Nghiên cứu sử dụng sét bentonit biến tính và phương pháp hóa nhiệt để xử lý policlobiphenyl trong dầu biến thế phế thải : Luận án TS. Khoa học môi trường và bảo vệ môi trường: 62 85 02 05

MỤC LỤC trang MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan bentonit 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Cấu trúc tinh thể thành phần hóa học MONT………… 1.1.3 Các tính chất MONT 1.1.4 Sét bentonit Việt Nam ……… 1.2 Dầu biến 1.3 Nghiên cứu chuyển hóa chất BENT 1.4 Polyclobiphenyl 1.4.1 Tính chất PCBs 1.4.2 Hiện trạng sử dụng PCBs ô nhiễm PCBs 1.4.3 Các nghiên cứu phân hủy loại bỏ PCBs 1.5 Nghiên cứu phân hủy PCBs 1.5.1 Xúc tác oxit kim loại 1.5.2 Xúc tác kim loại chuyển tiếp Chương ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 2.1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu…………………… 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu………………………………………… 2.1.2 Nội dung nghiên cứu…………………………………… 2.1.3 Các phương pháp nghiên cứu………………………………… 2.2 Hóa chất, dụng cụ thiết bị máy móc sử dụng nghiên cứu…………………………………………………… 2.2.1 Hóa chất, dụng cụ………………………….………………… 2.2.2 Thiết bị máy móc điều kiện làm việc………………… 2.3 Thực nghiệm……………………………………………… 2.3.1 Nghiên cứu đặc tính MB trước sau trao đổi hấp phụ cation kim loại 2.3.2 Thực nghiệm định tính định lượng PCBs……………… 2.3.3 Nghiên cứu khả hấp phụ PCBs MB MB-M 5 5 13 14 15 18 18 22 23 31 32 33 37 37 37 37 37 41 41 42 43 43 44 48 2.3.4 Nghiên cứu đặc tính hấp phụ PCBs MB MB-M… 49 2.3.5 Nghiên cứu phân hủy PCBs SiO2, MB MB-M ……… 49 Chương KẾT QỦA VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc tính sét bentonit biến tính 3.2 Khả đổi hấp phụ cation 3.2.1 Kết chụp phổ XRD 3.2.2 Kết chụp phổ TDA 3.3 Đặc tính hấp phụ PCBs MB MB-M……………… 3.3.1 Kết nghiên cứu hấp phụ PCBs MB MB-M 54 54 55 56 61 66 phổ hồng ngoại 66 3.3.2 3.4 Phổ tán xạ Raman…………………………………………… Đặc tính liên kết PCBs với MB-M………………… 75 77 3.5 3.6 Đánh giá khả hấp phụ PCBs MB MB-M… Phân hủy nhiệt PCBs MB MB-M…………… 79 86 3.6.1 Hiệu suất xử lý PCBs MB………………………… 86 3.6.2 3.6.3 Hiệu suất xử lý PCBs MB có mặt CaO……… Hiệu suất xử lý PCBs phụ thuộc vào nhiệt độ thời gian phản ứng Ảnh hưởng MB phân hủy nhiệt PCBs 86 3.6.4 90 93 3.7 Hiệu suất phân hủy PCBs MB-(CuNi)O phụ thuộc vào thời gian trì phản ứng 3.8 Phân hủy nhiệt số PCBs điển hình MB-M KẾT LUẬN Cơng trình cơng bố liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo Phụ lục 96 97 102 104 105 118 CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAS: Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử Al(III): Cation nhơm hóa trị (Al3+) Al-MONT: Cation nhơm liên kết với MONT Ao: Angstron AOP: Cơng nghệ xy hóa tiên tiến BCD: Công nghệ khử clo xúc tác bazơ BENT: Bentonit; Bentonit Di Linh tự nhiên Ca(II): Cation canxi hóa trị (Ca2+) Ca-MONT: Cation canxi liên kết với MONT CaO: Canxi oxit CEC: Dung lượng trao đổi cation Cr(III): Cation crom hóa trị (Cr3+) Cr-MONT: Cation crom liên kết với MONT Cu(II): Cation đồng hóa trị (Cu2+) d: Khoảng cách lớp trung gian khoáng EC: Cộng đồng Châu Âu EU: Liên minh Châu Âu Fe(II): Cation sắt hóa trị (Fe2+) Fe(III): Cation sắt hóa trị (Fe3+) Fe-MONT: Cation sắt liên kết với MONT GC/ECD: Phương pháp phân tích sắc ký khí detectơ cộng kết điện tử GC/MS: Phương pháp phân tích sắc ký khí detectơ khối phổ GPCR: Cơng nghệ khử hóa học pha khí H(I): Cation hidro hóa trị (H+) IPCS: Chương trình quốc tế an tồn hóa học IR: Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại ISV: Cơng nghệ thủy tinh hóa chỗ IUPAC: Hiệp hội hóa học quốc tế K(I): Cation kali hóa trị (K+) K-MONT: Cation kali liên kết với MONT Li(I): Cation liti hóa trị (Li+) M: Cation kim loại hóa trị (M2+, M3+) MB: Bentonit biến tính kiềm MB-Cr: MB hấp phụ trao đổi với Cr3+ MB-Cu: MB hấp phụ trao đổi với Cu2+ MB-CuNi: MB hấp phụ trao đổi với Cu2+ Ni2+ MB-Fe: MB hấp phụ trao đổi với Fe3+ MB-FeCr: MB hấp phụ trao đổi với Fe3+ Cr3+ MB-M: MB hấp phụ trao đổi với cation kim loại MB-Ni: MB hấp phụ trao đổi với Ni2+ meq: mili đương lượng gam Mg(II): Cation magie hóa trị (Mg2+) Mg-MONT: Cation magie liên kết với MONT M-MONT: Cation kim loại liên kết với MONT MONT: montmorillonit Na(I): Cation natri hóa trị (Na+) Na-MONT: Cation natri liên kết với MONT NFECS: Trung tâm kỹ thuật Naval Ni(II): Cation niken hóa trị (Ni2+) Ni-MONT: Cation niken liên kết với MONT PCB101: 2,2’,4,5,5’- Pentaclobiphenyl PCB138: 2,2’,3,4,4’,5’- Hexaclobiphenyl PCB153: 2,2’,3,5,6,6’- Hexaclobiphenyl PCB180: 2,2’,3,4,4’,5,5’- Heptaclobiphenyl PCB28: 2,4,4’- Triclobiphenyl PCB52: 2,2’,5,5’- Tetraclobiphenyl PCBs: Policlobiphenyl PCDD: Policlodibenzo - p - dioxin PCDF: Policlodibenzo - p - furan POPs: Các hợp chất hữu bền gây ô nhiễm môi trường ppb (parts per billion): phần tỷ (10-9 g/g) ppm (parts per million): phần triệu (10-6 g/g) SCWO: Công nghệ ô xy hóa nước siêu tới hạn SET: Cơng nghệ Solvat hóa điện tử Si(IV): Cation silic hóa trị (Si4+) Si-MONT: Cation silic liên kết với MONT TDA: Phương pháp phân tích nhiệt vi sai TEF: Hệ số độ độc tương đương UNEP: Chương trình mơi trường Liên hợp quốc USEPA: Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ UV: Tia tử ngoại VOCs: Các hợp chất clo dễ bay WHO: Tổ chức Y tế Thế giới XRD: Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU trang Bảng 1.1 Đường kính hidrat hóa số cation kim loại 10 Bảng 1.2 Đặc trưng loại dầu biến 16 Bảng 1.3 Hệ số độ độc tương đương số PCBs so với dioxin 21 Bảng 1.4 Tính chất vật lý kim loại oxit kim loại có mặt thành phần xúc tác……………………………………………… 36 Bảng 2.1 Lượng muối dùng để trao đổi hấp phụ gam MB 43 Bảng 2.2 Các số liệu thực nghiệm để xây dựng đường chuẩn…………… 45 Bảng 2.3 Thời gian lưu PCBs sắc đồ GC/ECD………………… 46 Bảng 2.4 Phương trình định lượng PCBs mẫu nghiên cứu 47 Bảng 3.1 Thành phần chất có mặt khoáng MONT 54 Bảng 3.2 Số mili đương lượng gam cation kim loại trao đổi hấp phụ 100 g MB (pH=6,5; 80oC) Bảng 3.3 55 Kết phân tích dung dịch trước (T) sau (S) thực hấp phụ trao đổi ion kim loại MB 56 Bảng 3.4 Các píc đặc trưng MB MB trao đổi hấp phụ ion 57 Bảng 3.5 Hiệu ứng nhiệt nước MB MB-M giản đồ nhiệt vi sai 65 Bảng 3.6 Lượng nước tự có mặt MB MB-M ………………… 65 Bảng 3.7 Lượng muối số meq cation kim loại có mặt MB………… 66 Bảng 3.8 Số liệu phân tích phổ IR MB MB-M có tẩm PCBs 73 Bảng 3.9 Đặc trưng phổ tán xạ Raman hợp chất biphenyl ……… 77 Bảng 3.10 Hiệu suất hấp phụ PCBs MB MB hấp phụ trao đổi với cation Cu(II), Ni(II), Fe(III) Cr(III) 25oC (Nồng độ PCBs dung dịch (co) 23,4 ppb) ….……………………… 80 Hiệu suất hấp phụ PCBs MB-CuNi MB-FeCr 25oC (Nồng độ PCBs dung dịch (co) 23,4 ppb)………… … 82 Phương trình đường hấp phụ đẳng nhiệt Freudlich xác định PCBs hấp phụ MB MB-M (ở 25oC) 85 Bảng 3.11 Bảng 3.12 Bảng 3.13 Sự phụ thuộc hiệu suất phân hủy PCBs vào lượng chất phản ứng CaO (ở 600oC)…………………………………… 88 Thành phần PCBs lại MB MB + CaO sản phẩm khí từ q trình phân hủy nhiệt PCBs 600o…… 88 Hiệu suất phân hủy PCBs phụ thuộc vào thời gian trì phản ứng……………………………………………………………… 92 Hiệu suất phân hủy PCBs MB-M 1,0 gam CaO (nồng độ PCBs ban đầu 209,0 ppm) 94 Hiệu suất phân hủy PCBs MB-(CuNi)O theo thời gian (ở 600oC, 1,0 g CaO, khơng khí 1ml/phút) 96 Bảng 3.18 Vị trí clo chỗ hidro PCBs nghiên cứu 97 Bảng 3.19 Nồng độ đồng phân PCBs điển hình dầu biến phế thải có tổng nồng độ PCBs 418,0 ppm 98 Kết nghiên cứu phân hủy PCBs điển hình 100 Bảng 3.14 Bảng 3.15 Bảng 3.16 Bảng 3.17 Bảng 3.20 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ trang Hình 1.1 Cấu trúc MONT Hình 1.2 Các vị trí trao đổi MONT Hình 1.3 Sự bố trí cation hữu (số phân tử cacbon nhỏ 10) bề mặt lớp MONT 11 Sự bố trí cation hữu (số phân tử cacbon lớn 10) bề mặt lớp MONT 12 Hình 1.5 Các hạt hình thoi nhỏ xuất MONT 13 Hình 1.6 Các chất hình thành clorophenol hấp phụ Na - MONT Fe - MONT 18 Hình 1.7 Các chất tạo thành dime hóa clorophenol Fe - MONT 18 Hình 1.8 Chuỗi phản ứng hợp chất thơm M - MONT 19 Hình 2.1 Đường chuẩn xác định tổng PCBs……………………………… 46 Hình 2.2 Sắc đồ GC/ECD dung dịch PCBs chuẩn có nồng độ chất 50 ng/ml………………………………………………… 47 Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị dùng để nghiên cứu phân hủy nhiệt PCBs 51 Hình 2.4 Sơ đồ thiết bị dùng để nghiên cứu phân huỷ PCBs…………… 52 Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X MB chưa xử lý 58 Hình 3.2 Phổ nhiễu xạ tia X MB xử lý NaHCO3 59 Hình 3.3 Phổ nhiễu xạ tia X MB trao đổi hấp phụ cation Cu(II) 59 Hình 3.4 Phổ nhiễu xạ tia X MB trao đổi hấp phụ cation Ni(II) 60 Hình 3.5 Phổ nhiễu xạ tia X MB trao đổi hấp phụ cation Fe(III) 60 Hình 3.6 Phổ nhiễu xạ tia X MB trao đổi hấp phụ cation Cr(III) 61 Hình 3.7 Giản đồ nhiệt vi sai MB 62 Hình 3.8 Giản đồ nhiệt vi sai MB trao đổi hấp phụ cation Ni(II) 63 Hình 3.9 Giản đồ nhiệt vi sai MB trao đổi hấp phụ cation Cu(II) 63 Hình 3.10 Giản đồ nhiệt vi sai MB trao đổi hấp phụ cation Fe(III) 64 Hình 3.11 Giản đồ nhiệt vi sai MB trao đổi hấp phụ cation Cr(III) 64 Hình 1.4 Hình 3.12 Phổ IR hỗn hợp PCBs dầu biến dùng để nghiên cứu 67 Hình 3.13 Phổ IR mẫu MB chưa tẩm dầu biến 68 Hình 3.14 Phổ IR mẫu MB hấp phụ trao đổi với Fe(III) sau tẩm PCBs từ dầu biến 70 Phổ IR mẫu MB hấp phụ trao đổi với hỗn hợp FeCr(III) sau tẩm PCBs từ dầu biến 71 Hình 3.16 Cơ chế hấp phụ chất hữu chưa no MB 72 Hình 3.17 Phổ Raman MB tẩm PCBs……………… 75 Hình 3.18 Phổ Raman MB-Fe tẩm PCBs…………………………… 76 Hình 3.19 Phổ Raman MB-FeCr tẩm PCBs……………………… 76 Hình 3.20 Liên kết PCBs với Fe(III) (trên) Cr(III) (dưới) ion trao đổi hấp phụ MB …………………………… 78 Mơ hình hấp phụ chất hữu MB có mặt cation kim loại lớp khống sét……………………… 84 Hình 3.15 Hình 3.21 o Hình 3.22 Sắc đồ PCBs trước sau phân hủy nhiệt PCBs (ở 600 C) Hình 3.23 Hiệu suất phân hủy PCBs phụ thuộc vào nhiệt độ (thời gian 87 phân hủy giờ) 90 Sắc đồ phân tích PCBs lại MB phân hủy PCBs 300oC, 91 Sắc đồ phân tích PCBs cịn lại MB phân hủy PCBs 600oC, 92 Hình 3.26 Cơng thức tổng qt PCBs 97 Hình 3.27 Sắc đồ phân tích PCBs dầu biến phế thải 98 Hình 3.24 Hình 3.25 MỞ ĐẦU DDT, PCBs, dioxin, furan hợp chất bền, có độc tính cao, tồn bền vững môi trường; nên chúng gọi hợp chất hữu bền gây ô nhiễm môi trường (POPs) Các hợp chất POPs gây ô nhiễm môi trường trường diễn, có tác động xấu tới sức khỏe người, đặc biệt hợp chất POPs có khả gây ung thư [20, 67] Các phương pháp truyền thống xử lý hợp chất POPs chôn lấp thiêu hủy nhiệt độ cao, buồng đốt sơ cấp 700oC buồng đốt thứ cấp lớn 1000oC [92] Các phương pháp xử lý thường khơng an tồn, tiêu thụ lượng lớn, mặt khác thiêu hủy hợp chất POPs vùng nhiệt độ không đủ cao dễ dẫn đến việc hình thành sản phẩm thứ cấp độc hại dioxin furan [92, 99] Phương pháp oxy hóa nhiệt xúc tác oxit kim loại để xử lý POPs hợp chất clo hữu khác nhà khoa học tập trung nghiên cứu nhằm hạ thấp nhiệt độ phân hủy chất, hạn chế hình thành sản phẩm phụ độc hại Thông thường, xúc tác kim loại quý cho hoạt tính cao oxy hố hợp chất clo dễ bay (VOCs) Tuy nhiên, xúc tác khơng thích hợp để chuyển hố VOCs, chúng dễ bị hoạt tính hợp chất clo gây Ở nhiệt độ cao, hoạt tính xúc tác oxit kim loại tương đương với hoạt tính xúc tác kim loại quý [12] Ngày nay, để thay cho xúc tác kim loại quý, người ta sử dụng xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp, chẳng hạn Cr2O3, CuO, Co3O4, TiO2, [34, 39] Khống sét có nhiều tính chất đặc biệt khả hấp phụ cao, có trung tâm mang tính axít – bazơ, có khả lưu giữ phân tử nước khoang trống bên khoáng, đặc biệt điều kiện định chúng có đóng vai trị chất xúc tác cho phản ứng hóa học [90] Do tính chất đặc biệt khoáng sét, nên loại vật liệu nghiên cứu sử dụng để xử lý môi trường, đó, khống sét giầu montmorillonit sử dụng làm vật liệu hấp phụ, làm chất xúc tác để loại bỏ chất ô nhiễm vô hữu môi trường Việc nghiên cứu sử dụng kết hợp khống sét oxít kim loại chuyển tiếp để phân hủy hợp chất POPs vấn đề mới, chưa có nhiều