Thạc Sĩ Tổng hợp etyleste từ dầu hạt jatropha làm nhiên liệu điêzen sinh học

MỞ ĐẦU

Nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt và than đá) là nguồn nhiên liệu truyền thống chính yếu cung cấp năng lượng cho hầu hết hoạt động sản xuất công nghiệp và sinh hoạt của con người. Trong các loại nhiên liệu hóa thạch, dầu mỏ có vai trò quan trọng hơn hết và là nguồn nhiên liệu không thể thiếu hiện nay trên thế giới. Trong thập niên đầu của thế kỷ 21, giá dầu thô không ngừng biến động theo chiều hướng tăng cao và tác động trực tiếp đến các vấn đề kinh tế và chính trị trên toàn thế giới. Bên cạnh đó, việc sử dụng dầu mỏ làm nhiên liệu (chất đốt) làm phát thải ra bầu khí quyển trái đất một lượng khổng lồ các chất khí gây hiệu ứng nhà kính và là nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu. Ngoài ra, việc sử dụng trực tiếp dầu mỏ làm nhiên liệu là sự lãng phí nguồn tài nguyên cho ngành công nghiệp hóa dầu. Nhằm cắt giảm sự lệ thuộc vào dầu mỏ vì các vấn đề liên quan đến an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang tìm cách phát triển các nguồn năng lượng thay thế có khả năng tái tạo được, trong đó phải kể đến nhiên liệu sinh học.
Nhiên liệu sinh học là nhiên liệu có nguồn gốc sinh học (từ động thực vật) và có khả năng tái tạo lại thông qua các chu trình sinh học (quang hợp ). Nhiên liệu sinh học không chỉ hứa hẹn thay thế dầu mỏ nhập khẩu, kiềm chế sự gia tăng giá xăng dầu mà còn giúp giảm lượng khí nhà kính thải vào khí quyển. Nhiên liệu sinh học là một dạng năng lượng mới, có thể tái tạo để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Nhiên liệu sinh học gồm: dầu thực vật sạch, etanol, điêzen sinh học, đimetyl ete (DME), etyl tertiary butyl ete (ETBE) và các sản phẩm từ chúng. Theo đánh giá của các chuyên gia, Việt Nam rất có tiềm năng phát triển nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên nhiên liệu sinh học là vấn đề còn khá mới mẻ tại Việt Nam, trong khi ở các nước, ngành công nghệ này đã được phát triển khá cao. Hiện có khoảng 50 nước trên thế giới khai thác và sử dụng nhiên liệu sinh học ở các mức độ khác nhau. Mỗi năm trên thế giới sản xuất khoảng trên 50 tỷ lít etanol (75% dùng làm nhiên liệu) và dự kiến đến năm 2012 sẽ đạt khoảng 80 tỷ lít; 4 triệu tấn điêzen sinh học và năm 2010 sẽ tăng lên khoảng 20 triệu tấn điêzen sinh học (B100)
Mục tiêu phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam là đến năm 2010 sẽ xây dựng và phát triển được mô hình sản xuất thử nghiệm và sử dụng nhiên liệu sinh học quy mô 100 nghìn tấn E5 và 50 nghìn tấn B5/năm, bảo đảm đáp ứng 0,4% nhu cầu xăng dầu của cả nước. Giai đoạn 2011-2015, xây dựng và phát triển các cơ sở sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học trên phạm vi cả nước, đến năm 2015, sản lượng etanol và dầu thực vật đạt 250 nghìn tấn (pha được 5 triệu tấn E5, B5), đáp ứng 1% nhu cầu xăng dầu của cả nước [12].
Tại Việt Nam, bước đầu chúng ta đã nghiên cứu và tổng hợp thành công điêzen sinh học (biodiesel, viết tắt là BDF) từ nhiều loại dầu mỡ như dầu dừa, dầu lạc, dầu ăn thải, dầu hạt bông vải, dầu hạt cao su, mỡ gà thải, mỡ cá basa Tuy nhiên vẫn còn hạn chế trong kết quả nghiên cứu và chưa có nghiên cứu nào hệ thống việc tổng hợp điêzen sinh học từ dầu hạt jatropha. Sản xuất điêzen sinh học từ dầu hạt jatropha là một hướng đi mới nhằm giải quyết tình trạng khủng hoảng lương thực do sử dụng nguyên liệu có thể ăn được để sản xuất điêzen sinh học.

MỤC LỤC

Lời cảm ơn
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt 1
Danh mục các bảng 2
Danh mục các hình 4
MỞ ĐẦU . 6
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về nhiên liệu điêzen sinh học (biodiesel) . 8
1.1.1. Lịch sử phát triển 8
1.1.2. Các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel . 9
1.1.3. Ưu điểm của biodiesel . 10
1.2.Tình hình sản xuất biodiesel trên thế giới . 11
1.3. Hiện trạng nghiên cứu, sản xuất và sử dụng biodiesel ở Việt Nam . 12
1.4. Giới thiệu về cây jatropha và khả năng sản xuất biodiesel từ dầu hạt jatropha . 15
1.4.1. Giới thiệu về cây jatropha 15
1.4.2 Khả năng sản xuất biodiesel từ dầu hạt jatropha trên thế giới 19
1.4.3. Tiềm năng phát triển jatropha của Việt Nam . 21
1.5. Các phương pháp điều chế BDF . 25
1.5.1. Phương pháp sấy nóng . 26
1.5.2. Phương pháp pha loãng . 26
1.5.3. Phương pháp cracking . 27
1.5.4. Phương pháp nhũ tương hóa . 27
1.5.5. Phương pháp transeste hóa 27
1.6. Cơ chế phản ứng transeste hóa dầu thực vật dùng xúc tác bazơ và các kỹ thuật
thực hiện 29
1.7. Phương pháp hạ chỉ số axit của dầu hạt jatropha: phản ứng este hóa 32
1.8. Ưu, nhược điểm của etyl este khi dùng làm nhiên liệu điêzen sinh học 33
CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM . 37
2.1. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị và dụng cụ . 37
2.2. Ly trích dầu từ hạt jatropha bằng phương pháp ép cơ học 37
2.3. Phân tích thành phần và xác định chỉ số axit của dầu hạt jatropha 38
2.3.1 Phân tích thành phần axit béo của dầu hạt jatropha 38
2.3.2. Xác định chỉ số axit của dầu hạt jatropha . 38
2.4. Quy trình điều chế BDF . 39
2.4.1. Giai đoạn 1 - este hóa 39
2.4.2. Giai đoạn 2- transeste hóa . 40
2.4.3. Phương pháp sắc ký bản mỏng (Thin layer chromatography, TLC) . 41
2.4.4. Cách tính hiệu suất quá trình điều chế BDF . 42
2.5. Phân tích thành phần dầu BDF, các tính chất hóa lý và chỉ tiêu nhiên liệu của
dầu B100, B5 và B2 44
2.6. Thử nghiệm trên máy phát điện và đo phát thải. . 44
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN . 46
3.1. Thành phần hóa học và tính chất hóa lý của dầu jatropha . 46
3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố lên phản ứng este hóa dầu jatropha với etanol, xúc
tác axit sunfuric . 47
3.2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ tác chất etanol/dầu . 48
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ . 49
3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 50
3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác . 51
3.2.5. Tổng kết các tham số thực nghiệm cho giai đoạn hạ chỉ số axit dầu
jatropha nguyên liệu 52
3.3. Phản ứng transeste hóa với xúc tác kiềm 54
3.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên phản ứng transeste hóa . 56
3.3.2. Ảnh hưởng nồng độ chất xúc tác KOH 57
3.3.3 . Ảnh hưởng tỉ lệ mol etanol/dầu . 60
3.3.4. Ảnh hưởng thời gian phản ứng . 61
3.3.5. Các tham số cho quá trình transeste hóa dầu jatropha sau khi hạ chỉ số
axit . 64
3.4. Thử nghiệm sản phẩm trên máy phát điện và đo phát thải 66
3.5. Thành phần BDF từ dầu jatropha, chỉ tiêu hóa lý và chỉ tiêu nhiên liệu . 68
3.5.1. Phân tích các tính chất hóa lý và chỉ tiêu nhiên liệu của B100 . 69
3.5.2. Phân tích các chỉ tiêu nhiên liệu của B5, B20 . 71
3.5.3. Phân tích thành phần dầu BDF . 73
CHƯƠNG 4 – KẾT LUẬN . 74
DANH MỤC CÔNG TRÌNH TÁC GIẢ . 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
PHỤ LỤC 82