1.3.6.1 Các khái niệm cơ bản
Khả năng PHSH của MBT [41, 56] là tính chất bị phân huỷ do quá trình trao đổi chất của các vi sinh vật nh vi khuẩn, nấm mốc, tảo và các loại men. Sau đây là một số khái niệm cơ bản về khả năng PHSH của VLBTtrong đó có MBT PHSH:
a/ Sự PHSH sơ cấp
Sự PHSH sơ cấp t ơng ứng với l ợng mất đi của chất ban đầu. Sự PHSH sơ cấp chỉ đặc tr ng cho sự mất đi hoặc sự thay đổi cấu trúc hoá học của chất ban đầu trong quá trình PHSH. Sự PHSH sơ cấp không thể hiện đ ợc mức độ PHSHthành các sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2
b/ Sự PHSH hoàn toàn (sự khoáng hoá)
Sự PHSH hoàn toàn là sự PHSH của một chất tính tới thời điểm chuyển hoá hoàn toàn thành CO
O.
2 và n ớc. Sự PHSH hoàn toàn th ờng đ ợc đánh giá bởi mức độ PHSH của một chất đến CO2 và H2
c/ Sự PHSH sẵn có (ready biodegradability)
Sự PHSH sẵn có là khả năng phân huỷ nhanh trong một hệ thống kém thích nghi. Trên cơ sở sự PHSH sẵn có ng ời ta đã xây dựng rất nhiều ph ơng pháp đánh giá khả năng PHSH (ph ơng pháp chai kín, OECD, ph ơng pháp Sturn) với nguyên lý cơ bản nh sau: nuôi cấy một l ợng nhỏ chủng vi sinh a khí trong một môi tr ờng trung gian và nạp một l ợng nhỏ chất nghiên cứu (2-100ml/l) làm nguồn cacbon và năng l ợng. Một chất đ ợc coi là có khả năng PHSH sẵn có khi kết quả phân tích lớn hơn 60 %.
d/ Khả năng PHSH tiềm tàng (inherent biodegradability)
Khả năng PHSH tiềm tàng là khả năng PHSH trong một thời gian đủ dài trong các điều kiện thuận lợi cho việc PHSH. Dựa trên khả năng PHSH tiềm tàng ng ời ta xây dựng các ph ơng pháp Scas và Zan-Wellen). Các chất có khả năng PHSH lớn hơn 20 % đ ợc cho là có khả năng PHSH tiềm tàng
1.3.6.2 Ưu nh ợc điểm của các ph ơng pháp phân tích khả năng PHSH đã công bố
Cùng với sự phát triển của các VLBT PHSH, các ph ơng pháp xác định khả năng PHSH cũng đ ợc nghiên cứu phát triển để đáp ứng nhu cầu xác định khả năng PHSH cho các VLBT [32, 41 51, , 56, 111]: ph ơng pháp Scas, ph ơng pháp Zan- Wellen, ph ơng pháp OECD 301B,C,D,F; ph ơng pháp CEC L- -A-33 93... Các ph ơng pháp này nói chung đạt yêu cầu để phân tích xác định khả năng PHSH của VLBT. Tuy nhiên khi áp dụng cho từng tr ờng hợp cụ thể chúng cũng thể hiện một số hạn chế. Hiện nay, hai ph ơng pháp chính đ ợc áp dụng cho VLBTlà CEC L- -33 A-93 và OECD 301B (ph ơng pháp Sturn sửa đổi).
a/ Ph ơng pháp CEC L- -A-33 93: Ph ơng pháp này dùng để xác định khả năng PHSH sơ cấp. Mẫu nghiên cứu đ ợc phân huỷ trong môi tr ờng n ớc có các chất dinh d ỡng d ới tác động của một chủng vi sinh thích hợp. Sau đó sản phẩm PHSH đ ợc chiết tách và xác định sự giảm mạch cacbon bằng phổ hồng ngoại tại một b ớc sóng xác định. Mẫu có kết quả lớn hơn 70 % đ ợc coi là có khả năng PHSH tốt. Tuy nhiên ph ơng pháp CEC- -L 33-T-93 có một số hạn chế: chỉ xác định đ ợc sự phân huỷ sơ cấp và kết quả chỉ t ơng ứng với phần tan trong n ớc. Mặc dù vậy, ph ơng pháp này đã góp phần khẳng định đặc điểm và khuynh h ớngPHSH của các chất:
− Dầu khoáng, alkylbenzen, polyalkylen glycol của PAO PHSH kém (0-40%). − DTV, dieste, polyol este có khả năng PHSH cao (60 -100%), N alkyl -
monocacboxylic axit và các alkyl cacboxylic axit dễ dàng PHSH nh este và sản phẩm phân huỷ cuối cùng của chúng th ờng tan trong n ớc.
chúng tiếp nhận vi khuẩn microflora (có tác dụng PHSH cao) nh thế nào. Các polyeste theo ph ơng pháp CEC cho kết quả PHSH thấp. Theo các ph ơng
pháp khác chúng PHSH từ 0 -80 % tuỳ theo hàm l ợng etylen oxit hoặc propylen oxit có trong thành phần của chúng (khả năng PHSH giảm khi hàm l ợng các chất này giảm).
− Khả năng PHSH giảm nếu mạch hydrocacbon nhỏ hơn C4 và lớn hơn C25
− Khả năng PHSH phụ thuộc vào sự có mặt nitơ, l u huỳnh và phospho trong môi tr ờng. Vi khuẩn có thể sử dụng ZDDP và tricresyl phosphat nh nguồn thức ăn. Các dị vòng chứa nitơ có thể có tác dụng t ơng tự đặc biệt là khi có , mặt các chất chứa phospho và l u huỳnh thì khả năng PHSH của chúng tăng lên (điều này rất quan trọng khi chọn phụ gia cho MBT).
và theo mức độ tăng tỷ lệ mạch nhánh.
− Các phụ gia đa phần làm giảm khả năng PHSH của VLBT đặc biệt là các triazole và triazine.
Khi phân tích bằng ph ơng pháp CEC, cần tham khảo thêm các ph ơng pháp khác để có kết luận chính xác về khả năng PHSH của dầu mỡ bôi trơn.
b/ Ph ơng pháp OECD 301 B (ph ơng pháp Sturn sửa đổi): Ph ơng pháp này dùng để xác định khả năng PHSHsẵn có.Mẫu nghiên cứu đ ợc phân huỷ trong môi tr ờng n ớc có các chất dinh d ỡng d ới tác động của chủng vi sinh phân lập từ nhà máy xử lý n ớc thải. L ợng COR2R tạo thành trong quá trình đ ợc xác định bằng ph ơng pháp chuẩn độ và so sánh với l ợng COR2Rtạo thành khi phân huỷ hoàn toàn chất nghiên cứu bằng ph ơng pháp hoá học thông th ờng. Quá trình PHSH đ ợc tiến hành trong 28 ngày đêm. Kết quả đo đ ợc chỉ ra l ợng chất bị phân huỷ hoàn toàn thành COR2R, HR2RO và muối khoáng. Dựa trên các nguyên tắc nh OECD 301B 2
ph ơng pháp ASTM D 5864 và EPA 560/6-82 003 - đã đ ợc xây dựng để xác định khả năng PHSH của dầu mỡ bôi trơn. Ph ơng pháp CEC- -L 33-93 th ờng cho kết quả cao hơn ph ơng pháp OECD 301B(ASTM D 5864).
Các công trình trên thế giới th ờng không nhất quán trong ph ơng pháp xác định khả năng PHSH. Để có kết quả cao, ng ời ta th ờng đ a ra kết quả xác định khả
năng PHSH theo CEC- -L 33 93.- Tuy nhiên, một VLBT đ ợc cho là có khả năng PHSH nếu có kết quả phân tích theo OECD 301 B lớn hơn 60 %.
1.3.6.3 Khả năng PHSH của MBT trên cơ sở DTV
Khả năng PHSH của MBT quyết định bởi từng thành phần có trong MBT. Dầu gốc trong MBT PHSH là DTV hoặc DTV biến tính và chiếm tới 62 – 85 % khối l ợng mỡ. Trong khi MBT gốc khoáng chứa tới 85-93 % dầu gốc khoáng [26 127, ]. Chính thành phần DTV làm nên sự khác biệt về khả năng PHSH của MBT PHSH so với MBT thông th ờng. Dầu gốc khoáng có khả năng PHSHrất thấp: th ờng chỉ đạt 30 – 50 % khi xác định bằng ph ơng pháp OECD 301 F trong khi DTV xác định cùng ph ơng pháp có khả năng PHSHtừ 85 100 %- [104].
Faci [ ]51 chỉ ra rằng MBT trên cơ sở DTV có khả năng PHSHtheo OECD 301B là 62 – 75 % trong khi MBT gốc khoáng chỉ phân huỷ từ 5 – 8 %, tuy nhiên Faci không chỉ rõ chất làm đặc ở đây là gì. Grieve [57] đã nghiên cứu khả năng PHSH của hai loại mỡ trên cơ sở DTV có chất làm đặc là bentonite và 12-StOLi. Kết quả là mỡ PHSH bentonite có khả năng PHSH là 75 %, mỡ PHSH 12-StOLi có khả năng PHSH từ 75 – hơn 85 %. Nh vậy, chất làm đặc là 12 StOLi ít nhiều có khả năng -
PHSH so với bentonite là chất không độc hại đối với môi tr ờng nh ng không PHSH.
Thực tế, xà phòng kim loại đ ợc tổng hợp từ axit béo và hydroxyt kim loại. Các axit béo đều có nguồn gốc từ dầu, mỡ động thực vật. Các số liệu nghiên cứu cho thấy axit béo và xà phòng kim loại của chúng có khả năng PHSH khácao (bảng 1-13). Tuy nhiên bảng 1- 13không có các số liệu về khả năng PHSHcủa 12-StOLi. Nh ng có thể dự đoán xà phòng 12-StOLi sẽ có khả năng PHSH t ơng đ ơng nh các xà phòng kim loại khác theo cơ chế PHSH oxi hoá kiểu beta.
Các tài liệu ít có sự phân tích rõ ràng về sự khác biệt giữa khả năng PHSH của mỡ
DTV và mỡ dầu khoáng. Tuy nhiên, so sánh khả năng PHSH giữa DTV và dầu khoáng đã có những kết quả rất rõ ràng. Theo Bozet J. [ ]24 khi tiến hành PHSH trong phòng thí nghiệm theo ph ơng pháp CEC-T- -33 82 DTV bị phân huỷ hoàn
toàn sau 21 ngày còn dầu khoáng phân huỷ đ ợc 70 % sau một chu kỳ 40 ngày. Tuy nhiên, nếu tiến hành phân huỷ sinh học tự nhiên (trong đất) và dùng các ph ơng pháp phân tích trong CEC-T- - 33 82để phân tích khả năng PHSH thì giữa dầu khoáng và DTV có sự khác biệt rất lớn: sau một chu kỳ 40 ngày DTV phân huỷ 87 % trong khi dầu khoáng chỉ phân huỷ 6 %.
Bảng 1-13: Khả năng PHSH của một số axit béo và xà phòng kim loại
[95, 90 91, ]
Axit béo hoặc xà phòng kim loại
Số phân
tử cacbon Khả năng PHSH, % Phơng pháp đo Nguồn sốliệu
A dxit ocosanoic 22 48 56-
79 96-
OECD 301C
OECD 302C SIDS (2001)
StONa 18 89 Sturn sửa đổi P&G Chemicals (2003)
Dầu talo 16 18- 60 73 OECD 301D OECD 301F Pine Chemical Asociation (2001)
Axit béo của dầu talo 16 18-
56 84 74 OECD 301D OECD 301F OECD 301C Nh trên Hỗn hợp axit béo không no mạch
thẳng và mạch nhánh 16 18- 67 EPA OPPTS 853.110 Nh trên
Xà phòng kali của axit béo dầu talo 16 18- 79 EPA OPPTS 853.110 Nh trên
In Sik Rhee trong các công trình - [63, 64]đã nghiên cứu sâu ảnh h ởng của MTPT đến khả năng PHSH của mỡ phức liti (hình 1-6 ).
Hình 1-6: ảnh h ởng của MTPT lên khả năng PHSH của mỡ phức liti.
thành phần nh ở bảng 1-14 . Ph ơng pháp phân tích là ASTM D 5864. In-Sik Rhee sử dụng dầu hạt cải nh phụ gia tăng khả năng PHSH cho mỡ.
Sau 28 ngày các mỡ có độ PHSH nh sau: mỡ GAA- 28 %, BLG1- 46,5 %, BLG2 – 45,3%, BLG3 – 64 %, Mỡ dầu hạt cải – 76,8 %. Tất cả các mỡ BLG đều có độ PHSH cao hơn mỡ GAA chứng tỏ mỡ từ dầu tổng hợp có nguồn gốc DTV có khả năng PHSH cao hơn mỡ dầu gốc khoáng.
Ngoài ra dầu hạt cải nh phụ gia tăng độ PHSH đã có tác dụng rất tốt: 10 % dầu hạt cải cải thiện khả năng PHSH với mức độ là 66 % và 20 % dầu hạt cải có mức cải thiện khả năng PHSH là 59 %. Nh vậy, chỉ cần một l ợng nhỏ dầu hạt cải là thức ăn yêu thích của các vi sinh vật đã giúp cải thiện khả năng PHSH của dầu khoáng
lên rất nhiều. BLG 1 với 10 % dầu hạt cải có dạng đ ờng PHSH nh mỡ GAA (không có dầu hạt cải) trong khi BLG2 với 20 % dầu hạt cải có đ ờng PHSH giống nh mỡ với 100 % dầu hạt cải. Mỡ BLG 3 với este tổng hợp và không có dầu hạt cải
có đ ờng PHSH tăng đều đặn hơn. Nh vậy,khả năng PHSH của MBT phụ thuộc rất nhiều vào thành phần dầu gốc.
Bảng 1-14: Thành phần MBT PHSH gốc xà phòng phức liti
Thành phần Mỡ MIL-PRF10924G (GAA) Mỡ BLG1 Mỡ
BLG2 Mỡ BLG3
Mỡ dầu hạt cải
MTPT PAO + Dầukhoáng PAO+ Dầu khoáng PAO Polyol este + dieste + PAO Dầu hạt cải Phụ gia tăng khả năng PHSH (dầu
hạt cải) Không 10 % 20 % Không 100 %
Xà phòng phức liti 15 % 15 % 15 % 15 % 15 %
Phụ gia khác 10 % 10 % 10 % 10 % 10 %
Các công trình không có công bố về sự PHSH phụ gia một cách cụ thể. Nh ng có thể tham khảo khả năng PHSH của mạch hydrocacbon để lựa chọn phụ gia:
− Khả năng PHSHgiảm dần trong dãy sau: alkan > alkan mạch nhánh > Vòng n- thơm phân tử l ợng thấp > alkan mạch vòng; alkan > hợp chất thơm phân tử l ợng thấp > hợp chất thơm phân tử l ợng cao > Hợp chất phân cực.
− Đối với hydrocacbon mạch thẳng thì sự có mặt nối đôi làm giảm khả năng PHSH hoàn toàn mặc dù quá trình hydroxyl hoá và quá trình epoxy hoá đã đ ợc biết đến là có thể dùng xúc tác hoá sinh.
− Đối với các hợp chất thơm đơn giản, chúng có thể PHSH đến aryl axit. Các nhóm thế nh –OH, -COOH tăng khả năng PHSH; -Cl, -SO3H -, NO2
1.3.6.4 Cơ chế phân huỷ sinh học:
giảm khả năng PHSH. Đối với vị trí nhóm thế, thì khả năng PHSH giảm trong dãy sau: ortho- >para >> meta.
DTV và xà phòng kim loại - hai thành phần cơ bản của MBT PHSH sẽ bị phân huỷ d ới tác dụng của các vi sinh vật. Theo một số tài liệu [14, 24 28 53, , ] quá trình PHSH xảy ra theo hai cơ chế song song: quá trình thuỷ phân và quá trình oxi hoá kiểu beta.
a/ Quá trình thuỷ phân
DTV d ới tác động của môi tr ờng và các vi sinh vật bị thuỷ phân thành axit béo và glyxerin: CH2 H2O CH2 R1COOH CH2 CH COOR1 COOR2 COOR3 CH CH2 OH OH OH R2COOH R3COOH + + + + Glyxerin
Triglyxerid (DTV) Hỗn hợp axit béo DTV
b/ Quá trình beta - oxi hoá [[[[[74]]]]]:
D ới tác dụng của các vi sinh vật hiếu khí axit béo trải qua quá trình beta - oxi hoá theo chu trình Krebs (hình 1-7). Chu trình Krebsbao gồm 4 phản ứng chính sau đây:
− Đề hydro hoá acyl CoA béo: xảy ra sự tách hydro tạo liên kết đôi -C=C- do FAD bị khử thành FADH2
− Hydrat hoá tạo hydroxyacyl-CoA d ới tác dụng của n ớc. ;
− Đề hydro hoá lần hai bằng cách chuyển hyđro cho NAD+ để tạo NADH2 và H+
− Phản ứng thio phân: Coenzym A (SCoA) cắt acyl-CoA béo ở vị trí C , hydroacyl-CoA chuyển thành xeto-CoA;
α và Cβ tạo thành axetyl-CoA với hai nguyên tử các bon và acyl-CoA béo với mạch
hydrocacbon ngắn hơn hai nguyên tử cácbon so với acetyl-CoA béo ở đầu chu trình.Nh vậy, axit béo ban đầu d ới tác dụng của vi sinh vật sẽ bị phân huỷ thành axetat coenzym A và một axetyl coenzym béo mới với mạch cacbon ngắn hơn axit béo ban đầu 2 phân tử cacbon.
R O OH CoASH ATP AMP
Axit béo DTV với mạch các bon chẵn
SCoA R O α β Acyl - CoA FADH2 FAD H2O SCoA R O α β OH H H H H
Hydroaydroaydroaydroaydroaoyloyloyloyl -oyl - - - - C C C CoA CoAoAoAoA
NAD+ NADH, H+ SCoA R O β α E E E E
Enoylnoylnoylnoyl -noyl - - C - - C C C CoAoAoAoAoA
SCoA R O α β O X X X
XXetetetetetoaoyl -oaoyl -oaoyl -oaoyl -oaoyl - CoA CoA CoA CoA CoA R O SCoA Acyl Acyl Acyl Acyl
Acyl --- CoA CoA CoA CoA CoA ngắngắngắngắngắn n đin n n điđiđiđi hahahahahai i i i i nguyê
nguyê nguyê nguyê
nguyên tử cán tử cán tử cán tử các bonn tử các bonc bonc bonc bon
Nhắc lại chu trình CH3 O SCoA AceAce Ace Ace Acetyl - Ctyl - Ctyl - Ctyl - Ctyl - CoAoAoAoAoA Chu Trình K
Chu Trình K