Nghiên cứu phát triển các quy trình phân tích một số cation kim loại kiềm, kiềm thổ và các anion phục vụ cho việc kiểm soát chất lượng biodiesel bằng phương pháp điện di mao quản

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA Tên đề tài : Nghiên cứu phát triển các quy trình phân tích một số cation kim loại kiềm, kiềm thổ và cá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA

Tên đề tài : Nghiên cứu phát triển các quy trình phân tích một số

cation kim loại kiềm, kiềm thổ và các anion phục vụ cho việc kiểm soát chất lượng biodiesel bằng phương pháp điện di mao quản

Mã số đề tài : QG.13.07

Chủ nhiệm đề tài: TS Dương Hồng Anh

Hà Nội, 7 - 2015

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

1 1.Tên đề tài/dự án:

Nghiên cứu phát triển các quy trình phân tích một số cation kim loại kiềm, kiềm thổ và các anion phục vụ cho việc kiểm soát chất lượng biodiesel bằng phương pháp điện di mao quản

1.2 Mã số: QG 13.07

1.3 Danh sách chủ nhiệm, thành viên tham gia thực hiện đề tài/dự án

TT Chức danh, học vị, họ và tên Đơn vị công tác Chức danh thực hiện

đề tài/dự án

1 TS Dương Hồng Anh Trung tâm NC CNMT &

PTBV, Trường ĐH KHTN

Chủ nhiệm

1.4 Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: 24 tháng từ tháng 7 năm 2013 đến tháng 7 năm 2015 1.5.2 Gia hạn (nếu có): không

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 7 năm 2013 đến tháng 7 năm 2015

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): không

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài, dự án: 150 triệu đồng

PHẦN II NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Đặt vấn đề

Sự phát triển của xã hội khiến nhu cầu năng lượng ngày càng tăng; việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đem lại những tác động tiêu cực về môi trường, đồng thời các nguồn nhiên liệu này cũng đang dần cạn kiệt Trong khi đó, các dạng năng lượng mới như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt, … chưa thực sự có đóng góp đáng kể Do vậy, việc phát triển các nguồn nhiên liệu xanh trong đó có các nhiên liệu sinh học, thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch trở thành bài toán cấp thiết đối với mỗi quốc gia

Các quốc gia sản xuất nhiều nhiên liệu sinh học nhất hiện nay có thể kể đến Mĩ, Brazil, Đức, Pháp Tổng khối lượng nhiên liệu sinh học (chủ yếu là xăng sinh học và biodiesel) được sản xuất trên toàn thế giới trong năm 2014 là 70,8 triệu tấn, tăng 7,4 %; trong đó, biodiesel đạt 23,6 triệu tấn, tăng 10,3 % so với năm 2013 [1] Việc sử dụng biodiesel được chứng minh là đem lại nhiều hiệu quả tích cực đến môi trường, phát triển kinh tế cũng như đảm bảo an ninh năng lượng Ở Việt Nam, cùng với việc đã đưa xăng sinh học E5 vào sử dụng rộng rãi, trong tương lai gần, khả năng ứng dụng biodiesel chắc chắn sẽ phát triển nhanh chóng

Về mặt hóa học biodiesel, có thể được xem như các este đơn chức của axit béo với gốc ankyl mạch ngắn (FAAE – fatty acid alkyl esters) Đi từ các nguyên liệu đa dạng như dầu thực vật và mỡ động vật, hiện nay có nhiều công nghệ để sản xuất biodiesel như sấy nóng, cracking, nhũ tương hóa, … nhưng thông dụng nhất vẫn là este hóa chéo (transestefication) do quá trình phản ứng tương đối đơn giản và sản phẩm tạo thành có nhiều tính chất lí, hóa giống với diesel Theo công nghệ này, phản ứng chính xảy ra là phản ứng giữa triglixerit (thành phần chính của dầu thực vật và mỡ động vật) với ancol dư, tạo ra sản phẩm là hỗn hợp các monoankyl este Sơ đồ tổng quát của phản ứng như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ phản ứng este hóa chéo

Metanol là ancol thường được sử dụng do có tốc độ phản ứng nhanh và giá thành rẻ, đồng thời sản phẩm tạo thành (fatty acid metyl este - FAME) cũng có chất lượng cao hơn Để đẩy nhanh quá trình phản ứng, người ta thường sử dụng các chất xúc tác, phổ biến là xúc tác kiềm và axit

Trước khi dùng để pha trộn hoặc sử dụng trực tiếp, biodiesel cần được kiểm tra chất lượng và đánh giá theo những tiêu chuẩn quốc tế, quốc gia Những quy chuẩn quốc tế thông dụng nhất quy định chất lượng đối với B100- biodiesel gốc để pha trộn là EN 14214 (theo Tiêu chuẩn Châu Âu) [2] và ASTM D6751 (theo Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm, Mỹ) [3]

Bảng 1.1 Chỉ tiêu chất lượng biodiesel theo EN 14214 và ASTM D6751

Hàm lượng tro sunfat % khối lượng max 0,02 0,02

Ăn mòn đồng (3h tại 50 o

Độ ổn định oxi hóa tại 110 o

Metyl este không no

Hàm lượng monoglixerit % khối lượng max 0,8 -

Hàm lượng điglixerit % khối lượng max 0,2 -

Hàm lượng triglixerit % khối lượng max 0,2 -

Quan sát bảng trên có thể thấy, ngoài các tiêu chí về nhiên liệu thông thường, các quy chuẩn trên còn đưa ra những giới hạn cho phép về các tạp chất để đảm chất lượng biodiesel thành phẩm sau khi pha trộn Các tiêu chí này bao gồm hàm lượng metanol; hàm lượng glyxerin (đồng sản phẩm với biodiesel); hàm lượng một số kim loại kiềm và kiềm thổ Na, K,

Ca, Mg; lưu huỳnh; photpho ở cả dạng vô cơ và hữu cơ

Trong các tiêu chí trên, đáng chú ý là quy định về hàm lượng một số kim loại kiềm và kiềm thổ, cụ thể là Na, K, Ca, Mg; Trong quá trình sản xuất, Na và K có mặt do việc sử dụng xúc tác kiềm cho phản ứng este hoá chéo, còn Ca và Mg có mặt trong giai đoạn rửa giải, khi

sử dụng nước cứng Sự có mặt của các kim loại này có thể tạo cặn gây nhiễm bẩn, mài mòn, làm giảm hiệu suất sử dụng nhiên liệu và tuổi thọ động cơ [4] ASTM D6751 và EN 14214 qui định tổng hàm lượng Na+K phải nhỏ hơn 5 mg/kg (ppm) trong khi EN14214 cũng qui định tổng hàm lượng Ca+Mg tối đa là 5 mg/kg Tại Việt Nam cũng đã xây dựng tiêu chuẩn kĩ thuật

về biodiesel B100, TCVN 7717 [5], chủ yếu dựa trên các quy chuẩn EN 14214 và ASTM D6751, trong đó quy định tổng hàm lượng Na+ K phải nhỏ hơn 5 mg/kg

Một phần nhỏ sinh ra trong quá trình sản xuất biodiesel, mặt khác trong quá trình bảo quản, dưới tác động của các enzym, thành phần hữu cơ trong biodesel dễ bị oxi hóa làm xuất hiện các gốc axit hữu cơ nhỏ như fomiat, axetat và propionat Đây là những thành phần chính đóng góp vào chỉ số axit của biodiesel, đồng thời sự có mặt của các axit hữu cơ nhỏ này chứng

tỏ mức độ bị oxi hóa của biodiesel Hiện nay trong quy định ASTM D 6751 chưa có các chỉ tiêu này mà chỉ có quy định chỉ số axit tương đương 0,5 mg KOH/g

Hàm lượng các kim loại Ca, K, Mg, Na trong biodiesel có thể xác định đồng thời bằng phương pháp phổ phát xạ quang học ghép nối cộng hưởng plasma (ICP OES) [6] hoặc xác định riêng rẽ bằng phương pháp phổ hấp thụ hoặc phát xạ nguyên tử FAAS, FAES theo EN

14108 [7] và EN 14109 [8] Ngoài ra, trong các tài liệu, một số tác giả khác cũng đã công bố các công trình xác định Na, K, Mg và Ca trong biodiesel, sử dụng các phương pháp khác hoặc thay đổi quy trình xử lý mẫu [9,10] Đối với các axit hữu cơ mạch ngắn như focmic, axetic, propionic trong biodiesel có thể phân tích đồng thời bằng kỹ thuật sắc ký lỏng áp suất cao- HPLC [11,12] Các phương pháp tiêu chuẩn trên tuy cho kết quả phân tích chính xác nhưng cũng có nhiều nhược điểm ICP OES, HPLC có khả năng phân tích đa chỉ tiêu, tuy nhiên chi phí trang thiết bị và hóa chất rất tốn kém, trong khi đó AAS hay AES chỉ xác định được từng chỉ tiêu Việc xử lý mẫu bằng các phương pháp này cũng yêu cầu sử dụng các dung môi hữu

cơ đắt tiền và độc hại

Hiện nay tại Việt Nam, Nhà nước có chủ trương khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng thay thế thân thiện với môi trường như biodesel Việc phát triển các quy trình đơn giản nhưng chính xác để phân tích đặc tính cũng như thành phần các tạp chất trong biodiesel

sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nghiên cứu sản xuất biodiesel trong phòng thí nghiệm cũng như kiểm soát chất lượng của biodesel thành phẩm Do vậy, đề tài nghiên cứu này có mục tiêu như sau:

2 Mục tiêu:

Phát triển được 02 quy trình phân tích một số thành phần cần cho việc kiểm soát chất lượng biodiesel: Na, K, Ca, Mg, fomiat, axetat, propionat bằng phương pháp điện di mao quản, đáp ứng được tiêu chuẩn chất lượng biodesel ASTM D6751

3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu đã tiến hành

3.1 Cách tiếp cận:

Điện di mao quản (CE) là kĩ thuật tách chất dựa trên sự di chuyển khác nhau của các phần tử mang điện trong cột mao quản hẹp đặt trong điện trường Kĩ thuật CE đã được ứng dụng rộng rãi trong việc phân tích các anion, cation cơ bản trong môi trường với những ưu điểm như hiệu quả tách cao, thời gian phân tích ngắn, lượng mẫu tiêu thụ nhỏ và có chi phí thấp Gần đây, kĩ thuật CE đã được phát triển nhằm phân tích các cation trong biodiesel sử dụng detector UV Nhóm nghiên cứu về điện di mao quản thuộc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và phát triển Bền vững, Trường ĐH KHTN, ĐHQGHN đã có nhiều kinh nhiệm trong việc chế tạo và ứng dụng các thiết bị điện di mao quản trong lĩnh vực quan trắc môi trường Trên cơ sở những thuận lợi đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi sẽ tiếp tục sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc (C4D), sự lựa chọn thích hợp nhất với mục tiêu phân tích các thành phần trên trong biodiesel do có phổ phân tích rộng và độ nhạy phù hợp

Trong kỹ thuật CE-C4D, các yếu tố ảnh hưởng chính tới quá trình tách chất và định lượng bao gồm: pha động điện di, điện thế tách và lượng mẫu vào mao quản Ngoài ra, còn một số yếu tố khác trên hệ CE ảnh hưởng tới quá trình tách chất như chiều dài và đường kính trong của mao quản, chiều cao bơm mẫu Tuy nhiên, thông thường, các yếu tố này được giữ cố định trên mỗi hệ thiết bị Do vậy các thông số cần quan tâm khi phát triển quy trình phân tích

CE-C4D là lựa chọn pha động điện di phù hợp (bao gồm thành phần, nồng độ các hợp phần và

số giới hạn phát hiện, độ đúng, độ chính xác và ứng dụng phân tích một số mẫu biodiesel thu thập từ các đơn vị đã có nghiên cứu về biodiesel tại Hà Nội

3.2 Thực nghiệm:

3.2.1 Xây dựng và đánh giá 02 quy trình phân tích: Na, K, Ca, Mg và fomiat, axetat, propionat trong biodiesel:

3.2.1.1 Hóa chất, thiết bị sử dụng cho phần xây dựng các quy trình phân tích:

Toàn bộ hóa chất được sử dụng đều thuộc loại tinh khiết phân tích Các muối CaCl2, MgCl2.6H2O, NaCl, KCl, BaCl2, LiCl, CH3COONa.3H2O được mua từ Merck (Darmstadt, Đức) Các chất chuẩn và hoá chất pha đệm bao gồm: HCOONa, ClCH2COONa,

CH3CH2COONa, L-Histidin, axit 2-(N-morpholino)etansunfonic (Mes), axit 3-(N-morpholino)

propanesulfonic (MOPs), Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris) và Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) được mua từ Sigma-Aldrich (Buchs, Thụy Sỹ) Tất cả các dung dịch đệm điện di (BGE) và dung dịch chuẩn được pha bằng cách hòa tan các chất hoặc pha loãng dung dịch gốc trong nước deion

Tất cả các phép phân tích đều được thực hiện trên hệ thiết bị CE-C4D tự chế tạo, sử dụng detector C4D thương phẩm eDAQ (Úc), cùng bộ phát nguồn cao thế 30 kV Spelman (Mỹ) Mao quản silica nóng chảy đường kính trong 50 m với chiều dài tổng 60 cm và chiều dài hiệu dụng 53 cm được sử dụng trong toàn bộ thực nghiệm Trước lần phân tích đầu tiên của mỗi ngày, mao quản được ổn định hóa bằng dung dịch NaOH 0,1 M trong 10 phút, sau đó

là nước deion trong 10 phút và BGE trong 30 phút Sau mỗi phép đo, mao quản được rửa bằng BGE trong vòng 3 phút

3.2.1.2 Xây dựng và đánh giá quy trình phân tích: Na, K, Ca, Mg trong biodiesel

Dung dịch chuẩn của các cation K+, Ca2+, Na+, Mg2+ ở nồng độ 2,3; 3,9; 4,0 và 2,4 mg/L tương ứng được sử dụng để khảo sát các điều kiện phân tích Trong các thí nghiệm, điện thế tách được giữ cố định ở giá trị -15 kV và thời gian bơm mẫu 20 s; chiều cao bơm mẫu 10

cm trừ các thí nghiệm khảo sát điều kiện điện thế và thời gian bơm Điều kiện phân tích được lựa chọn trên cho cơ sở kết quả tín hiệu của các cation có diện tích lớn, hình dạng sắc nét, độ phân giải

giữa các píc lớn hơn 1,5

 Nghiên cứu lựa chọn dung dịch đệm điện di: Hai hệ đệm được nghiên cứu bao gồm: 1)

dung dịch 12 mM L-histidin được điều chỉnh pH bằng axit axetic tới pH = 4,0 (đệm His/Axe) và 2) dung dịch gồm axit 2-(N-morpholino)etansunfonic 30 mM và L-histidin 30 mM có pH = 6,0 (đệm MES/His) Sau khi lựa chọn được thành phần dung dịch đệm điện di, dung dịch đệm được điều chỉnh về các pH khác nhau, từ 3,5 ÷ 4,5 bằng cách thay đổi tỉ lệ giữa các thành phần đệm Trong loạt thí nghiệm này điện thế tách được giữ cố định ở giá trị -15 kV và thời gian bơm mẫu 20 s

 Nghiên cứu lựa chọn thời gian bơm mẫu và điện thế tách: Sau khi xác định điều kiện

hóa học, ảnh hưởng của thời gian bơm mẫu đến sự phân tách các cation cũng được

khảo sát bằng cách thay đổi thời gian bơm từ 5 - 60 s Điện thế tách cũng ảnh hưởng

đến sự phân tách giữa các cation phân tích Trong khảo sát này, điện thế tách được thay đổi trong khoảng -10 ÷ -20 kV

b Khảo sát điều kiện chiết các cation kiềm, kiềm thổ từ biodiesel:

Việc chiết các cation khỏi biodiesel được thực hiện bằng cách cân 840 mg mẫu biodiesel cho vào lọ dung tích 1,7 mL và thêm 200 mg dung môi chiết (là nước deion hoặc BGE pha loãng 10 lần) (tương ứng với tỷ lệ làm giàu 4,2 lần hay tỷ lệ thể tích biodiesel/dung môi 5:1) có chứa nội chuẩn (Li+) ở nồng độ 1,4 mg/L Lọ được lắc bằng máy lắc (KMC 1300V, Vision Scientific, Hàn Quốc) và sau đó ly tâm (Mirko 220R, Hettich, Đức) trong 5 phút Sau khi ly tâm, 150 µL pha ưa nước được tách khỏi pha hữu cơ và đem phân tích

Các thông số của quy trình chiết lỏng- lỏng được khảo sát là dung môi, thời gian chiết

và tỷ lệ pha loãng dung môi chiết Hai dung môi chiết được sử dụng là: 1) nước deion và 2) dung dịch đệm điện di pha loãng 10 lần (BGE 1:10) Tiến hành chiết với cả từng dung môi ở các thời gian khác nhau, từ 1 ÷ 8 phút Sau khi lựa chọn được dung môi chiết là dung dịch đệm điện

di pha loãng, tỉ lệ pha loãng được khảo sát với các mức không pha loãng và pha loãng 2 ÷ 20 lần

c Đánh giá quy trình phân tích:

Quy trình phân tích được đánh giá qua các giá trị LOD và LOQ đối với các ion trong dịch chiết, các giá trị này được tính bằng 3,3 và 10 lần tỉ lệ tín hiệu/nhiễu nền, tương ứng Giá trị giới hạn định lượng của phương pháp theo mg/kg biodiesel được tính bằng LOQ/4,2 (hệ số làm giàu) Độ lặp lại của phương pháp được xác định thông qua giá trị độ lệch chuẩn tương đối (RSD) của thời gian lưu và diện tích pic tương đối (diện tích pic của ion cần phân tích/diện tích pic của nội chuẩn) thu được khi thực hiện 5 phép phân tích lặp lại đối với dung dịch chuẩn

và mẫu biodiesel, có sử dụng nội chuẩn Độ chính xác được xác định bằng hiệu suất thu hồi của một lượng đã biết chất cần phân tích được thêm vào mẫu biodiesel Sử dụng 3 mẫu biodiesel khoảng 2000 g, mỗi mẫu này được thêm 100 L dung dịch chuẩn các cation phân tích ở nồng độ 2,0 mg/kg mỗi ion và nội chuẩn ở nồng độ 1,4 mg/kg Hỗn hợp được lắc mạnh trong 10 phút và để cân bằng, sau đó 840 mg được lấy vào lọ dung tích 1,7 mL và tiếp tục quá trình chiết đã nêu ở trên Hiệu suất thu hồi được tính theo công thức: 2 1

3.2.1.3 Xây dựng và đánh giá quy trình phân tích: fomiat, axetat, propionat trong biodiesel

a Tối ưu hóa điều kiện phân tích các cation fomiat, axetat, propionate trên hệ thiết bị

Dung dịch chuẩn của các anion HCOOˉ, CH3COOˉ, CH3CH2COOˉ ở nồng độ 2,25, 2,95

và 3,65 ppm tương ứng được sử dụng để khảo sát các điều kiện phân tích Trong các thí nghiệm, điện thế tách được giữ cố định ở giá trị +15 kV và thời gian bơm mẫu 20 s; trừ các thí nghiệm khảo sát điều kiện điện thế và thời gian bơm Điều kiện phân tích được lựa chọn trên cho cơ sở kết quả tín hiệu của các anion có diện tích lớn, hình dạng sắc nét, độ phân giải giữa

các píc cạnh nhau có giá trị lớn hơn 1,5

đệm được lựa cho để nghiên cứu quy trình phân tách anion hữu cơ bao gồm: 1) dung dịch histidine 10mM và axit 2-(N-morpholino)etansunfonic (đệm His/MES) có pH 5,8

; 2) dung dịch 3-(N-morpholino) propanesulfonic 30 mM và L-histidin 30 mM (đệm

His/MOPs) có pH = 6,7; 3) dung dịch tris(hydroxymethyl)aminomethane 50mM và

3-(N-morpholino) propanesulfonic 50 mM (đệm Tris/MOPs) có pH 7,7 Vì ở pH lớn hơn

4 nên các dung dịch đệm trên đều được thêm CTAB và để điều chỉnh dòng EOF Sau khi lựa chọn được hệ đệm thích hợp, dung dịch đệm được điều chỉnh về các pH khác nhau, từ 5,6 ÷ 6,5 bằng cách thay đổi tỉ lệ giữa các thành phần đệm và so sánh các điện

di đồ thu được để xác định dung dịch đệm tối ưu

tách cũng được khảo sát nhằm đánh giá ảnh hưởng điện thế đến sự phân tách giữa các anion hữu cơ phân tích Trong khảo sát này, điện thế tách được thay đổi từ +10 kV tới +25 kV với bước nhảy 5 kV

b Khảo sát điều kiện chiết các anion hữu cơ nhỏ từ biodiesel:

Việc chiết các anion khỏi biodiesel được thực hiện bằng cách hút 1050 mg mẫu cho vào lọ dung tích 1,7 mL và thêm 250 mg dung môi chiết (là nước deion hoặc BGE pha loãng

10 lần) (tương ứng với tỷ lệ làm giàu 5 lần) có chứa nội chuẩn (ClCH2COOˉ viết tắt là IS- Internal Standard) ở nồng độ 19,1 ppm Lọ được lắc bằng máy lắc (KMC 1300V, Vision Scientific, Hàn Quốc), sau đó ly tâm bằng thiết bị ly tâm Mirko 220R, Hettich, Đức trong 5 phút Sau khi ly tâm, 160 µL pha ưa nước được tách khỏi pha hữu cơ và đem phân tích

Các thông số của quy trình chiết lỏng- lỏng được khảo sát là dung môi chiết, thời gian chiết và tỷ lệ pha loãng dung môi chiết Hai dung môi chiết được khảo sát là: 1) nước deion và 2) dung dịch đệm điện di pha loãng 10 lần (BGE 1:10) Sau khi lựa chọn được dung môi chiết

là dung dịch đệm điện di pha loãng, tỉ lệ pha loãng được khảo sát với các mức không pha loãng và pha loãng 1 ÷ 10 lần và thời gian chiết từ 1- 10 phút Hiệu quả chiết được đánh giá thông qua tỉ lệ diện tích pic của ion cần phân tích/nội chuẩn để lựa chọn các điều kiện thích hợp

c Đánh giá quy trình phân tích:

Việc đánh giá quy trình phân tích các anion được thực hiện theo nguyên tắc tương tự như đối với quy trình phân tích các cation đã trình bày trong mục 2.2.1.1c Độ chính xác được xác định bằng hiệu suất thu hồi của một lượng đã biết chất cần phân tích được thêm vào mẫu biodiesel Sử dụng 3 mẫu biodiesel khoảng 5000 mg, mỗi mẫu này được thêm 50 mg dung dịch chuẩn chứa các anion HCOOˉ, CH3COOˉ, CH3CH2COOˉ phân tích ở nồng độ 9,2; 12,0

và 14,8 mg/kg mỗi ion tương ứng và nội chuẩn ở nồng độ 19,1 mg/kg Hỗn hợp được lắc

mạnh trong 5 phút và rung siêu âm trong 30 phút để đạt cân bằng, sau đó 1050 mg được lấy vào lọ dung tích 1,7 mL và tiếp tục quá trình chiết đã nêu ở trên Phân tích mẫu thêm và tính hiệu suất thu hồi như mô tả trong mục 3.2.1.1c

3.2.2 Áp dụng phân tích mẫu biodiesel:

Mẫu biodiesel thực tế được lấy từ nhiều nguồn với công nghệ và nguyên liệu sản xuất khác nhau, chủ yếu từ các đề tài nghiên cứu trong nước, tại các đơn vị như Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Hoá học các Hợp chất thiên nhiên và Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam Các mẫu được phân tích bằng hai quy trình đã phát triển để xác định hàm lượng Na, K, Ca, Mg và fomiat, axetat, propionat trong biodiesel

4 Tổng kết kết quả nghiên cứu

4.1 Kết quả xây dựng và đánh giá quy trình phân tích: Na, K, Ca, Mg trong biodiesel: 4.1.1 Tối ưu hóa điều kiện phân tích các cation kiềm, kiềm thổ trên hệ thiết bị CE-C 4 D

Kết quả khảo sát thành phần dung dịch đệm điện di được thể hiện trên hình 4.1 cho thấy: hệ đệm His/Axe cho tín hiệu các cation cần phân tích cao hơn đồng thời độ phân giải cũng tốt hơn Do đó, đệm His/Axe được lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến sự phân tách pic của các ion phân tích được trình bày trong hình 4.2

do tăng nồng độ của axit axetic, chất có linh độ điện di cao, làm tăng độ dẫn của dung dịch Tuy nhiên, pH giảm lại tăng thời gian lưu và làm đường nền mất ổn định hơn, do khả năng đệm của hệ kém đi Ngoài ra, pH thấp có thể làm tăng các phản ứng phụ, như xảy ra sự điện phân Do đó, nhằm đạt hiệu quả phân tích tốt nhất, chúng tôi lựa chọn giá trị pH 3,8 là giá trị phù hợp

Khi tăng độ lớn của điện thế tách, thời gian lưu ngắn hơn đồng thời diện tích của các pic cũng thu hẹp lại Điều này là phù hợp, do khi tăng cường độ điện trường, các ion có xu hướng chuyển động nhanh hơn Mặt khác, khi diện tích pic tăng, chân pic giãn rộng hơn làm cho độ phân giải giữa các pic giảm Từ hình 4.3 có thể thấy tại giá trị thế -12 kV, độ phân giải

giữa các pic Ca2+/Na+ và Na+/Mg2+đạt giá trị lớn nhất, thuận lợi cho quá trình phân tích khi cả diện tích pic và độ phân giải đều tốt Vì vậy, -12 kV được chọn làm giá trị điện thế tách trong các nghiên cứu tiếp theo Ở khía cạnh khác, khi tăng thời gian bơm mẫu, lượng mẫu đi vào mao quản nhiều hơn dẫn tới diện tích các pic tăng dần, đồng thời làm cho độ phân giải giữa các pic giảm Như trên hình 4.4, với thời gian bơm mẫu ≤ 40 s, độ phân giải giữa hai pic

Ca2+/Na+ và Na+/Mg2+ đều cho giá trị tốt R > 1,5 Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn thời gian bơm mẫu là 20 s nhằm đạt kết quả tốt về cả diện tích pic và độ phân giải, với lưu ý rằng, trong các mẫu biodiesel, hàm lượng Ca và Na thường ở mức cao so với Mg, do đó yêu cầu độ phân giải lớn hơn giữa hai pic Ca2+/Na+

Hình 4.3 Sự thay đổi của độ phân giải giữa

các pic theo điện thế tách (kV)

Hình 4.4 Sự thay đổi của độ phân giải giữa các pic theo thời gian bơm mẫu (s)

4.1.2 Kết quả tối ưu điều kiện chiết các cation từ biodiesel

Kết quả khảo sát lựa chọn dung môi chiết và thời gian chiết được thể hiện trên hình 4.5 Có thể nhận thấy, dung môi chiết là BGE 1:10 cho kết quả tốt nhất với diện tích pic lớn hơn đối với cả 4 cation Điều này có thể là do quá trình trao đổi cation, trong đó cation histidin phân bố từ pha nước vào pha biodiesel, đã làm tăng quá trình tách các cation phân tích từ biodiesel vào nước Ngoài ra cũng thấy rằng, sau thời gian chiết 6 phút, lượng cation chiết ra gần như không thay đổi đáng kể Nói cách khác, sau thời gian 6 phút, cân bằng phân bố đã được thiết lập Chính vì vậy, dung môi chiết được lựa chọn là dung dịch đệm điện di His/Axe

pH = 3,8 pha loãng và thời gian chiết là 6 phút

Hình 4.5 Sự thay đổi tỉ lệ diện tích pic

cation phân tích/nội chuẩn theo dung môi

và thời gian chiết

Hình 4.6 Sự thay đổi tỉ lệ diện tích pic cation phân tích/nội chuẩn theo tỉ lệ pha

loãng

Kết quả trên Hình 4.6 cho thấy khi tỉ lệ pha loãng dung dịch đệm điện di thay đổi từ 1:10 tới 1:20, tỉ lệ diện tích pic giữa các ion phân tích/nội chuẩn thay đổi không đáng kể Khi tỉ

lệ pha loãng nhỏ hơn 10, các pic có hình dạng tương đối tù Chính vì vậy, chúng tôi lựa chọn tỉ lệ pha loãng 10 lần là giá trị tối ưu

4.1.3 Kết quả đánh giá phương pháp phân tích

Hệ số hồi quy tuyến tính của các đường chuẩn cation thu được có giá trị rất tốt R2≥ 0,9998 Các giá trị LOQ thu được ở cỡ 0,01 - 0,02 mg/kg đủ đáp ứng việc phân tích các cation kim loại kiềm và kiềm thổ, với giới hạn cho phép trong biodiesel là 5 mg/kg cho tổng Na+ và

K+, 5 mg/kg cho tổng Ca2+ và Mg2+ theo tiêu chuẩn ASTM D6751 Độ lặp lại của diện tích tương đối và thời gian lưu được thể hiện dưới dạng độ lệch chuẩn tương đối (RSD) trên nền nước deion và nền biodiesel đều nhỏ hơn 5% Hiệu suất thu hồi từ 96 đến 104% đối với các cation

Bảng 4.1 Các thông số đánh giá quy trình phân tích Na, K, Ca, Mg trong biodiesel bằng

phương pháp điện di mao quản

Hiệu suất thu hồi(%) 104  7,3 99  13,3 102  8,7 96  5,4

y là tỉ lệ diện tích pic ion phân tích/nội chuẩn; x là nồng độ ion phân tích (mg/L)

* tính toán dựa trên mẫu biodiesel có khối lượng 840 mg và 200 mg dung dịch chiết

4.2 Kết quả xây dựng và đánh giá quy trình phân tích: fomiat, axetat, propionat trong biodiesel:

4.2.1 Kết quả tối ưu các điều kiện phân tích fomiat, axetat, propionat trên hệ CE- C4D:

Kết quả khảo sát thành phần dung dịch đệm điện di được thể hiện trên hình 4.7 cho thấy sử dụng đệm Tris/Mops và đệm His/MES đều cho đầy đủ tín hiệu của các anion hữu cơ cần phân tích Trong đó tín hiệu các anion thu được khi dùng đệm His/MES cao, sắc nét hơn, đồng thời các pic cũng tách tốt hơn nhiều so với đệm Tris/Mops Do đó đệm His/MES được lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH trong khoảng 6,5 tới 5,6 của đệm His/MES tới sự phân tách các pic anion hữu cơ được trình bày trong hình 2 Trong nghiên cứu này chúng tôi không khảo sát các giá trị pH < 5,0 là do pKa các axit axetic và propionic lần lượt là 4,76 và 4,88 Từ kết quả hình 2 cho thấy rằng khi pH > 5,9 thì dẫn tới sự chồng chập pic nội chuẩn và axetat do đó không thể sử dụng các hệ đệm này để phân tích được anion hữu cơ có mặt trong

biodiesel khi sử dụng phương pháp nội chuẩn Khi pH ≤ 5,9 thì các pic tách nhau tốt và độ phân giải tốt nhất là tại pH 5,6 Vì vậy đệm His/MES pH 5,6 là lựa chọn phù hợp cho quy trình phân tích các anion hữu cơ quan tâm

Hình 4.7 Điện di đồ phân tích anion hữu cơ

Hình 4.9 Điện di đồ khảo sát thế tách

để phân tích các anion hữu cơ

Hình 4.10 Sự thay đổi của độ phân giải (R) giữa các pic cạnh nhau theo điện thế tách

3 CH 2 COOˉ IS

CH 3 COOˉ

CH 3 CH 2 COOˉ IS