Tổng hợp polyol bằng phản ứng trao đổi este có hỗ trợ siêu âm

Polyol là các este tổng hợp được sản xuất chủ yếu thông qua phản ứng trao đổi este của triglyceride từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật. Các polyol này là nguyên liệu để sản xuất polyurethane, chất bôi trơn sinh học và các hóa chất khác. Xử lý siêu âm được sử dụng để tăng cường các phản ứng trao đổi este bằng cách tạo ra lực cắt mạnh và nhiệt năng. Siêu âm và các hiệu ứng hóa siêu âm cung cấp năng lượng cho phản ứng và giúp khắc phục các hạn chế về truyền khối. Nhờ đó, xử lý siêu âm cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng trao đổi este, hiệu suất thu sản phẩm và hiệu quả tổng thể.

Phản ứng trao đổi este có hỗ trợ siêu âm

Phản ứng trao đổi este là một trong những con đường tổng hợp quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi như một kỹ thuật hiệu quả để chuyển hóa dầu thực vật thành các chất thay thế sản phẩm dầu mỏ. Tổng hợp bằng siêu âm (còn gọi là tổng hợp hóa siêu âm, tức là tổng hợp hóa học được thúc đẩy bằng siêu âm hiệu năng cao) được biết đến rộng rãi nhờ các tác động có lợi đối với phản ứng trao đổi este cũng như các quá trình hóa học khác.

Tổng hợp polyol bền vững từ dầu thực vật bằng siêu âm

Các axit béo có nguồn gốc thực vật, tức là dầu thực vật, là nguồn nguyên liệu sẵn có rộng rãi, có thể tái tạo và có thể được sử dụng để điều chế polyol và polyurethane có nguồn gốc sinh học. Việc ứng dụng siêu âm công suất cao tạo ra các hiệu ứng hóa siêu âm thuận lợi, giúp tăng tốc đáng kể phản ứng trao đổi este có xúc tác. Ngoài ra, xử lý siêu âm còn nâng cao hiệu suất thu polyol tổng hợp vì năng lượng trộn mạnh từ hiện tượng xâm thực âm khắc phục hạn chế về truyền khối. Các phản ứng trao đổi este có hỗ trợ siêu âm được biết đến rộng rãi là diễn ra hiệu quả với lượng ancol và chất xúc tác ít hơn so với các phản ứng trao đổi este thông thường. Điều này giúp cải thiện hiệu quả tổng thể nhờ xử lý siêu âm.

Tổng hợp chất bôi trơn sinh học gốc este pentaerythritol bằng siêu âm

Este pentaerythritol có thể được tổng hợp hiệu quả từ dầu hạt cải thông qua quy trình hóa siêu âm hai bước, như nhóm nghiên cứu của Arumugam đã chứng minh. Trong nghiên cứu tối ưu hóa, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thiết bị siêu âm UP400St của Hielscher (xem hình bên trái). Trong phản ứng trao đổi este đầu tiên được thúc đẩy bằng hiệu ứng hóa siêu âm, dầu hạt cải phản ứng với methanol để tạo thành este metyl. Trong bước trao đổi este thứ hai, este metyl phản ứng với xylen và một chất xúc tác để tạo thành este pentaerythritol. Nhà nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số của quá trình siêu âm nhằm nâng cao hiệu suất thu sản phẩm và hiệu quả tổng thể của quá trình tổng hợp este pentaerythritol dưới tác động của siêu âm. Hiệu suất thu este pentaerythritol được cải thiện lên 81,4% khi sử dụng xung siêu âm 15 s, biên độ siêu âm 60%, nồng độ chất xúc tác 1,5 wt% và nhiệt độ phản ứng 100°C. Để kiểm soát chất lượng, este pentaerythritol được tổng hợp bằng phương pháp hóa siêu âm đã được so sánh với dầu máy nén tổng hợp. Kết luận của nghiên cứu cho thấy quy trình trao đổi este liên tiếp được thúc đẩy bằng siêu âm là một phương pháp hiệu quả để thay thế quy trình trao đổi este liên tiếp thông thường trong việc tổng hợp chất bôi trơn sinh học gốc este pentaerythritol. Những ưu điểm chính của quy trình trao đổi este có hỗ trợ siêu âm là tăng hiệu suất thu este pentaerythritol, rút ngắn thời gian phản ứng và giảm đáng kể nhiệt độ phản ứng. (xem Arumugam và cộng sự, 2019)

Phản ứng trao đổi este hai giai đoạn chuyển hóa dầu hạt cải thành este pentaerythritol được tăng cường bằng siêu âm.
(phỏng theo Arumugam và cộng sự, 2019)

Tổng hợp các este acetal có nguồn gốc từ pentanal bằng siêu âm

Nhóm nghiên cứu của Kurniawan đã tổng hợp ba este acetal có nguồn gốc từ pentanal bằng phương pháp hóa siêu âm, áp dụng các nguyên tắc của hóa học xanh. Xử lý siêu âm được sử dụng để thúc đẩy hai bước phản ứng hóa học:

1. Este hóa axit 9,10-dihydroxyoctadecanoic
2. Acetal hóa alkyl 9,10-dihydroxyoctadecanoate

Để sản xuất các este alkyl 9,10-dihydroxystearate, cần thực hiện hai bước và đã thu được hiệu suất 67–85%. Để đánh giá hiệu quả, phương pháp hóa siêu âm được so sánh với kỹ thuật đun hồi lưu thông thường. Ngoài ra, các chất xúc tác axit đồng thể và rắn, cụ thể là axit sulfuric (H2SO4), bentonite tự nhiên và H-bentonite, được sử dụng để xác định ảnh hưởng và hiệu quả của các chất xúc tác khác nhau. Kết quả cho thấy phản ứng este hóa axit bằng phương pháp hóa siêu âm với xúc tác H-bentonite tạo ra sản phẩm với hiệu suất lên đến 70% trong thời gian phản ứng ngắn hơn 3 lần so với phương pháp đun hồi lưu, một kết quả đáng chú ý. Bước acetal hóa cuối cùng với n-pentanal, có mặt H-bentonite và sử dụng siêu âm, tạo ra ba dẫn xuất dioxolane có nguồn gốc từ pentanal với hiệu suất 69–85%, cao hơn so với phương pháp thông thường. Phương pháp đun hồi lưu đòi hỏi thời gian phản ứng dài hơn phương pháp hóa siêu âm vì quá trình tổng hợp bằng siêu âm chỉ cần 10–30min. Ngoài thời gian phản ứng ngắn hơn đáng kể khi xử lý siêu âm, phương pháp hóa siêu âm còn mang lại hiệu suất đáng chú ý cho từng este.
Nhà nghiên cứu cũng tính toán rằng nhu cầu năng lượng của phản ứng hóa siêu âm thấp hơn khoảng 62 lần so với phương pháp thông thường. Điều này giúp giảm chi phí và thân thiện với môi trường.
Việc khảo sát các tính chất hóa lý của từng sản phẩm cho thấy methyl 8-(2-butyl-5-octyl-1,3-dioxolan-4-yl)octanoate là một chất bôi trơn sinh học mới tiềm năng, có các đặc tính chức năng để thay thế các chất bôi trơn thông dụng. (xem Kurniawan và cộng sự, 2021)

Chuyển este các este pentaerythryl bằng siêu âm

Có thể thu được các este pentaerythryl từ các loại dầu thực vật như dầu hướng dương, dầu hạt lanh và dầu jatropha. Nhóm nghiên cứu của Hashem đã chứng minh quá trình tổng hợp các chất bôi trơn có nguồn gốc sinh học thông qua hai bước chuyển este liên tiếp có xúc tác bazơ. Họ đã chứng minh tính khả thi của quá trình tổng hợp khi sử dụng dầu hướng dương, dầu hạt lanh và dầu jatropha. Trong bước đầu tiên, các loại dầu được chuyển thành các este methyl tương ứng. Trong bước thứ hai, các este methyl được chuyển thành các este pentaerythryl nhờ tác dụng của pentaerythritol như minh họa trong sơ đồ sau: (xem Hashem và cộng sự, 2013)

Sau khi dầu thực vật được chuyển este thành este methyl, các este methyl được chuyển thành các este pentaerythryl nhờ tác dụng của pentaerythritol như minh họa trong sơ đồ trên.
(xem Hashem và cộng sự, 2013)

Tác dụng thúc đẩy đáng kể phản ứng chuyển este của xử lý siêu âm đã được chứng minh khoa học và được ứng dụng trong công nghiệp từ nhiều thập kỷ qua. Ví dụ nổi bật nhất về phản ứng chuyển este được cải thiện bằng siêu âm là quá trình chuyển hóa dầu và chất béo thành este methyl của axit béo (FAME), được biết đến với tên gọi diesel sinh học.
Đọc thêm về quá trình chuyển este dầu (thải) và chất béo thành diesel sinh học với sự hỗ trợ của siêu âm!

Đầu dò và thiết bị phản ứng siêu âm dùng cho phản ứng chuyển este và các quá trình tổng hợp hóa học khác

Hielscher Ultrasonics là chuyên gia của bạn về các thiết bị siêu âm hiệu suất cao tiên tiến dành cho các phản ứng hóa siêu âm. Hielscher thiết kế, sản xuất và phân phối các thiết bị siêu âm công suất cao cùng các phụ kiện như đầu dò (sonotrode), thiết bị phản ứng và buồng dòng chảy ở mọi kích cỡ, đồng thời cung cấp cho các phòng thí nghiệm hóa học cũng như các cơ sở sản xuất hóa chất quy mô công nghiệp. Từ thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến đầu dò và thiết bị phản ứng siêu âm công nghiệp, Hielscher có hệ thống siêu âm lý tưởng cho quy trình của bạn. Với kinh nghiệm lâu năm trong các ứng dụng như xúc tác siêu âm và tổng hợp hóa siêu âm, đội ngũ nhân viên được đào tạo bài bản của chúng tôi sẽ đề xuất cấu hình phù hợp nhất với yêu cầu của bạn.
Hielscher Ultrasonics sản xuất các hệ thống siêu âm hiệu suất cao có độ bền rất cao và có khả năng tạo ra sóng siêu âm cường độ mạnh, vì tất cả các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher đều có thể tạo ra biên độ rất cao khi vận hành liên tục (24/7). Các hệ thống siêu âm bền bỉ này hầu như không cần bảo trì và được chế tạo để vận hành bền bỉ. Nhờ đó, thiết bị siêu âm Hielscher có độ tin cậy cao trong các ứng dụng tải nặng dưới những điều kiện khắt khe. Các đầu sonotrode chuyên dụng cho nhiệt độ cao hoặc môi trường hóa chất rất khắc nghiệt cũng có sẵn.
Chất lượng cao nhất – Thiết kế và sản xuất tại Đức: Tất cả thiết bị đều được thiết kế và sản xuất tại trụ sở chính của chúng tôi ở Đức. Trước khi giao cho khách hàng, mỗi thiết bị siêu âm đều được kiểm tra kỹ lưỡng ở mức đầy tải. Chúng tôi nỗ lực mang lại sự hài lòng cho khách hàng và tổ chức hoạt động sản xuất nhằm đáp ứng các yêu cầu đảm bảo chất lượng cao nhất (ví dụ: chứng nhận ISO).

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: