Tổng quan về xăng sinh học

1.1 Tổng quan về xăng Xăng là sản phẩm từ dầu mỏ với thành phần cơ bản là các loại hydrocarbon. 1.1.1 Tính chất vật lý Là chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi đặc trưng, nhiệt độ sôi từ 35 – 2000C. Khi cháy phát sáng, thể tích tăng đột ngột và sinh nhiệt. 1.1.2 Thành phần hóa học Thành phần hóa học chính của xăng là các hydrocarbon có số nguyên tử từ C4 – C10, ngoài ra còn có các hydrocarbon nặng hơn như C11, C12, C13. Trong thành phần hóa học của xăng còn chứa một lượng nhỏ các hợp chất phi hydrocarbon của S, N và O. Khi nghiên cứu về thành phần hóa học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn hay sản phẩm của nó người ta thường chia thành hai phần chính là hydrocarbon và phi hydrocarbon. Thành phần hydrocarbon của xăng Họ paraffinic Công thức chung CnH2n+2 tồn tại dưới hai dạng: mạch thẳng (nparafin) và mạch nhánh (iparafin), chủ yếu là gốc metyl Olefin Công thức chung CnH2n được tạo thành từ quá trình cracking. Các olefin cũng gồm hai loại là nparafin và iparafin Họ naphtenic Gồm các hydrocarbon vòng no có công thức CnH2n. Các vòng này thường có 5 hoặc 6 cạnh, có nhánh hoặc không nhánh. Hàm lượng của họ này chiếm một số lượng tương đối lớn, những đồng phân này thường có nhiều nhánh nhưng nhánh lại ngắn, chủ yếu là gốc metyl (CH3) Họ aromatic Các hợp chất này trong xăng chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong ba họ. Thành phần phi hydrocarbon Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocarbon còn có các hợp chất phi hydrocarbon như các hợp chất của O, N, S. Trong các hợp chất này thì người ta quan tâm nhiều đến hợp chất của S do tính ăn mòn và gây ô nhiễm môi trường. S tồn tại chủ yếu ở dạng mercaptan (RSH), hàm lượng của nó phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô chứa ít hay nhiều S và hiệu quả của quá trình xử lý. Các hợp chất của các nguyên tố khác có hàm lượng vết, trong đó N tồn tại ở dạng pyridine còn hợp chất của O thì khá ít và thường ở dạng phenol và đồng đẳng. 1.1.3 Nguồn gốc của xăng Xăng là sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô. Dầu thô được khoan và bơm lên từ lòng đất, là một chất lỏng hơi sệt, màu nâu sẫm, nó là hỗn hợp của rất nhiều loại hydrocarbon có công thức cấu tạo khác nhau. Hợp chất hydrocarbon có từ 1 – 4 C nguyên tử C như methane (CH4), ethane (C2H6), propane (C3H8) và butane (C4H10) là các chất khí ở nhiệt độ thường. Từ 5 – 18 C là các hydrocarbon ở dạng lỏng, nhiều hơn 19 C là các chất rắn ở nhiệt độ thường. Các hydrocarbon có mạch carbon càng dài sẽ có độ sôi càng cao. Dựa vào đặc tính này người ta thiết kế tháp chưng cất để tách các loại hydrocarbon khác nhau ra từng nhóm riêng biệt từ dầu thô. Dầu thô được đun nóng liên tục và các loại hydrocarbon như các chất khí, dung môi hữu cơ, xăng, dầu hỏa, dầu diesel, dầu nhờn, paraffin… được tách ra từ cột tháp chưng cất ở những tầng có nhiệt độ ngưng tụ khác nhau. Nhóm hydrocarbon ở nhiệt độ sôi thấp sẽ được tách ra trước, nằm ở phần cao nhất của tháp chưng cất. Về phía đáy tháp là các hydrocarbon nặng hơn được tách ra Hình 1.1 Các giai đoạn của quá trình chưng cất dầu thô Dầu thô (crude oil) được đun nóng bốc hơi và tách ra theo từng nhóm trong tháp chưng cất phân đoạn (distillation column) ở các khoảng nhiệt độ khác nhau. Cao nhất trong tháp là các chất khí với số nguyên tử C ≤ 4, được tách ra ở nhiệt độ 200C. Nhóm hỗn hợp dung môi (naptha) có số nguyên tử C từ 5 – 8 được tách ra khi đun dầu thô từ 400C 700C. Nhóm hợp hỗn hợp gồm các hydrocarbon có công thức phân tử C7H16 đến C11H24 trộn lẫn vào nhau được gọi là xăng và được dùng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Tiếp theo nhóm xăng là các hydrocarbon thuộc nhóm dầu hỏa (kerosene), công thức cấu tạo của chúng có từ 12 – 15 nguyên tử C. Tiếp theo dầu hỏa, xuống bên dưới của tháp chưng cất là dầu diesel và kế bên dưới dầu diesel là loại dầu nặng hơn dùng để đốt lò sưởi. Tiếp xuống phía dưới là dầu nhờn bôi trơn động cơ hay còn gọi là nhớt máy, nhớt động cơ (lubricating oil). Mạch carbon của nhóm này khá lớn, do vậy mà chúng không thể bốc hơi ở nhiệt độ thường. Khi mạch phân tử dài hơn 20 nguyên tử C, các hydrocarbon ở thể rắn và có tên gọi là paraffin hay sáp. Cuối cùng là nhựa đường hay dầu hắc dùng để trải đường cho xe chạy. Tất cả các sản phẩm trên đều lấy ra từ dầu thô. Các chỉ tiêu chất lượng của xăng Khối lượng riêng và tỷ trọng Khối lượng riêng của xăng là khối lượng của một đơn vị thể tích xăng dầu ở nhiệt độ tiêu chuẩn. Đơn vị là gcm3. Nhiệt độ tiêu chuẩn là 150C hoặc 200C. Tỷ trọng là tỷ số giữa khối lượng riêng của xăng so với khối lượng riêng của nước Thành phần cất Thành phần cất được đặc trưng bởi nhiệt độ sôi dầu, nhiệt độ sôi khi chưng cất được 10%, 50%, 90% và nhiệt độ cuối. Từ đó tính được lượng cặn còn lại theo thể tích ban đầu. Thành phần cất đặc trưng cho tính dễ bay hơi của nhiên liệu lỏng, ảnh hưởng đến tính năng sử dụng và bảo quản xăng dầu Hàm lượng nhựa thực tế: là chất nhựa tính bằng mg có trong 100 mL xăng dầu. Đơn vị: mg100mL. Tính ổn định hóa học Là khả năng giữ vững bản chất hóa học chống lại ảnh hưởng của môi trường xung quanh của xăng. Tính ổn định hóa học của xăng bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố: nhiệt độ, diện tiếp xúc với không khí, độ sạch và khô của vật chứa, mức độ tồn chứa và thời gian chứa. Xăng có hàm lượng keo nhựa càng cao thì có tính ổn định hóa học càng thấp Hàm lượng S Tính bằng % lượng lưu huỳnh và hợp chất của S có trong xăng dầu so với khối lượng của xăng dầu Ăn mòn: là khả năng ăn mòn kim loại và tích tụ cặn bẩn của xăng Trị số octan: Là đại lượng quy ước đặc trưng cho khả năng chống lại sự kích nổ của xăng, tính bằng phần trăm thể tích của isooctan (2,2,4trimetylpentan) trong hỗn hợp của nó với nheptan khi hỗn hợp này có khả năng chống kích nổ tương đương với khả năng chống kích nổ của xăng đang khảo sát. Trong hỗn hợp này isooctan có khả năng chống kích nổ tốt, được quy ước bằng 100, ngược lại nheptan có khả năng chống kích nổ kém và được quy ước bằng 0 Trong trường hợp chỉ số octan lớn hơn 100, để xác định chỉ số octan người ta cho thêm vào xăng tetraethyl chì rồi tiến hành đo. Trị số octan tính theo công thức IO = 100 + 28.28T(1+0.736T+〖(1+1.472T〖0.435216T〗2)〗(12) ) Trong đó T là hàm lượng tetraethyl chì (mL) Các yếu tố liên quan đến động cơ ảnh hưởng đến chỉ số octan gồm: tỷ số nén, hệ số đầy, góc đánh lửa sớm. Ngoài các chỉ tiêu trên, xăng còn có các chỉ tiêu như: hàm lượng tro, hàm lượng nước, hàm lượng acid và kềm tổng Bảng 1.1 Bảng tỷ số nén tương ứng với chỉ số Octan Tỷ số nén Chỉ số Octan 5:1 72 6:1 81 7:1 87 8:1 92 9:1 95 10:1 100 11:1 104 12:1 108 Thông thường các loại xăng có tỷ số Octan cao sử dụng cho những động cơ có tỷ số nén cao. Nếu sử dụng xăng có chỉ số Octan thấp cho các động cơ có tỷ số nén cao sẽ làm ô nhiễm môi trường do thải ra khí độc và nguy hiểm hơn là có thể gây ra hiện tượng cháy nổ. Ngược lại, nếu sử dụng xăng có chỉ số Octan cao cho các loại động cơ có tỷ số nén thấp thì xăng sẽ khó cháy, nếu cháy không hết sẽ tạo thành cặn than gây bẩn máy dẫn đến tình trạng hao hụt xăng, không mang lại lợi ích và không kinh tế. Các chất phụ gia cho thêm vào xăng TetraEthyl Chì (TEL): TEL được cho vào xăng nhằm tăng chỉ số octan của xăng lên một cách đáng kể, tăng tỷ số chịu nén. Tuy nhiên, việc cho chất phụ gia này vào xăng đã gây ra các ảnh hưởng như: Phát thải chì ra môi trường khí, nước gây ô nhiễm chì Tetraethyl chì sau khí ra khỏi buồng đốt tạo một lớp chì bao bọc các kim loại như: Ni, Fe, Mn của bộ xúc tác chuyển đổi khí thải bên trong ống xả, làm vô hiệu hóa nhanh chóng bộ phận này Methyl Tertiary Butyl Ether (MTBE): một hợp chất được tạo ra từ rượu methanol. Chất này được cho vào xăng với hai công dụng: làm tăng chỉ số octane và là chất cung cấp thêm oxy cho phản ứng nổ trong buồng đốt của động cơ. Với đặc tính thứ hai, chất MTBE là chất phụ gia lý tưởng vì giúp đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, tăng công suất máy, giảm lượng hydrocarbon dư đồng thời cũng giảm lượng khí CO thải ra khí quyển. Chất MTBE được bắt đầu cho vào xăng sau khi đạo luật về Khí Quyển Sạch (Clean Air Act) ra đời năm 1990, đã chấm dứt việc sử dụng phụ gia chì. Quy định của đạo luật này cũng chỉ cho phép tỉ lệ của chất này trong xăng là 10 – 15%. Tuy nhiên, MTBE được coi là chất gây ung thư. MTBE tan rất dễ trong nước, nếu xăng có chứa chất này bị dò rỉ ra môi trường, có thể ngấm xuống các mạch nước ngầm làm ô nhiễm các giếng nước. Các loại xăng ở thị trường Việt Nam Xăng mogas 95 (M95): có mùi, màu vàng, được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén trên 9,51, có trị số octan là 95 Xăng mogas 92 (M92): có mùi đặc trưng, màu xanh lá, được sử dụng cho phương tiện có tỉ số nén dưới 9,51, có trị số octan là 92 Xăng mogas 83 (M83): màu nâu sẫm, có mùi, được sử dụng cho các phương tiện có tỷ số nén 8:1 và có chỉ số octan là 83. Hiện nay, xăng này không còn được sử dụng ở Việt Nam do chứa nhiều S và tạp chất nên khi sử dụng sẽ thải ra rất nhiều khí SO2 gây ô nhiễm. Tuy nhiên, xăng mogas 83 còn dùng cho các động cơ có tỷ số nén thấp như máy nổ, máy bơm và các phương tiện sản xuất theo công nghệ cũ của những năm 90. Xăng sinh học E5: sử dụng etanol như một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì. Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng A92 pha 5% ethanol Tác động đến môi trường và sinh vật Độc tính với các loài thủy sinh chủ yếu do các hợp chất thơm no và không no gây ra. Khi xảy ra sự cố tràn dầu, nhiều thành phần bay hơi trong xăng sẽ bay hơi và một phần được hấp thụ vào nước tùy vào điều kiện môi trường xung quanh (nhiệt độ, gió, sự hòa trộn của sóng, loại đất…), sự oxy hóa bởi ánh sáng mặt trời, sự phân hủy sinh học và sự hấp thụ vào các chất rắn lơ lửng. Độ hòa tan trong nước của xăng không chì dựa trên khả năng bay hơi của benzen, toluen, etylbenzen, xylen, naptalen. Ứng dụng của xăng Xăng là loại hàng hóa được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống và các ngành công nghiệp Dùng để thắp sáng và tạo nhiệt, dùng cho các loại động cơ đốt trong kiểu bộ chế hòa khí (động cơ xăng) Dùng làm dung môi cho nhiều ngành công nghiệp đặc biêt là công nghiệp sơn do có khả năng hòa tan nhiều chất hữu cơ Dùng để tẩy rửa vết bẩn bám trên các kim loại, kính, nhựa, vải,…

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP.HCM

KHOA MÔI TRƯỜNG



XĂNG SINH HỌC

GVHD: PGS.TS VŨ CHÍ HẢI HVTH: LÝ TIỂU PHỤNG

Tháng 3 – 2016

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN1.1 Tổng quan về xăng

Xăng là sản phẩm từ dầu mỏ với thành phần cơ bản là các loại hydrocarbon

1.1.1 Tính chất vật lý

Là chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, có mùi đặc trưng, nhiệt độ sôi từ 35 – 2000C.Khi cháy phát sáng, thể tích tăng đột ngột và sinh nhiệt

1.1.2 Thành phần hóa học

Thành phần hóa học chính của xăng là các hydrocarbon có số nguyên tử từ C4 –

C10, ngoài ra còn có các hydrocarbon nặng hơn như C11, C12, C13 Trong thành phầnhóa học của xăng còn chứa một lượng nhỏ các hợp chất phi hydrocarbon của S, N và

O Khi nghiên cứu về thành phần hóa học của dầu mỏ cũng như các phân đoạn haysản phẩm của nó người ta thường chia thành hai phần chính là hydrocarbon và phihydrocarbon

Thành phần hydrocarbon của xăng

là gốc metyl (-CH3)

- Họ aromatic

Các hợp chất này trong xăng chiếm một hàm lượng nhỏ nhất trong ba họ.

Thành phần phi hydrocarbon

Trong xăng, ngoài các hợp chất hydrocarbon còn có các hợp chất phihydrocarbon như các hợp chất của O, N, S Trong các hợp chất này thì người ta quantâm nhiều đến hợp chất của S do tính ăn mòn và gây ô nhiễm môi trường S tồn tạichủ yếu ở dạng mercaptan (RSH), hàm lượng của nó phụ thuộc vào nguồn gốc củadầu thô chứa ít hay nhiều S và hiệu quả của quá trình xử lý Các hợp chất của cácnguyên tố khác có hàm lượng vết, trong đó N tồn tại ở dạng pyridine còn hợp chất của

O thì khá ít và thường ở dạng phenol và đồng đẳng

1.1.3 Nguồn gốc của xăng

Xăng là sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô Dầu thô được khoan vàbơm lên từ lòng đất, là một chất lỏng hơi sệt, màu nâu sẫm, nó là hỗn hợp của rấtnhiều loại hydrocarbon có công thức cấu tạo khác nhau Hợp chất hydrocarbon có từ 1– 4 C nguyên tử C như methane (CH4), ethane (C2H6), propane (C3H8) và butane(C4H10) là các chất khí ở nhiệt độ thường Từ 5 – 18 C là các hydrocarbon ở dạnglỏng, nhiều hơn 19 C là các chất rắn ở nhiệt độ thường Các hydrocarbon có mạchcarbon càng dài sẽ có độ sôi càng cao Dựa vào đặc tính này người ta thiết kế thápchưng cất để tách các loại hydrocarbon khác nhau ra từng nhóm riêng biệt từ dầu thô

Dầu thô được đun nóng liên tục và các loại hydrocarbon như các chất khí, dungmôi hữu cơ, xăng, dầu hỏa, dầu diesel, dầu nhờn, paraffin… được tách ra từ cột thápchưng cất ở những tầng có nhiệt độ ngưng tụ khác nhau Nhóm hydrocarbon ở nhiệt

độ sôi thấp sẽ được tách ra trước, nằm ở phần cao nhất của tháp chưng cất Về phíađáy tháp là các hydrocarbon nặng hơn được tách ra

Hình 1.1 Các giai đoạn của quá trình chưng cất dầu thô

Dầu thô (crude oil) được đun nóng bốc hơi và tách ra theo từng nhóm trong thápchưng cất phân đoạn (distillation column) ở các khoảng nhiệt độ khác nhau

Cao nhất trong tháp là các chất khí với số nguyên tử C ≤ 4, được tách ra ở nhiệt độ

Tiếp theo nhóm xăng là các hydrocarbon thuộc nhóm dầu hỏa (kerosene), côngthức cấu tạo của chúng có từ 12 – 15 nguyên tử C

Tiếp theo dầu hỏa, xuống bên dưới của tháp chưng cất là dầu diesel và kế bên dướidầu diesel là loại dầu nặng hơn dùng để đốt lò sưởi

Tiếp xuống phía dưới là dầu nhờn bôi trơn động cơ hay còn gọi là nhớt máy, nhớtđộng cơ (lubricating oil) Mạch carbon của nhóm này khá lớn, do vậy mà chúngkhông thể bốc hơi ở nhiệt độ thường Khi mạch phân tử dài hơn 20 nguyên tử C, cáchydrocarbon ở thể rắn và có tên gọi là paraffin hay sáp

Cuối cùng là nhựa đường hay dầu hắc dùng để trải đường cho xe chạy Tất cả cácsản phẩm trên đều lấy ra từ dầu thô.

1.1.4 Các chỉ tiêu chất lượng của xăng

1 Khối lượng riêng và tỷ trọng

Khối lượng riêng của xăng là khối lượng của một đơn vị thể tích xăng dầu ở nhiệt

độ tiêu chuẩn Đơn vị là g/cm3 Nhiệt độ tiêu chuẩn là 150C hoặc 200C Tỷ trọng là tỷ

số giữa khối lượng riêng của xăng so với khối lượng riêng của nước

2 Thành phần cất

Thành phần cất được đặc trưng bởi nhiệt độ sôi dầu, nhiệt độ sôi khi chưng cấtđược 10%, 50%, 90% và nhiệt độ cuối Từ đó tính được lượng cặn còn lại theo thểtích ban đầu Thành phần cất đặc trưng cho tính dễ bay hơi của nhiên liệu lỏng, ảnhhưởng đến tính năng sử dụng và bảo quản xăng dầu

Hàm lượng nhựa thực tế: là chất nhựa tính bằng mg có trong 100 mL xăng dầu Đơnvị: mg/100mL

3 Tính ổn định hóa học

Là khả năng giữ vững bản chất hóa học chống lại ảnh hưởng của môi trường xungquanh của xăng Tính ổn định hóa học của xăng bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố:nhiệt độ, diện tiếp xúc với không khí, độ sạch và khô của vật chứa, mức độ tồn chứa

và thời gian chứa Xăng có hàm lượng keo nhựa càng cao thì có tính ổn định hóa họccàng thấp

chống kích nổ của xăng đang khảo sát Trong hỗn hợp này iso-octan có khả năngchống kích nổ tốt, được quy ước bằng 100, ngược lại n-heptan có khả năng chốngkích nổ kém và được quy ước bằng 0

Trong trường hợp chỉ số octan lớn hơn 100, để xác định chỉ số octan người ta chothêm vào xăng tetraethyl chì rồi tiến hành đo Trị số octan tính theo công thức

IO = 100 + Trong đó T là hàm lượng tetraethyl chì (mL)

Các yếu tố liên quan đến động cơ ảnh hưởng đến chỉ số octan gồm: tỷ số nén, hệ sốđầy, góc đánh lửa sớm Ngoài các chỉ tiêu trên, xăng còn có các chỉ tiêu như: hàmlượng tro, hàm lượng nước, hàm lượng acid và kềm tổng

Bảng 1.1 Bảng tỷ số nén tương ứng với chỉ số Octan

Thông thường các loại xăng có tỷ số Octan cao sử dụng cho những động cơ có

tỷ số nén cao Nếu sử dụng xăng có chỉ số Octan thấp cho các động cơ có tỷ số néncao sẽ làm ô nhiễm môi trường do thải ra khí độc và nguy hiểm hơn là có thể gây rahiện tượng cháy nổ Ngược lại, nếu sử dụng xăng có chỉ số Octan cao cho các loạiđộng cơ có tỷ số nén thấp thì xăng sẽ khó cháy, nếu cháy không hết sẽ tạo thành cặnthan gây bẩn máy dẫn đến tình trạng hao hụt xăng, không mang lại lợi ích và khôngkinh tế

1.1.5 Các chất phụ gia cho thêm vào xăng

Tetra-Ethyl Chì (TEL): TEL được cho vào xăng nhằm tăng chỉ số octan của

xăng lên một cách đáng kể, tăng tỷ số chịu nén Tuy nhiên, việc cho chất phụ gia nàyvào xăng đã gây ra các ảnh hưởng như:

- Phát thải chì ra môi trường khí, nước gây ô nhiễm chì

- Tetraethyl chì sau khí ra khỏi buồng đốt tạo một lớp chì bao bọc các kim loại như:

Ni, Fe, Mn của bộ xúc tác chuyển đổi khí thải bên trong ống xả, làm vô hiệu hóanhanh chóng bộ phận này

Methyl Tertiary Butyl Ether (MTBE): một hợp chất được tạo ra từ rượu methanol.

Chất này được cho vào xăng với hai công dụng: làm tăng chỉ số octane và là chất cungcấp thêm oxy cho phản ứng nổ trong buồng đốt của động cơ Với đặc tính thứ hai,chất MTBE là chất phụ gia lý tưởng vì giúp đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, tăng côngsuất máy, giảm lượng hydrocarbon dư đồng thời cũng giảm lượng khí CO thải ra khíquyển Chất MTBE được bắt đầu cho vào xăng sau khi đạo luật về Khí Quyển Sạch(Clean Air Act) ra đời năm 1990, đã chấm dứt việc sử dụng phụ gia chì Quy định củađạo luật này cũng chỉ cho phép tỉ lệ của chất này trong xăng là 10 – 15% Tuy nhiên,MTBE được coi là chất gây ung thư MTBE tan rất dễ trong nước, nếu xăng có chứachất này bị dò rỉ ra môi trường, có thể ngấm xuống các mạch nước ngầm làm ô nhiễmcác giếng nước

1.1.6 Các loại xăng ở thị trường Việt Nam

số nén trên 9,5/1, có trị số octan là 95

phương tiện có tỉ số nén dưới 9,5/1, có trị số octan là 92

Xăng mogas 83 (M83): màu nâu sẫm, có mùi, được sử dụng cho các phương

tiện có tỷ số nén 8:1 và có chỉ số octan là 83 Hiện nay, xăng này không còn được sửdụng ở Việt Nam do chứa nhiều S và tạp chất nên khi sử dụng sẽ thải ra rất nhiều khí

SO2 gây ô nhiễm Tuy nhiên, xăng mogas 83 còn dùng cho các động cơ có tỷ số nén

thấp như máy nổ, máy bơm và các phương tiện sản xuất theo công nghệ cũ của nhữngnăm 90.

xăng thay phụ gia chì Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng A92 pha 5% ethanol

1.1.7 Tác động đến môi trường và sinh vật

Độc tính với các loài thủy sinh chủ yếu do các hợp chất thơm no và không nogây ra Khi xảy ra sự cố tràn dầu, nhiều thành phần bay hơi trong xăng sẽ bay hơi vàmột phần được hấp thụ vào nước tùy vào điều kiện môi trường xung quanh (nhiệt độ,gió, sự hòa trộn của sóng, loại đất…), sự oxy hóa bởi ánh sáng mặt trời, sự phân hủysinh học và sự hấp thụ vào các chất rắn lơ lửng

Độ hòa tan trong nước của xăng không chì dựa trên khả năng bay hơi củabenzen, toluen, etylbenzen, xylen, naptalen

- Dùng làm dung môi cho nhiều ngành công nghiệp đặc biêt là công nghiệp sơn do

có khả năng hòa tan nhiều chất hữu cơ

- Dùng để tẩy rửa vết bẩn bám trên các kim loại, kính, nhựa, vải,…

1.2 Nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học (NLSH) là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất

có nguồn gốcđộng thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từchất béo của độngthực vật (mỡ động vật,dầu dừa),ngũ cốc (lúa mì,ngô,đậu tương),chất thải trongnôngnghiệp (rơm rạ,phân), sản phẩm thải trongcông nghiệp(mùn cưa, sản phẩm gỗ thải)

1.2.1 Các dạng nhiên liệu sinh học

Có thể chia thành ba nhóm:

- Xăng sinh học ( Biogasoline ): là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụngethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì.Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ nhưtinh bột, cenllulose, lignocellulose Ethanol được pha chế với tỷ lệ thích hợp vớixăng tạo thành xăng sinh học có thể thay thế hoàn toàn cho loại xăng sử dụngphụ gia chì truyền thống

- Diesel sinh học (Biodiesel): diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chấttương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu

mỏ mà được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phản ứng chuyểnhóa este Các chất dầu trộn với NaOH và methanol (hay ethanol) tạo ra dầudiesel sinh học và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este

- Khí sinh học (biogas): là hỗn hợp khí CH4 và một số khí khác phát sinh từ sựphân huỷ các vật chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Thành phần chính củaBiogas là CH4 (50 – 60%) và CO2 (> 30%) còn lại là các chất khác như hơi nước

N2, O2, H2S, CO… được thuỷ phân trong môi trường yếm khí, xúc tác nhờ nhiệt

độ từ 20 – 400C, do đó có thể sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốttrong Khí H2S có thể ăn mòn các chi tiết trong động cơ, sản phẩm của nó là SOxcũng là một khí rất độc Hơi nước có hàm lượng nhỏ nhưng ảnh hưởng đáng kểđến nhiệt độ ngọn lửa, giới hạn cháy, nhiệt trị thấp và tỷ lệ không khí/nhiên liệucủa biogas

- Nhiên liệu sinh học rắn: Một số loại nhiên liệu sinh học rắn mà các nước đangphát triển sử dụng hàng ngày trong công việc nấu nướng hay sưởi ấm là gỗ vàcác loại phân thú khô

1.2.2 Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học

Nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học rất đa dạng, phong phú gồm: nôngsản (sắn, ngô, mía, củ cải đường), cây có dầu (lạc, đậu tương, hướng dương, dừa, cọdầu), chất thải dư thừa (sinh khối phế thải, rơm rạ, thân cây bắp, gỗ, bã mía, vỏ trấu),

mỡ cá, tảo Tùy theo lợi thế về nguồn nguyên liệu của mỗi quốc gia, người ta sẽ chọnnhững loại nguyên liệu phù hợp để sản xuất NLSH

Ví dụ như Brasil sản xuất ethanol chủ yếu từ mía, ở Mỹ là từ ngô

1.2.3 Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học

Tuỳ thuộc vào nguyên liệu và loại nhiên liệu cần có, có thể sử dụng các quátrình chuyển hoá theo phuơng pháp sinh học, hoá học hoặc nhiệt Phương pháp sinhhọcchậm nhưng sản phẩm có độ tinh khiết cao Phương pháp nhiệt nhanh nhưng sảnphẩm tạo ra phức tạp và khó có thể thu đuợc sản phẩm mong muốn với độ tinh khiếtcao

Các sản phẩm nhiêu liệusinh học đã trải qua nhiều giai đoan phát triển và có thểchia thành ba thế hệ, tùy thuộc vào công nghệ và nguyên liệu

Thế hệ thứ nhất:

Nhiên liệu sinh học thế hệ đầu tiên được làm từ các loại cây trồng có hàm lượngđường và tinh bột cao (sản xuất gasohol), dầu thực vật hoặc mỡ động vật (sản xuấtbiodiesel) Tinh bột từ các loại ngũ cốc được chuyển hóa thành đường rồi lên menthành bioethanol Trong khi đó, dầu thực vật (được ép từ các loại cây có dầu) hoặc mỡđộng vật được trộn với ethanol (hoặc methanol) có sự hiện diện của chất xúc tác sẽsinh ra biodiesel và glycerine bằng phản ứng chuyển hóa este

Thế hệ thứ hai:

Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất bị hạn chế bởi khả năng mở rộng diện tích đấttrồng trọt để trồng các loại cây thích hợp và các công nghệ sử dụng để chuyển đổi cácnguồn nguyên liệu này thành NLSH còn bị hạn chế bởi hiệu quả và phương pháp xử

lý Vì vậy người ta đã hướng tới nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai Loại NLSH nàyđược sản xuất từ nguồn nguyên liệu sinh khối, qua nghiền sấy rồi lên men thành nhiênliệu sinh học Các nguyên liệu này được gọi là “sinh khối xenluloza” có nguồn gốc từ

chất thải nông nghiệp, chất thải rừng, chất thải rắn đô thị, các sản phẩm phụ từ quátrình chế biến thực phẩm hoặc các loại cỏ sinh trưởng nhanh như rơm, rạ, bã mía, vỏtrấu, cỏ…

NLSH thế hệ thứ hai được phân loại dựa trên bản chất quá trình chuyển hóa sinh khối:sinh hóa hoặc nhiệt hóa Quá trình sinh hóa được dùng để sản xuất ethanol haybutanol thế hệ hai và các nhiên liệu còn lại được tạo ra cùng với quá trình nhiệt hóa.Một số loại nhiên liệu thế hệ hai (được tạo ra từ quá trình nhiệt hóa) tương tự như cácsản phẩm được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch ví dụ như: methanol, nhiên liệu lỏng

từ quá trình Fischer – Tropsch và đimethylete

Thế hệ thứ ba:

NLSH thế hệ thứ ba được sinh ra từ những cải tiến về công nghệ sinh học thựchiện trên các nguồn nguyên liệu Các loại nguyên liệu được cấy ghép và nuôi trồngtheo cách mà các khối cấu trúc của tế bào (lignin, cellulose, hemicellulose) có thểđược điều chỉnh theo các cách khác nhau Nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba được chếtạo từ các loài vi tảo trong nước, trên đất ẩm, sinh ra nhiều năng lượng (7 – 30 lần)hơn nhiên liệu sinh học thế hệ trước trên cùng diện tích trồng Sản lượng dầu trên mộtdiện tích 0,4 ha tảo là từ 20000 lít/năm đến 80000 lít/năm Ngoài ra, loài tảo bị thoáihóa sinh học không làm hư hại môi trường xung quanh

1.2.4 Lợi ích của việc sản xuất nhiên liệu sinh học

- NLSH có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt,thay thế nhiên liệu hóa thạch đang sử dụng trong các phương tiện giao thông vàcác thiết bị năng lượng

- NLSH có thể giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu do tính chất thân thiện vớimôi trường, sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng nhà kính

- NLSH có thể tăng cường an ninh năng lượng quốc gia: sự phụ thuộc vào dầunhập khẩu có thể không những làm suy kiệt dự trữ ngoại tệ của quốc gia mà còntạo ra sự mất ổn định về an ninh năng lượng của quốc gia đó Từ khi có NLSH

nó đã thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch, giảm sự phụ thuộc nhập khẩu dầu vàtăng cường an ninh năng lượng quốc gia

- Nguồn nhiên liệu tái sinh: các nguyên liệu để sản xuất NLSH được lấy từ hoạtđộng sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn

tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống Quá trình sản xuất NLSH sẽsinh ra sản phẩm phụ là khí carbon dioxide (CO2) và khí này cần cho sự quanghợp của thực vật, do đó có thể tận dụng khí này để phát triển một số loại câycông nghiệp Chẳng hạn như ở Brazil đã có dự án xây dựng nhà máy nuôi trồngrong biển ở sát cạnh khu vực các nhà máy sản xuất ethanol từ mía đường và sửdụng khí CO2 thải ra trong quá trình sản xuất ethanol để thúc đẩy quá trìnhquang hợp của rong biển, từ đó giảm được lượng khí thải gây ô nhiễm môitrường.

- Sản xuất NLSH từ các sản phẩm nông nghiệp như ngô, mía đường, sắn lát,khoai mì có thể giúp tạo công ăn việc làm cho người dân, nâng cao giá trịnông sản và phần nào mang lại lợi ích cho nông dân

Những hạn chế

Tổ chức chống nghèo đói và bất công Oxfam cũng đã có nhiều cảnh báo vềviệc năng lượng xanh có thể đe dọa đến vấn đề an ninh lương thực Khi đất trồng trọtđược sử dụng tối đa để trồng cây làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học sẽ dẫnđến việc thiếu đất để trồng cây lương thực, điều này có thể đe dọa cuộc sống củangười nghèo vì giá lương thực và các loại nông sản gia tăng Tác động của nó phảnánh rõ hơn ở các nước chậm phát triển, nơi chính phủ chú trọng đẩy mạnh sản xuấtnhiên liệu sinh học phục vụ xuất khẩu sang các nước giàu, nhưng lại đẩy dân chúngvào cảnh thiếu ăn Theo Oxfam, quyền con người của một số nơi bị chà đạp khi cácnước giàu tung tiền ra mua nhiên liệu sinh học và để nhanh chóng trở thành một nhàcung cấp có uy tín quốc tế, nhiều chính phủ đã không ngần ngại đuổi nông dân đểtrưng dụng đất

Để đảm bảo chất lượng nguyên liệu, người ta cần dùng thêm rất nhiều phânbón và nước để trồng cây nguyên liệu và điều này có thể dẫn tới các vấn đề khác vềmôi trường như tồn dư hóa chất trong đất từ phân bón hoặc thiếu nước phục vụ dânsinh Ngoài ra, diện tích rừng phủ xanh còn bị giảm nghiêm trọng do phá rừng để mởrộng vùng trồng nguyên liệu

Khả năng sản xuất với quy mô lớn cũng còn kém do nguồn cung cấp không ổnđịnh và phụ thuộc vào thời tiết, nông nghiệp Bên cạnh đó, giá thành sản xuất nhiên

liệu sinh học vẫn cao hơn nhiều so với nhiên liệu truyền thống do đó việc ứng dụng và

sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống chưa phổ biến rộng

Hiện nay vấn đề sử dụng NLSH vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạđược giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống Trong tươnglai, khi nguồn nhiên liệu truyền thống cạn kiệt, NLSH là nguồn thay thế đầy tiềmnăng

1.2.5 Tình hình sản xuất nhiên liệu sinh học của thế giới và Việt Nam

1.2.5.1 Tình hình thế giới

NLSH góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng, thúc đẩy tăng trưởng kinh tế,giảm thiểu ô nhiễm khí nhà kính Vì vậy nhiều quốc gia đã có những kế hoạch đầu tưlớn vào lĩnh vực này

- Ở Mỹ: chính phủ Mỹ phê chuẩn 2,3 tỷ USD để hỗ trợ cho các nguồn năng lượngxanh, công bố tiêu chuẩn nhiên liệu tái tạo (RFS) để thúc đẩy việc phát triển nhiênliệu sinh học Hiện nay xăng E15 (15% ethanol) được coi là sử dụng an toàn cho ô

tô ở Mỹ Các nguồn nhiên liệu mới được khuyến khích cụ thể bằng chính sáchmiễn giảm thuế, hỗ trợ chi phí sản xuất Về nhiên liệu sinh học tiên tiến Mỹ đãdành ra 80 triệu USD để hỗ trợ nghiên cứu, trong đó có phần nghiên cứu nhiên liệu

từ sinh khối tảo, nhiên liệu xanh trong không trung

- Ở châu Âu: Liên minh Châu Âu (EU) quyết định giảm thiểu phát tán khí nhà kính

và giảm nhu cầu nhập khẩu xăng dầu bằng cách thực hiện mục tiêu thay thế 10%nhiên liệu dùng trong vận tải bằng các nhiên liệu tái tạo Có 14 quốc gia trong EUthỏa thuận hợp tác nghiên cứu và triển khai sản xuất nhiên liệu sinh học

- Ở Canada: Chính phủ Canada đã yêu cầu từ ngày 15/12/2010 trở đi trong xăngphải có 5% các nhiên liệu có thể tái tạo, hỗ trợ khoảng 4,7 triệu USD cho việc nuôicấy tảo biển trên quy mô lớn để sản xuất nhiên liệu sinh học, đầu tư 4 triệu USD

để phát triển ethanol sinh học từ cellulose ở các nguồn phụ phẩm nông lâm nghiệp.Công nghệ này không tạo ra các chất thải độc hại và không sử dụng tới lương thực

- Ở Brazil: hiện nay Brazil đang là nước mà 90% các ô tô mới đã được lắp thiết bị

sử dụng xăng ethanol Năm 2010 Brazil mở rộng quy mô sản xuất NLSH bao gồmxăng ethanol và diesel sinh học theo tinh thần nâng cao sản lượng, thúc đẩy tiêu

thụ, đa dạng hóa nguyên liệu, hạ giá thành sản phẩm Từ 2010 đến 2019 Brazil sẽđầu tư để phát triển nguồn năng lượng (70% để phát triển dầu mỏ và khí đốt), pháttriển diesel sinh học và ethanol từ mía Brazil hy vọng hợp tác với Nam Phi đểphát triển nhiên liệu sinh học, vì nam Phi và nhiều quốc gia châu Phi rất có tiềmlực lớn về nhiên liệu sinh học.

- Ở Ấn Độ: phê chuẩn chính sách về nhiên liệu sinh học, thành lập Ủy ban quốc gia

về nhiên liệu sinh học, phối hợp sử dụng nhiên liệu sinh học đạt đến chỉ tiêu 20%,bao gồm diesel sinh học và ethanol sinh học, định kỳ công bố giá cả thấp nhất củadầu các loại hạt phi thực phẩm, ethanol sinh học và diesel sinh học Dự kiến lượngtiêu dùng ethanol trong thời gian 2010 – 2013 sẽ tăng khoảng 4,5% mỗi năm

- Ở Argentina: có tới 23 nhà máy sản xuất diesel sinh học Khoảng 68% diesel sinhhọc của nước này được xuất khẩu sang EU

- Ở Nhật Bản: có 3 nhà máy ở Nhật Bản sản xuất xăng sinh học và cả nước có trên

2000 trạm bán xăng sinh học Các nhà máy này đã chuyển hóa thân mía và rơm rạlúa mì thành ethanol, trộn 43% cồn sinh học với 57% khí thiên nhiên để tạo thànhEthyl tert-butyl ether (ETBE), lại trộn với 99% xăng để tạo thành xăng sinh học.Nhờ đó mà CO2 thải ra rất ít, có lợi lớn cho môi trường

- Ở Trung Quốc: tạo ra chính sách ưu tiên sản xuất và sử dụng diesel sản xuất từ mỡđộng vật và dầu thực vật Các sản phẩm này được miễn thuế nếu lượng dầu hay

mỡ chiếm hơn 70% Ngoài ra Trung Quốc cũng chủ trương phát triển các nguồnđiện năng từ sinh khối phụ phẩm nông lâm nghiệp để hạ giá thành tiêu thụ điện

1.2.5.2 Tình hình ở Việt Nam

Việt Nam có nhiều tiềm năng về NLSH xăng dầu có nguồn gốc dầu mỏ Nhiều loạicây như sắn, ngô, mía,… có thể sản xuất cồn sinh học mà ở Việt Nam lại có nhiềuvùng đất rất thích hợp với các loại cây trồng này Ước tính Việt Nam có thể sản xuất 5triệu lít cồn sinh học mỗi năm nếu như có sự điều chỉnh về sản lượng và diện tích câytrồng

Về sản xuất diesel sinh học có thể đi từ các loại dầu thực vật và mỡ động vật Ở ViệtNam, các loại cây trồng tiềm năng cung cấp nguyên liệu cho sản xuất diesel sinh họcnhư dầu cọ, hạt bông… Điều kiện đất đai và khí hậu Việt Nam cho phép hình thànhnhững vùng nguyên liệu tập trung Mỡ cá, dầu thực phẩm thải được sử dụng cho sản

xuất diesel sinh học có thể giúp giải quyết được các vấn đề về môi trường trong chếbiến thủy sản Ước tính Việt Nam có thể sản xuất khoảng 500 triệu lít diesel sinh họcmỗi năm nếu như tổ chức quy hoạch và thực hiện vùng nguyên liệu theo hướng sửdụng đất triệt để, tạo ra nhiều loại giống có sản lượng cao và sở hữu các công nghệtách dầu từ nguyên liệu.

Mặt khác, NLSH là một loại nhiên liệu tái tạo được coi là một trong những nhiên liệuthân thiện với môi trường Do đó việc nghiên cứu phát triển nguồn năng lượng sinhhọc có ý nghĩa hết sức to lớn đối với vấn đề an ninh năng lượng thế giới nói chung vàViệt Nam nói riêng

Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định số 177/2007/QĐ-TT phê

duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025”

tại Việt Nam với mục tiêu tổng quát là phát triển NLSH, một dạng năng lượng mới, táitạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch truyền thống, góp phần bảo đảm

an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường

Hiện nay, nhiều nhà máy sản xuất bioethanol được xây dựng gồm: nhà máy NLSHPhú Thọ, nhà máy NLSH Quảng Ngãi, nhà máy NLSH Bình Phước,…

CHƯƠNG 2 SỰ RA ĐỜI CỦA XĂNG SINH HỌC2.1 Xăng sinh học là gì?

Xăng sinh học là hỗn hợp của xăng truyền thống và cồn sinh học, được sử dụngcho các loại động cơ xăng đốt trong như xe ô tô và xe gắn máy

Nguyên liệu chính để sản xuất cồn sinh học tại Việt Nam hiện này là từ sắn látkhô Cồn sinh học trong hỗn hợp nhiên liệu sinh học được sử dụng như một chất chứaoxy thay thế cho các hợp chất pha vào xăng trước đây như chì hay ete Cồn sinh họcđược sản xuất từ quá trình lên men tinh bột, mật rỉ đường và các phế phẩm nôngnghiệp khác

2.2 Lịch sử hình thành xăng sinh học

Nhiên liệu sinh học ở thể rắn (gỗ, củi, than củi, phế thải thực và động vật) đãđược loài người sử dụng từ khi khám phá ra lửa Khi phát minh ra động cơ hơi nước

và máy phát điện, nhiên liệu sinh học thể rắn (gỗ) được sử dụng một thời ở thế kỷ 18

và 19 và gây nhiều ô nhiễm Ở Việt Nam, xe lửa chạy bằng đốt gỗ cho tới khoảng năm

1956 mới được thay thế bằng động cơ diesel Ngày nay có khoảng 2 tỷ dân đốt nhiênliệu sinh học ở thể rắn như gỗ, củi, trấu, mạt cưa, rơm rạ, lá khô Mặc dù chứa nguồncarbon có thể tái tạo, nhưng quá trình đốt sinh ra nhiều khói, tro bụi, bù hóng nên gây

ô nhiễm môi trường

Động cơ nổ đầu tiên trên thế giới do Nikolaus August Otto (người Đức) thiết

kế sử dụng nhiên liệu sinh học thể lỏng là rượu cồn – ethanol, Rudolf Diesel (ngườiĐức) phát minh động cơ diesel chạy bằng dầu đậu phộng và Henry Ford (Mỹ) thiết kế

xe hơi chạy bằng dầu thực vật chế biến từ dầu chứa trong hạt và thân cây cần sa

Từ khi khám phá ra nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu hoả, khí đốt) thì ngành

kỹ nghệ sử dụng tích cực loại nhiên liệu này vì có hiệu quả kinh tế cao hơn Tuy nhiênmỗi khi có chiến tranh, bị địch phong toả khó chuyển vận dầu, hay thế giới có khủnghoảng chính trị, kinh tế và để không phụ thuộc vào dầu hoả nhập cảng (từ TrungĐông), khuynh huớng sử dụng xăng sinh học lại bộc phát trong những thời kỳ này.Chẳng hạn, Đức và Anh Quốc sản xuất xăng sinh học từ khoai tây và lúa mì trong thời

kỳ Đệ nhị Thế Chiến Khủng hoảng xăng dầu năm 1972 do khối OPEC gây ra, làm

một số quốc gia có chủ trương tự túc nhiên liệu bằng cách sản xuất xăng sinh học từtiềm năng nông nghiệp của mình Brazil tiêu biểu cho chính sách này.

Kể từ 2000, các quốc gia trên thế giới lần lượt tuân thủ Thoả hiệp Rio deJaneiro (1992), Kyoto (1997), tìm kỹ thuật hạn chế phát thải khí nhà kính (CO2,methane, N2O) của nhiên liệu hóa thạch, thay thế bằng năng lượng xanh như nănglượng mặt trời, gió, thuỷ điện) nên nhiên liệu sinh học đã và đang là mối quan tâm lớncủa hầu hết các nước trên thế giới

xử lý nhiên liệu thì xe này không khác gì các xe chạy xăng thông thường khác Dòng

xe chạy xăng ethanol thuần túy E100 hoặc ethanol chưa khan nước cũng có, nhưnghiếm hơn

2.4 Ảnh hưởng của xăng sinh học đến động cơ

Việc sử dụng xăng sinh học giúp cải thiện tính năng động cơ, giảm phát thải,mang lại lợi ích cho người tiêu dùng và xã hội Quá trình sử dụng xăng sinh học E5 rất