Xử lý tách dầu ở thể nhũ tương trong nước thải nhiễm dầu bằng phương pháp vi sóng điện từ và tuyển nổi áp lực (DAF) kết hợp hệ hóa phẩm phá nhũ chuyên dụng

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .................................................................................................................. 3
1.1 NƢỚC THẢI NHIỄM DẦU/NƢỚC KHAI THÁC TRONG CÔNG NGHIỆP KHAI
THÁC DẦU KHÍ VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NHŨ TƢƠNG TRONG NƢỚC THẢI
NHIỄM DẦU/NƢỚC KHAI THÁC .............................................................................................. 3
1.1.1 Ảnh hƣởng của nƣớc khai thác tới môi trƣờng ................................................................ 4
1.1.2 Khối lƣợng nƣớc khai thác ................................................................................................. 5
1.2 NHŨ TƢƠNG DẦU MỎ ........................................................................................................... 5
1.2.1 Quá trình hình thành và các loại nhũ tƣơng dầu mỏ ........................................................ 5
1.2.2 Độ bền nhũ tƣơng ................................................................................................................ 8
1.2.2.1 Độ bền động học (sa lắng) ......................................................................................... 8
1.2.2.2 Độ bền tập hợp ............................................................................................................ 8
1.3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƢƠNG TRONG NƢỚC THẢI
NHIỄM DẦU ...................................................................................................................................10
1.3.1 Các yếu tố quyết định sự lựa chọn công nghệ xử lý nƣớc thải nhiễm dầu ..................10
1.3.1.1 Nồng độ dầu trong nƣớc thải nhiễm dầu ................................................................10
1.3.1.2 Mục đích chính của việc xử lý nƣớc thải nhiễm dầu.............................................11
1.3.2 Công nghệ xử lý tách dầu trong nƣớc thải nhiễm dầu ...................................................12
1.3.2.1 Các công nghệ xử lý tách dầu phổ biến ..................................................................12
1.3.2.2 Xử lý nƣớc thải nhiễm dầu bằng phƣơng pháp vi sóng điện từ ...........................12
1.3.2.3 Xử lý nƣớc thải nhiễm dầu bằng công nghệ tuyển nổi .........................................18
1.4 SO SÁNH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƢƠNG
TRONG NƢỚC THẢI NHIỄM DẦU ..........................................................................................23
1.4.1 So sánh các phƣơng pháp xử lý .......................................................................................23
1.4.2 Phân cấp và lựa chọn công nghệ xử lý ............................................................................24

1.4.3 Lựa chọn công nghệ để xử lý và thu hồi dầu ở thể nhũ tƣơng trong nƣớc khai thác .27
1.5 HỆ HÓA PHẨM HỖ TRỢ PHÁ NHŨ ..................................................................................29
1.5.1 Các tính năng hoạt động của hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ ...........................................29
1.5.2 Khái niệm về chất hoạt động bề mặt ...............................................................................29
1.5.2.1 Khái niệm chung .......................................................................................................29
1.5.2.2 Phân loại chất hoạt động bề mặt ..............................................................................30
1.5.3 Các hệ hóa phẩm sinh học ................................................................................................31
1.5.4 Thành phần của hệ hóa phẩm...........................................................................................31
1.5.5 Các tác động của hệ hóa phẩm .........................................................................................31
1.5.6 Cơ chế sự phá nhũ .............................................................................................................32
1.6 ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ..............................................................35
CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM ...........................................................................................................36


2.1 CHẾ TẠO CÁC MẪU NƢỚC THẢI NHIỄM DẦU DẠNG NHŨ TƢƠNG
DẦU/NƢỚC TỪ DẦU THÔ BẠCH HỔ ....................................................................................36
2.1.1 Tiến hành tạo mẫu nhũ tƣơng dầu/nƣớc từ dầu thô Bạch Hổ .......................................36
2.1.2 Kiểm tra độ bền nhũ tƣơng bằng phƣơng pháp ly tâm siêu tốc ....................................37
2.1.3 Xác định kích thƣớc hạt nhũ tƣơng bằng hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ...........38
2.2 KHẢO SÁT HIỆU SUẤT XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƢƠNG TRONG
NƢỚC THẢI NHIỄM DẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP VI SÓNG ĐIỆN TỪ ................38
2.2.1 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị vi sóng điện từ .........................................................38
2.2.2 Khảo sát hiệu suất xử lý tách dầu của thiết bị vi sóng điện từ ......................................39
2.2.2.1 Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất tách dầu .....................................40
2.2.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu............................40
2.2.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng của công suất chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu....................41
2.2.2.4 Khảo sát ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất tách dầu ..............................................41
2.2.2.5 Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng dầu trong NTND đến hiệu suất tách dầu ..41
2.3 CHẾ TẠO HỆ HÓA PHẨM HỖ TRỢ PHÁ NHŨ TỪ MỠ CÁ BA SA ĐỂ XỬ LÝ
TÁCH DẦU CHO PHƢƠNG PHÁP TUYỂN NỔI ÁP LỰC ...............................................42

2.3.1 Chế tạo methyl este từ các acid béo của mỡ cá ba sa ....................................................43
2.3.1.1 Chế tạo hệ vật liệu xúc tác dị thể MgO-ZrO2/γ-Al2O3 ..........................................43
2.3.1.2 Các phƣơng pháp hóa-lý xác định tính chất và đặc trƣng xúc tác .......................45
2.3.1.3 Khảo sát các đặc trƣng sản phẩm methyl este........................................................48
2.3.2 Tổng hợp acid alkyl hydroxamic từ methyl este của mỡ cá ba sa................................48
2.3.2.1 Hóa chất .....................................................................................................................48
2.3.2.2 Phản ứng amid hoá ...................................................................................................48
2.3.2.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến sự giảm giá trị
chỉ số este .............................................................................................................................49
2.3.2.4 Xác định hiệu suất phản ứng qua phƣơng pháp đánh giá giá trị chỉ số este .......49
2.3.2.5 Đánh giá sản phẩm acid alkyl hydroxamic bằng phổ hồng ngoại (IR) ...............49
2.3.3 Chế tạo hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ ...............................................................................49
2.3.3.1 Xác định hàm lƣợng dầu trong NTND thông qua phép đo độ đục......................49
2.3.3.2 Các hóa phẩm đƣợc sử dụng trong các thực nghiệm ............................................50
2.3.3.3 Xác định tỷ lệ tối ƣu giữa acid alkyl hydroxamic và methyl este ........................51
2.3.3.4 So sánh hiệu quả tách dầu của hệ hóa phẩm phá nhũ tổng hợp từ acid alkyl
hydroxamic và methyl este của mỡ cá ba sa với các hệ hóa phẩm phá nhũ của hãng
BASF ......................................................................................................................................51
2.3.3.5 Đánh giá hiệu quả tách dầu bởi hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ từ mỡ cá ba sa kết
hợp với hệ hóa phẩm phá nhũ Alcomer 7125 của hãng BASF ........................................51
2.4 KHẢO SÁT HIỆU SUẤT XỬ LÝ TÁCH DẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP TUYỂN NỔI
ÁP LỰC KẾT HỢP HỆ HÓA PHẨM CHẾ TẠO TỪ MỠ CÁ BA SA ..................................52
2.4.1 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị tuyển nổi.............................................................................52
2.4.2 Khảo sát hiệu suất xử lý tách dầu ....................................................................................52
2.4.2.1 Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng hệ hóa phẩm.................................................53
2.4.2.2 Khảo sát ảnh hƣởng pH của nƣớc thải nhiễm dầu.................................................53
2.4.2.3 Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tách ...................................................................53
2.4.2.4 Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng dầu trong nƣớc thải nhiễm dầu ..................54
2.5 XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG DẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUANG PHỔ HUỲNH
QUANG CỰC TÍM RF-1501 .......................................................................................................54

2.5.1 Các yếu tố ảnh hƣởng .......................................................................................................54
2.5.2 Thiết bị, dụng cụ ................................................................................................................55
2.5.3 Hóa chất ..............................................................................................................................55


2.5.4 Quy trình phân tích ............................................................................................................55
CHƢƠNG 3 ...........................................................................................................................................58
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................................................................58
3.1 CHẾ TẠO CÁC MẪU NƢỚC THẢI NHIỄM DẦU DẠNG NHŨ TƢƠNG
DẦU/NƢỚC TỪ DẦU THÔ BẠCH HỔ ....................................................................................58
3.1.1 Các đặc trƣng lý-hóa cơ bản của dầu thô Bạch Hổ ........................................................58
3.1.2 Các đặc trƣng lý-hóa cơ bản của nƣớc biển dùng để chế tạo mẫu nhũ tƣơng dầu/nƣớc
.......................................................................................................................................................59
3.1.3 Kiểm tra độ bền nhũ tƣơng dầu/nƣớc..............................................................................59
3.1.4 Kiểm tra kích thƣớc hạt nhũ bằng phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua
(TEM) ..........................................................................................................................................61
3.2 KHẢO SÁT HIỆU SUẤT XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƢƠNG TRONG
NƢỚC THẢI NHIỄM DẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP VI SÓNG ĐIỆN TỪ ................62
3.2.1 Khảo sát hiệu suất xử lý tách dầu bằng phƣơng pháp vi sóng điện từ .........................62
3.2.1.1 Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất tách dầu ............................................62
3.2.1.2 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu............................64
3.2.1.3 Khảo sát ảnh hƣởng công suất chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu...........................65
3.2.1.4 Khảo sát ảnh hƣởng pH đến hiệu suất tách dầu .....................................................67
3.2.1.5 Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng dầu trong nhũ tƣơng đến hiệu suất tách dầu.69
3.3 CHẾ TẠO HỆ HÓA PHẨM HỖ TRỢ PHÁ NHŨ TỪ MỠ CÁ BA SA ĐỂ XỬ LÝ
TÁCH DẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP TUYỂN NỔI ÁP LỰC ............................................73
3.3.1 Chế tạo methyl este từ các acid béo của mỡ cá ba sa ....................................................73
3.3.1.1 Khảo sát các tính chất của hệ vật liệu xúc tác cho phản ứng este hóa chéo các
acid béo từ mỡ cá ba sa .........................................................................................................73
3.3.1.2 Khảo sát các đặc trƣng sản phẩm methyl este........................................................80

3.3.2 Tổng hợp acid alkyl hydroxamic từ methyl este của mỡ cá ba sa ................................83
3.3.2.1 Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến sự giảm giá trị chỉ số este ..................83
3.3.2.2 Khảo sát sản phẩm acid alkyl hydroxamic bằng phổ hồng ngoại (IR)................84
3.3.3 Chế tạo hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ ...............................................................................85
3.3.3.1 Xác định tỷ lệ tối ƣu của acid alkyl hydroxamic và methyl este..........................85
3.3.3.2 So sánh hiệu quả tách dầu của hệ hóa phẩm phá nhũ tổng hợp từ acid alkyl
hydroxamic và methyl este của mỡ cá ba sa với các hệ hóa phẩm phá nhũ của hãng
BASF ......................................................................................................................................86
3.3.3.3 Đánh giá hiệu quả tách dầu bởi hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ từ mỡ cá ba sa kết
hợp với hệ hóa phẩm phá nhũ Alcomer 7125 của hãng BASF ........................................87
3.4 KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT XỬ LÝ TÁCH
DẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP TUYỂN NỔI ÁP LỰC KẾT HỢP HỆ HÓA PHẨM CHẾ
TẠO TỪ MỠ CÁ BA SA..............................................................................................................88
3.4.1 Khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng hệ hóa phẩm .........................................................88
3.4.2 Khảo sát ảnh hƣởng pH ....................................................................................................90
3.4.3 Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tách ...........................................................................92
3.4.4 Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng dầu ................................................................................93
3.5 SO SÁNH HIỆU SUẤT TÁCH DẦU GIỮA PHƢƠNG PHÁP VI SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ
PHƢƠNG PHÁP TUYỂN NỔI.....................................................................................................96
3.5.1 Hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp tách vi sóng điện từ và phƣơng pháp tuyển nổi
áp lực ............................................................................................................................................96


3.5.2 So sánh lựa chọn công nghệ vi sóng điện từ và công nghệ tuyển nổi theo phƣơng
pháp xếp hạng 5 bậc....................................................................................................................99
3.5.2.1 So sánh ƣu nhƣợc điểm của hai công nghệ vi sóng điện từ và công nghệ tuyển
nổi ............................................................................................................................................99
3.5.2.2 Xếp hạng cho hệ thống xử lý nƣớc thải nhiễm dầu của công nghệ vi sóng điện
từ và công nghệ tuyển nổi .................................................................................................. 100
KẾT LUẬN......................................................................................................................................... 102

CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ..................................................................................... 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
%kl

Phần trăm khối lƣợng

%V

Phần trăm thể tích

API

American Petroleum Institute (Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ)

ASTM

American Society for Testing and Material

BET

Brunauer-Emmentt-Teller

DAF

Dissolved Air Flotation (Tuyển nổi áp lực)

GC-MS

Gas Chromatography Mass Spectroscopy (Sắc ký khí/khối phổ)

HĐBM

Hoạt động bề mặt

HP

Hóa phẩm

NKT

Nƣớc khai thác

NTND

Nƣớc thải nhiễm dầu

IR

Infrared (Phổ hồng ngoại)

IUPAC

International Union of Pure and Applied Chemistry (Hiệp hội Quốc tế về Hóa
học tinh khiết và Hóa ứng dụng)

TEM

Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua)

TPD-NH3

Ammonia Temperature Programmed Desorption (Giải hấp chƣơng trình
nhiệt độ amoniac)

v/p

Vòng/phút

XRD

X-Ray Diffaction (Nhiễu xạ tia X)


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thành phần hóa học và tính chất các hóa phẩm ................................................................50
Bảng 2.2 Số liệu xây dụng đƣờng chuẩn trên máy quang phổ huỳnh quang cực tím RF-1501 ...55
Bảng 3.1 Các đặc trƣng lý-hóa cơ bản của dầu thô Bạch Hổ ...........................................................58
Bảng 3.2 Các đặc trƣng lý-hóa cơ bản của nƣớc biển dùng để chế tạo mẫu nhũ tƣơng dầu/nƣớc
.................................................................................................................................................................59
Bảng 3.3 Kết quả đo độ bền nhũ tƣơng của các mẫu nhũ đƣợc chế tạo từ dầu thô Bạch Hổ và các
mẫu NTND từ các giàn khai thác dầu bằng phƣơng pháp ly tâm siêu tốc ......................................60
Bảng 3.4 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng...........................62
Bảng 3.5 Ảnh hƣởng thời gian chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng ..........64
Bảng 3.6 Ảnh hƣởng công suất chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng .........66
Bảng 3.7 Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng ...................................68
Bảng 3.8 Ảnh hƣởng hàm lƣợng dầu đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng...............69

Bảng 3.9 Kết quả khảo sát mẫu MgO-ZrO2/γ-Al2O3 bằng phƣơng pháp XRD .............................75
Bảng 3.10 Kết quả xác định bề mặt riêng và kích thƣớc mao quản của γ-Al2O3 bằng phƣơng
pháp BET................................................................................................................................................75
Bảng 3.11 Kết quả xác định bề mặt riêng và kích thƣớc mao quản của MgO-ZrO2/γ-Al2O3 bằng
phƣơng pháp BET .................................................................................................................................76
Bảng 3.12 Diện tích bề mặt riêng và kích thƣớc mao quản của γ-Al2O3 và của MgO-ZrO2/γAl2O3 .......................................................................................................................................................77
Bảng 3.13 Dữ liệu TPD-NH3 của mẫu γ-Al2O3 .................................................................................77
Bảng 3.14 Dữ liệu TPD-NH3 trên hệ xúc tác MgO-ZrO2/γ-Al2O3 ..................................................78
Bảng 3.15 Ảnh hƣởng của thời gian đến hiệu suất chuyển hóa của phản ứng ...............................81
Bảng 3.16 Thành phần các cấu tử trong methyl este. ........................................................................81
Bảng 3.17 Ảnh hƣởng của thời gian và nhiệt độ đến độ giảm giá trị chỉ số este ...........................83
Bảng 3.18 So sánh các đỉnh điển hình trong phổ hồng ngoại của sản phẩm methyl este và của
acid alkyl hydroxamic ...........................................................................................................................84
Bảng 3.19 Kết quả đo độ đục (NTU) của các mẫu nhũ tƣơng sau khi xử lý bằng hệ hóa phẩm
acid alkyl hydroxamic và methyl este với các tỉ lệ khối lƣợng khác nhau ......................................85
Bảng 3.20 Kết quả đo độ đục (NTU) của các mẫu nhũ tƣơng dầu/nƣớc sau khi xử lý bằng các
hệ hóa phẩm khác nhau .........................................................................................................................86
Bảng 3.21 Hiệu quả xử lý nƣớc thải nhiễm dầu ở dạng nhũ tƣơng của hỗn hợp Alcomer 7125 và
hệ hóa phẩm phá nhũ từ mỡ cá ba sa ...................................................................................................87
Bảng 3.22 Ảnh hƣởng hàm lƣợng hệ hóa phẩm đến hiệu suất tách dầu bằng phƣơng pháp tuyển
nổi ...........................................................................................................................................................88
Bảng 3.23 Ảnh hƣởng của pH nhũ tƣơng đến hiệu suất tách dầu bằng phƣơng pháp tuyển nổi .90
Bảng 3.24 Ảnh hƣởng của thời gian tách đến hiệu suất tách dầu bằng phƣơng pháp tuyển nổi ..92
Bảng 3.25 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng dầu trong nhũ tƣơng đến hiệu suất tách dầu bằng phƣơng


pháp tuyển nổi ........................................................................................................................................93
Bảng 3.26 So sánh hiệu suất tách dầu của 2 phƣơng pháp tách vi sóng điện từ và tuyển nổi ......96
Bảng 3.27 So sánh ƣu nhƣợc điểm của công nghệ vi sóng điện từ và công nghệ tuyển nổi ........99
Bảng 3.28 Xếp hạng 5 bậc cho công nghệ vi sóng điện từ và công nghệ tuyển nổi ................... 100

Bảng 3.29 Phân cấp tổng thể cho công nghệ vi sóng điện từ và công nghệ tuyển nổi ............... 101


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Cấu tạo các tầng chứa của mỏ dầu ........................................................................................ 3
Hình 1.2 Quá trình hình thành nhũ tƣơng dầu mỏ............................................................................... 5
Hình 1.3 Các loại nhũ tƣơng dầu mỏ phổ biến (nƣớc/dầu và dầu/nƣớc (W/O and O/W)) và nhũ
tƣơng dầu mỏ ít phổ biến (nƣớc/ dầu/nƣớc (W/O/W)) (nguồn: Schubert, H. and Armbroster, H.
1992 [104]) ............................................................................................................................................... 6
Hình 1.4 Cấu trúc của nhũ tƣơng dầu/nƣớc (O/W) và nhũ tƣơng nƣớc/dầu (W/O)........................ 7
Hình 1.5 Sự liên kết của các phân tử lƣỡng cực với một dao động điện trƣờng ............................13
Hình 1.6 Minh họa đặc tính hấp thụ vi sóng cho dây dẫn, vật liệu cách điện và vật liệu hấp thụ 15
Hình 1.7 Cơ chế khử nhũ tƣơng bằng chùm tia vi sóng ...................................................................16
Hình 1.8 Minh họa về hai phƣơng pháp đun nóng: a) đun nóng nhiệt thông thƣờng; b) đun nóng
bằng vi sóng ...........................................................................................................................................16
Hình 1.9 Sơ đồ bộ phận chính của hệ thiết bị tách vi sóng...............................................................17
Hình 1.10 Sơ đồ khối thiết bị tuyển nổi ..............................................................................................20
Hình 1.11 a) Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nƣớc với tuyển nổi áp lực ......................................21
b) Bể tuyển nổi với vùng tiếp xúc và vùng tách chất bẩn..................................................................21
Hình 1.12 Thể huyền phù của hạt dầu tại mặt phân giới không khí-nƣớc......................................22
Hình 1.13 Ví dụ về sự làm đậm đặc NTND ......................................................................................27
Hình 1.14 Quy trình khử nhũ tƣơng bằng hóa chất...........................................................................32
Hình 1.15 Thoát nƣớc khỏi lớp màng trong sự hiện diện của một chất khử nhũ tƣơng. Các chất
khử nhũ tƣơng chiếm chỗ của các chất HĐBM tự nhiên trong bề mặt lớp màng ..........................33
Hình 1.16 Phác thảo bốn hiệu ứng làm chậm việc thoát nƣớc khỏi lớp phim do sự hiện diện của
chất hấp phụ bề mặt ở giao diện ...........................................................................................................33
Hình 2.1 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị vi sóng điện từ .............................................................39
Hình 2.2 Sơ đồ điều chế chất mang -Al2O3 ......................................................................................43
Hình 2.3 Sơ đồ điều chế hệ vật liệu xúc tác dị thể MgO-ZrO2/γ-Al2O3..........................................44
Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị tuyển nổi ................................................................................52

Hình 2.5 Quy trình phân tích dầu tổng số trong NTND ...................................................................56
Hình 3.1 Độ bền nhũ hóa các mẫu NTND và mẫu nhũ theo thời gian ...........................................60
Hình 3.2 Ảnh TEM mẫu N1 ................................................................................................................61
Hình 3.3 Ảnh TEM mẫu N2 ................................................................................................................61
Hình 3.4 Ảnh TEM mẫu N3 ................................................................................................................61
Hình 3.5 Ảnh TEM mẫu N4 ................................................................................................................61
Hình 3.6 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng ...........................63
Hình 3.7 Ảnh hƣởng thời gian chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng ..........65
Hình 3.8 Ảnh hƣởng công suất chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng .........66


Hình 3.9 Ảnh hƣởng pH đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng ...................................68
Hình 3.10 Ảnh hƣởng hàm lƣợng dầu đến hiệu suất tách dầu của phƣơng pháp vi sóng.............72
Hình 3.11 Phổ hồng ngoại của mẫu γ-Al2O3.....................................................................................74
Hình 3.12 Phổ hồng ngoại của mẫu MgO-ZrO2 /γ-Al2O..................................................................74
Hình 3.13 Giản đồ nhiễu xạ tia X của MgO-ZrO2 /γ-Al2O3 .............................................................75
Hình 3.14 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N2 trên γ-Al2O3......................................................76
Hình 3.15 Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp N2 trên mẫu MgO-ZrO2 /γ-Al2O3 ........................77
Hình 3.16 Giản đồ TPD-NH3 trên mẫu γ-Al2O3................................................................................78
Hình 3.17 Giản đồ TPD-NH3 của MgO-ZrO2 /γ-Al2O3....................................................................79
Hình 3.18 Phổ hồng ngoại của sản phẩm methyl este ......................................................................80
Hình 3.19 Kết quả GC-MS sản phẩm methyl este tổng hợp đƣợc từ mỡ cá ba sa ........................81
Hình 3.20 Ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến độ giảm giá trị chỉ số este............................83
Hình 3.21 Phổ hồng ngoại của acid alkyl hydroxamic từ methyl este của mỡ cá ba sa ................84
Hình 3.22 Đồ thị biểu diễn kết quả thí nghiệm xử lý nhũ tƣơng dầu/nƣớc bằng hệ hóa phẩm acid
alkyl hydroxamic:methyl este với các tỉ lệ (khối lƣợng) khác nhau.................................................85
Hình 3.23 Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu quả xử lý dầu ở dạng nhũ tƣơng trong NTND
bằng các hệ hóa phẩm của BASF và hệ hóa phẩm tổng hợp từ mỡ cá ba sa với nồng độ 5mg/L 86
Hình 3.24 Ảnh hƣởng hàm lƣợng hệ hóa phẩm đến hiệu quả tách dầu bằng phƣơng pháp tuyển
nổi ............................................................................................................................................................89

Hình 3.25 Cơ chế phá nhũ của hệ hóa phẩm .....................................................................................90
Hình 3.26 Ảnh hƣởng của pH nhũ tƣơng đến hiệu suất tách dầu bằng phƣơng pháp tuyển nổi..91
Hình 3.27 Ảnh hƣởng của thời gian tách đến hiệu suất tách dầu bằng phƣơng pháp tuyển nổi ..92
Hình 3.28 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng dầu trong nhũ tƣơng đến hiệu suất tách dầu bằng phƣơng
pháp tuyển nổi ........................................................................................................................................95
Hình 3.29 So sánh hiệu suất tách dầu của 2 phƣơng pháp tách vi sóng điện từ và tuyển nổi.......98


MỞ ĐẦU
Trong quá trình khai thác dầu khí thƣờng sản sinh ra một lƣợng nƣớc thải nhiễm dầu
(NTND) đƣợc gọi là nƣớc khai thác (NKT). NKT có thể là lớp nƣớc nằm ở các lớp trầm tích
cùng các vỉa dầu khí (hình 1.1) và cũng có thể là nƣớc (thƣờng là nƣớc biển) đƣợc dùng để
bơm ép vỉa nhằm tăng hiệu quả thu hồi dầu/khí trong quá trình khai thác [4, 40]. NTND
chiếm tỷ lệ lớn nhất trong khối lƣợng chất thải phát sinh từ ngành công nghiệp dầu khí. Để
khai thác một thùng dầu, trung bình phải xử lý từ 3-7 thùng NTND vừa để thu hồi dầu vừa
để đạt giới hạn thải cho phép. Hàng năm, ngành công nghiệp dầu khí thế giới đã thải ra
khoảng 50 tỷ thùng NTND và lƣợng nƣớc thải ngày càng tăng theo tuổi thọ của các mỏ
dầu/khí [25, 32]. NTND chứa nhiều chất hữu cơ dạng nhũ tƣơng, các chất hữu cơ thƣờng là
dầu tự do ở dạng paraffinic, naphthenic, aromatic, các asphalten; ngoài ra còn có các hợp
chất chứa lƣu huỳnh, nitơ... NTND có hàm lƣợng dầu cao (khoảng từ 500-1.000mg/L), các
ion vô cơ cao (20.000-50.000mg/L) và có pH trong khoảng 7,0-8,0 [32, 52].
NTND chứa một lƣợng dầu nhất định ở dạng nhũ tƣơng thƣờng vƣợt quá giới hạn cho
phép, nên việc xử lý và thu hồi dầu trong NTND là bắt buộc đối với bất kỳ quốc gia nào.
Có nhiều phƣơng pháp xử lý NTND, nhƣng chủ yếu là các phƣơng pháp vật lý và hóa
học. Tuy nhiên, trong thực tế chƣa có phƣơng pháp riêng biệt nào đƣợc coi là hoàn hảo,
cho hiệu quả xử lý cao, phù hợp với mọi điều kiện và trạng thái của NTND. Do vậy, kết
hợp các phƣơng pháp khác nhau để xử lý NTND là phƣơng cách đang đƣợc áp dụng phổ
biến hiện nay trên thế giới và Việt Nam [15, 64]. Vì vậy, việc so sánh và lựa chọn công
nghệ xử lý NTND trong công nghiệp dầu khí luôn là một yêu cầu thƣờng xuyên.
Xử lý tách dầu ở thể nhũ tƣơng trong NTND nói riêng và tăng cƣờng thu hồi dầu nói

chung là mối quan tâm cho sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp dầu khí nói
chung, Tập đoàn Dầu khí Việt Nam, nói riêng. Tuy nhiên, chƣa có công trình nghiên cứu
chuyên sâu nào liên quan đến xử lý nhũ tƣơng dầu trong nƣớc (dầu/nƣớc) của NTND, đặc
biệt là chƣa có nghiên cứu nào đề cập tới việc xử lý tách dầu ở thể nhũ tƣơng trong NTND
bằng phƣơng pháp vi sóng điện từ. Nguyên lý của phƣơng pháp này là sử dụng sự rung
nhanh của trƣờng điện-điện từ tạo một năng lƣợng để phá vỡ sự bền vững của nhũ tƣơng
dầu/nƣớc (năng lƣợng chọn lọc cho các phân tử phân cực nhƣ các phân tử nƣớc). Khi đó
các hạt dầu có xu hƣớng tập hợp với nhau, lớn dần lên và tách khỏi pha nƣớc [26, 48].
Hiện nay, phƣơng pháp tuyển nổi thƣờng đƣợc sử dụng để tách dầu và các tạp chất rắn
không tan hoặc tan, hoặc chất lỏng có tỷ trọng nhỏ hơn tỷ trọng của chất lỏng làm nền. Nếu
sự khác nhau về tỷ trọng đủ để tách, đƣợc gọi là tuyển nổi tự nhiên. Đây là một trong
những phƣơng pháp tách truyền thống, phổ biến nhất, đang đƣợc sử dụng để xử lý nƣớc
thải nói chung và NTND nói riêng. Phƣơng pháp tuyển nổi áp lực đƣợc chúng tôi lựa chọn
nhƣ phƣơng pháp đối chứng cho phƣơng pháp vi sóng điện từ.
Phƣơng pháp tuyển nổi áp lực (DAF) phải sử dụng các hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ. Hệ
hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ cần phải thỏa mãn: Tốc độ khử nhũ nhanh và lƣợng nƣớc sau khi
xử lý đạt chất lƣợng theo yêu cầu [10, 88]. Các hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ thƣờng là các
chất hoạt động bề mặt (HĐBM), cơ chế phá nhũ của hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ thƣờng
đƣợc giải thích theo lý thuyết Rebinder [22, 78, 101]: chất HĐBM có hoạt tính bề mặt lớn
1


hấp phụ lên các hạt dầu làm thay đổi tính thấm ƣớt của chúng, tạo điều kiện cho quá trình
chuyển các hạt dầu này ra khỏi bề mặt pha nƣớc và tạo thuận lợi cho sự kết tụ nhanh các
hạt dầu khi chúng tƣơng tác với nhau. Quá trình phá nhũ tƣơng dầu/nƣớc phụ thuộc vào
nhiều yếu tố nhƣ: thành phần cấu tử của hệ chất HĐBM, tính chất dầu tạo nhũ tƣơng
dầu/nƣớc trong NTND; loại chất HĐBM là anion, cation, không ion hay lƣỡng tính; tính
chất hoá keo của nhũ tƣơng cũng nhƣ hàm lƣợng chất phá nhũ; nhiệt độ; tốc độ và thời
gian khuấy trộn nhũ với chất phá nhũ [16, 18, 30].
Hiện nay mỏ Bạch Hổ đang dùng công nghệ bơm ép để gia tăng hiệu suất thu hồi dầu

trong quá trình khai thác dầu khí. Công nghệ này phải sử dụng một lƣợng lớn nƣớc biển để
bơm ép, vì vậy, quá trình khai thác dầu phải thải ra một lƣợng lớn NTND (còn đƣợc gọi là
NKT). Dầu Bạch Hổ là dầu paraffinic, tính chất các hạt dầu tạo nhũ tƣơng trong NTND
cũng mang đặc tính paraffinic này. Vì vậy, thành phần và loại chất của hệ hóa phẩm hỗ trợ
phá nhũ phải tƣơng thích với tính chất của dầu thô ở dạng nhũ tƣơng trong NTND [2, 7,
15]. Với những lý do trên, nhiệm vụ luận án thực hiện nghiên cứu “Xử lý tách dầu ở thể
nhũ tƣơng trong nƣớc thải nhiễm dầu bằng phƣơng pháp vi sóng điện từ và tuyển nổi áp
lực (DAF) kết hợp hệ hóa phẩm phá nhũ chuyên dụng”.

2


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 NƢỚC THẢI NHIỄM DẦU/NƢỚC KHAI THÁC TRONG CÔNG
NGHIỆP KHAI THÁC DẦU KHÍ VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NHŨ
TƢƠNG TRONG NƢỚC THẢI NHIỄM DẦU/NƢỚC KHAI THÁC
Đối tƣợng chính đƣợc nghiên cứu trong luận án này là NTND trong khai thác dầu khí,
nên còn đƣợc gọi là NKT. NKT là một dạng của NTND phát sinh trong quá trình thăm dò
và khai thác dầu khí (còn đƣợc gọi là khâu đầu (upstream)). NKT ở khâu đầu của công
nghiệp dầu khí là thuật ngữ đƣợc sử dụng trong công nghiệp khai thác dầu khí để mô tả
nƣớc đƣợc khai thác cùng với dầu và khí [15, 25]. Tầng chứa dầu-khí có một lớp nƣớc tự
nhiên (còn gọi là nƣớc thành tạo) nằm dƣới tầng chứa dầu (hình 1.1). Để tăng cƣờng khai
thác dầu, thƣờng phải bơm thêm một lƣợng nƣớc xuống vỉa tạo áp suất để khai thác dầu
hiệu quả hơn. Cả hai loại nƣớc: nƣớc thành tạo và nƣớc bơm ép đều đƣợc khai thác cùng
với dầu trong suốt quá trình khai thác các mỏ dầu/khí; lƣợng dầu/khí khai thác ngày càng
cạn kiệt, còn lƣợng NKT ngày càng tăng lên. NKT không phải là sản phẩm đồng nhất. Các
đặc trƣng vật lý và hóa học của NKT phụ thuộc vào vị trí địa lý của mỏ, vào sự thành tạo
địa chất, nơi NKT tiếp xúc nhiều năm và phụ thuộc vào dạng hydrocarbon đƣợc khai thác
[44, 46, 50]. Các đặc trƣng của NKT cũng có thể thay đổi theo thời gian khai thác mỏ, nhất

là khi có sử dụng công nghệ bơm ép sẽ làm thay đổi đặc tính và khối lƣợng NKT. Vì vậy,
NKT sẽ có sự khác biệt rất lớn về đặc tính giữa các mỏ dầu/khí khác nhau, rất khó tìm thấy
một sự đồng nhất tuyệt đối [40, 65].

Hình 1.1 Cấu tạo các tầng chứa của mỏ dầu

Nếu việc xử lý NKT rất tốn kém thì việc quản lý cũng rất phức tạp. Chi phí cho việc xử
lý NTND thay đổi theo từng khu vực, ví dụ ở Mỹ 0,05-0,3 USD/thùng, ở Biển Bắc 0,193,4 USD/thùng, thậm chí ở Ba Lan thì con số này lên đến 8 USD/thùng [19, 40, 55].
Từ những lý do kể đến ở trên, việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ xử lý NTND/NKT
phù hợp cho hiện tại, tƣơng lai là yêu cầu cấp thiết trong xử lý chất thải, nói riêng, và công
3


tác bảo vệ môi trƣờng, nói chung, của ngành công nghiệp dầu khí.
Việc quản lý và kiểm soát chi phí xử lý NTND/NKT có thể đƣợc thực hiện bằng cách
lựa chọn phƣơng thức thích hợp để thải bỏ NTND/NKT, hoặc tìm cách tái sử dụng
NTND/NKT để mang lại lợi ích cho dự án [21, 52]. Dù lựa chọn phƣơng thức thải bỏ hay
tái sử dụng thì NTND/NKT đều phải đƣợc xử lý để đảm bảo chất lƣợng, theo quy định,
trƣớc khi xả thải ra môi trƣờng.
1.1.1 Ảnh hƣởng của nƣớc khai thác tới môi trƣờng
Mức độ ảnh hƣởng môi trƣờng của NKT tùy thuộc vào nơi chúng đƣợc tháo thải. Tác
động của việc thải NKT ra môi trƣờng còn phụ thuộc vào thành phần vật lý, hóa học, nhiệt
độ, nồng độ của các chất hữu cơ, các acid humic hoặc sự hiện diện của các chất nhiễm bẩn
hữu cơ khác trong NKT [32, 54].
Các yếu tố gây ra ảnh hƣởng tiêu cực khi thải ra môi trƣờng biển phụ thuộc vào thành
phần vật lý và hóa học của NKT. Các ảnh hƣởng tiềm năng của NKT đối với các loài thủy
sinh nhƣ sau [54]:
Sự hòa tan của NKT vào môi trƣờng tiếp nhận;
Sự sa lắng tức thời và lâu dài;
Sự bay hơi của các hydrocarbon có trọng lƣợng phân tử thấp;

Các phản ứng lý-hóa với các loại thủy sinh hiện diện trong nƣớc biển;
Các độc tố đƣợc hấp thụ vào các hạt vật chất;
Phân hủy sinh học các hợp phần hữu cơ thành các hợp phần đơn giản hơn.
Với môi trƣờng biển cần phải phân biệt mức độ ảnh hƣởng từ NKT giữa vùng nƣớc
nông, các vùng ven bờ ngập triều và biển mở [54].
Khi thải NKT ở ven bờ thì môi trƣờng tiếp nhận có thể bao gồm vùng nƣớc nông, vùng
bãi triều và các vùng đầm lầy…
Rất nhiều nghiên cứu khác nhau đã chỉ ra các ảnh hƣởng tiêu cực của việc thải NKT ra
môi trƣờng ven bờ thuộc vịnh Mexico, rằng NKT có thể làm nhiễm bẩn trầm tích, những
nhiễm bẩn này có liên quan trực tiếp tới khối lƣợng thải và nồng độ hydrocarbon trong
NKT đƣợc thải ra [32, 107].
Do những ảnh hƣởng tiêu cực của việc thải NKT vào vùng nƣớc nông ven bờ, Cục môi
trƣờng Mỹ (EPA) đã cấm thải NKT vào những khu vực này từ năm 1997 [54], ngoại trừ
một vài khu vực ven bờ ở vùng Alaska là nơi mực nƣớc khá sâu, dòng chảy mạnh có khả
năng hòa tan nhanh [54, 56].
Đối với các hoạt động dầu khí ngoài khơi, các yếu tố ảnh hƣởng chính của NKT tới môi
trƣờng biển là nồng độ của các hợp chất hóa học trong NKT và các đặc tính của chúng nhƣ
độ độc, khả năng chịu đựng của sinh vật,.. [92, 98]. Các yếu tố khác của môi trƣờng biển
cũng có thể làm thay đổi mức độ ảnh hƣởng của NKT đối với môi trƣờng nhƣ chế độ hải
văn và các đặc trƣng vật lý của môi trƣờng tiếp nhận.
Một chất nào đó trong NKT có thể có tính độc nhƣng không đƣợc hấp thụ hoặc đƣợc
4


hấp thụ và tiêu hóa bởi các thủy sinh thì có nghĩa các chất đó không ảnh hƣởng đến
thủy sinh [32, 109].
Độ độc tức thời của nước khai thác
Các nghiên cứu khác nhau đã chỉ ra rằng, độ độc tức thời của NKT đối với sinh vật nhìn
chung là thấp và có thể chấp nhận đƣợc. Nếu NKT đƣợc thải ở những vùng biển có dòng
chảy mạnh, có khả năng pha loãng nhanh, thì sẽ hạn chế các ảnh hƣởng bất lợi và mức độ

tích tụ sinh học của các cấu tử độc hại trong NKT [36, 54].
Độ độc lâu dài của nước khai thác
Hầu hết các nghiên cứu độ độc lâu dài của NKT đƣợc Cục môi trƣờng Mỹ (EPA) yêu
cầu thực hiện đã chỉ ra rằng, không có bất kỳ độ độc lâu dài đáng kể nào của NKT đối với
các nguồn nƣớc. Tuy nhiên, một số quốc gia ở Biển Bắc đã chú ý vào các ảnh hƣởng tích
tụ của các hóa chất khác nhau hiện diện trong NKT và từ đó đề ra phƣơng cách đặc biệt để
kiểm soát độ độc lâu dài của NKT [32, 36].
1.1.2 Khối lƣợng nƣớc khai thác
Trong công nghiệp dầu khí, NKT chiếm khoảng 90% tổng khối lƣợng chất thải sản sinh
ra trong giai đoạn thăm dò và khai thác dầu khí [25, 65]. Riêng ở Mỹ thì con số này chiếm
tới trên 98% [40]. Theo Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ (API) có khoảng 18 tỷ thùng NKT đã đƣợc
sinh ra từ các hoạt động dầu khí trên đất liền tại Mỹ trong năm 1995 (API.2000). Theo
John A Veil, Markus G. Puder et al (2007), ƣớc đoán năm 1999 trên toàn thế giới có
khoảng 210 triệu thùng NKT đƣợc thải ra mỗi ngày, hay 77 tỷ thùng NKT đƣợc thải ra
trong năm, từ hoạt động dầu khí [56].

1.2 NHŨ TƢƠNG DẦU MỎ
Nhũ tƣơng là một hệ chất lỏng không đồng nhất gồm hai chất lỏng không hòa tan
vào nhau, trong đó một chất bị phân chia thành những hạt nhỏ hình cầu, phân tán trong
chất lỏng thứ hai. Chất lỏng bị phân tán gọi là pha phân tán, chất lỏng thứ hai gọi là
pha liên tục.
1.2.1 Quá trình hình thành và các loại nhũ tƣơng dầu mỏ

Hình 1.2 Quá trình hình thành nhũ tương dầu mỏ

5


Trong các dạng nhũ tƣơng của dầu mỏ trong NTND thì dầu có lúc là pha phân tán
nhƣng cũng có khi là pha liên tục [30, 31]. Những hạt dầu đƣợc tạo thành có dạng hình cầu

do sức căng bề mặt phân giới buộc chúng phải co lại để giảm diện tích của bề mặt tiếp xúc
với nƣớc. Đó là nhũ tƣơng dầu/nƣớc và đƣợc quy vào dạng nhũ tƣơng thuận [30]. Nƣớc
cũng có thể phân tán vào dầu và đƣợc quy vào dạng nhũ tƣơng nghịch [30]. Nhũ tƣơng
dầu/nƣớc là đối tƣợng nghiên cứu của luận án. Quá trình hình thành nhũ tƣơng dầu mỏ
đƣợc thể hiện trong hình 1.2 [31, 104].
Hình dáng các loại nhũ tƣơng đƣợc biểu diễn trên hình 1.3 [30, 104].

Hình 1.3 Các loại nhũ tương dầu mỏ phổ biến (nước/dầu và dầu/nước (W/O and O/W)) và nhũ
tương dầu mỏ ít phổ biến (nước/ dầu/nước (W/O/W)) (nguồn: Schubert, H. and Armbroster, H.
1992 [104])

Nhũ tƣơng đôi khi cũng chuyển đổi trạng thái để tồn tại dƣới dạng hỗn hợp. Cũng có thể
tồn tại cùng một lúc nhũ tƣơng nƣớc/dầu và dầu/nƣớc nhƣ ở giai đoạn đầu hình thành đang
còn tồn tại những hạt nƣớc, hay hạt dầu kích thƣớc lớn [18, 81]. Nhƣng khi sự xung động
trong dòng chảy tăng lên sẽ làm chúng chuyển thành thể siêu nhỏ. Lúc này, nếu nhƣ dạng
nhũ tƣơng nƣớc/dầu mới đƣợc hình thành thì nhũ tƣơng ở dạng “nƣớc trong dầu trong
nƣớc” (water in oil in water emulsion) và một loại nhũ tƣơng khác là “dầu trong nƣớc
trong dầu” (oil in water in oil) sẽ đƣợc hình thành muộn hơn [30].
Theo cách phân loại hệ phân tán dị thể, nhũ tƣơng dầu mỏ đƣợc chia thành 3 nhóm
chính (hình 1.3 và 1.4) [30, 31]:
Nhóm 1: Nhũ nghịch, nƣớc/dầu mỏ (W/O)
Đây là loại nhũ chính thƣờng gặp trong khai thác dầu mỏ [30]. Hàm lƣợng pha phân tán
(nƣớc) trong môi trƣờng phân tán (dầu mỏ) có thể thay đổi từ vết đến 90-95%.
Nhóm 2: Nhũ thuận, dầu/nƣớc (O/W)
Nhũ này tạo thành trong quá trình phá nhũ dầu mỏ, trong quá trình tác động nhiệt hơi
nƣớc lên vỉa và trong quá trình xử lý nƣớc thải. Nhũ tƣơng dầu/nƣớc có nhóm ƣa nƣớc
quay ra ngoài và nhóm kị nƣớc quay vào trong. Do đó, để xử lý nhũ thuận cần sử dụng hệ
hóa phẩm có tính ƣa nƣớc, có tác dụng kết hợp lôi kéo phần ƣa nƣớc khỏi bề mặt hạt dầu
tạo điều kiện các hạt dầu kết cụm lại thành khối lớn để nổi lên.
6

Nhóm 3: Nhũ hỗn hợp
Nhũ hỗn hợp có thể là nhũ thuận hoặc nhũ nghịch [39], trong đó pha phân tán cũng là
nhũ chứa các hạt nhỏ của môi trƣờng phân tán. Nhũ này có thể xuất hiện khi đồng thời có
trong hệ hai chất tạo nhũ có tác động trái ngƣợc nhau. Nhũ loại này đặc trƣng bởi hàm
lƣợng tạp chất cơ học cao và rất khó tách [39, 81]. Nhũ hỗn hợp tích tụ trên ranh giới phân
pha trong các thiết bị xử lý dầu thô và nƣớc, là nguyên nhân làm gián đoạn các vận hành
công nghệ. Trong thực tế, ngƣời ta làm sạch định kỳ thiết bị, loại bỏ lớp nhũ tích tụ này
vào các bể chứa dầu [81]. Nhũ hỗn hợp đƣợc xử lý theo chế độ công nghệ khắt khe hoặc
đem đốt.
Nhũ tƣơng dầu/nƣớc là đối tƣợng nghiên cứu của luận án và đƣợc chia thành 2 loại:
Nhũ tƣơng bền và nhũ tƣơng không bền.
Nhũ tƣơng bền đƣợc hình thành khi có sự hiện diện của chất HĐBM trong NTND/NKT
đƣợc hình thành ở những công đoạn có các chuyển động rối mạnh [39, 81]. Không thể tách
dầu trong nhũ tƣơng bền ra khỏi NTND bằng các công nghệ tách cơ học thông thƣờng.
Nhũ tƣơng dầu loại này phải đƣợc phá nhũ bằng hóa phẩm hoặc bằng các phƣơng pháp
điện, điện-từ khác…
Nhũ tƣơng không bền có thể hiểu đơn giản là loại nhũ tƣơng có thể tách dầu ra khỏi
nƣớc thải bằng các phƣơng pháp cơ học thông thƣờng. Loại nhũ tƣơng này không bền vì
không đƣợc ổn định bởi chất HĐBM hoặc không chịu tác động từ các khuấy động cơ học
mạnh. Thông thƣờng nhũ không bền đƣợc tạo thành từ các hạt dầu lớn hơn so với nhũ
tƣơng bền [39].
Đầu hydrophilic

Đuôi lipophilic

O/W

W/O

DẦU

NƢỚC

Hình 1.4 Cấu trúc của nhũ tương dầu/nước (O/W) và nhũ tương nước/dầu (W/O)

Việc hình thành nhũ tƣơng dầu/nƣớc trong quá trình sản xuất đã tạo ra cho ngành công
nghiệp dầu khí nhiều bất lợi [75, 81, 82]:
- Ăn mòn của các thiết bị sản xuất nhƣ đƣờng ống, máy bơm, ống chống và các van;
- Bị tổn hao khối lƣợng hiệu quả trong các phƣơng tiện chứa, đƣờng ống do nƣớc trong
nhũ tƣơng chiếm một thể tích và khối lƣợng lớn;
- Tăng chi phí thiết bị bơm do tăng độ nhớt dầu thô bởi sự hình thành nhũ tƣơng trong
dầu đƣợc khai thác;
- Thay đổi đáng kể các đặc tính và tính chất vật lý của dầu thô nhƣ tỷ trọng; tỷ trọng dầu
7


thô có thể tăng lên đến 30% khi có nhũ tƣơng;
- Làm ngộ độc hoàn toàn hoặc ngộ độc từng phần các chất xúc tác của nhà máy lọc dầu;
- Việc thải bỏ nhũ tƣơng dầu chƣa xử lý hoặc không thể xử lý dẫn đến các vấn đề về thu
hồi dầu và môi trƣờng, và là mối quan tâm lớn của xã hội.
Vì vậy, sự hình thành của nhũ tƣơng trong khai thác và chế biến dầu mỏ gây tốn kém,
dẫn đến tăng chi phí hoạt động sản xuất.
1.2.2 Độ bền nhũ tƣơng
Đối với nhũ tƣơng dầu mỏ, chỉ tiêu quan trọng nhất cần quan tâm là độ bền. Độ bền là
khả năng không bị phá vỡ, không bị tách thành hai pha riêng biệt. Khi đánh giá độ bền nhũ
ngƣời ta phân thành hai loại: Độ bền động học và độ bền tập hợp.
1.2.2.1 Độ bền động học (sa lắng)
Là khả năng của hệ thống chống lại sự sa lắng hay nổi lên của hạt pha phân tán (dầu) dƣới

tác dụng của trọng lực. Đối với hệ nhũ loãng, khi hàm lƣợng pha phân tán (dầu) nhỏ hơn 3%.
Tốc độ lắng hoặc nổi của hạt pha phân tán có thể xác định bằng công thức 1.1 [30, 70, 81].
(1.1)
Trong đó:
- : tốc độ lắng hoặc nổi của hạt pha phân tán có bán kính r;
- n - d: hiệu tỷ trọng pha phân tán và môi trƣờng phân tán;
- μ: độ nhớt của môi trƣờng phân tán;
- g: gia tốc trọng trƣờng.
Từ đó, ta thấy rằng, tốc độ lắng hoặc nổi của hạt pha phân tán của nhũ tƣơng dầu mỏ tỷ
lệ nghịch với độ nhớt của dầu thô, tỷ lệ thuận với hiệu tỷ trọng của dầu thô, nƣớc và bình
phƣơng bán kính hạt dầu.
1.2.2.2 Độ bền tập hợp
Độ bền tập hợp là khả năng vẫn giữ nguyên đƣợc kích thƣớc ban đầu của hạt pha phân
tán khi va chạm với các hạt khác hay với ranh giới phân chia pha. Độ bền tập hợp của nhũ
đƣợc đo bằng thời gian tồn tại của chúng; đối với nhũ dầu mỏ thời gian này có thể dao
động từ vài giây đến nhiều năm và đƣợc tính theo công thức 1.2 sau [30]:
(1.2)
Trong đó:
- H: chiều cao cột nhũ (cm);
- ν: Tốc độ 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 có thể đánh giá đại lƣợng
này theo công thức 1.3:
(1.3)
Trong đó:
- W0: Hàm lƣợng chung của pha phân tán trong nhũ nghiên cứu;
8


- W: Hàm lƣợng 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 trƣờng phân tán, kích thƣớc

hạt phân tán hay điều kiện ly tâm đƣợc điều chỉnh theo công thức của định luật Stock 1.4:
(1.4)
Trong đó:
T: Thời gian ly tâm của hệ nhũ với tốc độ góc đã cho (w, độ/s);
: khoảng cách từ tâm quay đến mức trên và mức dƣới của hệ nhũ nghiên cứu
trong ống ly tâm.
Bản chất của quá trình xử lý nhũ tƣơng trong NTND là giảm tối đa độ bền tập hợp và độ
bền động học của hệ nhũ dầu mỏ. Có một số lý thuyết giải thích độ bền tập hợp của hệ nhũ,
có thể chia ra thành: Thuyết nhiệt động học (năng lƣợng) và thuyết cao phân tử, gắn liền
với sự thành tạo rào cản cơ cấu trúc. Tuy nhiên các thuyết này đều thống nhất ở điểm: Để
có đƣợc độ bền của hệ nhũ của hai chất lỏng sạch không trộn lẫn (sức căng ranh giới lớn
hơn 0 rất nhiều) cần có các cấu tử ổn định nhũ thứ 3. Các chất ổn định nhũ có nhiều loại
với thành phần ổn định rất khác nhau. Ngoài các chất ổn định chính nhƣ nhựa, asphalten
còn có muối của acid naphthenic và các kim loại nặng, vi tinh thể paraffin, hạt rắn huyền
phù khoáng sét với bề mặt bị biến tính bởi các cấu tử phân cực mạnh của dầu, porphyrin và
oxide của nó chứa các kim loại nặng.
1.2.3 Cơ chế liên quan tới khử nhũ tƣơng

Khử nhũ tƣơng là việc tách một nhũ tƣơng thành các pha thành phần, là một quá trình
gồm hai bƣớc. Bƣớc đầu tiên là kết bông (keo tụ, liên kết, hoặc kết tụ). Bƣớc thứ hai là sự
hợp nhất. Đây là những bƣớc quyết định trong quá trình phá vỡ nhũ tƣơng [7, 31].
Keo tụ hoặc kết tụ
Bƣớc đầu tiên trong khử nhũ tƣơng dầu/nƣớc là keo tụ của những hạt dầu. Trong quá
trình keo tụ, các hạt dầu tập hợp lại với nhau, tạo thành khối kết tụ hay cụm xốp “floccs”.
Các hạt dầu gần nhau hơn, thậm chí chạm vào nhau tại một số điểm, nhƣng không đánh
mất bản chất của chúng (ví dụ, chúng có thể không kết hợp lại). Sự hợp nhất ở giai đoạn
này chỉ diễn ra nếu lớp màng chất nhũ hóa bao quanh các hạt dầu rất yếu. Tốc độ keo tụ
phụ thuộc vào các yếu tố sau [73, 81]:
- Hàm lƣợng nƣớc trong nhũ tƣơng. Tốc độ keo tụ cao hơn khi nƣớc bị cắt giảm nhiều hơn;
- Nhiệt độ của nhũ tƣơng cao. Nhiệt độ cao làm tăng năng lƣợng nhiệt của các hạt dầu

và làm tăng khả năng va chạm của chúng, dẫn đến kết bông;
- Độ nhớt của dầu thấp, điều đó làm giảm thời gian sa lắng và làm tăng tốc độ kết bông;
- Mức độ chênh lệch tỷ trọng giữa dầu và nƣớc cao, làm tăng tốc độ sa lắng của nƣớc và
tăng sự nổi lên bề mặt của dầu;
- Một trƣờng tĩnh điện đƣợc áp dụng. Điều này làm tăng sự chuyển động của hạt tới các
điện cực, nơi chúng đƣợc kết tập.

9


1.3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƢƠNG TRONG
NƢỚC THẢI NHIỄM DẦU
1.3.1 Các yếu tố quyết định sự lựa chọn công nghệ xử lý nƣớc thải nhiễm
dầu
Mỗi công nghệ xử lý tách dầu trong NTND bao gồm nguyên lý và tính năng hoạt động
của thiết bị cùng với những ƣu việt và giới hạn áp dụng. Tuy nhiên, khi đề cập tới công
nghệ xử lý tách dầu trong NTND, điều quan tâm đầu tiên là đặc tính của nƣớc NTND [24,
28, 32]. Tính năng kỹ thuật của một thiết bị tách dầu/nƣớc phụ thuộc nhiều vào tính chất
NTND đƣợc đƣa vào hệ thống tách.
Bản chất của NTND sẽ quyết định sự lựa chọn thiết bị xử lý tách dầu và cho phép dự
đoán hiệu quả của thiết bị xử lý tách dầu đó. Một thiết bị đƣợc thiết kế chỉ để tách dầu tự
do thì không thể dùng để tách dầu trong NTND có chứa nhũ tƣơng dầu/nƣớc, ngƣợc lại,
cũng sẽ không có hiệu quả và tốn kém rất nhiều khi dùng các thiết bị tách dầu trong NTND
có chứa nhũ tƣơng dầu/nƣớc cho việc tách dầu tự do từ nƣớc thải [27, 43, 50, 74].
Có 4 thông số cho phép lựa chọn công nghệ chính xác để xử lý tách dầu (dạng nhũ
tƣơng dầu) cho bất kỳ loại nƣớc thải nào [35, 36, 64]:
- Sự phân bố kích thƣớc hạt dầu;
- Vận tốc hạt;
- Nồng độ của dầu trong nƣớc thải;
- Mức độ nhũ hóa dầu trong nƣớc thải, hay nồng độ nhũ tƣơng dầu trong NTND.

Sự phân bố kích thƣớc hạt và mức độ nhũ hóa dầu trong nƣớc thải cho phép lựa chọn
phƣơng pháp tách. Vận tốc hạt và nồng độ dầu cho phép lựa chọn kích thƣớc riêng của hệ
thống tách và dự báo hiệu quả của hệ thống xử lý mà ta lựa chọn.
1.3.1.1 Nồng độ dầu trong nước thải nhiễm dầu
Một trong những cách phán đoán hệ thống tách dầu/nƣớc có hoạt động tối ƣu hay không
là khảo sát nồng độ dầu trong nƣớc thải sau khi đƣợc xử lý.
Nếu nƣớc thải sau khi qua hệ thống xử lý còn chứa lƣợng dầu hơn 100mg/L thì có thể
coi hệ thống này không đạt yêu cầu [64, 108].
Trong khi việc biết nồng độ dầu trong nƣớc thải đã xử lý để phán đoán khả năng vận
hành của thiết bị thì việc biết đƣợc nồng độ dầu trong nƣớc thải cần xử lý sẽ giúp ta có
những quyết định quan trọng nhƣ cần hay không cần các thiết bị xử lý đặc biệt để thu
hồi dầu từ nƣớc thải và, nếu câu trả lời là có, thì có thể lựa chọn thiết bị cụ thể nào để
tiến hành xử lý.
Để xác định hàm lƣợng dầu trong NTND thì mẫu nƣớc thải cần phải gửi tới các phòng
thí nghiệm chuyên ngành để phân tích.
Việc lựa chọn phƣơng pháp phân tích để phân tích mẫu tùy thuộc những thông số cần
thu thập và yêu cầu về độ chính xác của các phép đo [86]. Ở hình 2.5 (Chƣơng II) của luận
án trình bày “Quy trình phân tích dầu tổng số trong NTND”. Đây là phƣơng pháp phân tích
dầu tổng số trong NTND đã đƣợc sử dụng chủ yếu trong luận án.
10


Thông thƣờng cần xác định loại nhũ tƣơng tồn tại trong NTND trƣớc khi đƣa ra quyết
định chọn công nghệ để tách dầu khỏi NTND [36]. Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ (API) đã phát
triển một phƣơng pháp để xác định nhũ tƣơng và phần hòa tan của dầu trong NTND. Theo
tài liệu này thì một số hƣớng dẫn sau đây có thể giúp ta nhận biết đặc tính của nhũ tƣơng
dầu/nƣớc [31, 61]:
- Những hạt dầu có kích thƣớc lớn thì nhũ tƣơng ít bền vững.
- Các hạt dầu có đƣờng kính nhỏ hơn 10μm thì sẽ tạo ra nhũ tƣơng bền vững ngay cả
khi không có sự hiện diện của chất HĐBM, vì những hạt dầu nhƣ vậy sẽ nổi lên bề

mặt NTND với tốc độ rất chậm.
Cuối cùng, nếu NTND đƣợc lấy mẫu và phân tích liên tục mà cho kết quả kích thƣớc
các hạt dầu trong NTND không thay đổi, khi đó có thể khẳng định, nhũ tƣơng sẽ bền vững
bất chấp kích thƣớc hạt dầu lớn hay nhỏ.
1.3.1.2 Mục đích chính của việc xử lý nước thải nhiễm dầu
Việc xử lý NTND phải tuân thủ các yêu cầu quy định cho chất lƣợng nƣớc thải trƣớc
khi thải bỏ hay tái sử dụng. Nếu thấy rằng việc tái sử dụng rẻ hơn là thải bỏ thì NTND
cũng phải đạt và vƣợt các yêu cầu của pháp luật quy định cho phần lớn các thông số liên
quan tới chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý [52, 60]. Vì NTND chứa một lƣợng nhất định các
hydrocarbon và các chất khác, nên nhiều công nghệ xử lý đã đƣợc nghiên cứu, phát triển
và áp dụng trong công nghiệp dầu khí với 2 tiêu chí [49, 98]:
- Giảm thiểu hàm lƣợng dầu, mỡ và chất béo trong nƣớc thải đến giới hạn cho phép.
Giới hạn dầu đƣợc phép thải ra môi trƣờng thay đổi theo tiêu chuẩn môi trƣờng của
từng quốc gia, nhƣng đều theo một xu hƣớng chung là ngày càng yêu cầu khắc khe hơn.
- Thu hồi và tái sử dụng dầu ô nhiễm. Đây cũng là tiêu chí quan trọng vì ngoài việc
giảm thiểu tác động xấu đến môi trƣờng thì việc thu hồi và tái sử dụng một lƣợng dầu
không nhỏ trong nƣớc thải sẽ đem lại lợi ích kinh tế, nhất là khi hiện nay việc giảm
thiểu tiêu thụ carbon đã trở nên là yêu cầu cấp bách của thế giới [81, 92].
Các chỉ tiêu chính cần đƣợc xử lý của NTND [40, 52, 92]:
- Loại bỏ dầu tồn tại dƣới dạng tự do hay phân tán dƣới dạng nhũ tƣơng;
- Loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan;
- Khử trùng để loại các vi khuẩn, vi sinh vật, tảo…;
- Loại bỏ chất rắn lơ lửng để loại các huyền phù, cát, độ đục...;
- Loại bỏ khí hòa tan để loại các loại khí hydrocarbon nhẹ, carbon dioxide (CO2),
hydrosulfide (H2S);
- Mềm hóa để loại độ cứng của nƣớc dƣ thừa;
- Điều chỉnh tỷ lệ hấp thụ natri (SAR), bổ sung các ion calci hoặc các ion magnesi
vào NTND để điều chỉnh mức độ nhiễm mặn trƣớc khi dùng cho thủy lợi (chỉ áp dụng
khi nƣớc thải dùng cho thủy lợi);
- Loại bỏ độ phóng xạ tự nhiên (NORM).

Việc xử lý NTND nói chung và xử lý các hydrocarbon nói riêng trong NTND đã đƣợc
thế giới quan tâm nghiên cứu theo hƣớng ƣu tiên cho các phƣơng pháp xử lý vừa có thể

11


giảm thiểu hàm lƣợng hydrocarbon đáp ứng tiêu chuẩn thải ra môi trƣờng của từng quốc
gia, vừa có thể thu hồi để tái sử dụng đƣợc một lƣợng dầu từ NTND [52].
1.3.2 Công nghệ xử lý tách dầu trong nƣớc thải nhiễm dầu
1.3.2.1 Các công nghệ xử lý tách dầu phổ biến
“Bảng thống kê các công nghệ phổ biến xử lý NTND nói chung và NKT nói riêng” bao
gồm 54 công nghệ phổ biến xử lý NKT/NTND, các công nghệ xử lý đƣợc tóm tắt với sự
mô tả ƣu và nhƣợc của từng công nghệ xử lý cũng nhƣ phạm vi ứng dụng của NTND sau
xử lý đƣợc trình bày trong phụ lục 1.
1.3.2.2 Xử lý nước thải nhiễm dầu bằng phương pháp vi sóng điện từ
Kỹ thuật chiếu xạ vi sóng liên quan đến việc sử dụng năng lƣợng điện-từ không ion hóa
trong dãy tần số giữa 300MHz và 300GHz để gây ra chuyển động phân tử bởi sự dịch
chuyển các ion và sự quay lƣỡng cực (mà không gây ra bất kỳ thay đổi nào trong cấu trúc
phân tử). Từ khi kỹ thuật vi sóng đƣợc áp dụng thành công để tách (phá) nhũ tƣơng thì việc
ứng dụng kỹ thuật này trong việc xử lý NTND đã phát triển ngày càng mạnh mẽ [77, 85].
Trong ngành công nghiệp dầu khí, kỹ thuật tách vi sóng đã đƣợc ứng dụng khá phổ biến
Ngày nay các thiết bị tách vi sóng đã đƣợc Exxon-Mobil và các công ty dầu khí khác sử
dụng nhƣ là một trong các phƣơng tiện phá nhũ chính của công ty [23, 26]. Sự phổ biến của
kỹ thuật chiếu xạ vi sóng dựa trên những ƣu việt thực tế là kỹ thuật này gần nhƣ không yêu
cầu bổ sung hóa chất, tiện lợi, không gây ô nhiễm, cho sản phẩm sau xử lý có chất lƣợng
cao, chi phí thấp, các hiệu ứng nhiệt dung thể tích gần nhƣ đồng nhất, thời gian xử lý nhanh
và hiệu quả tách cao. Các phƣơng pháp tách nhũ truyền thống, nhƣ bằng hóa chất hay đun
nóng, thì chi phí thƣờng cao hơn, do cần có thêm các xử lý nƣớc bị ô nhiễm thứ cấp.
a. Các đặc tính của công nghệ vi sóng
Là một phƣơng pháp dùng để phá vỡ những hạt nhũ tƣơng nƣớc/dầu hay nhũ tƣơng

dầu/nƣớc, kỹ thuật vi sóng đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu và sản xuất. Theo
nghiên cứu của Lidstrőm et al [77], nếu hai mẫu có chứa nƣớc và dầu tƣơng ứng đƣợc đun
nóng bằng vi sóng, nhiệt độ trong mẫu nƣớc sẽ cao hơn. Để giải thích hiện tƣợng trên,
chúng ta tìm hiểu cơ chế làm nóng điện môi của vi sóng. Giống nhƣ các bức xạ điện-từ,
bức xạ vi sóng có thể đƣợc chia thành điện trƣờng và từ trƣờng. Điện trƣờng có nhiệm vụ
làm nóng hệ thống điện môi và bị ảnh hƣởng bởi hai cơ chế là xoay lƣỡng cực và dẫn ion
nhƣ minh họa trong hình 1.5 [26, 85].
Hiệu quả của bức xạ vi sóng trong việc tách nhũ tƣơng đã đƣợc quy cho những nguyên
nhân sau đây:
- Làm giảm độ nhớt của pha liên tục (nƣớc hoặc dầu) vì sự gia tăng của nhiệt độ, trong
đó ƣu tiên việc tiếp xúc giữa các hạt nƣớc hoặc dầu [48, 90];
- Năng lƣợng vi sóng gây ra chuyển động quay của các phân tử nƣớc hoặc dầu, vô
hiệu hóa điện thế Zeta của các hạt nhỏ bị phân tán, bên cạnh việc phá vỡ các liên kết
hydro giữa các phân tử nƣớc và chất HĐBM đƣa tới kết quả làm giảm sự ổn định của
nhũ tƣơng [68, 85].

12


Cơ chế xoay lưỡng cực

Hình 1.5 Sự liên kết của các phân tử lưỡng cực với một dao động điện trường

Các lƣỡng cực điện đƣợc hình thành bởi sự tƣơng tác của các điện tích với chất nền.
Lƣỡng cực nhạy cảm với các điện trƣờng bên ngoài và có khuynh hƣớng kết hợp chính nó
với điện trƣờng bằng cách luân chuyển quay. Phân tử nƣớc là ví dụ về một phân tử lƣỡng
cực mạnh.
Quá trình đổi hƣớng của mỗi phân tử phân cực theo chiều của điện trƣờng (Ví dụ, tại
tần số 2450MHz, điện trƣờng E của vi sóng đổi chiều 4,9.109lần/giây). Dƣới tác động của
điện trƣờng, các phân tử phân cực mạnh có xu hƣớng sắp xếp theo chiều điện trƣờng, do

đó, trong điện trƣờng xoay chiều ở tần số rất cao (MHz), các phân tử bị xáo trộn và ma sát
với nhau với vận tốc rất lớn. Đó chính là nguồn gốc sự nóng lên của vật chất khi có tia vi
sóng truyền qua.
Truyền dẫn ion
Sự di chuyển của các ion trong dung dịch chứa, dƣới ảnh hƣởng của một điện trƣờng
làm cho sự va chạm tăng lên, do đó, động năng chuyển thành nhiệt năng [77, 89]. Nhiệt
sinh ra do truyền dẫn ion để làm nóng mẫu nƣớc thải là kết quả của sự tăng trở kháng của
môi trƣờng chống lại sự dịch chuyển của các ion trong trƣờng điện từ.
Các thông số ảnh hƣởng đến truyền dẫn ion là nồng độ ion, di chuyển ion và nhiệt độ của
dung dịch.
Chuyển đổi năng lượng
Trong kỹ thuật vi sóng, năng lƣợng đƣợc chuyển thành nhiệt, là một quá trình có liên
quan đến sự tƣơng tác giữa các trƣờng vi sóng và độ dẫn hay các đặc tính điện môi của vật
liệu. Có ba quá trình tƣơng tác giữa vi sóng và vật liệu: i) các tích điện không gian do dẫn
truyền điện tử; ii) phân cực ion kết hợp với rung động hồng ngoại xa và iii) sự quay của
lƣỡng cực điện môi.
Các tính chất điện môi của vật liệu kết hợp với kết quả trong việc chuyển đổi năng
lƣợng điện từ thành nhiệt của trƣờng điện từ. Năng lƣợng đó đƣợc truyền dẫn qua các vật
liệu có thể đƣợc xác định bởi vectơ Poynting (phƣơng trình 1.6) có nguồn gốc từ phƣơng
trình Maxwell [89]. Các dòng chảy của năng lƣợng thông qua bề mặt S kèm theo thể tích V
đến sản phẩm chéo của điện trƣờng E và cƣờng độ từ trƣờng H có thể đƣợc giải thích bởi
các thông lƣợng của một vectơ phƣơng trình 1.5:
(1.5)
Phƣơng trình Maxwell đã sử dụng định lý phân kỳ để giả định các thuộc tính vật chất
của khối lƣợng, phƣơng trình 1.6 có thể tính đƣợc cho phần thực của định lý năng lƣợng
Poynting:

13

∫

∫ (

∫

)

(1.6)

Mức độ tiêu hao năng lƣợng đƣợc lƣu trong điện trƣờng và từ trƣờng ở một vùng không
gian ở bên trái. Phía bên phải đại diện cho các công việc thực hiện, tính theo giây bởi các
lực đƣợc đặt vào, E.JdV là tổng số của tỷ lệ tiêu hao năng lƣợng điện,
tốc độ dòng chảy của năng lƣợng điện từ phía bên ngoài,

là nhiệt và là

đi qua bề mặt.

Nhiệt độ trong việc tách nhũ tương bằng kỹ thuật vi sóng
Mục đích của việc làm nóng nhũ tƣơng dầu/nƣớc bằng bức xạ vi sóng điện từ là để tách
dầu ra khỏi NTND. Việc tách này thể hiện bằng 2 quá trình: ngƣng tụ các hạt dầu với nhau
và dầu đƣợc tách ra để nổi lên trên bề mặt nƣớc. Cả hai quá trình này đều diễn ra dƣới tác
động của nhiệt độ [34, 48].
Tốc độ nổi lên bề mặt của các hạt dầu đƣợc tách ra phụ thuộc vào mức độ ngƣng tụ các
hạt dầu từ nhũ tƣơng. Nếu tỷ trọng của các hạt dầu là nhỏ, các hạt dầu sẽ nổi lên bề mặt mà
không ảnh hƣởng tới nhau và tốc độ nổi lên bề mặt của các hạt dầu sẽ tuân thủ theo định
luật Stoke. Mặc khác, việc cản trở tốc độ nổi lên (các hạt dầu) còn tuân thủ theo hiệu chỉnh
đƣợc chỉ ra trong công trình của Calla et al [34].
Theo lý thuyết hiệu chỉnh thì tốc độ nổi lên của các hạt dầu tỷ lệ với sự khác biệt về tỷ

trọng, bình phƣơng với đƣờng kính hạt và là hàm số nghịch với độ nhớt của dầu. Độ nhớt
của dầu nhạy với nhiệt độ hơn với tỷ trọng. Vì thế, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt sẽ giảm rất
nhanh so với sự khác biệt về tỷ trọng. Kết quả là tốc độ nổi của các hạt dầu sẽ rất nhanh và
việc tách dầu ra khỏi NTND cũng diễn ra nhanh chóng. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ ngƣng
tụ các hạt dầu tăng. Đƣờng kính các hạt dầu cũng đóng một vai trò quan trọng khi mà tốc
độ nổi lên (hạt dầu) tỷ lệ bình phƣơng với đƣờng kính hạt [68, 84].
b. Cơ chế phá nhũ tương dầu/nước trong NTND bằng phương pháp vi sóng điện từ
Theo Lidström et al., năng lƣợng vi sóng là một bức xạ không ion hóa, là nguyên nhân
gây ra chuyển động phân tử bằng cách dịch chuyển các ion và sự quay lƣỡng cực, mà
không gây ra bất kỳ sự thay đổi cấu trúc nào của phân tử. Nói cách khác, năng lƣợng đƣợc
chuyển từ các nguồn bức xạ vi sóng tới vật liệu (NTND) thông qua các cơ chế quay lƣỡng
cực và dẫn ion. Quay lƣỡng cực là sự tƣơng tác của thành phần điện trƣờng với các chất,
tạo ra nhiệt do ma sát với các phân tử bên cạnh, trong khi dẫn ion là sự chuyển động của
các ion hòa tan dƣới ảnh hƣởng của một điện trƣờng, từ đó dẫn đến tăng mức độ va chạm
và đƣợc chuyển thành nhiệt năng.
Công hiệu của chiếu xạ vi sóng đối với việc tách nhũ tƣơng dầu/nƣớc là do các tác dụng
sau [48, 68, 84]:
- Giảm độ nhớt của pha phân tán (dầu) do sự gia tăng của nhiệt độ; điều đó hỗ trợ sự
tiếp xúc các hạt dầu;
- Giảm sự ổn định của nhũ tƣơng-kết quả của quay cảm ứng vi sóng gây ra cho các
phân tử dầu, làm vô hiệu hóa đƣợc điện thế Zeta của các hạt phân tán;
- Giảm sự ổn định của nhũ tƣơng-kết quả của sự phá vỡ liên kết hóa học giữa các
phân tử HĐBM và các phân tử dầu;
14


- Giảm độ dày của lớp màng (phim) tiếp xúc của chất HĐBM do sự mở rộng của pha
phân tán, có tác dụng gây ra sự gia tăng của áp lực bên trong hạt dầu trong quá trình
chiếu xạ vi sóng. Sau đây là một số ví dụ về sự truyền dẫn nhiệt của chiếu xạ vi sóng
[48, 68, 84].

Vật liệu dẫn điện, ví dụ, kim loại

Vật liệu cách điện, ví dụ, nhựa

Vật liệu hấp thụ, ví dụ, nƣớc, nhũ tƣơng dầu thô…
Hình 1.6 Minh họa đặc tính hấp thụ vi sóng cho dây dẫn, vật liệu cách điện và vật liệu hấp thụ

Vật liệu khác nhau có diễn biến khác nhau khi tiếp xúc với tia chiếu xạ vi sóng. Vật liệu
hấp thụ chùm tia vi sóng đƣợc gọi là chất điện môi và tùy thuộc vào sự tƣơng tác của
chúng với chùm tia chiếu xạ vi sóng, các vật liệu điện môi có thể đƣợc phân thành vật liệu
dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu hấp thụ (hình 1.6).
Khi bức xạ vi sóng thâm nhập vào một vật liệu, tổng năng lƣợng hấp thụ bởi vật liệu ở
bất kỳ năng suất cụ thể nào của chùm tia bức xạ vi sóng phụ thuộc vào tính chất điện môi
của vật liệu. Đứng đầu trong số những đặc tính này là tang số tổn hao của chúng (còn gọi
là hệ số tổn hao), nó đƣợc định nghĩa là một thƣớc đo tỷ lệ tổn thất điện năng. Về mặt toán
học, tang số tổn hao (tang δ là một tỷ lệ của hệ số tổn hao điện môi của vật liệu , cho
hằng số điện trƣờng ), chẳng hạn phƣơng trình 1.7 [26, 68]:
(1.7)
Ở đây: δ là góc tổn hao điện môi (là sự khác biệt giữa 90o và góc pha điện môi) và hằng
số điện môi là thƣớc đo khả năng của vật liệu lƣu giữ năng lƣợng vi sóng; yếu tố tổn hao
điện môi là thƣớc đo khả năng tiêu hao năng lƣợng của vật liệu.
Giá trị lớn của tang số tổn hao đồng nghĩa với sự tổn hao nhiều năng lƣợng vi sóng ở
trong vật liệu, trong khi giá trị thấp hơn của tang số tổn hao biểu hiện cho sự tổn hao ít
năng lƣợng vi sóng ở trong vật liệu. Tang số tổn hao khác với các tính chất điện môi ở hệ
số công suất Pf và độ sâu thâm nhập Dp.
15


Hệ số công suất là một hàm số của hệ số tổn hao và đƣợc định nghĩa là tỷ số của hệ số

tổn hao đối với công suất biểu kiến. Giá trị của hệ số công suất càng cao, sự tổn hao công
suất vi sóng bên trong vật liệu càng thấp và ngƣợc lại. Về mặt toán học, hệ số công suất
đƣợc thể hiện nhƣ phƣơng trình 1.8 sau [90]:
(1.8)

√

Độ sâu thâm nhập là chiều sâu mà năng lƣợng đã đƣợc giảm dần (giảm động học) với
thời gian xấp xỉ 1/e. Khi sóng điện-từ đi vào môi trƣờng (NTND), bức xạ truyền dẫn sẽ bị
suy yếu theo cấp số nhân trong khi bức xạ truyền qua môi trƣờng lại chịu một tần số cao
hơn. Các thiết bị vi sóng hoạt động ở tần số cao có bƣớc sóng ngắn tƣơng ứng với độ sâu
thâm nhập nhỏ hơn [84, 89].
Theo Lidström et al., hằng số điện môi có thể thay đổi với nhiệt độ ở tần số mà hầu hết
các thiết bị vi sóng thiết lập ở bƣớc sóng 2,45GHz [77]. Độ dài sóng λm của bức xạ và độ
sâu thâm nhập Dp trong một mẫu có liên quan đến hằng số điện môi và tổn hao điện môi
nhƣ phƣơng trình 1.9 sau:
(√

( )

)

(1.9)

[

]

Hình 1.7 Cơ chế khử nhũ tương bằng chùm tia vi sóng

Hình 1.8 Minh họa về hai phương pháp đun nóng: a) đun nóng nhiệt thông thường; b) đun nóng
bằng vi sóng

16