TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
TIỂU LUẬN
NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC
Đề tài:
SẢN XUẤT BIODIESEL TRÊN CƠ SỞ
PHẢN ỨNG HDO

CBHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN
MSHV: 10400163
LỚP: KTHD2010
TP. HỒ CHÍ MINH 2011
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
Mục lục
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN i
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
1. Giới Thiệu:
1.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu hoá thạch và vấn đề khí thải:
1.1.1 Tình hình sử dụng nhiên liệu hoá thạch:
Dầu mỏ ngày càng trở nên quan trọng và không thể thiếu khi nền công nghiệp phát
triển. Với nhu ngày càng tăng và chủ yếu là con người dùng dầu mỏ với mục đích chính
là làm nhiên liệu, hay nói khác đi là ta đang đốt đi một nguồn năng lượng không phải vô
tận và không thể tái tạo.
Bảng 1. Trữ lượng xác minh dầu thô trên thế giới (BP’s statistic 2009)
Khu vực Tỉ thùng %
Trung Đông 754.2 56.6
Trung Nam Mỹ 198.9 14.9
Châu Âu và Nga 136.9 10.3
Châu Phi 127.7 9.6
Bắc Mỹ 73.3 5.5

tiên của thế kỷ trước. Theo đó, Rudolf Diesel chính là cha đẻ của loại nhiên liệu này, khi
ông dùng dầu lạc để làm nhiên liệu cho động cơ diesel (khi đó chưa có diesel từ dầu mỏ
như ngày nay). Nhưng phát minh ấy phải đợi đến những năm 80 của thế kỷ 20 mới được
nghiên cứu rộng rãi, khi mà người ta thấy tầm quan trọng không thể thiếu của nhiên liệu
cũng như khả năng cạn kiệt các mỏ dầu tự nhiên. Rồi các nước như: Đức, ý, Pháp hay
các nước châu Á như: Trung Quốc, Nhật Bản bắt tay vào nghiên cứu sản xuất nhiên liệu
sinh học này với quy mô công nghiệp. Người ta đã dần biết sử dụng Biodiesel song song
với những nguồn nhiên liệu hiện tại như dầu mỏ, than đá, và nhận thấy ở nó hiệu quả
mang lại chẳng thua kém gì những nhiên liệu mà họ đang sử dụng.
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 5
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
1.3 Biodiesel trên cơ sở phản ứng transesterification dầu thực vật, mỡ động vật:
1.3.1 Phương pháp – định nghĩa:
Thực tế, quá trình điều chế diesel sinh học từ dầu hay mỡ động vật chính là quá
trình làm giảm độ nhớt. Do dầu hay mỡ động vật chỉ khác diesel truyền thống cơ bản là
độ nhớt quá cao, điều đó ảnh hưởng không tốt đến quá trình phun dầu, nên làm giảm chất
lượng quá trình cháy. Một số phương pháp để làm giảm độ nhớt của dầu hay mỡ động
vật: phương pháp pha loãng (pha trực tiếp dầu thực vật vào diesel hoá thạch), phương
pháp nhủ hoá (nhủ hoá dầu thực vật với rượu), phương pháp alcol phân (phản ứng
transesterification). Hiện nay, phương pháp được sữ dụng chủ yếu để sản xuất biodiesel
là phương pháp alcol phân…
Theo phương pháp này thì có thể định nghĩa Biodiesel là các monoalkyl ester của
acid béo mạch dài có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, được sử dụng cho
động cơ diesel.
CH
2
OCOR
1
CHOCOR
2

, R
2
, R
3
là các gốc hydrocarbon của các acid béo.
R: là CH
3
-, do có khả năng phản ứng cao nhất.
Với phương pháp alcol phân cũng đã có nhiều nghiên cứu cũng như phương pháp
như: phương pháp khuấy – gia nhiệt (phương pháp cổ điển), phương pháp dùng sóng siêu
âm, phươn pháp vi sóng, phương pháp môi trường alcol siêu tới hạn (áp suất và nhiệt độ
cao).
 Tất cả các phương pháp nêu trên cho phản ứng alcol phân thực tế cũng chỉ để
tăng khả năng tiếp xúc giữa hay pha không tan lẫn, do dầu (thực vật hoặc động vật) với
alcol là ha pha không tan lẫn nên khả năng tiếp xúc pha rất kém. Bằng các phương pháp
đó hoặc dùng xúc tác sẽ đẩy tốc độ phản ứng lên đáng kể (tuỳ phương pháp và loại xúc
tác).
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 6
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
1.3.2 Xúc tác:
Xúc tác acid đồng thể (H
2
SO
4
, p-toluensulfonic) đã được nghiên cứu nhiều và cho
thấy hiệu suất phản ứng rất cao, chất lượng sản phẩm rất tốt. Tuy nhiên, với xúc tác này
đòi hỏi điều kiện phản ứng tương đối khắc nghiệt: nhiệt độ cao và thời gian lưu rất dài.
Điều này sẽ gây khó khăn rất nhiều nếu nguyên liệu đi từ nguồn gốc động vật, dễ bị oxi
hoá ở nhiệt độ cao, độ ăn mòn thiết bị rất cao, và đặc biệt là giá thành của các loại acid là
tương đối cao. Thêm vào đó với xúc tác đồng thể acid hầu như không thể thu hồi sau

trong động cơ), tạo ra nhiều glycerol trong phản ứng (liên quan đến việc xử lý chất này),
dễ đông đặc ở nhiệt độ thấp (ảnh hưởng đến những nước có khí hậu ôn đới), dễ bị hút ẩm
(do có nguyên tố oxygen trong cấu trúc), nhiệt trị thấp…
Với nguyên liệu sinh học đi từ nguồn gốc thực phẩm, điển hình là dầu thực vật và
mỡ động vật để sản xuất biodiesel chỉ mang ý nghĩa về mặt nghiên cứu, là để chứng minh
tính khả thi của nhiên liệu sinh học trong vấn đề tìm kiếm những nguồn năng lượng thay
thế năng lượng hoá thạch. Vì nếu ta phát triển nhiên liệu sinh học trên cơ sở thực phẩm sẽ
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 7
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
làm ảnh hưởng đến an ninh lương thực, do yếu tốt sinh lợi của nhiên liệu người ta sẽ có
xu hướng chuyển sang trồng những loại cây để làm nhiên liệu và sẽ cạnh tranh với cây
lương thực (ở Brazil, do biothanol phát triển dẫn đến phát triển trồng mía đường rất nhiều
và làm ảnh hưởng đến các loại hoa màu khác).
 Biodiesel đi từ phản ứng alcol phân dầu thực vật hay mỡ động vật là biodiesel
thế hệ thứ nhất còn nhiều hạn chế. Hiện người ta đã phát triển biodiesel thế hệ thứ 2, thứ
3 với nguồn nguyên liệu đi từ biomass và dựa trên các cơ sở phản ứng khác nhau.
1.4 Biodiesel trên cơ sở phản ứng HDO (Hydrodeoxygenation):
1.4.1 Biomass:
Từ những hạn chế của của biodiesel thế hệ thứ nhất (và cho cả các nhiên liệu sinh
học thế hệ thứ 1 khác) nên việc phát triển biodiesel thế hệ thứ 2 là tất yếu. Theo đó,
biodiesel thế hệ thứ 2 phải giải quyết được 2 vấn đề: nguyên liệu đa dạng và không làm
ảnh hưởng đến an ninh lương thực, khắc phục được những nhược điểm về mặt tính chất
của sản phẩm.
Nguyên liệu để sản xuất biodiesel thế hệ thứ 2 đi từ biomass, tức là đi từ các sinh
khối (động vật, thực vật và các sản phẩm phụ của chúng) chứ không gói gọn chỉ dầu thực
vật và mỡ động vật như ở thế hệ thứ nhất. Theo đó, nguyên liệu đi từ biomass có thể là
rơm rạ, trấu,… hay còn gọi là lignocellulosic biomass.
Biodiesel thế hệ thứ 2 có thể đi từ các phương pháp khác nhau:
+ Phương pháp khí hoá biomass thành khí tổng hợp, sau đó thông qua phản ứng
Fischer-Tropsch để tổng hợp thành diesel. Tuy nhiên phương pháp này phức tạp và chi

+ Tổng quát: phản ứng loại oxy ra khỏi thành phần
+ Nguyên lý:
+ Theo sơ đồ trên ta có thể thấy phản ứng chuyển hoá bio-oil bằng con đường HDO
được thực hiện qua nhiều giai đoạn HDO. Theo một số nghiên cứu cho thấy, sau HDO
lần 1 thì tính chất của Bio-oil đã tốt hơn rất nhiều, tuy nhiên, tạp chất còn nhiều, độ nhớt
còn cao hơn so với diesel thông thường, đồng thời các chỉ tiêu khác vẫn chưa đạt yêu
cầu. Nhưng sau khi thực hiện HDO lần thứ 2 thì kết quả tốt hơn đáng kể. Chính vì vậy,
quy trình xử lý HDO cho bio-oil bao giờ cũng có ít nhất 2 giai đoạn HDO.
Nếu đi dầu thực vật hay mỡ động vật thì quá trình sẽ đơn giản hơn, do ta có thể trực
tiếp thực hiện xử lý HDO mà không cần quá trình nhiệt phân nhanh. Nhìn chung thì cơ sở
của phản ứng HDO dầu thực vật cũng giống như bio-oil đi từ biomass. Theo đó, các
triglyceride sẽ bị tách đi oxy bao gồm các quá trình decabonyl và deoxygen, đây cũng là
quá trình chính. Ngoài ra trong thành phần của dầu thực vậy hay mỡ động vật cũng có
các acid béo tự do, các mono-glyciride cũng tham gia phản ứng HDO để tạo ra các
hydrocarbon.
 Ta có thể thấy quá trình xử lý HDO không những tách oxy ra khỏi hợp chất như
ta mong muốn, mà thông qua đó còn làm giảm đáng kể độ nhớt của nguyên liệu (do bẻ
gãy mạch các hợp chất tại những vị trí có liên kết với oxy) và đồng thời làm sạch sản
phẩm (cũng như quá trình HDS, HDN trong chế biến dầu khí).
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 10
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
1.4.2.2Cơ chế phản ứng:
Thực ra quá trình HDO cũng tương tự như quá trình HDN hay HDS trong chế biến
dầu khí. Trong đó quá trình “cắt” oxy diễn ra qua nhiều giai đoạn được minh hoạ như
sau:
1.4.2.3Xúc tác – điều kiện phản ứng:
a) Xúc tác:
- Xúc tác cho phản ứng HDO đã được nghiên cứu từ lâu, về cơ bản thành phần xúc
tác cho quá trình này tương đối giống với HDS và HDN. Theo đó, thành phần xúc tác có
thể là: NiCo/γ-Al

HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 11
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
Bảng 3. Xúc tác điển hình cho quá trình HDO đã thương mại hoá như sau:
CoMo/ γ-Al
2
O
3
NiMo/ γ-Al
2
O
3
NiW/ γ-Al
2
O
3

Cyanami
d HDS-16
Filtrol
HPC-
15
Nalco
474
Filtrol
HPC-
30
Harsha
w HT-
500E
Cyanami

ứng có nhiều mức năng lượng liên kết khác nhau. Chính vì thế, việc lựa chọn một điều
kiện phản ứng cũng là một vấn đề rất khó vì nó phụ thuộc vào rất nhiều tỉ lệ các loại liên
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 12
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
kết trong đó. Nếu phân chia mức theo từng loại liên kết thì khoảng nhiệt độ thực hiện
phản ứng sẽ dao động trong khoảng 300 – 690
o
C. Thông thường điều kiện phản ứng cho
quá trình xử lý bio-oil là khoảng 630
o
C với áp suất Hydro khoảng 12MPa. Ta có thể thấy
điều kiện cho quá trình này thật sự khắc nghiệt.
Với nguyên liệu đi từ dầu thực vật hay mỡ động vật thì quá trình HDO được tiến
hành trong điều kiện êm diệu hơn nhiều so với nguyên liệu là bio-oil, do trong thành
phần của dầu thực vật và mỡ động vật chủ yếu là các triglyceride và các acid béo tự do,
oxy trong các chất này nằm hầu hết ở các dạng liên kết R-O có năng lượng liên kết không
lớn như các liên kết của oxy trong các hợp chất vòng thơm. Có nhiều nghiên cứu cho
thấy điều kiện phản ứng với nguyên liệu này vào khoảng 280 – 370
o
C, áp suất 3.5 – 8
Mpa với thời gian lưu là 1-4 giờ.
1.4.3 Quy trình sản xuất biodiesel trên cơ sở HDO
a) Quy trình sản xuất biodiesel từ biomas:
- Quy trình 1:
Hình 2. Quy trình HDO 1 sử dụng nhiệt phân nhanh có Hydro
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 13
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
 Quá trình này Hydro được cho vào 2 giai đoạn: ở quá trình nhiệt phân nhanh
biomass và ở quá trình xử lý HDO có xúc tác. Như vậy ở quá trình nhiệt phân nhanh
biomass sẽ có xảy ra cả quá trình nhiệt phân biomass và quá trình HDO một phần bio-oil.

* Xúc tác Co-Mo-B vô định hình hoạt tính cao cho phản ứng HDO bio-oil [1]:
Xúc tác Co–Mo–B vô định hình với các tỉ lệ Mo/Co khác nhau được tạo ra bằng
phương pháp khử, và hoạt tính xúc tác cho phản ứng deoxygen được thử nghiệm trên các
hợp chất: Phenol, benzaldehyde và acetophenone. Các thành phần trên bề mặt xúc tác có
tác dụng rất tốt lên hoạt tính của xúc tác, và kết quả cho thấy cả độ chuyển hoá và tốc độ
của quá trình deoxygen đều đạt 100%. Hoạt tính của xúc tác này phụ thuộc rất nhiều vào
việc cung cấp đủ oxy và các tâm Mo
4+
trên bề mặt xúc tác.
Xúc tác vô định hình có nhiều hứa hẹn cho một xúc tác lý tưởng. Cho đến trước
nghiên cứu này thì chưa có một công trình nào sử dụng xúc tác vô định hình cho phản
ứng HDO bio-oil. Nghiên cứu tập trung vào việc tạo ra xúc tác vô định hình Co-Mo-B
với sự ảnh hưởng của tỉ lệ Mo/Co lên hoạt tính của xúc tác. Phenol, benzaldehyde và
acetophenone là các chất được sử dụng để thử hoạt tính xúc tác và dodecane được sử
dụng như một dung môi do có nhiệt độ sôi cao và tính ổn định cao, ta có thể thu hồi chất
này qua việc chưng cất.
Kết quả:
+ Bảng bên dưới cho thấy 3 loại xúc tác với 3 loại tỷ lệ Mo/Co cho các thông số
khác nhau. Trong đó Co-Mo-1 có diện tích bề mặt lớn nhất và Mo
4+
nhiều nhất trên bề
mặt, hứa hẹn hoạt tính cao nhất như đã nêu ở trên
+ Xúc tác Co-Mo-3 có hoạt tính mạnh nhất cho quá trình HDO ở điều kiện nhiệt độ
548 K và áp suất hydro là 4MPa. Ta thấy trong bảng 2 và fig 3 với xúc tác Co-Mo-3 thì
sản phẩm thu được không còn hiện diện của các hợp chất mang Oxy.
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 16
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
 Điều này có vẻ trái với những suy luận của ta về hoạt tính của loại xúc tác này.
Hình 6. Biểu đồ chuyển hoá HDO theo từng loại xúc tác
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 17

2
O
3
> Ni/Al
2
O
3
. Xúc tác kim
loại kép NiMo cho độ chuyển hoá hydrocarbon cao hơn các xúc tác đơn kim loại, do với
xúc tác kép NiMo xảy ra cả 2 quá trình decarboxyl và deoxygen đồng thời, trong khi với
xúc tác Ni thì hầu như chỉ xảy ra quá trình decarboxyl và xúc tác Mo chỉ xảy ra quá trìn
deoxygen. Đồng thời với tỉ lệ Ni/(Ni + Mo) trong khoảng 0.2 – 0.4 thì sự ảnh hưởng lên
hoạt tính xúc tác và độ chọn lọc là không đáng kể.
Tính chất chung của các loại dầu thực vật là các triglyceride, trong đó tồn tại các
liên kết oxy trong các acid béo. Để khắc phục nhược điểm của methyl ester chuyển hoá
từ phản ứng transesterification thì việc chuyển hoá trực tiếp từ glyceride thành biodiesel
bằng con đường HDO rất có ý nghĩa. Liên kết của oxy trong các acid béo không giống
hoàn toàn với bio-oil đi từ biomass, trong liên kết chủ đạo là C-O và C=O. Chính vì thế
ta cần tiếp cận phương pháp deoxygen mà trong đó bao gồm 2 quá trình chính là
deoxygen và decarboxyl.
Đã có những khảo sát khả năng ứng dụng của các loại xúc tác cho phả ứng HDS
như CoMo, NiMo, NiW trên chất mang alumina. Kết quả cho thấy độ chuyển hoá
hydrocarbon cũng khá cao. Tuy nhiên, khả năng xúc tác cho 2 quá trình decarboxyl và
deoxygen là không đồng đều. Ở áp suất Hydro cao thì quá trình deoxygen xảy ra mạnh
hơn so với decarboxyl, chính vì thế sản phẩm thu được không đạt được yêu cầu mong
muốn. Cũng đã có nghiên cứu xúc tác cho quá trình decarboxyl là Pt/Al
2
O
3
cho thấy sản

Hình 9. Độ chuyển hoá phụ thuộc nhiệt độ
 Ở các nhiệt độ khảo sát ta đều thấy xúc tác lưỡng kim 0.3NiMo cho độ chuyển
hoá cao với thời gian lưu ngắn hơn nhiều (chỉ 1h) so với xúc tác đơn kim Ni và Mo.
• Độ chọn lọc sản phẩm hydrocarbon và oxy:
Hình 10. Độ chọn lọc sản phẩm hydrocarbon
 Với cùng điều kiện phản ứng ta thấy độ chọn lọc sản phẩm hydrocarbon của xúc
tác lưỡng kim 0.3NiMo cao hơn hẳn so với xúc tác đơn kim Ni và Mo. Khi độ chuyển
hoá glyceride đạt 100%, xúc tác lưỡng kim 0.3NiMo có thể cho độ chọn lọc hydrocarbon
lên đến 100%.
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 20
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
 Tương tự, sự biến mất của oxy trong thành phần của xúc tác lưỡng kim 0.3NiMo
cũng giảm nhanh hơn nhiều so với xúc tác đơn kim Ni và Mo khi độ chuyển hoá
glyceride tăng dần. Khi độ chuyển hoá glyceride dần đền 100% thì hàm lượng oxy cũng
giảm đáng kể và có thể đạt 0%.
 Kết quả này hết sức ý nghĩa, vì đây chính là yếu tố then chốt quyết định loại xúc
tác tốt nhất cho phản ứng HDO.
+ Sản phẩm khí tạo ra:
Hình 11. Thành phần khí
 Ta dễ dàng thấy với xúc tác Ni cho nồng độ CO
2
cao nhất khi độ chuyển hoá
triglyceride cao, và ngược lại là xúc tác Mo. Điều này cho thấy xúc tác Ni có tác dụng
chủ yếu là quá trình decarboxyl còn xúc tác Mo chủ yếu là quá trình deoxygen. Với xúc
tác lưỡng kim 0.3NiMo thì hàm lượng CO
2
cao hơn xúc tác Mo nhưng thấp hơn xúc tác
Ni do với xúc tác này xảy ra đồng thời 2 quá trình decarboxyl là deoxygen
 Ta thấy hàm lượng khí C3 sinh ra với xúc tác 0.3NiMo và Mo xấp xỉ nhau khi
độ chuyển hoá triglyceride dần đến 100%, trong khi với xúc tác Ni thì khá thấp. Điều này

Hình 15. So sánh nhiệt trị các sản phẩm
Chỉ số acid:
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 23
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
Hình 16. So sánh chỉ số acid của các sản phẩm
4. Kết luận:
 Các tính chất của biodiesel trên cơ sở HDO rất gần với diesel truyền thống. Chúng
ta có thể ứng dụng nhiên liệu này như diesel nếu xử lý “sâu” HDO, hoặc nếu ta chỉ
xử lý HDO một lần thì sản phẩm có thể được sử dụng để pha vào diesel truyền
thống cũng rất tốt, và vì thế giảm được sự phụ thuộc vào diesel hoá thạch.
 Đa dạng hơn về nguồn nguyên liệu (biomass).
 Triển vọng để phát triển nhiên liệu sinh học, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá
thạch cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
HVTH: TRIỆU QUANG TIẾN 24
Tiểu luận nhiên liệu sinh học GVHD: TS. NGUYỄN HỮU LƯƠNG
1. Weiyan Wang, Yunquan Yang, Hean Luo, Tao Hu, Wenying Liu, Amorphous Co–
Mo–B catalyst with high activity for the hydrodeoxygenation of bio-oil, School of
Chemical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan City, Hunan 411105, PR
China, 2011 p436–440.
2. David Kubicˇka a,*, Ludeˇk Kaluzˇa b, Deoxygenation of vegetable oils over
sulfided Ni, Mo and NiMo catalysts, a Department of Refinery and Petrochemical
Research, Research Institute of Inorganic Chemistry, Za´luzˇı´ 1, D.S. 458, 436 70
Litvı´nov, Czech Republic, 2010 p199–208
3. Edward Furimsky, Review Catalytic hydrodeoxygenation, IMAF Group, 184
Marlborough Avenue, Ottawa, Ont., Canada K1N 0G4, 2000 p147–190
4. J. Mikuleca,*, J. Cvengrošb, Ľ. Joríkováa, M. Baniča, A. Kleinováb,
PRODUCTION OF DIESEL FUELS FROM WASTE TRIACYLGLYCEROLS BY
HYDRODEOXYGENATION, Slovnaft VÚRUP, Bratislava, Slovak Republic,
bFaculty of Chemical and Food Technology, Slovak University of Technology,