Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tải bản đầy đủ

của O−CH2− ... -CH2−OH, ứng với phổ hấp thụ của dầu thực vật. Việc so sánh phổ
hấp thụ của biodiesel và của dầu thực vật chứng tỏ sản phẩm biodiesel đã được tạo
thành sau phản ứng.

1441

a-

1373

b27

1099

Hình III.1: Phổ hấp thụ hồng ngoại của biodiesel (a) và dầu thực vật (b)

III.3. Độ nhớt của biodiesel bằng thiết bị Zahn Viscocity cup 405/2
Thời gian biodiesel và dầu thực vật chảy ra khỏi cốc Zahn 405/2 được thể hiện
trong Bảng III.2. Từ giá trị thời gian thu được, ta sử dụng bảng chuyển đổi II.2, các
giá trị độ nhớt được xác định.
Bảng III.2. Thời gian biodiesel và dầu thực vật chảy ra khỏi cốc Zahn
và độ nhớt của chúng
TT
1
2

Mẫu
Biodiesel
Dầu thực vật

Thời gian (s)
18
28

Độ nhớt (cSt)
49

Độ nhớt của dầu thực vật được xác định là 49cSt. Vì thời gian chảy ra khỏi
cốc Zahn 405/2 của biodiesel là 18s (<20s) nên việc xác định độ nhớt của biodiesel
bằng cốc Zahn 405/2 sẽ không chính xác, cần phải chuyển sang sử dụng cốc Zahn
405/1. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, thiết bị cốc Zahn 405/1 chưa được trang
bị nên việc xác định độ nhớt của biodiesel chưa được hoàn thành. Tuy nhiên, so
sánh giữa hai khoảng thời gian chảy qua cốc Zahn 405/2 của biodiese (18s) và dầu
thực vật (28s), chúng tôi có thể kết luận rằng biodiesel có độ nhớt thấp hơn so với
dầu thực vật. Biodiesel có độ nhớt thấp của sẽ thuận lợi cho khả năng thực hiện
các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng cũng như, khả năng thực hiện các quá
trình phun, bay hơi của nhiên liệu trong buồng cháy.
III.4. Xây dựng nội dung bài thực hành “Tổng hợp nhiên liệu sinh học
biodiesel từ dầu thực vật” -học phần Thực hành Hóa Công nghệ-Môi trường

28

Bài thực hành:
TỔNG HỢP NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT
I. Nguyên tắc
-

Phản ứng transeste hóa
Đây là quá trình phản ứng giữa triglyxerit và rượu, tạo thành biodiesel, có thể
là metyl este hoặc etyl este. Bazơ (NaOH hoặc KOH) được sử dụng làm chất xúc
tác.
Phản ứng như sau:

(1)

dầu thực vật
-

metanol

biodiesel

glyxerol

Tác nhân phản ứng ROH: thường là CH3OH hoặc C2H5OH
Tác nhân phản ứng trao đổi este là các ancol khác nhau, ancol được sử dụng

trong các quá trình này thường là các loại ancol đơn chức chứa khoảng từ 1đến 4
nguyên tử cacbon: metanol, etanol, butanol... Metanol và etanol là các loại rượu
hay được sử dụng nhất. Nhưng hiệu quả kinh tế cao trong sản xuất biodiesel là
metanol.
Lưu ý: Chúng ta phải hết sức thận trọng khi làm việc với metanol vì
metanol là một chất độc, có thể gây chết người nếu uống phải dù một lượng rất
nhỏ. Khi tiếp xúc trực tiếp với mắt, nó có thể gây mù mắt. Metanol là chất dễ bay
hơi, hơi của nó kích ứng hệ thần kinh rất mạnh, gây đau đầu, chóng mặt, ảnh
hưởng rất lớn đến sức khỏe. Do đó, tất cả các thao tác với metanol cần phải thực
hiện trong tủ hút, đeo khẩu trang phòng độc, đeo găng tay, đeo kính mắt, dùng
phễu rót, không để metanol đổ ra ngoài.
- Xúc tác trong quá trình phản ứng
29

Xúc tác được sử dụng trong quá trình phản ứng là bazơ: NaOH hoặc KOH
• Giai đoạn 1: đầu tiên là phản ứng của phân tử rượu với xúc tác bazơ tạo thành

các alkoxit ion.
- +
CH3O Na + H2O

CH3OH + NaOH


(2)

Giai đoạn 2: sau đó, gốc CH 3O- tấn công vào nhóm cacbonyl của phân tử
triglyxerit tạo thành hợp chất trung gian.
R'COO CH2
|
- +
+ CH3O Na
R''COO CH
|
CH2

R'COO CH2
|

R''COO CH
|

CH2 O

OCR'''

OCH3
|

C R'"

(3)

|

O-

O
• Giai đoạn 3: hợp chất trung gian này không bền, tiếp tục tạo một anion và

một alkyl este tương ứng.
R'COO CH2
|
R"COO CH
OCH3
|
|
CH2 O C R'''
|
O-

R'COO CH2
|
CH
R"COO
+ CH3 O C R'''
|
O
CH 2 O-

(4)

Giai đoạn 4: phản ứng giữa anion và methanol

R'COO CH2
|
+
CH
R"COO
|
CH 2 O-

-

+

CH3O H

R'COO CH2
|
CH
+ CH3OR"COO
(5)
|
CH 2 OH

Sau đó, xúc tác NaOH lại tiếp tục phản ứng với rượu tạo ankoxit ion, các
ion này phản ứng với các diglyxerit và monoglyxerit giống như cơ chế trên,
cuối cùng tạo thành các alkyl este và glyxerol.
Trong đó: R’, R”, R’” là mạch carbon của axít béo.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng:

30

+ Nhiệt độ: tùy thuộc vào loại dầu thực vật được sử dụng, phản ứng có thể tiến
hành ở các nhiệt độ khác nhau. Đối với các loại dầu thông dụng thì nhiệt độ thích
hợp thường nằm trong khoảng 55-70 oC. Vì khi nhiệt độ quá cao tốc độ tạo thành
gyxerin sẽ tăng lên, vì nhiệt độ sôi của methanol là 64,7 oC nên nhiệt độ quá cao sẽ
làm bay hơi methanol dẫn đến độ chuyển hòa của phản ứng sẽ giảm xuống.
+ Tốc độ khuấy: Do các chất phản ứng tồn tại trong hai pha tách biệt nên tốc độ
khuấy trộn đóng vai trò rất quan trọng. Để tăng khả năng tiếp xúc pha, người ta thường
sử dụng cách khuấy trộn cơ học. Có nhiều nghiên cứu chứng minh rằng: với cùng một
điều kiện phản ứng, phản ứng trao đổi este mỡ cá chỉ đạt hiệu suất chuyển hóa 40 % sau
8 giờ, phản ứng với tốc độ khuấy 300 vòng/phút, trong khi ở tốc độ khuấy 600
vòng/phút, độ chuyển hóa đạt 97 % chỉ sau gần 2 giờ.
+ Thời gian phản ứng: thời gian phản ứng từ khi bắt đầu đến khi đạt cân bằng rất
khác nhau đối với từng loại xúc tác. Vì đây là phản ứng thuận nghịch nên nếu thời
gian quá ngắn phản ứng chưa đạt đến trạng thái cân bằng, độ chuyển hóa thấp, còn
nếu quá dài sẽ xảy ra phản ứng xà phòng hóa đối với xúc tác kiềm.
+ Tỉ lệ mol alcol: dầu: một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng tới khả năng chuyển
hóa phản ứng là tỷ lệ mol alcol và triglyxerit. Tỷ lệ phụ thuộc vào loại xúc tác sử
dụng. Theo lý thuyết tỷ lệ này là 3 mol alcol: 1mol triglyxerit để tạo thành 3 mol
este của axit béo và 1 mol glyxerol. Trên thực tế phản ứng xảy ra với hiệu suất cao
hơn nếu sử dụng một lượng thừa rượu để phản ứng chuyển dịch cân bằng theo
chiều thuận.
II. CÁCH TIẾN HÀNH
1. Dụng cụ, hóa chất
• Dụng cụ, thiết bị:
- Máy khuấy từ gia nhiệt, con từ
- Cân điện tử
- Nhiệt kế
- Thiết bị đo độ nhớt ZAHN Viscocity cup 405/ 2
31

Cốc 100, 250 ml
Phễu chiết 125 ml, pipet, eclen, ống đong, ống hút, đũa thủy tinh.
Hóa chất
NaOH, KOH: chất rắn, tinh khiết
CH3OH, C2H5OH tinh khiết
Natri clorua NaCl, nước cất
Dầu thực vật


-

2. Thực nghiệm
Thêm 15 ml CH3OH vào bình tam giác 50 ml, có con từ. Đặt bình tam giác lên
bếp khuấy từ, chọn tốc độ khuấy mạnh nhưng không làm bắn dung dịch ra ngoài.
Thêm từ từ 0,5 g NaOH, cho rất cẩn thận. Không cho dư NaOH.
Quan sát quá trình hòa tan NaOH diễn ra hoàn toàn, lúc này CH 3ONa đã được
tạo thành. CH3ONa là bazơ mạnh nên cần thận trọng trong các thao tác thí nghiệm.
Thêm 60 ml dầu thực vật vào cốc 200 ml. Đặt cốc lên bếp và giữ ở nhiệt độ
50oC. Khuấy trộn dung dịch với tốc độ khuấy trung bình, thêm từ từ CH 3ONa vào
dầu thực vật đã đun nóng. Chú ý không cho NaOH còn dư vào trong dầu. Tiếp tục
khuấy trộn trong 20 phút.
Chuyển hỗn hợp thu được vào phễu chiết 125 ml. Chờ hỗn hợp ổn định trong
20 phút, glyxerol được hình thành ở lớp dưới. Nếu không quan sát thấy hai lớp
được tách ra, phản ứng cần được thực hiện lại để chắc chắn rằng lượng NaOH được
cho vào không vượt quá 0,5 g. Chuyển glyxerol vào ống đong, xác định thể tích của
glyxerol. Sau đó chuyển biodiesel vào ống đong và xác định thể tích của nó.
Xác định độ nhớt của biodiesel thu được bằng thiết bị đo độ nhớt ZAHN
Viscocity Cup 405/1. Sau đó cũng tiến hành đo độ nhớt của dầu thực vật bằng thiết
bị đo độ nhớt ZAHN Cup 405/2. So sánh hai giá trị độ nhớt thu được.
III.4. Xác định độ nhớt của biodiesel bằng thiết bị Zahn Viscocity cup 405/2
Độ nhớt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh
ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau. Vì vậy, độ nhớt có
liên quan đến khả năng thực hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất lỏng trong
32

các hệ đường ống, khả năng thực hiện các quá trình phun, bay hơi của nhiên liệu
trong buồng cháy.
Cách xác định độ nhớt bằng thiết bị Zahn Viscocity cup 405/1, 405/2:
- Rửa cốc bằng dung môi hòa tan thích hợp và để khô cốc.
- Sử dụng cốc đo độ nhớt Zahn Cup trong điều kiện nhiệt độ 25 oC.
- Cho biodiesel vào trong cốc thủy tinh 250ml. Nhúng nhiệt kế vào trong chất
lỏng từ 1-5 phút cho đến khi cốc đạt nhiệt độ cần đo.
- Cho cốc Zahn vào cốc thủy tinh chứa biodiesel cần xác định độ nhớt. Giữ yên
chất lỏng sau đó nâng từ từ cốc Zahn lên. Khi nhấc đáy cốc Zahn lên khỏi bề mặt
biodiesel thì bắt đầu bấm giờ.
- Trong khi biodiesel chảy ra từ cốc Zahn, giữ cốc cao hơn bề mặt biodiesel
khoảng 15cm. Có thể cố định cốc trên một vật cố định. Không giữ cốc Zahn bằng
tay khi đo, cốc sẽ bị nghiêng và bị ảnh hưởng làm cho kết quả không còn chính xác.
- Dừng đồng hồ khi biodiesel chảy ra hết từ cốc đo độ nhớt Zahn .
- Đọc thời gian hiển thị trên đồng hồ bấm giây. Đây sẽ là kết quả đo. Đo lặp lại
thêm vài lần nữa. Sau đó so sánh kết quả đo.
- Sau khi sử dụng xong rửa sạch cốc và cất ở nơi khô ráo.
- Tra bảng chuyển đổi từ thời gian chất lỏng chảy ra hết cốc Zahn (thường đơn
vị là giây) ra độ nhớt của chất lỏng (đơn vị centiStoke- cSt).

33

Bảng III.3. Chuyển đổi từ thời gian chất lỏng chảy sang giá trị độ nhớt của chất lỏng
Thời gian
(s)

ZAHN
Cốc số 1

Cốc số 2

Cốc số 3

Cốc số 4

Cốc số 5

15

4

88

148

322

16

7

99

163

345

17

11

111

178

368

18

14

123

192

391

19

18

135

207

414

20

21

146

222

437

21

25

158

237

460

22

28

170

252

483

23

32

181

266

506

24

35

193

281

529

25

39

205

296

552

26

42

216

311

575

27

46

228

326

598

28

49

240

340

621

29

53

252

355

644

30

1

56

263

370

667

32

2

60

275

385

690

32

3

63

287

400

713

34

33

4

67

298

414

736

34

6

70

310

429

759

35

7

74

322

444

782

36

8

77

333

459

805

37

9

81

345

474

828

38

10

84

357

488

851

39

11

88

369

503

874

40

12

91

380

518

897

41

13

95

392

533

920

42

14

98

404

548

943

43

15

102

415

562

966

44

17

105

427

577

989

45

18

109

439

592

1012

46

19

112

450

607

1035

47

20

116

462

622

1058

48

21

119

474

636

1081

49

22

123

486

651

1104

50

23

126

497

666

1127

51

24

130

509

681

1150

52

25

133

521

696

1173

53

26

137

532

710

1196

35

54

28

140

544

725

1219

55

29

144

556

740

1242

56

30

147

567

755

1265

57

31

151

579

770

1288

58

32

154

591

784

1311

59

33

158

603

799

1334

60

34

161

614

814

1357

65

40
45

179

673

888

1472

196

731

962

1587

75

51

214

790

1036

1702

80

56

231

848

1110

1817

85

61.6

249

907

1184

1932

90

67

266

965

1258

2047

100

78

301

1082

1406

2277

110

89

336

1199

1554

2507

120

100

371

1316

1702

2737

130

111

406

1433

1850

2967

140

122

441

1550

1998

3197

150

133

476

1667

2146

3427

70

III.5. CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KẾT QUẢ
• Hiệu suất của phản ứng (kí hiệu là Hbio) được tính theo công thức:
36

H bio (%) =

m biott
.100%
m biolt

Trong đó:
mbiott: khối lượng biodiesel thực tế thu được (gam)
mbiolt: khối lượng biodiesel theo lý thuyết (gam)

m biolt =n biolt .M bio =3n dauthucvat .M bio =

Do nbiolt= 3ndauthưcvat và
H bio =

Nên ta suy ra:

3m dauthucvat .M bio
M dauthucvat

m bio .M dauthucvat
.100%
3m dauthucvat .M bio

Trong đó:
nbiolt

: số mol biodiesel theo lý thuyết, mol;

ndauthucvat : số mol của triglyxerit theo lý thuyết,mol;
Mdauthucvat: khối lượng mol phân tử của dầu (với dầu đậu nành là 872,03) [3];
Mbio

: khối lượng mol trung bình của biodiesel (với biodiesel tạo thành từ dầu đậu
nành là 292,2) [3];

mdauthucvat : khối lượng của dầu tham gia phản ứng (g);
mbio

: khối lượng của biodiesel thu được (g), có thể cân lên để xác định khối
lượng.

37