Điều chế biodiesel từ mỡ cá tra sử dụng xúc tác K2CO3/γ – Al2O3

Điều chế Biodiesel . . .<br /> <br /> ĐIỀU CHẾ BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRA SỬ DỤNG<br /> XÚC TÁC K2CO3/γ – Al2O3<br /> Huỳnh Thị Thùy Trang Thanh*<br /> TÓM TẮT<br /> Nhiên liệu sinh học biodiesel - gồm methyl este của các axit béo mạch dài được sản xuất bằng<br /> phản ứng chuyển hóa dầu thực vật hoặc mỡ động vật với methanol đang hứa hẹn sẽ thay thế các<br /> nguồn nhiên liệu hóa thạch sắp cạn kiệt và bảo vệ môi trường. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu quá<br /> trình sản xuất biodiesel từ mỡ cá tra với methanol bằng cách sử dụng xúa tác K2CO3 tẩm trên nền<br /> Al2O3 . Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng xúa tác K2CO3/Al2O3 có hiệu quả cao hơn các<br /> xúc tác H2SO4, HCl,..đã nghiên cứu trước đó vì có thể giảm được thời gian phản ứng, lượng xúc tác<br /> và lượng ancol. Sản phẩm biodiesel có kết quả phân tích phù hợp với tiêu chuẩn ASTMD 6751.<br /> <br /> 2.2. Phương pháp nghiên cứu<br /> 2.2.1. Khảo sát thành phần và tính chất<br /> của mỡ cá tra<br /> Thành phần acid béo được kiểm tra tại<br /> trung tâm dịch vụ phân tích. Tính chất của<br /> mỡ cá tra được xác định qua các chỉ tiêu hóa<br /> lý theo tiêu chuẩn AOCS.<br /> 2.2.2. Khảo sát phản ứng điều chế biodiesel<br /> Quy trình thí nghiệm được tiến hành như<br /> sau: sau khi điều chế được xúc tác K2CO3/γ<br /> – Al2O3, xúc tác K2CO3/γ – Al2O3 và MeOH<br /> được cho vào bình cầu hai cổ, khuấy mạnh<br /> trong vòng 20 phút. Cân 0.05 mol mỡ cá cho<br /> vào bình phản ứng có hệ thống sinh hàn, duy<br /> trì nhiệt độ ổn định và khuấy mạnh (600rpm)<br /> trong suốt thời gian phản ứng. Khi phản ứng<br /> kết thúc, để nguội, tiến hành tách pha trong<br /> phiễu chiết sau 4 giờ. Rửa biodiesel thô 5 –<br /> 6 lần với nước cất nóng cho đến khi nước<br /> trong và pH trung tính. Sấy sản phẩm 10<br /> phút trong microwave, công suất 320W.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU<br /> Trong những năm gần đây do giá dầu thô<br /> gia tăng, dầu mỏ trở nên khan hiếm và có giới<br /> hạn, môi trường bị ô nhiễm vì khói thải từ<br /> giao thông và công nghiệp đã thúc đẩy nghiên<br /> cứu biodiesel từ dầu mỡ động thực vật.<br /> Trong tình hình Việt Nam hiện nay,<br /> nguyên liệu có ưu thế cho sản xuất biodiesel<br /> là dầu mỡ động vật dưới dạng sản phẩm phụ<br /> như mỡ cá tra, cá basa,…và dầu mỡ thải đã<br /> qua sử dụng. Mục tiêu của đề tài là nghiên<br /> cứu điều chế biodiesel từ mỡ cá tra với<br /> methanol (MeOH) xúc tác K2CO3/γ – Al2O3<br /> bằng phương pháp khuấy nhiệt.<br /> 2. NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ VÀ<br /> PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 2.1. Nguyên liệu và thiết bị<br /> Mỡ cá tra do Công ty xuất nhập khẩu An<br /> Giang cung cấp, MeOH 90% (Trung Quốc),<br /> K2CO3, Al(OH)3, γ – Al2O3, microwave, máy<br /> khuấy từ gia nhiệt CORNING 600 rpm.<br /> <br /> *<br /> <br /> ThS, Giảng viên Khoa Kỹ thuật – Công nghệ, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Bình Dương<br /> <br /> 47<br /> <br /> Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät<br /> <br /> Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến<br /> hiệu suất của phản ứng gồm có: tỷ lệ mol<br /> MeOH:mỡ cá, hàm lượng xúc tác, thời gian<br /> và nhiệt độ phản ứng từ đó xác định điều kiện<br /> phản ứng tối ưu.<br /> 2.2.3. Phân tích sản phẩm<br /> Sản phẩm biodiesel được phân tích theo<br /> tiêu chuẩn ASTM D 6751. Định danh và xác<br /> định hàm lượng biodiesel tinh khiết bằng<br /> phương pháp GC – MS trên thiết bị HP 6890,<br /> MSD 5973.<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN<br /> 3.1. Khảo sát nguyên liệu<br /> Các chỉ số hóa lý của mỡ cá tra:<br /> - Chỉ số axit (mg KOH/g mỡ): 4.2725<br /> - Chỉ số xà phòng hóa (mgKOH/g mỡ):<br /> 192.3<br /> - Chỉ số Iốt (g I2/100g mỡ): 51.12<br /> - Độ ẩm (%):0.33<br /> - Tỷ trọng (g/ml): 0.9043<br /> - Độ nhớt (Cst): 4.27<br /> Kết quả phân tích GC cho thấy, mỡ cá<br /> chứa 94.25% các acid không no gồm C16, C18,<br /> C20 nhưnng chủ yếu là C18 (61.94%). Nước<br /> và các acid béo tự do (5.75%) trong mỡ cá<br /> tra tương đối cao. Do đó lựa chọn mỡ cá tra<br /> làm nguyên liệu và sử dụng xúc tác K2CO3/γ<br /> – Al2O3 cho phản ứng điều chế biodiesel là<br /> hợp lý.<br /> 3.2. Khảo sát phản ứng điều chế biodiesel<br /> 3.2.1. Ảnh hưởng tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá<br /> Điều kiện phản ứng: mỡ cá 0.05 mol, %<br /> xúc tác K2CO3/γ – Al2O3 4%, nhiệt độ phản<br /> ứng 600C, thời gian phản ứng 90 phút. Phản<br /> ứng ancol phân mỡ cá là phản ứng thuận<br /> nghịch, khi tỷ lệ mol tác chất tăng, thúc đẩy<br /> độ chuyển hóa làm tăng hiệu suất phản ứng.<br /> Ở tỷ lệ mol thấp, phản ứng chuyển hóa không<br /> cao. Khi tỷ lệ mol quá cao khả năng tiếp xúc<br /> của xúc tác với MeOH và mỡ cá không tốt<br /> <br /> Hình 5: Hiệu suất sản phẩm theo số lần tái sử<br /> dụng xúc tác<br /> <br /> gây khó khăn cho phản ứng tạo biodiesel, làm<br /> giảm hiệu suất sản phẩm. MeOH dư nhiều<br /> ảnh hưởng không tốt đến sản phẩm.<br /> 3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác<br /> Điều kiện phản ứng: mỡ cá 0.05 mol,<br /> nhiệt độ phản ứng 600C, thời gian phản ứng<br /> 90 phút, tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1. Khi<br /> tăng hàm lượng xúc tác tính đồng nhất của<br /> hỗn hợp phản ứng tăng lên, hiệu suất tăng.<br /> Khi hàm lượng xúc tác quá cao khả năng<br /> khuấy trộn tiếp xúc của xúc tác với MeOH<br /> và mỡ cá không tốt gây khó khăn cho phản<br /> ứng tạo biodiesel, làm giảm hiệu suất sản<br /> phẩm.<br /> <br /> 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng<br /> Điều kiện phản ứng: mỡ cá 0.05 mol,<br /> nhiệt độ phản ứng 600C, tỷ lệ mol MeOH:mỡ<br /> cá 7:1, % xúc tác K2CO3/γ – Al2O3 4%. Thời<br /> gian phản ứng quá ngắn phản ứng chưa<br /> chuyển hóa hoàn toàn. Thời gian khuấy<br /> càng lâu K2CO3 sẽ bong ra khỏi chất nền γ<br /> 48<br /> <br /> Điều chế Biodiesel . . .<br /> <br /> K2CO3/γ – Al2O3 4%, thời gian phản ứng 90<br /> phút, nhiệt độ phản ứng 600C, mỡ cá 0.05<br /> mol. Biodiesel được tạo thành từ xúc tác<br /> thu hồi cũng có chất lương cao tương tự<br /> biodiesel ban đầu.<br /> Bảng 1: Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác<br /> STT Lần tái<br /> sinh<br /> <br /> – Al2O3 gây phản ứng xà phòng hóa dẫn đến<br /> hiệu suất giảm.<br /> 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng<br /> Điều kiện phản ứng: mỡ cá 0.05 mol, thời<br /> gian phản ứng 90 phút, tỷ lệ mol MeOH:mỡ<br /> cá 7:1, % xúc tác K2CO3/γ – Al2O3 4%. Nhiệt<br /> độ phản ứng thấp phản ứng chưa chuyển<br /> hóa hoàn toàn. Nhiệt độ phản ứng quá cao<br /> methanol bay hơi dẫn đến giảm hiệu suất sản<br /> phẩm.<br /> <br /> Hiệu<br /> suất thu<br /> hồi(%)<br /> <br /> Hiệu suất phản<br /> ứng ancol phân<br /> <br /> 1<br /> <br /> 0<br /> <br /> 95.40<br /> <br /> 2<br /> <br /> 1<br /> <br /> 88.24<br /> <br /> 91.04<br /> <br /> 3<br /> <br /> 2<br /> <br /> 84.16<br /> <br /> 83.59<br /> <br /> 4<br /> <br /> 3<br /> <br /> 76.47<br /> <br /> 74.25<br /> <br /> 3.3. Phân tích chất lượng của biodiesel<br /> - Chỉ số axit (mg KOH/g mỡ): 4.4<br /> - Tỷ trọng ở 150C (g/ml): 0.8613<br /> - Độ nhớt (Cst): 4.335<br /> IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ<br /> Nghiên cứu này đã đạt được một số kết<br /> quả cụ thể như sau:<br /> Xác định điều kiễn tối ưu bằng phương<br /> pháp nhiệt: tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1, %<br /> xúc tác K2CO3/γ – Al2O3 4%, thời gian phản<br /> ứng 90 phút, nhiệt độ phản ứng 600C mỡ cá<br /> 0.05 mol. Hiệu suất 95.40% với độ tinh khiết<br /> 97.59%<br /> <br /> Kết quả phân tích GC – MS đã thể hiện<br /> các nhóm chức đặc trưng của metyleste và<br /> thành phần phù hợp với thành phần của mỡ<br /> cá nguyên liệu đã khảo sát ở trên. Hiệu suất<br /> phản ứng cao nhất là 95.40% ở điều kiện : tỷ<br /> lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1, % xúc tác K2CO3/γ<br /> – Al2O3 4%, thời gian phản ứng 90 phút, nhiệt<br /> độ phản ứng 600C mỡ cá 0.05 mol.<br /> 3.3. Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc<br /> tác<br /> Điều kiện phản ứng : nhiệt độ nung xúc<br /> tác thu hồi 7500C, thời gian nung xúc tác 2<br /> giờ, tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1, % xúc tác<br /> 49<br /> <br /> Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät<br /> <br /> Các chỉ tiêu hóa lý của sản phẩm biodiesel<br /> được kiểm tra theo các phương pháp của tiêu<br /> chuẩn ASTM D 6751 quy định.<br /> Mỡ cá tra có hàm lượng nước và acid béo<br /> tự do cao do đó sử dụng xúc tác K2CO3/γ –<br /> Al2O3 có thời gian phản ứng ngắn, cho hiệu<br /> suất phản ứng cao, hiệu quả kinh tế vừa có<br /> khả năng tái sử dụng cao.<br /> <br /> Việc thu hồi glycerin dùng cho công<br /> nghiệp, xúc tác K2CO 3/γ – Al2O 3 và<br /> metanol dư để tái sử dung sẽ làm tăng giá<br /> trị thực tiễn của phương pháp này do đó<br /> cần được tiếp tục khảo sát và nghiên cứu<br /> thêm.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> Tiếng Việt<br /> [1] Mai Hữu Khiêm (2000), “Giáo trình hoá lý”, NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM.<br /> [2] Lê Minh Hiệp (2006),“Nghiên cứu điều chế metylester từ mỡ cá basa”, luận văn đại học, Đại Học<br /> Bách Khoa Tp.HCM.<br /> Tiếng anh<br /> [3] Edgar Lotero, James G. Goodwin, JR., David A. Bruce, Keawta Suwannakarn,“The Catalysis of<br /> Biodiesel Synthesis”, Department of Chemical Engineering, clemson University, Clemson SC<br /> 296340909, USA.<br /> [4] Galen J. Suppes*, Mohanprasad A. Dasari, Eric J. Doskocil, Pratik J . Mankidy, Micheal J.<br /> Goff,“Transesterification of soybean oil with zeolite and metal catalysts”, 2003, p. 213 – 223.<br /> [5] Gerhard Knothe,“The Biodiesel handbook”, 2004.<br /> [6] Ulf Schechardi, Review: transesterification of Vegetable oil, 1997<br /> <br /> 50<br /> <br />