Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG TRANSESTERIFICATION ĐỂ SẢN XUẤT BIODIESEL B5, B10 TỪ DẦU ĐẬU NÀNH VÀ DẦU TẢO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG TRANSESTERIFICATION ĐỂ SẢN
XUẤT BIODIESEL B5, B10 TỪ DẦU ĐẬU NÀNH VÀ DẦU TẢO

Họ và tên sinh viên:TRẦN THỊ KIM HOA
Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Niên khóa: 2008 – 2012

Tp.HCM, tháng 8/2012


NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG TRANSESTERIFICATION ĐỂ SẢN XUẤT
BIODIESEL B5, B10 TỪ DẦU ĐẬU NÀNH VÀ DẦU TẢO

Tác giả

TRẦN THỊ KIM HOA


Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành
Công Nghệ Hóa Học

Giáo viên hướng dẫn:
PGS.TS. Trương Vĩnh
KS. Hồ Thị Kim Hòa
CN. Lê Thị Thanh Thủy

Tháng 08/2012
i


LỜI CẢM ƠN
Con kính ghi nhớ công ơn ông bà, cha mẹ đã sinh thành và dưỡng dục luôn
động viên, khích lệ cho con trong suốt quá trình học tập cũng như trong thời gian thực
hiện khóa luận tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS. Trương Vĩnh – người thầy kính yêu
đã tận tình hướng dẫn em. Trong suốt quá trình thực hiện, thầy luôn theo sát với tiến
trình thực hiện luận văn, nhắc nhở sửa chữa những sai sót và không ngừng động viên,
tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn KS. Hồ Thị Kim Hòa và CN. Lê Thị Thanh Thủy đã
tận tình giúp đỡ, cũng như chia sẻ những khó khăn trong suốt thời gian tôi nghiên cứu
tại phòng thí nghiệm I4 Bộ môn Công Nghệ Hóa Học.
Tôi chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Công Nghệ Hóa Học
trường Đại học Nông Lâm đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức và
kinh nghiệm quý báu, cùng các bạn trong lớp DH08HH đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong
suốt thời gian 4 năm học tập tại trường. Trong quá trình thí nghiệm tại phòng thí
nghiệm Bộ môn Công Nghệ Hóa Học trường Đại học Nông Lâm TPHCM, tôi đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi của quý thầy cô trong Bộ
môn cùng các bạn lớp DH08HH. Nhờ vậy tôi đã thuận lợi hoàn thành khóa luận một
cách tốt đẹp.
Mặc dù đã cố gắng nhưng do những hạn chế về kỹ thuật, kinh nghiệm, thời gian
thực hiện, khóa luận của tôi chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Tôi mong nhận
được những góp ý từ thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn.

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 08 năm 2012.
Sinh viên
Trần Thị Kim Hoa


ii


TÓM TẮT
Sinh viên thực hiện: Trần Thị Kim Hoa, đề tài được báo cáo vào tháng 08/2012
“Nghiên cứu phản ứng transesterification để sản xuất biodiesel B5, B10 từ dầu
đậu nành và dầu tảo”.
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Trương Vĩnh, KS. Hồ Thị Kim Hòa, CN. Lê
Thị Thanh Thủy.
Đề tài được thực hiện từ tháng 2/2012 đến tháng 8/2012, tại phòng thí nghiệm
I4 Bộ môn Công Nghệ Hóa Học, trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh.
Đề tài được tiến hành với nguồn nguyên liệu là dầu nành Tường An và dầu tảo
được trích ly và tinh chế từ tảo Chlorella vulgaris của Bộ môn Công Nghệ Hóa Học,
trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh.
Nội dung khóa luận thể hiện qua các kết quả sau:
Xác định được một số tính chất hóa – lý, thành phần của nguyên liệu dầu nành
và dầu tảo, từ đó có thể xác định được những thuận lợi và khó khăn trong phản ứng
điều chế biodiesel. Xác định độ nhớt của ethyl ester, B5, B10, methyl ester ở 33oC; so
sánh với diesel.
Xác định điều kiện tối ưu để hiệu suất thu hồi biodiesel đạt giá trị cao nhất ở
các điều kiện sau: tỷ lệ ethanol/dầu là 10.5/1, nhiệt độ phản ứng 50oC, thời gian phản
ứng 3 giờ với tỷ lệ xúc tác 1% (wt). So sánh hiệu suất thu hồi biodiesel giữa hai loại
xúc tác là KOH và NaOH. Với xúc tác KOH thì hiệu suất thu hồi biodiesel cao hơn so
với xúc tác NaOH.
Tiến hành thí nghiệm ứng dụng điều kiện tối ưu của xúc tác kiềm trong dầu đậu
nành cho dầu tảo. Phát triển thử nghiệm với xúc tác acid H2SO4. Trong khoảng thời
gian khảo sát phản ứng với hai loại xúc tác kiềm KOH và NaOH, cả hai đều cho phản
ứng với dầu tảo. Tuy nhiên, với xúc tác KOH thì dấu hiệu nhận biết phản ứng rõ hơn
NaOH.

iii


ABSTRACT
Students achieved: Tran Thi Kim Hoa, the theses entitled – “Study the
transesterification reaction to produce biodiesel B5, B10 from soybean oil and
algae oil” was reported on 08/2011.
Supervisors: Associate Prof. Dr. Truong Vinh, Engr. Ho Thi Kim Hoa, BA. Le
Thi Thanh Thuy.
The thesis was conducted from 2/2012 to 8/2012, at I4 Lab Department of
Chemical Engineering, Nong lam University Ho Chi Minh city, Viet Nam.
This thesis was conducted using material sources of Tuong An soybean oil and
algae oil extracted and refirred from algae chlorella vulgaris of the Department of
Chemical Engineering, Nong Lam University Ho Chi Minh city, Viet Nam.
Contents of thesis expressesd by the following results:
Determination of some physico – chemical properties composition of soybean
oil and algae oil, from which to indentify the conditions in the preparation of biodiesel
reaction. Determination of the viscosity of the ethyl ester, B5, B10, methyl ester at
33oC, compared to diesel.
Determination of optimal conditions to get the highest yield of biodiesel
coresponding to the following conditions: ethanol/oil mole ratio of 10.5/1, reaction
temperature 50°C, reaction time 3 hours and the catalytic fraction of 1% catalyst (wt).
Compare yield of biodiesel between the two catalysts, e.g. KOH and NaOH. NaOH
catalyst biodiesel yield was higher than that of the catalyst KOH.
Experiments were conducted with optimum conditions applied in soybean oil
using alkaline catalysts for algae. Testing with catalyst acid H2SO4 was also
developed. During the survey, responses to two types of alkaline catalyst KOH and
NaOH, both reacted with algae oil. However, with the KOH catalyst, reaction was
identificed more than NaOH.

iv


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn ................................................................................................................... ii
Tóm tắt ........................................................................................................................ iii
Mục lục .........................................................................................................................v
Danh mục các từ viết tắt ............................................................................................. ix
Danh sách các hình .......................................................................................................x
Danh sách các bảng ................................................................................................... xii
Chương 1.MỞ ĐẦU .....................................................................................................1
1.1.

Đặt vấn đề .......................................................................................................1

1.2.

Mục đích đề tài................................................................................................2

1.3.

Nội dung đề tài ................................................................................................2

1.4.

Yêu cầu ...........................................................................................................2

1.5.

Ý nghĩa của đề tài ...........................................................................................3

Chương 2.TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................4
2.1. Đặc điểm các nguồn nguyên liệu trong sản xuất biodiesel ..................................4
2.1.1. Dầu thực vật ....................................................................................................4
2.1.1.1. Thành phần hóa học .............................................................................6
2.1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng dầu thực vật làm nguyên liệu
sản xuất biodiesel ...............................................................................................10
2.1.2. Mỡ động vật ..................................................................................................11
2.1.2.1. Thành phần hóa học ...........................................................................12
2.1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng mỡ động vật làm nguyên liệu
sản xuất biodiesel ...............................................................................................13
2.1.3. Dầu tảo ..........................................................................................................14
2.1.3.1. Thành phần hóa học ...........................................................................17
2.1.3.2. Những ưu điểm khi nuôi cấy vi tảo như nguồn tài nguyên sinh khối 19
2.2. Tổng quan về biodiesel (BOD) ..........................................................................21
2.2.1. Giới thiệu về BOD ........................................................................................21
2.2.2. Lịch sử hình thành và phát triển của BOD ...................................................22
v


2.2.3. Tính chất của BOD .......................................................................................24
2.2.3.1. Một số thông số kĩ thuật của BOD .....................................................24
2.2.3.2. Tính chất vật lý của BOD ...................................................................27
2.2.4. Ưu điểm và nhược điểm của BOD................................................................28
2.2.4.1. Ưu điểm ..............................................................................................28
2.2.4.2. Nhược điểm ........................................................................................29
2.2.5. Các giá trị tiêu chuẩn cho BOD trong nước và quốc tế ................................30
2.2.5.1. Trong nước .........................................................................................30
2.2.5.2. Quốc tế ...............................................................................................32
2.2.6. Một số phương pháp chuyển dầu mỡ thành nhiên liệu sử dụng được ..........33
2.2.6.1. Phương pháp pha loãng ......................................................................33
2.2.6.2. Phương pháp nhiệt phân .....................................................................34
2.2.6.3. Phương pháp tạo vi nhũ tương ...........................................................37
2.2.6.4. Phương pháp transesterification sản xuất biodiesel ...........................38
2.2.7. Phản ứng ester hóa, cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng ester hóa
tạo biodiesel .............................................................................................................39
2.2.7.1. Định nghĩa ..........................................................................................39
2.2.7.2. Cơ chế phản ứng .................................................................................40
2.2.7.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng ester hóa tạo biodiesel .............41
2.2.8. Các xúc tác thường dùng trong phản ứng transesterification tạo biodiesel ..44
2.2.8.1. Xúc tác kiềm .......................................................................................44
2.2.8.2. Xúc tác acid ........................................................................................47
2.2.8.3. Các loại xúc tác khác ..........................................................................48
2.3. Ethanol ................................................................................................................51
2.3.1. Định nghĩa .....................................................................................................51
2.3.2. Tinh chế ethanol............................................................................................52
Chương 3.VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ....................................55
3.1. Thời gian và địa điểm ..........................................................................................55
3.2. Vật liệu và thiết bị thí nghiệm .............................................................................55
3.1.1. Nguồn dầu .....................................................................................................55
3.1.2. Thiết bị thí nghiệm và dụng cụ .....................................................................55
vi


3.1.3. Hóa chất ........................................................................................................56
3.3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................56
3.3.1. Quy trình công nghệ .....................................................................................56
3.3.2. Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu trong dầu đậu nành và biodiesel. .............59
3.3.3. Thí nghiệm xác định điều kiện tối ưu cho phản ứng transesterification dầu
nành với xúc tác kiềm ..............................................................................................61
3.3.3.1. Thí nghiệm khảo sát thời gian phản ứng tối ưu..................................63
3.3.3.2. Thí nghiệm so sánh xúc tác KOH và NaOH đến hiệu suất phản ứng 64
3.3.3.3. Thí nghiệm khảo sát tỷ lệ ethanol/dầu và nhiệt độ phản ứng.............64
3.3.4. Thí nghiệm khảo sát điều kiện cho phản ứng transesterification với dầu tảo ..
.......................................................................................................................65
3.3.4.1. Thí nghiệm khảo sát phản ứng transesterification cho dầu tảo với
ethanol

............................................................................................................66

3.3.4.2. Thí nghiệm khảo sát phản ứng transesterification cho dầu tảo với
methanol ............................................................................................................67
Chương 4.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................68
4.1. Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu trong dầu đậu nành và biodiesel. ..................68
4.1.1. Xác định tỷ trọng ..........................................................................................68
4.1.2. Xác định độ nhớt ...........................................................................................68
4.1.3. Xác định chỉ số acid của dầu nành ................................................................69
4.1.4. Xác định chỉ số xà phòng của dầu nành........................................................70
4.2. Thí nghiệm xác định điều kiện tối ưu cho phản ứng transesterification cho dầu
nành với xúc tác kiềm .................................................................................................70
4.2.1. Thí nghiệm khảo sát thời gian phản ứng ......................................................71
4.2.2. Thí nghiệm so sánh xúc tác KOH và NaOH đến hiệu suất phản ứng ..........73
4.2.3. Thí nghiệm khảo sát tỷ lệ ethanol/dầu và nhiệt độ phản ứng. ......................74
4.3. Thí nghiệm nghiên cứu điều kiện cho phản ứng transesterification dầu tảo......76
4.3.1. Thí nghiệm khảo sát phản ứng transesterification cho dầu tảo với ethanol .76
4.3.2. Thí nghiệm khảo sát phản ứng transesterification cho dầu tảo với methanol ..
.......................................................................................................................80
Chương 5.KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................83
vii


5.1. Kết luận ..............................................................................................................83
5.2. Đề nghị ...............................................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................85
PHỤ LỤC ...................................................................................................................89

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
EU

:

Liên minh Châu Âu (European Union).

FAO

:

Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc

(Food and Agriculture Organization of the United Nations).
EN

:

Tiêu chuẩn Châu Âu (European Committee for Standardization).

ASTM

:

American Society for Testing Materials.

NLSH

:

Nhiên liệu sinh học.

BOD

:

Biodiesel.

TCVN

:

Tiêu chuẩn Việt Nam.

FAME

:

Fatty acid methyl ester.

FFA

:

Acid béo tự do (Free Fatty Acid).

MeOH

:

Methanol.

EtOH

:

Ethanol.

THF

:

Tetrahydrofuran.

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 - Đồ thị sản lượng dầu thực vật được sản xuất và tiêu thụ qua các năm ... 5
Hình 2.2 - Công thức cấu tạo của triglyceride .......................................................... 6
Hình 2.3 - Sản lượng Biodiesel sản xuất trên thế giới thừ năm 1999-2006 ............. 23
Hình 2.4 - Phản ứng chuyển ester hóa mỡ, dầu ........................................................ 24
Hình 2.5 - Cơ chế nhiệt phân triglyceride ................................................................. 35
Hình 2.6 - Phản ứng transesterìication của triglyceride với rượu.............................. 39
Hình 2.7 - Cơ chế của phản ứng xúc tác kiềm tính.................................................... 45
Hình 2.8 - Phản ứng giữa ester và acid béo tự do với chất xúc tác ........................... 46
Hình 2.9 - Cơ chế của phản ứng transester hóa với xúc tác acid .............................. 47
Hình 2.10 - Các giai đoạn của phản ứng transester hóa dầu hạt hướng dương với
butanol bằng enzyme lipase ....................................................................................... 50
Hình 2.11 - Rây phân tử dùng để tách hỗn hợp ethanol – nước ............................... 53
Hình 2.12 - Cấu tạo ống Zeolite Membrane ............................................................. 54
Hình 2.13 - Hệ thống Zeolite Membrane .................................................................. 54
Hình 3.1 – Phản ứng điều biodiesel từ dầu nành chế.

........................................... 58

Hình 3.2 – Biodisel sau phản ứng được đem sấy để loại ethanol dư. ....................... 58
Hình 3.3 – Phiễu lắng tách glycerine và biodiesel thô. ............................................ 58
Hình 3.4 – Phiễu lắng tách nước trong quá trình rửa biodiesel. ............................... 58
Hình 3.5 – Lọc chân không tách Na2SO4

.................................................................................. 58

Hình 3.6 – Biodiesel sau khi tinh chế. ...................................................................... 58
Hình 3.7 – Nhớt kế .................................................................................................... 59
Hình 4.1 - Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất thu hồi
biodiesel. .................................................................................................................... 73
Hình 4.2 – Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ và tỷ lệ ethanol/dầu đến hiệu suất
phản ứng. ................................................................................................................... 75
Hình 4.3 – Mẫu dầu tảo trước khi phản ứng với ethanol xúc tác KOH .................... 76
Hình 4.4 – Mẫu dầu sau 6 giờ phản ứng với ethanol xúc tác KOH. ......................... 77
Hình 4.5 – Mẫu dầu tảo sau 1 giờ phản ứng.với ethanol xúc tác KOH .................... 78
x


Hình 4.6 – Mẫu dầu tảo sau 3 giờ phản ứng với ethanol xúc tác KOH .................... 78
Hình 4.7 – Mẫu dầu tảo trước khi phản ứng với ethanol xúc tác NaOH .................. 79
Hình 4.8 – Mẫu dầu tảo sau 3 giờ phản ứng với ethanol xúc tác NaOH .................. 80
Hình 4.9 – Mẫu dầu tảo trước khi phản ứng với methanol ...................................... 80
Hình 4.10 – Mẫu dầu tảo sau 4 giờ phản ứng với methanol. ................................... 81
Hình 4.11 – Mẫu dầu tảo sau 6 giờ phản ứng với methanol ..................................... 81

xi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 - Sản lượng hạt lấy dầu và lượng dầu thực vật tiêu thụ năm 2010 (triệu tấn)
.................................................................................................................................... 6
Bảng 2.2 - Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ .............. 7
Bảng 2.3 - Thành phần acid béo của một số loại dầu thực vật ................................. 8
Bảng 2.4 - Tính chất cơ bản của dầu thực vật ........................................................... 9
Bảng 2.5 - Tính chất lý hóa cơ bản của các dầu thực vật. ....................................... 9
Bảng 2.6 - Thành phần acid béo của một số loại mỡ động vật ................................. 12
Bảng 2.7 - So sánh vi tảo với các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel khác ......... 15
Bảng 2.8 - So sánh các thuộc tính giữa dầu từ vi tảo, diesel thông thường và tiêu chuẩn
ASTM biodiesel ......................................................................................................... 17
Bảng 2.9 - Thành phần hóa học có trong một số loại tảo ......................................... 18
Bảng 2.10 - Thành phần hóa học chứa trong tảo Chlorella sp. ................................ 19
Bảng 2.11 - Các chỉ tiêu chất lượng của diesel sinh học gốc (B100) ....................... 31
Bảng 2.12 - Các giá trị kiểm tra và Tiêu chuẩn giá trị tối đa của các chất cho phép
trong diesel và BOD ở Hoa Kì. ................................................................................. 32
Bảng 2.13 - So sánh lượng phát xạ của B100 và B20 với diesel thông thường (Hoa
Kì). ............................................................................................................................. 32
Bảng 2.14 - Các giá trị kiểm tra cho BOD sinh học gốc (B100) - Bắc Mĩ. ............. 33
Bảng 2.15 - Thành phần của các loại dầu sau khi nhiệt phân ................................... 36
Bảng 2.16 - Tính chất nhiên liệu của dầu nành và dầu nành nhiệt phân .................. 38
Bảng 2.17 – Tính chất của ethanol ............................................................................ 52
Bảng 3.1 - Bố trí thí nghiệm thay đổi điều kiện thời gian phản ứng. ....................... 64
Bảng 3.2 - Bố trí thí nghiệm khảo sát hai yếu tố tỷ lệ ethanol/dầu và nhiệt độ phản
ứng. ............................................................................................................................. 65
Bảng 3.3 – Bố trí thí nghiệm khảo sát phản ứng của dầu tảo với xúc tác KOH ....... 66
Bảng 3.4 – Bố trí thí nghiệm khảo sát phản ứng của dầu tảo với xúc tác NaOH ..... 67
Bảng 4.1 – Kết quả đo tỷ trọng của dầu nành và ethyl ester ..................................... 68
xii


Bảng 4.2 – Kết quả đo độ nhớt của dầu nành, ethyl ester và methyl ester ............... 69
Bảng 4.3 - Kết quả chỉ số acid của dầu nành. ........................................................... 69
Bảng 4.4 - Kết quả chỉ số xà phòng của dầu nành. ................................................... 70
Bảng 4.5 - Thành phần acid béo của dầu nành. ....................................................... 71
Bảng 4.6 – Bảng khối lượng các chất tham gia phản ứng. ...................................... 72
Bảng 4.7 - Thí nghiệm khảo sát thời gian phản ứng. ................................................. 73
Bảng 4.8- So sánh hiệu suất thu hồi giữa hai loại xúc tác. ........................................ 73
Bảng 4.9 – Kết quả thí nghiệm thay đổi tỷ lệ ethanol/dầu và nhiệt độ phản ứng
transesterification cho dầu nành. ............................................................................... 74
Bảng 4.10 – Hiệu suất trung bình theo nhiệt độ. ....................................................... 75
Bảng 4.11 – Hiệu suất trung bình theo tỷ lệ ethanol/dầu. ......................................... 76

xiii


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề
Hiện nay, vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống và sự ô nhiễm không

khí đang là mối quan tâm hàng đầu của tất cả các nước trên thế giới, từ các nước tiên
tiến đến các nước đang phát triển.
Việc tìm kiếm các loại nhiên liệu, năng lượng sạch không những giải quyết
được vấn đề ô nhiễm không khí mà còn có thể chủ động được các nguồn nhiên liệu,
hạn chế sự phụ thuộc vào các biến động thế giới.
Một trong những nguồn năng lượng được đưa ra nhằm thay thế cho nhiên liệu
truyền thống là Biodiesel.
Việt Nam được đánh giá rất giàu tiềm năng về nguyên liệu sản xuất nhiên liệu
sinh học liên quan đến các sản phẩm nông nghiệp đứng đầu thế giới như lúa, thủy sản,
đậu,…mang lại nhiều lợi ích như bổ sung nhiên liệu, thân thiện với môi trường, tạo
nguồn lợi kinh tế, góp phần giải quyết các vấn đề xã hội.
Vì những nhu cầu trên, dưới sự phân công của Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học,
và sự hướng dẫn của PGS.TS Trương Vĩnh thực hiện đề tài: “Nghiên cứu phản ứng
transesterification để sản xuất biodiesel B5, B10 từ dầu đậu nành và dầu tảo”.
Nhiều nghiên cứu phản ứng transesterification được tiến hành trong những năm
gần đây với xúc tác methanol. Theo Hồ Thị Kim Hòa Và Nguyễn Thanh Hiếu (2011),
nghiên cứu về điều kiện tối ưu của phản ứng với tỷ lệ mol methanol/dầu là 7.68/1;
nhiệt độ phản ứng ở 68oC; thời gian phản ứng là 140 phút và tỉ lệ xúc tác là 0.7% (theo
khối lượng dầu) thì cho hiệu suất thu hồi cao nhất đạt 91% [4].
1


Nhưng methanol có những hạn chế như độc hại, mức độ ăn mòn cao ảnh hưởng
đến động cơ đốt trong, không phù hợp để làm nhiên liệu. Ethanol cũng là chất ăn mòn
kim loại nhưng với quy mô thấp hơn rất nhiều, thân thiện với môi trường và không độc
hại như methanol. Do đó trong nghiên cứu này, tôi sử dụng ethanol để sản xuất
biodiesel từ dầu nành và dầu tảo.
1.2.

Mục đích đề tài
Nghiên cứu phản ứng transesterification để điều chế biodiesel từ dầu đậu nành

và dầu tảo.
Xác định các yếu tố để tối ưu hóa phản ứng transesterification và hiệu suất thu
hồi biodiesel từ nguyên liệu dầu đậu nành và dầu tảo.
Xác định một số chỉ tiêu trong mẫu dầu ban đầu và dầu biodiesel sau khi thực
hiện phản ứng transesterification tạo biodiesel.
1.3.

Nội dung đề tài
Tìm hiểu tình hình sản xuất biodiesel trên thế giới và tại Việt Nam.
So sánh chất lượng biodiesel và diesel, tìm hiểu các tính chất qui định đối với

nhiên liệu sinh học.
Tìm hiểu về ethanol và các phương pháp làm khan ethanol. Tìm hiểu về xúc tác
kiềm, acid.
Xác định một số tính chất hóa - lý, thành phần của nguyên liệu dầu nành và dầu
tảo từ đó xác định thuận lợi và khó khăn trong việc điều chế biodiesel.
Sử dụng nguồn nguyên liệu là dầu đậu nành và dầu tảo để tiến hành thực hiện
việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng transesterification:
Nhiệt độ phản ứng
Xúc tác NaOH, KOH
Thời gian phản ứng
Tỷ lệ etanol/ dầu
1.4.

Yêu cầu
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng transesterification và bố trí thí

nghiệm xác định điều kiện tối ưu để thực hiện phản ứng tạo biodiesel.
Xác định một số chỉ tiêu nhiên liệu sinh học.
2


1.5.

Ý nghĩa của đề tài
Về kinh tế

Mặc dù giá nhiên liệu sinh học hiện nay còn tương đối cao nhưng trong tương lai là
nguồn nguyên liệu quý báu thay thế nguồn nguyên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần.
Về xã hội
Tạo việc làm cho nhân dân lao động.
Phát hiện ra nguồn nguyên liệu sạch, định hướng phát triển nhiên liệu cho tương lai.
Bổ sung nhiên liệu nâng cao sự ổn định an ninh năng lượng quốc gia.
Về môi trường
Tạo ra nguồn nhiên liệu mới không gây ô nhiễm môi trường.
Sản xuất nhiên liệu sạch cho con người thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch.

3


Chương 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Đặc điểm các nguồn nguyên liệu trong sản xuất biodiesel
Nguyên liệu sản xuất biodiesel hiện nay là dầu thực vật (dầu đậu tương, dầu hạt
hướng dương, dầu cọ, dầu hạt nho, dầu dừa, dầu jatropha, dầu pongama, dầu nành, dầu
lạc,…), mỡ động vật (mỡ cá, mỡ bò, …) và các loại vi tảo.
2.1.1. Dầu thực vật
Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất từ các hạt, các quả của cây. Nói chung,
các hạt quả của cây đều chứa dầu, nhưng từ dầu thực vật chỉ dùng để chỉ dầu của
những cây có dầu với hàm lượng lớn. Dầu lấy từ hạt cây có dầu như: đậu phộng, đậu
nành, cải dầu, bông, hướng dương . . . Dầu lấy từ quả cây có dầu như: dừa, cọ, ô liu…
Trong đó, chú ý đến một vài cây có chiết suất lớn như: dừa (60%), cọ (50%).
Có thể phân loại dầu thực vật theo nhu cầu làm thực phẩm cho con người : dầu
ăn được và dầu không ăn được. Dầu ăn được phổ biến là các loại như dầu nành, dầu
đậu phộng, dầu dừa, dầu cải, dầu hướng dương,…được sử dụng trong các thực phẩm
cho con người. Dầu không dùng trong thực phẩm như dầu hạt kusum, akola, jatropha,
mahua, karanja,… Điển hình là hạt của Jatropa curcas (jatropha) chứa các độc tố như
phorbol ester và curcin, hạt của Pongamia pinnata (karanja) chứa các chất độc như
furanoflavone, furanoflavonol, chromenoflavone flavone và furanodiketone.
Hàm lượng dầu trong các loại hạt cũng khác nhau. Ví dụ như hàm lượng dầu
trong hạt đậu nành chứa 20%, trái lại hạt cải dầu chứa đến 40%. Hàm lượng dầu trong
hạt jatropha và karanja lần lượt là 40% và 33%.

4


Nguồn nguyên liệu thô ảnh hưởng đến giá cả của biodiesel. Vì thế lựa chọn
nguyên liệu thô cho sản xuất biodiesel phụ thuộc chủ yếu vào khả năng ứng dụng của
chúng và giá thành nguyên liệu. Các quốc gia như Hoa Kỳ, EU thì độc lập trong việc
sản xuất dầu ăn và thậm chí còn có lượng dư để xuất khẩu. Vì thế, dầu ăn như dầu
nành, dầu cải được sử dụng ở Hoa Kỳ và các quốc gia thuộc khối EU được sử dụng
cho sản xuất nhiên liệu. Các quốc gia khác như Malaysia và Indonesia thì dư thừa về
nguồn dầu dừa và chúng được sử dụng để sản xuất biodiesel. Ấn Độ có bờ biển rộng
lớn nhưng lại không sản xuất đủ sản lượng dầu ăn để phục vụ nhu cầu thực phẩm nên
phải sử dụng thêm các loại dầu khác như dầu hạt jatropa, karanja để phục vụ cho sản
xuất biodiesel. Sản lượng dầu thực vật được sản xuất trên toàn thế giới tăng từ 56 triệu
tấn vào năm 1990 lên tới 88 triệu tấn vào năm 2000.

Hình 2.1 - Đồ thị sản lượng dầu thực vật được sản xuất và tiêu thụ qua các năm
Trong năm 2010, tổng sản lượng các loại hạt lấy dầu sản xuất trên thế giới được
thống kê là 444.2 triệu tấn (Bảng 2.1), trong đó dầu nành chiếm tỷ lệ cao nhất 58%.
Còn sản lượng dầu thực vật được tiêu thụ trên toàn thế giới là 141.7 triệu tấn (Bảng
2.1), trong đó dầu hạt cọ chiếm 34%, dầu nành chiếm 30%. Các nước xuất khẩu nhiều
thực vật là Malaysia, Argentina, Indonesia, Philippines, và Brazil. Các nước nhập khẩu
nhiều dầu là Trung Quốc, Pakistan, Italy, Anh. Một số quốc gia như Hà Lan, Đức, Mỹ
và Singapore vừa xuất khẩu nhiều, và cũng vừa nhập khẩu nhiều dầu thực vật.
5


Bảng 2.1 - Sản lượng hạt lấy dầu và lượng dầu thực vật
tiêu thụ năm 2010 (triệu tấn) [6].
Loại thực vật

Sản lượng hạt lấy dầu

Lượng dầu tiêu thụ

Đậu nành

258.4

42.1

Cải dầu

58.4

23.2

Cọ

12.7

48.7

Hạt hướng dương

30.7

11.1

Hạt bông

43.3

4.8

Lạc

34.7

4.9

Dừa

6

3.9

Oliu

-

3

Tổng

444.2

141.7

2.1.1.1. Thành phần hóa học
Thành phần hóa học dầu thực vật nói chung gồm 95% các triglyceride và 5%
các acid béo tự do.

Hình 2.2 - Công thức cấu tạo của triglyceride
Triglyceride được tạo thành từ ba phân tử acid (R-COOH) và một phân tử
glycerine [C3H5(OH)3]. Trong một phân tử triglyceride, khối lượng phân tử của
glycerine là 41 trong khi khối lượng phân tử các gốc của acid béo trong khoảng 650
đến 790. Vì vậy, các gốc acid béo ảnh hưởng rất nhiều đến đặc tính của dầu thực vật.
Các acid béo khác nhau ở độ dài mạch carbon và số lượng các nối đôi trong mạch.
Như C18:3 (acid linolenic) có nghĩa là acid béo này có chứa 18 nguyên tử carbon và 3
nối đôi. Tính chất vật lý và hóa học của nhiên liệu biodiesel chủ yếu phụ thuộc vào
6


thành phần gốc acid béo của nguyên liệu ban đầu. Một số acid béo thường có mặt
trong phân tử triglyceride được liệt kê ở bảng 2.2 .
Bảng 2.2 - Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ [7].
Công thức hóa học

Acid béo

Myristic (14:0)

CH3(CH2)12COOH

Palmitic (16:0)

CH3(CH2)14COOH

Stearic (18:0)

CH3(CH2)16COOH

Oleic (18:1)

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

Linoleic (18:2)

CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

Linolenic (18:3)

CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

Arachidic (20:0)

CH3(CH2)18COOH

Behenic (22:0)

CH3(CH2)20COOH

Erucic (22:1)

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)11COOH

Thành phần các acid béo cũng khác nhau tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu.
Bảng 2.3 cho thấy thành phần acid béo của một số loại dầu thực vật thông thường.
Trong dầu thực vật còn có một lượng nhỏ khoảng 1- 5% acid béo tự do. Acid béo tự
do là các acid monocarboxylic no hoặc chưa no nhưng không liên kết với phân tử
glycerine. Hàm lượng cao của các acid béo tự do dẫn đến chỉ số acid của dầu mỡ cũng
cao. Chỉ số acid ảnh hưởng đến quá trình xúc tác của phản ứng transester hóa sau này.
Do đó, nguồn nguyên liệu lựa chọn nên có chỉ số acid thích hợp, hoặc được điều chỉnh
về giá trị sao cho quá trình transesterification là tối ưu nhất.
Bên cạnh đó, dầu thực vật cũng chứa một lượng nhỏ nước. Lượng nước trong
nguyên liệu cũng có ảnh hưởng đến phản ứng chuyển hóa dầu thành các alkyl ester của
acid béo. Nguyên liệu được sử dụng không được chứa nhiều nước và hàm lượng nước
phải thấp hơn mức 0,1%. Người ta có thể sử dụng nhiều phương pháp để giảm hàm
lượng cho nguyên liệu, một trong các phương pháp này là dùng nhiệt để tách ẩm.
Ngoài ra dầu thực vật còn chứa các hợp chất khác như phospholipid, phosphatide,
carotene, tocopherol, và các hợp chất khác có lưu huỳnh.

7


Bảng 2.3 - Thành phần acid béo của một số loại dầu thực vật [8].
Dầu

Hàm lượng acid béo ( % w/w)
16:0

16:1

18:0

18:1

18:2

18:3

Khác

Hạt bông

28.7

0.0

0.9

13.0

57.4

0.0

0.0

Hạt thuốc phiện

12.6

0.1

4.0

22.3

60.2

0.5

0.0

Hạt cải dầu

3.5

0.0

0.9

64.1

22.3

8.2

0.0

Hạt rum

7.3

0.0

1.9

13.6

77.2

0.0

0.0

Hạt hướng dương

6.4

0.1

2.9

17.7

72.9

0.0

0.0

Hạt vừng

13.1

0.0

3.9

52.8

30.2

0.0

0.0

Hạt lanh

5.1

0.3

2.5

18.9

18.1

55.1

0.0

Hạt lúa mìa

20.6

1.0

1.1

16.6

56.0

2.9

1.8

Cọ

42.6

0.3

4.4

40.5

10.1

0.2

1.1

Hạt bắp

11.8

0.0

2.0

24.8

61.3

0.0

0.3

Hạt thầu dầub

1.1

0.0

3.1

4.9

1.3

0.0

89.6

Đậu nành

13.9

0.3

2.1

23.2

56.2

4.3

0.0

Lá nguyệt quếc

25.9

0.3

3.1

10.8

11.3

17.6

31.0

Lạcd

11.4

0.0

2.4

48.3

32.0

0.9

4.0

Hạt phi

4.9

0.2

2.6

83.6

8.5

0.2

0.0

Hạt óc chó

7.2

0.2

1.9

18.5

56.0

16.2

0.0

Hạnh nhân

6.5

0.5

1.4

70.7

20.0

0.0

0.9

Hạt ô liu

5.0

0.3

1.6

74.7

17.6

0.0

0.8

Cơm dừae

7.8

0.1

3.0

4.4

0.8

0.0

65.7

Dầu hạt lúa mì chứa 11.4% acid béo 8:0 và 0.4% acis béo 14:0.

a

Dầu thầu dầu chứa 89.6% acid ricinoloic.

b

Dầu lá nguyệt quế chứa 26.5% acid béo 12:0 và 4.5% acid béo 14:0.

c

Dầu lạc chứa 2.7% acid béo 22 và 1.3% acid béo 24:0.

d

Dầu dừa chứa 8.9% acid béo 8:0, 6.2% acid béo10:0, 48.8% acid béo 12:0 và 19.9%

e

acid béo 14.0.
8


Bảng 2.4 - Tính chất cơ bản của dầu thực vật [9, 10].
Loại dầu

Khối lượng Độ nhớt
Điểm nóng
(cSt)
riêng
chảy (oC)
(ở 20oC)
(g/cm3)

Điểm
đục (oC)

Điểm
chớp lửa
(oC)

Nhiệt trị
(Mj/kg)
(kcal/kg)

Dầu phộng

0.914

85

0/-3

9

258

39.33/9410

Dầu cải dầu

0.916

77

0/-2

11

320

37.4/8956

Dầu dừa

0.915

30-37

23/26

20-28

110

37.1/8875

Dầu bông

0.921

73

2/-2

-1

243

36.78/8800

Dầu cọ

0.915

95-106

23/50

31

280

36.92/8834

Dầu thầu dầu

0.955

260

38.85/9295

Dầu nành

0.92

58-63

-4

330

37.3/8925

Dầu diesel

0.836

3-6

-2

-10/-12

43.8/10478

Bảng 2.5 - Tính chất lý hóa cơ bản của các dầu thực vật.
Loại dầu

Cặn

Chỉ số cetane

Dầu phộng

0.5

39-41

Dầu cải dầu

0.28

38

Dầu dừa

0.11

40-42

Dầu bông

0.49

35-40

Dầu cọ

0.42

38-40

Dầu thầu dầu

0.1

Dầu nành

0.54

36-38

Dầu diesel

< 0.01

45-50

9


2.1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng dầu thực vật làm nguyên liệu sản
xuất biodiesel
Ưu điểm
Dầu thực vật là một trong những nguồn tái sinh được. Và nó ngày càng được
quan tâm hơn nữa vì tính thân thiện với môi trường. Dầu thực vật có tiềm năng trong
việc cung cấp một nguồn năng lượng không cạn kiệt, với các thông số về mặt năng
lượng gần giống với nhiên liệu diesel. Với việc giá cả của các nhiên liệu có nguồn gốc
từ dầu mỏ đang ngày càng leo thang, và các nguồn tài nguyên khoáng sản dưới lòng
đất đang ngày càng cạn kiệt dần thì dầu thực vật là một trong những giải pháp nhằm
thay thế nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong. Dầu thực vật có thể được sử dụng
trực tiếp cho động cơ hoặc được biến đổi sao cho phù hợp nhất. Dầu thực vật khi được
sử dụng làm nhiên liệu có một số ưu điểm sau [8]:
Không độc và có thể phân giải trong tự nhiên.
Là nhiên liệu tái sinh từ các sản phẩm nông nghiệp và các nguồn nguyên liệu
phế phẩm khác.
Giá trị nhiệt cháy bằng 80% so với nhiệt cháy của diesel.
Hàm lượng các hợp chất thơm thấp.
Hàm lượng lưu huỳnh thấp, do đó thân thiện với môi trường.
Có chỉ số cetane vừa phải, do đó ít có khả năng gây nổ.
Làm tăng cường tính bôi trơn.
Nhiệt độ cháy cao hơn so với diesel, do đó an toàn khi sử dụng.
Có thể được sử dụng trên thị trường cùng lúc với nhiên liệu diesel ( cho động
cơ cải tiến hay không cải tiến).
Nhược điểm
Dầu thực vật không được chấp nhận rộng rãi vì chúng có giá thành cao hơn so
với các nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ. Giá thành cao của dầu thực vật là do chi
phí cho nhiều giai đoạn:
Quá trình trồng trọt, thu hoạch các cây lấy dầu.
Quá trình chế biến, xử lý để tinh sạch dầu từ nguyên liệu thô.
Quá trình chuyển đổi dầu thực vật thành các nhiên liệu để có thể sử dụng được
cho động cơ.
10


Khi được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ thì dầu thực vật có một số nhược
điểm chính sau [8]:
Độ nhớt cao làm nhiên liệu lưu chuyển không đều, động cơ hoạt động không ổn
định.
Độ bay hơi thấp nên khó cháy.
Xảy ra phản ứng của các mạch hydrocarbon chưa bão hòa làm cho tính chất của
nhiên liệu bị thay đổi, gây khó khăn cho bảo quản.
2.1.2. Mỡ động vật
Biodiesel ngày nay chủ yếu được sản xuất từ dầu thực vật. Tuy nhiên, nguồn
mỡ động vật từ các ngành công nghiệp thực phẩm là nguồn rất thừa thải. Một số loại
mỡ có được sử dụng làm thức ăn gia súc nhưng không được khuyến khích bởi vì có
khả năng gây bệnh, cho nên cần phải tiêu hủy hoặc là tái sử dụng cho mục đích khác
đối với các loại mỡ động vật. Vì vậy, các loại mỡ của động vật thải ra từ các lò giết mổ
và các dây chuyền sản xuất thịt nên được tận dụng lại để sản xuất biodiesel, đây là một
hướng giải quyết không làm gây hại, nguy hiểm cho sức khỏe con người và động vật.
Mỡ động vật được sử dụng cho sản xuất biodiesel chủ yếu từ nguồn: mỡ gia súc từ các
lò giết mổ và các quy trình sản xuất có thịt. Mỡ cá từ các quy trình chế biến thủy hải
sản.
Theo tổ chức FAO thì sản lượng cá thế giới năm 2006 là 141.6 triệu tấn, và
khoảng 50% nguồn nguyên liệu cá này trở thành phế phẩm [36]. Tức là khoảng 70.8
triệu tấn phế phẩm, và lượng dầu trong này chiếm khoảng 40 - 65% [11]. Mặc khác,
hầu hết các kỹ thuật được biết đến sử dụng cho xử lý phế phẩm từ ngành công nghiệp
thịt thủy sản thì không có lợi về tính kinh tế, việc chôn lấp và thải nước thải ra sông hồ
thì không được khuyến khích sử dụng vì làm ô nhiễm môi trường. Cho nên gần đây
người ta đang quan tâm đến các phương pháp để sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên
liệu phế phẩm của động vật. Việt Nam là quốc gia xuất khẩu cá basa mạnh trên thế
giới. Năm 2007 sản lượng cá đạt trên 800.000 tấn/năm tương ứng với lượng mỡ cá
trên 200.000 tấn/năm. Năm 2008 sẽ đạt hơn 1 triệu tấn/năm tương ứng với lượng mỡ
cá khoảng 300.000 tấn/năm [1]. Trong thời gian qua đã có nhiều cơ sở sản xuất
biodiesel từ mỡ cá basa. Tuy nhiên, chưa có những nghiên cứu khoa học sâu về vấn đề
11


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×