luận án tiến sĩ luận án tiến sĩ nghiên cứu biến tính vỏ trấu thành xúc tác cacbon hóa mao quản trung bình, sử dụng để tổng hợp dầu nhờn sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Võ Văn Hùng

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH VỎ TRẤU THÀNH XÚC TÁC
CACBON HĨA MAO QUẢN TRUNG BÌNH, SỬ DỤNG ĐỂ
TỔNG HỢP DẦU NHỜN SINH HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

a

Hà Nội - 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Võ Văn Hùng

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH VỎ TRẤU THÀNH XÚC TÁC
CACBON HĨA MAO QUẢN TRUNG BÌNH, SỬ DỤNG ĐỂ
TỔNG HỢP DẦU NHỜN SINH HỌC
Ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số :

9520301

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS Đinh Thị Ngọ
2. TS Nguyễn Anh Vũ

b

Hà Nội - 2021


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TS
Đinh Thị Ngọ và TS Nguyễn Anh Vũ. Hầu hết các số liệu, kết quả trong luận án là nội
dung từ các bài báo đã và sắp được xuất bản của tôi và các thành viên của tập thể khoa
học trong nhóm nghiên cứu của GS. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong
luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội ngày

tháng

năm 2021

Nghiên cứu sinh

Võ Văn Hùng

Tập thể HD

GS.TS Đinh Thị Ngọ

TS Nguyễn Anh Vũ

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến GS.TS Đinh Thị Ngọ và TS Nguyễn Anh Vũ,
người đã tận tình hướng dẫn tơi trong q trình làm luận án tiến sĩ. Các Cơ, Thầy chính là
người đề ra định hướng nghiên cứu, đồng thời dành nhiều công sức hỗ trợ tơi hồn thành
luận án.
Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cơ trong nhóm nghiên cứu và Bộ mơn Cơng nghệ Hữu
cơ – Hóa dầu, Viện Kỹ thuật Hóa học, Phịng Đào tạo, các đơn vị trong và ngoài trường
Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi về nhiều mặt trong thời gian thực
hiện luận án;
Xin bày tỏ lòng biết ơn tới cơ quan của tôi: Công ty Cổ phần Nhiên liệu bay
Petrolimex, Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam đã tạo điều kiện cho tơi được tham gia khóa
học đào tạo TS của trường ĐHBK HN.
Xin cám ơn mọi người trong gia đình, bạn bè tơi, sự giúp đỡ tận tâm và tin tưởng của
mọi người là động lực rất lớn để tơi hồn thành luận án.

Hà Nội ngày

tháng

Nghiên cứu sinh

Võ Văn Hùng

ii

năm 2021


DANH MỤC C
ASTM

American Society for Testi
Brunauer–Emmett–Teller (

BET

rắn)
Barrett-Joyner-Halenda (tê
Cetyl Trimethylammonium
Dầu nhờn sinh học
Nhiên liệu sinh học
Dodecyltrimethyl ammoni
Differential Thermal Grav
Fourier Transform-Infrare

BJH
CTAB
DNSH
NLSH
DTAB
DTG
FT-IR

Fourier)
Gas Chromatography-Mas

The International Union of

GC-MS
IUPAC
MQTB
Meso
cacbon
MRC
MRCdeSi
MS
SEM
TCVN
TEM
TEOS
TG-DTA

TG-DSC
TPDNH3
XRD
XPS

tế về Hóa học thuần túy và
Mao quản trung bình
Xúc tác cacbon hóa vỏ trấu dạng MQTB
Xúc tác meso cacbon điều chế từ vỏ trấu chưa tách Si
Xúc tác meso cacbon điều chế từ vỏ trấu đã tách Si
Mass Spectroscopy (khối phổ)
Scanning Electron Microscopy (hiển vi điện tử quét)
Tiêu chuẩn Việt Nam
Transmission Electron Spectroscopy (hiển vi điện tử truyền qua)

Tetraethyl Orthosilicate
Thermal Gravimetry-Differential Thermal Analysis (phân tích nhiệt trọng
lượng – nhiệt vi sai)
Thermal Gravimetry-Differential Scanning Calorimetry (phân tích nhiệt
trọng lượng – nhiệt quét vi sai)
Temperature Programmed Desorption of Ammonia (giải hấp phụ NH3 theo
chương trình nhiệt độ)
X-Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X)
X-Ray Photoelectron Spectroscopy (phổ quang điện tử tia X)


iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................iii
MỤC LỤC......................................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................................vii
DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ.......................................................................... viii
A. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI.............................................................................................. 1
B. NỘI DUNG LUẬN ÁN................................................................................................. 5
Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT............................................................................ 5
1.1. TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN VÀ CÔNG DỤNG CỦA DẦU NHỜN....................5
1.1.1. Thành phần của dầu nhờn......................................................................................... 5
1.1.2. Công dụng của dầu nhờn.......................................................................................... 7
1.2. TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN SINH HỌC.............................................................. 9
1.2.1. Khái niệm, ưu nhược điểm và ứng dụng của DNSH................................................. 9
1.2.2. Nguyên liệu cho quá trình tổng hợp DNSH............................................................ 11

1.2.3. Giới thiệu về dầu thầu dầu - nguyên liệu để tổng hợp DNSH................................. 15
1.2.4. Phương pháp chung để chuyển hóa dầu thực vật thành DNSH............................... 19
1.2.5. Tình hình nghiên cứu DNSH trên thế giới và tại Việt Nam.................................... 24
1.3. TỔNG QUAN VỀ XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP DNSH...................26
1.3.1. Xúc tác axit lỏng..................................................................................................... 26
1.3.2. Xúc tác bazơ lỏng................................................................................................... 26
1.3.3. Xúc tác rắn.............................................................................................................. 27
1.3.4. Giới thiệu về xúc tác cacbon hóa dạng MQTB từ vỏ trấu (meso cacbon vỏ trấu)...28
1.3.5. Các phương pháp chế tạo xúc tác cacbon hóa MQTB............................................ 31
1.3.6. Tình hình nghiên cứu xúc tác cacbon hóa MQTB trên thế giới và Việt Nam..........35
ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN........................................................... 38
Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................39
2.1. HÓA CHẤT VÀ NGUYÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN.........................39
2.2. CHẾ TẠO XÚC TÁC MESO CACBON VỎ TRẤU................................................ 39
2.2.1. Nhiệt phân vỏ trấu tạo biochar................................................................................ 39
2.2.2. Tách Si từ biochar................................................................................................... 39
2.2.3. Chế tạo biochar sunfo hóa (biochar-S).................................................................... 39
2.2.4. Chế tạo xúc tác meso cacbon vỏ trấu từ biochar-S không tách Si...........................40
2.2.5. Chế tạo xúc tác meso cacbon vỏ trấu từ biochar-S đã tách Si.................................40
2.3. ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN NHIỆT CỦA XÚC TÁC MRC VÀ MRC-deSi......................40
2.4. ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN THỦY NHIỆT CỦA XÚC TÁC MRC VÀ MRC-deSi..........41
2.5. TẠO HẠT CHO XÚC TÁC MRC VÀ MRC-deSi.................................................... 41
2.6. TỔNG HỢP DNSH TỪ DẦU THẦU DẦU TRÊN XÚC TÁC MRC VÀ MRC-deSi
42
iv


2.6.1. Xác định một số chỉ tiêu cơ bản của dầu dầu thầu.................................................. 42
2.6.2. Quá trình tổng hợp DNSH từ dầu thầu dầu............................................................. 42
2.6.3. Các thông số khảo sát trong q trình tổng hợp DNSH từ dầu thầu dầu.................43

2.6.4. Tính hiệu suất tạo DNSH gốc dạng este................................................................. 44
2.6.5. Tái sử dụng xúc tác MRC và MRC-deSi................................................................ 45
2.7. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HĨA LÝ ĐỂ ĐẶC TRƯNG XÚC TÁC.........46
2.7.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)........................................................................ 46
2.7.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)................................................................ 46
2.7.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)..................................................... 47
2.7.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR).................................................................... 48
2.7.5. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - nhả hấp phụ N2 (BET)..................................... 49
2.7.6. Phương pháp giải hấp NH3 theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH3).......................50
2.7.7. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng – nhiệt lượng quét kết hợp đầu dò khối
phổ (TGA-DSC-MS)........................................................................................................ 51
2.7.8. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)................................................. 51
2.7.9. Phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS).......................................................... 52
2.7.10. Xác định một số tính chất cơ lý của xúc tác.......................................................... 52
2.8. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN
PHẨM.............................................................................................................................. 52
2.8.1. Xác định tỷ trọng (ASTM D 1298)......................................................................... 52
2.8.2. Xác định điểm đông đặc (ASTM D 97).................................................................. 53
2.8.3. Xác định độ nhớt động học (ASTM D445)............................................................. 53
2.8.4. Xác định chỉ số axit (ASTM D 664)....................................................................... 54
2.8.5. Xác định chỉ số xà phòng (ASTM D 464).............................................................. 54
2.8.6. Xác định chỉ số iot (D 5768)................................................................................... 55
2.8.7. Xác định hàm lượng nước (ASTM D95)................................................................ 56
2.8.8. Xác định hàm lượng các tạp chất cơ học (EN 12662)............................................. 56
2.8.9. Xác định chỉ số độ nhớt (D 2270)........................................................................... 57
2.8.10. Xác định điểm chớp cháy cốc hở (D 92)............................................................... 57
2.8.11. Xác định đặc tính tạo bọt (D 892)......................................................................... 58
2.8.12. Xác định độ kiềm tổng (D 2896).......................................................................... 58
2.8.13. Xác định tổng hàm lượng Ba, Ca, Mg, Zn (D 4628)............................................. 58
2.8.14. Xác định thành phần gốc axit béo của dầu thầu dầu............................................. 58

Chương 3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN............................................................................... 60
3.1. TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ TIỀN CHẤT ĐỂ CHẾ TẠO XÚC TÁC
MESO CACBON VỎ TRẤU........................................................................................... 60
3.1.1. Tính chất của vỏ trấu.............................................................................................. 60
3.1.2. Tính chất của biochar và biochar sunfo hóa từ vỏ trấu............................................ 61
3.2. CHẾ TẠO XÚC TÁC MESO CACBON VỎ TRẤU TỪ TIỀN CHẤT BIOCHAR-S
KHÔNG TÁCH SILICA.................................................................................................. 66
3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ đến cấu trúc xúc tác meso cacbon vỏ trấu.........66
v


3.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng chất tạo cấu trúc CTAB/biochar-S đến cấu trúc xúc
tác meso cacbon vỏ trấu.................................................................................................... 68
3.2.3. Giản đồ XRD góc rộng của các xúc tác meso cacbon vỏ trấu tại các tỷ lệ
CTAB/biochar-S khác nhau.............................................................................................. 69
3.2.4. Hình thái học của xúc tác meso cacbon vỏ trấu...................................................... 71
3.2.5. Đặc trưng các nhóm chức có trong xúc tác thông qua phổ FT-IR...........................72
3.3. CHẾ TẠO XÚC TÁC MESO CACBON VỎ TRẤU TỪ TIỀN CHẤT BIOCHAR-S
ĐÃ TÁCH SILICA........................................................................................................... 73
3.3.1. Giản đồ XRD.......................................................................................................... 73
3.3.2. Phổ FT-IR............................................................................................................... 76
3.3.3. Cấu trúc xốp và phân bố mao quản......................................................................... 77
3.3.4. Lực axit theo TPD-NH3.......................................................................................... 80
3.3.5. Độ bền nhiệt và độ bền thủy nhiệt.......................................................................... 82
3.3.6. Phân tích mơi trường liên kết quanh các ngun tố trong các xúc tác theo phổ XPS
89
3.4. NGHIÊN CỨU TẠO HẠT CHO XÚC TÁC............................................................. 94
3.5. KẾT QUẢ KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP DẦU NHỜN SINH HỌC.........96
3.5.1. Một số tính chất của dầu thầu dầu........................................................................... 98
3.5.2. Kết quả khảo sát quá trình tổng hợp DNSH gốc dạng este...................................100

3.5.3. Một số tính chất của DNSH gốc este đã tổng hợp................................................108
3.5.4. Dầu nhờn sinh học gốc dạng polyol......................................................................110
3.5.5. Khả năng tái sử dụng của xúc tác MRC và MRC-deSi.........................................114
KẾT LUẬN.................................................................................................................... 116
NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN..........................................................................118
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN...........................119
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................120
PHỤ LỤC........................................................................................................................... 1

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Các loại phụ gia thường sử dụng........................................................................ 6
Bảng 1.2. Một số nghiên cứu về dầu thực vật làm nguyên liệu sản xuất DNSH...............11
Bảng 1.3. Thành phần của dầu thầu dầu........................................................................... 16
Bảng 1.4. Đặc tính vật lý, hóa học tiêu biểu của dầu thầu dầu.......................................... 17
Bảng 1.5. Tóm tắt những biến đổi hóa học có thể có của dầu thầu dầu, phụ thuộc vào các
nhóm chức năng phản ứng................................................................................................ 18
Bảng 1.6. Hiệu suất của TMP (trimetylol propan) este dựa trên loại xúc tác sử dụng......26
Bảng 1.7. Đặc tính của dầu jatropha (JCO) và TMP este.................................................. 26
Bảng 1.8. Đặc trưng thành phần hoá học của nguyên liệu trấu......................................... 30
Bảng 2.1. Một số tính chất hóa lý đặc trưng của dầu thầu dầu.......................................... 42
Bảng 3.1. Một số tính chất của xúc tác MRC và MRC-deSi trước khi tạo hạt..................94
Bảng 3.2. Một số tính chất của xúc tác MRC và MRC-deSi sau khi tạo hạt.....................95
Bảng 3.3. Một số tính chất hóa lý đặc trưng của dầu thầu dầu.......................................... 98
Bảng 3.4. Thành phần axit béo trong metyl este từ dầu thầu dầu theo GC – MS............100
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp DNSH.................................101
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời giản phản ứng đến quá trình tổng hợp DNSH................102
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến hiệu suất tổng hợp DNSH................103

Bảng 3.8. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol anhydrit axetic/dầu đến hiệu suất tổng hợp DNSH 104
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol H2O2/dầu đến hiệu suất tổng hợp DNSH................105
Bảng 3.10. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu suất tổng hợp DNSH.......................107
Bảng 3.11. Tổng hợp các thơng số cơng nghệ của q trình tổng hợp DNSH gốc este từ
dầu thầu dầu trên xúc tác MRC và MRC-deSi................................................................108
Bảng 3.12. Tổng hợp kết quả phổ FT-IR của dầu thầu dầu và DNSH gốc dạng este......109
Bảng 3.13. Một số chỉ tiêu hóa lý của DNSH gốc dạng este từ dầu thầu dầu.................110
Bảng 3.14. Một số pic tiêu biểu trong các phổ FT-IR của dầu thầu dầu ban đầu, ở trạng
thái trung gian và của DNSH gốc dạng polyol...............................................................112
Bảng 3.15. Một số chỉ tiêu hóa lý của DNSH gốc dạng polyol từ dầu thầu dầu.............113

vii


DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ
Hình 1.1. u cầu bơi trơn cho một loại xe tải nâng........................................................... 9
Hình 1.2. Sản lượng hàng năm của dầu thầu dầu.............................................................. 15
Hình 1.3. Cây, quả, hạt và dầu thầu dầu............................................................................ 16
Hình 1.4. Các phản ứng chính trong q trình oxy hóa liên kết đơi trong mạch cacbon của
gốc axit béo...................................................................................................................... 20
Hình 1.5. Phản ứng epoxit hóa trong quy trình Prileshajev.............................................. 21
Hình 1.6. Phản ứng mở vịng oxiran tạo ra các nhóm chức mới.......................................22
Hình 1.7. Sơ đồ mơ tả q trình tổng hợp DNSH dạng este từ axit oleic..........................23
Hình 1.8. Các dạng cấu trúc của xúc tác MQTB............................................................... 28
Hình 1.9. Cơ chế tạo khung cấu trúc tinh thể lỏng............................................................ 31
Hình 1.10. Phương pháp khn mẫu cứng tạo MQTB..................................................... 32
Hình 1.11. So sánh phương pháp khuôn mẫu mềm và khuôn mẫu cứng để tổng hợp vật
liệu MQTB....................................................................................................................... 33
Hình 1.12. Mơ tả sự hình thành cấu trúc xúc tác meso cacbon......................................... 35
Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của P/V(Po-P) theo P/P0.................................... 50

Hình 3.1. Phổ EDX của vỏ trấu........................................................................................ 61
Hình 3.2. Giản đồ XRD của biochar và biochar-S trước khi tách silica............................ 62
Hình 3.3. Phổ FT-IR biochar khơng tách silica................................................................. 63
Hình 3.4. Phổ FT-IR biochar-S khơng tách silica............................................................. 63
Hình 3.5. Giản đồ XRD của biochar và biochar-S sau khi tách silica............................... 64
Hình 3.6. Phổ FT-IR của biochar đã tách silica................................................................. 65
Hình 3.7. Phổ FT-IR của biochar-S đã tách silica............................................................. 65
Hình 3.8. Giản đồ XRD góc hẹp của các xúc tác meso cacbon vỏ trấu điều chế tại các
nhiệt độ ngưng tụ khác nhau............................................................................................. 67
Hình 3.9. Giản đồ XRD góc hẹp của các xúc tác meso cacbon vỏ trấu điều chế tại các tỷ
lệ CTAB/biochar-S khác nhau.......................................................................................... 69
Hình 3.10. Giản đồ XRD góc rộng của các xúc tác meso cacbon vỏ trấu điều chế ở các tỷ
lệ CTAB/biochar-S khác nhau.......................................................................................... 70
Hình 3.11. Ảnh SEM của xúc tác meso cacbon vỏ trấu.................................................... 71
Hình 3.12. Ảnh TEM của xúc tác meso cacbon vỏ trấu.................................................... 71
Hình 3.13. Phổ FT-IR của xúc tác meso cacbon vỏ trấu................................................... 72
Hình 3.14. Giản đồ XRD góc hẹp của xúc tác MRC và MRC-deSi.................................. 74
Hình 3.15. Giản đồ XRD góc rộng của xúc tác MRC và MRC-deSi................................ 75
Hình 3.16. Phổ FT-IR của xúc tác MRC và MRC-deSi.................................................... 76
Hình 3.17. Phân bố kích thước mao quản của MRC theo bề mặt riêng............................77
Hình 3.18. Phân bố kích thước mao quản của MRC theo thể tích riêng...........................78
Hình 3.19. Phân bố kích thước mao quản của MRC-deSi theo bề mặt riêng....................79
Hình 3.20. Phân bố kích thước mao quản của MRC-deSi theo thể tích riêng...................79
Hình 3.21. Giản đồ TPD-NH3 của xúc tác MRC.............................................................. 80
Hình 3.22. Giản đồ TPD-NH3 của xúc tác MRC-deSi...................................................... 81
viii


Hình 3.23. Giản đồ TG-DSC của xúc tác MRC................................................................ 82
Hình 3.24. Tín hiệu của H2O, CO và CO2 khi xử lý nhiệt xúc tác MRC..........................83

Hình 3.26. Tín hiệu của SO2 và SO3 khi xử lý nhiệt xúc tác MRC................................... 84
Hình 3.27. Giản đồ TG-DSC của xúc tác MRC-deSi....................................................... 85
Hình 3.28. Tín hiệu của H2O và CO khi xử lý nhiệt xúc tác MRC-deSi...........................86
Hình 3.29. Tín hiệu của NO, NO2 và CO2 khi xử lý nhiệt xúc tác MRC-deSi..................86
Hình 3.30. Tín hiệu của SO2 và SO3 khi xử lý nhiệt xúc tác MRC-deSi........................... 87
Hình 3.32. Giản đồ XRD góc hẹp của xúc tác MRC-deSi sau xử lý thủy nhiệt ở các nhiệt
độ khác nhau..................................................................................................................... 88
Hình 3.33. Phổ XPS tồn phần của xúc tác MRC............................................................. 89
Hình 3.34. Phổ XPS phần tín hiệu C của xúc tác MRC.................................................... 90
Hình 3.35. Phổ XPS phần tín hiệu O của xúc tác MRC.................................................... 90
Hình 3.36. Phổ XPS phần tín hiệu Si của xúc tác MRC................................................... 91
Hình 3.37. Phổ XPS phần tín hiệu S của xúc tác MRC.................................................... 91
Hình 3.38. Phổ XPS tồn phần của xúc tác MRC-deSi.................................................... 92
Hình 3.39. Phổ XPS phần tín hiệu O của xúc tác MRC-deSi........................................... 92
Hình 3.40. Phổ XPS phần tín hiệu C của xúc tác MRC-deSi............................................ 93
Hình 3.41. Phổ XPS phần tín hiệu S của xúc tác MRC-deSi............................................ 93
Hình 3.42. Giản đồ XRD góc hẹp của xúc tác MRC và MRC-deSi sau tạo hạt................96
Hình 3.43. Giản đồ GC của metyl este từ dầu thầu dầu.................................................... 99
Hình 3.44. Phổ MS của metyl ricinoleat có trong các metyl este của dầu thầu dầu, so sánh
với phổ MS chuẩn của metyl ricinoleat trong thư viện phổ.............................................. 99
Hình 3.45. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tổng hợp DNSH...............................101
Hình 3.46. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất tổng hợp DNSH..............102
Hình 3.47. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến hiệu suất tổng hợp DNSH...............103
Hình 3.48. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol anhydrit axetic/dầu đến hiệu suất tổng hợp DNSH
105
Hình 3.49. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol H2O2/dầu đến hiệu suất tổng hợp DNSH..............106
Hình 3.50. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu suất tổng hợp DNSH........................107
Hình 3.51. Phổ FT-IR của dầu thầu dầu..........................................................................108
Hình 3.52. Phổ FT-IR của DNSH gốc este.....................................................................109
Hình 3.53. Phổ FT-IR của dầu thầu dầu ở trạng thái trung gian trong phản ứng tổng hợp

DNSH dạng polyol.........................................................................................................111
Hình 3.54. Phổ FT-IR của DNSH gốc dạng polyol.........................................................111
Hình 3.55. Khả năng tái sử dụng của xúc tác MRC và MRC-deSi.................................114

ix


A. GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
1. Lý do chọn đề tài
Nhiên liệu sinh học (NLSH) được coi là có khả năng thay thế dần nhiên liệu hóa
thạch, giúp giảm áp lực khai thác dầu khí, hạn chế ơ nhiễm mơi trường. Một số loại
NLSH điển hình đã, đang và sẽ tiếp tục được nghiên cứu là biodiesel, biokerosen,
hydrocacbon xanh... Bên cạnh nhiên liệu, một sản phẩm dầu mỏ khác có năng suất tiêu
thụ cũng rất lớn là dầu nhờn, gần như vẫn dựa trên nguồn cung cấp duy nhất là dầu
khoáng. Tuy nhiên, trong lương lai, khi xu thế sử dụng các sản phẩm sạch, thân thiện môi
trường tăng mạnh, dầu nhờn chế tạo từ những nguồn nguyên liệu tái tạo, gốc sinh học sẽ
là một hướng đi bắt buộc. Dầu nhờn sinh học (DNSH), trong dạng phổ biến nhất của nó,
là sản phẩm thu được từ các q trình q trình oxi hóa chọn lọc liên kết bội trong mạch
cacbon của dầu thực vật tạo ra các epoxit, sau đó biến tính các epoxit này thành các ancol
hoặc este mới. Loại dầu nhờn này có nhiều tính chất tương đồng với dầu nhờn khống,
nhưng lại “xanh” hơn, có khả năng phân hủy sinh học tốt hơn, không gây ô nhiễm mơi
trường.
Có thể chế tạo DNSH gốc trên từ một số loại dầu, mỡ động thực vật đặc thù, trên
xúc tác có tính axit. Tuy nhiên, các xúc tác axit đồng thể và dị thể thơng thường hoặc có
hoạt tính cao nhưng gây ăn mịn, khơng tái sử dụng được, hoặc có thể khơng gây ăn mịn,
tái sử dụng, nhưng hoạt tính thấp. Xúc tác cacbon hóa các vật liệu gốc cacbohydrat ra đời
chính là một hướng đi hiệu quả trong việc giải quyết hai yêu cầu quyết định đối với hoạt
tính xúc tác axit rắn dị thể: Có độ axit cao và hoạt hóa tại nhiệt độ thấp. Trên thực tế, loại
xúc tác này tỏ ra hiệu quả đối với các phản ứng este hóa các axit béo tự do. Tuy nhiên, đối
với các triglyxerit hoặc các phân tử cồng kềnh hơn, do bề mặt riêng thấp, khơng có cấu

trúc mao quản đặc thù, xúc tác cacbon hóa tỏ ra kém hiệu quả hơn.
Xuất phát từ thách thức đó, ý tưởng của nghiên cứu trong luận án là biến tính xúc
tác cacbon hóa thơng thường thành xúc tác cacbon hóa dạng mao quản trung bình
(MQTB) với bề mặt riêng cao và đường kính mao quản tập trung, đủ rộng để các phân tử
dầu, mỡ động thực vật khuếch tán tốt đến các tâm hoạt tính axit. Với nguyên liệu sử dụng
là vỏ trấu, một phụ phẩm nơng nghiệp có sản lượng rất lớn tại Việt Nam, việc chế tạo
thành cơng xúc tác đóng góp ý nghĩa lớn cả về mặt học thuật và thực tiễn. Xúc tác cacbon
hóa MQTB điều chế từ vỏ trấu được ứng dụng cho quá trình tổng hợp DNSH gốc từ dầu
thầu dầu, một loại dầu bán khơ có hàm lượng gốc axit béo khơng no rất cao, có độ nhớt
lớn, đảm bảo thuận lợi cho q trình biến tính và khơng sử dụng trong thực phẩm.
1


2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu:
+) Chế tạo, đặc trưng xúc tác cacbon hóa MQTB (còn gọi là mesocacbon) từ
nguyên liệu vỏ trấu theo phương pháp khn mẫu mềm. Xúc tác có lực axit mạnh, bền
vững, có bề mặt riêng cao và có các mao quản phân bố tập trung trong vùng kích thước
thích hợp.
+) Đánh giá ảnh hưởng của việc tách và không tách Si trong nguyên liệu vỏ trấu
đến cấu trúc và hoạt tính của xúc tác mesocacbon vỏ trấu trong q trình tổng hợp DNSH.
+) Ứng dụng xúc tác mesocacbon vỏ trấu vào q trình khảo sát sự chuyển hóa dầu
thầu dầu thành DNSH gốc dạng este và đánh giá các tính chất của các sản phẩm DNSH
gốc thu được.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
+) Nguyên liệu chế tạo xúc tác là vỏ trấu.
+) Nguyên liệu để tổng hợp DNSH là dầu thầu dầu.
+) Chế tạo xúc tác, đặc trưng xúc tác và ứng dụng xúc tác trong quá trình tổng hợp
DNSH từ dầu thầu dầu.
+) Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm các giai đoạn: nghiên cứu, khảo sát

quá trình chế tạo xúc tác; nghiên cứu, khảo sát quá trình tổng hợp DNSH; đánh giá chất
lượng sản phẩm thu được.

3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở chế tạo,
tổng hợp, đánh giá phân tích và xử lý các kết quả thực nghiệm. Luận án có sử dụng các
phương pháp phân tích hóa lý hiện đại, đáng tin cậy, bao gồm: Nhiễu xạ tia X (XRD);
Hiển vi điện tử quét (SEM); Hiển vi điện tử truyền qua (TEM); Hấp phụ - giải hấp nitơ
(BET); Phân tích nhiệt – Nhiệt lượng quét vi sai – Khối phổ (TG-DSC-MS); Giải hấp
amoniac theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH 3); Phổ hồng ngoại (FT-IR); Phổ tán sắc
năng lượng tia X (EDX); Phổ quang điện tử tia X (XPS); Sắc ký khí – Khối phổ (GCMS)...

4.

Các đóng góp mới của luận án

1.
Chế tạo thành công các xúc tác mesocacbon vỏ trấu (loại không tách silic-MRC
và loại tách silic-MRC deSi) theo phương pháp ngưng tụ - bay hơi dung môi, sử dụng
chất tạo cấu trúc mềm là CTAB, đi từ tiền chất biochar-S. Các xúc tác có cấu trúc MQTB
2

trật tự với bề mặt riêng cao (349 và 374 m /g); mao quản khá tập trung và có kích thước
2


phù hợp (36 Å và 42 Å) với kích thước động học của các triglyxerit trong dầu thầu dầu;
có lực axit rất mạnh (do có nhóm –SO3H) và bền; có độ bền nhiệt và bền thủy nhiệt cao.
2.
Sử dụng phương pháp phân tích hiện đại là phổ XPS để đặc trưng mơi trường

liên kết bao quanh các ngun tố có trong xúc tác MRC và MRC-deSi. Kết quả phân tích
chứng minh cho cấu trúc đa vòng thơm ngưng tụ (tạo cấu trúc composit với silica) đã tạo
nên tường thành mao quản của xúc tác MRC-deSi, MRC; đồng thời chứng minh nhóm
liên kết Caromatic-SO3H chính là tâm hoạt tính của các xúc tác.
3.
Sử dụng phương pháp TG-DSC-MS để phân tích độ bền nhiệt của các xúc tác.
Phương pháp này có điểm mới là sử dụng Phổ khối lượng (MS) như một detector để phân
tích các khí hình thành trong q trình phân tích nhiệt. Sự kết hợp của TG-DSC và MS
giúp khẳng định chính xác hơn các q trình xảy ra khi xử lý nung xúc tác.
4.
Tổng hợp DNSH gốc dạng este và dạng polyol trên xúc tác mesocacbon vỏ trấu
trong q trình một giai đoạn, trong đó xảy ra tất cả các phản ứng epoxy hóa các liên kết
C=C trong triglyxerit hình thành các epoxit, thủy phân các epoxit tạo ra DNSH gốc dạng
polyol và este hóa các polyol để tạo thành sản phẩm cuối cùng là DNSH gốc dạng este.
Kết quả cho thấy hiệu suất thu DNSH khá cao, minh chứng cho hoạt tính và độ ổn định
tốt của các xúc tác đã chế tạo.

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

5.1. Ý nghĩa khoa học
Chế tạo, đặc trưng xúc tác mesocacbon có hệ thống MQTB trật tự trong điều kiện
êm dịu, sử dụng chất tạo cấu trúc mềm. Xúc tác chế tạo được có lực axit mạnh, độ ổn
định tốt, bề mặt riêng cao và có độ chọn lọc hình dáng cao với các phân tử triglyxerit
trong dầu thầu dầu.
So sánh cấu trúc và hoạt tính của xúc tác trong điều kiện xử lý nguyên liệu vỏ trấu
khác nhau.
Xác định được bản chất tâm hoạt tính của xúc tác mesocacbon vỏ trấu.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn

Sản xuất và sử dụng DNSH là nhu cầu tất yếu trong tương lai. Việc phát triển
phạm vi ứng dụng của DNSH hiện nay sẽ tập trung vào ba mục tiêu chính: lựa chọn
nguyên liệu, cải tiến phương pháp tổng hợp và chế tạo xúc tác tiên tiến cho phản ứng tổng
hợp.
Xúc tác cacbon được chế tạo từ nguyên liệu chứa cacbohydrat là vỏ trấu - là loại
nguyên liệu có thể tái tạo.
3


Dầu thầu dầu được đánh giá là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất, dễ
ứng dụng nhất để tổng hợp DNSH gốc.

6. Bố cục của luận án
Luận án gồm 119 trang (không kể phần phụ lục, mục lục, danh mục bảng biểu,
hình vẽ và tài liệu tham khảo) được chia thành các chương như sau:
Chương I: Giới thiệu luận án và Tổng quan lý thuyết.
Chương II: Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu.
Chương III: Kết quả và thảo luận.
Kết luận và Những điểm mới của luận án.
Danh mục cơng bố của tác giả.
Có 68 hình ảnh và đồ thị, 24 bảng và 100 tài liệu tham khảo.

4


B. NỘI DUNG LUẬN ÁN
Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN VÀ CÔNG DỤNG CỦA DẦU NHỜN
1.1.1. Thành phần của dầu nhờn
Dầu nhờn là một hỗn hợp được pha chế bằng cách trộn phụ gia và dầu gốc với tỷ lệ

nhất định, tùy vào yêu cầu của sản phẩm mà có thể sử dụng các loại phụ gia khác nhau và
có tỉ lệ pha chế khác nhau. Trong đó, dầu gốc chiếm khoảng 95-99% khối lượng, phụ gia
chiếm khoảng 0,01-5% khối lượng, cá biệt có loại dầu có hàm lượng phụ gia lên tới 10%
[1].
1.1.1.1. Dầu gốc (base oils)
Theo định nghĩa của Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ (API), dầu gốc dùng pha chế dầu nhờn
bôi trơn được phân thành 5 nhóm như sau [1-3]:
Dầu gốc nhóm I: Theo API phân loại thì dầu gốc nhóm I là dầu gốc có hàm lượng
lưu huỳnh > 0,03%, hàm lượng hydrocacbon bão hòa <90%, chỉ số độ nhớt 80-119 và
được sản xuất với các quá trình xử lý bằng dung mơi.
Dầu gốc nhóm II: Là dầu gốc có hàm lượng lưu huỳnh < 0.03%, hàm lượng
hydrocacbon bão hòa >90%, chỉ số độ nhớt 80-119. Được sản xuất bằng quá trình xử lý
dung mơi và có thêm xử lý bằng hydro.
Dầu gốc nhóm III: Là loại dầu gốc có hàm lượng lưu huỳnh <0.03%, hàm lượng
hydrocacbon bão hòa >90%, chỉ số độ nhớt >120. Được sản xuất bằng cách xử lý bằng
dung mơi và có thêm xử lý bằng phường pháp hydrocracking.
Dầu góc nhóm IV hay dầu gốc PAO (polyalphaolefin): Là dầu gốc tổng hợp hồn
tồn, có tính chất rất cao cấp như: chỉ số độ nhớt rất cao (145), khơng có lưu huỳnh hay
aromatic.
Dầu gốc nhóm V: Là các loại khác loại trên nhưng được tổng hợp như: este, dieste, poly buten poly alpha glycol…có tính chất cao cấp như: chỉ số độ nhớt rất cao, bền
nhiệt.
Thành phần hóa học của dầu gốc: Dầu gốc được sử dụng pha chế dầu bơi trơn
thích hợp chủ yếu thu được từ q trình chưng cất chân khơng sản phẩm đáy của tháp
chưng cất khí quyển. Dầu gốc thường chứa các loại hydrocacbon sau đây: Parafin mạch
thẳng và mạch nhánh, hydrocacbon no đơn và đa vịng (naphten) có cấu trúc vịng
xyclohexan gắn với mạch nhánh parafin, hydrocacbon thơm đơn vòng và đa vòng chủ yếu
5


chứa các mạch nhánh alkyl, các hợp chất chứa vòng naphten, vòng thơm và mạch nhánh

alkyl trong cùng một phân tử, các hợp chất hữu có chứa các dị nguyên tố, chủ yếu là các
hợp chất chứa lưu huỳnh, oxi và nitơ. Việc lựa chọn dầu gốc để pha chế dầu bôi trơn phụ
thuộc vào độ nhớt, mức độ tinh chế, độ ổn định nhiệt và khả năng tương hợp với các chất
khác nhau (chất phụ gia) hoặc vật liệu mà dầu bơi trơn sẽ tiếp xúc trong q trình sử dụng
[4].
1.1.1.2. Phụ gia (additives)
Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vơ cơ, thậm chí là các nguyên tố
được thêm vào các chất bôi trơn để nâng cao các tính chất riêng biệt cho sản phẩm cuối
cùng. Thường mỗi loại phụ gia được dùng ở nồng độ từ 0,01-5% khối lượng. Tuy nhiên,
trong nhiều trường hợp một phụ gia có thể được đưa vào ở khoảng nồng độ dao động từ
vài phần triệu đến 10% khối lượng [5]. Phụ gia phải đáp ứng các yêu cầu sau: phải hịa
tan trong dầu gốc, có tính tương hợp, khơng hoặc ít hịa tan trong nước, khơng ảnh hưởng
đến tốc độ nhũ hóa của dầu, khơng bị phân hủy bởi nước và kim loại, không bị bốc hơi ở
điều kiện làm việc của hệ thống dầu nhờn, không làm tăng tính hút ẩm của dầu nhờn, hoạt
tính có thể kiểm tra được, không độc, rẻ tiền, dễ kiếm (Bảng 1.1).

Loại phụ gia
Phụ

gia

chỉ số độ nhớt
Phụ gia
oxy hóa

Phụ gia tẩy rửa
Phụ
tán
Phụ gia chống
ăn mòn

Phụ gia chống
gỉ

gia


Phụ gia chống
mài mòn


Phụ gia biến
tính, giảm ma
sát
Phụ gia cực áp
Phụ gia hạ
điểm đông đặc
Phụ gia chống
tạo bọt

1.1.2. Công dụng của dầu nhờn
1.1.2.1. Bơi trơn máy
Dầu nhờn có nhiều cơng dụng, trong đó quan trọng nhất là bơi trơn các bề mặt có
chuyển động trượt giữa các chi tiết, làm giảm ma sát, do đó làm giảm tổn thất cơ giới
trong động cơ, dẫn đến tăng hiệu suất có ích của tồn động cơ. Nguyên nhân của việc
giảm ma sát là do khi bơi trơn sẽ có sự thay thế ma sát trực tiếp giữa các chi tiết máy bằng
ma sát nội tại của màng chất bôi trơn thể lỏng ngăn cách các chi tiết máy. Ma sát nội tại
giữa các màng chất lỏng này luôn nhỏ hơn nhiều so với các dạng ma sát khác [1, 5, 6].
1.1.2.2. Chống ăn mòn kim loại
Nước là nguyên nhân góp phần gây nên sự rỉ sét của các chi tiết được chế tạo từ
kim loại. Một thể tích nhiên liệu đốt cháy trong động cơ sinh ra một thể tích nước; mặc dù

phần lớn nước ở thể hơi và thoát ra ống xả, tuy nhiên vẫn cịn một ít đọng lại trong lịng
xylanh. Hiện tượng này thường xảy ra khi thời tiết lạnh hay khi động cơ chưa được sưởi
ấm, thêm vào đó các sản phẩm phụ sinh ra do nhiên liệu cháy khơng hồn tồn, ngồi ra
cịn các chất axit được tạo thành do sự oxi hóa dầu, vì vậy khả năng tạo rỉ sét và ăn mòn
càng trở nên trầm trọng. Các chi tiết cần được bảo vệ chống lại sự ăn mòn và chống rỉ.
Dầu nhờn sẽ tạo một lớp màng mỏng phủ trên bề mặt các chi tiết ma sát có tác dụng
chống rỉ trong thời gian ngừng hoạt động, nhất là những bộ phận ẩm ướt. Ngồi ra dầu
nhờn cịn có tác dụng hạn chế tối đa sự lan truyền các chất axit được sinh ra từ các loại
nhiên liệu nhiều lưu huỳnh trong động cơ diesel [1, 5, 6].


7


1.1.2.3. Làm mát máy
Việc làm mát nhằm làm giảm nhiệt độ của các chi tiết máy. Nhiều người cho rằng
việc làm mát động cơ hoàn toàn dựa vào hệ thống nước làm mát. Trên thực tế hệ thống
nước làm mát chỉ thực hiện được 60% công việc làm mát. Nước chỉ làm mát phần trên
động cơ là các đỉnh xylanh, lòng xylanh và các van; còn trục khuỷu, các ổ đỡ, trục cam,
các bánh răng, pitong và nhiều chi tiết khác được làm mát bằng dầu nhờn. Qua số liệu
thực nghiệm cho thấy nhiệt độ cháy thường là 1090 – 1650°C, những phần chính của van
có thể lên tới 540 –1095°C, nhiệt độ pitơng có thể lên tới 540°C. Thiếc (Sn) và chì (Pb) là
hai kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp, được dùng chế tạo các chi tiết trong bạc đỡ.
Chúng thường mềm ra ở 180°C và nóng chảy ở 232°C (Sn) và 327°C (Pb). Vì vậy nếu
như không sử dụng dầu nhờn để tản bớt nhiệt sẽ làm cho kim loại của vịng bi nóng chảy
ra và bị phá hủy. Nguyên nhân sinh nhiệt chủ yếu của động cơ là do ma sát giữa các bề
mặt của chi tiết bên trong động cơ và do quá trình cháy của nhiên liệu. Dầu nhờn ở trạng
thái lỏng chảy qua các bề mặt ma sát và mang theo nhiệt sẽ làm mát vật liệu. Chức năng
làm mát đòi hỏi dầu phải chịu nhiệt cao, không bị biến chất do tác dụng của oxy trong
khơng khí ở nhiệt độ cao [1, 5-7].

1.1.2.4. Làm kín máy
Ở
một số động cơ ơ tơ tại vị trí piston, máy phát, bơm thủy lực làm việc ở áp suất
cao, do đó u cầu độ kín cao. Vì vậy dầu nhờn dựa vào khả năng bám dính và tạo màng
lấp kín các khe hở, bảo đảm quá trình làm việc bình thường cho thiết bị [1, 5, 7-11].
1.1.2.5. Làm sạch máy
Dầu nhờn sẽ có tác dụng cuốn trơi các vẩy tróc, sau đó các cặn bẩn sẽ bị giữ lại tại
các bộ phận lọc của hệ thống bôi trơn. Trong động cơ diesel, khi nhiên liệu cháy tạo ra
muội than sẽ bám cặn trên thành piston gây cháy xecmăng, làm nghẽn các bộ lọc. Trong
động cơ dùng xăng pha chì, khi xăng cháy cũng tạo ra một lượng muội chì. Các hiện
tượng trên góp phần tạo ra hai loại cặn trong dầu nhờn trong quá trình làm việc: cặn bùn
và cặn cứng. Cặn bùn được tạo thành do sự kết hợp giữa hơi nước, bụi, sản phẩm xuống
cấp và nhiên liệu cháy chưa hoàn toàn. Cùng với thời gian cặn bùn sẽ tích tụ nhiều, đóng
cục lại sẽ làm hạn chế sự lưu thông của dầu nhờn. Cặn cứng là sản phẩm của q trình oxi
hóa các hợp phần kém ổn định có trong dầu tại nhiệt độ và áp suất cao. Cặn cứng làm
thành lớp áo cứng trên các chi tiết có nhiệt độ cao của động cơ. Động cơ không thể làm
việc một cách bình thường nếu cặn cứng tích tụ nhiều trên các chi tiết của máy. Dầu nhờn
với phụ gia tẩy rửa sẽ có tác dụng ngăn cản sự tích tụ của cặn bùn, cặn cứng, giữ cho bề
mặt các chi tiết luôn được sạch sẽ tạo điều kiện cho động cơ hoạt động tốt [1, 3, 5, 7-13].
8


1.1.2.6. Bảo vệ bề mặt
Sự tiếp xúc các chi tiết máy với các tác nhân gây ăn mòn như: oxy, độ ẩm của
khơng khí, khí thải hay khí cháy từ nhiên liệu đốt trong động cơ hay các lò đốt, môi
trường làm việc dẫn đến bề mặt vật liệu bị oxy hóa hay bị ăn mịn. Vì vậy dầu nhờn có tác
dụng tạo lớp màng bao phủ bề mặt các chi tiết ngăn cách sự tiếp xúc với các yếu tố môi
trường [1, 4, 11, 14, 15].

1.2. TỔNG QUAN VỀ DẦU NHỜN SINH HỌC

1.2.1. Khái niệm, ưu nhược điểm và ứng dụng của DNSH
DNSH là thuật ngữ dùng để chỉ những chất bơi trơn có hai đặc điểm là dễ phân hủy
sinh học và không độc cho sinh vật và mơi trường sống. DNSH cũng có những ứng dụng
như dầu khống như: dầu cơng nghiệp như dầu máy, dầu máy nén, dầu gia công kim loại,
và các loại dầu thủy lực. Dầu ơ tơ ví dụ như dầu động cơ, dầu truyền động, dầu hộp số,
cũng như phanh và các chất lỏng thủy lực; và các loại dầu đặc biệt như các loại dầu chế
biến, dầu trắng, dầu đo lường. Những lợi ích chính của DNSH thể hiện trong Hình 1.1
trong đó cho thấy các lĩnh vực sử dụng DNSH trong các ứng dụng ơ tơ. Những loại dầu
này có thể thay thế các loại dầu gốc khoáng như dầu động cơ, dầu thủy lực, dầu máy nén,
dầu nhớt cho máy phát điện, bơm, máy kéo, bánh răng, dầu cách điện, dầu gia công kim
loại, dầu dầu hàng không, dầu mỡ [5, 7-11].

Hình 1.1 u cầu bơi trơn cho một loại xe tải nâng
9


Do đi từ nguyên liệu ban đầu là dầu mỡ động thực vật nên DNSH là một loại hợp
chất hoàn tồn có khả năng tái chế. Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi mà trữ lượng dầu mỏ
trên thế giới sẽ cạn dần trong tương lai và DNSH có khả năng phân hủy sinh học cao nên
ít độc hơn cho sinh vật cũng như ít gây ơ nhiễm mơi trường như dầu khống. Chính vì thế
DNSH có những ưu điểm vượt trội hơn dầu gốc khoáng. Dưới đây là một số chỉ tiêu chất
lượng để đánh giá được DNSH có thể thay thế dầu nhờn gốc khống trong tương lai:
Chỉ số độ nhớt (VI): Là sự thay đổi độ nhớt của dầu nhờn trong khoản nhiệt độ cho
trước, là chỉ số quan trọng để đánh giá dầu nhờn. Dầu nhờn có độ nhớt biến đổi lớn theo
nhiệt độ thì VI thấp. Dầu nhờn có độ nhớt biến đổi nhỏ theo nhiệt độ thì VI cao. DNSH có
độ nhớt khơng thay đổi với nhiệt độ nhiều như dầu khoáng; đây có thể là một lợi thế khi
thiết kế chất bơi trơn để sử dụng trên một phạm vi nhiệt độ rộng và điều này cũng có thể
dẫn đến các loại có độ nhớt thấp hơn cho các ứng dụng tương tự kết hợp với truyền nhiệt
dễ dàng hơn. Chỉ số độ nhớt VI của dầu thực vật trong khoảng 100-200, cao hơn dầu
khống, có giá trị khoảng 90 [1, 5, 7-11].

Điểm chảy là điểm mà ở đó có nhiệt độ thấp nhất khi xuất hiện nhỏ giọt đầu tiên
của dầu. Điểm chảy là chỉ số quan trọng trong công nghiệp. DNSH từ dầu thực vật có
o

o

điểm chảy là -20-10 C, thấp hơn dầu nhờn làm từ dầu khoáng là -15 C, do đó cung cấp
loại dầu bơi trơn làm việc tốt khi trời lạnh [1, 5, 7-11].
Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại áp suất khí quyển (101, 3 KPa), mẫu
dầu nhớt được nung nóng đến bốc hơi và bắt lửa. Mẫu sẽ chớp cháy khi có ngọn lửa và
lan truyền tức thì ra khắp bề mặt của mẫu dầu. Như vậy nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ mà
tại đó lượng hơi thốt ra từ bề mặt của mẫu dầu nhờn sẽ bốc cháy khi có ngọn lửa đưa vào
và nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hơi thốt ra từ mẫu dầu nhờn vần tiếp tục cháy được trong
5 giây gọi là điểm bắt lửa. Điểm chớp cháy và điểm bắt lửa phụ thuộc vào độ nhớt của
dầu nhờn: Dầu nhờn có độ nhớt thấp thì điểm chớp cháy và điểm bắt lửa thấp. Ngược lại,
dầu nhờn có độ nhớt cao điểm chớp cháy và điểm bắt lửa cao. Điểm chớp cháy của
DNSH cao hơn dầu nhờn khống, do đó làm giảm đáng kể các nguy cơ cháy trong trường
hợp rị rỉ chất bơi trơn, và an toàn khi bày bán tại cửa hàng [1, 5, 7-11].
Dầu mỡ bôi trơn đạt yêu cầu là cho tốc độ thấp và áp suất thấp khi vận hành. Bôi trơn
đường bao xảy ra khi độ nhớt dầu không đủ để ngăn ngừa tiếp xúc bề mặt. Phụ gia chống
mài mòn tạo ra một màng bao phủ tại bề mặt tiếp xúc để giảm mài mịn. Tính chống mài
mòn được xác định bởi các kiểm tra trong phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Dầu nhờn được
làm từ dầu thực vật có đặc tính chống mài mịn tốt hơn làm từ dầu khoáng [5, 7].
Khả năng bay hơi của DNSH thấp hơn dầu nhờn khoáng đến 20% [5, 7].
10


Tổng hàm lượng chất thơm tự do hơn 90% các loại dầu tự phân hủy, không gây ô
nhiễm nước [5, 7].
Hơi dầu và hơi dầu giảm, dẫn đến ít hít phải hơi dầu vào phổi [5, 7].

Khả năng tương thích da tốt hơn-ít ảnh hưởng đến da. Mơi trường làm việc sạch sẽ
[5, 7].
Hệ số ma sát của DNSH thấp hơn dầu khống-Tiết kiệm chi phí bảo trì ít hơn, năng
lượng, lưu trữ, và chi phí xử lý [5, 7].
Bên cạnh nhiều ưu điểm, một số nhược điểm của DNSH cũng được liệt kê như sau:
Nhiều nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực sản xuất dầu nhờn từ dầu thực vật trong
đó chủ yếu là những thay đổi về phương pháp hóa học và chất phụ gia. DNSH có giá
thành cao hơn so với dầu khống vì tác chất làm nên DNSH là những polyol rất đắt tiền.
Nhưng vì những ưu điểm vượt trội của nó, nhất là ưu điểm về mặt môi trường, nên trong
tương lai, chắc chắn DNSH sẽ cạnh tranh được với dầu nhờn khoáng [5, 7].
1.2.2. Nguyên liệu cho quá trình tổng hợp DNSH
Để sản xuất DNSH có thể đi từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: dầu dừa,
dầu đậu nành, dậu cọ, dầu thầu dầu, dầu hạt cải... Nhóm tác giả H.M. Mobarak và cộng sự
[7] đã tóm tắt các nguyên liệu để sản xuất DNSH trong Bảng 1.2 sau.
Bảng 1.2. Một số nghiên cứu về dầu thực vật làm nguyên liệu sản xuất DNSH

Dầu thực vật
nguyên liệu
Dầu dừa

Dầu cọ
Dầu cọ thải
Dầu thực vật
(jatropha,
tương, cọ, dừa.
thầu
hướng dương)
Dầu thầu dầu