NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU THU GOM XỬ LÝ DẦU TRÀN CÓ CHỨA HẠT NANO SẮT TỪ

Với sản lượng sản xuất và tiêu thụ dầ ng năm rất lớn, việc vận tải và rò rỉ trong khi sản xuất, khai thác và chế biến dầu mỏ t ường gây ra những ô nhiễm nghiêm trọng.Có thể kể đến một số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THCS & THPT NGUYỄN TẤT THÀNH

1 n ến Dũng Lớp 11A2 rường THPT Nguyễn Tất Thành

2 ng n ng Lớp 11A2 rường THPT Nguyễn Tất Thành

Hà Nội, tháng 01 năm 2015

MỤC LỤC

Trang

Phần 1 Lí do chọn đề tài ……… 3

Phần 2 Tổng quan vấn đề nghiên cứu ……… 4

Phần 3 Quá trình nghiên cứu và kết quả……… 5

3.1 Cơ sở lý thuyết……… 5

3.1.1 Trùng hợp polymer……… 5

3.1.2 ều chế hạt nano sắt từ……… 9

3.1.2.1 P ương p áp x á Fe2+ ……… 9

3.1.2.2 P ương p áp t ỷ p ân cưỡng c ế ……… 10

3.1.2.3 P ương p áp đồng kết tủ ……… 11

3.1.2.4 P ương p áp v n ũ ……… 14

3.1.3 B ến tín bề mặt ạt x t sắt ……… 15

3.1.3.1 Lí d b ến tín bề mặt ạt x t sắt ……… 15

3.1.3.2 ột số p ương p áp b ến tín bề mặt ……… 16

3.1.4 Khả năng ấp thu và thu hồi dầu của vật liệu ……… 16

3.2 ổng ợp vật l ệ ……… 18

3.2.1 Hoá chất và dụng cụ ……… 18

3.2.2 ổng ợp ạt ôx t sắt ……… 19

3.2.2.1 Tổng hợp hạt oxit sắt ……… 19

3.2.2.2 Biến tính bề mặt hạt oxit sắt ……… 19

3.2.2.3 Kết quả ………. 20

3.2.3 ồng trùng hợp Styren và Divinylbenzen có hạt oxit sắt 21 3.2.3.1 P ương p áp t ến hành ………. 21

3.2.3.2 Kết quả ……… 22

3.2.4 Thử nghiệm khả năng ấp thu và thu hồi dầu của vật liệu 24

3.3 Các nội dung sẽ nghiên cứu trong thời gian tới ……… 26

Phần 4 Kết luận ………. 31

Tài liệu tham khảo ……… 32

PHẦN 1: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ô nhiễm các sự cố tràn dầu thực sự là một thảm họ đối với sinh vật thủy sinh.Việc xử lý ô nhiễm tràn dầ cũng vì t ế m được nhiều nhà khoa học

tr ng nước và Quốc tế hết sức quan tâm

Với sản lượng sản xuất và tiêu thụ dầ ng năm rất lớn, việc vận tải và rò

rỉ trong khi sản xuất, khai thác và chế biến dầu mỏ t ường gây ra những ô nhiễm nghiêm trọng.Có thể kể đến một số vụ tràn dầu rất lớn gần đây mà hậu quả để lạ đến nay vẫn c ư g ải quyết được triệt để:

- Ngày 20/4/2010 t ảm ọ Deepw ter Horizon được ước tín l sự cố rò

ng ng ìn tấn dầ DO tr n r ng gây ô n ễm ạ bã rước, bã Dâ , dầ

DO bốc ơ gây k ó c ị c t n bộ k vực ột số lượng dầ ò t n v nước, v cát v p ân tán rộng Trên 1.000 n ô t ủy sản bị t ệt ạ s sự

PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Vật liệu polyme hấp thu dầ t ường có n óm ư dầu, kị nước v trương được trong dầu, không bị hòa tan trong dầu Các vật liệ được sử dụng nhiều

là những vật liệ p lyme t ên n ên n ư: sợi bông, sợ đ y, bã mí , sợi kenaf, sợ k p k… các l ại giấy thấm dầu [11,12] Các polyme thiên nhiên có

ư đ ểm là rẻ tiền, dễ kiếm và dễ chế tạ t y n ên n ược đ ểm lớn là chúng

ư nước, t ông t ường c úng út nước và tồn tạ lơ lửng tr ng nước đ ều này làm ô nhiễm xử lý không triệt để và vẫn gây r độc hại vớ động thực vật thủy sinh Các polyme tổng hợp t ường dùng ơn n ưng có n ược đ ểm là khó thu hồi khi ở dạng hạt, nếu ở dạng tấm miếng thì lạ k ông cơ động trong việc hấp thu và khó tái sử dụng sau khi hấp t v t ường không giải hấp được [7,9]

ã có một vài nhóm nghiên cứu về vật liệu polyme hấp thụ dầ n ưng có những hạn chế n ư: có g á t n c , k ó tổng hợp, tan trong dầu, hấp thụ dầu không triệt để, không giải hấp và tái sử dụng được [1]

Nhóm nghiên cứu của chúng em dự trên cơ sở polystyren là vật liệ ư dầu dạng hạt dẻo, chúng em đã t ến hành thực nghiệm trùng hợp huyền phù styren và d v nylbenzen để tạo co-polyme ể có thể thu hồ c úng được dễ dàng chúng em phân tán hạt oxit sắt trong hỗn hợp 2 monome rồi tiến hành trùng hợp Vật liệ t được có khả năng út dầu rất tốt đồng thời có thể sử dụng n m c âm để hút lạ được Sau khi thu hồi, vớ xăng ặc dầu nhẹ có thể sử dụng nhiệt để cất tác xăng dầu ra khỏi vật liệ để tái sử dụng, tuy nhiên với dầu nặng thì không tác được do nhiệt phân hủy của vật liệu không

c ơn n ều so với nhiệt độ sôi của dầu nặng

Những điểm mới trong nghiên cứu này:

- Sử dụng ệ p lyme styrene v d v nylbenzen để ấp t dầ

- ư ạt ôx t sắt v tr ng vật l ệ để t ồi

PHẦN 3: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ

2

O O

C

+

O O

.

2

C O

O O O

O O

.

C O O

+

Ký hiệu các gốc tồn tại trong quá trình phản ứng là:

Quá trình phản ứng đồng trùng hợp hai monome xảy ra rất phức tạp,

n ưng bất kể đặc tính xảy r n ư t ế nào thì phản ứng phát triển mạc cũng xảy r t e ướng sau:

.

C O

(18)

(19)

Sản phẩm t được là một hỗn hợp có chứ m n me dư, l g me, copolyme, homopolyme , tỷ lệ các cấu tử này khác nhau phụ thuộc vào bản chất của từng thành phần, mức độ ổn địn , kíc t ước của các cấu tử, nhiệt

độ, chất k ơ m , nồng độ monome, tốc độ khuấy trộn

3.1.2 Điều chế hạt nano oxit sắt từ

3.1.2.1 Phương pháp oxi hoá Fe 2+

Ng yên tắc củ p ương p áp l t ỷ p ân m ố Fe2+ví dụ n ư

m ố FeSO4.7H2O hayFeCl2.4H2O bằng các t êm một b zơ ví dụ n ư

NH4O y N O tr ng k ông k í v ở n ững đ ề k ện t0, p p ù ợp Lọc

v sấy k ô tr ng k ông k í ở t0

phòng ạt sắt từ [2,8]

Nồng độ c ất đầ v tốc độ kết tủ l 2 n ân tố q n trọng q yết địn kíc t ước ạt.Nồng độ đầ v tốc độ kết tủ c ng n ỏ t ì kíc t ước ạt c ng

n ỏ

ộng ọc củ p ản ứng x ó Fe2+ c ậm v k ó đ ề k ển, t ường ngườ t nên trán sử dụng p ương p áp n y

Sử dụng FeCl2.4H2O v d ng dịc N 3 0.07 , p ản ứng t ến n ở

80oC-90oC Lọc v sấy k ô q đêm tr ng k ông k í ở t0

phòng ạt sắt

từ, đã t được một số kết q ả s :

Sự phụ thuộc kích thước hạt, thể tích đơn vị tế bào,

độ từ hoá bão hoà vào nồng độ FeCl 2

Thể tích tế bào đơn vị (A o

592.7 587.7 586.5 586.4

1.1 2.6 2.3 2.0

Kết q ả: - Các ạt tạ được đề có dạng ìn cầ

- ẫ 28 v 32 l đơn p

- ẫ 34 v 37 đề lẫn .Fe2O3 lần lượt l 12% v 7 %

K nồng độ c ất đầ g ảm t ì kíc t ước ạt g ảm, đồng t ờ độ t n

k ết củ sản p ẩm tăng ệ ứng kíc t ước ạt dẫn đến t ể tíc tế b đơn

vị được mở rộng ể tíc tế b đơn vị được mở rộng l d tăng lượng n

Fe2+ tr ng mẫ vì bán kín n Fe2+ 0,74 A0 lớn ơn bán kín n Fe3+ 0,64

A0, cũng đồng ng ĩ vớ tăng độ t n k ết củ sản p ẩm

3.1.2.2 Phương pháp thuỷ phân cưỡng chế

P ương p áp t ỷ p ân cưỡng chế là một p ương p áp lý t yết dựa trên cơ c ế hình thành và phát triển các mầm tinh thể Trong dung môi thích hợp, sự thuỷ phân tạ r các n đ n ân c ứa những cầ O n ư -OH-M hay cầu x n ư -O-M là tiền thân của nhân mầm tinh thể [2,8]

Trong dung dịch, ion kim loại Mz+ bị hidrat hoá Bản chất của quá trình này do sự n ường e- của phân tử H2O  hình thành liên kết yếu giữa cation

H O M O

z

1 n 2

H MOH

O

H

z

n H

n

z n z

n

2

) 1 2 (

1 2

| 1 2

1 2 )

1 ( 1

Có thể ngưng tụ thành phức đ n ân  keo hoá

Nhờ q á trìn ngưng tụ mà mônome  đ me  trime  polime

c ất p ả t ật t n k ết P ản ứng t ến n tr ng mô trường k í q yển trơ, các

d ng dịc c ẩn bị c p ản ứng đề p ả được l ạ O2 cẩn t ận Ư đ ểm củ

p ương p áp l k ông sử dụng ệ tác n ân bề mặt[2,3,8]:

K s l nước củ ạt k ông c ứ tác n ân bề mặt t ì ngườ t có t ể sử dụng trực t ếp, ví dụ n ư c èn trực t ếp v n ững lớp p m p lyme s ê mỏng tr ng ứng dụng vật l ệ q ng từ

trìn p ản ứng n ư s :

ở v n N2 sục v d ng dịc 3 c ứ Fe2+, Fe3+ v d ng dịc 4 c ứ N O , trộn lẫn 2 d ng dịc v đư v bìn p ản ứng 6 Lắp s n n v n ệt kế,

q e k ấy N ệt độ p ản ứng được d y trì bở bể ổn n ệt 2 v 9 Kết tủ đen được ìn t n ng y lập tức, k ấy mạn tr ng 2 , sản p ẩm được tạ thành đem lọc rử v đem l m k ô

Một số lưu ý khi tiến hành phương pháp đồng kết tủa:

+ Tỉ lệ Fe 2+ /Fe 3+: D các m ố Fe2+

rất dễ bị x á nên t ực tế

t ường lấy tỉ lệ về số m l Fe2+

/Fe3+> 0,5 y n ên nế á c ất t n k ết đến 99.9 % v các b ện p áp ngăn ngừ sự x ó được t ến n một các

ng êm ngặt t ì nên lấy đúng tỉ lệ ợp t ức n ằm mục đíc tạ r ạt sắt từ đơn p

+ Bazơ: D k ả năng p ân cực c củ n ững c t n k m l ạ k ềm

ặc d ng dịc N 3, d năng lượng bề mặt c củ các ạt n n sắt từ nên các ạt t ường bị kết tụ ể ngăn ngừ ện tượng n y, ngườ t đã t ến n rất n ề các p ương p áp k ác n ột tr ng n ững p ương p áp đó l

sử dụng A O (tetrametyl amoni hidroxi) thay cho NaOH, NH4OH, vì cation N(CH3)4

+

có k ả năng p ân cực á t ấp

+ Nồng độ: Nồng độ tác n ân p ản ứng nên  0,1 Nế nồng độ

q á đặc, ạn c ế sự t m g củ 2O v tr ng q á trìn p ản ứng d đó l m tăng k ả năng kết tụ

tíc lớn, k ả năng p ân cực á c

3.1.2.4 Phương pháp vi nhũ

Ng yên tắc củ p ương p áp l tổng ợp ạt sắt từ tr ng một ệ v n ũ

W/O (Water/Oil) tức ệ v n ũ nước tr ng dầ r ng đó dầ l mô trường

l ên tục N ững ạt nước có kíc t ước rất n ỏ bền tr ng dầ c ín l nơ

b ệ gồm H2O/ C2H5OH/ DBS/ toluen

P ữ cơ l t l en, tác n ân bề mặt l d dexyl benzen s nf n t

C12H25C6H6(SO3Na), C2H5O l tác n ân p ụ có v trò tương tự n ư một

c ất ạt động bề mặt C2H5O t n vô ạn tr ng nước, n óm etyl k ông p ân cực g úp p ân tán tốt ơn tr ng p ữ cơ

+ Phương pháp vi nhũ:

án t n bằng bể s ê âm

án t n bằng bể s ê âm

Sơ đồ phương pháp vi nhũ

rộn lẫn 2 ệ v n ũ tr ng mô trường k í q yển N2, k ấy tốc độ c

Sản p ẩm được l tâm, rử , l m k ô tr ng c ân k ông

3.1.3 Biến tính bề mặt hạt oxit sắt

3.1.3.1 Lí do biến tính bề mặt hạt oxit sắt

Hạt sắt oxit muốn đư được vào trong polyme phả được biến tính bề

mặt, nếu không chúng sẽ bị lắng và chìm trong dung dịch hỗn hợp phản ứng

và tách ra ngoài

D năng lượng bề mặt c nên các ạt sắt từ t ường bị kết tụ ề

k ện ứng dụng đò ỏ k ông có sự kết tụ m p ả p ân tán được ốn vậy

lực tương tác s c yển động n ệt, d tương tác đẩy p ả mạn ơn lực út

g ữ các ạt [8]

N ững ạt n n Fe3O4 có kíc t ước rất n ỏ, t ể ện tín s ê t ận từ

ở n ệt độ t ường (n ệt độ C r e n ỏ ơn n ệt độ t ường), có n ề ứng

dụng rất q n trọng tr ng lĩn vực y ọc ề k ện ứng dụng l các ạt p ả

có kíc t ước n ỏ ơn 50nm, có sự p ân bố kíc t ước ẹp v bề mặt được

Dung dịch FeCl2, FeCl3 trộn theo tỉ lệ 1:1

Chất hoạt động bề mặt/ pha hữ cơ

Hệ v n ũ I

Dung dịch của một b zơ

Hệ v n ũ II Chất hoạt động bề mặt/ pha hữ cơ

bả vệ bở c ất có k ả năng tương ợp s n ọc c Vớ lớp á k ác bên

ng ngăn cản sự kết tụ, đồng t ờ l m tăng k ả năng tương ợp s n ọc, vật l ệ s ê t ận từ được sử dụng để l m c ất dẫn t ốc, sử dụng tr ng lĩn vực g ìn ản cộng ưởng từ

Phương pháp 1:

Sử dụng d ng dịc n tr le t để có t ể tạ r được yền p ù bền, vớ nồng độ 2.10-4 t ì vừ vặn tạ r một lớp đơn ấp p ụ trên bề mặt ạt sắt từ

ệ gồm SPION v d ng dịc n tr le t được p ân tán tr ng bể s ê âm

vớ cường độ mạn tr ng 5’, t0

là 800C, s đó được l m lạn đến n ệt độ phòng

Phương pháp 2:

Năm 1968, s k tạ r ạt x t sắt từ Fe3O4 băng p ương p áp

ng ền cơ ọc, P pell l ngườ đầ t ên đã tạ được p p ân tán bền củ ạt

tr ng x t le c/ d ng mô dr c cb n S đó, p ương p áp n y được sử dụng một các rộng rã Ng x t le c, còn có t ể sử dụng một số x t bé

k ác n ư axit stearic [8]

rên bề mặt ạt sắt từ có n ững n óm -O , d đó m g ữ ạt sắt từ

v x t c cb xyl c có sự ìn t n l ên kết á ọc P ần đ ô k ông p ân cực củ x t bé p ân tán tr ng một d ng mô ữ cơ k ông p ân cực n ư toluen hay n-hexan

Phương pháp biến tính hạt oxit sắt bằng axit oleic:

ể ngăn ngừa hiện tượng kết tụ ta sử dụng chất hoạt động bề mặt là amôni oleat để tạ r lư t ể bền của hạt sắt từ P ương p áp n y có ư đ ểm

là dễ làm, axit oleic dễ kiếm và rẻ tiền, đồng thời trong oleic còn có một nối

đô , nó sẽ dễ dàng tạo liên kết v tăng k ả năng tương ợp với các polyme

ơn D đây l p ương p áp được chúng em sử dụng nên cách thức tiến hành

sẽ được trình bày chi tiết trong phần tổng hợp vật liệu

3.1.4Khả năng hấp thu và thu hồi dầu của vật liệu

Khả năng ấp thụ dầu (mức độ hấp thụ dầu) là thông số quan trọng nhất đối với việc chế tạo polyme hấp thụ dầ ể xác địn được mức độ hấp thụ dầu lấy mẫu sau khi phản ứng kết, tất cả cỏc mẫu thử khả năng ấp thụ dầu

đề được sấy khụ trong chân không trong 2 ngày

Hệ số hấp thụ dầ (W) được xác định bằng p ương p áp trọng lượng Cân một lượng xác định (khoảng 2 g) chất hấp thụ đó được sấy khi cho vào túi chè và ngâm vào trong dầu ở nhiệt độ p òng L m tú đối chứng tương tự

n ưng k ông c vật liệu hấp thụ dầ để xác địn được sự tăng k ố lượng

của túi có chất hấp thụ dầu Sau một khoảng thời gian nhất định lấy túi mẫu ra khỏi dầ v để ráo hết dầu trong 1 phút cân chính xác khố lượng túi mẫu Tiến n cân c đến khi khố lượng túi chứa vật liệu hấp thụ dầu không tăng lên nữa thì dừng lại [7,10,11]

ể xác định khả năng ấp thụ dầ (lượng dầu hấp thụ đó bã ò )

t ông t ường cho hấp thụ khoảng trên 4 giờ, có thể ngâm tới 24 giờ tuy nhiên chú ý khả năng b y ơ của dầu kết quả sẽ k ông còn c ín xác Xác định trọng lượng mẫ t được Hệ số hấp thụ dầ được tính theo công thức:

Trong đó: m2 và m1 là khố lượng chất trước và sau khi hấp thụ dầu Các mẫu vật liệ được chúng em chế tạ đề được đem xác định mức

- Benzoyl peroxit (BPO - Trung Quốc)

- FeCl2.4H2O, FeCl3.6H2O (Trung Quốc)

- Dung dịch NH3, NaOH, Gelatin (Trung Quốc)

- Metanol (Trung quốc)

- Etanol (Việt Nam)

- Nước cất

% 100 1

1 2

x m

m m



- Dầu Diezel (Petrolimex), tỷ trọng ở 15oC: 0,87

- Xăng A92, A95 (Petr l mex), tỷ trọng ở 15oC: 0,76

C Dung dịch NaOH 0,05M rót vào phễu nhỏ giọt

rước và trong quá trình phản ứng các dung dịc đề được sục khí N2 để ngăn ngừa sự oxi hoá của các ion Fe2+, sử dụng máy khuấy với tốc độ cao với tốc độ nhỏ giọt 2-3 giây/giọt

Hỗn hợp phản ứng chuyển t n m đen ng y s k n ỏ giọt, pH của phản ứng ổn định từ 10,4 -10,5, tiến hành phản ứng trong 120 phút

P ản ứng t ủy phân:

Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- Fe3O4 + 4H2O Sản phẩm đem lọc tách li tâm, rửa sạch các ion Cl- bằng nước cất vài lần (thử ion Cl- bằng kết tủa trong dung dịch AgNO3), s đó rửa kết tủa bằng cồn

dung dịch NH3, cho từ từ 25ml dung dịch NH3 đậm đặc vào 100ml axit oleic, khuấy đều hỗn hợp c đến khi tan vào nhau hoàn toàn, lấy dung dịch thu được để tiến hành hoạt hóa bề mặt hạt oxit sắt

ư ạt sắt từ vào hệ t được ở trên, khuấy mạnh trong 4h ở 500C

Lư t ể được tạo thành rất bền, để 30 ngày không lắng

ạt có cấ trúc n n , kíc cỡ ạt tương đố đồng đề k ảng dướ 20nm.N ư vậy vớ kíc t ước rất n ỏ c úng có t ể p ân tán tốt v tr ng vật

l ệ p lymer

3.2.3 Đồng trùng hợp Styren và Divinylbenzen có hạt oxit sắt [6]:

3.2.3.1 Phương pháp tiến hành:

Lắp bình ba cổ 250 ml, ăn k ớp với thiết bị khuấy, thiết bị đ n ệt (bể

đ ều nhiệt), thiết bị hồ lư , đường dẫn k í n tơ, được tạo lấp đầy bằng n tơ Cho 5g chất bảo vệ huyền p ù gel t n, s đó c 100 ml d ng dịch phản ứng gồm Styren và Divinylbenzen có phân tán hạt ôxit sắt đã được oleat hóa bề mặt trong monome bằng thiết bị siêu âm Gia nhiệt đến 900C trong bể đ ều nhiệt trong khi duy trì vận tốc khuấy k ông đổ v c dòng N tơ n ẹ nhàng

đ v bìn p ản ứng.Chất k ơ m Per x t benz yl được thêm vào với lượng khoảng 1% so với monome, tại thờ đ ểm này là thờ đ ểm bắt đầu của phản ứng.Sau 240 phút dừng phản ứng kể từ khi cho thêm chất khở đầu và làm lạnh hỗn hợp xuống nhiệt độ phòng.Sản phẩm t được rửa và khuấy trong metan l để loại bỏ các m n me dư, s đó được lọc và làm khô trong chân không ở 70oC tới khố lượng k ông đổi

Phản ứng trùng hợp:

Lựa chọn vật liệu cho 4% hạt Fe3O4 vì nếu cho quá nhiều hạt sắt từ oxit thì khố lượng riêng của vật liệu sẽ lớn, vật liệu sẽ c ìm tr ng nước (tỉ trọng của dầu trong khoảng 0.9 – 1, củ nước là 1.0 [4]) và mất khả năng út dầu

Hàm lượng hạt nano Fe 3 O 4

trong vật liệu (%) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Thời gian hấp thu dầu cân