Nghiên cứu tổng hợp xúc tác để điều chế nhiên liệu lỏng sinh học từ rơm rạ việt nam

Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 SBA-15, Điatomit…. Nhưng đa số xúc tác này có những hạn chế đó là do kích thước nhỏ nên ứng dụng của chúng bị hạn chế trong những trường hợp chuyển hóa, hấp phụ những phân tử lớn. Vì vậy sẽ càng có lợi hơn nữa nếu chúng ta biết cách tổng hơp xúc tác cho quá trình nhiệt phân rơm rạ từ những nguồn nguyên liệu có sẵn trong thiên nhiên hoặc tận dụng phế thải của những quá trình khác ví dụ như xúc tác của quá trình cracking FCC. Vì vậy, chúng tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu tổng hợp xúc tác điều chế nguồn nhiên liệu sinh học lỏng từ rơm rạ Việt Nam” cho khóa luận này. Đề tài gồm ba phần chính: - Phần một: Tổng quan tài liệu. - Phần hai: Các phương pháp thực nghiệm. - Phần ba: Kết quả và thảo luận. SV: Phạm Thị Xoan - 3 -GVHD: PGS.TS. Đặng Tuyết Phương Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.Tổng quan về vật liệu xúc tác axit 1.1.1.Giới thiệu vật liệu vô cơ mao quản Vật liệu vô cơ mao quản là một họ vật liệu rắn có thành phần hóa học vô cơ, có cấu trúc tinh thể, bán tinh thể, bên trong chứa các hệ kênh mao quản tương đối đồng nhất về kiến trúc và kích thước. Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), dựa vào kích thước mao quản (dpore) vật liệu cấu trúc mao quản được chia làm ba loại : - Vật liệu mao quản nhỏ (vi mao quản, microporous): dpore < 2nm (zeolit và các vật liệu có cấu trúc tương tự). - Vật liệu mao quản trung bình (mesoporous): 2nm 800C (10 C.min-1) (Zone 2) Crucible: PT 100 µl Atmosphere:Air Mass (mg): 6.49 TG/ % H eatFl o w/µV d TG/ %/ mi n Exo Peak :87.73 °C 75 30 -10 Peak :323.83 °C 50 20 25 10 -20 0 0 -30 Mass variation: -10.53 % -25 -10 -40 Mass variation: -78.15 % -50 -20 -75 -30 -50 0 100 200 300 400 500 600 700 Fu r nace temp eratu re / °C (a) Labsys TG Figure: Experiment: R-MB 5C.min-1 19/05/2008 Procedure: 30 ----> 800C (5 C.min-1) (Zone 2) Crucible: PT 100 µl Atmosphere:Air Mass (mg): 5.92 TG/% H eatF low/µV Exo Peak :63.31 °C 75 Peak :422.01 °C d TG/%/min -1 15 Peak :308.90 °C 50 -5 25 5 -9 0 Mass variation: -11.14 % -25 -13 -5 Mass variation: -57.88 % -50 -17 -75 Mass variation: -22.97 % 0 100 200 300 400 500 600 700 F u rn ace temp eratu re /°C (b) Labsys TG Figure: Experiment: R-MB 15C.min-1 22/05/2008 Procedure: 30 ----> 800C (15 C.min-1) (Zone 2) Crucible: PT 100 µl Atmosphere:Air Mass (mg): 8.48 TG/% H eatFlow/µV d TG/%/min Exo Peak :96.92 °C 75 30 Peak :315.44 °C -10 50 20 25 10 0 0 -20 Mass variation: -7.71 % -25 -10 -30 Mass variation: -76.16 % -50 -20 -75 -30 -40 0 100 200 300 400 500 600 700 Fur nace temper ature /°C (c) Hình 3.6: Giản đồ phân tích nhiệt ở các tốc độ gia nhiệt khác nhau: 5oC/phút (a), 10oC/phút (b), 15oC/phút (c) SV: Phạm Thị Xoan - 43GVHD: PGS.TS. Đặng Tuyết Phương Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 3.3.Nhiệt phân rơm rạ 3.3.1.Ảnh hưởng của lượng xúc tác Để khảo sát ảnh hưởng của lượng xúc tác, các phản ứng nhiệt phân được thực hiện với % xúc tác tương ứng là 5%, 10% và 15% (so với khối lượng rơm rạ). Các điều kiện khác là: tốc độ gia nhiệt 15oC/phút, tốc độ dòng N2 5 ml/giây, nhiệt độ cuối cùng nhiệt phân là 5500C. Kết quả thu được thể hiện ở bảng 3.1 và hình 3.7 Bảng 3.1: Ảnh hưởng của lượng xúc tác đến kết quả nhiệt phân Hàm lượng xúc tác (%) 5 Sản phẩm (%) Lỏng Tổng Pha hữu cơ Pha nước Khí Rắn 34.78 25.5 9.28 32.34 32.88 10 42.55 33.24 9.3 26.7 30.75 15 30.72 22.06 8.72 35.54 33.74 Hình 3.7: Đồ thị ảnh hưởng của lượng xúc tác đến quá trình nhiệt phân Nhìn vào bảng kết quả ta thấy, khi hàm lượng xúc tác tăng từ 5% đến 15% thì hiệu suất sản phẩm lỏng tăng từ 30,72% đến 42,55% trong đó sản phẩm pha hữu cơ tăng từ 22,06% đến 33,24%, khi tăng % xúc tác từ 5% lên 10% thì hiệu suất sản phẩm rắn giảm từ 32.34% xuống còn 26,70% nhưng nếu tăng lên 15% xúc tác thì sản phẩm rắn lại tăng lên đến 35,54%, hiệu suất sản phẩm khí tăng từ 30,75% đến 33,74%. Giải thích: Khi lượng xúc tác tăng lên sẽ làm cho hơi xúc tác tiếp xúc nhiều hơn với rơm rạ tạo điều kiện cho quá trình nhiệt phân đạt hiệu suất tăng lên về SV: Phạm Thị Xoan - 44GVHD: PGS.TS. Đặng Tuyết Phương Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 sản phẩm hữu cơ do các tâm axit của xúc tác tăng lên sẽ thuận lợi cho cơ chế nhiệt phân cacbocation. Nếu tiếp tục tăng lượng xúc tác thì các sản phẩm lỏng vẫn tiếp tục bị nhiệt phân tiếp tạo nhiều khí tức là hàm lượng sản phẩm khí tăng lên.Vậy hàm lượng xúc tác tối ưu dùng trong nhiệt phân có xúc tác là 10%. 3.3.2.Ảnh hưởng của nhiệt độ Ta khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ: quá trình nhiệt phân được thực hiện với tốc độ gia nhiệt ≥ 100C/phút, tốc độ khí mang N2 là 5ml/s trong trường hợp có và không có xúc tác FCC với hàm lượng 10% Bảng 3.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình nhiệt phân có và không có xúc tác Nhiệt độ (0C) Có xúc tác Không xúc tác SV: Phạm Thị Xoan 550 600 Sản phẩm lỏng (%) Tổng Pha Pha hữu cơ nước 39,7 24,98 12,9 35,68 24,46 11,2 36.78 26,58 10,2 42.55 33,25 9,3 30.33 23,03 7,3 550 44,69 400 450 500 22,33 22,27 - 45GVHD: PGS.TS. Sản phẩm rắn (%) 41,04 38,87 35,35 26,7 36,34 Sản phẩm khí (%) 21,06 25,45 27,79 30,75 33,33 32,62 22,69 Đặng Tuyết Phương Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Hình 3.8: Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến quá trình nhiệt phân có xúc tác Nhìn vào kết quả trên ta thấy khi nhiệt độ tăng từ 4000C đến 6000C thì hiệu suất sản phẩm lỏng tăng từ 30,33% đến 42,55%, pha hữu cơ tăng từ 23,02% đến 33,25% và cực đại ở 5500C. Nếu tiếp tục tăng lên 6000C thì hiệu suất sản phẩm lỏng lại giảm xuống. Khi nhiệt độ tăng 400 đến 600oC thì hiệu suất sản phẩm khí tăng từ 21,06% đến 33,33% còn hiệu suất sản phẩm rắn giảm từ 41,04% đến 26,70%. Giải thích: Khi nhiệt độ nhiệt phân tăng sẽ làm tăng chuyển động Brown giữa các phân tử nên lực liên kết giữa các phân tử giảm, thuận lợi cho quá trình bẻ gãy các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn. Ở nhiệt độ càng cao thì phản ứng thứ cấp xảy ra càng mạnh, các phân tử có khối lượng trung bình bị bẻ gãy thành phân tử nhỏ hơn. Do đó khi nhiệt độ tăng, khối lượng rắn giảm, khối lượng khí và lỏng tăng. Nhưng nếu tiếp tục tăng nhiệt độ (đến 600oC) các phản ứng thứ cấp xảy ra mãnh liệt, các phân tử bị bẻ gãy thành các phân tử rất nhỏ (các khí không có khả năng ngưng tụ) nên sản phẩm lỏng giảm, sản phẩm khí tăng mạnh. SV: Phạm Thị Xoan - 46GVHD: PGS.TS. Đặng Tuyết Phương Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2 Ngoài ra khi so sánh sản phẩm lỏng ở cùng nhiệt độ trong trường hợp có và không có xúc tác ta thu được kết quả sau: Hình 3.9: Đồ thị so sánh sản phẩm lỏng của quá trình nhiệt phân có và không có xúc tác Nhìn vào đồ thị trên ta thấy khi không sử dụng xúc tác hiệu suất sản phẩm lỏng là 44,69% lớn hơn khi sử dụng xúc tác (42,55%). Tuy nhiên hiệu suất tạo sản phẩm pha hữu cơ của nhiệt phân không xúc tác là 22,33% lại thấp hơn rất nhiều so với nhiệt phân có xúc tác (33,25%). Giải thích: Khi có xúc tác sẽ làm quá tình nhiệt phân xảy ra sâu hơn nên hiệu suất tạo các sản phẩm khí nhiều hơn, sản phẩm lỏng ít hơn. Cũng vì thế khi có xúc tác sẽ tạo được sản phẩm hữu cơ nhiều hơn. Từ bảng 3.2 còn cho thấy khi không sử dụng xúc tác sản phẩm hữu cơ thu được ít hơn khi sử dụng xúc tác. Ở 550oC khi không sử dụng xúc tác sản phẩm hữu cơ thu được là 22,33 % nhưng khi sử dụng xúc tác thì ở 450oC đã đạt được sản phẩm hữu cơ là 24,46 %. Vì vậy khi sử dụng xúc tác chúng ta có thể giảm nhiệt độ xuống tới 100oC mà hiệu suất tạo sản phẩm hữu cơ vẫn lớn hơn. Khi giảm được nhiệt độ xuống 100oC thì trong quá trình sản xuất tiết kiệm được rất nhiều năng lượng, làm giảm giá thành sản phẩm. SV: Phạm Thị Xoan - 47GVHD: PGS.TS. Đặng Tuyết Phương