Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và sự gia tăng của các khu công nghiệp tập trung kéo theo lượng phát thải lớn các chất ô nhiễm vào môi trường không khí. Trong số các chất ô nhiễm công nghiệp, hơi dung môi hữu cơ (đặc biệt là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi - VOCs) phát sinh ngày càng nhiều từ ngành công nghiệp hóa chất, sản xuất sơn, keo dán, cao su, chất tẩy rửa và in ấn. Hai dung môi tiêu biểu thuộc nhóm hydrocacbon thơm là Benzen và Toluen có đặc tính bay hơi nhanh và độc tính sinh học cao; việc tiếp xúc thường xuyên hoặc hít phải nồng độ cao có thể gây tổn hại hệ thần kinh trung ương, suy hô hấp, tổn thương gan, thận và làm tăng nguy cơ ung thư ở người.
Tuy nhiên, các phương pháp xử lý khí hơi dung môi hữu cơ hiện nay còn bộc lộ nhiều hạn chế về mặt chi phí và hiệu quả xử lý đối với các luồng khí kỵ nước. Để giải quyết bài toán này, tác giả thực hiện khóa luận nhằm khảo sát khả năng hấp thụ hơi hydrocacbon thơm bằng các dung dịch chất hoạt động bề mặt trong điều kiện thực nghiệm.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:
- Tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ nhũ tương, đặc tính của các chất hoạt động bề mặt và tính chất lý hóa, độc tính của Benzen và Toluen.
- Thiết lập mô hình thực nghiệm hấp thụ hơi dung môi hữu cơ quy mô phòng thí nghiệm gồm bình hóa hơi Vuyếc, chuỗi bình hấp thụ nối tiếp và hệ thống ngưng tụ thu hồi.
- Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt động bề mặt (ở các mức 1%, 2%, 3%) đến hiệu suất hấp thụ Benzen và Toluen.
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc/đun (ở các mốc 60 phút, 90 phút, 120 phút) đến hiệu suất hấp thụ hơi dung môi.
- Khảo sát ảnh hưởng của việc phối trộn hai chất hoạt động bề mặt theo các tỷ lệ thể tích khác nhau (1:1, 1:2, 2:1) đến hiệu quả xử lý.
Đối tượng nghiên cứu là hơi dung môi hữu cơ Benzen ($C_6H_6$), Toluen ($C_7H_8$) và hai loại dung dịch chất hoạt động bề mặt (được ký hiệu là Chất HĐBM 1 và Chất HĐBM 2). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các thí nghiệm thực nghiệm trong phòng thí nghiệm thuộc ngành Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng vào năm 2019.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận dựa trên các nền tảng lý thuyết hóa lý về hệ phân tán, hóa học chất hoạt động bề mặt và công nghệ xử lý khí thải:
- Lý thuyết về hệ phân tán và nhũ tương: Hệ nhũ tương là hệ phân tán dị thể gồm các chất lỏng không tan hoặc ít tan vào nhau (kiểu D/N, N/D, hoặc nhũ tương kép N/D/N). Hệ này không bền nhiệt động học do năng lượng tự do bề mặt $\Delta G = \sigma \cdot S$ (với $\sigma$ là sức căng liên bề mặt, $S$ là diện tích tiếp xúc pha). Vận tốc tách pha của các tiểu phân được biểu diễn qua hệ thức Stokes:
$$V = \frac{2R^2(d_1 - d_2)g}{9\eta}$$
Trong đó $V$ là vận tốc tách pha, $R$ là bán kính giọt, $(d_1 - d_2)$ là hiệu số tỷ trọng hai pha, $\eta$ là độ nhớt môi trường phân tán và $g$ là gia tốc trọng trường.
- Cơ chế của chất hoạt động bề mặt: Chất hoạt động bề mặt có khả năng làm giảm sức căng bề mặt giữa pha lỏng và pha khí/pha dầu, hình thành lớp màng hấp phụ hydrat hóa ngăn cản sự hợp giọt và tăng khả năng giữ các phân tử dung môi kỵ nước vào dung dịch.
- Chất HĐBM 1: Là chất hoạt động bề mặt mang nhóm anion (sulfonat hoặc etoxysulfat) liên kết chuỗi hydrocacbon, điều chế bằng phản ứng ethoxyl hóa rượu dodecyl thành este của acid sulfuric.
- Chất HĐBM 2: Là polymer dẫn xuất cellulose (muối natri carboxymethyl cellulose - Na-CMC) chứa các nhóm $-CH_2COOH$ liên kết khung sườn glucopyranose, có chức năng tạo độ nhớt, tạo gel và ổn định nhũ tương.
- Đặc tính dung môi: Khóa luận phân tích cấu trúc vòng thơm, tính chất vật lý (nhiệt độ sôi, độ tan thấp trong nước: Toluen tan $0{,}053\text{ g}/100\text{ ml}$ ở 20–25°C) và phản ứng hóa học đặc trưng (thế halogen, nitro hóa, oxy hóa) của Benzen và Toluen.
Phương pháp nghiên cứu chính là thực nghiệm trong phòng thí nghiệm (Laboratory Experiment). Mô hình thực nghiệm sử dụng bình Vuyếc đun hóa hơi 100 ml dung môi hữu cơ, hơi dung môi bay qua hệ thống 3 bình cầu đáy tròn dung tích 500 ml mắc nối tiếp (mỗi bình chứa 100 ml dung dịch chất hoạt động bề mặt để hấp thụ). Phần hơi không hấp thụ hết được dẫn qua ống sinh hàn và sừng bò để ngưng tụ, thu gom vào bình tam giác 250 ml đặt trong dụng cụ làm lạnh nhằm xác định lượng dung môi dư.
Hiệu suất hấp thụ ($C%$) được tính theo công thức:
$$C% = \frac{m_{\text{thực tế}}}{m_{\text{lý thuyết}}} \times 100%$$
Nguồn dữ liệu là số liệu đo đạc thực nghiệm trực tiếp, mỗi chế độ thí nghiệm được thực hiện lặp lại 3 lần để lấy giá trị trung bình.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Khái niệm, cơ sở lý thuyết về nhũ tương, chất hoạt động bề mặt và dung môi hữu cơ
Chương này tổng thuật toàn diện các khái niệm khoa học liên quan:
- Trình bày định nghĩa nhũ tương, phân loại theo kiểu phân tán (D/N, N/D, N/D/N), nguồn gốc (thiên nhiên, nhân tạo), nồng độ (loãng $<2%$, đặc $10-50%$) và kích thước (vi nhũ tương $10-100\text{ nm}$, nhũ tương mịn $0{,}5-1\ \mu\text{m}$, nhũ tương thô). Phân tích các phương pháp nhận biết nhũ tương qua pha loãng, nhuộm màu và đo độ dẫn điện.
- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền vững nhũ tương (sự lên bông, nổi kem, lắng cặn, kết dính, đảo pha, chuyển động Brown, pH, chất điện giải) và các phương pháp điều chế (phương pháp keo ướt, keo khô, trộn hai pha sau khi đun nóng, xà phòng hóa trực tiếp, dùng dung môi chung) cùng nguyên lý phá nhũ (điện ly, đun nóng, ly tâm, dùng chất hoạt động bề mặt đối kháng).
- Trình bày nguồn gốc, cấu trúc không gian, cơ chế tạo bọt, giảm sức căng bề mặt của Chất HĐBM 1 và khả năng tạo đặc, kiểm soát độ nhớt, tạo đông (độ ẩm 98%) của polymer Chất HĐBM 2.
- Trình bày nguồn gốc, tính chất lý hóa học, phản ứng thế/cộng/oxy hóa và ứng dụng công nghiệp của Toluen ($C_7H_8$), Benzen ($C_6H_6$), kèm theo phân tích tác hại của dung môi hữu cơ đối với sức khỏe con người (nhiễm độc thần kinh, suy hô hấp, tổn thương gan, thận, tính chất gây ung thư của benzen).
Chương II: Dụng cụ, hóa chất và phương pháp thí nghiệm
Chương II mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm và trang thiết bị nghiên cứu:
- Danh mục thiết bị, dụng cụ gồm: Bình Vuyếc, 3 bình cầu đáy tròn 500 ml, ống sinh hàn, bình tam giác 250 ml, sừng bò, nhiệt kế 200°C, bình định mức 100 ml, pipet, đũa thủy tinh, cốc thủy tinh 500 ml, hệ thống làm lạnh.
- Quy trình tiến hành 3 nhóm thí nghiệm:
- Khảo sát nồng độ: Cố định thể tích 100 ml dung môi trong bình Vuyếc, cho 100 ml dung dịch chất hoạt động bề mặt vào từng bình cầu, đun trong 75 phút ở các nồng độ chất HĐBM 1% và 2% và 3%.
- Khảo sát thời gian: Cố định nồng độ chất HĐBM ở mức 3%, tiến hành đun ở 3 mốc thời gian: 60 phút, 90 phút và 120 phút.
- Khảo sát tỷ lệ phối trộn: Trộn Chất HĐBM 1 và Chất HĐBM 2 theo các tỷ lệ thể tích 1:1, 1:2, 2:1, định mức thành 100 ml cho vào các bình cầu và đun trong 90 phút.
- Thiết lập phương pháp tính toán hiệu suất dựa trên khối lượng dung môi ngưng tụ thu hồi sau hệ thống hấp thụ 3 bậc.
Chương III: Kết quả và thảo luận
Chương III trình bày số liệu thực nghiệm đo đạc từ các bảng biểu và đồ thị phân tích:
- Ảnh hưởng của nồng độ: Khi nồng độ chất HĐBM tăng từ 1% đến 3%, hiệu suất hấp thụ Benzen và Toluen đều tăng tỷ lệ thuận. Phần lớn lượng hơi dung môi được hấp thụ ngay tại bình cầu số 1 (chiếm từ 77% đến 86%), lượng hấp thụ giảm mạnh ở bình cầu số 2 (khoảng 2,5% - 7,6%) và bình cầu số 3 chỉ hấp thụ lượng nhỏ còn lại (1% - 3%).
- So sánh hai chất hoạt động bề mặt: Dung dịch Chất HĐBM 2 cho hiệu suất hấp thụ cao hơn Chất HĐBM 1 ở mọi nồng độ khảo sát đối với cả hai loại dung môi.
- Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc: Khi kéo dài thời gian đun từ 60 phút lên 120 phút (ở nồng độ 3%), hiệu suất hấp thụ tăng dần do tăng thời gian tiếp xúc pha giữa dòng hơi và dung dịch hấp thụ.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đã thu thập và xử lý hệ thống số liệu thực nghiệm qua nhiều lần lặp lại, thể hiện qua các bảng tổng hợp sau:
Bảng 1: Hiệu suất hấp thụ trung bình theo nồng độ chất hoạt động bề mặt (thời gian đun 75 phút)
| Chất hoạt động bề mặt |
Dung môi xử lý |
Nồng độ 1% |
Nồng độ 2% |
Nồng độ 3% |
Mức tăng hiệu suất (từ 1% lên 3%) |
| Chất HĐBM 1 |
Benzen |
82,97% |
85,28% |
88,35% |
+5,38% |
| Chất HĐBM 1 |
Toluen |
82,16% |
84,03% |
89,98% |
+7,82% |
| Chất HĐBM 2 |
Benzen |
86,32% |
88,05% |
91,15% |
+4,83% |
| Chất HĐBM 2 |
Toluen |
86,31% |
89,99% |
92,99% |
+6,68% |
Bảng 2: Hiệu suất hấp thụ trung bình theo thời gian đun (nồng độ dung dịch 3%)
| Chất hoạt động bề mặt |
Dung môi xử lý |
Thời gian 60 phút |
Thời gian 90 phút |
Thời gian 120 phút |
Mức tăng hiệu suất (từ 60 lên 120 phút) |
| Chất HĐBM 1 |
Benzen |
87,705% |
91,740% |
93,785% |
+6,080% |
| Chất HĐBM 2 |
Benzen |
89,945% |
93,525% |
94,745% |
+4,800% |
Các kết quả định lượng chính đạt được:
- Ở nồng độ 3% và thời gian đun 75 phút, hiệu suất xử lý Benzen đạt 88,35% (đối với HĐBM 1) và 91,15% (đối với HĐBM 2); hiệu suất xử lý Toluen đạt 89,98% (đối với HĐBM 1) và 92,99% (đối với HĐBM 2).
- Khi tăng thời gian đun lên 120 phút ở nồng độ 3%, hiệu suất xử lý Benzen của HĐBM 1 đạt tối đa 93,785% và của HĐBM 2 đạt 94,745%.
- Nghiên cứu chứng minh dung dịch polymer Na-CMC (Chất HĐBM 2) có khả năng giữ và hấp thụ hơi hydrocacbon thơm tốt hơn chất tẩy rửa hoạt tính bề mặt thông thường (Chất HĐBM 1).
Đóng góp của khóa luận là cung cấp các số liệu thực nghiệm bước đầu có độ lặp lại cao về khả năng hấp thụ hơi hydrocacbon thơm bằng dung dịch hoạt động bề mặt trong hệ hấp thụ nối tầng, làm cơ sở dữ liệu thực nghiệm cho các nghiên cứu xử lý VOCs.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong văn bản:
- Hạn chế: Thí nghiệm mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm gián đoạn (chưng cất tĩnh từng mẻ), sử dụng hệ thống bình thủy tinh với lưu lượng khí phụ thuộc vào tốc độ đun sôi dung môi; chưa khảo sát động học dòng khí thải liên tục với các thông số vận tốc dòng, nồng độ khí đầu vào thực tế, nhiệt độ dòng khí và độ ẩm. Khóa luận cũng chưa đánh giá chu kỳ bão hòa của dung dịch hấp thụ cũng như phương pháp giải hấp/tái sinh chất hoạt động bề mặt sau xử lý.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu trên mô hình tháp đệm hoặc tháp mâm hấp thụ dòng liên tục; thử nghiệm trên hỗn hợp khí thải đa cấu tử phức tạp từ các xưởng sản xuất thực tế; nghiên cứu công nghệ thu hồi dung môi và tái sinh dung dịch chất hoạt động bề mặt nhằm tối ưu chi phí vận hành.
Giá trị tham khảo
Khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:
- Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Môi trường và Công nghệ Hóa học: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp bố trí thí nghiệm hấp thụ hơi hữu cơ kỵ nước, kỹ thuật ghép nối thiết bị phản ứng nhiều bậc trong phòng thí nghiệm và cách tính toán hiệu suất xử lý khí.
- Người làm đề tài về xử lý VOCs: Tham khảo các số liệu thực nghiệm định lượng về mức độ chênh lệch hiệu suất giữa chất hoạt động bề mặt gốc sunfat/sulfonat và dẫn xuất cellulose polymer trong việc bắt giữ các phân tử vòng thơm Benzen, Toluen.
Câu hỏi thường gặp
1. Mô hình thực nghiệm hấp thụ hơi dung môi trong khóa luận được bố trí gồm những bộ phận nào?
Mô hình thực nghiệm được bố trí nối tiếp gồm: Bình hóa hơi Vuyếc (chứa dung môi đun sôi tạo hơi) $\rightarrow$ chuỗi 3 bình cầu đáy tròn dung tích 500 ml (mỗi bình chứa 100 ml dung dịch chất hoạt động bề mặt) $\rightarrow$ ống sinh hàn ngưng tụ $\rightarrow$ sừng bò $\rightarrow$ bình tam giác 250 ml đặt trong hệ thống làm lạnh để thu hồi lượng hơi dung môi dư chưa bị hấp thụ.
2. Giữa Chất HĐBM 1 và Chất HĐBM 2, loại nào cho hiệu quả hấp thụ cao hơn?
Trong tất cả các điều kiện khảo sát cùng nồng độ (1%, 2%, 3%) và cùng thời gian đun (60, 75, 90, 120 phút), Chất HĐBM 2 (polymer dẫn xuất natri carboxymethyl cellulose) luôn cho hiệu suất hấp thụ Benzen và Toluen cao hơn so với Chất HĐBM 1.
3. Quá trình hấp thụ hơi dung môi phân bố như thế nào qua chuỗi 3 bình cầu nối tiếp?
Phần lớn lượng dung môi hữu cơ được giữ lại ở bình cầu đáy tròn thứ nhất (đạt hiệu suất riêng phần từ 77% đến 86%). Bình cầu thứ hai hấp thụ thêm một lượng nhỏ từ 2,5% đến 7,6%, và bình cầu thứ ba chỉ hấp thụ từ 1% đến 3% lượng hơi còn sót lại trước khi ra ống sinh hàn.
4. Khi tăng nồng độ từ 1% lên 3% ở thời gian đun 75 phút, hiệu suất xử lý Toluen thay đổi như thế nào?
Hiệu suất hấp thụ Toluen của Chất HĐBM 1 tăng từ 82,16% lên 89,98% (tăng 7,82%); hiệu suất của Chất HĐBM 2 tăng từ 86,31% lên 92,99% (tăng 6,68%).
5. Hiệu suất hấp thụ Benzen đạt mức tối đa bao nhiêu khi khảo sát theo thời gian đun?
Khi khảo sát ở nồng độ 3% với thời gian đun kéo dài 120 phút, hiệu suất hấp thụ Benzen trung bình đạt 93,785% đối với dung dịch Chất HĐBM 1 và đạt 94,745% đối với dung dịch Chất HĐBM 2.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Phạm Văn Hưng đã nghiên cứu thực nghiệm thành công quá trình xử lý hơi dung môi hữu cơ Benzen và Toluen bằng hai loại dung dịch chất hoạt động bề mặt trên mô hình hấp thụ 3 bậc. Kết quả thực nghiệm khẳng định hiệu suất hấp thụ tăng thuận theo nồng độ dung dịch (từ 1% đến 3%) và thời gian tiếp xúc (từ 60 đến 120 phút), trong đó dung dịch polymer dẫn xuất cellulose (Chất HĐBM 2) thể hiện khả năng hấp thụ vượt trội, đạt hiệu suất trên 91% đối với Benzen và gần 93% đối với Toluen ở nồng độ 3%. Công trình cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chi tiết, đóng góp cơ sở khoa học cho việc phát triển các giải pháp xử lý khí thải chứa hơi dung môi hữu cơ kỵ nước trong ngành kỹ thuật môi trường.
