Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở polypropylen biến tính

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở polypropylen biến tính

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- Hoàng Thu Hà NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THU DẦU TRÊN CƠ SỞ POLYPROPYLEN BIẾN TÍNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2016
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------------- Hoàng Thu Hà NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THU DẦU TRÊN CƠ SỞ POLYPROPYLEN BIẾN TÍNH Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 62440120 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Lê Thanh Sơn GS.TS. Nguyễn Văn Khôi Hà Nội - 2016
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Tác giả luận án Hoàng Thu Hà i
4. LỜI CẢM ƠN Luận án đƣợc hoàn thành tại Khoa Hóa học Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên và Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS. Lê Thanh Sơn và GS.TS. Nguyễn Văn Khôi. Tác giả xin trân trọng bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy với sự hƣớng dẫn tận tình, chu đáo và đã có những ý kiến đóng góp khoa học xác đáng về nội dung luận án. Tác giả xin đƣợc trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Phòng thí nghiệm Hóa Môi trƣờng Khoa Hóa học, các thầy cô Bộ môn Hóa dầu Khoa Hóa học, các thầy cô Khoa Hóa học - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Xin đƣợc trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ Phòng Vật liệu polyme Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam và các đồng nghiệp Bộ môn Hóa Công nghệ môi trƣờng - Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội, đã đóng góp ý kiến hết sức quý báu về nội dung luận án và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả thực hiện luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Công ty xăng dầu B12 tạo điều kiện để thử nghiệm, đánh giá sản phẩm. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng THPT chuyên Khoa học Tự nhiên, Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Phòng Đào tạo Sau Đại học, các phòng ban chức năng - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành tốt luận án. Xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô, các đồng nghiệp, gia đình và bạn bè về sự động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận án Hoàng Thu Hà ii
5. MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 3 1.1. SỰ CỐ TRÀN DẦU: NGUYÊN NHÂN VÀ TÁC ĐỘNG ........................ 3 1.1.1. Nguyên nhân gây ra sự cố tràn dầu ..................................................... 3 1.1.2. Thành phần hóa học của dầu mỏ ......................................................... 5 1.1.3. Tác động của dầu tràn đến môi trƣờng và kinh tế - xã hội .................. 6 1.1.4. Tác động của dầu tràn đến sức khỏe con ngƣời .................................. 9 1.2. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỰ CỐ TRÀN DẦU VÀ VẬT LIỆU HẤP THU DẦU .................................................................................................. 10 1.2.1. Các phƣơng pháp xử lý sự cố tràn dầu ................................................ 10 1.2.2. Giới thiệu về vật liệu hấp thu dầu ........................................................ 15 1.3. VẬT LIỆU HẤP THU DẦU TRÊN CƠ SỞ SỢI POLYPROPYLEN ......... 24 1.3.1. Công nghệ chế tạo sợi polypropylen ................................................... 24 1.3.2. Vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở sợi polypropylen ................................ 28 1.3.3. Biến tính sợi polypropylen bằng quá trình trùng hợp ghép các vinyl monome ................................................................................................... 30 1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XỬ LÝ Ô NHIỄM DẦU TRÀN Ở VIỆT NAM ....................................................................................................... 38 1.4.1. Sự cố tràn dầu ở Việt Nam .................................................................. 38 1.4.2. Tình hình nghiên cứu về xử lý sự cố tràn dầu ở Việt Nam ................. 40 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................ 44 2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU ...... 44 2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất .......................................................................... 44 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị, phƣơng pháp nghiên cứu ......................................... 45 iii
6. 2.2. PHƢƠNG PHÁP TIẾN HÀNH ..................................................................... 46 2.2.1. Chế tạo và nghiên cứu tính chất hấp thu dầu của sợi polypropylen .... 46 2.2.2. Nghiên cứu biến tính sợi polypropylen bằng quá trình trùng hợp ghép các vinyl monome và tính chất hấp phụ dầu của các copolyme ghép ........... 48 2.2.3. Nghiên cứu biến tính sợi polypropylen bằng quá trình trùng hợp ghép các vinyl monome khi có mặt chất tạo lƣới và tính chất hấp thu dầu của các copolyme ghép có tạo lƣới ................................................................ 55 2.3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TRÊN CƠ SỞ SỢI POLYPROPYLEN BIẾN TÍNH XỬ LÝ XĂNG DẦU TRÀN ......................... 57 2.3.1. Môi trƣờng tại địa điểm ứng dụng ....................................................... 57 2.3.2. Ứng dụng vật liệu sợi polypropylen biến tính để xử lý xăng, dầu tràn trong môi trƣờng nƣớc và nƣớc biển ............................................................. 58 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 60 3.1. ĐẶC TRƢNG LÝ HÓA VÀ KHẢ NĂNG HẤP THU DẦU CỦA SỢI POLYPROPYLEN ...................................................................................... 60 3.1.1. Các đặc trƣng lý hóa của các sợi polypropylen ..................................... 60 3.1.2. Nghiên cứu khả năng hấp thu dầu của sợi polypropylen ....................... 62 3.1.3. Ảnh hƣởng của polyester (PET) đến khả năng hấp thu dầu của sợi polypropylen ...................................................................................................... 64 3.2. QUÁ TRÌNH TRÙNG HỢP GHÉP CÁC VINYL MONOME LÊN SỢI POLYPROPYLEN VÀ TÍNH CHẤT HẤP PHỤ DẦU CỦA CÁC COPOLYME GHÉP............................................................................................ 69 3.2.1. Trùng hợp ghép LMA lên sợi polypropylen ........................................ 70 3.2.2. Trùng hợp ghép BA lên sợi polypropylen ........................................... 73 3.2.3. Trùng hợp ghép MAA lên sợi polypropylen ....................................... 76 3.2.4. Đặc trƣng lý hóa của các sản phẩm ghép ............................................ 79 3.2.5. Tính chất hấp phụ dầu của các copolyme ghép ................................... 86 iv
7. 3.3. QUÁ TRÌNH TRÙNG HỢP GHÉP CÁC VINYL MONOME LÊN SỢI POLYPROPYLEN CÓ MẶT CHẤT TẠO LƢỚI VÀ TÍNH CHẤT HẤP THU DẦU CỦA CÁC COPOLYME GHÉP CÓ TẠO LƢỚI .................. 98 3.3.1. Trùng hợp ghép các vinyl monome lên sợi polypropylen có mặt chất tạo lƣới ................................................................................................................... 98 3.3.2. Khả năng hấp thu các dung môi và dầu của các vật liệu hấp thu dầu ... 103 3.4. ỨNG DỤNG VẬT LIỆU SỢI POLYPROPYLEN BIẾN TÍNH ĐỂ XỬ LÝ DẦU TRÀN ................................................................................. 107 3.4.1. Ứng dụng vật liệu sợi polypropylen biến tính để xử lý xăng, dầu tràn trong môi trƣờng nƣớc ngọt .......................................................... 107 3.4.2. Ứng dụng vật liệu sợi polypropylen biến tính xử lý dầu trong môi trƣờng nƣớc biển .................................................................................. 108 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 111 NHỮNG ĐIỂM MỚI VÀ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN .................................... 112 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................................................... 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 114 v
8. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cơ chế phân tán và tách pha dầu khỏi nƣớc nhờ các chất phân tán ............. 13 Hình 1.2. Tình trạng khắc phục sự cố tràn dầu bằng các chất phân tán ở các quốc gia châu Âu .......................................................................................................... 14 Hình 1.3. Cơ chế hấp thu dầu của vật liệu hấp thu dầu ................................................ 21 Hình 1.4. Các dạng đồng phân lập thể của PP .............................................................. 25 Hình 2.1. Sơ đồ quá trình tạo sợi PP ............................................................................. 46 Hình 2.2. Sơ đồ phản ứng trùng hợp ghép các vinyl monome lên sợi PP .................... 49 Hình 2.3. Sơ đồ phản ứng trùng hợp ghép các vinyl monome lên sợi PP có mặt chất tạo lƣới................................................................................................................... 55 Hình 3.1. Phổ IR của sợi PP ......................................................................................... 60 Hình 3.2. Giản đồ phân tích nhiệt trọng lƣợng TGA của sợi PP .................................. 61 Hình 3.3. Ảnh SEM của sợi PP ở các độ phóng đại khác nhau .................................... 61 Hình 3.4. Phổ IR của 2 mẫu sợi PP-PET ...................................................................... 64 Hình 3.5. Giản đồ phân tích nhiệt trọng lƣợng TGA của sợi PP-PET ......................... 65 Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu sợi PP-PET ở các độ phóng đại khác nhau ................... 65 Hình 3.7. Độ hấp thu nƣớc của sợi PP và PP-PET ....................................................... 66 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình trùng hợp ghép LMA lên sợi PP .... 70 Hình 3.9. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình trùng hợp ghép LMA lên sợi PP ..... 71 Hình 3.10. Ảnh hƣởng của nồng độ AIBN đến quá trình trùng hợp ghép LMA lên sợi PP ....................................................................................................................... 71 Hình 3.11. Ảnh hƣởng của nồng độ monome đến quá trình trùng hợp ghép LMA lên sợi PP ...................................................................................................................... 72 Hình 3.12. Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình trùng hợp ghép BA lên sợi PP ..... 73 Hình 3.13. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình trùng hợp ghép BA lên sợi PP ...... 74 Hình 3.14. Ảnh hƣởng của nồng độ AIBN đến quá trình trùng hợp ghép BA lên sợi PP ... 74 Hình 3.15. Ảnh hƣởng của nồng độ monome đến quá trình trùng hợp ghép BA lên sợi PP ....................................................................................................... 75 Hình 3.16. Ảnh hƣởng của thời gian đến quá trình trùng hợp ghép MAA lên sợi PP ...................................................................................................................... 76 vi
9. Hình 3.17. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình trùng hợp ghép MAA lên sợi PP ... 77 Hình 3.18. Ảnh hƣởng của nồng độ AIBN đến quá trình trùng hợp ghép MAA lên sợi PP ............................................................................................................ 77 Hình 3.19. Ảnh hƣởng của nồng độ monome đến quá trình trùng hợp ghép MAA lên sợi PP ................................................................................................... 78 Hình 3.20. Phổ hồng ngoại của sợi PP ban đầu và các sản phẩm ghép sợi PP ............ 80 Hình 3.21. Giản đồ TGA của sợi PP và các copolyme ghép ........................................ 81 Hình 3.22. Giản đồ nhiệt vi sai quét (DSC) của sợi PP và các copolyme ghép ........... 83 Hình 3.23. Ảnh SEM của sợi PP và các copolyme ghép .............................................. 84 Hình 3.24. Sự biến thiên của qt theo thời gian t ........................................................... 86 Hình 3.25. Quá trình phong hóa của dầu tràn trên mặt biển ......................................... 87 Hình 3.26. Mô tả sự hấp phụ dầu trên sợi PP và các copolyme ghép bằng dạng tuyến tính của phƣơng trình biểu kiến bậc một.................................................... 88 Hình 3.27. Mô tả sự hấp phụ dầu trên sợi PP và các copolyme ghép bằng dạng tuyến tính của phƣơng trình biểu kiến bậc hai ..................................................... 89 Hình 3.28. Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ của sợi PP và các copolyme ghép ................... 91 Hình 3.29. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ..................................................... 92 Hình 3.30. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ...................................................... 93 Hình 3.31. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Temkin .......................................................... 95 Hình 3.32. Phổ hồng ngoại IR của PP và các sản phẩm ghép có tạo lƣới .................. 100 Hình 3.33. Giản đồ TGA của sợi PP và các copolyme ghép có mặt chất tạo lƣới ..... 101 Hình 3.34. Ảnh SEM của sợi PP và các copolyme ghép có mặt chất tạo lƣới ........... 102 Hình 3.35. Dung lƣợng hấp thu các dung môi của PP-g-LMA-DVB tại các nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................... 104 Hình 3.36. Dung lƣợng hấp thu các dung môi của PP-g-BA-DVB tại các nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................... 104 Hình 3.37. Dung lƣợng hấp thu các dung môi của PP-g-MAA-DVB tại các nhiệt độ khác nhau .................................................................................................................... 104 Hình 3.38. Khả năng tái sử dụng của vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở sợi PP biến tính sau 10 chu kỳ hấp thu/giải hấp ............................................................... 106 vii
10. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Lƣợng dầu tràn trên biển do sự cố tai nạn tàu chở dầu từ 1970 đến 2015 .... 3 Bảng 1.2. So sánh ƣu điểm - nhƣợc điểm của vật liệu hấp thu dầu trên cơ sở sợi PP với các loại vật liệu hấp thu dầu tự nhiên ......................................................... 29 Bảng 2.1. Các thông số của quá trình đùn sợi ............................................................. 47 Bảng 3.1. Độ hấp thu dầu thô của sợi PP trong hệ khô và các hệ dầu:nƣớc ............... 62 Bảng 3.2. Độ hấp thu dầu FO của sợi PP trong hệ khô và các hệ dầu:nƣớc ............... 62 Bảng 3.3. Độ hấp thu dầu DO của sợi PP trong hệ khô và các hệ dầu:nƣớc ............... 63 Bảng 3.4. Một số dải hấp thu đặc trƣng cho các dao động của một số nhóm chức chính trong mẫu sợi PP-PET ........................................................................................ 64 Bảng 3.5. Độ hấp thu dầu thô của sợi PP-PET trong hệ khô và các hệ dầu:nƣớc ....... 67 Bảng 3.6. Độ hấp thu dầu FO của sợi PP-PET trong hệ khô và các hệ dầu:nƣớc ....... 67 Bảng 3.7. Độ hấp thu dầu DO của sợi PP-PET trong hệ khô và các hệ dầu:nƣớc ...... 68 Bảng 3.8. Dữ liệu phân tích nhiệt trọng lƣợng của sợi PP và các copolyme ghép ...... 82 Bảng 3.9. Nhiệt độ nóng chảy (Tm) của sợi PP và các copolyme ghép ...................... 83 Bảng 3.10. Diện tích bề mặt riêng của sợi PP và các copolyme ghép ......................... 85 Bảng 3.11. qe thực nghiệm và các tham số động học của phƣơng trình động học biểu kiến bậc 1 và bậc 2 đối với sự hấp phụ dầu ......................................... 89 2 Bảng 3.12. Các giá trị KF, n, R khi mô tả sự hấp phụ dầu bằng mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ..................................................................................... 92 2 Bảng 3.13. Các giá trị KL, qmax, R khi mô tả sự hấp phụ dầu bằng mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ...................................................................................... 93 Bảng 3.14. Phân loại sự phù hợp của mô hình đẳng nhiệt bằng tham số RL ............... 94 Bảng 3.15. Giá trị tham số cân bằng RL của quá trình hấp phụ dầu bằng sợi PP và các copolyme ghép tại các nồng độ đầu khác nhau ..................................................... 94 2 Bảng 3.16. Các giá trị BD, qD, E, R khi mô tả sự hấp phụ dầu bằng mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Temkin ......................................................................................... 95 Bảng 3.17. So sánh 3 mô hình hấp phụ Langmuir, Frendlich, Temkin ................................ 96 Bảng 3.18. Điều kiện phản ứng của các phản ứng trùng hợp ghép có tạo lƣới ........... 98 viii