tối ưu hóa quy trình tổng hợp biodiesel từ dầu jatropha curcas l bằng phương pháp bề mặt đáp ứng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

TRẦN QUANG THANH

TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL
TỪ DẦU JATROPHA CURCAS L. BẰNG PHƢƠNG PHÁP
BỀ MẶT ĐÁP ỨNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên Ngành: HÓA HỌC

2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

TRẦN QUANG THANH

TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL
TỪ DẦU JATROPHA CURCAS L. BẰNG PHƢƠNG PHÁP
BỀ MẶT ĐÁP ỨNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
Th.S NGUYỄN VĂN ĐẠT

2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------Năm học 2015-2016
Đề tài:
TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ DẦU
JATROPHA CURCAS L BẰNG PHƢƠNG PHÁP BỀ MẶT ĐÁP ỨNG
LỜI CAM ĐOAN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

Luận văn tốt nghiệp đại học ngành: Hóa Học
Đã bảo vệ và được duyệt
Hiệu trưởng………………………………..
Trưởng khoa……………………………….

Trưởng bộ môn

Ts. Nguyễn Trọng Tuân

Cán bộ hướng dẫn

Th.S. Nguyễn Văn Đạt

Trường Đại học Cần Thơ
Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Bộ Môn Hóa

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Đôc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1. Cán bộ hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Đạt
Đề tài: TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ
DẦU JATROPHA CURCAS L BẰNG PHƢƠNG PHÁP BỀ MẶT
ĐÁP ỨNG.
Sinh viên thực hiện: Trần Quang Thanh

MSSV: 2111964

Lớp: Hóa học

Khóa: 37

2. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức LVTN:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................


Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:

..........................................................................................................................
..........................................................................................................................



Những vấn đề còn hạn chế:

..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
b. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng
nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
c. Kết luận, đề nghị và điểm:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
Cần Thơ, ngày… tháng… năm 2015
Cán bộ hướng dẫn
Th.S Nguyễn Văn Đạt
i


Trường Đại học Cần Thơ
Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Bộ Môn Hóa

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Đôc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
1. Cán bộ chấm phản biện:.....................................................................
Tên đề tài : TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL
TỪ DẦU JATROPHA CURCAS L BẰNG PHƢƠNG PHÁP BỀ

MẶT ĐÁP ỨNG.
Sinh viên thực hiện: Trần Quang Thanh
MSSV: 2111964
Lớp: Cử nhân hóa học
Khóa 37
2. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức LVTN(đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................

Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................

Những vấn đề còn hạn chế:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
b. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài ( ghi rõ
từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện
nếu có):
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
c. Kết luận, kiến nghị và điểm:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2015
Cán bộ phản biện

ii


LỜI CẢM ƠN
Được sự phân công của khoa Khoa Học Tự Nhiên trường Đại Học Cần Thơ và
sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Đạt, em đã thực hiện đề
tài “Tối ưu hóa quy trình tổng hợp biodiesel từ dầu Jatropha Curcas L bằng
phương pháp bề mặt đáp ứng”.
Để hoàn thành đề tài luận văn này, đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến giáo viên hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Đạt, người đã luôn bên em,
trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu đồng
thời tạo điều kiện về dụng cụ, thiết bị để em có thể thực hiện tốt đề tài luận
văn.
Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn đến các thầy cô giáo, nhất là các thầy cô
của khoa Khoa Học Tự Nhiên đã truyền đạt, cung cấp đầy đủ kiến thức cho
em trong thời gian em theo học tại nhà trường.
Xin cảm ơn bạn Cảnh Em và các bạn sinh viên lớp Hóa Dược đã giúp
đỡ, động viên tôi trong thời gian làm việc tại phòng thí nghiệm.
Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh
nhất, song do buổi đầu mới làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, tiếp
cận thực tế cũng như hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh
khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa thấy được, em rất mong được
sự góp ý của thầy, cô và các bạn để luận văn được hoàn chỉnh hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Trần Quang Thanh

iii

ABSTRACT
The overall goal of this work is to optimize a biodiesel production
process from Jatropha curcas oil (JO). To achieve this goal, an acid-catalyzed
pretreatment of highly acidic Jatropha curcas oil (AV = 49 mg KOH/g)
followed by a transesterification procedure with methanol and potassium
hydroxides as a catalyst was used to produce Jatropha curcas oil biodiesel
(JME). The optimum reaction conditions were obtained by using response
surface methodology (RSM) coupled with central composite design (CCD).
The results showed that an optimum biodiesel yield of 83,71% could be
obtained under the following reaction conditions: methanol content of 20,2%
(by weight with respect to the oil), catalyst concentration of 0,64% (by weight
with respect to the oil), and the reaction time of 40,8 minutes.

iv


TÓM TẮT
Nghiên cứu này hướng đến tổng hợp biodiesel từ một loại dầu không ăn
được là dầu Jatropha (JO). Để đạt được mục tiêu này, một quá trình hai giai
đoạn gồm ester hóa xúc tác acid và tiếp theo là transester hóa với methanol
xúc tác KOH đã được sử dụng để tổng hợp biodiesel từ dầu Jatropha (JME)
(AV = 49 mg KOH/g). Điều kiện tối ưu của phản ứng đạt được bằng cách sử
dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp với mô hình tâm phức hợp
(CCD). Kết quả cho thấy quá trình transester hóa đạt được hiệu suất tối ưu là
83,71% tương ứng với các điều kiện sau: hàm lượng methanol và chất xúc tác
lần lượt là 20,2% và 0,64% so với khối lượng dầu và thời gian phản ứng là
40,8 phút.

v

LỜI CAM ĐOAN
Tất cả dữ liệu và số liệu được sử dụng trong nghiên cứu này được tham khảo
nhiều nguồn tài liệu khác nhau và được ghi nhận từ những kết quả thực
nghiệm mà tôi đã tiến hành khảo sát trong suốt quá trình làm thực nghiệm. Tôi
xin cam đoan về sự tồn tại và tính trung thực khi sử dụng những dữ liệu và số
liệu này.
Trần Quang Thanh

vi


MỤC LỤC
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU ------------------------------------------------------------ 1
Chƣơng 2: TỔNG QUAN ----------------------------------------------------------- 3
2.1 Tình hình năng lƣợng, nhiên liệu và vấn đề ô nhiễm môi trƣờng ------ 3
2.1.1 Nhu cầu sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới ------------ 3
2.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường ---------------------------------------------------- 4
2.2 Nhiên liệu sinh học --------------------------------------------------------------- 5
2.2.1 Khái niệm ------------------------------------------------------------------------- 5
2.2.2 Phân loại nhiên liệu sinh học --------------------------------------------------- 5
2.2.3 Ưu điểm của nhiên liệu sinh học ---------------------------------------------- 6
2.2.3.1 Giảm thiểu ô nhiễm môi trường----------------------------------------- 6
2.2.3.2 Bảo đảm an ninh năng lượng -------------------------------------------- 6
2.2.3.3 Phát triển kinh tế nông nghiệp ------------------------------------------ 6
2.2.4 Nhược điểm của nhiên liệu sinh học ------------------------------------------ 7
2.2.5 Tính chất hóa lý của biodiesel ------------------------------------------------- 7
2.2.5.1 Chỉ số cetane--------------------------------------------------------------- 7
2.2.5.2 Điểm đục ------------------------------------------------------------------- 8
2.2.5.3 Điểm chảy ------------------------------------------------------------------ 8

2.2.5.4 Độ nhớt --------------------------------------------------------------------- 8
2.2.5.5 Điểm chớp cháy ----------------------------------------------------------- 8
2.2.5.6 Nhiệt đốt cháy ------------------------------------------------------------ 8
2.2.5.7 Tính trơn ------------------------------------------------------------------- 9
2.2.5.8 Trạng thái oxy hóa -------------------------------------------------------- 9
2.3 Tình hình nghiên cứu và nguyên liệu sản xuất biodiesel ----------------- 9
2.3.1 Tình hình nghiên cứu biodiesel trên thế giới--------------------------------- 9
2.3.2 Nghiên cứu biodiesel ở Việt nam--------------------------------------------- 10
2.3.3 Các nguồn biomass tại một số quốc gia trên thế giới ---------------------- 11
2.3.4 Tiềm năng nguyên liệu sản xuất biodiesel tại Việt Nam ------------------ 12
2.4 Tổng quan về cây Jatropha ---------------------------------------------------- 12
2.4.1 Đặc tính sinh học --------------------------------------------------------------- 12
2.4.2 Điều kiện sống của cây Jatropha curcas L ---------------------------------- 15
2.4.3 Phân bố --------------------------------------------------------------------------- 15
2.4.4 Giá trị ----------------------------------------------------------------------------- 15
2.4.5 Cây Jatropha tại Việt Nam ---------------------------------------------------- 16
2.4.5.1 Tình hình nghiên cứu ---------------------------------------------------- 16
2.4.5.2 Thực trạng về cây Jatropha ở nước ta --------------------------------- 16

vii


2.4.5.3 Những thuận lợi và khó khăn trong nghiên cứu và phát triển
Jatropha ở nước ta --------------------------------------------------------------------- 17
2.5 Tiêu chuẩn về chất lƣợng biodiesel ở một số nơi trên thế giới --------- 18
2.5.1 Tiêu chuẩn chất lượng biodiesel ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản ----------- 18
2.5.2 Tiêu chuẩn Việt Nam về biodiesel ------------------------------------------- 19
2.6 Cơ chế các phản ứng chính trong tổng hợp biodiesel -------------------- 20
2.6.1 Phản ứng ester hóa xúc tác acid ---------------------------------------------- 20
2.6.2 Phản ứng transester hóa xúc tác base ---------------------------------------- 21

2.7 Giới thiệu về phƣơng pháp bề mặt đáp ứng (RSM) ---------------------- 23
2.7.1 Công dụng của RSM ----------------------------------------------------------- 23
2.7.2 Ưu, nhược điểm của RSM ----------------------------------------------------- 23
2.8 Hiệu suất của phản ứng transeseter hóa xúc tác base ------------------- 23
2.8.1 Xác định hiệu suất của phản ứng transester hóa xúc tác base ------------ 23
2.8.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng trasester hóa-------------- 24
2.8.2.1 Nhiệt độ phản ứng ------------------------------------------------------- 24
2.8.2.2 Thời gian phản ứng ------------------------------------------------------ 25
2.8.2.3 Tỉ lệ methanol/dầu ------------------------------------------------------- 25
2.8.2.4 Lượng xúc tác ------------------------------------------------------------ 25
2.8.2.5 Tốc độ khuấy trộn -------------------------------------------------------- 26
2.8.2.6 Hàm lượng acid béo tự do (FFA) -------------------------------------- 26
2.8.2.7 Hàm lượng nước --------------------------------------------------------- 26
Chƣơng 3: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ---------------------------------- 27
3.1 Phƣơng tiện nghiên cứu -------------------------------------------------------- 27
3.1.1 Địa điểm và thời gian thực hiện ---------------------------------------------- 27
3.1.2 Nguyên liệu ---------------------------------------------------------------------- 27
3.1.3 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ----------------------------------------------- 27
3.1.4 hóa chất -------------------------------------------------------------------------- 28
3.2 Phƣơng pháp thực hiện--------------------------------------------------------- 29
3.2.1 Giai đoạn 1: Ester hóa xúc tác acid------------------------------------------- 29
3.2.2 Giai đoạn 2: Transester hóa xúc tác base ------------------------------------ 30
3.3 Phân tích tính chất hóa lý của dầu nguyên liệu và biodiesel ------------ 33
3.3.1 Độ nhớt động học tại 40oC ---------------------------------------------------- 33
3.3.2 Chỉ số acid ----------------------------------------------------------------------- 33
3.3.3 Thành phần methyl ester của acid béo --------------------------------------- 34
3.4 Các bƣớc thực hiện bài toán quy hoạch theo RSM kết hợp với mô
hình CCD ------------------------------------------------------------------------------ 35
3.4.1 Lựa chọn nhân tố độc lập ảnh hưởng đến hàm mục tiêu Y (hiệu suất tổng
hợp biodiesel) -------------------------------------------------------------------------- 35

viii


3.4.2 Số thí nghiệm -------------------------------------------------------------------- 35
3.4.3 Phân tích thống kê ------------------------------------------------------------- 36
Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN --------------------------------------- 37
4.1 Thành phần methyl ester của JME
4.2 Xác định điều kiện tối ƣu của phản ứng transester hóa JO bằng
phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm theo RSM kết hợp với mô hình
CCD ------------------------------------------------------------------------------------- 37
4.3 Tính chất hóa – lý của JME --------------------------------------------------- 42
Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ --------------------------------------- 43
5.1 Kết luận---------------------------------------------------------------------------- 43
5.2 Kiến nghị -------------------------------------------------------------------------- 43

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Một số tiêu chuẩn của biodiesel (B100) của ASTM, EN và JIS ..... 18
Bảng 2.2 Các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel gốc (B100) .......................... 19
Bảng 2.3 Các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel gốc (B5) .............................. 20
Bảng 3.1 Hóa chất sử dụng........................................................................... 28
Bảng 3.2 Xác định giới hạn, phạm vi và mức biến đổi của các nhân tố ......... 35
Bảng 4.1 Thành phần methyl ester của acid béo chính trong JME, % ........... 37
Bảng 4.2 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thực nghiệm ................. 38
Bảng 4.3 Kết quả phân tích phương sai cho mô hình đa thức bậc hai............ 39
Bảng 4.4 Những tính chất hóa - lý của JME ................................................. 42

x

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Minh hoạ ô nhiễm môi trường không khí ....................................... 4
Hình 2.2 Nhiên liệu sinh học ........................................................................ 5
Hình 2.3 Cây jatropha trưởng thành.............................................................. 13
Hình 2.4 Lá jatropha..................................................................................... 13
Hình 2.5 hoa jatropha ................................................................................... 13
Hình 2.6 Trái jatropha trong các giai đoạn phát triển .................................... 14
Hình 2.7 Hạt bên trong trái jatropha ............................................................. 14
Hình 2.8 Hạt jatropha ................................................................................... 14
Hình 2.9 Cơ chế phản ứng ester hóa ............................................................. 21
Hình 2.10 Phản ứng transester hóa xúc tác base............................................ 21
Hình 2.11 Cơ chế phản ứng transester hóa .................................................... 22
Hình 3.1 Dầu jatropha .................................................................................. 27
Hình 3.2 Cân điện tử G&G ........................................................................... 28
Hình 3.3.Máy khuấy từ gia nhiệt .................................................................. 28
Hình 3.4 Tủ sấy Binder ................................................................................ 28
Hình 3.5 Bộ giá đỡ ....................................................................................... 28
Hình 3.6 Quá trình ester hóa xúc tác acid ..................................................... 29
Hình 3.7 Sự tách lớp sau quá trình ester hóa dầu jatropha ............................. 30
Hình 3.8 Quy trình transester hóa xúc tác base ............................................. 31
Hình 3.9 Hỗn hợp biodiesel và glycerin đang tách lớp .................................. 32
Hình 3.10 Một số mẫu biodiesel từ dầu jatropha........................................... 32
Hình 3.11 Thiết bị đo độ nhớt động học viscoclock ...................................... 33
Hình 3.12 Thiết bị chuẩn độ ......................................................................... 34
Hình 3.3 Máy sắc ký khí GC-MS thermo scientific ...................................... 35
Hình 4.1 So sánh hiệu suất biodiesel từ thực nghiệm và từ mô hình ............. 39

xi

Hình 4.2 Đồ thị dạng 3D (a), (c), (e) (3D response surface) và các đường đồng
mức (b), (d), (f) (2D contour) cho biết ảnh hưởng của các cặp yếu tố đến hiệu
suất biodiesel khi yếu tố còn lại được giữ cố định ở mức không: (a) và (b) hàm
lượng methanol – hàm lượng xúc tác; (c) và (d) hàm lượng methanol – thời
gian phản ứng, (e) và (f) hàm lượng xúc tác – thời gian phản ứng..................41

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ASTM

American Society for Testing and Materials

AV

Acid Value

BDF

Biodiesel fuel

CCD

Central Composite Design

DAG

Diacylglyceride

EN

European committee for Standardization

ETBE

Ethyl Tert-Butyl Ether

FAME

Fatty Acid Methyl Ester

FFA

Free Fatty Acid

GC–MS

Gas Chromatography – Mass Spectrometry

IEA

International Energy Agency (cơ quan năng lượng quốc tế)

IPCC

Intergovernmental Panel on Climate Change

JIS

Japanese Industrial Standard

JME

Jatropha methyl Ester

MAG

Monoacylglyceride

RSM

Response Surface Methodology

TAG

Triacylglyceride

VO

Vegetable Oil

CV

Coefficient of Variation

xiii

Luận văn tốt nghiệp
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU
Với mục tiêu giải quyết các vấn đề về môi trường cũng như giảm sự phụ thuộc
vào nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt là dầu mỏ, nước ta
cũng như các quốc gia trên thế giới ngày càng quan tâm nhiều hơn về nguồn
nhiên liệu thay thế. Biodiesel là một loại nhiên liệu xanh có thể dùng ở dạng
nguyên chất hoặc pha trộn, nó được tổng hợp từ dầu thực vật hay mỡ động vật
như: dầu dừa, dầu Jatropha (dầu mè), dầu đậu nành, dầu hạt cao su, mỡ cá tra,
mỡ cá basa…Việt Nam đã đáp ứng được nhiều điều kiện để có thể phát triển
cây dầu mè. Trong điều kiện đất đai, khí hậu nhiệt đới, cây dầu mè có thể sinh
trưởng nhanh, năng suất cho dầu của cây rất cao, là nguồn nguyên liệu tổng
hợp biodiesel rất tiềm năng..
Phản ứng transester hoá là một trong những phương pháp được sử dụng
để tổng hợp biodiesel. Phản ứng này tương đối đơn giản và tạo ra sản phẩm
ester có tính chất hoá lý gần giống nhiên liệu diesel. Phản ứng transester hóa là
phản ứng giữa triglyceride (thành phần chính trong dầu thực vật hay mỡ động
vật) và alcohol. Sự hiện diện của xúc tác (acid, base,…) sẽ thúc đẩy quá trình
phản ứng. Để đạt hệ số chuyển đổi cao phải dùng lượng dư alcohol do phản
ứng transester hóa là phản ứng thuận nghịch (Demirbas A., 2009). Quá trình
transester hóa tổng hợp biodiesel hầu hết được thực hiện trên cơ sở thay đổi
một yếu tố và cố định các yếu tố còn lại. Tuy nhiên, cách tiếp cận này bộc lộ
nhiều hạn chế bởi vì phản ứng transester hóa bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố
như hàm lượng methanol, thời gian phản ứng và xúc tác (Xingzhong Y. và các
cộng sự, 2008).
Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp với mô hình tâm phức hợp
(CCD) được sử dụng để tối ưu hóa nhiều quá trình hóa học và công nghệ.
Phương pháp phân tích tương quan và hồi quy đa biến được sử dụng để đánh
giá ảnh hưởng của hai hay nhiều yếu tố độc lập trên hàm mục tiêu. Thuận lợi
của phương pháp này là giảm được số thí nghiệm nhưng vẫn cho được thông

tin đầy đủ và những kết quả có ý nghĩa về mặt thống kê (Ghadge và các cộng
sự, 2006).

GVHD: Nguyễn Văn Đạt

1

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm được thực hiện theo mô hình
CCD và RSM với năm mức và ba yếu tố để tối ưu hóa quá trình transester hóa
tổng hợp biodiesel từ dầu hạt Jatropha. JME được đánh giá chất lượng thông
qua việc xác định các đặc tính hóa lý như: độ nhớt động học ở 40 oC, chỉ số
acid (AV) và phân tích thành phần methyl ester của acid béo bằng GC-MS.

GVHD: Nguyễn Văn Đạt

2

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
Chƣơng 2: TỔNG QUAN
2.1 Tình hình năng lƣợng, nhiên liệu và vấn đề ô nhiễm môi trƣờng
2.1.1 Nhu cầu sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới
Những năm đầu của thế kỉ 21, thế giới đang phải đối mặt với nhiều vấn đề
phải giải quyết đặc biệt là hiện tượng ấm lên toàn cầu do tác động của hiệu

ứng nhà kính và sự khủng hoảng về năng lượng. Nguyên nhân chính là do
bùng nổ dân số và tốc độ đô thị hóa chóng mặt.
Các nguồn nhiên liệu hóa thạch chính như dầu mỏ, than và khí đốt được
khai thác và sử dụng từ cách đây rất lâu. Dầu mỏ vẫn được xem là nguồn
nhiên liệu chính cho thế giới trong những năm tới. Thống kê của IEO2004 cho
thấy, với nhu cầu đòi hỏi về dầu mỏ tăng lên 1,9% mỗi năm thì trong vòng 24
năm tới, mức tiêu thụ 77 triệu thùng/ngày năm 2001 sẽ tăng lên tới 121 triệu
thùng/ngày vào năm 2025, mà nhu cầu lớn nhất sẽ là từ Mỹ và các nước đang
phát triển ở châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc… Các quốc gia này có thể sẽ
chiếm tới 60% nhu cầu của thế giới. Mỹ là quốc gia đứng đầu trên thế giới về
sức tiêu thụ năng lượng. Nhu cầu về dầu mỏ của Mỹ tăng lên khoảng 1,5%
mỗi năm kể từ năm 2001 và sẽ đạt tới 28,3 triệu thùng/ngày vào năm 2025.
Nhật Bản, quốc gia châu Á có nền kinh tế đứng thứ hai thế giới. Nhật là
một quốc gia có trình độ kỹ thuật tối tân hiện đại nhưng hầu như không có tài
nguyên khoáng sản nên phải nhập khẩu dầu mỏ từ Trung Đông, Indonesia.
Trung Quốc, nước có sức tiêu thụ dầu thô đứng thứ 2 thế giới. Năng
lượng sử dụng trong ngành vận tải ở Trung Quốc tăng 5,3% mỗi năm. Hiện
nay Trung Quốc đã trở thành quốc gia lớn thứ 2 thế giới về nhập khẩu dầu lửa.
Năm 2005 mỗi ngày Trung Quốc nhập khẩu 2,5 triệu thùng, năm 2010 nhập
khẩu 3,3 triệu thùng/ ngày, dự tính vào năm 2030 sẽ nhập khẩu 7,3 triệu
thùng/ ngày.
Nhu cầu về năng lượng cho ngành vận tải của Ấn Độ với mức tăng
trưởng khoảng 4,4% mỗi năm, Các quốc gia khác như Úc, New Zealand, các
nước Đông, Tây Âu, cho dù có mức tăng dân số chậm thì cũng có nhu cầu tiêu
thụ dầu mỏ và các năng lượng khác ngày càng tăng cao.
Venezuela là quốc gia có trữ lượng dầu thô lớn nhất thế giới với 297.570
triệu thùng, tiếp đến là Ả Rập Saudi với 267.910 triệu thùng. Việt Nam xếp
thứ 28 thế giới về trữ lượng dầu thô, với khoảng 4.400 triệu thùng, xếp sau Ai
Cập và xếp trước Australia (Huyền B.T., 2005)
GVHD: Nguyễn Văn Đạt

3

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
Hiện tượng bất ổn giá xăng dầu cùng với sự cạn kiệt nguồn tài nguyên
này đang cảnh báo về vấn đề an ninh năng lượng thế giới.
2.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng
Ngày nay vấn đề ô nhiễm môi trường, phá vỡ cân bằng sinh thái đã là vấn đề
quan tâm chung của nhân loại. Việc khai thác và sử dụng nguyên liệu hóa
thạch phục vụ cho nhu cầu công nghiệp hóa hiện đại hóa và sự bùng nổ dân số
là những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này.
Ô nhiễm môi trường không khí hiện nay không những tác động xấu tới
sức khỏe của con người, thiệt hại về kinh tế mà còn ảnh hưởng đến biến đổi
khí hậu. Nhiều hoạt động của con người trong sản xuất công nghiệp, giao
thông vận tải, nông nghiệp, kéo theo lượng phát thải khí nhà kính CO2 không
ngừng gia tăng nhanh, trên 30% so với thời kì tiền công nghiệp (từ 280 ppm
tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng 0,2-0,4oC nếu không có giải pháp tích
cực, nồng độ khí nhà kính có thể tăng đến 400 ppm vào năm 2050 và 500 ppm
vào cuối thế kỷ XXI, nhiệt độ trái tăng thêm 2-4oC, gây ra hậu quả khôn lường
cho môi trường sống.
Khí thải từ các phương tiện giao thông chiếm tỉ lệ khoảng 60-70% tổng
lượng khí thải ra môi trường. Hiện nay trên thế giới có khoảng 800 triệu xe ô
tô các loại, tiêu thụ mỗi ngày khoảng 10 triệu tấn dầu mỏ, bằng một phần hai
sản lượng dầu mỏ khai thác mỗi ngày. Vì vậy, phương tiện giao thông dẫn đến
hàng năm toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí nhà kính.
Ô nhiễm không khí ở các khu công nghiệp và đô thị tăng 2 đến 3 lần, ở các nút
giao thông tăng 2 đến 5 lần so với quy định. Mỗi năm lượng thải vào khí

quyển là 250 triệu tấn bụi, 200 tấn CO, 150 triệu tấn SO2, 50 triệu tấn các
NOx, hơn 50 triệu tấn hydrocarbon các loại và 20 tỷ tấn CO2.

Hình 2.1 Minh hoạ ô nhiễm môi trƣờng không khí

GVHD: Nguyễn Văn Đạt

4

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
2.2 Nhiên liệu sinh học
2.2.1 Khái niệm
Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu tái tạo, được hình thành từ các hợp chất
có nguồn gốc động thực vật như mỡ động vật, dầu thực vật, dầu ăn thải tái
sinh..., ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương, sắn...), sinh khối cellulose như phế
phụ phẩm thải trong nông nghiệp (rơm, rạ, phân...), sản phẩm thải trong công
nghiệp (mùn cưa, gỗ thải...) và tảo (một số loài tảo có dầu).

Hình 2.2 Nhiên liệu sinh học

2.2.2 Phân loại nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học có thể được phân loại thành các nhóm chính như sau:
- Diesel sinh học (Biodiesel): Biodiesel được điều chế từ dầu thực vật
(dầu mè, dầu dừa, dầu đậu nành, dầu cao su..) hay mỡ động vật (mỡ cá tra, mỡ
cá basa) thường được thực hiện thông qua quá trình transester hóa bằng cách
cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol. Hiện nay biodiesel
được sử dụng ở hai dạng là tinh khiết và pha trộn.

- Xăng sinh học (Biogasoline): cũng như diesel sinh học, xăng sinh học
cũng là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là một loại
phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì. Thông thường được pha
từ 10–25% ethanol khan với xăng chưng cất từ dầu mỏ không có phụ gia để
đạt chỉ số octane 90, 92, 95,…và có tính chất hóa lý tương đương xăng có
nguồn gốc từ dầu mỏ. Chúng được sử dụng cho động cơ xăng truyền thống mà
không cần phải hoán đổi động cơ.
- Sinh khối (Biomas): rơm rạ, trấu, chất thải động vật.
- Khí sinh học (Biogas): là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồng
đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ
phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí.
Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm
dầu mỏ.
GVHD: Nguyễn Văn Đạt

5

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
- B5: 5% biodiesel và 95% diesel dầu mỏ, B15:15% biodiesel và 85%
diesel dầu mỏ, B20: 20% biodiesel và 80% diesel dầu mỏ, B100:100%
biodiesel.
2.2.3 Ƣu điểm của nhiên liệu sinh học
2.2.3.1 Giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng
Kết quả các công trình nghiên cứu cho thấy: nếu sử dụng 100% metyl ester thì
lượng khí CO2 thải ra sẽ thấp hơn 78,4% so với khi dùng dầu diesel, nếu sử
dụng hỗn hợp 20% metyl ester và 80% dầu diesel, lượng CO2 giảm 15,66%.
Biodiesel có thể bị phân hủy do vi khuẩn, do vậy ít gây ô nhiễm.

Lượng khí thải khi đốt cháy nhiên liệu biodiesel không độc vì không
chứa hợp chất lưu huỳnh và hợp chất hương phương. Đây là ưu điểm lớn nhất
của biodiesel so với dầu diesel và khi sử dụng không xảy ra hiện tượng ăn
mòn thiết bị do hợp chất lưu huỳnh tạo ra. Biodiesel hoàn toàn đáp ứng yêu
cầu về môi trường, giảm lượng khí CO2 phát sinh, hydrocacbon không cháy và
những thành phần khí thải khác. Biodiesel có khả năng cháy tốt, giảm lượng
mồ hóng, than bụi…
2.2.3.2 Bảo đảm an ninh năng lƣợng
Phát triển nhiên liệu sinh học giúp các quốc gia chủ động, không bị lệ thuộc
vào vấn đề nhập khẩu nhiên liệu, đặc biệt đối với những quốc gia không có
nguồn dầu mỏ và than đá, đồng thời kiềm chế sự gia tăng giá của xăng dầu và
ổn định tình hình năng lượng cho thế giới.
Do được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái tạo, biodiesel thật sự là một
lựa chọn ưu tiên cho các quốc gia trong vấn đề an ninh năng lượng. Hơn nữa,
việc phát triển nhiên liệu sinh học trên cơ sở tận dụng các nguồn nguyên liệu
sinh khối khổng lồ sẽ là một bảo đảm an ninh năng lượng cho các quốc gia.
2.2.3.3 Phát triển kinh tế nông nghiệp
Nguồn nhiên liệu sản xuất biodiesel chủ yếu là sản phẩm nông nghiệp, do đó
việc sản xuất biodiesel có thể kích thích sản xuất nông nghiệp và mở rộng thị
trường cho sản phẩm nông nghiệp trong nước. Việc sản xuất bodiesel từ một
số cây trồng có dầu như: dừa, lạc, jatropha, cao su,... mở ra cơ hội thị trường
sản phẩm mới cho nông dân với tiềm năng tăng thu nhập hoặc tăng năng lực
sản xuất cho đất canh tác hiện có, tận dụng các vùng đất hoang hoá và tạo
thêm công ăn việc làm cho người dân.
GVHD: Nguyễn Văn Đạt

6

SVTH: Trần Quang Thanh

Luận văn tốt nghiệp
Việc phát triển nguồn nguyên liệu cho sản xuất biodiesel phù hợp cũng
sẽ tạo ra sự đa dạng môi trường sinh học với các chủng loại thực vật mới. Bên
cạnh đó, việc tận dụng các nguồn phụ, phế phẩm nông nghiệp để sản xuất
biodiesel đồng thời nâng cao giá trị của sản phẩm nông nghiệp.
2.2.4 Nhƣợc điểm của nhiên liệu sinh học
Không chỉ có những ưu điểm, biodiesel cũng có một số nhược điểm sau:
- Sử dụng nhiên liệu chứa nhiều hơn 5% biodiesel có thể gây ăn mòn các
chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu do tính dễ bị oxi hóa của
biodiesel.
- Nhiệt độ đông đặc của biodiesel phụ thuộc với nguyên liệu sản xuất điều
này ảnh hưởng lớn đến việc sử dụng biodiesel ở những vùng có thời tiết lạnh.
- Biodiesel không bền, rất dễ bị oxi hóa nên gây nhiều khó khăn trong
việc bảo quản.
- Việc thu gom dầu ăn phế thải, mỡ cá tra, cá ba sa, bã cà phê,... không
khả thi lắm do số lượng hạn chế, lại phân tán nhỏ lẻ. Những nguồn nguyên
liệu có thể chế biến thành thực phẩm (hướng dương, cải dầu, đậu nành, dừa,...)
thì giá thành cao, sản xuất biodiesel không kinh tế. Diện tích đất nông nghiệp
cho việc trồng cây lấy dầu là có hạn, để giải quyết bài toán nhiên liệu này, trên
thế giới đang có xu hướng phát triển những loại cây lấy dầu có tính công
nghiệp như cây dầu mè (jatropha curcas), cao su, hoặc những loại có năng suất
cao như tảo.
2.2.5 Tính chất hoá lý của biodiesel
Tính chất hóa lý của biodiesel phụ thuộc vào cơ cấu của acid béo có trong
biodiesel.
2.2.5.1 Chỉ số cetane
Chỉ số cetane là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng
biodiesel. Nó liên quan đến thời gian bốc cháy trễ khi nó bơm vào buồng đốt
của động cơ. Nói chung thời gian bốc cháy trễ càng ngắn thì chỉ số cetane

càng cao và ngược lại. Nhiên liệu có chỉ số cetane thấp hơn mức quy định của
động cơ sẽ gây tiếng ồn khi vận hành, khởi động khó ở vùng cao và thời tiết
lạnh, tăng chất lắng, phun nhiều khói, tiêu hao nhiên liệu và hao mòn động cơ.
GVHD: Nguyễn Văn Đạt

7

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
2.2.5.2 Điểm đục
Điểm đục là nhiệt độ mà hỗn hợp bắt đầu vẩn đục do có một số chất bắt đầu
kết tinh. Điểm đục có ý nghĩa rất quan trọng đối với dầu diesel, đặc biệt khi nó
được sử dụng ở các nước có nhiệt độ hạ thấp khi mùa đông đến. Khi nhiệt độ
thấp, độ nhớt sẽ tăng lên, ảnh hưởng đến việc phun nhiên liệu.Nếu nhiệt độ hạ
thấp hơn nhiệt độ tạo điểm đục thì những tinh thể kết tinh sẽ kết hợp lại với
nhau tạo thành những mạng tinh thể gây tắt nghẽn đường ống dẫn và những
thiết bị lọc làm động cơ không hoạt động được.
2.2.5.3 Điểm chảy
Điểm chảy là nhiệt độ mà toàn bộ thể tích của hỗn hợp chuyển pha từ thể rắn
sang thể lỏng. Điểm đục và điểm chảy là thông số được xác định nhằm dự
đoán khả năng sử dụng của biodiesel ở nhiệt độ thấp.
2.2.5.4 Độ nhớt
Độ nhớt ảnh hưởng đến sự phun của nhiên liệu khi tiêm vào buồng đốt. Độ
nhớt của biodiesel có thể đoán dựa trên thành phần ester có trong hỗn hợp. Độ
nhớt của etyl ester cao hơn metyl ester, cấu hình của nối đôi cũng ảnh hưởng
đến độ nhớt, nối đôi cấu hình cis có độ nhớt thấp hơn cấu hình trans.
2.2.5.5 Điểm chớp cháy
Điểm chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà ở đó nhiên liệu bắt đầu cháy. Chỉ số

này dùng để phân loại nhiên liệu theo khả năng cháy nổ của chúng. Nó rất
quan trọng trong việc sử dụng và lưu trữ nhiên liệu. Điểm chớp cháy của
biodiesel cao hơn so với petrodiesel.
2.2.5.6 Nhiệt đốt cháy
Nhiệt đốt cháy là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu vì vậy nó thường
được gọi là năng lượng. Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng năng lượng sinh
học bao gồm hàm lượng oxygen và tỉ lệ của carbon và hydrogen. Nói chung,
lượng oxygen trong biodiesel tăng thì hàm lượng năng lượng giảm. Chuỗi
carbon dài thì hàm lượng năng lượng năng lượng cao, tỉ lệ carbon và hydrogen
trong biodiesel càng nhỏ thì hàm lượng năng lượng càng cao.

GVHD: Nguyễn Văn Đạt

8

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
2.2.5.7 Tính trơn
Dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp, sự khử sẽ làm mất đi tính trơn vốn
có của nó. Thêm 1-2% biodiesel sẽ duy trì tính trơn của dầu diesel.Thành phần
ester có trong biodiesel ảnh hưởng đến tính trơn: ester bất bão hòa có tính trơn
tốt hơn ester bão hòa.
2.2.5.8 Trạng thái oxy hóa
Trong quá trình cất giữ biodiesel: không khí, nhiệt độ, ánh sáng, vết kim loại
làm biodiesel dễ bị oxy hóa và bị hư. Ngoài ra số nối đôi và vị trí nối đôi của
ester acid béo bất bão hòa cũng ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa.
2.3 Tình hình nghiên cứu và nguyên liệu sản xuất biodiesel
2.3.1 Tình hình nghiên cứu biodiesel trên thế giới

Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu được Rudolf Diesel tiến hành
cách đây trên 100 năm. Năm 1895, ông đã sử dụng dầu đậu phộng cho việc
thử nghiệm động cơ đốt trong của mình. Năm 1916, động cơ diesel đầu tiên đã
được xuất sang Argentina, Gutierrez đã dùng thầu dầu để thử nghiệm lại
những ý tưởng của R. Diesel, nhưng những khó khăn về tỷ trọng, độ nhớt
trong quá trình phun nhiên liệu làm cho những nghiên cứu này không phát
triển được.
Dầu cọ cũng được sử dụng cho mục đích nhiên liệu thay dầu diesel từ
năm 1920, một trong những công bố sớm nhất về việc ứng dụng ester của dầu
cọ là vào năm 1940. Đến năm 1944, cũng một người Argentina khác, Martinez
đã tiến hành lần đầu tiên việc pha trộn dầu diesel với dầu thực vật với khối
lượng dầu từ 30-70%. Từ năm 1920-1947, người ta ghi nhận đến 99 công trình
sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu diesel. Hơn nữa, vào thời điểm đó, dầu
mỏ lại khá dồi dào, trong khi dầu thực vật chưa đủ cung cấp cho việc sản xuất
dầu ăn, các nghiên cứu của Rudolf Diesel bị rơi vào quên lãng.
Các cuộc khủng hoảng nhiên liệu xảy ra trong những năm 1970-1980 đã
thúc đẩy các nhà khoa học trở lại với ý tưởng ban đầu của Rudolf Diesel. Kết
quả là một loạt các nghiên cứu về sử dụng dầu thực vật được tiến hành. Tháng
1/1991, chương trình nghiên cứu sử dụng biodiesel của Đức bắt đầu được thực
hiện, 10 năm sau sản lượng biodiesel của Cộng Hòa Liên Bang Đức đã đạt
GVHD: Nguyễn Văn Đạt

9

SVTH: Trần Quang Thanh