Nhiên liệu và năng lượng trong hóa học xanh

Báo cáo tổng quan về các nguồn năng lượng xanh và nhiên liệu xanh bao gồm: mặt trời, gió, sóng biển thủy triều, địa nhiệt, biodiesel, biomass, ethanol sinh học và nhiên liệu hydro. Giới thiệu sơ lược về các nguồn nguyên liệu, cơ chế và phương pháp tổng hợp một số các nhiên liệu trên

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

NĂNG LƯỢNG VÀ NHIÊN LIỆU

TRONG HÓA HỌC XANH

GHHD: TS MAI HÙNG THANH TÙNG LỚP: 06DHLHH1

Danh sách thành viên

1 Bùi Trung Nguyên 2204162019 Nhóm trưởng

2 Nguyễn Đức Chung 2204162004 Thuyết trình

3 Nguyễn Vĩnh Ân 2204162001 Thuyết trình

4 Nhữ Văn Ngọc 2204162018

5 Phùng Đỗ Minh Phương 2004140347

6 Đỗ Trung Quân 2204162022

Năng lượng xanh

Vi sóng Siêu âm Biodiesel Ethanol sinh học

Biomass Nhiên liệu hydro

Nội dung chính

1 Tổng quan về năng lượng Mặt Trời

2 Ứng dụng của năng lượng Mặt Trời

3 Pin mặt trời

Năng lượng Mặt Trời

NĂNG LƯỢNG XANH

Năng lượng Mặt Trời

Năng lượng Mặt Trời

là năng lượng của

Năng lượng Mặt Trời gần như không có ảnh hưởng tiêu cực gì đến môi trường, là dạng năng lượng tái tạo được.

Nhiệt Mặt

Trời Mặt Trời Điện pin Điện nhiệt Mặt Trời

2 Các dạng sử dụng Năng lượng

Mặt Trời và ứng dụng

Điện pin Mặt Trời theo qui mô công nghiệp

Đèn đường và đèn giao thông sử dụng

Năng lượng Mặt Trời

1.Nhiệt Mặt Trời

Bình nước nóng bằng

Năng lượng Mặt Trời Bếp nhiệt bằng Năng lượng Mặt Trời

Thiết bị lọc nước bằng Năng lượng Mặt Trời

2.Điện nhiệt Mặt Trời

Sử dụng gương

để tập trung ánh

3 Pin Mặt Trời Pin Mặt Trời là thiết bị

giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng Mặt Trời (quang năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất.

Pin năng lượng Mặt Trời có thể gọi là pin quang điện Pin quang điện có tác dụng hấp thụ năng lượng của Mặt Trời và tạo ra dòng điện giữa 2 cực điện từ trái dấu.

tử

Các electron bật ra di chuyển thành dòng

có hướng

Dòng điện hình thành

Pin năng lượng mặt trời hoạt động như thế nào?

• Nguồn năng lượng dồi dào.

• Thân thiện với môi trường.

• Tiết kiệm chi phí sử dụng cho sinh hoạt.

Ưu điểm

• Phụ thuộc vào điều kiện tựnhiên

• Chi phí đầu tư ban đầu cao

• Hiệu suất năng lượng khôngcao

Nhược điểm

Một số công ty sản xuất tấm pin năng

1 Khái niệm:

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyểntrong bầu khí quyển Trái Đất Năng lượng gió là một hình thứcgián tiếp của năng lượng Mặt Trời

Năng lượng gió

2 Sự hình thành năng lượng gió:

Bức xạ Mặt Trời

Hiệu ứng Coriolis

Trái Đất xoay quanh

trục

Địa hình từng địa phương

Năng lượng gió

3 Ứng dụng :

Năng lượng gió Cơ năng Điện năng

Ứng dụng Ứng dụng

Năng lượng gió

Năng lượng gió trong sản xuất điện năng

Nguyên tắc hoạt động:

Cánh quạt quay

Roto quay

Trục tốc độ thấp quay

Trục tốc độ cao quay Hộp số

Máy phát điện hoạt động

GIÓ

Năng lượng gió

Nguyên lý hoạt động của turbin

Ưu – nhược điểm của năng lượng gió

ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM

- Là nguồn năng lượng tái tạo hoàn

toàn.

- Không gây ô nhiêm môi trường.

- Hiệu suất cao.

- Chi phí vận hành thấp.

- Giá thành sản xuất điện rẻ, tiết kiệm

chi phí.

- Tốn ít diện tích xây dựng

- Là nguồn năng lượng bền vững.

- Vốn đầu tư ban đầu lớn.

- Phụ thuộc nhiều vào thời tiết.

Năng lượng thủy triều – sóng biển

Sự hình thành năng lượng thủy triều – sóng biển:

Ưu - Nhược điểm:

ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM

- Là nguồn năng lượng tái tạo hoàn

toàn.

- Không gây ô nhiêm môi trường.

- Hiệu suất cao.

- Chi phí vận hành thấp.

- Giá thành sản xuất điện rẻ, tiết kiệm chi

phí.

- Tốn ít diện tích xây dựng

- Là nguồn năng lượng bền vững.

- Vốn đầu tư ban đầu lớn.

- Phụ thuộc nhiều vào thời tiếtNăng lượng thủy triều – sóng biển

Năng lượng địa nhiệt

Năng lượng địa nhiệt là dạng năng lượng tồn tại trong lòng đất ở dưới dạng nhiệt năng, phát sinh từ nguồn nhiệt sơ khai trong lòng trái đất, từ nhiệt ma sát do các phiến lục địa trượt lên nhau, và từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tồn tại tự nhiên với 1 lượng nhỏ trong đá Trữ lượng năng lượng địa nhiệt là rất lớn, nếu không muốn nói là vô tận.

1 Tổng quan về Năng lượng địa nhiệt

Nguồn nước

nóng

Nguồn áp suất địa nhiệt Nguồn đá nóng khô

Nguồn từ núi lửa và magma

2 Phân loại các nguồn năng lượng địa nhiệt

Là nguồn nước bị nung nóng dưới áp suất cao , các nguồn hơi nước hay

trong các tầng đá xốp rỗ, hoặc ở trong các khe nứt gãy của đá, nó bị giữ lại bởi một lớp đá khác đặc kín và không thấm có nhiệt độ trên 240oC

Nguồn nước nóng

Là các nguồn chứa nước muối

có nhiệt độ trung bình và khí CH4 hòatan Các nguồn này bị vỏ Trái Đất nénlại dưới áp suất rất cao dưới các tầngtrầm tích sâu và bị bao bọc bởi cáclớp đất sét và trầm tích không thấmnước Áp suất các nguồn này nằmtrong khoảng từ 34MPa đến 140MPa

và ở độ sâu từ 1500m đến 15000m Nhiệt độ của các nguồn áp suất địanhiệt thường ở trong khoảng 90 đến

200oC .

Nguồn áp suất địa nhiệt

Bao gồm các khối đá ở nhiệt độ cao, từ 90°C đến 650°C Các nguồn đá này có thể bị nứt gãy nên có thể chứa một ít hoặc không có nước nóng Để khai thác nguồn địa nhiệt này người ta khoan sâu đến tầng đá , tạo ra các nứt gãy nhân tạo, sau đó sử dụng một chất lỏng nào đó làm chất vận chuyển nhiệt bơm qua tầng đá đã bị làm nứt gãy để thu nhiệt Tuy nhiên viêc khai thác năng lượng địa nhiệt từ các nguồn

đá nóng khô rất khó khăn và hiệu quả kinh tế không cao so với việc khai thác các nguồn địa nhiệt khác.

Nguồn đá nóng khô

Magma là đá nóng chảy có nhiệt độ từ 700°C đến

dưới vỏ Quả Đất đá nóng chảy là một phần của vỏ

Nguồn từ núi lửa và Magma

Nhà máy địa nhiệt nhị phân (Binary)

Năng lượng sạch (vì dùng sức nóng của Trái Đất nên không có thải)

Năng lượng có thể tái tạo được

Không lên xuống thất thường và tương đối

rẻ hơn ( trừ chi phí lắp đặt)

3 Lợi ích của năng lượng địa nhiệt

NHIÊN LIỆU XANH

sinh học

Biomass

Nhiên liệu Hydro

Khái niệm

Là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệudầu diesel được sản xuất từ dầu thực vật hay mỡ động vật bằng phảnứng chuyển hóa este, sạch và thân thiện với môi trường

BIODIESEL

Tính chất đặc trưng của Biodiesel

- Chất lỏng màu vàng nhạt

- Mùi nhẹ, dễ bay hơi

- Tỷ trọng ~ 0.88g/cm3

- Không tan trong nước

- Dung môi hữu cơ tốt hơn

diesel

- Thân thiện với môi trường

- Cháy hoàn toàn, không gây

tiếng ồn

BIODIESEL

Vòng đời của Biodiesel

BIODIESEL

Nguồn nguyên liệu

- Từ thực vật: dầu đậu nành, đầu bông, dầu cọ, dầu dừa…

- Từ động vật: mỡ bò, mỡ cá,

mỡ heo …

- Mỡ đã qua sử dụng: vàng, nâu,…

- Dầu phế thải của các nhà máy chế biến dầu mỡ, dầu tảo…

BIODIESEL

Xử lý sơ bộ nguyên liệu

Bao gồm các quá trình

- Lọc: loại bỏ các tạp chất cơ học có trong dầu

- Xử lý hàm lượng acid tự do trong nguyên liệu: nâng cao hiệusuất biodiesel

- Rửa và sấy dầu: rửa để loại hoàn toàn xà phòng ra khỏidầu; sấy là khâu tách ẩm ra khỏi dầu sau khi rửa

- Tẩy màu dầu: loại bỏ các hợp chất gây màu

- Khử mùi: tách các hợp chất gây mùi ra khỏi dầu để tránh gâykhó chịu trong quá trình sử dụng sản phẩm

BIODIESEL

Tổng hợp Biodiesel theo phương pháp trao đổi este

Cơ sở hóa học

Phương pháp chuyển hóa este tạo biodiesel là sự lựachọn tốt nhất, vì các đặc tính vật lý của các alkyl este rất gầnvới diesel thông dụng và quá trình tương đối đơn giản

- ROH: CH3OH, C2H5OH và các rượu no khác

BIODIESEL

3 Hợp chất trung gian này không bền, tiếp tục tạo 1 anion và 1alkyl este tương ứng.

4 Cuối cùng là sự hoàn nguyên lại xúc tác

BIODIESEL

Tổng hợp Biodiesel theo phương pháp trao đổi este

Các phương pháp trao đổi este khác

- Phương pháp siêu tới hạn : Không cần sử dụng xúc tác, nhiệt độ và

áp suất phản ứng rất cao Phương pháp này cho độ chuyển hóa cao, thời gian phản ứng ngắn nhất, tinh chể sản phẩm đơn giản nhưng đòi hỏi công nghệ cao, phức tạp.

- Phương pháp chuyển hóa dầu thành acid, sau đó este hóa thành biodiesel. Hiệu quả của quá trình này không cao nên ít được sử dụng.

- Phương pháp 2 giai đoạn: nguyên liệu đầu vào có hàm lượng acid tự

do cao nên cần được tinh chế về còn 1 – 2% acid tự do, sau đó thực hiện phản ứng trao đổi este bằng xúc tác kiềm.

BIODIESEL

như MgO xúc tác nhựa trao đổi cation

(Amberlyst 15 , Tinanium silicat TIS);

xúc tác Na/NaOH/𝛾 − Al2O3…

- Xúc tác enzyme.

Quy trình điều chế biodiesel từ mỡ cá / dầu ăn thải

BIODIESEL

PHƯƠNG PHÁP HYDROCRACKING XÚC TÁC DẦU

THỰC VẬT

- Phương pháp này thực hiện ở nhiệt độ cao, thường ở 450 – 500 o C hoặc có thể cao hơn Xúc tác sử dụng cũng đa dạng, có thể là

Na2CO3, ZrSO4 hoặc xúc tác dị thể trên chất mang.

- Bản chất của phương pháp này là xảy ra các phản ứng cắt đứt liên kết

C – H, liên kết C – OOR để tạo các hydrocacbon khác nhau, tách ra

CO2 hoặc H2O.

- Thành phần biodiesel thu được tương tự như diesel khoáng, chất lượng tốt hơn do không chứa lưu huỳnh.

BIODIESEL

CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA BIODIESEL

Theo tiêu chuẩn ASTM, chỉ tiêu chất lượng của biodiesel được quy định trong bảng sau

BIODIESEL

SO SÁNH CHẤT LƯỢNG CỦA BIODIESELVAF DIESEL

KHOÁNG

Biodiesel có tinh chất vật lý rất giống diesel, tuy nhiên tính chất phát khí thải thì tốt hơn, sản phẩm cháy sạch hơn.

BIODIESEL

Ưu – nhược điểm của biodiesel

- Tăng tuổi thọ của động cơ

- Giảm lệ thuộc vào dầu mỏ

- Phát triển nông nghiệp

- Tính chất nhiệt độ thấp

- NOx hơi cao hơn diesel

- Tỷ lệ sử dụng 92% diesel

- Có thể bị oxy hóa

- Công nghệ kỹ thuật cao

- Giá thành cao hơn diesel

BIODIESEL

Ethanol và nguyên liệu sản xuất ethanol

Ethanol còn được gọi là rượu etylic hay cồn Nó là mộthợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của rượu metylic, dễcháy, không màu là một trong các thành phần chính của đồ uốngchứa cồn CTHH: C2H5OH

Nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol đa dạng: ngô, mía,khoai mì, cây dầu mè (jatropha)…

ETHANOL SINH HỌC

Ứng dụng

- Ethanol thường được làm dung môi, sử dụng trong nước hoa, sơn và cồn thuốc.

- Ethanol cũng được sử dụng trog các gel vệ sinh kháng khuẩn.

- Sử dụng trong các sản phẩm đông lạnh.

- Làm nguyên liệu trong công nghệ hóa học, nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ hóa dầu.

- Ngày nay ethanol còn được sử dụng rộng rãi để pha vào xăng tạo nhiên liệu sinh học thân thiện với môi trường.

ETHANOL SINH HỌC

Các phương pháp tổng hợp ethanol

- Phương pháp hydrat hóa etylen: Etylen phản ứng với nước ở

300 o C, áp suất 70 – 80at với chất xúc tác là acid (H3PO4, H2SO4).

- Phương pháp lên men: được sử dung làm đồ uống chứa cồn cũng

như sử dụng làm nhiên liệu Phản ứng tổng quát:

ETHANOL SINH HỌC

Các phương pháp tổng hợp ethanol

Tổng hợp ethanol từ xenlulose bằng phương pháp lên men.

- Thủy phân xelulose thành mantose dưới tác dụng của men amylaza.

- Thủy phân mantose thành glucose hoặc fructose dưới tác dụng của men mantaza.

- Lên men rượu có xúc tác là men zima

ETHANOL SINH HỌC

Các phương pháp tổng hợp ethanol

ETHANOL SINH HỌC

Các phương pháp làm khan ethanol

ETHANOL SINH HỌC

- Sử dụng rây phân tử

- Sử dụng phụ gia: isopropylic, isobutyric…

 Mục đích của việc làm khan là tăng độ tinh khiết của ethanol

Tỷ lệ pha trộn ethanol vào nhiên liệu

ETHANOL SINH HỌC

- Hiện nay ở Việt Nam người ta thường trộn tỉ lệ 5% bio - etanol và

95% là xăng RON A92

- E10 là 10% bio - etanol và 90% là xăng, hiện đang là chuẩn

chung của nhiều nước : Mỹ, Úc, Pháp

- E85 là 85% bio - etanol và 15% là xăng, chủ yếu sử dụng ở

châu Âu : Thụy Điển, Đức, Pháp Tuy nhiên đây mới chỉ là loạithử nghiệm

Các chỉ tiêu chất lượng của ethanol pha vào xăng

ETHANOL SINH HỌC

Ưu điểm của xăng ethanol

ETHANOL SINH HỌC

- Là nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường hơn xưng

có nguồn gốc từ dầu mỏ.

- Có thể phục hồi được.

- Có nguồn gốc sinh học nên khi sử dụng sẽ không làm

tăng hiệu ứng nhà kính, không thải ra khí độc cho môi trường.

- Có trị số octan cao nên không cần đến phụ gia để tăng

trị số octan.

- Có khả năng phân hủy hủy sinh học không gây ô nhiễm

môi trường.

Nhiên liệu sinh khối

BIOMASS

Nhiên liệu sinh khối là vật liệu hữu cơ, chứa chủ yếu 3 thànhphần là: lignin 15 – 25%, xenlulose: 38 – 50%; hemixenlulose: 23 –32%, chúng có nhiều dạng như gỗ, sản phẩm phụ của lâm nghiệpnhư: mùn cưa, vỏ bào, chất thải nông nghiệp như rơm rạ, trấu, bãmía, rác sinh hoạt, phân động vật…

Nhiên liệu sinh khối

BIOMASS

Nguồn cung cấp sinh khối

Các phương pháp tổng hợp nhiên liệu sinh khối

BIOMASS

Có rất nhiều phương pháp tổng hợp NLSK, mỗi phươngpháp có đặc điếm và hiệu quả khác nhau Trong đó có 3 phươngpháp chính:

- Phương pháp nhiệt phân

+ Nhiệt phân sơ cấp+ Nhiệt phân thứ cấp

- Phương pháp lên men

- Phương pháp chuyển hóa bằng hơi nước (khí hóa sinh khối)

BIOMASS

Thành phần chính của Biogas là CH4 (50 - 60%) và CO2(30%) còn lại là các chất khác như hơi nước, N2, H2S, CO …

Các nguồn nguyên liệu chính dùng để sản xuất biogas:bùn từ ao tù đầm lầy, các loại phế thải trong sản xuất nông lâmnghiệp và chế biến nông lâm sản, các sản phẩm phụ và phế thải

từ sinh hoạt hằng ngày của con người, các sản phẩm phụ vàphế thải từ ngành chăn nuôi

BIOMASS

Phân loại biogas:Tuỳ theo nguồn gốc phát sinh ra khí,

những loại năng lượng sinh học có nhiếu tên khác nhau như: khí

ẩm ướt (swamp gas), khí ẩm từ cây cỏ (marsh gas), khí bãi rác(landfill gas), và khí nén (digester gas)

Bản chất kỵ khí của biogas: Là các chất thải được

phân hủy nhờ các vi sinh vật (VSV) trong điều kiện hoàn toànkhông có oxy Quá trình này được phân chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn I :

Chất hữu cơ phức tạp:

Chất hữu cơ đơn giản

(PROTEIN, A.AMIN, LIPID)

Vi khuẩn closdium bipiclobacterium, bacillus

gram âm không sinh bào tử, staphyloccus

(ALBUMOZ PEPIT,GLYXERIN, A.BÉO)

BIOMASS

BIOGAS

Giai đoạn II : hình thành acid (pha acid)

Nhờ vào vi khuẩn acetogenic bacteria (vi khuẩn tổng hợpacetat), các hydrates carbon  acid có phân tử lượng thấp(C2H5COOH, C3H7COOH, CH3COOH …) và pH môi trường ởdưới 5 nên gây thối Các vi khuẩn tham gia trong pha này :

A.acetic, A.sucinic

A.formic, A acetic A.lactic, Etanol, CO 2

A.formic, A.acetic A.lactic, A.sucinic, Etanol

A.formic, A.acetic, A.lactic, A.sucinic, Etanol A.formic, A.acetic,A.sucinic

Giai đoạn III : hình thành khí Metan

Sản phẩm của pha acid là nguyên liệu để phân huỷ ở giaiđoạn này, tạo ra hỗn hợp khí : CH4, CO2, H2S, N2, H2, và muốikhoáng (pH của môi trường chuyển sang kiềm) Các vi khuẩn thamgia :

H 2 ,CO 2 , A.formic A.acetic

Acid(butyric,valeric, capropionic)

CO 2 , H 2 , A.acetic, Metanol

H 2 , A.formic

H 2 , A.formic Acid( acetic, butyric ) Acid( acetic, butyric )

BIOMASS

ỨNG

DỤNG

BRIQUET là nhiên liệu rắn được tạo ra từ nguyên liệu sinh khối.

BIOMASS

NGUỒN NGUYÊN LIỆU

- Sản phẩm phụ của nông nghiệp như: rơm rạ, bã mía, trấu

và thân cây khác

BIOMASS

BRIQUET

NGUỒN NGUYÊN LIỆU

- Sản phẩm phụ của ngành sản xuất đồ gỗ như: mùn cưa,

gỗ vụn, tre, nứa…

BIOMASS

BRIQUET

NGUỒN NGUYÊN LIỆU

- Sản phẩm phụ của các ngành công nghiệp thực phẩm: vỏ chuối, vỏ dừa, lá, thân cây chuối

BIOMASS

BRIQUET

Những yêu cầu đối với sinh khối phụ phẩm trong quá trình đóng bánh:

- Có khối lượng lớn

- Độ ẩm thấp: khoảng từ 10% - 15%

- Lượng tro và thành phần cấu tạo: lượng tro thấp, trừ trấu, trong tro lại có chứa các khoáng chất của Kali, những chất này dễ bị khử và bám trên thành ống.

BIOMASS

BRIQUET

DẦU SINH HỌC

Là sản phẩm lỏng trong quá trinh nhiệt phân hay quátrình hóa lỏng nhiên liệu sinh học bio – oil hay còn gọi dầunhiệt phân

Thành phần: có đến 400 loại hợp chất khác nhau baogồm: các HC, các hợp chất thơm, các sản phẩm oxy hóa vàmột lượng nước đáng kể (15 - 35%), hàm lượng oxi khoảng45%

Dầu có màu nâu sẫm với mùi khét đặc trưng Bio – oil

có nhiệt năng thấp hơn so với dầu khoáng, tuy nhiên quátrình cháy triệt để hơn, ít khí thải độc hại hơn

Ứng dụng: nhiên liệu cho động cơ, nhiên liệu đốt lò,sản xuất điện năng…

Các phương pháp sản xuất dầu sinh học:

- Phương pháp nhiệt phân: có thể thu được dầu sinh học

từ hai quá trình xử lý hóa – nhiệt nhiên liệu sinh khối là nhiệt phân nhanh và hóa lỏng.

- Phương pháp nhiệt phân xúc tác: sử dụng xúc tác zeolite

để làm giảm thành phần oxy, cải thiện độ bền nhiệt của dầu sinh học,

- Phương pháp thủy phân: từ xenlulose thu được glucose sau đó là sản phẩm phân hủy Xúc tác cho quá trình là

H2SO4 loãng hoặc enzyme.

BIOMASS

DẦU SINH HỌC