III.1. Mối quan hệ giữa độ tẩy rửa và điện thế Zeta.
Điện thế zeta là một đại lượng quan trọng để đánh giá độ bền vững của các hạt nhũ tương trong dung dịch chất tẩy rửa. Người ta thường xác định điện thế zeta của dung dịch chất tẩy rửa qua việc đo tốc độ điện di của dung dịch chất tẩy rửa đó.
Đối với chất tẩy rửa, thì độ tẩy rửa và độ điện di có quan hệ chặt chẽ với nhau. Khi dung dịch chất tẩy rửa có độ điện di lớn thì điện thế trên bề mặt của hạt nhũ cũng lớn hơn, và độ bền của các hạt nhũ trong dung dịch sẽ tăng, dẫn đến khả năng cuốn trôi cặn dầu của các hạt nhũ, và tăng độ tẩy rửa.
Theo các kết quả nghiên cứu, độ tẩy rửa tỉ lệ thuận với giá trị điện thế zeta, tức là điện thế zeta càng lớn (hệ nhũ càng bền) thì độ tẩy rửa của dung dịch càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên, tẩy rửa bằng dung dịch chất tẩy rửa có hệ nhũ tương kém bền thì việc xử lý nước thải sau tẩy rửa sẽ hiệu quả và an toàn cho môi trường hơn, vậy nên tiến hành tẩy rửa với dung dịch chất tẩy rửa có hạt nhũ tương kém bền (có điện thế zeta từ 20mV đến 30mV).
Nguyễn Thị Ngọc Hương 33 HD1001 Trong hỗn hợp sau tẩy rửa dầu tồn tại ở hai dạng. Dạng thứ nhất là dầu tích tụ lại thành từng đám nổi lên trên. Dạng thứ hai chúng tồn tại là nhũ tương dầu/dung dịch chất tẩy rửa, các giọt dầu có kích thước rất nhỏ nằm lơ lửng trong dung dịch chất tẩy rửa. Nhũ tương dầu/ dung dịch chất tẩy rửa trong hỗn hợp khá bền vững và có độ ổn định cao. Khi hai giọt dầu tiến đến gần nhau, do các lớp vỏ ion lồng vào nhau, lực đẩy sẽ xuất hiện giữa các ion nghịch của bề mặt tiếp xúc tạo nên sự sắp xếp lại các ion đó trong không gian.
Như vậy thế của lớp điện tích kép, hay cụ thể là điện thế zeta có thể đặc trưng cho độ bền của nhũ tương. Khi đưa thêm vào hệ một chất điện ly, sự biến đổi nồng độ các chất phân tán, độ pH sẽ làm thay đổi điện thế zeta.
Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, độ ổn định của nhũ tương dầu/ dung dịch chất tẩy rửa nằm trong các vùng cực mà điện thế zeta lớn nhất. Mặt khác để phá đi độ ổn định của nhũ tương này thì độ pH phải nằm ở gần độ cách điện của giọt nhũ tương.
Giọt dầu trong vùng axit có điện tích bề mặt dương, giọt dầu trong vùng trung tính đến vùng kiềm có điện tích bề mặt âm.
Trong môi trường axit ở độ pH = 3 thì sự tăng của điện thế zeta khi tăng nồng độ chất đa điện phân nhỏ.
Trong môi trường trung tính pH = 7 và môi trường bazơ pH = 10 thì sự tăng nồng độ chất đa điện phân ion + làm tăng liên tục điện thế zeta. Nhưng để đạt đến điểm cách điện thì độ pH = 10 cần chất đa điện ly ion + lớn hơn.
Lớp đôi của giọt dầu được nén bởi số lượng ion sau sự cho thêm của chất điện ly và làm giảm bớt độ rộng của chất phân tán. Sự nén của lớp đôi điện cho phép giữ một khoảng cân bằng nhỏ của giọt dầu. Nếu sau sự nén của lớp đôi điện tích, khi có sự chạm tĩnh điện học đủ lớn và không có nhân tố ổn định tiếp theo thì quá trình đông tụ sẽ xảy ra.
Để chọn hoá chất phá nhũ tương dầu/dung dịch chất tẩy rửa ta cần xác định thế điện tích zeta của giọt dầu. Nếu thế điện tích zeta âm ta sẽ chọn chất hoạt động bề mặt ion dương làm chất kết tụ và ngược lại nếu thế điện tích zeta dương ta sẽ chọn chất hoạt động bề mặt ion âm là chất kết tụ.
Nguyễn Thị Ngọc Hương 34 HD1001
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM I. Tách cặn dầu từ dung dịch chất tẩy rửa.
I.1. Nguyên tắc. [14]
Tẩy rửa cặn dầu là quá trình xảy ra theo 2 cơ chế chính là hoà tan và cuốn trôi, cụ thể như sau :
Ban đầu khi dung dịch chất tẩy rửa tiếp xúc với bề mặt cặn dầu thì các phân tử dầu nằm sát bề mặt nhiễm bẩn sẽ bị hoà tan vào dung dịch chất tẩy rửa. Sau đó, các phân tử chất hoạt động bề mặt hấp thụ lên bề mặt cặn dầu, làm giảm sức căng bề mặt của chúng và làm giảm góc thấm ướt của cặn dầu với bề mặt cần tẩy rửa, và khi đó chỉ cần một lực tác động cơ học nhỏ cũng làm cặn dầu tách ra khỏi bề mặt rắn và nổi lên trên. Cặn dầu sau khi tách ra, chúng phân tán vào trong dung dịch chất tẩy rửa dưới dạng nhũ tương, khi cặn dầu tách ra và tăng lên, chúng sẽ tập hợp lại và nổi lên trên.
Quá trình hoà tan gồm hoà tan bằng dung môi hữu cơ và hoà tan bằng các mixen. Dung môi hữu cơ được sử dụng ở đây là dầu thông. Dầu thông được phân tán vào trong dung dịch chất tẩy rửa dưới dạng nhũ tương nhờ các chất hoạt động bề mặt. Khi các hạt nhũ tiếp xúc với phân tử cặn dầu, do cả hai đều là phân tử không cực nên dầu thông sẽ hoà tan các phân tử cặn dầu. Khi dung dịch chất tẩy rửa đạt đến nồng độ mixen tới hạn thì trong dung dịch chất tẩy rửa xuất hiện các mixen, đầu ưa nước sẽ hướng ra ngoài còn đầu kị nước sẽ quay vào trong. Khi các mixen tiếp xúc với các phân tử dầu thì các phân tử dầu sẽ hội nhập vào trong các mixen và xảy ra quá trình hoà tan hoá.
Hai quá trình hoà tan này không xảy ra lần lượt mà xảy ra đồng thời và hỗ trợ nhau.
Trong đồ án này, tôi khảo sát hiệu suất tách cặn dầu trong các điều kiện khác nhau sau đây:
Tách cặn dầu bằng phương pháp lắng có gia nhiệt từ 400
C – 800C Tách cặn dầu bằng phương pháp lắng có sục khí
Tách cặn dầu bằng phương pháp lắng dùng chất điện ly
Tách cặn dầu bằng phương pháp lắng có sục khí, có chất điện ly
I.2. Hoá chất và dụng cụ.
I.2.1. Hoá chất
Cặn dầu FO lấy từ kho xăng dầu Đức Giang Chất tẩy rửa BK
Chất điện ly (NH4)2SO4, H2SO4, Na2SO4 Nước cất
Nguyễn Thị Ngọc Hương 35 HD1001
I.2.2. Thiết bị và dụng cụ
Dụng cụ:
1 cốc thuỷ tinh dung tích 200ml 1 ống đong dung tích 100ml
1 phễu chiết dung tích 200ml độ chia chính xác đến 0,5ml Cân phân tích, chính xác đến 3 chữ số sau dấu phẩy
Thiết bị:
Hệ thống máy khuấy: cánh khuyâý có đường kính dk = 4cm có bộ phận điều chỉnh tốc độ 0 – 2000 vòng/ phút
Máy thổi khí có lưu lượng thổi khí từ 0 – 3000ml/ phút, thiết bị đo lưu lượng, van điều chỉnh lưu lượng, bộ phận phân phối không khí
Hộp ổn nhiệt, có điều chỉnh nhiệt độ
I.3. Cách tiến hành.
Đặt cốc thuỷ tinh 200ml lên cân phân tích, trừ bì sau đó cho 20g cặn dầu vào cốc (sai số trong khoảng 0,01g).
Pha hỗn hợp chất tẩy rửa (CTR) đến nồng độ Mixen tới hạn (3%): Dùng pipet lấy 3ml chất tẩy rửa cho vào cốc có dung tích 200ml, cho 97ml nước cất vào cốc. Khuấy đều hỗn hợp này.
Dùng ống đong lấy 100ml chất tẩy rửa đã pha cho vào cốc thuỷ tinh đã chứa cặn dầu ở trên.
Dùng máy khuấy để khuấy hỗn hợp CTR và cặn dầu đã pha được ở trên với tốc độ 600 vòng/ phút trong vòng 30 phút. Sau đó, gạt hết cặn dầu còn bám dính trên cánh khuấy.
Hỗn hợp sau khi khuấy được rót vào phễu chiết 200ml.
Tiến hành xác định lượng cặn dầu lắng tách trong những điều kiện khác nhau sau đây.
I.3.1 Khảo sát hiệu suất tách theo nhiệt độ.
Sau khi tiến hành các bước như trên để thu được hỗn hợp CTR và cặn dầu, ta đặt phễu chiết vào hộp ổn nhiệt, sau đó tiến hành gia nhiệt từ 40 – 900C để khảo sát khả năng lắng tách dầu ở tại những nhiệt độ khác nhau.
I.3.2 Khảo sát hiệu suất tách theo tốc độ sục khí khác nhau.
Cũng tiến hành tương tự như trên, nhưng ta tiến hành khảo sát tốc độ gia nhiệt ở nhiệt độ thường, chỉ thay đổi tốc độ sục khí vào hỗn hợp CTR và cặn dầu.
Nguyễn Thị Ngọc Hương 36 HD1001 Sau khi tạo hỗn hợp chất tẩy rửa và cặn dầu. Dùng ống đong lấy 10ml chất điện ly rót vào hỗn hợp trên
Dùng đũa thuỷ tinh khuấy đều nhẹ cho chất điện ly phân bố đều vào hỗn hợp sau đó tiến hành ổn nhiệt, sục khí khảo sát sự ảnh hưởng của chúng đến quá trình lắng tách.
I.3.4. Khảo sát hiệu suất tách khi sục khí và sử dụng các chất điện ly khác nhau. nhau.
Tiến hành tương tự như trường hợp I.3.3 và có sục khí
Sau các bước a,b,c hỗn hợp trong phễu chiết phân tách thành 2 lớp:
Phân lớp phía trên: cặn dầu, riêng đối với trường hợp I.3.3 và I.3.4 phân lớp phía trên còn 1 phần nhỏ chất điện ly lẫn vào.
Phân lớp phía dưới: hỗn hợp chất tẩy rửa và phần rất nhỏ cặn dầu, riêng với trường hợp I.3.3 và I.3.4 phân lớp phía dưới còn có chất điện ly.
Ta tiến hành chiết lấy phần cặn dầu vào cốc inox 50ml đã cân để xác định khối lượng mcốc, với trường hợp I.3.3 và I.3.4 sau khi đã chiết phân lớp dưới ta dùng 50ml nước cất đã đun nóng tới 600C để rửa hết lượng chất điện ly còn dư.
Gia nhiệt cốc đựng cặn dầu đã tách ở 1100C đến khối lượng không đổi, sau đó để nguội ở nhiệt độ phòng rồi đem cân để xác định khối lượng cặn dầu đã tách được.
Sơ đồ các thí nghiệm được minh hoạ chi tiết ở các hình dưới đây:
Nguyễn Thị Ngọc Hương 37 HD1001
Hình 2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình lắng tách cặn dầu
II. Xác định thành phần cặn dầu bằng phƣơng pháp hoá học.
Đối tượng nghiên cứu là cặn dầu FO được lấy từ kho xăng dầu Đức Giang. Sơ đồ xác định thành phần cặn dầu được đưa ra ở hình 2.3
Hình 2.3. Sơ đồ tách các thành phần trong cặn dầu II.1. Chƣng cất tách nƣớc
Tiến hành theo TCVN 2692 – 1995 và hoàn toàn phù hợp với tiêu chuẩn ASTM D95 – 90.
Nguyễn Thị Ngọc Hương 38 HD1001
II.1.1. Nguyên tắc
Đun nóng mẫu thử trong bộ cất có sinh hàn hồi lưu với dung môi không tan trong nước và dung môi đó cùng được cất ra với nước có trong mẫu. Dung môi ngưng tụ và nước liên tục được tách ra trong ống ngưng, nước lắng xuống trong phần chia độ của ống hứng, còn dung môi chảy ngược lại bình cất.
Dung môi – chất mang lỏng : có thể sử dụng dung môi hydrocacbon bất kỳ không chứa nước và có nhiệt độ sôi trong khoảng 100 – 2000
C (không dùng dung môi thơm vì có khả năng tách các hợp chất asphanten)
II.1.2. Dụng cụ và hoá chất
Bình cất bằng thuỷ tinh dung tích 500ml, loại cổ ngắn và có khớp nối phù hợp để giữ được ống hồi lưu của ống ngưng ;
Bếp điện : nguồn gia nhiệt
ống ngưng thuỷ tinh được chia độ, có kích thước phù hợp với lượng nước chứa trong mẫu thí nghiệm, chọn loại ống ngưng có dung tích 25ml, mỗi vạch chia là 0,2ml. Nếu lượng nước thu được lớn hơn 25ml, thì nên sử dụng ống ngưng 25ml có khoá để tháo phần nước dư chảy vào phần ống đong có chia độ ;
ống hồi lưu, ống ngưng thẳng, được làm lạnh bằng nước có chiều dài 400ml xylen – ISO 5280 – 1979
II.1.3. Quy trình tiến hành
+ Cân 100g mẫu với độ chính xác là 0,1g, cho vào bình cất rồi thêm 100ml dung môi xylen.
Nguyễn Thị Ngọc Hương 39 HD1001 1. ống ngưng 2. ống hứng
3. Bình cất thuỷ tinh 4. Bếp điện
Hình 2.4. Sơ đồ thiết bị chưng cất xác định hàm lượng nước
+ Lắp các chi tiết của thiết bị như hình 2.2 làm kín tất cả các chỗ nối hơi và chất lỏng, ống hồi lưu và ống ngưng cần được làm sạch bằng hoá chất để đảm bảo rằng nước hoàn toàn chảy xuống đáy ống ngưng. Nhét một miếng bông xốp vào đầu ống sinh hàn hồi lưu để ngăn sự xâm nhập hơi ẩm của môi trường. Cho nước làm lạnh chảy tuần hoàn trong ống hồi lưu.
+ Tăng nhiệt cho bình cất, điều chỉnh tốc độ sôi sao cho phần cất ngưng tụ chảy xuống ống ngưng với tốc độ 2,5 giọt/ giây.
+ Cất liên tục cho đến khi không nhìn thấy nước bám ở bất kỳ phần nào của thiết bị trừ ống ngưng và thể tích nước của ống ngưng không thay đổi trong 5 phút. + Khi phép xác định nước kết thúc, để nguội ống ngưng đến nhiệt độ phòng. Dùng đũa thuỷ tinh gạt tất cả những giọt nước còn dính ở thành ống ngưng chảy xuống lớp nước ở đáy ống ngưng. Đọc thể tích nước trong ống ngưng theo thang chia độ của ống.
II.1.4 Tính toán kết quả
Nguyễn Thị Ngọc Hương 40 HD1001 %W mo.100%
M
Trong đó:
mo: là khối lượng nước trong ống ngưng (g) M: khối lượng cặn dầu ( 100g )
Lặp lại 3 lần thí nghiệm và kết quả đối với mẫu cặn dầu là giá trị trung bình của 3 lần đo.
II.2. Xác định các tạp chất cơ học và cacbonit bằng phƣơng pháp trích ly
Thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D473 – 81.
II.2.1. Định nghĩa
Hàm lượng tạp chất cơ học và cacbonit của cặn dầu là phần trăm khối lượng của các hợp phần không tan trong bất cứu dung môi nào trong ác điều kiện thí nghiệm.
II.2.2. Nguyên tắc
Mẫu nghiên cứu được chiết nóng với n-heptan, sau đó những chất không tan chủ yếu là các tạp chất asphanten, cacbonit và tạp chất cơ học được tách ra bằng cách lọc. Chúng được chiết rửa với n-heptan nóng cho đến khi sạch hết vết dầu mỡ rồi sau đó đem hoà tan trong benzene nóng. Phần không tan chính là cacbonit và tạp chất cơ học. Làm khô dung môi và sấy đến khối lượng không đổi.
II.2.3. Dụng cụ và hoá chất
Bộ chiết soxlet 200ml, bếp cách cát, cốc thuỷ tinh, bình nón thuỷ tinh, phễu thuỷ tinh, bình tam giác, sinh hàn, giấy lọc băng xanh, chén cân chịu nhiệt độ cao, cân phân tích, tủ sấy, máy khuấy.
N-heptan tinh khiết, benzene tinh khiết; Mẫu nghiên cứu: cặn dầu FO
II.2.4. Quy trình tiến hành
+ Làm sạch tất cả các dụng cụ thuỷ tinh bằng cách ngâm trong sulfocromic trong khoảng 12 giờ. Rửa, tráng bằng nước cất rồi bằng cồn 90 độ. Sấy ở 100 – 110 độ C khoảng 30 phút, sau đó cho vào bình hút ẩm đến khối lượng không đổi, rồi cân. Đặt giấy lọc vào phễu lọc.
+ Mẫu được lắc đều để tránh hiện tượng lắng của tạp chất. Cân 10g mẫu ( chính xác đến 0,1g trong một bình nón ), sau đó cho n-heptan vào bính nón với tỉ lệ 30ml/1g mẫu, lắp sinh hàn và đun sôi mẫu trong khoảng 1giờ. Ngừng đun và để nguội bính nón, đậy nắp bình và đặt trong chỗ tối ít nhất 2 giờ để kết tủa asphanten. Sau đó lọc asphanten, tạp chất cơ học và cácbonit trên giấy lọc băng
Nguyễn Thị Ngọc Hương 41 HD1001 xanh mịn cẩn then để tránh làm mất chúng (chú ý không khuấy). Tráng sạch bình nón thuỷ tinh bằng n-heptan nóng, chuyển nhẹ lên phễu lọc bằng đũa thuỷ tinh. Cặn trên giấy lọc được rửa sạch bằng cách chiết với khoảng 50ml n-heptan cho tới khi dung môi chảy qua lớp giấy lọc trong suất không màu.
+ Trên giấy lọc có chứa tạp chất cơ học, cacbonit, asphanten được chuyển vào ống giấy lọc, cho vào bộ chiết soxlet và tiến hành chiết bằng dung môi benzene cho đến khi dung môi chảy ra khỏi bộ chiết soxlet không màu thì ngừng đun. Phần hoà tan trong bezen nóng chính là asphanten, phần còn lại trên giấy lọc là
