Từ hình kết quả chụp phổ hồng ngoại IR của vật liệu thu từ thí nghiệm gửi mẫu tại Viện Hóa học Tp.HCM được minh họa trong hình 4.4 ta thấy quang phổ chứa một số đỉnh (peak), có thể được cho trùng với các nhóm sau: đỉnh có tần số 1646.47 cm-1 (C=O) nằm trong nhóm carboxylic thuộc nhóm chức của cetone và ester, hai đỉnh có tần số 3420.74cm-1 và 3443.88cm-1 (-OH) nằm trong vùng dao động nhóm hydroxyl của phenol, đỉnh có tần số 1059.22cm-1 (C-O), hai đỉnh dài có tần số 2854.70cm-1, 2924.38cm-1 (CH3) dao động xuất phát từ chuỗi alkyl của CTAB. Ngoài ra, còn hai đỉnh với tần số 1634.00cm-1 và 1646.47cm-1 (N≡C) xuất phát từ phần phân cực (đầu nhóm) của CTAB. Qua đó, ta thấy bề mặt vật liệu đã được gắn phần đầu nhóm của chất hoạt động bề mặt, điều đó chứng tỏ chúng ta đã ngâm tẩm thành công CTAB lên bề mặt vỏ trấu làm biến tính bề mặt vỏ trấu.
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 53 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Hình 4.4: Phổ hồng ngoại (FT-IR) của vật liệu biến tính MVT Me'
4.3. Khảo sát hấp phụ
4.3.1. Ảnh hưởng của kích thước hạt
Kết quả ảnh hưởng của kích thước vật liệu đến độ hấp phụ được thể hiện ở bảng 4.3 và hình 4.5 như sau:
Bảng 4.3: Ảnh hưởng của kích thước đến khả năng hấp phụ
Kích thước (mm) < 0.425 0.425 - 2 > 2
Qt (mg/g) 92 64 52.3
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 54 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Hình 4.5: Ảnh hưởng của kích thước
Qua biểu đồ ta thấy sự hấp phụ dầu phụ thuộc vào kích thước của vật liệu. Kết quả cho ta thấy khả năng hấp phụ cao nhất đối với vật liệu có kích thước nhỏ nhất. Ở đây theo khảo sát thì với kích thước vật liệu dưới 0.425 mm sẽ cho khả năng hấp phụ cao nhất. Vì khi ta giảm kích thước của vật liệu hấp phụ sẽ làm tăng hiệu quả diện tích tiếp xúc và khi đó sẽ tạo ra nhiều liên kết để hấp phụ dẫn tới khả năng hấp phụ cao hơn so với các mẫu có kích thước lớn.
4.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy.
Kết quả được thể hiện ở bảng 4.4 và hình 4.6
Bảng 4.4: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến độ hấp phụ
Tốc độ khuấy
(vòng/phút) 50 100 150 200 250 300 350 400
Qt (mg/g) 42.5 76.5 87.2 82.5 79.1 75 68.3 55.9
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 55 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Hình 4.6: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn
Nhìn vào đồ thị ta thấy tăng tốc độ khuấy trộn sẽ làm tăng khả năng hấp phụ dầu từ 42.5 ÷ 87.2 mg/g. Tuy nhiên, với tốc độ cao hơn 200 vòng/phút thì sự hấp phụ dầu bắt đầu giảm nhẹ tương ứng từ 82.5 mg/g (200 vòng/phút) xuống 55.9 mg/g (400 vòng/phút). Điều này cho thấy tăng tốc độ khuấy trộn làm tăng khả năng chuyển khối nên khả năng hấp phụ tăng nhưng khuấy càng mạnh sẽ làm phá vỡ cấu trúc của chất hấp phụ và các liên kết hấp phụ của quá trình dẫn đến khả năng hấp phụ sẽ kém đi. Vậy nên ở đây khả năng hấp phụ sẽ tốt nhất với tốc độ 150 (vòng/phút).
4.3.3. Ảnh hưởng của thời gian
Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở bảng 4.5 và hình 4.7
Bảng 4.5: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ
Thời gian
(phút) 0 10 15 20 25 30 45 60 90 120 180
Qt (mg/g) 0 68.6 73.2 79.5 88.6 88.9 89.1 89.1 89.3 89.5 89.8
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 56 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Hình 4.7: Ảnh hưởng của thời gian
Nhìn vào đồ thị ta thấy khi tăng thời gian hấp phụ thì khả năng hấp phụ dầu của vật liệu cũng tăng dần nhưng đến một mức thời gian nhất định ở đây là 30 phút thì hấp phụ đạt cân bằng, sau thời gian đó khả năng hấp phụ có tăng nhưng tăng với lượng không đáng kể. Theo thuyết hấp phụ đẳng nhiệt khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại, liên quan đến yếu tố thời gian tiếp xúc giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, thời gian ngắn thì sự tiếp xúc giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ chưa đủ để các trung tâm hoạt động trên bề mặt chất hấp phụ được “lấp đầy” bởi các phân tử dầu. Ngược lại, khi thời gian dài thì lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều, đồng thời tốc độ di chuyển ngược lại vào nước càng lớn nên hiệu quả hấp phụ gần như không tăng và gần đạt về trạng thái cân bằng. Vậy đối với quá trình hấp phụ đã khảo sát cho thấy thời gian hấp phụ tốt nhất là 30 phút.
4.3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết quả được thể hiện ở bảng 4.6 và hình 4.8
Bảng 4.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp phụ của vật liệu
Nhiệt độ (0C) 25 0C 35 0C 45 0C 55 0C 65 0C 75 0C
Qt (mg/g) 65.7 70.4 76.5 89.6 87.9 71.9
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 57 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Hình 4.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhìn vào kết quả thí nghiệm ta thấy độ hấp phụ của vật liệu bắt đầu tăng dần khi nhiệt độ tăng dần từ 250C ÷ 550C tương ứng tăng từ 65.7 ÷ 87.9 mg/g. Nhưng độ hấp phụ chỉ tăng đến một giới hạn nhất định thì bắt đầu có sự giảm nhẹ khi tiếp tục tăng nhiệt độ lên cao trên 550C. Điều này có thể giải thích vì đây là quá trình hấp phụ vật lí được tạo bởi các lực tương tác phân tử yếu nên sự biến đổi cấu trúc điện tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ là không đáng kể nên hấp phụ vật lí là một quá trình có tính thuận nghịch mặt khác khi nhiệt độ tăng sẽ làm cho lực tương tác phân tử giảm nên hấp phụ vật lí giảm do đó hấp phụ thuận lợi khi nhiệt độ thấp nhưng ở đây các phân tử dầu đã tạo với môi trường nước một hệ nhũ tương khá bền nên để các phân tử dầu được hấp phụ thì phải phá vỡ hệ này mà quá trình này sẽ thuận lợi khi tăng nhiệt độ do khi nhiệt độ tăng sẽ làm cho sự chuyển động của các phân tử chất bị hấp phụ tăng lên phá vỡ hệ nhũ tương làm tăng độ khuếch tán của các phân tử bị hấp phụ trên bề mặt hấp phụ dẫn đến độ hấp phụ tăng. Như vậy, trong quá trình hấp phụ nhiệt độ ảnh hưởng trái ngược nhau đến quá trình, tăng nhiệt độ thì thuận lợi cho quá trình phá vỡ hệ nhũ tương để dễ dàng hấp phụ dầu, nhưng không thuận lợi về mặt nhiệt động học. Nếu nhiệt độ thấp thì quá trình hấp phụ thuận lợi về mặt nhiệt động học nhưng lại khó khan cho quá trình phá vỡ hệ nhũ tương. Do đó, cần có một nhiệt độ thích hợp cho quá trình và ở đây theo khảo sát là tại nhiệt độ 550C là tốt nhất.
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 58 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
4.3.5. Ảnh hưởng của pH
Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở bảng 4.7 và hình 4.9
Bảng 4.7: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu
pH 2 4 6 7 8 9 10
Qt (mg/g) 62.8 81.2 86.5 88.2 87.9 83.5 78.6
Hình 4.9: Ảnh hưởng của pH
Nhìn vào đồ thị ta thấy khả năng hấp phụ của vật liệu tăng nhanh trong khoảng pH từ 2 ÷ 4 tương ứng với độ hấp phụ từ 62.8 ÷ 81.2 mg/g. Còn trong khoảng pH 6 ÷ 8 khả năng hấp phụ hầu như không đổi từ 86.5 ÷ 87.9 mg/g và bắt đầu từ pH = 9 sự hấp phụ bắt đầu giảm nhẹ. Điều này có thể được giải thích bằng việc thay đổi số lượng các proton tồn tại trong dung dịch và sự ổn định của nhũ tương dầu khi chịu ảnh hưởng của pH, cụ thể khi pH giảm thì lượng H+ tăng khi đó khả năng cạnh tranh giữa ion H+ và nhóm phân cực của CTAB gắn vào bề mặt vỏ trấu lớn hơn dẫn tới khả năng hấp phu dầu sẽ kém đi, ngược lại khi tăng pH thì lượng H+ giảm khi đó sự cạnh tranh giữa ion H+ với nhóm phân cực của CTAB ít dẫn tới khả năng hấp phụ tăng (theo lí thuyết), tuy nhiên trong thực tế thì khả năng đó chỉ đạt tới một giá trị cân bằng nhất định sẽ có xu hướng giảm do tác động của nhiều yếu tố từ bên ngoài như nhiệt độ môi trường, …Mặt khác, asphalten là chất lưỡng tính có trong
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 59 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
dầu nên ở pH thấp (cation) và pH cao (anion) sẽ làm tăng tính ưa nước của asphalten, làm cho chúng hoạt động bề mặt tích cực hơn tạo lớp cấu trúc ổn định nhũ cao gây khó khăn cho quá trình phá nhũ nên khả năng hấp phụ sẽ thấp. Do đó qua khảo sát thì tại môi trường pH=7 sẽ cho kết quả hấp phụ tốt nhất.
4.3.6. Ảnh hưởng của nồng độ dầu
Kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ dầu đến khả năng hấp phụ dầu của vật liệu được thể hiện ở bảng 4.8 và hình 4.10
Bảng 4.8: Ảnh hưởng của nồng độ dầu đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Nồng độ dầu (mg/l) 0 630 1040 1450 1860 2450 3450 5450 Qt (mg/g) 0 61.2 89.1 95.3 105 122.3 132.5 135
Hình 4.10: Ảnh hưởng của nồng độ dầu
Qua biểu đồ thể hiện kết quả ta thấy nồng độ dầu càng tăng thì khả năng hấp phụ càng tăng. Nhưng càng tăng cao thì độ hấp phụ cũng tăng ít dần hơn so với các nồng độ dầu ban đầu và có thể đạt tới trạng thái cân bằng. Cụ thể từ nồng độ 1860 – 2450 mg/l (nồng độ dầu tăng là 590 mg/l) thì độ hấp phụ tăng tới 17.3 mg/g (từ 105 – 122.3 mg/g), nhưng khi tăng nồng độ từ 3450 – 5450 mg/l (tăng 2000 mg/l) thì độ hấp phụ chỉ tăng lên 2.5 mg/g (từ 132.5 – 135 mg/g). Điều này được giải thích là ban đầu khi nồng độ dầu còn thấp thì các trung tâm hoạt động trên bề mặt vật liệu hấp phụ vẫn chưa được lấp đầy bởi các phân tử dầu, do đó khi tăng dần nồng độ dầu
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 60 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
lên thì khả năng hấp phụ sẽ tăng dần lên. Tuy nhiên, đến một thời điểm nào đó khi các trung tâm trên đã được che phủ bởi các phân tử dầu thì khả năng hấp phụ của vật liệu bắt đầu tăng chậm lại và đạt cân bằng.
4.3.7. Khảo sát khả năng hấp phụ cực đại
Dựa vào kết quả của thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dầu ban đầu và lấy thời gian cân bằng là 30 phút, ta mô tả cân bằng hấp phụ theo 2 phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich thông qua kết quả bảng 4.9.
Bảng 4.9: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Co (mg/l) C (mg/l) Qt (mg/g) lgC lgQt C/Qt 0 0 0 - - - 630 18 61.2 1.2553 1.7868 0.2941 1040 149 89.1 2.1732 1.9499 1.6723 1450 497 95.3 2.6964 1.9791 5.2151 1860 810 105 2.9085 2.0212 7.7143 2450 1227 122.3 3.0888 2.0874 10.0327 3450 2125 132.5 3.3274 2.1222 16.0377 5450 4100 135 3.6128 2.1303 30.3704
a. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Thuyết hấp phụ Langmuir được biểu diễn bởi biểu thức: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C/Qt = (1/Qtmax)*C + 1/(k*Qtmax) (4.3) Trong đó: + C: là nồng độ dầu lúc cân bằng, (mg/l) + Qt: là độ hấp phụ, (mg/g) + Qtmax: là độ hấp phụ cực đại, (mg/g) + k: là hằng số
Để tìm các hằng số của phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ta lập đồ thị trong hệ tọa độ C/Qt – C và ta có đường bậc nhất dạng y = a*x + b, trong đó: a =
(1/Qtmax), b = 1/(k*Qtmax).
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 61 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Hình 4.11: Đồ thị để tìm các hằng sốphương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Từ hình 4.11 ta lập được bảng 4.10.
Bảng 4.10: Các hằng số Langmuir và hệ số tương quan
1/Qtmax 1/(k*Qtmax) Qtmax k R2
0.0072 1.016 138.8889 7.0866 0.9966
b. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich
Thuyết hấp phụ Freundlich được biểu diễn bởi biểu thức:
Qt = k*C1/n hay lgQt = lg k + 1/n*lgC (4.4)
Trong đó:
+ Qt: là độ hấp phụ, (mg/g)
+ C: là nồng độ dầu lúc cân bằng, (mg/l) + k, n: là các hằng số
Theo bảng 4.9 ta lập đồ thị trong hệ tọa độ lgQt – lgC, ta có đường bậc nhất dạng y = a*x + b, trong đó: a = 1/n, b = lgk
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 62 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Hình 4.12: Đồ thị để tìm các hằng số phương trình Freundlich
Từ hình 4.12 ta lập được bảng 4.11.
Bảng 4.11: Các hằng số Freundlich và hệ số tương quan
1/n lgk K R2
0.1498 1.603 40.0867 0.9697
Qua bảng 4.10 và 4.11 ta thấy hệ số tương quan theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir cho gần bằng 1 (99%) chứng tỏ quá trình hấp phụ dầu của vật liệu tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir với phương trình sau:
984* 1 7.1* t C Q C = + (4.5)
Số liệu thực nghiệm cho hấp phụ dầu trên vỏ trấu tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (4.5) trên chứng tỏ: những tiểu phân bị hấp phụ liên kết với những trung tâm hấp phụ xác định trên bề mặt chất hấp phụ, một tâm hấp phụ có thể liên kết với một và chỉ một tiểu phân bị hấp phụ, các tiểu phân bị hấp phụ không tương tác lẫn nhau và bề mặt hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên tất cả các tâm là như nhau.
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 63 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Vỏ trấu xay nhỏ làm sạch bằng methanol và biến tính bằng NaOH 0.05M và chất hoạt động bề mặt CTAB 1 mmol/l có thể hấp phụ dầu tốt hơn so với các mẫu trấu thô và xay nhỏ xử lí bằng nước cất. Mỗi gam vật liệu có thể hấp phụ trung bình 139 mg/g. Số liệu thực nghiệm cho hấp phụ dầu trên vỏ trấu tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, chứng tỏ: những tiểu phân bị hấp phụ liên kết với những trung tâm hấp phụ xác định trên bề mặt chất hấp phụ, một tâm hấp phụ có thể liên kết với một và chỉ một tiểu phân bị hấp phụ, các tiểu phân bị hấp phụ không tương tác lẫn nhau và bề mặt hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên tất cả các tâm là như nhau.
Trong các điều kiện sau thì khả năng hấp phụ của vật liệu là tốt nhất: kích thước (<0.425 mm); tốc độ khuấy (150 v/p); nhiệt độ (550C); môi trường pH=7;
Thời gian hấp phụ dầu nhanh, đạt cân bằng trong khoảng thời gian 30 phút nên phù hợp cho việc ứng cứu khi có tràn dầu xảy ra. Khả năng nổi của vật liệu trước và sau khi hấp phụ tương đối cao nên rất dễ dàng cho chúng ta trong việc thu gom và xử lí. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đã xác định được một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (SEM) có cấu trúc xếp lớp và lỗ trống.
Đã xác định được biến tính thành công bề mặt vỏ trấu thông qua kết quả chụp phổ hồng ngoại (FT-IR).
Tuy nhiên, vì một số lí do khách quan như thời gian, kinh nghiệm, khả năng … mà đề tài vẫn chưa làm được:
• Chưa đánh giá được khả năng hấp phụ của vật liệu với các loại dầu;
• Đưa ra được phương án sử dụng tối ưu và phương pháp xử lí vật liệu sau khi hấp phụ;
• Chưa đánh giá được hiệu quả kinh tế của việc ứng dụng vật liệu này vào trong thực tế …
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học 64 Khoa hoá học và công nghệ thực phẩm
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
Sách, chuyên khảo, luận văn Tiếng Việt
[1]. Vũ Thị Bách. Nghiên cứu tận dụng phế thải nông nghiệp làm vật liệu xây dựng. Luận văn tốt nghiệp. 8,
[2]. Dương Thị Ánh Nguyệt (2010). Tràn dầu và các vấn đề ô nhiễm do tràn dầu. Tiểu luận. 13-23, 31-35,
[3]. TS. Đỗ Công Thung – TS. Trần Đức Thạnh – Th.S. Nguyễn Thị Minh