Phân chia hệ nhũ tương dầu nước

Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc LờI CảM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy Phạm Văn Thiêm thầy Hoàng Tuấn Bằng đà tận tình hớng dẫn, giúp đỡ em suốt trình làm tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô môn Công Nghệ Hữu Cơ Hoá Dầu, môn Quá Trình Thiết Bị trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội tất bạn đà giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình làm đồ án Nhân dịp em xin cảm ơn tất Thầy, Cô đà dạy em suốt thời gian học trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2002 Sinh viên Nguyễn Đình Nhật Mục lục Trang Chơng I: tổng quan I.khái niệm nhũ tơng II.Phân loại nhũ tơng Phân loại dựa vào pha phân tán Phân loại theo nồng độ thể tích mà pha phân tán chiếm Nhận biết nhũ tơng dầu nớc nhũ tơng nớc dầu Sinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá Dầu I-K42 Trang1 Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc III Chế tạo nhũ tơng Phơng pháp ngng tụ Phơng pháp phân tán IV.Lý thuyết ổn định nhũ tơng Hiện tợng tách nhũ ảnh hởng điện tích đến ổn định nhũ tơng Các yếu tố bề mặt ổn định nhũ tơng Các tác nhân tạo nhũ 4.a.Sức căng bề mặt dung dịch chất nhũ hoá 4.b Chọn chất nhũ hoá 4.c Chất hoạt động bề mặt Lựa chọn chất phá nhũ Chơng II : Phơng pháp nghiên cứu I.Kích thớc phân bố tập hợp giọt nhũ tơng 1.Kích thớc, thành phần phân bố kích thớc giọt Các phơng pháp xác định kích thớc giọt Phân bố kích thớc giọt Các hàm phân bố thờng gặp tập hợp giọt Đánh giá tính tơng hợp hàm phân bố 6.Biểu diễn phân bố tập hợp giọt II.Qui trình thí nghiệm Tạo mẫu nhũ tơng dầu nớc Tiến hành thí nghiệm phá nhũ Phơng pháp xác định lợng dầu nớc tiến hành phòng thí nghiệm III.Phơng pháp kế hoạch hoá thực nghiệm 1.Kế hoạch toàn phơng Tối u hoá phơng pháp leo dốc bề mặt mức Mô tả miền hầu nh ổn định (miền dừng cực trị) Kế hoạch trực giao bậc IV.phơng pháp tuyển nối Những khái niệm tuyển Phân loại tuyển Nội dung tuyển bọt ứng dụng phơng pháp tuyển bọt Sinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá Dầu I-K42 Trang2 Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc Chơng III : kết thảo luận I Kết thí nghiệm mô tả toán học Tính hệ số bj mô hình Kiểm tra tơng hợp hệ số bj kiểm tra tính tơng hợp mô hình Lập mô hình bậc hai Mở đầu Hiện nớc ta công nghiệp dầu khí nghành phát triển mạnh Nó cung cấp hầu hết sản phẩm hoá học , tổng hợp hữu hoá dầu, làm nhiên liệu cung cấp cho nhiều nghành công nghiệp khác Cùng với phát triển mạnh nghành công nghiệp dầu khí nẩy sinh vấn đề súc kèm theo ô nhiễm môi trờng qua trình khảo sát địa chấn , khoan thăm dò tìm kiếm khai thác dầu khí nh ô nhiễm trình sử dụng Hiện nớc ta khai thác số mỏ nh Bạch Hổ , Đại Hùng chuẩn bị khai thác số mỏ nh Rạng Đông , Ruby , Hồng Ngọc Do ô nhiễm mặt nDo ô nhiễm mặt n ớc khai thác sử dụng tránh khỏi Ngoai trình hoạt động xảy cố làm tràn dầu biển nh rò rỉ dầu bơm tải tiếp dầu , vỡ nứt đờng ống , va chạm tầu chở dầu Theo số liệu thống kê cđa cơc m«i trêng Bé khoa häc c«ng nghƯ m«i tròng năm gần có cố nh : Ngày 10-11996 cố tràn dầu lô khơi vũng tầu dầu diezen tràn từ khoan nhiên liệu tầu dịch vụ với lợng 85m3, cố xảy vào 8-1998 Cát Lái Bên cạnh vấn đề ô nhiễm môi trờng biển cố xảy vấn đề ô nhiễm các chất thải nhà máy xí nghiệp có sử dụng dầu vấn đề cần phải giải gây tác hại trực tiếp tới nguồn nớc sinh hoạt sức khoẻ ngời Sinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá Dầu I-K42 Trang3 Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc Do tác hại kể mà việc phân chia tách dầu khỏi nớc vấn đề thiết thực cấp bách Chơng i: tổng quan i khái niệm nhũ tơng Nhũ tơng hệ phân tán hai chất lỏng không tan lẫn tan vào nhau, hai chất lỏng phân tán vào chất lỏng dới dạng giọt nhỏ, kích thớc giọt chất lỏng biến đổi phạm vi rộng Dạng nhũ tơng tuỳ thuộc vào loại chất nhũ hoá đợc sử dụng, nhiệt độ khối lợng pha sư dơng NÕu pha láng nµo dƠ hoµ tan chất nhũ hoá có xu hớng trở thành pha liên tục Trong nhũ tơng kích thớc giọt không đồng Kích thớc giọt phụ thuộc vào phơng pháp chế tạo nhũ nồng độ chất nhũ hoá Cũng nh hệ phân tán khác, nhũ tơng hệ không bền nhiệt động Do để trì nhũ tơng tạo đợc phải cho vào hệ chất bảo vệ (chất nhũ hoá) II.Phân loại nhũ tơng 1.Phân loại dựa vào pha phân tán Trong thực tế thờng tồn hai loại nhũ tơng là: -Nhũ tơng dầu/nớc hay gọi nhũ tơng thuận loại nhũ tơng mà pha phân tán dầu pha liên tục nớc -Nhũ tơng nớc/dầu hay gọi nhũ tơng nghịch pha phân tán nớc pha liên tục dầu 2.phâ loại theo nồng độ thể tích mà pha phân tán chiếm Nhũ tơng loÃng Đây loại nhũ tơng mà pha phân tán chiếm 0,1%-0,2% thể hệ Giới hạn 0,1%-0,2% tuỳ thuộc vào chất hai pha mà nhũ tơng Nhũ tơng loÃng tồn dạng giọt có đờng kính khoảng 0,1m Nhũ tơng pha loÃng có tính chất hệ keo điển hình, hệ có điện tích tuân theo quy tắc keo tụ Điện tích xuất giọt pha phân tán hấp phụ ion chất điện ly vô có mặt môi trờng Vì nồng độ nhỏ Sinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá Dầu I-K42 Trang4 Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc nên nhũ tơng có độ bền tập hợp lớn Điện tích xuất giọt pha phân tán hấp phụ ion chất điện ly vô có mặt môi trờng Vì nồng độ hạt nhỏ nên nhũ tơng loÃng có độ bền tập hợp hạt lớn Nhũ tơng đặc Với nhũ tơng đặc pha phân tán thờng chiếm khoảng 0,2% đến 74% thể tích hệ Đờng kính giọt nhũ tơng đặc vào khoảng 0,1đến 1m Nhũ tơng đặc bền, hệ thờng phải có chất nhũ hoá bảo vệ Nhũ tơng đặc dễ sa lắng lên trên, pha phân tán có khối lợng riêng lớn khối lợng riêng môi trờng giọt sa lắng ngợc lại giọt lên Nhũ tơng đậm đặc Pha phân tán chiếm từ 74 đến 99% thể tích hệ Nhũ tơng loại tồn có chất nhũ hoá tốt Dung dịch chất nhũ hoá nằm giọt pha phân tán dới dạng màng mỏng, độ dày màng nhũ tơng mỏng tới 100A0 bé giọt cầu biến dạng thành hình đa diện đợc ngăn cách với màng mỏng chất nhũ hoá pha ( pha liên tục ) số trờng hợp hệ tạo thành khối gel, có ranh giới phân chia pha phức tạp Hinh1.1 Nhũ tơng dầu/nớcvà nhũ tơng nớc/dầu 3.Nhận biết nhũ tơng dầu nớc nhũ tơng nớc dầu Có thể nhận biết hai loại nhũ tơng cách: Sinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá Dầu I-K42 Trang5 Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc -Thêm chất màu có khả tan vào hai pha ( pha phân tán ) ( pha liên tục ) mà qua kính hiển vi dễ dàng phân biệt đợc -Thêm nớc trộn lẫn nhũ tơng loai dầu/nớc mà không trộn lẫn nhũ tơng loại nớc/dầu -Độ dẫn điện nhũ tơng dầu/nớc lớn nhũ tơng nớc dầu III.chế tạo nhũ tơng Có hai phơng pháp chế tạo nhũ tơng là: - phơng pháp ngng tụ - Phơng pháp phân tán 1.phng pháp ngng tơ Cho chÊt láng A hoµ tan vao chÊt láng B trạng thái bÃo hoà Nếu trạng thái bÃo hoà bị phá vỡ tạo thành nhũ tơng Việc phá vỡ trạng thái bÃo hoà thực cách hạ nhiệt độ dung dịch thay đổi nồng độ dung dịch để giảm đô hoà tan Phơng pháp đợc dùng công nghiệp 2.phơng pháp phân tán Quá trình tạo nhũ xảy cách tự nhiên dầu có khả nhũ hóa hay hoà tan Hoặc dùng lực học đẻ phân tán pha vào pha IV.Lý thuyết ổn định nhũ tơng 1.Hiện tợng tách nhũ Để nhũ tơng có độ ổn định cao, kích thớc giọt nhũ phải nhỏ, phân bố kích thớc giọt hẹp Quá trình phá vỡ ổn định nhũ tơng xảy nh sau: Lắng đọng Tập hợp giọt nhũ Kết tụ Nhũ tơng Tập hợp giọt nhũ Sinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá Dầu I-K42 Lắng đọng Trang6 Tách nhũ Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc HìnhI-2: Quá trình phá vỡ nhũ tơng Ban đầu cã sù kh¸c vỊ tû träng giưa pha phân tán môi trờng phân tán, nhũ tơng bị phân làm hai phần có nồng độ chất phân tán thay đổi so với nhũ tơng ban đầu; phần chứa nhiều giọt nhũ phân tán phần Tốc độ lấng giọt nhũ chất lỏng đợc tính phơng trình Stoke: 2 gr ( d 1d ) u= Ơ đây: u: tốc độ lắng r: bán kính giọt nhũ d1,d2:là tỷ trọng chất phân tán môi trờng phân tán : độ nhớt môi trờng phân tán g: gia tốc trọng trờng Từ phơng trình Stoke thấy để làm giảm trình lắng giọt nhũ, nhũ tơng phải có phân bố kÝch thíc hĐp, kÝch thíc giät nhá, hc tû träng pha tạo nên nhũ tơng phải xấp xỉ nhau, điều khó thực đợc số trờng hợp cụ thể Quá trình lắng đọng trở lại dạng nhũ tơng ban đầu nhờ khuấy trộn mạnh Quá trình phá nhũ hoàn toàn xảy giọt nhũ kết hợp lại với thành giọt lớn làm giảm số giọt nhũ tơng Quá trình kết hợp xảy liên tục, đến lúc nhũ tơng bị phân tán thành hai pha riêng biệt Quá trình kết tụ xảy theo hai bớc Ban đầu giọt nhũ có xu hớng tập hợp lai, tạo thành tập hợp giọt Tập hợp giọt làm tăng tốc độ lắng pha phân tán Các giọt nhũ tập hợp giọt tiÕp xóc trùc tiÕp víi ph©n tư chÊt nhũ hoá bề mặt giọt nhũ bị khử hấp thụ Do chúng kết hợp lại với tạo thành giọt lớn Nh lực hấp thụ chất nhũ hoá pha phân tán có ý nghĩa quan trọng trình ngăn cản kết tụ giọt Sinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá Dầu I-K42 Trang7 Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc 2.ảnh hởng điện tích đến ổn định nhũ tơng ảnh hởng điện tích đến độ ổn định nhũ tơng đợc biết đến sớm, nhng phải đến thời gian gần đây, ngời ta nghiên cứu lý thuyết cách tỉ mỉ Đặc biệt cần phải quan tâm ảnh hởng việc tích điện giọt nhũ tơng +Nguồn gốc dấu hiệu tích điện lên giọt nhũ tơng Việc tích điện lên giọt hệ keo sinh theo c¸ch sau: - Sù ion ho¸ - Sù hÊp phơ - Sù tÝch ®iƯn va chạm Sự ổn định nhũ tơng đợc coi nh xuất phần tử tác nhân tạo nhũ bề mặt giọt Khi phần tử hấp phụ bề mặt phân chia pha đặc biệt xét đến hệ nhũ tơng dầu/ nớc nguồn gốc việc tích điện bề mặt xuất phát từ trình ion hoá cđa nhãm hoµ tan níc VÝ dơ: Mét hƯ nhũ tơng dầu/nớc đợc ổn định xà phòng lý để hi vọng phần đầu nhóm cacboxyl thâm nhập qua lớp bề mặt vào pha nớc đợc ion hoá Nhóm cacboxyl (COOH) nhóm hình thành lên bề mặt giọt Các giọt đợc bao quanh lớp điện tích âm Sự ổn định nhũ tơng tác nhân bề mặt không sinh ion chất không ion hoá khó minh hoạ cho việc tích điện lên bề mặt theo chế Tuy nhiên, giả thuyết hấp phụ lên bề mặt có tính thuyết phơc h¬n VÝ dơ: Sù hÊp phơ cđa ion tõ pha nớc xảy Xét theo cách khác xảy tích điện có va chạm giọt, tơng tự nh việc xuất điện tích chà xát miếng hổ phách vào lụa tơ tằm Theo kết luận nhiều nhà nghiên cứu khác chế việc tích điện va chạm đợc coi chấp nhận đợc Trong trờng hợp nhũ tơng đợc ổn định xà phòng tích điện âm nh đà cho thấy Trờng hợp nhũ tơng đợc ổn định tác nhân tạo nhũ cation, giải thích tích điện dSinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá Dầu I-K42 Trang8 Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc ơng cđa giät Nãi mét c¸ch kh¸c, ngêi ta cịng dù đoán trớc đợc dấu hiệu việc tích điện nhũ tơng ổn định chế kết hợp hấp phụ ion hoá Việc đợc đơn giản hoá xÐt xÐt tíi tÇm quan träng cđa thÕ điện tích Zeta nhũ tơng Theo quy tắc Coehm, chất có số điện di cao đợc tích điện dơng tiếp xúc với chất khác có số điện di thấp Bởi nớc có số điện di cao hầu hết chất pha khác giọt nhũ tơng Các giọt nhũ tơng dầu/nớc có tích điện âm Mặt khác, giọt nớc nhũ tơng nớc/dầu tích điện dơng Lu ý quy luật Coeh đợc chứng minh tính điện di không đợc coi nh tính chuẩn xác khả tạo nhũ Nh việc tích điện giọt, nh hạt keo kỵ nớc đóng góp vào việc ổn định hệ lực đẩy chung hạt tích điện ngăn cản việc tiếp xúc kết tơ cđa chóng + Líp ®iƯn kÐp Helmholtz: Helmhotz ®a khái niệm lớp điện kép, tích điện hạt keo kỵ nớc kết phân phối không ion bề mặt giọt Nếu ion tích điện gần hạt ion có điện tích đối đợc xếp song song với chúng tạo nên lớp điện tích kép biểu diễn dạng hạt hình cầu Sự phân bố điện tích hàm khoảng cách từ bề mặt hạt thể hình 1.3 Sự phân bố tơng tự nh tạo thành hai hình cầu đồng tâm + Lớp điện kép khuếch tán Gony: Xét tới cân đối ion có giả định phải có ion định hớng đặn để hình thành lớp Helmholtz Để khắc phục mặt cha hiệu thuyết Gony đà cho lớp kép đợc khuyếch tán phía gồm lớp ion có mật độ điện tích giảm theo qui luật số mũ Sinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá Dầu I-K42 Trang9 Đồ án tốt nghiệp Phân chia hệ nhũ tơng dầu nớc x x x (A) (B) (C) Hình 1.3 (A) - Lớp điện tích Helmhol (B) - Líp ®iƯn tÝch kÐp Gouy (C) - Líp ®iƯn tích kép Stern Lu ý việc giảm bán kính hạt cầu tới kích thớc cần thiết theo thuyết Debye-Huckel, để có điện tích bền Gony đa vào phơng trình Poisson dẫn đến phơng trình thông số k (hình 1.3) k= π nz e2 ε kT (I.2.1) Trong ®ã: Z hoá trị ion tích điện trái dấu với ®iƯn tÝch bỊ mỈt n : sè ion 1cm3 lớp điện tích kép e : điện tích nguyên tè : h»ng sè ®iƯn di k: h»ng sè Bolzman’s t: nhiệt độ tuyệt đối k: khoảng cách tơng ứng từ mặt phẳng hạt chứa hầu hết điện tích hạt Nh 1/k đờng kính hiệu dụng hạt độ dày lớp kép tỉ lệ với n1/2 + Lớp kép khuếch tán Stern: Mặc dï kh¸i niƯm cđa Gony cã mét ý nghÜa nhÊt định lớp khuếch tán nhng số nhợc điểm Để khắc phục nhợc điểm Stern đà kết hợp lý thuyết Helmholtz Gony Theo thuyết Stern lớp điện tích kép gồm hai phần: Sinh viên : Nguyễn Đình Nhật Lớp : Hoá DÇu I-K42 Trang10