NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ DẦU HẠT CÂY DẦU MÈ (JATROPHA CURCAS L.).

TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất biodiesel từ dầu hạt cây dầu mè Jatropha curcas L.” được tiến hành tại phòng thí nghiệm I4, Bộ môn Công nghệ Hóa học Trường Đại học Nông Lâ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ DẦU

HẠT CÂY DẦU MÈ (JATROPHA CURCAS L.)

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG CHÂU

CAO THỊ HẬU Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Niên khóa: 2005 – 2009

Tháng 9/2009

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ DẦU HẠT CÂY

DẦU MÈ (JATROPHA CURCAS L.).

Giáo viên hướng dẫn:

TS Phan Phước Hiền

Gởi lời cám ơn chân thành đến TS Phan Phước Hiền đã tận tình hướng dẫn, luôn theo sát và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành gởi lời cảm ơn đến Thầy Cô, Bộ môn Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Nông Lâm, Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức không chỉ giúp chúng em hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp, mà đó còn là hành trang vững vàng cho chúng em sau này

Cảm ơn Ks Nguyễn Thị Ngọc Sương đã hướng dẫn, giúp đỡ chúng em Cảm

ơn tập thể CNHH K31, các bạn đã luôn động viên và giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình học tập, làm đề tài

Cuối cùng chúng em xin chúc TS Phan Phước Hiền, quý Thầy, Cô trong Bộ môn Công nghệ Hóa học, và toàn thể các bạn trong lớp Công nghệ Hóa học khóa 31 dồi dào sức khỏe và thăng tiến trên con đường sự nghiệp

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất biodiesel từ dầu hạt cây dầu mè

(Jatropha curcas L.)” được tiến hành tại phòng thí nghiệm I4, Bộ môn Công nghệ Hóa

học Trường Đại học Nông Lâm, Thành phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 1 năm

2009 đến tháng 8 năm 2009 Thí nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly dầu (thời gian, tỷ lệ dung môi/ khối lượng hạt) lên lượng dầu thu được, thí nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng chuyển vị ester từ dầu hạt cây

dầu mè (Jatropha curcas L.) từ Công ty Cổ phần Nhiên liệu Sinh học Quốc gia (tỷ lệ

methanol, tỷ lệ acid sulfuric, thời gian phản ứng) lên hiệu suất thu biodiesel

Mục đích: tìm được điều kiện tốt cho phản ứng chuyển vị ester từ dầu hạt cây

Jatropha curcas L nhằm tăng hiệu suất thu biodiesel Phản ứng chuyển vị ester gồm

hai bước: phản ứng ester hóa và phản ứng chuyển vị ester Quy hoạch thực nghiệm được bố trí theo phương pháp bề mặt đáp ứng kiểu phương án bậc hai có tâm trong cả hai giai đoạn Giai đoạn một, khảo sát tìm điều kiện tốt để hạ chỉ số acid của dầu hạt

cây Jatropha curcas L Giai đoạn hai, khảo sát tìm điều kiện tốt cho phản ứng chuyển

vị ester có hiệu suất thu biodiesel cao nhất

Kết quả: điều kiện thực hiện phản ứng giai đoạn một tỷ lệ methanol/ dầu theo thể tích là 0,41, tỷ lệ acid sulfuric theo phần trăm thể tích là 1,42%, với thời gian phản ứng là 41 phút Điều kiện phản ứng chuyển vị ester kiến nghị, tỷ lệ methanol/ dầu theo thể tích là 0,21; thời gian phản ứng là 29,8 phút Toàn bộ quá trình được thực hiện trong cùng điều kiện nhiệt độ 600C và tốc độ khuấy trộn 500 vòng/phút Hiệu suất thu biodiesel là 97,58 % Tổng hàm lượng methyl ester trong phân tích sắc ký khí khối phổ GC/MS là 99,83%, hàm lượng oleic acid methyl ester (49,90 % ) , linoleic acid methyl ester ( 26,84% ) và palmitic acid methyl ester (13,26 % ), stearic acid methyl ester 7,71 % đạt hàm lượng cao nhất Sản phẩm biodiesel đạt tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học gốc B100, TCVN 7717: 2007, và tiêu chuẩn Mỹ ASTM 6751 Bước đầu sản xuất được xà phòng thơm theo công thức có tỷ lệ dầu/ nước/ NaOH lần lượt là 1/0,75/0,035 theo thể tích

SUMMARY

Project "Research on the production process biodiesel from oil seeds sesame oil

(Jatropha curcas L.)" was conducted in the laboratory I4, Department of Chemical

Engineering University of Agriculture and Forestry, Ho Chi Minh City, period from January 2009 to August 2009 Experimental survey of factors affecting the process of extracting oil (time, ratio of solvent / particle volume) to obtain oil, experimental survey of factors affecting reactions are ester transfer from oil and sesame seed oil

(Jatropha curcas L.) from the Corporation Biofuels Country (percentage of methanol,

sulfuric acid ratio, response time) to collect performance biodiesel

Purpose: find good conditions for the transesterification reactions oil from Jatropha curcas L seed to increase revenue performance biodiesel Transesterification reaction are two steps: esterification reaction and transesterification reaction Planned experiments are arranged according to the method response surface quadratic model plan for a center in both phases Phase one, the survey found good conditions to lower

the index of the acid plant Jatropha curcas L seed oil Second phase, surveys find

good conditions for the transesterification reaction biodiesel has the highest collection efficiency

Results: The conditions made the period a response rate of methanol / oil by volume is 0,41, the proportion of sulfuric acid as a percentage of volume is 1,42%, the response time is 41 minutes Transesterification reaction conditions are proposals, the proportion of methanol / oil by volume is 0,21; response time was 29,8 minutes The whole process is done in the same conditions of temperature 600C and stirring speed mixer 500 rpm Revenue performance biodiesel is 97,58% Total methyl ester content

in the analysis of gas chromatography mass spectrometry GC / MS was 99,83%, oleic acid methyl ester content (49,90%), linoleic acid methyl ester (26,84%) and palmitic acid methyl ester (13,26%), Stearic acid methyl ester contentreached 7,71% highest Initially be produced by aromatic soap formula rate and oil / water / NaOH in turn is 1 / 0, 75 / 0.035 by volume

MỤC LỤC

TRANG TỰA 0

LỜI CẢM TẠ ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH x

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích đề tài 1

1.3 Nội dung 2

1.4 Yêu cầu 2

1.5 Ý nghĩa của đề tài 2

1.5.1 Về kinh tế 2

1.5.2 Về xã hội 3

1.5.3 Về môi trường 3

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Tình hình sản xuất biodiesel trên thế giới 4

2.2 Tình hình tại Việt Nam 7

2.3 Khái quát về biodiesel 9

2.3.1 Định nghĩa 9

2.3.2 Tính chất 9

2.3.3 Quy trình sản suất chung biodiesel từ hạt cây có dầu 12

2.3.5 So sánh tính chất của biodiesel và diesel 14

2.3.6 Ưu nhược điểm của biodisel 15

2.4 Tổng quan về nguồn nguyên liệu 18

2.5 Tổng quan về cây dầu mè (Jatropha curcas L.) 19

2.5.1 Vị trí phân loại 19

2.5.2 Đặc điểm sinh học 20

2.5.3 Tình hình phân bố cây dầu mè (Jatropha curcas L.) trên thế giới và tại Việt Nam 21

2.5.4 Thành phần hóa học 21

2.5.5 Công dụng của cây dầu mè (Jatropha curcas L.) 22

2.5.6 Ưu nhược điểm của cây 23

2.6 Quy trình sản xuất biodiesel từ dầu hạt cây dầu mè (Jatropha curcas L.) 23

2.6.1 Sơ đồ chung 24

2.6.2 Quá trình xử lý sơ bộ nguyên liệu 25

2.6.3 Quá trình thực hiện phản ứng chuyển vị ester 33

2.7 Sản xuất một số sản phẩm phụ từ dầu hạt cây dầu mè (Jatropha curcas L.) 42

2.7.1 Khái niệm xà phòng 42

2.7.2 Tác dụng tẩy rửa của xà phòng và của chất tẩy rửa tổng hợp 42

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

3.1 Vật liệu 43

3.1.1 Địa điểm và thời gian thực hiện 43

3.1.2 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 43

3.2 Phương pháp thí nghiệm 45

3.2.1 Thí nghiệm xác định lượng dầu thu được từ quá trình ép 45

3.2.2 Thí nghiệm xác định ẩm độ 45

3.2.3 Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi và thời gian trích ly

lên lượng dầu thu được 46

3.2.4 Thí nghiệm xác định lượng “gum” 46

3.2.5 Thí nghiệm xác định chỉ số acid béo tự do của dầu nguyên liệu 47

3.2.6 Thí nghiệm xác định chỉ số xà phòng hóa của dầu nguyên liệu 47

3.2.7 Thí nghiệm xác định chỉ số peroxide của dầu nguyên liệu 49

3.2.8 Thí nghiệm xác định điều kiện tốt cho phản ứng chuyển hóa giai đoạn một .49

3.2.9 Thí nghiệm xác định điều kiện tốt cho phản ứng chuyển hóa giai đoạn hai 52

3.2.10 Thí nghiệm xác định một số chỉ tiêu trong biodiesel 55

3.2.11 Thí nghiệm sản xuất thử nghiệm xà phòng 57

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 58

4.1 Kết quả 58

4.1.1 Lượng dầu sau khi ép 58

4.1.2 Ẩm độ 58

4.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi và thời gian trích ly đến lượng dầu thu được 59

4.1.4 Khối lượng “gum” 61

4.1.5 Chỉ số acid béo tự do của dầu nguyên liệu 62

4.1.6 Chỉ số xà phòng và chỉ số ester 62

4.1.7 Chỉ số peroxide 62

4.1.8 Điều kiện tốt cho phản ứng giai đoạn một 63

4.1.9 Điều kiện tốt cho phản ứng giai đoạn hai 69

4.1.10 Một số chỉ tiêu trong biodiesel 75

4.1.10 Quy trình sản xuất xà phòng 77

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 79

5.1 Kết luận 79

5.2 Đề nghị 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 87

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASTM D 6751-06, Standard Specification For Biodiesel Fuel Blend Stock ( B100 ) For Middle Distillate Fuels

TCVN 7717: 2007 Tiêu chuẩn Việt Nam

EN 14214:2003 Automotive Fuels-Fatty Acid Methyl Esters (FAME) For Diesel Engines – Requirements And Test Methods

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Tình hình sản xuất Biodiesel tại các nước Châu Âu 5

Hình 2.2 Mở rộng diện tích dự kiến đến năm 2017 trên thế giới 6

Hình 2.3 Diện tích trồng cây Jatropha Curcas L dự kiến đến năm 2017 7

Hình 2.4 Sản lượng thu hoạch cây Jatropha Curcas L ở các nước Châu Á 7

Hình 2.5 Phản ứng chuyển hóa biodiesel 9

Hình 2.6 Sơ đồ sản xuất biodiesel tổng quát 12

Hình 2.7 Các bộ phận của cây Jatropha curcas L 20

Hình 2.8 Sơ đồ quy trình sản xuất biodiesel từ hạt cây dầu mè (Jatropha curcas L.).24 Hình 2.9 Bộ trích ly bằng soxhlet 26

Hình 2.10 Cấu tạo máy ép trục vít 27

Hình 2.11 Phễu nhập liệu của máy ép trục vít 27

Hình 2.12 Lỗ dầu ra 28

Hình 2.13 Trục vít của máy ép 28

Hình 2.14 Hệ thống máy ép trục vít 29

Hình 2.15 Công thức cấu tạo của phospholipid 31

Hình 2.16 Phản ứng loại phospholipid 32

Hình 2.17 Sơ đồ quy trình loại “gum” cho dầu Jatropha curcas L .33

Hình 2.18 Cơ chế phản ứng chuyển vị ester 41

Hình 4.1 Biểu đồ biễu diễn ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi lên lượng dầu thu được (%) .60

Hình 4.2 Biểu đồ biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đối với lượng dầu thu được (%)61 Hình 4.3 Dầu Jatropa curcas L loại “gum” 61

Hình 4.4 Mô hình thể hiện sự tương thích của các yếu tố lên chỉ số acid của dầu sau giai đoạn một 63

Hình 4.5 Mô hình bề mặt đáp ứng của các yếu tố lên chỉ số acid 66

Hình 4.6 Ảnh hưởng từng yếu tố lên chỉ số acid 66

Hình 4.7 Tương tác của các yếu tố đến chỉ số acid 67

Hình 4.8 Pha glycerine và pha biodiesel sau giai đoạn một 68

Hình 4.9 Dầu biodiesel sau giai đoạn một, sau khi loại glycerine 69

Hình 4.10 Mô hình thể hiện sự tương thích của hai yếu tố lên hiệu suất phản ứng 70

Hình 4.11 Mô hình bề mặt đáp ứng lên hiệu suất phản ứng biểu diễn theo thời gian phản ứng và lượng methanol 72

Hình 4.12 Ảnh hưởng của hai yếu tố lên hiệu suất phản ứng 72

Hình 4.13 Ảnh hưởng tương tác giữa hai yếu tố lên hiệu suất phản ứng 73

Hình 4.14 Sự phân lớp giữa hai pha glycerine và biodiesel sau giai đoạn hai 74

Hình 4.15 Quá trình rửa biodiesel 75

Hình 4.16 Biodiesel từ dầu hạt cây Jatropha curcas L .75

Hình 4 17 Mẫu xà phòng thử nghiệm giai đoạn chế biến và đổ khuôn 78

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu chất lượng của diesel sinh học gốc ( B100 ) 13

Bảng 2.2 Tính chất của nhiên liệu diesel 14

Bảng 2.3 Bảng so sánh tính chất của biodiesel và diesel 15

Bảng 2.4 Nguồn sản xuất biodiesel của các nước 18

Bảng 2.5 Sản lượng các nguồn nguyên liệu cho biodiesel ở Việt Nam 19

Bảng 2.6 Tiềm năng biodiesel tại Việt Nam 19

Bảng 2.7 Thành phần các acid béo trong dầu Jatropha curcas L .21

Bảng 2.8 Các cấu tử độc trong cây Jatropha curcas L 22

Bảng 3.1 Bố trí thí nghiệm trích ly 46

Bảng 3.2 Mã hóa các yếu tố khảo sát 51

Bảng 3.3 Bố trí thực nghiệm các điều kiện khảo sát 51

Bảng 3.4 Các yếu tố mã hóa 53

Bảng 3.5 Bố trí thực nghiệm các điều kiện khảo sát 53

Bảng 4.1 Kết quả khảo sát ẩm độ của hạt nguyên liệu 58

Bảng 4.2 Kết quả lượng dầu thu được 59

Bảng 4.3 Kết quả phần trăm khối lượng dầu thu được 59

Bảng 4.4 Kết quả khảo sát tỷ lệ “gum” 61

Bảng 4.5 Kết quả chỉ số acid của dầu 62

Bảng 4.6 Kết quả chỉ số xà phòng của dầu 62

Bảng 4.7 Kết quả chỉ số peroxide của dầu 62

Bảng 4.8 Tác động của các yếu tố khảo sát lên chỉ số acid của dầu 64

Bảng 4.9 Khối lượng biodiesel thu được sau phản ứng giai đoạn hai 69

Bảng 4.10 Tác động của hai yếu tố khảo sát lên hiệu suất phản ứng 71

Bảng 4.11 Kết quả hiệu suất toàn bộ quy trình 73 Bảng 4.12 Kết quả chỉ số acid của biodiesel 76

Năng lượng sinh học là giải pháp tối ưu có thể thay thế dần nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt Trong lĩnh vực vận chuyển,định hướng phát triển diesel sinh học đang được hầu hết các quốc gia trên thế giới nghiên cứu và phát triển Ở Việt Nam, cây cọc rào là nguồn nguyên liệu chế tạo diesel sinh học mang lại nhiều lợi ích,

bổ sung nguồn nhiên liệu sinh học nâng cao sự ổn định an ninh năng lượng quốc gia, thân thiện với môi trường, tạo nguồn lợi kinh tế, vừa góp phần giải quyết các vấn đề xã hội

Được sự phân công của BM CNHH, dưới sự hướng dẫn của TS Phan Phước Hiền, chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất biodiesel từ dầu hạt

cây dầu mè (Jatropha curcas L.)”

1.2 Mục đích đề tài

Nghiên cứu quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học biodiesel từ dầu hạt cây

Jatropha curcas L

Xác định các yếu tố để tối ưu hóa hiệu suất thu biodiesel từ dầu hạt cây

Tìm hiều tình hình sản xuất biodiesel trên thế giới và tại Việt Nam

So sánh chất lượng biodiesel và biesel, tìm hiểu về các tính chất qui định đối với nhiên liệu sinh học

Sử dụng nguồn nguyên liệu là hạt cây Jatropha curcas L để tách lấy dầu, tiến

hành thực hiện việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng chuyển vị ester theo phương pháp xúc tác đồng thể thu biodiesel như sau:

i Thời gian phản ứng;

ii Tỷ lệ acid sunfuric trong giai đoạn đầu phản ứng chuyển vị ester;

iii Tỷ lệ methanol trong toàn bộ quá trình phản ứng chuyển vị ester

Ảnh hưởng của các yếu tố trên được đánh giá dựa trên các thông số:

i Chỉ số acid của sản phẩm sau giai đoạn một;

ii Tính hiệu suất thu biodiesel toàn bộ quy trình

Thử nghiệm chế biến xà phòng từ dầu Jatropha curcas L

Xác định một số chỉ tiêu nhiên liệu sinh học

1.5 Ý nghĩa của đề tài

1.5.1 Về kinh tế

Tận thu được một nguồn lợi từ loại cây trồng mới

Phát hiện ra một nguồn nhiên liệu sạch định hướng phát triển nhiên liệu cho

Mặc dù giá nhiên liệu sinh học hiện nay còn tương đối cao nhưng trong tương lai là nguồn nhiên liệu quí báo thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần

Tạo ra một lượng không khí sạch cho con người

Loại cây này có khả năng giữ đất giữ nước giúp con người chống choi lũ lụt hạn hán

Sản xuất nhiên liệu sạch cho con người thay vì các nhiên liệu hóa thạch. 

 

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tình hình sản xuất biodiesel trên thế giới [44], [50]

Các nước trên thế giới đang tìm ra các dạng nhiên liệu thay thế thân thiện môi trường vào hai lĩnh vực quan trọng nhất là điện năng và nhiên liệu cho vận tải Trong lĩnh vực vận tải có rất nhiều nhiên liệu để thay thế nhưng nhiên liệu sinh học đang trở thành loại nhiên liệu có nhiều khả năng nhất trước khi nhiên liệu hydro được sử dụng rộng rãi Phát triển nhiên liệu tái tạo nói chung và nhiên liệu sinh học nói riêng đang là chính sách năng lượng và môi trường tích cực mang tính nhân văn cao cả, có xu hướng phát triển ngày một tăng nhờ những lợi ích kinh tế - xã hội to lớn Đến nay đã có hơn

55 quốc gia phát triển và sử dụng năng lượng sinh học ở các mức độ khác nhau Nhiên liệu sinh học được hiểu là loại nhiên liệu tái tạo được sản xuất từ sản phẩm nông nghiệp và sinh khối

Tổ chức biodiesel Châu Âu EBB vừa công bố sản lượng biodiesel trong năm 2006-2007 Trong năm 2006 Châu Âu đã sản xuất tới 77% lượng biodiesel của cả thế giới Vào cuối năm 2007, sản lượng biodiesel sẽ đạt con số kỷ lục 10,2 triệu tấn, so với 4,89 triệu tấn năm 2006 Tại Châu Âu hiện có 185 nhà máy sản xuất biodiesel đang hoạt động và khoảng 58 nhà máy trong quá trình xây dựng Tuy nhiên để thực hiện được mục tiêu đề ra, EBB kêu gọi EU hỗ trợ hơn nữa về mặt pháp lý, nhất là trong việc tăng lượng biodiesel cho phép từ 5% lên 10% và 15% trong thời gian tới

Nguồn http://www.ebb-eu.org/stats.phphttp://www.biofuelreview.com/content/view/1105/

Hình 2.1: Tình hình sản xuất Biodiesel tại các nước Châu Âu

Thái Lan đẩy mạnh việc sử dụng biodiesel Vừa qua, bộ trưởng Bộ năng lượng Thái Lan Piyasvasti Amranand đã thông báo về việc bắt buộc sử dụng B2 tại 10 ngàn trặm xăng dầu trên khắp đất nước cho tới tháng 1 năm 2008, sau đó sẽ chuyển sang B5 Vào đầu năm 2007, bộ năng lượng Thái Lan đã đưa ra mục tiêu tăng mức tiêu thụ biodiesel từ 500 ngàn lít/ngày trong năm 2007 lên 4 triệu lít/ngày vào cuối năm 2011 (tương đương 7% lượng dầu diesel tiêu thụ) Thái Lan cũng đề ra kế hoạch thay thế 20% lượng nhiên liệu truyền thống bằng nhiên liệu sinh học trong vòng 5 năm tới

Đông Âu đáp ứng nhu cầu nguyên liệu sản xuất biodiesel cho Châu Âu Liên minh Châu Âu và nhiều công ty đa quốc gia đang xem xét việc thu mua nguyên liệu sản xuất biodiesel từ các nước Đông Âu và Nga Nhà máy tại Prizwalk, Đức (trực thuộc European Oil Products Biodiesel) đang tiếp nhận dầu cải từ nhà máy sản xuất dầu thực vật tại Liepaia, Latvia Tương tự, Archer Daniels Midland Co (ADM) sử dụng dầu thực vật từ hãng IMEZ, Ukraine Nguyên liệu sản xuất biodiesel có thể được cung cấp từ Liên bang Nga Bộ trưởng bộ nông nghiệp Nga trong Hội nghị Xanh, 2007 tại Berlin thông báo rằng Nga có thể mở rộng việc phát triển các cây lấy dầu như cải dầu để sản xuất nhiên liệu và cung cấp cho liên minh Châu Âu Bộ trưởng nước này cũng cho biết thêm hiện tại Nga có khoảng 20 triệu hecta diện tích đất nông nghiệp chưa sử dụng và tiềm năng phát triển nhiên liệu sinh học của Nga có thể sánh ngang với Mỹ

D1 Oils Asia Pacific thúc đẩy việc phát triển cây dầu mè D1 Oils Asia Pacific (chi nhánh của D1 Oils UK) đang cố gắng thuyết phục nông dân trồng cây Jatropha

Curcas L để sản xuất biodiesel D1 sẽ cung cấp cây giống, phân bón, hỗ trợ kỹ thuật cho người nông dân D1 rất tin tưởng vào việc nhu cầu sử dụng biodiesel sẽ tăng cao trong tương lai và Đông Nam Á chính là vùng có khí hậu lý tưởng để phát triển cây

Jatropha curcas L như là nguồn nguyên liệu đầy tiềm năng

Hình 2.2 Mở rộng diện tích dự kiến đến năm 2017 trên thế giới nguồn [4]

Sự mở rộng việc trồng cây Jatropha curcas L dự kiến đến năm 2017 dự đoán

đạt được 12,7 triệu ha ở Trung Quốc, 11 triệu ha ở Ấn Độ, 4.5 triệu ha ở Indonesia, 2.83 triệu ha ở Myanmar, ở các nước như Thái Lan, Malaysia, Philippin, Campuchia,

và Việt Nam sản lượng còn rất thấp nhưng chính phủ cũng đang bắt đầu có những

chính sách để khuyến khích trồng cây Jatropha curcas L

Hình 2.3 Diện tích trồng cây Jatropha Curcas L dự kiến đến năm 2017, nguồn [4]

Hình 2.4 Sản lượng thu hoạch cây Jatropha Curcas L ở các nước Châu Á, nguồn [4]

Những đồ thị trên là mức dự đoán về sản lượng, diện tích trồng cây Jatropha Curcas L do tổ chức quốc tế Jatropha dự đoán

2.2 Tình hình tại Việt Nam

Trong hội thảo chuyên đề về “Hiện trạng và xu hướng phát triển dầu sinh học

và nhiên liệu sinh học” trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh tháng 12/2008 có trình bày một số nội dung về hiện trạng và xu hướng phát triển nhiên liệu sinh học cho Việt Nam Nhiên liệu sinh học và nông nghiệp song hành cùng phát triển,

vì nhiên liệu hóa thạch là dầu mỏ hiện nay vẫn chưa có loại nhiên liệu nào thay thế được Nước ta nhiên liệu hóa thạch cũng không nhiều Dầu mỏ chỉ đủ dùng đến giửa thế kỷ 21 nếu không phát hiện thêm mỏ mới Than dùng đến 2013 phải nhập Có nhiều

ý kiến xoay quanh vấn đề khi sử dụng lương thực làm năng lượng sinh học và nhất là biodiesel sẽ ảnh hưởng đến an ninh lương thực Điều này đúng, nhưng chưa đến mức gây ra những khủng hoảng lương thực Giá lương thực tăng là do hậu quả của việc giá dầu mỏ tăng mạnh, đồng đô la mất giá làm tăng lạm phát kéo theo hàng loạt sản phẩm trong đó có lương thực thực phẩm tăng giá, biến đổi khí hậu trái đất Chính sách đối với nông nghiệp chưa được quan tâm đúng mức Quá trình độ thị hóa cũng ảnh hưởng đến một phần lương thực Vì vậy nếu như nước ta không khắc phục được những hậu quả trên thì hiện tượng thiếu lương thực chắc chắn sẽ xảy ra

Do vậy để phát triển nhiên liệu sinh học mà không ảnh hưởng đến an ninh lương thực thì cần phải chú ý tiêu chí lực chọn nguyên liệu:

i Không dùng lương thực (gạo, ngô, dầu ăn) làm nguyên liệu;

ii Không dùng đất trồng cây lương thực, mà tận dụng đất ao hồ, hoang hóa (khô hạn, đất cát bãi biển) trồng cây nhiên liệu;

iii Chọn cây nguyên liệu có hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao, trồng phù hợp trên đất nghèo dinh dưỡng hay đất trồng ít hiệu quả;

iv Tận dụng tối đa phế thải đô thị và phế thải công nghiệp chế biến, đặc biệt sinh khối

Hiện nay nguồn nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học gồm có hai thế hệ:

i Thế hệ thứ nhất: mía, sắn và dầu ăn

ii Thế hệ thứ hai: cây Jatropha curcas L., sinh khối, tảo – rong biển, cao

lương ngọt

Ngoài hai thế hệ nguyên liệu nói trên thì dầu mỡ động thực vật như mỡ cá qua

nguyên liệu thứ nhất là mía, sắn và dầu ăn điều là những nguyên liệu có ảnh hưởng khá lớn tới lương thực Cho nên, thế hệ nguyên liệu thứ hai là nguyên liệu quan trọng, không tranh chấp lương thực thực phẩm trong thời gian tới Vì vậy cần phải nghiên cứu đánh giá thêm về khả năng trồng trọt và kinh tế các loại nguyên liệu để có lộ trình

phát triển hiệu quả và ổn định Trong đó có cây dầu mè (Jatropha curcas L.)

Chính vì những nhu cầu thực tiễn nêu trên chúng tôi nhận thấy xu hướng phát triển một loại cây để phủ xanh đồi trọc, có sự thích nghi về khí hậu, đáp ứng được các

nhu cầu về nhiên liệu là rất cần thiết Cây Jatropha curcas L là một cây trồng rất có

tiềm năng cung cấp dầu sinh học vì nó đảm bảo được những yêu cầu về con người

cũng như lương thực Đó chính là lý do chúng tôi chọn cây Jatropha curcas L làm

nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học trong luận văn tốt nghiệp

2.3 Khái quát về biodiesel [15], [16], [10]

2.3.1 Định nghĩa [15]

Biodiesel được định nghĩa là các mono – alkyl esters của acid béo được chuyển hóa từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật Ở điều kiện bình thường, biodiesel là sản phẩm thu được khi cho một dầu thực vật hoặc mỡ động vật phản ứng hóa học với một rượu để sản xuất ra các alkyl acid béo Xúc tác KOH hoặc NaOH được thêm vào để xúc tác cho phản ứng Glycerine là một sản phẩm phụ quan trọng của biodiesel

™ Sức căng bề mặt, độ nhớt và điểm vẩn đục :

Chỉ tiêu kỹ thuật của ASTM D-445 về độ nhớt của biodiesel và biodiesel pha trộn

ở 400C là 4 centistokes (đơn vị độ nhớt động học) Tuy nhiên, độ nhớt của biodiesel và hỗn hợp pha trộn của nó cao hơn diesel Biodiesel từ dầu đậu nành được báo cáo là có

độ nhớt trong khoảng 3,8 – 4,1 centistokes ở 400C Sự lẫn tạp glycerine sẽ làm tăng độ nhớt Đánh giá sức căng bề mặt của biodiesel hơn diesel 2 - 3 lần Độ nhớt cao và điểm vẩn đục là vấn đề của việc sử dụng biodiesel trong động cơ diesel Độ nhớt của dầu thực vật và mỡ động vật cao có khuynh hướng gây ra những vấn đề trực tiếp sử dụng trong động cơ diesel Do độ nhớt và sức căng bề mặt cao làm cho giọt nhiên liệu cũng lớn hơn, điều này gây ra nguyên nhân làm khí NOx thải ra ngoài nhiều hơn Nếu chuyển hóa ester dầu và mỡ bằng alcohol chuỗi ngắn thì độ nhớt và sức căng bề mặt của monoester tạo ra gần bằng với diesel dầu hỏa

™ Độ ổn định oxi hóa :

Độ bền oxi hóa được đo bằng tiêu chuẩn ASTM D 2274 So với diesel, biodiesel

dễ bị oxi hóa hơn Các yếu tố chi phối sự ổn định đó là sự hiện diện của không khí, nhiệt, dấu vết kim loại, peroxide, hoặc đặc tính cấu trúc phức hợp của chính nó, chủ yếu là sự hiện diện của nối đôi trong mạch carbon

Nghiên cứu độ ổn định trên methyl và ethyl ester của dầu hoa hướng dương đã đưa ra nhận định rằng lưu trữ biodiesel trong điều kiện kín hơi, nhiệt độ thấp hơn

300C, sử dụng thùng chứa bằng thép không gỉ và tert-butylhydroqinone (TBHQ), một chất ức chế oxi hóa, có tác dụng cho độ bền oxi hóa của biodiesel Hai yếu tố, nhiệt độ

và bản chất của thùng chứa tác động đến độ bền, được khẳng định là có ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền lưu trữ của biodiesel Ví dụ như lưu trữ trong thùng chứa có chất sắt thì khác với lưu trữ trong bình thủy tinh Nhiệt độ cao sẽ phân hủy những hydroperoxide ở tỷ lệ nhanh hơn khi nó được lưu trữ ở nhiệt độ phòng

™ Chỉ số cetane :

Chỉ số cetane của nhiên liệu, được định rõ bởi tiêu chuẩn ASTM D 613, nó là đơn vị đo lường chất lượng mồi lửa Chỉ số cetane tăng theo độ dài chuỗi carbon, giảm theo số lượng và vị trí của nối đôi và thay đổi theo vị trí khác nhau của nhóm carbonyl

giảm Chỉ số cetane tăng từ 47,9 đến 75,6 khi số lượng carbon trong acid béo trong biodiesel tăng Khi số carbon trong chuỗi acid béo vượt quá 12 C, chỉ số cetane vượt quá 60 Nói chung, chỉ số cetane đối với hỗn hợp pha trộn của biodiesel và diesel thông thường là một hàm số tuyến tính bằng với trung bình chỉ số cetane của các nhiên liệu

™ Điểm chớp cháy :

Điểm chớp cháy, được xác định bởi tiêu chuẩn ASTM D 93, là một đơn vị đo lường nhiệt độ đối với một nhiên liệu phải được đun nóng đến khi hỗn hợp hơi và khí bên trên nhiên liệu có thể bị bốc cháy Những nhiên liệu diesel thông thường có điểm chớp cháy cao ( nhỏ nhất 540C; đặc trưng là 710C ) Điểm chớp cháy của biodiesel nguyên chất lớn hơn 930C Từ triển vọng lưu trữ và rủi ro phát hỏa, biodiesel an toàn hơn diesel nhiều

™ Chưng cất nhiên liệu biodiesel có một khoảng những điểm sôi hẹp từ 3270C đến 3460C

™ Trọng lượng riêng được xác định bởi ASTM D 287 Diesel có trọng lượng riêng là 0,85 kg/L Trọng lượng riêng của biodiesel được báo cáo biến thiên giữa 0,86 đến 0,90 kg/L, nó phụ thuộc vào nguyên liệu được sử dụng Trọng lượng trung bình những methyl ester từ dầu đậu nành được báo cáo là 0,85 kg/L Những trọng lượng riêng của biodiesel và diesel rất giống nhau

™ Hàm lượng năng lượng nói chung, tiêu thụ nhiên liệu tương ứng với mật độ năng lượng thể tích của nhiên liệu dựa vào trị số đốt nóng thực hoặc thấp hơn Nếu biodiesel không có ảnh hưởng năng suất của động cơ, tiết kiệm nhiên liệu lỏng sẽ xấp

xỉ thấp hơn 10% đối với biodiesel được so với diesel dầu hỏa Tuy nhiên, hiệu suất nhiên liệu và sự tiết kiệm nhiên liệu của biodiesel có khuynh hướng kém hơn diesel 2-3%

2.3.3 Quy hoạch thực nghiệm biodiesel từ hạt cây có dầu [13]

Hình 2.6 Sơ đồ qui hoạch thực nghiệm biodiesel từ hạt cây dầu

Nguyên liệu ban đầu được ép sơ bộ để tách dầu có nhiều phương pháp tách chiết dầu khác nhau như trích ly bằng dung môi, ép piston, ép trục vít Tùy theo từng phương pháp mà chất lượng dầu ban đầu có nhiều tính chất khác nhau Sepidar Sayyar

và ctv, 2009, sử dụng hai dung môi là hexan và eter dầu hỏa để trích ly dầu từ hạt cây Jatropha cucar L lượng dầu thu được lần lượt là 47,3 và 46 % so với khối lượng hạt đem đi trích ly

2.3.4 Yêu cầu kỹ thuật cho B100 theo TCVN 7717: 2007

“TCVN 7717:2007 được xây dựng trên cơ sở ASTM D 6751-06, Standard Specification For Biodiesel Fuel Blend Stock ( B100 ) For Middle Distillate Fuels và tham khảo EN 14214:2003 Automotive Fuels-Fatty Acid Methyl Esters (FAME) For Diesel Engines – Requirements And Test Methods “ (trích từ TCVN 7717:2007)

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu chất lượng của diesel sinh học gốc (B100)

1 Hàm lượng este, % khối lượng 96,5 EN 14103

2 Khối lượng riêng tại 15oC,

6 Tro sulphat, % khối lượng 0,020 TCVN 2680 ( ASTM D 874)

7 Lưu huỳnh, % khối lượng

11 Cặn carbon, % khối lượng 0,050 ASTM D 4530

12 Trị số acid, mg KOH/g 0,50 TCVN 6325 (ASTM D 664)

13 Chỉ số Iốt, g Iốt/100g 120 EN 14111/ TCVN 6122 ( ISO

3961)

14 Độ ổn định ôxy hóa, tại

15 Glycerin tự do, % khối lượng 0.020 ASTM D 6584

16 Glycerin tổng, % khối lượng 0.240 ASTM D 6584

17 Phospho, % khối lượng 0,001 ASTM D 4951

18 Nhiệt độ cất, 90% thu hồi, oC 360 ASTM D 1160

tự do, cặn và tạp chất lơ lửng Quan sát bằng mắt thường

2.3.5 So sánh tính chất của biodiesel và diesel

Bảng 2.2 Tính chất của nhiên liệu diesel

1 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg,

TCVN 6701:2000 (ASTM D 2622) / ASTM D 5453

3 Nhiệt độ cất, oC, 90% thể tích,

TCVN 2698:2002 (ASTM D 86)

4 Điểm chớp cháy cốc kín, oC,

TCVN 6608:2000 (ASTM D 3828) / ASTM D 93

D 4530

7 Điểm đông đặc, 0oC, max + 6 TCVN 3753:1995 / ASTM D 97

8 Hàm lượng tro, % khối lượng,

12 Khối lượng riêng ở 15 oC,

TCVN 6594:2000 (ASTM D 1298) / ASTM D 4052

Ghi chú: Phương pháp tính chỉ số xêtan không áp dụng cho các loại nhiên liệu điêzen có phụ gia cải thiện trị số xêtan

1 mm2/s = 1 cSt

Bảng 2.3 Bảng so sánh tính chất của biodiesel và diesel

Hàm lượng methyl ester, % khối

cặn, và tạp chất lơ lửng

Sạch trong

Từ bảng so sánh cho ta thấy nhiên liệu sinh học có những tính chất giống

như nhiên liệu diesel khoáng Sự khác nhau giữa độ nhớt động học của biodiesel chính

là một ưu thế lớn cho nó Độ nhớt động học của biodiesel dao động từ 1,9 – 6,0 trong

khi của diesel chỉ nằm trong khoảng 2 – 2,45

2.3.6 Ưu nhược điểm của biodisel [27], [48], [13]

Trị số cetane cao là một đại lượng đặc trưng đo khả năng tự bắt cháy của

nhiên liệu diesel Trị số cetane càng cao thì sự mồi lửa và sự cháy càng tốt, động cơ

chạy càng đều đặng hơn Nhiên liệu diesel thông thường có chỉ số cetane từ 50 – 52 và

53 – 54 đối với động cơ cao tốc Biodiesel là các alkyl ester mạch thẳng do vậy nhiên

liệu này có trị số cao hơn diesel khoáng, trị số cetane của biodiesel thường vào khoảng

56 – 58 Với trị số cetane như vậy thì, biodiesel hoàn toàn có thể đáp ứng dễ dàng yêu

cầu của những động cơ đòi hỏi nhiên liệu chất lượng cao với khả năng tự bốc cháy cao

mà không cần phụ gia tăng trị số cetane

Hàm lượng lưu huỳnh thấp, khoảng 0,001 % Đặc tính này của biodiesel

rất tốt cho quá trình sử dụng làm nhiên liệu, vì nó làm giảm đáng kể lượng khí SOx gây

ăn mòn thiết bị và gây ô nhiễm môi trường

Quá trình cháy sạch nhiên liệu biodiesel chứa khoảng 11% oxy nên quá

trình cháy của nhiên liệu xảy ra hoàn toàn Vì vậy với những động cơ sử dụng nhiên

liệu biodiesel thì sự tạo muội, đóng cặn trong động cơ giảm đáng kể

Khả năng bôi trơn cao nên giảm mài mòn biodiesel có khả năng bôi trơn bên trong rất tốt Các cuộc kiểm tra cho thấy, biodiesel có khả năng bôi trơn tốt hơn diesel khoáng Khả năng bôi trơn của nhiên liệu được đặc trung bởi giá trị HFRR (high – frequency receiprocating rig), nói chung giá trị HFRR càng thấp thì khả năng bôi trơn càng tốt Diesel khoáng đã xử lý lưu huỳnh có giá trị HFRR >= 500 khi không có phụ gia, nhưng giới hạn đặc trưng của diesel là 450 Vì vậy, diesel khoáng yêu cầu phải có phụ gia để gia tăng khả năng bôi trơn Ngược lại giá trị HFRR của biodiesel khoảng 200 Vì vậy, biodiesel còn như là một phụ gia rất tốt đối với nhiên liệu diesel thông thường Khi thêm vào tỷ lệ thích hợp biodiesel, sự mài mòn của động cơ được giảm mạnh Thực nghiệm đã chứng minh sau khoảng 15.000 giờ làm việc thì sự mài mòn vẫn không được nhận thấy

Sự thuận lợi rất lớn về môi trường của biodiesel là khả năng bị phân hủy rất nhanh của nó (phân hủy đến hơn 98% chỉ trong 21 ngày) Tuy nhiên, sự thuận lợi này yêu cầu sự chú ý đặc biệt về quá trình bảo quản nhiên liệu

Biodiesel rất thích hợp sử dụng cho mùa đông ở nhiệt độ - 200C Đối với diesel khoáng sự kết tinh ngay ở nhiệt độ thường gây trở ngại cho các đường ống dẫn nhiên liệu, bơm phun nên thường xuyên phải làm sạch Biodiesel bị đặc khi nhiệt độ giảm, và nó không cần phải làm sạch hệ thống nhiên liệu

Giảm lượng khí thải và độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư theo một nghiên cứu của Bộ năng lượng Mỹ tại một trường đại học ở Califonia, sử dụng biodiesel tinh khiết thay cho diesel khoáng có thể giảm 93,6 % nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khí thải của động cơ do biodiesel có chứa rất ít các hợp chất thơm, chứa rất ít lưu huỳnh, quá trình cháy của biodiesel triệt để hơn nên giảm được nhiều thành phần hydrocacbon trong khí thải

An toàn về cháy nổ tốt hơn biodiesel có nhiệt độ chớp cháy cao, trên

1100C, cao hơn diesel khoáng chỉ khoảng (600C), vì vậy tính chất nguy hiểm của nó cũng thấp hơn, an toàn hơn trong tồn chứa và vận chuyển

Nguyên liệu cho tổng hợp hóa học ngoài việc sử dụng các alkyl ester cho nhiên liệu thì nó còn là nguồn nguyên liệu cho ngành công nghệ hóa học, sản xuất các

rượu béo, ứng dụng trong dược phẩm, các allkanolamin, isopropylic ester, các poly ester được ứng dụng như chất nhựa, chất hoạt động bề mặt, …

Có khả năng nuôi trồng được tạo ra nguồn năng lương độc lập với dầu mỏ,

và không làm suy yếu các nguồn năng lượng tự nhiên, không gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người và môi trường

Giống như diesel trong nhiều đặc tính hóa học và vật lý Hiệu suất của động cơ và tiêu thụ nhiên liệu thì hứa hẹn rằng nó là nhiên liệu thay thế tốt hơn cho nhiêu liệu diesel

Sự phát triển trong những nước đang phát triển làm cho nhu cầu năng lượng Nhu cầu đối với nhiên liệu lỏng sẽ tăng bởi giao thông, công nghiệp và phát điện Thêm vào đó, sự bảo vệ khẩn cấp những vùng rừng còn lại đòi hỏi than củi phải được thay thế bằng khí lỏng, mà điều này dẫn đến tăng nhập khẩu Hầu hết những nước đang phát triển bao gồm Ấn Độ là những nước nhập khẩu dầu hỏa lớn và sự phụ thuộc vào những nguồn năng lượng bên ngoài từ những vùng không ổn định cao sẽ tăng đến những cấp độ bất lợi

Ổn định và không độc hại biodiesel có thể phục hồi 100% Có nguồn gốc

từ thực vật nên nó không bốc ra lưu huỳnh/CO khi cháy và không gây ô nhiễm, có thể phân hủy và an toàn cho môi trường

Một hạn chế nữa của việc sử dụng biodiesel đó là tính chất thời vụ của nguồn nguyên liệu dầu thực vật Vì vậy muốn sử dụng biodiesel như là một dạng nhiên liệu thường xuyên thì cần phải quy hoạch tốt nguồn nguyên liệu

Có thể gây ô nhiễm nếu quá trình sản xuất biodiesel không đảm bảo, chẳng hạn rửa biodiesel không sạch thì khi sử dụng vẫn gây ra các vấn đề ô nhiễm do vẫn

còn xà phòng, kiềm dư, methanol, glycerine tự do,… cũng là những chất gây ô nhiễm

vì vậy phải có các tiêu chuẩn cụ thể để đánh giá chất lượng biodiesel

2.4 Tổng quan về nguồn nguyên liệu [35]

Biodiesel có thể thu được từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau phụ thuộc vào lãnh thổ và khí hậu của nước đó Ví dụ, dầu đậu nành được sử dung phổ biến nhất cho sản xuất biodiesel ở Mỹ Dầu cải là nguồn nguyên liệu chính ở Châu Âu, mặc dù chỉ được sử dụng ở miền Tây Bắc của Mỹ Những nước có khí hậu nhiệt đới thường sử dụng các loại cây có dầu như dừa, cọ Những loại dầu phổ biến khác như dầu bông, dầu đậu phộng, và dầu hoa hướng dương cũng được nghiên cứu Một số dầu thực vật

đã được nghiên cứu cho sản xuất biodiesel bao gồm Cynara cardunculus (Castillian thistle), dầu hạt cao su, karanja (Pongamia glabra), và dầu nahor (Mesua ferrea L.), Cuphea viscosissima, và Jatropha curcas L., dầu hạt thuốc lá Mỡ động vật như mỡ

bò, cũng là nguồn nguyên liệu được sử dụng Gần đây là những nghiên cứu về các nguồn nguyên liệu có giá thành thấp như dầu phế thải, mỡ cá Tảo là nguồn sản xuất biodiesel với tiềm năng lớn

Bảng 2.4 Nguồn sản xuất biodiesel của các nước, nguồn: [25]

Dầu hoa hướng dương Dầu hoa hướng dương

Mỡ động vật, mỡ bò Dầu cọ

Dầu cọ Chất béo động vật, mỡ bò và dầu cải Guang pi

Dầu cải Dầu thực vật, mỡ động vật Việt Nam có vài chục loại dầu thực vật với sản lượng tương đối lớn dùng cho công nghiệp tinh dầu và xuất khẩu Trong đó chủ yếu là dầu dừa

Bảng 2.5 Sản lượng các nguồn nguyên liệu cho biodiesel ở Việt Nam [4]

(đơn vị tính: 1000 tấn) Dầu lạc

Tổng 30,06

Trước đây dầu dừa chủ yếu dùng để sản xuất một số thực phẩm và xuất khẩu dầu thô sang Trung Quốc, nhưng không ổn định về số lượng cũng như chất

lượng Hướng sử dụng là chế tạo nhiên liệu biodiesel là hướng đi mới và có hiệu quả

Ngoài dầu thực vật hàng năm nước ta nuôi trồng được một lượng rất lớn

cá tra, cá basa, là các sản phẩm truyền thống của khu vực đồng bằng sông Cửu Long

Năm 1997 đạt sản lượng cá là 20.000 tấn; đến năm 2001 đạt 120.000 tấn trong cá tra

và cá basa có tới 15,7 – 23,9% là mỡ cá; ước tính hàng năm có đến 24.000 tấn mỡ cá

các loại Việc tận dụng mỡ cá để chế tạo biodiesel thu được lợi nhuận rất cao và còn

giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại nhà máy chế biến cá và các vùng lân cận

Ở Việt Nam, nhìn chung nên sản xuất biodiesel từ các nguyên liệu sau đây

Bảng 2.6 Tiềm năng biodiesel tại Việt Nam [35]

15.000 60.000 25.000 73.800

2.5 Tổng quan về cây dầu mè (Jatropha curcas L.) [1]

2.5.1 Vị trí phân loại

Là loại cây thuộc giới Plantae, ngành Magnoliophyta, lớp

Magnoliopsida, bộ Euphorbiale, họ Euphorbiacea, chi Jatropha, loài Curcas

Tên bản xứ của cây Jatropha curcas L ở một số nước là physic nut,

purging nut (Anh), Pignon d’Inde (Pháp), Purgeernoot (Hà Lan), Purgiernu (Đức), Fafiola d’India (Ý), Kadam (Nepal)… và ở Việt Nam nó có tên là cây cọc dậu, cây dầu

mè, cây cọc rào, hay ma phong thụ

2.5.2 Đặc điểm sinh học

Cây Jatropha curcas L là dạng cây bụi gỗ thân mềm, thân thẳng, có tán

rộng, cao khoảng từ 3 – 5 m, trong điều kiện thích hợp có thể cao đến 10m Vỏ cây nhẵn có màu xám, cành non và mọng nước, nhựa có màu trắng sữa hoặc vàng nhạt Lá rụng sớm mọc dày ở phần ngọn Lá có màu xanh hoặc xanh nhạt, có hình ovan hoặc trái tim, lá dài từ 6 – 40 cm, rộng 6 – 35 cm, cuống dài 2,5 – 7,5 cm Hoa nằm ở nách

lá có màu vàng nhạt, hình chuông Cây có khả năng thụ phấn nhờ côn trùng Quả có dạng nang, kích thước 2,5 – 4cm về chiều ngang và đường kính Quả chia làm 3 ngăn, hạt nằm trong các ngăn này

Hình 2.7 Các bộ phận của cây Jatropha curcas L., nguồn [4]

Là loại cây trồng thích nghi được với vùng đất nghèo dinh dưỡng Sau một năm trồng đã có quả, sau 5 năm cho năng suất hạt từ 3 – 10 tấn, năng suất cao nhất đạt 12 tấn/ha, hàm lượng dầu từ 30 – 35% tùy theo giống và chế độ canh tác Chu

kỳ sống đến hơn 40 năm Đây là loại cây trồng thân thiện với môi trường, độ che phủ

ổn định, giữ nước chống xói mòn, cải tạo đất Khả năng hấp thụ CO2 lớn ( 15 – 40 tấn CO2/ha năm) tùy theo mật độ trồng và tuổi của cây

2.5.3 Tình hình phân bố cây dầu mè (Jatropha curcas L.) trên thế giới và

tại Việt Nam [1], [4]

Cho đến nay vẫn chưa biết chính xác nguồn gốc, nhưng cây Jatropha curcas L được cho là có nguồn gốc từ Mexico và Trung Mỹ, sau đó được chuyển sang

Châu Phi, Châu Á và hiện nay đã trở thành một loại cây phổ biến trên toàn thế giới Ở

Việt Nam cây Jatropha curcas L có mặt từ rất sớm, mọc nhiều ở các vùng núi, chủ

yếu được người nông dân trồng để làm hàng rào nên còn được gọi là cây Cọc rào Cho đến nay thì cây được trồng rãi rác ở nhiều địa phương: Đức Trọng, Bắc Bình, Hàm Thuận Bắc, Hàm Thuận Nam, Ninh Sơn, Thanh Hóa, Lào Cai, Đồng Nai, Thành phố

Hồ Chí Minh

2.5.4 Thành phần hóa học [3]

Các loại acid béo có trong dầu hạt cây Jatropha curcas L

Bảng 2.7 Thành phần các acid béo trong dầu Jatropha curcas L., nguồn [3]

Trong các thành phần của dầu hạt cây Jatropha curcas L chứa chủ yếu

hai acid béo đó là acid oleic (C18 H34 O2) từ 42 – 43,5%, và acid linoleic (C18 H32 O2) chứa 33 – 34,4% Ngoài ra còn chứa một phần nhỏ các loại acid béo khác

Ngoài những chất béo có lợi cho quá trình sản xuất biodiesel thì trong hạt của cây còn chứa một hàm lượng nhỏ các chất gây độc cho các loại vật nuôi cũng như con người, đây chính là lý do làm cho dầu không thể sử dụng trong chế biến thức

ăn cho vật nuôi cũng như con người

Bảng 2.8 Các cấu tử độc trong cây Jatropha curcas L., nguồn [3]

Phytate (as phytic acid

Lecithin activity (curcin) % 0.85 - 6.85 51 - 102

Phorbol esters

mg/g kernel 0.87 - 3.32 0.11 - 2.70 Nguồn: Wink và ctv (1997), Gubitz và ctv (1997), Makkar và Becker (1997)

2.5.5 Công dụng của cây dầu mè (Jatropha curcas L.) [1]

Hạt và dầu của cây có độ ẩm (5.38%), protein (18,2%), chất béo (38%), carbonhydrate (17,3%), sợi (15,5%), và tro (4,5%) Dầu chứa khoảng 35 – 40% hạt và

50 – 60% trong nhân hạt Trong dầu có chứa hơn 21 % các acid béo chưa bão hòa Hạt được ép lấy dầu hoặc tách bằng các dung môi Dầu sau khi lọc được sử dụng ngay như

là nguồn nhiên liệu sinh học ở dạng bổ sung, dầu của hạt cây có thể trộn với diesel thường từ 5 – 20% Lá, vỏ và rễ cây được chú ý với khả năng kích thích tạo sữa, gây xung huyết da và kháng kí sinh trùng Lá được dùng để chống ghẻ, thấp khớp, tê liệt, u

xơ, rễ cây có tác dụng tẩy giun sán, chữa rắn cắn Vỏ cây dùng để điều trị các bệnh

ngoài da, nước sắc từ lá cây có thể chữa bệnh thấp khớp, bệnh hủi, chứng khó tiêu và

tiêu chảy, nhựa cây Jatropha curcas L có chứa các alkaloid như Jatrophin, Jatropham,

Jatrophon, và curcain là những chất có khả năng kháng bệnh ung thư

2.5.6 Ưu nhược điểm của cây [4]

Hạt có hàm lượng dầu cao khoảng 25 – 35 % so với khối lượng hạt, [18],[13];

Cây có thể trồng trên những vùng có lượng mưa thấp và có những vấn đề

về đất Ở những vùng có lượng mưa cao hơn hoặc được chăm sóc thì năng suất đạt được sẽ cao hơn Vì thế cây có thể trồng ở khắp các vùng, có thể sinh trưởng được trên vùng đất hoang hóa, sa mạc khi có sự hỗ trợ về nước;

Cây Jatropha curcas L là loại cây dễ trồng sinh trưởng tương đối nhanh

và mạnh mẽ;

Hạt cây dễ thu hái sau mùa mưa và do đặc điểm cây thấp;

Là loại cây không phải là thức ăn của động vật nên không bị động vật cắn phá;

Do hàm lượng đạm cao nên có thể sử dụng để chế biến thành phân bón hữu cơ hoặc thức ăn cho gia súc;

Cây có thể cho năng suất 0,4 tấn hạt/ha/năm trong năm đầu tiên tăng lên

5 tấn hạt/ ha sau 3 năm;

Chỉ trừ chi phí cho phân bón và vận chuyển, các công việc khác đều thuộc lao động giản đơn;

Nhiều bộ phận khác nhau của cây có thể cho giá trị về được liệu;

Có thể tạo cây con từ hạt sau hai tháng hoặc có thể nhân bằng hom, cây trồng không yêu cầu khắt khe về loại đất

Bên cạnh đó thì một hàm lượng lớn phorbol ester có trong hạt của cây làm ảnh hưởng đến quá trình tận thu bã của hạt cây sau khi ép dầu Mặc dù bã có thể

sử dụng để làm phân bón hữu cơ, nhưng nếu chúng ta tách được hàm lượng độc trong

bã của hạt cây thì chúng ta có thể sử dụng làm thức ăn cho gia súc, vì trong bã của nó

có chứa rất nhiều đạm

2.6 Quy trình sản xuất biodiesel từ dầu hạt cây dầu mè (Jatropha curcas L.)

Hạt nguyên liệu

Phản ứng giai đoạn 2

Rửa biodiesel

Sấy biodiesel

Biodiesel thành phẩm

2.6.1 Sơ đồ chung

Thuyết minh quy trình như sau: nguyên liệu ban đầu được mua đem đi sấy để khảo sát ẩm độ của hạt đáp ứng cho quá trình ép dầu Tiến hành ép dầu theo nhiều phương pháp khác nhau, bằng máy ép piston, máy ép trục vít, và trích ly Dầu sau khi

ép được bảo quản tại nhiệt độ 3 – 70C tại phòng thí nghiệm Thực hiện quá trình lọc, lắng nhằm tách được các loại cặn cơ học chứa trong dầu bằng vải lọc, và ly tâm bằng máy ly tâm tại phòng thí nghiệm Thực hiện quy trình loại gum trong dầu nguyên liệu Tiến hành chuẩn độ xác định chỉ số acid của dầu nguyên liệu chuẩn bị cho quá trình khảo sát các yếu tố trong giai đoạn một của phản ứng biodiesel Chọn điều kiện tối ưu cho giai đoạn một làm nguyên liệu cho quá trình chuyển vị ester hay transesterification Chọn điều kiện tối ưu hiệu suất thu Biodiesel Thực hiện quá trình sấy dầu để xác định hàm lượng methanol dư sau hai giai đoạn phản ứng Quá trình tách lắng dầu và loại bỏ glycerine là bước kế tiếp Tiến hành sấy mẫu để loại bỏ lượng nước còn sót lại trong quá trình sấy dầu Kết thúc quy trình

2.6.2 Quá trình xử lý sơ bộ nguyên liệu

2.6.2.1 Sấy hạt

Quá trình sấy hạt nhằm đảm bảo cho nguyên liệu không chứa ẩm khi trích ly dầu Trong quá trình tách dầu nếu không giảm hàm lượng ẩm sẽ ảnh hưởng đến quá trình ép dầu và khả năng phản ứng chuyển vị ester tao ra biodiesel

2.6.2.2 Trích ly dầu [12], [23]

¾ Trích ly bằng dung môi Bản chất của quá trình trích ly là một quá trình ngâm chiết - làm chuyển hóa dầu thô trong nguyên liệu vào dung môi thực hiện bằng khuếch tán phân

tử và khuếch tán đối lưu Nguyên tắc của phương pháp này là dùng dung môi để lôi kéo các cấu tử trong hạt cây, dùng máy cô quay để tách lượng dung môi ra khỏi dung dịch dầu sau trích ly Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly của dầu bằng dung môi

là loại dung môi dùng để phân tách, nhiệt độ phân tách, tỷ lệ dung môi, kích thước của bột nguyên liệu, thời gian trích ly Thường dung môi dùng để trích ly dầu thực vật được dùng là n – hexan và eter dầu mỏ Thực nghiệm cho thấy cơ chế của quá trình gồm hai giai đoạn Giai đoạn đầu, lượng dầu trong dung dịch trích ly tăng nhanh, do dung môi còn sạch, tinh khiết Giai đoạn kế tiếp sự trích ly diễn ra chậm hơn bởi sự

khuếch tán ra bên ngoài của chất tan dư vào dung dịch Sepidar Sayyar và ctv, 2009,

đã nghiên cứu các tác động của các yếu tố trên lên lượng dầu thu được đối với hạt

Jatropha curcas L Hiệu quả của trích ly cho thấy lượng dầu thu được là khá cao khi

sử dụng dung môi là hexan (47,3%)

Ưu điểm của phương pháp trích ly bằng dung môi là lượng dầu thu được khá tinh khiết, ít lẫn tạp, ít tốn công và chi phí cho quá trình tinh chế dầu nguyên liệu

Nhược điểm thời gian trích ly kéo dài để có thể thu được hiệu suất cao Sepidar Sayyar và ctv, 2009 đã nghiên cứu thời gian trích ly cho mỗi mẫu là 7 giờ

có thể tách hoàn toàn lượng dầu trong hạt cây Jatropha curcas L Tốn nhiều chi phí

cho dung môi trích ly, lượng dầu thu được sau mỗi lần trích ly là khá nhỏ vì khối lượng đem đi trích ly không cao Tốn nhiều chi phí xây dựng hệ thống trích ly ban đầu

Hình 2.9 Bộ trích ly bằng soxhlet

¾ Trích ly bằng phương pháp ép trục vít