Luận án Nghiên cứu quá trình nhiệt phân bã mía thành nhiên liệu lỏng sử dụng chất xúc tác trên cơ sở HZSM-5

các nhóm methoxy và thơm hóa của than cốc 
thông qua phản ứng đề methyl hóa và vùng 4.2 diễn ra sự tái định vị của các vòng 
benzene và tạo ra hydrogen [19]. Độ chuyển hóa ở vùng 4.1 tăng từ 79,76 đến 91,20% 
và vùng 4.2 là từ 91,20 đến 95,27%; Quá trình phân hủy của giai đoạn này cũng tuân 
theo quy luật động học bậc 2 với năng lượng hoạt hóa ở vùng 4.1 và 4.2 lần lượt là 
54,5 kJ/mol và 375,0 kJ/mol; hệ số trước hàm mũ tương ứng là 74,13 mg-1/phút và 
3,744.1020 mg-1/phút. Các đối tượng sinh khối khác nhau có khả năng phân hủy nhiệt 
 67 
khác nhau nên giá trị năng lượng hoạt hóa cũng sẽ khác nhau. Chẳng hạn, theo kết 
quả nghiên cứu của Radmanesh và cộng sự [161], quá trình phân hủy nhiệt của mùn 
cưa trong khoảng nhiệt độ 400 - 600 oC có giá trị Ea là 87 kJ/mol; hay công bố của 
Lee và Fasina [162] nghiên cứu quá trình phân hủy nhiệt đối với cỏ thì giá trị Ea ở 
khoảng nhiệt độ này là 40,8 kJ/mol. Do đó, kết quả nghiên cứu trong luận án là phù 
hợp so với các kết quả nghiên cứu đã công bố. 
3.2.2. Mô hình động học chung của quá trình nhiệt phân bã mía 
Mô hình động học và cơ chế phản ứng ảnh hưởng đến các thông số kỹ thuật của 
hệ thống thiết bị nhiệt phân như: hình dạng thiết bị, điều kiện tiến hành phản ứng, 
thời gian lưu,  do đó ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất thu hồi sản phẩm. Qua 
kết quả phân tích động học các giai đoạn quá trình phân hủy nhiệt của bã mía có thể 
thấy, quá trình phân hủy này rất phức tạp, bao gồm nhiều giai đoạn với nhiều chiều 
hướng xảy ra khác nhau. Vì vậy, cần phải xác định mô hình động học chung phù hợp 
nhất với quá trình nhiệt phân bã mía. Hiện tại, phương pháp sử dụng đường cong 
TGA là phương pháp duy nhất để dự đoán cơ chế phản ứng phân hủy nhiệt [163]. 
Quá trình phân hủy nhiệt của bã mía được tiến hành tính toán và so sánh các thông 
số động học ứng với các mô hình động học khác nhau (như Bảng 2.2) theo phương 
pháp Criado để xác định mô hình động học chung. Trên cơ sở đó xây dựng hệ thống 
nhiệt phân với các điều kiện nhiệt phân phù hợp để thu được hiệu suất sản phẩm lỏng 
tối ưu. 
Theo kết quả phân tích đã chỉ ra ở Mục 3.2.1, giai đoạn 1 chủ yếu là quá trình 
thoát ẩm nên ít ảnh hưởng đến thành phần của sản phẩm; giai đoạn 2 và 3 là quá trình 
phân hủy chính, trong hai giai đoạn này chủ yếu là hemicellulose và cellulose bị phân 
hủy, lignin bị phân hủy một phần. Quá trình giảm khối lượng xảy ra rất nhanh và gần 
như tuyến tính với nhiệt độ nên sẽ tuân theo phương trình Arrhenius bậc một. Và giai 
đoạn 4 (> 400 oC) là quá trình phân hủy lignin với quá trình giảm khối lượng diễn ra 
khá chậm và không đáng kể. Vì vậy, năng lượng của quá trình phân hủy nhiệt chủ 
yếu được sử dụng cho giai đoạn 2 và 3. Từ dữ liệu thực nghiệm TGA ở các tốc độ gia 
nhiệt khác nhau (xem Phụ lục 1, Hình 1 (PL)), tiến hành tính toán năng lượng hoạt 
hóa tương ứng với độ chuyển hóa từ 25 đến 75% (ứng với giai đoạn 2 và 3, vùng 
tuyến tính) của quá trình phân hủy nhiệt bã mía theo phương pháp FWO (xem Phụ 
lục 1, Hình 2 (PL), Bảng 1 (PL)). Các giá trị năng lượng hoạt hóa được xác định bằng 
phương pháp FWO hoàn toàn độc lập với cơ chế phản ứng nên được sử dụng để xác 
định cơ chế phản ứng phân hủy nhiệt bằng phương pháp Criado. Như đã thấy trong 
Bảng 2.2, các biểu thức đại số đại diện cho các cơ chế lý thuyết được chia thành bốn 
nhóm: An, Rn, Dn và Fn. Các cơ chế này được mô tả: các quá trình hình thành hạt nhân 
cho sự lan rộng của phân hủy nhiệt (An); các quá trình khuếch tán kết hợp với khả 
 68 
năng truyền nhiệt dọc theo cấu trúc vật liệu (Dn); cơ chế phản ứng được kiểm soát 
bởi bề mặt của mẫu (Rn); và phân hủy hạt nhân ngẫu nhiên (Fn). Giá trị Z(α) được xác 
định bằng cách sử dụng kết quả quá trình phân tích nhiệt của bã mía trong môi trường 
nitrogen ở tốc độ gia nhiệt (β) là 15 °C/phút, lưu lượng dòng khí mang nitrogen là 50 
mL/phút (xem Phụ lục 1, Bảng 3 (PL)). 
Hình 3.5 thể hiện các đường cong chính và đường cong thu được từ dữ liệu thực 
nghiệm bằng phương pháp Criado. Có thể thấy rằng, kết quả thực nghiệm với phạm 
vi độ chuyển hóa từ 0,15 đến 0,75 thì đường cong thực nghiệm gần như trùng khớp 
với các đường cong chính theo mô hình khuếch tán Z(Dn). Khoảng chuyển hóa này 
tương ứng với giai đoạn phân hủy chính của sinh khối. Cụ thể, khi độ chuyển hóa 
thấp hơn 0,4 thì phân hủy nhiệt của bã mía phù hợp với cả ba mô hình của D2, D3 và 
D4. Theo các kết quả nghiên cứu đã công bố, cơ chế phân hủy là một quá trình khuếch 
tán trong hai, ba và bốn chiều [137]. Đây là giai đoạn mà hemicellulose của sinh khối 
bị phân hủy. Trong phạm vi độ chuyển hóa từ 0,4 đến 0,7 thì quá trình này phù hợp 
hơn cho các mô hình phản ứng D2 và D3, tương ứng với sự phân hủy cellulose. Kết 
quả tương tự được mô tả bởi Wuand Dollolas [164], Bianchi và cộng sự [165], Poletto 
và cộng sự [166], Wang và cộng sự [167]. 
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Z
(
)
 Z(A2)
 Z(A3)
 Z(A4)
 Z(R1)
 Z(R2)
 Z(R3)
 Z(D1)
 Z(D2)
 Z(D3)
 Z(D4)
 Z(F1)
 Z(F2)
 Z(F3)
 Z(Exp)
Hình 3.5. Đường cong chính và đường cong dữ liệu thực nghiệm thu được bằng 
phương pháp Criado 
Như vậy, kết quả được tính toán bằng phương pháp Criado đã khẳng định rằng 
giai đoạn phân hủy nhiệt chính của bã mía (giai đoạn 2 và 3) xảy ra theo cơ chế 
khuếch tán D2, D3 và D4. Quá trình phân hủy không chỉ ảnh hưởng bởi sự khuếch tán 
nhiệt từ nguồn nhiệt mà còn ảnh hưởng bởi sự khuếch tán của khí nóng được hình 
 69 
thành trong quá trình phân hủy mẫu. Ba yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ khuếch 
tán bao gồm: (i) Đường kính hạt càng nhỏ thì quá trình khuếch tán càng nhanh; (ii) 
Chênh lệch nồng độ (gradient nồng độ) - sự khuếch tán nhanh hơn nếu có sự khác 
biệt lớn về nồng độ giữa khu vực chất di chuyển và khu vực chất đó di chuyển đến; 
(iii) Diện tích bề mặt càng lớn thì số lượng các hạt có thể di chuyển trong một thời 
gian nhất định càng cao, vì vậy tốc độ khuếch tán càng nhanh. Do đó, để tăng hiệu 
suất trong quá trình nhiệt phân, đặc biệt là hiệu suất thu hồi sản phẩm lỏng, cần giảm 
kích thước của hạt nguyên liệu, giảm thời gian tiếp xúc của nguyên liệu với nguồn 
nhiệt, đồng thời đưa nhanh hỗn hợp sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng để giảm nồng 
độ các chất trong môi trường phản ứng và tránh các phản ứng thứ cấp chuyển hóa sản 
phẩm lỏng thành sản phẩm khí. Để thỏa mãn các điều kiện trên thì thiết bị phản ứng 
loại ống, đặt thẳng đứng và dòng liên tục là lựa chọn tối ưu nhất cho quá trình nhiệt 
phân sinh khối. Và từ những kết quả này, hệ thống nhiệt phân liên tục (xem Hình 2.2) 
đã được xây dựng với các điều kiện nhiệt phân được lựa chọn phù hợp, thuận lợi cho 
quá trình thu hồi sản phẩm lỏng đạt hiệu suất cao nhất bao gồm: ống phản ứng có 
đường kính 20 mm, chiều dài vùng phản ứng 400 mm; tốc độ dòng khí mang nitrogen 
50 mL/phút được gia nhiệt sơ bộ trước khi đưa vào ống phản ứng; kích thước hạt sinh 
khối nhỏ hơn 2 mm với tốc độ nạp liệu 10 g/giờ; ống phản ứng được gia nhiệt đạt đến 
nhiệt độ phản ứng trước khi nạp liệu, tốc độ gia nhiệt duy trì khoảng 20 - 25 oC/phút. 
Với các thông số kỹ thuật của hệ thống nhiệt phân được lựa chọn như trên, kết quả 
tính toán (xem Phụ lục 2) cho thấy, thời gian cần thiết để quá trình truyền nhiệt và 
khuếch tán vật chất ra khỏi hạt sinh khối khoảng 0,02 giây, trong khi thời gian lưu 
của hạt sinh khối trong vùng phản ứng được thiết kế khoảng 0,28 giây, thời gian này 
đủ để quá trình chuyển hóa các hạt sinh khối xảy ra hoàn toàn. Do đó, những thông 
số kỹ thuật được lựa chọn cho hệ thiết bị phản ứng nhiệt phân là phù hợp với kết quả 
tính toán, đảm bảo quá trình nhiệt phân xảy ra theo mô hình khuếch tán. Hơn nữa, 
với thời gian lưu khoảng 0,28 giây là tương đương với quá trình nhiệt phân nhanh 
theo các tài liệu đã công bố [17,168], đây là quá trình nhiệt phân cho hiệu suất thu 
hồi sản phẩm lỏng cao. 
Tóm tắt kết quả mục 3.2: Kết quả tính toán động học các giai đoạn quá trình 
nhiệt phân bã mía phù hợp với các dự đoán từ kết quả phân tích nhiệt khối lượng. 
Động học quá trình nhiệt phân bã mía xảy ra theo cơ chế khuếch tán D2, D3 và D4 
trong khoảng độ chuyển hóa từ 15% đến 75%. Vì vậy, hệ thống nhiệt phân được thiết 
kế theo mô hình nhiệt phân liên tục phù hợp với mục đích thu dầu nhiệt phân đạt hiệu 
suất cao. Các thông số kỹ thuật của hệ thống nhiệt phân được lựa chọn bao gồm: ống 
phản ứng có đường kính 20 mm, chiều dài vùng phản ứng 400 mm; tốc độ dòng khí 
mang nitrogen 50 mL/phút được gia nhiệt sơ bộ trước khi đưa vào ống phản ứng; kích 
thước hạt sinh khối nhỏ hơn 2 mm với tốc độ nạp liệu 10 g/giờ; ống phản ứng được 
 70 
gia nhiệt đạt đến nhiệt độ phản ứng trước khi nạp liệu, tốc độ gia nhiệt duy trì khoảng 
20 - 25 oC/phút. Với các thông số kỹ thuật của hệ thống nhiệt phân được lựa chọn 
như trên, kết quả tính toán cho thấy quá trình nhiệt phân trong thiết bị xảy ra phù hợp 
với cơ chế phản ứng khuếch tán, với thời gian lưu ngắn (khoảng 0,28 giây), đảm bảo 
quá trình nhiệt phân trong thiết bị thu được hiệu suất sản phẩm lỏng tối ưu. 
3.3. Quá trình nhiệt phân bã mía không xúc tác 
3.3.1. Hiệu suất sản phẩm quá trình nhiệt phân theo nhiệt độ 
Theo kết quả phân tích động học các giai đoạn của quá trình nhiệt phân thấy rằng, 
ứng với mỗi giai đoạn nhiệt độ xảy ra quá trình phân hủy các thành phần tương ứng 
có trong sinh khối, vì thế sản phẩm lỏng tạo thành và phần rắn (than) còn lại trong 
các giai đoạn nhiệt độ nhiệt phân sẽ khác nhau. Vì vậy, để chứng minh khả năng bẽ 
gãy các liên kết hóa học của sinh khối và đánh giá hiệu suất các sản phẩm nhiệt phân 
theo nhiệt độ, quá trình nhiệt phân và thu sản phẩm rắn, lỏng được tiến hành tại các 
khoảng nhiệt độ khác nhau, bao gồm: nhỏ hơn 170 oC; 170 - 318 oC; 318 - 400 oC; 
400 - 500 oC; 500 - 600 oC và 600 - 700 oC. Kết quả được thể hiện ở Bảng 3.4; Hình 
3.6 và Hình 3.7. 
Bảng 3.4. Hiệu suất sản phẩm nhiệt phân theo nhiệt độ 
Nhiệt độ (oC) 170 318 400 500 600 700 
Hiệu suất 
(%) 
Rắn 88,28 62,28 38,09 26,03 21,64 20,30 
Lỏng 10,61 25,55 39,24 44,85 45,97 45,97 
Khí 1,11 12,17 22,67 29,12 32,39 33,73 
100 200 300 400 500 600 700
0
20
40
60
80
100
 H
ie
äu
 s
u
a
át
 (
%
)
Nhieät ñoä (T,
o
C)
 Raén
 Loûng
 Khí
(a)
0
10
20
30
40
50
32,39
45,97
 H
ie
äu
 S
u
a
át 
(
%
)
Raén Loûng Khí
21,64
(b)
Hình 3.6. Hiệu suất sản phẩm nhiệt phân theo nhiệt độ (a) và hiệu suất các sản 
phẩm nhiệt phân ở 600 oC (b) 
 71 
Kết quả xác định hiệu suất các sản phẩm nhiệt phân theo nhiệt độ cho thấy, ở 
nhiệt độ dưới 400 oC quá trình nhiệt phân xảy ra nhanh, tương ứng với quá trình giảm 
nhanh khối lượng của sinh khối, đồng thời hiệu suất sản phẩm lỏng và khí tăng nhanh. 
Ở 400 oC, hiệu suất sản phẩm lỏng đạt 39,24% và hiệu suất sản phẩm khí đạt 22,64%. 
Trong giai đoạn nhiệt độ này xảy ra quá trình thoát ẩm, phân hủy các hợp chất trích 
ly, hemicellulose và cellulose nên làm hiệu suất sản phẩm tăng nhanh. Ở 500 oC, hiệu 
suất sản phẩm lỏng và khí tiếp tục tăng nhưng chậm hơn, hiệu suất sản phẩm lỏng đạt 
44,85% và hiệu suất khí đạt 29,12% ở nhiệt độ này. Khi nhiệt độ nhiệt phân tiếp tục 
tăng lên đến 600 oC thì hiệu suất sản phẩm lỏng tăng không đáng kể, đạt 45,97%, 
trong khi quá trình giảm khối lượng của sinh khối chủ yếu tạo ra sản phẩm khí nên 
hiệu suất khí tăng lên đến 32,39%. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ đến 700 oC không thu 
thêm được sản phẩm lỏng, chỉ một lượng nhỏ sinh khối bị nhiệt phân tạo ra sản phẩm 
khí, hiệu suất khí tại nhiệt độ này là 33,73%. Do đó, với mục đích của nghiên cứu là 
thu sản phẩm lỏng nên giá trị nhiệt độ để thu sản phẩm lỏng cao nhất được chọn là 
600 oC. 
0
10
20
30
40
2,42
12,20
29,79
32,51
600500400318
 Hieäu suaát loûng
 Hieäu suaát loûng tích luõy
T (
o
C)
H
ie
äu
 s
u
a
át
 l
o
ûn
g
 (
%
)
170
23,08
20
40
60
80
100
H
ie
äu
 s
u
a
át
 l
o
ûn
g
 t
íc
h
 l
u
õy
 (
%
)
Hình 3.7. Hàm lượng sản phẩm lỏng theo phân đoạn nhiệt độ và hàm lượng tích 
lũy của sản phẩm lỏng đến 600 oC 
Kết quả xác định hiệu suất sản phẩm lỏng ở từng giai đoạn nhiệt độ và hiệu suất 
sản phẩm lỏng tích lũy qua các phân đoạn được mô tả trên Hình 3.7. Ở nhiệt độ dưới 
170 oC chủ yếu là quá trình thoát ẩm và các hợp chất dễ bay hơi có trong sinh khối, 
chiếm 23,08% tổng lượng sản phẩm lỏng. Trong khoảng nhiệt độ 170 - 318 oC và 318 
- 400 oC thì hiệu suất sản phẩm lỏng thu được cao nhất, lần lượt chiếm 32,51% và 
29,79% tổng lượng sản phẩm lỏng. Như vậy, tổng lượng sản phẩm lỏng thu được 
 72 
trong phân đoạn nhiệt độ này chiếm 62,3% khối lượng sản phẩm lỏng của cả quá trình 
nhiệt phân. Theo kết quả phân tích động học thì trong khoảng nhiệt độ này xảy ra quá 
trình phân hủy của hemicellulose và cellulose, hai thành phần chiếm hàm lượng cao 
nhất trong sinh khối bã mía (61,75%). Vì vậy, kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết 
quả phân tích thành phần hóa học và phân tích động học các giai đoạn phân hủy nhiệt 
của bã mía. 
Ở hai giai đoạn nhiệt độ còn lại, 400 - 500 oC và 500 - 600 oC thì hiệu suất lỏng 
thu được khá thấp, lần lượt là 12,2% và 2,42% tổng lượng sản phẩm lỏng. Trong 
khoảng nhiệt độ này xảy ra quá trình phân hủy lượng cellulose còn lại của giai đoạn 
trước và chủ yếu là quá trình phân hủy của lignin. Vì vậy, có thể dự đoán rằng, trong 
phân đoạn sản phẩm lỏng ở nhiệt độ dưới 170 oC chủ yếu là nước, 170 - 400 oC thành 
phần sẽ là các hợp chất furanic và 400 - 600 oC chủ yếu chứa các hợp chất phenolic. 
Điều này sẽ được chứng minh qua kết quả phân tích phổ FT-IR và GC-MS của các 
mẫu sản phẩm lỏng. 
3.3.2. Đặc trưng của sản phẩm rắn nhiệt phân 
Sản phẩm rắn thu được qua các giai đoạn tương ứng với nhiệt độ từ khi bắt đầu 
nhiệt phân đến 170; 318; 400; 600 và 700 oC của quá trình nhiệt phân được ký hiệu 
lần lượt là S170, S318, S400, S600 và S700. Phổ FT-IR thể hiện các liên kết hóa học 
trong các mẫu sản phẩm rắn nhiệt phân được thể hiện trên Hình 3.8. 
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
Giai ñoaïn 4.2
Giai ñoaïn 4.1
Giai ñoaïn 3
Giai ñoaïn 2
Giai ñoaïn 1
H-O-H
C=C
C-O
-OH
Baõ mía
Ñ
o
ä t
r
u
y
e
àn
 q
u
a
, 
T
 (
%
)
Soá soùng (cm
-1
)
S700
S600
S400
S318
S170
-OH
-CH
2
, -CH
3
C=O
C-O-C
C=C, C-H
Hình 3.8. Phổ FT-IR của các sản phẩm rắn thu được sau mỗi giai đoạn nhiệt phân 
 73 
Khi nhiệt phân đến 170 °C (giai đoạn 1) cường độ dao động của nhóm OH giảm 
và có sự dịch chuyển số sóng tương ứng với dao động của nhóm OH từ 3420 cm-1 
(trong mẫu bã mía) đến 3750 cm-1 (trong mẫu S170, S318,). Số sóng 3420 cm-1 đặc 
trưng dao động hóa trị của nhóm OH trong phân tử nước; 3750 cm-1 đặc trưng các 
dao động hóa trị của nhóm OH trong hợp chất phenol, alcohol và số sóng 1648 cm-1 
là dao động đặc trưng của nước hấp thụ trong bã mía [169]. Điều này chứng minh 
rằng khi nhiệt phân dưới 170 °C chủ yếu là quá trình tách nước từ bã mía. Từ 170 °C 
trở đi, cường độ dao động của các nhóm -CH2, -CH3 (2924 cm-1) giảm và không còn 
xuất hiện tín hiệu dao động khi nhiệt độ nhiệt phân đến 400 oC (giai đoạn 2 và 3). 
Trong giai đoạn này, các liên kết -CH2, -OH trong phân tử hemicellulose và cellulose 
bị bẽ gãy để giải phóng nước, aldehyde, ketone và alcohol có khối lượng phân tử thấp 
(quá trình phân mảnh và khử nước) [18]. Đặc biệt, khi nhiệt độ tăng lên trên 300 oC 
thì liên kết C-O trong ether (1250 cm-1) và liên kết cầu nối C-O-C (1159 cm-1; 1163 
cm-1) có sự suy giảm rõ về cường độ pic, chứng tỏ các phân tử hemicellulose, 
cellulose và lignin bị phân hủy thành các hợp chất vòng 5 cạnh và 6 cạnh. Trong 
phạm vi nhiệt độ này chủ yếu xảy ra quá trình đề polymer hóa của hemcellulose, 
cellulose và lignin [18]. Khi nhiệt độ nhiệt phân cao hơn 400 oC (giai đoạn 4) tín hiệu 
phổ FT-IR ít thay đổi so với các giai đoạn trước đó. Trong giai đoạn này, các thành 
phần còn lại của lignin tiếp tục bị phân hủy. Các quá trình xảy ra chủ yếu bao gồm 
đề methyl hóa và thơm hóa để tạo thành các hợp chất có chứa vòng thơm, giải phóng 
khí H2, CO và CH4 [169]. Sự tồn tại dao động của nhóm OH (3750 cm-1) và của các 
liên kết C=O (1730 cm-1) có thể do acetyl hoặc carboxylic acid trong phân tử lignin 
phân hủy không hoàn toàn. Và các dao động của các liên kết C=C, C-H (1512 cm-1 
và 503 cm-1) do các hợp chất vòng thơm vẫn còn một ít trong sản phẩm rắn. 
Như vậy, phổ FT-IR của sản phẩm rắn quá trình nhiệt phân thu được ở các nhiệt 
độ khác nhau đã chứng tỏ được khả năng phá vỡ các liên kết hóa học của mỗi thành 
phần trong bã mía theo nhiệt độ và kết quả này phù hợp với kết quả phân tích nhiệt 
theo mô hình động học nhiều giai đoạn. 
3.3.3. Đặc trưng của sản phẩm khí nhiệt phân 
Sản phẩm khí không ngưng được hình thành trong quá trình nhiệt phân bã mía ở 
600 oC được phân tích GC, kết quả được thể hiện trên Hình 3.9. Thành phần khí bao 
gồm CO2 chiếm nhiều nhất đến 49,2%; kế đến là CO chiếm 31,89%; 8,25% H2; 7,46% 
CH4 và một số hydrocarbon nhẹ C2+ (C2H4, C2H6, C3H6, C3H8, ) chiếm 3,2%. Kết 
quả thành phần khí tạo ra trong quá trình nhiệt phân tương tự với kết quả nghiên cứu 
đã công bố của các nhóm tác giả như: Bridgwater và cộng sự [38], Quan và cộng sự 
[154], Yin và cộng sự [170]. 
 74 
31,89
49,2
8,25 7,46
3,2
0
10
20
30
40
50
60
C
2+
CH
4
H
2
CO
2
T
h
a
øn
h
 p
h
a
àn
 (
%
 t
h
e
å t
í
c
h
)
CO
Hình 3.9. Thành phần khí nhiệt phân bã mía tại nhiệt độ 600 oC 
Theo các nghiên cứu đã công bố, quá trình nhiệt phân bẻ gãy các liên kết trong 
hemicellulose, cellulose xảy ra ở nhiệt độ thấp, khoảng dưới 400 oC [153], tạo sản 
phẩm khí chủ yếu CO, CO2 [171]. Khí CO2 chủ yếu được tạo ra từ quá trình nhiệt 
phân hemicellulose, là sản phẩm của quá trình cracking và reforming các nhóm chức 
carbonyl (C=O) và carboxyl (COOH). Trong khi CO được hình thành chủ yếu từ sự 
bẻ gãy liên kết của các nhóm chức C-O-C và C=O [154]. Khí H2 và CH4 chủ yếu 
được tạo ra từ quá trình phân hủy nhiệt của vòng thơm và các nhóm chức O-CH3 có 
trong thành phần lignin của bã mía. Khí H2 hình thành do phản ứng cracking và phá 
vỡ của các nhóm chức chứa liên kết C=C và C-H trong vòng thơm và CH4 được tạo 
ra do quá trình cracking của nhóm methoxy (O-CH3) [153]. Với sự có mặt của H2, 
CH4 và một số các hydrocarbon nhẹ sẽ thúc đẩy sự hình thành hydrocarbon thơm 
trong quá trình nhiệt phân có xúc tác. Khí H2 có khả năng thúc đẩy các phản ứng 
hydro đề oxi hóa các hợp chất chứa nhóm methoxy [79,91]. Trong khi đó, CH4 và 
các hydrocarbon nhẹ có khả năng thúc đẩy quá trình chuyển hóa các hợp chất furan 
thành hydrocarbon thơm trên xúc tác (chẳng hạn như xúc tác HZSM-5) do xảy ra các 
phản ứng theo cơ chế Diels-Alder [76–78]. 
3.3.4. Đặc trưng của sản phẩm lỏng nhiệt phân 
3.3.4.1. Một số đặc trưng hóa lý và thành phần nguyên tố 
Sản phẩm lỏng của quá trình nhiệt phân không xúc tác ở 600 oC (ký hiệu LT, gọi 
chung là dầu nhiệt phân bã mía) được phân tích để xác định các chỉ tiêu hóa lý và 
thành phần nguyên tố, kết quả được thể hiện trong Bảng 3.5. Thành phần pha nước 
(WP) và pha hữu cơ (OP) của mẫu LT được xác định bằng phương pháp trích ly trong 
dung môi dichloromethane. Thành phần nguyên tố được xác định cho mẫu LT, các 
đặc trưng khác được xác định riêng cho pha hữu cơ. 
 75 
Bảng 3.5. Đặc trưng hóa lý và thành phần nguyên tố của sản phẩm lỏng 
Tính chất 
Dầu nhiệt phân 
bã mía 
(Kết quả nghiên 
cứu này) 
Kết quả các nghiên cứu đã công bố 
Dầu nhiệt 
phân gỗ 
[2] 
Dầu nhiệt 
phân bã mía 
[1] 
FO 
[3] 
Hàm lượng pha nước 
(WP, wt%) 
78,06 - - - 
Hàm lượng pha hữu cơ 
(OP, wt%) 
21,94 - - - 
Hàm lượng nước (wt%) 21,40 10,2 - 35 13,8 0,1 
pH 2,25 2 - 3,5 2,7 - 
Khối lượng riêng 
(20 °C, kg/m3) 
1215 1210 - 1240 1210 940 
Nhiệt trị (MJ/Kg) 24,22 15 - 24,3 22,4 41 
Độ nhớt (50 °C, cSt) 15,34 9 - 137 16,4 180 
Rắn lơ lửng (wt%) 0,56 0,17 - 1,14 0,38 1,0 
Thành phần nguyên tố (wt%) 
C 58,31 44 - 63,5 54,6 85 
H 5,83 5,2 - 7,2