Surfactant adsorption from triglyceride solvent: Effect of water and surfactant structure
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2018-12-10
Department
Major/Subject
Biosystems and Biomaterials Engineering
Mcode
CHEM3028
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
88 + 10
Series
Abstract
Vegetable oils have attracted significant attention as alternative raw materials to replace conventional fossil-based crude oils in the energy,chemical, and pharmaceutical industries. Vegetable oils, while mainly triglycerides, contain impurities that can deteriorate bulk oil and end-product quality. A common vegetable oil purification step involves the use of adsorbents to remove undesired components in the oil. While the effectiveness of different adsorbents in purification of bio-based oils has been experimentally widely studied, molecular scale description of adsorption phenomena in these apolar environments is currently lacking. Here, the adsorption of model impurity species, that is, water, glycerol, oleic acid, monoolein, and two types of phospholipids, on two model silica adsorbents, quartz and cristobalite, was studied using atomistic molecular dynamics simulations. It was found that adsorption strength is strongly dependent on the charge of the adsorbate, with notably stronger adsorption of phospholipids (DOPC and DOPE) compared to the nonionic additives. Adsorption strength is also sensitive to the hydrogen bonding capability of the additive with the silica surface and the triglyceride solvent, as well as, hydrogen bonding between closely spaced silica surface silanol groups. Additionally, the effect of surfactant concentration and oil water content on the adsorption and aggregation of oleic acid and monoolein was studied. It was found that the amount of adsorbed surfactant increases gradually with surfactant concentration for both monolein and oleic acid, with stronger adsorption of monoolein compared to oleic acid. Additionally, monoolein and oleic acid form filament-like, highly dynamic aggregates with no clearly shielded hydrophilic core; aggregate size increases gradually with increased surfactant concentration. Introduction of water into the surfactant–oil mixture functions as a competitive adsorbate but also hydrates the hydrophilic head groups of the two surfactants, leading to improved adsorption of oleic acid with increased water concentration. While addition of water initially improves monoolein adsorption, the effects are more prominent in aggregation, with water promoting significant aggregate growth for both monoolein and oleic acid.Kasviöljyt ovat herättäneet kiinnostusta vaihtoehtoisina raaka-aineina perinteisten fossiilisten raakaöljyjen korvaamiseksi energia-, kemian- ja lääketeollisuudessa. Kemiallisesti kasviperäiset öljyt ovat triglyseridien seoksia, ja niissä on erilaisia pieniä epäpuhtauksia, jotka voivat heikentää öljyn ja sen johdannaisten ominaisuuksia ja laatua. Yleinen kasviöljyjen puhdistusvaihe käsittää adsorbenttien käytön öljyn kuivapesussa. Vaikka erilaisten adsorbenttien tehokkuutta bioperäisten öljyjen puhdistuksessa on kokeellisesti laajasti tutkittu, adsorptioilmiöiden molekulaarinen kuvaus apolarisissa ympäristöissä on edelleen puutteellista. Tässä diplomityössä tutkittiin atomistisella molekyylidynamiikka-simulaatiolla veden, glyserolin, oleiinihapon, monooleiinin ja kahden fosfolipidityypin adsorboitumista kahdella mallipiioksidiadsorbentilla, kvartsilla ja kristobaliitilla. Työssä havaittiin adsorptiovahvuuden riippuvan voimakkaasti adsorbaatin varauksesta; kahden tutkitun fosfolipidin adsorptio on huomattavasti voimakkaampi verrattuna varauksettomiin adsorbaatteihin. Adsorptiovahvuus on myös herkkä adsorbaatin vetysitoutumiselle sekä piioksidipinnan silanoliryhmien että triglyseridiliuottimen kanssa. Lisäksi vetysidokset kvartsipinnan läheisten silanoliryhmien välillä vaikuttavat kilpailevasti adsorptioon. Lisäksi tutkittiin surfaktanttipitoisuuden ja öljyn vesipitoisuuden vaikutusta oleiinihapon ja monooleiinin adsorptioon ja aggregaatioon. Työssä havaittiin, että adsorboituneen monooleiinin ja oleiinihapon määrä kasvaa vähitellen surfaktanttipitoisuuden kasvaessa; monooleiini adsorboituu voimakkaammin verrattuna oleiinihappoon. Monooleiinin ja oleiinihapon muodostamien aggregaattien koko kasvaa surfaktanttipitoisuuden kasvaessa. Aggregaatit ovat filamenttimaisia ja erittäin dynaamisia ilman selkeästi suojattua hydrofiilistä ydintä. Veden lisäys surfaktantti-öljy seokseen toimii kilpailevana adsorbaattina, mutta johtaa myös surfaktanttien hydrofiilisten pääryhmien hydraatioon, mikä parantaa oleiinihapon adsorboitumista. Vaikka veden lisäys parantaa aluksi monooleiinin adsorboitumista, vaikutukset ovat näkyvämpiä aggregaatiossa; vesi edistää suurempien aggregaattien muodostumista sekä monooleiinille että öljyhapolle.Description
Supervisor
Laasonen, KariThesis advisor
Sammalkorpi, MariaKuitunen, Susanna
Keywords
surface adsorption, aggregation, vegetable oil, molecular dynamics, CHARMM force field
