Hình 3.12. Hiệu suất chuyển hóa từ nhựa PET sang vật liệu MOFs
Kết quả của hiệu suất chuyển hóa từ nhựa PET sang vật liệu được thể hiện ở hình 3.12 và bảng A.1 ở phụ lục. Ta thấy được hiệu suất của các loại vật liệu 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9 và 10 là cao vì được thủy phân nhiệt ở nhiệt độ cao và áp suất hơi bão hòa cao giúp đẩy nhanh tiến độ quá trình thủy phân không đồng nhất và xảy ra trên bề mặt phân cách rắn – lỏng giúp khử chuỗi phản ứng hóa học của PET thành axit terephthalic (H2DBC) và ethylene glycol (EG) [98]. Từ đó, axit terephathalic có 2 gốc hydroxyethyl ở 2 đầu sẽ kết hợp với ion kim loại Al3+ có trong muối nhôm Al2(SO4)3 tạo thành vật liệu khung hữu cơ MIL–53(Al). Ở nhiệt độ thấp, áp suất thấp của các vật liệu còn lại có tiến độ khử chuỗi phản ứng của PET và chuyển hóa thành vật liệu sẽ bị giảm đi nên hiệu suất kém. Kết luận,
63
vật liệu tối ưu nhất trong việc chuyển hóa từ nhựa PET sang vật liệu MOFs có khối lượng vật liệu thu hồi cao nhất là vật liệu 4 ở tỷ lệ 1: 20 với hiệu suất chuyển hóa đạt 95.02 %.
3.5.1. Kết quả tối ưu hóa của hiệu suất chuyển hóa từ PET sang vật liệu
Sau khi tiến hành khảo sát hiệu suất chuyển hóa từ nhựa PET sang vật liệu ở các điều kiện được thể hiện hình 3.12, hiệu suất chuyển hóa từ PET sang vật liệu (H2) thay đổi lần lượt từ 9.15 – 95.02 %. Bảng 3.5 thể hiện kết quả các phản ứng nghiệm thức và dự đoán từ 17 thực nghiệm. Dựa vào các giá trị thu được, phần mềm Disign Expert 13 được sử dụng để phân tích hồi quy các số liệu thực nghiệm và xây dựng mô hình tối ưu hóa dự đoán của 3 yếu tố biến tính mà tại đó giá trị của H2 cao nhất. Phương trình đa thức bậc hai dự đoán H2 như sau:
H2 = 63.47 + 15.01X1 – 0.1206X2 + 21.22X3 + 5.27X1X2 + 2.31X1X3 + 18.18X2X3 – 11.18X12 – 2.39X22 – 7.73X32
Trong đó: H2 là hiệu suất chuyển hóa từ nhựa PET sang vật liệu (%), X1 là yếu tố nhiệt độ (oC), X2 là yếu tố thể tích dung môi (L), X3 là yếu tố tỷ lệ nguyên liệu/dung môi (g/mL).
Bảng 3.5: Kết quả thực nghiệm và dự đoán hiệu suất chuyển hóa từ PET sang vật liệu
Số nghiệm thức
Các biến độc lập H2 (%)
X1 X2 X3 Thực tế Dự đoán
1 200 6 12.5 66.17 70.06
2 180 4 5 9.15 10.64
3 190 6 5 16.43 13.82
4 190 2 20 53.9 56.51
5 180 6 12.5 28.38 29.5
6 200 2 12.5 60.89 59.77
64
7 180 2 12.5 44.16 40.27
8 190 4 12.5 63.61 63.47
9 190 2 5 48.02 50.42
10 190 6 20 95.02 92.62
11 190 4 12.5 63.48 63.47
12 180 4 20 47.18 48.46
13 200 4 20 84.6 83.11
14 190 4 12.5 63.45 63.47
15 200 4 5 37.31 36.04
16 190 4 12.5 63.42 63.47
17 190 4 12.5 63.38 63.47
3.5.2. Phân tích các hệ số tương quan của các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa.
Phân tích ANOVA được thực hiện để đánh giá tác động của các biến độc lập, sự tương tác giữa các yếu tố với nhau. Mức độ phù hợp của mô hình dự đoán và thực nghiệm được tóm tắt trong bảng 3.6, cho thấy được hệ số của H2 có dạng phương trình bậc một và hệ số phương trình bậc hai đều đạt sự tương tác với nhau và ảnh hưởng lên hàm mục tiêu hiệu suất chuyển hóa, với phương sai đạt ý nghĩa thống kê (p < 0.05). Dựa trên kết quả, cho ta biết được những yếu tố có ảnh hưởng chính đến hàm H2 là X1, X3, X1X2, X2X3, X12
và X32 (p <0.05). Vì vậy phương trình hồi quy thực tế được xác định cho quá trình chuyển hóa từ nhựa PET sang vật liệu sau khi loại bỏ những yếu tố ảnh hưởng không đáng kể là:
H2 = 63.47 + 15.01X1 + 21.22X3 + 5.27X1X2 + 18.18X2X3 – 11.18X12– 7.73X32
Với giá trị F = 91.64 và giá trị p < 0.0001 chứng tỏ mô hình thu được có ý nghĩa thống kê cao đến 99.99 %.
65
Chỉ tiêu để đánh giá mô hình phù hợp với kết quả thực nghiệm là hệ số tương quan (R2), một mô hình hồi quy đa biến thực hiện theo phương pháp RSM được xem là tốt khi R2 ít nhất là 0.8. Như trình bày ở bảng 3.6, giá trị hệ số tương quan R2 của H2 là 0.9916, cho thấy mô hình phù hợp với kết quả thực nghiệm đạt đến 99.16 %. Song song, hệ số biến động (C.V) của H1 là 5.73 %, giá trị C.V tương đối thấp (nhỏ hơn 10 %) cho thấy mô hình phản hồi độ chính xác và độ tin cậy của quá trình thử nghiệm cao
Bảng 3.6: Kết quả các hệ số tương quan của các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa từ nhựa PET sang vật liệu.
Độ sai lệch giữa giá trị thực tế và giá trị dự đoán là tương đương với nhau được thể hiện ở hình 3.13 và hệ số Adj R2 = 0.9808 thể hiện bảng 3.6, cho thấy được kết quả thực nghiệm của mô hình ở thực tế có mức độ chính xác và độ tin cậy cao.
Kết luận, dựa vào những kết quả thu được chứng minh mô hình phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất chuyển hóa từ nhựa PET sang vật liệu. Đồng thời, đưa ra điều kiện tối ưu của
66
ba biến độc lập mà tại đó hiệu suất chuyển hóa PET sang vật liệu cao nhất là giá trị H2 đạt hiệu suất đạt 99.2 % khi ở nhiệt độ 198 oC, thể tích dung môi 5.5 L, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi 1:19.6 g/mL.
Hình 3.13: Sự tương quan giữa giá trị thực tế và dự đoán 3.5.3. Kết quả đáp ứng bề mặt của hiệu suất chuyển hóa.
Hình 3.14: Bề mặt đáp ứng của các biến độc lập lên hiệu suất chuyển hóa (H2), gồm nhiệt độ (X1), thể tích dung môi (X2) và tỉ lệ nguyên liệu/dung môi (X3).
Biểu đồ bề mặt đáp ứng 3D được xây dựng bằng cách cố định hai biến số ở mức độ trung tâm (mức 0) và thay đổi hai biến số còn lại trong phạm vi thăm dò. Biểu đồ 3D giúp
67
khảo sát, xác định các thông số tối ưu và sự ảnh hưởng của các biến độc lập lên hiệu suất chuyển hóa từ nhựa PET sang vật liệu, được thể hiện trong hình 3.14. Xu hướng chung của các thực nghiệm đều có sự tương tác lẫn nhau, giá trị nhiệt độ sẽ tăng lên từ 180 oC – 190 oC và giảm từ 190 oC – 200 oC ở hình 3.14A, B. Dựa vào hình 3.14B, C có thể thấy rằng giá trị của thể tích cao nhất là 2 L và giảm dần tới 6 L và giá trị của tỷ lệ nguyên liệu/dung môi tăng đến mực cố định ở mức trung tâm là 1:12.5 g/mL, sau đó giảm dần.