Biodiesel (nhiên liệu diesel sinh học) là một loại nhiên liệu lỏng tái tạo được tạo thành từ các mono-alkyl ester của các acid béo chuỗi dài có công thức cấu trúc tổng quát dạng , được sản xuất thông qua phản ứng chuyển vị este (transesterification) giữa dầu thực vật, mỡ động vật hoặc dầu ăn đã qua sử dụng với một alcohol mạch ngắn.
Thành phần hóa học và phản ứng chuyển vị este
Dầu mỡ sinh học tự nhiên tồn tại chủ yếu ở dạng triglyceride (triacylglycerol) — este của glycerol với ba phân tử acid béo. Do có độ nhớt động học rất cao (cao gấp 10 đến 20 lần so với dầu diesel khoáng), dầu thực vật thô không thể sử dụng trực tiếp trong động cơ diesel hiện đại vì dễ gây đóng cặn vòi phun và kẹt vòng găng piston.
Để giảm độ nhớt và nâng cao khả năng bay hơi, phản ứng chuyển vị este (transesterification) được thực hiện với tỷ lệ mol alcohol (thường là methanol hoặc ethanol) trên dầu là 6:1 dưới sự hiện diện của xúc tác kiềm đồng thể (như NaOH hoặc KOH với nồng độ từ 0,5% đến 1,5% theo khối lượng) ở nhiệt độ từ 60 đến 65 độ C:
Triglyceride + 3 CH3OH \( ightarrow\) 3 RCOOCH3 (Fatty Acid Methyl Ester - FAME) + C3H5(OH)3 (Glycerol)
Glycerol thô là sản phẩm phụ lắng xuống đáy và được tách ra, sau đó pha este sinh học được rửa sạch nước, trung hòa acid dư và sấy khô chân không để thu được sản phẩm biodiesel tinh khiết.
Đặc tính kỹ thuật và tiêu chuẩn chất lượng
| Chỉ tiêu chất lượng | Nhiên liệu Biodiesel (B100 - ASTM D6751 / EN 14214) | Diesel khoáng thông thường (Petrodiesel) |
|---|---|---|
| Thành phần hóa học | Este methyl của acid béo () | Hỗn hợp hydrocarbon mạch thẳng, nhánh và thơm |
| Chỉ số Cetane (CN) | Cao hơn (thường từ 48 đến 65) | Thấp hơn (từ 40 đến 55) |
| Hàm lượng lưu huỳnh (Sulfur) | Gần như bằng 0 (dưới 10 đến 15 ppm) | Từ 10 đến 500 ppm tùy cấp chất lượng |
| Điểm chớp cháy cốc kín (Flash point) | Cao và an toàn hơn (trên 130 độ C) | Thấp hơn (từ 52 đến 66 độ C) |
| Độ bôi trơn tự nhiên | Xuất sắc (bảo vệ hệ thống bơm cao áp) | Kém hơn (phải bổ sung phụ gia bôi trơn) |
| Độ nhớt động học ở 40 độ C | Từ 1,9 đến 6,0 mm2/s | Từ 1,3 đến 4,1 mm2/s |
Ưu điểm môi trường và khả năng phối trộn
Biodiesel có thể được sử dụng ở dạng nguyên chất (B100) hoặc phối trộn với diesel khoáng theo các tỷ lệ tiêu chuẩn:
- B5 và B10: Hỗn hợp chứa tương ứng 5% và 10% thể tích biodiesel, tương thích hoàn toàn với mọi động cơ diesel hiện hành mà không cần thay đổi kết cấu buồng đốt hay đường ống nhiên liệu.
- B20: Hỗn hợp chứa 20% biodiesel, được áp dụng rộng rãi cho các đội xe thương mại và phương tiện công cộng nhằm giảm phát thải khí nhà kính CO2 theo chu trình carbon sinh học.
- Giảm phát thải độc hại: Quá trình đốt cháy biodiesel giúp giảm từ 40% đến 60% lượng bụi mịn (PM), giảm phát thải khí carbon monoxide (CO) và hydrocarbon chưa cháy (HC), đồng thời loại bỏ hoàn toàn khí sulfur dioxide (SO2) gây mưa acid.
Thách thức kỹ thuật và triển vọng tại Việt Nam
Mặc dù có nhiều lợi thế sinh thái, việc phát triển biodiesel đối mặt với một số hạn chế: tính ổn định oxy hóa kém hơn diesel khoáng (dễ hình thành keo nhựa khi lưu trữ lâu ngày), điểm đông đặc (cloud point và pour point) tương đối cao có thể gây tắc lọc nhiên liệu trong mùa đông ở vùng ôn đới, và nguy cơ cạnh tranh nguồn lương thực nếu sử dụng dầu ăn nguyên chất (như dầu cọ, dầu đậu nành). Tại Việt Nam, tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7717:2007 quy định chặt chẽ các yêu cầu kỹ thuật đối với nhiên liệu diesel sinh học gốc B100; các hướng nghiên cứu hiện nay tập trung khai thác nguồn nguyên liệu không cạnh tranh lương thực như dầu mỡ động vật phế thải từ chế biến cá tra, cá ba sa ở Đồng bằng sông Cửu Long và dầu vi tảo.