Biodiezel được hiểu là cỏc mono alkyl este axit bộo, nú được tạo ra từ phản ứng trao đổi este giữa triglyxerit của dầu thực vật hay mỡ động vật với rượu mạch thẳng (metanol, etanol), xỳc tỏc cú thể là cỏc axit(H2SO4..),hay cỏc bazơ(NaOH,KOH..), hay là cỏc enzym.. Trước đõy, kể từ khi động cơ diezel được phỏt minh ra từ nhiờn liệu mà người ta sử dụng đầu tiờn chớnh là dầu thực vật. Nhưng nguyờn liệu dầu thực vật đó khụng được lựa chọn làm nguyờn liệu của động cơ diezel vỡ giỏ của dầu thực vật đắt hơn giỏ của diezel khoỏng. Gần đõy với sự tăng giỏ của nhiờn liệu khoỏng và sự hạn chế về số lượng của nú, nờn nhiờn liệu dầu thực vật ngày càng được quan tõm và cú khả năng thay thế cho nguyờn liệu dầu khoỏng tương lai gần, vỡ những lợi ớch về mụi trường và khả năng tỏi sinh của dầu thực vật. Ở Việt Nam, vừa qua Bộ Cụng Nghiệp đó thụng bỏo đang xõy dựng đề ỏn phỏt triển biodiezel đến năm 2015 và tầm nhỡn 2020. Mục tiờu là từ 2006-2010,Việt Nam tiếp cận cụng nghệ sản xuất biodiezel, xõy dựng mụ hỡnh thớ điểm.
Việc sử dụng dầu thực vật như một nhiờn liệu thay thế để cạnh tranh với dầu mỏ đó được bắt đầu từ năm những năm 1980, vỡ những thuận lợi của cỏc loại dầu thực vật so với nhiờn liệu diezel là chất lỏng dễ di chuyển, sẵn cú, cú khả năng tỏi sinh được, hàm lượng lưư huỳnh thấp hơn, hàm lượng chất thơm ớt hơn, khả năng dễ bị vi khuẩn phõn hủy, độ nhớt cao hơn, khả năng bay hơi thấp hơn. Vấn đề chớnh liờn quan đến việc hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật là độ nhớt. Dầu thực vật cú độ nhớt cao, lớn gấp 10 lần đến 20 lần nhiờn liệu diesel N02D, gõy cặn trong động cơ. Dầu thầu dầu cũn cú độ nhớt gấp 100 lần nhiờn liệu diesel N02D. Vỡ vậy sự pha loóng, nhũ húa nhiệt phõn, crakinh xỳc tỏc và metyleste húa là cỏc kỹ thuật được ỏp dụng để giải quyết vấn đề độ nhớt cao của nhiờn liệu:
Sau khi xem xột cỏc phương phỏp trờn thỡ ta thấy phương phỏp chuyển hoỏ este tạo biodiezel là sự lựa chọn tốt nhất, vỡ cỏc đặc tớnh vật lý của cỏc metyl este rất gần với nhiờn liệu diezel thụng thường và cỏc quỏ trỡnh này cũng tương đối đơn giản, chi phớ khụng cao. Hơn nữa, cỏc alkyl este cú thể chỏy trong động cơ mà khụng cần phải
thay đổi cỏc chi tiết của động cơ với sự tạo cặn thấp. Sở dĩ biodiezel cú tớnh chất ưu việt như vậy là do chỳng chứa rất ớt lưu huỳnh và tạp chất nờn khi chỏy tạo rất ớt cặn cũng như CO2, SO2. Do đú biodiezel là một nhiờn liệu chỏy rất sạch. Trong thực tế người ta thường tiến hành trộn biodiezel vào diezel khoỏng với một lượng khoảng 5- 20%, hỗn hợp này dựng để chạy động cơ vẫn rất tốt, đồng thời cú thể tiết kiệm được nhiờn liệu khoỏng. Xột về vấn đề thõn thiện với mụi trường thỡ biodiezel cú ưu điểm hơn so với diezel khoỏng. Tuy nhiờn, về mặt gớa thành thỡ biodiezel lại cao hơn nhưng vẫn ở mức cú thể chấp nhận được, do chỳng ta chủ yếu pha trộn biodiezel với diezel khoỏng với tỷ lệ khụng cao mà khụng sử dụng trực tiếp để chạy động cơ, nờn vấn đề giỏ thành khụng phải là vấn đề chớnh cần quan tõm mà vấn đề chớnh ở đõy là mụi trường và tiết kiệm nhiờn liệu khoỏng. Ngoài ra, nguồn nguyờn liệu để tổng hợp biodiezel cũng rất phong phỳ như từ dầu hạt cao su, dầu nành, dầu dừa, dầu cọ..Để hiểu rừ ưu điểm của biodiezel so với diezel khoỏng thỡ ta cần xem xột tớnh chất vật lý của chỳng.
Một số tớnh chất vật lý của diezel khoỏng và một số metyl este được tổng hợp từ một số dầu khỏc nhau thể hiờn ở bảng sau:
Bảng 1.6. Tớnh chất vật lý của diezel khoỏng so với một số metyl este
Nhiờn liệu
STT Tớnh chất Diezel No2 Metyleste
dầu đậu nành Metyleste dầu hạt cải Metyleste dầu phế thải 1 Trị số xetan 40ữ52 50,9 52,9 57 2 Nhiệt độ chớp chỏy,oC 60ữ72 131 170 117 3 KL riờng (g/ml) 0,85 0,885 0,883 0,876 4 Độ nhớt ở 40oC,cSt 2,6 4,08 4,83 4,80 5 Nhiệt độ đụng đặc -25ữ-15 -0,5 -4,0 13,9 Thành phần cất phõn đoạn,oC Ts đầu 185 299 326 209 Ts 10% 210 328 340 324
Ts 50% 260 336 344 328
Ts 90% 315 340 348 342
Ts cuối 345 346 366 339
7 Chỉ số iot 8,6 133,2 97,4 -
*Tớnh chất và ưu khuyết điểm của biodiezel:
Biodiezel là cỏc mono alkyl este mạch thẳng được điều chế bởi phản ứng trao đổi este giữa cỏc loại dầu thực vật và mỡ động vật với cỏc loại rượu mạch thẳng (methanol,ethanol,…).
Tớnh chất vật lý: Biodiezel cú tớnh chất vật lý giống dầu diezel.Tuy nhiờn, tớnh chất phỏt khớ thải thỡ biodiesel tốt hơn dầu diezel. Tớnh chất vật lý của biodiezel so với nhiờn liệu diezel được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 1.7. So sỏnh tớnh chất của nhiờn liệu diezel với biodiezel
Cỏc chỉ tiờu Biodiezel Diesel
Tỷ trọng 0,87ữ89 0,81ữ0,89
Độ nhớt động học ở 40oC,cSt 3,7ữ5,8 1,9ữ4,1
Trị số xetan 46ữ70 40ữ55
Nhiệt lượng tảo ra khi chỏy,cal/g 37000 43800
Hàm lượng lưu huỳnh,% 0,0ữ0,0024 0,5
Điểm vẩn đục,oC -11ữ16 -
Điểm rút,oC -15ữ13 -25ữ-15
Chỉ số iot 60ữ135 8,6
Sản phẩm chỏy của biodiezel sạch hơn nhiều so với nhiờn liệu diezel khoỏng, riờng B20(20% biodiesel 80% diesel khoỏng) cú thể được sử dụng trong cỏc động cơ diezel mà khụng cần phải thay đổi kết cấu của động cơ, thực tế cỏc động cơ diesel sẽ chạy tốt hơn B20.
*Ưu điểm của biodiezel:
-Trị số xetan cao: trị số xetan là đơn vị đo quy ước, đặc trưng cho khả năng tự bắt lửa của nhiờn liệu diesel, là một số nguyờn, cú giỏ trị đỳng bằng giỏ trị của hỗn hợp chuẩn cú cựng khả năng tự bắt chỏy. Hỗn hợp chuẩn này gồm hai hydrocacbon:n-
xetan(C16H34) quy định là 100, cú khả năng tự bắt chỏy tốt và α − metylnaphtalen
(C11H10) quy định là 0, cú khả năng tự bốc chỏy kộm. Trị số xetan của diezel càng cao thỡ sự mồi lửa và sự chỏy càng tốt, động cơ chỏy đều đặn hơn. Nhiờn liệu diezel thụng thường cú trị số xetan từ 50-52 và 53-54 đối với động cơ cao tốc. Biodiezel là cỏc alkyl este mạch thẳng do vậy nhiờn liệu này cú trị số xetan cao hơn diezel khoỏng, trị số xetan của biodiezel thường từ 56-58. Với trị số xetan như vậy biodiezel hoàn toàn cú thể đỏp ứng dễ dàng yờu cầu của những động cơ đũi hỏi nhiờn liệu chất lượng cao với khả năng tự bắt chỏy cao mà khụng cần phụ gia tăng trị số xetan.
-Hàm lượng lưu huỳnh: Trong biodiezel hàm lượng lưu huỳnh rất ớt, khoảng 0,001%. Chớnh vỡ ưu điểm này mà biodiezel được chọn làm nhiờn liệu sạch và thõn thiện với mụi trường, vỡ khi chỏy nú thải ra rất ớt SO2 nờn khụng gõy ăn mũn thiết bị và ụ nhiễm mụi trường.
-Quỏ trỡnh chỏy sạch: Do nhiờn liệu biodiezel chứa khoảng 11% oxy, nờn quỏ trỡnh chỏy xảy ra hoàn toàn, vỡ vậy khi chỏy tạo rất ớt muội trong động cơ.
-Khả năng bụi trơn giảm mài mũn: Biodiezel cú khả năng bụi trơn tốt hơn diesel khoỏng. Khả năng bụi trơn của nhiờn liệu được đặc trưng bởi giỏ trị HFRR(high-frequency receiprocating rig), giỏ trị HFRR càng thấp thỡ khả năng bụi trơn của nhiờn liệu càng tốt. Diezel khoỏng đó xử lý lưu huỳnh cú giỏ trị HFRR≥500
khi khụng cú phụ gia, nhưng giới hạn đặc trưng của diezel là 450.Vỡ vậy, diezel khoỏng yờu cầu phải cú phụ gia để tăng khả năng bụi trơn.Trong khi đú giỏ trị HFRR của biodiezel khoảng 200.Vỡ vậy biodiezel cú thể là phụ gia rất tốt cho diezel thụng thường. Khi thờm với tỷ lệ thớch hợp, thỡ sự mài mũn của động sẽ giảm đỏng kể. Thực nghiệm chứng minh sau khoảng 15000 giờ làm việc, sự mài mũn vẫn khụng được nhận thấy.
-Khả năng thớch hợp cho mựa đụng: Biodiezel phải được phự hợp cho tớnh chất sử dụng vào mựa đụng ở nhiệt độ -20oC(đo ở giỏ trị CFPP tương tự cho cỏch đo của diesel khoỏng). Cả cỏc nhiờn liệu chấp nhận phụ gia phải đảm bảo điều này. Sự kết tinh(tạo parafin) xảy ra trong nhiờn liệu diezel gõy trở ngại cho cỏc đường ống dẫn liệu, quỏ trỡnh bơm phun. Nếu điều này xảy ra thỡ quỏ trỡnh làm sạch là rất cần thiết. Cũn biodiezel chỉ bị đụng đặc khi nhiệt độ tăng, và nú khụng cần thiết phải làm sạch hệ thống nhiờn liệu.
-Giảm lượng khớ thải độc hại và nguy cơ mắc bệnh ung thư: Theo cỏc nghiờn cứu của Bộ năng lượng Mỹ đó hoàn thành tại một trường đại học ở Calionia, sử dụng biodiezel tinh khiết để thay cho diesel khoỏng cú thể giảm 93,6% nguy cơ mắc bệnh ung thư từ khớ thải của diezel, do biodiezel chứa rất ớt cỏc hợp chất thơm, hợp chất lưu huỳnh, và quỏ trỡnh chỏy của biodiezel triệt để hơn nờn giảm được nhiều hydrocacbon trong khớ thải.
-An toàn chỏy nổ: biodizel cú nhiệt độ chớp chỏy trờn 110oC cao hơn so với diezel nờn nú an toàn hơn trong quỏ trỡnh tồn chứa và bảo quản.
*Nhược điểm của biodiezel:
-Giỏ thành cao: Biodiezel được tổng hợp từ dầu thực vật đắt hơn diezel thụng thường.
-Thải ra nhiều NOx: Nếu tỷ lệ pha trộn biodiezel/ diezel cao thỡ lượng khớ này tăng lờn.Tuy nhiờn cũng cú thể giảm lượng khớ này bằng cỏch sử dụng bộ tuần hoàn khớ thải, hoặc nắp hộp xỳc tỏc ở ống xả của động cơ.
-Tớnh chất thời vụ của dầu thực vật: do đú cần phải cú những chiến lược hợp lý nếu muốn sử dụng biodiezel như một nhiờn liệu.
-Tớnh kộm ổn định: do nú dễ bị phõn huỷ
-Quỏ trỡnh sản xuất biodiezel khụng đảm bảo: Khi rửa biodiezel khụng sạch thỡ khi sử dụng vẫn gõy ra cỏc vấn đề ụ nhiễm do vẫn cũn xà phũng, kiềm dư, glyxerin tự do, methanol là những chất gõy ụ nhiễm mạnh.
Biodiezel cú rất nhiều ưu điểm nhưng bờn cạnh đú cũng cú rất nhiều nhược điểm làm giảm giỏ trị sử dụng của nú.Vỡ vậy, để cú thể nõng cao chất lượng sử dụng của biodiezel thỡ chỳng ta phải tỡm ra những giải phỏp tối ưu để cú thể hạn chế những nhược điểm của nú trước khi đưa vào sử dụng. Do đú để đỏnh giỏ chất lượng của biodiezel chỳng ta phải dựa vào cỏc tiờu chuẩn để đỏnh giỏ chất lượng của biodiezel.
Bảng 1.8. Chỉ tiờu đỏnh giỏ chất lượng biodiezel theo ASTM-D6751
STT Chỉ tiờu đỏnh giỏ Giỏ trị
1 Tỷ trọng 0,8-0,9
2 Độ nhớt(40oC,mm2/s) 1,9-6,0
3 Nhiệt độ chớp chỏy,oC Min 130
4 Hàm lượng nước,% thể tớch Max 0.05
5 Glyxerin tự do,% khối lượng Max 0.02
7 Hàm lượng lưu huỳnh,% khối lượng Max 0.05
8 Hàm lượng phốt pho,% khối lượng Max 0.001
9 Chỉ số axit,mg KOH/ g nhiờn liệu Max 0.8
10 Độ ăn mũn đồng(3h/50oC) <No3
11 Trị số xetan >47
12 Cặn cacbon,% khối lượng <0.05
13 Tổng lượng glyxerin,% khối lượng Max 0.24