Nghiên cứu chuyển hóa dầu ăn phế thải & mỡ cá thành bio

Nghiên cứu chuyển hóa dầu ăn phế thải & mỡ cá thành bio.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-BÁO CÁO LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

PHẾ THẢI VÀ MỠ CÁ THÀNH BIODIESEL

TRÊN XÚC TÁC DỊ THỂ

Học viên: ĐỖ THỊ DIỄM THÚY GVHD: PGS.TS ĐINH THỊ NGỌ

HÀ NỘI 2009

Nội dung báo cáo

Giới thiệu chung

GIỚI THIỆU CHUNG

 Nguồn nhiên liệu khoáng ngày càng cạn kiệt, và tác động lớn đến môi trường

→ Việc nghiên cứu và phát triển nguồn nhiên liệu thay thế đang là việc làm hết sức cần thiết.

 Biodiesel với ưu điểm nổi bật:

• Làm giảm đáng kể lượng khí thải độc hại.

• Có khả năng tái tạo được.

→ Biodiesel là nhiên liệu thay thế được quan tâm hơn cả.

GIỚI THIỆU CHUNG

Nguyên liệu để tổng hợp biodiesel:

Giới thiệu chung Các loại xúc tác được sử dụng:

4 3

2

1

Chuẩn bị nguyên liệu Tạo kết tủa

Lọc rửa kết tủa

Sấy & nung MgSiO3

ĐIỀU CHẾ XÚC TÁC

Đánh giá chất lượng biodiesel.

Phân tích chất lượng và xử lý nguyên liệu.

Đặc trưng xúc tác.

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu

suất biodiesel.

Thu hồi glyxerin.

6 Đánh giá khả năng tái sử dụng, tái sinh xúc tác.

3.1 PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG NGUYÊN LIỆU

Chỉ số xà phòng, mg KOH/g dầu 193,5 198,0

Nguyên liệu có chất lượng kém cần xử lý.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Na2CO3, 4% NaOH 4% KOH 4%

Tác nhân trung hòa

Na2CO3, 4% NaOH 4% KOH 4%

Tác nhân trung hòa

3.2 XỬ LÝ NGUYÊN LI U ỆU

3.2.1 Lựa chọn tác nhân trung hòa:

Chọn NaOH làm tác nhân trung hòa.

Na2CO3, 4% Na2CO3, 4%

3.2.2 Ảnh hưởng của lượng dư NaOH

3.2 XỬ LÝ NGUYÊN LI U ỆU

Hàm lượng NaOH dư tối ưu là 8%.

3.2 XỬ LÝ NGUYÊN LI U ỆU

Hiệu suất dầu trung

tính thu được,

%

Dầu thải Chưa sạch Chưa sạch 94 92 88 83

Mỡ cá Chưa

sạch Chưa sạch Chưa sạch 91 85 81

3.2.3 Ảnh hưởng của số lần rửa, nhiệt độ nước rửa đến hiệu suất thu dầu trung tính

Hiệu suất dầu trung

Dầu thải: nhiệt độ nước rửa tối ưu là 70oC, và 4 lần rửa.

Mỡ cá: nhiệt độ tối ưu nước rửa tối ưu là 80oC, và 5 lần rửa.

Tính chất Dầu ăn thải Mỡ cá

Chỉ số xà phòng, (mg KOH/g dầu) 191 196

CHẤT LƯỢNG NGUYÊN LIỆU SAU KHI XỬ LÝ:

Nguyên liệu sau khi xử lý có chất lượng tốt, các chỉ tiêu chất lượng đều đạt yêu cầu.

3.3 Chế tạo và xác định đặc trưng của xúc tác.

3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung xúc tác đến hiệu suất thu

biodiesel

Nhiệt độ nung tối ưu là 900oC.

0 10 20 30 40 50 60 70

3.3 Chế tạo và xác định đặc trưng của xúc tác.

3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian nung xúc tác

Thời gian nung tối ưu là 3 giờ.

3.3 Chế tạo và xác định đặc trưng của xúc tác.

Phổ XRD có xuất hiện các pic đặc trưng của MgSiO3.

3.3 Chế tạo và xác định đặc trưng của xúc tác.

3.3.4 Ảnh SEM của xúc tác MgSiO3 đã điều chế

Mẫu MgSiO3 điều chế được có dạng hình ống

3.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biodiesel

3.4.1 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

30 35 40 45 50 55 60

30 35 40 45 50 55 60 65

3.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác

Lượng xúc tác tối ưu là 8 g/100ml dầu, mỡ.

3.4 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biodiesel

3.4.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ metanol/dầu, mỡ

Tỷ lệ metanol/dầu thải tối ưu là 0,5.

Tỷ lệ metanol/mỡ cá tối ưu là 0,6.

10 20 30 40 50 60 70

3.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

3.5 KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH LÀM SẠCH BIODIESEL

3.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước rửa

Số lần rửa, lần Tạo nhũ nhiều 6 4 4 Xà phòng

Tỷ lệ nước

3.5.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích nước rửa/biodiesel

3.5.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn

Tốc độ khuấy

3.6 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM THU ĐƯỢC

Nicolet 6700 FT-IR Spectrometer

Number of background scans:128 Number of sample scans: 128 Resolution: 2 cm-1

***Bio tu mo ca

**Biodiesel tu dau thai - Diem Thuy

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

3.6.1 Xác định cấu trúc sản phẩm Phổ GCMS của biodiesel từ dầu thải:

.

Phổ GC-MS xuất hiện

các pic đặc trưng cho

các metyl este của axit

béo từ C12 – C22.

3.6.1 Xác định cấu trúc sản phẩm Phổ GC-MS của biodiesel từ mỡ cá:

Phổ GC-MS xuất hiện

các pic đặc trưng cho

các metyl este của axit

béo từ C14 – C22.

3.6.2 Xác định các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm

Chỉ tiêu phân tích Phương pháp

ASTM

Biodiesel chuẩn ASTM 6751-02

Biodiesel

từ

mỡ cá

Biodiesel từ dầu thải

Độ nhớt, mm 2 /s ở 40 0 C D445 1,9 – 6,0 5,6 5,5

Chỉ số axit,

Biodiesel thu được từ cả hai loại nguyên liệu đều đạt yêu cầu chất lượng theo tiêu chuẩn ASTM.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

So sánh công suất động cơ khi dùng nhiên liệu B20 và diesel khoáng.

Công suất động cơ giảm không đáng kể khi dùng nhiên liệu B20, và vẫn đảm bảo tính năng tốt của động cơ.

3.7 HÀM LƯỢNG KHÓI THẢI

950 1000

Tốc độ vòng quay ( vòng/ phút )

Hàm lượng CO trong khói thải động cơ ở các tốc

độ khác nhau

Hàm lượng NOX trong khói thải động cơ ở các

tốc độ khác nhau

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Hàm lượng RH trong khói thải động cơ ở

các tốc độ khác nhau

0 200

Hàm lượng CO2 trong khói thải động cơ ở các

tốc độ khác nhau

Một số tính chất hóa lý Glyxerin chuẩn Glyxerin thu được

Nhiệt độ sôi (áp suất khí quyển), oC 290 287

Độ nhớt ở 40oC, cP

glyxerin 100%

284

142Glyxerin 98% 196

Chất lượng glyxerin thu được:

Phổ HPLC của mẫu glyxerin tổng hợp.

Mẫu sản phẩm thu được đúng là glyxerin, và ít bị lẫn tạp chất.

3.8 Nghiên cứu tái sử dụng và tái sinh xúc tác.

Có thể tái sử dụng xúc tác 8 lần

30 40 50 60 70

3.8 Nghiên cứu tái sử dụng và tái sinh xúc tác.

 Xúc tác sau khi tái sinh tiến hành phản ứng ở điều kiện tối

ưu thu được hiệu suất metyl este là 63,8 % Ta thấy hiệu suất có giảm so với lần đầu tiên.

 Vì thế cần phải bổ sung một lượng nhỏ xúc tác để đảm bảo hiệu suất phản ứng và có thể tái sử dụng nhiều lần tiếp theo.

1 Đã điều chế được xúc tác dị thể MgSiO3, với điều kiện nung tốt nhất là

900oC, 3 giờ

2 Đã tìm được điều kiện tối ưu cho quá trình xử lý nguyên liệu là:

Các điều kiện xử lý tối ưu Dầu thải Mỡ cá

Tác nhân trung hòa NaOH 4% NaOH 4%

Nhiệt độ nước rửa, oC 70 80

3 Đã tổng hợp được biodisel từ dầu ăn phế thải trên xúc tác MgSiO3với hiệu suất cao nhất là 64,5% trong các điều kiện sau: 100ml dầu thải, hàm lượng xúc tác là 8g, 50ml metanol, nhiệt độ phản ứng là 60oC, thời gian phản ứng là 6 giờ

4 Đã tổng hợp được biodisel từ mỡ cá trên xúc tác MgSiO3 với hiệu suất cao nhất là 64,4% trong các điều kiện sau: 100ml mỡ cá, hàm lượng xúc tác

là 8g, 60ml metanol, nhiệt độ phản ứng là 60oC, thời gian phản ứng là 6 giờ

5 Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của biodiesel thu được, và thấy rằng

biodiesel thu được từ hai loại nguyên liệu đều đạt yêu cầu chất lượng của biodiesel theo tiêu chuẩn ASTM-6751

6 Đã thử nghiệm B20 trên động cơ diesel, kết quả cho thấy công suất động cơ giảm không đáng kể, tuy nhiên hàm lượng khói thải độc hại CO2,

CO, NOx, RH giảm đáng kể

7 Đã xây dựng quy trình thu hồi glyxerin – một sản phẩm phụ có giá

trị, xác định các chỉ tiêu chất lượng, và thấy rằng glyxerin thu được có độ

tinh khiết cao, đạt yêu cầu chất lượng

EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!

Đầu tiên là phản ứng của phân tử rượu với xúc tác bazơ tạo thành alkoxit: Sau đó gốc RO- tấn công vào nhóm cacbonyl của phân tử glyxerit tạo thành

hợp chất trung gian:

Hợp chất trung gian này không bền, tiếp tục tạo một anion và một

alkyl este tương ứng:

Hợp chất trung gian này không bền, tiếp tục tạo một anion và một

alkyl este tương ứng:

Cuối cùng là sự hoàn nguyên lại xúc tác theo phương trình:

Cuối cùng là sự hoàn nguyên lại xúc tác theo phương trình:

Xúc tác B lại tiếp tục phản ứng với các diglyxerit và monoglyxerit cũng giống như cơ chế trên, cuối cùng tạo ra các

alkyl este và glyxerin

Xúc tác B lại tiếp tục phản ứng với các diglyxerit và

monoglyxerit cũng giống như cơ chế trên, cuối cùng tạo ra các

alkyl este và glyxerin

Tính hiệu suất

• Độ chuyển hoá của phản ứng có thể tính theo công thức sau:

• C = mbio Cbio/Mbio/{mdầu/(Mdầu 3) }.

• Trong đó:

• mbio, mdầu: khối lượng sản phẩm và khối lượng nguyên liệu, gam.

• Cbio : hàm lượng biodiesel có trong sản phẩm.

• Mbio , Mdầu: khối lượng phân tử trung bình của biodiesel và của dầu.

• Hệ số 3 xuất hiện trong phương trình vì mỗi phân tử glyxerit tạo ra 3 phân tử metyl este.

• Cũng có thể tính độ chuyển hoá của sản phẩm theo lượng glyxerin tạo thành theo công thức sau:

• C = mgly/{ 92.(mdầu/Mdầu) }

• Trong đó :

• mdầu: khối lượng dầu đem đi phản ứng, gam.

• Mdầu: khối lượng phân tử trung bình của dầu thực vật.

• mgly: khối lượng glyxerin thu được.

• 92 : là khối lượng phân tử của glyxerin.

+Tính toán lượng NaOH cần thiết dùng để trung hòa theo công

thức:

x = (D.A.40)/56,1 Trong đó:

x: lượng NaOH cần dùng để trung hòa, (g).

D: lượng dầu cần trung hòa, (kg).

A: chỉ số axit của dầu đem trung hòa.

40: khối lượng phân tử của NaOH.

56,1: khối lượng phân tử của KOH.

Trong công nghiệp, người ta dùng NaOH rắn có hàm lượng 92%, nên lượng NaOH 92% cần dùng để trung hòa là: x = (D.A.40)/56,1.100/92

Mặt khác, không những NaOH kết hợp với axit béo tự do, mà còn kết hợp với một số chất khác trong dầu, vì vậy khi tính toán lượng NaOH cho trung hòa cần phải nhân thêm hệ số kiềm dư (thường là

từ 1,05 đến 3).

- Nguyên tắc: Chỉ số xetan được tính toán thông qua tỷ trọng và

khoảng nhiệt độ sôi của nhiên liệu:

CI975 = 454,74 – 1641,416.D + 774,74.D2 – 0,554.B + 97,803.

(logB)2.

Trong đó : D: là tỷ trọng của nhên liệu tại 15oC xác định theo ASTM D 1298.

B: là nhiệt độ sôi trung bình xác định theo ASTM D 86

Phương pháp tính toán này có những hạn chế nhất định như :

- Không áp dụng được cho các nhiên liệu có phụ gia cải thiện trị số

xetan

- Mức độ sai lệch giữa trị số xetan và chỉ số xetan phụ thuộc vào thành phần hóa học của nhiên liệu và có thể thay đổi trong giới

hạn rất rộng.

Metanol đi thu hồi

Sơ đồ quy trình công nghệ thu hồi glyxerin