Nghiên cứu khả năng sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa
NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA ESTER MỠ CÁ BASA THEO
PHƯƠNG PHÁP THỦY PHÂN BẰNG XÚC TÁC KIỀM
SYNTHESIS OF BIODIESEL FROM CATFISH BY ALKALI-CATALYZED
TRANSESTERIFICATION METHOD
TÓM TẮT
Biodiesel được biết đến như là nhiên liệu thay thế đầy tiềm năng cho dầu diesel nhờ những
tính chất tương tự như diesel đồng thời còn tích hợp nhiều ưu điểm vượt trội, cho hiệu quả cao về
mặt kinh tế và môi trường như: dễ phân hủy, không độc, khí thải độc hại ít và là nguồn dễ tái sinh.
Hiện nay biodiesel Việt Nam được nghiên cứu sản xuất từ rất nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau
như dầu thực vật: đậu nành, dầu hạt cao su, dầu mè…và mỡ động vật: mỡ cá basa. Bài báo cáo này
trình bày kết quả nghiên cứu mà chúng tôi đã tiến hành tổng hợp biodiesel từ mỡ cá basa bằng
phương pháp chuyển hóa ester xúc tác kiềm nhằm tìm điều kiện tối ưu của phản ứng.
ABSTRACT
Biodiesel is known as a potential alternative fuel for petroleum-based diesel fuel thanks to
similar properties as the diesel, moreover it has many excellent advantages about economy and
environment: non-toxic, biodegradability, reduction of most exhaust emission, renewable. Nowadays
Việt Nam’s Biodiesel can be produced from a great variety of feedstocks such as vegetable oil and
animal fat: catfish fat… This report presents the results of our research about producing of biodiesel
from catfish by alkali-catalyzed transesterification method to find optimal conditions.
Keywords: biodiesel, transesterification, fatty acid methyl esters.
1. Nguyên liệu và phương pháp kiểm tra đánh giá
Cá Basa đang là một mặt hàng xuất khẩu lớn của Việt Nam. Dự kiến trong năm
2007, công suất chế biến cá basa ở miền Tây Nam Bộ sẽ vào khoảng 700.000 tấn cá,
tức là sẽ có khoảng 100.000 tấn mỡ cá basa. Phần lớn mỡ cá basa vì không có giá trị
kinh tế cao nên phải bỏ đi hoặc trộn với mỡ lợn bán lên vùng cao. Như vậy nếu ta tận
dụng tốt nguồn mỡ cá basa này vào việc sản xuất Biodiesel thì sẽ không lo thiếu hụt về
nguồn nguyên liệu ban đầu. Đồng thời việc dùng mỡ cá để chế biến dầu diesel sinh
học có tác động lớn về mặt kinh tế - xã hội.
Tuy nhiên việc sử dụng trực tiếp dầu thực vật và mỡ làm nhiên liệu cho động cơ
Diesel gặp những khó khăn như quá trình hóa hơi nhiên liệu ở nhiệt độ thấp kém gây
trở ngại cho quá trình khởi động, quá trình cháy không hoàn toàn dẫn đến giảm công
suất của động cơ, độ nhớt cao làm nghẽn bộ phận lọc, gây khó khăn cho hệ thống phun
nhiên liệu. Để giảm độ nhớt của dầu và mỡ thì có thể sử dụng nhiều phương pháp: sấy
Nghiên cứu khả năng sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa
nóng, pha loãng, nhũ tương hóa, cracking… Trong đó phương pháp chuyển hóa ester
với xúc tác kiềm có nhiều ưu điểm như: phản ứng xảy ra nhanh ở điều kiện nhiệt độ và
áp suất thường, quy trình tiến hành đơn giản dễ thực hiện… Do đó chúng tôi đã chọn
phương pháp chuyển hóa ester xúc tác kiềm để tổng hợp biodiesel từ mỡ cá basa.
Bên cạnh việc chọn mỡ cá basa làm nguyên liệu, qua phân tích đánh giá chúng
tôi quyết định chọn rượu methanol làm tác nhân với xúc tác là NaOH và KOH để tổng
hợp biodiesel.
Quá trình nghiên cứu bao gồm phần thực nghiệm và phần kiểm tra đánh giá
chất lượng biodiesel thu được. Cụ thể như sau:
- Thực nghiệm: chúng tôi đã thực hiện phản ứng tổng hợp biodiesel từ mỡ cá
Basa và Methanol lần lượt với xúc tác NaOH và KOH với các điều kiện khác nhau về:
thời gian phản ứng, tỷ lệ mol rượu/mỡ, nhiệt độ tiến hành phản ứng. Từ đó, xác định
các thông số tối ưu của phản ứng tổng hợp biodiesel từ mỡ cá Basa.
- Đánh giá chất lượng biodiesel: hai mẫu biodiesel tối ưu với tác nhân là
Methanol và xúc tác là NaOH hoặc KOH được kiểm định theo tiêu chuẩn ASTM tại
Phòng Thí nghiệm Lọc – Hóa dầu và Phòng hóa nghiệm thuộc Công ty xăng dầu Khu
vực V.
2. Thực nghiệm
Quá trình tổng hợp biodiesel bao gồm hai bước:
- Tiến hành phản ứng: Lấy 100 ml mỡ cá đã sấy tách nước cho vào bình cầu ba
cổ, gia nhiệt đến nhiệt độ đã chọn. Đong thể tích rượu tương ứng với tỷ lệ mol rượu/
dầu đã chọn vào bình tam giác và hòa tan với 0,49g NaOH (hoặc 1,1g KOH). Tiến
hành khuấy trộn để xúc tác tan hoàn toàn trong rượu. Đổ mỡ đã gia nhiệt và hỗn hợp
xúc tác và rượu vào bình cầu 3 cổ. Tiến hành phản ứng bằng cách gia nhiệt, khuấy trộn
liên tục với các tỷ lệ mol Rượu/Mỡ, nhiệt độ, thời gian khác nhau để xác định điều
kiện tối ưu cho phản ứng chuyển hóa Ester.
- Xử lý sản phẩm: sau khi phản ứng kết thúc, đổ hỗn hợp sản phẩm vào phễu
chiết, lắng trong 6h. Hỗn hợp sẽ tách thành 2 pha, pha phía trên có màu vàng nhạt
chính là Methyl Ester hoặc Ethyl Ester, pha màu sậm hơn phía dưới là glycerol. Chiết
tách pha nhẹ, trung hòa bằng acid acetic rồi để lắng trong 1h. Sau đó rửa 3 lần bằng
nước ấm, lắng rồi sấy.
Nghiên cứu khả năng sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa
3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp biodiesel
3.1. Với xúc tác NaOH
3.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol MeOH/Mỡ đến độ chuyển hoá ester
Tiến hành phản ứng với tỷ lệ rượu/mỡ khác nhau trong thời gian 60 phút, ở
60oC. Kết quả thu được thể hiện ở bảng 1.
4.70
4.85
5.00
5.15
5.30
5.45
5.60
5.75
5.90
6.05
6.20
6.35
6.50
6.65
6.80
2/13/14/15/16/17/18/19/1
ν40oC
(
cSt
)
Đồ thị 1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol MeOH/Mỡ đến độ chuyển hoá ester
Nhận xét: Độ nhớt của ester giảm (tức độ chuyển hóa tăng) khi tỷ lệ mol
methanol/dầu tăng: Trong phạm vi từ 3/1 ÷ 6/1 thì độ chuyển hóa tăng nhanh, vượt
quá tỉ lệ 6/1 thì ảnh hưởng của tỷ lệ mol MeOH/mỡ là không đáng kể.
Vậy theo kết quả khảo sát thì tỷ lệ mol MeOH/mỡ tối ưu là 6/1.
3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hoá ester
Tiến hành phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 60 phút, với tỷ lệ
rượu/mỡ 6/1. Kết quả khảo sát trình bày ở bảng 2.
4.70
4.75
4.80
4.85
4.90
4.95
5.00
5.05
5.10
5.15
5.20
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
30 40 50 60 70 80 90
Độ nhớt
R/M
(mol/mol)
Độ nhớt
Đồ thị 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hoá ester
(oC)
Nghiên cứu khả năng sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa
Nhận xét: Ở khoảng nhiệt độ từ 40 ÷ 60oC thì độ chuyển hóa tăng chậm và
nhiệt độ ảnh hưởng không đáng kể đến độ chuyển hóa cũng như độ nhớt của sản
phẩm. Từ 60 ÷ 70oC thì độ chuyển hóa giảm chậm. Đến 70 ÷ 80oC thì độ chuyển hóa
giảm nhanh hơn (là điều kiện thuận lợi cho phản ứng xà phòng hoá xảy ra). Hơn nữa
lại vượt quá nhiệt độ sôi của MeOH (64,7oC), làm tăng lượng mất mát do bay hơi.
Vậy theo kết quả khảo sát thì nhiệt độ tối ưu là 60oC.
3.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ chuyển hoá ester
Tiến hành phản ứng trong thời gian khác nhau ở 60oC với tỷ lệ mol rượu/mỡ
6/1. Kết quả thu được thể hiện ở bảng 3.
ν40oC
(
cSt
)
4.70
4.75
4.80
4.85
4.90
4.95
5.00
5.05
5.10
5.15
5.20
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135
(phút)
Đồ thị 3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ chuyển hoá ester
Độ chuyển hóa tăng khi thời gian phản ứng tăng. Trong 60 phút đầu tiên độ
chuyển hóa tăng nhanh. Từ 60 phút trở đi thì độ chuyển hóa tăng vô cùng chậm. Lúc
này phản ứng đã đạt đến trạng thái cân bằng. Vậy theo kết quả khảo sát thì thời gian
phản ứng tối ưu là 60 phút.
3.2 Với xúc tác KOH
3.2.1.Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol MeOH/Mỡ đến độ chuyển hoá ester.
Tiến hành phản ứng với tỷ lệ rượu/mỡ khác nhau trong thời gian 60 phút, ở 60oC.
Nghiên cứu khả năng sản xuất biodiesel từ mỡ cá basa
Kết quả: Kết quả: ν40oC(cSt)
4.70
4.85
5.00
5.15
5.30
5.45
5.60
5.75
5.90
6.05
6.20
6.35
6.50
6.65
6.80
2/13/14/15/16/17/18/19/1
ν
40oC
(
cSt
)
Đồ thị 4. : Ảnh hưởng của tỷ lệ mol MeOH/Mỡ đến độ chuyển hoá ester
Vậy theo kết quả khảo sát thì tỷ lệ mol MeOH/mỡ tối ưu là 6/1
3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hoá ester
Tiến hành phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 60 phút, với tỷ lệ
rượu:mỡ = 6:1. Kết quả thu được thể hiện ở bảng 5.
4.70
4.75
4.80
4.85
4.90
4.95
5.00
5.05
5.10
5.15
5.20
5.25
5.30
5.35
5.40
5.45
5.50
30 40 50 60 70 80 90
R/M (mol/mol)
(oC)
Đồ thị 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hoá ester
Vậy theo kết quả khảo sát thì nhiệt độ tối ưu là 50oC.
3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến độ chuyển hoá ester
Tiến hành phản ứng với thời gian phản ứng khác nhau ở 50oC và tỷ lệ mol rượu/mỡ là
6/1.