Hội thảo Môi trường và Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 Nhiên liệu[.]
Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ DẦU HẠT JATROPHA: TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ PHÁT THẢI TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL Tô Thị Hiền, Tôn Nữ Thanh Phương, Lê Viết Hải Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM TÓM TẮT: Quy trình tổng hợp nhiên liệu sinh học (Biodiesel fuel- BDF) từ dầu hạt Jatropha thực phương pháp nhiệt tác chất methanol, xúc tác KOH quy mơ phịng thí nghiệm Hạt Jatropha ép dầu phương pháp học Kết thí nghiệm cho thấy BDF tổng hợp với điều kiện tối ưu sau: hàm lượng xúc tác KOH 2.25% khối lượng dầu, tỉ lệ mol dầu methanol 1:6 550C 45 phút Đo phát thải hỗn hợp BDF từ dầu Jatropha dầu DO động diesel điều kiện không tải nhận thấy: phát thải khí CO, CO2, SO2, CxHy giảm thể tích BDF tăng hỗn hợp nhiên liệu Ngược lại, hàm lượng khí NO NO2 tăng Từ khóa: biodiesel, Jatropha curcas.L, phát thải biodiesel 1.GIỚI THIỆU Biodiesel hay gọi “diesel sinh học” (viết tắt BDF) monoalkil axit béo thu từ dầu thực vật mỡ động vật “Bio” nguồn gốc sinh học nhiên liệu này, cịn “diesel” nói lên cơng dụng sử dụng làm nhiên liệu cho động diesel Do đó, BDF dùng dạng nguyên chất hay phối trộn với dầu DO tỷ lệ thể tích khác [1] Thành phần BDF triglycerid glycerol acid béo Các triglycerid có cơng thức chung sau: CH2OCOR1 CHOCOR2 CH2OCOR3 R1, R2, R3 gốc hydrocarbon acid béo Ngồi thành phần triglycerid acid béo tự do, dầu mỡ chưa xử lý chứa hợp chất phospho, lưu huỳnh nước Với thành phần triglycerid acid béo tự do, dầu thực vật, mỡ động vật có tính chất gần với dầu DO trị số cetan nhiệt trị Đây sở sử dụng dầu thực vật, mỡ động vật điều chế BDF Nhiên liệu BDF điều chế theo nhiều trình khác phương pháp sấy nóng, phương pháp pha lỗng, phương pháp transester hóa Trong đó, phản ứng transester hóa lựa chọn tối ưu trình phản ứng tương đối đơn giản tạo sản phẩm ester có tính chất vật lý gần giống dầu DO Phản ứng transester hóa q trình thay phân tử rượu từ ester phân tử rượu khác tạo sản phẩm ba ester acid béo glycerol Đây phản ứng thuận nghịch Nhiên liệu BioDiesel từ dầu hạt Jatropha: Tổng hợp đánh giá phát thải động Diesel 93 Tô Thị Hiền, Tôn nữ Thanh Phương, Lê Viết Hải – ĐH KHTN Tp HCM Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 ROCOR1 H2C OH H2C OCOR1 HC OCOR2 HC OH 3ROH + + H2C OH H2C OCOR3 Triglycerid Alcol Glycerol ROCOR2 (1.1) ROCOR3 Các alkyl ester Hình 1: Phản ứng ester hóa dầu thực vật, mỡ động vật nói chung Phản ứng transeter xảy theo giai đoạn sau: Triglycerid + R’OH diglycerid + R1COOR’ + R’OH monoglycerid + R2COOR’ Monoglycerid + R’OH glycerol Diglycerid + R3COOR’ Những yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ mol alcol/dầu, xúc tác, hàm lượng xúc tác, thời gian phản ứng, tốc độ khuấy… Ngoài cịn có hàm lượng acid béo tự dầu, hàm lượng nước thành phần dầu ban đầu Các alcol thường dùng phản ứng transester methanol, ethanol…trong methanol thích hợp cho phản ứng transeter hóa Ở Việt Nam, BDF điều chế từ nhiều nguyên liệu khác mỡ cá basa, dầu hạt vải, dầu mỡ qua sử dụng, hạt Jatropha Cây Jatropha lồi thực vật có nguồn gốc Trung Mỹ có tên khoa học Jatropha curcas L thuộc họ Euphorbiaceae Ở Việt Nam, tên thông thường Jatropha dầu mè, đậu cọc rào, dầu lai, vong đầu ngô…Đây thân cỏ, thấp, cao khoảng 2- m, Jatropha phân bố Hòa Bình, Sơn La, Quảng Trị, Ninh Thuận, Bình Thuận, Đồng Nai… Theo đề án “Nghiên cứu, phát triển sử dụng sản phẩm Cọc rào (Jatropha curcas L.) Việt Nam giai đoạn 2008-2015 tầm nhìn đến 2025” dầu hạt Jatropha Curcas.L nguồn nguyên liệu tiềm tổng hợp BDF Tuy nhiên, Việt Nam việc tổng hợp đánh giá phát thải khí BDF từ dầu hạt Jatropha chưa quan tâm mức Nghiên cứu trình bày số kết tổng hợp đánh giá phát thải BDF từ dầu hạt Jatropha hỗn hợp với nhiên liệu dầu DO động diesel 2.THỰC NGHIỆM Tiến hành khảo sát tổng hợp BDF từ dầu hạt Jatropha phương pháp nhiệt, tác chất methanol, xúc tác KOH theo yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng Độ chuyển hóa phản ứng đánh giá phương pháp sắc ký mỏng; tiến hành đo phát thải hỗn hợp BDF dầu DO động diesel điều kiện không tải 2.1 Nguyên liệu Cây Jatropha trồng tỉnh Bình Thuận, thu hái hạt công ty TNHH Thành Bưởi Hạt Jatropha ép máy ép dầu Sau để lắng, lọc loại bỏ tạp chất, cặn bã thu dầu thô Jatropha khô dầu Khô dầu xử lý làm phân bón Dầu Jatropha phân tích thành phần hóa học tiến hành tổng hợp BDF Nhiên liệu BioDiesel từ dầu hạt Jatropha: Tổng hợp đánh giá phát thải động Diesel 94 Tô Thị Hiền, Tôn nữ Thanh Phương, Lê Viết Hải – ĐH KHTN Tp HCM Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 2.2 Quy trình điều chế BDF Dầu Jatropha trộn với hỗn hợp methanol xúc tác KOH (đã khuấy từ khoảng 510 phút) Thực phản ứng transester hóa theo yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng hàm lượng xúc tác KOH, tỉ lệ mol dầu/methanol, nhiệt độ thời gian phản ứng Sau phản ứng hỗn hợp lắng qua đêm tách thành pha Pha nhẹ BDF, pha nặng glyxerin Tách pha BDF chạy sắc ký mỏng để xác định độ chuyển hóa phản ứng sau đó, rửa BDF nước ấm để loại bỏ tập chất làm khan muối Na2SO4 BDF tinh khiết Cân sản phẩm BDF tinh khiết tính hiệu suất phản ứng Độ tinh khiết sản phẩm BDF phân tích phương pháp GC-MS Nhiên liệu BioDiesel từ dầu hạt Jatropha: Tổng hợp đánh giá phát thải động Diesel 95 Tô Thị Hiền, Tôn nữ Thanh Phương, Lê Viết Hải – ĐH KHTN Tp HCM Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 Hạt Jatropha Máy ép dầu Dầu Jatropha ROH + KOH Khuấy từ 5-10phút Phản ứng transester hóa Biodiesel thơ Bể rửa (nước ấm, NaCl) Khơ dầu Phân bón Khử độc Thức ăn gia súc Glycerol thơ Tinh chế Glycerol tinh khiết BDF Động diesel Hình 2: Quy trình tổng hợp BDF từ dầu hạt Jatropha 2.3 Mơ hình đo phát thải hỗn hợp BDF từ dầu Jatropha dầu DO động diesel Phối trộn BDF dầu DO tỷ lệ: 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 50% 100% nhiên liệu B0, B5, B10, B15, B20, B50, B100 Máy phát điện động diesel (TYD2200BE) chạy loại nhiên liệu điều kiện không tải Phát thải nhiên liệu (khí CO, CO2, SO2, NO, NO2, CxHy) đo máy Testo 360- model D9849 Lenzkirch, Đức phần mềm tự động Testo 360 với thời gian đo khí giây/ lần Thời gian thử nghiệm 10 phút Độ lập lại thử nghiệm lần Nhiên liệu BioDiesel từ dầu hạt Jatropha: Tổng hợp đánh giá phát thải động Diesel 96 Tô Thị Hiền, Tôn nữ Thanh Phương, Lê Viết Hải – ĐH KHTN Tp HCM Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 Máy Testo 360- model D9849 Lenzkirch, Đức hoạt động dựa đầu dò điện cực Khí CO, NO, NO2, SO2 khí thải đo theo ngun lý đầu dị điện cực Khí CO2 đo đầu dị hồng ngoại Hợp chất CxHy đo đầu dò tín hiệu nhiệt KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 ảnh hưởng yếu tố đến hiệu suất phản ứng tổng hợp BDF 3.1.1 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác KOH Tiến hành chuỗi thí nghiệm với hàm lượng xúc KOH thay đổi 0.5-2.75% khối lượng dầu với điều kiện thí nghiệm khác cố định (khối lượng dầu 30g, tỷ lệ mol noil/MeOH =1:6 550C 60 phút) Vệt BDF Vệt dầu Hình 3: Bản sắc ký đánh giá độ chuyển hóa phản ứng tổng hợp BDF theo hàm lượng KOH (1) dầu Jatropha; (2): 1.5% KOH; (3): 1.75% KOH; (4): 2% KOH; (5): 2.25% KOH; (6): 2.5% KOH Hình 4: Sự thay đổi hiệu suất phản ứng tổng hợp BDF theo hàm lượng xúc tác KOH Kết chạy sắc ký mỏng cho thấy, hàm lượng KOH từ 0.5-1.25% khối lượng dầu vệt este mờ, vệt dầu đậm chứng tỏ độ chuyển hóa phản ứng thấp Mặc khác, hỗn hợp sản phẩm tách pha lâu (2 ngày) khơng thu hồi pha BDF Tại hàm lượng KOH từ 1.52.75% khối lượng dầu, hỗn hợp sản phẩm tách pha nhanh (10 phút), chạy sắc ký mỏng pha BDF cho thấy vệt dầu mờ dần, vệt este đậm chứng tỏ độ chuyển hóa phản ứng tăng theo hàm lượng xúc tác KOH Tuy nhiên, hàm lượng KOH 1.5% khối lượng dầu hiệu suất phản ứng cao quan sát sắc ký vệt dầu cịn rõ chứng tỏ độ chuyển hóa phản ứng chưa hồn tồn Ở hàm lượng KOH từ 1.75- 2.25%, hiệu suất phản ứng tăng đạt cực đại 2.25% khối lượng dầu Ở hàm lượng KOH từ 2.5%-2.75% khối lượng dầu, hiệu suất phản ứng giảm (Hình 3, 4) Do đó, hàm lượng KOH tối ưu phản ứng 2.25% khối lượng dầu 3.1.2 Ảnh hưởng tỷ lệ mol dầu/methanol Nhiên liệu BioDiesel từ dầu hạt Jatropha: Tổng hợp đánh giá phát thải động Diesel 97 Tô Thị Hiền, Tôn nữ Thanh Phương, Lê Viết Hải – ĐH KHTN Tp HCM Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 Tiến hành thí nghiệm với tỷ lệ mol thay đổi từ 1:3 đến 1:9, điều kiện thí nghiệm khác cố định (khối lượng dầu 30g, hàm lượng KOH 2.25% khối lượng dầu 550C 60 phút) Vệt BDF Vệt dầu Hình 4: Bản sắc ký đánh giá độ chuyển hóa phản ứng theo tỷ lệ mol dầu/ methanol ((0): dầu Jatropha; (1): 1:3; (2):1:4; (3): 1:5; (4): 1:6; (5): 1:7; (6): 1:8; (7): 1:9 Hình 5: Sự thay đổi hiệu suất phản ứng theo tỷ lệ mol dầu/methanol Ở tỷ lệ mol dầu/methanol 1:3 1:4 hỗn hợp sản phẩm không tách pha Từ tỷ lệ mol 1:5 đến 1:9 sau phản ứng tượng tách pha glyxerin pha BDF nhanh (khoảng 10 phút), chạy sắc ký mỏng nhận thấy vệt dầu mờ dần, vệt BDF đậm dần Điều chứng tỏ độ chuyển hóa phản ứng tăng Tại tỷ lệ mol 1:5 1:6 hiệu suất phản ứng tăng, cao tỷ lệ 1:6 (đạt 73.6%) (Hình 4, 5) Từ tỷ lệ mol dầu/ methanol 1:7 đến 1:9 hiệu suất phản ứng giảm (đạt khoảng 65%- 71%) Hiện tượng giải thích sau lượng methanol tăng, độ nhớt hệ phản ứng giảm, điều giúp tăng số lần va chạm phân tử hệ tăng Tuy nhiên, tỷ lệ cao ảnh hưởng đến đến trình phân tách glyxerin khỏi hỗn hợp phản ứng lực trọng trường làm khối lượng pha BDF hiệu suất phản ứng giảm Như vậy, tỷ lệ mol tối ưu dầu/methanol 1:6 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng Tiến hành chuỗi thí nghiệm với nhiệt độ phản ứng tăng từ nhiệt độ 350C đến 650C, điều kiện phản ứng khác cố định (khối lượng dầu 30g, hàm lượng xúc tác KOH 2.25% khối lượng dầu, tỷ lệ mol dầu/methanol 1:6, thời gian phản ứng 60 phút) Nhiên liệu BioDiesel từ dầu hạt Jatropha: Tổng hợp đánh giá phát thải động Diesel 98 Tô Thị Hiền, Tôn nữ Thanh Phương, Lê Viết Hải – ĐH KHTN Tp HCM Hội thảo Môi trường Phát triển bền vững, Vườn Quốc gia Côn Đảo, 18/06/2010 – 20/06/2010 Workshop on Environment and Sustainable Development, Con Dao National Park, 18th – 20th June 2010 Vệt BDF Vệt dầu Dầu Hình 6: Bản sắc ký đánh giá độ chuyển hóa phản ứng theo nhiệt độ (1): 350C; (2): 450C; (3): 500C; (4): 550C; (5): 600C; (6): 650C Hình : Sự thay đổi hiệu suất phản ứng theo nhiệt độ phản ứng Khi tăng nhiệt độ từ 350C đến 600C hiệu suất phản ứng thay đổi đáng kể Hiệu suất phản ứng ổn định khoảng 35 0C đến 450C (khoảng 74%) Tiếp tục tăng nhiệt độ (45 0C đến 550C) hiệu suất phản ứng tăng đạt cực đại 550C Ở nhiệt độ cao 550C hiệu suất phản ứng giảm (Hình 5,6) 3.1.4 Ảnh hưởng thời gian phản ứng Vệt BDF Tiến hành chuỗi thí nghiệm với thời gian phản ứng tăng từ 30 phút đến 90 phút, điều kiện phản ứng khác cố định (khối lượng dầu 30g, hàm lượng xúc tác KOH 2.25% khối lượng dầu, tỷ lệ mol dầu/methanol 1:6, nhiệt độ phản ứng 550C) Vệt dầu Hình 8: Bản sắc ký đánh giá độ chuyển hóa phản ứng tổng hợp BDF theo thời gian (5phút/điểm) Hình 9: Sự thay đổi hiệu suất phản ứng theo thời gian phản ứng Nhiên liệu BioDiesel từ dầu hạt Jatropha: Tổng hợp đánh giá phát thải động Diesel 99 Tô Thị Hiền, Tôn nữ Thanh Phương, Lê Viết Hải – ĐH KHTN Tp HCM ... việc tổng hợp đánh giá phát thải khí BDF từ dầu hạt Jatropha chưa quan tâm mức Nghiên cứu trình bày số kết tổng hợp đánh giá phát thải BDF từ dầu hạt Jatropha hỗn hợp với nhiên liệu dầu DO động diesel. .. Glycerol tinh khiết BDF Động diesel Hình 2: Quy trình tổng hợp BDF từ dầu hạt Jatropha 2.3 Mơ hình đo phát thải hỗn hợp BDF từ dầu Jatropha dầu DO động diesel Phối trộn BDF dầu DO tỷ lệ: 0%, 5%,... Nhiên liệu BioDiesel từ dầu hạt Jatropha: Tổng hợp đánh giá phát thải động Diesel 95 Tô Thị Hiền, Tôn nữ Thanh Phương, Lê Viết Hải – ĐH KHTN Tp HCM Hội thảo Môi trường Phát triển