Tổng hợp biodiesel bằng xúc tác từ vỏ quả Tucuma

Tổng hợp biodiesel bằng xúc tác từ vỏ quả Tucuma

BÁO CÁO GIỮA KÌ

NHIÊN LIỆU MỚI

Đề tài:

TỔNG HỢP BIODIESEL SỬ DỤNG XÚC TÁC DỊ THỂ ĐIỀU CHẾ TỪ PHẦN VỎ CỦA TRÁI

TUCUMA

GVHD : TS ĐỖ QUÝ DIỄM HVTH : PHÙNG MINH TÂN MSHV

: 17112251

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 03 NĂM 2019

2

1.GIỚI THIỆU

Tucuma được biết đến thuộc họ Arecaceae (cây cọ) Mỗi cây tucuma cho khoảng 50 kg quả mỗi năm Quả và hạt giống được sử dụng trong thực phẩm cho con người và động vật Bột từ quả có đặc tính dinh dưỡng cao, là nguồn calo chủ yếu, cung cấp chất xơ, carotene (pro-vitamin A), lipid và axit oleic Được dùng trong bánh sandwich, bột sắn dây và bánh ngọt hoặc trong chế phẩm kem Việc tiêu thụ rộng rãi Tucuma tạo ra hàng tấn chất thải dưới dạng vỏ và hạt mỗi năm Do đó, mục đích của nghiên cứu này là sử dụng vỏ Tucuma như một chất xúc tác dị thể hiệu quả, chi phí thấp và khả thi

để tổng hợp diesel sinh học từ dầu đậu nành

2.THỰC NGHIỆM

– Hóa chất: Methanol (Merck), n-hexane PA, dầu đậu nành, CDCl3, natri clorua và magiê sunfat khan

– Nguyên liệu: Vỏ trái tucuma được thu gom sau đó rửa sạch, sấy

ở 80oC trong 24h, sau đó nung 800oC trong 4h Tạo thành xúc tác dị thể cho quá trình tổng hợp biodiesel (CTPAC)

– Các phương pháp phân tích hóa lý sử dụng như IR, XRD, BET, TGA, NMR

– Năng lượng hoạt hóa của phản ứng:

Với k là hằng số tốc độ phản ứng (min-1)

X là độ chuyển hóa của dầu thành biodiesel theo thời gian t

k0 là hằng số tốc độ gốc

T là nhiệt độ phản ứng

R = 8,314 x 10-3 J.K-1.mol-1

3.KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1 Nghiên cứu xúc tác

3.1.1 Kết quả IR

Phân tích của tucuma khô một vỏ cho thấy sự hiện diện của CH trong các nhóm CH3 và CH2 (2854 và 2924 cm-1), biến dạng góc ở -CH3 (1400 cm-1) và kéo dài không đối xứng của liên kết C-O-C (1235

cm -1)

Phổ hồng ngoại của CTPAC cho thấy sự hiện diện của 2 dải đặc trưng khoảng 550 và 700 cm-1 và các dải ở 1000 và 1107 cm-1, tương ứng với phốt phát và silicat Cũng có thể nhận thấy sự hiện diện của các dải đặc trưng của cacbonat (1790, 1385 và 712 cm-1), dải tại

1385 cm-1 là đại diện của K2CO3 Tại 864 cm-1 là đặc trưng của rung động cô lập SiO4 trong CaMgSiO4 do tương tác với Ca2+ và Mg2+ Các dải quan sát ở 3100 và 1670 cm-1 tương ứng với sự hấp phụ nước

Hình 1: Phổ FT-IR của vỏ tucuma khô và sau khi nung

3.1.2 Kết quả XRF

CTPAC chủ yếu bao gồm K, P, Ca và Mg Tỷ lệ cao các nguyên tố kiềm (88% khối lượng) phù hợp làm xúc tác dị thể cho phản ứng transester Các yếu tố quan sát được trong thành phần của CTPAC là

cacbonat, phốt phát hoặc silicat (vì có tỷ lệ P và Si cao), được chứng thực bằng các phân tích FT-IR và XRD

Hình 2: Kết quả phân tích XRF

3.1.3 Kết quả XRD

Kali (K) là nguyên tố chính dưới dạng kali clorua (KCl) và kali cacbonat (K2CO3), chiếm 63% khối lượng của các nguyên tố được quan sát thấy trong CTPAC Trong phổ FT-IR, cũng được quan sát thấy ở dải 1448 cm-1 là đặc trưng của cacbonat (CO3 2-) Ngoài ra, XRD chỉ ra sự hiện diện của P và Ca trong CTPAC là canxi photphat (Ca3(PO4)2)

6

Hình 3: Phổ XRD của xúc tác

3.1.4 Kết quả BET

Diện tích bề mặt của chất xúc tác liên kết trực tiếp với tâm hoạt động xúc tác của nó Phương pháp hấp phụ, giải hấp N2 và xử lý dữ liệu theo phương trình Brunauer - Emmett - Teller (BET) thu được diện tích bề mặt của chất xúc tác là 1,0 m2.g-1

3.1.5 Kết quả TGA

Theo TGA-DTA, khối lượng giảm 19% bằng cách tăng nhiệt độ từ

40 lên 800oC Ở nhiệt độ được sử dụng trong các phản ứng transester hóa (40, 60 và 80oC), CTPAC thể hiện tính ổn định nhiệt tốt Khối lượng giảm rõ rệt khi xảy ra từ 40 đến 130oC, liên quan đến mất nước hấp phụ, được chứng minh bằng các phân tích FT-IR và XRD Việc giảm khối lượng trong khoảng từ 500 đến 800oC có thể liên quan đến sự phân hủy các vật liệu carbonate, giải phóng CO và

CO2 Hình 4 cũng chỉ ra rằng không có sự hình thành các hydroxit trong quá trình lưu trữ chất xúc tác, vì không có sự giảm khối lượng nào ở 400oC

Hình 4: Phổ TGA/DTA của xúc tác CTPAC

3.1.6 Kết quả độ kiềm hòa tan

Độ kiềm hòa tan của CTPAC là 3,71 ± 0,12 mmol.g-1 Độ kiềm cao hơn được thể hiện bởi nồng độ cao của kim loại kiềm, cũng như thực tế là hợp chất kiềm K2CO3 hòa tan trong nước, đây là hợp chất chủ yếu được quan sát trong chất xúc tác CTPAC bằng phân tích

FT-IR và XRD

3.2 Đánh giá hoạt tính xúc tác trong phản ứng tổng hợp

biodiesel

3.2.1 Lượng xúc tác sử dụng

Để có được tỷ lệ chuyển hóa cao nhất bằng cách sử dụng lượng chất xúc tác nhỏ nhất, ta dùng xúc tác CTPAC lần lượt là 1, 5 và 10% Tỷ lệ mol metanol: dầu là 15: 1 và phản ứng được thực hiện ở

80oC Chuyển hóa dầu đậu nành được tính bằng quang phổ 1H-NMR sau 4 giờ thời gian phản ứng

8

Hình 5: Khảo sát lượng xúc tác sử dụng Quá trình transester đã không xảy ra mà không có chất xúc tác

và chỉ 1% chất xúc tác là đủ để đạt được chuyển hóa 97,3% trong 4 giờ

3.2.2 Thời gian phản ứng

Để có được tỷ lệ chuyển hóa cao nhất bằng cách sử dụng lượng chất xúc tác nhỏ nhất, ta dùng xúc tác CTPAC là 1 và 5% Tỷ lệ mol metanol: dầu là 15: 1 và phản ứng được thực hiện ở 80oC Chuyển hóa dầu đậu nành được tính bằng quang phổ 1H-NMR sau thời gian lần lượt là 1, 2, 3, 4 giờ phản ứng

Trong 2 giờ phản ứng, khi tỷ lệ chất xúc tác tăng từ 1 đến 5%, chuyển hóa tăng từ 62,5 lên 95,7%, cho thấy việc tăng lượng xúc tác dẫn đến tỷ lệ chuyển hóa cao hơn trong thời gian phản ứng ngắn hơn Trong 4 giờ phản ứng, tỷ lệ chuyển hóa cho 1 và 5% lượng xúc tác là khoảng 97%

Hình 6: Khảo sát thời gian phản ứng

3.2.3 Tỷ lệ tác chất

Để có được hoạt tính cao hơn của chất xúc tác và chuyển hóa diesel sinh học từ dầu đậu nành cao hơn, ta thay đổi tỷ lệ mol metanol: dầu lần lượt là 10:1, 15:1 và 20:1

Hình 7: Khảo sát tỷ lệ methanol:dầu Khi thay đổi tỷ lệ mol từ 10:1 lên 15:1 chuyển hóa tăng 10,3% Việc sử dụng tỷ lệ lên 20:1 làm giảm tương tác giữa các chất phản ứng và chất xúc tác do hàm lượng bị pha loãng

10

3.2.4 Nhiệt độ phản ứng

Để quan sát ảnh hưởng của thông số này đến phản ứng transester, các thử nghiệm đã được thực hiện ở 40, 60 và 80oC

Hình 8: Khảo sát nhiệt độ phản ứng Khi nhiệt độ tăng, chuyển hóa biodiesel tăng từ 28,9% lên 97,3% ở 20 và 80oC

3.3 Kiểm tra hoạt tính xúc tác ở điều kiện thường

Hoạt tính xúc tác CTPAC cũng được thử nghiệm trong phản ứng transester dầu đậu nành ở điều kiện thường (22 ± 3oC và 1 atm), sử dụng lượng xúc tác là 1 và 5% so với dầu đậu nành

Khả năng hoạt động cao của CTPAC được quan sát thấy trong điều kiện thường Trong 6 giờ đầu tiên của phản ứng, sử dụng 5% chất xúc tác, đã thu được chuyển hóa 80% và tăng lên 96% trong 48 giờ phản ứng

Hình 9: Kiểm tra hoạt tính xúc tác ở điều kiện thường

3.4 Sự chọn lọc của xúc tác

Hình 10 chỉ ra rằng không có thay đổi đáng kể về nồng độ nguyên tố của biodiesel được tổng hợp bằng 5% và 10% lượng xúc tác, do đó xác nhận tính chất của xúc tác dị thể, chỉ kích hoạt làm tăng độ chuyển hóa biodiesel, không phản ứng trực tiếp với các tác chất tham gia phản ứng Nồng độ nhôm (Al) cao sau đó giảm khi sử dụng 10% xúc tác, điều này là do kim loại đã kết hợp với chất xúc tác

12

Hình 10: Thành phần các chất có trong xúc tác, dầu và biodiesel

3.5 Khả năng tái sử dụng của xúc tác

Quá trình nung ở nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình thiêu kết các khoáng nhỏ và các nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình vôi hóa ngăn chặn quá trình lọc kali, có thể làm tăng quá trình tái sử dụng chất xúc tác

Hình 11 cho thấy chuyển hóa biodiesel khi tái sử dụng xúc tác Khả năng tái sử dụng chất xúc tác 4 lần, chuyển hóa đạt trên 80% (hoạt động xúc tác chỉ giảm 17%) nhưng giảm xuống 60% trong lần tái sử dụng thứ năm

Hình 11: Độ tái sử dụng của xúc tác

3.6 Năng lượng hoạt hóa

Chất xúc tác hoạt động bằng cách giảm năng lượng hoạt hóa để phản ứng dễ xảy ra Bằng cách thay đổi nhiệt độ của môi trường phản ứng, từ đó tính được hằng số phản ứng ở mỗi nhiệt độ, có thể thu được năng lượng hoạt hóa (Ea) của phản ứng transester dầu đậu nành bằng xúc tác CTPAC (Hình 12)

Hình 12: Phương trình Arrhenius của ln k với 1/T Nhiệt độ 25, 40, 60

và 80oC

4.KẾT LUẬN

14

Nghiên cứu này đã tổng hợp một chất xúc dị thể mới có nguồn gốc từ vỏ trái tucuma, thành phần chủ yếu bao gồm K, P, Ca và Mg Chỉ sử dụng 1% CTPAC mang lại chuyển hóa biodiesel cao hơn 97% Ngoài ra, có thể tái sử dụng CTPAC bốn lần, trong đó hoạt động xúc tác chỉ giảm 17% Hơn nữa, 5% chất xúc tác có thể mang lại tỷ

lệ chuyển đổi trên 80% ở điều kiện thường Do đó, nghiên cứu này tạo ra chất xúc tác dị thể hiệu quả và giá rẻ từ vỏ trái tucuma, mang lại một hướng xử lý mới cho chất thải dưới dạng vỏ tucuma