Anti-Solvent Crystallization of Sodium Methoxide
โดย เบญจพร แก้วทรัพย์เดชศิริ
ปี 2562
บทคัดย่อ
การตกผลึกแบบแอนตี้โซลเว้นท์เป็นกระบวนการสำคัญอันหนึ่งสำหรับการสังเคราะห์ตัวเร่งปฎิกิริยา โซเดียมเมทอกไซด์เป็นตัวเร่งปฎิกิริยาที่สำคัญสำหรับกระบวนการผลิตไบโอดีเซล งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษากระบวนการตกผลึกแบบแอนตี้โซลเว้นท์ของโซเดียมเมทอกไซด์ โดยใช้เครื่องตกผลึก ขนาด 1 ลิตร ซึ่งการทดลองแบ่งออกเป็น 5 ส่วน ได้แก่ (1) ศึกษาความสามารถการละลายของโซเดียมเมทอกไซด์ในเมทานอลที่อุณหภูมิ 10, 20, 30, 40, 50 และ 60 องศาเซลเซียส และหาความเข้มข้นที่จุดอิ่มตัวด้วยวิธีการวิเคราะห์โดยน้ำหนัก (2) ศึกษาการละลายของโซเดียมเมทอกไซด์ในตัวทำละลาย 13 ชนิด ได้แก่ เฮกเซน, ไซโคลเฮกเซน, เบนซิล แอลกอฮอล์, ฟีนอล, โพรพิลแอลกอฮอล์, บิวทิลแอลกอฮอล์, เอทิลแอลกอฮอล์, เอทิลอะซิเตท, อะซิโตไนไตรล์, อะซิโตน, ไดเมทิลซัลฟอกไซด์, ไดเมทิลคาร์บอเนต และไดคลอโรมีเทน (3) ศึกษาความสามารถการละลายของโซเดียมเมทอกไซด์ในตัวทำละลายผสมโดยเลือกตัวทำละลายที่เหมาะสม 3 ระบบ ได้แก่ เฮกเซนและเมทานอล, บิวทิลแอลกอฮอล์และเมทานอล, ไดเมทิลคาร์บอเนตและเมทานอล ที่อัตราส่วนของแอนตี้โซลเว้นท์ต่อสารละลายอิ่มตัวของโซเดียมเมทอกไซด์ในเมทานอล 0:10, 1:9, 2:8, 3:7, 4:6, 5:5, 6:4, 7:3, 8:2, 9:1 และ10:0 โดยปริมาตร (4) เลือกอัตราส่วนที่เหมาะสม 3 อัตราส่วน ได้แก่ 7:3, 5:5 และ 3:7 โดยปริมาตร เพื่อนำมาเป็นอัตราส่วนในการตกผลึก นำผลึกที่ได้วิเคราะห์คุณสมบัติของผลึกโดยใช้เครื่อง XRD, SEM และ FTIR (5) ศึกษาการตกผลึกในระบบปฎิกิริยาระหว่างโซเดียมไฮดรอกไซด์กับเมทานอล โดยใช้อัตราส่วน 5:5 โดยปริมาตร และวิเคราะห์คุณสมบัติผลึกด้วยเครื่อง XRD และ FTIR
ผลจากงานวิจัยนี้พบว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นความสามารถในการละลายของโซเดียมเมทอกไซด์ในเมทานอลเพิ่มขึ้น การละลายของโซเดียมเมทอกไซด์ในตัวทำละลาย 13 ชนิด พบว่า เฮกเซน บิวทิลแอลกอฮอล์ ไดเมทิลคาร์บอเนต อะซิโตไนไตรล์ ไดคลอโรมีเทน ไม่ละลายโซเดียมเมทอกซ์ไซด์ ไซโคลเฮกเซน ฟีนอล เอทิลแอลกอฮอล์ เอทิลอะซิเตท โพรพิลแอลกอฮอล์ อะซิโตน ละลายโซเดียมเมทอกไซด์ได้เพียงเล็กน้อย และไดเมทิลซัลฟอกไซด์ เบนซิลแอลกอฮอล์ ละลายโซเดียมเมทอกไซด์ ได้มากกว่าตัวทำละลายชนิดอื่นๆ จากการศึกษาความสามารถในการละลายของโซเดียมเมทอกไซด์ในสารละลายผสมทั้ง 3 ระบบ พบว่าเมื่อเพิ่มอัตราส่วนแอนตี้โซลเว้นท์ความสามารถในการละลายของโซเดียมเมทอกไซด์ลดลง และจากการศึกษาการตกผลึกของโซเดียมเมทอกไซด์จากทั้ง 3 ระบบ ผลของเครื่อง XRD และ SEM ไม่สามารถระบุได้อย่างชัดเจนว่าผลึกเป็นโซเดียมเมทอกไซด์ จึงใช้การวิเคราะห์ผลึกโดยเครื่อง FTIR พบว่าผลึกที่เกิดจากแอนตี้โซลเว้นท์ ไดเมทิลคาร์บอเนต เกิดหมู่ฟังก์ชั่นโซเดียม (-Na) ที่เลขคลื่น 1445.4 cm-1 และหมู่ฟังก์ชั่นเมทอกไซด์ (-OCH3) ที่เลขคลื่น 1357.7 cm-1 ดังนั้นผลึกที่วิเคราะห์ได้คือโซเดียมเมทอกไซด์ แต่ผลึกที่เกิดจากแอนตี้โซลเว้นท์เฮกเซน และบิวทิลแอลกอฮอล์เกิดหมู่ฟังค์ชั่นเกิดหมู่ฟังค์ชั่นน้ำ (O-H) ที่เลขคลื่น 813 cm-1 หมู่ฟังก์ชั่นแอลกอฮอล (-OH) ที่เลขคลื่น2922.2-3635.0 cm-1 และหมู่ฟังก์ชั่นอะซิเตด (O=C-O) ที่เลขคลื่น 1050.0 cm-1 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าผลึกที่ได้มีสิ่งเจือปน และการตกผลึกของระบบปฎิกิริยาระหว่างโซเดียมไฮดรอกไซด์กับเมทานอล พบว่าแอนตี้โซลเว้นต์ไดเมทิลคาร์บอเนต เกิดสารประกอบโซเดียม (Na-O-Na) ที่เลขคลื่น 1412.4 cm-1 และเกิดหมู่ฟังก์ชั่นเมทอกไซด์ (-OCH3) ดังนั้นผลึกที่ได้จึงเป็นผลึกโซเดียมเมทอกไซด์ สำหรับแอนตี้โซลเว้นท์เฮกเซน เกิดหมู่ฟังค์ชั่นน้ำ (O-H) ที่เลขคลื่นต่ำกว่า 900 cm-1 เพิ่มขึ้นมา และแอนตี้โซลเว้นท์บิวทิลแอลกอฮอล์ เกิดหมู่ฟังก์ชั่นของคาร์บอกซิลกับเอสเทอร์ (O=C-O) ที่เลขคลื่น 1105.0 -1049.10 cm-1 ทำให้ผลึกที่ได้มีสิ่งเจือปนประโยชน์จากงานวิจัยนี้คือ สามารถคำนวณความสามารถการละลายของโซเดียมเมทอกไซด์ในเมทานอล และสารละลายผสมได้ และสามารถเลือกตัวทำละลายที่เหมาะสมเป็นแอนตี้โซลเว้นท์ในกระบวนการตกผลึก และความรู้จากการศึกษาครั้งนี้สามารถนำไปพัฒนากระบวนการผลิตโซเดียมเมทอกไซด์ โดยการออกแบบกระบวนการตกผลึกในระดับอุตสาหกรรมได้
ABSTRACT
Anti-solvent crystallization is an important process for synthesizing catalysts. Sodium methoxide is an important catalyst which is used in the biodiesel production process. The purpose of this research was to investigate the anti-solvent crystallization of sodium methoxide by the use of the 1 liter jacket glass vessel to study the solubility. The experiment is divided into five parts comprising: 1) determination of sodium methoxide solubility in methanol at the temperature of 10, 20, 30, 40, 50 and 60˚C, and measurement of concentration of saturated solution by the gravimetric method; 2) determination of dissolution of sodium methoxide in 13 solvents, including n-Hexane, Cyclohexane, Benzyl alcohol, Phenol, 1-Butanol, 2-Butanol, Ethyl alcohol, Ethyl acetate, Acetonitrile, Acetone, Dimethyl sulfoxide, Dimethyl carbonate and Dichloromethane; 3) solubility of sodium methoxide in mixed solvents in three systems, including n-Hexane+Methanol, 2-Butanol+Methanol, and Dimethyl carbonate+Methanol, the experiment with ratios of anti-solvent and saturated solution of sodium methoxide in methanol of 10:0, 9:1, 8:2, 7:3, 6:4, 5:5, 4:6, 3:7, 2:8, 1:9, and 0:10 by volume at 33 ˚C; 4) the anti-solvent and saturated sodium methoxide in methanol ratios of 3:7, 5:5, and 7:3 by volume, being selected to study the crystallization processes and analyze the crystal properties by XRD, SEM, and FTIR; and 5) the anti-solvent and saturated sodium hydroxide in methanol at the ratio 5:5 by volume, being selected to study the anti-solvent crystallization of the reaction between sodium hydroxide and methanol, and the properties of the crystals were analyzed by using XRD and FTIR.
The results showed that the solubility of sodium methoxide in methanol increases when the temperature increases. For the dissolution of sodium methoxide in 13 solvents, it was found that: 1) the following solvents cannot dissolve sodium methoxide: Dichloromethane, n-Hexane, Dimethyl carbonate, and 2-Butanol; 2) the following can dissolve sodium methoxide minimally: Acetone, Ethyl alcohol, Cyclohexane, Acetonitrile, and 1- Butanol; and 3) the following can dissolve sodium methoxide to a larger extent than the other solvents: Ethyl acetate, Phenol, Dimethyl sulfoxide, and Benzyl alcohol. From determining the solubility of sodium methoxide in the 3 systems of mixed solvents, it was found that when the anti-solvent ratio increases, the solubility of sodium methoxide decreases. In addition, regarding the crystallization, the analysis of XRD and SEM cannot identify sodium methoxide crystals, while the analysis of FTIR indicates that there are a functional group of sodium (-Na) at the wave number 1445.4 cm-1 and a methoxide group (-OCH3) at 1357.7 cm-1. Therefore, the analyzed crystals are sodium methoxide. For the crystals from anti-solvents of n-Hexane and 2-Butanol, there are a functional group of water (O-H) at the wave number 813 cm-1, an alcohol group (O-H) at the wave number 2922.2-3635.0 cm-1, and acetate (O=C-O) at the wave number 1050.0 cm-1, all of which indicate that the crystals contain impurities. For the crystallization of sodium hydroxide in the methanol reaction system, it was found that the anti-solvent of dimethyl carbonate has a functional group of sodium compound (Na-O-Na) at the wave number 1412.4 cm-1, as well as a functional group methoxide (-OCH3), which indicate that the crystals are sodium methoxide. From the antisolvent of n-Hexane, there is a functional group of water (O-H) at the wave number of less than 900 cm-1, and from the anti-solvent of 2-Butanol, there are a functional group of carboxyl and ester (O=C-O) at the wave number from 1105.0 cm-1– 1049.10 cm-1. As a result, the crystals contain impurities. The benefits of this research are that the solubility of sodium methoxide in methanol and mixed solvents can be calculated to determine the proper solubility of sodium methoxide, which can be used as anti-solvents in the crystallization process to produce sodium methoxide. Additionally, the knowledge from this study can also be used to improve the process of sodium methoxide production by designing crystallization processes in the industrial sector.