Bài tiểu luận tìm hiểu nhiên liệu mới thay thế (ISOBUTANOL)

Nhiên liệu mới - isobotanol
Lời nói đầu
Sự phát triển của xe ô tô với động cơ nhiệt là một trong những thành tựu vĩ đại
nhất của công nghệ hiện đại. Tuy nhiên, sự phát triển cao cộng với tự động hóa ngành
công nghiệp ôtô và số lượng lớn xe ô tô sử dụng trên thế giới đã gây ra và vẫn đang tiếp
tục gây ra những vấn đề nghiêm trọng cho xã hội và đời sống con người. Như suy giảm
chất lượng không khí, sự nóng lên toàn cầu, và nguồn dầu mỏ giảm dần. Tài nguyên
đang trở thành mối đe dọa lớn đối với con người. Hơn và hơn thế nữa, Vì vậy nhu cầu
tìm nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu dầu mỏ ngày càng cấp thiết. ISOBUTANOL là
một trong những nguồn nhiên liệu sinh học có thể thay thế xăng, giải pháp hứa hẹn để
giải quyết vấn đề vận chuyển trong tương lai.
Trong khuôn khổ tiểu luận này không thể nói hết về các yếu tố quyết định để
isobutanol thật sự có thể thay thế xăng. Vì vậy chỉ phân tích các yếu tố quan trọng khi
phối trộn isobutanol với xăng theo tỷ lệ nhất định, nghiên cứu hổn hợp isobutanol-xăng
trong điều kiện hoạt động tương tự như điều kiện ở động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu
truyền thống.
Trong quá trình thực hiện tiểu luận này có tham khảo thông tin từ rất nhiều tài
liệu. Tuy nhiên việc thiếu sót là không tránh khỏi, rất mong sự đóng góp, thảo luận của
GVHD và các bạn.

1


Nhiên liệu mới - isobotanol
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Gevo®White PaPer transPortation Fuels May 2011
2. SRC Physical Properties database on-line.
/>3. TRL (Toxicity Research Laboratories, Ltd., MI, USA): “Rat Oral Subchronic
Toxicity Study-Compound:
4. Isobutyl Alcohol, Report TRL Study # 032-002, (1987); submitted to Research
Triangle Institute, NC,

5. USA, NTIS/PB 88-176177; cited in BG Chemie (ed.): 2-Methylpropanol-1, in:
Toxikologische Bewertung
6. Nr. 96, Ausgabe 01/97, BG Chemie, Heidelberg, pp. 3-40, (1997)
7. TSCATS: OTS 0510381, Doc. I.D.:878216453, 11.17.1953, Union Carbide Corp
8. SIDS Initial Assessment Report For SIAM 19 Berlin, Germany, 19-22 October
2004
9. Bryan Research and Engineering, Inc. - Technical Papers
10. Second-Generation Biofuel: Isobutanol Producing Biocatalyst, Gevo, Inc. 345
Inverness Drive South Building C, Suite 310 Englewood, CO 80112;

11. Isobutanol-blended Motor Fuels PEI Convention at the NACS Show Jim
Baustian, Fuel Product Manager 08 October 2012
12. Technical Leaflet Petrochemicals, M 2105 e January 2006 Page 1 of 4
13. D.Balaji et. al. / International Journal of Engineering Science and Technology Vol.
2(7), 2859-2868 , 2010
14. THE PUBLISHING HOUSE OF THE ROMANIAN ACADEMY,
PROCEEDINGS OF THE ROMANIAN ACADEMY, Series A, Volume 11,
Number4/2010, pp. 322–329
15. AKEMA INOVATIVE CHEMISTRY ACRYLIC – ISOBUTANOL 04/9/2012
16. />17. />18. Giới thiệu nguồn năng lượng mới, vô tận trong tương lai Tiến sỹ Vũ Huy Toàn và
Kỹ sư Cao Minh Tuấn. Công ty cổ phần CONINCO máy xây dựng và công trình
công nghiệp

Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................01
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................02
MỤC LỤC........................................................................................................................ 03
2

Nhiên liệu mới - isobotanol
PHẦN I: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU MỚI
CHƯƠNG 1. NHIÊN LIỆU TRUYỀN THỐNG VÀ VẤN ĐỀ NHIÊN LIỆU MỚI
1.1 NHIÊN LIỆU TRUYỀN THỐNG
1.1.1 Các loại nhiên liệu truyền thống..............................................................................6
1.1.2 Vấn đề của nhiên liệu truyền thống.........................................................................7
1.2 NHIÊN LIỆU MỚI.......................................................................................................8
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MỚI
2.1 HƯỚNG PHÁT TRIỂN NHIÊN LIỆU MỚI SỬ DỤNG TRÊN ÔTÔ
2.1.1 Năng lượng mặt trời..................................................................................................9
2.1.2 Pin nhiên liệu...........................................................................................................11
2.2.3 Nhiên liệu sinh học..................................................................................................13
2.2 TÍNH KHẢ THI VÀ HẠN CHẾ CỦA CÁC NHIÊN LIỆU MỚI..............................14
PHẦN II: ISOBUTANOL
CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ ISOBUTANOL
3.1 ISOBUTANOL
3.1.1 Khái niệm
3.1.2 Giá trị kinh tế
3.2 CÔNG THỨC HÓA HỌC..........................................................................................20
3.3 ĐẶC TÍNH.................................................................................................................21
3.4 PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT...................................................................................22
3.4.1 CYANOBACTERIA
3.4.2 ESCHERICHIA COLI.............................................................................................23
3.4.3 BACILLUS SUBTILIS
3.4.4 SACCHAROMYCES CEREVISIAE
3.4.5 RALSTONIA EUTROPHA....................................................................................24
Chương 4. ỨNG DỤNG VÀ PHỐI TRỘN ISOBUTANOL
4.1 TRONG CÁC NGÀNH CÔNG NGHIỆP
4.2 NHIÊN LIỆU THAY THẾ XĂNG.............................................................................25
4.3 BUTANOL THAY THẾ ETHANOL..........................................................................26

4.4 SẢN LƯỢNG SẢN XUẤT........................................................................................28
PHẦN III: ISOBUTANOL TRONG CÔNG NGHIỆP ÔTÔ
Chương 5. KHẢ NĂNG THAY THẾ XĂNG TRUYỀN THỐNG
5.1 NHIỆT HÓA HƠI CỦA HỔN HỢP NHIÊN LIỆU....................................................30
5.1.1 Xây dựng đồ thị.......................................................................................................31
5.1.2 Đồ thị nhiệt hóa hơi.................................................................................................33
3


Nhiên liệu mới - isobotanol
5.2 ĐẶC TÍNH CHÁY
5.2.1 Mô hình thiết kế thử nghiệm...................................................................................38
5.2.2 Kết quả thử nghiệm với xăng – etanol.....................................................................39
Chương 6. TÍNH KHẢ THI VÀ HẠN CHẾ CỦA NHIÊN LIỆU ISOBUTANOL
6.1 KHẢ THI...................................................................................................................44
6.2 HẠN CHẾ.................................................................................................................. 45
6.3 TỔNG KẾT................................................................................................................ 46
NHẬN XÉT CỦA GVHD

4


Nhiên liệu mới - isobotanol

PHẦN I:

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG
NHIÊN LIỆU MỚI

5

Nhiên liệu mới - isobotanol
CHƯƠNG 1.
NHIÊN LIỆU TRUYỀN THỐNG VÀ VẤN ĐỀ NHIÊN LIỆU MỚI
1.1 NHIÊN LIỆU TRUYỀN THỐNG
1.1.1 Các loại nhiên liệu truyền thống
Nhiên liệu là vật chất được sử dụng để giải phóng năng lượng khi cấu trúc vật
lý hoặc hóa học bị thay đổi. Nhiên liệu giải phóng năng lượng thông qua quá trình hóa
học như cháy hoặc quá trình vật lý, ví dụ phản ứng nhiệt hạch, phản ứng phân hạch. Tính năng
quan trọng của nhiên liệu đó là năng lượng có thể được giải phóng khi cần thiết và sự giải
phóng năng lượng được kiểm soát để phục vụ mục đích của con người.
Con người sử dụng nhiều cách thức nhằm biến đổi năng lượng ở nhiều hình thức thành
những dạng phù hợp mới mục đích sử dụng phục vụ cuộc sống và các quá trình xã hội. Ứng
dụng giải phóng năng lượng từ nhiên liệu rất đa dạng trong cuộc sống như đốt cháy khí tự
nhiên để đun nấu, kích nổ xăng dầu để chạy động cơ, biến năng lượng hạt nhân thành điện
năng, v.v..
Các dạng nhiên liệu phổ biến được dùng là gỗ, dầu hỏa, xăng dầu, than đá, chất phóng
xạ, v.v..
Nhiên liệu hóa thạch là loại quan trọng nhất, các loại nhiên liệu được tạo thành bởi quá
trình phân hủy khí của các sinh vật chết bị chôn vùi cách đây hơn 300 triệu năm. Các nguyên
liệu này chứa hàm lượng cacbon và hydrocacbon cao.
Các nhiên liệu hóa thạch thay đổi trong dải từ chất dễ bay hơi với tỷ số cacbon: thấp
như methane, dầu hỏa dạng lỏng, đến các chất không bay hơi chứa toàn là cacbon như than
đá. Methane có thể được tìm thấy trong các mỏ hydrocacbon ở dạng riêng lẻ hay đi cùng với
dầu hỏa hoặc ở dạng methane clathrates. Về tổng quát chúng được hình thành từ các phần còn
lại của thực vật và động vật bị hóa thạch khi chịu áp suất và nhiệt độ bên trong vỏ Trái Đất
hàng triệu năm.
Cơ quan thông tin năng lượng Hoa Kỳ (EIA) ước tính năm 2006 rằng nguồn năng lượng
nguyên thủy bao gồm 36,8% dầu mỏ, than 26,6%, khí thiên nhiên 22,9%, chiếm 86% nhiên

liệu nguyên thủy sản xuất trên thế giới. Các nguồn nhiên liệu không hóa thạch bao gồm thủy
điện 6,3%, năng lượng hạt nhân 6,0%, và năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời, năng
lượng gió, nhiên liệu gỗ, tái chế chất thải chiếm 0,9%. Tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng
mỗi năm khoảng 2,3%
.

6


Nhiên liệu mới - isobotanol
1.1.2 Vấn đề của nhiên liệu truyền thống
Nhiên liệu truyền thống được sử dụng từ rất lâu như than đá, gỗ hay mới được khai thác
gần đây như phóng xạ cũng đều có những vấn đề của nó.
Thứ nhất các nhiên liệu hóa thạch là tài nguyên không tái tạo bởi vì trái đất mất hàng
triệu năm để tạo ra chúng và lượng tiêu thụ đang diễn ra nhanh hơn tốc độ được tạo thành. Sản
lượng và tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch làm tăng các mối quan tâm về môi trường.
Việc đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra khoảng 21,3 tỉ tấn carbon dioxide hàng năm, nhưng
người ta ước tính rằng các quá trình tự nhiên có thể hấp thu phân nửa lượng khí thải trên, vì vậy
hàm lượng cacbon dioxit sẽ tăng 10,65 tỉ tấn mỗi năm trong khí quyển (một tấn cacbon tương
đương 44/12 hay 3,7 tấn cacbon đioxit). Cacbon đioxit là một trong những khí nhà kính làm
tăng lực phóng xạ và góp phần vào sự nóng lên toàn cầu, làm cho nhiệt độ trung bình bề
mặt của Trái Đất tăng.
Đốt nhiên liệu hóa thạch cũng tạo ra các chất ô nhiễm không khí khác như các ôxít
nitơ, điôxít lưu huỳnh, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các kim loại nặng. Ngoài ra còn tạo ra
các axít như sulfuric, cacbonic và nitric, các chất có nhiều khả năng tạo thành mưa axít và ảnh
hưởng đến các vùng tự nhiên và hủy hoại môi trường. Các tượng điêu khắc làm bằng cẩm
thạch và đá vôi cũng phần nào bị phá hủy do axít hòa tan cacbonat canxi.
Nhiên liệu hóa thạch cũng chứa các chất phóng xạ chủ yếu như urani và thori, chúng
được phóng thích vào khí quyển. Năm 2000, có khoảng 12.000 tấn thori và 5.000 tấn urani đã
bị thải ra từ việc đốt than. Ví dụ người ta ước tính rằng trong suốt năm 1982, Hoa Kỳ đốt than

đã thải ra gấp 155 lần so với chất phóng xạ thải vào khí quyển của sự cố đảo Three Mile.
Đốt than cũng tạo ra một lượng lớn xỉ và tro bay. Các chất này được sử dụng với nhiều
mục đích khác nhau, chiếm khoảng 40% sản lượng của Hoa Kỳ.
Việc khai thác, xử lý và phân phối nhiên liệu hóa thạch cũng gây ra các mối quan tâm về
môi trường. Các phương pháp khai thác than đặc biệt là khai thác lộ thiên bốc lớp phủ của các
đỉnh núi và khai thác từ trên xuống và khai thác dạng dải cũng gây những ảnh hưởng tiêu cực
đến môi trường, và các hoạt động khai thác dầu khí ngoài khơi cũng là hiểm họa đối với sinh
vật thủy sinh. Các nhà máy lọc dầu cũng có những tác động tiêu cực đến môi trường như ô
nhiễm nước và không khí. Việc vận chuyển than cần sử dụng các đầu máy xe lửa chạy bằng
động cơ diesel, trong khi đó dầu thô thì được vận chuyển bằng các tàu dầu (có nhiều khoang
chứa), các hoạt động này đòi hỏi phải đốt nhiên liệu hóa thạch truyền thống.
Các nguyên tắc môi trường được áp dụng để làm giảm thiểu lượng phát thải như yêu cầu
và khống chế (yêu cầu về lượng chất thải hoặc yêu cầu về công nghệ sử dụng), khuyến khích
kinh tế hoặc các chương trình tình nguyện.
7


Nhiên liệu mới - isobotanol
Ví dụ về các nguyên tắc môi trường được sử dụng ở Hoa Kỳ nhu "EPA đưa ra các chính
sách để giảm phát thải thủy ngân từ hoạt động hàng không. Theo các nguyên tắc được phê
chuẩn năm 2005, các nhà máy phát điện sử dụng than cần phải cắt giảm lượng phát thải đến
70% vào năm 2018.
Theo nguyên tắc cung - cầu thì khi lượng cung cấp hydrocacbon giảm thì giá sẽ tăng. Dù
vậy, giá càng cao sẽ làm tăng nhu cầu về nguồn cung ứng năng lượng tái tạo thay thế, khi đó
các nguồn cung ứng không có giá trị kinh tế trước đây lại trở thành có giá trị để khai thác
thương mại. Xăng nhân tạo và các nguồn năng lượng tái tạo hiện tại rất tốn kém về công nghệ
sản xuất và xử lý so với các nguồn cung cấp dầu mỏ thông thường, nhưng có thể trở thành có
giá trị kinh tế trong tương lai gần.
Các nguồn năng lượng thay thế khác gồm năng lượng hạt nhân, thủy điện, điện mặt
trời, phong điện, điện thủy triều và địa nhiệt.

1.2 NHIÊN LIỆU MỚI
Trước tình hình đó, nguồn nhiên liệu mới đang là vấn đề cấp bách trong nhiều thập kỷ
nay, được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng cũng rất rộng rãi như năng lượng gió,
năng lượng mặt trời…
Nhình chung năng lượng mới đang được khai thác triệt để dù sản lượng không cao
nhưng cũng góp phần làm giảm phát thải khí ô nhiễm môi trường. Nhưng quan trọng nhất, các
loại nhiên liệu mới dự đoán một tương lai của nhiên liệu thay thế
Trong bày viết này chỉ trình bày các nguồn năng lượng mới đang được nghiên cứu và
ứng dụng trên ôtô.

8


Nhiên liệu mới - isobotanol
CHƯƠNG 2.
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG NĂNG LƯỢNG MỚI
2.1 HƯỚNG PHÁT TRIỂN NHIÊN LIỆU MỚI SỬ DỤNG TRÊN ÔTÔ
Xu hướng chung của các nhiên liệu mới là giảm phát thải khí ô nhiễm, ngoài ra, nhiên
liệu mới phải có chi phí sản xuất hợp lý và khả thi trong việc sản xuất số lợn lớn. Nói cách
khác, khi nghiên cứu và sản xuất nhiên liệu thay thế, nhiên liệu mới, an ninh năng lượng cũng
là một vấn đề cần xem xét nghiêm túc. Các nguồn nhiên liệu được nghiên cứu và sử dụng có
thể kể ra sau đây
2.1.1 Năng lượng mặt trời
Năng lượng Mặt trời được coi là một trong các dạng năng lượng tái tạo được lựa chọn.
Mỗi mét vuông bề mặt Trái đất được ánh nắng Mặt trời chiếu thẳng vào lúc quang mây có thể
cung cấp ~1kW công suất ánh sáng, tức là ~4.000 kWh/năm. Hiệu suất thu nhận năng lượng
của các pin Mặt trời phổ biến ở mức 25%, nên cần phải có 4 m2 diện tích để thu được công
suất 1 kW. Vì vậy, để cung cấp năng lượng cho cả thế giới trong 1 năm, cần một diện tích
khoảng 100 triệu km2 tương đương với tổng diện tích của cả đại lục Á-Âu và châu Mỹ, hay 2/3
tổng diện tích các châu lục – đây là một điều không tưởng! Chính vì vậy, theo bảng cân đối

năng lượng toàn cầu trong tương lai, năng lượng Mặt trời cùng với điện gió, nhiên liệu sinh
khối… chỉ chiếm một tỷ trọng khiêm tốn: ~10%.

Hình 1. Mẫu siêu xe Volkswagen chạy bằng năng lượng mặt trời.

9


Nhiên liệu mới - isobotanol
Tuy nhiên, hiểu biết về nguồn năng lượng Mặt trời cho đến nay vẫn chỉ mới dừng lại ở
kiến thức của vật lý đầu thế kỷ trước, khi cho rằng ánh sáng là tập hợp các photon có năng
lượng được tính theo công thức của Plank: E = hv, ở đây h ≈ 6,63x10-34Js; v – là tần số của
photon. Trong báo cáo “Cấu trúc của photon” trình bầy tại Hội Nghị Khoa học Quang học và
Quang phổ toàn quốc lần thứ VI, 2010 tại Hà nội, được chấp nhận đăng trong Tuyển tập:
“Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications VI, 2011”, tác giả đã chứng
minh được rằng photon là một hạt có cấu trúc từ 2 hạt cơ bản là electron và positron; năng
lượng tính theo công thức trên chỉ là ngoại năng của photon, chứ không phải năng lượng toàn
phần của nó bao gồm cả nội năng nữa: Wph = 4mec2với me = 9,1x10-31kg – là khối lượng của
electron; c = 3x108 m/s – là tốc độ của ánh sáng trong chân không. Tức là đối với mỗi photon,
ngoại năng được biết đến chỉ là một giá trị rất nhỏ so với năng lượng toàn phần của nó mà
thôi: hv/4mec2. Ví dụ với tia hồng ngoại có v = c/λ ≈ 4,3x1014Hz, ta có tỷ lệ này là
~1/1.150.000, tức là nhỏ hơn một phần triệu lần so với nguồn năng lượng còn “ẩn dấu” trong
photon chưa được khai thác.
Điều này khiến ta nhớ lại trước khi Einstein phát minh ra công thức E = mc2, người ta
cho rằng năng lượng của mọi vật chỉ bằng động năng và thế năng (thực chất là ngoại năng) mà
không bao gồm nội năng của chúng. Nhưng thực tế đã chứng minh nội năng của vật lớn như
thế nào và nhờ khai thác nó đã mở ra kỷ nguyên năng của lượng nguyên tử. Tuy nhiên, việc
khai thác nguồn năng lượng này cũng chỉ tận dụng được cỡ phần nghìn trong tổng năng lượng
hàm chứa trong công thức E = mc2 mà thôi.
Giờ đây, nếu có thể tận dụng được ở mức ấy đối với photon theo cấu trúc được tác giả

phát hiện, ta sẽ thu được nguồn năng lượng lớn hơn gấp hàng nghìn lần so với những gì hiện
đang nhận được từ ngoại năng của nó. Và tính chất này cũng chỉ có ở photon, chứ không có ở
bất cứ hạt vật chất nào khác được biết đến. Điều đó cũng có nghĩa là thay vì mỗi mét vuông bề
mặt Trái đất không chỉ có thể được cung cấp ~1kW công suất ánh sáng Mặt trời, mà là cả hàng
ngàn kW. Khi đó, để cung cấp đủ năng lượng cho toàn thế giới chỉ cần diện tích bằng 1/30 lần
diện tích sa mạc Sahara – là một điều kiện hoàn toàn khả thi. Mà điều quan trọng hơn cả là
không bao giờ hết (ít nhất cũng là cho tới khi Mặt trời chấm dứt sự tồn tại sau 4 tỷ năm nữa) và
hoàn toàn thân thiện với môi trường.
Hơn thế nữa, do tận dụng được nội năng của photon, nên các yếu tố thời tiết, vị trí kinh
tuyến, vị trí của Mặt trời v.v.. hầu như không ảnh hưởng, vì chúng chỉ làm thay đổi ngoại năng
của photon là chính. Cũng chính vì thế, phạm vi áp dụng sẽ được mở rộng cho tới cả những
vùng cực, hay dưới biển cho tàu ngầm… thậm chí kể cả điều kiện làm việc về đêm với các bức
xạ hồng ngoại, hay sóng vi ba – những photon này chỉ khác nhau chủ yếu bởi bước sóng, tức là
ngoại năng của chúng, trong khi nội năng đều gần như nhau và xấp xỉ bằng 4mec2.
10


Nhiên liệu mới - isobotanol
Vấn đề chỉ còn là cơ chế nào thu được nguồn năng lượng khổng lồ đó? Ý tưởng thật ra
rất đơn giản: phải tách rời 2 hạt electron và possitron cấu tạo nên photon. Tự nhiên đã thực hiện
được việc đó đối với hạt γ (một dạng photon), khi nó bay sát hạt nhân nguyên tử – chính là
phản ứng sinh hạt như đã biết. Tuy nhiên, do hạt γ có kích thước xấp xỉ với kích thước hạt nhân
(cỡ 10-15m), nên tác động của hạt nhân mới có tác dụng. Trong khi đó, đối với các photon thì
khác, trong tự nhiên không có cơ chế nào có thể tách ra được các hạt cấu thành nên chúng cả,
một phần vì kích thước của photon tương ứng với chúng quá lớn so với hạt nhân nguyên tử,
một phần khác, do khả năng tiếp cận tới hạt nhân nguyên tử rất khó khăn với hàng rào các điện
tử vây quanh. Tuy nhiên, nhờ những tiến bộ của khoa học và công nghệ của đầu thế kỷ XXI
này, sự tách rời các hạt electron và positron ra khỏi nhau đã có thể thực hiện được về nguyên
tắc. Và do đó, vấn đề tận dụng nội năng của photon đã có cơ hội để trở thành hiện thực, mở ra
“Kỷ nguyên năng lượng photon” thay thế cho “Kỷ nguyên năng lượng nguyên tử” đang khép

lại.
Viễn cảnh của tương lai: Khi những máy phát điện photon trở thành hiện thực, hành tinh
này sẽ không còn cần tới những nhà máy điện quy mô lớn tập trung, do đó sẽ không còn cần
đến những cột điện cao thế truyền dẫn điện năng, mà thay vào đó, máy phát điện riêng sẽ có ở
mỗi gia đình, ở mỗi phương tiện giao thông, mỗi máy công cụ… một cách hoàn toàn độc lập;
khái niệm “lưới điện” sẽ biến mất khỏi vốn từ vựng kỹ thuật.
Điều quan trọng nhất ở đây cần phải nhấn mạnh là từ trước tới nay, chúng ta chưa từng
được biết tới nguồn năng lượng ẩn dấu này của ánh sáng, mà chỉ bằng lòng với những tác dụng
của nó do ngoại năng mà nó đem lại theo công thức E = hv – một phần rất nhỏ năng lượng của
ánh sáng mà thôi. Chính vì vậy, có thể nói "photon mới chính là nguồn năng lượng chính và vô
tận trong tương lai của nhân loại", nó không độc hại với con người và môi trường, không gây
nên hiệu ứng nóng lên toàn cầu, mà trái lại, giúp cân bằng lại quá trình bức xạ nhiệt từ bề mặt
Trái đất ra không gian xung quanh, về thực chất là “một mũi tên trúng ba đích”: an ninh năng
lượng, chống suy thoái môi trường và ổn định xã hội.
Đó cũng chính là những lợi ích thiết thực nhất mà “Con đường mới của vật lý học” có
thể đem đến cho nhân loại, bên cạnh những tri thức mới đột phá thực sự của nó về thế giới tự
nhiên.
2.1.2 Pin nhiên liệu
Thực tế, năng lượng điện đã tồn tại từ lâu và nguồn năng lượng này thực chất là huyển
từ năng lượng khác như than đá và gỗ. Là những nguồn phát thải rất lớn và có hạn. Những
nghiên cứu được đề cập ở đây là nói về các nguyên liệu tạo ra điện nhưng thân thiện với môi
trường và có thể tái sinh.

11


Nhiên liệu mới - isobotanol
Trong đó, nổi bật nhất là pin nhiên liệu. Tương tự như ắc quy, pin nhiên liệu là một thiết
bị tạo ra điện năng thông qua cơ chế phản ứng điện hóa. Điểm khác biệt nằm ở chỗ, pin nhiên
liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi có một nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, trong khi đó,

ắc quy cần phải được nạp điện lại (sạc) sau một thời gian sử dụng. Nói cách khác pin nhiên liệu
không chứa năng lượng bên trong, nó chuyển hóa trực tiếp nhiên liệu thành điện năng, trong
khi ắc quy cần phải được nạp điện lại từ một nguồn bên ngoài.

Hình 2. Nguyên lý pin nhiên liệu
Mỗi pin nhiên liệu gồm có hai điện cực âm (cathode) và dương (anode). Phản ứng sinh
ra điện năng xảy ra tại hai điện cực này. Giữa hai điện cực còn chứa chất điện phân, vận chuyển
các hạt điện tích từ cực này sang cực khác, và chất xúc tác nhằm làm tăng tốc độ phản ứng. Các
module pin nhiên liệu thường kết nối với nhau, song song hay nối tiếp để tạo ra các thiết bị có
mức công suất phát điện khác nhau và lớn hơn.
Hai nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin nhiên liệu vận hành chỉ đơn giản là hydrogen và
oxygen. Lợi thế hấp dẫn của pin nhiên liệu là ở chỗ nó tạo ra dòng điện sạch, rất ít ô nhiễm, do
sản phẩm phụ của quá trình phát điện cuối cùng chỉ là nước, không hề độc hại.
Các phản ứng hóa học tạo ra dòng điện chính là chìa khóa trong cơ chế hoạt động của
pin nhiên liệu. Có nhiều loại pin nhiên liệu và mỗi kiểu vận hành một cách khác nhau nhưng
cùng chung nguyên tắc cơ bản. Khi những nguyên tử hydrogenđi vào pin nhiên liệu, phản ứng
hóa học xảy ra ở anode sẽ lấy đi electron của chúng. Những nguyên tử hydrogen lúc này bị ion
hóa và mang điện tích dương. Electron điện tích âm sẽ chạy qua dây dẫn tạo ra dòng điện một
chiều.
Oxygen đi vào cathode và, trong một số dạng pin nhiên liệu, chúng sẽ kết hợp với các
electron từ dòng điện và những ion hydrogen vừa đi qua chất điện phân từ anode; ở một số
dạng pin nhiên liệu khác, oxygen lấy electron rồi đi qua chất điện phân đến anode, gặp và kết
hợp với các ion hydrogen tại đó.

12


Nhiên liệu mới - isobotanol
Chất điện phân đóng vai trò quyết định chủ chốt. Nó phải chỉ cho phép những ion thích
hợp đi qua giữa anode và cathode; vì nếu electron tự do hay các chất khác cũng có thể đi qua

chất điện phân này, chúng sẽ làm hỏng các phản ứng hóa học.
Dù cùng gặp ở anode hay cathode, kết hợp với nhau, hydrogen và oxygen cuối cùng
cũng tạo ra nước, thoát ra khỏi pin. Pin nhiên liệu sẽ liên tục phát điện khi vẫn được cung cấp
hydrogen và oxygen. Dưới đây là sơ đồ mô tả hai phản ứng cơ bản trong pin nhiên liệu mà
phản ứng tồng quát của chúng chính là phản ứng nghịch của quá trình điện phân nước:
Phản ứng trên anode: 2 H2 => 4 H+ + 4ePhản ứng trên cathode: O2 + 4 H+ + 4e- => 2 H2O
Tổng quát: 2 H2 + O2 => 2 H2O + năng lượng (điện)
Phản ứng hóa học tổng quát cho pin nhiên liệu còn tương tự như phản ứng hóa học mô
tả quá trình hydrogen bị đốt cháy với sự hiện diện của oxy, tức cũng là sự kết hợp giữa khí
hydrogenvà oxygen tạo nên năng lượng; điểm làm nên sự khác biệt quan trọng giữa hai quá
trình đó nằm ở cơ chế phản ứng – phản ứng cháy tạo ra nhiệt trong khi phản ứng điện hóa của
pin nhiên liệu sinh ra điện năng. Pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng,
quá trình này không liên quan đến sự chuyển hóa nhiệt thành cơ năng nên không phải là đối
tượng của định luật nhiệt động lực học giới hạn hiệu suất tối đa của các động cơ nhiệt thông
thường (Carnot) . Do đó, hiệu suất pin nhiên liệu có thể vượt được giới hạn Carnot, thậm chí
ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp.
2.2.3 Nhiên liệu sinh học
Căn bản của loại nhiên liệu này không tập trung vào thay thế cơ chế sản sinh năng lượng
mà tìm các loại nhiên liệu cùng dạng để thay thế dần nhiên liệu truyền thống bằng cách hòa
trộn vào với tỷ lệ nhất định
Nhiên liệu sinh học (Tiếng Anh: Biofuels, tiếng Pháp: biocarburant) 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 mỳ, ngô, đậu
tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn
cưa, sản phẩm gỗ thải...), có thể kể một số loại sau đây
Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử
dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn xuất từ
một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật), thường được thực hiện thông qua quá
trình transester hóa bằng cách cho phản ứng với các loại rượu phổ biến nhất là methanol.
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. Ethanolđược chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, xen13


Nhiên liệu mới - isobotanol
lu-lô, 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.
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.
Trước kia, nhiên liệu sinh học hoàn toàn không được chú trọng. Hầu như đây chỉ là một
loại nhiên liệu thay thế phụ, tận dụng ở quy mô nhỏ. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện tình trạng
khủng hoảng nhiên liệu ở quy mô toàn cầu cũng như ý thức bảo vệ môi trường lên cao, nhiên
liệu sinh học bắt đầu được chú ý phát triển ở quy mô lớn hơn do có nhiều ưu điểm nổi bật so
với các loại nhiên liệu truyền thống (dầu khí, than đá...):
Thân thiện với môi trường là yếu tố đầu tiên. Chúng có nguồn gốc từ thực vật, mà thực
vật trong quá trình sinh trưởng (quang hợp) lại sử dụng điôxít cácbon (là khí gây hiệu ứng nhà
kính - một hiệu ứng vật lý khiến Trái Đất nóng lên) nên được xem như không góp phần làm trái
đất nóng lên.
Nguồn nhiên liệu tái sinh là yếu tố thừ hai. Các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất
nông nghiệp và có thể tái sinh. Chúng giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu
không tái sinh truyền thống.
Ở việt nam Khí sinh học được áp dụng ở miền quê, bằng cách ủ phân để lấy khí đốt .
2.2 TÍNH KHẢ THI VÀ HẠN CHẾ CỦA CÁC NHIÊN LIỆU MỚI
Các loại nhiên liệu mới bộc lộ nhiều ưu điểm, song chúng cũng còn nhiều nhược điểm.
Điều làm cho chúng chưa thể phát triển mạnh mẽ được.
Với năng lượng mặt trời, dù hứa hẹn rất nhiều ưu điểm nhưng rào cản công nghệ lại là
“kẻ thù” của chúng. Để khai thác được dạng năng lượng này đủ để thay thế các dạng năng
lượng truyền thống chúng ta cần mất rất nhiều năm nữa để nghiên cứu và ứng dụng.

Với pin nhiên liệu, dù sử dụng khí thiên nhiên và hoàn toàn không gây ô nhiễm môi
trường. Nhưng giá thành cao, tuổi thọ sử dụng ngắn, và đòi hỏi một hệ thống phụ trợ phức tạp
kèm theo, những mặt đó hạn chế việc đẩy mạnh sử dụng pin nhiên liệu. Các nhà khoa học và
các chuyên gia kỷ thuật đang ra sức khắc phục những nhược điểm đó. Và cũng cần một thời
gian dài nữa, pin nhiên liệu mới thực sự có thể thay thế nhiên liệu truyền thống.

14


Nhiên liệu mới - isobotanol
Vì vậy, trong tương lai gần, nhiên liệu mới chưa thề đáp ứng được hoàn toàn vấn đề ô
nhiễm và khủng hoản năng lượng. Tuy nhiên trong tình hình đó, giải pháp năng lượng sinh học
tỏ ra rất khả quan.
Trước hết, nhiên liệu này có nguồn gốc thực vật, dễ tìm kiếm và sản xuất. Trữ lượng tuy
không đủ cung cấp cho toàn bộ nguồn cầu, nhưng với phương án pha trộn một phần, nhiên liệu
sinh học tỏ ra rất ưu thế.
Không những góp phần làm giảm phát thải, tăng hiệu suất động cơ mà còn tạm thời giải
quyết vấn đề an ninh năng lượng. Nguồn nhiên liệu tái sinh này giúp giảm sự lệ thuộc vào
nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống. Tuy nhiên hiện nay vấn đề sử dụng
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, nó có khả
năng là nguồn thay thế.
Dạng nhiên liệu sinh học đầu tiên được sử dụng trong xăng bao gồm Bio-metanol, Bioethanol, Bio-butanol… Trong số các dạng NLSH này, Bio-ethanol là loại nhiên liệu thông dụng
nhất hiện nay trên thế giới vì có khả năng sản xuất ở quy mô công nghiệp.
Có thông tin cho rằng xăng chứa ethanol có trị số octane cao hơn xăng thường nên động
cơ mau nóng hơn, máy cũng mau hao mòn hơn, nhất là các vòng đệm cao su bị trương nở do
ethanol. Cũng có ý kiến cho rằng bất lợi của Ethanol là tính hút ẩm của nó nên xăng pha
ethanol có xu hướng hút ẩm làm cho gasohol bị nhiễm nước gây khó khởi động động cơ, làm rỉ
sét kim loại, hư mòn chất nhựa (plastic), nên để sử dụng đòi hỏi phải thay đổi vật liệu làm động
cơ, phải bảo trì xe thường xuyên. Bồn chứa xăng pha ethanol cũng phải làm từ kim loại đặc

biệt, việc chuyên chở cũng khó khăn hơn xăng thường. Tuy nhiên, trong thực tế việc nóng động
cơ hơn mức bình thường có nguyên nhân từ việc sử dụng xăng có trị số octane (RON) thấp hơn
so với yêu cầu kỹ thuật của động cơ (tỷ số nén) và khuyến cáo của nhà sản xuất. Cả lý thuyết
và thực nghiệm đều cho thấy khi pha thêm ethanol vào xăng thì trị số octane của xăng pha
ethanol cao hơn xăng thường do vậy sẽ giúp động cơ hoạt động hiệu quả hơn. Tính hút ẩm cao
của ethanol trên thực tế giúp cho xăng có pha ethanol có tính “hòa tan” nước cao hơn xăng
thường ở một tỷ lệ nhất định, giúp tăng khả năng chống tách nước của nhiên liệu qua đó hạn
chế hiện tượng tách nước trong bồn chứa xăng. Các yêu cầu kỹ thuật đặt ra hiện nay nhằm hạn
chế tối đa việc tiếp xúc của xăng pha ethanol với nước (ẩm) tại các kho chứa, CHXD, phương
tiện chuyên chở, … với mục tiêu chính là đảm bảo chất lượng, giảm hao hụt nhiên liệu (do
ethanol tan vô hạn trong nước) phục vụ cho các Nhà kinh doanh xăng dầu. Ethanol hoặc xăng
pha ethanol với hàm lượng cao cũng gây biến tính, làm hỏng các vật liệu cao su hoặc nhựa
(plastic) thông thường. Tuy nhiên với xu thế hướng đến việc sử dụng các loại nhiên liệu thân
thiện với môi trường, các nhà sản xuất xe đã có cải tiến vật liệu để phù hợp với nhiên liệu sinh
15


Nhiên liệu mới - isobotanol
học đặc biệt là xăng pha ethanol do tính ưu việt và phổ dụng của loại nhiên liệu này. Theo
thống kê đã có 27 hãng xe trên thế giới khuyến cáo sản phẩm của mình tương thích với xăng
pha ethanol có hàm lượng ethanol đến 10% V (E10). Tương tự các quốc giá khác như Thái lan,
Philippines, tại Việt Nam, các loại xe máy sản xuất từ 1990 trở lại đây đều có thể sử dụng xăng
pha ethanol đến 10% V. Hệ thống hạ tầng kỹ thuật như: bồn, bể chứa, cột bơm xăng, xe bồn
vận chuyển xăng, … do đã được đầu tư từ khá lâu nên khi chuyển sang sử dụng cho xăng pha
ethanol cần phải có những hoán đổi cho phù hợp nhưng việc thay đổi này khá đơn giản và
không tốn nhiều thời gian, chi phí. Đối với các xe bồn, cột bơm mới đầu tư thì hầu hết đã được
thiết kế phù hợp cho việc sử dụng xăng pha ethanol [theo PV oil].
Công Nghệ Sản Xuất Nhiên Liệu Sinh Học: có thể chia làm 3 thế hệ
Thế hệ thứ 1:
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 2:
Nhiên liệu sinh học thế hệ 1 bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đất trồng trọt
hiện nay để trồng các loại cây thích hợp là có hạn và các công nghệ truyền thống 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 2. 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 chất thải nông nghiệp, chất
thải rừng, chất thải rắn đô thị, các sản phẩm phụ từ quá trình chế biến thực phẩm hoặc loại cỏ
sinh trưởng nhanh như rơm, rạ, bã mía, vỏ trấu, cỏ…
Thế hệ thứ 3:
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 20.000 lít/năm đến 80.000 lít/năm.
Ngoài ra, loài tảo bị thoái hóa sinh học không làm hư hại môi trường xung quanh. Theo ước
tính của Bộ Năng Lượng Mỹ, nước này cần một diện tích đất đai lớn độ 38.849 km2 để trồng
loại tảo thay thế tất cả nhu cầu dầu hỏa hiện nay trong nước.
16


Nhiên liệu mới - isobotanol
Lợi ích của việc sản xuất nhiên liệu sinh học NLSH có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào
nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ, đang cạn kiệt. Do NLSH có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch sử
dụng trong các phương tiện giao thông và các thiết bị năng lượng, triển vọng của loại nhiên liệu
này là sáng sủa, đây là loại nhiên liệu bền vững thay cho các nguồn năng lượng hóa thạch đắt
đỏ đang bị cạn kiệt.

Loại nhiên liệu này có thể xuất hiện trong một phạm vi nhất định, nhưng vẫn không
khắc phục được tình trạng “đói nhiên liệu” đang gia tăng hiện nay trên thế giới.
NLSH có thể giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu. Các cây trồng nông nghiệp và các
nguyên liệu sinh khối khác được coi là các nguyên liệu góp phần làm trung hòa cácbon bởi chu
kỳ sống thực tế của nó, thực vật thu cácbon điôxit thông qua quá trình quang hợp.Tuy nhiên,
các nguyên liệu đầu vào sử dụng trong quá trình sản xuất NLSH được coi là nguyên liệu tái tạo
và có khả năng làm giảm phát thải khí nhà kính (GHG).
Tuy nhiên, cho dù các nhiên liệu đầu vào tự chúng có khả năng trung hòa cácbon, thì
quá trình chuyển đổi các vật liệu thô thành NLSH có thể gây phát thải cácbon vào khí quyển.
Vì vậy, NLSH phải góp phần vào giảm phát thải các bon, chúng phải được chứng minh giảm
thải thực sự GHG trong tất cả chu trình sản xuất và sử dụng NLSH.
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 NLSH được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu bản
địa của nhiều nước châu Á, loại nhiên liệu này có vai trò là nhiên liệu thay thế cho các nhiên
liệu hóa thạch có thể giảm sự phụ thuộc nhập khẩu dầu và tăng cường an ninh năng lượng quốc
gia.Tuy nhiên, điều quan tâm là một số nước đang bị lôi cuốn bởi nhiều hứa hẹn về an ninh
năng lượng hơn và họ tiếp tục bỏ chi phí để đảm bảo an ninh của các nhu cầu khác nữa như an
ninh lương thực, an ninh về nguồn cung cấp nước và không quan tâm tới việc bảo vệ các nguồn
tài nguyên thiên nhiên như rừng tự nhiên và sự đa dạng sinh học của chúng.
NLSH có thể hình thành sự tham gia của các xí nghiệp nhỏ và vừa (SMEs). Khác với
nhiên liệu dầu và khí, thậm chí là than cần phải xây dựng cơ sở hạ tầng lớn để khai thác và xử
lý, với sự tham gia của các tập đoàn lớn và các công ty đa quốc gia, việc sản xuất NLSH sẽ
không đòi hỏi đầu tư và xây dựng các nhà máy xử lý tổng hợp lớn. Vì vậy, đầu tư và quy trình
sản xuất NLSH có thể nằm trong phạm vi SMEs có thể chấp nhận được. Dựa vào nguyên liệu
đầu vào và khả năng đầu ra, công suất của các nhà máy sản xuất NLSH có thể thiết kế phù hợp
với yêu cầu đặc thù. Các hoạt động sản xuất NLSH dựa vào các nguyên liệu nông nghiệp hoặc
các hệ thống modul có thể được thực hiện để sản xuất NLSH phục vụ cho tiêu thụ cục bộ của
các thiết bị có động cơ tại các trang trại. Đầu tư cho NLSH có thể mở ra các cơ hội tham gia
của các công ty trong nước.

17


Nhiên liệu mới - isobotanol
NLSH có thể đóng góp vào phát triển kinh tế- xã hội của các cộng đồng địa phương và
các ngành kinh tế đang phát triển. Vai trò của ngành nông nghiệp trang trại trong dây chuyền
sản xuất NLSH sẽ mở ra cơ hội cho các cộng đồng địa phương kết hợp hoạt động và thu được
các lợi ích nhất định để có thể tạo ra phát triển kinh tế-xã hội. Việc trồng rừng, kích thích và thu
hoạch nhiên liệu đầu vào như cây mía, ngô, sắn và dầu cọ đòi hỏi phải tăng lực lượng lao động
và các công việc thủ công. Việc mở rộng sản xuất nông nghiệp do tăng nhu cầu các nguyên liệu
thô cho sản xuất NLSH có thể tạo ra việc làm mới và thu nhập nhiều hơn cho nông dân. Tạo cơ
hội việc làm trong sản xuất NLSH là rất lớn. Ví dụ sản xuất NLSH từ cây Jatropha Curcas (cây
dầu mè) làm nhiên liệu đầu vào được trồng như loại cây trồng chyên dụng để sản xuất diezel
sinh học, một diện tích cây mè 10000 ha có thể thu được 30 triệu lít dầu diezel sinh học/năm có
thể tạo ra 4000 việc làm trực tiếp.
Xét về góc độ tạo việc làm trực tiếp của các thành viên trong hộ gia đình, cho thấy tác
động của ngành công nghiệp này đối với cộng đồng địa phương là rất to lớn.
Trên cơ sở đó, chúng ta hướng tới một loại nhiên liệu sinh học phù hợp với nhu cầu thực
tế của xã hội. Một loại nhiên liệu sinh học có thể đáp ứng được nhu cầu hiện tại, nhiên liệu sinh
học Isobutanol.

18


Nhiên liệu mới - isobotanol

PHẦN II:

ISOBUTANOL

19


Nhiên liệu mới - isobotanol
CHƯƠNG 3.

TỔNG QUAN VỀ ISOBUTANOL
3.1 ISOBUTANOL
3.1.1 Khái niệm:
Isobutanol là một hợp chất hữu cơ, như một loại rượu nhẹ, được sản xuất từ các nguồn tự
nhiên, có thể trong hóa dầu và một số loại nguyên liệu khác như là chất thải nông nghiệp hay
lâm sản với một số nguyên liệu giàu cellulose , chẳng hạn như ngô , mía gỗ…. trong công
nghiệp, isobutanol như là một hóa chất trung gian trong sản xuất ví dụ sản xuất hàng dệt may
hoặc như là một hợp chất làm sạch, đánh bóng.
Isobutanol có thể trộn lẫn với các dung môi khác như rượu, xeton, andehit và ete, nó mang
lại nhiều lợi ít trong các ngành công nghiệp . Việc sử dụng phổ biến nhất cho hóa chất này là
trong sản xuất ester, và thường như một thành phần của lớp phủ sơn chẳng hạn như sơn mài .
Vì tính chất độc đáo của nó mà chỉ được thêm vào ở nồng độ 5% đến 10 % các hợp chất sơn
mài. Các ứng dụng khác bao gồm trong sản xuất cao su tổng hợp, trong sản xuất dược phẩm, và
như một chất khử nước, vì nó chỉ có một phần trộn với nước. một số tên gọi khác như Isobutyl
alcohol, IBA, 2-methyl-1-propanol, 2-methylpropyl alcohol
3.1.2 Giá trị kinh tế
Tính đến năm 2010, khoảng 3.000.000 tấn isobutanol đã được sản xuất mỗi năm cho một
loạt các ứng dụng công nghiệp, với giá trị thị trường khoảng 4 tỷ đô la Mỹ (USD). Isobutanol
đang phát triển nhanh chóng ở Mỹ, một điều đáng chú ý là nếu ethanol chỉ có khoảng 67 %
năng lượng của một khối lượng tương đương với xăng thì isobutanol có 82% , và không ăn
mòn đường ống như ethanol. Một nhà sản xuất hàng đầu của Mỹ về isobutanol có kế hoạch sản
xuất ước tính khoảng 350.000.000 gallon ( 1.324.894.120 lít ) mỗi năm kể từ năm 2015.
3.2 CÔNG THỨC HÓA HỌC
Isobutanol có công thức phân tử: C4 H10 O hay (CH3)2-CH-CH2OH

Hình 3. Công thức phân tử isobutanol

20


Nhiên liệu mới - isobotanol
3.3 ĐẶC TÍNH
Tính chất vật lý mô tả các thuộc tính của isobutanol. Isobutanol có áp lực hơi là 13,9 hPa
( 10,43 mmHg ) ở 250C , độ hòa tan vào nước là 85 g / l ở 25 0C. Sự tan chảy và điểm sôi cho
isobutanol khoảng -108 ° và 108 ° C. Isobutanol là dễ dàng phân hủy trong điều kiện hiếu khí.
Isobutanol không tồn tại lâu trong môi trường và không có khả năng tích lũy sinh học trong
chuỗi thức ăn. Dựa trên mô hình cấp III thử nghiệm người ta ước tính rằng phần lớn các
isobutanol thải ra môi trường sẽ hòa tan vào nước 51,6%; đất 43,5%, và một lượng nhỏ trong
không khí khoảng 4,85 %.
Tính chất

Giá trị

Màu sắc
Không màu
Mùi hương
Stinging
Phân tử lượng
74.1 g/mol
Mật độ
0.8 g/cm3 ở 200C
Áp suất hơi
13.8 hPa ở 250C
Điềm đông/ điểm sôi

< -900C/ 1080C ở 1013hPa
Điểm chớp cháy
310C ở 1013 hPa
Nhiệt độ tự cháy
4000C ở 1007 hPa
Tan trong nước
70g/L ở 200C
Bảng 1. Tính chất isobutanol
T [°C]

Nhiệt dung riêng
Hệ số truyền nhiệt
Cp [kJ]
λ[mW]
0
1,909
137,0
10
2,102
135,2
20
2,303
133,3
30
2,508
131,5
40
2,713
129,5
50

2,914
127,8
60
3,106
125,9
Bảng 2. Nhiệt dung và hệ số truyền nhiệt isobutanol

-

Nhiệt của quá trình đốt cháy (ΔH c) ở 25°C ) 36 023 kJ / kg

-

Entanpy bay hơi (ΔH v) ở 25°C ) 579 kJ / kg

-

Entanpy hình thành (ΔH f) ở 25°C ) 4509 kJ / kg

-

Sức căng bề mặt ở 20°C 23,0 mN / m ở 30°C 22,1 mN / m

-

Hằng số điện môi ở 0°C 21,1 / ở 30°C 17,3
21


Nhiên liệu mới - isobotanol

-

Tỉ lệ bay hơi = 25 (DIN 5310; ether = 1)

-

Nồng độ Hansen của
+ Isobutanol trong nước ở 20 ° C 8,5%
ở 30 ° C 7,5%
+ Nước trong isobutanol ở 20 ° C 15,0%
ở 30 ° C 17,3%

- Thông số Hansen hòa tan ở 25 ° C:
δ D = 15,8 (MPa) 1/2
δ P = 5,7 (MPa) 1/2
δ H = 14,5 (MPa) 1/2
δ T = 22,2 (MPa) 1/2
Giá trị tham số độ hòa tan Hansen (HSPiP) dựa trên δD = liên kết phân tán, δP = liên kết phân
cực và δH = liên kết hydro dung môi [WIKIPEDIA]
Những đặc tính này cho thấy isobutanol có tính tương đồng với xăng truyền thống, một
điểm rất quan trọng của isobutanol.
3.4 PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT
Isobutanol là sản phẩm của một quá trình phản ứng phức tạp. Trong công nghiệp,
thường sử dụng phương pháp gọi là hydroformylation bằng cách tạo ra một hỗn hợp của
isobutyraldehydes, được hydro hóa với rượu và sau đó tách ra.
Một phương pháp khác là sinh tổng hợp. Isobutanol cũng được sản xuất một cách tự
nhiên trong quá trình lên men của các carbohydrate và cũng có thể là một sản phẩm phụ của
quá trình phân hủy của chất hữu cơ. Con đường sinh tổng hợp được sử dụng để sản xuất
isobutanol lần đầu tiên được phát hiện ở loài vi khuẩn tên gọi Clostridium. Ngày nay công nghệ
biến đổi gen làm một số loài vi sinh vật có khả năng sinh tổng hợp tốt hơn khuẩn Clostridium.

Tuy nhiên, vẩn chưa đạt được khả năng sản xuất isobutanol công nghiệp với số lượng đủ lớn để
sử dụng thương mại. Một số chủng vi khuẩn được theo đuổi để sản xuất isobutanol thương mại
được liệt kê dưới đây:
3.4.1 CYANOBACTERIA

22


Nhiên liệu mới - isobotanol
Cyanobacteria, là một vi khuẩn quang hợp. Cyanobacteria phù hợp cho sinh tổng hợp
isobutanol khi biến đổi gen để sản xuất isobutanol. Một số lợi thế của cyanobacteria trong sản
xuất Isobutanol :
Cyanobacteria phát triển nhanh và cũng hấp thụ ánh sáng mặt trời hiệu quả hơn so với
cây. Điều này đồng nghĩa có thể bổ sung vi khuẩn này vào nhà máy sử dụng nhiên liệu sinh
học sẽ cho tốc độ sinh tổng hợp nhanh hơn. Một lợi thế khác là Cyanobacteria có thể phát triển
trên đất phi nông nghiệp ( đất không được sử dụng cho nông nghiệp ). Điều này ngăn cản sự
cạnh tranh giữa các nguồn thực phẩm và các nguồn nhiên liệu. Sự cần thiết cho sự phát triển
của cyanobacteria là CO2, H2O , và ánh sáng mặt trời mang lại lợi thế. Vì CO 2 có nguồn gốc từ
khí quyển, Cyanobacteria không cần chất thực vật để tổng hợp isobutanol ( trong các sinh vật
khác, tổng hợp isobutanol, chất thực vật là nguồn gốc của carbon cần thiết để tổng hợp
isobutanol ). Sự cần thiết phải dùng chất thực vật nguồn từ các nguồn thực phẩm và tạo ra một
mối quan hệ giá lương thực - nhiên liệu có thể tránh được. Vì Cyanobacteria hấp thụ CO 2 từ
không khí và như vậy loại bỏ CO2 dư thừa ra khỏi bầu khí quyển.
Tuy nhiên cyanobacteria cũng có những hạn chế. Vi khuẩn lam rất nhạy cảm với điều
kiện môi trường. Cyanobacteria phải chịu ánh sáng mặt trời có bước sóng và cường độ phù
hợp, CO2 nồng độ thích hợp, hoặc H2O độ mặn thích hợp. Những yếu tố này thường khó kiểm
soát , và trình bày một trở ngại lớn trong sản xuất cyanbacterial của isobutanol. Phản ứng sinh
học vi khuẩn lam đòi hỏi năng lượng cao để hoạt động. Nền đòi hỏi phải trộn liên tục, và thu
hoạch các sản phẩm sinh tổng hợp là tốn kém năng lượng điều này làm giảm hiệu quả sản
xuất isobutanol qua Cyanobacteria

3.4.2 ESCHERICHIA COLI
Escherichia coli, hoặc E. coli, là một loại vi khuẩn hình que. E. coli là vi sinh vật có
nhiều khả năng để chuyển sang sản xuất thương mại isobutanol. E. coli sản xuất isobutanol với
sản lượng cao nhất so với bất kỳ vi sinh vật nào. Nhiều phương pháp đã được sử dụng để nâng
cao hiệu quả trao đổi chất của vi khuẩn E. coli để cho isobutanol với số lượng lớn hơn E. coli là
một vi khuẩn lý tưởng để sinh học tổng hợp vì nhiều lý do .E. coli là một sinh vật được biết đến
từ rất lâu do vậy có các tài liệu khoa học nghiên cứu điều này cho phép E. coli dễ dàng sửa đổi
bằng công nghệ gen. E. coli có khả năng sử dụng lignocellulose (chất thải quan trọng còn lại
của nông nghiệp) trong tổng hợp isobutanol . Việc sử dụng các lignocellulose ngăn ngừa sử
dụng chất thực vật có nghĩa là cho con người, và ngăn chặn bất kỳ mối quan hệ giá lương thực
- nhiên liệu mà có thể xảy ra từ các sinh tổng hợp isobutanol.
Hạn chế chính của E. coli là nó là dễ bị phân hủy khi được nuôi cấy. Tính nhạy cảm này
có khả năng có thể chấm dứt toàn bộ phản ứng sinh học .
23


Nhiên liệu mới - isobotanol
3.4.3 BACILLUS SUBTILIS
Bacillus subtilis là một loại vi khuẩn hình que. Bacillus subtilis nhưng nó được sử dụng
ít nổi bật và không sản xuất isobutanol với số lượng lớn như E. coli. Tương tự như E. coli,
Bacillus subtilis có khả năng sản xuất Isobutanol từ lignocellulose, và có thể dễ dàng thao tác
bằng kỹ thuật di truyền phổ biến dẫn đến sản lượng cao hơn của isobutanol được sản xuất.
3.4.4 SACCHAROMYCES CEREVISIAE
Saccharomyces cerevisiae , hoặc S. cerevisiae là một loài nấm men. S. cerevisiae tự
nhiên sản xuất isobutanol với số lượng nhỏ thông qua con đường sinh tổng hợp valine. S.
cerevisiae là một ứng cử viên lý tưởng cho sản xuất nhiên liệu sinh học isobutanol vì nhiều lý
do. S. cerevisiae có thể được nuôi ở các cấp độ pH thấp, giúp ngăn ngừa ô nhiễm trong quá
trình tăng trưởng trong lò phản ứng công nghiệp. S. cerevisiae không thể bị ảnh hưởng bởi
khuẩn. Kiến thức khoa học sâu rộng về S. cerevisiae đã tồn tại từ lâu. Tuy nhiên nó rất khó
kiểm soát vì tính sinh học vốn có của nó. S. cerevisiaeis phức tạp về mặt di truyền hơn E. coli

hoặc B. subtilis , và là khó khăn hơn để thao tác di truyền.
S. cerevisiae có khả năng tự nhiên để sản xuất ethanol . Khả năng tự nhiên này có thể bị
" chế ngự " và do đó ức chế sản xuất isobutanol. S. cerevisiae không thể sử dụng chất thải để
sản xuất isobutanol. Có nghĩa là S. cerevisiae phải sử dụng chất thực vật dùng cho người để
sản xuất isobutanol . Điều này dẫn đến một mối quan hệ giá lương thực / nhiên liệu không
thuận lợi khi isobutanol được sản xuất bởi S. cerevisiae.
3.4.5 RALSTONIA EUTROPHA
Ralstonia eutropha là một loại vi khuẩn đất. Ralstonia eutropha có khả năng chuyển đổi
năng lượng điện thành isobutanol. Chuyển đổi này được hoàn thành trong một vài bước:
Cực dương được đặt trong một hỗn hợp của H 2O và CO2. Một dòng điện chạy qua các
cực dương, và thông qua một quá trình điện hóa H 2O và CO2 được kết hợp để tổng hợp acid
formic. Một chủng của Ralstonia eutropha (bao gồm một chủng chịu được điện) được lưu giữ
trong hỗn hợp H2O và CO2. Chủng của Ralstonia eutropha sau đó chuyển đổi acid formic từ
hỗn hợp sinh ra isobutanol biosynthesized. Các isobutanol biosynthesized sau đó được tách ra
từ hỗn hợp, và có thể được sử dụng như một nhiên liệu sinh học. Phương pháp này sản xuất
isobutanol cung cấp một cách để lưu trữ năng lượng hóa học được sản xuất từ nguồn bền vững.

24


Nhiên liệu mới - isobotanol
Chương 4.
ỨNG DỤNG VÀ PHỐI TRỘN ISOBUTANOL
4.1 TRONG CÁC NGÀNH CÔNG NGHIỆP
Isobutanol có một loạt các ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp như nguyên liệu trong sản
xuất isobutyl acetate, được sử dụng trong sản xuất sơn mài và sơn.
Trong ngành công nghiệp thực phẩm như một chất gia vị
Tiền thân của este phái sinh - Este isobutyl như diisobutyl phthalate (DIBP) được sử
dụng như chất làm dẻo trong nhựa, cao su.
Các dạng phân tán khác tiền thân của p-xylen, sử dụng cho sản xuất chai nhựa, dệt may

và quần áo, sơn dung môi, chất tẩy sơn, thành phần mực, sơn phụ gia, để giảm độ nhớt, cải
thiện độ bóng, và làm chậm quá trình hình thành dư lượng dầu (đỏ mặt) trên bề mặt sơn, phụ
gia xăng để làm sạch bộ chế hòa khí, phụ gia đánh bóng ô tô, phụ gia sơn ô tô sạch hơn, chiết
hóa chất trong sản xuất các hợp chất hữu cơ, pha động trong sắc ký lớp mỏng và một ứng dụng
đáng quan tâm là tiềm năng thay thế xăng
4.2 NHIÊN LIỆU THAY THẾ XĂNG
Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai. Isobutanol có thể được sử dụng thay thế nhiên liệu
sinh học cho xăng trong sản xuất dầu khí hiện nay. Isobutanol vẫn chưa được đưa vào sử dụng
chính như một nhiên liệu sinh học chỉ phục vụ như là một thay thế cho ethanol. Ethanol là
nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên, và được sử dụng chủ yếu làm chất phụ gia xăng trong sản
xuất dầu khí. Isobutanol là một nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai với một số phẩm chất mà giải
quyết các vấn đề vượt trội hơn hẳn ethanol. Đăc tình của Isobutanol tính làm cho nó trở thành
một nhiên liệu sinh học hấp dẫn, mật độ năng lượng tương đối cao, 98% so với xăng, không dễ
dàng hấp thụ nước từ không khí, ngăn chặn sự ăn mòn của động cơ và đường ống, có thể được
pha trộn với bất kỳ tỷ lệ nào với xăng, có nghĩa là nhiên liệu có thể "rơi vào" nền sản xuất dầu
khí hiện có như một nhiên liệu thay thế hoặc phụ gia lớn. Có thể được sản xuất từ nhà máy mà
không sử dụng nguồn cung cấp thực phẩm, ngăn chặn một mối quan hệ khủng hoảng giữa giá
nhiên liệu và lương thực.
Với đặc tính quan trọng là không hút nước, isobutanol có thể sử dụng lại toàn bộ cơ sở
hạ tần của công nghiệp hóa dầu, đây là một lợi thế rất lớn, khi tiết kiệm được chi phí vận
chuyển đường ống. và có thể phối trộn isobutanol ngay tại đầu nguồn.

25