1. Trang Chủ
  2. Khoa học tự nhiên
  3. Đồ án tốt nghiệp: Tổng hợp diesel sinh học từ bã cà phê

Đồ án tốt nghiệp: Tổng hợp diesel sinh học từ bã cà phê

Mục đích của đề tài là tận dụng lượng cà phê bỏ đi để làm nhiên liệu sạch thân thiện với môi trường. Trích ly bằng dung môi không phân cực nhằm lấy được các thành phần có trong bã cà phê. Tìm hiểu các thành phần hóa học, tính chất hóa lý của dầu phê. Tìm hiểu và thực hiện các phương pháp tổng hợp nên biodiesel từ bã phê. Mời các bạn cùng tham khảo! LỜI CẢM ƠN Qua thời gian làm Đồ Án Tốt Nghiệp tuy thời gian ngắn nhưng đã đem lại cho tôi nhiều kiến thức mới và cũng cố lượng kiến thức cơ bản để tự

Thể loại Tài liệu miễn phí Khoa học tự nhiên

Số trang 65

Ngày tạo 10/20/2021 7:18:36 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.71 M

Tên tệp

Tải Đồ án tốt nghiệp: Tổng hợp diesel sinh học từ bã c... (.pdf)

Xem mẫu

  1. LỜI CẢM ƠN Qua thời gian làm Đồ Án Tốt Nghiệp tuy thời gian ngắn nhưng đã đem lại cho tôi nhiều kiến thức mới và cũng cố lượng kiến thức cơ bản để tự tin trong học tập. Qua đây tôi xin phép gửi lời cảm ơn đến: Trường Đại học Bà RịaVũng Tàu và Khoa Hóa học và Công Nghệ Thực Phẩm đã tạo ra môi trường học tập và nghiên cứu tốt. ThS.Diệp Khanh đã hướng dẫn tận tình để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu này. KS. Nguyễn Văn Tới đã tạo mọi điều kiện cho tôi suốt thời gian thực hiện đồ án. Trong quá trình thực hiện và hoàn thành nghiên cứu tôi đã có nhiều cố gắng và nỗ lực nhưng không thể tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của thầy, cô để đồ án có thể hoàn thiện hơn và mang tính ứng dụng tốt hơn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn. Vũng Tàu, ngày 1 tháng 7 năm 2016 Sinh viên thực hiện Huỳnh Văn Bảo Thạnh i
  2. MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... v DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... vi TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................................. vii LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ............................................................... 3 1.1 Diesel sinh học. .................................................................................................... 3 1.1.1 Khái niệm. ........................................................................................................ 3 1.1.2 Vai trò. .............................................................................................................. 3 1.2 Các nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học. ............................................ 3 1.2.1 Dầu thực vật. ..................................................................................................... 4 1.2.2 Mỡ động vật. ..................................................................................................... 7 1.3 Xúc tác sử dụng cho quá trình tổng hợp biodiesel. .............................................. 8 1.3.1 Xúc tác axít. ...................................................................................................... 8 1.3.2 Xúc tác bazơ. .................................................................................................... 8 1.3.3 Xúc tác dị thể. ................................................................................................... 8 1.4 Ứng dụng của biodiesel từ bã cà phê. ................................................................ 10 1.5 Các phương pháp định tính và định lượng của bã và dầu cà phê. ..................... 11 1.5.1 Các phương pháp định tính............................................................................. 11 1.5.2 Các phương pháp định lượng. ........................................................................ 13 1.5.3 Một số chỉ tiêu quan trọng cho nguyên liệu. .................................................. 15 1.5.4 Một số chỉ tiêu kĩ thuật cho sản phẩm biodiesel ............................................ 16 1.6 Các phương pháp tổng hợp biodiesel................................................................. 17 1.6.1 Khuấy gia nhiệt và nhiệt đồng thể. ................................................................. 17 1.6.2 Nhiệt dị thể. .................................................................................................... 18 ii
  3. 1.6.3 Sóng siêu âm. .................................................................................................. 18 1.6.4 Vi sóng. ........................................................................................................... 19 1.6.5 Sử dụng môi trường ancol siêu tới hạn........................................................... 19 1.6.6 Một số công nghệ sản xuất biodiesel thông dụng........................................... 19 1.7 Cơ chế cho phản ứng cho phản ứng trao đổi. .................................................... 23 1.7.1 Với xúc tác axít. .............................................................................................. 23 1.7.2 Với xúc tác bazơ. ............................................................................................ 25 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM. .................................................................................. 27 2.1 Phương tiện nghiên cứu. .................................................................................... 27 2.1.1 Dụng cụ, thiết bị. ............................................................................................ 27 2.1.2 Nguyên liệu..................................................................................................... 28 2.1.3 Hóa chất. ......................................................................................................... 30 2.2 Phương pháp nghiên cứu. .................................................................................. 30 2.2.1 Các chỉ tiêu cho nguyên liệu và xử lý nguyên liệu......................................... 30 2.2.2 Phương pháp tổng hợp biodiesel. ................................................................... 37 2.2.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng tranester hóa xúc tác KOH. ........................................................................................................................ 39 2.2.4 Phương pháp xử lí số liệu. .............................................................................. 39 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 42 3.1 Kết quả quá trình trích ly dầu cà phê bằng dung môi n-hexan. ......................... 42 3.1.1 Các thành phần axít béo có trong dầu cà phê. ................................................ 43 3.1.2 Chuẩn độ axít cho dầu cà phê. ........................................................................ 44 3.1.3 Tính độ nhớt động học của dầu cà phê. .......................................................... 44 3.1.4 Tính tỉ trọng của dầu cà phê. .......................................................................... 44 3.1.5 Chuẩn độ xác định chỉ số xà phòng hóa. ........................................................ 45 iii
  4. 3.1.6 Xác định hàm lượng nước có trong dầu cà phê. ............................................. 45 3.2 Quá trình tranester hóa xúc tác KOH. ................................................................ 48 3.2.1 Chuẩn độ axít cho sản phẩm biodiesel. .......................................................... 49 3.2.2 Tính độ nhớt động học của biodiesel.............................................................. 49 3.2.3 Chuẩn độ peroxit cho sản phẩm biodiesel. ..................................................... 50 3.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng. ...................... 51 3.3.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ mol methanol/dầu. ......................................................... 51 3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác KOH. ...................................................... 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 57 iv
  5. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thông số của các loại xúc tác để tổng hợp biodiesel. ................................... 9 Bảng 1.2. So sánh các điều kiện công nghệ của xúc tác kiềm và xúc tác enzyme. ..... 10 Bảng 1.3. Thành phần của bã cà phê. ........................................................................... 11 Bảng 1.4. Thành phần axít béo có trong dầu cà phê. ................................................... 12 Bảng 2.1. Dụng cụ, thiết bị cần sử dụng trong nghiên cứu. ......................................... 27 Bảng 2.2. Các hóa chất dùng trong nghiên cứu. .......................................................... 30 Bảng 2.3. Các điều kiện tối ưu cho phản ứng chuyển hóa axít béo tự do. ................... 33 Bảng 3.1. Thành phần axít béo có trong dầu cà phê. ................................................... 43 Bảng 3.2. Kết quả chuẩn độ axít của dầu cà phê. ........................................................ 44 Bảng 3.3. Kết quả đo độ nhớt động học của dầu cà phê. ............................................. 44 Bảng 3.4. Kết quả chuẩn độ xà phòng của dầu cà phê. ................................................ 45 Bảng 3.5. Các chỉ tiêu chất lượng của dầu phê. ........................................................... 46 Bảng 3.6. Kết quả chuẩn độ axít của giai đoạn ester hóa xúc tác H2SO4. ................... 47 Bảng 3.7. Kết quả chuẩn độ axít của biodiesel. ........................................................... 49 Bảng 3.8. Kết quả đo độ nhớt động học của biodiesel. ................................................ 49 Bảng 3.9. Kết quả chuẩn độ peroxit của biodiesel. ...................................................... 50 Bảng 3.10. Các tính chất hóa lý của biodiesel từ bã cà phê. ......................................... 50 Bảng 3.11. Kết quả khảo sát tỉ lệ methanol/dầu đến hiệu suất phản ứng. .................... 51 Bảng 3.12. Kết quả khảo sát hàm lượng KOH đến hiệu suất phản ứng. ...................... 52 Bảng 3.13. Thành phần biodiesel. ................................................................................. 53 Bảng 4.1. Các thông tối ưu cho phản ứng xảy ra. ........................................................ 55 v
  6. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Các nguồn nguyên liệu cho sản xuất biodiesel. ............................................. 4 Hình 1.2. Phổ đồ HPLC của dầu cà phê. ..................................................................... 12 Hình 1.3. Thiết bị trích ly Soxlet bằng dung môi hexan. ............................................ 13 Hình 1.4. Sơ đồ cho quá trình tận dụng nguồn nguyên liệu. ....................................... 20 Hình 1.5. Sơ đồ chung để tổng hợp biodiesel từ dầu thực vật..................................... 21 Hình 1.6. Sơ đồ sản xuất biodiesel theo công nghệ gián đoạn. ................................... 22 Hình 1.7. Sơ đồ sản xuất biodiesel theo công nghệ liên tục. ....................................... 22 Hình 2.1. Hệ thống trích ly Soxlet để lấy dầu cà phê. ................................................. 28 Hình 2.2. Hệ thống tách dung môi n-hexan. ................................................................ 28 Hình 2.3. Nguyên liệu. ................................................................................................. 29 Hình 2.4. Bã cà phê thu được. ..................................................................................... 29 Hình 2.5. Sơ đồ khối quá trình trích ly dầu cà phê thô. ............................................... 31 Hình 2.6. Thiết bị phản ứng chính của phản ứng tranester hóa xúc tác KOH. ............ 37 Hình 2.7. Sơ đồ khối phản ứng tranester hóa xúc tác bazo. ........................................ 38 Hình 3.1. Dầu cà phê để ngoài không khí để bay hơi. ................................................. 42 Hình 3.2. Bã cà phê sau khi trích ly. ............................................................................ 42 Hình 3.3. Dầu cà phê ở giai đoạn ester hóa xúc tác H2SO4. ........................................ 47 Hình 3.4. Các chất cặn, sáp, axít béo đươc tách ra khỏi dầu. ...................................... 48 Hình 3.5. Biodiesel được phân tách trong phễu chiết.................................................. 48 Hình 3.6. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol methanol/dầu đến hiệu suất phản ứng. ................ 51 Hình 3.7. Ảnh hưởng của KOH đến hiệu suất phản ứng. ............................................ 52 Hình 3.8. Phổ GC-MS của biodiesel. .......................................................................... 53 vi
  7. TỪ VIẾT TẮT B100: không hổn nhiên liệu không pha thêm bất kì thành phần diesel nào JIS: Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản EN: Tiêu chuẩn Châu Âu ISO: Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế ASTM: Tiêu chuẩn theo hiệp hội ô tô của Mỹ FAME: Thành phần axít béo của rượu và methanol CBDF: Coffe Bio Diesel Fatty GC-MS: Sắc kí khí vii
  8. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu LỜI MỞ ĐẦU A. Đặt vấn đề Ngày nay quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đang ngày càng phát triển đối với đất nước ta là một vấn đề đáng mừng, vì nó làm giảm sự mệt nhọc của con người, các sản phẩm làm ra phục vụ con người ngày một nhiều hơn. Song kèm theo đó là vấn đề ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu như: khói thải nhà máy, khu công nghiệp, khí thải giao thông. Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và hàng loạt các vấn đề về môi trường. Nhiều nỗ lực đã và đang được thực hiện nhằm tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế. Trong đó, một trong những nguồn năng lượng mới đang được quan tâm hiện nay là nhiên liệu sinh học (NLSH). Ðây là nguồn năng lượng không cạn kiệt, nó mang lại nhiều lợi ích như đảm bảo an ninh năng lượng và đáp ứng được các yêu cầu về môi trường. Ở Việt Nam có nhiều nghiên cứu về nguồn nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường từ nguồn nguyên liệu có sẵn mà người ta hay bỏ đi như: mỡ cá tra, cá basa, dầu mỡ đã qua sử dụng, dầu tự hạt cao su, từ hạt jatropha,..... Ngoài ra, nước ta còn là nước xuất khẩu cà phê hàng đầu thế giới, vì nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nên cây cà phê có thể phát triển tốt trong điều kiện này, kèm theo đó việc kinh doanh của các quán cà phê cũng rất phát triển ở những thành phố năng động, thủ phủ cà phê nên lượng tiêu thụ cà phê cũng khá nhiều, bã cà phê từ đó cũng nhiều lên. Nắm bắt được xu hướng để tận dụng nguồn nguyên liệu đem bỏ đi này tôi xin nghiên cứu đề tài “ Tổng hợp diesel sinh học từ bã cà phê” nhằm tìm hiểu các yếu tố cần thiết để đi vào ứng dụng cho quá trình sản xuất diesel sinh học. B. Mục tiêu của đề tài + Tận dụng lượng cà phê bỏ đi để làm nhiên liệu sạch thân thiện với môi trường. + Trích ly bằng dung môi không phân cực nhằm lấy được các thành phần có trong bã cà phê. + Tìm hiểu các thành phần hóa học, tính chất hóa lý của dầu phê. + Tìm hiểu và thực hiện các phương pháp tổng hợp nên biodiesel từ bã phê. Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 1 Khoa Hóa Học Và CNTP
  9. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu + Kiểm tra các tính chất hóa lý của biodiesel thành phẩm. + Xác định các thành phần có trong biodiesel thành phẩm bằng phương pháp sắc kí ghép khối phổ (GC-MS). Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 2 Khoa Hóa Học Và CNTP
  10. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Diesel sinh học 1.1.1 Khái niệm Biodiesel hay diesel sinh học là thuật ngữ dùng để chỉ loại nhiên liệu dùng cho động cơ diesel được sản xuất từ dầu thực vật và mỡ động vật. Biodiesel thường được điều chế bằng phản ứng transester chuyển đổi hay ester hóa của các triglyxerit, axít tự do với rượu bậc nhất no, đơn chức chứa từ 1 – 8 nguyên tử carbon. Thông dụng hay dùng là methanol. Vì vậy, biodiesel được xem là các ankyl ester, thông dụng nhất là metyl ester tạo thành từ dầu mỡ động, thực vật. Các axít béo trong dầu, mỡ có số carbon tương đương với số phân tử có trong dầu diesel, hơn nữa cấu trúc của mạch axít này là mạch thẳng nên có chỉ số xetan cao. Đó là lý do chính để chọn dầu thực vật, mỡ động vật làm nguyên liệu sản xuất biodiesel. [1,2] 1.1.2 Vai trò a. Thay thế nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn dần. b. Giải quyết các vấn đề về biến đổi khí hậu. c. Tăng cường an ninh năng lượng quốc gia. d. Tăng trưởng kinh tế cho đất nước 1.2 Các nguồn nguyên liệu để sản xuất diesel sinh học Kể từ khi động cơ diesel được phát minh ra thì nguyên liệu được sử dụng đầu tiên là dầu thực vật. Nhưng nguyên liệu dầu thực vật đã không được lựa chọn do giá thành đắt hơn so với diesel. Nhưng do sự phát triển nhanh và sự tăng giá của dầu mỏ và sự hạn chế về số lượng, nên nhiên liệu dầu thực vật được quan tâm và có khá năng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trong tương lai gần. Dầu thực vật sử dụng cho quá trình phản ứng phải có chỉ số axít thấp hơn 2 mg KOH/g dầu. Nhưng đối với dầu thực vật thô và dầu thải có nhiều tạp chất nên cần phải tinh chế để loại bỏ tạp chất, axít béo.[2] Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 3 Khoa Hóa Học Và CNTP
  11. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Các nguồn nguyên liệu có thể là lương thực và phi lương thực. Ví dụ: Lương thực: Mỡ cá tra, tảo, mỡ bò, thầu dầu, lạc, vừng….. Phi lương thực: Dầu thải, bã cà phê, bông, hướng dương… a. Dầu thải b. Hạt jotropha c. Bã cà phê Hình 1.1. Các nguồn nguyên liệu cho sản xuất biodiesel. 1.2.1 Dầu thực vật Các nguyên liệu dầu thực vật để sản xuất diesel sinh học là: dầu đậu nành, cà phê, dầu cọ, dầu dừa, ngô, jatropha, cọ dầu… tùy vào điều kiện từng nước mà diesel sinh học được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau . Dầu thực vật khi sử dụng cho quá trình tổng hợp nên biodiesel thì phải đạt chỉ số axít cho phép thấp hơn 2 mg KOH/g dầu. Đối với các loại dầu thải thì phải qua quá trình loại bỏ đi các tạp chất nhằm hạn chế chỉ số axít để ngăn khả năng ăn mòn cho động cơ và sử dụng quá trình trung hòa kiềm. a. Thành phần chính của dầu thực vật  Lipit: Là chất hòa tan tốt trong dung môi không phân cực, không tan trong nước.  Triglyxerit: Là ester của rượu 3 chức của glyxerol và các axít béo. Các axít béo trong dầu thực vật được chia làm 2 loại: axít béo no và axít béo không no chứa 1, 2 hoặc 3 nối đôi. Về cấu tạo axít béo là những axít cacboxylic mạch thẳng có cấu tạo từ 6- 30 nguyên tử cacbon. Triglyxerit là thành phần chiếm 90 -98% trong quả và hạt dầu. Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 4 Khoa Hóa Học Và CNTP
  12. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu R1COOCH2 R2COOCH R3COOCH2 Trong đó: R1, R2, R3 là các gốc alkyl của các axít béo. Khi chúng có cấu tạo giống nhau thì gọi là glyxerol đồng nhất, nếu chúng có cấu tạo khác nhau thì gọi là glyxerol hổn tạp.  Photpholipit: Là dẫn xuất của triglyxerit, photpholipit kết hợp được với nước và mất khả năng hòa tan trong dầu tạo kết tủa lắng xuống.  Sáp: Là ester của axít béo mạch cacbon dài với rượu 1 hoặc 2 chức. Sự có mặt của sáp trong dầu làm đục vì nó không lắng được mà ở trạng thái lơ lửng.  Ngoài ra trong thành phần của dầu thực vật còn có glyxerol, nằm ở dạng kết hợp với các glyxerol. b. Một số tính chất vật lí của dầu thực vật  Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc: Các loại dầu khác nhau thì có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc khác nhau. Các giá trị này không phải là một số cố định mà là một khoảng.  Tính tan: Dầu không phân cực nên tan tốt trong dung môi không phân cực, tan ít trong rượu, không tan trong nước (nước là dung môi phân cực). Độ tan của dầu phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.  Màu của dầu: Phụ thuộc vào thành phần các hợp chất có trong dầu. Dầu tinh khiết không màu, dầu có màu vàng là do các carotennoit và các dẫn xuất, dầu có màu xanh là của clorophin...  Độ nhớt: Dầu thực vật ở nhiệt độ thường, có độ nhớt cao hơn diesel khoáng vài chục lần, khi tăng nhiệt độ thì độ nhớt của dầu thực vật giảm nhanh.  Trị số xetan: Độ nhớt của dầu thực vật cao hơn độ nhớt của diesel . Muốn tăng trị số xetan cho dầu thực vật nên chuyển thành ester dầu thực vật.  Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của dầu thực vật thường nhẹ hơn nước Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 5 Khoa Hóa Học Và CNTP
  13. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu d20 3 4 0, 07 0, 71 g/cm , dầu có thành phần hydrocarbon và càng no thì tỷ trọng càng cao. c. Một số phản ứng hóa học của dầu thực vật  Phản ứng thủy phân: Các triglixerit bị thủy phân bởi nước theo phương trình 1.1 sau: R1COOCH2 CH2 OH R1COOH R2COOCH CH OH R2COOH + 3H2O + ( 1.1) R3COOCH2 CH2 OH R3COOH  Phản ứng xà phòng hóa: Nếu trong quá trình thủy phân có mặt kiềm (KOH, NaOH) thì axít sẽ tạo phản ứng với kiểm tạo thành xà phòng theo phương trình 1.2. RCOOH + NaOH RCOONa + H2O (1.2) Phản ứng xà phòng hóa và phản ứng thủy phân là hai phản ứng không mong muốn trong quá trình tổng hợp diesel, vì nó làm giảm hàm lượng triglyxerit, giảm hiệu suất tạo diesel, còn có thể kết khối làm giảm khả năng tiếp xúc giữa các chất, thậm chí gây đông đặc phản ứng. Do đó cần hạn chế hai quá trình trên.  Phản ứng cộng hợp: Trong điều kiện thích hợp thì các axít béo không no sẽ cộng hợp với chất khác như: hidro, halogen…theo phương trình 1.3. Khi cộng hydro ở điều kiện nhiệt độ thích hơp, áp suất cao, xúc tác thích hợp thì phản ứng nhằm làm giảm số nối đôi trong mạch carbon. Ngoài ra phản ứng này còn có tác dụng giữ cho dầu không bị trở mùi khi bảo quản. CH CH + H2 CH2 CH2 (1.3)  Phản ứng ester hóa Các glyxerol trong điều kiện có mặt của xúc tác axít mạnh (H2SO4, HCl) hoặc bazo mạnh (NaOH, KOH) sẽ xảy ra phản ứng trao đổi ester hóa với rượu bậc một (ethanol, methanol…) để tạo thành alkyl ester của axít béo và các glyxerol. Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 6 Khoa Hóa Học Và CNTP
  14. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu CH2-O-CO-R1 CH2 OH R1COOCH3 xúc tác CH-O-CO-R2 + 3 CH3OH R2COOCH3 (1.4) CH OH + CH2-O-CO-R3 CH2 OH R3COOCH3 Thực chất quá trình chuyển hóa này này gồm một loạt các phản ứng thuận nghịch nối tiếp nhau. Tức là triglyxerit chuyển hóa từng bước thành diglyxerit, rồi từ diglyxerit chuyển hóa tiếp thành monoglyxerit và cuối cùng là glyxerol: Triglyxerit + ROH Diglyxerit + R1COOR (1.5) Diglyxerit + ROH monoglyxerit + R2COOR (1.6) Monoglyxerit + ROH glyxerol + R3COOR (1.7) Hỗn hợp cuối cùng của phản ứng là hỗn hợp của nhiều hợp chất như alkyl ester, glyxerol, ancol, tri-, đi- mono. Nên sản phẩm sau cùng sẽ có màu đục. Đây là phản ứng tổng hợp diesel, nó có ý nghĩa thực tế rất lớn vì sản phẩm của quá trình này (alkyl ester) được sử dụng làm nhiên liệu sẽ làm giảm đáng kể ô nhiểm môi trường. Mặt khác, glyxerol thu được cũng có giá trị kinh tế cao.  Phản ứng oxy hóa: Dầu thực vật chứa nhiều loại axít béo không no nên dễ bị oxi hóa bởi các tác nhân oxy hóa, phần lớn xảy ra tại các nối đôi. Khi gặp không khí trong môi trường có thể xảy ra quá trình oxy hóa làm biến chất dầu.  Sự ôi chua dầu mỡ: Trong dầu có chứa nước, vi sinh vật, các men thủy phân,…. Nên trong quá trình thủy phân thường phát sinh những biến đổi làm ảnh hưởng đến màu sắc, mùi vị của dầu. 1.2.2 Mỡ động vật Mỡ động vật là một trong những nguyên liệu rẻ tiền cho sản xuất biodiesel. Một số loại như: Mỡ cá tra, cá basa, mỡ bò, mỡ gà…trong đó thành phần chủ yếu là các các triglyxerit, diglyxerit, monoglyxerit và các axít béo tự do. Nên có thể tham gia phản ứng ester hóa với các rượu bậc một để tạo biodiesel.[2,3] Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 7 Khoa Hóa Học Và CNTP
  15. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu 1.3 Xúc tác sử dụng cho quá trình tổng hợp biodiesel 1.3.1 Xúc tác axít Xúc tác axít chủ yếu là xúc tác Bronsted như H2SO4, HCl,...xúc tác này là đồng thể trong pha lỏng. Phương pháp xúc tác đồng thể này đòi hỏi nhiều năng lượng cho quá trình tinh chế sản phẩm. Các xúc tác axít cho độ chuyển hóa thành ester cao nhưng phản ứng chỉ đạt độ chuyển hóa cao khi nhiệt độ cao trên 100oC và thời gian phản ứng lâu hơn, ít nhất trên 6 giờ mới đạt độ chuyển hóa hoàn toàn.[1,2,3] 1.3.2 Xúc tác bazơ Xúc tác bazơ trong quá trình chuyển hóa ester dầu thực vật có thể là xúc tác đồng thể trong pha lỏng như: KOH, NaOH, K2CO3, CH3ONa,…. Trong đó xúc tác CH3ONa có độ chuyển hóa cao nhất, thời gian phản ứng ngắn nhất, nhưng yêu cầu không được có mặt của nước vì gây khó khăn cho các quá trình công nghiệp. 1.3.3 Xúc tác dị thể Xúc tác đồng thể bazơ cho hiệu suất biodiesel cao, tuy nhiên gặp phải một số khó khăn như: Quá trình lọc rửa sản phẩm biodiesel khó khăn. Xúc tác không tái sử dụng hay tái sinh được mất nhiều chi phí để xử lý môi trường vì sau mỗi lần phản ứng, hỗn hợp phải thải bỏ đi. Để khắc phục nhược điểm đó, ta tìm ra xúc tác dị thể. Trong các loại xúc tác dị thể có các loại điển hình sau: a. Xúc tác MgO Đây là xúc tác bazơ, xảy ra ở dạng rắn. Hiệu suất sản phẩm (biodiesel) thu được thấp hơn gấp 10 lần so với NaOH, KOH. Để nâng cao hiệu suất cho MgO thì ta sẽ hoạt hóa chúng bằng NaOH. Dị thể hóa xúc tác dẫn đến dễ lọc rửa sản phẩm, mặt khác lại còn dễ tái sinh tiết kiệm được kinh tế, giảm ô nhiễm môi trường. b. Xúc tác Na/NaOH/γ-Al 2O3 Hệ xúc tác này cho hiệu suất biodiesel cao trên 80%, nếu sử dụng thêm dung môi n-hexan thì có thể cho hiệu suất đến 94%. Để tạo ra được hệ xúc tác trên ta trộn Na và NaOH với Al2O3 sau đó thổi Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 8 Khoa Hóa Học Và CNTP
  16. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu dòng nitơ ở 3200C vào hỗn hợp đó. Các tính chất của hệ xúc tác được thể hiện ở bảng 1.1. Bảng 1.1. Thông số của các loại xúc tác để tổng hợp biodiesel. Loại xúc tác Diện tích bề mặt Thể tích lỗ xốp, Đường kính lỗ riêng theo BET , cm3/g o xốp A m2/g Al2O3 143,1 0,481 134,3 NaOH / Al2O3 120,7 0,416 137,8 Na / Al2O3 97,7 0,362 148,2 Na / NaOH / Al2O3 83,2 0,322 155,0 c. Xúc tác HZSM-5 Đặc điểm của xúc tác loại này là tỉ lệ Si/Al=18, bề mặt riêng là 3 3 m2/g. Xúc tác loại này thường được sử dụng trong phản ứng điều chế biodiesel theo phương pháp hydrocracking. d. Xúc tác Rh-Al 2O3 Xúc tác này thường được sử dụng trong phản ứng hydrocraking dầu đậu nành. Sản phẩm thu được ngoài biodiesel còn có xăng và các sản phẩm khác. e. Xúc tác enzyme Các enzyme nhìn chung là xúc tác sinh học có đặc tính pha nền, đặc tính nhóm chức và đặc tính lập thể trong môi trường nước. Các phản ứng trao đổi ester sử dụng enzyme sẽ vượt qua các trở ngại về các quá trình hóa học phức tạp như: Các sản phẩm có thể methanol, glyxerol được tách ra một cách dễ dàng, cách axít béo tự do được chuyển thành metyl ester một cách hoàn toàn . Ưu điểm của xúc tác enzyme là : Độ chuyển hóa cao, thời gian phản ứng ngắn, quá trình tinh chế đơn giản. Nhược điểm: Chưa được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nên giá thành đắt đỏ.[1,2,3] Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 9 Khoa Hóa Học Và CNTP
  17. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Bảng 1.2. So sánh các điều kiện công nghệ của xúc tác kiềm và xúc tác enzyme. Các thông số công Xúc tác sử dụng nghệ Xúc tác kiềm Xúc tác Enzyme Nhiệt độ phản ứng 60 – 700C 30 – 400C Các axít béo tự do trong Sản phẩm xà phòng hóa Metyl Ester nguyên liệu Nước trong nguyên liệu Tham gia vào phản ứng Không tham gia Hiệu suất Cao Rất cao Thu hồi glyxerol Khó Dễ Làm sạch sản phẩm Rửa nhiều lần Không cần rửa Giá thành Rẻ Đắt 1.4 Ứng dụng của biodiesel từ bã cà phê Cải thiện đáng kể chất lượng nhiên liệu và hiệu suất động cơ ô-tô, cải thiện tính năng của dầu diesel truyền thống về tính bôi trơn và trị số xetane. Ethanol có thể dùng để nâng trị số octane của xăng. Trong thực tế, ở mức hàm lượng thấp (
  18. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu 1.5 Các phương pháp định tính và định lượng của bã và dầu cà phê 1.5.1 Các phương pháp định tính  Trong bã cà phê có nhiều thành phần cần phân tích như: Độ ẩm, cacbon, nitơ, protein,….được thể hiện ở bảng 1.3. Bảng 1.3. Thành phần của bã cà phê. Thành phần Giá trị Độ ẩm, (%) 12,20 Hàm lượng C, (%) 52,20 Hàm lượng nitơ, (%) 2,10 Protein, (gprotein/100g) 13,30 Tro, (%) 1,43 Xenlulo,(%) 13,80 Nhiệt trị, (MJ/kg) 4619,20 Hàm lượng C có trong bã cà phê cao nên có thể tận dụng làm than hoạt tính. Hàm lượng tro, nhiệt trị cho ta thấy được tận dụng được nguồn nguyên liệu này làm than đốt cung cấp nhiệt lượng cho các lĩnh vực dân dụng.[9]  Trong bã cà phê có thành phần là các hợp chất glyxerol như: monoglyxerit, diglyxerit, triglyxerit, axit béo tự do. Thành phần glyxerol được phân tích bằng máy HPLC để định lượng được thành phần có trong hỗn hợp của chúng. Nhóm tác giả Mano Misra đã phân tích chúng như hình. Ta thấy trong thành phần của dầu cà phê chứ nhiều triglyxerit (TG) là yếu tố quyết định nên sự tạo thành biodiesel chúng có cường độ cao, axit béo tự do có dầu có cường độ yếu đa số chúng nằm ở dạng kết hợp.[12] Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 11 Khoa Hóa Học Và CNTP
  19. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu FFA: Axit béo tự do MG: Monoglyxerit DG: Điglyxerol Cường độ TG: Triglyxerit. Thời gian lưu (phút) Hình 1.2. Phổ đồ HPLC của dầu cà phê.  Ngoài các thành phần được phân tích còn có thành phần quan trọng khác là các axít béo (FAME). Các axít trong dầu cà phê được phân tích bằng phương pháp sắc kí ghép khối phổ (GC-MS) được thể hiện ở bảng 1.4. Bảng 1.4. Thành phần axít béo có trong dầu cà phê. Tên axít Hàm lượng,%khối lượng Axít capric (C10:0) 0,49 Axít lauric (C12:0) 3,62 Axít myristic (C14:0) 3,29 Axít plamitic (C16:0) 28,44 Axít margaric (C17:0) 0,33 Axít arachidic (C20:0) 0,08 Axít oleic (C18:1) 58,21 Axít linoleic (C18:2) 1,06 Axít eicosedienoic (C20:2) 0,15 Axít eicosatrienoic (C20:3) 1,12 Thành phần FAME của CBDF chủ yếu là C10 đến C20. Thành phần C18:1 chiếm nhiều nhất (58,21%) tiếp đến là C16:0 (28,44%). Tổng hai thành phần này chiếm đến 86% và những thành phần còn lại chỉ tồn tại ở dạng lượng vết. Hàm lượng Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 12 Khoa Hóa Học Và CNTP
  20. Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu của đa nối đôi chỉ chiếm một phần rất nhỏ 2,36%.[4] Nhóm tác giả Chu Thị Bích Phượng thực hiện trích ly dầu cà phê từ bã cà phê phin trên thị trường và công nghiệp đã kết luận Trong dầu bã cà phê có chứa nhiều axít béo có chiều dài mạch C khác nhau (từ C6 đến C24), trong đó các axít béo palmitic (C16:0), axít oleic (C18:1) và axít linoleic (C18:2) chiếm hàm lượng cao. Thành phần axít béo trong hạt cà phê gồm hai axít béo no chủ yếu là axít palmitic và axít stearic. Hai axít béo không no chủ yếu là oleic và linoleic.[1]. Một số nghiên cứu khác của nhóm tác giả A.Deligiannis thực hiện trích ly bã cà phê từ dung môi n-hexan cho thấy thành phần axít arachidic C20:0 (4,04%) cao hơn nghiên cứu trên.[10] 1.5.2 Các phương pháp định lượng a. Hệ thống trích ly Soxhlet [4] Ta định lượng dầu cà phê bằng hệ thống trích ly Soxhlet với dung môi. Bình ngưng Nước Bình trích ly Siphon Bình thót cổ Dung môi Hình 1.3. Thiết bị trích ly Soxlet bằng dung môi hexan. Dung dịch được rót vào bình cầu, chất cần trích ly để lấy tinh dầu được đặt vào túi trong bình trích ly. Khi đun sôi dung dịch sẽ bay hơi lên ống vào bình trích ly, tại đây dung môi được ngưng tụ thành giọt rơi vào ống hình trụ chứa chất cần trích ly. Sau đó, dung môi sẽ hòa tan tinh dầu vào ống siphon, khi ống đầy dung môi được chảy Nghành Công Nghệ Kĩ Thuật Hóa Học 13 Khoa Hóa Học Và CNTP
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược