Nghiên cứu quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu Ăn thải bằng xúc tác naohbentonite

Tuy nhiên mỗi phương pháp trên đều có nhược điểm riêng, đối với phương pháp kiềm cần sử dụng một lượng lớn xúc tác kiềm, có thể gây tác động môi trường và gây hiện tượng xà phòng hóa soa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

- -

VÕ SONG HẠNH NGUYÊN

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL

TỪ DẦU ĂN THẢI BẰNG XÚC TÁC NaOH/BENTONITE

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Đà Nẵng, 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

- -

VÕ SONG HẠNH NGUYÊN

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL

TỪ DẦU ĂN THẢI BẰNG XÚC TÁC NaOH/BENTONITE

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý

Mã số: 8440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN THỊ THU HỒNG

Đà Nẵng, 2024

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

TÓM TẮT ĐỀ TÀI v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ xi

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 4

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 6

6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 6

7 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI 9

8 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 11

1.1 Tổng quan về vấn đề năng lượng trên thế giới và Việt Nam 11

1.1.1 Vấn đề năng lượng trên thế giới 11

1.1.2 Vấn đề năng lượng ở Việt Nam 12

1.2 Biodiesel và công nghệ sản xuất biodiesel 12

1.2.1 Đặc điểm của biodiesel 12

1.2.2 Tính chất của biodiesel 13

1.2.3 Ứng dụng của biodiesel 13

1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng biodiesel 14

1.2.5 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel 15

1.2.6 Các phương pháp sản xuất biodiesel 17

1.3 Tổng quan về tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải 18

1.3.1 Phương pháp transester hoá trong tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải 18

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình transester hoá 19

1.4 Giới thiệu về xúc tác NaOH/bentonite 23

1.4.1 Tổng quan về bentonite 23

1.4.2 Tổng quan về xúc tác NaOH/bentonite 24

1.5 Tổng quan về dầu ăn thải 25

1.5.1 Tính chất và thành phần của dầu ăn thải 25

1.5.2 Các biện pháp xử lý và tái chế dầu ăn thải hiện nay 26

1.6 Các phương pháp tối ưu hoá các thông số cho quá trình nghiên cứu thực nghiệm 27

1.6.1 Các phương pháp tối ưu hoá quá trình trong nghiên cứu thực nghiệm 27

1.6.2 Sơ lược về phương pháp Box-Behnken Design 28

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Hoá chất, dụng cụ, thiết bị 30

2.1.1 Hoá chất 30

2.1.2 Dụng cụ, thiết bị 30

2.2 Phương pháp nghiên cứu 33

2.2.1 Chuẩn bị xúc tác NaOH/ bentonite 33

2.2.2 Thu thập, tiền xử lý và xác định đặc tính của dầu ăn thải 36

2.2.3 Tối ưu hoá quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải 39

2.2.4 Xác định đặc tính của sản phẩm biodiesel (mẫu tối ưu) 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Kết quả chuẩn bị xúc tác NaOH/ bentonite 45

3.1.1 Kết quả xác định cấu trúc tinh thể của bentonite thô và NaOH/bentonite 45

3.1.2 Kết quả quang phổ hồng ngoại FT-IR của bentonite thô và NaOH/ bentonite 46

3.2 Kết quả xác định đặc tính của dầu ăn thải 47

3.3 Kết quả tối ưu hoá quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải 50

3.3.1 Ảnh hưởng chính của các yếu tố đến hiệu suất chuyển hoá FFA trong quá trình tổng hợp biodiesel 57

3.3.2 Ảnh hưởng tương tác của các yếu tố đến hiệu suất chuyển hoá FFA trong quá trình tổng hợp biodiesel 60

3.3.3 Kết quả xác định đặc tính của sản phẩm biodiesel (mẫu tối ưu) 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Phổ hồng ngoại biến đổi

Fourier

Fourier Transform - Infrared

Spectroscopy

FT-IR

Sắc ký khí kết hợp khối phổ Gas Chromatography - Mass

Spectrometry

GC-MS

Phương pháp bề mặt đáp ứng Response Surface Methodology RSM

Thiết kế tổ hợp trung tâm Central Composite Design CCD

Ester metyl của axit béo Fatty Acid Methyl Esters FAME

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số u

1.1 Tóm tắt ưu và nhược điểm của việc sử dụng biodiesel 14

1 Ưu điểm và nhược điểm của các loại xúc tác 1.3 Thành phần acid béo trong dầu đậu nành đã qua sử dụng 6 1 Giới hạn và các mức độ đã được mã hoá của các yếu tố

3 Tiêu chuẩn chất lượng ASTM D6751, TCVN 44

3.4 Bảng ANOVA cho mô hình hồi quy theo phương pháp

3.5 Kết quả thông số các đặc tính của biodiesel 6 3.6 Thành phần các chất có trong biodiesel 64

DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ

Số u

1.1 Quá trình tổng thể phản ứng transester hoá của dầu ăn thải

8 Xúc tác NaOH/bentonite tỉ lệ 1:1 sau khi được kích hoạt 35

3.5 Tách lớp để thu biodiesel (lớp phía trên) 5 3.6 Sản phẩm biodiesel theo 15 runs thí nghiệm 51 3.7 Kết quả FT-IR của 15 mẫu biodiesel thành phẩm 5 3.8 Mối tương quan giữa hiệu suất chuyển hoá FFA từ thực

nghiệm và được dự đoán từ mô hình hồi quy 57 3.9 Ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất tổng hợp

3.1

Đồ thị dạng D (a) và các đường đồng mức (b) cho biết ảnh hưởng tương tác của tỉ lệ mol alcohol:oil và hàm lượng xúc tác NaOH/bentonite đến hiệu suất tổng hợp biodiesel

61

3.1 Sắc ký đồ GC-MS của biodiesel sản phẩm 64

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay, tình trạng thiếu hụt năng lượng đang trở thành một vấn đề ngày càng nghiêm trọng trên toàn cầu Bên cạnh đó, ô nhiễm môi trường do sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống cũng đang gây ra những hậu quả nặng nề với môi trường và sinh vật [1] Trong bối cảnh này, biodiesel đã nổi lên như một nguồn năng lượng thay thế tiềm năng với nhiều ưu điểm Biodiesel là một chất có khả năng phân huỷ sinh học, không độc hại và có thể được sản xuất từ các nguồn tài nguyên tái tạo như dầu ăn thải, dầu thực vật, mỡ động vật [2] Do đó, biodiesel

có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch, đồng thời bảo

vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên [3], giảm thiểu tác động tiêu cực lên môi trường

và sức khỏe con người [4], xây dựng một tương lai năng lượng bền vững và môi trường trong sạch

Trong bối cảnh sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp hoá - hiện đại hoá, nhu cầu sử dụng dầu ăn trong ngành thực phẩm ngày càng tăng cao, vì vậy lượng WCO sau khi sử dụng cũng tăng lên đáng kể Điều này không chỉ gây áp lực về mặt kinh tế mà còn ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường Đối với môi trường, nếu WCO không được xử lý một cách hợp lý, nó có thể gây ra rất nhiều vấn đề ô nhiễm Chẳng hạn như khi dầu ăn thải bị xả thẳng vào cống rãnh hoặc hệ thống thoát nước có thể gây tắc nghẽn và ô nhiễm nguồn nước ngầm [5] Ngoài ra, trong quá trình phân hủy tự nhiên, dầu ăn thải bị oxy hoá gây ra mùi hôi khó chịu

và gây ô nhiễm không khí Thêm vào đó, việc xả dầu thải một cách không đúng cách cũng có thể gây mất cân bằng cho hệ sinh thái dưới nước [6] Về mặt kinh tế, việc xử lý dầu thải từ các nguồn như nhà hàng, nhà máy chế biến thực phẩm, hay

hộ gia đình đòi hỏi đầu tư về cơ sở hạ tầng và quy trình xử lý phức tạp Điều này dẫn đến tăng chi phí vận hành và quản lý chất thải, đồng thời ảnh hưởng đến hiệu suất kinh doanh của các doanh nghiệp và gia đình Chính vì vậy, việc tái chế WCO thành biodiesel mang lại nhiều lợi ích đáng kể Chuyển đổi WCO thành biodiesel không chỉ giúp giảm thiểu vấn đề thiếu hụt năng lượng, mà còn giúp

giảm chi phí xử lý chất thải và giảm ô nhiễm môi trường, góp phần đáng kể vào việc xây dựng một nền kinh tế và môi trường bền vững hơn

Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp biodiesel từ WCO Mỗi phương pháp có các quá trình và điều kiện khác nhau Phương pháp transesterification xúc tác kiềm (Alkaline Transesterification) [7]; Phương pháp transesterification enzymatic (Enzymatic Transesterification) dùng các enzym như lipase làm xúc tác [8] Phương pháp transesterification acid (Acid Transesterification) - đây là phương pháp ít phổ biến hơn do yêu cầu điều kiện khắt khe, sử dụng xúc tác acid như sulfuric acid (H2SO4) hoặc hydrochloric acid (HCl) trong thời gian phản ứng kéo dài, thường từ 3-8 giờ [9] Tuy nhiên mỗi phương pháp trên đều có nhược điểm riêng, đối với phương pháp kiềm cần sử dụng một lượng lớn xúc tác kiềm, có thể gây tác động môi trường và gây hiện tượng xà phòng hóa (soap formation) trong quá trình tách lớp sản phẩm [7] Phương pháp enzymatic có chi phí cao hơn do sử dụng enzym và thời gian phản ứng lâu hơn [8] Phương pháp acid yêu cầu điều kiện chặt chẽ và quy trình phức tạp hơn [9] Do đó, việc nghiên cứu, lựa chọn xúc tác và điều kiện phản ứng tối ưu

để đạt được hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tốt đối với quá trình tổng hợp biodiesel từ WCO là rất cần thiết, có ý nghĩa cao trong việc áp dụng vào thực tiễn sản xuất

Để lựa chọn chất xúc tác phù hợp, ta có thể dựa vào phân loại xúc tác theo tính chất vật lí, chẳng hạn như xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể Ngoài ra, phân loại xúc tác theo tính chất acid và base cũng là một cách phổ biến để lựa chọn chất xúc tác [10] Trong các nghiên cứu gần đây, xúc tác NaOH/bentonite đã thu hút sự quan tâm với nhiều ưu điểm đáng chú ý Xúc tác này là sự kết hợp giữa Sodium hydroxide (NaOH) và bentonite, một loại khoáng sét tự nhiên Nhờ tính chất đặc biệt của mình, xúc tác NaOH/bentonite mang lại nhiều lợi ích trong các quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải Một trong những ưu điểm đáng kể của xúc tác NaOH/bentonite là độ ổn định cao trong quá trình phản ứng, giúp duy trì hiệu suất

và chất lượng của quá trình tổng hợp Xúc tác NaOH/bentonite cũng có khả năng

tái sử dụng giúp tiết kiệm nguyên liệu và đóng góp vào việc bảo vệ môi trường [11,12] Vì xúc tác NaOH/bentonite có nhiều ưu điểm và mang lại nhiều tiềm năng về kĩ thuật, kinh tế và môi trường nên việc tiếp tục nghiên cứu và đánh giá hiệu suất của nó là cần thiết

Ngoài ảnh hưởng của xúc tác, để nâng cao năng suất và hiệu quả của quá trình tổng hợp biodiesel từ WCO, các thông số khác cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hoá quá trình chuyển hoá này, bao gồm tỷ lệ mol alcohol:oil, nồng độ xúc tác, nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng Các nghiên cứu trước đây đã tìm ra các giá trị tối ưu cho các thông số này dựa trên thử nghiệm và tối ưu hóa quy trình Ví dụ, nghiên cứu của Ganapathy và cộng sự (2020) đã tìm ra rằng

tỷ lệ mol alcohol:oil là 5:1, nồng độ xút là 1,25%, nhiệt độ phản ứng là 160°C và thời gian phản ứng là 1 giờ cho hiệu suất chuyển đổi biodiesel tốt nhất [13] Tương tự, nghiên cứu của Singh và cộng sự (2019) đã tối ưu hóa các thông số phản ứng với tỉ lệ mol alcohol:oil là 14,831, lượng xúc tác 3,11% trong thời gian phản ứng 143 phút để đạt được tỷ lệ chuyển đổi dầu ăn thải cao nhất bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology – RSM) [14] RSM là một trong số các phương pháp tối ưu hóa hiện đang được quan tâm và sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và ứng dụng RSM có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với các phương pháp khác RSM cho phép xây dựng mô hình toán học phản ứng phụ thuộc vào các yếu tố và tìm kiếm giá trị tối ưu thông qua một số thí nghiệm, với số lượng thí nghiệm tương đối nhỏ, RSM có thể xác định các điểm tối ưu trong một phạm vi lớn của thí nghiệm, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí [15] Bên cạnh đó RSM có thể đánh giá độ tin cậy và độ chính xác của mô hình toán học được xây dựng giúp đưa ra kết quả tối ưu dựa trên cơ sở khoa học RSM cho phép tích hợp

dữ liệu thực nghiệm với mô hình toán học, từ đó phân tích và tối ưu hóa quá trình một cách toàn diện [16] Với những ưu điểm trên, RSM đã trở thành một công cụ hữu ích trong việc tối ưu hóa quá trình tổng hợp biodiesel từ WCO

Từ những lí do trên, tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải bằng xúc tác NaOH/bentonite”

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

(1) Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ mol alcohol:oil, lượng xúc tác NaOH/bentonite và nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất chuyển hoá FFA trong quá trình tổng hợp Biodiesel từ WCO

(2) Áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng, cụ thể là phần mềm Behnken Design (BBD) để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp biodiesel

Box-(3) Đánh giá một số tiêu chí chất lượng của sản phẩm biodiesel như độ nhớt động học, điểm đông đặc, điểm chớp cháy và chỉ số acid

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Các điều kiện tối ưu cho quá trình, đánh giá tương quan giữa các yếu tố và hiệu suất chuyển hoá, tìm ra điều kiện tối ưu dựa trên mô hình thống kê

Phương pháp RSM cụ thể là Box-Behnken Design (BBD) để xác định điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp biodiesel Phương pháp này kết hợp thực nghiệm, mô hình hóa và phân tích thống kê để đạt được hiệu suất cao và chất lượng tốt trong quá trình tổng hợp biodiesel

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện mục tiêu của đề tài, ta sử dụng các phương pháp nghiên cứu

lý thuyết, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phương pháp xử lí số liệu như

sơ đồ:

Hình 1 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ WCO

Xử lí các thông tin về lý thuyết để đưa ra các vấn đề cần thực hiện trong thực nghiệm

Phương pháp

Nghiên cứu

thực nghiệm

Thiết kế thí nghiệm bằng RSM

Lựa chọn các thông số ảnh hưởng Chạy phần mềm xác định runs thí nghiệm

Tổng hợp biodiesel

từ WCO trong phòng thí nghiệm

Xử lí và phân tích mẫu

Tổng hợp (transester hoá) Làm sạch và tinh chế Chuẩn bị xúc tác

Xác định các thông

số của biodiesel (FFA, FTIR, GCMS, điểm đông đặc, điểm chớp cháy, độ nhớt động học)

Phương pháp

Xử lí số liệu

Lập mô hình và tối ưu hoá bằng RSM

5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Chuẩn bị xúc tác NaOH/bentonite bằng phương pháp ngâm tẩm

- Xác định và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biodiesel từ WCO

- Xây dựng mô hình tối ưu hoá: Phát triển mô hình toán học hoặc thống kê dựa trên RSM để tối ưu hoá quá trình tổng hợp biodiesel

6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp tài liệu: Tìm hiểu về tính chất, đặc điểm của biodiesel, WCO, xúc tác NaOH/bentonite Tìm hiểu về quy trình tổng hợp biodiesel từ WCO Quá trình chính trong quy trình này là trùng hợp ester hóa (transesterification), trong đó dầu ăn thải phản ứng với rượu (thường là methanol) dưới sự tác động của chất xúc tác để tạo ra biodiesel và glycerol

- Tập trung tối ưu hóa các yếu tố quan trọng trong quá trình tổng hợp biodiesel, bao gồm nhiệt độ, tỷ lệ mol giữa WCO : alcohol, hàm lượng chất xúc tác Sử dụng các phương pháp thống kê và thiết kế thí nghiệm, nghiên cứu tìm ra các điều kiện tối ưu để đạt được hiệu suất chuyển hóa FFA cao nhất trong quá trình tổng hợp biodiesel từ WCO

- Xác định hiệu quả của quá trình chuẩn bị xúc tác và tổng hợp biodiesel bằng việc sử dụng các phương pháp và chỉ số sau đây:

Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể của NaOH/bentonite

Phổ hồng ngoại IR: Xác định thành phần hoá học của xúc tác, dầu thải và của biodiesel sản phẩm

Xác định độ chuyển hóa FFA (Free Fatty Acid): xác định hàm lượng FFA trong dầu ăn thải ban đầu Thực hiện quá trình transester hóa để chuyển đổi FFA thành ester sau đó xác định lại hàm lượng FFA còn lại trong mẫu sau quá trình transester hóa Tính độ chuyển hóa FFA bằng cách so sánh hàm lượng FFA trước

và sau quá trình transester hóa

Phương pháp GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry) được sử dụng để phân tích thành phần hóa học của mẫu WCO ban đầu và mẫu biodiesel sản phẩm

Xác định một số thông số của sản phẩm biodiesel:

+ Điểm đông đặc: Xác định điểm đông đặc của sản phẩm biodiesel để đánh giá chất lượng, so sánh với tiêu chuẩn ASTM-D6751

+ Điểm chớp cháy: Xác định điểm chớp cháy của sản phẩm biodiesel để đánh giá chất lượng, so sánh với tiêu chuẩn ASTM-D6751

+ Độ nhớt động học: Xác định độ nhớt động học của sản phẩm biodiesel để đánh giá chất lượng, so sánh với tiêu chuẩn ASTM-D6751

Lưu ý: chất lượng của sản phẩm biodiesel phải nằm trong giới hạn được quy định trong Hiệp hội Thử nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ (tiêu chuẩn ASTM-D6751)

Cụ thể hoá quy trình theo sơ đồ sau:

Hình 2 Sơ đồ quy trình sản xuất biodiesel từ WCO

Mẫu

WCO

Tiền xử lí (lọc, lắng đọng, bay hơi)

Phân tích mẫu WCO Phương pháp: chuẩn độ, đo FTIR,

đo GCMS

Thông số: SV (chỉ số xà phòng) FFA (hàm lượng axit béo tự do ),

AV ( chỉ số acid), khối lượng phân

tử WCO

Xác định hàm lượng FFA Phổ FTIR GC-MS Điểm đông đặc Điểm chớp cháy

Độ nhớt động học

Ester hoá Transester hoá

Sản phẩm của quá trình Transester hoá

FFA > 2%

FFA ≤ %

7 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI

7.1 Ý ĩa k oa ọc

Nghiên cứu này giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng của quá trình sản xuất bằng cách xác định các yếu tố quan trọng như tỉ lệ mol giữa WCO và alcohol, hàm lượng chất xúc tác và nhiệt độ phản ứng Đề tài đóng góp vào việc tối ưu hoá các thông số quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất chuyển hóa và chất lượng của biodiesel Bên cạnh đó, đề tài sử dụng phương pháp RSM để tối ưu hoá các thông

số trong quá trình tổng hợp biodiesel Phương pháp này cho phép xác định mối quan hệ giữa các yếu tố quan trọng và hiệu suất chuyển hoá, từ đó tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình sản xuất biodiesel một cách khoa học và hiệu quả Ngoài ra,

đề tài giúp nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của xúc tác NaOH/bentonite trong việc chuyển hoá WCO thành biodiesel Việc nghiên cứu và ứng dụng xúc tác NaOH/bentonite trong tổng hợp biodiesel mang ý nghĩa khoa học trong việc tìm hiểu và tối ưu hóa quá trình chuyển hoá thành công

7.2 Ý ĩa c tiễn

Nghiên cứu giúp giải quyết vấn đề xử lý dầu ăn thải, một nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và sức khỏe của con người Thay vì thải bỏ WCO ra ngoài môi trường, ta tận dụng và biến nó thành nguồn nhiên liệu quan trọng để sản xuất biodiesel giúp giảm ô nhiễm môi trường và giảm chi phí xử lí WCO Quá trình sản xuất biodiesel từ dầu ăn thải có tính thực tiễn cao, vì dầu ăn thải thường có sẵn với

số lượng khá lớn và rẻ hơn so với dầu thô truyền thống Sản xuất biodiesel từ dầu

ăn thải có tiềm năng trong việc đảm bảo nguồn năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch, đóng góp vào việc đa dạng hóa nguồn năng lượng và bảo vệ môi trường Nghiên cứu này cũng đóng góp vào quá trình phát triển và áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng trong quá trình sản xuất biodiesel,

mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi của phương pháp này trong lĩnh vực chuyển hóa nhiên liệu tái tạo

8 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Mở đầu

C ơ 1: Tổng quan tài li u

Tổng quan về vấn đề năng lượng trên thế giới và Việt Nam

Giới thiệu về các phương pháp sản xuất biodiesel

Tổng quan về dầu ăn thải

Nguyên lí quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình transester hóa

Nghiên cứu các loại chất xúc tác cho quá trình transester hóa

Giới thiệu về xúc tác NaOH/bentonite

Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình transester hóa bằng phương pháp BBD

C ơ 2: N uyê l u và p ơ p áp ê cứu

Dụng cụ, hóa chất và thiết bị dùng trong nghiên cứu

Nội dung thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

C ơ 3: Kết quả và thảo luận

Trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Tổng quan về vấ đề ă l ợng trên thế giới và Vi t Nam

1.1

1.1.1 Vấn đề năng lượng trên thế giới

Trên thế giới, việc sử dụng nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất năng lượng cho việc sinh hoạt hàng ngày đến sự phát triển của các ngành công nghiệp quan trọng Mỗi loại nhiên liệu có các ưu điểm và hạn chế riêng, và việc chuyển đổi sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang trở thành một xu hướng quan trọng trong tình hình đổi mới năng lượng toàn cầu [1]

Hiện nay, các loại nhiên liệu được sử dụng phổ biến chia thành hai loại chính: nhiên liệu tái tạo và nhiên liệu không tái tạo Nhiên liệu tái tạo bao gồm các nguồn như gió, mặt trời, biomass và nước Các loại nhiên liệu tái tạo này ngày nay bắt đầu phổ biến hơn do khả năng tái tạo và ít gây hại cho môi trường so với các loại nhiên liệu không tái tạo Các loại nhiên liệu không tái tạo bao gồm dầu mỏ, than và khí đốt tự nhiên, chúng chiếm phần lớn trong tổng nhu cầu năng lượng của thế giới [2]

Theo thống kê, nhiên liệu không tái tạo vẫn chiếm 80% lượng năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới với ứng dụng chủ yếu trong các ngành công nghiệp nặng

và giao thông vận tải Việc sử dụng nhiên liệu không tái tạo đã gây ra nhiều vấn

đề môi trường bao gồm ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu, cũng như nguy cơ thiếu hụt năng lượng trong tương lai do tài nguyên không thể tái tạo [1]

Trong khi nhiên liệu không tái tạo chỉ mang lại hiệu quả ngắn hạn, sự phụ thuộc vào chúng còn gây ra những hậu quả lớn về môi trường và an ninh năng lượng Ngược lại, sự phát triển của năng lượng tái tạo mang lại nhiều lợi ích Nó giúp giảm bớt ô nhiễm môi trường và giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch Riêng với biodiesel - một loại nhiên liệu tái tạo từ các nguồn dầu thực vật như dầu cọ hay dầu đậu nành, giúp giảm lượng khí thải gây ô

nhiễm môi trường từ phương tiện giao thông Do đó, việc đầu tư và thúc đẩy sử dụng nhiên liệu tái tạo sẽ giúp chúng ta tiến bộ về một tương lai bền vững hơn và

ít phụ thuộc hơn vào các nguồn năng lượng không tái tạo [3]

Việc sử dụng nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế và

xã hội Tuy nhiên, sự chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu tái tạo là một hướng đi cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực lên môi trường và đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng cho tương lai [1]

1.1.2 Vấn đề năng lượng ở Việt Nam

Việt Nam là một trong những quốc gia có nguồn tài nguyên dầu mỏ và khí phong phú Hiện nay, nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm lọc dầu của Việt Nam tăng lên nhanh Theo báo cáo của nhiều chuyên gia, trong thời gian tới nếu Việt Nam không phát hiện thêm các mỏ dầu mới có trữ lượng lớn thì với sản lượng khai thác hiện tại, dự báo đến 2025 Việt Nam về cơ bản cạn kiệt tài nguyên dầu khí Việt Nam từ chỗ xuất khẩu năng lượng (dầu thô, than) trong vòng 15 năm tới sẽ phải nhập năng lượng, trong đó xăng dầu dùng cho giao thông vận tải chiếm khoảng 30% tổng nhu cầu năng lượng của cả nước

Trong khi nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt, chi phí khai thác ngày càng tăng thì nhu cầu sử dụng của con người vẫn không ngừng tăng lên làm cho giá của các loại nhiên liệu hóa thạch tăng cao, điển hình là giá dầu thô trên thế giới Điều này đã tác động trực tiếp lên giá thành xăng dầu thành phẩm [4]

Bên cạnh việc tập trung vào nguồn năng lượng hóa thạch, Việt Nam cũng đang tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo, với mục tiêu tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo lên 1% vào năm 3 Điều này phản ánh nỗ lực của Việt Nam trong việc chuyển đổi sang hệ thống năng lượng bền vững và thân thiện với môi trường hơn [5]

Biodiesel và công ngh sản xuất biodiesel

1.2

1.2.1 Đặc điểm của biodiesel

Biodiesel được công nhận là một trong những lựa chọn nhiên liệu thay thế hứa hẹn nhất cho dầu diesel truyền thống, là nhiên liệu sinh học có nguồn gốc từ

dầu thực vật hoặc mỡ động vật Được sản xuất chủ yếu thông qua quá trình transesterification, biodiesel không chỉ giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch mà còn giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường [6]

ra, biodiesel cũng có khả năng hòa tan tốt trong nước và dung môi hữu cơ, điều này làm cho việc xử lý và sử dụng nó trở nên thuận tiện hơn Bên cạnh đó, biodiesel thường có điểm chớp cháy cao hơn so với diesel truyền thống Điều này giúp giảm nguy cơ về vấn đề an toàn khi sử dụng và lưu trữ, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp và giao thông [7]

Biodiesel còn có tính ổn định hoá học cao, giúp giảm thiểu quá trình oxy hóa và độ hỏng hóc khi lưu trữ và vận chuyển giúp làm giảm nguy cơ về sự hình thành chất cặn và cặn trong nhiên liệu, đảm bảo rằng biodiesel có thể được lưu trữ trong thời gian dài mà không mất đi chất lượng của nó [8]

1.2.3 Ứng dụng của biodiesel

Trong vận tải và giao thông: Biodiesel được sử dụng như một nhiên liệu thay thế hoặc pha trộn trong xe ô tô, xe tải, và các phương tiện giao thông công cộng khác Việc sử dụng biodiesel giúp giảm phát thải khí thải gây ô nhiễm không khí và giảm thiểu tác động đến môi trường Nhiều quốc gia đã áp dụng các chính sách khuyến khích sử dụng biodiesel trong giao thông công cộng [9]

Trong công nghiệp và nông nghiệp: Biodiesel được sử dụng trong các ngành công nghiệp như xử lý kim loại, xử lý dầu khí và ngành công nghiệp khác làm nhiên liệu hoặc chất phụ trợ Trong nông nghiệp, biodiesel có thể được sử

dụng cho máy móc nông nghiệp và các hoạt động khác, giúp giảm chi phí và tác động đến môi trường [10]

Trong sản xuất năng lượng: Biodiesel cũng được sử dụng để sản xuất điện

và nhiệt trong các nhà máy điện hạt nhân, nhà máy xử lý chất thải và các nhà máy sản xuất điện khác Ứng dụng của biodiesel trong ngành sản xuất năng lượng giúp giảm nhu cầu sử dụng nhiên liệu hoá thạch và giảm phát thải khí nhà kính [11] Trong đời sống: Biodiesel được sử dụng trong các ứng dụng gia đình như máy phát điện dự phòng và các hệ thống sưởi ấm gia đình [1 ]

1.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng biodiesel

Việc sử dụng biodiesel ngày càng phổ biến bởi những ưu điểm vượt trội so với nhiên liệu diesel truyền thống Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm, biodiesel

cũng có một số nhược điểm cần được cân nhắc Bảng 1.1 trình bày tóm tắt một số

ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng biodiesel

Bảng 1.1 Tóm tắt ưu và nhược điểm của việc sử dụng biodiesel [13, 14]

Giảm phát thải khí nhà kính: Biodiesel

phát thải ít khí nhà kính hơn so với

nhiên liệu hóa thạch, giúp giảm ô

nhiễm không khí và tác động đến biến

đổi khí hậu

Cạnh tranh nguồn lương thực: Sản xuất biodiesel có thể tạo áp lực lên nguồn lương thực, đặc biệt khi sử dụng cây trồng có thể làm thực phẩm

Tái tạo và bền vững: Biodiesel có thể

được sản xuất từ các nguồn tái tạo như

dầu thực vật và chất béo động vật

Chi phí sản xuất: Sản xuất biodiesel đôi khi có chi phí cao hơn so với nhiên liệu hóa thạch, do yêu cầu về công nghệ và nguyên liệu

Tính tương thích cao: Biodiesel có thể

sử dụng trực tiếp trong hầu hết các

động cơ diesel hiện đại mà không cần

điều chỉnh nhiều

Hiệu quả năng lượng thấp hơn: Biodiesel thường có hiệu suất năng lượng thấp hơn so với diesel truyền thống

Ưu điểm Nhược điểm Giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ: Sử

dụng biodiesel giúp giảm sự phụ

thuộc vào nguồn năng lượng nhập

khẩu như dầu mỏ

Tính ổn định: Biodiesel có thể bị phân hủy nhanh hơn và ít ổn định khi lưu trữ lâu dài so với dầu diesel thông thường

Hỗ trợ nông nghiệp địa phương: Sản

xuất biodiesel có thể hỗ trợ nông dân

và ngành nông nghiệp địa phương

thông qua việc sử dụng nguồn nguyên

liệu nông sản

Khả năng tương thích hạn chế: Biodiesel có thể đóng cứng ở nhiệt độ thấp, gây khó khăn cho việc sử dụng trong điều kiện lạnh

1.2.5 Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel

Nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel rất đa dạng, bao gồm dầu thực vật, dầu động vật, mỡ cá, tảo, Tuy nhiên nguồn nguyên liệu này vẫn chưa đáp ứng đủ,

do cạnh tranh với nhu cầu thực phẩm của con người nên sản lượng dầu từ cây thực vật như đậu nành, dừa, còn hạn chế, nguồn dầu động vật thì thường sử dụng cho các mục đích khác như làm thức ăn gia súc, bên cạnh đó việc thu gom, vận chuyển

và xử lý nguyên liệu cũng là một yếu tố góp phần làm giảm sự đáp ứng của nguồn nguyên liệu cho việc sản xuất biodiesel [15] Do vậy phải lựa chọn nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel mà không đe dọa đến an ninh lương thực thực phẩm

Qua các nghiên cứu liên quan và kinh nghiệm triển khai thực tế, thì có các nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất biodiesel ở Việt Nam như sau: Mỡ cá Basa, dầu ăn phế thải, Jatropha, Tảo

Mỡ cá Basa

Mỗi năm Đồng Bằng Sông Cửu Long tiêu thụ khoảng 400 000 tấn cá basa,

cá tra nguyên liệu Trong đó, mỡ cá khoảng 60 000 tấn (chiếm 15%), số lượng này càng ngày càng nhiều theo từng năm Trước đây, mỡ cá được tận dụng bán cho cơ

sở sản xuất mỡ bôi trơn, thức ăn chăn nuôi nhưng đầu ra, giá cả còn khá bấp bênh

nên lắm khi dư thừa gây ô nhiễm Trong khi đó mỡ cá là một nguồn nguyên liệu

có thể dùng để sản xuất biodiesel với năng suất lớn, giá rẻ hơn so với dầu diesel truyền thống [16]

Sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa và cá tra là một giải pháp tạm thời do giá

cả và nguồn cung cấp không ổn định, nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu mỡ cá, giảm ô nhiễm môi trường, tăng thêm thu nhập cho người dân

Dầu ă p ế thải

Một tính toán sơ bộ cho thấy, toàn thành phố Hồ Chí Minh thải ra lượng dầu ăn là 4 đến 5 tấn/ngày Điều này là một sự lãng phí và gây ô nhiễm môi trường trầm trọng Bằng những nghiên cứu, công đoạn xử lý của các chuyên gia, lượng dầu khổng lồ này đã được tái sinh, tạo ra nhiên liệu mới, vừa mang lại hiệu quả kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường: “Dự án sản xuất thử nghiệm Diesel sinh học từ dầu ăn phế thải với công suất 2 tấn/ngày”của Trung tâm Công nghệ lọc hóa dầu (ĐH Bách khoa TP HCM) đã được Sở KHCN thành phố cấp kinh phí nghiên cứu

Đây là một nguồn nguyên liệu tiềm năng trong tương lai Việc tái chế dầu

ăn phế thải cũng mở ra cơ hội cho doanh nghiệp và các hộ gia đình đóng góp vào chuỗi cung ứng năng lượng xanh, hướng tới một tương lai năng lượng bền vững hơn

1.2.6 Các phương pháp sản xuất biodiesel

1.2.6.1 Vi nhũ tương

Sự hình thành nhũ tương vi mô là một trong những giải pháp tiềm năng để giải quyết vấn đề độ nhớt của dầu thực vật Vi nhũ tương được định nghĩa là sự phân tán keo trong suốt, ổn định nhiệt động lực học Trong phương pháp này, dầu thực vật kết hợp với rượu và chất tạo sức căng bề mặt để tạo thành nhũ tương Nhũ tương này có độ nhớt tương đương với dầu diesel Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khả năng phân lớp tăng lên, làm nhũ tương kém đồng nhất và cần biện pháp bảo quản cẩn thận [19]

1.2.6.2 Nhiệt phân

Nhiệt phân là sự chuyển đổi chất này thành chất khác bằng nhiệt hoặc nhiệt với sự trợ giúp của chất xúc tác Nhiệt phân liên quan đến việc làm nóng trong trường hợp không có không khí hoặc oxygen và phân tách các liên kết hóa học để tạo ra các phân tử nhỏ Quá trình nhiệt phân dầu thực vật để sản xuất nhiên liệu sinh học đã được nghiên cứu và tìm thấy để tạo ra alkane, alkene, chất thơm và carboxylic acid với nhiều tỷ lệ khác nhau Thiết bị nhiệt phân rất tốn kém cho việc sản xuất biodiesel, đặc biệt là ở các nước đang phát triển Hơn nữa, việc loại bỏ oxygen trong quá trình xử lý nhiệt cũng gây ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường qua việc sử dụng nhiên liệu oxy hóa Một nhược điểm khác của nhiệt phân

là bắt buộc phải có thiết bị chưng cất riêng biệt Ngoài ra, sản phẩm thu được có chứa lưu huỳnh gây ảnh hưởng đến môi trường [20]

1.2.6.3 Transester hoá

Phương pháp phổ biến nhất để sản xuất biodiesel là phương pháp transester hoá, phản ứng hóa học của dầu và rượu để tạo ra este alkyl acid béo (biodiesel) và glycerol Phản ứng cân bằng này cần một lượng cồn dư để chuyển trạng thái cân

bằng phản ứng về chiều thuận để tạo ra nhiều ester methyl hơn Methanol và ethanol thường được sử dụng trong quá trình này, ethanol thường được ưa chuộng hơn vì có nguồn gốc từ các sản phẩm nông nghiệp, có thể tái tạo và ít gây ảnh hưởng đến môi trường Tuy nhiên methanol thường được sử dụng vì tan tốt hơn trong dầu thực vật so với ethanol, methanol có khả năng hòa tan tốt hơn các triglyceride (chất béo) trong dầu, giúp tăng hiệu suất của quá trình transester hoá, ngoài ra methanol thường rẻ hơn và dễ dàng tìm thấy hơn ethanol, vì thế nó trở thành lựa chọn phổ biến hơn trong việc sản xuất biodiesel [21]

Tổng quan về tổng hợp biodiesel từ dầu ă ải

Quá trình tổng thể thường là chuỗi ba bước liên tiếp, đó là các phản ứng thuận nghịch Trong tất cả các phản ứng này đều tạo ra ester, tỉ lệ giữa alcohol và oil là 3:1 Tuy nhiên để phản ứng đạt hiệu quả hơn, người ta thường lấy lượng rượu nhiều hơn

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình transester hoá

Hiệu suất chuyển hoá biodiesel trong quá trình transester hoá bị ảnh hưởng bởi một số thông số quá trình bao gồm: nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, chỉ

số acid béo tự do (FFA), chất xúc tác, tỷ lệ mol của alcohol và oil [22]

1.3.2.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ phản ứng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất biodiesel Chẳng hạn nhiệt độ phản ứng cao hơn làm tăng tốc độ phản ứng và rút ngắn thời gian phản ứng do giảm độ nhớt của dầu Tuy nhiên, sự gia tăng nhiệt độ phản ứng vượt quá mức tối ưu sẽ dẫn đến giảm hiệu suất sản xuất biodiesel, bởi vì nhiệt độ phản ứng cao hơn làm tăng tốc quá trình xà phòng hóa chất béo [23] và khiến methanol bốc hơi dẫn đến năng suất giảm [24]

Thông thường nhiệt độ phản ứng chuyển hóa phải thấp hơn điểm sôi của rượu để ngăn chặn sự bay hơi của rượu Phạm vi nhiệt độ phản ứng tối ưu có thể thay đổi từ 50°C đến 60ºC tùy thuộc vào loại dầu hoặc chất béo được sử dụng [23]

Do đó, nhiệt độ phản ứng gần điểm sôi của rượu được khuyến nghị để làm tăng tốc độ phản ứng Nhiệt độ làm tăng năng lượng của các phân tử phản ứng và cũng cải thiện khả năng hòa tan của môi trường phân cực có cồn thành pha dầu không phân cực, dẫn đến phản ứng nhanh hơn [ 5]

1.3.2.2 Thời gian

Quá trình transester hoá xảy ra nhanh hơn khi tăng thời gian phản ứng Ban đầu phản ứng sẽ xảy ra chậm do sự pha trộn và phân tán của rượu và dầu Sau đó phản ứng diễn ra rất nhanh Tuy nhiên, sự chuyển đổi ester tối đa sẽ đạt được trong vòng chưa đầy 90 phút Vì vậy, tăng thêm thời gian phản ứng không làm tăng hiệu suất Bên cạnh đó, thời gian phản ứng lâu hơn dẫn đến việc giảm lượng

sản phẩm cuối cùng do phản ứng nghịch của quá trình transester hóa làm cho lượng ester sinh ra giảm đi và tăng chuyển hoá xà phòng [26]

1.3.2.3 Lượng chất xúc tác và loại chất xúc tác

Quá trình transester hoá không có xúc tác diễn ra rất chậm và không hiệu quả, dẫn đến tỷ lệ chuyển hóa thấp và chất lượng biodiesel không đạt yêu cầu [27].Các phản ứng hóa học cần thiết để chuyển đổi dầu ăn thải thành biodiesel không thể diễn ra một cách hoàn chỉnh, gây tốn nhiều thời gian và năng lượng mà không đạt được hiệu quả mong muốn [28].Chính vì thế, việc nghiên cứu chất xúc tác

là cần thiết cho đề tài này

Có các loại chất xúc tác khác nhau cho phản ứng transester hoá để sản xuất biodiesel từ các loại dầu khác nhau Một số ưu và nhược điểm của các loại xúc tác

- Phản ứng có thể diễn ra ở điều kiện

êm dịu và mức hao tổn năng lượng thấp

- Các xúc tác kiềm như NaOH, KOH

có giá thành tương đối rẻ và được thương mại hóa rộng rãi

- Bị ảnh hưởng nhiều bởi hàm lượng nước và FFA trong nguyên liệu, dễ xảy

ra hiện tượng tạo nhũ tương

- Nếu có nhiều nhũ tương sinh ra sẽ làm giảm hiệu suất sản phẩm và gây khó khăn cho quá trình tinh chế sản phẩm

Bảng 1.2 Ưu điểm và nhược điểm của các loại xúc tác (tiếp theo) [29]

- Dễ tách xúc tác ra khỏi sản phẩm

- Xúc tác dễ tái sinh và tái sử

dụng

- Xúc tác dễ bị ngộ độc khi tiếp xúc với không khí

- Bị ảnh hưởng nhiều bởi hàm lượng nước và FFA trong nguyên liệu,

dễ xảy ra hiện tượng tạo nhũ tương

- Nếu có nhiều nhũ tương sinh ra sẽ làm giảm hiệu suất sản phẩm và gây khó khăn cho quá trình tinh chế

- Xúc tác có thể gây ăn mòn thiết bị

- Khó tách xúc tác khỏi sản phẩm

- Sinh ra nhiều tạp chất

do sự rửa trôi các tâm xúc tác

- Dễ tinh chế sản phẩm

- Tốc độ phản ứng rất chậm, thậm chí là chậm hơn so với xúc tác acid

dị thể

- Giá thành cao

- Alcohol, đặc biệt là metanol, có thể làm giảm hoạt tính enzyme

Từ bảng tóm tắt trên cùng với những lợi ích của xúc tác base dị thể, trong luận văn này tôi lựa chọn loại xúc tác này để tiến hành phản ứng transester hoá dầu ăn thải

1.3.2.4 Chỉ số acid béo tự do của dầu ăn thải

Hàm lượng FFA trong WCO đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất biodiesel Nếu hàm lượng FFA cao (> 2%) sẽ xảy ra quá trình xà phòng hoá

và việc tách các sản phẩm sẽ cực kỳ khó khăn Ngoài ra, FFA trong WCO có thể làm tăng độ nhớt của dầu và gây ra kết tủa Điều này đặc biệt quan trọng trong quá trình transester hoá tổng hợp biodiesel vì FFA có thể làm hỏng xúc tác và giảm hiệu suất của quá trình [30]

1.3.2.5 Tỉ lệ mol alcohol:oil

Một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất biodiesel là tỷ lệ mol của rượu so với WCO Về mặt hóa học, 3 mol rượu phản ứng với 1 mol WCO, transester hóa để tạo ra 3 mol acid béo methyl/ethyl este và 1 mol glycerol Để phản ứng dịch chuyển sang chiều thuận, cần phải dùng

dư alcohol hoặc loại bỏ một trong các sản phẩm khỏi hỗn hợp phản ứng Thực tế

người ta thường sử dụng alcohol dư để phản ứng, tỷ lệ phản ứng được tìm thấy là cao nhất khi sử dụng 100% methanol dư [31] Methanol, ethanol, propanol, butanol và rượu amyl có thể được sử dụng trong phản ứng transester hoá, trong số các rượu này, methanol thường được áp dụng hơn vì chi phí thấp, có lợi về mặt vật lý và hóa học so với các loại rượu khác Ngoài ra, ethanol cũng thường được

sử dụng nhiều hơn trong quá trình chuyển hóa so với methanol vì nó có nguồn gốc

từ các sản phẩm nông nghiệp, có thể tái tạo và ít gây ảnh hưởng hơn về mặt sinh học trong môi trường Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích của methanol hoặc ethanol so với dầu đã được nghiên cứu Kết quả cho thấy năng suất tổng hợp biodiesel cao nhất là gần 99,5% ở mức 6:1 methanol/oil [32]

Giới thi u về xúc tác NaOH/bentonite

1.4

1.4.1 Tổng quan về bentonite

Bột đất sét bentonite là một loại chất chống oxy hóa tự nhiên được tạo ra từ

sự biến đổi của tro núi lửa, có thành phần chính là khoáng montmorillonite (MMT), mà chủ yếu là aluminium silicate ngậm nước và thêm một số khoáng khác như saponite, notronite, beidellite [33]

Có hai loại bentonite trong tự nhiên là sodium bentonite trương nở, có khả năng hút ẩm rất cao và calcium bentonite rất ít trương nở, có khả năng hấp thụ các ion trong dung dịch cũng như chất béo và dầu Phần lớn các bentonite xuất hiện trên thế giới thuộc loại calcium [33]

Hình 1.2 Ảnh SEM của mẫu bentonite [34]

Tính chất đặc trưng của bentonite là khả năng tạo thành huyền phù khi tiếp xúc với nước, đi kèm với khối lượng tăng lên từ 12 – 15 lần so với khối lượng sét khô và khả năng trao đổi cation cao

Bentonite được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm và quy trình công nghiệp khác nhau như dược phẩm, mỹ phẩm và và kiểm soát sự ổn định của hệ thống Nó được sử dụng như một chất hóa dẻo trong gốm sứ, chất nhũ hóa trong các chất nhựa đường, chất làm đặc cho sơn, chất kết dính trong hỗn hợp bê tông, thuốc xịt làm vườn và thuốc trừ sâu, chất hấp phụ trong việc loại bỏ thuốc nhuộm

và kim loại nặng trong đất, tẩy trắng dầu và chất béo [35]

1.4.2 Tổng quan về xúc tác NaOH/bentonite

Xúc tác NaOH/bentonite được xem là một trong những xúc tác quan trọng trong quá trình tổng hợp biodiesel từ WCO Sự kết hợp giữa NaOH và bentonite

tạo ra một hệ thống xúc tác mạnh mẽ, giúp tăng cường khả năng hoạt động và hiệu suất của quá trình transester hoá Sự tương tác giữa NaOH và bentonite tạo ra các trạng thái pha và điều kiện hoạt động lý tưởng, giúp tối ưu hóa quá trình transester hoá và tạo ra sản phẩm biodiesel chất lượng cao Để giải thích điều này, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng bentonite có cấu trúc lưới phức tạp với nhiều lỗ và khe

hở, tạo điều kiện cho sự hấp phụ của NaOH và các phân tử tham gia phản ứng Sự tăng cường diện tích bề mặt này giúp tăng khả năng tiếp xúc giữa các chất phản ứng và làm tăng hiệu suất của phản ứng [36] Ngoài ra, bentonite có khả năng tái

sử dụng cao do tính ổn định của nó Xúc tác NaOH/bentonite có thể được tái sử dụng nhiều lần mà không giảm đi hiệu suất phản ứng [37]

Tóm lại, sự kết hợp giữa NaOH và bentonite trong xúc tác NaOH/bentonite không chỉ cải thiện hiệu suất tổng hợp biodiesel mà còn tăng cường tính bền vững của quá trình sản xuất Điều này đã làm cho xúc tác NaOH/bentonite trở thành một lựa chọn tiềm năng trong ngành công nghiệp biodiesel

Tổng quan về dầu ă ải

1.5

1.5.1 Tính chất và thành phần của dầu ăn thải

Dầu mỡ ngoài thành phần là glyceride còn có chứa một số tạp chất khác Khi dầu mỡ đã qua sử dụng thì hàm lượng tạp chất càng nhiều hơn Các tạp chất chứa trong dầu thường là các acid béo tự do, tạp chất vô cơ, các hợp chất protein, glucid, Dầu ăn đã qua sử dụng có rất nhiều loại dầu khác nhau thường là: hướng dương, dầu đậu nành, dầu đậu phộng, nhưng thành phần acid béo trong các loại dầu này khác nhau không nhiều, do đó có thể dựa vào thành phần acid béo trong

dầu đậu nành đã qua sử dụng ở Bảng 1.3 sau đây để xác định khối lượng mol

phân tử triglyceride trong dầu

Bảng 1.3 Thành phần acid béo trong dầu đậu nành đã qua sử dụng [38]

1.5.2 Các biện pháp xử lý và tái chế dầu ăn thải hiện nay

Dầu ăn thải phát sinh chủ yếu từ hoạt động nấu nướng trong các hộ gia đình, nhà hàng, quán ăn và các cơ sở chế biến thực phẩm Khi dầu được sử dụng nhiều lần cho việc chiên hoặc nấu ở nhiệt độ cao, chất lượng của dầu giảm đi đáng kể, dẫn đến sự xuất hiện của các hợp chất có hại như acid béo tự do, aldehydes, ketones, và các hợp chất oxy hóa Lúc này, dầu ăn không còn an toàn hoặc thích hợp để sử dụng và trở thành dầu ăn thải [39]

Ở Việt Nam, các biện pháp xử lý và tái chế dầu ăn thải đang được nghiên cứu nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường và sức khỏe con người Việc xử lý không đúng cách của dầu ăn thải có thể gây ra nhiều vấn đề về môi trường, như tắc nghẽn hệ thống thoát nước và ô nhiễm nguồn nước Do đó, việc lưu trữ và tái chế dầu ăn thải một cách phù hợp là cực kỳ quan trọng [40] Dầu ăn thải sau khi được thu gom thường được tái chế thành biodiesel, một loại nhiên liệu "xanh" có thể thay thế cho dầu diesel từ dầu mỏ, giảm lượng khí thải và ảnh hưởng tích cực đến môi trường [41]