III.3. Ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến hàm lượng methyl ester
III.3.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol methanol trên dầu hạt cao su
Đối với phản ứng chuyển hóa ester, theo như cân bằng hóa học của phản ứng là 1 mol dầu tương ứng với 3 mol methanol. Thực tế, lượng mol methanol khi tiến hành phản ứng thường cao hơn vì là phản ứng thuận nghịch nên cân bằng sẽ chuyển dịch về hướng tạo sản phẩm, tức ME. Theo các kết quả nghiên cứu, phương pháp chuyển hóa truyền thống có dùng xúc tác thì tỉ lệ methanol từ 6 đến 9 trên 1 mol
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100
C đo được (% kl)
C thực nghiệm (% kl)
dầu [2, 4, 5, 7, 8] và khi phản ứng trong điều kiện SCM thì tỉ lệ mol này thường cao hơn, có trường hợp lên đến 50:1 [30 – 37].
Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của tỉ lệ mol methanol:RSO đến hàm lượng ME được khảo sát từ mức 10:1 đến 50:1, mức 42:1 cũng được khảo sát vì theo Saka
mức tỉ lệ này cho độ chuyển hóa cao nhất. Tất cả các mức khảo sát được tiến hành ở điều kiện nhiệt độ 280oC, kéo dài trong 20 phút phản ứng (xem bảng II.3). Các kết
quả phân tích thu được về hàm lượng ME, tỉ trọng và độ nhớt của BRSO sau phản ứng dưới tác động của tỉ lệ mol methanol:RSO được trình bày ở bảng III.5.
Bảng III.5. Kết quả phân tích ảnh hưởng của tỉ lệ mol methanol:RSO.
Ký hiệu mẫu
Tỉ lệ mol methanol:RSO Độ hấp thu Hàm lượng
ME (% kl) Tỉ trọng Độ nhớt
(mm2/s)
601 10:1 0,024549 51,6 0,886 10,5
602 20:1 0,026295 55,6 0,884 9,4
603 30:1 0,031491 67,5 0,888 5,1
604 40:1 0,041578 90,6 0,887 5,1
605 42:1 0,042495 92,7 0,885 5,0
606 50:1 0,042539 92,8 0,885 5,2
Hình III.3 cho thấy ảnh hưởng của tỉ lệ mol đến hàm lượng ME như sau: khi tỉ
lệ methanol:dầu là 10:1, hàm lượng ME thấp chỉ đạt 51,6%, tăng tỉ lệ methanol thì hàm lượng này cũng tăng theo và đạt trên 90% khi mức tỉ lệ methanol:dầu hơn 40:1, đặc biệt ở mức 42:1 cho hàm lượng cao nhất là 92,7%. Khi tăng thêm tỉ lệ mol lên 50:1 thì hàm lượng ME tăng không đáng kể nữa.
Methanol vừa là tác chất phản ứng vừa đóng vai trò là dung môi hòa tan dầu, do đó khi tăng lượng methanol sẽ giúp tăng lượng dầu hòa tan, tăng bề mặt phản ứng, làm giảm trở lực truyền khối giữa dầu và methanol. Bên cạnh đó, việc tăng tỉ lệ mol methanol trên dầu không chỉ tăng lượng phân tử methanol quanh phân tử dầu mà còn có vai trò làm giảm nhiệt độ siêu tới hạn của hỗn hợp phản ứng, giúp quá
trình chuyển thành một pha đồng thể của hỗn hợp trở nên dễ dàng ở nhiệt độ thấp hơn. Theo Saka và Kusdiana, độ chuyển hóa tăng khi tỉ lệ mol methanol dầu tăng từ 21:1 đến 42:1, hiệu suất tăng tương ứng từ 80% lên 90% trong phản ứng tổng hợp biodiesel từ dầu hạt cải với SCM [30].
Hình III.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol đến hàm lượng ME (280oC, 20 phút).
Từ biểu đồ ảnh hưởng của tỉ lệ mol (hình III.3), có thể nhận rõ sự khác biệt về hàm lượng ME giữa tỉ lệ mol 10:1 so với 42:1. Trong cùng điều kiện phản ứng về nhiệt độ và thời gian, hàm lượng ester ở tỉ lệ mol 42:1 cao hơn nhiều so với hàm lượng ở mức 10:1 do tác dụng làm giảm nhiệt độ phản ứng khi dùng lượng methanol cao. Cụ thể, với nhiệt độ 280oC hỗn hợp phản ứng đã đạt trạng thái siêu
tới hạn ở tỉ lệ mol cao 42:1 và hàm lượng ME thu được cũng cao do hỗn hợp phản ứng đã tạo được một pha duy nhất. Trong khi ở tỉ lệ mol 10:1, nhiệt độ tới hạn của hỗn hợp đòi hỏi cao hơn nên khi tiến hành ở 280oC, hỗn hợp giữa methanol và RSO
chưa hoàn toàn tạo thành một pha đồng thể, kết quả là phản ứng kém hơn, hàm lượng ester thấp. Việc tăng dần tỉ lệ mol methanol:dầu đã làm giảm dần nhiệt độ tới hạn của hỗn hợp, bằng chứng là kết quả thí nghiệm về hàm lượng ester càng được cải thiện hơn.
Kết quả phân tích về tỉ trọng và độ nhớt ở bảng III.5 cũng cho thấy phản ứng chuyển hóa ester trong SCM làm giảm đáng kể tỉ trọng và độ nhớt của sản phẩm BRSO so với nguyên liệu RSO (d = 0,915; ν = 37,0 mm2/s). Khi tỉ lệ mol thấp, phản
51,6 55,6
67,5
90,6 92,7 92,8
0 20 40 60 80 100
10:1 20:1 30:1 40:1 42:1 50:1
Hàm lượng ME (%)
Tỉ lệ mol methanol:RSO
ứng chuyển hóa một phần dẫn đến hàm lượng ME thấp, thành phần dầu còn nhiều,
kết quả phản ánh là độ nhớt của sản phẩm vẫn còn cao (10,5 mm2/s). Nhưng khi tăng dần tỉ lệ mol, phản ứng hiệu quả hơn, các triglyceride chuyển hóa dần tạo thành ME, và độ nhớt sản phẩm giảm dần. Khi sản phẩm đạt hàm lượng cao nhất độ nhớt giảm chỉ còn 5,0 mm2/s.
Từ kết quả thu được đã chỉ ra rằng: việc dùng một lượng lớn methanol trong phản ứng làm tăng hiệu suất chuyển hóa tạo sản phẩm, và phù hợp với các nghiên cứu trước đây. Tuy nhiên, khi dùng tỉ lệ mol cao trên 42:1 không làm tăng hàm lượng biodiesel vì phản ứng chuyển hóa đã đạt cân bằng. Rõ ràng, việc tăng thêm methanol lúc này là không cần thiết nữa vì không thể làm tăng hàm lượng mong muốn mà chỉ gây bất lợi như: tăng kích thước thiết bị, khó khăn trong việc phân tách sản phẩm và thu hồi methanol dư.