Nghiên cứu chế tạo nhiên liệu phản lực sinh học từ sản phẩm của quá trình decacboxyl hóa dầu thực vật

Luận văn cao học VÕ HỒ VY LINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Võ Hồ Vy Linh KỸ THUẬT HÓA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHIÊN LIỆU PHẢN LỰC SINH HỌC TỪ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH DECACBOXYL HÓA DẦU THỰC VẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC 2014B Hà Nội – Năm 2015 Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang a Luận văn cao học BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Võ Hồ Vy Linh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHIÊN LIỆU PHẢN LỰC SINH HỌC TỪ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH DECACBOXYL HÓA DẦU THỰC VẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Hoàng Xuân Tiến Hà Nội – Năm 2015 Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang b Luận văn cao học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu luận văn khoa học Các kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực, số liệu, tính toán đƣợc hoàn toàn xác chƣa đƣợc công bố công trình nghiên cứu Hà Nội, ngày … tháng … năm 20… Học viên Võ Hồ Vy Linh Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang c Luận văn cao học LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô tận tình giảng dạy, hƣớng dẫn suốt trình học tập, nghiên cứu, rèn luyện Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hoàng Xuân Tiến tận tình hƣớng dẫn hoàn thành luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng để thực luận văn, song buổi đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học, nhƣ hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên tránh khỏi thiếu sót mà thân chƣa thấy hết đƣợc Rất mong đƣợc góp ý Quý thầy, cô bạn bè, đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn chỉnh Tôi xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày … tháng … năm 20… Học viên Võ Hồ Vy Linh Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang d Luận văn cao học MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN c LỜI CẢM ƠN .d MỤC LỤC e DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .g DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ h LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Khái quát chung phân đoạn nhiên liệu kerosen .2 1.2 Tính chất tiêu kỹ thuật kerosen khoáng 1.3 Các tiêu chất lƣợng nhiên liệu cho động phản lực 1.3.1 Những tiêu liên quan đến trình cháy 1.3.2 Các tính chất liên quan đến điều kiện làm việc độ cao lớn 1.3.3 Các tính chất liên quan an toàn tồn chứa phân phối 1.4 Nhiên liệu kerosen xanh .11 1.4.1 Ƣu, nhƣợc điểm nhiên liệu kerosen xanh 12 1.4.2 Tình hình sản xuất sử dụng nhiên liệu kerosen xanh giới Việt Nam 14 1.5 Nguyên liệu cho trình decacboxyl hóa thu kerosen xanh 15 1.5.1 Dầu dậu nành 15 1.5.2 Dầu dừa 16 1.5.3 Dầu Jatropha 16 1.5.4 Dầu ăn thải sau chế biến thực phẩm 16 1.6 Xúc tác cho trình decacboxyl hóa thu kerosen xanh 17 1.6.1 Một số nghiên cứu xúc tác sử dụng trình decacboxyl hóa 18 1.6.2 Giới thiệu xúc tác sở hydrotalcite, ứng dụng cho trình decacboxyl hóa dầu thực vật thu kerosen xanh 20 Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang e Luận văn cao học CHƢƠNG II THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 Hóa chất dụng cụ 25 2.2 Tổng hợp xúc tác dạng hydrotalcite kim loại Mg-Al-Co 25 2.3 Chuyển hóa dầu dừa thành nhiên liệu theo phƣơng pháp decacboxyl hóa 26 2.4 Các phƣơng pháp đặc trƣng xúc tác 27 2.4.1 Nghiên cứu cấu trúc tinh thể phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 27 2.4.2 Nghiên cứu hình dạng, kích thƣớc hạt xúc tác phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM) .28 2.5 Các phƣơng pháp xác định tính chất nguyên liệu sản phẩm 29 2.5.1 Các tiêu nguyên liệu sản phẩm 29 2.5.2 Phƣơng pháp phân tích GC-MS (GC-MS – Gas Chromatography Mass Spectometry) .30 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Kết tổng hợp xúc tác dạng hydrotalcite kim loại Mg-Al-Co 31 3.1.1 Giản đồ XRD xúc tác trƣớc sau nung 500oC 31 3.1.2 Ảnh SEM xúc tác trƣớc sau nung 500oC 32 3.2 Chuyển hóa dầu dừa xúc tác sau nung theo phƣơng pháp decacboxyl hóa .33 3.2.1 Kết xác định tiêu chất lƣợng nguyên liệu dầu dừa 33 3.2.2 Kết khảo sát điều kiện phản ứng trình decacboxyl hóa nguyên liệu dầu dừa xúc tác dạng hydrotalcite kim loại Mg-Al-Co 35 3.3 Đánh giá tính chất sản phẩm thuộc phân đoạn có nhiệt độ sôi 160300oC 42 3.4 Nghiên cứu chế tạo nhiên liệu phản lực sinh học từ sản phẩm kerosen xanh thu đƣợc từ trình decacboxyl hóa dầu dừa .50 KẾT LUẬN .57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang f Luận văn cao học DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tính chất hóa lý kerosen Bảng 1.2 Thông tin chuyến bay thử nghiệm 12 Bảng 1.3 So sánh tính chất dầu qua chiên rán dầu hạt cải .16 Bảng 1.4 Thành phần hợp chất có dầu nhiệt phân dầu decacboxyl hóa 23 Bảng 1.5 Đặc tính sản phẩm thủy phân decacboxyl hóa so với diesel khoáng biodiesel 24 Bảng 3.1 Một số tính chất hóa lý dầu dừa 33 Bảng 3.2 Thành phần axit béo dầu dừa từ kết GC – MS 34 Bảng 3.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến trình decacboxyl hóa 36 Bảng 3.4 Ảnh hƣởng thời gian đến trình decacboxyl hóa 38 Bảng 3.5 Ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác đến trình decacboxyl hóa 39 Bảng 3.6 Ảnh hƣởng tốc độ khuấy trộn đến trình decacboxyl hóa 41 Bảng 3.7 Các điều kiện công nghệ thích hợp cho trình decacboxyl hóa dầu dừa hệ xúc tác dạng hydrotalcite kim loại Mg-Co-Al 42 Bảng 3.8 Thành phần hóa học sản phẩm thuộc phân đoạn 160-300oC thu đƣợc từ trình decacboxyl hóa dầu dừa 43 Bảng 3.9 Các tiêu nhiên liệu kerosen xanh, so sánh với tiêu nhiên liệu Jet A1 theo TCVN 6426:2009 với phƣơng pháp xác định 45 Bảng 3.10 Khảo sát điểm băng độ nhớt động học nhiên liệu thu đƣợc với tỷ lệ pha trộn khác 51 Bảng 3.11 Các tiêu nhiên liệu phản lực sinh học với thành phần GK20 + J80, so sánh với tiêu nhiên liệu Jet A1 theo TCVN 6426:2009 với phƣơng pháp xác định .52 Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang g Luận văn cao học DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc hydrotalcite 21 Hình 2.1 Thiết bị decacboxyl hóa pha lỏng gián đoạn 27 Hình 3.1 Giản đồ XRD xúc tác dạng hydrotalcite Mg-Co-Al trƣớc sau nung 500oC 31 Hình 3.2 Ảnh SEM xúc tác trƣớc nung .32 Hình 3.3 Ảnh SEM xúc tác sau nung 33 Hình 3.4 Sắc kí đồ metyl este đƣợc tổng hợp từ dầu dừa 34 Hình 3.5 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất tạo phân đoạn 160-300oC 37 Hình 3.6 Ảnh hƣởng thời gian đến hiệu suất tạo phân đoạn 160-300oC 38 Hình 3.7 Ảnh hƣởng hàm lƣợng xúc tác đến hiệu suất tạo phân đoạn 160300oC 40 Hình 3.8 Ảnh hƣởng tốc độ khuấy trộn đến hiệu suất tạo phân đoạn 160-300oC 42 Hình 3.9 Sắc ký đồ sản phẩm thuộc phân đoạn 160-300oC thu đƣợc từ trình decacboxyl hóa dầu dừa 43 Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang h Luận văn cao học DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTM: Tiêu chuẩn theo Mỹ TCVN: Tiêu chuẩn theo Việt Nam K 100: Kerosen 100% KLM: Hãng hàng không Hà Lan XRD: Phổ nhiễu xạ tia X SEM: Ảnh kính hiển vi điện tử quét TEM: Ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua GC-MS: Phƣơng pháp sắc ký kết nối khối phổ Jet A1: Nhiên liệu phản lực PJF: Công ty Nhiên liệu bay Petrolimex Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang i Luận văn cao học LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, nhiên liệu phản lực sinh học cho máy bay trở thành vấn đề thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học nƣớc giới máy bay không thải khí thải mặt đất nhƣng lại thải trực tiếp khí thải vào khí độ cao khoảng 10 km, gây ô nhiễm bầu không khí Các hãng hàng không giới tiến hành bay thử nghiệm nhiên liệu phản lực sinh học thu đƣợc kết khả quan Trong năm tới, nƣớc Liên minh châu Âu EU quy định máy bay bay không phận quốc gia phải nhiên liệu Việc sản xuất nhiên liệu phản lực sinh học không góp phần giải vấn đề tận dụng chất thải trình chế biến nông lâm nghiệp mà giúp ngƣời chủ động việc tạo nguồn nguyên liệu này, từ không bị phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu hóa thạch Một số loại dầu thực vật chuyển hóa thành hydrocabon có khoảng sôi nằm phân đoạn nhiên liệu phản lực – gọi kerosen xanh phƣơng pháp decacboxyl hóa Quá trình có mục đích tách nhóm este, cacboxyl khỏi gốc hydrocacbon để tạo hydrocacbon nhƣng bảo toàn số nguyên tử cacbon gốc hydrocacbon ban đầu Sản phẩm kerosen xanh có nhiệt trị cao, hầu nhƣ không chứa lƣu huỳnh aromatic, pha chế vào nhiên liệu phản lực để trở thành nhiên liệu phản lực sinh học Xúc tác cho trình decacboxyl hóa yêu cầu tính bazơ mạnh, dị thể, từ có khả thúc đẩy trình cắt đứt chọn lọc nhóm este cacboxyl nguyên liệu Trong số nhiều loại xúc tác dị thể bazơ rắn nay, xúc tác sở hydrotalcite có tiềm lớn để ứng dụng cho trình nhờ nhiều ƣu điểm: độ axit bazơ dễ dàng biến tính cách bổ sung kim loại chuyển tiếp vào cấu trúc, bền nhiệt, bề mặt riêng cao Từ đó, ý tƣởng đặt cho đề tài sử dụng xúc tác dạng hydrotalcite biến tính nhằm ứng dụng cho trình decacboxyl hóa dầu dừa thu phân đoạn nhiên liệu, sử dụng làm phân đoạn sở chế tạo nhiên liệu phản lực Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang Luận văn cao học hàm lƣợng 3,00 TCVN Naphtalen, % thể tích 7418 max (D1322) 0,5 1 TCVN 7989 (D1840) Tính ăn mòn: - Ăn mòn mảnh đồng, TCVN 2694 phân loại max (2 h ± (D130) phút, 100 0C ±1 0C) Tính ổn định: TCVN Độ ổn định oxy hóa 7487 nhiệt (JFTOT), (D3241) - Nhiệt độ thử, 0C 260 280 280 - Chênh lệch áp suất 25,0 20,0 23,8 max Nhỏ 3, cặn 0,5, không 2, không - Mức cặn ống, (nhìn màu có màu bất có màu mắt thƣờng) max công màu bất thƣờng qua màng lọc, mmHg thƣờng thƣờng Tạp chất: - Hàm lƣợng nhựa thực TCVN 6593 tế, mg/100ml max (D381) - Trị số tách nƣớc TCVN (MSEP): 70 7272 Nhiên liệu có phụ gia chống tĩnh điện Học viên: Võ Hồ Vy Linh bất 82 85 89 92 (D3948) 85 Trang 48 Luận văn cao học nhiên liệu phụ gia chống tĩnh điện Độ dẫn điện: Độ dẫn điện, pS/m TCVN 50 6609 đến max 600 (D2624) 10.Tính bôi trơn: Đƣờng kính vết mài 39 215 0,51 0,64 D5001 0,85 mòn BOCLE, mm max Có thể thấy, nhiên liệu kerosen xanh đáp ứng nhiều tiêu cho nhiên liệu phản lực thông thƣờng, đặc biệt có số tiêu chuẩn vƣợt trội: chiều cao lửa không khói lên tới 46 mm so với yêu cầu tối thiểu 25 mm, nhiệt độ chớp cháy lên tới 58oC so với tiêu chuẩn lớn 38oC, không chứa lƣu huỳnh, hàm lƣợng nhựa cặn cacbon thấp Với chiều cao lửa không khói lớn nhƣ vậy, khẳng định nhiên liệu kerosen xanh cháy sạch, tạo tàn, muội bám cánh quạt động bề mặt buống đốt Điều có đƣợc thành phần nhiên liệu kerosen xanh đa số parafin có tỷ số H/C lớn hydrocacbon, đẩy mạnh trình cháy triệt để Nhiệt độ chớp cháy cao lợi nhiên liệu phản lực sinh học, giúp giữ an toàn trình tồn chứa, bảo quản, đồng thời tránh gây tạo nút khoang chứa nhiên liệu máy bay hoạt động độ cao Mặt khác, hàm lƣợng S cực thấp metyl este làm giảm đáng kể hàm lƣợng S nhiên liệu, giúp cho trình cháy Tuy nhiên, số tiêu mà nhiên liệu kerosen xanh chƣa đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn, độ dẫn điện nhiên liệu sau pha trộn thấp (39 so với yêu cầu tối thiểu 50 pS/m) điểm băng cao (hóa rắn điều kiện -20oC so với tiêu chuẩn [...]... nhiên liệu phản lực Phần sau đây, tác giả sẽ phân tích các chỉ tiêu chất lƣợng của nhiên liệu phản lực 1.3 Các chỉ tiêu về chất lƣợng của nhiên liệu cho động cơ phản lực Trƣớc khi nêu và phân tích các chỉ tiêu của nhiên liệu ảnh hƣởng đến hoạt động của động cơ phản lực ta có những nhận xét ban đầu về đặc điểm hoạt động của động cơ phản lực nhƣ sau: Quá trình cháy trong động cơ phản lực là một quá trình. .. hóa thạch [7, 23] Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang 12 Luận văn cao học - Sản xuất từ nguyên liệu có khả năng tái tạo: Các loại dầu, mỡ động thực vật, các sản phẩm phế thải từ quá trình tinh luyện, sử dụng dầu ăn đều là những nguyên liệu có nguồn gốc sinh học nên khả năng tái tạo nguyên liệu sau quá trình sử dụng rất tốt Điều này làm giảm áp lực về sử dụng nguyên liệu hóa thạch - Quá trình cháy sạch: Sự... Năm 1980, lần đầu tiên toàn thế giới công nhận sự ra đời của sản phẩm kerosen xanh Đây cũng là năm khởi động cho các công trình nghiên cứu loại nhiên liệu sinh học đầy tiềm năng này Từ năm 1980 đến năm 1984, rất nhiều những thí nghiệm để áp dụng dầu sinh học vào thực tế đã đƣợc thực hiện Và từ đây, một loại nhiên liệu phản lực thay thế từ dầu thực vật cũng đã đƣợc tìm thấy Ngày 23 tháng 10 năm 1984, đã... cây lƣơng thực Hiệu quả kinh tế của nhiên liệu sinh học từ jatropha phụ thuộc nhiều vào năng suất hạt, năng suất hạt cây jatropha biến động khá nhiều, phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ điều kiện khí hậu, giống cây, cách trồng [28] 1.5.4 Dầu ăn thải sau chế biến thực phẩm Dầu ăn thải là dầu đã sử dụng qua trong quá trình chế biến thức ăn hoặc dầu thực vật thu hồi lại, mỡ từ quá trình chế biến thực phẩm trong... văn cao học kim loại/axit hoặc kim loại/bazơ, do việc sử dụng dòng H2 có áp suất cao nên là quá trình có chi phí cao và không an toàn 1.6.1 Một số nghiên cứu và xúc tác sử dụng trong quá trình decacboxyl hóa Nghiên cứu đầu tiên về quá trình decacboxyl hóa dầu thực vật đƣợc báo cáo vào năm 2005 [3], kể từ đó đã có rất nhiều công trình với mục đích sản xuất các loại nhiên liệu xanh thế hệ mới từ sinh khối... 14 Luận văn cao học hơn so với nhiên liệu sinh học từ dầu đậu nành, dầu hạt cải và thấp hơn rất nhiều so với nhiên liệu hóa thạch [27] Một nhóm các nhà khoa học Thái Lan [26] đã nghiên cứu chuyển hóa loại dầu dừa có hàm lƣợng axit béo tự do cao (12,8%) thành nhiên liệu sinh học theo phƣơng pháp hydro hóa Với tình hình thực tế đặt ra từ vấn đề môi trƣờng và sự cạn kiệt dần nguồn nguyên liệu khoáng thì... cho việc trồng cây cọ dầu và dừa Malaysia là nƣớc sản xuất và xuất khẩu dầu cọ lớn nhất thế giới Hàng năm, nƣớc này sản xuất khoảng 47% lƣợng dầu cọ trên thế giới [26] Cọ là loại cây có năng suất cho dầu rất lớn và nhiên liệu sản xuất từ dầu cọ có giá thành rẻ hơn nhiên liệu sản xuất từ các loại dầu khác Hơn nữa, nhiên liệu sinh học từ dầu cọ cũng thải ra lƣợng khí thải CO2 thấp Học viên: Võ Hồ Vy Linh... trƣng các tính chất hóa lý và chuyển hóa dầu dừa theo quá trình decacboxyl hóa để thu nhiên liệu Các Học viên: Võ Hồ Vy Linh Trang 25 Luận văn cao học phƣơng pháp phân tích hóa lý đƣợc sử dụng để chứng minh cấu trúc xúc tác bao gồm XRD, SEM 2.3 Chuyển hóa dầu dừa thành nhiên liệu theo phƣơng pháp decacboxyl hóa Dầu dừa tinh luyện đƣợc mua trên thị trƣờng Phản ứng decacboxyl hóa đƣợc thực hiện trong thiết... sôi của nhiên liệu phản lực Trong phần này, chúng tôi đƣa ra một số loại nguyên liệu tiềm năng có khả năng ứng dụng để sản xuất loại nhiên liệu này 1.5.1 Dầu đậu nành Dầu đậu nành đang là nguyên liệu phổ biến nhất trên thế giới, Mỹ đang là quốc gia đi đầu trong việc sử dụng dầu đậu nành làm nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học, và cũng là quốc gia đi đầu trong sử dụng các loại dầu thực vật. .. có những ảnh hƣởng nhất định đến tốc độ cháy của nhiên liệu do đó sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng của quá trình cháy Các tính chất liên quan đến quá trình cháy này có thể phân thành hai nhóm: - Các tính chất vật lý của nhiên liệu - Các tính chất về nhiệt hoá học a Các tính chất vật lý của nhiên liệu Nhƣ đã nói trong phần trƣớc, trong động cơ phản lực thì nhiên liệu đƣợc phun vào trong một dòng khí có tốc