Đánh giá phát thải pahs trên động cơ máy phát điện có tải sử dụng nhiên liệu biodiesel

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----o0o----

LÊ XUÂN VĨNH

ĐÁNH GIÁ PHÁT THẢI PAHs TRÊN ĐỘNG CƠ MÁY
PHÁT ĐIỆN CÓ TẢI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU
BIODIESEL

CHUYÊN NGÀNH
MÃ NGÀNH

:
:

CƠNG NGHỆ MƠI TRƯỜNG
608506

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013


 

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ
CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS.GVC. Tô Thị Hiền

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trần Tiến Khôi
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Hoàng Nghiêm
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 30 tháng 12 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS Nguyễn Đinh Tuấn
2. TS. Tô Thị Hiền
3. TS. Lê Hồng Nghiêm
4. TS. Trần Tiến Khơi
5. TS. Võ Thanh Hằng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


 

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ XUÂN VĨNH

MSHV: 11250538

Ngày, tháng, năm sinh: 10/08/1988

Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

Mã số : 60 85 06

I. TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá phát thải PAHs trên động cơ máy phát điện có tải sử
dụng nhiên liệu Biodiesel.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đề tài đo đạc phát thải PAHs từ máy phát điện sử dụng
nhiên liệu diesel và biodiesel dầu cọ. Qua đó, đề tài đánh giá sự phân bố của các PAHs
trong phát thải, hệ số phát thải PAHs của nguồn nhiên liệu mới - biodiesel và tìm ra tỉ
lệ phối trộn tối ưu của biodiesel trong nhiên liệu diesel.
II.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/01/2013

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Tô Thị Hiền

Tp. HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG
(Họ tên và chữ ký)


i
 

LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành luận án tốt nghiệp này, ngồi sự nỗ lực của bản thân, tơi đã nhận
được rất nhiều sự động viên, hỗ trợ và giúp đỡ từ thầy cơ, gia đình và các bạn bè.
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Tơ Thị Hiền.
Trong suốt q trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, cô đã luôn tin tưởng, tận tình giúp
đỡ, góp ý và tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt để em hoàn thành luận văn.
Tiếp đến tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Khoa Môi Trường, Đại Học
Bách khoa Tp.HCM đã tận tình giúp đỡ, dạy dỗ trong suốt một năm rưỡi học tập trên
giảng đường. Nhờ đó, tơi đã tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích, những kinh nghiệm
thực tế và cả những bài học thú vị trên đường đời cũng như công việc về sau.
Tôi xin chân thành cảm ơn các em Mai Xuân Thưởng, Từ Minh Khang và Đỗ
Quốc Việt,… Những người đã giúp đỡ và động viên tơi rất nhiều trong suốt thời gian
tơi hồn thành luận văn Thạc Sĩ.
Xin cám ơn giáo sư Norimichi Takenaka, giáo sư Yasuaki Maeda, trường Đại
Học Phủ Osaka, Nhật Bản, Ban lãnh đạo dự án JICA-VNU BIOMASS PROJECT đã
tạo mọi điều kiện để chúng tơi có thể hồn thành tốt nghiên cứu này.
Sau cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đối với gia đình, bạn bè và những
người thân đã luôn ủng hộ, động viên tinh thần giúp đỡ tơi vượt qua giai đoạn khó
khăn nhất trong học tập, cũng như trong cuộc sống.
 

 
 
 
 
 
 


ii
 

TÓM TẮT
Nghiên cứu thực hiện việc đo đạc và đánh giá hệ số phát thải bụi và PAHs từ máy phát
điện sử dụng nhiên liệu diesel và biodiesel dầu cọ. Việc khảo sát thực hiện ở các chế
độ không tải, tải 1.5 kW và tải 2.5 kW với các tỷ lệ phối trộn khác nhau của nhiên liệu
diesel và biodiesel dầu cọ (0%, 10%, 20%, 30%, 50%, 75% và 100% ứng với B0, B10,
B20, B30, B50, B75 và B100). Kết quả cho thấy nồng độ bụi phát thải từ động cơ giảm
khi tăng tỉ lệ biodiesel từ 0% lên 20%, và tăng khi tỉ lệ biodiesel tăng từ 20% lên 100%
do nồng độ các chất hữu cơ hòa tan trong bụi tăng khi tỉ lệ biodiesel trong nhiên liệu
tăng dần. Với tất cả các loại nhiên liệu, PAHs phát thải trong pha khí nhiều hơn pha
hạt, các hợp chất có nồng độ cao trong pha khí là Naphthalene, Fluorene, Phenanthrene
và Pyrene, trong pha hạt là Naphthalene, Phenanthrene và Fluorene. Xét về sự phân bố
của PAHs theo số vòng benzene, các PAHs có khối lượng phân tử nhỏ (2 – 3 vịng)
phân bố với tỷ lệ lớn trong cả pha khí và pha hạt (chiếm hơn 90% ở pha khí và 50% ở
pha hạt), các PAHs có khối lượng phân tử trung bình (4 vịng) phân bố chủ yếu trên
pha hạt và các PAHs có khối lượng phân tử lớn (5 – 6 vòng) chỉ phân bố trên pha hạt.
Kết quả tính tốn về hệ số phát thải PAHs (EFPAHs) cho thấy so với B0 thì mức giảm
lần lượt là 11.4%, 40.2%, 48.3%, 54.5%, 63.6% và 63.6% tương ứng với B10, B20,
B30, B50, B75 và B100 ở chế độ không tải. Nếu xét ở chế độ tải 1.5 kW, thì mức giảm
lần lượt là 12.4%, 30.9%, 44.1%, 47.2%, 54.4% và 79% so với B0 tương ứng với B10,

B20, B30, B50, B75 và B100. Cịn ở chế độ tải 2.5 kW thì giảm 25.6%, 48.5%, 37.8%,
44.6% và -273.9% tương ứng với B10, B20, B30, B50 và B75 so với B0. Sử dụng hệ
số độc hại tương đương để đánh giá độc tính của phát thải PAHs thông qua nồng độ
BaPeq. Nồng độ BaPeq giảm khi tăng tỉ lệ phối trộn biodiesel. Nghiên cứu đề xuất tỉ lệ
phối trộn tối ưu trong nhiên liệu là 20%.
Từ khóa: PAHs, biodiesel dầu cọ, máy phát điện


iii
 

ABSTRACT
This study evaluated PM and total PAHs emission factor from the exhaust of palmbiodiesel blends fueled on diesel generator. The testing was performed under an idling,
1.5 kW and 2.5 kW load state for mixing rate blends between diesel and biodiesel (B0,
B10, B20, B30, B50, B75 and B100). The results showed that PM emission decreased
as the palm-biodiesel blends increased from 0% to 20%, and increased as the palmbiodiesel blends increased from 20% to 100% because the soluble organic fraction of
PM emission was high in blends with high palm-biodiesel content. For all fuels, the
gas–phase PAHs emissions were higher than particle-phase PAHs emissions and the
most abundant PAH compounds from engine exhaust in gas-phase were Naphthalene,
Fluorene, Phenanthrene and Pyrene, and in particle-phase were Naphthalene,
Phenanthrene and Fluorene. As to the contribution of PAHs following a number of
benzene ring, the LMW-PAHs (2–3 rings) contributed more than 90% in gas-phase and
50% in particle-phase, the MMW-PAHs (4 rings) distributed mainly in particle phase
and the HMW–PAHs (5–6 rings) only distributed in particle phase. Calculated result
about PAHs emission factor (EFPAHs) shows the reduction fraction of EFPAHs from the
exhaust of diesel generator was 11.4%, 40.2%, 48.3%, 54.5%, 63.6% and 63.6% for
B10, B20, B30, B50, B75 and B100, respectively, compared with B0 in idling state and
in 1.5 kW load state shows the reduction fraction of EFPAHs from the exhaust of diesel
generator was 12.4%, 30.9%, 44.1%, 47.2%, 54.4% and 79% for B10, B20, B30, B50,
B75 and B100, respectively, compared with B0. In 2.5 kW load state shows the

reduction fraction of EFPAHs from the exhaust of diesel generator was 25.6%, 48.5%,
37.8%, 44.6% and -273.9% for B10, B20, B30, B50, B75 and B100, respectively,
compared with B0. Using the toxic equivalent factor to evaluate the toxicity of PAHs
emission through concentration of BaPeq (CBaPeq). Experimental results indicated that
CBaPeq decreased with increasing palm-biodiesel blends. The optimal mixing ratio of
BDF in the fuel which this study proposed is 20%.
Keywords: polycyclic aromatic hydrocarbons, Palm-biodiesel, diesel generator.

 


iv
 

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

LỜI CAM ĐOAN
Họ tên học viên: LÊ XUÂN VĨNH

MSHV: 11250538

Ngày, tháng, năm sinh: 10/08/1988

Nơi sinh: TPHCM

Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường

Mã số : 60 85 06

TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá phát thải PAHs trên động cơ máy phát điện có tải sử
dụng nhiên liệu Biodiesel.
Tơi xin cam đoan rằng, tất cả các số liệu, kết quả nêu trong Luận án này trung thực và
chưa ai công bố trong bất kì cơng trình nào khác.

Tp. HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2013 

Lê Xn Vĩnh


v
 

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. 1
TÓM TẮT ................................................................................................................... ii
ABSTRACT ............................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iv
MỤC LỤC................................................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG................................................................................................ viii
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... x
DANH MỤC VIẾT TẮT .......................................................................................... xii
MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 1
Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................... 2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................................... 2
Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 3
Phương pháp nghiên cứu............................................................................................. 3
Ý nghĩa khoa học ........................................................................................................ 3
Giá trị thực tiễn ........................................................................................................... 3
Nơi thực hiện đề tài ..................................................................................................... 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................... 5
1.1. Giới thiệu về động cơ diesel, nhiên liệu biodiesel, biodiesel dầu cọ ................. 5
1.1.1. Động cơ diesel ............................................................................................. 5
1.1.2. Nhiên liệu diesel .......................................................................................... 7
1.1.3. Nhiên liệu biodiesel dầu cọ.......................................................................... 8
1.2. Giới thiệu về hợp chất hydrocarbon thơm đa vòng.......................................... 10
1.2.1. Nguồn phát thải PAHs vào môi trường ..................................................... 13
1.2.2. Sự tồn tại của PAHs trong khí quyển ........................................................ 17
1.2.3. Các q trình biến đổi PAHs trong khí quyển........................................... 18
1.2.4. Tác động của PAHs đến sức khỏe con người ............................................ 20


vi
 

1.3. Nghiên cứu về phát thải PAHs từ động cơ diesel sử dụng nhiên liệu diesel và
biodiesel trên thế giới và Việt Nam .......................................................................... 22
1.3.1. Trên thế giới............................................................................................... 22
1.3.2. Ở Việt Nam ............................................................................................... 24
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 27
2.1. Quy trình lấy mẫu PAHs trong pha khí và pha hạt .......................................... 27
2.1.1. Tiền xử lý mẫu và bảo quản mẫu sau khi lấy ............................................ 27
2.1.2. Khảo sát hiện tượng “breakthrough” trong lấy mẫu PAHs pha khí .......... 28
2.1.3. Lấy mẫu PAHs từ phát thải máy phát điện diesel ..................................... 29
2.2. Quy trình phân tích mẫu................................................................................... 37
2.2.1. Thiết bị - dụng cụ - hóa chất ...................................................................... 37
2.2.2. Quy trình chiết tách PAHs trên giấy lọc .................................................... 38
2.2.3. Quy trình chiết tách PAHs trên PUF ......................................................... 39
2.2.4. Quy trình phân tích PAHs.......................................................................... 40
2.3. Kiểm sốt quy trình phân tích PAHs................................................................ 42

2.3.1. Dựng đường chuẩn..................................................................................... 42
2.3.2. Hiệu suất thu hồi ........................................................................................ 42
2.3.3. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng ................................................ 44
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................ 46
3.1. Khảo sát tốc độ lấy mẫu, suất tiêu hao nhiên liệu và lưu lượng khí thải ......... 46
3.1.1. Tốc độ lấy mẫu .......................................................................................... 46
3.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu và lưu lượng khí thải ........................................... 47
3.2. Phát thải bụi tổng của các nhiên liệu................................................................ 49
3.3. Nồng độ và sự phân bố của PAHs phát thải từ máy phát điện......................... 52
3.3.1. Nồng độ và sự phân bố PAHs trong pha khí từ phát thải của máy phát điện 53
3.3.2. Nồng độ và sự phân bố PAHs trong pha hạt từ phát thải của máy phát điện. 57
3.3.3. Hệ số phân bố khí – hạt của các PAHs trong phát thải.............................. 62


vii
 

3.3.4. Sự biến thiên nồng độ, hệ số phát thải PAHs theo tỉ lệ phối trộn của BDF
trong nhiên liệu ...................................................................................................... 65
3.3.5. Sự biến thiên nồng độ và hệ số phát thải PAHs theo tải trọng .................. 70
3.4. Đánh giá độc tính của PAHs phát thải từ nhiên liệu dựa trên BaP .................. 72
3.4.1. Đánh giá độc tính của PAHs phát thải từ nhiên liệu theo phân bố pha khí – hạt.75
3.4.2. Đánh giá độc tính của PAHs phát thải từ nhiên liệu theo tỉ lệ phối trộn BDF ... 76
3.4.3. Đánh giá độc tính của PAHs phát thải từ nhiên liệu theo tải trọng ........... 77
3.5. So sánh với các nghiên cứu khác ..................................................................... 77
3.6. Xác định tỉ lệ phối trộn tối ưu của biodiesel .................................................... 80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 82
Kết luận ..................................................................................................................... 82
Kiến nghị ................................................................................................................... 83
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC .................................................... 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 85
PHỤ LỤC.................................................................................................................. 92
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG..................................................................................... 104
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


viii
 

DANH MỤC BẢNG 
Bảng 1.1: Phân loại động cơ diesel theo tốc độ vòng quay ............................................ 5
Bảng 1.2: Thành phần acid béo trong dầu cọ.................................................................. 9
Bảng 1.3: Tính chất lý hóa của nhiên liệu diesel, dầu cọ và BDF dầu cọ .................... 10
Bảng 1.4: Một số thơng số hóa lý của PAHs ................................................................ 12
Bảng 1.5: Phần trăm của các hợp chất trong phát thải của động cơ diesel................... 15
Bảng 1.6: Hệ số phát thải PAHs của một số động cơ diesel......................................... 16
Bảng 1.7: Khả năng gây ung thư và gây đột biến gen của một số PAHs. .................... 20
Bảng 1.8: Tiêu chuẩn Euro áp dụng cho xe du lịch (đơn vị: g/kW. hr)........................ 22
Bảng 2.1: Tiêu chuẩn dầu diesel của SAIGONPETRO................................................ 29
Bảng 2.2: Thể tích nhiên liệu BDF và diesel trong các loại nhiên liệu ........................ 30

Bảng 2.3: Độ tinh khiết của sản phẩm BDF và một số tính chất của nhiên liệu .......... 31
Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật máy phát điện KAMA - KDE3500T .............................. 33
Bảng 2.5: Chương trình gradient pha động................................................................... 40
Bảng 2.6: Bước sóng kích thích và bước sóng phát xạ ứng với từng PAH .................. 41
Bảng 2.7: Kết quả HSTH PAHs trên giấy lọc............................................................... 43
Bảng 2.8: Kết quả HSTH PAHs trên PUF .................................................................... 44
Bảng 3.1: Mức giảm nồng độ bụi phát thải của các loại nhiên liệu so với B0 ở 3 chế độ
tải................................................................................................................................... 50
Bảng 3.2: Nồng độ và tỉ lệ PAHs phát thải trong 2 pha khí và pha hạt. ....................... 58
Bảng 3.3: Giá trị Kp × PM của các PAHs trong pha khí và pha hạt (m3/µg)................ 64
Bảng 3.4: Tổng nồng độ PAHs và hệ số phát thải PAHs của từng loại nhiên liệu thử
nghiệm ứng với các chế độ hoạt động khác nhau ......................................................... 68
Bảng 3.5: Phần trăm thay đổi của ∑CPAHs và EFPAHs của chế độ tải 1.5 và 2.5 kW so
với chế độ không tải. ..................................................................................................... 70
Bảng 3.6: Giá trị TEFs theo đề nghị của Nisbet và LaGoy .......................................... 73
Bảng 3.7: Giá trị CBaPeq và EFBaPeq của PAHs phát thải từ 7 loại nhiên liệu................. 74


ix
 

Bảng 3.8: Giá trị CBaPeq (µg/m3) của 2 pha khí và hạt của 7 loại nhiên liệu ................. 75
Bảng 3.9: So sánh với các nghiên cứu khác trên thế giới ............................................. 78


x
 

DANH MỤC HÌNH 
Hình 1.1: Cấu tạo buồng đốt của động cơ diesel ............................................................ 6

Hình 1.2: Chu kỳ hoạt động của động cơ 4 kỳ................................................................ 7
Hình 1.3: Cấu trúc phân tử của 15 PAHs điển hình...................................................... 11
Hình 1.4: Những dẫn xuất từ phản ứng quang hóa của AnT trong khí quyển.............. 18
Hình 1.5: Phân hủy quang hóa PAHs trên hạt bụi diesel mới hình thành .................... 19
Hình 2.1: Mơ hình lấy mẫu PAHs bằng denuder.......................................................... 29
Hình 2.2: Hệ thống lấy mẫu PAHs từ khí thải máy phát điện diesel ............................ 32
Hình 2.3: Cấu tạo mạch tải điện.................................................................................... 32
Hình 2.4: Ngun lí hoạt động của MFC...................................................................... 34
Hình 2.5: Mơ hình hiệu chỉnh lưu lượng dịng cho MFC ............................................. 34
Hình 2.6: Mass Flow Controller và hệ thống điều khiển. ............................................. 35
Hình 2.7: Mơ hình hệ thống chiết Soxhlet .................................................................... 40
Hình 2.8: Hệ thống máy sắc ký lỏng cao áp HPLC ...................................................... 41
Hình 2.9: Sắc kí đồ của 15 PAHs đang nghiên cứu...................................................... 42
Hình 3.1: Hệ số B% trung bình trong quá trình khảo sát tốc độ lấy mẫu ..................... 46
Hình 3.2: Suất tiêu hao nhiên liệu của 7 hỗn hợp nhiên liệu nghiên cứu. .................... 47
Hình 3.3: Tốc độ khí thải của động cơ khi sử dụng 7 loại nhiên liệu nghiên cứu. ....... 48
Hình 3.4: Nồng độ bụi phát thải khi sử dụng 7 loại nhiên liệu nghiên cứu .................. 51
Hình 3.5: Hệ số phát thải bụi khi sử dụng 7 loại nhiên liệu nghiên cứu....................... 52
Hình 3.6: Nồng độ PAHs trong pha khí từ phát thải của máy phát điện hoạt động ở chế
độ khơng tải................................................................................................................... 53
Hình 3.7: Nồng độ PAHs trong pha khí từ phát thải của máy phát điện hoạt động ở chế
độ tải 1.5 kW. ................................................................................................................ 54
Hình 3.8: Nồng độ PAHs trong pha khí từ phát thải của máy phát điện hoạt động ở chế
độ tải 2.5 kW. ................................................................................................................ 54
Hình 3.9: Phân bố của các PAHs trong phát thải pha khí............................................. 56


xi
 

Hình 3.10: Nồng độ PAHs trong pha hạt từ phát thải của máy phát điện hoạt động ở
chế độ không tải. ........................................................................................................... 59
Hình 3.11: Nồng độ PAHs trong pha hạt từ phát thải của máy phát điện hoạt động ở
chế độ tải 1.5 kW. ......................................................................................................... 59
Hình 3.12: Nồng độ PAHs trong pha hạt từ phát thải của máy phát điện hoạt động ở
chế độ tải 2.5 kW. ......................................................................................................... 60
Hình 3.13: Phân bố của các PAHs trong phát thải pha hạt. .......................................... 61
Hình 3.14: Sự thay đổi tổng nồng độ PAHs phát thải và hệ số phát thải PAHs ở chế độ
khơng tải theo %BDF.................................................................................................... 66
Hình 3.15: Sự thay đổi tổng nồng độ PAHs phát thải và hệ số phát thải PAHs ở chế độ
tải 1.5 kW theo %BDF. ................................................................................................. 66
Hình 3.16: Sự thay đổi tổng nồng độ PAHs phát thải và hệ số phát thải PAHs ở chế độ
tải 2.5 kW theo %BDF. ................................................................................................. 67
Hình 3.17: Sự thay đổi hệ số phát thải PAHs theo tải trọng của các loại nhiên liệu ........ 71


xii
 

DANH MỤC VIẾT TẮT
Ace

: Acenaphthene

AnT

: Anthracene

AR

: Analytical Reagent – Hóa chất dùng cho phân tích

ATSDR

: Agency for Toxic Substances and Disease Registry

Cơ quan Đăng ký các Độc chất và Bệnh tật
BaA

: Benzo[a]anthracene

BaP

: Benzo[a]pyrene

BaPeq

: Hệ số độc hại tương đương tính theo BaP

BbF

: Benzo[b]fluoranthene

BDF

: Biodiesel fuel – Nhiên liệu sinh học

BghiP

: Benzo[g,h,i]perylene

BkF

: Benzo[k]fluoranthene

Chr

: Chrysene

CN

: Cetane number – Chỉ số cetane

DahA

: Dibenzo[a,h]anthracene

DO

: Diesel Oil – Nhiên liệu diesel

ĐH KHTN

: Đại học Khoa Học Tự Nhiên

EF

: Emission factor – Hệ số phát thải

Flu

: Fluorene

Fluo

: Fluoranthene

HMW- PAHs : High Molecular Weights – Nhóm PAHs có khối lượng phân tử lớn
HPLC

: High Performance Liquid Chromatography – Sắc ký lỏng cao áp

HSTH

: Hiệu suất thu hồi

InP

: Indeno[1,2,3-cd]pyrene

LMW- PAHs : Low Molecular Weights – Nhóm PAHs có khối lượng phân tử thấp
MFC

: Mass Flow Controller


xiii
 

MeOH

: Methanol

MMW- PAHs : Medium Molecular Weights – Nhóm PAHs có khối lượng phân tử
trung bình.
Naph

: Naphthalene

PAHs

: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons – Hydrocarbon thơm đa vòng

Phe

: Phenanthrene

PM

: Particulate matter – Bụi lơ lửng

PUF

: Polyurethane foam

Pyr

: Pyrene

rpm

: round per minute – vòng/phút

RSD

: Relative Standard Deviation – Độ lệch chuẩn tương đối

SD

: Standard Deviation – Độ lệch chuẩn

SOF

: Soluble organic fraction – Hợp phần hữu cơ hòa tan

TEFs

: Toxic Equivalency Factors – Hệ số độc tương đương

Tp.HCM

: Thành phố Hồ Chí Minh

WHO

: World Health Organization – Tổ chức Y Tế Thế giới


1
 

MỞ ĐẦU
Trong q trình cơng nghiệp hóa-hiện đại hóa, Việt Nam đã đạt được những thành
tựu to lớn. Tuy nhiên, cùng với đó là vấn đề mơi trường phát sinh, ảnh hưởng mạnh mẽ
đến sức khỏe con người. Hiện nay vấn đề ơ nhiễm khơng khí ở các đơ thị Việt Nam
ngày càng trở nên trầm trọng. Theo báo cáo của “The Environmental Performance
Index - Chỉ số hiệu suất môi trường” gọi tắt là EPI 2012 - do trung tâm nghiên cứu
thuộc trường Đại học Yale và Columbia phối hợp cùng với diễn đàn kinh tế thế giới
(WEF) thực hiện thì Việt Nam nằm trong top 10 quốc gia ơ nhiễm khơng khí nhất thế
giới. Trong đó, thành phố Hồ Chí Minh là một trong những điểm nóng mơi trường đặc
biệt là ơ nhiễm khơng khí. Khơng khí là yếu tố vô cùng quan trọng đối với sự sống của
con người cũng như toàn bộ sinh quyển trên Trái Đất. Tuy nhiên, ơ nhiễm khơng khí
đang ngày càng trở thành vấn đề đáng lo ngại, đe dọa tới môi trường sống của con
người và toàn bộ các hệ sinh thái trên Trái Đất [1]. Một trong những nguồn gây ô
nhiễm khơng khí chủ yếu trên thế giới và cả ở Việt Nam bắt nguồn từ giao thông với
việc sử dụng các động cơ đốt trong là nguyên nhân chính. Nhiều nghiên cứu dịch tễ
học trên công nhân, người lao động phơi nhiễm trực tiếp với khí thải động cơ đã cho
thấy rằng họ có nguy cơ mắc các bệnh về đường hô hấp đặc biệt là ung thư phổi cao
hơn nhiều so với người thường [31], [38], [58]. Phát thải của động cơ đốt trong bao
gồm các khí CO, SO2, NOx, hợp chất CxHy,… đều có ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe
con người. Trong đó, phải kể đến nhóm các hợp chất chứa vòng benzene (bao gồm
benzene, toluene, 1,3-butadiene, …).
Hiện nay, tại Việt Nam có rất nhiều nghiên cứu về phát thải khí CO, SO2, NOx và hợp
chất CxHy từ động cơ đốt trong và các phương pháp giảm thiểu chúng tại nguồn. Tuy
nhiên, các hợp chất hydrocarbon thơm đa vịng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon –
PAHs), nhóm chất sinh ra do q trình đốt cháy khơng hồn tồn và có khả năng gây
ung thư cho con người ở nồng độ nhỏ rất ít được quan tâm tại Việt Nam và hầu như
chưa có một nghiên cứu về PAHs từ phát thải của động cơ đốt trong, thậm chí ở các

2
 

vùng tập trung nhiều hoạt động công nghiệp và giao thơng như thành phố Hồ Chí
Minh. Do đó, rất khó khăn trong việc kiểm sốt ơ nhiễm nếu như khơng có một tiêu
chuẩn về khí thải động cơ. Vì vậy, việc nghiên cứu xác định nồng độ PAHs trong khí
thải của động cơ là một vấn đề rất bức thiết.
Hơn nữa, giá nhiên liệu ngày càng tăng cùng với sự khan hiếm nguồn nhiên liệu
hóa thạch trong những năm gần đây đã kích thích con người tìm kiếm một nguồn nhiên
liệu mới. Trong các lựa chọn đó thì biodiesel ngày càng được xem là sự thay thế tiềm
năng cho các loại nhiên liệu gây ô nhiễm cao thông thường. Tuy nhiên, cũng cần có
thêm nhiều nghiên cứu để đánh giá việc sử dụng nhiên liệu biodiesel liệu có ảnh hưởng
tiêu cực đến chất lượng khơng khí vốn đang ngày càng ô nhiễm ở Việt Nam hay không,
cũng như hiệu quả về mặt kinh tế cũng như năng lượng mà biodiesel đem lại so với
diesel.
Kết hợp từ nhu cầu nghiên cứu về thành phần các khí phát thải đặc biệt là PAHs từ
động cơ diesel sử dụng nhiên liệu là dầu diesel, biodiesel dầu cọ mà đề tài: “Đánh giá
phát thải PAHs trên động cơ máy phát điện có tải sử dụng nhiên liệu biodiesel”
được thực hiện.
Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài đo đạc phát thải PAHs từ máy phát điện sử dụng nhiên liệu diesel và
biodiesel dầu cọ. Qua đó, đề tài đánh giá sự phân bố của các PAHs trong phát thải, hệ
số phát thải PAHs của nguồn nhiên liệu mới - biodiesel và tìm ra tỉ lệ phối trộn tối ưu
của biodiesel trong nhiên liệu diesel.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: PAHs từ phát thải của động cơ diesel chạy bằng hỗn hợp
nhiên liệu biodiesel và diesel ở các tỉ lệ phối trộn khác nhau.
- Phạm vi nghiên cứu: đề tài đo đạc phát thải PAHs từ máy phát điện diesel ở điều
kiện không tải, tải 1.5 kW và tải 2.5 kW, ở các tỉ lệ phối trộn 0%, 10%, 20%, 30%,
50%, 75% và 100% biodiesel dầu cọ.

3
 

Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát quá trình lấy mẫu PAHs từ phát thải của động cơ máy phát điện ở các
tỉ lệ phối trộn dầu DO và BDF và ở các chế độ tải khác nhau.
- Khảo sát quá trình xử lý mẫu và phân tích mẫu PAHs.
- Đánh giá mức độ ô nhiễm PAHs và bụi trong phát thải của động cơ đốt trong.
- Dự đoán nguồn gốc của PAHs trong khơng khí từ nồng độ các PAH xác định
được.
Phương pháp nghiên cứu
Sáu mươi mẫu bụi và sáu mươi mẫu PUF được lấy từ phát thải của 7 nhiên liệu
biodiesel từ dầu cọ và diesel ở các tỉ lệ phối trộn khác nhau. PAHs trong bụi được chiết
bằng dung môi benzene:ethanol (3:1) và làm sạch bằng chiết lỏng lỏng. PAHs trong
PUF được chiết soxhlet bằng hỗn hợp dung mơi n-hexane và diethyl ether trong 16
tiếng. Sau đó, nồng độ PAHs được xác định bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp với
đầu dò huỳnh quang, pha động là hỗn hợp dung môi metanol và nước.
Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu xác định được sự thay đổi của nồng độ bụi và PAHs theo tỉ lệ phối trộn
của biodiesel. Qua đó, rút ra kết luận về ảnh hưởng của biodiesel lên nồng độ các chất
này trong khí thải, giải thích cơ chế hình thành cũng như phân bố của PAHs trong khí
thải cũng như khơng khí chung quanh.
Giá trị thực tiễn
Nghiên cứu đề xuất tỉ lệ phối trộn tối ưu của biodiesel trong diesel dựa trên kết quả
thu được. Dựa trên những lợi ích về mặt mơi trường cũng như kinh tế của nhiên liệu có
phối trộn biodiesel giúp xã hội nhận thức được tầm quan trọng của biodiesel và thay
thế dần nhiên liệu hóa thạch bằng các nhiên liệu có nguồn gốc sinh học. Qua đó, trong
tương lai khơng xa, sẽ giúp cải thiện tình hình ơ nhiễm khơng khí nói riêng và ơ nhiễm

4
 

mơi trường nói chung do việc khai thác, vận chuyển và sử dụng các nguồn nhiên liệu
hóa thạch gây ra.
Nơi thực hiện đề tài
Mơ hình lấy mẫu PAHs từ máy phát điện được thực hiện tại phịng thí nghiệm
Cơng nghệ Môi Trường, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, cơ sở Linh Trung - Thủ
Đức.
Phân tích mẫu thực hiện tại Phịng thí nghiệm Phân tích Mơi trường, Khoa Mơi
Trường, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Tp. Hồ Chí Minh.


5
 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu về động cơ diesel, nhiên liệu biodiesel, biodiesel dầu cọ

1.1.1. Động cơ diesel
Động cơ diesel là một loại động cơ đốt trong hoạt động theo nguyên tắc nhiên liệu
tự bốc cháy khi phun vào buồng đốt chứa khơng khí bị nén đến áp suất và nhiệt độ đủ
cao.
Động cơ diesel do kỹ sư người Đức, Rudolf Diesel phát minh vào năm 1892 và
được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như dùng làm động cơ cho ô tô vận tải, đầu
máy xe lửa, tàu thủy, máy nông nghiệp, máy phát điện… Động cơ diesel được sản xuất

thành nhiều loại: với kích thước, cơng suất, tốc độ khác nhau và có thể được chia thành
3 nhóm như Bảng 1.1.
Bảng 1.1: Phân loại động cơ diesel theo tốc độ vịng quay
Loại
Tốc độ thấp
Tốc độ trung
bình
Tốc độ cao

Tốc độ
(rpm)
< 375

375 - 1000

>1000

Điều kiện vận hành

Phạm vi sử dụng

Tải trọng lớn, tốc độ

Máy đẩy tàu thủy, máy

không đổi.

phát điện.

Tải trọng khá cao, tốc

độ tương đối ổn định.

Máy phụ của tàu thủy,
máy phát điện cố định,
bơm.

Tốc độ và tải trọng

Giao thông vận tải, xe

thay đổi.

lửa, máy xây dựng.

Động cơ diesel có nhiều ưu điểm được thể hiện qua các thơng số sau:
- Động cơ diesel có tỉ số nén cao hơn so với động cơ xăng, nên cho công suất lớn
hơn khi sử dụng cùng một lượng nhiên liệu.
- Nhiên liệu diesel rẻ tiền hơn xăng do không phải qua các q trình sản xuất.
- Khí thải động cơ diesel khơng độc hại bằng khí thải động cơ xăng, do nhiên liệu
diesel khơng cần có phụ gia [9].


6
 

Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý hoạt động của động cơ diesel là dựa trên nhiệt nén làm bốc cháy nhiên
liệu. Khi khơng khí được nén tới áp lực 41.5 – 45.5 kg/cm2, nhiên liệu được tiêm vào
buồng đốt. Tại áp lực này nhiệt độ trong buồng nén đạt ít nhất là 500oC, nhiệt độ này
đủ làm bốc cháy nhiên liệu và khí dãn nở làm tăng áp lực trên 70 kg/cm2. Áp lực này

tác động lên piston và làm động cơ chuyển động [9].

Hình 1.1: Cấu tạo buồng đốt của động cơ diesel
Hoạt động của động cơ diesel thực hiện theo 4 chu kỳ: nạp (hút), nén, cháy và giãn
nở và thải (xả). Khi piston đi từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD),
van nạp mở ra, không khí được hút vào xylanh, sau đó van nạp đóng lại, piston lại đi từ
ĐCD lên ĐCT thực hiện quá trình nén khơng khí. Do bị nén, áp suất tăng dẫn đến nhiệt
độ trong buồng đốt có thể tăng lên đến 500 - 7000C. Khi piston đến gần ĐCT, nhiên
liệu được phun vào buồng đốt (nhờ bơm cao áp) dưới dạng sương và được phối trộn
với khơng khí. Sau đó, hỗn hợp giữa nhiên liệu và khơng khí sẽ tự bốc cháy ở nhiệt độ


7
 

cao. Áp suất tăng mạnh đẩy piston từ ĐCT xuống ĐCD thực hiện q trình giãn nở
sinh cơng có ích và truyền qua hệ thống thanh truyền làm chạy máy. Piston lại đi từ
ĐCD lên ĐCT để thải sản phẩm cháy ra ngoài qua van thải và tiếp tục thực hiện quá
trình mới [9].
Chu kỳ hoạt động của động cơ diesel 4 kỳ có thể được tóm tắt như Hình 1.2

Hình 1.2: Chu kỳ hoạt động của động cơ 4 kỳ
1.1.2. Nhiên liệu diesel
Nhiên liệu diesel (DO - Diesel Oil) là một loại nhiên liệu lỏng, nặng hơn dầu lửa
và xăng, được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gasoil và là sản phẩm của quá trình
chưng cất trực tiếp từ dầu thô lấy phân đoạn nhiệt độ sôi từ 250oC đến 350oC.
Thành phần hóa học chính của nhiên liệu diesel là các n-parafin, iso-prafin và rất ít
hydrocarbon thơm. Ngồi hydrocarbon hai vịng cịn có những chất có ba vịng và hỗn
hợp phức tạp khác. Nồng độ lưu huỳnh chủ yếu ở dạng disulfur dị vòng, các chất chứa
oxy ở dạng acid naphthenic và các dạng phenol như dimethylphenol .

Để đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel, người ta sử dụng đại
lượng trị số cetane. Trị số cetane là đơn vị đo quy ước cho khả năng tự bắt lửa của
nhiên liệu diesel, là một số nguyên, có giá trị đúng bằng giá trị của hỗn hợp chuẩn có
cùng khả năng tự bắt cháy. Hỗn hợp chuẩn này gồm 2 hydrocarbon: n-cetane (C16H34)
quy định là 100 có khả năng tự bắt cháy tốt và -methylnaphlen (C11H10) quy định là 0,
có khả năng tự bốc cháy kém.
Để đánh giá chất lượng của nhiên liệu diesel ngoài trị số cetane người ta còn sử
dụng hàng loạt các thông số khác như: tỉ trọng, độ nhớt, nồng độ lưu huỳnh, nhiệt độ
chớp cháy [9].


8
 

1.1.3. Nhiên liệu biodiesel dầu cọ
Biodiesel hay còn gọi là “diesel sinh học” (viết tắt là BDF) là những monoalkyl
của các acid béo thu được từ nguyên liệu ban đầu là chất béo (dầu thực vật hoặc mỡ
động vật). “Bio” chỉ nguồn gốc sinh học của nhiên liệu này, trái ngược với nhiên liệu
diesel từ dầu mỏ, cịn “diesel” nói lên cơng dụng của nó là sử dụng làm nhiên liệu cho
động cơ diesel. Do đó, BDF có thể dùng ở dạng nguyên chất hay phối trộn với dầu DO
ở những tỉ lệ thể tích khác nhau [41]. Hiện tại, biodiesel được xem là nhiên liệu thay
thế nhiên liệu hóa thạch do những đặc tính hóa lý của nó tương thích với nhiên liệu
diesel, những lợi ích về mơi trường và “khả năng tái tạo” chu trình carbon khép kín của
nó. Hiện nay, trên thế giới nguồn nguyên liệu chủ yếu để tổng hợp BDF là dầu thực vật
(dầu đậu nành, dầu hạt hướng dương, dầu cọ, dầu hạt nho, dầu dừa, dầu mè,…), mỡ
động vật (mỡ cá, mỡ gia súc, dầu mỡ phế thải). Trong đó, BDF được tổng hợp từ dầu
cọ chiếm hơn 40% tổng BDF được sản xuất từ các nguồn khác nhau.
1.1.3.1. Dầu cọ
Dầu cọ được sản xuất từ cây cọ dầu thuộc họ cau (Elaeis). Cọ dầu có hai lồi với
tên khoa học là Elaeis guineensis (có nguồn gốc từ miền tây Châu Phi) và Elaeis

Oleifera (có nguồn gốc từ Trung và Nam Mỹ). Chi cọ dầu Elaeis thuộc họ Arecaceae,
bộ Arecales, lớp Liliopsida, ngành Magnoliophyta. Cây cọ dầu trưởng thành có thể cao
20 m. Lá thuộc loại lá lông chim, dài từ 3 – 5 m. Hoa mọc thành cụm; mỗi hoa có ba
đài hoa và ba cánh hoa. Cọ dầu được trồng để lấy các buồng quả. Sau thu hoạch, buồng
quả (cùi thịt, hạt) được dùng để sản xuất xà phòng và dầu thực vật trong thực phẩm và
làm nhiên liệu để sản xuất BDF. Mỗi hecta cọ dầu được thu hoạch quanh năm sẽ cho
khoảng 10 tấn quả, từ đó có thể sản xuất được 3 tấn dầu cọ từ vỏ quả và 250 kg dầu cọ
từ hạt và 500 kg bã hạt. Bã được dùng làm thức ăn cho gia súc, gia cầm. Dầu cọ giàu
vitamin K và vi lượng magnesium ở dạng dễ tiêu hoá. Dầu cọ chứa khoảng 43% chất
béo no, 43% chất béo chưa no đơn chức và 13% chất béo chưa no đa chức [14].


9
 

Hiện tại, Malaysia là nước trồng nhiều cọ dầu nhất trên thế giới, diện tích trồng cọ
dầu trên 20 000 km2 với sản lượng 3.7 triệu tấn/năm. Lượng dầu cọ do Malaysia xuất
khẩu năm 1995 là 2.9 triệu tấn/năm (chiếm 51% tổng sản lượng dầu cọ của toàn thế
giới) [8].
Bảng 1.2: Thành phần acid béo trong dầu cọ [59]
Tên acid

Công thức hóa học

Tỉ lệ (%)

Palmitic

CH3(CH2)4COOH

40.3

Stearic

CH3(CH2)16COOH

3.1

Oleic

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

43.4

Linoleic

CH3(CH2)4CH=CH-CH2-CH=CH(CH2)7COOH

13.2

Acid béo no

43.4

Acid béo khơng no

56.6

1.1.3.2. Một số tính chất của nhiên liệu biodiesel dầu cọ
Kết quả nghiên cứu cho thấy một số tính chất của BDF dầu cọ sau phản ứng

transester hóa thích hợp cho động cơ diesel hơn dầu cọ thô. Độ nhớt của sản phẩm
giảm khoảng 82% so với dầu thô khi mới ép, tỉ trọng gần bằng với tỉ trọng của nhiên
liệu diesel và thấp hơn dầu thô ban đầu và acid béo tự do và chỉ số acid cũng giảm.
Từ bảng 1.3 ta nhận thấy, BDF dầu cọ có độ nhớt 4.84 mm2/s, điểm chớp cháy
1670C và nhiệt trị 39.9 MJ/kg đạt yêu cầu sử dụng cho động cơ diesel.