Nghiên cứu khảo sát các yếu tố Ảnh hưởng Đến quá trình chuyển hóa dầu Ăn thải thành nhiên liệu Đốt

So sánh một số tính chất và thành phần acid béo của dầu ăn thải với một số loại dầu thực vật điển hình .... Trong khi đó, dầu thực vật thải có thành phần tương tự như dầu thực vật, rất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Thị Trang, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và do tôi thực hiện Các số liệu kết quả trong luận văn hoàn toàn trung thực,

và mọi tham khảo đều được trích dẫn, chỉ rõ nguồn tham khảo theo đúng quy định

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2023

Tác giả

Nguyễn Thị Trang

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập và tiếp thu kiến thức tại trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng Đến ngày hôm nay, bắt tay vào hoàn thành khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Hóa Dược

Để hoàn thành bài khóa luận này em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng vì đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất với

hệ thống các phòng thí nghiệm hiện đại, đầy đủ dụng cụ thuận lợi cho việc nghiên cứu

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy cô khoa Hóa trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng đã luôn nhiệt huyết trong công tác giảng dạy để truyền đạt đến sinh viên chúng em những kiến thức quý báu nhất

Và đặc biệt, em xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Thu Hồng – người đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ dạy em trong suốt quá trình thực hiện đề tài Cảm ơn cô đã luôn chỉ dạy và hướng dẫn vô cùng tận tình, giúp em có thể hoàn thành bài khóa luận của em một cách xuất sắc nhất Đây chắc chắn là những kiến thứ quý báu, là hành trang để em có thể vững bước sau này

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Lê Thị Tuyết Anh và thầy Nguyễn Văn Din đã luôn giúp đỡ, hỗ trợ tận tình trong quá trình em làm khóa luận

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị trong khoa và các bạn trong nhóm NCKH lớp 20CHD đã hỗ trợ, góp ý để em hoàn thiện tốt đề tài của mình

Em vẫn biết rằng, những kiến thức, tầm hiểu biết của mình vẫn còn nhiều hạn hẹp nên bài luận chưa thực sự đầy đủ Rất mong các thầy cô giáo cùng các bạn đánh giá góp ý để bản thân rút kinh nghiệm và nhận ra những lỗi lầm của bản thân trong quá trình làm khóa luận

Lời cuối cùng, xin được chúc tất cả các quý thầy cô thật nhiều sức khỏe, thành công và hạnh phúc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 8

DANH MỤC CÁC BẢNG 10

DANH MỤC VIẾT TẮT 11

MỞ ĐẦU 12

1.Tổng quan tình hình 12

2.Lý do chọn đề tài 13

3.Mục đích nghiên cứu 14

4.Đối tượng phạm vi nghiên cứu 14

4.1 Đối tượng nghiên cứu: 14

4.2 Phạm vi nghiên cứu: 15

5.Phương pháp nghiên cứu 15

5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 15

5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 15

5.3 Phương pháp xử lý số liệu 16

6.Đóng góp của đề tài 16

7.Kết cấu, nội dung đề tài 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 18

1.1 Tổng quan về dầu thực vật và mỡ động vật 18

1.1.1 Dầu thực vật 18

1.1.1.1 Ưu điểm của dầu thực vật 20

1.1.1.2 Nhược điểm của dầu thực vật 20

1.1.2 Mỡ động vật 20

1.2 Dầu ăn thải 21

1.3 Cồn khô và các phương pháp sản xuất cồn khô 23

1.3.1 Cồn khô 23

1.3.2 Phương pháp sản xuất cồn khô 24

1.4.Biodisel và phương pháp sản xuất biodiesel 25

1.4.1 Biodiesel 25

1.4.2 Các phương pháp sản xuất biodiesel 25

1.5 Phương pháp thiết kế thí nghiệm (Design of Experiments – DoE) theo kiểu fractional factorial design 27

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị, dụng cụ 30

2.1.1 Nguyên liệu 30

2.1.2 Hóa chất 30

2.1.3 Thiết bị, dụng cụ 31

2.1.3.1 Thiết bị 31

2.1.3.2 Dụng cụ 32

2.Phương pháp nghiên cứu 32

2.2.1 Thu thập và tiền xử lý WCO 33

2.2.1.1 Thu thập 33

2.2.1.2 Cảm quan 34

2.2.1.3 Tiền xử lý 34

2.2.2 Xác định các chỉ tiêu hóa lý của WCO 34

2.2.2.1 Xác định khối lượng riêng của WCO 34

2.2.2.2 Xác định hàm lượng nước trong WCO 34

2.2.2.3 Xác định chỉ số acid AV và độ acid béo tự do FFA trong WCO 35

2.2.2.4 Xác định chỉ số xà phòng hóa SV 35

2.2.2.5 Xác định độ nhớt của WCO 36

2.2.2.6 Xác định chỉ số Iod của dầu 37

2.2.2.7 Xác định chỉ số Peroxide của dầu 38

2.2.3 Quy trình tổng hợp cồn khô từ WCO 39

2.2.3.1 Khảo sát nồng độ NaOH thích hợp cho quá trình tổng hợp cồn khô 40 2.2.3.2 Khảo sát tỷ lệ WCO và thể tích ethanol thích hợp cho quá trình tổng hợp cồn khô 41

2.2.3.4 Khảo sát nhiệt độ thích hợp cho quá trình tổng hợp cho quá trình tổng

hợp cồn khô 41

2.2.4 Phân tích và đánh giá một số chỉ tiêu của sản phẩm 42

2.2.4.1 Thời gian cháy 42

2.2.4.2 Xác định tỷ lệ cặn 42

2.2.4.3 Xác định nhiệt trị của sản phẩm 43

2.2.4.4 Phổ hồng ngoại 43

2.2.4.5 Phương pháp GC – MS 44

2.2.4.6 Nhiễu xạ tia X (XRD) của cồn khô 44

2.2.5 Thiết kế thí nghiệm bằng phương pháp FFD 45

2.2.6 Quy trình tổng hợp biodiesel 46

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 Kết quả xác định tính chất và thành phần của dầu thải 47

3.1.1 Đánh giá cảm quan sơ bộ các nguồn dầu thải 47

3.1.2 Phân tích một số chỉ tiêu hóa lý của các nguồn WCO 48

3.2 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp cồn khô 52

3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình tổng hợp cồn khô từ WCO 52

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ WCO:ethanol đến quá trình chuyển hóa cồn khô từ dầu thải 56

3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến quá trình tổng hợp cồn khô 61

3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình tổng hợp cồn khô từ WCO 65

3.3 Kết quả thiết kế thí nghiệm và phân tích số liệu 69

3.4 Đề xuất tổng hợp biodiesel từ dầu ăn thải bằng xúc tác NaOH 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

1.Kết luận 79

2.Kiến nghị 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Dầu thực vật 18

Hình 1 2 Công thức cấu tạo của triglyceride 19

Hình 1 3 Mỡ động vật 21

Hình 1 4 Dầu ăn thải 21

Hình 1 5 Tác hại của viêc đổ trực tiếp dầu ăn thải xuống cống 23

Hình 1 6 Phản ứng transester hóa của triglyceride với rượu 26

Hình 1 7 Các bước quan trọng trong sản xuất biodiesel với xúc tác kiềm 27

Hình 2 1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm 33

Hình 2 2.Thiết bị đo độ nhớt Koehler 37

Hình 2 3 Bộ dụng cụ đun hồi lưu chuyển hóa WCO thành cồn khô 40

Hình 2 4.Thiết bị đo XRD - D8 Advance Eco 45

Hình 3 1 Các mẫu dầu thải thu nhận 47

Hình 3 2.Phổ hồng ngoại các loại dầu thải 49

Hình 3 3 Kết quả đo GC - MS của mẫu D1 51

Hình 3 4 Sản phẩm và cặn ở tỷ lệ NaOH/SV là 1:1 53

Hình 3 5 Mẫu sản phẩm và cặn ở tỷ lệ NaOH/SV 1:1,25 53

Hình 3 6 Mẫu sản phẩm và cặn ở tỷ lệ NaOH/SV 1:1,5 53

Hình 3 7 Mẫu sản phẩm và cặn ở tỷ lệ NaOH/SV 1:1,75 53

Hình 3 8 Mẫu sản phẩm và cặn ở tỷ lệ NaOH/SV 1:2 54

Hình 3 9 Phổ FT - IR của sản phẩm cồn khô ở các nồng độ NaOH khác nhau 54

Hình 3 10 Phổ FT - IR của cặn sản phẩm cồn khô ở các nồng độ NaOH khác nhau 55 Hình 3 11 Biểu đồ so sánh nhiệt trị của các mẫu sản phẩm ở các tỷ lệ NaOH khác nhau 56

Hình 3 12 Mẫu sản phẩm và cặn của tỷ lệ WCO: ethanol là 7,5:100 57

Hình 3 13 Mẫu sản phẩm và cặn của tỷ lệ WCO: ethanol là 10:100 57

Hình 3 14 Mẫu sản phẩm và cặn của tỷ lệ WCO:ethanol là 12,5:100 57

Hình 3 15 Mẫu sản phẩm và cặn của tỷ lệ WCO:ethanol là 15:100 58

Hình 3 16 Mẫu sản phẩn và cặn ở tỷ lệ WCO:ethanol là 20:100 58 Hình 3 17 Phổ FT - IR của sản phẩm cồn khô ở các tỷ lệ WCO:ethanol khác nhau 58

Hình 3 18 Phổ FT - IR của cặn sản phẩm cồn khô ở các tỷ lệ WCO:ethanol khác

nhau 59

Hình 3 19 Biểu đồ so sánh giá trị nhiệt trị của mẫu sản phẩm ở các tỷ lệ WCO: ethanol khác nhau 60

Hình 3 20 Mẫu sản phẩm và cặn ở 15 phút đun hồi lưu 61

Hình 3 21 Mẫu sản phẩm và cặn ở 30 phút đun hồi lưu 61

Hình 3 22 Mẫu sản phẩm và cặn ở 45 phút đun hồi lưu 62

Hình 3 23 Mẫu sản phẩm và cặn ở 60 phút đun hồi lưu 62

Hình 3 24 Mẫu sản phẩm và cặn ở 75 phút đun hồi lưu 62

Hình 3 25 Phổ FT - IR của sản phẩm cồn khô ở các thời gian khác nhau 63

Hình 3 26 Phổ FT - IR của cặn sản phẩm cồn khô ở các thời gian khác nhau 63

Hình 3 27 Biểu đồ so sánh giá trị nhiệt trị của các mẫu sản phẩm ở các thời gian phản ứng khác nhau 65

Hình 3 28 Sản phẩm và cặn đốt ở 50ºC 66

Hình 3 29 Sản phẩm và cặn đốt ở nhiệt độ 60ºC 66

Hình 3 30.Sản phẩm và cặn đốt ở nhiệt độ 70ºC 66

Hình 3 31.Sản phẩm và cặn đốt ở nhiệt độ 80ºC 66

Hình 3 32.Sản phẩm và cặn đốt ở nhiệt độ 90ºC 67

Hình 3 33 Phổ FT - IR của sản phẩm cồn khô ở các thời gian khác nhau 67

Hình 3 34 Phổ FT - IR của cặn sản phẩm cồn khô ở các thời gian khác nhau 68

Hình 3 35 Biểu đồ so sánh giá trị nhiệt lượng của cồn rắn ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau 69

Hình 3 36 Giản đồ XRD của sản phẩn cồn khô tối ưu 73

Hình 3 37 Cồn thị trường và cặn đốt thu được sau khi đốt 74

Hình 3 38.So sánh phổ XRD của sản phẩm và cồn thị trường 75

Hình 3 40 Dầu ăn thải trước và sau khi tẩy màu bằng H2O2 76

Hình 3 41 Xăng sinh học làm từ dầu ăn thải 77

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ 19

Bảng 1 2 So sánh một số tính chất và thành phần acid béo của dầu ăn thải với một số loại dầu thực vật điển hình 22

Bảng 2 1: Hóa chất 30

Bảng 2 2 Thiết bị và thông số 31

Bảng 2 3 Dụng cụ 32

Bảng 3 1 Đánh giá cảm quan của một số nguồn WCO 48

Bảng 3 2.Một số chỉ tiêu của một số nguồn WCO 48

Bảng 3 3 Thành phần acid béo trong dầu D1 52

Bảng 3 4 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu các mẫu sản phẩm ở các nồng NaOH khác nhau 55

Bảng 3 5.Kết quả phân tích một số chỉ tiêu các mẫu sản phẩm ở các tỷ lên oil:ethanol khác nhau 59

Bảng 3 6.Kết quả phân tích các chỉ tiêu của các mẫu sản phẩm ở thời gian đun hồi lưu khác nhau 64

Bảng 3 7 Kết quả phân tích các chỉ tiêu của các sản phẩm cồn khô ở nhiệt độ khác nhau 68

Bảng 3 8 Ma trận các yếu tố khảo sát và mã hóa 70

Bảng 3 9 Các thí nghiệm được tổ hợp từ phương pháp FFD 70

Bảng 3 10 Kết quả phân tích các chỉ tiêu của sản phẩm ở các các thí nghiệm 71

Bảng 3 11.Thống kê hồi quy 71

Bảng 3 12 Kết quả ANOVA và hệ số góc 72

Bảng 3 13 Kết luận về độ tin cậy của các yếu tố 72

Bảng 3 14 So sánh chỉ tiêu của cồn khô được tổng hợp và cồn khô được bán trên thị trường 74

Bảng 3 16.Một số chỉ tiêu của dầu thải trước và sau khi tẩy màu bằng H2O2 76

Bảng 3 17 Nguyên liệu sản xuất xăng sinh học 77

Bảng 3 18 Phân tích một số chỉ tiêu của sản phẩm xăng sinh học 78

DANH MỤC VIẾT TẮT

Tiếng Anh Tiếng Việt

WCO Wasted Cooking Oil Dầu ăn thải

AV Acid Value Chỉ số acid

SV Saponification value Chỉ số xà phòng hóa

FFA Free fatty acid Hàm lượng acid béo tự do

IV Iodine value Chỉ số Iod

PV Peroxide value Chỉ số Peroxide

XRD X – ray Diffraction Nhiễu xạ tia X

IR Infrared Ray Tia hồng ngoại

FT-IR Fourrier Transformation InfraRed Quang phổ hồng ngoại biến đổi

DoE Design of Experiments Thiết kế thực nghiệm

FFD Fraction factorial design Thiết kế giai thừa phân đoạn

CCR Conradson carbon residue Cặn lắng carbon conradon

GC-MS Gas Chromatography–Mas Spectroscopy Sắc ký khí – quang phổ khối

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình

Dầu ăn thải (Wasted Cooking Oil – WCO) là dầu ăn đã qua sử dụng bao gồm dầu

ăn, mỡ động vật và các cặn thức ăn trong quá trình chiên rán Hoạt động nấu ăn, chế biến thực phẩm hàng ngày của người dân, các hộ gia đình, các hàng quán, công ty,…

đã tạo ra hàng triệu tấn WCO mỗi năm Nhu cầu sử dụng dầu ăn hiện nay đang ngày càng tăng cao, đồng nghĩa với việc lượng WCO cũng tăng lên Thông thường WCO được thu mua với giá rẻ và được tái chế lại để tiếp tục sử dụng Trong trường hợp, quy trình tái chế WCO không đảm bảo các yếu tố về kĩ thuật và vệ sinh an toàn thực phẩm thì sẽ gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người Bên cạnh đó, việc thải dầu ăn đã qua

sử dụng thải ra ngoài môi trường có thể gây nên các tác hại nghiêm trọng đến môi trường Chẳng hạn như khi WCO bị xả thẳng vào cống rãnh hoặc hệ thống thoát nước

có thể gây tắc nghẽn và ô nhiễm nguồn nước ngầm; gây mất cân bằng hệ sinh thái Vì vậy, xử lý nguồn WCO này là một quá trình quan trọng để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người Trong khi đó, dầu thực vật thải có thành phần tương tự như dầu thực vật, rất phù hợp để ứng dụng làm nguồn sinh khối cho chế tạo nhiên liệu sinh học, sau quá trình cracking dầu thực vật thu được sản phẩm là các khí khô (chứa chủ yếu các khí H2, CO, CO2, CH4, C2H6, C2H4), khí hóa lỏng và xăng sinh học [1] Ngoài ra, WCO có thể được xử lý trong các nhà máy xử lý nước thải bằng các phương pháp như tách dầu, lọc cơ học và xử lý hóa học Tuy nhiên, việc xử lý WCO gặp một số thử thách như chi phí, kỹ thuật và việc thu gom dầu từ nhiều nguồn khác nhau

Có thể thấy rằng việc đổ thải WCO không qua xử lý hay sử dụng các biện pháp kĩ thuật để thu gom và xử lý WCO đều có nhiều hạn chế Thay vào đó, hiện nay các nhà khoa học đang hướng đến giải pháp tái chế WCO, đây là biện pháp được coi là tối ưu

và thân thiện với môi trường hơn Việc sử dụng WCO như là nguyên liệu đầu vào để tổng hợp các sản phẩm sinh học, nguyên liệu đốt, dầu bôi trơn ,… là những giải pháp tối ưu, tạo nên nguồn năng lượng xanh vừa có thể giải quyết được các mối nguy ngại

do WCO gây ra cho môi trường và con người [2]

Hầu hết các nghiên cứu hiện nay đều tập trung vào việc nghiên cứu sản xuất biodisel sinh học từ WCO Nhưng giải pháp này cũng đang gặp nhiều khó khăn, hạn chế WCO

sẽ được thu mua từ nhiều nguồn khác nhau, ví dụ như từ hộ gia đình, nhà hàng, khách sạn, công ty,… bởi vậy rất khó đảm bảo được sự ổn định về chất lượng Bên cạnh đó,

để sản xuất xăng sinh học biodisel, WCO sau khi thu về cần phải trải qua nhiều bước

xử lý phức tạp làm cho giá thành của sản phẩm tăng cao [3] Vì vậy các nhà nghiên cứu

đã tìm kiếm phương pháp tái chế dầu ăn thải đơn giản bằng phương pháp xà phòng hóa

để tạo ra sản phẩm cồn khô Đây là một phương pháp đơn giản, thuận tiện với chi phí thấp, thân thiện với môi trường, và cũng giải quyết được vấn đề liên quan đến dầu ăn thải

Cồn khô được ứng dụng rộng rãi trong các ngành dịch vụ ăn uống, du lịch Vì nó có thời gian cháy lâu hơn, độ lệch nhiệt trị ít hơn, an toàn hơn và thuận tiện hơn cho quá trình vận chuyển Hiện nay, trên thị trường cồn rắn có hai dạng chính là ethanol và methanol (cồn công nghiệp, độc), được sản xuất từ những hóa chất vô cơ và hữu cơ, gây tốn kém chi phí sản xuất và không thân thiện với môi trường [4] Cồn khô hay còn được gọi là cồn gel, các chất tạo gel có thể là Sodium Stearate, Calci Acetate, dẫn xuất cellulose [3],… Trong công nghiệp Sodium Stearate là chất tạo gel được sử dụng phổ biến nhất trong quá trình sản xuất cồn rắn Mặt khác, thành phần chính của dầu ăn thải

và mỡ động vật là các chất béo trung tính, có thể bị xà phòng hóa bằng Sodium hydroxide và tạo thành các chất tạo gel của cồn khô [5]

2 Lý do chọn đề tài

Hiệu suất tổng hợp cồn khô từ WCO phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nồng độ NaOH, tỷ lệ WCO:ethanol, nhiệt độ, thời gian phản ứng Các nghiên cứu trước chỉ ra rằng: nồng độ NaOH sử dụng gấp 1,5 lần lý thuyết, gia nhiệt ở 100ºC trong 30 phút [3]; trọng lượng WCO là 0,2% trọng lượng cồn, 0,0275% trọng lượng NaOH, 0,7725% trọng lượng WCO và thời gian phản ứng là 45 phút [6];công thức sản xuất cồn khô là 80g ethanol, 10g WCO, 2 g NaOH, 3g H2O [7] Có thể thấy rằng, mặc dù đã có các nghiên cứu về vấn đề này, tuy nhiên việc tìm ra các giá trị tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tái chế WCO thành cồn khô vẫn còn chưa thống nhất, phụ thuộc vào nhiều yếu tố bên ngoài khác như chất lượng WCO đầu vào Do đó, để nâng cao

hiệu suất của quá trình chuyển hóa, cũng như nâng cao chất lượng sản phẩm, việc xác định các giá trị tối ưu của các thông số ảnh hưởng đến quá trình đối với mỗi loại nguyên liệu WCO đầu vào đóng vai trò rất quan trọng Chính vì vậy, tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa dầu ăn thải thành nhiên liệu đốt”

3 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu chung: Nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp tái sử dụng triệt để WCO để tạo

ra nhiên liệu đốt có hiệu quả sử dụng cao

- Xác định thời gian cháy, nhiệt trị, hiệu suất đốt của sản phẩm chuyển hóa

- Áp dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm (Design of Experiments – DoE) theo kiểu thiết kế giai thừa phân đoạn (fractional factorial design – FFD) để kiểm chứng về mặt thống kê sự ảnh hưởng của các yếu tố tỷ lệ WCO:ethanol, thời gian, nhiệt độ đến nhiệt trị của sản phẩm

- Thử nghiệm tổng hợp biodiesel từ mẫu WCO

4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu:

- WCO được thu thập từ quán ăn vặt chiên rán cá viên đường phố tại phường Hòa Xuân, quận Cẩm Lệ thành phố Đà Nẵng

- WCO thu thập được từ quán cơm gà tại phường Hòa Khánh Nam, quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng

- Mỡ động vật thu thập từ hộ gia đình trên địa bàn phường Hòa Khánh Nam, quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng

- WCO thu thập từ hộ gia đình trên địa bàn phường Hòa Khánh Nam, quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng

- Các yếu tố ảnh hường bao gồm tỷ lệ WCO:ethanol, thời gian, nhiệt độ đến quá trình chuyển hóa WCO thành cồn khô

- Thời gian cháy, nhiệt lượng, hiệu suất đốt của sản phẩm cồn khô

- Quy trình tổng hợp biodiesel từ WCO với xúc tác là NaOH

4.2 Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của bốn yếu tố: nồng độ NaOH, tỷ lệ WCO:ethanol, thời gian, nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa dầu ăn thải thành cồn khô

- Nghiên cứu ảnh hưởng chung ba yếu tố (tỷ lệ WCO:ethanol, nhiệt độ, thời gian) đối với nhiệt trị của sản phẩm cồn khô, qua đó đánh giá mối quan hệ tương quan giữa các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt trị của sản phẩm cồn khô, và tìm ra mô hình hồi quy phù hợp

- Thử nghiệm tổng hợp biodiesel từ mẫu dầu ăn thải

Các thí nghiệm khảo sát được thực hiện tại phòng Hóa Hữu Cơ dãy B2 trường Đại học Sư phạm- Đại học Đà Nẵng, trong thời gian nghiên cứu từ tháng 10 đến tháng 12/2023

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Thu thập, tổng hợp các tài liệu, tư liệu, thông tin, các bài báo liên quan đến đề tài như: dầu ăn thải, các quá trình sản xuất cồn khô, quá trình tổng hợp biodiesel

- Tìm hiểu tài liệu về quá trình phân tích các chỉ tiêu chất lượng dầu mỡ: Hàm lượng nước, chỉ số acid, chỉ số acid béo tự do, chỉ số xà phòng hóa, chỉ số Iod, chỉ số peroxide, độ nhớt, khối lượng riêng

- Tìm hiểu các phương pháp thực nghiệm, thiết kế thí nghiệm, thống kê và xử lý

số liệu liên quan đến đề tài

5.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp thu gom, xử lý, và xác định các thông số cơ bản của mẫu dầu, mỡ thải

- Phương pháp tổng hợp WCO thành cồn khô (Ester hóa)

- Phương pháp tổng hợp biodiesel từ WCO

- Phương pháp FT-IR để xác định phổ hấp thụ hồng ngoại của mẫu WCO và sản phẩm

- Phương pháp GC-MS để xác định thành phần acid béo của mẫu WCO

- Phương pháp quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định được đặc trưng cấu trúc và nhóm chức đặc trưng của cồn khô tổng hợp được

- Phương pháp thiết kế thí nghiệm DoE theo kiểu thiết kế giai thừa FFD để kiểm chứng về mặt thống kê sự ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến nhiệt trị và sau

đó đưa ra phương trình dự đoán sự ảnh hưởng của các yếu tố đó

5.3 Phương pháp xử lý số liệu

- Phân tích và tối ưu các dữ liệu nghiên cứu: trên cơ sở các kết quả nghiên cứu để xác định điều kiện thích hợp để sản xuất cồn rắn; phân tích các chỉ tiêu sản phẩm cồn rắn, từ đó so sánh và đánh giá chất lượng sản phẩm

- Thiết kế thí nghiệm theo kiểu FFD

6 Đóng góp của đề tài

- Cung cấp các thông tin khoa học, các phương pháp xác định một số chỉ tiêu của

dầu mỡ

- Cung cấp thông tin khoa học về quy trình sản xuất cồn khô

- Cung cấp các thông tin khoa học các chỉ tiêu hóa lý của sản phẩm cồn khô

- Cung cấp thông tin khoa học về phương pháp thiết kế thí nghiệm DoE

- Cung cấp thông tin khoa học về quy trình sản xuất biodiesel

- Góp phần tái chế WCO giúp bảo vệ môi trường

7 Kết cấu, nội dung đề tài

Đề tài được trình bày theo cấu trúc như sau:

Chương 1 Tổng quan

- Tìm hiểu tính chất, đặc điểm của WCO, cồn khô

- Tìm hiểu quy trình tổng hợp cồn khô từ WCO

- Tìm hiểu tính chất đặc điểm và quy trình tổng hợp biodiesel

- Tìm hiểu về phương pháp thiết kế giai thừa FFD

Chương 2 Thực nghiệm

- Thiết bị, dụng cụ, hóa chất

- Thu thập và xử lý mẫu WCO

- Phân tích các chỉ tiêu của WCO

- Tiến hành quá trình tổng hợp cồn khô từ WCO

- Tối ưu hóa các yếu tố quan trọng trong quá trình tổng hợp cồn khô bao gồm nồng độ NaOH, tỷ lệ WCO:ethanol, thời gian phản ứng, và nhiệt độ phản ứng

- Xác định tính chất và thành phần của sản phẩm cồn khô

- Sử dụng phương pháp FFD để kiểm chứng về mặt thống kê sự ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến kết quả, và đưa ra phương trình dự đoán sự ảnh hưởng của các yếu tố đó

- Thử nghiệm tổng hợp biodiesel từ WCO

Chương 3 Kết quả và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về dầu thực vật và mỡ động vật

Dầu (oil) là tất cả các chất hóa học không phân cực dưới dạng chất lỏng nhớt ở nhiệt

độ môi trường, các chất kỵ nước và ưa béo Dầu có hàm lượng carbon và hydro cao nên thường dễ cháy và là một chất hoạt động bề mặt [8]

Dầu có thể có nguồn gốc từ thực vật hoặc động vật Chúng được sử dụng cho ngành thực phẩm, nhiên liệu, dầu bôi trơn,…

1.1.1 Dầu thực vật

Dầu thực vật là những loại dầu được chiết xuất, tinh chế từ các bộ phận của thực vật như hạt, hoa, thân, trái,… của một số loại thực vật có dầu như dừa, hướng dương, ô liu,… minh họa tại Hình 1.1

Có thể phân loại dầu thực vật thành 2 loại:

- Dầu ăn được: các loại dầu phổ biến trong đời sống như dầu cải, dầu hướng dương, dầu đậu nành,…

- Dầu không ăn được: dầu hạt jatropha, mahua, karanja,… không được dùng trong thực phẩm do cây có chứa độc tố [9]

Hình 1 1 Dầu thực vật [10-11]

Thành phần chủ yếu của dầu thực vật là các phân tử triglyceride, chiếm từ 90 đến 98% Tùy thuộc vào nguyên liệu mà các thành phần acid béo có trong dầu cũng

khác nhau Bên cạch đó, trong dầu thực vật còn chứa một số acid béo tự do được đặc trưng bởi chỉ số acid (AV) Chỉ số này ảnh hưởng đến quá trình ester hóa dầu

Triglyceride được tạo thành từ ba phân tử acid (R-COOH) và một phân tử glycerol [C3H5(OH)3].Công thức cấu tạo của triglyceride được miêu tả như Hình 1.2 Các gốc acid béo khác nhau có ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất vật lý và hóa học của dầu thực vật [12] Một số acid béo thường có mặt trong phân tử triglyceride được liệt

kê ở Bảng 1.1

Hình 1 2 Công thức cấu tạo của triglyceride [8]

Bảng 1 1 Công thức hóa học của các acid béo thông dụng trong dầu mỡ [8]

Myristic (14:0) CH3(CH2)12COOH CH3(CH2)14COOH

Palmitic (16:0) CH3(CH2)16COOH CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

Trong dầu thực vật còn chứa khoảng 1 – 5% acid béo tự do Acid béo tự do là các acid monocarboxylic no hoặc chưa no nhưng không liên kết với phân tử glycerol Ngoài ra, dầu thực vật còn chứa các hợp chất như phospholipid, phosphatide, carotene, tocopherol và một số hợp chất có chứa lưu huỳnh [5], [8]

1.1.1.1 Ưu điểm của dầu thực vật

Dầu thực vật là nguyên liệu tái sinh được, nguyên liệu để sản xuất nên dầu thực vật thân thiện với môi trường và có độ an toàn cao

Dầu thực vật trong thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, có thể chứa nhiều vitamin A, acid béo omega – 3 và omega- 6…

Ngoài ra một số loại dầu thực vật còn được ứng dụng trong làm đẹp (dầu dừa, dầu bơ,…)

1.1.1.2 Nhược điểm của dầu thực vật

Do sản lượng và tính chất của dầu thực vật phụ thuộc nhiều vào vị trí địa lý tự nhiên, thời tiết nên không được đảm bảo dân đến giá thành dầu thực vật khá cao

Muốn thu được một sản phẩm dầu thực vật ra thị trường cần đi qua nhiều công đoạn chiết xuất, tinh chế, chuyển đổi

Dầu thực vật dễ bị oxy hóa ở nhiệt độ cao, sản sinh ra aldehyde độc hại

1.1.2 Mỡ động vật

Mỡ động vật hay gọi chung là dầu mỡ từ động vật là chất béo có nguồn gốc từ động vật, gọi là tinh dầu động vật nếu ở dạng lỏng ở nhiệt độ thường và là mỡ động vật khi ở thể rắn (minh họa ở Hình 1.3) Mỡ động vật thường được phát sinh từ các lò giết

mổ, các nhà máy, dây chuyền chế biến thủy hải sản Mỡ động vật chứa khá nhiều acid béo no vitamin A, vitamin D Tuy nhiên chúng lại có khả năng tái tạo cholesterol trong máu Một số loại mỡ được sử dụng làm thức ăn nhưng không được khuyến khích vì nó

có khả năng gây bệnh nếu sử dụng trong lâu dài

Thành phần hóa học của mỡ động vật tương tự như dầu thực vật, tuy nhiên chỉ số acid của mỡ động vật khá cao

Hình 1 3 Mỡ động vật [13-14]

Cho nên cần phải tiêu hủy hoặc tái sử dụng với mục đích khác để tạo ra các nguồn nguyên liệu xanh, tránh cho việc thải trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm môi trường

1.2 Dầu ăn thải

WCO bao gồm dầu thực vật và mỡ đã qua sử dụng để chế biến thực phẩm ở các hộ gia đình, các hàng quán, các nhà hàng, công ty,… , được minh họa ở Hình 1.4

Đối với quá trình chế biến thực phẩm hiện nay, chiên rán là một phương pháp chế biến thông dụng nhất vì nó tạo ra được hương vị tuyệt vời, những món ăn yêu thích của giới trẻ hiện nay Trong suốt quá trình chế biến ấy, đã xảy ra 3 phản ứng hóa học là phản ứng nhiệt phân, phản ứng oxy hóa và phản ứng thủy phân [15] Đây là những nguyên nhân gây ra các biến đổi về màu sắc, tính chất hóa lý cũng như chất lượng của dầu ăn Một vài tính chất của dầu có thể thay đổi là tăng độ nhớt, hàm lượng acid béo tự do, chỉ

số iod, sẫm màu và thay đổi mùi vị

Hình 1 4 Dầu ăn thải [15-16]

Tuy nhiên, một số hàng quán để tiết kiệm chi phí sẽ lựa chọn tại sử dụng dầu ăn

để chiên đi chiên lại nhiều lần Điều này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người sử dụng Trong quá trình chiên rán ở nhiệt độ cao, dầu thải sinh ra nhiều độc tố gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người Nếu nấu ở nhiệt độ càng cao, số lần nấu lại càng nhiều thì lượng chất độc hại sinh ra càng nhiều

Thành phần hóa học của dầu thải gần giống với dầu thực vật và mỡ động vật Tuy nhiên qua các quá trình chiên rán ở nhiệt độ cao, các phản ứng nhiệt phân tạo

ra CO, CO2, các chất dimer, ceton, ester,… và các hợp chất không no Các phản ứng oxy hóa theo cơ chế góc tự do tạo ra các hợp chất dimer, oligomer cồng kềnh; các acid béo tự do, monoglyceride được tạo ra nhờ các phản ứng thủy phân,…[9] Thành phần acid béo và tính chất của một số loại dầu thực vật điển hình được trình bày cụ thể trong Bảng 1.2

Bảng 1 2 So sánh một số tính chất và thành phần acid béo của dầu ăn thải với một số

loại dầu thực vật điển hình [8]

Tính chất

Dầu ăn đã qua sử dụng

Dầu hạt bông

Dầu hạt cải

Dầu nành

0 0,925 66,6 7,25

11,67 0,89 13,27 57,51

0 0,912

50 0,11

3,49 0,85 64,4 22,3 8,23 0,914 39,5 1,14

11,75 3,15 23,26 55,53 6,31 0,92

65 0,2

Bên cạnh đó, một số lại lựa chọn cách thải bỏ dầu thải đã qua sử dụng Dầu mỡ sau khi dùng để chiên rán, nấu nướng còn dư thừa đem theo lượng lớn vụn thức ăn thừa Sản phẩm này có độ bám dính rất cao Khi đổ xuống ống cống, chúng sẽ đông lại, kết dính thành mảng, bám chặt trong đường ống với tình trạng đông cứng Lâu dần, sự tích

tụ này sẽ bịt đường ống thoát nước, khiến việc thoát nước trở nên chậm hơn [17] Ngoài

ra việc đổ dầu thừa ra đất, vường cây sẽ thu hút một số loại côn trùng có hại

Hình 1 5 Tác hại của viêc đổ trực tiếp dầu ăn thải xuống cống [17-18]

Hiện nay, WCO được thu mua về để tái chế và tiếp tục sử dụng Nhưng để thực hiện được một quy trình đạt chuẩn cần rất nhiều kinh phí vì vậy không mang lại lợi ích kinh

Các loại cồn khô có trên thị trường:

- Cồn sinh học (cồn ethanol):

• Được sản xuất từ thực vật hoặc từ quá trình lên men

• Bản chất của loại cồn này là không gây độc hại

• Khi cháy cho ngọn lửa màu vàng, không gây mùi khó chịu, mùi khét [4]

- Cồn công nghiệp (cồn methanol) :

• Khá độc hại, nếu cồn methanol không cháy hết sẽ sản sinh ra formaldehyde gây nguy hiểm đến sức khỏe con người

• Khi cồn methanol cháy sẽ cho ngọn lửa màu xanh và có mùi hăng [4]

1.3.2 Phương pháp sản xuất cồn khô

Cồn khô là một loại cồn gel, trong đó các chất tạo gel có thể là Sodium Stearate [5], Calci acetate [19], dẫn xuất cellulose,… Trong sản xuất thương mại, Sodium Stearate (được hình thành bởi phản ứng của Stearic acid và Sodium Hydroxyde là chất tạo gel được sử dụng phổ biến nhất để điều chế cồn khô Sodium Stearate là một phân

tử phân cực có chuỗi carbon dài và độ hòa tan của nó trong rượu tăng khi nhiệt độ tăng

Do đó, Sodium Stearate được phân tán đồng đều trong rượu lỏng ở nhiệt độ cao và tạo thành mạng lưới xốp ba chiều (3D) Sau khi làm lạnh, mạng này bẫy các phân tử rượu

và tạo thành cồn khô [20]

Hiện nay có 3 phương pháp sản xuất cồn khô [21]:

- Sử dụng calci acetate: Đầu tiên là hòa lẫn calci acetate bão hòa vào hỗn hợp dung

môi nước và ethanol Ta sẽ được keo calci acetate hay được gọi là cồn khô Tỷ lệ hỗn hợp này là 7:5:1 (mL) Trong đó: 75mL rượu ethanol, 10mL calci acetate bão hòa

- Sử dụng acid béo và kiềm: Khi đun nóng rượu alcohol thì acid béo sẽ phản ứng

nhanh chóng, nhiều hơn rồi kết hợp với kiềm cho ra xà phòng và axit béo:

C17H35COOH + NaOH → C17H35COONa + H2O

• Sodium stearate (C17H35COONa) sau khi được tạo ra sẽ bị hòa tan tiếp một phần trong nước sau đó tạo ra một lớp vỏ cứng Khi rượu thấm vào lớp này thì có nghĩa là cồn khô sẽ được tạo thành

• Có thể bổ sung thêm một số tạp chất như phenolphtalein, rose bengal để tạo màu sắc bắt mắt cho cồn mà không ảnh hưởng đến thời gian cháy

• Các muối của Sodium, Potassium nitrate và clorat, lithium, Cuprum được thêm vào để tạo màu sắc cho ngọn lửa với lượng nhỏ (<1% tổng khối lượng cồn) [22]

- Sử dụng dẫn xuất cellulose: Các nhiên liệu gồm 10g methocel J75 MS, 50g

nước, 170g ethanol, 2–4 g Sodium hydroxyde và một lượng nhỏ alumin trihydrat

• Dẫn xuất cellulose kết hợp với lớp ngăn chặn giúp ngăn cản quá trình hydrat hóa, đảm bảo chất lượng cồn sản xuất ra

Dầu thực vật hoặc mỡ động vật chủ yếu bao gồm chất béo trung tính, có thể bị xà phòng hóa để tạo thành muối sodium của acid béo và glycerol khi có mặt bazơ mạnh

Vì vậy, một số loại dầu hoặc chất béo có thể đóng vai trò là tiền chất của cồn khô So với cồn lỏng làm nhiên liệu, cồn khô có nhiều ưu điểm như thời gian cháy lâu hơn, nhiệt

độ ngọn lửa đồng đều hơn, độ an toàn cao hơn, thuận tiện mang theo và bảo trì

1.4 Biodisel và phương pháp sản xuất biodiesel

1.4.1 Biodiesel

Biodiesel còn được gọi là diesel sinh học bắt đầu được sản xuất khoảng giữa những năm 1800, trong thời điểm đó người ta chuyển hóa dầu thực vật để thu Glycerin ứng dụng làm xà phòng và thu được các phụ phẩm là metyl hoặc ethyl Este gọi chung là biodiessel [20,23] Biodiesel thu được từ phản ứng trao đổi este của triglyxerit với rượu đơn chức mạch ngắn (như methanol, ethanol,…) dưới sự có mặt của xúc tác [24] Biodiesel là một este monoalkyl của dầu thực vật hoặc mỡ động vật [25]

1.4.2 Các phương pháp sản xuất biodiesel

Có nhiều phương pháp để sản xuất biodiesel như:

- Phương pháp pha loãng trực tiếp;

- Phương pháp nhiệt phân;

- Phương pháp tạo vi nhũ tương;

- Phương pháp transester hóa [9]

Trong các phương pháp trên, phương pháp transester hóa thường hay được sử dụng

để sản xuất biodiesel Transester hóa là phản ứng để chuyển hóa các phân tử

triglyceride thành các alkyl ester của các acid béo mạch dài bằng cách sử dụng các loại

rượu như methanol, ethanol, (Hình 1.6) Phản ứng này có thể được xúc tác bằng nhiều

chất xúc tác khác nhau như xúc tác kiềm, acid, hoặc enzyme Trong phản ứng transester hóa, nước và acid béo tự do luôn có ảnh hưởng tiêu cực, bởi vì sự hiện diện của nước và acid béo tự do sẽ tạo ra sản phẩm xà phòng, tiêu hao chất xúc tác và làm giảm hiệu quả của chất xúc tác, kết quả là làm cho độ chuyển hóa của phản ứng thấp Ngoài ra, các dimer và trimer hình thành trong suốt quá trình nấu nướng cũng ảnh hưởng tiêu cực đến các tính chất của biodiesel như cặn lắng carbon Conradson

(CCR) [8] Hình 1.7 giới thiệu một quy trình sản xuất biodiesel từ mỡ động vật

Hình 1 6 Phản ứng transester hóa của triglyceride với rượu [6]

Giới thiệu quy trình sản xuất biodiesel từ mỡ bò, xúc tác kiềm [8]

Hình 1 7 Các bước quan trọng trong sản xuất biodiesel với xúc tác kiềm [8] 1.5 Phương pháp thiết kế thí nghiệm (Design of Experiments – DoE) theo kiểu fractional factorial design

DoE là một phương pháp khoa học được sử dụng để thu thập và phân tích dữ liệu trong một loạt các thử nghiệm có mục tiêu Mục đích chính của DoE là tìm hiểu mối quan hệ giữa các biến độc lập (yếu tố) và biến phản ứng (kết quả), cũng như xác định các yếu tố nào có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả, và tối ưu hóa quy trình hoặc sản phẩm [26]

DoE là một phương pháp có hệ thống nhằm xác định các yếu tố (factors) đầu vào cấu thành sản phẩm hay các yếu tố trong quá trình sản xuất (Xi, Zi) có quan hệ mật thiết với mục tiêu đầu ra của sản phẩm hay quy trình sản xuất (Y) Trên cơ sở đó ta có thể kiểm soát nhằm đạt mục tiêu đầu ra thông qua việc lựa chọn các tổ hợp đầu vào hay kiểm soát các yếu tố trong quá trình sản xuất [27]

DoE thường sử dụng các nguyên tắc thống kê và các kỹ thuật thiết kế thử nghiệm như phân tích phương sai (ANOVA), kiểm tra, kiểm định chi phí hiệu suất (DoE cho hiệu suất) và thiết kế ma trận thử nghiệm để thực hiện các thử nghiệm có cấu trúc [26]

Nguyên lý: Để thực hiện DoE, người ta tiến hành một loạt các chạy thử với sự thay đổi các yếu tố đầu vào và kiểm tra kết quả nhằm mục đích thu thập các yếu tố đầu ra để đánh giá sự thay đổi tương ứng Dữ liệu được thu thập cho mỗi lần thử nghiệm để phân tích ảnh hưởng của chúng để sản phẩm đầu ra và thông qua đó lựa chọn và thiết lập mức giá trị tối ưu cho các giá trị đầu vào để tối ưu hóa kết quả đầu ra

Phân loại: DoE được chia thành 4 loại gồm:

- Thiết kế bề mặt đáp ứng (Response surface design): là dạng nâng cao của thiết kế giai thừa.Với công cụ này, ta có thể hiểu chính xác và tối ưu hóa thiết kế sản phẩm hoặc các thông số vận hành của quy trình sản xuất

- Thiết kế hỗn hợp (Mixture design): Là dạng đặc biệt của thiết kế bề mặt đáp ứng

- Thiết kế Taguchi (Taguchi design): Là phương pháp thiết kế và phân tích các thử nghiệm mà nó cho phép thiết kế các sản phẩm hoặc các công đoạn sản xuất có chức năng hoặc đặc tính vận hành ổn định trong môi trường sử dụng có tác động của các yếu tố không mong muốn

- Thiết kế giai thừa (Factorial design): Là công cụ để thiết kế và phân tích các thử nghiệm Công cụ này dùng để đánh giá đồng thời tác động của một số biến số đầu vào lên một yếu tố đầu ra Khi thực hiện thiết kế giai thừa, các biến được thay đổi một cách đồng thời và như vậy, các biến được xem xét cả ở góc độ độc lập và tương tác lẫn nhau Thiết kế giai thừa là một dạng thiết kế thử nghiệm, cho phép nghiên cứu tác động của một số yếu tố tới giá trị đầu ra Khi thực hiện phương pháp này, các yếu tố đầu vào được thay đổi đồng thời và tổ hợp với nhau Phương pháp này cho phép nghiên cứu tác động đơn lẻ của từng yếu tố cũng như tương tác giữa chúng với nhau lên kết quả đầu ra

Có 2 loại thiết kế giai thừa:

- Thiết kế giai thừa toàn phần (Full factorial design): Là cách thức thực hiện các thử nghiệm với tất cả các phương án tổ hợp có thể của các biến số với các mức giá trị của chúng Tuy nhiên phương pháp này có một nhược điểm đó là có quá nhiều phản ứng cần phải thử nghiệm vì vậy sẽ rất tốn thời gian

- Thiết kế giai thừa phân đoạn (Fraction factorial design-FFD): Là cách thức tiến hành thử nghiệm với một số phương thức tổ hợp nhất định (được lựa chọn) của các biến số

• Cách thức này được lựa chọn khi nguồn lực để thực hiện “Thiết kế giai thừa toàn phần” là bất khả thi (do phải thực hiện rất nhiều thử nghiệm riêng lẻ)

• Khi áp dụng FFD một số cơ chế tác động có thể bị ẩn đi và không thể xem xét chúng một cách độc lập nếu không có phương án thích hợp [28]

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị, dụng cụ

- Mỡ động vật thu thập từ hộ gia đình trên địa bàn thành phố Đà Nẵng

- WCO thu thập từ hộ gia đình trên địa bàn phường Hòa Khánh Nam, quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng

2 Sodium hydroxyde NaOH Ăn mòn

3 Potassium hydroxyde KOH Ăn mòn

4 Ethanol C2H5OH Dễ cháy

5 Methanol CH3OH Độc hại, dễ cháy

6 Hydrochloric acid HCl Ăn mòn

7 Isopropyl-alcohol C3H7OH Dễ cháy, độc hại

nhẹ

8 Phenolphtalein

9 Chloroform CHCl3 Độc, dễ bay hơi

1 Cân phân tích Satorius CP224S Đại học Sư phạm – Đại học Đà

HKV3000 Phòng Thí nghiệm khoa Hóa, trường

Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

5 Thiết bị đo

XRD

D8 Advance Eco Đại học Sư phạm – Đại học Đà

Nẵng

6 Tủ sấy Đại học Sư phạm – Đại học Đà

Nẵng

7 Máy đo GC –

MS

YL6900 Phòng thử nghiệm xăng dầu – Công

ty xăng dầu khu vực V-Petrolimex

Với mục đích khảo sát các yếu tố nồng độ NaOH, tỷ lệ WCO:ethanol, thời gian,

nhiệt độ phản ứng sơ đồ nghiên cứu được thực hiện như Hình 2.1

2.2.1 Thu thập và tiền xử lý WCO

2.2.1.1 Thu thập

Hình 2 1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm

WCO được thu thập từ các hộ gia đình, quán cơm gà, tiệm thức ăn nhanh trên địa bàn quận Liên Chiểu và quận Cẩm Lệ, Đà Nẵng

2.2.1.2 Cảm quan

- Màu sắc: Quan sát xác định màu sắc của dầu thải

- Mùi: Quan sát, đánh giá mùi của dầu thải

- Độ trong: Quan sát, đánh giá độ trong của dầu thải

2.2.1.3 Tiền xử lý

WCO thu về được lọc thô bằng khăn xô để loại bỏ các cặn thức ăn trong WCO trong quá trình chiên rán

Gia nhiệt ở 110ºC trong 1 giờ để loại bỏ nước có trong WCO

2.2.2 Xác định các chỉ tiêu hóa lý của WCO

2.2.2.1 Xác định khối lượng riêng của WCO

- Khối lượng riêng ρ của chất là tỉ lệ của khối lượng (m) đối với thể tích (V) của chất đó:

) / (g cm3V

2.2.2.2 Xác định hàm lượng nước trong WCO

Nguyên tắc: Sấy nóng phần WCO (có khối lượng xác định) ở nhiệt độ 103oC ±2℃ cho đến khi độ ẩm và chất bay hơi hoàn toàn được loại bỏ và xác định khối lượng đã mất đi

Phương pháp:

Cân 10g mẫu thử vào cốc thủy tinh đã được sấy khô và cân trước;

Sấy cốc chứa mẫu thử 1 giờ trong tủ sấy ở nhiệt độ 103ºC;

Lấy ra, làm nguội trong bình hút ẩm, sau đó cân mẫu;

Lặp lại các thao tác gia nhiệt, làm nguội và cân cho đến khi hao hụt khối lượng giữa hai lần cân liên tiếp không vượt quá 4mg [29]

Hàm lượng nước trong WCO được tính bằng công thức:

𝑊 =𝑀1−𝑀2

𝑀1−𝑀0× 100% (2.2) Trong đó: M0 là khối lượng cốc thủy tinh;

M1 là khối lượng cốc thủy tinh và mẫu thử trước khi sấy;

M2 là khối lượng cốc thủy tinh và mẫu thử sau khi sấy;

W là phần trăm độ ẩm và hàm lượng chất bay hơi

2.2.2.3 Xác định chỉ số acid AV và độ acid béo tự do FFA trong WCO

Định nghĩa: Là số mg NaOH cần thiết để trung hòa hết acid béo tự do có trong 1g dầu

Ý nghĩa: Chỉ số acid càng cao chứng tỏ dầu mỡ càng kém chất lượng, ngược lại chỉ

số acid thấp thì dầu càng tốt Chỉ số này cho biết mức độ không no của dầu tuy nhiên không cho biết cấu trúc của dầu và thành phần acid béo chưa no

Nguyên tắc: Hòa tan mẫu thử trong một dung môi phù hợp (dung dịch Isopropyl alcohol), sau đó chuẩn độ acid béo tự do với dung dịch NaOH/etanol, chỉ thị phenolphtalein [30]

Phương pháp

• Buret 25mL: Dung dịch NaOH 0,1N;

• Erlen 250mL: 50mL dung dịch Isopropyl alcohol 5,0g dầu Vài giọt phenolphtalein → Chuẩn độ đến khi xuất hiện màu hồng nhạt

Chỉ số acid AV được xác định bằng công thức:

→ AV= 40.𝐶𝑁𝑎𝑂𝐻.𝑉𝑁𝑎𝑂𝐻

𝑚𝑑ầ𝑢 (2.3) FFA = 𝐴𝑣

2 (%) (2.4)

2.2.2.4 Xác định chỉ số xà phòng hóa SV

Định nghĩa: Là số mg NaOH cần thiết để trung hòa và xà phòng hóa hết Glycerid có trong 1g dầu

Ý nghĩa: Chỉ số xà phòng hóa càng cao chứng tỏ dầu mỡ chứa acid béo phân tử lượng thấp và ngược lại, tức cần nhiều base thì mới có thể xà phòng hóa hoàn toàn dầu Nguyên tắc: Đun sôi mẫu thử với dung dịch NaOH trong ethanol và cho hồi lưu bằng

hệ thống sinh hàn sau đó chuẩn độ lượng NaOH dư với dung dịch chuẩn HCl, chỉ thị phenolphtalein [31]

→ Chuẩn đến khi mất màu hồng → ghi lại thể tích HCl đã sử dụng

Chỉ số SV được xác định bằng công thức:

SV = (b−a) C 𝑀𝐾𝑂𝐻

𝑚 (2.5) Trong đó : b là số mL dd HClđã dùng cho mẫu trắng

a là số mL dd HClđã dùng cho mẫu thử

m là lượng chế phẩm đem thử

2.2.2.5 Xác định độ nhớt của WCO

Sử dụng nhớt kế mao quản loại 150, số seri 1817, có hằng số C (40°C) là 0.03487

Đổ dung dịch cần đo vào nhớt kế mao quản độ nhớt Đo thời gian dung dịch chảy từ

vị trí b đến vị trí a

Công thức tính độ nhớt: ν (mm2/s) (2.6)

Trong đó:

C là hệ số kiểm định của nhớt kế, (mm2/s2)

t là thời gian dung dịch chảy từ vị trí b đến vị trí a, (s)

thực chất là khối lượng riêng ρ

Thiết bị đo độ nhớt được minh họa ở Hình 2.2

µ được gọi là hay còn gọi là độ nhớt tuyệt đối (đơn vị kg m-1s-1 hay Pa.s) Độ nhớt

µ được tính từ công thức sau:

𝜗 = 𝜇

2.2.2.6 Xác định chỉ số Iod của dầu

Định nghĩa: Chỉ số iod là số gam iod có thể kết hợp với 100g chất béo

Ý nghĩa: chỉ số iod càng cao thì hàm lượng acid béo không no càng cao và ngược lại; IV biểu thị mức độ không no của dầu mỡ

Nguyên tắc: Hòa tan lượng mẫu thử trong dung môi và cho thêm thuốc thử Wijs, sau một thời gian xác định cho thêm dung dịch Potassium iodua và nước, chuẩn độ iod

đã được giải phóng với dung dịch Sodium thiosulfat, chỉ thị hồ tinh bột [32]

Chỉ số Iod được xác định bằng công thức:

Chỉ số 𝐼𝑜𝑑 = 126,9 × 10−3×(𝑏−𝑎)×𝐶𝑁 ×100

𝑚 (2.8)

Hình 2 2.Thiết bị đo độ nhớt Koehler

Trong đó: b: số ml dd Na2S2O3 đã dùng cho mẫu trắng

a: số ml dd Na2S2O3 đã dùng cho mẫu thử

m: khối lượng mẫu dầu phân tích

CN: nồng độ đương lượng của dung dịch chuẩn Na2S2O3

2.2.2.7 Xác định chỉ số Peroxide của dầu

Trị số peroxide (peroxide value – PV) là giá trị đo lượng oxy liên kết hóa học với dầu hoặc mỡ dưới dạng các peroxide, đặc biệt là các hydroperoxide

Nguyên tắc xác định trị số peroxide: đo lượng chất có trong mẫu thử làm oxy hóa Potassium iodua, tính bằng đơn vị oxy hoạt động trên 1 kg mẫu (meq/kg) Phần mẫu thử được hòa tan trong isooctan và acid axetic băng rồi bổ sung Potassium iodua Iod được giải phóng bởi các peroxide được xác định bằng phương pháp chuẩn độ iod với chất chỉ thị hồ tinh bột và dung dịch chuẩn Sodium thiosulfat Quá trình này trải qua các phản ứng hóa học sau:

ROOH + KI→ ROH + KOH + I2

I2 + starch + 2Na2S2O3 (nâu đen) → 2NaI + starch + Na2S4O6 (không màu) Trị số peroxit (PV) biểu thị bằng mili đương lượng (meq) oxy hoạt động trên kilogam được tính theo công thức:

𝑃𝑉 =(𝑉−𝑉𝑇)×𝐶𝑁𝑎2𝑆2𝑂3×𝐹×1000

𝑚 (2.9) Trong đó:

V là thể tích dung dịch chuẩn Sodium thiosulfat dùng để xác định (ml);

VT là thể tích dung dịch chuẩn Sodium thiosulfat dùng trong phép thử trắng (ml);

𝐶𝑁𝑎2𝑆2𝑂3 là nồng độ của dung dịch Na2S2O3 (mol/l);

m là khối lượng phần mẫu thử (g);

F là hệ số (độ chuẩn) của dung dịch Na S O 0,01N

Xác định F bằng cách cho Na2S2O3 tác dụng với KIO3 trong KI Tính hệ số, F, của dung dịch chuẩn Na2S2O3 0,01 N bằng công thức sau:

𝐹 = 𝑚𝐾𝐼𝑂3×𝑉1×6×1000×𝐶%𝐾𝐼𝑂3

𝑀𝐾𝐼𝑂3×𝑉 2 ×𝑉 3 ×𝐶𝑁𝑎2𝑆2𝑂3×100 (2.10) Trong đó:

6 là khối lượng đương lượng để chuẩn độ (1 mol KlO3 ⟺ 3 mol l2);

V1 là thể tích dung dịch Potassium iodate dùng để xác định độ chuẩn độ (5 mL hoặc 10 mL);

V2 là tổng thể tích dung dịch Potassium iodua (250 ml hoặc 500 mL);

V3 là thể tích dung dịch chuẩn Sodium thiosulfat 0,01 N dùng để xác định (mL);

𝑚𝐾𝐼𝑂3 là khối lượng Potassium iodate (g);

𝐶%𝐾𝐼𝑂3 là độ tinh khiết của Potassium iodate (g/100 g);

𝑀𝐾𝐼𝑂3 là khối lượng mol phân tử của Potassium iodate (214 g/mol);

𝐶𝑁𝑎2𝑆2𝑂3 là nồng độ của dung dịch chuẩn Sodium thiosulfat 0,01N (0,01 mol/L) [33]

2.2.3 Quy trình tổng hợp cồn khô từ WCO

Tìm hiểu quy trình sản xuất cồn khô từ acid béo (Steric acid) [34] tại Việt Nam hiện nay đang sử dụng, đề xuất quy trình sản xuất cồn khô từ chất béo thải như sau: Lấy m g WCO được hòa tan với 100 ml cồn 96º trong tam giác 250 ml, đặt lên bếp khuấy từ và lắp sinh hàn ngưng tụ hồi lưu ở nhiệt độ 60ºC cho đến khi được dung dịch màu vàng Trong khi đó, một lượng Sodium hydroxyde thích hợp (dựa vào chỉ tiêu xà phòng hóa của dầu) được hòa tan trong 2÷3 mL nước cất để thu được dung dịch Sodium hydroxyde Tiến hành đun hồi lưu và khuấy ở nhiệt độ 70oC trong khoảng thời gian t phút tạo thành dung dịch đồng nhất màu vàng nhạt Kết

thúc quá trình đun hồi lưu, tiến hành rót hỗn hợp vào khuôn và để nguội ở nhiệt độ phòng [2]

2.2.3.1 Khảo sát nồng độ NaOH thích hợp cho quá trình tổng hợp cồn khô

Các loại dầu khác nhau có chỉ số chất béo và chỉ số xà phòng hóa khác nhau sẽ cần lượng NaOH khác nhau để xà phòng hóa Tiến hành khảo sát khối lượng NaOH cho quá trình sản xuất cồn khô với hệ số tỉ lệ là 1,00; 1,25; 1,50; 1,75; 2,00 so với chỉ số xà phòng hóa của dầu ăn thải Với các điều kiện phản ứng không đổi là tỷ lệ WCO:ethanol

là 10:100; nhiệt độ đun hồi lưu là 70ºC; thời gian phản ứng là 45 phút; tốc độ khuấy

350 vòng/phút So sánh các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm cồn khô để chọn nồng độ

NaOH thích hợp

mNaOH = T x SV x mdầu (2.11)

Hình 2 3 Bộ dụng cụ đun hồi lưu chuyển hóa WCO thành cồn khô