Tải bản đầy đủ

nghiên cứu chế tạo xúc tác cho phản ứng tổng hợp phụ gia bảo quản biodiezel

ỏn tt nghip GVHD: GS.TS. inh Th Ng
1
SV: Nguyn Th Kim Phng_HD1001_Trng i hc dõn lp Hi Phũng

Bộ giáo dục và đào tạo
tr-ờng đại học dân lập hải phòng








đồ án tốt nghiệp


ngành: Hoá dầu








Ng-ời h-ớng dẫn: GS.TS Đinh Thị Ngọ
Sinh viên : Nguyễn Thị Kim Ph-ợng








Hải phòng - 2010
ỏn tt nghip GVHD: GS.TS. inh Th Ng
2
SV: Nguyn Th Kim Phng_HD1001_Trng i hc dõn lp Hi Phũng
Bộ giáo dục và đào tạo
tr-ờng đại học dân lập hải phòng








Nghiên cứu chế tạo xúc tác cho phản ứng tổng hợp phụ gia bảo
quản biodiezel





đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy
ngành: hoá dầu





Ng-ời h-ớng dẫn: GS.TS Đinh Thị Ngọ
Sinh viên : Nguyễn Thị Kim Ph-ợng






Hải phòng - 2010
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
3
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng




LỜI CẢM ƠN
Đề tài tổng hợp phụ gia chống oxy hóa trong biodiesel trên xúc tác bentonit
biến tính bằng phản ứng alkyl hóa toluen với isopropyl bromua là một đề tài mới,
bentonit biến tính từ bentonit thuận hải có giá thành thấp và có nhiều ở Việt Nam. Vì
vậy, đề tài này có ý nghĩa rất lớn trong việc chống oxy hóa trong biodiesel, mục đích
làm tăng chu kỳ cảm ứng và bảo quản.
Đây là đề tài mới, có nhiều vấn đề giải quyết nên em gặp rất nhiều khó khăn.
Tuy nhiên, nhờ có sự hƣớng dẫn tận tình của GS.TS Đinh Thị Ngọ về phƣơng pháp
nghiên cứu cũng nhƣ vấn đề chuyên môn, em đã hoàn thành tốt bản đồ án này. Em xin
chân thành cảm ơn cô. Ngoài ra, các anh chị cán bộ phòng thí nghiệm cũng nhƣ các
anh chị nghiên cứu sinh, cao học đã giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án. Đồng thời
em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo ngành Hoá dầu trƣờng Đại học dân lập
Hải Phòng đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đồ án này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ em
thực hiện thành công đồ án này.

HP, ngày 10 tháng 7 năm 2010
Sinh viên





Nguyễn Thị Kim Phƣợng







Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
4
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng


Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
5
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………….3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT…………………………………………….4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu diezel………………………………………………….4
1.1.1. Tiềm năng và nhu cầu sử dụng nhiên liệu hoá thạch…………………….4
1.1.2. Nhiên liệu diezel khoáng……………………………………………………5
1.1.3. Thành phần hoá học của nhiên liệu diezel………………………………….6
1.1.4. Yêu cầu chất lượng của nhiên liệu diezel……………………………………6
1.1.5. Khí thải của nhiên liệu diezel……………………………………………….9
1.1.6. Xu hướng hoàn thiện chất lượng của diezel……………………………….9
1.2. Biodiezel…………………………………………………………………………11
1.2.1. Khái quát chung………………………………………………………….11
1.2.2. Giới thiệu về biodiezel…………………………………………………….11
1.2.3. Các đặc điểm của biodiezel… 13
1.3. Giới thiệu về khoáng sét……………………………………………………….16
1.3.1. Thành phần và cấu trúc của khoáng sét…………………………………16
1.3.2. Sự thay thế ion và sự tích điện trong mạng lưới của sét………………….19
1.3.3. Giới thiệu về bentonit………………………………………………………20
1.4. Tổng quan về phụ gia chống oxy hoá………………………………………….30
1.4.1. Phụ gia chống oxy hoá…………………………………………………….30
1.4.2. Quá trình ức chế………………………………………………………….31
1.4.3. Phân loại phụ gia ức chế oxy hoá……………………………………… 32
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…………35
2.1. Tổng hợp xúc tác (bentonit biến tính)……………………………………………35
2.1.1. Nguyên liệu, hoá chất và dụng cụ…………………………………………35
2.1.2. Phương pháp hoạt hoá bentonit bằng HCl……………………………….35
2.1.3. Cách tiến hành thí nghiệm…………………………………………………36
2.2. Phƣơng pháp biến tính bentonit…………………………………………………36
2.3. Điều chế phụ gia…………………………………………………………………37
2.3.1. Điều chế isopropyl bromua……………………………………………… 37
2.3.2. Tiến hành phản ứng alkyl hoá toluen bằng isopropyl bromua với xúc tác
bentonit biến tính………………………………………………………………….37
2.4. Các phƣơng pháp xác định thành phần cấu trúc và tính chất của bentonit………38
2.4.1. Phƣơng pháp phân tích thành phần hoá học (EDX)………………………38
2.4.2. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD)…………………………………… 38
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
6
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
2.4.3. Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng…………………………….39
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………………………41
3.1. Tổng hợp xúc tác……………………………………………………………….41
3.1.1. Phƣơng pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-Ray)…………………………………41
3.1.2. Khảo sát sự phân bố bề mặt của Ben-Fe
3+
……………………………….43
3.2. Tổng hợp phụ gia chống oxy hoá isopropyl toluen với xúc tác Ben-Fe
+
……….44
3.3. Xác định cấu trúc sản phẩm bằng phƣơng pháp GS-MS………………………45
3.4. Thử nghiệm tính năng của phụ gia chống oxy hoá khi pha vào biodiezel…… 47
KẾT LUẬN………………………………………………………………………………51
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………………….52




























Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
7
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng


MỞ ĐẦU

Các nguồn năng lƣợng đang đƣợc sử dụng hiện nay trên thế giới đều là năng lƣợng
hoá thạch nhƣ: than đá, dầu mỏ, hạt nhân,… Trong đó, năng lƣợng từ dầu mỏ là quan
trọng nhất, chiếm 65% năng lƣợng sử dụng trên thế giới. Trong khi đó, than đá chiếm 20
– 22% và 8 – 12% từ năng lƣợng hạt nhân. Cùng với sự phát triển của kinh tế, nhu cầu sử
dụng năng lƣợng ngày càng tăng làm cho các nguồn năng lƣợng hoá thạch ngày càng cạn
kiệt, do đó đòi hỏi cần phải tìm ra nguồn năng lƣợng thay thế. Đây là vấn đề có tính chiến
lƣợc sống còn của toàn thế giới và từng quốc gia, trong đó có Việt Nam.
Hiện nay, thế giới đang có xu hƣớng diezel hoá động cơ vì động cơ diezel có nhiều
ƣu điểm hơn động cơ xăng(tỷ số nén cao nên công suất lớn hơn khi sử dụng cùng một
lƣợng nhiên liệu), nhiên liệu diezel có giá thành thấp hơn xăng, nguồn cung cấp lại nhiều
và đa dạng hơn. Do đó, nhiên liệu diezel sẽ đƣợc sử dụng ngày càng nhiều hơn động cơ
xăng.
Tuy nhiên, việc làm sạch diezel khoáng lại rất khó khăn và tốn kém. Từ đó, ngƣời
ta đã tìm ra một hƣớng đi mới để giải quyết vấn đề môi trƣờng đặt ra đó là phát triển
nhiên liệu sinh học, gọi tắt là biodiezel. Nhƣng biodiezel lại dễ dàng bị oxy hoá nên
không thể bảo quản lâu loại nhiên liệu này. Vì thế ngƣời ta đã nghiên cứu và tổng hợp ra
phụ gia chống oxy hoá nhằm bảo quản biodiezel.
Trong đề tài này em nghiên cứu và tổng hợp phụ gia chống oxy hoá biodiezel trên
xúc tác bentonit biến tính từ bentonit thuận hải có giá thành thấp và có nhiều ở Việt Nam
bằng phản ứng alkyl hoá toluen với isopropyl bromua. Đây là đề tài có ý nghĩa rất lớn
trong việc chống oxy hoá biodiezel với mục đích làm tăng chu kỳ cảm ứng và bảo quản
nguồn nhiên liệu này.












Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
8
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng


CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1. TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DIEZEL:
1.1.1. Tiềm năng và nhu cầu sử dụng nhiên liệu hoá thạch [1,6, 9]:
Theo dự báo của tập đoàn BP thì trữ lƣợng dầu mỏ đã thăm dò trên toàn thế giới là
150 tỷ tấn. Năm 2003, lƣợng dầu mỏ tiêu thụ trên toàn thế giới là 3,6 tỷ tấn. Vì thế, nếu
không phát hiện ra mỏ dầu nào nữa thì nguồn dầu mỏ này sẽ bị cạn kiệt trong vòng 45
năm tới. Trong khi đó, với sự bùng nổ dân số và sự tăng lên không ngừng của các phƣơng
tiện giao thông (trong đó dự kiến đến năm 2050 sẽ có 1 tỷ ôtô các loại) thì giá dầu sẽ bị
đẩy lên cao sẽ tạo nên sự khủng hoảng nhiên liệu trên toàn thế giới.
Nƣớc ta tuy không phải là nƣớc có tiềm năng dầu khí lớn nhƣng chúng ta đã phải
khai thác và xuất khẩu dầu thô, còn hầu hết sản phẩm dầu mỏ tiêu dùng trong nƣớc thì
vẫn phải nhập khẩu. Đó là vấn đề cần phải suy nghĩ và tìm ra giải pháp để giải quyết triệt
để trong tƣơng lai. Năm 2003, mức tiêu thụ năng lƣợng ở nƣớc ta là 205 kg/ngƣời, chỉ
bằng 20% mức bình quân của thế giới, trong đó xăng dầu dùng cho giao thống vận tải
chiếm 30% nhu cầu năng lƣợng của cả nƣớc.
Với việc xuất xây dựng ba nhà máy lọc dầu là: LD1 (Vũng Quýt - Quảng Ngãi),
LD2 (Nghi Sơn – Thanh Hoá) và LD3 (Long Sơn – Vũng Tàu) thì tƣơng lai chúng ta có
thể đáp ứng đƣợc một phần nhu cầu năng lƣợng cho đất nƣớc, đồng thời có thể hạn chế
đƣợc việc nhập khẩu các sản phẩm dầu.

Bảng 1.1 - Sản phẩm của các nhà máy lọc dầu (nghìn tấn)
(Theo Viện Chiến lược Phát triển - Bộ Khoa học & Công nghệ)


LD1
(2008)
LD2
(2011 – 2012)
LD3
(2017 – 2018)
Tổng số trƣớc
2020
Xăng
2000
2100
2100
6200
Diezel
3400
2180
2180
7760
Keroxen
0
200
200
400
JA1
280
200
200
680
FO
120
270
270
660
Tổng số xăng dầu
5800
4950
4950
15700
Tổng số xăng và diezel
5400
4280
4280
13960

Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
9
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Từ bảng số liệu trên ta thấy: đến trƣớc năm 2020, khi cả ba nhà máy lọc dầu với
công suất 20 – 22 triệu tấn cùng đi vào hoạt động sẽ cung cấp 15 – 16 triệu tấn xăng và
diezel, trong khi đó nhu cầu về năng lƣợng của nƣớc ta vào khoảng 27 – 28 triệu tấn. Nhƣ
vậy, ngay cả khi ba nhà máy cùng đi và hoạt động thì nƣớc ta vẫn trong tình trạng thiếu
nguồn năng lƣợng đáng kể. Cho nên việc đáp ứng nhu cầu năng lƣợng trong nƣớc vẫn là
vấn đề cần quan tâm và phải không ngừng tìm kiếm giải pháp để đƣa đất nƣớc thoát khỏi
cảnh nhập nhiên liệu từ nƣớc ngoài trong bối cảnh giá nhiên liệu không ngừng tăng cao.
Nếu không giải quyết tốt vấn đề này thì nó sẽ ảnh hƣởng rất xấu đến sự phát triển nền
kinh tế của nƣớc ta.
Dƣới đây là những số liệu về cân đối nhiên liệu xăng và diezel ở nƣớc ta:

Bảng 1.2 – Cân đối nhiên liệu xăng và diezel đến 2020
(Viện Chiến lược Phát triển - Bộ Khoa học & Công nghệ)


Tổng nhu cầu
(nghìn tấn)
Khả năng cung cấp trong nƣớc
(nghìn tấn)
Thiếu
(nghìn tấn)
Mức tiêu thụ
(kg/ng/năm)
2001
5143
0
5140 (100%)

2005
8629
700 (condensate)
7930 (92%)
104
2008

5400 (LD1)


2010
12869
6100
6796 (52,7%)
146
2012

4280 (LD2)


2015
16230
10380
5850 (36%)
174
2018

4280 (LD3)


2020
19546
14660
4904 (25%)
196

1.1.2. Nhiên liệu diezel khoáng:
Do động cơ diezel có tỷ số nén cao hơn động cơ xăng nên có công suất lớn hơn khi
sử dụng cùng một lƣợng nhiên liệu. Mặt khác, nhiên liệu diezel lại có giá thành thấp hơn
xăng do ít phải trải qua quy trình chế biến phức tạp và nguồn nhiên liệu diezel lại nhiều và
đa dạng. Vì có nhiều ƣu điểm nhƣ vậy nên hiện nay trên thế giới đang có xu hƣớng diezel
hoá động cơ.
Mặc dù vậy, động cơ diezel cũng tồn tại những nhƣợc điểm nhƣ: cấu tạo phức tạp,
hình dáng cồng kềnh. Nhƣng nhờ có những ƣu điểm nhƣ trên mà động cơ diezel và nhiên
liệu diezel vẫn đƣợc sử dụng rộng rãi trên thực tế. Vì vậy, việc hoàn thiện phẩm cấp và
chất lƣợng của nhiên liệu diezel có ý nghĩa to lớn trong việc nâng cao năng suất thiết bị,
tuổi thọ của động cơ và bảo vệ môi trƣờng, bao gồm:
- Giảm lƣợng khí NO
x
và muối rắn trong khí thải động cơ bằng cách tuần hoàn khí thải,
sử dụng xúc tác.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
10
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
- Giảm thiểu hàm lƣợng lƣu huỳnh trong thành phần nhiên liệu xuống dƣới 0,5% khối
lƣợng.
- Giảm hàm lƣợng hydrocacbon thơm là những cấu tử có trị số xetan thấp và cũng là
những chất độc hại với sức khoẻ con ngƣời trong thành phần khí thải xuống dƣới 20% thể
tích.
1.1.3. Thành phần hoá học của nhiên liệu diezel [1, 3, 6, 7, 9, 12, 18]:
Trong quá trình chƣng cất dầu mỏ thành các phân đoạn ta thu đƣợc phân đoạn dầu
diezel có nhiệt độ sôi từ 250 – 350
0
C có chứa hydrocacbon với số nguyên tử cacbon từ
C
16
– C
22
.
Phần lớn trong phân đoạn này là n-parafin và iso-parafin, còn hydrocacbon thơm
chiếm không nhiều. Các n-parafin mạch dài có nhiệt độ kết tinh cao, chúng là nguyên
nhân gây mất ổn định của phân đoạn ở nhiệt độ thấp. Trong phân đoạn diezel,ngoài
naphten và thơm hai vòng là chủ yếu thì những hợp chất ba vòng bắt đầu tăng lên và đã
bắt đầu xuất hiện các hợp chất có cấu trúc hỗn hợp giữa naphten và thơm.
Hàm lƣợng các hợp chất chứa S, N và O bắt đầu tăng nhanh. Các hợp chất của lƣu
huỳnh chủ yếu ở dạng dị vòng disulfur. Các hợp chất chứa oxy ở dạng axit naphtenic có
nhiều và đạt cực đại ở phân đoạn này. Ngoài ra còn có những hợp chất dạng phenol nhƣ
dimetylphenol. Nhựa cũng xuất hiện nhƣng còn ít và trọng lƣợng phân tử cũng thấp, chỉ
vào khoảng 300 – 400 đ.v.C.
1.1.4. Yêu cầu chất lượng của nhiên liệu diezel:
Để động cơ diezel làm việc ổn định thì nhiên liệu diezel phải đảm bảo các chỉ tiêu
chất lƣợng sau:
a. Phải có khả năng tự bốc cháy phù hợp:
Tính chất này đƣợc đánh giá qua trị số xetan. Trị số xetan là một đơn vị quy ƣớc
đặc trƣng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diezel, nó đƣợc đo bằng phần trăm thể
tích của n-xetan có trong hỗn hợp của nó với α-metyl naphtalen và có khả năng tự bốc
cháy tƣơng đƣơng khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu thí nghiệm ở điều kiện tiêu chuẩn.
Hỗn hợp chuẩn bao gồm hai hydrocacbon là n-xetan (C
16
H
34
) có khả năng tự bốc cháy tốt
với trị số xetan quy định là 100 và α-metyl naphtalen (C
11
H
10
) có khả năng tự bốc cháy
kém với trị số xetan quy định là 0. Trị số xetan đƣợc xác định theo tiêu chuẩn ASTM
D613. Trị số xetan cao quá hoặc thấp quá đều gây nên những vấn đề không tốt cho động
cơ.
b. Có khả năng tạo hỗn hợp cháy tốt:
Khả năng bay hơi tốt và phun trộn tốt đánh giá qua thành phần phân đoạn, độ nhớt,
tỷ trọng và sức căng bề mặt.
* Thành phần chưng cất phân đoạn:
Thành phần chƣng cất phân đoạn có ảnh hƣởng lớn đến tính năng của động cơ
diezel, đặc biệt là các động cơ tốc độ chung bình và tốc độ cao, đồng thời ảnh hƣởng đến
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
11
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
độ an toàn. Thành phần cất đƣợc xác định theo tiêu chuẩn ASTM D86. Nhiệt độ sôi 10%
đặc trƣng cho phần nhẹ dễ bay hơi của nhiên liệu. Nhiệt độ này cao quá sẽ làm cho động
cơ khó khởi động. Nhiệt độ sôi 50% là chỉ tiêu hay dùng nhất để đánh giá nhiên liệu
diezel, nó đặc trƣng cho khả năng cháy hoàn toàn của nhiên liệu.
* Độ nhớt động học:
Là thông số rất quan trọng vì nó cho biết khả năng phun trộn nhiên liệu vào buồng
đốt. Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hƣởng đến kích thƣớc và hình dạng của kim phun. Độ
nhớt động học đƣợc xác định ở 40
0
C theo phƣơng pháp ASTM D445.
* Tỷ trọng:
Là đại lƣợng đặc trƣng cho độ nặng hay nhẹ của nhiên liệu, là tỷ số giữa trọng
lƣợng riêng của một vật ở một nhiệt độ nhất định và trọng lƣợng riêng của vật khác đƣợc
chọn làm chuẩn xác định ở cùng vị trí. Đối với các sản phẩm lỏng ta lấy nƣớc cất ở 4
0
C
với áp suất 760mmHg làm chất chuẩn.
c. Tính lưu biến tốt:
Để đảm bảo cấp liệu liên tục thì yêu cầu này đƣợc đánh giá bằng nhiệt độ đông
đặc, nhiệt độ vẩn đục, tạp chất cơ học, hàm lƣợng nƣớc và hàm lƣợng nhựa.
* Nhiệt độ đông đặc:
Là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó nhiên liệu vẫn giữ đƣợc tính chất của chất lỏng.
Nhiệt độ đông đặc đƣợc xác định theo ASTM D97.
* Nước và tạp chất cơ học:
Là một trong những chỉ tiêu quan trọng của nhiên liệu diezel, có ảnh hƣởng đến
chất lƣợng, sức chứa và khả năng sử dụng của nhiên liệu. Nƣớc và tạp chất trong diezel
đƣợc xác định theo ASTM D1796.
* Hàm lượng nhựa thực tế:
Sau khi ra khỏi nhà máy lọc dầu, nhiên liệu không thể tránh khỏi việc tiếp xúc với
không khí và nƣớc nên dễ dàng tạo nhựa và cặn bẩn gây tắc bầu lọc, làm bẩn buồng đốt
và tắc hệ thống phun nhiên liệu. Hàm lƣợng nhựa phải đƣợc quy định dƣới giới hạn cho
phép và đƣợc xác định theo phƣơng pháp ASTM D381.
* Điểm sương:
Đây là một chỉ tiêu quan trọng, nó cho biết nhiệt độ tại đó các tinh thể sắp xuất
hiện trong nhiên liệu ở điều kiện thí nghiệm xác định. Điểm sƣơng đƣợc xác định theo
ASTM D2500.
d. Ít tạo cặn:
Yêu cầu này phụ thuộc vào thành phần phân đoạn, độ axit, hàm lƣợng lƣu huỳnh,
độ ăn mòn lá đồng và hàm lƣợng mercaptan.
* Hàm lượng lưu huỳnh:
Trong nhiên liệu diezel, lƣu huỳnh tồn tại ở nhiều dạng khác nhau nhƣ: mercaptan,
sulphat, thiophen,… Các hợp chất của lƣu huỳnh trong diezel đều là những chất độc hại.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
12
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Khống chế hàm lƣợng lƣu huỳnh càng thấp thì càng tốt. Hàm lƣợng lƣu huỳnh đƣợc xác
định theo tiêu chuẩn ASTM D129.
* Độ ăn mòn lá đồng:
Xác định định tính độ ăn mòn của nhiên liệu diezel đối với các chi tiết chế tạo tự
động và đƣợc xác định theo phƣơng pháp ASTM D130.
* Hàm lượng tro:
Là lƣợng tro còn sót lại sau khi đốt diezel đến cháy hết, đƣợc tính bằng phần trăm
khối lƣợng tro so với lƣợng mẫu ban đầu. Nói chung hàm lƣợng tro càng thấp càng tốt và
đƣợc xác định dƣới mức giới hạn cho phép. Hàm lƣợng tro đƣợc xác định theo tiêu chuẩn
ASTM D482 (hoặc TCVN 2690 – 1995).
e. An toàn về cháy nổ và không gây ô nhiễm môi trường:
Đƣợc đánh giá qua nhiệt độ chớp cháy. Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất ở
điều kiện thƣờng mà mẫu nhiên liệu thí nghiệm bắt cháy ngay khi ngọn lửa xuất hiện và
tự lan truyền một cách nhanh chóng trên toàn bộ bề mặt mẫu. Nhiệt độ chớp cháy côc kín
đƣợc xác định theo ASTM D93.
f. Ít ăn mòn và có khả năng bảo vệ:
Đƣợc đánh giá qua trị số axit, hàm lƣợng lƣu huỳnh, độ ăn mòn lá đồng và hàm
lƣợng mercaptan. Trị số axit đƣợc xác định theo phƣơng pháp ASTM D974 (hoặc TCVN
2695 – 1997). Trị số axit là thƣớc đo đánh giá hàm lƣợng các chất vô cơ và axit tổng cộng
của nhiên liệu. Nó giúp đánh giá mức độ ăn mòn của các chi tiết kim loại khi tiếp xúc với
nhiên liệu. Để đảm bảo cho động cơ hoạt động hiệu quả thì nhiên liệu diezel phải có
những tính chất phù hợp với yêu cầu của động cơ.

Bảng 1.3 – Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nhiên liệu diezel theo ASTM

Chỉ tiêu
Phƣơng pháp
xác định
N
0
1D
N
0
2D
N
0
3D
Điểm chớp cháy,
0
C, min
D93
38
52
55
Nƣớc và tạp chất, %vol, max
D1796
0,05
0,05
0,5
Nhiệt độ sôi 90%vol,
0
C
D86
max: 288
282 ÷ 338
-
Độ nhớt động học ở 40
0
C, cSt
D445
1,3 ÷ 2,4
1,9 ÷ 4,1
5,5 ÷ 24,0
Cặn C trong 10% còn lại, %mass
D524
max: 0,15
0,35
0,1
Hàm lƣợng tro, %mass, max
D482
0,01
0,01
2,00
Hàm lƣợng S, %mass, max
D129
0,50
0,50
-
Độ ăn mòn lá đồng, 3h, 50
0
C, max
D130
N3
N3
-
Trị số xetan, min
D613
40G
40G
-
Điểm sƣơng,
0
C, max
D2500
H
H
H

Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
13
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Khi muốn so sánh các chỉ tiêu của các nhiên liệu khác nhau, ngƣời ta phải dựa vào
một tiêu chuẩn nhất định. Có nhƣ vậy mới biết đƣợc nhiên liệu nào tốt hơn và có ƣu điểm
nào vƣợt trội để có hƣớng sử dụng hợp lý. Ngoài ra, mỗi chỉ tiêu đƣợc xác định theo một
phƣơng pháp khác nhau. Do đó, bên cạnh việc đƣa ra một phƣơng pháp tiêu chuẩn nhất
định, cũng cần phải dựa vào một phƣơng pháp nhất định nào đó thì mới có thể đƣa ra sự
so sánh chính xác đƣợc. Ta hãy tham khảo các chỉ tiêu chất lƣợng của nhiên liệu diezel
theo tiêu chuẩn của ASTM cho trong bảng 1.3.
1.1.5. Khí thải của nhiên liệu diezel [1,6,10, 12]:
Nhiên liệu diezel chủ yếu đƣợc lấy từ hai nguồn chính là chƣng cất trực tiếp từ dầu
mỏ và quá trình cracking xúc tác. Thông thƣờng bao giờ diezel cũng chứa các hợp chất
của lƣu huỳnh, nitơ, nhựa và asphalten. Những chất này không những gây hại cho động
cơ mà còn gây ô nhiễm môi trƣờng rất mạnh. Trong tình hình chung là động cơ diezel
ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi thì sự ô nhiễm môi trƣờng càng tăng mạnh. Khí thải
chứa chủ yếu là: SO
2
, NO, NO
2
, CO, hơi hydrocacbon, muội cacbon,… Đây đều là chất
độc hại, khí SO
2
ngoài việc gây bệnh cho phổi thì gặp nƣớc sẽ tạo thành axit và nó chính
là nguyên nhân hàng đầu của những trận mƣa axit trên khắp thế giới.
Khí CO
2
là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên kéo theo
biết bao thiên tai bão gió, lụt lội. Khí CO sinh ra khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn, nó
là chất khí không màu, không mùi, không vị nhƣng lại rất độc đối với con ngƣời. Lƣợng
CO khoảng 70ppm có thể gây ra triệu chứng đau đầu, mệt mỏi, buồn nôn. Từ 150 –
200ppm sẽ gây bất tỉnh, mất trí nhớ và có thể chết ngƣời.
Các thành phần hydrocacbon trong khí thải nhiên liệu diezel, đặc biệt là các hợp
chất thơm cũng rất có hại cho con ngƣời và là nguyên nhân của nhiều căn bệnh nhƣ ung
thƣ, hen suyễn, dị ứng,… Các chất muội phân tán cũng gây ô nhiễm mạnh, chúng rất khó
nhận biết và là nguyên nhân gây ra các bệnh về đƣờng hô hấp và tim mạch.
Hiện nay, các nƣớc trên thế giới hết sức chú ý cả về hiệu quả kinh tế lẫn môi
trƣờng nên xu hƣớng chung trong việc nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu diezel sạch là
nâng cao trị số xetan và giảm hàm lƣợng lƣu huỳnh đến giá trị nhỏ nhất có thể, đồng thời
mở rộng nguồn nguyên liệu, sản xuất nhiên liệu sạch ít ô nhiễm môi trƣờng. Tuy nhiên,
việc làm sạch diezel khoáng là việc làm khó khăn và đòi hỏi chi phí tốn kém. May mắn
thay, con ngƣời đã tìm ra một hƣớng đi mới giải quyết triệt để các vấn đề đã đặt ra. Đó là
phát triển nhiên liệu diezel từ nguyên liệu sinh học mà ta gọi tắt là biodiezel.
1.1.6. Xu hướng hoàn thiện chất lượng của diezel:
Khi đi tìm nguồn năng lƣợng mới thay thế cho năng lƣợng hoá thạch, ngƣời ta luôn
chú ý đến việc bảo vệ môi trƣờng bởi các nhiên liệu hoá thạch gây ô nhiễm môi trƣờng.
Cho nên việc nâng cao chất lƣợng nhiên liệu và tìm kiếm nhiên liệu mới đƣợc quan tâm
đặc biệt. Đối với nhiên liệu dùng cho động cơ xăng có thể dùng phƣơng pháp hydro hoá
để làm sạch hoặc pha trộn thêm etanol để giảm lƣợng khí thải. Đối với động cơ diezel, do
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
14
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
có tỷ số nén cao hơn động cơ xăng, giá thành lại rẻ hơn xăng nên trên thế giới đang có xu
hƣớng chuyển qua sử dụng động cơ diezel là chính. Hiện nay, vấn đề làm sạch diezel là
đƣợc quan tâm đặc biệt. Có nhiều cách làm sạch diezel nhƣng tập trung lại là bốn phƣơng
pháp sau:
* Phương pháp pha trộn:
Thực chất là pha trộn nhiên liệu diezel sạch vào diezel bẩn để thu đƣợc nhiên liệu
diezel có chất lƣợng chấp nhận đƣợc. Phƣơng pháp này có hiệu quả kinh tế không cao và
có thể chỉ pha trộn đƣợc trong giới hạn nhất định. Thế nhƣng, trên thực tế có rất ít dầu mỏ
sạch ít lƣu huỳnh và khí hydrocacbon mà chủ yếu là dầu mỏ có hàm lƣợng lƣu huỳnh cao
và khí hydrocacbon nhiều nên phƣơng pháp này không thể phổ biến rộng rãi đƣợc.
* Phương pháp hydro hóa:
Phƣơng pháp này chp hiệu quả rất cao, các hợp chất khí hydro giảm xuống rất thấp
nên nhiên liệu diezel rất sạch. Tuy vậy, phƣơng pháp này có đầu tƣ ban đầu cao đến 60 –
80 triệu USD cho một dây chuyền hydro hóa nên hiệu quả kinh tế không cao.
* Phương pháp nhũ hoá diezel:
Đƣa nƣớc vào diezel để tạo nhũ tƣơng. Loại nhũ tƣơng có hàm lƣợng oxy cao nên
quá trình cháy sạch hơn và nếu khả thi thì chẳng những giảm đƣợc ô nhiễm môi trƣờng
mà còn có giá trị kinh tế cao. Tuy nhiên phƣơng pháp này vẫn còn đang nghiên cứu trong
phòng thí nghiệm.
* Phương pháp thứ tư:
Đƣa hợp chất oxy vào nhiên liệu diezel và sản phẩm thu đƣợc goi là nhiên liệu
diezel sinh học. Dạng nhiên liệu này có nồng độ oxy cao, ít tạp chất nên quá trình cháy
hoàn toàn, ít tạo cặn.
Trong bốn phƣơng pháp trên thì phƣơng pháp thứ tƣ là đƣợc quan tâm và tập trung
nghiên cứu nhiều nhất vì đây là phƣơng pháp xuất phát từ nghiêu liệu sinh học là nguồn
nguyên liệu vô tận. Hơn thế, khi cháy lại ít tạo khí độc hại nhƣ: CO, SO
x
, H
2
S,
hydrocacbon thơm,… chính là những chất gây ô nhiễm môi trƣờng.
Biodiezel là nhiên liệu sinh học điển hình, đƣợc điều chế từ dần thực vật nhƣ: dầu
dừa, dầu bông, dầu hạt hƣớng dƣơng, dầu cọ, dầu đậu nành,… hoặc mỡ động vật. Đây là
những nguyên liệu không độc hại, có khả năng tự phân huỷ trong thiên nhiên, có thể sản
xuất đƣợc qua ngành trồng trọt và chăn nuôi. Ngoài ra, quá trình sản xuất biodiezel còn
tạo ra sản phẩm phụ glyxerin có giá trị kinh tế cao, đƣợc sử dụng trong các ngành dƣợc
phẩm và mỹ phẩm.
Biodiezel là nhiên liệu rất sạch, thay thế tốt cho động cơ đốt trong khi nguồn nhiên
liệu hoá thạch cạn kiệt lại không làm suy yếu các nguồn lợi từ tự nhiên khác và có lợi về
sức khoẻ và môi trƣờng. Việc sản xuất biodiezel từ dầu thực vật và mỡ động vật không
những giúp cân bằng sinh thái mà còn làm đa dạng hoá các dạng năng lƣợng, giảm sự phụ
thuộc vào nhiên liệu hoá thạch, đồng thời đem lại lợi nhuận và việc làm cho ngƣời dân.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
15
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng


1.2. Biodiezel:
1.2.1. Khái quát chung:
Trƣớc tình hình nguồn nhiên liệu khoáng đang dần cạn kiệt, đồng thời gây ra ô
nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng trên toàn cầu thì việc tìm ra nguồn nhiên liệu mới sạch
hơn, dễ tái tạo lại thân thiện với môi trƣờng đang đƣợc quan tâm trên toàn thế giới. Có rất
nhiều loại năng lƣợng có thể tái tạo đƣợc, chẳng hạn nhƣ etanol là một loại nhiên liệu có
thể tái tạo từ hạt ngũ cốc, thậm chí là từ rơm rạ, đƣợc dùng để trộn vào xăng. Khí gas lấy
từ rác thải cũng là một nguồn nhiên liệu có thể tái tạo.
Dầu thực vật cũng là một trong những nguồn năng lƣợng sạch có thể tái tạo. Khi
sử dụng dầu thực vật trong động cơ đốt trong thì quá trình đốt cháy các dầu này sạch hơn
do tạo ra CO
2
mà ít tạo ra CO. Khí CO
2
sau đó đƣợc cây xanh hấp thụ để rồi lại tạo ra
hydrocacbon trong dầu. Quá trình đó tạo thành một vòng khép kín và lƣợng CO
2
tạo ra
không hề làm ảnh hƣởng tới môi trƣờng. Đây là lý do tại sao nhiên liệu sinh học tái tạo
đƣợc lại là nguồn nhiên liệu thay thế nhiên liệu khoáng. Bên cạnh tính có lợi cho môi
trƣờng thì việc phát triển nguồn nhiên liệu tái tạo đƣợc còn hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích
kinh tế nhƣ: tạo công ăn việc làm và giảm kinh phí nhập khẩu dầu khoáng.
Nhƣ vậy, trong các phƣơng pháp nhằm cải tiến chất lƣợng và tìm kiếm nguồn
nhiên liệu mới thay thế nhiên liệu diezel khoáng thì phƣơng pháp sử dụng nguyên liệu
sinh học là phƣơng pháp có hiệu quả nhất và cũng đƣợc sử dụng nhiều nhất. Nhiên liệu
sinh học là bất kỳ loại nhiên liệu nào nhận đƣợc từ sinh khối, chẳng hạn nhƣ: bioetanol,
biodiezel, biogas, etanol-blended fuels, dimetylester sinh học và dầu thực vật. Nhiên liệu
sinh học đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay trong ngành giao thông vận tải là: etanol sinh
học, diezel sinh học và xăng pha etanol. [10]
Việc phát triển nhiên liệu sinh học có lợi về nhiều mặt nhƣ: giảm đáng kể các khí
độc hại CO, CO
2
, SO
2
, NO, NO
2
,… , giảm cặn buồng đốt, giảm hydrocacbon thơm, đồng
thời mở rộng nguồn năng lƣợng, giữ gìn tốt an ninh năng lƣợng, giảm sự phụ thuộc vào
nhập khẩu, mang lại nhiều công ăn việc làm cho ngƣời dân.
1.2.2. Giới thiệu về biodiezel [17, 18]:
Trƣớc đây, kể từ khi động cơ diezel đƣợc phát minh ra thì nhiên liệu đầu tiên mà
ngƣời ta chính là dầu thực vật. Nhƣng lúc đó, dầu thực vật đã không đƣợc chọn làm nhiên
liệu cho động cơ diezel vì giá dầu thực vật đắt hơn giá diezel khoáng. Gần đây, do sự lên
giá và khan hiếm của nhiên liệu khoáng mà dầu thực vật đƣợc quan tâm trở lại và có khả
năng thay thế cho nhiên liệu khoáng trong tƣơng lai gần vì những lợi ích không thể phủ
nhận của nó. [10, 13, 14]
Việc sử dụng dầu thực vật nhƣ một nhiên liệu thay thế để cạnh tranh với dầu mỏ đã
đƣợc bắt đầu từ thập kỷ 80 của thế kỷ trƣớc. Những ƣu thế của dầu thực vật nhƣ: có khả
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
16
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
năng tái sinh, hàm lƣợng lƣu huỳnh thấp hơn, hàm lƣợng chất thơm ít hơn, dễ phân hủy
trong tự nhiên, độ nhớt cao hơn và khả năng bay hơi thấp hơn… là không thể phủ nhận.
Vấn đề chính liên quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật là độ nhớt. Dầu
thực vật nhìn chung có độ nhớt cao gấp 10 – 20 lần nhiên liệu diesel N
0
2D, ngoài ra còn
tạo cặn trong động cơ. Thậm chí có loại nhƣ dầu thầu dầu còn có độ nhớt cao hơn, gấp
100 lần nhiên liệu diesel N
0
2D. Do đó, ngƣời ta phải áp dụng một số biện pháp đặc biệt
để giải quyết vấn đề độ nhớt cao của dầu thực vật nhƣ: pha loãng, nhũ hóa, nhiệt phân,
cracking xúc tác và metyl este hóa.
* Pha loãng dầu thực vật:
Để hạ độ nhớt của dầu thực vật, ngƣời ta pha loãng nó bằng etanol tinh khiết hoặc
hỗn hợp 25% dầu hƣớng dƣơng với 75% dầu khoáng thông thƣờng cũng thu đƣợc nhiên
liệu giống nhƣ nhiên liệu diezel. Độ nhớt của nó là 4,88cSt tại 313K, trong khi theo
ASTM thì giá trị lớn nhất là 4,0cSt tại 313K. Bởi vậy hỗn hợp này không phù hợp với
việc sử dụng lâu dài cho động cơ đốt trong.
* Nhũ hoá dầu thực vật:
Việc nhũ hoá đƣợc thực hiện cho dầu thực vật khi dùng các chất lỏng không thể
hoà tan đƣợc nhƣ: etanol hay metanol,… để làm giảm độ nhớt của dầu.
* Chuyển hóa este tạo biodiesel:
Quá trình này tạo ra các alkyl este axit béo có trọng lƣợng phân tử và độ nhớt thấp
hơn nhiều so với phân tử dầu thực vật ban đầu. Trọng lƣợng phân tử của các ester khi đó
chỉ bằng 1/3 trọng lƣợng phân tử dầu thực vật và có độ nhớt rất thấp, xấp xỉ bằng diezel
khoáng. Nhƣ thế, biodiezel thu đƣợc có những tính chất hoàn toàn phù hợp cho việc sử
dụng vào động cơ diezel.
* Cracking xúc tác dầu thực vật:
Việc làm này sẽ tạo ra các alkan, cycloalkan, alkylbenzen…Tuy nhiên, quá trình
cracking dầu thực vật đòi hỏi phải tiến hành ở nhiệt độ thấp bởi dầu thực vật không chịu
đƣợc nhiệt độ cao, cho nên việc chọn ra xúc tác thích hợp là việc không đơn giản, hơn
nữa việc đầu tƣ một dây chuyền cracking xúc tác rất tốn kém.
* Nhiệt phân dầu thực vật:
Thực chất là quá trình phân hủy các phân tử dầu thực vật bằng nhiệt trong môi
trƣờng không có oxy để tạo ra các alkan, alcadien, axit cacboxylic, hợp chất thơm và một
lƣợng nhỏ sản phẩm khí. Quá trình nhiệt phân các hợp chất béo đã đƣợc thực hiện cách
đây hơn 100 năm ở những nơi không có hoặc có ít dầu mỏ.
Sau khi xem xét và phân tích các phƣơng pháp trên, ta thấy phƣơng pháp chuyển
hóa este tạo biodiezel là sự lựa chọn tối ƣu hơn cả vì các đặc tính vật lý của các metyl este
rất gần với nhiên liệu diezel thông thƣờng, hơn nữa quá trình này cũng đơn giản, chi phí
không cao. Các metyl este có thể cháy trong động cơ với sự tạo cặn rất thấp mà không cần
thay đổi chi tiết nào của động cơ.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
17
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Để có thể hiểu rõ hơn những ƣu điểm của biodiezel so với diezel khoáng, ta cần
xem xét những tính chất vật lý của chúng trong bảng 1.4:

Bảng 1.4 – Tính chất vật lý của diezel so với một số metyl este

Tính chất
Diezel N
0
2
Metyleste
dầu nành
Metyleste
dầu hạt cải
Metyleste
dầu phế thải
Trị số xetan
40 ÷ 52
50,9
52,9
57
Nhiệt độ chớp cháy,
0
C
60 ÷ 72
131
170
117
Khối lƣợng riêng, kg/l
0,85
0,885
0,883
0,876
Độ nhớt ở 40
0
C, cSt
2,6
4,08
4,83
4,80
Nhiệt độ đông đặc,
0
C
-25 ÷ -15
-0,5
-4,0
13,9
Thành phần phân đoạn:
t
sôi đầu

t
10%

t
50%

t
90%

t
sôi cuối


185
210
260
315
345

299
328
336
340
346

326
340
344
348
366

209
324
328
342
339

1.2.3. Các đặc điểm của biodiezel [10, 13, 14]:
a. Các tính chất của biodiezel:
Biodiezel là các mono-alkyl este mạch thẳng đƣợc điều chế nhờ phản ứng trao đổi
este giữa dầu thực vật với các loại rƣợu mạch thẳng nhƣ metanol và etanol. Biodiezel có
các tính chất vật lý giống nhƣ nhiên liệu diezel. Tuy nhiên, các tính chất của khí thải thì
biodiezel tốt hơn dầu diezel. Những số liệu trong bảng 1.5 cho ta một cái nhìn tổng quát
về các tính chất vật lý của biodiesel so với diesel khoáng.

Bảng 1.5 – So sánh tính chất của nhiên liệu diezel với biodiezel

Các chỉ tiêu
Biodiezel
Diezel
Tỷ trọng
0,87 ÷ 0,89
0,81 ÷ 0,89
Độ nhớt động học ở 40
0
C, cSt
3,7 ÷ 5,8
1,9 ÷ 4,1
Trị số xetan
46 ÷ 70
40 ÷ 55
Nhiệt trị, cal/g
37000
43800
Hàm lƣợng S, %kh/lg
0 ÷ 0,0024
0,5
Nhiệt độ vẩn đục,
0
C
-11 ÷ 16
-
Điểm rót,
0
C
-15 ÷ 13
-25 ÷ -15
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
18
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Chỉ số iot
60 ÷ 135
8,6

Sản phẩm cháy của biodiezel sạch hơn nhiều so với diezel khoáng. Đặc biệt, với
B20 (20% biodiezel, 80% diezel khoáng) có thể sử dụng trực tiếp trong động cơ mà
không cần thay đổi kết cấu của động cơ, thậm chí các động cơ diezel sẽ chạy tốt hơn với
B20.
b. Một số ưu điểm:
Biodiezel có những ƣu điểm lớn vƣợt trội so với diezel khoáng nhƣ sau:
* Trị số xetan cao:
Thông thƣờng, diezel khoáng có trị số xetan 50 – 52 đối với động cơ thƣờng và 53
– 54 đối với động cơ cao tốc. Trong khi đó, biodiezel có trị số xetan 56 – 58. Với giá trị
nhƣ vậy biodiezel hoàn toàn đáp ứng đƣợc những yêu cầu khắt khe nhất của những động
cơ diezel cao tốc là cần nhiên liệu chất lƣợng cao với khả năng tự bắt cháy nhanh mà
không cần bất cứ phụ gia nào.
* Hàm lượng lưu huỳnh:
Biodizel có hàm lƣợng lƣu huỳnh rất thấp, chỉ khoảng 0,001%, nên khi cháy nó
thải ra rất ít SO
2
. Với đặc tính quý giá nhƣ vậy biodiezel đƣợc coi là nhiên liệu sạch và
thân thiện với môi trƣờng.
* Quá trình cháy sạch:
Do biodiezel chứa 11% oxy nên quá trình cháy diễn ra hoàn toàn và tạo ra rất ít
muội trong động cơ.
* Có khả năng bôi trơn giảm mài mòn:
Biodiezel có khả năng bôi trơn tốt hơn diezel khoáng. Ta biết là khả năng bôi trơn
của nhiên liệu đƣợc đặc trƣng bằng một giá trị gọi là HFRR (high frequency
receiprocating rig). Giá trị này càng thấp thì khả năng bôi trơn của nhiên liệu càng tốt.
Diezel khoáng đã xử lý lƣu huỳnh có HFRR ≥ 500 khi không có phụ gia trong khi giới
hạn đặc trƣng của diezel là 450. Vì vậy diezel khoáng cần phải đƣợc bổ sung phụ gia để
tăng khả năng bôi trơn. Trong khi đó, HFRR của biodiezel khoảng 200 và nhƣ vậy chính
biodiezel sẽ là phụ gia tốt nhất cho diezel khoáng. Khi thêm biodiezel vào với tỷ lệ nhất
định thì sự mài mòn động cơ giảm đáng kể, thậm chí sau 15000 giờ làm việc vẫn không
phát hiện đƣợc sự mài mòn đáng kể.
* Khả năng thích hợp cho mùa đông:
Nhiên liệu cho động cơ diezel nói chung phải giữ đƣợc tính lƣu biến tốt vào mùa
đông khi nhiệt độ hạ đến – 20
0
C. Cả những nhiên liệu đã pha thêm phụ gia cũng vậy. Sự
kết tinh tạo parafin xảy ra trong khối nhiên liệu diezel sẽ gây trở ngại cho các đƣờng ống
dẫn và quá trình phun nhiên liệu, khi đó cần thiết phải làm sạch hệ thống. Còn đối với
biodiezel, chỉ bị đông đặc khi nhiệt độ tăng nên không cần thiết phải làm sạch hệ thống
nhiên liệu.
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
19
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng


* Giảm lượng khí thải độc hại:
Theo các nghiên cứu của Bộ Năng lƣợng Mỹ thực hiện ở một trƣờng đại học của
bang Califonia thì việc sử dụng biodiezel tinh khiết thay cho diezel khoáng có thể làm
giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thƣ từ khí thải của diezel do biodiezel chứa rất ít các
hợp chất thơm và lƣu huỳnh nên quá trình cháy của nó triệt để hơn và giảm rất nhiều
hydrocacbon trong khí thải.
* An toàn cháy nổ:
Biodiezel có nhiệt độ chớp cháy trên 110
0
C cao hơn so với diesel khoáng nên nó
an toàn hơn trong quá trình tồn chứa và bảo quản.
* Khả năng phân hủy sinh học:
Biodiezel có khả năng phân hủy trong thiên nhiên nhanh gấp bốn lần so với diezel
khoáng. Do tính chất an toàn nhƣ vậy mà biodiezel rất thích hợp làm nhiên liệu cho máy
móc ở nhũng khu vực nhạy cảm nhƣ các khu đông dân cƣ hoặc gần nguồn nƣớc.
* Dễ dàng sản xuất:
Do nguyên liệu cho sản xuất biodiezel là dầu thực vật, mỡ động vật đều là những
nguyên liệu có khả năng tái sinh và không làm ảnh hƣởng đến nguồn năng lƣợng tự
nhiên. Nguồn nguyên liệu đó lại có thể đƣợc cung cấp chủ động và dễ dàng.
c. Nhược điểm của biodiesel:
Tuy có những ƣu điểm lớn kể trên, biodiezel vẫn còn có những nhƣợc điểm khá
lớn nhƣ sau đây.
* Giá thành cao:
Biodiezel tổng hợp vẫn còn đắt hơn diezel thông thƣờng. Ở Mỹ, giá một gallon dầu
đậu nành gấp 2 – 3 lần một gallon diezel khoáng. Tuy vậy, trong quá trình sản xuất
biodiezel còn tạo ra glyxerin là một chất có giá trị cao nên sẽ bù đắp chi phí sản xuất
biodiezel.
* Thải ra nhiều NO
x
:
Nếu tỷ lệ pha trộn biodiezel vào diezel khoáng tăng thì hàm lƣợng NO
x
cũng tăng
theo. Tuy nhiên có thể sử dụng bộ tuần hoàn khí thải để giảm lƣợng khí này hoặc gắn
thêm hộp xúc tác ở ống xả động cơ.
* Tính kém ổn định:
Do biodiezel dễ bị đóng băng hoặc đặc lại trong thời tiết lạnh.
* Làm hỏng các bộ phận bằng cao su:
Do có chứa một tỷ lệ nhất định rƣợu nên biodiezel có thể làm hỏng các bộ phận
bằng cao su bên trong động cơ. Nếu động cơ sử dụng 100% biodiezel thì trong vòng
160000km các bộ phận bằng cao su bên trong động cơ phải đƣợc thay thế. Để hạn chế
nhƣợc điểm này, các nhà chế tạo đã thay thế những bộ phận cao su bằng vật liệu tổng
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
20
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
hợp, chẳng hạn floroelastome. Nói chung, những vật liệu bền với tác nhân oxy hóa,
metanol và etanol đều phù hợp khi sử dụng với biodiezel.
* Bảo quản không được lâu:
Biodiezel oxy hóa nhanh hơn do đặc điểm thành phần hóa học do đó khó có thể
tích trữ nhiên liệu này, vì vậy cần phải có thêm phụ gia để giữ nhiên liệu này đƣợc lâu.

Bảng 1.6 – Các đánh giá chỉ tiêu chất lượng của biodiezel
(theo ASTM D6751)

Chỉ tiêu đánh giá
Giá trị
Tỷ trọng
0,8 ÷ 0,9
Độ nhớt ở 40
0
C, mm
2
/s
1,9 ÷ 6,0
Nhiệt độ chớp cháy,
0
C, min
130
Hàm lƣợng nƣớc, %vol, max
0,05
Glyxerin tự do, %mass, max
0,02
Hàm lƣợng lƣu huỳnh sulfat, %mass
0,02
Hàm lƣợng lƣu huỳnh, %mass, max
0,05
Hàm lƣợng photpho, %mass, max
0,001
Chỉ số axit, mg KOH/g nhiên liệu, max
0,8
Độ ăn mòn miếng đồng, 3h, 50
0
C
< N
0
3
Trị số xetan
> 47
Cặn cacbon, %mass
< 0,05

1.3. Giới thiệu về khoáng sét:
1.3.1 Thành phần và cấu trúc của khoáng sét:
Theo các tài liệu nghiên cứu về cấu trúc và thành phần của các loại khoáng sét thì
mới chỉ có khoảng hơn 50 năm trở lại đây để nghiên cứu cấu trúc của khoáng vật sét
ngƣời ta sử dụng nhiều phƣơng pháp vật lý hiện đại nhƣ: nhiễu xạ Rơnghen, phân tích
nhiệt vi sai DTA, phân tích nhiệt trọng lực TGA, kính hiển vi điện tử… Cấu trúc của các
loại khoáng sét đã đƣợc trình bày tỉ mỉ trong nhiều công trình khác nhau [2]. Nhƣng đều
có điểm chung là khoáng sét tự nhiên có cấu trúc lớp [12]. Các lớp cấu trúc của khoáng
sét đƣợc tạo ra từ hai đơn vị cấu trúc cơ bản. Đơn vị cấu trúc thứ nhất là tứ diện SiO
4

(hình 1.1a). Đơn vị cấu trúc thứ hai là bát diện MeO
6
, trong đó Me = Al, Fe, Mg… (hình
1.1b) [1, 20]. Các tứ diện SiO
4
liên kết thành mạng tứ diện qua nguyên tử oxy theo không
gian hai chiều của hai nguyên tử oxy góp chung nằm trên mặt phẳng và còn đƣợc gọi là
oxy đáy. Các oxy đáy liên kết và sắp xắp với nhau tạo nên một “lỗ” sáu cạnh, ở mỗi đỉnh
của sáu cạnh này là một nguyên tử oxy và đƣợc gọi là oxy ở đỉnh (hình 1.2) [20].
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
21
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Tƣơng tự mạng tứ diện, mạng bát diện đƣợc tạo thành từ các bát diện qua nguyên
tử oxy theo không gian hai chiều [1, 20]. Mạng bát diện và mạng tứ diện liên kết với nhau
qua oxy đỉnh theo những qui luật trật tự nhất định để tạo ra những khoáng sét có cấu trúc
tinh thể khác nhau đó là: cấu trúc 1 : 1, cấu trúc 2 : 1, cấu trúc 2 : 1 + 1 [1, 16, 17, 20].














Bảng 1.7 – Phân loại khoáng sét

Sét trƣơng nở
Sét không trƣơng nở
Tên khoáng sét
Nguyên tố có nhiều
Tên khoáng sét
Nguyên tố có nhiều
Beidellit
Montmorillonit
Nontronit
Saponit

Vermiculit

Al
Al (Mg, Fe
2+
ít)
Fe
3+

Mg, Al

Mg, Fe
2+
, Al
(Fe
3+
còn ít)

Illi
Glauconit
Celadonit
Clorit
Berthierin
Kaolinit
Halloysit
Sepiolit
Palygorskit
Talc
K, AL (Fe, Mg ít)
K, Fe
2+
, Fe
3+

K, Fe
2+
, Mg, Al
3+

Mg, Fe, Al
Fe
2+
, Al
3+
(ít Mg)
Al
Al
Mg, Al
Mg, Al
Mg, Fe
2+


Trong cùng một nhóm, khoáng sét có thể đƣợc chia thành nhóm diocta và triocta.
Phân nhóm diocta trong mạng bát diện cứ ba vị trí tâm bát bát diện thì có hai vị trí chiếm
bởi ion hoá trị ba (ví dụ Al
3+
), còn một vị trí bỏ trống. Phân nhóm triocta trong mạng tinh
thể thì mỗi vị trí tâm bát diện bị chiếm bởi ion hoá trị hai (ví dụ Mg
2+
).

Hình 1.1a: Đơn vị cấu trúc tứ diện
Hình 1.1b: Đơn vị cấu trúc bát diện
: Oxy
: Silic
: Hydroxyl
: Al, Mg
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
22
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng


* Nhóm khoáng sét 1: 1:
Cấu trúc cơ bản gồm một mạng lƣới tứ diện liên kết với mạng lƣới bát diện. Đại
diện cho nhóm này là kaolinit, halloysit (hình 1.2a, 1.2b). Kaolinit công thức lý tƣởng là
[Al
2
Si
2
O
5
(OH)
4
].
* Nhóm khoáng sét 2 : 1:
Cấu trúc lớp cơ bản gồm một mạng lƣới bát diện nằm giữa hai mạng lƣới tứ diện.
Đại diện nhóm này là montmorillonit, vermiculit (hình 1.2c, 1.2d).
* Nhóm khoáng sét 2 : 1 + 1:
Cấu trúc lớp cơ bản gồm ngoài một lớp cấu trúc tƣơng tự nhóm 2 : 1, còn thêm
một mạng lƣới bát diện (hình 1.2e). Đại diện cho nhóm này là clorit [1, 20].


























Mg
Si
7,19
Å
Inner
hydroxyl
Outer
hydroxyl
a) Cấu trúc 1 : 1
triocta
Si
Si
9,3Å
Mg, Fe
2+

c) Cấu trúc 2 : 1 triocta
d) Cấu trúc 2 : 1
diocta
e) Cấu trúc 2 : 1 + 1
2 : 1
+ 1
Hình 1.2: Các loại cấu trúc của khoáng
sét
14
Å
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
23
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng














Hình 1.3 - Mạng tứ diện

1.3.2 Sự thay thế ion và sự tích điện trong mạng lưới của sét:
Tính chất của sét phụ thuộc rất nhiều vào sự thay thế đồng hình của các cation nằm
trong lớp cấu trúc [20].
* Sự thay thế ion trong tứ diện:
Chiếm giữ vị trí tâm của tứ diện thƣờng là cation silic, trong một vài trƣờng hợp
silic đƣợc thay thế bởi Al
3+
[1, 20, 22] thỉnh thoảng là Fe
3+
. Các anion trong tứ diện là các
oxy (hình4).
* Sự thay thế ion trong bát diện:
Chiếm giữ vị trí tâm của bát diện thƣờng là Al
3+
, Mg
2+
, Fe
2+
,có thể có cả Fe
3+
, Ti,
Ni, Zn, Cr, Mn [1, 18]. Các anion trong bát diện không chỉ là oxy mà cả anion hydroxyl.
Các anion góp chung giữa các tứ diện và bát diện chỉ là anion oxy, các anion là nhóm
hydroxyl khi không góp chung với bất cứ một tứ diện hoặc một bát diện nào. Còn các
anion góp chung giữa các bát diện có thể là anion oxy hoặc anion hydroxyl (hình 4).


Tứ diện



Bát diện


Oxy đáy
Ion silic
Oxy đỉnh
Oxy đáy
Oxy đỉnh
Oxy và hydroxyl
Hydroxyl
Hình1.4 - Liên kết tứ diện và bát diện
qua anion oxy
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
24
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng



* Sự tích điện trong mạng lưới khoáng sét:
Khi có sự thay thế đồng hình xảy ra với những ion không cân bằng về điện tích thì
trên các lớp tứ diện và bát diện sẽ xuất hiện điện tích dƣơng hoặc âm.
Khi các cation ở vị trí tâm tứ diện hoặc tâm bát diện bị thay thế bởi các cation có
cùng hoá trị (ví dụ: thay Fe
3+
cho Al
3+
) thì điện tích của mạng lƣới là trung hoà. Nếu thay
thế bởi các cation hoá trị thấp hơn (ví dụ: thay Si
4+
bằng Al
3+
, thay Al
3+
bằng Mg
2+
) thì
mạng lƣới sẽ mang điện tích âm phụ thuộc vào số lƣợng, vị trí và loại cation thay thế mà
mạng lƣới khoáng sét mang điện tích âm cao hoặc thấp. Điện tích âm trong mạng sẽ đƣợc
bù trừ bởi điện tích dƣơng của các cation nằm ở giữa các lớp [1, 20].
1.3.3. Giới thiệu về bentonit:
a. Thành phần hoá học:
Bentonit là một loại khoáng sét tự nhiên mà thành phần chính là montmorillonit,
công thức đơn giản của montmorillonit là: Al
2
O
3
.4SiO
2
.H
2
O, chúng chiếm trên 70% hỗn
hợp sét [20] và thêm một số khoáng sét Al
2
O
3
.[Fe
2
O
3
].4SiO
4
.nH
2
O, beidellit -
Al
2
O
3
.3SiO
2
.nH
2
O [1], clorit, mica, canxit, pirit, manhetit, biôtit… các muối kiềm [1] và
một số hợp chất hữu cơ do vi sinh vật phân huỷ, kaolinit [20] và các oxit tự do, dolomit,
feldspat [14]. Ngoài ra, trong thành phần của khoáng sét còn có các loại tạp khoáng nhƣ:
Gơtit (Fe(OH)
3
), Gipxit (Al(OH)
3
), thạch anh, trùng thạch [20]. Vì vậy, bentonit gọi theo
tên khoáng vật chính là montmorillonit.
Khi phân tích thành phần hoá học của montmorillonit, ngoài nguyên tố silic, nhôm
(Si, Al) ngƣời ta còn phát hiện thấy sự có mặt của các nguyên tố: Fe, Ca, Mg, Ti, K,
Na…[16, 19].
b. Cấu trúc tinh thể:
Montmorillonit (bentonit) là aluminosilicat tự nhiên có cấu trúc lớp [16, 18]. Các
lớp silicat đƣợc giữ với nhau bằng các lực tĩnh điện yếu [12].
Bentonit có thành phần chủ yếu là SiO
2
, Al
2
O
3
và một số oxit khác, thƣờng có cấu
trúc xốp, cấu trúc này phụ thuộc vào thành phần và cách sắp xếp các oxit trong khoáng
sét. Do cấu trúc xốp với bề mặt riêng lớn nên các khoáng này có khả năng hấp phụ [7].
Cấu trúc tinh thể của montmorillonit đƣợc cấu tạo từ hai mạng lƣới liên kết với nhau
(mạng tứ diện liên kết với mạng bát diện). Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và
nƣớc hấp phụ [20].
Chiều dày của một lớp cấu trúc montmorillonit là 9,6Å, nếu kể cả lớp cation trao
đổi và nƣớc hấp phụ thì chiều dày của lớp khoảng 15Å [1]. Khoảng cách giữa các lớp khô
là 9,5Å và khi rất ẩm lên 20Å [9]. Trong mạng lớp cấu trúc của montmorillonit thƣờng
xảy ra sự thay thế đồng hình của các catión [20]. Ở mạng bát diện chủ yếu là sự thay thế
Đồ án tốt nghiệp GVHD: GS.TS. Đinh Thị Ngọ
25
SV: Nguyễn Thị Kim Phƣợng_HD1001_Trƣờng Đại học dân lập Hải Phòng
Al
3+
bởi Mg
2+
, ở mạng lƣới tứ diện thay thế Si
4+
bởi Al
3+
hoặc Fe
3+
. Sự thay thế này làm
xuất hiện điện tích âm trong mạng lƣới. Điện tích đó đƣợc bù trừ bởi các cation nằm ở
không gian giữa hai lớp, các cation đó là: Na
+
, Ca
2+
[22]. Chúng bị hydrat hoá bởi các
phân tử nƣớc ở khoảng giữa hai lớp cấu trúc.




























Hình 1.5a - Cấu trúc của montmorillonit

Vì vậy điện tích âm của mạng nằm sâu trong lớp cấu trúc mà không nằm ở bề mặt
ngoài của lớp cấu trúc. Vì thế các cation có thể chuyển động tự do và trao đổi với các
cation khác. Điều này giúp ta biến tính chúng theo mục đích sử dụng. Từ tính chất này mà
phân tử nƣớc dễ dàng xâm nhập vào khoảng không gian giữa các lớp và làm thay đổi
±14Å
trục c
trục b

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×