Xúc tác sử dụng trong quá trình ester hóa

I. NHIÊN LIỆU DIESEL

c. Xúc tác sử dụng trong quá trình ester hóa

Xúc tác sử dụng cho quá trình tổng hợp biodiesel theo phương pháp có thể là bazơ,

axit, hoặc enzym, sử dụng ở dạng đồng thể hay dị thể.

 Xúc tác bazơ

Xúc tác bazơ đồng thể thường được sử dụng nhất vẫn là các bazơ mạnh như

NaOH, KOH, Na₂CO₃,…vì xúc tác này cho độ chuyển hóa rất cao, thời gian phản ứng

ngắn (từ 1 – 1,5 giờ), nhưng yêu cầu không được có mặt của nước trong phản ứng vì dễ tạo xà phòng gây đặc quánh khối phản ứng, giảm hiệu suất tạo biodiesel, gây khó khăn cho quá trình sản xuất công nghiệp. Quá trình tinh chế sản phẩm khó khăn.

Để khắc phục tất cả các nhược điểm của xúc tác đồng thể, các nhà khoa học hiện nay đang có xu hướng dị thể hóa xúc tác. Các xúc tác dị thể thường được sử dụng là

Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu

các hợp chất của kim loại kiềm hay kiềm thổ mang trên chất mang rắn như

NaOH/MgO, NaOH/-Al₂O₃, Na₂SiO₃/MgO, Na₂SiO₃/SiO₂, Na₂CO₃/-Al₂O₃, KI/- Al₂O_3. Các xúc tác này cũng cho độ chuyển hóa khá cao (trên 90%), nhưng thời gian

phản ứng kéo dài hơn nhiều so với xúc tác đồng thể.

Cơ chế của phản ứng trao đổi ester sử dụng xúc tác bazơ được mô tả như sau: Sau đó, gốc RO^- tấn công vào nhóm cacbonyl của phân tử triglyxerit tạo thành hợp chất trung gian:

Hợp chất trung gian này không bền, tiếp tục tạo một anion và một alkyl ester

tương ứng:

Cuối cùng là sự hoàn nguyên lại xúc tác theo phương trình:

Xúc tác B lại tiếp tục phản ứng với các diglyxerit và monoglyxerit giống như cơ

Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu

Ngoài ra các axit Bronsted như H2SO₄, HCl,…cũng là các xúc tác đồng thể cho độ chuyển hóa cao. Nhưng phản ứng chỉ đạt được độ chuyển hóa cao khi nhiệt độ đạt

trên 100^oC, thời gian phản ứng trên 6 giờ. Xúc tác axit dị thể cho quá trình này zeolit USY-292, nhựa trao đổi anion Amberlyst A26, A27. Các xúc tác dị thể này có ưu điểm

là dễ lọc tách, tinh chế sản phẩm đơn giản, ít tiêu tốn năng lượng, nhưng ít được sử

dụng vì cho độ chuyển hóa thấp. Cơ chế của phản ứng trao đổi ester sử dụng xúc tác axit được mô tả như sau :

Đầu tiên tâm axit tấn công vào nhóm cacbonyl của phân tử glyxerit, tạo thành hợp chất trung gian là cation kém bền và chuyển sang trạng thái cacbocation:

Cacbocation này tương tác với phân tử rượu tạo thành một cation kém bền, cation

này hoàn nguyên lại tâm axit cho môi trường phản ứng và tách ra thành hai phân tử

trung hòa bền vững là alkyl ester và glyxerin.

Trong đó:

R’ là chuỗi cacbon của axit béo.

R” là nhóm hydrocacbon của glyxerin.

R là nhóm alkyl của rượu.

 Xúc tác enzym

Việc sử dụng xúc tác enzym cho phản ứng trao đổi ester đã được các nhà khoa học

quan tâm nghiên cứu rất nhiều. Enzym thường được sử dụng là hai dạng lipaza nội bào và ngoại bào. Xúc tác này có rất nhiều ưu điểm như độ chuyển hóa rất cao (cao nhất

Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu

phẩm đơn giản, và đặc biệt là không bị ảnh hưởng bởi hàm lượng nước và axit béo tự

do trong nguyên liệu. Đặc biệt là người ta đã cho enzym mang trên vật liệu xốp (vật

liệu vô cơ hoặc nhựa anionic), nên dễ thu hồi xúc tác và có thể tái sử dụng xúc tác

nhiều lần, góp phần làm hạ giá thành sản phẩm. Tuy nhiên, giá thành của xúc tác này vẫn còn rất cao nên hiện nay chưa được ứng dụng nhiều trong công nghiệp. [3]