Tổng hợp vật liệu carbon nano trên bề mặt carbon felt ứng dụng trong xử lý nước nhiễm dầu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ ĐỨC NGƯU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON NANO TRÊN BỀ MẶT CARBON FELT ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT HÓA HỌC Đà Nẵng – Năm 2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ ĐỨC NGƯU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON NANO TRÊN BỀ MẶT CARBON FELT ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU Chuyên ngành : Kỹ thuật hóa học Mã số: 852301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS TRƯƠNG HỮU TRÌ Đà Nẵng – Năm 2022 i LỜI CAM ĐOAN LIÊM CHÍNH HỌC THUẬT Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các thơng tin trích dẫn nghiên cứu rõ nguồn gốc rõ ràng, tuân theo định số 29/QĐ-ĐHBK ngày 09/01/2017 Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng liêm học thuật Nếu có vi phạm hành vi định bịa đặt, gian lận, đạo văn giúp người khác vi phạm, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Các số liệu, kết nêu luận văn tốt nghiệp trung thực chưa công bố cơng trình khác Học viên cao học Lê Đức Ngưu THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ii LỜI NÓI ĐẦU VÀ CÁM ƠN Ngày nay, nhu cầu sử dụng lượng ngày gia tăng để phục vụ cho sản xuất đời sống, nguồn lượng khai thác sử dụng ngày nhiều Trong dầu mỏ nguồn lượng hóa thạch giữ vai trị quan trọng Tuy vậy, vấn đề ô nhiễm môi trường phát sinh từ trình phát triển vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe, đời sống người, môi trường sinh thái Trong thập kỷ gần đây, vật liệu carbon nano nói chung CNTs nói riêng thu hút quan tâm rộng rãi chuyên gia, nhà khoa học khắp giới Nhờ vào tính chất bật vật liệu carbon nano nên chúng có nhiều tiềm ứng dụng lĩnh vực khác đời sống lượng, sản xuất vật liệu composite, xử lý cố môi trường Bên cạnh ưu điểm, loại vật liệu có số nhược điểm, gây số khó khăn trình sử dụng Vật liệu carbon nano tổng hợp dạng rắn có kích thước nhỏ dẫn đến khả thu hồi sau sử dụng trở nên khó khăn, gây trở lực lớn sử dụng làm chất mang xúc tác thiết bị phản ứng công nghiệp Với lý trên, tác giả tiến hành nghiên cứu với đề tài: “Tổng hợp vật liệu carbon nano bề mặt carbon felt ứng dụng xử lý nước nhiễm dầu” Trong trình nghiên cứu, tác giả gặp phải nhiều khó khăn, đặc biệt bối cảnh tình hình dịch bệnh phức tạp ln nỗ lực tìm kiếm hướng giải cho khó khăn Điều giúp tác giả trau dồi thêm nhiều kỹ ôn luyện lại kiến thức học Bên cạnh nỗ lực thân, tác giả xin chân thành cám ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy PGS.TS Trương Hữu Trì, người trực tiếp hướng dẫn suốt trình nghiên cứu, giúp đỡ q thầy Khoa Hố – Trường Đại học Bách khoa giúp tác giả hoàn thành nghiên cứu Học viên cao học Lê Đức Ngưu THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội iii MỤC LỤC Lời cam đoan liêm học thuật i Lời nói đầu cảm ơn .ii Mục lục iii Tóm tắt v Danh sách bảng biểu, hình vẽ, sơ đồ vi Danh sách ký hiệu, chữ viết tắt ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Vai trò dầu mỏ 1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường cố tràn dầu 1.2.1 Định nghĩa thuật ngữ tràn dầu 1.2.2 Mức độ nguồn gây cố tràn dầu 1.2.3 Những ảnh hưởng cố tràn dầu .10 1.3 Một số biện pháp xử lý cố tràn dầu 12 1.3.1 Biện pháp học .12 1.3.2 Biện pháp hóa học 13 1.3.3 Biện pháp sinh học 15 1.4 Hấp phụ 15 1.4.1 Định nghĩa .16 1.4.2 Hấp phụ vật lý hấp phụ hóa học 16 1.4.3 Phân loại vật liệu hấp phụ .17 1.4.4 Một số đặc tính cần thiết vật liệu hấp phụ dầu 19 1.5 Vật liệu carbon nano .20 1.5.1 Các dạng vật liệu carbon cấu trúc nano 20 1.5.2 Các tính chất carbon nano 22 1.5.3 Ứng dụng vật liệu carbon nano 23 1.5.4 Các phương pháp tổng hợp 24 1.5.5 Các phương pháp hóa lý đánh giá đặc tính vật liệu .27 1.5.6 Đánh giá độ xác thiết bị tổng hợp 36 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội iv CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 38 2.1 Nguyên liệu thí nghiệm 38 2.2 Quy trình tổng hợp 38 2.2.1 Q trình chức hóa chất mang 38 2.2.2 Tổng hợp xúc tác .39 2.2.3 Tổng hợp nano composite .40 2.3 Các phương pháp đánh giá cấu trúc vật liệu 42 2.3.1 Đánh giá hiệu suất thu sản phẩm .42 2.3.2 Đánh giá khả bám dính CNTs lên chất mang 42 2.3.3 Các phương pháp đánh giá tính chất sản phẩm .43 2.4 Quy trình đánh giá hấp phụ dầu vật liệu .43 2.4.1 Quá trình định tính 43 2.4.2 Quá trình định lượng .44 2.4.3 Quá trình thu hồi dầu tái sinh vật liệu 44 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Tổng hợp đánh giá đặc tính vật liệu .46 3.1.1 Chức hóa carbon felt .46 3.1.2 Tổng hợp đánh giá đặc tính vật liệu 47 3.1.3 Đánh giá độ xác thiết bị tổng hợp CVD 51 3.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến đặc tính sản phẩm .51 3.1.5 Ảnh hưởng hàm lượng pha hoạt tính xúc tác đến đặc tính sản phẩm 53 3.2 Đánh giá khả xử lý dầu vật liệu 55 3.2.1 So sánh khả kỵ nước vật liệu carbon felt 55 3.2.2 Đánh giá góc tương tác vật liệu với dầu với nước 55 3.2.3 Đánh giá định tính khả hấp thu dầu vật liệu 56 3.2.4 Đánh giá định lượng khả hấp thu dầu vật liệu 57 3.2.5 Đánh giá khả thu hồi dầu tái sử dụng vật liệu 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .63 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội v TÓM TẮT TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON NANO TRÊN BỀ MẶT CARBON FELT ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU Học viên: Lê Đức Ngưu; Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: Khóa: K40 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Carbon nano carbon felt loại vật liệu có tính chất bật, nhiên lại có số nhược điểm làm giảm khả sử dụng vào thực tế loại vật liệu, bao gồm ứng dụng vào xử lý môi trường Nhằm kết hợp ưu hạn chế khuyết điểm loại vật liệu thành phần, đề tài này, tác giả áp dụng phương pháp tổng hợp đưa đồng thời carbon nano CNTs lên bề mặt carbon felt phương pháp kết tụ hóa học pha (CVD) sử dụng hệ thống gia nhiệt trực tiếp đánh giá khả xử lý dầu sản phẩm sau tổng hợp Kết thu cho thấy tổng hợp thành công vật liệu nano composite C-CNTs đánh giá số đặc tính sản phẩm phương pháp SEM, TEM, BET, TGA XPS Kết khảo sát ảnh hưởng số điều kiện tổng hợp cho thấy thay đổi hiệu suất đặc tính sản phẩm phụ thuộc lớn vào điều kiện tổng hợp Bằng phương pháp đánh giá hấp thu, mẫu vật liệu có khả hấp thu dầu tốt Từ làm sở cho ứng dụng xử lý cố tràn dầu sau Từ khóa – Carbon nano, C-CNTs, carbon felt, SEM, TEM, BET, TGA, XPS, CVD SYNTHESIS CARBON NANO MATERIAL ON CARBON FELT AND APPLICATION IN THE OIL–WATER TREATMENT Abstract - Carbon nano materials and carbon felt are the materials with outstanding characteristics, but there are a number of disadvantages that reduced the practical uses of each material, including its application in environmental treatment In order to combine the advantages as well as limit the disadvantages for each type of component materials, in this study, the author applied the method of synthesizing CNTs on the surface of carbon felt by Chemical vapor decomposition method (CVD) using the direct heating system and evaluating the oil treatment ability of the product after synthesis The obtained results showed that CCNTs was successfully synthesized and some characteristics of the products were evaluated by SEM, TEM, BET, TGA, XPS methods The results of investigating the effects of some synthetic conditions showed that the change of the yield as well as product characteristics depended greatly on the synthetic conditions By the methods, the author evaluated the oil adsorption and retention ability of the material quite well From there, it forms the basis for future oil spill handling applications Key words – Carbon nano, C-CNTs, carbon felt, SEM, TEM, BET, TGA, XPS, CVD THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vi DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ Bảng 1.1 Bảng phân vị Student 37 Bảng 2.1 Điều kiện tổng hợp xúc tác 40 Bảng 2.2 Các điều kiện tổng hợp carbon nano ban đầu 42 Bảng 3.1 Thành phần nguyên tố trước sau chức hóa carbon felt 46 Bảng 3.2 Hiệu suất sản phẩm bề mặt riêng C-CNTs so với carbon felt 47 Bảng 3.3 Kết hiệu suất mẫu điều kiện 51 Hình Sơ đồ hệ thống tổng hợp carbon nano bề mặt carbon felt phương pháp CVD Hình 1.1 Sản lượng dầu thơ giới 30 năm qua (1990-2019) Hình 1.2 Biểu đồ cho thấy xu hướng tràn dầu toàn cầu từ tàu chở dầu Hình 1.3 Tỷ lệ vụ tràn dầu lớn theo hoạt động thời điểm xảy cố nguyên nhân gây tràn dầu giai đoạn 1970-2020 10 Hình 1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ lên HPVL&HPHH N2 17 Hình 1.5 Các loại vật liệu hấp phụ thơ sơ 18 Hình 1.6 Các loại vật liệu hấp phụ hữu tổng hợp 19 Hình 1.7 Các loại vật liệu hấp phụ vơ 19 Hình 1.8 Các dạng cấu trúc graphite, kim cương, Fullerene C60 21 Hình 1.9 Cấu trúc CNTs 21 Hình 1.10 Cấu trúc CNFs 22 Hình 1.11 Sơ đồ biểu diển thiết bị phản ứng hồ quang điện 25 Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý phương pháp cắt laser 26 Hình 1.13 Sơ đồ hệ thống thiết bị CVD dạng ống 26 Hình 1.14 Sơ đồ hệ thống thiết bị tổng hợp CVD gia nhiệt trực tiếp 27 Hình 1.15 Kính hiển vi điện tử qt (SEM) JEOL 6010- PLUS/LV, Phịng thí nghiệm thuộc mơn Cơng nghệ Hóa học Dầu khí – Bách khoa Đà Nẵng 28 Hình 1.16 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử qt (SEM) 28 Hình 1.17 Kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HR-TEM) 29 Hình 1.18 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao 30 Hình 1.19 Vịng trễ đường đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp 31 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vii Hình 1.20 Thiết bị đo hấp phụ đẳng nhiệt nitơ ASAP 2020 Phịng thí nghiệm thuộc mơn Cơng nghệ Hóa học Dầu khí – Bách khoa Đà Nẵng 32 Hình 1.21 Máy phân tích nhiệt trọng trường TGA STA 6000 PerkinElmer, Phịng thí nghiệm thuộc mơn Cơng nghệ Hóa học Dầu khí – Bách khoa Đà Nẵng 34 Hình 1.22 Phổ quang điện tử tia X - XPS số nguyên tố 35 Hình 1.23 Cấu tạo thiết bị XPS 35 Hình 2.1 Các giai đoạn tổng hợp carbon nano composite 38 Hình 2.2 Hệ thống thiết bị chức hóa carbon felt 39 Hình 2.3 Các giai đoạn tổng hợp xúc tác 40 Hình 2.4 Thiết bị tổng hợp carbon nano composite theo phương pháp CVD 41 Hình 2.5 Đồng hồ hiển thị áp suất sau hút chân khơng 41 Hình 2.6 Ảnh thiết bị trình khử oxide 41 Hình 2.7 Ảnh thiết bị trình tổng hợp carbon nano composite 42 Hình 2.8 Bể siêu âm Elmasonic S 60 H, Phịng thí nghiệm thuộc mơn Cơng nghệ Hóa học Dầu khí – Bách khoa Đà Nẵng 43 Hình 2.9 Sơ đồ quy trình định lượng phương pháp ngâm 44 Hình 2.10 Sơ đồ quy trình đánh giá khả thu hồi phương pháp ép 45 Hình 3.1 Kết XPS carbon felt trước (A, C) sau (B, D) chức hóa 46 Hình 3.2 Ảnh SEM phân bố xúc tác lên chất mang trước (A) sau (B) chức hóa 47 Hình 3.3 Hình thái bên ngồi (A, B) ảnh SEM mẫu trước (C), sau tổng hợp (D, E, F) 48 Hình 3.4 Ảnh TEM mẫu vật liệu nhiệt độ tổng hợp 725 oC 49 Hình 3.5 Quá trình đánh siêu âm mẫu tổng hợp 49 Hình 3.6 Đường hấp phụ giải hấp phụ sản phẩm 50 Hình 3.7 Giản đồ TGA carbon felt C-CNTs 50 Hình 3.8 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất giá trị BET 52 Hình 3.9 Ảnh SEM mẫu nhiệt độ tổng hợp khác 53 Hình 3.10 Ảnh hưởng nồng độ xúc tác đến hiệu suất giá trị BET 54 Hình 3.11 Ảnh SEM mẫu với nồng độ xúc tác khác 54 Hình 3.12 Tính kỵ nước Carbon felt (A) C-CNTs (B) 55 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội viii Hình 3.13 Góc thấm ướt vật liệu nước với hàm lượng CNTs khác 56 Hình 3.14 Góc thấm ướt vật liệu với dầu Diesel 56 Hình 3.15 Tốc độ hấp thu dầu vật liệu 57 Hình 3.16 Khả hấp thu lưu giữ dầu DO mẫu 57 Hình 3.17 Quá trình đốt để tái sinh mẫu sau hấp thu dầu 58 Hình 3.18 Quá trình rửa dung môi để tái sinh mẫu sau hấp thu dầu 59 Hình 3.19 Quá trình ép học tái sinh mẫu sau hấp thu dầu 59 Hình 3.20 Khả hấp thu thu hồi dầu DO từ phương pháp tái sinh 60 Hình 3.21 Khả thu hồi dầu DO phương pháp ép 61 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... cứu - Tổng hợp xúc tác - Tổng hợp carbon nano định hình carbon felt - Đánh giá đặc tính vi cấu trúc vật liệu - Nghiên cứu khả hấp thu dầu vật liệu Tổng hợp vật liệu carbon nano /carbon felt phương... vật liệu hướng nghiên cứu thú vị mở rộng khả ứng dụng nhóm vật liệu Việc kết hợp hai loại vật liệu thực thông qua trình tổng hợp đưa đồng thời vật liệu carbon nano bề mặt carbon felt Vật liệu. .. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ ĐỨC NGƯU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON NANO TRÊN BỀ MẶT CARBON FELT ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC NHIỄM DẦU Chuyên ngành : Kỹ thuật hóa học Mã số: 852301 LUẬN