Phương Nam Co LTD
© 29/7/2021 - Vietnam12h.com Application

Tổng hợp chất hoạt động bề mặt từ dầu thông

Dựa theo các nghiên cứu của Phương Nam trước đây cho rằng dầu thông có đặc tính hòa tan tan dầu mỡ rất tốt; chúng có cấu trúc vòng terpen có hoạt tính cao để tẩy các phân tử dầu mỡ. Tuy nhiên hoạt tính vần còn thấp, mặt khác dầu thông có đặc tính là không phân cực do đó khó hòa tan trong nước. Do vậy chúng tôi đã tiến hành biến tính dầu thông nhằm tạo ra các sản phẩm có độ phân cực cao, làm giảm độ bay hơi, tăng tỷ trọng, làm tăng khả năng tẩy rửa vải sợi. Các phương pháp biến tính được sử dụng là sunfat hoá, hydrat hoá, oxy hoá

Dầu thông sử dụng loại dầu thông uông bí quảng ninh. Phổ gas chromatography mass spectometry của loại dầu thông này được đưa 3

Từ phổ gas chromatography mass spectometrycủa mẫu đầu thông nguyên liệu cho biết các thông số sau:

Thời gian lưu là 5.068 phút ứng với α -pinen 73.185%

Thời gian lưu là 5.457 phút ứng với β - pinen 2.696 %

Thời gian lưu 5,548 phút ứng với β-myrcene 0,739%

Thời gian lưu 5.777 phút ứng với ∆3-caren 14.509%

Thời gian lưu 5.94 phút ứng với Limonen 2.269%

Thời gian lưu 6,200 phút ứng với γ-terpinene, 0,449%

Thời gian lưu 6,469 phút ứng với α-terpinolene, 2,552%

Như vậy, cấu tử chính trong dầu thông nguyên liệu là α -pinen (73.185% ), β - pinen (2.696 %), và ∆ 3-caren (14.509% ) có tổng hàm lượng đến 91%, là thành phần chính tạo nên hoạt tính bề mặt. Tính chất hóa lý của dầu thông nguyên liệu được xác định trong bảng 3.11như vậy, dầu thông cũng có hoạt tính tẩy sạch, tuy nhiên hoạt tính còn rất thấp, cần phải biến tính để thu được chất hoạt động bề mặt có hoạt tính cao hơn

Để lựa chọn chất hoạt động bề mặt cho từng loại vải sợi, chúng tôi sơ bộ thử nghiệm các loại chất hoạt động bề mặt đối với các loại vải khác nhau.

Chất hoạt động bề mặt sunfat hoá có hoạt tính cao nhất đối với vải cotton; còn sản phẩm hydrat hoá lại có hoạt tính tẩy sạch cao với vải polieste và vải pha. Sản phẩm oxydat có hoạt tính tẩy sạch thấp đối với tất cả các loại vải. Có thể giải thích điều này như sau: Trong phân tử dầu thông sunfat hoá có nhóm -SO4H là nhóm phân cực mạnh; Cấu trúc vải cotton cũng có các nhóm phân cực mạnh -OH, do đó khi cho vải cotton tiếp xúc với dung dịch tẩy rửa, các phân tử dầu thông biến tính nhanh chóng hấp

Phụ lên trên bề mặt vải cotton do sự tương đồng về độ phân cực, chúng bám chặt vào bề mặt vải, tạo thuận lợi cho quá trình tách các vết bẩn.

Còn đối với vải polyester, bề mặt hầu như không phân cực, mà sản phẩm sunfat hoá phân cực mạnh nên việc chất hoạt động bề mặt loại này chui sâu vào mao quản sợi polyeste để kéo chất bẩn ra sẽ khó khăn hơn, vì vậy cần phải có chất hoạt động bề mặt ít phân cực hơn. Sản phẩm hydrat hoá đáp ứng yêu cầu này. Trong quá trình hydrat hoá tạo ra các nhóm oh, ít phân cực hơn so với nhóm so3h trong sunfat hoá.

Cũng do bề mặt vải polyester phân cực rất yếu, lại có tính chất của vòng thơm dầu mỡ có tính chất không phân cực, sức căng bề mặt nhỏ, cặn nặng lại chứa vòng thơm và dị vòng , do vậy các chất bẩn này bám dính trên vải polyeste rất dễ dàng. Góc thấm ướt của dầu mỡ trên vải este là góc tù (lớn hơn 90o ). Theo phương nam với góc thấm ướt kiểu này thì dẫu mỡ rất khó tẩy.

Từ kết quả và các phân tích ở trên, chúng tôi lựa chọn chất hoạt động bề mặt dạng sunfat hoá sử dụng cho vải cotton, còn chất hoạt động bề mặt hydrat hoá sử dụng cho vải polieste. Còn đối với vải pha có thể sử dụng hỗn hợp với các tỷ lệ khác nhau. Nhìn vào số liệu trên bảng 3.12 ta còn thấy, không những chất hoạt động bề mặt sunfat hoá tốt nhất với vải coton, nó còn có hoạt tính cao (xấp xỉ chất hoạt động bề mặt hydrat hoá) với các loại vải khác; vì vậy trong thực tế, để thuận tiện sử dụng cho các loại vải, chúng tôi pha chế hỗn hợp hai loại chất hoạt động bề mặt trên với các thành phần phụ gia sẽ thu được hỗn hợp chất tẩy rửa có hoạt tính gần 100%.

Tổng hợp chất hoạt động bề mặt từ dầu thông bằng phương pháp sunfat hoá

Nguyên liệu được chọn là dầu thông có thành phần như trên và axit sunfuric. Hoạt tính của sản phẩm được đánh giá qua độ tẩy sạch trên vải cotton. Độ tẩy sạch, hay độ trắng là chỉ tiêu dùng để đánh giá hoạt tính tách chất bẩn trên vải.

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sunfat hóa dầu thông

Nồng độ axit H2SO4

Để nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ axit sunfuric đến quá trình sunfat hóa dầu thông, chúng tôi pha axit sunfuric thành các dung dịch có nồng độ khác nhau, tiến hành phản ứng như mô tả trong phần thực nghiệm với thời gian là 3h ở 30oc, kết quả thu được ở bảng 3.13:

Bảng 3.13:ảnh hưởng của nồng độ axit h2so4 đến phản ứng sunfat hóa dầu thông

Từ bảng số liệu trên, xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khả năng tẩy rửa và nồng độ axit H2SO4 như trên hình 3.13

Từ đồ thị trên cho thấy mẫu M3 ứng với nồng độ axit 70% cho hoạt tính tẩy sạch cao nhất 85 %. Nếu nồng độ axit cao quá có thể dẫn đến các phản ứng oxy hóa sâu phá vỡ vòng của terpen làm giảm hoạt tính tẩy rửa của sản phẩm thu được, hoặc có thể xảy ra các phản ứng phụ dẫn đến giảm hiệu suất của quá trình.

Hình 3.13. Mối quan hệ giữa khả năng tẩy rửa và nồng độ axit

Lượng axit H2SO4

Cố định nồng độ axit H2SO4 là 70%, thay đổi lượng axit, tiến hành phản ứng trong 3h ở 30oC. Kết quả thu được trong bảng 3.14

Bảng 3.14. Ảnh hưởng của lượng H2SO4 đến phản ứng sunfat hóa dầu thông

Từ bảng số liệu trên, ta xây dựng đồ thị biểu diễn quan hệ giữa nồng độ axit và độ tẩy sạch của sản phẩm như sau:

Hình 3.14. Mối quan hệ giữa lượng axit và hoạt tính tẩy sạch

Từ đồ thị ta thấy mẫu M8 với 9 ml H2SO4 70% (tương đương với hàm lượng là 8% axit) cho hoạt tính tẩy rửa cao nhất 85,4 %. Nếu lượng axit nhiều quá dẫn đến xảy ra các phản ứng phụ làm giảm hiệu suất của quá trình hoặc dẫn đến oxy hóa sâu phá vỡ vòng terpen làm giảm hoạt tính tẩy rửa. Ngược lại nếu lượng axit ít quá thì nồng độ tác nhân không đủ và phản ứng xảy ra chậm.

Nhiệt độ phản ứng

Cố định lượng axit H2SO4 70% là 9ml. Tiến hành phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau trong thời gian 3h. Kết quả thu được như trong bảng 3.15

Bảng 3.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ trong phản ứng sunfat hóa dầu thông

Từ bảng số liệu trong bảng 3.15 xây dựng đồ thị 3.15 biểu diễn quan hệ giữa nhiệt độ phản ứng và độ tẩy sạch

Hình 3.15. Mối quan hệ giữa hoạt tính tẩy sạch và nhiệt độ phản ứng

Từ đồ thị cho thấy, sulfat hoá ở nhiệt độ 30oC sẽ cho ta sản phẩm dầu thông biến tính có hoạt tính tẩy sạch tốt nhất là 85,4%. Điều này có thể được giải thích là nếu thực hiện ở nhiệt độ cao thì ngoài phản ứng sulfat hoá còn có thể xảy ra phản ứng phụ hay oxy hoá sâu tạo ra các sản phẩm không mong muốn làm giảm hiệu suất và hoạt tính tẩy rửa của dầu thông. Nếu nhiệt độ thấp quá, quá trình sulfat hoá diễn ra kém do chưa đủ điều kiện cho các cấu tử va chạm với nhau để chuyển hóa, hoạt tính tẩy sạch của sản phẩm thu được sẽ thấp.

Thời gian phản ứng

Cố định lượng axit H2SO4 70% là 9 ml, tiến hành phản ứng ở 30oC để khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hoạt tính của sản phẩm. Kết quả được đưa ra ở bảng 3.16

Bảng 3.16. Ảnh hưởng của thời gian trong phản ứng sunfat hóa dầu thông

Từ bảng số liệu, xây dựng đồ thị biểu diễn quan hệ giữa độ tẩy trắng và thời gian phản ứng:

Hình 3.16. Mối quan hệ giữa thời gian phản ứng và hoạt tính tẩy sạch

Qua số liệu thực nghiệm ta thấy quá trình sunfat hóa tiến hành trong 5h sẽ cho sản phẩm đạt độ tẩy rửa cao nhất 91,9 %. Nếu thực hiện phản ứng với thời gian ngắn hơn thì phản ứng xảy ra chưa triệt để, sản phẩm thu được có hoạt tính không cao, đồng thời lượng axit dư nhiều gây lãng phí. Nếu kéo dài thời gian phản ứng có thể xảy ra các phản ứng phụ, gây oxi hoá sâu và làm giảm năng suất thiết bị, tăng chi phí sản xuất và vận hành. Các tính chất của sản phẩm sunfat hoá được đưa ra ở bảng 3.26 ở phần sau.

Nghiên cứu cấu trúc của sản phẩm sunfat hóa

Để khảo sát khả năng phản ứng xảy ra trong quá trình sulfat hoá dầu thông, chúng tôi tiến hành đo phổ IR của dầu thông ban đầu và dầu thông đã sulfat hoá với các axit có nồng độ khác nhau thu được các kết quả thể hiện trên các phổ đồ với khoảng tần số dao động của nhóm sulfat là 1200 1250 cm-1 và nhóm sulfo là 1180 - 1220 cm-1, ta có thể xác định được sự có mặt của các thành phần trong dầu thông sulfat hóa với các nồng độ axit khác nhau như sau:

Dầu thông sulfat hóa với axit H2SO4 50% : xuất hiện pic có tần số 1219,6 cm-1 của nhóm sulfat.

Dầu thông sulfat hóa với axit H2SO4 60%: xuất hiện pic có tần số 1200 cm-1 của nhóm sulfat.

Dầu thông sulfat hóa với axit H2SO4 70% : xuất hiện pic có tần số 1209,1 cm-1 của nhóm sulfat và pic có tần số 1195,9 cm-1 của nhóm sulfo, tuy nhiên nhóm sulfo có tần số nhỏ, chứng tỏ lượng tạo ra ít.

Dầu thông sulfat hóa với axit H2SO4 80% : xuất hiện pic có tần số 1230,3 cm-1 của nhóm sulfat có cường độ nhỏ và pic có tần số 1195,9 cm-1 của nhóm sulfo với cường độ lớn hơn .

Như vậy, với nồng độ axit H2SO4 thấp (50 - 60%), chỉ có phản ứng sulfat hoá xảy ra tạo sản phẩm có liên kết (C-O-SO3H). Khi nồng độ axit H2SO4 tăng lên đến 70% quá trình sulfat hóa xảy ra có kèm theo phản ứng sulfo hóa tạo sản phẩm có liên kết (-C-SO3H) trong đó nhóm sulfat có cường độ pic lớn hơn so với nhóm sulfo chứng tỏ sản phẩm sulfat được tạo ra nhiều hơn sản phẩm sulfo. Với H2SO4 nồng độ 80%, do ở nồng độ cao hơn nên sản phẩm sulfo được tạo ra nhiều hơn so với sản phẩm sulfat tương ứng với pic 1195,9 cm-1 có cường độ lớn hơn pic 1230,3 cm-1.

Như vậy, bằng phương pháp phổ hồng ngoại chúng tôi đã xác định được sự có mặt của liên kết sulfo (C-SO3H), và sulfat (C-O-SO3H), đồng thời có sản phẩm phụ là các nhóm OH (C-OH). Trên cơ sở các điều thu được này, giả thiết các phản ứng xảy ra như sau:

Phản ứng sulfat hoá tạo liên kết (C-O-SO3H)

Phản ứng sulfo hoá tạo liên kết (-C-SO3H)

Ngoài hai loại phản ứng trên, còn có thể tạo ra phản ứng phụ tạo dẫn xuất hydroxyl. Một số Phương Nam cho rằng dạng hydroxyl này cũng có hoạt tính bề mặt tốt.

Có thể giả thiết cơ chế phản ứng như sau:

Phản ứng xảy ra theo hai giai đoạn, giai đoạn một tác nhân eletrophyl tấn công vào liên kết đôi của α-pinen. Thông thường, giai đoạn này diễn ra chậm và quyết định tốc độ phản ứng. Giai đoạn hai là sự kết hợp của ion âm và ion dương, giai đoạn này thường xảy ra rất nhanh.CH3

Sản phẩm dạng sunfat hóa tạo thành có thể bị thuỷ phân tạo ra sản phẩm phụ hydroxyl

Để chứng minh và lựa chọn phương pháp sunfat hóa hay sunfo hóa trong quá trình tổng hợp chất hoạt động bề mặt , chúng tôi đã dựa theo nồng độ của axit sunfuric, kết quả cho thấy ở bảng 3.17

Bảng 3.17: so sánh hoạt tính tẩy sạch của các sản phẩm trong quá trình biến tính dầu thông bằng axit sunfuric

Qua bảng 3.17 ta thấy rằng hoạt tính tẩy sạch dầu mỡ trên vải coton ở nồng độ axit 70% đạt cao hơn nhiều so với các nồng độ 50%, 60%. Theo các biện luận ở trên, ứng với nồng độ từ 70% trở xuống sẽ tạo các sản phẩm sunfat. Còn nếu tiến hành phản ứng ở các nồng độ axit cao hơn 70% (80%, 85%), tạo ra sản phẩm sunfo, có hoạt tính tẩy sạch nhỏ hơn. Ở nồng độ axit cao hơn 85% thì sản phẩm tạo thành có mà sẫm đen do sản phẩm bị cháy, vì axit sunfuric tỏa nhiệt mạnh nên khi nồng độ axit tăng, nhiệt độ phản ứng tăng và khó khống chế, hiệu suất phản ứng giảm, hoạt tính tẩy sạch giảm.

Vậy chúng tôi đã chọn axit sunfuric nồng độ 70% để thực hiện phản ứng sunfat hóa dầu thông tổng hợp chất hoạt động bề mặt là hợp lý nhất vì độ chuyển hóa tạo sản phẩm lớn, hoạt tính tẩy sạch cao (86,8%), điều kiện tiến hành phản ứng nhẹ nhàng, đỡ tốn năng lượng.