Đề tài Tổng hợp dầu diesel sinh học (biodiesel) từ dầu ăn đã qua sử dụng

Lời cám ơn LỜI CÁM ƠN --˜{™-- Em xin chân thành cám ơn cô Bùi Thị Bửu Huê đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, truyền đạt kiến thức và kinh nghiệm quý báu giúp em hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp này. Em cũng xin gửi lời cám ơn thầy Phan Thế Duy, các quí thầy cô của Bộ Môn Hóa – Khoa Khoa Học và Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học – Khoa Công Nghệ của trường Đại Học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt tiến trình thí nghiệm. Cuối cùng, em kính gửi lời cám ơn đến gia đình là chỗ dựa tinh thần luôn giúp em vượt qua những lúc khó khăn nhất. Xin chân thành cám ơn! Tóm lược  TÓM LƯỢC --˜{™-- Với mục tiêu giảm dần sự phụ thuộc vào nguồn dầu mỏ thế giới, thời gian gần đây, một số đơn vị trong nước đã bắt tay vào nghiên cứu và cho ra đời một loại công nghệ mới - công nghệ sản xuất dầu biodiesel (dầu diesel sinh học) từ mỡ động vật và dầu thực vật. Đặc biệt, do biodiesel cũng được sản xuất từ dầu mỡ phế thải nên đây cũng được coi là một nguồn năng lượng tái tạo. Theo tính toán của Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM, hàng năm, lượng dầu ăn phế thải từ hệ thống nhà hàng, khách sạn, nhà máy chế biến thực phẩm ở TP.HCM và khu vực phụ cận có thể đến vài chục nghìn tấn. Nếu được tận dụng như một nguồn nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất dầu diesel sinh học thì sẽ mang lại hiệu quả lớn. So sánh lượng khí thải giữa biodiesel và diesel cho thấy, lượng hydrocarbon trong khí thải động cơ sử dụng biodiesel giảm 65%, CO2 giảm 35%, các hạt khói bụi giảm gần 40%. Với giá thu mua dầu ăn phế thải từ các nhà hàng, khách sạn, nhà máy sản xuất mì ăn liền... khoảng 2.000 - 3.000 đồng/lít, dầu biodiesel có thể được sản xuất với giá 6.000 - 7.000 đồng/lít. Đây là mức giá có thể cạnh tranh với giá bán dầu diesel trên thị trường hiện nay (7.900 đồng/lít). Với đề tài “Tổng Hợp Dầu Diesel Sinh Học (Biodiesel) Từ Dầu Ăn Đã Qua Sử Dụng”, luận văn này sẽ trình bày phương pháp tổng hợp biodiesel bằng phản ứng transester hóa tương ứng với bốn hệ xúc tác: · Hệ xúc tác KOH/CH3OH · Hệ xúc tác NaOH/CH3OH · Hệ xúc tác KOH/C2H5OH&CH3OH · Hệ xúc tác NaOH/C2H5OH&CH3OH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM KHOA KHOA HỌC Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BỘ MÔN HOÁ HỌC ----------- Cần Thơ, ngày tháng năm 2007 PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NĂM HỌC: 2006 – 2007 1. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS. Bùi Thị Bửu Huê Thầy Phan Thế Duy 2. Tên đề tài : TỔNG HỢP DẦU DIESEL SINH HỌC (BIODIESEL) TỪ DẦU ĂN Đà QUA SỬ DỤNG 3. Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm Công Nghệ Hoá - Bộ Môn Công Nghệ Hoá Học – Khoa Công Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ. 4. Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hoàng Ly MSSV:2033447 5. Mục đích của đề tài : Biodiesel còn được gọi diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ, mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Biodiesel, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng sạch, về phương diện hóa học thì diesel sinh học là methyl, ethyl ester của những acid béo. Mặt khác chúng không độc và dễ phân giải trong tự nhiên. Biodiesel được biết tới như nguồn năng lượng xanh, sạch chống lại ô nhiễm môi trường mà từ lâu các nhà khoa học đã nghiên cứu, và nhất là trong lúc giá dầu đang ở mức cao thì việc tận dụng nguồn dầu ăn đã qua sử dụng để sản xuất biodiesel cũng là một giải pháp hiệu quả. Bởi vì, hàng năm lượng dầu ăn phế thải từ hệ thống nhà hàng, khách sạn, nhà máy chế biến thực phẩm ở TP.HCM và khu vực phụ cận có thể đến vài chục nghìn tấn. Nếu được tận dụng như một nguồn nguyên liệu rẻ tiền để sản xuất dầu diesel sinh học thì sẽ mang lại hiệu quả kinh tế. 6. Nội dung chính Nghiên cứu quy trình tổng hợp tối ưu dầu diesel sinh học từ nguồn nguyên liệu dầu ăn đã qua sử dụng. CH2 CH CH2 OCOR OCOR OCOR  xt 3R'OH  RCOOR' CH2 OH CH OH CH2 OH R=Alkyl group, C6-C20 R’= CH3, C2H5 Used vegetable oil Biodiesel Glycerol Phản ứng được thực hiện với 4 hệ xúc tác khác nhau: · Hệ xúc tác KOH/CH3OH · Hệ xúc tác NaOH/CH3OH · Hệ xúc tác KOH/C2H5OH&CH3OH · Hệ xúc tác NaOH/C2H5OH&CH3OH Ứng với mỗi hệ sẽ khảo sát các điều kiện tối ưu: · Lượng xúc tác base · Lượng dung môi alcohol · Thời gian phản ứng 7. Các yêu cầu hỗ trợ: yêu cầu hỗ trợ về kinh phí, hoá chất và dụng cụ thí nghiệm. 8. Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài (dự trù chi tiết đính kèm): 500.000 đồng. DUYỆT CỦA BỘ MÔN ĐỀ NGHỊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG THI & XÉT TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC Độc lập - Tự do- Hạnh phúc BỘ MÔN HOÁ ------ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1. Cán bộ hướng dẫn: TS. Bùi Thị Bửu Huê và Thầy Phan Thế Duy 2. Đề tài: TỔNG HỢP DẦU DIESEL SINH HỌC (BIODIESEL) TỪ DẦU ĂN Đà QUA SỬ DỤNG 3. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Ly - MSSV: 2033447 - Lớp: Cử nhân hóa học - Khóa 29 4. Nội dung nhận xét: a. Nhận xét về hình thức LVTN: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... b. Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ): § Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... § Những vấn đề còn hạn chế: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... c. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có): ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... d. Kết luận, đề nghị và điểm: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... Cần Thơ, ngày tháng năm 2006 Cán bộ hướng dẫn TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BỘ MÔN HOÁ Ð---&---Ñ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1. Cán bộ chấm phản biện: ...................................................................... 2. Đề tài: TỔNG HỢP DẦU DIESEL SINH HỌC (BIODIESEL) TỪ DẦU ĂN Đà QUA SỬ DỤNG 3. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Ly - MSSV: 2033447 - Lớp: Cử nhân hóa học - Khóa 29 4. Nội dung nhận xét: a. Nhận xét về hình thức LVTN: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... b. Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ): § Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... § Những vấn đề còn hạn chế: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... c. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có): ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... SV: Nguyễn Hoàng Ly vii ....................................................................................................................................... d. Kết luận, đề nghị và điểm: ....................................................................................................................................... Cần Thơ, ngày tháng năm 2007. Cán bộ phản biện MỤC LỤC --˜{™-- LỜI CÁM ƠN ..........................................................................................................i TÓM LƯỢC .......................................................................................................... ii PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ..................................... iii NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN..............................v NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN .............................. vii MỤC LỤC .............................................................................................................ix DANH SÁCH HÌNH VÀ SƠ ĐỒ ....................................................................... xii Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................1 1.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................2 Chương 2. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU ............................................................3 2.1. Dầu diesel sinh học (Biodiesel) ..........................................................3 2.1.1. Sơ lược về biodiesel.....................................................................3 2.1.2. Sản xuất biodiesel ........................................................................4 2.1.3. Ưu điểm đối với môi trường ........................................................5 2.1.4. Các vấn đề khi sử dụng biodiesel ................................................6 2.1.5. Tiêu chuẩn chất lượng dầu diesel sinh học..................................8 2.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng biodiesel ngoài và trong nước.....12 2.2.1. Ngoài nước ................................................................................12 2.2.2. Trong nước ................................................................................13 2.3. Lipid ..................................................................................................15 2.3.1. Phân loại lipid ............................................................................15 2.3.2. Tính chất chung của lipid ..........................................................17 2.3.2.1. Tính chất vật lý .....................................................................17 2.3.2.2. Tính chất hóa học ..................................................................17 2.3.2.2.1. Phản ứng thủy phân và xà phòng hóa ............................17 2.3.2.2.2. Phản ứng cộng hydro .....................................................18 2.3.2.2.3. Phản ứng oxy hóa...........................................................18 2.3.3. Các acid béo...............................................................................19 2.3.3.1. Gọi tên và phân loại ..............................................................19 2.3.3.2. Acid béo no ...........................................................................20 2.3.3.3. Acid béo không no ................................................................21 2.3.4. Gia nhiệt dầu mỡ........................................................................21 2.3.4.1. Quá trình tự oxy hóa khi gia nhiệt dầu mỡ ..........................23 2.3.4.2. Phản ứng isomer hóa .............................................................24 2.3.4.3. Quá trình polymer hóa ..........................................................25 2.4. Sản xuất biodiesel từ dầu thực vật, mỡ động vật ..............................26 2.4.1. Xúc tác cho phản ứng transester hóa .........................................28 2.4.2. Cơ chế phản ứng transester hóa dưới tác dụng của xúc tác kiềm 30 2.5. Kỹ thuật đánh giá chất lượng nguyên liệu ........................................33 2.5.1. Chỉ số acid (IA) .........................................................................33 2.5.2. Chỉ số xà phòng (IS) ..................................................................34 2.5.3. Chỉ số iod (CI)............................................................................35 2.6. Kỹ thuật đánh giá các chỉ tiêu hóa lý của sản phẩm dầu diesel sinh học 36 2.6.1. Chỉ tiêu hóa lý............................................................................36 2.6.1.1. Độ nhớt..................................................................................36 2.6.1.2. Mức độ bốc hơi .....................................................................36 2.6.1.3. Hàm lượng nước lẫn vào nhiên liệu ......................................37 2.6.1.4. Độ pH ....................................................................................37 2.6.2. Thành phần hóa học của dầu diesel sinh học ............................37 Chương 3. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........38 3.1. Phương tiện nghiên cứu ....................................................................38 3.1.1. Dụng cụ - thiết bị .......................................................................38 3.1.2. Hóa chất .....................................................................................38 3.1.3. Nguyên liệu................................................................................39 3.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................39 3.2.1. Xử lí sơ bộ nguyên liệu..............................................................39 3.2.2. Đánh giá chất lượng nguyên liệu ...............................................40 3.2.3. Qui trình điều chế biodiesel từ dầu ăn đã qua sử dụng..............41 3.2.4. Bố trí thí nghiệm ........................................................................42 3.2.4.1. Khảo sát điều kiện tối ưu cho phản ứng transester hóa trong qui trình một bước ................................................................................42 3.2.4.2. Quá trình ester hóa và transester hóa trong qui trình hai bước 45 3.2.5. Đánh giá chất lượng sản phẩm biodiesel ...................................45 Chương 4. KẾT QUẢ -THẢO LUẬN ........................................................47 4.1. Phân tích thành phần hóa học của biodiesel .....................................47 4.2. Khảo sát điều kiện tối ưu cho phản ứng transester hoá trong qui trình một bước .......................................................................................................49 4.2.1. Hệ xúc tác KOH/CH3OH...........................................................49 4.2.1.1. Khảo sát lượng xúc tác KOH ................................................49 4.2.1.2. Khảo sát lượng CH3OH.........................................................50 4.2.1.3. Khảo sát thời gian phản ứng .................................................51 4.2.2. Hệ xúc tác NaOH/CH3OH .........................................................54 4.2.2.1. Khảo sát lượng xúc tác NaOH ..............................................54 4.2.2.2. Khảo sát lượng CH3OH.........................................................55 4.2.2.3. Khảo sát thời gian phản ứng .................................................56 4.2.3. Hệ xúc tác KOH/C2H5OH&CH3OH..........................................59 4.2.3.1. Khảo sát lượng xúc tác KOH ................................................59 4.2.3.2. Khảo sát lượng C2H5OH&CH3OH .......................................60 4.2.3.3. Khảo sát thời gian phản ứng .................................................62 4.2.4. Hệ xúc tác NaOH/C2H5OH&CH3OH ........................................64 4.2.4.1. Khảo sát lượng xúc tác NaOH ..............................................64 4.2.4.2. Khảo sát lượng C2H5OH&CH3OH .......................................65 4.2.4.3. Khảo sát thời gian phản ứng .................................................67 4.3. Quá trình ester hoá và transester hoá trong qui trình hai bước.........69 Chương 5. KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ ............................................................71 5.1. Kết luận .............................................................................................71 5.2. Đề nghị..............................................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................73 DANH SÁCH HÌNH VÀ SƠ ĐỒ --˜{™-- Danh mục Trang Hình 2.1. Một mẫu diesel sinh học 3 Bảng 2.1. Giới thiệu một số chỉ tiêu chất lượng đối với dầu biodiesel (tiêu chuẩn EN 590) và biodiesel (tiêu chuẩn EN 14214, ASTM D6751) 9 Bảng 2.2. Tiêu chuẩn chất lượng biodiesel của một số nước 11 Hình 2.2. Nhà máy xuất biodiesel tại Áo 13 Bảng 2.3. Tình hình sản xuất biodiesel ở một số nước vào năm 2000 13 Bảng 2.4. Phân loại lipid theo tính phân cực 15 Bảng 2.5. Phân loại lipid theo đặc điểm của các gốc acyl 16 Bảng 2.6. Các acid béo phổ biến trong tự nhiên 19 Bảng 2.7. Các acid béo no 20 Bảng 2.8. Các acid béo không no 21 Bảng 2.9. Tính chất của dầu nành (đã hydrogen hóa một phần) trước và sau khi gia nhiệt ở nhiệt độ cao(a) 22 Bảng 2.10. Các phản ứng xuất hiện trong quá trình gia nhiệt dầu, mỡ 23 Sơ đồ 2.1. Qui trình sản xuất biodiesel trong công nghiệp 26 Bảng 2.11. Hiệu suất phản ứng của một số rượu thường dùng 31 Bảng 2.12. Tính chất vật lý của một số rượu 32 Hình 3.1. Mẫu dầu ăn đã qua sử dụng 39 Bảng 3.1. Đánh giá chất lượng dầu ăn tinh khiết và dầu ăn đã qua sử dụng 40 Hình 3.2. Hỗn hợp phản ứng 46 Hình 3.3. Biodiesel (lớp trên) và glycerol (lớp dưới) 46 Bảng 4.1. Thành phần hóa học của methyl ester 47 Bảng 4.2. Thành phần hóa học của hỗn hợp ethyl ester và methyl ester 48 Bảng 4.3. Các yếu tố cố định 49 Bảng 4.4. Ảnh hưởng của lượng xúc tác KOH 49 Hình 4.1. Ảnh hưởng của lượng xúc tác KOH 50 Bảng 4.5. Các yếu tố cố định 50 Bảng 4.6. Ảnh hưởng của lượng methanol 51 Hình 4.2. Ảnh hưởng của lượng methanol 51 Bảng 4.7. Các yếu tố cố định 51 Danh mục Trang Bảng 4.8. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 52 Hình 4.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng 52 Bảng 4.9.