Nghiên cứu ứng dụng khả năng hấp phụ của một số khoáng tự nhiên vào việc xử lý nước nhiễm dầu trong các sự cố tràn dầu trên biển

32 T¹p chÝ Hãa häc, T. 38, sè 3, Tr. 32 - 35, 2000 Nghiªn cøu øng dông kh¶ n¨ng hÊp phô cña mét sè kho¸ng tù nhiªn vµo viÖc xö lý n#íc nhiÔm dÇu trong c¸c sù cè trµn dÇu trªn biÓn §Õn Tßa so¹n 21-10-1999 NguyÔn Ngäc Khang Trêng §¹i häc H"ng h¶i ViÖt Nam - H¶i Phßng 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 - §Æt vÊn ®Ò Trong c¸c ngnh s¶n xuÊt liªn quan nhiÒu ®Õn dÇu mì, nhiªn liÖu láng nh" hng h¶i, dÇu khÝ..., vÊn ®Ò chèng « nhiÔm m«i tr"êng n"íc do trn dÇu v viÖc xö lý c¸c sù cè, tai n¹n g©y ra dÇu trn trªn biÓn, ®"îc quan t©m mét c¸ch ®Æc biÖt. Trong lÜnh vùc xö lý n"íc bÞ « nhiÔm dÇu má v c¸c s¶n phÈm cña dÇu má th× vÊn ®Ò t¸ch dÇu ra khái n"íc l mét c«ng viÖc chñ yÕu v ®= cã nhiÒu nghiªn cøu, nhiÒu ph"¬ng ph¸p kh¸c nhau ®Ó t¸ch. Chóng ta biÕt r»ng, hÖ dÇu-n"íc l mét hÖ kh«ng tan lÉn, v ®Ó t¸ch dÇu khái n"íc, ng"êi ta th"êng dïng hai ph"¬ng ph¸p chÝnh l ph"¬ng ph¸p hãa häc v ph"¬ng ph¸p c¬ häc. Trong c«ng tr×nh ny, chóng t«i chän ph"¬ng ph¸p hãa häc ®Ó nghiªn cøu sö dông c¸c chÊt hÊp phô dÇu trong n"íc - ®ã l c¸c vËt liÖu hÊp phô cã nguån gèc kho¸ng tù nhiªn s½n cã, dÔ kiÕm v dÔ chÕ t¹o ë n"íc ta ... - nh»m ¸p dông vo c¸c qu¸ tr×nh lm s¹ch n"íc, xö lý dÇu trn trªn n"íc, phôc vô môc ®Ých chèng « nhiÔm m«i tr"êng n"íc, v m«i tr"êng biÓn trong c¸c sù cè, tai n¹n trn dÇu. II - C¬ së lý thuyÕt v ph"¬ng ph¸p nghiªn cøu Khi dÇu trn trªn mÆt n"íc, nã liÒn tham gia vo mét lo¹t qu¸ tr×nh biÕn ®æi nh" lan truyÒn, tr«i d¹t, bay h¬i v hßa trén víi n"íc. Líp v¸ng dÇu cã tû träng nhá h¬n n"íc nªn dÔ khuÕch t¸n vo n"íc t¹o thnh nhò t"¬ng dÇu trong n"íc. §Ó t¸ch dÇu ra khái n"íc, ta cã thÓ sö dông ph"¬ng ph¸p hãa häc dïng 5 lo¹i hãa chÊt sau: - Hãa chÊt hÊp phô, nh" Sanol absorbents (lo¹i hãa chÊt plastic d¹ng bät, kþ n"íc), Float absorb (lo¹i hãa chÊt h÷u c¬ d¹ng tù nhiªn dÔ bÞ ph©n hñy vi sinh), v.v... - Hãa chÊt khuÕch t¸n, nh" AB 2000 cña h=ng NEOS - Hãa chÊt t¹o kÕt tña, hay hãa chÊt nhÊn ch×m - Hãa chÊt ph¸ nhò t"¬ng 33 - Hãa chÊt t¹o hng ro, hay hng ro hãa chÊt. hoÆc cã thÓ sö dông ph"¬ng ph¸p c¬ häc theo 3 lo¹i: + Ph"¬ng ph¸p c¬ häc dïng phao ng¨n dÇu, ®Ó gom dÇu vo mét khu vùc råi vít + Ph"¬ng ph¸p c¬ häc dïng m¸ng hót dÇu + Ph"¬ng ph¸p c¬ häc dïng thiÕt bÞ tuyÓn næi. ViÖc nghiªn cøu kh¶ n¨ng hÊp phô dÇu má v c¸c s¶n phÈm dÇu má, cña c¸c kho¸ng tù nhiªn ®Ó t¸ch dÇu khái n"íc, cã ý nghÜa rÊt lín vÒ mÆt lý thuyÕt còng nh" thùc tiÔn, bëi v× trong ph"¬ng ph¸p hãa häc dïng chÊt hÊp phô th× c¸c hãa chÊt hÊp phô nªu trªn th"êng rÊt ®¾t v hiÖu suÊt xö lý dÇu trn sÏ gi¶m ®i nhiÒu nÕu dÇu ®= phong hãa (hßa trén, khuÕch t¸n vo s©u líp n"íc). C¸c kho¸ng tù nhiªn nh" diatomit, bentonit,... ë n"íc ta cã thnh phÇn chñ yÕu l SiO2, Al2O3 v mét sè oxit kh¸c, th"êng cã cÊu tróc xèp. CÊu tróc xèp ®ã phô thuéc vo thnh phÇn v c¸ch s¾p xÕp c¸c oxit trong kho¸ng. Do cã cÊu tróc xèp víi bÒ mÆt riªng lín, nªn nãi chung, c¸c kho¸ng ny cã kh¶ n¨ng hÊp phô; tuy nhiªn, ë tr¹ng th¸i tù nhiªn, tÝnh hÊp phô cña chóng kh«ng cao. §Ó n©ng cao kh¶ n¨ng hÊp phô, cÇn xö lý chuyÓn hãa c¸c kho¸ng tù nhiªn ®ã sao cho ®é xèp, bÒ mÆt riªng v ho¹t tÝnh bÒ mÆt cña nã t¨ng lªn [1, 2]. Sö dông c¸c vËt liÖu hÊp phô l c¸c kho¸ng tù nhiªn ®= biÕn tÝnh ®ã, ®Ó tiÕn hnh hÊp phô trao ®æi víi n"íc nhiÔm dÇu, nhiªn liÖu láng (xö lý dÇu trn trªn n"íc) ... th× chóng sÏ gi÷ l¹i ®"îc nh÷ng h¹t dÇu nhò t"¬ng trong n"íc, h¹t r¾n l¬ löng kh«ng tan, nh÷ng hîp chÊt h÷u c¬ v vi sinh vËt kh¸c ... nhê ®ã, ta t¸ch ®"îc dÇu khái n"íc. TiÕp theo, cÇn ph¶i xÐt c¸c yÕu tè ¶nh h"ëng ®Õn kh¶ n¨ng hÊp phô cña kho¸ng trong qu¸ tr×nh hÊp phô nh": lo¹i dÇu, nhiªn liÖu láng (x¨ng, nhiªn liÖu diesel DO, nhiªn liÖu nÆng FO, mazut, dÇu nhên...), thêi gian hÊp phô, nhiÖt ®é qu¸ tr×nh hÊp phô, thêi gian v tr¹ng th¸i tiÕp xóc gi÷a chÊt hÊp phô víi dÇu trong n"íc (khuÊy, läc, b¬m chuyÓn qua bÒ mÆt, v.v...). Trªn c¬ së lý thuyÕt ®ã, chóng t«i ®Ò ra ph"¬ng h"íng nghiªn cøu øng dông kh¶ n¨ng hÊp phô dÇu, nhiªn liÖu láng, cña c¸c kho¸ng tù nhiªn l diatomit (DA), bentonit (BE), cao lanh... vo viÖc xö lý dÇu trn trong n"íc, theo c¸c b"íc tiÕn hnh sau: B"íc 1: ChuyÓn hãa biÕn tÝnh c¸c kho¸ng tù nhiªn (DA, BE) thnh nh÷ng vËt liÖu hÊp phô d¹ng bét r¾n v d¹ng viªn khèi (viªn bi, khèi cÇu). B"íc 2: Sö dông vËt liÖu hÊp phô ®ã xö lý n"íc nhiÔm dÇu theo hai c¸ch: - Hßa trén dÇu vo n"íc, nång ®é x¸c ®Þnh, sau ®ã khuÊy trén víi vËt liÖu hÊp phô d¹ng bét, ®Ó l¾ng bét råi läc g¹n. - B¬m l"u chuyÓn n"íc nhiÔm dÇu qua líp vËt liÖu hÊp phô d¹ng viªn, khèi (nh»m gia t¨ng thêi gian v tr¹ng th¸i tiÕp xóc hÊp phô). B"íc 3: KiÓm tra theo dâi nång ®é dÇu trong n"íc, tr"íc v sau khi sö dông vËt liÖu hÊp phô. Tõ c¸c b"íc tiÕn hnh ®ã, so s¸nh kÕt qu¶ thu ®"îc ®Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng øng dông vo thùc tiÔn. C¸c vËt liÖu hÊp phô ®"îc dïng chÝnh l c¸c kho¸ng tù nhiªn cã s½n, dÔ kiÕm.... v ®= ®"îc chuyÓn hãa, biÕn tÝnh thnh nh÷ng chÊt cã kh¶ n¨ng hÊp phô cao. III - Néi dung nghiªn cøu v kÕt qu¶ thu ®"îc Qu¸ tr×nh t¹o vËt liÖu hÊp phô tõ kho¸ng tù nhiªn Kho¸ng diatomit v bentonit ®"îc sÊy kh«, nghiÒn mÞn, hßa tan trong n"íc, läc c¬ häc qua r©y cã kÝch th"íc 0,1 mm. Dung dÞch huyÒn phï ®Ó l¾ng trong 10 giê; läc g¹n kÕt tña, ®em sÊy kh« ®"îc c¸c bét MDA v MBE. Xö lý bét MDA v MBE víi dung dÞch H2SO4 24%, qu¸ tr×nh trao ®æi ®"îc gi÷ trong 48 giê, sau ®ã läc g¹n v röa bét kho¸ng b»ng n"íc cÊt ®Õn pH kh«ng ®æi, ®"îc bét DA v bét BE. SÊy kh« bét hÊp phô DA v BE ë 110 - 120oC trong 2 giê v b¶o qu¶n trong b×nh phßng Èm cho ®Õn khi ®"a ra nghiªn cøu. B×nh phßng Èm cã ®é Èm t"¬ng ®èi l 80% ë 25oC trªn dung dÞch NH4Cl b=o hßa. VËt liÖu hÊp phô t¹o thnh cã d¹ng bét mÞn, ®Òu mu, ®"îc ký hiÖu l DA v BE. 34 T¹o d¹ng viªn v khèi cho vËt liÖu hÊp phô b»ng c¸ch trén bét kho¸ng mÞn ®ã víi c¸c chÊt thªm KN v MM theo tØ lÖ 2,5 - 5,0% khèi l"îng, nung ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau: 200oC, 400oC v 600oC; thêi gian h»ng nhiÖt khi nung l 1,0 - 1,5 giê. VËt liÖu hÊp phô d¹ng viªn, khèi, cã kÝ hiÖu DA200N, DA200M, DA400N, ... BE600M, còng ®"îc b¶o qu¶n trong b×nh phßng Èm cho ®Õn khi ®"a ra thö nghiÖm. Qu¸ tr×nh tiÕn hnh xö lý hÊp phô dÇu trong n íc Dïng n"íc nhiÔm dÇu cã nång ®é kho¶ng 10 mg/l ®Ó thö nghiÖm (t¹o ra b»ng c¸ch cho nhiªn liÖu nÆng FO vo n"íc v dïng b¬m trén tuÇn hon trong kho¶ng 1 giê). LÊy 1 g vËt liÖu hÊp phô d¹ng bét, trén vo 1 lÝt n"íc nhiÔm dÇu, khuÊy ®Òu, gi÷ yªn trong 1 giê råi läc g¹n lÊy n"íc ®em ph©n tÝch. LÊy 1 g vËt liÖu hÊp phô d¹ng viªn, khèi, dïng 1 lÝt n"íc nhiÔm dÇu b¬m l"u chuyÓn qua nã trong kho¶ng 30 phót råi lÊy n"íc ®= xö lý ra ph©n tÝch. Ph©n tÝch c¸c mÉu n"íc tr"íc v sau khi xö lý theo 4 th«ng sè: Hm l"îng dÇu - theo ph"¬ng ph¸p träng l"îng víi dung m«i dietylete v tetra cloruacacbon, kiÓm tra l¹i b»ng ®o trªn thiÕt bÞ ph©n tÝch dÇu chuyªn dông OCMA-220 (ISO- 9001 certified). Nhu cÇu oxi hãa häc COD b»ng K2Cr2O7 theo TCVN 2679-78. §é dÉn ®iÖn S, ®o trªn m¸y Condutivity metre OK-102/1. §é pH, ®o trªn m¸y ®o pH-metre: Mettler Delta - 320. C¸c th«ng sè cÊu tróc cña vËt liÖu hÊp phô, x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng hÊp phô cña mÉu kho¸ng tù nhiªn DA v BE ®= chuyÓn hãa biÕn tÝnh, ®"îc thùc hiÖn trong [3]. X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè ®Æc tr ng cña vËt liÖu hÊp phô C¸c vËt liÖu hÊp phô l c¸c kho¸ng tù nhiªn ®= biÕn tÝnh chuyÓn hãa thnh kho¸ng hÊp phô, ®"îc x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè ®Æc tr"ng nh" gi¸ trÞ khèi l"îng riªng, gi¸ trÞ ®é xèp, ®é hÊp phô, v ®é cøng (®é bÒn c¬) theo kÕt qu¶ trong [3]. ViÖc ghi phæ hång ngo¹i cña c¸c mÉu vËt liÖu 35 hÊp phô ®= ®"îc tiÕn hnh víi tÊt c¶ c¸c mÉu, tr"íc v sau khi ®= hÊp phô dÇu (tr"íc v sau khi sö dông xö lý n"íc); ®Ó so s¸nh kh¶ n¨ng hÊp phô dÇu cña c¸c mÉu. Trong bi l hai phæ hång ngo¹i cña vËt liÖu mÉu DA400M -lo¹i cho kÕt qu¶ tèt nhÊt - ghi t¹i Phßng ph©n tÝch quang phæ ViÖn Hãa häc TT KHTN & CNQG. KÕt qu¶ thùc nghiÖm C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu ®"îc tr×nh by trong c¸c b¶ng sau: C¸c th«ng sè ®Æc tr"ng cho mÉu vËt liÖu hÊp phô dïng vo viÖc xö lý dÇu trn ®"îc tr×nh by ë b¶ng 1 víi c¸c ký hiÖu: DA, BE l bét kho¸ng diatomit v bentonit ®= chuyÓn hãa thnh vËt liÖu hÊp phô. 200, 400, 600 l nhiÖt ®é nung vËt liÖu hÊp phô d¹ng viªn, khèi. N v M l chÊt thªm KN v MM cho viÖc kÕt dÝnh, t¹o d¹ng viªn, khèi cña vËt liÖu hÊp phô. dT l khèi l"îng riªng thùc cña vËt liÖu hÊp phô, g/ml. dK l khèi l"îng riªng biÓu kiÕn cña vËt liÖu hÊp phô, g/ml. dV l khèi l"îng riªng thÓ tÝch cña vËt liÖu hÊp phô, g/ml. VX l thÓ tÝch tæng céng lç xèp cña vËt liÖu hÊp phô, TK X dd V 11
= , ml/g. P l ®é xèp hÊp phô cña vËt liÖu hÊp phô, 100. T KT d ddP
= , %. Q l ®é xèp kÜ thuËt cña vËt liÖu hÊp phô, 100. T VT d ddQ
= , %. A l ®é hÊp phô tÜnh, theo toluen×104 cña vËt liÖu hÊp phô, ml/g. FC l ®é cøng c¬ häc (®é bÒn chÞu nÐn) cña vËt liÖu hÊp phô, kg/cm2. MDA v MBE l bét kho¸ng mÉu diatomit v bentonit tù nhiªn. B¶ng 1: C¸c th«ng sè ®Æc tr"ng cña vËt liÖu hÊp phô TT MÉu vËt dT, g/ml dK, g/ml dV, g/ml VX, ml/g P, % Q, % A.10 4, ml/g FC, 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 C¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch mÉu n"íc tr"íc v sau khi sö dông vËt liÖu hÊp phô ®Ó xö lý dÇu ®"îc tr×nh by ë b¶ng 2 víi c¸c ký hiÖu: FO l hm l"îng dÇu trong n"íc, mg/l; a l ®é hÊp phô dÇu cña vËt liÖu hÊp phô thö nghiÖm, mg/g; 36 (Xem tiÕp trang 44) COD l nhu cÇu oxi hãa häc cña n"íc, mgO2/l; S l ®é dÉn ®iÖn cña n"íc, mS; pH l ®é pH cña n"íc; MÉu vËt liÖu hÊp phô ®= dïng khi xö lý dÇu, ton bé qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm ®"îc tiÕn hnh ë cïng nhiÖt ®é 20oC. B¶ng 2: KÕt qu¶ ph©n tÝch n"íc khi xö lý dÇu TT VËt liÖu hÊp phô FO, mg/l a, mg/g COD, mgO2/l S, mS pH 1 N"íc mÉu 10,0 - 23,68 28,5 4,72 2 MBE + H2O 9,2 0,8 21,12 22,0 5,01 3 BE + H2O 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 + H2O 7,4 2,6 18,24 18,5 5,58 7 DA + H2O 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 NhËn xÐt v kÕt luËn C¸c kho¸ng DA v BE thiªn nhiªn cã kh¶ n¨ng hÊp phô dÇu, nhiªn liÖu láng trong n"íc, nh"ng rÊt yÕu; sau khi chuyÓn hãa v biÕn tÝnh, kh¶ n¨ng hÊp phô cña chóng t¨ng lªn râ rÖt. HiÖu suÊt hÊp phô dÇu FO trong mÉu n"íc cña c¸c kho¸ng ®= chuyÓn hãa (thnh vËt liÖu hÊp phô) ®¹t tõ 60 - 80% ®èi víi kho¸ng diatomit. §iÒu ®ã cho thÊy cã thÓ øng dông vËt liÖu hÊp phô, kho¸ng DA ®= chuyÓn hãa, vo viÖc xö lý t¸ch dÇu khái n"íc. ViÖc thö nghiÖm b¬m l"u chuyÓn mÉu n"íc lÉn dÇu qua vËt liÖu hÊp phô d¹ng viªn khèi cho phÐp sö dông c¸c vËt liÖu hÊp phô ny vo viÖc xö lý dÇu trn trªn n"íc b»ng c¸ch kÕt hîp hai ph"¬ng ph¸p l ph"¬ng ph¸p hÊp phô v ph"¬ng ph¸p c¬ häc dïng m¸ng hót dÇu. §ã l dïng can« cã b¬m hót líp n"íc v¸ng dÇu b¬m qua thiÕt bÞ läc chøa vËt liÖu hÊp phô - kho¸ng DA d¹ng viªn khèi nªu trªn. Thùc hiÖn c«ng viÖc ny cã lîi vÒ kinh tÕ v gi¶i ph¸p kü thuËt khi ph¶i xö lý c¸c sù cè dÇu trn trªn biÓn, mÆt n"íc c¶ng ... cho c¸c ngnh hng h¶i v dÇu khÝ cña chóng ta hiÖn nay. T i liÖu tham kh¶o 1. Iu. I. Taraxevich. Priro®n"ie xorbent" v prosexxakh otrixtki vo®". Kiev “Naukova §umka” (1981). 2. Ensiklope®iia neorganitrexkic materialov. Kiev. (1977) 3. NguyÔn Ngäc Khang. LuËn v¨n th¹c sÜ. §¹i häc B¸ch khoa H Néi (1995).