CHUYỂN HÓA CHẤT THẢI CHỨA NHIỀU DẦU MỠ CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT ĐỂ CHUYỂN THÀNH BIODIESEL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

BÀI TIỂU LUẬN
Môn học: Nhiên liệu sinh học – EV 5217

CHUYỂN HÓA CHẤT THẢI CHỨA NHIỀU DẦU MỠ
CỦA TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT ĐỂ
CHUYỂN THÀNH BIODIESEL

Giảng viên : PGS. TS. Đoàn Thị Thái Yên
Học viên

: Nguyễn Mạnh Việt

Lớp

: 16BKTMT.KT


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
STT

Từ viết tắt

1

DTV

2

HTPM

3

FAME

4

FFA

Tên đầy đủ
Dầu thực vật
Methanol Metanol với áp suất và nhiệt độ cao (High
Temperature and Pressured)

Axit béo methyl este hay dầu diesel sinh học
Axit béo tự do (Free Fatty Axit)

MỞ ĐẦU
Hiện nay, nhân loại đang phải đối mặt với một cuộc khủng hoảng về năng
lượng khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi
trường nghiêm trọng. Giải pháp mà con người tìm đến để khắc phục những vấn đề
đó chính là các nguồn năng lượng mới như năng lượng gió, mặt trời, sinh khối…
Khác với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng sinh khối như biodiesel
chẳng hạn không chỉ thay thế năng lượng hóa thạch mà còn góp phần xử lý ô nhiễm
môi trường. Tại Việt Nam, với đặc thù là một nước nông nghiệp, việc nghiên cứu
phát triển nguồn vật liệu và năng lượng sinh khối tạo ra những dạng năng lượng, vật
liệu sạch, rẻ góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường (trong đó
biodiesel đang rất được quan tâm hiện nay) chính là một hướng đi tất yếu.

1


2


CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1 Sơ lược về Biodiesel
1.1.1 Tổng quan
1.1.1.1 Lịch sử phát triển Biodiesel
Lịch sử hình thành và phát triển của Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng
giữa năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu glixerin
ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl este gọi
chung là Biodiesel.
Năm 1893, lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế
để chạy máy. Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho
nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu
như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và
than đá”. Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và những tác động
xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái sinh sạch trong đó có
Biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi. Để
tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của Biodiesel, Nation
Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng năm bắt đầu từ năm 2002
làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International Biodiesel Day).
1.1.1.2Tình hình sử dụng Biodiesel trên thế giới:
Các nước trên thế giới đã sản xuất Biodiesel với số lượng ngày càng nhiều và
tăng rất nhanh .Theo xu hướng thế giới, người ta sẽ trộn Bio-Diesel vào thành phần
diesel từ 5 tới 30%.
+ Ở châu Âu theo chỉ thị 2003/30/EC của EU từ ngày 31 tháng 12 năm 2005 ít nhất

là 2% và cho đến 31 tháng 12 năm 2010 ít nhất là 5,75% các nhiên liệu dùng để
chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo. Tại Áo, một phần của chỉ thị của EU đã được
thực hiện sớm hơn và từ ngày 1 tháng 11 năm 2005 chỉ còn có dầu Diesel với 5% có

3


nguồn gốc sinh học (B5) là được phép bán.
+ Tại Australia, đã sử dụng B20 và B50 vào tháng 2 năm 2005.
+ Tại Mỹ năm 2005, đã sử dụng B20.
+ Tại Thái Lan trong năm 2006, sử dụng B5 tại Chiangmai và Bangkok.
+ Tại Việt Nam, Petro Việt Nam đã có kế hoạch đưa 10% Bio-Diesel (B10) vào
thành phần Diesel để lưu thông trên thị trường.
1.1.2 Định nghĩa:
Biodiesel là loại nhiên liệu có những tính chất tương đương với dầu Diesel tự
nhiên nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động
vật. Biodiesel nói chung đều là loại năng lượng tái tạo và về phương diện hoá học
thì Biodiesel là este của những axit béo trong dầu hay mỡ khi được este hoá bởi các
ancol.
Nhiều nước trên thế giới dùng chữ B với ý nghĩa là Biodiesel, chữ BA hay E
để cho biết hoá hợp với ethanol. Ví dụ: nhiên liệu chứa 20% Biodiesel được ký hiệu
là B20, Biodiesel tinh khiết là loại B100.
Bản chất của Biodiesel là sản phẩm este hóa giữa Methanol hoặc Ethanol và
axit béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật.
Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel được định nghĩa: “là các Mono Alkyl
Este của các axit mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo lại như: dầu thực
vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ Diesel”.
1.1.3 Tính chất và ưu nhược điểm của Biodiesel
1.1.3.1 Tính chất
Biodiesel là một chất lỏng, có màu giữa vàng hay nâu tối phụ thuộc vào

nguyên liệu để chế biến. Methyl este điển hình có điểm bốc cháy khoảng ~1500C
(3000F), tỷ trọng thấp hơn nước (d= ~0.88g/cm3), có độ nhớt tương tự Diesel từ dầu
mỏ.

4


Một số tính chất như chỉ số xetan, tỉ trọng chỉ phụ thuộc vào tính chất của
nguyên liệu ban đầu. Hầu hết các tính chất còn lại phụ thuộc vào các yếu tố kỹ thuật
của quá trình sản xuất.
- Yếu tố quan trọng nhất chính là độ chuyển hóa của phản ứng chuyển vị este. Thậm
chí khi thu được hiệu suất phản ứng cao nhất, trong Biodiesel vẫn chưa một lượng
nhỏ tri, đi, Monoglixerit. Những chất này làm tăng độ nhớt, giảm độ bền oxi hóa, do
đó hàm lượng của nó phải nhỏ nhất.
- Tổng lượng glixerin chính là tổng phần glixerin chứa trong các glixerit và glyxerin
tự do. Glyxerin không tan trong Biodiesel, có độ nhớt cao. Nhiên liệu chứa nhiều
glyxerin dẫn đến hiện tượng lắng glyxerin, làm nghẽn bộ lọc nhiên liệu và làm xấu
đi quá trình cháy trong động cơ.
- Metanol bị hạn chế dưới 0.2% trong tiêu chuẩn EN 14214 nhưng không đề cập
đến trong ASTM. Tuy nhiên, hàm lượng methanol có thể hạn chế thông qua chỉ tiêu
độ chớp cháy (càng nhiều methanol, độ chớp cháy càng thấp). Yêu cầu độ chớp
cháy không nhỏ hơn 1300C trong ASTM tương ứng với hàm lượng methanol nhỏ
hơn 0.1%.
Trong bảng dưới đây giới thiệu một số chỉ tiêu chất lượng đối với dầu Diesel
(tiêu chuẩn EN 590) và Biodiesel (tiêu chuẩn EN 14214, ASTM D6751).

5


Bảng 1.1: Chỉ tiêu chất lượng dầu Diesel và Biodiesel

Chỉ Tiêu

EN590

EN14214

ASTM

820 – 845 860 – 900

D6751
-

Độ nhớt ở 400C, mm2/s

2,0 – 4.5

3,5 – 5,0

1,9 – 6,0

Điểm chớp cháy, 0C, không thấp hơn

55

120

130

Lưu huỳnh, mg/kg, không lớn hơn

50

10

15

Chỉ số xetan, không thấp hơn

51

51

45

Nước, mg/kg, không lớn hơn

200

500

500

Este, % khối lượng, không nhỏ hơn

-

96,5

-

Methanol, % khối lượng, không lớn hơn

-

0,2

-

Monogixerit, % khối lượng, không lớn hơn

-

0,8

-

Điglixerit, % khối lượng, không lớn hơn

-

0,2

-

Triglixerit, % khối lượng, không lớn hơn

-

0,2

-

Glixerin tự do, % khối lượng, không lớn hơn

-

0,02

0,02

Tổng lượng glixerin, % khối lượng, không

-

0,25

0,24

0

Tỉ trọng ở 15 C, kg/m

3

lớn hơn…
1.1.3.2 Ưu Điểm
-

Về mặt môi trường:

+ Giảm lượng phát thải khí CO 2, do đó giảm được lượng khí thải gây ra hiệu ứng
nhà kính.
+ Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2%
trong dầu Diesel).
+ Hàm lượng các hợp chất khác trong khói thải như: CO, SO X, HC chưa cháy, bồ
hóng giảm đi đáng kể nên có lợi rất lớn đến môi trường và sức khoẻ con người.
+ Không chứa HC thơm nên không gây ung thư.
+ Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân
huỷ từ 85 ¸ 88% trong nước sau 28 ngày).
6


+ Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất.
+ Giảm sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ.
-

Về mặt kỹ thuật:

+ Có chỉ số cetan cao hơn Diesel.
+ Biodisel rất linh động có thể trộn với Diesel theo bất kì tỉ lệ nào.
+ Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn Diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong
tồn chứa và sử dụng.
+ Biodiesel có tính bôi trơn tốt : ngày nay để hạn chế lượng SOx thải ra không khí,
người ta hạn chế tối đa lượng S trong dầu Diesel. Nhưng chính những hợp chất lưu
huỳnh lại là những tác nhân giảm ma sát của dầu Diesel. Do vậy dầu Diesel có tính
bôi trơn không tốt và đòi hỏi việc sử dụng thêm các chất phụ gia để tăng tính bôi
trơn. Trong thành phần của Biodiesel có chứa Oxi. Cũng giống như S, O có tác
dụng giảm ma sát. Cho nên Biodiesel có tính bôi trơn tốt.

+ Do có tính năng tượng tự như dầu Diesel nên nhìn chung khi sử dụng không cần
cải thiện bất kì chi tiết nào của động cơ (riêng đối với các hệ thống ống dẫn, bồn
chứa làm bằng nhựa ta phải thay bằng vật liệu kim loại).
-

Về mặt kinh tế:

+ Sử dụng nhiên liệu Biodiesel ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn
thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông
nghiệp như dầu phế thải, mỡ động vật, các loại dầu khác ít có giá trị sử dụng trong
thực phẩm.
+ Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp và tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn.
+ Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu Diesel, góp phần tiết kiệm cho quốc gia một
khoảng ngoại tệ lớn.
1.1.3.3 Nhược Điểm
Hiên nay, từ những thông tin quảng cáo về Biodiesel nhiều người lầm tưởng
rằng việc sử dụng Biodiesel chỉ có lợi mà không có hại. Trên thực tế, bên cạnh
những ưu điểm, Biodiesel cũng có nhều nhược điểm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp và đời sống. Nhiều nhà sản xuất xe hơi và động cơ rất thận trọng
với việc sử dụng Biodiesel trong động cơ của họ.

7


+ Việc sử dụng nhiên liệu chứa nhiều hơn 5% Biodiesel có thể gây nên những vấn
đề sau:
 Ăn mòn các chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu do tính dễ
bị oxi hóa của Biodiesel
 Làm hư hại nhanh các vòng đệm cao su do sự không tương thích của
Biodiesel với chất liệu làm vòng đệm.

+ Nhiệt độ đông đặc Biodiesel phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất nhưng nói chung
là cao hơn nhiều so với dầu Diesel thành phẩm. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến
việc sử dụng Biodiesel ở những vùng có thời tiết lạnh. Tuy nhiên đối với các nước
nhiệt đới, như Việt Nam chẳng hạn thì ảnh hưởng này không đáng kể.
+ Ngoài ra, Biodiesel rất háo nước nên cần những biện pháp bảo quản đặc biệt để
tránh tiếp xúc với nước.
+ Biodiesel không bền, rất dễ bị oxi hóa gây nhiều khó khăn trong việc bảo quản.
+ Biodisel có nhiệt trị thấp hơn so với Diesel.
+ Trở ngại lớn nhất của việc thương mại Biodiesel trước đây là chi phí sản suất cao.
Do đó làm cho giá thành Biodiesel khá cao, nhưng với sự leo thang giá cả nhiêu liệu
như hiện nay thì vấn đề này không còn là rào cản nữa.
+ Hiện nay Biodiesel thường được sản xuất chủ yếu là theo mẻ. Đây là điều bất lợi
vì năng suất thấp, khó ổn định được chất lượng sản phẩm cũng như các điều kiện
của quá trình phản ứng. Một phương pháp có thể tránh hoặc tối thiểu khó khăn này
là sử dụng quá trình sản xuất liên tục.

8


CHƯƠNG 2:
MỘT SỐ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ DẦU MỠ
THẢI TỪ NƯỚC THẢI SINH HOẠT CÓ CHẤT THẢI CHỨA
DẦU MỠ
2.1. Qúa trình sản xuất biodiesel từ dầu thải

Hình 2.1: Sản xuất Biodiesel từ dầu thải
-

Este hóa axit loãng :dầu nguyên liệu có chứa hơn 4% axit béo tự do trong

quá trình este hóa axit để tăng sản lượng Biodiesel. Trước khi tham gia phản ứng
este hóa axit, nguyên liệu đã được lọc và xử lý trước để loại bỏ nước và chất gây ô
nhiễm. Chất xúc tác, sulfuric axit, hòa tan trong methanol và sau đó pha trộn với
dầu. Hỗn hợp được nung nóng và khuấy đều, các axit béo tự do được chuyển đổi

9


thành dầu Biodiesel. Sau khi phản ứng hoàn tất, nó được xử lí và cung cấp cho quá
trình transesteification.
-

Chuyển đổi este hóa : nguyên liệu dầu có chứa ít hơn 4% axit béo tự

do. Chất xúc tác, KOH, hòa tan trong methanol và sau đó trộn với dầu . Nếu quá
trình este hóa axit được sử dụng, thêm chất xúc tác để trung hòa axit. Sau khi phản
ứng hoàn tất, sản phẩm gồm glixerin và Biodiesel.
-

Metanol thu hồi :Các methanol thường được loại bỏ sau khi Biodiesel và

glycerin tách ra, để cản trở phản ứng thuận nghịch. Methanol được làm sạch và hồi
lưu để sử dụng lại.
-

Tinh luyện Biodiesel: Sau khi tách ra từ glycerin, Biodiesel thông qua một

quá trình làm sạch hoặc tinh chế để loại bỏ rượu dư thừa, chất xúc tác còn lại và xà
phòng. Làm sạch một hay nhiều lần bằng nước. Sau đó sấy khô và thu sản
phẩm. Đôi khi Biodiesel qua thêm một bước chưng cất để sản xuất Biodiesel không

màu, không mùi, không lưu huỳnh.
-

Glixerin tinh chế: Sản phẩm phụ glixerin có chứa chất xúc tác không bị

phản ứng và xà phòng trung hòa bằng axit. Nước và rượu được loại bỏ để sản xuất
50% -80% glixerin thô . Các chất gây ô nhiễm còn lại bao gồm các chất béo không
bị phản ứng và các loại dầu . Trong các nhà máy Biodiesel lớn, glycerin có thể được
tiếp tục tinh lọc, 99% hoặc độ tinh khiết cao, để bán cho các ngành công nghiệp
dược phẩm và mỹ phẩm.

10


2.1.1 Quy trình mới sản xuất Biodiesel từ dầu thực vật, dầu tái chế
Hình 2.3: Quy trình mới sản xuất Biodiesel

Bảng 2.1: Ưu nhược điểm của quá trình mới

11


Ưu điểm

Nhược điểm

Thời gian phản ứng rất ngắn, 30

•

Nhiệt độ cao

phút

•

Áp suất cao

•

> 95% phản ứng

•

Chưng cất của các este methyl

•

Không có muối

axit béo nếu chỉ có một bước

•

Không có xà phòng

phản ứng được sử dụng

•

Loại được 99% nước

•

Không khuấy

•

Chưng cất đơn giản glixerin

•

Bảng 2.2: So sánh các phương pháp cổ điển và quy trình sản xuất mới
Nội dung

Quy trình Quy trình
cổ điển

mới

Không

Có

Dầu thô với hơn 0,5% axit béo tự do

Không

Có

Dầu thải

Không

Có

Mỡ lợn

Không

Có

Sự khử

Có

Không

Khử màu

Có

Không

Giảm lượng axit béo tự do

Có

Không

Tạo xà phòng

Có

Không

Xử lý glixerin trước khi sử dụng

Có

Không

Este hóa

90%

-

Chuyển vị este hóa

>90%

-

Este hóa và chuyển đổi este hóa trong giai đọan đầu

-

>95%

Năng suất

90–95%

>95%

Nguyên liệu
Dầu thô (đậu nành, hạt cải dầu, cọ, dừa, hướng dương,
jatropha)

Xử lý nguyên liệu

Hạn chế của quá trình

12


Nhiệt độ yêu cầu

Thấp

Cao

MeOH tiêu thụ

Thấp

Phụ

Thời gian giai đoạn đầu

60–120

thuộc

phút

30 phút

2.1.2 Công nghệ HTPM sản xuất dầu diesel sinh học từ phế liệu động, thực vật.
Ưu điểm nổi bật của công nghệ này là nó không gây ô nhiễm liên quan tới nguồn nguyên
liệu đầu vào, hơn nữa không cần tinh lọc hay este hóa axit trong quá trình xử lý sơ bộ.

-

Giới thiệu

-

Một công nghệ HTPM tiên tiến hơn

Quy trình công nghệ
Dầu mỡ và metanol được đưa vào môi trường có nhiệt độ và áp lực cao cùng
lúc với tỷ lệ được tính toán hợp lý bằng cách bơm liên tục qua lò phản ứng có chứa
chất xúc tác không thuần nhất. Các chất xúc tác ở đây không tham gia vào phản ứng
hóa học mà chỉ giúp nó xảy ra nhanh hơn. Sau đó quá trình tách chất FAME mới
được tạo ra cùng glixerin và metanol sẽ được thực hiện bằng phương pháp chưng
cất. Trong giai đoạn này mức độ hydrat hóa có thể xảy ra do sự hiện diện của FFA
được duy trì ở mức ổn định. Methanol sẽ được tái sử dụng, hỗn hợp FAME và

13


glixerin sẽ được tách nhờ quay li tâm. Trong giai đoạn chưng cất lần thứ 2 dầu
diesel sinh học mới đạt độ tinh khiết 96,5% sẽ lại được nâng lên cấp độ tinh khiết
hoàn toàn.

Hình 2.4 Quy trình HTPM

Đó là một quy trình liên tục diễn ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao
-

Không phải sử dụng chất xúc tác rất đắt tiền
Không sinh ra phế thải
Không đòi hỏi công đoạn tiền xử lý nguyên liệu đầu vào có hàm

-

lượng axit béo tự do cao (FFA).
Sản phẩm của quy trình là glixerin có độ tinh khiết cao, có giá trị
thương mại cao hơn đối với công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm và hóa

-

dược.
Biodiesel chất lượng hoàn hảo.

Thí nghiệm và sản xuất thử nghiệm

14

15


Kết Luận
Trong tương lai, khi nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt hoàn toàn thì xu hướng sử
dụng biodiesel và các nguồn nhiên liệu phi hóa thạch sẽ là tất yếu.
Hiện nay biodiesel được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp phương pháp biến tính
hóa học dựa trên phản ứng chuyển methyl ester hóa
Để nâng cao tính hiệu và quả kinh tế của quá trình các yếu tố cần quan tâm : tận
dụng các sản phẩm phụ của quá trình như glycerin, cải thiện các chỉ tiêu của
methyl ester…
Bên cạnh lợi ích về kinh tế, dự án sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu dầu mỡ
trong nước thải còn mang lại những lợi ích rõ nét về mặt môi trường như: giảm
thiểu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giảm hiệu ứng nhà kính, giảm thiểu chất thải
nguy hại... tiến tới xây dựng một môi trường xanh.

16