nghiên cứu ứng dụng vật liệu trong xử lý dầu loang trên biển

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM



LÊ THỊ KIM LIÊN


NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VẬT LIỆU TRONG XỬ LÍ
DẦU LOANG TRÊN BIỂN


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Người hướng dẫn
TS. LÊ THANH THANH





BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2014
TRƢỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC & CNTP
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
o0o

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Thị Kim Liên MSSV: 1052010109
Ngày, tháng, năm sinh: 03/01/1992 Nơi sinh: Quảng Bình
Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu sử dụng vỏ trấu biến tính bằng chất hoạt động bề
mặt CTAB trong xử lí dầu loang trên biển
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
 Khảo sát bề mặt vật liệu,
 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ: nhiệt độ, tốc
độ khuấy, thời gian, nồng độ, kích thước hạt.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: 03/01/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/07/2014
V. HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ts. Lê Thanh Thanh
Bà Rịa – Vũng Tàu, ngày…tháng…năm 2014
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)



TRƢỞNG BỘ MÔN TRƢỞNG KHOA
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI MỞ ĐẦU

Làm luận văn tốt nghiệp là một quá trình tạo điều kiện giúp cho sinh viên năm
cuối có cơ hội tìm hiểu, rèn luyện ý thức tổ chức kỷ luật, tính tự giác, độc lập, chủ
động trong nghiên cứu, cũng cố lại kiến thức đã học và phát triển kĩ năng của bản
thân trước khi tốt nghiệp ra trường. Và ở đây em chọn đề tài “Nghiên cứu sử dụng
vật liệu xử lí dầu loang trên biển” làm đề tài nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp của
mình.
1. Lí do chọn đề tài
Hiện tượng tràn dầu trên biển đã và đang là một vấn đề nhức nhối cho môi

trường, hệ sinh thái và con người. Với nạn ô nhiễm dầu loang như ngày nay thì đã
có nhiều vật liệu được nghiên cứu để xử lí, khắc phục hiện tượng đó như: enretech,
corbol, aeroge, cellusord, Petro-abs … Tuy nhiên, vì những lí do khác nhau như
hiệu quả xử lí và giá thành cao … mà những vật liệu trên chưa được sử dụng rộng
rãi. Gần đây, vật liệu nông nghiệp bắt đầu được chú ý nghiên cứu góp phần khắc
phục hiện tượng tràn dầu trong đó có vỏ trấu, là một trong những vật liệu đơn giản,
rẻ, dễ kiếm và nước ta là một nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai thế giới nên hằng
năm lượng vỏ trấu thải ra rất nhiều. Mặt khác, vỏ trấu lại có khả năng hút dầu, chính
vì vậy vỏ trấu là vật liệu mà em muốn chọn cho đề tài nghiên cứu vật liệu xử lí ô
nhiễm do tràn dầu trên biển.
2. Tình hình nghiên cứu
Hiện tại tình hình nghiên cứu xử lí ô nhiễm do tràn dầu trên biển bằng vật liệu
vỏ trấu đã được nghiên cứu nhiều, cụ thể từ vỏ trấu người ta đã chế tạo ra các vật
liệu dưới dạng bột, có thể dự trữ sẵn trên tàu để kịp thời xử lí khi có sự cố xảy ra.
Và hiện nay hướng nghiên cứu từ vỏ trấu vẫn được tiếp tục nghiên cứu và phát
triển.
3. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài này nhằm tìm kiếm vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm có thể sử dụng
cho quá trình xử lí nước thải nhiễm dầu.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: vỏ trấu được lấy tại tỉnh Bà Rịa Vũng tàu
- Phạm vi nghiên cứu: Trong phòng thí nghiệm
5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Với đề tài em đang nghiên cứu từ những phế thải nông nghiệp như vỏ trấu
không chỉ giúp ích cho quá trình xử lí dầu loang trên biển để hạn chế một phần nào
đó sự ô nhiễm do dầu gây ra và ngoài ra còn góp phần vào việc giải quyết vấn đề
bãi chứa, đầu ra cho phế phẩm nông nghiệp sau khi thu hoạch.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Xác định tính chất của chất hấp phụ bằng phương pháp SEM, BET.
- Tiến hành các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ, pH, tốc

độ khuấy, nồng độ, kích thước vật liệu.
7. Dự kiến kết quả nghiên cứu
- Xác định được một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ.
- Đánh giá được khả năng sử dụng vật liệu hấp phụ từ vật liệu phế thải nông
nghiệp là vỏ trấu sử dụng cho quá trình xử lí ô nhiễm do tràn dầu trên biển.

















LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu, Khoa hóa học
và công nghệ thực phẩm đã tạo điều kiện cho em mượn dụng cụ và phòng thí
nghiệm để tiến hành nghiên cứu đề tài. Và đặc biệt em xin cảm ơn TS. Lê Thanh
Thanh đã hướng dẫn và giúp đỡ em nhiều trong quá trình nghiên cứu đề tài của
mình.

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ii
LỜI CẢM ƠN v
MỤC LỤC vi
DANH MỤC BẢNG ix
DANH MỤC SƠ ĐỒ x
DANH MỤC HÌNH xi
TỪ VIẾT TẮT xii
CHƢƠNG I. GIỚI THIỆU 1
1.1. Đặt vấn đề 1
1.2. Mục tiêu đề tài 3

CHƢƠNG II. LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU 3
2.1. Lí thuyết về nhũ tƣơng và quá trình hấp phụ 4
2.1.1. Lí thuyết về nhũ tương 4
a. Sự hình thành và ổn định nhũ dầu mỏ 4
b. Tính chất của nhũ dầu mỏ 6
c. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ bền nhũ 8
d. Các chất phá nhũ 11
e. Cơ chế tác động của chất phá nhũ 12
2.1.2. Lí thuyết về quá trình hấp phụ 16
a. Khái niệm 16
b. Phân loại 16
c. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ 19
d. Các chất hấp phụ trong công nghiệp 20
e. Cân bằng hấp phụ và cơ chế hấp phụ 24
f. Động học quá trình hấp phụ 29
2.2. Tác hại và phƣơng pháp xử lí dầu tràn trên biển 29
2.2.1. Tác hại của dầu tràn 29
2.2.2. Các biện pháp ngăn chặn và thu gom dầu 32
2.2.3. Một số vật liệu nghiên cứu trong xử lí dầu tràn trên biển 35
2.2.4. Giới thiệu vật liệu nghiên cứu trong đề tài 35
a. Nguồn gốc của vỏ trấu 35
b. Hiện trạng vỏ trấu tại Việt Nam 36
c. Một số ứng dụng của vỏ trấu hiện nay 36
CHƢƠNG III. PHƢƠNG TIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38
3.1. Phƣơng tiện nghiên cứu 38
3.1.1. Dụng cụ và thiết bị 38
3.1.2. Nguyên vật liệu 38
3.1.3. Hóa chất 38
3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 38
3.2.1. Các phương pháp xác định đặc tính của chất hấp phụ 38

3.2.2. Chuẩn bị nước thải nhiễm dầu 40
3.2.3. Chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ trấu 40
3.2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ dầu 43
a. Ảnh hưởng của kích thước hạt 43
b. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 43
c. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc 43
d. Ảnh hưởng của nhiệt độ 43
e. Ảnh hưởng của pH 44
f. Ảnh hưởng của nồng độ dầu 44
CHƢƠNG IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44
4.1. Kết quả 45
4.1.1. Khảo sát khả năng hấp phụ của các mẫu vật liệu vỏ trấu 45
4.1.2. Khảo sát đặc tính vật liệu 48
4.1.3. Khảo sát hấp phụ 49
a. Ảnh hưởng của kích thước hạt 49
b. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy 50
c. Ảnh hưởng của thời gian 51
d. Ảnh hưởng của nhiệt độ 52
e. Ảnh hưởng của pH 53
f. Ảnh hưởng của nồng độ dầu 54
g. Khảo sát khả năng hấp phụ cực đại 54
CHƢƠNG V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Tiêu chuẩn để phân biệt hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý
Bảng 3.1: Khối lượng dung dịch CTAB cần pha với các nồng độ khác nhau
Bảng 4.1: Kết quả hấp phụ dầu
Bảng 4.2: Độ hấp phụ Q
t
(mg/g) và hiệu suất hấp phụ (%H)
Bảng 4.3: Ảnh hưởng của kích thước đến khả năng hấp phụ
Bảng 4.4: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến độ hấp phụ
Bảng 4.5: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ
Bảng 4.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp phụ của vật liệu
Bảng 4.7: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Bảng 4.8: Ảnh hưởng của nồng độ dầu đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Bảng 4.9: Đường đẳng nhiệt hấp phụ
Bảng 4.10: Các hằng số Langmuir và hệ số tương quan
Bảng 4.11: Các hằng số Freundlich và hệ số tương quan

DANH MỤC SƠ ĐỒ

Hình 2.9: Sơ đồ ứng cứu khi sự cố tràn dầu xảy ra
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lí của kính hiển vi điện tử quét (SEM)

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Ảnh hưởng của pH đến sức căng bề mặt nhũ tương W/O
Hình 2.2: Ảnh hưởng của pH đến thời gian tổ chức lại bề mặt nhũ tương W/O
Hình 2.3: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến độ bền nhũ
Hình 2.4: Các loại đường đẳng nhiệt hấp phụ
Hình 2.5: Mối quan hệ ε = f(W)
Hình 2.6: Không gian hấp phụ
Hình 2.7: Tác hại của dầu loang đối với động vật
Hình 2.8: Tác hại đối với du lịch biển
Hình 2.10: Mô hình diễn tả sự phân tán của chất hóa học.
Hình 2.11: Cây lúa và vỏ trấu
Hình 3.2: Nước thải nhiễm dầu
Hình 3.3: Biến tính vỏ trấu bằng dung dịch CTAB
Hình 4.1: Độ hấp phụ trong 3 giờ
Hình 4.2: Độ hấp phụ trong 5 giờ
Hình 4.3: Ảnh SEM của vật liệu
Hình 4.4: Ảnh hưởng của kích thước
Hình 4.5: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy
Hình 4.6: Ảnh hưởng của thời gian
Hình 4.7: Ảnh hưởng của nhiệt độ
Hình 4.8: Ảnh hưởng của pH

Hình 4.9: Ảnh hưởng của nồng độ dầu
Hình 4.10: Đồ thị để tìm các hằng số phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Hình 4.11: Đồ thị để tìm các hằng số phương trình Freundlich




TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

1. Các chữ viết tắt
DO Diesel Oil Dầu diesel
FO Fuel Oil
KAERI Korea Atomic Energy Research Institute Viện nghiên cứu năng lượng
nguyên tử Hàn Quốc
-OH Hydroxyl
W/O Water/Oil Nhũ nghịch nước trong dầu
O/W Oil/Water Nhũ thuận dầu trong nước
API American Petroleum Institute Viện dầu mỏ Hoa kì
HST Hệ sinh thái
VSV Vi sinh vật
NSX Ngày sản xuất
BET Brunauer - Emment – Teller
SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét
S
BET
Diện tích bề mặt riêng
CTAB Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide
2. Các ký hiệu
MVT 1 Mẫu vỏ trấu thô xử lí bằng nước cất

MVT 2 Mẫu vỏ trấu thô xử lí bằng methanol
MVT 3 Mẫu vỏ trấu xay nhỏ xử lí nước cất
MVT 4 Mẫu vỏ trấu xay nhỏ xử lí bằng methanol
Nc Nước cất
Me Methanol
Q
t
Độ hấp phụ
H Hiệu suất hấp phụ
C Nồng độ dầu lúc cân bằng
Co

Nồng độ dầu ban đầu
V Thể tích nhũ dầu trong 1l dung dịch
m Khối lượng của vỏ trấu ban đầu
Q
tmax
Độ hấp phụ cực đại
k Hằng số

CHƢƠNG I
GIỚI THIỆU

1.1. Đặt vấn đề
Dầu mỏ là một trong những nguồn nhiên liệu vô cùng quan trọng và đóng vai trò
rất lớn trong việc thúc đẩy sự phát triển nền kinh tế của mỗi quốc gia trên thế giới, hầu
như mọi ngành công nghiệp đều phụ thuộc rất lớn vào nguồn tài nguyên quý giá này.
Thế nhưng, cùng với sự phát triển của ngành dầu khí thì một trong những vấn đề
được mọi người rất quan tâm hiện nay là tình trạng ô nhiễm môi trường do các hoạt
động khai thác, vận chuyển và sử dụng dầu mỏ trên thế giới. Kể từ khi hoạt động khai
thác và sử dụng dầu mỏ được diễn ra thì đã có rất nhiều sự cố xảy ra, trở thành những
mối đe dọa lớn đối với môi trường nói chung và hệ sinh thái biển nói riêng. Theo các
nhà môi trường ước tính rằng từ năm 1900 đến nay, trung bình mỗi năm trên thế giới
có từ 2 đến trên 4 vụ tràn dầu lớn trên biển, nỗi bật có thể kể đến: năm 1978 tàu
Amoco Cadiz đổ 231.000 tấn dầu thô xuống vùng Brittany - Tây Bắc nước Pháp; năm
1989 tàu Exxon Valdez làm tràn 40.000 tấn dầu ngoài khơi Alaska (Mỹ); năm 2002
tàu Prestige làm tràn 77.000 tấn dầu ngoài khơi phía Tây Bắc Tây Ban Nha; năm 2007
Hebei Spirit làm tràn 2.7 triệu gallon dầu ra biển Tây Nam Hàn Quốc [13]; năm 2010
giàn khoan Deepwater Horizon nằm cách bờ biển Louisiana của Mỹ 50 dặm đã đột
ngột phát nổ và chìm xuống biển, giết chết 11 công nhân và làm tràn ra biển gần 200
triệu gallon dầu thô, hàng chục triệu gallon khí tự nhiên và 1.8 triệu gallon tấn hóa
chất chưa rõ nguồn gốc trong vòng 86 ngày [19].
Riêng đối với vùng biển Việt Nam là loại biển mở nối liền Thái Bình Dương và
Ấn Độ Dương, là một trong những trục hàng hải có lưu lượng tàu bè qua lại rất lớn,
trong đó 70% là tàu chở dầu. Tuy chưa xếp vào biển có mức độ ô nhiễm nghiêm trọng,

nhưng cũng được cảnh báo là có nguy cơ ô nhiễm cao trong tương lai, vì công nghiệp
đang phát triển mạnh ở các vùng duyên hải, cộng thêm hoạt động thăm dò, khai thác,
vận chuyển dầu khí trong khu vực ngày càng gia tăng [20]. Trong hội thảo quốc tế
“Trao đổi kinh nghiệm trong phát triển, ứng phó, xử lý và khắc phục ô nhiễm do sự cố
tràn dầu trên biển” do Bộ Tài Nguyên và Môi Trường tổ chức ngày 28/02/2008 tại Hà
Nội cho biết, kể từ năm 1992 Việt Nam đã xảy ra hơn 50 vụ tràn dầu gây ra tổn thất
lớn về sinh thái và kinh tế. Nguyên nhân dẫn đến sự cố tràn dầu là do va chạm trong
quá trình bốc dở và đắm tàu, điển hình là các sự cố tàu Formosa One Liberia đâm vào
tàu Petrolimex 01 của Việt Nam tại vịnh Giành Rỏi – Vũng Tàu (tháng 09/2001) làm
tràn ra môi trường biển ven bờ khoảng 1000 m
3
dầu diesel (DO) gây ô nhiễm một
vùng rộng lớn biển Vũng Tàu; 3 năm sau tại khu vực biển Quảng Ninh – Hải Phòng,
sự cố đắm tàu Mỹ Đình làm tràn khoảng 50 tấn dầu DO và 150 tấn dầu FO, trong khi
đó ta chỉ xử lý được 65 tấn, số còn lại hầu như tràn ra biển … Đặc biệt, trong hai năm
2006 và 2007, tại ven biển các tỉnh miền Trung và miền Nam đã xảy ra một sự cố tràn
dầu bí ẩn, nhất là từ tháng 1 đến tháng 6/2007 có rất nhiều vệt dầu trôi dạt dọc bờ biển
của 20 tỉnh từ đảo Bạch Long Vĩ xuống tới mũi Cà Mau và đã thu gom được 1720.9
tấn dầu. Qua phân tích 26 ảnh chụp từ vệ tinh ALOS – PALSAR trong thời điểm từ
06/12/2006 – 23/04/2007, PGS – TS Nguyễn Đình Dương, Phòng Nghiên cứu và Xử lí
Thông tin Môi trường, Viện Địa lí đã ghi nhận được vết dầu lớn nhất phát hiện vào
ngày 8/3/2007 với chiều dài hơn 50 km và bề rộng hơn 1 km. Căn cứ vào vết dầu
loang gây ô nhiễm trên biển cùng bề dày của vết dầu, ước tính có từ 21.620 – 51.400
tấn dầu đã tràn trên biển [21].
Các vụ tràn dầu trên gây ô nhiễm môi trường biển, ảnh hưởng nghiêm trọng đến
các hệ sinh thái. Đặc biệt là hệ sinh thái rừng ngập mặn, cỏ biển, vùng triều, bãi cát,
đầm phá và các rạn san hô. Ô nhiễm dầu làm giảm khả năng sức chống đỡ, tính linh
hoạt và khả năng khôi phục của các hệ sinh thái. Hàm lượng dầu trong nước tăng cao,
các màng dầu làm giảm khả năng trao đổi oxy giữa không khí và nước, làm giảm oxy
trong nước, làm cán cân điều hòa oxy trong hệ sinh thái bị đảo lộn … [1].

Chính vì vậy mà việc nghiên cứu để xử lí các ô nhiễm này đang được nhiều nhà
khoa học quan tâm với mong muốn tìm được vật liệu có độ hấp phụ cao, rẻ tiền và
không gây ảnh hưởng đến môi trường thứ cấp [14]. Mới đây, viện nghiên cứu năng
lượng hạt nhân Hàn Quốc (KAERI) đã chế tạo được một loại vật liệu thẩm thấu thân
thiện với môi trường, có thể đẩy nhanh tiến trình làm sạch dầu trên biển [22]. Bên
cạnh đó các nước Âu Mỹ cũng có nhiều nghiên cứu thành công trong lĩnh vực này, tại
phòng thí nghiệm của Đại học Case Western Reserve mới cho ra đời loại vật liệu có
thể làm sạch hiệu quả các vụ tràn dầu và một số chất hòa tan có tên là Aerogel [23].
Cùng với những thành tựu mà các nước trên thế giới đạt được thì nước ta cũng đã đạt
được nhiều kết quả tốt trong lĩnh vực này, tiêu biểu có kỹ sư Lê Ngọc Khánh, năm
1999 cục sáng chế Việt Nam và cục sáng chế Nhật Bản đã cấp bằng sáng chế độc
quyền cho sản phẩm của ông đó là vật liệu hút dầu Petro-abs và máy tách dầu sow.
Dựa vào hai bằng sáng chế trên, một nhóm gồm TS Nguyễn Trần Dương, kỹ sư Lê
Ngọc Khánh, TS Trần Trí Luân và GS.TS Nguyễn Hữu Niếu đã hoàn thiện quy trình
sản xuất thử vật liệu hút dầu Petro-abs và các tấm hút dầu từ vật liệu này cùng hệ
thống thu gom, tách dầu khỏi nước [15]. Gần đây, các vật liệu nông nghiệp như mụn
cưa, sợi bông gòn, vỏ trấu … bắt đầu được chú ý nghiên cứu để góp phần khắc phục
hiện tượng tràn dầu trên biển và Việt Nam chúng ta là một nước có nền kinh tế nông
nghiệp khá phát triển nên việc tận dụng chúng rất tốt.
Trong đề tài này tôi chọn vỏ trấu, một vật liệu nông nghiệp rẻ, sẵn có và trong
thành phần hóa học của nó có chứa celluloses với các nhóm chức sẵn có như hydroxyl
(-OH), hemicelluloses và cấu trúc lignin được coi là những nhóm chức tiềm năng cho
việc sử dụng làm một vật liệu hấp phụ cho quá trình nghiên cứu xử lí dầu loang trên
biển của mình [12].
1.2. Mục tiêu đề tài
 Khảo sát bề mặt vật liệu;
 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ: nhiệt độ, tốc độ khuấy,
thời gian, nồng độ, kích thước hạt, pH.

CHƢƠNG II
LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1. Lí thuyết về nhũ tƣơng và quá trình hấp phụ
2.1.1. Lí thuyết về nhũ tương [5]
a. Sự hình thành và ổn định nhũ dầu mỏ
 Sự hình thành nhũ
Phần lớn dầu thô được khai thác dưới dạng nhũ mà chủ yếu là nhũ nước trong dầu.
Loại nhũ này thường rất bền và khó phá. Đa số các nhà nghiên cứu cho rằng trong điều
kiện vỉa dầu hầu như không thể phân tán dầu khí nước, chúng chỉ bắt đầu tạo thành
trong quá trình chuyển động theo thân giếng lên bề mặt. Ở độ sâu 2000 m và điều kiện
áp suất 20 μPa thì một phần thể tích dầu mỏ có thể hòa tan tới 1000 phần thể tích khí.
Khi lên đến bề mặt do giảm áp khí tách ra với năng lượng đủ lớn để phân tán các giọt
nước vỉa. Đó chính là nguyên nhân gây ra nhũ nước.
 Phân loại nhũ dầu mỏ
Theo cách phân loại hệ phân tán dị thể, nhũ dầu mỏ được chia thành 3 loại chính:
 Nhóm 1: Nhũ nghịch nước trong dầu mỏ (W/O)
Đây là loại nhũ chính thường gặp trong khai thác dầu mỏ. Hàm lượng pha phân
tán (nước) trong môi trường phân tán (dầu mỏ) có thể thay đổi từ 90 ÷ 95%;

 Nhóm 2: Nhũ thuận dầu mỏ trong nước (O/W)
Nhũ này tạo thành trong quá trình phá nhũ nghịch, trong quá trình tác động nhiệt
hơi nước lên vỉa và trong quá trình xử lý nước thải;
 Nhóm 3: Nhũ hỗn hợp
Nhũ này có thể là nhũ thuận hay nhũ nghịch, trong đó pha phân tán cũng là nhũ
chứa các hạt nhỏ của môi trường phân tán. Nhũ này có thể xuất hiện khi đồng thời có
trong hệ hai chất tạo nhũ có tác động trái ngược nhau. Nhũ này đặc trưng bởi hàm
lượng tạp chất cơ học cao và khó phá. Nhũ này tích tụ trên ranh giới phân pha trong
các thiết bị xử lý dầu thô và nước và là nguyên nhân làm gián đoạn công nghệ.
 Độ bền nhũ
Đối với nhũ dầu mỏ chỉ tiêu quan trọng nhất là độ bền, chính là khả năng trong
một khoảng nhất định không bị phá vỡ, không bị tách thành hai pha, không trộn lẫn.
Khi đánh giá độ bền nhũ người ta phân thành hai loại: Độ bền động học và độ bền tập
hợp.
 Độ bền động học (sa lắng): là khả năng của hệ chống lại sự sa lắng hay nổi
lên của hạt pha phân tán dưới tác dụng của trọng lực. Đối với hệ loãng, khi hàm lượng
pha phân tán nhỏ hơn 3%, độ bền động học của nhũ có thể xác định bằng công thức:

2
1.
K
2.( ). .
v


y
nd
g
rg



(2.1)
Trong đó:
+
v
: tốc độ lắng hoặc nổi của hạt pha phân tán có bán kính r
+
nd


: hiệu tỷ trọng pha phân tán và môi trường phân tán
+

: độ nhớt của môi trường phân tán
+ g: gia tốc trọng trường
Từ đó ta thấy rằng độ bền động học của nhũ dầu mỏ loãng tỷ lệ thuận với độ nhớt
của dầu thô, tỷ lệ nghịch với hiệu tỷ trọng của dầu thô và nước phân tán và tỷ lệ
nghịch với bình phương bán kính giọt nước.
 Độ bền tập hợp: là khả năng của hạt pha phân tán khi va chạm với các hạt
khác hay ranh giới phân chia pha vẫn giữ nguyên được kích thước ban đầu của mình.
Độ bền tập hợp của nhũ được đo bằng thời gian tồn tại của chúng, đối với nhũ dầu mỏ
có thể dao động từ vài giây đến nhiều năm:

H
T


(2.2)
Trong đó:
+ H: chiều cao cột nhũ (cm)

+ v: Tốc độ dài trung bình tự tách lớp của hệ (cm/s)
Do đa số nhũ dầu mỏ có độ bền tập hợp xác định rất cao nên người ta đánh giá đại
lượng này theo công thức:

0
0
WW
A .100
W
y


(2.3)
Trong đó:
+ W
o
: Hàm lượng chung của pha phân tán trong nhũ nghiên cứu
+ W: Hàm lượng pha phân tán tách ra trong quá trình ly tâm
Để so sánh độ bền tập hợp của hệ nhũ với độ nhớt của môi trường, kích thước hạt
phân tán hay giá trị ΔP điều kiện ly tâm được điều chỉnh theo công thức Stock:

8
2
1
22
x
10 .9.v.ln
x
T
2( ).w .r

nd



(2.4)
Trong đó:
+ T: thời gian ly tâm của hệ với tốc độ góc đã cho (w, độ/s)
+ x
1
, x
2
: khoảng cách từ tâm quay đến mức trên và mức dưới của hệ nhũ
nghiên cứu trong ống ly tâm
b. Tính chất của nhũ dầu mỏ
 Tỷ khối
Tỷ khối của nhũ được tính theo công thức:

nh
n
1
100 W 0,01.W
0,01.
d





(2.5)
Trong đó:

+
nh

: Tỷ khối của nhũ
+
d

: Tỷ khối của dầu
+
n

: Tỷ khối của nước
+ W: Hàm lượng nước trong dầu, % thể tích
 Độ nhớt
Các chất lỏng riêng biệt và dung dịch thường tuân theo định luật chảy nhớt của
Newtơn:

dv
F= .
dL

(2.6)
Trong đó:
+ F: Ứng suất trượt
+
dv
dL
: Tốc độ trượt
+


: Hệ số nhớt, ở nhiệt độ đã cho là đại lượng không đổi – const
Nhũ dầu mỏ là hệ phân tán, có độ nhớt dị thường và chuyển động của nó không
tuân theo định luật Newtơn. Đối với hệ này độ nhớt không phải là hằng số mà phụ
thuộc vào điều kiện chuyển động, trước hết là vào gradient tốc độ trượt.
Độ nhớt của nhũ có thể đo bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ngoài ra có thể
xác định độ nhớt của nhũ theo các phương pháp bán thực nghiệm, chẳng hạn như
phương trình Taylor:

e
e
2
5
.(1+2,5 . )



i
e
i

  

(2.7)
Trong đó:
+

: độ nhớt của nhũ
+
e


: độ nhớt môi trường phân tán
+
i

: độ nhớt pha phân tán
+

: tỷ lệ giọt phân tán so với thể tích chung của nhũ
Hay phương trình Gatchee:

e
3
1
.
1




(2.8)
 Độ phân tán của nhũ
Độ phân tán đặc trưng cho mức độ phân tán của pha phân tán (nước) trong môi
trường phân tán (dầu thô). Đây là đặc trưng cơ bản xác định tính chất của hệ nhũ
tương và các hệ phân tán khác. Độ phân tán được đo bằng đường kính hạt phân tán
hay D =1/d gọi là độ phân tán. Hoặc biểu thị bằng bề mặt phân pha riêng trên một đơn
vị thể tích pha phân tán. Bề mặt riêng của nhũ chứa các hạt hình cầu bán kính r tính
theo phương trình:

1
2

4 3 6
(cm )
4
3
r
Sr
S
V r d
r



   
(2.9)
Bề mặt riêng tỉ lệ nghịch với kích thước hạt tùy theo đặc tính của dầu mỏ, nước
vỉa, điều kiện hình thành nhũ mà độ phân tán của nhũ thay đổi khác nhau. Kích thước
hạt nước dao động trong khoảng 0.2 ÷ 100 μm. Theo độ phân tán nhũ được chia làm 3
loại:
 Nhũ có độ phân tán nhỏ: kích thước giọt nhũ từ 0.2 ÷ 20 μm
 Nhũ có độ phân tán trung bình: kích thước giọt nhũ từ 20 ÷ 50 μm
 Nhũ có độ phân tán thô: kích thước giọt nhũ 50 ÷ 100 μm
Tuy nhiên, trong thực tế nhũ dầu mỏ chứa cả ba loại trên và được gọi là đa phân
tán.
c. Các nhân tố ảnh hưởng đến độ bền nhũ
Căn cứ vào các công thức tính toán 2.1; 2.2; 2.3; 2.4 về độ bền nhũ ở trên ta có các
yếu tố ảnh hưởng tới độ bền nhũ như sau:
 Nhiệt độ [5]
Nhiệt độ càng tăng thì độ nhớt của dầu thô càng giảm, dẫn tới độ bền của nhũ
giảm. Nhiệt độ còn làm giảm hiệu tỷ trọng nước – dầu thô, làm giảm độ bền cơ học
của lớp bảo vệ và làm tăng tốc độ tách lắng nước của hệ nhũ. Điều này đặc biệt biểu

hiện rõ rệt đối với dầu thô nhiều paraffin. Khi giảm nhiệt độ, paraffin kết tinh dễ hấp
thụ trên bề mặt giọt nước và dẫn tới làm tăng độ bền của nhũ.
 Ảnh hưởng của pH [27]
Đối với mỗi pH khác nhau sẽ có những ảnh hưởng khác nhau đến tính ổn định tại
bề mặt nhũ tương. Quá trình tổ chức lại bề mặt nhũ được mô tả bởi hàm mũ:
(2.10)
Trong đó:
+ : sức căng bề mặt
+ : sức căng bề mặt ban đầu
+ : giá trị cân bằng
+ : thời gian tổ chức lại bề mặt

Hình 2.1: Ảnh hƣởng của pH đến sức căng bề mặt nhũ tƣơng W/O [10]
Ghi chú: />trong-dau-wo.html, trang 33.

Hình 2.2: Ảnh hƣởng của pH đến thời gian tổ chức lại bề mặt nhũ tƣơng W/O [10]
Ghi chú: />trong-dau-wo.html, trang 33.
 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn [27]
Trộn cơ học là một trong các phương pháp cơ bản để tạo thành nhũ tương W/O từ
2 pha không thể hòa tan vào nhau. Thêm pha phân tán từ từ vào pha liên tục trong quá
trình phối trộn làm cho quá trình nhũ hóa diễn ra dễ dàng. Mặt phân cách giữa các pha
phân tán và pha liên tục bị biến dạng để tạo thành giọt. Vào lúc bắt đầu của quá trình
nhũ tương hóa, hầu hết các giọt tạo thành có kích thước lớn. Trong quá trình trộn
những giọt nước lớn được chia thành những giọt nhỏ hơn do quá trình phá vỡ của các
giọt lớn. Các giọt phải bị biến dạng để đạt được sự phá vỡ của chúng, các trạng thái
biến dạng chống lại áp lực Laplace. Sự sụt giảm áp suất ∆P giữa mặt lõm và mặt lồi
của một bề mặt cong được cho bởi:
∆P = 2γ/R (2.11)
Trong đó:
+ γ là sức căng bề mặt giữa dầu thô và nước

+ R là bán kính giọt
Để phá vỡ được giọt, áp lực phải được cung cấp từ các yếu tố bên ngoài. Gradien
áp lực yêu cầu được cung cấp bằng khuấy trộn. Hình 2.3 cho thấy tỷ lệ phần trăm của
hàm lượng nước bên trong nhũ tương so với thời gian trôi qua cho 50% nhũ tương
W/O với sự có mặt của 1% chất hoạt động bề mặt. Tốc độ khuấy trộn được nghiên cứu
trên phạm vi 500 – 2000 rpm trong 30 phút. Hình 2.3 cho thấy, tốc độ quay càng mạnh
thì nhũ tương càng ổn định. Rõ ràng bằng cách tăng tốc độ trộn, đường kính giọt giảm
đáng kể và do đó tăng cường sự ổn định nhũ. Tuy nhiên, hàm lượng nước trong nhũ
tương giảm theo thời gian do cơ chế hóa hợp giữa các giọt nước.

Hình 2.3: Ảnh hƣởng của tốc độ khuấy trộn đến độ bền nhũ [11]
Ghi chú: />trong-dau-wo.html, trang 23.
 Hàm lượng nước [5]
Các khảo sát sự biến đổi của nhũ (độ bền) với những hàm lượng nước khác nhau
với một số chất phá nhũ cho thấy: độ bền của nhũ đạt cực đại tại vùng có hàm lượng
nước khoảng 40% và từ vùng này trở đi tính chất nhớt của nhũ tăng đột ngột nhưng độ
bền nhũ lại giảm nhẹ.
 Độ khoáng hóa của nước [5]
Nước vỉa là một hệ giả phức tạp, trạng thái cân bằng của nó dễ bị phá hủy khi thay
đổi điều kiện vỉa. Khi áp suất, nhiệt độ giảm, khi trộn lẫn với nước vỉa khác hoặc nước
ngọt đều dẫn đến phá vỡ cân bằng ion. Khi tách khí nước vỉa có thể làm thay đổi độ
pH của nước.
 Tạp chất cơ học [5]
Trong quá trình tách nước, các tạp chất cơ học lắng tủa cùng với giọt nước trên bề
mặt phân pha, tạo ra một lớp trung gian đặc khó tách lớp. Đây chính là loại nhũ hỗn
hợp có độ bền cao, rất khó phá.
d. Các chất phá nhũ [5]
Chất phá nhũ là các hợp chất hóa học được sử dụng rộng rãi để phá vỡ tính ổn
định của nhũ và tham gia trợ giúp cho quá trình liên kết của các giọt nhũ W/O. Những
hợp chất đó được gọi chung là các chất phụ gia phá nhũ hoặc chất phụ gia khử nước.

Các tính năng hoạt động một chất phá nhũ yêu cầu phải đạt được là:
 Có khả năng hấp thụ mạnh vào bề mặt phân giới dầu – nước;
 Tính kết tụ: chất phá nhũ phải có khả năng làm cho các giọt nước của pha
phân tán kết dính với nhau tạo thành từng chùm giống như chùm trứng cá;
 Tính liên kết: Sau khi kết tụ từng chùm, lớp màng của các giọt nhũ vẫn tồn
tại. Lúc này chất phá nhũ phải trung hòa được chất nhũ hóa, xúc tác để làm rách lớp
màng thúc đẩy quá trình liên kết xảy ra, kết quả là làm tăng kích thước các giọt nước
phân tán, làm tăng tốc độ lắng;
 Tính thấm ướt và thế chỗ cho lớp màng: Nhờ đặc tính này mà các phần tử
rắn như: cát, đất sét … sẽ được thấm ướt. Nhờ đó mà chúng có thể rời khỏi bề mặt
phân giới để khuếch tán vào giọt nước và bị các giọt nước cuốn theo trong quá trình
lắng. Còn thành phần paraffin, asphanten thì nhờ tác dụng của chất phá nhũ làm giảm
độ nhớt của lớp màng bao bọc tạo điều kiện cho dầu thấm ướt chúng và hòa tan chúng
vào môi trường phân tán.
 Một số hóa chất phá nhũ có đặc tính trên
 Polyglycol ester: Có đặc điểm làm sáng nhũ tương nhanh nhưng khả năng
hướng tới các giọt nước chậm và tạo cặn. Đây là chất có khả năng phá hoại nhũ khó xử
lý;
 Nhựa dẫn xuất có phân tử lượng thấp: Khả năng hướng tới các giọt nước
nhanh chóng, có đặc tính thuận lợi cho quá trình khử nhũ triệt để, chúng thể hiện một
số khuynh hướng xử lý hiệu quả đối với nhũ tương của dầu có độ API cao;
 Nhựa dẫn xuất có phân tử lượng cao: có khuynh hướng thấm ướt mạnh và
phát sáng;
 Sulfonates: Biểu thị tính thấm ướt tốt có hiệu quả trong việc xử lý nước;
 Polymerized oils và estes: Chúng có khả năng đặc biệt đối với những loại
nhũ hiếm, nhưng lại yếu kém đối với xử lý tổng thể. Vì vậy, chúng không sử dụng
rộng rãi mà chỉ phối hợp các chất khác;
 Alkanol amin condensate: Có khả năng thúc đẩy sự tạo thành các giọt nước
trong một số nhũ. Chúng thường được trộn lẫn với các chất khác để đạt hiệu quả trong
xử lý;

 Oxyalkylalated phenols: Có tính thấm ướt khá tốt và khả năng khử nhũ đạt
từ khá đến kém. Chúng thường được sử dụng trong hỗn hợp để tăng hiệu quả khử nhũ.
e. Cơ chế tác động của chất phá nhũ
 Sau khi được bơm định lượng vào dòng nhũ tương, chất phá nhũ sẽ hòa trộn
đều vào nhũ. Do đặc tính hoạt động chúng di chuyển tới các giọt nước phân tán và
bám vào lớp màng và thay thế chỗ của lớp màng. Tính thấm ướt các tạp chất cơ học và
chức năng làm giảm độ nhớt của màng bao bọc do các phần tử paraffin;
 Giai đoạn tiếp theo là do tác dụng của các xung động vừa đủ trong quá trình
xử lý tạo nên sự tiếp xúc giữa các hạt phân tán tạo nên sự liên kết giữa chúng hình
thành các giọt nước phân tán có kích thước lớn hơn;
 Cuối cùng là giai đoạn lắng đọng tĩnh để tách các giọt phân tán ra khỏi pha
liên tục.
 Các phương pháp tách nhũ tương W/O của dầu thô
 Phương pháp lắng đọng do trọng lực
Phương pháp này mang tính tự nhiên vì mọi vật chất đều chịu tác dụng của trọng
lực, trọng trường, hơn nữa hệ nhũ tương lại có sự chênh lệch về tỉ trọng giữa dầu và
nước. Cho nên các giọt nước phân tán luôn có xu thế chuyển động xuống dưới (lắng
đọng). Điều kiện để thực hiện phương pháp này là hệ nhũ phải nằm ở trạng thái yên
tĩnh. Vận tốc lắng đọng của giọt nước pha phân tán được xác định bằng định luật Stok:

0
0
g.d.( )
v .a
18


w



(2.12)
Trong đó:
+ v: vận tốc lắng của giọt nước (m/ s)
+ g: Gia tốc trọng trường (
2
/ms
)
+ ρ
w
: Khối lượng riêng của nước (
3
/kg m
)
+ ρ
0
: Khối lượng riêng của dầu thô (
3
/kg m
)