TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN HOÀNG BẢO NGỌC NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NAOH/BENTONITE VÀ ỨNG DỤNG TRONG XÚC TÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA DẦU ĂN THẢI THÀNH BIODIESEL LUẬN VĂN CỬ NHÂN HÓA HỌC Đà
Tổng quan tình hình
Nhu cầu năng lượng đã tăng lên nhanh chóng cùng với sự gia tăng dân số toàn cầu
Sự gia tăng tiêu thụ năng lượng do tiến bộ kinh tế và công nghệ đã dẫn đến việc khai thác nhiều nguồn nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí tự nhiên và năng lượng hạt nhân Tuy nhiên, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu này gây ra tác động tiêu cực đến môi trường và làm cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên Một trong những vấn đề nghiêm trọng là lượng khí CO2 thải ra, chiếm 72% tổng lượng phát thải khí nhà kính và là nguyên nhân chính gây hiệu ứng nhà kính Các khí nhà kính này hấp thụ bức xạ sóng dài, làm tăng nhiệt độ khí quyển và ảnh hưởng đến hệ sinh thái toàn cầu Theo báo cáo, lĩnh vực giao thông vận tải đóng góp 38% vào tổng lượng phát thải carbon dioxide.
[3] Vì vậy, vấn đề cấp bách và nhiều thách thức hiện nay là việc tìm ra nguồn năng lượng thay thế và thân thiện với môi trường
Con người ngày nay đang chuyển dần sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường, bao gồm năng lượng mặt trời, gió, thủy điện và năng lượng sinh học, tùy thuộc vào vị trí địa lý Năng lượng tái tạo mang lại nhiều lợi ích như tác động môi trường thấp, tính sẵn có ổn định trong điều kiện thời tiết khó khăn và hiệu quả trong việc giảm ô nhiễm Ngoài ra, nó còn thúc đẩy tăng trưởng kinh tế, tạo việc làm và tăng cường an ninh năng lượng Tuy nhiên, việc lưu trữ năng lượng tái tạo vẫn là một thách thức mà các nhà khoa học đang nỗ lực giải quyết.
Nhu cầu tìm kiếm nguồn năng lượng mới đã thúc đẩy sự phát triển của công nghệ năng lượng tái tạo Các nhà nghiên cứu toàn cầu đang tìm kiếm giải pháp thay thế cho dầu diesel, một nguồn nhiên liệu truyền thống gây ô nhiễm Sử dụng năng lượng tái tạo không chỉ giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường mà còn tiết kiệm chi phí và tài nguyên Điều này hướng đến một tương lai bền vững và xanh hơn cho hành tinh chúng ta.
SV: Nguyễn Hoàng Bảo Ngọc 11 MSSV: 3140320043
Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài
Biodiesel, hay còn gọi là este methyl acid béo, được đánh giá cao như một nguồn năng lượng thay thế tiềm năng nhờ vào nhiều ưu điểm của nó Đây là nhiên liệu sinh học không độc hại và có thể tái tạo, được sản xuất từ dầu ăn thải, dầu thực vật và mỡ động vật, thông qua nhiều phương pháp khác nhau.
Biodiesel có thể giảm tới 78% lượng khí thải carbon dioxide so với dầu diesel Nó không chứa chất thơm và gần như không có lưu huỳnh Nghiên cứu cho thấy biodiesel có khả năng phân hủy sinh học cao, trong khi diesel thông thường chỉ có khả năng phân hủy sinh học khoảng 24,5%.
Gần đây, nghiên cứu về phản ứng ester hóa dầu ăn phế thải (WCO) thành biodiesel đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học Dầu ăn thải, nếu không được xử lý đúng cách, không chỉ gây hại cho sức khỏe con người mà còn dẫn đến ô nhiễm môi trường và tắc nghẽn cống rãnh, ảnh hưởng đến cân bằng sinh thái Việc xử lý WCO trở thành một thách thức lớn cho xã hội Tuy nhiên, WCO lại có tiềm năng lớn để trở thành nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel nhờ vào lượng dầu ăn thải dồi dào và chi phí thấp hơn so với dầu thô truyền thống Việc tái chế WCO thành biodiesel không chỉ giúp giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng mà còn giảm chi phí xử lý chất thải và hạn chế ô nhiễm môi trường.
Biodiesel có thể được sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm trộn hoặc pha loãng với các nhiên liệu khác, transester hóa, cracking/ nhiệt phân [1] Theo
N S Talha (2016) quá trình transester hóa và ester hóa là những phương pháp đơn giản và phổ biến nhất để tạo ra dầu diesel sinh học [8]
Sản xuất dầu diesel sinh học có thể thực hiện qua quá trình chuyển hóa ester với sự tham gia của chất xúc tác Các loại chất xúc tác như base đồng thể, acid đồng thể, chất xúc tác rắn dị thể, enzyme và lipase đã được nghiên cứu để sản xuất diesel sinh học từ nhiều nguyên liệu khác nhau Phương pháp transester hóa với xúc tác base đồng thể (NaOH) là phổ biến nhất, tuy nhiên, nó có nhược điểm như dễ gây phản ứng xà phòng hóa, khó khăn trong việc tinh chế sản phẩm và tạo ra lượng lớn nước thải Hơn nữa, việc sử dụng chất xúc tác đồng nhất cũng làm tăng chi phí sản xuất do chúng cần được xử lý sau khi sử dụng.
Nguyễn Hoàng Bảo Ngọc, sinh viên mã số 3140320043, đã chỉ ra rằng việc thu hồi các chất xúc tác khó khăn đang trở thành vấn đề cấp bách Do đó, sự quan tâm ngày càng tăng đối với các xúc tác có khả năng thay thế các xúc tác base đồng thể là rất cần thiết.
Trong những năm gần đây, xúc tác dị thể NaOH/Bentonite đã thu hút sự quan tâm nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật Xúc tác này kết hợp sodium hydroxide (NaOH) với bentonite, một khoáng chất tự nhiên có tính hấp phụ phyllosilicate nhôm Bentonite hình thành khi hoạt động núi lửa bị tác động bởi acid, và độ xốp cao của nó có thể liên quan đến sự phân bố kích thước hạt không đồng đều.
Do khả năng trao đổi cao, diện tích bề mặt riêng lớn và điện tích riêng tương đối cao
Xúc tác NaOH/Bentonite, nhờ vào tính chất đặc biệt của nó, mang lại nhiều lợi ích trong quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải Một trong những ưu điểm nổi bật là độ ổn định cao trong phản ứng, giúp duy trì hiệu suất và chất lượng của quá trình tổng hợp Xúc tác này còn dễ dàng thu hồi và có khả năng tái sử dụng, từ đó tiết kiệm nguyên liệu Hơn nữa, nó tạo ra ít chất thải và khí thải gây ô nhiễm hơn so với các xúc tác truyền thống, góp phần bảo vệ môi trường Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc đánh giá các tỷ lệ khác nhau của NaOH/Bentonite và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất biodiesel từ dầu ăn thải.
Để tối ưu hóa quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu ăn đã qua sử dụng (WCO), ngoài ảnh hưởng của xúc tác, các thông số như tỷ lệ mol giữa WCO và dung môi cùng nhiệt độ phản ứng cũng rất quan trọng Việc điều chỉnh hợp lý các thông số này sẽ nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm biodiesel Hơn nữa, nghiên cứu và áp dụng các phương pháp mới có thể tăng cường hiệu quả chuyển hóa, góp phần vào phát triển bền vững và thúc đẩy kinh tế xanh, kinh tế tuần hoàn.
Dựa trên những lý do đã nêu, tôi quyết định chọn đề tài "Nghiên cứu tổng hợp NaOH/Bentonite và ứng dụng trong xúc tác quá trình chuyển hóa dầu ăn thải thành biodiesel."
Muc tiêu của đề tài
(1) Nghiên cứu tổng hợp xúc tác dị thể NaOH/Bentonite với những tỷ lệ NaOH : Bentonite khác nhau, lần lượt là: 1: 2,5; 1: 5; 1: 7,5, 1: 10; 1: 12,5
SV: Nguyễn Hoàng Bảo Ngọc 13 MSSV: 3140320043
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như tỉ lệ xúc tác NaOH/Bentonite, nhiệt độ phản ứng và tỉ lệ mol giữa methanol và dầu ăn đã qua sử dụng (WCO) đến hiệu suất chuyển hóa WCO thành biodiesel.
Áp dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm, cụ thể là thiết kế thí nghiệm giai thừa phân đoạn (FFD), nhằm kiểm chứng thống kê ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến hiệu suất chuyển hóa FFA.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
SV: Nguyễn Hoàng Bảo Ngọc 14 MSSV: 3140320043
Nghiên cứu tổng hợp biodiesel từ dầu ăn phế thải đã thu thập dữ liệu từ các nghiên cứu trong và ngoài nước, tập trung vào các loại xúc tác và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất tổng hợp biodiesel.
Tài liệu nghiên cứu về quá trình phân tích các chỉ tiêu vật lý và hóa học của dầu ăn và biodiesel, bao gồm hàm lượng nước, chỉ số acid, acid béo tự do, và xác định khối lượng phân tử của nguyên liệu, là rất quan trọng để đánh giá chất lượng sản phẩm Việc hiểu rõ các chỉ tiêu này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm.
Khám phá các phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu, bao gồm phương pháp nhễu xạ tia X (XRD) để phân tích cấu trúc vật liệu, phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) cho việc xác định thành phần hóa học, và phương pháp sắc ký khí kết hợp phối khổ (GC-MS) nhằm phân tích các hợp chất hữu cơ.
Tìm hiều về các phương pháp thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu trong nghiên cứu thực nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp xử lý mẫu thực nghiệm: dầu ăn thải, mẫu sản phẩm biodiesel
- Phương pháp chuẩn bị xúc tác NaOH/Bentonite
- Phương pháp quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định được đặc trưng cấu trúc và nhóm chức đặc trưng của xúc tác NaOH/Bentonite
- Phương pháp transester hóa dầu ăn thải để tổng hợp biodiesel bằng xúc tác NaOH/Bentonite
- Phương pháp tính toán đo lường độ chuyển hóa FFA (Free Fatty Acid)
The GC-MS (Gas Chromatography – Mass Spectrometry) method is utilized to analyze the chemical composition of biodiesel samples, specifically measuring the methyl ester content, which is the primary component of biodiesel The efficiency of the biodiesel is then calculated by comparing the ester content in the biodiesel sample with that of the initial waste cooking oil.
- Phương pháp FT – IR xác định cấu trúc phân tử của mẫu WCO và sản phẩm biodiesel
- Phương pháp thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
Với mục đích nghiên cứu tổng hợp và đánh giá hiệu quả của xúc tác NaOH/Bentonite trong việc chuyển hoá WCO thành biodiesel, đề tài này mang ý nghĩa
Nguyễn Hoàng Bảo Ngọc, sinh viên mã số 3140320043, nghiên cứu về việc nâng cao hiệu suất tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải (WCO) Đề tài không chỉ tập trung vào các yếu tố như tỉ lệ mol giữa methanol và WCO, mà còn xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng Nghiên cứu cung cấp số liệu thực nghiệm quan trọng, tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa quá trình tổng hợp biodiesel.
Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu này ứng dụng xúc tác dị thể NaOH/Bentonite trong sản xuất biodiesel từ dầu ăn thải, sử dụng nguyên liệu dễ kiếm và kinh tế Việc chuyển đổi này không chỉ giảm chi phí sản xuất mà còn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng và bảo vệ môi trường Đồng thời, nghiên cứu giúp xử lý lượng lớn dầu ăn thải, cung cấp năng lượng tái tạo với mức ô nhiễm thấp, giảm chi phí quản lý chất thải và thúc đẩy phát triển bền vững, kinh tế xanh và kinh tế tuần hoàn.
Kết cấu của đề tài nghiên cứu
Chương 1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và hướng tiếp cận đề tài
- Vấn đề về năng lượng
- Biodiesel và phương pháp sản xuất
- Xúc tác sử dụng cho phản ứng transester hóa tổng hợp biodiesel
- Tìm hiểu về dầu ăn thải
- Phương pháp thiết kế thử nghiệm (DoE) cụ thể là mô hình FFD
Chương 2 Nguyên liệu và phương pháp
- Tiền xử lý và phân tích WCO thu thập được
- Chuẩn bị xúc tác NaOH/Bentonite ở các tỉ lệ: 1: 2,5; 1: 5; 1: 7,5; 1: 10; 1: 12,5
Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biodiesel tập trung vào ba yếu tố chính: tỉ lệ methanol so với dầu ăn thải (WCO), tỉ lệ NaOH so với bentonite, và nhiệt độ phản ứng Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất biodiesel hiệu quả và bền vững.
- Thiết kế thí nghiệm với 3 yếu tố tối ưu của: tỉ lệ methanol/ WCO, tỉ lệ NaOH/Bentonite, nhiệt độ phản ứng
Chương 3 Kết quả và thảo luận
SV: Nguyễn Hoàng Bảo Ngọc 16 MSSV: 3140320043
- Kết quả XRD, FT – IR của xúc tác NaOH/Bentonite
- Kết quả GC – MS, FT – IR của sản phẩm biodiesel
- Kết quả phân tích các giá trị tối ưu
- Kết quả thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu
SV: Nguyễn Hoàng Bảo Ngọc 17 MSSV: 3140320043