Nghiên cứu đặc điểm quá trình hấp phụ từ pha lỏng của một số dẫn xuất nitro của phenol và toluen là thành phần của vật liệu nổ

Luận văn

bộ giáo dục và đào tạo bộ quốc phòng VIN KHOA HC V CễNG NGH QUN S Tễ VN THIP NGHIấN CU C IM QU TRèNH HP PH T PHA LNG CA MT S DN XUT NITRO CA PHENOL V TOLUEN L THNH PHN CA VT LIU N luận án tiến sĩ hoá học Hà Nội 2011 bộ giáo dục và đào tạo bộ quốc phòng VIN KHOA HC V CễNG NGH QUN S Tễ VN THIP NGHIấN CU C IM QU TRèNH HP PH T PHA LNG CA MT S DN XUT NITRO CA PHENOL V TOLUEN L THNH PHN CA VT LIU N Chuyên ngành: Hoá lý thuyết và hoá lý M số: 62 44 31 01 luận án tiến sĩ hoá học ngời hớng dẫn khoa học: 1. GS.TSKH. Ngc Khuờ 2. TS. inh Ngc Tn Hà Nội - 2011 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu đa ra trong luận án là trung thực. Những kết luận khoa học cha từng đợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Ngày tháng năm 2011 Tỏc gi Tụ Vn Thip ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Đỗ Ngọc Khuê và TS Đinh Ngọc Tấn đã chỉ đạo, hướng dẫn tận tình sâu sát và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện cũng như hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng, cán bộ nhân viên Viện Công nghệ mới / Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiệ n thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Hoá học-Môi trường Quân sự/Bộ Tư lệnh Hoá học; Viện Hoá học- Vật liệu/ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; Viện Hoá học/Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ, trong quá trình thực hiện luận án. Tô Văn Thiệp iii Mục lục trang Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị Mở đầu 1 Chơng 1 - Tổng quan 4 1.1. Khái niệm chung về hấp phụ . 4 1.2. Phân loại hấp phụ . 5 1.2.1. Hấp phụ vật lý 5 1.2.2. Hấp phụ hóa học . 7 1.2.3. Hp ph tnh in . 7 1.3. Các đặc trng của quá trình hấp phụ 8 1.3.1. Năng lợng và thế năng hấp phụ . 8 1.3.2. Hệ số hấp phụ và khử hấp phụ 9 1.3.3. Thời gian hấp phụ 9 1.3.4. Nhiệt hấp phụ tích phân 9 1.3.5. Nhiệt hấp phụ vi phân 10 1.4. Lý thuyt c bn v quá trình hp ph . 10 1.4.1. Hấp phụ pha khí . 10 1.4.2. Hp ph pha lng 13 1.4.3. c im ca than hot tớnh . 21 1.5. Hin trng nghiờn cu v cỏc quỏ trỡnh hp ph cỏc dn xut nitro c a toluen v phenol . 24 1.5.1. Hin trng nghiờn cu v hp ph cỏc cht hu c t pha lng v ng dng trong x lý mụi trng . 24 1.5.2. Hin trng nghiờn cu quỏ trỡnh hp ph t pha lng ca cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol là thành phần vật liệu nổ 24 Chơng 2 - Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu 41 2.1. Đối tợng nghiên cứu 41 2.2. Phơng pháp nghiên cứu 41 2.2.1. Phơng pháp chuẩn bị chất hấp phụ 41 2.2.2. Phơng pháp xác định các thông số cấu trúc xốp của than hoạt tính . 41 2.2.3. Ph ơng pháp xác định chỉ số axit - bazơ và đặc tính bề mặt của than hoạt tính 45 2.2.4. Phơng pháp xác định chỉ số hấp phụ iốt của than hoạt tính 46 2.3.5. Điều kiện phân tích định lợng các dẫn xuất nitro của toluen và phenol bằng phơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao iv 47 2.3.6. Phơng pháp thực nghiệm 47 2.3.7. Phng phỏp x lý s liu 57 Chơng 3 - Kết quả và thảo luận 58 3.1. Kho sỏt la chn phng phỏp phõn tớch 58 3.1.1. Ph t ngoi kh kin c trng ca cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol 58 3.1.2. Kho sỏt c trng sc HPLC ca cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol 63 3.2. Kho sỏt la chn vt liu hp ph nghiờn cu ng hc quỏ trỡnh hp ph cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol t pha lng . 66 3.2.1. Kh o sỏt kh nng hp ph cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol t pha lng lờn mt s cht hp ph 66 3.2.2. Cu trúc xp và din tích b mt ca các loi than hot tớnh . 67 3.2.3. Ch s axit - baz v c tớnh b mt ca than hot tớnh 72 3.2.4. Ch s hp ph it ca than hot tớnh . 76 3.3. Xỏc nh hm c trng quỏ trỡnh hp ph cỏc dn xu t nitro ca toluen v phenol . 76 3.4. Phng trỡnh ng nhit hp ph ca cỏc h trong mụi trng nc 80 3.4.1. Thit lp cỏc phng trỡnh ng nhit hp ph theo lý thuyt Toth 80 3.4.2. Thit lp cỏc phng trỡnh ng nhit hp ph theo lý thuyt Freundlich 84 3.5. Các yu t nh hng n quỏ trỡnh hp ph . 89 3.5.1. nh hng ca pH mụi trng 89 3.5.2. nh hng ca nhit v nhit ng hc quỏ trỡnh hp ph 97 3.5.3. nh hng ca thi gian v ng hc quỏ trỡnh hp ph . 101 3.5.4. nh hng ca hn hp cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol 105 3.6. Nghiờn cu nh hng ca dung mụi n kh nng hp ph . 108 Chơng 4 - ứng dụng kết quả nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ xử lý nớc thải nhiễm các dẫn xuất nitro của toluen và phenol 116 4.1. Thit lp mô hình tính toán lợng chất hấp phụ . 115 4.1.1. C s thit lp 115 4.1.2. i vi cỏc dung dch cha 01 cht ụ nhim 115 4.1.3. i vi cỏc dung dch cha nhiu hn 01 cht ụ nhim 116 4.1.4. Kim tra s phự hp ca mụ hỡnh 118 v 4.2. ng dng kt qu nghiờn cu hon thin cụng ngh x lý nc thi cha TNT v nc thi sn xut DNT bng phng phỏp hp ph 119 4.2.1. S cụng ngh v nguyờn lý hot ng . 119 4.2.2. iu kin cụng ngh x lý nc thi cha TNT bng phng phỏp hp ph trờn than hot tớnh 120 4.2.3. iu kin cụng ngh x lý nc thi ch a sn xut DNT 123 4.3. ng dụng kết quả nghiên cứu để hoàn thiện gii phỏp cụng ngh tng hp x lý nc thi cha mt s thnh phn vật liệu nổ 125 Kết luận 128 Danh mục các công trình 130 Tài liệu thảm khảo 131 Phụ lục vi Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt a Dung lợng hấp phụ AG Than hoạt tính ép viên (Nga). A o Anstron a m , a max Dung lợng hấp phụ cực đại B Hằng số cấu trúc xốp theo Dubinin BET Brunauer-Emmett-Teller D Debye DNP Dinitrotophenol DNT Dinitrotoluen đvC Đơn vị cacbon E C Năng lợng cảm ứng (lực Debye) E d Năng lợng tơng tác định hớng E L Năng lợng tán xạ London E t Năng lợng tơng tác do tĩnh điện GC-MS Phơng pháp sắc ký khí khối phổ HPLC Phơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao IR Phơng pháp phổ hồng ngoại k Hằng số Boltzmann K d Hằng số phân bố K F Hằng số hấp phụ Freundlich K L Hằng số hấp phụ Langmuir k 1 Hằng số hấp phụ bậc 1 k 2 Hằng số hấp phụ bậc 2 LD 50 Liều gây chết 50% động vật thí nghiệm m Khối lợng chất hấp phụ MNP Mononitrophenol MNT Mononitrotoluen P; Ps áp suất hơi và áp suất bão hoà của chất bị hấp phụ q Điện tích SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy). S BET Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính tính theo BET T Nhiệt độ tuyệt đối vii TEM Hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy) TQ Than hoạt tính dùng cho xử lý nớc của Trung Quốc TM Than hoạt tính Trà Bắc (Việt Nam) TNP Trinitrophenol hay cũn gi l picric axit TNR Trinitroresorxin hay cũn gi l styphnic axit TNT Trinitrotoluen UV-VIS Phơng pháp phổ tử ngoại khả kiến V Thể tích dung dịch VLN Vật liệu nổ V lớn (cm 3 /g) Tổng thể tích các mao quản lớn của than hoạt tính V nhỏ (cm 3 /g) Tổng thể tích các mao quản của than hoạt tính V tổng (cm 3 /g) Tổng thể tích xốp của than hoạt tính V trung (cm 3 /g) Tổng thể tích các mao quản trung bình của than hoạt tính W o Thể tích không gian hấp phụ của mao quản nhỏ theo Dubinin à Mô men lỡng cực c Hàm đặc trng theo Toth G Biến thiên năng lợng tự do Gibbs H Nhiệt hấp phụ S Độ giảm Entropi hấp phụ viii danh mục các bảng Bảng 2.1: Điều kiện phân tích định lợng các dẫn xuất nitro của toluen và phenol bằng phơng pháp HPLC Bảng 2.2: Điều kiện thí nghiệm đánh giá hiệu suất hấp phụ của các dẫn xuất nitro của toluen và phenol Bảng 2.3: Điều kiện thí nghiệm xác định các thông số hàm đặc trng c Bảng 2.4: Điều kiện thí nghiệm ảnh hởng của pH đến khả năng hấp phụ Bảng 2.5: Điều kiện thí nghiệm ảnh hởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Bảng 2.6: Điều kiện thí nghiệm ảnh hởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Bảng 2.7: Điều kiện thí nghiệm ảnh hởng của dung môi đến qúa trình hấp phụ Bảng 2.8: Điều kiện thí nghiệm ảnh hởng của dung môi hữu cơ trong môi trờng nớc đến hiệu quả hấp phụ TNT của than TQ Bng 3.1. c trng ph UV-VIS ca cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol Bng 3.2. Mt s c trng sc ký ca cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol Bng 3.3: Hiu sut hp ph (%) ca mt s loi than hot tớnh i vi cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol Bng 3.4: Hiu sut hp ph ca mt s loi zeolit v bentonit i vi cỏc dn xut nitro ca toluen v phenol Bng 3.5. Cỏc thụng s cu trỳc xp ca than hot tớnh TQ, TM v AG Bng 3.6: Ch s pH ca cỏc loi than hot tớnh trong mụi trng nc Bng 3.7: Cỏc tham s ca hm c trng c Bảng 3.8: Phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Toth Bng 3.9: Cỏc thụng s ca phng trỡnh ng nhit Freundlich Bảng 3.10: Các phơng trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Bng 3.11: Cỏc thụng s phng trỡnh ng nhit hp ph theo (3.14) Bng 3.12: Cỏc tham s c trng cho cỏc h hp ph Bảng 3.13: Phơng trình mô tả sự phụ thuộc của dung lợng hấp phụ của than hoạt tính vào nồng độ ion H + trong dung dịch Bng 3.14: Cỏc thụng s nhit ng ca cỏc h hp ph . phục vụ nghiên cứu quá trình hấp phụ từ pha lỏng một số dẫn xuất nitro của toluen và phenol là thành phần vật liệu nổ bằng một số chất hấp phụ thích hợp. . UV-VIS của các chất là dẫn xuất nitro của toluen Hình 3.2. Phổ UV-VIS của các chất là dẫn xuất nitro của phenol Hình 3.3. Sắc đồ HPLC của các chất là dẫn xuất