Thứ tư 01/04/2020 19:02

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong sử dụng năng lượng bền vững

05/10/2019 13:00
Với mức độ phát triển ngày càng nhanh của các phương tiện giao thông và các hoạt động kinh tế công nghiệp ở hầu hết các quốc gia trên thế giới, vấn đề tiêu thụ năng lượng và phát thải khí gây ô nhiễm môi trường, ngày càng trở nên trầm trọng và luôn là sức ép đối với mọi nền kinh tế trên thế giới. Vì vậy, nhu cầu có một giải pháp hiệu quả để tiết kiệm nhiên liệu và giảm khói thải ô nhiễm từ các hoạt động giao thông, vận tải và sản xuất công nghiệp luôn luôn cấp thiết và được quan tâm nghiên cứu.
Cách mạng công nghiệp 4.0: Những lĩnh vực được trông đợi nhất

Một trong những biện pháp được áp dụng để tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm từ khí thải của động cơ là cải tiến động cơ kết hợp sử dụng kỹ thuật xử lý khói thải (công nghệ luân hồi khí xả ERG; Công nghệ tăng áp động cơ; Hệ thống cung cấp nhiên liệu Common Rail; Thiết bị xử lý khí thải dạng bẫy tái sinh liên tục (CRT) để xử lý CO, HC, muội; Kết hợp thiết bị CRT và thiết bị khử chọn lọc bằng xúc tác SCR để xử lý đồng thời CO, HC, muội và NOx) . Tuy nhiên, các công nghệ cải tiến trên đi kèm với giá thành cao và chỉ phù hợp với các thiết kế động cơ mới, khó can thiệp vào các động cơ có thiết kế cũ đang vận hành. Vì vậy, việc phát triển công nghệ thích hợp có thể áp dụng cho các động cơ hiện có là cần thiết.

Tương tự như các hoạt động tiêu thụ năng lượng trong giao thông, trong sản xuất công nghiệp, số lượng các lò đốt nồi hơi, lò xi măng, lò hơi nhiệt điện ngày càng tăng. Đặc điểm chung của các thiết bị nhiệt này là tổn thất nhiệt khá cao do nhiên liệu cháy không hết. Hơn nữa, các hệ thống nhiệt ở Việt Nam thường không được trang bị hệ thống xử lý khí thải tiên tiến nên ít nhiều thải ra các khí độc hại, như CO, muội than (HC). Do vậy, việc tăng hiệu quả cháy của nhiên liệu đốt lò nhằm giảm chi phí sản xuất và giảm phát thải khí độc hại ra môi trường là vấn đề cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn.

Một trong những giải pháp không cần can thiệp vào “phần cứng” của động cơ cũng như của lò đốt là cải tiến nhiên liệu bằng cách sử dụng phụ gia, nhằm kiểm soát quá trình đốt cháy theo hướng tăng công suất động cơ hay tăng hiệu suất lò đốt, tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải. Trong số các loại phụ gia nhiên liệu đã được khảo sát, nhóm thứ nhất là phụ gia cho xăng, gồm các phụ gia không chứa kim loại, như các hợp chất chứa oxy (oxygenat) alcohol, ester và ether, có thể giảm đáng kể lượng PM, hợp chất chứa nitơ (một số amin, nitrile) hoặc hợp chất chứa nitơ – oxi (các nitrat, amid) trong khói thải. Nhóm thứ hai, cũng là phụ gia cho xăng, gồm các phụ gia chứa hợp chất của kim loại, như ferrocen và hợp chất chứa Ce, Ca, Ba, Ni như naphthenat, sulphat, carbonat, có hiệu quả nhất trong việc giảm sự hình thành muội và tăng cường oxi hóa muội. Nhóm thứ ba là phụ gia cho nhiên liệu diesel, trên cơ sở hệ nhũ nước trong dầu, có tác dụng giảm khí thải độc hại và giảm tiêu thụ nhiên liệu và tăng công suất động cơ. Cơ chế hoạt động của loại phụ gia này là khi nhiên liệu bị đốt cháy trong buồng đốt của động cơ, nhờ hiện tượng vi nổ xảy ra khi có sự hóa hơi của nước bên trong giọt nhiên liệu, quá trình phun sương nhiên liệu sẽ diễn ra hiệu quả hơn dẫn đến quá trình cháy xảy ra triệt để hơn.

Một số công trình nghiên cứu về phụ gia nhiên liệu

Trần Thị Như Mai và cộng sự đã tổng hợp hạt nano CeO2, kích thước 5 nm, bằng phương pháp thủy phân muối cerium oleate trong môi trường PVA, làm phụ gia cho nhiên liệu diesel. Kết quả thử nghiệm nhiên liệu diesel pha phụ gia CeO2 đối với động cơ trên bệ thử cho thấy các chỉ tiêu về CO, HC và độ khói đều giảm. Riêng hàm lượng phát thải NOx tăng do hiệu quả cháy tăng .

  • Cù Huy Thành và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp hạt nano CeO2, bằng phương thủy phân muối Ce(NO3)3 làm phụ gia cho nhiên liệu diesel. Với phụ gia nano điều chế được, suất tiêu hao nhiên liệu giảm tới 7%, NOx giảm tới 22,26%, HC giảm tới 34,61%, CO giảm tới 28%, CO2 giảm tới 5,5%, độ khói giảm tới 25%. Thử nghiệm cho nhiên liệu diesel chạy xe tăng cho thấy với hệ vi nhũ chứa 15 ppm hạt CeO2 cỡ 5 nm, suất tiêu thụ nhiên liệu giảm 14% mà không làm giảm các đặc tính vận hành của thiết bị.
  • Tổng công ty xi măng Việt Nam cũng đã tiến hành đánh giá hiệu quả của việc sử dụng phụ gia NANO do Tập đoàn Phương Chính, Đại học Bắc Kinh, Trung Quốc phát triển đến khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho phương tiện chạy diesel. Kết quả cho thấy sử dụng nhiên liệu diesel pha phụ gia có khả năng tiết kiệm được từ 5% đến 7% nhiên liệu so với khi sử dụng nhiên liệu diesel không pha phụ gia.

Trên phương diện ứng dụng, ở thị trường Việt Nam, có đến vài chục loại sản phẩm phụ gia khác nhau. Mặc dù đều có tác dụng đối với việc tăng hiệu suất cho nhiên liệu nhưng các loại phụ gia này ít nhiều có mặt hạn chế, chẳng hạn:

  • Có thể làm tăng mài mòn và ăn mòn các cấu trúc kim loại của động cơ, lò hơi, dẫn đến làm giảm tuổi thọ của thiết bị;
  • Phụ gia sau khi thải ra có nguy cơ tạo ra nguồn thải độc hại hơn cho sức khỏe con người và hệ sinh thái;
  • Hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu chưa thực sự vượt trội, nằm trong khoảng từ 5 đến 6%; đồng thời, hiệu quả giảm ô nhiễm trong khói thải cũng chưa vượt trội;
  • Nhìn chung, mỗi loại phụ gia chỉ phù hợp để áp dụng với một loại nhiên liệu.

Chính vì vậy, yêu cầu chủ động trong việc sản xuất phụ gia, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu, cũng như cải tiến các hệ phụ gia nhiên liệu hay nghiên cứu lựa chọn hệ phụ gia tiên tiến, có hiệu quả cao có đưa vào ứng dụng ở Việt Nam vẫn luôn cấp thiết.

2. Một số kết quả nghiên cứu về phụ gia TKNL và GKT

Không nằm ngoài xu hướng thế giới, trong những năm gần đây, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu (PTNTĐ) đã chú trọng đến hướng nghiên cứu về phụ gia tiết kiệm nhiên liệu và giảm khói thải ô nhiễm.

Phụ gia chứa nano oxit kim loại cho nhiên liệu động cơ

Phụ gia chứa nano oxit kim loại được điều chế theo các bước sau:

  • Chế tạo dung dịch chứa tiền chất của Fe, phân tán trong hệ chất hoạt động bề mặt không ion;
  • Chế tạo dung dịch chứa tác nhân khử, phân tán trong hệ chất hoạt động bề mặt không ion;
  • Chế tạo phụ gia thành phẩm bằng cách trộn lẫn hai hệ dung dịch nói trên, kết hợp phối trộn với dung môi phù hợp.

Các nano oxit sắt dạng α-Fe2O3 đã được tổng hợp thành công với kích thước nhỏ hơn 5 nm (chủ yếu từ 1 đến 2 nm) và không hề kết tụ lại với nhau (hình 1 và 2).

nghien cuu ung dung cong nghe nano trong su dung nang luong ben vung

Hình 1. Ảnh TEM của các hạt nano oxit sắt

nghien cuu ung dung cong nghe nano trong su dung nang luong ben vung
Hình 2. Phân bố kích thước hạt nhũ nước trong dầu của hệ phụ gia (khoảng 60 nm)

Kết quả đánh giá hiệu quả của phụ gia nano oxit sắt, thông qua sự thay đổi công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải của động cơ khi sử dụng xăng pha phụ gia so với xăng thông thường, theo đường đặc tính tải, cho thấy lượng nhiên liệu tiết kiệm được là 2,07%, hàm lượng hydrocarbon và carbon monoxit trong khói thải giảm tương ứng là 24,43% và 13,99%.

Xăng pha phụ gia nano oxit sắt đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng theo TCVN 6776 và không gây ảnh hưởng đối với các chi tiết tiếp xúc nhiên liệu của động cơ.

Đặc biệt, ứng dụng hệ phụ gia nano oxit sắt cho nhiên liệu diesel cho hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu đạt 6,09%, hàm lượng hydrocarbon, carbon monoxit và muội trong khói thải giảm tương ứng là 8,8%, 9,94% và 20,42% [12].

 Phụ gia chứa nano oxit kim loại cho nhiên liệu đốt lò

Ứng dụng hệ phụ gia nano oxit sắt làm phụ gia nhiên liệu đốt lò (dầu DO và dầu FO), với tỷ lệ pha trộn với nhiên liệu 0,88%, giúp tiết kiệm nhiên liệu FO/DO được khoảng 10% ở điều kiện vận hành thử nghiệm, đồng thời giảm phát thải muội 5%

Bảng 1. Hiệu quả giảm khí thải khi sử dụng phụ gia

Lần lấy mẫu

Trung bình của 6 lần lấy mẫu

Hiệu quả của phụ gia (%)

Không sử dụng phụ gia

Có sử dụng phụ gia

CO (ppm)

6,3

5,3

15,9

NOx (ppm)

49,7

46,3

6,8

CO2 (%)

11,44

11,3

1,2

Các kết quả phân tích thành phần khí thải (bảng 1) của lò hơi sử dụng nhiên liệu DO, trong điều kiện thử nghiệm phóng không, không tải cũng thấy mức giảm đáng kể các khí gây ô nhiễm khi sử dụng phụ gia.

Phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới dùng cho động cơ diesel

Phụ gia nhiên liệu vi nhũ thế hệ mới có thành phần chứa pha nước, pha dầu, chất hoạt động bề mặt có nguồn gốc tự nhiên và nano oxit sắt. Nhiên liệu diesel sau khi pha phụ gia có chỉ tiêu chất lượng hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn Việt Nam. Kích thước hạt nhũ nước trong dầu DO đạt 3 nm (hình 3).Việc pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới vào dầu DO, theo tỉ lệ thể tích 1/8.000 không làm ảnh hưởng đáng kể đến các chỉ tiêu theo TCVN 5689:2013, hàm lượng Fe-Mn và hàm lượng nhựa thực tế của nhiên liệu.

nghien cuu ung dung cong nghe nano trong su dung nang luong ben vung
Hình 3. Dải phân bố kích thước hạt nhũ nước của mẫu dầu pha phụ gia.

Kết quả đánh giá hiệu quả của phụ gia vi nhũ thế hệ mới trên băng thử động cơ, cho thấy phụ gia cho hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu ít nhất 5%, hiệu quả giảm phát thải khí độc hại, tối thiểu đối với hydrocarbon là 10%, với CO là 5%, với NOx là 10% và với muội là 5% (hình 4 và 5) [16]. Thử nghiệm hiện trường trên các phương tiện giao thông vận tải, như xe tải công trường, tàu thủy và tàu hỏa cũng cho kết quả tương đương với kết quả thu được trên băng thử động cơ.

nghien cuu ung dung cong nghe nano trong su dung nang luong ben vung
Hình 4. Sự thay đổi công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và phát thải khi sử dụng diesel pha phụ gia theo đường đặc tính tải
nghien cuu ung dung cong nghe nano trong su dung nang luong ben vung
Hình 5. Sự thay đổi phát thải CO, HC, NOx và PM của theo chu trình ECE R49

Các nghiên cứu đánh giá tác động của việc sử dụng nhiên liệu có pha phụ gia vi nhũ thế hệ mới, đến chất lượng của các chi tiết trong động cơ diesel, tiếp xúc với nhiên liệu cho thấy sự có mặt của phụ gia trong nhiên liệu không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến các chi tiết tiếp xúc với nhiên liệu pha phụ gia, làm bằng vật liệu đạt chuẩn.

Hiệu quả của phụ gia có được là nhờ có sự phối hợp hài hòa giữa cơ chế vật lý “vi nổ” của các hạt vi nhũ tương nước trong dầu, có được nhờ tác dụng của phụ gia vi nhũ và cơ chế hóa học, xúc tác cho quá trình oxi hóa hoàn toàn nhiên liệu, có được nhờ tác dụng của phụ gia vi nhũ chứa nano oxit kim loại  

Phụ gia đa năng

Gần đây, PTNTĐ phát triển hướng nghiên cứu ứng dụng phụ gia đa năng, phù hợp để pha trộn với mọi loại nhiên liệu, gồm xăng, xăng sinh học, diesel, diesel sinh học, dầu FO và sử dụng thích hợp cho cả đối tượng động cơ xăng, động cơ diesel và lò đốt nhiên liệu DO và FO. Được tạo thành từ các thành phần có chỉ số khúc xạ mol cao, phụ gia đa năng có các đặc tính ưu việt nổi bật sau đây:

  • Xúc tiến quá trình nguyên tử hóa trong buồng đốt của động cơ làm cho quá trình cháy xảy ra hoàn toàn cùng với sự tăng năng lượng bức xạ dẫn đến tiết kiệm nhiên liệu;
  • Xúc tiến quá trình phát triển mạch chính của hidrocacbon và ức chế sự chuyển mạch nhánh thành hydrorperoxit, dẫn đến giảm sự kích nổ của nhiên liệu trong động cơ, chế độ làm việc của động cơ diesel nhờ thế êm hơn;
  • Phủ buồng đốt bằng một lớp phân tử tạo nên hiệu ứng đẩy của các hạt nhiên liệu cháy cùng dấu dẫn đến không có muội trong buồng đốt, làm giảm nhiệt độ nước làm mát động cơ, giảm chất ô nhiễm trong khói thải.

Nhờ thế, phụ gia được pha trộn với nhiên liệu với tỷ lệ vô cùng nhỏ, cụ thể là tỷ lệ pha trộn của phụ gia với xăng là 1 lít phụ gia/154.000 lít xăng và với diesel là 1 lít phụ gia/59.000 lít diesel, với dầu FO là 1 lít phụ gia/45 tấn dầu FO.

Do lượng phụ gia được đưa vào quá nhỏ, các tính chất lý hóa của nhiên liệu trước và sau khi pha phụ gia hầu như không thay đổi so với nhiên liệu trước khi pha trộn.

Sử dụng phụ gia cho động cơ xăng tiết kiệm được từ 10-12% nhiên liệu, cho động cơ diesel tiết kiệm được từ 10-15% nhiên liệu, cho nhiên liệu FO tiết kiệm được khoảng 10-15% nhiên liệu. Bên cạnh đó, sử dụng phụ gia góp phần giảm lượng CO trong khí xả đến 44%, giảm lượng muội trong khí xả từ 40 ÷ 70%.

Đặc biệt hơn, PTNTĐ còn phát triển hướng nghiên cứu ứng dụng phụ gia đa năng cho các lò đốt sử dụng nhiên liệu là khí gas hoặc than, chẳng hạn lò xi măng, lò hơi đốt than, lò hơi đốt khí gas, lò nhiệt điện. Tỷ lệ phối trộn giữa phụ gia và nhiên liệu rắn là 1 lít phụ gia/200 tấn than. Việc sử dụng phụ gia đa năng cho phép tiết kiệm than trung bình từ 8-15%.

Hiện tại, tất cả các chủng loại sản phẩm phụ gia nêu trên đã được các đầu mối phân phối phụ gia đưa vào thử nghiệm và ứng dụng công nghiệp tại nhiều đơn vị vận tải/khai thác mỏ và sản xuất công nghiệp, sản xuất điện năng, trên nhiều đối tượng thiết bị, phương tiện.

Việt Nam đứng trong top 10 nước ô nhiễm không khí trên thế giới (Theo The Environmental Performance Index) và là một trong số các nền kinh tế dễ bị tổn thương nhất đối với biến đổi khí hậu. Đồng thời, Việt Nam cũng đang đứng trước thách thức về nguy cơ thiếu hụt năng lượng trong vòng một thập kỷ tới. Do đó, vấn đề sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đang được Đảng, Nhà nước Việt Nam đặc biệt quan tâm, không chỉ thể hiện thông qua Chương trình Mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả mà còn được luật hoá bởi Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Đặc biệt, Quyết định số 563/QĐ-TTg ngày 05 tháng 4 năm 2016 của Thủ tướng Chính phủ về việc Phê duyệt danh mục Dự án “Tiết kiệm năng lượng trong ngành công nghiệp Việt Nam”, đã chỉ rõ mục tiêu là tiết kiệm khoảng 1,86 triệu tấn dầu qui đổi (TOE) hàng năm và lượng giảm phát thải khí nhà kính (CO2) hàng năm dự kiến đạt được là 9,67 triệu tấn.

Vì vậy, nghiên cứu phát triển công nghệ chế tạo phụ gia cũng như nghiên cứu ứng dụng phụ gia cho mục đích tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm của các hoạt động giao thông và công nghiệp chính là góp phần thực hiện chủ trương sử dụng năng lượng bền vững.

Vũ Thị Thu Hà, Bùi Duy Hùng
Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam
Xem phiên bản mobile