Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp metyl este từ dầu dừa và dầu hạt cải trên xúc tác bazơ rắn, sử dụng làm thành phần pha chế nhiên liệu phản lực biokerosen

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** NGUYỄN THỊ HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP METYL ESTE TỪ DẦU DỪA VÀ DẦU HẠT CẢI TRÊN XÖC TÁC BAZƠ RẮN, SỬ DỤNG LÀM THÀNH PHẦN PHA CHẾ NHIÊN LIỆU PHẢN LỰC BIOKEROSEN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** NGUYỄN THỊ HÀ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP METYL ESTE TỪ DẦU DỪA VÀ DẦU HẠT CẢI TRÊN XÖC TÁC BAZƠ RẮN, SỬ DỤNG LÀM THÀNH PHẦN PHA CHẾ NHIÊN LIỆU PHẢN LỰC BIOKEROSEN Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số:62520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng TS Nguyễn Lệ Tố Nga Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Những số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chƣa đƣợc tác giả khác công bố Hà Nội, ngày tháng Nghiên cứu sinh năm 2016 Nguyễn Thị Hà Ngƣời hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng TS Nguyễn Lệ Tố Nga a LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội TS Nguyễn Lệ Tố Nga – Tập đoàn dầu khí Việt Nam hƣớng dẫn khía cạnh học thuật luận án tiến sĩ Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến GS.TS Đinh Thị Ngọ, ngƣời truyền đạt cho kinh nghiệm quý báu thời gian thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Bộ môn Công nghệ Hữu – Hóa dầu, Viện Kỹ thuật Hóa học, Viện Đào tạo sau Đại học trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện, giúp đỡ nhiều mặt thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trƣờng Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh, Lãnh đạo Cơ sở Thanh Hóa đồng nghiệp tạo điều kiện, động viên giúp đỡ trình thực luận án Xin bày tỏ lòng biết ơn tới ngƣời gia đình, bạn bè tôi, giúp đỡ tận tâm tin tƣởng ngƣời động lực lớn để hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Hà b năm 2016 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN a LỜI CẢM ƠN b MỤC LỤC c DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .f DANH MỤC CÁC BẢNG g DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ i GIỚI THIỆU LUẬN ÁN CHƢƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ KEROSEN VÀ BIOKEROSEN 1.1.1 Tổng quan phân đoạn kerosen 1.1.1.1 Khái quát chung phân đoạn kerosen khoáng 1.1.1.2 Các tính chất hóa lý tiêu kỹ thuật kerosen khoáng 1.1.1.3 Các ứng dụng phân đoạn kerosen khoáng 1.1.2 Tổng quan chung nhiên liệu sinh học biokerosen 1.1.2.1 Đặc điểm, thành phần tính chất biokerosen 1.1.2.2 Ƣu, nhƣợc điểm biokerosen 1.1.3 Tình hình nghiên cứu tổng hợp sử dụng nhiên liệu phản lực biokerosen giới Việt Nam……………………………………………………………………… 11 1.1.3.1 Tình hình nghiên cứu tổng hợp sử dụng nhiên liệu phản lực biokerosen giới 11 1.1.3.2 Tình hình nghiên cứu tổng hợp sử dụng nhiên liệu phản lực biokerosen Việt Nam 12 1.2 NGUỒN NGUYÊN LIỆU CHO QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIOKEROSEN 12 1.2.1 Các yêu cầu nguồn nguyên liệu 12 1.2.2 Dầu thực vật nhiều nối đôi 13 1.2.2.1 Dầu lanh 14 1.2.2.2 Vi tảo 16 1.2.2.3 Dầu hạt cải 18 1.2.2.4 Dầu cọ 19 1.2.2.4 Dầu Jatropha 20 1.2.3 Dầu thực vật có số cacbon thấp 21 1.2.3.1 Đặc trƣng dầu dừa, thành phần hóa học, tính chất hóa lý 21 1.2.3.2 Khả khai thác dầu dừa Việt Nam giới 23 1.2.4 Sinh khối (biomass) 27 1.3 XÖC TÁC BAZƠ VÀ VAI TRÕ CỦA CHÖNG TRONG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ESTE 28 1.3.1 Xúc tác bazơ đồng thể trình trao đổi este 28 1.3.2 Xúc tác bazơ dị thể (bazơ rắn) trình trao đổi este 29 1.3.3 Một số loại xúc tác bazơ rắn điển hình 31 1.3.4 Xác định tính chất bazơ chất rắn 35 1.3.5 Giới thiệu xúc tác KNO3/Al2O3 36 1.3.6 Giới thiệu xúc tác KI/Al2O3 37 1.4 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI ESTE 38 1.4.1 Khái quát chung trình trao đổi este 38 1.4.2 Tác nhân phản ứng trao đổi este 39 1.4.3 Các phƣơng pháp trao đổi este khác 39 1.4.3.1 Phƣơng pháp hai giai đoạn 39 1.4.3.2 Phƣơng pháp siêu tới hạn 40 1.4.4 Cơ chế trao đổi este xúc tác bazơ 40 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43 c 2.1 TỔNG HỢP XÖC TÁC 43 2.1.1 Các hóa chất cần thiết 43 2.1.2 Tổng hợp xúc tác KNO3/Al2O3 43 2.1.3 Tổng hợp xúc tác KI/Al2O3 43 2.1.4 Tạo hạt xúc tác 44 2.1.5 Nghiên cứu trình tái sử dụng tái sinh xúc tác 44 2.1.6 Các phƣơng pháp nghiên cứu tính chất đặc trƣng xúc tác 44 2.1.6.1 Xác định độ dị thể xúc tác 44 2.1.6.2 Phƣơng pháp xác định độ bazơ sử dụng chất thị Hammet 45 2.1.6.3.Phƣơng pháp nhiễu xạ XRD 45 2.1.6.4 Phƣơng pháp phổ tán sắc lƣợng tia X (EDX) 46 2.1.6.5 Phƣơng pháp phân tích nhiệt TG/TGA 46 2.1.6.6 Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 47 2.1.6.7 Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ - nhả hấp phụ N2 (BET) 48 2.2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA DẦU THỰC VẬT THÀNH METYL ESTE 49 2.2.1 Quy trình tổng hợp metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 49 2.2.2 Xác định hiệu suất tạo metyl este 51 2.2.2.1 Phƣơng pháp truyền thống 51 2.2.2.2 Phƣơng pháp xác định hiệu suất tạo metyl este 52 2.2.2.3 Phƣơng pháp tính toán theo độ nhớt động học 54 2.2.3 Pha trộn biokerosen với nhiên liệu Jet A1 tạo nhiên liệu phản lực sinh học 54 2.2.4 Xác định tính chất nguyên liệu dầu thực vật sản phẩm nhiên liệu phản lực sinh học biokerosen 55 2.2.4.1 Xác định tỷ trọng (ASTM D1298) 55 2.2.4.2 Xác định độ nhớt động học (ASTM D445) 55 2.2.4.3 Xác định số xà phòng (ASTM D5558) 56 2.2.4.4 Xác định số axit (ASTM D664) 56 2.2.4.5 Xác định hàm lƣợng nƣớc (ASTM D95) 57 2.2.2.6 Xác định số iot (EN-14111) 57 2.2.4.7 Xác định hàm lƣợng tạp chất học (ASTM D3042) 58 2.2.4.8 Xác định hàm lƣợng cặn cacbon (ASTM D189/97) 59 2.2.4.9 Xác định chiều cao lửa không khói (ASTM D1322) 59 2.2.4.10 Xác định thành phần chƣng cất phân đoạn (ASTM D86) 60 2.2.4.11 Xác định nhiệt độ đông đặc (ASTM D97) 60 2.2.4.12 Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc kín (ASTM D93) 60 2.2.4.13 Xác định hydrocacbon thơm (ASTM D1319) 61 2.2.4.14 Xác định áp suất (ASTM D4953) 61 2.2.4.15 Xác định hàm lƣợng lƣu huỳnh (ASTM D7679) 62 2.2.4.16 Xác định ăn mòn mảnh đồng (ASTM D130) 62 2.2.4.17 Xác định độ ổn định oxy hóa (ASTM D2274) 62 2.2.4.18 Xác định độ dẫn điện (ASTM D2624) 62 2.2.4.19 Xác định tính bôi trơn (ASTM D5001) 63 2.2.4.20 Xác định hàm lƣợng nhựa thực tế(ASTM D381) 63 2.2.4.21 Xác định ngoại quan (màu sắc, mùi) (ASTM D1500, D6045) 63 2.2.4.22 Xác định thành phần hóa học phƣơng pháp GC-MS 63 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64 3.1 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÖC TÁC 64 3.1.1 Tổng hợp xúc tác KNO3/Al2O3 64 3.1.1.1 Nghiên cứu lựa chọn chất mang xúc tác 64 3.1.1.2 Nghiên cứu biến đổi pha hoạt tính xúc tác 30%KNO3/ Al2O3 67 d 3.1.1.3 Nghiên cứu hình thái học xúc tác qua ảnh SEM trƣớc sau nung 72 3.1.1.4 Xác định thành phần nguyên tố xúc tác phổ EDX 73 3.1.1.5 Xác định diện tích bề mặt riêng xúc tác KNO3/Al2O3 76 3.1.1.6 Khảo sát sơ hoạt tính xúc tác 30% KNO3/ Al2O3 76 3.1.1.7 Nghiên cứu tạo hạt tái sử dụng xúc tác 30% KNO3/ Al2O3 77 3.1.2 Tổng hợp xúc tác KI/Al2O3 80 3.1.2.1 Lựa chọn xúc tác dạng halogenua chất mang 80 3.1.2.2 Nghiên cứu biến đổi pha hoạt tính sau nung xúc tác 25% KI/Al2O3 82 3.1.2.3 Xác định diện tích bề mặt riêng xúc tác 25% KI/Al2O3 87 3.1.2.4 Nghiên cứu tìm chế độ nung xúc tác 25% KI/Al2O3 88 3.1.2.5 Nghiên cứu tạo hạt tái sử dụng xúc tác 89 3.1.2.5 Kết tái sinh xúc tác 90 3.1.3 Lựa chọn xúc tác cho phản ứng trao đổi este 91 3.2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA DẦU DỪA VÀ DẦU HẠT CẢI THÀNH METYL ESTE, LÀM THÀNH PHẦN ĐỂ CHẾ TẠO NHIÊN LIỆU PHẢN LỰC SINH HỌC 93 3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn xác định tính chất hóa lý nguyên liệu đầu vào 93 3.2.2 Xây dựng phƣơng pháp đồ thị để xác định hiệu suất tạo metyl este thông qua độ nhớt hỗn hợp sản phẩm 94 3.2.2.1 Ý nghĩa phƣơng pháp 94 3.2.2.2 Kết tính toán hiệu suất loại nguyên liệu theo công thức truyền thống…95 3.2.2.3 Kiểm chứng độ tin cậy phƣơng pháp xác định hiệu suất theo độ nhớt 97 3.2.3 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến trình chuyển hóa dầu dừa dầu hạt cải thành metyl este………………………………………………………………………… 99 3.2.3.1 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng 99 3.2.3.2 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian phản ứng 101 3.2.3.3 Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác 102 3.2.3.4 Ảnh hƣởng tỷ lệ mol metanol/dầu 103 3.2.3.5 Khảo sát ảnh hƣởng tốc độ khuấy trộn 105 3.2.4.Xác định thành phần tính chất hóa lý metyl este tổng hợp 106 3.2.4.1 Xác định thành phần sản phẩm metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 106 3.2.4.2 Xác định số tiêu hóa lý sản phẩm metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải .110 3.3 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHIÊN LIỆU PHẢN LỰC SINH HỌC TỪ TIỀN CHẤT METYL ESTE VÀ CÁC THÀNH PHẦN PHỤ GIA 111 3.3.1 Khảo sát tìm thành phần, tỷ lệ pha chế 111 3.3.2 Xác định tính chất hóa lý, tiêu kỹ thuật nhiên liệu phản lực sinh học thu đƣợc …………………………………………………………………………………… 113 KẾT LUẬN 120 CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 121 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 e DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT FAO FAOSTAT APCC Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức Lƣơng thực Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc) Food and Agriculture Organization Corporate Statistical Database (Cơ sở liệu thống kê Tổ chức Lƣơng thực Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc ) Asian and Pacific Coconut Community (Cộng đồng dừa Thái Bình Dương châu Á) NMR Nuclear Magnetic Resonance (cộng hƣởng từ hạt nhân) IR Infrared Radiation (bức xạ hồng ngoại) ASTM BET DTG GC-MS SEM TCVN American Society for Testing and Materials Brunauer–Emmett–Teller (tên lý thuyết hấp phụ chất khí bề mặt rắn) Differential Thermal Gravimetry (nhiệt khối lƣợng vi sai) Gas Chromatography-Mass Spectroscopy (sắc ký khí – khối phổ) Scanning Electron Microscopy (hiển vi điện tử quét) Tiêu chuẩn Việt Nam Thermal Gravimetry-Differential Thermal Analysis (phân tích nhiệt trọng lƣợng – nhiệt vi sai) Temperature Programmed Desorption of Carbon Dioxide (giải hấp phụ CO2 theo chƣơng trình nhiệt độ) X-Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X) TG-DTA TPD-CO2 XRD f DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất hóa lý kerosen Bảng 1.2 Một số tiêu kỹ thuật cần có nhiên liệu phản lực Bảng 1.3 Thông tin chuyến bay thử nghiệm Bảng 1.4 Một số tiêu kỹ thuật metyl este từ dầu dừa Bảng 1.5 Một số tiêu kỹ thuật metyl este từ dầu hạt cải Bảng 1.6 Thông số hóa lý dầu lanh 15 Bảng 1.7 Thành phần dầu lanh so với loại dầu khác 15 Bảng 1.8 Tình hình thu hoạch sản lƣợng hạt lanh giới 15 Bảng 1.9 Thành phần axit béo dầu lanh 16 Bảng 1.10 Độ nhớt, tỷ trọng điểm chớp cháy dầu hạt lanh tinh khiết dẫn xuất este 16 Bảng 1.11 Ƣu, nhƣợc điểm sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo 17 Bảng 1.12 Hàm lƣợng nguyên tố sinh khối vi tảo 17 Bảng 1.13 Hàm lƣợng dầu sinh khối vi tảo họ khác 17 Bảng 1.14 Thành phần số loại axit béo có số dầu vi tảo 18 Bảng 1.15 Thành phần hóa học có số loại sinh khối vi tảo sấy khô 18 Bảng 1.16 Thành phần phần trăm triglyxerit, diglyxerit monoglyxerit este số loại dầu hạt cải 19 Bảng 1.17 Thành phần gốc axit béo dầu hạt cải 19 Bảng 1.18 Thành phần hóa học dầu cọ 20 Bảng 1.19 Các thông số vật lý dầu jatropha 21 Bảng 1.20 Thành phần % gốc axit béo dầu jatropha so với loại dầu khác 21 Bảng 1.21 Thành phần gốc axit béo dầu dừa 22 Bảng 1.22 Thông số tính chất hóa lý đặc trƣng dầu dừa 22 Bảng 1.23 Giá dầu dừa giai đoạn 2008-2011 (USD/tấn) 24 Bảng 1.24 Tình hình sản xuất sử dụng dầu dừa giới giai đoạn 2001-2011 (triệu tấn) 25 Bảng 1.25 Thành phần hóa học sinh khối 27 Bảng 1.26 Các loại xúc tác rắn axit bazơ rắn cho phản ứng trao đổi este 30 Bảng 1.27 Một số loại xúc tác dị thể điển hình dùng cho phản ứng trao đổi este 34 Bảng 2.1 Chỉ thị Hammett khoảng pH đổi màu 45 Bảng 2.2 Lƣợng mẫu thử thay đổi theo chi số iốt dự kiến 57 Bảng 3.1 Hiệu suất thu metyl este với loại xúc tác khác 65 Bảng 3.2 Kết đo độ bazơ xúc tác nitrat kim loại mang chất mang Al2O3 (đã nung 750oC) sử dụng chất thị Hammet 66 Bảng 3.3 Khảo sát sơ để tìm hàm lƣợng pha hoạt tính thích hợp 66 Bảng 3.4 Kết EDX mẫu 30% KNO3/Al2O3 chƣa nung vùng khác 74 Bảng 3.5 Kết EDX mẫu 30% KNO3/Al2O3 sau nung 750oC vùng khác 75 Bảng 3.6 Hàm lƣợng pha hoạt tính mẫu 30% KNO3/Al2O3 theo phổ EDX 75 Bảng 3.7 Kết khảo sát hoạt tính xúc tác 30% KNO3/ Al2O3 76 Bảng 3.8 Ảnh hƣởng hàm lƣợng thủy tinh lỏng đến trình tạo hạt xúc tác 77 Bảng 3.9 Ảnh hƣởng kích thƣớc hạt hình trụ đến hiệu suất tạo metyl este 78 Bảng 3.10 So sánh xúc tác dạng bột xúc tác dạng hạt 78 Bảng 3.11 Kết thử hoạt tính tái sử dụng xúc tác 79 Bảng 3.12 Hiệu suất thu metyl este với loại xúc tác khác 80 g Bảng 3.13 Kết đo độ bazơ xúc tác kali halogenat mang chất mang Al2O3 (đã nung 850oC) sử dụng chất thị Hammet 81 Bảng 3.14 Khảo sát tìm hàm lƣợng pha hoạt tính thích hợp 82 Bảng 3.15 Kết EDX mẫu 25% KI/Al2O3 chƣa nung vùng khác 86 Bảng 3.16 Kết EDX mẫu 25% KI/Al2O3 nung 850oC vùng khác 87 Bảng 3.17 Hàm lƣợng pha hoạt tính tính toán dựa kết phổ EDX 87 Bảng 3.18 Kết khảo sát hoạt tính xúc tác 25% KI/Al2O3 88 Bảng 3.19 Ảnh hƣởng hàm lƣợng thủy tinh lỏng đến trình tạo hạt xúc tác 89 Bảng 3.20 Ảnh hƣởng kích thƣớc hạt hình trụ đến hiệu suất tạo metyl este 89 Bảng 3.21 So sánh xúc tác dạng bột xúc tác dạng hạt 90 Bảng 3.22 Kết thử hoạt tính xúc tác sau tái sinh 91 Bảng 3.23 So sánh hai loại xúc tác KNO3/Al2O3 KI/Al2O3 91 Bảng 3.24 Một số tiêu đặc trƣng cho nguyên liệu đầu vào 93 Bảng 3.25 Hiệu suất phản ứng tổng hợp metyl este từ dầu dừa theo độ nhớt 95 Bảng 3.26 Hiệu suất phản ứng tổng hợp metyl este từ dầu hạt cải theo độ nhớt 95 Bảng 3.27 Bảng kết thu đƣợc từ thực nghiệm xác định hiệu suất 96 Bảng 3.28.Kết GC - MS metyl este từ dầu dừa 97 Bảng 3.29 Kết GC-MS metyl este từ dầu hạt cải 98 Bảng 3.30 Kết so sánh hiệu suất phản ứng tổng hợp metyl este theo phƣơng pháp truyền thống theo độ nhớt 99 Bảng 3.31 Ảnh hƣởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 100 Bảng 3.32 Ảnh hƣởng thời gian phản ứng đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 101 Bảng 3.33 Ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 103 Bảng 3.34 Ảnh hƣởng tỷ lệ metanol/dầu đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 104 Bảng 3.35 Ảnh hƣởng tốc độ khuấy trộn đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 105 Bảng 3.36 Tổng hợp điều kiện công nghệ thích hợp cho trình tổng hợp metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 106 Bảng 3.37 Thành phần gốc axit béo sản phẩm metyl este từ dầu dừa theo kết GC – MS 108 Bảng 3.38 Thành phần gốc axit béo sản phẩm metyl este từ dầu hạt cải theo kết GC – MS 109 Bảng 3.39 Một số tiêu kỹ thuật metyl este từ dầu dừa 110 Bảng 3.40 Một số tiêu kỹ thuật metyl este từ dầu hạt cải 110 Bảng 3.41 Khảo sát điểm băng độ nhớt động học nhiên liệu thu đƣợc với tỷ lệ pha trộn khác 112 Bảng 3.42 Khảo sát điểm băng độ nhớt động học nhiên liệu thu đƣợc với sau thay phần metyl este từ dầu dừa metyl este từ dầu hạt cải 113 Bảng 3.43 Các tiêu nhiên liệu phản lực sinh học, so sánh với tiêu nhiên liệu Jet A1 theo TCVN 6426:2009 với phƣơng pháp xác định 114 Bảng 3.44 Các tiêu nhiên liệu phản lực sinh học sau đƣa thêm phụ gia chống tĩnh điện Stadis ® 450 117 h Đã chọn xúc tác 25% KI/Al2O3 để khảo sát đặc trưng hóa lý, đồng thời sử dụng xúc tác cho phản ứng trao đổi este 3.1.2.1.Nghiên cứu biến đổi pha hoạt tính sau nung xúc tác 25%KI/Al2O3 a.Phổ XRD Quá trình nung 850oC (hình 3.13) cho thấy cực đại nhiễu xạ xuất góc 2Ɵ = 32,9o, 37,0o đặc trưng cho tinh thể K2O giữ cực đại nhiễu xạ chất mang Tại nhiệt độ nung này, toàn KI bị phân hủy để hình thành pha hoạt tính K2O xúc tác Trong trường hợp xúc tác KI/Al2O3, trình phân hủy KI tạo thành K2O thực trợ giúp oxy không khí Ở nhiệt độ cao, KI bị oxy hóa theo phương trình sau: 4KI + O2 = 2K2O + 2I2 K2O sinh bám dính bề mặt ɳ-Al2O3 Như vậy, khác với trường hợp xúc tác KNO3/Al2O3 phân hủy muối KNO3 thành K2O xảy nhờ có mặt khuyết tật bề mặt ɳ-Al2O3 làm yếu liên kết N=O, KI bị oxy hóa trực tiếp thành K2O mà không cần phải có khuyết tật bề mặt Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, tạm thời kết luận nhiệt độ nung tốt cho xúc tác KI/Al2O3, 850oC Điều minh chứng cách xác khoa học qua giản đồ phân tích nhiệt TG-DTA Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KI/Al2O3 trước nung Hình 3.15 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KI/Al2O3 nung 600oC 11 Hình 3.16 Giản đồ nhiễu xạ tia Hình 3.17 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu KI/Al2O3 nung X KI/Al2O3 sau nung 850oC 900oC b.Giản đồ TG-DTA Giản đồ phân tích nhiệt xúc tác 25% KI/Al2O3 thể hình 3.18 Trên giản đồ thấy khoảng khối lượng xúc tác: bay vật lý nước hấp phụ, ngưng tụ nhóm –OH bề mặt chất mang, phân hủy KI thành K2O chất mang Chúng chọn nhiệt độ nung 850oC, nhiệt độ vừa đủ để phân hủy gần hoàn toàn KI, đồng thời ngăn ngừa tạo thành pha không mong muốn KAlO2 Hình 3.18 Các giản đồ TG-DTA xúc tác 25% KI/Al2O3 c.Ảnh SEM xúc tác Kết hình 3.16 cho thấy, trước nung, hạt tinh thể KI phân bố xúc tác với kích thước lớn (có thể lên đến 40 µm) Sau trình nung, hạt phân tán tốt với kích thước đồng hơn, chứng tỏ trình nung làm thay đổi pha tinh thể hoạt tính mà làm thay đổi hình thái học xúc tác (a) (b) Hình 3.19 Ảnh SEM xúc tác 25% KI/Al2O3 trước (a) sau nung 850oC (b) d.Kết phân tích EDX xúc tác Từ kết phân tích EDX, tính toán hàm lượng pha hoạt tính theo thành phần nguyên tố (bảng 3.17) Bảng 3.17 Hàm lượng pha hoạt tính tính toán dựa kết phổ EDX Xúc tác KI đưa vào: 25% Xúc tác KI thu thực tế: 24,68% Xúc tác 25% KI/Al2O3 nung 850oC % KI % K2O 8,19 3.1.2.3 Xác định diện tích bề mặt riêng xúc tác 25%KI/Al2O3 Với xúc tác 25% KI/Al2O3, sau nung 850oC, diện tích bề mặt đo theo BET đo 61,1 m2/g, tức lớn gần gấp đôi so với diện tích bề mặt riêng xúc tác 30% KNO3/Al2O3 3.1.2.4 Nghiên cứu tạo hạt tái sử dụng xúc tác Luận án lựa chọn hệ 25% KI/Al2O3, hàm lượng chất kết dính 6% khối lượng, kích thước hạt xúc tác 0,8×0,8 mm để làm xúc tác cho trình trao đổi este sản xuất nhiên liệu sinh học biokerosen từ dầu dừa 3.1.2.5 Kết tái sinh xúc tác Tổng số lần sử dụng xúc tác KI/Al2O3 lần, bao gồm lần sử dụng đầu tiên, lần tái sử dụng lần tái sinh Từ kết khảo sát hoạt tính số lần tái sử dụng, luận án lựa chọn xúc tác KNO3/Al2O3 cho trình nghiên cứu chuyển hóa dầu nguyên liệu thành metyl este, làm thành phần pha chế nhiên liệu phản lực sinh học biokerosen 3.2 NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA DẦU DỪA VÀ DẦU HẠT CẢI THÀNH METYL ESTE, LÀM THÀNH PHẦN ĐỂ CHẾ TẠO NHIÊN LIỆU PHẢN LỰC SINH HỌC 3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn xác định tính chất hóa lý nguyên liệu đầu vào Bảng 3.24 Một số tiêu đặc trưng cho nguyên liệu đầu vào Phương Dầu Dầu hạt STT Các tiêu pháp dừa cải Tỷ trọng 15,5 oC D 1298 0,93 0,90 Điểm chảy (oC) D97 25 -15 Chỉ số axit, mg KOH/g D 664 3,88 1,1 Chỉ số xà phòng, mg D 464 200 190,8 KOH/g Pr EN Chỉ số iot, g I2/100 g 10 140 14111 Độ nhớt động học 40oC, D 445 28,3 35,3 13 cSt Hàm lượng nước, mg/kg D 95 100 118 Tạp chất học, mg/kg EN 12662 50 93 3.2.2 Xây dựng phƣơng pháp đồ thị để xác định hiệu suất tạo metyl este thông qua độ nhớt hỗn hợp sản phẩm 3.2.2.2 Kết tính toán hiệu suất loại nguyên liệu theo công thức truyền thống Bảng 3.27 Bảng kết thu từ thực nghiệm xác định hiệu suất Khoảng tuyến Phương Hệ số Nguyên tính trình Phương trình TT góc liệu đường hàm mũ Độ Hiệu (tgα) thẳng nhớt suất Ydầu dừa = 0,0484X4 + Ydầu dừa = Dầu 80,6% -5,75 5,75X + dừa cSt 6,3804X2 + 109,12 10,202X + 95,803 Ydầu hạt cải = Ydầu hạt cải 0,5864X3 + Dầu hạt 81,2% -15,28 = -15,28X 13,309X2 – cải cSt +161,40 100,75X + 329,28 3.2.3 Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến trình chuyển hóa dầu dừa dầu hạt cải thành metyl este Bảng 3.31 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải Nhiệt độ, Hiệu suất tạo metyl este Hiệu suất tạo metyl o C từ dầu dừa, % este từ dầu hạt cải, % 40 64,5 65,2 50 73,5 75,6 60 83,9 84,8 64 88,6 89,4 70 81,5 82,4 Bảng 3.32 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 14 Thời gian phản Hiệu suất tạo metyl Hiệu suất tạo metyl este ứng, h este từ dầu dừa, % từ dầu hạt cải, % 75,4 70,5 84,6 78,9 85,8 90,6 90,6 10 90.0 12 90.0 Bảng 3.33 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải Hàm lượng Hiệu suất tạo metyl este Hiệu suất tạo metyl este từ xúc tác, % từ dầu dừa, % dầu hạt cải, % 82,6 81,5 88,2 86,7 91,4 90,8 91,4 90.8 Bảng 3.34 Ảnh hưởng tỷ lệ metanol/dầu đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải Tỷ lệ mol Hiệu suất tạo metyl este Hiệu suất tạo metyl este từ metanol/dầu từ dầu dừa, % dầu hạt cải, % 87,2 85,5 91,4 88,3 90,8 92,2 92,2 10 91,2 12 92.2 91,2 Bảng 3.35 Ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn đến hiệu suất tạo metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải Tốc độ khuấy, Hiệu suất tạo metyl este Hiệu suất tạo metyl este từ vòng/phút từ dầu dừa, % dầu hạt cải, % 300 88,8 86,9 400 92,2 91,2 500 92,8 92 600 93,3 92,4 700 93,3 92,4 Bảng 3.36 Tổng hợp điều kiện công nghệ tối ưu cho trình tổng hợp metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải 15 Điều kiện công nghệ Metyl este từ Metyl este từ dầu dầu dừa hạt cải Lượng dầu, g 100 100 o Nhiệt độ phản ứng, C 64 64 Thời gian phản ứng, 10 Hàm lượng xúc tác, % kl dầu 5 Tỷ lệ mol metanol/dầu dừa 8/1 10/1 Tốc độ khấy trộn,vòng/phút 600 600 Hiệu suất tạo metyl este, % 93,3 92,4 3.2.4.Xác định thành phần tính chất hóa lý metyl este tổng hợp 3.2.4.1 Xác định thành phần sản phẩm metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải Bảng 3.37 Thành phần gốc axit béo sản phẩm metyl este từ dầu dừa theo kết GC – MS STT Thời Cấu Tên axit Công Thành gian trúc thức phần lưu, % phút 4,81 C6:0 Hexanoic C6H12O2 0,51 8,69 C8:0 Caprilic C8H16O2 6,54 12,25 C10:0 Capric C10H20O2 7,72 13,72 C11:0 Undecanoic C11H22O2 0,08 15,60 C12:0 Lauric C12H22O2 30,01 16,82 C13:0 Tridecanoic C13H26O2 0,14 18,46 C14:0 Myristic C14H28O2 20,37 19,60 C15:0 Pentadecanoic C15H30O2 0,04 21,18 C16:0 Palmitic C16H32O2 13,76 10 22,07 C17:0 Heptadecanoic C17H34O2 0,03 11 22,90 C18:1 Oleic C18H34O2 11,45 12 23,13 C18:0 Stearic C18H36O2 7,73 13 24,44 C14:0 Tetradecanoic, 2-hydroxy-1- C16H32O4 0,61 (hydroxymetyl) metyleste 14 24,59 C20:0 Eicosanoic 16 C20H40O2 0,35 15 26,39 C16:0 Hexadecanoic, 2-hydroxy-1(hydroxymetyl) metyleste C18H36O4 0,12 16 26,54 C22:0 Docosanoic C22H44O2 0,06 Bảng 3.38 Thành phần gốc axit béo sản phẩm metyl este từ dầu hạt cải theo kết GC – MS STT Tên gốc axit béo Số C Công thức Hàm lượng phần trăm, % Pentadecanoic C15:0 C15H30O2 4,55 Octadecadienoic C18:2 C18H32O2 18,50 Octadecenoic C18:1 C18H34O2 70,75 Octadecatrienoic C18:3 C18H30O2 1,16 Octadecanoic C18:0 C18H36O2 2,36 Eicosenoic C20:1 C20H38O2 1,77 Eicosanoic C20:0 C20H40O2 0,91 3.2.4.2 Xác định số tiêu hóa lý sản phẩm metyl este từ dầu dừa dầu hạt cải Bảng 3.39 Một số tiêu kỹ thuật metyl este từ dầu dừa Chỉ tiêu kỹ thuật P.P kiểm tra Giá trị Nhiệt trị, MJ/Kg ASTM D240 41,5 Chiều cao lửa không khói, mm ASTM D 1322 96 Chỉ số axit, mg KOH/g ASTM D664 0,01 Chỉ số iot, g iot/100mg Pr EN-14111 25 Độ nhớt động học 40oC, cSt ASTM D445 2,75 o Nhiệt độ chớp cháy, C ASTM D93 133 Ăn mòn đồng, loại ASTM D130 1a Cặn cabon, % KL ASTM D4530 0,02 Tổng hàm lượng este, % GC-MS 99,52 o Điểm băng, C ASTM D2386 -11,6 Hàm lượng lưu huỳnh