Tổng hợp dầu nhờn sinh học từ mỡ cá da trơn bằng phản ứng epoxy hóa với h2o2 có hỗ trợ siêu âm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------  ---------

NGUYỄN THỊ HẢI YẾN

TỔNG HỢP DẦU NHỜN SINH HỌC TỪ MỠ CÁ DA TRƠN BẰNG
PHẢN ỨNG EPOXY HÓA VỚI H2O2 CĨ HỔ TRỢ SIÊU ÂM
Chun ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
Mã số: 60 52 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015


CƠNG TRÌNH Đ
Đ

1

: TS. Nguyễ Quố Thiế

2

: TS. L

ng Th Bích
Đ

,Đ Q

p

tháng 01 n m 2016.
p

:

1. Chủ t

:

PGS.TS. Ph
2. Ph bi 1:

Thành Quân

TS. Nguyễ Quố Thiế
3. Ph bi 2:

TS. L ng Th Bích
4. Uỷ viên:

TS. Ph
5. Th kí:

Th Hồng Anh

TS. Lê Xuân Tiế
ủ

ủ
.

Chủ t

PGS.TS. Ph

h

khoa

Thành Quân

PGS.TS. Phan Thanh S n Nam

25


Đ
QUỐ
A
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nguyễ Th H Yế .......................................MSHV:13051202 ............
,

,

Đaklak .............

1/11/1990 .............................................

Chuyên ngành: Kỹ Thu Hóa H

ố : 60 52 03 01.......

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

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Tổ h p d
tr siêu âm

nh

sinh h

từ mỡ cá da tr n bằ

ph

ứ

epoxy hóa v

H2O2 có hỗ

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu về ph n ứng tổng h p d u nh n sinh h c từ d u mỡ

-

Kh

-

Kh o sát ph n ứng m vòng epoxy v i ahydric acetic;

-

Kh o sát các tính ch

n epoxy hóa mỡ
ó

ặ

ng thực v t;

;
ủa d u nh n s n phẩm;

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015.....................................................................
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2015 ..................................................

IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Lê Th Thanh H

ng..................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(
)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(
)

TS. Lê Thị Thanh Hương

PGS.TS. Lê Thị Hồng Nhan

TRƯỞNG KHOA
(
)
PGS.TS. Phan Thanh Sơn Nam


LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, em xin cảm ơn cô T.S Lê Thị Thanh Hương là giáo viên hướng
dẫn của em. Cơ đã hướng dẫn, chỉ bảo em tận tình, giúp đỡ, giải thích thắc mắc và
động viên em ln cố gắng trong q trình hồn thành đề tài này.
Em cũng gửi lời cám ơn đến các quý Thầy/Cô thuộc Khoa Cơng Nghệ Hóa
Học Trường Đại Học Cơng Nghiệp TP.HCM đã tạo nhiều điều kiện cho em mượn
dụng cụ thí nghiệm cần thiết để hoàn thành luận văn và quý Thầy/Cơ Khoa Kỹ

Thuật Hóa Học cùng q Thầy/Cơ thuộc phịng Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại
Học Bách Khóa TP.HCM đã giảng dạy, hướng dẫn em tận tình.
Bên cạnh đó, em xin cảm ơn gia đình ln bên cạnh em, động viên em trong
những tháng học tập. Đồng thời cảm ơn những người bạn sẽ chia vui buồn và cùng
giúp nhau trong học tập.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại Học Bách
Khoa TP.HCM và Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi về cơ sở vật chất, trang thiết bị để em học tập.

i


TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “ Tổng hợp dầu nhờn sinh học từ mỡ cá da trơn” được tiến
hành tại trường đại học công nghiệp TP.HCM, thời gian từ tháng 6/2014 đến tháng
7/2015. Quy trình tổng hợp dầu nhờn sinh học từ mỡ cá da trơn gồm 2 giai đoạn:
1. Epoxy hóa nối đơi của mỡ cá da trơn với tác nhân H2O2/HCOOH sử dụng
xúc tác H2SO4.
2. Mở vòng epoxy bằng tác nhân (CH3CO)2O sử dụng xúc tác ptoluensunfonic axit.
Các phản ứng tổng hợp được khuấy trộn bằng hai phương pháp: khuấy trộn cơ
học truyền thống và khuấy trộn siêu âm.
Đề tài đã đạt được những kết quả sau:
1. Mỡ cá da trơn phần lỏng phù hợp làm nguyên liệu tổng hợp dầu nhờn sinh
học.
2. Đã tổng hợp được dầu nhờn sinh học từ mỡ cá da trơn bằng phương pháp
khuấy trộn cơ học và khuấy trộn bằng bức xạ siêu âm qua hai giai đoạn:
Giai đoạn 1
Giai đoạn 2
Epoxy hóa
Mở vịng epoxy

Thơng số phản ứng
Khuấy trộn Khuấy trộn Khuấy trộn cơ Khuấy trộn
cơ học
siêu âm
học
siêu âm
Tỷ lệ mol H2O2/C=C
4,0/1
4,0/1
Tỷ lệ mol HCOOH/C=C
1,5/1
1,5/1
Tỷ lệ mol H2SO4/C=C
0,255/1
Tỷ lệ khối lượng
1,5/1
1,5/1
(CH3CO)2O/epoxy
Tỷ lệ khối lượng
0,1125/1
0,10/1
PTSA/epoxy (wt)
Thời gian phản ứng
3 giờ
20 phút
5 giờ
60 phút
o
o
Nhiệt độ phản ứng

50 C
80 C
Công suất siêu âm
40 %
50 %
Thời gian on/off
25/5
30/5
Hiệu suất phản ứng
85 %
75 %
99 %
100 %
3. Bức xạ siêu âm có tác dụng làm giảm đáng kể thời gian phản ứng epoxy
hóa (từ 3 giờ cịn 20 phút) và phản ứng mở vòng epoxy (từ 5 giờ còn 60
phút).

ii


4. Đối với phản ứng epoxy hóa, khuấy trộn bằng bức xạ siêu âm không cần sử
dụng xúc tác H2SO4 như phản ứng khuấy trộn cơ học.
5. Sử dụng bức xạ siêu âm làm cho giai đoạn tách pha nhanh và đơn giản.
6. Sản phẩm dầu nhờn sinh học đi từ mỡ cá da trơn được tổng hợp bằng
phương pháp khuấy trộn cơ học và khuấy trộn bằng bức xạ siêu âm đã được
xác định cấu trúc hóa học qua việc phân tích FT - IR và 1H - NMR.
7. Sản phẩm dầu nhờn có độ bền nhiệt trong khoảng nhiệt độ 255 ÷ 320 (oC)
và bị phân hủy hồn tồn ở khoảng nhiệt độ 500 ÷ 600 (oC)
8. Các thơng số hóa lý đặc trưng của dầu nhờn sinh học đi từ mỡ cá da trơn
như chỉ số độ nhớt, độ nhớt động học 40 oC, độ nhớt động học 100 oC, độ

chớp cháy cốc hở tương đương với dầu nhờn bánh răng công nghiệp ISO
VG 1000.
Rearch project “The synthesis of Biolubricant from Catfish Fat” was
conducted at The Industrial University of Ho Chi Minh City, the period from
June/2014 to July/2015. This process involves two steps:
1. The preparation of epoxidized Catfish Fat with H2O2/HCOOH agents by
using H2SO4 catalysis.
2. Opening the epoxy ring with (CH3CO)2)O agent, we used ptoluensulforic acid catalysis.
The synthesis reactions were stirred by two methods: the traditional mixing
and the ultrasonic irradiation.
The study has achived the following results:
1. The liquid of Catfish Fat is considered raw meterials to synthesize
Biolubricants.
2. Biolubricants from Catfish Fat were synthesized by the traditional mixing
and ultrasonic irradiation via two steps:

Reaction conditions

H2O2/C=C of molar ratio
HCOOH/C=C of molar

First step: Epoxidation of
Catfish Fat
The
The
traditional
ultrasonic
mixing
irradiation
4,0/1

4,0/1
1,5/1
1,5/1

iii

Second step: Ring opening
reactions
The
The
traditional
ultrasonic
mixing
irradiation


Reaction conditions

First step: Epoxidation of
Catfish Fat
The
The
traditional
ultrasonic
mixing
irradiation

ratio
H2SO4/C=C of molar
ratio

(CH3CO)2O/epoxy of
weight ratio (wt)
PTSA/epoxy of weight
ratio (wt)
The reaction time
The reaction temperature
The ultrasonic power
The on/off time
Yield

Second step: Ring opening
reactions
The
The
traditional
ultrasonic
mixing
irradiation

0,255/1

3 hours
50 oC

20 minutes
40 %
25/5
75 %

85 %

1,5/1

1,5/1

0,1125/1

0,10/1

5 hours
80 oC

60 minutes

99 %

50 %
30/5
100 %

3. The ultrasonic radiation effects significantly, reducing the epoxidized
time (from 3 hours to 20 minutes) and the ring opening reaction (from 5
hours to 60 minutes).
4. For the epoxidized reaction, the ultrasonic irradiation doesn’t use H2SO4
acid catalysis as the traditional mixing.
5. Using the ultrasonic irradiation has rapidly the phase separation stage and
the simplicity.
6. These formations of the derivatives of epoxide of Catfish Fat by ring
opening was confirmed by FTIR and 1H-NMR spectral analysis.
7. Biolubricants have thermal stability data in the temperature range of 255

÷ 320 (oC) and they are decomposed completely in temperature range of
500 ÷ 600 (oC).
8. The chemical and physical properties of Biolubricants from Catfish Fat
such as: viscosity index, kinematic viscosity 40 oC, kinematic viscosity
100 oC, flash and fire points by Cleveland poen cup tester equal to
industrial gear lubricant ISO VG1000.

iv


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Hải Yến

v


MỤC LỤC
CHƯƠNG
TRANG
LỜI CÁM ƠN .............................................................................................................i
TÓM TẮT ................................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................v
MỤC LỤC .................................................................................................................vi
BẢNG CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ......................................................................................ix

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ ..........................................................................................1
Chương 2 TỔNG QUAN ..........................................................................................3
2.1.

Tổng quan về dầu nhờn khoáng ................................................................ 3

2.1.1. Lịch sử phát triển của dầu nhờn ................................................................ 3
2.1.2. Công dụng của dầu nhờn...........................................................................4
2.1.3. Thành phần của dầu nhờn khoáng ............................................................4
2.1.4. Sản xuất dầu gốc từ dầu mỏ ......................................................................5
2.1.5. Phân loại dầu nhờn ....................................................................................6
2.1.6. Các chỉ tiêu chất lượng của dầu nhờn .......................................................7
2.2.

Dầu nhờn sinh học ....................................................................................8

2.3.

Vấn đề nghiên cứu và sử dụng dầu nhờn sinh học ở Việt Nam..............16

2.4.

Tổng quan về mỡ cá da trơn....................................................................17

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................20
3.1.

Nguyên liệu .............................................................................................20

3.2.

Hóa chất, dụng cụ và thiết bị...................................................................20

3.3.

Phương pháp nghiên cứu.........................................................................21

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 26
4.1.

Kết quả phân tích nguyên liệu mỡ cá da trơn .........................................26

4.2.

Kết quả khảo sát phản ứng epoxy hóa ....................................................27

4.3.

Kết quả khảo sát phản ứng mở vòng epoxy ............................................35

4.4.

Kết quả phân tích FT – IR .......................................................................41

vi


4.5.

Kết quả 1H - NMR ..................................................................................42

4.6.

Kết quả phân tích TG/DTA .....................................................................43

4.7.

Kết quả phân tích các thơng số đặc trưng của dầu nhờn sinh học ..........44

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................47
PHỤ LỤC.. ...............................................................................................................50

vii


BẢNG CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT

THUẬT NGỮ TIẾNG VIẾT

FAME
TG
max
FID
MSD
PTSA
TLM
XT
ND

H
wt

Metyl este
Triglyxerit
Tối đa
Đầu dị ion hóa ngọn lửa
Đầu dị khối phổ

CTPT
ĐBSCL

p-toluensunfonic axit
Tỷ lệ mol
Xúc tác
Nhiệt độ phản ứng
Hiệu suất phản ứng
Khối lượng
Công thức phân tử
Đồng bằng sông Cửu Long

viii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 2.1. Phân phối thị trường dầu nhờn thế giới năm 2007 .....................................4
Hình 2.2. Cấu trúc các loại este của dầu nhờn sinh học ...........................................12
Hình 2.3. Hydro hóa chọn lọc của metyl este linolenic axit ....................................13

Hình 2.4. Phản ứng epoxy hóa dầu mỡ động thực vật .............................................13
Hình 2.5. Cơ chế phản ứng epoxy hóa dầu mỡ ........................................................14
Hình 2.6. Phản ứng phụ mở vịng epoxy khi có mặt xúc tác axit ............................15
Hình 2.7. Phản ứng mở vịng epoxy khi có mặt xúc tác axit ...................................15
Hình 2.8. Cá tra ........................................................................................................18
Hình 2.9. Cá basa......................................................................................................18
Hình 2.10. Quy trình sản xuất mỡ cá da trơn ở ĐBSCL ..........................................19
Hình 3. 1. Sơ đồ quy trình của phản ứng epoxy hóa khuấy trộn cơ học ..................21
Hình 3. 2. Hệ phản ứng siêu âm tổng hợp dầu nhờn sinh học .................................21
Hình 3. 3. Sơ đồ quy trình của phản ứng mở vịng epoxy khuấy trộn cơ học..........23
Hình 4.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol H2O2/C=C ........................................................28
Hình 4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol HCOOH/C=C ..................................................29
Hình 4.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol H2SO4/C=C ......................................................30
Hình 4.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng khuấy cơ học....................................30
Hình 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng khuấy cơ học .....................................31
Hình 4.6. Ảnh hưởng của cơng suất siêu âm (%) .....................................................32
Hình 4.7. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm (phút) ..................................................33
Hình 4.8. Ảnh hưởng của thời gian on/off siêu âm (giây) .......................................34
Hình 4.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng (CH3CO)2Oepoxy.................................35
Hình 4.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol PTSA/epoxy ..................................................36
Hình 4.11. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng khuấy cơ học..................................37
Hình 4.12. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng khuấy cơ học ...................................38
Hình 4. 13. Ảnh hưởng của cơng suất siêu âm .........................................................39
Hình 4. 14. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm ..........................................................40
Hình 4.15. Ảnh hưởng của thời gian on/off .............................................................40
Hình 4.16. Phổ FT-IR của mỡ cá, epoxy và dầu nhờn sinh học khuấy cơ ...............41
Hình 4.17. Phổ FT-IR của mỡ cá, epoxy và dầu nhờn sinh học siêu âm .................41
Hình 4.18. Phổ 1H - NMR của epoxy và dầu nhờn sinh học khuấy cơ ....................42
Hình 4.19. Phổ 1H - NMR của epoxy và dầu nhờn sinh học siêu âm ......................43
Hình 4.20. TG/DTA của dầu nhờn sinh học khuấy cơ .............................................43

Hình 4.21. TG/DTA của dầu nhờn sinh học siêu âm ...............................................44

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 2. 1. Thành phần axit béo chủ yếu của một số dầu mỡ .....................................9
Bảng 2. 2. Tính chất nhiên liệu của dầu mỡ động thực vật ......................................10
Bảng 2. 3. Cấu trúc của TG ảnh hưởng đến tính chất dầu nhờn sinh học ................11
Bảng 3. 1. Hóa chất sử dụng và các thông số kỹ thuật .............................................20
Bảng 3. 2. Các thông số phản ứng ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa epoxy .....22
Bảng 3. 3. Các thơng số phản ứng ảnh hưởng đến hiệu suất mở vòng epoxy..........22
Bảng 4. 1. Thành phần axit béo của mỡ cá da trơn ..................................................26
Bảng 4.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol H2O2/C=C ........................................................27
Bảng 4. 3. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol HCOOH/C=C .................................................28
Bảng 4.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol H2SO4/C=C .....................................................29
Bảng 4.5. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng khuấy cơ học ...................................30
Bảng 4.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng khuấy cơ học.....................................31
Bảng 4.7. Ảnh hưởng của công suất siêu âm ...........................................................32
Bảng 4.8. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm ............................................................33
Bảng 4.9. Ảnh hưởng của thời gian on/off siêu âm ..................................................34
Bảng 4.10. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng (CH3CO)2O/epoxy .............................35
Bảng 4.11. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol PTSA/epoxy ..................................................36
Bảng 4.12. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng khuấy cơ học .................................37
Bảng 4. 13. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng khuấy cơ học..................................37
Bảng 4. 14. Ảnh hưởng của công suất siêu âm ........................................................38
Bảng 4.15. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm ..........................................................39
Bảng 4.16. Ảnh hưởng của thời gian on/off .............................................................40

Bảng 4. 17. Kết quả phân tích các thơng số dặc trưng của dầu nhờn sinh học ........44

x


Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Đặc tính khó phân hủy của các loại dầu nhờn và mỡ bôi trơn hiện đang là
mối đe dọa đến việc ô nhiễm đất đai và các nguồn nước đặc biệt ở các khu đô thị và
công nghiệp. Dầu nhờn khoáng chỉ đạt 40 % yêu cầu phân hủy sinh học và các biện
pháp sử dụng phụ gia để tăng khả năng phân hủy sinh học đều chưa mang lại kết
quả như mong muốn. Đối phó với ngun nhân gây biến đổi khí hậu tồn cầu và sự
giới hạn của nguồn dầu khoáng, sử dụng dầu nhờn sinh học đi từ nguồn dầu mỡ
động thực vật đang được quan tâm nghiên cứu và phát triển sản xuất.
Dầu nhờn sinh học có khả năng tái tạo và tự phân hủy cao, độ nhớt ổn định,
điểm chớp cháy cao do đó an tồn trong tồn trữ và vận chuyển, thân thiện với môi
trường nhưng cao giá hơn so với dầu nhờn khoáng. Hơn một thập kỷ qua, những
tiến bộ của các ngành kỹ thuật đã cải thiện được công nghệ sản xuất nên dầu nhờn
sinh học đang dần dần trở thành sản phẩm cạnh tranh với dầu nhờn khoáng truyền
thống. Theo nghiên cứu mới nhất của Grand View Research, Inc. thị trường toàn
cầu của dầu nhờn sinh học dự kiến sẽ đạt 2.601,9 tỷ đô la vào năm 2020. Các tập
đồn dầu khí lớn như Shell, Exxon Mobil, Chevron và British Petroleum cũng bắt đầu
tham gia tài trợ cho các dự án nghiên cứu và phát triển sản phẩm dầu nhờn và mỡ bơi trơn
có nguồn gốc sinh học.

Hai xu hướng sản xuất dầu nhờn sinh học chủ yếu hiện nay trên thế giới là
trộn lẫn dầu mỡ động thực vật đã qua tinh luyện với các chất phụ gia làm tăng một
số tính năng bơi trơn đặc trưng hoặc biến tính hóa học các nối đơi của thành phần
axit béo có trong dầu mỡ động thực vật. Mặc dù được hỗ trợ bởi các chất phụ gia

nhưng việc sử dụng dầu mỡ động thực vật trực tiếp để bơi trơn khó cải thiện được
nhược điểm dễ bị oxy hóa và độ bền nhiệt kém vì mức độ khơng no cao của các loại
dầu mỡ. Các phương pháp hóa học được nghiên cứu và sử dụng nhiều hơn trong sản
xuất công nghiệp đối với các loại dầu mỡ khác nhau như dầu cọ, dầu dừa, dầu
jatropha, … bằng các phản ứng epoxy hóa, este hóa hoặc trao đổi este với các
polyol đã tăng được độ bền oxy hóa và đạt được một số tính năng ưu việt trong ứng
dụng của các loại dầu nhờn sinh học.
Ngày 20.11.2007, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số
177/2007/QĐ-TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học (NLSH) đến
năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”. Đây là định hướng đúng đắn trong việc tìm
kiếm và sử dụng nguồn nhiên liệu mới và sạch trong tương lai ở Việt Nam. Các tỉnh
Đồng bằng sơng Cửu Long là vùng có nhiều lợi thế triển khai sản xuất công nghiệp

1


các sản phẩm nhiên liệu sinh học vì có thế mạnh về nguồn nguyên liệu mỡ cá da
trơn rẻ tiền, dồi dào, sẵn có là phụ phẩm của ngành xuất khẩu phile cá da trơn đang
có xu hướng phát triển mạnh mẽ.
Mỡ cá da trơn có 18 thành phần béo từ C12:0 đến C24:0 trong đó thành
phần khơng no chiếm 49,71 % chủ yếu là axit oleic C18:1 chiếm (38.28 %), thành
phần no chiếm 47,15 % chủ yếu là axit palmitic C16:0 (34,22 %) và có 0,09 % axit
heptadecanoic C17:0. Với thành phần hóa học đặc trưng này, mỡ cá da trơn là
nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất dầu nhờn sinh học và mỡ bôi trơn ở Việt Nam.
Sản lượng cá da trơn đạt 1,5 triệu tấn năm 2010 và tăng lên 4,5 triệu tấn vào năm
2014 thu được khoảng 900.000 tấn mỡ cá. Việc nghiên cứu để có thể triển khai một
ngành công nghiệp sản xuất dầu nhờn từ mỡ cá da trơn ở ĐBSCL là một trong
những giải pháp khả thi cho Quyết định 674/QĐ-BNN-KHCN ngày 04/04/2014 của
Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn về việc phê duyệt Đề án khung sản phẩm
quốc gia “Sản phẩm cá da trơn Việt Nam chất lượng cao và các sản phẩm chế biến

từ cá da trơn”. Mặt khác, với nền kinh tế kém phát triển, lao động dư thừa nhiều ở
các vùng nơng thơn thì việc định hướng đầu tư vùng nguyên liệu kết hợp với sản
xuất là cơ hội tạo thêm việc làm, thúc đẩy kinh tế, tiết kiệm ngoại tệ do nhập khẩu
dầu nhờn và mỡ bôi trơn.
Do đó chúng tơi đã lựa chọn nghiên cứu đề tài “Tổng hợp dầu nhờn sinh học
từ mỡ cá da trơn”. Mục tiêu của đề tài là khảo sát các điều kiện của phản ứng tổng
hợp dầu nhờn sinh học từ mỡ cá da trơn bằng phương pháp khuấy trộn cơ học
truyền thống và khuấy trộn siêu âm.

2


Chương 2

TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan về dầu nhờn khoáng
2.1.1. Lịch sử phát triển của dầu nhờn
Dầu bôi trơn hay dầu nhờn đã được biết đến và sử dụng từ lâu. Chức năng cơ
bản của dầu nhờn là bôi trơn làm giảm ma sát và giải nhiệt. Cách đây khoảng 100
năm dầu nhờn vẫn còn là khái niệm rất mới. Máy móc chủ yếu được bơi trơn bằng
dầu mỡ lợn hoặc dầu ôliu. Khi ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ ra đời và phát
triển vượt bậc, phần lớn khối lượng cặn mazut khổng lồ từ các nhà máy chế biến
dầu trước đây thường bỏ đi đã được nghiên cứu xử lý thành dầu nhờn. Thời gian
đầu người ta pha tỷ lệ thấp dầu thực vật hay mỡ lợn với cặn dầu khống nhưng ít
lâu sau đó chỉ cặn dầu khống được dùng là nguyên liệu để sản xuất dầu nhờn.
Những cột mốc tiêu biểu trong lịch sử phát triển dầu nhờn khoáng là:
- Năm 1867, nhà bác học nổi tiếng D.I.Mendeleev là người đầu tiên đặt vấn
đề dùng cặn mazut để tạo ra dầu nhờn.
- Năm 1870 ở Crem (Nga), nhà máy Xakhanxkiđơ bắt đầu chế tạo dầu nhờn
chất lượng thấp từ dầu mỏ.

- Năm 1870 - 1871, Ragorzin đã xây dựng một xưởng thí nghiệm dầu nhờn
nhỏ.
- Năm 1876 - 1877, Ragorzin đã xây dựng nhà mấy công suất 100.000
put/năm đầu tiên trên thế giới chế biến dầu nhờn cho toa xe vào mùa hè và
mùa đông gồm dầu cọc sợi, dầu máy, dầu trục. Năm 1879, Ragorzin lại
cho ra đời thêm một nhà máy Conxtantinô chuyên sản xuất dầu nhờn xuất
khẩu. Năm 1880 - 1881, D.I.Mendeleev đã tham gia nghiên cứu ở nhà
máy sản xuất dầu nhờn này và chỉ đạo trực tiếp xây dựng nhiều cơ sở khoa
học của ngành sản xuất dầu nhơn.
Hiện nay, dầu nhờn có mặt trên tồn thế giới với nhiều loại sản phẩm đa
dạng về công dụng và đối tượng sử dụng. Dầu nhờn phát triển mạnh mẽ nhờ sự
cạnh tranh giữa các tập đoàn lớn và theo yêu cầu ngày càng cao của động cơ. Cùng
với sự phát triển của các ngành sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, nhu cầu về
dầu nhờn ngày càng tăng đặc biệt đối với các nền kinh tế mới trỗi dậy như Trung
Quốc, Ấn độ, Brazil, …. (Hình 2.1) [1].

3


Thế giới
cịn lại
23%

Tây Âu
12%

Châu Á
_ Thái
Bình
Dương

37%

Bắc Mỹ
28%

Hình 2.1. Phân phối thị trường dầu nhờn thế giới năm 2007

2.1.2. Công dụng của dầu nhờn
Dầu nhờn được dùng trong hầu hết trong các ngành công nghiệp với nhiều
công dụng khác nhau. Bôi trơn là công dụng quan trọng nhất của dầu nhờn bằng
biện pháp làm giảm ma sát tạo ra giữa các bề mặt ma sát một lớp chất bơi trơn, do
đó làm giảm tổn thất cơ giới trong động cơ và tăng hiệu suất có ích của động cơ.
Dầu nhờn có tác dụng hạn chế tối đa sự lan truyền các chất có tính axit sinh ra từ
các nhiên liệu chứa lưu huỳnh hoặc q trình oxi hóa dầu trong động cơ diesel. Sự
tiếp xúc các chi tiết máy với các tác nhân gây ăn mịn trong q trình hoạt động như
oxy, hơi nước, môi trường axit làm cho bề mặt vật liệu bị oxy hóa hay bị ăn mịn.
Dầu nhờn tạo ra một lớp màng mỏng phủ trên bề mặt các chi tiết ma sát của động
cơ có tác dụng chống ăn mòn đặc biệt đối với những bộ phận động cơ có độ ẩm cao.
Trong một số động cơ ơ tơ tại vị trí piston, dầu nhờn có khả năng bám dính và tạo
màng lấp kín các khe hở, bảo đảm quá trình làm việc bình thường cho thiết bị [1,2].

2.1.3. Thành phần của dầu nhờn khoáng
Dầu nhờn thương phẩm bao gồm hai hợp phần là dầu gốc và phụ gia. Tỷ lệ
chế biến từ dầu gốc và phụ gia quy định tính chất và phạm vi sử dụng của dầu nhờn.
Dầu gốc gồm có dầu gốc khống là sản phẩm một phân đoạn hoặc từ nhiều phân
đoạn khác nhau của quá trình chưng cất mazut, dầu gốc tổng hợp hay dầu gốc động
thực vật.
Phụ gia là những hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ được thêm vào dầu nhờn nhằm
cải thiện, nâng cao hoặc tạo ra những tính chất đặc trưng của dầu nhờn. Những tính
chất được yêu cầu đối với phụ gia dầu nhờn là: dễ hòa tan trong dầu, khơng hoặc ít

4


tan trong nước, không ảnh hưởng đến tốc độ nhũ hóa của dầu, khơng bị phân hủy
bởi nước và kim loại, không bay hơi ở điều kiện làm việc của động cơ, khơng làm
tăng tính hút ẩm của dầu nhờn, kiểm tra được hoạt tính hóa học, khơng độc, rẻ tiền,
dễ kiếm. Tùy theo tính năng, các loại phụ gia được sử dụng nhiều trong dầu nhờn
như phụ gia tăng chỉ số nhớt, phụ gia chống oxy hóa, phụ gia tẩy rửa, phụ gia phân
tán, phụ gia ức chế ăn mòn, phụ gia ức chế gỉ, phụ gia chống mài mịn, phụ gia biến
tính, giảm ma sát, phụ gia hạ điểm đông đặc, phụ gia ức chế tạo bọt. Phụ gia có thể
tác dụng với nhau và làm mất chức năng của dầu nhờn nhưng chúng cũng có thể tác
động tương hỗ với nhau tạo ra một tính năng mới hiệu quả hơn do đó việc phối trộn
các phụ gia cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng để loại trừ những hiệu ứng đối
kháng và nâng cao tính tác động tương hỗ [1,2,3].

2.1.4. Sản xuất dầu gốc từ dầu mỏ
Dầu gốc gồm có 2 lại: dầu gốc khống và dầu gốc tổng hợp. Dầu gốc khoáng
được tách ra từ giai đoạn chưng cất của nhà máy lọc dầu và sau một số q trình
biến đổi một số tính năng hoạt động của dầu nhờn được nâng cao để đáp ứng được
với điều kiện hoạt động đa dạng và khắc nghiệt của các loại động cơ. Cặn mazut là
nguyên liệu chính để sản xuất dầu nhờn gốc khống. Quy trình sản xuất dầu nhờn
gồm các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Chưng cất chân không dầu cặn mazut để tách các thành phần cất
có độ nhớt khác nhau: dầu cọc sợi nhẹ, dầu cọc sợi nặng, phân đoạn dầu nhẹ, dầu
phân đoạn nặng và cặn bitum.
Giai đoạn 2: Tiếp tục chiết tách bằng dung môi các cấu tử không mong muốn
chứa trong các phân đoạn dầu nhờn mà bằng phương pháp chưng cất chân không
loại ra không được nhằm cải thiện độ bền oxy hóa, tính chất nhớt và bền nhiệt.
Giai đoạn 3: Quá trình tách sáp để loại các parafin phân tử lớn và các

hydrocacbon có nhiệt độ nóng chảy cao và kém hòa tan trong dầu nhờn ở nhiệt độ
thấp. Có nhiều phương pháp để tách sáp như kết tinh hay dung môi chọn lọc.
Giai đoạn 4: Làm sạch bằng hydro nhằm chuyển hóa các hợp chất có nguyên
tố O, N và S thành nước, amoniac, sufuahydro. Xúc tác thường sử dụng là Coban –
Molipden. Các hydrocacbon thơm sẽ bị hydro hóa một phần thành naphtalen
[1,2,3].
Dầu gốc tổng hợp là dầu gốc được tổng hợp từ các phân tử hữu cơ có phân tử
lượng thấp hơn dầu khống. Dầu gốc tổng hợp có nhiều ưu điểm hơn dầu gốc
khống như khoảng nhiệt độ làm việc rộng, tính bền nhiệt cao, đặc biệt có một số
tính chất riêng như hồn tồn khơng cháy và có thể hịa tan trong nước. Dầu nhờn
gốc tổng hợp tuy còn rất mới nhưng được sử dụng nhiều trong một số ngành công

5


nghiệp quan trọng như quân sự, hàng không … Dầu gốc tổng hợp gồm các nhóm
hydrocacbon tổng hợp, nhóm dầu các este hữu cơ, nhóm dầu este photphat và nhóm
polyglycol [1,2,3].

2.1.5. Phân loại dầu nhờn
Có nhiều phương pháp phân loại dầu nhờn động cơ khác nhau nhưng phần
lớn đều dựa vào độ nhớt của dầu. Theo ý nghĩa sử dụng, dầu nhờn có 2 loại bơi trơn
(dầu động cơ) và khơng sử dụng cho mục đích bơi trơn (dầu cơng nghiệp). Dầu
động cơ chiếm một tỷ lệ khá lớn trong công nghiệp sản xuất dầu bôi trơn (40 %).

2.1.5.1. Phân loại dầu nhờn theo độ nhớt
Theo phương pháp này, các nhà sản xuất dầu nhớt thống nhất phân loại của
Hiệp hội kỹ sư ô tô Mỹ SAE (Society of Automotive Engineers). Cách phân loại
của SAE tùy thuộc vào sản phẩm dầu đó là đơn cấp hay đa cấp. Dầu đa cấp có độ
nhớt thỏa mãn ở nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau, còn dầu đơn cấp chỉ đáp ứng ở

một nhiệt độ nào đó.
Đối với dầu đa cấp, sau chữ SAE là các ký hiệu 5W, 10W hay 15W, 20W.
Những số đứng trước chữ “W” chỉ khoảng nhiệt độ mà loại dầu động cơ đó có độ
nhớt đủ để khởi động xe lúc lạnh. Để xác định nhiệt độ khởi động theo ký tự này,
chỉ cần lấy 30 trừ đi các số đó nhưng theo nhiệt độ âm. Ví dụ, dầu 10W sẽ khởi
động tốt ở âm 20 oC, dầu 15 W khởi động tốt ở âm 15 oC. Các loại dầu động cơ ở
các nước hàn đới thường là 5 W, 10 W, 15 W. Đa số dầu nhờn ở Việt Nam là loại
15 W hay 20 W. Mặc dù khơng có ý nghĩa quan trọng khi khởi động vì thời tiết ở
Việt Nam thường khơng q lạnh, nhưng để đạt được các yêu cầu khởi động lạnh,
các nhà sản xuất phải thêm vào các chất phụ gia nên dầu có số càng nhỏ thì giá dầu
càng cao. Đứng sau chữ “W” ở loại dầu đa cấp có thể là số 40, 50 hoặc 60. Đây là
ký tự dùng để chỉ khoảng độ nhớt ở 100 oC. Thông thường số càng lớn thì độ nhớt
càng lớn và ngược lại. Với những động cơ hoạt động ở vùng nhiệt độ cao, chỉ số
này phải cao trên 60. Do sự thay đổi nhiệt độ nên tùy thuộc mùa người ta thường
dùng loại 40 hoặc 50. Trong mùa đông, nhiệt độ động cơ thấp người ta sử dụng loại
dầu nhờn 30 hoặc 40 nhưng vào mùa hè, nhiệt độ động cơ cao nên có thể dùng loại
dầu 50. Do đặc tính của dầu đa cấp nên người ta thường gọi nó là “dầu bốn mùa”.
Khi có chữ “W”, chúng ta có thể hiểu nó dùng được cho cả mùa đơng và mùa hè.
Ngoài loại đa cấp, nhiều nhà sản xuất cho ra cả loại dầu đơn cấp và chỉ có ký
hiệu như SAE 40, SAE 50. Loại dầu này thường được dùng cho các loại đông cơ 2
kỳ, máy nông nghiệp, công nghiệp… [1,2,3]

6


2.1.5.2. Phân loại dầu theo tính năng
Phân loại theo tiêu chuẩn này, các nhà sản xuất thống nhất sử dụng tiêu
chuẩn của Viện dầu mỏ Mỹ API (American Petroleum Institute). API phân ra theo
cấp S (Service) dùng cho dầu nhờn động cơ xăng và C (Commercial) dùng cho
động cơ diesel. Với động cơ xăng, API phân ra nhiều loại với thứ tự tiến dần từ SA,

SB, SC đến SM. Với động cơ diesel, API chia thành CA, CC, CD tới CG, CH và
CI. Càng về sau, chất lượng sản phẩm càng tốt do các nhà sản xuất phải thêm vào
những chất phụ gia đặc biệt để thích nghi với những công nghệ động cơ mới [1,2,3].

2.1.6. Các chỉ tiêu chất lượng của dầu nhờn
Để đánh giá chất lượng, dầu nhờn phải được kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật cơ
bản sau:
Độ nhớt: là chỉ số đo khả năng sự chảy của dầu nhờn được xác định bằng tỷ
số giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt. Độ nhớt quá cao làm giảm tốc độ của trục và
tăng lượng tiêu hao nhiên liệu. Ngược lại, độ nhớt quá thấp làm tăng sự mài mịn
của động cơ. Do đó cần có sự phù hợp giữa độ nhớt với động cơ và điều kiện hoạt
động của chúng. Độ nhớt động học được đo ở 40 oC và 100 oC theo phương pháp
ASTM D445.
Chỉ số độ nhớt: là chỉ tiêu quan trọng đặc trưng cho đặc tính nhớt nhiệt của
dầu nhờn. Thơng số này phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ đo. Theo tiêu chuẩn
ASTM D2270, chỉ số độ nhớt được tính từ giá trị độ nhớt động học đo ở 40 oC và ở
100 oC. Chỉ số độ nhớt càng cao thì ảnh hưởng nhiệt độ lên độ nhớt động học càng
nhỏ.
Điểm chớp cháy: là nhiệt độ thấp nhất tại đó lượng hơi thoát ra trên bề mặt
dầu nhờn đủ để bắt cháy khi ngọn lửa đến gần. Dầu nhờn thường được xác định
điểm bắt cháy cốc hở theo tiêu chuẩn ASTM D92 và cốc kín theo tiêu chuẩn ASTM
D93. Phương pháp này được sử dụng để phát hiện một số lượng nhỏ các chất dễ bay
hơi trong dầu nhờn.
Điểm đông đặc: là chỉ tiêu cho biết tính chất chảy hay tính lưu động của dầu
nhờn ở nhiệt độ thấp. Khi nhiệt độ giảm xuống thì độ nhớt của dầu nhờn tăng lên
đột ngột làm cho tính lưu động giảm. Khi đạt tới nhiệt độ đơng đặc nó sẽ đơng đặc
lại hoặc khơng giữ được lâu dưới tác động của trọng lực. Điểm đông đặc cho biết
giới hạn nhiệt độ thấp nhất mà dầu nhờn có thể sử dụng được. Điểm đơng đặc của
dầu nhờn được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D97.
Tỷ trọng: là tỷ số giữa khối lượng riêng của một chất đã cho ở nhiệt độ quy

định (15 oC hay 20 oC) so với khối lượng riêng của nước nguyên chất ở nhiệt độ quy
định 15 oC hay 4 oC. Tỷ trọng và khối lượng riêng của một chất bằng nhau nếu khối

7


lượng riêng của nước bằng 1.Tỷ trọng được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D1298
bằng phương pháp tỷ trọng kế.
Ăn mòn tấm đồng: Nhiều loại dầu nhờn tiếp xúc với đồng hoặc kim loại
trong suốt thời gian hoạt động do đó cần phải xác định khả năng ăn mịn tấm đồng
của nhiên liệu. Chỉ tiêu này được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D130.
Hàm lượng tro và tro sunfat: Tro là phần cịn lại sau khi đốt cháy được tính
bằng phần trăm khối lượng các thành phần không thể cháy được trong nó sinh ra từ
phụ gia chứa kim loại từ các chất bẩn và mạt kim loại bị mài mịn. Đối với dầu
khơng phụ gia hoặc chứa phụ gia khơng tạo tro thì hàm lượng tro được xác định
theo tiêu chuẩn ASTM D482 trong đó thành phần tro thường là tạp chất hay do
nhiễm bẩn. Phương pháp này không áp dụng cho dầu có phụ gia, dầu chứa chì hoặc
dầu động cơ phế thải. Dầu có phụ gia cần xác định hàm lượng tro sunfat theo
ASTM D847.

2.2. Dầu nhờn sinh học
2.2.1. Khái niệm dầu nhờn sinh học
Dầu nhờn sinh học là chất bôi trơn được tổng hợp bằng các phương pháp hóa
học từ nguyên liệu dầu mỡ động thực vật, có thể tái tạo, dễ phân hủy sinh học và
khơng độc hại. Dầu nhờn sinh học có nhiều ưu điểm hơn so với dầu khống do đó
nó đang là đối tượng quan tâm nghiên cứu và triển khai sản xuất của các nhà khoa
học và cơng nghiệp. Có khả năng tái tạo là ý nghĩa lớn nhất của dầu nhờn sinh học
khi trữ lượng dầu mỏ trên thế giới được dự báo cạn kiệt trong tương lai gần. Ngoài
ra, các ưu điểm so với dầu khoáng của dầu nhờn sinh học là khả năng phân hủy sinh
học cao do đó làm giảm nguy cơ gây ơ nhiễm mơi trường, không chứa các hợp chất

thơm và khả năng bay hơi của dầu nhờn sinh học thấp hơn dầu khoáng đến 20 %
nên nó an tồn trong tồn trữ và vận chuyển, khả năng bơi trơn và bám dính tốt, chỉ
số độ nhớt cao hơn và nhiệt độ chớp cháy cao hơn do đó dầu nhờn sinh học làm
tăng tuổi thọ và khả năng chống ăn mòn của thiết bị, ...
Ngược lại dầu nhờn sinh học có một số nhược điểm như dễ bị oxi hóa do các
liên kết đơi trong mạch cacbon các thành phần axit béo trong phân tử triglyxerit,
khoảng nhiệt độ hoạt động hạn chế, độ bền nhiệt kém do đó hạn chế trong sử dụng
và tồn trữ, dễ bị thủy phân, tính chất nhiệt độ thấp kém, điểm chảy cao, khoảng độ
nhớt hẹp, hạn chế trong việc sử dụng phụ gia, dễ tạo cặn gây bít lưới lọc, đặc biệt
giá thành cao hơn so với dầu khoáng
Với những ưu điểm vượt trội đặc biệt về vấn đề môi trường, dầu nhờn sinh
học đang được quan tâm nghiên cứu và với sự phát triển của khoa học công nghệ
trong tương lai, dầu nhờn sinh học sẽ có khả cạnh tranh được với dầu khoáng.

8


2.2.2. Nguyên liệu tổng hợp dầu nhờn sinh học
Dầu nhờn sinh học thường được sản xuất từ các nguồn dầu mỡ động thực vật
là một nguồn nguyên liệu có thể tái tạo, dồi dào, sẵn có và đặc trưng cho từng vùng
mền lãnh thổ và quốc gia như dầu đậu nành và dầu thải (Mỹ), dầu cải, dầu hoa
hướng dương (châu Âu), dầu cọ, dầu dừa (Malaysia)…, mỡ động vật như mỡ bò
(Ireland), mỡ lợn, mỡ gia cầm, mỡ cá…

2.2.3.1. Thành phần hóa học và các đặc trưng nhiên liệu của dầu mỡ
Triglyxerit (TG) là thành phần chủ yếu chiếm khoảng 98 % trong các loại
dầu mỡ là. Ngoài ra cịn có axit béo tự do (FFA), nước, các hợp chất sterol và lipit
phospho, các chất màu, mùi, vitamin A và D, tạp chất. Dầu mỡ động thực vật thuộc
họ lipit, kỵ nước, tan hầu hết trong các dung môi khơng phân cực. Ở nhiệt độ
thường (25 oC) TG có dạng lỏng gọi là dầu hoặc dạng rắn gọi là mỡ. Thành phần

axit béo trong dầu mỡ có mạch cacbon từ 4 - 24, no và không no (từ 1 – 3 nối đơi)
(Bảng 2.1) [1,2]. Mỡ có mức độ no cao hơn dầu do đó có điểm nóng chảy và độ
nhớt cao hơn. Có hai loại dầu mỡ: ăn được như dầu cải, dầu dừa, dầu đậu phộng, …
và không ăn được như dầu thầu dầu, dầu hạt bông, dầu Jatropha….[3]
Bảng 2. 1. Thành phần axit béo chủ yếu của một số dầu mỡ
Thành phần axit béo (% khối lượng)
C18:3

Mức độ
khơng no
(%)

22,3

8,2

95,6

16,9

73,7

-

90,1

4,8

22,5

52,3

8,2

84,6

-

12-18

40-50

7-13

-

50-59

24-32

-

20-25

37-43

2-3

-

37-53

2,4

23,2

3,8

13

44,3

6,97

0,7

61,4

1,7

22,8

3,1

12,5

42,4

12,1

0,8

63

Dầu mỡ
C14:0

C16:0

C16:1

C18:0

C18:1 C18:2

Cải

-

3,5

-

0,9

64,4

Hoa hướng
dương

-

6,1

-

3,3

Đậu nành

-

10,6

Mỡ heo

1-2

28-30

Mỡ bị

3-6

Mỡ vàng
Mỡ nâu

Dầu mỡ động thực vật với nhiều thông số kỹ thuật tương tự như nhiên liệu
(Bảng 2.2) [4,5].

9


Bảng 2. 2. Tính chất nhiên liệu của dầu mỡ động thực vật
Dầu mỡ

Độ nhớt động
học, 38 oC
(cSt)

Bắp
Hạt bông
Hạt lanh
Đậu phộng
Cải
Nành
Hướng dương
Cọ

34,9
33,5
27,2
39,6
37,0
32,6
33,9
39,6

Nhiệt trị
(MJ/kg)

39,5
39,5
39,3
39,8
39,7
39,6
39,6

Điểm
đục
(oC)

Điểm
chảy
(oC)

Điểm
chớp cháy
(oC)

Tỷ
trọng

-1,1
1,7
1,7
12,8
-3,9
-3,9

7,2
31,0

-40,0
-15,0
-15,0
-6,7
-31,7
-12,2
-15,0

277
234
241
271
246
254
274
267

0,910
0,915
0,924
0,903
0,912
0,914
0,916
0,918

Dầu mỡ động vật có hầu hết các tính chất đặc trưng cho khả năng bơi trơn như

tính chất ma sát tốt, độ nhớt cao và độ bay hơi thấp. Độ nhớt của dầu mỡ cao hơn
các loại dầu khống gốc khơng có phụ gia do đó giảm sử dụng các chất phụ gia làm
tăng độ nhớt đắt tiền. Tuy nhiên khoảng độ nhớt của các loại dầu mỡ thay đổi hẹp
làm hạn chế lĩnh vực ứng dụng bôi trơn của chúng.
Các FFA sẽ gây ra quá trình ăn mịn thiết bị khi sử dụng dầu mỡ làm dầu
nhờn bôi trơn. Chỉ số axit (AV) đo lường hàm lượng của axit béo tự do có trong dầu
mỡ và được xác định bằng tiêu chuẩn ASTM D664, ASTM D974 hoặc AOCS Cd
3d-63. Chỉ số axit phụ thuộc vào loại dầu mỡ, mùa thu hoạch, quá trình ép chiết, tồn
trữ.
Chỉ số xà phịng hóa (SN) của dầu mỡ liên quan đến tất cả các dạng axit béo
(tự do hay este) được xác định theo iêu chuẩn như AOCS Cd 3c-9 và Cd 3d-76. Chỉ
số SN càng cao thì phần trăm liên kết este càng cao do đó làm tăng khả năng thủy
phân của dầu mỡ .
Chỉ số iod (IV) đo lường mức độ không no của dầu mỡ được xác định theo
tiêu chuẩn AOCS Cd 1d-92. Chỉ số IV đánh giá độ bền oxy hóa và tạo khả năng
polyme của dầu mỡ khi được sử dụng làm dầu nhờn.
Dầu mỡ động thực vật có tính chất ma sát bơi trơn vì có các nhóm chức este
trong mạch cacbon. Đầu phân cực của các TG gắn vào bề mặt kim loại hình thành
lớp màng đơn lớp rất mỏng bám chặt trên bề mặt kim loại và phần khơng phân cực
thì hướng ra phía ngồi bề mặt kim loại. Mạch cacbon CH2 của axit béo cung cấp
một bề mặt trượt có thể ngăn chặn tiếp xúc trực tiếp kim loại với kim loại. Chính
bản chất phân cực của các TG tạo ra khả năng bám dính tự nhiên tạo lớp màng

10


mỏng giữa bề mặt tiếp xúc của động cơ làm cho dầu mỡ có khả năng bơi trơn, giảm
ma sát, tản nhiệt trong quá trình động cơ hoạt động. Lớp màng này đặc biệt không
bị ảnh hưởng trong môi trường có nước.

2.2.3. Phương pháp tổng hợp dầu nhờn sinh học
Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng việc sử dụng trực tiếp dầu mỡ động thực vật
làm dầu nhờn bôi trơn gặp một số khó khăn trong q trình hoạt động của động cơ
như độ nhớt không cao, dễ bị oxy hóa hoặc polyme hóa trong tồn trữ và vận chuyển.
Phương pháp chuyển hóa hóa học dầu mỡ động thực vật thành dầu nhờn sinh
học nhằm cải thiện tính chất bơi trơn và các tính chất hóa lý của dầu mỡ động thực
vật khi sử dụng làm dầu nhờn (Bảng 2.3). Các phương pháp đang được quan tâm
nghiên cứu tập trung vào chuyển hóa nhóm carboxyl của axit béo hoặc liên kết đôi C=C- trong mạch cacbon. Liên kết đôi -C=C- giàu electron nên dầu mỡ dễ dàng
phản ứng với tác nhân ái điện tử (electrophile). 90 % các quá trình chuyển hóa dầu
mỡ động thực vật đều tập trung hầu hết vào vị trí este của các TG (phản ứng thủy
phân, trao đổi este, este hóa nội, ancol phân, xà phịng hóa) và khoảng 10 % là thực
hiện phản ứng ở nối đơi -C=C- (phản ứng oxy hóa, polyme hóa, sulpho hóa, hydro
hóa, epoxy hóa, halogen hóa,....).
Bảng 2. 3. Cấu trúc của TG ảnh hưởng đến tính chất dầu nhờn sinh học
Stt

Chuyển hóa hóa học

1

Độ phân nhánh cao

2

Tăng chiều dài mạch

3

Độ bão hịa thấp

4

Độ bão hịa cao

Tính chất vật lý
Tính chất nhiệt độ thấp tốt
Bền thủy phân cao
Chỉ số độ nhớt thấp
Chỉ số độ nhớt cao
Tính chất nhiệt độ thấp kém
Tính chất nhiệt độ thấp tốt
Bền oxi hóa hạn chế
Bền oxi hóa hạn chế
Tính chất nhiệt độ thấp kém

Phản ứng este hóa hoặc trao đổi este
Phản ứng trao đổi este hay este hóa thường sử dụng các xúc tác như ptoluene sulphonic axit (PTSA), H3PO4, H2SO4, NaOH, C2H5ONa, CH3ONa. Ngoài
ra, các xúc tác dị thể như thiếc oxalat (SnC2O4) hoặc nhựa trao đổi cation và xúc tác
enzym cũng được nghiên cứu và sử dụng. Dầu nhờn đi từ những phản ứng này có
nhiều ưu điểm như tính chất bơi trơn tốt, khả năng phân hủy sinh học cao, độ bền

11


nhiệt và khả năng chống phản ứng thủy phân cao, nhiệt độ chớp cháy cao, độ bay
hơi và điểm chảy thấp, chỉ số độ nhớt trung bình. Chi phí sản xuất cao và nguồn
nguyên liệu có giới hạn là những nhược điểm chính đã hạn chế sự phát triển của
phương pháp [3,4].
Dầu nhờn dạng este có thể là những mono este, dieste, este đa chức hay este
phức. Este đa chức được tổng hợp từ các polyol với hợp chất có nguyên tử cacbon

bậc 4(neopentylalcohols) như: neopentylglycol, trimetylolpropan và pentaerythritol.
Các sản phẩm loại này cho độ ổn định thông thường cao do sự vắng mặt của một
hydro ở vị trí  và sự hiện diện của nguyên tử cacbon trung tâm bậc 4. Các este
oligome hay este phức có thể được tạo ra bởi q trình este hóa của polyols với hỗn
hợp este của mono-, di-, và axit tricarboxylic. Ngoài ra, trong phản ứng trao đổi este
nội, các phân tử có thể giữ lại cấu trúc glycerine. Ví dụ phản ứng trao đổi phần còn
lại axit mạch dài của dầu hạt cải (C18) với phần cịn lại mạch có chiều dài trung bình
của dầu cọ (C8/C10/C12). Các phản ứng này được xúc tác bởi axit cũng như kiềm
(Hình 2.2) [1,2].

Hình 2.2. Cấu trúc các loại este của dầu nhờn sinh học

Hydro hóa chọn lọc
Hydro hóa liên kết đơi trong dầu mỡ thường được tiến hành trên quy mơ lớn.
Q trình này chủ yếu để cải thiện độ bền cũng như tăng điểm chảy của dẫn xuất
dầu mỡ khơng bão hịa. Trong sản xuất công nghiệp, xúc tác dị thể như xúc tác
mang (palladium trên than hoạt tính), xương xúc tác (Raney – Nickel) hoặc xúc tác
oxit kim loại được sử dụng phổ biến (Hình 2.3) [9].

12