Nghiên cứu tổng hợp chất hoạt động bề mặt non ionic polyethylene glycol ester, ứng dụng trong hệ nhũ tương nước trong dầu

Đại Học Quốc Gia Tp. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------o0o-----------------

TỐNG THỊ MINH THU

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
NON-IONIC POLYETHLYLENE GLYCOL ESTER, ỨNG
DỤNG TRONG HỆ NHŨ TƯƠNG NƯỚC TRONG DẦU

Chun ngành: Cơng nghệ Hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2010


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

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. Nguyễn Vĩnh Khanh

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TSKH: Lưu Cẩm Lộc
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Thị Hồng Nhan.
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP
Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 08 năm 2010
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TSKH: Lưu Cẩm Lộc…………………………………….. Chủ tịch

2. PGS.TS: Nguyễn Đình Thành………………………………….. Ủy viên
3. TS. Nguyễn Vĩnh Khanh ……………………………………….. Ủy viên
4. TS. Mai Thanh Phong………………………………………..

Ủy viên

5. PGS.TS: Trịnh Văn Dũng ……………………………………….. Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn được sữa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn

Bộ môn quản lý chuyên ngành


CƠNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH



Tp Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 7 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌ VÀ TÊN :

TỐNG THỊ MINH THU

Phái: Nữ

Ngày tháng năm sinh:

07/07/1983

Nơi sinh: Hà Nam

Chuyên ngành:

Công nghệ hóa học

MSHV: 00508406

Năm trúng tuyển: 2008
I-

TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu tổng hợp chất hoạt động bề mặt non-ionic

Polyethylene Glycol Ester, ứng dụng trong hệ nhũ tương nước trong
dầu”.
II-

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
-

Tổng hợp chất hoạt động bề mặt non-ionic PEG oleate. Sản phẩm tạo thành
cho độ chọn lọc diester (>70%), tương ứng với chỉ số HLB trong khoảng từ
5 đến 6.

-

Đánh giá các tính chất hóa lý và hoạt tính bề mặt của sản phẩm tổng hợp. So
sánh với sản phẩm cùng cùng loại.

-

Nghiên cứu khả năng sử dụng chất hoạt động bề mặt tổng hợp được trong hệ
nhũ tương nước trong dầu diesel.

-

Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu nhũ tương tổng hợp được so
với nhiên liệu truyền thống diesel.

I-

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

25/01/2010

II- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

07/07/2010

III- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Vĩnh Khanh

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN

QUẢN LÝ CHUYÊN

NGÀNH

NGÀNH


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Vĩnh Khanh, người
thầy đã hướng dẫn giúp đỡ và truyền lại cho tôi nhiều kiến thức và phương pháp
làm việc khoa học trong suốt quá trình làm luận văn.
Trong q trình làm luận văn tơi đã nhận được những ý kiến đóng góp, cũng
như hướng dẫn từ Thầy Ngô Mạnh Thắng, Thầy Phan Thanh Sơn Nam, Cô Nguyễn
Thị Hồng Nhan, Cô Nguyễn Ngọc Hạnh, Cô Lưu Cẩm Lộc, qua đây tơi xin bày tỏ
lịng cảm ơn chân thành đến thầy cô.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minhkhoa cơng nghệ hóa học, các thầy cơ Viện Cơng nghệ Hóa học, Sở khoa học cơng
nghệ TP.Hồ Chí Minh, đã truyền đạt những kiến thức bổ ích trong những năm học
vừa qua.
Tôi cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Hóa dầu, các anh chị em
cùng làm việc trong phịng thí nghiệm đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất
giúp tơi hồn thành luận văn với điều kiện tốt nhất.
Tôi cũng xin cảm ơn đến các anh chị và các bạn; Khoa Công nghệ Sinh học,
Trung Tâm Công nghệ Lọc dầu, Trung Tâm Phát triển sắc ký, Trung Tâm Kỹ thuật
Tiêu chuẩn Đo lường 3, Viên Cơng Nghệ Hóa học, Trung Tâm Phân tích cơng nghệ
cao Hồn Vũ và Cơng ty “MOHINI ORGANICS PVT.LTD, MUMBAI-400064,

Ấn Độ” đã giúp đỡ phân tích, gửi tặng hàng mẫu, chia sẻ thông tin và trao đổi
những kiến thức chuyên mơn, để tơi có thể hồn thành tốt luận văn này.
Tơi xin cảm ơn Chương trình hỗ trợ kinh phí NCKH phục vụ Đào tại Sau đại
học số 07/HĐ-ĐHBK-KHCN&DA, đã hỗ trợ kinh phí cho tơi để tơi hồn thành
cơng trình nghiên cứu này.
Cuối cùng, xin gửi lịng tri ân sâu sắc đến gia đình, bạn bè và những người
thân yêu bên tôi, những người đã luôn là nguồn động viên chia sẻ và ủng hộ tôi
xuyên suốt chặng đường sống, học tập và làm việc.
TP.HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2010

Tống Thị Minh Thu


MỤC LỤC

MỤC LỤC

MỤC LỤC.............................................................................................................. I
MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................. VIII
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... XI
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................XII
INTRODUCTION ........................................................................................... XIII
TÓM TẮT LUẬN VĂN................................................................................... XIV
ABSTRACT ....................................................................................................... XV
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN..................................................................................1
I.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI...................................................................1
1.1. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
[28; 29; 31] .......................................................................................................1
1.2. NHỮNG DẠNG NHIÊN LIỆU CÓ THỂ THAY THẾ NHIÊN LIỆU
TRUYỀN THỐNG [53] ....................................................................................2

1.3. CƠ SỞ MINH CHỨNG CHO NHỮNG ƯU THẾ CỦA VIỆC TẠO RA
DẠNG NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG [5; 56- 59] ..............................................4
I.2. TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT ......................................10
2.1.

GIỚI THIỆU VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT ................................10

2.2.

THỊ TRƯỜNG VÀ LĨNH VỰC ỨNG DỤNG ......................................10

2.3.

XU HƯỚNG SỬ DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MĂT [5, 7]...........12

2.4.

LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT [5-10; 33]13

2.4.1. Sức căng bề mặt .................................................................................13
2.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt ........................................14
2.5.

CÁC TÍNH CHẤT HĨA LÝ CƠ BẢN CỦA CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ

MẶT TRONG DUNG DỊCH ..........................................................................15
2.5.1. Cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn lỏng-khí, lỏng-lỏng..........................15
2.5.2. Sự hình thành micelle.........................................................................16
i

MỤC LỤC
2.5.3. Nồng độ micelle tới hạn (CMC-critical micelle concentration)...........16
2.5.4. Điểm đục (cloud point) ......................................................................17
2.5.5. HLB (Hydrophile-Lipophile Balance) ................................................17
2.5.6. Tính chất hệ bọt .................................................................................19
2.6.

PHÂN LOẠI CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT ......................................19

2.6.1. Chất hoạt động bề mặt Anion .............................................................20
2.6.2. Chất hoạt động bề mặt Cation ............................................................20
2.6.3. Chất hoạt động bề mặt lưỡng tĩnh.......................................................21
2.6.4. Chất hoạt động bề mặt không ion (non-ionic).....................................21
I.3. TỔNG QUAN VỀ HỆ NHŨ TƯƠNG ..........................................................23
3.1.

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ NHŨ TƯƠNG [3; 5; 9; 33]..........23

3.2.

PHÂN LOẠI NHŨ TƯƠNG .................................................................24

3.3.

PHƯƠNG PHÁP TẠO HỆ NHŨ TƯƠNG............................................24

3.4.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN NHŨ.............................25

3.5.

CHẤT NHŨ HÓA.................................................................................26

3.5.1. Phân loại chất nhũ hóa .......................................................................27
3.5.2. Vai trị của nhũ hóa trong sự hình thành nhũ ......................................27
3.5.3. Một số chất hoạt động bề mặt được sử dụng làm chất nhũ hóa ..........28
I.4. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
TỔNG HỢP........................................................................................................29
4.1. TỔNG HỢP CHẤT TẠO NHŨ “PEG OLEATE” ....................................29
4.1.1. Phân tích lựa chọn acid béo ................................................................29
4.1.2. Phân tích lựa chọn phân tử lượng Polyethylene Glycol (PEG)............30
4.1.3. Phân tích lựa chọn xúc tác..................................................................32
4.1.4. Phân tích lựa chọn phương pháp tổng hợp chất tạo nhũ [13-27] .........32
4.2.

TẠO HỆ NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG NƯỚC TRONG DIESEL ........35

4.2.1. Cơ sở lựa chọn nguồn nguyên liệu truyền thống làm nguồn nguyên liệu
tạo hệ nhiên liệu nhũ tương [28; 29; 30; 31; 32]...........................................35
4.2.2. Các cơng trình liên quan đến nghiên cứu thực nghiệm NLNT ............39
4.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu nhũ tương trên Thế giới và
Việt Nam [5, 7, 50, 63, 64, 67, 68] ...............................................................40
ii


MỤC LỤC
CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP .....................................42
2.1.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ......................................................................42

2.2.

SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU .............................................................................43

2.3.

THIẾT BỊ, DỤNG CỤ, NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ HÓA CHẤT ...............44

2.3.1.

Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm...........................................................44

2.3.2.

Ngun vật liệu và hóa chất ...............................................................45

2.4.

TỔNG HỢP CHẤT TẠO NHŨ “PEG OLEATE” .....................................46

2.4.1.

Phương pháp tổng hợp .......................................................................46

2.4.2.

Thiết bị tổng hợp................................................................................48

2.4.3.

Quy trình tổng hợp .............................................................................49

2.4.4.

Tinh chế sản phẩm .............................................................................51

2.4.4.1. Trung hòa xúc tác acid....................................................................51
2.4.4.2. Tách loại PEG.................................................................................51
2.4.4.3. Tách lỏng lỏng................................................................................53
2.4.4.4. Tách lỏng rắn..................................................................................54
2.4.5.

Định tính và định lượng sản phẩm......................................................54

2.4.5.1. Phương pháp sắc ký lớp mỏng (TLC) .............................................55
2.4.5.2. Chỉ số acid (Acid value-AV)...........................................................55
2.4.5.3. Chỉ số Hydroxyl (chỉ số OH) ..........................................................55
2.4.5.4. Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao-khối phổ (HPLC-MS) ......58
2.4.5.5. Chỉ số xà phịng hóa .......................................................................59
2.4.5.6. Độ nhớt động học ...........................................................................60
2.4.5.7. Độ chọn lọc ....................................................................................60
2.5.

KHẢO SÁT VÀ SO SÁNH TÍNH CHẤT HĨA LÝ CỦA SẢN PHẨM

TỔNG HỢP VÀ SẢN PHẨM CÙNG LOẠI ĐÃ ĐƯỢC THƯƠNG MẠI HÓA. .60
2.5.1.

Sức căng bề mặt .................................................................................60

2.5.2.

Độ tan ................................................................................................60

2.5.3.

Điểm đục (Cloud point)......................................................................61

2.5.4.

Độ đục (Turbidity) .............................................................................61

2.5.5.

Độ dẫn điện........................................................................................61

2.5.6.

Nồng độ micelle tới hạn (CMC) .........................................................62
iii


MỤC LỤC
2.5.7.
2.6.

Tính chất bọt ......................................................................................62

TẠO HỆ NHŨ TƯƠNG NƯỚC TRONG DẦU ........................................63

2.6.1.

Mục tiêu tổng hợp nhiên liệu nhũ tương.............................................63

2.6.2.

Nguyên liệu........................................................................................63

2.6.3.

Quy trình và phương pháp tổng hợp ...................................................64

2.6.4.

Thiết bị tạo nhũ ..................................................................................65

2.6.4.1. Thiết bị tạo nhũ khuấy đồng hóa .....................................................66
2.6.4.2. Thiết bị tạo nhũ (scale up)...............................................................66
2.6.5.

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của hệ nhũ tương .............67

2.6.6.

Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu nhũ tương .................68

CHƯƠN III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..........................................................70

3.1.

TỔNG HỢP CHẤT TẠO NHŨ “PEG OLEATE” .....................................70

3.1.1.

Định tính và định lượng sản phẩm bằng phương pháp xác định chỉ số

nhóm hydroxyl, chỉ số acid, lượng sản phẩm tạo thành ...................................70
3.1.1.1. Nhiệt độ phản ứng ..........................................................................70
3.1.1.2. Nồng độ xúc tác..............................................................................73
3.1.1.3. Tỷ lệ nguyên liệu tham gia phản ứng ..............................................76
3.1.1.4. Thời gian phản ứng.........................................................................80
3.1.2.

Theo dõi sự hình thành sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng

(TLC) theo các yếu tố được khảo sát ở mục 3.1.1............................................82
3.1.3.

Định tính và định lượng sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu

năng cao – khối phổ (HPLC-MS) ....................................................................89
KẾT LUẬN:.......................................................................................................96
3.2.

KHẢO SÁT CÁC TÍNH CHẤT HĨA LÝ CƠ BẢN CỦA SẢN PHẨM

TỔNG HỢP VÀ SO SÁNH VỚI SẢN PHẨM CÙNG LOẠI ..............................96
3.2.1.

HLB...................................................................................................97

3.2.2.

Sức căng bề mặt .................................................................................97

3.2.3.

Điểm đục (Cloud point)......................................................................98

3.2.4.

Độ tan ................................................................................................99

3.2.5.

Độ đục (Turbidity) ...........................................................................100

3.2.6.

Độ dẫn điện......................................................................................101
iv


MỤC LỤC
3.2.7.

Khả năng tạo bọt ..............................................................................102

KẾT LUẬN:.....................................................................................................102
3.3.

TẠO HỆ NHŨ TƯƠNG..........................................................................104

3.3.1.

Tạo nhũ sử dụng thiết bị khuấy đồng hóa .........................................104

3.3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ và nồng độ chất hoạt động bề mặt đến
độ bền của hệ nhũ tương ............................................................................104
3.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng nước .....................................105
3.3.2.

Tạo nhũ với tỷ lệ scale up.................................................................107

3.3.2.1. Đánh giá độ bền nhũ .....................................................................107
3.3.2.2. Đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của nhiên nhiêu nhũ tương và so
sánh với nhiên liệu truyền thống diesel ......................................................109
KẾT LUẬN:.....................................................................................................113
CHƯƠN IV:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................114
4.1.

KẾT LUẬN ............................................................................................114

4.2.

ƯU ĐIỂM VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA ĐỀ TÀI ....................115

4.3.

KIẾN NGHỊ ...........................................................................................116

BÁO CÁO KHOA HỌC....................................................................................117
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................118
PHỤ LỤC ...........................................................................................................122

v


MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU

MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng I-1: Một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu của chất HĐBM..............................11
Bảng I-2: Sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của chất tiếp xúc ....................14
Bảng I-3: Sức căng bề mặt của hệ hai chất lỏng ...................................................15
Bảng I-4: Ước tính HLB dựa trên mức độ phân tán của chất HĐBM trong nước...18
Bảng I-5: Giá trị HLB ước tính..............................................................................18
Bảng I-6: Thống kê xu hướng sử dụng các dạng chất hoạt động bề mặt.................22
Bảng I-7: Một số chất hoạt động bề mặt được dùng làm chất nhũ hóa...................28
Bảng I-8: Thành phần (%) acid béo có trong một vài loại dầu thực vật tiêu biểu...30
Bảng I-9: Tiêu chuẩn Việt Nam đối với nhiên liệu diesel (TCVN 5689:2005).........37
Bảng I-10: Nhu cầu tiêu thụ dầu diesel qua các giai đoạn [29; 31] ......................38
Bảng I-11: Sự gia tăng các chất ơ nhiễm trong khí quyển [28] ..............................39
Bảng I-12: Chất hoạt động bề mặt tiêu biểu được sử dụng làm chất nhũ hóa cho hệ
nhũ tương nước trong diesel ..................................................................................40
Bảng I-13: Tình hình sử dụng nhiên liệu nhũ tương trên thế giới ...........................41
Bảng II-1: Bảng thống kê các thiết bị và dụng cụ chính được sử dụng ...................44
Bảng II-2: Bảng thống kê các nguyên vật liệu và hóa chất chính được sử dụng .....45
Bảng II-3: Tính chất hóa lý của hàng mẫu-PEG oleate (số liệu từ nhà cung cấp) .46

Bảng II-4: Bảng tính chỉ số Hydroxyl theo số lần chiết tách PEG..........................53
Bảng III-1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa và lượng sản phẩm tạo
thành .....................................................................................................................71
Bảng III-2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chọn lọc của sản phẩm và HLB..........72
Bảng III-3: Ảnh hưởng nồng độ xúc tác đến độ chuyển hóa và lượng sản phẩm tạo
thành .....................................................................................................................74
Bảng III-4: Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến độ chọn lọc của sản phẩm và HLB
..............................................................................................................................75
Bảng III-5: Khảo sát các bước thêm tác chất theo tỷ lệ phản ứng ..........................77
Bảng III-6: Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu tham gia phản ứng đến độ chuyển hóa
và lượng sản phẩm tạo thành.................................................................................78
vi


MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng III-7: Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu đến độ chọn lọc của sản phẩm và HLB
..............................................................................................................................79
Bảng III-8: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ chuyển hóa và lượng sản
phẩm tạo thành ......................................................................................................80
Bảng III-9: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ chọn lọc của sản phẩm và
HLB .......................................................................................................................81
Bảng III-10: Kết quả phân tích sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng của
khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ ..................................................................................83
Bảng III-11: Kết quả phân tích sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng của
khảo sát ảnh hưởng nồng độ xúc tác ......................................................................84
Bảng III-12: Kết quả phân tích sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng của
khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ nguyên liệu tham gia phản ứng.......................................85
Bảng III-13: Kết quả phân tích sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng của
khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng.................................................................87
Bảng III-14: Khảo sát độ tan của sản phẩm tổng hợp và sản phẩm cùng loại đã

được thương mại hóa.............................................................................................99
Bảng III-15: Tính chất hóa lý của chất hoạt động bề mặt PEG oleate.................103
Bảng III-16: Ảnh hưởng của tỷ lệ và nồng độ chất hoạt động bề mặt đến độ bền và
tính chất của hệ nhũ tương...................................................................................104
Bảng III-17: So sánh chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu nhũ tương và DO..........110

vii


MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình I-1: Phát thải muội trong khí thải của nhiên liệu nhũ tương ............................7
Hình I-2: Phát thải khí thải và tiêu hao nhiên liệu (SFC-specific fuel consumption)
của các nhiên liệu nhũ tương ...................................................................................8
Hình I-3: Mơmen động cơ DO khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương .............................9
Hình I-4: Tiêu hao nhiên liệu trong động cơ DO khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương
với hàm lượng nước khác nhau................................................................................9
Hình I-5: Biểu đồ phần trăm về thị trường chất hoạt động bề mặt trên thế giới .....11
Hình I-6: Biểu đồ phần trăm về các lĩnh vực sử dụng chất hoạt động bề mặt [5]...12
Hình I-7: Bề mặt phân chia pha lỏng-khí của một chất lỏng nguyên chất ..............13
Hình I-8: Phân bố của chất hoạt động bề mặt tại giới hạn lỏng-khí.......................15
Hình I-9: Sự hình thành cấu trúc micelle của chất hoạt động bề mặt .....................16
Hình I-10: Sự thay đổi đột ngột tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề
mặt tại điểm CMC..................................................................................................17
Hình I-11: Nhũ tương D/N

Hình I-12: Nhũ tương N/D ......................24

Hình I-13: Hình biểu diễn quá trình hình thành nhũ tương ....................................25

Hình I-14: Mối quan hệ giữa HLB và sự hình thành nhũ tương .............................27
Hình II-1: Sơ đồ nghiên cứu ..................................................................................43
Hình II-2: Hệ thống phản ứng tổng hợp chất tạo nhũ PEG oleate..........................48
Hình II-3: Sơ đồ quy trình tổng hợp chất tạo nhũ PEG oleate................................49
Hình II-4: Tách PEG dư ra khỏi sản phẩm ............................................................52
Hình II-5: Kết quả phân tích TLC của sản phẩm trước và sau khi tách loại PEG dư
..............................................................................................................................53
Hình II-6: Hệ thống tách lỏng–rắn ........................................................................54
Hình II-7: Các phản ứngchính trong quy trình Phathatlic anhydride.....................57
Hình II-8: Hệ thống phản ứng tính chỉ số OH........................................................57
Hình II-9: Thiết bị đo độ dẫn điện .........................................................................62
Hình II-10: Sơ đồ quy trình tạo nhũ tương.............................................................64
Hình II-11: Thiết bị tạo nhũ khuấy đồng hóa .........................................................66
viii


MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình II-12: Thiết bị tạo nhũ Scale up.....................................................................66
Hình II-13: Sản phẩm nhũ tương với thiết bị scale-up............................................67
Hình III-1: Kết quả phân tích sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng của
khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ ..................................................................................83
Hình III-2: Kết quả phân tích sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng của
khảo sát ảnh hưởng nồng độ xúc tác ......................................................................85
Hình III-3: Kết quả phân tích sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng của
khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ nguyên liệu tham gia phản ứng.......................................86
Hình III-4: Kết quả phân tích sản phẩm bằng phương pháp sắc ký lớp mỏng của
khảo sát ảnh hưởng thời gian phản ứng.................................................................87
Hình III-5: Hình ảnh về màu sắc của sản phẩm ở các điều kiện khảo sát tiêu biểu 88
Hình III-6: Phổ đồ của mẫu chuẩn (PEG oleate và PEG 200) ...............................89
Hình III-7: Phổ khối của PEG 200.........................................................................90

Hình III-8: Phổ khối của PEG monooleate (mẫu chuẩn)........................................91
Hình III-9: Phổ khối của PEG dioleate (mẫu chuẩn) ............................................91
Hình III-10: Phổ đồ của sản phẩm PEG oleate (sau khi tách loại PEG dư) ..........92
Hình III-11: Phổ khối của PEG monoleate của sản phẩm......................................93
Hình III-12: Phổ khối của PEG 200 dioleate của sản phẩm...................................93
Hình III-13: Hình ảnh của hạt nhũ tương ngay sau khi tổng hợp .........................108
Hình III-14: Kết quả đo kích thước hạt nhũ ngay sau khi tổng hợp bằng hệ thống
quang học LA-920 ...............................................................................................108
Hình III-15: Biến đổi kích thước hạt nhũ theo thời gian được (được quan sát và đo
bằng kính hiển vi) ................................................................................................109

ix


MỤC LỤC CÁC ĐỒ THỊ
MỤC LỤC CÁC ĐỒ THỊ
Đồ thị III-1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa và lượng sản phẩm tạo
thành .....................................................................................................................71
Đồ thị III-2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chọn lọc của sản phẩm và HLB ........72
Đồ thị III-3: Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến độ chuyển hóa và lượng sản phẩm
tạo thành................................................................................................................74
Đồ thị III-4: Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác đến độ chọn lọc của sản phẩm và HLB
..............................................................................................................................75
Đồ thị III-5: Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu tham gia phản ứng đến độ chuyển hóa
và lượng sản phẩm tạo thành.................................................................................78
Đồ thị III-6: Ảnh hưởng của tỷ lệ nguyên liệu đến độ chọn lọc của sản phẩm và
HLB .......................................................................................................................79
Đồ thị III-7: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ chuyển hóa và lượng sản
phẩm tạo thành ......................................................................................................81
Đồ thị III-8: Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ chọn lọc của sản phẩm và

HLB .......................................................................................................................82
Đồ thị III-9: Đường chuẩn về mối quan giữa nồng độ và diện tích pick của PEG
200 monooleate (mẫu chuẩn).................................................................................94
Đồ thị III-10: Đường chuẩn về mối quan giữa nồng độ và diện tích pick của PEG
200 dioleate (mẫu chuẩn) ......................................................................................94
Đồ thị III-11: Đồ thị biểu diễn sức căng bề mặt của PEG oleate trong dung dịch
theo nồng độ ..........................................................................................................97
Đồ thị III-12: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ độ đục của PEG oleate trong dung dịch
theo nồng độ ........................................................................................................100
Đồ thị III-13: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ độ dẫn điện của PEG oleate trong dung
dịch theo nồng độ ................................................................................................101
Đồ thị III-14: Tính chất bọt của polyethylene oleate ............................................102
Đồ thị III-15: Đồ thị biểu diễn mối liên hệ nồng độ chất hoạt động bề mặt, hàm
lượng nước, độ nhớt và độ bền nhũ của hệ nhũ tương tổng hợp ...........................105

x


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
HĐBM: Hoạt động bề măt
STT: Số thứ tự
NLSH: Nhiên liệu sinh hoc
NLNT: Nhiên liệu nhũ tương
TLC: Thin layer chromatoghraphy (Sắc ký lớp mỏng)
HPLC-MS: High performance liquid chromatography - mass spectrometry
(Sắc lý lỏng hiệu năng cao-khối phổ)
CMC: Critical micelle concentration (nồng độ micelle tới hạn)
HLB: Hydrophile-Lipophile Balance (chỉ số ưa kỵ nước)

W/O: Water in oil (nước trong dầu)
O/W: Oil in water (dầu trong nước)
AV: Acid value (chỉ số acid)
OH: Hydroxyl
PEG: Polyethylene Glycol
DO: Diesel
Span 80: Sorbitan Oleate
EtOH: Ethanol
Wt%: Phần trăm khối lượng.
δmin: Sức căng bề mặt nhỏ nhất

CN: Cetan number (Chỉ số xêtan)

xi


LỜI MỞ ĐẦU
LỜI MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh các nguồn nhiên liệu truyền thống ngày càng cạn kiệt, những
quan tâm đối với giá dầu, an ninh năng lượng và biến đổi khí hậu, Việt Nam cũng
như nhiều nước trên thế giới đã tìm kiếm những nguồn nhiên liệu mới để thay thế
nhiên liệu truyền thống. Một dạng nhiên liệu thay thế có thể sản xuất được tương
đối dễ dàng và có thể triển khai trong tình hình hiện tại ở Việt Nam là nhiên liệu
nhũ tương (NLNT - Emulsified Fuel). Nhiên liệu nhũ tương có những ưu điểm so
với các nhiên liệu truyền thống như:
- Khả năng giảm lượng khí thải ra môi trường tốt hơn.
- Giảm tiêu hao nhiên liệu.
Về cơ bản, hệ nhũ tương là hệ các hạt nước được phân tán trong dầu được
nhũ hóa bằng chất hoạt động bề mặt. Độ bền và ổn định của hệ nhũ tương phụ thuộc

rất nhiều vào bản chất và lượng chất hoạt động bề mặt được sử dụng. Những nghiên
cứu thử nghiệm trước đây đã chứng minh rằng: chất hoạt động bề mặt có khả năng
nhũ hóa tốt cho hệ nhũ tương nước trong dầu có chỉ số ưu kỵ nước HLB
(Hydrophile-Lipophile Balance) trong khoảng từ 3 đến 6 [5].
Chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng là loại non-ionic chứa nhóm ưa
và kỵ nước. Polyethylene glycol fatty acid ester (ester của acid béo và polyethylene
glycol) là chất hoạt động bề mặt non-ionic, được ứng dụng rộng rãi như là tác nhân
nhũ hóa tốt [5; 7]. Polyethylene glycol fatty acid ester có thể được tổng hợp bằng
hai con đường chính; (1): Q trình ethoxylate, (2): Q trình ester hóa. Tuy nhiên,
những nghiên cứu cho thấy, Polyethylene glycol fatty acid ester được tổng hợp từ
q trình ester hóa là an toàn và dễ điều khiển các sản phẩm như mong muốn.
Mục tiêu của đề tài: Từ những định hướng trên, trong đề tài này chúng
tôi nghiên cứu tổng hợp chất hoạt động bề mặt non-ionic Polyethylen glycol ester
bằng phản ứng ester hóa giữa Polyethylene glycol có phân tử lượng 200 và acid
Oleic trong sự có mặt của xúc tác acid Sulfuaric, thành phần diester trong sản
phẩm phải lớn hơn 70%, nhằm đạt được giá trị HLB từ 5 đến 6. Chất hoạt động
bề mặt tổng hợp được dùng để làm chất nhũ hóa cho hệ nước trong dầu, tạo ra
nhiên liệu nhũ tương.
xii


INTRODUCTION

INTRODUCTION

In the context of traditional fuels increasingly exhausted, the concern for oil
prices, energy security and climate change, Vietnam and many countries around
the world have been searching for new fuel sources replace traditional fuels.
A form of alternative fuels can be produced relatively easily and can be
deployed in the current situation in Vietnam is emulsified fuel. Emulsion fuels have

advantages compared to traditional fuels such as:
-

The ability to reduce emissions into the environment better.

-

Reduced fuel consumption.

Basically, emulsified fuel is dispersion of water in oil and is stable by
emulsifier; an emulsifier is substrate has surface active-properties. A kinetically
stabilized emulsion system depend on the nature and quantity of surfactants, it is well
know that a surfactant has a good emulsifier with HLB is range 3-6 [5]. The
differences in emulsification behavior in the presence of other surfactant types as
ionic surfactants and non-ionic surfactants. Recently, Nonionic surfactant is advanced
more than ones because of being displayed very low toxicity and much less sensitive
to electrolytes.
Polyethylene glycol fatty acid ester is nonionic surfactant. They were
widely useful surface-active substrate. It was good emulsifiers. PEG fatty acid
esters can be prepared by ether ethoxylation or esterification. Esterification process
is safer and more easily controllable as desired.
In this work, Polyethylene glycol fatty acid ester was synthesized by
directly ester of PEG with weight molecular 200 and Oleic acid in present of
sulfuric acid. The synthetic method was studied for the high selectivity of diester
corresponds to HLB value ranging 5-6. Surface-active substances used to make
synthetic emulsifier for water in oil system, create an emulsion fuel.

xiii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Chất hoạt động bề mặt non-ionic polyethylene glycol ester là một trong
những chất nhũ hóa tốt cho hệ nhũ tương nước trong dầu, được tổng hợp từ phản
ứng ester hóa giữa acid Oleic và Polyethylene glycol trong sự có mặt của xúc tác
acid sulfuaric ở nhiệt độ 1300C, áp suất chân không. Ảnh hưởng của tỉ lệ các tác
chất tham gia phản ứng và các yếu tố về nhiệt độ, áp suất, nồng độ xúc tác, thời gian
phản ứng được tiến hành khảo sát. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng; bằng việc sử
dụng một lượng dư acid oleic, thành phần diester được hình thành là chủ yếu với độ
chuyển hóa lớn hơn 90%. Sản phẩm sạch thu được sau khi phân tách các tác chất
dư và các tạp chất, hoạt tính bề mặt được đánh giá thơng qua các tính chất hóa lý cơ
bản như: giá trị HLB, sức căng bề mặt, nồng độ micelle tới hạn, điểm đục, độ đục,
độ dẫn điện, khả năng tạo bọt. Các tính chất hóa lý của sản phẩm tổng hợp được so
sánh với sản phẩm cùng loại đã được thương mại hóa. Kết quả cho thấy rằng, sản
phẩm tổng hợp hoàn toàn đáp ứng yêu cầu của một chất hoạt động bề mặt.
Tính chất nhũ hóa được đánh giá thông qua chỉ số HLB. Kết quả nghiên cứu
đã cho thấy, sản phẩm tổng hợp có chỉ số HLB trong khoảng từ 5~ 6, có khả năng
tạo nhũ tốt cho hệ nhũ tương nước trong dầu diesel.
Hệ nhũ tương được tổng hợp có độ bền và độ ổn định theo thời gian và đạt
các yêu cầu về các chỉ tiêu chất lượng như là nhiên liệu truyền thống diesel.

xiv


ABSTRACT

ABSTRACT

Non-ionic surfactants were successfully prepared by esterification of
Polyethylene glycol and oleic acid, in the presence of acid catalyst at temperature of

130oC and vacuum pressure. The effects of molar ratios of reactants, and other
parameters such as temperature, reaction time and catalyst concentration were
investigated. It was found that by using an excess of fatty acid, the formation of diester, which is a good emulsifier for water-in-oil emulsion, was favored with
minimum 90% conversion and high selectivity of di-ester. Clean product obtained
after separation of un-reacted reactants and other by-products, the surface active
properties of product were evaluated by determining HLB, interfacial tension in
aqueous, micellisation, turbidity, cloud point, and foaming property. The chemical
and physical properties of the synthetic products were compared with the same
products have been commercialized. The results showed that synthetic products
completely meet the requirements of surface-active substances.
Emulsifying properties were assessed through HLB value. It was found that
the HLB value of synthetic products was in the range of 5-6, suggesting that the
successfully synthesized ester could be used as emulsifier for making
environmentally benign emulsified fuels.
Emulsion system was integrated with the durability and stability over time
and meet the requirements of quality standards as traditional diesel fuel.
Key words: Non-ionic surfactant, polyethylene glycol, water-in-oil
emulsion, emulsified fuel.
Topic preference:

Air pollution control and management
Other related topic: environmentally benign fuel

xv


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN

I.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
1.1. TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
[28; 29; 31]
Trong thế kỷ 20 vừa qua, loài người đã đạt được những thành tựu tuyệt vời
trong phát triển kinh tế xã hội, nhưng cũng đã tiêu tốn một lượng năng lượng nhiều
hơn toàn bộ năng lượng mà lồi người đã sử dụng trước đó. Trong cân bằng năng
lượng thế giới, ba dạng năng lượng sơ cấp đóng vai trị chủ yếu hiện nay là than đá,
dầu mỏ, và khí thiên nhiên. Đây là những nguồn năng lượng hữu hạn và không thể
tái tạo. Bên cạnh đó, cịn có những nguồn năng lượng khác như thủy điện, năng
lượng nguyên tử, các dạng năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng gió,
năng lượng thủy triều,..). Tuy nhiên, các nguồn này chỉ chiếm một phần nhỏ trong
cân bằng năng lượng toàn cầu. Hiện nay, nếu dầu mỏ và khí thiên nhiên chưa bị cạn
kiệt, vẫn phải đóng vai trị chủ lực trong việc cân bằng năng lượng thế giới trong
nhiều thập kỷ tới, thậm chí trong suốt cả thế kỷ 21. Tuy nhiên, đây cũng là nguồn
gây ơ nhiễm mơi trường nhiều nhất do q trình sử dụng nhiên liệu gây ra. Các hợp
chất có trong khí thải từ q trình đốt cháy nhiên liệu diesel như COx, NOx, SO2, các
hợp chất hydrocarbon, … là những nguồn chính ảnh hưởng xấu đến mơi trường
sống và sức khỏe con người.
Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn tài ngun dầu mỏ và khí.
Tuy nhiên, những ưu điểm đó sẽ khơng tồn tại được lâu vì ba lý do. Thứ nhất là trữ
lượng những mỏ hydrocacbon của nước ta rất eo hẹp. Thứ hai là phát triển kinh tế
sẽ quy định phát triển của nhu cầu năng lượng. Với đà phát triển kinh tế kỷ lục như
hiện nay của nước ta, khoảng 10% trên một năm, thì nhu cầu năng lượng sẽ gia tăng
mạnh. Thứ ba là nước ta đang cơ giới hóa nơng nghiệp và phát triển những ngành
công nghiệp tiêu thụ nhiều năng lượng như xi măng, thép, … Do đó, mức tiêu thụ
năng lượng của nước ta gia tăng với một tỷ lệ mạnh hơn là tỷ lệ tăng trưởng kinh tế.
Vì vậy, chỉ trong vài năm nữa, chúng ta sẽ là một nước nhập siêu về nhiên liệu, đặc
biệt là nhiên liệu diesel truyền thống với mức tiêu thụ chiếm 40% – 50% tổng sản

1


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
lượng sản phẩm dầu mỏ tiêu thụ ở nước ta. Như vậy, chúng ta có thể thấy rằng trong
khi lượng năng lượng đi từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần, tốc độ
phát triển kinh tế của Việt Nam cũng như các quốc gia khác đang yêu cầu một
nguồn cung cấp năng lượng bền vững và có khả năng kiểm sốt được. Ngồi ra,
mức độ ô nhiễm môi trường do việc khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa
thạch, đặc biệt là nhiên liệu diesel, cũng đang là một vấn đề đáng được quan tâm.
Do đó, việc nghiên cứu các nguồn nhiên liệu mới sạch hơn, và phù hợp với sự phát
triển kinh tế nước nhà là nhu cầu cấp thiết.
1.2. NHỮNG DẠNG NHIÊN LIỆU CÓ THỂ THAY THẾ NHIÊN LIỆU
TRUYỀN THỐNG [53]
Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới đã tìm kiếm những nguồn nhiên
liệu mới để thay thế nhiên liệu truyền thống như năng lượng tái tạo, nhiên liệu sinh
học (NLSH). Có nhiều loại nhiên liệu thay thế được nghiên cứu và sử dụng ở các
giai đoạn khác nhau. Các nhiên liệu thay thế bao gồm các dạng năng lượng hồn
ngun và các dạng nhiên liệu như: khí hydro, khí đốt tự nhiên, khí sinh học,
dimethylether (DME), rượu như methanol và ethanol, khí hóa lỏng (LPG), dầu thực
vật, methyl ester của acid béo, và dạng nhiên liệu pha trộn của các nhiên liệu trên
với xăng hoặc diesel. Nhiên liệu sinh học là thuật ngữ chung cho tất cả các nhiên
liệu thay thế dựa trên các nguyên liệu tái tạo. Trong tất cả các loại nhiên liệu sinh
khối được đề cập ở trên thì dầu diesel sinh học và ethanol là hai dạng nhiên liệu
được quan tâm nhiều nhất. Dưới đây là một mô tả ngắn về các nhiên liệu thay thế.
 Khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên là một nhiên liệu linh hoạt có thể được sử dụng trực tiếp ở
dạng khí nén (CNG- compressed natural gas) hoặc dạng hóa lỏng (LNG- liquefied
natural gas), nhưng nó cũng có thể được chuyển đổi sang methanol, dimethyl ether
(DME), hoặc nhiên liệu diesel Fischer-Tropsch, đó là tất cả các loại nhiên liệu hữu

ích. Phát thải hạt muội PM (particulate matter), NOx từ khí tự nhiên và nhiên liệu có
nguồn gốc từ khí tự nhiên rất thấp, lưu huỳnh phát thải hầu như không tồn tại.
 DME (Dimethylether)
Có thể được sản xuất từ khí tự nhiên hoặc khí sinh học. DME có thể hoạt
động như một nhiên liệu sạch khi đốt cháy trong động cơ, quá trình đốt cháy DME
2


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
tạo ra lượng khí thải rất thấp NOx và CO, HC (hydrocarbon), mặc dù quá trình đốt
cháy hình thành muội than là rất lớn.
 Dầu khí hố lỏng (LPG)
LPG là hình thức của các chất khí dầu mỏ hóa lỏng được tạo thành trong khai
thác dầu thơ và khí tự nhiên hoặc trong q trình tinh chế dầu thô. Các hydrocarbon
trong LPG chủ yếu là propane, butane, và các khí hố lỏng dưới áp lực vừa phải
(800 kPa). Các quá trình đốt cháy của LPG cho lượng khí thải thấp.
 Hydrogen
Hydrogen có thể được sử dụng như một nhiên liệu cho động cơ đốt trong và
cũng có trong các tế bào nhiên liệu (fuel cell). Nó có đặc điểm cháy rất sạch với
khơng khí thải. Ngày nay hydro được sản xuất từ khí tự nhiên nhưng nó cũng có thể
được sản xuất bằng cách điện phân nước. Tuy nhiên các vấn đề liên quan đến sản
xuất hydro, phân phối, cũng như lưu trữ tại các trạm khí và trong xe là một mối
quan tâm lớn.
 Các quá trình khí hố sinh khối
Các q trình khí hóa sinh khối là q trình chuyển khí sinh học thành nhiên
liệu lỏng (BTL- biogas to liquid). Các sinh khối có thể có nguồn gốc khác nhau như
rượu mùi đen, bã lâm nghiệp, hoặc các sản phẩm chất thải công nghiệp. Kết quả của
q trình khí hóa cho ra các nhiên liệu dưới dạng là nhiên liệu methanol, DME và
diesel Fischer-Tropsch.
 Ethanol (ethanol sinh học)

Ethanol là một nhiên liệu tái tạo được sử dụng rộng rãi. Ethanol có thể được
sử dụng như là một sự pha trộn với diesel thông thường hoặc như ethanol nguyên
chất. So với diesel thông thường, sự giảm phát thải của việc sử dụng nhiên liệu
ethanol là lớn. PM giảm 80% và NOx là 28%, và cũng có thể cắt giảm lượng khí
thải CO và HC đạt được (80% và 50% tương ứng). Ethanol cũng có thể được sử
dụng trong pha trộn với xăng. Ethanol sản xuất chủ yếu từ mía, lúa mì, hoặc rượu.
Các nghiên cứu đang được tiến hành trên lignocellulosics như là nguyên liệu.
 Dầu diesel sinh học
Dầu diesel sinh học đề cập đến một nhiên liệu diesel dựa trên nguồn nhiên
liệu tái tạo. Fatty acid ester methyl là loại chiếm ưu thế nhất, được sản xuất từ quá
3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
trình trao đổi ester của một tri- glyxerit với methanol. Dầu diesel sinh học là một
dạng nhiên liệu có thể áp dụng dễ dàng nhất so với các nhiên liệu tái tạo của tất cả
các lựa chọn thay thế. Nó có thể được sử dụng hoặc như là pha trộn với diesel thông
thường hoặc như 100% nguyên chất trong động cơ diesel. Nó được nhiều thị trường
chấp nhận. Dầu diesel sinh học có thể được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên vật liệu
khác nhau. Dầu diesel sinh học làm tăng lượng khí thải NOx khoảng 10% nhưng
giảm đáng kể trong hydrocarbon, CO và PM (50%).
 Nhiên liệu hồn ngun
Đây là nguồn năng lượng chuyển hóa từ các nguồn nhiên liệu có sẵn trong tự
nhiên: năng lượng mặt trời, năng lượng thủy lực, năng lượng gió, … hay là nguồn
năng lượng nhân tạo: năng lượng điện, … Hiện nay, người ta còn đang thử nghiệm
những nguồn năng lượng của hải dương và nguồn năng lượng của trung tâm địa
cầu. Ưu điểm của nguồn năng lượng này là: nguồn năng lượng sạch, tận dụng được
những lợi thế của tự nhiên, là nguồn năng lượng vô tận. Tuy nhiên, việc ứng dụng
các nguồn năng lượng này vẫn còn hạn chế và chỉ mới ở mức độ thử nghiệm.
 Nhiên liệu nhũ tương nước trong dầu

Gần đây một dạng nhiên liệu sạch được nghiên cứu ứng dụng là nhiên liệu
nhũ tương, đây là một dạng nhiên liệu mới kết hợp giữa nước và dầu diesel được ổn
định bằng chất hoạt động bề mặt. Nhiên liệu nhũ tương có các ưu điểm nổi bật là
tiết kiệm nhiên liệu hơn so với sử dụng nhiên liệu truyền thống, giảm được khí thải
NOx trên cùng một lượng nhiên liệu. Nhiên liệu nhũ tương nước trong diesel dựa
trên nguồn nhiên liệu diesel có sẵn. So với các dạng năng lượng tái tạo và NLSH,
NLNT có ưu điểm ở tính tương hợp với động cơ, cơng nghệ sản xuất đơn giản và
giá thành sản xuất thấp, có thể triển khai dễ dàng trong mặt bằng khoa học công
nghệ hiện tại ở Việt Nam.
1.3. CƠ SỞ MINH CHỨNG CHO NHỮNG ƯU THẾ CỦA VIỆC TẠO RA
DẠNG NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG [5; 56- 59]
 Giới thiệu chung
Hỗn hợp nhũ tương “nước trong dầu” (water-in-oil) với độ bền nhũ tương rất
cao, từ lâu đã được sử dụng như một dạng nhiên liệu thay thế cho các thiết bị đốt
4


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
cháy, ví dụ như động cơ diesel, lò hơi, lò đốt, … Ưu điểm của hỗn hợp nhiên liệu
nhũ tương so với nhiên liệu thông thường là tiết kiệm nhiên liệu và giảm hàm lượng
khí thải độc hại. Các ưu điểm này là kết quả của hiện tượng “vi nổ” (microexplosion). Hiện tượng “vi nổ” có thể được mô tả như sau: Hỗn hợp nhũ tương
được tán nhỏ (atomized) thành vô số các giọt nhiên liệu vô cùng nhỏ bởi một đầu
phun nhiên liệu. Do nước có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiên liệu, dưới điều kiện cháy
tại áp suất và nhiệt độ cao, các giọt nước được bao bọc bởi dầu sẽ hấp thu nhiệt
cháy, hóa hơi và tăng thể tích gấp khoảng 1000 lần nước lỏng. Hơi nước giãn nở
mạnh và nổ trong lớp dầu. Như vậy, các hạt nhũ tương dầu – nước đã được tán nhỏ
bị phá vỡ thành các hạt nhỏ hơn nữa, dẫn đến tăng tỷ số diện tích bề mặt so với thể
tích của dầu nhiên liệu. Nói cách khác, dưới ảnh hưởng của hiện tượng “vi nổ”, bề
mặt tiếp xúc giữa các thành phần trong phản ứng cháy (nhiên liệu, khơng khí) tăng.
Điều này làm tăng hiệu suất cháy và giảm phát thải muội (PM), NOx và CO. Cách

diễn ra và mức độ của hiện tượng “vi nổ” – có nghĩa là khả năng cháy và đặc tính
phát thải của nhiên liệu nhũ tương – phụ thuộc vào loại nhiên liệu, hàm lượng nước,
khác biệt về tỷ trọng của nước và dầu nhiên liệu, kích thước giọt nhũ tương.
Về cơ bản, nước – một hợp chất phân cực và dầu – một hợp chất không phân
cực, với bản chất hóa học khác nhau nên khơng tan với nhau. Để tạo được hỗn hợp
nhũ tương dầu (nhiên liệu) – nước, kỹ thuật phân tán truyền thống được sử dụng
rộng rãi. Theo kỹ thuật này, một lực khuấy cơ học mạnh được sử dụng như là ngoại
lực phá vỡ sức căng bền mặt giữa pha liên tục (dầu) và pha phân tán (nước), qua đó
tạo thành các hạt nước nhỏ trong dầu. Tuy nhiên, cho dù lực khuấy cơ học có mạnh
thế nào chăng nữa, các hạt nước được phân tán trong hệ nhũ tương dầu – nước sẽ
kết hợp lại với nhau và tách pha. Để tránh hiện tượng tách pha, hỗn hợp nhũ tương
cần được ổn định bằng một chất hoạt động bề mặt (chất nhũ hố) có tác dụng làm
giảm sức căng bề mặt giữa nước và dầu. Ngồi ra, nếu sử dụng chất nhũ hố thì có
thể giảm đáng kể lực khuấy cần thiết để tạo hỗn hợp nhũ tương.
Ngồi lực khuấy cơ học, có thể sự dụng siêu âm hoặc từ trường để phá vỡ
sức căng bề mặt giữa dầu nhiên liệu và nước để tạo nhũ tương.
 Nhiên liệu nhũ tương nước trong diesel (water-in-diesel) [50-58]

5


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
Nước có thể được trộn vào DO tạo thành nhiên liệu nhũ tương. Điều này đã
được chứng minh bằng lý thuyết và thực nghiệm. So với động cơ xăng, thì điều kiện
cháy tại nhiệt độ cao và áp suất cao trong động cơ diesel cũng rất thích hợp cho các
hiện tượng vi nổ và tán nhuyễn thứ cấp đã nêu. Các nghiên cứu đã cho thấy sử dụng
nhiên liệu DO nhũ tương mang đến những lợi ích chủ yếu: (i) giảm phát thải NOx và
PM trong khí thải và (ii) tăng hiệu quả đốt cháy.
Với nhiên liệu DO có hàm lượng Nitơ (N) thấp, sử dụng DO nhũ tương với
15% nước có thể giảm phát thải NOx đến 35%. Đối với nhiên liệu DO có hàm

lượng N cao, phát thải NOx chủ yếu tạo thành từ quá trình oxy hố các hợp chất
chứa N trong nhiên liệu, do đó nhiên liệu nhũ tương khơng có ảnh hưởng nhiều đến
phát thải NOx.
Phát thải PM trong khí thải nhiên liệu DO nhũ tương cũng được giảm đáng
kể so với nhiên liệu DO thơng thường. Điều này có thể được giải thích từ việc giảm
phát thải PAH (polycyclic aromatic hydrocarbon) – đặc biệt là pyrene và flourene –
của nhiên liệu DO nhũ tương. Do trong quá trình vi nổ, phản ứng oxy hoá các
hydrocarbon được khơi mào theo cơ chế gốc tự do OH. PAH chính là các tiền hợp
chất cho quá trình hình thành các hạt muội (PM). Phát thải muội trong khí thải động
cơ DO có thể giảm đến hơn 40% khi pha thêm 5% nước vào DO (Hình I-1).

6