Phản ứng trong tổng hợp biodiesel là nhằm chuyển hóa triglyceride có trong dầu thực vật thành các alkyl ester. Xúc tác sử dụng trong quá trình tổng hợp biodiesel có thể là acid, base hoặc enzyme sử dụng ở dạng đồng thể hay dị thể.
2.3.1. Xúc tác acid [33]
Các acid Bronsted nhƣ H2SO4, HCl,… là các xúc tác đồng thể cho độ chuyển hóa cao. Nhƣng phản ứng chỉ đạt đƣợc độ chuyển hóa cao khi nhiệt độ đạt trên 1000C, thời gian phản ứng trên 6 giờ. Xúc tác acid dị thể cho quá trình này zeolit USY-292, nhựa trao đổi anion Amberlyst A26, A27. Các xúc tác dị thể này có ƣu điểm là dễ lọc tách, tinh chế sản phẩm đơn giản, ít tiêu tốn năng lƣợng, nhƣng ít đƣợc sử dụng vì cho độ chuyển hóa thấp. Cơ chế của phản ứng trao đổi ester sử dụng xúc tác acid đƣợc mô tả nhƣ sau:
Đầu tiên tâm acid tấn công vào nhóm carbonyl của phân tử glyceride, tạo thành hợp chất trung gian là cation kém bền và chuyển sang trạng thái carbocation:
này hoàn nguyên lại tâm acid cho môi trường phản ứng và tách ra thành hai phân tử trung hòa bền vững là alkyl ester và glycerol.
Trong đó:
R‟ là chuỗi carbon của acid béo.
R là nhóm alkyl của alcol.
2.3.2. Xúc tác base
Xúc tác base đồng thể thường được sử dụng nhất vẫn là các base 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 nhƣợc 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 các hợp chất của kim loại kiềm hay kiềm thổ mang trên chất mang rắn nhƣ NaOH/MgO, NaOH/-Al2O3, Na2SiO3/MgO, Na2SiO3/SiO2, Na2CO3/-Al2O3,
KI/-Al2O3. Các xúc tác này cũng cho độ chuyển hóa khá cao (trên 90%), nhƣng thời gian phản ứng kéo dài hơn nhiều so với xúc tác đồng thể. Hiện nay, các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu thêm nhiều loại xúc tác khác nhằm mục đích nâng cao độ chuyển hóa tạo biodiesel, có thể tái sử dụng nhiều lần, hạ giá thành sản phẩm [21,34].
Cơ chế của phản ứng trao đổi ester sử dụng xúc tác base [21] đƣợc mô tả nhƣ sau:
Sau đó gốc RO tấn công vào nhóm carbonyl của phân tử triglyceride 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 diglyceride và monoglyceride giống nhƣ cơ chế trên, cuối cùng tạo ra các alkyl ester và glycerol.
2.3.3. Xúc tác enzyme [8]
Việc sử dụng xúc tác enzyme cho phản ứng trao đổi ester đã đƣợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu rất nhiều. Enzyme thường sử dụng là hai dạng lipase nội bào và ngoại bào. Xúc tác này có rất nhiều ƣu điểm nhƣ độ chuyển hóa rất cao (cao nhất trong các loại xúc tác hiện nay), thời gian phản ứng ngắn nhất, quá trình tinh chế sản phẩm đơn giản và đặt biệt là không bị ảnh hưởng bởi hàm lượng nước và acid béo có trong nguyên liệu. Đặt biệt là người ta đã cho enzyme 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 chƣa đƣợc ứng dụng nhiều trong công nghiệp.
* So sánh ƣu, nhƣợc điểm của các loại xúc tác khác nhau Có thể nhận thấy một số ƣu, nhƣợc điểm của xúc tác đồng thể và dị thể nhƣ sau:
- Xúc tác đồng thể : + Độ chuyển hóa cao.
+ Thời gian phản ứng nhanh.
+ Tách rửa sản phẩm phức tạp.
+ Dễ tạo sản phẩm phụ là xà phòng, gây khó khăn cho phản ứng tiếp theo.
- Xúc tác dị thể : + Độ chuyển hóa thấp hơn.
+ Thời gian phản ứng dài hơn.
+ Giá thành rẻ do tái sử dụng và tái sinh xúc tác.
+ Tách lọc sản phẩm dễ hơn.
+ Hạn chế phản ứng xà phòng hóa.
Từ các so sánh trên thấy rằng, dị thể hóa xúc tác tổng hợp biodiesel là phương hướng đúng đắn trong tương lai.