Tổng hợp đieste bằng siêu âm để sản xuất chất bôi trơn sinh học hiệu năng cao

Quá trình chuyển đổi từ chất bôi trơn có nguồn gốc dầu mỏ sang chất bôi trơn gốc este có nguồn gốc tái tạo, có khả năng phân hủy sinh học và hiệu năng cao đang diễn ra ngày càng nhanh trong các ngành công nghiệp. Các nhà sản xuất chất bôi trơn chịu áp lực ngày càng lớn trong việc giảm tác động đến môi trường đồng thời duy trì các tiêu chí hiệu năng khắt khe như chỉ số độ nhớt cao, độ bay hơi thấp, khả năng bôi trơn tốt, độ ổn định nhiệt và đặc tính đáng tin cậy ở nhiệt độ thấp. Trong bối cảnh này, phản ứng trao đổi este bằng siêu âm mang đến một chiến lược tăng cường quá trình mạnh mẽ để tổng hợp nguyên liệu gốc este dùng trong các công thức chất bôi trơn sinh học hiện đại.

Trao đổi este bằng siêu âm đối với đieste dùng cho chất bôi trơn sinh học

Trao đổi este bằng siêu âm đối với dầu thực vật và chất béo là một kỹ thuật bền vững giúp cải thiện đáng kể hiệu suất thu este, giảm các hạn chế trong xử lý và khiến phương pháp trao đổi este trở nên hấp dẫn hơn đối với sản xuất chất bôi trơn công nghiệp. Các thiết bị siêu âm dạng đầu dò của Hielscher được sử dụng để tổng hợp este hiệu quả trong sản xuất trên dây chuyền với các điều kiện quá trình được kiểm soát.

Tổng hợp chất bôi trơn sinh học bằng phản ứng trao đổi este

Dầu thực vật là nguồn nguyên liệu hấp dẫn cho chất bôi trơn sinh học vì có nguồn gốc tái tạo, có khả năng phân hủy sinh học và khả năng bôi trơn tốt. Tuy nhiên, dầu thực vật chưa qua xử lý thường có độ ổn định oxy hóa hạn chế và đặc tính kém ở nhiệt độ thấp. Một chiến lược phổ biến để khắc phục những nhược điểm này là chuyển đổi các metyl este có nguồn gốc từ dầu thực vật thành este polyol, chẳng hạn như este pentaerythritol, bằng phản ứng trao đổi este.
Trong nghiên cứu “Tối ưu hóa các thông số của quá trình trao đổi este có hỗ trợ siêu âm trong tổng hợp chất bôi trơn sinh học gốc este polyol bằng phương pháp RSM và thuật toán tìm kiếm quạ” của Arumugam và cộng sự, dầu hạt cải trước tiên được chuyển đổi thành metyl este của dầu hạt cải. Ở bước thứ hai, metyl este này được cho phản ứng với pentaerythritol với sự hiện diện của chất xúc tác axit p-toluenesulfonic và xylen làm dung môi. Sản phẩm mục tiêu là este pentaerythritol thích 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 bôi trơn tổng hợp cho dầu máy nén, chất lỏng thủy lực, dầu máy lạnh và các ứng dụng bôi trơn hiệu năng cao khác.
Thách thức chính trong phản ứng trao đổi este thông thường là phản ứng thường bị hạn chế bởi sự truyền khối kém giữa các chất phản ứng. Metyl este, polyol và chất xúc tác không phải lúc nào cũng tạo thành một hệ phản ứng đồng nhất lý tưởng. Khuấy trộn thông thường có thể đòi hỏi thời gian phản ứng dài, nhiệt độ cao và năng lượng đầu vào lớn, trong khi vẫn chỉ đạt hiệu suất ở mức trung bình. Đây là lúc xử lý bằng siêu âm mang lại lợi thế mang tính quyết định.

Sơ đồ quy trình trao đổi este bằng siêu âm để tạo este pentaerythritol
Nghiên cứu và hình minh họa: ©Arumugam et al,.2019

Cách phản ứng trao đổi este bằng siêu âm tăng cường quá trình tổng hợp este

Phản ứng trao đổi este bằng siêu âm sử dụng siêu âm cường độ cao để tạo ra hiện tượng xâm thực âm trong môi trường phản ứng lỏng. Hiện tượng xâm thực tạo ra các bọt khí cực nhỏ, chúng phát triển rồi sụp đổ dữ dội. Quá trình này tạo ra lực cắt cục bộ mạnh, các vi tia chất lỏng, dòng chảy âm và sự vi nhũ hóa.
Đối với tổng hợp este, những tác động này có giá trị rất lớn vì chúng:

• giảm kích thước giọt và cải thiện sự tiếp xúc giữa các pha
• tăng diện tích bề mặt phân cách giữa các chất phản ứng không hòa trộn hoặc khó hòa trộn với nhau
• tăng khả năng tiếp cận chất xúc tác
• đẩy nhanh quá trình truyền khối
• cải thiện động học phản ứng
• hỗ trợ đạt hiệu suất thu este cao hơn trong các điều kiện được tối ưu hóa

Nghiên cứu giải thích rằng dòng chảy rối do hiện tượng xâm thực gây ra và các hệ vi nhũ tương khắc phục những hạn chế về truyền khối của phản ứng trao đổi este thông thường. Nhờ đó, các chất phản ứng được phân tán hiệu quả hơn và phản ứng xúc tác diễn ra nhanh hơn, triệt để hơn.

Kết quả nghiên cứu: Hiệu suất thu este cao hơn nhờ siêu âm

Nghiên cứu đã tối ưu hóa quy trình có hỗ trợ siêu âm bằng phương pháp bề mặt đáp ứng và thuật toán tìm kiếm quạ. Các biến số quy trình được khảo sát là 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 như sau:
Hệ thống siêu âm: Máy siêu âm dạng đầu dò Hielscher UP400St
Xung siêu âm: 15 giây
Biên độ siêu âm: 60%
Nồng độ chất xúc tác: 1,5 wt.%
Nhiệt độ phản ứng: 100°C

Trong các điều kiện đã được tối ưu hóa này, phản ứng trao đổi este có hỗ trợ siêu âm đạt hiệu suất tạo este pentaerythritol khoảng 81,4%. Để so sánh, phương pháp trao đổi este thông thường chỉ đạt hiệu suất khoảng 47% trong các điều kiện được đánh giá trong nghiên cứu. Điều này có nghĩa là xử lý siêu âm làm tăng hiệu suất tạo este hơn 70% so với phương pháp thông thường.
Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn, đây là kết quả có ý nghĩa rất lớn. Hiệu suất cao hơn đồng nghĩa với việc tận dụng nguyên liệu tốt hơn, giảm các dòng phụ, cải thiện hiệu quả kinh tế của quy trình và có khả năng giảm chi phí sản xuất trên mỗi kilôgam 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 bằng phương pháp quang phổ FTIR và sắc ký khí. Phân tích FTIR cho thấy các đỉnh đặc trưng của nhóm carbonyl trong este và liên kết C–O trong este, trong khi các đỉnh bổ sung củng cố bằng chứng về sự hiện diện của nhóm pentaerythrityl. Sắc ký khí tiếp tục xác nhận thành phần sản phẩm, bao gồm các phân đoạn monoeste, đieste, trieste và tetraeste.
Đối với sản xuất chất bôi trơn sinh học, việc xác nhận bằng phân tích này rất quan trọng vì tính năng của chất bôi trơn phụ thuộc nhiều vào thành phần este. Khả năng thúc đẩy sự hình thành các cấu trúc este mong muốn thông qua phản ứng trao đổi este bằng siêu âm có kiểm soát mang đến cho các nhà sản xuất một công cụ thiết thực để cải thiện chất lượng dầu gốc và tính nhất quán của quy trình.
 

Phổ FTIR của este pentaerythritol được tạo thành qua phản ứng trao đổi este bằng siêu âm
Nghiên cứu và đồ họa: ©Arumugam et al., 2019

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

Hielscher cung cấp đầy đủ các dòng máy siêu âm, từ thiết bị nghiên cứu và phát triển đến các hệ thống siêu âm hoàn toàn ở quy mô công nghiệp. Điều này cho phép phát triển quy trình ở quy mô phòng thí nghiệm rồi chuyển sang quy mô thí điểm và sản xuất bằng cách sử dụng cùng các nguyên lý siêu âm cơ bản.
Tất cả các máy siêu âm có công suất từ 200 oát trở lên đều có tính năng điều khiển kỹ thuật số, cài đặt có thể lập trình, vận hành từ xa qua trình duyệt, tự động ghi dữ liệu, cảm biến nhiệt độ và áp suất có thể cắm nối cùng nhiều tính năng khác để mang lại mức độ thân thiện với người dùng cao nhất và kết quả có thể lặp lại.
Đối với sản xuất chất bôi trơn công nghiệp, các dòng sản phẩm của Hielscher bao gồm máy siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn dùng cho nghiên cứu tính khả thi, hệ thống quy mô thí điểm để tối ưu hóa quy trình và các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp như UIP500hdT, UIP1000hdT, UIP1500hdT, UIP2000hdT, UIP4000hdT, UIP16000hdT cùng các tổ hợp nhiều thiết bị lớn hơn để xử lý liên tục với khối lượng lớn.
Các thiết bị phản ứng dòng chảy cho phép kiểm soát thời gian lưu, tăng áp để tạo xâm thực mạnh hơn, quản lý nhiệt độ và tích hợp trực tiếp vào các dây chuyền sản xuất bằng phản ứng este hóa hoặc trao đổi este hiện có.

Các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher mang lại những ưu điểm quan trọng cho việc tổng hợp este và chất bôi trơn sinh học:

• kiểm soát biên độ chính xác để tái lập cường độ xâm thực
• chế độ phát xung có thể điều chỉnh để tối ưu hóa năng lượng đầu vào và quản lý nhiệt
• xử lý siêu âm bằng đầu dò công suất cao để truyền năng lượng trực tiếp và hiệu quả vào môi trường phản ứng
• vận hành theo mẻ và dòng chảy liên tục để phát triển quy trình linh hoạt
• khả năng mở rộng lên quy mô công nghiệp từ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đến sản xuất với năng suất cao
• thiết kế thiết bị bền chắc cho các môi trường xử lý hóa chất có yêu cầu khắt khe

 
 
Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:

Tổng hợp đieste bằng siêu âm như một chiến lược sản xuất

Nguyên lý của quá trình trao đổi este dầu và chất béo bằng siêu âm có liên quan trực tiếp đến việc tổng hợp đieste bằng siêu âm và, rộng hơn, sản xuất chất bôi trơn sinh học gốc este. Đieste là các thành phần dầu gốc bôi trơn tổng hợp quan trọng nhờ đặc tính độ nhớt theo nhiệt độ thuận lợi, khả năng bôi trơn và tính chất ở nhiệt độ thấp. Tương tự các phản ứng este hóa và trao đổi este khác, quá trình tổng hợp đieste thường được hưởng lợi từ việc cải thiện sự tiếp xúc giữa các chất phản ứng, tăng tốc độ truyền khối và sử dụng chất xúc tác hiệu quả hơn.
Vì vậy, xử lý siêu âm là một công cụ tăng cường quá trình thiết thực cho các nhà sản xuất este từ nguyên liệu tái tạo, metyl este axit béo, ancol, polyol hoặc các tiền chất este khác. Thay vì chỉ dựa vào nhiệt và khuấy cơ học, siêu âm tạo ra sự trộn do xâm thực ở cấp độ vi mô, nơi nhiều yếu tố hạn chế phản ứng thực sự xuất hiện.

Đối với các kỹ sư công nghệ, điều này có nghĩa là có thể sử dụng thiết bị phản ứng siêu âm để cải thiện:

• tốc độ phản ứng
• hiệu suất thu este
• hiệu quả của chất xúc tác
• sự phân tán pha/li>
• tính nhất quán giữa các mẻ
• tính gọn của quy trình
• hiệu quả sử dụng năng lượng so với quá trình xử lý thông thường kéo dài

Quá trình trao đổi este bằng siêu âm đạt độ chuyển hóa khoảng 75% trong 1,5 phút đầu tiên và ổn định ở mức chuyển hóa khoảng 90% sau 6 phút.
Phương pháp thông thường có tốc độ chuyển hóa chậm hơn nhiều, chỉ đạt độ chuyển hóa khoảng 40% sau 8 phút.
Nghiên cứu và đồ họa: ©Fayyazi et al., 2014

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

Trao đổi este có hỗ trợ siêu âm là một phương pháp phù hợp để sản xuất este dùng cho chất bôi trơn (chẳng hạn như chất bôi trơn sinh học gốc este pentaerythritol), với hiệu suất được cải thiện và điều kiện phản ứng ít khắc nghiệt hơn so với phương pháp thông thường. Arumugam et al. (2019) đã báo cáo mức tăng hiệu suất từ 47% lên khoảng 81,4%, cho thấy rõ ý nghĩa thương mại của việc tăng cường quá trình bằng siêu âm.
Đối với các nhà sản xuất chất bôi trơn, ý nghĩa rất rõ ràng: trao đổi este bằng siêu âm có thể giúp chuyển đổi nguyên liệu tái tạo thành dầu gốc este có giá trị cao một cách hiệu quả hơn. Với các thiết bị siêu âm Hielscher, cùng một nền tảng công nghệ được sử dụng để tối ưu hóa trong phòng thí nghiệm có thể được mở rộng quy mô để vận hành công nghiệp liên tục. Điều này khiến xử lý siêu âm không chỉ là một công cụ nghiên cứu mà còn là một chiến lược sản xuất khả thi cho các chất bôi trơn sinh học thế hệ tiếp theo.
Bằng cách tích hợp các thiết bị phản ứng siêu âm Hielscher vào dây chuyền tổng hợp este, các nhà sản xuất có thể tăng cường quá trình trao đổi este, cải thiện hiệu suất và phát triển các thành phần dầu gốc bôi trơn bền vững hơn từ nguyên liệu có nguồn gốc dầu thực vật. Khi nhu cầu về chất bôi trơn có khả năng phân hủy sinh học và có nguồn gốc tái tạo tiếp tục tăng, việc tổng hợp đieste và este polyol bằng siêu âm mang đến một hướng đi hiệu quả để sản xuất chất bôi trơn sinh học sạch hơn, hiệu quả hơn và có sức cạnh tranh thương mại.

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Arumugam, S., Chengareddy, P., Tamilarasan, A. et al. (2019): RSM and Crow Search Algorithm-Based Optimization of Ultrasonicated Transesterification Process Parameters on Synthesis of Polyol Ester-Based Biolubricant. Arabian Journal for Science and Engineering 44, 2019. 5535–5548.
• Nicolas A. Patience, Federico Galli, Marco G. Rigamonti, Dalma Schieppati, Daria C. Boffito (2019): Ultrasonic Intensification To Produce Diester Biolubricants. Industrial & Engineering Chemistry Research 58, 19; 2019. 7957–7963.
• Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences ; Engineering) 77:5; 2015. 155-161.
• Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.