ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
۞
Nguyễn Mạnh Thắng
NGHIÊN CƯ
́
U ĐIÊ
̀
U CHÊ
́
BIODIESEL TƯ
̀
DÂ
̀
U
THƯ
̣
C VÂ
̣
T VA
̀
ETANOL TRÊN HÊ
̣
XU
́
C TA
́
C RĂ
́
N
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2011
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
۞
Nguyễn Mạnh Thắng
NGHIÊN CƯ
́
U ĐIÊ
̀
U CHÊ
́
BIODIESEL TƯ
̀
DÂ
̀
U
THƯ
̣
C VÂ
̣
T VA
̀
ETANOL TRÊN HÊ
̣
XU
́
C TA
́
C RĂ
́
N
Chuyên ngành : Hóa dầu v xc tc hu cơ
Mã số : 60 44 35
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢƠ
̀
I HƢƠ
́
NG DÂ
̃
N KHOA HO
̣
C: PGS. TS. LÊ THANH SƠN
Hà Nội –2011
MC LU
̣
C
M U 1
NG QUAN V BIODIESEL 2
1.1. Biodiesel là gì? 2
2
1.1.2. Biodiesel nhiên liu sinh hc 3
1.2. Các ngun nguyên li sn xut biodiesel 4
1.2.1. Du thc vt 4
1.2.2. M ng vt 6
1.2.3. Du m thi trong công nghip thc phm 7
1.2.4. Vi sinh vt và to bin 8
1.2.5. Mt s loi nguyên liu khác 9
1.3. Các lou ch biodiesel 9
1.3.1. Xúc tác kim tính 10
1.3.2. Xúc tác axit 13
1.3.3. Xúc tác enzyme 15
ng rn 19
1.3.5. Các siêu axit rn 20
1.4. S dn phm biodiesel 25
m ca biodiesel 25
ng sn phm biodiesel 27
1.4.3. S dng biodiesel 30
2.1. u ch xúc tác 32
2.1.1. Hóa cht và thit b 32
u ch xúc tác 32
a xúc tác 33
u x tia X (XRD) 33
2.2.2. Ph hng ngoi (IR) 33
i h (TPD-NH3) 34
n t quét (Scanning Electron Microscopy
SEM) 34
nh din tích b mt riêng theo BET 34
c kí khi ph (GC-MS) 35
t tính xúc tác 35
3:
37
t cu trúc và b mc 37
3.1.1. Kt qu nhiu x tia X 37
3.1.2. Kt qu ph hng ngoi 39
3.1.3. Kt qu phân tích nhit TG-DTA 40
3.1.4. Kt qu n t quét (SEM) 41
3.1.5. Kt qu nh b mt riêng theo BET và phân b l xp 41
3.1.6. Phân tích sn phm bng GC-MS 42
3.1.7. u B20 45
KT LUN 47
TÀI LIU THAM KHO 48
53
DANH MU
̣
C BA
̉
NG
Bng 1.1 Các thông s k thut ca du Diesel 2
Bng 1.2 Thành phn acid béo ca mt s loi du thc vt 5
Bng 1.3 Thành phn axit béo ca mt s loi m ng vt 7
Bng 1.4 Ch tiêu cht lng B100 27
Bng 1.5 tiêu cht lng ca B100 28
Bng 3.1 42
3.2 Kt qu phâc trng nhiên liu B20 46
DANH MU
̣
C HI
̀
NH A
̉
NH
Hình 1.1 ca phn ng transester hóa vi xúc tác kim tính 11
Hình 1.2 c quan trng trong sn xut biodiesel vi xúc tác kim 12
Hình 1.3 Thit b phn ng liên tc sn xut biodiesel, xúc tác kim 13
Hình 1.4 ca phn ng transester hóa vi xúc tác axit 14
Hình 1.5 Quy trình công ngh sn xut biodiesel liên tc vi xúc tác rn . 15
Hình 1.6 ca phn ng transester hóa vi xúc tác enzyme 18
Hình 1.7 - Quy trình công ngh sn xut biodiesel liên tc vi xúc tác lipase
c nh 19
Hình 1.8 Mt s dng tinh th ca ZrO2 22
Hình 1.9 Mô hình cu trúc ca siêu axit SO42-/ZrO2 24
Hình 3.1 Gi nhiu x a mu SBA-15 37
Hình 3.2 Gi nhiu x a mu 5% SO
4
2-
- ZrO
2
38
Hình 3.3 Gi nhiu x a mu 10% SO
4
2-
- ZrO
2
38
Hình 3.4 Hình nh ph hng ngoi mu 5% SO42 ZrO2 39
Hình 3.5 Hình nh ph hng ngoi mu 10% SO
4
2-
- ZrO
2
39
Hình 3.6 TG-DTA mu 10% SO
4
2-
- ZrO
2
40
Hình 3.7 Hình nh SEM ca mu xúc tác 5% SO
4
2-
- ZrO
2
/SBA-15 41
Hình 3.8 th biu din s ph thuc ca P/V(P0-P) vào P/Po 41
Hình 3.9
l 43
Hình 3.10
44
1
MỞ ĐẦU
3: fuel
(
); feed (
); food (
).
.
i t ,
.
.
.
lâu. .
. Các qu
c phát trin t u
nh40
n xut ln là E.I. duPont và ColgatePalmolivePeet.
Nói chung thì mn nht vào thm này là phát tri
có hiu qu sn phm.
Vit Nam, sau khi B ng b khoa hc công ngh
án
phát trin nhiên liu sinh h, nhiu d án
nhiên liu sinh hc thc hin, ngun nhiên liu dc thay thcho
g.
Vii ln phát trin cho nhc nông nghip có
thi tic ta.
Chính vì nh tài: “nghiên cứu điều chế Biodiesel từ dầu
thực vật và etanol trên hệ xúc tác rắn” c tin hành nhm m
c nhiên liu sinh hc thay th mt phn nhiên liu hóa thn
kit, gim thiu ô nhing và tìm ra h xúc tác rn t
tng hp biodiesel.
2
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL
1.1. Biodiesel là gì?
1.1.1. Diesel và động cơ diesel
Du diesel là mt loi nhiên liu lng, sn phm tinh ch t du m có thành
phn t nm gia du ho (kesosene) và d
ng có nhi b 175
o
n 370
o
C. Các nhiên liu Diesel nng
i nhi b C còn gi là du ma dút.
Dt tên theo nhà sáng ch Rudolf Diesel, và có th c
dùng trong loi t trong mang cùng tên, [7].
ng 1.1
Các ch tiêu chng:
- Tính t cháy tính chng kích n: Nu du khó t cháy s gây cháy
kích n, khó khng hp xy ra: Cháy bình
ng, cháy kích n. Nguyên nhân gây cháy kích n chính là do trong du có phân
3
t khó t cháy (hoc là phân t c nh hay phân t có cu tc).
Ch ng kích n _ tính t cháy ca du là ch s xêtan
C
16
H
34
. Du có tr s xêtan càng cao thì càng d t cháy có tính chng kích n càng
cao.
- p: u DO ch có th
cháy khi d cháy ca d xy ra
i tác dng ca áp sut và nhi, cho nên du php.
Du không l c quá
- nht thích hp: Du DO s dng trong máy có 2 cht
cháy su ph
nht thích h va d t cháy, cháy sinh nhing cao và va bôi
nht thích hp ca du DO theo TCVN là 1,8 n 5,0 cSt 20
o
C.
- Nhi bt cháy: Nhi bt cháy là nhi cn thi hn hp
u và không khí gp tia la s bùng cháy và tt ngay. Nhi bt cháy
ca du DO biu th kh xy ra khi bo
qun, vn chuyn hoc s dng nhiên li n bt cháy ca
dc nh -60
o
C, vì d m bo trong khâu tn
tr.
- Không có tp ch c: u là nhiên liu cho
t trong nên dc phép có tp chng
keo nha và các ch) phc khng ch trong phm
vi cho phép.
1.1.2. Biodiesel – nhiên liệu sinh học
c gi là diesel sinh hc bc sn xut kh gia
nh i ta chuyn hóa du thc v thu
Glycerin ng dc các ph phm là metyl hoc ethyl
Este gi chung là biodiessel [7,11, 25].
phn ng thu biodiesel:
4
Phn c gi là phn ng chuyn v este (transesterification). Bn
cht ca phn ng nm ch u trúc cng knh ca triglyxerit và to
thành este vc nh u ln. Do vc s
nht gi bi du thc vu.
y cp v bn cht biodiesel là mt loi nhiên liu
có tính cht ging vi du, là nhng metyl, ethyl este ca nhng axit béo, nó có th
c sn xut t m ng vt, hoc du thc vt, t các lai m ng vt hng,
kém chng, hoc t d dng. M ngi ta sn xut biodiesel
t du hi ta phân lai biodiesel da vào th tích ca biodiesel
nguyên cht pha vào diesel, nu pha 2% biodiesel nguyên cht vào diesel, ta gi là
biodiesel B2, còn nu là biodiesel nguyên cht thì
B100. Hin nay
trên th ng có bán 2 lai biodiesel ph bi [9, 17, 36].
M c và d phân gii trong t nhiên nên Biodiesel
c bit tng xanh, sch chng li ô nhing mà t
lâu các nhà khoa hu và nht là trong lúc giá d mc cao thì
vic tn dng ngun m sn xut gii pháp hiu qu.
1.2. Các nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel
1.2.1. Dầu thực vật
Nói chung, các ht qu ca thc vu cha du thc vt ch
ch du ca các cây có du vng lu phu nành,
ci da, c các cây này, nhiu cây ly du
5
không dùng trong thc phm nên không n an n
(do cây chc t).
ng du trong các loi h gim giá
thành sn phng, vic la chn ngun nguyên liu thô
tng vùng là khác nhau [42].
1.2
6
Thành phn hóa hc ca du thc vt ch yu là các phân t triglyceride,
khác nhau c ln ca gc axit béo. Bên cu thc vt
còn cha mng nh axit béo t i ch s axit. Ch s axit càng
cao thì hiu sut phn ng transester hóa trc tip càng thp, s khin nhà sn xut
tn ester hóa axit béo t do. Cui cùng, là các thành phn ph
ca du thc vt, bao gm c các thành phn ch
các thành phn cn chú ý trong sn xu tránh gây ô nhing.
m: Du thc vt là ngua các cây thc vt còn
thân thin vng và các thông s v mng gn ging vi nhiên
lin ci tin vn có th s dng nhiên liu biodiesel
trn lng.
m: c thù sn phm thc vt có sng và tính cht sn
phm ph thua lý t nhiên, thi titng m bo n
nh, giá thành cao do phi qua nhi, chuyi. Ngoài ra nhiên liu
biodiesel t du thc vm ln nh nh nhit
thp s khó s dng. Vic bo qun thành phdo phn ng
ca các m
1.2.2. Mỡ động vật
M ng vt t các ngành công nghip thc phm hi
mt s loi m c khuyn khích s dng cho m bin thc
phm bi kh nh ca chúng. M ng vt hin ti ch yu là m gia súc
t các lò git m và m cá t ng ch bin thy hi sn. Các loi ph phm
trong công nghip thc phm này gp v trong x lý tiêu hy và tái ch
vic s dng chúng vào sn xung thi i vng.
Ti Vi sn xut biodiesel t m cá basa công sut ln,
thm chí còn xut khu [28].
Thành phn hóa hc ca m ng v du thc vt, tuy nhiên ch s
axit ca m ng vt là khá cao, ng nhin hiu sut transester hóa.
7
1.3
m: không c và giá thành nguyên liu thô
r do sn phm dùng là ph phm ca ngành công nghip thc phm. Ngoài ra s
dng ph phm loi này còn có ln nguyên liu
tái sinh, sn phc và phân gic trong t ng các hp
chnh thp thân thin vng. Không cn ci ting
n có th s dng nhiên liu.
m: nht sn phm cao, cha nhiu mi
tit lnh không s dc. Vic bo qu bin
và lc tp chc gii pháp tit kim.
1.2.3. Dầu mỡ thải trong công nghiệp thực phẩm
Du m thi thc cht là các loi du thc vt và m ng vc s
dng qua trong ngành công nghip thc phm. S dng nhiu ln du m s sinh ra
c tp thc phm mi ra mt sng rt ln
du m dng.
Thành phn hóa hc ca du m thi là g du thc vt và m
ng vt, tuy nhiên qua các quá trình s dng nhit, thm chí là s dng nhiu ln
mng du, tính cht ca du m nht nguyên lit
màu si, gim s mt, to các hp cht d bay
a nhiu không khí bão hòa trong sn phm. Qua các quá trình chiên rán,
các phn ng nhii tác dng ca nhit và không có oxy) to CO, CO
2
,
các hp cht dimer, kêtôn, estep cht không no; các phn ng oxy hóa
8
gc t do to các hp cht dimer và oligomer cng knh; các phn ng
thy phân to axit béo t do, monoglyceride và diglyceride
th mi ta không dùng ch s axit mà dùng
ng cht phân c nh chng du m thi, có th nh bng
HPSEC [10, 41].
m: ngun nguyên liu thô rt r, không cnh tranh nguyên liu vi
ngành khác, thân thin vc hi và phân gii t c,
ch s xêtan ca sn phng các chnh thp, s
di tin.
m: giá thành sn phm cao do mt nhin thu
hi và tinh s nht cao, nhi c thp, nhiu cn rn có hi
b ng; cha nhiu bc gây si
bu ch; sn phm biodiesel to nhiu NO
x
khi th nghim.
1.2.4. Vi sinh vật và tảo biển
các cng s t
có nhng kt qu nghiên cu cho thy to bin Chlorella có nhiu trin vng ng
dng ti Vit Nam, là ngun sn xut biodiesel phong phú mà không xâm hi an
ng loi cây trng ly du biodiesel khác. c bit, to có
th tn ti bt c ánh sáng, k c c mc
thi, li có kh c thi.
nuôi to, ch cng có th là phân hoá
hc hoc phân chung. To ging nuôi trong phòng thí nghim, v sau có
th chuyn qua b ho nuôi. Ngoài vic dùng vi t sn xut nhiên liu,
có th dùng bi t cho than bc
bit, tng du cao có th chit tách ly du.
Nghiên cu s dng ngun to gic cung cp t
Khoa Thu s sn
c gia ging Hi sn Nam B.
9
Thí nghim cho thy to Chlorella cho du có màu vàng s t
chuy i du thành biodiesel là 97% sau 2 gi phn ng. Trên th gii, to
c nhiu tác gi nghiên c sn xut nhiên liu biodiesel sinh
hng sn xut Biodisel t vi to có t lâu (C
Roessler và cu sn xut biodiesel t vi tu
tác gi u.
ng du trong to tính trung bình trên th gii, theo Chisti t 15 -
77% tu loài. Qua thí nghim ca nhóm nghiên c
thng du to ti VN còn thp, cn có nhc ci ti nâng hàm
ng du lên.
Theo tính toán ca các nhà khoa hc M, dùng vi to li cây có
dt du cao gp 19 - 23 ln trên cùng mt dit trng.
Vic sn xut biodiesl t to không cnh tranh vt trng cho thc phm
và góp phn gim thiu khí nhà kính làm sng. Theo nhóm nghiên cu,
n vng mà nhic trên th gi
1.2.5. Một số loại nguyên liệu khác
Hin nay, vic tìm kim các ngun nguyên li sn xut biodiesel là rt
phong phú, bao gm c nha cây cao su, tr, các loi thc vt kí sinh, các
ngun ph th
Vic tìm kim các ngun nguyên lit tiêu chí tái sinh, thân thin vi
ng, tính cht sn phu.
1.3. Các loại xúc tác và quá trình điều chế biodiesel
Có nhi sn xut biodiesel và các nhiên liu bán sinh hc (nhiên
liu cha c các sn phm nhiên liu sinh hc và nhiên liu hóa thch):
- c tip
- t phân
-
-
10
dng
trong quá trình transester hóa. Quá trình nà din ra khi không xúc tác,
hoc thay th xúc tác bc không dùng xúc tác vi
u siêu ti h
Có nhiu cách phân loi xúc tác cho quá trình transester hóa to biodiesel:
phân bit dng th hoc d th); phân bit da vào tính cht
xúc tác (ki
bit theo tính cht:
1.3.1. Xúc tác kiềm tính
NaOH, KOH, NaOCH
3
ng xúc ng dùng trong phn ng
chuyn hóa du m thành nhiên liu biodiesel.
ca phn ng g 1.1.
mào phn u s phn ng v o anion alkoxide RO
-
và
proton H
+
. Tác nhân ái nhân alkoxide tn công vào nguyên t cacbon ca nhóm
cacbonyl hình thành hp cht trung gian cu trúc t din, t u trúc thành
ng. Anion diglyceride tác dng vi proton
BH
+
to phân t diglyceride và gip tc tham gia xúc tác phn
ng khác. Các diglycerid phn
hình thành hn hp alkyl ester và glycerol.
Các alkoxide ca mt vài kim loi ki
3
là cht xúc tác rt
mnh, cho hiu sut cao trong thi gian ngc s dng n thp.
Cht xúc tác u phc yêu cu k thuc 0.1
0.3% khng hoc s khin xy ra phn ng xà phòng hóa.
Trong phn ng, K
2
CO
3
c s dng n nh hn ch c
và xà phòng.
m ca xúc tác kim là phn ng có t nhanh, hiu sut cao.
m là ch dùng cho các loi di sng axit
béo t do nh
11
Hình 1.1
12
Quy trình sn xut biodiesel t methanol, m c mô
t 1.2.
Hình 1.2 i
Hình 1.3 là thit b phn ng transester hóa liên tc s dng xúc tác kim.
Các tác cht cho vào thit b thông qua b i nhit phn trên ca thit b.
Phn ng transester hóa dit k c làm sao
cho khi phn ng kt thúc, các cht ra khi b i nhi
c thu hi li. Hn hp sn phm s c trung hòa bng c khi chy
xung bu i ca thit b. Ti bung cha này, các methyl ester và
glycerol tip t cho tách pha. Pha cha glycerine nc tháo
ra t b, pha du nc tháo ra thành bên thit b.
13
Hình 1.3 t biodiesel,
1.3.2. Xúc tác axit
hydrocloride; hoi acetate, stearate ca canxi, bari,
mangt xúc tác này cho hiu sut cao,
n ng chm. T l u/dulà mt trong các nhân t chính nh
ng phn ng, vì th cc kho sát cho tng phn ng.
phn ng c mô t hình 1.4u tiên din ra quá trình proton
hóa nhóm cacbonyl ca ester thành cacbocation II nh ion H
+
u
s gn vào, to hp cht trung gian III có cu trúc t din. Hp cht này s tách
phân t hình thành ester IV, gii phóng ion H
+
tip tc quá trình
xúc tác.
14
này, các axit cacboxylic có th c hình thành nh phn ng
ca cacbocation II vc hình thành trong hn hp phn u này cho thy
rng phn ng nên ti c nhm gim s cnh tranh tác nhân
quan trng hình thành alkylester.
Hình 1.4
m cng th là không gây xà phòng hóa, s dc
cho các loi nguyên ling axit béo t do cao. Hiu qu xúc tác rt tt.
m là thi gian phn ng rt chm, hiu sut kinh t k cao, n
n cao tuy nhiên lc thu hi và tái s dng xúc
tác.
15
Hing nghiên cu v các xúc tác axit d th m
c ng th, tuy nhiên nó khc phc phn lm
cng th i và tái s dng xúc tác nh
Quy trình sn xut bidiesel dùng xúc tác axit rc mô t hình 1.5.
Hình 1.5 i
u tiên nguyên lic x lý b
loi tp cht các ni
phn ng R-1, R-2, R-3 cha xúc tác rc cho vào
c chiu. Methanol phn ng vi c du và axit béo t do. Quá trình khuy ti
S-1 khin phn ng nht. Nhi t
o
c
tinh sch nh t T-1 và thu hi li, pha dc tinh sch ti tháp
- thu sn phm biodiesel [43].
1.3.3. Xúc tác enzyme
Hin nay mi quá trình hóa hng ti nghiên cu s dng enzyme
cho xúc tác bt ca nó. Nhiu nghiên cu s dc áp
dng cho biodiesel.
16
Sn xu c miêu t l u tiên bi
Mittlebach (1990). Mittlebach ch ra r sn xut
biodiesel t alcohol hoá di lipase t Candida
sp. và Mucor miehei. S c thc hin khi có s hiên din ca dung
môi (petroleum ether)/không có dung môi và dùng 5 long có hoc
c. Tiu tp trung trên các lipase khác nhau,
các nguyên liu u kin thí
nghim khác nhau (nhic, t l hoá hc git, enzym và
dung môi dùng, .v.v.).
Vic bii d cá basa hoc các ph phm c
thy sn thành methyl, alkyl ester hoc các chui alcohol ester ngn có th c
lipase xúc tác bi mt phn ng chuyn v ester trong dung môi h
cs., 2001; Haas và cs., 2005). Tuy nhiên, vic ng dng quy mô công nghi
gn du nhi cao. Hai
c áp dng g nh lipase ca P.fluorescens, R.miehei
s dng lp li enzym (Salis và cs., 2008; Cheirsilp và cs., 2008) và biu hin
lipase R.oryzae quá mc S.cerevng thi s dng toàn b t c
s xúc tác phn ng methanol hóa trong h thng phn ng dung môi
h do (Jäeger và cs., 2002; Haas và cs., 2005) hoc trong h thng hai
i tin thu phân methanol bng xúc
sn xut biodiesel dùng k thut hoà tan. Các nhà khoa hc Trung
Qu dng toàn b t tng hp biodiesel t
du nành (He và cs., 2008).
Các loi dc nghiên c sn xut biodiesel bi các xúc tác sinh
hc bu t du nành (Nelson và cs., 1996; Kaieda và cs., 1999; Kaieda và
cs., 2001; Shieh và cs., 2003), d-Bakó và
cs., 2002; Soumanou và Bornscheuer, 2003a) và ht ci du (Nelson và cs., 1996).
Tuy nhiên, mt vài loi có du, d
(euphorbiaceae) là loi thc vt có th phát trin t khô cn và ht ca nó
17
có cha 4060% du (w/w). Thc vt này không th u ca nó có
cha mt vài ch n
u ht c và du da (Abigor và cs.,
2000), du cám (Kamini và Iefuji, 2001; Lai và cs., 2005), du ht bông tinh ch
(Köse và cs., 2002), du phng (Soumanou và Bornscheuer, 2003b) và du thu
d i vi quá trình xúc tác sinh hc, hu ht các
nguu có th t. T l chuyn hoá thu
c t du ht c và du da vc thc hin vi nhiu alcohol
khác nhau (ethanol và butanol) (Abigor và cs., 2000).
Mt s i hoá cho m
(Rosa và cs., 2008); PS-Amano (Cheirsilp và cs., 2008).
phn ng ca du hc mô t hình 1.6.
phn ng din ra qua nhin và khá phc tp, i.
u kin t a phn ng ph thuc bn cht enzyme và t l mol
u/du. Nhìn chung, các enzyme tt nht có kh chuyu
din ra khong nhi 30 50
o
C. Thi gian phn ng có th rt ngn hoc rt
dài ph thu l u du còn ng c hiu sut phn
ng, thi gian phn ng và thi gian s dng t l trên u
c ch và bin tính enzyme).
i ta còn dùng dung môi h methanol và du xy ra phn ng
trong cùng 1 pha, gi nht ca hn hp phn ch
tán và hong ca enzyme.
18
Hình 1.6
m ca enzyme lipase là có th s dng nguyên ling axit
béo t do cao, có th tái s du kin phn ng ôn hòa, không to sn
phm ph, gin sn xut, gic thng, ci thin khâu
phân tách sn phm và ch
m là t phn ng chm, b c ch n
ti còn khá cao, mt hot tính sau mt s ln tái s d
Quy trình sn xut biodiesel t du thi vi enzyme lipase c nh trong thit
b phn ng dn c mô t hình 1.7.
19
Hình 1.7 - i
1.3.4. Xúc tác đường rắn
Trên tc
nghiên cu và công b bi các nhà khoa hc Nht Bng rc