CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. NGHIÊN CỨU CẮT MẠCH CHITOSAN TẠO WSC BẰNG TÁC NHÂN
3.1.2. Tối ưu hoá quá trình cắt mạch chitosan tạo WSC theo phương pháp Box-
Tiến hành tối ưu hoá công đoạn cắt mạch chitosan tạo WSC theo phương pháp Box-Behnken với miền khảo sát của các yếu tố ảnh hưởng: nồng độ H2O2 (4 - 6%), nhiệt độ phản ứng (30 - 60oC) và thời gian phản ứng (2 - 4 giờ), mỗi TN lặp lại 3 lần, kết quả được trình bày ở bảng 3.1 và các hình 3.4 - 3.6.
Bảng 3.1. Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp hai theo mô hình Box-Behnken và hiệu suất thu hồi WSC
Thí nghiệm
Nồng độ H2O2
(%) (X1)
Thời gian (h) (X2)
Nhiệt độ (oC) (X3)
Hiệu suất thu hồi (%)
(Y)
1 -1(4) -1(2) 0(45) 43,12
2 +1(6) -1(2) 0(45) 65,23
3 -1(4) +1(4) 0(45) 61,02
4 +1(6) +1(4) 0(45) 84,53
5 -1(4) 0(3) -1(30) 22,70
6 +1(6) 0(3) -1(30) 39,52
7 -1(4) 0(3) +1(60) 50,75
8 +1(6) 0(3) +1(60) 57,40
9 0(5) -1(2) -1(30) 29,70
10 0(5) +1(4) -1(30) 39,84
11 0(5) -1(2) +1(60) 45,40
12 0(5) +1(4) +1(60) 55,38
13 0(5) 0(3) 0(45) 86,13
14 0(5) 0(3) 0(45) 81,03
15 0(5) 0(3) 0(45) 84,70
16 0(5) 0(3) 0(45) 83,90
17 0(5) 0(3) 0(45) 81,31
Hình 3.4. Mô hình 3D ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ H2O2 đến
hiệu suất thu hồi WSC, thời gian phản ứng 3h
Hình 3.5. Mô hình 3D ảnh hưởng của thời gian và nồng độ H2O2 đến hiệu suất thu hồi WSC, nhiệt độ phản
ứng ở 45oC
Hình 3.6. Mô hình 3D ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến hiệu suất thu hồi WSC, ở nồng độ H2O2 5%
Từ các kết quả trình bày ở bảng 3.1 và các hình 3.4 cho thấy: hiệu suất thu hồi WSC tăng dần theo chiều tăng của nồng độ H2O2 trong khoảng 4 - 6%. Kết đánh giá còn cho thấy sự khác biệt về hiệu suất thu hồi WSC thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau có ý nghĩa về mặt thống kê (p < 0,05). Thể hiện, trong miền giới hạn của các thông số đã khảo sát, khi cố định thời gian thực hiện phản ứng là 3 giờ (Hình 3.4) hoặc khi cố định nồng độ H2O2 là 5% (Hình 3.6) thì hiệu suất thu hồi WSC có xu hướng tăng theo chiều tăng của nhiệt độ phản ứng và đạt đến vùng giá trị cực đại khi nhiệt độ phản ứng là 45,0oC. Sau đó nếu tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng > 45,0oC thì hiệu suất tạo WSC lại
Design-Expert® Software Factor Coding: Actual Hieu suat thu hoi
86.1 22.7 X1 = A: Nong do X2 = C: Nhiet do Actual Factor B: Thoi gian = 3.0
30.0 37.5 45.0 52.5 60.0
4.0 4.5
5.0 5.5
6.0 20.0
34.0 48.0 62.0 76.0 90.0
Hieu suat thu hoi (%)
Nong do (%) Nhiet do (oC)
Design-Expert® Software Factor Coding: Actual Hieu suat thu hoi
86.1 22.7 X1 = A: Nong do X2 = B: Thoi gian Actual Factor C: Nhiet do = 45.0
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
4.0 4.5
5.0 5.5
6.0 40.0
50.0 60.0 70.0 80.0 90.0
Hieu suat thu hoi (%)
Nong do (%) Thoi gian (h)
Design-Expert® Software Factor Coding: Actual Hieu suat thu hoi
86.1 22.7 X1 = B: Thoi gian X2 = C: Nhiet do Actual Factor A: Nong do = 5.0
30.0 37.5 45.0 52.5 60.0
2.0 2.5
3.0 3.5
4.0 20.0
34.0 48.0 62.0 76.0 90.0
Hieu suat thu hoi (%)
Thoi gian (h) Nhiet do (oC)
giảm dần. Tương tự như vậy, thời gian phản ứng và nồng độ H2O2 cũng có ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi WSC. Trong khoảng thời gian phản ứng đã chọn 2 - 4 giờ, khi cố định nhiệt độ phản ứng là 45oC thì hiệu suất thu hồi WSC cũng tăng dần theo chiều tăng thời gian phản ứng và đạt giá trị cao nhất khi thời gian phản ứng khoảng 3,5 giờ, sau đó nếu tiếp tục tăng thời gian phản ứng thì hiệu suất thu hồi có xu thế giảm (Hình 3.5).
Từ kết quả thực nghiệm ở bảng 3.1, sử dụng phần mềm Design Expert tiến hành xử lý và phân tích dữ liệu. Kết quả phân tích phương sai xác định tính tương thích mô hình bậc 2 bề mặt đáp ứng được trình bày ở bảng 3.2 và phương trình hồi qui tuyến tính bậc 2 mô tả tương quan giữa các yếu tố được chọn trong miền khảo sát với hiệu suất thu hồi WSC được biểu diễn như sau:
Y = 83,41 + 8,64X1 + 7,17X2 + 9,65X3 + 0,35X1X2 - 2,54X1X3 - 0,04X2X3 - 9,96X12 - 9,98X22 - 30,86X32 (1)
Trong đó: Y: hàm mục tiêu (biến phụ thuộc)
X1, X2, X3 tương ứng là các biến độc lập (mã hóa) của nồng độ H2O2, thời gian và nhiệt độ phản ứng.
Bảng 3.2. Phân tích phương sai mô hình bậc hai bề mặt đáp ứng Nguồn Bậc
tự do
Tổng các bình phương
Trung bình bình phương
Giá trị F
Giá trị p
Mô hình 9 6989,33 776,59 37,71 0,0001
Sai số dư 7 144,15 20,59
Không phù hợp 3 124,77 41,59 8,59 0,03
Sai số thuần 4 19,38 4,84
Tổng 16 7133,47
R2 = 0.9798 ; R2hiệu chỉnh = 0,9538
Qua phân tích phương sai cho thấy mô hình tuyến tính bậc 2 biểu diễn ảnh hưởng của các yếu tố độc lập đến hiệu suất thu hồi WSC là phù hợp (pmô hình < 0,03).
Sự tương thích của mô hình còn được kiểm tra thông qua giá trị tương quan bội R2 và R2hiệu chỉnh. Số liệu phân tích cho thấy hồi qui bậc 2 có ý nghĩa ở mức 0,9898 (hệ số tương quan bội R = 0,9898). Giá trị R2hiệu chỉnh (0,9538) của phương trình (1) chỉ ra rằng hơn 95% sự thay đổi hiệu suất thu hồi WSC là do các yếu tố ảnh hưởng, chỉ có
khoảng gần 5% không thể giải thích bởi mô hình.
Với mục tiêu thu hồi tối đa lượng WSC, sử dụng công cụ tối ưu hóa của phần mềm Design Expert thu được thông số tối ưu cho công đoạn cắt mạch chitosan tạo WSC như sau: nồng độ H2O2 là 5,4%, nhiệt độ phản ứng là 47,1oC và thời gian phản ứng tối ưu là 3,4 giờ với hiệu suất thu hồi tương ứng được dự đoán theo mô hình đạt 87,2%. Áp dụng điều kiện tối ưu vào 3 lần thực nghiệm lặp lại thu được hiệu suất phản ứng tạo WSC là 85,6 ± 2,5% và giá trị hiệu suất này không sai khác với giá trị hiệu suất thu hồi WSC được dự đoán (p < 0,05). Như vậy các thống số tối ưu đã xác định được là hoàn toàn phù hợp với thí nghiệm mà luận án đã tiến hành.