Nghiên cứu biến tính lecithin làm phụ gia giảm thiểu phát thải khói xả cho động cơ sử dụng nhiên liệu diezen

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BÙI PHẠM NGUYỆT HỒNG NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH LECITHIN LÀM PHỤ GIA GIẢM THIỂU PHÁT THẢI KHĨI XẢ CHO ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU DIEZEN Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dầu Mã số: 60.53.55 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐINH VĂN KHA HÀ NỘI – 2012 ii LỜI CAM ĐOAN “Tôi xin cam đoan số liệu luận án hoàn toàn trung thực Các số liệu, kết trình bày luận văn chưa cơng bố cơng trình khác.” Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2012 Tác giả iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Khói xả động diezen phương pháp hạn chế khói xả 1.1.1 Khói xả động diezen 1.1.2 Tình hình phát thải khói xả Việt Nam 1.1.3 Các tiêu chuẩn khói xả giới Việt Nam 1.1.3.1 Tiêu chuẩn Châu Âu 1.1.3.2 Tiêu chuẩn Việt Nam 10 1.1.4 Các phương pháp hạn chế phát thải khói xả 12 1.1.4.1 Cải tiến động 12 1.1.4.2 Nâng cao chất lượng nhiên liệu 13 1.2 Phụ gia nhiên liệu diezen giảm thiểu khói xả 15 1.2.1 Cơ chế giảm thiểu khói xả 15 1.2.2 Tình hình nghiên cứu hệ phụ gia giảm thiểu khói xả cho nhiên liệu diezen 17 1.2.2.1 Hệ phụ gia nhiên liệu giảm thiểu khói xả sở hợp chất kim loại 17 1.2.2.2 Hệ phụ gia nhiên liệu diezen chứa oxy giảm thiểu khói xả 18 1.3 Lecithin 21 1.3.1 Nguồn gốc 21 1.3.2 Các tính chất lý hóa 23 1.3.3 Tính chất hóa học điển hình 26 1.3.4 Ứng dụng lecithin 27 1.3.5 Các phương pháp sản xuất 31 CHƯƠNG - THỰC NGHIỆM 35 2.1 Nội dung nghiên cứu 35 2.2 Tách chiết tinh chế lecithin từ dầu đỗ tương 35 2.2.1 Dụng cụ, hóa chất, ngun vật liệu 35 2.2.2 Quy trình tiến hành 35 iv 2.3 Biến tính lecithin tách chiết từ dầu đỗ tương 36 2.3.1 Hóa chất, ngun vật liệu 36 2.3.2 Tiến hành biến tính lecithin tạo dẫn xuất chứa kim loại Ba 37 2.4 Các phương pháp kiểm tra đánh giá 37 2.4.1 Hàm lượng phospholipit 37 2.4.2 Hàm lượng không tan axeton 38 2.4.3 Hàm lượng không tan hexan 38 2.4.4 Hàm ẩm 39 2.4.5 Trị số axit 39 2.4.6 Khả tương hợp với nhiên liệu diezen 39 2.4.7 Xác định tính chất hóa lý nhiên liệu diezen 40 2.4.7.1 Độ nhớt động học 40 2.4.7.2 Xác định số xetan (CI) 40 2.4.7.3 Xác định nhiệt độ chớp cháy cốc kín 41 2.4.7.4 Thành phần cất 41 2.4.7.5 Cặn cacbon 41 2.4.7.6 Độ ăn mòn đồng 42 2.4.8 Khả giảm phát thải khói xả 42 CHƯƠNG - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1 Chiết tách lecithin từ dầu đỗ tương 45 3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng nước tới hiệu suất thu lecithin 45 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất thu lecithin 46 3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tới hiệu suất thu lecithin 48 3.1.4 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn tới hiệu suất thu lecithin 49 3.2 Đánh giá chất lượng lecithin tách chiết từ dầu đỗ tương 50 3.3 Đánh giá chất lượng lecithin biến tính với kim loại bari 53 3.4 Pha chế phụ gia cho nhiên liệu diezen 56 3.4.1 Khảo sát tính tương hợp phụ gia lecithin với nhiên liệu diezen 56 3.4.2 Phân tích số tính chất nhiên liệu pha phụ gia tổng hợp 56 3.4.3 Thử nghiệm động 57 3.5 Quy trình biến tính lecithin chiết tách từ dầu đỗ tương làm phụ gia giảm phát thải khói xả dùng cho nhiên liệu diezen 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC ……………………………………………………………………………… 74 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AOCS American oil Chemist’ Society: Hiệp hội Hóa dầu Hoa Kỳ APERC (Asia Pacific Energy Research Centre): Trung tâm nghiên cứu lượng châu Á-Thái Bình Dương API (American Petroleum Institute) : Viện dầu mỏ Mỹ ASTM (American Society for Testing and Materials): Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Mỹ CI (Cetan Index): Chỉ số xetan DO (Diesel oil): Dầu diezen HC Hydrocacbon IR Infrared, phổ hồng ngoại LPC Lysophosphatidyl Colin PA Axit phosphoric PC Phosphatidyl Colin PE Phosphatidyl Etanolamin PI Phosphatidyl Inositol PM Particulate Matter : Hợp chất dạng hạt TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam UNEP (The United Nations Environment Programme): Chương trình Mơi trường Liên hợp quốc vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các tiêu chuẩn Châu Âu nồng độ khói xả Bảng 1.2 Giới hạn tối đa cho phép khí thải phương tiện giao thông giới đường (theo Quyết định 10 số 249/2005/QĐ-TTg ngày 10/10/2005) Bảng 1.3 Tiêu chuẩn TCVN 5689-2005 diezen 11 Bảng 1.4 Diện tích, suất, sản lượng đỗ tương nước qua 22 năm (Nguồn: Tổng cục Thống kê) Bảng 1.5 Thành phần số lecithin thương phẩm tinh chế (% 23 khối lượng) Bảng 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng nước tới hiệu suất thu lecithin 46 Bảng 3.2 Ảnh hưởng thời gian tiến hành tới hiệu suất thu 47 lecithin Bảng 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ tới hiệu suất thu lecithin 48 Bảng 3.4 Ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn tới hiệu suất thu lecithin 49 Bảng 3.5 Thành phần lecithin tách chiết 52 Bảng 3.6 Các tiêu hóa lý lecithin tách chiết 52 Bảng 3.7 Các tiêu hóa lý lecithin biến tính 55 Bảng 3.8 Khả tan phụ gia lecithin nhiên liệu diezen 56 Bảng 3.9 Các tính chất diezen thương phẩm diezen pha phụ gia 57 tổng hợp Bảng 3.10 Bảng so sánh CO tốc độ 2000 vòng/phút 58 Bảng 3.11 Bảng so sánh HC tốc độ 2000 vòng/phút 58 Bảng 3.12 Bảng so sánh CO tốc độ 3000 vòng/phút 60 Bảng 3.13 Bảng so sánh HC tốc độ 3000 vòng/phút 60 Bảng 3.14 Bảng so sánh NOx tốc độ 2000 vòng/phút 61 Bảng 3.15 Bảng so sánh Smoke tốc độ 2000 vòng/phút 62 Bảng 3.16 Bảng so sánh NOx tốc độ 3000 vòng/phút 63 Bảng 3.17 Bảng so sánh Smoke tốc độ 3000 vịng/phút 63 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cơng thức hóa học loại phosphatit 22 Hình 1.2 Sơ đồ q trình sản xuất lecithin từ dầu đỗ tương 31 Hình 1.3 Giản đồ trình khử keo dầu đỗ tương theo phương pháp liên tục 32 Hình 1.4 Sản xuất lecithin theo quy trình khử keo gián đoạn 33 Hình 1.5 Mơ hình thiết bị phịng thí nghiệm 34 Hình 2.1 Quy trình chiết tách lecithin từ dầu đỗ tương thơ 36 Hình 2.2 Tủ phân tích khí xả CEBII 43 Hình 2.3 Mơ hình thiết bị xác định độ khói nhiên liệu diezen 44 Hình 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng nước tới hiệu suất thu lecithin 46 Hình 3.2 Ảnh hưởng thời gian tới hiệu suất thu lecithin 47 Hình 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ tới hiệu suất thu lecithin 48 Hình 3.4 Ảnh hưởng tốc độ khuấy trộn tới hiệu suất thu lecithin 50 Hình 3.5 Mẫu Lecithin chiết tách từ dầu đỗ tương thơ 50 Hình 3.6 Phổ hồng ngoại lecithin 51 Hình 3.7 Lecithin biến tính chứa Ba (mẫu mẫu 2) 53 Hình 3.8 Các Phổ IR lecithin biến tính chứa Ba (mẫu mẫu 2) 54 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn HC CO tốc độ 2000 vịng/phút 59 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn HC CO tốc độ 3000 vòng/phút 61 Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn NOx Smoke tốc độ 2000 vịng/phút 62 Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn NOx Smoke tốc độ 3000 vòng/phút 64 Hình 3.13 Quy trình chiết tách lecithin từ dầu đỗ tương thô tổng hợp phụ gia 66 lecithin biến tính kim loại Bari MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Vấn đề phát thải khói xả từ trình hoạt động động quan tâm đặc biệt chúng ảnh hưởng xấu tới người môi trường Bên cạnh việc đưa tiêu chuẩn ngày khắt khe nồng độ chất độc hại khí thải động cơ, quốc gia có cơng nghiệt phát triển hàng đầu giới Mỹ, Nhật Bản số nước Châu Âu đầu việc nghiên cứu đưa biện pháp giảm thiểu lượng khí thải độc hại mơi trường Cho đến nay, giới đạt nhiều thành tựu việc cải tiến động cơ, cải tiến nhiên liệu, tìm ta nguồn nhiên liệu thay Tuy vậy, hướng nghiên cứu nguồn nhiên liệu thay đạt thành công bước đầu nhiên liệu truyền thống xăng, diezen đóng vai trị chủ đạo Vấn đề đặt phải nâng cao chất lượng nhiên liệu này, biện pháp đưa sử dụng phụ gia giảm phát thải khói xả Ở Việt Nam số lượng phương tiện tham gia giao thơng tăng nhanh chóng tạo sức ép lớn lượng khói xả mơi trường, đặc biệt đô thị lớn Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh Việc ban hành Quyết định 249/2005/QĐTTg Chính phủ quy định chặt chất lượng xăng dầu đặt yêu cầu cải tiến nhiên liệu Trên thị trường nay, số lượng chủng loại phụ gia giảm phát thải khói xả cịn ít, chủ yếu sản phẩm nhập ngoại với giá thành cao Việc nghiên cứu tìm phụ gia giảm phát thải khói xả cho nhiên liệu xăng dầu góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường, hạ giá thành, thúc đẩy phát triển ngành hóa dầu nước Với mục đích hạn chế phát thải khói xả cho nhiên liệu diezen, luận văn “Nghiên cứu biến tính lecithin làm phụ gia giảm thiểu phát thải khói xả cho động sử dụng nhiên liệu diezen” nhằm nghiên cứu tạo phụ gia nhiên liệu diezen giảm thiểu tạo muội khói xả sở biến tính lecithin chiết tách từ dầu đỗ tương 2 Mục đích đề tài: Nghiên cứu nhằm đưa quy trình tinh chế lecithin từ dầu đậu tương, biến tính lecithin với kim loại Bari làm phụ gia cho nhiên liệu diezen cho hiệu giảm phát thải cao Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng: - Dầu đỗ tương thô lecithin chiết tách từ nguồn dầu đỗ tương thô - Nhiên liệu diezen Phạm vi nghiên cứu: - Nguyên liệu cho trình chiết tách lecithin gồm dầu đỗ tương thơ, cặn q trình khử keo tinh chế dầu thực vật… - Biến tính lecithin tinh chế với kim loại, cụ thể kim loại Bari - Thử nghiệm hiệu tác dụng phụ gia tổng hợp nhiên liệu diezen Nội dung nghiên cứu: - Nội dung 1: Thu thập tổng quan tài liệu tình hình khói xả từ động sử dụng nhiên liệu diezen, phương pháp hạn chế khói xả, hướng phát triển phụ gia giảm phát thải khói xả cho nhiên liệu diezen - Nội dung 2: Nghiên cứu tách chiết tinh chế lecithin từ dầu đỗ tương phụ phẩm trình tinh chế dầu ăn (hàm lượng lecithin nguồn nguyên liệu thường chiếm 1÷3% khối lượng) - Nội dung 3: Nghiên cứu biến tính lecithin tinh chế làm phụ gia giảm thiểu phát thải khói xả Phân tích tính chất lý hóa phụ gia tổng hợp - Nội dung 4: Khảo sát tính tương hợp phụ gia lecithin nhiên liệu diezen xác lập hàm lượng phụ gia sử dụng Phân tích tiêu kỹ thuật hỗn hợp nhiên liệu diezen + phụ gia - Nội dung 5: Đánh giá chất lượng khí thải để qua khẳng định hiệu giảm phát thải khói xả nhiên liệu diezen sau pha chế phụ gia, có so sánh với nhiên liệu diezen thương phẩm tiêu chuẩn khí thải Euro áp dụng (theo Quyết định 249/2005/QĐ-TTg) Phương pháp nghiên cứu: - Sử dụng phương pháp hóa lý phương pháp phổ hồng ngoại, sắc ký lớp mỏng phân tích tiêu lý hóa lecithin chiết tách lecithin sau biến tính kim loại bari - Khảo sát tính tương hợp phụ gia tổng hợp nhiên liệu diezen dựa khả hòa tan độ ổn định phụ gia nhiên liệu diezen - Hiệu giảm phát thải khói xả phụ gia nhiên liệu nghiên cứu đánh giá thông qua thử nghiệm động (động diezen hạng nhẹ) với tiêu đánh giá: • Nồng độ khí thải NOx, CO, HC, CO2 • Độ khói Từ kết đạt được, xây dựng quy trình tổng hợp phụ gia giảm phát thải khói xả cho nhiên liệu diezen sở biến tính lecithin chiết tách từ dầu đỗ tương Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: - Việc nghiên cứu tìm phụ gia giảm phát thải khói xả dùng cho nhiên liệu diezen góp phần hạ giá thành phụ gia, giảm ô nhiễm môi trường phương tiện giao thông gây - Làm tiền đề để nghiên cứu phát triển loại nhiên liệu có chất lượng cao đảm bảo an tồn mơi trường, để việc áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro nhanh chóng vào thực tiễn tiến tới áp dụng tiêu chuẩn khí thải cao Euro Euro 63 - Về mặt NOx: Hai mẫu có thành phần NOx tăng so với mẫu 1, hàm lượng NOx tăng không đáng kể, cụ thể mẫu tăng 3,61%, mẫu tăng 3,70%, điều chứng tỏ hợp chất chứa N có diezen phụ gia cháy triệt để làm tăng lượng NOx Tuy vậy, hàm lượng NOx nằm giới hạn cho phép khí thải phương tiện giao thông giới đường  Tại tốc độ 3000 vòng/phút: Bảng 3.16 - Bảng so sánh NOx tốc độ 3000 vòng/phút Mẫu % tải Mẫu Mẫu Độ khói (FSN) So sánh mẫu mẫu 100 9,45 9,435 9,42 -0,16 -0,32 75 3,81 3,425 3,51 -10,10 -7,87 50 0,36 0,355 0,385 -1,39 6,94 25 0,06 0,055 0,048 -8,33 -20,00 10 0,04 0,025 0,033 -37,50 -17,50 -11,50 -7,75 Trung bình Chú giải: dấu “-” bảng thể hiệu giảm phát thải Bảng 3.17 - Bảng so sánh Smoke tốc độ 3000 vòng/phút Mẫu % tải Mẫu Mẫu NOx (ppm) So sánh mẫu mẫu 100 1287,5 1240,5 1251,5 -3,65 -2,80 75 1624 1687 1698 3,88 4,56 50 1525 1623 1594,5 6,43 4,56 25 980 1001,5 1029,5 2,19 5,05 10 602,5 652,5 643,5 8,30 6,80 3,43 3,63 Trung bình Chú giải: dấu “-” bảng thể hiệu giảm phát thải 64 Từ kết thu xây dựng đồ thị biểu diễn NOx Smoke tốc độ 2000 9,00 1800 8,00 1600 7,00 1400 6,00 1200 5,00 1000 4,00 800 3,00 600 2,00 400 1,00 200 0,00 Độ khói (FSN) 10,00 50 NOx (ppm) 3000 vịng/phút thể hình 3.12 Mẫu 1-Smoke Mẫu 2-smoke Mẫu 3-smoke Mẫu 1-NOx Mẫu 2-NOx Mẫu 3-NOx 100 % Tải trọng Hình 3.12 - Đồ thị biểu diễn NOx Smoke tốc độ 3000 vịng/phút Nhận xét: - Về mặt Độ khói: Ở tải trọng này, hai mẫu giảm độ khói so với mẫu 1, so với mẫu 1, hiệu hai mẫu xấp xỉ nhau, mẫu làm giảm độ khói trung bình 11,50%, mẫu giảm 7,75% - Về mặt NOx: Hai mẫu có thành phần NOx tăng so với mẫu 1, cụ thể mẫu trung bình tăng 3,43%, mẫu trung bình tăng tới 3,63% Nhận xét chung: - So với dầu diezen thương phẩm, mẫu dầu diezen pha phụ gia lecithin biến tính kim loại bari tổng hợp với nồng độ sử dụng 0,05% 0,1% khối lượng dầu diezen thương phẩm cho hiệu giảm phát thải khói xả tốt hầu hết tốc độ tải trọng trình thử nghiệm động cơ, thể rõ ràng việc giảm đáng kể lượng khí CO, HC độ khói (HC tốc độ thấp giảm tới 33%, độ khói tốc độ thấp giảm tới 29%) Hàm lượng khí NOx mẫu có pha phụ gia tăng so với trường hợp 65 dầu diezen thương phẩm, điều hoàn tồn hợp lý thực tế nhiên liệu thành phần có chứa dị tố N cháy triệt để tạo lượng khí NOx cao hàm lượng N khơng lớn nên tăng NOx thấp - Phụ gia lecithin biến tính kim loại bari pha vào dầu diezen với hàm lượng 0,05% 0,1% khối lượng cho hiệu cao giảm khói xả, nhiên tác dụng không phát huy tất tải trọng tốc độ động Hiệu giảm phát thải khói xả phụ gia không thống nhất, dường tốc độ thấp (2.000 vịng/phút) phụ gia cho hiệu giảm độ khói tốt tốc độ cao (3.000 vịng/phút) thể độ khói giảm tới 29,76% hoạt động tốc độ thấp so với độ khói giảm 11,50% hoạt động tốc độ cao Nhận định thấy thông qua hàm lượng khí thải CO HC - Phụ gia lecithin biến tính kim loại bari tổng hợp sử dụng hàm lượng 0,1% cho tác dụng giảm phát thải khói xả cho dầu diezen thương phẩm so với hàm lượng 0,05%, nhiên độ chênh lệch khơng đáng kể Trong đó, phát thải NOx lại tăng cao tốc độ thấp tốc độ cao Vì vậy, với lý kinh tế, lựa chọn hàm lượng pha phụ gia nhiên liệu diezen 0,05% Phụ gia lecithin biến tính kim loại bari thể cho hiệu điều kiện tải trọng cao, tốc độ thấp, phù hợp pha vào nhiên liệu cho động diezen hoạt động khu đô thị, khu đông dân cư, thành phố - Nhiên liệu diezen có sử dụng phụ gia lecithin biến tính kim loại bari có phát thải khói xả nằm giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn Euro II 3.5 QUY TRÌNH BIẾN TÍNH LECITHIN CHIẾT TÁCH TỪ DẦU ĐỖ TƯƠNG LÀM PHỤ GIA GIẢM PHÁT THẢI KHÓI XẢ DÙNG CHO NHIÊN LIỆU DIEZEN Từ thực nghiệm tổng hợp, phân tích xác định cấu trúc, phân tích thử nghiệm phụ gia nghiên cứu, xác lập quy trình biến tính lecithin chiết tách từ dầu đỗ tương dùng làm phụ gia giảm thiểu phát thải khói xả cho nhiên liệu diezen sau: 66 Dầu đỗ tương thơ Nước mềm nóng KHUẤY TRỘN 65oC, 20 phút, 200 vòng/phút LY TÂM PHÂN TÁCH Dầu loại keo Keo chứa Lecithin, 30-50% nước SẤY MÀNG 110oC, 1-2 phút Lecithin,