Nghiên cứu khả năng hấp thụ của một số khoáng tự nhiên

32
Tạp chí Hóa học, T. 38, số 3, Tr. 32 - 35, 2000

Nghiên cứu ứng dụng khả năng hấp phụ
của một số khoáng tự nhiên vào việc xử lý n#ớc
nhiễm dầu trong các sự cố tràn dầu trên biển
Đến Tòa soạn 21-10-1999
Nguyễn Ngọc Khang
Trờng Đại học H"ng hải Việt Nam - Hải Phòng

Summary
There are some natural materials which can be existant, found easily in our country and if
operated and denaturated, they can adsorb organic compound, fuel oil, grease and liquid in
water.
This paper exposes some results of application research the adsorbability in the separating
oil from water-oil mixture with the purpose of treating oily water and oil spills on water, to
service the protetion of water environment, expecially againt pollution of sea environment
because of oil spill in marine and petroleum branch.

I - Đặt vấn đề
Trong các ngnh sản xuất liên quan nhiều
đến dầu mỡ, nhiên liệu lỏng nh" hng hải, dầu
khí..., vấn đề chống ô nhiễm môi tr"ờng n"ớc
do trn dầu v việc xử lý các sự cố, tai nạn gây
ra dầu trn trên biển, đ"ợc quan tâm một cách
đặc biệt. Trong lĩnh vực xử lý n"ớc bị ô nhiễm
dầu mỏ v các sản phẩm của dầu mỏ thì vấn đề
tách dầu ra khỏi n"ớc l một công việc chủ yếu
v đ= có nhiều nghiên cứu, nhiều ph"ơng pháp
khác nhau để tách.
Chúng ta biết rằng, hệ dầu-n"ớc l một hệ

không tan lẫn, v để tách dầu khỏi n"ớc, ng"ời
ta th"ờng dùng hai ph"ơng pháp chính l
ph"ơng pháp hóa học v ph"ơng pháp cơ học.
Trong công trình ny, chúng tôi chọn ph"ơng
pháp hóa học để nghiên cứu sử dụng các chất
hấp phụ dầu trong n"ớc - đó l các vật liệu hấp
phụ có nguồn gốc khoáng tự nhiên sẵn có, dễ
kiếm v dễ chế tạo ở n"ớc ta ... - nhằm áp dụng
vo các quá trình lm sạch n"ớc, xử lý dầu trn
trên n"ớc, phục vụ mục đích chống ô nhiễm
môi tr"ờng n"ớc, v môi tr"ờng biển trong các
sự cố, tai nạn trn dầu.
II - Cơ sở lý thuyết v ph"ơng pháp
nghiên cứu
Khi dầu trn trên mặt n"ớc, nó liền tham
gia vo một loạt quá trình biến đổi nh" lan
truyền, trôi dạt, bay hơi v hòa trộn với n"ớc.
Lớp váng dầu có tỷ trọng nhỏ hơn n"ớc nên dễ
khuếch tán vo n"ớc tạo thnh nhũ t"ơng dầu
trong n"ớc. Để tách dầu ra khỏi n"ớc, ta có thể
sử dụng ph"ơng pháp hóa học dùng 5 loại hóa
chất sau:
- Hóa chất hấp phụ, nh" Sanol absorbents
(loại hóa chất plastic dạng bọt, kỵ n"ớc), Float
absorb (loại hóa chất hữu cơ dạng tự nhiên dễ
bị phân hủy vi sinh), v.v...
- Hóa chất khuếch tán, nh" AB 2000 của
h=ng NEOS
- Hóa chất tạo kết tủa, hay hóa chất nhấn
chìm

- Hóa chất phá nhũ t"ơng
33
- Hóa chất tạo hng ro, hay hng ro hóa
chất.
hoặc có thể sử dụng ph"ơng pháp cơ học theo 3
loại:
+ Ph"ơng pháp cơ học dùng phao ngăn dầu,
để gom dầu vo một khu vực rồi vớt
+ Ph"ơng pháp cơ học dùng máng hút dầu
+ Ph"ơng pháp cơ học dùng thiết bị tuyển
nổi.
Việc nghiên cứu khả năng hấp phụ dầu mỏ
v các sản phẩm dầu mỏ, của các khoáng tự
nhiên để tách dầu khỏi n"ớc, có ý nghĩa rất lớn
về mặt lý thuyết cũng nh" thực tiễn, bởi vì
trong ph"ơng pháp hóa học dùng chất hấp phụ
thì các hóa chất hấp phụ nêu trên th"ờng rất đắt
v hiệu suất xử lý dầu trn sẽ giảm đi nhiều
nếu dầu đ= phong hóa (hòa trộn, khuếch tán vo
sâu lớp n"ớc).
Các khoáng tự nhiên nh" diatomit,
bentonit,... ở n"ớc ta có thnh phần chủ yếu l
SiO
2
, Al
2
O
3
v một số oxit khác, th"ờng có cấu
trúc xốp. Cấu trúc xốp đó phụ thuộc vo thnh

phần v cách sắp xếp các oxit trong khoáng. Do
có cấu trúc xốp với bề mặt riêng lớn, nên nói
chung, các khoáng ny có khả năng hấp phụ;
tuy nhiên, ở trạng thái tự nhiên, tính hấp phụ
của chúng không cao. Để nâng cao khả năng
hấp phụ, cần xử lý chuyển hóa các khoáng tự
nhiên đó sao cho độ xốp, bề mặt riêng v hoạt
tính bề mặt của nó tăng lên [1, 2].
Sử dụng các vật liệu hấp phụ l các khoáng
tự nhiên đ= biến tính đó, để tiến hnh hấp phụ
trao đổi với n"ớc nhiễm dầu, nhiên liệu lỏng
(xử lý dầu trn trên n"ớc) ... thì chúng sẽ giữ lại
đ"ợc những hạt dầu nhũ t"ơng trong n"ớc, hạt
rắn lơ lửng không tan, những hợp chất hữu cơ
v vi sinh vật khác ... nhờ đó, ta tách đ"ợc dầu
khỏi n"ớc. Tiếp theo, cần phải xét các yếu tố
ảnh h"ởng đến khả năng hấp phụ của khoáng
trong quá trình hấp phụ nh": loại dầu, nhiên
liệu lỏng (xăng, nhiên liệu diesel DO, nhiên
liệu nặng FO, mazut, dầu nhờn...), thời gian hấp
phụ, nhiệt độ quá trình hấp phụ, thời gian v
trạng thái tiếp xúc giữa chất hấp phụ với dầu
trong n"ớc (khuấy, lọc, bơm chuyển qua bề
mặt, v.v...).
Trên cơ sở lý thuyết đó, chúng tôi đề ra
ph"ơng h"ớng nghiên cứu ứng dụng khả năng
hấp phụ dầu, nhiên liệu lỏng, của các khoáng tự
nhiên l diatomit (DA), bentonit (BE), cao
lanh... vo việc xử lý dầu trn trong n"ớc, theo
các b"ớc tiến hnh sau:

B"ớc 1: Chuyển hóa biến tính các khoáng
tự nhiên (DA, BE) thnh những vật liệu hấp phụ
dạng bột rắn v dạng viên khối (viên bi, khối
cầu).
B"ớc 2: Sử dụng vật liệu hấp phụ đó xử lý
n"ớc nhiễm dầu theo hai cách:
- Hòa trộn dầu vo n"ớc, nồng độ xác định,
sau đó khuấy trộn với vật liệu hấp phụ dạng
bột, để lắng bột rồi lọc gạn.
- Bơm l"u chuyển n"ớc nhiễm dầu qua lớp
vật liệu hấp phụ dạng viên, khối (nhằm gia tăng
thời gian v trạng thái tiếp xúc hấp phụ).
B"ớc 3: Kiểm tra theo dõi nồng độ dầu
trong n"ớc, tr"ớc v sau khi sử dụng vật liệu
hấp phụ.
Từ các b"ớc tiến hnh đó, so sánh kết quả
thu đ"ợc để đánh giá khả năng ứng dụng vo
thực tiễn. Các vật liệu hấp phụ đ"ợc dùng chính
l các khoáng tự nhiên có sẵn, dễ kiếm.... v đ=
đ"ợc chuyển hóa, biến tính thnh những chất có
khả năng hấp phụ cao.
III - Nội dung nghiên cứu
v kết quả thu đ"ợc
Quá trình tạo vật liệu hấp phụ từ khoáng tự
nhiên
Khoáng diatomit v bentonit đ"ợc sấy khô,
nghiền mịn, hòa tan trong n"ớc, lọc cơ học qua
rây có kích th"ớc 0,1 mm. Dung dịch huyền
phù để lắng trong 10 giờ; lọc gạn kết tủa, đem
sấy khô đ"ợc các bột MDA v MBE. Xử lý bột

MDA v MBE với dung dịch H
2
SO
4
24%, quá
trình trao đổi đ"ợc giữ trong 48 giờ, sau đó lọc
gạn v rửa bột khoáng bằng n"ớc cất đến pH
không đổi, đ"ợc bột DA v bột BE.
Sấy khô bột hấp phụ DA v BE ở 110 -
120
o
C trong 2 giờ v bảo quản trong bình
phòng ẩm cho đến khi đ"a ra nghiên cứu. Bình
phòng ẩm có độ ẩm t"ơng đối l 80% ở 25
o
C
trên dung dịch NH
4
Cl b=o hòa. Vật liệu hấp phụ
tạo thnh có dạng bột mịn, đều mu, đ"ợc ký
hiệu l DA v BE.
34
Tạo dạng viên v khối cho vật liệu hấp phụ
bằng cách trộn bột khoáng mịn đó với các chất
thêm KN v MM theo tỉ lệ 2,5 - 5,0% khối
l"ợng, nung ở các nhiệt độ khác nhau: 200
o
C,
400
o

C v 600
o
C; thời gian hằng nhiệt khi nung
l 1,0 - 1,5 giờ. Vật liệu hấp phụ dạng viên,
khối, có kí hiệu DA200N, DA200M, DA400N,
... BE600M, cũng đ"ợc bảo quản trong bình
phòng ẩm cho đến khi đ"a ra thử nghiệm.
Quá trình tiến hnh xử lý hấp phụ dầu trong
n ớc
Dùng n"ớc nhiễm dầu có nồng độ khoảng
10 mg/l để thử nghiệm (tạo ra bằng cách cho
nhiên liệu nặng FO vo n"ớc v dùng bơm trộn
tuần hon trong khoảng 1 giờ).
Lấy 1 g vật liệu hấp phụ dạng bột, trộn vo
1 lít n"ớc nhiễm dầu, khuấy đều, giữ yên trong
1 giờ rồi lọc gạn lấy n"ớc đem phân tích.
Lấy 1 g vật liệu hấp phụ dạng viên, khối,
dùng 1 lít n"ớc nhiễm dầu bơm l"u chuyển qua
nó trong khoảng 30 phút rồi lấy n"ớc đ= xử lý
ra phân tích.
Phân tích các mẫu n"ớc tr"ớc v sau khi xử
lý theo 4 thông số:
Hm l"ợng dầu - theo ph"ơng pháp trọng
l"ợng với dung môi dietylete v tetra
cloruacacbon, kiểm tra lại bằng đo trên thiết bị
phân tích dầu chuyên dụng OCMA-220 (ISO-
9001 certified).
Nhu cầu oxi hóa học COD bằng K
2
Cr

2
O
7
theo TCVN 2679-78.
Độ dẫn điện S, đo trên máy Condutivity
metre OK-102/1.
Độ pH, đo trên máy đo pH-metre: Mettler
Delta - 320.
Các thông số cấu trúc của vật liệu hấp phụ,
xác định khả năng hấp phụ của mẫu khoáng tự
nhiên DA v BE đ= chuyển hóa biến tính, đ"ợc
thực hiện trong [3].
Xác định các thông số đặc tr ng của vật liệu
hấp phụ
Các vật liệu hấp phụ l các khoáng tự nhiên
đ= biến tính chuyển hóa thnh khoáng hấp phụ,
đ"ợc xác định các thông số đặc tr"ng nh" giá
trị khối l"ợng riêng, giá trị độ xốp, độ hấp phụ,
v độ cứng (độ bền cơ) theo kết quả trong [3].
Việc ghi phổ hồng ngoại của các mẫu vật liệu
35
hấp phụ đ= đ"ợc tiến hnh với tất cả các mẫu,
tr"ớc v sau khi đ= hấp phụ dầu (tr"ớc v sau
khi sử dụng xử lý n"ớc); để so sánh khả năng
hấp phụ dầu của các mẫu. Trong bi l hai phổ
hồng ngoại của vật liệu mẫu DA400M -loại cho
kết quả tốt nhất - ghi tại Phòng phân tích quang
phổ Viện Hóa học TT KHTN & CNQG.
Kết quả thực nghiệm
Các kết quả nghiên cứu đ"ợc trình by

trong các bảng sau:
Các thông số đặc tr"ng cho mẫu vật liệu
hấp phụ dùng vo việc xử lý dầu trn đ"ợc trình
by ở bảng 1 với các ký hiệu:
DA, BE l bột khoáng diatomit v bentonit
đ= chuyển hóa thnh vật liệu hấp phụ.
200, 400, 600 l nhiệt độ nung vật liệu hấp
phụ dạng viên, khối.
N v M l chất thêm KN v MM cho việc
kết dính, tạo dạng viên, khối của vật liệu hấp
phụ.
d
T
l khối l"ợng riêng thực của vật liệu hấp
phụ, g/ml.
d
K
l khối l"ợng riêng biểu kiến của vật liệu
hấp phụ, g/ml.
d
V
l khối l"ợng riêng thể tích của vật liệu
hấp phụ, g/ml.
V
X
l thể tích tổng cộng lỗ xốp của vật liệu
hấp phụ,
TK
X
dd

V
11
=
, ml/g.
P l độ xốp hấp phụ của vật liệu hấp phụ,
100.
T
KT
d
dd
P

=
, %.
Q l độ xốp kĩ thuật của vật liệu hấp phụ,
100.
T
VT
d
dd
Q

=
, %.
A l độ hấp phụ tĩnh, theo toluenì10
4
của
vật liệu hấp phụ, ml/g.
F
C

l độ cứng cơ học (độ bền chịu nén) của
vật liệu hấp phụ, kg/cm
2
.
MDA v MBE l bột khoáng mẫu diatomit
v bentonit tự nhiên.

Bảng 1: Các thông số đặc tr"ng của vật liệu hấp phụ
TT
Mẫu vật d
T
, g/ml d
K
, g/ml d
V
, g/ml V
X
, ml/g P
,
% Q, % A.10
4
, ml/g F
C
, kg/cm
2
1 MDA 0,703 0,368 0,336 1,25 47,65 52,20 3.000 -
2 DA 0,563 0,295 0,218 1,61 47,60 61,27 4.200 -
3 DA200N 0,442 0,239 0,207 1,92 45,59 53,61 6.000 0,6
4 DA400N 0,352 0,154 0,106 3,65 56,25 69,88 7.000 0,8
5 DA600N 0,224 0,096 0,072 5,95 57,14 67,85 6.500 1,2

6 DA200M 0,428 0,216 0,185 2,29 49,53 56,77 5.800 0,6
7 DA400M 0,313 0,127 0,086 4,68 59,42 72,52 7.200 0,8
8 DA600M 0,267 0,119 0,080 4,65 55,43 70,03 6.800 1,2
9 MBE 1,872 1,546 1,348 0,11 17,41 27,99 1.500 -
10 BE 1,506 1,025 0,982 0,31 31,93 34,79 1.800 -
11 BE400N 1,269 0,854 0,796 0,38 32,70 37,27 2.800 2,0
12 BE400M 1,284 0,878 0,802 0,36 31,61 37,53 3.000 2,2
Các kết quả phân tích mẫu n"ớc tr"ớc v sau khi sử dụng vật liệu hấp phụ để xử lý dầu
đ"ợc trình by ở bảng 2 với các ký hiệu:
FO l hm l"ợng dầu trong n"ớc, mg/l; a l độ hấp phụ dầu của vật liệu hấp phụ thử
nghiệm, mg/g;
36
(Xem tiếp trang 44)
COD l nhu cầu oxi hóa học của n"ớc, mgO
2
/l; S l độ dẫn điện của n"ớc, mS; pH l độ
pH của n"ớc;
Mẫu vật liệu hấp phụ đ= dùng khi xử lý dầu, ton bộ quá trình thí nghiệm đ"ợc tiến hnh ở
cùng nhiệt độ 20
o
C.
Bảng 2: Kết quả phân tích n"ớc khi xử lý dầu
TT Vật liệu hấp phụ FO, mg/l a, mg/g COD, mgO
2
/l S, mS pH
1 N"ớc mẫu 10,0 - 23,68 28,5 4,72
2 MBE + H
2
O 9,2 0,8 21,12 22,0 5,01
3 BE + H

2
O 8,0 2,0 19,84 20,5 5,26
4 BE 400N 6,8 3,2 15,68 15,5 5,86
5 BE 400M 6,6 3,4 15,52 15,0 5,88
6 MDA + H
2
O 7,4 2,6 18,24 18,5 5,58
7 DA + H
2
O 5,7 4,3 14,72 14,5 5,93
8 DA 200N 4,2 5,8 12,48 10,6 6,20
9 DA 400N 2,5 7,5 6,72 4,2 6,54
10 DA 600N 2,1 7,9 6,40 3,9 6,57
11 DA 200M 4,0 6,0 11,20 10,3 6,32
12 DA 400M 2,2 7,8 6,56 4,0 6,55
13 DA 600M 1,9 8,1 6,08 3,5 6,62
Nhận xét v kết luận
Các khoáng DA v BE thiên nhiên có khả
năng hấp phụ dầu, nhiên liệu lỏng trong n"ớc,
nh"ng rất yếu; sau khi chuyển hóa v biến tính,
khả năng hấp phụ của chúng tăng lên rõ rệt.
Hiệu suất hấp phụ dầu FO trong mẫu n"ớc
của các khoáng đ= chuyển hóa (thnh vật liệu
hấp phụ) đạt từ 60 - 80% đối với khoáng
diatomit. Điều đó cho thấy có thể ứng dụng vật
liệu hấp phụ, khoáng DA đ= chuyển hóa, vo
việc xử lý tách dầu khỏi n"ớc.
Việc thử nghiệm bơm l"u chuyển mẫu n"ớc
lẫn dầu qua vật liệu hấp phụ dạng viên khối cho
phép sử dụng các vật liệu hấp phụ ny vo việc

xử lý dầu trn trên n"ớc bằng cách kết hợp hai
ph"ơng pháp l ph"ơng pháp hấp phụ v
ph"ơng pháp cơ học dùng máng hút dầu. Đó l
dùng canô có bơm hút lớp n"ớc váng dầu bơm
qua thiết bị lọc chứa vật liệu hấp phụ - khoáng
DA dạng viên khối nêu trên. Thực hiện công
việc ny có lợi về kinh tế v giải pháp kỹ thuật
khi phải xử lý các sự cố dầu trn trên biển, mặt
n"ớc cảng ... cho các ngnh hng hải v dầu khí
của chúng ta hiện nay.
T i liệu tham khảo
1. Iu. I. Taraxevich. Prirođn"ie xorbent" v
prosexxakh otrixtki vođ". Kiev Naukova
Đumka (1981).
2. Ensiklopeđiia neorganitrexkic materialov.
Kiev. (1977)
3. Nguyễn Ngọc Khang. Luận văn thạc sĩ. Đại
học Bách khoa H Nội (1995).