Ethanol phân tử - cầu nối lý thú giữa công nghiệp lọc dầu sinh học và công nghiệp hóa dầu hiện hành

Theo Cục Thông tin năng lượng Mỹ, 95% lượng xăng tiêu thụ tại Mỹ được pha ít nhất 10% ethanol (xăng E10).

Sản lượng ethanol toàn cầu 2016

Ngoài việc xem ethanol sinh học là nhiên liệu tái tạo, hai lý do sau đây là động lực chính cho sự phát triển nhanh chóng của công nghệ sản xuất ethanol sinh học:

- Công nghệ sản xuất đơn giản và đã thuần thục (quá trình lên men đường đã được biết đến từ hàng nghìn năm nay), đã thúc đẩy quá trình nhân rộng mô hình và thương mại hóa công nghệ;

- Tính tương thích một phần của các nhiên liệu này với cơ sở hạ tầng giao thông sử dụng nhiên liệu xăng đang tồn tại cho phép dễ dàng đưa nhiên liệu sinh học này xâm nhập vào thị trường nhiên liệu truyền thống.

Tuy nhiên, việc sử dụng ethanol trong các phương tiện giao thông bị giới hạn ở hỗn hợp có nồng độ thấp (5-15%). Đối với các hỗn hợp có nồng độ ethanol cao, cần thiết phải hoán cải động cơ và nâng cấp các trạm tiếp nhiên liệu. Sản lượng tối đa của ethanol có thể được bán ra mỗi năm cho các ràng buộc pháp lý này đang thu hút sự quan tâm trong sản xuất ethanol tại thời điểm hiện tại ở Mỹ và cho thấy trước sự mở rộng của thị trường ethanol trong tương lai gần. Hệ quả là, công nghệ được quan tâm cải tiến để có thể chuyển hóa các nguồn nguyên liệu lignocellulose dồi dào hơn. Do đó, ethanol có thể trở thành một nguồn tài nguyên tái tạo rẻ và dồi dào trong tương lai gần với một tiềm năng to lớn cho sản xuất hóa chất trong các quá trình lọc dầu sinh học.

Ethanol được sử dụng như một nguồn hydro tái tạo thông qua quá trình reforming với hơi nước. Phương pháp này lien quan đến quá trình khí hóa của dung dịch ethanol trong nước ở nhiệt độ cao (627 – 827^oC), ở áp suất khí quyển trên xúc tác Ni, CO và kim loại quí (Pt, Pd, Rh) mang trên các oxid bền. Hiệu suất cao nhất có thể đạt được là 6 mol hydro/mol nguyên liệu ethanol, cho dù phản ứng thường tạo ra sản phẩm phụ (CH₄ và CO).

Các quá trình chuyển hóa ethanol thành các hóa chất quan trọng

Rất nhiều trong số các olefin thích hợp cho công nghiệp hóa dầu có thể được dẫn xuất từ ethanol. Ví dụ, quá trình dehydrat hóa ethanol trên xúc tác acid ở nhiệt độ trung bình sinh ra ethylene với hiệu suất cao. Quá trình dehydrat hóa này thậm chí có thể được tiến hành trong môi trường nước, cho phép sản xuất được ethylene xanh, hợp chất hữu cơ được sản xuất nhiều nhất trên thế giới (sản lượng 120 triệu tấn/năm) và là một trong bảy nguyên liệu cơ bản của công nghiệp hóa dầu. Giá dầu bấp bênh và việc cải tiến các công nghệ lên men đã làm tăng sự thu hút của con đường ethylene sinh học so với con đường cracking hơi truyền thống trong hóa dầu. Việc sản xuất các plastic dẫn xuất từ polyethylen và các hợp chất thơm (benzen, toluene, xylen) bằng cách thức xanh hơn là sự khuyến khích mạnh mẽ để phát triển con đường này.

Propylen, sản phẩm quan trọng thứ hai trong công nghiệp hóa dầu, sau ethylene, cũng có thể được sản xuất từ ethanol sinh học. Quá trình này liên quan đến việc dehydrat hóa ethanol thành ethylene, dime hóa một phần ethylen thành butan, sau đó chuyển hóa cả olefin C₂ và C₄ thành propylen. Ethanol có thể được chuyển hóa thành butadien (nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp cao su tổng hợp) nhờ một công nghệ cũ đã được phát triển trong chiến tranh thế giới thứ II rồi sau đó, công nghệ này đã được thay thế bởi con đường cracking hơi dầu thô kinh tế hơn. Tiềm năng sử dụng ethanol để sản xuất các nguyên liệu olefin (ethylen, propylen, butadien) làm cho ethanol trở thành phân tử cầu nối lý thú giữa công nghiệp lọc dầu sinh học và công nghiệp hóa dầu hiện hành, tạo điều kiện cho sự chuyển hóa ít quyết liệt giữa cả hai xu hướng. Hơn nữa, tiềm năng của ethanol với vai trò là phân tử cầu nối có thể tăng lên nếu con đường hiệu quả để chuyển hóa nó thành các nguyên liệu hóa dầu phức tạp hơn được phát triển, ví dụ bằng cách oligome hóa có kiểm soát ethylen trên xúc tác acid.

Như chỉ ra trên hình 2, hóa chất cơ bản quan trọng C₂ cũng có thể được chuyển hóa nhờ quá trình xúc tác từ ethanol. Ví dụ, quá trình dehydro hóa của ethanol thành acetaldehyde có thể đạt được độ chọn lọc 100% bằng cách sử dụng xúc tác Cu không đắt tiền ở nhiệt độ mềm và áp suất thường, cùng với việc tạo ra đồng sản phẩm là khí hydro, có thể được tách ra dễ dàng. Acid acetic, một hóa chất quan trọng có nhiều ứng dụng được điều chế từ ethanol bằng công nghệ oxy hóa ưa khí, trong môi trường nước, ở điều kiện mềm, sử dụng xúc tác vàng mang trên chất mang. Hơn nữa, quá trình này còn linh động ở chỗ các điều kiện phản ứng có thể được điều chỉnh để tạo ra ethyl acetat, một dung môi hữu cơ quan trọng, được sản suất ở qui mô lớn trên thế giới.

Như vậy, có thể nói, tập trung phát triển sản xuất ethanol sinh học là xu hướng bền vững trên thế giới, không chỉ trên quan điểm sản xuất nhiên liệu sinh học lỏng mà cả trên quan điểm chuyển hóa nó thành các nguyên liệu hóa dầu phức tạp hơn, là nguyên liệu cho các quá trình lọc dầu sinh học trong tương lai.

GS.TS. Vũ Thị Thu Hà

Phó Chủ tịch Hội Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam

(Phó Viện trưởng Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam,

Giám đốc Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ lọc hóa dầu)