TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

TRẦN QUANG THANH

TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL
TỪ DẦU JATROPHA CURCAS L. BẰNG PHƢƠNG PHÁP
BỀ MẶT ĐÁP ỨNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên Ngành: HÓA HỌC

2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------

TRẦN QUANG THANH

TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL
TỪ DẦU JATROPHA CURCAS L. BẰNG PHƢƠNG PHÁP
BỀ MẶT ĐÁP ỨNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
Th.S NGUYỄN VĂN ĐẠT


Trường Đại học Cần Thơ
Khoa Khoa Học Tự Nhiên
Bộ Môn Hóa

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Đôc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1. Cán bộ hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Đạt
Đề tài: TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ
DẦU JATROPHA CURCAS L BẰNG PHƢƠNG PHÁP BỀ MẶT
ĐÁP ỨNG.
Sinh viên thực hiện: Trần Quang Thanh

MSSV: 2111964

Lớp: Hóa học

Khóa: 37

2. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức LVTN:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................


Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:

..........................................................................................................................
..........................................................................................................................

MẶT ĐÁP ỨNG.
Sinh viên thực hiện: Trần Quang Thanh
MSSV: 2111964
Lớp: Cử nhân hóa học
Khóa 37
2. Nội dung nhận xét:
a. Nhận xét về hình thức LVTN(đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................

Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................

Những vấn đề còn hạn chế:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
b. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài ( ghi rõ
từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện
nếu có):
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
c. Kết luận, kiến nghị và điểm:
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2015
Cán bộ phản biện

ABSTRACT
The overall goal of this work is to optimize a biodiesel production
process from Jatropha curcas oil (JO). To achieve this goal, an acid-catalyzed
pretreatment of highly acidic Jatropha curcas oil (AV = 49 mg KOH/g)
followed by a transesterification procedure with methanol and potassium
hydroxides as a catalyst was used to produce Jatropha curcas oil biodiesel
(JME). The optimum reaction conditions were obtained by using response
surface methodology (RSM) coupled with central composite design (CCD).
The results showed that an optimum biodiesel yield of 83,71% could be
obtained under the following reaction conditions: methanol content of 20,2%
(by weight with respect to the oil), catalyst concentration of 0,64% (by weight
with respect to the oil), and the reaction time of 40,8 minutes.

iv


TÓM TẮT
Nghiên cứu này hướng đến tổng hợp biodiesel từ một loại dầu không ăn
được là dầu Jatropha (JO). Để đạt được mục tiêu này, một quá trình hai giai
đoạn gồm ester hóa xúc tác acid và tiếp theo là transester hóa với methanol
xúc tác KOH đã được sử dụng để tổng hợp biodiesel từ dầu Jatropha (JME)
(AV = 49 mg KOH/g). Điều kiện tối ưu của phản ứng đạt được bằng cách sử
dụng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) kết hợp với mô hình tâm phức hợp
(CCD). Kết quả cho thấy quá trình transester hóa đạt được hiệu suất tối ưu là
83,71% tương ứng với các điều kiện sau: hàm lượng methanol và chất xúc tác
lần lượt là 20,2% và 0,64% so với khối lượng dầu và thời gian phản ứng là
40,8 phút.

v


2.2.5.4 Độ nhớt --------------------------------------------------------------------- 8
2.2.5.5 Điểm chớp cháy ----------------------------------------------------------- 8
2.2.5.6 Nhiệt đốt cháy ------------------------------------------------------------ 8
2.2.5.7 Tính trơn ------------------------------------------------------------------- 9
2.2.5.8 Trạng thái oxy hóa -------------------------------------------------------- 9
2.3 Tình hình nghiên cứu và nguyên liệu sản xuất biodiesel ----------------- 9
2.3.1 Tình hình nghiên cứu biodiesel trên thế giới--------------------------------- 9
2.3.2 Nghiên cứu biodiesel ở Việt nam--------------------------------------------- 10
2.3.3 Các nguồn biomass tại một số quốc gia trên thế giới ---------------------- 11
2.3.4 Tiềm năng nguyên liệu sản xuất biodiesel tại Việt Nam ------------------ 12
2.4 Tổng quan về cây Jatropha ---------------------------------------------------- 12
2.4.1 Đặc tính sinh học --------------------------------------------------------------- 12
2.4.2 Điều kiện sống của cây Jatropha curcas L ---------------------------------- 15
2.4.3 Phân bố --------------------------------------------------------------------------- 15
2.4.4 Giá trị ----------------------------------------------------------------------------- 15
2.4.5 Cây Jatropha tại Việt Nam ---------------------------------------------------- 16
2.4.5.1 Tình hình nghiên cứu ---------------------------------------------------- 16
2.4.5.2 Thực trạng về cây Jatropha ở nước ta --------------------------------- 16

vii


2.4.5.3 Những thuận lợi và khó khăn trong nghiên cứu và phát triển
Jatropha ở nước ta --------------------------------------------------------------------- 17
2.5 Tiêu chuẩn về chất lƣợng biodiesel ở một số nơi trên thế giới --------- 18
2.5.1 Tiêu chuẩn chất lượng biodiesel ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản ----------- 18
2.5.2 Tiêu chuẩn Việt Nam về biodiesel ------------------------------------------- 19
2.6 Cơ chế các phản ứng chính trong tổng hợp biodiesel -------------------- 20
2.6.1 Phản ứng ester hóa xúc tác acid ---------------------------------------------- 20
2.6.2 Phản ứng transester hóa xúc tác base ---------------------------------------- 21

viii


3.4.2 Số thí nghiệm -------------------------------------------------------------------- 35
3.4.3 Phân tích thống kê ------------------------------------------------------------- 36
Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN --------------------------------------- 37
4.1 Thành phần methyl ester của JME
4.2 Xác định điều kiện tối ƣu của phản ứng transester hóa JO bằng
phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm theo RSM kết hợp với mô hình
CCD ------------------------------------------------------------------------------------- 37
4.3 Tính chất hóa – lý của JME --------------------------------------------------- 42
Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ --------------------------------------- 43
5.1 Kết luận---------------------------------------------------------------------------- 43
5.2 Kiến nghị -------------------------------------------------------------------------- 43

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Một số tiêu chuẩn của biodiesel (B100) của ASTM, EN và JIS ..... 18
Bảng 2.2 Các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel gốc (B100) .......................... 19
Bảng 2.3 Các chỉ tiêu chất lượng của biodiesel gốc (B5) .............................. 20
Bảng 3.1 Hóa chất sử dụng........................................................................... 28
Bảng 3.2 Xác định giới hạn, phạm vi và mức biến đổi của các nhân tố ......... 35
Bảng 4.1 Thành phần methyl ester của acid béo chính trong JME, % ........... 37
Bảng 4.2 Ma trận kế hoạch thực nghiệm và kết quả thực nghiệm ................. 38
Bảng 4.3 Kết quả phân tích phương sai cho mô hình đa thức bậc hai............ 39
Bảng 4.4 Những tính chất hóa - lý của JME ................................................. 42

x



Hình 4.2 Đồ thị dạng 3D (a), (c), (e) (3D response surface) và các đường đồng
mức (b), (d), (f) (2D contour) cho biết ảnh hưởng của các cặp yếu tố đến hiệu
suất biodiesel khi yếu tố còn lại được giữ cố định ở mức không: (a) và (b) hàm
lượng methanol – hàm lượng xúc tác; (c) và (d) hàm lượng methanol – thời
gian phản ứng, (e) và (f) hàm lượng xúc tác – thời gian phản ứng..................41

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ASTM

American Society for Testing and Materials

AV

Acid Value

BDF

Biodiesel fuel

CCD

Central Composite Design

DAG


JIS

Japanese Industrial Standard

JME

Jatropha methyl Ester

MAG

Monoacylglyceride

RSM

Response Surface Methodology

TAG

Triacylglyceride

VO

Vegetable Oil

CV

Coefficient of Variation

xiii


tin đầy đủ và những kết quả có ý nghĩa về mặt thống kê (Ghadge và các cộng
sự, 2006).

GVHD: Nguyễn Văn Đạt

1

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm được thực hiện theo mô hình
CCD và RSM với năm mức và ba yếu tố để tối ưu hóa quá trình transester hóa
tổng hợp biodiesel từ dầu hạt Jatropha. JME được đánh giá chất lượng thông
qua việc xác định các đặc tính hóa lý như: độ nhớt động học ở 40 oC, chỉ số
acid (AV) và phân tích thành phần methyl ester của acid béo bằng GC-MS.

GVHD: Nguyễn Văn Đạt

2

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
Chƣơng 2: TỔNG QUAN
2.1 Tình hình năng lƣợng, nhiên liệu và vấn đề ô nhiễm môi trƣờng
2.1.1 Nhu cầu sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới
Những năm đầu của thế kỉ 21, thế giới đang phải đối mặt với nhiều vấn đề
phải giải quyết đặc biệt là hiện tượng ấm lên toàn cầu do tác động của hiệu


3

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
Hiện tượng bất ổn giá xăng dầu cùng với sự cạn kiệt nguồn tài nguyên
này đang cảnh báo về vấn đề an ninh năng lượng thế giới.
2.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng
Ngày nay vấn đề ô nhiễm môi trường, phá vỡ cân bằng sinh thái đã là vấn đề
quan tâm chung của nhân loại. Việc khai thác và sử dụng nguyên liệu hóa
thạch phục vụ cho nhu cầu công nghiệp hóa hiện đại hóa và sự bùng nổ dân số
là những nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này.
Ô nhiễm môi trường không khí hiện nay không những tác động xấu tới
sức khỏe của con người, thiệt hại về kinh tế mà còn ảnh hưởng đến biến đổi
khí hậu. Nhiều hoạt động của con người trong sản xuất công nghiệp, giao
thông vận tải, nông nghiệp, kéo theo lượng phát thải khí nhà kính CO2 không
ngừng gia tăng nhanh, trên 30% so với thời kì tiền công nghiệp (từ 280 ppm
tăng lên 360 ppm), nhiệt độ trái đất tăng 0,2-0,4oC nếu không có giải pháp tích
cực, nồng độ khí nhà kính có thể tăng đến 400 ppm vào năm 2050 và 500 ppm
vào cuối thế kỷ XXI, nhiệt độ trái tăng thêm 2-4oC, gây ra hậu quả khôn lường
cho môi trường sống.
Khí thải từ các phương tiện giao thông chiếm tỉ lệ khoảng 60-70% tổng
lượng khí thải ra môi trường. Hiện nay trên thế giới có khoảng 800 triệu xe ô
tô các loại, tiêu thụ mỗi ngày khoảng 10 triệu tấn dầu mỏ, bằng một phần hai
sản lượng dầu mỏ khai thác mỗi ngày. Vì vậy, phương tiện giao thông dẫn đến
hàng năm toàn thế giới phát thải khoảng 25 tỷ tấn khí độc hại và khí nhà kính.
Ô nhiễm không khí ở các khu công nghiệp và đô thị tăng 2 đến 3 lần, ở các nút
giao thông tăng 2 đến 5 lần so với quy định. Mỗi năm lượng thải vào khí

- Xăng sinh học (Biogasoline): cũng như diesel sinh học, xăng sinh học
cũng là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là một loại
phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì. Thông thường được pha
từ 10–25% ethanol khan với xăng chưng cất từ dầu mỏ không có phụ gia để
đạt chỉ số octane 90, 92, 95,…và có tính chất hóa lý tương đương xăng có
nguồn gốc từ dầu mỏ. Chúng được sử dụng cho động cơ xăng truyền thống mà
không cần phải hoán đổi động cơ.
- Sinh khối (Biomas): rơm rạ, trấu, chất thải động vật.
- Khí sinh học (Biogas): là một loại khí hữu cơ gồm methane và các đồng
đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ
phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí.
Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm
dầu mỏ.
GVHD: Nguyễn Văn Đạt

5

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
- B5: 5% biodiesel và 95% diesel dầu mỏ, B15:15% biodiesel và 85%
diesel dầu mỏ, B20: 20% biodiesel và 80% diesel dầu mỏ, B100:100%
biodiesel.
2.2.3 Ƣu điểm của nhiên liệu sinh học
2.2.3.1 Giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng
Kết quả các công trình nghiên cứu cho thấy: nếu sử dụng 100% metyl ester thì
lượng khí CO2 thải ra sẽ thấp hơn 78,4% so với khi dùng dầu diesel, nếu sử
dụng hỗn hợp 20% metyl ester và 80% dầu diesel, lượng CO2 giảm 15,66%.
Biodiesel có thể bị phân hủy do vi khuẩn, do vậy ít gây ô nhiễm.


Luận văn tốt nghiệp
Việc phát triển nguồn nguyên liệu cho sản xuất biodiesel phù hợp cũng
sẽ tạo ra sự đa dạng môi trường sinh học với các chủng loại thực vật mới. Bên
cạnh đó, việc tận dụng các nguồn phụ, phế phẩm nông nghiệp để sản xuất
biodiesel đồng thời nâng cao giá trị của sản phẩm nông nghiệp.
2.2.4 Nhƣợc điểm của nhiên liệu sinh học
Không chỉ có những ưu điểm, biodiesel cũng có một số nhược điểm sau:
- Sử dụng nhiên liệu chứa nhiều hơn 5% biodiesel có thể gây ăn mòn các
chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình nhiên liệu do tính dễ bị oxi hóa của
biodiesel.
- Nhiệt độ đông đặc của biodiesel phụ thuộc với nguyên liệu sản xuất điều
này ảnh hưởng lớn đến việc sử dụng biodiesel ở những vùng có thời tiết lạnh.
- Biodiesel không bền, rất dễ bị oxi hóa nên gây nhiều khó khăn trong
việc bảo quản.
- Việc thu gom dầu ăn phế thải, mỡ cá tra, cá ba sa, bã cà phê,... không
khả thi lắm do số lượng hạn chế, lại phân tán nhỏ lẻ. Những nguồn nguyên
liệu có thể chế biến thành thực phẩm (hướng dương, cải dầu, đậu nành, dừa,...)
thì giá thành cao, sản xuất biodiesel không kinh tế. Diện tích đất nông nghiệp
cho việc trồng cây lấy dầu là có hạn, để giải quyết bài toán nhiên liệu này, trên
thế giới đang có xu hướng phát triển những loại cây lấy dầu có tính công
nghiệp như cây dầu mè (jatropha curcas), cao su, hoặc những loại có năng suất
cao như tảo.
2.2.5 Tính chất hoá lý của biodiesel
Tính chất hóa lý của biodiesel phụ thuộc vào cơ cấu của acid béo có trong
biodiesel.
2.2.5.1 Chỉ số cetane
Chỉ số cetane là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng
biodiesel. Nó liên quan đến thời gian bốc cháy trễ khi nó bơm vào buồng đốt
của động cơ. Nói chung thời gian bốc cháy trễ càng ngắn thì chỉ số cetane

này dùng để phân loại nhiên liệu theo khả năng cháy nổ của chúng. Nó rất
quan trọng trong việc sử dụng và lưu trữ nhiên liệu. Điểm chớp cháy của
biodiesel cao hơn so với petrodiesel.
2.2.5.6 Nhiệt đốt cháy
Nhiệt đốt cháy là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy nhiên liệu vì vậy nó thường
được gọi là năng lượng. Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng năng lượng sinh
học bao gồm hàm lượng oxygen và tỉ lệ của carbon và hydrogen. Nói chung,
lượng oxygen trong biodiesel tăng thì hàm lượng năng lượng giảm. Chuỗi
carbon dài thì hàm lượng năng lượng năng lượng cao, tỉ lệ carbon và hydrogen
trong biodiesel càng nhỏ thì hàm lượng năng lượng càng cao.

GVHD: Nguyễn Văn Đạt

8

SVTH: Trần Quang Thanh


Luận văn tốt nghiệp
2.2.5.7 Tính trơn
Dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh thấp, sự khử sẽ làm mất đi tính trơn vốn
có của nó. Thêm 1-2% biodiesel sẽ duy trì tính trơn của dầu diesel.Thành phần
ester có trong biodiesel ảnh hưởng đến tính trơn: ester bất bão hòa có tính trơn
tốt hơn ester bão hòa.
2.2.5.8 Trạng thái oxy hóa
Trong quá trình cất giữ biodiesel: không khí, nhiệt độ, ánh sáng, vết kim loại
làm biodiesel dễ bị oxy hóa và bị hư. Ngoài ra số nối đôi và vị trí nối đôi của
ester acid béo bất bão hòa cũng ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa.
2.3 Tình hình nghiên cứu và nguyên liệu sản xuất biodiesel
2.3.1 Tình hình nghiên cứu biodiesel trên thế giới