L ời mở đầu
2.2.1.2. Công thức điều chế
Trong phương pháp này cồn khô được điều chế từ 75 ml rượu Etylic (Etanol) và 10 ml Calci acetat bão hoà (được điều chế từ 3g Calci acetat và 10ml nước)17
Sản phẩm cồn khô theo thành phần này có tên thương mại là Sterno. 2.2.2 Phương phápđiều chế cồn khô có sử dụng acid béo và kiềm
2.2.2.1 Cơsở lý thuyết
Trong alcol nóng, acid béo được hòa tan tốt hơn và phản ứng nhanh với kiềm tạo thành một tác nhân tạo gel là xà phòng acid béo và nước.
O H COONa H C NaOH COOH H C17 35 17 35 2 Natri stearat
Natri stearat được tạo thành sẽ hòa tan một phần trong nước và hình thành một lớp vỏ cứng. Khi đó rượu sẽ thấm vào lớp vỏ cứng này và tạo thành cồn khô.
2.2.2.2. Công thức điều chế
Trong bằng phát minh số 1266080; 1389638 và 1484190 của Mỹ chỉ ra một nhiên liệu cồn khô không bị hóa lỏng và giữ lại được hình dạng trong suốt quá trình cháy. Nhiên liệu cồn khô có dạng gel dẻo nó được tạo ra dưới hình dạng của một cái ống được chỉ trong bằng phát minh số 3183068; hoặc có hình khối vuông như được chỉ trong bằng phát minh số 1545595. Tất cả những nhiên liệu cồn khô được nói ở trên đều có chứa loại rượu có mạch Carbon thấp như Metanol và Etanol tự do hoặc được pha trộn và tác nhân tạo gel là Natri stearatđược điều chế tại chỗ với sự có mặt của nước, chúng được tạo thành từ phản ứng giữa Natri hidroxid với acid Stearic được hoà tan trong rượu. Nước có mặt để giúp hòa tan xà phòng (Natri stearat), sự hiện diện của một lượng rất nhỏ (5-25%) của nước là cần thiết để hình thành một cấu trúc được dẫn ra trong bằng phát minh số 3,183,008 của Mỹ.
Theo bằng phát minh của Mỹ số 4436525, được Barney J. Zmoda công bố vào ngày 13/03/1984, loại tác nhân tạo gel thích hợp nhất theo phương pháp này là Natri stearat, nóđược tạo thành bởi phản ứng hoàn toàn của acid béo cao phân tử và một chất kiềm như NaOH để tăng pH đến khoảng 9. Acid béo được sử dụng là acid Stearic.
Cũng theo phát minhđó, thành phần chủ yếu tạo nên sự cháy trong sản phẩm này là một hỗn hợp đặc biệt của Metanol và Isopropanol, chiếm tối thiểu là 85%
khối lượng của toàn bộ thành phần. Tỉ lệ kết hợp của hai loại cồn này là rất quan trọng và cần thiết, để tạo ra một loại cồn khô mà nó không bị chảy trong suốt quá trìnhđốt và cung cấp ngọn lửa đủ thời gian để đốt cháy một vật liệu dễ cháy như than hoặc gỗ.
Barney J. Zmoda đã tiến hành một loạt thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các tỷ lệ khác nhau giữa Metanol và Isopropanol.
Sau đó nhà phát minh này tiếp tục thực hiện các thí nghiệm để khảo sát ảnh hưởng của NaOH đến sự hình thành sản phẩm.
Đúc kết những kinh nghiệm thu được từ một loạt thí nghiệm trên, Barney J. Zmoda đã đi đến nhận định cuối cùng cho thành phần tạo nên cồn khô theo phương pháp này, gồm có:
MeOH : 67,7%
IPA : 26%
Acid Stearic : 5,5%
NaOH : 0,8%
Tất cả những thành phần trênđều là dạng khan.
Sản phẩm thu được theo bằng phát minh số 4436525 của Barney J. Zmoda có cácđặc điểm sau:
+ Không bị hoá lỏng trong suốt quá trình cháy. + Vẫn duy trìđược hình dạng banđầu của nó. + Sản phẩm cháy sạch, không có bồ hóng.
+ Khi cháy không có khói, không mùi và ngọn lửa có thể nhìn thấy được. Trong thành phần của nhiên liệu cồn khô dạng gel này cũng có thể được trộn vào một số chất mà vẫn không có ảnh hưởng bất lợi đến tính chất của sản phẩm. Các chất đó có thể là: thuốc nhuộm (như Phenolphtalein, Rose Bengal) dùng để chỉ thị hoặc để gia tăng giá trị thẩm mỹ cho sản phẩm; những chất dùng để tạo màu ngọn lửa như muối Natri và muối Kali của Nitrat và Clorat, cũng như các muối của Li, Bo, Cu…Những thành phần này chỉ được sử dụng với một lượng nhỏ, thường thì sử dụng không vượt quá 1% khối lượng và thích hợp nhất là 0,5%.
2.2.3. Phương pháp điều chế cồn khô có sử dụng dẫn xuất Cellulose với
một lớp ngăn chặn sự hydrat hóa.
2.3.1. Cơsở lý thuyết
Ở vùng pH của dung dịch nhỏ, chính các nhóm ion được ion hoá gây tác dụng qua lại làm cho mạch phân tử có phần bị co lại, nênđộ nhớt cũng giảm. Khi tăng pH của dung dịch thì mạch phân tử của các chất cao phân tử điện li giãn ra do sự ion hoá tăng lên, nên độ nhớt của dung dịch cũng tăng lên. Do đó khi trộn lẫn các thành phần nước, cồn, Hydroxypropyl methyl cellulose được thực hiện bằng cách hạ thấp độ pH của hỗn hợp. Sau đó độ pH của hỗn hợp được tăng lên làm tăngđộ nhớtvà cồn được chuyển sang dạng gel.
2.3.2. Công thức điều chế
Trong bằng phát minh số 3,214,252 của Mỹ công bố về một nhiên liệu cồn khô với thành phần gồm có: một tác nhân tạo gel là hợp chất cao phân tử, Metanol hoặc Etanol hoặc Isopropanol dưới 40%nước và một chất kiềm để điều chỉnh pH của thành phần hỗn hợp đến khoảng từ 6 - 9. Sản phẩm này có thể được lấy ra dễ dàng và vẫn giữ được hình dạng trong suốt quá trình cháy.Ở pH trên 9, cồn khô dễ bị chảy rữa, không thể được lấy ra với hình dạng mong muốn và không thể cầm, mặc dù nó có thể cháy.
Bằng phát minh của Mỹ số 4971597 do Scott Gartner, công bố vào ngày 20/11/1990, mô tả thành phần phần chính của loại nhiên liệu này là: rượu, dẫn xuất Cellulose, kiềm, Alumin trihydrat. Những loại cồn phù hợp cho phương pháp này chứa từ 1 đến 10 nguyên tử Carbon. Những loại rượu đó bao gồm: Metanol, Etanol, Propanol, Isopropanol, Butanol, Isobutyl alcohol, Terbutyl alcol, Pentanol, Isopentyl alcol, Neopentyl alcol, Hexanol, Heptanol, Octanol, Nonanol, Decanol và cũng có thể sử dụng alcol đồng phân với những alcol trên. Những alcol vòng như: Cyclopropanol, Cyclobutanol, Cyclopentanol, Cyclohexanol, Cycloheptanol, Cyclononanol và Cyclodecannol cũng có thể được sử dụng trong phương pháp này. Trong tất cả những alcol đó thì alcol thích hợp nhất để sử dụng trong phương pháp này là những alcol có mạch Carbon thấp như: Metanol, Etanol, Propanol và Isopropanol.
Trong thành phần của phương pháp này có chứa một chất ngăn chặn khói. Chất ngăn chặn khói tiêu biểu và thích hợp nhất trong phương pháp này là Alumin trihydrat. Những chất ngăn chặn khói khác có thể thay thế Alumin trihydrat bao gồm: muối Borat của kim loại kiềm (cũng có thể sử dụng kết hợp với Amonium sulfat (NH4)2SO4, Amonium clorur (NH4Cl) và Amonium phosphat (NH4)3PO4. Những chất khác như dẫn xuất Antimon oxid (Stibium oxid) cũng phù hợp. Alumin Trihydrat được bán dưới những tên thương mại như: SB-30, Onyx Elite series, FRE, Micral 805, SB-331/SB-332, Sb-631/SB-632, SB-431/SB-432, SB-335/SB-336 và Micral 632, tất cả có thể sử dụng trong thành phần của phát minh trên.
Dẫn xuất Cellulose phù hợp để thực hiện phát minh này là: Cellulose akyl ethers, Hydroxyakyl alkyl ethers. Dẫn xuất Cellulose được sử dụng trong phương pháp này có một điểm đặc biệt là có một lớp hiện diện trên bề mặt nó làm chậm lại sự hydrat hóa khi được trộn với dung dịch cồn. Lớp phủ ngoài tiêu biểu trong dẫn xuất Cellulose là một lớp acid như: lớp Polyacrylic acid. Dẫn xuất Cellulose cũng có thể được xử lý trên bề mặt với Glyoxal như được chỉ trong bằng phát minh số 3072635 của Mỹ.
Những loại dẫn xuất Cellulose eter bao gồm: Metyl cellulose, Etyl cellulose, Propyl cellulose và Butyl cellulose. Trong số dẫn xuất Cellulose nhóm Hydroxyakyl akyl cellulose thì những loại tiêu biểu là: Hydroxypropyl metyl cellulose, Hydroxyetyl etyl cellulose, Hydroxypropyl etyl cellulose, Hydroxyetyl metyl cellulose, Hydroxypropyl propyl cellulose, Hydroxyetyl propyl cellulose. Trong tất cả những dẫn xuất Cellulose để sử dụng trong phương pháp này thì loại dẫn xuất Cellulose thích hợp nhất là Hydroxypropyl metyl cellulose được bán dưới tên thương mại là Methocel J75 MS. Lớp phủ ngoài là acid tự nhiên hoặc Glyoxylated. Lớp phủ ngoài này hạn chế sự hydrat hoá trong việc sản xuất tất cả nhiên liệu rắn nhanh và có hiệu quả.
Dẫn xuất Hydroxypropyl metyl cellulose trong phương pháp này chứa từ 5 đến 12 phần bởi trọng lượng của nhóm Hydroxy và từ khoảng 27 đến 30 phần khối lượng của Cellulose eter. Dãn xuất Cellulose thuận lợi cho sử dụng chứa từ
lượng của nhóm metoxyl. Loại dẫn xuất Cellulose thích hợp này được bán bởi công ty hoá chất Dow dưới tên thương mại là Methocel J75 MS. Methocel J75 MS có một lớp phủ ngoài đặc biệt ngăn chặn sự hydrat hoá của dẫn xuất Cellulose.
Chất Methocel được thực hiện trong phát minh này (bằng phát minh số 4971597) được điều chế bằng những phương pháp được mô tả trong phát minh số 3072635 của Mỹ. Phát minh số 3072635 cũng chỉ ra rằng vật liệu thích hợp dùngđể xử lý bề mặt của dẫn xuất Cellulose là Glyoxylat với một lượng nhỏ của glyoxal. Glyoxal ngăn chặn sự hydrat hóa của vật liệu Cellulose cho đến khi chất kiềm được thêm vào vì vậy nó ảnh hưởng đến sự tạo gel của nhiên liệu cồn.
Chất kiềm rất cần thiết để bắt đầu sự hydrat hoá. Có thể sử dụng mọi chất kiềm mà nó có thể làm tăng pH đến 8 hoặc hơn nữa. Những loại chất kiềm đó bao gồm: Liti hydroxid, Natri hydroxid, Kali hydroxid, Cesium hydroxid. Cũng có thể thay kiềm bằng những muối như: Liti Carbonat, Natri Carbonat, Kali carbonat, Cesium carbonat, Rubidi carbonat, Calci hydroxyt, Magnesium hydroxid, Stronti hydroxid, Stronti carbonat, Bari hydroxid, Bari carbonat, Beri carbonatđể làmđặc cồn.
Nhiên liệu cồn khô được đều chế theo phương pháp này gồm có: + 170g rượu
+ 50g nước
+ 10g Methocel J75 MS + 2-4g NaOH
+ Và một lượng rất ít Alumin trihydrat được thêm vào để ngăn chặn khói.
Sản phẩm được tạo thành có cácđặc điểm như: + Dẻo, bền
+ Dễ cháy
+ Hạn chế sinh ra thành phần độc hại khi cháy. + Không sinh ra bồ hóng và tro
+ Chi phí thấp
2.2.4. Phương phápđiều chế cồn khô có sử dung nhiên liệu vô cơ
Bằng phát minh số 470471 của Thụy Sĩ công bố một nhiên liệu dạng nhão, nó là một loại nhiên liệu có chất mang là Silic dioxid, kích cỡ hạt từ 3 đến 40 micromet. Loại nhiên liệu này cũng chứa Etanol, và nó được đóng gói trong một cáiống để ngăn ngừa sự nguy hiểm xảy ra do nổ. Nhiên liệu nàyđược làm bằng cách thêm Etanol vào chất mang đồng thời có khuấy trộn dung dịch cho tới khi đạt được một hỗn hợp nhãođồng nhất.
Phát minh số 482008 của Thụy Sĩ công bố một nhiên liệu mềm và dẻo với thành phần gồm: 80-90 phần khối lượng của Etanol và 10-20 phần khối lượng của một hỗn hợp nhiên liệu vô cơ. Hỗn hợp nhiên liệu vô cơ này gồm Silic dioxid và ít nhất là một hợp chất oxid khác của Silic, Titan, Zirconium, hoặc Nhôm hoặc ít nhất là một Carbonat hoặc hydroxid của một kim loại kiềm hoặc một kim loại kiềm thổ.
Trong phát minh số 3964880 của Thụy Sĩ, được Walter Siegrist công bố vào ngày 22/06/1976, cung cấp một nhiên liệu với các đặc tính như: mềm, dẻo, tỏa ra năng lượng lớn hơn những dạng nhiên liệu dẻo khác. Loại nhiên liệu này cũng có thành phần chính là Etanol, không sản sinh ra bồ hóng khi cháy, và sau khi cháy sinh ra ít tro hơn những nhiên liệu nhão khác cũngđược làm từ thành phần chính là Etanol.
Thành phần của loại nhiên liệu này gồm có: 0,1 đến 8 phần khối lượng của hỗn hợp nhiên liệu vô cơ, 77 đến 96,3 phần khối lượng của Etanol và từ 0,1 đến 5 phần khối lượng của tác nhân tạo gel dung dịch cồn. Hỗn hợp nhiên liệu vô cơlà: Silic dioxid và Calci hydroxid hoặc Silic dioxid, Titan dioxid và Calci hydroxid hoặc Silic dioxid và Nhôm oxid. Tác nhân tạo gel dung dịch cồn tốt nhất là Cellulose eter, phù hợp nhất là Hydroxypropyl cellulose.
Dưới đây là một số công thức điều chế cồn khô theo phương pháp này: Cách 1:
+ Cho 72g Silic dioxid và 1,2g Calci hydroxid vào 2 874g Etanol và khuấy nhanh khoảng 1,5 phút.
+ Hỗn hợp này sẽ đông đặc dần cho đến khi giống như một khối gel đồng nhất (khoảng 1,5 giờ).
Cách 2:
+ Cho 6g Silic dioxid, 6g Titan dioxid và 0,1g Calci hydroxid vào 2898g Etanol.
+ Sauđó thêm vào 90g Hydroxypropyl cellulose và trộn đều. Cách 3:
+ Cho 6g Silic dioxid, 6g Nhôm oxid vào 1 026g Etanol.
+ Cho vào 84g Metylhydroxybutyl và trộn khoảng 10 phút (với vận tốc trộn trung bình).
+ Sauđó thêm vào 374g nước.
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM
Do thời gian và tài chính có hạn nên trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu ba phương pháp phổ biến nhất dùngđể điều chế cồn khô, đó là:
Phương phápđiều chế cồn khô có sử dụng Calci acetat bão hoà. Phương phápđiều chế cồn khô có sử dụng acid béo và kiềm.
Phương phápđiều chế cồn khô có sử dụng tác nhân tạo gel là hợp chất cao phân tử.
3.1. ĐIỀU CHẾ CỒN KHÔ
3.1.1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CỒN KHÔ CÓ SỬ DỤNG
CALCI ACETAT BÃO HOÀ (Phương Pháp 1) 3.1.1.1. Qui trìnhđiều chế
(1)
(2)
(3)
Hình 12: Qui trìnhđiều chế theo phương pháp 1 Calci acetat
Calci acetat bão hoà
Rượu Cồn khô
Giải thích qui trình
(1): Tạo dung dịch bão hoà Calci acetat bằng cách cho Calci acetat vào nước, lắc khoảng 10 giây, để yên khoảng 1 phút rồi sau đó lắc hơn 10 giây để chắc chắn rằng Calci acetat không thể tan được nữa.
(2): Cho một lượng nhỏ NaCl vào dung dịch Calci acetat bão hòa, khuấy đều và cho hỗn hợp này vào khuôn chứa.
(3): Đổ rượu từ từ vào khuôn có chứa dung dịch trên.
Hình 13: Thao tácđiều chế cồn khô (phương pháp 1)
3.1.1.2. Dụng cụ, hoá chất làm thí nghiệm
a. Dụng cụ
- Cânđiện tử
- Cốc thuỷ tinh: 3 cái 100ml, 1 cái 200ml -Đũa thuỷ tinh: 1 cái
- Mặt kính đồng hồ -Ống đong 100ml: 1 cái
b. Hoá chất
- Calci acetat (Ca(CH3COO)2) - Etanol 96(C2H5OH 96) - Nước cất (H2O)
3.1.1.3. Bố trí thí nghiệm
a. Khảo sát ảnh hưởng của các tỷ lệ khác nhau giữa cồn và Calci acetatbão hoà lên khối lượng vàđặc điểmsản phẩm bão hoà lên khối lượng vàđặc điểmsản phẩm
- Tạo dung dịch Calci acetat bão hoà từ 30g Calci acetat và 100 ml nước, dung dịch nàyđược dùng cho các thí nghiệm sau.
- Thực hiện các thí nghiệm với tỷ lệ giữa cồn và dung dịch Calci acetat bão hoà tăng dần từ 1:1 đến 8:1 và một thí nghiệm với tỷ lệ 7,5:1.
- Mỗi thí nghiệm dưới đây được lập lại 3 lần trong cùngđiều kiện. Thí nghiệm Hóa chất 1 (1:1) 2 (2:1) 3 (3:1) 4 (4:1) 5 (5:1) Cồn (ml) 25 33,32 37,5 40 41,66 Calci acetat bão hòa (ml) 25 16,66 12,5 10 8,33 Không khuấytrộn hỗn hợp Thí nghiệm Hóa chất 6 (6:1) 7 (7:1) 8 (7.5:1) 9 (8:1) Cồn (ml) 42,85 43,75 44,11 44,44 Calci acetat bão hòa (ml) 7,14 6,25 5,88 5,55 Không khuấy trộn hỗn hợp
Bảng 1: Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ khác nhau giữa cồn và Calci acetat bão hòa lên khối lượng vàđặc điểm sản phẩm
b. Khảo sát ảnh hưởng của một số loại rượu đến khối lượng vàđặc điểm sản phẩm sản phẩm
Từ kết quả thu được ở các thí nghiệm trên, chọn tỷ lệ thích hợp nhất giữa cồn và Calci acetat bão hoà, tiến hành 2 thí nghiệm bằng cách thay cồn lần lượt bằng Metanol và Isopropanol với tỷ lệ đó.
3.1.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ CỒN KHÔ CÓ SỬ DỤNG ACID
BÉO VÀ KIỀM ( Phương Pháp 2) 3.1.2.1 Qui trình điều chế
(1) (2)
(3)
(4)
Hình 14: Qui trìnhđiều chế cồn khô theophương pháp 2
Giải thích qui trình
(1): Pha dung dịch 10% NaOH/MeOH và làmấm đến 38C (100F).
(2): Acid Stearic được thêm vào hỗn hợp của Isopropanol và lượng Metanol còn lại, và đun nóng đến tối thiểu là 60C (140F), khi đó acid Stearic được hòa tan hoàn toàn.
Hỗn hợp rượu NaOH 10% NaOH/MeOH Hỗn hợp10%NaOH/MeOH Acid/hổn hợp rượu Cồn khô
(3): Dung dịch NaOH/MeOH còn ấm được thêm vào hỗn hợp acid béo/hỗn