Nhiên liệu sinh học (biodiesel) được biết đến như thế hệ nhiên liệu mới thân thiện với môi trường - không độc hại, không gây ô nhiễm và có thể tự phân hủy. Loại nhiên liệu này được sản xuất từ nguồn nguyên liệu dễ tìm như dầu thực vật và mỡ động vật, thông qua quá trình este hóa - xảy ra giữa triglicerid và rượu tạo thành este và glicerol.
Năm 1911, khi Rudolf Diesel chế tạo thành công động cơ diesel, ý tưởng đầu tiên dùng dầu thực vật làm nhiên liệu rất được quan tâm nhưng không đi vào thực tiễn. Thay vào đó, dầu hỏa được sử dụng như nguồn nhiên liệu chính. Một thời gian rất lâu sau đó, người ta bắt đầu tranh cãi về việc cắt giảm sử dụng dầu hỏa bởi vì nguồn tài nguyên dầu hỏa đang dần cạn kiệt và mức độ thải khí cacbonic (CO2) quá mức đã làm Trái Đất nóng dần lên. Lúc này các nhà khoa học bắt tay tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế cho dầu hỏa.
Về cấu trúc, nhiên liện sinh học mang nhóm alkil este, được tạo thành bởi quá trình este hóa. Trong quá trình này, dầu thực vật hoặc mỡ động vật (triglicerid) và rượu (như metanol, etanol…) là nguyên liệu chính. Tiêu chí của các nhà hóa học là sử dụng nguyên liệu rẻ tiền mà hiệu quả. Do đó, dầu thực vậy thường được dùng là dầu đậu nành, dầu hướng dương và dầu cọ. Rượu thường dùng là metanol. Etanol không được sử dụng chủ yếu vì chi phí khá cao.
Nhiên liệu sinh học chính là hỗn hợp của alkil este thu được từ dầu thực vật/mỡ động vật và dầu diesel thông thường vì như vậy mới đạt được các yêu cầu về mặt kỹ thuật cho động cơ, kéo dài tuổi thọ động cơ và không gây ô nhiễm môi trường.
Kí hiệu của nhiên liệu sinh học được bắt đầu bằng kí tự “B”, kí tự đầu tiên của từ “Biodiesel”. Ví dụ, dầu B20 chứa 20% nhiên liệu sinh học (biodiesel) và 80% dầu hỏa (diesel). B20 cũng là loại nhiên liệu sinh học thông dụng nhất hiện nay.
Phương pháp tổng hợp nhiên liệu sinh học
Tùy theo mục đích và điều kiện tổng hợp, chúng ta có 3 phương pháp: • Biến đổi dầu thực vật thành axit béo trước khi tổng hợp nhiên liệu sinh học. • Quá trình este hóa trực tiếp dầu thực vật với xúc tác axit. • Quá trình este hóa trực tiếp dầu thực vật với xúc tác bazơ.
Vì mục đích kinh tế mà hầu hết nhiên liệu sinh học ngày nay được sản xuất từ phương pháp thứ ba - este hóa trực tiếp dầu thực vật với xúc tác bazơ. Do đó, trong bài này chúng tôi chỉ mô tả quá trình sản xuất thông dụng nhất : Quá trình trans - este hóa trực tiếp dầu thực vật với xúc tác bazơ. Phản ứng xảy ra như sau:
Trong đó: R1, R2, R3 là kí hiệu 3 mạch hidrocacbon có cấu trúc khác nhau, R’OH thường dùng là CH3-OH.
Dầu thực vật/mỡ động vật phản ứng với metanol để tạo thành hỗn hợp este béo và glicerol dưới điều kiện xúc tác bazơ, thường dùng là một chất kiềm mạnh (như NaOH hoặc KOH), xúc tác đóng vai trò vô cùng quan trọng giúp đưa phản ứng đạt hiệu suất tối đa. Đồng thời metanol được dùng với lượng dư để đẩy nhanh tốc độ phản ứng.
Quá trình tổng hợp nhiên liệu sinh học theo phương pháp đã trình bày trên bao gồm 5 giai đoạn: (1) Phản ứng este hóa tạo ra metil este, (2) Tách metil este khỏi glicerol, (3) Loại bỏ metanol còn dư, (4) Trung hòa và rửa sản phẩm metil este và (5) sấy khô nước. Quá trình được mô tả bằng sơ đồ sau.
Người ta cho hỗn hợp metanol và xúc tác bazơ mạnh (NaOH hoặc KOH) vào lò phản ứng trước, sau đó mới cho dầu thực vật vào. Giai đoạn này lại chia làm hai giai đoạn nhỏ: (i) Cho 80% hỗn hợp của metanol và xúc tác bazơ mạnh vào dầu trước. (ii) Sau khi loại bỏ glicerol tạo ra trong giai đoạn (i) thì cho tiếp 20% còn lại của hỗn hợp metanol-xúc tác vào dầu. Hỗn hợp metanol và xúc tác trong dầu được pha trộn cẩn thận trong 1 giờ ở nhiệt độ 60oC trong lò phản ứng. Sau khi phản ứng kết thúc, sản phẩm thu được là một hỗn hợp của metil este, glicerol và metanol dư. Tiếp tục quá trình loại bỏ glicerol được tạo ra trong giai đoạn (ii) bằng cách dựa vào sự khác nhau về trọng lượng riêng của glicerol và metil este, chúng ta thu được lớp metil este nằm ở phân lớp trên còn glicerol thì ở phân lớp dưới bình phản ứng.
• Phần glicerol bị loại bỏ từ hai giai đoạn phản ứng (glicerol trong phân lớp dưới và glicerol từ giai đoạn (i)) vẫn còn chứa một lượng metanol dư. Hỗn hợp này được axit hóa và tách cẩn thận để thu axit béo tự do và thu glicerol thô sau khi loại bỏ metanol bằng phương pháp làm bay hơi hoặc chưng cất. • Phân lớp trên bao gồm metil este và metanol dư tiếp tục giai đoạn loại bỏ metanol bằng phương pháp bay hơi hoặc chưng cất. Metil este thu được sau đó được trung hòa với axit (axit giúp trung hòa xúc tác bazơ) và rửa với nước (nước giúp hòa tan muối tạo thành sau phản ứng trung hòa và metanol còn sót lại). Metil este được làm khan nước để trở thành sản phẩm nhiên liệu sinh học.
Toàn bộ lượng metanol được thu hồi, chưng cất lại và tái sử dụng cho lần sau.
Sự đốt cháy nhiên liệu sinh học Nhiều nghiên cứu cho thấy việc sử dụng nhiên liệu B20 của metil este tổng hợp từ dầu thực vật giúp rút ngắn thời gian chậm đánh lửa trong động cơ. Đây là thời gian từ lúc người điều khiển đạp ga và thời điểm mà nhiên liệu đặt được nhiệt độ thích hợp và bắt đầu đánh lửa. Tuy nhiên, nghiên cứu không cho kết quả tương đương khi thực hiện trên isopropil este.
Áp suất xilanh cũng được nghiên cứu vì áp suất xilanh cho thấy khả năng kết hợp tốt của một nhiên liệu với không khí để cháy. Kết quả là khi dùng nhiên liệu B20, áp suất xilanh tăng khi người điều khiển ấn ga, quá trình đốt cháy loại nhiên liệu này xảy ra nhanh hơn so với nhiên liệu hoàn toàn từ dầu hỏa. Tức là với B20, nhiên liệu được đốt cháy sớm hơn trong mọi điều kiện khác nhau, thời gian chậm đánh lửa của động cơ được rút ngắn và nhiệt tỏa ra thấp hơn so với thế hệ nhiên liệu cũ.
Khí thải khi sử dụng nhiên liệu sinh học
Vấn đề môi trường mà xăng, dầu đem lại đã quá rõ ràng và cần nhanh chóng khắc phục. Vì vậy nhiên liệu sinh học được xem là giải pháp tối ưu cho đến thời điểm này bởi các lý do sau:
• Lưu huỳnh không có mặt trong thành phần của nhiên liệu sinh học, do đó nó hạn chế mưa axit. • Không chứa các hidrocacbon thơm nên nhiên liệu sinh học giảm thiểu ảnh hưởng của các hợp chất không no (như xeton, benzen…) trong không khí. • Giảm khí thải CO, CO2 , NOx đến 78% so với nhiên liệu thông thường. • Khả năng dễ bị oxi hóa của nhiên liệu sinh học giúp cho quá trình đốt cháy xảy ra hoàn toàn hơn. Vì nhiên liệu được oxi hóa chứa một lượng lớn oxi giúp tối ưu hóa quá trình cháy của hidrocacbon (HC) nên hạn chế tối thiểu lượng hidrocacbon thải ra môi trường. Vì vậy nhiên liệu sinh học không gây ra ô nhiễm môi trường cũng như hiệu ứng nhà kính và hiện tượng nóng dần lên của Trái Đất. • Ngoài ra, nó còn giảm lượng khói bốc ra từ động cơ đang hoạt động nên hạn chế ô nhiễm gây ra do các hạt bụi mịn (PM).
Tuy nhiên vấn đề lớn nhất của nhiên liệu sinh học dẫn đến nó chưa được sử dụng rộng rãi hiện nay là giá thành còn cao vì thiết bị sản xuất cần được cải thiện và vấn đề tăng dân số quá nhanh dẫn đến thiếu lương thực thực phẩm – nguồn nguyên liệu dùng để sản xuất nhiên liệu sinh học. Vì vậy cần phải mở rộng đất canh tác và đưa công nghệ vào sản xuất thực phẩm.
[RIGHT]Nhã Uyên và Andreas Lernstad tổng hợp Theo Cyberchemvn.com[/RIGHT]