Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thu xử lý dầu trên cơ sở vật liệu tổ hợp nền Polyolefin

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƢƠNG MẠNH TUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THU XỬ LÝ DẦU TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN POLYOLEFIN LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƢƠNG MẠNH TUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THU XỬ LÝ DẦU TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN POLYOLEFIN Chuyên ngành: Hóa dầu Chƣơng trình đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Lê Quang Tuấn PGS.TS. Lê Thanh Sơn Hà Nội - 2014 i LỜI CẢM ƠN Luận văn này đƣợc thực hiện tại Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Lê Quang Tuấn, PGS.TS. Lê Thanh Sơn đã hƣớng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Tôi xin cảm ơn NCS. Trần Vũ Thắng cùng tập thể các anh (chị) và các bạn phòng Vật Liệu Polyme - Viện Hoá Học đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khoá học và thực hiện thành công luận văn tốt nghiệp này. Trân trọng cảm ơn đề tài B2014- 17- 44, Bộ Giáo dục và Đào tạo đã giúp đỡ kinh phí để thực hiện nghiên cứu luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các thầy cô trong Khoa Hóa học- Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên- ĐHQGHN đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích và tạo mọi điều kiện để tôi có khả năng hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2014 Học viên Lƣơng Mạnh Tuân ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v DANH MỤC CÁC BẢNG vi MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Sự cố tràn dầu và các phƣơng pháp xử lí 3 1.1.1. Thành phần hóa học của dầu 3 1.1.2. Ảnh hƣởng của ô nhiễm dầu đến đời sống con ngƣời 3 1.1.3. Các biện pháp xử lý ô nhiễm tràn dầu 11 1.1.4. Sử dụng các polyme trong việc khắc phục ô nhiễm do dầu 19 1.2. Cơ sở lý thuyết đồng trùng hợp ghép 27 1.2.1. Lý thuyết và cơ chế phản ứng đồng trùng hợp ghép 27 1.2.2. Các phƣơng pháp tổng hợp copolyme ghép 29 1.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình đồng trùng hợp ghép 30 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 33 2.1. Hóa chất, thiết bị 33 2.1.1. Hóa chất 33 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị 33 2.2. Phƣơng pháp tiến hành 33 2.3. Các phƣơng pháp phân tích đánh giá 35 2.3.1. Các thông số trong quá trình ghép 35 2.3.2. Xác định mức độ hấp thu dung môi 36 2.3.3. Xác định đặc tính hoá lý của sợi PP và của sản phẩm ghép PP-MMA, PP-EA 37 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 iii 3.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình trùng hợp ghép và hấp thu dung môi cloroform, benzen và toluen của monome MMA với PP 39 3.1.1. Ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích dung môi DMF/1g PP 39 3.1.2. Ảnh hƣởng của thời gian 40 3.1.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ 40 3.1.4. Ảnh hƣởng của nồng độ chất tạo lƣới AIBN 41 3.1.5. Ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích MMA/1g PP đến quá trình ghép 42 3.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng trùng hợp ghép của EA với PP và đến hiệu suất hấp thu dung môi cloroform, benzen và toluen 43 3.2.1. Ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích dung môi DMF/1g PP 43 3.2.2. Ảnh hƣởng của thời gian 44 3.2.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ 45 3.2.4. Ảnh hƣởng của nồng độ chất tạo lƣới AIBN 46 3.2.5. Ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích EA/1g PP 47 3.3. Tính chất cơ lý của vật liệu đƣợc tổng hợp từ PP 48 3.3.1. Phổ hồng ngoại FTIR của PP và sản phẩm ghép 48 3.3.2. Phân tích nhiệt TGA và DSC 50 KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT AIBN Azobisisobutyronitrile DMF Dimethylformamide DSC Nhiệt vi sai quét EA Ethyl ethacrylate FTIR Phổ hồng ngoại MMA Methyl methacrylate PP Polypropylene PP-EA Polypropylene- ethyl ethacrylate PP-MMA Polypropylene- methyl methacrylate SEM Ảnh hiển vi điện tử quét TGA Nhiệt trọng lƣợng v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cơ chế hoạt động của chất phân tán 17 Hình 1.2: Cơ chế phân tán và tách pha dầu 18 Hình 1.3: Tình hình xử lý dầu tràn bằng chất phân tán của Châu Âu 19 Hình 1.4: A.Vật liệu polyme có các lỗ trống micro; B.Vật liệu bắt đầu hấp thu dầu; C.Vật liệu hấp thu dầu và trƣơng lên 25 Hình 1.5: Sơ đồ mô tả cơ chế hấp thu dầu của các vật liệu có cấu trúc dạng sợi 26 Hình 3.1: Phổ FTIR của polypropylene (PP) 48 Hình 3.2: Phổ FTIR của sản phẩm ghép PP-MMA 49 Hình 3.3: Phổ FTIR của sản phẩm ghép PP-EA 50 Hình 3.4: Phân tích nhiệt DSC và TGA của PP 51 Hình 3.5: Phân tích nhiệt DSC và TGA của sản phẩm ghép PP-MMA 51 Hình 3.6: Phân tích nhiệt DSC và TGA của sản phẩm ghép PP- MMA 52 Hình 3.7: Hình ảnh SEM của sản phẩm ghép 53 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thống kê số vụ và tổng lƣợng dầu tràn từ năm 1980 tới năm 2007 của ITOPF. 5 Bảng 1.2: Một số chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu mỏ và khí thiên nhiên (Hydrocacbon) 15 Bảng 3.1: Ảnh hƣởng của của tỉ lệ thể tích dung dung môi DMF/1g PP 39 Bảng 3.2: Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất ghép và hấp thu dung môi chloroform, benzen và toluen 40 Bảng 3.3: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất ghép và hấp thu dung môi cloroform, benzen và toluen 41 Bảng 3.4: Ảnh hƣởng của nồng độ AIBN đến hiệu suất ghép và hấp thu dung môi cloroform, benzen và toluen 41 Bảng 3.5: Ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích MMA/1g PP đến hiệu suất ghép và hấp thu dung môi cloroform, benzen và toluen 42 Bảng 3.6: Ảnh hƣởng của của tỉ lệ thể tích dung dung môi DMF/1g 43 Bảng 3.7: Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất ghép và độ hấp thu dung môi cloroform, benzen và toluen 44 Bảng 3.8: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất ghép và độ hấp thu dung môi cloroform, benzen và toluen 45 Bảng 3.9: Ảnh hƣởng của nồng độ AIBN đến hiệu suất ghép và hấp thu dung môi cloroform, benzen và toluen 46 Bảng 3.10: Ảnh hƣởng của tỉ lệ thể tích EA/1g PP đến hiệu suất ghép và hấp thu dung môi cloroform, benzen và toluen 47 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp dẫn dến việc tiêu thụ dầu mỏ ngày càng gia tăng. Trong đó, sản xuất và chế biến dầu mỏ là một trong những ngành công nghiệp lớn nhất trên thế giới, với lƣợng tiêu thụ lên tới trên 80 triệu thùng dầu mỗi ngày. Những rò rỉ của quá trình vận chuyển và chế biến, sự cố do các vụ đắm tàu chở dầu đã gây nên sự ô nhiễm khủng khiếp với môi trƣờng. Những ô nhiễm đó đã tác động rất lớn tới hệ sinh thái đặc biệt là các hệ sinh thái biển. Sự ô nhiễm này có thể gây ra các tác động lâu dài và dẫn đến sự diệt vong của một số loài sinh vật biển. Hiện nay, có rất nhiều phƣơng pháp xử lý các sự cố tràn dầu nhƣ: phƣơng pháp cơ học, phƣơng pháp hoá học, phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp sinh học, phƣơng pháp hoá lý… Gần đây, phƣơng pháp hoá lý sử dụng polyme hấp thu dầu đƣợc ứng dụng nhiều. Có nhiều loại polyme khác nhau sử dụng hấp thu dầu trên mặt nƣớc từ các polyme thiên nhiên nhƣ sợi bông, sợi gỗ, bột gỗ, vỏ cây… và các polyme tổng hợp, các polyme này có đặc điểm là ƣa dầu và kị nƣớc. Vật liệu hấp thu dầu là các polyme có ƣu điểm: hấp thu dầu cao, tỷ trọng nhỏ hơn so với nƣớc biển nên có thể nổi trên mặt nƣớc dễ thu gom sau khi hấp thu. Xuất phát từ thực tế cấp thiết này, đề tài “nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thu xử lý dầu trên cơ sở vật liệu tổ hợp nền polyolephin” mong muốn góp phần giải quyết các yêu cầu thực tế đặt ra và làm giảm ô nhiễm môi trƣờng, nhằm chế tạo ra vật liệu hấp thu dầu có nhiều ƣu việt hơn các vật liệu truyền thống. Với mục tiêu đó, những nhiệm vụ nghiên cứu luận văn phải thực hiện là: + Nghiên cứu ảnh hƣởng quá trình ngâm sợi polypropylene (PP) đến hiệu suất trùng hợp ghép, độ hấp thụ dung môi cloroform, benzen và toluen của sợi PP với các monome metyl metacrylat (MMA), etyl etacrylat (EA) 2 + Khảo sát các yếu tố nhƣ nhiệt độ, thời gian, nồng độ chất tạo lƣới azobisisobutyronitrile (AIBN), tỉ lệ thể tích monome/1g PP của phản ứng trùng hợp MMA với PP đến hiệu suất ghép và khả năng hấp thụ dung môi cloroform, benzen và toluen. + Khảo sát các yếu tố nhƣ nhiệt độ, thời gian, nồng độ chất tạo lƣới azobisisobutyronitrile (AIBN), tỉ lệ thể tích monome/1g PP của phản ứng trùng hợp EA với PP đến hiệu suất ghép và khả năng hấp phụ dung môi cloroform, benzen và toluen. [...]... dừa có thể sử dụng đề làm vật liệu hấp phụ dầu Vật liệu sau khi chế tạo có độ trƣơng nhỏ nên khá bền trong môi trƣờng nƣớc Trong các loại vât liệu trên thì vật liệu chế tạo từ thân bèo có khả năng hấp thu tốt hơn, 1 gam vật liệu có khả năng hấp thụ 0.29 g dầu [9] Chế tạo vật liệu hấp thụ dầu trên cơ sở styren và lauryl metacrylat bằng phƣơng pháp huyền phù cũng đƣợc nghiên cứu [12] Nhóm tác giả tiến... bị trao đổi ion [19, 29] * Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu polyme trong hấp thu dầu Trong thời gian qua, đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng các loại vật liệu polyme trong việc khắc phục ô nhiễm do sự cố tràn dầu gây ra Nhiều nhà khoa học đã có những công trình nghiên cứu về tổng hợp loại vật liệu hấp thu dầu nhƣ: - Nghiên cứu chế tạo và khả năng hấp thu của poly(stearyl metacrylat-cocinnamooyxyetyl... chất hấp thu dầu trên cơ sở poly (isobutylen-co-octa decyl acrylat) 21 - Công trình nghiên cứu chế tạo vật liệu trên cơ sở -cyclodextrin hấp thu dầu có khả năng hấp thu cao và có khả năng tái sử dụng Để chế tạo vật liệu này, các tác giả đã tiến hành tổng hợp dẫn xuất của -xyclodextrin, sau đó đƣợc đem đồng trùng hợp với octadecyl acrylat (ODA) và butyl acrylat (BA) có mặt chất khơi mào AIBN và chất tạo. .. vật lý hoặc hóa học chứa các khoang trống giữa chúng qua đó có thể dễ dàng hấp thu và lƣu giữ dầu Các hạt dầu đƣợc giữ ở trong các lỗ trống bởi lực Vandervan Sau khi hấp thu, dầu có thể đƣợc thu hồi lại bằng cách ép vật liệu Hình 1.4: A .Vật liệu polyme có các lỗ trống micro; B .Vật liệu bắt đầu hấp thu dầu; C .Vật liệu hấp thu dầu và trƣơng lên Trong trƣờng hợp các vật liệu có cấu trúc dạng sợi nhƣ vật. .. đƣợc khoảng 18g dầu Tuy nhiên các polyme hút dầu có tính thiên nhiên này hút đƣợc lƣợng nhỏ dầu, sản phẩm lại rất khó thu hồi sau khi hấp thu dầu nên các hƣớng nghiên cứu hiện nay đang tập trung cho các loại vật liệu hấp thu dầu là các polyme tổng hợp [19] Polyme tổng hợp hấp thu dầu phải là các polyme kị nƣớc, tính kị nƣớc và ƣa dầu là đặc điểm chung của polyme này Vật liệu hấp thu dầu thƣờng tồn tại... để thu hồi dầu ở nhiệt độ cao [8] - Các hợp chất acrylat thƣờng đƣợc sử dụng để hấp thu các dung môi hữu cơ, dầu, các dung môi clo hóa hay các dung môi thơm Để cải thiện khả năng hấp thu, Jang và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu hơn về vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở acrylat Kết quả của nghiên cứu này cho thấy khả năng hấp thu dầu chủ yếu bị ảnh hƣởng bởi mật độ tạo lƣới và tính ƣa dầu. .. học trên thế giới quan tâm nghiên cứu chế tạo, ứng dụng để hấp thu dầu [21] Tỷ trọng nhỏ giúp các vật liệu nổi lên trên mặt nƣớc, dễ dàng vận chuyển và thu hồi - Trong công trình nghiên cứu của Naikuxu và cộng sự, các tác giả đã tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu blend giữa copolyme metacrylat-hydroxyetyl metacrylat và polyetylen tỷ trọng thấp để chế tạo vật liệu chức năng dạng sợi và thử nghiệm hấp. .. đã nghiên cứu phát triển và sử dụng chúng trong xử lý môi trƣờng nhƣ dùng để hấp thu dầu tràn, làm sạch các loại dung môi thoát ra trong sản xuất [21] - Từ các vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở ankylacrylat và styren- divinylbenzen có thể kết luận rằng tính ƣa dầu và trọng lƣợng phân tử của monome là những yếu tố chính quyết định khả năng hấp thu dầu Vì lý do đó, Zhou và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo. .. chỉ xử lý đƣợc dầu tràn ở mức độ nhỏ và tồn tại dƣới dạng phân tán với nƣớc Khi các hợp chất hóa học này phân hủy có thể gây phá hủy môi trƣờng biển[18] 1.1.4 Sử dụng các polyme trong việc khắc phục ô nhiễm do dầu 1.1.4.1 Đặc điểm cấu tạo, tính chất và khả năng ứng dụng của vật liệu polyme hấp thu dầu Yêu cầu chung đặt ra khi chế tạo vật liệu hấp thu dầu là: khả năng hấp thu dầu lớn, tốc độ hấp thu dầu. .. lƣới Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu này có khả năng hấp thu dầu cao hơn (CCl4, 79,1g; CHCl3, 72,8g; xylen, 43,7g; toluen, 45.7g/1g vật liệu) so với khi không có xyclodextrin (CCl4, 11,7g; CHCl3, 136g; xylen, 16,5g; toluen, 19,2g/1g vật liệu hấp thu dầu) [25] - Trong một nghiên cứu khác cũng dựa trên lợi thế hấp thu dầu của xyclodextrin, Changjun Zou và cộng sự đã tiến hành tổng hợp copolyme từ . LƢƠNG MẠNH TUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THU XỬ LÝ DẦU TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN POLYOLEFIN Chuyên ngành: Hóa dầu Chƣơng trình đào tạo thí điểm LUẬN VĂN THẠC. thể nổi trên mặt nƣớc dễ thu gom sau khi hấp thu. Xuất phát từ thực tế cấp thiết này, đề tài nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thu xử lý dầu trên cơ sở vật liệu tổ hợp nền polyolephin” mong muốn. HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƢƠNG MẠNH TUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THU XỬ LÝ DẦU TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU TỔ HỢP NỀN POLYOLEFIN LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà