Tổng quan về xăng sinh học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM
KHOA MÔI TRƯỜNG


XĂNG SINH HỌC

GVHD: PGS.TS VŨ CHÍ HẢI
HVTH: LÝ TIỂU PHỤNG

Tháng 3 – 2016



MỤC LỤC


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về xăng
Xăng là sản phẩm từ dầu mỏ với thành phần cơ bản là các loại hydrocarbon.
1.1.1

Tính chất vật lý

Là chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi đặc trưng, nhiệt độ sôi từ 35 – 200 0C.
Khi cháy phát sáng, thể tích tăng đột ngột và sinh nhiệt.
1.1.2

Thành phần hóa học

Thành phần hóa học chính của xăng là các hydrocarbon có số nguyên tử từ C 4 –
C10, ngoài ra còn có các hydrocarbon nặng hơn như C 11, C12, C13. Trong thành phần

hóa học của xăng còn chứa một lượng nhỏ các hợp chất phi hydrocarbon của S, N và
O. Khi nghiên cứu về thành phần hóa học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn hay
sản phẩm của nó người ta thường chia thành hai phần chính là hydrocarbon và phi
hydrocarbon.
Thành phần hydrocarbon của xăng

-

Họ paraffinic

Công thức chung CnH2n+2 tồn tại dưới hai dạng: mạch thẳng (n-parafin) và mạch nhánh
(i-parafin), chủ yếu là gốc metyl

-

Olefin

Công thức chung CnH2n được tạo thành từ quá trình cracking. Các olefin cũng gồm hai
loại là n-parafin và i-parafin

-

Họ naphtenic

Gồm các hydrocarbon vòng no có công thức C nH2n. Các vòng này thường có 5 hoặc 6
cạnh, có nhánh hoặc không nhánh. Hàm lượng của họ này chiếm một số lượng tương
đối lớn, những đồng phân này thường có nhiều nhánh nhưng nhánh lại ngắn, chủ yếu
là gốc metyl (-CH3)

-

Họ aromatic

4


Các hợp chất này trong xăng chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong ba họ.
Thành phần phi hydrocarbon
Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocarbon còn có các hợp chất phi
hydrocarbon như các hợp chất của O, N, S. Trong các hợp chất này thì người ta quan
tâm nhiều đến hợp chất của S do tính ăn mòn và gây ô nhiễm môi trường. S tồn tại
chủ yếu ở dạng mercaptan (RSH), hàm lượng của nó phụ thuộc vào nguồn gốc của
dầu thô chứa ít hay nhiều S và hiệu quả của quá trình xử lý. Các hợp chất của các
nguyên tố khác có hàm lượng vết, trong đó N tồn tại ở dạng pyridine còn hợp chất của
O thì khá ít và thường ở dạng phenol và đồng đẳng.
1.1.3

Nguồn gốc của xăng

Xăng là sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô. Dầu thô được khoan và
bơm lên từ lòng đất, là một chất lỏng hơi sệt, màu nâu sẫm, nó là hỗn hợp của rất
nhiều loại hydrocarbon có công thức cấu tạo khác nhau. Hợp chất hydrocarbon có từ 1
– 4 C nguyên tử C như methane (CH 4), ethane (C2H6), propane (C3H8) và butane
(C4H10) là các chất khí ở nhiệt độ thường. Từ 5 – 18 C là các hydrocarbon ở dạng
lỏng, nhiều hơn 19 C là các chất rắn ở nhiệt độ thường. Các hydrocarbon có mạch
carbon càng dài sẽ có độ sôi càng cao. Dựa vào đặc tính này người ta thiết kế tháp
chưng cất để tách các loại hydrocarbon khác nhau ra từng nhóm riêng biệt từ dầu thô.
Dầu thô được đun nóng liên tục và các loại hydrocarbon như các chất khí, dung
môi hữu cơ, xăng, dầu hỏa, dầu diesel, dầu nhờn, paraffin… được tách ra từ cột tháp
chưng cất ở những tầng có nhiệt độ ngưng tụ khác nhau. Nhóm hydrocarbon ở nhiệt

độ sôi thấp sẽ được tách ra trước, nằm ở phần cao nhất của tháp chưng cất. Về phía
đáy tháp là các hydrocarbon nặng hơn được tách ra

5


Hình 1.1 Các giai đoạn của quá trình chưng cất dầu thô
Dầu thô (crude oil) được đun nóng bốc hơi và tách ra theo từng nhóm trong tháp
chưng cất phân đoạn (distillation column) ở các khoảng nhiệt độ khác nhau.
Cao nhất trong tháp là các chất khí với số nguyên tử C ≤ 4, được tách ra ở nhiệt độ
200C.
Nhóm hỗn hợp dung môi (naptha) có số nguyên tử C từ 5 – 8 được tách ra khi đun
dầu thô từ 400C - 700C.
Nhóm hợp hỗn hợp gồm các hydrocarbon có công thức phân tử C 7H16 đến C11H24
trộn lẫn vào nhau được gọi là xăng và được dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt
trong.
Tiếp theo nhóm xăng là các hydrocarbon thuộc nhóm dầu hỏa (kerosene), công
thức cấu tạo của chúng có từ 12 – 15 nguyên tử C.
Tiếp theo dầu hỏa, xuống bên dưới của tháp chưng cất là dầu diesel và kế bên dưới
dầu diesel là loại dầu nặng hơn dùng để đốt lò sưởi.
Tiếp xuống phía dưới là dầu nhờn bôi trơn động cơ hay còn gọi là nhớt máy, nhớt
động cơ (lubricating oil). Mạch carbon của nhóm này khá lớn, do vậy mà chúng
không thể bốc hơi ở nhiệt độ thường. Khi mạch phân tử dài hơn 20 nguyên tử C, các
hydrocarbon ở thể rắn và có tên gọi là paraffin hay sáp.
6


Cuối cùng là nhựa đường hay dầu hắc dùng để trải đường cho xe chạy. Tất cả các
sản phẩm trên đều lấy ra từ dầu thô.
1.1.4

Các chỉ tiêu chất lượng của xăng

1. Khối lượng riêng và tỷ trọng
Khối lượng riêng của xăng là khối lượng của một đơn vị thể tích xăng dầu ở nhiệt
độ tiêu chuẩn. Đơn vị là g/cm 3. Nhiệt độ tiêu chuẩn là 15 0C hoặc 200C. Tỷ trọng là tỷ
số giữa khối lượng riêng của xăng so với khối lượng riêng của nước
2. Thành phần cất
Thành phần cất được đặc trưng bởi nhiệt độ sôi dầu, nhiệt độ sôi khi chưng cất
được 10%, 50%, 90% và nhiệt độ cuối. Từ đó tính được lượng cặn còn lại theo thể
tích ban đầu. Thành phần cất đặc trưng cho tính dễ bay hơi của nhiên liệu lỏng, ảnh
hưởng đến tính năng sử dụng và bảo quản xăng dầu
Hàm lượng nhựa thực tế: là chất nhựa tính bằng mg có trong 100 mL xăng dầu. Đơn
vị: mg/100mL.
3. Tính ổn định hóa học
Là khả năng giữ vững bản chất hóa học chống lại ảnh hưởng của môi trường xung
quanh của xăng. Tính ổn định hóa học của xăng bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố:
nhiệt độ, diện tiếp xúc với không khí, độ sạch và khô của vật chứa, mức độ tồn chứa
và thời gian chứa. Xăng có hàm lượng keo nhựa càng cao thì có tính ổn định hóa học
càng thấp
4. Hàm lượng S
Tính bằng % lượng lưu huỳnh và hợp chất của S có trong xăng dầu so với khối
lượng của xăng dầu
5. Ăn mòn: là khả năng ăn mòn kim loại và tích tụ cặn bẩn của xăng
6. Trị số octan:
Là đại lượng quy ước đặc trưng cho khả năng chống lại sự kích nổ của xăng, tính
bằng phần trăm thể tích của iso-octan (2,2,4-trimetylpentan) trong hỗn hợp của nó với
n-heptan khi hỗn hợp này có khả năng chống kích nổ tương đương với khả năng
7

chống kích nổ của xăng đang khảo sát. Trong hỗn hợp này iso-octan có khả năng
chống kích nổ tốt, được quy ước bằng 100, ngược lại n-heptan có khả năng chống
kích nổ kém và được quy ước bằng 0
Trong trường hợp chỉ số octan lớn hơn 100, để xác định chỉ số octan người ta cho
thêm vào xăng tetraethyl chì rồi tiến hành đo. Trị số octan tính theo công thức
IO = 100 +
Trong đó T là hàm lượng tetraethyl chì (mL)
Các yếu tố liên quan đến động cơ ảnh hưởng đến chỉ số octan gồm: tỷ số nén, hệ số
đầy, góc đánh lửa sớm. Ngoài các chỉ tiêu trên, xăng còn có các chỉ tiêu như: hàm
lượng tro, hàm lượng nước, hàm lượng acid và kềm tổng
Bảng 1.1 Bảng tỷ số nén tương ứng với chỉ số Octan
Tỷ số nén

Chỉ số Octan

5:1

72

6:1

81

7:1

87

8:1

92

9:1

95

10:1

100

11:1

104

12:1

108

Thông thường các loại xăng có tỷ số Octan cao sử dụng cho những động cơ có
tỷ số nén cao. Nếu sử dụng xăng có chỉ số Octan thấp cho các động cơ có tỷ số nén
cao sẽ làm ô nhiễm môi trường do thải ra khí độc và nguy hiểm hơn là có thể gây ra
hiện tượng cháy nổ. Ngược lại, nếu sử dụng xăng có chỉ số Octan cao cho các loại
động cơ có tỷ số nén thấp thì xăng sẽ khó cháy, nếu cháy không hết sẽ tạo thành cặn
than gây bẩn máy dẫn đến tình trạng hao hụt xăng, không mang lại lợi ích và không
kinh tế.

8


1.1.5

Các chất phụ gia cho thêm vào xăng

Tetra-Ethyl Chì (TEL): TEL được cho vào xăng nhằm tăng chỉ số octan của
xăng lên một cách đáng kể, tăng tỷ số chịu nén. Tuy nhiên, việc cho chất phụ gia này
vào xăng đã gây ra các ảnh hưởng như:

-

Phát thải chì ra môi trường khí, nước gây ô nhiễm chì
Tetraethyl chì sau khí ra khỏi buồng đốt tạo một lớp chì bao bọc các kim loại như:
Ni, Fe, Mn của bộ xúc tác chuyển đổi khí thải bên trong ống xả, làm vô hiệu hóa
nhanh chóng bộ phận này
Methyl Tertiary Butyl Ether (MTBE): một hợp chất được tạo ra từ rượu methanol.

Chất này được cho vào xăng với hai công dụng: làm tăng chỉ số octane và là chất cung
cấp thêm oxy cho phản ứng nổ trong buồng đốt của động cơ. Với đặc tính thứ hai,
chất MTBE là chất phụ gia lý tưởng vì giúp đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, tăng công
suất máy, giảm lượng hydrocarbon dư đồng thời cũng giảm lượng khí CO thải ra khí
quyển. Chất MTBE được bắt đầu cho vào xăng sau khi đạo luật về Khí Quyển Sạch
(Clean Air Act) ra đời năm 1990, đã chấm dứt việc sử dụng phụ gia chì. Quy định của
đạo luật này cũng chỉ cho phép tỉ lệ của chất này trong xăng là 10 – 15%. Tuy nhiên,
MTBE được coi là chất gây ung thư. MTBE tan rất dễ trong nước, nếu xăng có chứa
chất này bị dò rỉ ra môi trường, có thể ngấm xuống các mạch nước ngầm làm ô nhiễm
các giếng nước.
1.1.6

Các loại xăng ở thị trường Việt Nam

Xăng mogas 95 (M95): có mùi, màu vàng, được sử dụng cho phương tiện có tỉ

số nén trên 9,5/1, có trị số octan là 95
Xăng mogas 92 (M92): có mùi đặc trưng, màu xanh lá, được sử dụng cho
phương tiện có tỉ số nén dưới 9,5/1, có trị số octan là 92
Xăng mogas 83 (M83): màu nâu sẫm, có mùi, được sử dụng cho các phương
tiện có tỷ số nén 8:1 và có chỉ số octan là 83. Hiện nay, xăng này không còn được sử
dụng ở Việt Nam do chứa nhiều S và tạp chất nên khi sử dụng sẽ thải ra rất nhiều khí
SO2 gây ô nhiễm. Tuy nhiên, xăng mogas 83 còn dùng cho các động cơ có tỷ số nén

9


thấp như máy nổ, máy bơm và các phương tiện sản xuất theo công nghệ cũ của những
năm 90.
Xăng sinh học E5: sử dụng etanol như một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào
xăng thay phụ gia chì. Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng A92 pha 5% ethanol
1.1.7

Tác động đến môi trường và sinh vật

Độc tính với các loài thủy sinh chủ yếu do các hợp chất thơm no và không no
gây ra. Khi xảy ra sự cố tràn dầu, nhiều thành phần bay hơi trong xăng sẽ bay hơi và
một phần được hấp thụ vào nước tùy vào điều kiện môi trường xung quanh (nhiệt độ,
gió, sự hòa trộn của sóng, loại đất…), sự oxy hóa bởi ánh sáng mặt trời, sự phân hủy
sinh học và sự hấp thụ vào các chất rắn lơ lửng.
Độ hòa tan trong nước của xăng không chì dựa trên khả năng bay hơi của
benzen, toluen, etylbenzen, xylen, naptalen.
1.1.8

Ứng dụng của xăng

-

Xăng là loại hàng hóa được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống và các ngành công

-

nghiệp
Dùng để thắp sáng và tạo nhiệt, dùng cho các loại động cơ đốt trong kiểu bộ chế

-

hòa khí (động cơ xăng)
Dùng làm dung môi cho nhiều ngành công nghiệp đặc biêt là công nghiệp sơn do

-

có khả năng hòa tan nhiều chất hữu cơ
Dùng để tẩy rửa vết bẩn bám trên các kim loại, kính, nhựa, vải,…

10


1.2 Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (NLSH) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất
có nguồn gốc động thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động
thực vật (mỡ động vật, dầu dừa), ngũ cốc (lúa mì, ngô,đậu tương), chất thải trong nông
nghiệp (rơm rạ, phân), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải).
1.2.1

Các dạng nhiên liệu sinh học

Có thể chia thành ba nhóm:

-

Xăng sinh học (Biogasoline): 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.
Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như
tinh bột, cenllulose, lignocellulose. Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp với
xăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụng

-

phụ gia chì truyền thống
Diesel sinh học (Biodiesel): 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 được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyển
hóa este. Các chất dầu trộn với NaOH và methanol (hay ethanol) tạo ra dầu

-

diesel sinh học và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este.
Khí sinh học (biogas): là hỗn hợp khí CH4 và một số khí khác phát sinh từ sự
phân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí. Thành phần chính của
Biogas là CH4 (50 – 60%) và CO2 (> 30%) còn lại là các chất khác như hơi nước
N2, O2, H2S, CO… được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt
độ từ 20 – 400C, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt
trong. Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SO x
cũng là một khí rất độc. Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kể
đến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệu

-

của biogas.
Nhiên liệu sinh học rắn: Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đang
phát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ và
các loại phân thú khô.
11


1.2.2

Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học

Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học rất đa dạng, phong phú gồm: nông
sản (sắn, ngô, mía, củ cải đường), cây có dầu (lạc, đậu tương, hướng dương, dừa, cọ
dầu), chất thải dư thừa (sinh khối phế thải, rơm rạ, thân cây bắp, gỗ, bã mía, vỏ trấu),
mỡ cá, tảo. Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta sẽ chọn
những loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH.
Ví dụ như Brasil sản xuất ethanol chủ yếu từ mía, ở Mỹ là từ ngô.
1.2.3

Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học

Tuỳ thuộc vào nguyên liệu và loại nhiên liệu cần có, có thể sử dụng các quá
trình chuyển hoá theo phuơng pháp sinh học, hoá học hoặc nhiệt. Phương pháp sinh
học chậm nhưng sản phẩm có độ tinh khiết cao. Phương pháp nhiệt nhanh nhưng sản
phẩm tạo ra phức tạp và khó có thể thu đuợc sản phẩm mong muốn với độ tinh khiết
cao.
Các sản phẩm nhiêu liệu sinh học đã trải qua nhiều giai đoan phát triển và có thể

chia thành ba thế hệ, tùy thuộc vào công nghệ và nguyên liệu.
Thế hệ thứ nhất:
Nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên được làm từ các loại cây trồng có hàm lượng
đường và tinh bột cao (sản xuất gasohol), dầu thực vật hoặc mỡ động vật (sản xuất
biodiesel). Tinh bột từ các loại ngũ cốc được chuyển hóa thành đường rồi lên men
thành bioethanol. Trong khi đó, dầu thực vật (được ép từ các loại cây có dầu) hoặc mỡ
động vật được trộn với ethanol (hoặc methanol) có sự hiện diện của chất xúc tác sẽ
sinh ra biodiesel và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este.
Thế hệ thứ hai:
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đất
trồng trọt để trồng các loại cây thích hợp và các công nghệ sử dụng để chuyển đổi các
nguồn nguyên liệu này thành NLSH còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử
lý. Vì vậy người ta đã hướng tới nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai. Loại NLSH này
được sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi lên men thành nhiên
liệu sinh học. Các nguyên liệu này được gọi là “sinh khối xenluloza” có nguồn gốc từ
12


chất thải nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn đô thị, các sản phẩm phụ từ quá
trình chế biến thực phẩm hoặc các loại cỏ sinh trưởng nhanh như rơm, rạ, bã mía, vỏ
trấu, cỏ…
NLSH thế hệ thứ hai được phân loại dựa trên bản chất quá trình chuyển hóa sinh khối:
sinh hóa hoặc nhiệt hóa. Quá trình sinh hóa được dùng để sản xuất ethanol hay
butanol thế hệ hai và các nhiên liệu còn lại được tạo ra cùng với quá trình nhiệt hóa.
Một số loại nhiên liệu thế hệ hai (được tạo ra từ quá trình nhiệt hóa) tương tự như các
sản phẩm được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch ví dụ như: methanol, nhiên liệu lỏng
từ quá trình Fischer – Tropsch và đimethylete.
Thế hệ thứ ba:
NLSH thế hệ thứ ba được sinh ra từ những cải tiến về công nghệ sinh học thực
hiện trên các nguồn nguyên liệu. Các loại nguyên liệu được cấy ghép và nuôi trồng

theo cách mà các khối cấu trúc của tế bào (lignin, cellulose, hemicellulose) có thể
được điều chỉnh theo các cách khác nhau. Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba được chế
tạo từ các loài vi tảo trong nước, trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng lượng (7 – 30 lần)
hơn nhiên liệu sinh học thế hệ trước trên cùng diện tích trồng. Sản lượng dầu trên một
diện tích 0,4 ha tảo là từ 20000 lít/năm đến 80000 lít/năm. Ngoài ra, loài tảo bị thoái
hóa sinh học không làm hư hại môi trường xung quanh.
1.2.4

-

Lợi ích của việc sản xuất nhiên liệu sinh học

NLSH có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt,
thay thế nhiên liệu hóa thạch đang sử dụng trong các phương tiện giao thông và

-

các thiết bị năng lượng.
NLSH có thể giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu do tính chất thân thiện với

-

môi trường, sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính.
NLSH có thể tăng cường an ninh năng lượng quốc gia: sự phụ thuộc vào dầu
nhập khẩu có thể không những làm suy kiệt dự trữ ngoại tệ của quốc gia mà còn
tạo ra sự mất ổn định về an ninh năng lượng của quốc gia đó. Từ khi có NLSH
nó đã thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch, giảm sự phụ thuộc nhập khẩu dầu và

-

tăng cường an ninh năng lượng quốc gia.
Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nguyên liệu để sản xuất NLSH được lấy từ hoạt
động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn
13


tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống. Quá trình sản xuất NLSH sẽ
sinh ra sản phẩm phụ là khí carbon dioxide (CO 2) và khí này cần cho sự quang
hợp của thực vật, do đó có thể tận dụng khí này để phát triển một số loại cây
công nghiệp. Chẳng hạn như ở Brazil đã có dự án xây dựng nhà máy nuôi trồng
rong biển ở sát cạnh khu vực các nhà máy sản xuất ethanol từ mía đường và sử
dụng khí CO2 thải ra trong quá trình sản xuất ethanol để thúc đẩy quá trình
quang hợp của rong biển, từ đó giảm được lượng khí thải gây ô nhiễm môi

-

trường.
Sản xuất NLSH từ các sản phẩm nông nghiệp như ngô, mía đường, sắn lát,
khoai mì... có thể giúp tạo công ăn việc làm cho người dân, nâng cao giá trị
nông sản và phần nào mang lại lợi ích cho nông dân.

Những hạn chế
Tổ chức chống nghèo đói và bất công Oxfam cũng đã có nhiều cảnh báo về
việc năng lượng xanh có thể đe dọa đến vấn đề an ninh lương thực. Khi đất trồng trọt
được sử dụng tối đa để trồng cây làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học sẽ dẫn
đến việc thiếu đất để trồng cây lương thực, điều này có thể đe dọa cuộc sống của
người nghèo vì giá lương thực và các loại nông sản gia tăng. Tác động của nó phản
ánh rõ hơn ở các nước chậm phát triển, nơi chính phủ chú trọng đẩy mạnh sản xuất
nhiên liệu sinh học phục vụ xuất khẩu sang các nước giàu, nhưng lại đẩy dân chúng
vào cảnh thiếu ăn. Theo Oxfam, quyền con người của một số nơi bị chà đạp khi các

nước giàu tung tiền ra mua nhiên liệu sinh học và để nhanh chóng trở thành một nhà
cung cấp có uy tín quốc tế, nhiều chính phủ đã không ngần ngại đuổi nông dân để
trưng dụng đất.
Để đảm bảo chất lượng nguyên liệu, người ta cần dùng thêm rất nhiều phân
bón và nước để trồng cây nguyên liệu và điều này có thể dẫn tới các vấn đề khác về
môi trường như tồn dư hóa chất trong đất từ phân bón hoặc thiếu nước phục vụ dân
sinh. Ngoài ra, diện tích rừng phủ xanh còn bị giảm nghiêm trọng do phá rừng để mở
rộng vùng trồng nguyên liệu.
Khả năng sản xuất với quy mô lớn cũng còn kém do nguồn cung cấp không ổn
định và phụ thuộc vào thời tiết, nông nghiệp. Bên cạnh đó, giá thành sản xuất nhiên
14


liệu sinh học vẫn cao hơn nhiều so với nhiên liệu truyền thống do đó việc ứng dụng và
sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống chưa phổ biến rộng.
Hiện nay vấn đề sử dụng NLSH vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạ
được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống. Trong tương
lai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, NLSH là nguồn thay thế đầy tiềm
năng.
1.2.5

Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học của thế giới và

Việt Nam
1.2.5.1 Tình hình thế giới
NLSH góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng, thúc đẩy tăng trưởng kinh tế,
giảm thiểu ô nhiễm khí nhà kính. Vì vậy nhiều quốc gia đã có những kế hoạch đầu tư
lớn vào lĩnh vực này.

- Ở Mỹ: chính phủ Mỹ phê chuẩn 2,3 tỷ USD để hỗ trợ cho các nguồn năng lượng

xanh, công bố tiêu chuẩn nhiên liệu tái tạo (RFS) để thúc đẩy việc phát triển nhiên
liệu sinh học. Hiện nay xăng E15 (15% ethanol) được coi là sử dụng an toàn cho ô
tô ở Mỹ. Các nguồn nhiên liệu mới được khuyến khích cụ thể bằng chính sách
miễn giảm thuế, hỗ trợ chi phí sản xuất. Về nhiên liệu sinh học tiên tiến Mỹ đã
dành ra 80 triệu USD để hỗ trợ nghiên cứu, trong đó có phần nghiên cứu nhiên liệu
từ sinh khối tảo, nhiên liệu xanh trong không trung.
- Ở châu Âu: Liên minh Châu Âu (EU) quyết định giảm thiểu phát tán khí nhà kính
và giảm nhu cầu nhập khẩu xăng dầu bằng cách thực hiện mục tiêu thay thế 10%
nhiên liệu dùng trong vận tải bằng các nhiên liệu tái tạo. Có 14 quốc gia trong EU
thỏa thuận hợp tác nghiên cứu và triển khai sản xuất nhiên liệu sinh học.
- Ở Canada: Chính phủ Canada đã yêu cầu từ ngày 15/12/2010 trở đi trong xăng
phải có 5% các nhiên liệu có thể tái tạo, hỗ trợ khoảng 4,7 triệu USD cho việc nuôi
cấy tảo biển trên quy mô lớn để sản xuất nhiên liệu sinh học, đầu tư 4 triệu USD
để phát triển ethanol sinh học từ cellulose ở các nguồn phụ phẩm nông lâm nghiệp.
Công nghệ này không tạo ra các chất thải độc hại và không sử dụng tới lương thực.
- Ở Brazil: hiện nay Brazil đang là nước mà 90% các ô tô mới đã được lắp thiết bị
sử dụng xăng ethanol. Năm 2010 Brazil mở rộng quy mô sản xuất NLSH bao gồm
xăng ethanol và diesel sinh học theo tinh thần nâng cao sản lượng, thúc đẩy tiêu
15


thụ, đa dạng hóa nguyên liệu, hạ giá thành sản phẩm. Từ 2010 đến 2019 Brazil sẽ
đầu tư để phát triển nguồn năng lượng (70% để phát triển dầu mỏ và khí đốt), phát
triển diesel sinh học và ethanol từ mía. Brazil hy vọng hợp tác với Nam Phi để
phát triển nhiên liệu sinh học, vì nam Phi và nhiều quốc gia châu Phi rất có tiềm
lực lớn về nhiên liệu sinh học.
- Ở Ấn Độ: phê chuẩn chính sách về nhiên liệu sinh học, thành lập Ủy ban quốc gia
về nhiên liệu sinh học, phối hợp sử dụng nhiên liệu sinh học đạt đến chỉ tiêu 20%,
bao gồm diesel sinh học và ethanol sinh học, định kỳ công bố giá cả thấp nhất của
dầu các loại hạt phi thực phẩm, ethanol sinh học và diesel sinh học. Dự kiến lượng

tiêu dùng ethanol trong thời gian 2010 – 2013 sẽ tăng khoảng 4,5% mỗi năm.
- Ở Argentina: có tới 23 nhà máy sản xuất diesel sinh học. Khoảng 68% diesel sinh
học của nước này được xuất khẩu sang EU.
- Ở Nhật Bản: có 3 nhà máy ở Nhật Bản sản xuất xăng sinh học và cả nước có trên
2000 trạm bán xăng sinh học. Các nhà máy này đã chuyển hóa thân mía và rơm rạ
lúa mì thành ethanol, trộn 43% cồn sinh học với 57% khí thiên nhiên để tạo thành
Ethyl tert-butyl ether (ETBE), lại trộn với 99% xăng để tạo thành xăng sinh học.
Nhờ đó mà CO2 thải ra rất ít, có lợi lớn cho môi trường.
- Ở Trung Quốc: tạo ra chính sách ưu tiên sản xuất và sử dụng diesel sản xuất từ mỡ
động vật và dầu thực vật. Các sản phẩm này được miễn thuế nếu lượng dầu hay
mỡ chiếm hơn 70%. Ngoài ra Trung Quốc cũng chủ trương phát triển các nguồn
điện năng từ sinh khối phụ phẩm nông lâm nghiệp để hạ giá thành tiêu thụ điện.
1.2.5.2 Tình hình ở Việt Nam
Việt Nam có nhiều tiềm năng về NLSH xăng dầu có nguồn gốc dầu mỏ. Nhiều loại
cây như sắn, ngô, mía,… có thể sản xuất cồn sinh học mà ở Việt Nam lại có nhiều
vùng đất rất thích hợp với các loại cây trồng này. Ước tính Việt Nam có thể sản xuất 5
triệu lít cồn sinh học mỗi năm nếu như có sự điều chỉnh về sản lượng và diện tích cây
trồng.
Về sản xuất diesel sinh học có thể đi từ các loại dầu thực vật và mỡ động vật. Ở Việt
Nam, các loại cây trồng tiềm năng cung cấp nguyên liệu cho sản xuất diesel sinh học
như dầu cọ, hạt bông… Điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thành
những vùng nguyên liệu tập trung. Mỡ cá, dầu thực phẩm thải được sử dụng cho sản
16


xuất diesel sinh học có thể giúp giải quyết được các vấn đề về môi trường trong chế
biến thủy sản. Ước tính Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít diesel sinh học
mỗi năm nếu như tổ chức quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sử
dụng đất triệt để, tạo ra nhiều loại giống có sản lượng cao và sở hữu các công nghệ
tách dầu từ nguyên liệu.

Mặt khác, NLSH là một loại nhiên liệu tái tạo được coi là một trong những nhiên liệu
thân thiện với môi trường. Do đó việc nghiên cứu phát triển nguồn năng lượng sinh
học có ý nghĩa hết sức to lớn đối với vấn đề an ninh năng lượng thế giới nói chung và
Việt Nam nói riêng.
Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định số 177/2007/QĐ-TT phê
duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”
tại Việt Nam với mục tiêu tổng quát là phát triển NLSH, một dạng năng lượng mới, tái
tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm
an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.
Hiện nay, nhiều nhà máy sản xuất bioethanol được xây dựng gồm: nhà máy NLSH
Phú Thọ, nhà máy NLSH Quảng Ngãi, nhà máy NLSH Bình Phước,…

17


CHƯƠNG 2 SỰ RA ĐỜI CỦA XĂNG SINH HỌC
2.1 Xăng sinh học là gì?
Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng truyền thống và cồn sinh học, được sử dụng
cho các loại động cơ xăng đốt trong như xe ô tô và xe gắn máy.
Nguyên liệu chính để sản xuất cồn sinh học tại Việt Nam hiện này là từ sắn lát
khô. Cồn sinh học trong hỗn hợp nhiên liệu sinh học được sử dụng như một chất chứa
oxy thay thế cho các hợp chất pha vào xăng trước đây như chì hay ete. Cồn sinh học
được sản xuất từ quá trình lên men tinh bột, mật rỉ đường và các phế phẩm nông
nghiệp khác.
2.2 Lịch sử hình thành xăng sinh học
Nhiên liệu sinh học ở thể rắn (gỗ, củi, than củi, phế thải thực và động vật) đã
được loài người sử dụng từ khi khám phá ra lửa. Khi phát minh ra động cơ hơi nước
và máy phát điện, nhiên liệu sinh học thể rắn (gỗ) được sử dụng một thời ở thế kỷ 18
và 19 và gây nhiều ô nhiễm. Ở Việt Nam, xe lửa chạy bằng đốt gỗ cho tới khoảng năm
1956 mới được thay thế bằng động cơ diesel. Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt nhiên

liệu sinh học ở thể rắn như gỗ, củi, trấu, mạt cưa, rơm rạ, lá khô. Mặc dù chứa nguồn
carbon có thể tái tạo, nhưng quá trình đốt sinh ra nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên gây
ô nhiễm môi trường.
Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết
kế sử dụng nhiên liệu sinh học thể lỏng là rượu cồn – ethanol, Rudolf Diesel (người
Đức) phát minh động cơ diesel chạy bằng dầu đậu phộng và Henry Ford (Mỹ) thiết kế
xe hơi chạy bằng dầu thực vật chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa.
Từ khi khám phá ra nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu hoả, khí đốt) thì ngành
kỹ nghệ sử dụng tích cực loại nhiên liệu này vì có hiệu quả kinh tế cao hơn. Tuy nhiên
mỗi khi có chiến tranh, bị địch phong toả khó chuyển vận dầu, hay thế giới có khủng
hoảng chính trị, kinh tế và để không phụ thuộc vào dầu hoả nhập cảng (từ Trung
Đông), khuynh huớng sử dụng xăng sinh học lại bộc phát trong những thời kỳ này.
Chẳng hạn, Đức và Anh Quốc sản xuất xăng sinh học từ khoai tây và lúa mì trong thời
kỳ Đệ nhị Thế Chiến. Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm
18


một số quốc gia có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng sinh học từ
tiềm năng nông nghiệp của mình. Brazil tiêu biểu cho chính sách này.
Kể từ 2000, các quốc gia trên thế giới lần lượt tuân thủ Thoả hiệp Rio de
Janeiro (1992), Kyoto (1997), tìm kỹ thuật hạn chế phát thải khí nhà kính (CO 2,
methane, N2O) của nhiên liệu hóa thạch, thay thế bằng năng lượng xanh như năng
lượng mặt trời, gió, thuỷ điện) nên nhiên liệu sinh học đã và đang là mối quan tâm lớn
của hầu hết các nước trên thế giới.
2.3 Phân loại
Xăng sinh học được ký hiệu là Ex trong đó x là % thể tích cồn trong công thức
pha trộn xăng sinh học
Có hai loại xăng sinh học được sử dụng phổ biến ở các nước trên thế giới trong đó
có Việt Nam gồm:

- Xăng sinh học E5 là nhiên liệu chứa 5% thể tích cồn sinh học và 95% thể tích xăng
truyền thống.
- Xăng sinh học E10 là nhiên liệu chứa 10% thể tích cồn sinh học và 90% thể tích
xăng truyền thống.
Hiện tại, xăng sinh học có tỉ lệ ethanol cao nhất là 85%. Các loại xe có thể sử dụng
xăng E85 được gọi là flex fuel vehicles (FFVs) – xe nhiên liệu hỗn hợp, hoặc có thể
gọi là ô tô nhiên liệu hỗn hợp do các động cơ loại này thường thấy trên ô tô. Những
cảm biến và chương trình đặc biệt trong máy tính của động cơ sẽ kiểm soát lượng cồn
trong nhiên liệu và điều chỉnh tỉ lệ phun nhiên liệu sao cho phù hợp. Xe này có thể
chạy các loại xăng từ E5 – E85, ngoại trừ các thay đổi trong hệ thống động cơ và cách
xử lý nhiên liệu thì xe này không khác gì các xe chạy xăng thông thường khác. Dòng
xe chạy xăng ethanol thuần túy E100 hoặc ethanol chưa khan nước cũng có, nhưng
hiếm hơn.

2.4 Ảnh hưởng của xăng sinh học đến động cơ
Việc sử dụng xăng sinh học giúp cải thiện tính năng động cơ, giảm phát thải,
mang lại lợi ích cho người tiêu dùng và xã hội. Quá trình sử dụng xăng sinh học E5 rất
19


thuận tiện, không cần phải điều chỉnh động cơ khi chuyển đổi giữa xăng sinh học E5
và xăng thông thường.
Do ethanol có trị số octan cao (109) nên khi pha vào xăng sẽ làm tăng trị số octan
và tăng khả năng chống kích nổ của nhiên liệu. Hơn nữa, hàm lượng oxy cao hơn
xăng bình thường giúp quá trình cháy trong động cơ diễn ra triệt để hơn, tăng công
suất, giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm phát thải các khí độc hại trong khí thải của động
cơ.
Tuy nhiên, khi sử dụng xăng sinh học có hàm lượng ethanol cao hơn 10% có thể
gây ảnh hưởng đến một số chi tiết kim loại, cao su, nhựa, polymer của động cơ.
2.5 Ảnh hưởng của xăng sinh học đến môi trường

Khí CO là một khí rất độc, được thải ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu không
hoàn toàn trong động cơ xe máy. Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy, động cơ sử dụng
xăng sinh học E5 tạo ra rất ít khí CO và hydrocarbon, ít hơn hẳn các loại xăng thông
dụng như A92 và A95 tới 20%. Do đó, xăng sinh học E5 được xem là thân thiện với
môi trường.
Bên cạnh việc giảm thiểu khí thải thì khả năng tăng tốc của xe cũng tốt hơn khi sử
dụng xăng sinh học E5. Quá trình cháy trong động cơ sử dụng xăng sinh học E5 được
cải thiện nhờ hỗn hợp giữa không khí và nhiên liệu đồng đều hơn do khả năng bay hơi
tốt của xăng.
Ngoài ra, sự có mặt của oxy trong xăng cũng là yếu tố giúp nhiên liệu được cháy
trong điều kiện không quá thiếu oxy và cháy kiệt. Đây là cơ sở để tạo ra ít khí CO và
hydrocarbon. Các loại xe thế hệ mới hiện nay còn được lắp bộ phận xử lý khí thải, kết
hợp với sử dụng xăng sinh học thì lượng khí độc thải ra môi trường sẽ giảm đáng kể.
2.6 Ảnh hưởng của thành phần phối trộn xăng đến phát thải của động cơ đốt
trong
Hầu hết nhiên liệu của động cơ đều là hỗn hợp của các hydrocarbon. Trong môi
trường lý tưởng, oxy không khí sẽ chuyển đổi tất cả hydro trong nhiên liệu thành H 2O,
tất cả carbon thành CO2 còn nito trong không khí không bị ảnh hưởng. Như vậy, nếu
quá trình cháy diễn ra hoàn toàn thì thành phần trong khói thải xe chỉ gồm CO 2, nước
20


và N2. Tuy nhiên, trong thực tế quá trình đốt lại không được như vậy do đó thành phần
các chất trong khói thải xe rất đa dạng, chứa nhiều chất độc hại như CO, NO x, VOCs,
hydrocarbon,…

Hình 2.2 Thành phần khói thải của động cơ đốt trong
Ngoài ra, khói thải còn chứa SO2 do trong xăng lúc nào cũng có một lượng nhỏ S.
Nhiên liệu sinh học thân thiện hơn nhiêu liệu hóa thạch do giảm lượng khí độc
thải ra từ động cơ. Nhiều nhà khoa học đã thực hiện nhiều thí nghiệm để định tính và

định lượng các hợp chất có trong khói xe. Giáo sư Devendra ở viện khoa học công
nghệ Ambedkar, Ấn Độ đã nghiên cứu hàm lượng CO và NO x thải ra ở tốc độ động cơ
là 100, 200, 300 vòng/10 giây.

21


Hình 2.3 Phát thải CO từ ba loại nhiên liệu
Ta thấy xăng thải ra nhiều khí CO nhất so với E10, E20 ở cả ba tốc độ. Nồng độ
CO đạt cao nhất là 1100 ppm tại tốc độ 300 vòng/10 giây và thấp nhất là 450 ppm ở
100 vòng/10 giây. Khi pha thêm cồn vào xăng, nồng độ CO giảm rõ rệt.
Đối với phát thải NOx, E20 cho hàm lượng phát thải thấp nhất. E10 có phát thải
NOx cao hơn xăng và E20 tuy nhiên cả ba loại xăng đều cho hàm lượng phát thải dưới
50 ppm.

Hình 2.4 Phát thải NOx từ ba loại nhiên liệu
Seshaiah và cộng sự cũng thực hiện thí nghiệm để đánh giá phát thải CO 2 ở các tỉ
số nén khác nhau trên các loại xăng khác nhau, kết quả đo được như hình dưới
22


Hình 2.5 Phát thải CO2 ở các tỉ số nén khác nhau trên các loại nhiên liệu khác
nhau
Ta sẽ xem xét ở tỉ số nén là 9 do động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu ở nước ta đa số
ở tỉ số này. Lượng CO 2 thải ra từ xăng thấp nhất, sau đó lần lượt là E10 và E20. Khi
hàm lượng cồn trong xăng cao, quá trình cháy diễn ra triệt để hơn, do đó carbon trong
nhiên liệu bị đốt cháy hoàn toàn thành CO 2 chứ không tồn tại ở dạng CO. Lượng cồn
càng cao, CO2 sinh ra càng nhiều, CO càng ít. Điều này giúp giảm lượng CO sinh ra,
giảm lượng khí độc hại. Hơn nữa, ta cũng biết hàm lượng CO 2 cao do phát thải từ
xăng pha cồn có thành phần cồn cao do đó nó sẽ quay trở lại vòng đời của quá trình

sản xuất xăng sinh học, dẫn đến CO2 không đổi.
Ioannis và cộng sự đã theo dõi phát thải hydrocarbon trên các loại xăng pha cồn
khác nhau. Kết quả như hình dưới

23


Hình 2.6 Phát thải hydrocarbon ở các loại xăng pha cồn khác nhau
Khi tăng lượng cồn trong xăng, lượng phát thải hydrocarbon giảm do hàm lượng oxy
trong ethanol cao giúp quá trình đốt cháy diễn ra triệt để. Tuy nhiên, khi ethanol trong
xăng vượt 40%, phát thải hydrocarbon lại có xu hướng tăng lên do ethanol trong xăng
làm giảm nhiệt độ đốt cháy, quá trình cháy không hoàn toàn dẫn đến nhiều
hydrocarbon sinh ra
2.7 Ưu, nhược điểm của xăng sinh học
2.7.1

-

Ưu điểm

Đốt xăng sinh học chỉ thải ra 18 – 30% lượng khí nhà kính, ít hơn so với đốt
xăng thông thường. Ngoài ra, lượng khí CO 2 phát thải này được cây xanh hấp
thụ lại để tái tạo xăng sinh học, do đó hàm lượng CO 2 trong khí quyển có thể
xem như không đổi. Xăng sinh học sản xuất từ bắp khi đốt cháy phát thải CO 2
ít hơn 12% so với xăng thông thường nhờ vậy mà ô nhiễm môi trường sẽ ít hơn

-

và sức khỏe con người được nâng cao.
Quá trình tạo năng lượng khi sử dụng xăng sinh học có ưu việt hơn hẳn do có

thể thực hiện quá trình sản xuất xăng sinh học ngay khi nguyên liệu có hàm

-

lượng nước cao và ở nhiệt độ thấp.
Sử dụng xăng sinh học giúp giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ, điều này có ý nghĩa
với người sử dụng về mặt kinh tế, đặc biệt là những đơn vị vận tải với mức độ
tiêu thụ nhiên liệu lớn.

24


2.7.2

-

Nhược điểm

Về mặt nguyên liệu, việc dùng sắn để sản xuất ethanol sẽ gây tác động đến môi
trường do quá trình canh tác không tập trung, phân tán, canh tác di canh di cư

-

làm đất nhanh chóng bạc màu, năng suất thấp.
Xăng chứa ethanol sẽ có trị số octan cao hơn xăng thường nên động cơ mau
nóng hơn, máy dễ hao mòn các vòng đệm cao su. Khi cồn sinh học dùng để
pha xăng sinh học có độ tinh khiết thấp dễ dẫn đến hiện tượng xăng bị ngậm
nước, dẫn tới hiện tượng tách lớp, ảnh hưởng đến quá trình cung cấp nhiên liệu
bình thường và chất lượng làm việc của động cơ, gây đóng cặn và hư động cơ.
Bồn chứa ethanol phải làm từ kim loại đặc biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn

-

hơn xăng thường nên giá thành sẽ cao hơn xăng thường đôi chút.
Cồn ethanol có tính hút ẩm mạnh hơn xăng rất nhiều. Điều này có thể gây ra
hiện tượng đọng nước bên trong bình xăng và các bộ phận khác như bộ chế hoà
khí, kim phun, xy lanh, đường ống dẫn hay bất cứ bộ phận nào có khoảng trống
không khí. Việc xuất hiện nước trong hệ thống dẫn xăng sẽ làm giấy bên trong
lọc xăng thông thường bị phồng lên và chẹn đường chảy của nhiên liệu tới

-

động cơ.
Cồn cũng sẽ ăn mòn các bình xăng cấu thành từ vật liệu sợi thuỷ tinh, ống cao
su và đường dẫn bằng plastic. Nó cũng tiềm ẩn nguy cơ gây rỉ sét do làm đọng
nước trong nhiều chi tiết kim loại. Ở các động cơ đã chạy xăng được một thời
gian dài, sự hiện diện của cồn sẽ rã các cặn và rỉ tồn tại từ trước và chúng sẽ lọt
vào hệ thống xăng, động cơ và làm tắc kim phun khi mức xăng xuống quá thấp
trừ khi được thu thập từ trước đó. Do sự khác biệt về trọng lượng riêng, xăng
và cồn thường có sự phân tách (kể cả nước ngưng tụ) khiến cho tỉ lệ
xăng/không khí trở nên không chính xác – đặc biệt là các dòng xe sử dụng chế

-

hoà khí khiến hiệu suất động cơ bị ảnh hưởng.
Gia tăng phá rừng. Hiện nay, khoảng 1% diện tích đất canh tác được dùng để
trồng cây sản xuất xăng sinh học. Phá rừng làm tăng nhiệt của đất và gia tăng
lượng CO2 vào khí quyển.

25