BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** Phạm Văn Phong NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC ZIRCONI SUNFAT HÓA DẠNG MAO QUẢN TRUNG BÌNH, SỬ DỤNG ĐỂ CHUYỂN HĨA CẶN BÉO THẢI THÀNH NHIÊN LIỆU SINH HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** Phạm Văn Phong NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC ZICONI SUNFAT HÓA DẠNG MAO QUẢN TRUNG BÌNH, SỬ DỤNG ĐỂ CHUYỂN HĨA CẶN BÉO THẢI THÀNH NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 9520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG ii Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội ngày 01 tháng 10 năm 2019 Nghiên cứu sinh Phạm Văn Phong Người hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Khánh Diệu Hồng, người hướng dẫn tơi tận tình q trình làm luận án tiến sĩ Cơ người đề định hướng nghiên cứu, lộ trình thực hiện, đồng thời dành nhiều công sức hỗ trợ tơi hồn thành luận án Xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Bộ môn Công nghệ Hữu – Hóa dầu, Viện Kỹ thuật Hóa học, Phòng Đào tạo, đơn vị trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện, giúp đỡ nhiều mặt thời gian thực luận án Xin bày tỏ lòng biết ơn tới người gia đình, bạn bè tơi, giúp đỡ tận tâm tin tưởng người động lực lớn để tơi hồn thành luận án Hà Nội ngày 01 tháng 10 năm 2019 Nghiên cứu sinh Phạm Văn Phong ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Chương TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 CÁC PHẢN ỨNG CHÍNH XẢY RA TRONG QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL THEO PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ESTE 1.2 CÁC LOẠI XÚC TÁC SỬ DỤNG CHO QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL THEO PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ESTE 1.2.1 Xúc tác bazơ đồng thể 1.2.2 Xúc tác axit đồng thể 1.2.3 Xúc tác dị thể 1.2.4 Xúc tác enzym 1.3 XÚC TÁC ZIRCONI SUNFAT HĨA TRONG Q TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL 1.3.1 Tổng quan chung zirconi oxit 1.3.2 Tổng quan chung xúc tác zirconi sunfat hóa (ZrO2/SO42-) 10 1.4 XÚC TÁC ZIRCONI SUNFAT HÓA DẠNG MQTB (SO42-/m-ZrO2) ỨNG DỤNG CHO QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ CẶN BÉO THẢI 11 1.4.1 Nhược điểm xúc tác zirconi sunfat hóa thơng thường 11 1.4.2 Giới thiệu xúc tác SO42-/m-ZrO2 12 1.4.3 Vấn đề độ bền nhiệt xúc tác SO42-/m-ZrO2 13 1.4.4 Ứng dụng xúc tác SO42-/m-ZrO2 giới 14 1.5 NGUYÊN LIỆU CHO QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL 15 1.5.1 Thành phần hoá học dầu, mỡ động thực vật 16 1.5.2 Một số loại dầu, mỡ động thực vật làm nguyên liệu cho trình tổng hợp biodiesel 17 1.5.3 Nguyên liệu cặn béo thải từ trình tinh luyện dầu, mỡ động thực vật 19 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 27 Chương THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 HÓA CHẤT, NGUYÊN LIỆU VÀ DỤNG CỤ SỬ DỤNG 28 2.1.1 Hóa chất nguyên liệu 28 2.1.2 Dụng cụ 28 2.2 CHẾ TẠO XÚC TÁC ZIRCONI SUNFAT HÓA MQTB 28 iii 2.3 NGHIÊN CỨU TĂNG ĐỘ BỀN NHIỆT CHO XÚC TÁC m-ZS-C 29 2.3.1 Phương pháp oxophotphat hóa bước 29 2.3.2 Phương pháp oxophotphat hóa đồng thời 29 2.3.3 Đánh giá độ bền thủy nhiệt xúc tác 30 2.4 CHẾ TẠO MỘT SỐ LOẠI XÚC TÁC, VẬT LIỆU KHÁC ĐỂ SO SÁNH 30 2.4.1 Chế tạo xúc tác meso zirconi oxit (m-ZrO2) 30 2.4.2 Chế tạo xúc tác meso zirconi sunfat hóa có kích thước mao quản tập trung nhỏ 31 2.4.3 Chế tạo xúc tác meso zirconi sunfat hóa có kích thước mao quản tập trung lớn 31 2.4.4 Chế tạo xúc tác zirconi oxit sunfat hóa (SO42-/ZrO2) 31 2.5 NGHIÊN CỨU TẠO HẠT XÚC TÁC 31 2.6 NGHIÊN CỨU Q TRÌNH CHUYỂN HĨA CẶN BÉO THẢI THÀNH BIODIESEL TRÊN XÚC TÁC MESO ZIRCONI SUNFAT HÓA 32 2.6.1 Phân tích tính chất nguyên liệu cặn béo thải 32 2.6.2 Khảo sát tìm điều kiện thích hợp cho phản ứng tổng hợp biodiesel từ cặn béo thải 32 2.6.3 Nghiên cứu tái sử dụng tái sinh xúc tác 33 2.6.4 Tính tốn hiệu suất phản ứng tổng hợp biodiesel 34 2.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG XÚC TÁC 36 2.7.1 Sử dụng phổ hấp thụ tia X (XAS) để nghiên cứu cấu trúc xúc tác 36 2.7.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 38 2.7.3 Phương pháp phân tích nhiệt TG-DTA 38 2.7.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 38 2.7.5 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 39 2.7.6 Phương pháp hấp phụ-giải hấp phụ đẳng nhiệt (BET-BJH) 39 2.7.7 Phương pháp giải hấp NH3 theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH3) 39 2.7.8 Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR) 39 2.7.9 Xác định số tính chất lý xúc tác 39 2.8 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NGUYÊN LIỆU CẶN BÉO THẢI VÀ SẢN PHẨM BIODIESEL 40 2.8.1 Xác định thành phần hóa học cặn béo thải metyl este từ cặn béo thải phương pháp GC-MS 40 2.8.2 Xác định tiêu hóa lý sản phẩm biodiesel 40 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO XÚC TÁC MESO ZIRCONI SUNFAT HÓA (m-ZS) 46 3.1.1 Ảnh hưởng chất tạo cấu trúc khác đến hệ thống MQTB xúc tác m-ZS-C 48 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ngưng tụ đến hệ thống MQTB xúc tác m-ZS-C 50 3.1.3 Ảnh hưởng thời gian ngưng tụ đến hệ thống MQTB xúc tác m-ZS-C 52 3.1.4 Ảnh hưởng pH đến hệ thống MQTB xúc tác m-ZS-C 53 iv 3.1.5 Xác định trạng thái cấu trúc xúc tác m-ZS-C 55 3.1.6 Tính ổn định nhiệt xúc tác m-ZS-C 56 3.2 NGHIÊN CỨU TĂNG ĐỘ BỀN NHIỆT CHO XÚC TÁC m-ZS-C 57 3.2.1 Nâng cao độ bền nhiệt cho xúc tác m-ZS-C theo phương pháp oxophotphat hóa bước 58 3.2.2 So sánh phương pháp oxophotphat hóa bước với phương pháp oxophotphat hóa đồng thời trình nâng cao độ bền nhiệt cho xúc tác 62 3.2.3 Đánh giá độ bền thủy nhiệt xúc tác m-ZS-P1N 65 3.2.4 Sự biến đổi trạng thái oxi hóa Zr+4 q trình nung xúc tác 66 3.2.5 Một số đặc trưng khác xúc tác m-ZS-P1N 69 3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CHỌN LỌC HÌNH DÁNG ĐẾN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG XÚC TÁC 74 3.4 NGHIÊN CỨU TẠO HẠT CHO XÚC TÁC m-ZS-P1N 79 3.4.1 Một số tính chất hóa lý xúc tác m-ZS-P1N, lựa chọn chất kết dính cho trình tạo hạt 79 3.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng gel silica đến hoạt tính xúc tác m-ZS-P1N sau tạo hạt 82 3.4.3 Ảnh hưởng kích thước hạt xúc tác m-ZS-P1N sau tạo hạt đến phản ứng tổng hợp biodiesel 83 3.4.4 Ảnh hưởng nhiệt độ xử lý xúc tác sau tạo hạt đến số tính chất hóa lý phản ứng tổng hợp biodiesel 84 3.4.5 Cấu trúc xúc tác m-ZS-P1N sau tạo hạt trước tạo hạt 85 3.5 KHẢO SÁT Q TRÌNH CHUYỂN HĨA CẶN BÉO THẢI THÀNH BIODIESEL TRÊN XÚC TÁC MESO ZIRCONI SUNFAT HÓA m-ZS-P1N 86 3.5.1 Phân tích tính chất nguyên liệu cặn béo thải 86 3.5.2 Khảo sát tìm điều kiện thích hợp cho phản ứng tổng hợp biodiesel từ cặn béo thải 87 3.5.3 Nghiên cứu tái sử dụng tái sinh xúc tác m-ZS-P1N 92 3.5.4 Xác định thành phần tính chất biodiesel thu từ cặn béo thải 94 KẾT LUẬN 97 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 PHỤ LỤC LUẬN ÁN 107 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTM BET BJH CMC CS CTAB DTG E EXAFS FT-IR GC-MS IUPAC LAS MCS MQTB NEXAFS Nu PEG POS-PVA SAXRD SEM TCVN TEM TEOS TG-DTA THF TPD-CO2 TPD-NH3 TRXANES TRXAS WAXRD XANES XAS XRD American Society for Testing and Materials Brunauer–Emmett–Teller (tên lý thuyết hấp phụ chất khí bề mặt rắn) Barrett-Joyner-Halenda (tên phương pháp xác định phân bố mao quản) Critical Micelle Concentration (nồng độ mixen tới hạn) Calcium Containing Silicate (xúc tác silicat chứa canxi) Cetyl Trimethylammonium Bromide Differential Thermal Gravimetry (nhiệt khối lượng vi sai) Electrophile (tác nhân electrophil) Extended X-Ray Absorption Fine Structure (hấp thụ tia X cấu trúc tinh vi mở rộng) Fourier Transform-Infrared Spectroscopy (phổ hồng ngoại biến đổi Fourier) Gas Chromatography-Mass Spectroscopy (sắc ký khí – khối phổ) The International Union of Pure and Applied Chemistry (Liên minh Quốc tế Hóa học túy Hóa học ứng dụng) Linear Alkylbenzene Sulfonate Mesoporous Calcium Containing Silicate (xúc tác silicat chứa canxi dạng mao quản trung bình) Mao quản trung bình Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure (phổ hấp thụ tia X cấu trúc tinh vi gần ngưỡng) Nucleophile (tác nhân nucleophil) Polyethylene Glycol Polysiloxane/Polyvinyl Alcohol (mạng polyme thâm nhập kiểu compozit polysiloxan polyvinyl ancol) Small Angle X-Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X góc hẹp) Scanning Electron Microscopy (hiển vi điện tử quét) Tiêu chuẩn Việt Nam Transmission Electron Spectroscopy (hiển vi điện tử truyền qua) Tetraethyl Orthosilicate Thermal Gravimetry-Differential Thermal Analysis (phân tích nhiệt trọng lượng – nhiệt vi sai) Tetrahydrofuran Temperature Programmed Desorption of Carbon Dioxide (giải hấp phụ CO2 theo chương trình nhiệt độ) Temperature Programmed Desorption of Ammonia (giải hấp phụ NH3 theo chương trình nhiệt độ) Time-Resolved X-ray Absorption Near Edge Structure (phổ hấp thụ tia X cấu trúc gần ngưỡng theo thời gian) Time-Resolved X-ray Absorption Spectroscopy (phổ hấp thụ tia X theo thời gian) Wide Angle X-Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X góc rộng) X-Ray Absorption Near Edge Structure (phổ hấp thụ tia X cấu trúc gần ngưỡng) X-Ray Absorption Spectroscopy (phổ hấp thụ tia X) X-Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X) vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ HÌNH 1.1 IRON TETRAMERIC CĨ TRONG XÚC TÁC ZIRCONI OXIT SUNFAT HÓA 10 HÌNH 1.2 SỰ HÌNH THÀNH TÂM AXIT BRONSTED VÀ LEWIS TRÊN SO42-/M-ZRO2 13 HÌNH 1.3 SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ CẶN BÉO THẢI 24 HÌNH 1.4 THỐNG KÊ SẢN LƯỢNG SẢN XUẤT DẦU THỰC VẬT TẠI VIỆT NAM 26 HÌNH 2.1 THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHỊU ÁP SUẤT SỬ DỤNG TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 32 HÌNH 2.2 CÁC THÀNH PHẦN QUAN TRỌNG TRONG PHỔ XAS ĐẶC TRƯNG 37 HÌNH 2.3 MỘT PHẦN HỆ THIẾT BỊ ĐO PHỔ TR-XANES TẠI THÁI LAN 38 HÌNH 3.1 GIẢN ĐỒ SAXRD CỦA XÚC TÁC M-ZS-C KHI SỬ DỤNG CHẤT TẠO CẤU TRÚC LAS 48 HÌNH 3.2 GIẢN ĐỒ SAXRD CỦA XÚC TÁC M-ZS-C KHI SỬ DỤNG CHẤT TẠO CẤU TRÚC PEG 20000 49 HÌNH 3.3 GIẢN ĐỒ SAXRD CỦA XÚC TÁC M-ZS-C KHI SỬ DỤNG CHẤT TẠO CẤU TRÚC CTAB 49 HÌNH 3.4 GIẢN ĐỒ SAXRD CỦA CÁC XÚC TÁC M-ZS-C TỔNG HỢP ĐƯỢC Ở CÁC NHIỆT ĐỘ NGƯNG TỤ KHÁC NHAU 51 HÌNH 3.5 GIẢN ĐỒ SAXRD CỦA CÁC XÚC TÁC M-ZS-C CHẾ TẠO ĐƯỢC Ở CÁC THỜI GIAN NGƯNG TỤ KHÁC NHAU 52 HÌNH 3.6 GIẢN ĐỒ SAXRD CỦA CÁC XÚC TÁC M-ZS-C CHẾ TẠO ĐƯỢC TRONG QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ TẠI CÁC GIÁ TRỊ PH KHÁC NHAU 53 HÌNH 3.7 GIẢN ĐỒ WAXRD CỦA XÚC TÁC M-ZS-C 55 HÌNH 3.8 GIẢN ĐỒ XRD GĨC HẸP CỦA M-ZS-C VÀ M-ZS-N 56 HÌNH 3.9 GIẢN ĐỒ TG-DTA CỦA M-ZS-C 57 HÌNH 3.10 GIẢN ĐỒ TG-DTA CỦA VẬT LIỆU M-ZS-P0.5C 59 HÌNH 3.11 GIẢN ĐỒ TG-DTA CỦA VẬT LIỆU M-ZS-P1C 59 HÌNH 3.12 GIẢN ĐỒ TG-DTA CỦA VẬT LIỆU M-ZS-P2C 60 HÌNH 3.13 GIẢN ĐỒ TG-DTA CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1-18 VÀ M-ZS-P1-36 KHI OXOPHOTPHAT HÓA TRONG THỜI GIAN 18 GIỜ VÀ 36 GIỜ 60 HÌNH 3.14 GIẢN ĐỒ XRD GĨC HẸP CỦA M-ZS-C, M-ZS-P1C VÀ M-ZS-P1N 61 HÌNH 3.15 GIẢN ĐỒ TG-DTA CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1C 63 HÌNH 3.16 GIẢN ĐỒ TG-DTA CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1AC 63 HÌNH 3.17 GIẢN ĐỒ SAXRD CỦA CÁC XÚC TÁC M-ZS-P1N VÀ M-ZS-PA1N 64 HÌNH 3.18 GIẢN ĐỒ SAXRD CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1N SAU XỬ LÝ VỚI NƯỚC VÀ HƠI NƯỚC Ở CÁC NHIỆT ĐỘ KHÁC NHAU 66 HÌNH 3.19 GIẢN ĐỒ TRXANES CỦA XÚC TÁC M-ZS-C TRONG QUÁ TRÌNH NUNG TÁCH CHẤT TẠO CẤU TRÚC 67 vii HÌNH 3.20 GIẢN ĐỒ TRXANES CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1C TRONG QUÁ TRÌNH NUNG TÁCH CHẤT TẠO CẤU TRÚC 68 HÌNH 3.21 ẢNH SEM CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1N Ở CÁC ĐỘ PHĨNG ĐẠI KHÁC NHAU 69 HÌNH 3.22 ẢNH TEM CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1N 69 HÌNH 3.23 ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ-NHẢ HẤP PHỤ N2 CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1N 70 HÌNH 3.24 GIẢN ĐỒ XRD GĨC HẸP VÀ ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ-NHẢ HẤP PHỤ CỦA MỘT LOẠI XÚC TÁC ZIRCONI MQTB THEO TÀI LIỆU 105 71 HÌNH 3.25 ĐƯỜNG PHÂN BỐ MAO QUẢN CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1N 71 HÌNH 3.26 GIẢN ĐỒ TPD-NH3 CỦA XÚC TÁC SO42-/ZRO2 VÀ CÁC THÔNG SỐ THU ĐƯỢC 72 HÌNH 3.27 GIẢN ĐỒ TPD-NH3 CỦA XÚC TÁC M-ZS-1 VÀ CÁC THÔNG SỐ THU ĐƯỢC TỪ GIẢN ĐỒ 72 HÌNH 3.28 GIẢN ĐỒ FT-IR CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1N 74 HÌNH 3.29 ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ - GIẢI HẤP PHỤ CỦA M-ZRO2 75 HÌNH 3.30 ĐƯỜNG PHÂN BỐ MAO QUẢN THEO BỀ MẶT RIÊNG CỦA M-ZRO2 76 HÌNH 3.31 ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ - GIẢI HẤP PHỤ CỦA XÚC TÁC M-ZS-2 76 HÌNH 3.32 ĐƯỜNG PHÂN BỐ MAO QUẢN THEO BỀ MẶT RIÊNG CỦA XÚC TÁC M-ZS-2 77 HÌNH 3.33 ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP PHỤ - GIẢI HẤP PHỤ CỦA XÚC TÁC M-ZS-3 77 HÌNH 3.34 ĐƯỜNG PHÂN BỐ MAO QUẢN THEO BỀ MẶT RIÊNG CỦA XÚC TÁC M-ZS-3 78 HÌNH 3.35 GIẢN ĐỒ SAXRD CỦA XÚC TÁC M-ZS-P1N TRƯỚC VÀ SAU KHI TẠO HẠT 86 HÌNH 3.36 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ PHẢN ỨNG ĐẾN HIỆU SUẤT TẠO BIODIESEL 88 HÌNH 3. 2-Theta - Scale File: Toan BK mau MZ1.raw - Type: Locked Coupled - Start: 0.500 ° - End: 10.004 ° - Step: 0.008 ° - Step time: 0.8 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: s - 2-Theta: 0.500 ° - Theta: 0.250 ° - Chi: 0.00 ° 10 ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *** Phạm Văn Phong NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC ZICONI SUNFAT HÓA DẠNG MAO QUẢN TRUNG BÌNH, SỬ DỤNG ĐỂ CHUYỂN HĨA CẶN BÉO THẢI THÀNH NHIÊN LIỆU SINH HỌC Ngành:... sunfat hóa có kích thước mao quản tập trung nhỏ 31 2.4.3 Chế tạo xúc tác meso zirconi sunfat hóa có kích thước mao quản tập trung lớn 31 2.4.4 Chế tạo xúc tác zirconi oxit sunfat hóa (SO42-/ZrO2)... (SO42-/ZrO2) 31 2.5 NGHIÊN CỨU TẠO HẠT XÚC TÁC 31 2.6 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA CẶN BÉO THẢI THÀNH BIODIESEL TRÊN XÚC TÁC MESO ZIRCONI SUNFAT HÓA 32 2.6.1 Phân