tóm tắt: Nghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp

Nghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệpNghiên cứu chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Bùi Tiến Thành

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHŨ TƯƠNG CATION POLYACRYLAMIT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRÙNG HỢP NHŨ TƯƠNG NGHỊCH ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG

XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP

Ngành: Kỹ thuật Hóa học

Mã số: 9520301

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Hà Nội – 2024

Công trình được hoàn thành tại:

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

Vào hồi giờ, ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

Thư viện Tạ Quang Bửu – ĐHBK Hà Nội

Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

2

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

Công nghiệp ngày càng phát triển kéo theo những hệ lụy về ô nhiễm môi trường ngày một nghiêm trọng Hiện nay, có một lượng lớn nước thải từ các nhà máy, khu công nghiệp, nước thải sinh hoạt chưa được xử lý xả trực tiếp ra sông, hồ, gây ô nhiễm nguồn nước Theo vòng tuần hoàn, nguồn nước ô nhiễm còn gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, làm mất môi trường sống thủy sinh của nhiều động, thực vật dưới nước, gây ảnh hưởng đến nguồn nước để trồng trọt, tưới tiêu Nhận thấy vấn đề cấp bách đó nhiều quốc gia đã

và đang có nhiều chiến lược hành động mang tính cấp bách nhằm phục

vụ xử lý nước thải

Trong những năm gần đây, các vật liệu polyme tự nhiên và các polyme tổng hợp được sử dụng một cách rộng rãi làm chất trợ keo tụ

để loại bỏ các chất hữu cơ, vô cơ hoặc cặn lơ lửng trong các quá trình

xử lý nước thải Trong đó, các polyme thuộc họ polyacrylamit được

sử dụng phổ biến hơn cả với các ứng dụng quan trọng trong các ngành như xử lý nước thải, khai khoáng, sản xuất giấy, sản xuất hóa mỹ phẩm… Nhu cầu về thị trường polyacrylamit được dự báo ngày càng tăng, đặc biệt là cation polyacrylamit (CPAM)

Ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu sử dụng CPAM cho các ngành công nghiệp rất lớn, đặc biệt là ứng dụng của nhũ tương CPAM cho xử lý nước thải ngày càng được quan tâm Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại chưa có công trình nghiên cứu chế tạo cũng như chưa có đơn

vị sản xuất nhũ tương CPAM nào được công bố trong nước Bên cạnh

đó, việc phải nhập khẩu CPAM cũng gây ra nhiều vấn đề bất cập có thể kể đến như: thời gian vận chuyển kéo dài không đáp ứng được nhu cầu cấp bách của các doanh nghiệp, sản phẩm bị quá hạn sử dụng và dịch vụ sau bán hàng chưa tốt…Chính vì những lý do đó, việc nghiên cứu tổng hợp được nhũ tương CPAM và phát triển ở quy mô công nghiệp nhằm nội địa hóa nguồn nguyên vật liệu giảm thiểu các bất cập

do quá trình nhập khẩu, nâng cao vị thế của khoa học công nghệ Việt Nam là hoàn toàn cần thiết Với cách tiếp cận như vậy, nghiên cứu

sinh đã đề xuất triển khai đề tài luận án: “Nghiên cứu chế tạo nhũ

tương cation polyacrylamit bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp”

Mục tiêu của luận án:

Làm chủ công nghệ chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit ở quy

mô công nghiệp có tính năng tương đương với các thương phẩm trên thị trường, xác định được giải pháp nhằm giảm thời gian nghiên cứu phát triển mà vẫn đảm bảo yêu cầu về chất lượng sản phẩm nhằm đáp ứng nhanh các nhu cầu đa dạng về hàm lượng cation khác nhau của các chủng loại sản phẩm CPAM trong xử lý nước thải công nghiệp

Từ đó giúp nội địa hóa nguồn nguyên vật liệu nhũ tương CPAM phục

vụ sản xuất trong nước, giảm chi phí vận chuyển đồng thời khắc phục một trong những hạn chế của nhũ tương cation polyacrylamit nhập khẩu như thời hạn sử dụng ngắn do tính ổn định không cao, trong khi

đó thời gian vận chuyển bị kéo dài bởi nhiều nguyên nhân khác nhau

Nội dung luận án bao gồm:

1 Nghiên cứu khảo sát các điều kiện phản ứng tối ưu phục vụ chế tạo nhũ tương cation polyacrylamit bằng phương pháp đồng trùng hợp nhũ tương nghịch nhằm thu được các sản phẩm có tính năng phù hợp cho định hướng xử lý nước thải công nghiệp

2 Tối ưu hóa quy trình công nghệ và tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị dây chuyền sản xuất nhũ tương sản xuất nhũ tương CPAM quy

mô công nghiệp

3 Kiểm tra các tính chất và đánh giá khả năng xử lý nước thải của sản phẩm nhũ tương CPAM chế tạo được so với các thương phẩm CPAM có đặc tính tương đương trên thị trường

Những đóng góp mới của luận án:

1 Nghiên cứu đã đưa ra được mô hình cho phép lựa chọn các thông số công nghệ phục vụ cho quá trình tổng hợp nhũ tương CPAM bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch nhằm thu được các sản phẩm có hàm lượng cation đa dạng định hướng ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm

và ứng dụng phần mềm Design Expert

2 Đã tính toán và đưa ra được các thông số thiết kế cũng như chế tao thử nghiệm hệ thống dây chuyền tổng hợp nhũ tương CPAM theo phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch tại Việt Nam từ các kết quả nhận được trong các phần thực nghiệm nghiên cứu của luận án

3 Đã sản xuất thử nghiệm được CPAM có hàm lượng cation cao với các đặc tính kỹ thuật tương đương với các sản phẩm được tổng hợp ở quy mô phòng thí nghiệm Sản phẩm CPAM tổng hợp được đã được đánh giá thử nghiệm trong xử lý nước thải nhà máy sản xuất giấy

và đạt được hiệu quả tương đương sản phẩm nhập ngoại

Bố cục của luận án:

Luận án gồm 108 trang với 42 bảng biểu, 58 hình vẽ, 137 tài liệu tham khảo được cập nhật đến năm 2023 Cụ thể, bố cục của luận án bao gồm phần mở đầu (04 trang), chương 1 – Tổng quan (32 trang), chương 2 – Hóa chất và phương pháp nghiên cứu (18 trang), chương

3 – Kết quả và Thảo luận (55 trang), Kết luận (02 trang), Danh mục các công trình đã công bố của luận án (01 trang) và Tài liệu tham khảo (16 trang)

NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN

MỞ ĐẦU

Trình bày lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và những đóng góp mới của luận án

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trình bày các thông tin về cation polyacrylamit và ứng dụng của

nó Trình bày các kiến thức chung về phản ứng đồng trùng hợp, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về CPAM

CHƯƠNG 2: HÓA CHẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU 2.1 Hóa chất, thiết bị và dụng cụ

Trình bày đầy đủ các hóa chất, các dụng cụ và thiết bị phản ứng phục vụ cho nghiên cứu

2.2 Các bài toán khảo sát điều kiện tối ưu được thực hiện trong nghiên cứu

Các bài toán được thực hiện triển khai khảo sát trong luận án được trình bày như Bảng 2.3:

Bảng 2.3 Các bài toán tối ưu sử dụng trong nghiên cứu

STT Tên bài toán

Thông

số khảo sát (k)

Số thí nghiệm

ở tâm (n0)

Số thí nghiệm (N)

của lưu lượng bổ

sung chất khơi mào

Phương pháp truyền thống

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình tổng hợp nhũ tương CPAM

Hình 2.4 Sơ đồ phản ứng tổng hợp nhũ tương nghịch CPAM

2.4 Quy trình thử nghiệm xử lý mẫu nước thải quy mô phòng thí nghiệm

Sơ đồ quy trình thử nghiệm xử lý mẫu nước thải quy mô phòng thí nghiệm được trình bày như Hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình xử lý nước thải

2.5 Các bước xây dựng quy trình sản xuất quay mô công nghiệp

Trình tự các bước nghiên cứu và hoàn thiện quy trình sản xuất nhũ tương CPAM quy mô công nghiệp như sau:

Bước 1: Hoàn thiện quy trình công nghệ

Bước 2: Thiết kế và chế tạo thiết bị phản ứng quy mô công nghiệp Bước 3: Kiểm chứng các thông số tối ưu từ quy mô phòng thí

nghiệm

Bước 4: Thử nghiệm mẫu chế tạo ở quy mô công nghiệp và thử

nghiệm trên dây chuyền xử lý nước thải thực tế

2.6 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án bao gồm: phương pháp vật lý, phương pháp hóa học, phương pháp quy hoạch thực nghiệm sử dụng phần mềm Design Expert và các phương pháp phân tích hiện đại như phổ hồng ngoại (FTIR), phổ cộng hưởng

từ hạt nhân proton (1H-NMR), sắc ký thẩm thấu qua gel (GPC), tán xạ ánh sáng động (DLS), phương pháp nhiệt trọng lượng (TGA), kính hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp phụ nitơ (BET), và các phương pháp phân tích chỉ tiêu nước thải …

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Khảo sát lựa chọn chất khơi mào và hàm lượng chất khơi mào

Mục đích của nghiên cứu khảo sát này là kiểm tra và lựa chọn hệ chất khơi mào phù hợp Hai hệ chất khơi mào được lựa chọn khảo sát bao gồm: hệ khơi mào thứ nhất với sự kết hợp sử dụng AIBA (V50)

& AIBN (V60) và hệ khơi mào thứ hai là sự kết hợp của AIBA (V50)

& khơi mào oxi hóa khử KPS/NaHSO3 Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu đã được công bố, đã lựa chọn được miền khảo sát cho các yếu tố ảnh hưởng với từng hệ chất khơi mào bao gồm: A1 là tổng hàm lượng khối lượng của chất khơi mào so với tổng khối lượng monome tham phản ứng trong khoảng biến thiên từ 0,1 – 0,7%, B1 là hàm lượng khối lượng của chất khơi mào V50 so với tổng hàm lượng chất khơi mào sử dụng (A1) trong khoảng biến thiên 0 – 20% Các thông số cố định bao gồm thành phần khối lượng pha dầu 50%, pha nước 50% so với tổng khối lượng hệ nhũ tương, nồng độ khối lượng monome là 20% so với tổng hệ nhũ tương (tương đương 40% so với pha phân tán), tỷ lệ khối lượng của các monome AM và monome DMC là 4:1, giá trị pH được điều chỉnh ở giá trị 4,5 và hàm lượng chất nhũ hóa là 4%, tốc độ khuấy 2000 rpm, nhiệt độ 60°C và thời gian phản ứng trong

6 giờ

Như vậy, bằng khảo sát này, hệ chất khơi mào V50 kết hợp với KPS/NaHSO3 đã được lựa chọn làm chất khơi mào cho phản ứng đồng trùng hợp nhũ tương nghịch CPAM Cùng với đó, hàm lượng của chất khơi mào tối ưu được lựa chọn trong khoảng 0,3% – 0,5%, hàm lượng của khơi mào V50 chiếm tỷ lệ trong khoảng 5 – 15% so với tổng hàm lượng chất khơi mào là những điều kiện được lựa chọn cho các nghiên cứu khảo sát tiếp theo trong luận án

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất nhũ hóa

Mục đích của nghiên cứu này là khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng chất nhũ hóa được tạo bởi Span 80 (HLB=4,3) và Tween 85 (HLB=11) đến tính chất của sản phẩm thu được như khối lượng phân

tử trung bình của polyme, kích thước hạt, sự phân bố kích thước hạt

… và độ chuyển hóa của phản ứng Trên cơ sở tham khảo nghiên cứu

đã được công bố trước đó, hàm lượng chất nhũ hóa được khảo sát tìm điểm tối ưu trong khoảng giá trị biến thiên từ 1,94% đến 9,41% Các điều kiện khác cố định trong các phản ứng khảo sát được thực hiện

như bài toán một khảo sát hàm lượng chất khơi mào (mục 3.1), tổng hàm lượng chất khơi mào (V50 & KPS/NaHSO3) sử dụng là 0,5% so với khối lượng của monome, trong đó hàm lượng V50 là 5% so với tổng hàm lượng khối lượng của chất khơi mào Chỉ số HLB được lựa chọn là 5,84 trên cơ sở khảo sát phần trăm khối lượng của hai chất nhũ hóa so với tổng khối lượng của hai chất nhũ hóa, trong đó phần trăm khối lượng của Span là 77% và Tween là 23%

Qua kết quả phân tích của bài toán, tại hàm lượng chất nhũ hóa là 7,77% của hệ chất nhũ hóa được tạo bởi Span 80 và Tween 85 phối trộn theo tỷ lệ để có chỉ số HLB là 5,84 đã cho kết quả tối ưu về khối lượng phân tử của CPAM và độ chuyển hóa của phản ứng tổng hợp nhũ tương CPAM Đây là điều kiện phản ứng tối ưu được sử dụng cho các nghiên cứu khảo sát tiếp theo trong luận án

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ khuấy, thời gian và nhiệt độ phản ứng

Mục đích của khảo sát là đánh giá sự ảnh hưởng của tốc độ khuấy, thời gian phản ứng và nhiệt độ phản ứng đến khối lượng phân tử và độ chuyển hóa của phản ứng để tổng hợp nhũ tương CPAM Trên cơ sở tham khảo kết quả của một số nghiên cứu đã được công bố trước đây

đã lựa chọn được miền khảo sát cho bộ ba các yếu tố ảnh hưởng bao gồm tốc độ khuấy A2 = 2000 – 3000 rpm, nhiệt độ phản ứng B2 = 55 – 65℃, thời gian phản ứng C2 = 6 – 8 giờ Các yếu tố khác cố định bao gồm thành phần khối lượng pha dầu 50%, pha nước 50%, phần khối lượng của monome 20%, phần khối lượng của chất nhũ hóa là 7,77% so với tổng khối lượng của hệ các chất tham gia phản ứng, chỉ

số HLB là 5,84 và tổng hàm lượng chất khơi mào (V50 & KPS/NaHSO3) sử dụng là 0,5% trong đó hàm lượng V50 là 5% so với tổng hàm lượng khối lượng của chất khơi mào, tỷ lệ khối lượng monome AM và cation monome DMC là 4:1

Trên cơ sở kết quả thực nghiệm với sự kết hợp của phần mềm Design Expert và các phương pháp nghiên cứu được sử dụng như FTIR, 1H-NMR, GPC, DLS, … các điều kiện phản ứng tối ưu đã được tìm ra bao gồm nhiệt độ phản ứng ở 60 – 62°C, tốc độ khuấy trong

khoảng 2500 – 2600 rpm và thời gian phản ứng trong khoảng 7 – 7,5 giờ

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng bổ sung chất khơi mào

Mục đích của bài toán này là khảo sát sự ảnh hưởng của lưu lượng

bổ sung chất khơi mào cho các giai đoạn của phản ứng tổng hợp nhũ tương CPAM, nhằm kiểm soát tốc độ phản ứng và nhiệt độ phản ứng, tránh hiện tượng quá nhiệt do tốc độ quá trình phản ứng khơi mào quá nhanh Bên cạnh đó, việc kiểm soát tốc độ phản ứng của từng giai đoạn giúp điều chỉnh khối lượng phân tử trung bình của CPAM và độ chuyển hóa phản ứng đạt tối ưu Các yếu tố cố định của các phản ứng khảo sát bao gồm thành phần khối lượng pha dầu 50%, pha nước 50% (so với tổng khối lượng hệ), phần khối lượng của monome 20%, tỷ lệ khối lượng monome AM và cation monome DMC là 4:1, phần khối lượng của chất nhũ hóa là 7,77% so với tổng khối lượng của hệ các chất tham gia phản ứng, chỉ số HLB là 5,84, tốc độ khuấy 2600 rpm, nhiệt độ 61°C và thời gian phản ứng trong 7 giờ, hệ chất khơi mào V50 và KPS/NaHSO3 được sử dụng với hàm lượng 0,5% phần khối lượng so với tổng hệ nhũ tương, trong đó hàm lượng V50 chiếm 5% tổng khối lượng khơi mào phần này được mang đi pha loãng với 2ml nước cất, phần còn lại là KPS/NaHSO3 được mang pha loãng với 20ml nước cất

Bảng 3.9 Lưu lượng bổ sung chất khơi mào ở từng giai đoạn của

quá trình tổng hợp nhũ tương CPAM

và thời gian tích lũy (h)

Lưu lượng

bổ sung khơi mào (ml/h)

Hàm lượng bổ sung khơi mào KPS/NaHSO3 (*) (ml)

Trên cơ sở kết quả của nghiên cứu này, lưu lượng bổ sung chất khơi mào như thí nghiệm số 4 mang lại hiệu quả tốt và được lựa chọn

để áp dụng cho các nghiên cứu tiếp theo trong luận án

3.5 Khảo sát ảnh hưởng của tổng nồng độ monome (AM và DMC), hàm lượng monome DMC và hàm lượng chất khơi mào đến phản ứng tổng hợp nhũ tương CPAM có hàm lượng cation khác nhau

Mục đích của nghiên cứu khảo sát này là đánh giá sự ảnh hưởng của nồng độ monome, hàm lượng monome DMC và hàm lượng chất khơi mào từ đó tìm ra mô hình cho phép xác định các điều kiện phản ứng tối ưu nhằm chế tạo ra các sản phẩm nhũ tương CPAM đa dạng

về hàm lượng cation một cách nhanh chóng Trên cơ sở tham khảo các công trình nghiên cứu đã được công bố, đã lựa chọn được miền khảo sát cho bộ ba các yếu tố ảnh hưởng bao gồm nồng độ monome (A3) từ

15 – 35%, hàm lượng DMC (B3) từ 10 – 90%, hàm lượng chất khơi mào (C3) so với tổng lượng monome từ 0,45 – 0,65% Các yếu tố khác

cố định bao gồm tỷ lệ khối lượng pha dầu và pha nước là 50:50, phần khối lượng của chất nhũ hóa là 7,77% so với tổng khối lượng của hệ các chất tham gia phản ứng, chỉ số HLB là 5,84, tốc độ khuấy 2600 rpm, nhiệt độ 61°C, thời gian phản ứng trong 7 giờ, chương trình bổ sung chất khơi mào V50 và KPS/NaHSO3 theo kết quả tối ưu thu được

ở bài toán 4