BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ HỖN HỢP NHŨ TƢƠNG
DẦU TRONG NƢỚC (O/W) BẰNG VỎ TRẤU ĐƢỢC XỬ LÍ
VỚI CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CETYL TRYMETYL
AMMONIUM BROMIDE (CTAB)
Trình độ đào tạo: Đại học chính quy
Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
Chuyên ngành: Hóa dầu
Giảng viên hướng dẫn: TS. Lê Thanh Thanh
Sinh viên thực hiện: Lê Thị Kim Liên
MSSV: 1052010109 Lớp: DH10H1
Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2014
TRƢỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC & CNTP
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
o0o
(Ký và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Văn Thông
LỜI CAM ĐOAN
Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi xin cam đoan những số liệu thu được từ quá
trình thực nghiệm là hoàn toàn chính xác và không sao chép từ bất kỳ đồ án, công
trình nghiên cứu nào. Các phần có trích dẫn nội dung từ các tài liệu tham khảo đã
được ghi rõ trong phần Tài liệu tham khảo cuối đồ án. Tôi xin cam đoan những điều
trên là sự thật và chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan này.
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành bài báo cáo đồ án tốt nghiệp này cho phép em được gửi lời cảm
ơn đến Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu, Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm
đã tạo điều kiện cho em mượn dụng cụ và phòng thí nghiệm để tiến hành nghiên
cứu đề tài. Đặc biệt, em xin cảm ơn TS. Lê Thanh Thanh đã trực tiếp hướng dẫn,
giúp đỡ em nhiều trong quá trình nghiên cứu đề tài của mình. Và cuối cùng em xin
cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình làm đồ
án.
Tuy vậy, do thời gian có hạn cũng như kinh nghiệm còn hạn chế nên trong bài
báo cáo đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế nhất
định. Vì vậy, em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô
giúp em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức để hoàn thành tốt hơn cho báo
cáo công tác thực tế sau này khi ra trường.
3.1.3. Hóa chất 43
ii
3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 43
3.2.1. Các phương pháp xác định đặc tính của chất hấp phụ 43
3.2.2. Chuẩn bị và xác định tính chất nước thải nhiễm dầu 45
3.2.3. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu 47
3.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ dầu 50
Chƣơng 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52
4.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của các mẫu vật liệu vỏ trấu 52
4.2. Khảo sát đặc tính vật liệu 53
4.2.1. Kết quả chụp SEM 53
4.2.2. Kết quả chụp phổ hồng ngoại (FT-IR) 54
4.3. Khảo sát hấp phụ 55
4.3.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt 55
4.3.3. Ảnh hưởng của thời gian 57
4.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ 58
4.3.5. Ảnh hưởng của pH 60
4.3.7. Khảo sát khả năng hấp phụ cực đại 62
Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 66
PHỤ LỤC 69
iii
TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
1. Các chữ viết tắt
API American Petroleum Institute Viện dầu mỏ Hoa kì
BET Brunauer - Emment – Teller
Nc Nước cất
Q
t
Độ hấp phụ
Q
tmax
Độ hấp phụ cực đại
V Thể tích nhũ dầu trong 1l dung dịch v
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Tiêu chuẩn để phân biệt hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý
DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ
Hình 2.1: Ảnh hưởng của pH đến sức căng bề mặt nhũ tương W/O
Hình 2.2: Ảnh hưởng của pH đến thời gian tổ chức lại bề mặt nhũ tương W/O
Hình 2.3: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến độ bền nhũ
Hình 2.4: Cơ chế hấp phụ
Hình 2.5: Các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ
Hình 2.6: Mối quan hệ ε = f(W)
Hình 2.7: Không gian hấp phụ
Hình 2.8: Tác hại của dầu loang đối với động vật
Hình 2.9: Tác hại đối với du lịch biển
Sơ đồ 2.10: Sơ đồ ứng cứu khi sự cố tràn dầu xảy ra
Hình 2.11: Mô hình diễn tả sự phân tán của chất hóa học.
Hình 2.12: Cây lúa và vỏ trấu
Sơ đồ 3.1: Sơ đồ nguyên lí của kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Hình 3.2: Nước thải nhiễm dầu
Hình 3.3: Nước thải nhiễm dầu dưới kính hiển vi với độ phóng đại 100 lần
Hình 4.1: Độ hấp phụ trong 3 giờ
Hình 4.2: Độ hấp phụ trong 5 giờ
Hình 4.3: Ảnh SEM của vật liệu biến tính MVT Me'
Hình 4.4: Phổ hồng ngoại (FT-IR) của vật liệu biến tính MVT Me'
Hình 4.5: Ảnh hưởng của kích thước
Hình 4.6: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy
Hình 4.7: Ảnh hưởng của thời gian
Hình 4.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ
Hình 4.9: Ảnh hưởng của pH
Hình 4.10: Ảnh hưởng của nồng độ dầu
Hình 4.11: Đồ thị để tìm các hằng số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Hình 4.12: Đồ thị để tìm các hằng số phương trình Freundlich
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Mục đích của đề tài này nhằm tìm kiếm vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm có thể sử dụng
cho quá trình xử lí nước thải nhiễm dầu.
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 2 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: vỏ trấu được lấy tại tỉnh Bà Rịa Vũng tàu
- Phạm vi nghiên cứu: Trong phòng thí nghiệm
5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Với đề tài em đang nghiên cứu từ những phế thải nông nghiệp như vỏ trấu
không chỉ giúp ích cho quá trình xử lí dầu loang trên biển để hạn chế một phần nào
đó sự ô nhiễm do dầu gây ra và ngoài ra còn góp phần vào việc giải quyết vấn đề
bãi chứa, đầu ra cho phế phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Xác định tính chất của chất hấp phụ bằng phương pháp SEM, phổ hồng
ngoại IR.
- Tiến hành các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ, pH, tốc
độ khuấy, nồng độ, kích thước vật liệu.
7. Dự kiến kết quả nghiên cứu
- Xác định được một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ.
- Đánh giá được khả năng sử dụng vật liệu hấp phụ từ vật liệu phế thải nông
nghiệp là vỏ trấu sử dụng cho quá trình xử lí ô nhiễm do tràn dầu trên biển.
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 3 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
nhiễm do sự cố tràn dầu trên biển” do Bộ Tài Nguyên và Môi Trường tổ chức ngày
28/02/2008 tại Hà Nội cho biết, kể từ năm 1992 Việt Nam đã xảy ra hơn 50 vụ tràn
dầu gây ra tổn thất lớn về sinh thái và kinh tế. Nguyên nhân dẫn đến sự cố tràn dầu
là do va chạm trong quá trình bốc dở và đắm tàu, điển hình là các sự cố tàu Formosa
One Liberia đâm vào tàu Petrolimex 01 của Việt Nam tại vịnh Giành Rỏi – Vũng
Tàu (tháng 09/2001) làm tràn ra môi trường biển ven bờ khoảng 1000 m
3
dầu diesel
(DO) gây ô nhiễm một vùng rộng lớn biển Vũng Tàu; 3 năm sau tại khu vực biển
Quảng Ninh – Hải Phòng, sự cố đắm tàu Mỹ Đình làm tràn khoảng 50 tấn dầu DO
và 150 tấn dầu FO, trong khi đó ta chỉ xử lý được 65 tấn, số còn lại hầu như tràn ra
biển … Đặc biệt, trong hai năm 2006 và 2007, tại ven biển các tỉnh miền Trung và
miền Nam đã xảy ra một sự cố tràn dầu bí ẩn, nhất là từ tháng 1 đến tháng 6/2007
có rất nhiều vệt dầu trôi dạt dọc bờ biển của 20 tỉnh từ đảo Bạch Long Vĩ xuống tới
mũi Cà Mau và đã thu gom được 1720.9 tấn dầu. Qua phân tích 26 ảnh chụp từ vệ
tinh ALOS – PALSAR trong thời điểm từ 06/12/2006 – 23/04/2007, PGS – TS
Nguyễn Đình Dương, Phòng Nghiên cứu và Xử lí Thông tin Môi trường, Viện Địa
lí đã ghi nhận được vết dầu lớn nhất phát hiện vào ngày 8/3/2007 với chiều dài hơn
50 km và bề rộng hơn 1 km. Căn cứ vào vết dầu loang gây ô nhiễm trên biển cùng
bề dày của vết dầu, ước tính có từ 21.620 – 51.400 tấn dầu đã tràn trên biển [22].
Các vụ tràn dầu trên gây ô nhiễm môi trường biển, ảnh hưởng nghiêm trọng đến
các hệ sinh thái. Đặc biệt là hệ sinh thái rừng ngập mặn, cỏ biển, vùng triều, bãi cát,
đầm phá và các rạn san hô. Ô nhiễm dầu làm giảm khả năng sức chống đỡ, tính linh
hoạt và khả năng khôi phục của các hệ sinh thái. Hàm lượng dầu trong nước tăng
cao, các màng dầu làm giảm khả năng trao đổi oxy giữa không khí và nước, làm
giảm oxy trong nước, làm cán cân điều hòa oxy trong hệ sinh thái bị đảo lộn … [3].
Chính vì vậy mà việc nghiên cứu để xử lí các ô nhiễm này đang được nhiều nhà
khoa học quan tâm với mong muốn tìm được vật liệu có độ hấp phụ cao, rẻ tiền và
không gây ảnh hưởng đến môi trường thứ cấp [12]. Mới đây, viện nghiên cứu năng
lượng hạt nhân Hàn Quốc (KAERI) đã chế tạo được một loại vật liệu thẩm thấu
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 6 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Chƣơng 2: LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1. Lí thuyết về nhũ tƣơng và quá trình hấp phụ
2.1.1. Lí thuyết về nhũ tương [5]
a. Sự hình thành và ổn định nhũ dầu mỏ
Sự hình thành nhũ
Phần lớn dầu thô được khai thác dưới dạng nhũ mà chủ yếu là nhũ nước trong
dầu. Loại nhũ này thường rất bền và khó phá. Đa số các nhà nghiên cứu cho rằng
trong điều kiện vỉa dầu hầu như không thể phân tán dầu khí nước, chúng chỉ bắt đầu
tạo thành trong quá trình chuyển động theo thân giếng lên bề mặt. Ở độ sâu 2000 m
và điều kiện áp suất 20 μPa thì một phần thể tích dầu mỏ có thể hòa tan tới 1000
phần thể tích khí. Khi lên đến bề mặt do giảm áp khí tách ra với năng lượng đủ lớn
để phân tán các giọt nước vỉa. Đó chính là nguyên nhân gây ra nhũ nước.
Phân loại nhũ dầu mỏ
Theo cách phân loại hệ phân tán dị thể, nhũ dầu mỏ được chia thành 3 loại
chính:
Nhóm 1: Nhũ nghịch nước trong dầu mỏ (W/O)
Đây là loại nhũ chính thường gặp trong khai thác dầu mỏ. Hàm lượng pha phân
tán (nước) trong môi trường phân tán (dầu mỏ) có thể thay đổi từ 90 ÷ 95%;
Nhóm 2: Nhũ thuận dầu mỏ trong nước (O/W)
Nhũ này tạo thành trong quá trình phá nhũ nghịch, trong quá trình tác động
nhiệt hơi nước lên vỉa và trong quá trình xử lý nước thải;
Nhóm 3: Nhũ hỗn hợp
Nhũ này có thể là nhũ thuận hay nhũ nghịch, trong đó pha phân tán cũng là nhũ
chứa các hạt nhỏ của môi trường phân tán. Nhũ này có thể xuất hiện khi đồng thời
có trong hệ hai chất tạo nhũ có tác động trái ngược nhau. Nhũ này đặc trưng bởi
hàm lượng tạp chất cơ học cao và khó phá. Nhũ này tích tụ trên ranh giới phân pha
Trong đó:
+
v
: tốc độ lắng hoặc nổi của hạt pha phân tán có bán kính r
+
nd
: hiệu tỷ trọng của pha phân tán và môi trường phân tán
+
: độ nhớt của môi trường phân tán
+ g: gia tốc trọng trường
Từ đó ta thấy rằng độ bền động học của nhũ dầu mỏ loãng tỷ lệ thuận với độ
nhớt của dầu thô, tỷ lệ nghịch với hiệu tỷ trọng của dầu thô và nước phân tán và tỷ
lệ nghịch với bình phương bán kính giọt nước.
Độ bền tập hợp: là khả năng của hạt pha phân tán khi va chạm với các
hạt khác hay ranh giới phân chia pha vẫn giữ nguyên được kích thước ban đầu của
mình. Độ bền tập hợp của nhũ được đo bằng thời gian tồn tại của chúng, đối với
nhũ dầu mỏ có thể dao động từ vài giây đến nhiều năm:
H
T
(2.2)
Trong đó:
+ H: chiều cao cột nhũ (cm)
+ v: tốc độ dài trung bình tự tách lớp của hệ (cm/s)
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
T
2( )*w *r
nd
(2.4)
Trong đó:
+ T: thời gian ly tâm của hệ với tốc độ góc đã cho (w, độ/s)
+ x
1
, x
2
: khoảng cách từ tâm quay đến mức trên và mức dưới của hệ nhũ
nghiên cứu trong ống ly tâm
b. Tính chất của nhũ dầu mỏ
Tỷ trọng
Tỷ trọng của nhũ được tính theo công thức:
nh
n
1
100 W 0.01*W
0.01*
d
+
dv
dL
: tốc độ trượt
+
: hệ số nhớt, ở nhiệt độ đã cho là đại lượng không đổi – const
Nhũ dầu mỏ là hệ phân tán, có độ nhớt dị thường và chuyển động của nó không
tuân theo định luật Newtơn. Đối với hệ này độ nhớt không phải là hằng số mà phụ
thuộc vào điều kiện chuyển động, trước hết là vào gradient tốc độ trượt.
Độ nhớt của nhũ có thể đo bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ngoài ra có thể
xác định độ nhớt của nhũ theo các phương pháp bán thực nghiệm, chẳng hạn như
phương trình Taylor:
e
e
2
5
*(1+2.5 * )
i
e
i
(2.7)
Trong đó:
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 10 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
tương và các hệ phân tán khác. Độ phân tán được đo bằng đường kính hạt phân tán
hay D =1/d gọi là độ phân tán. Hoặc biểu thị bằng bề mặt phân pha riêng trên một
đơn vị thể tích pha phân tán. Bề mặt riêng của nhũ chứa các hạt hình cầu bán kính r
tính theo phương trình:
2
1
3
4 3 6
(cm )
4
3
r
Sr
S
V r d
r
(2.9)
Bề mặt riêng tỉ lệ nghịch với kích thước hạt tùy theo đặc tính của dầu mỏ, nước
vỉa, điều kiện hình thành nhũ mà độ phân tán của nhũ thay đổi khác nhau. Kích
thước hạt nước dao động trong khoảng 0.2 ÷ 100 μm. Theo độ phân tán nhũ được
chia làm 3 loại:
Nhũ có độ phân tán nhỏ: kích thước giọt nhũ từ 0.2 ÷ 20 μm
(2.10)
Trong đó:
+
: sức căng bề mặt
+
o
: sức căng bề mặt ban đầu
+
eq
: giá trị cân bằng
+
: thời gian tổ chức lại bề mặt
Hình 2.1: Ảnh hưởng của pH đến sức căng bề mặt nhũ tương W/O [10]
( />dau-wo.html, trang 33)
Hình 2.2: Ảnh hưởng của pH đến thời gian tổ chức lại bề mặt nhũ tương W/O [10]
( />dau-wo.html, trang 33)
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 12 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Asphalten là chất lưỡng tính nên ở pH thấp (cation) và pH cao (anion) sẽ làm
tăng tính ưa nước của asphalten, làm cho chúng hoạt động bề mặt tích cực hơn tạo
lớp cấu trúc ổn định nhũ cao gây khó khăn cho quá trình phá nhũ. Hình 2.1, 2.2 cho
Hình 2.3: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến độ bền nhũ [11]
( />dau-wo.html, trang 23)
Ảnh hưởng của tạp chất cơ học
Trong quá trình tách nước, các tạp chất cơ học lắng tủa cùng với giọt nước trên
bề mặt phân pha, tạo ra một lớp trung gian đặc khó tách lớp. Đây chính là loại nhũ
hỗn hợp có độ bền cao, rất khó phá.
d. Các chất phá nhũ
Chất phá nhũ là các hợp chất hóa học được sử dụng rộng rãi để phá vỡ tính ổn
định của nhũ và tham gia trợ giúp cho quá trình liên kết của các giọt nhũ tương.
Những hợp chất đó được gọi chung là các chất phụ gia phá nhũ hoặc chất phụ gia
khử nước.
Các tính năng hoạt động một chất phá nhũ yêu cầu phải đạt được là:
Có khả năng hấp thụ mạnh vào bề mặt phân giới dầu – nước;
Tính kết tụ: chất phá nhũ phải có khả năng làm cho các giọt nước của
pha phân tán kết dính với nhau tạo thành từng chùm giống như chùm trứng cá;
Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2010-2014 Trường ĐHBRVT
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 14 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Tính liên kết: sau khi kết tụ từng chùm, lớp màng của các giọt nhũ vẫn
tồn tại. Lúc này chất phá nhũ phải trung hòa được chất nhũ hóa, xúc tác để làm rách
lớp màng thúc đẩy quá trình liên kết xảy ra, kết quả là làm tăng kích thước các giọt
nước phân tán, làm tăng tốc độ lắng;
Tính thấm ướt và thế chỗ cho lớp màng: nhờ đặc tính này mà các phần tử
rắn như: cát, đất sét … sẽ được thấm ướt. Nhờ đó mà chúng có thể rời khỏi bề mặt
phân giới để khuếch tán vào giọt nước và bị các giọt nước cuốn theo trong quá trình
lắng. Còn thành phần paraffin, asphanten thì nhờ tác dụng của chất phá nhũ làm
giảm độ nhớt của lớp màng bao bọc tạo điều kiện cho dầu thấm ướt chúng và hòa
tan chúng vào môi trường phân tán.
Một số hóa chất phá nhũ thường được sử dụng
Cuối cùng là giai đoạn lắng đọng tĩnh để tách các giọt phân tán ra khỏi
pha liên tục.
2.1.2. Lí thuyết về quá trình hấp phụ [20]
a. Khái niệm
Hấp phụ là quá trình hút khí (hơi) hoặc lỏng trên bề mặt vật liệu xốp nhờ các
lực bề mặt. Các vật liệu xốp được gọi là chất hấp phụ, chất khí (hơi) hoặc một chất
tan nào đó trong dung dịch có khả năng được làm giàu trên bề mặt chất hấp phụ gọi
là chất bị hấp phụ. Còn chất bị hấp phụ khi đã được “gắn” và bề mặt vật liệu xốp
gọi là chất đã bị hấp phụ.
b. Phân loại
Quá trình hấp phụ được chia thành hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học và hấp phụ
trao đổi ion.
Hấp phụ vật lý
Lực hấp phụ có bản chất như lực tương tác phân tử hay Vander Walls. Hấp phụ
vật lý luôn thuận nghịch. Hấp phụ vật lý là hấp phụ không định vị, các phân tử chất
bị hấp phụ có khả năng di chuyển trên bề mặt chất hấp phụ.
Hấp phụ vật lý tự diễn ra, chất bị hấp phụ có xu hướng bám lên trên toàn bộ bề
mặt chất hấp phụ, nhưng quá trình này bị cản trở bởi quá trình ngược (giải hấp).
Ưu điểm của quá trình hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch và không định
vị, điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi cần thu hồi chất bị hấp phụ có giá trị
hoặc cần hoàn nguyên chất hấp phụ đã bão hòa để tái sử dụng.
Copyright: Tài liệu đại học ©