2.1.1. Mục đích, phương pháp nghiên cứu
a) Mục đích
Thực hiện q trình chuyển hóa hạt cao su trong điều kiện khơng có xúc tác thành bio-oil. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tốc độ gia nhiệt, tốc độ sục khí mang, kích thước nguyên liệu đến hiệu suất và tính chất sản phẩm lỏng.
Thực hiện q trình chuyển hóa hạt cao su thành bio-oil trong điều kiện có xúc tác để cải thiện bio-oil có thành phần gần giống với dầu nhiên liệu, ứng với các điều kiện tốt nhất khi nhiệt phân không xúc tác. Các xúc tác được sử dụng là
KOH/γ-Al2O3, Zeolit 3A, Bentonit/H+. Khảo sát ảnh hưởng của các xúc tác lên thành phần của bio-oil.
b) Phương pháp nghiên cứu
Thực hiện việc chuyển hóa trên bằng phương pháp nhiệt phân thu lỏng, thiết bị nhiệt phân là thiết bị nhiệt phân tầng cố định, làm lạnh bằng thiết bị ngưng tụ và sinh hàn ống xoắn.
2.1.2. Nguyên liệu, hóa chất; dụng cụ, thiết bị
a) Nguyên liệu, hóa chất
- Hạt cao su
- Bentonit (Sản xuất bởi DMC Miền Nam)
- HCl 10% ( để hoạt hóa Bentonit)
- Al(OH)3 (để tổng hợp γ-Al2O3) - Khí N2 (khí mang) - Aceton - Nước cất b) Dụng cụ, thiết bị - Bình phản ứngbằng thép 304, hình trụ trịn:d = 2mm, H= 500mm, D = 90mm. - Thiết bị ngưng tụ ống chùm.
- Ống sinh hoàn xoắn
- Hộp nhựa (để thu sản phẩm lỏng ngưng tụ được, chứa sản phẩm rắn)
- Ống cao su (dẫn sản phẩm khí ra ngồi)
- Bình N2
- Xơ chứa nước
- Bơng thủy tinh
- Đầu dò nhiệt độ
- Hộp điều khiển (để đo nhiệt độ phản ứng)
- Cân điện tử
- Beacher, pipet, đũa khuấy, bóp cao su, giá đỡ, chén nung, cối, thiết bị sang rây phân tử…
- Bình thủy tinh 250ml chứa sản phẩm lỏng
- Bếp từ, cá từ
- Bình cầu 2 hoặc 3 cổ 500ml, 1000ml
2.1.3. Hệ thống thí nghiệm
Hình 2.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Ghi chú:
1- Lị phản ứng; 2- Bình khí Nitơ; 3- Đầu dị nhiệt độ;
4-Đồng hồ hiển thị nhiệt độ; 5- Bộ phận gia nhiệt; 6- Sinh hàn ;
Hình 2.2. Hệ thống nhiệt phân tại phịng thí nghiệm
Tháp nhiệt phân làm bằng thép 304, hình trụ, bề dày d = 2 mm, chiều cao h = 500 mm, đường kính D = 90 mm. Dây điên trở được bọc bởi sứ cách điện, quấn và cố định trên một bản thép. Tiếp đó lót lớp bơng thủy tinh để cách điện, cách nhiệt. Phía ngồi là lớp vỏ thép của tháp.
Bình khí N2 được gắn với lưu lượng kế, dẫn vào tháp phản ứng ở dưới đáy tháp phản ứng.
Sản phẩm khí đi ra ở đỉnh tháp, đi đến thiết bị ngưng tụ bằng nước. Khí ngưng thành lỏng sẽ được chứa trong hộp số 1. Khí khơng ngưng vào ống sinh hàn, ngưng tụ thêm một lần nữa, phần được ngưng tụ được chứa trong hộp số 2. Khí khơng ngưng theo ống dẫn được sục vào xơ chứa nước trước khi thốt ra ngồi.
Đây là hệ thống thí nghiệm của nghiên cứu đề tài giai đoạn 1, có bổ sung thêm ống đựng xúc tác khi thực hiện các thí nghiệm nhiệt phân có xúc tác, sục khí N2 liên tục và có lưu lượng cố định.
2.1.4. Chuẩn bị nguyên liệu
Hình 2.3. Hạt cao su
Hạt cao su được đập vỏ, tách lấy nhân. Sau đó nhân hạt được đập nát, nghiền nhỏ rồi đem đi đo độ ẩm.
Khí N2 Xúc tác
Hệ thống sinh hàn Hoạt hóa Hạt cao su
Gia nhiệt đến nhiệt độ phẩn ứng Sục khí N2
Phân tách sản phẩm Nhập liệu phản ứng
Rây phân loại Nghiền Tách vỏ
Thann Bio-oil Khí
2.1.5. Sơ đồ quy trình
Ngun liệu biomass sau khi được làm sạch và nghiền nhỏ được đem đi cân 100g ở cân điện tử, trong điều kiện khơng có gió. Sau đó, đổ ngun liệu vào bình nhiệt phân. Đặt mặt bích lên nắp bình nhiệt phân, vặn chặt khơng cho khí thốt ra mơi trường bên ngồi. Nối bình nhiệt phân với ống sinh hàn, gắn đầu dị nhiệt độ vào bình. Nối ống sinh hàn với bình tách lỏng thứ nhất, từ đây khí được dẫn sang ống sinh hàn thứ 2 và ngưng tụ thêm một lần nữa tại bình tách lỏng thứ 2, khí khơng ngưng theo ống cao su sục vào nước trước khi thốt ra ngồi.
Mở van điều chỉnh lưu lượng, sục khí mang N2 trong vòng 5 phút, điều chỉnh lưu lượng kế sao cho phù hợp với tốc độ sục đã chọn. Mục đích của việc sục khí này là để đuổi khí O2 ra khỏi bình nhiệt phân. Sau đó khóa van sục khí N2, gắn
cầu dao điện và mở công tắc hộp điện, cài đặt nhiệt độ cuối. Mở van nước để nước dùng để ngưng tụ lỏng chảy từ ống sinh hàn thứ nhất sang ống sinh hàn thứ 2. Đợi đến phản ứng xong thì tắt. Sản phẩm lỏng sau nhiệt phân được đem đi chưng cất phân đoạn và phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật.
2.1.6. Chuẩn bị xúc tác
a) Tổng hợp xúc tác γ -Al2O3 [5]
Xúc tác γ-Al2O3 được tổng hợp trực tiếp tại phịng thí nghiệm từ Nhơm oxit. Tổng hợp chất γ-Al2O3:
- Nhôm hydroxide được sấy ở 60˚C trong 4h và ở 120oC trong 4h để chuyển sang dạng Boehmite.
Al(OH)3 + 36,3kcal = AlO(OH) + H2O
- Sau đó nung Boehmite ơ nhiệt độ 500˚C trong 6h để chuyển sang γ-Al2O3 : 2AlO(OH) + 35,5kcal = γ-Al2O3 + H2O
Al(OH)3 Sấy Sấy Nung Rây γ - Al2O3 T = 60oC t = 4h T = 120oC t = 4h T = 500oC t = 6h Hình 2.5. Quy trình tổng hợp chất γ-Al2O3 b) Xúc tác Zeolit 3A
Xúc tác Zeolit 3A được lấy từ phịng thí nghiệm trung tâm nghiên cứu và phát triển lọc hóa dầu – trường Đại Học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh.
Bent – H+