Nghiên cứu xác định điều kiện hấp phụ hơi benzen của than hoạt tính, zeolit A, zeolit Y, zeolit MOR và định hướng xử lý hơi benzen trong môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Nguyễn Thị Ngân NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN HẤP PHỤ HƠI BENZEN CỦA THAN HOẠT TÍNH, ZEOLIT A, ZEOLIT Y, ZEOLIT MOR VÀ ĐỊN

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thị Ngân

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN HẤP PHỤ HƠI BENZEN CỦA THAN HOẠT TÍNH, ZEOLIT A, ZEOLIT Y, ZEOLIT MOR VÀ ĐỊNH HƯỚNG XỬ LÝ

HƠI BENZEN TRONG MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội, 2017

Trang 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN HẤP PHỤ HƠI BENZEN CỦA THAN HOẠT TÍNH, ZEOLIT A, ZEOLIT Y, ZEOLIT MOR VÀ ĐỊNH HƯỚNG XỬ LÝ

HƠI BENZEN TRONG MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Hóa môi trường

Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Trần Thị Thanh Vân PGS.TS Đỗ Quang Trung

Header Page 2 of 126

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Trần Thị

Thanh Vân và thầy giáo PGS.TS Đỗ Quang Trung đã giao đề tài và nhiệt tình

giúp đỡ em, cho em những kiến thức quí báu trong quá trình nghiên cứu Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian làm nghiên cứu

Cảm ơn các thầy cô trong Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm thực nghiệm

Xin chân thành cảm ơn cáchọc viên trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường

và nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Hương đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và làm thực nghiệm

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Trang 4

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ……… 1 Chương 1: TỔNG QUAN ……… ………3 1.1 Quá trình phát sinh và độc tính của benzen trong không khí ……….3 1.2 Quá trình vận chuyển và tồn lưu của benzen trong không khí ………… ….7 1.3 Các phương pháp xử lý benzen trong không khí ……… 10 Chương 2: THỰC NGHIỆM ………19 2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

……… ………Error! Bookmark not defined

……… ……….Error! Bookmark not defined

Bookmark not defined

2.3 Các phương pháp đánh giá tính chất đặc trưng của vật liệu

……….Error! Bookmark not defined

2.4 Khảo sát khả năng hấp phụ hơi benzen

……… ……… Error! Bookmark not defined

2.4.1 Khảo sát điều kiện vận hành thiết bị

……….……… Error! Bookmark not defined

2.4.2 Khảo sát khả năng hấp phụ hơi benzen của các loại vật liệu

………….Error! Bookmark not defined

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

……… …Error! Bookmark not defined

Trang 5

3.1 Đánh giá tính chất đặc trưng của vật liệu

……… Error! Bookmark not defined

……….Error! Bookmark not

defined

3.1.2 Đặc trưng cấu trúc bề mặt của zeolit

……… …Error! Bookmark not defined

3.2 Khảo sát khả năng tạo hơi benzen

……….… …….Error! Bookmark not defined

3.3 Khảo sát khả năng hấp phụ hơi benzen của than hoạt tính

3.3.1 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng đến quá trình loại bỏ hơi

benzen……….……… Error

! Bookmark not defined

3.3.2 Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ benzen của THT

…Error! Bookmark not defined

3.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ benzen của THT

…….Error! Bookmark not defined

3.4 Khảo sát khả năng hấp phụ hơi benzen của một số loại zeolit (A, Y, MOR)

Error! Bookmark not defined

3.4.1 Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ benzen của zeolit

3.4.1 Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng đến quá trình loại bỏ

……….……….Error!

3.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ benzen của zeolit

……Error! Bookmark not defined

Trang 6

3.5 Định hướng ứng dụng xử lý hơi benzen trong môi trường

………Error! Bookmark not defined

……… Error!

Trang 7

Bảng 1.1: Tính chất đặc trưng cấu trúc lỗ xốp của một số loại zeolit ……… 18

Bảng 3.1 Thành phần hoá học bề mặt của các mẫu zeolit

Bảng 3.2 Đặc trưng cấu trúc lỗ xốp của zeolit HY, A, MOR

……… … Error! Bookmark not defined

Bảng 3.3: Nồng độ benzen trong dung dịch hấp thụ tại các nhiệt độ khác nhau

Bảng 3.4: Hàm lượng benzen tại 40 0C ở lưu lượng khí khác nhau

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí đến dung lượng hấp phụ của THT…

.Error! Bookmark not defined

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nồng độ benzen ban đầu đến khả năng hấp phụ benzen

của THT

……… Error!

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ benzen ban đầu đến khả năng hấp phụ benzen

của zeolit

……….Error!

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí đến dung lượng hấp phụ của Z-Y

… Error! Bookmark not defined

Bảng 3.9: Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí đến dung lượng hấp phụ của Z-M

….Error! Bookmark not defined

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang 8

Hình 1.1: Sự phát sinh của VOCs vào không khí [1] ……….3

Hình 1.2: Sự phân bố và tích tụ của benzen trong cơ thể ……… 5 Hình 1.3: Các phương pháp xử lý dung môi hữu cơ ………10 Hình 1.4: Sự di chuyển của các chất bị hấp phụ trên bề mặt riêng của THT …… 15 Hình 1.5: Cấu trúc của zeolit A, Y, MOR ………16 Hình 1.6: hình ảnh n-hexan trong lỗ trỗng của các zeolit MFI, BEA, STT, CHA 18

Hình 2.1 Mặt trước của thiết bị

Hình 2.2: Các bộ phận bên trong thiết bị

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị

Hình 2.4: Biểu thị phụ thuộc của đại lượng hấp phụ vào áp suất

Hình 3.1 Ảnh SEM của mẫu THT

Hình 3.2 Phổ hồng ngoại của mẫu THT

Hình 3.3 Đường hấp phụ - giải hấp phụ nitơ của mẫu THT

Hình 3.4: Ảnh SEM của mẫu zeolit HY, MOR, A

Hình 3.5: Phổ IR của mẫu Zeolit A

Hình 3.6: Phổ IR của mẫu Zeolit HY

Hình 3.7: Phổ IR của mẫu MOR

DANH MỤC HÌNH

Trang 9

Hình 3.8: Kết quả đo EDX của mẫu zeolit

Hình 3.9: Đường cong thoát của quá trình hấp phụ hơi benzen của THT ở các tốc độ

dòng khác nhau

………Error! Bookmark

not defined

Hình 3.10: Đường cong tích lũy hơi benzen trên THT ở 40 và 500C

Hình 3.11: Đường cong thoát của quá trình hấp phụ hơi benzen của Z-Y ở các tốc

Hình 3.13: Đường cong tích lũy hơi benzen trên Z-M ở 40 và 500C

Hình 3.14: Đường cong tích lũy hơi benzen trên Z-Y ở 40 và 500C

Hình 3.15: Mô hình tương tác của benzen trong zeolit HY

Hình 3.16: Sơ đồ xử lý VOCs sử dụng than hoạt tính

Trang 10

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

THT Than hoạt tính Z-Y Zeolit HY Z-A Zeolit A Z-M Zeolit modernit hay MOR

IR Phổ hồng ngoại SEM Kính hiển vi điện tử quét EDX Phổ tán xạ năng lượng tia X VOCs Dung môi hữu cơ dễ bay hơi (Volatile organic compounds)

Trang 11

Theo các kết quả nghiên cứu công bố thì xử lý không khí ô nhiễm bởi dung môi hữu cơ dễ bay hơi bằng phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính, than hoạt tính biến tính, zeolit hoặc các loại vật liệu trên cơ sở zeolit đã và đang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm nghiên cứu Dung lượng hấp phụ của các vật liệu đối với dung môi hữu cơ nói riêng, cũng như các khí gây ô nhiễm nói chung ngoài việc phụ thuộc trực tiếp vào bản chất của vật liệu hấp phụ (kích thước hạt, diện tích

bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp,…) còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, hơi

ẩm, tốc độ dòng khí, nồng độ của các khí

Hiện nay, sử dụng các vật liệu than hoạt tính, zeolit đã có kết quả khả quan và được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, tuy nhiên khi sử dụng các vật liệu này để hấp phụ trên cột vẫn còn nhiều hạn chế như: quá trình hấp phụ trên cột thường bị ảnh hưởng nhiều bởi sự chuyển khối, sự tụt giảm áp suất nền cao ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ hấp phụ và hiệu quả tiếp xúc của chất bị hấp phụ với vật liệu hấp phụ Do đó, đây luôn là chủ đề nghiên cứu hấp dẫn để phát triển vật liệu mới có khả năng làm tăng tốc độ chuyền nhiệt/ chuyển khối và tốc độ hấp thụ [5, 21] Vì vậy,

Trang 12

nội dung đề tài “Nghiên cứu xác định điều kiện hấp phụ hơi benzen của than hoạt tính, Zeolit - A, zeolit - Y, zeolit - MOR và định hướng xử lý hơi benzen trong môi trường” với mục đích xây dựng định hướng để ứng dụng một số vật liệu hấp phụ

nhằm xử lý hơi benzen gây ô nhiễm môi trường không khí

Trang 13

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Quá trình phát sinh và độc tính của benzen trong không khí

Nguồn phát sinh benzen trong không khí

Benzen là một trong những dung môi hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) được dùng phổ biến nhất hiện nay và được biết đến là một trong những tác nhân chính trong các loại dung môi hữu cơ gây ô nhiễm môi trường không khí Tuy nhiên, việc kiểm soát và hạn chế các nguồn phát sinh này gặp nhiều khó khăn do quá trình phát sinh các dung môi xuất phát từ rất nhiều nguồn khác nhau bao gồm cả nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo

Hình 1.1: Sự phát sinh của VOCs vào không khí [26]

Quá trình nhân tạo: từ các quá trình công nghiệp chế biến than đá, dầu mỏ, công nghiệp chế tạo sơn keo, giao thông, khói thuốc lá,…

Quá trình tự nhiên: cháy rừng, hoạt động của núi lửa,

Theo kết quả khảo sát tại Mỹ năm 1993: cho thấy có tới 96,2% lượng benzen phát thải vào không khí là từ các quá trình sản xuất công nghiệp và các ngành nghề sản xuất hàng tiêu dùng

Trang 14

Theo kết quả thống kê của Viện môi trường: Kết quả thống kê năm 1984, thì

có tổng cộng benzen phát thải vào không khí 17500 tấn/năm Trung bình mỗi năm các ngành công nghiệp sơn, keo, công nghiệp hóa chất nói chung phát thải benzen vào môi trường không khí 5300 tấn/năm Từ các quá trình sử dụng than cốc là 1700 tấn/năm, công nghệ tinh chế than đá là 4600 tấn/năm

Theo các kết quả nghiên cứu thì hiện nay vẫn còn có những nguồn phát thải tiềm tàng benzen vào không khí mà chưa thể xác định rõ Đặc biệt là sự phát sinh của benzen từ các quá trình trung gian như quá trình đốt rác, vật liệu xây dựng,…

Sự phát sinh của benzen tại các kho chứa

Đối với các nhóm ngành sản xuất, sửa chữa có sử dụng đến các dung môi , hóa chất có thành phần chứa benzen như sản xuất thiết bị quang học, điện tử, nhóm này có dây chuyền công nghệ, sản phẩm đa dạng, trong đó các công đoạn gây phát sinh ô nhiễm thường tại các kho chứa, xưởng sản xuất bao gồm: công đoạn tẩy màng sơn, xử lý bề mặt các thiết bị quang học, rửa, sấy các linh kiện, chi tiết điện sẽ phát sinh rất nhiều các tác nhân hữu cơ có hại cho môi trường Trong đó, thành phần của khí thải phát sinh chứa chủ yếu tác tác nhân hữu cơ: axeton, etylen, benzen, toluen, xylen, butylaxetat,…

Theo kết quả thống kê quá trình bay hơi của benzen tại các kho chứa, trạm cung cấp xăng dầu tương đối lớn tương đương với quá trình phát thải của một số ngành công nghiệp có sử dụng đến benzen Cụ thể như từ các thiết bị máy móc, các trạm cung cấp xăng dầu, sự bốc hơi của các thùng chứa ở các xe tải lớn là 4800 tấn/năm; benzen bay hơi từ các thùng chứa vào khoảng 620 đến 1290 tấn/năm,…

Độc tính của benzen

Đối với các cơ thể sống có thể bị nhiễm benzen bằng nhiều con đường, cách thức khác nhau Có thể là do tiếp xúc với những khu vực có chất thải chứa nguồn benzen như nhà máy, xí nghiệp Ngoài ra, do đặc tính công việc, nghề nghiệp thì một số đối tượng cũng bị phơi nhiễm với benzen Benzen được hấp thu vào cơ thể thông qua con đường hô hấp, đường miệng qua ăn uống các nguồn thực phẩm, nước

Trang 15

gây ra những triệu trứng nghiêm trọng như ảnh hưởng đền hệ thống miễm dịch, hệ thần kinh, đến sự sinh sản và sinh trưởng, gây độc đối với bộ gen và là một trong những tác nhân gây ung thư

Benzen được đưa vào cơ thể qua nhiều con đường khác nhau trong đó con đường vào cơ thể nhanh nhất của benzen là qua hô hấp để vào phổi Benzen sau khi hấp thụ vào cơ thể được phân tán khắp cơ thể bằng con đường máu, hoặc benzen có thể tích tụ trong mỡ và bám vào các màng mỏng trong các mô tế bào

Hình 1.2: Sự phân bố và tích tụ của benzen trong cơ thể

Sau khi được hấp thu vào cơ thể benzen không tồn tại lâu ở trong tế bào mà

chuyển hóa thành những dạng khác nhau như phenol, catechol và hydroquinol những dạng này không tập trung cao ở các mô mỡ mà lại tập trung cao trong máu, tủy xương và nước tiểu Benzen hầu như có những ảnh hưởng đến đặc tính sinh lý của toàn bộ các bộ phận của cơ thể Ngoài ảnh hưởng trực tiếp đến đường hô hấp sau khi hít phải benzen có trong môi trường, benzen còn tác động đến các quá trình khác trong cơ thể như quá trình nội tiết, quá trình trao đổi chất

Trang 16

Các tác động chính của benzen bao gồm [24, 34]:

Tác động đối với hệ hô hấp: khi hít phải nồng độ benzen từ 60ppm trở lên thì benzen sẽ tương tác với các tế bào, mô trong cơ thể gây nên trạng thái khó thở, nhịp thở không đều, màng nhầy mũi bị kích thích, cổ họng bị đau rát Nếu tiếp tục hít thở trong môi trường có benzen thì dẫn đến các triệu chứng như xuất huyết phổi, phù phổi, viêm phế quản, viêm cuống phổi, viêm thanh quản,… Ngoài ra, Benzen khi vào cơ thể qua con đường hô hấp có thể đến tim tương tác với tế bào ở tâm thất gây tổn hại tim và nguy hiểm đến tính mạng

Ảnh hưởng đến hệ thần kinh: các triệu chứng ảnh hưởng đến hệ thần kinh khi nhiễm độc benzen như: say sẩm mặt mày, cơ thể uể oải, chóng mặt, đau đầu, co giật, mê sảng và rơi vào trạng thái hôn mê Nếu cơ thể bị nhiễm ở liều cao có thể gây ức chế thần kinh sẽ dẫn đến tử vong ngay tức khắc do benzen làm tắc nghẽn mạch máu não Trong một số trường hợp, benzen có thể gây ức chế hệ thần kinh và dẫn đến tử vong tức thì mà không có triệu chứng biểu hiện trước Tuy nhiên, trên thực tế tác động của benzen đối với hệ thần kinh hết sức phức tạp và cực kì nguy hiểm Mức độ liều gây độc của benzen đối với hệ thần kinh trong khoảng 20-70mg/l, thông thường với nồng độ từ 20-30 mg/l nạn nhân bắt đầu có triệu chứng nôn mửa, say sẩm và lên đến 70mg/l thì dẫn đến tử vong

Ảnh hưởng của benzen đến hệ miễn dịch: khi nhiễm đôc benzene, nó sẽ làm rối loạn các cơ chế miễn dịch trong cơ thể Trước tiên benzen sẽ thâm nhập vào dịch sống của hệ miễn dịch làm suy giảm huyết thanh miễn dịch globulin, đồng thời ngăn cản việc sản xuất globulin trong tế bào Mặt khác chúng sẽ gây ra những phản ứng giữa bạch cầu và agglutinin có trong máu Sau đó, benzen sẽ gây ra những rối loạn của tế bào miễn dịch (tế bào bạch cầu) làm suy yếu hệ miễn dịch

Gây ung thư: khi điều kiện làm việc phải tiếp xúc thường xuyên với benzen thì

có nguy cơ dẫn đến các bệnh ung thư về máu và ung thư bàng quang Ung thư máu

là do benzen làm biến đổi cấu trúc và hình dạng của huyết cầu tố sinh ra ở tủy sương, tác động lên các tế bào máu limena và tế bào máu lympo Khi bị ung thứ

Trang 17

Ngoài ra, benzen còn ảnh hưởng các các cơ quan khác trong cơ thể như: xưng huyết thận, tổn thương mô thận; gan, làm khô mắt, suy giảm thị lực, viêm giác mạc; xưng huyết đường ruột, ảnh hưởng cơ quan sinh dục gây suy giảm khả năng sinh sản ở nam giới, ảnh hưởng đến thai nhi hoặc sinh non ở phụ nữ mang thai,

1.2 Quá trình vận chuyển và tồn lưu của benzen trong không khí

Quá trình tồn lưu của các chất hữu cơ nói chúng và benzen nói riêng được phát thải vào không khí từ nguồn tự nhiên hay nhân tạo đều phụ thuộc vào đặc tính vật lý và hóa học riêng biệt của từng chất Benzen trong khí quyển chủ yếu tồn tại ở dạng hơi Do tính bay hơi mạnh nên benzen tích tụ kém trong đất

Áp suất hơi bão hòa của benzen được tính theo công thực thực nghiệm sau:

Trong đó: các hằng số thực nghiệm A, B và C được cho tại bảng sau:

A B C Tmin (0C) Tmax (0C) 6,87987 1196,76 211,161 8 80 7,2009 1415,8 348,028 80 250 Trong nước, tại 20 0C, 1atm benzen hòa tan 1780ppm, trong khi đó độ hòa tan trong không khí là 5.5x10-3 atm.m3/mol vì vậy benzen dễ dàng bay hơi vào nước, cụ thể benzen bay hơi 50% ở độ sâu 1m mất 4,81 giờ

Đối với các dung môi hữu cơ dễ bay hơi nói chung và benzen nói riêng thì trong quá trình vận chuyển của benzen trong khí quyển xảy ra các quá trình bao gồm [4]:

- Oxi hóa quang hóa bởi gốc OH trong tầng đối lưu

- Sự quang phân trong tầng đối lưu và tầng bình lưu

- Sự lắng, kết tủa trên bề mặt trái đất

- Phản ứng với các tác nhân như nguyên tử clo, gốc NO3 trong bóng tối và ozon

Trong tầng đối lưu thì các quá trình hóa học của các hợp chất vòng thơm như benzen, dẫn xuất thế alkyl của benzen như toluene, etylbenzen, xylen và

Định dạng
Số trang	33
Dung lượng	0,99 MB