Nghiên cứu xử lý dầu nặng bằng graphit tróc nở được tổng hợp bằng kỹ thuật vi sóng

Nghiên cứu xử lý dầu nặng bằng graphit tróc nở được tổng hợp bằng kỹ thuật vi sóng

i

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ DẦU NẶNG BẰNG

GRAPHIT TRÓC NỞ ĐƯỢC TỔNG HỢP BẰNG

KỸ THUẬT VI SÓNG

GVHD: TS BÙI THỊ PHƯƠNG QUỲNH

SVTH : NGUYỄN THANH DUY Lớp : 05DHHH3

MSSV : 2004140051

TP Hồ Chí Minh, tháng 6/2018

i

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành báo cáo luận văn tốt nghiệp này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn

chân thành và sâu sắc đến cô TS Bùi Thị Phương Quỳnh, người đã tận tình hướng dẫn

em trong quá trình thực hiện luận văn Cảm ơn Cô vì những kiến thức đã truyền đạt cũng

như những bài học đã dạy

Bên cạnh đó, em xin được thể hiện lòng biết ơn của mình đến các anh chị ở phòng

Thí Nghiệm Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng – Trường Đại Học Nguyễn Tất Thành đã

giúp đỡ, tạo điều kiện cho em rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài luận văn tốt

nghiệp

Em xin gửi lời đến các thầy cô khoa Công Nghệ Hóa Học trường Đại học Công

Nghiệp Thực Phẩm Thành Phố Hồ Chí Minh, Trường Đại Học Nguyễn Tất Thành đã tận

tình dạy bảo và truyền đạt kiến thức cho chúng em trong suốt các năm học qua Với sự

tận tình chỉ bảo của Thầy Cô em đã đúc kết cho mình những kinh nghiệm và một nền

tảng kiến thức vô cùng quý giá để tự tin vững bước trên con đường tương lai

Và trên hết tất cả, em xin cảm ơn gia đình, anh em và bạn bè, những người luôn

bên cạnh động viên và cho em mọi điều tốt đẹp nhất, là chỗ dựa vững chắc về vật chất và

tinh thần suốt thời gian học

Do thời gian luận văn thực hiện ngắn nên không thể tránh những thiếu sót trong

việc thực hiện đề tài Mong quý thầy cô góp ý để bài luận văn của em có thể hoàn thiện

hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thanh Duy

ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Sinh viên : Nguyễn Thanh Duy MSSV:2004140051

Nhận xét :

………

………

……….………

… ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm đánh giá: ………

………

………

………

………

………

Ngày ……….tháng ………….năm 2018

( ký tên, ghi rõ họ và tên)

iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Sinh viên : Nguyễn Thanh Duy MSSV:2004140051

Nhận xét :

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm đánh giá: ………

………

………

………

………

………

Ngày ……….tháng ………….năm 2018

( ký tên, ghi rõ họ và tên)

iv

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH SÁCH HÌNH ẢNH vii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tình hình ô nhiễm dầu trên Thế Giới và Việt Nam 1

1.1.1 Thực trạng ô nhiễm dầu trên Thế Giới 1

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm dầu tại Việt Nam 1

1.1.3 Ảnh hưởng của dầu tràn 2

1.1.4 Các khắc phục xử lý nước nhiễm dầu 4

1.2 Tổng quan về nguyên liệu 5

1.2.1 Graphit vảy 5

1.2.2 Phân bố và trữ lượng 7

1.2.3 Ứng dụng của graphit 8

1.2.4 Tình hình khai thác, chế biến graphit ở Việt Nam 9

1.3 Tổng hợp Graphit tróc nở (EG) 10

1.3.1 Các phương pháp tổng hợp và các công trình nghiên cứu trên thế giới 10

1.3.2 Các công trình nghiên cứu vật liệu hấp thu dầu tại Việt Nam 11

1.4 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 12

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 12

1.4.2 Nội dung nghiên cứu 13

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 14

2.1 Hóa chất và thiết bị 14

2.1.1 Hóa chất 14

2.1.2 Thiết bị 14

v

2.2 Phương pháp thực nghiệm 14

2.2.1 Quy trình tổng hợp graphit tróc nở sử dụng kỹ thuật vi sóng 14

2.2.2 Qui trình đánh giá sự tróc nở của graphit 16

2.2.3 Quy trình khảo sát khả năng hấp thu dầu của vật liệu graphit tróc nở 16

2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaCl đến khả năng hấp thu dầu của graphit tróc nở 17

2.3 Các phương pháp phân tích 18

2.3.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 18

2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 20

2.3.3 Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 22

2.3.4 Phương pháp phân tích bề mặt (BET) 23

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 24

3.1 Tổng hợp vật liệu graphit tróc nở (EG) 24

3.1.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng Graphit/KMnO4/HClO4/(CH3CO)2O 24

3.1.2 Ảnh hưởng của công suất vi sóng 26

3.1.3 Ảnh hưởng của thời gian vi sóng 26

3.2 Kết quả phân tích các tính chất đặc trưng của vật liệu 27

3.2.1 Phân tích SEM 28

3.2.2 Phân tích XRD 28

3.2.3 Phân tích BET 29

3.2.4 Phân tích FTIR 30

3.3 Khả năng hấp thu dầu của EG 30

3.3.1 Khảo sát thời gian hấp thu bão hòa và độ hấp thu cực đại 30

3.3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến độ hấp thu của EG 31

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

PHỤ LỤC 1 38

vi

PHỤ LỤC 2 40

vii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Ảnh hưởng của sự cố tràn dầu trên thế giới 1

Hình 1.2 Sự cố tràn dầu ở cảng Dung Quất – Việt 2

Hình 1.3 Ảnh hưởng của sự cố tràn dầu đến môi trường sống 3

Hình 1.4 Một số thiết bị vây và thu hồi dầu: (A) Rào cản bằng bọt nước, (B) Đập đất với cống xả nước bên dưới và (C) Tường chắn bên trên 4

Hình 1.5 Các phương pháp xử lý sự cố dầu tràn 5

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể graphit 6

Hình 1.7 Graphit vảy 7

Hình 1.8 Hình ảnh SEM của vật liệu EG sau khi tổng hợp 11

Hình 2.1 Tổng hợp EG bằng phương pháp hóa học 15

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu EG từ graphit vảy 15

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình đánh giá khả năng hấp thu của vật liệu 17

Hình 2.4 Quy trình khảo sát ảnh hưởng cùa nồng độ NaCl dến độ hấp thu của EG 18

Hình 2.5 Cấu tạo kính hiển vi điện tử quét (SEM) 19

Hình 2.6 Kính hiển vi điện tử quét 20

Hình 2.7 Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn 21

Hình 2.8 Máy phân tích XRD 22

Hình 2.9 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi FTIR 23

Hình 2.10 Máy phân tích bề mặt (BET) 23

Hình 3.1 Biểu đồ ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng (CH3CO)2O đến thể tích tróc nở VEG và hệ số dãn nỡ Kv của vật liệu graphit 24

Hình 3.2 Biểu đồ ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng HClO4 đến thể tích tróc nở VEG và hệ số dãn nở Kv của vật liệu graphit 25

Hình 3.3 Biểu đồ ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng KMnO4 đến thể tích tróc nở VEG và hệ số dãn nở Kv của vật liệu graphit 25

Hình 3.4 Biểu đồ ảnh hưởng của công suất P đến thể tích tróc nở VEG và hệ số dãn nỡ Kv của vật liệu graphit 26

Hình 3.5 Biểu đồ ảnh hưởng của thời gian vi sóng t đến đến thể tích tróc nở VEG và hệ số dãn nỡ Kv của vật liệu graphit 27

viii

Hình 3.6 Vật liệu EG: (A) Trước khi tróc nở và (B) Sau khi tróc nở 28

Hình 3.7 Ảnh SEM của vật liệu EG ở các kích thước khác nhau 28

Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X của graphit trước và sau khi tróc nở 29

Hình 3.9 Quang phổ hồng ngoại của graphit trước và sau khi tróc nở 30

Hình 3.10 Thời gian hấp thu bão hòa và độ hấp thu cực đại của EG 31

Hình 3.11 Ảnh hưởng của hàm lượng dầu nổi đến độ hấp thu của EG 32

Hình 3.12 Ảnh hưởng của nồng độ muối NaCl đến độ hấp thu của EG 32

Hình 3.13 Quá trình hấp thu dầu CO: (A) Dầu CO hòa với nước, (B) EG được cho vào để hấp thu dầu, (C) Lọc EG hấp thu dầu qua lưới lọc, (D) Nước sau khi lọc 33

ix

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của graphit 6

Bảng 1.2 Trữ lƣợng graphit trên thế giới 7

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của các loại dầu dùng trong các thí nghiệm 14

Bảng 3.1 Kết quả diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp của EG 29

EG Exfoliated graphite Graphit tróc nở

GIC Graphite intercalated compound Hỗn hợp graphit xen chèn

MEG Magnetic expanded graphite Graphit tróc nở mang từ tính

SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét

FTIR Fourier-transform infrared

lý dầu tràn là cực kì cấp thiết Theo kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước thì các biện pháp xử lý đã được áp dụng như phương pháp vật lý, hóa học, sinh học và hóa lý Trong

đó, phổ biến nhất là dùng phao quây dầu, bơm hút dầu, hút váng, rải chất phân tán, đốt hay sử dụng một số vật liệu hấp thu có nguồn gốc từ thiên nhiên như bã mía, xơ dừa, sợi cacbon và cacbon hay cao su Tuy nhiên, khả năng hấp thu của các loại vật liệu kể trên không cao và dung lượng hấp thu thường khá thấp, vì vậy việc nghiên cứu các vật liệu hấp thu từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên cho hiệu quả hấp thu cao, giá thành thấp mang lại ý nghĩa rất quan trọng Và vật liệu graphit tróc nở (Exfoliated graphit

- EG) được biết đến như là một loại vật liệu nhẹ, lỗ xốp và diện tích bề mặt riêng cao, có khả năng hấp thu dầu cao, có thể nổi trên mặt nước sau hấp thu Ngoài ra, với quy trình tổng hợp đơn giản, giá thành rẻ được tận dụng từ graphit dạng vảy có trong tự nhiên, nhờ

đó mà EG được ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong xử lý dầu tràn trên biển

Luận văn này nghiên cứu khả năng xử lý dầu của vật liệu graphit tróc nở từ nguồn graphit tự nhiên của Việt Nam Vật liệu graphit tróc nở được tổng hợp bằng tác nhân xen chèn hóa học (CH3CO)2O và tác nhân oxi hóa KMnO4, HClO4 Kỹ thuật vi sóng được sử dụng để tạo ra graphit tróc nở do đây là phương pháp mới và được đánh giá lá quá trình tổng hợp đơn giản, nhanh chóng

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình ô nhiễm dầu trên Thế Giới và Việt Nam

1.1.1 Thực trạng ô nhiễm dầu trên Thế Giới

Tràn dầu là sự giải phóng hydrocarbon có trong dầu mỏ tồn tại ở dạng lỏng

vào môi trường do các hoạt động của con người, những chất này đặc biệt đe dọa

đến môi trường sống của các sinh vật biển, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và

gây ra ô nhiễm môi trường Thuật ngữ này thường đề cập đến sự cố tràn dầu trong

môi trường biển hoặc vùng biển ven bờ và cũng có thể xảy ra trên đất liền Sự cố

tràn dầu thường xảy ra do sự va chạm giữa các tàu vận chuyển dầu thô trên biển, sự

rò rĩ của các ống dẫn dầu từ các giàn khoan ngoài khơi hay các kho chứa xăng, dầu

trong đất liền Kết quả từ các sự cố tràn dầu có thể gây ra các tác hại cho môi

trường, ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế và đời sống xã hội

Hình 1.1 Ảnh hưởng của sự cố tràn dầu trên thế giới

Một số vụ tai nạn tràn dầu xảy ra trên thế giới như vào: năm 1991, Tàu ABT

Summer để tràn 260.000 tấn dầu [1] Cũng trong năm đó, tàu Haven của Ý đã để

tràn 144.000 tấn dầu [1] Năm 1993, tàu Braer của Vương quốc Anh để tràn 85.000

tấn dầu [1] Năm 2002, tàu Prestige để tràn 63.000 tấn dầu ra biển [2] Giàn khoan

dầu Deepwater Horizon, ngoài khơi vịnh Mexico bất ngờ phát nổ gây ra vụ tràn

dầu tồi tệ nhất trong lịch sử vào năm 2010, lượng dầu tràn ra vịnh Mexico là 4,9

triệu thùng với lượng dầu bao phủ khoảng 180.000 km2 mặt biển [3] Gần đây nhất,

tàu chở dầu Sanchi của Iran để tràn 138.000 tấn dầu ra vùng biển ngoài khơi thành

phố Thượng Hải (Trung quốc) [4]

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm dầu tại Việt Nam

Việt Nam là được biết đến là một quốc gia có diện tích đường bờ biển

khoảng một triệu km2, nơi giao thương và vận chuyển hàng hóa bằng đường hàng

hải lớn trên thế giới, chuyên chở dầu từ Trung Đông về các nước khu vực Đông

Nam Á Ngoài ra, Việt Nam còn là một trong những quốc gia có trữ lượng dầu mỏ

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 2

lớn mà đa phần là các mỏ dầu được khai thác ngoài biển Đây thật sự là mối đe dọa

thường trực cho môi trường và hệ sinh thái biển từ các sự cố tràn dầu Theo số liệu

thống kê, từ năm 1989 đến nay cả nước có hơn 100 vụ tràn dầu do tai nạn hàng hải,

đổ ra biển từ vài chục đến hàng trăm tấn dầu [5]

Điển hình như sự cố tràn dầu tàu Formosa One xảy ra năm 2001 tại vịnh

Gành Rái (tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu), do không tuân thủ đúng chỉ dẫn của Cảng vụ

Vũng Tàu, tàu Formosa One đã đâm vào tàu Petrolimex- 01, làm tràn đổ khoảng

900 m3 (tương đương 750 tấn) dầu DO Năm 2003, sự cố tràn dầu tàu Hồng Anh,

do sóng lớn làm đắm tàu Hồng Anh trong khu vực vịnh Gành Rái, làm tràn khoảng

600 tấn dầu FO, ảnh hưởng trực tiếp đến khu vực rừng phòng hộ Cần Giờ và các

khu vực nuôi trồng thủy sản Năm 2005, tàu Kasco Monrovia tại Cát Lái–TP Hồ

Chí Minh làm tràn 518 tấn dầu DO ra biển Năm 2008, tàu Ðức Trí chở 1.700 tấn

dầu FO đã bị chìm tại vùng biển La Gi (Bình Thuận) trong khi vào khu vực Mũi Né

(Phan Thiết) để tránh gió Và gần nhất, ngày 16/11/2012 tại cảng Dung Quất đã

xảy ra sự cố tràn dầu từ tàu Racer Express làm tràn ra biển khoảng 1.000 lít dầu FO

và loang ra diện tích mặt nước biển khoảng 300 – 350 m2 [5]

Hình 1.2 Sự cố tràn dầu ở cảng Dung Quất – Việt 1.1.3 Ảnh hưởng của dầu tràn

1.1.3.1 Ảnh hưởng lên môi trường nước

Dầu mỏ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống của các sinh vật biển

cũng như hệ sinh thái Đặc biệt là hệ sinh thái bãi triều, cửa sông, thực vật ngập

mặn, các rạn san hô ngầm, biển sâu và sinh vật dưới đáy đại dương Hàm lượng

dầu trong nước tăng cao, các màng dầu làm giảm khả năng trao đổi ôxy giữa không

khí và nước, làm giảm oxy trong nước, khiến cho việc điều hòa oxy trong hệ sinh

thái bị đảo lộn và làm thay đổi đặc tính lý hóa của môi trường nước, tăng độ nhớt

gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho môi trường [6]

1.1.3.2 Đối với sinh vật

Dầu tạo lớp váng mỏng phủ đều trên mặt nước, ngăn cách nước và khí

quyển, do đó ngăn cản sự trao đổi ôxy giữa biển và khí quyển, sự trao đổi nhiệt

cũng như tạo ra lớp cặn làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh vật thủy sinh Đối

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 3

với một số loài như chim săn cá và các loài động vật có vú khác, dầu thâm nhập

vào cấu trúc của bộ lông, làm giảm khả năng cách điện, và làm cho chúng dễ bị tổn

thương hơn do biến động nhiệt độ cơ thể và hạ thân nhiệt, ít nổi hơn trong nước

Cùng với khả năng tìm kiếm thức ăn giảm dần, điều này có thể dẫn đến mất nước

và mất cân bằng trao đổi chất Việc uống dầu gây mất nước và làm suy yếu quá

trình tiêu hóa Động vật có thể bị nhiễm độc và chết vì dầu đi vào phổi hoặc gan

Bởi dầu chứa nhiều thành phần khác nhau, làm biến đổi, phá hủy cấu trúc tế bào

sinh vật, có thể phá hủy cả một quần thể sinh vật [6] Như một vụ tràn dầu nhỏ vào

thời điểm sinh sản và phát triển của một quần thể sinh vật gây thiệt hại nhiều hơn

so với sự cố tràn dầu lớn hơn tại một thời điểm khác trong năm hoặc thậm chí cùng

một môi trường Điều đáng báo động hơn nữa là dầu lan trên biển và dạt vào bờ

trong thời gian dài không được thu gom sẽ làm suy giảm lượng cá thể sinh vật, gây

thiệt hại lớn cho ngành khai thác và nuôi trồng thủy, hải sản Hủy hoại vi sinh vật

làm cá chết hàng loạt do thiếu ôxy hòa tan và nhiễm các độc tố có trong dầu [6]

1.1.3.3 Đối với kinh tế, xã hội và con người

Dầu bám vào đất, kè đá, các bờ đảo làm mất mỹ quan, gây mùi khó chịu đẫn

đến doanh thu của ngành du lịch cũng bị thiệt hại nặng nề Nạn tràn dầu còn làm

ảnh hưởng đến hoạt động của các cảng cá, cơ sở đóng mới và sửa chữa tàu biển

Do dầu trôi nổi làm hỏng máy móc, thiết bị khai thác tài nguyên và vận chuyển

đường thủy

Hình 1.3 Ảnh hưởng của sự cố tràn dầu đến môi trường sống

Ngoài ra, sự cố tràn dầu cũng có thể gây hại cho chất lượng không khí Các

loại hóa chất trong dầu thô chủ yếu là các hydrocacbon có chứa các hóa chất độc

hại như benzen, toluene, hydrocacbon thơm và hydrocacbon thơm đa vòng oxy hóa

[7] Những hóa chất này có thể gây ra những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe khi hít

vào cơ thể người gây buồn nôn, nhức đầu, các vấn đề về da Không những thế

chúng còn gây ra một số bệnh như ung thư, bệnh phổi, gián đoạn hormon [6]

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 4

1.1.4 Các khắc phục xử lý nước nhiễm dầu

Ngăn ngừa và khắc phục từ sự cố tràn dầu là công việc hết sức cần thiết,

nhưng phức tạp và khó khăn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại dầu tràn,

điều kiện thời tiết, nhiệt độ của nước (ảnh hưởng đến bốc hơi và phân hủy sinh

học) và vùng biển liên quan [8] Việc dọn dẹp dầu tràn cũng rất tốn kém Hiện nay,

trên thế giới đã áp dụng một số phương pháp xử lý dầu tràn sau:

- Phương pháp sinh học: sử dụng vi sinh vật hoặc các tác nhân sinh học để

loại bỏ hoặc phân hủy dầu

- Phương pháp vật lý: thu hồi dầu trên mặt nước bằng thiết bị hút dầu

(skimmers)

- Phương pháp hóa học và hóa lý: phân tán dầu trên biển bằng các chất hóa

học (chất phân tán, chất hoạt động bề mặt, các chất keo tụ) Sử dụng các hóa chất

làm kết tủa hoặc trung hòa dầu tràn, thường thực hiện bằng các phương tiện như

trực thăng và trên phạm vi rộng lớn hay sử dụng các vật liệu hấp thu

- Phương pháp đốt tại chỗ: sử dụng bom để đốt dầu tràn trên biển

- Phương pháp cơ học: thu hồi dầu trên mặt nước bằng các phao quây nổi

(boom), dùng các loại phao quây khoanh vùng không để dầu tràn ra xa, hút và tái

chế, thu hồi dầu trên bờ bằng các thiết bị xúc bốc vật liệu bị nhiễm dầu

Hình 1.4 Một số thiết bị vây và thu hồi dầu: (A) Rào cản bằng bọt nước, (B)

Đập đất với cống xả nước bên dưới và (C) Tường chắn bên trên

Cũng như nhiều nước trên thế giới, tại Việt Nam về lý thuyết có thể áp

dụng các tất cả các phương pháp trên để khắc phục sự cố tràn dầu Tuy nhiên, thực

tế tại nước ta, biện pháp chủ yếu sử dụng để xử lý, ứng phó với các sự cố môi

trường do tràn dầu vẫn là các biện pháp cơ học

Hiện nay, nguồn nhân lực chuyên trách ứng phó với sự cố tràn dầu của Tập

đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam khoảng 100 người, 8.000 m phao quây, thiết bị thu

hồi dầu khoảng 15 bộ các loại Với nguồn hiện hữu, trong điều kiện thời tiết thuận

lợi, Tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam đủ khả năng ứng phó hiệu quả sự cố tràn

dầu trên biển ở cấp II (dưới 2000 tấn) và đang vươn tới cấp III (trên 2000 tấn) Nếu

sự cố lớn xảy ra, Tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam sẽ được sự hỗ trợ của một

trung tâm ứng phó sự cố tràn dầu của Singapore

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 5

Qua sự cố tràn dầu tại cảng Dung Quất ngày 16/11/2012, các công đoạn thu

gom, xử lý môi trường nước bị nhiễm dầu như sau: dùng phao quây để khoanh

vùng không cho dầu lan rộng ra biển, sử dụng máy hút chuyên nghiệp để thu gom

dầu tràn với các khu vực có hàm lượng dầu cao, dùng thuyền và các dụng cụ thủ

công để vớt dầu, sử dụng rơm, rạ thả xuống biển để dầu FO bám dính vào, sau đó

vớt dọn rơm, rạ đưa lên bờ với khu vực có hàm lượng dầu loang thấp [9]

Hình 1.5 Các phương pháp xử lý sự cố dầu tràn

Trong các phương pháp xử lý dầu tràn nêu trên, phương pháp sinh học là

phương pháp xử lý dầu tràn có hiệu quả và an toàn cho môi trường nhất hiện nay,

được sử dụng kế tiếp ngay sau khi các biện pháp ứng cứu nhanh từ phương pháp cơ

học (sử dụng phương tiện vây và thu hồi dầu) để đảm bảo diện tích tràn dầu là nhỏ

nhất Nhưng việc xử lý bằng phương pháp sinh học thì rất tốn chi phí nên các vật

liệu hấp phụ có hiệu quả xử lý dầu cao mà chi phí thấp đã được các nhà nghiên cứu

trong nước cũng như trên thế giới đặc biệt quan tâm [9]

1.2 Tổng quan về nguyên liệu

1.2.1 Graphit vảy

Graphit hay còn gọi là than chì, một trong ba dạng thù hình của cacbon, tồn

tại trong các khoáng chất tự nhiên (kim cương, thạch anh, calcit, mica, thiên thạch

chứa sắt và tuamalin) Không giống như kim cương, graphit là một chất dẫn điện

và có thể sử dụng, ví dụ như là vật liệu để làm các điện cực của đèn hồ quang

Trong mạng tinh thể, một nguyên tử carbon (C) liên kết với 4 nguyên tử C phụ cận

Cự li với 3 nguyên tử C khác bằng nhau, bằng 1,42 Ao, với nguyên tử thứ 4 bằng

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 6

3,35Ao Vì vậy tạo thành từng lớp, thành tấm mỏng, tập hợp vảy, dạng đất Graphit

có màu xám sẫm đen như sắt

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể graphit

Graphit có một số đặc điểm hóa lý như: ánh kim, mỡ, độ cứng, khối lượng

riêng 2,26 g/cm3, trơn, độ ma sát thấp, các lớp mỏng graphit là dẻo nhưng không

đàn hồi, cường độ kháng nén ở trạng thái rắn, mềm mại, linh hoạt ở dạng vảy, sợi

hoặc tấm băng mỏng Khoáng chất này có thể để lại dấu vết màu đen trên tay và

giấy, nhiệt độ nóng chảy rất cao (3.800÷3.900oC), ở nhiệt độ cao 1000÷2000oC có

sức bền cơ học cao hơn ở nhiệt độ thường, ổn định ở nhiệt độ cao (lên đến khoảng

2.500oC mà không bị oxy hóa), độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao Hệ số giãn nở nhiệt

thấp, rất khó cháy, ngay trong oxi nguyên chất, graphit cũng chỉ cháy ở nhiệt độ

trên 700oC, khả năng phản ứng hoá học kém (Bảng 1.2)

Bảng 1.1 Tính chất vật lý của graphit

1 Công thức hóa học C

3 Dạng thường tinh thể Trụ sáu mặt, khối đặc sít

8 Hòa tan trong Ni nóng chảy

Graphit được phân loại theo kích thước của tinh thể như graphit dạng vảy

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 7

(kích thước > 0,1mm), graphit tinh thể đặc sít (kích thước < 0,1 mm), graphit tinh

thể ẩn tinh (kích thước < 0,01 mm) Trong các dạng graphit trên, dạng vảy có tính

nổi cao nhất và dễ tuyển nổi Graphit dạng vảy được cấu tạo từ các tinh thể riêng

biệt đôi khi từ các kết hạch, có góc cạnh, tròn hoặc mép cạnh xù xì, phân bố quặng

không theo quy luật nhất định, thường lộn xộn Kích thước vảy graphit dao động từ

0,1 - 5 mm được xếp vào loại vảy lớn do đó thường mỏng và giòn Graphit vảy

thường tìm thấy tập trung phổ biến thành từng lớp hoặc hốc túi trong đá phiến, đá

phiến ma và đá hoa cương [10]

Hình 1.7 Graphit vảy 1.2.2 Phân bố và trữ lượng

Theo dữ liệu của cơ quan khảo sát khoáng sản Brazil năm 2013, trữ lượng

quặng graphit trên toàn thế giới khoảng 130 triệu tấn, trong đó Brazil chiếm hơn

44,5% tổng trữ lượng, Trung Quốc đứng thứ hai với 42% tổng trữ lượng Gần đây,

nhiều nguồn quặng graphit lớn được tìm thấy ở Hàn Quốc, Triều Tiên, Úc Tuy

nhiên, cho đến nay vẫn chưa có số liệu thống kê tin cậy được công bố Graphit tự

nhiên đã được khai thác từ lâu Cùng với sự hiện đại hóa không ngừng, nhu cầu về

graphit tự nhiên cũng tăng lên qua các năm Một số quốc gia có nguồn tài nguyên

graphit đáng kể được trình bày trong Bảng 1.3 [10]

Bảng 1.2 Trữ lượng graphit trên thế giới

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 8

Hiện nay, nhu cầu graphit tự nhiên của thế giới hàng năm vào khoảng 1,1

triệu tấn Trong đó, đến 960.000 tấn nằm trong năng lực sản xuất của Trung Quốc

Năm 2012, khoảng 70% sản lượng graphit của thế giới được sản xuất tại Trung

Quốc Đồng thời với nguồn tài nguyên graphit dồi dào sẵn có cùng nguồn nhân lực

giá rẻ, nước này hoàn toàn có thể huy động sản xuất đủ đáp ứng nhu cầu graphit

của thị trường thế giới trong tương lai

1.2.3 Ứng dụng của graphit

a Vật liệu chịu lửa

Graphit có nhiệt độ nóng chảy rất cao cùng khả năng chống thấm kim loại,

chống ăn mòn tốt Trong một số loại gạch chịu lửa (MgO – C) yêu cầu về khả năng

chống ăn mòn, chống thấm tốt luôn có thành phần graphit, hàm lượng graphit càng

cao thì tính chất của gạch càng tốt nhưng giá thành gạch cũng tăng lên tương ứng

Nồi nấu kim loại được chế tạo từ hỗn hợp đất sét và graphit (chứa 85% C dạng vảy

lớn) hoặc SiC và graphit (chứa 80% C dạng vảy nhỏ) Nồi nấu kim loại sử dụng

graphit vảy lớn, trong khi gạch Mg – C cần graphit vảy không quá lớn

b Pin

Graphit tự nhiên và tổng hợp được sử dụng để sản xuất anôt của tất cả các

công nghệ pin điển hình bao gồm pin sơ cấp (pin sử dụng 1 lần), pin thứ cấp (pin

có thể sạc lại), pin công nghiệp

c Chất dẫn diện

Graphit là chất dẫn điện khá tốt, nhưng đặc tính nổi trội làm cho graphit

không thể thay thế bằng các vật dẫn khác là ở khả năng chịu nhiệt độ cao cũng như

chống ăn mòn hóa chất của nó Graphit có thể làm điện cực cho các bể điện phân,

cho các lò hồ quang hoặc làm chổi than tiếp điện trong các động cơ điện

d Cơ khí

Một trong những đặc điểm độc đáo của graphit là tính chất bôi trơn Bột

graphit trơn và đặc biệt có tính ổn định dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ cao Nhờ

đó, graphit được sử dụng như chất bôi trơn khô trong máy móc hạng nặng để giảm

va chạm giữa các bộ phận hay những nơi có nhiệt độ cao bất thường Graphit có

thể phối trộn thêm chất khác để tăng cơ tính, sử dụng trong nhiều chi tiết yêu cầu

ma sát nhỏ và chịu nhiệt như vòng bi trượt, xéc măng, ổ trục dẫn và vòng đệm nối

hơi, khắc dấu, máy bơm chân không

e Công nghiệp hàng không vũ trụ

Do sự ổn định nhiệt đặc biệt cao cùng tỷ trọng nhẹ, graphit và các sản phẩm

của nó đã tìm được nhiều chỗ đứng trong ứng dụng hiện tại và tương lai của ngành

công nghiệp hàng không vũ trụ Một số ứng dụng của graphit trong ngành công

nghiệp hàng không vũ trụ bao gồm các hộp động cơ, ống nổ, đầu tên lửa, mũi tên

lửa, chất cách nhiệt

f Công nghiệp hạt nhân

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 9

Ứng dụng của graphit trong công nghiệp hạt nhân bao gồm là vật liệu xây

lót của nhà máy hạt nhân, bộ điều hòa và phản xạ nhiệt, cột nhiệt và vật liệu dừng

lò thứ cấp Trong tương lai, các lò phản ứng hạt nhân sẽ có nhiệt độ làm việc tới

1000oC, do đó yêu cầu vật liệu có tính chất ổn định nhiệt và tỷ lệ hấp thụ nơtron

cao Hiện nay, các công trình tập trung nghiên cứu sản xuất các sản phẩm từ

graphit để đáp ứng mục đích này

1.2.4 Tình hình khai thác, chế biến graphit ở Việt Nam

Tổng trữ lượng và tài nguyên dự báo quặng graphit Việt Nam khoảng 29

triệu tấn So với thế giới thì nước ta không phải quá dồi dào về loại khoáng sản

này

Theo kết quả thăm dò, nguồn quặng graphit nước ta tập trung chủ yếu tại vùng Tây

Bắc với trữ lượng và tài nguyên dự báo khoảng 26 triệu tấn, còn lại là khu vực

Trung Bộ khoảng 3 triệu tấn Các mỏ graphit tại nước ta chủ yếu nằm trong đới đứt

gãy Sông Hồng kéo dài từ Yên Bái đến Lào Cai

Hiện nay, graphit mới được khai thác, chế biến ở hai mỏ Cổ Phúc - Yên Bái

và Hưng Nhượng - Quảng Ngãi Công nghệ khai thác lộ thiên, cơ giới hóa bằng ôtô

- máy xúc kết hợp thủ công chọn lựa trong khai thác để bóc đất đá vách và đá kẹt

Quặng graphit được làm giàu chủ yếu bằng phương pháp tuyển nổi Các sản phẩm

graphit sau tuyển nổi có thể đạt 80 ÷ 85% C được dùng cho các ngành công nghiệp

khác nhau Theo Tổng hội Địa chất Việt Nam, graphit được ứng dụng cho: sản xuất

vật liệu chịu lửa (24%), đúc (8%), chế tạo phanh (7%), bôi trơn (3%) và các ngành

công nghiệp khác (58%) [10]

Theo “Phê duyệt quy hoạch phân vùng thăm dò, khai thác, chế biến và sử

dụng nhóm khoáng chất công nghiệp (serpentin, barit, fluorit, bentonit, diatomit và

talc) đến năm 2015, có xét đến năm 2025”, dự báo đến năm 2025, nhu cầu sử dụng

graphit khoảng 25.000 ÷ 35.000 tấn/năm Các sản phẩm dự kiến sản xuất gồm 2

loại: graphit vô định hình 80 ÷ 85% C và graphit dạng vảy 94 ÷ 97% C, phục vụ

cho các ngành luyện kim, sản xuất gạch chịu lửa, điện cực, bút chì

Để đáp ứng nhu cầu nêu trên, Chính phủ đã phê duyệt quy hoạch đầu tư khai

thác, chế biến graphit tại một số khu vực chính như sau:

- Vùng Yên Bái: đến 2015, nâng cấp nhà máy tuyển Cổ Phúc lên 5.000 ÷

10.000 tấn/năm; giai đoạn 2016 ÷ 2025 lên 15.000 ÷ 20.000 tấn/năm, với sản phẩm

≥ 90% C

- Vùng Lào Cai: khai thác mỏ graphit Nậm Thi và xây dựng nhà máy tuyển

với công suất 5.000 ÷ 10.000 tấn/năm cho ra sản phẩm có hàm lượng C > 80%

- Vùng Bắc Trung Bộ: đầu tư khai thác và tuyển mỏ Hưng Nhượng công

suất 10.000 ÷ 13.000 tấn/năm, sản phẩm có hàm lượng C ≥ 80% [10]

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 10

1.3 Tổng hợp Graphit tróc nở (EG)

1.3.1 Các phương pháp tổng hợp và các công trình nghiên cứu trên thế giới

Graphit tróc nở (EG) có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp và hiện nay

đang tập trung nghiên cứu để ứng dụng trong lĩnh vực môi trường như làm chất hấp

thu và thu hồi dầu, hấp phụ chất màu độc hại, kim loại nặng Chế tạo vật liệu EG

thường được thực hiện bằng cách gia nhiệt nhanh hợp chất xen chèn được tiến hành

bằng các hệ thống gia nhiệt khác nhau gồm có plasma, chiếu xạ laser, gia nhiệt

truyền thống và kỹ thuật vi sóng EG là vật liệu thân thiện môi trường có khối

lượng riêng nhỏ và độ xốp cao Do có cấu trúc xốp nên nó có khả năng hoạt động

như một chất hấp thu tốt để ứng dụng trong xử lý màu và dầu tràn

Phương pháp chế tạo EG thường qua bước tạo các hỗn hợp xen chèn như

H2SO4 và HNO3 và cho phân hủy đột ngột các hợp chất này ở nhiệt độ cao [10] Ở

phương pháp này, quá trình tổng hợp vật liệu phải sử dụng một lượng lớn các axit

đặc, tạo ra một số khí độc SO2, NO2, NO thoát ra môi trường trong quá trình phân

hủy chúng

Hợp chất xen chèn HClO4-Graphit cũng đang ngày càng được quan tâm

nghiên cứu do thời gian phản ứng nhanh và nhiệt độ tróc nở thấp Năm 2009, Wei

X H và các cộng sự đã nghiên cứu chế tạo hợp chất xen chèn trên trong hệ thống

HClO4-HNO3 Với phương pháp này, thời gian xen chèn của HClO4 vào trong

graphit thường chỉ ít hơn 30 phút, thể tích dãn nở là 360 cm3

/g, nhiệt độ tróc nở là

2000C [11]

Một số phương pháp hóa học khác cũng được sử dụng để tổng hợp EG bằng

cách sử dụng các tác nhân oxi hóa mạnh khác như KMnO4, K2Cr2O7 Tuy nhiên

những tác nhân này không dễ dàng loại bỏ trong nước rửa, bởi vậy chúng có thể tạo

ra cặn còn lại trong EG và điều này có thể bất lợi trong các ứng dụng sau này

Ngoài các phương pháp trên, năm 2008, Tong Wei và các cộng sự cũng đã

công bố ứng dụng của vi sóng trong chế tạo EG, kết quả cho thấy vật liệu graphit

tróc nở đã được chế tạo nhanh và hiệu quả bằng cách vi sóng trong thời gian ngắn

(khoảng 4 phút trong đó 3 phút khuấy trộn và chỉ có 1 phút vi sóng), thể tích trương

nở của graphit tróc nở đạt được cực đại 312 cm3/g và thể tích hấp thu của graphit

tróc nở này là 56g dầu máy và 32g dầu kerosen trên 1g graphit tróc nở [12]

Phương pháp vi sóng tiếp tục được Xiu Juan Yu và các cộng sự sử dụng vào năm

2009, EG được tổng hợp từ GIC với tác nhân xen chèn H2SO4 và tác nhân oxi hóa

KMnO4, thể tích tróc nở của EG có thể đạt 276 cm3/g và hàm lượng lưu huỳnh

giảm xuống 0,12%, khả năng hấp thu tối đa cho dầu động cơ là 17,9 g [13]

Phương pháp sử dụng vi sóng cho thấy được quy trỉnh đơn giản và nhanh hơn so

với phương pháp sốc nhiệt đột ngột phức tạp, thời gian lâu và hiệu quả thấp

Năm 2014, EG trong nghiên cứu của Asghar đã được tổng hợp từ GICs với

tác nhân xen chèn H2SO4 và tác nhân oxi hóa H2O2 và HNO3 bằng phương pháp

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 11

xen chèn điện hóa và sốc nhiệt ở 850o

C Kết quả cho diện tích bề mặt của EG tương ứng 33 m2

/g và kích thước hạt 184 µm [15] Trong khi đó theo nghiên cứu của Zhao, EG có thể tích tróc nở 760 ml/g khi được tổng hợp bằng phương pháp vi

sóng với tác nhân oxi hóa KMnO4 và HClO4 [16]

Hình 1.8 Hình ảnh SEM của vật liệu EG sau khi tổng hợp

1.3.2 Các công trình nghiên cứu vật liệu hấp phụ dầu tại Việt Nam

Dầu khí có vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế toàn cầu, cũng như đối

với từng quốc gia Khai thác dầu khí của Việt Nam ngày càng phát triển mạnh,

luôn là ngành mũi nhọn, cung cấp nguồn nguyên liệu quan trọng nhất cho xã hội

hiện đại, đặc biệt là để sản xuất điện và nhiên liệu cho các phương tiện giao thông

vận tải Ngành dầu khí còn cung cấp đầu vào cho các ngành công nghiệp khác như:

công nghiệp hóa chất, phân bón và nhiều ngành khác - trở thành ngành năng lượng

quan trọng, cần thiết đối với đời sống xã hội Vì vậy, việc đảm bảo và phương án

luôn sẵn sàng xử lý sự cố liên quan đến dầu, trong đó bao gồm những phương pháp

và những loại vật liệu xử lý dầu tràn có tính năng ưu việt, đạt hiệu quả cao là điều

vô cùng quan trọng và cần thiết Theo như những nghiên cứu trong và ngoài nước

về xử lý và thu hồi dầu tràn thì biện pháp sử dụng các chất hấp phụ có tính khả thi

cao trong việc xử lý ô nhiễm dầu, cụ thể như sau:

Năm 2010, nhóm nghiên cứu của Thạc sĩ Phạm Thị Dương và các cộng sự

Trường Đại Học Hàng Hải, đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu hấp thu

dầu trong nước thải bằng các vật liệu tự nhiên như bèo tây, sơ dừa, rơm và lõi ngô

Qua quá trình nghiên cứu, vật liệu hấp thu cho kết quả tốt nhất là thân bèo Tuy

nhiên, khả năng hấp thu dầu của vật liệu này vẫn còn khá thấp: 1g vật liệu (chế tạo

từ thân bèo) có khả năng hấp thu 0,29g dầu DO [17]

Năm 2014, Thạc Sĩ Nguyễn Thị Thương và các cộng sự Trường Đại học

Nguyễn Tất Thành đã nghiên cứu về tổng hợp EG bằng phương pháp xen chèn

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 12

H2SO4 và H2O2 kết hợp với quá trình sốc nhiệt ở 1100oC trong 60s Kết quả cho

thấy thời gian hấp thu cũng như thể tích hấp thu của EG phụ thuộc rất nhiều vào

loại dầu sử dụng và khả năng hấp thu của EG đối với DO là cao nhất, đạt 43,2g

DO/1g EG, khả năng hấp thu đối với CO và FO đạt lần lượt là 30,5 và 28,7g dầu/g

EG [18]

Thạc sĩ Phạm Thị Ngọc Lan của Trường Đại Học Thủy Lợi cũng đã nghiên

cứu về bã mía, thân ngô, vỏ lạc và bèo tây tự nhiên vào năm 2016 Kết quả nghiên

cứu cho thấy, trong thời gian từ 10 – 60 phút, độ hấp thu của bèo tây trong môi

trường nhiễm dầu DO (0,05S) đạt từ 7,09 – 7,55g trên 1g vật liệu Ngâm bèo tây

trong dầu vật liệu không bị chìm trong ba tháng và không có dấu hiệu xuất hiện

nấm mốc Nhận thấy, vật liệu tự nhiên sau khi hấp phụ nếu như không sử dụng lại

làm vật liệu hấp thu có thể tận dụng làm nguyên liệu đốt thay cho việc sử dụng dầu

DO hoặc dầu FO làm mồi cho các lò đốt có hệ thống xử lý khí hiện nay [19]

Gần đây nhất, Tiến sĩ Nguyễn Đình Lâm và Thạc sĩ Phan Thị Thúy Hằng đã

nghiên cứu phương pháp được xem là thân thiện với môi trường vào năm 2017,

không tạo ra khí dạng NOx và sản phẩm tạo ra là graphene oxit (GO) [20]

Trong các phương pháp hóa học, phương pháp tổng hợp vật liệu EG với tác

nhân xen chèn bằng hệ H2SO4/H2O2, H2SO4/KMnO4 và HClO4/HNO3 thì đơn giản

dễ thực hiện và về thiết bị hóa chất Tại Việt Nam, HClO4/HNO3 rất ít được sử

dụng vì phải xử lý khí độc thải loại NO2 và NO Phương pháp sử dụng

H-2SO4/KMnO4 cho hiệu quả không cao Ở phương pháp tổng hợp sử dụng H2SO4 và

H2O2 được đánh giá cao do chi phí rẻ và H2O2 có tính chất êm dịu và thân thiện môi

trường nhưng vẫn cho hiệu quả thấp Ngoài các phương pháp trên, phương pháp

tổng hợp sử dụng KMnO4/HClO4 và (CH3CO)2O gần đây đang được nghiên cứu

nhiều hơn do chi phí thấp, sản xuất đơn giản, xử lý dễ dàng và ít tốn năng lượng Vì

vậy, đề tài sẽ nghiên cứu tổng hợp vật liệu EG từ nguồn nguyên liệu graphit Việt

Nam bằng kỹ thuật vi sóng nhằm ứng dụng trong việc xử lý dầu nặng tại Việt Nam

Trong phương pháp này, quá trình tổng hợp các hợp chất xen chèn với các tác nhân

KMnO4, HClO4 và (CH3CO)2O được tiến hành trước, sau đó được đưa vào lò vi

sóng để gia nhiệt ở công suất cao để tạo thành EG Vật liệu EG tổng hợp được tiến

hành đánh giá khả năng hấp thu dầu DO và CO trong quy mô phòng thí nghiệm Đề

tài hy vọng tiếp tục hướng đến những nghiên cứu mới trong tổng hợp vật liệu hấp

phụ và sẽ mang đến những phát triển lớn để ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ

xử lý môi trường

1.4 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu này là tổng hợp vật liệu graphit tróc nở từ nguồn

graphit dạng vảy có sẵn ở Việt Nam, sử dụng phương pháp xen chèn hóa học và vi

sóng, đồng thời đánh giá khả năng hấp phụ dầu DO và CO của vật liệu được tổng

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 13

hợp Đây là một hướng nghiên cứu tiềm năng góp phần nâng cao giá trị của sản

phẩm graphit, tăng tính hiệu quả và chủ động trong công tác ứng phó các sự cố tràn

dầu trên sông, biển

1.4.2 Nội dung nghiên cứu

Để đáp ứng mục tiêu nghiên cứu, chúng tôi thực hiện các nội dung nghiên

cứu như sau:

- Tổng hợp graphit tróc nở bằng kỹ thuật vi sóng (microwave), khảo sát ảnh

hưởng của các điều kiện tổng hợp lên độ tróc nở của vật liệu

- Khảo sát các tính chất đặc trưng của vật liệu tổng hợp được bằng phương

pháp SEM, XRD, FTIR và BET

- Nghiên cứu về khả năng hấp phụ dầu DO và CO của vật liệu graphit tróc

nở được

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 14

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Hóa chất và thiết bị

2.1.1 Hóa chất

Graphit dạng vảy được thu nhập từ tỉnh Yên Bái có hàm lượng C tương ứng

94,39%, kích thước hạt > 0,125 mm Các hóa chất sử dụng là Kali permanganat

(KMnO4) 99% (Xilong Chemical Co.,Ltd), perchloric acid (HClO4) 60% (Xilong

Chemical Co.,Ltd) và anhydrit acetic ((CH3CO)2O) 97% (Xilong Chemical

Co.,Ltd) và muối NaCl (Xilong Chemical Co.,Ltd)

Các loại dầu được dùng trong nghiên cứu là DO và CO Dầu DO được mua

từ Xí nghiệp tư nhân Dầu khí PV Oil, còn dầu CO có nguồn gốc từ mỏ Bạch Hổ,

Vũng Tàu Những đặc tính của các loại dầu này được thể hiện như bảng 2.1

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của các loại dầu dùng trong các thí nghiệm

Loại dầu Khối lượng riêng (kg/m3) Độ nhớt (mm2

- Lưới lọc kim loại (100 mesh, kích thước lỗ 149 µm) dùng để lọc lấy EG

sau thời gian hấp phụ

2.2 Phương pháp thực nghiệm

2.2.1 Quy trình tổng hợp graphit tróc nở sử dụng kỹ thuật vi sóng

Nguyên lý tổng hợp vật liệu EG bằng phương pháp hóa học sử dụng các

chất (CH3CO)2O/ HClO4/ KMnO4 sẽ trải qua các bước như trong sơ đồ 2.2 Do

khoảng cách giữa các lớp graphit rất nhỏ cho nên các chất có phân tử lớn không

xen chèn vào được Ở đây, sử dụng các phân tử (CH3CO)2O là chất xen chèn và

KMnO4, HClO4 là các tác nhân oxy hóa

TS Bùi Thị Phương Quỳnh 15

Cơ chế hình thành vật liệu EG là khi các phân tử (CH3CO)2O xen trèn vào

graphit vảy với sự có mặt của KMnO4 vàHClO4 có tác dụng như là chất oxy hóa

Dưới tác nhân oxy hóa KMnO4/HClO4, (CH3CO)2O bị phân hủy thành ion

CH3COO- và nước Khi hỗn hợp được vi sóng ở công suất nhất định thì ion

CH3COO- phân hủy thành CO2 Kết quả là một lượng khí CO2 gia tăng đột ngột

bên trong một khoảng không gian hẹp giữa các lớp graphit làm áp suất tăng nhanh,

dẫn đến làm phá vỡ các liên kết và đẩy các lớp graphit cách ra xa nhau, điều này sẽ

dẫn đến sự trương nở về thể tích của toàn bộ graphit ban đầu hình thành cấu trúc

giống như giun gọi là EG

Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp EG bằng phương pháp hóa học

Hình 2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu EG từ graphit vảy

Graphite vảy

Xen chèn Khuấy

Vi sóng Công suất, 10s

EG