CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN
1.5. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ TRÀN DẦU VÀ VẬT LIỆU HẤP
1.5.2. Giới thiệu về vật liệu hấp thu dầu
Gần đây, cơng nghệ biến tính và tổng hợp các vật liệu mới nhằm tăng tính kị nƣớc và khả năng hấp thu dầu đang đƣợc chú trọng nghiên cứu. Nhiều loại vật liệu mới đã đƣợc chế tạo, đánh giá v so sánh về khả năng hấp thu dầu cũng nhƣ hiệu quả kinh tế. Để có thể trở thành các sản phẩm thƣơng mại, các loại vật liệu hấp thu dầu cần phải đáp ứng một số yêu cầu kỹ thuật sau:
- Khả năng hấp thu dầu cao và vận tốc hấp thu dầu nhanh v hút nƣớc thấp; - Khả năng lƣu dầu cao trong quá trình vận chuyển;
- Khả năng thu hồi dầu (nhả hấp thu) nhanh và bằng những phƣơng pháp đơn giản nhất có thể;
- Có các tính chất cơ lý tốt và có khả năng tái sử dụng nhiều lần; - Có tỷ trọng thấp, khả năng nổi cao trên mặt nƣớc;
- Chịu đƣợc các dung mơi, hóa chất thơng dụng; - Khơng bị phân hủy quang hóa;
- Sẵn có và giá thành rẻ;
- Đáp ứng tiêu chuẩn về khả năng hấp thu dầu trên 1kg vật liệu hấp thu dầu Theo World Catalogue of Oil Spill Response Products, 1997/1998 [34], nếu 1kg vật liệu hấp thu dầu hấp thu đƣợc khoảng dƣới 5kg dầu thì vật liệu hấp thu dầu đƣợc xếp loại kém, khơng kinh tế và khơng có khả năng trở thành sản phẩm thƣơng mại. Nếu 1kg vật liệu hấp thu dầu hút đƣợc khoảng 5-10 kg dầu thì vật liệu hấp thu dầu đƣợc xếp loại khá, có khả năng thƣơng mại; Cịn nếu 1kg vật liệu hấp thu dầu
hút đƣợc khoảng 10kg dầu thì vật liệu hấp thu đƣợc xếp loại tốt; Theo tiêu chuẩn của Nhật Bản, vật liệu hấp thu dầu đƣợc chấp nhận nhƣ một mặt h ng thƣơng mại thì phải có khả năng hấp thu dầu ít nhất là 6kg dầu trên 1kg vật liệu [47].
Các vật liệu hấp thu dầu có thể phân thành 3 loại:polyme tổng hợp, các vật liệu vô cơv xenlulozơ tự nhiên và biến tính.
1.5.2.1. Vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở polyme tổng hợp
Polyme tổng hợp hấp thu dầu phải l các polyme kị nƣớc, tính kị nƣớc v ƣa dầu l đặc điểm chung của polyme n y. Vật liệu hấp thu dầu thƣờng tồn tại ở dạng gel, nó có thể trƣơng nhƣng khơng tan trong dầu hay trong dung môi hữu cơ không phân cực. Khi trƣơng l n vật liệu thƣờng tạo gel ngƣời ta còn gọi nó l “organo gel”, đó chính l gel trƣơng trong dung môi hữu cơ [10]. Khi tiếp xúc với dung môi không phân cực, các tiểu phân chất lỏng sẽ khuyếch tán v o cấu trúc b n trong mạng lƣới v đƣợc giữ lại trong đó. Tùy độ trƣơng của gel m gel có bề ngo i giống cao su, gelatin hay rắn nhƣ gạch nếu độ trƣơng thấp [35,45].
Khả năng hấp thu dầu của polyme phụ thuộc nhiều yếu tố: nhiệt độ của quá trình trùng hợp, đồng trùng hợp, nồng độ chất khơi m o, tỷ lệ mol các monome v mật độ tạo lƣới trong copolyme, ái lực với dầu của các nhóm có mặt trong cấu trúc của polyme. Rất nhiều polyme đƣợc tạo ra từ các dẫn xuất alkyl acrylat, alkylmetacrylat, dẫn xuất hidrocacbon mạch vòng, đây l các nhóm có ái lực lớn đối với dầu. Một số polyme thuộc loại n y nhƣ copolyme lauryl acrylat và butyl metacrylat với chất tạo lƣới l etylen glycol dimetacrylat; copolyme stearyl metacrylat v divinyl benzen...đ đƣợc công bố tr n các tạp chí khoa học, với ứng dụng để hấp thu chất hữu cơ thải ra từ các nh máy lọc dầu [20, 38, 58].
Một số polyme hấp thu dầu tổng hợp từ các monome ban đầu l styren, alkylacrylat, alkylmetacrylat với sự có mặt của chất tạo lƣới [20, 24, 25]. Tuy vậy vấn đề nghi n cứu các vật liệu có khả năng hấp thu xử lý dầu vẫn l một lĩnh vực nghi n cứu rộng lớn cần đƣợc quan tâm nhằm tạo ra đƣợc các vật liệu mới có thể đáp ứng nhu cầu ng y c ng cao của x hội, trong đó có vấn đề mơi trƣờng đƣợc coi l rất cấp bách.
Khả năng hấp thu của các hợp chất hữu cơ tổng hợp cao hơn nhiều so với các loại vật liệu cịn lại, nhƣng nhƣợc điểm chính của các vật liệu n y lại l chúng bị phân huỷ rất chậm so với các vật liệu tự nhi n hoặc từ cây cỏ, mặt khác sau khi hấp thu dầu xong các vật liệu n y khó có khả năng thu hồi m thƣờng để tự phân huỷ trong điều kiện tự nhi n [53].
1.5.2.2. Vật liệu hấp thu dầu vô cơ
Vật liệu hấp thu dầu vô cơ gồm các loại khoáng sét (vermiculite, diatomite, perlite, cát thạch anh, thạch anh tinh thể, silica, natri bicarbonat), amberlite, khoáng sét hữu cơ, zeolite, sợi thủy tinh, than chì, than hoạt tính, tro bay…
Arbatan v cộng sự [52] nghi n cứu khả năng sử dụng để l m sạch dầu tr n của bột canxi cacbonat biến tính. Bột n y đƣợc xử lý với axit béo để tạo đặc tính si u kị nƣớc, ƣa dầu. Sản phẩm phù hợp để tách dầu khỏi hỗn hợp dầu/nƣớc v có thể đạt đƣợc hiệu quả tách cao.
Fan v cộng sự [61] sử dụng ống cacbon nano sắp xếp theo chiều dọc để đánh giá khả năng hấp thu v thu hồi dầu bằng phƣơng pháp vắt ép. Dung lƣợng hấp thu của ống cacbon nano xếp dọc có chiều d i 3mmm cao hơn gấn 6,9 lần so với ống cacbon nano đƣợc xếp chồng do tồn tại các mao quản có kích thƣớc lớn. So với graphit chèn lớp thì ống cacbon nano xếp dọc có dung lƣợng hấp thu cao hơn (69g/g so với 41g/g) v hiệu quả thu hồi tốt hơn. Nghi n cứu của Gui v cộng sự [57] cũng cho thấy các tấm xốp ống cacbon nano có dung lƣợng hấp thu khá cao đối với nhiều loại dầu v chất hữu cơ, l n tới tr n 100g/g (với độ nhớt trong khoảng 3-200cp). Chúng vẫn duy trì đƣợc dung lƣợng hấp thu trong khoảng 20-40g/g sau 10 chu kỳ hấp thu. Khoảng 98% dầu đƣợc thu hồi bằng quá trình vắt ép hoặc chuyển hoá th nh nhiệt nhờ đốt trực tiếp dầu b n trong xốp.
Ngo i ra, nhiều loại vật liệu khác cũng đƣợc nghi n cứu biến tính để tăng khả năng hấp thu dầu nhƣ than bùn [12], aerogel silica [13]. Các vật liệu vơ cơ nói chung có ƣu điểm là sẵn có và giá thành rẻ. Tuy nhi n nhƣợc điểm khó khắc phục là có tỷ trọng cao, khơng tái sử dụng đƣợc, hút nƣớc, tính ƣa dầu kém vì thế vật liệu có khả năng hấp thu dầu thấp; khó khăn trong vận chuyển và sử dụng vì phần lớn
vật liệu hấp thu dầu vô cơ đều ở dạng bột hoặc hạt. Một số vật liệu mới tr n cơ sở ống cacbon nano có dung lƣợng hấp thu lớn, khả năng thu hồi dầu và tái sử dụng tốt nhƣng cần tiếp tục nghiên cứu để đánh giá hiệu quả về công nghệ v giá th nh cũng nhƣ khả năng triển khai trong thực tế.
1.5.2.3. Vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở xenlulozơ tự nhiên và biến tính
Các sản phẩm và phế thải nông nghiệp nhƣ các loại sợi bông (bông vải, bông gạo,…), các loại cỏ bông, r u than bùn, rơm rạ, lõi ngô, bã mía, mùn cƣa, sợi gỗ, một số loại vỏ cây và nhiều loại vật liệu tr n cơ sở xenlulozơ biến tính khác có tính chất xốp, nhẹ có khả năng hút dầu. Một số loại nhƣ cỏ sữa, bông gạo hấp thu đƣợc khoảng 8-20 lần dầu so với khối lƣợng của chúng, các loại vỏ cây, cỏ có tính chất xốp nhƣ b mía, vỏ trấu... [22] cũng hút đƣợc một lƣợng dầu gấp v i lần khối lƣợng của nó.
Suni v cộng sự [51] nghi n cứu sử dụng sợi cỏ bơng, sản phẩm phụ của q trình khai thác than bùn l m chất hấp thu dầu tr n. Sợi cỏ bông đƣợc ép th nh dạng mat (một dạng thảm) có v khơng có chất kết dính l nhựa polyeste. Các tấm mat từ sợi cỏ bơng có khả năng hấp thu dầu cao gấp 2-3 lần v tốc độ hấp thụ nhanh hơn 2- 3 lần chất hấp thu tổng hợp. Hiệu quả tách loại dầu diesel tr n bề mặt nƣớc đạt tới hơn 99% với khả năng hấp thụ khoảng 20 lần khối lƣợng chính nó.
Với mục đích phát triển các chất hấp thu dầu từ vật liệu hữu cơ phế thải có giá th nh rẻ v ít gây nguy cơ về mơi trƣờng, Saito v cộng sự [47] đ s ng lọc v thấy rằng sợi vỏ cây thơng liễu Nhật Bản (Sugi) có khả năng hấp thu dầu cao nhờ đặc tính kị nƣớc v ƣa dầu. Vật liệu n y có khả năng hấp thu dầu tối đa l 13,4 lần khối lƣợng chính nó, tƣơng đƣơng với chất hấp thu polypropylen thƣờng thấy.
Sợi bông gạo cũng l một sản phẩm nơng nghiệp có đặc tính hấp thụ dầu cao. Cây bông gạo thuộc họ Bombacaceae đƣợc trồng ở Đông Nam Á, Sri Lanka, một số vùng ở Đơng Á, Châu Phi. Sợi bơng gạo có lơng măng, khối lƣợng nhẹ, khơng gây dị ứng, không độc, khơng bị mủn v khơng mùi. Nó có tính ƣa dầu cao v không bị d n khi quay sợi. Tuy nhi n sợi bông gạo không đƣợc nghi n cứu nhiều nhƣ các sợi thực vật khác về đặc tính hấp thu dầu. Lim v cộng sự [34] đ nghi n cứu một cách
hệ thống khả năng hấp thụ dầu v đặc tính ƣa dầu - kị nƣớc của sợi bông gạo. Dung lƣợng hấp thu dầu của bó sợi bơng gạo đối với dầu diesel, dầu thủy lực v dầu động cơ lần lƣợt l 36, 43 v 45g/g. Dung lƣợng n y cũng phụ thuộc rất nhiều v o tỷ trọng của bó sợi (mức độ nén ép). Đặc tính kị nƣớc/ƣa dầu của sợi bông gạo l do bề mặt chứa sáp của nó, trong khi đó các khoang lớn của sợi góp phần l m tăng khả năng hấp thu v lƣu giữ dầu. Sợi bơng gạo có khả năng thay thế rất tốt các loại vật liệu hấp thu tổng hợp đang đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay nhƣ sợi bông v sợi PP.
Sun R. v cộng sự [49] so sánh khả năng hấp thu dầu của các loại sợi tự nhiên v tổng hợp bao gồm sợi bông gạo, sợi cỏ sữa v sợi PP. Các cột nhồi sợi đƣợc đánh giá khả năng hấp thu dầu tỷ trọng cao v dầu diesel. Vật liệu nhồi cột bao gồm 100% sợi bông gạo, sợi cỏ sữa, sợi PP v blend giữa sợi bông gạo v sợi PP (70/30), blend giữa sợi cỏ sữa v sợi PP (70/30). Độ xốp của các cột nhồi sợi quyết định dung lƣợng hấp thu. Với độ xốp <0,98 sợi PP cho dung lƣợng hấp thu lớn nhất. Khi độ xốp cao >0,98, sợi PP cho dung lƣợng hấp thu kém do các lỗ xốp b n trong sợi có kích thƣớc lớn.
Fanta v cộng sự [16] nghi n cứu tổng hợp các copolyme ghép từ bột gỗ mềm với axit acrylic (AA) hoặc 2-acrylamido-2-metylpropansunfonic axit (AASO3H) sau đó biến tính kị nƣớc các copolyme ghép bằng phản ứng trao đổi với hexadecyltrimetylamoni bromua (CTAB). Việc biến tính kị nƣớc l m tăng khả năng hấp thu dầu ở dạng nhũ tƣơng so với các copolyme ghép của bột gỗ mềm với metyl acrylat và butyl acrylat.
Gần đây, một loại sợi hấp thu dầu tr n cơ sở copolyme ghép butyl acrylat v sợi xenlulozơ đƣợc tổng hợp bằng cách ho tan ho n to n xenlulozơ v monome trong hệ dung môi LiCl v N,N'- dimetyl axetamit (DMA) sau đó cho phản ứng bằng phƣơng pháp trùng hợp gốc chuyển nguy n tử (ATRP). Sau khi bổ sung chất tạo lƣới N,N'- metylenbisacrylamit (MBA), hỗn hợp đƣợc tạo sợi bằng phƣơng pháp quay ƣớt tạo th nh sợi hấp thu dầu. Phƣơng pháp n y đơn giản, điều kiện phản ứng m dịu, tránh đƣợc việc ti u hao nhiều hố chất cũng nhƣ quy trình cơng nghệ kéo d i, khó kiểm sốt phản ứng hay cho sản phẩm khơng phù hợp. Tốc độ ghép
đƣợc điều chỉnh phù hợp với những đòi hỏi về cấu trúc mắt lƣới của sản phẩm. Sản phẩm vừa có khả năng phân huỷ sinh học của xenlulozơ, vừa có khả năng hấp thụ dầu cao của monome ƣa dầu nhờ đó vấn đề thƣờng gặp ở các vật liệu hấp thu dầu l hiệu quả hấp thu không cao v khả năng phân huỷ sinh học đƣợc giải quyết đồng thời [56].
Nói chung, các loại vật liệu hấp thu dầu hữu cơ có nguồn gốc thiên nhiên kể tr n có các ƣu điểm là giá thành rẻ, có nguồn gốc thiên nhiên và khả năng tái sinh vô tận, thân thiện với mơi trƣờng và có khả năng tự phân hủy sinh học. Phần lớn các loại vật liệu hấp thu dầu hữu cơ có nguồn gốc thiên nhiên có cấu trúc sợi nên có thể dễ dàng gia cơng thành sợi và từ đó tạo thành các sản phẩm khác nhau nhƣ các loại phao, gối, chăn, khăn, tiện dụng cho công tác ứng cứu các sự cố tràn dầu. Bên cạnh đó chúng có một số nhƣợc điểm là khả năng nổi kém vì có tỷ trọng cao, tính ƣa nƣớc (hidrophilicity) cao, tính ƣa dầu (hidrophobicity) thấp vì thế cần phải đƣợc biến tính để cải thiện khả năng hấp thu dầu.