Nghiên cứu chế tạo vật liệu thu gom xử lý dầu tràn có chứa hạt nano sắt từ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THCS & THPT NGUYỄN TẤT THÀNH - CẦU GIẤY ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU THU GOM XỬ LÍ DẦU TRÀN CÓ CHỨA HẠT NANO SẮT TỪ Lĩnh vực: Quản lí môi trường NGƯỜI HƯỚNG DẪN - TS.Nguyễn Tiến Dũng - Đơn vị công tác: Khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội TÁC GIẢ: 1. Đinh Tiến Dũng, Lớp: 11A2, Trường: THCS & THPT Nguyễn Tất Thành 2. Hoàng Minh Quang, Lớp:11A2, Trường: THCS & THPT Nguyễn Tất Thành Hà Nội, tháng 11 năm 2014 1 MỤC LỤC Trang Phần I: Lí do chọn đề tài 3 Phần II: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 4 Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả 5 Phần IV: Kết luận 19 Tài liệu tham khảo 20 2 Phần I: Lí do chọn đề tài Ô nhiễm các sự cố tràn dầu thực sự là một thảm họa đối với sinh vật thủy sinh, việc xử lý ô nhiễm tràn dầu cũng vì thế mà được nhiều nhà khoa học trong nước và Quốc tế hết sức quan tâm. Với sản lượng sản xuất và tiêu thụ dầu hàng năm rất lớn, việc vận tải và rò rỉ trong khi sản xuất, khai thác và chế biến dầu mỏ thường gây ra những ô nhiễm nghiêm trọng. Một số vụ tràn dầu rất lớn gần đây đã gây hậu quả hết sức nghiêm trọng: - Ngày 20/4/2010 thảm họa Deepwater Horizon đã được các ước tính mới nhất của chính phủ Hoa Kỳ xác nhận là sự cố rò rỉ dầu ra biển lớn nhất từ trước tới nay. Hơn 750.000 lít dầu thô rò rỉ mỗi ngày từ giàn khoan dầu Deepwater Horizon của Hãng dầu khí Anh BP trên vịnh Mexico đã lan ra xa gần 200km tới vùng cửa sông Mississippi, đe dọa hệ sinh thái ngập mặn Louisiana, dọc vịnh Mexico. - Ngày 5/10/2013 hàng chục nghìn lít dầu FO trôi dạt từ tàu Bright Royal (quốc tịch Panama) đã lan ra 60 hải lý và có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng cho huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi). Trước những nguy cơ gây ô nhiễm rất lớn của sự cố tràn dầu, những vệt dầu loang, vấn đề cấp bách phải xử lý các ô nhiễm đó, chúng tôi đã nghiên cứu để có thể chế tạo vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở tổng hợp vật liệu polyme và hạt oxit sắt có từ tính. Vật liệu trên cơ sở ghép giữa polyme và hạt ôxit sắt có khả năng hấp thu dầu và có thể thu hồi được bằng từ trường, vật liệu có thể giải hấp bằng nhiệt và có thể sử dụng được nhiều lần hấp thu. 3 Phần II: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Vật liệu polyme hấp thu dầu thường có nhóm ưa dầu, kị nước và trương được trong dầu, không bị hòa tan trong dầu. Các vật liệu được sử dụng nhiều là những vật liệu polyme thiên nhiên như: sợi bông, sợi đay, bã mía, sợi kenaf, sợi kapok… các loại giấy thấm dầu. Các polyme thiên nhiên có ưu điểm là rẻ tiền, dễ kiếm và dễ chế tạo tuy nhiên nhược điểm lớn là chúng ưa nước, thông thường chúng hút nước và tồn tại lơ lửng trong nước điều này làm ô nhiễm xử lý không triệt để và vẫn gây ra độc hại với động thực vật thủy sinh. Các polyme tổng hợp thường dung hơn nhưng có nhược điểm là khó thu hồi khi ở dạng hạt, nếu ở dạng tấm miếng thì lại không cơ động trong việc hấp thu và khó tái sử dụng sau khi hấp thu và thường không giải hấp được. - Nhóm nghiên cứu của chúng tôi dựa trên cơ sở polystyren là vật liệu ưa dầu dạng hạt dẻo, chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm trùng hợp huyền phù styren và divinylbenzen để tạo co-polyme, vật liệu thu được có khả năng hấp thu dầu tốt, chúng hấp thu được khoảng 5-6g dầu nặng DO trên mỗi gam vật liệu. Để có thể thu hồi chúng được dễ dàng chúng tôi phân tán hạt oxit sắt trong hỗn hợp 2 monome rồi tiến hành trùng hợp. Vật liệu thu được có khả năng hút dầu rất tốt đồng thời có thể sử dụng nam châm để hút lại được. Sau khi thu hồi, với xăng hoặc dầu nhẹ có thể sử dụng nhiệt để cất tách xăng dầu ra khỏi vật liệu để tái sử dụng, tuy nhiên với dầu nặng thì không tách được do nhiệt phân hủy của vật liệu không cao hơn nhiều so với nhiệt độ sôi của dầu nặng. - Những điểm mới trong nghiên cứu này: + Sử dụng hệ polyme styrene và divinylbenzen để hấp thu dầu, đây là nghiên cứu mới chưa có nhóm nghiên cứu nào trong nước thực hiện. + Đưa hạt ôxit sắt vào trong vật liệu để thu hồi, có những nghiên cứu tương tự nhưng họ dung trực tiếp vật liệu từ để tách dầu chứ không dung với mục đích thu hồi vật liệu như nhóm nghiên cứu của chúng tôi. 4 Phần III: Quá trình nghiên cứu và kết quả Cơ sở lý thuyết: Quá trình trùng hợp tạo polyme dựa trên các phản ứng trùng hợp diễn ra như sau: - Tạo gốc tự do: Dưới tác dụng của nhiệt độ, benzoyl peoxit phân huỷ thành gốc cacboxy benzoyl: C O O O O C t o O O C . 2 (1) O O C + O O C . . (2) Các gốc này có thể chuyển hoá tiếp: . C O O 2 O O C + C O O (3) . 2 (4) C O OO O C + . C O O . C O O + (5) Ký hiệu các gốc tồn tại trong quá trình phản ứng là: . C O O R . , . - Phản ứng khơi mào: Để rút gọn công thức trong khi viết cơ chế, ký hiệu các gốc như sau: X là: -C 6 H 5 , Y là: -C 6 H 4 -CH=CH 2 (6) R • tấn công vào monome tạo gốc khơi mào: 5 r + . ch = ch x r - ch - c h . x 2 2 (7) . r - ch - c hch = ch . + r y y 2 2 (8) - Phản ứng phát triển mạch: + ch = ch x 2 k 11 ch - c h . x 2 ch - ch - x 2 2 X ch - c h . (9) Quá trình phản ứng đồng trùng hợp hai monome xảy ra rất phức tạp, nhưng bất kể đặc tính xảy ra như thế nào thì phản ứng phát triển mạch cũng xảy ra theo hướng sau: ch - c h . x 2 ch = ch Y 2 + 12 k . ch - c h Y 22 x ch - ch - (10) ch - c h . Y 2 + ch = c h Y 2 22 k ch - ch - Y 2 2 Y ch - c h . (11) ch - c h . Y 2 + ch = c h x 2 21 k ch - ch - Y 2 2 X ch - c h . (12) - Phản ứng đứt mạch: ch - ch - x 2 2 x ch - c h . + ch - ch - x 2 2 x ch - c h . ch - ch - x 2 2 x ch - c h 2 (13) Kết hợp gốc đang phát triển: 6 ch - ch - x 2 2 x ch - c h . + ch - ch - y 2 2 y ch - c h . ch - ch - y 2 2 y ch - c h - ch - ch - x 2 2 x ch - ch (14) ch - ch - y 2 2 y ch - c h . + ch - ch - y 2 2 y ch - c h . ch - ch - y 2 2 y ch - c h 2 (15) ch - ch - y 2 2 x ch - c h . + ch - ch - y 2 2 x ch - c h . ch - ch - y 2 2 x ch - c h - ch - ch - x 2 2 y ch - ch (16) Chuyển mạch theo hướng bất đối xứng ch - ch - y 2 2 y ch - c h . 2 ch - ch - y 2 2 y ch - ch 2 + ch - ch - y 2 y ch = ch (17) ch - ch - x 2 2 x ch - c h . 2 ch - ch - x 2 2 x ch - ch 2 + ch - ch - x 2 x ch = ch (18) ch - ch - x 2 y ch - ch + ch - ch - y 2 2 y ch - c hch - ch - y 2 2 x ch - c h . . 2 + 2 ch - ch - y 2 y ch = ch 7 (19) Sản phẩm thu được là một hỗn hợp có chứa monome dư, oligome, copolyme, homopolyme , tỷ lệ các cấu tử này khác nhau phụ thuộc vào bản chất của từng thành phần, mức độ ổn định, kích thước của các cấu tử, nhiệt độ, chất khơi mào, nồng độ monome, tốc độ khuấy trộn. . Một số phương pháp hoá học điều chế hạt nano oxit sắt từ - Phương pháp oxi hoá Fe 2+ Nguyên tắc của phương pháp là thuỷ phân muối Fe 2+ ví dụ như muối FeSO 4 .7H 2 O hay FeCl 2 .4H 2 O bằng cách thêm một bazơ ví dụ như NH 4 OH hay NaOH trong không khí và ở những điều kiện t 0 , pH phù hợp. Lọc và sấy khô trong không khí ở t 0 phòng hạt sắt từ. Nồng độ chất đầu và tốc độ kết tủa là 2 nhân tố quan trọng quyết định kích thước hạt. Nồng độ đầu và tốc độ kết tủa càng nhỏ thì kích thước hạt càng nhỏ. Động học của phản ứng oxi hóa Fe 2+ chậm và khó điều khiển, thường người ta nên tránh sử dụng phương pháp này. Sử dụng FeCl 2 .4H 2 O và dung dịch NH 3 0.07M, phản ứng tiến hành ở 80 o C-90 o C. Lọc và sấy khô qua đêm trong không khí ở t 0 phòng hạt sắt từ, đã thu được một số kết quả sau: Bảng 1.5. Sự phụ thuộc kích thước hạt, thể tích đơn vị tế bào, độ từ hoá bão hoà vào nồng độ FeCl 2 Mẫu số Nồng độ (%) Kích thước hạt (nm) Thể tích tế bào đơn vị (A o ) 3 M S 28 32 34 37 0.25 0.05 0.60 3.00 6.4 10.8 37.8 91.4 592.7 587.7 586.5 586.4 1.1 2.6 2.3 2.0 Kết quả: - Các hạt tạo được đều có dạng hình cầu - Mẫu 28 và 32 là đơn pha - Mẫu 34 và 37 đều lẫn γ.Fe 2 O 3 lần lượt là 12% và 7 % Khi nồng độ chất đầu giảm thì kích thước hạt giảm, đồng thời độ tinh khiết của sản phẩm tăng. Hiệu ứng kích thước hạt dẫn đến thể tích tế bào đơn vị được mở rộng. Thể tích tế bào đơn vị được mở rộng là do tăng lượng ion Fe 2+ trong mẫu vì bán kính ion Fe 2+ 0,74 A 0 lớn hơn bán kính ion Fe 3+ 0,64 A 0 , cũng đồng nghĩa với tăng độ tinh khiết của sản phẩm. Phương pháp thuỷ phân cưỡng chế Phương pháp thuỷ phân cưỡng chế là một phương pháp lý thuyết dựa trên 8 cơ chế hình thành và phát triển các mầm tinh thể. Trong dung môi thích hợp, sự thuỷ phân tạo ra các ion đa nhân chứa những cầu OH như M-OH-M hay cầu oxi như M-O-M là tiền thân của nhân mầm tinh thể. Trong dung dịch, ion kim loại M z+ bị hidrat hoá. Bản chất của quá trình này do sự nhường e - của phân tử H 2 O → hình thành liên kết yếu giữa cation trung tâm và O. [M(H 2 O) n ] z+ → [M(OH) p (H 2 O) n-p ] (z-p)+ + pH + - Cơ chế của sự thuỷ phân: ( ) ( ) [ ] + +− − + − +→       ← OHMOHOH H H O H H OMOH 3 )1z( 1n 2 z 1n 2 Phức aquơ Phức hydroxo ( ) [ ] ( ) [ ] + +− − +− − +=→+ OHOMOH H H OMOHOH z n z n 3 )2( 1 2 )1( 1 2 ( ) [ ] ( ) ( ) ( ) OHOHMOMOH OHMO H H MOHOH z n H n z n z n 2 )12( 1 2 | 1 2 1 2 )1( 1 2 +− −− + − +− −         →−→ →       →+ Phức oxo Có thể ngưng tụ thành phức đa nhân → keo hoá Nhờ quá trình ngưng tụ mà mônome → đime → trime → polime. Sau đó phát triển thành hạt keo → gel → hạt. Đặc điểm của phương pháp là khống chế nghiêm ngặt điều kiện của quá trình thuỷ phân: về nhiệt độ, áp suất, môi trường phản ứng. Phương pháp này đã đươc dùng để tổng hợp nên các oxit phức hợp như YOHCO 3 , CoFe 2 O 4 Phương pháp đồng kết tủa: Phương pháp thực chất là tạo ra những oxit phức hợp thông qua các dạng kết trung gian. Yêu cầu quan trọng trước hết của phương pháp này là hoá chất phải thật tinh khiết. Phản ứng tiến hành trong môi trường khí quyển trơ, các dung dịch chuẩn bị cho phản ứng đều phải được loại O 2 cẩn thận. ưu điểm của phương pháp là không sử dụng hệ tác nhân bề mặt: Khi sol nước của hạt không chứa tác nhân bề mặt thì người ta có thể sử dụng trực tiếp, ví dụ như chèn trực tiếp vào những lớp phim polyme siêu mỏng trong ứng dụng vật liệu quang từ. Qui trình phản ứng như sau [12]: 9 Chú thích: 1 – Van N 2 2, 9 – Bình điều nhiệt 3 - Dung dịch Fe 2+ , Fe 3+ 4 – Dung dịch kiềm 5 – Nhiệt kế 6 – Bình phản ứng 7 – Que khuấy 8 – Sinh hàn Mở van N 2 sục vào dung dịch 3 chứa Fe 2+ , Fe 3+ và dung dịch 4 chứa NaOH, trộn lẫn 2 dung dịch và đưa vào bình phản ứng 6. Lắp sinh hàn và nhiệt kế, que khuấy. Nhiệt độ phản ứng được duy trì bởi bể ổn nhiệt 2 và 9. Kết tủa đen được hình thành ngay lập tức, khuấy mạnh trong 2h, sản phẩm được tạo thành đem lọc rửa và đem làm khô. Sử dụng dung dịch Fe 2+ , Fe 3+ 0,25M và dung dịch NaOH 0,05M . Bình phản ứng 6 có chứa sẵn nước cất ở 80 0 C. Khuấy trong 2 giờ ở 80 0 C. Tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ về số mol Fe 2+ /Fe 3+ đến kích thước hạt:  Mẫu 1: Fe 2+ /Fe 3+ = 0,5  Mẫu 2: Fe 2+ /Fe 3+ = 1 Và đã thu được kết quả như sau: Mẫu 1: hình cầu, phân bố kích thước hẹp; d = 5,9 nm Mẫu 2: dạng hạt gần giống hình lập phương; d =12,8 nm Kích thước hạt ở mẫu 2 lớn hơn mẫu 1, do trong mẫu 2 có sự oxi hoá chậm lượng dư Fe (II) Fe(III): Fe 2+ + 2 OH -  Fe(OH) 2 Fe(OH) 2 > Fe 3 O 4 + H 2 O Bán kính ion Fe 2+ ( 0,74 A 0 ) lớn hơn bán kính ion Fe 3+ ( 0,64 A 0 ), do đó lượng dư Fe 2+ là nguyên nhân gây ra sự tăng kích thước hạt. Một số lưu ý khi tiến hành phương pháp đồng kết tủa: + Tỉ lệ Fe 2+ /Fe 3+ : Do các muối Fe 2+ rất dễ bị oxi hoá nên thực tế thường lấy tỉ lệ về số mol Fe 2+ /Fe 3+ > 0,5. Tuy nhiên nếu hoá chất tinh khiết đến 99.9 % 10 Hình: Mô hình phản ứng theo phương pháp đồng kết tủa O 2 [...]... đem xử lý là dầu DO, sử dụng nam châm vĩnh cửu để thu gom dầu trong nước muối loãng 3% (gần giống với hàm lượng muối trong nước biển) Kết quả thu được thể hiện trên các ảnh chụp Vật liệu hấp thu dầu Dầu DO khi cho vật liệu hấp thu xử lý dầu Sau khi cho vật liệu hấp thụ dầu 15 phút Dùng thanh nam Vật liệu sau khi bám Cốc nước – dầu sau châm để gom vật liệu trên thanh nam châm khi xử lý hấp thụ dầu Các... gelatin Vật liệu có khả năng hút dầu tốt (1g vật liệu có thể hút được 5 - 6g dầu nặng DO), tốc độ hút dầu lớn, giá thành rẻ, không độc hại, thân thiện với môi trường, có thể thu hồi sau khi sử dụng, có thể tái sử dụng được - Có thể thu gom vật liệu sau khi hấp thu dầu bằng nam châm, do có từ tính nên xu hướng của vật liệu sau khi hấp thu dầu thường kết đám lại với nhau tạo những mảng lớn Có thể thay các hạt. .. Có thể thay các hạt oxit sắt bằng các hạt mang từ tính khác tuy nhiên giá thành thường sẽ lớn hơn so với sắt oxit - Vật liệu có thể thu gom xử lý những vệt dầu loang, những vết dầu sau khi xử lý sự cố tràn dầu bằng các phương pháp tổng hợp khác Với lợi thế thu gom dầu một cách triệt để nhất để tránh những ô nhiễm xảy ra sau khi thu gom phần lớn lượng dầu tràn - Các nghiên cứu trên mới chỉ là bước đầu,... St-DvB với hạt nano Fe3O4 Tỷ lệ hạt Fe3O4 (%) Khả năng hấp thu dầu DO Khả năng hấp thu xăng A92 Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3 trong vật liệu 4,00 5,8 5,5 4,8 9,6 8,5 7,6 Vật liệu hấp thụ dầu được chúng tôi nghiên cứu đã được thử nghiệm khả năng hấp thụ dầu và khả năng thu gom sau khi hấp thụ dầu trong phòng thí nghiệm Với vật liệu là Poly Styren-Divinyl Benzen - có phân tán 4% hạt nano Fe3O4, dầu được... hợp sinh học, vật liệu siêu thu n từ được sử dụng để làm chất dẫn thu c, sử dụng trong lĩnh vực ghi hình ảnh cộng hưởng từ Một số phương pháp ổn định, bảo vệ hạt ôxit sắt từ * Khi kích thước hạt nhỏ đến một giới hạn nhất định, hạt thể hiện tính 13 siêu thu n từ, hạt siêu thu n từ có rất nhiều ứng dụng nên các nhà khoa học chủ yếu tập trung nghiên cứu phương pháp bảo vệ hạt nano siêu thu n từ Sau đây... sau: Khả năng hấp thu các loại dầu khác nhau của vật liệu Dầu hấp thu (g/g) Toluen Xăng A92 Diezen DO St-DvB + 4% Fe3O4 10.1 9.4 6.7 5.8 16 Vật liệu sau khi hấp thu dầu đến cân bằng được chúng tôi sử dụng hơi nước quá nhiệt để tách loại dầu Tiếp tục cân, nghiên cứu khả năng hấp thu dầu và so sánh với mẫu ban đầu, kết quả thu được trên bảng dưới đây: Khả năng hấp thu dầu lại của vật liệu nanocomposite giữa... pháp biến tính tối ưu 17 - Nghiên cứu chế tạo các hệ polyme khác tương tự để xem xét khả năng hấp thu dầu của vật liệu chẳng hạn hệ polyme của styrene với axit oleic Từ các nghiên cứu đó sẽ tìm ra hệ polyme hấp thu dầu tốt nhất 18 Phần IV: Kết luận Vật liệu hấp thu dầu được tổng hợp bằng phương pháp đồng trùng hợp huyền phù trong nước giữa Styren và Divinylbenzen với hạt ôxit sắt đã được oleat hóa bề... Phương pháp vi nhũ Nguyên tắc của phương pháp là tổng hợp hạt sắt từ trong một hệ vi nhũ W/O (Water/Oil) tức hệ vi nhũ nước trong dầu Trong đó dầu là môi trường liên tục Những hạt nước có kích thước rất nhỏ bền trong dầu chính là nơi phản ứng xảy ra để tạo ra hạt sắt từ ưu điểm của phương pháp là hạt tạo ra phần lớn có dạng hình cầu *Cơ chế tạo hệ vi nhũ: Hệ vi nhũ thường bao gồm một pha hữu cơ đóng... nội dung sẽ nghiên cứu trong thời gian tới: - Tiếp tục hoàn thiện quy trình chế tạo hạt ôxit sắt, sử dụng them các phương pháp vi nhũ và phương pháp thủy phân cưỡng chế để tạo hạt ôxit sắt trong phòng thí nghiệm So sánh các phương pháp này với nhau để tìm phương pháp dễ dàng nhất và hiệu quả nhất để tổng hợp hạt ôxit sắt - Nghiên cứu biến tính ôxit sắt bằng các tác nhân khác như tinh bột, để có kết quả... bay hơi của dầu kết quả sẽ không còn chính xác Xác định trọng lượng mẫu thu được Hệ số hấp thụ dầu được tính theo công thức: W= m2 − m1 x100% m1 Trong đó: m2 và m1 là khối lượng chất trước và sau khi hấp thụ dầu Các mẫu vật liệu được chúng tôi chế tạo đều được đem xác định mức độ hấp thụ dầu Thử nghiệm khả năng hấp thụ dầu của vật liệu với các loài dầu khác nhau, chúng tôi thu được bảng số liệu sau: . cố tràn dầu, những vệt dầu loang, vấn đề cấp bách phải xử lý các ô nhiễm đó, chúng tôi đã nghiên cứu để có thể chế tạo vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở tổng hợp vật liệu polyme và hạt oxit sắt có. hiện trên các ảnh chụp. Vật liệu hấp thu dầu Dầu DO khi cho vật liệu hấp thu xử lý dầu Sau khi cho vật liệu hấp thụ dầu 15 phút Dùng thanh nam châm để gom vật liệu Vật liệu sau khi bám trên thanh. CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU THU GOM XỬ LÍ DẦU TRÀN CÓ CHỨA HẠT NANO SẮT TỪ Lĩnh vực: Quản lí môi trường NGƯỜI HƯỚNG DẪN - TS.Nguyễn