Chuyển dầu ăn thải thành dầu diesel sinh học đáng tin cậy cho động cơ diesel

Dầu ăn thải là một trong những nguyên liệu sản xuất dầu diesel sinh học hấp dẫn nhất hiện nay. Loại nguyên liệu này có chi phí thấp, sẵn có rộng rãi và giúp giải quyết vấn đề xử lý chất thải. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra một thách thức đã được biết rõ trong quá trình xử lý: các nguyên liệu chất lượng thấp như dầu thực vật thải, dầu ăn đã qua sử dụng, mỡ chiên rán, mỡ động vật, mỡ động vật dạng rắn hoặc dầu cá khó chuyển hóa hiệu quả hơn so với dầu nguyên sinh đã tinh luyện.

Một nghiên cứu gần đây về phản ứng trao đổi este có hỗ trợ siêu âm cho thấy có thể khắc phục vấn đề này bằng phương pháp trộn siêu âm. Các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa quá trình sản xuất dầu diesel sinh học từ dầu ăn thải (WCO), sau đó thử nghiệm dầu diesel sinh học thu được và các hỗn hợp dầu diesel sinh học–diesel trong động cơ diesel. Những phát hiện của họ củng cố hai kết luận quan trọng: thứ nhất, xử lý siêu âm cho phép chuyển hóa nhanh với hiệu suất cao ngay cả đối với các nguyên liệu khó xử lý; thứ hai, các hỗn hợp dầu diesel sinh học–diesel thu được có thể sử dụng trong động cơ diesel mà không cần cải biến, với tính năng vận hành gần với khi dùng diesel và mức phát thải được cải thiện.

Bạn đã sẵn sàng chuyển dầu thải giá rẻ thành dầu diesel sinh học có giá trị cao?

Các thiết bị phản ứng siêu âm sản xuất dầu diesel sinh học của Hielscher giúp nhà sản xuất chuyển hóa các nguyên liệu khó xử lý như dầu ăn thải, mỡ chiên rán, mỡ động vật dạng rắn và dầu cá với tốc độ phản ứng nhanh hơn, thời gian lưu ngắn hơn và hiệu quả quy trình được cải thiện. Hãy liên hệ ngay với chúng tôi để trao đổi về nguyên liệu, công suất mục tiêu và cấu hình thiết bị phản ứng cho quá trình sản xuất dầu diesel sinh học liên tục bằng siêu âm.

Vì sao nguyên liệu chất lượng thấp gây khó khăn trong sản xuất dầu diesel sinh học

Các nguyên liệu sản xuất dầu diesel sinh học giá rẻ có sức hấp dẫn vì chi phí nguyên liệu chi phối hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất. Một nghiên cứu của Belal và các cộng sự được công bố năm 2025 chứng minh rằng dầu ăn và mỡ thải có thể được chuyển hóa hiệu quả thành dầu diesel sinh học bằng phương pháp trộn siêu âm. Sau đó, dầu diesel sinh học được sản xuất bằng siêu âm đã được sử dụng thành công trong động cơ diesel.
Mặc dù sử dụng dầu thải tránh được vấn đề cạnh tranh giữa thực phẩm và nhiên liệu liên quan đến dầu ăn, thách thức nằm ở chỗ các nguyên liệu chất lượng thấp có tính biến động cao hơn và khó xử lý hơn. Trong phản ứng trao đổi este thông thường, pha cồn và pha dầu không hòa tan lẫn nhau, nên hiệu quả phản ứng phụ thuộc rất nhiều vào khả năng hệ thống khắc phục các hạn chế về truyền khối. Với dầu và mỡ đã xuống cấp hoặc có chất lượng thấp, những hạn chế này trở nên nghiêm trọng hơn, thường dẫn đến quá trình chuyển hóa chậm hơn, thời gian lưu dài hơn, việc tách pha khó khăn hơn và hiệu quả xử lý tổng thể thấp hơn. Đây chính là lúc phương pháp trộn siêu âm tạo ra bước đột phá thực sự.

Vì sao xử lý siêu âm cho phép sử dụng nguyên liệu chất lượng thấp

Xử lý siêu âm cho phép xử lý hiệu quả hơn các nguyên liệu chất lượng thấp như dầu thực vật thải, dầu ăn thải, mỡ chiên rán, mỡ bò hoặc dầu cá, vì hiện tượng xâm thực siêu âm buộc các pha dầu và cồn không hòa tan lẫn nhau tiếp xúc tốt hơn nhiều, nhờ đó cải thiện đáng kể khả năng trộn cũng như truyền nhiệt và truyền khối. Hơn nữa, trộn siêu âm tạo ra cả tác động vật lý lẫn hóa học: hiện tượng xâm thực siêu âm tăng cường môi trường phản ứng và có thể thúc đẩy sự hình thành các gốc tự do có hoạt tính cao, qua đó tiếp tục đẩy nhanh động học phản ứng và hỗ trợ quá trình trao đổi este diễn ra nhanh hơn, hoàn toàn hơn.
Đó chính là lý do xử lý siêu âm có giá trị lớn đối với các nguyên liệu có chất lượng thấp hơn. Phương pháp này bù đắp những hạn chế vốn thường khiến các nguyên liệu này khó xử lý trong các hệ thống thông thường.

Những kết quả nghiên cứu đạt được nhờ xử lý siêu âm

Thay vì tập trung vào hệ thống thí nghiệm quy mô nhỏ, kết quả then chốt đối với các nhà sản xuất biodiesel công nghiệp là khả năng tăng cường quá trình đạt được nhờ xử lý siêu âm. Trong điều kiện siêu âm được tối ưu hóa, nghiên cứu của Belal et al. (2025) đạt hiệu suất thu biodiesel 96,65%. So với phương pháp truyền thống được các tác giả dùng làm chuẩn đối chiếu, phản ứng trao đổi este có hỗ trợ siêu âm đã giảm thời gian phản ứng từ 90 phút xuống 6 phút và rút ngắn thời gian tách biodiesel–glycerol từ 720 phút xuống 30 phút.
Đây là những kết quả có ý nghĩa rất lớn đối với sản xuất biodiesel công nghiệp vì chúng cho thấy xử lý siêu âm không chỉ cải thiện đôi chút khả năng trộn – mà còn đẩy nhanh một cách căn bản quá trình chuyển hóa và công đoạn phân tách tiếp theo.
 

Phương pháp siêu âm đạt độ chuyển hóa khoảng 75% trong 1,5 phút đầu tiên và ổn định ở mức chuyển hóa khoảng 90% sau 6 phút.
Phương pháp truyền thống có tốc độ chuyển hóa chậm hơn nhiều, chỉ đạt độ chuyển hóa khoảng 40% sau 8 phút.
Nghiên cứu và đồ thị: ©Fayyyazi et al. 2014

Ứng dụng những kết quả này vào quá trình xử lý biodiesel bằng dòng chảy liên tục với thiết bị Hielscher

Khi triển khai ở quy mô công nghiệp, những phát hiện này trực tiếp thể hiện các ưu điểm của quá trình xử lý biodiesel bằng siêu âm theo dòng chảy liên tục với thiết bị siêu âm và thiết bị phản ứng công nghiệp Hielscher. Chính cơ chế xâm thực được chứng minh trong nghiên cứu – tăng cường trộn, cải thiện tiếp xúc tại bề mặt phân cách, truyền nhiệt và truyền khối nhanh hơn, cùng với động học phản ứng được đẩy nhanh – là yếu tố quyết định hiệu năng của các thiết bị phản ứng siêu âm lắp trực tiếp trên đường ống.
Trong quá trình vận hành liên tục, dầu, cồn và chất xúc tác được bơm qua vùng phản ứng siêu âm, nơi hiện tượng xâm thực cường độ cao liên tục phân tán các pha và khiến chúng phản ứng với nhau. Điều này cho phép rút ngắn thời gian lưu, đẩy nhanh quá trình chuyển hóa, xử lý ổn định hơn các nguyên liệu đầu vào giá rẻ có đặc tính biến động và phân tách nhanh hơn ở công đoạn tiếp theo. Đối với các nhà sản xuất công nghiệp sử dụng WCO, mỡ chiên đã qua sử dụng, mỡ động vật hoặc dầu cá, kết luận cốt lõi rất rõ ràng: xử lý siêu âm làm cho các nguyên liệu khó xử lý trở nên hấp dẫn hơn về mặt thương mại nhờ đạt được độ chuyển hóa tốt hơn trong thời gian ngắn hơn.

Xử lý siêu âm cải thiện chất lượng nhiên liệu

Một điểm then chốt là dầu thải chưa xử lý không phù hợp để làm nhiên liệu động cơ. Phân tích nhiệt trọng lượng trong nghiên cứu đã so sánh dầu diesel, WCO chưa xử lý, biodiesel được sản xuất theo phương pháp truyền thống và biodiesel được sản xuất bằng phương pháp trộn siêu âm. Các tác giả nhận thấy WCO chưa xử lý có đặc tính bay hơi kém nhất, trong khi biodiesel được sản xuất bằng siêu âm có đặc tính bay hơi được cải thiện so với WCO chưa xử lý và thậm chí cả so với biodiesel được sản xuất bằng phản ứng trao đổi este truyền thống.
Điều này có ý nghĩa vì khả năng bay hơi và phun tơi kém nằm trong số những nguyên nhân chính khiến dầu thải chưa xử lý có thể gây bám bẩn kim phun, cháy không hoàn toàn và hình thành cặn. Nghiên cứu lưu ý rằng WCO chưa xử lý chứa các oligome không tan có thể làm hỏng động cơ do gây tắc hệ thống phun nhiên liệu, trong khi phản ứng trao đổi este được thực hiện đúng cách cải thiện đáng kể đặc tính của nhiên liệu.

Có thể sử dụng hỗn hợp biodiesel–diesel trong động cơ diesel mà không gặp vấn đề không?

Nghiên cứu của Belal et al. (2025) cho thấy câu trả lời là có: biodiesel được sản xuất bằng siêu âm có thể được sử dụng trong động cơ diesel tiêu chuẩn mà không gặp vấn đề. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm các hỗn hợp B10, B20, B30, B40 và B100 trong một động cơ diesel ở tốc độ không đổi với tải thay đổi. Họ kết luận rằng có thể thay thế dầu diesel bằng biodiesel từ WCO hoặc hỗn hợp biodiesel–diesel mà không cần cải tạo động cơ, và B40 là hỗn hợp được khuyến nghị vì kết hợp được hiệu năng động cơ tương đương với đặc tính phát thải được cải thiện rõ rệt.
Mặc dù không phải mọi chỉ tiêu đều giống với dầu diesel hóa thạch, các hỗn hợp này vẫn hoàn toàn sử dụng được trong điều kiện vận hành động cơ diesel tiêu chuẩn, trong khi khác biệt về hiệu năng là nhỏ và lợi ích về phát thải là đáng kể.
 

Các hỗn hợp biodiesel/diesel khác nhau ở mức tải động cơ 10–100%. – Bên trái: Biến thiên của BSFC / Bên phải: Biến thiên của BTE với các hỗn hợp biodiesel/diesel khác nhau ở mức tải động cơ 10–100%
Nghiên cứu và các đồ thị: ©Belal et al., 2025

Hiệu năng động cơ: Gần tương đương diesel, với một số đánh đổi nhỏ

Nghiên cứu cho thấy các hỗn hợp biodiesel mang lại hiệu năng động cơ tương tự diesel, với suất tiêu hao nhiên liệu có ích tăng nhẹ và hiệu suất nhiệt có ích giảm ít.
Những thay đổi này là điều có thể dự đoán. Các đặc tính đo được cho thấy biodiesel từ WCO có khối lượng riêng và độ nhớt cao hơn, đồng thời nhiệt trị thấp hơn diesel, mặc dù chỉ số cetan là như nhau trong nghiên cứu này. Điều đó có nghĩa là có thể cần nhiều nhiên liệu hơn một chút để tạo ra cùng công suất đầu ra, nhưng động cơ vẫn hoạt động bình thường khi sử dụng các hỗn hợp này.
Xét về thực tiễn, điều này củng cố nhận định rằng các hỗn hợp biodiesel có thể sử dụng được trong động cơ diesel ngay cả khi được sản xuất từ nguyên liệu chất lượng thấp như dầu ăn thải.

Khí thải: Lợi ích đáng kể từ việc pha trộn biodiesel

Kết quả về khí thải là lĩnh vực mà biodiesel thể hiện những ưu điểm nổi bật nhất.

Ở chế độ toàn tải, B100 mang lại mức giảm lớn nhất đối với:

• CO: giảm 42,9%
• hydrocarbon chưa cháy: giảm 29,9%
• độ mờ khói: giảm 42,1%

so với diesel nguyên chất.
Nghiên cứu cho rằng những lợi ích này có được là nhờ hàm lượng oxy cao hơn và hàm lượng carbon thấp hơn của biodiesel, giúp quá trình cháy diễn ra hoàn toàn hơn và giảm sự hình thành muội than.

Ý nghĩa đối với các nhà sản xuất biodiesel

Nguyên liệu chất lượng thấp hấp dẫn về mặt kinh tế, nhưng khó xử lý hơn bằng công nghệ thông thường. Xử lý siêu âm thay đổi bài toán này bằng cách khắc phục rào cản truyền khối giữa dầu và cồn, đồng thời đẩy nhanh đáng kể quá trình chuyển hóa. Trong nghiên cứu, điều đó thể hiện ở hiệu suất thu biodiesel đạt 96,65%, thời gian phản ứng giảm từ 90 phút xuống 6 phút và thời gian phân tách giảm từ 12 giờ xuống 30 phút.
Đối với các hệ thống biodiesel công nghiệp vận hành liên tục, điều này mang lại những ưu điểm cốt lõi của công nghệ xử lý siêu âm Hielscher: năng suất xử lý cao hơn, thời gian lưu ngắn hơn, khả năng thích ứng tốt hơn với sự biến động của nguyên liệu và sản xuất hiệu quả hơn từ các loại dầu và mỡ giá rẻ.
 

Thiết bị phản ứng siêu âm UIP1000hdT giúp cải thiện quá trình chuyển hóa dầu và mỡ thải thành biodiesel.

Thiết bị siêu âm Hielscher để sản xuất biodiesel từ WCO

Nghiên cứu cho thấy vì sao thiết bị siêu âm Hielscher là công cụ mạnh mẽ đến vậy trong sản xuất biodiesel từ nguyên liệu chất lượng thấp. Hiện tượng xâm thực siêu âm tăng cường phản ứng transester hóa bằng cách cải thiện quá trình trộn, truyền nhiệt, truyền khối và động học phản ứng, cho phép chuyển hóa nhanh chóng và hiệu quả các nguyên liệu khó xử lý như dầu ăn thải cùng các loại dầu và mỡ bị suy giảm chất lượng khác. Trong điều kiện tối ưu, nghiên cứu đạt hiệu suất thu biodiesel 96,65% chỉ trong 6 phút, với quá trình phân tách glycerol nhanh hơn đáng kể so với phương pháp xử lý thông thường.
Một điểm cũng quan trọng không kém là biodiesel thu được có tính thực tiễn khi sử dụng trong động cơ. Các hỗn hợp biodiesel–diesel cho hiệu năng gần tương đương diesel thông thường, đồng thời giảm đáng kể CO, hydrocarbon chưa cháy và khói. Hỗn hợp B40 được khuyến nghị kết hợp hiệu năng cơ học tương đương với đặc tính phát thải cân bằng nhất và có thể sử dụng mà không cần cải tạo động cơ.
Thiết bị siêu âm Hielscher không chỉ đẩy nhanh quá trình sản xuất biodiesel – chúng còn giúp các nguyên liệu giá rẻ, chất lượng thấp trở nên khả thi cho quá trình xử lý liên tục hiệu quả và biến dầu mỡ thải thành nhiên liệu thiết thực, sẵn sàng sử dụng cho động cơ.

Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher dùng để sản xuất biodiesel:

Tác động kinh tế và môi trường khi sử dụng thiết bị trộn siêu âm Hielscher để sản xuất biodiesel

Mô hình kinh tế kỹ thuật của Gholami và cộng sự (2021) cho thấy:

• Tổng chi phí đầu tư giảm khoảng 21%,
• Chi phí sản phẩm trên mỗi tấn giảm khoảng 5%,
• Lượng chất thải phát sinh giảm còn một phần năm so với phương pháp khuấy cơ học,
• Tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) tăng lên 18,3% với giá trị hiện tại ròng (NPV) dương, trong khi quy trình thông thường vẫn không đạt hiệu quả kinh tế.

Từ góc độ môi trường, việc giảm lượng methanol dư trực tiếp làm giảm phát thải các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và giảm mức sử dụng nhiệt năng, giúp quá trình sản xuất diesel sinh học bằng siêu âm phù hợp với các mục tiêu sản xuất xanh.

Tổng quan về các ưu điểm của thiết bị phản ứng siêu âm dùng cho diesel sinh học

(kết quả của nghiên cứu so sánh, xem Gholami và cộng sự, 2021)

Thiết kế, chế tạo và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Máy siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn cao nhất về chất lượng và thiết kế. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các máy siêu âm của chúng tôi vào cơ sở công nghiệp. Máy siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các máy siêu âm hiệu năng cao với công nghệ tiên tiến nhất và tính thân thiện với người dùng. Tất nhiên, máy siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Belal, B. Y.; Li, G.; Zhang, Z.; Liang, J.; Zhou, M.; Masoud, S. M.; Attia, A. M. A.; El-Zoheiry, R. M.; El-Seesy, A. I. (2025): Optimizing waste cooking biodiesel production using ultrasonic-assisted and studying its combustion characteristics blended with diesel in diesel engine. Environmental science and pollution research international, 32(11), 2025. 6984–7001.
• J. Sáez-Bastante, M. Carmona-Cabello, S. Pinzi, M.P. Dorado (2020): Recycling of kebab restoration grease for bioenergy production through acoustic cavitation. Renewable Energy, Volume 155, 2020. 1147-1155.
• Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
• Abdullah, C. S.; Baluch, Nazim; Mohtar, Shahimi (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi 77, 2015.
• Ramachandran, K.; Suganya, T.; Nagendra Gandhi, N.; Renganathan, S.(2013): Recent developments for biodiesel production by ultrasonic assist transesterification using different heterogeneous catalyst: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 22, 2013. 410-418.
• Shinde, Kiran; Serge Kaliaguine (2019): A Comparative Study of Ultrasound Biodiesel Production Using Different Homogeneous Catalysts. ChemEngineering 3, No. 1: 18; 2019.
• Leonardo S.G. Teixeira, Júlio C.R. Assis, Daniel R. Mendonça, Iran T.V. Santos, Paulo R.B. Guimarães, Luiz A.M. Pontes, Josanaide S.R. Teixeira (2009): Comparison between conventional and ultrasonic preparation of beef tallow biodiesel. Fuel Processing Technology, Volume 90, Issue 9, 2009. 1164-1166.