TỔNG HỢP DIESEL SINH HỌC TỪ DẦU JATROPHA VÀ METANOL BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG

TỔNG HỢP DIESEL SINH HỌC TỪ DẦU JATROPHA VÀ METANOL BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG

Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGUYỄN HỒNG NGỌC TỔNG HỢP DIESEL SINH HỌC TỪ DẦU JATROPHA VÀ METANOL BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC Người hướng dẫn ThS. NGUYỄN THANH THIỆN Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA HÓA HỌC & CNTP Độc lập- Tự Do- Hạnh Phúc ------o0o----- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hồng Ngọc MSSV: 0852010112 Ngày, tháng, năm sinh: 17/05/1990 Nơi sinh: Cần Thơ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Hóa Học I. TÊN ĐỀ TÀI: Tổng hợp diesel sinh học từ dầu jatropha và metanol bằng phương pháp truyền thống II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Tiếp cận quy trình sản xuất diesel sinh học bằng phương pháp truyền thống. 2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp diesel sinh học từ dầu jatropha và metanol, từ đó tìm ra điều kiện tối ưu nhất để có thể đưa vào sản xuất đại trà. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: 20/4/2012 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/7/2012 V. HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Thanh Thiện Vũng Tàu, ngày .tháng .năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (k ý và ghi rõ họ tên) (k ý và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA (k ý và ghi rõ họ tên) (k ý và ghi rõ họ tên) Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu i MỞ ĐẦU  Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, thế giới đang nỗ lực tìm kiếm các giải pháp thay thế các dạng năng lượng đi từ nguyên liệu hóa thạch bằng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo và nhiên liệu sinh học. Trong đó nhiên liệu sinh học được biết đến như là một dạng năng lượng mới, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Việt Nam đã quan tâm đến diesel sinh học cách đây 20 năm. Đề án phát triển ngành nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 đã được thủ tướng chính phủ phê duyệt ngày 20/11/2007. Diesel sinh học được biết đến như là một nhiên liệu thay thế đầy tiềm năng cho dầu diesel nhờ chúng mang những tính chất tương tự diesel, chứa đựng những ưu điểm vượt trội, cho hiệu quả cao về mặt kinh tế và môi trường. Chúng ta có thể đi từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau để có thể tổng hợp được diesel sinh học, tuy nhiên các nguyên liệu cần phải được xử lý để tính chất của nó gần giống với nguyên liệu diesel. Có nhiều phương pháp để điều chế diesel sinh học đã được đưa ra như: sấy nóng, pha loãng, bẻ gãy mạch cacbon dưới tác dụng của nhiệt độ, nhũ tương hóa, quá trình chuyển vị este có xúc tác…Trong các phương pháp trên thì phản ứng chuyển vị este của dầu thực vật bằng các loại rượu được xem là sự lựa chọn tốt nhất vì sản phẩm thu được là hỗn hợp monoalkyl este, các este tạo thành có thể được đốt cháy trực tiếp trong buồng đốt của động cơ và khả năng hình thành cặn thấp, hơn nữa quá trình sản xuất tương đối đơn giản Tuy nhiên trong điều kiện hạn hẹp của phòng thí nghiệm tôi sẽ thực hiện phản ứng tổng hợp diesel sinh học như là một quá trình sản xuất diesel sinh học truyền thống bằng phản ứng chuyển vị este giữa triglyxerit (thành phần chính trong dầu jatropha) và metanol, dưới tác dụng của xúc tác axit, bazơ. Rượu sử dụng trong phản ứng này là rượu đơn chức bậc một, trong đó metanol được sử dụng rộng rãi nhất vì giá thành rẻ, dễ phản ứng với triglyxerit và dễ hòa tan xúc tác. Quá trình được tiến hành qua hai giai đoạn: este hóa làm giảm chỉ số axit của dầu jatropha đồng thời tạo diesel sinh học với hiệu suất thấp; quá trình chuyển vị este tạo diesel sinh học với hiệu suất cao. Mục tiêu của công trình này đó là nghiên cứu toàn diện các vấn đề liên quan đến phản ứng chuyển vị este làm cơ sở khoa học để xác định một số điều kiện thích hợp Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu ii cho quá trình công nghệ sản xuất diesel sinh học. Để đạt được điều này nội dung nghiên cứu bao gồm:  Khảo sát thành phần hóa học và tính chất hóa lý cơ bản của nguyên liệu dầu jatropha ban đầu.  Thực hiện quá trình tổng hợp diesel sinh học từ nguyên liệu đầu là metanol và dầu jatropha, qua đó đánh giá chất lượng sản phẩm như: độ nhớt, hàm lượng cặn cacbon, điểm chớp cháy cốc hở, tỷ trọng…  Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển vị este như độ ẩm và các axit béo tự do, tốc độ khuấy trộn, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng, tỷ lệ mol metanol/ dầu, xúc tác bazơ, axit…  Đưa ra các thông số tối ưu để có thể đưa vào sản xuất đại trà. Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu iii LỜI CÁM ƠN  Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến ThS. Nguyễn Thanh Thiện đã tận tình hướng dẫn cho nghiên cứu về quá trình tổng hợp diesel sinh học từ dầu jatropha và metanol bằng phương pháp truyền thống. PGS.TS. Nguyễn Văn Thông, ThS. Nguyễn Văn Toàn, KS. Dương Quốc Khanh, KS Nguyễn Chí Thuần đã tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. ThS. Diệp Khanh, bạn Lê Hoàng Lâm, bạn Trần Thị Xuân Vinh, bạn Phan Thị Tường Vân, bạn Lê Thị Thu Hiền, các giảng viên của trường Đại Học Bà Rịa- Vũng Tàu đã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thiện nghiên cứu. Cuối cùng xin gởi lời cám ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Cha và gia đình đã luôn bên tôi và ủng hộ, tạo niềm tin, động lực để tôi có thể hoàn thành nghiên cứu này. Vũng Tàu, tháng 7 năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hồng Ngọc Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu iv MỤC LỤC Trang LỜI MỞ ĐẦU i LỜI CÁM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC SƠ ĐỒ ix DANH MỤC HÌNH x TỪ VIẾT TẮT .xi CHƯƠNG I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT . 1 I.1 NHIÊN LIỆU KHOÁNG VÀ NHIÊN LIỆU DIESEL .1 I.1.1 Động cơ diesel và nhiên liệu diesel 2 I.1.1.1 Động cơ diesel . 2 I.1.1.2 Nhiên liệu diesel truyền thống 2 I.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường do diesel khoáng tạo ra 4 I.2 TỔNG QUAN VỀ DIESEL SINH HỌC .5 I.2.1 Nhiên liệu sinh học 5 I.2.2 Giới thiệu về diesel sinh học 6 I.2.2.1 Định nghĩa . 6 I.2.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển . 7 I.2.2.3 So sánh chất lượng của diesel sinh học và diesel 7 I.2.2.4 Ưu nhược điểm của diesel sinh học so với diesel truyền thống .9 I.2.2.5 Phân loại các phương pháp tổng hợp diesel sinh học 12 I.2.2.6 Quá trình chuyển hóa este sử dụng xúc tác bazơ .16 I.2.2.6.1 Cơ chế của phản ứng .18 I.2.2.6.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình este hóa .19 I.2.3 Giới thiệu một số nguyên liệu dùng để sản xuất diesel sinh học .20 I.2.3.1 Nguyên liệu thực vật 21 I.2.3.2 Nguyên liệu động vật .24 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu v I.2.3.3 Các nguồn nguyên liệu khác 24 I.3 QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP DIESEL SINH HỌC TỪ DẦU JATROPHA VÀ METANOL .25 I.3.1 Yêu cầu về nguyên liệu 25 I.3.1.1 Metanol .25 I.3.1.2 Dầu jatropha 26 I.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp diesel sinh học .26 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 29 II.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ 29 II.1.1 Nguyên liệu .29 II.1.2 Hóa chất 29 II.1.3 Thiết bị và dụng cụ 29 II.2 QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ DIESEL SINH HỌC TỪ DẦU HẠT JATROPHA .30 II.3 CÁCH XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ AXIT .30 II.3.1 Phản ứng este hóa dầu jatropha với xúc tác H 2 SO 4 để hạ chỉ số axit của dầu, đồng thời tạo diesel sinh học với hiệu suất thấp 31 II.3.2 Phản ứng chuyển vị este dầu jatropha có chỉ số axit thấp với tác chất là metanol và xúc tác NaOH .32 II.4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM .37 II.4.1 Độ nhớt động học theo ASTM D445 .37 II.4.1.1 Nguyên tắc .37 II.4.1.2 Thiết bị .37 II.4.1.3 Cách tiến hành 37 II.4.1.4 Kết quả tính toán 37 II.4.2 Đo hàm lượng cặn cacbon theo ASTM D4530 .38 II.4.2.1 Nguyên tắc .38 II.4.2.2 Thiết bị 38 II.4.2.3 Tiến hành thí nghiệm 38 II.4.3 Xác định điểm chớp cháy cốc hở theo ASTM D92 39 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu vi II.4.3.1 Nguyên tắc .39 II.4.3.2 Thiết bị .39 II.4.3.3 Cách tiến hành 40 CHƯƠNG iii: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .42 III.1 TÍNH CHẤT CỦA DẦU JATROPHA . 42 III.1.1 Xác định chỉ số axit .42 III.1.2 Thành phần axit béo 43 III.2 QUÁ TRÌNH ESTE HÓA HẠ CHỈ SỐ AXIT CỦA DẦU JATROPHA ĐỒNG THỜI TẠO DIESEL SINH HỌC VỚI HIỆU SUẤT THẤP 44 III.2.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol metanol/ dầu .44 III.2.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng .45 III.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng .47 III.2.4 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác 48 III.3 QUÁ TRÌNH CHUYỂN VỊ ESTE DẦU JATROPHA TẠO DIESEL SINH HỌC VỚI HIỆU SUẤT CAO 50 III.3.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ mol metanol/dầu đến hiệu suất của phản ứng .51 III.3.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất của phản ứng 52 III.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất của phản ứng .54 III.3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác đến hiệu suất của phản ứng 56 III.4 KHẢO SÁT CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG ĐỐI VỚI SẢN PHẨM DIESEL SINH HỌC THU ĐƯỢC .59 III.4.1 Độ nhớt động học theo ASTM D445 . 59 III.4.2 Đo hàm lượng cặn cacbon theo ASTM D4530 .60 III.4.3 Xác định điểm chớp cháy cốc hở theo ASTM D92 61 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu vii DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.1. So sánh giữa nhiên liệu dầu mỏ và nhiên liệu sinh học 5 Bảng 1.2. Các chỉ tiêu chất lượng của diesel sinh học gốc (B100) .7 Bảng 1.3. So sánh tính chất của nhiên liệu diesel khoáng và nhiên liệu sinh học .9 Bảng 1.4. So sánh khí phát thải của diesel sinh học và diesel dầu mỏ 11 Bảng 1.5. So sánh nồng độ khí thải của diesel sinh học và DO 11 Bảng 1.6. So sánh đặc tính nhiên liệu của diesel và diesel sinh học .12 Bảng 1.7. So sánh hiệu suất thu diesel sinh học trên các loại xúc tác khác nhau 16 Bảng 3.1. Chỉ số axit của dầu jatropha nguyên liệu sau khi loại nước .42 Bảng 3.2. Chỉ số axit của một số dầu nguyên liệu .42 Bảng 3.3. Kết quả phân tích thành phần axit béo trong dầu hạt jatropha 43 Bảng 3.4. Hàm lượng axit béo có trong dầu mỡ thực, động vật .43 Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm thay đổi tỷ lệ mol metanol/dầu .44 Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm thay đổi thời gian phản ứng 46 Bảng 3.9. Kết quả thí nghiệm thay đổi nhiệt độ phản ứng .47 Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm thay đổi hàm lượng xúc tác. .48 Bảng 3.22. Bảng đo độ nhớt của diesel sinh học .59 Bảng 3.23. Tiêu chuẩn chất lượng cho diesel sinh học (B100) theo ASTM D6751 .60 Bảng 3.24 Chỉ tiêu chất lượng cho nhiên liệu diesel sinh học theo TCVN 7717:07 61 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu viii DANH MỤC SƠ ĐỒ Trang Sơ đồ 1.8. Quá trình tổng hợp metyl este có xúc tác 18 Sơ đồ 2.1. Mô tả thiết bị phản ứng 30 Sơ đồ 2.2. Quá trình thực hiện phản ứng điều chế diesel sinh học qua hai giai đoạn .35 . ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NGUYỄN HỒNG NGỌC TỔNG HỢP DIESEL SINH HỌC TỪ DẦU JATROPHA VÀ METANOL BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG. năm sinh: 17/05/1990 Nơi sinh: Cần Thơ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Hóa Học I. TÊN ĐỀ TÀI: Tổng hợp diesel sinh học từ dầu jatropha và metanol bằng phương pháp