Định nghĩa Biodiesel còn được gọi Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật.. -
Trang 1LỜI MỞ ĐẦU
Biodiesel, hay còn gọi là “diesel sinh học”, là loại nhiên liệu sản xuất từ dầu thực vật, mỡ động vật và dầu ăn Thông qua việc chuyển đổi este này dầu diesel sinh học có độ nhớt ít hơn dầu thực vật rất nhiều và có thể được dùng làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel mà không cần phải cải biến động cơ để phù hợp
Trên thực tế, người ta đã và đang nghiên cứu gần như tất cả những nguồn dầu,
mỡ có thể sử dụng để sản xuất Biodiesel Việc lựa chọn loại dầu thực vật hoặc mỡ động vật nào phụ thuộc vào nguồn tài nguyên sẵn có và điều kiện khí hậu cụ thể của từng vùng
Trong bối cảnh thị trường dầu mỏ biến động và ô nhiễm môi trường tăng cao, việc nghiên cứu thành công và đưa vào sử dụng nhiên liệu biodiesel từ nguyên liệu tái sinh có tác dụng giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một hướng đi tốt cho bài toán sử dụng nhiên liệu trong tương lai
Bài tiểu luận của nhóm chúng em giới thiệu tổng quan về biodiesel và các nguyên liệu để chế biến biodiesel
Trang 21 Giới thiệu về Biodiese
1.1 Định nghĩa
Biodiesel còn được gọi Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật Biodiesel, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng sạch Mặt khác chúng không độc và dễ phân giải trong tự nhiên
- Bản chất của Biodiesel là sản phẩm Ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và acid béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật
- Tùy thuộc vào loại dầu và loại rượu sử dụng mà alkyl Ester có tên khác nhau:
* Nếu đi từ dầu cây đậu nành (soybean) và Methanol thì ta thu được SME (soy methyl Esters) Đây là loại Esters thông dụng nhất được sử dụng tại Mỹ
* Nếu đi từ dầu cây cải dầu (rapeseed) và Methanol thì ta thu được RME (rapeseed methyl Esters) Đây là loại Esters thông dụng nhất được sử dụng ở châu Âu
- Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel được định nghĩa: “là các mono alkyl Ester của các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo lại như:dầu thực vật, mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel”
1.2 Lịch sử hình thành và phát triển
- Biodiesel bắt đầu được sản xuất khoảng giữa năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerol ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là methyl hoặc ethyl Ester gọi chung là biodiessel
10/08/1893 lần đầu tiên Rudolf Diesel đã sử dụng Biodiesel do ông sáng chế để chạy máy Năm 1912, ông đã dự báo: “Hiện nay, việc dùng dầu thực vật cho nhiên liệu động cơ có thể không quan trọng, nhưng trong tương lai, những loại dầu như thế chắc chắn sẽ có giá trị không thua gì các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ và than đá”.Trong bối cảnh nguồn tài nguyên dầu mỏ đang cạn kiệt và những tác động xấu lên môi trường của việc sử dụng nhiên liệu, nhiên liệu tái sinh sạch trong đó có Biodiesel đang ngày càng khẳng định vị trí là nguồn nhiên liệu thay thế khả thi Để tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của Biodiesel, Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng năm bắt đầu từ năm 2002 làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International Biodiesel Day)
- 1900 tại Hội chợ thế giới tổ chức tại Pari, Diesel đã biểu diễn động cơ dùng dầu Biodiesel chế biến từ dầu Phụng (lạc)
Trang 3- 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)
2 Ưu nhược điểm của nhiên liệu Biodiesel
Ngoại trừ năng lượng thuỷ điện và năng lượng hạt nhân, phần lớn năng lượng trên thế giới đều tiêu tốn nguồn dầu mỏ, than đá và khí tự nhiên Tất cả các nguồn này đều có hạn và với tốc độ sử dụng chúng như hiện nay thì sẽ bị cạn kiệt hoàn toàn vào cuối thế kỷ 21 Sự cạn kiệt của nguồn dầu mỏ thế giới và sự quan tâm về môi trường ngày càng tăng đã dẫn đến sự nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng có nguồn gốc dầu mỏ Biodiesel là một sự thay thế đầy tiềm năng cho diesel dựa vào những tính chất tương tự và những ưu điểm vượt trội của nó
2.1 Ưu Điểm
2.1.1 Về mặt môi trường.
– Giảm lượng phát thải khí CO2, do đó giảm được lượng khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính
– Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh (<0,001% so với đến 0,2% trong dầu Diesel)
– Hàm lượng các hợp chất khác trong khói thải như: CO, SOX, HC chưa cháy, bồ hóng giảm đi đáng kể nên có lợi rất lớn đến môi trường và sức khoẻ con người
– Không chứa HC thơm nên không gây ung thư
– Có khả năng tự phân huỷ và không độc (phân huỷ nhanh hơn Diesel 4 lần, phân huỷ từ 85 ¸ 88% trong nước sau 28 ngày)
– Giảm ô nhiễm môi trường nước và đất
– Giảm sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ
2.1.2 Về mặt kỹ thuật
– Có chỉ số cetan cao hơn Diesel
– Biodisel rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào
– Biodiesel có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàntrong tồn chứa và sử dụng
– Biodiesel có tính bôi trơn tốt Ngày nay để hạn chế lượng SOx thải ra không khí, người ta hạn chế tối đa lượng S trong dầu Diesel Nhưng chính những hợp chất lưu huỳnh lại là những tác nhân giảm ma sát của dầu
Trang 4Diesel Do vậy dầu Diesel có tính bôi trơn không tốt và đòi hỏi việc sử dụng thêm các chất phụ gia để tăng tính bôi trơn Trong thành phần của Biodiesel
có chứa Oxi Cũng giống như S, O có tác dụng giảm ma sát Cho nên Biodiesel có tính bôi trơn tốt
– Do có tính năng tượng tự như dầu Diesel nên nhìn chung khi sử dụng không cần cải thiện bất kì chi tiết nào của động cơ (riêng đối với các hệ thống ống dẫn, bồn chứa làm bằng nhựa ta phải thay bằng vật liệu kim loại)
2.1.3 Về mặt kinh tế
– Sử dụng nhiên liệu Biodiesel ngoài vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường nó còn thúc đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn có của ngành nông nghiệp như dầu phế thải, mỡ động vật, các loại dầu khác ít có giá trị sử dụng trong thực phẩm
– Đồng thời đa dạng hoá nền nông nghiệp va tăng thu nhập ở vùng miền nông thôn
Hạn chế nhập khẩu nhiên liệu Diesel, góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ lớn
2.2 Nhược điểm
+ Biodiesel có nhiệt độ đông đặc cao hơn Diesel một ít gây khó khăn cho các nước có nhiệt độ vào mùa đông thấp Tuy nhiên đối với các nước nhiệt đới, như Việt Nam chẳng hạn thì ảnh hưởng này không đáng kể
+ Biodisel có nhiệt trị thấp hơn so với diesel
+ Trở ngại lớn nhất của việc thương mại Biodiesel trước đây là chi phí sản suất cao Do đó làm cho giá thành Biodiesel khá cao, nhưng với sự leo thang giá cả nhiêu liệu như hiện nay thì vấn đề này không còn là rào cản nữa
Hiện nay Biodiesel thường được sản xuất chủ yếu là theo mẻ Đây là điều bất lợi vì năng suất thấp, khó ổn định được chât lượng sản phẩm cũng như các điều kiện của quá trình phản ứng Một phương pháp có thể tránh hoặc tối thiểu khó khăn này là sử dụng quá trình sản xuất liên tục
3 Nguyên liệu sản xuất biodisel
– Đối với khu vực Đông Nam Á, các nước Thái Lan, Inđônêxia, Malaysia cũng
đã đi trước nước ta một bước trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học Như ở Thái Lan, hiện
sử dụng dầu cọ và đang thử nghiệm hạt cây jatropha, cứ 4 kg hạt jatropha ép được 1 lít diesel sinh học tinh khiết 100%, đặc biệt loại hạt này không thể dùng để ép dầu ăn và
có thể mọc trên những vùng đất khô cằn, cho nên giá thành sản xuất sẽ rẻ hơn so với
Trang 5các loại hạt có dầu truyền thống khác Bộ Năng Lượng Thái Lan này cũng đặt mục tiêu, đến 2011, lượng diesel sinh học sẽ đạt 3% (tương đương 2,4 triệu lít/ngày) tổng lượng diesel tiêu thụ trên cả nước và năm 2012, tỷ lệ này sẽ đạt 10% (tương đương 8,5 triệu lít/ngày)
– Indonexia thì ngoài cây cọ dầu, cũng như Thái Lan, Indonesia còn chú ý đến cây có dầu khác là jatropha Indonesia đặt mục tiêu đến năm 2010, nhiên liệu sinh học
sẽ đáp ứng 10% nhu cầu năng lượng trong ngành điện và giao thông vận tải
– Do chi phí cho việc trồng cây nhiên liệu lấy dầu rất thấp, hơn nữa chúng lại rất sẵn trong tự nhiên nên trong tương lai, diesel sinh học có thể được sản xuất ra với chi phí thấp hơn nhiều so với diesel lấy từ dầu mỏ Tuy nhiên bài toán nguyên liệu đặt ra là: “Diesel sinh học cũng có thể làm thay đổi nhu cầu đối với đất nông nghiệp”, Trevor Price, một chuyên gia môi trường tại Đại học Glamorgan (xứ Wales, Anh), nhận định Diesel sinh học có thể giải quyết được bài toán hiệu ứng nhà kính và sự cạn kiệt của nhiên liệu hóa thạch, nhưng dẫu sao nó vẫn cần rất nhiều đất Các cánh rừng nhiệt đới có thể bị đốt để trồng cọ, đậu tương và những cây lấy dầu khác Nhiều quốc gia sẽ phải lựa chọn giữa nhiên liệu và thực phẩm" Vì lý do này mà ở nhiều quốc gia đã sử dụng nguồn nguyên liệu là mỡ các loại động vật ít có giá trị về mặt kinh tế để sản xuất Biodiesel
– Tại An Giang, đề tài nghiên cứu khoa học của ông Hồ Xuân Thiên cùng một số cán bộ kỹ thuật thuộc Công ty Cổ phần Xuất Nhập khẩu Thủy sản An Giang (AGIFISH) nghiên cứu công nghệ sản xuất Bio-Diesel từ mỡ cá tra, cá ba sa hiện đang đưoc áp dụng ở các công ty trong khu vực Đồng Bằng Sông Cữu Long như: công ty AGIFISH, công ty MINH TÚ, và các cở sở sản xuất nhỏ lẻ khác… Nước ta đặt mục tiêu đến năm 2020 ¸ 2025 phải sản xuất được 4,5 ¸ 5 triệu tấn (xăng, diesel pha cồn và Biodiesel), chiếm 20% nhu cầu xăng dầu cả nước
Bảng số liệu
Trang 64 Quá trình chuyển hóa Biodiesel
Ở đây chúng ta đề cập về bản chất biodiesel là sản phẩm ester hóa giữa methanol hoặc ethanol và acid béo tự do trong dầu thực vật hoặc mỡ cá tra
100 kg dầu mỡ + 10 kg methanol -> 100 kg biodiesel + 10 kg glycerol
Phương trình chuyển hóa biodiesel cơ bản như sau:
Trong đó R1, R2, R3 là các acid béo no hoặc không no chứa trong mỡ cá tra, dầu thực vật, các acid hữu cơ chiếm chủ yếu trong dầu mỡ động vật như:
Trang 7Trong đó palmitic acid chứa 16 C, stearic acid có 18 C, oleic acid 18 C và có nối đôi.
Để thực hiện phản ứng chuyển hóa này cần có chất xúc tác như NaOH, hoặc KOH Vai trò của các chất xúc tác này rất quan trọng vì nó phản ứng với Methanol trước để tạo tiền chất cho phản ứng:
– Phản ứng 1: Tạo Alkoxide
– Trong môi trường có nước alkoxide phân ly tạo CH3O- và Na+, CH3O- tiếp tục thực hiện phản ứng tiếp theo
– Phản ứng 2: Tạo Triglyceride amion
– Phản ứng 3: Tạo diglyceride và CH3O- tiếp tục cho các phản ứng dây chuyền tiếp theo để tạo ra monoglyceride, methyl ester và cuối cùng tạo glycerol methyl ester
5 Các phương pháp xử lý dầu thực vật và mỡ động vật để thu nhiên liệu diesel
Việc sử dụng trực tiếp dầu thực vật và mỡ làm nhiên liệu cho động cơ Diesel gặp những khó khăn như quá trình hóa hơi nhiên liệu ở nhiệt độ thấp kém gây trở ngại cho quá trình khởi động, quá trình cháy không hoàn toàn dẫn đến giảm công suất của động
cơ, độ nhớt cao làm nghẽn filter, gây khó khăn cho hệ thống phun nhiên liệu Dầu
Trang 8thực vật và đặc biệt là mỡ động vật có độ nhớt cao gấp khoảng 11 ¸ 17 lần so với nhiên liệu Diesel Để giảm độ nhớt của dầu và mỡ thì có thể sử dụng một trong các phương pháp sau
5.1 Phương pháp sấy nóng
Độ nhớt sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên phương pháp này không hiệu quả
vì để dầu thực vật và mỡ đạt được độ nhớt cần thiết cho nhiên liệu Diesel thì đòi hỏi nhiệt độ khá cao (ví dụ như đối với dầu Canola ở nhiệt độ môi trường thì độ nhớt của
nó gấp 12 lần so với nhiên liệu Diesel, ở nhiệt độ 80oC thì độ nhớt vẫn còn gấp 6 lần
so với nhiên liệu Diesel), hơn nữa hệ thống gia nhiệt cho dầu không thể duy trì mãi khi động cơ không hoạt động điều đó làm cho dầu sẽ bị đông lại đặc biệt là vào mùa đông, trước khi khởi động dầu cần phải được đốt nóng điều đó gây ra những bất tiện cho người lái xe
5.2 Phương pháp pha loãng
Pha loãng dầu hoặc mỡ với nhiên liệu diesel theo tỷ lệ nào đó ta thu được hỗn hợp nhiên liệu mới, hỗn hợp này đồng nhất và bền vững Các tỷ lệ dầu : diesel 1 :10
và 2 : 10 đem lại hiệu quả tốt nhất về độ nhớt và các tính chất ở nhiệt độ thấp của hỗn hợp
5.3 Phương pháp nhũ tương hóa
Phương pháp nhũ tương hóa có thể khắc phục nhược điểm độ nhớt cao của dầu
và mỡ bằng dung môi là rượu Hệ nhũ tương dầu – rượu có những tính chất tương tự với nhiên liệu diesel nhưng nhược điểm là khó duy trì và ổn định hệ nhũ tương này
5.4 Phương pháp cracking
Dầu và mỡ sau khi bị nhiệt phân sẽ tạo thành các hợp chất có mạch ngắn hơn
do đó độ nhớt sẽ giảm đi Xúc tác tiêu biểu sử dụng trong quá trình nhiệt phân là SiO2
và Al2O3 Nhược điểm của phương pháp là thiết bị sử dụng trong quá trình rất đắt
Biodiesel cũng có thể được sản xuất bằng hydrocracking Những quá trình công nghệ mới đang được phát triển mà không tạo ra Glycerol Quá trình này bao gồm các công đoạn: hydrocracking, làm sạch bằng hydro và hydro hoá
Trang 95.5 Phương pháp chuyển hóa Ester
Phản ứng chuyển hóa Ester là phản ứng giữa các acid béo trong dầu và mỡ và rượu tạo thành Ester và Glycerol
Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến hiện nay do sản phẩm thu được có những tính chất tương tự như nhiên liệu diesel, và sản phẩm phụ Glycerol có giá trị sử dụng cao trong công nghiệp mỹ phẩm và dược phẩm
Trang 106 Qui trình sản xuất biodiesel
6.1 Qui trình sản xuất biodiesel
Dầu nguyên liệu, rượu và chất xúc tác được trộn trong lò phản ứng trong thời gian thích hợp (1-2 tiếng) ở nhiệt độ khoảng 60 độ C
Quá trình thu biodiesel có thể liên tục hoặc theo chu kỳ (Đã bàn ở bài trước) Trên thực tế quá trình thường được thực hiện liên tục qua hai giai đoạn (2 lò phản ứng): khoảng 80% lượng rượu và xúc tác được dùng ở lò phản ứng thứ nhất Hỗn hợp phản ứng sau khi tách khỏi pha glixerin được đưa vào lò phản ứng thứ hai để kết thúc phản ứng với lượng rượu và xúc tác còn lại
Glixerin tạo thành được tách ra khỏi pha este ở máy phân ly hoặc máy ly tâm Quá trình tách thường xảy ra dễ dàng vì glixerin hầu như không tan trong este Lượng rượu dư có thể làm chậm quá trình tách vì rượu hòa tan tốt cả glixerin lẫn este Nhưng không thể đuổi lượng rượu dư trước quá trình tách pha vì như thế sẽ dịch chuyển cân bằng về phía tạo ra triglixerit
Este sau khi tách khỏi glixerin được đưa đến khâu trung hòa và qua tháp tách metanol Ở khâu trung hòa người ta dùng axit như HCl, axit xitric để trung hòa lượng xúc tác kiềm dư và lượng xà phòng tạo thành:
Tất cả lượng dư xúc tác, xà phòng, muối, metanol và glixerin tự do được tách khỏi biodiesel bằng quá trình rửa nước Trung hòa bằng axit trước khi rửa nước nhằm giảm tối đa lượng xà phòng và lượng nước rửa cần dùng do đó hạn chế được quá trình tạo nhũ tương (nước trong biodiesel với tác nhân tạo nhũ tương là xà phòng), gây khó khăn cho việc tách nước khỏi biodiesel Biodiesel được làm sạch nước trong tháp bay
Trang 11hơi Nếu sản xuất ở qui mô nhỏ người ta thường dùng các muối khô để hút nước.
Một số nguồn nguyên liệu chứa một lượng lớn axit béo tự do Axit béo tự do phản ứng với xúc tác kiềm sinh ra xà phòng và nước Thực tế cho thấy rằng quá trình thu biodiesel có thể xảy ra bình thường với hàm lượng axit béo tự do thấp hơn 5% Khi
đó, cần dùng thêm xúc tác để trung hòa axit béo tự do Lượng xà phòng tạo ra nằm ở
Khi hàm lượng axit béo tự do lớn hơn 5%, lượng xà phòng tạo ra làm chậm quá trình tách pha este và glixerin, đồng thời tăng mạnh sự tạo nhũ tương trong quá trình rửa nước Để giảm hàm lượng axit béo tự do, trước phản ứng chuyển vị este, người ta dùng xúc tác axit, như H2SO4, chuyển hóa axit béo tự do thành este (phản ứng este hóa)
Vì vậy, hàm lượng axit béo tự do là yếu tố chính trong việc lựa chọn công nghệ cho quá trình sản xuất biodiesel
6.2 Các công đoạn sản xuất biodiesel
+ Công đoạn 1: Mỡ và dầu sau khi đã loại nước
+ Công đoạn 2: Huyền phù sau khi trộn methanol
+ Công đoạn 3: Kết thúc quá trình acid hóa
+ Công đoạn 4: Mỡ tan chảy hoàn toàn
+ Công đoạn 5: Huyền phù sau khi trộn methanoxide
+ Công đoạn 6: Giai đoạn 1 phản ứng tạo glycerol lớp đáy và methyl ester
+ Công đoạn 7: Giai đoạn 2 phản ứng tạo glycerol lớp đáy và methyl ester
+ Công đoạn 8: Hoàn Tất phản ứng lượng glycerol lắng hoàn toàn dưới lớp đáy