Nghiên cứu chuyển hoá dầu ăn phế thải và mỡ cá thành biodiesel trên xúc tác dị thể

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CHUYỂN HÓA DẦU ĂN PHẾ THẢI VÀ MỠ CÁ THÀNH BIODIESEL TRÊN XÚC TÁC DỊ THỂ NGÀNH: CƠNG NGHỆ HĨA HỌC MÃ SỐ: ĐỖ THỊ DIỄM THÚY Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐINH THỊ NGỌ HÀ NỘI 2009 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới PGS.TS Đinh Thị Ngọ, người tận tình hướng dẫn, đạo sâu sắc mặt khoa học, quan tâm, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình thực hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Công nghệ Hữu – Hóa dầu, Phịng thí nghiệm Hữu Cơ – Hóa dầu, Khoa Cơng nghệ Hóa học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, người tận tình dạy dỗ giúp đỡ nhiều suốt thời gian học tập Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo sau đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Ban lãnh đạo, thầy cô, bạn bè đồng nghiệp thuộc Khoa Hóa Học, trường Đại học Quy Nhơn động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để tơi tạm gác cơng tác, n tâm học tập xa, hồn thành tốt khóa học Nhân đây, cho phép tơi gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân, bạn bè chia sẻ khó khăn, động viên, giúp đỡ, tạo thêm động lực cho suốt thời gian học tập làm luận văn tốt nghiệp Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2009 Đỗ Thị Diễm Thúy DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN XRD: X Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) IR: Infra-red spectrum (Phổ hồng ngoại) GC-MS: Gas Chromatography – Mass Spectrum (Sắc ký khí khối phổ) HPLC: High Pressure Liquid Chromatography (Sắc ký lỏng cao áp) SEM: Scanning Electron Microscopy (Hiển vi điện tử quét) DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN Bảng 1.1: Dự báo nhu cầu nhiên liệu xăng dầu đến năm 2020 Bảng 1.2: Cân đối nhiên liệu xăng, diesel đến 2020 Trang 4 Bảng 1.3: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nhiên liệu diesel theo ASTM Bảng 1.4: Sản lượng biodiesel nước châu Âu năm 2004 Bng 1.5: So sỏnh hiu sut biodiesel trờn loại xúc tác khác Bảng 1.6: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng biodiesel theo ASTM D 6751 Bảng 1.7: So sánh tính chất nhiên liệu diesel khống với biodiesel Bảng 1.8 Thành phần hóa học loại dầu Bảng 1.9: Các tính chất vật lý hóa học dầù thực vật Bảng 2.1 Lượng mẫu thử thay đổi theo chi số iốt dự kiến Bảng 3.1: Thành phần axit béo dầu ăn thải Bảng 3.2 Thành phần axit béo mỡ cá basa Bảng 3.3: Các tiêu chất lượng dầu thải mỡ cá basa Bảng 3.4: Ảnh hưởng tác nhân trung hòa đến số axit dầu thải mỡ cá Bảng 3.5: Ảnh hưởng hàm lượng NaOH dư đến hiệu suất tạo dầu, mỡ trung tính số axit Bảng 3.6: Ảnh hưởng số lần rửa đến hiệu suất thu dầu, mỡ trung tính Bảng 3.7: Ảnh hưởng nhiệt độ nước rửa đến hiệu suất thu hồi dầu, mỡ trung tính Bảng 3.8: Các điều kiện tối ưu cho trình xử lý trung hòa dầu thải mỡ cá Bảng 3.9: Một số tính chất dầu ăn thải mỡ cá sau xử lý Bảng 3.10: Ảnh hưởng thời gian nung xúc tác đến hiệu suất tạo biodies Bảng 3.11: Ảnh hưởng thời gian nung xúc tác đến hiệu suất tạo metyl este Bảng 3.12: Một số tính chất xúc tác Bảng 3.13: Ảnh hưởng thời gian phản ứng tới hiệu suất tạo biodiesel Bảng 3.14: Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác tới hiệu suất biodiesel Bảng 3.15: Ảnh hưởng hàm lượng metanol đến hiệu suất tạo biodiesel Bảng 3.16: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất thu biodiesel Bảng 3.17: Ảnh hưởng nhiệt độ nước rửa đến số lần rửa biodiesel Bảng 3.18: Ảnh hưởng tỷ lệ thể tích nước rửa/biodiesel đến số lần rửa 11 18 22 22 25 28 34 51 51 51 53 54 55 56 56 56 57 59 60 61 62 63 65 66 66 Bảng 3.19: Ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn đến số lần rửa Bảng 3.20: Chất lượng sản phẩm biodiesel thu Bảng 3.21: Ảnh hưởng nhiên liệu đến công suất động Bảng 3.22: Hàm lượng CO khói thải Bảng 3.23: Hàm lượng NOx khói thải Bảng 3.24: Hàm lượng CO2 khói thải động tốc độ khác Bảng 3.25: Hàm lượng RH khói thải Bảng 3.26: So sánh chất lượng glyxerin thu với glyxerin chuẩn Bảng 3.27: Ảnh hưởng số lần tái sử dụng đến hiệu suất biodiesel Bảng 3.28: Ảnh hưởng số lần tái sử dụng xúc tác tái sinh đến hiệu suất biodiesel 67 72 73 73 74 75 76 78 80 81 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN Trang Hình 1.1: Sơ đồ cơng nghệ sản xuất biodiesel 20 Hình 2.1 Sơ đồ thiết bị phản ứng 43 Hình 2.2 Sơ đồ chiết sản phẩm 44 Hình 3.1: Phổ XRD mẫu MgSiO3 59 Hình 3.2: Ảnh SEM xúc tác MgSiO3 chế tạo 60 Hình 3.3: Phổ IR mẫu biodiesel tổng hợp từ dầu thải 67 Hình 3.4: Phổ IR mẫu biodiesel tổng hợp từ mỡ cá 67 Hình 3.5: Chồng phổ IR mẫu biodiesel tổng hợp từ dầu thải từ 68 mỡ cá Hình 3.6: Phổ GC biodiesel tổng hợp từ mỡ cá basa 68 Hình 3.7: Phổ khối pic có thời gian lưu 37,028 phút phổ GC 69 phổ khối chuẩn metyl palmitat thư viện phổ Hình 3.8: Phổ khối pic có thời gian lưu 41,492 phút phổ GC 69 phổ khối chuẩn metyl oleat thư viện phổ Hình 3.9: Phổ GC biodiesel tổng hợp từ dầu ăn phế thải 70 Hình 3.10: Phổ khối pic có thời gian lưu 22,03 phút phổ GC 70 phổ khối chuẩn metyl palmitat thư viện phổ Hình 3.11: Phổ khối pic có thời gian lưu 24,45 phút phổ GC 71 phổ khối chuẩn metyl stearat thư viện phổ Hình 3.12: Sơ đồ quy trình xử lý glyxerin thơ 78 Hình 3.13: Phổ HPLC mẫu glyxerin chuẩn 79 Hình 3.14: Phổ HPLC mẫu glyxerin tổng hợp 79 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN Trang 53 Đồ thị 3.1: Ảnh hưởng tác nhân trung hòa đến số axit Đồ thị 3.2: Ảnh hưởng tác nhân trung hịa đến hiệu suất dầu, mỡ trung tính Đồ thị 3.3: Ảnh hưởng hàm lượng NaOH đến số axit dầu, mỡ Đồ thị 3.4: Ảnh hưởng hàm lượng NaOH đến hiệu suất dầu, mỡ trung tính Đồ thị 3.5: Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hiệu suất biodiesel Đồ thị 3.6: Ảnh hưởng thời gian nung đến hiệu suất biodiesel Đồ thị 3.7: Ảnh hưởng thời gian phản ứng tới hiệu suất tạo biodiesel Đồ thị 3.8: Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác tới hiệu suất biodiesel Đồ thị 3.9: Ảnh hưởng hàm lượng metanol đến hiệu suất biodiesel Đồ thị 3.12: Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng tới hiệu suất biodiesel Đồ thị 3.13: Ảnh hưởng nhiên liệu đến công suất động Đồ thị 3.14: Hàm lượng CO khói thải động tốc độ khác Đồ thị 3.15: Hàm lượng NOx khói thải động tốc độ khác Đồ thị 3.16: Hàm lượng CO2 khói thải động tốc độ khác Đồ thị 3.17: Hàm lượng RH khói thải động tốc độ khác 53 54 54 57 59 61 62 64 65 73 74 75 76 77 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN Trang 3 9 Mở đầu Chương I: Tổng quan lý thuyết 1.1 Nhiên liệu diesel 1.1.1 Khái quát nhiên liệu diesel 1.1.2 Nhiên liệu diesel khống vấn đề nhiễm mơi trường 1.2 Nhiên liệu sinh học biodiesel 1.2.1 Nhiên liệu sinh học 1.2.2 Khái niệm biodiesel 1.2.3 Tình hình nghiên cứu, sản xuất sử dụng biodiesel giới Việt Nam 1.2.4 Quá trình tổng hợp biodiesel 1.2.5 Yêu cầu chất lượng nhiên liệu biodiesel 1.3 Tổng quan loại dầu, mỡ làm nguyên liệu qua trình tổng hợp biodiesel 1.3.1 Thành phần hóa học dầu thực vật mỡ động vật 1.3.2 Một số tính chất dầu, mỡ động thực vật 1.3.3 Giới thiệu dầu ăn phế thải mỡ cá 1.4 Giới thiệu xúc tác MgSiO3 Chương II: Thực nghiệm 2.1 Phân tích tính chất dầu ăn phế thải mỡ cá 2.1.1 Xác định số axit (TCVN 6127 - 1996) 2.1.2 Xác định số xà phòng ( TCVN 6126 - 1996 ) 2.1.3 Xác định số iốt (TCVN 6122 – 1996) 2.1.4 Xác định hàm lượng nước (TCVN 2631 - 78) 2.1.5 Xác định tỷ trọng dầu thải (ASTM D 1298) 2.1.6 Xác định độ nhớt (ASTM D 445) 2.1.7 Xác định hàm lượng cặn rắn (ASTM – D2709) 2.1.8 Xác định hàm lượng muối ăn dầu thải (TCVN 3973 - 84) 2.1.9 Xác định màu dầu thải 2.2 Xử lý, tinh chế dầu ăn phế thải mỡ cá 2.3 Điều chế xúc tác 10 13 22 24 25 25 29 31 32 32 32 33 33 35 35 36 36 37 37 38 40 2.4 Các phương pháp xác định đặc trưng xúc tác 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD-X Ray Diffraction) nghiên cứu định tính cấu trúc pha tinh thể 2.4.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 2.5 Tổng hợp biodiesel 2.5.1 Tiến hành phản ứng 2.5.2 Tinh chế sản phẩm 2.5.3 Tính tốn độ chuyển hóa phản ứng 2.6 Phân tích chất lượng biodiesel 2.6.1 Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại IR 2.6.2 Phương pháp sắc ký khí khối phổ (GC - MS) 2.6.3 Phân tích tiêu chất lượng nhiên liệu biodiesel 2.7 Xác định hàm lượng khói thải 2.8 Nghiên cứu tái sử dụng tái sinh xúc tác 2.8.1 Nghiên cứu tái sử dụng xúc tác 2.8.2 Nghiên cứu tái sinh xúc tác 2.9 Đánh giá chất lượng glyxerin thu Chương III: Kết thảo luận 3.1 Kết phân tích tiêu chất lượng dầu thải mỡ cá 3.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình trung hịa dầu mỡ 3.2.1 Ảnh hưởng tác nhân trung hoà đến hiệu suất tạo dầu, mỡ trung tính số axit 3.2.2 Ảnh hưởng hàm lượng NaOH dư đến hiệu suất tạo dầu, mỡ trung tính số axit 3.2.3 Ảnh hưởng số lần rửa đến hiệu suất tạo dầu, mỡ trung tính 3.2.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nước rửa đến hiệu suất thu hồi dầu, mỡ 3.3 Chất lượng dầu thải mỡ cá sau xử lý 3.4 Nghiên cứu chế tạo xúc tác MgSiO3 3.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hoạt tính xúc tác 3.4.2 Ảnh hưởng thời gian nung đến hoạt tính xúc tác 3.5 Các đặc trưng xúc tác MgSiO3 điều chế 3.5.1 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 3.5.2 Ảnh SEM xúc tác MgSiO3 chế tạo 3.6 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp biodiesel từ dầu thải mỡ cá xúc tác MgSiO3 40 41 42 43 43 44 45 46 46 46 48 49 49 49 50 50 51 51 52 52 54 55 55 56 57 57 58 59 59 60 61 3.6.1 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 3.6.2 Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác 3.6.3 Ảnh hưởng tỷ lệ metanol/dầu 3.6.4 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 3.7 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình làm biodiesel 3.7.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nước rửa 3.7.2 Ảnh hưởng tỷ lệ thể tích nước rửa/biodiesel 3.7.3 Ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn 3.8 Đánh giá chất lượng sản phẩm thu 3.8.1 Xác định cấu trúc sản phẩm 3.8.2 Xác định tiêu chất lượng sản phẩm 3.9 Xác định hàm lượng khói thải 3.9.1 Ảnh hưởng nhiên liệu đến cơng suất động 3.9.2 Xác định hàm lượng CO khói thải động tốc độ khác 3.9.3 Xác định hàm lượng NOx khói thải động tốc độ khác 3.9.4 Xác định hàm lượng CO2 khói thải động tốc độ khác 3.9.5 Xác định hàm lượng hydrocacbon (RH) khói thải động tốc độ khác 3.10 Thu hồi glyxerin 3.11 Nghiên cứu khả tái sử dụng, tái sinh xúc tác Kết luận Hướng phát triển đề tài Tài liệu tham khảo Tóm tắt Phụ lục 61 62 63 64 65 66 66 67 67 67 71 72 72 73 74 75 76 77 80 82 83 84 ... văn chúng tơi nghiên cứu chế tạo xúc tác dị thể cho trình Chính ý nghĩa thực tiễn mà chúng tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu chuyển hóa dầu ăn phế thải mỡ cá thành biodiesel xúc tác dị thể? ?? Luận văn... liệu phế thải rẻ tiền dầu ăn thải mỡ cá , sử dụng xúc tác dị thể MgSiO3 nhằm khắc phục nhược điểm Trong luận văn này, nghiên cứu xử lý hai loại nguyên liệu phế phẩm chất lượng dầu ăn thải mỡ cá, ... tổng hợp biodiesel dầu ăn phế thải mỡ cá - Nghiên cứu xử lý, tinh chế dầu ăn phế thải mỡ cá để đảm bảo yêu cầu chất lượng nguyên liệu tổng hợp biodiesel - Phân tích tiêu chất lượng biodiesel