Phương pháp tổng hợp diester bằng sóng siêu âm để sản xuất chất bôi trơn sinh học hiệu suất cao

Sự chuyển đổi từ các loại dầu bôi trơn có nguồn gốc từ dầu mỏ sang các loại dầu bôi trơn gốc este – có nguồn gốc tái tạo, phân hủy sinh học và hiệu suất cao – đang diễn ra ngày càng nhanh chóng trên khắp các lĩnh vực công nghiệp. Các nhà sản xuất dầu bôi trơn đang phải đối mặt với áp lực ngày càng lớn trong việc giảm thiểu tác động đến môi trường đồng thời vẫn đảm bảo các tiêu chí hiệu suất khắt khe như chỉ số độ nhớt cao, độ bay hơi thấp, khả năng bôi trơn tốt, độ ổn định nhiệt và tính ổn định đáng tin cậy ở nhiệt độ thấp. Trong bối cảnh này, quá trình transesterification bằng sóng siêu âm mang lại một chiến lược tăng cường quy trình hiệu quả cho việc tổng hợp các nguyên liệu thô dựa trên este được sử dụng trong các công thức chất bôi trơn sinh học hiện đại.

Phản ứng chuyển este bằng sóng siêu âm đối với các este đôi để sản xuất chất bôi trơn sinh học

Quá trình chuyển ester bằng sóng siêu âm đối với dầu và mỡ thực vật là một kỹ thuật bền vững, giúp nâng cao đáng kể năng suất ester, giảm bớt các hạn chế trong quá trình chế biến và làm cho quy trình chuyển ester trở nên hấp dẫn hơn trong sản xuất dầu bôi trơn công nghiệp. Các thiết bị tạo sóng siêu âm kiểu đầu dò của Hielscher được sử dụng để tổng hợp ester hiệu quả trong quy trình sản xuất liên tục dưới các điều kiện quá trình được kiểm soát.

Tổng hợp chất bôi trơn sinh học bằng phương pháp chuyển ester

Dầu thực vật là nguyên liệu hấp dẫn để sản xuất chất bôi trơn sinh học vì chúng là nguồn tài nguyên tái tạo, có khả năng phân hủy sinh học và sở hữu tính bôi trơn tốt. Tuy nhiên, dầu thực vật chưa qua xử lý thường có độ ổn định oxy hóa hạn chế và tính chất ở nhiệt độ thấp kém. Một chiến lược phổ biến để khắc phục những nhược điểm này là chuyển đổi các este metyl có nguồn gốc từ dầu thực vật thành các este polyol, chẳng hạn như este pentaerythritol, thông qua quá trình transesterification.
Trong nghiên cứu “Tối ưu hóa các thông số của quá trình chuyển ester bằng sóng siêu âm dựa trên thuật toán RSM và Crow Search trong tổng hợp chất bôi trơn sinh học gốc polyol ester” Theo nghiên cứu của Arumugam và cộng sự, dầu hạt cải đầu tiên được chuyển hóa thành este metyl dầu hạt cải. Trong bước thứ hai, este metyl này được phản ứng với pentaerythritol dưới sự có mặt của chất xúc tác axit p-toluenesulfonic và xylene làm dung môi. Sản phẩm mục tiêu là este pentaerythritol, phù hợp làm dầu gốc cho chất bôi trơn sinh học. Phản ứng này có ý nghĩa rất lớn đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn vì este polyol được sử dụng rộng rãi làm dầu gốc tổng hợp cho dầu máy nén, chất lỏng thủy lực, dầu làm lạnh và các ứng dụng chất bôi trơn hiệu suất cao khác.
Thách thức chính trong quá trình transesterification truyền thống là phản ứng thường bị hạn chế do sự truyền khối lượng kém giữa các chất phản ứng. Este metyl, polyol và chất xúc tác không phải lúc nào cũng tạo thành một hệ thống phản ứng đồng nhất lý tưởng. Phương pháp khuấy truyền thống có thể đòi hỏi thời gian phản ứng dài, nhiệt độ cao và lượng năng lượng đầu vào lớn, trong khi hiệu suất thu được vẫn chỉ ở mức trung bình. Đây chính là điểm mà công nghệ xử lý bằng sóng siêu âm mang lại lợi thế quyết định.

Sơ đồ quy trình transester hóa bằng sóng siêu âm đối với este pentaerythritol
Nghiên cứu và đồ họa: ©Arumugam và cộng sự, 2019

Cách phản ứng chuyển ester bằng sóng siêu âm làm tăng cường quá trình tổng hợp este

Quá trình chuyển ester bằng sóng siêu âm sử dụng sóng siêu âm cường độ cao để tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh trong môi trường phản ứng lỏng. Hiện tượng xâm thực âm thanh tạo ra các bọt khí vi mô, chúng phát triển và vỡ tan một cách dữ dội. Điều này tạo ra các lực cắt cục bộ mạnh mẽ, các tia nước vi mô, dòng chảy âm thanh và quá trình nhũ hóa vi mô.
Đối với quá trình tổng hợp este, những tác động này có giá trị rất lớn bởi vì chúng:

• giảm kích thước giọt và cải thiện sự tiếp xúc giữa các pha
• tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng không hòa tan hoặc hòa tan kém với nhau
• tăng cường khả năng tiếp cận chất xúc tác
• Tăng cường quá trình truyền khối
• cải thiện động học phản ứng
• giúp đạt được năng suất este cao hơn trong các điều kiện tối ưu

Nghiên cứu này giải thích rằng hiện tượng nhiễu loạn do hiện tượng xâm thực và các vi nhũ tương đã khắc phục được những hạn chế về truyền khối của quá trình transesterification truyền thống. Nhờ đó, các chất phản ứng được phân tán hiệu quả hơn và phản ứng xúc tác diễn ra nhanh hơn và triệt để hơn.

Kết quả nghiên cứu: Năng suất este cao hơn nhờ sử dụng sóng siêu âm

Nghiên cứu đã tối ưu hóa quy trình được hỗ trợ bằng sóng siêu âm bằng cách sử dụng phương pháp bề mặt đáp ứng và thuật toán tìm kiếm kiểu chim quạ. Các biến quy trình được nghiên cứu bao gồm xung siêu âm, biên độ siêu âm, nồng độ chất xúc tác và nhiệt độ phản ứng.
Các điều kiện quy trình siêu âm đã được tối ưu hóa là:
Hệ thống Sonicator: Máy siêu âm kiểu đầu dò Hielscher UP400St
Xung siêu âm: 15 giây
Biên độ siêu âm: 60%
Nồng độ chất xúc tác: một phẩy năm phần trăm khối lượng
Nhiệt độ phản ứng: 100°C

Trong các điều kiện tối ưu này, quá trình transesterification hỗ trợ bằng sóng siêu âm đã đạt được hiệu suất este pentaerythritol khoảng 81,4%. So sánh với đó, phương pháp transesterification truyền thống chỉ đạt năng suất khoảng 47% trong các điều kiện được đánh giá trong nghiên cứu. Điều này có nghĩa là việc xử lý bằng sóng siêu âm đã làm tăng năng suất este lên hơn 70% so với phương pháp truyền thống.
Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn, đây là một kết quả có ý nghĩa rất lớn. Năng suất cao hơn đồng nghĩa với việc tận dụng nguyên liệu thô hiệu quả hơn, giảm lượng phụ phẩm, cải thiện hiệu quả kinh tế của quy trình và có khả năng làm giảm chi phí sản xuất trên mỗi kilogam dầu gốc este.

Xác nhận sự hình thành este

Nghiên cứu của Arumugam và cộng sự (2019) đã xác nhận sự hình thành este pentaerythritol thông qua phương pháp quang phổ FTIR và sắc ký khí. Phân tích FTIR cho thấy các đỉnh đặc trưng của nhóm carbonyl este và liên kết C–O este, trong khi các đỉnh bổ sung đã chứng minh sự hiện diện của nhóm pentaerythrityl. Phương pháp sắc ký khí đã xác nhận thêm thành phần của sản phẩm, bao gồm các phân đoạn monoester, diester, triester và tetraester.
Đối với sản xuất chất bôi trơn sinh học, việc xác nhận bằng phân tích này rất quan trọng vì hiệu suất của chất bôi trơn phụ thuộc rất lớn vào thành phần este. Khả năng thúc đẩy sự hình thành các cấu trúc este mong muốn thông qua quá trình chuyển este bằng sóng siêu âm có kiểm soát mang lại cho các nhà sản xuất một công cụ thiết thực để nâng cao chất lượng dầu gốc và đảm bảo tính nhất quán của quy trình.
 

Phổ FTIR của este pentaerythritol được chuyển este bằng sóng siêu âm
Nghiên cứu và đồ họa: ©Arumugam và các cộng sự, 2019

Những ưu điểm của máy siêu âm Hielscher dành cho các nhà sản xuất chất bôi trơn

Hielscher cung cấp dòng sản phẩm máy siêu âm đầy đủ, từ R&Từ các thiết bị D đến các hệ thống siêu âm công nghiệp hoàn chỉnh. Điều này cho phép phát triển quy trình ở quy mô phòng thí nghiệm, sau đó chuyển sang quy mô thử nghiệm và sản xuất bằng cách áp dụng cùng các nguyên lý cơ bản về siêu âm.
Tất cả các thiết bị siêu âm có công suất từ 200 watt trở lên đều được trang bị hệ thống điều khiển kỹ thuật số, các cài đặt có thể lập trình, khả năng điều khiển từ xa qua trình duyệt web, tính năng ghi nhật ký dữ liệu tự động, cảm biến nhiệt độ và áp suất có thể tháo lắp, cùng nhiều tính năng khác nhằm mang lại sự thuận tiện tối đa cho người dùng và đảm bảo kết quả ổn định, lặp lại được.
Đối với sản xuất chất bôi trơn công nghiệp, dòng sản phẩm của Hielscher bao gồm các máy siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn dành cho các nghiên cứu khả thi, các hệ thống quy mô thử nghiệm để tối ưu hóa quy trình và các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp như UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT và các hệ thống đa đơn vị quy mô lớn hơn dành cho quá trình xử lý liên tục với khối lượng lớn.
Các bình phản ứng dòng chảy liên tục cho phép kiểm soát thời gian lưu, tạo áp suất để tăng cường hiện tượng xâm thực, điều chỉnh nhiệt độ và tích hợp trực tiếp vào các dây chuyền sản xuất este hóa hoặc transeste hóa hiện có.

Các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher mang lại những lợi thế quan trọng trong quá trình tổng hợp este và chất bôi trơn sinh học:

• kiểm soát biên độ chính xác để đảm bảo cường độ hiện tượng xâm thực có thể lặp lại
• chế độ xung có thể điều chỉnh để tối ưu hóa lượng năng lượng đầu vào và quản lý nhiệt
• siêu âm bằng đầu dò công suất cao để truyền năng lượng trực tiếp và hiệu quả vào môi trường phản ứng
• Hoạt động theo lô và theo dòng liên tục nhằm phát triển quy trình một cách linh hoạt
• khả năng mở rộng quy mô công nghiệp từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đến sản xuất công suất cao
• Thiết kế thiết bị chắc chắn, phù hợp với các môi trường chế biến hóa chất khắc nghiệt

 
 
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:

Tổng hợp diester bằng sóng siêu âm như một chiến lược sản xuất

Nguyên lý quá trình transester hóa bằng sóng siêu âm đối với dầu và mỡ có liên quan trực tiếp đến quá trình tổng hợp diester bằng sóng siêu âm cũng như việc sản xuất chất bôi trơn sinh học gốc este trên quy mô rộng hơn. Diester là các chất nền quan trọng trong sản xuất chất bôi trơn tổng hợp nhờ đặc tính độ nhớt-nhiệt độ thuận lợi, khả năng bôi trơn và tính chất hoạt động ở nhiệt độ thấp. Giống như các phản ứng este hóa và transester hóa khác, quá trình tổng hợp diester thường được hưởng lợi từ việc tăng cường tiếp xúc giữa các chất phản ứng, chuyển khối lượng nhanh hơn và sử dụng chất xúc tác hiệu quả hơn.
Do đó, siêu âm là một công cụ tăng cường hiệu quả thực tiễn dành cho các nhà sản xuất chế tạo este từ nguyên liệu tái tạo, este metyl axit béo, rượu, polyol hoặc các tiền chất este khác. Thay vì chỉ dựa vào nhiệt và khuấy cơ học, siêu âm tạo ra quá trình trộn do hiện tượng xâm thực điều khiển ở cấp độ vi mô — nơi thực sự xảy ra nhiều hạn chế trong phản ứng.

Đối với các kỹ sư quy trình, điều này có nghĩa là các bình phản ứng siêu âm có thể được sử dụng để cải thiện:

• Tốc độ phản ứng
• năng suất este
• hiệu suất của chất xúc tác
• giai đoạn phân tán/li>
• tính nhất quán giữa các lô
• độ gọn của quy trình
• hiệu quả năng lượng so với quy trình chế biến truyền thống kéo dài

Quá trình chuyển ester bằng sóng siêu âm đạt tỷ lệ chuyển hóa khoảng 75% trong vòng 1,5 phút đầu tiên và ổn định ở mức khoảng 90% sau 6 phút.
Phương pháp truyền thống cho thấy tỷ lệ chuyển đổi chậm hơn nhiều, chỉ đạt khoảng 40% sau 8 phút.
Nghiên cứu và đồ họa: ©Fayyazi và các cộng sự, 2014

Từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đến sản xuất chất bôi trơn sinh học công nghiệp

Phản ứng transesterification hỗ trợ bằng sóng siêu âm là một phương pháp phù hợp để sản xuất các este dùng trong chất bôi trơn (chẳng hạn như chất bôi trơn sinh học dựa trên este pentaerythritol) với năng suất cao hơn và mức độ khắc nghiệt của phản ứng thấp hơn so với phương pháp truyền thống. Arumugam và cộng sự (2019) đã báo cáo mức tăng năng suất từ 47% lên khoảng 81,4%, điều này chứng minh rõ ràng tầm quan trọng về mặt thương mại của việc tăng cường quá trình bằng sóng siêu âm.
Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn, ý nghĩa của điều này rất rõ ràng: quá trình chuyển ester bằng sóng siêu âm có thể giúp chuyển đổi nguyên liệu tái tạo thành các loại dầu gốc ester có giá trị cao một cách hiệu quả hơn. Với các thiết bị siêu âm của Hielscher, nền tảng công nghệ tương tự được sử dụng trong quá trình tối ưu hóa tại phòng thí nghiệm có thể được mở rộng quy mô để áp dụng vào hoạt động công nghiệp liên tục. Điều này khiến cho công nghệ xử lý bằng sóng siêu âm không chỉ là một công cụ nghiên cứu, mà còn là một chiến lược sản xuất khả thi cho các loại dầu bôi trơn sinh học thế hệ mới.
Bằng cách tích hợp các lò phản ứng siêu âm Hielscher vào dây chuyền tổng hợp este, các nhà sản xuất có thể đẩy mạnh quá trình chuyển este, nâng cao năng suất và phát triển các loại dầu gốc bôi trơn bền vững hơn từ nguyên liệu thô chiết xuất từ dầu thực vật. Khi nhu cầu về dầu bôi trơn phân hủy sinh học và tái tạo tiếp tục gia tăng, quá trình tổng hợp diester và polyol ester bằng siêu âm mở ra một hướng đi đầy tiềm năng hướng tới sản xuất dầu bôi trơn sinh học sạch hơn, hiệu quả hơn và có tính cạnh tranh thương mại cao hơn.

Văn học / Tài liệu tham khảo