Hình 1: Con đường chuyển hóa ALA thành EPA và DHA

Hình 1: Con đường chuyển hóa ALA thành EPA và DHA

Vì các axit béo không thay thế này rất quan trọng với sức khỏe và sự phát triển của cơ thể con người, nên việc đánh giá, phân tích chúng cũng rất quan trọng. Có hai phương pháp đánh giá các axit béo này là phương pháp đánh giá trực tiếp và phương pháp đánh giá gián tiếp. Việc đánh giá trực tiếp thành phần w-3,6,9 trong các loại dầu thực vật và mỡ động vật được thực hiện tốt nhất bằng cách chạy sắc ký lỏng các loại dầu mỡ này. Phương pháp này chưa tách được các axit béo không thay thế một cách triệt để vì các axit béo này thường có nhiệt độ sôi rất gần nhau. Một phương pháp tối ưu khác để đánh giá thành phần axit béo không thay thế là phương pháp gián tiếp thông qua quá trình ester chéo hóa sau đó sử dụng sắc ký khí khối phổ để phân tích. Phương pháp này tiết kiệm hơn phương pháp sắc ký lỏng và việc tách chiết các chất cũng tốt hơn. Quá trình este hóa này diễn ra với thời gian lâu và hiệu suất thấp, nhiều sản phẩm phụ, vì vậy cần sử dụng thêm xúc tác. Vậy vấn đề cần đặt ra là lựa chọn xúc tác cho quá trình này vừa tăng hiệu suất, vừa chọn lọc sản phẩm phản ứng.

Hiệu suất và sản phẩm của phản ứng este chéo hóa các mỡ động, thực vật phụ thuộc nhiều vào hệ xúc tác. Tùy vào bản chất các mỡ và sản phẩm cần thu được thì chúng ta sẽ lựa chọn hệ xúc tác phù hợp. Ưu nhược điểm của các loại hệ xúc tác được liệt kê trong bảng 6 sau đây.

Từ bảng tóm tắt trên, có thể thấy xúc tác bazơ bị ảnh hưởng bởi lượng axit béo tự do, dễ sinh ra nhũ tương, gây khó khăn cho quá trình tinh chế sản phẩm. Xúc tác axit đồng thể gây khó khăn cho quá trình tách xúc tác ra khỏi sản phẩm. Xúc tác axir dị thể khắc phục được các nhược điểm trên và với việc lựa chọn hệ xúc tác phù hợp nhất sẽ tạo được hiệu suất cao nhất và tách chiết được sản phẩm tốt nhất. Với những lợi ích nêu trên của xúc tác axit dị thể, trong luận văn này chúng tôi lựa chọn loại xúc tác này để tiến hành phản ứng este chéo hóa một số mỡ động vật.

Do những hạn chế của các hệ xúc tác bazơ và xúc tác đồng thể nên cần quan tâm hơn đến việc phát triển các xúc tác axit rắn như một giải pháp thích hợp để khắc phục những vấn đề liên quan đến xúc tác đồng thể, đặc biệt là các xúc tác có tính bazơ. Ưu điểm của xúc tác axit rắn dị thể là không bị tiêu thụ hoặc hòa tan trong phản ứng và do đó có thể dễ dàng tách loại khỏi sản phẩm. Kết quả là sản phẩm không chứa các tạp chất của xúc tác và chi phí của giai đoạn tách loại cuối cùng sẽ được giảm xuống, quá trình cũng có thể được thực hiện liên tục. Xúc tác có thể dễ dàng tái sinh và tái sử dụng, đồng thời cũng thân thiện với môi trường hơn do không cần xử lí tách loại xúc tác [16]. Hiện nay, có nhiều hydroxit kim loại [17, 18], phức kim loại [19], oxit kim loại [17, 20-23] đã và đang được thử nghiệm và kiểm chứng về hoạt tính xúc tác của chúng đối với phản ứng este chéo hóa triglyxerit, những kết quả nhận được là tương đối khả thi.

Tuy nhiên, một trong những vấn đề lớn liên quan đến xúc tác dị thể là sự hình thành của ba pha giữa xúc tác với ancol và dầu dẫn tới những giới hạn khuếch tán, do đó làm giảm tốc độ phản ứng [24]. Một phương án để khắc phục vấn đề chuyển khối đối với xúc tác dị thể là sử dụng một lượng nhất định dung môi hỗ trợ để thúc đẩy khả năng trộn lẫn dầu và etanol, qua đó đẩy nhanh tốc độ phản ứng. Tetrahydrofuran, dimetyl sulfoxit, n-hexan và etanol đã được sử dụng thường xuyên hơn với vai trò của một dung môi hỗ trợ trong phản ứng este chéo hóa của dầu thực vật với xúc tác rắn. Một phương án khác để thúc đẩy các quá trình chuyển khối liên quan tới xúc tác dị thể là sử dụng chất trợ hoặc xúc tác chất mang để có thể tạo ra diện tích bề mặt riêng lớn hơn và nhiều mao quản hơn, thúc đẩy khả năng thu hút và phản ứng với các phân tử triglyxerit có kích thước lớn.

Các oxit kim loại chuyển tiếp như ZrO₂, TiO₂ hay ZnO đã và đang được nghiên cứu ứng dụng làm xúc tác cho phản ứng este chéo hóa do tính axit mạnh của chúng. Tính axit của các oxit kim loại chuyển tiếp có thể tăng lên khi được biến tính bởi các tác nhân như sulfat, phosphat.

Những vật liệu mao quản trung bình nền silica như MCM-41 hay SBA-15 tuy không có tính axit nhưng có diện tích bề mặt riêng rất lớn, kích thước mao quản phù hợp với các phân tử hữu cơ. Để có được xúc tác phù hợp cho phản ứng este chéo hóa, các vật liệu mao quản trung bình nền silica có thể được biến tính bởi những nhóm chức vô cơ/hữu cơ phù hợp như axit sulfonic hoặc các kim loại chuyển tiếp. Ví dụ như với xúc tác SBA-15 được biến tính bởi axit propylsulfonic thì phản ứng este chéo hóa mỡ bò đạt hiệu suất khoảng 95 % (nhiệt độ phản ứng 120⁰C, thời gian phản ứng 30 phút, tỷ lệ metanol/mỡ 20:1).



Hình 2. Một số vật liệu nền silica biến tính bởi axit sulfonic

Ngoài vật liệu nền silica, vật liệu nền carbon cũng được nghiên cứu biến tính để làm xúc tác cho phản ứng este chéo hóa. Trước tiên, carbon hóa không hoàn toàn đường hoặc xenlulozo ở khoảng 500⁰C để chế tạo nền carbon. Nhúng vật liệu nền carbon vào axit sulfuric 96 % và đun nóng ở 150⁰C trong 15 giờ dưới khí quyển N₂, thu được vật liệu nền carbon được biến tính bằng axit sulfuric, chứa đồng thời hai nhóm chức axit -COOH và -SO₃H. Vật liệu này có tính axit rất mạnh, chỉ số H_o khoảng -8 đến -11, và đã được nghiên cứu ứng dụng cho phản ứng este chéo hóa dầu thải, hiệu suất phản ứng đạt khoảng 92 % (nhiệt độ phản ứng 80⁰C, thời gian phản ứng 8 giờ, tỷ lệ metanol/dầu 30:1).

Phương pháp biến đổi cấu trúc và hoạt tính của nhôm oxit bằng các kim loại như Fe, Mn, Zn đã và đang được nghiên cứu nhiều, đặc biệt là trong lĩnh vực xúc tác. Quá trình biến tính bằng kim loại làm thay đổi kết cấu mạng tinh thể của nhôm oxit: xảy ra sự thay thế đồng hình nguyên tử nhôm bởi các kim loại khác hoặc có sự hình thành pha spinel trên bề mặt. Những biến đổi đó ảnh hưởng đến hoạt tính của xúc tác, đặc biệt là lực axit. Photpho cũng được biết là ảnh hưởng đến tuổi thọ và tính axit của xúc tác. Sự cốc hóa xúc tác bị giảm xuống [17,20], rõ ràng là do sự thay đổi tính axit trên bề mặt xúc tác. Một số nghiên cứu [8, 9, 10] chứng minh tính axit tăng nhẹ khi thêm photpho. Tính axit yếu hơn được báo cáo bởi các tác giả khác [28] dựa vào tính axit của các xúc tác trong các phản ứng thử nghiệm xúc tác tổng hợp được.

Vì vậy với những ưu điểm của hệ xúc tác axit dị thể, trong luận văn này chúng tôi nghiên cứu chế tạo hệ xúc tác Zn,P/Al₂O₃ để đánh giá thành phần axit béo không thay thế có trong một số mỡ động vật.

PHẦN 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Tổng hợp vật liệu -Al₂O₃

Hoá chất:

• 
  Nhôm nitrat nanohydrate Al(NO₃)₃.9H₂O (Merk)
  
• 
  Ure (CO(NH₂)₂ (Merk)
  
• 
  Polyetylenglycol (Merk)
  
• 
  Nước cất
  

Nhôm nitrat (Al(NO₃)₃.9H₂O)

Dung dịch đồng thể

Hỗn hợp phản ứng

Gel alumina

γ-Nhôm oxit

Vật liệu nền γ-nhôm oxit được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel. Hòa tan nhôm nitrat nanohydrate (Al(NO₃)₃.9H₂O, hóa chất dùng cho phân tích) vào nước cất tới gần bão hòa (khoảng 70 g/100 g H₂O) và khuấy đều ở nhiệt độ phòng. Cho từ từ ure (CO(NH₂)₂, hóa chất dùng cho phân tích) vào dung dịch với tỷ lệ mol Al³⁺/ure tùy chọn, cho thêm một lượng nhỏ PEG vào, khuấy đều trong 1 giờ. Để ổn định hỗn hợp phản ứng trong 1 giờ và già hóa ở 90⁰C trong 12 giờ, thu được gel alumina. Nung gel từ nhiệt độ phòng lên tới khoảng 450⁰C (tốc độ gia nhiệt 5⁰C/ phút) và giữ trong 3 giờ, thu được γ-nhôm oxit bột xốp.

2.2 Tổng hợp vật liệu Zn,P/-Al₂O₃

Kẽm nitrat Zn(NO₃)₂.4H₂O) Axit photphoric (H₃PO₄)

Hỗn hợp đồng thể

Hỗn hợp phản ứng

Sản phẩm

Hòa tan hoàn toàn kẽm nitrat tetrahydrate và axit photphoric vào nước cất, khuấy đều ở nhiệt độ phòng. Khối lượng muối kẽm và axit photphoric được quy đổi từ khối lượng các oxit: m(ZnO) = 0,2a­ và m(P₂O₅) = 0,35a (a _­là khối lượng γ-nhôm oxit tổng hợp). Cho từ từ γ-nhôm oxit vào hỗn hợp, vừa khuấy vừa nhỏ từ từ amoniac vào đến khi pH~9. Lọc tách kết tủa và nung từ nhiệt độ phòng lên tới khoảng 450⁰C (tốc độ gia nhiệt 5⁰C/ phút) và giữ trong 3 giờ.

Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể được xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian. Mỗi mặt mạng như một lớp phản xạ các tia X khi chúng chiếu vào các mặt này. Chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới thì mạng lưới đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ.

Hình 7: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể

Các nguyên tử hay ion này được phân bố trên các mặt song song, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau được tính theo công thức:

 = 2dsin

Trong đó: : hiệu quang trình của hai tia phản xạ

: Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ

d: Khoảng cách giữa hai mặt song song

Khi các tia này giao thoa với nhau ta sẽ thu được các cực đại nhiễu xạ, lúc đó bước sóng  của tia X phải thoả mãn :

 = 2dsin = n (1)

Đây chính là hệ thức Vulf-Bragg, là phương trình cơ bản dùng để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Từ (1), khi biết các giá trị góc quét ,  ta có thể xác định được d. So sánh giá trị của d với d chuẩn, sẽ xác định được thành phần, cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu (vì mỗi chất có các giá trị d đặc trưng riêng). Vì thế phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu.

Với các vật liệu mao quản trung bình có thể dùng phương pháp nhiễu xạ tia X để xác định, do chúng có cấu trúc mao quản đồng đều với độ trật tự cao, cho dù thành mao quản là vô định hình. Do có đường kính mao quả rộng nên vùng quét đặc trưng cho cấu trúc MQTB thấp, có giá trị 2 = 0-10⁰.

Thực nghiệm:

Phổ XRD đựơc ghi trên máy VNU-SIMENS-5005, với ống phát tia X bằng đồng với bước sóng K_ = 1,5406 A^o, góc quét 2 tương ứng với mỗi chất, tốc độ quét 0,2 /s tại Khoa Hoá học- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQGHN.

Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS hay EXDS) là một kĩ thuật phân tích được sử dụng để phân tích nguyên tố hoặc mô tả hoá học một mẫu. Phổ này là một dạng của quang phổ, và dựa trên tương tác của bức xạ điện từ và vật chất, sau đó phân tích các tia X phát ra từ vật chất trong quá trình tương tác với bức xạ điện từ. Khả năng mô tả của phổ này dựa trên nguyên lý cơ bản là mỗi nguyên tố có một cấu trúc nguyên tử hình học duy nhất, do đó cho phép các tia X có thể mô tả được cấu trúc điện tử của một nguyên tố và xác định được nguyên tố đó.

Để mô phỏng sự phát xạ tia X của một mẫu vật, một chùm hạt tích điện có năng lượng cao, chẳng hạn như các electron hay các proton, hoặc một chùm tia X, được tập trung vào mẫu nghiên cứu. Bình thường thì một nguyên tử trong mẫu chứa các electron trạng thái thấp (hay không hoạt hoá) ở các mức năng lượng riêng biệt hay trong các lớp vỏ electron bao quanh hạt nhân. Chùm tới này có thể hoạt hoá một electron trong một lớp vỏ bên trong, tách chúng ra khỏi lớp vỏ đồng thời tạo nên một lỗ trống electron ở chỗ electron vừa tách ra. Một electron ở lớp vỏ ngoài, tức là lớp vỏ năng lượng cao hơn, sau đó sẽ làm đầy lỗ trống, và tạo nên sự khác nhau về mặt năng lượng giữa lớp vỏ năng lượng cao hơn và lớp vỏ năng lượng thấp hơn, và phát ra dưới dạng tia X. Tia X vừa giải phóng ra bởi electron sau đó sẽ được phát hiện và phân tích bởi một quang phổ kế tán xạ năng lượng. Những tia X này đặc trưng cho sự khác nhau về mặt năng lượng giữa hai lớp vỏ, và đặc trưng cho cấu trúc điện tử của nguyên tố mà chúng phát ra.

Năng lượng vượt quá của electron mà đã di chuyển đến lớp vỏ bên trong để làm đầy lỗ trống mới tạo nên có thể lớn hơn năng lượng cần để phát ra tia X. Thông thường, thay vì phát ra tia X, năng lượng vượt quá này được chuyển cho một electron thứ ba từ lớp vỏ ngoài hơn nữa, khiến chúng bị bật ra. Electron vừa bị bật ra này được gọi là một electron thăm dò, và phương pháp để phân tích electron này được biết đến là phổ phát xạ nguyên tử (AES).

Phổ EDS được ghi trên máy Varian Vista Ax ở khoa Vật lý, trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Khi sử dụng chất bị hấp phụ là N₂, diện tích bề mặt của chất bị hấp phụ được xác định dựa trên các đường đẳng nhiệt hấp phụ BET (trong khoảng áp suất tương đối P/P_o< 0.35 ) thep phương trình sau:

Trong đó:

Thể tích hấp phụ đơn lớp () được xác định từ phương trình BET (S. Brunauer, P. Emmett và E. Teller) đưa ra. Phương trình BET được ứng dụng trong thực tế dưới dạng:

xây dựng đồ thị ta được đường thẳng ở trong khoảng . Từ giá trị góc nghiêng của đường thẳng và toạ độ đường thẳng cắt trục tung, sẽ xác định được và .

Tuy nhiên, trong một số trường hợp khó thu thập được một loạt các giá trị V phụ thuộc vào áp suất tương đối hoặc để đơn giản, người ta chỉ lấy 1 giá trị ở gần giới hạn trên của đường thẳng và thừa nhận giá trị hay . Khi đó, độ dốc của đường thẳng biểu diễn sự phụ thuộc của theo phương trình BET trong khoảng thay đổi không đáng kể.

Nếu , thì . Trong trường hợp này phương trình BET có dạng:

Đây chính là phương trình BET mà cách xác định V_m chỉ cần một điểm.

Tổng thể tích mao quản được suy ra từ lượng khí bị hấp phụ ở áp suất tương đối gần đơn vị bằng cách coi các mao quản được lấp đầy bằng chất bị hấp phụ ở dạng lỏng. Nếu chất rắn không chứa các mao quản lớn (trên 500 Å) thì đường hấp phụ đẳng nhiệt gần như là đường thẳng khi áp suất tương đối P/P₀ tiến tới đơn vị. Tuy nhiên, nếu có mặt các mao quản lớn thì đường đẳng nhiệt tăng rất nhanh khi gần vùng P/P₀ = 1. Thể tích nitơ bị hấp phụ (V_ads) có thể được suy ra từ thể tích nitơ lỏng (V_liq) chứa trong mao quản khi dùng phương trình:

Trong đó: P_a và T tương ứng là áp suất và nhiệt độ môi trường.

V_m là thể tích mol của chất bị hấp phụ ở dạng lỏng (34.7 cm³/mol đối với nitơ).

Do áp suất tương đối nhỏ hơn 1 thì nhiều mao quản chưa được lấp đầy do đó tổng thể tích mao quản và diện tích bề mặt của mẫu không đáng kể. Kích thước mao quản trung bình có thể ước tính từ thể tích mao quản, ví dụ nếu coi các mao quản có dạng hình trụ (vòng trễ loại A) thì bán kính mao quản trung bình r_P được tính theo công thức:

Trong đó V_liq thu được từ phương trình ở trên, còn S là diện tích bề mặt BET.

Sự phân bố thể tích mao quản theo kích thước mao quản gọi là sự phân bố kích thước mao quản. Người ta thường sử dụng đường đẳng nhiệt giải hấp hơn là đường đẳng nhiệt hấp phụ để tính toán sự phân bố kích thước mao quản của chất hấp phụ. Đối với cùng một thể tích khí, đường đẳng nhiệt giải hấp ở áp suất thấp tương ứng với trạng thái năng lượng tự do thấp. Do đó đường đẳng nhiệt giải hấp gần với độ bền nhiệt động thực hơn. Do nitơ được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu sự hấp phụ của chất khí nên nó có những tính chất đặc trưng riêng và là chất bị hấp phụ phổ biến nhất để xác định sự phân bố kích thước mao quản.

Nếu coi các mao quản có dạng hình trụ thì có thể tính kích thước mao quản trung bình bằng cách sử dụng phương trình Kelvin:

Trong đó: là thế bề mặt của nitơ ở điểm sôi (8.85 ergs/cm² ở 77K).

V_m là thể tích mol của nitơ lỏng (34.7 cm³/mol).

R là hằng số khí (8.31410⁷ ergs/geg/mol).

T là điểm sôi của nitơ (77K).

P/P₀ là áp suất tương đối của nitơ.

r_K là bán kính Kelvin của mao quản.

Thay các giá trị vào, rút gọn thành :

Bán kính Kelvin là bán kính của mao quản mà quá trình ngưng tụ xảy ra ở áp suất tương đối thấp P/P₀. Do trước khi ngưng tụ, một số quá trình hấp phụ xảy ra trên các thành mao quản nên r_K không phản ánh bán kính thực của mao quản. Ngược lại trong quá trình giải hấp lớp bị hấp phụ ta thu lại được các thành mao quản khi xảy ra sự bay hơi. Do đó bán kính thực của mao quản sẽ là :

r_P = r_K + t

trong đó t là chiều dày lớp hấp phụ. Trong các phần mềm tính toán sự phân bố kích thước mao quản người ta thường ước tính giá trị t bằng phương pháp de Boer:

Các đo đạc diện tích bề mặt BET, tổng thể tích mao quản, đường kính mao quản trung bình, sự phân bố kích thước mao quản được thực hiện bằng phương pháp hấp phụ - giải hấp nitơ trên máy Micromeritics 3021 ở 77.35K ở phòng thí nghiệm trọng điểm lọc hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam.

Phương pháp giải hấp NH₃ theo chương trình nhiệt độ (TPD-NH₃) ra đời vào năm 1960. Phương pháp này được sử dụng để xác định lực axit và lượng các tâm axit tương ứng trên xúc tác. NH₃ được sử dụng làm chất dò và được hấp thụ bão hòa trên các tâm axit của bề mặt xúc tác. Các mẫu xúc tác sau khi hấp thụ cân bằng NH₃ dưới điều kiện xác định sẽ được gia nhiệt theo chương trình nhiệt độ. Khi năng lựợng nhiệt cung cấp lớn hơn năng lựợng hấp thụ. Các phân tử NH₃ giải hấp khỏi bề mặt chất hấp thụ và được khí mang đưa qua detector để xác định lượng.

Đường giải hấp NH₃ theo chương trình nhiệt độ của mẫu được ghi đo bởi máy phân tích Micromeritics Instrument Corporation - AutoChem II 2920 tại trường Đại học Sư phạm Hà Nội.