TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU DIESEL VÀ BIODIESEL

Nhiên liệu Diesel

Hiện nay trên thế giới có xu hướng diesel hóa động cơ. Chính vì vậy nhiên liệu diesel sẽ

được sử dụng nhiều hơn nhiên liệu xăng. Sử dụng diesel có nhiều ưu điểm hơn động cơ

xăng. Vì động cơ xăng có tỷ số nén thấp hơn động cơ diesel nên công suất nhỏ hơn khi sử

dụng cùng một lượng nhiên liệu. Mặt khác nhiên liệu diesel có giá thành thấp hơn xăng

do quy trình chế biến đơn giản. Thêm vào đó, nguồn cung cấp, lượng nhiên liệu diesel

nhiều và đa dạng hơn.

Khái niệm

Dầu Diesel (DO – Diesel Oil) là một loại nhiên liệu lỏng, là sản phẩm tinh chế từ dầu mỏ

có thành phần chưng cất nằm giữa phân đoạn dầu hoả (kesosene) và dầu bôi trơn

(lubricatingoil), nặng hơn dầu lửa và xăng. Chúng thường có nhiệt độ sôi từ 175 đến

370oC. Các nhiên liệu diesel nặng hơn, với nhiệt độ sôi 315 đến 425oC còn gọi là dầu

Mazut (Fuel oil).

Nhiênliệu diesel được sản xuất chủ yếu từ phân đoạn gasoil và là sản phẩm của quá trình

chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có đầy đủ những tính chất lý hóa phù hợp cho động cơ Diesel

mà không cần phải áp dụng những quá trình biến đổi hóa học phức tạp.

Dầu diesel sửdụng chủ yếu cho động cơ diesel (đường bộ, đường sắt, đường thủy) và một

phầnđược sử dụng cho các tuabin khí (trong công nghiệp phát điện, xây dựng…).

Ưu và nhược điểm của nhiên liệu Diesel

- Ưu điểm là diesel thải ra môi trường ít lượng CO, CO2 hydrocarbon những khí thải

dẫn đến hiệu ứng nhà kính (sự nóng lên toàn cầu).

- Nhược điểm là một lượng cao các hợp chất NOX và muội phát ra từ việc đốt nhiên

liệu diesel có thể dẫn đến mưa axit, khói và ảnh hưởng tới điều kiện sức khỏe.

Thành phần hóa học của nhiên liệu Diesel

Quá trình chưng cất dầu mỏ các phân đoạn, ta thu được phân đoạn dầu diesel có nhiệt độ

sôi 250 – 350oC có chứa hydrocacbon với số nguyên tử cacbon từ C16 – C22.

Chủ yếu trong phân đoạn này là n-parafin còn hydrocacbon thơm chiếm không

nhiều.Nhưng n-paraffin mạch dài có nhiệt độ kết tinh cao, chúng làm mất ổn định của

phân đoạn ở nhiệt độ thấp. Ở phân đoạn diesel thì ngoài naphten và thơm hai vòng là chủ

yếu, các hợp chất ba vòng bắt đầu tăng lên. Đã bắt đầu xuất hiện các hợp chất có cấu trúc

hỗn hợp giữa naphten và thơm.

Hàm lượng các hợp chất chứa S, N và O bắt đầu tăng nhanh. Các hợp chất của lưu huỳnh

chủ yếu ở dạng dị vòng disulfur. Những hợp chất chứa oxy dạng axit naphtenic có nhiều

và đạt cực đại ở phân đoạn này. Ngoài ra còn có những chất dạng phenol như

dimetylphenol. Cũng xuất hiện nhựa nhưng còn ít và trọng lượng phân tử cũng thấp, chỉ

vào khoảng 300 – 400 đ.v.C.

Yêu cầu chất lượng của nhiên liệu Diesel

Muốn động cơ diesel làm việc ổn định thì nhiên liệu diesel phải đảm bảo các chỉ tiêu chất

lượng sau:

Có khả năng tạo hỗn hợp cháy tốt, khả năng bay hơi tốt và phun trộn tốt đánh giá qua

thành phần phân đoạn, tỷ trọng, độ nhớt và sức căng bề mặt

- Thành phần chưng cất phân đoạn: Có ảnh hưởng lớn đến tính năng của động cơ

diesel,đặc biệt là các động cơ tốc độ trung bình và tốc độ cao, đồng thời ảnh

hưởng đến độ an toàn. Thành phần cất được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D86.

Nhiệt độ sôi 10% đặc trưng cho phần nhẹ dễ bay hơi của nhiên liệu. Nhiệt độ này

cao qua sẽ làm cho động cơ khó khởi động. Nhiệt độ sôi 50% thì chỉ tiêu hay dùng

nhất để đánh giá nhiên liệu diesel, nó đặc trưng cho khả năng thay đổi tốc độ của

động cơ. Nhiệt độ sôi 90%và nhiệt độ sôi cuối đặc trưng cho khả năng cháy hoàn

toàn của nhiên liệu.

- Tỷ trọng: Là đại lượng đặc trưng cho độ nặng hay nhẹ của nhiên liệu, là tỷ số giữa

trọng lượng riêng của một vật ở một nhiệt độ nhất định và trọng lượng riêng của

vật khác được chọn làm chuẩn xác định ở cùng vị trí. Đối với các sản phẩm lỏng ta

lấy nước cất ở 4oC với áp suất 760 mmHg làm chất chuẩn.

- Độ nhớt động học: Là thông số rất quan trọng vì nó cho biết khả năng phun trộn

nhiên liệu vào buồng đốt. Độ nhớt của nhiên liệu có ảnh hưởng đến kích thướt và

hình dạng của kim phun. Độ nhớt động học được xác định ở 40oC theo phương

pháp ASTM D445.

Phải có khả năng tự bốc cháy phù hợp

Khả năng này được đánh giá qua trị số xetan. Trị số xetan là một đơn vị quy ước đặc

trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel, nó được đo bằng phần trăm thể tích

n- xetan có trong hỗn hợp của nó với các metyl naphen và có khả năng tự bốc cháy tương

đương khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu thí nghiệm ở điều kiện tiêu chuẩn. Hỗn hợp

chuẩn bao gồm hai hydrocacbon là n-xetan (C16H34) có khả năng tực bốc cháy tốt với trị

số xetan quy định là 100 và các metyl naphtalen ( C11H10 ) có khả năng tự bốc cháy kém

với trị số xetan quy định là 0. Trị số xetan được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D613.

Trị số xetan cao quá hoặc thấp quá đều gây nên những vấn đề không tốt cho động cơ.

Ít tạo cặn

Yêu cầu này phụ thuộc vào thành phần phân đoạn, độ axit, hàm lượng lưu huỳnh, độ ăn

mòn lá động và hàm lượng mercaptan xác định theo ASTM D2500.

- Hàm lượng lưu huỳnh: Trong nhiên liệu diesel, lưu huỳnh tồn tại ở nhiều dạng

khác nhau như mercapta, sulphat, thiophen…Các hợp chất của lưu huỳnh trong

diesel đều là những chất độc hại. Khống chế hàm lượng lưu huỳnh càng thấp thì

càng tốt. Hàm lượng lưu huỳnh được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D129.

- Độ ăn mòn lá đồng: Xác định định tính độ ăn mòn của nhiên liệu diesel đối với

các chi tiết chế tạo tự động và được xác định theo phương pháp ASTM D130.

- Hàm lượng tro: Là lượng tro còn sót lại sau khi đốt diesel đến cháy hết, được tính

bằng phần trăm khối lượng so với lượng mẫu ban đầu. Nói chung hàm lượng tro

càng thấp càng tốt và được quy định ở dưới mức giới hạn cho phép. Hàm lượng

tro được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D482 ( hoặc TCVN 2690 – 1995 ).

An toàn về cháy nổ và không gây ô nhiễm môi trường

Được đánh giá qua nhiệt độ chớp cháy. Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất ở điều

kiện thường mẫu nhiên liệu thí nghiệm bắt cháy ngay khi ngọn lửa xuất hiện và tự lan

truyền một cách nhanh chóng trên toàn bộ bề mặt mẫu. Nhiệt độ chớp cháy cốc kín được

xác định theo ASTM D93.

Tính lưu biến tốt

Để đảm bảo cấp nhiên liệu liên tục. Yêu cầu này được đánh giá bằng nhiệt độ đông đặc,

nhiệt độ vẩn đục, tạp chất cơ học, hàm lượng nước và hàm lượng nhựa.

- Nhiệt độ đông dặc: Là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó nhiên liệu vẫn giữ được tính

chất của chất lỏng. Nhiệt độ đông dặc được xác định theo ASTM D97.

- Nước và tạp chất cơ học: Là một trong những chỉ tiêu quan trọng của nhiên liệu

diesel, có ảnh hưởng đến chất lượng, sức chứa và khả năng sử dụng. Nước và tạp

chất trong diesel được xác định theo ASTM D1796.

- Hàm lượng nhựa thực tế: Sau khi ra khỏi nhà máy lọc dầu, nhiên liệu không thể

tránh khỏi việc tiếp xúc với không khí và nước nên dễ dàng tạo nhựa và cặn bẩn

gây tắc bầu lọc, làm bẩn buồng đốt và tắc hệ thống phun nhiên liệu. Hàm lượng

nhựa phải được quy định dưới giới hạn cho phép và được xác định theo phương

pháp ASTM D381.

- Điểm sương: Đây là một chỉ tiêu quan trọng, nó cho biết nhiệt độ tại đó các tinh

thể sắp xuất hiện trong nhiên liệu ở điều kiện thí nghiệm xác định. Điểm sương

được xác định theo ASTM.

- Ít ăn mòn và có khả năng bảo vệ: Được đánh giá qua trị số axit, hàm lượng lưu

huỳnh, độ ăn mòn lá đồng và hàm lượng mercaoten. Trị số axit được xác định theo

phương pháp ASTM D 974 ( hoặc TCVN 2695 – 1997). Trị số axit là thước đo

đánh giá hàm lượng các chất vô cơ và axit tổng cộng của nhiên liệu. Nó giúp đánh

giá mức độ ăn mòn của các chi tiết kim loại khi tiếp xúc với nhiên liệu. Để đảm

bảo cho động cơ hoạt động hiệu quả thì nhiên liệu diesel phải có những tính chất

phù hợp với yêu cầu của động cơ.

Khí thải của nhiên liệu diesel

Nhiên liệu diesel chủ yếu được lấy từ hai nguồn chính là chưng cất trực tiếp dầu mỏ và

quá trình cracking xúc tác. Thông thường bao giờ diesel cũng chứa các hợp chất của lưu

huỳnh, nitơ và các chất nhựa và asphalten. Những chất này không những gây hại cho

động cơ mà còn gây ô nhiễm môi trường rất mạnh. Trong tình hình chung là ngày càng

sử dụng rộng rãi động cơ diesel thì sự ô nhiễm càng mạnh. Khí thải thường chứa chủ yếu

là SO2, NO, NO2, CO, hơi hydrocacbon, mụi cacbon…Đây là những chất rất độc hại. Khí

SO2 ngoài việc gây bệnh cho phổi thì gặp nước thì sẽ tạo thành axit và nó chính là nguyên

nhân hàng đầu của những trận mưa axit trên khắp thế giới.

Khí CO2 là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng kéo theo biết bao

thiên tai bão gió lụt lội. Khí CO sinh ra khi nhiên liệu cháy không hoàn toàn, nó là chất

khí không màu không mùi không vị nhưng là chất khí độc đối với con người. Lượng CO

khoảng 70 ppm là có thể gây ra triệu chứng đau đầu, mệt mỏi , buồn nôn. Đến 150 – 200

ppm sẽ gây bất tỉnh, mất trí nhớ và có thể chết người.

Các thành phần hydrocacbon trong khí thải nhiên liệu diesel đặc biệt là các hợp chất

thơm cũng rất có hại cho con người và là nguyên nhân của nhiều căn bệnh như ung thư,

hen suyễn, dị ứng…Các chất muội phân tán cũng gây ô nhiễm mạnh, chúng rất khó nhận

biết và là nguyên nhân gây ra bệnh về hô hấp và tim mạch.

Các nước trên thế giới hiện nay hết sức chú ý cả về hiệu quả lẫn môi trường nên xu

hướng chung trong việc nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu diesel sạch là nâng cao trị số

xetan và giảm hàm lượng lưu huỳnh đến giá trị nhỏ nhất có thể được, đồng thời mở rộng

nguồn nhiên liệu, sản xuất nhiên liệu sạch ít ô nhiễm môi trường.

Các phương pháp nâng cao chất lượng của nhiên liệu diesel

Có nhiều cách để làm sạch diesel nhưng tập trung lại là 4 phương pháp sau:

Phương pháp pha trộn

Thực chất là pha trộn nhiên liệu diesel sạch và diesel bẩn để thu được nhiên liệu diesel có

chất lượng chấp nhận được . Phương pháp này có hiệu quả kinh tế không cao và chỉ có

thể pha trộn trong giới hạn nhất định . Thế nhưng trên thực tế rất ít có dầu mỏ sạch ít lưu

huỳnh và hydrocacbon mà chủ yếu là dầu mỏ có hàm lượng lưu huỳnh cao và khí

hydrocacbon nhiều nên phương pháp này không phổ biến rộng rãi được.

Phương pháp hydro hóa

Cho hiệu quả rất cao , các hợp chất khí hydrocacbon giảm xuống rất thấp nên nhiên liệu

diesel rất sạch . Tùy vậy phương pháp nào có đầu tư cao đến 60 – 80 triệu USD cho một

dây chuyền hydro hóa nên hiệu quả kinh tế không cao.

Phương pháp nhũ hóa diesel

Đưa nước vào diesel để tạo nhũ tương. Loại nhũ tương này có hàm lượng oxy cao nên

quá trình cháy sạch hơn và nếu khả thi thì chẳng những giảm được ô nhiễm mà còn có giá

trị kinh tế cao. Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn đang nghiên cứu trong phòng thí

nghiệm.

Phương pháp thứ tư

Đưa hợp chất chứa oxy vào nhiên liệu diesel và sản phẩm thu được gọi là nhiên liệu

diesel sinh học. Dạng nhiên liệu này có nồng độ oxy cao, ít tạp chất nên quá trình cháy

hoàn toàn ít tạo cặn.

Trong 4 phương pháp trên thì phương pháp thì phương pháp thứ tư được quan tâm và tập

trung và quan tâm nghiên cứu nhiều nhất vì đây là phương pháp xuất phát từ nguyên liệu

sinh học là nguồn nhiên liệu vô tận. Hơn thế, khi cháy lại tạo ít khí độc hại như CO, SO x,

H2S, Hydrocacbon thơm…chính là những chất gây ô nhiễm môi trường.

Biodiesel là nhiên liệu sinh học điển hình, được điều chế từ dầu thực vật như dầu dừa,dầu

bông, dầu hạt hướng dương,dầu cọ, dầu đậu nành…hoặc dầu mỡ động vật. Đây là những

nguyên liệu không độc hại, có khả năng tự phân huỷ trong thiên nhiên, có thể sản xuất

qua ngành trồng trọt và chăn nuôi. Ngoài ra, quá trình sản xuất biodiesel còn tạo ra sản

phẩm phụ glycerin có giá trị kinh tế cao, được sử dụng trong ngành dược phẩm và mỹ

phẩm.

Biodiesel là nhiên liệu rất sạch, thay thế cho động cơ đốt trong khi nguồn nhiên liệu hoá

thạch can kiệt, lại không làm suy yếu các nguồn lợi tự nhiên khác và có lợi sức về khoẻ

và môi trường. Việc sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ động vật không những giúp

cân bằng sinh thái mà còn làm đa dạng hoá các dạng năng lượng cung cấp cho con người,

góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch đồng

thời đem lại lợi nhuận và việc làm cho người dân.

NHIÊN LIỆU BIODIESEL

Khái niệm

Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel

nhưng không phải được sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Diesel

sinh học nói riêng, hay nhiên liệu sinh học nói chung, là một loại năng lượng tái tạo. Nhìn

theo phương diện hoá học thì diesel sinh học là methyl este của những axit béo.

Giới thiệu

Để phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn môi trường, giảm bớt sự phụ thuộc và thay thế

nhiên liệu diesel truyền thống, hiểu biết về lịch sử và quá trình sản xuất biodiesel là thực

sự cần thiết. Một phần do người tiêu dùng có thói quen sử dụng nhiên liệu diesel truyền

thống hơn là các loại nhiên liệu “xanh” vì giá rẻ hơn, mặt khác là khó khăn hơn cho một

công nghệ mới để cạnh tranh với một công nghệ đã đạt tiêu chuẩn xã hội. Tuy nhiên

trong thời gian gần đây ngày càng có nhiều công nghệ sản xuất diesel mới được phát triển

và ngày càng được cải thiện, giá thành hạ do tiềm năng thị trường được mở rộng trong

điều kiện giá dầu thô tăng, nguồn nhiên liệu hóa thạch sụt giảm. Biodiesel trong tương lại

sẽ trở thành nhiên liệu " huyết mạch " của nền kinh tế.

Ngay từ năm 1853, phương pháp ester hóa dầu thực vật được áp dụng để sản xuất

glycerine giá rẻ dùng trong sản xuất thuốc nổ sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ II bởi

E. Duffy và J. Patrick. Năm 1937, G. Chavanne, nhà khoa học Bỉ được cấp bằng sáng chế

cho nghiên cứu "Quá trình chuyển hóa dầu thực vật để sử dụng như nhiên liệu". Khái

niệm “Diesel sinh học”xuất hiện từ đó. Đó là một quá trình đơn giản chuyển hóa nhóm

alkoxy của hợp chất este (dầu hoặc mỡ) được trao đổi với gốc rượu. Tuy nhiên, phải đến

năm 1977 bằng sáng chế đầu tiên về quá trình sản xuất dầu diesel sinh học được áp dụng

vào thương mại được cấp cho Expedito Parente, một nhà khoa học Brazil.

Trước khi nhiên liệu hóa thạch được phát hiện và bùng nổ trên thị trường, năng lượng chủ

yếu được tạo ra từ hơi nước. Tuy nhiên , việc sử dụng lọa năng lượng kém hiệu quả do

cần sử dụng thêm chất đốt, hiệu suất chỉ đạt từ 10-12%. Bằng sáng chế về sử dụng động

cơ sử dụng dầu lạc được phát minh bởi Rudolph Diesel vào năm 1892 tại Đức. Năm

1983, phát minh của Diesel được trình bày tại triển lãm Paris. Trong vòng 5 năm thực

hiện sáng chế này, động cơ của Diesel đạt hiệu suất 75% so với mức 26% ban đầu. Vào

năm 1912, Diesel cho ra đời 2 bài viết, trong đó ông viết:

“Thực tế cho thấy các loại dầu từ thực vật không có ý nghĩa đáng kể trong giai đoạn hiện

nay, nhưng trong tương lai, tầm quan trọng của nó không kém gì so với dầu mỏ và than

bây giờ. Trong bất cứ trường hợp nào, những loại nhiên liệu này đảm bảo chắc chắn rằng

khi nào năng lượng cho máy móc vẫn được sản sinh từ nguồn năng lượng vô tận của mặt

trời, thì vẫn còn đảm bảo cho các mục đích sử dụng trong nông nghiệp và các lĩnh vực

khác,ngay cả trong trường hợp tất cả các nguồn nhiên liệu hóa thạch rắn và lỏng bị cạn

kiệt”. Để tưởng nhớ nguời đã có công đầu tiên đoán được giá trị to lớn của Biodiesel,

Nation Board Biodiesel đã quyết định lấy ngày 10 tháng 8 hằng năm bắt đầu từ năm 2002

làm ngày Diesel sinh học Quốc tế (International Biodiesel Day).

Nhu cầu sử dụng nhiên liệu sinh học bắt đầu tăng tại Mỹ từ năm 1820 đến năm 1920.

Điều này được góp phần không nhỏ từ những thành tựu tiên phong công nghệ động cơ

diesel của Adolphus Busch và Clessie L. Cummins cùng với những nhà sản xuất động cơ

khác. Tuy nhiên ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học phải đối mặt với thách thức lớn

về giá và nguyên liệu. Thật không may,tại cùng thời điểm đó, công nghiệp dầu khí đạt

được nhiều tiến bộ vượt bậc về công nghệ giúp cải thiện các tính chất của dầu thô. Việc

tìm thấy nhiều mỏ dầu dẫn đến sự ra đời của thị trường dầu mỏ. Bởi vậy vào năm 1940,

động cơ diesel được cải tiến để có thể sử dụng nhiên liệu dầu mỏ có độ nhớt thấp hơn.

Doanh số của biodiesel bị sụt giảm và các nhà máy bị chìm vào quên lãng. Mặc dù vậy

không có một tác động đáng kể nào được tạo ra để thúc đẩy tiềm năng của loại nhiên liệu

này. Khoảng thời gian này thị trường tiêu thụ phương tiên vận tải được mở rộng cùng với

sự phát triển của công nghiệp dầu khí và cấu trúc hạ tầng giao thông.

Vào giai đoạn cuối của chiên tranh thế giới thứ II thị trường tiêu thụ và cung ứng nhiên

liệu hóa thạch được kích thích bởi việc bắt đầu khai thác mỏ dầu khí Gulf tại Mexico và

phát minh máy bay chiến đấu. Tuy nhiên vào những năm 1970, dự đoán về trữ lượng

nhiên liệu hóa thạch trở thành vấn đề đáng lưu tâm. Trong năm 1973 và năm 1978, OPEC

giảm nguồn cung dầu và tăng giá để đối phó với cuộc khủng hoảng dầu mỏ của thời điểm

đó. Điều này mở ra một cơ hội mới cho sự trở lại của nhiên liệu sinh học trong sự quan

tâm của cộng đồng. Vì vậy, trong năm 1979, Nam Phi bắt đầu phát triển thương mại dầu

diesel sinh học. Dầu hướng dương được este hóa và để đạt tiêu chuẩn tương tự như dầu

diesel thường. Hệ quả là việc phát hiện ra những nguồn nguyên liệu mới, phát triển các

công nghệ giúp cải thiện hiệu suất động cơ, giảm thiểu tác động tới môi trường. Các kinh

nghiệm từ quá khứ được sử dụng để cải thiện hiệu suất, giảm chi phí, quan tâm hơn tới

vấn đề tiếp thị.

Quy trình sản xuất, chất lượng và kết quả thử nghiệm động cơ cho dầu diesel sinh học đã

được hoàn thiện và công bố rộng rãi vào năm 1983 .Công nghệ mang tên “The South

African” được phát triển bởi Gaskoks, một công ty của Áo . Gaskos thành lập nhà máy

thí điểm đầu tiên để sản xuất dầu diesel sinh học vào năm 1987. Vào tháng 4 năm 1989,

công ty xây dựng nhà máy quy mô thương mại đầu tiên sản xuất 20 triệu gallon mỗi năm

(MGPY). Tuy nhiên trong thời gian này, diesel sinh học chỉ được sản xuất ở quy mô phi

thương mại tại Hoa Kỳ. Sự tăng trưởng trong sản xuất biodiesel ở châu Âu bắt đầu vào

năm 1991 do yêu cầu giảm tác động môi trường từ khí thải khí nhà kính (GHG). Ba năm

sau, dầu diesel sinh học lần đầu tiên được sản xuất thương mại tại Mỹ. Đến năm 2000,

Tổng công ty tín dụng hàng hóa bắt đầu trợ cấp sản phẩm nông nghiệp có giá trị sản xuất

dầu diesel sinh học. Trong thập kỷ qua (2002-2012) đã gặt hái được những thành công

chưa từng có trong việc sản xuất dầu diesel sinh học. Ưu đãi từ các nhà hoạch định chính

sách như miễn giảm thuế, các khoản tín dụng thuế và các tiêu chuẩn nhiên liệu về tái tạo

hỗ trợ đắc lực cho sự phát triển của nhiên liệu sinh học nói chung và biodiesel nói riêng.

Tuy nhiên , một số đặc tính ưu việt của dầu diesel sinh học cũng góp phần vào sự tăng

trưởng chưa đó.

Mối quan tâm về biodiesel tăng lên đòi hỏi cần thiết phải tìm một nhiên liệu diesel thay

thế bền vững. Điều này chủ yếu là do các vấn đề môi trường, sự phụ thuộc vào vấn đề

năng lượng cũng như vấn đề đột biến của giá cả. Có nhiều lựa chọn để sản xuất biodiesel

dựa trên các nguồn nguyên liệu công nghệ khác nhau. Việc lựa chọn một công nghệ cụ

thể phụ thuộc vào chất xúc tác và nguồn, chủng loại, chất lượng của nguyên liệu. Các yếu

tố khác bao gồm các khâu sau sản xuất như phân tách sản phẩm, tinh chế sản phẩm và

chất xúc tác và thu hồi ancol. Yếu tố chi phối trong quá trình sản xuất là chi phí nguyên

liệu trong khi chi phí vốn chỉ đóng góp khoảng 7%. Do đó cần thiết phải giảm giá thành

nguyên liệu tiến tới giảm chi phí sản xuất chung. Trong cùng một điều kiện, một số công

nghệ được thiết kế để xử lý nhiều loại nguyên liệu khác nhau.

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. Mặt khác

chúng ít độc và dễ phân giải trong tự nhiên.

Ưu thế

Nhiên liệu thay thế được ưa chuộng vì có sẵn trong điều kiện thường, khả năng tái sinh,

phát triển bền vững, khả năng phân hủy sinh học, giúp tạo thêm việc làm, phát triển sản

xuất nông nghiệp và giảm tác động môi trường.

Về nguồn nguyên liệu

Nhiều loại nguyên liệu đã được thử nghiệm trong sản xuất biodiesel, từ nguyên liệu

truyền thống đến các loại nguyên liệu thải. Nguyên liệu rẻ và sẵn có nhất là dầu ăn và mỡ

đã qua sử dụng. Những nỗ lực nghiên cứu này đã giúp giảm tác động liên quan đến môi

trường cũng như giảm chi phí xử lý chôn lấp. Một thành tựu đáng chú ý là việc sử dụng

cây Jatropha – được xem như "cây phép lạ" ở nhiều nước đang phát triển. Có thể được

trồng ở bất cứ nơi nào với yêu cầu nước và điều kiện chăm sóc tối thiểu, phù hợp với

nông dân nghèo. Năng suất cao được duy trì trong suốt vòng đời trung bình 30-50 năm .

Cây thầu dầu cũng được trồng xen với cây Jatropha để giúp duy trì khả năng kinh tế trong

vòng 2 đến 3 năm đầu tiên. Một loại cây có dầu khác dùng để cải tạo đất là Pongamia

pinnata có tác dụng cố định nitơ, cho hạt giống có hàm lượng dầu đáng kể.

Về công nghệ

Biodiesel là một trong những nhiên liệu thay thế được kiểm tra kỹ lưỡng nhất trên thị

trường hiện nay. Nhiều nghiên đã chứng minh rằng động cơ vận hành với biodiesel có

hiệu suất tương đương với diesel truyền thống. Biodiesel thu được từ quá trình este hóa

cho công suất tương tự, hàm lượng cặn carbon trong động cơ ở mức rất thấp, ngoại trừ

cặn carbon ở van van nạp cao hơn một chút . Mức độ tạo cốc cũng giảm đáng kể so với

sử dụng nhiên liệu D2. Một bước đột phá quan trọng trong quá trình ester hóa là công

nghệ Mcgyan, có thể sử dụng nhiều loại nguyên liệu giá rẻ, đa dạng, phi lương thực, chứa

các axit béo tự do (FFAs). Quá trình này sử dụng xúc tác đồng thể, có cho sản phẩm

trong thời gian 4 giây. Axit béo dễ dàng được loại bỏ để đảm bảo không có chất thải được

sản sinh ra từ quá trình, giúp loại bỏ chi phí làm sạch và các bước trung gian. Để đạt độ

chuyển hóa 100%, nguyên liệu không phản ứng và ancol dư thừa trở lại thiết bị phản ứng.

Năng lượng được sử dụng hiệu quả thông qua cơ chế trao đổi nhiệt giữa nguyên liệu và

sản phẩm.

Về môi trường và sức khỏe

Theo báo cáo của Bộ nông nghiệp và Bộ năng lượng Mỹ, 78% lượng khí thải nhà kính đã

được giảm nhờ sử dụng biodiesel. Về cơ bản, biodiesel không chứa aromotic và lưu

huỳnh tự do, so sánh với diesel truyền thống chứa 20-40%wt aromatic và 500ppm S thì

đây quả là một ưu điểm vượt trội về mặt môi trường. Khả năng tạo khói của biodiesel nhỏ

hơn 50%. Ngoài ra các hợp chất sunfat và oxit sunfua gần như bị loại bỏ hoàn toàn, góp

phần đáng kể vào việc kiềm chế hiệu ứng nhà kính. Trung bình 22,5% lượng khói, 17,1%

CO và 14% CO2 được giảm thiểu nhờ sử dụng loại nhiên liệu này. Chất lượng không khí

được cải thiện, đảm bảo sức khỏe cho con người.

Về kinh tế và xã hội

Dầu diesel sinh học làm giảm sự phụ thuộc quá nhiều vào nhiên liệu hóa thạch. Điều này

giúp tăng cường an ninh năng lượng toàn cầu. Nó cũng có khả năng để thay thế dầu thô

nhập khẩu nếu được sản xuất trong nước, qua đó cung cấp thêm thị trường cho các sản

phẩm nông nghiệp. Nó hỗ trợ cộng đồng nông nghiệp, tạo thêm việc làm và bảo vệ, cải

tạo tài nguyên đất. Với lượng nhiên liệu sinh học đáp ứng 1% nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu

ô tô ở EU cũng đã giúp duy trì, tạo ra khoảng 75.000 việc làm. Ước tính mỗi đơn vị năng

lượng hóa thạch sử dụng trong quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học giúp tạo ra hơn, 4,5

đơn vị năng lượng.

Nguồn nguyên liệu

Có hơn 350 loại cây có dầu đã được xác định có tiềm năng để sản xuất biodiesel. Tuy

nhiên, chỉ có cây cọ, jatropha, cải dầu, đậu tương, hạt hướng dương, hạt bông, dầu cây

rum, dầu phộng được coi là nguyên liệu có khả năng sản xuất thương mại.

Nguồn nguyên liệu có thể làm thực phẩm

Tùy thuộc vào tính sẵn có, các loại dầu ăn thực vật khác nhau được sử dụng làm nguyên

liệu sản xuất biodiesel ở các nước khác nhau. Dầu cọ và dầu dừa thường được sử dụng ở

Malaysia và Indonesia. Dầu đậu nành được sử dụng ở Mỹ.

Nguồn nguyên liệu không dùng làm thực phẩm

Để giảm chi phí sản xuất và đảm bảo an ninh lương thực, các loại dầu không dùng làm

thực phẩm được sử dụng là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất biodiesel. So với các

loại dầu làm thực phẩm, loại dầu này có giá cả phải chăng và sẵn có hơn. Chúng được

thu từ cây hạt Jatropha, hạt cao su, hạt cây bông, hạt cọ, vi tảo… Nhiều nước châu Âu sử

dụng hạt cải dầu. Trong chiến tranh thế giới thứ II, dầu từ hạt Jatropha đã được sử dụng

để pha trộn với và thay thế diesel. Biodiesel sản xuất từ dầu cọ và dầu cây jatropha có

tính chất vật lý phù hợp; cùng với đó là mức oxy hóa và điểm đông đặc đạt mức cho

phép. Hầu hết các yêu cầu nghiêm ngặt theo quy định của tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học

Mỹ và châu Âu đối với biodiesel đã đạt được.

Các phương pháp chiết xuất dầu nguyên liệu thô

Phương pháp cơ học

Phương pháp này được sử dụng bởi các nhà sản xuất nhỏ với công suất ít hơn 100,000

kg/ngày. Thường sử dụng máy ép trục vít hoặc máy ép bằng tay với hiệu quả thu được

68-80% hoặc 60-65% lượng dầu ứng với từng trường hợp. Trước khi ép nguyên liệu trải

qua các bước tiền xử lý như loại vỏ (nếu có) giúp tăng lượng dầu đến 89% , và nấu chín

giúp tăng lượng dầu đến 91%. Tuy nhiên, hầu hết các máy ép cơ học được thiết kế đặc

trưng cho từng loại nguyên liệu (hạt). Ngoài ra còn có các bước xử lý sau ép như lọc và

lắng.

Phương pháp hóa học

Các phương pháp chiết xuất hóa học bao gồm:

- Phương pháp chiết dung môi

- Phương pháp siêu âm

- Phương pháp chiết bằng nước nóng

Phương pháp chiết dung môi thường được sử dụng để xử lý hơn với công suất hơn

300.000 kg/ngày, sản lượng bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt, loại dung môi và nồng độ,

nhiệt độ và chất kích thích. Để tăng sự tiếp xúc của dầu với dung môi, các hạt có dầu

thường được cắt nhỏ. Sau khi chiết, hỗn hợp dầu-dung môi được lọc trong và sử dụng

nhiệt để làm bay hơi dung môi. Hơi nước được thêm vào để loại bỏ các dung môi còn lẫn

trong dầu. Các tạp chất không trộn lẫn được vào dung môi và hơi nước được tách trong

bể lắng sau quá trình ngưng tụ. Dung môi chiết hiệu quả nhất là n-hexane . Tuy nhiên ,

quá trình này đòi hỏi năng lượng cao hơn và thời gian dài hơn so với các phương pháp

khác. Hơn nữa việc sử dụng dung môi độc hại, nước thải và khí thải của các hợp chất hữu

cơ dễ bay hơi là những thách thức phải đối mặt với phương pháp này.

Phương pháp tách bằng enzyme

Các hạt có dầu được giảm kích thước và dầu được chiết xuất bởi các enzyme thích hợp.

Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi không được sản sinh ra giúp phương pháp này thân thiện

với môi trường khi so sánh với các phương pháp khác. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là

thời gian xử lý dài và chi phí cao của việc mua enzyme.

Các công nghệ sản xuất Biodiesel

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khắc phục và giảm thiểu những hạn chế liên quan

đến sản xuất biodiesel. Các phương pháp được sử dụng để giảm độ nhớt của dầu thực vật

để sử dụng cho động cơ đốt trong bao gồm: nhiệt phân, nhũ hóa, pha loãng và ester hóa.

Pha loãng và nhũ hóa không phải là phương pháp sản xuất do đó không được đề cập đến

trong nội dung này.

Nhiệt phân hoặc cracking xúc tác

Nhiệt phân là quá trình phân hủy nhiệt của hợp chất hữu cơ trong điều kiện vắng mặt

không khí, chất lỏng và chất rắn khác. Sử dụng nhiệt hoặc kết hợp nhiệt và chất xúc tác

để phá vỡ cấu trúc dầu thực vật hoặc mỡ động vật thành các thành phần nhỏ hơn. Các

thành phần olefin và parafin thu được có đặc tính tương tự như diesel. Nghiên cứu về ảnh

hưởng của kích thước hạt cải dầu cho thấy hàm lượng sản phẩm không phụ thuộc vào

kích thước hạt. Phạm vi nhiệt độ tối đa cho quá trình chuyển hóa thành biodiesel là

400°C đến 450°C. Quá trình khử hơi của cellulose và hemicellulose xảy ra ở nhiệt độ

này. Tốc độ gia nhiệt và nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể sản lượng biodiesel, tro cặn và khí

thải. Độ nhớt, điểm chớp cháy, điểm đông đặc và nhiệt trị tương đương của sản phẩm

thấp hơn so với nhiên liệu diesel thông thường. Mặc dù sản phẩm từ nhiệt phân có trị số

cetan cao hơn so với các phương pháp khác nhưng vẫn thấp hơn hơn so với dầu diesel.

Ngoài việc giảm độ nhớt của dầu nguyên liệu, phương pháp nhiệt phân có thể thực hiện

trong điều kiện thiết bị tách rời khâu trong thời gian ngắn, dễ dàng về vị trí và quy mô,

tạo ra sản phẩm sạch mà không cần các quá trình làm sạch, sấy khô hoặc lọc. Sản phẩm

nhiệt phân bao gồm các thành phần không đồng nhất như nước, tạp chất cơ học, lưu

huỳnh , ankan , anken và axit cacboxylic. Do đó , rất khó để mô tả nhiên liệu thu được.

Quá trình này thu nhiệt và chưng cất tốn kém. Hơn nữa các thành phần lưu huỳnh và tro

có trong sản phẩm làm cho nó ít thân thiện với môi trường.

Este hóaEste hóa là quá trình được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất biodiesel thương mại. Dầu nguyên liệu được đun nóng đến nhiệt độ xác định cùng với ancol và chất xúc tác, từ đó sắp xếp lại cấu trúc hóa học của nó. Quá trình này còn làm giảm độ nhớt của dầu và chất béo. Để este hóa phân tử triglyceride (TG), cần có 3 phản ứng liên tục. Trong các phản ứng này, các axit béo tự do được trung hoà bởi các TG từ ancol. 1 mol glycerol và 3 mol alkyl este được tạo ra (đối với mỗi mol của TG chuyển đổi) khi hoàn thành các giai đoạn phản ứng. Sản phẩm phân thành ba lớp, glycerol ở dưới cùng, hỗn hợp xà phòng ở giữa, biodieselở lớp trên cùng. Este hóa là một phản ứng thuận nghịch. Để có được tỷ lệ chuyển đổi hợp lý do đó, nó đòi hỏi một chất xúc tác. Các điều kiện phản ứng , nguyên liệu giới hạn thành phần và các yêu cầu sau tách được xác định trước bởi bản chất của chất xúc tác. Bảng 5 trình bày một cái nhìn tổng quan Genaral của một số kỹ thuật để sản xuất dầu diesel sinh học ester .

TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU DẦU JATROPHA VÀ BIODIESEL TỪ

JATROPHA

Giới thiệu về cây Jatropha

Cây Jatropha curcas L., thuộc chi Jatropha, họ Thầu dầu. Curcas là tên gọi thông thường

của cây Physic nut ở Malabar, Ấn Độ. Tên thông dụng của cây này ở các nước hiện nay

là Jatropha, ở Việt Nam gọi là cây Cọc rào, Dầu mè...

Jatropha là một loài cây có lịch sử 70 triệu năm, nguồn gốc từ Mexico (nơi duy nhất có

hóa thạch của cây này) và Trung Mỹ, được người Bồ Đào Nha đưa qua Cape Verde, rồi

lan truyền sang châu Phi, châu Á, sau đó được trồng ở nhiều nưốc, trở thành cây bản địa

ở khắp các nước nhiệt đới, cận nhiệt đới trên toàn thế giới. Hiện nay nhiều nước trên thế

giới đang phát triển cây Jatropha để làm nguyên liệu sản xuất diesel sinh học hoặc làm xà

phòng.

Ý nghĩa lớn nhất của cây Jatropha là lấy hạt làm nguyên liệu sản xuất dầu diesel sinh học

(Jatropha Biodiesel, 2010). Hạt Jatropha có hàm lượng dầu từ 30% - 45%. Diesel sinh

học được sản xuất từ nhiều loại nguyên liệu: cải dầu, hướng dương, đậu tương, dầu cọ,

mỡ động vật..., nhưng sản xuất từ hạt Jatropha vẫn có giá thành rẻ, chất lượng dầu tốt và

không ảnh hưởng đến an ninh lương thực thế giới.

Khi trồng 1 ha cây Jatropha trong điều kiện chăm sóc tốt sẽ đạt năng suất 8 -10 tấn

hạt/ha/năm, có thể sản xuất được 3 tấn diesel sinh học. Loại dầu này sẽ thay thế được 1

phần dầu diesel truyền thống đang cạn kiệt, giảm thiểu lượng khí thải gây hiệu ứng nhà

kính, là loại dầu cháy hết và không có lưu huỳnh. Đặc biệt hạt Jatropha không dùng để ép

dầu ăn và cây có thể mọc trên những vùng đất khô cằn, cho nên giá thành sản xuất sẽ rẻ

hơn so vối các loại hạt có dầu truyền thống khác. Hiện tại, trên thế giới dầu Jatropha đã

được nghiên cứu chuyển hóa thành biodiesel sử dụng cho động cơ diesel (Jatropha

Biodiesel, 2010).

Vấn đề sử dụng trực tiếp dầu Jatropha không qua quá trình este hóa mang lại nhiều lợi ích

như: không phải đầu tư trang thiết bị và công nghệ lớn, thúc đẩy phát triển sản xuất nông

nghiệp, phù hợp với mô hình phát triển kinh tế vừa và nhỏ. Vì vậy, nghiên cứu sử dụng

trực tiếp dầu Jatropha cho động cơ đốt trong là vấn đề cần thiết và có ý nghĩa lớn góp

phần tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch, giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, thân thiện với môi

trường, tăng tính cạnh tranh trong nông nghiệp.

Quả jatropha dạng hình trứng, lúc non có màu xanh, khi chín vỏ ngả màu vàng và có các

đường nứt chia quả thành 3 phần, bên trong quả có từ 3 - 4 hạt. Hạt nhẵn, độ dài hạt

khoảng 18 mm (Hình 2), chiều rộng khoảng 10 mm, trọng lượng 0,5 - 0,7 g/hạt. Hạt

Jatropha gồm 3 phần chính là vỏ, phôi và nội nhũ. Vỏ hạt có màu đen, xám và rất giòn,

cứng, cấu tạo chủ yếu từ xenluloza và hemixenluloza bám rất chắc với nhân có tác dụng

bảo vệ phôi và nội nhũ tránh các tác động cơ học, hóa học, vi sinh vật, hoặc sâu bọ xâm

nhập làm hư hại hạt. Khi ép hạt jatropha thì cần phải loại bỏ vỏ cứng, tuy nhiên điều đó

mất rất nhiều thời gian, hơn nữa hiệu quả chưa chắc đã hơn khi để cả vỏ cứng. Nghiên

cứu đã tiến hành thử nghiệm so sánh cho cả hai trường hợp ép hạt khi bóc vỏ cứng và khi

không bóc vỏ cứng. Nội nhũ còn gọi là nhân hạt, là phần có các mô chứa các chất dinh

dưổng dự trữ cho phát triển của hạt khi nảy mầm và phát triển thành cây non. So với các

hạt có dầu khác thì hạt Jatropha có kích thước khá lớn, vì vậy khi sử dụng lực cơ học để

ép lấy dầu các tế bào chứa dầu trong mô rất dễ bị phá vỡ.

Quá trình tạo thành dầu xảy ra khi hạt chín, các hợp chất vô cơ và hữu cơ trong thiên

nhiên được chuyển vào hạt qua hiện tượng quang hợp của lá, chất dinh dưỡng trong đất

chuyển qua rễ biến thành các chất dự trữ của hạt chủ yếu là tinh bột. Khi hạt chín hàm

lượng tinh bột giảm dần và hàm lượng dầu tăng. Tách dầu từ hạt đạt hiệu quả cao nhất là

khi hạt đã già, không bị lép hoặc sâu bệnh phá hoại và có độ ẩm phù hợp.

Độ ẩm của hạt ảnh hưởng lớn đến chất lượng quá trình tách dầu từ hạt. Nếu hạt quá khô

khi ép nguyên liệu dễ bị vỡ vụn, hàm lượng dầu trong hạt ít. Độ ẩm trong hạt cao khi ép

hạt, khối hỗn hợp dễ bị chảy dẻo làm kín các lỗ sàng và tỷ lệ dầu còn lại trong bã cao,

mặt khác còn gây cản trở trong quá trình thoát bã khi ép. Theo kinh nghiệm, độ ẩm thích

hợp nhất với hạt khi ép là 8 -12%.

Nhiệt độ khối hỗn hợp trong quá trình ép có ảnh hưởng lớn tới năng suất dầu. Do vậy có

thể làm nóng hạt trước khi đưa vào ép hoặc làm nóng hỗn hợp bã và dầu trong buồng ép.

Thành phần hóa học cơ bản của hạt Jatropha gồm: protein 18%; chất béo 38%;

carbohydrates 17%; xellulo 15,5%; chất khoáng 5,3%, còn lại là nước.