Nghiên cứu đặc tính công suất và khí thải động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao su

Trong luận văn này, dầu từ hạt cao su được nghiên cứu để sản xuất thành nhiên liệu dầu sinh học biodiesel nhằm thay thế một phần nguồn nhiên liệu hóa thạch.. Sản phẩm phối trộn 5% B5,

-

DƯƠNG QUANG VINH

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CÔNG SUẤT VÀ KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Ngọc Dũng

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

………

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Tp HCM ngày ……… tháng……… năm…………

Thành phần Hội đồng đáng giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Tổng hợp, điều chế nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao su

- Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu biodiesel B5, B10 lên đặc tính

công suất, khí thải của động cơ diesel một xylanh sử dụng cho nông nghiệp

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/02/2013

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Ngọc Dũng

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Ngọc Dũng

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

Tôi xin chân thành cảm ơn:

- Sự động viên và giúp đỡ từ phía Ba, Má và các em để tôi hoàn thành luận

văn này

- Thầy TS Nguyễn Ngọc Dũng đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu

cho tôi, giúp đỡ tôi khi gặp các vấn đề khó khăn trong quá trình làm luận văn

- Các thầy cô trong Khoa Công nghệ hóa học, Trường Đại học Bách Khoa

Thành Phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, xây dựng cho tôi nền tảng kiến thức

cơ bản, làm cơ sở để tiếp thu những kiến thức sau này

- Thầy TS Huỳnh Thanh Công, ThS Trần Đăng Long, TS Phạm Tuấn Anh

.Cảm ơn tập thể các cán bộ phòng Thí nghiệm Trọng Điểm Động Cơ Đốt Trong, Khoa Kỹ thuật giao thông, Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố

Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thử nghiệm động cơ

- Cảm ơn bạn Nguyễn Thị Giáng Hương, Dương Nguyễn Quyết và các bạn

trong phòng thí nghiệm hóa lý ứng dụng của trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ tôi và tạo điều kiện cho tôi làm việc tại phòng thí nghiệm

- Sự quan tâm, giúp đỡ của các bạn trong lớp và các bạn có liên quan

lại sản lượng dầu từ hạt cao su ngày càng cao Trong luận văn này, dầu từ hạt cao su được nghiên cứu để sản xuất thành nhiên liệu dầu sinh học (biodiesel) nhằm thay thế một phần nguồn nhiên liệu hóa thạch Sản phẩm phối trộn 5% (B5), 10% (B10) giữa nhiên liệu biodiesel sản xuất từ dầu hạt cao su và nhiên liệu diesel (B0) được thử nghiệm trên động cơ máy nông nghiệp một xy-lanh nhằm nghiên cứu các ảnh hưởng của nhiên liệu lên đặc tính công suất và khí thải động cơ Kết quả thí nghiệm tại chế độ toàn tải và tốc độ cố định cho thấy nhiên liệu B5, B10 không ảnh hưởng đến đặc tính công suất và khí thải động cơ Việc

sử dụng nhiên liệu sinh học trong lĩnh vực nông nghiệp giúp giảm phát thải CO2, giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và góp phần nâng cao đời sống tại khu vực nông thôn

ABSTRACT

The increase area of rubber tree contributes to a large amount of rubber seed oil to produce biodiesel fuel In this research, rubber seed oil was studied to produce biodiesel, partly substituted for fossil fuel and reducing engine emission The blends 5% (B5), 10% (B10) by volume of biodiesel produced from rubber seed oil and diesel (B0) were tested on single-cylinder agricultural diesel engine to observe the effects on its properties on performance and emmission characteristics The tested results at full load and constand speed showed that the effects of B5 and B10 on performance and emission engine were insignificantly The application of biodiesel fuel from rubber seed oil contributes for CO2 reduction, decreases dependence on fossil fuel, and improves economics in rural area

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

ABSTRACT

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về năng lượng 1

1.2 Nhiên liệu tái tạo 4

1.3 Nguồn nguyên liệu biodiesel 4

1.3.1 Dậu tương 5

1.3.2 Lạc 5

1.3.3 Jatropha 5

1.3.4 Dừa 6

1.3.5 Mỡ cá Basa 6

1.3.6 Dầu phế thải 6

1.3.6 Dầu hạt cao su 7

1.5 Mục đích nghiên cứu của đề tài 8

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8

CHƯƠNG 2 BIODIESEL VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BIODIESEL 10

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH HỌC TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL 10

2.1.1 Dầu thực vật 10

2.1.2 Phương pháp pha trộn và gia nhiệt 10

2.1.5 Phương pháp tranester hóa 12

2.1.5.1 Phương pháp tranester hóa xúc tác acid 13

2.1.5.2 Phương pháp tranester hóa xúc tác bazơ 13

2.1.5.3 Phương pháp tranester hỗ trợ siêu âm 14

2.1.5.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tranester hóa 15

2.1.5.4.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ mole 15

2.1.5.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng 15

2.1.5.4.3 Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác 16

2.1.5.4.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 16

2.1.5.4.5 Ảnh hưởng của nước và acid béo tự do 16

2.1.5.4.6 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 17

2.2 NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIODIESEL 17

2.2.1 Biodiesel 17

2.2.2 Nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất biodiesel 18

2.2.3 Thành phần một số acid béo trong nhiên liệu biodiesel 18

2.2.3.1 Acid béo trong mỡ động thực vật 18

2.2.3.2 Acid béo chưa bão hòa 18

2.2.3.3 Acid béo bão hòa 19

2.2.4 Tiêu chuẩn và tính chất lý hóa của biodiesel 20

2.2.4.1 Tiểu chuẩn biodiesel 20

2.2.4.2 Tính chất hóa lý của dầu biodiesel 22

2.2.4.2.1 Điểm chớp cháy -Chỉ số flash point ( oC) 22

2.2.4.2.2 Độ nhớt động học (mm2/s) 22

2.2.4.2.3 Hàm lượng tro sunfat-Sunfated ash (% khối lượng) 22

2.2.4.2.4 Hàm lượng sunfat (% khối lượng) 23

2.2.4.2.5 Ăn mòn miếng đồng 23

2.2.4.2.6 Chỉ số cetane 23

2.2.4.2.9 Chỉ số CFPP (Cold Filter Plugging Point) 23

2.2.4.2.10 Cặn cacbon (% khối lượng) 24

2.2.4.2.11 Hàm lượng glycerin tự do 24

2.2.4.2.12 Glycerin tổng (% khối lượng) 24

2.2.4.2.13 Hàm lượng Photphat (% khối lượng) 24

2.2.4.2.14 Hàm lượng cồn (% thể tích) 24

2.2.4.2.15 Hàm lượng canxi và magie ( khối lượng) 24

2.2.4.2.16 Hàm lượng Natri và Kali (% khối lượng) 25

2.2.4.2.17 Độ ổn định oxi hóa 25

2.2.4.2.18 Tỉ trọng 25

2.2.4.2.19 Chỉ số acid 25

2.2.4.2.20 Chỉ số Iondine 25

CHƯƠNG 3 ĐIỀU CHẾ VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐIỀU CHẾ DẦU BIODIESEL 28

3.1 Chuẩn bị cho điều chế dầu biodiesel 28

3.1.1 Nguyên liệu dầu hạt cao su 28

3.1.2 Methanol và các hóa chất dùng trong điều chế 29

3.1.3 Dụng cụ điều chế dầu biodiesel 29

3.2 ĐIỀU CHẾ DẦU BIODIESEL 31

3.2.1 Este hóa xúc tác acid 32

3.2.2 Tranester hóa xúc tác bazơ …… ……… 33

3.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐIỀU CHẾ DẦU BIODIESEL 34

3.3.1 Hiệu suất chuyển hóa dầu biodiesel 34

3.2.1 Đánh giá kết quả điều chế dầu biodiesel 34

4.1 Thiết lập thí nghiệm 39

4.1.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 39

4.1.2 Động cơ thí nghiệm 40

4.1.3 Thiết bị đo độ mờ khói Opacimeter 41

4.1.4 Máy đo khí thải Heshbon 43

4.1.5 Thiết bị phân tích quá trình cháy AVL (Indiset 620) 43

4.1.6 Một số dụng cụ, thiết bị dùng trong thí nghiệm 44

4.2 QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 45

4.2.1 Chuẩn bị và kiểm tra trước thí nghiệm 45

4.2.2 Thực hiện thí nghiệm …… ……… 46

4.3 KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN KHI THỬ NGHIỆM DẦU BIODIESEL TRÊN ĐỘNG CƠ 48

4.3.1 Kết quả và bình luận khi thử nghiệm ở chế độ thay đổi tải BMEP tại tốc độ 1600 rpm 48

4.3.2 Kết quả và bình luận khi thử nghiệm ở chế độ thay đổi tốc độ tại toàn tải 50

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 54

5.1 KẾT LUẬN 54

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

Bảng 2.1 Một số acid béo trong dầu động thực vật 19

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn TCVN về dầu biodiesel B100 20

Bảng 2.3 Tiêu chuẩn ASTM 7467 áp dụng cho dầu diesel sinh học B5 ÷ B20 21

Bảng 2.4 Qui chuẩn QCVN 1 - 2009/BKHCN áp dụng với B05 22

Bảng 3.1 Kết quả phân tích hàm lượng axít béo trong dầu nguyên liệu 28

Bảng 3.2 Kết quả phân tích dầu biodiesel và các hỗn hợp của biodiesel 35

Bảng 3.3 Kết quả phân tích hàm lượng methyl ester và các thành phần glyceric 38

Bảng 4.1 Kết quả phân tích hàm lượng axít béo trong dầu nguyên liệu 41

Bảng 4.2 Chế độ thí nghiệm 47

Hình 1.1 Dự đoán nhu cầu năng lượng toàn cầu 2040 3

Hình 1.2 Lượng khí thải CO2 của nhiên liệu hóa thạch 4

Hình 2.1 Phản ứng tranester hóa biodiesel 12

Hình 3.1 Dầu hạt cao su 29

Hình 3.2 Máy quay ly tâm điện từ 30

Hình 3.3 Máy Hielsher, UIP100hd 30

Hình 3.4 Bình lắng 31

Hình 3.5 Quá trình điều chế biodiesel từ dầu hạt cao su 32

Hình 3.6 Bọt hình thành khi rửa nước cất 37

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí chung các thiết bị trong phòng thử 39

Hình 4.2 Bố trí thí nghiệm thực tế trong phòng thí nghiệm 40

Hình 4.3 Động cơ Kubuta RT 125 DI Plus 41

Hình 4.4 Thiết bị đo độ mờ khói Opacimeter 42

Hình 4.5 Máy đo khí thải Heshbon 43

Hình 4.6 Sơ đồ hệ thống chỉ thị AVL Indiset 620 44

Hình 4.7 Đồ thị kết quả thử nghiệm ở chế độ BMEP tại tốc độ 1600 rpm 48

Hình 4.7 Đồ thị kết quả thử nghiệm ở chế độ toàn tải 50

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về năng lượng

Hiện nay, thế giới đang sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau để phục vụ cho sự phát triển và đáp ứng các nhu cầu sinh hoạt Các nguồn năng lượng được sử dụng gồm có: Năng lượng hóa thạch, năng lượng tái tạo, năng lượng và năng lượng hạt nhân Tốc

độ tăng trưởng năng lượng giảm đáng kể trong những thập niên tới đây, so với nhu cầu năng lượng trong những thập niên vừa qua Nhu cầu tăng năng năng lượng mỗi năm là 2.1% ở những tron 2 thập niên trước 2012, nhưng nhu cầu tăng năng lượng trung bình hằng năm sẽ giảm còn 1.3% mỗi năm từ 2012 ÷ 2020 và sau đó còn lại là 1% từ 2020 ÷

2040 Nguyên nhân nhu cầu năng lượng giảm là do việc sử dụng nguồn năng lượng hiệu quả và có sự chuyển dịch cấu trúc trong nền kinh tế, cấu trúc phù hợp với những hoạt động tiêu thụ ít năng lượng Nền kinh tế toàn cầu phát triển chậm lại và tốc độ tăng dân

số cũng giảm dần cũng phản ảnh nguyên nhân trên của nền kinh tế các nước đang phát triển, cũng như các chính sách mới hiệu quả vừa đạt được hoặc chưa chắc hẳn được áp dụng Một vài chính sách đòi hỏi cần trãi qua nhiều năm mới đạt được, do cơ sở vật chất chưa được thay thế kiệp

Nhu cầu năng lượng toàn cầu tăng từ 2012 ÷ 2040, nhưng tốc độ tăng là khác nhau đáng kể Các nguồn năng lượng cơ bản trong năng lượng hóa thạch vẫn duy trì tăng nhu cầu trong 30 năm đầu, nhưng tốc độ tiếp tục giảm dần; đến năm 2040 thì mỗi trong 3 loại nhiên liệu vẫn chiến một phần tư nhu cầu năng lương toàn cầu Nguồn năng lượng tái sinh và năng lương hạt nhân tiếp tục duy trì một phần tư nhu cầu, năng lượng tái sinh có tốc độ nhu cầu tăng nhanh hơn các loại nhiên liệu khác

Nhu cầu về dầu mỏ vẫn là nguồn năng lượng cung cấp lớn nhất cho toàn cầu, tuy nhu cầu dầu mỏ sẽ giảm dần trong tử 31% năm 2012 đến 26% năm 2040, vẫn xếp trên than đá và khí thiên nhiên Tốc độ tăng nhu cầu dầu mỏ sẽ giảm dần, từ 0.9% từ trước đến năm 2020 và còn lại là 0.3% những năm 2030 Sản lượng dự đoán sẽ tăng từ 90 triệu thùng/ ngày năm 2013 đến 104 triệu thùng/ngày năm 2040 Có sự kết hợp giữa giá nhiên liệu, áp dụng công nghệ kĩ thuật và chính sách năng lượng giúp tăng hiệu quả sử dụng

dầu được cải thiện, ngoài ra có sự chuyển hướng sử dụng nhiên liệu thay thế khác trong vận tải và chính sách bảo tồn nguồn dầu thô Tăng nhu cầu dầu chủ yếu tập trung trong ngành vận tải, công nghiệp và các dịch vụ có liên quan

Nhu cầu than đá vẫn duy trì tăng lên, nhưng tốc độ tăng sẽ giảm dần theo giai đoạn

2012 ÷ 2020 là 1%, những năm 2020 là 0.3% mỗi năm, những năm 2030 còn 0.2% mỗi năm Sản lượng khai thác năm 2040 là 6 400 triệu tấn tăng 15% so với năm 2012 là 5

540 triệu tấn, nhưng nhu cầu toaàn cầu giảm từ 29% còn 24%

Nhu cầu khí thiên nhiên tăng nhanh nhất trong ba loại nhiên liện hóa thạch chính Nhu cầu tăng từ 3.4 nghìn tỉ mét khối năm 2012 đến 5.4 nghìn tỉ mét khối năm 2040, tăng 57% và 1.6% trung bình mỗi năm Đến năm 2040, nhu cầu năng lượng khí thiên nhiên tăng thêm 3% trong tổng nhu cầu năng lượng toàn cầu, đạt mức 24% Nhu cầu sử dụng khí thiên nhiên tăng là do: thị trường Bắc Mỹ mở rộng, cắt giảm khí thải từ các nguồn dầu mỏ và than đá Nhu cầu khí thiên nhiên ở các nước châu Âu tăng lên Sản xuất khí thiên nhiên của Nga tăng mạnh Và ngoài ra các nước chuyển hướng sử dụng khí thiên nhiên cho các nhà máy, giao thông vận tải ngày càng sử dụng khí thiên nhiên thay vì dầu truyền thống

Năng lượng hạt nhân từ 392 gigawatt năm 2013 đến 624 gigawatt năm 2040 Số lượng các nước có nhà máy điện hạt nhân tăng từ 31 đến 36 Tốc độ tăng nhu cầu sử dụng năng lượng hạt nhân chậm hơn so với những năm 1980 nhưng mức tăng cũng đáng

kể so với những năm trước 2013

Việc sử dụng năng lượng tái tạo tăng mạnh mẽ trong tương lai do có chính sách hỗ trợ, sự phát triển công nghệ, giá nhiên liệu hóa thạch tăng, và hiện tượng tăng khí thải cacbon toàn cầu Nhu cầu nhiên liệu tái sinh đạt 15% năm 2040, so với 8% năm 2012 Phân nửa việc tăng nhu cầu năng lượng thay thế từ nguồn năng lượng gió và mặt trời, tăng trung bình 8% mỗi năm Năng lượng thủy điện cũng được mở rộng, trung bình hằng năm tăng 1.8%, một phần nhờ sự phát triển công nghệ và sự bảo vệ môi trường Việc sử dụng năng lượng sinh học (biofuel) tăng lên đáng kể từ 1.3 triệu thùng/ngày đến 4.6 triệu trùng/ngày [20]

Với nhu cầu và tốc độ tăng nhu cầu tiêu thụ năng lượng được dự đoạn thì lượng nhiên liệu dầu dự trữ trên toàn cầu lần lượt là 1650 tỉ thùng và sẽ cạn kiệt khoảng 54 năm nữa; lượng than đá dự trữ 869 tỉ tấn và sẽ cạn kiệt trong 115 năm nữa; lượng khí thiên nhiên còn lại là 209741.9 triệu mét khối và sẽ cạn kiệt khoảng 60 năm nữa

Nhiệt độ trung bình trái đất tăng lên 0.85 oC từ năm 1880 ÷2012 Theo dự đoán, nhiệt độ trung bình trái đất sẽ tăng lên 3.6 oC đến năm 2040, nếu tiếp tục duy trì nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch như hiện nay Nhưng nhiệt độ trung bình trái đất sẽ tăng 2

oC, nếu hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch và tăng cường sử dụng các năng lượng không thải ít cacbon Năm 2012, lượng cacbon thải ra là 31.6 gigaton, so với năm 2011 thì lượng cacbon thải ra tăng 400 triệu tấn Than đá chiếm 44% tổng lượng khí thải, dầu

là 36% và khí thiên nhiên 20% [1]

Hình 1.1: Dự đoán nhu cầu năng lượng toàn cầu 2040

1.2 Nhiên liệu tái tạo

Năng lượng tái tạo là năng lượng được từ các nguồn mà con người có thể tái sử dụng được nhiều lần như nguồn từ: mặt trời, gió, thủy triều, sóng, nhiệt địa… Năng lượng tái tạo được sử dụng trong các lĩnh vực giao thông, công nghiệp, xây dựng, sinh hoạt và các hoạt động khác, giúp cho giảm tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch và giảm lượng phát thải CO2 đến 7.2 gigaton năm 2040 [1]

Trong các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng sinh học, xuất phát từ các nguồn: rừng, nông nghiệp, rác chất thải, và biogas Các nguồn năng lượng này phát triển mạnh mẽ và có tính cạnh tranh ngày càng cao; nhờ sự hỗ trợ của các chính sách của các nước, giá cả năng lượng hóa thạch tăng cao, và sự nóng lên toàn cầu do khí thải các bon của các nguồn năng lượng hóa thạch sinh ra

Các nguồn năng lượng bioethanol, biodiesel, biogas hiện nay đang phát triển và được ứng dụng rất mạnh mẽ vào động cơ đốt trong trong phát điện, giao thông vận tải, sinh hoạt … Trong đó bioethanol dùng cho các loại động cơ xăng, biodiesel được sở dụng cho các loại động cơ diesel

`1.3 Nguồn nguyên liệu biodiesel

Hình 1.2: Lượng khí thải CO2 của nhiên liệu hóa thạch

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 từ dầu thực vật hay mỡ động vật Diesel sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng tái tạo Nhìn theo phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl este của những axít béo Năng lượng biodiesel diesel được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng có thể chia thành 2 nguồn chính Đó là nguồn dầu ăn được và nguồn dầu không ăn được Các nguồn từ dầu ăn được gồm: dầu phộng, hướng dương, cải dầu, dầu dừa, dầu mỡ động vật…

Nguồn dầu không ăn được gồm: dầu jatropha, cao su, bã đậu …

Hai loại dầu trên đều sử dụng khả thi trên động cơ diesel Nhưng hiện nay do vấn đề

an ninh lương thực, nguồn cung cấp cho tổng hợp dầu biodiesel từ dầu ăn được bị hạn chế , ngoài ra giá của dầu ăn tăng cao Nên nguồn dầu không ăn được đang được quan tâm trên thế giới cũng như ở Việt nam

Tại Việt nam, theo “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” thì nguồn nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu cả nước với lượng pha E5 và B5, sản lượng đạt 250 nghìn tấn Tầm nhìn 2025, sản lượng đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng 5% nhu cầu xăng dầu của cả nước Các nguồn để tổng hợp nhiên liệu sinh học khá phong phú như: Dầu thải, mỡ cá, jatropha, dầu phộng, dầu dừa…

1.3.1 Đậu tương

Diện tích đậu tương cả nước tăng từ 110.000 ha năm 1990 lên 124.000 ha năm 2000 với tốc độ tăng bình quân 22.5% đến năm 2005 cả nước hiện có khoảng 203.600 ha gieo trồng đậu tương, năng suất bình quân 1,4 tấn/ha, tăng 6.3% sản lượng đậu tương cả nước đạt 291.5 nghìn tấn, cao gấp 2.6 lần so với năm 1990 Gần 50% sản lượng đậu tương hàng năm được sản xuất ở đồng bằng sông Hồng và vùng Đông Bắc

1.3.2 Lạc

Diện tích của cả nước tăng từ 200 nghìn ha năm 1990 lên 269 nghìn ha năm 2005 với tốc độ tăng bình quân 1,5%/năm Vùng Bắc Trung Bộ có diện tích gieo trồng cao nhất, chiếm khoảng 30% tổng diện tích lạc hàng năm của cả nước

1.3.3 Jatropha

Chưa có thống kê đầy đủ nhất về sản lượng hạt jatropha Tuy nhiên, các dự án phát triển cây này đang được các bộ, ngành quan tâm đặc biệt và được triển khai trồng tại nhiều địa phương đặc biệt là những địa phương có đất đồi cằn cỗi không thể dùng để trồng các loại cây khác (như Bình Thuận, Ninh Thuận, Kon Tum và nhiều tỉnh miền núi phía Bắc) Đây là 1 loại cây cho năng suất cao, thời gian thu hoạch ngắn, chăm sóc dễ dàng và dầu của nó có thể sử dụng làm nhiên liệu rất tốt Gần đây có 1 số công ty nước ngoài như Công ty EcoCarbon của Pháp đang đề nghị Chính phủ Việt Nam cho phép cung cấp giống cây Jatropha và trồng thử nghiệm tại nhiều địa phương trên cả nước

1.3.5 Mỡ cá basa

Trong điều kiện Việt Nam, mỡ cá đang được chú ý như là một nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel Tuy nhiên, để có thể đưa vào sản xuất công nghiệp, việc khảo sát nguồn nguyên liệu này rất quan trọng

Sản xuất biodiesel từ mỡ cá tra và basa là một hướng đi có triển vọng của Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và có nhiều khả năng sản xuất quy mô lớn vì ở đây có nguồn nguyên liệu dồi dào, ổn định, giá rẻ và có tiềm năng phát triển Việc đầu tư sản xuất biodiesel tại chỗ từ phụ phẩm của cá sau khi xuất khẩu philê sẽ mở ra một ngành công nghiệp mới cho vùng này, tạo ra một nguồn nhiên liệu mới không ô nhiễm và có thể tái tạo được phục sản xuất

Mỡ cá chủ yếu đi từ cá tra và basa, hiện nay sản lượng 2 loại cá này tại Việt Nam khá lớn

1.3.6 Dầu ăn phế thải

Một loại dầu biodiesel được sản xuất từ nguồn dầu ăn phế thải có thể thay thế hoàn toàn diesel truyền thống để làm nhiên liệu cho xe bus, xe tải trọng nặng, tàu thủy… đem lại hiệu quả kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Từ nguồn dầu ăn phế thải được thu gom tại các nhà máy tinh luyện dầu ăn, các nhà máy chế biến thực phẩm có sử dụng dầu ăn và một số các nhà hàng, quán ăn, cơ sở chế biến thực phẩm nhỏ được đem về xưởng sản xuất tại phường Linh Trung (Thủ Đức), qua nhiều công đoạn như: tách, rửa glyceryn, sấy, cho ra biosiesel thành phẩm

Như vậy, bên cạnh những ưu điểm, việc sử dụng biodiesel cũng gây nên một số vấn đề như gây ăn mòn các chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu do dễ bị oxy hóa; nhiệt độ làm việc ở nhiệt độ của biodiesel khá cao so với dầu diesel thành phẩm, điều này ảnh hưởng rất lớn đến việc sử dụng biodiesel ở những vùng có thời tiết lạnh Do

đó, việc cải thiện tính chất biodiesel là vấn đề rất cần thiết

Ở Việt Nam, việc ngiên cứu biodiesel đã bắt đầu từ trước năm 2000 nhưng quy mô nghiên cứu nhỏ, tập trung ở các trường đại học (ĐHBK, ĐHKHTN…) và các viện nghiên cứu như Viện hóa công nghiệp…

1.3.7 Dầu hạt cao su

Cây cao su có nguồn gốc từ vùng rừng mưa nhiệt đới Amazon (Brazil) Ngày nay, cây cao su hiện diện ở nhiều nơi thế giới, trong đó, nhiều nhất là vùng Đông Nam Á và một số vùng có khí hậu nhiệt đới ở Phi châu Cây cao su trưởng thành có thể cao đến 30

m Đời sống của mỗi cây cao su kéo dài từ 30-40 năm Cây cao su bắt đầu cho trái sau bốn năm Mỗi năm cây cho trái hai lần và mỗi trái chứa từ 3-4 hạt, khi chín chúng rơi xuống đất và hạt được tách ra (T P Hilditch, 1951)

Hiện nay, Việt Nam là nước sản xuất cao su tự nhiên lớn thứ năm trên thế giới Tổng điện tích trồng cao su năm 2012 là 910.500 ha (hiện năm 2013 là trên 1 triệu ha) Rừng cao su Việt Nam chủ yếu phân bố Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, Bắc Trung Bộ Trong đó một số tỉnh có diện tích lớn như Bình Phước (29% diên tích cả nước), Tây Ninh (22%), Bình Dương (18%), Gia Lai (11%) …[2]

Ngoài ra, các vùng lân cận Việt nam như Lào, Campuchia cũng đang phát triển trồng cây cao su trên điện rộng, do các doanh nghiệp Việt nam đầu tư

Cây cao su ra trái vào tháng 3÷4 hàng năm Số lượng trái trên một cây dao động khá lơn; thấp nhất là 1 kg/cây – đối với các loại cây cao su cấy ghép; cao nhất có thể là 20 ÷

30 kg/cây – đối với các loại cây tự nhiên ( Nguồn điều tra từ Kontum, Gia lai) Trong luận văn này sản lượng hạt được lấy 2 kg/cây để tính toán lượng dầu và nguồn thu nhập từ hạt cao su cho ra hàng năm trên tổng diện tích cây cao su ở Việt nam

Khoảng 450 cây/ha sẽ cho ra 900 kg Vậy tổng lượng hạt có thể thu được trên tổng diện tích cao su ở Việt nam (1 triệu ha) là 900,000,000 kg

Khoảng 10 kg hạt cho ra 1 kg dầu Vậy sản lượng dầu có thể cho ra trên tổng diện tích là 90,000,000 kg dầu

Hiệu suất tổng hợp theo thí nghiệm dầu biodiesel theo luận văn thực hiện là 67.41% Sản lượng tổng hợp là 60,668,009 kg dầu biodiesel Đây là một nguồn bổ sung đáng kể vào lượng dầu biodiesel cho của Việt nam

Theo giá thu gom hạt 200đ/kg, được khảo sát ở Gia lai, Kontum, Đông nai Tổng số tiền thu được trên diện tích cây cao su là 180 tỉ đồng

Giá dầu cao su 30 triệu đồng/tấn Tổng lượng tiền chưa tính lời là 2,700 tỉ đồng Từ các tính toán sơ bộ trên, dầu cao su có tính kinh tế và có khả thi khi thực hiện ép dầu để tổng hợp dầu biodiesel bổ sung vào nguồn dầu biodiesel cho Việt Nam

1.5 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

 Đánh giá tính kinh tế của dầu hạt cao su sử dụng trên động cơ diesel

 Thực hiện điều chế biodiesel từ dầu hạt cao su

 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu phối trộn B05 và B10 lên công suất, khí thải trên đông cơ nông nghiệp một xylanh

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.6.1 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Góp một phần tạo thêm nguồn thu nhập, công việc cho người canh tác cây cao su

 Dầu hạt cao su bổ sung thêm một nguồn cung cấp dầu biodiesel cho Việt Nam

1.6.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

 Giúp hoàn thiện quá trình tổng hợp dầu biodiese từ hạt cao su để đáp ứng các tiêu chuẩn

 Góp phần nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel lên đặc tính công suất khí thải của của động cơ máy nông nghiệp một xylanh

CHƯƠNG 2: BIODIESEL VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ BIODISEL

2.1 Các phương pháp sử dụng nhiên liệu sinh học trên động cơ diesel

2.1.1 Dầu động thực vật

Nhiên liệu sinh học được sử dung cho động cơ diesel suất có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Dầu mỡ động thực vật sẵn có ở nhiều nơi, có thể dùng như dầu diesel, và là nhiên liệu tái sinh, nhưng nó có độ nhớt cao hơn diesel, khả năng hóa hơi thấp hơn diesel và tạo ra các hydrocacbon không no Khi dùng nhiên liệu dầu trực tiếp sẽ gặp nhiều vấn đề, đặc biệt khi dùng trong thời gian dài Các vấn đề đó là: hình thành cặn dầu cháy tại đầu kim phun làm cho hạt nhiên liệu phun ra không tơi, làm biến chất dầu bôi trơn, độ nhớt cao của dầu làm cho nhiên liệu cháy không hoàn toàn; các acid béo không no chứa nối đôi dễ hình thành polyme và gum do sự oxi hóa sự polime hóa dưới nhiệt độ và áp suất cao khi cháy trong xylanh Thành phần gum không cháy sẽ đóng cặn

và pháy hủy dầu bôi trơn

Với các nhược điểm khi sử dụng trực tiếp dầu động thực vật, hiện nay có các phương pháp cải thiện các nhược điểm dầu động thực vật để sử dụng trên động cơ Các phương pháp này chủ yếu tập trung vào mục tiêu làm giảm độ nhớt của dầu động thực vật

2.1.2 Phương pháp pha trộn và gia nhiệt

Dầu động thực vật được pha trộn với diesel hoặc một số phụ gia để làm giảm chỉ số

độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu giảm so với dầu động thực vật Ngoài ra, chúng còn được gia nhiệt để giảm độ nhớt xuống

Cải dầu và diesel hòa trộn với tỉ lệ 50/50 và 70/30 có chỉ số độ nhớt gấp 6 ÷ 18 lần

độ nhớt của diesel No.2 Hỗn hợp được thực nghiệm trong 850 giờ cho thấy không ảnh hưởng đến độ mòn, chất lượng dầu bôi trơn cung như công suất

Cải dầu (canola oil) có độ nhớt khá nhiều hơn các loại dầu thực vật thông thường Ở

10oC, nó có độ nhớt cSt Khi pha trộn lới tỉ lệ 75/25, 50/50 giữa cải dầu (canola oil) lần lượt có độ nhớt từ 40 sCt, 19 sCt

Với tỉ lệ 25/75 dầu hướng dương với dầu diesel thì độ nhớt 4.88 sCt tại 40 oC gần đúng với tiêu chuẩn ASTM là 4.0 sCt tại 40 oC

Hỗn hợp có tỉ lệ 50/50 dầu lạc với dung môi Stoddard ( 48 parafin và 52 naphthane)

có độ nhớt 5.12 sCt tại 38 oC

Phương pháp phối trộn và gia nhiệt nó có các ưu nhược điểm cũng tương tự như dùng trực tiếp với dầu động thực vật trên động cơ Vì vậy phương pháp này cũng không

được sử dụng phổ biến [18]

2.1.3 Phương pháp nhũ tương

Nhiên liệu ban đầu là dầu thực vật hoặc mỡ động vật hoặc diesel, rượu và chất tạo sức căng bề mặt với thiết bị tạo nhũ có thể tạo ra nhũ tương dầu thực vật hoặc mỡ động vật – rượu, rượu bao xung quanh hạt dầu tạo thành các hạt có kích thước 1-150 nm, được phân

bố đều trong nhũ tương Nhũ tương cải thiện đặc tính phun vì các thành phần tạo bề mặt ( methanol, ethanol, butanol) trong nhu tương dễ cháy Khi hoạt động trong thời gian ngắn, nhũ tương có tính chất giống như nhiên liệu diesel

Một số nghiên cứu về nhũ tương được tổng hợp sử dụng trong động cơ diesel Hỗn hợp 53.3% dầu hướng dương được triết xuất dạng alkalin, 13% ethanol và 33.4% 1-butanol; loại nhũ tương này có trị số độ nhớt 6.31 sCt, trị số cetane 25 và thành phần tro chỉ

có 0.01%, hàm hượng butanol tăng lên giúp độ nhớt giảm và cải thiện khả năng phun Trường hợp nhũ tương được tạo thành 50% diesel, 25% chất chống tạo gum và dầu lạt được triết xuất dạng akline, 20% 1-butanol; nhũ tương loại này có độ nhớt 4.03 sCt, chỉ số cetane 24.7 và nhiệt lượng cao là 41263 kJ/kg…

Các nghiên cứu này thường chỉ được nghiên cứu trong thời gian ngắn 200 giờ nhưng cho thấy các loại nhũ tương cải thiện đáng kể chỉ số cetane, cải thiện khả năng phun và đồng thời giảm độ nhớt xuống gần chuẩn của ASTM Tuy nhiên, khi sử dụng trong thời gian dài nhũ tương gặp phải vấn đề: nghẽn kim phun, đóng cặn cacbon, cháy không hoàn toàn và làm tăng độ nhớt của dầu bôi trơn

2.1.4 Phương pháp nhiệt phân (cracking nhiệt)

Quá trình nhiệt phân chuyển hóa một chất thành một chất khác dưới tác dụng của nhiệt độ cùng với chất xúc tác Sự tác dụng của nhiệt độ trong điều kiện không có oxi và

sự phân rã cấu trúc hóa học của chất tham gia phản ứng sinh ra những phân tử nhỏ hơn Nguyên liệu cho quá trình nhiệt phân dầu thực vật, dầu động vật, acid béo tự nhiên, methyl ester của acid béo

Một số nghiên cứu về phương pháp nhiệt phân Quá trình nhiệt phân dầu cây trẩu ( tung oil) Ban đầu dầu cây trẩu được xà phòng hóa với vôi sống và sau đó, được cracking nhiệt thành dầu thô, cuối cùng dầu thô được lọc để sinh ra nhiên liệu diesel cùng với một lượng nhỏ xăng và dầu lửa; với 68 kg xà phòng từ phản ứng xà phòng hóa sẽ cho

ra 50 lít dầu thô Dầu cải (rapeseed oil) được nhiệt phân ở nhiệt độ 500 ÷ 850 oC, trong môi trương có nitơ, tỉ lệ mole 13 so với nguyên liệu dầu, thời gian phản ứng 320 phút, cho ra sản phẩm là 1-olefin, n-paraffin và methyl ester không no

Phương pháp nhiệt phân này cho ra dầu nhiên liệu giống sản phẩm chưng cất của dầu thô, sản phẩm có được sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel Tuy nhiên, quá trình tổng hợp này đều được thực hiện trong môi trường cách ly oxi hoặc không khí trơ, nhiệt

độ thực hiện cao, sẽ tốn nhiều chi phí cho dụng cụ, thiết bị Phương pháp này thường áp dụng cho các nguyên liệu rẽ tiền và sinh ra nhiều gasoline hơn diesel [18]

2.1.5 Phương pháp tranester hóa

Phương pháp ester hóa dầu thực vật hoặc mỡ động vật là phương pháp được chú ý đến trong thời gian gần đây, nguyên lý chuyển hóa cơ bản có thể miêu tả như là phản ứng của một phần tử glyceride (axit béo có độ nhớt cao) và ba nguyên tử rượu tạo thành ester của axit béo và một nguyên tử glycerin

Tối ưu của phản ứng transester là 1 mol trigricerride thì cần 3 mol alcohol Phản ứng trên là phản ứng thuận nghịch xúc tác trong phản ứng có thể là acid hoăc bazơ Quá trình

Hình 2.1: Phản ứng tranester hóa biodiesel

phản ứng chuyển hóa dần từ triglyceride đến diglycerde đến monoglyceride đến cuối cùng

là glycerol Cơ chế chuyển hóa thể hiện ở các phản ứng dưới đây:

R’CO2R là ester của dầu biodiesel

Trong quá trình phản ứng các gốc acid béo R1, R2, R3 lần lượt tách ra khỏi triglyceride, diglyceride, moglyceride để hình thành các ester [3]

Trong phản ứng transester có thể dùng xúc tác acid hoặc bazơ Mỗi loại đều có đặc điểm riêng:

2.1.5.1 Phương pháp tranester hóa xúc tác acid

Hiện nay, phản ứng xúc tác bazơ được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp dầu biodiesel theo phương pháp transester Phương pháp này có điểm mạnh là thời gian phản ứng nhanh hơn so với phương pháp xúc tác acid [4] Lượng cồn dùng trong phản ứng ít hơn khoảng 6:1 theo tỉ lệ mol Nhiệt độ phản ứng thấp dưới nhiệt độ sôi, ví dụ methanol dưới 60 oC [5]

Tuy vậy, để cho phản ứng tranester xúc tác acid sảy ra hoàn toàn thì cần hạ chỉ số acid xuống dưới 2 mgKOH/g Vì phản ứng này bị ảnh hưởng bởi acid béo tự do có trong dầu làm khả năng chuyển thành ester kém Nếu phản ứng có nước sinh ra hay có nước trong dầu thì tỷ lệ ester sinh ra giảm nhiều Vì vậy, phản ứng cần có quá trình tiền xử lý khi có chỉ số acid lớn bằng phương pháp xúc tác acid để đưa chỉ số acid dưới chuẩn 2 mgKOH/g, lúc đó phản ứng dùng xúc tác acid mới ít hình thành xà phòng và khả năng chuyển hóa thành ester cao [6]

2.1.5.2 Phương pháp tranester hóa xúc tác bazơ

Nguyên liệu cho quá trình ester hóa chất béo triglycerid cần phải có trị số axit thấp

hơn 1 và tất cả các nguyên liệu cần phải khan hoàn toàn

Nếu trị số axit lớn hơn 1 cần phải sử dụng KOH để trung hòa các axit béo tự do

Nước cũng gây xà phòng hóa làm tiêu tốn xúc tác và giảm hiệu quả của xúc tác

Xà phòng sinh ra làm tăng độ nhớt, tạo thành gel và làm cho việc tách glycerin trở

nên rất khó khăn

Kali hydroxit hoặc kali metoxit phản ứng với nước và CO2 có trong không khí làm giảm hiệu quả xúc tác Sự ảnh hưởng mạnh của hàm lượng nước và axit béo tự do trong nguyên liệu đến hiệu suất chuyển hóa của quá trình trao đổi ester nên công nghệ sản xuất

biodiesel phụ thuộc rất nhiều vào nguyên liệu

Với những nguồn nhiên liệu có hàm lượng axit béo cao hoặc nguồn nguyên liệu là dầu mỡ phế thải, nhất thiết phải qua công đoạn xử lý nguyên liệu trước khi đưa vào thiết

bị trao đổi ester

Từ các phân tích trên, các phương pháp kể trên, ngoài phương pháp tranester hóa, đều mắc phải nhược điểm khả năng đáp ứng các tiêu chuẩn ứng dụng cho động cơ diesel hoặc nếu đáp ứng được thì giá thành để sản xuất biodiesel quá cao Vì vậy hiện nay, phương pháp được xử dụng phổ biến trong sản xuất dầu biodiesel, kể cả trong thí nghiệm

và sản xuất thương mại, là phương pháp tranester hóa Tuy có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác nhưng tranester hóa cũng có nhược điểm cần nghiên cứu khắc phục; đó là thời gian tranester hóa kéo dài, sự hình thành xà phòng khi trong dầu nguyên liệu có hàm lượng acid hoặc hàm lượng nước cao

Để cải thiện quá trình tranester hóa, hiện nay có nhiều nghiên cứu thử nghiệm như dùng chất xúc tác enzyme (lipase), siêu tới hạn của alcohol và sử dụng siêu âm Mục đích các phương pháp hỗ trợ phương pháp truyền thống làm tăng hiệu suất, làm tăng tốc độ phản ứng Trong luận văn này thực hiện phương pháp tổng hợp tranester hóa sử dụng hỗ trợ của sóng siêu âm

2.1.5.3 Phương pháp tranester hóa hỗ trợ siêu âm

Sóng siêu âm thể hiện rõ ra ảnh hưởng của vật lý và hóa học lên hệ thống phản ứng phức tạp của chất lỏng tham gia phản ứng thông qua việc tạo ra các vết nứt trên bọt (1) Ảnh hưởng hóa học; H*, OH*, HO* được sinh ra trong suốt giai đoạn phá hủy ngắn của hạt bọt, sự phá hủy này tăng cường phản ứng hóa học trong phân tử cấu trúc trung bình (2) Ảnh hưởng vật lý lên sự hình thành nhũ tương, trong đó sóng siêu âm sinh ra các hạt

bọt di chuyển, tạo ra sự hòa trộn các chất phản ứng khó hòa tan Do các lý do này, diện tích bề mặt phản ứng của chất tham gia tăng lên, làm tăng động học phản ứng nhanh hơn [7]

2.1.5.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tranester hóa

2.1.5.4.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ mole

Một trong những biến số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất sinh ra methyl ester đó

là tỉ lệ mole giửa acohol với triglyceride Tỷ lệ mole tối ưu trong quá trình tranester hóa

đó là 3 mole acohol và một mole glyceride để sinh ra để sinh ra 3 mole ester của acide béo và một mole glycerol Tỉ lệ mole tham gia phản ứng phụ thuộc vào chất xúc tác được

sử dụng Tỉ lệ là 30:1 khi dùng chất xúc tác là acid, 6:1 khi dùng chất xúc tác là alkali khi dùng BuOH với cùng một thời gian phản ứng

Bradshaw và Meuly (1944) thực hiện thí nghiệm trên trên dãi tỉ lệ 3.3 ÷ 5.25 : 1 methanol với dầu thực vật Tỉ lệ 4.8:1 được sử dụng trên một số mẫu đạt được hiệu suất 97÷98%, phụ thuộc vào chất lượng của loại dầu Nếu quá trình tranester hóa thực hiện 3 giai đoạn thì tỉ lệ giảm xuống còn 3.3:1

Tỉ lệ mole lớn làm cho thời gian chuyển hóa ngắn lại Khi tranester hóa dung ethanol cho dầu phộng thì tỉ lệ 6:1 giải phóng lượng glycerine nhiều hơn tỉ lệ 3:1(Feuge

và Grose, 1949) Tranester hóa dầu cải (Rapeseed Oil) sử dụng methanol, xúc tác KOH

và NaOH 1% (Nye và Southwell, 1983) Tỉ lệ mole được tìm thấy phù hợp cho sử chuyển hóa là 6:1 methanol và dầu [7]

2.1.5.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

Một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp dầu nguyên liệu thành ester đó là nhiệt độ Tác dụng của nhiệt độ cần thiết cho quá trình phản ứng nhanh hơn và thời gian phản ứng có thể thay đổi từ vài phút đến vài giờ Khi hàm lượng acid béo tự do nhiều trong dầu thì tỉ lệ mole là 15:1 methnol và dầu, sử dụng súc tác acid (Sprules and Price, 1950) Freedman et al (1984) thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ

lệ mol (1:1÷6:1) đến sự chuyển hóa ester với dầu thực vật Dầu đậu nành, hướng dương, đậu phộng, hạt vải cotton thể hiện sự giống tương tự nhau và đạt được hiệu suất (93÷98%) với tỉ lệ mol 6:1 Tanaka et al (1981), thực hiện nghiên cứu tranester hóa 2

giai đoạn cho mỡ, dầu dừa và dầu cọ đã sử dụng tỉ lệ mole 6:1÷30:1 với xúc tác là alkali đạt được chuyển hóa là 99.5% [7]

2.1.5.4.3 Ảnh hưởng của lượng chất xúc tác

Chất xúc tác được phân chia làm nhiều loại như alkali, acid hoặc enzyme Chất xúc tác alkali trong phản ứng tran ester hóa làm cho phản ứng sảy ra nhanh hơn khi dùng acid Tuy nhiên, khi glyceride có hàm lượng acid béo cao thì quá trình tổng hợp dùng xúc tác acid là phù hợp hợp (Sprules and Price, 1950; Freedman et al., 1984) Acid dùng trong quá trình tổng hợp tranester hóa có thể là sufuric acid, Phosphoric acid, hydrocloric acid hoặc sunfunic acid Alkali gồm có sodium hydroxide, sodium methoxide, potassium hydroxide, potassium methoxide, sodium amide, sodium hydride, potassium amide and potassium hydride (Sprules and Price, 1950) [7]

2.1.5.4.4 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

Tốc độ chuyển hóa tăng lên theo thời gian phản ứng Freedman et al (1984) nghiên ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên dầu đậu phộng, hạt vải cô ton, hướng dương và đậu nành dưới điều kiện tỷ lệ methanol với dầu là 6:1, 0.5% sodium methocide và nhiệt độ 60

oC Dầu đậu nành và hạt hướng dương có hiệu suất 80% khi thực hiện trong 1 phút Sau 1 giờ hiệu suất chuyển hóa đạt được 93 ÷ 98% với 4 loại dầu trên Ma et al (1998 a) nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lên quá trình tranester hóa mỡ bò với methenol Phản ứng sảy ra rất chậm tong khoảng thời gian một phút đầu vì methanol đang hòa trộn và tán trong dầu Trong khoảng thời gian 1 ÷ 5 phút, tốc độ chuyển hóa rất nhanh Lượng methyl ester sinh ra thấy rõ ràng trong phút thứ 1÷ 38 Lượng methyl ester sinh ra cực đại tại phút thứ 15 Hàm lượng di- và monoglyceride sinh ra khi bắt đầu và giảm dần Khi kết thúc hàm lượng monoglyceride cao hơn diglyceride [7]

2.1.5.4.5 Ảnh hưởng của nước và acid béo tự do

Wright et al (1944) lưu ý nguyên liệu dầu được sử dụng cho quá trình tranester hóa xúc tác alkali phải đáp ứng đúng các chỉ tiêu Glyceride phải có chỉ số acid thấp dưới

1 mmg KOH/g và các nguyên liệu phải khan Nếu chỉ số acid lớn hơn 1 mmg KOH/g thì yêu cầu lượng NaOH nhiều để trung hòa hết acid béo tự do Nước gây ra xà phòng hóa,

nó làm tốn thêm chất xúc tác và giảm hiệu quả xúc tác Xà phòng sinh ra sẽ làm tăng chỉ

số độ nhớt, hình thành ‘gel’ và tách glycerol khó Bradshaw and Meuly (1944) and Feuge and Grose (1949) tập trung nghiên cứu và hàm lượng nước và chỉ số acid béo tự do (<0.5%) Freedman et al (1984) cho thấy rằng lượng ester sẽ giảm đáng kế nếu thành phần tham gia phản ứng không đáp ứng các yêu cầu Sodium hydroxide or sodium methoxide phản ứng với hơi nước và cacbon dioxide trong không khí, làm giảm hiệu quả của chúng Phản ứng tranester hóa không cần phải thực hiện trong môi trương khí trơ (nitrogen) Lò phản ứng thông với không khí trời thông qua bộ ngưng tụ Oxigent hòa tan trong chất tham gia phản ứng thoát ra ngoài không khí khi chất tham gia phản ứng được gia nhiệt Thêm vào đó sự bốc hơi của alcohol sảy ra dễ dàng

Ảnh hưởng của acid tự do và nước lên quá trinh tranester hóa mỡ bò cũng được điều tra (Ma et al., 1998a) Kết quá chỉ ra rằng hàm lượng nước chứa trong mỡ bò cần phải nhỏ dưới 0.06% w/w và lượng acid béo trong mỡ bò phải thấp dưới 0.5% w/w để đạt được kết quả chuyển hóa tốt nhất Hàm lượng nước trong dầu đỏi hỏi nghiêm ngặt hơn so với hàm lượng acid tự do [7]

2.1.5.4.6 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn

Do các chất phản ứng tồn tại trong hai pha tách biệt nên tốc độ khuấy trộn đóng vai trò rất quan trọng Để tăng khả năng tiếp xúc pha, người ta thường sử dụng cách khuấy trộn cơ học nhằm tạo phản ứng hiệu quả hơn giữa hai pha Khi phản ứng đã xảy ra, biodiesel sinh ra đóng vai trò như một chất nhũ hóa góp phần làm giảm sự tách pha Có nhiều nghiên cứu chứng minh rằng: với cùng một điều kiện phản ứng, phản ứng trao đổi ester mỡ cá chỉ đạt hiệu suất chuyển hóa 40% sau 8h, phản ứng với tốc độ khuấy 300 vòng/phút, trong khi ở tốc độ khuấy 600 vòng/phút, độ chuyển hóa đạt 97% chỉ sau gần 2h

2.2 Nhiên liệu sinh học biodiesel

2.2.1 Biodiesel

Biodiesel (BD) còn được gọi diesel sinh học, là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ, là hỗn hợp các ester của axit béo được sản xuất từ quá trình chuyển ester hóa giữa các triglyceride, là thành phần

chính có trong dầu thực vật và mỡ động vật, và methanol với xúc tác axit hoặc bazơ, chủ yếu là methyl ester ( Fatty Axit Methyl Ester – FAME)

Bản chất của Biodiesel là sản phẩm Ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và axit béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật

2.2.2 Nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất dầu biodiesel

Hiện nay có rất nhiều nguồn nguyên liệu cung cấp để sản xuất biodiesel Các nguồn nguyên liệu này cần đảm bảo: giá thành sản xuất thấp và khối lượng sản xuất nhiều Nguồn nguyên liệu tùy thuộc vào khí hậu, thổ nhưỡng, địa lý và điều kiện canh tác của mỗi nước Nguồn nguyên liệu dùng cho sản xuất biodiesel được chia làm 4 loại sau:

 Dầu thực vật ăn được (Edible vegetable oil): dầu cải, dầu đậu tương, dầu lạc, dầu hướng dương, dầu cọ và dầu dừa …

 Dầu thực vật không ăn được (Non-edible vegetable oil): Jatropha, karanja, sea mango, tảo, dầu hạt cao su…

2.2.3 Thành phần một số axit béo trong nhiên liệu biodiesel

2.2.3.1 Acid béo trong dầu mỡ động thực vật

Axit béo là loại hợp chất hữu cơ mạch không vòng chứa nhóm – COOH

Công thức chung: R – COOH (R là gốc hidrocacbon có mạch dài)

Các axit béo cao thường có trong dầu mỡ dưới dạng glixerit là axit panmitic, axit stearic

và axit oleic Vì có mạch cacbon dài nên các axit béo cao không tan trong nước, muối natri, kali của axit béo được dùng làm xà phòng

2.2.3.2 Acid béo chưa bão hòa

Acid chưa bão hòa là acid chứa tối thiếu một nối đôi trong mạch acid béo, khi dó số nguyên tử hidro trong phân tử sẽ giảm xuống do có nối đôi Acid béo chưa bão hòa chia

ra làm hai loại: Loại có một nối đôi ( monounsaturated fat); loại có nhiều nối đôi

(polyunsaturated fat), có từ hai nối đôi trở lên trong mạch acid béo

2.2.3.3 Acid béo bão hòa

Bảng 2.1: Một số acid béo trong dầu động thực vật

oC

Điểm chảy

oC

Điểm sôi

oC Saturated

Linolenic 18 CH3CH2CH=CHCH2CH=C

Acid bão hòa là acid không có nối đôi trong chuỗi acid béo, khi đó số nguyên tử hidro trong chuỗi acid là tối đa Sau đây là một số loại acid béo bão hòa thường gặp trong dầu biodiesel:

Sau đây là một số loại acid béo và methyl ester gốc acid béo thường gập trong dầu biodiesel [17]

2.2.4 Tiêu chuẩn và tính chất hóa lý của biodiesel

2.2.4.1 Tiểu chuẩn biodiesel

Biodiesel có những tính chất hóa lý khác so với diesel Chất lượng của biodiesel có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như: chất lượng nguồn nguyên liệu, thành phần acid trong nguồn nguyên liệu, quá trình sản xuất và nơi sản xuất khác nhau Vì vậy cần có chuẩn cho loại nhiên liệu biodiesel Các chuẩn cho biodiesel áp dụng cho tất cả cac nước Các chuẩn này giúp bảo vệ người tiêu dùng, nhà sản xuất cũng như để hỗ trợ cho sự phát triển của công nghiệp sản xuất biodiesel Nhiên liệu biodiesel phải đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế như: ASTM D 6751, EN 14214, …; cũng như diesel có tiêu chuẩn ASTM D975 Ngoài ra, các nước cũng có các tiêu chuẩn riêng áp dung cho nhiên liệu biodiesel: Indonesia (SNI Biodiesel No 04-7182-2006), Malaysia (MS 2008:2008), Thailand (DOEB: 2009), Vietnam (TCVN 7717: 2007), China (GB/T20828-2007), Republic of Korea (KS M), Japan (JIS K2390:2008), …

Bảng 2.2: Tiêu chuẩn TCVN về dầu biodiesel B100

1 Hàm lượng este metyl axit béo

(FAME), % khối lượng, không nhỏ hơn 96,5 TCVN 7868 (EN 14103)

2 Nước và cặn, % thể tích, không lớn

TCVN 7757 (ASTM D 2709)

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

7 Trị số axit, mg KOH/g, không lớn hơn 0,50 TCVN 6325 (ASTM D 664)

8 Độ ổn định ôxy hoá, tại 110 oC, h,

9 Glycerin tự do, % khối lượng,

TCVN 7867 (ASTM D 6584)

10 Glycerin tổng, % khối lượng,

TCVN 7867 (ASTM D 6584)

11 Phospho, % khối lượng, không lớn

TCVN 7866 (ASTM D 4951)

Hiện nay, dầu biodiesel dử dụng trên động cơ diesel phổ biển ở dạng phối trộn với nhiên liệu diesel theo tỉ lệ phần trăm thể tích B5 (5% thể tích biodiesel rtrong hỗn hơp), tương tự như vậy đối với B10 và B20, đa số là hỗn hợp dưới 20% thể tích biodiesel trong hỗn hợp Vì vậy, các hỗn hợp phối trộn biodiesel với diesel cũng có các tiêu chuẩn Tiêu chuẩn quốc tế có ASTM D 7467 áp dụng cho hỗn hơp B5 ÷ B20

Bảng 2.3: Tiêu chuẩn ASTM 7467 áp dụng cho dầu diesel sinh học B5 ÷ B20

1 Hàm lượng este methyl axit béo

FAME), % khối lượng, không nhỏ hơn 96,5 TCVN 7868 (EN 14103)

2 Nước và cặn, % thể tích, không lớn

D 5453

D 5453

6 Trị số xêtan, không nhỏ hơn 40 D 613

7 Cặn cacbon 10%, không lớn hơn 0.35 D 524

8 Trị số axit, mg KOH/g, không lớn hơn 0.3 D 664

9 Nhiệt độ hóa hơi, oC

10 Độ ổn định ôxy hoá, tại 110 oC, h, giờ,

Việt nam có quy chuẩn QCVN 1: 2009/BKHCN áp dụng cho nhiên liệu sinh học diesel B5

Bảng 2.4 : Qui chuẩn QCVN 1 - 2009/BKHCN áp dụng với B05

1 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, không lớn hơn

 đối với loại 0,05 S

 đối với loại 0,25 S 1)

500

2 500

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

2 Xêtan, không nhỏ hơn

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

2) Không áp dụng đối với nhiên liệu diesel B5

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

2.2.4.2 Tính chất hóa lý của dầu biodiesel

2.2.4.2.1 Chỉ số flash point ( điểm chớp cháy)( o C)

Chỉ số flash point không ảnh hưởng tr ư tiếp đến hoạt động của động cơ Tuy nhiên

nó ảnh hưởng đến độ an toàn trong vận chuyển và lưu trữ và nó phải đáp ứng các quy định về cháy nổ Chỉ số flash point thấp nhát là 93 oC

2.2.4.2.2 Độ nhớt động học (mm 2 /s)