nghiên cứu chế tạo vật liệu có khả năng hấp thụ dầu

nghiên cứu chế tạo vật liệu có khả năng hấp thụ dầu

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam MỤC LỤC Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 1 Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường trên thế giới và trong nước ngày càng trầm trọng, các hoạt động của loài người đã dần phá huỷ môi sinh, môi trường xung quanh chúng ta. Vấn đề ô nhiễm do rò rỉ dầu và đặc biệt là các vụ tràn dầu, đắm tàu là thảm cảnh với các sinh vật biển. Trong lĩnh vực xử lý các ô nhiễm nguồn nước do dầu gây ra thì việc tách dầu ra khỏi nước là công việc chủ yếu. Trên thế giới đã có các nghiên cứu về các vật liệu ứng dụng trong việc này như: silic dioxit, than hoạt tính, bột giấy, sợi polypropylene Một trong những vật liệu được sử dụng là sản phẩm của phản ứng đồng trùng hợp vinyl monome có chứa các nhóm kị nước như butyl methacrylat, lauryl methacylat Hay dẫn xuất của vòng thơm thông qua phản ứng trùng hợp hoặc đồng trùng hợp. Các sản phẩm này không chỉ có tác dụng hấp thụ dầu mà còn được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, y tế và nhiều ngành công nghiệp khác. Đặc biệt trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của công nghệ nano nhiều loại vật liệu mới ra đời với các tính chất nổi trội hoặc thay đổi hẳn so với dạng mẫu khối của vật liệu tương ứng. Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu và thấy rằng khi tiến hành trùng hợp hay đồng trùng hợp các monome có nhóm kị nước khi có mặt các hạt sắt từ thì hiệu quả hấp thụ dầu tăng lên rất đáng kể. Hơn nữa sự có mặt của sắt từ trong polyme sẽ làm dễ dàng hơn việc thu hồi các sản phẩm polyme sau khi đã hấp thụ dầu. Việc tổng hợp với các kích thước nano cũng là một trong những nội dung của đồ án, khi ở kích cỡ nano các hiệu ứng bề mặt tăng lên rất đáng kể vì theo một số tài liệu thì sự có mặt của hạt nano sắt từ làm khả năng hấp thụ dầu sẽ tăng lên. Chính vì vậy trong luận văn này chúng tôi tiến hành đồng trùng hợp lauryl methacrylat với styren có mặt của chất tạo lưới và các hạt nano sắt từ Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 2 Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam nhằm tạo ra một vật liệu mới có khả năng hấp thụ dầu cao, dễ thu hồi sau khi xử lý môi trường. Việc chế tạo vật liệu này sẽ mở cho chúng tôi một hướng mới trong nghiên cứu ứng dụng trong thực tiễn, một vấn đề mà với nước ta đang là những bức xúc nhất. Nội dung và phạm vi của vấn đề sẽ đi sâu nghiên cứu, giải quyết và triển vọng sẽ đạt được: + Nghiên cứu động học của quá trình đồng trùng hợp lauryl methacrylat, styren với sự có mặt của các chất tạo lưới và các hạt nano sắt từ. Các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ các cấu tử tham gia phản ứng, các chất xúc tác, chất khơi mào. Từ đó tìm ra được phương pháp tổng hợp hiệu quả nhất cho quá trình tổng hợp. + Nghiên cứu tổng hợp các hạt nano sắt từ bằng các phương pháp : - Phương pháp nghiền - Phương pháp oxy hoá - Phương pháp thuỷ phân cưỡng chế - Phương pháp đồng kết tủa + Hoạt hoá bề mặt sắt từ bằng axit oleic. + Chế tạo vật liệu nano compozit sắt từ ứng dụng trong xử lý dầu, khảo sát các ảnh hưởng tới khả năng hấp thụ dầu của sản phẩm. + Ảnh hưởng của các yếu tố như: tỷ lệ monome, hàm lượng chất khơi mào, hàm lượng chất tạo lưới, thời gian trùng hợp. + Nghiên cứu khảo sát khả năng hấp thụ dầu (khả năng trương trong dầu) của vật liệu tổng hợp được. Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3 Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I– Tình hình ô nhiễm dầu và các biện pháp khắc phục Hiện tượng dầu tràn là nguyên nhân làm cho môi trường trở nên ô nhiễm nặng nề. Sự thiệt hại mà nó gây nên thật khó có thể lường được và gây ra tác hại lâu dài, có thể dẫn đến sự diệt vong của các loài sinh vật biển. Hàng năm lượng dầu mỏ thất thoát do tràn dầu, rò rỉ giàn khoan, đường ống dẫn và quá trình chuyên chở chiếm tới hơn 2% tổng lượng dầu sử dụng của toàn thế giới [7]. Ngoài sự thiệt hại về kinh tế thì vấn đề ô nhiễm môi trường là mối quan tâm lớn đối với hầu hết các nước có nguồn dầu mỏ cũng như các nước sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu này. Khi dầu thô và các sản phẩm dầu mỏ tràn ra môi trường thì sẽ gây phá huỷ nhiều hệ sinh thái khác nhau. Dầu thô khi bị tràn ra môi trường biển sẽ lơ lửng trên mặt nước bởi tỷ trọng của nó nhỏ hơn nước biển. Tỷ trọng trung bình của dầu khoảng 0,83 – 0,95 g/cm 3 , trong khi đó của nước nguyên chất là 0,998 g/cm 3 và của nước biển là 1,025 g/cm 3 . Chính vì vậy mà các loài chim khi săn mồi trên biển bị ngấm dầu và cuối cùng bị chết. Mặt khác, khi dầu lơ lửng trên mặt nước, nó sẽ làm giảm lượng O 2 hoà tan trong nước gây ảnh hưởng đến đời sống của nhiều sinh vật khác sống trong môi trường nước. Ta có thể lấy ví dụ về sự kiện tràn dầu “Torrey Canyon” ở bờ biển nước Anh năm 1967 làm 10,000 con chim bị nhiễm dầu và 90% số chim này bị chết trước khi bờ biển này được làm sạch. Với sự phá huỷ môi trường nghiêm trọng như vậy nên vấn đè này khiến không chỉ ngành dầu khí mà nhiều ngành khoa học khác cũng đã quan tâm tìm cách để khắc phục và giải quyết. Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 4 Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam Các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra nhiều cách để làm sạch các nguồn nước bị ô nhiễm dầu. Một số phương pháp đã được nghiên cứu sử dụng như: 1- Phương pháp cơ học Ở Mỹ thường sử dụng 3 phương pháp cơ học sau để thu gom dầu tràn: a - Phao giữ dầu (booms) Đây là phương pháp dễ dàng làm sạch dầu khi nó nằm trong một khu vực. thiết bị này được gọi là các hàng rào ngăn chặn đễ giữ dầu tràn ra hay nổi trên mặt nước ở lại trong một khu vực. Phao chắn này nổi trên mặt nước và có 3 phần: phần tự do nổi trên mặt nước ngăn không cho dầu thoát ra theo nước ở phía trên rào chắn; phần thứ hai nằm ở phía dưới rào chắn ngăn không cho dầu theo nước thoát ra ở bên dưới rào chắn; phần thứ 3 là những sợi cáp hay dây để liên kết, giữ chặt các phao lại với nhau. Cái phao chắn này sẽ vòng xung quanh khu vực dầu tràn và giữ nó lại đó. Từ đó có thể dùng các phương pháp khác để thu hồi dầu. b - Máy hút dầu (skimmer) Với phương pháp này ta cũng có thể dùng dể thu hồi dầu tràn. Thiết bị này hoạt động như thiết bị làm sạch chân không, nó hấp thụ dầu trên mặt với ái lực hấp dẫn hay phá huỷ liên kết vật lý của dầu với nước và dầu được giữ lại trong một khoang chứa. Dầu sẽ được mang đi để thu hồi lại sau đó dể dàng. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ làm việc dễ dàng nếu dầu không loang ra trên diện tích rộng hay dòng nước không chảy. c - Chất hấp thụ Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 5 Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam Đây là những vật liệu có khả năng thấm chất lỏng. Dầu sẽ thấm trên bề mặt vật liệu tạo thành từng lớp. Những vật liệu này sẽ kéo dầu ra khỏi nước một cách dễ dàng. Vì thế mà chúng được đặt ở những bờ biển, nơi xảy ra sự cố tràn dầu hoặc được phun trực tiếp lên khu vực dầu tràn. Vật liệu hấp thụ này trông rất giống như khăn giấy. Nó còn có thể hấp thụ dầu từ đá hay cả khi chúng bám trên cơ thể động thực vật. Tuy nhiên, có một vấn đề quan trọng khác là: khi hấp thụ, chúng sẽ nặng hơn nước nên chúng sẽ chìm xuống phía dưới đáy biển và làm ảnh hưởng xấu đến sự sống của động vật nơi đó. 2- Phương pháp hoá học Những chất hoá học được sử dụng ở đây trông như các chất tẩy rửa ta thường dùng. Phương pháp này chỉ sử dụng để loại bỏ dầu trong một khu vực nhỏ khi mà dầu tồn tại dưới dạng những giọt lỏng phân tán hay trộn lẫn.Vấn đề của phương pháp này là khi những hợp chất hoá học này sẽ phân huỷ gây phá huỷ môi trường biển và sẽ phân tán vào trong cơ thể động vật gây nguy cơ nhiễm độc về sau cho các loài vật và con người khi sử dụng chúng làm thức ăn. 3- Phương pháp vật lý Ta có thể đốt cháy dầu bằng không khí. Phương pháp này có thể làm sạch dầu đến 98% khi dầu tràn có độ dày không quá 3 mm. Phương pháp này đã được thử nghiệm thành công ở Canada. Trong suốt chiến tranh vùng vịnh, mặc dù dầu được đốt rất nhiều nhưng không gây ra sự cố ô nhiễm không khí. Tuy nhiên, phương pháp này cần phải được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi sử dụng. 4- Phương pháp sinh học Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 6 Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam Có nhiều loại vi khuẩn và nấm trong tự nhiên có thể phân huỷ dầu. Nhưng quá trình phân huỷ xảy ra cực kì chậm, phải mất rất nhiều năm mới phân huỷ đựoc vài microgam. Vì thế, không thể dùng phương pháp này để xử lý dầu tràn vì lượng dầu quá lớn. Các phương pháp xử lý dầu tràn hiện nay rất tốn kém mà không thể thu hồi hết lượng dầu tràn trôi nổi trên mặt nước. Vì vậy chúng tôi đã quyết định nghiên cứu để tạo ra một loại vật liệu cao phân tử mang từ tính có khả năng hấp thụ dầu. Phương pháp này vừa có thể làm sạch dầu tối đa mà lại không gây tổn hại đến môi trường sống của các loài động thực vật khác. Với phương pháp này, chúng tôi sử dụng copolyme của laurylmethacrylat và styren làm chất hấp thụ. Copolyme sẽ được tạo thành những hạt nhỏ có chứa các hạt sắt từ kích thước nano nên dễ dàng phun vào khu vực dầu tràn và dễ dàng thu hồi sau khi đã hấp thụ dầu bằng từ trường của nam châm. Copolyme này sẽ hấp thụ dầu vào trong mạng lưới không gian của mình nhờ gốc lauryl ưa dầu và giữ lại trong polyme, ta sẽ dùng nam châm có từ trường mạnh hút các hạt này lên. Như vậy, việc phun copolyme dạng hạt vào khu vực dầu tràn này có thể làm sạch cả các vết dầu loang cực nhỏ hay cả khu vực dầu tràn lớn. Việc có thể thu hồi sau khi sử dụng tránh được việc, copolyme sau khi hấp thụ nặng hơn nước có thể chìm xuống đáy biển gây các hậu quả môi trường về sau. Việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng các copolyme có chứa thành phần alkylacrylat trong xử lý môi trường là một đề tài mới được một số nơi trên thế giới bắt đầu nghiên cứu.Vì vậy, chúng tôi hy vọng sẽ tạo được hạt copolyme của laurylmethacrylat và styren có chứa hạt sắt từ kích thước nano có khả năng hấp thụ dầu cao. II- Đặc điểm của vật liệu polyme hấp thụ dầu Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 7 Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam Vật liệu polyme sử dụng để hấp thụ dầu thường tồn tại ở dạng gel, nó có thể trương nhưng không tan trong dầu hay dung môi hữu cơ không phân cực và phải hoàn toàn kị nước. Người ta còn gọi loại vật liệu này là "organogel", đó chính là gel trương trong dung môi hữu cơ. Khi tiếp xúc với dung môi hữu cơ không phân cực các thành phần chất lỏng sẽ khuếch tán vào cấu trúc bên trong mạng lưới và được giữ lại trong đó. Tuỳ theo độ trương mà gel có bề ngoài giống như cao su, gelatin, hay dạng rắn như gạch nếu độ trương của nó rất thấp [11]. Mạng lưới polyme có cấu trúc không gian ba chiều tạo nên dạng gel đó có ứng dụng rất rộng rãi. Tính chất ưa dầu, kị nước của vật liệu đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực: làm màng chống thấm nước, sử dụng làm màng sắc ký trong thiết bị đo sắc ký, làm chất hấp thụ trong lĩnh vực dược phẩm sinh học, công nghiệp hoá chất, nông nghiệp, làm nền cho chất xúc tác hoặc chất ổn định enzym hay nền trong thiết bị trao đổi ion [4] Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu chế tạo ra vật liệu polyme dùng để hấp thụ các chất hữu cơ, dầu mỏ lan tràn trên mặt nước. Điển hình là nhóm các polyme được tạo ra trên cơ sở trùng hợp hay đồng trùng hợp các dẫn xuất alkylacrylat, alkylmetacrylat và các hợp chất dẫn xuất của vòng thơm. Độ mềm dẻo và khả năng trương nở trong dung môi không phân cực là những đặc điểm quan trọng bao hàm cả tính chất lý hoá của vật liệu polyme. Việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme có khả năng hấp thụ dầu cao ứng dụng trong xử lý môi trường đã được biết đến từ lâu nhưng đến nay vẫn thu hút nhiều nhà khoa học do khả năng ứng dụng rộng rãi của nó. Việc tiếp tục nghiên cứu nhằm tạo ra công nghệ đơn giản hơn, hoàn thiện thêm tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu [6]. III - Cấu tạo và tính chất của polyme hấp thụ dầu Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 8 Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam Polyme hấp thụ dầu có cấu tạo từ các phân tử polyme được khâu mạch bởi các tác nhân khâu mạch là các monome lưỡng chức không no tạo nên polyme có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều. Đặc điểm của loại vật liệu này là có cấu trúc xốp, mạng lưới không gian ba chiều mềm dẻo có thể co lại khi chưa hấp thụ dầu vì thế thể tích ban đầu của chúng thường nhỏ, thuận tiện cho việc chuyên chở bảo quản. Ở trạng thái này, polyme có thể phân tán tốt trên bề mặt nước, khi tiếp xúc với dầu nổi trên mặt nước, dầu sẽ khuếch tán vào trong mạng lưới không gian và nằm trong đó. Khả năng hấp thụ dầu của vật liệu được xem như là do tác dụng của lực Van Der Waals giữa các nhóm ưa dầu và dầu nổi trên mặt nước. Nhờ có cấu trúc mạng lưới không gian ba chiều (dạng gel) có khả năng co dãn tốt nên dầu dễ dàng khuếch tán vào cấu trúc không gian bên trong của mạng lưới. Cấu trúc không gian này được xem như là cái bẫy dầu. Trong quá trình trương hai hiện tượng xảy ra đồng thời: sự thâm nhập của dầu vào các khoảng không gian bên trong của cấu trúc polyme và tiếp theo là sự dãn của mạch polyme. Sự dãn mạch phụ thuộc vào các lực tương tác bên trong cấu trúc polyme, trên thực tế đây là lực đẩy. Lực đẩy này là kết quả của các lực khác nhau như lực lưỡng cực, lực Van Der Waals, lực phân tử Đặc trưng tính trương của gel được quyết định bởi sự cân bằng giữa hai loại lực: lực trương gây nên bởi áp suất thẩm thấu và các lực khác có trong gel [8,12]. Yêu cầu chung đặt ra khi chế tạo vật liệu hấp thụ dầu là: khả năng hấp thụ dầu lớn, tốc độ hấp thụ dầu cao, phân tán tốt trên bề mặt nước, dễ thu hồi sau khi đã hấp thụ tối đa, có thể nhả hấp thụ và sử dụng lại nhiều lần sau khi nhả hấp thụ. Khả năng hấp thụ dầu của polyme phụ thuộc nhiều yếu tố: nhiệt độ của quá trình trùng hợp, đồng trùng hợp, nồng độ chất khởi đầu, tỷ lệ đương Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 9 Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp Phạm Văn Nam lượng monome và mật độ tạo lưới trong copolyme, khả năng ái lực với dầu của các nhóm có mặt trong cấu trúc của polyme. Một thành phần quan trọng để tạo nên cấu trúc vật liệu polyme có khả năng trương nở mà không tan trong dung môi là sự có mặt của tác nhân tạo lưới. Thông thường chất tạo lưới dùng trong quá trình trùng hợp, đồng trùng hợp polyme hấp thụ dầu là divinylbenzen, etylen glycol dimetacrylat là các monome lưỡng chức. Hàm lượng các chất này trong thành phần polyme là không lớn, chỉ chiếm vài phần trăm nhưng có vai trò rất quan trọng, sự thay đổi hàm lượng của nó làm ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc bên trong mạng lưới polyme, độ mềm dẻo của vật liệu, điều này liên quan trực tiếp tới khả năng hấp thụ dầu [13-15]. Độ trương là tính chất quan trọng nhất của gel, bởi phần lớn các tính chất khác của vật liệu hấp thụ dầu đều liên quan đến độ trương. Có nhiều cách khác nhau để xác định độ trương, tuy nhiên phương pháp đánh giá độ trương thông qua trọng lượng tỏ ra thích hợp nhất do sự phát triển của các phương pháp đo trọng lượng trong thời gian gần đây. IV- Phương pháp tổng hợp vật liệu cao phân tử IV.1- Phản ứng trùng hợp và các yếu tố ảnh hưởng 1- 1- Phản ứng trùng hợp Quá trình trùng hợp của hai hay nhiều monome khác nhau để tạo thành hợp chất cao phân tử gọi là đồng trùng hợp. Đại phân tử nhận được từ quá trình đồng trùng hợp được gọi là copolyme. Thành phần cấu tạo của copolyme chứa các mắt xích tạo nên từ các monome ban đầu liên kết với nhau tuân theo một trật tự nhất định. Phản ứng đồng trùng hợp thường được sử dụng để tạo ra các vật liệu polyme có các tính chất lý hoá cần thiết mà phản ứng trùng hợp không thể tạo ra được. Để đạt được sản phẩm theo yêu Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 10 . khác có trong gel [8,12]. Yêu cầu chung đặt ra khi chế tạo vật liệu hấp thụ dầu là: khả năng hấp thụ dầu lớn, tốc độ hấp thụ dầu cao, phân tán tốt trên bề mặt nước, dễ thu hồi sau khi đã hấp thụ. và khả năng trương nở trong dung môi không phân cực là những đặc điểm quan trọng bao hàm cả tính chất lý hoá của vật liệu polyme. Việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu polyme có khả năng hấp thụ dầu cao. chất tạo lưới, thời gian trùng hợp. + Nghiên cứu khảo sát khả năng hấp thụ dầu (khả năng trương trong dầu) của vật liệu tổng hợp được. Lớp HD2-k46 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3 Đồ án nghiên cứu