nghiên cứu khả năng hấp phụ khí toluen bằng vật liệu ống nano cacbon

Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... i
MỤC LỤC ............................................................................................................ ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... iv
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................. 1
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 2
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................................. 3
1.1. TỔNG QUAN VỀ TOLUEN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ .............. 3
1.1.1.

Tổng quan về Toluen. ...............................................................................3

1.1.2.

Các phương pháp xử lý Toluen..............................................................12

1.2. QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ ................................................................................ 15
1.2.1.

Bản chất: ..................................................................................................15

1.2.2.

Cơ chế của quá trình hấp phụ................................................................16

1.2.3.

Vật liệu hấp phụ ......................................................................................18

1.3. CÁC CHẤT HẤP PHỤ THÔNG DỤNG TRONG XỬ LÝ TOLUEN ...... 19
1.3.1.

Than hoạt tính .........................................................................................19

1.3.2.

Silicagen....................................................................................................21

1.3.3.

Zeolit .........................................................................................................22

1.3.4.

Ống Nano Cacbon ...................................................................................23

1.4. PHƯƠNG PHÁP ĐO GC .............................................................................. 37

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................ 40
2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU .................................................................................... 40
2.1.1.

Than hoạt tính .........................................................................................41

2.1.2.

Ống Nano Cacbon ...................................................................................41

2.2. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ........................................................................ 41
2.3. CÁC THÔNG SỐ KHẢO SÁT ..................................................................... 43
2.4. TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM ................................................................... 43
2.4.1.

Các bước tiến hành .................................................................................43

2.4.2.

Phương pháp xử lý số liệu ......................................................................46

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

ii


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

CHƯƠNG 3
3.1.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 49

SỐ LIỆU ĐƯỜNG CHUẨN ...................................................................49

3.2.
KẾT QUẢ KHẢO SÁT BỀ MẶT VẬT LIỆU HẤP PHỤ BẰNG

PHƯƠNG PHÁP KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUẾT ĐỘ PHÂN GIẢI CAO
SEM ...................................................................................................................49
3.3.

KẾT QUẢ KHẢO SÁT VẬT LIỆU QUA PHƯƠNG PHÁP BET. ...51

3.4.
KẾT QUẢ KHẢO SÁT KẾT CẤU VẬT LIỆU QUA PHƯƠNG PHÁP
ĐO RAMAN ..........................................................................................................53
3.5.
SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CỦA THAN HOẠT
TÍNH ĐỐI VỚI TOLUEN ...................................................................................54
3.5.1.

Số liệu thực nghiệm quá trình hấp phụ.................................................54

3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của than hoạt
tính và CNTs..........................................................................................................55
3.5.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính và
CNTs ...................................................................................................................57
3.5.4.

Khảo sát động học của quá trình hấp phụ ............................................59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 66
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 66
KIẾN NGHỊ .............................................................................................................. 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 68
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 70

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

iii


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
VOCs

Hợp chất hữu cơ bay hơi

BTEX

Benzen, Toluen, Etyl Benzen, Xylen

GC

Phương pháp đo sắc ký khí

SEM

Phương pháp chụp hình bằng kính hiển vi

BET

Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

BTNMT

Bộ Tài Nguyên và Môi Trường

TT-BTNMT

Thông tư – Bộ Tài Nguyên và Môi Trường

QĐ-BTNMT

Quyết định – Bộ Tài Nguyên và Môi Trường

PAC

Powdered Actived Carbon – Than hoạt tính dạng bột

GAC

Granulated Actived Carbon – Than hoạt tính dạng viên

ACF

Activated Carbon Filter – Than hoạt tính dạng sợi

CNTs

Carbon nanotubes - Ống nano cacbon

MWCNT

Multi wall carbon nanotubes - Ống nano cacbon đơn vách

SWCNT

Single walled carbon nanotubes - Ống nano cacbon đa vách

CVD

Phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học

AC

Than hoạt tính

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

iv


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1:

Các thông số của Toluen ...................................................................3

Bảng 1.2:

Ảnh hưởng Toluen qua đường hô hấp ..............................................6

Bảng 1.3:

Mức ô nhiễm trung bình theo mùa theo nhiều khu vực khác nhau 11

Bảng 1.4:

Diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp của các chất hấp phụ..........18

Bảng 1.5:

Thành phần hoá học một số loại than hoạt tính ..............................20

Bảng 1.6:

Một số hạt Zeolit đã biến đổi bề mặt ..............................................23

Bảng 1.7:

Các thông số cơ tính của vật liệu CNTs và một số vật liệu khác ...26

Bảng 1.8:

Phân loại đặc trưng dẫn của một số loại CNTs............................... 28

Bảng 1.9:

Khả năng hấp phụ tối đa (Q mg/g) của một số ion kim loại nặng
trên CNTs và các chất hấp phụ khác...............................................35

Bảng 1.10:

Khả năng hấp phụ tối đa (Q) của một số hạt nhân phóng xạ rất quan
trọng ................................................................................................ 36

Bảng 1.11:

Khả năng hấp phụ tối đa (Q mg/g) của của phenol và anilin trên
CNTs so với các chất hấp phụ khác ................................................37

Bảng 2.1:

Danh sách các nguyên vật liệu và thiết bị cần dùng ....................... 40

Bảng 2.2:

Bảng thông số nghiên cứu............................................................... 45

Bảng 3.1

Kết qủa đo đường chuẩn Toluen ..................................................... 49

Bảng 3.2

Kết quả BET của than hoạt tính ...................................................... 51

Bảng 3.3

Kết quả BET của CNTs .................................................................. 52

Bảng 3.4

Bảng thông số ban đầu .................................................................... 55

Bảng 3.5

Bảng số liệu qe và Ce của AC và CNTs với lưu lượng thay đổi .... 56

Bảng 3.6

Bảng số liệu qe và Ce của AC và CNTs với nhiệt độ thay đổi ....... 57

Bảng 3.7

Bảng số liệu theo qe, Ce của AC và CNTs theo nồng độ ............... 59

Bảng 3.8

Thông số theo 2 thuyết động học của AC ....................................... 61

Bảng 3.9

Thông số theo thuyết Freundlich của CNTs ................................... 62

Bảng 3.10

Kết quả tính toán các thông số trong các mô hình hấp phụ đẳng
nhiệt.................................................................................................64

Bảng 3.11

Bảng so sánh của thuyết hấp phụ Langmuir và Freundlich ............ 65

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

v


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1

Cấu trúc hóa học của Toluen. ........................................................... 4

Hình 1.2

Tỷ lệ phát thải gây ô nhiễm do các nguồn thải chính ở Việt Nam
năm 2005 ...........................................................................................7

Hình 1.3

Biểu đồ về số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt
Nam ...................................................................................................7

Hình 1.4

Tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm do các phương tiện giao thông cơ
giới đường bộ của Việt Nam.............................................................8

Hình 1.5

Nồng độ BTX (Benzen, Toluen và Xylen) trung bình 1 giờ của các
khu vực thuộc thành phố Hà Nội (quan trắc trong thời gian
12/1/2007 – 5/2/2007) .......................................................................8

Hình 1.6

Bản đồ 17 Vị trí khảo sát BTEX Tại Tp Hồ Chí Minh. [7]. ............. 9

Hình 1.7

Thể hiện sự biến thiên trong ngày của Toluen. [7] ........................... 9

Hình 1.8

Nồng độ cô đặc của Toluen trong 17 điểm thí điểm trong Tp. Hồ
Chí Minh. [7] ..................................................................................10

Hình 1.9

Sự tương quan giữa nồng độ Toluen và số lượng phương tiện giao
thông. [7] .........................................................................................10

Hình 1.10

Mô hình lò oxy hoá nhiệt. ............................................................... 12

Hình 1.11

Sơ đồ xử lý bằng phương pháp ngưng tụ. ....................................... 13

Hình 1.12

Mô hình tháp hấp thụ. ..................................................................... 14

Hình 1.13

Mô hình tháp hấp phụ và cấu trúc vật liệu hấp phụ. ....................... 14

Hình 1.14

Các giai đoạn của quá trình hấp phụ chất ô nhiễm. ........................ 16

Hình 1.15

Mô hình sự hấp phụ các hợp chất của F400 than hoạt tính. ........... 21

Hình 1.16

Hình ảnh silicagen........................................................................... 21

Hình 1.17

Một số hình dạng cacbon. ............................................................... 23

Hình 1.18

Cấu trúc fullerence. ......................................................................... 24

Hình 1.19

Ống Nano cacbon đơn vách. ........................................................... 24

Hình 1.20

Cấu trúc ống Nano Cacbon đa tường MWCNT. ............................ 25

Hình 1.21

: Các khuyết tật trong CNTs. .......................................................... 25

Hình 1.22

Cấu trúc CNTs nhánh chữ Y. .......................................................... 26

Hình 1.23

Ống nano cacbon kiểu armchair có tính chất kim loại và nan cacbon
kiểu zizac có tính bán dẫn. .............................................................. 27

Hình 1.24

Cấu trúc ống nano cacbon đơn vách. .............................................. 27

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

vi


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Hình 1.25

Cơ chế mọc ống Nano cacbon. ....................................................... 30

Hình 1.26

Ảnh SEM của CNT với hạt xúc tác ở đáy ống và ở đầu ống.......... 30

Hình 1.27

Hệ thiết bị chế tạo CNTs bằng phương pháp CVD. ....................... 31

Hình 1.28

Ảnh TEM các ống cacbon nano mọc bằng phương pháp CVD. .... 31

Hình 1.29

Hệ thiết bị chế tạo CNT bằng phương pháp hồ quang điện. .......... 32

Hình 1.30

Hệ tạo CNT bằng phương pháp chùm laser.................................... 32

Hình 1.31

Mô hình sự xen giữa của Li và hấp thụ H2..................................... 33

Hình 1.32

Màn hình hiển thị sử dụng CNTs.................................................... 33

Hình 1.33

Sợi composite của polyaniline với CNT. ........................................ 34

Hình 1.34

Sơ đồ lý thuyết thiết bị sắc ký khí................................................... 37

Hình 1.35

Quy trình hoạt động của sắc ký khí. ............................................... 38

Hình 2.1:

Sơ đồ thiết bị hấp phụ khí BTEX.................................................... 41

Hình 2.2:

Mô hình thực nghiệm. ..................................................................... 42

Hình 2.3:

Mô hình tiến trình thí nghiệm. ........................................................ 44

Hình 2.4:

Mô tả các thông số nghiên cứu. ...................................................... 46

Hình 3.1.

Hình SEM THT ở các độ phân giả và độ phóng đại khác nhau (a)
:1, (b): 10m .................................................................................50

Hình 3.2.

Hình SEM của CNTs ở các độ phân giải và độ phóng đại khác nhau
(a):1m, (b):10m .......................................................................... 50

Hình 3.3.

Đồ thị phân bố kích thước mao quản của THT .............................. 51

Hình 3.4.

Đồ thị phân bố kích thước mao quản của CNTs ............................. 52

Hình 3.5.

Phổ tán xạ Raman của than hoạt tính .............................................. 53

Hình 3.6.

Phổ tán xạ Raman của CNTs .......................................................... 54

Hình 3.7.

Sự ảnh hưởng của lưu lượng đến khả năng hấp phụ....................... 56

Hình 3.8.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ.............................. 58

Hình 3.1.

Biểu hiện sự phụ thuộc của 1/Ce; 1/qe theo Langmuir của AC. .... 60

Hình 3.2.

Đồ thị biểu diện sự phụ thuộc củaCe; qe theo Freundlich của AC. 60

Hình 3.3.

Đồ thị biểu diện sự phụ thuộc của Ce; qe theo Langmuir của CNTs.
.................................................................................................61

Hình 3.4.

Đồ thị biểu diện sự phụ thuộc của Ce; qe theo Freundlich của
CNTs. ..............................................................................................62

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

vii


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Hình 3.5.

Biểu diễn sự thay đổi nồng độ theo thuyết Langmuir của AC và
CNTs ...............................................................................................63

Hình 3.6.

Đồ thị biểu diện sự phụ thuộc của Ce; qe theo Freundlich của AC
và CNTs ..........................................................................................64

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

viii


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

MỞ ĐẦU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Tình trạng ô nhiễm không khí đang là một thách thức lớn mà chúng ta phải đối mặt
trong thiên niên kỷ này. Con người gây ô nhiễm môi trường không khí bằng các hoạt

động cơ bản: hoạt động công nghiệp, hoạt động giao thông vận tải và các hoạt động sống
khác, tạo nên áp lực rất lớn đối với môi trường không khí đô thị.
Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường, tiêu thụ xăng dầu là một trong
những nguyên nhân phát thải các chất độc hại, khí thải từ các loại xe cơ giới là nguồn
gây ô nhiễm không khí lớn nhất và nguy hại nhất tại các đô thị. Những yếu tố gây ô
nhiễm môi trường không khí do phương tiện giao thông cơ giới đường bộ chủ yếu là:
SO2, CO2, CO, NOx, VOCs, CxHy,…, trong đó có một số thành phần gây nguy hại cho
sức khoẻ và môi trường như: Benzen, Toluen, Etylbenzen, Xylen, gọi tắt là BTEX [1]
Nồng độ khí Benzen, Toluen và Xylen đều có xu hướng tăng cao ở ven các trục giao
thông đường phố. Tại Hà Nội, một số nghiên cứu cho thấy nồng độ BTEX cao nhất ở
dọc hai bên các tuyến đường giao thông và có giảm đi ở các khu dân cư nằm xa các trục
đường lớn [1]. Điều này chứng tỏ nguồn gốc của những khí này chủ yếu từ các phương
tiện giao thông.
Ngoài ra, Toluen còn có mặt trong sơn, nhựa, keo dán và chất xúc tác trong công
nghệ ảnh, nhưng nguồn phát phải chủ yếu trong không khí là từ khí thải của các động
cơ đốt trong dùng trong các phương tiện giao thông vận tải.
Con người bị phơi nhiễm khí độc Toluen thì sẽ biểu hiện gây kích thích cho da và các
giác quan, gây suy yếu hệ thần kinh trung ương và ảnh hưởng đến gan, thận và máu.
Ngoài ra, nó còn gây độc hại và ảnh hưởng đến AND. Toluen có thể gây ung thư và ảnh
hưởng đến thế hệ tương lai (gây quái thai).
Các phương pháp xử lý ô nhiễm môi trường truyền thống như màng lọc, đốt, xúc tác,
hấp phụ được sử dụng phổ biến có hiệu quả trong việc giảm nồng độ các một số chất
gây ô nhiễm. Các chất hấp phụ điển hình như NaOCl [2] hay Zeolite [3] hay phổ biến
hơn là than hoạt tính đã được sử dụng nhằm xử lý các khí độc hại như Benzen, Toluen...
Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu nhằm giảm bớt nồng độ ô nhiễm cuả Toluen
trong môi trường. Như là nghiên cứu “Loại bỏ Benzen, Toluene, Ethybenzene và Xylen
trong dung dịch nước” [4] H. Nourmoradi, M. Nikaeen, M. Khiadani (Hajian) đã dùng
vật liệu montmorillonite (Mt) được sản xuất tại Ý để làm vật liệu hấp phụ. Ngoài ra,
theo nghiên cứu “Sự hấp phụ của các hợp chất thơm bởi chất hấp phụ cacbon”[5] của
H. Nourmoradi, M. Nikaeen, M. Khiadani cũng đã đánh giá được khả năng hấp phụ các

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

1


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

hợp chất vòng thơm của một số loại cacbon như than hoạt tính, ống nano cacbon và than
hoạt tính từ gỗ .
Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu sử dụng vật liệu ống nano để xử lý các chất ô
nhiễm thành công như “Nghiên cứu xử lý ô nhiễm không khí bằng vật liệu Nano TiO2
ở Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam” nhưng hiện tại vấn đề ô nhiễm của không khí
vẫn chưa được quan tâm đúng mức.
Bởi những lý do thực trạng trên cùng với những vấn đề còn hạn chế, ý tưởng luận án
“Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Toluen bằng vật liệu ống nanocarbon” đã được
hình thành.
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Tổng quan: Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí Toluen bằng vật liệu ống Nanocarbon
- Nghiên cứu đánh giá khả năng hấp phụ Toluen của than hoạt tính.
- Nghiên cứu, đánh giá khả năng hấp phụ Toluen của ống Nano Carbon.
- So sánh đánh giá khả năng hấp phụ Toluen của vật liệu ống nano carbon và than
hoạt tính
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 Toluen trên thế giới và trong nước. Tổng quan về
các vật liệu hấp phụ : than hoạt tính và ống nano cacbon.
Nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý Toluen của than hoạt tính và vật liệu ống nano
cacbon :

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các nồng độ đầu vào khác nhau của Toluen.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ.

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

2


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ TOLUEN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
1.1.1. Tổng quan về Toluen.
a. Tính chất
Toluen được phát hiện bởi P.S.pelletie và P.Walter vào năm 1937 khi hai ông điều
chế khí than nhựa từ thông. Vì thế cho nên cái tên Toluen bắt nguồn từ tên toluol, viết
tắt “TOL”, là tên nhựa của cây Balsam ở vùng Nam Mỹ.
Về mặt khoa học Toluen, hay còn gọi là metylbenzen hay phenylmetan (C7H8) là
thuộc loại Hydrocacbon thơm là một chất lỏng trong suốt không màu, không hoà tan
trong nước và có độ nhớt. Là dung môi hoà tan rất tốt chất béo, dầu, nhựa thông,
photpho, lưu huỳnh và iot. Tồn tại ở 3 dạng: rắn, lỏng, khí. Ngoài ra Toluen có thể tan
trong etanol, aceton, hexan, diclometan. Đặt biệt dung môi Toluen rất dễ cháy nổ.
Nhờ có nhóm mêtyl mà độ hoạt động hoá học của Toluen trong phản ứng này lớn
hơn gấp 25 lần so với benzen, bay hơi trong không khí
Bảng 1.1: Các thông số của Toluen
THÔNG SỐ
Phân tử gam

92.14 g/mol

Tỷ trọng

0,87 g/ml(20°C)

Điểm nóng chảy

-990C

Điểm sôi

1110C

Độ hòa tan trong nước

0.47 g/l

Độ nhớt

0.590 cP (200C)

Giá trị gới hạn

50 ml.m-3, 190 mg.m-3, MSDS

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

3


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Hình 1.1
b. Nguồn gốc phát sinh

Cấu trúc hóa học của Toluen.

Phần lớn các Toluen thải vào không khí từ các nguồn như: khí thải xe và sự cố tràn
dầu. Toluen cũng được thải vào môi trường trong quá trình sản xuất, vận chuyển, sử
dụng và xử lý nó. Nồng độ Toluen được phát hiện trong không khí nông thôn và thành
thị trung bình tương ứng là 1,3 và 1,08 mg/m3. Toluen không tồn tại trong môi trường,
nó bị phân huỷ trong khí quyển bằng phản ứng với các gốc hydroxyl và cũng có thể bị
suy giảm trong đất do vi khuẩn. Mức độ ô nhiễm Toluen ở không khí trong nhà thường
cao hơn (31,5 mg/m3) so với mức độ ngoài trời do khói thuốc lá và việc sử dụng các sản
phẩm gia dụng chứa Toluen (ví dụ như sơn, chất kết dính và chất pha loãng). Đó là
những loại sơn có hàm lượng VOCs rất cao như sơn dầu, sơn Polyurethane (PU), sơn
Nitro Cellulose (NC)… Thậm chí, nhiều thương hiệu sơn có tên tuổi vẫn sản xuất những
dầu sơn dầu hoặc sơn nước độc hại gây ô nhiễm môi trường.
Toluen góp phần vào sự hình thành khói mù quang hoá khi nó phản ứng với cacbon
hữu cơ dễ bay hơi khác trong không khí.
c. Ứng dụng.
Dựa vào công thức hoá học của Toluen thì Toluen được biết đến như một trong những
loại hoá chất được sử dụng rộng rãi nhất trong đời sống con người hiện đại.
Sơn bề mặt.
Hoá chất Toluen được dùng chủ yếu trong các ứng dụng cần khả năng hoà tan và độ
bay hơi cao như sản xuất như tổng hợp, sản xuất sơn. Toluen được dùng rộng rãi trong
cả sơn xe hơi và sơn đồ đạc trong nhà, sơn quét, và sơn tàu biển. Ngoài ra, Toluen cũng

được dùng làm chất pha loãng và là một thành phần trong sản phẩm tẩy rửa.
Keo dán.
Do khả năng hoà tan mạnh nên hoá chất Toluen đợc dùng trong sản xuất keo dán và
các sản phẩm cùng loại, dùng trong keo dán cao su, ximăng – cao su,…
Phụ gia cho nhiên liệu

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

4


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Toluen được dùng làm chất cải thiện chỉ số octane của xăng dầu, và làm tăng chất
mang phụ gia cho nhiêu liệu. Thông thường, khi thêm chỉ một lượng tương đối nhỏ chất
Toluen vào xăng dầu sẽ làm tăng đáng kể chỉ số octane của nhiên liệu.
Các ứng dụng khác của Toluen
Sản xuất thuốc nhuộm, y khoa, sản xuất nước hoa, sản xuất mực in, điều chế thuốc
nổ Trinitrotoluen (TNT)
d. Độc tính
Cơ quan bị ảnh hưởng của ngộ độc Toluen là hệ thống thần kinh trung ương, đây là
chất kích thích cho da, dạ dày, gan, thận và tim, hiệu ứng nhẹ là đứng không vững nhiễm
nặng có thể gây tử vong. Tiếp xúc lâu và trực tiếp với Toluen lỏng hoặc hơi có thể gây
ung thư.
Việc hít phải Toluen ở phụ nữ mang thai, nguy cơ họ có thể sinh non, con bị dị tật
bẩm sinh trên mặt, chân tay, tim, thận và dị tật hệ thần kinh. Trong trường hợp nặng, có
thể gây sẩy thai cho thai phụ. Đối với nam giới, tình trạng tiếp xúc lâu với Toluen có thể
gây teo tinh hoàn làm giảm sinh tinh, thoái hoá các tế bào Sertoli và Spermatogonia.
Trong liên minh Châu Âu (EU) thì Toluen được phân là loại độc hại đối với sinh sản

loại 3, và có nguy cơ gây hại cho thai nhi.
Hít phải Toluen gây kích thích mũi, cổ họng và đường hô hấp như co thắt phế quản
và phù phổi. Nhiễm độc hệ thần kinh trung ương là hưng phấn, ảo giác sau gây mất điều
hoà, chóng mặt, buồn ngủ, nói lắp, tầm nhìn bị mờ, run, co giật, hôn mê và trong trường
hợp nặng có thể gây tử vong. Tác động tới tim mạch bao gồm nhịp tim không ổn định,
nhồi máu cơ tim. Khi bị nhiễm trên 100 mg/kg Toluen, gây ra hiện tượng hoa mắt,
choáng váng, đau đầu, co giật và có khả năng dẫn đến hôn mê.
Hít phải khí Toluen thường xuyên sẽ có những triệu chứng nhức đầu, chán ăn, xanh
xao, thiếu máu, tuần hoàn máu không bình thường. Nếu phải làm việc liên tục trong tình
trạng tiếp xúc với Toluen sẽ dẫn đến tình trạng thẫn thờ, mất trí nhớ và dễ xúc động. Khi
bị nhiễm Toluen nặng thì không có thuốc giải độc và dẫn đến cái chết

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

5


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Bảng 1.2: Ảnh hưởng Toluen qua đường hô hấp
Nồng độ
(ppm)

Dấu hiệu triệu chứng

50 - 100

Khiến nạn nhân mệt mỏi, buồn ngủ, đau đầu nhẹ, đau cổ họng và
kích ứng mắt, thời gian tiếp xúc kéo dài gây bất tỉnh

200

Một số chức năng nhận thức bị suy yếu, đau đầu nhẹ, chóng mặt,
cảm giác nhiễm độc, mệt mỏi, nói chung nhầm lẫn và mất ngủ,
kích ứng mắt và cổ họng

400

Chảy nước mắt, mờ mắt, rối loạn hệ thần kinh trung ương

500 – 600

Chán ăn, buồn nôn, căng thẳng mất trí nhớ tạm thời, mệt mỏi, giảm
khả năng hoạt động của cơ thể.

1500

Yếu ớt cùng cực

4000

Giảm nhanh khả năng hoạt động của cơ thể, cơ thể suy yếu. Tiếp
xúc của 1 giờ hoặc còn có thể dẫn đến trạng thái có thể mê man và
có thể tử vong

>10000

Ban đầu rơi vào tình trạng mê man trong vòng vài phú; tiếp xúc
lâu có thể gây chết người.

e. Hiện trạng ô nhiễm hơi Toluen.
Việt Nam là một nước đang phát triển nên việc kiểm soát lượng phát thải VOCs rất
còn hạn chế. Tại thị trường Việt Nam hiện nay, nhiều loại vật dụng có tác hại xấu đến
sức khoẻ và môi trường sống vẫn đang được sử dụng một cách phổ biến.
Chất lượng môi trường không khí trên toàn lãnh thổ đang bị suy giảm, đặc biệt tại
các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh. Chất lượng không khí đang trong
nguy cơ báo động. Lượng phát thải khí thải từ các loại phương tiện giao thông ngày
càng trở nên nghiêm trọng và cần cảnh báo.
Bảo vệ môi trường đô thị ngày càng có tầm quan trọng trong phát triển bền vững quốc
gia, bởi vì dân số đô thị ngày càng lớn, chiếm tỷ lệ trong tổng dân số ngày càng cao.
Các hoạt động phát triển kinh kế - xã hội của quốc gia ngày càng tập trung trong các đô
thị. Năng lượng tiêu thụ ở các đô thị có thể chiếm tới ¾ tổng năng lượng tiêu thụ của
quốc gia. Các năng lượng tiêu thụ này chủ yếu than, dầu, xăng, khí đốt, do đó nguồn khí
thải ô nhiễm càng nhiều, dẫn đến các vấn đề ô nhiễm không khí trầm trọng thường xảy
SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

6


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

ra ở các đô thị, đặc biệt là thường xảy ra ở các đô thị lớn. Tình trạng ô nhiễm không khí
đang là một thách thức lớn mà chúng ta phải đối mặt trong thiên niên kỷ này. Con người
gây ô nhiễm môi trường không khí bằng các hoạt động cơ bản: hoạt động công nghiệp,
hoạt động giao thông vận tải và các hoạt động sống khác của con người ( Hình 1.1.)

Hình 1.2 Tỷ lệ phát thải gây ô nhiễm do các nguồn thải chính ở Việt Nam năm
2005

Nguồn: [1]
Kéo theo sự phát triển của đất nước thì số lượng phương tiện giao thông lưu hành
càng tăng nhanh, tạo nên áp lực rất lớn đối với môi trường không khí đô thị (Hình 1.2).

Hình 1.3 Biểu đồ về số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam
Nguồn [1]
Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường, tiêu thụ xăng dầu là một trong
những nguyên nhân phát thải các chất độc hại, khí thải từ các loại xe cơ giới là nguồn
gây ô nhiễm không khí lớn nhất và nguy hại nhất tại các đô thị. Những yếu tố gây ô
nhiễm môi trường không khí do phương tiện giao thông cơ giới đường bộ chủ yếu là:
SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

7


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

SO2, CO2, CO, NOx, VOCs, CxHy,…, trong đó có một số thành phần gây nguy hại cho
sức khoẻ và môi trường như: Benzen, toluen, etylbenzen, xylen, gọi tắt là BTEX (Hình
1.3)

Hình 1.4 Tỷ lệ phát thải chất gây ô nhiễm do các phương tiện giao thông cơ giới
đường bộ của Việt Nam
Nguồn[1]
Nồng độ khí Benzen, Toluen và Xylen đều có xu hướng tăng cao ở ven các trục giao
thông đường phố. Tại Hà Nội, một số nghiên cứu cho thấy nồng độ BTEX cao nhất ở
dọc hai bên các tuyến đường giao thông và có giảm đi ở các khu dân cư nằm xa các trục
đường lớn. Điều này chứng tỏ nguồn gốc của những khí này chủ yếu từ các phương tiện
giao thông.

Hình 1.5 Nồng độ BTX (Benzen, Toluen và Xylen) trung bình 1 giờ của các khu vực
thuộc thành phố Hà Nội (quan trắc trong thời gian 12/1/2007 – 5/2/2007)
Nguồn: [6]
Ghi chú:
 Điểm nóng giao thông: trung bình của 6 điểm quan trắc
 Ven đường giao thông: trung bình của 36 điểm quan trắc.
 Điểm nóng SXCN: trung bình của 6 điểm quan trắc.

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

8


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

 Điểm dân cư thông thường: trung bình của 81 điểm quan trắc.
 Ngoại thành: trung bình của 5 điểm quan trắc.
Tại Việt Nam, sự ô nhiễm BTEX bởi khí thải giao thông ảnh hưởng xấu tới không
khí khu vực Thành phố Hồ Chí Minh đã được nghiên cứu qua trong bài báo “BTEX
pollution caused by motorcycles in the megacity of HoChiMinh” [10] năm 2012.
Thành phố Hồ Chí Minh được thí điểm trên 17 vị trí khảo sát và đưa ra kết quả để
đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường không khí (Hình 2.2). Và thành phần VOCs, trong
đó Toluen được đưa ra kết quả như sau:
Theo khảo sát thực của bài báo do cô Trần
Thị Ngọc Lan viết vào tháng 12/2012 cho
thấy nồng độ Toluen tại các điểm thí điểm
rất cao >400 g/m3 như vậy có vị trí vượt
hơn quy chuẩn cho phép của nhà nước.

Trong khi đó QCVN 06:2009/BTNMT
quy định nồng độ tối đa của Toluen trong
24 giờ là 500g/m3, và nồng độ tối đa trong
1 năm là 190 g/m3. Bên cạnh đó, nồng độ
Toluen tăng theo mật độ phương tiện giao
thông lưu thông trên các tuyến đường.
Điều này chứng tỏ việc thay đổi nồng độ
của Toluen trong không khí bị ảnh hưởng
bởi các hoạt động của phương tiện giao
thông.
Hình 1.6 Bản đồ 17 Vị trí khảo sát
BTEX Tại Tp Hồ Chí Minh. [7].
300

Diurnal variation in BTEX concentration

Benzene
Toluene

250

Ethylbenzene
p,m-Xylene

C (g/m3)

200

o-Xylene

150

100

50

0

Hình 1.7 Thể hiện sự biến thiên trong ngày của Toluen. [7]
SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

9


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Với hình Hình 1.7, chúng ta có thể thấy nồng độ Toluen vượt cao hơn so với các loại
hợp chất hữu cơ khác, chứng tỏ nồng độ của Toluen có mặt trong không khí là cao nhất.
Ngoài ra, Hình 2.3 còn thể hiện sự tương quan giữa Toluen và các hợp chất khác, nồng
độ Toluen được khảo sát tại 17 điểm thí điểm cao nhất vào khoảng thời gian từ 6-9am
và 3-6pm với nồng độ có thể lên tới 250g/m3. Những khoảng thời gian này có thể được
gọi là giờ cao điểm khi tham gia lưu thông.
Toluene

Concentration (g/m3)

700

7AM-8AM

600

12AM-1PM

500

5PM-6PM

400
300
200
100
0
S1

S2

S3

S4

S5

S6

S7

S8

S9

S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 S17

300

25000

250

20000

200

15000
150
10000

100
5000

50
0

Number of vehicles

Toluene (g/m3)

Hình 1.8 Nồng độ cô đặc của Toluen trong 17 điểm thí điểm trong Tp. Hồ Chí
Minh. [7]

1-2 AM
2-3 AM
3-4 AM
4-5 AM
5-6 AM
6-7 AM
7-8 AM
8-9 AM
9-10 AM
10 -11 AM
11-12 AM
12-13 AM
13-14 AM
14-15 AM
15-16 AM
16-17 AM
17-18 AM
18-19 AM
19-20 AM
20 -21 AM
21-22 AM
22-23 AM
23-24 AM

0

Hình 1.9 Sự tương quan giữa nồng độ Toluen và số lượng phương tiện giao
thông. [7]
So sánh sự ô nhiễm không khí về nồng độ các chất BTEX của Việt Nam và một số

nước khác:

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

10


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Bảng 1.3:

Mức ô nhiễm trung bình theo mùa theo nhiều khu vực khác nhau[8]
Benzen g/m3

Toluen g/m3

4,9

28,8

12 – 55

10 – 80

Khu dân cư

80 - 550

15 - 55

Ngã tư giao thông

Shizuoka, Japan

0,946

6,403

Khu công nghiệp
(vào mùa đông)

Algiers, Algeria

27,1

39,2

Lề đường

United States

1,03

2,38

Thành phố

Thành phố
Hong Kong, Trung

Quốc
Delhi, India

Vị trí quan trắc
Lề đường

Với bảng số liệu ở Bảng 1.3 và những số liệu trước đó, thì ta nhận thấy rõ sự ô nhiễm
không khí của BTEX đang là mối nguy hại đáng quan tâm và cần đưa ra các biện pháp
khắc phục.
Vì vậy, việc xử lý và xác định Toluen là điều cấp bách nhằm giảm đi những tác động
tiêu cực đến sức khoẻ con người và môi trường.
Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành Thông tư số 16/2009/TTBTNMT: Thông Tư “ QUY ĐỊNH QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ MÔI
TRƯỜNG”. Thông tư này chính thức có hiệu lực thi hành từ ngày 01 tháng 01 năm
2010. Ban hành kèm theo Thông tư này là 2 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường
đó là:
 QCVN 05:2009/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí
xung quanh.
 QCVN 06:2009/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về một số chất độc hại
trong không khí xung quanh.
Riêng QCVN 06:2009/BTNMT quy định nồng độ tối đa của BTEX và một số chất
độc có ngoài không khí xung quanh. Trong đó Toluen được quy định trung bình 1 năm
là 190 𝜇g/l.
Quy chuẩn này áp dụng thay thế tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5938:2005 – Chất lượng
không khí – Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong không khí xung
quanh ban hành kèm theo Quyết định số 22/2006/QĐ-BTNMT ngày 18 tháng 12 năm
2006 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường bát buộc áp dụng các tiêu chuẩn Việt
Nam về môi trường..
SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

11


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Để thắt chặt và hạn chết tình trạng ô nhiễm môi trường các tiêu chuẩn môi trường có
liên quan đã được nhà nước ban hành một số tiêu chuẩn như tiêu chuẩn xăng dầu, tiêu
chuẩn khí thải, và một số tiêu chuẩn về quy định nồng độ nguồn thải trong môi trường
không khí xung quanh. Kèm theo đó một vài nghị định thông tư cũng được ban hành
kèm theo để áp dụng.
1.1.2. Các phương pháp xử lý Toluen
Các phương pháp xử lý Toluen phổ biến như thiêu đốt, hấp phụ, hấp thụ, xúc tác:
a. Phương pháp đốt
Phương pháp đốt thường được sử dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs)
nói riêng và nhiều chất khí khác từ các quá trình sản xuất như sơn, in ấn, dược phẩm…
(điển hình là khí Toluen)

Hình 1.10 Mô hình lò oxy hoá nhiệt.
Phương pháp thiêu đốt nhiệt nói riêng và phương pháp thiêu đốt nói chung có khả
năng xử lý các dòng khí thải chứa VOCs với bất kì nồng độ và loại khí nào với hiệu suất
khá cao.
Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là chi phí lắp đặt khá cao, chỉ thích hợp
cho dòng khí thải liên tuc bởi vì ác hệ thống lò đốt được vận hàh ở nhiệt độ rất ca, nên
việc xử lý gián đoạn sẽ làm tổn thất nhiệt lượng của lò, vao hao phí một lượng lớn nhiên
liệu để duy trì nhiệt độ ổn định trong buồng đốt.
b. Phương pháp ngưng tụ.
Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự hạ thấp nhiệt độ môi trường xuống một
giá trị nhất định, các chất ở dạng hơi sẽ ngưng tụ lại và sau đó được thu hồi hoặc xử lý
tiêu huỷ.
SVTH: Phan Thị Thanh Vy

GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

12


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Hình 1.11 Sơ đồ xử lý bằng phương pháp ngưng tụ.
Phương pháp ngưng tụ thường được dùng để xử lý các dòng khí thải chứa dung môi
hữu cơ, hơi acid. Song phương pháp này chỉ phù hợp với những trường hợp khí thải có
nồng độ tương đối cao (10.000 – 20.000ppmv). Trong trường hợp khí thải có nồng độ
nhỏm ngườ ta thường dùng các phương pháp hấp phụ hay hấp thụ.
c. Phương pháp xúc tác
Bản chất của quá trình xúc tác để làm sạch khí thải là thực hiện các tupwng tác hoá
học nhằm chuyển các chất độc hại thành các sản phẩm không độc hoặc ít độc hơn của
các chất trên bề mặt chất xúc tác rắn.
Các chất xúc tác không làm thay đổi mức năng lượng của các phân tử chất tương tác
và không làm dịch chuyển cân bằng phản ứng đơn giản. Vai trò của chúng là làm tăng
vận tốc tương tác hoá học. Các chất xúc tác trong xử lý khí thải công nghiệp là các chất
tiếp xúc trê cơ sở các kim loại quý: Pt, Pd, Ag …, các oxit Mangan, Đồng, Cobalt…
Hiệu quả xử lý của phương pháp này chủ yếu phụ thuộc vào hoạt tính của chất xúc
tác.
Nhược điểm: của phương pháp này là tốn kém và hiệu suất không ổn định.
d. Phương pháp hoá sinh
Là lợi dụng các vi sinh vật phân huỷ hoặc tiêu huỷ các khí thải độc hại, nhất là các
khí thải từ các nhà máy thực phẩm, nhà máy phân đạm, phân tổng hợp hữu cơ. Các vi
sinh vật, vi khuẩn sẽ hấp thụ và đồng hoá các chất thải hoá hữu cơ, vô cơ độc hại.
e. Phương pháp hấp thụ
Cơ sở của phương pháp hấp thụ là dựa trên sự tương tác giữa các chất cần hấp thụ
(thường là dạng khí) với chất hấp thụ (thường là chất lỏng). Tuỳ vào bản chất của sự

tương tác nói trên mà người ta chia thành hấp thụ vật lý hay hấp thụ hoá học.
SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

13


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Hình 1.12 Mô hình tháp hấp thụ.
Phương pháp hấp thụ thường đực dùng để xử lý các dòng khí thải có tải lượng nhỏ
(200 – 300 ppmv) và có khả năng thu hồi.
Ưu điểm của phương pháp này là tuỳ vào tính chất của từng loại khí mà ta có thể lựa
chọn chất hấp thụ phù hợp. Do đó, phương phấp hấp thụ thường được sử dụng để xử lý
những loại khí có tính acid, baze mạnh…
Tuy nhiên trong một số trường hợp, dung dịch sau khi hấp thụ không có khả năng
hoàn nguyên khí ban đầu, dẫn đến việc xử lý chất ô nhiễm chỉ là chuyển chất ô nhiễm
từ dạng này sang dạng khác.
f.

Phương pháp hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình một chất hoặc nhiều chất được giữ lại khi tiếp xúc với bề
mặt vật liệu có tính hấp phụ. Nhằm loại bỏ chúng khỏi môi trường chúng ta tồn tại.

Hình 1.13 Mô hình tháp hấp phụ và cấu trúc vật liệu hấp phụ.
Phương pháp hấp phụ có khả năng làm sạch cao, công nghệ dễ vận hành, sửa chữa.
Chất hấp phụ sau khi sử dụng đều có thể tái sinh; điều này làm hạ giá thành xử lý và đây
cũng là ưu điểm lớn nhất của phương pháp này.
SVTH: Phan Thị Thanh Vy

GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

14


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

Bên cạnh đó phương pháp này cũng có nhiều hạn chế:
 Không áp dụng được đối với những dòng khí thải có tải lượng cao. Quá trình xử
lý thường phải áp dụng theo phương pháp gián đoạn.
 Hơi nước là một trong những nhân tố ảnh hưởng rất lớn đối với hiệu quả của
phương pháp hấp phụ. Do đó, đối với những dòng khí thải chứa nhiều hơi nước,
trước khi vào hệ thống thường bố trí thiết bị tách hơi nước.
 Nhiệt độ cũng là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hấp phụ, cụ thể đối với
những dòng khí có nhiệt độ cao hơn 1000F (≈380C) sẽ làm giảm hiệu suất xử lý.
Tóm lại mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng, do vậy khi tiến hành xử lý
một dòng khí thải ta cần phải lưu ý đến các yếu tố như tải lượng và tính chất của dòng
khí thải đó, cũng như mục đích của việc xử lý, từ đó chọn ra phương pháp xử lý hiệu
quả nhất mà vẫn đảm bảo về mặt chi phí và năng lượng.
1.2. QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ
1.2.1.
Bản chất:
Hấp phụ (adsorption) là một quá trình truyền khối mà trong đó chất khí, lỏng, các ion
được liên kết và giữ lại trên bề mặt phân cách pha.
Xử lý khí bằng phương pháp hấp phụ là quá trình xử lý dựa trên sự thâm nhập và giữ
lại của phân tử chất khí (chất bị hấp phụ) vào các mao quản của chất rắn (chất hấp phụ)
nhưng không thâm nhập vào cấu trúc mạng tinh thể của chất rắn. Hay nói cách khác hấp
phụ là sự hút các phân tử khí, hơi bởi bề mặt chất hấp phụ.
Lực giữ các nguyên tử, phân tử hay các ion với nhau trong trạng thái rắn tồn tại khắp
trong chất rắn và ở bề mặt chất rắn. Lực ở bề mặt chất rắn sẵn sàng gắn các phân tử khác

tiếp xúc với nó. Do đó, mọi chất khí, hơi hay chất lỏng nào đó ở một mức độ nào đó đều
dễ dàng liên kết với một chất rắn bất kỳ. Hiện tượng này gọi là sự hấp phụ, chất rắn
dùng để hấp phụ gọi là chất hấp phụ. Chất bị hấp phụ cũng có thể bị ngưng tụ trong các
lỗ xốp siêu nhỏ của một chất hấp phụ, hiện tượng này gọi là hiện tượng mao quản. Một
phân tử đi đến và bị giữ ở một vật thể rắn sẽ mất năng lượng do chuyển động của nó, do
đó hấp phụ bao giờ cũng là quá trình toả nhiệt, hay giải phóng năng lượng.
Hấp phụ được sử dụng trong kiểm soát ô nhiễm không khí vì nó là một biện pháp cô
đọng và lưu giữ các ô nhiễm không khí lại, nhờ đó dễ thải bỏ, thu hồi, hay biến đổi
chúng thành những sản phẩm không độc hại hay có giá trị. Quá trình này còn được ứng
dụng trong những công tác loại bỏ mùi, hơi dung môi, những chất màu, những ion hoà
tan trong nước.

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

15


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

1.2.2.

Cơ chế của quá trình hấp phụ

Quá trình hấp phụ cơ bản xảy ra theo cơ chế gồm ba bước:
 Bước 1: Các chất ô nhiễm trong không khí tiếp xúc với lớp bên ngoài vật liệu hấp
phụ.
 Bước 2: Các phân tử chất ô nhiễm di chuyển từ bề mặt chất hấp phụ (diện tích chỉ
vài mét vuông trên mỗi gram chất hấp phụ) vào các khe bên trong chất hấp phụ
(kích thước các khe nhỏ dần từ 50nm đến 2nm). Tổng diện tích bề mặt các khe này

lên đến hàng trăm mét vuông cho mỗi gram chất hấp phụ; vì vậy, có thể nói toàn
quá trình hấp phụ xảy ra trong các khe nhỏ li ti trên bề mặt chất hấp phụ
 Bước 3: Các phân tử chất ô nhiễm dính chặt vào chất hấp phụ nhờ các lực liên kết
Bước 1 và bước 2 là quá trình khuếch tán chất ô nhiễm, quá trình này xảy ra do sự
chênh lệch nồng độ giữa lớp khí chứa chất ô nhiễm đi ngang qua vật liệu hấp phụ và lớp
khí nằm sát bề mặt chất hấp phụ. Bước 3 mới thực sự là quá trình kết nối vật chất giữa
chất ô nhiễm và chất hấp phụ. Quá trình này xảy ra nhanh hơn nhiều so với bước 1 và
2.

Hình 1.14 Các giai đoạn của quá trình hấp phụ chất ô nhiễm.
Sự liên kết của chất khí và chất rắn có thể là liên kết vật lý hay hoá học:
Quá trình hấp phụ được chia thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Hai quá trình
này chỉ khác nhau ở sự liên kết giữa chất hấp phụ và chất ô nhiễm. Đối với hấp phụ vật
lý, phân tử khí được giữ lại trên bề mặt chất rắn bởi lực liên kết phân tử khá yếu. Cấu
trúc của khí sau khi bị hấp phụ vẫn không thay đổi, quá trình hấp phụ vật lý là quá trình
thuận nghịch. Trong đó, hấp phụ hoá học, liên kết hoá học được hình thành giữa chất
khí và chất rắn, vì vậy, rất khó đảo ngược được quá trình.

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

16


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

 Hấp phụ vật lý được đặc trưng chủ yếu bởi các lực hút tĩnh điện giữa phân tử chất
khí và chất rắn. Hấp phụ vật lý còn được gọi là hấp phụ Van der Waal. Cường độ
lực hút Van der Waal phụ thuộc vào mức độ phân cực chất khí và chất rắn.
Hấp phụ vật lý xảy ra do kết quả ba hiệu ứng khác nhau: sự định hướng, phân tán

và cảm ứng.
 Hiệu ứng định hướng: xảy ra trong trường hợp chất hấp phụ và chất bị hấp
phụ đều phân cực. Các cực dương và cực âm của chúng hút lẫn nhau. Trường
hợp điển hình là sự hấp phụ của hơi nước lên bề mặt silicagel.
 Hiệu ứng phân tán: xảy ra trong trường hợp các chất hấp phụ và chất bị
hấp phụ đều không phân cực. Ngay cả các chất không phân cực cũnng tồn tại
hiệu ứng phân cực nhưng không thường xuyên. Thông qua hiệu ứng này, khi
hai phân tử phân cực không thường xuyên đến gần nhau, năng lượng tổng cộng
của chúng sẽ suy giảm và chúng giao động đồng bộ với nhau. Sự hấp phụ của
hơi chất hữu cơ lên than hoạt tính là ví dụ cho hiệu ứng này.
 Hiệu ứng cảm ứng: xảy ra trong trường hợp một chất phân cực và một
chất không phân cực. Năng lượng của liên kết này rất nhỏ nếu so với năng lượng
từ hai hiệu ứng trên.
Quá trình hấp phụ luôn xảy ra quá trình toả nhiệt (lượng nhiệt sinh ra phụ thuộc
vào cường độ của lực liên kết phân tử). Sau một thời gian hấp phụ, tốc độ hấp phụ
sẽ bằng tốc độ phản hấp phụ, khi đó, ta có một cân bằng hấp phụ.
Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch vì thế chất hấp phụ có thể được thu
hồi hay hoàn nguyên để tái sử dụng mà bản chất của nó không hề bị thay đổi. Trong
trường hợp này, sự thay đổi nhiệt độ được sử dụng phổ biến nhất.
 Hấp phụ hoá học là liên kết tạo nên do tương tác hoá học giữa chất rắn và chất khí.
Nhiệt lượng toả ra của quá trình hấp phụ này cao hơn nhiều so với quá trình hấp
phụ vật lý. Vật liệu hấp phụ hoá học rất khó hoàn nguyên.
Trong công nghiệp, các chất rắn có khả năng tăng hấp phụ được sử dụng khá nhiều.
Hấp phụ hoá học là quá trình hấp phụ được chọn lọc. Chỉ những chất có khả năng
phản ứng với chất hấp phụ mới được giữ lại trên bề mặt. Quá trình hấp phụ hoá
học dừng lại khi bề mặt chất hấp phụ bị bao phủ hoàn toàn bởi chất bị hấp phụ.
Chất bị hấp phụ chỉ phân bổ một lớp trên bề mặt chất hấp phụ.
Hấp phụ vật lý thường giảm khi tăng nhiệt độ, trong khi đó hấp phụ hoá học lại hoạt
động mạnh mẽ hơn khi tăng nhiệt độ.
Trên thế giới, nhiều nhà nghiên cứu khoa học đã áp dụng phương pháp hấp phụ để

đánh giá được mức độ ô nhiễm của môi trường. Dựa vào mức độ khả năng hấp phụ, có
thể xét được lượng ô nhiễm môi trường từ đó đưa ra các giải pháp thích hợp.

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

17


Nghiên cứu khả năng hấp phụ của khí Toluen bằng vật liệu ống Nano Cacbon – Khoa Môi Trường - ĐHTNMT

1.2.3.

Vật liệu hấp phụ

Vật liệu hấp phụ thường có cấu trúc rỗng xốp, có bề mặt tự do của các lỗ rỗng rất cao.
Chúng có thể là vật liệu tự nhiên hay tổng hợp. Trong công nghiệp người ta chia chất
hấp phụ theo kích thước của lỗ rỗng của chúng: lỗ rỗng macrô, mêrô (trung gian) và
micrô.
Cấu trúc bên trong của các chất hấp phụ công nghiệp được đặt trưng bởi kích thước
và hình dạng khác nhau của khoảng trống và lỗ xốp.
Vật liệu hấp phụ cần đáp ứng các yêu cầu sau:






Có khả năng hấp phụ cao.
Phạm vi tác dụng rộng.

Có độ bền cơ học cần thiết.
Có khả năng hoàn nguyên dễ dàng
Rẻ tiền
Bảng 1.4: Diện tích bề mặt và kích thước lỗ xốp của các chất hấp phụ
Than hoạt tính

Nhôm hoạt tính

silicagel

Diện tích bề mặt
(m2/g)

500 - 1600

210 - 360

750

Diện tích bề mặt
(m2/cm3)

300 - 500

210 - 320

520

Thể tích lỗ xốp
(cm3/g)

0,80 – 1,20

0,29 – 0,37

0,4

Thể tích lỗ xốp
(cm3/cm3)

0,40 – 0,42

0,29 – 0,33

0,28

Đường kính lỗ
trung bình (A0)

15 - 20

18 - 20

22
Nguồn [9]

SVTH: Phan Thị Thanh Vy
GVHD: T.S Lê Hữu Quỳnh Anh – Th.S Phan Vũ Hoàng Phương

18