Điều chế biodiesel từ mỡ cá tra sử dụng xúc tác K 2CO3/γ – Al2O3 - Hoàng Thị Thùy Trang Thanh

47 Điều chế Biodiesel . . . ĐIỀU CHẾ BIODIESEL TỪ MỠ CÁ TRA SỬ DỤNG XÚC TÁC K2CO3/γ – Al2O3 Huỳnh Thị Thùy Trang Thanh* TĨM TẮT Nhiên liệu sinh học biodiesel - gồm methyl este của các axit béo mạch dài được sản xuất bằng phản ứng chuyển hĩa dầu thực vật hoặc mỡ động vật với methanol đang hứa hẹn sẽ thay thế các nguồn nhiên liệu hĩa thạch sắp cạn kiệt và bảo vệ mơi trường. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu quá trình sản xuất biodiesel từ mỡ cá tra với methanol bằng cách sử dụng xúa tác K2CO3 tẩm trên nền Al2O3 . Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng xúa tác K2CO3/Al2O3 cĩ hiệu quả cao hơn các xúc tác H2SO4, HCl,..đã nghiên cứu trước đĩ vì cĩ thể giảm được thời gian phản ứng, lượng xúc tác và lượng ancol. Sản phẩm biodiesel cĩ kết quả phân tích phù hợp với tiêu chuẩn ASTMD 6751. * ThS, Giảng viên Khoa Kỹ thuật – Cơng nghệ, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Bình Dương 1. GIỚI THIỆU Trong những năm gần đây do giá dầu thơ gia tăng, dầu mỏ trở nên khan hiếm và cĩ giới hạn, mơi trường bị ơ nhiễm vì khĩi thải từ giao thơng và cơng nghiệp đã thúc đẩy nghiên cứu biodiesel từ dầu mỡ động thực vật. Trong tình hình Việt Nam hiện nay, nguyên liệu cĩ ưu thế cho sản xuất biodiesel là dầu mỡ động vật dưới dạng sản phẩm phụ như mỡ cá tra, cá basa,và dầu mỡ thải đã qua sử dụng. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu điều chế biodiesel từ mỡ cá tra với methanol (MeOH) xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 bằng phương pháp khuấy nhiệt. 2. NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu và thiết bị Mỡ cá tra do Cơng ty xuất nhập khẩu An Giang cung cấp, MeOH 90% (Trung Quốc), K 2 CO 3 , Al(OH) 3 , γ – Al 2 O 3 , microwave, máy khuấy từ gia nhiệt CORNING 600 rpm. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Khảo sát thành phần và tính chất của mỡ cá tra Thành phần acid béo được kiểm tra tại trung tâm dịch vụ phân tích. Tính chất của mỡ cá tra được xác định qua các chỉ tiêu hĩa lý theo tiêu chuẩn AOCS. 2.2.2. Khảo sát phản ứng điều chế biodiesel Quy trình thí nghiệm được tiến hành như sau: sau khi điều chế được xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 , xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 và MeOH được cho vào bình cầu hai cổ, khuấy mạnh trong vịng 20 phút. Cân 0.05 mol mỡ cá cho vào bình phản ứng cĩ hệ thống sinh hàn, duy trì nhiệt độ ổn định và khuấy mạnh (600rpm) trong suốt thời gian phản ứng. Khi phản ứng kết thúc, để nguội, tiến hành tách pha trong phiễu chiết sau 4 giờ. Rửa biodiesel thơ 5 – 6 lần với nước cất nĩng cho đến khi nước trong và pH trung tính. Sấy sản phẩm 10 phút trong microwave, cơng suất 320W. 48 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật gây khĩ khăn cho phản ứng tạo biodiesel, làm giảm hiệu suất sản phẩm. MeOH dư nhiều ảnh hưởng khơng tốt đến sản phẩm. 3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng xúc tác Điều kiện phản ứng: mỡ cá 0.05 mol, nhiệt độ phản ứng 600C, thời gian phản ứng 90 phút, tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1. Khi tăng hàm lượng xúc tác tính đồng nhất của hỗn hợp phản ứng tăng lên, hiệu suất tăng. Khi hàm lượng xúc tác quá cao khả năng khuấy trộn tiếp xúc của xúc tác với MeOH và mỡ cá khơng tốt gây khĩ khăn cho phản ứng tạo biodiesel, làm giảm hiệu suất sản phẩm. 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng Điều kiện phản ứng: mỡ cá 0.05 mol, nhiệt độ phản ứng 600C, tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1, % xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 4%. Thời gian phản ứng quá ngắn phản ứng chưa chuyển hĩa hồn tồn. Thời gian khuấy càng lâu K 2 CO 3 sẽ bong ra khỏi chất nền γ Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của phản ứng gồm cĩ: tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá, hàm lượng xúc tác, thời gian và nhiệt độ phản ứng từ đĩ xác định điều kiện phản ứng tối ưu. 2.2.3. Phân tích sản phẩm Sản phẩm biodiesel được phân tích theo tiêu chuẩn ASTM D 6751. Định danh và xác định hàm lượng biodiesel tinh khiết bằng phương pháp GC – MS trên thiết bị HP 6890, MSD 5973. 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. Khảo sát nguyên liệu Các chỉ số hĩa lý của mỡ cá tra: - Chỉ số axit (mg KOH/g mỡ): 4.2725 - Chỉ số xà phịng hĩa (mgKOH/g mỡ): 192.3 - Chỉ số Iốt (g I 2 /100g mỡ): 51.12 - Độ ẩm (%):0.33 - Tỷ trọng (g/ml): 0.9043 - Độ nhớt (Cst): 4.27 Kết quả phân tích GC cho thấy, mỡ cá chứa 94.25% các acid khơng no gồm C 16 , C 18 , C 20 nhưnng chủ yếu là C 18 (61.94%). Nước và các acid béo tự do (5.75%) trong mỡ cá tra tương đối cao. Do đĩ lựa chọn mỡ cá tra làm nguyên liệu và sử dụng xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 cho phản ứng điều chế biodiesel là hợp lý. 3.2. Khảo sát phản ứng điều chế biodiesel 3.2.1. Ảnh hưởng tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá Điều kiện phản ứng: mỡ cá 0.05 mol, % xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 4%, nhiệt độ phản ứng 600C, thời gian phản ứng 90 phút. Phản ứng ancol phân mỡ cá là phản ứng thuận nghịch, khi tỷ lệ mol tác chất tăng, thúc đẩy độ chuyển hĩa làm tăng hiệu suất phản ứng. Ở tỷ lệ mol thấp, phản ứng chuyển hĩa khơng cao. Khi tỷ lệ mol quá cao khả năng tiếp xúc của xúc tác với MeOH và mỡ cá khơng tốt Hình 5: Hiệu suất sản phẩm theo số lần tái sử dụng xúc tác 49 Điều chế Biodiesel . . . – Al 2 O 3 gây phản ứng xà phịng hĩa dẫn đến hiệu suất giảm. 3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng Điều kiện phản ứng: mỡ cá 0.05 mol, thời gian phản ứng 90 phút, tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1, % xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 4%. Nhiệt độ phản ứng thấp phản ứng chưa chuyển hĩa hồn tồn. Nhiệt độ phản ứng quá cao methanol bay hơi dẫn đến giảm hiệu suất sản phẩm. Kết quả phân tích GC – MS đã thể hiện các nhĩm chức đặc trưng của metyleste và thành phần phù hợp với thành phần của mỡ cá nguyên liệu đã khảo sát ở trên. Hiệu suất phản ứng cao nhất là 95.40% ở điều kiện : tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1, % xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 4%, thời gian phản ứng 90 phút, nhiệt độ phản ứng 600C mỡ cá 0.05 mol. 3.3. Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác Điều kiện phản ứng : nhiệt độ nung xúc tác thu hồi 7500C, thời gian nung xúc tác 2 giờ, tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1, % xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 4%, thời gian phản ứng 90 phút, nhiệt độ phản ứng 600C, mỡ cá 0.05 mol. Biodiesel được tạo thành từ xúc tác thu hồi cũng cĩ chất lương cao tương tự biodiesel ban đầu. Bảng 1: Khảo sát khả năng tái sử dụng xúc tác STT Lần tái sinh Hiệu suất thu hồi(%) Hiệu suất phản ứng ancol phân 1 0 95.40 2 1 88.24 91.04 3 2 84.16 83.59 4 3 76.47 74.25 3.3. Phân tích chất lượng của biodiesel - Chỉ số axit (mg KOH/g mỡ): 4.4 - Tỷ trọng ở 150C (g/ml): 0.8613 - Độ nhớt (Cst): 4.335 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nghiên cứu này đã đạt được một số kết quả cụ thể như sau: Xác định điều kiễn tối ưu bằng phương pháp nhiệt: tỷ lệ mol MeOH:mỡ cá 7:1, % xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 4%, thời gian phản ứng 90 phút, nhiệt độ phản ứng 600C mỡ cá 0.05 mol. Hiệu suất 95.40% với độ tinh khiết 97.59% 50 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Các chỉ tiêu hĩa lý của sản phẩm biodiesel được kiểm tra theo các phương pháp của tiêu chuẩn ASTM D 6751 quy định. Mỡ cá tra cĩ hàm lượng nước và acid béo tự do cao do đĩ sử dụng xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 cĩ thời gian phản ứng ngắn, cho hiệu suất phản ứng cao, hiệu quả kinh tế vừa cĩ khả năng tái sử dụng cao. Việc thu hồi glycerin dùng cho cơng nghiệp, xúc tác K 2 CO 3 /γ – Al 2 O 3 và metanol dư để tái sử dung sẽ làm tăng giá trị thực tiễn của phương pháp này do đĩ cần được tiếp tục khảo sát và nghiên cứu thêm. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Mai Hữu Khiêm (2000), “Giáo trình hố lý”, NXB Đại Học Quốc Gia Tp.HCM. [2] Lê Minh Hiệp (2006),“Nghiên cứu điều chế metylester từ mỡ cá basa”, luận văn đại học, Đại Học Bách Khoa Tp.HCM. Tiếng anh [3] Edgar Lotero, James G. Goodwin, JR., David A. Bruce, Keawta Suwannakarn,“The Catalysis of Biodiesel Synthesis”, Department of Chemical Engineering, clemson University, Clemson SC 296340909, USA. [4] Galen J. Suppes*, Mohanprasad A. Dasari, Eric J. Doskocil, Pratik J . Mankidy, Micheal J. Goff,“Transesterification of soybean oil with zeolite and metal catalysts”, 2003, p. 213 – 223. [5] Gerhard Knothe,“The Biodiesel handbook”, 2004. [6] Ulf Schechardi, Review: transesterification of Vegetable oil, 1997