NGHIÊN cứu TỔNG hợp BIODIESEL từ bã cà PHÊ đã QUA sử DỤNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

HỒ HẢI ĐĂNG

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIODIESEL
TỪ BÃ CÀ PHÊ ĐÃ QUA SỬ DỤNG
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa học
MSSV: 2072045

CẦN THƠ - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP BIODIESEL
TỪ BÃ CÀ PHÊ ĐÃ QUA SỬ DỤNG

Chuyên ngành: Hóa học
HỒ HẢI ĐĂNG
MSSV: 2072045

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
ThS. NGUYỄN VĂN ĐẠT

CẦN THƠ - 2011

LỜI CẢM ƠN
----------Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình em, đã luôn là chỗ dựa vững
chắc và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Đạt đã tận tình chỉ dạy, hướng
dẫn, cung cấp tài liệu, truyền đạt kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu để
giúp em hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Bộ môn Hóa-Khoa Khoa Học Tự
Nhiên Trường Đại Học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện đề tài.
Cuối cùng, xin cảm ơn các anh chị, các bạn cùng làm việc trong phòng thí
nghiệm Hóa Vô Cơ và Hữu Cơ đại cương, phòng Hóa Hữu Cơ chuyên sâu đã giúp đỡ
em giải quyết các vấn đề phát sinh trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thành tốt đề tài nhưng do những hạn chế
về chuyên môn, kinh nghiệm, thời gian…bài luận văn không khó tránh khỏi những
thiếu sót. Em rất mong nhận được những góp ý từ quý Thầy cô và các bạn để đề tài
luận văn được hoàn thiện hơn.
Cần Thơ, ngày

tháng năm 2011

Hồ Hải Đăng

Trang i


MỤC LỤC
Lời cảm ơn ............................................................................................................. i
Mục lục ...................................................................................................................ii
Danh mục hình và sơ đồ .................................................................................... v

Danh mục các bảng............................................................................................ vi
Danh mục các từ viết tắt.................................................................................. vii
Lời mở đầu .........................................................................................................viii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL ................................................ 1
1.1 Giới thiệu sơ lược về biodiesel ............................................................................. 1
1.2 Sự keo hóa ở nhiệt độ thấp ................................................................................... 2
1.3 Sự nhiễm bẩn bởi nước ........................................................................................ 3
1.4 Tiêu chuẩn chất lượng cho biodiesel .................................................................... 4
1.4.1 Trị số cetane ................................................................................................ 6
1.4.2 Độ bền oxy hóa............................................................................................ 6
1.4.3 Điểm chớp cháy ........................................................................................... 6
1.4.4 Độ nhớt động học ........................................................................................ 6
1.5 Các vấn đề khi sử dụng biodiesel ......................................................................... 7
1.5.1 Ưu điểm....................................................................................................... 7
1.5.2 Nhược điểm ................................................................................................. 8
1.5.3 Các vấn đề khác ........................................................................................... 8
1.6 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trong và ngoài nước ............................. 10
1.6.1 Tình hình ngoài nước ................................................................................. 10
1.6.2 Tình hình trong nước ................................................................................. 12

Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ CÀ PHÊ ...................................................... 14
2.1 Giới thiệu sơ lược về cà phê ............................................................................... 14
2.1.1 Xuất xứ...................................................................................................... 14
2.1.2 Đặc điểm ................................................................................................... 15
2.1.3 Phân loại.................................................................................................... 15
2.2 Ảnh hưởng của cà phê........................................................................................ 16
Trang ii


2.3 Bã cà phê ........................................................................................................... 17

2.4 Tình hình sản xuất cà phê trên thế giới ............................................................... 17

Chƣơng 3: TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÉO ............................................... 19
3.1 Lipid .................................................................................................................. 19
3.1.1 Định nghĩa ................................................................................................. 19
3.1.2 Các acid béo .............................................................................................. 19
3.1.2.1 Công thức cấu tạo của acid béo ....................................................... 19
3.1.2.2 Phân loại acid béo ........................................................................... 20
3.1.3 Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng chất béo ............................................ 21
3.1.3.1 Chỉ số acid ..................................................................................... 21
3.1.3.2 Chỉ số xà phòng hóa ....................................................................... 22
3.1.3.3 Chỉ số iod ....................................................................................... 22

Chƣơng 4: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
BIODIESEL ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ ........................................................... 23
4.1 Sản xuất biodiesel từ mỡ cá da trơn.................................................................... 23
4.2 Sản xuất biodiesel từ dầu ăn đã qua sử dụng ...................................................... 24
4.3 Rong tảo Việt Nam trong việc sản xuất Biodiesel .............................................. 25
4.4 Công nghệ sản xuất biodiesel từ cây Jatropha .................................................... 26
4.5 Nhiên liệu sinh học từ bã cà phê đã qua sử dụng ................................................ 27
4.6 Nguồn nguyên liệu bã cà phê cho việc sản xuất biodiesel ở Việt Nam ............... 29

Chƣơng 5: NỘI DUNG, PHƢƠNG PHÁP
VÀ PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU .......................................................... 30
5.1 Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 30
5.1.1 Qui trình tách chiết dầu từ bã cà phê đã qua sử dụng.................................. 30
5.1.1.1 Tách dầu từ bã cà phê ..................................................................... 30
5.1.1.2 Tách hexane ra khỏi dầu cà phê ...................................................... 31
5.1.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp
biodiesel từ dầu cà phê sau khi tách hexan.......................................................... 32

5.2 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 32
5.2.1 Phương pháp chuyển vị ester (ester hóa) .................................................... 32
5.2.2 Làm sạch glycerine .................................................................................... 35
Trang iii


5.2.3 Xúc tác cho quá trình chuyển vị ester......................................................... 36
5.3 Phương tiện nghiên cứu ..................................................................................... 42
5.3.1 Dụng cụ và thiết bị..................................................................................... 42
5.3.2 Hóa chất .................................................................................................... 42
5.3.3 Nguyên liệu ............................................................................................... 43

Chƣơng 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ................ 44
6.1 Thiết lập phản ứng ............................................................................................. 44
6.1.1 Giai đoạn 1: thực hiện phản ứng ester hóa xúc tác acid sulfuric ................. 44
6.1.2 Giai đoạn 2: thực hiện phản ứng ester hóa xúc tác kiềm
(phản ứng transester hóa).................................................................................... 45
6.2 Kết luận chung ................................................................................................... 51

Chƣơng 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 52
7.1 Kết luận ............................................................................................................. 52
7.2 Kiến nghị ........................................................................................................... 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 54

Trang iv


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

DANH MỤC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ
Trang
Hình 1.1 Mẫu biodiesel

1

Hình 1.2 Trạm cung cấp biodiesel

9

Hình 2.1 Cây cà phê

15

Hình 2.2 Hạt cà phê

16

Hình 4.1 Mỡ cá Tra, cá Basa

23

Hình 4.2 Dầu ăn đã qua sử dụng

25

Hình 4.3 Rong tảo

25

Hình 4.4 Cây Jatropha

27

Hình 4.5 Cà phê xay nhuyễn

29

Hình 5.1 Hệ thống chiết soxhlet

31

Hình 5.2 Máy cô quay

31

Sơ đồ 5.1 Thu biodiesel dựa trên phản ứng chuyển vị ester

34

Sơ đồ 5.2 Thu biodiesel từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau

35

Hình 6.1 Dầu cà phê giai đoạn 1

45

Hình 6.2 Sản phẩm biodiesel

48

Hình 6.3 Phễu chiết chứa dầu cà phê đang tách lớp

48

Hình 6.4 Bã cà phê trước khi trích dầu

49

Hình 6.5 Bã cà phê sau khi trích dầu

49

Hình 6.6 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của tỉ lệ mol đến hiệu suất phản ứng

50

Hình 6.7 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của xúc tác kiềm đến hiệu suất phản ứng

51

Trang v


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 Bảng tổng kết các tiêu chuẩn cho biodiesel

4

Bảng 1.2 Sản lượng sản xuất biodiesel ở Châu Âu qua các năm

11

Bảng 1.3 Năng suất thu dầu của các loại cây trồng

13

Bảng 5.1 Hiệu suất phản ứng của một số alcohol thông dụng

40

Bảng 5.2 Tính chất của một số alcohol

41

Bảng 6.1 Bảng tổng kết quá trình khảo sát

47

Trang vi

Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
FAME

Fatty Acid Methyl Esters

ASTM

American Society for Testing

Methyl ester của acid béo

and Materials

Hiệp hội thử nghiệm và vật liệu Mỹ

EN

European standard

Tiêu chuẩn Châu Âu

AV

Acid Value

Chỉ số acid

FFA

Free Fatty Acid

Acid béo tự do

Trang vii


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

MỞ ĐẦU
Biodiesel hay còn gọi là "diesel sinh học" là thuật ngữ dùng để chỉ loại nhiên liệu
dùng cho động cơ diesel, được tổng hợp từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Trong lịch sử,
loại dầu này từng được sử dụng để làm nhiên liệu cho động cơ vào những năm 1900. Tuy
nhiên, vào thời điểm đó, nguồn năng lượng dầu mỡ rẻ tiền chưa trở nên thật sự cần thiết.
Cho đến khi giá nhiên liệu tăng lên và sự lo lắng về nguy cơ thiếu hụt nhiên liệu thì việc
tìm kiếm nguồn nguyên liệu thay thế là điều cần thiết.
Một trong những hướng đi mới trong việc nghiên cứu các nguồn nhiên liệu sinh học
là đến từ hạt cà phê, chính xác hơn là từ bã cà phê. Nhóm nghiên cứu Narasimharao
Kondamudi, Susanta Mohapatra và Manoranjan Misra ở Đại học Nevada (Mỹ) cho rằng,
có thể dễ dàng chế biến nhiên liệu sinh học từ bã cà phê. Họ nhận thấy, diesel sinh học
chiết xuất từ cà phê tương đương những loại diesel sinh học tốt nhất trên thị trường. Hơn
nữa, khi dùng nhiên liệu này cho động cơ, nó không tạo khí thải có mùi khó ngửi, chỉ
mang mùi cà phê. So sánh lượng khí thải giữa biodiesel và diesel cho thấy, lượng
hydrocarbon trong khí thải động cơ sử dụng biodiesel giảm 65%, CO2 giảm 35%, các hạt
khói bụi giảm gần 40%. Sau khi chiết xuất dầu, bã cà phê còn sót lại còn được dùng làm

phân bón và rất nhiều ứng dụng khác trong thực tiễn.
Việt Nam là nước xuất khẩu cà phê đứng hàng thứ 2 trên thế giới sau Brazil. Nó đã
trở thành một trong 5 mặt hàng nông sản xuất khẩu chủ lực với sản lượng xuất khẩu trên 1
triệu tấn/năm và đạt kim ngạch xuất khẩu gần 2 tỷ USD/năm và đứng thứ hai sau mặt
hàng gạo. Việc tận dụng bã cà phê đã qua sử dụng không chỉ giải quyết các nhu cầu về
diesel sinh học mà còn hạn chế được sự ô nhiễm môi trường, chi phí cho việc thải bỏ
chúng, đồng thời góp phần phát triển nền kinh tế nước nhà.

Trang 1


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL
1.1 Giới thiệu sơ lƣợc về biodiesel
Dầu diesel sinh học (biodiesel) dùng để chỉ một loại nhiên liệu diesel làm từ dầu
thực vật hoặc mỡ động vật gồm một chuỗi dài các alkyl (methyl, propyl hoặc ethyl) ester.
Dầu diesel sinh học được tạo thành đặc trưng bởi phản ứng hóa học lipid (chẳng hạn, dầu
thực vật, mỡ động vật) với rượu.

Hình 1.1 Mẫu biodiesel
Thuật ngữ “Biodiesel” chính là ester của acid béo và rượu có mạch cacbon ngắn,
tiêu biểu là Methyl Esters của acid béo và rượu methanol hay còn gọi là FAME (Fatty
Acid Methyl Esters) được sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật hay dầu ăn phế thải qua
phản ứng chuyển vị ester (transesterification).
Ủy ban biodiesel Quốc gia (Hoa Kỳ) cũng có định nghĩa chuyên môn về "Biodiesel"
như một mono-alkyl ester.

Trang 2


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

Biodiesel là một đề tài thu hút nhiều chú ý của giới khoa học vì nó có khả năng tái
chế, chế biến từ dầu thực vật và được dùng trong các đầu máy sử dụng dầu diesel trước
kia. Biodiesel không thải độc khí làm ô nhiễm như dầu diesel thông thường.
Biodiesel có ý nghĩa với việc sử dụng trong các động cơ diesel chuẩn, do vậy khác
với dầu thực vật và dầu phế thải dùng làm nhiên liệu chuyển hóa thành động cơ diesel.
Biodiesel có thể được dùng độc lập, hoặc pha trộn với dầu diesel.
Hỗn hợp biodiesel và dầu diesel truyền thống là những sản phẩm phổ biến nhất được
phân phối để sử dụng trong thị trường bán lẻ nhiên liệu diesel. Phần lớn trên thế giới sử
dụng một hệ thống phân loại được gọi là "B" để chỉ rõ tỷ lệ phần trăm thể tích biodiesel
trong hỗn hợp nhiên liệu:


100% Biodiesel được gọi là B100



20% Biodiesel là B20



5% Biodiesel là B5



2% Biodiesel là B2
Hiển nhiên, tỉ lệ biodiesel càng cao thì nhiên liệu sẽ càng thân thiện với môi trường.

Hỗn hợp 20% biodiesel và 80% dầu diesel thô (B20) thông thường có thể dùng trong các
động cơ diesel không đổi.

1.2 Sự keo hóa ở nhiệt độ thấp
Khi biodiesel được làm lạnh dưới một điểm nhất định, một số phân tử sẽ tập hợp lại
và tạo thành dạng tinh thể. Nhiên liệu bắt đầu xuất hiện vẫn đục ngay khi các tinh thể trở
nên lớn hơn một phần tư bước sóng của ánh sáng khả kiến – đây là điểm vẫn đục. Tiếp
tục làm lạnh nhiên liệu, các tinh thể này sẽ trở nên lớn hơn nữa. Nhiệt độ thấp nhất mà tại
đó nhiên liệu có thể đi qua thiết bị lọc 45 µm gọi là điểm chốt bộ lọc lạnh. Khi biodiesel
được làm lạnh thêm nữa, nó sẽ keo hóa và sau đó trở nên đông đặc. Trong phạm vi châu
Âu, có những sự khác biệt trong các yêu cầu về điểm chốt bộ lọc lạnh giữa các nước.
Điều này được phản ánh ở các tiêu chuẩn quốc gia khác nhau của các nước đó. Nhiệt độ
mà tại đó biodiesel nguyên chất (B100) bắt đầu keo hóa, biến đổi một cách đáng kể và tùy
thuộc vào sự kết hợp của các ester và vì thế nguyên liệu dầu rất có ích trong việc sản xuất
Trang 3


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

biodiesel. Chẳng hạn như, biodiesel sản xuất từ erucic acid của hạt cải dầu bắt đầu gel hóa
ở xấp xỉ -10°C (14°F). Biodiesel sản xuất từ mỡ động vật có xu hướng keo hóa ở khoảng
16°C (61°F). Có một số chất phụ gia thương mại sẽ làm giảm đáng kể điểm vẫn đục và
điểm chốt bộ lọc lạnh của biodiesel nguyên chất.

1.3 Sự nhiễm bẩn bởi nƣớc
Biodiesel có thể gặp vấn đề khi có chứa một lượng nhỏ nước. Mặc dù không trộn lẫn
với nước nhưng nó giống như ethanol là hút ẩm (hấp thu nước từ không khí ẩm).
Biodiesel có thể hấp thu được nước là do tính bền của mono và diglyceride còn lại từ
phản ứng không hoàn toàn. Các phân tử này có thể hoạt động như một chất nhũ hóa, cho
phép nước trộn lẫn với biodiesel. Thêm vào đó, nước có thể còn dư từ qui trình hoặc là
kết quả từ sự hóa đặc trong bình chứa. Sự hiện diện của nước sẽ:
+ Làm giảm độ nóng của quá trình cháy một lượng lớn nhiên liệu. Điều này có nghĩa
là sẽ có nhiều khói, khởi đầu khó khăn hơn, năng suất giảm.
+ Gây ăn mòn nghiêm trọng lên các hợp chất cấu thành hệ thống nhiên liệu: bơm
nhiên liệu, bơm phun, dòng nhiên liệu, v.v…
+ Nước & vi khuẩn làm cho thiết bị lọc trong hệ thống bị lỗi (bị đảo lộn), dẫn đến
việc máy bơm nhiên liệu hoạt động không như mong muốn bởi sự hấp thu các phần tử
lớn.
+ Làm đóng băng nhiên liệu khi ở dạng tinh thể ở gần 0°C (32°F). Những tinh thể
này quy định vị trí cho sự cấu tạo hạt nhân và làm keo hóa phần nhiên liệu còn dư thừa
nhanh hơn.
+ Nước làm cho vi khuẩn phát triển nhanh hơn và có thể làm bít hệ thống nhiên liệu.
Người sử dụng biodiesel đốt nóng các bình nhiên liệu do đó họ phải đối mặt với vần đề vi
khuẩn quanh năm.
+ Ngoài ra, nước còn có thể gây lổ hỗng trong pít-tông của động cơ diesel.
Trước đây, lượng biodiesel bị nhiễm bẩn bởi nước rất khó đo được bằng cách lấy
mẫu, vì nước và dầu tách lớp với nhau. Tuy nhiên, bây giờ đã có thể đo được hàm lượng
nước bằng cách sử dụng máy cảm biến nước trong dầu.
Trang 4


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

Bên cạnh đó, khi sử dụng chất xúc tác hóa học nào đó tham gia vào qui trình sản
xuất, sự nhiễm bẩn bởi nước sẽ làm giảm đáng kể tác động của xúc tác base (pH cao) như
kali hydroxide. Tuy nhiên, nhờ phương pháp sản xuất methanol siêu tới hạn, qui trình
transester hóa nguyên liệu dầu và methanol được thực hiện dưới nhiệt độ và áp suất cao,
nên phần lớn không bị ảnh hưởng do việc có mặt của sự nhiểm bẫn bởi nước trong suốt
giai đoạn sản xuất.

1.4 Tiêu chuẩn chất lƣợng cho biodiesel [5]
Việc sản xuất và sử dụng rộng rãi biodiesel đòi hỏi việc đưa ra những tiêu chuẩn
chất lượng, dành riêng cho biodiesel là EN 14214 ở Châu Âu; tại Mỹ là ASTM (Hiệp hội
thử nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ) có một tiêu chuẩn qui định cho B100 là ASTM D6751…
Khi đảm bảo được những tiêu chuẩn chất lượng này, biodiesel có thể được trộn với dầu
diesel thô để sử dụng trong động cơ diesel.
Bảng 1.1 Bảng tổng kết các tiêu chuẩn cho biodiesel của Châu Âu EN 14214 và
Mỹ ASTM D6751 cùng với các tiêu chuẩn cho dầu diesel EN 590 và ASTM D975
Chỉ tiêu
Tỉ trọng ở 15°C
Độ nhớt động học ở 40°C,

Phƣơng

ASTM

ASTM

D975

D6751

–

–

1.9 –

1.9 –

4.1

6.0

≥ 120

≥ 52

≥ 130

≤ 50

≤ 10

≤ 50

≤ 50

≥ 40

≥ 47

EN 590

EN 14214

820 – 845

860 – 900

ASTM D445

2.0 – 4.5

3.5 – 5.0

ASTM D93

≥ 55

pháp
ASTM
D1298

mm2/s
Điểm chớp cháy, °C
Lưu huỳnh, mg/kg

ASTM
D5453

Trị số cetane

ASTM D613

≥ 51

≥ 51

Nước, mg/kg

ASTM

≤ 200

≤ 500

D2709

≤ 50 (% ≤ 50 (%
thể tích)

thể
Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045
tích)

Hàm lượng Ester,

EN 14103

–

≥ 96.5

–

–

EN 14110

–

≤ 0.2

–

–

–

≤ 0.8

–

–

–

≤ 0.2

–

–

–

≤ 0.2

–

–

–

≤ 0.02

–

≤ 0.02

–

≤ 0.25

–

≤ 0.24

% khối lượng
Methanol, % khối lượng
Monoglyceride, % khối
lượng
Diglyceride, % khối lượng

EN 14105

Triglyceride, % khối lượng
EN 14105/
Glycerine tự do, % khối
lượng

EN 14106/
ASTM
D6584

Tổng lượng glycerine,
% khối lượng

EN 14105/
ASTM
D6584

Theo PGS.TS Hồ Sơn Lâm, Viện trưởng Viện Khoa học vật liệu ứng dụng (Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam): tỉ lệ pha trộn biodiesel (có nguồn gốc từ mỡ động vật
chẳng hạn) là bao nhiêu không quan trọng bằng chất lượng điều chế biodiesel. Chính chất
lượng điều chế biodiesel mới tác động trực tiếp đến quá trình hoạt động của động cơ, và
biodiesel, nếu có một số chỉ tiêu không được khống chế ở một giới hạn cho phép thì sẽ là

nguyên nhân gây hỏng hóc động cơ diesel.
Yếu tố quan trọng nhất chính là độ chuyển hóa của phản ứng chuyển vị ester. Thậm
chí khi thu được hiệu suất phản ứng cao nhất, trong biodiesel vẫn chứa một lượng nhỏ tri,
di, monoglyceride. Những chất này làm tăng độ nhớt, giảm độ bền oxy hóa, do đó, hàm
lượng của chúng phải là nhỏ nhất.
Glycerine là đồng sản phẩm tạo thành cùng biodiesel, là một chất lỏng nhớt có thể
tách ra khỏi B100, nó tạo thành cặn ở đáy bồn chứa nhiên liệu và lắng lại làm tắt nghẽn
các bộ lọc nhiên liệu và làm xấu đi quá trình cháy trong động cơ. Hàm lượng glycerine
Trang 6


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

cao gây tắt đầu phun nhiên liệu, để hạn chế vấn đề này ASTM D6751 yêu cầu hàm lượng
glycerine tự do tối đa là 0,02% khối lượng.
Độ không chuyển hóa hay chuyển hóa một phần các glyceride, nguyên liệu sản xuất
biodiesel (dầu thực vật, dầu ăn thải, hoặc mỡ động vật) được biết là nguyên nhân làm tắt
nghẽn đầu phun nhiên liệu và tạo cặn bẩn đọng trên xy lanh của động cơ diesel. Chính
những thành phần này là nguyên nhân làm giảm tuổi thọ cho cả động cơ và lò đốt. Về cấu
trúc hóa học, đây là các hợp chất mono, di, và triglyceride. Cấu trúc này gồm phần “mạch
chính” là thành phần glycerin nối với một, hai hay ba gốc acid béo bởi liên kết ester. Để
bảo vệ động cơ, lò đốt gây ra bởi các thành phần này, ASTM D6751 giới hạn tổng hàm
lượng glycerine tối đa là 0,24% khối lượng. Tổng hàm lượng glycerine này chính là tổng
hàm lượng glycerine tự do và hàm lượng glycerine liên kết trong các phân tử mono, di và
triglyceride.

1.4.1 Trị số cetane
Trị số cetane liên quan đến thời gian bốc cháy trễ khi nó được bơm vào buồng đốt

của động cơ. Thời gian bốc cháy trễ càng ngắn thì trị số cetane càng cao và ngược lại.
Một số tính chất như trị số cetane, 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.

1.4.2 Độ bền oxy hóa
Một yêu cầu gần đây được thêm vào ASTM D6751 là độ ổn định oxy hóa. Quá trình
oxy hóa có thể dẫn đến tạo ra các acid gây ăn mòn, cũng như tạo nhựa và cặn, nguyên
nhân cho các vấn đề vận hành và tuổi thọ động cơ, lò đốt. Biodiesel chứa sản phẩm
polymer hóa các mạch acid béo không no, các hợp chất này rất dễ bị oxy hóa trong quá
trình tồn trữ, bảo quản hơn so với dầu diesel thông thường từ dầu mỏ. Độ ổn định oxy hóa
cũng được giới hạn tối thiểu 3 giờ bằng phương pháp EN 14112, được gọi là chỉ số ổn
định dầu. Các mẫu biodiesel thương mại có một khoảng rộng độ ổn định oxy hóa bởi vì
khác nhau tổng hàm lượng polymer hóa các mạch acid béo không no, và khác nhau các

Trang 7


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

phụ gia chống oxy hóa được pha vào. Tại Mỹ, khoảng 25% B100 yêu cầu thêm vào các
phụ gia chống oxy hóa để đáp ứng yêu cầu 3 giờ chu kỳ ổn định oxy hóa.

1.4.3 Điểm chớp cháy
Điểm chớp cháy của nhiên liệu là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó nhiên liệu bị bốc
cháy. Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn dầu diesel thông thường. Điều này rất có ích
trong việc vận chuyển và bảo quản biodiesel.

1.4.4 Độ nhớt động học
Độ nhớt động học của biodiesel thấp hơn rất nhiều so với dầu thực vật hay mỡ động
vật nguyên chất. Do đó nó sẽ không gây ra các vấn đề hỏng hóc trong các động cơ diesel
như dầu, mỡ ban đầu. Người ta nhận thấy mạch cacbon dài, độ bất bão hòa của chuỗi tăng
và nhóm dầu ester càng lớn sẽ làm tăng độ nhớt.

1.5 Các vấn đề khi sử dụng biodiesel
1.5.1 Ƣu điểm
Ngoại trừ năng lượng thủy điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng trên
thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên. Tất cả các nguồn này đều có
hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt hoàn toàn vào cuối thế kỷ
21. Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường ngày càng tăng
đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng có
nguồn gốc dầu mỏ. Biodiesel là một sự thay thế đầy tiềm năng cho dầu diesel thông
thường dựa vào những tính chất tương tự và những ưu điểm vượt trội của nó.
Về mặt môi trường:
+ Giảm lượng phát thải khí CO2, do đó giảm được lượng khí thải gây ra hiệu ứng
nhà kính.
+ Không chứa hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (nhỏ hơn 0,001% so với
đến 0,2% trong dầu diesel).
Trang 8


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

+ 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.
+ 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).
+ Giảm ô nhiễm môi trường đất và nước.
Về mặt kỹ thuật:
+ Biodiesel rất linh động có thể trộn với dầu diesel theo bất kì tỉ lệ nào.
+ Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn diesel thường, đốt cháy hoàn toàn, an toàn
trong tồn chứa và sử dụng.
+ Biodiesel có tính bôi trơn tốt.
+ Do có tính năng tương 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:
+ Thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông
nghiệp như cà phê, dầu phế thải, mỡ động vật, các loại dầu khác ít có giá trị sử dụng trong
thực phẩm.
+ 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.

1.5.2 Nhƣợc điểm [1]
Hiện nay, từ những thông tin quảng bá 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 nhiều nhược điểm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và
đời sống.
Nhiệt độ đông đặc của 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
Trang 9


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

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.
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 oxy 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.
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 oxy hóa nên gây nhiều khó khăn trong
việc bảo quản. Theo khuyến cáo của NBB thì không nên sử dụng B20 sau 6 tháng bảo
quản trong khi hạn sử dụng của dầu diesel thông thường có thể đến 5 năm.

1.5.3 Các vấn đề khác
Hầu như sản xuất biodiesel mới chỉ dùng tới xúc tác đồng thể là KOH hay NaOH,
nhược điểm của quá trình sản xuất này luôn cực kỳ bẩn, sản phẩm tạo thành có mùi khó
chịu. Phần cặn còn bám lại thiết bị phản ứng khó rửa vô cùng. Ngày nay một số nước đã
sản xuất biodiesel trên cơ sở xúc tác dị thể, chủ yếu là superacid rắn, và đặc biệt là ở Việt
Nam cũng đã nghiên cứu thành công sản xuất biodiesel trên xúc tác dị thể. Trước đây các
nghiên cứu nước ngoài dựa trên xúc tác rắn là các superacid trên nền SnO 2/SO4¯,
ZrO2/SO4¯, tất cả đều có hiệu suất chuyển hoá gần như tuyệt đối, tuy nhiên xúc tác thì lại
cực kỳ đắt. Tại phòng thí nghiệm bộ môn hoá dầu, đã nghiên cứu thành công sản xuất
biodiesel trên xúc tác biến tính cao lanh, nguồn xúc tác rất dồi dào, khả năng chuyển hoá
cao. Nghiên cứu này hiện tiếp tục được phát triển và đưa vào thử sản xuất thí điểm.
Ích lợi của biodiesel là có thể sử dụng trong các đầu máy chạy diesel trước nay,
nhưng lại sạch hơn rất nhiều. Chỉ có điều đáng tiếc là các hãng sản xuất không chịu bảo
hành cho đầu máy diesel chạy bằng các loại dầu cặn sinh học cao hơn B5. Bởi vì, họ cho
rằng, nhiên liệu B có thể ăn mòn các khớp hàn trong hệ thống bơm xăng.

Trang 10


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

Hình 1.2 Trạm cung cấp biodiesel
Nhiều cơ sở nghiên cứu cho biết, xe chạy bằng dầu diesel sinh học phát sinh khí thải
độc hại ít hơn một chút so với xe chạy bằng xăng thường, nhưng hiệu suất năng lượng,
tức số dặm đường chạy được với mỗi một gallon dầu cặn sinh học lại kém hơn.
Tuy nhiên, xe hơi mà chạy biodiesel thì cần phải có một bình riêng để chứa dầu và
một hệ thống sưởi nóng để giữ cho thứ dầu thực vật này khỏi bị đậm đặc. Phí tổn lắp đặt
bình “xăng” riêng và các vật dụng phụ thuộc là khoảng 800 USD. Cũng cần biết, bình
xăng mới đặt trong thùng xe, phần nào thu hẹp không gian chứa hàng của xe lại.

1.6 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trong và ngoài nƣớc
1.6.1 Tình hình ngoài nƣớc
Nƣớc Mỹ hiện mỗi ngày phải sử dụng tới 20% sản lượng dầu mỏ của thế giới, trong
khi đó lượng cung cấp chưa đầy 5% nguồn tiêu thụ. Hiện tại nhiên liệu sinh học đã được
sử dụng rộng rãi ở 36 bang của Mỹ. Hiện nay Mỹ là quốc gia sản xuất ethanol lớn nhất
thế giới. Năm 2006 đạt gần 19 tỉ lít, trong đó 15 tỉ lít dùng làm nhiên liệu – chiếm khoảng
3% thị trường xăng. Năm 2012 sẽ cung cấp trên 28 tỉ lít ethanol và biodiesel, chiếm 3,5%
lượng xăng dầu sử dụng.

Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

Ở Trung Quốc người ta sử dụng cây cao lương và mía để sản xuất biodiesel. Cứ 16
tấn cây cao lương có thể sản xuất được 1 tấn cồn, phần bã còn lại còn có thể chiết xuất
được 500 kg biodiesel. Ngoài ra, Trung Quốc còn thành công trong việc nghiên cứu phát
triển khai thác loại dầu sinh học từ tảo và được đưa vào sản xuất, quy mô sản xuất loại
dầu này có thể đạt tới hàng chục triệu tấn. Theo dự tính của các chuyên gia, năm 2010,
Trung Quốc sẽ sản xuất khoảng 6 triệu tấn dầu nhiên liệu sinh học.
Giống Trung Quốc, Mỹ cũng vận dụng công nghệ sinh học hiện đại như nghiên cứu
gien, đã thực hiện tại phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia tạo được một giống
tảo mới có hàm lượng dầu trên 60%, một mẫu có thể sản xuất được trên 2 tấn dầu diesel
sinh học.
Nhật Bản là quốc gia hiện đang tiêu thụ khối lượng xăng dầu lớn thứ 3 của thế giới,
sau Mỹ và Trung Quốc, được nhìn nhận sẽ là thị trường tiêu thụ lớn các loại nhiên liệu
sinh học.
Tổ chức biodiesel Châu Âu (EBB) vừa công bố sản lượng biodiesel từ năm 20022006 (bảng 1.2). Trong năm 2006, Châu Âu đã sản xuất tới 77% lượng biodiesel của cả
thế giới. Vào cuối năm 2007 sản lượng biodiesel đã đạt con số kỉ lục 10,2 triệu tấn. Tại
Châu Âu hiện có 185 nhà máy sản xuất biodiesel đang hoạt động và khoảng 58 nhà máy
đang trong quá trình xây dựng. Với điều kiện ở châu Âu thì cây cải dầu với lượng dầu từ
40-50% là cây thích hợp để dùng làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học.

Bảng 1.2: Sản lƣợng sản xuất biodiesel ở Châu Âu qua các năm (đơn vị: tấn)
Nƣớc

Năng lực sản xuất
2002

2003

2004

2005

2006

Đức

450

715

1.035

1.669

2.681

Pháp

366

357

348

492

775

Italia

210

273

320

396

857

Áo

25

32

57

85

134
Trang 12


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

Tây Ban Nha

0

6

13

73

224

Đan Mạch

10

41

70

71

81

Anh

3

9

9

51

445

Thụy Điển

1

1

1

1

52

Cộng Hòa Séc

-

-

60

133

203

Slovakia

-

-

15

78

89

Lithuania

-

-

5

7

10

Ba Lan

-

-

0

100

150

Estonia

-

-

0

7

20

Latvia

-

-

0

5

8

Slovenia

-

-

0

8

17

Hy Lạp

-

-

0

3

75

Bỉ

-

-

0

1

85

Bồ Đào Nha

-

-

0

1

146

Malta

-

-

0

2

3

Tổng cộng

1.065

1.434

1.933

3.183

6.055

Brazil là quốc gia đầu tiên trên thế giới đưa nhiên liệu sinh học trở thành dạng nhiên
liệu phổ biến như ngày nay. Vào đầu những năm 1970, giá dầu mỏ tăng đột biến đã khiến
cho các nhà khoa học Brazil nghĩ đến việc tận dụng thế mạnh về ngành mía đường để sản
xuất ethanol làm nhiên liệu thay thế một phần cho nhiên liệu truyền thống, nhằm giảm đi
sự lệ thuộc vào nguồn dầu mỏ nhập khẩu.
Ấn Độ hiện tiêu thụ khoảng 2 triệu thùng dầu mỏ/ngày nhưng có tới 70% phải nhập
khẩu. Để phát triển biodiesel dùng cho giao thông công cộng, chính phủ có kế hoạch
trồng các loại cây có dầu, đặc biệt là dự án trồng 13 triệu hécta cây Jatropha curcas/physic
nut (cây cọc rào, cây dầu mè) để năm 2010 thay thế khoảng 10% diesel dầu mỏ (DO).
Khu vực Đông Nam Á, các nước Thái Lan, Indonesia, Malaysia cũng đã đi trước
nước ta một bước trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học. Như ở Thái Lan, hiện sử dụng dầu
cọ và đang thử nghiệm hạt cây Jatropha. Cứ 4 kg hạt Jatropha ép lấy dầu có thể điều chế
Trang 13


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

được 1 lít biodiesel tinh khiết 100%. Vừa rồi, chính phủ Thái Lan đã thông báo về việc
bắt buộc sử dụng B2 tại 10 ngàn trạm xăng dầu trên khắp đất nước cho tới hồi tháng 1
năm 2008, sau đó sẽ chuyển sang B5. Vào đầu năm 2007, Bộ Năng Lượng Thái Lan đã
đưa ra mục tiêu tăng mức tiêu thụ biodiesel từ 500 ngàn lít/ngày trong năm 2007, và lên 4
triệu lít/ngày vào cuối năm 2011 (tương đương 7% lượng dầu diesel tiêu thụ).
Indonesia thì ngoài cây cọ dầu sẽ đầu tư trồng 10 triệu ha cây Jatropha lấy dầu làm
biodiesel.
Ủy ban dầu cọ Malaysia (MPOB) cho biết, từ nay đến năm 2015 sẽ có 5 nhà máy
sản xuất biodiesel từ dầu cọ, với tổng công suất gần 1 triệu tấn để sử dụng trong nước và
xuất khẩu sang EU.

1.6.2 Tình hình trong nƣớc
Từ hơn 10 năm qua, đã có một số cơ quan thuộc các ngành giao thông vận tải, công
nghiệp, năng lượng nghiên cứu về nhiên liệu sinh học. Một số công ty, Viện và Trường
Đại Học đã nghiên cứu thử nghiệm xăng pha ethanol và biodiesel. Gần đây, một số công
ty tại An Giang, Cần Thơ, Long An đã đầu tư xưởng sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa với
tổng công suất khoảng 40.000 tấn/năm, nhưng do chưa có tiêu chuẩn chất lượng cho sản
phẩm, nên chưa thương mại hóa được. Trong 2 năm qua, đã có hàng chục công ty nước
ngoài muốn đầu tư sản xuất ethanol và biodiesel. Một số công ty liên doanh kí kết thỏa
thuận đầu tư sản xuất ethanol và biodiesel từ dầu hạt Jatropha (giai đoạn đầu nhập dầu
thô, sau đó đầu tư trồng tại Việt Nam). Năng suất thu dầu của các loại cây phổ biến trong
sản xuất biodiesel:
Bảng 1.3: Năng suất thu dầu của các loại cây trồng
Loại cây

kg dầu/hecta lít dầu/hecta

Đậu nành

375

446

Hướng dương

800

952

Cải dầu

1000

1190

Thầu dầu

1188

1413
Trang 14


Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

Dầu mè

1590

1892

Dừa

2260

2689

Cọ

5000

5950

Như đã nói ở trên, ở nước ta, một số dự án sản xuất dầu diesel sinh học cũng đã
được triển khai gần đây như dự án điều chế biodiesel từ mỡ cá da trơn, dầu ăn phế thải,
tảo, dầu mè,…
Do chi phí cho việc trồng cây nhiên liệu lấy dầu rất thấp, hơn nữa chúng lại rất sẵn
trong tự nhiên nên trong tương lai, diesel sinh học có thể được sản xuất ra với chi phí thấp
hơn nhiều so với diesel lấy từ dầu mỏ. Tuy nhiên bài toán nguồn nguyên liệu đặt ra là:
"Diesel sinh học cũng có thể làm thay đổi nhu cầu đối với đất nông nghiệp", Trevor Price,
một chuyên gia môi trường tại Đại học Glamorgan (xứ Wales, Anh), nhận định. "Diesel
sinh học có thể giải quyết được bài toán hiệu ứng nhà kính và sự cạn kiệt của nhiên liệu
hóa thạch, nhưng dẫu sao nó vẫn cần rất nhiều đất. Các cánh rừng nhiệt đới có thể bị đốt
để trồng cọ, đậu nành và những cây lấy dầu khác. Nhiều quốc gia sẽ phải lựa chọn giữa
nhiên liệu và thực phẩm". Nhìn chung biodiesel ở nước ta chưa phát triển.

Trang 15

Luận văn tốt nghiệp

Hồ Hải Đăng - 2072045

Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ CÀ PHÊ
2.1 Giới thiệu sơ lƣợc về cà phê
2.1.1 Xuất xứ
Cà phê (có nguồn gốc từ chữ café trong tiếng
Pháp) là một loại thức uống màu đen có chứa chất
caffein, được sản xuất và sử dụng rộng rãi bằng cách
rang hạt cà phê từ cây cà phê. Theo một truyền
thuyết đã được ghi lại trên giấy vào năm 1671,
những người chăn dê ở Kaffa (thuộc Ethiopia ngày
nay) phát hiện ra một số con dê trong đàn sau khi ăn
một cành cây có hoa trắng và quả màu đỏ đã chạy nhảy không mệt mỏi cho đến tận đêm
khuya. Khi một người chăn dê trong số đó ăn thử loại quả màu đỏ đó anh ta đã xác nhận
công hiệu của nó. Sau đó các thầy tu ở tương ứng viện gần đó đã đi xem xét lại khu vực
ăn cỏ của bầy dê và phát hiện ra một loại cây có lá xanh thẫm và quả giống như quả anh
đào. Họ uống nước ép ra từ loại quả đó và tỉnh táo cầu nguyện chuyện trò cho đến tận
đêm khuya. Như vậy, có thể coi rằng nhờ chính đàn dê này con người đã biết được cây cà
phê. Từ đó, cà phê lan rộng sang Ai Cập và Yemen, và tới thế kỉ thứ 15 thì đến Armenia,
Persia, Thổ Nhĩ Kỳ và Bắc Phi. Và rồi cà phê đến Ý, sau đó là phần còn lại của Châu Âu,
Indonesia và Mỹ. Ngày nay, cà phê là một trong những thức uống thông dụng toàn cầu.

Công thức cấu tạo caffein

Trang 16