Nghiên cứu khảo sát yếu tố Ảnh hưởng Đến quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu Ăn thải bằng xúc tác dị thể naoh bentonite

Trong đó, Biodiesel là một loại nhiên liệu tái tạo, được sản xuất từ nguyên liệu có nguồn gốc sinh học như cồn methanol, ethanol, dầu mỡ động thực vật nên không chứa các hợp chất thơm, h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HOÁ HỌC

−−−−−−

Tên đề tài:

Nghiên cứu khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Biodiesel từ dầu

ăn thải bằng xúc tác dị thể NaOH/ Bentonite

(Khóa luận tốt nghiệp Cử nhân Hoá Dược)

Đà Nẵng, tháng 4 năm 2024

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 2 MSSV: 3140320031

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

LỜI CAM ĐOAN 7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

MỞ ĐẦU 11

1 Tổng quan tình hình 11

2 Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài 12

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 12

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13

5 Phương pháp nghiên cứu 13

5.1 Nghiên cứu lý thuyết 13

5.2 Nghiên cứu thực nghiệm 13

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 13

6.1 Ý nghĩa khoa học 13

6.2 Ý nghĩa thực tiễn 13

7 Nội dung nghiên cứu 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 15

1.1 Diesel 15

1.1.1 Định nghĩa 15

1.1.2 Tính chất và phân loại 15

1.1.3 Ứng dụng và ưu, nhược 15

1.2 Biodiesel 16

1.2.1 Nguồn gốc 16

1.2.2 Tính chất và thành phần chính của Biodiesel 17

1.2.3 Ứng dụng 17

1.2.4 Ưu, nhược điểm của Biodiesel 18

1.2.5 Phương pháp tổng hợp Biodiesel 19

1.2.5.1 Vi nhũ tương 19

1.2.5.2 Nhiệt phân 19

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 3 MSSV: 3140320031

1.2.5.3 Cracking xúc tác dầu thực vật 19

1.2.5.4 Transester hóa 20

1.2.6 Nguồn nguyên liệu sản xuất Biodiesel 21

1.3 Tổng quan về dầu ăn thải 21

1.3.1 Định nghĩa, tính chất 21

1.3.2 Lợi ích của việc tái chế dầu ăn thải 22

1.4 Giới thiệu về xúc tác 23

1.4.1 Bentonite 23

1.4.1.1 Định nghĩa 23

1.4.1.2 Phân loại 24

1.4.1.3 Tính chất 24

1.4.1.4 Ứng dụng 25

1.4.2 Cơ chế, ưu điểm của NaOH/ Bentonite 26

1.5 Phương pháp tổng hợp Biodiesel từ WCO 26

1.5.1 Ảnh hưởng của xúc tác 26

1.5.2 Nhiệt độ phản ứng 27

1.5.3 Thời gian phản ứng 27

1.5.4 Tỷ lệ Methanol/ Dầu 28

1.6 Các phương pháp đo 28

1.6.1 Quang phổ hồng ngoại 28

1.6.2 Sắc kí khí khối phổ 29

1.6.3 Tia nhiễu xạ X (XRD) 29

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 30

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ, thiết bị 30

2.1.1 Nguyên liệu 30

2.1.2 Hóa chất 30

2.1.3 Thiết bị, dụng cụ 30

2.2 Phương pháp nghiên cứu 34

2.2.1 Thu thập và xử lý mẫu dầu ăn thải 35

2.2.2 Thu nhận và xử lý xúc tác 36

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 4 MSSV: 3140320031

2.2.2.1 Xử lý Bentonite thô 36

2.2.2.2 Tổng hợp NaOH/ Bentonite 38

2.2.3 Tổng hợp Biodiesel từ WCO bằng phương pháp tranester hóa và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp 39

2.2.4 Xác định đặc tính của sản phẩm Biodiesel (mẫu tối ưu) 42

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Mẫu dầu ăn thải 45

3.2 Xúc tác NaOH/ Bentonite 48

3.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Biodiesel từ WCO 51

3.3.1 Ảnh hưởng của các loại dầu 51

3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng chất xúc tác 52

3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 54

3.3.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ Methanol/WCO 56

3.4 Kết quả phân tích mẫu Biodiesel ở điều kiện tối ưu 58

KẾT LUẬN 61

KIẾN NGHỊ 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 5 MSSV: 3140320031

LỜI CẢM ƠN

Trong quãng thời gian dài của hành trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học

Sư phạm – Đại học Đà Nẵng, mỗi bước tiến của chúng em đều được hỗ trợ và định hướng một cách tỷ mỉ và tận tâm từ các thầy cô giáo, các bạn học và những người đồng hành quan trọng khác Hôm nay, khi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, em muốn tri ân và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc

Đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu nhà trường, vì đã tạo điều kiện thuận lợi với cơ sở vật chất và trang thiết bị hiện đại Phòng thí nghiệm đầy đủ và hiện đại là một nguồn lực vô cùng quý báu, giúp chúng em thực hiện các thí nghiệm và nghiên cứu một cách hiệu quả nhất

Tiếp theo, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn đến Quý thầy cô trong Khoa Hóa, những người đã dành thời gian và công sức để chia sẻ kiến thức và kinh nghiệm với chúng em Sự nhiệt tình và sự tận tâm của Quý thầy cô trong việc giảng dạy và hướng dẫn không chỉ giúp chúng em tiếp cận kiến thức chuyên môn mà còn trang bị cho chúng em những kỹ năng và

tư duy cần thiết cho cuộc sống sau này

Đặc biệt và quan trọng nhất, tôi muốn dành một phần lời cảm ơn đặc biệt đến TS Nguyễn Thị Thu Hồng, người đã động viên và hỗ trợ không ngừng cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và viết khóa luận Bằng sự tận tâm và kiến thức sâu rộng của mình, cô đã giúp em vượt qua những thách thức và hoàn thiện bài luận tốt nghiệp của mình một cách thành công

Lời cảm ơn chân thành dành cho thầy Nguyễn Văn Din, người đã luôn tạo điều kiện

và hỗ trợ em trong việc thực hiện các thí nghiệm và đo đạc các mẫu

Em cũng vô cùng cảm ơn chị Võ Song Hạnh Nguyên và người đồng đội cùng nhóm nghiên cứu với em vì đã luôn động viên, quan tâm và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Em muốn gửi lời tri ân đến tất cả các anh chị trong khoa và các bạn trong nhóm nghiên cứu của lớp 20CHD, vì sự giúp đỡ và động viên không ngừng suốt quãng thời gian nghiên cứu của chúng em

Những lời cảm ơn này không đủ để diễn đạt hết lòng biết ơn và tôn trọng của em đối với tất cả những người đã đồng hành cùng em trên con đường học tập và nghiên cứu này

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 6 MSSV: 3140320031

Cuối cùng, em đã cố gắng hoàn thành khóa luận, tuy nhiên, tầm hiểu biết của em vẫn còn hạn hẹp nên bài khóa luận vẫn còn nhiều thiết xót Kính mong nhận được những góp ý chân thành của Quý thầy cô Và em kính chúc Quý thầy cô sức khỏe dồi dào, công việc thuận lợi Chúc các bạn lớp 20CHD ra trường thành công và gặp nhiều may mắn

Em xin chân thành cảm ơn

Đà Nẵng, ngày 15 tháng 4 năm 2024

Sinh viên

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 7 MSSV: 3140320031

LỜI CAM ĐOAN

Em, Nguyễn Phạm Phúc Nguyên xin cam đoan:

1 Những nội dung trong báo cáo này là do em thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Thị Thu Hồng

2 Mọi tài liệu tham khảo dùng trong báo cáo đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

3 Nếu có bất kỳ sự sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo hay sự gian trá trong khoa học tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Đà Nẵng, ngày tháng năm

Kí tên

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 8 MSSV: 3140320031

DANH MỤC CÁC 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

Cholesterol lipprotein tỷ

Cholesterol lipprotein tỷ

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 9 MSSV: 3140320031

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng cho quá trình thí nghiệm 30

Bảng 2.2 Dụng cụ, thiết bị sử dụng trong quá trình thí nghiệm 31

Bảng 2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các loại dầu lên quá trình tổng hợp Biodiesel 40

Bảng 2.4 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng xúc tác NaOH/ Bentonite đến quá trình 41

Bảng 2.5 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên quá trình tổng hợp Biodiesel 42

Bảng 2.6 Các chỉ tiêu của mẫu Biodiesel so với tiêu chuẩn chất lượng ASTM D6751 42

Bảng 3.1 Các thông số cho thấy đặc tính của dầu ăn thải 46

Bảng 3.2 Thành phần các acid béo có trong dầu ăn thải 47

Bảng 3.3 Bảng kết quả ảnh hưởng của các loại dầu lên quá trình tổng hợp 51

Bảng 3.4 Kết quả của quá trình khảo sát ảnh hưởng của lượng chất xúc tác 53

Bảng 3.5 Kết quả của quá trình khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên quá trình tổng hợp Biodiesel 55

Bảng 3.6 Kết quả của quá trình khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ Methanol/WCO lên quá trình tổng hợp Biodiesel 57

Bảng 3.7 Kết quả thông số các đặc tính của Biodiesel 58

Bảng 3.8 Thành phần các chất có trong Biodiesel 60

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 10 MSSV: 3140320031

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 1.2 Mô phỏng cấu tạo của Bentonite 24

Hình 2.1 Thiết bị đo GC - MS 32

Hình 2.2 Thiết bị đo phổ FT - IR 32

Hình 2.3 Thiết bị đo phổ XRD 33

Hình 2.4 Sơ đồ quy trình sản xuất Biodiesel từ WCO 34

Hình 2.5 Sơ đồ xử lý và phân tích mẫu dầu ăn thải 35

Hình 2.6 Bentonite chưa qua xử lý 37

Hình 2.7 Bentonite đang xử lý 37

Hình 2.8 Sơ đồ quy trình xử lý mẫu Bentonite 38

Hình 2.9 Sơ đồ quy trình tổng hợp xúc tác NaOH/ Bentonite 39

Hình 2.10 Quá trình tổng hợp Biodiesel 40

Hình 3.1 Mẫu dầu ăn thải (WCO) chưa qua xử lý 45

Hình 3.2 Mẫu WCO sau xử lý được đưa vào để tổng hợp 45

Hình 3.3 Sắc ký đồ GC – MS của mẫu WCO 47

Hình 3.4 Phổ FT – IR của mẫu WCO 48

Hình 3.5 Xúc tác NaOH/ Bentonite 48

Hình 3.6 Kết quả XRD của mẫu Bentonite và xúc tác NaOH/ Bentonite 49

Hình 3.7 Phổ FT – IR của Bentonite tự nhiên 50

Hình 3.8 Phổ FT – IR của NaOH/ Bentonite tỷ lệ 1:10 50

Hình 3.9 Biểu đồ ảnh hưởng của các loại dầu lên quá trình tổng hợp Biodiesel 51

Hình 3.10 Phổ FT – IR của mẫu Biodiesel khảo sát ảnh hưởng của lượng xúc tác 52

Hình 3.11 Biểu đồ ảnh hưởng của lượng xúc tác lên hệ số chuyển hóa 53

Hình 3.12 Phổ FT – IR của mẫu Biodiesel khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng 54

Hình 3.13 Biểu đồ ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên hệ số chuyển hóa 55

Hình 3.14 Phổ FT – IR của mẫu Biodiesel khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ Methanol/ WCO 56

Hình 3.15 Biểu đồ ảnh hưởng tỷ lệ Methanol/WCO lên hệ số chuyển hóa 57

Hình 3.16 Phổ FT – IR của mẫu Biodiesel sản phẩm tối ưu 58

Hình 3.19 Sắc ký đồ GC-MS của Biodiesel sản phẩm 59

Nói như vậy là bởi, trong quá trình nạo vét hệ thống thoát nước của thành phố, các đơn vị thoát nước phát hiện trong các tuyến cống rãnh, đặc biệt là khu vực các cửa hàng kinh doanh ăn uống có một lượng lớn dầu mỡ đóng thành bánh, dày tới hàng chục centimet, che lấp hệ thống rãnh thoát nước của tuyến đường [1]

Có thể thấy rằng việc xử lý WCO không phù hợp sẽ làm trầm trọng thêm tình trạng ô nhiễm môi trường, tắc nghẽn cống thoát nước và làm ô nhiễm môi trường sống trên cạn và dưới nước, đồng thời việc tiêu thụ chất này sẽ ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và động vật Do vậy, cần có nhiều nghiên cứu hơn để tái chế WCO nhằm sản xuất các sản phẩm có giá trị và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn Hiện nay, có rất nhiều nghiên cứu trong việc chuyển đổi công nghệ sinh học và ứng dụng WCO làm nguyên liệu cho Biodiesel, Bisabolene, chất bôi trơn sinh học, chất tẩy rửa dạng lỏng, xà phòng rửa chén, nến thơm, cồn khô,… [2]

Trong đó, Biodiesel là một loại nhiên liệu tái tạo, được sản xuất từ nguyên liệu có nguồn gốc sinh học như cồn methanol, ethanol, dầu mỡ động thực vật nên không chứa các hợp chất thơm, hàm lượng lưu huỳnh không đáng kể, giảm lượng khí CO Thêm nữa, Biodiesel khi thải vào đất sẽ được phân hủy cao gấp 4 lần so với nhiên liệu dầu mỏ và do

đó giảm thiểu được tình trạng ô nhiễm nước ngầm Việc sử dụng nhiên liệu Biodiesel còn làm cân đối năng lượng, giảm nhập khẩu bên ngoài, đảm bảo an ninh năng lượng trong

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 12 MSSV: 3140320031

tương lai Ngoài mục đích để thay thế xăng, diesel dầu mỏ, Biodiesel còn được dùng thay

FO để đốt lò công nghiệp và sử dụng trong dân dụng thuận lợi Bên cạnh đó, việc sử dụng Biodiesel sẽ tạo điều kiện phát triển nông nghiệp, nhất là ở những nước dư thừa đất đai (trung du, miền núi) có thể trồng mía, sắn và các cây có dầu [3] Từ những đặc điểm trên,

có thể thấy rằng Biodiesel là tiềm năng và hứa hẹn trong việc giải quyết bài toán về ô nhiễm môi trường và khủng hoảng năng lượng do việc phụ thuộc quá lớn vào nhiên liệu hóa thạch gây ra

2 Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài

Các nhà khoa học khắp thế giới đã nghiên cứu sử dụng rất nhiều nguyên liệu khác nhau trong việc sản xuất Biodiesel tuy nhiên còn gặp nhiều bất cập Chẳng hạn, dùng nguyên liệu từ thực vật như dầu hạt cải, dầu hạt hướng dương, dầu đậu nành, dầu cọ, và

mỡ động vật thì giá của các sản phẩm Biodiesel thương mại rất cao so với diesel truyền thống Do chi phí cao của nguyên liệu thô, ước tính chiếm 70-80% giá thành của Biodiesel [4] Hơn thế nữa việc sử dụng các loại dầu thực vật làm giảm diện tích đất canh tác của cây nông nghiệp truyền thống, ảnh hưởng đáng kể đến vấn đề an ninh lương thực, giá thực phẩm tăng cao và nguy cơ thiếu các loại dầu ăn được [4]

Trọng tâm của các nghiên cứu gần đây là tập trung vào các phương pháp nhằm giảm giá nguyên liệu thô trong quá trình sản xuất Biodiesel Dầu ăn đã qua sử dụng là nguyên liệu rẻ tiền có thể thay thế dầu nguyên chất để sản xuất dầu Biodiesel [5] Dầu ăn thải, rẻ hơn nhiều so với dầu thực vật nguyên chất, là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho dầu thực vật để sản xuất dầu Biodiesel [6] Ngoài ra, việc tái sử dụng dầu ăn thải có thể giúp giải quyết vấn đề thải bỏ dầu thải [5]

Do đó, sản xuất Biodiesel từ chất thải như WCO không chỉ là giải pháp cho vấn đề xử

lý chất thải mà còn là giải pháp thu hồi nguyên liệu để tái chế tạo ra sản phẩm xanh và thân thiện với môi trường Để xúc tác cho quá trình tổng hợp Biodiesel từ WCO, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều nguồn xúc tác khác nhau như là: CaO, KOH, NaOH, H2SO4, NaOH/ Bentonite Xúc tác NaOH/ Bentonite giúp tối ưu hóa quá trình tranesester hóa và tạo ra sản phẩm Biodiesel chất lượng cao [7] Chính vì lý do vậy, tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Biodiesel từ dầu ăn thải bằng xúc tác dị thể NaOH/ Bentonite”

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tổng hợp NaOH/ Bentonite xúc tác trong việc chuyển hoá WCO thành Biodiesel

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 13 MSSV: 3140320031

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố bao gồm tỷ lệ mol giữa WCO và alcohol, thời gian tổng hợp và nồng độ xúc tác NaOH/ Bentonite đến hiệu suất quá trình chuyển hoá WCO thành Biodiesel

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Dầu ăn thải có nguồn gốc thực vật, xúc tác Bentonite

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Biodiesel từ dầu ăn thải bằng xúc tác dị thể NaOH/ Bentonite

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Nghiên cứu lý thuyết

Tổng quan các tài liệu, tư liệu, sách báo trong và ngoài nước kết hợp tìm hiểu thực tế đặc điểm, thành phần hoá học và công dụng của Biodiesel, quy trình tổng hợp của Biodiesel, các phương pháp tổng hợp Biodiesel, tính chất đặc điểm của dầu ăn thải, Bentonite, quy trình chuẩn bị xúc tác NaOH/ Bentonite

5.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp thu gom và xử lý mẫu dầu ăn thải

- Phương pháp thu gom và xử lý Bentonite thương mại

- Chuẩn bị xúc tác NaOH/ Bentonite

- Phương pháp transester hóa để tổng hợp Biodiesel

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6.1 Ý nghĩa khoa học

Cung cấp các thông tin khoa học về các chỉ tiêu hoá lý, thành phần hoá học, cấu tạo,

cơ chế phản ứng, yếu tố ảnh hưởng và các điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp của Biodiesel

Kết quả của nghiên cứu có thể được áp dụng trong các quy trình sản xuất công nghiệp thực tế, giúp tăng cường hiệu quả và bền vững của ngành công nghiệp Biodiesel

7 Nội dung nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan lý thuyết

- Giới thiệu về nhiên liệu Diesel và Biodiesel

- Tổng quan về dầu ăn thải

- Bentonite và xúc tác NaOH/ Bentonite

Chương 2: Thực nghiệm

- Thu nhận, xử lý mẫu, và xác định tính chất, thành phần của WCO

- Thu nhận và xử lý mẫu Bentonite thương mại

- Chuẩn bị xúc tác NaOH/ Bentonite

- Tổng hợp Biodiesel

- Khảo sát những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Biodiesel từ WCO

- Xác định hiệu suất thu nhận Biodesel

- Xác định tính chất thành phần của sản phẩm Biodiesel

Chương 3: Kết quả và thảo luận

- Kết quả và phân tích mẫu WCO

- Kết quả và phân tích mẫu xúc tác NaOH/ Bentonite

- Kết quả và phân tích mẫu Biodiesel

- Kết quả và phân tích mẫu khảo sát những yếu tối ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp Biodiesel từ WCO

mỏ, petrodiesel, diesel hóa thạch hoặc diesel khoáng, là loại nhiên liệu diesel phổ biến nhất, có đầy đủ những tính chất lý hóa phù hợp cho động cơ Diesel mà không cần phải áp dụng những quá trình biến đổi hóa học phức tạp [8].

1.1.2 Tính chất và phân loại

DO là một loại nhiên liệu lỏng, nặng hơn dầu lửa và xăng Chúng thường có nhiệt độ

bốc hơi từ 175 đến 370℃ [8]

Trước năm 2016, Việt Nam lưu hành 2 loại dầu diesel:

+ DO 0,05S có hàm lượng lưu huỳnh không lớn hơn 500mg/kg (500ppm) áp dụng cho phương tiện giao thông cơ giới đường bộ

+ DO 0,25S có hàm lượng lưu huỳnh không lớn hơn 2.500mg/kg (2500ppm) dùng cho phương tiện giao thông đường thủy, được khuyến cáo không dùng cho các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ [8]

Tuy nhiên, từ ngày 1/1/2016, sản phẩm dầu DO 0,25%S ngừng lưu thông trên thị trường Việt Nam theo đề xuất của Bộ Khoa học và Công nghệ và Môi trường Như vậy hiện nay trên thị trường nội địa chỉ có duy nhất loại dầu DO 0,05S được lưu hành [8] Hàm lượng lưu huỳnh trong diesel rất quan trọng, hàm lượng càng nhỏ càng tốt, hàm lượng cao sinh ra acid sunfuric gây ăn mòn động cơ, phá hỏng dầu nhớt bôi trơn, giảm tuổi thọ của động cơ [8]

Dầu Diesel có hàm lượng lưu huỳnh (S) càng cao khi cháy sẽ phát thải hàm lượng muội và SOX càng cao trong khí thải, nói cách khác, sử dụng DO 0.25S gây ô nhiễm môi trường nhiều hơn DO 0,05S [8]

1.1.3 Ứng dụng và ưu, nhược

Dầu Diesel được sử dụng trong loại động cơ đốt trong cùng tên, động cơ diesel (đường

bộ, đường sắt, đường thủy) và một phần được sử dụng cho các tuabin khí trong công

nghiệp phát điện, xây dựng… [9]

- Ưu điểm [10]

+ Các nguồn năng lượng đang cạn kiệt nhanh chóng và việc thay thế mất nhiều thời

gian do lo ngại về môsi trường về lượng CO2 có hại được tạo ra khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch (CO2 là thành phần khí nhà kính được biết đến rộng rãi, chiếm 72% tổng lượng phát thải khí nhà kính Những khí nhà kính này hấp thụ bức xạ sóng dài từ toàn cầu, làm tăng nhiệt độ khí quyển) [5]

1.2 Biodiesel

1.2.1 Nguồn gốc

Biodiesel được định nghĩa ngắn gọn là ester monoalkyl của dầu thực vật hoặc mỡ động vật Dầu Biodiesel được tạo thành từ các hydrocarbon chuỗi dài có nhóm chức ester Hỗn hợp Biodiesel được gọi là BXX XX này cho biết lượng dầu Biodiesel trong hỗn hợp (ví dụ: hỗn hợp B80 có 80% dầu Biodiesel và 20% dầu diesel) [5]

Về mặt kỹ thuật, Biodiesel là ester alkyl của acid béo, được tạo ra bằng quá trình ester hóa chéo dầu hoặc chất béo, từ thực vật hoặc động vật, với các rượu chuỗi ngắn như methanol và ethanol [11]

Tại Hội chợ Thế giới năm 1911 ở Paris, Tiến sĩ Diesel đã chạy động cơ của mình bằng dầu đậu phộng và tuyên bố "động cơ diesel có thể được nuôi bằng dầu thực vật và sẽ giúp xem xét sự phát triển nông nghiệp của các quốc gia sử dụng nó" Một trong những ứng dụng đầu tiên của dầu thực vật transester hóa là cung cấp năng lượng cho các phương tiện hạng nặng ở Nam Phi trước Thế chiến II Dầu thực vật được sử dụng trong động cơ diesel cho đến những năm 1920 Nhưng sản xuất thương mại đã không bắt đầu cho đến cuối những năm 1990 Tiến sĩ Diesel tin rằng động cơ chạy bằng dầu thực vật có tiềm năng và những loại dầu này một ngày nào đó có thể quan trọng như nhiên liệu dựa trên dầu mỏ Gần đây, Renault và Peugeot đã phê duyệt việc sử dụng dầu diesel sinh học trong một số động cơ xe tải của họ Những lo ngại về môi trường và kinh tế trong nước gần đây đã thúc

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 17 MSSV: 3140320031

đẩy sự hồi sinh trong việc sử dụng dầu diesel sinh học trên toàn thế giới Năm 1991, Cộng đồng châu Âu (EC) đề xuất khấu trừ thuế 90% cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học, bao gồm cả dầu diesel sinh học Các nhà máy diesel sinh học hiện đang được xây dựng bởi một

số công ty ở châu Âu Dầu diesel sinh học ở mỗi nhà máy này sẽ sản xuất tới 1,5 triệu gallon nhiên liệu mỗi năm Liên minh châu Âu chiếm gần 89% tổng sản lượng diesel sinh học trên toàn thế giới vào năm 2005 [12] Trong những năm của thập kỷ 90, Pháp đã triển khai sản xuất Biodiesel từ dầu hạt cải Và được dùng ở dạng B5 (5% Biodiesel với 95% Diesel) và B30 (30% Biodiesel trộn với 70% Diesel) [13]

1.2.2 Tính chất và thành phần chính của Biodiesel

Dầu Biodiesel đốt cháy như dầu diesel Mặt khác, dầu Biodiesel có hiệu quả tốt hơn xăng Dầu Biodiesel cũng thể hiện tiềm năng lớn cho động cơ đánh lửa nén Giá trị gia nhiệt cao hơn (HHV) của dầu Biodiesel tương đối cao HHV của dầu Biodiesel (39 đến 41 MJ/ kg) thấp hơn một chút so với xăng (46 MJ/ kg), dầu diesel (43 MJ/ kg) hoặc dầu mỏ (42 MJ/ kg), nhưng cao hơn than (32 đến 37 MJ/kg) Phần lớn nhu cầu năng lượng được đáp ứng bởi các nguồn năng lượng thông thường như than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên [12]

Từ quan điểm hóa học, dầu từ các nguồn khác nhau có thành phần acid béo khác nhau Các acid béo khác nhau liên quan đến chiều dài chuỗi, mức độ Ester được điều chế bằng acid béo chuỗi dài hoặc acid béo bão hòa có chỉ số cetan cao hơn, điểm đục cao hơn và gây tắc vòi phun Ester được điều chế bằng acid béo rất không bão hòa có số cetane thấp và dễ

bị oxy hóa Nói chung, số cetane, nhiệt đốt cháy, điểm nóng chảy và độ nhớt của các hợp chất béo nguyên chất tăng khi chiều dài chuỗi tăng và giảm khi tăng độ không bão hòa [14]

Thành phần hóa học chủ yếu của Biodiesel (Biodiesel) là methyl ester của các acid béo Biodiesel được sản xuất từ quá trình chuyển hóa ester giữa các glyceride (mono-, di, tri-glyceride) hoặc quá trình ester hóa của các acid béo tự do có trong dầu thực vật, mỡ động vật dưới sự xúc tác của acid hoặc base [4]

1.2.3 Ứng dụng

Một nghiên cứu của Marcelino et al cho rằng diesel sinh học có đặc tính tương tự như diesel và có thể được sử dụng trong động cơ đốt trong mà không cần thay đổi đáng kể các đặc tính của nó [5]

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 18 MSSV: 3140320031

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 Nhiều quốc gia đã áp dụng các chính sách khuyến khích sử dụng Biodiesel trong giao thông công cộng [12]

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 [14]

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]

1.2.4 Ưu, nhược điểm của Biodiesel

+ Dầu diesel sinh học so với dầu diesel thông thường, giá rẻ hơn, tác động môi trường thấp hơn [5]

+ Theo các nghiên cứu, khả năng phân hủy sinh học của dầu Biodiesel cao [5]

+ So với dầu diesel, nó có thể cắt giảm tới 78% lượng khí thải carbon dioxide vì đây là nhiên liệu trung hòa carbon [5]

+ Mặc dù có nhiều kết quả khác nhau từ nghiên cứu này đến nghiên cứu khác do sự khác biệt trong thiết kế động cơ và các thông số vận hành, ý kiến chung là dầu Biodiesel giúp giảm lượng khí thải dạng hạt (PM), carbon monoxide (CO) và hydrocarbon (HC) và gần như không có phát thải sunfat [5]

+ Ester từ dầu thực vật là chất thay thế tốt nhất cho động cơ diesel vì chúng không yêu cầu bất kỳ sự thay đổi nào trong động cơ diesel và có hiệu suất năng lượng cao [14]

- Nhược điểm

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 19 MSSV: 3140320031

+ Những thách thức kinh doanh mà ngành công nghiệp diesel sinh học phải đối mặt đã dẫn đến việc áp dụng chậm các công nghệ sản xuất mới mang tính đổi mới mặc dù chúng có nhiều lợi thế vì nhiều trong số này đòi hỏi vốn đầu vào đáng kể Vì vậy, mặc dù dầu diesel sinh học đã trở thành nhiên liệu thay thế được sử dụng rộng rãi nhưng vẫn còn nhiều thách thức có thể ngăn cản việc sử dụng rộng rãi loại nhiên liệu này [15]

+ Chi phí nguyên liệu cao, độ nhớt cao, khả năng bảo quản và độ ổn định oxy hóa kém, hàm lượng năng lượng thể tích thấp hơn [16]

+ Tuy nhiên, việc sử dụng dầu Biodiesel thường làm tăng 10% lượng khí thải NOX [5] + Việc sử dụng nhiên liệu chứa nhiều hơn 5% Biodiesel có thể gây nên các vấn đề sau: ăn mòn các chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu do tính dễ bị oxy hóa của Biodiesel, làm hư hại nhanh các vòng đệm cao su do sự không tương tích của Biodiesel với chất liệu làm vòng đệm [17]

+ Nhiệt độ đông đặc của Biodiesel phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất nhưng nói chung là cao hơn nhiều so với dầu diesel Điều này ảnh hưởng rất lớn đến việc sử dụng Biodiesel ở những vùng có thời tiết lạnh [17]

+ Không nên sử dụng B20 sau 6 tháng bảo quản trong khi hạn sử dụng của dầu diesel có thể đến 5 năm [17]

1.2.5 Phương pháp tổng hợp Biodiesel

1.2.5.1 Vi nhũ tương

Quy trình vi nhũ tương: Nghiên cứu [18] đã giải thích quy trình sản xuất Biodiesel vi nhũ tương là dầu động – thực vật hoặc mỡ được hòa tan trong dung môi (sử dụng các dung môi methanol, ethanol và buthanol) và chất hoạt động bề mặt cho đến khi đạt được độ nhớt cần thiết [18]

Nhược điểm của quá trình này là: độ nhớt cao, độ ổn định thấp, khả năng dính, quá

trình đốt cháy không hoàn toàn và lắng đọng carbon [18]

1.2.5.2 Nhiệt phân

Nhiệt phân có nghĩa là dầu thực vật hoặc động vật tách ra bằng cách sử dụng nhiệt độ cao cho đến khi nó bị phân hủy [18] Phương pháp nhiệt phân sẽ tạo thành hợp chất có mạch ngắn hơn, do đó độ nhớt sẽ giảm đi Xúc tác tiêu biểu sử dụng cho quá trình nhiệt phân là SiO2 và Al2O3 [19]

Nhược điểm là thiết bị sử dụng trong quá trình nhiệt phân rất đắt [19]

1.2.5.3 Cracking xúc tác dầu thực vật

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 20 MSSV: 3140320031

Quá trình cracking sẽ bẻ gãy các liên kết hóa học trong phân tử dầu để tạo các phân tử

có mạch ngắn hơn, phân tử lượng nhỏ hơn Phương pháp này có thể tạo ra các alkane, cycloalkane, alkylbenzene,….Tuy nhiên việc đầu tư cho một dây chuyền cracking xúc tác rất tốn kém nên ít sử dụng [20]

1.2.5.4 Transester hóa

Transesterification: Đây là phương pháp phổ biến nhất và thông thường được sử dụng trong sản xuất công nghiệp Biodiesel Trong phản ứng này, dầu thực vật hoặc dầu động vật được thủy phân bằng chất xúc tác kiềm như NaOH hoặc KOH, trong quá trình này xúc tác kiềm để tăng tốc độ phản ứng, tăng khối lượng sản phẩm và tăng hiệu suất thu được sản phẩm cuối cùng Quá trình chuyển hóa chất béo trung tính và methanol cùng với sự trợ giúp của xúc tác tạo ra ester metyl (Biodiesel) và glycerol Sau đó, glycerol lắng xuống, phân chia thành 2 lớp Phương pháp này thường được sử dụng để giảm thiểu độ nhớt cao của chất béo trung tính [21]

Transesterification là một phản ứng thuận nghịch Trong quá trình này, một mol triglycerid phản ứng với ba mol rượu để tạo ra ba mol ester mono-alkyl và một mol glycerol Vì có dư rượu nên phản ứng thuận là phản ứng bậc 1 và phản ứng nghịch là phản ứng bậc 2 [18]

Triglycerides + 3 Monohydric alcohol ⇌ Glycerin + 3 Mono-alkyl esters

Hầu hết các quy trình công nghiệp đều sử dụng chất xúc tác kiềm và methanol Ở hầu hết các quốc gia, methanol có sẵn nhiều hơn ethanol Quá trình transester hóa làm giảm trọng lượng phân tử xuống còn khoảng 1/3 so với chất béo trung tính, đồng thời làm giảm

độ nhớt và cải thiện độ bay hơi [14]

Quá trình transester hóa triglycerid diễn ra nhanh và độ chuyển hóa cao dễ dàng đạt được ở nhiệt độ từ 40 đến 65℃ Ngoài ra, xúc tác kiềm ít ăn mòn hơn các hợp chất acid Các quá trình kiềm thường được xúc tác bởi Sodium alkoxide, Sodium hydroxide Potassium cũng như Sodium hoặc Potassium carbonate Chất xúc tác alkoxide đắt hơn hydroxide kim loại Chúng khó thao tác hơn vì chúng rất hút ẩm và chỉ có ion hydroxide là tạp chất Sự hình thành xà phòng cũng có thể tránh được bằng cách sử dụng chất xúc tác acid Các acid xúc tác quá trình ester hóa acid béo tự do để tạo ra ester acid béo, làm tăng sản lượng Biodiesel Tuy nhiên, phản ứng ester hóa chéo được xúc tác bằng acid diễn ra chậm hơn nhiều so với phản ứng được xúc tác bằng kiềm và cũng cần các điều kiện nhiệt

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 21 MSSV: 3140320031

độ và áp suất khắc nghiệt hơn Chất xúc tác kiềm luôn có độ chuyển hóa cao hơn các xúc tác khác [14]

1.2.6 Nguồn nguyên liệu sản xuất Biodiesel

Nguồn sản xuất Biodiesel được lựa chọn tùy theo khả năng sẵn có của từng vùng hoặc quốc gia Bất kỳ nguồn acid béo nào cũng có thể được sử dụng để điều chế dầu Biodiesel Chẳng hạn, dùng nguyên liệu từ thực vật như dầu hạt cải, dầu hạt hướng dương, dầu đậu nành, dầu cọ, và mỡ động vật thì giá của các sản phẩm Biodiesel thương mại rất cao so với diesel truyền thống Do chi phí cao của nguyên liệu thô, ước tính chiếm 70-80% giá thành của Biodiesel [14] Dầu ăn thải, rẻ hơn nhiều so với dầu thực vật nguyên chất, là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho dầu thực vật để sản xuất dầu Biodiesel [6] Hơn thế nữa việc sử dụng các loại dầu thực vật làm giảm diện tích đất canh tác của cây nông nghiệp truyền thống, ảnh hưởng đáng kể đến vấn đề an ninh lương thực, giá thực phẩm tăng cao

và nguy cơ thiếu các loại dầu ăn được [4] Vì giá dầu thực vật ăn được cao hơn giá nhiên liệu diesel, nên dầu thực vật thải và dầu thực vật thô không ăn được được ưu tiên làm nguồn Biodiesel tiềm năng giá thấp Sản phẩm này có thành phần tương đương, tương tự

về hiệu suất động cơ và lượng khí thải, đồng thời được dự đoán là sản xuất tiết kiệm hơn

so với dầu Biodiesel từ dầu đậu nành tinh chế [14]

1.3 Tổng quan về dầu ăn thải

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 22 MSSV: 3140320031

Phản ứng nhiệt phân xảy ra khi không có oxy ở nhiệt độ rất cao Nếu chất béo trung tính chứa acid béo bão hòa được đun nóng ở nhiệt độ rất cao (180℃) trong điều kiện không có oxy, thì chúng tạo ra một loạt alkane thông thường, alkene, acid béo bậc thấp, ceton đối xứng, ester oxopropyl, CO và CO2 Các acid béo không bão hòa về cơ bản tạo thành các hợp chất dimeric, bao gồm dehydrodimer, dimer bão hòa và các hợp chất đa vòng [6]

Phản ứng oxy hóa: Acid béo không bão hòa có thể phản ứng với oxy phân tử thông qua cơ chế gốc tự do, Hydroperoxide được tạo thành như một sản phẩm chính trong quá trình phản ứng có thể tạo thành nhiều hợp chất khác, chẳng hạn như hydroperoxide đồng phân có chứa các nhóm diene liên hợp Hydroperoxide cũng tạo ra nhiều hóa chất có sự thay đổi đáng kể về trọng lượng phân tử, ngưỡng hương vị và ý nghĩa sinh học Gốc alkoxy được hình thành thông qua sự phân cắt liên kết OO của hydroperoxide Gốc alkoxy này có thể thu được hoặc mất đi (các) nguyên tử H để tạo thành các dẫn xuất hydroxy hoặc keto tương ứng Các hóa chất khác nhau như aldehyde, hydrocarbon, semialdehyde và acid được hình thành bằng cách phân hủy các gốc alkoxy Khi có lượng oxy dư thừa, các gốc alkoxy và peroxy có thể được chuyển hóa thành các hợp chất dimeric và oligomeric [6] Phản ứng thủy phân: Hơi nước tạo ra trong quá trình chế biến thực phẩm gây ra quá trình thủy phân chất béo trung tính, dẫn đến sự hình thành FFA, glycerol, monoglyceride

và diglyceride Sự thay đổi thành phần dầu do phản ứng thủy phân có thể được định lượng bằng cách đo hàm lượng monoglyc-eride và diglyceride chứ không phải hàm lượng FFA của dầu, vì một số FFA bị mất trong quá trình chiên [6]

1.3.2 Lợi ích của việc tái chế dầu ăn thải

Việc tái chế WCO nhằm tổng hợp Biodiesel có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong vấn

đề bảo vệ môi trường, đồng thời hướng tới việc bổ sung vào nguồn năng lượng dầu mỏ ngày càng cạn kiệt do khai thác quá mức [22]

Biodiesel là 'nhiên liệu tái tạo thân thiện với môi trường' vì nó không thải thêm khí carbon dioxide vào môi trường, không giống như nhiên liệu hóa thạch Sự chuyển đổi chất béo trung tính tinh khiết thành metyl ester của acid béo cao Thời gian phản ứng tương đối

ngắn; WCO là nguyên liệu đầu vào lý tưởng để sản xuất dầu Biodiesel [18]

Ưu điểm của việc sử dụng WCO để sản xuất Biodiesel là tiết kiệm chi phí và ngăn ngừa ô nhiễm môi trường, nếu chúng ta tái sử dụng nhiều hơn một lần dầu ăn phế thải đã

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 23 MSSV: 3140320031

chiên, nó có thể trở thành enzyme gây ung thư Vì thế, WCO cũng có thể được tận dụng bằng cách chuyển đổi thành dầu Biodiesel [18]

Nói chung, nếu dầu thải chưa được xử lý, nó sẽ gây ra nhiều vấn đề như ô nhiễm nước

và đất, mối lo ngại về sức khỏe con người và sự xáo trộn đối với hệ sinh thái lưỡng cư Anastasia Kharina và cộng sự nghiên cứu những tác động bất lợi của việc tiêu thụ dầu ăn

đã qua sử dụng Nhiều chất độc hại dễ dàng hấp thụ vào thực phẩm khi chúng ta sử dụng dầu thải nhiều chất độc hại dễ dàng hấp thụ vào thực phẩm khi chúng ta và là nguyên nhân sâu xa gây ra nhiều căn bệnh nguy hiểm như: đột quỵ, Alzheimer, Parkinson, Huntington’s Hơn nữa, nếu chúng ta tiêu thụ dầu ăn đã qua sử dụng có thể làm tăng LDL (“cholesterol xấu”) và giảm HDL (“cholesterol “tốt”) [18]

1.4 Giới thiệu về xúc tác

1.4.1 Bentonite

1.4.1.1 Định nghĩa

Thuật ngữ "Bentonite" là mơ hồ Theo định nghĩa của các nhà địa chất, nó là một loại

đá được hình thành từ đất sét, có thành phần chủ yếu là montmorillonite, một loại khoáng sét thuộc nhóm smectite, và được tạo ra bằng quá trình thủy hóa tại chỗ tro núi lửa (Parker, 1988) Do đó, nó là một hỗn hợp các khoáng chất Không có công thức "phân tử" nào có thể được đưa ra [23]

Sét lớp (smectite) có cấu trúc 2:1, gồm hai mạng tứ diện của SiO4 liên kết với một mạng bát diện ở giữa AlO6, được biểu diễn như hình Trong quá trình phong hóa lâu dài, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm , thành phần hóa học của bentonit bị biến đổi theo từng niên đại, địa phương Bentonit là tên đại diện cho một số sét lớp 2:1 có thành phần hóa học khác nhau montmorillonit (MMT), beidellit (BEI), nontronit (NONT) [24]

Bentonite được đặt tên theo Fort Benton (Wyoming, Mỹ), địa phương nơi nó được tìm thấy lần đầu tiên Ngoài montmorillonite, Bentonite còn có thể chứa fenspat, biotit, kaolinite, illit, cristobalite, pyroxene, zircon và thạch anh kết tinh Bằng cách mở rộng, thuật ngữ Bentonite được áp dụng thương mại cho bất kỳ loại đất sét dẻo, keo và trương nở nào bất kể nguồn gốc địa chất của nó [23]

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 24 MSSV: 3140320031

Dưới đây là hình mô phỏng cấu tạo của Bentonite

Hình 1.1 Mô phỏng cấu tạo của Bentonite

1.4.1.2 Phân loại

Bentonite bao gồm chủ yếu là nhóm khoáng chất smectite Phổ biến nhất là montmorillonite sodium và calcium Hectorite, bei-dellite và nontronite rất hiếm Nontronite xuất hiện chủ yếu ở đất giàu sắt Volkonskoite và sauconite cực kỳ hiếm Beidellite là montmorillonite nhôm và cũng tương đối hiếm khi xuất hiện [25]

Calcium montmorillonite (Ca Bentonite) là loại khoáng vật smectite chiếm ưu thế nhất

và được tìm thấy ở nhiều nơi trên thế giới [25]

Sodium montmorillonite (Na Bentonite) tương đối hiếm khi so sánh với calcium montmorillonite [25]

Calcium bentonite có độ bền xanh cao hơn, độ bền khô thấp hơn, độ bền nóng thấp hơn và khả năng chảy tốt hơn Sodium bentonite [25]

1.4.1.3 Tính chất

Khoáng vật smectite xuất hiện dưới dạng các hạt cực kỳ mịn cỡ 0,5 mm hoặc nhỏ hơn Các cation có thể trao đổi như sodium, calcium và magie xảy ra giữa các lớp silicat, liên kết với các phân tử nước Các nguyên tố này có thể trao đổi được và tính chất của khả năng trao đổi được đo bằng mili đương lượng trên 100 gam Tính chất trao đổi ion và phản ứng trao đổi rất quan trọng trong nhiều ứng dụng sử dụng khoáng chất smectit [25]

Khả năng hấp thụ cao, trương nở cao, độ nhớt cao, thixotropic Màu sắc của smectite

có thể thay đổi từ màu nâu vàng đến nâu đến xanh nâu hoặc xanh lam, xanh olive, xanh xám và hiếm khi có màu trắng [25]

Đối với Sodium montmorillonite, các đặc tính quan trọng liên quan đến việc sử dụng chúng là độ nhớt, khả năng trương nở, tính thixotropy, bánh lọc không thấm nước và khả năng phân tán [25]

Sodium bentonite được ghi nhận là đất sét có độ trương nở cao và calcium bentonite như đất sét có độ trương nở thấp [25]

1.4.1.4 Ứng dụng

Dung dịch khoan Na-bentonite đã được sử dụng trong dung dịch khoan dầu và thăm

dò khí đốt từ những năm 1920 Ngoài ra, nó được sử dụng trong tương đối mới kỹ thuật khoan định hướng ngang để đặt tiện ích cáp và đường ống dưới các tòa nhà, đường phố, đường cao tốc, và các khu vực nhạy cảm với môi trường mà không cần đào rãnh bề mặt tốn kém và phức tạp Những chất lỏng này đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng khoan vì về khả năng bôi trơn ống khoan và đầu cắt Bentonite trong chất lỏng còn có chức năng hạn chế sự thất thoát chất lỏng vào đất, đá xung quanh lỗ khoan [26]

Cát đúc bao gồm cát silic và bentonite để tạo hình kim loại trong quá trình đúc Bentonite được sử dụng để cung cấp cường độ liên kết và độ dẻo của hỗn hợp cát-sét Tạo hạt quặng sắt Sodium bentonite được sử dụng để tạo viên quặng sắt Sodium bentonite chiếm khoảng 0,5% khối lượng quặng dạng viên Lý do mà Sodium bentonite là loại đất sét được ưa thích để tạo viên là do độ bền khô vượt trội và tỷ lệ cần thiết để liên kết viên thấp [25]

Cát vệ sinh cho mèo calcium bentonite được sử dụng vì độ hấp thụ cao Bentonite calcium được sấy khô, nghiền nát và định cỡ thành sản phẩm dạng hạt để sử dụng làm chất độn hộp vệ sinh Loại cát này được tạo ra bằng cách trộn bentonite Sodium có độ trương nở cao với các hạt bentonite calcium Khi chất thải của mèo chạm vào hỗn hợp hạt này,

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 26 MSSV: 3140320031

Sodium bentonite phồng lên và tạo thành một khối cứng, dễ dàng lấy ra khỏi khay vệ sinh Điều này giúp tiết kiệm việc đổ rác và cũng giảm mùi hôi[25]

Chất hấp thụ, calcium bentonite là loại đất sét có khả năng hấp thụ rất tốt Điều này là

do điện tích bề mặt và diện tích bề mặt của chúng Nhiều bentonite calcium sẽ hấp thụ tới 100% trọng lượng khô của nước và lên tới khoảng 80% trọng lượng dầu Hầu hết các bentonite calcium được bán trên thị trường để sử dụng làm chất hấp thụ đều được sản xuất

ở dạng hạt [25]

Ngoài một số ứng dụng điển hình được nêu trên, Bentonite còn có thể làm: chất kết dính, thức ăn chăn nuôi, chất xúc tác, xi măng, sơn, gốm sứ, mỹ phẩm,…[26]

1.4.2 Cơ chế, ưu điểm của NaOH/ Bentonite

Chất xúc tác NaOH/ Bentonite trong sản xuất dầu Biodiesel từ WCO xác định các điều kiện lý tưởng cho sản xuất Mặc dù giá cả phải chăng và có thể tiếp cận rộng rãi nhưng rất

ít nghiên cứu được thực hiện về việc sử dụng đất sét Bentonite làm chất hỗ trợ xúc tác trong quá trình tổng hợp dầu Biodiesel Chất xúc tác này, bao gồm Bentonite và Sodium hydroxide, ổn định và được một số nhà nghiên cứu sử dụng nhưng không chọn lọc chất xúc tác như trong nghiên cứu này Để thu được nhiều dầu Biodiesel nhất trong thời gian ngắn nhất, người ta đã sử dụng chất xúc tác không đồng nhất được hỗ trợ bởi Bentonite [5]

1.5 Phương pháp tổng hợp Biodiesel từ WCO

Có nhiều phương pháp để tổng hợp Biodiesel như: nhiệt phân, cracking xúc tác dầu thực vật, vi nhũ tương,…Nhưng em chọn phương pháp transester hóa vì đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, cho kết quả nhanh và chi phí thấp

Nó là phương pháp phổ biến nhất và thông thường được sử dụng trong sản xuất công nghiệp Biodiesel [27] Hiệu suất của Biodiesel trong quá trình chuyển hóa bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố bao gồm: xúc tác, nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, tỷ lệ mol của rượu/ dầu [28]

1.5.1 Ảnh hưởng của xúc tác

Các chất xúc tác kiềm đồng nhất được ưa thích hơn và thường được sử dụng vì phản ứng transester hóa sử dụng đối tác acid của nó có tốc độ chậm hơn Các chất xúc tác cơ bản phổ biến nhất là Potassium hydroxide (KOH), Potassium methoxide (KOCH3), Sodium hydroxide (NaOH, Sodium methoxide (NaOCH3) và Sodium ethoxide (NaOCH2CH3) Các chất xúc tác này thường được sử dụng vì một số ưu điểm như có thể xúc tác phản ứng ở

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 27 MSSV: 3140320031

nhiệt độ phản ứng thấp và áp suất khí quyển, chuyển đổi cao trong thời gian ngắn hơn và

có sẵn về mặt kinh tế Sodium methoxide (NaOCH3) và Potassium methoxide (KOCH3) là chất xúc tác tốt hơn Sodium hydroxide (NaOH) và Potassium hydroxide (KOH) do khả năng phân ly thành CH3O− và Na+ và CH3O− và K+ tương ứng khi so sánh năng suất Biodiesel Chất xúc tác kiềm được sử dụng phổ biến hơn trong sản xuất Biodiesel thương mại vì nó không tạo thành nước trong phản ứng transester hóa NaOH và KOH là chất xúc tác cơ bản đồng nhất phổ biến nhất trong sản xuất Biodiesel [5]

Nồng độ chất xúc tác có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của sản phẩm diesel sinh học Tuy nhiên, khi trộn Sodium hydroxide với methanol sẽ tạo ra một lượng nhỏ nước, điều này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất sản phẩm do phản ứng thủy phân Đây là lý do tại sao chất xúc tác phải được thêm vào methanol trước rồi mới trộn với dầu Khi nồng độ chất xúc tác tăng thì độ chuyển hóa triglycerid và hiệu suất sản xuất dầu diesel sinh học cũng tăng [27] Bên cạnh đó, hàm lượng xúc tác cũng ảnh hưởng đến năng suất chuyển hóa Theo nghiên cứu [29], lượng xúc tác cũng được kiểm tra về năng suất FAME Cụ thể khi tăng hàm lượng KOH từ 0,5% lên 1%, hiệu suất FAME được nâng cao (từ 71% lên 86%) Xảy

ra điều này là do khi ta tăng lượng chất xúc tác thì số tâm hoạt động của xúc tác tăng nên thúc đẩy quá trình phản ứng tăng lên và làm cho hiệu suất của phản ứng cũng tăng lên [29]

1.5.2 Nhiệt độ phản ứng

Nhiệt độ phản ứng cao sẽ làm tăng tốc độ phản ứng và rút ngắn thời gian phản ứng do

độ nhớt của dầu giảm Việc tăng nhiệt độ phản ứng vượt quá mức tối ưu sẽ dẫn đến giảm hiệu suất diesel sinh học, vì nhiệt độ phản ứng cao hơn sẽ đẩy nhanh quá trình xà phòng hóa chất béo trung tính và khiến methanol bay hơi dẫn đến hiệu suất giảm Thông thường, nhiệt độ phản ứng transester hóa phải thấp hơn nhiệt độ sôi của rượu để ngăn chặn sự bay hơi của rượu Vì vậy, nhiệt độ phản ứng gần điểm sôi của rượu được nhiều tài liệu khuyến nghị để chuyển đổi nhanh hơn Ở nhiệt độ phòng, khả năng chuyển đổi lên tới 78% sau 60 phút và điều này cho thấy quá trình ester hóa metyl của FFA có thể được thực hiện đáng kể

ở nhiệt độ phòng nhưng có thể cần thời gian phản ứng lâu hơn Nhiệt độ làm tăng năng lượng của các phân tử phản ứng và cũng cải thiện khả năng trộn lẫn của môi trường phân cực cồn thành pha dầu không phân cực, dẫn đến phản ứng nhanh hơn nhiều [28]

1.5.3 Thời gian phản ứng

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 28 MSSV: 3140320031

Sự gia tăng chuyển hóa ester của acid béo được quan sát thấy khi thời gian phản ứng tăng lên Phản ứng ban đầu diễn ra chậm do sự trộn và phân tán của rượu và dầu Sau đó phản ứng diễn ra rất nhanh Tuy nhiên, sự chuyển hóa ester tối đa đã đạt được trong vòng <

90 phút Việc tăng thêm thời gian phản ứng không làm tăng hiệu suất sản phẩm tức là diesel sinh học/ester alkyl mono Ngoài ra, thời gian phản ứng dài hơn dẫn đến giảm sản phẩm cuối cùng (diesel sinh học) do phản ứng thuận nghịch của quá trình ester hóa chéo

dẫn đến mất ester cũng như hình thành xà phòng [28]

1.5.4 Tỷ lệ Methanol/ Dầu

Phản ứng transester hóa là thuận nghịch Vì vậy, cần có lượng cồn dư để chuyển phản ứng theo hướng thuận Vì vậy, tỷ lệ rượu/ dầu là một trong những yếu tố quan trọng nhất [30]

Nồng độ Methanol tăng thêm làm giảm năng suất FAME Tỷ lệ Methanol/ dầu cao hơn có thể ảnh hưởng đến độ hòa tan của glycerin và kết quả là, năng suất FAME giảm [29]

Sử dụng methanol để sản xuất diesel sinh học vì tính sẵn có rộng rãi, chi phí thấp hơn ethanol, và khả năng phản ứng cao so với ethanol, giúp giảm thiểu thời gian phản ứng [30]

1.6 Các phương pháp đo

1.6.1 Quang phổ hồng ngoại [31]

Phổ hồng ngoại (hay quang phổ hồng ngoại) là phép đo sự tương tác của bức xạ hồng ngoại với vật chất bằng hiện tượng hấp thụ, phát xạ hoặc phản xạ Phổ IR được sử dụng để nghiên cứu và xác định hóa chất hoặc nhóm chức ở dạng rắn, lỏng hoặc khí Phổ IR còn dùng để mô tả các đặc tính của vật liệu mới hoặc xác định, xác minh các mẫu đã biết và chưa biết

Phương pháp hoặc kỹ thuật phổ hồng ngoại được thực hiện bằng một dụng cụ gọi

là máy phổ hồng ngoại (hoặc máy đo quang phổ) Phổ hồng ngoại có thể được hiển thị dưới dạng biểu đồ có trục tung là độ hấp thụ quang (hoặc độ truyền quang) cho bức xạ hồng ngoại và trục hoành là tần số, số sóng hoặc bước sóng Đơn vị điển hình của số sóng trong phổ IR là cm−1 Đơn vị của bước sóng phổ IR thường được tính bằng micromet, ký hiệu μm, có mối tương quan nghịch đảo đến số sóng Một dụng cụ thí nghiệm phổ biến sử dụng kỹ thuật này là máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT – IR)

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 29 MSSV: 3140320031

1.6.2 Sắc kí khí khối phổ

Sắc ký khí-khối phổ (GC – MS) là một phương pháp phân tích kết hợp các tính năng của sắc ký khí và khối phổ để xác định các chất khác nhau trong mẫu thử, có thể xác định các nguyên tố vi lượng trong các vật liệu, cho phép phân tích và phát hiện ngay cả một lượng nhỏ của một chất,cho phép phân tích và phát hiện ngay cả một lượng nhỏ của một chất [32]

1.6.3 Tia nhiễu xạ X (XRD)

Kỹ thuật nhiễu xạ tia X (thường viết gọn là nhiễu xạ tia X) được sử dụng để phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu Xét về bản chất vật lý, nhiễu xạ tia X cũng gần giống với nhiễu xạ điện tử, sự khác nhau trong tính chất phổ nhiễu xạ là do sự khác nhau về

tương tác giữa tia X với nguyên tử và sự tương tác giữa điện tử và nguyên tử [33]

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 30 MSSV: 3140320031

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ, thiết bị

2.1.1 Nguyên liệu

Dầu ăn thải thu nhận từ tiệm cơm đường Nguyễn Hoàng, quận Hải Châu, thành phố

Đà Nẵng Dầu sử dụng cho quá trình tổng hợp phải phù hợp điều kiện: FFA ≤ 3%

Bentonite thương mại thu nhận từ công ty xây dựng

2.1.2 Hóa chất

Dưới đây là bảng các hóa chất sử dụng trong quá trình làm việc, bao gồm các thông tin

về tên hóa chất, công thức hóa học, lưu ý khi sử dụng được trình bày ở Bảng 1 dưới đây

Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng cho quá trình thí nghiệm

NaOH Tính nhờn, làm bục vải, giấy,

ăn mòn da, tỏa nhiệt

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 31 MSSV: 3140320031

Dưới đây là bảng tất cả các thiết bị, dụng cụ sử dụng trong quá trình thí nghiệm được trình bày ở Bảng 2.2 sau đây:

Bảng 2.2 Dụng cụ, thiết bị sử dụng trong quá trình thí nghiệm

3 Bình tam giác có nút mài,

20 Sắc ký khối phổ GC – MS Agilent 7683B Autosampler

21 Thiết bị đo XRD Bruker Eco

D8 advance

Điện áp 40 kV, cường độ dòng điện 25 mA, tia X Cu K∝, bước sóng λ = 1,5418 Å, phạm vi góc 2θ = 5-80°

Nguyễn Phạm Phúc Nguyên 32 MSSV: 3140320031

Dưới đây là các thiết bị sử dụng để phân tích mẫu:

Hình 2.1 Thiết bị đo GC - MS

Hình 2.2 Thiết bị đo phổ FT - IR