Trong những năm gần đây, giới nghiên cứu tại Việt Nam và chính quyền đã rất chú ý đến một loại cây mang tên khoa học là Jatropha curcas tên tiếng Việt là “cây cọc rào, cây cọc giậu hay cây dầu mè, cịn gọi nơm na là cây diesel do khả năng cho dầu của nó rất cao.
26
học, Việt Nam cũng có thể phát triển các loại cây truyền thống quen thuộc như sắn, mía,... để làm cồn ethanol hay trồng trọt các loại cây có củ khác.
Phát huy năng lượng sinh học còn cho phép hạn chế được một số ngành sản xuất hàng đầu tại Việt Nam thải ra môi trường một số sản phẩm thừa gây ô nhiễm, qua việc sử lý tích cực các chất thải này để biến chúng thành nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống. Một trong những phụ phẩm có thể trở thành nguồn nhiên liệu sinh học sau khi được xử lý là mỡ cá tra, cá ba sa và các loại dầu nấu ăn đã qua sử dụng.
Trong một vài năm gần đây, ngành nuôi cá tra và cá basa của Việt Nam phát triển rất nhanh. Hiện nay ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, tổng sản lượng cá này đã lên tới cả triệu tấn, chủ yếu phục vụ cho xuất khẩu. Tuy nhiên, để xuất khẩu, người ra chỉ giữ lại phần thân cá còn phải loại bỏ đi phần đầu, đuôi, da, xương và đặc biệt là phần mỡ cá. Tính ra hàng năm, đồng bằng sơng Cửu Long thải ra ít nhất 30 nghìn tấn mỡ cá tra và cá basa. Chủ yếu sử dụng vào việc sản xuất mỡ bôi trơn máy móc, thức ăn gia súc. Tuy nhiên, vẫn cịn sớ lượng lớn thải trực tiếp ra mơi trường, vừa gây phí phạm vừa gây ơ nhiễm mơi trường. Vì lý do đó, mợt sớ doanh nghiệp đã kết hợp với giới nghiên cứu khoa học để tìm cách tận dụng nguồn mỡ cá basa đưa vào chế tạo diesel sinh học.
Phụ phẩm thứ hai có thể tận dụng là vỏ cà phê. Trong một thời gian rất ngắn, Việt Nam đã vươn lên thành một quốc gia xuất khẩu cà phê hàng đầu thế giới, chỉ kém Brazil. Cũng như trường hợp cá basa, tiến trình trích hạt cà phê để xuất khẩu đã để lại rất nhiều vỏ, nếu bỏ đi tất yếu gây ơ nhiễm. Theo ước tính của giới chun gia, hàng năm ngành cà phê thải ra khoảng 400 nghìn tấn vỏ. Loại vỏ này lại có đặc điểm là thời gian phân hủy lâu hơn các loại vỏ khác, gây ô nhiễm cho môi trường. Theo các nhà khoa học, vỏ cà phê thuộc loại chất hữu cơ hoàn toàn có thể dùng để lên men, chuyển hóa thành cồn ethanol. Đây chỉ là hai phụ phẩm nổi bật, vì liên quan đến mặt mạnh trong ngành xuất khẩu của Việt Nam. Ngồi ra, cịn có nhiều phế phẩm khác cũng có thể tận dụng như vỏ hạt điều, trấu, mùn cưa để có thể tận dụng sản xuất nhiên liệu sinh học.
27
Mặt khác, tảo biển cũng là một nguồn nguyên liệu để sản xuất biodiesel phong phú mà không xâm hại an ninh lương thực như những cây trồng lấy dầu biodiesel khác. Đặc biệt, tảo có thể tồn tại ở bất cứ nơi nào đủ ánh sáng, kể cả vùng hoang hóa, nước mặn, nước thải, lại có khả năng làm sạch mơi trường nước thải. Để nuôi tảo, chỉ cần ánh sáng, CO2, nước và dinh dưỡng có thể là phân hóa học hoặc phân hữu cơ. Tảo giớng thường được ni trong phịng thí nghiệm, về sau có thể chuyển qua bể hoặc ao để ni. Ngồi việc dung tảo để sản xuất nhiên liệu, có thể dùng bụi tảo khơ để đớt trong các động cơ diesel thay thế cho than bụi. Đặc biệt, tảo có hàm lượng dầu cao có thể dùng để chiết tách lấy dầu. Nghiên cứu sử dụng nguồn tảo giống Chlorella trong nước được cung cấp từ khoa Thủy sản trường Đại học Nông lâm Tp.HCM, khoa Thủy sản trường Đại học Cần Thơ và trung Trung tâm Quốc gia giống Hải sản Nam Bợ. Thí nghiệm cho thấy tảo Chlorella cho dầu có màu vàng sậm, năng suất chuyển đổi dầu thành biodiesel là 97% sau 2 giờ phản ứng.
- Khó khăn
Chúng ta nhận thấy rằng, Việt Nam hoàn toàn có cơ sở để phát triển nhiên liệu sinh học. Mặc dù nhận thức đã có, nghiên cứu khoa học cũng có, các thử nghiệm ban đầu cũng mang lại kết quả cao. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam chưa phát triển là do đây là vấn đề còn quá mới mẻ, các nỗ lực, sáng kiến vẫn cịn mang tính chất cục bộ, chưa đồng bộ.
Mặc dù Nhà nước đã có những đề án phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam, chẳng hạn như: “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” được ký duyệt vào cuối năm 2007. Tuy nhiên, để thực hiện đề án trên, Nhà nước lại chưa có những chính sách cụ thể về khuyến khích cũng như hỗ trợ nhà khoa học, doanh nghiệp và người dân cùng thực thi đề án.
Các cơng trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh học được cơng bớ cịn q ít. Các cơng trình đã cơng bớ thì lại gặp khó khăn trong việc triển khai và ứng dụng. Doanh nghiệp thì khơng mặn mà với việc sản xuất nhiên liệu sinh học.
Hiện nay, nguồn cung cấp nhiên liệu khoáng để chạy động cơ do một số doanh nghiệp nắm giữ mang tính chất đọc quyền. Để thuyết phục họ chuyển dần sang kinh
28
doanh nhiên liệu sinh học thì rất khó, các doanh nghiệp khác thì chưa đủ tiềm lực để có thể áp dụng và kinh doanh nhiên liệu sinh học. Mặt khác, để đầu tư dây truyền sản xuất nhiên liệu sinh học theo quy mô cơng nghiệp thì cần mợt nguồn vớn lớn. Điều này khơng phải doanh nghiệp nào ở Việt Nam cũng có thể đáp ứng được hoặc dám đầu tư.
Ḿn phát triển nhiên liệu sinh học thì phải có nguồn ngun liệu cung cấp. Đây là vấn đề rất quan trọng mà sự quyết định là chính sách của Nhà nước và sự ủng hộ của người dân. Hiện nay, chỉ có mợt sớ vùng là nuôi trồng nguyên liệu nhưng mang tính chất manh mún, nhỏ lẻ gây khó khăn cho việc chế biến theo quy mô công nghiệp.
Một yếu tố cực kỳ quan trọng nữa là người tiêu dùng, người tiêu dùng ở nước ta từ trước đến nay vẫn quen dùng nhiên liệu truyền thớng. Chúng ta chưa có những chiến dịch tuyên truyền người dân sử dụng nhiên liệu sinh học. Mặt khác, vì chưa có quy mơ cơng nghiệp về sản xuất nhiên liệu sinh học nên giá thành cịn cao. Do đó người tiêu dùng vẫn sẽ quay lưng với nhiên liệu sinh học.
1.4. Kết luận chương 1
Luận văn đã nghiên cứu tổng quan các vấn đề cạn kiệt nguồn năng lượng, sự bùng nổ phương tiện giao thông và các vấn đề ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu tổng quan các nguồn năng lượng thay thế cho năng lượng hóa thạch. Bên cạnh đó luận văn cũng nghiên cứu tình hình sản xuất và sử dụng phát triển nhiên liệu sinh học trên thế giới nói chung và các chiến lược phát triển nhiên liệu sinh học ở Việt Nam nói riêng.
Việc nghiên cứu chạy thử nghiệm nhiên liệu ethanol trên đợng cơ xe máy có ý nghĩa thực tiễn cao khi mà có thể giảm thiểu ơ nhiễm mơi trường và ít bị lệ tḥc vào nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và đắt đỏ. Với “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020” chắc chắn việc chạy ethanol thay cho xăng là điều có thể xảy ra trong tương lai gần.
29
Chương 2. NHIÊN LIỆU ETHANOL SINH HỌC 2.1. Tính chất lý hố của ethanol
2.1.1. Tính chất vật lý
Ethanol là chất lỏng không màu, mùi thơm, dễ cháy, dễ hút ẩm, có đợ phân cực mạnh. Ethanol có thể hịa tan nhiều chất vơ cơ cũng như hữu cơ nên được sử dụng làm dung mơi rất tớt. Ethanol dễ cháy và có thể tạo hỗn hợp nổ với khơng khí. Ethanol tạo hỗn hợp đẳng phí với nước ở 89,4% mol, nhiệt đợ sơi của hỗn hợp này ở 1 atm là 78,40C. Nhiệt độ sôi của ethanol nguyên chất 78,390C, nhiệt dung riêng đẳng áp Cp(160C -210C) = 2,42 J/g.K, nhiệt cháy 1370,82 kJ/mol. Dưới đây là bảng thơng sớ thể hiện tính chất vật lý của ethanol:
Bảng 2.1. Tính chất vật lý của cờn ethanol
Tính chất Ethanol Đơn vị
Nhiệt đợ sơi 78,3÷78,5 ºC
Nhiệt đợ hóa rắn -114,15 ºC
Điểm tới hạn 2410C ở p=63(bar) -
Tỷ trọng 0,792 kg/l
Áp suất hơi bão hòa (RVP) 118÷144 kPa
Nhiệt hóa hơi 842÷930 kJ/kg
Giá trị nhiệt trị thấp LHV 27,000 kJ/kg
Nhiệt đợ tự bớc cháy 365÷425 0C
Giới hạn cháy nổ 3,3÷19,0 vol%
Tỷ lệ cơng tác A/F 8,9÷9,0 kg/kg
Thể tích tương đương, LHV 1,53 l/l của xăng
30
Tính chất Ethanol Đơn vị
2,84 cSt tại -200C
Độ tan trong nước 100 %tt tại 210C
Hàm lượng CO2 1,91 kg/kg nhiên liệu
Năng lượng hỗn hợp cơng tác 94,7 Btu/ft3
2.1.2. Tính chất hóa học cơ bản
Tính chất của mợt rượu đơn chức:
Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ. Ví dụ: 2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2
Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và acid với mơi trường là acid sulfuric đặc nóng tạo ra este.
Ví dụ: C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O
Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi trường acid sulfuric đặc ở 170ºC:
C2H5OH → C2H4 + H2O
Hay tách nước giữa 2 phân tử rượu thành ether:
C2H5OH + C2H5OH → C2H5-O-C2H5 + H2O
Phản ứng oxy hóa, trong đó rượu bị oxy hóa theo 3 mức: oxy hóa khơng hồn tồn (hữu hạn) thành aldehyde, acid hữu cơ và oxy hóa hoàn toàn (đớt cháy) thành CO2 và H2O. Ví dụ ở mức 1, trong mơi trường nhiệt độ cao:
CH3-CH2-OH + CuO → CH3-CHO + Cu + H2O Mức 2, có xúc tác:
CH3-CH2-OH + O2→ CH3-COOH + H2O Mức 3:
C2H5OH + 3O2→ 2CO2 + 3H2O
Phản ứng riêng:
Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp, ví dụ Cu + Al2O3 ở 380÷400ºC, lúc đó xảy ra phản ứng tách loại nước:
31
2C2H5OH → CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2
Phản ứng lên men giấm: oxy hóa rượu ethylic 10° bằng oxy khơng khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 25ºC.
CH3-CH2-OH + O2→ CH3-COOH + H2O
Khả năng cháy của nhiên liệu cồn:
Mợt trong những tính chất quan trọng của nhiên liệu là lượng nhiệt sinh ra khi cháy. Với ethanol, oxy chiếm 35% phân tử lượng, có giá trị nhiệt trị hơi cao hơn so với methanol, tương đương với 60% giá trị nhiệt trị của xăng.
2.2. Sản xuất nhiên liệu ethanol
2.2.1. Nguồn nguyên liệu sản xuất ethanol
2.2.1.1. Nguyên liệu thế hệ thứ nhất
Nguyên liệu thế hệ thứ nhất sản xuất ethanol bao gồm một số nguyên liệu sau: - Đường mía (sucroza)
- Tinh bợt ngơ, khoai, sắn (corn starch, potato starch, cassava starch) - Tinh bợt lúa mì và lúa mạch (glucose)
- Nước ép củ cải đường (sucroza)
Khi sản xuất bioethanol từ nguyên liệu thế hệ thứ nhất cần đảm bảo một số yếu tố then chốt sau:
- Nguồn nguyên liệu bền vững và chuyển đổi có hiệu quả - Đảm bảo vấn đề an ninh lương thực
- Kết hợp với việc sản xuất nhiên liệu thế hệ thứ hai
2.2.1.2. Nguyên liệu thế hệ thứ hai
Nguyên liệu thế hệ thứ hai sản xuất ethanol bao gồm mợt sớ ngun liệu sau : - Rác từ mía (bã mía)
- Rơm khơ
- Rơm lúa mì và lúa mạch - Bã ép củ cải đường - Năng lượng cây trồng
32 - Rác thải đô thị
Khi sản xuất ethanoltừ nguyên liệu thế hệ thứ hai cũng cần phải đảm bảo một số yếu tố then chốt sau:
- Cải tiến công nghệ chuyển đổi cho các nguyên vật liệu khác nhau - Giảm chi phí sản xuất
- Chất lượng sản phẩm
Trên đây là các nguồn nguyên liệu đang được sử dụng trong việc sản xuất ethanol trên thế giới. Ngồi ra cịn có mợt sớ ngun liệu khác đang trong quá trình nghiên cứu để sản xuất ethanol như tảo biển, vi sinh vật (nguyên liệu thế hệ thứ 3).
2.2.1.3. Nguyên liệu thế hệ thứ ba
Xuất phát từ tảo (algae), hiện tại thì kỹ thuật đang phát triển và chưa hoàn thiện.
2.2.2. Công nghệ sản xuất ethanol
2.2.2.1. Phương pháp hydrat hóa etylen
Cho etylen kết hợp với nước ở 3000C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là axít
CH2=CH2 + H2O CH3-CH2-OH
Chất xúc tác thường sử dụng là axít photphoric hoặc axít sunfuaric. Phản ứng xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etylsunfat, sau đó chất này bị phân hủy để tạo thành ethanol và tái tạo lại axít.
CH2=CH2 + H2O CH3-CH2OSO3H
Ngoài ra người ta còn sử dụng các xúc tác là các ôxit kim loại.
2.2.2.2. Sản xuất ethanol từ đường
Kỹ thuật dễ dàng, hiệu suất cao, và ít tổn phí nhất là cho lên men (yếm khí) từ đường, hay nước mật (molasse), hay trực tiếp từ nước mía ép, hay nước củ cải đường ép, như theo lối thủ công hay công nghiệp truyền thống.
Hiện nay đã tuyển chọn được nhiều dòng men hữu hiệu, biến đường thành nhiều rượu hơn. Mặc dù chi phí chế biến thấp, nhưng đường và cả phụ phẩm nước mật, là thức ăn của người và gia súc có giá cao nên ethanol biến chế từ đường có giá
33
thành cao hơn ethanol sản xuất từ tinh bột. Theo lý thuyết, cứ 1 tấn đường sucrose sản xuất được 678 lít ethanol, tuy nhiên hiệu suất cao nhất hiện nay là 587 lít. 1 tấn đường đen cho 562 lít ethanol, 1 tấn đường cát cho 587 lít. Thân mía chứa khoảng 10-15% đường sucrose, thân cây sorgho-đường khoảng 15-23% sucrose, cịn củ-cải- đường khoảng 16-18% sucrose. Trung bình, tại các nhà máy đường ở Hoa Kỳ, cứ sản xuất 100 kg đường thì cho ra 25 lít nước mật (molasse), nước mật có đợ đường 49,2%.
Tại Hoa Kỳ, trung bình cứ 1 tấn mía (thân) sản xuất được 81 lít ethanol, 1 tấn nước mật (molasse) cho 289 lít ethanol. Năng suất mía trung bình tồn q́c ở Hoa Kỳ là 65 tấn/ha, cho khoảng 3,90 tấn đường. Riêng tại Hawaii năng suất tới 170 tấn thân mía/ha (vì mùa trồng dài hơn). Với các giống mía “di truyền cải biến gene” (GM, genetically modified) tại Brazil, năng suất tới 240 tấn mía/ha, với đợ đường 14,6%. năng suất mía tại Việt Nam khoảng 35 đến 50 tấn mía/ha. Trung bình 1 ha mía tại Brazil sản xuất được 5600 lít ethanol, 1 ha củ cải đường tại Pháp sản xuất 6700 lít ethanol, và 1 ha Ngơ ở Hoa Kỳ sản xuất 3000 lít ethanol. Năng suất mía và đường ở Brazil tăng gấp đơi trong thời gian 30 năm 1975-2005, nhờ trồng giống cải thiện, nhất là các giống mía “cải biến di truyền” ngày nay.
2.2.2.3. Công nghệ lên men sản xuất ethanol
Ethanol có thể được sản suất bằng cơng nghệ lên men, trong đó nguyên liệu là các loại cây trồng khác nhau nhưng chỉ vài loại cây trồng chứa loại đường đơn giản, dễ tách nên thuận lợi cho quá trình xử lý và lên men. Các loại tinh bợt ngũ cốc là các loại nguyên liệu gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp hơn nên phải phân hủy chúng thành đường đơn giản nhờ quá trình thủy phân. Hạt được xay, nghiền ướt thành dạng bợt nhão. Trong quá trình này đã có mợt lượng đường được giải phóng. Nhưng để chuyển hóa tới đa lượng tinh bột thành đường, tạo điều kiện lên men rượu, bột nhão được nấu và cho thủy phân bằng enzym (ví dụ amylaza). Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit lỗng vào khới bợt nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có mặt mợt sớ chủng men rượu. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung dịch thủy phân cần điều
34
chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Ethanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ hịa tan trong nước. Quá trình lên men rượu này sinh ra CO2. Nhờ hàng loạt bước chưng cất và tinh cất để loại nước, nồng độ ethanol sẽ được tăng cao tối đa (có thể đạt mức cồn