Nghiên cứu khả năng hấp thụ của một số khoáng tự nhiên

Nghiên cứu khả năng hấp thụ của một số khoáng tự nhiên.

Tạp chí Hóa học, T 38, số 3, Tr 32 - 35, 2000

Nghiên cứu ứng dụng khả năng hấp phụ

của một số khoáng tự nhiên vào việc xử lý n#ớc nhiễm dầu trong các sự cố tràn dầu trên biển

Đến Tòa soạn 21-10-1999

Nguyễn Ngọc Khang

Tr ờng Đại học H"ng hải Việt Nam - Hải Phòng

Summary

There are some natural materials which can be existant, found easily in our country and if operated and denaturated, they can adsorb organic compound, fuel oil, grease and liquid in water

This paper exposes some results of application research the adsorbability in the separating oil from water-oil mixture with the purpose of treating oily water and oil spills on water, to service the protetion of water environment, expecially againt pollution of sea environment because of oil spill in marine and petroleum branch

I - Đặt vấn đề

Trong các ng nh sản xuất liên quan nhiều

đến dầu mỡ, nhiên liệu lỏng nh" h ng hải, dầu

khí , vấn đề chống ô nhiễm môi tr"ờng n"ớc

do tr n dầu v việc xử lý các sự cố, tai nạn gây

ra dầu tr n trên biển, đ"ợc quan tâm một cách

đặc biệt Trong lĩnh vực xử lý n"ớc bị ô nhiễm

dầu mỏ v các sản phẩm của dầu mỏ thì vấn đề

tách dầu ra khỏi n"ớc l một công việc chủ yếu

v đ= có nhiều nghiên cứu, nhiều ph"ơng pháp

khác nhau để tách

Chúng ta biết rằng, hệ dầu-n"ớc l một hệ

không tan lẫn, v để tách dầu khỏi n"ớc, ng"ời

ta th"ờng dùng hai ph"ơng pháp chính l

ph"ơng pháp hóa học v ph"ơng pháp cơ học

Trong công trình n y, chúng tôi chọn ph"ơng

pháp hóa học để nghiên cứu sử dụng các chất

hấp phụ dầu trong n"ớc - đó l các vật liệu hấp

phụ có nguồn gốc khoáng tự nhiên sẵn có, dễ

kiếm v dễ chế tạo ở n"ớc ta - nhằm áp dụng

v o các quá trình l m sạch n"ớc, xử lý dầu tr n

trên n"ớc, phục vụ mục đích chống ô nhiễm

môi tr"ờng n"ớc, v môi tr"ờng biển trong các

sự cố, tai nạn tr n dầu

II - Cơ sở lý thuyết v ph"ơng pháp

nghiên cứu Khi dầu tr n trên mặt n"ớc, nó liền tham gia v o một loạt quá trình biến đổi nh" lan truyền, trôi dạt, bay hơi v hòa trộn với n"ớc Lớp váng dầu có tỷ trọng nhỏ hơn n"ớc nên dễ khuếch tán v o n"ớc tạo th nh nhũ t"ơng dầu trong n"ớc Để tách dầu ra khỏi n"ớc, ta có thể

sử dụng ph"ơng pháp hóa học dùng 5 loại hóa chất sau:

- Hóa chất hấp phụ, nh" Sanol absorbents (loại hóa chất plastic dạng bọt, kỵ n"ớc), Float absorb (loại hóa chất hữu cơ dạng tự nhiên dễ

bị phân hủy vi sinh), v.v

- Hóa chất khuếch tán, nh" AB 2000 của h=ng NEOS

- Hóa chất tạo kết tủa, hay hóa chất nhấn chìm

- Hóa chất phá nhũ t"ơng

- Hóa chất tạo h ng r o, hay h ng r o hóa

chất

hoặc có thể sử dụng ph"ơng pháp cơ học theo 3

loại:

+ Ph"ơng pháp cơ học dùng phao ngăn dầu,

để gom dầu v o một khu vực rồi vớt

+ Ph"ơng pháp cơ học dùng máng hút dầu

+ Ph"ơng pháp cơ học dùng thiết bị tuyển

nổi

Việc nghiên cứu khả năng hấp phụ dầu mỏ

v các sản phẩm dầu mỏ, của các khoáng tự

nhiên để tách dầu khỏi n"ớc, có ý nghĩa rất lớn

về mặt lý thuyết cũng nh" thực tiễn, bởi vì

trong ph"ơng pháp hóa học dùng chất hấp phụ

thì các hóa chất hấp phụ nêu trên th"ờng rất đắt

v hiệu suất xử lý dầu tr n sẽ giảm đi nhiều

nếu dầu đ= phong hóa (hòa trộn, khuếch tán v o

sâu lớp n"ớc)

Các khoáng tự nhiên nh" diatomit,

bentonit, ở n"ớc ta có th nh phần chủ yếu l

SiO2, Al2O3v một số oxit khác, th"ờng có cấu

trúc xốp Cấu trúc xốp đó phụ thuộc v o th nh

phần v cách sắp xếp các oxit trong khoáng Do

có cấu trúc xốp với bề mặt riêng lớn, nên nói

chung, các khoáng n y có khả năng hấp phụ;

tuy nhiên, ở trạng thái tự nhiên, tính hấp phụ

của chúng không cao Để nâng cao khả năng

hấp phụ, cần xử lý chuyển hóa các khoáng tự

nhiên đó sao cho độ xốp, bề mặt riêng v hoạt

tính bề mặt của nó tăng lên [1, 2]

Sử dụng các vật liệu hấp phụ l các khoáng

tự nhiên đ= biến tính đó, để tiến h nh hấp phụ

trao đổi với n"ớc nhiễm dầu, nhiên liệu lỏng

(xử lý dầu tr n trên n"ớc) thì chúng sẽ giữ lại

đ"ợc những hạt dầu nhũ t"ơng trong n"ớc, hạt

rắn lơ lửng không tan, những hợp chất hữu cơ

v vi sinh vật khác nhờ đó, ta tách đ"ợc dầu

khỏi n"ớc Tiếp theo, cần phải xét các yếu tố

ảnh h"ởng đến khả năng hấp phụ của khoáng

trong quá trình hấp phụ nh": loại dầu, nhiên

liệu lỏng (xăng, nhiên liệu diesel DO, nhiên

liệu nặng FO, mazut, dầu nhờn ), thời gian hấp

phụ, nhiệt độ quá trình hấp phụ, thời gian v

trạng thái tiếp xúc giữa chất hấp phụ với dầu

trong n"ớc (khuấy, lọc, bơm chuyển qua bề

mặt, v.v )

Trên cơ sở lý thuyết đó, chúng tôi đề ra

ph"ơng h"ớng nghiên cứu ứng dụng khả năng

hấp phụ dầu, nhiên liệu lỏng, của các khoáng tự nhiên l diatomit (DA), bentonit (BE), cao lanh v o việc xử lý dầu tr n trong n"ớc, theo các b"ớc tiến h nh sau:

B"ớc 1: Chuyển hóa biến tính các khoáng

tự nhiên (DA, BE) th nh những vật liệu hấp phụ dạng bột rắn v dạng viên khối (viên bi, khối cầu)

B"ớc 2: Sử dụng vật liệu hấp phụ đó xử lý n"ớc nhiễm dầu theo hai cách:

- Hòa trộn dầu v o n"ớc, nồng độ xác định, sau đó khuấy trộn với vật liệu hấp phụ dạng bột, để lắng bột rồi lọc gạn

- Bơm l"u chuyển n"ớc nhiễm dầu qua lớp vật liệu hấp phụ dạng viên, khối (nhằm gia tăng thời gian v trạng thái tiếp xúc hấp phụ)

B"ớc 3: Kiểm tra theo dõi nồng độ dầu trong n"ớc, tr"ớc v sau khi sử dụng vật liệu hấp phụ

Từ các b"ớc tiến h nh đó, so sánh kết quả thu đ"ợc để đánh giá khả năng ứng dụng v o thực tiễn Các vật liệu hấp phụ đ"ợc dùng chính

l các khoáng tự nhiên có sẵn, dễ kiếm v đ=

đ"ợc chuyển hóa, biến tính th nh những chất có khả năng hấp phụ cao

III - Nội dung nghiên cứu

v kết quả thu đ"ợc

Quá trình tạo vật liệu hấp phụ từ khoáng tự nhiên

Khoáng diatomit v bentonit đ"ợc sấy khô, nghiền mịn, hòa tan trong n"ớc, lọc cơ học qua rây có kích th"ớc 0,1 mm Dung dịch huyền phù để lắng trong 10 giờ; lọc gạn kết tủa, đem sấy khô đ"ợc các bột MDA v MBE Xử lý bột MDA v MBE với dung dịch H2SO424%, quá trình trao đổi đ"ợc giữ trong 48 giờ, sau đó lọc gạn v rửa bột khoáng bằng n"ớc cất đến pH không đổi, đ"ợc bột DA v bột BE

Sấy khô bột hấp phụ DA v BE ở 110 -

120oC trong 2 giờ v bảo quản trong bình phòng ẩm cho đến khi đ"a ra nghiên cứu Bình phòng ẩm có độ ẩm t"ơng đối l 80% ở 25oC trên dung dịch NH4Cl b=o hòa Vật liệu hấp phụ tạo th nh có dạng bột mịn, đều m u, đ"ợc ký hiệu l DA v BE

Tạo dạng viên v khối cho vật liệu hấp phụ

bằng cách trộn bột khoáng mịn đó với các chất

thêm KN v MM theo tỉ lệ 2,5 - 5,0% khối

l"ợng, nung ở các nhiệt độ khác nhau: 200oC,

400oC v 600oC; thời gian hằng nhiệt khi nung

l 1,0 - 1,5 giờ Vật liệu hấp phụ dạng viên,

khối, có kí hiệu DA200N, DA200M, DA400N,

BE600M, cũng đ"ợc bảo quản trong bình

phòng ẩm cho đến khi đ"a ra thử nghiệm

Quá trình tiến h nh xử lý hấp phụ dầu trong

n ớc

Dùng n"ớc nhiễm dầu có nồng độ khoảng

10 mg/l để thử nghiệm (tạo ra bằng cách cho

nhiên liệu nặng FO v o n"ớc v dùng bơm trộn

tuần ho n trong khoảng 1 giờ)

Lấy 1 g vật liệu hấp phụ dạng bột, trộn v o

1 lít n"ớc nhiễm dầu, khuấy đều, giữ yên trong

1 giờ rồi lọc gạn lấy n"ớc đem phân tích

Lấy 1 g vật liệu hấp phụ dạng viên, khối,

dùng 1 lít n"ớc nhiễm dầu bơm l"u chuyển qua

nó trong khoảng 30 phút rồi lấy n"ớc đ= xử lý

ra phân tích

Phân tích các mẫu n"ớc tr"ớc v sau khi xử

lý theo 4 thông số:

H m l"ợng dầu - theo ph"ơng pháp trọng

l"ợng với dung môi dietylete v tetra

cloruacacbon, kiểm tra lại bằng đo trên thiết bị

phân tích dầu chuyên dụng OCMA-220

(ISO-9001 certified)

Nhu cầu oxi hóa học COD bằng K2Cr2O7

theo TCVN 2679-78

Độ dẫn điện S, đo trên máy Condutivity

metre OK-102/1

Độ pH, đo trên máy đo pH-metre: Mettler

Delta - 320

Các thông số cấu trúc của vật liệu hấp phụ,

xác định khả năng hấp phụ của mẫu khoáng tự

nhiên DA v BE đ= chuyển hóa biến tính, đ"ợc

thực hiện trong [3]

Xác định các thông số đặc tr ng của vật liệu

hấp phụ

Các vật liệu hấp phụ l các khoáng tự nhiên

đ= biến tính chuyển hóa th nh khoáng hấp phụ,

đ"ợc xác định các thông số đặc tr"ng nh" giá

trị khối l"ợng riêng, giá trị độ xốp, độ hấp phụ,

v độ cứng (độ bền cơ) theo kết quả trong [3] Việc ghi phổ hồng ngoại của các mẫu vật liệu

hấp phụ đ= đ"ợc tiến h nh với tất cả các mẫu,

tr"ớc v sau khi đ= hấp phụ dầu (tr"ớc v sau

khi sử dụng xử lý n"ớc); để so sánh khả năng

hấp phụ dầu của các mẫu Trong b i l hai phổ

hồng ngoại của vật liệu mẫu DA400M -loại cho

kết quả tốt nhất - ghi tại Phòng phân tích quang

phổ Viện Hóa học TT KHTN & CNQG

Kết quả thực nghiệm

Các kết quả nghiên cứu đ"ợc trình b y

trong các bảng sau:

Các thông số đặc tr"ng cho mẫu vật liệu

hấp phụ dùng v o việc xử lý dầu tr n đ"ợc trình

b y ở bảng 1 với các ký hiệu:

DA, BE l bột khoáng diatomit v bentonit

đ= chuyển hóa th nh vật liệu hấp phụ

200, 400, 600 l nhiệt độ nung vật liệu hấp

phụ dạng viên, khối

N v M l chất thêm KN v MM cho việc

kết dính, tạo dạng viên, khối của vật liệu hấp

phụ

dTl khối l"ợng riêng thực của vật liệu hấp

phụ, g/ml

dKl khối l"ợng riêng biểu kiến của vật liệu hấp phụ, g/ml

dVl khối l"ợng riêng thể tích của vật liệu

hấp phụ, g/ml

VXl thể tích tổng cộng lỗ xốp của vật liệu hấp phụ,

T K X

d d

V = 1 1 , ml/g

P l độ xốp hấp phụ của vật liệu hấp phụ,

100

T

K T

d

d d

Q l độ xốp kĩ thuật của vật liệu hấp phụ,

100

T

V T

d

d d

A l độ hấp phụ tĩnh, theo toluenì104 của

vật liệu hấp phụ, ml/g

FC l độ cứng cơ học (độ bền chịu nén) của vật liệu hấp phụ, kg/cm2

MDA v MBE l bột khoáng mẫu diatomit

v bentonit tự nhiên

Bảng 1: Các thông số đặc tr"ng của vật liệu hấp phụ

TT Mẫu vật dT, g/ml dK, g/ml dV, g/ml VX, ml/g P,% Q, % A.104, ml/g FC, kg/cm2

3 DA200N 0,442 0,239 0,207 1,92 45,59 53,61 6.000 0,6

4 DA400N 0,352 0,154 0,106 3,65 56,25 69,88 7.000 0,8

5 DA600N 0,224 0,096 0,072 5,95 57,14 67,85 6.500 1,2

6 DA200M 0,428 0,216 0,185 2,29 49,53 56,77 5.800 0,6

7 DA400M 0,313 0,127 0,086 4,68 59,42 72,52 7.200 0,8

8 DA600M 0,267 0,119 0,080 4,65 55,43 70,03 6.800 1,2

11 BE400N 1,269 0,854 0,796 0,38 32,70 37,27 2.800 2,0

12 BE400M 1,284 0,878 0,802 0,36 31,61 37,53 3.000 2,2 Các kết quả phân tích mẫu n"ớc tr"ớc v sau khi sử dụng vật liệu hấp phụ để xử lý dầu

đ"ợc trình b y ở bảng 2 với các ký hiệu:

FO l h m l"ợng dầu trong n"ớc, mg/l; a l độ hấp phụ dầu của vật liệu hấp phụ thử

nghiệm, mg/g;

(Xem tiếp trang 44)

COD l nhu cầu oxi hóa học của n"ớc, mgO2/l; S l độ dẫn điện của n"ớc, mS; pH l độ

pH của n"ớc;

Mẫu vật liệu hấp phụ đ= dùng khi xử lý dầu, to n bộ quá trình thí nghiệm đ"ợc tiến h nh ở cùng nhiệt độ 20oC

Bảng 2: Kết quả phân tích n"ớc khi xử lý dầu

TT Vật liệu hấp phụ FO, mg/l a, mg/g COD, mgO2/l S, mS pH

Nhận xét v kết luận

Các khoáng DA v BE thiên nhiên có khả

năng hấp phụ dầu, nhiên liệu lỏng trong n"ớc,

nh"ng rất yếu; sau khi chuyển hóa v biến tính,

khả năng hấp phụ của chúng tăng lên rõ rệt

Hiệu suất hấp phụ dầu FO trong mẫu n"ớc

của các khoáng đ= chuyển hóa (th nh vật liệu

hấp phụ) đạt từ 60 - 80% đối với khoáng

diatomit Điều đó cho thấy có thể ứng dụng vật

liệu hấp phụ, khoáng DA đ= chuyển hóa, v o

việc xử lý tách dầu khỏi n"ớc

Việc thử nghiệm bơm l"u chuyển mẫu n"ớc

lẫn dầu qua vật liệu hấp phụ dạng viên khối cho

phép sử dụng các vật liệu hấp phụ n y v o việc

xử lý dầu tr n trên n"ớc bằng cách kết hợp hai

ph"ơng pháp l ph"ơng pháp hấp phụ v

ph"ơng pháp cơ học dùng máng hút dầu Đó l dùng canô có bơm hút lớp n"ớc váng dầu bơm qua thiết bị lọc chứa vật liệu hấp phụ - khoáng

DA dạng viên khối nêu trên Thực hiện công việc n y có lợi về kinh tế v giải pháp kỹ thuật khi phải xử lý các sự cố dầu tr n trên biển, mặt n"ớc cảng cho các ng nh h ng hải v dầu khí của chúng ta hiện nay

T i liệu tham khảo

1 Iu I Taraxevich Prirođn"ie xorbent" v prosexxakh otrixtki vođ" Kiev “Naukova

Đumka” (1981)

2 Ensiklopeđiia neorganitrexkic materialov Kiev (1977)

3 Nguyễn Ngọc Khang Luận văn thạc sĩ Đại học Bách khoa H Nội (1995)