Tổng quan nghiên cứu

Ethyl lactate là một dung môi sinh học quan trọng, được tổng hợp từ phản ứng este hóa giữa acid lactic và ethanol. Với tính chất thân thiện môi trường như khả năng phân hủy sinh học, nguồn gốc tái tạo và độ an toàn cao, ethyl lactate ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, và sản xuất thuốc bảo vệ thực vật. Tuy nhiên, quá trình tổng hợp ethyl lactate truyền thống thường sử dụng xúc tác acid lỏng như H2SO4, gây khó khăn trong việc tách xúc tác và ô nhiễm môi trường. Do đó, nghiên cứu phát triển xúc tác acid rắn hiệu quả, thân thiện môi trường là mục tiêu cấp thiết.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp xúc tác carbon sulfo hóa từ các nguồn sinh khối phổ biến tại Việt Nam như trấu, bã mía, thân ngô, bèo lục bình và thân sắn, đồng thời phát triển xúc tác graphene oxide và graphene oxide mang trên than hoạt tính nhằm ứng dụng trong phản ứng este hóa acid lactic với ethanol tạo ethyl lactate. Phạm vi nghiên cứu bao gồm quá trình nhiệt phân sinh khối, sulfo hóa than nhiệt phân, tổng hợp graphene oxide theo phương pháp Hummers cải tiến và ứng dụng xúc tác trong phản ứng este hóa. Nghiên cứu cũng đánh giá hiệu suất xúc tác, khả năng tái sinh và ứng dụng sản phẩm ethyl lactate làm dung môi sinh học trong gia công thuốc bảo vệ thực vật chứa deltamethrin và chlorpyrifos ethyl.

Việc phát triển xúc tác carbon sulfo hóa và graphene oxide từ nguyên liệu sinh khối không chỉ góp phần nâng cao giá trị sử dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn thúc đẩy sản xuất ethyl lactate xanh, thân thiện với các tiêu chuẩn sản xuất sạch và bền vững. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc mở rộng ứng dụng xúc tác acid rắn trong công nghiệp hóa học xanh và phát triển các dung môi sinh học thay thế dung môi truyền thống độc hại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết xúc tác acid rắn và mô hình tổng hợp vật liệu carbon sulfo hóa từ sinh khối. Xúc tác acid rắn hoạt động dựa trên trung tâm acid Bronsted, trong đó nhóm sulfonic (-SO3H) đóng vai trò chủ đạo trong việc xúc tác phản ứng este hóa giữa acid lactic và ethanol. Các nhóm chức acid khác như hydroxyl (-OH) và carboxyl (-COOH) trên bề mặt carbon cũng góp phần tăng cường tính acid và khả năng hấp phụ.

Mô hình tổng hợp xúc tác carbon sulfo hóa bao gồm quá trình nhiệt phân sinh khối trong môi trường khí trơ (N2) ở nhiệt độ từ 300 đến 600°C để tạo than nhiệt phân có cấu trúc xốp, sau đó sulfo hóa bằng acid sulfuric đậm đặc hoặc acid sulfuric bốc khói nhằm gắn nhóm -SO3H lên bề mặt than. Graphene oxide được tổng hợp theo phương pháp Hummers cải tiến, sử dụng graphite, NaNO3, KMnO4 và H2SO4 để oxy hóa graphite tạo màng graphene oxide giàu nhóm chức acid như -COOH, -OH và -SO3H, làm tăng tính acid và khả năng phân tán trong dung môi.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Xúc tác acid rắn: vật liệu có trung tâm acid Bronsted hoặc Lewis, không tan trong dung môi, dễ tách và tái sử dụng.
  • Este hóa acid lactic: phản ứng tạo ethyl lactate từ acid lactic và ethanol dưới xúc tác acid.
  • Than nhiệt phân: sản phẩm carbon xốp thu được từ quá trình nhiệt phân sinh khối trong điều kiện thiếu oxy.
  • Graphene oxide (GO): vật liệu carbon dạng tấm mỏng, giàu nhóm chức acid, có khả năng làm xúc tác acid rắn.
  • Dung môi sinh học: dung môi có nguồn gốc tái tạo, thân thiện môi trường, dễ phân hủy sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm nguyên liệu sinh khối thu thập từ các địa phương Việt Nam như trấu tại huyện Hạ Hòa, bã mía và thân ngô tại Lâm Thao, bèo lục bình tại sông Hồng, thân sắn tại Phú Thọ. Các nguyên liệu được sấy khô, nghiền và sàng lọc kích thước 0,5-0,85 mm trước khi sử dụng.

Quy trình nghiên cứu gồm:

  1. Nhiệt phân sinh khối: thực hiện trong lò nhiệt phân quy mô phòng thí nghiệm, nhiệt độ 300-600°C, thời gian 1-7 giờ dưới khí N2 lưu lượng 100 mL/phút.
  2. Sulfo hóa than nhiệt phân: sử dụng H2SO4 98% với tỉ lệ thể tích acid/sinh khối từ 5:1 đến 20:1, nhiệt độ 80-170°C, thời gian 8-24 giờ.
  3. Tổng hợp graphene oxide: theo phương pháp Hummers cải tiến, oxy hóa graphite bằng KMnO4 trong H2SO4, xử lý bằng H2O2, rửa sạch và làm khô.
  4. Tổng hợp xúc tác graphene oxide mang trên than hoạt tính: ngâm than hoạt tính Trà Bạch trong dung dịch graphene oxide, sấy khô và nghiền.
  5. Phân tích đặc tính vật liệu: sử dụng các kỹ thuật SEM, EDX, XRD, FT-IR, BET, TGA-DTA, UV-Vis để xác định cấu trúc, thành phần hóa học, diện tích bề mặt và tính acid của xúc tác.
  6. Phản ứng este hóa acid lactic với ethanol: tiến hành trong bình phản ứng có kiểm soát nhiệt độ (50-128°C), tỉ lệ mol ethanol/acid lactic 4:1, thời gian phản ứng 1-8 giờ, đánh giá hiệu suất tạo ethyl lactate bằng phương pháp sắc ký khí hoặc UV-Vis.
  7. Đánh giá khả năng tái sinh xúc tác: thực hiện 4-6 chu kỳ phản ứng, tái sinh xúc tác bằng rửa acid sulfuric 98% ở 150°C trong 15 phút.
  8. Ứng dụng ethyl lactate làm dung môi sinh học: thử nghiệm hòa tan hoạt chất deltamethrin 2.5EC và chlorpyrifos ethyl 20EC, đánh giá hiệu quả hòa tan và tính ổn định.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 5 loại sinh khối, mỗi loại được xử lý và sulfo hóa tạo xúc tác riêng biệt, cùng với mẫu graphene oxide và graphene oxide mang trên than hoạt tính. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện nguồn nguyên liệu sinh khối phổ biến tại Việt Nam. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm thống kê và đồ họa để so sánh hiệu suất xúc tác, diện tích bề mặt và tính acid.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất sulfo hóa và diện tích bề mặt xúc tác carbon sulfo hóa
    Xúc tác carbon sulfo hóa từ than nhiệt phân bã mía đạt diện tích bề mặt riêng khoảng 557,5 m²/g với mật độ nhóm acid sulfonic SO3H khoảng 0,1 mmol/g. Các mẫu từ thân ngô và bèo lục bình có diện tích bề mặt từ 197 đến 602 m²/g, mật độ SO3H dao động 0,1-0,64 mmol/g. Hiệu suất sulfo hóa phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và thời gian sulfo hóa, tối ưu ở 150°C trong 15 giờ.

  2. Tính chất vật liệu graphene oxide và graphene oxide mang trên than hoạt tính
    Graphene oxide tổng hợp có tỉ lệ C:O khoảng 2,9, chứa nhiều nhóm chức acid như -COOH, -OH và -SO3H với mật độ acid lên đến 0,997 mmol/g. Graphene oxide mang trên than hoạt tính (GO/AC) có diện tích bề mặt khoảng 600 m²/g, giữ được tính acid và khả năng phân tán tốt hơn so với graphene oxide đơn thuần.

  3. Hiệu suất xúc tác trong phản ứng este hóa acid lactic với ethanol
    Xúc tác carbon sulfo hóa từ bã mía đạt hiệu suất tạo ethyl lactate lên đến 82% sau 8 giờ phản ứng ở 82°C, tỉ lệ mol ethanol/acid lactic 4:1. Graphene oxide và GO/AC cho hiệu suất tương đương hoặc cao hơn, khoảng 85-90% trong điều kiện tương tự. Sau 5 chu kỳ tái sử dụng, xúc tác carbon sulfo hóa giữ được trên 75% hoạt tính ban đầu, graphene oxide giữ trên 80%.

  4. Ứng dụng ethyl lactate làm dung môi sinh học
    Ethyl lactate thu được có khả năng hòa tan tốt các hoạt chất deltamethrin 2.5EC và chlorpyrifos ethyl 20EC, tăng hiệu quả hòa tan lên khoảng 30-40% so với dung môi truyền thống. Dung môi này cũng thể hiện tính sinh học cao, thân thiện môi trường và giảm thiểu ô nhiễm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy xúc tác carbon sulfo hóa từ sinh khối là lựa chọn hiệu quả, kinh tế và thân thiện môi trường cho phản ứng este hóa acid lactic. Diện tích bề mặt lớn và mật độ nhóm sulfonic cao tạo điều kiện thuận lợi cho sự hấp phụ và chuyển proton, nâng cao hiệu suất phản ứng. So với các xúc tác acid lỏng truyền thống, xúc tác carbon sulfo hóa dễ dàng tách và tái sử dụng, giảm thiểu ô nhiễm.

Graphene oxide và GO/AC thể hiện ưu thế về tính acid mạnh và khả năng phân tán tốt, giúp tăng hiệu suất phản ứng và độ bền xúc tác. Việc kết hợp graphene oxide với than hoạt tính tận dụng được cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn của than, đồng thời cải thiện tính ổn định của graphene oxide.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất tạo ethyl lactate trên xúc tác carbon sulfo hóa và graphene oxide đạt mức cao hơn hoặc tương đương với các xúc tác acid rắn khác như Amberlyst 15, sulfated zirconia. Khả năng tái sinh xúc tác sau nhiều chu kỳ phản ứng cũng được cải thiện đáng kể.

Ứng dụng ethyl lactate làm dung môi sinh học trong gia công thuốc bảo vệ thực vật góp phần giảm thiểu sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, nâng cao tính bền vững và an toàn trong sản xuất. Các biểu đồ hiệu suất xúc tác theo thời gian phản ứng và số chu kỳ tái sử dụng minh họa rõ sự ổn định và hiệu quả của các xúc tác phát triển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình sulfo hóa than nhiệt phân
    Thực hiện sulfo hóa ở nhiệt độ 150°C trong 15 giờ với tỉ lệ acid/sinh khối 10:1 để đạt mật độ nhóm SO3H tối ưu, nâng cao hiệu suất xúc tác. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất xúc tác. Thời gian: 6 tháng.

  2. Phát triển xúc tác graphene oxide mang trên than hoạt tính quy mô công nghiệp
    Nghiên cứu mở rộng quy mô tổng hợp GO/AC, kiểm soát kích thước và phân tán vật liệu để tăng diện tích bề mặt và tính acid. Chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ vật liệu. Thời gian: 1 năm.

  3. Ứng dụng xúc tác trong sản xuất ethyl lactate xanh
    Áp dụng xúc tác carbon sulfo hóa và graphene oxide trong quy trình este hóa acid lactic tại các nhà máy sản xuất dung môi sinh học, giảm thiểu sử dụng xúc tác acid lỏng. Chủ thể: doanh nghiệp hóa chất và sản xuất dung môi. Thời gian: 1-2 năm.

  4. Sử dụng ethyl lactate làm dung môi sinh học trong ngành thuốc bảo vệ thực vật
    Thay thế dung môi truyền thống bằng ethyl lactate để tăng hiệu quả hòa tan hoạt chất, giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao an toàn lao động. Chủ thể: công ty sản xuất thuốc bảo vệ thực vật. Thời gian: 6-12 tháng.

  5. Nghiên cứu mở rộng nguồn nguyên liệu sinh khối
    Khai thác thêm các loại sinh khối khác như rơm rạ, vỏ cà phê, bã đậu để đa dạng hóa nguồn nguyên liệu sản xuất xúc tác carbon sulfo hóa. Chủ thể: viện nghiên cứu nông nghiệp và môi trường. Thời gian: 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học và Công nghệ hóa học
    Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về xúc tác acid rắn, tổng hợp vật liệu carbon sulfo hóa và graphene oxide, phương pháp phân tích vật liệu và ứng dụng trong phản ứng este hóa.

  2. Doanh nghiệp sản xuất dung môi sinh học và hóa chất xanh
    Tham khảo quy trình tổng hợp xúc tác thân thiện môi trường, ứng dụng xúc tác trong sản xuất ethyl lactate và phát triển sản phẩm dung môi sinh học thay thế dung môi truyền thống.

  3. Ngành công nghiệp thuốc bảo vệ thực vật và dược phẩm
    Áp dụng ethyl lactate làm dung môi sinh học trong gia công thuốc bảo vệ thực vật, nâng cao hiệu quả hòa tan hoạt chất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng nguyên liệu tái tạo, xúc tác xanh và dung môi sinh học trong công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xúc tác carbon sulfo hóa được tổng hợp từ nguyên liệu nào?
    Xúc tác được tổng hợp từ các nguồn sinh khối phổ biến như trấu, bã mía, thân ngô, bèo lục bình và thân sắn qua quá trình nhiệt phân và sulfo hóa bằng acid sulfuric đậm đặc.

  2. Hiệu suất tạo ethyl lactate trên xúc tác carbon sulfo hóa đạt bao nhiêu?
    Hiệu suất tạo ethyl lactate đạt khoảng 82% sau 8 giờ phản ứng ở 82°C với tỉ lệ mol ethanol/acid lactic là 4:1, tương đương hoặc cao hơn các xúc tác acid rắn truyền thống.

  3. Graphene oxide có vai trò gì trong phản ứng este hóa?
    Graphene oxide chứa nhiều nhóm chức acid như -SO3H, -COOH giúp tăng tính acid và khả năng xúc tác, đồng thời có diện tích bề mặt lớn và khả năng phân tán tốt, nâng cao hiệu suất phản ứng.

  4. Ethyl lactate có thể thay thế dung môi truyền thống trong ngành nào?
    Ethyl lactate có thể thay thế dung môi hữu cơ truyền thống trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, sản xuất thuốc bảo vệ thực vật và các ngành công nghiệp cần dung môi sinh học thân thiện môi trường.

  5. Khả năng tái sử dụng xúc tác carbon sulfo hóa và graphene oxide như thế nào?
    Xúc tác carbon sulfo hóa giữ được trên 75% hoạt tính sau 5 chu kỳ tái sử dụng, graphene oxide giữ trên 80% hoạt tính sau 4 chu kỳ, cho thấy tính ổn định và khả năng tái sinh tốt.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công xúc tác carbon sulfo hóa từ các nguồn sinh khối phổ biến tại Việt Nam với diện tích bề mặt lớn và mật độ nhóm acid sulfonic cao.
  • Tổng hợp graphene oxide và graphene oxide mang trên than hoạt tính có tính acid mạnh, khả năng phân tán tốt, hiệu quả xúc tác cao trong phản ứng este hóa acid lactic.
  • Hiệu suất tạo ethyl lactate trên các xúc tác này đạt trên 80%, vượt trội so với nhiều xúc tác acid rắn truyền thống.
  • Ethyl lactate thu được có thể ứng dụng làm dung môi sinh học trong gia công thuốc bảo vệ thực vật, nâng cao hiệu quả hòa tan và thân thiện môi trường.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu quy mô công nghiệp, tối ưu hóa quy trình sulfo hóa và phát triển ứng dụng ethyl lactate trong các ngành công nghiệp xanh.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất xúc tác và ứng dụng ethyl lactate trong thực tế công nghiệp. Mời các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển công nghệ xúc tác xanh và dung môi sinh học bền vững.