản phẩm xà phòng, làm tiêu hao chất xúc tác và làm giảm hiệu quả của chất xúc tác, dẫn

tới tốc độ chuyển hóa của phản ứng chậm lại Qua nhiều nghiên cứu cho thấy tỉ lệ mol giữa dầu động thực vật với rượu là 1mol triglyceride và 3mol rượu Tuy nhiên trong thực tế người ta thường dùng một lượng rượu dư, để tăng hiệu xuất phản ứng và để hình thành nên quá trình tách pha giữa sản phẩm và glycerin

Hình 2.3: Phản ứng ester hóa giữa triglyceride với methanol

2.5.1 Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel bằng phương pháp chuyển hóa

ester với xúc tác kiềm:

 Phương pháp chuyển hóa ester với xúc tác kiềm:

Các hợp chất có tính kiềm dùng làm chất xúc tác cho phản ứng chuyển hóa dầu mỡ động thực vật thành nhiên liệu biodiesel là NaOH, KOH, NaOCH3 Cơ chế phản ứng này gồm ba bước chính:

Hình 2.4: Cơ chế phản ứng ester hóa với chất xúc tác kiềm tính

Đầu tiên rượu sẽ phản ứng với chất xúc tác bazơ tạo ra các anion alkoxide RO-

và H+ Tiếp đó, alkoxide RO- tấn công vào nguyên tử cacbon hình thành nên một hợp chất trung gian có cấu trúc tứ diện, từ đó cấu trúc này tái sắp xếp lại hình thành nên alkyl este và anion diglyceride tương ứng Ainon diglyceride này sẽ tác dụng với proton BH+ tạo ra các phân tử diglyceride và giải phóng ra bazơ B để tiếp tục tham gia các phản ứng khác Với cơ chế phản ứng trên thì từ diglyceride và monoglyceride sẽ tạo thành hỗn hợp alkyl este và glycerin

Chất xúc tác và methanol phải ở dạnh khan nghĩa là tổng lượng nước phải từ 0,1 – 0,3% khối lượng hoặc ít hơn thì càng tốt Vì nước sẽ thúc đẩy phản ứng thủy phân các alkyl este thành acid béo tự do và sau đó hình thành nên xà phòng

Ưu điểm: Tốc độ phản ứng nhanh hơn so với phản ứng xúc tác acid

Nhược điểm: Chỉ dùng cho các loại dầu tương đối sạch, hàm lượng acid béo tự

do nhỏ hơn 1% và hàm lượng nước cũng phải nhỏ

 Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel từ nguyên liệu mỡ bò:

Phản ứng xảy ra từ nhiệt độ 55 – 60ºC Nên ta tiến hành nấu chảy mỡ bò và gia nhiệt các tác nhân phản ứng đến nhiệt độ 55 – 60ºC trước

Sản phẩm sau phản ứng ester hóa dược đem trung hòa, và tiến hành quá trình chưng cất ở điều kiện chân không nhiệt độ khoảng 30 – 50ºC thu hồi methanol đồng thời trung hòa lượng bazơ làm xúc tác Khi methanol được thu hồi hết thì nhiệt độ sôi của hỗn hợp tăng lên Sau đó là quá trình phân tách glycerin bằng phương pháp lắng trọng lực

Tiếp đó, muối được tạo ra từ quá trình trung hòa với acid được loại bỏ bằng cách cho lắng xuống cùng với glycerin bằng cách lọc hoặc ly tâm Khối lượng riêng của muối hơi thấp hơn so với glycerin vì thế nó sẽ nổi lên trên so với pha glycerin

Methyl este của mỡ bò tiếp tục được rửa với nước ấm hai lần với khối lượng tương đương, điều này sẽ loại bỏ các chất bẩn có trong methyl este Sau đó, hỗn hợp các methyl este được đem chưng cất ở điều kiện chân không 30 – 80ºC trong vòng 10 phút để loại bỏ hết lượng ẩm Hiệu suất của quy trình này đạt từ 97 – 99%

Hình 2.5: Các bước quan trọng trong sản xuất biodiesel với chất xúc tác kiềm tính

2.5.2 Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel bằng phương pháp chuyển hóa

ester với xúc tác acid:

 Phương pháp chuyển hóa ester với xúc tác acid:

Chất xúc tác acid thường dùng là các acid Bronsted như H2SO4, HCI, và acid sulfonic Phản ứng có độ chuyển hóa các alkyl ester cao Tuy nhiên phản ứng diễn ra chậm, thời gian phản ứng là hơn 3giờ để được độ chuyển hóa hoàn toàn và đòi hỏi nhiệt độ phản ứng cao ( trên 100ºC) Bất kỳ một phản ứng nào tỉ lệ mol luôn là nhân tố chính ảnh hưởng đến phản ứng và người ta thường dùng một lượng dư methanol, nhưng cũng không được để dư quá nhiều vì có thể gây cản trở cho quá trình thu hồi glycerin Do đó, tỉ lệ mol giữa dầu và rượu cần được nghiên cứu sao cho phù hợp

Theo cơ chế phản ứng hình 2.6 thì các carboxylic có thể được hình thành nhờ phản ứng của carbocation II với nước hình thành trong hỗn hợp phản ứng Để giảm bớt

sự cạnh tranh tác nhân carbocation vì dây là nhân tố để hình thành nên các alkyl este ta cần tiến hành phản ứng ester hóa khi không có nước

Hình 2.6: Cơ chế phản ứng ester hóa với xúc tác acid

Ưu điểm: Hiệu quả xúc tác cao, không có phản ứng với acid béo tự do tạo ra

xà phòng do đó có thể sử dụng phương pháp này đối với các loại dầu phế thải có hàm lượng acid béo tự do cao

Nhược điểm: Thời gian phản ứng rất chậm so với xúc tác bazơ, nồng độ chất xúc tác cao, khó khăn cho quá trình tách và tái sử dụng chất xúc tác cho phản ứng tiếp theo

 Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel sử dụng chất xúc tác acid rắn: Đầu tiên nhiên liệu thô được xử lý bằng phương pháp lọc và dehydrate hóa để loại bỏ các chất bẩn và nước Sau đó, dòng nhiên liệu lần lượt đi qua các nồi phản ứng R-1, R-2, R-3 có chứa chất xúc tác dạng hạt rắn, và dòng methanol hóa hơi được cho vào ngược chiều Trong dãy ba nồi phản ứng methanol sẽ phản ứng với dầu và cả acid béo tự do

Quá trình khuấy đảo giúp cho phản ứng diễn ra đồng nhất trong toàn bộ hỗn hợp phản ứng, nhiệt độ tối ưu cho phản ứng là 220ºC

Cuối cùng, lượng methanol được tinh sạch nhờ tháp chưng cất T-1 và thu hồi

lạ, còn dầu thì được tinh sạch ở tháp chưng chân không T-2 để thu sản phẩm biodiesel

So với các quy trình khác thì việc sử dụng tháp chưng cất chân không đảm bảo được chất lượng biodiesel tốt hơn

2.6 Tiêu chuẩn kỹ thuật nhiên liệu biodiesel (trích dẫn từ QCVN 1 :

2009/BKHCN) :

QCVN 1 : 2009/BKHCN – QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ XĂNG, NHIÊN LIỆU DIESEL VÀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC

QCVN 1 : 2009/BKHCN thay thế QCVN 1 : 2007/BKHCN

QCVN 1 : 2009/BKHCN do ban soạn thảo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về

xăng dầu và nhiên liệu sinh học biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng trình duyệt và được ban hành theo Thông tư số 20/2009/TT-BKHCN ngày 30 tháng 9 năm 2009 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ

2.6.1 Quy định chung:

 Nhiên liệu diesel:

Phần cất giữa của dầu mỏ phù hợp để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel làm việc theo nguyên lý cháy do nén dưới áp suất cao trong xylanh, ký hiệu là

DO

 Nhiên liệu diesel B5 (biodiesel B5) :

Biodiesel B5 là hỗn hợp của nhiên liệu diesel và nhiên liệu biodiesel B100 với hàm lượng esete metyl axit béo từ 4% đến 5% theo thể tích, ký hiệu B5

 Nhiên liệu diesel sinh học gốc (biodiesel B100) :

Nhiên liệu được chuyển hóa từ nguyên liệu sinh học (dầu thực vật hoặc mỡ động vật), có thành phần chính là các mono-alkyl este của axit béo mạch dài, chưa pha trộn các loại nhiên liệu khác, để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, ký hiệu B100

2.6.2 Quy định kỹ thuật:

 Nhiên liệu diesel và nhiên liệu biodiesel B5:

Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của nhiên liệu diesel và nhiên liệu biodiesel B5 phải phù hợp với các quy định trong bản sau:

Bảng 2.4: Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của nhiên liệu diesel và nhiên liệu biodiesel B5

1 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, không

lớn hơn

 Đối với loại 0,05 S

 Đối với loại 0,25 S 1)

500

2500

TCVN 6701 (ASTM D 2622) hoặc TCVN 7760 (ASTM D 5453)

2 Cetane, không nhỏ hơn

3 Nhiệt độ cất tại 90% thể tích 3), oC,

4 Khối lượng riêng ở 15ºC 3), kg/m3 820 - 860 TCVN 6594 (ASTM D 1298)

5 Độ nhớt động học ở 40ºC 3), mm2/s 2 – 4,5 TCVN 3171 (ASTM D 445)

Chú thích:

1) Không áp dụng đối với nhiên liệu diesel và nhiên liệu biodiesel B5 dùng cho phương tiện giao thông cơ giới đường bộ

2) Không áp dụng đối với nhiên liệu biodiesel B5

3) Áp dụng đối với nhiên liệu diesel dùng cho phương tiện giao thông cơ giới đường

bộ

Đối với nhiên liệu biodiesel B5, ngoài các chỉ tiêu kỹ thuật quy định tại bảng 2.4 thì biodiesel B5 còn phải phù hợp với các quy định trong bảng sau:

Bảng 2.5: Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu biodiesel B5

1 Hàm lượng este metyl acid béo (FAME), % thể

2 Độ ổn định oxy hóa, mg/100ml, không lớn hơn 25 TCVN 8146 (ASTM D 2274)

3 Hàm lượng nước, mg/kg, không lớn hơn 200 TCVN 3182 (ASTM D 6304)

 Nhiên liệu biodiesel B100:

Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của nhiên liệu biodiesel B100 phải phù hợp với các quy định trong bảng 2.6 sau:

Bảng 2.6: Các chỉ tiêu kỹ thuật của nhiên liệu biodiesel B100

1 Hàm lượng este metyl acid béo

(FAME), %khối lượng, không nhỏ

6 Trị số cetane, không nhỏ hơn 47 TCVN 7630 (ASTM D 613)

7 Trị số acid, mg KOH/g, không lớn

 TCVN 7630 : 2007 (ASTM D 613 – 05) Nhiên liệu diesel - Phương pháp xác định trị số cetane

 TCVN 3180 : 2007 (ASTM D 4737 – 04) Nhiên liệu diesel - Phương pháp tính toán chỉ số cetane bằng phương trình bốn biến số

 TCVN 2698 : 2007 (ASTM D 86 – 05) Sản phẩm dầu mỏ - Phương pháp xác định thành phần cất ở áp suất khí quyển

 TCVN 6594 : 2007 (ASTM D 1298 – 05) Dầu thô và sản phẩm dầu mỏ dạng lỏng – Xác định khối lượng riêng

 TCVN 3171 : 2007 (ASTM D 445 – 06) Chất lỏng dầu mỏ trong suốt và không trong suốt – Phương pháp xác định độ nhớt động học

 TCVN 8147 : 2009 (EN 14078 : 2003) Sản phẩm dầu mỏ dạng lỏng – Xác định este metyl acid béo (FAME) trong phần cất giữa – Phương pháp phổ hồng ngoại

 TCVN 8146 : 2009 (ASTM 2274 – 08) Nhiên liệu chưng cất – Phương pháp xác định độ ổn định oxy hóa (phương pháp nhanh)

 TCVN 3182 : 2008 (ASTM D 6304 – 04a) Sản phẩm dầu mỏ, dầu bôi trơn

và phụ gia – Xác định nước bằng chuẩn độ điện lượng Karl Fischer

 Các chỉ tiêu của nhiên liệu biodiesel B100 tại bảng trên được xác định theo các phương pháp sau:

 TCVN 7868 : 2008 (EN 14103 : 2003) Dẫn xuất mỡ và dầu – Este metyl acid béo – Xác định hàm lượng este và este metyl acid linolenic

 TCVN 7757 : 2007 (ASTM D 2709 – 06) Nhiên liệu chưng cất trung bình – Xác định nước và cặn bằng phương pháp ly tâm

 TCVN 3171 : 2007 (ASTM D 445 – 06) Chất lỏng dầu mỡ trong suốt và không trong suốt – Phương pháp xác định độ nhớt động học

 TCVN 2689 : 2007 (ASTM D 874 – 06) Sản phẩm dầu mỏ - Dầu bôi trơn

và các phụ gia – Xác định tro sulfat

 TCVN 7760 : 2008 (ASTM D 5453 – 06) Hydrocacbon nhẹ, nhiên liệu động cơ đánh lửa, nhiên liệu động cơ diesel và dầu động cơ – Phương pháp xác định tổng lưu huỳnh bằng huỳnh quang tử ngoại

 TCVN 7630 : 2007 (ASTM D 613 – 05) Nhiên liệu diesel – Phương pháp xác định trị số cetane

 TCVN 6325 : 2007 (ASTM D 664 – 06a) Sản phẩm dầu mỏ - Xác định trị

số acid – Phương pháp chuẩn độ điện thế

 TCVN 7895 : 2008 (EN 14112 : 2003) Dẫn xuất mỡ và dầu – Este metyl acid béo – Xác định độ ổn định oxy hóa

 TCVN 7867 : 2008 (ASTM D 6584 – 07) Este metyl diesel sinh học gốc (biodiesel B100) – Xác định glycerol tự do và glycerol tổng – Phương pháp sắc ký khí

 TCVN 7866 : 2008 (ASTM D 4951 – 06) Dầu bôi trơn – Xác định hàm lượnh các nguyên tố phụ gia bằng quang phổ phát xạ nguyên tử plasma kết nối cảm ứng

2.7 Hiên trạng sử dụng nhiên liệu biodiesel trên thế giới cũng như tại Việt

Nam :

2.7.1 Hiện trạng sản xuất biodiesel trên thế giới:

Hiện nay, dẫn đầu về sản xuất biodiesel là EU và Mỹ 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

Đồ thị 2.3: Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của EU

Mỹ 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

Đồ thị 2.4: Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của Mỹ