Tài liệu Đồ án - Sản xuất Biodiesel từ nguyên liệu có nguồn gốc dầu mỡ động thực vật

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHUYÊN NGÀNH SẢN XUẤT BIODIESEL TỪ NGUYÊN LIỆU CÓ NGUỒN GỐC DẦU MỠ ĐỘNG THỰC VẬT SVTH: NGUYỄN ANH KHOA MSSV: 60604190 CBHD: PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Tp. Hồ Chí Minh, 7/2010 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của: Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ Nguyễn Đức Lượng – Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã gợi ý, định hướng đề tài cho tôi. Kỹ sư Huỳnh Nguyễn Anh Khoa – Bộ môn Công nghệ Sinh Học, Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã hướng dẫn dẫn tận tình và giúp tôi một số vấn đề về trình bày đồ án này. Các thầy cô trong bộ môn Công Nghệ Sinh Học đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho chúng tôi học tập. Các bạn cùng lớp HC06BSH – Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã cùng tôi trao đổi, động viên tinh thần lẫn nhau trong thời gian làm đồ án. Xin gởi đến những người kể trên lời cảm ơn chân thành nhất! ii TÓM TẮT Dầu mỡ động thực vật là nguồn nguyên liệu chứa triglyceride được dùng để sản xuất nhiên liệu tái sinh cho các động cơ đốt trong – động cơ diesel. Các vấn đề gặp phải khi dùng dầu mỡ làm nhiên liệu trực tiếp đó là độ nhớt cao, độ bay hơi thấp, hiện tượng cháy không hoàn toàn của nhiên liệu này. Có nhiều phương pháp được sử dụng để làm cho dầu mỡ đạt được các yêu cầu khi sử dụng cho động cơ. Trong đó, phản ứng transester hóa chuyển triglyceride thành mono-alkyl ester của các acid béo mạch dài – biodiesel được sử dụng nhiều nhất ở quy mô công nghiệp. Trong báo cáo này, ta sẽ tìm hiểu về nguồn nguyên liệu, cũng như là các phương pháp chuyển hóa dầu mỡ thành nhiên liệu biodiesel. iii MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................iv DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. v DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................vi CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU............................................................................................. 1 1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu đề tài ................................................................................................ 1 1.3. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 2 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU.................................................................. 3 2.1. Nhiên liệu diesel ............................................................................................. 3 2.2. Nhiên liệu biodiesel và khả năng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch.............. 4 2.2.1. Năng lượng tái sinh và năng lượng không tái sinh .................................. 4 2.2.2. Biodiesel .................................................................................................. 7 2.2.3. Khả năng thay thế của biodiesel cho nhiên liệu hóa thạch ...................... 9 CHƢƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM NGUỒN NGUYÊN LIỆU TRONG SẢN XUẤT BIODIESEL ................................................................................................................. 12 3.1. Dầu thực vật .................................................................................................. 12 3.1.1. Nguồn cung ứng..................................................................................... 12 3.1.2. Thành phần hóa học ............................................................................... 15 3.1.3. Ưu điểm ................................................................................................. 17 3.1.4. Nhược điểm ........................................................................................... 18 3.2. Mỡ động vật .................................................................................................. 19 3.2.1. Nguồn cung ứng..................................................................................... 19 3.2.2. Thành phần hóa học ............................................................................... 20 3.2.3. Ưu điểm ................................................................................................. 21 ii 3.2.4. Nhược điểm ........................................................................................... 22 3.3. Dầu thải chiên rán ......................................................................................... 22 3.3.1. Nguồn cung ứng..................................................................................... 22 3.3.2. Thành phần hóa học ............................................................................... 24 3.3.3. Ưu điểm ................................................................................................. 28 3.3.4. Nhược điểm ........................................................................................... 29 CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BIODIESEL ..................................................................................................... 30 4.1. Các phương pháp chuyển dầu mỡ thành nhiên liệu sử dụng được............... 30 4.1.1. Phương pháp pha loãng ......................................................................... 30 4.1.2. Phương pháp nhiệt phân ........................................................................ 30 4.1.3. Phương pháp tạo vi nhũ tương ............................................................... 34 4.1.4. Phương pháp transester hóa sản xuất biodiesel ..................................... 35 4.2. Giới thiệu một số quy trình công nghệ trong sản xuất biodiesel .................. 48 4.2.1. Transester hóa với xúc tác kiềm ............................................................ 48 4.2.2. Transester hóa với xúc tác acid.............................................................. 50 4.2.3. Transester hóa với enzyme lipase .......................................................... 52 4.2.4. Transester hóa với methanol siêu tới hạn .............................................. 55 CHƢƠNG 5: TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG BIODIESEL ............... 58 5.1. Hiện trạng sản xuất biodiesel ....................................................................... 58 5.2. Tính kinh tế của nhiên liệu biodiesel ............................................................ 60 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................... 63 6.1. Kết luận......................................................................................................... 63 6.2. Kiến nghị ...................................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 65 iii CÁC TỪ VIẾT TẮT CCR EU Conradson carbon residue – Cặn lắng carbon conradson European Union – Liên minh châu Âu FAO Food and Agriculture Organization – Tổ chức Lương Nông của Liên Hiệp Quốc High performance size exclusion chromatography – Sắc ký hiệu HPSEC năng cao phân tách các hợp chất theo kích thước INE Spanish National Institute of Statistics – Viện Khoa Học Thống PBR Kê Tây Ban Nha Packed bed reactor – Thiết bị phản ứng dạng ống phức hợp iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1-Tính chất vật lý của các hợp chất hydrocarbon trong nhiên liệu diesel .......... 4 Bảng 2.2-So sánh tính chất của biodiesel với diesel được giảm thiểu lưu huỳnh ........... 8 Bảng 2.3-Mười quốc gia dẫn đầu về tiềm năng sản xuất biodiesel năm 2006 .............. 11 Bảng 3.1-Sản lượng hạt lấy dầu và lượng dầu thực vật tiêu thụ năm 2009 .................. 14 Bảng 3.2- Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ ................... 16 Bảng 3.3-Thành phần acid béo của một số loại dầu thực vật ........................................ 17 Bảng 3.4- Thành phần acid béo của một số loại mỡ động vật ...................................... 20 Bảng 3.5- So sánh một số tính chất và thành phần acid béo của dầu ăn đã qua sử dụng với một số loại dầu thực vật điển hình ........................................................... 24 Bảng 4.1-Thành phần của các loại dầu sau khi nhiệt phân ........................................... 32 Bảng 4.2-Tính chất nhiên liệu của dầu nành và dầu nành nhiệt phân ........................... 33 Bảng 4.3-Đặc tính của xúc tác SO42-/TiO2-SiO2 ........................................................... 40 Bảng 4.4-Tính chất của methanol ở các điều kiện khác nhau ....................................... 46 Bảng 4.5-Thành phần của các dòng chảy trong hệ thống ............................................. 54 Bảng 4.6-Thành phần của các dòng chảy trong hệ thống ............................................. 57 Bảng 5.1-Ước tính giá cả của biodiesel dựa trên nguồn nguyên liệu............................ 61 v DANH MỤC HÌNH Hình 3.1-Đồ thị sản lượng dầu thực vật được sản xuất và tiêu thụ qua các năm .......... 13 Hình 3.2- Phần trăm khối lượng các loại hạt lấy dầu được sản xuất năm 2009 ............ 14 Hình 3.3- Phần trăm khối lượng tiêu thụ các loại dầu năm 2009 .................................. 14 Hình 3.4- Công thức cấu tạo của triglyceride................................................................ 15 Hình 3.5- Phản ứng giữa các nhóm acyl nội phân tử .................................................... 25 Hình 3.6- Phản ứng tạo vòng từ các nối đôi nội phân tử............................................... 26 Hình 3.7- Sơ đồ phản ứng oxy hóa theo cơ chế gốc tự do ............................................ 26 Hình 3.8- Hai con đường biến đổi của gốc alkoxy........................................................ 27 Hình 4.1-Cơ chế nhiệt phân triglyceride ....................................................................... 32 Hình 4.2- Phản ứng transester hóa của triglyceride với rượu........................................ 36 Hình 4.3-Cơ chế của phản ứng xúc tác kiềm tính ......................................................... 37 Hình 4.4- Phản ứng giữa ester và acid béo tự do với chất xúc tác ................................ 38 Hình 4.5-Cơ chế của phản ứng transester hóa với xúc tác acid .................................... 39 Hình 4.6-Các giai đoạn của phản ứng transester hóa dầu hạt hướng dương với butanol bằng enzyme lipase ........................................................................................ 42 Hình 4.7-Cơ chế xúc tác của enzyme trong phản ứng trasester hóa ............................. 44 Hình 4.8-Giản đồ pha của vật chất theo nhiệt độ và áp suất ......................................... 46 Hình 4.9-Phản ứng transester hóa triglycride với methanol ở điều kiện siêu tới hạn ... 47 Hình 4.10-Cơ chế của phản ứng transester với methanol ở điều kiện siêu tới hạn ....... 47 Hình 4.11-Các bước quan trọng trong sản xuất biodiesel với xúc tác kiềm ................. 49 Hình 4.12-Thiết bị phản ứng liên tục sản xuất biodiesel với xúc tác kiềm ................... 50 Hình 4.13-Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel liên tục với xúc tác rắn ................. 51 Hình 4.14-Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel liên tục với xúc tác lipase ............. 52 Hình 4.15-Quy trình công nghệ sản xuất biodiesel với methanol siêu tới hạn ............. 55 Hình 5.1-Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của EU ............................................ 58 Hình 5.2-Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel của Hoa Kỳ .................................... 59 vi Hình 5.3-Đồ thị sản lượng và trữ lượng biodiesel trên toàn thế giới ............................ 59 Hình 5.4-Tiềm năng sản xuất biodiesel của các nước trên toàn thế giới ...................... 60 Hình 5. 5-Giá thành biodiesel dựa trên nguồn lipid hiện có ở các nước trên thế giới .. 61 vii Chương 1: Mở đầu CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, cùng với việc phát triển quá mức của các ngành công nghiệp và sự bùng nổ dân số, nhu cầu về nhiên liệu sử dụng ngày càng gia tăng. Các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá, khí đốt đang ngày càng cạn kiệt. Việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch có một số nhược điểm như ô nhiễm không khí, gây ra hiệu ứng nhà kính. Đồng thời, khủng hoảng năng lượng đang có chiều hướng ngày một gia tăng. Nên việc tìm một nguồn năng lượng mới để thay thế cho những nguồn năng lượng hóa thạch là hết sức cần thiết. Nguồn sinh khối động vật và thực vật được xem là các nguồn có khả năng tái sinh được, đặc biệt là dầu mỡ động thực vật là nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất ra biodiesel. Nhiên liệu biodiesel là một trong các loại nhiên liệu sinh học, có một số ưu điểm chính như: không độc hại, phân hủy được trong tự nhiên, sản xuất từ nguồn nguyên liệu có thể phục hồi, đạt được các chỉ tiêu về môi trường, và nhiều ưu điểm khác nữa khi ứng dụng cho các động cơ. Hiện nay, nhiên liệu biodiesel đang được chú trọng phát triển. Một số quốc gia đã tiến hành sử dụng biodiesel làm nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu xăng dầu cho các phương tiện và thiết bị có động cơ. Điển hình là ở châu Âu, các quốc gia thuộc khối liên minh EU đã đặt ra mục tiêu là vào năm 2020, tỷ lệ sử dụng nhiên liệu sinh học chiếm 20% trong tổng số nhiên liệu tiêu thụ cho các động cơ [108]. Còn ở Hoa Kỳ, biodiesel được phối trộn với diesel ở tỷ lệ 20% thể tích biodiesel đã được đưa vào sử dụng [108]. Trên thế giới, nguồn sinh khối từ các sinh vật rất dồi dào. Ứng dụng việc trồng trọt các loại thực vật cho tinh dầu để cung cấp nguyên liệu thô cho quá trình sản xuất biodiesel có nhiều tiềm năng lớn và đang được chú trọng phát triển. Hơn nữa, nếu các sản phẩm như dầu mỡ động thực vật, đặc biệt là dầu thải chiên rán từ nấu nướng-thải ra ngoài không qua xử lý thì sẽ dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Với hiện trạng này, việc ứng dụng các phương pháp để chuyển hóa dầu mỡ động thực vật thành nhiên liệu sử dụng được là một trong những vấn đề cấp bách trong công cuộc tìm ra nguồn nhiên liệu mới cho sự phát triển bền vững của nhân loại. 1.2. Mục tiêu đề tài 1 Chương 1: Mở đầu Đồ án này nhằm mục đích khái quát các phương pháp chuyển hóa các acid béo và triglyceride trong dầu mỡ động thực vật thành nhiên liệu biodiesel sử dụng được cho các động cơ. Do đó, mục tiêu đề tài là tập trung vào khảo sát các vấn đề sau: - Tìm hiểu đặc điểm các nguồn nguyên liệu sử dụng cho quá trình sản xuất - biodiesel. Các phương pháp, quy trình được ứng dụng để chuyển dầu thực vật và mỡ động vật thành biodiesel. 1.3. Nội dung nghiên cứu Nội dung của đề tài tập trung vào các hướng sau: - Tìm hiểu thành phần, tính chất, nguồn cung ứng của ba loại nguyên liệu sử dụng trong sản xuất biodiesel: dầu thực vật, mỡ động vật, và dầu thải từ quá trình chiên rán. - Tìm hiểu về các phương pháp trong sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu này. Trong đó tập trung vào phương pháp transester hóa chuyển triglyceride thành alkyl ester của các acid béo. Giới thiệu một số quy trình sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu trên. - 2 Chương 2: Tổng quan tài liệu CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Nhiên liệu diesel Sự phát triển của động cơ đốt trong bắt đầu vào những năm cuối cả thế kỷ 18. Năm 1892, Rudolf Diesel đã phát minh ra động cơ đốt trong có piston. Tuy nhiên, động cơ ban đầu sử dụng nhiên liệu than vụn không thể hoạt động được. Dầu thô được khám phá ra ở Pennsylvania 30 năm trước đó. Sản phẩm tinh lọc đầu tiên từ dầu thô chính là dầu thắp sáng-kerosene. Rudolph Diesel nhận ra rằng các sản phẩm từ quá trình tinh lọc dầu có thể sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ thay vì sử dụng than vụn. Sự sống của động cơ diesel bắt đầu vào năm 1893 khi Rudolph Diesel viết bài báo ―Lý thuyết và cấu trúc của động cơ nhiệt‖. Đây được xem như là một cuộc cách mạng về lĩnh vực động cơ, không khí được nén bằng một piston tới áp suất cao nhờ vào nhiệt độ cao. Rudolf Diesel đã thiết kế một động cơ diesel chạy với dầu lạc tại một cuộc triển lãm tại Paris năm 1900 [78]. Do áp suất cao được tạo thành nên động cơ có khả năng hoạt động với nhiều loại dầu thực vật khác nhau. Năm 1911, tại hội chợ thế giới tổ chức ở Paris, Rudolph Diesel đã vận hành động cơ của ông bằng dầu lạc và ông đã phát biểu rằng động cơ diesel có thể chạy được bằng dầu thực vật và giúp tạo ra sự phát triển trong ngành nông nghiệp ở các nước sử dụng loại nhiên liệu này. Tuy nhiên, do việc sản xuất các loại dầu thực vật tốn nhiều chi phí, nên nhiên liệu sử dụng cho động cơ chủ yếu là từ quá trình lọc dầu. Ngày nay, động cơ diesel được sử dụng rộng rãi trong giao thông, sản xuất, phát điện, xây dựng, nông nghiệp. Nhiên liệu diesel là hỗn hợp của hàng ngàn các thành phần, hầu hết đều có số carbon từ 10 đến 22. Hầu hết các hợp chất này là các hydrocarbon như paraffinic, naphthenic, hoặc các hydrocarbon thơm (Bảng 2.1). Tỷ lệ các thành phần của một nhiên liệu diesel tạo nên những tính chất riêng biệt cho nhiên liệu diesel đó. Nhiên liệu diesel được sản xuất từ dầu thô. Dầu thô phải trải qua quá trình chế biến để chuyển thành các loại nhiên liệu khác nhau như xăng dầu, khí đốt, diesel cùng một số sản phẩm phụ khác như dầu bôi trơn, sáp, nhựa đường,… Các nhà máy lọc dầu kết hợp nhiều quy trình khác nhau để tinh lọc dầu, cơ bản có ba quy trình cơ bản là: phân tách bằng chưng cất, tách các tạp chất của dầu bằng hydro, cracking các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn. 3 Chương 2: Tổng quan tài liệu Bảng 2.1-Tính chất vật lý của các hợp chất hydrocarbon trong nhiên liệu diesel [25] Hợp chất Công thức Phân loại Điểm sôi, O hóa học Điểm đông C/OF đặc, OC/OF Naphthalene C10H8 Thơm 218/424 80/176 Tetralin C10H12 Thơm 208/406 -35/-31 cis-Decalin C10H18 Naphthene 196/385 -43/-45 1,3-Diethylbenzene C10H14 Thơm 181/358 -84/-119 n-Butylcyclohexane C10H20 Naphthene 181/358 -75/-103 n-Pentylcyclopentane C10H20 Naphthene 181/358 -83/-117 Decane C10H22 n-Paraffin 174/345 -30/-22 Anthracene C14H10 Thơm 341/646 215/419 1-Pentylnaphthalene C15H18 Thơm 306/583 -24/-11 n-Nonylcyclohexane C15H30 Naphthene 282/540 -10/14 n-Decylcyclopentane C15H30 Naphthene 279/534 -22/-8 n-Pentadecane C15H32 n-Paraffin 271/520 10/50 2-Methyltetradecane C15H32 Isoparaffin 265/509 -8/18 1-Decylnaphthalene C20H28 Thơm 379/714 15/59 n-Tetradecylbenzene C20H34 Thơm 354/669 16/61 n-Tetradecylcyclohexane C20H40 Naphthene 354/669 25/77 n-Pentadecylcyclopentane C20H40 Naphthene 353/667 17/63 Eicosane C20H42 n-Paraffin 344/651 36/97 2-Methylnonadecane C20H42 Isoparaffin 339/642 18/64 2.2. Nhiên liệu biodiesel và khả năng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch 2.2.1. Năng lƣợng tái sinh và năng lƣợng không tái sinh Năng lượng không tái sinh: là năng lượng từ những nguồn trong tự nhiên không thể tự phục hồi lại được sau khi sử dụng, hoặc mức độ phục hồi chậm hơn rất nhiều so với mức độ tiêu thụ. Hiện nay, nguồn năng lượng con người sử dụng chủ yếu là năng lượng không tái sinh bởi vì có giá thành rẻ hơn các nguồn năng lượng 4 Chương 2: Tổng quan tài liệu khác. Tuy nhiên, việc sử dụng quá mức đã làm cho các nguồn năng lượng này đang dần cạn kiệt, đe dọa đến sự phát triển của nền văn minh nhân loại. Có hai dạng nguồn năng lượng không tái sinh chính, đó là: - Nhiên liệu hóa thạch: quá trình hình thành trong tự nhiên của than, dầu mỏ, khí thiên nhiên trải qua nhiều thời kỳ. Các nguồn này là sản phẩm của sự nén và nóng lên của các vật chất hữu cơ qua các thời kỳ địa chất. Các sản phẩm của quá trình phân rã xác các sinh vật trộn với bùn và bị chôn sâu dưới các lớp trầm tích. Trải qua hàng thiên niên kỷ, chúng hình thành nên các mỏ than, giếng dầu và các khí thiên nhiên dưới lòng đất. Các mỏ than, giếng dầu nằm rải rác khắp nơi trên thế giới, trữ lượng tùy thuộc vào quá trình hình thành địa chất ở các vùng đó. Các nước có trữ lượng dầu mỏ nhiều như Ả Rập Saudi, Iran, Iraq, Venezuela, Nga, Mỹ, … Còn các mỏ than thì phân bố nhiều ở các nước thuộc bắc bán cầu như Trung Quốc, Nga, Mỹ, Canada, … Ở Việt Nam, cũng có một số nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ ở các bể trầm tích Trường Sa, Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay-Thổ Chu, Sông Hồng, Phú Khánh, Hoàng Sa; còn mỏ than lớn nhất ở nước ta ở Quảng Ninh. - Năng lượng hạt nhân: người ta sử dụng các công nghệ hạt nhân để tách năng lượng hữu ích từ các hạt nhân trong các lò phản ứng. Các phương pháp sử dụng trong các lò phản ứng là phân hạch hạt nhân, tổng hợp hạt nhân, và phân rã phóng xạ. Nhiên liệu sử dụng nhiều nhất cho các phản ứng hạt nhân là các đồng vị phóng xạ của uranium. Các chất thải từ các phản ứng hạt nhân rất độc hại trừ khi chúng phân hủy hoặc được xử lý, quá trình phân rã các đồng vị phóng xạ có thể từ vài năm đến vài chục năm, thậm chí vài ngàn năm tùy theo các chất thải. Các quốc gia phát triển mạnh về năng lượng hạt nhân là Hoa Kỳ, Anh, Pháp, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, … Năng lượng từ các lò phản ứng hạt nhân có thể được chuyển thành điện năng hòa vào lưới điện chung. Nhìn chung, sử dụng nguồn năng lượng này có thể làm giảm phát thải khí nhà kính và các kim loại nặng so với việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, vẫn có nhiều chỉ trích cho rằng năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng chứa đựng nhiều nguy hiểm tiềm tàng do phải đòi hỏi công nghệ cao trong việc lưu giữ chất phóng xạ và các chất thải gây ô nhiễm. 5 Chương 2: Tổng quan tài liệu Năng lượng tái sinh: là năng lượng từ những nguồn mà được xem là vô hạn. Được hiểu là nguồn năng lượng này nhiều đến mức không thể can kiệt khi con người tiêu thụ, hoặc hiểu xa hơn là các nguồn có thể tái tạo lại được một lượng đáng kể so với lượng tiêu thụ. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường để phục vụ cho các mục đích của con người. Sau đây là một số nguồn năng lượng tái sinh phổ biến: - Năng lượng Mặt Trời: năng lượng từ mặt trời được xem như là nhân tố cực kỳ quan trọng cho sự sống trên hành tinh của chúng ta. Trái Đất sẽ tiếp tục nhận được năng lượng này cho đến khi các phản ứng hạt nhân trên mặt trời kết thúc. Nếu tính theo thời gian, thì Mặt Trời là một nguồn cung cấp năng lượng vô tận cho loài người, ta có thể thu trực tiếp năng lượng từ các photon - để chuyển hóa thành điện năng bằng hiệu ứng quang điện, hấp thụ các photon để chuyển hóa năng lượng của chúng thành nhiệt năng ứng dụng làm bình đun sôi nước, vận hành các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, và vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng gió: sử dụng các dòng chuyển động của không khí trong tự nhiên để vận hành các thiết bị như cối xay gió, turbin phát điện. Những nơi - - - thích hợp đặt các thiết bị biến đổi năng lượng gió thành dạng sử dụng được thường là các vùng cao, hoặc xa bờ. Năng lượng gió là một nguồn năng lượng tái sinh, không tạo ra các khí nhà kính trong suốt quá trình sử dụng. Năng lượng thủy triều: trường hấp dẫn của Mặt Trăng lên Trái Đất là nhân tố gây ra hiện tượng thủy triều. Người ta ứng dụng dòng chảy của sông, suối, thác để vận hành các cối xay, turbin phát điện. Thủy năng hiện là năng lượng tái sinh được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Mặc dù việc xây dựng các trạm phát điện có thể làm thay đổi dòng chảy của sông suối, nhưng điện năng từ các trạm thủy điện đã mang lại những lợi ích to lớn cho cho sự phát triển của con người trong thời gian qua. Năng lượng địa nhiệt: nhiệt năng của Trái Đất là năng lượng có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng đất. Con người tận dùng nguồn năng lượng này để chuyển hóa thành dạng năng lượng khác như điện địa nhiệt. Năng lượng từ sinh khối: là một trong những nguồn được con người khai thác và sử dụng từ rất lâu. Năng lượng từ sinh khối được con người sử dụng trực tiếp không qua biến đổi chủ yếu là sinh khối thực vật như gỗ, phụ phẩm 6 Chương 2: Tổng quan tài liệu cây trồng như rơm rạ, trấu, bã mía, … Ngoài ra sinh khối thực vật còn có thể được chuyển hóa thành nhiên liệu sinh học như bioethanol, biodiesel từ hai nguồn chủ yếu sau [48]:  Các sản phẩm từ ngành nông nghiệp như dầu thực vật, đường hoặc tinh bột.  Các sản phẩm có chứa lignocellulose, và các phụ phẩm như rơm rạ, bã mía, … Nhìn chung sinh khối có thể phục hồi trong thời gian ngắn. Các phụ phẩm từ ngành ngành nông-lâm nghiệp có tiềm năng cung cấp nguồn nguyên liệu để sử dụng trực tiếp hoặc để sản xuất các loại nhiên liệu sinh học khác nhau. Cho nên, theo quy chuẩn của con người thì sinh khối là một nguồn có khả năng tái sinh tương đối cao. 2.2.2. Biodiesel Biodiesel là chất lỏng có màu vàng hổ phách, được định nghĩa là các monoalkyl ester của các acid béo mạch dài từ các nguồn nguyên liệu có thể tái sinh được như các loại dầu thực vật, mỡ động vật, … Dầu thực vật và mỡ động vật là các nguồn chứa các acid béo-có mạch hydrocarbon khác nhau, liên kết với phân tử glycerol bằng liên kết ester. Việc sử dụng trực tiếp dầu mỡ làm nhiên liệu cho động cơ gặp phải một số vấn đề như độ nhớt cao của nhiên liệu (cao hơn từ 11-17 lần so với nhiên liệu diesel thông thường), cộng thêm vào đó là độ bay hơi của dầu mỡ rất thấp nên chúng khó cháy hoàn toàn và hình thành nên muội bám vào vòi phun của động cơ [29]. Độ nhớt của một nhiên liệu tùy thuộc vào độ dài phân tử của các chất, độ bất bão hòa của các phân tử. Độ nhớt cao gây ra một số bất ổn cho động cơ như quá trình phun nhiên liệu không đều đặc, đặc biệt là khi ở nhiệt độ thấp làm cho động cơ hoạt động không ổn định. Có bốn phương pháp trong hóa học được sử dụng để giải quyết các vấn đề về độ nhớt cao của các triglyceride [30]. - Pha loãng 25 phần dầu mỡ với 75 phần nhiên liệu diesel. - Vi nhũ tương hóa với các rượu mạch ngắn như methanol và ethanol. - Nhiệt phân (cracking nhiệt), tạo ra alkane, alkene, acid carboxylic và các hợp chất thơm. Bao gồm cả cracking sử dụng chất xúc tác, tạo ra alkane, alkene, cycloalkane và alkylbenzene. - Transester hóa: được sử dụng thông dụng nhất để chuyển dầu mỡ động thực vật thành nhiên liệu biodiesel-hỗn hợp các alkyl ester của các acid béo để có 7 Chương 2: Tổng quan tài liệu thể sử dụng được cho động cơ. Transester hóa là phản ứng chuyển hóa ester bằng cách phân cắt phân tử triglyceride, lấy đi phân tử glycerol và thay thế bằng nhóm chức alkyl của rượu. Các loại chất xúc tác sử dụng cho phản ứng transester hóa là xúc tác kiềm (NaOH, KOH, NaOCH3, …), xúc tác acid (H2SO4, HCl, …), và xúc tác bằng enzyme lipase [56]. Rượu thường được sử dụng là methanol, sản phẩm tạo thành là các methyl ester của acid béo với chiều dài của mạch alkyl từ 12 đến 22 nguyên từ carbon. Nước, chất xúc tác, triglyceride và rượu dư, cùng với phụ phẩm là glycerin phải được loại ra khỏi hỗn hợp sau phản ứng để thu được nhiên liệu biodiesel. Glycerin được tinh sạch là một sản phẩm có giá trị trong các ngành công nghiệp mỹ phẩm, thực phẩm, và nhiều ngành công nghiệp khác. Transester hóa được xem là lựa chọn tốt nhất để chuyển hóa dầu mỡ động thực vật thành nhiên liệu sử dụng được (biodiesel) vì các ưu điểm chính sau đây: - Các tính chất của alkyl ester rất giống với tính chất vật lý của nhiên liệu diesel, hơn nữa, methyl hoặc ethyl ester của các acid béo có thể cháy trực tiếp trong các động cơ diesel thông thường mà không yêu cầu phải cải tiến động cơ, và không hình thành cặn lắng [13]. - Quy trình thực hiện cũng tương đối đơn giản, nên dễ dàng áp dụng vào sản xuất trong công nghiệp [96]. Tạo ra phụ phẩm glycerol có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp [71, 97]. - Bảng 2.2-So sánh tính chất của biodiesel với diesel được giảm thiểu lưu huỳnh [25] Biodiesel Diesel giảm thiểu lưu huỳnh (Ultra-low sulfur diesel) Điểm bốc cháy, OC 130 60 Chỉ số cetane 55 44 Lưu huỳnh, ppm <15 15 Khối lượng riêng tương đối, 15 OC 0.88 0.85 Độ nhớt động học ở 40 OC, mm2/s 6.0 2.6 40600 42700 Tính chất Nhiệt trị, kJ/kg 8 Chương 2: Tổng quan tài liệu Biodiesel có tính chất hóa học và tính chất vật lý tương tự như của nhiên liệu diesel. Bảng 2.2 so sánh một số tính chất cơ bản của biodiesel với nhiên liệu diesel thông thường đã được giảm thiểu lưu huỳnh. 2.2.3. Khả năng thay thế của biodiesel cho nhiên liệu hóa thạch Ngoại trừ các nguồn năng lượng như thủy điện và năng lượng hạt nhân, thì phần lớn năng lượng tiêu thụ trên thế giới là từ dầu mỏ, các loại than và khí thiên nhiên. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này là giới hạn, và đang dần cạn kiệt trong một tương lai gần. Vì vậy, tìm kiếm một nguồn năng lượng thay thế là một vấn đề hết sức cần thiết. Có rất nhiều nguồn năng lượng tái sinh có thể đưa vào sử dụng như bioethanol, biopropanol, biobutanol, biogas, biodiesel, … đã và đang được nghiên cứu phát triển để giải quyết một phần sự thiếu hụt về năng lượng và vấn nạn ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên khi đưa vào sử dụng thì một số nhiên liệu yêu cầu các động cơ được thiết kế riêng, hoặc các động cơ đã được cải tiến cho phù hợp. Việc đổi mới hoặc cải tiến động cơ là một thách thức lớn khi đưa một nhiên liệu mới vào sử dụng đại trà. Trong số các nhiên liệu tái sinh vừa kể trên thì biodiesel là có tiềm năng ứng dụng rộng rãi nhất trong tình hình hiện nay. Bởi vì biodiesel có nhiều ưu điểm khi sử dụng cho các phương tiện vận chuyển và máy móc như tính thân thiện với môi trường, dễ dàng phân giải trong tự nhiên, không chứa lưu huỳnh và các hợp chất hydrocarbon thơm. Nên nhiên liệu này là một giải pháp cho việc giảm thiểu hàm lượng các chất bụi mà độc hại của khí thải. Và đặc biệt nhất là biodiesel có thể đưa vào sử dụng cho các động cơ đốt trong-mà trước đây chỉ được thiết kế cho sử dụng nhiên liệu diesel [13]. Chính ưu điểm này đã làm cho biodiesel là một nhiên liệu có tiềm năng lớn, và đang được chú trọng phát triển trong tình hình hiện nay. Biodiesel có một vài ưu điểm vượt trội so với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ như: - Được sản xuất từ nguồn nguyên liệu tái sinh là dầu mỡ động thực vật, đặc - biệt tái sử dụng được nguồn dầu thải chiên rán từ quá trình nấu ăn giúp giảm thiểu được lượng dầu thải gây ô nhiễm môi trường. Nguồn năng lượng tái sinh là một yếu tố cực kỳ quan trọng vì người ta ước tính với mức tiêu thụ như hiện nay thì nguồn nhiên liệu từ dầu mỏ sẽ cạn kiệt trong khoảng 50 năm nữa [98]. Do có nguồn gốc từ dầu mỡ động thực vật nên biodiesel không chứa các chất độc hại như lưu huỳnh, các kim loại nặng. Nên đây là một loại nhiên 9 Chương 2: Tổng quan tài liệu liệu không độc hại, giúp giảm thiểu được hàm lượng các chất thải dạng hạt bụi và các khí độc trong khí thải. - Biodiesel dễ dàng phân hủy khi thất thoát ra môi trường, nên không gây thiệt hại nhiều đến môi trường như các vụ tràn dầu trên biển trong thời gian vừa qua. So sánh một số tính chất của biodiesel với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ [29]. - Hàm lượng lưu huỳnh của biodiesel chỉ bằng 20-50% so với diesel. - Khối lượng riêng của biodiesel cao hơn, nhiệt cháy thấp hơn, độ nhớt cao hơn 1.3 đến 2.1 lần so với nhiên liệu diesel. - Nhiệt độ cháy của biodiesel trong khoảng 423 K, trong khi của diesel là vào khoảng 337 K. Nhiệt độ đông đặc của biodiesel thấp hơn diesel 274 đến 298 K tùy thuộc - vào từng loại nguyên liệu. Nhiên liệu biodiesel gây ra lượng muội than bám vào vòi phun cao hơn so với diesel. Chứa các mạch hydrocarbon chưa bão hòa nên dễ bị oxy hóa thành các hợp chất khác, làm cho quá trình bảo quản nhiên liệu biodiesel không được lâu. Một vài tính chất của biodiesel cần được cải thiện để có thể sử dụng được ở dạng nguyên chất không cần phối trộn với các loại nhiên liệu khác như là: tăng giá trị nhiệt cháy, giảm thiểu phát thải các khí NOx, và tăng khả năng chống oxy hóa để ngăn chặn nhiên liệu không bị hư hỏng. Hiện nay biodiesel được sử dụng thích hợp khi pha trộn với diesel theo tỷ lệ thể tích 20 biodiesel:80 diesel, hỗn hợp này được gọi là B20 [95]. Biodiesel đã được sử dụng ở một số quốc gia như Hoa Kỳ, Malaysia, Indonesia, Brazil, Đức, Pháp, Ý và các quốc gia khác ở châu Âu. Tuy nhiên, tiềm năng sản xuất và ứng dụng của nhiên liệu này còn nhiều hơn nữa. Bảng 2.3 cho thấy 10 quốc gia có tiềm năng lớn trong sản xuất biodiesel với Malaysia là nước dẫn đầu. Nguồn nguyên liệu có khả năng để phát triển sản xuất biodiesel của các quốc gia này có 28% dầu nành, 22% dầu cọ, 20% mỡ động vật, 11% dầu dừa, và các loại dầu hạt cải, dầu hạt hướng dương và dầu oliu chỉ chiếm 5% [59]. Tuy nhiên ngày nay biodiesel cần phải tốn nhiều chi phí để sản xuất, giá thành cao là một trong những hạn chế làm cho nhiên liệu này không được sử dụng phổ biến. Sản lượng diesel từ dầu mỡ động thực vật hiện nay không đủ để thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch, mà chỉ thay thế được một phần khi được sử dụng phối hợp với nhau. Hơn nữa việc sử dụng dầu thực vật để sản xuất biodiesel sẽ tạo nên 10 Chương 2: Tổng quan tài liệu sự cạnh tranh nguồn nguyên liệu đối với ngành thực phẩm. Việc sử dụng dầu thải từ nấu ăn làm nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel, và ứng dụng các phụ phẩm trong quá trình sản xuất như glycerol là các hướng tích cực trong nỗ lực làm giảm chi phí sản xuất. Bảng 2.3-Mười quốc gia dẫn đầu về tiềm năng sản xuất biodiesel năm 2006 [59] Xếp hạng Quốc gia Tiềm năng (l) Chi phí (USD/l)a 1 Malaysia 14,540,000,000 0.53 2 Indonesia 7,595,000,000 0.49 3 Argentina 5,255,000,000 0.62 4 Hoa Kỳ 3,212,000,000 0.70 5 Brazil 2,567,000,000 0.62 6 Hà Lan 2,496,000,000 0.75 7 Đức 2,024,000,000 0.79 8 Philipines 1,234,000,000 0.53 9 Bỉ 1,213,000,000 0.78 10 Tây Ban Nha 1,073,000,000 1.71 Giá trung bình tính trên một lít nhiên liệu, được tính trên tất cả giá các nguồn nguyên liệu, cộng thêm 0.12$ chi phí tinh sạch, khấu trừ 0.04$ lợi nhuận từ việc tiêu thụ phụ phẩm. a Chi phí cao mà một trong những vấn đề cần cải thiện để làm cho nhiên liệu biodiesel được sử dụng phổ biến hơn. Hass và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu sự phụ thuộc của chi phí sản xuất và giá cả của nguồn nguyên liệu [53]. Kết quả cho thấy là chi phí sản xuất tăng lên 0.02 USD/l khi giá dầu nguyên liệu tăng 0.022 USD/kg. Điều này có nghĩa là mối quan hệ giữa nguồn nguyên liệu và sản phẩm là theo tỷ lệ 1:1. Hiện nay phần lớn biodiesel được sản xuất từ dầu thực vật-điển hình nhất là dầu nành, và giá của nhiên liệu này cao hơn từ 1.5-3.0 lần so với nhiên liệu diesel thông thường [32]. Các loại dầu thực vật như dầu nành có giá rất cao do được sử dụng trong ngành thực phẩm, vì thế giải pháp là tìm cách để sử dụng các nguồn nguyên liệu khác như dầu thải chiên rán, mỡ động vật, hoặc các loại dầu thực vật không ăn được. 11