Nghiên cứu chế tạo năng lượng thân thiện môi trường từ dầu thực vật trên xúc tác Na2CO3

Khố luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm tốt nghiệp vừa qua, hướng dẫn tận tình thầy giáo Th.s Đặng Chinh Hải với tìm tịi học hỏi thân em hồn thành xong khóa luận tốt nghiệp khóa luận Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.s Đặng Chinh Hải giao đề tài tận tình hướng dẫn, bảo cho em lời khuyên bổ ích thời gian làm khóa luận tốt nghiệp em vừa qua Em xin cảm ơn thầy cô giáo môn kỹ thuật môi trường, trường ĐHDL Hải Phịng giúp đỡ em suốt q trình học tập làm khóa luận tốt nghiệp Em xin cảm ơn tới nhà trường ĐHDL Hải Phòng tạo điều kiện đầy đủ sở vật chất để em nghiên cứu hồn thành xong khóa luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! Hải phòng ngày 08 tháng 11 năm 2011 Sinh viên Trần Thị Tỏ Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Khố luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU PHẦN TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan nhiên liệu 1.1.1 Khái quát nhiên liệu diesel nhiên liệu khoáng [1,2,6,7] 1.1.2 Nhiên liệu diesel 1.1.2.1 Nhiên liệu diesel truyền thống đặc tính 1.1.2.3 Khí thải nhiên liệu diesel truyền thống 10 1.1.3 Tổng quan dầu thực vật [2,3,4] 11 1.1.3.1 Thành phần hóa học dầu thực vật 11 1.1.3.2 Tính chất lý học dầu thự vật 12 1.1.3.3 Tính chất hóa học dầu thực vật 13 1.1.3.4 Các số quan trọng dầu thực vật 14 1.1.3.5 Giới thiệu dầu đậu nành 15 1.2 Tổng quan biodiesel [6,7,8] 16 1.2.1 Nhiên liệu sinh học 16 1.2.2 Giới thiệu biodiesel [1,9] 16 1.2.3 Các q trình chuyển hóa este tao biodiesel [9] 22 1.2.4 Q trình chuyển hóa este sử dụng xúc tác bazơ [9] 23 PHẦN 2: THỰC NGHIỆM 27 2.1 Quá trình tổng hợp biodiesel từ dầu đậu nành 27 2.1.1 Yêu cầu nhiên liệu 27 2.1.1.1 Alcol 27 2.1.1.2 Dầu thực vật (dầu đậu nành) 27 2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp biodiesel 28 2.1.3 Cách tiến hành tổng hợp biodiesel 29 2.1.3.1 Các thiết bị q trình tổng hợp biodiesel 29 2.1.3.3 Quá trình tách tinh chế sản phẩm 32 2.2 Các phương pháp phân tích chất lượng sản phẩm 34 Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp biodiesel 35 3.1.1 Nồng độ xúc tác 35 3.1.2 Ảnh hưởng thời gian phản ứng 36 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng 37 3.2 Thử nghiệm nhiên liệu biodiesel (B20) động 38 3.3.1 Ảnh hưởng nhiên liệu biodiesel tới công suất động 40 3.3.2 Xác định thành phần khói thải so sánh với diesel khoáng 41 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, ô nhiễm môi trường cạn kiệt nguồn nguyên liệu hóa thạch vấn đề nhiều nước giới đặc biệt quan tâm Do vậy, việc nghiên cứu nguồn lượng thay nguồn lượng hóa thạch nhằm đảm bảo an ninh lượng, thân thiện với môi trường, tránh giảm thiểu tác động to lớn đến môi trường trái đất như: Hiện tượng hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên (do thải nhiều khí CO 2) khí thải như: H2S, SOX, CO… làm mưa axit, xu khoa học Tuy nhiên, phương pháp phổ biến rộng rãi thực tiễn cịn q trình nghiên cứu Các nhà khoa học giới đưa nhiều giải pháp khác nhau, sử dụng dạng lượng khác như: Năng lượng mặt trời, lượng thủy, lượng gió, nhiên liệu sinh học… Trong số dạng lượng nguyên liệu sinh học quan tâm sản xuất từ loại nguyên liệu trồng trọt khí thải gây nhiễm mơi trường Điển hình nhiên liệu sinh học Biodiesel nghiên cứu Việt Nam Hiện động diesel có tỉ số nến cao, giới có xu hướng diesel hóa động nên nhiên liệu biodiesel quan tâm Biodiesel coi loại nhiên liệu sinh học, trộn với diesel theo tỉ lệ thích hợp làm cho nhiên liệu diesel giảm đáng kể lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường mà ta cải tiến động Biodiesel sản xuất từ loại dầu thực vật, mỡ động vật, chí từ loại dầu thải… Trên giới có nhiều nước nghiên cứu sản xuất sử dụng biodiesel phụ gia cho nhiên liệu diesel tiêu biểu Đức, Mỹ, Pháp… Việt Nam nước nông nghiệp có nguồn thực vật phong phú, việc sử dụng chúng sản xuất nhiên liệu sinh học có giá trị khoa học thực tiễn lớn Trong luận văn tốt nghiệp đề cập tới vấn đề sau: Nghiên cứu chế tạo lượng thân thiện môi trường từ dầu thực vật xúc tác Na2CO3 Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Khố luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường PHẦN TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan nhiên liệu 1.1.1 Khái quát nhiên liệu diesel nhiên liệu khoáng [1,2,6,7] Như biết, lượng nói chung nhiên liệu dùng cho giao thơng vận tải nói riêng đóng vai trị thiết yếu cho phát triển kinh tế xã hội nâng cao chất lượng sống Hiện nay, phát triển kinh tế khoa học kỹ thuật ngày phát triển hoàn thiện Để đáp ứng phát triển kinh tế KHKT ngành lượng phải phát triển số lượng chất lượng, lượng ví đầu tầu để thúc đẩy phát triển kinh tế quốc gia, an ninh lượng gắn liền với an ninh kinh tế an ninh quốc gia Các nguồn lượng sử dụng giới chủ yếu nguồn lượng hóa thạch than, dầu mỏ nguồn lượng thủy điện, hạt nhân… Trong đó, nguồn lượng dầu mỏ quan trọng chiếm 65% lượng sử dụng giới, than đá chiếm 20% - 22%, 5% - 6% từ lượng nước 8% - 25% từ lượng hạt nhân Ta thấy dạng lượng hóa thạch bị cạn kiệt Theo dự đốn tập đồn BP trữ lượng dầu mỏ thăm dị tồn cầu 150 tỷ Năm 2003 lượng dầu mỏ tiêu thụ toàn giới 3,6 tỷ tấn, không phát mỏ giới nguồn dầu mỏ bị cạn kiệt vịng 41 năm Trong lượng tiêu thụ dầu mỏ ngày tăng với bùng nổ dân số phát triển liên tục phương tiện giao thông, dự kiến đến năm 2050 tồn giới có khoảng tỷ tơ loại Tất lý làm đẩy giá dầu lên cao, giá dầu thô giới dao động từ 85$ - 90$ thùng Mặt khác, lượng dầu mỏ lại tập trung khu vực bất ổn Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ giới) Trung Á, Trung Phi Điều làm có khủng hoảng dầu mỏ làm kinh tế nhiều nước bị khủng hoảng trầm trọng đặc biệt nước nghèo, nước nguồn tài nguyên dầu mỏ Các khảo sát tổ chức quốc tế cho hay tốc độ phát triển công nghiệp Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Khố luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường tồn cầu suy giảm giá dầu tăng Mỹ, EU nước Châu Á, Việt Nam khơng nằm ngồi số Việt Nam nước có tiềm dầu khí khơng phải lớn lắm, nhiên vài năm gần ta khai thác dầu xuất dạng dầu thô sản phẩm dầu ta phải nhập Năm 2003 tiêu thụ lượng thương mại nước ta 205 kg/người, 20% mức bình quân giới Xăng dầu dùng cho giao thông vận tải chiếm 30% nhu cầu lượng nước ta phải nhập Trong tương lai với xuất nhà máy lọc dầu LD-1 (Dung Quất), LD-2 (Nghi Sơn), LD-3 hy vọng đáp ứng nhu cầu lượng cho đất nước Bảng 1.1: Cơ cấu sản phẩm nhiên liệu Sản phẩm LD-1 (2008) LD-2 LD-3 (2011-2012) (2017-2018) Tổng số trước năm 2020 Xăng 2.000 2.100 2.100 6.200 Diesel 3.400 2.180 2.180 7.760 200 200 400 JA1 280 200 200 680 FO 120 270 270 660 Tổng số xăng dầu 5.800 4.950 4.950 15.700 Tổng số xăng, diesel 5.400 4.280 4.280 13.960 Kerosen (Viện chiến lược phát triển - Bộ KHKT) Nhà máy lọc dầu LD-3 chưa có số liệu, ước tính có cấu sản phẩm LD-2 Theo bảng đến trước năm 2020 nhà máy lọc dầu với tổng công xuất 20-22 triệu dầu vào hoạt động cung cấp 15-16 xăng diesel tổng nhu cầu khoảng 27-28 triệu Như vậy, nhà máy vào hoạt động ta thiếu đáng kể Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Bảng 1.2: Cân đối nhiên liệu xăng, diesel đến năm 2020 Sản phẩm 2001 2005 5.143 8.620 2008 2010 2012 2015 2018 2020 Dân số (triệu người) Tổng nhu cầu 700 Khả cung (conden cấp nước Thiếu(-) Tiêu dùng (kg/ng/năm) sat) 12.896 5.400 LD-1 6.100 16.230 4.280 LD-2 10.380 19.564 4.280 LD-3 14.660 5.143 7.929 6.796 5.850 4.904 (100%) (92%) (52,78%) (36%) (25%) 104 146 174 196 (Viện chiến lược phát triển - Bộ KHKT) Khi sử dụng nguồn ngun liệu hóa thạch gặp phải vấn đề lớn nhiễm mơi trường Đây vấn đề lớn mà nước giới quan tâm, nước ta không nằm ngồi vấn đề Sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây tác động lớn đến mơi trường tồn cầu gây hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên (do nhiên liệu hóa thạch thải nhiều khí CO2), gây lên mưa axít (thải khí SOx) khí độc hại với sức khỏe người hydro cacbon thơm, CO… Do vậy, việc nâng cao chất lượng sản phẩm nhiên liệu giảm lượng khí thải tìm kiếm nhiên liệu quan tâm Đối với động diesel có tỉ số nén cao động xăng, giá thành diesel lại rẻ nhiều so với động xăng giới có xu hướng diesel hóa động diesel Do vậy, vấn đề để làm diesel quan tâm Có nhiều phương pháp nhìn chung có bốn phương pháp sau:  Phương pháp pha trộn: Đó sử dụng việc pha trộn nhiên liệu diesel với nhiên liệu diesel bẩn thu nhiên liệu diesel đảm bảo chất lượng Phương pháp có hiệu kinh tế cao, pha trộn với tỷ lệ khác để có nhiên liệu diesel thỏa mãn yêu cầu Tuy nhiên, giới có dầu mỏ chứa thành phần phi hydrocacbon (dầu mở sạch), mà chủ yếu Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường dầu mỏ có thành phàn phi hydrocacbon cao Vì vậy, phương pháp khơng phải phương pháp khả thi  Phương pháp hydro hóa làm sạch: Phương pháp có ưu điểm hiệu làm cao, hợp chất phi hydrocacbon giảm xuống thấp nên nguyên liệu diesel Tuy nhiên, phương pháp lựa chọn vốn đầu tư cao khoảng 60 dến 80 triệu la cho phân xưởng hydro hóa  Phương pháp nhũ hóa nhiên liệu diesel: Đưa nước vào nhiên liệu diesel tạo thành dạng nhũ tương Loại nhiên liệu có nồng độ oxy cao nên trình cháy phương pháp thực khơng giảm nhiễm mơi trường mà cịn có giá trị kinh tế cao Nhưng phương pháp giai đoạn nghiên cứu phịng thí nghiệm  Phương pháp đưa hợp chất oxy vào nhiên liệu: Đó biodiesel Dạng nhiên liệu có nồng độ oxy cao hơn, thêm vào nhiên liệu sinh học lại có tạp chất, q trình cháy sạch, tạo cặn Trong bốn phương pháp phương pháp thứ tư phương pháp nhiều nước quan tâm tập trung nghiên cứu nhiều nhất, phương pháp lấy từ nguồn nguyên liệu sinh học, nguồn nguyên liệu vô tạn, tái sử dụng được, nhiên liệu cháy tạo khí thải như: COx, SOx, H2S, Hydro cacbon thơm… Các khí ngun nhân gây nhiễm môi trường Biodiesel nhiên liệu sinh học điển hình, điều chế từ dầu thực vật (dầu dừa, dầu bong, dầu hạt hướng dương, dầu cọ, dầu đậu nành,…) mỡ động vật phế thải Đây nguyên liệu không độc hại, có khả phân hủy sinh học, trồng trọt chăn ni Ngồi ra, q trình sản xuất biodiesel, có tạo sản phẩm phụ glyxerin, chất có giá trị kinh tế cao chúng sử dụng ngành dược, mỹ phẩm… Biodiesel sạch, nguồn nguyên liệu thay tốt cho động tương lai mà nguồn nguyên liệu khoáng bị cạn kiệt, khơng làm suy yếu nguồn tự nhiên, có lợi mặt sức khỏe môi trường Việc sản xuất biodiesel Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường từ dầu thực vật, mỡ động vật phế thải giúp cân mơi trường sinh thái mà cịn làm đa dạng hóa dạng lượng cung cấp cho người, đóng góp vào đảm bảo an lượng, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu khoáng, đồng thời đem lại lợi nhuận việc làm cho người dân 1.1.2 Nhiên liệu diesel 1.1.2.1 Nhiên liệu diesel truyền thống đặc tính Để động diesel làm việc ổn định đòi hỏi nhiên liệu diesel phải đảm bảo tiêu chất lượng sau: * Phải có tính tự cháy phù hợp: Tính chất đánh giá qua trị số xê tan Trị số xê tan đơn vị đo quy ước đăc trưng cho khả tự bắt lửa nhiên liệu diesel số nguyên, có giá trị giá trị hỗn hợp chuẩn có khả tự bắt cháy Hỗn hợp chuẩn gồm hai hydrocacbon: n-xeetan (C16H34) quy định 100, có khả tự bắt cháy tốt anpha-metyl naphtalen (C11H10) quy định có khả tự bắt cháy Trị số xê tan xác định theo tiêu chuẩn ASTM-D613 Trị số xê tan cao thấp gây nên vấn đề khơng tốt cho động * Có khả tạo hỗn hợp cháy tốt: Bay tốt phun trộn tốt đánh giá qua thành phần phân đoạn, độ nhớt, tỷ trọng, sức căng bề mặt * Tính lưu biến tốt: Để đảm bảo khả cấp liệu liên tục Yêu cầu đánh giá nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ vẩn đục, tạp chất học, hàm lượng nước, nhựa * Ít tạo cặn: Phụ thuộc vào thành phần phân đoạn, đánh giá qua độ axít, lưu huỳnh, độ ăn mịn đồng, mercaptan… *An tồn cháy nổ khơng gây nhiễm môi trường: Được đánh giá qua nhiệt độ chớp cháy * Ít ăn mịn, có khả bảo vệ: Đánh giá qua trị số axít, hàm lương lưu huỳnh, độ ăn mịn đồng, hàm lượng cercaptan Có thể tham khảo tiêu chất lượng nhiên liệu diesel theo tiêu chuẩn mỹ (ASTM) bảng sau: Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Bảng 1.3: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nhiên liệu diesel theo ASTM Tính chất STT Phương pháp B N0 1D N0 2D No 4D Điểm chớp cháy, 0C, D 93 38 52 55 Nước cặn, % vol, max D 1796 0.05 0.05 0.5 Nhiệt độ sôi 90% vol, 0C D 86 Max 288 282-338 - Độ nhớt động học 40o C,cStD D 445 1.3-2.4 1.9-4.1 5.5-24.0 Cặn cacbon 10% lại, D 524 Max 0.35 0.1 % KL 0.15 Hàm lượng tro, % KL, Max D 482 0.01 0.01 2.00 Hàm lượng lưu huỳnh, %KL, D 129 0.50 0.50 - D 130 N3 N3 - maxE Độ ăn mòn đồng, 3h, 50oC, max Trị số xetan, minF D 613 40G 40G 30G 10 Điểm sương, oC, max D 2500 H H H 1.1.2.3 Khí thải nhiên liệu diesel truyền thống Nhiên liệu diesel chủ yếu lấy từ nguồn q trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ trình cracking xúc tác Các thành phần phi hidrocacbon nhiên liệu diesel cao hợp chất lưu huỳnh, nitơ, nhựa, asphanten Các thành phần gây nên vấn đề động cơ, mà cịn gây nhiễm mơi trường mạnh Đặc biệt xu hướng diesel hóa động vấn đề nhiễm mơi trường ngày tăng mạnh Các loại khí thải chủ yếu SO 2, NOx, CO, CO2, hydrocacbon, vật chất dạng hạt… Các nước giới quan tâm đến vấn đề hiệu kinh tế mơi trường xu hướng phát triển chung nhiên liệu diesel tối ưu hóa trị số xetan, tìm cách để giảm hàm lượng lưu huỳnh xuống mở rộng nguồn nhiên liệu gây nhiễm mơi trường việc đưa vào nhiên liệu diesel nói Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 10 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường lên phễu chiết để lắng tách thành hai pha Pha lượng glyxerin trung hoà, tách ta thu hồi glyxerin đạt độ tinh khiết khoảng 80% ta thấy hiệu suất thu hồi glyxerin 96% nguyên nhân glyxerin bi mát pha giàu biodiesel 2.2 Các phương pháp phân tích chất lượng sản phẩm Phương pháp xác định chất lượng sản phẩm thể hiên bảng sau: STT Các phương pháp phân tích Xác định số axit (TCVN 6127- Các tiêu dánh giá Max 0.8 1996) Xác định độ nhớt động học (TCVN 1.9 – 6.0 3171-1995, ASTM- D445) Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc kín(TCVN 2693-1995, ASTM -D93) Min 130 Xác định tỷ trọng (ASTM- D1298) 0.8 – 0.9 Xác định trị số xe tan (ASTM-D613) Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 Min 47 34 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình tổng hợp biodiesel 3.1.1 Nồng độ xúc tác Chúng khảo sát ảnh hưởng hàm lượng xúc tác Na2CO3 đến hiệu suất biodiesel Hàm lượng xúc tác thay đổi từ 1,5 – 5g khối lượng dầu Các điều kiện khác cụ thể Thể tích dầu đậu nành: 100ml Nhiệt độ phản ứng: 60oC Thể tích metanol: 300ml Thời gian phản ứng: 4h Ta thu kết sau: Bảng 3.1: Ảnh hưởng hàm lượng xúc tác tới hiệu suất biodiesel Na2CO3, g 1.5 2.5 3.5 Glyxerin, ml 20 25 31 34 34 Hiệu suất, % 54.8 68.5 87.7 93.2 93.2 Sự thay đổi hàm lượng xúc tác ảnh hưởng đến hiệu suất biodiesel hình 3.1 Hiệu suất, % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Hàm lượng xúc tác, % Hình 3.1: Đồ thị thể ảnh hưởng hàm lượng xúc tác đến hiệu suất biodiezel Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 35 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường Từ hình 3.1 ta thấy, tăng hàm lượng xúc tác từ 1,5 – 5g hiệu suất biodiesel phản ứng tăng dần đạt cực đại hàm lượng 4g Tiếp tục tăng hàm lượng xúc tác thấy hiệu suất biodiesel khơng tăng lên Điều chứng tỏ hàm lượng xúc tác cần đủ cho phản ứng trao đổi este khoảng 4g Khi hàm lượng xúc tác phản ứng xảy chậm dẫn đến hiệu suất biodiesel thấp Còn hàm lượng xúc tác lớn phản ứng xảy nhanh dẫn đến hiệu suất tăng Tuy nhiên, hàm lượng xúc tác không nên cao ảnh hưởng đến trình rửa tốn lượng xúc tác 3.1.2 Ảnh hưởng thời gian phản ứng Thời gian phản ứng định đến độ chuyển hóa Nếu thời gian ngắn phản ứng xảy khơng hồn tồn làm độ chuyển hóa giảm xuống Còn thời gian phản ứng mà lớn (hơn thời gian phản ứng hết) tốn nhiều lượng không cần thiết thuận lợi cho phản ứng phụ xảy phản ứng xà phịng hóa Do vậy, ta cần chọn thời gian tối ưu để độ chuyển hóa cao mà tốn lượng Khảo sát thời gian phản ứng từ 2h – 6h với điều kiện Thể tích dầu đậu nành: 100ml Nhiệt độ phản ứng: 60oC Thể tích metanol: 300ml Hàm lượng xúc tác: 4g Ta thu kết sau: Bảng 3.2: Sự phụ thuộc hiệu suất biodiesel vào thời gian phản ứng Thời gian (h) Glyxerin, ml 30 31 34 34 34 Hiệu suất,% 82,5 90.7 93.2 93.2 93.2 Ảnh hưởng thời gian đến hiệu suất biodiesel đồ thị 3.2 Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 36 Khố luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường Hiệu suất, % 94 92 90 88 86 84 82 80 Thời gian phản ứng, Hình3.2: Đồ thị thể ảnh hưởng thời gian phản ứng đến hiệu suất biodiezel Từ đồ thị 3.2 cho thấy, hiệu suất biodiesel đạt 90% sau 4h Khi thời gian phản ứng tăng hiệu suất phản ứng khơng tăng Vậy thời gian thích hợp cho q trình tổng hợp biodiesel 4h 3.1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng Trong phản ứng hóa học, nhiệt độ yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến trình phản ứng Thường nhiệt độ tăng tốc độ phản ứng hiệu suất tăng Chúng tiến hành khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng tới hiệu suất biodiesel giá trị nhiệt độ khác nhau: 30oC, 40OC, 50OC, 60oC, 70OC Các thông số khác giữ cố định sau: Thể tích dấu đậu nành: 100ml Hàm lượng xúc tác : 4g Thể tích metanol: 300ml Thời gian phản ứng: 4h Kết thu bảng sau: Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 37 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Bảng 3.3: Hiệu suất biodiesel với thay đổi nhiệt độ phản ứng Nhiệt độ, oC 30 40 50 60 70 Glyxerin, ml 10 18 31 34 34 Hiệu suất,% 50 86.2 93.2 93.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất biodiesel đồ thị 3.3 100 Hiệu suất, % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Nhiệt độ phản ứng, oC Hình 3.3: Đồ thị thể ảnh hưởng nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất biodisel Từ số liệu hình 3.3 ta thấy, hiệu suất biodiesel đạt khoảng 93,2% nhiệt độ 60 -70oC Nhưng nhệt độ sơi metanol 64,7oC Do nhiệt độ thích hợp cho trình chuyển hóa metyleste khoảng 60oC Ở nhiệt độ 70oC, hiệu suất cao gây mát metanol trình phản ứng 3.2 Thử nghiệm nhiên liệu biodiesel (B20) động Để so sánh nhiên liệu biodiesel (B20) với nhiên liệu diesel truyền thống Tôi tiến hành chạy thử nhiên liệu biodiesel (B20) động diesel phòng thử nghiệm động đốt – trường ĐHBK Hà Nội Nội dung thử nghiệm Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 38 Khố luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường 1) Đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu biodiesel(B20) đến động so với diesel khoáng 2) Xác định thành phần khí thải động sử dụng biodiesel so sánh với khí thải nhiên liệu khống Động thử nghiệm: Động diesel AVN 5402, động xy lanh Số lượng xy lanh: xy lanh Dung tích xy lanh: 510.7 cm3 Đường kính xy lanh: 85mm Tỷ số nén: 17.1:1 Hành trình: 90mm Nhiên liệu phun phun trực tiếp Áp suất phun: 80Mpa Góc phun: Phun sớm 12o trước điểm chết Lượng nhiên liệu phun: 30mm3/ chu trình Kết thử nghiệm thể bảng sau: Bảng 3.4: Ảnh hưởng nhiên liệu đến công suất động Tốc độ động cơ, Cơng suất động cơ, W vịng/phút Nhiên liệu B20 Nhiên liệu diesel 1400 2950 3210 1500 3120 3350 1600 3300 3530 1700 3570 3900 1800 3710 4040 1900 3830 4250 2000 3980 4460 2100 4030 4490 Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 39 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Bảng 3.5: Hàm lượng khí xả biodiesel 20% (B20) diesel khống Tốc độ (vòng/p hút) Hàm lượng CO (ppm) Biodiesel diesel Hàm lượng CO2 (ppm) biodiesel Diesel Hàm lượng RHC(ppm) Hàm lượng NOX(ppm) biodiesel diesel biodiesel diesel 1400 1128 1180.37 89031.13 93690 660.46 964 1200 1274 1500 1182 1213.51 85541.71 89997 821.34 1012 1040 1249 1600 1220 1257.29 80345.79 86265 952.42 1020 946 1148 1700 1182 1239.22 79314.07 86130 889.12 1005 880 1085 1800 1200 1295.41 78650.01 84566 870.66 994 787 973 1900 1190 1273.35 80065.38 85250 821.55 920 739 887 2000 1152 1203.53 81180.89 85840 708.69 829 717 880 2100 1120 1162.10 78201.34 83120 616.98 770 646 823 3.3.1 Ảnh hưởng nhiên liệu biodiesel tới công suất động Giá trị công suất động lấy sở giữ tay ga 100% đo cơng suất động phát số vịng quay từ 1400 -2100 vòng/phút Kết thử nghiệm ảnh hưởng nhiên liệu biodiesel đến công suất động thể đồ thị: Công suất, W 4500 4000 3500 3000 2500 B20 diezel 2000 1500 1000 500 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Tốc độ vòng quay (vòng/phút) Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 40 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường Từ đồ thị ta thấy công suất động có giảm dùng biodiesel (B20) Điều giải thích nhiệt cháy biodiesel cịn thấp (40000J/g) nhiệt cháy diesel chuẩn 45000 (J/g) công suất thấp Tuy nhiên, công suất giảm không đáng kể so với diesel khống vấn đảm bảo cơng suất động đồ thị cơng suất hồn tồn phù hợp với lý thuyết động 3.3.2 Xác định thành phần khói thải so sánh với diesel khống Hàm lượng CO tốc độ khác động Kết xác định thành phần CO khói thải động chạy nhiên liệu biodiesel diesel tốc độ khác thể đồ thị Hàm lượng CO, ppm 1300 1250 1200 biodiezel diezel 1150 1100 1050 1000 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Tốc độ vòng quay (vòng/phút) Từ đồ thị ta thấy hàm lượng CO khói thải động diesel chạy nhiên liệu biodiesel thấp so với sử dụng nhiên liệu diesel khoáng Điều giải thích biodiesel có hàm lượng oxi cao diesel khống nên trình cháy xảy triệt để nên hàm lượng CO giảm Hàm lượng CO2 khói thải tốc độ khác động Kết xác định hàm lượng CO2 khói thải động chạy nhiên liệu biodiesel diesel thể qua đồ thị sau: Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 41 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường 95000 Hàm lượng CO2, ppm 90000 85000 biodiezel diezel 80000 75000 70000 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Tốc độ vòng quay (vòng/phút) Từ đồ thị ta thấy động chạy nhiên liệu biodiesel hàm lượng CO2 giảm so với sử dụng nhiên liệu diesel tốc độ khác động Điều giải thích sau: Khi đốt hydrocacbon nhiệt độ cao với điều kiện đủ oxi sản phẩm CO2 H2O nhiên liệu diesel hàm lượng bon thơm cao (Tỷ lệ H/C thấp hơn) so với nhiên liệu biodiesel (Tỷ lệ H/C cao hơn) nên sản phẩm cháy biodiesel cho lượng CO2 thấp so với diesel Hàm lượng hydrocacbon khói thải tốc độ khác động Kết xác định hàm lượng hydrocacbon khói thải động chạy nhiên liệu biodiesel diesel tốc độ khác thể qua đồ thị sau: Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 42 Khố luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường 1200 Hàm lượng RH, ppm 1000 800 biodiezel 600 diezel 400 200 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Tốc độ vòng quay (vòng/ phút) Từ đồ thị ta thấy động chạy nhiên liệu biodiesel hàm lượng CO2 giảm so với sử dụng nhiên liệu diesel tốc độ khác động Điều giải thích sau: Khi đốt hydrocacbon nhiệt độ cao với điều kiện đủ oxi sản phẩm CO2 H2O nhiên liệu diesel hàm lượng bon thơm cao (Tỷ lệ H/C thấp hơn) so với nhiên liệu biodiesel (Tỷ lệ H/C cao hơn) nên sản phẩm cháy biodiesel cho lượng CO thấp so với diesel khoáng Từ đồ thị ta thấy động chạy nhiên liệu biodiesel hàm lượng CO2 giảm so với sử dụng nhiên liệu diesel tốc độ khác động Điều giải thích sau: Khi đốt hydrocacbon nhiệt độ cao với điều kiện đủ oxi sản phẩm CO2 H2O nhiên liệu diesel hàm lượng bon thơm cao (Tỷ lệ H/C thấp hơn) so với nhiên liệu biodiesel (Tỷ lệ H/C cao hơn) nên sản phẩm cháy biodiesel cho lượng CO2 thấp so với diesel Từ đồ thị ta thấy hàm lượng hdrocacbon khói xả động sử dụng nhiên liệu biodiesel giảm sử dụng nhiên liệu diesel tốc độ khác Điều phù hợp với lý thuyết cháy nguyên liệu Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 43 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường biodiesel có hàm lượng oxi cao diesel nên trình cháy triệt để dẫn tới lượng hydrocacbon chưa cháy hết nhiên liệu biodiesel so với nhiên liệu diesel Hàm lượng NOX khói thải tốc độ khác động Kết xác định hàm lượng NOX khói xả động chạy nhiên liệu biodiesel diesel tốc độ khác thể hiên đồ thị sau: 1400 Hàm lượng NOx, ppm 1200 1000 800 biodiezel diezel 600 400 200 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Tốc độ vòng quay (vòng/phút) Qua đồ thị ta thấy với tốc độ 1400 vịng/phút hàm lượng NOX khí thải sử dụng nhiên liệu biodiesel cao diesel Điều giải thích sau: Trong biodiesel có hàm lượng oxi lớn so với diesel, lượng khí Nitơ chiếm khơng khí tương đối cao(78%) Mặt khác, tốc độ quay chậm dẫn đến tạo thuận lợi cho trình phản ứng oxi với nitơ lượng NO X khói thải sử dụng nhiên liệu biodiesel lớn dùng diesel Ngược lại ta thấy, tốc độ quay lớn (>1500 vịng/phút), hàm lượng NOx khí thải sử dụng biodiesel thấp diesel Có thể giải thích tốc độ quay cao lượng oxi dư biodiesel có lẽ nhanh chóng tham gia Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 44 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường phản ứng decacboxylat metyl este tạo CO2, nên lượng oxi để sử dụng cho phản ứng với nito không nhiều để tạo nhiều NOx Mặt khác, nhiệt trị biodiesel thấp so với diesel nên nhiệt độ cháy không cao đẫn tới hàm lượng NOx giảm Như ta thấy hàm lượng NOX tạo nhiều hay phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Nồng độ oxi trình cháy, áp suất buồng cháy, tốc độ quay động Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 45 Khoá luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật môi trường KẾT LUẬN 1) Đã tổng hợp biodiesel từ dầu đậu nành phản ứng trao đổi este với xúc tác Na2CO3 Điều kiện tối ưu cho phản ứng sau: Thể tích dàu đậu nành: 100ml Nhiệt độ phản ứng: 60oC Hàm lượng xúc tác: 4g Thời gian phản ứng: 4h Thể tích metanol: 300ml 2) Xác định đặc trưng hóa lý sản phẩm, thấy sản phẩm sản phẩm biodiesel đảm bảo tiêu chuẩn nhiên liệu cho động diesel thỏa mãn điều kiện ASTM –D675 3) Tiến hành chạy thử động để so sánh đánh giá ảnh hưởng nhiên liệu B20 đến tính động thành phần khí thải, kết thử nghiệm cho thấy: Công suất động gần nhau, cải thiện đáng kể thành phần khí thải so với nhiên liệu diesel Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 46 Khố luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường Các hình ảnh thí nghiệm 1: Phản ứng 4: Rửa metyleste 2: Lắng 5: Đuổi nước 3: Chưng cất 7: Sản phẩm Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 47 Khố luận tốt nghiệp Ngành Kỹ thuật mơi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) Vũ An Đào (2005) “Tổng hợp biodiesel thân thiện môi trường từ dầu bông”, tuyển tập báo cáo khoa học hội nghị xúc tác hấp thụ toàn quốc lần thứ 2) Kiều Đình Kiểm (1998), sản phẩm hóa dầu, Nhà xuất khoa học kĩ thuật 3) Nguyễn Quang Lộc, Lê Văn Thạch, Nguyên Nam Vinh (1997), Kỹ thuật ép dầu chế biến dầu, mỡ thực phẩm, Nhà xuất khoc học kỹ thuật 4) Tử Văn Mặc, phân tích hóa lý (2003), phương pháp phổ nghiệm nghiên cứu cấu trúc phân tử, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 5) Đinh Thị Ngọ (2006), Hóa học dầu mỏ khí, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 6) Phạm Thế Thưởng(1992), hóa học dầu béo, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 7) Đặng Thị Thu, Lê Ngộc tú,… (2003), Công nghệ enzym, Nhà xuất kỹ thuật khoa học Hà Nội 8) Nguyễn Tất Tiến (2001), Nguyên lý động đốt trong, Nhà xuất giáo dục 9) “Nghiên cứu xử lý dầu hạt cao su để tổng hợp biodiesel xúc tác NaOH” Tạp chí hóa học ứng dụng Sinh viên: Trần Thị Tỏ - MT1101 48 ... giảm đáng kể lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường mà ta cải tiến động Biodiesel sản xuất từ loại dầu thực vật, mỡ động vật, chí từ loại dầu thải… Trên giới có nhiều nước nghiên cứu sản xuất... theo lượng glyxerin tạo thành theo công thức sau: C = mgly/{ 92.(mdầu/Mdầu) } Trong đó: mdầu: Khối lượng dầu đem phản ứng, gam Mdầu: Khối lượng phân tử trung bình dầu thực vật mgly: Khối lượng. .. đến trình tổng hợp biodiesel Quá trình sản xuất biodiesel từ dầu thực vật sử dụng nhiều xúc tác khác xúc tác bazơ, xúc tác axit, nhiên xúc tác bazơ hay sử dụng Nhiệt độ phản ứng thấp, áp suất phản