CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1.2.5. Đặc trưng phổ FTIR của sản phẩm epoxy hóa các dầu thực vật
Kết quả nghiên cứu quá trình epoxy hóa dầu thực vật sử dụng cả 2 loại xúc tác là IR120 và K2620 cho thấy quá trình epoxy hóa đều bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiệt độ, tỷ lệ nguyên liệu đầu vào, tốc độ khuấy, chủng loại xúc tác và hàm lượng xúc tác. Với thời gian thực hiện phản ứng 10h, độ chuyển hóa nối đôi của các mẫu đều đạt xấp xỉ 99%. Tuy nhiên, quá trình epoxy hóa được quyết định chính ở giai đoạn 2 là giai đoạn hình thành vòng epoxy nhờ phản ứng bẻ gẫy nối đôi bằng phức peroxo ái lực điện từ. Để đánh giá quá trình dầu hướng dương epoxy hóa làm thay đổi thành phần nhóm chức trong dầu hướng dương, đề tài đã tiến hành phân tích phổ hồng ngoại FTIR của dầu hướng dương trước và sau khi epoxy hóa. Kết quả đo phổ FTIR của dầu hướng dương epoxy hóa được thể hiện ở hình 3.7.
% T 100 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80 79
Hìn h 3.7. Phổ FTI R của dầu hướ ng dươ ng trướ c (hìn h trên) và sau khi đượ c epox y hóa (hìn h dưới ) 61
Hình 3.7 cho thấy có sự thay đổi về thành phần nhóm chức trong phổ FTIR của dầu hướng dương trước và sau khi epoxy hóa. Sau khi epoxy hóa, dao động hóa trị của liên kết -C=C- tại số sóng 3007 cm-1 đã không còn xuất hiện. Điều này chứng tỏ liên kết đôi đã bị chuyển hóa. Mặt khác, phổ FTIR của dầu hướng dương epoxy hóa có xuất hiện peak hấp thụ ở 822 cm-1 là peak đặc trưng của nhóm epoxy cũng như peak hấp phụ mới xuất hiện ở khoảng 3500 cm-1 đặc trưng cho liên kết của nhóm hydroxyl (-OH). Điều đó cho thấy quá trình thực hiện phản ứng dầu hướng dương epoxy hóa đã xảy ra thành công. Quá trình epoxy hóa dầu hướng dương có thể mô tả bằng sơ đồ phản ứng dưới đây (hình 3.8):
Hình 3.8. Cấu trúc của dầu hướng dương trước và sau khi thực hiện quá trình epoxy hóa
Các đặc trưng về cấu tạo và nhóm chức trong dầu thầu dầu trước và sau khi thực hiện phản ứng epoxy hóa cũng được phân tích qua hình ảnh phổ FTIR (Hình 3.9).
Hình 3.9. Phổ FTIR của dầu thầu dầu trước (hình trên) và sau khi được epoxy hóa (hình dưới)
Sản phẩm epoxy hóa dầu thầu dầu có sự tồn tại các peak hấp phụ đặc trưng cho nhóm OH ở 3381 cm-1, nhóm cacbonyl ở 1737 cm-1 và liên kết C-O của nhóm epoxy ở 833 cm-1 nhưng không thấy xuất hiện peak đặc trưng của liên kết đôi C=C ở 3003 cm-1. Điều đó chứng tỏ quá trình epoxy hóa dầu thầu thầu đã xảy ra. Các axit béo có chứa liên kết đôi C=C trong dầu thầu dầu ban đầu đã mất đi và xuất hiện nhóm chức mới là nhóm epoxy. Có thể giải thích điều này do khi thực hiện phản ứng epoxy hóa đã xảy ra quá
trình chuyển đổi nối đôi trong axit rixinoleic thành nhóm epoxy. Hợp chất epoxy tạo thành có cấu trúc dự đoán như ở sơ đồ dưới đây (hình 3.9).
Hình 3.10. Cấu trúc của dầu thầu dầu trước và sau khi thực hiện quá trình epoxy hóa
Đối với dầu hạt cải trước khi epoxy hóa, phổ FTIR của nó có xuất hiện các peak có đỉnh hấp thụ ở bước sóng 3007 cm-1 đặc trưng của liên kết đôi C=C trong phân tử axit béo không no. Sau khi thực hiện phản ứng epoxy hóa, các peak này bị mất, thay vào đó là các peak của nhóm epoxy ở bước sóng 823,6 cm-1 (hình 3.11). Như vậy, quá trình dầu hạt cải epoxy hóa đã xảy ra. Đối với dầu hạt cải, ở cùng điều kiện thực hiện phản ứng epoxy hóa, hàm lượng nhóm epoxy đạt được cao hơn dầu thầu dầu epoxy hóa, cụ thể HLE đạt được khoảng 13%. Do đó, trên phổ FTIR, peak này hiện ra khá rõ ràng hơn so ở phổ FTIR của dầu thầu dầu epoxy hóa.
Hình 3.11.Phổ FTIR của dầu thầu dầu trước (hình trên) và sau khi được epoxy hóa (hình dưới)
Hình 3.12. Cấu trúc của dầu hạt cải trước và sau khi thực hiện quá trình epoxy hóa
So sánh về khả năng epoxy hóa của dầu hướng dương, dầu thầu dầu và dầu hạt cải cho thấy trong cùng điều kiện thực hiện quá trình epoxy hóa, độ chuyển hóa nối đôi và hàm lượng nhóm epoxy của dầu hướng dương epoxy hóa đạt được cao nhất (HLE ∼ 17) sau đó là dầu hạt cải (HLE ∼ 13) và cuối cùng là dầu thầu dầu (HLE ∼9). Điều này có thể lý giải dựa trên thành phần hóa học của 3 loại dầu này, hay số lượng liên kết đôi có trong dầu ảnh hưởng đến hiệu quả của phản ứng epoxy hóa. Dầu hướng dương có số lượng nối đôi (chỉ số Iot) lớn nhất, sau đó đến dầu hạt cải và thấp nhất là dầu thầu dầu, điều này quyết định đến hàm lượng nhóm epoxy khi thực hiện phản ứng epoxy hóa.
Nghiên cứu hiệu quả của xúc tác IR120 và xúc tác K2620 đến phản ứng epoxy hóa dầu thực vật cho thấy xúc tác axit K2620 cho độ chuyển hóa nối đôi và hàm lượng nhóm epoxy cao hơn khi sử dụng xúc tác ion IR120. Điều này có thể biện giải dựa trên cấu tạo và hình dạng vật lý của xúc tác. Xúc tác axit K2620 có cấu tạo gốc polyme, còn xúc tác ion IR120 có công thức cấu tạo được chỉ ra ở hình dưới:
Xúc tác axit K2620 và xúc tác ion IR120 đều có nhóm chức năng là nhóm axit sulfonic. Tuy nhiên, xúc tác axit K2620 có cấu trúc lỗ xốp, diện tích bề mặt lớn (33 m2/g)
tạo điều kiện cho tác nhân phản ứng dễ dàng tiếp xúc với nhau và việc vận chuyển các tác nhân phản ứng đến các trung tâm phản ứng được thuận lợi. Ngoài ra xúc tác K2620 là một chất xúc tác gốc polyme có tính axit, dung lượng trao đổi ion lớn (5,2 meq H +/g) rất thích hợp làm xúc tác cho các phản ứng hữu cơ không đồng nhất. Trong khi đó, xúc tác ion IR120 ở dạng gel, diện tích bề mặt nhỏ nên không tạo điều kiện cho các tác nhân phản ứng tiếp xúc dễ dàng, dung lượng trao đổi ion nhỏ (1,8 meq H +/g), điều này ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng epoxy hóa.
Bảng 3.9. Các thông số vật lý của 2 xúc tác K2620 và IR 120
Xúc tác
ion (meq H +/g)
K2620
IR120
Như vậy dựa trên thành phần hóa học và bản chất vật lý của 2 loại xúc tác, xúc tác axit K2620 ưu việt hơn cho phản ứng epoxy hóa dầu thực vật ở dạng dị thể. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm khi nghiên cứu phản ứng epoxy hóa dầu thực vật với cả 3 loại dầu hướng dương, thầu dầu và hạt cải.
Nhận xét chung phần 3.1
Qua nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình epoxy hóa dầu thực vật trên ba loại dầu khác nhau: hướng dương, hạt cải và thầu dầu kết quả thu được cho thấy:
1. Quá trình epoxy hóa dầu thực vật bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiệt độ, tỷ lệ nguyên liệu đầu vào (tỷ lệ dầu thực vật/axit axetic/H2O2), tốc độ khuấy và xúc tác.
2. Độ chuyển hóa nối đôi của các loại dầu sau 10h thực hiện phản ứng ở các điều kiện ảnh hưởng đều đạt ~99%.
3. Hàm lượng axit béo không no trong các loại dầu thực vật là khác nhau có ảnh hưởng đến hiệu suất của phản ứng epoxy hóa. Ở điều kiện phản ứng 70oC, tốc độ khuấy 2000 vòng/phút và sau 6h thực hiện phản ứng, hàm lượng nhóm epoxy (HLE) thu được của 3 loại dầu thực vật nghiên cứu nằm trong khoảng 9÷17 %. 4. Trong 2 loại xúc tác là IR120 và K2620 nghiên cứu thì xúc tác K2620 cho độ
Từ các kết quả thu được ở trên tìm được điều kiện tối ưu để tiến hành thực hiện quá trình epoxy hóa dầu thực vật như sau: tỷ lệ dầu thực vật: axit axetic: H2O2 là 1:1:2,5, xúc tác K2620 hàm lượng 10%, nhiệt độ thực hiện phản ứng 70oC, trong 6 giờ với tốc độ khuấy 2000 vòng/phút.