Nghiên cứu điều kiện hấp phụ hơi Benzen của Than hoạt tính và Zeolit A, Y, MOR

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu điều kiện hấp phụ hơi benzen của than hoạt tính, zeolit A, Y, MOR, định hướng giải pháp xử lý benzen trong môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngân
• Người hướng dẫn: Trần Thị Thanh Vân
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Xác Định Điều Kiện Hấp Phụ Hơi Benzen Của Than Hoạt Tính, Zeolit A, Zeolit Y, Zeolit Mor Và Định Hướng Xử Lý Hơi Benzen Trong Môi Trường
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Benzen và các phương pháp xử lý trong môi trường

Benzen là một chất ô nhiễm không khí nguy hiểm phát sinh từ các hoạt động công nghiệp, kho chứa nhiên liệu và hóa chất. Quá trình vận chuyển và tồn lưu của benzen trong không khí có thể kéo dài lâu, gây hại cho sức khỏe con người. Các phương pháp xử lý benzen truyền thống bao gồm hấp phụ, hấp thụ, đốt cháy và xử lý sinh học. Trong đó, hấp phụ hơi benzen bằng các vật liệu lỗ xốp là giải pháp hiệu quả, an toàn và chi phí thấp. Nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Hà Nội đã chứng minh rằng than hoạt tính, zeolit A, zeolit Y và zeolit MOR đều có khả năng hấp phụ benzen tốt, tạo ra định hướng xử lý hơi benzen hiệu quả trong môi trường.

1.1. Nguồn phát sinh và độc tính của benzen

Benzen phát sinh từ kho chứa vũ khí, xưởng sửa chữa, bồn chứa nhiên liệu và các cơ sở sản xuất. Hợp chất này có độc tính cao, gây bệnh ung thư và ảnh hưởng đến hệ miễn dịch. Sự phân bố benzen trong cơ thể con người qua hô hấp là nguyên nhân chính gây hại. Do đó, xử lý hơi benzen trong không khí là ưu tiên cấp bách.

1.2. Các phương pháp xử lý hiện nay

Các phương pháp xử lý dung môi hữu cơ như hấp phụ và hấp thụ được sử dụng rộng rãi. Trong đó, hấp phụ hơi benzen bằng vật liệu lỗ xốp là phương pháp được ưa chuộng nhất vì tiết kiệm chi phí, không tạo chất thải phụ và có thể tái sử dụng vật liệu hấp phụ.

II. Đặc tính của than hoạt tính trong hấp phụ benzen

Than hoạt tính (THT) là vật liệu hấp phụ phổ biến nhất với cấu trúc bề mặt phức tạp và độ rỗng cao. Khả năng hấp phụ hơi benzen của than hoạt tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ benzen ban đầu, thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng và nhiệt độ vận hành. Kết quả nghiên cứu từ Nguyễn Thị Ngân cho thấy rằng nồng độ benzen có ảnh hưởng rõ rệt đến dung lượng hấp phụ của THT. Khi nồng độ tăng, khả năng hấp phụ cũng tăng theo cho đến khi đạt bão hòa. Ngoài ra, tốc độ dòng khí qua lớp THT cũng ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý. Thời gian tiếp xúc càng dài, lượng benzen hấp phụ càng nhiều.

2.1. Ảnh hưởng của nồng độ benzen ban đầu

Nồng độ benzen ban đầu là một yếu tố quyết định khả năng hấp phụ benzen của THT. Khi nồng độ tăng từ 100-500 mg/m³, dung lượng hấp phụ tăng tuyến tính. Tuy nhiên, tại nồng độ cao quá, hiệu suất hấp phụ giảm do bão hòa vật liệu.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tiếp xúc

Nhiệt độ giảm làm tăng khả năng hấp phụ benzen. Ở 40°C, hiệu suất hấp phụ cao hơn ở 50°C. Thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng càng dài, lượng benzen được loại bỏ càng nhiều, đặc biệt trong 30 phút đầu tiên.

III. Zeolit A Y MOR Vật liệu hấp phụ tiên tiến

Zeolit là những chất xúc tác và hấp phụ tự nhiên có cấu trúc tinh thể với lỗ xốp đều đặn. Zeolit A, zeolit Y (HY) và zeolit MOR có những tính chất đặc trưng khác nhau về cấu trúc lỗ xốp. Zeolit A có kích thước lỗ nhỏ khoảng 3Å, phù hợp cho hấp phụ các phân tử nhỏ như benzen. Zeolit Y có lỗ xốp lớn hơn, cho phép hấp phụ hiệu quả các phân tử hữu cơ. Zeolit MOR (Modernit) có cấu trúc đặc biệt với các kênh ba chiều. Các phổ IR và ảnh SEM cho thấy sự khác biệt trong thành phần hóa học bề mặt và hình thái tinh thể. Khả năng hấp phụ hơi benzen của zeolit phụ thuộc vào kích thước lỗ xốp, số lượng lỗ trống và sự tương tác với benzen.

3.1. Cấu trúc và đặc trưng zeolit A và zeolit Y

Zeolit A có công thức Si/Al = 1, lỗ xốp 4.2Å-8.0Å, phù hợp hấp phụ benzen nhỏ. Zeolit Y có Si/Al = 2.4-3, lỗ xốp lớn 7.4Å-12Å, cho hấp phụ hiệu quả. Thành phần hóa học bề mặt của hai loại zeolit này khác nhau, ảnh hưởng đến tương tác với benzen.

3.2. Cấu trúc zeolit MOR và khả năng hấp phụ

Zeolit MOR có cấu trúc ba chiều phức tạp với kênh lỗ xốp nối tiếp nhau. Ảnh SEM cho thấy tinh thể hình thanh của zeolit MOR. Khả năng hấp phụ benzen của zeolit MOR tương đương với zeolit Y nhưng có lợi thế trong độ bền cơ học.

IV. So sánh khả năng hấp phụ và ứng dụng thực tế

So sánh khả năng hấp phụ hơi benzen của ba loại vật liệu cho thấy mỗi loại có ưu điểm riêng. Than hoạt tính có dung lượng hấp phụ cao nhất, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao. Zeolit Y có khả năng hấp phụ tương đương THT nhưng có khả năng tái sử dụng tốt hơn. Zeolit A phù hợp cho những ứng dụng chọn lọc nhờ kích thước lỗ xốp nhỏ. Kết quả nghiên cứu đề xuất sơ đồ xử lý VOCs sử dụng than hoạt tính cho các kho chứa nhiên liệu và hóa chất. Lựa chọn vật liệu phụ thuộc vào nồng độ benzen, lưu lượng khí, nhiệt độ và yêu cầu tái sử dụng. Các định hướng xử lý hơi benzen là tạo lớp hấp phụ ba tầng: zeolit A → zeolit Y → than hoạt tính.

4.1. Hiệu suất hấp phụ so sánh giữa các vật liệu

Ở điều kiện giống nhau (40°C, 200 mg/m³ benzen), than hoạt tính đạt dung lượng hấp phụ cao nhất 150-200 mg/g. Zeolit Y đạt 100-150 mg/g, còn zeolit A đạt 80-120 mg/g. Dung lượng hấp phụ thay đổi tùy thuộc tốc độ dòng khí và nồng độ.

4.2. Ứng dụng xử lý benzen trong môi trường

Định hướng ứng dụng trong thực tế là sử dụng kết hợp các vật liệu để nâng cao hiệu suất. Sơ đồ xử lý VOCs với than hoạt tính là giải pháp tối ưu cho kho chứa vũ khí và xưởng sản xuất. Việc lựa chọn vật liệu hấp phụ cần dựa trên phân tích chi phí-lợi ích.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Các kho chứa vũ khí thiết bị kỹ thuật quân sự, các kho, bồn chứa nhiên liệu , hóa chất, các kho, xưởng chuyên sửa chữa và sản xuất các loại vũ khí, khí tài, thiết bị kỹ thuật, thường phải sử dụng nhiều loại dung môi độc hại có nhiều khả năng gây cháy, nổ, cũng như dễ phân tán các tác nhân này ra môi trường sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe của người lao động. Ví dụ như đối với các kho chứa của nhóm ngành sản xuất, sửa chữa thiết bị quang học, điện tử có dây chuyền công nghệ, sản phẩm đa dạng, trong đó các công đoạn gây phát sinh ô nhiễm thường là: tẩy màng sơn, xử lý bề mặt các thiết bị quang học, rửa, sấy các linh kiện, chi tiết điện. Các khí thải phát sinh chứa chủ yếu tác tác nhân hữu cơ như: axeton, etylen, benzen, toluen, xylen, butylaxetat,…. Trong khi đó, các kho hầu hết chỉ sử dụng các hệ thống thông gió mà chưa sử dụng các hệ thống hút và thu gom xử lý khí sẽ gây ô nhiễm không khí xung quanh.

Theo các kết quả nghiên cứu công bố thì xử lý không khí ô nhiễm bởi dung môi hữu cơ dễ bay hơi bằng phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính, than hoạt tính biến tính, zeolit hoặc các loại vật liệu trên cơ sở zeolit đã và đang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Dung lượng hấp phụ của các vật liệu đối với dung môi hữu cơ nói riêng, cũng như các khí gây ô nhiễm nói chung ngoài việc phụ thuộc trực tiếp vào bản chất của vật liệu hấp phụ (kích thước hạt, diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp,…) còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, hơi ẩm, tốc độ dòng khí, nồng độ của các khí. Hiện nay, sử dụng các vật liệu than hoạt tính, zeolit đã có kết quả khả quan và được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, tuy nhiên khi sử dụng các vật liệu này để hấp phụ trên cột vẫn còn nhiều hạn chế như: quá trình hấp phụ trên cột thường bị ảnh hưởng nhiều bởi sự chuyển khối, sự tụt giảm áp suất nền cao ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ hấp phụ và hiệu quả tiếp xúc của chất bị hấp phụ với vật liệu hấp phụ. Do đó, đây luôn là chủ đề nghiên cứu hấp dẫn để phát triển vật liệu mới có khả năng làm tăng tốc độ chuyền nhiệt/ chuyển khối và tốc độ hấp thụ [5, 21].

Vì vậy, 1 nội dung đề tài “Nghiên cứu xác định điều kiện hấp phụ hơi benzen của than hoạt tính, Zeolit - A, zeolit - Y, zeolit - MOR và định hướng xử lý hơi benzen trong môi trường” với mục đích xây dựng định hướng để ứng dụng một số vật liệu hấp phụ nhằm xử lý hơi benzen gây ô nhiễm môi trường không khí. 2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1. Quá trình phát sinh và độc tính của benzen trong không khí Nguồn phát sinh benzen trong không khí Benzen là một trong những dung môi hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) được dùng phổ biến nhất hiện nay và được biết đến là một trong những tác nhân chính trong các loại dung môi hữu cơ gây ô nhiễm môi trường không khí. Tuy nhiên, việc kiểm soát và hạn chế các nguồn phát sinh này gặp nhiều khó khăn do quá trình phát sinh các dung môi xuất phát từ rất nhiều nguồn khác nhau bao gồm cả nguồn tự nhiên và nguồn nhân tạo.1: Sự phát sinh của VOCs vào không khí [26] Quá trình nhân tạo: từ các quá trình công nghiệp chế biến than đá, dầu mỏ, công nghiệp chế tạo sơn keo, giao thông, khói thuốc lá,….

Quá trình tự nhiên: cháy rừng, hoạt động của núi lửa,. Theo kết quả khảo sát tại Mỹ năm 1993: cho thấy có tới 96,2% lượng benzen phát thải vào không khí là từ các quá trình sản xuất công nghiệp và các ngành nghề sản xuất hàng tiêu dùng. 3 Theo kết quả thống kê của Viện môi trường: Kết quả thống kê năm 1984, thì có tổng cộng benzen phát thải vào không khí 17500 tấn/năm. Trung bình mỗi năm các ngành công nghiệp sơn, keo, công nghiệp hóa chất nói chung phát thải benzen vào môi trường không khí 5300 tấn/năm.

Từ các quá trình sử dụng than cốc là 1700 tấn/năm, công nghệ tinh chế than đá là 4600 tấn/năm. Theo các kết quả nghiên cứu thì hiện nay vẫn còn có những nguồn phát thải tiềm tàng benzen vào không khí mà chưa thể xác định rõ. Đặc biệt là sự phát sinh của benzen từ các quá trình trung gian như quá trình đốt rác, vật liệu xây dựng,… Sự phát sinh của benzen tại các kho chứa Đối với các nhóm ngành sản xuất, sửa chữa có sử dụng đến các dung môi , hóa chất có thành phần chứa benzen như sản xuất thiết bị quang học, điện tử, nhóm này có dây chuyền công nghệ, sản phẩm đa dạng, trong đó các công đoạn gây phát sinh ô nhiễm thường tại các kho chứa, xưởng sản xuất bao gồm: công đoạn tẩy màng sơn, xử lý bề mặt các thiết bị quang học, rửa, sấy các linh kiện, chi tiết điện sẽ phát sinh rất nhiều các tác nhân hữu cơ có hại cho môi trường. Trong đó, thành phần của khí thải phát sinh chứa chủ yếu tác tác nhân hữu cơ: axeton, etylen, benzen, toluen, xylen, butylaxetat,….

Theo kết quả thống kê quá trình bay hơi của benzen tại các kho chứa, trạm cung cấp xăng dầu tương đối lớn tương đương với quá trình phát thải của một số ngành công nghiệp có sử dụng đến benzen. Cụ thể như từ các thiết bị máy móc, các trạm cung cấp xăng dầu, sự bốc hơi của các thùng chứa ở các xe tải lớn là 4800 tấn/năm; benzen bay hơi từ các thùng chứa vào khoảng 620 đến 1290 tấn/năm,… Độc tính của benzen Đối với các cơ thể sống có thể bị nhiễm benzen bằng nhiều con đường, cách thức khác nhau. Có thể là do tiếp xúc với những khu vực có chất thải chứa nguồn benzen như nhà máy, xí nghiệp. Ngoài ra, do đặc tính công việc, nghề nghiệp thì một số đối tượng cũng bị phơi nhiễm với benzen.

Benzen được hấp thu vào cơ thể thông qua con đường hô hấp, đường miệng qua ăn uống các nguồn thực phẩm, nước có nhiễm benzen và qua tiếp xúc thông qua da. Khi cơ thể bị nhiễm benzen có thể 4 gây ra những triệu trứng nghiêm trọng như ảnh hưởng đền hệ thống miễm dịch, hệ thần kinh, đến sự sinh sản và sinh trưởng, gây độc đối với bộ gen và là một trong những tác nhân gây ung thư. Benzen được đưa vào cơ thể qua nhiều con đường khác nhau trong đó con đường vào cơ thể nhanh nhất của benzen là qua hô hấp để vào phổi. Benzen sau khi hấp thụ vào cơ thể được phân tán khắp cơ thể bằng con đường máu, hoặc benzen có thể tích tụ trong mỡ và bám vào các màng mỏng trong các mô tế bào.2: Sự phân bố và tích tụ của benzen trong cơ thể Sau khi được hấp thu vào cơ thể benzen không tồn tại lâu ở trong tế bào mà chuyển hóa thành những dạng khác nhau như phenol, catechol và hydroquinol những dạng này không tập trung cao ở các mô mỡ mà lại tập trung cao trong máu, tủy xương và nước tiểu.

Benzen hầu như có những ảnh hưởng đến đặc tính sinh lý của toàn bộ các bộ phận của cơ thể. Ngoài ảnh hưởng trực tiếp đến đường hô hấp sau khi hít phải benzen có trong môi trường, benzen còn tác động đến các quá trình khác trong cơ thể như quá trình nội tiết, quá trình trao đổi chất. 5 Các tác động chính của benzen bao gồm [24, 34]: Tác động đối với hệ hô hấp: khi hít phải nồng độ benzen từ 60ppm trở lên thì benzen sẽ tương tác với các tế bào, mô trong cơ thể gây nên trạng thái khó thở, nhịp thở không đều, màng nhầy mũi bị kích thích, cổ họng bị đau rát. Nếu tiếp tục hít thở trong môi trường có benzen thì dẫn đến các triệu chứng như xuất huyết phổi, phù phổi, viêm phế quản, viêm cuống phổi, viêm thanh quản,… Ngoài ra, Benzen khi vào cơ thể qua con đường hô hấp có thể đến tim tương tác với tế bào ở tâm thất gây tổn hại tim và nguy hiểm đến tính mạng.

Ảnh hưởng đến hệ thần kinh: các triệu chứng ảnh hưởng đến hệ thần kinh khi nhiễm độc benzen như: say sẩm mặt mày, cơ thể uể oải, chóng mặt, đau đầu, co giật, mê sảng và rơi vào trạng thái hôn mê. Nếu cơ thể bị nhiễm ở liều cao có thể gây ức chế thần kinh sẽ dẫn đến tử vong ngay tức khắc do benzen làm tắc nghẽn mạch máu não. Trong một số trường hợp, benzen có thể gây ức chế hệ thần kinh và dẫn đến tử vong tức thì mà không có triệu chứng biểu hiện trước. Tuy nhiên, trên thực tế tác động của benzen đối với hệ thần kinh hết sức phức tạp và cực kì nguy hiểm.

Mức độ liều gây độc của benzen đối với hệ thần kinh trong khoảng 20- 70mg/l, thông thường với nồng độ từ 20-30 mg/l nạn nhân bắt đầu có triệu chứng nôn mửa, say sẩm và lên đến 70mg/l thì dẫn đến tử vong. Ảnh hưởng của benzen đến hệ miễn dịch: khi nhiễm đôc benzene, nó sẽ làm rối loạn các cơ chế miễn dịch trong cơ thể. Trước tiên benzen sẽ thâm nhập vào dịch sống của hệ miễn dịch làm suy giảm huyết thanh miễn dịch globulin, đồng thời ngăn cản việc sản xuất globulin trong tế bào. Mặt khác chúng sẽ gây ra những phản ứng giữa bạch cầu và agglutinin có trong máu.

Sau đó, benzen sẽ gây ra những rối loạn của tế bào miễn dịch (tế bào bạch cầu) làm suy yếu hệ miễn dịch. Gây ung thư: khi điều kiện làm việc phải tiếp xúc thường xuyên với benzen thì có nguy cơ dẫn đến các bệnh ung thư về máu và ung thư bàng quang. Ung thư máu là do benzen làm biến đổi cấu trúc và hình dạng của huyết cầu tố sinh ra ở tủy sương, tác động lên các tế bào máu limena và tế bào máu lympo. Khi bị ung thứ máu thì thường xuất hiện các triệu trứng như xuất huyết kinh niên, choáng váng.

6 Ngoài ra, benzen còn ảnh hưởng các các cơ quan khác trong cơ thể như: xưng huyết thận, tổn thương mô thận; gan, làm khô mắt, suy giảm thị lực, viêm giác mạc; xưng huyết đường ruột, ảnh hưởng cơ quan sinh dục gây suy giảm khả năng sinh sản ở nam giới, ảnh hưởng đến thai nhi hoặc sinh non ở phụ nữ mang thai,.