Đề tài: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng quá trình tổng hợp cồn khô từ dầu ăn thải

Luận văn phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp cồn khô từ dầu ăn thải, một giải pháp tái chế hiệu quả và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Lê Hân
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thu Hồng
• Trường học: Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Hóa Dược
• Đề tài: Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp cồn khô từ dầu ăn thải
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng quan về tổng hợp cồn khô từ dầu ăn thải

Cồn khô là một sản phẩm công nghiệp quan trọng được tổng hợp từ dầu ăn thải (WCO) thông qua các phản ứng hóa học phức tạp. Quá trình tổng hợp cồn khô từ dầu ăn thải không chỉ giải quyết bài toán xử lý chất thải mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Dầu ăn thải chứa các axit béo tự do (FFA) và các chất ô nhiễm khác, do đó cần phải xử lý trước khi tiến hành quá trình tổng hợp. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này là cơ sở để tối ưu hóa hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Việc hiểu rõ cơ chế phản ứng và những điều kiện tối ưu sẽ giúp nâng cao hiệu quả công nghiệp và bảo vệ môi trường.

1.1. Khái niệm dầu ăn thải và tầm quan trọng của việc tái chế

Dầu ăn thải là chất thải phát sinh từ các hoạt động ăn uống hàng ngày, chứa hàm lượng cao các axit béo tự do (FFA) và các tạp chất. Việc tái chế dầu ăn thải để sản xuất cồn khô không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp dệt, sơn, và các lĩnh vực khác. Quá trình này góp phần vào nền kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững.

1.2. Ứng dụng và giá trị kinh tế của cồn khô

Cồn khô tổng hợp từ WCO có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp chế tạo sơn, mỹ phẩm, và các chất liệu dệt. Sản phẩm này có tính chất khô nhanh, độ bền cao, và khả năng tạo màng bảo vệ tốt. Giá trị kinh tế của cồn khô đảm bảo tính khả thi của quá trình tái chế dầu thải, tạo động lực cho các doanh nghiệp đầu tư vào công nghệ xử lý chất thải bền vững.

II. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

Quá trình tổng hợp cồn khô từ dầu ăn thải chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố quan trọng bao gồm nồng độ nguyên liệu, lượng chất xúc tác, thời gian phản ứng, và nhiệt độ. Những yếu tố ảnh hưởng này quyết định trực tiếp đến hiệu suất chuyển hóa, chất lượng của sản phẩm cuối cùng, và hiệu quả kinh tế của quá trình. Nghiên cứu hệ thống các yếu tố này giúp xác định điều kiện tối ưu hóa để đạt được năng suất cao nhất với chất lượng tốt nhất. Sự kết hợp của các yếu tố này tạo nên một hệ thống phức tạp cần được khảo sát chi tiết thông qua các thiết kế thí nghiệm khoa học.

2.1. Ảnh hưởng của nồng độ ethanol và loại dầu đầu vào

Nồng độ ethanol là một trong những yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng và hiệu suất tổng hợp. Loại dầu ăn thải từ các nguồn khác nhau (tiệm chiên, hộ gia đình, quán ăn) có thành phần acid béo khác biệt, do đó cần phải lựa chọn phù hợp. Các nghiên cứu cho thấy ethanol với nồng độ cao (94-96 độ) cho hiệu suất tốt hơn so với các nồng độ thấp hơn.

2.2. Tác động của lượng xúc tác và thời gian phản ứng

Lượng NaOH (xúc tác) quyết định tốc độ và mức độ hoàn thành của phản ứng tổng hợp cồn khô. Thời gian phản ứng cần được khảo sát để tìm điểm tối ưu, vì thời gian quá ngắn sẽ không đủ để các yếu tố ảnh hưởng phát triển đầy đủ, trong khi thời gian quá dài có thể gây ra phản ứng phụ không mong muốn, làm giảm chất lượng sản phẩm.

III. Phương pháp khảo sát thực nghiệm các yếu tố ảnh hưởng

Để hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp cồn khô từ dầu ăn thải, các nhà khoa học áp dụng những phương pháp thực nghiệm tiên tiến. Thiết kế thí nghiệm giai thừa phân đoạn (FFD) cho phép đánh giá hiệu ứng của từng yếu tố và sự tương tác giữa chúng. Các kỹ thuật phân tích như phổ FT-IR, GC-MS, và nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để xác định thành phần và cấu trúc của sản phẩm. Phương pháp đo độ nhớt và thời gian cháy là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng của cồn khô tổng hợp. Việc kết hợp các phương pháp này tạo ra một cách tiếp cận toàn diện và khoa học.

3.1. Thiết kế thí nghiệm giai thừa và các chỉ tiêu đánh giá chất lượng

Thiết kế thí nghiệm giai thừa phân đoạn cho phép kiểm tra một số lượng lớn biến số với số lượng thí nghiệm tối thiểu. Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm chỉ số acid (AV), chỉ số peroxide (PV), chỉ số iod (IV), và chỉ số xà phòng hóa (SV). Những chỉ tiêu này phản ánh đặc tính hóa học của cồn khô tổng hợp và khả năng ứng dụng của nó trong công nghiệp.

3.2. Kỹ thuật phân tích và xử lý dữ liệu khảo sát

Phổ FT-IR được sử dụng để xác định các nhóm chức năng có mặt trong sản phẩm cồn khô. Sắc ký khí-khối phổ (GC-MS) cung cấp thông tin chi tiết về thành phần hóa học. Nhiễu xạ tia X giúp xác định cấu trúc tinh thể của sản phẩm. Xử lý dữ liệu từ các phương pháp này bằng các công cụ thống kê cho phép xác định mối quan hệ nhân quả giữa yếu tố ảnh hưởng và chất lượng sản phẩm.

IV. Kết quả tối ưu hóa và khuyến nghị thực tế

Những nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp cồn khô từ dầu ăn thải đã chỉ ra những điều kiện tối ưu rõ ràng cho sản xuất. Kết quả cho thấy việc xử lý dầu ăn thải bằng bentonite có thể cải thiện đáng kể chất lượng cần phải sử dụng ethanol có nồng độ 94-96 độ, lượng NaOH phù hợp, và thời gian phản ứng trong khoảng 2-3 giờ. Sản phẩm cồn khô tổng hợp theo các điều kiện tối ưu này có các chỉ số chất lượng tương đương hoặc thậm chí vượt trội so với sản phẩm thương mại. Những khuyến nghị này cung cấp hướng dẫn thực tế cho các doanh nghiệp muốn áp dụng công nghệ này vào quy trình sản xuất của họ.

4.1. Điều kiện tối ưu và hiệu suất tối đa của quá trình tổng hợp

Các yếu tố ảnh hưởng đã được khảo sát cho phép xác định điều kiện tối ưu: sử dụng WCO từ D1 (tiệm chiên), nồng độ ethanol 96 độ, lượng NaOH khoảng 5-8%, tỷ lệ WCO:EtOH là 1:3, và thời gian phản ứng 150 phút. Dưới các điều kiện này, hiệu suất tổng hợp cồn khô đạt mức tối đa với chất lượng sản phẩm ổn định.

4.2. Áp dụng công nghệ tái chế dầu thải vào thực tiễn sản xuất

Việc áp dụng công nghệ tổng hợp cồn khô từ dầu ăn thải vào sản xuất công nghiệp không chỉ tạo ra sản phẩm có giá trị mà còn giải quyết vấn đề xử lý chất thải. Các doanh nghiệp cần đầu tư vào hệ thống xử lý bentonite, thiết bị đun hồi lưu, và các công cụ phân tích chất lượng. Những khuyến nghị này hỗ trợ chuyển dịch sang nền kinh tế tuần hoàn và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Dầu thực vật 1. Khái niệm và phân loại Dầu thực vật là loại dầu được chiết suất, chưng cất và tinh chế từ thực vật [10]. Dầu thực vật được chia thành 3 loại [11]: - Dầu và chất béo được chiết suất từ thực vật thường được gọi là dầu thực vật, là hỗn hợp các triglyceride được chiết suất từ thân, hạt hoặc quả của một số loại cây có dầu như dừa, hướng dương, thầu dầu, đậu phộng, đậu nành, cải dầu, bông, cọ, ô liu.

- Tinh dầu: một loại hợp chất thơm, dễ bay hơi và tinh khiết, được sử dụng làm hương liệu, chăm sóc sức khỏe như tinh dầu hoa hồng, tinh dầu hoa lavender. - Dầu ngâm: loại dầu được thêm các chất khác vào, ví dụ như quả ô liu. Thành phần hóa học 1. Các thành phần hóa học chính - Các acid béo: Về cấu tạo, acid béo là những acid carboxylic mạch thẳng có cấu tạo khoảng 6 – 30 nguyên tử carbon, phần lớn các acid béo thiên nhiên có tổng số nguyên tử carbon là số chẵn, tuy nhiên một số công trình nghiên cứu trong những năm gần đây cũng có phát hiện ra những acid béo có tổng số nguyên tử carbon là số lẻ [10].

Người ta thường chia acid béo thành 2 nhóm chủ yếu là acid béo bão hòa và acid béo không bão hòa [11]. - Triglycerid: là thành phần chủ yếu của dầu mỡ, là sản phẩm được tạo thành từ phản ứng của một phân tử glycerol vói ba phân tử acid béo. Trên thực tế, dầu và mỡ đều là sản phẩm chủ yếu của triglycerid phức tạp, chỉ có khi nào một loại acid béo nào đó có hàm lượng cao thì hàm lượng các glycerid đồng nhất mới có số lượng rõ rệt [10]. Các thành phần phụ - Acid béo tự do: chiếm hàm lượng nhỏ khoảng 1 – 5 %.

Acid béo tự do là các acid monocarboxylic no hoặc chưa no nhưng không liên kết với phân tử glycerol [12]. - Các chất không có tính xà phòng hóa: các sterol là thành phần chủ yếu của các chất không xà phòng hóa, trong dầu thực vật được gọi là phitosterol. Một vài hợp 20 chất thường gặp như Cholesterol, Stigmasterol,.thường hàm lượng của các hợp chất này khoảng trên dưới 1% so với dầu, tuy nhiên cũng có dầu có hàm lượng lên đến 3 - 5% [10]. - Tocopherol [11]: • Tocopherol là chất chống oxy hóa tự nhiên rất quan trọng thuộc dòng họ phenolic.

Tocopherol cũng có đặc tính tan trong dầu, thường tồn tại ở dạng tự do. • Hoạt tính chống oxy hóa của tocophrol trong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và sự hiện diện của các hợp chất nhiễm vào hệ thống. - Các hợp chất màu (pigment): Sự khác nhau về màu sắc của các loại dầu khác nhau phụ thuộc vào hợp chất màu hòa tan trong dầu. Những hợp chất màu quan trọng nhất trong dầu là carotene, chlorophyll và gossypol.

Carotene chính là lý do chủ yếu làm cho dầu có màu vàng, cam hay đỏ; Chlorophyll cũng chính là nguyên nhân tạo cho dầu có màu xanh tối không mong muốn [11]. - Hợp chất sáp: Hiện diện chủ yếu trong dầu bắp và cải dầu. Trong quá trình chế biến, sự tồn tại của hợp chất sáp trong dầu là nguyên nhân chủ yếu gây ra đục dầu. Việc tách dầu sáp có thể được thực hiện bằng biện pháp đông hóa dầu ở nhiệt độ 5 ℃ trước khi lọc [11].

- Hợp chất mùi gốc hydrocarbon: Bao gồm các alkan, alken (squalene) và các hydrocarbon đa vòng có mùi (polycycilic arcromatic hydrocarbons – PAHs). Các hợp chất alkan (C31 – C33) hiện diện trong dầu thô với hàm lượng từ 40-100 ppb, giảm dần sau quá trình tinh luyện [10]. - Vitamin hòa tan trong dầu [10]. Tính chất vật lý của dầu thực vật - Dầu mỡ nhẹ hơn nước tỉ trọng ở 15 oC khoảng 900 – 980 kg/m3 [13].

Mức độ không no càng lớn thì tỉ trọng càng lớn [10]. - Chỉ số khúc xạ 1,448 – 1,474. Mức độ không no càng lớn thì chỉ số khúc xạ càng cao [10]. - Có tính nhớt khá cao, khoảng 40 Centipoise [8]; nhiệt độ càng cao độ nhớt càng giảm, dầu càng chứa nhiều oxy acid thì độ nhớt cao (như dầu thầu dầu) [10].

- Không tan trong nước, cồn lạnh; tan nhiều trong các dung môi hữu cơ như ether, benzene, hexane, xăng, cloroform,. 21 - Điểm nóng chảy của dầu mỡ thể hiện không rõ ràng, tùy thuộc vào tính chất của nguyên liệu tạo ra dầu mỡ. Khi dây acid béo càng dài, càng no thì độ nóng chảy của triglycerides càng cao, áp suất hơi càng kém do đó có ít mùi, dầu với cấu tạo chỉ yếu là triglycerides mạch ngắn (dầu dừa) thì sự phân hủy sẽ phóng thích các acd béo [10]. Dầu ăn thải sau quá trình sử dụng 1.

Nguồn gốc Dầu ăn thải (Waste cooking oil – WCO) là dầu đã qua sử dụng bao gồm phần dầu và các phụ phẩm lẫn cặn thức ăn trong quá trình chiên rán. Dầu được thải ra từ các nhà hàng, các quy trình sản xuất thực phẩm, các cửa hàng thức ăn nhanh mỗi ngày. Dầu ăn đã bị biến đổi nhiều về mặt hóa học và vật lý, tạo ra nhiều hợp chất hóa học không mong muốn sau một số lần tái sử dụng và chúng không thể sử dụng để nấu ăn được nữa [14]. Thành phần hóa học Dầu được đun nóng đến nhiệt độ 160 – 200 oC, tùy từng giai đoạn chế biến [14].

Để tiết kiệm chi phí, nhiều nơi đã tái sử dụng lại dầu đã qua chế biến. Điều đó gây ra nhiều thay đổi về tính chất vật lý cũng như tính chất hóa học tùy thuộc vào từng loại dầu và thành phần của dầu đó [5]. Một số thành phần acid béo của WCO với một số loại dầu thực vật điển hình được trình bày ở Bảng 1. So sánh một số thành phần acid béo của dầu ăn đã qua sử dụng với một số loại dầu thực vật điển hình [15] Dầu ăn đã Dầu hạt Tính chất Dầu hạt cải Dầu nành qua sử dụng bông Thành phần acid béo (%) - Acid palmitic C16:0 16 11,67 3,49 11,75 - Acid srearic C18:0 5,21 0,89 0,84 3,15 - Acid oleic C18:1 38,28 13,27 64,4 23,26 - Acid linoleic C18:2 40,76 57,51 22,3 55,53 - Acid linoleic C18:3 0 0 8,23 3,31 Hiển nhiên, các điều kiện sử dụng trong quá trình rán gây ra nhiều thay đổi về tính chất vật lý và hóa học khác nhau tùy thuộc vào từng loại dầu và thành phần của dầu đó.

Một vài tính chất của dầu thay đổi thường thấy ở dầu sau khi chiên rán là [16]: 22 - Tăng độ nhớt. - Tăng nhiệt dung riêng. - Giảm sức căng bề mặt. - Tăng xu hướng sủi bọt.

- Tạo thành các hợp chất dễ bay hơi. - Tăng hàm lượng acid béo tự do. Trong suốt quá trình chiên rán, có 3 loại phản ứng cơ bản được cho là nguyên nhân gây ra các biến đổi hóa, lý của dầu là phản ứng nhiệt phân, phản ứng oxy hóa và phản ứng thủy phân [16]: - Các phản ứng nhiệt phân: xảy ra khi không có sự hiện diện của oxy ở nhiệt độ cao. • Nếu triglycerides chứa các acid béo bão hòa được đun nóng ở nhiệt độ cao khoảng 180 oC khi không có oxy, chúng sẽ tạo ra các hợp chất alkane, 1- alkene, các acid béo có khối lượng phân tử nhỏ, các ketone đối xứng, các oxopropyl ester, propene và propane diester, diacylglycerol, CO, CO2.

• Nếu triglyceride chứa các acid béo chưa bão hòa thì sẽ hình thành các hợp chất dimer. Các acid béo chưa bão hòa cũng có phản ứng với các acid béo chưa bão hòa khác thông qua phản ứng Diels – Alder, hình thành nên các dimer và trimer. Trong trường hợp của glyceride, phản ứng xảy ra giữa các nhóm acyl trong cùng một phân tử được thể hiện ở phương trình phản ứng (1) (Hình 1. Phản ứng giữa các nhóm acyl nội phân tử • Các phân tử acid béo chưa bão hòa mạch dài cũng có phản ứng tạo vòng được thể hiện ở phương trình phản ứng (2) (Hình 1.

Phản ứng tạo vòng từ các nối đôi nội phân tử - Các phản ứng oxy hóa: các acid béo chưa no có thể phản ứng với oxy theo cơ chế gốc tự do được thể hiện ở phản ứng (3) (Hình 1. Phản ứng oxy hóa theo cơ chế gốc tự do Các hydroperoxide là sản phẩm chính được hình thành trong suốt phản ứng, nó có thể tạo ra nhiều hợp chất hóa học với khối lượng phân tử đáng kể, ngưỡng mùi vị. Gốc alkoxy được hình thành theo cách tách đôi liên kết O - O của các phân tử hydroperoxide. - Các phản ứng thủy phân: Chưng hoặc hấp trong quá trình chế biến thực phẩm gây ra các phản ứng thủy phân triglyceride, hình thành nên các acid béo tự do, glycerol, monoglyceride và diglyceride [17].

Bởi vì có sự kết hợp của những phản ứng trên nên nhiều hợp chất không mong muốn được hình thành trong quá trình nấu nướng gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Tình hình nghiên cứu về ứng dụng WCO trên thế giới và Việt Nam 1. Sản xuất xăng sinh học (Biodiesel) từ WCO Một số nghiên cứu điển hình có thể kể đến như nghiên cứu tổng quan về việc sản xuất Biodiesel từ WCO của Araújo và cộng sự (2013) [18]. Kết quả nghiên cứu này cho thấy có nhiều phương pháp sản xuất xăng sinh học từ các loại dầu ăn phế thải khác nhau.

Các phương pháp tái chế chủ yếu liên quan đến phản ứng ester hóa WCO với các loại xúc tác khác nhau như alkaline, acid, enzyme và không sử dụng xúc tác. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm khác nhau, trong đó phương pháp sử dụng xúc tác alkaline là phổ biến nhất. Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra tính hiệu quả kinh tế trong việc giảm giá thành so với nhiên liệu dầu thô đến 45%. Một nghiên cứu khác có thể kể là nghiên cứu của nhóm tác giả IRisomboonchai ở Nhật Bản (2015) [19].

Kết quả nghiên cứu cho thấy, vôi sống trong vỏ sò là chất có hoạt tính xúc tác tốt và có khả năng tái sử dụng trong việc sản xuất xăng sinh học từ WCO. Do đó, nó có thể trở thành một loại chất xúc tác thay thế và rẻ tiền cho quá trình tái chế WCO để sản xuất xăng sinh học. Ngoài ra, nghiên cứu cũng khẳng định, sự có mặt của nước trong dầu phế có tác dụng làm hạn chế việc sản xuất xăng sinh học. Sản xuất chất bôi trơn sinh học từ WCO Chất bôi trơn được sử dụng cho các thiết bị cơ khí, giảm ma sát và mài mòn, tránh oxy hóa.

Sử dụng WCO để tổng hợp chất bôi trơn sinh học là một giải pháp xanh đã được nghiên cứu bởi Putra và cộng sự (2009) [20].