Báo cáo đề tài cuộc thi khoa học kĩ thuật dành cho học sinh phổ thông đề tài máy chưng cất tinh dầu mini thông minh
i SỞ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO PHÒNG GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CUỘC THI KHOA HỌC KĨ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC LẦN THỨ III ĐƠN VỊ DỰ THI: TRƯỜNG THCS PHAN CHU TRINH DỰ ÁN: MÁY CHƯNG CẤT TINH DẦU MINI THƠNG MINH THUỘC LĨNH VỰC: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Người thực : Giáo viên hướng dẫn : ., 2022 ii LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn đến sở GD & ĐT Đăk Lăk tổ chức Cuộc thi khoa học kỹ thuật dành cho học sinh THCS THPT năm học – 2017 Để em có sân chơi bổ ích, có hội tốt để giao lưu học hỏi với bạn, để thể ý tưởng khoa học mình, có điều kiện để chúng em thực hành áp dụng kiến thức học vào vấn đề thực tế Em xin gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu trường THCS Phan Chu Trinh tạo điều kiện tốt để em có điều kiện tham gia thi Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo Hà Duy Trường hướng dẫn em phương pháp nghiên cứu, phương pháp luận hỗ trợ kĩ thuật để thực đề tài Lời cuối, em xin cảm ơn cô, nhân viên quản lí thiết bị Nhà trường bạn bè tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài Xin chân thành cảm ơn! , ngày 19 tháng 12 năm Tác giả iii LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan, cơng trình nghiên cứu chúng em Những kết số liệu có đề tài chưa cơng khai hình thức Chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường ban tổ chức Cuộc thi KHKT cấp tỉnh dành cho học sinh trung học năm học – 2017 cam đoan , ngày 19 tháng 12 năm Tác giả iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU TÓM TẮT 1 Đặt vấn đề Mục đích việc nghiên cứu .1 Khách thể đối tượng nghiên cứu .2 Giả thuyết khoa học .2 Phương pháp phương tiện hỗ trợ nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu .2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Sản phẩm máy chưng cất tinh dầu thị trường .3 Phương pháp chưng cất nước 2.1 Lý thuyết chưng cất 2.2 Những ảnh hưởng chưng cất nước Tinh dầu .7 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu Sơ đồ thiết kế máy chưng cất tinh dầu mini thông minh 10 Thử nghiệm máy 11 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 11 Sản phẩm máy chưng cất tinh dầu mini thông minh 11 Thử nghiệm máy 14 2.1 Năng lượng tiêu hao 14 2.2 Chi phí chế tạo .15 2.3 Hướng dẫn sử dụng máy chưng cất tinh dầu mini thông minh .15 KẾT LUẬN 16 KIẾN NGHỊ 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO .17 v MỞ ĐẦU TÓM TẮT Chế tạo máy chưng cất tinh dầu mini thơng minh hẹn thời gian chưng cất điều chỉnh nhiệt độ thích hợp để thu nhiều loại tinh dầu với hiệu suất chất lượng cao Giải phóng thời gian sức lao động, tăng thu nhập kinh tế Tận dụng nguồn tài nguyên, không gây ô nhiễm môi trường Đặt vấn đề Với lịch sử phát triển hàng ngàn năm, tinh dầu mệnh danh báu vật thiên nhiên, tủ thuốc tự nhiên phát triển thành phương pháp trị liệu, chăm sóc sức khỏe, làm đẹp tồn giới Mặc dù có cơng lớn sản phẩm tinh dầu xa lạ với người dân nước ta, phần giá thành cao, phần chiết xuất tinh dầu địi hỏi thiết bị, máy móc phức tạp nên thường bỏ qua nguồn tài nguyên quý giá Để khai thác tận dụng hết tinh dầu có lồi thực vật tự nhiên em chế tạo “máy chưng cất tinh dầu mini thông minh” Với nhiều ưu điểm tiện lợi, dễ sử dụng, an tồn với mơi trường Mục đích việc nghiên cứu Chế tạo máy chưng cất tinh dầu mini thơng minh có khả năng: + Quy mơ nhỏ gọn, dễ sử dụng, an tồn + Điều chỉnh nhiệt độ chưng cất + Có thể hẹn bật/tắt + Không gây ô nhiễm môi trường + Tiết kiệm lượng + Hiệu suất chưng cất cao + Giá thành thấp Máy chưng cất tinh dầu mini thông minh giúp cho thu tinh dầu có lồi thực vật gần gũi đời sống sả, chanh, quýt, bưởi, bạc hà, hoa sữa, hoa hồng cách đơn giản hiệu Khách thể đối tượng nghiên cứu - Khách thể nghiên cứu: + Hoa sữa + Thân, sả + Thân, húng nhũi + Vỏ chanh, vỏ quýt - Đối tượng nghiên cứu + Máy chưng cất tinh dầu mini thông minh Giả thuyết khoa học - Máy chưng cất tinh dầu mini thơng minh chế tạo tinh dầu từ sản phẩm bỏ sản xuất, sinh hoạt để tạo loại tinh dầu có giá trị kinh tế cao - Cấu tạo máy đơn giản, hoạt động dễ dàng, điều chỉnh nhiệt độ thời gian bật/tắt theo lập trình từ trước Giải phóng sức lao động người Phương pháp phương tiện hỗ trợ nghiên cứu 5.1 Phương pháp nghiên cứu - Nhóm phương pháp nghiên cứu lý thuyết (Phương pháp phân tích, tổng hợp, lý luận, mơ hình hố, chuyên gia, sưu tầm tài liệu…) - Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn (chế tạo thiết bị chưng cất thí nghiệm, thu thập số liệu thực nghiệm, xây dựng vẽ kỹ thuật, chế tạo máy chưng cất tinh dầu mini thơng minh, thực nghiệm q trình chưng cất tinh dầu, hiệu chỉnh máy, …) - Nhóm phương pháp toán học (phương pháp thống kê toán học nghiên cứu khoa học giáo dục, đánh giá xử lí số liệu, ) 5.2 Phương tiện hỗ trợ nghiên cứu + Dụng cụ thí nghiệm Nhà trường + Bộ dụng cụ chưng cất nước Nhà trường + Bộ dụng cụ điện Nhà trường + Một số dụng cụ cá nhân phục vụ cho trình nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu - Thời gian nghiên cứu : 01 tháng Khách thể nghiên cứu: Thân, lá, hoa, vỏ thực vật CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Sản phẩm máy chưng cất tinh dầu thị trường Một số máy chưng cất tích tương đương bày bán trang web: http://greentecco.net/ [1] Sản phẩm Thông tin Máy chưng cất tinh dầu nước 6 lit chất liệu đồng - Made in Portugal - Dung tích bình chứa: 6 lít - Trọng lượng 5.5 kg - Độ dầy đồng: 0.9 mm - Kích thước: Cao 59 x Dài 52 x Rộng 27 cm - Chất liệu: đồng - Nguồn điện bếp gia nhiệt: 220V Giá bán: 18,000,000 VND Máy chưng cất tinh dầu nước 2,5 lit chất liệu đồng - Made in Portugal - Dung tích bình chứa: 2,5 lít - Kích thước: Cao x Dài x Rộng (mm): 460 mm x 350 mm x 210 mm - Trọng lượng 4.5 kg - Độ dầy đồng: 0.9 mm - Chất liệu: đồng - Nguồn điện bếp gia nhiệt: 220V Giá bán: 15,500,000 VND Bộ chưng cất tinh dầu 12 lít Made in Italia The kit includes the following items: - The heating boiler with a lid equipped with thermometer and safety cap - Grids: lower and upper - The connection pipe of the steam - The cylinder collection essential oil - The connection pipe cooling circuit - And of course the user manual Giá bán: 17,500,000 VND Phương pháp chưng cất nước[2] Phương pháp dựa thẩm thấu, hịa tan, khuếch tán lơi theo nước hợp chất hữu tinh dầu chứa mô tiếp xúc với nước nhiệt độ cao Sự khuếch tán dễ dàng tế bào chứa tinh dầu trương phồng nguyên liệu tiếp xúc với nước bão hòa thời gian định Trường hợp mơ thực vật có chứa sáp, nhựa, acid béo chi phương dây dài chưng cất phải thực thời gian dài hợp chất làm giảm áp suất chung hệ thống làm cho khuếch tán trở nên khó khăn 2.1 Lý thuyết chưng cất Chưng cất định nghĩa là: ”Sự tách rời cấu phần hỗn hợp nhiều chất lỏng dựa khác biệt áp suất chúng” Trong trường hợp đơn giản, chưng cất hỗn hợp gồm chất lỏng khơng hịa tan vào nhau, áp suất tổng cộng tổng hai áp suất riêng phần Do đó, nhiệt độ sơi hỗn hợp tương ứng với áp suất tổng cộng xác định, không tùy thuộc vào thành phần bách phân hỗn hợp, miễn lúc hai pha lỏng tồn Nếu vẽ đường cong áp suất chất theo nhiệt độ, vẽ đường cong áp suất tổng cộng, ứng với áp suất, ta dễ dàng suy nhiệt độ sôi tương ứng hỗn hợp nhận thấy nhiệt độ sôi hỗn hợp luôn thấp nhiệt độ sơi hợp chất Thí dụ, áp suất 760 mmHg nước sôi 100 oC benzen sôi 80oC chúng hai chất lỏng không tan vào Thực hành cho thấy, đun hỗn hợp áp suất 760 mmHg sơi 69 oC cịn hỗn hợp hai pha lỏng với tỉ lệ Giản đồ nhiệt độ sôi theo áp suất cho thấy, 69 oC, áp suất nước 225 mmHg benzen 535 mmHg Chính đặc tính làm giảm nhiệt độ sơi mà từ lâu phương pháp chưng cất nước phương pháp dùng để tách tinh dầu khỏi nguyên liệu thực vật 2.2 Những ảnh hưởng chưng cất nước 2.2.1 Sự khuếch tán Ngay nguyên liệu làm vỡ vụn có số mô chứa tinh dầu bị vỡ cho tinh dầu tự ngồi theo nước lơi Phần lớn tinh dầu cịn lại mơ thực vật tiến dần bề mặt nguyên liệu hòa tan thẩm thấu Von Rechenberg mơ tả q trình chưng cất nước sau: “Ở nhiệt độ nước sôi, phần tinh dầu hịa tan vào nước có sẵn tế bào thực vật Dung dịch thẩm thấu dần bề mặt nguyên liệu bị nước Còn nước vào nguyên liệu theo chiều ngược lại tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vào lượng nước Quy trình lặp lặp lại tinh dầu mơ hết Như vậy, diện nước cần thiết, trường hợp chưng cất sử dụng nước nhiệt, ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô Nhưng lượng nước sử dụng thừa q khơng có lợi, trường hợp tinh dầu có chứa cấu phần tan dễ nước Ngồi ra, ngun liệu làm vỡ vụn nhiều tốt, cần làm cho lớp nguyên liệu có độ xốp định để nước xuyên ngang lớp đồng dễ dàng Vì cấu phần tinh dầu chưng cất nước theo nguyên tắc nói thông thường hợp chất dễ hịa tan nước lơi trước Thí dụ, chưng cất nước hạt caraway nghiền nhỏ khơng nghiền, hạt khơng nghiền carvon (nhiệt độ sôi cao tan nhiều nước) trước, cịn limonen (nhiệt độ sơi thấp, tan nước) sau Nhưng với hạt caraway nghiền nhỏ kết chưng cất ngược lại 2.2.2 Sự thủy giải Những cấu phần ester tinh dầu thường dễ bị thủy giải cho acid alcol đun nóng thời gian dài với nước Do đó, để hạn chế tượng này, chưng cất nước phải thực thời gian ngắn tốt 2.2.3 Nhiệt độ Nhiệt độ cao làm phân hủy tinh dầu Do đó, cần thiết phải dùng nước nhiệt (trên 100oC) nên thực việc giai đoạn cuối chưng cất, sau cấu phần dễ bay lôi hết Thực ra, hầu hết tinh dầu bền tác dụng nhiệt nên vấn đề cho thời gian chịu nhiệt độ cao tinh dầu ngắn tốt Tóm lại, dù ba ảnh hưởng xem xét độc lập thực tế chúng có liên quan với quy ảnh hưởng nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ, khuếch tán thẩm thấu tăng, hòa tan tinh dầu nước tăng phân hủy tăng theo Trong công nghiệp, dựa thực hành, người ta chia phương pháp chưng cất nước thành ba loại chính: - Chưng cất nước - Chưng cất nước nước - Chưng cất nước 2.2.3.1 Chưng cất nước Trong trường hợp này, nước phủ kín nguyên liệu, phải chừa khoảng không gian tương đối lớn phía bên lớp nước, để tránh nước sôi mạnh làm văng chất nạp qua hệ thống hồn lưu Nhiệt cung cấp đun trực tiếp củi lửa nước dẫn từ nồi vào (sử dụng bình có hai lớp đáy) Trong trường hợp chất nạp mịn, lắng chặt xuống đáy nồi, lúc nồi phải trang bị cánh khuấy trộn bên trong suốt thời gian chưng cất Sự chưng cất khơng thích hợp với tinh dầu dễ bị thủy giải Những nguyên liệu xốp rời rạc thích hợp cho phương pháp Những cấu phần có nhiệt độ sơi cao, dễ tan nước khó hóa khối lượng lớn nước phủ đầy, khiến cho tinh dầu sản phẩm thiếu chất Thí dụ điển hình mùi tinh dầu hoa hồng thu từ phương pháp chưng cất nước sản phẩm tẩm trích eugenol ancol phenetil nằm lại nước nhiều, người ta dùng phương pháp sử dụng phương pháp khác 2.2.3.2 Ưu điểm - Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản - Thiết bị gọn, dễ chế tạo - Khơng địi hỏi vật liệu phụ phương pháp tẩm trích, hấp thụ - Thời gian tương đối nhanh 2.2.3.3 Khuyết điểm - Không có lợi nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp - Chất lượng tinh dầu bị ảnh hưởng tinh dầu có cấu phần dễ bị phân hủy - Không lấy loại nhựa sáp có nguyên liệu (đó chất định hương thiên nhiên có giá trị) - Trong nước chưng ln ln có lượng tinh dầu tương đối lớn - Nhưng tinh dầu có nhiệt độ sơi cao thường cho hiệu suất 2.2.4 Thu hồi thêm tinh dầu từ nước chưng Thường tinh dầu nước chưng nằm hai dạng phân tán hịa tan Dạng phân tán dùng phương pháp lắng hay ly tâm, dạng hòa tan phải chưng cất lại Nếu trọng lượng riêng tinh dầu nước q gần thêm NaCl để gia tăng tỉ trọng nước làm tinh dầu tách dễ dàng Tinh dầu Tinh dầu[3] là loại chất lỏng chứa các hợp chất thơm dễ bay chiết xuất cách chưng cất nước ép lạnh, từ cây; thân cây; hoa; vỏ cây; rễ cây; phận khác thực vật Phương pháp khác để tách chiết tinh dầu tách chiết dung mơi Tinh dầu ví nhựa sống cây, mang sức sống, năng lượng tinh khiết dược thảo từ thiên nhiên mạnh 50 -100 lần loại dược thảo sấy khô (thảo mộc) Hầu hết loại tinh dầu trong, ngoại trừ vài loại tinh dầu dầu cây hoắc hương, dầu cam, sả chanh thì có màu vàng hoặc hổ phách Tinh dầu sử dụng sản xuất nước hoa, mỹ phẩm, sữa tắm, xà phòng, tạo hương vị cho đồ uống thực phẩm, hay thêm mùi vào hương/trầm sản phẩm tẩy rửa vệ sinh gia dụng khác Tinh dầu theo dòng lịch sử sử dụng lĩnh vực y học Các ứng dụng y học bao gồm từ làm đẹp da điều trị ung thư thường túy dựa theo mêu tả lịch sử việc sử dụng tinh dầu cho mục đích Các tuyên bố hiệu điều trị y học tinh dầu, cụ thể hiệu chữa trị ung thư, phải tuân theo quy định điều chỉnh nhiều quốc gia Tinh dầu sản xuất từ thành phần khác thực vật: Lá nhựa thông vỏ · Húng quế · benzoin · trái bả đậu · lá nguyệt quế · nhựa thơm · Quế · Buchu · loại vỏ dùng làm thuốc · Quế · nhựa có mùi hương Các loại mọng · Bạch đàn · Tiêu · Trái ổi · cây bách xù · cộng sả Những hoa · tràm · Cannabis · Rau oregano · Hoa chamomile · loại có mùi thơm ấn độ · Clary sage · bạc hà cay · Đinh hương · Cây thông · phong lữ thơm · cây mê điệt · hops · giống hoa · hiền chung · bạc hà lục · Cây chè · xạ hương · nhựa mật nhi lạp Thân rễ · riềng · gừng Nguồn gốc · cây nữ lang hoa Hạt giống · cây hồi · Buchu · Cần tây · Cây · Cây gai · dầu hạt nhục đậu khấu · Jasmine · Tsuga · Hoa oải hương · Wintergreen · Manuka · bergamot · lá kinh giới · Bưởi · cây bách hương · trái cam · Chanh · gổ từ đàn · Hoa hồng · Vôi · Ylang-ylang · trái cam · cây đàn hương · Quýt · Trầm Lột vỏ gỗ · long nảo Bảng 1: Bộ phận chứa tinh dầu số loài thực vật CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu + Dây gia nhiệt (lấy từ ấm nước lít bị hư role nhiệt) 220V / 50Hz ~ 1500W Role cố định 125oC 220V / 25A Đèn led báo điện + Rơ le nhiệt điều chỉnh nhiệt độ 50-300 độ WZB Dải nhiệt độ điều chỉnh: 50 - 300 độ Dây cảm biến nhiệt dài: 70cm Tiếp điểm đầu ra: tiếp điểm, thường đóng, thường mở Dịng tiếp điểm: 250V / 16A ~ 3000W + Thiết bị hẹn KG316T tắt/mở thiết bị tự động Công suất tải tức thời tối đa: 25A, 220VAC Công suất tải liên tục tối đa: 5A, 220VAC Nguồn điện tiêu chuẩn hoạt động: 220VAC/50Hz Dãy điện áp làm việc: từ 160VAC 240VAC Công suất tiêu thụ: nhỏ 1W Có 10 nhớ cài đặt ON 10 nhớ cài đặt OFF Khoảng cách thời gian cài đặt tắt/mở tối thiểu Phút Khoảng cách thời gian cài đặt tắt/mở tối đa 168h (1 tuần lễ) Có pin chờ điện => khơng bị nhớ hẹn Có thể chọn lịch làm việc cho timer tuần ngày riêng lẻ tuần Sai số thời gian đồng hồ chuẩn máy: không 0.5s/ngày Nhiệt độ làm việc: -25 độ C +60 độ C Độ ẩm mơi trường làm việc < 95% Kích thước: 120x74x50mm Trọng lượng: 200g + Ổ cắm điện, phích cắm điện + Hệ thống dây dẫn điện bảng điện +1 Xi lanh 50cc dây truyền dịch 10 + Các thiết bị gò, hàn gia công Sơ đồ thiết kế máy chưng cất tinh dầu mini thơng minh Hình 1: Sơ đồ thiết kế máy chưng cất tinh dầu mini thông minh Phần gia nhiệt(1 dây gia nhiệt rơle 125oC) Bóng đèn led Cảm ứng nhiệt độ Con xoay điều chỉnh nhiệt độ Thiết bị hẹn KG316T Nguồn điện xoay chiều 220v Thân nồi đun Nắp nồi đun Dây đồng làm lạnh 10 Thùng nước làm lạnh 11 Ống nhựa dây dẫn chứa hỗn hợp tinh dầu nước 12 Khóa ống dẫn nước 13 Cốc chứa nước bay trình chưng cất 14 Lọ chứa tinh dầu nguyên chất sau chiết Giải thích cấu tạo chức số thiết bị: 1a Dây gia nhiệt: Nguồn nhiệt 10 11 1b Rơle 125oC: Tự động ngắt điện nhiệt độ nồi đun cao(cạn nước) Rơle điều chỉnh nhiệt độ WZB : Điều chỉnh nhiệt độ nồi đun Thiết bị hẹn KG316T tắt/mở thiết bị tự động: Điều chỉnh bật/tắt máy Nắp nồi đun hình chóp nón: Thu tinh dầu nước hiệu Ống đồng dài 3m: làm lạnh để ngưng tụ nước tinh dầu 11 Ống nước dây dẫn: Sử dụng bình thơng nhau, Cho phần nước chảy qua giữ tinh dầu lại 12 Khóa nước: Điều chỉnh để chiết tinh dầu tinh khiết Thử nghiệm máy - Nguyên liệu tươi 500g (vỏ bưởi; vỏ chanh; hoa sữa, xả, húng nhũi; ) chưng cất lôi nước với 2000ml nước 95oC CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sản phẩm máy chưng cất tinh dầu mini thơng minh Hình 2: Máy chưng cất tinh dầu thông minh mini 11 12 - Máy chưng cất gồm phận chính: Bộ phân nồi nồi đun, có hình trụ đứng Bao gồm: Hình 3: Nồi đun + Phần gia nhiệt: Dây gia nhiệt 220V / 50Hz ~ 1500W Role cảm ứng nhiệt 125oC Role điều chỉnh nhiệt độ Đèn led báo hiệu + Phần nồi chứa: Thân nồi hình trụ đứng làm inox(12cm x 25cm) Nắp đậy hình chóp nón (12cm x 6cm) 12 13 Bộ phận làm mát Bao gồm: Hình 4: Bộ phận làm mát + Ống đồng dài 300cm, đường kính 0,8cm uốn xoăn ốc + Thùng nước mát hình trụ cao 37cm, đường kính 32cm Bộ phận chiết xuất Bao gồm: Hình 5: Bộ phận chiết xuất + Ống nhựa hình trụ cao 12cm, đường kính 2,5cm + Ống nhựa dẫn nước dài 15cm, đường kính 0,2cm + Khóa nhựa 13 14 Bộ phận nguồn điện điều chỉnh Hình 6: Bộ phận nguồn điện điều chỉnh + Thiết bị hẹn KG316T tắt/mở thiết bị tự động + Ổ cắm điện + Hệ dây dẫn điện bảng điện Thử nghiệm máy 2.1 Năng lượng tiêu hao - Thực nghiệm chưng cất với 500 gam mẫu lít nước 95 oC vịng liên tục cho bảng số liệu sau: (Giả sử giá điện trung bình 2000 đồng/ kW) STT Cơng suất Thời gian (W/h) hoạt động Năng lượng tiêu hao (h) (W) Thiết bị Thành tiền (Đồng) Dây gia nhiệt 1500 1500 3000 Bóng đèn led