Luận văn Nghiên cứu khả năng hấp phụ hơi dung môi hữu cơ của Zeolit composit tổng hợp trên cơ sở Zeolit Y và tributyl phosphat, tricresyl phosphat

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu khả năng hấp phụ hơi dung môi hữu cơ của Zeolit composit tổng hợp trên cơ sở Zeolit Y và tributyl phosphat, tricresyl phosphat

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- Đặng Thị Uyên NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ HƠI DUNG MÔI HỮU CƠ CỦA ZEOLIT COMPOSIT TỔNG HỢP TRÊN CƠ SỞ ZEOLIT Y VÀ TRIBUTYL PHOSPHAT, TRICRESYL PHOSPHAT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội, 2017
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- Đặng Thị Uyên NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ HƠI DUNG MÔI HỮU CƠ CỦA ZEOLIT COMPOSIT TỔNG HỢP TRÊN CƠ SỞ ZEOLIT Y VÀ TRIBUTYL PHOSPHAT, TRICRESYL PHOSPHAT Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Trần Hồng Côn Hà Nội, 2017
3. LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS. Trần Hồng Côn 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 các bạn học 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 Đặng Thị Uyên
4. MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 2 1.1. Tình hình ô nhiễm VOCs trong không khí ....................................................... 2 1.1.1. Nguồn phát sinh VOCs vào khí quyển ....................................................... 2 1.1.2. Hiện trạng ô nhiễm VOCs trong không khí ................................................ 5 1.1.3. Sự tồn lưu và vận chuyển VOCs trong khí quyển ....................................... 7 1.1.4. Độc tính của VOCs đối với cơ thể người ................................................. 12 1.2. Các phương pháp xử lý VOCs trong không khí ............................................ 19 1.2.1. Xử lý VOCs bằng phương pháp phân hủy ................................................ 19 1.2.2. Xử lý VOCs bằng phương pháp thu hồi (ngưng tụ, hấp phụ, hấp thụ, phân tách qua màng) ................................................................................................... 21 1.3. Tổng quan về vật liệu hấp phụ ứng dụng trong xử lý VOCs .......................... 23 1.3.1. Vật liệu cacbon hoạt tính.......................................................................... 24 1.3.2. Vật liệu Zeolit ........................................................................................... 24 1.3.3. Vật liệu zeolit compozit ............................................................................ 26 Chương 2: THỰC NGHIỆM .................................................................................... 28 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn .............................................. 28 2.2. Nguyên vật liệu, hóa chất ............................................................................... 28 2.3.Thiết bị ............................................................................................................. 29 2.3.1. Dụng cụ, thiết bị sử dụng chế tạo vật liệu ................................................ 29 2.3.2. Thiết bị phân tích ...................................................................................... 29 2.3.3. Thiết bị hấp phụ hơi VOCs phòng thí nghiệm .......................................... 30 2.4.Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 32 2.4.1. Tổng hợp vật liệu compozit zeolit – cơ photpho ...................................... 32 2.4.2. Các phương pháp đánh giá tính chất đặc trưng của vật liệu................... 33
5. 2.4.3. Nghiên cứu hấp phụ benzen, butyl axetat trong không khí của vật liệu compozit zeolit .................................................................................................... 36 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 40 3.1.Tổng hợp vật liệu ............................................................................................. 40 3.2.Hấp phụ hơi benzen và butyl axetat trong không khí của vật liệu compozit zeolit ..46 3.2.1. Xác định điều kiện tạo hơi VOCs ............................................................. 46 3.2.2. Hấp phụ hơi benzen trong không khí trên vật liệu compozit zeolit .......... 48 3.2.3. Hấp phụ hơi butyl axetat trong không khí trên vật liệu compozit zeolit .. 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 63
6. DANH MỤ C BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Nồng độ VOCs trong môi trường KK tại một số xưởng, trạm sửa chữa ... 4 Bảng 1.2: Ước tính tải lượng một số chất gây ONKK từ hoạt động công nghiệp trên cả nước năm 2009 (Nguồn: Ngân hàng Thế giới năm 2010). ..................................... 7 Bảng 2.1. Hàm lượng benzen và diện tích bề mặt pic tương ứng ............................. 38 Bảng 2.2. Hàm lượng butyl axetat và diện tích bề mặt pic tương ứng ..................... 39 Bảng 3.1. Vật liệu compozit zeolit sử dụng trong nghiên cứu hấp phụ VOCs ......... 46 Bảng 3.2. Nồng độ VOCs được tạo thành tại các nhiệt độ khác nhau ...................... 47 0 Bảng 3.3. Lượng VOCs tại 40 C ở lưu lượng dòng khí khác nhau ......................... 47 Bảng 3.4. Ảnh hưởng nồng độ đầu của benzen đến dung lượng hấp phụ của vật liệu compozit zeolit .......................................................................................................... 48 Bảng 3.5: Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí đến dung lượng hấp phụ benzen của vật liệu compozit zeolit ................................................................................................... 50 Bảng 3.6. Ảnh hưởng nồng độ đầu của butyl axetat đến dung lượng hấp phụ của vật liệu compozit zeolit ................................................................................................... 55 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí đến dung lượng hấp phụ butyl axetat của vật liệu compozit zeolit ............................................................................................. 57
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sự phát sinh của VOCs vào không khí ............................................. 3 Hình 1.2. So sánh dung lượng phát thải VOCs theo nhóm ngành phát thải của các nước Mỹ, các nước thuộc OECD, Đông Á theo Global ............................................. 5 Hình 1.3. Sự phát thải VOCs và xu hướng đến năm 2020 của EU (EMEP-2005), USA (NEI 2005), China (Klimont -2002) .................................................................. 6 Hình 1.4. Thành phần hóa học của các hạt mù quang hóa trong không khí tầng đối lưu ... 8 Hình 1.5. Chu trình sản xuất HOx và O3 trong một bầu không khí ô nhiễm . 9 Hình 1.6. Cơ chế Chapman khi đạt trạng thái cân bằng ... 10 Hình 1.7. Sự phân bố và tích tụ của benzen trong cơ thể người ............................... 14 Hình 1.8. Các phương pháp xử lý VOCs trong không khí ....................................... 19 Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống xử lý VOCs bằng phương pháp oxi hóa nhiệt ................. 20 Hình 1.10. Mô hình oxi nhiệt có xúc tác sử dụng trong xử lý VOCs ....................... 20 Hình 1.11. Sơ đồ xử lý VOCs sử dụng than hoạt tính, zeolit ................................... 22 Hình 1.12. Mô hình hấp phụ động của phân tử khí trên cột ..................................... 22 Hình 1.13. Sơ đồ đường cong thoát của quá trình hấp phụ động............................. 22 Hình 1.14. Mô hình hấp phụ benzen trong đơn vị cấu trúc của zeolit HY ............... 26 Hình 1.15. Sự hình thành màng zeolit-hữu cơ .......................................................... 27 Hình 2.1. Các bộ phận của thiết bị hấp phụ hơi VOCs trong PTN ........................... 31 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị hấp phụ hơi VOCs ...................... 31 Hình 2.3. Sơ đồ tổng hợp vật liệu không tạo liên kết bền với nền zeolit .................. 32 Hình 2.4. Đồ thị “V-t” ............................................................................................... 35 Hình 2.5: Sự phụ thuộc của hàm lượng benzen và diện tích bề mặt pic ................... 39 Hình 2.6: Sự phụ thuộc của hàm lượng butyl axetat và diện tích bề mặt pic ........... 39 Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của mẫu a: ZYTCP; b: ZYTBP ............................................ 40 Hình 3.2. Ảnh FeSEM và giản đồ EDX của mẫu HY, ZYTBP và ZYTCP .................. 42
8. Hình 3.3. Giản đồ hấp phụ - khử hấp phụ nito và phân bố kích thước mao quản của mẫu HY, ZYTBP, ZYTCP ............................................................................................. 43 Hình 3.4. Giản đồ phân tích nhiệt của các mẫu; 1:ZYTCP, 2: ZYTBP, 3:HY .............. 45 Hình 3.5. Ảnh hưởng nồng độ đầu benzen đến dung lượng hấp phụ của vật liệu compozit zeolit 48 Hình 3.6. Đường cong thoát của quá trình hấp phụ hơi benzen của vật liệu compozit zeolit .......................................................................................................................... 51 Hình 3.7: Đường cong tích lũy hơi benzen trên vật liệu zeolit compozit ................. 53 Hình 3.8. Ảnh hưởng nồng độ đầu butyl axetat đến dung lượng hấp phụ của vật liệu compozit zeolit .......................................................................................................... 56 Hình 3.9. Đường cong thoát của quá trình hấp phụ hơi butyl axetat của vật liệu compozit zeolit ..56 Hình 3.10: Đường cong tích lũy hơi butyl axetat trên vật liệu zeolit compozit ....... 59
9. DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT HY Zeolit HY TCP Tricresyl photphat TBP Tributyl phophat TBP Tributyl photphat TCP Tricresyl photphat DM Dung môi HC Hữu cơ KK Không khí VOCs Dung môi hữu cơ dễ bay hơi (benzen, butyl axetat) IR Phổ hồng ngoại X-ray Nhiễu xạ tia X SEM-EDX Kính hiển vi điện tử quét - phổ tán xạ năng lượng tia X BET Brunauer-Emmet-Teller l/ph lít/phút ppmv Parts per million by volume Co-Benzen Nồng độ đầu của Benzen, ppmv Co-Butyl axetat Nồng độ đầu của Butyl axetat, ppmv VKTBKT Vũ khí thiết bị kỹ thuật
10. MỞ ĐẦU Hiện nay, do có nhiều ứng dụng quan trọng khó thay thế nên nhiều loại dung môi độc hại vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhiều ngành sản xuất và trong đời sống sinh hoạt. Trong lĩnh vực quân sự, các kho chứa vũ khí, trang thiết bị quân sự, các kho, bồn chứa nhiên liệu, các dây chuyền sản xuất, sửa chữa, bảo dưỡng trang bị, khí tài làm phát tán nhiều loại dung môi độc hại có khả năng gây cháy, nổ như axeton, etylen, benzen, toluen, xylen, butylaxetat Trong khi đó, các kho hầu hết chỉ sử dụng các hệ thống thông gió mà chưa sử dụng các biện pháp thu gom, xử lý. Các dung môi độc hại này khi phát tán vào bất kỳ môi trường đất, nước hay không khí sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người lao động và tác động xấu đến môi trường sinh thái. Để giảm lượng VOCs phát thải vào không khí, có hai nhóm phương pháp chính: phương pháp thu hồi (ngưng tụ, hấp phụ, hấp thụ ) và phương pháp phân hủy (oxi hóa bởi nhiệt, oxi hóa có xúc tác, phân hủy sinh học ). Phương pháp oxy hóa bởi nhiệt được áp dụng khá phổ biến, chủ yếu trong trường hợp thành phần lớn có trong khí thải là những chất có mùi khó chịu và có thể cháy được hoặc kết hợp với oxi trong điều kiện thích hợp để tạo thành chất ít độc hại hơn. Tuy nhiên, giải pháp này tiêu thụ một lượng lớn năng lượng và hoàn toàn không phù hợp cho một nhóm các phân tử quan trọng, cụ thể là các VOCs chứa clo. Phương pháp hấp phụ được áp dụng hiệu quả đối với dung lượng phát thải không quá lớn, có chi phí thấp hơn so với phương pháp oxy hóa nhiệt, đồng thời có khả năng thu hồi, tái sử dụng cả chất hấp phụ và chất bị hấp phụ. Zeolit và các loại vật liệu zeolit composit là một trong những vật liệu hấp phụ được ứng dụng nhiều trong xử lý các hơi dung môi hữu cơ nói chung và benzen, butyl axetat nói riêng trong không khí. Tại Việt Nam, vật liệu zeolit composit mới được nghiên cứu trong những năm gần đây và chưa có nhiều kết quả ứng dụng trong hấp phụ các dung môi hữu cơ. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu zeolit compozit, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và xác định dung lượng hấp phụ cân bằng động tại các điều kiện khảo sát khi hấp phụ VOCs có ý nghĩa lớn cho việc xây dựng mô hình hấp phụ VOCs của vật liệu này trong thực tế. 1