nghiên cứu khả năng hấp phụ khí xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

TÓM TẮT
Xylene là một trong những thành phần khí thải gây ô nhiễm môi trường không
khí. Ống nano carbon là một loại vật liệu hấp phụ mới đang được các nhà khoa học
nghiên cứu về khả năng hấp phụ và tính ứng dụng của chúng. Đồ án tốt nghiệp này
nghiên cứu khả năng hấp phụ Xylene bằng vật liệu ống nano carbon nhằm góp phần vào
việc nghiên cứu xử lý Xylene trong môi trường không khí. Đồ án tập trung nghiên cứu,
so sánh và đánh giá về mặt cấu trúc của hai loại vật liệu là than hoạt tính và ống nano
carbon ( thông qua các kết quả SEM, BET, RAMAN); đánh giá và so sánh khả năng hấp
phụ Xylene giữa than hoạt tính và ống nano carbon, dựa trên sự thay đổi về lưu lượng
khí qua lớp vật liệu hấp phụ, nhiệt độ hấp phụ và nồng độ Xylene.
Kết quả phân tích SEM, BET, RAMAN cho thấy hình thái ống nano carbon là
dạng ống; cấu trúc đồng đều, trật tự hơn so với than hoạt tính.
Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng đến quá trình hấp phụ Xylene của hai loại vật
liệu ở các giá trị 10; 30; 50; 70; 90 mL/phút, cho thấy khả năng hấp phụ Xylene của hai
loại vật liệu tăng khi giảm lưu lượng dòng khí qua lớp vật liệu hấp phụ. Quá trình hấp
phụ đạt cân bằng tại 50 mL/phút.
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ hấp phụ đến quá trình hấp phụ Xylen của ống
nano carbon và than hoạt tính ở các giá trị 30; 35; 400C, cho thấy khi tăng nhiệt độ thì
khả năng hấp phụ Xylene của hai loại vật liệu đều có giảm.
Khi thay đổi nồng độ Xylene khảo sát (thay đổi thể tích Xylene 1; 2; 4; 8 μl),
đường cân bằng đẳng nhiệt của ống nano carbon và than hoạt tính đều tuân theo thuyết
hấp phụ của Langmuir nghĩa là cơ chế hấp phụ tạo thành các đơn lớp phân tử trên bề
mặt các lỗ xốp.
Trong cùng điều kiện khảo sát, khả năng hấp phụ Xylene của ống nano carbon
luôn tốt hơn so với than hoạt tính.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS Nguyễn Phan Khánh Thịnh

i


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

ABSTRACT
Xylene is a component of the emissions causing air pollution. Carbon nanotubes
are a new type of adsorbent that are of scientific research on the absorption capacity and
their applicability. This graduation thesis research Xylene sorption capacity of carbon
nanotube material in order to contribute to the study treatment Xylene in air
environment. Thesis focused research, comparison and assessment of both structural
material is activated carbon and carbon nanotubes (through the results of SEM, BET,
Raman); evaluate and compare Xylene sorption capacity between the activated carbon
and carbon nanotubes, based on a change in the gas flow through the adsorbent,
adsorption temperature and the concentration of xylene.
Analytical results SEM, BET, RAMAN showed that carbon nanotubes form the
tubular; uniform structure and order than the activated carbon.
Surveying the effects of flow Xylene to adsorption process of two kinds of
material in the value of 10; 30; 50; 70; 90 mL/min, indicating that the absorption
capacity of these two materials Xylene increased while reducing air flow through the
adsorbent. Adsorption equilibrium reached at 50 mL/min.
Surveying the effect of temperature on adsorption process Xylene of carbon
nanotubes and activated carbon in the value of 30; 35; 400C, indicating when the
temperature increases, the absorption capacity of these two materials Xylene are
reduced.
When changing concentrations survey Xylene (Xylene volume changes 1; 2; 4;
8 μl), line balance of CNTs and AC isothermal follow adsorption theory of Langmuir
adsorption mechanism means forming molecular monolayers on the surface of the pores.
In the same survey conditions, the absorption capacity of carbon nanotubes

Xylene always better than activated carbon.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS Nguyễn Phan Khánh Thịnh
ii


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp là sản phẩm của sinh viên trước khi rời khỏi trường đại học. Để
hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, sinh viên cần áp dụng tất cả kiến thức và hiểu biết tích
luỹ trong suốt những năm học ở trường. Chính vì vậy, những kiến thức mà em được tiếp
thu trong bốn năm học tại trường Đại học Tài Nguyên Môi Trường Tp.HCM là nền tảng
cho em thực hiện và hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Đầu tiên, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn
Th.s Nguyễn Phan Khánh Thịnh người đã nhiệt tình chỉ dạy, nhận hướng dẫn và giúp
đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Em cũng xin gửi lời cám ơn chân
thành nhất đến TS Lê Hữu Quỳnh Anh, Th.s Phan Vũ Hoàng Phương, Th.s Lê Vũ Vân
Khánh đã hướng dẫn và tạo mọi điều kiện tốt nhất để em có thể hoàn thành đồ án tốt
nghiệp này. Em cũng chân thành cám ơn phòng thí nghiệm Môi trường và Hoá đại cương
đã hỗ trợ máy móc và trang thiết bị trong suốt thời gian em thực hiện đề tài.
Em cũng gửi lời cảm ơn đến thầy cô khoa Môi Trường, những người đã cung cấp
cho em kiến thức hữu ích giúp em hoàn thành đồ án này.
Trong quá trình hoàn thiện đồ án tốt nghiệp không tránh những thiếu sót, em kính
mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ quý thầy, cô và bạn bè để bài báo cáo của em
thêm hoàn thiện.
Một lần nữa em xin cám ơn tất cả quý thầy cô.
Chúc quý thầy cô nhiều sức khoẻ.

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Ngọc Trâm

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS Nguyễn Phan Khánh Thịnh
iii


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI .......................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................... 1
1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ............................................................................................. 2
1.3. TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................. 2
1.4. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ........................................................................... 2
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KHÍ XYLENE PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ
XYLENE ................................................................................................... 3
2.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC DUNG MÔI HỮU CƠ DỄ BAY HƠI VOCs .............. 3
2.2. TỔNG QUAN VỀ XYLENE ............................................................................... 4
2.2.1. Cấu tạo: ............................................................................................................ 4
2.2.2. Tính chất vật lý và hoá học: ............................................................................. 5
2.2.3. Nguồn gốc phát sinh Xylene trong môi trường................................................ 5
2.2.4. Ứng dụng: ......................................................................................................... 5
2.2.5. Tác động của Xylene đến hệ sinh thái và con người ....................................... 5
2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ NHÓM KHÍ BTEX TRÊN THẾ GIỚI VÀ
VIỆT NAM ........................................................................................................... 6
2.3.1. Trên thế giới ..................................................................................................... 6

2.3.2. Việt Nam .......................................................................................................... 8
2.4. Tình hình nghiên cứu tính ống nano carbon trên thế giới .................................... 9
2.5. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ XYLENE .......................................................... 10
2.5.1. Phương pháp hấp phụ: .................................................................................... 10
2.5.2. Phương pháp thiêu đốt: .................................................................................. 11
2.5.3. Phương pháp sinh học .................................................................................... 13
2.5.4. Phương pháp ngưng tụ. .................................................................................. 13
2.6. LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ................................................... 14
2.6.1. Khái niệm về quá trình hấp phụ ..................................................................... 14
2.6.2. Phân loại ......................................................................................................... 14
2.6.3. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ............................................................ 15
2.6.4. Sự khuếch tán trong những phần tử xốp ........................................................ 18
2.7. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HẤP PHỤ ......................................................... 18
2.7.1. Than hoạt tính................................................................................................. 18
2.7.2. Ống nano carbon (CNTs) ............................................................................... 21
2.7.3. Một số vật liệu hấp phụ khác ......................................................................... 30
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ THỰC NGHIỆM .................................................. 32
3.1. THỰC NGHIỆM ................................................................................................ 32
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS Nguyễn Phan Khánh Thịnh
iv


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

3.2.1. Hoá chất, nguyên liệu, dụng cụ thí nghiệm.................................................... 32
3.2.2. Mô hình thực nghiệm ..................................................................................... 32
3.2.3. Cách thức tiến hành ........................................................................................ 35
3.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................... 39

3.1.1. Phương pháp GC – FID.................................................................................. 39
3.1.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning EleACron Microscope SEM) ........................................................................................................................ 40
3.1.3. Phương pháp hấp phụ đa lớp (BET) .............................................................. 41
3.1.4. Phương pháp đo phổ RAMAN ....................................................................... 41
3.3. XỬ LÝ SỐ NGHIỆM THỰC NGHIỆM............................................................ 41
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 43
4.1. CẤU TRÚC VẬT LIỆU HẤP PHỤ ................................................................... 43
4.1.1. So sánh đánh giá diện tích bề mặt riêng BET của các vật liệu ...................... 43
4.1.2. So sánh, đánh giá hình thái bề mặt của các vật liệu bằng phương pháp kính
hiển vi quét độ phân giải cao SEM ........................................................................... 44
4.1.3. Phân tích, đánh giá cấu trúc của vật liệu ........................................................ 45
4.2. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................................. 46
4.2.1. Kết quả đường chuẩn theo phương pháp GC – FID ...................................... 46
4.2.2. Kết quả thực nghiệm quá trình hấp phụ ......................................................... 47
4.3. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ XYLENE CỦA CNTs VÀ AC ............. 48
4.3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng đến khả năng hấp phụ Xylene của CNTs và AC .....
........................................................................................................................ 48
4.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ Xylene của CNTs và AC .... 50
4.3.3. Khảo sát động học của quá trình hấp phụ ...................................................... 52
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ..................................................................... 56
5.1. Kết luận ............................................................................................................... 56
5.2. Kiến nghị ............................................................................................................ 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 57

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS Nguyễn Phan Khánh Thịnh
v


Đồ án tốt nghiệp

Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1.

Công thức hoá học của BTEX ................................................................... 3

Hình 2.2.
Hình 2.3.
Hình 2.4.

Cấu trúc hoá học Xylene ........................................................................... 4
Đầu đốt của hệ thống thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp.......................... 11
Buồng đốt................................................................................................. 12

Hình 2.5.
Hình 2.6.

Buồng đốt có xúc tác ............................................................................... 12
Loại đường đẳng nhiệt hấp phụ theo Brunauer ....................................... 16

Hình 2.7.

Các dạng mao quản (a): hình trụ tròn, (b) hình khe, ............................... 20

Hình 2.8.

Cấu trúc graphit tạo bởi các mặt graphen ................................................ 22

Hình 2.9.

Hình 2.10.
Hình 2.11.

Mô tả cách cuộn tấm graphen để có được CNTs..................................... 23
Ảnh mô phỏng của ống nano carbon ....................................................... 24
Sơ đồ thiết bị hồ quang điện .................................................................... 27

Hình 2.12.
Hình 2.13.
Hình 2.14.

Hệ phóng điện hồ quang bằng plasma quay ............................................ 27
Sơ đồ hệ thiết bị bốc bằng laser ............................................................... 28
Sơ đồ khối hệ CVD nhiệt......................................................................... 29

Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.

Hoá chất sử dụng ..................................................................................... 32
Mô hình thực nghiệm............................................................................... 33
Sơ đồ mô hình thực nghiệm..................................................................... 34

Hình 3.4.

Sơ đồ xử lý than ....................................................................................... 36

Hình 3.5.
Hình 3.6.
Hình 3.7.

Hình 4.1.
Hình 4.2.

Ống chứa vật liệu hấp phụ thực nghiệm .................................................. 36
Quy trình xác định khối lượng ống hấp phụ. ........................................... 37
Mô hình tiến trình thí nghiệm .................................................................. 37
Hình thái bề mặt vật liệu (a) CNTs, (b) Than hoạt tính .......................... 44
Phổ tán xạ RAMAN của vật liệu (a) than hoạt tính, (b) CNTs ............... 46

Hình 4.3.
Hình 4.4.

Đường chuẩn Xylene phương pháp phân tích GC - FID ......................... 47
Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khả năng hấp phụ Xylene của vật liệu
CNTs và AC và lưu lượng ....................................................................... 49
Biểu đồ kết quả khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng đến khả năng hấp phụ
theo Mohammad. ..................................................................................... 50
Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ .......................... 51
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ theo Sone ..................... 52
Đồ thị của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với CNTs và AC 53
Đồ thị của mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich đối với CNTs và AC
................................................................................................................. 54

Hình 4.5.
Hình 4.6.
Hình 4.7.
Hình 4.8.
Hình 4.9.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm

GVHD: ThS Nguyễn Phan Khánh Thịnh
vi


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1
Bảng 2.2

Tính chất của BTEX .................................................................................. 3
Con đường tiếp xúc và triệu chứng nhiễm Xylene .................................... 6

Bảng 2.3
Bảng 2.4

Các nghiên cứu BTEX ở một số thành phố trên thế giới .......................... 7
Kết quả quan trắc BTEX ở một số thành phố trên thể giới ....................... 7

Bảng 2.5

Nồng độ trung bình BTEX tại các vị trí quan trắc ở TP.HCM.................. 8

Bảng 2.6
Bảng 2.7

So sánh nồng độ khí thải tại một số nước trong khu vực .......................... 9
Tính chất của SWCNTs và MWCNTs .................................................... 24

Bảng 3.1

Tiến trình khảo sát ................................................................................... 38

Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3

Diện tích bề mặt riêng của CNTs và AC ................................................. 43
Nồng độ và diện tích peak dãy chuẩn Xylene ......................................... 46
Kết quả thực nghiệm quá trình hấp phụ .................................................. 47

Bảng 4.4
Bảng 4.5
Bảng 4.6

Ảnh hưởng của lưu lượng đến độ hấp phụ Xylene của AC và CNTs ..... 49
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hấp phụ của AC và CNTs .......... 51
Kết quả xử lý số liệu theo thuyết Langmuir ............................................ 52

Bảng 4.7

Kết quả xử lý số liệu theo thuyết Freundlich........................................... 53

Bảng 4.8

Thông số đẳng nhiệt hấp phụ ................................................................... 55

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS Nguyễn Phan Khánh Thịnh

vii


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC

: Activated Carbon (than hoạt tính)

BET

: Brunauer Emmet Teller

BTEX

:Benzen, Toluen, Ethylbenzen, Xylene

BTX

: benzen, Toluen, Xylene.

CNTs

: Ống nano carbon

CVD

: Phương pháp lắng đọng hơi chế tạo ống nano carbon.

GC – FID

: Gas Chromatography – Flame Ioniation Detetor (Sắc kí khí).

IUPAC

: International Union of Pure and Applied Chemistry (Liên minh quốc tế
Hoá học thuần tuý và hoá học ứng dụng)

MWCNTs

: Multi Wall Nanotubes (ống nano đa tường)

SEM

: Scanning EleACron Microscope

SWCNTs

: Single Wall Nanotubes (ống nano đơn tường)

Tp.HCM

: Thành phố Hồ Chí Minh

VLHP

: Vật liệu hấp phụ

VOCs

:Volatile organic compounds

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS Nguyễn Phan Khánh Thịnh
viii


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm rất lớn đối với mọi
quốc gia. Các chất ô nhiễm gây ảnh hưởng không những trực tiếp mà còn lâu dài đối với
môi trường và đời sống con người. Trong các vấn đề ô nhiễm môi trường thì ô nhiễm
không khí do hoạt động công nghiệp, hoạt động giao thông vận tải.... mang lại nhiều
quan ngại lớn.
Ô nhiễm không khí gây ra do các loại khí thải như các khí vô cơ CO, H2S, NH3,
NOx.; các hợp chất halogen, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile organic compound
–VOCs). Benzen, Toluen, Xylene, Ethybenzen (BTEX), những hợp chất thuộc nhóm
VOCs, có độc tính cao đối với sức khoẻ con người và môi trường sống. BTEX được
phát sinh trong quá trình hoạt động cụ thể của con người qua hai hình thức cơ bản là khí
thải từ động cơ đốt trong như động cơ xăng hay điezen của các phương tiện giao thông
và phát sinh ra trong các quá trình sản xuất công nghiệp như công nghiệp sơn, công
nghiệp dệt, công nghiệp in....
BTEX có khả năng bay hơi tốt và bền trong không khí nên dễ phát tán với khoảng
cách xa và dưới tác dụng cuả tác nhân nhiệt độ, ánh sáng một số hợp chất có thể đổi

thành các hợp chất độc hại hơn rất nhiều so với chính nó. Hợp chất BTEX tạo thành các
đám mù quang hoá, ảnh hưởng xấu tới quá trình hô hấp của con người gây ra các chứng
ung thư hiểm nghèo, làm chậm phát triển đối với trẻ em ở các vùng dân cư gần khu công
nghiệp.
Chính vì những lý do trên mà việc xử lý khí thải đặc biệt là các hợp chất BTEX
là một vấn đề mang tính cấp bách đối với nhiều quốc gia nhất là Việt Nam khi mà tình
hình ô nhiễm đang tăng do trình độ công nghệ còn thấp, ý thức bảo vệ môi trường nói
chung và môi trường không khí nói riêng còn nhiều hạn chế.
Các nhà khoa học đã đề xuất ra khá nhiều phương pháp khác nhau có thể sử dụng
để loại bỏ các khí BTEX nói chung và Xylene nói riêng trong không khí bị ô nhiễm như
phương pháp phân huỷ nhiệt, phương pháp hấp phụ, phương pháp oxi hoá xúc tác. Trong
đó, hấp phụ là phương pháp thường được sử dụng để loại bỏ chất ô nhiễm có nồng độ
thấp trong không khí. Than hoạt tính (AC) là loại vật liệu sử dụng phổ biến trong phương
pháp hấp phụ. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý của than hoạt tính đối với một số hợp chất hữu
cơ chưa cao. Vì vậy, việc thay đổi vật liệu hấp phụ là để tăng hiệu suất xử lý của phương
pháp hấp phụ. Ống nano carbon (CNTs) là một loại vật liệu hấp phụ mới được các nhà
khoa học kiểm chứng có những ưu điểm vượt bậc hơn than hoạt tính,đặc biệt trong việc
xử lý BTEX. Tuy nhiên, CNTs vẫn chưa được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi để xử
lý Xylene trong không khí bị ô nhiễm.
1.1.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
1


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Dựa trên những lập luận, đã lựa chọn đề tài đề xuất “Nghiên cứu khả năng hấp

phụ khí xylene bằng vật liệu ống nano carbon” nhằm góp phần vào việc nghiên cứu xử
lý Xylene.
1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ Xylene của than hoạt tính.
- Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ Xylene của ống nano carbon.
- So sánh đánh giá khả năng hấp phụ Xylene của vật liệu ống nano carbon và than
hoạt tính.
1.3. TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu tổng quan: tổng quan về tình hình ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ
dễ bay hơi, tình hình nghiên cứu xử lý Xylene trên thế giới và trong nước. Tổng
quan về các vật liệu hấp phụ: than hoạt tính và ống nano carbon.
- Nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý Xylene của than hoạt tính và vật liệu ống
nano carbon.
 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ.
 Nghiên cứu ảnh hưởng của các nồng độ đầu vào khác nhau của Xylene.
 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ.
1.4. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
Đề tài được xây dựng và thực hiện theo những phương pháp sau:
- Phương pháp sắc ký khí (GC)
- Phương pháp đo phổ RAMAN
- Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
- Phương pháp hấp phụ đa lớp (BET)

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
2


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ KHÍ XYLENE
PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ XYLENE
TỔNG QUAN VỀ CÁC DUNG MÔI HỮU CƠ DỄ BAY HƠI VOCs
Dung môi hữu cơ bay hơi (Volatile organic compounds – VOCs) nói chung và
các hydrocacbon thơm nhóm BTEX (Benzen, Toluen, Ethylbenzen và Xylene) nói riêng
được sử dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau như sản xuất sơn, giầy da,
dệt vải, thuốc bảo vệ thực vật, công nghiệp hoá chất... Đây là hợp chất thơm dễ bay hơi
thường được tìm thấy trong sản phẩm dầu khí, chẳng hạn như xăng và diesel. Chúng
còn có công thức cấu tạo như sau [1]:
2.1.

Hình 2.1. Công thức hoá học của BTEX
Benzen là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy, ít tan trong nước và dung
môi. Được sử dụng làm dung môi công nghiệp. [2]
Toluen là chất lỏng trong suốt, không màu có mùi gần giống Benzen, không tan
trong nước, rất dễ cháy. Toluen được ứng dụng trong sản xuất sơn, pha loãng sơn, nước
làm bóng móng tay, sơn mài, keo dính, cao su, in ấn, thuộc da, dùng làm dung môi hoà
tan nhiều loại vật liệu. [3]
Ethylbenzen là chất lỏng, không màu có mùi giống xăng dầu, bay hơi ở nhiệt độ
thường, dễ cháy nổ. [4]
Xylene là chất lỏng không màu, có mùi đặc biệt của dung môi thơm, không tan
trong nước, tan tốt trong dung môi không phân cực, dễ cháy. Xylene được ứng dụng làm
dung môi trong ngành in, cao su, công nghiệp da, pha loãng sơn, vani, công nghiệp tổng
hợp, có mặt trong lớp ủ ngoài của vải và giấy. Tính chất vật lý của BTEX được trình
bày trong bảng 2.1 [5].
Bảng 2.1 Tính chất của BTEX
ST
T

1

Đặc tính

Benzen

Công thức
C6H6
phân tử

Toluen

Ethylbenzen

m-Xylene

C6H5CH3

C6H5C2H5

mCH3C6H4CH3

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
3


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

ST
T
2

3

4
5
6

Đặc tính
Khổi lượng
phân
tử
(g/mol)
Điểm sôi
(0C) ở 760
mmHg
Điểm nóng
chảy (0C)
Tỷ trọng
(g/cm)
Độ phân
cực
Một số tính
chất chung

Benzen

Toluen

Ethylbenzen

m-Xylene

87,12

92,15

106,17

106,17

80,1

110,6

136,1

139,1

5,5

-95

-95

-47,9

0,8765

0,8669

0,8670

0,8642

3

2,3

-

2,4

Là hợp chất không màu, không tan trong nước ở điều kiện bình
thường tồn tại dạng lỏng, dễ cháy, có mùi đặc trung của
7
hyđrocacbon thơm, tan trong ancol, clorofom, ete,
cacbonđisunfua, axeton....
Ghi chú”–”: không có số liệu
2.2. TỔNG QUAN VỀ XYLENE
2.2.1. Cấu tạo:
Xylen là tên gọi một nhóm ba dẫn xuất của benzen là ba đồng phân octo-, metavà para- của dimetey benzen (xylene còn có tên gọi khác là Xylol ). Các đồng phân o-,
m- và p- được đặc trưng bởi các vị trí các nguyên tử cacbon (của vòng benzen) mà 2
nhóm metyl đính vào. Các đồng phân o, m, và p có danh pháp IUPAC lần lượt là 1,2dimetylbenzen, 1,3- dimetylbenzen và 1,4- dimetylbenzen.

Hình 2.2. Cấu trúc hoá học Xylene
Xylene thương mại bao gồm hỗn hợp đồng phân ortho-, para- và meta-. Xylene
được tìm thấy từ nguồn xăng dầu có chứa xấp xỉ 20% o-, 44% m- và 20% p- xylene, và

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
4


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

15% ethylbenzene. Xylen được tìm thấy từ nguồn gốc than đá bao gồm khoảng 10-15%
o-, 45-70% m-, 28% p-Xylene, 6-10 % ethylbenzen [6].
2.2.2. Tính chất vật lý và hoá học:
Xylene là một chất lỏng không màu, trong, dễ cháy có mùi thơm như
hydrocarbon. Không tan trong nước. Có thể trộn lẫn với alcohol và nhiều dung môi hữu
cơ. Ngưỡng ngửi thấy mùi từ 0,35 đến 174 mg/m3 [6]
2.2.3. Nguồn gốc phát sinh Xylene trong môi trường
a. Nguồn gốc tự nhiên:
Xylene có tự nhiên trong xăng và than đá và phát sinh trong quá trình cháy rừng.
Nó được tìm thấy với số lượng nhỏ trong nhiên liệu máy bay.
b. Nguồn gốc nhân tạo:
Xylene phát sinh trong môi trường từ sản xuất công nghiệp: làm bao bì, đóng tàu,
các ngành sản xuất có sử dụng Xylene. Khí thải do phương tiện giao thông cũng đóng
góp một lượng xylene trong môi trường không khí [7].
2.2.4. Ứng dụng:
Xylene là một dung môi được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và
thương mại. Xylene được sử dụng như là chất làm tăng octan trong xăng, dầu. Nó là một
dung môi trong mực, phẩm màu, keo dán, chất làm sạch và tầy rửa [6]. Ngoài ra, còn
được dùng trong thuốc trừ sâu. Mỗi một đồng phân của xylene đều có ứng dụng đặc biệt
trong các ngành công nghiệp. Xylene được sử dụng như là dung môi trong in ấn, cao su
và trong công nghệ da, lớp lót sơn và trong vecni.
2.2.5. Tác động của Xylene đến hệ sinh thái và con người

a. Hệ sinh thái:
Xylene lỏng có thể đi vào đất, nước mặt, sông, suối hay cả mạch nước ngầm.
Xylene dễ bay hơi và có thể tồn tại vài ngày trong không khí. Trong không khí, xylene
bị phân huỷ bởi ánh sáng mặt trời và kết hợp với các hoá chất có hại khác. Trong nước,
Xylene có thể bay hơi một phần, phần còn lại của nó bị phân huỷ chậm thành những
chất khác trong nước. Xylene không bền trong môi trường nước, chúng ta không biết
chính xác Xylene tồn tại bao lâu trong nước nhưng nó sẽ tồn tại trong nước ngầm lâu
hơn là trong các sông hồ vì tính dễ bay hơi của nó.
b. Con người:
Hầu hết mọi người có thể ngửi thấy Xylene trong không khí với nồng độ từ 0,08
đến 3,7 ppm và có thể nếm thấy nó trong nước với nồng độ là 0,53 – 1,8 ppm.
Con người có thể phơi nhiễm Xylene qua đường hô hấp, tiêu hoá và qua da.
Những người làm việc trong nhà máy sản xuất sản sơn, làm trong phòng thí nghiệm,
người chưng cất Xylene, làm việc trong các gara,.... đều có khả năng phơi nhiễm Xylene
ở liều lượng khá cao [7].
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
5


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Xylene xâm nhập vào cơ thể người phần lớn qua đường hô hấp, qua đường ăn
uống và qua da thì ít hơn. Khi hít phải xylene, khoảng 50 – 75% sẽ được hấp thu vào
phổi. Một lượng nhỏ xylene sẽ được tìm thấy trong hơi thở và nước tiểu của người bị
phơi nhiễm sau 2 giờ. Hầu hết xylene sẽ được thải ra ngoài cơ thể sau 18 giờ kết thúc
phơi nhiễm. Khoảng 4-10% xylene có thể bị giữ lại trong mỡ một thời gian dài trước
khi thải ra.
Phơi nhiễm Xylene ở hàm lượng cao trong thời gian ngắn có thể gây kích ứng da,

mắt, mũi, cổ họng, khó thở, suy giảm chức năng phổi, làm chậm các phản ứng của thị
giác, giảm trí nhớ, đau dạ dày và có thể một số thay đổi ở gan và thận. Đối với Xylene,
khi bị phơi nhiễm ở hàm lượng cao thì cho dù trong thời gian dài hay ngắn đều ảnh
hưởng đến hệ thần kinh, thiếu vận động cơ, chóng mặt, rối loạn và thay đổi sự cân bằng
của cơ thể. Các thông tin nghiên cứu trên động vật không đủ để chứng minh Xylene gây
ung thư ở người.
Bảng 2.2 Con đường tiếp xúc và triệu chứng nhiễm Xylene
Con đường phơi nhiễm
Tiếp xúc với mắt

Triệu chứng

Gây kích ứng, bỏng giác mạc, gây mù
Gây kích ứng mũi, cổ hong. Hít phải nồng độ cao
có thể gây buồn nôn, nôn mửa, nhức đầu, khó
Đường hô hấp
thở... Nồng độ cao gây mê và trầm cảm hệ thần
kinh.
Tiếp xúc qua da
Gây viên da
Nếu nuốt phải có thể gây cháy miệng, họng, dạ
Tiếp xúc qua đường tiêu hoá
dày. Triệu chúng bao gồm: chay máu, nôn, tiêu
chảy, hạ huyết áp có thể gây tử vong.
2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ NHÓM KHÍ BTEX TRÊN THẾ GIỚI VÀ
VIỆT NAM
2.3.1. Trên thế giới
BTEX đã và đang được các quốc gia trên thế giới tiến hành quan trắc, đặc biệt là
ở các thành phố lớn của các quốc gia phát triển đã tiến hành khảo sát thường xuyên nồng
độ của BTEX trong môi trường không khí.

Các nghiên cứu được thực hiện với các loại tiếp xúc BTEX khác nhau như: đô
thị, xe bus, đường hầm, trong nhà, cá nhân, môi trường xung quanh,… và với các đối
tượng, các điểm quan trắc khác nhau: nhân viên bán hàng, lái xe, nhân viên ở trạm xăng,
người bán hàng rong, nhân viên văn phòng, giao thông đường phố, … Nghiên cứu tiếp
xúc cá nhân với BTEX ở Ấn Độ đã cho thấy BTEX ở mức độ cao (527,3/ 472,8/ 1265,5/
402,8 µg/m3). Nghiên cứu ở thành phố Mexico tiến hành đo tiếp xúc cá nhân với BTEX
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
6


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

được thực hiện trên các đối tượng là: nhân viên trạm xăng, người bán hàng rong, nhân
viên văn phòng. Kết quả chỉ ra phơi nhiễm BTEX trong nhân viên trạm xăng là cao nhất
(310/ 680/ 110/ 490 µg/m3) trong bảng 2.4 [8].
Bảng 2.3 Các nghiên cứu BTEX ở một số thành phố trên thế giới
Vị trí
Trung Quốc
Kolkata, Ấn
Độ

Loại tiếp xúc
(thời gian)
Đô thị
(30phút)
Cá nhân (3-4
giờ)
Cá nhân

Mexico City

Karachi,
Pakistan

(ca làm việc)
Xung quanh
(4-6 giờ)

Detroit, USA

Xe / đường

Rouen, Pháp

Cá nhân (5
ngày)

Đối tượng
hoặc nơi

Các chất
ô nhiễm

Nồng độ

Quảng Châu

BTEX

51,5/ 77,3/ 17,8/ 81,6

Lái xe bus

BTEX

(µg/m3)

527,3 /472,8 /1265,5/
402,8

Trạm xăng
Hàng rong
Văn phòng

BTEX
BTEX
BTEX

Giao thông
đường phố

BTX

Xe bus

BTEX

Không hút

thuốc

Benzen

310/ 680/ 110/ 490
77/ 160/ 28/ 128
44/ 470/ 17/ 81
16,6/ 26,8/ 8,2
4,5/ 10,2/ 9/ 2,1
10,3

[8].
Kết quả quan trắc chất lượng không khí của thành phố Coruna (nằm miền trung
của Tây Ban Nha) là: Benzen 3,4 μg/m3, Toluen 23,6 μg/m3, Ethylbezen 3,3 μg/m3,
Xylen 2,7 μg/m3. Ở Đan Mạch, nồng độ trung bình của benzen trong không khí ngoài
trời ở đô thị là 2,9 μg/m3. Nồng độ trung của BTEX được quan trắc ở Đức là: benzen
9,6 μg/m3, toluen 25,7 μg/m3, xylen 27,6 μg/m3. Antwerp (một tỉnh của nước Bỉ) cũng
đã tiến hành quan trắc và kết quả thu được với hàm lượng benzen là 4,4 μg/m3. Kết quả
quan trắc BTEX ở một số thành phố khác trên thế giới được trình bày trong bảng 6 [9].
Bảng 2.4 Kết quả quan trắc BTEX ở một số thành phố trên thể giới
Ioannina
Tên chất

Hy Lạp
3

(µg/m )

HongKong
Trung Quốc

3

(µg/m )

Yokohama
Nhật Bản
3

(µg/m )

Koltaca
Ấn Độ
(µg/m3)

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
7


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Benzen

11,3-40,5

2,8-15,1

0,38-1,13

91,9

Toluen

19,7-101,1

4,6-139,4

1,23-8,95

158,7

Etylbenzen

-

2,2-24,7

0,12-0,88

61,1

Xylen

12,5-52

4,2-41,3

0,26-0,64

133,6
[9]

2.3.2. Việt Nam
Đã có rất nhiều nghiên cứu về nồng độ BTEX trong không khí ở Việt Nam, các
nghiên cứu tập trung vào quan trắc BTEX có trong không khí tại những vị trí giao thông
khác nhau, tại các thời điểm khác nhau trong ngày.
Hàm lượng BTEX trong xăng dầu khi không được kiểm soát chặt chẽ sẽ làm gia
tăng các chất độc hại trong không khí, rất có hại cho sức khoẻ con người. Từ năm 2000,
2003 và 2005, Trung tâm Dịch vụ Phân Tích Thí Nghiệm và Phòng quản lý Môi trường
thuộc Sở Khoa học, Công nghệ và Môi trường trước đây đã hợp tác phân tích Benzen,
Toluen và Xylen (BTX) ở một số mẫu không khí với phương pháp lấy mẫu thụ động
với kết quả trong bảng 2.6 [7].
Bảng 2.5 Nồng độ trung bình BTEX tại các vị trí quan trắc ở TP.HCM
Nồng độ trung
bình/năm 2000

Nồng độ trung
bình/năm 2003

Nồng độ trung Khuyến cáo
bình/năm 2005 của WHO

Benzen

99,2 µg/m3

38,3 µg/m3

30,2 µg/m3

5 µg/m3

Toluen

172,6 µg/m3

74,3 µg/m3

81 µg/m3

120 µg/m3

Xylen

123,9 µg/m3

76,3 µg/m3

78,3 µg/m3

[7]
Năm 2014, một nghiên cứu về BTEX tại nút đường giao thông Hoàng Văn Thụ
thành phố Hồ Chí Minh cho thấy tỷ lệ phát thải theo giờ của benzen, toluen, ethybenzen,
m,p – xylene và o – xylene đạt giá trị theo thứ tự 18 – 435, 52 – 1493, 6 – 131, 18 – 655
và 6 – 194 g/km.h. Phát thải BTEX đạt đỉnh tại các khung giờ 7h – 8h, 11h – 12h và 18h
– 19h cũng trùng với giờ cao điểm (tại khung giờ này lượng phương tiện tham gia giao
thông qua tuyến đường đông.)
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh

8


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Bảng 2.6 So sánh nồng độ khí thải tại một số nước trong khu vực

Benzen

Nồng độ BTEX, µg/m3
m,pToluen Ethylbenzen
xylene

TP.HCM (với điều
kiện giao thông trung
bình trên các tuyến 6 – 53 14 – 170
đường), các ngày
trong tuần
Ha
Noi
(đường
65
62
Trường Chinh) (2007)
Bangkok, Dingdaeng
(một tuyền đường có
lượng phương tiện 6,9 ±2,9 17± 8,8
tham gia giao thông
cao) (2013)

Pahtumthani,
Paholyonthin
(một
tuyến đường có lượng
13,9 ±
5,3± 3,1
phương tiện tham gia
13,6
giao thông trung bình)
(2013)
Khu vực đông dân và
giao thông đông đúc,
137 ±
15 ± 23
Mong Kok, Hong
195
Kong (2002)

o - xylene

3 – 24

5 – 59

2 – 21

15

43

22

2,3 ± 1,2

5,9 ± 3,1

2,3 ± 1,7

3,7 ± 2,7

12 ± 19

22 ± 37

11 ± 15
[9]

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TÍNH ỐNG NANO CARBON TRÊN THẾ
GIỚI
Ống nano carbon là một trong những loại vật liệu mới đang được các nhà nghiên
cứu khoa học quan tâm về khả năng ứng dụng của nó trong xử lý môi trường.
Theo nghiên cứu của Fengsheng Su và công sự đã nghiên cứu xử lý BTEX bằng
ống nano cacbon CNTs bị oxy hoá bởi NaOCl. [10] Quá các thí nghiệm khảo sát,
Fengsheng kết luận MWCNTs bị oxi hoá bởi NaOCl và được sử dụng như một vật liệu
hấp phụ. Tính chất hoá lý và độ tinh khiết của CNTs được cải thiện. Khả năng hấp phụ
BTEX tăng.
2.4.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh

9


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Mehdi Jahangiri và công sự đã tiến hành nghiên cứu khả năng hấp phụ BTX của
ống nano carbon và một số thông số khác. [11] Từ các thí nghiệm khảo sát nghiên cứu
cho thấy sự hấp phụ BTX của CNTs là khác nhau. Dung lượng hấp phụ Benzen; Toluen;
o – xylene; m – xylene và p-xylene lần lượt là 0,041143; 0,05288; 0,05826; 0,05825 và
0,05825 g/g. Khả năng hấp phụ BTX của CNTs tăng dần theo thứ tự là Benzen < o – xylene < m – xylene < p-xylene.
2.5. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ XYLENE
Các phương pháp để xử lý khí Xylene nói riêng và BTEX nói chung
- Phương pháp hấp phụ
- Phương pháp thiêu đốt
- Phương pháp sinh học
- Phương pháp ngưng tụ
2.5.1. Phương pháp hấp phụ:
Hấp phụ là quá trình phân ly khí dựa trên ái lực của một số chất rắn đối với một
số loại khí có mặt trong hỗn hợp khí nói chung và trong khí thải nói riêng, các phân tử
chất khí ô nhiễm trong khí thải bị giữ trên bề mặt của vật liệu rắn.
Vật liệu rắn sử dụng trong quá trình này được gọi là chất hấp phụ, còn chất khí
bị giữ lại trong chất hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ.
Hấp phụ là phương pháp phổ biến để xử lý thu hồi dung môi bằng các chất hấp
phụ như than hoạt tính, silica-gel, zeolit... ngoài ra còn có các vật liệu hấp phụ trên cơ
sở than hoạt tính như vải, sợi than hoạt tính có khả năng hấp phụ tốt và bền nhiệt.
 Đặc điểm của quá trình hấp phụ:
Quá trình hấp phụ được áp dụng rất phù hợp cho những trường hợp sau:
- Chất khí ô nhiễm không cháy được hoặc khó đốt cháy.

- Chất khí cần khử là có giá trị cần thu hồi.
- Chất khí ô nhiễm có nồng độ thấp trong khí thải mà các quá trình khử khí khác
không thể áp dụng được.
Ưu điểm:
- Làm sạch và thu hồi được khá nhiều chất ô nhiễm thể hơi hay khí. Nếu các chất
này có giá trị kinh tế cao thì sau khi hoàn nguyên chất hấp phụ chúng sẽ được tái
sử dụng trong công nghệ sản xuất mà vẫn giảm được tác hại gây ô nhiễm.
- Chất hấp thụ khá dễ kiếm, rẻ tiền. Thông dụng nhất là than hoạt tính (hấp phụ
được nhiều chất hữu cơ).
Nhược điểm:
- Khi hoàn nguyên chất hấp phụ sẽ sinh ra các trường hợp ô nhiễm thứ cấp (nếu
chất ô nhiễm hoàn toàn là chất độc hại nguy hiểm cần thải bỏ hay có giá trị kinh
tế không cao, không cần tái sử dụng). Trường hợp chất hấp phụ có giá thành rẻ,
dễ kiếm có thể bỏ đi được.
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
10


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Không hiệu quả khi dòng khí ô nhiễm chứa cả bụi lẫnchất ô nhiễm thể hơi hay
khí vì bụi dễ gây tắc thiết bị và làm giảm hoạt tính hấp phụ của chất hấp phụ (nếu
dùng phương pháp hấp phụ ta phải lọc bụi trước khi cho dòng khí vào tháp)
- Hiệu quả kém nếu nhiệt độ khí thải cao.
- Với các chất khí bị hấp phụ có khả năng bắt cháy cao việc tiến hành giải hấp bằng
dòng khí có nhiệt độ cao cũng sẽ vấp phải nguy cơ cháy tháp hấp phụ.
2.5.2. Phương pháp thiêu đốt:
Về mặt biện pháp thực hiện, quá trình thiêu đốt chất ô nhiễm có thể được phân

chia thành 3 dạng khác nhau:
- Thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp trong không khí.
- Thiêu đốt có buồng đốt.
- Thiêu đốt có xúc tác.
a. Thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp:
Thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp là biện pháp làm khí ô nhiễm cháy trực tiếp
trong không khí mà không cần cấp nhiên liệu bổ sung, trường hợp chung chỉ cần nhiên
liệu để mồi lửa và để điều chỉnh khi cần thiết.
-

1- Ống dẫn khí thải, 2-Vòng khống chế vận tốc khí thải
3 - Ống góp phân phối hơi nước, 4-Các điểm phun hơi,5-Bộ phận mồi lửa
Hình 2.3. Đầu đốt của hệ thống thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp
b. Thiêu đốt có buồng đốt:
Thiêu đốt có buồng đốt được áp dụng rộng rãi đối với các loại khí thải có chứa
chất ô nhiễm dạng khí, hơi hoặc sol khí cháy được với nồng độ tương đối thấp. Các bộ
phận chính và quan trọng của hệ thống thiêu đốt này là buồng đốt, các vòi đốt, bộ phận
điều chỉnh quá trình và dụng cụ chỉ thị nhiệt độ.
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
11


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Buồng đốt thường có dạng hình trụ và được xây dựng bằng vỏ thép ốp gạch chịu
lửa. Nhiệt độ trong buồng đốt khoảng 9000C đến 15000C. Vận tốc khí trong buồng đốt
dao động động trong khoảng 5-8 m/s và thời gian lưu của dòng khí trong buồng đốt
khoảng 0,2 – 0,5s.Trong quá trình đốt nếu cần thiết phải thêm nhiên liệu phụ trợ vào

buồng đốt. Khi nồng độ cháy trong khí thải quá thấp, nhiệt lượng cháy của nó không đủ
để duy trì sự cháy, người ta dùng biện pháp hâm nóng khí thải trước khi đưa vào buồng
đốt.

1. Khí thải đi vào thiết bị thiêu đốt; 2. Bề mặt trao đổi nhiệt sấy nóng khí thải;
4 Nhiên liệu; 4. Vòi đốt; 5. Khí sạch ra.
Hình 2.4. Buồng đốt
c. Thiêu đốt có xúc tác:
Thiêu đốt có xúc tác là một bước phát triển tiếp theo của công nghệ xử lý khí thải
trong không gian kín – buồng đốt.
Phương pháp này có những ưu điểm sau:
- Làm giảm nhiệt độ của buồng đốt.
- Phản ứng cháy trên bề mặt vật liệu xúc tác diễn ra rất nhanh và cường độ rất
mạnh.
- Nhiệt độ cháy trên bề mặt chất xúc tác thấp hơn, vào khoảng 2000C – 4500C.

1. Lớp đệm bằng vật liệu xúc tác; 2. Bề mặt trao đổi nhiệt để sấy nóng khí thải;
2. Khí thải dẫn vào; 4. Khí sạch thoát ra ống khói; 5. Cấp nhiên liệu; 6. Cấp không
khí; 7. Vòi đốt; 8. Đường dẫn khí thải vào buồng đốt.
Hình 2.5. Buồng đốt có xúc tác
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
12


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Ưu điểm:
- Những khí có khả năng bắt cháy cao, thông thường những hợp chất hữu cơ nhất

là các hợp chất hữu cơ chưa no là những chất có khả năng bắt cháy cao khi đốt.
- Phương pháp đốt trực tiếp là giải pháp thỏa đáng khi xử lý khí thải không chứa
nhiều chất ô nhiễm vô cơ như S, Cl, F…
- Trong những trường hợp khí thải có nhiệt độ cao có thể không cần phải gia nhiệt
trước khi đưa vào đốt.
- Phương pháp đốt hoàn toàn phù hợp với việc xử lý các khí thải độc hại không
cần thu hồi hay khả năng thu hồi thấp, khí thu hồi không có giá trị kinh tế cao.
- Có thể tận dụng nhiệt năng trong quá trình xử lý vào mục đích khác.
Nhược điểm:
- Phải có hệ thống thiết bị đốt thích hợp không sinh ra khói và các chất ô nhiễm
thứ cấp gây độc hại. Nên trong khi nghiên cứu, thiết kế triển khai phải chú ý tốt
đến tất cả các điều kiện để duy trì phản ứng cháy để có một thiết bị đốt cho hiệu
quả cao.
2.5.3. Phương pháp sinh học
Xử lý khí thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào vi sinh vật để phân huỷ các
chất hữu cơ có trong thành phần khí thải thành CO2, H2O và các sản phầm ít nguy hại
hơn.
Phương pháp sinh học này phù hợp với dòng khí thải có nồng độ chất cần xử lý
thấp và chất cần xử lý phải có khả năng phân huỷ sinh học. Theo lý thuyết, quá trình
sinh học có hiệu suất xử lý khí thải trên 80% và nó còn phụ thuộc vào tính chất của chất
ô nhiễm.
Ưu điểm
- Thiết bị đơn giản, vận hành không phức tạp.
- Không sinh ra thêm chất ô nhiễm từ CO2, H2O, sinh khối và khoảng chất
- Quá trình xảy ra ở nhiệt độ thường vẫn an toàn.
- Vốn đầu tư ban đầu và chi phí vận hành thấp hơn các phương pháp khác.
- Năng lượng tiêu thụ thấp.
Nhược điểm
- Chỉ hiệu quả đối với một số chất đặc trưng.
- Gây ăn mòn thiết bị và đường ống.

- Nhạy cảm với nhiệt độ, nồng độ và hơi nước.
- Cần thời gian cho sự phát triển của vi sinh vật.
- Khó kiểm tra được khả năng phân huỷ sinh học của vi sinh.
2.5.4. Phương pháp ngưng tụ.
Phương pháp ngưng tụ áp dụng để xử lý khí thải ở lò cao, dùng khi nồng độ chất
ô nhiễm trong khí thải tương đối thấp, các phương pháp xử lý khác không đạt.
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
13


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự hạ nhiệt độ môi trường xuống một
giá trị nhất định thì hầu như các chất ở thể hơi sẽ ngưng tụ lại và sau đó được thu hồi
hoặc xử lý tiêu huỷ. Ở điều kiện làm lạnh bình thường, nếu xử lý bằng ngưng tụ thường
khi thu hồi sẽ thu được hơi các dung môi hữu cơ, hơi axit. Tất nhiên phương pháp này
chỉ phù hợp với những trường hợp khí thải có nồng độ hơi tương đối cao (>> 20g/m3).
Trong trường hợp nồng độ nhỏ, người ta thường dùng các phương pháp hấp thụ hay hấp
phụ.
Ưu điểm:
- Không phát sinh thêm chất ô nhiễm thứ cấp
Nhược điểm:
- Có khả năng gây ăn mòn đường ống vì dòng khí có chứa hơi nước
- Kém hiệu quả hơn các phương pháp khác nếu nồng độ chất ô nhiễm thấp.
- Gây ra những vấn đề về xử lý nước thải.
2.6. LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ
2.6.1. Khái niệm về quá trình hấp phụ
Quá trình hấp phụ là quá trình hút chọn lựa các cấu tử trong pha khí hay pha lỏng

lên bề mặt chất rắn. Vật liệu rắn được sử dụng trong quá trình này gọi là chất hấp phụ
(adsorbent), còn chất được giữ lại gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate). Quá trình hấp phụ
được thực hiện bằng cách cho tiếp xúc hai pha không hòa tan là pha rắn (chất hấp phụ)
với pha khí hoặc pha lỏng(chất bị hấp phụ). Dung chất sẽ đi từ pha lỏng (hoặc khí) đến
pha rắn cho đến khi nồng độ của dung chất giữa hai pha đạt cân bằng.
2.6.2. Phân loại
Dựa vào bản chất của quá trình hấp phụ, có 2 loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và
hấp phụ hóa học:
a.

Hấp phụ vật lý

Hấp phụ vật lý (hấp phụ “Van Der Waals”) là hiện tượng tương tác thuận nghịch
của các lực hút giữa các phân tử chất rắn và của chất bị hấp phụ. Quá trình này đi kèm
với hiện tượng phát nhiệt, nhiệt hấp phụ khoảng từ 10-20 kJ/mol. Dung chất không thẩm
thấu vào mạng tinh thể của chất rắn mà chỉ bị giữ lại trên bề mặt chất rắn.
Quá trình hấp phụ vật lý là quá trình thuận nghịch. Khi đạt cân bằng áp suất riêng
phần của chất bị hấp phụ sẽ bằng với áp suất của pha khí, nếu hạ thấp áp suất khí hoặc
tăng nhiệt độ, chất hấp phụ sẽ được nhả hấp nguyên dạng. Tính chất thuận nghịch của
quá trình hấp phụ vật lý có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi cần thu hồi chất bị hấp phụ
có giá trị hoặc khi cần hoàn nguyên chất hấp phụ đã bão hòa để tái sử dụng.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
14


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

b.

Hấp phụ hoá học

Hấp phụ hóa học là kết quả của sự tương tác hóa học giữa chất hấp phụ và chất
bị hấp phụ. Trong trường hợp này lực liên kết mạnh hơn rất nhiều so với lực liên kết
trong hấp phụ vật lý. Do đó lượng nhiệt tỏa ra lớn hơn nhiều so với lượng nhiệt được
giải phóng trong quá trình hấp phụ vật lý. Quá trình hấp phụ hóa học là không thuận
nghịch và có tính chọn lọc cao. Nhiệt hấp phụ gần bằng nhiệt phản ứng 40-400 KJ/mol.
c.

Cân bằng hấp phụ

Khi bề mặt vật rắn tiếp xúc với pha chất khí xung quanh, những phân tử khí va
đập vào bề mặt rắn. Một số phân tử sẽ được giữ lại còn một số phân tử sẽ bị bật lên. Tốc
độ hấp phụ sẽ tỷ lệ với khoảng trống chưa bị bao phủ bởi phân tử bị hấp phụ trên bề mặt
chất hấp phụ. Tốc độ nhả hấp là tốc độ những phân tử bị hấp phụ bật ra khỏi bề mặt, tốc
độ nhả hấp tăng lên khi số phân tử bị hấp phụ tăng lên. Quá trình hấp phụ và nhả hấp
phụ luôn luôn xảy ra đồng thời, khi tốc độ hấp phụ bằng tốc độ nhả hấp thì lúc này quá
trình hấp phụ đạt cân bằng. Đây được gọi là sự cân bằng động.
Sự cân bằng hấp phụ phụ thuộc vào:
- Áp suất của chất khí bị hấp phụ hay nồng độ chất lỏng bị hấp phụ.
- Bản chất tương tác bề mặt của chất hấp phụ và giải hấp.
- Nhiệt độ hấp phụ, đặc trưng kích thước mao quản.
2.6.3. Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Dựa vào kết quả phân tích các số liệu thực nghiệm Brunauer S chia thành 5 dạng
đường hấp phụ đẳng nhiệt quan trọng nhất [12] [1]
Trường hợp I: hấp phụ là đơn lớp, tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
Languir J. Dạng đường I thường là hấp phụ hóa học ở áp suất thấp hơn áp suất hơi bão
hòa của chất lỏng (po), gần giá trị po độ hấp phụ không tăng. Bên cạnh đó dạng I cũng

phù hợp với hấp phụ vật lý lên AC có độ xốp cao.
Trường hợp II: hấp phụ vật lý có tạo thành nhiều lớp phân tử chất bị hấp phụ
trên bề mặt chất hấp phụ rắn.
Trường hợp III: ít gặp, đặc trưng cho sự hấp phụ mà nhiệt hấp phụ bằng hoặc
thấp hơn nhiệt ngưng tụ của chất bị hấp phụ.
Trường hợp IV, V: tương ứng với sự hấp phụ dạng II, III nhưng kèm theo theo
sự ngưng tụ mao quản. Nó đặc trưng cho sự hấp phụ trên vật liệu xốp.

SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
15


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

Hình 2.6. Loại đường đẳng nhiệt hấp phụ theo Brunauer
a. Phương trình Langmuir
Theo Langmuir trên bề mặt chất hấp phụ có trường lực hóa trị chưa bão hòa vì
vậy có khả năng hấp phụ các phân tử chất bị hấp phụ ở những vị trí này (trung tâm hấp
phụ). Lực hấp thụ theo Langmuir có bán kính tác dụng nhỏ, là lực có bản chất gần với
lực hóa học, nên mỗi trung tâm chỉ giữ được một phân tử chất bị hấp phụ. Các phân tử
chất bị hấp phụ này chỉ tương tác với bề mặt chất bị hấp phụ mà không tương tác và ảnh
hưởng đến các phân tử khác
Để thiết lập các phương trình hấp phụ, Langmuir đưa ra các giả định sau :
Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp phân tử
Năng lượng hấp phụ các phân tử là đồng nhất (bề mặt đồng nhất)
Sự hấp phụ là thuận nghịch : các phân tử bị dứt ra khỏi bề mặt hấp phụ và chuyển
vào pha khí, trung tâm hấp phụ vừa được giải phóng đó lại có thể hấp phụ phân
tử chất bị hấp phụ trong thể tích khí.

- Tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bỏ qua.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
𝑞𝑚 × 𝐾𝐿 × 𝐶𝑒
𝑞𝑒 =
1 + 𝐾𝐿 × 𝐶𝑒
-

Phương trình biến thành dạng tuyến tính
1
1
1
1
=
× +
𝑞𝑒
𝑞𝑚 × 𝐾𝐿 𝐶𝑒 𝑞𝑚
Trong đó
𝑞𝑒 : là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)
𝑞𝑚 : là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
𝐶𝑒 : nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
16


Đồ án tốt nghiệp
Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Xylene bằng vật liệu ống nano carbon

𝐾𝐿 : là hằng số hấp phụ Langmuir đặc trưng cho ái lực của tâm hấp phụ.
b. Phương trình Freundlich

Mô hình đẳng nhiệt Freundlich dựa trên giả thuyết cho rằng bề mặt chất hấp phụ
là không đồng nhất với các tâm hấp phụ khác nhau về số lượng và năng lượng hấp phụ.
Quan hệ giữa lượng hấp phụ cân bằng và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ được
biểu diễn bằng phương trình
𝑞𝑒 = 𝐾𝐹 × 𝐶𝑒𝑛
Phương trình biến đổi thành dạng tuyến tính như sau:
𝑙𝑛𝑞 = 𝑙𝑛𝐾𝐹 + 𝑛𝑙𝑛𝐶𝑒
Trong đó
𝑞𝑒 : là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)
𝐶𝑒 : nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L)
𝐾𝐹 ,n: là các hằng số Freundlich
c. Phương trình BET
Thuyết hấp phụ đa lớp BET (hấp phụ trên ranh giới rắn – khí), dựa trên một số
giả thiết sau:
- Bề mặt hấp phụ đồng nhất về năng lượng và sự hấp phụ xảy ra nhiều lớp.
- Phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ chỉ tương tác với nhau ở lớp thứ nhất. Từ lớp
thứ hai trở đi, lực kết dính giữa các phân tử đơn lớp khác nhau, lực này giống lực
tương tác trong chất lỏng.
- Các phân tử chất bị hấp phụ chỉ tương tác với phân tử lớp trước và sau mà không
tương tác với phân tử bên cạnh
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ thực nghiệm BET

Trong đó:
V : thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất P.
Vm : thể tích khí bị hấp phụ trong lớp đơn phân tử.
P

: áp suất hấp phụ.

P0 : áp suất hơi bão hoà của khí

Diện tích bề mặt xác định theo phương trình BET là diện tích toàn bộ chất rắn
xốp cả trong vùng mao quản trung bình và mao quản lớn. Phương pháp BET được sử
dụng để xác định đặc trưng của than hoạt tính và vật liệu vi mao quản nói chung.
SVTH: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
GVHD: ThS. Nguyễn Phan Khánh Thịnh
17