Nghiên cứu điều chế nhiên liệu đốt lò thế hệ mới trên cơ sở triglyceride biến tính từ dầu mỡ động thực vật phế thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM ANH TÀI NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NHIÊN LIỆU ĐỐT LÒ THẾ HỆ MỚI, TRÊN CƠ SỞ TRIGLYCERIDE BIẾN TÍNH, TỪ DÀU MỠ ĐỘNG THỰC VẬT PHẾ THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC HÀ NỘI – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM ANH TÀI NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NHIÊN LIỆU ĐỐT LỊ THẾ HỆ MỚI, TRÊN CƠ SỞ TRIGLYCERIDE BIẾN TÍNH, TỪ DÀU MỠ ĐỘNG THỰC VẬT PHẾ THẢI Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HỒNG LIÊN HÀ NỘI – 2017 GS TS Vũ Thị Thu Hà MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH iv MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN .3 1.1 Giới thiệu lị số loại nhiên liệu cho lò 1.2 Nhiên liệu sinh học 1.2.1 Các phương pháp tổng hợp biodiesel 1.2.2 Ưu nhược điểm trình sản xuất biodiesel từ triglyceride ancohol 1.2.3 Giới thiệu phương pháp sản xuất biodiesel không phát sinh glycerol 10 1.3 Tình hình nghiên cứu nước 16 1.4 Những kết luận rút từ tổng quan tài liệu 18 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 19 2.1 Hóa chất nguyên liệu 19 2.2 Thực nghiệm 19 2.2.1 Tổng hợp đặc trưng tính chất xúc tác Na2SiO3/MgO 19 2.2.2 Phản ứng biến tính triglyceride tác nhân alkyl este 22 2.2.3 Thử nghiệm pha chế dầu diesel 24 2.2.4 Thử nghiệm nhiên liệu diesel pha chế 26 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc xúc tác 27 3.2 Khảo sát nguồn nguyên liệu triglyceride phế thải 28 3.3 Khảo sát ảnh hưởng dạng nguyên liệu đến tính chất sản phẩm 32 3.4 Nghiên cứu xác định tác nhân phản ứng 35 3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện phản ứng 37 3.5.1 Ảnh hưởng xúc tác q trình biến tính triglyceride 37 3.5.2 Ảnh hưởng nhiệt độ q trình phản ứng biến tính triglyceride 41 3.5.3 Ảnh hưởng tỷ lệ mol chất phản ứng 42 3.5.4 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 44 3.5.5 Đánh giá độ bền xúc tác 45 3.6 Đánh giá chất lượng sản phẩm triglyceride biến tính/diesel 46 3.7 Thử nghiệm nhiên liệu lò đốt 48 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 50 Tài liệu tham khảo 51 LỜI CAM ĐOAN Luận văn thực Phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ lọc, hóa dầu – Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam khn khổ đề tài “Nghiên cứu công nghệ điều chế nhiên liệu đốt lị sở triglyceride biến tính từ dầu mỡ động thực vật phế thải” mã số 005.16.PTNTĐ/HĐ-KHCN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết đưa luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Phạm Anh Tài i LỜI CẢM ƠN Luận văn thực Phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ lọc, hóa dầu – Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu cơng nghệ điều chế nhiên liệu đốt lị sở triglyceride biến tính từ dầu mỡ động thực vật phế thải” – Mã số 005.16.PTNTĐ/HĐ-KHCN Để hoàn thành luận văn nhận nhiều động viên, giúp đỡ cá nhân tập thể Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Vũ Thị Thu Hà PGS.TS Nguyễn Hồng Liên tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm quý báu cho trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ lọc, hóa dầu tạo điều kiện thuận lợi để tơi tham gia chương trình học tập nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn Bộ Cơng Thương tài trợ kinh phí cho nghiên cứu thông qua hợp đồng số 005.16.PTNTĐ/HĐ-KHCN Trân trọng cảm ơn Ban quản lý dự án FIRST cấp kinh phí thực đề tài thơng qua hợp đồng số 06/FIRST/2a/KEYLABPRT Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo Viện Kỹ thuật Hóa Học truyền đạt cho kiến thức vô bổ ích năm học vừa qua Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; Ban lãnh đạo Viện Kỹ Thuật Hóa Học tạo điều kiện cho tơi q trình học tập trường Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người ln bên tơi, động viên khích lệ tơi trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày tháng năm 2017 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số tính chất diesel biodiesel theo ASTM Bảng 1.2 Một số tính chất triglyceride biến tính 18 Bảng 2.1 Chỉ tiêu cho nguyên liệu triglyceride thải 26 Bảng 3.1 Chất lượng thành phần triglyceride từ dầu ăn thải 35 Bảng 3.2a Chất lượng triglyceride từ mỡ bò 36 Bảng 3.2b Thành phần axit béo triglyceride từ mỡ Bò 37 Bảng 3.3 Chất lượng thành phần triglyceride từ mỡ cá 38 Bảng 3.4 Chất lượng thành phần triglyceride từ mỡ Lợn 39 Bảng 3.5 Chỉ tiêu chất lượng cho triglyceride biến tính 40 Bảng 3.6 Ảnh hưởng nguyên liệu đến chất lượng sản phẩm 41 Bảng 3.7 Ảnh hưởng tác nhân phản ứng đến chất lượng sản phẩm 43 Bảng 3.8 Chất lượng sản phẩm triglyceride biến tính 44 Bảng 3.9 Ảnh hưởng xúc tác đến tính chất sản phẩm dầu 46 Bảng 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ đến chất lượng sản phẩm 48 Bảng 3.11 Ảnh hưởng tỷ lệ mol methyl acetate/triglyceride đến chất 50 lượng sản phẩm Bảng 3.12 Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến tính chất triglyceride 51 biến tính Bảng 3.13 Khảo sát độ bền xúc tác Na2SiO3/MgO 52 Bảng 3.14 Các tiêu chất lượng triglyceride biến tính 53 Bảng 3.15 Ảnh hưởng hàm lượng triglyceride biến tính/diesel đến chất 54 lượng dầu Bảng 3.16 Thông số kỹ thuật lò 55 Bảng 3.17 Kết thử nghiệm dầu diesel lò 56 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Lị ống nước Hình 1.2 Lị ống lửa Hình 1.3 Sơ đồ cơng nghệ sản xuất biodiesel từ nguồn nguyên liệu 10 khác Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý trình hoạt động gián đoạn 12 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý trình vận hành liên tục 13 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý trình xúc tác dị thể vận hành liên tục 14 Hình 1.7 Phản ứng inter-este hóa triglyceride alkyl acetate 17 Hình 2.1 Sự phản xạ bề mặt tinh thể 28 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ XRD mẫu a) MgO b) Na2SiO3/MgO 34 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu a) MgO b) Na2SiO3/MgO 34 Hình 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến độ nhớt triglyceride 49 biến tính iv MỞ ĐẦU Hiện nay, nhiên liệu sinh học nói chung biodiesel nói riêng thu hút quan tâm nhà nghiên cứu nhằm cải tiến phương pháp sản xuất, giảm chi phí vận hành, tăng giá trị sản phẩm với mục đích tạo nguồn nhiên liệu bền vững cho tương lai Biodiesel chủ yếu sản xuất từ dầu mỡ động thực vật phản ứng traneste hóa triglyceride rượu mạch ngắn Tuy nhiên, trình sản xuất biodiesel theo cách thường tạo khoảng 10% glycerol có lẫn nhiều tạp chất Do q trình tinh chế tốn nên lượng glycerol thường xem chất thải Gần đây, hướng nghiên cứu tổng hợp nhiên liệu thay dầu đốt lò, sở dầu mỡ động thực vật mà không phát sinh chất thải glycerol, quan tâm giới Điển hình nghiên cứu liên quan đến phản ứng inter-este hóa triglyceride methyl acetate để tạo methyl este axit béo triacetine Phản ứng inter-este hóa triglyceride methyl acetate diễn điều kiện siêu tới hạn methyl acetate (áp suất khoảng 20Mpa, nhiệt độ 270 – 380oC) không cần sử dụng xúc tác, điều kiện khác, xúc tác enzym (nhiệt độ phòng, thời gian phản ứng ≥72h), khoảng nhiệt độ hồi lưu 60oC sử dụng xúc tác đồng thể CH3ONa/CH3OH 30%, CH3OK/CH3OH 26%, Tin(II) 2-ethylhexanoate, p-toluenesulfonic, xúc tác dị thể KOH, CH3ONa (tinh thể khan), S2O82-/ZrO2–TiO2–Fe3O4 báo cáo từ tài liệu Theo nhóm tác giả Janos Thesz, để tạo sản phẩm phù hợp làm nhiên liệu đốt lò, phản ứng cần dừng lại bước thay phần hoàn toàn axit béo phân tử triglyceride Khi đó, thành phần hỗn hợp sản phẩm gồm metyl este axit béo monoacetine, diacetine, triacetine Q trình phản ứng khơng hồn tồn gọi phản ứng biến tính triglyceride Chất lượng sản phẩm đánh giá theo số tiêu chất lượng biodiesel Quá trình inter-este hóa nêu đánh giá có hiệu kinh tế cao 10% tất sản phẩm phản ứng sử dụng làm nhiên liệu thay thế, trình sản xuất biodiesel theo hướng truyền thống thải khoảng 10% khối lượng glycerol Hơn nữa, phản ứng inter-este triglyceride methyl acetate diễn điều kiện tương tự phản ứng triglyceride methanol, tận dụng cơng nghệ q trình sản xuất biodiesel theo phương pháp truyền thống Đây hướng nghiên cứu mới, có tiềm lớn việc giảm chi phí sản xuất biodiesel, tăng lượng sản phẩm, thân thiện với môi trường không tạo chất thải thứ cấp Tuy vậy, hướng nghiên cứu cịn hồn tồn bỏ ngỏ Việt Nam Vì lý đó, đề tài luận văn định hướng nghiên cứu phản ứng biến tính triglyceride methyl acetate loại xúc tác nói chung xúc tác dị thể nói riêng nhằm tạo nhiên liệu đốt lị hệ mới, sở triglyceride biến tính từ dầu mỡ động thực vật phế thải Hi vọng kết đạt có đóng góp định cho phát triển lĩnh vực nhiên liệu sinh học Việt Nam ... HÀ NỘI PHẠM ANH TÀI NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ NHIÊN LIỆU ĐỐT LÒ THẾ HỆ MỚI, TRÊN CƠ SỞ TRIGLYCERIDE BIẾN TÍNH, TỪ DÀU MỠ ĐỘNG THỰC VẬT PHẾ THẢI Chuyên ngành : KỸ THUẬT HÓA HỌC LUẬN... văn thực Phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ lọc, hóa dầu – Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam khuôn khổ đề tài ? ?Nghiên cứu công nghệ điều chế nhiên liệu đốt lò sở triglyceride biến tính từ dầu. .. văn thực Phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ lọc, hóa dầu – Viện Hóa học Cơng nghiệp Việt Nam khn khổ đề tài ? ?Nghiên cứu công nghệ điều chế nhiên liệu đốt lị sở triglyceride biến tính từ dầu mỡ