Thạc Sĩ Tổng hợp biodiesel từ dầu hạt jatropha bằng phương pháp hóa siêu âm

MỞ ĐẦU

Năng lượng và môi trường là các vấn đề nóng bỏng mà thế giới đang rất quan tâm. Bước sang thế kỷ 21 cùng với tốc độ phát triển chóng mặt của khoa học, công nghệ, kinh tế và xã hội thì nhu cầu sử dụng năng lượng càng tăng, dẫn đến hệ quả là sự thiếu hụt về năng lượng sẽ xảy ra cùng với sự leo thang của giá cả sẽ làm cho nhiều nên kinh tế lâm vào tình trạng phá sản hoặc lạm phát cao. Năng lượng hóa thạch không phải là tài nguyên vô tận, bắt đầu cạn dần, và theo công bố gần đây của tập đoàn dầu mỏ BP, trữ lượng dầu mỏ đã thăm dò toàn cầu đến 2003 vào khoảng 150 tỷ tấn. Với mức sử dụng dầu mỏ như hiện nay cũng chỉ còn đủ dùng trong vòng 40-50 năm nữa, nếu không phát hiện thêm những nguồn dầu mỏ mới [19] [26]. Ô nhiễm môi trường đang trở thành vấn đề sinh tồn của con người mà nguyên nhân chính là khí thải từ việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên Nghị định thư Kyoto được 159 quốc gia ký năm 1997 với mục tiêu giảm lượng khí thải đioxit cacbon (CO2) và các chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm khí hậu Trái Đất nóng lên góp phần thúc đẩy quá trình băng tan ở Nam Cực và Bắc Cực. Nghị định thư quy định trong giai đoạn đầu có hiệu lực từ 2008 đến 2012, các nước công nghiệp phát triển phải cắt giảm lượng khí thải CO2 xuống mức 5,2% như năm 1990 bằng việc giảm sử dụng than, dầu và khí thiên nhiên chuyển sang sử dụng năng lượng sạch như năng lượng mặt trời, sức gió, năng lượng hạt nhân, nhiên liệu sinh học [24]. Trước tình hình đó, việc nghiên cứu và bước đầu đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng không hóa thạch và có khả năng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng hạt nhân và nhiên liệu sinh học là cần thiết và được nhiều nước quan tâm ủng hộ.
Biodiesel (thường viết tắt là BDF – biodiesel fuel – nhiên liệu diesel sinh học) là nhiên liệu dùng cho động cơ diesel, được tổng hợp từ những nguyên liệu có nguồn gốc thực vật hay động vật. Theo định nghĩa thông thường, BDF là các alkyl este được tổng hợp từ nhiều nguồn dầu mỡ động thực vật khác nhau như dầu hạt jatropha, dầu dừa, dầu lạc, dầu hạt bông vải, dầu hạt cao su, dầu ăn thải, mỡ gà thải, mỡ cừu, mỡ cá, .
Hiện nay biodiesel chủ yếu được điều chế bằng phương pháp hóa học, phương pháp vi sóng. Trong công trình này chúng tôi nghiên cứu điều chế biodiesel từ dầu hạt jatropha bằng phương pháp hóa-siêu âm (sonochemistry). Việt Nam có lợi thế là cây Jatropha có thể trồng được ở mọi nơi của vùng đồi núi, vùng đất cằn cỗi, trừ vùng đất ngập nước, gồm: Các vùng miền núi phía bắc, các vùng miền núi miền trung, các vùng đất cát ven biển dọc miền trung từ Hà Tĩnh đến Bình Thuận [19]. Với tiềm năng đó việc nghiên cứu và bước đầu đưa vào sử dụng biodiesel là một hướng đi đúng đắn và được nhà nước quan tâm hỗ trợ.
Mục đích của luận văn là:
- Nghiên cứu quy trình ép dầu hạt jatropha; lọc, tinh chế để thu được dầu jatropha tinh khiết.
- Xác định thành phần và tính chất hóa lí của dầu jatropha.
- Nghiên cứu các điều kiện cụ thể của phương pháp hóa siêu âm để tổng hợp biodiesel.
- Xác định thành phần của BDF từ dầu hạt jatropha và chỉ tiêu nguyên liệu cho các phối trộn.
- Tiến hành thử nghiệm phối trộn biodiesel trên động cơ, đánh giá và so sánh kết quả với dầu DO.
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .1
Chương 1 – TỔNG QUAN TÀI LIỆU .3
1.1. Nhiên liệu diesel 3
1.1.1. Nguồn gốc .3
1.1.2. Tính năng sử dụng .4
1.2. Nhiên liệu diesel sinh học 9
1.2.1. Khái niệm .9
1.2.2. Tính chất của biodiesel .10
1.2.3. Tính năng sử dụng của biodiesel 15
1.2.4. Tình hình phát triển biodiesel trên thế giới 19
1.3. Quá trình sản xuất biodiesel . .25
1.3.1. Nguyên liệu cho sản xuất biodiesel . .25
1.3.2. Các quá trình chuyển hóa dầu, mỡ thành biodiesel. .31
1.3.3. Phương pháp transester hóa và các kỹ thuật thực hiện .32
1.3.3.1. Các kỹ thuật thực hiện hiện phản ứng transester hóa dầu,
mỡ .34
1.3.3.2. Xúc tác .36
1.4. Kỹ thuật siêu âm trong điều chế biodiesel 41
1.4.1. Khả năng ứng dụng siêu âm trong phản ứng hóa học 42
1.4.2. Ứng dụng siêu âm trong điều chế biodiesel .45
1.5. Điều chế biodiesel từ dầu hạt jatropha .46
Chương 2 – THỰC NGHIỆM .48
2.1. Hóa chất và thiết bị . 48
2.2. Quá trình ép và làm sạch dầu .48
2.3. Quy trình điều chế BDF .49
2.3.1. Giai đoạn 1-phản ứng este hóa hạ chỉ số acid của dầu jatropha .51
2.3.2. Giai đoạn 2 - phản ứng transeste hóa điều chế biodiesel .51
2.2.4. Xác định mức độ chuyển hóa phản ứng bằng phương pháp sắc
ký bản mỏng (TCL) 53
2.2.5. Phân tích thành phần dầu jatropha và sản phẩm biodiesel .53
2.2.6. Đo phát thải khí của BDF trên động cơ diesel .53
Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 55
3.1. Thành phần và tính chất của dầu jatropha 55
3.2. Giai đoạn 1 - phản ứng este hóa hạ chỉ số acid của dầu
jatropha .56
3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ CH3OH .56
3.2.2. Nồng độ xúc tác H2SO4 57
3.2.3. Thời gian chiếu xạ siêu âm . .58
3.3. Thành phần dầu jatropha sau giai đoạn este .59
3.4. Giai đoạn 2 - phản ứng transeter hóa điều chế biodiesel (metil
este) .61
3.4.1. Ảnh hưởng của xúc tác 61
3.4.2. Nồng độ metanol . . 64
3.4.3. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm . .66
3.5. Thành phần sản phẩm BDF 69
3.6. Điều chế BDF quy mô pilot .71
3.6.1. Giai đoạn 1 - phản ứng este hóa .71
3.6.2. Giai đoạn 2 – phản ứng transeste hóa 72
3.6.3. Đánh giá tác động các công đoạn rửa và làm khan dầu sau xử lý
giai đoạn 1 73
3.7. Đánh giá phát thải khí của các phối trộn B0, B5, B20 .76
3.8. Phân tích, đánh giá chất lượng BDF và các phối trộn 79
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .84
DANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ .86
TÀI LIỆU THAM KHẢO 87
PHỤ LỤC .94