Đồ án tốt nghiệp thuỷ phân dầu Hướng Dương tạo nhũ tương bitum

Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum phần mở đầu Trong trình hoá học công nghệ Tổng hợp hữu hoá dầu trình thuỷ phân este, đặc biệt este dầu thực vật giữ vị trí quan trọng Có hai phơng pháp thuỷ phân thuỷ phân nớc thuỷ phân kiềm (hay gọi trình xà phòng hoá) Sản phẩm thu đợc cuả trình thuỷ phân gồm glixerin axit béo muối axit béo (nếu dùng kiềm để thuỷ phân dầu), hợp chất hữu có giá trị cao, đợc dùng làm nguyên liệu cho nghành công nghiệp sản xuất mỹ phẩm, hơng liệu, dợc phẩm Một ứng dụng khác axit béo mà đợc nghiên cú phát triển làm nguyên liệu sản xuất chất hoạt động bề mặt, đặc biệt chất nhũ hoá để pha vào bitum tạo nhũ tơng bitum dùng công nghệ làm đờng Với đặc tính u việt mình, nhũ tơng bitum đợc coi vật liệu làm đờng đảm bảo độ bền, độ ổn định, độ an toàn nh hiệu kinh tế Ban đầu thờng sử dụng nhũ tơng anion nhng sau chúng dần đợc thay nhũ tơng cation Nhũ tơng bitum đợc sử dụng nhiều lĩnh vực nh tu, bảo dỡng, sửa chữa, rải nhựa, láng mặt, làm lớp dính bám lớp bảo dỡng, thấm nhập tới thấm nhựa, gia cố cấp phối đá nghiền sỏi cuộn trộn nhũ tơng chế tạo vữa nhựa hạt thô, trộn nguội, rải nguội Sử dụng nhũ tơng bitum có nhiều u điểm nh gia công trạng thái nguội cải thiện đợc điều kiện làm việc cho công nhân Ngoài thi công lúc thời tiết không thuận lợi nh ma, gió, nhiệt độ thấp, vật liệu ẩm Sử dụng nhũ tơng bitum tiết kiệm đợc tỉ lệ bitum từ 15-30% so với phơng pháp trộn đờng Mặt khác, nhũ tơng bitum có nớc nên khả lèn chặt mặt đờng dễ Hơn nữa, sử dụng nhũ tơng bitum góp phần bảo vệ môi trờng Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Nh vậy, việc nghiên cứu chế tạo nhũ tơng bitum cần thiết nhằm đáp ứng nhu cầu hoàn thiện hệ thống đờng để phù hợp với tình hình phát triển kinh tế, xã hội đất nớc Trong phạm vi nghiên cứu tiến hành khảo sát trình chế tạo chất nhũ hoá từ dầu Hớng Dơng để chế tạo nhũ tơng bitumkhảo sát bớc trình chế tạo nhũ tơng bitum thuỷ phân dầu Hóng Dơng để thu axit Linoleic, nguyên liệu để chế tạo chất nhũ hoá pha vào bitum tạo nhũ t ơng bitum Phần I tổng quan Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum I Giới thiệu Hớng Dơng dầu Hớng Dơng: Cây Hớng Dơng gọi hoa mặt trời, thuộc họ cúc Hớng Dơng loại trồng năm, cao từ 1,5-3m Hớng Dơng có nguồn gốc phía Tây Bắc Trung Mỹ Hiện nay, đợc trồng nhiều nớc xứ lạnh châu Âu, châu á, châu Mỹ, đặc biệt Liên Xô cũ (chiếm 90% sản lợng giới) Liên Xô, Hớng Dơng có dầu đứng hàng đầu Hiện nay, nớc thuộc Liên Xô cũ trồng đợc 50 loại Hớng Dơng có hàm lợng dầu cao, sản lợng cao Loại Hớng Dơng tốt cho suất 35-36 hạt/ có hàm lợng dầu tới 50% nớc ta, Hớng Dơng đợc trồng từ lâu vùng núi cao nh Cao Bằng, Lạng Sơn, Hoàng Liên Sơn, Lai Châu Hạt Hớng Dơng quả, gồm phần: Vỏ hạt, vỏ lụa nhân Hàm lợng vỏ hạt từ 19-26% so với khối lợng hạt, vỏ lụa 1-4% lại phần nhân Kích thớc trung bình hạt Hớng Dơng là: Chiều dài: 5-14 mm Chiều rộng: 4-8mm Chiều dày: 2-5mm Khối lợng: 1000 hạt khô từ 44-98 gam Dung trọng: 340-440kg/m3 Thành phần hoá học hạt Hớng Dơng (tính theo % chất khô) : Dầu (lipit): 52.1 54% Protein: 15.6 17% Xenlulôzơ: 12.9 14% Tro: 2.98 3.31% Dầu Hớng Dơng (sunflower oil) đợc ép từ nhân hạt Hớng Dơng (tên khoa học Helianthus Anmus) Dầu Hớng Dơng có nhiều công dụng, đợc dùng chủ yếu làm dầu thực phẩm, sản xuất bơ nhân tạo tốt cho sức khoẻ ngời Ngoài ra, dùng để sản xuất axit linoleic, axit oleic axit béo có giá trị cao nhiều nghành công nghiệp, đặc biệt nghành Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum công nghiệp mỹ phẩm, dợc liệu Khô dầu Hớng Dơng thức ăn quý cho gia súc, có tới 44 47% protein Protein hạt Hớng Dơng mặt thành phần giống protein trứng gà nên sản phẩm protein tiên tiến nuôi dỡng ngời Vỏ hạt Hớng Dơng đợc sử dụng làm nguyên liệu công nghiệp thuỷ phân làm nhiên liệu Dầu Hớng Dơng loại dầu thảo mộc có công thức chung triglixerit glixerin axit béo, chứa thêm lợng chất không béo O CH2O C R O CHO C R R, R, R gốc axit béo O CH2O C R Trong loại dầu, tỉ lệ axit béo thờng thay đổi nhng có số đặc trng loại dầu chứa Trong dầu Hớng Dơng, axit béo chủ yếu là: Axit linoleic 46 62%, có công thức cấu tạo nh sau: C5H11-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7COOH Ngoài ra, có axit béo khác nh: Axit oleic (C17H31COOH): 24-40% Axit panmitic (C15H29COOH): 3,5-6,4% Axit stearic (C17H35COOH): 1,6-4,6% Thành phần dầu biến đổi tuỳ theo phơng pháp sản xuất, điều kiện thời gian bảo quản dầu trớc sử dụng Khi nghiên cứu dầu thảo mộc, ta cần biết rõ số vật lí hoá học Hằng số lí học chủ yếu trọng lợng riêng, độ nhớt, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ đóng băng, hệ số chiết quang Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Hằng số hoá học chủ yếu số axit, số iot, số xà phòng hoá, số axetyl Các số hoá lí chủ yếu dầu Hớng Dơng là: Chỉ số iot: 119 194 Chỉ số xà phòng hoá: 186 194 Chỉ số chiết quang n20D: 1,474 1,478 Tỉ trọng 150C: 0,92 0,927 Hàm lợng chất không bị xà phòng hoá: 0,3 0,7% Dầu Hớng Dơng bị hóa rắn dới 00C Dầu thực vật khác khác tỉ lệ triglixerit tạo thành dầu khác tổ hợp axit béo phân tử triglixerit Chất béo thực vật có nhiều loại phụ thuộc vào gốc axit béo khác phân tử triglixerit, phụ thuộc vào tổ hợp triglixerit khác nhau, vào axit tự có mặt dầu, vào có mặt của axit đồng phân, vào triglixerit đồng phân (có nghĩa tổ hợp axit béo phân tử triglixerit) Một vài tính chất dầu thực vật: * Tất loại dầu thực vật nhẹ nớc không tan nớc Chúng hoà tan vào ete, benzen, clorofome, xăng dầu vài dung môi khác * Khi có tác dụng kiềm, dầu bị xà phòng hoá tạo thành glixerin muối axit béo (xà phòng) Khi có tác dụng axit men đun nóng dầu béo với áp suất cao nhiệt độ cao, dầu bị thủy phân tạo glixerin axit béo tự * Khi đun nóng, dầu bị giãn nở nên trọng lợng riêng giảm xuống, tăng 10C giảm 0,007gr/cm3 tỉ nhiệt tăng từ 0,4 0,5 20 0C lên đến 0,65 0,75cal/gr phân tử 280 2900C Nhiệt độ bùng cháy dầu là: 190 2350C Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum * Dầu dễ bị oxy hoá oxy không khí tạo thành aldehit sản phẩm oxy hoá khác Quá trình oxy hoá lại trình toả nhiệt nên dầu có khả tự bốc cháy, phải ý bảo quản dầu Những tính chất đặc trng dầu Hớng Dơng Dầu hớng dơng tinh khiết chất lỏng sánh, màu vàng trong, nhẹ nớc có mùi đặc trng Điểm nóng chảy tơng đối thấp -130C (do cấu tạo chứa axit không no mà nhiều axit linoleic) Điểm sôi 1000C Điểm bắt lửa 3160C, 3410C dầu HớngDơng tự bốc cháy Dầu Hớng Dơng chứa chủ yếu triglyxerit gtyxerin axit béo không no mà phần lớn axit béo Linoleic (trên 50%) Vì chi xà phòng hoá dầu Hớng Dơng dung dìch kiềm KOH ta thu đợc chủ yếu muối kiềm axit béo Linoleic Một thông số quan trọng dầu Hớng Dơng liên quan đến phản ứng xà phòng hoá dầu trị số xà phòng hoá, đợc tính mg KOH/ 1g dầu Hớng Dơng Khi biết đợc thông số ta xác định đợc lợng dung dịch KOH tơng ứng cần dùng để xà phòng hoá lợng dầu định Vì vậy, trớc tiến hành xà phòng hoá dầu Hớng Dơng, ta phải xác định đợc trị số xà phòng hoá mẫu dầu thí nghiệm II Thuỷ phân dầu hớng dơng: Tính chất chung Triglyxerit có dầu Dầu Hớng dơng nh loại dầu chất béo tồn tự nhiên chứa khoảng 97% triglyxerin Do vậy, thuỷ phân dầu Hớng Dơng thuỷ phân triglixerit có dầu Triglixerit este phân tử glixerin với phân tử axit béo chức: CH2COR CHOCOR CH2OCOR Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Glixerit đợc phân thành glixerit đơn giản glixerit hỗn tạp: Glixerit đơn giản este glixerin với axit béo: Glixerit hỗn tạp este glixerin với 2, axit béo khác CH2OCOR CH2OCOR CHOCOR CHOCOR CH2OCOR CH2OCOR Lí tính glixerit: * Glixerit chất lỏng rắn, tan vào nớc lạnh, tan nhiều vào nớc nóng * Glixerit tan dàu mỡ dung môi hữu * Điểm sôi glixerit thấp rợu axit có phân tử lợng * Glixerit số dạng lỏng nhớt, số khác dạng rắn Thực tế, triglyxerit chất béo tồn tự nhiên chứa hai nhóm axit béo khác Nhng tính chất hoá học, vật lý sinh học triglyxerin đợc định tính chất của nhóm axit béo (no hay không no), cấu tạo nhóm axit nh phân bố chúng phân tử triglyxerit Tỷ lệ triglyxerit khác chất béo tồn tự nhiên không tuân theo phân bố định Đối với dầu thực vật nh dầu Hớng Dơng, axit béo không no liên kết chọn lọc vị trí 2, mỡ động vật chúng xuất chủ yếu vị trí vị trí Hoá tính glixerit: Tác dụng với nớc: Glixerit tác dụng với nớc tạo glixerin axit béo, phản ứng thuỷ phân dầu Hớng Dơng: CH2OCOR +3H O CHOCOR Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) CH2OCOR CH2OH CHOH CH2OH +3RCOOR Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Phản ứng thuỷ phân nớc phản ứng thuận nghịch Trong thực tế, cân chuyển dịch sang phải sử dụng lợng đủ nớc, nhiệt độ áp suất thích hợp (thờng cao) Phản ứng xảy nhanh sử dụng xúc tác axit bazơ Tác dụng với kiềm: Dung dịch kiềm dễ dàng phân huỷ liên kết este dầu để tạo thành xà phòng: CH2OCOR CH2OH +3NaOH CHOCOR +3RCOONa CHOH CH2OCOR CH2OH 2.Cơ chế phản ứng thuỷ phân dầu có xúc tác bazơ xảy nh sau: O HO O- CH2-O-C-R CH2-O-C-R +OH- CHOCOR CHOCOR CH2OCOR CH2OCHOCOR + HO O- CH2O- C-R (+) CHOCOR CH2OCOR CH2OH CHOCOR CH2OCOR O + R-C-O- + H+ CH2OCOR O + R-C-O- CH2OCOR Hai liên kết lại xảy tơng tự nhng xảy khó so với nhóm este đầu tiên, liên kết cuối Phản ứng xà phòng hoá kiềm xảy không thuận nghịch sản phẩm tạo thành axit béo mà muối axit béo, hợp chất không tác dụng đợc với rợu tạo este Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Muối kim loại kiềm dầu béo tan tốt nớc, tạo nhiều bọt có khả thấm ớt, nhng muối kim loại nặng kiềm thổ không tan nớc Xà phòng tạo thành trạng thái rắn hay lỏng phụ thuộc vào trạng thái ban đầu rắn hay lỏng axit béo Muối kim loại kiềm dầu béo tan tốt nớc, tạo nhiều bọt có khả thấm ớt, nhng muối kim loại nặng kiềm thổ không tan nớc Xà phòng tạo thành trạng thái rắn hay lỏng phụ thuộc vào trạng thái ban đầu rắn hay lỏng axit béo Động học trình xà phòng hoá dầu Hớng Dơng dung dịch kiềm KOH : Quá trình xà phòng hoá dầu Hớng Dơng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh nhiệt độ, lợng chất tham gia phản ứng, tốc độ khuấy trộn, thời gian phản ứng Việc khảo sát yếu tố để tìm thông số tối u cho trình làm tăng hiệu suất xà phòng hoá: ảnh hởng lợng chất tham gia đến trình xà phòng hoá: Các chất tham gia phản ứng gồm dầu Hớng Dơng dung dịch kiềm (KOH) Dựa vào số xà phòng hoá dầu Hớng Dơng, ta biết đợc lợng dung dịch KOH cần dùng Nồng độ dung dịch kiêm sử dụng thờng cao Lợng dầu tăng sản phẩm thu đợc nhiều, đồng thời lợng dung dịch kiềm phải tăng Lợng dung dịch KOH phải đủ để phản ứng xà phòng hoá xảy hoàn toàn, thờng sử dụng d KOH, nhng dùng nhiều dung dịch KOH lãng phí axit để trung hoà sau này, đồng thời ảnh hởng tới độ tinh khiết sản phẩm tạo thành ảnh hởng nhiệt độ đến trình xà phòng hoá : Phản ứng xà phòng hoá phản ứng xảy phá vỡ liên kết este phân tử triglyxerit Vì vậy, cần phải cung cấp lợng nhiệt đủ lớn cho phân tử triglyxerit Nếu lợng nhiệt cung cấp thấp không đủ lợng Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum để phá vỡ liên kết este phân tử triglixerit, dẫn đến hiệu suất xà phòng hoá giảm lợng xà phòng thu đợc thấp Nếu nhiệt độ cung cấp cao dễ xảy phản ứng phụ làm giảm hiệu suất nh chất lợng trình xà phòng hoá Mặt khác gây lãng phí nhiệt điện Bên cạnh đó, việc gia nhiệt cho trình xà phòng hoá dầu Hớng Dơng cần phải lu ý Tốc độ gia nhiệt phải từ từ để phân tử dầu đợc đun nóng đồng đều, tránh tợng đốt nóng cục (do hệ số truyền nhiệt dầu thấp) ảnh hởng tốc độ khuấy : Do dầu Hớng Dơng dung dịch kiềm KOH hai chất lỏng không tan lẫn nên trình phản ứng ta phải khuấy trộn liên tục để phân tử dầu tiếp xúc tốt với phân tử kiềm, dẫn đến phản ứng xảy nhanh hoàn toàn, làm hiệu suất trình xà phòng hoá tăng Mặt khác, việc khuấy trộn liên tục truyền nhiệt cho phân tử chất tham gia phản ứng nhằm cung cấp đủ lợng cho phản ứng xảy ảnh hởng thời gian phản ứng : Mỗi phản ứng hoá học xảy khoảng thời gian định Thời gian để xà phòng hoá dầu Hớng Dơng phụ thuộc vào khối lợng chất tham gia phản ứng, nhiệt độ Lợng chất tham gia phản ứng nhiều thời gian phản ứng lâu, nhiệt độ cung cấp cho phản ứng cao thời gian phản ứng thờng giảm Nếu thời gian phản ứng ngắn lợng xà phòng thu đợc thấp, hiệu suất trình xà phòng nhỏ Còn thời gian phản ứng kéo dài hiệu suất trình xà phòng hoá không tăng mà gây lãng phí nhiệt Phản ứng xà phòng hoá dầu Hớng Dơng không cần dùng xúc tác dung dịch kiềm vừa đóng vai trò chất tham gia phản ứng vừa có tác dụng xúc tác cho phản ứng Mặt khác, sản phẩm phản ứng xà phòng hoá muối axit béo, loại hợp chất không tác dụng đợc với rợu tạo este III Sản phẩm trình thuỷ phân Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 10 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum 120 26,8 95,8 89 % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 60 75 90 105 120 t (phút) Hình : Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu suất phản ứng theo thời gian Từ đồ thị ta nhận thấy thời gian tối u để đạt đợc hiệu suất cao 90 phút, thời gian lớn nhỏ không tốt cho trình thuỷ phân dầu Từ đồ thị ta nhận thấy thời gian tăng dần từ thấp đến thời gian tối u 90 phút hiệu suất axit Linoleic tăng, nhng thời gian vợt 90 phút hiệu suất lại có xu hớng giảm dần, nhiên lợng giảm tơng đối thấp Khi thời gian phản ứng ngắn chất tham gia phản ứng thể lỏng Khi thời gian tăng lên sản phẩm tạo thành bị quánh lại, xà phòng Do vậy, ta phải tăng cờng tốc độ khuấy trộn 2.3 ảnh hởng lợng KOH Bảng : kết ảnh hởng lợng KOH đến trình thuỷ phân Lợng KOH Khối lợng axit Độ chuyển hoá Hiệu suất linoleic 17 19,90 80.22% 66,34% 18 22,82 88,75% 76.07% Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 32 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum 19 27,50 96,72% 91,67% 20 27,00 92,43% 90,02% 21 26,61 90,02% 88,7% Hình Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu suất trình thuỷ phân vào lợng KOH Dung dịch KOH hai chất tham gia phản ứng nên có ảnh hởng trực tiếp đến phản ứng xà phòng hoá Lợng dung dịch KOH đợc xác định dựa vào trị số xà phòng hoá dầu Hớng Dơng Lợng dầu tăng lợng dung dịch KOH phải tăng Đối với thí nghiệm này, ta sử dụng 30g dầu nên lợng dung dịch KOH cần dùng 19g Nếu lợng KOH 19g phản ứng không xảy hoàn toàn dẫn đến hiệu suất axit thu đợc thấp Còn ta dùng d KOH hiệu suất không tăng, mặt khác ảnh hởng xấu đến chất lợng axit Linoleic thu đợc Từ đồ thị hình vẽ ta nhận thấy rõ nhận xét lợng KOH tăng lên hiệu suất thu hồi sản phẩm tăng đến lợng KOH =19g cực đại, sau lại có xu hớng giảm II kết tổng hợp chất nhũ hoá Kết khảo sát ảnh hởng nhiệt độ Sau tiến hành khảo sát ảnh hởng cuả nhiệt độ đến trình tổng hợp chất nhũ hoá ta thu đợc bảng số liệu sau Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 33 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Bảng Kết ảnh hởng nhiệt độ đến trình tổng hợp chất nhũ hoá nhiệt độ (0C) thời gian (giờ) 1000C 1200C 1300C 1400C 17,27% 24,67 33,72 41,28 55,24 23,55 32,71 41,22 55,66 71,11 31,20 51,11 62,82 77,14 91,27 56,72 81,11 92,01 96,36 99,90 Trong đó: (1) đờng phản ánh phụ thuộc độ chuyển hoá theo thời gian 1000C (2) đờng phản ánh phụ thuộc độ chuyển hoá theo thời gian 1200C (3) đờng phản ánh phụ thuộc độ chuyển hoá theo thời gian 1300C (4) đờng phản ánh phụ thuộc độ chuyển hoá theo thời gian 1400C Từ đồ thị vẽ ta nhận thấy: nhiệt độ 1000C độ chuyển hoá axit linoleic thấp, đến h đạt x%=55,24%, đo nhiệt độ không thích hợp Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 34 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum nhiệt độ 1200C độ chuyển hoá axit linoleic bắt đầu tăng cao, đến mẫu đạt đợc x%=71,11% màu sắc chất nhũ hoá đẹp, dùng làm màu thơng mại nhiệt độ 1300C độ chuyển hoá tăng lên nhiều theo thời gian đến mẫu đạt x=91,27%, màu sắc đẹp nhng bắt đầu chuyển sang xanh Kết khảo sát định tính định lợng 2.1 Kết Định tính : Quá trình định tính tiến hành nh sau: Lấy mẫu gồm : axit oleic, diethanolamin, tridiethanolamin chuẩn mẫu sản phẩm vừa tạo vào ống nghiệm, cho thêm khoảng 20 ml cồn vào mẫu để hoà tan, lúc đầu mẫu axit có màu vàng nhạt, mẫu diethanolamin không màu, đục, sau ta cho thi thymolbron xanh vào thấy lọ dựng axit có màu vàng, lọ đựng diethanolamin chuyển màu xanh nớc biển lọ đựng mẫu sản phẩm có màu xanh ngọc bích chuyển màu giống màu tridiethanolamin chuyển màu gần nh Nh ta chứng minh đợc sản phẩm phản ứng axitlinoleic diethanol amin alkyletanolamin, điều phù hợp với suy luận mà trình bày phần 2.2 Kết định lợng Trong điều kiện nghiên cứu phòng thí nghiệm thời gian hạn hẹp nên cha thể chụp hồng ngoại mẫu sản phẩm thu đớc để định lợng sản phẩm thu đợc nên em cha thể xác định đợc xác lợng alkyldietanolamin tạo Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 35 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Phần II: thực nghiệm I Thuỷ phân dầu hớng dơng: Quá trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng băng kiềm gồm hai giai đoạn sau: Giai đoạn 1: xà phòng hoá triglyxerit có dầu dung dịch KOH 30% để tạo muối axit béo (xà phòng) glyxerin: CH2OCOR + 3KOH CHOCOR CH2OCOR CHOCOR + RCOOK CH2OCOR CH2OCOR Đây phản ứng không thuận nghịch, xà phòng RCOOk tạo thành có khả tạo bọt, màu vàng nhạt nhiệt độ cao, nớc bị bay nên xà phòng bị vón cục lại mềm Giai đoạn 2: Axit hoá muối axit béo vừa tạo thành dung dịch H2SO4 60% để thu đợc sản phẩm axit béo linoleic Trớc tiến hành thuỷ phân dầu Hớng dơng ta cần chuẩn bị hoá chất dụng cụ thí nghiệm cần thiết Các hoá chất dùng trình thuỷ phân dầu Hớng dơng Để thực trình thuỷ phân dầu hớng dơng ta cần chuẩn bị hoá chất nguyên liệu sau: + Dầu Hớng dơng tinh khiết + Dung dịch acid H2SO4 60% Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 36 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum + Rợu Etylic 96o + Dung dịch KOH rợu etylic 0,1N + Dung dịch thymol phtalein Trớc tiến hành thí nghiệm, ta cần biết rõ tính chất chất tham gia vào trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng Tính chất đặc trng kalihydroxit Kaly hidroxit khan tinh khiết chất rắn, nặng, dạng hạt, màu trắng, có khối lợng phân tử 56,11 Trọng lợng riêng 2,044g/cm3 Điểm nóng chảy KOH khan 4100C Điểm sôi 1327oC Nhiệt nóng chảy 7,5kg/mol Khi để môi trờng, KOH khan bị chảy rữa hấp thụ nớc, CO2trong không khí KOH tan hoàn toàn rợu nớc (Nhiệt trình hoà tan 53,51 kg/mol) Độ tan KOH nớc (g KOH/ 100gH2O) tăng lên nhiệt độ tăng Dung dịch KOH chất lỏng không màu, có tính kiềm mạnh, có khả tạo bọt ăn mòn mạnh Dung dịch KOH có trọng lợng riêng tỉ lệ thuận với nồng độ Để thực dợc phản ứng xà phòng hoá dầu, mỡ nói chung dầu Hớng Dơng nói riêng, ta thờng dùng dung dịch KOH nồng độ tơng đối cao, thông thờng khoảng 30% Sau pha xong dung dịch KOH 30% ta cần đậy kín bình đựng để tránh cho dung dịch không bị loãng lẫn tạp chất (do hấp thụ nớc CO2 từ không khí) tránh ăn mòn Sơ đồ dụng cụ trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 37 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Để tiến hành thuỷ phân dầu Hớng Dơng, ta cần chuẩn bị dụng cụ sau: - Bình hai cổ đáy tròn, dung tích 250ml - Bộ mô tơ, cánh khuấy - Bếp điện có ổn định nhiệt - Nhiệt kế - Buret, pipet loại - Phễu chiết - Bình tam giác, cốc có mỏ, ống đong Tiến hành thí nghiệm 3.1 Xác định trị số xà phòng hoá dầu Hớng Dơng 3.2 Các bớc tiến hành thí nghiệm nh sau: Sau lắp đặt dụng cụ thí nghiệm, ta tiến hành thí nghiệm nh sau: - Cân 30g dầu Hớng Dơng - Cân khoảng 19g dung dịch KOH (d khoảng 0,5%) - Cho dầu Hớng Dơng vào bình hai cổ đáy tròn - Bật bếp điện cánh khuấy, điều chỉnh tốc độ nhiệt khuấy từ từ để dầu đợc đun nóng đến nhiệt độ cần khảo sát - Khi nhiệt nhiệt độ cần khảo sát, ta đổ từ từ dung dịch KOH 30% vào bình ba cổ, tăng dần tốc độ khuấy đồng thời giữ nhiệt đổ ổn định đến thời gian khảo sát - Khi kết thúc thời gian khảo sát, ta tắt bếp, dừng khuấy, sản phẩm thu đợc xà phòng có màu vàng nhạt, bị vón cục (do trình phản ứng nớc bị bay hơi) - Cho khoảng 50ml rợu etylic 960, cho tiếp khoảng 10ml axit H2SO4 60% vào hỗn hợp sản phẩm, khuấy đổ sang cốc có mỏ lớn Trong cốc có mỏ, ta để lắng thời gian, có lớp sản phẩm tạo thành: Lớp axit béo chứa chủ yếu axit Linoleic, lớp thứ hai glyxerin cồn, lớp thứ ba dung dịch muối sulfat kali Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 38 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum - Dùng phễu chiết để chiết lấy lớp có màu vàng trong, sau rửa lại lần nớc cất (mỗi lần 20ml) - Cân khối lợng thể tích sản phẩm vừa chiết đợc Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 39 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum II Phơng pháp đánh giá trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng Phân tích sản phẩm thu đợc - Dùng pipet hút lấy 5ml sản phẩm thu đợc cho vào bình tam giác cộng với đến giọt thuốc thử phenol phtalein Dùng dung dịch KOH cồn 0,1 N để chuẩn đến xuất màu xanh ghi thể tích dung dịch KOH Từ đó, ta tính đợc nồng độ axit béo Linoleic 5ml sản phẩm Naxit: Naxit = VKOH 0,1N x NKOH 0,1N 0,1 x VKOH 0,1N Vsản phẩm Trong đó, VKOH 0.1N thể tích dung dịch KOH 0,1N dùng để chuẩn 5ml sản phẩm Suy ra, khối lợng axit béo 5ml sản phẩm maxit: maxit = Naxit x Vsản phẩm x Đaxit Trong đó, Đaxit đơng lợng gam trung bình axit béo thu đợc Khối lợng axit béo Linoleic toàn thể tích sản phẩm thu đợc là: maxit = maxit x Vsản phẩm Trong Vsản phẩm thể tích sản phẩm thu đợc từ phễu chiết (ml) Đánh giá trình thuỷ phân Từ việc phân tích kết trên, ta đánh gia trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng ta dựa vào thông số nh: Độ chuyển hoá, độ chọn lọc, hiệu suất sản phẩm, chất lợng axit béo thu đợc hiệu kinh tế Độ chuyển hoá trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng đợc dùng để đánh giá phần trăm chất phản ứng chuyển hoá thành sản phẩm Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 40 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum m1 C = x 100% m2 C: Độ chuyển hoá (%) m1: Khối lợng dung dịch KOH dùng để chuẩn hết lợng axit béo thu đợc (gam) m2: Khối lợng dung dịch KOH ban đầu cho vào phản ứng với 30 msản phẩm gam dầu Hớng Dơng (gam) = x 100% Độ chuyển hoá lớn lợng xà phòng tạomthành nhiều ngo ợc lại Nhng phản ứng không xảy hoàn toàn nên độ chuyển hoá nhỏ m1 C = x 100% m2 Hiệu suất trình thuỷ phân dầu Hơng Dơng dùng để đánh giá lợng sản phẩm thu đợc, tính phần trăm lợng sản phẩm thu đợc so với lợng chất tham gia ban đầu : Hiệu suất trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng (%) msản phẩm: Khối lợng sản phẩm thu đợc (g) mo: Khối lợng dầu ban đầu cho vào phản ứng (g) Hiệu suất axit Linoleic cao tức trình thuỷ phân có hiệu cao Tuy nhiên, hiệu suất trình thuỷ phân nhỏ phản ứng xà phong hoá không xảy hoàn toàn Hiệu suất đợc dùng để xâc định thông số tối u cho phản ứng xà phòng hoá nh nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, lợng kiềm cho vào phản ứng, Một thông số tối u thông số ta thu đợc hiệu suất axit Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 41 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Linoleic cao Ví dụ, khảo sát nhiệt độ phản ứng xà phòng hoá, ta chọn nhiệt độ tối u nhiệt độ hiệu suất axit Linoleic cao Quá trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng dợc đánh giá dựa vào chất lợng sản phẩm thu đợc, tức độ tinh khiết axit béo Linoleic Độ tinh khiết axit Linoleic đợc định trình rửa chiết Do trình thuỷ phân gồm hai giai đoạn xà phòng hoá dầu Hớng Dơng dung dịch KOH để thu đợc muối axit béo Sau dùng dung dịch H2SO4 60% để axit hoá lại muối vừa tạo để thu sản phẩm cuối axit béo Linoleic nên ta rửa chiết không kĩ axit béo thu đợc lẫn chất khác nh glyxerin, nớc, ion Na+, SO42-, cồn dẫn đến làm giảm độ tinh khiết axit Linoleic So với phơng pháp thuỷ phân dầu nớc axit béo thu đợc phơng pháp thuỷ phân dầu kiềm có độ tinh khiết thấp Tuy nhiên, độ chuyển hoá nh hiệu suất trình thuỷ phân kiềm lại cao nhiều so với qúa trình thuỷ phân nớc (do phản ứng dầu cộng với nớc phản ứng thuận nghịch, điều kiện phản ứng phức tạp: cần nhiệt độ cao áp suất cao Còn phản ứng xà phòng hoá dầu kiềm có nồng độ cao phản ứng chiều, điều kiện phản ứng đơn giản, nên dễ xảy ra) Vì vậy, phơng pháp thuỷ phân dầu Hớng Dơng dung dịch kiềm có hiệu kinh tế cao III Kết thực nghiệm Quá trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng gồm hai giai đoạn xà phòng hoá dầu axit hoá xà phòng vừa tạo để thu sản phẩm axit Linoleic Trong đó, giai đoạn xà phòng hoá dầu dung dịch KOH có vai trò định Do vậy, khảo sát thông số nhiệt động học cho phản ứng xà phòng hoá khảo sát trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng Qua việc khảo sát, ta biết đợc ảnh hởng thông số nhiệt động học tới phản ứng xà phòng hoá Từ đó, ta xác định đợc thông số tối u cho phản ứng nh nhiệt Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 42 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum độ tối u, thời gian tói u, lợng dung dịch KOH 30% tối u tham gia vào phản ứng ảnh hởng nhiệt độ tới phản ứng xà phòng hoá dầu Hớng Dơng Phản ứng xà phòng hoá dầu Hớng Dơng phản ứng triglyxerit có dầu với kiềm Phản ứng xảy phân tử triglyxerit bị đứt kiê kết este để tác dụng với phân tử KOH tạo xà phòng Quá trình bẻ gãy kiên kết phân tử triglyxerit trình thu nhiệt Vì vậy, ta phải cung cấp lợng nhiệt đủ lớn để phản ứng xảy Để khảo sát ảnh hởng nhiệt độ đến phản ứng xà phòng hoá dầu Hớng Dơng, ta tiến hành thí nghiệm thay đổi nhiệt độ phản ứng từ thấp tới cao, đồng thời cố định thông số sau: Khối lợng dầu ban đầu cho vào phản ứng: 30g Lợng dung dịch KOH 30%: 19g Thể tích rợu etylic 96o: 50ml Thời gian phản ứng: 90 phút Thể tích dung dịch H2SO4 60%: 10ml Bảng1 ảnh hởng nhiệt độ tới trinh thuỷ phân Nhiệt độ (oC) 75 80 85 90 Khối lợng axit Linoleic (g) Độ chuyển hoá Hiệu suất 24,8 26,6 27,05 26,89 (%) 88,7 92 95,8 95,5 (%) 82,6 88,6 90 89,6 Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 43 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum 92 90 88 86 84 82 80 78 75 80 85 90 Đồ thị biểu diễn ảnh hởng nhiệt độ tới hiệu suất axit Linoleic Từ đồ thị trên, ta thấy nhiệt độ tăng hiệu suất axit Linoleic tăng Tại nhiệt độ 85oC hiệu suất đạt đợc cao Vì vậy, nhiệt độ tối u phản ứng 85oC Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ lên hiệu suất có xu hớng giảm xuống Trong trình phản ứng, lúc đầu chất phản ứng thể lỏng có tợng tạo bọt nhng nhiệt độ tăng lên, nớc bị bốc Vì xà phòng tạo thành dạng quánh mềm ảnh hởng thời gian phản ứng đến trình thuỷ phân dầu H ớng Dơng Bất kỳ phản ứng cần khoảng thời gian định để xảy hoàn toàn Vì vậy, khảo sát thời gian phản ứng việc quan trọng để tìm thời gian tối u cho phản ứng Để tiến hành khảo sát thời gian phản ứng, ta tiến hành thí nghiệm thay đổi thời gian phản ứng đồng thời cố định thông số khác nh: Khối lợng dầu cho vào phản ứng: 30g Khối lợng dung dịch KOH 30%: 19g Nhiệt độ phản ứng: 85oC Thể tích rợu etylic 96oC: Thể tích dung dịch H2SO4 60%: Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 50ml 10ml 44 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Bảng ảnh hởng thời gian đến trình thuỷ phân dầu hớng dơng Thời gian Khối lợng axit Độ chuyển hoá Hiệu suất axit (phút) 60 75 90 105 120 Linoleic (g) 20,45 23,78 27,14 27,08 26,8 (%) 83 92 97,4 97,2 95,8 Linoleic (%) 68 79,26 90,46 90,26 89 100 80 60 40 20 60 75 90 105 120 thời gian Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu suất axit Linoleic vào nhiệt độ Từ đồ thị trên, ta thấy thời gian tăng dần từ thấp đến thời gian tối u 90 phút hiệu suất axit Linoleic tăng, nhng thời gian vợt 90 phút hiệu suất lại có xu hớng giảm dần, nhiên lợng giảm tơng đối thấp Khi thời gian phản ứng ngắn chất tham gia phản ứng thể lỏng Khi thời gian tăng lên sản phẩm tạo thành bị quánh lại, xà phòng Do vậy, ta phải tăng cờng tốc độ khuấy trộn ảnh hởng lợng dung dịch KOH đến trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng Dung dịch KOH hai chất tham gia phản ứng nên có ảnh hởng trực tiếp đến phản ứng xà phòng hoá Lợng dung dịch KOH đợc xác định dựa vào trị số xà phòng hoá dầu Hớng Dơng Lợng dầu tăng lợng dung dịch KOH phải tăng Đối với thí nghiệm này, ta sử dụng 30g dầu nên lợng dung dịch KOH cần dùng 19g Nếu lợng KOH 19g phản ứng không xảy hoàn Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 45 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum toàn dẫn đến hiệu suất axit thu đợc thấp Còn ta dùng d KOH hiệu suất không tăng, mặt khác ảnh hởng xấu đến chất lợng axit Linoleic thu đợc Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 46 [...]... cha thể xác định đợc chính xác lợng alkyldietanolamin tạo ra Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 35 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Phần II: thực nghiệm I Thuỷ phân dầu hớng dơng: Quá trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng băng kiềm gồm hai giai đoạn sau: Giai đoạn 1: xà phòng hoá triglyxerit có trong dầu bằng dung dịch KOH 30% để tạo muối của axit béo (xà phòng) và glyxerin: CH2OCOR... - Bếp cách thuỷ - Rợu etylic 96% - Dung dịch phenolphtalein Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 28 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum - Dung dịch KOH trong rợu etylic 0,5N 2 Hoá chất và thiết bị dùng trong quá trình thuỷ phân dầu Để tiến hành thuỷ phân dầu Hớng Dơng, ta cần chuẩn bị những dụng cụ và hoá chất sau -Bình hai cổ đáy tròn, dung tích 250ml -Bộ mô tơ, cánh khuấy -... Hiền CĐ HDI (2001-2004) 25 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum A C= Ao Trong đó A: là chỉ số axit Ao: là chỉ số xà phòng hoá 2.1 Xác định hiệu suất quá trình thuỷ phân + Hiệu suất của quả trình thuỷ phân dầu Hơng Dong đợc tính bằng phàn trăm lợng axit Linoleic so với lợng chất tham gia ban đầu msản phẩm n= mo n : Hiệu suất của quá trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng(%) msản phẩm:... (2001-2004) 31 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum 120 26,8 95,8 89 % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 60 75 90 105 120 t (phút) Hình 2 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất phản ứng theo thời gian Từ đồ thị ta nhận thấy thời gian tối u để đạt đợc hiệu suất cao nhất là 90 phút, nếu thời gian lớn hơn hoặc nhỏ hơn đều không tốt cho quá trình thuỷ phân dầu Từ đồ thị trên ta... Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 22 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Trong đó: A: Chỉ số axit của dầu , mgKOH/1kg dầu V: Số ml KOH 0,1 N dùng để chuẩn độ N: Nồng độ dung dịch KOH W: khối lợng mẫu tính bằng gam 3 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng đến phản ứng thuỷ phân Sau đây, ta nghiên cứu một số yếu tố ảnh hởng đến quá trình thuỷ phân dầu Hớng Dơng 3.1 ảnh hởng của nhiệt... Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 11 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Các yếu tố môi trờng, có ảnh hởng đến cấu tạo của axit béo trong dầu thực vật Cụ thể là lợng axit béo không no trong triglyxerit của dầu hạt lanh, dầu đậu nành và dầu Hớng Dơng nói chung tăng nên khi khí hậu lạnh và ẩm ớt 2 Tính chất hoá học của axit béo (hóa học dầu béo): Tính chất hoá học của axit béo... (2001-2004) 24 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum sát, tiến hành phản ứng trong nhiều giờ, mỗi giờ lấy mẫu ra để phân tích, kết quả ta sẽ tìm đợc nhiệt độ tối u 2.2 ảnh hởng của thời gian phản ứng: Thời gian phản ứng để tạo chất nhũ hoá có ý nghĩa rất lớn trong việc hình thành chất nhũ, thời gian ngắn thì độ chuyển hoá của axit linoleic là thấp, do đó lợng chất nhũ hoá sẽ tạo ra không... Naxit x Vsản phẩm x Đaxit Trong đó, Đaxit là đơng lợng gam trung bình của các axit trong dầu hớng dơng, Đaxit = 280,46 Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 26 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum + Hiệu suất axit cao tức là quá trình thuỷ phân có hiệu quả cao Tuy nhiên, hiệu suất quá trình thuỷ phân luôn nhỏ hơn 1 do phản ứng xà phong hoá không bao giờ xảy ra hoàn toàn Hiệu suất còn... CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7COOH Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) 13 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum Axit linoleic đã biến thành axit Oleic chỉ còn có một nối đôi, nếu tiếp tục Hydro hoá thì sẽ tạo ra axit stearic ở dạng rắn, vì thế dầu hydrô hoá có tên gọi là dầu cứng Chúng ta đang chuẩn bị hydro hoá một số loại dầu thành dầu cứng để sản xuất xà phòng Đối với các axit béo không no... thụ vào các hạt nhựa nhỏ li ti, gốc R là phần háo dầu chui vào bên trong các hạt nhựa, còn nhóm N +H3 quay mặt tiếp xúc ra bên ngoài, tạo hệ bitum nớc Các ion âm bị hấp thụ và hoà tan trong nớc Chất hoạt động bề mặt Cation đợc tạo ra nh sau: RNH2 + HCl Nguyễn thu Hiền CĐ HDI (2001-2004) RN+H3Cl 18 Đồ án tốt nghiệp Thuỷ phân dầu Hớng Dơng tạo nhũ tơng bitum 3 Các chất hoạt động bề mặt mang cả hai dấu