Phân tích sản phẩm quá trình tổng hợp GTBE bằng kỹ thuật GCMS

8/20/2019 Phân tích sản phẩm quá trình tổng hợp GTBE bằng kỹ thuật GCMS

http://slidepdf.com/reader/full/phan-tich-san-pham-qua-trinh-tong-hop-gtbe-bang-ky-thuat 1/98

Đồ án tốt nghiệp GVHD:PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Sinh viên thực hiện: Trần Công Minh –KTHH2-K54

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

GTBE Glycerol – Tert – Butyl – Ether

ME Glycerol - Mono – Tert - Butyl – Ether

DE Glycerol - Đi – Tert - Butyl – Ether

TE Glycerol - Tri – Tert - Butyl – Ether

MTBE Metyl – Tert – Butyl – Ether

A – 15, - 16, - 35 Amberlyst – 15, - 16, - 35

IS Internal Standard

TIC Total Ion Chromatogram

TBA Tert – Butyl - Alcol

DGBE Đietylen Glycol Mono Butyl ether

HP Hấp phụ

ppm Parts per million (1/1 000 000)

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON





MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... 1

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 5

DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................................... 6

DANH SÁCH HÌNH VẼ................................................................................................ 7

HỆ ĐƠN VỊ SỬ DỤNG ĐỂ ĐO .................................................................................... 9

LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................. 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GTBE ...................................................................... 11

1.1.Tính chất vật lý và hóa học của GTBE .................................................................. 11

1.1.1. Tính chất vật lý .................................................................................................. 11

1.1.2. Tính chất hóa học .............................................................................................. 11

1.2. Ứng dụng của GTBE .............................................................................................. 12

1.3. Các phương pháp sản xuất GTBE ........................................................................ 14

1.3.1. Phương pháp ete hóa với alcol ........................................................................... 14

1.3.2. Phương pháp alkyl hóa với tác nhân olefin ........................................................ 16

1.4. Các nguyên liệu dùng cho sản xuất GTBE theo phương pháp ete hóa ............... 17

1.4.1. Glyxerol............................................................................................................. 17

1.4.1.1 Tính chất vật lý của glyxerol .............................................................................................................. 17 1.4.1.2 Tính chất hóa học của glyxerol ........................................................................................................... 19

1.4.1.4 Các nguồn cung ứng glyxerol cho tổng hợp GTBE ............. ............ .............. ............. ............. ............ 20

1.4.2. TBA................................................................................................................... 22

1.4.2.1 Tính chất vật lý .................................................................................................................................. 22

1.4.2.2 Tính chất hóa học .............................................................................................................................. 23

1.5. Cơ sở lựa chọn phương pháp phân tích sản phẩm phản ứng tạo GTBE ............ 24

1.5.1 Thời gian lưu RT ................................................................................................ 24

1.5.2 Tỷ số khối lượng trên điện tích (m/z) của các ion ................................................ 25

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP GC-MS PHÂN TÍCH SẢN PHẨM PHẢN ỨNGTẠO GTBE .................................................................................................................. 26

2.1 Giới thiệu chung về sắc ký khí và sắc ký khí ghép khối phổ ................................. 26

2.1.1 Sắc ký khí (GC) .................................................................................................. 26

2.1.2 Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS) .................................................................... 27







2.2 Cấu tạo thiết bị GC-MS sử dụng ............................................................................ 29

2.2.1 Cấu tạo thiết bị GC ............................................................................................. 29

2.3.1.1 Bộ phận buồng cột ............................................................................................................................. 33

2.3.1.2 Cột sắc kí .......................................................................................................................................... 34

2.3.1.3 Dòng khí mang .................................................................................................................................. 39

2.3.2 Cấu tạo thiết bị MS ............................................................................................. 41 2.3.2.1 Bộ phận ion hóa ................................................................................................................................ 41

2.3.2.2 Bộ phận phân tích khối ...................................................................................................................... 45

2.3.2.3 Bộ phận detector ................................................................................................................................ 47

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM .................................................................................. 49

3.1. Hóa chất và dụng cụ............................................................................................... 49

3.1.1. Hóa chất ............................................................................................................ 49

3.1.1.1 Glycerol ............................................................................................................................................ 49

3.1.1.2 Tert butyl ancol (TBA) ...................................................................................................................... 49

3.1.1.3 Acetonitrile........................................................................................................................................ 49 3.1.1.4 Dietylen glycol monobutyl ete (DGBE) ............. ............. ............ ............. ............. .............. ............. ... 50

3.1.1.5 Mono tert butyl glycerol ete (ME) ...................................................................................................... 50

3.1.2. Dụng cụ ............................................................................................................. 50

3.1.2.1. Cân phân tích .................................................................................................................................... 50

3.1.2.2. Micropipet ........................................................................................................................................ 51

3.1.2.3. Bình định mức 25ml ......................................................................................................................... 51

3.1.2.4. Lọ (Vial) 2ml .................................................................................................................................... 51

3.1.2.5. Hệ thiết bị GC/MS ............................................................................................................................ 52

3.2. Kỹ thuật lẫy mẫu.................................................................................................... 54

3.2.1 Chọn chất nội chuẩn ........................................................................................... 54 3.2.2. Lấy mẫu ............................................................................................................. 55

3.2.2.1.Mẫu từng hóa chất sử dụng riêng biệt ................................................................................................. 55

3.2.2.2.Mẫu nguyên liệu ................................................................................................................................ 56

3.2.2.3.Mẫu sản phẩm ................................................................................................................................... 56

3.2.3. Bảo quản mẫu .................................................................................................... 57

3.3.Định tính và định lượng bằng GC – MS ................................................................ 57

3.3.1. Định tính. ........................................................................................................... 57

3.3.2. Định lượng Glycerol bằng phương pháp lập đường chuẩn phân tích .................. 57

3.3.2. Định lượng Glycerol bằng phương pháp nội chuẩn ............................................ 59 3.3.2.1.Xây dựng đường chuẩn ...................................................................................................................... 59

3.3.2.2. Định lượng Glycerol và tính độ chuyển hóa cho mẫu ............. ............. ............. ............. .............. ....... 59

3.3.3 Định lượng ME theo phương pháp nội chuẩn ...................................................... 60

3.3.3.1 Xây dựng đường chuẩn tính toán cho ME ............. .............. ............ .............. ............. ............. ............ 61

3.3.3.2 Định lượng ME và tính độ chọn lọc ............. ............. .............. ............. ............. ............. .............. ....... 62

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ....................................................................... 64







4.1 Kết quả định tính các chất ...................................................................................... 64

4.1.1 Kết quả các mẫu riêng biệt .................................................................................. 64

4.1.1.1 Mẫu dung môi Acetonitrile ................................................................................................................ 64

4.1.1.2 Mẫu TBA và dung môi ...................................................................................................................... 65

4.1.1.3 Mẫu Glycerol và dung môi ................................................................................................................. 67

4.1.1.4 Chất nội chuẩn và dung môi ............................................................................................................... 68 4.1.2 Mẫu nguyên liệu và sản phẩm ............................................................................. 70

4.1.2.1 Mẫu nguyên liệu ................................................................................................................................ 70

4.1.2.2 Mẫu sản phẩm ................................................................................................................................... 72

4.2 Kết quả xây dựng đường chuẩn Glycerol .............................................................. 73

4.2.1 Đường chuẩn Glycerol không dùng chất nội chuẩn ............................................. 74

4.2.2 Đường chuẩn Glycerol có sử dụng chất nội chuẩn .............................................. 75

4.2.3 Đường chuẩn ME có sử dụng chất nội chuẩn ...................................................... 77

4.3 Kết quả định tính và định lượng sản phẩm ........................................................... 79 4.3.1 Định tính............................................................................................................. 79

4.3.2 Định lượng Glycerol và tính độ chuyển hóa ........................................................ 86

4.3.2.1 Định lượng Glycerol dựa trên đường chuẩn đã lập .............. ............ .............. ............. ............. ............ 86

4.3.2.2 Xác định độ chuyển hóa của Glycerol ................................................................................................ 88

4.3.3 Kết quả phân tích định lượng ME và tính độ chọn lọc ......................................... 90

4.3.3.1 Định lượng ME trong sản phẩm ......................................................................................................... 90

4.3.3.2 Tính toán độ chọn lọc ME .................................................................................................................. 91

4.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình và kết quả phân tích .................................... 92

4.4.1 Ảnh hưởng của việc chọn cột sắc ký ................................................................... 92 4.4.2 Chuẩn bị mẫu...................................................................................................... 92

4.4.3 Tiêm mẫu ........................................................................................................... 94

4.4.4 Mẫu bị phân hủy hoặc bị hấp phụ ....................................................................... 94

4.4.5 Đáp ứng của detector .......................................................................................... 94

4.4.6 Kỹ thuật lấy tích phân ......................................................................................... 95

KẾT LUẬN .................................................................................................................. 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 97







LỜI CẢM ƠN

Đại học Bách khoa Hà Nội là một trong những trường đại học công nghệ hàng đầu.

Em cảm thấy mình thật sự may mắn được học tập và làm việc với những con người đầynhiệt huyết, những máy móc kỹ thuật phân tích hiện đại và thu về những trải nghiệm đầy

hữu ích.

Đồ án tốt nghiệp này không thể hoàn thành nếu thiếu đi sự chỉ bảo, hướng dẫn của

các thày thầy, cô Viện kỹ thuật hóa học. Em xin gửi lời cảm ơn đến:

PGS.TS Nguyễn Hồng Liên, và những anh chị làm việc tại phòng thí nghiệm Công nghệ

Lọc hóa dầu và Vật liệu xúc tác hấp phụ, cô và anh chị đã trực tiếp hướng dẫn, định

hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án, trang bị cho em những kiến thức bổích.

Các thầy cô trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô Viện Kỹ thuật hóa

học, đặc biệt là thầy cô trong bộ môn Công nghệ Hữu cơ Hóa dầu, những người đã trang

bị cho em nền tảng kiến thức vững chắc về công nghệ, kỹ thuật hóa học và nhiều lĩnh vực

liên quan khác.

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Sinh viên thực hiện

Trần Công Minh







DANH SÁCH BẢNG BIỂUBảng 1: Một số tính chất vật lý của GTBE ...................................................................... 11

Bảng 2: Tính chất vật lý của Glycerol ............................................................................. 18

Bảng 3: Đặc điểm 2 loại cột sắc ký ................................................................................. 35

Bảng 4: Tính chất cột RTX-WAX................................................................................... 38 Bảng 5: Cột và chế độ nhiệt độ ....................................................................................... 38

Bảng 6: Tính chất một số khí mang................................................................................. 39

Bảng 7: Thông số khí mang He trong thiết bị GC/MS phân tích ..................................... 40

Bảng 8: Đặc điểm các phương pháp Ion hóa ................................................................... 43

Bảng 10: Các tính chất cần thiết của một chất nội chuẩn lí tưởng .................................... 55

Bảng 9: Các mẫu dùng để xây dựng đường chuẩn Glycerol ............................................ 58

Bảng 11: Các mẫu dùng để xây dựng đường chuẩn Glycerol với chất nội chuẩn ............. 59

Bảng 12: Các mẫu dùng để xây dựng đường chuẩn ME với chất nội chuẩn .................... 62

Bảng 13: Kết quả tìm trong thư viện khối phổ ứng với peak Acetonitrile ........................ 65 Bảng 14: Kết quả tìm trong thư viện khối phổ ứng với peak TBA ................................... 67

Bảng 15: Kết quả tìm trong thư viện khối phổ ứng với peak Glycerol ............................. 68

Bảng 16: Kết quả tìm trong thư viện khối phổ ứng với peak DGBE ................................ 70

Bảng 17: Các peak trong mẫu nguyên liệu ..................................................................... 72

Bảng 18: Các peak trong mẫu sản phẩm ......................................................................... 72

Bảng 19: Các mẫu dùng để dựng đường chuẩn với Glycerol ........................................... 74

Bảng 20: Các mẫu dùng để dựng đường chuẩn với Glycerol có sử dụng chất nội chuẩn . 76

Bảng 21: Các mẫu dùng để dựng đường chuẩn ME có sử dụng chất nội chuẩn ............... 78

Bảng 22: Kết quả các peak xuất hiện khi phân tích mẫu ME thương mại ........................ 82 Bảng 23: Các mảnh khối của khi phân tích MS đối với ME ............................................ 83

Bảng 24: Bảng tính toán nồng độ Glycerol trong nguyên liệu ban đầu ............................ 86







DANH SÁCH HÌNH VẼHình 1: Phân xưởng ete hóa của Glyxerol và rượu tert-butyl........................................... 15

Hình 2: Mô hình phân tử Glycerol .................................................................................. 18

Hình 3: Nguyên lí tạo tín hiệu phân tích bằng phương pháp GC/MS ............................... 25

Hình 4: Sơ đồ khối của một máy sắc ký khí .................................................................... 27 Hình 5: Sơ đồ tổng quát thiết bị GC/MS ......................................................................... 28

Hình 5: Cấu tạo thiết bị GC ............................................................................................ 29

Hình 8: Bộ phận tiêm mẫu .............................................................................................. 30

Hình 9: Các phương pháp tiêm mẫu trong GC ................................................................ 31

Hình 11 Cột sắc kí và buồng cột sắc kí ........................................................................... 33

Hình 10: Sắc kí đồ của n-parafin .................................................................................... 34

Hình 12: Cột nhồi và cột mao quản ................................................................................ 35

Hình 13: Cột mao quản và cột nhồi ................................................................................ 37

Hình 15: Sơ đồ khối khối phổ ......................................................................................... 41 Hình 16: Mô tả quá trình ion hóa theo EI ........................................................................ 42

Hình 17: Mô tả nguyên lý bẫy ion tứ cực ........................................................................ 46

Hình 18: Nguyên lý bẫy ion ............................................................................................ 47

Hình 24: Micropipette loại 1000µl và 100µl ................................................................... 51

Hình 25: Bình định mức 25ml và lọ (Vial) 2ml ............................................................... 52

Hình 26: Lọ đựng mẫu đặt trên khay chứa. ..................................................................... 52

Hình 27: Hệ máy GC/MS tại phòng thí nghiệm CN Lọc hóa dầu và VLXTHP ............... 53

Hình 28: Thiết bị lấy mẫu tự động Triplus 150 samples. ................................................. 53

Hình 29: Kim bơm mẫu thiết bị GC-MS ......................................................................... 54 Hình 30: Sơ đồ khối quá trình lập đường chuẩn và định lượng ........................................ 57

Hình 33: Sơ đồ quá trình phân tích định lượng ME ......................................................... 61

Hình 34: Sắc ký đồ của dung môi Acetonitrile ................................................................ 64

Hình 35: Khối phổ đặc trưng của Acetonitrile ................................................................. 65

Hình 36: Sắc ký đồ của TBA và dung môi Acetonitrile ................................................... 66

Hình 37: Khối phổ đặc trưng của TBA ........................................................................... 66

Hình 38: Sắc ký đồ của Glycerol và dung môi Acetonitrile ............................................. 67

Hình 39: Khối phổ đặc trưng của Glycerol ...................................................................... 68

Hình 40: Sắc ký đồ của DGBE và dung môi Acetonitrile ................................................ 69

Hình 41: Khối phổ đặc trưng của DGBE ......................................................................... 70

Hình 42: Sắc ký đồ của mẫu nguyên liệu ........................................................................ 71

Hình 43: Sắc ký đồ của mẫu nguyên liệu có thêm chất nội chuẩn ................................... 71

Hình 44: Sắc ký đồ của mẫu sản phẩm ............................................................................ 72

Hình 49: Vùng nội suy của đường chuẩn phân tích. ........................................................ 74







Hình 45: Đường chuẩn Glycerol 1-6 (1).......................................................................... 74

Hình 46: Đường chuẩn Glycerol 2-6 (1).......................................................................... 75

Hình 47: Đường chuẩn Glycerol 1-6(2) .......................................................................... 76

Hình 48: Đường chuẩn Glycerol 2-6(2) .......................................................................... 77

Hình 50: Đường chuẩn ME 1-6 ....................................................................................... 78 Hình 51: Đường chuẩn ME 2-6 ....................................................................................... 79

Hình 52: Sắc ký đồ peak có thời gian lưu 15,88 phút trong sản phẩm GTBE .................. 80

Hình 53: Khối phổ của peak có thời gian lưu 15,88 phút trong sản phẩm GTBE ............. 80

Hình 54: Sắc ký đồ mẫu ME thương mại trong dung môi Acetonitrile có thêm chất nộichuẩn .............................................................................................................................. 81

Hình 55: Khối phổ của peak ME thương mại .................................................................. 83

Hình 56: Sắc ký đồ peak có thời gian lưu 11,95 phút trong sản phẩm GTBE .................. 83

Hình 57: Khối phổ của peak có thời gian lưu 11,95 phút trong sản phẩm GTBE ............. 84

Hình 58: Sắc ký đồ peak có thời gian lưu 11,95 phút trong sản phẩm GTBE .................. 85 Hình 59: Khối phổ của peak có thời gian lưu 11,95 phút trong sản phẩm GTBE ............. 85

Hình 60: Sắc ký đồ của mẫu sản phẩm khi phân tích bằng cột RTX-5MS ....................... 92

Hình 61: Sắc ký đồ khi sử dụng dung môi MeOH ........................................................... 93

Hình 62: Sắc ký đồ khi sử dụng dung môi Acetonitrile ................................................... 94







Hệ đơn vị sử dụng để đoHệ đơn vị được sử dụng trong quá trình phân tích với hàm lượng nhỏ.

kg (kilogram) (thường không sử dụng trong quá trình phân tích)

g (gram) (thường không sử dụng trong quá trình phân tích)

mg (milligram) = 10-3g (một phần một nghìn của gam)

µg (microgram) = 10-6g (một phần một triệu gam)

ng (nanogram) = 10-9g (một phần một tỉ gam)

amu (unified atomic mass) = 1.660538921(73)×10−27 kg







LỜI NÓI ĐẦU

Vấn đề năng lượng luôn luôn là một vấn đề nóng bỏng và được cả thế giới quan tâmkhi mà nguồn nhiện liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Việc nghiên cứu tìm ra nguồn nhiên

liệu sạch có khả năng tái tạo đã và đang được nghiên cứu ở rất nhiều quốc gia.

Biodiesel được coi như là nguồn năng lượng thay thế cho diesel khoáng. Biodiesel

được sản xuất từ quá trình trao đổi este giữa rượu mạch ngắn (thường sử dụng Metanolhoặc Etanol) với este của các axit béo mạch dài có nguồn gốc từ dầu thực vật hoặc mỡ

động vật, biodiesel có tác động đến mọi khía cạnh và trong đó có khả năng tái tạo của loại

nhiên liệu này. Biodiesel có lượng phát thải thấp của CO, các hydrocacbon không cháy vàcác khí độc trong không khí hơn các diesel có nguồn gốc từ dầu mỏ. Triglyxerit trong dầu

thực vật hoặc trong mỡ động vật hứa hẹn sẽ là nguồn thay thế tương xứng cho nhiên liệudiesel khoáng. Tuy nhiên, một vấn đề khi sử dụng dầu của thực vật hoặc dầu trộn hỗn hợp

đó là những ảnh hưởng không mong muốn và tính không khả thi cho cả việc phun nhiênliệu trực tiếp và gián tiếp so với diesel khoáng. Trong tương lai các hạn chế của biodieselsẽ được nghiên cứu và khắc phục để loại nhiên liệu này có thể đưa vào sử dụng rộng rãi.

Metyl Este hoặc Etyl Este tạo ra có thể sản xuất nhờ quá trình hóa học của phản ứng

của dầu thực vật hoặc mỡ động vật với ancol như metanol hoặc etanol sự dụng xúc tác

axit đồng thể hoặc dị thể và Glycerol tạo thành là một sản phẩm phụ của quá trình trao đổieste này (thường chiếm 10% khối lượng sản phẩm). Glyxerol được tạo ra bởi quá trình

sản xuất biodiesel đã đáp ứng vượt nhu cầu cần thiết vì glyxerol không tương thích với

nhiên liệu sinh học hoặc với các nhiên liệu khác do vậy nó phải đươc tách ra và sử dụngvới mục đích khác. Và một trong những hướng mới cho glyxerol là quá trình sản xuất

GTBE (Glycerol tert butyl ete) để trả lại cho nhiên liệu dưới hình thức là một ete tương

thích hơn glyxerol, do đó mà quá trình đã bổ sung thêm một lượng nhiên liệu tái tạo trongnhiên liệu sinh học hoặc tách riêng trở thành một phụ gia pha vào nhiên liệu khoáng với

những ưu điểm và ứng dụng vợt trội so với phụ gia ete truyền thống MTBE.

Để phục vụ mục đích nghiên cứu sản xuất GTBE thì việc phân tích và định lượngmột cách chính xác các sản phẩm của quá trình tổng hợp GTBE là vô cùng quan trọng, vì

vậy đề tài nghiên cứu “Phân tích sản phẩm quá trình tổng hợp GTBE bằng kỹ thuậtGCMS” là một đề tài có ý nghĩa về mặt lý thuyết và phương pháp phân tích.







CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GTBE

1.1.Tính chất vật lý và hóa học của GTBE

1.1.1. Tính chất vật lý [1,2]

GTBE (Glycerol tert butyl ete) là tên viết tắt của hỗn hợp 3 ete ME (mono-tert-butyl

ete), DE (di-tert-butyl ete) và TE (tri-tert-butyl ete) của glyxerol.

GTBE là chất lỏng không màu, có khả năng hòa tan tốt nhất là trong các dung môi

hữu cơ, nhiệt độ chớp cháy cao, ái lực với nước thấp. Khi trộn vào nhiên liệu diesel thì

giảm trị số xetan không đáng kể. Các di-tert-butyl ete của glyxerol có khả năng hòa tan

nước thấp hơn so với mono-tert-butyl ete của glyxerol.

Bảng 1: Một số tính chất vật lý của GTBE [2]

Tính chất ME DE TE

Nhiệt độ sôi (oC) 256.61 240.4 ---

Khối lượng phân tử

(g/mol)

148 204 260

Khối lượng riêng(g/ml)

1 --- ---

1.1.2. Tính chất hóa học [3]

GTBE khá ổn định dưới điều kiện axit yếu, môi trường kiềm hoặc trung tính.

Tính chất hóa học của GTBE:

Do các nguyên tử oxy trong các phần tử GTBE có một cặp điện tử không chia vàcác nguyên tử gốc –C(CH3)3 có hiệu ứng cảm ứng dương (+I) đã tạo ra cho GTBE (ete)

mang tính chất đặc trưng của một bazơ. Ngoài ra, các phân tử còn nhóm –(OH) chưa phản

ứng hết nên các phân tử này còn mang đầy đủ tính chất của một alcol đơn chức và đa

chức.







- Tác dụng với các axit vô cơ mạnh như HCl, H2SO4. Sản phẩm của phản ứng là

tạo ra muối (hợp chất oxoni).

GTBE + HO-SO3H Hợp chất Oxoni + H2O

- Phản ứng với HI: GTBE phản ứng được với HI nhưng sản phẩm của phản ứng

còn phụ thuộc vào nhiệt độ tiến hành phản ứng.

GTBE + HI

- Phản ứng với Oxy: ở nhiệt độ thấp phản ứng tạo ra các hợp chất peroxyt

không bền, dễ gây cháy nổ; ở điều kiện nhiệt độ cao GTBE cháy trong Oxy

theo phản ứng cháy.

GTBE + O2 hợp chất peroxyt;

GTBE + O2 CO2 + H2O;

-

Phản ứng halogen hóa với Clo, Brom: các gốc hydrocacbon H-C còn có khả

năng tham gia phản ứng halogen hóa.

GTBE + Halogen (Cl2, Br 2) hợp chất halogenua

-

Ngoài ra, do trong các phân tử mono-tert-butyl ete và di-tert-butyl ete của

glyxerol còn có chứa nhóm –(OH) chưa phản ứng hết nên nó có khả năng

phản ứng tiếp với các olefin hoặc các alcol để tạo ra các di-tert-butyl ete vàtri-tert-butyl ete của glyxerol.

mono-ete + olefin (ancol) di-ete

di-ete + olefin (ancol) tri-ete

Quá trình phản ứng tạo ra hỗn hợp sản phẩm GTBE diễn ra rất phức tạp và khó kiểm

soát. Để thu được các sản phẩm có giá trị cũng như khả năng ứng dụng cao thì đòi hỏi các

nhà công nghệ phải tìm ra các giải pháp về điều kiện công nghệ (nhiệt độ, áp suất) cũng

như xúc tác để có thể thu được các sản phẩm tốt nhất.

1.2.

Ứng dụng của GTBE [4,5,6]

Trong khi trữ lượng dầu thô ngày càng giảm, kèm theo giá dầu thô tăng cao khiến

nhiều quốc gia trên thế giới gặp khó khăn về nhiên liệu. Vì vậy, nhiên liệu thực tế nhất

Tthấp

Tcao







được xác định đó là dựa trên các nguồn tài nguyên có khả năng tái tạo được. Dầu diesel

sinh học (biodiesel) được sản xuất nhờ quá trình trao đổi este của triglyxerit với alcol như

metanol hoặc etanol là một công nghệ được lựa chọn rất phổ biến hiện nay. Quá trình

được sử dụng với xúc tác trên cơ sở là các bazơ để tạo thành một hỗn hợp của metyl este

béo và có thế sử dụng làm nhiên liệu động cơ. Quá trình còn tạo ra glyxerol được coi như

là một sản phẩm phụ, vì glyxerol không tương thích với nhiên liệu sinh học hoặc với các

nhiên liệu khác do vậy nó phải đươc tách ra và sử dụng với mục đích khác. Và một trong

những hướng mới cho glyxerol là quá trình sản xuất GTBE để trả lại cho nhiên liệu dưới

hình thức là một ete tương thích hơn glyxerol, do đó mà quá trình đã bổ sung thêm một

lượng nhiên liệu tái tạo trong nhiên liệu sinh học.

Các ete truyền thống được thêm vào nhiên liệu để cải thiện quá trình đốt cháy nhiênliệu và giảm thiểu phát thải các chất ô nhiễm ra môi trường không khí, và ete của glyxerol

(điển hình là GTBE) đã được đề xuất như phụ gia rất tiềm năng cho nhiên liệu. Hỗn hợp

GTBE có thể pha trộn với cả diesel khoáng và diesel sinh học. Trong số các dẫn xuất của

GTBE thì hỗn hợp di-tert-buytyl ete và tri-tert-butyl ete của glyxerol được xem như là

những cấu tử phù hợp nhất để pha trộn. Những nghiên cứu mới nhất đã cho thấy rằng,

nhiên liệu diesel khoáng cũng như diesel sinh học có trộn GTBE thì có khả năng hòa tan

rất tốt, độ chớp cháy cao, ái lực với nước rất thấp và bên cạnh đó việc pha trộn này cũngkhông làm giảm trị số xetan quá đáng kể nên vẫn đảm bảo công suất cho động cơ diesel.

Ngoài ra, trên thế giới hiện nay nhất là các nước phát triển và có yêu cầu về môi

trường cao như Mỹ và một số quốc gia khác, người ta đã nghiên cứu và thấy được rằng

việc sử dụng MTBE làm phụ gia pha vào nhiên liệu xăng có tác hại rất lớn nếu để rò rỉ ra

ngoài môi trường. MTBE rất khó phân hủy sinh học và tồn tại trong lòng đất rất lâu, nếu

như lẫn vào nguồn nước thì thực sự là một thảm họa vì nó có mùi rất hắc. Và từ những

năm 1998, nước Mỹ đã hoàn toàn không sử dụng loại phụ gia này nữa. Và đến khi người

ta nghĩ đến GTBE thì nó lại trở thành một sự thay thế hoàn hảo cho phụ gia MTBE vì

những ưu điểm vượt trội của nó. Do đó, người ta đã nghĩ và sử dụng GTBE làm phụ gia

để pha vào nhiên liệu xăng nhằm mục đích tăng trị số octan, tăng khả năng cháy hoàn

toàn. Ngoài ra, GTBE còn một ưu điểm là không mùi và rất dễ phân hủy sinh học và hầu







như không có ảnh hưởng lớn đến môi trường. Một trở ngại lớn nhất là nhiệt độ sôi của

GTBE khá cao so với phần đoạn xăng, nhưng người ta hoàn toàn có thể khắc phục được

bằng cách chỉ lựa chọn các mono và di-ete để pha trộn, đồng thời kiểm soát tỷ lệ pha để

thu được xăng thương mại. Và chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng, trong tương lai

gần phụ gia MTBE sẽ được thay thế hoàn toàn bằng GTBE để góp phần bảo vệ môi

trường.

1.3. Các phương pháp sản xuất GTBE [7,8,9,10,11]

Hiện nay, trên thế giới GTBE được sản xuất theo hai phương pháp chính gồm:

1.3.1. Phương pháp ete hóa với alcol

Phương pháp này dựa trên phản ứng ete hóa được tiến hành theo từng giai đoạn với

điều kiện áp suất thấp sử dụng rượu tert–butyl để ete hóa với glyxerol như một chất phản

ứng và sử dụng thêm xúc tác có khả năng trao đổi ion. Quá trình được tiến hành theo các

phản ứng sau:

G + TBA ↔ ME + H2O

ME + TBA ↔ DE + H2O

DE + TBA ↔ TE + H2O

Sơ đồ khối công nghệ của phương pháp ete hóa sản xuất GTBE:







Hình 1: Phân xưởng ete hóa của Glyxerol và rượu tert-butyl

Độ chuyển hóa của quá trình theo glyxerol vượt trên 64% và tỷ lệ mono- và diete

thay đổi trong khoảng từ 4:1 – 6:1. Quá trình có sử dụng một số loại xúc tác axit như

Amberlyst 15, Amberlite IR – 120, Montmorillonite K10, p-toluen sunfonic, và axit

Sunfuric. Nhiệt độ của quá trình dao động trong khoảng từ 303 đến 363 K (tức là khoảng30°C đến 90°C). Các xúc tác axit rắn ngày càng được phát triển và sử dụng trong quá

trình này như A-15, A-16, A-35 (A là Amberlyst). Trong đó, A-15 được mô tả là xúc tác

hoạt động cao nhất với nhiệt độ quá trình khoảng 110°C.

Hiện nay, trên thế giới còn rất nhiều công ty đang sử dụng phương pháp này để sản

xuất GTBE. Và các nhà khoa học không ngừng cải tiến hoàn thiện công nghệ hơn để phù

hợp với xu hướng phát triển của thế giới. Công nghệ sản xuất theo phương pháp này vẫn

còn được sử rất phổ biến.







1.3.2. Phương pháp alkyl hóa với tác nhân olefin

Phương pháp alkyl hóa sản xuất GTBE có sử dụng tác nhân alkyl hóa là olefin (ưu

tiên nhất là iso-butylen) là một hướng phát triển khá mới hiện nay. Quá trình dựa trên

phản ứng alkyl hóa theo nguyên tử Oxy của iso-butylen với glyxerol.Các phản ứng xảy ra trong quá trình như sau:

Quá trình phản ứng tạo ra hỗn hợp các sản phẩm gồm mono-, di-, tri-tert butyl ete

của glyxerol. Nhưng trong đó di-tert-butyl ete và tri-tert-butyl ete của glyxerol với iso-

butylen là thích hợp hơn cả khi dùng để pha trộn vào diesel khoáng cũng như diesel sinh

học đều tốt.

Kèm theo các phản ứng chính tạo ra các sản phẩm mong muốn thì trong quá trình

còn xảy ra một số phản ứng phụ như oligome hóa iso-butylen tạo ra các hydrocacbon C8 và C12.







Phương pháp này được tiến hành với tỷ lệ mol của glyxerol/iso-butylen = 1:2

(dùng lượng dư isobutylen). Nhiệt độ của phản ứng nằm trong khoảng từ 50 - 150°C trên

cơ sở xúc tác axit như Amberlyst. Ngoài ra, còn một số axit khác cũng có thể được dùng

làm xúc tác cho quá trình này là axit sunforic hoặc p-toluen sunfonic và còn một số loại

xúc tác khác nữa. Áp suất duy trì thường từ 0.6 – 2.1 MPa, độ chuyển hóa tính theoglyxerol có thể lên đến 99%.

Công nghệ phát triển theo phương pháp này là những công nghệ mới hiện nay. Các

nhà công nghệ vẫn đang không ngừng hoàn thiện công nghệ, ngoài ra họ còn tìm và cải

tiến rất nhiều loại cũng như thế hệ xúc tác để kiểm soát sản phẩm của quá trình tốt hơn.

Công nghệ này rất được hứa hẹn trong tương lai do những ưu điểm vượt trội của nó. Tuy

nhiên để tiến hành thực tế thì phương pháp Ete hóa hiện vẫn là phương pháp khả thi hơn

cả.

1.4. Các nguyên liệu dùng cho sản xuất GTBE theo phương pháp ete hóa

1.4.1. Glyxerol [2,15]

1.4.1.1 Tính chất vật lý của glyxerol

Glyxerol có công thức phân tử là C3H8O3, công thức cấu tạo như sau:







Hình 2: Mô hình phân tử Glycerol

Glyxerol là chất lỏng không màu, không mùi tan rất kém trong các dung môi hữu

cơ, đặc biệt là dung môi hydrocacbon. Tỷ trọng của glyxerol là 1.261g/cm3, điểm nóng

chảy là 17,8 °C tương đương với 291 K và 64 °F. Điểm sôi là 290 °C khá cao nên

glyxerol còn hay được sử dụng làm môi chất tải nhiệt rất tốt. Độ nhớt khoảng 1,412 Pa-s.

Ngoài ra, glyxerol còn có điểm bắt lửa là 160 °C (theo phương pháp cốc kín), còn 176 °C

(theo phương pháp cốc hở). Tính chất vật lý của Glyxerol có thể được tóm tắt trong bảng:

Bảng 2: Tính chất vật lý của Glycerol

Các chỉ tiêu vật lý Giá trị của thông số

Khối lượng phân tử 92.09

Nhiệt độ kết tinh 18.0°C

Nhiệt độ sôi (tại 20°C) 290.0°C

Khối lượng riêng (tại 20°C) 1.261 g/cm3

Chỉ số khúc xạ n20D 1.4740

Độ nhớt động học (20°C) 1.410 Pa.s

Điểm bốc cháy 204°C







1.4.1.2 Tính chất hóa học của glyxerol

Glycerol hay glyxerol, glycerin, glyxerin là một rượu đa chức, gồm 3 nhóm –(OH)

gắn vào gốc hydrocacbon C3H5- (hay công thức hóa học là C3H5(OH)3). Glyxerol là một

thành phần quan trọng tạo nên chất béo, thuốc nổ nitroglyxerin... Do đó, glyxerol mangđầy đủ các tính chất hóa học của một ancol đơn chức (như phản ứng ete hóa cho sản phẩm

là các ete, phản ứng oxy hóa cho sản phẩm là các aldehyt hoặc xeton,…). Ngoài ra nó có

một số tính chất của một rượu đa như phản ứng với Cu(OH)2 tạo ra dung dịch xanh trong

suốt. Đây cũng là phản ứng đặc trưng để nhận biết rượu đa chức có 2 nhóm –(OH) trở lên

gắn liền kề nhau.

Phản ứng este hóa với các axit hữu cơ hoặc vô cơ, tạo ra các sản phẩm gồm

mono -, di -, tri – este của glyxerol.

Tham gia quá trình trao đổi este với dầu mỡ động thực vật, sản phẩm của quá

trình là mono – và di – glyxerit của các axit béo tự do.

Phản ứng alkyl hóa, sản phẩm của quá trình là các este của các Olefin với

glyxerol.

Phản ứng thủy phân liên tục của glyxerol và epichlorohydrin với xúc tác kiềm

trong nước, sản phẩm là các poly (glyxerol)

Phản ứng oxi hóa (tạo aldehyt hoặc xeton), sản phẩm là các vòng 1,2- hoặc

1,3-acetals hoặc ketals.

Và còn một số tính chất khác nhưng sản phẩm không có tính ứng dụng nhiều.

1.4.1.3 Các ứng dụng của glyxerol:

Glyxerol đã được biết đến từ năm 2800 trước công nguyên, khi đó nó như là một sản

phẩm phụ của quá trình sản xuất xà phòng. Hiện nay, glyxerol có nhiều ứng dụng trongmỹ phẩm chăm sóc cá nhân, thực phẩm, nhựa alkyl, thuốc lá, chất tẩy rửa, vật liệu nổ và

dược phẩm. Năm 1945, người ta đã thống kê được glyxerol có thể ứng dụng trong 1582

lĩnh vực khác nhau. Sản lượng glyxerol trên thế giới tăng từ 60.000 tấn năm 2001 lên

800.000 tấn năm 2005 và chủ yếu lượng này được thu từ quá trình sản xuất diesel sinh







học. Số lượng glyxerol được sử dụng trong kỹ thuật khoảng 160.000 tấn và dự kiến sẽ

tăng trưởng với tốc độ 2,8% mỗi năm.

Hiện nay, ở Việt Nam các lĩnh vực có sử dụng đến glyxerol đang còn rất hạn chế và

mới mẻ. Nhưng trên thế giới, nhất là các nước phát triển thì các ứng dụng liên quan đến

việc sử dụng glyxerol đã và đang rất phát triển. Cụ thể, trên thế giới hiện nay khoảng 25%

glyxerol được ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm; 20% glyxerol được ứng dụng trong

lĩnh vực mỹ phẩm, chăm sóc sắc đẹp (chất dưỡng ẩm); 13% sử dụng trong lĩnh vực dược;

14% sử dụng trong công nghiệp sản xuất nhựa Plastics; 8% sử dụng trong công nghiệp

chế biến thuốc lá; 6% sử dụng trong công nghiệp tổng hợp nhựa, chất dẻo; 1% sử dụng

trong lĩnh vực thuốc nổ;

Các nước có trình độ khoa học kỹ thuật phát triển thì càng có nhiều ứng dụng vàcông nghiệp liên quan đến glyxerol. Vì các lĩnh vực liên quan đến việc sử dụng glyxerol

là các lĩnh vực rất mới và là các hướng ứng dụng rât triển vọng hiện tại và trong tương lai.

Các nước dẫn đầu về các ứng dụng và sử dụng glyxerol như các nước trong khối EU

(35%), các nước Bắc Mỹ (29%).

1.4.1.4 Các nguồn cung ứng glyxerol cho tổng hợp GTBE

Hiện nay, trên thế giới có hai hướng chính để cung cấp nguyên liệu glyxerol cho quátrình này là đi từ chất béo hoặc dầu thực vật, và một hướng nữa là tổng hợp từ các nguyên

liệu của khoáng của dầu thô qua các quá trình thì cũng cho cho glyxerol.

Quá trình đi từ mỡ động vật và dầu thực vật. Người ta thấy rằng, mỡ động vật và

dầu thực vật có thành phần chủ yếu là các tri-glyxerit được cấu tạo bởi một phân tử

glyxerol và các phân tử axit cacboxylic mạch dài. Do đó, nhờ quá trình xà phòng hóa, và

trao đổi este của các tri-glyxerit với tác nhân là ancol như metanol hoặc etanol (nếu xà

phòng hóa thì sử dụng NaOH hoặc KOH) sẽ cho ta một hỗn hợp các este gọi là biodiesel

hoặc hỗn hợp xà phòng, và giải phóng một phân tử glyxerol được coi như một sản phẩm

phụ của quá trình này. Lượng sản phẩm này là đáng kể với những quy mô sản xuất

biodiesel công suất lớn. Quá trình phản ứng được mô tả bằng phương trình sau:







Phản ứng trao đổi este

Phản ứng xà phòng hóa

Quá trình thứ hai là sản xuất glyxerol từ các nguyên liệu có nguồn gốc từ dầu

khoáng. Nghĩa là đi từ các nguồn nguyên liệu không có nguồn gốc là tri-glyxerit.

Glyxerol có thể được sản xuất từ propylen (C3H6) qua các con được khác nhau. Trong

công nghiệp hiện nay có 3 con đường chủ yếu để có được glyxerol từ nguyên liệu đầu là

propylen. 3 phương pháp gồm có:

Con đường đi qua sản phẩm trung gian là các alkyl clorua và 1-clo-2,3-

epoxypropan (epichlorohydrin).

Đi qua Acrolein – allyl alcohol – glycidol.

Đi qua Propylen oxit – allyl alcohol – glycidol.

Trong đó quá trình đi qua epichlorohydrin là quan trọng nhất, trong quá trình này có

đề cập đến giai đoạn clo hóa propylen để tạo thành alkyl clorit, sau đó tiếp tục được oxi

hóa với hypoclorit để tạo thành các diclorohydrin. Đây được coi là phản ứng có nền tảng







vững chắc để tạo ra epoclorohydrin. Epiclorohydrin sau đó được hydro hóa để tạo ra sản

phẩm cuối cùng là glyxerol. Quá trình được mô tả bằng phương trình phản ứng sau:

1.4.2. TBA [2,16]

1.4.2.1 Tính chất vật lý

Tert-butyl ancol (TBA), hay 2-methyl-2-propanol (2M2P), là loại rượu tert đơn giản

nhất và là một trong bốn đồng phân của butanol, có công thức phân tử là C4H10O và công

thức cấu tạo như sau :







TBA là một chất lỏng trong suốt (hoặc một chất rắn không màu, tùy thuộc vào nhiệt

độ môi trường xung quanh) có mùi long não, có thể hoà tan trong nước, và có thể trộn với

etanol và dietyl ete. Đây là chất duy nhất trong bốn đồng phân của butanol có dạng rắn ở

nhiệt độ thường với nhiệt độ nóng chảy là 25oC ..

- Khối lượng phân tử : 74,12g/mol .

- Áp suất hơi : 4,1 kPa ( 20oC )

-

Khối lượng riêng d=0,775g/ml .

- Nhiệt độ nóng chảy : 25oC .

-

Entropy mol tiêu chuẩn So298

1.4.2.2 Tính chất hóa học

TBA là rượu đơn chức bậc 1, vì vậy TBA có đầy đủ các tính chất hoá học của rượu

đơn chức .

- Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ. Ví dụ:

2 C4H9OH + 2 Na ===> 2 C4H9ONa + H2

-

Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và acid với môi trường là acid sulfuric đặc

nóng tạo ra este. Ví dụ:

C4H9OH + CH3COOH -> CH3COOC4H9 + H2O

- Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi

trường acid sulfuric đặc ở 170 độ C :







C4H9OH -> C4H8 + H2O

1.5. Cơ sở lựa chọn phương pháp phân tích sản phẩm phản ứng tạo GTBE [7,8,9,22]

Do tính chất sản phẩm phản ứng tạo GTBE là hỗn hợp của các ete của glycerol,

glycerol dư, TBA dư... đòi hỏi phương pháp phân tích phải đảm bảo được các chức nănglà phân tách riêng rẽ, định danh và định lượng chính xác các chất có mặt trong sản phẩm.

Tùy thuộc yêu cầu nồng độ, có nhiều phương pháp phân tích có thể định tính và định

lượng sản phẩm phản ứng, nhưng phương pháp sắc ký khí khối phổ (GC/MS) vẫn là vạn

năng và chiếm ưu thế lớn nhất trong điều kiện cho phép.

Sở dĩ phương pháp GC/MS chiếm ưu thế vì nó cho biết hai thông số quan trọng là thời

gian lưu và tỷ số khối lượng trên điện tích (m/z) của các ion.

1.5.1 Thời gian lưu RT

Là thông số mà tất cả các phương pháp sắc ký khí thông thường (GC/ECD,

GC/TCD, GC/FID...) đều có. Sắc kí khí là một trong những phương pháp sắc kí quan

trọng nhất trong việc tách các hợp chất hữu cơ bay hơi. Rất nhiều loại detector khác nhau

cho sắc kí khí đã được chế tạo từ giữa những năm 1950 để đạt được sự lựa chọn thích

hợp, một vài trong số chúng có độ nhạy hoặc độ chọn lọc đáng kể. Phương pháp khối phổđược áp dụng vào phân tích từ những năm 1940 còn sắc kí khí cũng được ra đời sớm

nhưng việc ghép nối giữa GC và MS được sử dụng rộng rãi vào những năm 1970.

Phương pháp GC/MS ra đời là một tiến bộ khoa học, vừa phát huy được tính ưu

việt của GC trong việc tách chất và định lượng, vừa phát huy được khả năng nhận biết

được mỗi cấu tử của MS. Đến nay GC/MS là loại thiết bị phổ biến nhất trong số các thiết

bị ghép nối trong sắc ký khí và sự kết hợp của một kỹ thuật tách hiệu quả cao với một

thiết bị khối phổ cho biết các thông tin về cấu trúc làm cho thiết bị GC/MS trở thành mộtcông cụ phân tích có tầm quan trọng lớn trong các phòng thí nghiệm phân tích hữu cơ,

phân tích môi trường trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Thiết bị phân tích

GC/MS có nhiều ưu điểm đặc trưng đó là với việc sử dụng các hợp chất đồng vị đánh dấu

làm chất chuẩn để làm tăng độ chính xác của phép phân tích, xác định thành phần nguyên







tố của hợp chất nếu sử dụng thiết bị có độ phân giải cao và có thể phân tích được các peak

sắc kí không phân tách trên cơ sở sự khác nhau về khối phổ của chúng.

1.5.2 Tỷ số khối lượng trên điện tích (m/z) của các ion

Thông số này, đặc biệt là ion phân tử và ion đặc trưng của mỗi chất phân tích, chỉ có ở

phương pháp GC/MS, cho phép định danh chính xác các chất có mặt trong một hỗn hợp,

căn cứ vào các mảnh khối đặc trưng của từng chất đó.

Chính nhờ cả hai thông số này mà việc định tính và định lượng của các chất phân tích

bằng phương pháp GC/MS sẽ có độ chính xác, độ tin cậy cao hơn. Sơ đồ hình 3 mô tả

quá trình tạo tín hiệu phân tích bằng phương pháp GC/MS.

Hình 3: Nguyên lí tạo tín hiệu phân tích bằng phương pháp GC/MS

Như vậy để có thể phân tích định tính và định lượng sản phẩm phản ứng tạo GTBE cầnsử dụng máy phân tích sắc kí khối phổ (GC/MS).







CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP GC-MS PHÂN TÍCH SẢN PHẨMPHẢN ỨNG TẠO GTBE

2.1 Giới thiệu chung về sắc ký khí và sắc ký khí ghép khối phổ

2.1.1 Sắc ký khí (GC)

2.1.1.1 Khái niệm

Sắc ký khí là phương pháp được dùng để tách các chất ở thể khí bay hơi, với phađộng là chất khí. Cơ sở để tách bằng sắc kí khí là sự phân bố của mẫu thử giữa hai pha:

pha tĩnh có bề mặt tiếp xúc lớn, pha động là khí thấm qua toàn bề mặt tĩnh đó. Nếu phatĩnh là rắn thì gọi là sắc kí khí-rắn. Chất rắn nhồi cột thường là silicagel, rây phân tử hoặcthan hoạt tính. Quá trình này chủ yếu là hấp phụ. Nếu pha tĩnh là lỏng, ta có sắc kí khí-

lỏng. Chất lỏng bao bọc quanh bề mặt một chất rắn trơ, gọi là chất mang, tạo nên một lớp phim mỏng. Cơ sở cho sự tách ở đây chính là sự phân bố của mẫu trong và ngoài lớp phim mỏng này.

2.1.1.2 Các thành phần của thiết bị sắc ký khí

Hiện nay, hơn 30 nhà sản xuất cung cấp ra thị trường khoảng 150 mẫu khác nhaucủa thiết bị sắc kí khí. Trong thập niên 70, các bộ tích phân kế điện tử và xử lý số liệu dựatrên máy tính trở nên thông dụng. Thập niên 80 đã xuất hiện các thiết bị sắc kí khí với các

thông số như nhiệt độ của cột, tốc độ dòng, tiêm mẫu, được điều khiển bằng máy tính vớigiá cả vừa phải; và có lẽ quan trọng nhất là sự phát triển của các cột có khả năng táchnhững mẫu phức tạp có chứa nhiều cấu tử trong một khoảng thời gian ngắn.

Những thành phần chính của thiết bị sắc kí khí được mô tả trong hình:







Hình 4: Sơ đồ khối của một máy sắc ký khí

2.1.2 Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS)

Tương tự như các hệ thống sắc ký khí khác, hệ thống sắc ký khí ghép khối phổcũng bao gồm các bộ phận: nguồn cung cấp khí, lò cột, bộ phận tiêm mẫu, cột phân tích,đầu dò (detector), bộ phận ghi nhận tín hiệu, và bộ phận in dữ liệu phân tích; trong đó,đầu dò là đầu dò khối phổ.

Các cấu tử của mẫu sau khi tách ra khỏi cột mao quản sẽ đi vào trong đầu dò khối phổ. Tại đây, tùy thuộc vào bản chất của chất cần phân tích, sẽ diễn ra quá trình ion hóavới các kiểu ion hóa khác nhau (API, ESI hay APPI), sau đó các ion được ghi nhận bởiđầu dò.







Hình 5: Sơ đồ tổng quát thiết bị GC/MS

Nguyên lý chung:

Mẫu được tiêm vào cột sắc kí (sử dụng hệ thống tiêm mẫu tự động). Ở nhiệt độ cao

(2500C), mẫu hóa hơi. Do tính chất khác nhau của các thành phần trong mẫu, chúng tương

tác với pha tĩnh trong cột ở những mức độ khác nhau, dẫn đến các chất đi ra khỏi cột với

thời gian lưu khác nhau. Các chất này tiếp tục được đưa qua bộ phân ion hóa trở thành các

ion mang điện tích. Các ion này tiếp tục đi qua bộ phận lọc khối. Dưới sự thay đổi từ

trường, chọn lọc được các ion cần quan tâm và chỉ những ion này mới đến được detector.

Thiết bị sắc ký khí khối phổ có độ phân giải cao nhận biết dựa vào sự khác nhau về khối

lượng và sử dụng đồng vị đánh dấu càng làm tăng thêm độ chính xác. Trong hệ thống

GC/MS, dòng khí ra khỏi sắc kí khí là hỗn hợp của khí mang và các thành phần có trong

mẫu ở áp suất gần như áp suất khí quyển. Vì thế cần giảm áp dòng khí đồng thời phải loại

bỏ khí mang là thành phần chủ yếu trong dòng khí ra (khí mang thường là Heli) để làm

giàu mẫu trước khi đưa dòng khí vào MS. Do vậy cần phải có giao diện (bộ phận trunggian) với bộ phân tách đảm nhiệm loại khí mang để làm giàu mẫu, đồng thời kết nối GC

với MS. Bộ phân tách có vai trò hết sức quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả

phân tích của máy GC/MS. Có ba loại bộ phân tách: kiểu ống phun, kiểu lọc khuếch tán

và kiểu màng polyme.







Bộ phận tách kiểu ống phun được áp dụng phổ biến và cũng được sử dụng trong

máy GC/MS tại phòng thí nghiệm. Dòng khí mang cùng mẫu sau khi phân tách từ GC

được phun tuần tự qua hai lỗ phun nhỏ vào ống dẫn. Những phân tử khí mang nhẹ nên có

tốc độ phun lớn, vì vậy bị phân tán mạnh ra ngoài xung quanh lỗ phun và bị loại.

Trong bộ phận tách kiểu khuếch tán, khí ra từ GC đi qua ống dẫn có tính chất như thủy

tinh xốp để đến MS. Khí mang phân tán với vận tốc lớn nên dễ khuếch tán qua các lỗ xốp

trên thành ống và bị tách ra ngoài.

Trong bộ phân tách kiểu màng polymer, khí mang được loại nhờ khả năng thẩm thấu

mạnh hơn của các hợp chất hữu cơ qua màng polymer so với khí mang (Heli).

Trong nghiên cứu này, hệ thống GCMS Thermo Polaris Q được kết hợp giữa máy sắc

ký khí Ultra Trace GC và đầu dò khối phổ bẫy ion Polaris Q với hệ bộ phận bơm mẫu tựđộng TriPlus có khả năng phân tích nhận danh và định lượng nhiều loại hợp chất hữu cơ

trong các nền mẫu khác nhau. Chương trình hoàn toàn tự động từ khâu tiêm mẫu đến tính

toán định lượng. Máy có thể đạt đến độ phân giải 10.000. Tất cả thao tác vận hành đều

được kiểm soát bằng hệ thống máy tính với phần mềm Xcaliber

2.2 Cấu tạo thiết bị GC-MS sử dụng [12,13,14,17,18]

2.2.1 Cấu tạo thiết bị GC [12]

Hình 6: Cấu tạo thiết bị GC







Thiết bị GC gồm có các bộ phận: Bộ phận cung cấp khí mang, bộ phận tiêm mẫu, Lò

cột, cột tách (cột sắc kí) đầu dò, bộ phận xử lí. Tuy nhiên khi kết hợp với MS thì bộ phận

đầu dò và bộ phận xử lí sẽ ở sau thiết bị MS. Nhiệm vụ của hệ thống GC là phân tách các

hợp chất với thời gian lưu khác nhau và lần lượt đưa chúng sang bộ phận ion hóa của MS.

Mô tả quá trình: Dòng mẫu ban đầu (trong quá trình phân tích này, mẫu trạng thái

lỏng) được hệ thống tiêm mẫu tự động bơm 1 µl vào bộ phận hóa hơi. Tại đây gặp nhiệt

độ cao, toàn bộ mẫu bay hơi. Hơi mẫu được dòng khí mang đưa vào cột sắc kí, nhờ có sự

tương tác khác nhau giữa các phân tử mẫu mà chúng sẽ có thời gian lưu lại trong cột lâu

hay ít và lần lượt ra khỏi cột sắc kí rồi lần lượt đi vào bộ phận ion hóa của MS. Sau đây ta

sẽ xem xét cụ thể đặc điểm và cá thông số hoạt động trong các bộ phận của GC.

2.3.1.1 Bộ phận bơm mẫu [14]

Kỹ thuật sử dụng bơm tiêm

Hút dung dịch mẫu vào bơm tiêm và điều chỉnh dung dịch đến vạch rồi kéo ngược pitong

ra sau để lượng mẫu đó chuyển hết vào thân bơm (đầu kim rỗng). Sau khi xuyên kim qua

lớp đệm cao su slicic của injector để yên khoảng 3 đến 5 s để kim được cân bằng nhiệt độ

trong injector rồi mới đẩy pittong. Cách này giúp tránh một số cấu tử khó bay hơi còn

đọng lại ở đầu kim gây sai số khi định lượng cấu tử này.

Hình 7: Bộ phận tiêm mẫu

Tiêm mẫu có 3 loại:







Chia dòng

Không chia dòng

Tiêm mẫu vào cột

Hình 8: Các phương pháp tiêm mẫu trong GC

Tiêm mẫu chia dòng : Mẫu được tiêm vào nhưng bị chia nhánh sao cho chỉ có một

phân nhỏ lượng mẫu ban đầu đi vào cột mao quản.

Phương pháp tiêm mẫu không chia dòng : Tiêm mẫu không chia dòng (splitless

injection) thích hợp cho phân tích hàm lượng vết những cấu tử có nồng độ nhỏ hơn

0.01% mẫu và cách tiêm này có khoảng 80 % mẫu được đưa vào cột.

Hệ thống tiêm mẫu tương tự như trường hợp tiêm mẫu chia hai dòng nhưng ống thủy

tinh trong buồng tiêm mẫu là thẳng, trống và không có buồng trộn mẫu.Mẫu được

tiêm vào trong ống thủy tinh của buồng tiêm mẫu với lỗ thoát chia dòng bị đóng lại.

Điều kiện hoạt động: dòng mẫu lỏng được hệ thống bơm tự động 1µl. Tại cửa tiêm

mẫu có nhiệt độ 2600C, toàn bộ mẫu được hóa hơi, được dòng khí mang đưa vào cột

sắc kí khí.

Tiêm mẫu trực tiếp vào đầu cột mao quản: Loại trừ khả năng hấp phụ trong phần bay

hơi mẫu và cũng loại trừ được sự “ phân biệt đối xử” đối với các cấu tử có trong mẫu.







Tuy nhiên kĩ thuật đưa mẫu vào cột theo kiểu này đòi hỏi một thiết kế đặc biệt đối với

bộ phận bơm mẫu.

Lựa chọn tiêm mẫu chia dòng: Sử dụng một bơm tiêm mẫu vi lượng

(microsyringe) để tiêm một mẫu lỏng qua một đệm cao su silicon (septum) chịu nhiệt

vào một buồng hóa hơi (injector). Buồng này được đốt nóng với nhiệt độ thích hợp và

được nối với cột tách. Cột mao quản đòi hỏi lượng mẫu đưa vào nhỏ hơn nên trong

trường hợp này hệ thống chia dòng mẫu được thiết kế trong bộ injector được sử

dụng để chỉ giao một phần nhỏ lượng mẫu được tiêm đi vào cột, phần còn lại được

thải ra ngoài.

Kỹ thuật sử dụng bơm tiêm: theo phương pháp tiêm mẫu chia dòng và sử dụng bộ

lấy mẫu tự động (Auto Sample) 150 mẫu Triplus với các cài đặt:

Dung môi rửa kim

Số lần rửa kim trước và sau khi bơm mẫu

Tiêm mẫu có chia dòng (Split injection): Mẫu được tiêm nhanh (< 1s) qua lớp đệm

cao su silic (septum) vào vùng hóa hơi của hệ thống tiêm mẫu (injector) được giữ ở

nhiệt độ cao (ví dụ ở 350oC) để quá trình bay hơi mẫu được diễn ra nhanh. Một

dòng chảy mạnh của khí mang lôi kéo mẫu qua buồng trộn, ở đó có sự hóa hơi hoàn

toàn và hòa trộn tốt. Tại điểm chia dòng, một phần nhỏ của hơi đi vào trong cột sắc kí

còn phần lớn đi qua van chia dòng đến lỗ thông khí thải. Tỉ lệ của mẫu không được

đưa vào cột được gọi là tỉ số chia dòng (split ratio) có giá trị từ 50:1 đến 600:1. Sau

khi mẫu bị sục ra khỏi buồng tiêm mẫu (khoảng 30s), van chia dòng đóng lại và khí

mang được giảm tương ứng. 1 µl chất lỏng được tiêm vào sẽ tạo khoảng 0.5 ml thể

tích khí và nhanh chóng làm đầy buồng tiêm mẫu. Vài khí có thể thoát ra trở lại theo

đường của đệm cao su silicon. Các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ thoát ra đầu tiên

rồi đến các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn. Nhiệt độ của buồng tiêm mẫu nên đủ lớn

để giảm thiểu phần mất này của mẫu. Tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao, sự phân hủy

mẫu có thể xảy ra. Trong suốt quá trình tiêm mẫu và sắc kí, có dòng khí 1ml/ph làm







sạch lớp đệm cao su silicon để tách hơi mẫu dư và các khí thoát ra từ lớp đệm cao su

này (septum purge).

2.3.1.1 Bộ phận buồng cột

Hình 9 Cột sắc kí và buồng cột sắc kí

Buồng cột được cách nhiệt và có các thiết bị gia nhiệt, theo dõi nhiệt độ và phân

phối nhiệt, giữ cho nhiệt độ cột phân tích đồng đều, ổn định và tuân theo yêu cầu phân

tích.

Buồng cột được kết nối với một chương trình điều khiển nhiệt độ tự động cho phép

phân tách các hợp chất tối ưu.

Nhiệt độ là một yếu tố có ý nghĩa quan trọng trong việc tách các chất của quá trình

sắc kí khí. Trong suốt quá trình phân tích, nhiệt độ cột phải đồng đều trên toàn bộ cột.

Nhiệt độ phải ổn định, chính xác và thay đổi được theo yêu cầu phân tích. Phân tích sắc

kí khí có thể tiến hành theo theo điều kiện đẳng nhiệt (isothermal hoặc nhiệt độ tăng dần

theo chương trình nhiệt (gradient). Để đạt được điều này, toàn bộ cột sắc kí được đặt

trong một khoang kín được gọi là buồng cột, buồng cột được cách nhiệt và có các thiết bị

gia nhiệt, theo dõi nhiệt độ và phân phối nhiệt, giữ cho nhiệt độ cột phân tích đồng đều,

ổn định và tuân theo yêu cầu phân tích.

Trong thiết bị GC/MS phân tích sử dụng buồng cột có khả năng điều khiển từ 500C

đến 3500C. Kết hợp phần mềm chương trình tăng nhiệt độ để điều khiển phù hợp điều

kiện phân tách cho chất cần đo.







Có hai cách điều khiển nhiệt độ cột tách là “chế độ đẳng nhiệt”, trong đó nhiệt độ

không đổi trong suốt quá trình phân tách; và chế độ “chương trình nhiệt”, trong đó nhiệt

độ được nâng dần theo chương trình nhiệt định sẵn. Chế độ đẳng nhiệt được áp dụng cho

các mẫu có thành phần tương đối đơn giản và nhiệt độ sôi của các cấu tử trong mẫu ít

thay đổi. Ngược lại chế độ chương trình nhiệt được áp dụng cho các mẫu có thành phần

phức tạp, và nhiệt độ sôi của các cấu tử trong mẫu thay đổi trong khoảng rộng. Để thấy

tầm quan trọng của chế độ nhiệt, ta so sánh thời gian lưu của các n-parafin chạy ở hai chế

độ đẳng nhiệt và chương trình nhiệt hình dưới đây.

Hình 10: Sắc kí đồ của n-parafin

(a) phân tích ở chế độ đẳng nhiệt, (b) phân tích ở chế độ chương trình nhiệt. Mẫu là

hỗn hợp có cùng nồng độ các chất từ C10-C16

Ở chế độ phân tích đẳng nhiệt, thời gian lưu của các n-parafin ngắn rất gần nhau,

trong khi thời gian lưu của các n-parafin dài lại cách xa nhau. Với chương trình nhiệt có

thể thay đổi thời gian lưu theo ý muốn, hoặc kéo dài thời gian lưu bằng cách giảm nhiệt

độ để tăng khả năng phân tách, hoặc giảm thời gian lưu bằng cách tăng nhiệt độ để rút

ngắn thời gian phân tích.

2.3.1.2 Cột sắc kí [12,13,20]

Trong thực tế có nhiều dạng cột tách khác nhau nhằm thỏa mãn các mục đích nghiên

cứu. Nói chung, cột tách sắc kí cần thoản mãn các yêu cầu sau:

Đảm bảo trao đổi chất tốt giữa pha động và pha tĩnh nhờ việc tối ưu hóa phương trình

Vandeemter.







Độ thấm cao tức có độ giảm áp suất nhỏ với một tốc độ khí mang nhất định.

Khả năng tải trọng cao của cột.

Có khoảng nhiệt độ sử dụng rộng và chịu nhiệt độ cao.

Có 2 loại cột sắc kí là cột nhồi và cột mao quản

Bảng 3: Đặc điểm 2 loại cột sắc ký

STT Tên cột sắc kí Đặc điểm

1 Cột nhồi(packed column) pha tĩnh được nhồi vào trong cột, cột có

đường kính 2-4mm và chiều dài 2-3m.

2 Cột mao quản (capillary) pha tĩnh được phủ mặt trong (bề dày 0.2-

0.5µm), cột có đường kính trong 0.1-0.5mm

và chiều dài 30-100m.

Hình 11: Cột nhồi và cột mao quản

Cột mao quản có khả năng phân tách cao gấp cả chục lần so với cột nhồi trong khi

lượng mẫu đưa vào cột mao quản chỉ bằng một vài phần trăm so với cột nhồi. Sắc kí khí

mao quản là một hình thái đặc biệt của phương pháp sắc kí khí, được đặc trưng bởi năng







suất tách và hiệu suất phân giải rất cao. Sở dĩ như vậy là nhờ việc sử dụng các cột mao

quản hở với chiều dài khá lớn (25m, 50m, 100 m...).

Trong sắc kí cột nhồi, chiều dài cột tách thông thường là dưới 5m, một số trường hợp

đặc biệt là tới 20m. Nhưng không thể kéo dài tùy ý cột nhồi vì độ chênh lệch áp suất giữa

đầu và cuối cột tăng tỷ lệ thuận với chiều dài của cột. Ngược lại với cột nhồi, cột mao

quản là loại cột tách với đường kính <1mm và thành trong của cột được tẩm pha tĩnh.

Nhờ cấu trúc đặc biệt này mà khí mang sẽ đưa mẫu đi qua cột tách rất dài (do vậy năng

suất tách rất cao) mà không gặp trở kháng gì lớn (về độ chênh lệch áp suất), các cấu tử sẽ

tương tác với pha tĩnh bám trên thành cột và được pha tĩnh lưu giữ lại với mức độ khác

nhau. So với cột nhồi, cột mao quản có những ưu điểm sau:

- Các hỗn hợp phức tạp được tách với hiệu suất cao hơn hẳn.

- Tách được cả các chất có cấu trúc hóa học rất gần nhau.

- Độ tin cậy cao hơn trong việc nhận biết các cấu tử.

- Độ nhạy phát hiện lớn hơn.

- Giảm thời gian phân tích.

Đa số các phép phân tích trong sắc kí khí sử dụng các cột mao quản dài từ 15 đến 100

m và đường kính trong rất nhỏ từ 0.10 đến 0.53mm. Các cột này được chế tạo từ thủy tinh

tinh khiết nấu chảy có mức độ liên kết ngang cao hơn nhiều sao với thủy tinh thường nên

bền và chịu được nhiệt độ cao đến 3500C. Lực căng cao của ống thủy tinh cho phép chế

tạo các cột có thành mỏng và dễ uốn.

Các cột mao quản mở có lớp phim mỏng tráng lên trên thành ống cung cấp độ phân

giải cao hơn, thời gian phân tích ngắn hơn và độ nhạy cao hơn cột nhồi nhưng chúng có

dung lượng thấp hơn cho các mẫu. Cột mao quản mở hẹp cung cấp độ phân giải cao hơn

mao quản mở rộng hơn nhưng chúng đòi hỏi áp suất cao hơn để hoạt động và có dung

lượng cho mẫu nhỏ hơn.

Lớp phim mỏng lỏng pha tĩnh dày khoảng từ 0.1 đến 5µm trên bề mặt bên trong

như được minh họa ở hình dưới đây. Nếu giảm độ dày của lớp phim sẽ tăng độ phân giải,

giảm thời gian lưu và giảm dung lượng cho mẫu.







Một loại khác là các cột mao quản có các hạt rắn chất mang phủ một lớp pha tĩnh lỏng

được gắn trên bề mặt bên trong của cột. Bởi vì diện tích bề mặt của loại này tăng lên, cột

này có thể xử lí những mẫu lớn hơn cột phủ lớp phim mỏng lên thành cột. Loại này là

trung gian giữa cột mao quản phủ phim mỏng và cột nhồi. Hình dưới đây mô tả cột mao

quản và cột nhồi.

Hình 12: Cột mao quản và cột nhồi

Tại phòng thí nghiệm Công nghệ lọc hóa dầu và Vật liệu xúc tác hấp phụ, có khánhiều cột mao quản sử dụng cho máy sắc ký GC-MS, với mỗi cột thích hợp để phân tíchcác sản phẩm khác nhau. Trong nghiên cứu này, do nguyên liệu và sản phẩm đều là các

chất chứa nhóm –OH (là các chất phân cực) nên lựa chọn cột RTX – WAX là hợp lý nhất.Thông số của cột được nêu trong bảng sau:







Bảng 4: Tính chất cột RTX-WAX

Tên cột RTX – WAXHãng Restek corporationCấu tạo Poly ethylene glycol (PEG)

Dài – Đường kính – Dày 30m-0.32mm-0.25µmKhoảng nhiệt độ 250oCỨng dụng Phân tích các hợp chất dễ bay hơi, phân cực

vừa và mạnh.

Cột tương đương DB-Wax, BP20, TR-WAX, Stabilwax,HP20M, HP-Wax, HP-INNOWax,

Supelcowax-10,

AT-Wax, Nukol, CP Wax

52CB, SUPEROX II, Carbowax, PE-WAX,ZBWAX

Ta sử dụng cột sắc kí trên tương ứng chương trình nhiệt độ:

Bảng 5: Cột và chế độ nhiệt độ

Các chất xác định được Phân tích các hợp chất dễ bay hơi, phân cực vừa và mạnh.

Loại cột sắc kí RTX-WAX (Restek corporation) đường kính 0.32mm, chiều

dài 30 m, độ dày 0.25 µm

Phương pháp tiêm mẫu Chế độ chia dòng (split)

Thể tích mẫu được tiêm 1µl Nhiệt độ cửa tiêm mẫu 2500C

Nhiệt độ cột sắc ký 600C(5 phút) 100C/phút 2200C(17 phút)







2.3.1.3 Dòng khí mang [12,14]

Các khí mang phải là những chất trơ về mặt hóa học như He, Ar, N2, CO2 và H2. Như

được trình bày dưới đây, sự chọn lựa khí mang thường được quyết định bởi loại detetor

được sử dụng.

Hệ thống cung cấp khí amng bao gồm các bộ điều chỉnh áp suất ( pressure regulators), các

thiết bị đo áp suất (gauges) và thiết bị đo tốc độ dòng (flowmeter).

Hệ thống khí mang còn chứa một hệ thống lọc phân tử để tách nước và các chất nhiễm

bẩn khác.

Tốc độ dòng được kiểm soát bởi các bộ điều chỉnh áp suất hai giai đoạn được lắp vào các

bình chứa khí mang.

Áp suất của khí vào thiết bị nằm trong khoảng từ 10 đến 50 psi dẫn đến tốc độ dòng từkhoảng 30 đến 150 ml/phút đối với cột nhồi và khoảng từ 1 đến 25 ml/ phút đối với cột

mao quản. Nói chung, nếu áp suất đi vào thiết bị không đổi thì tốc độ dòng sẽ là không

đổi. Để đo tốc độ dòng khí người ta dùng lưu tốc kế (flowmeter) với bọt xà phòng và

đồng hồ bấm giây.

Độ giảm áp suất tỉ lệ với độ nhớt khí mang nên cần chọn khí mang có độ nhớt thấp cho

cột mao quản và cột nhồi chặt. Bảng sau dẫn ra một số đặc tính cơ bản của một số khí

mang. Bảng 6: Tính chất một số khí mang

Khí Độ dẫn điện

10-4cal/cm.0K

Độ nhớt ở 1 atm

500C 1000C 2000C 3000C

Ar 0.52 242 271 321 367

He 4.08 208 229 270 307

Nito 0.37 188 208 246 -Hydro 5.47 94 103 121 139

Khi chọn lựa cần chú ý đến detector đang sử dụng như sau:

Detector đo độ dẫn cần phải sử dụng khí mang có độ dẫn cao như He, H 2. Khí He có ưu

điểm không nguy hiểm. Detector ion hóa ngọn lửa có thể vận hành với tất cả các khí







mang vô cơ trừ oxi. Do giá thành rẻ và không nguy hiểm nên người ta thường sử dụng khí

N2, nhưng trong trường hợp ghép nối với các thiết bị khối phổ thì phải dùng khí

mang là He.

Detetor cộng kết ngọn lửa thường dùng khí mang là N2

Sau đây là đặc điểm của một số khí mang thông dụng:

Khí H2 khi sử dụng làm khí mang cần dùng khí nitơ làm khí bảo vệ thổi qua cột trước.

Trong các phòng thí nghiệm người ta đã dùng phổ biến máy sản xuất khí hydro với công

suất 125 ml/ph đến 225ml/ph. Khi dùng H2 trong phòng thí nghiệm phải có máy dò chỗ

hở H2 và cấm lửa.

Khí He và Ar là khí trơ hóa học, rất thích hợp cho sắc kí ở nhiệt độ cao

Khí nitơ do không nguy hiểm, giá rẻ và dễ dàng làm tinh khiết nên N2 được dùng nhiềucho sắc kí khí. Cần chú ý là độ dẫn nhiệt của N 2 rất gần với độ dẫn của nhiều khí và hơi

nhiều chất hữu cơ nên có trường hợp pic sắc kí có thể bị ngược.

Không khí và oxi: Độ tinh khiết của oxi thương mại cũng đạt yêu cầu cho sắc kí khí,

nhưng cần phải sấy khô vì rất dễ lẫn nước trong bơm khí. Không khí nén có thể lấy từ

bơm khí hoặc bơm nén kiểu dầu. Nếu dùng bơm nén thì phải chú ý không cho hơi dầu đi

vào thiết bị sắc kí.

Bảng 7: Thông số khí mang He trong thiết bị GC/MS phân tích

Khí mang (Heli) Đặc điểm dòng khí mang

Độ tinh khiết 99,999%

Áp suất 50-130 Pa

Vận tốc khí 1ml/phút







2.3.2 Cấu tạo thiết bị MS [18,20]

Hình 13: Sơ đồ khối khối phổ

2.3.2.1 Bộ phận ion hóa [13,14]

Tất cả các thiết bị khối phổ cần có chân không sâu. Không gian chân không sẽ cho

phép tất cả các ion tiến tới detetor mà không va chạm vào các cấu tử khí khác. Nếu quá

trình va chạm xảy ra thì thiết bị sẽ bị ảnh hưởng do sự giảm độ phân giải và độ nhạy.

MS có 3 thành phần cơ bản gồm: bộ phận ion hóa, bộ tách khối và detector. Bộ phận MS

có 2 chức năng là: tạo ra các ion từ các phân tử, phân tách các ion đó rồi ghi lại tín hiệu

theo tỷ số m/z. Vì xác suất tìm thấy z>1 là rất nhỏ và điện tích của điện tử là 1 nên m

chính là khối lượng của các ion.

Các phân tử chất sau khi đi qua cột sắc kí lần lượt tới bộ phận ion hóa tương tác

với các electron được gia tốc với điện thế 30-70 V tại áp suất chân không. Tại đây các

phân tử chất phân tích bị các electron được gia tốc bắn phá tạo các ion mảnh vỡ. Các ion

này lại tiếp tục được gia tốc bởi một thế khoảng 5-10kV trước khi đi đưa vào máy phân

tích khối phổ đầu dò bẫy Ion. Từ trường được tạo ra làm lệch các hành trình phức tạp khi

chúng di chuyển từ buồng ion hóa hướng đến detector và chỉ có ion nào có tỉ số khối







lượng với điện tích m/z đã chọn trước mới tiếp cận được detector. Bằng việc thay đổi

nhanh chóng thế áp vào, các ion có khối lượng khác nhau được chọn lọc để tiếp cận với

detector.

Buồng ion hóa là nơi mẫu thử được biến thành các ion để đi vào hệ thống phân

tích. Hiện nay có nhiều kĩ thuật để biến các phân tử trung hòa thành ion. Tùy từng kĩ

thuật, mức độ bị ion hóa của các phân tử có thể khác nhau, từ ion hóa mạnh cho các chất

dễ bay hơi và bền tới ion hóa nhẹ nhàng cho các phân tử lớn, khó bay hơi.

Lựa chọn phương pháp sử dụng các điện tử (electron) va chạm với các phân tử trung hòa

để tạo ra các mảnh ion hoặc gốc tự do hay phân tử trung hòa.

Hình 14: Mô tả quá trình ion hóa theo EI

Có rất nhiều phương pháp ion hóa như:

-

Phương pháp ion hóa bằng sử dụng điện tử(EI)

- Phương pháp ion hóa bằng trường điện từ

-

Phương pháp ion hóa hóa học

- Phương pháp ion bụi điện tử (ESI)

- Phương pháp ion hóa bằng cách bắn phá phân tử bằng dòng nguyên tử nhanh

-

Phương pháp ion hóa bằng áp suất khí quyển







Bảng 8: Đặc điểm các phương pháp Ion hóa

Phương pháp Đặc điểm

EI: [6,11] Năng lượng được cung cấp để nung nóng dây tóc kim loại

làm phát ra những điện tử, các điện tử được gia tốc 70 eV

đi vào buồng chứa mẫu, va chạm với phân tử mẫu tạo

thành các ion, gốc tự do, hay phân tử trung hòa.

Vừa cho ion phân tử vừa cho các mảnh ion, vừa biết được

khối lượng phân tử vừa biết được nhiều về cấu trúc hóa

học của phân tử thông qua các thông tin cung cấp bởi các

mảnh ion, có thể so sánh phổ với phổ của các chất đã biết,

sử dụng ngân hàng phổ.

Đây là phương pháp phổ biến sử dụng trong GC/MS

Yêu cầu chất phân tích bền nhiệt và dễ bay hơi, phân biệt

được các đồng phân.

CI: Ion hóa hóa học Một lượng lớn khí thử đi cùng với khí mang và mẫu vào

buồng ion hóa. Lượng khí thử lớn nên hầu hết các điện tử

phát ra từ dây tóc đều va chạm vào khí thử tạo ion khí thử.

Các ion sơ cấp này va chạm vào phân tử mẫu tạo ion mẫu.

Dùng CI khi EI không cho thấy ion phân tử nào.

Không áp dụng cho những phân tử không bền nhiệt hay

bay hơi.

ESI Là kĩ thuật ion hóa mềm dùng để xác định khối lượng

phân tử của protein, peptit hoặc các polyme công nghiệp

như polyethylen glycol. và các đại phân tử sinh học khác.Là kĩ thuật hữu ích khi áp dụng các phân tử sinh học có

khối lượng phân tử lớn.

Áp dụng cho những hợp chất không bền nhiệt, phân cực

Ion hóa hóa học ở áp suất APCI là kỹ thuật ion hóa thường được sử dụng để phân







khí quyển (APCI) tích những hợp chất có độ phân cực trung bình, có phân tử

lượng nhỏ, dễ bay hơi.

Ion đươc hình thành như sau: mẫu hợp chất cần phân tích,

hòa tan trong pha động, sau khi ra khỏi cột sắc ký, đượccho đi ngang qua ống mao quản đốt nóng. Khi ra khỏi ống,

nhờ khí N¬2, dung dịch được phun thành dạng sương từ

đầu ra của nguồn APCI. Các giọt sương nhỏ được một

dòng khí dẫn đến một ống thạch anh đun nóng, gọi là

buồng dung môi hóa khí. Hợp chất đi theo luồng khí nóng

ra khỏi ống để đến một vùng có áp suất khí quyển, nơi đây

sẽ xảy ra sự ion hóa hóa học nhờ vào que phóng điệncorona, tại đây có sự trao đổi proton để biến thành ion

dương (M + H)+ và trao đổi electron hoặc proton để biến

thành ion âm (M – H)-. Sau đó, các ion sẽ được đưa vào bộ

phân tích khối.

Ion hóa bằng photon tại áp

suất khí quyển (APPI)

Kỹ thuật này thường sử dụng trong HPLC

Ngoài ra còn nhiều phương pháp ion hóa khác như: ion hóa giải hấp trên nền vàion hóa trên nền; ion hóa thứ cấp và ion hóa nguyên tử bắn phá; ion hóa giải hấp trợ nền

laser…

Phương pháp ion hóa mẫu được sử dụng là EI : Cách phổ biến nhất để ion hóa các hóa

chất là kĩ thuật bắn phá electron hay sau này còn được gọi là ion hóa bằng electron

(electron impact hay electron ionization, EI). Người ta dùng một chùm electron để bắn

phá phân tử mẫu ở trạng thái hơi. Thực hiện ở điều kiện chuẩn 70 eV.

Phương pháp ion hóa là bức xạ (phóng ) điện tử (EI) , electron được phóng ra hình thành

ion dương. Phương pháp này thường áp dụng đối với các phân tử không phân cực, có

phân tử lượng thấp.







2.3.2.2 Bộ phận phân tích khối

Nhiệm vụ của bộ phận phân tích khối là phân tách hỗn hợp các ion sinh ra bởi bộ

phận ion hóa thành từng loại riêng biệt theo m/z để đưa các ion này tới detector để ghi

nhận phổ. Có nhiều cơ chế để tách riêng các ion như sử dụng từ trường, điện trường, vận

tốc của các ion…

Các máy phân tích khối phổ thường được phân loại tùy thuộc vào việc máy tách

các ion cần phân tích theo phương pháp nào. Có các loại tổng quát như sau:

- Sự uốn cong nhờ từ trường (Manetic field deflection):

Máy khối phổ hội tụ từ trường đơn (a single focusing magnetic sector mass

spectrometer). Máy có độ phân giải thấp.

Máy khối phổ từ trường hội tụ kép (double focusing magnetic sector massspectrometer). Máy có độ phân giải cao, sự uốn cong nhờ từ trường và điện

trường.

- Khối phổ tứ cực (quadrupole mass spectrometer):

Máy khối phổ tứ cực lọc khối (quadrupole mass filter).

Bẫy ion (quadrupole ion storage, ion trap).

- Máy khối phổ sử dụng kĩ thuật thời gian bay (time of flight mass

spectrometer).Máy khối phổ bẫy ion (ion trap mass spectrometer) được sử dụng trong thiết bị

này, hoạt động trên nguyên tắc tứ cực, tuy nhiên Ion có thể được lưu trữ trong các bẫy

(trap) để tiếp tục phân tích.

Các cấu trúc vật lý của cái bẫy ion tứ cực bao gồm ba điện cực. Một điện cực hình

chiếc bánh được gọi là "vòng điện cực" và hai điện cực giống hệt nhau được gọi là điện

cực "end-cap" trong đó có một lỗ duy nhất cho các ion vào và ra khỏi thiết bị. Bề mặt của

tất cả các điện cực là hypebon. Một tần số vô tuyến (RF) điện áp được áp dụng cho điện

cực vòng để tạo ra một sân bẫy ba chiều. Mảnh Ion di chuyển vòng tròn trong một quỹ

đạo ổn định trong khoang bao quanh bởi các điện cực vòng. Khi năng lượng tần số vô

tuyến được tăng lên, các quỹ đạo của các ion nặng trở nên ổn định, trong khi những người

có các ion nhẹ trở nên mất ổn định, làm cho chúng va chạm với các bức tường của điện







cực vòng. Các ion mất ổn định bị các tần số vô tuyến quét rời khỏi khoang của điện cực

vòng qua khe hở của điện cực “end cap” và đi vào một bộ chuyển đổi.

Hình 15: Mô tả nguyên lý bẫy ion tứ cực







Hình 16: Nguyên lý bẫy ion

Ion được tiêm qua endcap lối vào và bị giữ lại trong bẫy. Bẫy ion đòi hỏi điện áp

RF chính xác được áp dụng cho các vòng (đối với cho ion m/z) và khí heli.

Do khả năng bẫy và tiếp tục phân tích ion nên khối phổ bẫy ion cho độ nhạy ở chế độ full

scan cao hơn khối phổ tứ cực, thích hợp phân tích mẫu trong nghiên cứu.

2.3.2.3 Bộ phận detector

Thiết bị cảm biến có nhiệm vụ đếm các hạt có cùng khối lượng. Thông tin này sau

đó được chuyển đến máy tính. Tại đây các phép tính được thực hiện và xuất ra kết quả gọi

là khối phổ. Khối phổ là biểu đồ phản ánh số lượng các ion với khối lượng khác nhau đã

đi qua bộ lọc. Các cation di chuyển qua ống phân tích, chịu tác động của từ trường đặt

vuông góc với hướng di chuyển của chúng. Trường này sẽ hướng các cation về detetor đặt

ở cuối ống phân tích. Một khe ở detetor chỉ cho những ion trong một khoảng giá trị khối

lượng nhỏ xác định tiếp cận detetor. Các phân tử có khối lượng không phù hợp sẽ va phải

các thành ống hoặc bị loại bỏ bởi khe thoát ion nên ko vươn tới được detector. Tại bộ

phận thu ion (ion collector), mỗi cation đến bị trung hòa bởi một electron. Dòng điện đòi

hỏi để trung hòa chùm ion tỉ lệ với số các ion đến bộ thu này.







Máy khối phổ là một detetor vạn năng cho phân tích định tính và định lượng các

chất hữu cơ cả sắc kí khí lẫn sắc kí lỏng.

Peak cao nhất trong khối phổ được gọi là peak cơ bản hay peak chính (base peak)và được gán giá trị là 100%. Cường độ các peak còn lại được biểu diễn tương đối so với

cường độ peak chính, và được gọi là cường độ tương đối (relative intensity), hàm lượngtương đối (relative abundance). Phổ khối của cation được gọi là phổ khối dương.







CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM

3.1. Hóa chất và dụng cụ

3.1.1. Hóa chất

3.1.1.1 Glycerol

Công thức

Hãng sản xuất

Khối lượng mol M

Độ tinh khiết

Nhiệt độ bốc cháy tức thời

Nhiệt độ sôi

Nước

Tỷ trọng

CH2(OH)CH(OH)CH2(OH)

Merck

92.1 g/mol

99.5%

6980F

2900C

≤ 0, 1%

1.26 g/mL at 25 °C

3.1.1.2 Tert butyl ancol (TBA)

Công thức

Hãng sản xuất


Độ tinh khiết


Nhiệt độ sôi

Nước

Tỷ trọng

(CH3)3COH

Merck

74.12 g/mol

99 %

896 °F

81 - 83 °C

<0.1%

0.775 g/mL at 25 °C

3.1.1.3 Acetonitrile

Công thức

Hãng sản xuất


CH3CN

Merck

41.05 g/mol







Độ tinh khiết


Nhiệt độ sôi

Nước

Tỷ trọng

99.8%

973 °F

81.6 °C

≤0.01%

0.786 g/mL at 25 °C

3.1.1.4 Dietylen glycol monobutyl ete (DGBE)

Công thức

Hãng sản xuất


Độ tinh khiết Nhiệt độ bốc cháy tức thời

Nhiệt độ sôi

Nước

Tỷ trọng

CH3(CH2)3OCH2CH2OCH2CH2OH

Merck

162 g/mol

≥99%400 °F

224-228 °C

≤0.01%

0.967 g/mL at 25 °C

3.1.1.5 Mono tert butyl glycerol ete (ME)

Công thứcHãng sản xuất


Độ tinh khiết

Nhiệt độ sôi

Tỷ trọng

(CH3)3COCH2CHOHCH2OHSigma Aldrich

148 g/mol

≥97%

265,61 °C

1 g/mL at 20 °C

3.1.2. Dụng cụ

3.1.2.1. Cân phân tích

Cân phân tích sử dụng có độ chính xác 4 chữ số sau dấu phẩy.







3.1.2.2. Micropipet

Sử dụng 2 micropipet để lấy chính xác lượng mẫu đem phân tích:

Loại 1000 µl

Loại 100 µl

Hình 17: Micropipette loại 1000µl và 100µl

Chú ý trong việc sử dụng Micropipet có 2 nấc:

Nấc hút dùng để lấy chính xác thể tích mẫu theo con số cài đặt trên Micropipet

Nấc đẩy dùng để đẩy toàn bộ mẫu vào lọ (Vial) đem đi phân tích.

Mỗi đầu tip chỉ sử dụng một lần để lấy cho 1 mẫu để đảm bảo chính xác và

không lẫn tạp chất.

Xoay núm vặn để điều chỉnh thể tích hút một cách chính xác.

3.1.2.3. Bình định mức 25ml

3.1.2.4. Lọ (Vial) 2ml

Là các lọ nhỏ bằng thủy tinh dùng để dựng mẫu đem đi phân tích GC/MS

Trên nắp lọ có 1 lớp đệm cao su để kim lẫy mẫu có thể đi xuyên qua.







Hình 18: Bình định mức 25ml và lọ (Vial) 2ml

Hình 19: Lọ đựng mẫu đặt trên khay chứa.

3.1.2.5. Hệ thiết bị GC/MS







Hình 20: Hệ máy GC/MS tại phòng thí nghiệm CN Lọc hóa dầu và VLXTHP

Hình 21: Thiết bị lấy mẫu tự động Triplus 150 samples.







Hình 22: Kim bơm mẫu thiết bị GC-MS

3.2. Kỹ thuật lẫy mẫu

3.2.1 Chọn chất nội chuẩn

Để sửa lỗi có thể xảy ra khi khối lượng tiêm khác nhau hoặc điều kiện sắc ký thay

đổi chút ít giữa các lần chạy, phương pháp nội chuẩn có thể được sử dụng. Trong phương

pháp này, một chất nội chuẩn có tính chất hóa học tương tự như hóa chất cần phân tích

định lượng và có peak tách biệt với các chất có trong dung dịch mẫu, được thêm vào một

lượng không đổi cho tất cả các mẫu phân tích.

Các tính chất nội chuẩn lí tưởng đước tóm tắt trong bảng 3.1. Hầu như không có

chất nội chuẩn nào đáp ứng được đầy đủ những tính chất đó mà chỉ có thể gần đạt đến yêu

cầu khi chúng có tính chất tương tự với chất được xác định.Các chất được dùng làm chất nội chuẩn gồm có các chất có cấu trúc giống nhau nhưng

thành phần khác nhau một nguyên tố, chất đồng đẳng, chất đồng phân, chất đồng phân

hình học, chất đồng vị của chất phân tích. Vì các chất có cấu trúc giống nhau nhưng thành

phần khác nhau một nguyên tố hoặc chất đồng đẳng rất có sẵn nên được sử dụng nhiều

hơn so với các chất khác. Các chất nội chuẩn đồng vị thường được dùng trong phương

pháp sắc kí khí khối phổ vì phương pháp này có thể phân biệt được khối lượng của chất

phân tích và chất nội chuẩn.







Bảng 9: Các tính chất cần thiết của một chất nội chuẩn lí tưởng

STT Tính chất

1 Chất nội chuẩn càng giống với chất phân tích về thành phần hóa học và vật lí càng

tốt

2 Chất nội chuẩn không có trong thành phần mẫu

3 Chất nội chuẩn phải được kết hợp với nền mẫu như chất phân tích

4 Chất nội chuẩn và chất phân tích phải được phân giải bằng sắc kí đến đường nền

(ngoại trừ các mẫu đồng vị được xác định bằng sự phân biệt mảnh phổ hoặc phóng

xạ, rửa giải ra rất sát nhau, tương thích với hệ thống phân tích và có nồng độ

tương đương.

Chất nội chuẩn được sử dụng là Đietylen Glycol Mono Butyl ether. Có công thức:

Là một tạp chức có 2 chức ete và 1 chức rượu.

3.2.2. Lấy mẫu

3.2.2.1.Mẫu từng hóa chất sử dụng riêng biệt

Để xác định đặc trưng sắc ký đồ của từng chất riêng biệt, trong đó quan trọng nhất

là thời gian lưa của peak phục vụ định tính và định lượng. Lần lượt lấy mẫu từng hóa

chất riêng biệt pha với dung môi Acetonitrile cho vào Vial (lọ) theo các bước:

Bước 1: lấy 50 µl mẫu chất bằng micropipet cho vào lọ 2 ml.

Bước 2: lấy 1000 µl dung môi cho vào lọ, đậy nắp lắc đều cho hòa tan hoàn toàn.

Thực hiện với các mẫu:







Dung môi Acetonitrile

TBA và dung môi

Glycerol và dung môi

3.2.2.2.Mẫu nguyên liệu

Nguyên liệu sử dụng gồm Glycerol và TBA theo tỷ lệ G/T = ¼ trong đó TBA được

lấy dư cho phản ứng.

Bước 1: Lấy 30 ml Glycerol và 157 ml TBA bằng ống đong cho vào cốc thủy tinh.

Bước 2: Khuấy trộn đều nguyên liệu bằng máy khuấy từ trong 15 phút

Bước 3: Dùng Micropipet lấy chính xác 1 ml hỗn hợp nguyên liệu đã khuấy trộn đều

đem cân bằng cân phân tích, ghi lại khối lượng mẫu nguyên liệu ms0

Bước 4: Định mức mẫu nguyên liệu bằng dung môi Acetolnitrile bằng bình định mức

25ml thu được dung dịch St0

Bước 5: Lấy 1ml dung dích St0, bổ sung 20µl nội chuẩn DGBE cho vào Vial (lọ) 2ml

để phân tích GC-MS.

3.2.2.3.Mẫu sản phẩm

Sản phẩm sau phản ứng được cân để kiểm tra bảo toàn khối lượng, đảm bảo không

có cấu tử nào mất mát khỏi hỗn hợp phản ứng. Sau đó tiến hành lấy mẫu sản phẩm

gồm các bước:

Bước 1: Dùng Micropipet lấy chính xác 1ml sản phẩm, đem cân bằng cân phân tích,

ghi lại khối lượng ms1

Bước 2: Định mức mẫu sản phẩm bằng dung môi Acetolnitrile bằng bình định mức

25ml thu được dung dịch St1







Bước 3: Lấy 1ml dung dích St1, bổ sung 20µl nội chuẩn DGBE cho vào Vial (lọ) 2ml

để phân tích GC-MS.

3.2.3. Bảo quản mẫu

Sản phẩm sau phản ứng đựng trong bình thủy tinh tối màu, nút kín và để trong tủ lạnh.

3.3.Định tính và định lượng bằng GC – MS

3.3.1. Định tính.

Dựa trên kết quả sắc ký đồ của các mẫu đem phân tích, ta có thể định danh các chất có

mặt trong sản phẩm dựa vào kết quả mảnh khối tương ứng của peak các chất đó.

3.3.2. Định lượng Glycerol bằng phương pháp lập đường chuẩn phân tích

Hình 23: Sơ đồ khối quá trình lập đường chuẩn và định lượng

Giá trị R 2 đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép, nếu vượt quá cần phải chuẩn bị

lại đường chuẩn.

Ai diện tích peak của cấu tử cần phân tích trong dung dịch chuẩn

Acsi diện tích peak của cấu tử IS tương ứng trong dung dịch chuẩn

Cx lượng cấu tử cần đo có trong dung dịch chuẩn (đơn vị khối lượng)

R 2 : hệ số tương quan (tính toán cho từng chất ở trong đường chuẩn , hệ số này cần càng

sát 1 để giảm thiểu sai số.)







Lập các đường chuẩn riêng rẽ đối với một cấu tử trong hỗn hợp bằng cách tiêm

những thể tích bằng nhau của một loạt dung dịch chất chuẩn có nồng độ khác nhau. Như

vậy một loạt các nồng độ của các chất chuẩn đã được phân tích và diện tích của chúng

được xác định. Một đường chuẩn được dựng cho mỗi cấu tử với một trục nồng độ và trục

kia là diện tích tương ứng để kiểm tra sự tuyến tính của đáp ứng của detector.

Tiêm cùng thể tích của mẫu có các cấu tử cần phân tích và phân tích sắc kí trong

cùng điều kiện như khi phân tích chuẩn. Từ các diện tích thu được của các cấu tử cần

phân tích và đường chuẩn vừa thiết lập suy ra được nồng độ của chúng.

Ở đây phản ứng ete hóa sử dụng dư TBA, độ chuyển hóa được tính theo Glycerol nên

tiến hành lập đường chuẩn theo glycerol.

Tiến hành pha các dung dịch Glycerol theo nồng độ tuyến tính giảm dần và phân tích

GCMS. Cách pha và nồng độ Glycerol của các mẫu được trình bày như sau:

Bước 1: cân chính xác lượng Glycerol mG = 0.5 g cho vào bình định mức 25 ml

Bước 2: định mức bằng dung môi AcetoNitrile đến vạch 25 ml thu được dung dịch S1

Bước 3: tiến hành pha các mẫu dung dịch với nồng độ chính xác được cho trong bảngsau:

Bảng 10: Các mẫu dùng để xây dựng đường chuẩn Glycerol

Mẫu Thể tích (µl) Lượng Glycerol

(mg/ml mẫu)S1 Dung môi Tổng

T1 1000 0 1000 20

T2 500 500 1000 10T3 250 750 1000 5

T4 125 875 1000 2.5

T5 60 940 1000 1.2

T6 30 970 1000 0.6







3.3.2. Định lượng Glycerol bằng phương pháp nội chuẩn

3.3.2.1.Xây dựng đường chuẩn

Pha các hỗn hợp có tỷ lệ trọng lượng của G (glycerol) và S (chất nội chuẩn) biết

trước, chạy sắc kí, đo diện tích các peak, lập tỉ số diện tích tương ứng, cuối cùng lập

đường chuẩn tương đối.

Bước 1: cân chính xác lượng Glycerol mG = 0.5 g cho vào bình định mức 25 ml

Bước 2: định mức bằng dung môi AcetoNitrile đến vạch 25 ml thu được dung dịch SI1

Bước 3: tiến hành pha các mẫu dung dịch với nồng độ chính xác được cho trong bảng

sau:

Bảng 11: Các mẫu dùng để xây dựng đường chuẩn Glycerol với chất nội chuẩn

Mẫu Thể tích (µl) Lượng

Glycerol

(mg/ml mẫu)

SI1 Dung môi Chất nội

chuẩn

Tổng

TI1 1000 0 20 1020 19,60784

TI2 500 500 20 1020 9,803922

TI3 250 750 20 1020 4,9019608

TI4 125 875 20 1020 2,45098

TI5 60 940 20 1020 1,176471

TI6 30 970 20 1020 0,588235

3.3.2.2. Định lượng Glycerol và tính độ chuyển hóa cho mẫu

1. Định lượng

Căn cứ vào diện tích peak của Glycerol thu được trên sắc ký đồ của các mẫu riêng

biệt nội suy ra nồng độ tương ứng của Glycerol có trong mẫu theo 2 phương pháp là

đường chuẩn và nội chuẩn.







2.Xác định độ chuyển hóa của phản ứng

Độ chuyển hóa được tính theo Glycerol: (X(G)%) được tính từ lượng Glycerol (g)

ban đầu và lượng glycerol trong sản sau khi kết thúc phản ứng :

X(G)% =

∗ 100% (1)

Áp dụng công thức :

X(G)% =/(∗)/(∗)

/(∗) x 100 (2)

Trong đó: mGo : lượng Glycerol trong nguyên liệu

mG1 : lượng Glycerol trong sản phẩm

A1: là diện tích peak của glycerol trong nguyên liệu

A2: là diện tích peak của glycerol trong sản phẩm

A0: là diện tích peak của chất nội chuẩn trong mẫu nguyên liệu hoặc sản phẩm đó

ms0: khối lượng mẫu nguyên liệu phân tích

ms1: khối lượng mẫu sản phẩm phân tích

3.3.3 Định lượng ME theo phương pháp nội chuẩnQua các quá trình thực nghiệm, ta thu được kết quả phương pháp nội chuẩn sử

dụng để định lượng cho kết quả với độ chính xác cao nhất, do đó để định lượng ME trongmẫu sản phẩm ta chỉ tiến hành theo phương pháp nội chuẩn với chất nội chuẩn sử dụngvẫn là DGBE.







Hình 24: Sơ đồ quá trình phân tích định lượng ME

Trong đó:

Mi: diện tích peak ME trong mẫu sản phẩm thứ i

Mci : diện tích peak ME trong mẫu xây đường chuẩn

Acsi: diện tích peak chất nội chuẩn trong mẫu sản phẩm

Ci : nồng độ ME trong mẫu pha đường chuẩn (mg/ml)

Cx: nồng độ ME trong mẫu sản phẩm được nội suy từ đường chuẩn (mg/ml)

3.3.3.1 Xây dựng đường chuẩn tính toán cho ME

Pha các hỗn hợp có tỷ lệ khối lượng của ME (Mono tert butyl glycerol ete) và S

(chất nội chuẩn) biết trước, phân tích sắc kí, đo diện tích các peak, lập tỉ số diện tích

tương ứng, cuối cùng lập đường chuẩn tương đối.

Bước 1: Cân chính xác lượng ME mME = 0.0788 g cho vào bình định mức 4 ml

Bước 2: Định mức bằng dung môi AcetoNitrile đến 4 ml thu được dung dịch SI2

Bước 3: Tiến hành pha các mẫu dung dịch với nồng độ chính xác được cho trong bảng

sau:







Bảng 12: Các mẫu dùng để xây dựng đường chuẩn ME với chất nội chuẩn

Mẫu Thể tích (µl) Lượng ME Ci

(mg/ml mẫu)SI2 Dung môi Chất nội

chuẩn

Tổng

M1 1000 0 20 1020 19,31372549

M2 500 500 20 1020 9,656862745

M3 250 750 20 1020 4,828431373

M4 125 875 20 1020 2,414215686

M5 60 940 20 1020 1,158823529

M6 30 970 20 1020 0,579411765

3.3.3.2 Định lượng ME và tính độ chọn lọc

1. Định lượng ME

Từ đường chuẩn ME, nội suy biết được nồng độ khối lượng CXME của ME khi biết

tỷ lệ diện tích peak ME với chất chuẩn (theo phương pháp nội chuẩn) có trong khối lượng

ms1 mẫu sản phẩm đem phân tích, từ đó tính được tổng lượng ME có trong mẫu sản phẩm.

2. Xác định độ chọn lọc ME

Để có được số mol ME tạo thành từ kết quả định lượng Cx (mg/ml):

nME =

∗ (mmol/g)

Ta sử dụng công thức tính độ chọn lọc αME :

αME (%)=

∗ 100% =

∗ 100% =

∗*100% (3)

Trong đó:

CxME : lượng ME có trong mẫu sản phẩm phân tích

ms1 : khối lượng mẫu sản phẩm đem đi phân tích

nME : số mol ME trong sản phẩm







nsp : số mol sản phẩm thu được

nGpu : số mol Glycerol phản ứng

nGo: số mol Glycerol ban đầu

X(G): độ chuyển hóa của phản ứng tính theo Glycerol







CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH

4.1 Kết quả định tính các chất

4.1.1 Kết quả các mẫu riêng biệt

Các mẫu riêng biệt được đem đi phân tích và thu được kết quả sắc kí đồ và khối

phổ tương ứng. Với mỗi peak đặc trưng cho 1 chất, sau khi có kết quả khối phổ của peak,

GCMS sẽ giúp ta định danh chính xác chất bằng việc so sánh nó với chất chuẩn trong thư

viện khối phổ.

4.1.1.1 Mẫu dung môi Acetonitrile

Hình 25: Sắc ký đồ của dung môi Acetonitrile

Với mẫu dung môi AcetolNitrile, đặc trưng bằng peak có thời gian lưu là 2.82 phút.







Hình 26: Khối phổ đặc trưng của Acetonitrile

Bảng 13: Kết quả tìm trong thư viện khối phổ ứng với peak Acetonitrile

Stt Ion chọn lọc (m/z) Công thức1 38 [CCN]+ 2 39 [CHCN]+ 3 40 [CH2CN]+ 4 41 CH3CN

4.1.1.2 Mẫu TBA và dung môi







Hình 27: Sắc ký đồ của TBA và dung môi Acetonitrile

Peak đặc trưng của TBA có thời gian lưu là 2.14 phút.

Hình 28: Khối phổ đặc trưng của TBA







Bảng 14: Kết quả tìm trong thư viện khối phổ ứng với peak TBA

Stt Ion chọn lọc (m/z) Công thức1 31 [C2H7]

+ 2 41 [C3H5]

+

3 43 [C3H7]+ 4 59 [C3H7O]+

4.1.1.3 Mẫu Glycerol và dung môi

Hình 29: Sắc ký đồ của Glycerol và dung môi Acetonitrile

Peak đặc trưng của TBA có thời gian lưu là 2.14 phút.







Hình 30: Khối phổ đặc trưng của Glycerol

Bảng 15: Kết quả tìm trong thư viện khối phổ ứng với peak Glycerol


+ 2 43 [C3H7]

+ 3 44 [C3H8]

+ 4 61 [C3H9O]+

4.1.1.4 Chất nội chuẩn và dung môi







Hình 31: Sắc ký đồ của DGBE và dung môi Acetonitrile

Chất nội chuẩn DGBE được đặc trưng bằng peak có thời gia lưu tại 15,41 phút.







Hình 32: Khối phổ đặc trưng của DGBE

Bảng 16: Kết quả tìm trong thư viện khối phổ ứng với peak DGBE


+ 2 41 [C3H5]

+

3 45 [C2H5O]+

4 57 [C4H9]+

4.1.2 Mẫu nguyên liệu và sản phẩm

4.1.2.1 Mẫu nguyên liệu







Hình 33: Sắc ký đồ của mẫu nguyên liệu

Mẫu nguyên liệu có thêm chất nội chuẩn:

Hình 34: Sắc ký đồ của mẫu nguyên liệu có thêm chất nội chuẩn

Các peak xuất hiện rất rõ ràng, bao gồm:







Bảng 17: Các peak trong mẫu nguyên liệu

Chất Thời gian lưu(phút)

Thời gian bắtđầu (phút )

Thời gian kếtthúc (phút)

Ghi chú

TBA 2,11 2,05 2,35 Nguyên liệu

Acetonitrile 2,84 2,72 3,17 Dung môi

DGBE 15,41 15,24 15,52 Chất nội chuẩn

Glycerol 20,49 20,34 20,67 Nguyên liệu

4.1.2.2 Mẫu sản phẩm

Hình 35: Sắc ký đồ của mẫu sản phẩm

Bảng 18: Các peak trong mẫu sản phẩm







Chất Thời gian lưu(phút)



Ghi chú

TBA 2,11 2,04 2,28 Nguyên liệu



Sản phẩm 15,88 15,76 16,02 Sản phẩm



Glycerol 20,45 20,32 20,61 Nguyên liệu

4.2 Kết quả xây dựng đường chuẩn Glycerol

Nhận xét: khi lập đường chuẩn cần lưu ý đến khoảng nồng độ chính xác của máy GC-MS,

mỗi máy GC-MS có một khoảng đo mà nếu nồng độ của chất cần phân tích nằm trong

khoảng đó thì diện tích peak của nó sẽ phụ thuộc tuyến tính với nồng độ của chất đó (khi

bơm cùng 1 thể tích là V=1µl)







Hình 36: Vùng nội suy của đường chuẩn phân tích.

4.2.1 Đường chuẩn Glycerol không dùng chất nội chuẩn

Sau khi có kết quả đo GCMS các mẫu từ T1 đến T6, tiến hành xác định peak và lấy tích

phân xác định diện tích peak của Glycerol có trong các mẫu, ta thu được kết quả:

Bảng 19: Các mẫu dùng để dựng đường chuẩn với Glycerol

Mẫu Thể tích (µl) Lượng Glycerol(mg/ml mẫu)

Diện tích peakglycerolS1 Dung môi Tổng

T1 1000 0 1000 20 62478493

T2 500 500 1000 10 37889589

T3 250 750 1000 5 23183417

T4 125 875 1000 2,5 11627530

T5 60 940 1000 1,2 6964646

T6 30 970 1000 0,6 3268083

Từ bảng kết quả ta xây dựng đường chuẩn trên các mẫu từ T1 đến T6

Hình 37: Đường chuẩn Glycerol 1-6 (1)

y = 3E+06x + 4E+06

R² = 0,9844

0

10000000

20000000

30000000

40000000

50000000

60000000

70000000

0 5 10 15 20 25

Đường chuẩn Gly 1-6 (1)

st1-1

Linear (st1-1)







Đường chuẩn có dạng Y = aX + b với hệ số tương quan R 2

Trong đó các giá trị a = 3016028,743, b = 4480304,675, R 2 = 0,98443264

Kết quả xây dựng đường chuẩn khi sử dụng số liệu từ các mẫu T2 đến T6:

Hình 38: Đường chuẩn Glycerol 2-6 (1)

Với các giá trị: a = 3656200,083; b = 2473720,532; R 2 = 0,988405915

Từ kết quả đường chuẩn lập được ta thấy từ mẫu T2 trở đi thì mức độ tuyến tính của

đường chuẩn cao hơn (hệ số tương quan R 2 gần với 1 hơn), song đối với đường chuẩn

không dùng chất nội chuẩn thì R 2 vẫn nhỏ hơn 0.999 (đường chuẩn chưa đạt được độ

chính xác cần thiết để có thể sử dụng)

4.2.2 Đường chuẩn Glycerol có sử dụng chất nội chuẩn

y = 4E+06x + 2E+06

R² = 0,9884

0

5000000

10000000

15000000

20000000

25000000

30000000

35000000

40000000

45000000

0 2 4 6 8 10 12

Đường chuẩn Gly 2-6(1)

st1-1

Linear (st1-1)







Bảng 20: Các mẫu dùng để dựng đường chuẩn với Glycerol có sử dụng chất nội chuẩn

Mẫu Thể tích (µl) Lượng

Glycerol

(mg/ml mẫu)

Tỉ lệ diện tích

SI1 Dung môi Chất nội chuẩn Tổng

TI1 1000 0 20 1020 19,60784 0,266857

TI2 500 500 20 1020 9,803922 0,152962

TI3 250 750 20 1020 4,9019608 0,080667

TI4 125 875 20 1020 2,45098 0,04495

TI5 60 940 20 1020 1,176471 0,023956

TI6 30 970 20 1020 0,588235 0,013386

Từ bảng kết quả ta xây dựng đường chuẩn trên các mẫu từ TI1 đến TI6

Hình 39: Đường chuẩn Glycerol 1-6(2)


Ở đây đối với đường chuẩn Glycerol có dùng chất nội chuẩn, xây dựng từ các mẫu TI1đến TI6 đã cho kết quả hệ số R 2 rất gần 1, lớn hơn so với đường chuẩn không dùng chấtnội chuẩn (đường chuẩn glycerol 1-6(1))

Kết quả xây dựng đường chuẩn chỉ sử dụng số liệu từ các mẫu TI2 đến TI6

y = 0,0131x + 0,0115

R² = 0,9955

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 5 10 15 20 25


st1-1Linear (st1-1)







Hình 40: Đường chuẩn Glycerol 2-6(2)


Vậy quá trình thực nghiệm đã chứng tỏ:

- Từ mẫu số TI2 trở đi thì mức độ tuyến tính của đường chuẩn cao hơn (hệ số

tương quan R 2 gần với 1 hơn), do đó khi tính toán sẽ sử dụng các đường chuẩn

glycerol 2-6(1) và đường chuẩn glycerol 2-6(2) để tính toán.

- Mức độ phụ thuộc tuyến tính của diện tích peak và lượng Glycerol trong mẫu ở

các mẫu có sử dụng chất nội chuẩn cao hơn so với không sử dụng chất nội chuẩn

do đã loại trừ được sai số của việc bơm mẫu từ lọ (Vial) vào buồng hóa hơi

(Injector).

Với đường chuẩn có sử dụng chất nội chuẩn, cho giá trị R 2 = 0.9994 ≈ 1 có thể coi là hoàn

toàn tuyến tính và sử dụng để nội suy một cách chính xác.

4.2.3 Đường chuẩn ME có sử dụng chất nội chuẩn

Sau quá trình thực nghiệm xây dựng đường chuẩn đối với Glycerol, phương pháp

nội chuẩn cho độ chính xác cao hơn, do đó để định lượng ME ta chỉ dùng phương pháp

nội chuẩn.

y = 0,0092x + 0,0039

R² = 0,9994

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 5 10 15


standard 1

Linear (standard 1)







Bảng 21: Các mẫu dùng để dựng đường chuẩn ME có sử dụng chất nội chuẩn

Mẫu Thể tích (µl) Lượng ME

(mg/ml mẫu)

Tỉ lệ diện tích

SI2 Dung môi Chất nội chuẩn Tổng

M1 1000 0 20 1020 19,31372549 0,829537808

M2 500 500 20 1020 9,656862745 0,49279702

M3 250 750 20 1020 4,828431373 0,264675282

M4 125 875 20 1020 2,414215686 0,139392998

M5 60 940 20 1020 1,158823529 0,070065491

M6 30 970 20 1020 0,579411765 0,03917657

Từ bảng kết quả ta xây dựng đường chuẩn trên các mẫu từ M1 đến M6

Hình 41: Đường chuẩn ME 1-6

Với các giá trị: a = 0,042357892; b = 0,038016812; R 2

= 0,991134053

Kết quả xây dựng đường chuẩn chỉ sử dụng số liệu từ các mẫu M2 đến M6 trong bảng:

y = 0,0424x + 0,038

R² = 0,9911

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 5 10 15 20 25

Đường chuẩn ME 1-6

Mono standard

Linear (Mono

standard)







Hình 42: Đường chuẩn ME 2-6


Từ kết quả R 2 cho thấy đường chuẩn ME 2-6 cho đường chuẩn với độ tuyến tính cao hơn,

nên được sử dụng để nội suy trong định lượng ME.

4.3 Kết quả định tính và định lượng sản phẩm

4.3.1 Định tínhĐể định danh chính xác các chất có mặt trong sản phẩm, GCMS cung cấp 1 thư viện

khối phổ mà ứng với mỗi chất sẽ có các mảnh khối có giá trị m/z và cường độ tương ứng

của mảnh khối đó là đặc trưng. Từ việc so sánh khối phổ của chất xuất hiện trong sản

phẩm với thư viện khối phổ, máy tính sẽ đưa ra các đề xuất cho công thức cấu tạo của

chất đó. Tuy nhiên với những chất chưa có mặt trong thư viện khối phổ, ta phải tự suy

luận và định tính cũng bằng việc căn cứ vào giá trị các mảnh khối đặc trưng và cường độ

tương ứng của các mảnh khối đó. Từ kết quả sắc ký đồ và bảng thời gian lưu của sản

phẩm trong hình 44 và bảng 17 ta đi xét các peak riêng biệt:

1) Xét peak xuất hiện ở thời gian 15,88 phút:

y = 0,0499x + 0,0151

R² = 0,999

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 5 10 15

Đường chuẩn ME 2-6

Mono standard

Linear (Mono

standard)







Hình 43: Sắc ký đồ peak có thời gian lưu 15,88 phút trong sản phẩm GTBE

Hình 44: Khối phổ của peak có thời gian lưu 15,88 phút trong sản phẩm GTBE

Với peak này có các khối phổ đặc trưng như sau:

- m/z = 57,21 là mảnh khối chính phản hồi của nhóm tert-butyl [C4H9]+







- m/z = 31,16 và 59,11 là mảnh khối phản hồi của nhóm chứa gốc rượu:

[CH3O]+; [C3H7O]+

- m/z = 149,01 chính là mảnh khối phản hồi của [ME+H]+

- m/z = 133,1 chính là phản hồi của ion [ME-CH3]+

Từ sự xuất hiện các mảnh khối nêu trên có thể đi đến kết luận peak xuất hiện ở thời

gian 15,88 phút là peak đặc trưng của ME.

Kiểm tra bằng việc lấy mẫu ME thương mại đem phân tích GCMS thu được kết quả như

sau:

Hình 45: Sắc ký đồ mẫu ME thương mại trong dung môi Acetonitrile có thêm chất nội

chuẩn







Bảng 22: Kết quả các peak xuất hiện khi phân tích mẫu ME thương mại

Chất Thời gianlưu (phút)



Ghi chú



ME 15,93 15,76 16,02 ME thương mại

TE 13,02 12,95 13,21 TE còn lẫn trongME thương mại

DE 11,93 11,85 12,11 ME còn lẫn trong

ME thương mạiKết quả các mảnh khối phổ thu được khi phân tích mẫu ME thương mại:







Hình 46: Khối phổ của peak ME thương mại

Bảng 23: Các mảnh khối của khi phân tích MS đối với ME

Stt Ion chọn lọc (m/z) Công thức1 31 [CH3O]+2 41 [C3H5]

+ 3 59 [C3H7O]+ 4 57 [C4H9]

+ 5 149 [ME+H]+ 6 133 [ME-CH3]

+

Đi đến kết luận kết quả định tính đối với sản phẩm ME là chính xác.

2)

Xét peak xuất hiện ở thời gian 11,95 phút









Nhìn vào sơ đồ khối phổ đặc trưng, ta thấy các mảnh m/z = 31,16 và 59,11 đặc trưng

cho các gốc rượu có cường độ giảm đi so với ME,đồng thời mảnh có m/z = 149,03 có

cường độ rât thấp, đi đến kết luận đây là peak đặc trưng của DE.

3)

Xét peak xuất hiện ở thời gian 13,02 phút







Ở đây đã các mảnh m/z = 31 và 59 còn lại rất ít, không đáng kể nên kết luận đây là

peak đặc trưng cho TE.

4.3.2 Định lượng Glycerol và tính độ chuyển hóa

4.3.2.1 Định lượng Glycerol dựa trên đường chuẩn đã lập

1. Đường chuẩn Glycerol không dùng chất nội chuẩn

Đường chuẩn glycerol 2-6(1) thu được có dạng: Y = aX + b

Trong đó:

- Y là giá trị diện tích peak của chất cần phân tích

- X giá trị nồng độ của chất cần phân tích (mg/ml)

Với các giá trị của a = 3656200,083 và b = 2473720,532

Mẫu nguyên liệu:

Nguyên liệu S0 được chuẩn bị theo mục 2.3.1.2, thống kê bằng bảng sau:

Bảng 24: Bảng tính toán nồng độ Glycerol trong nguyên liệu ban đầu

Đại lượng glycerol TBA tổngThể tích đong (ml) 30 157 187Độ tinh khiết (%m) 99,5 99Khối lượng riêng (g/ml) 1,26 0,78Khối lượng dung dịch (g) 37,8 122,46 160,26Lượng chất tinh khiết (g) 37,611 121,2354

Nồng độ Glycerol (g/ml) 0,234687

Sau khi pha mẫu nguyên liệu, lấy ms0 (g) S0 cho vào bình định mức 25ml, sau đó

định mức bằng dung môi Acetolnitrile, ở đây cân được ms0 = 0.8197 g. vậy ta có nồng độ

Glycerol trong mẫu sản phẩm đem đi phân tích là:

C0 =.∗∗

.∗ = 7,69493 (mg/ml)







Từ giá trị diện tích peak Glycerol theo sắc ký đồ của nguyên liệu:

PEAK LIST

ingred-16-5(2).RAW

RT: 19.74 - 21.32

Number of detected peaks: 1

ApexRT Start RT End RT Area %Area Height %Height

20,49 20,33 20,62 31354032 100 6888172 100

Từ giá trị Y= 31354032 ta nội suy theo đường chuẩn glycerol 2-6(1), ta có:

Xngl1 =C0ns1 =

=

,

, = 7,8989 mg/ml

Sai số δ1 =

*100% = , ,

, *100% = 2.65% sai số lớn hơn 1%

2. Đường chuẩn Glycerol có chất nội chuẩn

Đường chuẩn glycerol 2-6(2) thu được có dạng: Y = aX + b

Trong đó:




Mẫu nguyên liệu

Giá trị nồng độ Glycerol trong mẫu nguyên liệu phân tích: C0 = 7,69493 (mg/ml)







Từ giá trị diện tích peak Glycerol và chất nội chuẩn theo sắc ký đồ của nguyên liệu:

PEAK LIST

ingred-16-5(2).RAW

RT: 19.74 - 21.32Number of detected peaks: 2

ApexRT

StartRT End RT Area %Area Height %Height Ratio

15,41 15,24 15,54 2,64E+08 89,37 51415549 88,19 0,118887

20,49 20,33 20,62 31354032 10,63 6888172 11,81

Căn cứ vào giá trị Y = ratio = 0.118887 và nội suy từ đường chuẩn glycerol 2-6(2)

Ta có: C0ns2 =

=

. ,

, = 7,640799684 mg/ml

Sai số δ2 =

*100% =

, ,

, *100% = 0.7%

Sai số δ2 rất nhỏ có thể bỏ qua, kết quả nội suy sử dung đường chuẩn với chất nội

chuẩn cho kết quả là chính xác. Do đó ta sử dụng đường chuẩn glycerol 2-6(2) trong tính

toán định lượng glycerol trong mẫu sản phẩm.

Mẫu sản phẩm

Từ giá trị diện tích peak Glycerol theo sắc ký đồ của sản phẩm:

PEAK LIST

prod-16-5(2).RAW

RT: 20.19 - 21.23


ApexRT

StartRT End RT Area %Area Height %Height ratio

15,41 15,25 15,49 2,54E+08 92,17 50995314 90,26 0,084918

20,47 20,33 20,64 21554203 7,83 5502801 9,74

Từ giá trị Y= 0,084918 ta nội suy theo đường chuẩn 2-6(2), ta có:

Csp =

= , ,

, = 5,3352 mg/ml

4.3.2.2 Xác định độ chuyển hóa của Glycerol







1. Theo lượng Glycerol tính được từ phương pháp đường chuẩn

Độ chuyển hóa được tính theo glycerol: (X(G)%) được tính từ lượng glycerol (theo mol )

ban đầu và lượng glycerol sau khi kết thúc phản ứng :

X(G)% =ượ đầ ()ượ ả ẩ ()

ượ đầ () x 100 (4)

Từ kết quả nội suy từ đường chuẩn glycerol 2-6(2) ta có:

C0ns2 = 7,6408 mg/ml

Csp = 5,3352 mg/ml

Thay vào công thức (4) ta có:

X(G)% =, ,

, = 29.175 %

2. Theo tỉ lệ diện tích Glycerol trên chất nội chuẩn trong mẫu nguyên liệu và sản phẩm

Áp dụng công thức (2):

X(G)% =

∗

∗

∗

x 100%

Với A1: là diện tích peak của glycerol trong nguyên liệu

A2: là diện tích peak của glycerol trong sản phẩm

A0: là diện tích peak của chất nội chuẩn trong mẫu

m0 : khối lượng mẫu nguyên liệu đem phân tích

m1: khối lượng mẫu sản phẩm đem phân tích







Lấy số liệu:

PEAK LIST

ingred-16-5(2).RAW

RT: 19.74 - 21.32Number of detected peaks: 2

ApexRT

StartRT End RT Area %Area Height %Height ratio

15,41 15,24 15,54 2,64E+08 89,37 51415549 88,19 0,118887

20,49 20,33 20,62 31354032 10,63 6888172 11,81

PEAK LIST

prod-16-5(2).RAW

RT: 20.19 - 21.23

Number of detected peaks: 2 Apex

RT

Start

RT End RT Area %Area Height %Height ratio15,41 15,25 15,49 2,54E+08 92,17 50995314 90,26 0,084918

20,47 20,33 20,64 21554203 7,83 5502801 9,74

Ta có X(g)% =.

.

.

..

.

x 100% = 29,057 %

Nhận xét: kết quả độ chuyển hóa của phản ứng trong 2 cách tính thu được tương đương

nhau, kết quả tính toán là chính xác.

4.3.3 Kết quả phân tích định lượng ME và tính độ chọn lọc

4.3.3.1 Định lượng ME trong sản phẩm

Đường chuẩn ME 2-6 thu được có dạng: Y = aX + b

Trong đó:




Từ giá trị diện tích peak ME theo sắc ký đồ của sản phẩm:







Từ giá trị ratio Y= 0,304667 ta nội suy theo đường chuẩn ME 2-6, ta có:

X = CxME =

=

, ,

, = 5,798880222 mg/ml

4.3.3.2 Tính toán độ chọn lọc ME

Để tính được độ chọn lọc ta cần biết số mol ME tạo thành và số mol Glycerol phản ứngtạo sản phẩm.

nME =

∗

nGpu = nGo* XG

Trong đó:

nME: số mol ME trong sản phẩm

MME: khối lượng mol của ME lấy bằng 148 (g/mol)

nGpu: số mol Glycerol phản ứng

nGo: số mol Glycerol ban đầu trong mẫu nguyên liệu đem phân tích.

Áp dụng công thức: αME (%)=

∗*100%

Thay số ta thu được nME =

∗ =

,

,∗ = 0,045783621 mol

nGo =,

,∗ = 0,102038922 mol

Kết quả độ chọn lọc ME

αME (%) =,

,∗, = 79,9515001%

PEAK LIST

prod-19-5(2).RAW

RT: 14,82 - 16,26


Apex RT Start RT End RT Area %Area Height %Height ratio

15,43 15,24 15,6 3,03E+08 76,65 55596175 68,82 0,304667

15,88 15,78 15,99 92410695 23,35 25189493 31,18







4.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình và kết quả phân tích

4.4.1 Ảnh hưởng của việc chọn cột sắc ký

Cột sắc ký được dùng để phân tích phải thích hợp với chất cần phân tích, tức là có

khả năng phân tách rõ ràng các cấu tử trong mẫu phân tích, các peak của từng chất riêng biệt không bị quá sát về thời gian lưu hoặc sảy ra trùng, lặp peak gây khó khăn cho việcđịnh tính cũng như định lượng.

Hình 51: Sắc ký đồ của mẫu sản phẩm khi phân tích bằng cột RTX-5MS

Như trên hình 60, peak của các sản phâm lẫn với peak của Glycerol, do ME cónhiệt độ sôi gần với Glycerol, đồng thời khả năng hấp phụ và phân tách của cột RTX-5MS không đáp ứng được để tách riêng hoàn toàn 2 peak của ME và Glycerol. Có thể sửdụng để định tính chứ không thể định lượng.

4.4.2 Chuẩn bị mẫu

Mẫu đem phân tích được lấy mẫu sao đại diện đúng cho cả lô nguyên liệu hay sản phẩm. Các qui tắc lấy mẫu cần phải tuân thủ cho từng loại mẫu. Mẫu cần được làm sạchtrước khi tiêm mẫu vào GC. Việc này nếu làm không tốt có thể gây nên mất cấu tử cầnxác định.

Do trong nguyên liệu và sản phẩm có chứa Glycerol là một chất có độ nhớt vànhiệt độ sôi rât cao nên rất khó để lấy một thể tích chính xác nguyên liệu hoặc sản phẩm







đem đi phân tích, đồng thời nếu bơm mẫu nguyên chất vào GC sẽ không thể hóa hơi hoàntoàn trong Injector dẫn tới làm bẩn buồng hóa hơi và kết quả phân tích không thể tin cậy.Ở đây vấn đề được giải quyết bằng cách cân chính xác lượng nguyên liệu hoặc sản phẩm,sau đó pha loãng mẫu nguyên liệu hoặc sản phẩm với dung môi thích hợp.

Việc pha với dung môi vừa làm giảm độ nhớt, đồng thời giảm nhiệt độ sôi cũngnhư hóa hơi của hỗn hợp, để hỗn hợp có thể hóa hơi hoàn toàn trong Injector, tạo một hỗnhợp đồng nhất. Yêu cầu đối với dung môi là phải hòa tan hỗn hợp nguyên liệu và sản

phẩm, đồng thời có thời gian lưu thích hợp, không trùng hoặc rất sát với bất kỳ chất nàotrong nguyên liệu và sản phẩm.

Trong quá trình thực nghiệm có sử dụng 2 dung môi là Metanol và Acetonitrile. Kết quảthu được:

Hình 52: Sắc ký đồ khi sử dụng dung môi MeOH

Trên hình có sự lẫn peak của dung môi MeOH (thời gian lưu 2,10 phút) và TBA

(thời gian lưu 2,31 phút) do chúng có khả năng đáp ứng với GC khá giống nhau.

Đối với dung môi Acetonitrile, các peak của dung môi (thời gian lưu 2,83 phút) vàTBA(thời gian lưu 2,12 phút) đã tách biệt nhau hoàn toàn:







Hình 53: Sắc ký đồ khi sử dụng dung môi Acetonitrile

Kết luận: dung môi thích hợp để sử dụng pha mẫu là Acetonitrile.

4.4.3 Tiêm mẫu

Kỹ thuật tiêm mẫu cũng có thể gây sai số nếu thể tích mẫu các lần lấy có sự sailệch hoặc có bọt khí trong kim lấy mẫu. Để khắc phục điều này, ta dùng thiết bị lấy mẫu

tự động và sử dụng chất nội chuẩn cho tất cả các mẫu (nếu có chất nội chuẩn thích hợp).

4.4.4 Mẫu bị phân hủy hoặc bị hấp phụ

Có nhiều trường hợp có sự phân hủy hoặc hấp phụ trong buồng tiêm mẫu, trongcột, trong detector có thể làm cho các pic đó không đại diện cho lượng của chúng có trongmẫu. Để khắc phục điều này ta nên dùng phương pháp lập đường chuẩn để biết diện tíchhay chiều cao của pic có tỉ lệ tuyến tính với lượng mẫu đưa vào hay không.

4.4.5 Đáp ứng của detector

Mỗi detector đáp ứng khác nhau với các hợp chất khác nhau. Vì vậy cần biết rõ cáchệ số đáp ứng này. Hơn nữa khi điều kiện làm việc thay đổi thì đáp ứng của detector cũngthay đổi. Trong GC có thể sử dụng phương pháp chuẩn nội để khắc phục điều này.







4.4.6 Kỹ thuật lấy tích phân

Trong GC có nhiều cách thiết lập quan hệ giữa thông tin nhận được từ peak sắc kí

với hàm lượng của cấu tử: Đo chiều cao peak, dùng máy ghi và tích phân, cắt và cân giấy.

Các cách này có thể có những sai số riêng trong quá trình xử lí. Ngày nay với sự ghép nối

máy tính và các phần mềm hỗ trợ việc tích phân hóa diện tích các peak trở nên dễ dàng và

thông dụng. Kết quả được báo cáo đầy đủ các thông tin của peak như chiều cao peak, diện

tích peak, phần trăm trong mẫu …







KẾT LUẬNSau một thời gian làm việc nghiêm túc của bản thân cộng với sự giúp đỡ, chỉ bảo

tận tình của thầy giáo PGS-TS Nguyễn Hồng Liên, em đã hoàn thành đồ án tốt nghệp

của mình với đề tài “ Nghiên cứu phân tích sản phẩm quá trình tổng hợp GTBE bằng

kỹ thuật GCMS ”. Đề tài này đã giúp cho em thấy rõ tầm quan trọng việc phân tích định

tính và định lượng khi triển khai nghiên cứu nói chung và trong quá trình tổng hợp GTBE

nói riêng.

Đồ án này đã hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm:

Tìm ra phương pháp phân tích thích hợp để phân tích sản phẩm quá trình tổng hợpGTBE đi từ nguồn nguyên liệu là Glycerol và Tert butyl ancol

Xây dựng đường chuẩn tính toán cho Glycerol bằng kỹ thuật GCMS phục vụ việc

định lượng và tính độ chuyển hóa, đánh giá quá trình tổng hợp GTBE Xây dựng đường chuẩn tính toán cho ME (Mono Tert butyl Glycerol ete) phục vụ

việc định lượng sản phẩm và tính toán độ chọn lọc của phản ứng tổng hợp GTBE

Qua quá trình thực hiện đồ án này đã giúp cho em hiểu sâu nhiều kiến thức chuyên

nghành đã học, đồng thời nó cũng giúp cho em tăng được tính tỉ mỉ và chính xác khi tiến

hành nghiên cứu khoa học để có thể vận dụng trong công tác sau này. Bên cạnh đó, cũng

do sự hạn chế về thời gian cũng như hiểu biết hạn chế của bản thân nên trong đồ án này

chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong được quý thầy cô

chỉ bảo để em có thể tăng tầm hiểu biết của mình. Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội ngày tháng 06 năm 2014

Sinh viên

Trần Công Minh







TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]Francesco Frusteri, Leone Frusteri, Catia Cannilla, Giuseppe Bonura, “Catalytic

etherification of glycerol to produce biofuels over novel spherical silica supported Hyflon

catalysts”, Bioresource Technology 118 (2012) 350–358

[2] Elena Vlad, Costin SorinBildea, andGrigore Bozga, Design and Control of Glycerol-

tert-Butyl Alcohol Etherification Process, The Scientific World Journal Volume 2012,

Article ID 180617, 2012

[3]Thái Doãn Tĩnh, Cơ sở hóa học hữu cơ tập 2, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội,2006

[4]M. Pagliaro, R. Ciriminna, H. Kimura, M. Rossi, and C. D. Pina, “Recent advances in

the conversion of bioglycerol into value-added products,”European Journal of Lipid

Science and Technology, vol. 111, no. 8, pp. 788–799, 2009

[5]N. Rahmat, A. Z. Abdullah, and A. R. Mohamed, “Recent progress on innovative and

potential technologies for glycerol transformation into fuel additives: a critical review,”

Renew-able and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, no. 3, pp. 987–1000, 2010

[6]R. S. Karinen and A. O. I. Krause, “New biocomponents from glycerol,”AppliedCatalysis A, vol. 306, pp. 128–133, 2006

[7]W. N. Versteeg, O. Ijben, W. N. Wernink, K. Klepacova, and S.van Loo, “Method of

preparing GTBE,” WO 2009/147541 A1,2009

[8]K. Klepacova, D. Mravec, and M. Bajus, “tert-Butylation of glycerol catalysed by ion-

exchange resins,”Applied Catalysis A,vol. 294, no. 2, pp. 141–147, 2005

[9]K. Klepacova, D. Mravec, and M. Bajus, “Etherification of glycerol with tert-butyl

alcohol catalysed by ion-exchange resins,”Chemical Papers, vol. 60, no. 3, pp. 224–230,

2006






[10]F. Frusteri, F. Arena, G. Bonura, C. Cannilla, L. Spadaro,and O. di Blasi, “Catalytic

etherification of glycerol bytert-butyl alcohol to produce oxygenated additives for diesel

fuel,”Applied Catalysis A, vol. 367, no. 1-2, pp. 77–83, 2009

[11] Elena Vlad, Costin SorinBildea, andGrigore Bozga, Design and Control of Glycerol-

tert-Butyl Alcohol Etherification Process, The Scientific World Journal Volume 2012,

Article ID 180617, 2012

[12] Phạm Việt Hùng-Cơ sở lí thuyết của phương pháp sắc kí khí - NXBKHKT-2003

[13] Chủ biên Makoto Takagi-Nhật Bản, dịch giả : Trần thị Ngọc Lan-Các phương pháp

phân tích trong hóa học

[14] Bùi xuân Vững -Cơ sở hóa phân tích định lượng – Trường ĐHSP. Đà Nẵng 2012

[15] http://en.wikipedia.org/wiki/Glycerol

[16] http://en.wikipedia.org/wiki/Tert-Butyl_alcohol

[17] Website SIGMA-ALDRICH

[18] Ronal A.Hites-Gaschromatograph Mass Spectrometry-Indian University School of

Public and environmentl Affairs and department of Chemitry

[19] http://www.slideshare.net/nhattamnhattam/bi-ging-mass-spectrometer-htp7

[20] Agilent J&W GC Column Selection guide – www.agilent.com/cheng/myGCcolumns


http://en.wikipedia.org/wiki/Glycerol


http://www.slideshare.net/nhattamnhattam/bi-ging-mass-spectrometer-htp7


http://orgchemguide.blogspot.com/2011/04/magnetic-deflection-or-sector-mass.html

http://orgchemguide.blogspot.com/2011/04/magnetic-deflection-or-sector-mass.html



Phân tích sản phẩm quá trình tổng hợp GTBE bằng kỹ thuật GCMS

Documents

Transcript of Phân tích sản phẩm quá trình tổng hợp GTBE bằng kỹ thuật GCMS