Dụng cụ: Bình ba cổ dung tích 1000ml và 500ml, máy khuấy từ có thiết bị gia nhiệt và có thể điều chỉnh được tốc độ khuấy và nhiệt độ, sinh hàn ngược làm mát bằng hơi nước, nhiệt kế 200 o
36 3 2 1 4 5
Hình 2.1. Sơ đồ trích ly sinh khối vi tảo
Chú thích:
1. Sinh hàn ngược; 2. Bình phản ứng: bình cầu 3 cổ; 3. Máy khuấy từ có gia nhiệt; 4. Nhiệt kế; 5. Khuấy từ.
Hình 2.2. Sơ đồ lọc chân không
Chú thích:
1. Phuễ sứ; 2. Bình tam giác
Hình 2.3. Sơ đồ chưng cất
Chú thích:
1. Máy khuấy từ có gia nhiệt 2. Con khuấy từ
3. Bình cầu 3 cổ 4, 5. Nhiệt kế 2000
C 6. Sinh hàn nước
7. Bình tam giác bằng thủy tinh
Hóa chất: Vi tảo khô họ Botryococcus được nuôi trồng tại Đại học Chiang Mai - Thái Lan. Hexan, heptan, toluen, metanol, etanol, iso-propanol của hãng Merk; Cồn công nghiệp để tráng rửa dụng cụ.
2.2.2. Phƣơng pháp tiến hành chiết tách
Lắp sơ đồ chiết tách như hình 2.1. Bình ba cổ, có một cổ cắm nhiệt kế để theo dõi nhiệt độ, một cổ được bịt kín để tránh hơi dung môi bay ra ngoài, một cổ để nạp dung môi.
Lắp thiết bị xong, cân chính xác 100g vi tảo. Sau đó dùng ống đong đong 400ml hỗn hợp dung môi cần nghiên cứu (sẽ được trình bày cụ thể ở phần thảo luận kết quả) rót vào bình cầu đã có con khuấy từ, rồi cho từ từ lượng tảo đã cân vào bình, khuấy nhẹ. Sau đó lắp sinh hàn ngược, tăng nhiệt độ và tốc độ khuấy từ từ đến giá trị khảo sát, và bắt đầu tính thời gian chiết tách.
37
2.2.3. Tinh chế sản phẩm
Sau khi chiết tách xong, tháo hệ thống ra để nguội, đưa hỗn hợp dung môi và bã tảo sang thiết bị lọc chân không. Sơ đồ tách bã tảo ra khỏi hỗn hợp dung môi như hình 2.2.
Hỗn hợp dung môi tiếp tục được cho vào bình ba cổ 250 ml và lắp vào sơ đồ chưng cất như hình 2.3. Bình cầu 3 cổ thì một cổ cắm nhiệt kế để theo dõi nhiệt độ trong bình cầu, một cổ lắp sinh hàn, còn cổ còn lại bịt kín. Ngoài ra còn cắm thêm một nhiệt kế ở trên đầu sinh hàn để theo dõi nhiệt độ hơi dung môi. Lắp xong thiết bị chưng, tiến hành gia nhiệt, điều chỉnh tốc độ khuấy để dung môi bay hơi. Khi nhiệt độ ở nhiệt kế trên đầu sinh hàn tăng đến mức cao hơn nhiệt độ chưng, rồi sau đó lại giảm xuống đột ngột thì khi đó dừng quá trình chưng. Để nguội, cân lượng sản phẩm thu được ở bình chưng, chính là lượng dầu vi tảo chiết tách được và xác định hiệu suất. Còn dung môi được thu hồi và tái sử dụng.
Hiệu suất chiết tách được tính theo công thức sau: C = ( mdvt/mvtk).100% Trong đó:
+ mdvt: khối lượng dầu vi tảo chiết tách được +mvtk: khối lượng vi tảo khô dùng để trích ly
2.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình trích ly
2.2.4.1. Ảnh hưởng của các dung môi khác nhau đến quá trình trích ly
Các dung môi, hỗn hợp dung môi được sử dụng là: Toluen; n-heptan; n-hexan; iso- propanol; etanol; metanol; n-hexan/etanol; n-hexan/metanol; n-hexan/iso-propanol; n- heptan/etanol; n-heptan/iso propanol
Khối lượng vi tảo khô: 100 gam; thế tích dung môi: 400 ml; nhiệt độ trích ly: 60 0
C; thời gian trích ly: 18h; tốc độ khuấy: 400 vòng/phút
2.2.4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly khi sử dụng dung môi hỗn hợp (hexan/etanol)
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích ly bao gồm nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ thể tích n-hexan/etanol được khảo sát. Trong mỗi lần khảo sát, khối lượng vi tảo khô đưa vào quá trình trích ly được giữ không đổi 50 g, thể tích dung môi 400 ml. Các thông số khảo sát như sau: nhiệt độ từ 40, 50, 60, 70 và 80oC; thời gian từ 4, 6, 8, 10 và 12 giờ; tỷ lệ thể tích n-hexan/etanol từ 1/1, 1,5/1, 2/1, 2,5/1, và 3/1; tốc độ khuấy từ 200, 300, 400, 500 và 600 vòng/phút.
2.2.5. Tách hydrocacbon trong dầu vi tảo
Dụng cụ: Bình ba cổ dung tích 250 ml, máy khuấy từ có thiết bị gia nhiệt và có thể điều chỉnh được tốc độ khuấy và nhiệt độ, sinh hàn ngược làm mát bằng nước để ngưng tụ
38
metanol, nhiệt kế 100oC. Ngoài ra còn dùng phễu chiết, cốc, bình tam giác để đựng sản phẩm.
Hóa chất: Dầu trích ly từ sinh khối vi tảo, n-hexan của hãng Merck, cồn công nghiệp để tráng rửa thiết bị.
Hình 2.4. Sơ đồ chiết tách thu sản phẩm
Tiến hành: Lắp sơ đồ như hình 2.1. Bình ba cổ có một cổ cắm nhiệt kế để theo dõi nhiệt độ, một cổ cắm sinh hàn để hơi n-hexan bay lên ngưng tụ trở lại thiết bị. Sau khi lắp sơ đồ thiết bị xong, đong chính xác 50ml dầu vi tảo chiết tách được cho vào bình, thực hiện quá trình chiết tách bằng n-hexan với các điều kiện chiết tách được khảo sát như: nhiệt độ từ 35, 40, 45, 55 và 600C; tỷ lệ thể tích n-hexan/dầu vi tảo từ 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, và 3; thời gian trích ly từ 2, 5, 10, 15 và 20 phút; tốc độ khuấy trộn từ 100, 200, 250, 300, 350 và 400 vòng/phút.
Sau quá trình trên, đưa hỗn hợp sang phễu chiết (hình 2.4), pha (1) gồm hydrocacbon (heptandecan) và n-hexan, pha (2) bao gồm các thành phần axit béo tự do và triglyxerit có trong dầu vi tảo. Tách riêng pha (1), chuyển hỗn hợp pha 1 sang quá trình chưng cất thu hồi dung môi n-hexan và thu heptandecan (hình 2.3).
2.3. Tổng hợp biodisel từ dầu vi tảo bằng phƣơng pháp hai giai đoạn trên hệ xúc tác dị thể
2.3.1. Giai đoạn 1 trên xúc tác axit SO42-/ZrO2
Dụng cụ: Bình ba cổ dung tích 250 ml, máy khuấy từ có thiết bị gia nhiệt và có thể điều chỉnh được tốc độ khuấy và nhiệt độ, sinh hàn ngược làm mát bằng nước để ngưng tụ metanol, nhiệt kế 100oC. Ngoài ra còn dùng phễu chiết, cốc, bình tam giác để đựng sản phẩm.
Hóa chất: Dầu vi tảo đã tách hydrocacbon, metanol, xúc tác SO42-/ZrO2, cồn công nghiệp để tráng rửa dụng cụ, nước cất nóng 80oC để rửa sản phẩm.
39
Lắp sơ đồ phản ứng như hình 2.1. Bình ba cổ có một cổ cắm nhiệt kế để theo dõi nhiệt độ, một cổ cắm sinh hàn để hơi metanol bay lên ngưng tụ trở lại thiết bị phản ứng, một cổ để nạp xúc tác, metanol, nguyên liệu vào cho phản ứng.
Sau khi lắp sơ đồ thiết bị xong, cân chính xác một lượng xúc tác cho vào bình phản ứng; dùng ống đong metanol (metanol/dầu= 2/1) cho thêm vào bình phản ứng, đậy kín cổ bình, tiến hành khuấy trộn gia nhiệt 20 phút để hoạt hóa xúc tác; lấy một lượng dầu vi tảo sao xúc tác bằng 3 % khối lượng so với dầu vi tảo, cho vào bình phản ứng; nâng nhiệt độ lên 60oC, và bắt đầu tính thời gian phản ứng.
Sau phản ứng (5 giờ), tắt gia nhiệt và máy khuấy, lấy sản phẩm ra lọc bằng máy hút chân không, thu hồi xúc tác. Sau đó đưa hỗn hợp sản phẩm lên phễu chiết và tiến hành rửa nước thu hồi sản phẩm. Quá trình chiết tách thu sản phẩm được minh họa như hình bên dưới:
Hình 2.5. Sơ đồ chiết tách thu sản phẩm phản ứng
Pha (1) chủ yếu là metyl este và triglyxerit, pha (2) bao gồm nước, metanol dư và glyxerin… Sau khi tiến hành rửa nước từ 3 đến 5 lần, thu sản phẩm phản ứng đem đi xác định tính chất và là nguyên liệu cho phản ứng giai đoạn 2.
2.3.2. Giai đoạn 2 trên xúc tác Ca(NO3)2/SiO2
Dụng cụ: Bình ba cổ dung tích 250 ml, máy khuấy từ có thiết bị gia nhiệt và có thể điều chỉnh được tốc độ khuấy và nhiệt độ, sinh hàn ngược làm mát bằng nước để ngưng tụ metanol, nhiệt kế 100oC, phễu chiết, cốc thủy tinh để đựng sản phẩm.
Hóa chất: Dầu vi tảo đã qua quá trình este hóa bằng xúc tác axit SO42-/ZrO2, metanol, xúc tác Ca(NO3)2/SiO2, cồn công nghiệp để tráng rửa dụng cụ, nước cất nóng 80oC để rửa sản phẩm.
Cách tiến hành: Lắp sơ đồ phản ứng như hình 2.1. Bình ba cổ có một cổ cắm nhiệt kế để theo dõi nhiệt độ, một cổ cắm sinh hàn để hơi metanol bay lên ngưng tụ trở lại thiết bị phản ứng, một cổ để nạp xúc tác, metanol, nguyên liệu cho phản ứng, sau khi nạp xong nguyên liệu dùng nút có nhám đậy kín cổ này lại để tránh hơi metanol bay ra ngoài.
40
dùng ống đong đong 100ml metanol cho thêm vào bình phản ứng, đậy kín cổ bình, tiến hành khuấy trộn gia nhiệt 20 phút để hoạt hóa xúc tác; lấy 50ml dầu vi tảo (đã qua quá trình este hóa bằng xúc tác axit SO42-/ZrO2) cho vào bình phản ứng; nâng nhiệt độ lên 60oC, bắt đầu tính thời gian phản ứng khi nhiệt độ đạt 60oC.
Sau phản ứng (7 giờ), tắt gia nhiệt và máy khuấy, lấy sản phẩm ra lọc bằng máy hút chân không, thu hồi xúc tác. Sau đó đưa hỗn hợp sản phẩm lên phễu chiết và tiến hành rửa bằng nước nóng thu hồi sản phẩm. Quá trình chiết tách thu sản phẩm được minh họa như hình 2.5.
Pha (1) chủ yếu là metyl este và một ít triglyxerit dư, pha (2) bao gồm nước, metanol dư và glyxerin… Sau khi tiến hành rửa nước từ 3 đến 5 lần, thu biodiesel (lớp phía trên) đem đi đuổi nước và phân tích để định lượng lượng biodiesel thu được.
2.3.3. Tính toán hiệu suất biodiesel thu đƣợc
2.3.3.1. Xác định hiệu suất giai đoạn 1
Giai đoạn 1 thực hiện các phản ứng chuyển hóa axit béo tự do trong dầu metyl este, để giảm hàm lượng các axit béo tự do trong dầu vi tảo xuống mức chấp nhận được với xúc tác bazơ dị thể. Hiệu suất giai đoạn này được tính theo độ giảm chỉ số axit của dầu vi tảo. Công thức xác định hiệu suất như sau:
H = (Cax0 – Cax1)/Cax0 x 100%.
Trong đó : Cax0 là chỉ số axit của dầu vi tảo sau khi tách heptandecan; Cax1 là chỉ số axit của dầu vi tảo sau phản ứng giai đoạn 1.
Hiệu suất tạo biodiesel của quá trình là hiệu suất của giai đoạn 2.
2.3.3.2. Xác định hiệu suất biodiesel theo phương pháp truyền thống
a. Xác định lượng triglyxerit dư
Sau phản ứng giai đoạn 2 và quá trình làm sạch sản phẩm phản ứng, sản phẩm phản ứng thu được gồm chủ yếu metyl este và lượng nhỏ triglyxerit dư. Muốn xác định chính xác lượng metyl este thu được cần xác định lượng triglyxerit dư.
Tiếp tục xà phòng hóa hỗn hợp này bằng dung dịch NaOH 30% tại nhiệt độ 90oC trong thời gian 12 giờ để chuyển hóa hoàn toàn các gốc axit béo có trong các metyl este cũng như các triglyxerit thành xà phòng (gọi chung là RCOONa).
41
Hỗn hợp phản ứng sau xà phòng hóa bao gồm glyxerin, xà phòng, nước, NaOH dư, ancol. Hỗn hợp này được axit hóa bằng dung dịch H2SO4 20% đến khi pH đạt 4,5.
NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O RCOONa + H2SO4 = RCOOH + Na2SO4
Phản ứng tạo ra các axit của các gốc axit béo tự do có trong nguyên liệu ban đầu. Lượng axit béo này luôn luôn nổi trên mặt dung dịch, còn dung dịch phía dưới chứa các muối sunfat, axit dư, metanol và glyxerin được tách ra. Dùng phễu chiết để tách phần chứa các axit béo ở lớp phía trên. Lớp phía dưới chứa glyxerin, muối vô cơ (chủ yếu là Na2SO4), nước và ancol được chưng cất tại 120oC cho đến khi ancol và nước bay hơi hoàn toàn. Dung dịch thu được chỉ còn glyxerin và Na2SO4, được làm lạnh đến nhiệt độ 10oC. Khi đó, Na2SO4 tách ra khỏi glyxerin dưới dạng kết tủa. Lọc kết tủa này ra và cân lượng glyxerin, được khối lượng mgly. Dựa vào khối lượng phân tử trung bình của các triglyxerit qua phương pháp GC-MS (Mdầu,chỉ áp dụng khi đạt được biodiesel với hiệu suất cao trên 90%), có thể tính được khối lượng của triglyxerit dư sau phản ứng trao đổi este theo công thức sau:
mtrigly dư = (mgly/92)×Mdầu
Từ đó có thể tính độ chuyển hóa của phản ứng trao đổi este như sau: C = (mdầu – mtrigly dư)×100%/mdầu
b. Xác định độ chọn lọc của phản ứng trao đổi este
Độ chọn lọc của phản ứng được đánh giá qua kết quả GC-MS của phản ứng có độ chuyển hóa cao nhất, ký hiệu là S.
S = [(mME×CME)/MME]/[(mdầu – mtrigly dư)x3/Mdầu)] Trong đó: mME là khối lượng sản phẩm thu được, CME là hàm lượng metyl este có trong sản phẩm theo kết quả GC-MS, MME là khối lượng phân tử trung bình của các alkyl este cũng tính được từ kết quả GC-MS.
c. Xác định hiệu suất alkyl este (biodiesel)
Từ hai giá trị độ chuyển hóa và độ chọn lọc có thể tính ra hiệu suất tạo biodiesel như sau:
H = C×S = mME x (CME/MME) x (Mdầu/3mdầu)x 100 %.
2.3.3.3. Xác định hiệu suất alkyl este (biodiesel) qua độ nhớt
Nhóm nghiên cứu đã xây dựng phương pháp xác định nhanh hiệu suất qua độ nhớt của sản phẩm, kết quả nghiên cứu đã được công bố [81].Trong luận án này, tác giả dùng các công bố trên như một tài liệu tham khảo, sử dụng để xác định hiệu suất phản ứng.
42
2.4. Các phƣơng pháp, tiêu chuẩn đánh giá dầu vi tảo chiết tách đƣợc, dầu vi tảo sau phản ứng giai đoạn 1 và biodiesel thu đƣợc
2.4.1. Xác định chỉ số axit (ASTM D 664)
Định nghĩa:Chỉ số axit là số mg KOH cần dùng để trung hòa hết lượng axit có trong 1g dầu, mỡ.
Nguyên tắc: Hòa tan mẫu thử trong dung môi thích hợp, và tiến hành chuẩn độ axit – bazơ để xác định lượng axit béo tự do bằng dung dịch KOH trong etanol, chất chỉ thị màu là phenolphtalein.
Thực nghiệm: Thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm của bộ môn Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu, với các bước tiến hành như sau:
Cân 1 – 2 g mẫu dầu vi tảo cho vào bình tam giác 250 ml, thêm vào đó 80 ml dung môi hỗn hợp (gồm hai phần ete dietylic và một phần etanol), lắc mạnh cho dầu tan đều. Sau đó cho vào bình 4 giọt chất chỉ thị màu phenolphtalein, và chuẩn độ bằng dung dịch KOH 0,1N đến khi xuất hiện màu hồng nhạt, bền màu trong 30 giây, thì dừng và đọc kết quả.
Tính kết quả:Chỉ số axit được tính theo công thức:
Trong đó:
V: là số ml dung dịch KOH 0,1N cần dùng để chuẩn độ. C: là nồng độ chính xác của dung dịch chuẩn KOH đã dùng. m: là lượng mẫu mỡ bò thử, g.
Mỗi mẫu được xác định 3 lần, kết quả cuối cùng là trung bình cộng của ba lần chuẩn. Chênh lệch giữa các lần thử không lớn hơn 0,1mg.
2.4.2. Xác định chỉ số xà phòng (ASTM D 464)
Định nghĩa: Chỉ số xà phòng là số mg KOH cần để xà phòng hóa 1g chất béo dưới các điều kiện quy định của tiêu chuẩn này.
Nguyên tắc: Đun sôi mẫu thử với dung dịch KOH trong etanol và cho hồi lưu bằng bộ sinh hàn, sau đó chuẩn độ bằng dung dịch chuẩn HCl .
Cách tiến hành: Cân khoảng 2 g dầu vi tảo cho vào bình nón 250ml. Dùng pipet lấy 25ml dung dịch KOH 0,1 N trong etanol cho vào bình nón chứa mẫu thử. Tiếp tục cho vào đó một ít chất trợ sôi. Nối bộ sinh hàn với dụng cụ đun nóng và đun sôi từ từ, khuấy nhẹ trong thời gian 1-2 giờ. Sau khi đun nóng để hỗn hợp về nhiệt độ phòng. Sau đó cho thêm vào bình nón 3-5 giọt phenolphtalein và chuẩn độ với dung dịch HCl 0,1 N đến khi màu hồng của chất chỉ thị biến mất.
m C V X 56,1. .
43
Tiến hành chuẩn độ với dung môi trắng (khi không cho dầu vi tảo vào) với các bước như trên.
Tính toán kết quả :
Chỉ số xà phòng được xác định theo công thức:
0 1 ( ). .56.1 s V V C I m Trong đó :
V0: là thể tích dung dịch chuẩn HCl đã sử dụng cho mẫu trắng, ml. V1: là thể tích dung dịch chuẩn HCl đã chuẩn mẫu thử, ml.
C : là nồng độ chính xác của dung dịch HCl, mol/l. M : là khối lượng mẫu, g.
Kết quả của chỉ số xà phòng là giá trị trung bình của hai lần đo, chênh lệch giữa hai