Hình 3.9. Hiệu suất xử lý nhựa PET của các điều kiện
Trong các phản ứng của quá trình thủy phân nhiệt tạo vật liệu khung hữu cơ MOFs, có một vấn đề cần chú ý là thí nghiệm này thay vì trực tiếp sử dụng axit terephthalic để đạt được hiệu quả tốt hơn trong việc kết hợp với phân tử ion kim loại [74]. Thay vào đó muốn khảo sát quá trình chuyển hóa gián tiếp từ dạng gốc chuỗi phản ứng hóa học của nhựa PET thành axit terephathalic và kết hợp với gốc kim loại phân tử ion Al tạo thành vật liệu. Nhằm đánh giá điều kiện tối ưu của các yếu tố như nhiệt độ, khối lượng nhựa PET/Al2(SO4)3 và thể tích dung dịch thích hợp xử lý nhựa PET nhiều nhất. Kết quả trên hình 3.9 và bảng A.1 phụ lục cho ta thấy rằng ở nhiệt độ 200 oC, thể tích dung môi 2 Lít và khối lượng nhựa ban đầu là 20.2 g là điều kiện tối ưu có thể khử chuỗi hóa học của nhựa PET và tiềm năng giúp xử lý nhựa PET cao nhất đạt đến hiệu suất 71.28 %.
58
3.4.1. Kết quả tối ưu hóa của hiệu suất xử lý PET.
Trên cơ sở khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý PET ở hình 3.9 bằng phương pháp thủy phân nhiệt cho thấy được cả ba yếu tố (nhiệt độ, thể tích dung môi, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi) đều ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý PET. Phương pháp tối ưu hóa bề mặt đáp ứng (RSM) được sử dụng trong bài nhằm tối ưu hóa các điều kiện của hiệu suất xử lý PET (H1), thông qua mô hình Box – Behnken (BBD) với các biến độc lập gồm nhiệt độ (X1),thể tích dung môi (X2), tỷ lệ nguyên liệu/dung môi (X3). Tổng số nghiệm thức là 17 với 5 nghiệm thức trung tâm. Hiệu suất xử lý PET (H1) thay đổi lần lượt từ 11.7 – 71.28
% ở bảng 3.3. Phần mềm Design expert 13 được sử dụng để mô hình hóa thí nghiệm và các kết quả thực nghiệm theo mô hình, qua đó xây dựng phương trình hồi quy dự đoán và mô hình tối ưu hóa của ba biến độc lập mà tại đó hiệu suất xử lý PET là cao nhất.
H1 = 50.81 + 11.53X1 – 4.42X2 + 13.9X3 – 6.83X1X2 – 4.8X1X3 + 15.17X2X3 + 0.4105X12 – 4.27X22 – 5.77X32
Trong đó: H1 là hiệu suất xử lý PET (%), 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 3.3: Kết quả thực nghiệm và dự đoán hiệu suất xử lý PET
Số nghiệm thức
Các biến độc lập H1 (%)
X1 X2 X3 Thực tế Dự đoán
1 200 6 12.5 44.65 47.24
2 180 4 5 11.7 15.22
3 190 6 5 12.36 7.29
4 190 2 20 38.84 43.91
5 180 6 12.5 36.3 37.85
6 200 2 12.5 71.28 69.73
7 180 2 12.5 35.6 33.01
8 190 4 12.5 50.99 50.81
59
9 190 2 5 47.4 46.46
10 190 6 20 64.49 65.43
11 190 4 12.5 50.89 50.81
12 180 4 20 55.1 52.62
13 200 4 20 69.6 66.07
14 190 4 12.5 50.77 50.81
15 200 4 5 45.4 47.88
16 190 4 12.5 50.74 50.81
17 190 4 12.5 50.68 50.81
3.4.2. Phân tích các hệ số tương quan của các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xuất xử lý PET.
Từ kết quả phân tích ANOVA ảnh hưởng của ba biến độc lập lên hàm mục tiêu thể hiện ở bảng 3.4, các giá trị của nhân tố tuyến tính. Với giá trị F = 30.02 và giá trị p <
0.0001 chứng tỏ mô hình thu được có ý nghĩa thống kê cao. Dựa theo kết quả bảng 3.4, cho thấy các hệ số hồi quy của tương tác bậc một (X1, X2, X3), giá trị các cặp yếu tố (X1X2, X1X3, X2X3) và giá trị bậc hai (X32) đều thể hiện ở mức độ ý nghĩa tin cậy cao (p < 0.05) thi tham gia mô hình, vậy nên phương trình hồi quy thực tế sau khi loại bỏ những yếu tố ảnh hưởng không đáng kể lên hàm mục tiêu H1 được xác định như sau:
H1 = 50.81 + 11.53X1 – 4.42X2 + 13.9X3 – 6.83X1X2 – 4.8X1X3 + 15.17X2X3 – 5.77X32
Ngoài ra, chỉ tiêu để đánh giá mô hình phù là dựa trên hệ số tương quan (R2), một mô hình hồi quy tối đa biến thực hiện theo phương pháp RSM được xem là tốt nhất khi R2 ít nhất là 0.8. Giá trị R2 của hiệu suất xử lý PET là 0.9747 như trong bảng 3.4, cho thấy mô hình phù hợp với kết quả thực nghiệm. Đồng thời, R2 hiệu chỉnh của mô hình cao (Adj R2 = 0.9432) ở điều kiện thực tế khá chính xác. Hệ số biến động (C.V) của hiệu suất xử lý
60
PET là 8.51 %, giá trị C.V tương đối thấp (nhỏ hơn 10 %) chứng minh mô hình phản hồi có độ chính xác và độ tin cậy của quá trình thử nghiệm cao. Trong năm 2019, nghiên cứu của Cui và cộng sự đã chứng minh được rằng những giá trị R2 > 80 %, C.V. < 10 % cho mô hình có tính thực nghiệm và áp dụng cao [97] .
Bảng 3.4: Kết quả phân tích các hệ số tương quan của các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý PET.
Kết quả hệ số tương quan R2 = 0.9747 trên bảng 3.4 và sự chênh lệch của hai giá trị thực tế và dự đoán thể hiện ở hình 3.10 là không đáng kể, chứng tỏ thực nghiệm có độ chính xác cao.
Do đó, dựa vào những kết luận trên cho thấy mô hình phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất xử lý nhựa PET. Đồng thời, đưa ra điều kiện tối ưu của ba biến độc lập mà tại đó hiệu suất xử lý PET cao nhất là giá trị H1 đạthiệu suất đạt 71.252 % khi ở nhiệt độ 200 oC, thể tích dung môi 2 L, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi 1:9.4 g/mL.
61
Hình 3.10: Sự tương quan giữa giá trị thực tế và giá trị dự đoán 3.4.3. Kết quả đáp ứng bề mặt của hiệu suất xử lý PET.
Hình 3.11: Bề mặt đáp ứng của các biến độc lập lên hiệu suất xử lý PET (H1), 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 một biến số được cố định ở mức độ trung tâm (mức 0) và thay đổi hai biến số còn lại trong phạm vi nghiên cứu. Các giá trị hiệu suất xử lý tăng dần theo nhiệt độ từ 180 0C – 200 oC ở hình 3.11A, B, thể tích
62
dung môi tăng dần từ 2 L – 6 L làm cho hiệu suất giảm thể hiện trong hình 3.11A, C tuy nhiên hiệu suất xử lý tăng nhẹ khi tỷ lệ nguyên liệu/dung môi đi từ 1:5 – 1:20 g/mL ở hình 3.11B, C.