Vi tảo là nguyên liệu sinh học thế hệ thứ 3, đây là nguồn nguyên liệu thân thiện với môi trường cho sản xuất nhiên liệu sinh học như etanol sinh học, diesel sinh học. Việc sử dụng tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học giống như một mũi tên trúng hai đích: vừa tạo ra nguồn năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ đang cạn kiệt, vừa có tác dụng làm sạch môi trường. Trong cùng một đơn vị diện tích, lượng dầu mà tảo tạo ra nhiều gấp 15 đến 300 lần lượng dầu từ các cây lấy dầu truyền thống. Bên cạnh đó, có thể tăng khả năng sản xuất dầu của tảo bằng cách bổ sung khí CO2 trong quá trình nuôi trồng chúng hoặc sử dụng các môi trường giàu chất hữu cơ (như nước thải) để nuôi trồng.
Bản chất của quá trình sản xuất biodiesel từ dầu mỡ động thực vật là phản ứng trao đổi este, phản ứng este hóa tạo ra alkyl este có sử dụng xúc tác với tác nhân rượu đơn chức. Xúc tác đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình trên. Để đạt được hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất biodiesel bằng phản ứng trao đổi este, cần tạo ra các loại xúc tác dị thể có hoạt tính xúc tác cao, có khả năng tái sử dụng nhiều lần và sử dụng được với các loại nguyên liệu dầu mỡ rẻ tiền.
Nghiên cứu chiết tách và chuyển hóa sinh khối vi tảo Botryococccus thành nhiên liệu sinh học biodiesel theo phương pháp hai giai đoạn trên xúc tác dị thể đã có những đóng góp sau:
- Chế tạo được xúc tác dị thể siêu axit rắn SO42-/ZrO2 với chất mang ZrO2 dạng tứ diện giúp tối ưu hóa độ axit của xúc tác, số tâm axit mạnh trong 1 gam xúc tác là 30,91x1019.
- Chế tạo được xúc tác CaO/SiO2 với pha hoạt tính CaO, hàm lượng 13,61%, tạo thành một lớp đơn tinh thể trên bề mặt chất mang. Đặc điểm này giúp xúc tác có độ bền cơ học cao, độ dị thể cao, tính bazơ cao và diện tích bề mặt riêng tốt.
- Tìm ra các điều kiện trích ly dầu từ sinh khối vi tảo khô Botryococcus sp.: Hệ dung môi hexan/etanol với tỉ lệ 2/1, tỉ lệ ml dung môi/g vi tảo 4/1, nhiệt độ chiết tách 60oC, thời gian chiết tách 10 giờ, tốc độ khuấy 400 vòng/phút. Tổng lượng dầu thu được bằng 37,36% trọng lượng vi tảo khô, trong dầu trích ly được có 39,02 % là n-heptandecan là hydrocacbon nằm trong phân đoạn diesel.
- Tìm được các điều kiện êm dịu để chuyển hóa dầu vi tảo có chỉ số axit cao thành biodiesel bằng phương pháp hai giai đoạn sử dụng hệ xúc tác dị thể axit rắn SO42-/ZrO2 và bazơ rắn CaO/SiO2. Giai đoạn 1 sử dụng xúc tác SO42-/ZrO2 với các thông số công nghệ nhiệt độ phản ứng 60oC, thời gian phản ứng 5 giờ, tốc độ khuấy trộn 500 vòng/phút, tỷ lệ thể tích metanol/dầu là 2/1, hàm lượng xúc tác SO42-/ZrO2 sử dụng bằng 3% khối lượng dầu.
Giai đoạn 2 sử dụng xúc tác CaO/SiO2 với các thông số công nghệ nhiệt độ phản ứng 60oC, thời gian phản ứng 7 giờ, tốc độ khuấy trộn 500 vòng/phút, tỷ lệ thể tích metanol/dầu là 10/1, hàm lượng xúc tác CaO/SiO2 sử dụng bằng 4,5 % khối lượng dầu. Hiệu suất tạo biodiesel đạt 94,2%.
- Tìm được các điều kiện để chuyển hóa nhanh dầu vi tảo thành biodiesel sử dụng xúc tác SO42-/ZrO2 nhiệt độ phản ứng 110oC, thời gian phản ứng 3 giờ, tốc độ khuấy trộn 500 vòng/phút, tỷ lệ thể tích metanol/dầu 2/1, hàm lượng xúc tác SO42-/ZrO2 sử dụng bằng 3% khối lượng dầu. Với các điều kiện này hiệu suất tạo biodiesel đạt 94,5%.
Biodiesel tổng hợp theo phương pháp này đáp ứng các tính chất biodiesel thương phẩm theo tiêu chuẩn ASTM D6751.
Các kết quả nghiên cứu trên đã được NCS. Nguyễn Trung Thành, dưới sự hướng dẫn của GS.TS Đinh Thị Ngọ và PGS.TS Lê Quang Diễn, bảo vệ thành công tại Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội ngày 16/3/2016.
Chúc mừng tân tiến sĩ.
Luận án và tóm tắt luận án có thể download tại đây
