Biến Thiên Ph Và Σ Của Hệ Dcf : Apg Theo Thời Gian Ủ Nhiệt

Bảng 3.4. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian (h)

Tỷ lệ DCF : APG
1 : 1		1 : 2		1 : 3		1 : 4
ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)
1	0,31	0,97	0,30	0,76	0,21	0,59	0,22	0,67
2	0,47	0,95	0,37	0,91	0,22	0,62	0,25	0,71
3	0,41	1,13	0,31	0,94	0,24	0,69	0,29	0,80
4	0,49	1,26	0,39	1,27	0,26	0,64	0,21	0,75
6	0,49	1,39	0,39	1,19	0,31	0,71	0,23	0,81
8	0,42	1,47	0,32	1,34	0,29	0,70	0,24	0,89

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 136 trang tài liệu này.

Trong đó: Δσ - Độ tăng σ ở các thời điểm ủ nhiệt (mN/m) ΔpH - Độ giảm pH ở các thời điểm ủ nhiệt

ết quả cho thấy sự thay đổi về pH là không đáng kể, điều này là do APG và DCF là chất HĐBM nonion, không có sự phân ly ion, sự thay đổi pH chủ yếu là do các thành phần phụ có trong các sản phẩn chất HĐBM. Dựa vào các kết quả thu được, có thể thấy với tỉ lệ DCF : APG = 1 : 3 thì độ tăng σ ở khoảng rất hẹp, do vậy luận án chọn tỷ lệ DCF : APG = 1 : 3 để nghiên cứu tiếp ảnh hưởng của LHSB và NPE. Mặt khác, có thể thấy khi chỉ sử dụng chất HĐBM hydrocarbon APG thì sức căng bề mặt của dung dịch vẫn khá cao đạt giá trị khoảng 28 mN/m. Tuy nhiên, khi kết hợp thêm với DCF thì sức căng bề mặt của dung dịch thu được giảm xuống còn khoảng 22 mN/m sau 8h ủ nhiệt. Điều này chứng tỏ việc sử dụng phối hợp giữa chất HĐBM fluor hóa và hydrocarbon mang lại kết quả tốt trong làm giảm sức căng bề mặt hơn so với chỉ sử dụng chất HĐBM hydrocarbon. Tuy nhiên giá trị sức căng bề mặt của hệ chất HĐBM chưa đạt yêu cầu nên luận án tiếp tục nghiên cứu hệ 3 chất HĐBM.

3.1.2.2. Hệ gồm 3 chất HĐBM

- Hệ gồm DCF : APG : LHSB

Kết quả khảo sát hệ 2 chất HĐBM đã lựa chọn được tỷ lệ DCF : APG = 1 : 3. Do vậy, cố định tỷ lệ này và thêm LHSB vào hỗn hợp với các tỷ lệ tương ứng, xác định pH và σ tại thời điểm ban đầu được kết quả trình bày tại bảng 3.5. hảo sát sự biến đổi pH và σ của hệ dung dịch theo thời gian ủ ở nhiệt độ 150°C, kết quả được trình bày tại bảng 3.6:

Bảng 3.5: Giá trị pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB tại thời điểm ban đầu

Thông số

Tỷ lệ DCF : APG : LHSB
1 : 3 : 1	1 : 3 : 2	1 : 3 : 3	1 : 3 : 4
pH	7,54	7,36	7,81	7,28
σ (mN/m)	20,15	19,64	19,75	19,27

Bảng 3.6. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian (h)

Tỷ lệ DCF : APG : LHSB
1 : 3 : 1		1 : 3 : 2		1 : 3 : 3		1 : 3 : 4
ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)
1	0,30	0,98	0,26	0,67	0,24	0,69	0,23	0,66
2	0,27	0,92	0,27	0,61	0,23	0,72	0,26	0,73
3	0,21	1,23	0,21	0,74	0,23	0,69	0,29	0,70
4	0,29	1,36	0,28	0,72	0,28	0,74	0,25	0,75
6	0,25	1,42	0,29	0,71	0,31	0,74	0,23	0,71
8	0,26	1,51	0,23	0,67	0,29	0,77	0,27	0,79

ết quả cho thấy, ở thời điểm ban đầu khi chưa ủ nhiệt, hệ 3 chất HĐBM (có thêm LHSB) đã có sự giảm SCBM hơn so với hệ 2 chất HĐBM (DCF, APG). Hệ bao gồm 2 chất HĐBM có sức căng bề mặt khoảng 22 mN/m, còn hệ bao gồm 3 chất HĐBM có sức căng bề mặt khoảng 19 mN/m. Như vậy, việc thêm LHSB đã làm giảm SCBM của hệ 3 chất HĐBM. ết quả khảo sát sự biến thiên pH và SCBM của hệ 3 chất HĐBM cho thấy ở tỷ lệ DCF : APG : LHSB = 1 : 3 : 2 thì sự tăng SCBM và giảm pH là không đáng kể và bọt thu được ổn định hơn. Vì vậy, luận án lựa chọn tỷ lệ này để làm cơ sở cho nghiên cứu tiếp theo.

- Hệ gồm DCF : APG : NPE

Xác định pH và σ tại thời điểm ban đầu của hệ dung dịch gồm 3 chất HĐBM DCF; APG và NPE được kết quả trình bày tại bảng 3.7. Tiến hành khảo sát sự biến đổi pH và σ của hệ theo thời gian ủ ở nhiệt độ 150°C, kết quả được trình bày tại bảng 3.8:

Bảng 3.7. Giá trị pH và σ của hệ DCF : APG : NPE tại thời điểm ban đầu

Thông số

Tỷ lệ DCF : APG : NPE
1 : 3 : 1	1 : 3 : 2	1 : 3 : 3	1 : 3 : 4
pH	7,25	7,36	7,31	7,25
σ (mN/m)	18,16	18,04	18,15	18,27

Bảng 3.8. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian (h)

Tỷ lệ DCF : APG : NPE
1 : 3 : 1		1 : 3 : 2		1 : 3 : 3		1 : 3 : 4
ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)
1	0,21	0,67	0,22	0,67	0,23	0,68	0,23	0,98
2	0,24	0,61	0,23	0,61	0,24	0,71	0,24	0,92
3	0,23	0,74	0,21	0,79	0,23	0,82	0,25	1,23
4	0,20	0,72	0,27	0,82	0,22	0,94	0,22	1,36
6	0,26	0,71	0,28	1,07	0,21	1,16	0,25	1,42
8	0,25	0,71	0,24	1,21	0,25	1,28	0,27	1,51

ết quả cho thấy, giá trị SCBM ở thời điểm ban đầu của hệ 3 chất HĐBM (DCF, APG, NPE) thấp hơn so với giá trị SCBM của hệ 3 chất HĐBM (DCF, APG, LHSB) nên việc sử dụng NPE là cần thiết. ết quả này được giải thích bởi NPE có kích thước phân tử nhỏ sẽ phân bố xen kẽ trong cấu trúc của các phân tử cồng kềnh của APG. Mặt khác, sự biến thiên pH và SCBM đối với tỉ lệ 1 : 3 : 1 là ít nhất so với các tỷ lệ còn lại trong cả quá trình ủ nhiệt, do vậy luận án sử dụng NPE với tỉ lệ ngang bằng DCF để tiếp tục nghiên cứu hệ 4 chất HĐBM.

Mặt khác, từ các kết quả thu được khi khảo sát hệ gồm 3 chất HĐBM cho thấy sự thay đổi pH và σ theo thời gian ủ cũng tương tự như như hệ hai cấu tử: pH giảm dần trong khi σ tăng dần (do sự thuỷ phân của các chất HĐBM khi ủ trong điều kiện nhiệt độ cao và hệ ủ là hệ kín). Tuy nhiên ở các hệ ba cấu tử sự thay đổi pH và σ chậm và đều hơn so với hệ hai cấu tử. Sự tác động qua lại giữa các chất HĐBM đã làm cho hệ ổn định hơn. Sự ghép không đối xứng các nhóm kỵ nước cho phép tập hợp nhiều phân tử chất HĐBM trên bề mặt liên diện hơn là giữa các nhóm kỵ nước của cùng một chất HĐBM. Các chất HĐBM có thể hình thành mixen dạng tấm cho

phép tăng tối đa độ hòa tan của pha nước và pha hydrocarbon từ đó làm giảm σ đến giá trị cực thấp [106]. Dung dịch của các hệ chứa ba chất HĐBM sau 8h ủ đều trong chứng tỏ hệ ba cấu tử có tính tương hợp với nước tốt, tuy nhiên σ vẫn chưa đạt giá trị đủ thấp nên luận án tiếp tục nghiên cứu hệ 4 cấu tử để khảo sát tối ưu.

3.1.2.3. Hệ gồm 4 chất HĐBM

- Hệ gồm DCF : APG : LHSB : NPE

ết quả khảo sát hệ dung dịch gồm 4 chất HĐBM DCF : APG : LHSB : NPE theo tỉ lệ 1 : 3 : 2 : 1 cho thấy SCBM ban đầu của hệ là 18,11 mN/m và pH là 7,45. Tiến hành khảo sát sự biến đổi pH và σ của hệ theo thời gian ủ ở nhiệt độ 150°C, kết quả được trình bày tại bảng 3.9.

Bảng 3.9. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE với tỉ lệ 1 : 3 : 2 : 1 theo thời gian ủ nhiệt

Thông số

Thời gian ủ nhiệt ở 150°C (giờ)
1	2	3	4	6	8
ΔpH	0,63	0,71	0,68	0,71	0,83	0,91
Δσ (mN/m)	0,22	0,23	0,22	0,21	0,24	0,28

ết quả cho thấy hệ hỗn hợp 4 chất HĐBM với tỷ lệ DCF : APG : LHSB : NPE = 1 : 3 : 2 : 1 có khả năng tương hợp tốt, σ thấp và sự thay đổi σ không lớn sau 8h ủ nhiệt, do vậy luận án lựa chọn hệ các chất này cho các nghiên cứu tiếp theo.

3.1.2.4. Khảo sát khả năng tạo bọt

Các chất HĐBM ngoài việc tương hợp tốt và bền nhiệt còn phải đáp ứng được các tiêu chuẩn về độ nở và thời gian bán hủy. Do vậy, tiến hành khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của hệ 2, 3 và 4 chất HĐBM nồng độ 1% với tỷ lệ như đã nghiên cứu ở trên. ết quả khảo sát trình bày tại bảng 3.10:

Bảng 3.10. hảo sát độ nở, thời gian bán hủy của hệ chất HĐBM

STT

Hệ chất HĐBM	Độ nở (lần)	Thời gian bán hủy (phút:giây)
1	DCF : APG	6,6	3:46
2	DCF : APG : LHSB	6,2	3:59
3	DCF : APG : NPE	4,2	4:51
4	DCF : APG : LHSB : NPE	5,4	5:36

Kết quả cho thấy hệ DCF : APG và DCF : APG : LHSB có độ nở cao (6,6 và 6,2 lần) tuy nhiên thời gian bán hủy thấp không đạt tiêu chuẩn. Với hệ 3 chất HĐBM DCF : APG : NPE có thời gian bán hủy cao nhưng độ nở lại thấp. Chỉ có hệ 4 chất HĐBM với tỷ lệ DCF : APG : LHSB : NPE = 1 : 3 : 2 : 1 có độ nở và thời gian bán hủy đạt tiêu chuẩn nên luận án lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo.

3.1.3. Tối ưu hóa phối trộn các chất HĐBM

Các thí nghiệm phối trộn ở trên chưa đưa ra được hệ chất HĐBM tối. Do vậy cần tối ưu hóa để tạo ra hệ chất HĐBM bền nhiệt tối ưu nhất trên các phương diện:

- Tương hợp tốt và bền nhiệt

- Tỉ lệ giữa các chất HĐBM là phù hợp nhất

- Sức căng bề mặt liên diện là nhỏ nhất

Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu này là SCBM của dung dịch chất HĐBM đạt giá trị nhỏ nhất. Hệ DCF; APG; LHSB và NPE được lựa chọn để khảo sát tối ưu. Để đơn giản, LHSB và NPE được gộp lại thành một nhóm theo tỉ lệ 2 : 1(do sự có mặt của chúng không làm thay đổi giá trị σ nhiều) để tiến hành khảo sát bài toán tối ưu ba yếu tố theo hai mức.

3.1.3.1. Thí nghiệm theo quy hoạch ma trận yếu tố toàn phần

Kết quả khảo sát lựa chọn chất HĐBM với tỷ lệ là DCF : APG : LHSB : NPE = 1 : 3 : 2 : 1 được sử dụng để tối ưu. Bài toán tối ưu ba yếu tố (ba cấu tử) theo hai mức được lựa chọn như sau:

hoảng biến thiên của các yếu tố khảo sát:

- Yếu tố 1 là nồng độ của DCF = 50 ÷ 100 g/kg

- Yếu tố 2 là nồng độ của APG = 250 ÷ 350 g/kg

- Yếu tố 3 là nồng độ của LHSB: NPE = 2:1 = 220 ÷ 400 g/kg

Để thực hiện quy hoạch cần ít nhất N = 23 = 8 thí nghiệm của kế hoạch bậc một hai mức tối ưu và 3 thí nghiệm tại tâm. Các kết quả thực nghiệm theo ma trận yếu tố toàn phần và tính toán phương trình hồi quy, kiểm tra sự tương thích được trình bày trong bảng sau:

Bảng 3.11. ết quả tính toán σ của các thí nghiệm quy hoạch theo ma trận yếu tố toàn phần

Z1, g/kg	Z2, g/kg	Z3, g/kg	σ thực nghiệm (mN/m)
1	50	250	220	17,37
2	100	250	220	17,01
3	50	350	220	17,35
4	100	350	220	17,55
5	50	250	400	18,05
6	100	250	400	17,12
7	50	350	400	18,07
8	100	350	400	17,45
9	75	300	310	17,44
10	75	300	310	17,35
11	75	300	310	17,38

Mỗi yếu tố biến thiên theo hai mức, sau khi mã hóa biến thực nghiệm thành biến mã x thì mức trên là +1, mức dưới là -1 [98]. Tiến hành tối ưu hóa hệ chất HĐBM trên phần mềm thống kê Minitab 16. ết quả quy hoạch tuyến tính theo ma trận toàn phần 3 yếu tố 2 mức cho phương trình:

ŷ = 17,496 - 0,214x1 + 0,109x2 + 0,176x3 + 0,109x1x2 - 0,174x1x3.

Phương trình này tương thích với thực nghiệm. Như vậy, với quy hoạch ma trận yếu tố toàn phần đã kiểm chứng kết quả thực nghiệm tương thích với phương trình lí thuyết trong vùng khảo sát được chọn ban đầu. Từ đó, thu hẹp vùng khảo sát của các yếu tố để thực hiện quy hoạch tối ưu hoá theo phương án quay bậc hai của Box – Hunter.

3.1.3.2. Thí nghiệm quy hoạch tối ưu hóa theo phương án quay bậc hai của Box- Hunter

Từ số liệu ở bảng 3.11, chọn thí nghiệm số 2 với tỷ lệ phối trộn Z1 : Z2 : Z3= 100 : 250 : 220 để tối ưu hóa theo phương án quay bậc hai của Box-Hunter. Tiếp tục thực hiện 20 thí nghiệm khác nhau theo phương án quay để tìm điều kiện tối ưu cho hệ dung dịch chất HĐBM. Chọn các khoảng giá trị của biến thực nghiệm tại miền dừng như sau:

Z1: Nồng độ DCF biến thiên từ 80÷120 g/kg; Z2: Nồng độ APG biến thiên từ 230 ÷ 270 g/kg,

Z3: Nồng độ {LHSB: NPE = 2:1} biến thiên từ 200 ÷ 240 g/kg Thực hiện ba dãy thí nghiệm:

- Dãy thí nghiệm ma trận yếu tố toàn phần gồm 8 thí nghiệm;

- Dãy thí nghiệm ma trận ở các tay đòn gồm 6 thí nghiệm

- Dãy thí nghiệm ma trận ở tâm phương án 6 thí nghiệm. Các kết quả được trình bày tại bảng 3.12 như sau:

Bảng 3.12. ết quả thí nghiệm theo phương pháp quay bậc 2 Box – Hunter

Biến thực			Biến mã hóa							Hàm mục tiêu
Z1	Z2	Z3	x0	x1	x2	x3	x 2 1	x 2 2	x 2 3	Hàm mục tiêu
1	80	230	200	+	-	-	-	+	+	+	17,44
2	120	230	200	+	+	-	-	+	+	+	17,33
3	80	270	200	+	-	+	-	+	+	+	17,51
4	120	270	200	+	+	+	-	+	+	+	17,31
5	80	230	240	+	-	-	+	+	+	+	17,39
6	120	230	240	+	+	-	+	+	+	+	17,37
7	80	270	240	+	-	+	+	+	+	+	17,33
8	120	270	240	+	+	+	+	+	+	+	17,25
9	66,36	250	220	+	-1,682	0	0	2,828	0	0	17,43
10	133,64	250	220	+	1,682	0	0	2,828	0	0	17,34
11	100	216,36	220	+	0	-1,682	0	0	2,828	0	17,29
12	100	283,64	220	+	0	1,682	0	0	2,828	0	17,40
13	100	250	186,36	+	0	0	-1,682	0	0	2,828	17,59
14	100	250	253,64	+	0	0	1,682	0	0	2,828	17,25
15	100	250	220	+	0	0	0	0	0	0	17,09
16	100	250	220	+	0	0	0	0	0	0	17,12
17	100	250	220	+	0	0	0	0	0	0	17,05
18	100	250	220	+	0	0	0	0	0	0	17,09
19	100	250	220	+	0	0	0	0	0	0	17,13
20	100	250	220	+	0	0	0	0	0	0	17,06

Tối ưu hóa hệ chất HĐBM trên phần mềm thống kê Minitab 16, kết quả phương trình hồi quy tương thích với thực nghiệm thu được như sau:

ŷ = 17,074 - 0,041x1 - 0,06x3 - 0,019x1x2 + 0,026x1x3 - 0,029x2x3 + 0,086x12 +

0,072x22 + 0,098x32

Tính toán thu được phương trình hồi quy trong tỷ lệ xích tự nhiên:

Ŷ = 42,81 - 5,324*10-2Z1 - 8,279*10-2Z2 - 0,1118*Z3 - 4,69*10-5Z1Z2 + 6,56*10-5Z1Z3 - 7,19*10-5 Z2Z3 + 2,423*10-4Z12 + 2,07*10-4 Z22 +

2,733*10-4Z32

Sử dụng phần mềm MINITAB 16 vẽ mặt tối ưu:

a b

Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn hàm mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM