Biodiesel từ dầu thực vật: Nghiên cứu trên xúc tác MgO

Hiện nay, động cơ diesel đang chiếm ưu thế trên toàn cầu do tỉ số nén cao hơn động cơ xăng và giá nhiên liệu diesel rẻ hơn. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do khí thải độc hại như COx, H2S, và SOx. Biodiesel được giới thiệu như một giải pháp thay thế, là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các loại dầu thực vật, mỡ động vật, thậm chí dầu thải. Khi trộn Biodiesel với nhiên liệu diesel thông thường theo tỷ lệ thích hợp, lượng khí thải độc hại giảm đáng kể mà không cần cải tiến động cơ, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Sự phát triển của Biodiesel phản ánh xu hướng toàn cầu hướng tới các nguồn năng lượng sạch và bền vững hơn, đặc biệt trong bối cảnh năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt và giá dầu mỏ leo thang.

Sự cạn kiệt năng lượng hóa thạch trong tương lai gần (dự báo chỉ còn 41 năm nếu không phát hiện thêm mỏ mới), cùng với nhu cầu năng lượng ngày càng tăng do sự bùng nổ dân số và phát triển giao thông vận tải, đã thúc đẩy mạnh mẽ việc tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế. Trong số các nguồn năng lượng mới như năng lượng mặt trời, gió, nước, năng lượng sinh học, thì Biodiesel đang được quan tâm hàng đầu. Biodiesel, với nguồn gốc từ nguyên liệu tái tạo như dầu thực vật và mỡ động vật, được coi là giải pháp lý tưởng cho vấn đề ô nhiễm môi trường do nhiên liệu hóa thạch gây ra. Việt Nam, mặc dù tiềm năng dầu khí không quá lớn, nhưng cũng đang nỗ lực khai thác và xuất khẩu dầu thô, đồng thời nhập khẩu các sản phẩm dầu tinh chế. Việc chuyển đổi sang sử dụng Biodiesel sẽ góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường và giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu nhập khẩu, mang lại nhiều lợi ích kinh tế và xã hội.

Bài báo so sánh Biodiesel với nhiên liệu diesel truyền thống, chỉ ra rằng Biodiesel có nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm trị số cetan cao hơn (từ 56 đến 58 so với 50-54 của diesel thông thường), giúp động cơ hoạt động êm ái và hiệu quả hơn. Quá trình cháy của Biodiesel sạch hơn do chứa khoảng 11% oxy, giảm đáng kể lượng muội và cặn trong động cơ. Khả năng bôi trơn của Biodiesel cũng tốt hơn, giảm mài mòn động cơ. Biodiesel cũng phù hợp hơn cho điều kiện thời tiết mùa đông, hạn chế hiện tượng đông đặc và tắc nghẽn đường ống nhiên liệu. Tuy nhiên, giá thành sản xuất Biodiesel hiện vẫn còn cao hơn so với diesel thông thường. Bài báo cũng đề cập đến các phương pháp sản xuất Biodiesel khác như phương pháp pha trộn (hiệu quả kinh tế cao nhưng ít khả thi do nguồn dầu mỏ sạch khan hiếm), phương pháp nhũ hóa (đang trong giai đoạn nghiên cứu), và phương pháp chuyển hóa este (được đánh giá là phương pháp tối ưu do hiệu quả cao và chi phí hợp lý).

Dầu đậu nành được lựa chọn là nguyên liệu chính để tổng hợp biodiesel. Chất lượng dầu đậu nành ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất phản ứng. Chỉ số axit của dầu là yếu tố quan trọng, dầu đậu nành cần có chỉ số axit thấp hơn 0.5 mg KOH/g dầu. Nếu chỉ số axit cao hơn (trên 0.5 mg KOH/g dầu), hiệu suất tổng hợp biodiesel sẽ giảm đáng kể (dưới 30%). Đối với dầu đã được tinh chế, có thể sử dụng trực tiếp. Tuy nhiên, đối với dầu có chỉ số axit cao hơn 20 mg KOH/g dầu, cần phải xử lý bằng cách cho phản ứng với metanol và xúc tác axit mạnh (như axit sulfuric) trước khi tiến hành phản ứng chính. Quá trình này giúp giảm lượng axit béo tự do trong dầu, tuy nhiên thời gian phản ứng khá lâu (thường 8 tiếng trở lên).

Phương pháp chuyển hóa este được sử dụng để tổng hợp biodiesel từ dầu đậu nành. Quá trình này bao gồm phản ứng giữa dầu thực vật với metanol (một loại rượu bậc một) có sự hiện diện của xúc tác MgO. Phản ứng tạo ra các alkyl este axit béo (biodiesel) và glyxerin. Đây là một phản ứng thuận nghịch, nên cần sử dụng lượng metanol dư để đẩy mạnh phản ứng theo chiều tạo biodiesel. Nhiệt độ phản ứng cũng là yếu tố quan trọng, nhiệt độ thích hợp thường từ 55-70 độ C. Nhiệt độ cao hơn có thể làm bay hơi metanol, giảm hiệu suất phản ứng. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng bao gồm: nồng độ xúc tác, tốc độ khuấy, thời gian phản ứng, và tỷ lệ metanol/dầu. Áp suất phản ứng thường là áp suất khí quyển, áp suất cao không cần thiết và gây tốn thêm năng lượng. Việc thực hiện quá trình cần hết sức cẩn thận, tránh lẫn nước vào dầu và dụng cụ phải hoàn toàn khô ráo.

Sau phản ứng, hỗn hợp được chuyển sang bình chiết để tách thành hai pha: pha trên chứa chủ yếu metyl este (biodiesel) và pha dưới chứa chủ yếu glycerin. Thời gian lắng tách thường từ 8-12 giờ. Pha biodiesel được chưng cất để tách metanol dư, sau đó rửa bằng nước nóng (70 độ C) để loại bỏ glycerin và cặn xúc tác. Metanol được thu hồi để tái sử dụng. Glycerin, một sản phẩm phụ có giá trị kinh tế cao, cũng được tách và tinh chế. Quá trình trung hòa xúc tác trong glycerin được thực hiện bằng dung dịch HCl 10%, sau đó tách riêng glycerin với độ tinh khiết khoảng 80%. Việc thu hồi glycerin là rất cần thiết vì nó có nhiều ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Hiệu suất tách chiết phụ thuộc vào nhiều yếu tố như lượng metanol dư, hàm lượng xúc tác và hiệu suất phản ứng chính.

Đánh giá chất lượng Biodiesel sản xuất là bước quan trọng để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn và phù hợp với mục đích sử dụng. Một số chỉ số chất lượng cần được xác định bao gồm: trị số xetan, một chỉ số đặc trưng cho khả năng tự bắt lửa của nhiên liệu diesel. Trị số xetan cao hơn cho thấy khả năng tự cháy tốt hơn, giúp động cơ vận hành êm hơn. Các tính chất khác liên quan đến khả năng tạo hỗn hợp cháy tốt (đánh giá qua thành phần phân đoạn, độ nhớt, tỷ trọng, sức căng bề mặt), tính lưu biến tốt (đánh giá qua nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ vẩn đục, tạp chất cơ học, hàm lượng nước, nhựa), và khả năng tạo cặn ít (đánh giá qua độ axit, lưu huỳnh, độ ăn mòn lá đồng, mercaptan). Việc xác định các chỉ số này giúp đánh giá tổng thể chất lượng Biodiesel, bao gồm cả khả năng cháy, tính ổn định và khả năng tương thích với động cơ.

Nhiệt độ chớp cháy là một chỉ số an toàn quan trọng cần được xác định đối với Biodiesel. Theo tiêu chuẩn TCVN 2693-1995 và ASTM-D 93, nhiệt độ chớp cháy cốc kín được xác định là nhiệt độ thấp nhất (đã được hiệu chỉnh về áp suất khí quyển 760mmHg hoặc 101,3 KPa) mà tại đó hỗn hợp hơi của mẫu Biodiesel và không khí trên bề mặt mẫu trong cốc bị chớp lửa khi đưa ngọn lửa thử qua. Việc xác định chính xác nhiệt độ chớp cháy giúp đánh giá mức độ nguy hiểm về cháy nổ của Biodiesel trong quá trình lưu trữ và vận chuyển, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và môi trường.

Phổ hồng ngoại là một kỹ thuật hữu ích để xác định thành phần và cấu trúc của Biodiesel. Phân tử Biodiesel hấp thụ năng lượng và thực hiện các dao động, làm thay đổi độ dài liên kết và góc hóa trị. Đường cong biểu thị sự phụ thuộc độ truyền quang vào bước sóng chính là phổ hồng ngoại. Mỗi nhóm chức hoặc liên kết có một tần số đặc trưng, thể hiện bằng các pic trên phổ. Việc phân tích phổ hồng ngoại giúp xác định các liên kết giữa các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong phân tử Biodiesel, từ đó xác định cấu trúc đặc trưng của chất cần phân tích. Kỹ thuật này cung cấp thông tin chi tiết về thành phần và cấu trúc của Biodiesel, giúp đánh giá chất lượng và độ tinh khiết của sản phẩm.

Phần kết quả nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến hiệu suất tổng hợp Biodiesel từ dầu đậu nành với xúc tác MgO. Các yếu tố được nghiên cứu bao gồm: nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, tỷ lệ alcol/dầu, hàm lượng xúc tác, và tốc độ khuấy. Kết quả cho thấy hàm lượng xúc tác có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chuyển hóa: hàm lượng xúc tác càng cao thì hiệu suất chuyển hóa càng cao. Tuy nhiên, cần phải lựa chọn hàm lượng xúc tác tối ưu. Một hàm lượng xúc tác quá lớn, chưa được trung hòa, sẽ làm khó khăn cho quá trình lắng tách glycerin, sản phẩm phụ của phản ứng. Việc tìm ra hàm lượng xúc tác tối ưu là rất quan trọng để tối đa hóa hiệu suất tổng hợp Biodiesel và đơn giản hóa quá trình tinh chế.

Nghiên cứu tập trung vào việc xác định hàm lượng xúc tác MgO tối ưu trong quá trình tổng hợp Biodiesel. Hàm lượng xúc tác cao hơn dẫn đến hiệu suất chuyển hóa cao hơn, nhưng đồng thời cũng làm khó khăn cho quá trình tách glycerin do glycerin tồn tại dưới dạng các hạt nhỏ mịn lơ lửng trong hỗn hợp. Nếu lượng xúc tác MgO lớn (chưa được trung hòa), các hạt glycerin sẽ khó lắng tách hơn, ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi glycerin. Do đó, việc tìm ra hàm lượng xúc tác MgO tối ưu là cần thiết để cân bằng giữa hiệu suất tổng hợp Biodiesel cao và khả năng tách glycerin dễ dàng, nhằm tối ưu hóa cả hiệu suất và quá trình tinh chế sản phẩm.