Tỷ lệ mol metanol/dầu 38 42 46 50 54
Khối lƣợng sản phẩm lần 1 36,04g 38,00g 37,18g 36,13g 35,29g
Khối lƣợng sản phẩm lần 2 36,75g 38,81g 36,85g 35,96g 35,74g
Khối lƣợng sản phẩm trung bình 36,40g 38,41g 37,02g 36,05g 35,52g
Khối lƣợng sản phẩm (theo lý thuyết) 50,23g
Hiệu suất phản ứng (%) 72,46% 76,46% 73,69% 71,76% 70,70% 70 71 72 73 74 75 76 77 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 tỷ lệ mol metanol/dầu H iệ u s u ấ t đ iề u c h ế Me ty l e s te ( %)
Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hƣởng của tỷ lệ mol metanol/dầu thải đến
Hình 3.2 Sắc ký bản mỏng thu đƣợc sau phản ứng thực hiện với từng lƣợng
metanol khác nhau, tƣơng ứng là 38, 42, 46, 50, 54
Qua bảng 3.1, hình 3.1 và 3.2 ở trên ta nhận thấy: với tỷ lệ mol metanol/dầu là 38 thì hiệu suất phản ứng không cao. Khi tăng tỷ lệ mol metanol/dầu là 42 thì phản ứng chuyển hóa tốt, hiệu suất điều chế metyl este là cao nhất và sản phẩm là sạch nhất. Khi tiếp tục tăng tỷ lệ mol metanol/dầu lên 46, 50, 54 thì khối lƣợng metyl este thu đƣợc bắt đầu giảm xuống. Vì đây là phản ứng thuận nghịch nên khi tăng hàm lƣợng một trong hai tác chất thì hiệu suất phản ứng sẽ tăng theo, nhƣng vì phản ứng lúc này đã đạt tới trạng thái cân bằng nên dù có tăng lƣợng metanol lên thì hiệu suất cũng khơng tăng thêm đƣợc. Khi ta tiếp tục tăng lƣợng metanol lên thì hiệu suất có chiều hƣớng giảm do metanol tan tốt trong glixerol và metyl este, làm chậm quá trình tách lớp của sản phẩm gây khó khăn cho việc thu hồi sản phẩm, làm giảm hiệu suất phản ứng. Do đó, việc sử dụng metanol cần đúng liều lƣợng, tránh hao tốn metanol không cần thiết.
3.2 Ảnh hƣởng của lƣợng xúc tác H2SO4 đến hiệu suất điều chế metyl este
Khảo sát với khối lƣợng mẫu dầu thải là 50 gam. Tiến hành thí nghiệm với các yếu tố sau: tốc độ khuấy là 400 – 500 vòng/phút, tỷ lệ mol metanol/dầu thải là 42, nhiệt độ
phản ứng là 65o
C, thời gian phản ứng là 10 giờ và thay đổi tỷ lệ % (w/w) của xúc tác H2SO4 và dầu thải lần lƣợt là 1, 2, 3, 4, 5. Mỗi thí nghiệm lặp lại 2 lần và lấy kết quả trung bình. Kết quả đƣợc thể hiện ở bảng số liệu và minh họa bằng đồ thị và sắc ký bản mỏng dƣới đây:
Bảng 3.2 Ảnh hƣởng của lƣợng xúc tác H2SO4 đến hiệu suất điều chế metyl este Tỷ lệ % (w/w) của xúc tác H2SO4 và dầu thải 1% 2% 3% 4% 5% Khối lƣợng sản phẩm lần 1 35,04g 34,92g 36,18g 38,28g 37,59g Khối lƣợng sản phẩm lần 2 34,46g 34,03g 36,49g 38,81g 37,07g Khối lƣợng sản phẩm trung bình 34,75g 34,48g 36,34g 38,55g 37,33g
Khối lƣợng sản phẩm (theo lý thuyết) 50,23g
Hiệu suất phản ứng (%) 69,18% 68,63% 72,34% 76,74% 74,32% 65 70 75 80 1 2 3 4 5 Tỷ lệ % (w/w) của xúc tác và dầu Hiệu su ất đ iều ch ế M etyl este ( %)
Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hƣởng của tỷ lệ % (w/w) của xúc tác H2SO4 và dầu thải đến hiệu suất điều chế metyl este
Hình 3.4 Sắc ký bản mỏng thu đƣợc sau phản ứng thực hiện với từng tỷ lệ xúc tác
khác nhau, tƣơng ứng là 1, 2, 3, 4, 5.
Qua bảng 3.2, hình 3.3 và 3.4 ở trên ta nhận thấy: với tỷ lệ % (w/w) của xúc tác/dầu là 1 và 2 thì phản ứng xảy ra khơng tốt, hiệu suất phản ứng thấp, sản phẩm còn lẫn nhiều dầu. Khi tăng tỷ lệ xúc tác lên 3, 4 thì phản ứng xảy ra ở chiều hƣớng tốt vì xúc tác có vai trị làm tăng tốc độ phản ứng làm cho phản ứng xảy ra dễ dàng hơn, hiệu suất phản ứng tăng. Nếu lƣợng xúc tác ít sẽ không đủ xúc tiến trong phản ứng. Khi tăng tỷ lệ xúc tác lên 5 thì hiệu suất của phản ứng sẽ giảm do nếu xúc tác axit quá nhiều có thể làm cháy dầu. Vì thế, trong phản ứng việc sử dụng xúc tác đúng tỷ lệ với tác chất là một điều rất quan trọng để phản ứng đạt hiệu suất cao. Ứng với lƣợng tỷ lệ % (w/w) của H2SO4/dầu thải là 4 thì hiệu suất điều chế metyl este là cao nhất.
3.3 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất điều chế metyl este
Khảo sát với khối lƣợng mẫu dầu thải là 50 gam. Tiến hành thí nghiệm với các yếu tố sau: tốc độ khuấy là 400 – 500 vòng/phút, tỷ lệ mol metanol/dầu thải là 42, tỷ lệ % (w/w) của xúc tác H2SO4 và dầu thải là 4, thời gian phản ứng là 10 giờ và thay đổi nhiệt độ phản ứng lần lƣợt là 55o
C, 65oC, 75oC, 85oC, 95oC. Mỗi thí nghiệm lặp lại 2 lần và lấy kết quả trung bình. Kết quả đƣợc thể hiện ở bảng số liệu và minh họa bằng đồ thị và sắc ký bản mỏng dƣới đây:
Bảng 3.3 Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất điều chế metyl este
Nhiệt độ 55oC 65oC 75oC 85oC 95oC
Khối lƣợng sản phẩm lần 1 39,07g 38,28g 40,18g 38,14g 38,93g
Khối lƣợng sản phẩm lần 2 38,51g 38,81g 40,72g 38,65g 38,43g
Khối lƣợng sản phẩm trung bình 38,66g 38,55g 40,45g 38,40g 38,68g
Khối lƣợng sản phẩm (theo lý thuyết) 50,23g
Hiệu suất phản ứng (%) 76,97% 76,74% 80,53% 76,44% 77,01% 76 77 78 79 80 81 55 65 75 85 95 H iệ u suấ t đi ều chế M et yl e st e (% )
Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hƣởng của nhiệt độ phản ứng đến hiệu suất
điều chế metyl este
Hình 3.6 Sắc ký bản mỏng thu đƣợc sau phản ứng thực hiện ở từng nhiệt độ
khác nhau, tƣơng ứng là 55o
C, 65oC, 75oC, 85oC, 95oC.
Nhiệt độ của phản ứng (o
Khi nhiệt độ phản ứng là 55o
C thì hiệu suất điều chế metyl este thấp, phản ứng chƣa chuyển hóa hồn tồn và sản phẩm cịn lẫn nhiều dầu. Tăng nhiệt độ phản ứng lên 65 oC,75oC thì phản ứng xảy ra tốt hơn và sản phẩm sạch hơn vì nhiệt độ có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng, khi đó khả năng hịa tan của dầu vào metanol tốt hơn làm cho phản ứng chuyển hóa nhanh hơn. Khi ta tăng nhiệt độ lên 85o
C, 95oC thì hiệu suất phản ứng giảm do lƣợng metanol bay hơi q nhiều, khơng đủ cho q trình phản ứng chuyển hóa sản phẩm. Tóm lại, nhiệt độ có tác dụng xúc tiến cho phản ứng tốt hơn nhƣng nếu nhiệt độ quá cao, cao hơn nhiều so với nhiệt độ sơi của metanol thì hiệu suất phản ứng sẽ giảm. Từ bảng 3.3, hình 3.5 và 3.6 ta nhận thấy khối lƣợng sản phẩm thu đƣợc ở 75o
C là cao nhất và sạch nhất. Nhiệt độ 75o
C là nhiệt độ thích hợp cho phản ứng vì nó xúc tiến phản ứng xảy ra nhanh, đây là nhiệt độ không quá cao và cũng không quá thấp.
3.4 Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất điều chế metyl este
Khảo sát với khối lƣợng mẫu dầu thải là 50 gam. Tiến hành thí nghiệm với các yếu tố sau: tốc độ khuấy là 400 – 500 vòng/phút, tỷ lệ mol metanol/dầu thải là 42, tỷ lệ %
(w/w) của xúc tác H2SO4 và dầu thải là 4, nhiệt độ phản ứng là 75o
C và thay đổi thời gian phản ứng lần lƣợt là 8 giờ, 9 giờ, 10 giờ, 11 giờ, 12 giờ. Mỗi thí nghiệm lặp lại 2 lần và lấy kết quả trung bình. Kết quả đƣợc thể hiện ở bảng số liệu và minh họa bằng đồ thị và sắc ký bản mỏng dƣới đây:
Bảng 3.4 Ảnh hƣởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất điều chế metyl este
Thời gian phản ứng 8 giờ 9 giờ 10 giờ 11 giờ 12 giờ
Khối lƣợng sản phẩm lần 1 36,84g 38,87g 40,03g 38,56g 37,19g
Khối lƣợng sản phẩm lần 2 37,30g 39,72g 40,72g 37,92g 36,43g
Khối lƣợng sản phẩm trung bình 37,07g 39,30g 40,38g 38,24g 36,81g
Khối lƣợng sản phẩm (theo lý thuyết) 50,23g
70 75 80 85
8 9 10 11 12
Thời gian phản ứng (giờ)
Hiệu su ất đ iều ch ế M etyl este (%)
Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hƣởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất
điều chế metyl este
Hình 3.8 Sắc ký bản mỏng thu đƣợc sau phản ứng thực hiện ở từng khoảng thời
gian khác nhau, tƣơng ứng là 8 giờ, 9 giờ, 10 giờ, 11 giờ, 12 giờ.
Qua bảng 3.4, hình 3.7 và 3.8 ta nhận thấy ở thời gian phản ứng là 8 giờ thì phản ứng chƣa đủ thời gian để chuyển hóa hồn tồn thành sản phẩm, hiệu suất điều chế metyl còn thấp và còn lẫn nhiều dầu. Khi tăng thời gian phản ứng lên 9 giờ, 10 giờ thì khối lƣợng metyl este thu đƣợc tăng lên, phản ứng gần nhƣ chuyển hóa hịa tồn. Khi thời gian phản ứng quá lâu là 11 giờ, 12 giờ thì hiệu suất có chiều hƣớng giảm. Vì khi tăng thời
gian tiếp xúc của tác chất trong phản ứng, điều đó giúp phản ứng thuận nghịch đạt hiệu quả hơn. Nhƣng nếu thời gian kéo dài sẽ tạo điều kiện cho metyl este bị thủy phân, giảm hiệu suất phản ứng. Tóm lại, phản ứng transeste hóa điều chế metyl este bằng xúc tác axit đòi hỏi khá nhiều thời gian và thời gian tốt nhất cho phản ứng là 10 giờ.
3.5 Điều kiện tốt nhất của quy trình điều chế metyl este từ dầu ăn đã qua sử dụng dùng xúc tác axit dùng xúc tác axit
Tổng hợp tất cả các yếu tố đã khảo sát ở trên ta có đƣợc điều kiện tốt nhất của quy trình điều chế metyl este từ dầu ăn đã qua sử dụng, dùng xúc tác axit với mẫu dầu thải là 50 gam, tốc độ khuấy là 400 – 500 vòng/phút nhƣ sau:
Tỷ lệ mol metanol/dầu ăn đã qua sử dụng: 42
Tỷ lệ % (w/w) của xúc tác H2SO4/dầu ăn đã qua sử dụng: 4% Nhiệt độ phản ứng: 75o
C
Thời gian phản ứng: 10 giờ
Thực hiện phản ứng với các điều kiện tốt nhất ở trên cho mẫu lớn là 100g dầu ăn đã qua sử dụng, thu đƣợc kết quả nhƣ sau:
Mẫu dầu thải 100 gam
Tốc độ khuấy 400 - 500 vòng/phút
Tỷ lệ mol metanol/dầu thải 42
Tỷ lệ % (w/w) xúc tác H2SO4/dầu thải 4
Nhiệt độ phản ứng 75oC
Thời gian phản ứng 10 giờ
Khối lƣợng sản phẩm lần 1 80,54 gam
Khối lƣợng sản phẩm lần 2 79,95 gam
Khối lƣợng sản phẩm trung bình 80,25 gam
Khối lƣợng sản phẩm tính theo lý thuyết 100,46 gam
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
4.1 KẾT LUẬN
Qua đề tài này tôi đã khảo sát đƣợc một số yếu tố ảnh hƣởng tới phản ứng điều chế metyl este dùng xúc tác axit, tìm ra đƣợc các điều kiện tốt nhất cho phản ứng ở quy mơ phịng thí nghiệm.
Từ kết quả nghiên cứu trên tơi nhận thấy việc điều chế metyl este từ dầu ăn đã qua sử dụng dùng xúc tác axit còn nhiều điều hạn chế: thời gian phản ứng quá lâu, sản phẩm không đạt đƣợc độ tinh khiết, lƣợng metanol dùng dƣ rất nhiều và chƣa thu hồi đƣợc metanol dƣ… Chính vì vậy, đề tài cần tiếp tục nghiên cứu nhằm hoàn chỉnh quy trình điều chế metyl este và cải thiện những hạn chế nêu trên.
4.2 KIẾN NGHỊ
Do khả năng, thời gian và điều kiện phịng thí nghiệm có hạn nên nội dung đề tài cịn một số hạn chế. Những vấn đề hạn chế này sẽ là mục tiêu của những nghiên cứu tiếp theo. Hƣớng kiến nghị cho những nghiên cứu sắp tới là:
Khảo sát ở những nhiệt độ cao hơn, tìm hiểu để điều chế đƣợc metyl este với độ tinh khiết cao hơn.
Xác định một số chỉ tiêu chất lƣợng quan trọng nhƣ chỉ số cetan, hàm lƣợng glixerol tổng, hàm lƣợng mono-, di- và triglixerit,… cũng nhƣ thử nghiệm trên động cơ diesel để có thể kết luận về khả năng ứng dụng làm nhiên liệu của sản phẩm metyl este điều chế từ dầu ăn đã qua sử dụng.
Thu hồi lƣợng metanol còn dƣ sau phản ứng.
Nghiên cứu phƣơng pháp hiệu quả để có thể tinh chế và sử dụng lƣợng glixerol, một sản phẩm có giá trị, từ đó làm tăng giá trị của quy trình điều chế metyl este.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] ThS. Phùng Minh Lộc - KS Hồ Đức Tuấn (2008), “Nghiên cứu sử dụng dầu thực vật
Việt Nam làm nhiên liệu cho diesel cỡ nhỏ”, Tạp chí khoa học Cơng nghệ thủy sản, số 01/2008.
[2] PGS.TS.Đinh Thị Ngọ - TS. Nguyễn Khánh Diệu Hồng, Các quá trình xử lý để sản
xuất nhiên liệu sạch, nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật.
[3] Trần Kiều Oanh (2008), Nghiên cứu quy trình tổng hợp dầu diesel sinh học
(biodiesel) và dầu nhờn sinh học (biolubricant) từ mỡ cá ba sa, Trƣờng đại học Cần Thơ.
[4] Phạm Hoàng Ánh Phƣơng (2009), Nghiên cứu tổng hợp dầu diesel sinh học
(biodiesel) từ dầu dừa, Khoa Công Nghệ - Trƣờng đại học Cần Thơ.
[5] GS.TS Chu Phạm Ngọc Sơn (1983), Dầu mỡ trong sản xuất và đời sống, NXB Thành
phố Hồ Chí Minh.
[6] Phạm Kiều Trinh (2008), Nghiên cứu sản xuất dầu Biodiesel từ dầu ăn đã qua sử
dụng, Khoa Nông nghiệp & Sinh học ứng dụng - Trƣờng đại học Cần Thơ.
[7] Man Kee Lam, Keat Teong Lee, Abdul Rahman Mohamed (2010), Homogeneous,
heterogeneous and enzymatic catalysis for transesterification of high free fatty acid oil (waste cooking oil) to biodiesel: A review, School of Chemical Engineering, Universiti
Sains Malaysia, Engineering Campus, Seri Ampangan, 14300 Nibong Tebal, Pulau Pinang, Malaysia.
[8] Yong Wang, Shiyi Ou, Pengzhan Liu, Feng Xue, Shuze Tang (2006), Comparison of
two different processes to synthesize biodiesel by waste cooking oil, Department of Food
Science and Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China.
[9] http://congnghedaukhi.com/cndk-News-27.html [10] http://congnghedaukhi.com/cndk-News-28.html [11] http://congnghedaukhi.com/cndk-News-33.html [12] http://hoahocngaynay.com/vi/nghien-cuu-giang-day/bai-nghien-cuu/320-diesel-sinh- hoc-va-trien-vong-phat-trien.html [13] http://vi.wikipedia.org/wiki/Diesel_sinh_h%E1%BB%8Dc [14] http://vi.wikipedia.org/wiki/D%E1%BA%A7u_%C4%83n [15] http://vi.wikipedia.org/wiki/D%E1%BA%A7u_diesel [16] http://vi.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Diesel