CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
3.1.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Quá trình epoxy hóa dầu thực vật được thực hiện với nhiệt độ tăng dần từ 50oC, 60oC, 70oC đến 80oC kết hợp sử dụng độc lập với 2 loại xúc tác K2620 và IR120, trong khi giữ cố định các điều kiện còn lại như tốc độ khuấy 1500 vòng/phút, tỷ lệ nối đôi/axit axetic/H2O2 là 1:1:1,5 và tỷ lệ xúc tác là 4% so với nguyên liệu dầu thực vật.
Hình 3.1 biểu diễn sự phụ thuộc của độ chuyển hóa nối đôi (DCH) trong quá trình epoxy hóa dầu hướng dương ở các nhiệt độ khác nhau. Có thể nhận thấy khi tăng nhiệt độ thì độ chuyển hóa nối đôi tăng. Khi phản ứng thực hiện ở nhiệt độ 80oC thì sau 2h đã có 80% nối đôi được chuyển hóa. Tuy nhiên, nhiệt độ này khá cao nên có thể dẫn đến sự phân hủy tạo các sản phẩm phụ kém bền, do đó thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn được ưu tiên lựa chọn. Khi sử dụng xúc tác IR120, nhiệt độ tối ưu là 70oC vì sau 8h cho thấy gần như 100% nối đôi đã chuyển hóa. Trường hợp sử dụng xúc tác là K2620 ở nhiệt độ 60oC, kết quả cho thấy sau 10h, gần 100% nối đôi đã bị chuyển hóa. Số liệu này chỉ ra việc sử dụng xúc tác K2620 để epoxy hóa dầu hướng dương là lựa chọn được ưu tiên hơn do thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn, an toàn hơn và tránh được các phản ứng phụ gây phân hủy dầu.
Hình 3.1. Độ chuyển hóa nối đôi ở các nhiệt độ khác nhau trong quá trình epoxy hóa dầu hướng dương sử dụng các chất xúc tác khác nhau: xúc tác IR120 (a); xúc tác K2620 (b)
Sự ưu việt của xúc tác K2620 được thể hiện rõ trong giai đoạn 2 của quá trình epoxy hóa khi chất trung gian peroxyaxit tác dụng với dầu thực vật tạo thành sản phẩm epoxy. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng nhóm epoxy trong epoxy hóa dầu hướng dương sử dụng 2 xúc tác khác nhau được thể hiện ở hình 3.2. Có thể nhận ra quá trình thay đổi nhiệt độ đều xuất hiện điểm tới hạn nhiệt với 2 loại xúc tác. Đối với xúc tác IR120, điểm tới hạn xảy ra sau 9h phản ứng (hình 3.2a), trong khi đối với xúc tác K2620, điểm tới hạn xảy ra sau 6h phản ứng (hình 3.2a). Hàm lượng nhóm epoxy tăng khi nhiệt độ phản ứng tăng cho đến khi đạt điểm tới hạn và sau đó hàm lượng nhóm epoxy xu hướng không có sự thay đổi khi tiếp tục tăng thời gian phản ứng. Đồ thị hình 3.2 cũng
cho thấy khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao, hàm lượng nhóm epoxy sau khi đạt giá trị tới hạn còn bị giảm theo thời gian. Trong khi việc thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp, hàm lượng nhóm epoxy tăng theo thời gian phản ứng đến khi đạt điểm tới hạn.
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng nhóm epoxy trong quá trình epoxy hóa dầu hướng dương sử dụng các chất xúc tác khác nhau: xúc tác IR120 (a); xúc tác K2620 (b)
Như vậy, xét về yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình dầu thực vật epoxy hóa, để cân bằng giữa độ chuyển hóa nối đôi và hàm lượng nhóm epoxy, đề tài lựa chọn nhiệt độ phản ứng phù hợp ở 70oC. Khi đó hàm lượng nhóm epoxy của dầu hướng dương epoxy hóa đạt được là 12% - 14%.
Hình 3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa nối đôi trong dầu thầu dầu epoxy hóa sử dụng các xúc tác khác nhau: xúc tác IR120 (a); xúc tác K2620 (b)
Khảo sát tương tự ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng epoxy hóa dầu thầu dầu và dầu hạt cải, các kết quả thu được được thể hiện trên các hình từ 3.3 đến 3.6. Hình 3.3 biểu diễn sự phụ thuộc của độ chuyển hóa nối đôi của dầu thầu dầu theo nhiệt độ quá trình epoxy hóa bằng 2 xúc tác khác nhau. Có thể thấy, trong phạm vi khảo sát, sử dụng chất xúc tác K2620 cho hiệu suất chuyển hóa nối đôi trong dầu thầu dầu cao hơn hẳn so với trường hợp sử dụng xúc tác IR120 (độ chuyển hóa tương ứng khoảng 80% và 60%). Quá trình tăng nhiệt độ có ảnh hưởng đến sự chuyển hóa nối đôi trong cả hai trường hợp xúc tác. Đường đồ thị độ chuyển hóa ở nhiệt độ 80oC nằm trên cùng so với các đường đồ thị
ở các nhiệt độ khác. Ở cùng nhiệt độ 80oC và thời gian phản ứng, sử dụng xúc tác K2620 cho giá trị độ chuyển hóa nối đôi (ĐCH) còn cao hơn so với quá trình sử dụng xúc tác IR 120. Tuy nhiên, có một sự khác biệt về chuyển hóa nối đôi quan sát được khi sử dụng xúc tác IR120 là khi tăng nhiệt độ từ 50oC đến 80oC, mức độ chuyển hóa nối đôi có tăng nhưng sự khác biệt không nhiều, các đường đồ thị đều biến thiên theo thời gian nhưng nằm khá sát nhau (hình 3.3a). Ngược lại, quá trình epoxy hóa dầu thầu dầu sử dụng xúc tác K2620 cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng rõ rệt đến mức độ chuyển hóa nối đôi, đặc biệt đồ thị độ chuyển hóa của quá trình epoxy hóa dầu thầu dầu ở nhiệt độ 80oC nằm trên cùng và tách biệt xa hẳn so với các đường biểu diễn ở nhiệt độ khác.
Sự khác biệt về độ chuyển hóa nối đôi ở trên cũng có thể ảnh hưởng đến hàm lượng nhóm epoxy thu được khi thực hiện phản ứng với dầu thầu dầu. Hình 3.4 biểu diễn sự thay đổi hàm lượng epoxy (HLE) theo nhiệt độ phản ứng epoxy hóa dầu thầu dầu. Có thể nhận thấy khi tăng nhiệt độ và tăng thời gian thực hiện phản ứng thì hàm lượng nhóm epoxy tăng. Khi tăng nhiệt độ, hàm lượng epoxy thu được càng nhanh đạt cực đại. Tuy nhiên, nhiệt độ cao và thời gian phản ứng dài làm phá hủy các liên kết đôi và đồng thời tạo ra các sản phẩm phụ có thể giảm HLE thu được. Đối với trường hợp xúc tác IR120, nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến HLE khi thời gian phản ứng kéo dài, nhất là sau 6h trở đi (hình 3.4a). Ở thời gian phản ứng dưới 5h, hàm lượng HLE thu được ở các nhiệt độ khảo sát đều tăng khá chậm và có giá trị khá gần nhau. Sau 6h phản ứng trở đi, giá trị HLE tăng lên nhanh hơn và khác biệt nhau rõ ràng hơn, chúng nhanh đạt đến giá trị cực đại và không thay đổi nhiều khi kéo dài thời gian phản ứng, nhất là ở các dầu được epoxy hóa ở nhiệt độ > 60oC. Ở 80oC, HLE đạt được khoảng 8% sau 6h phản ứng. Đối với quá trình epoxy hóa sử dụng xúc tác K2620, thời gian phản ứng để đạt được giá trị HLE cực đại dài hơn và các giá trị này khá sát nhau khi nhiệt độ phản ứng từ 60oC trở lên. Sau 8h epoxy hóa dầu thầu dầu với xúc tác K2620, hàm lượng nhóm epoxy đạt cao nhất khoảng 6,7% ở nhiệt độ 70oC.
Hình 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng nhóm epoxy thu được khi epoxy hóa dầu thầu dầu với hai xúc tác khác nhau: xúc tác IR120 (a) và xúc tác K2620 (b)
Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, sau 8h thực hiện epoxy hóa, sử dụng xúc tác IR120 ở 80oC hay dung xúc tác K2620 ở 70oC cho hàm lượng nhóm epoxy trong dầu thầu dầu là lớn nhất và hiệu suất chuyển hóa cao nhất. Trong hai loại xúc tác, xúc tác K2620 cho hàm lương epoxy và độ chuyển hóa liên kết đôi lớn hơn so với xúc tác IR120 trong cùng khoảng nhiệt độ khảo sát (50-80oC).
Hình 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa nối đôi trong dầu hạt cải epoxy hóa bằng 2 loại xúc tác: xúc tác IR120 (a) và xúc tác K2620 (b)
Đối với dầu hạt cải, độ chuyển hóa nối đôi trong dầu này cũng cho kết quả khả quan và được thể hiện ở hình 3.5. Tuy nhiên, sau 2h thực hiện phản ứng, hàm lượng nối đôi trong dầu bị chuyển hóa khá thấp, chỉ 30-40% nối đôi bị chuyển hóa trong cả 2 trường hợp sử dụng xúc tác IR120 và K2620. Đối với trường hợp sử dụng xúc tác IR120, quá trình chuyển hóa tăng mạnh trong khoảng từ 2 đến 6h, sau đó quá trình chuyển hóa tăng chậm lại và đạt tối ưu ở 10h với khoảng 85% nối đôi bị chuyển hóa (hình 3.5a). Sự chênh lệch về độ chuyển hóa nối đôi của dầu là không nhiều khi khảo sát ở các nhiệt độ khác nhau, do đó, trong trường hợp này, nhiệt độ phù hợp để thực hiện phản ứng epoxy hóa
được lựa chọn là 70oC để đảm bảo yếu tố an toàn thí nghiệm và tiết kiệm năng lượng. Đối với trường hợp sử dụng xúc tác K2620, hình 3.5b cho thấy sự khác nhau đáng kể khi tăng nhiệt độ phản ứng từ 50 lên 80oC. Chính vì vậy trong trường hợp này nhiệt độ tối ưu được chọn là 60oC.
Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng epoxy hóa đến hàm lượng nhóm epoxy của dầu hạt cải cũng được khảo sát và cho các kết quả ghi nhận được ở hình 3.6.
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng nhóm epoxy trong dầu hạt cải epoxy hóa bằng 2 loại xúc tác: xúc tác IR120 (a) và xúc tác K2620 (b)
Khi tăng nhiệt độ, hàm lượng nhóm epoxy tăng và đạt giá trị cao nhất sau 8h phản ứng (hình 3.6). Với xúc tác IR120 hàm lượng nhóm epoxy tăng và có sự khác biệt rõ ở các
nhiệt độ khác nhau. Tuy nhiên với xúc tác K2620 ở nhiệt độ 70oC và 80oC hầu như không có sự khác biệt về hàm lượng nhóm epoxy. Với cả 2 loại xúc tác khi thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao nếu kéo dài thời gian thì hàm lượng nhóm epoxy có xu hướng giảm do có sự phân hủy một phần nhóm epoxy tạo thành các sản phẩm phụ.
Bảng tổng hợp số liệu các kết quả trình bày trong bảng 3.5 cho thấy 70oC là nhiệt độ thích hợp để thực hiện phản ứng epoxy hóa dầu thực vật với dầu hướng dương và dầu hạt cải, còn đối với dầu thầu dầu là ở 80oC. Đối với cả 3 loại dầu thì xúc tác K2620 luôn cho hiệu quả cao hơn xúc tác IR120.
Bảng 3.5. Độ chuyển hóa nối đôi lớn nhất và hàm lượng nhóm epoxy cao nhất theo nhiệt độ của
quá trình epoxy hóa các loại dầu thực vật sử dụng xúc tác IR120 và K2620
TT
Dầu hướng dương
Dầu hạt cải