Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam thúc đẩy sự mở rộng nhanh chóng của các khu công nghiệp, nhà máy sản xuất kinh doanh và dịch vụ. Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp hóa chất kéo theo lượng phát thải khí thải chứa các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), đặc biệt là hơi dung môi hữu cơ như benzen và toluen, ngày càng gia tăng. Các dung môi này gây ô nhiễm môi trường không khí nghiêm trọng và đe dọa trực tiếp đến sức khỏe con người qua đường hô hấp và tiếp xúc lâu dài.

Thực tế công tác kiểm soát khí thải công nghiệp còn bộc lộ nhiều điểm hạn chế; đồng thời, các giải pháp kỹ thuật xử lý hơi dung môi hữu cơ hiện hành vẫn tồn tại những rào cản về tính khả thi và chi phí khi áp dụng vào điều kiện thực tế tại Việt Nam. Xuất phát từ bối cảnh đó, đề tài "Nghiên cứu khả năng hấp thụ dung môi hữu cơ (Benzen và Toluen) của một số chất hoạt động bề mặt" được thực hiện nhằm khảo sát giải pháp xử lý hơi dung môi bằng phương pháp hấp thụ sử dụng các chất hoạt động bề mặt thông dụng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác lập cụ thể như sau:

  1. Xây dựng mô hình thí nghiệm hấp thụ hơi dung môi hữu cơ quy mô phòng thí nghiệm.
  2. Nghiên cứu khả năng hấp thụ benzen và toluen của chất hoạt động bề mặt thứ nhất: Laurylsunfat.
  3. Nghiên cứu khả năng hấp thụ benzen và toluen của chất hoạt động bề mặt thứ hai: Carboxymethyl cellulose (CMC).
  4. Nghiên cứu khả năng hấp thụ benzen và toluen của chất hoạt động bề mặt thứ ba: Isoamyl alcohol.
  5. Nghiên cứu khả năng hấp thụ benzen và toluen của chất hoạt động bề mặt thứ tư: Dung dịch nước giặt tổng hợp.
  6. So sánh, đánh giá tổng hợp khả năng hấp thụ benzen và toluen của 4 loại chất hoạt động bề mặt nêu trên.
  7. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc (40, 75, 90, 120 phút) và nồng độ dung dịch (1%, 3%, 4%) đến hiệu suất hấp thụ benzen của chất hoạt động bề mặt có hiệu quả tối ưu (CMC).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Khả năng hấp thụ hơi dung môi hữu cơ (benzen và toluen) của 4 chất hoạt động bề mặt gồm Laurylsunfat, CMC, Isoamyl alcohol và Nước giặt.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên mô hình dòng hơi dung môi qua chuỗi bình hấp thụ trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Khoa Môi trường, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng vào năm 2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập nền tảng lý luận dựa trên các khái niệm về hóa keo, hóa lý bề mặt và độc chất học môi trường:

  • Hệ nhũ tương: Định nghĩa nhũ tương là hệ phân tán cao của hai chất lỏng không hòa tan vào nhau; phân loại nhũ tương theo pha (nhũ tương thuận D/N và nhũ tương nghịch N/D) và theo nồng độ pha phân tán (nhũ tương loãng $\le 0{,}1%$, nhũ tương đậm đặc đến $74%$ thể tích với chuyển động Brown, nhũ tương rất đậm đặc $> 74%$ thể tích có cấu trúc tương tự dạng gel).
  • Chất hoạt động bề mặt: Phân tử có cấu trúc lưỡng tính gồm phần kỵ nước (mạch hoặc vòng hydrocarbon) và phần ưa nước (nhóm phân cực như carboxyl, sulfate, sulfonate, hydroxyl hoặc ether). Cơ chế xử lý dựa trên sự tập trung phân tử tại bề mặt phân cách pha lỏng - khí, làm giảm sức căng bề mặt, tạo màng hydrat hóa và bẫy giữ các phân tử dung môi hữu cơ không phân cực vào cấu trúc micelle/nhũ tương.
  • Đặc tính các chất hấp thụ khảo sát:
    • Lauryl sulfate: Chất diện hoạt anion công thức $\text{CH}_3(\text{CH}2){10}\text{CH}_2(\text{OCH}_2\text{CH}_2)_n\text{OSO}_3^-$, có tính chất tạo bọt mạnh và hình thành màng hấp phụ hydrat hóa bền vững.
    • Carboxymethyl cellulose (CMC): Polymer dẫn xuất cellulose với nhóm $-\text{CH}_2\text{COOH}$, công thức muối natri $[\text{C}_6\text{H}_7\text{O}_2(\text{OH})_x(\text{OCH}_2\text{COONa})_y]_n$, tạo dung dịch keo có độ nhớt và tính kết dính cao, ổn định nhũ tương tốt.
    • Isoamyl alcohol: Hợp chất ancol mạch nhánh, nhiệt độ sôi $131{,}1^\circ\text{C}$, ít tan trong nước, thường dùng làm thuốc thử và chất chống bốc hơi.
    • Nước giặt tổng hợp: Hỗn hợp các chất hoạt động bề mặt chứa gốc ưa nước ($-\text{COONa}, -\text{SO}_3\text{Na}$) và gốc kỵ nước, hòa tan vết bẩn và dung môi không cực thành hệ nhũ tương.
  • Đặc tính và độc tính của dung môi:
    • Toluen ($\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3$): Nhiệt độ sôi $111^\circ\text{C}$, tỷ trọng $0{,}9$, độ tan trong nước $0{,}05\text{ g}/100\text{ ml}$ ($25^\circ\text{C}$), tính chất thơm, tác động gây mê, suy nhược thần kinh trung ương và tổn thương gan, thận.
    • Benzen ($\text{C}_6\text{H}_6$): Nhiệt độ nóng chảy $5{,}48^\circ\text{C}$, sôi ở $80{,}2^\circ\text{C}$, tỷ trọng $0{,}879$, dung môi hòa tan chất béo và cao su, có độc tính mãn tính cao đối với tủy xương, gây suy giảm hệ thần kinh và bệnh bạch cầu.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

  • Thiết bị và dụng cụ: Bình vuyếc đun dung môi, nhiệt kế $200^\circ\text{C}$, hệ thống 3 bình cầu đáy tròn dung tích $500\text{ ml}$ mắc nối tiếp chứa chất hấp thụ, ống sinh hàn làm lạnh, sừng bò, bình tam giác $250\text{ ml}$ thu hồi ngưng tụ, bình định mức $100\text{ ml}$, pipet và cốc thủy tinh.
  • Quy trình tiến hành:
    • Chuẩn bị dung dịch hấp thụ: Hòa tan chất hoạt động bề mặt (Laurylsunfat, CMC, Isoamyl alcohol, Nước giặt) bằng nước cất ở nồng độ quy định ($1%$, $3%$, $4%$). Mỗi bình cầu đáy tròn trong chuỗi 3 bình được nạp $100\text{ ml}$ dung dịch.
    • Tạo hơi dung môi: Đong $100\text{ ml}$ dung môi (benzen hoặc toluen) vào bình vuyếc, tiến hành đun cách cát. Khi dung môi đạt nhiệt độ sôi, duy trì nguồn nhiệt ổn định trong thời gian thí nghiệm ($40$, $75$, $90$, hoặc $120$ phút).
    • Thu nhận và tính toán: Hơi dung môi thoát ra lần lượt sục qua bình cầu 1, bình cầu 2 và bình cầu 3. Lượng hơi không bị hấp thụ tiếp tục qua ống sinh hàn ngưng tụ vào bình tam giác. Tiến hành cân, đo thể tích để xác định hiệu suất hấp thụ riêng lẻ tại từng bình và tổng hiệu suất của toàn hệ thống qua 3 lần thí nghiệm lặp lại.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm lý thuyết cơ bản về nhũ tương, phân loại tác nhân tạo nhũ, cấu trúc không gian và cơ chế hoạt động của các chất hoạt động bề mặt. Tác giả trình bày chi tiết về nguồn gốc, tính chất hóa lý và ứng dụng của 4 chất khảo sát: Laurylsunfat, Carboxymethyl cellulose (CMC), Isoamyl alcohol và Nước giặt. Đồng thời, chương này tổng hợp các tính chất vật lý, tính chất hóa học đặc trưng (phản ứng thế, phản ứng cộng, phản ứng oxy hóa) cùng mức độ độc hại nghề nghiệp đối với sức khỏe con người của hai dung môi hydrocacbon thơm là toluen và benzen.

Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết về đối tượng, phạm vi nghiên cứu và quy trình chuẩn bị hóa chất, thiết bị trong phòng thí nghiệm. Tác giả đưa ra sơ đồ mô hình thí nghiệm gồm bình vuyếc cấp nhiệt đun cách cát, hệ thống đo nhiệt độ, chuỗi 3 bình cầu đáy tròn $500\text{ ml}$ nối tiếp chứa $100\text{ ml}$ dung dịch hấp thụ ở mỗi bình, kết hợp ống sinh hàn làm mát và bình tam giác hứng dung môi dư. Quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa cho từng chất hoạt động bề mặt ở nồng độ ban đầu $3%$ trong thời gian đun $75$ phút, kèm theo quy trình khảo sát biến thiên thời gian ($40, 75, 90, 120$ phút) và biến thiên nồng độ dung dịch CMC ($1%, 3%, 4%$).

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 công bố toàn bộ dữ liệu thực nghiệm qua các bảng số liệu và biểu đồ hiệu suất hấp thụ:

  • Khảo sát Laurylsunfat nồng độ $3%$ (thời gian $75$ phút): Hiệu suất hấp thụ benzen trung bình đạt $88{,}35%$ (trong đó bình 1 chiếm chủ yếu với $82{,}43% - 83{,}88%$; bình 2 đạt $3{,}57% - 3{,}81%$; bình 3 đạt $1{,}43% - 1{,}55%$). Hiệu suất hấp thụ toluen trung bình đạt $89{,}99%$ (bình 1 đạt $84{,}29% - 84{,}98%$; bình 2 đạt $3{,}38% - 3{,}54%$; bình 3 đạt $1{,}77% - 1{,}86%$).
  • Khảo sát CMC nồng độ $3%$ (thời gian $75$ phút): Khả năng hấp thụ benzen trung bình đạt $91{,}15%$ (bình 1 đạt $82{,}17% - 82{,}30%$; bình 2 đạt $7{,}35% - 7{,}61%$; bình 3 đạt $1{,}42% - 1{,}48%$). Hiệu suất hấp thụ toluen trung bình đạt $92{,}99%$ (bình 1 đạt $85{,}43% - 85{,}56%$; bình 2 đạt $4{,}37% - 4{,}47%$; bình 3 đạt $2{,}01% - 2{,}18%$).
  • Khảo sát Isoamyl alcohol nồng độ $3%$ (thời gian $75$ phút): Hiệu suất hấp thụ benzen trung bình đạt $85{,}29%$ (bình 1 đạt $73{,}78% - 74{,}34%$; bình 2 đạt $6{,}88% - 7{,}14%$; bình 3 đạt $4{,}13% - 4{,}35%$). Hiệu suất hấp thụ toluen trung bình đạt $84{,}26%$ (bình 1 đạt $75{,}26% - 75{,}63%$; bình 2 đạt $6{,}11% - 6{,}90%$; bình 3 đạt $2{,}37% - 2{,}53%$).
  • Khảo sát Nước giặt nồng độ $3%$ (thời gian $75$ phút): Hiệu suất hấp thụ benzen trung bình đạt $90{,}60%$ (bình 1 đạt $83{,}35% - 84{,}01%$; bình 2 đạt $4{,}06% - 4{,}46%$; bình 3 đạt $2{,}52% - 2{,}72%$). Hiệu suất hấp thụ toluen trung bình đạt $90{,}86%$ (bình 1 đạt $86{,}34% - 86{,}77%$; bình 2 đạt $3{,}10% - 3{,}42%$; bình 3 đạt $1{,}03% - 1{,}32%$).
  • Đánh giá ảnh hưởng của thời gian hấp thụ benzen đối với dung dịch CMC $3%$:
    • Thời gian $40$ phút: Hiệu suất đạt $90{,}63%$ (trung bình hai lần đo $90{,}51%$ và $90{,}74%$).
    • Thời gian $75$ phút: Hiệu suất đạt $91{,}21%$ (trung bình hai lần đo $91{,}20%$ và $91{,}22%$).
    • Thời gian $90$ phút: Hiệu suất đạt $93{,}53%$ (trung bình hai lần đo $94{,}52%$ và $92{,}53%$).
    • Thời gian $120$ phút: Hiệu suất đạt $94{,}75%$ (trung bình hai lần đo $95{,}34%$ và $94{,}15%$).
  • Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ CMC đến khả năng hấp thụ benzen ($75$ phút):
    • Nồng độ $1%$: Hiệu suất trung bình đạt $86{,}32%$ (thí nghiệm 1: $85{,}70%$; thí nghiệm 2: $86{,}45%$; thí nghiệm 3: $86{,}72%$).
    • Nồng độ $3%$: Hiệu suất trung bình đạt $91{,}15%$ (thí nghiệm 1: $91{,}20%$; thí nghiệm 2: $91{,}22%$; thí nghiệm 3: $91{,}03%$).
    • Nồng độ $4%$: Hiệu suất trung bình đạt $93{,}11%$ (thí nghiệm 1: $93{,}13%$; thí nghiệm 2: $93{,}35%$; thí nghiệm 3: $92{,}97%$).

Kết quả và đóng góp

Khóa luận cung cấp các số liệu thực nghiệm đo đạc trực tiếp về hiệu suất xử lý hơi dung môi hữu cơ của từng loại chất hoạt động bề mặt:

Chất hoạt động bề mặt (Nồng độ 3%, 75 phút) Hiệu suất hấp thụ Benzen trung bình (%) Hiệu suất hấp thụ Toluen trung bình (%)
Carboxymethyl cellulose (CMC) 91,15 92,99
Nước giặt tổng hợp 90,60 90,86
Laurylsunfat 88,35 89,99
Isoamyl alcohol 85,29 84,26

Dữ liệu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng trên chất hấp thụ tối ưu (CMC):

  • Về thời gian tiếp xúc (với Benzen, nồng độ $3%$): Hiệu suất tăng dần từ $90{,}63%$ ở mốc $40$ phút lên $91{,}21%$ ($75$ phút), đạt $93{,}53%$ ($90$ phút) và cao nhất là $94{,}75%$ ($120$ phút). Trong khoảng từ $90$ đến $120$ phút, tốc độ gia tăng hiệu suất có xu hướng chậm lại.
  • Về nồng độ dung dịch (với Benzen, thời gian $75$ phút): Khi tăng nồng độ CMC từ $1%$ lên $3%$, hiệu suất tăng rõ rệt từ $86{,}32%$ lên $91{,}15%$ (tăng $4{,}83%$). Khi tiếp tục tăng nồng độ lên $4%$, hiệu suất đạt $93{,}11%$ (tăng thêm $1{,}96%$).

Đóng góp thực nghiệm của tác giả:

  • Xác định được thứ tự hiệu quả hấp thụ hơi dung môi hữu cơ giữa các chất khảo sát: $\text{CMC} > \text{Nước giặt} > \text{Laurylsunfat} > \text{Isoamyl alcohol}$.
  • Chứng minh tính kết dính và tạo màng keo đặc thù của polymer CMC giúp nâng cao khả năng giữ hơi dung môi không phân cực so với các chất diện hoạt đơn phân tử hoặc cồn mạch ngắn.
  • Đề xuất định hướng tận dụng các chất hoạt động bề mặt sẵn có, chi phí thấp hoặc dung dịch tẩy rửa gia dụng làm môi trường hấp thụ xử lý khí thải chứa VOCs.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài theo công bố của tác giả:

  • Đề tài mới chỉ tiến hành khảo sát trên phạm vi 4 loại chất hoạt động bề mặt ở quy mô phòng thí nghiệm gián đoạn.
  • Nghiên cứu mở rộng về các yếu tố ảnh hưởng (thời gian tiếp xúc và nồng độ chất hoạt động bề mặt) mới chỉ được triển khai đối với một cặp chất là dung dịch CMC và dung môi benzen, chưa thực hiện đồng bộ trên toluen và các chất hoạt động bề mặt còn lại.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Cần triển khai các nghiên cứu sâu hơn ở quy mô thử nghiệm bán công nghiệp hoặc tháp đệm hấp thụ dòng liên tục.
  • Khảo sát mở rộng thêm các yếu tố vận hành khác (nhiệt độ dòng khí, lưu lượng khí, độ ẩm, sự có mặt của các hợp chất hữu cơ bay hơi hỗn hợp) để hoàn thiện công nghệ ứng dụng vào xử lý khí thải thực tế tại các cơ sở công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Kỹ thuật Hóa học và các kỹ sư quan tâm đến công nghệ xử lý khí thải công nghiệp:

  • Cung cấp phương pháp thiết kế và lắp đặt hệ thống hấp thụ khí thải quy mô phòng thí nghiệm với chuỗi bình sục khí nối tiếp và hệ thống thu hồi ngưng tụ.
  • Cung cấp số liệu đối sánh thực nghiệm về hiệu suất giữ hơi benzen và toluen của các nhóm chất hoạt động bề mặt khác nhau (chất tạo bọt, polymer tan trong nước, cồn mạch nhánh, chế phẩm tẩy rửa thương mại).
  • Hỗ trợ xây dựng các chuyên đề thực tập, đồ án môn học hoặc bài thí nghiệm chuyên ngành liên quan đến quá trình chuyển khối và xử lý hợp chất VOCs.

Câu hỏi thường gặp

1. Chất hoạt động bề mặt nào cho hiệu suất hấp thụ benzen và toluen cao nhất trong nghiên cứu?
Carboxymethyl cellulose (CMC) đạt hiệu suất hấp thụ cao nhất ở cả hai dung môi, với hiệu suất trung bình ở nồng độ $3%$ (thời gian $75$ phút) đạt $91{,}15%$ đối với benzen và $92{,}99%$ đối với toluen.

2. Hiệu suất hấp thụ hơi dung môi phân bố như thế nào qua chuỗi 3 bình cầu trong mô hình thí nghiệm?
Phần lớn dung môi hữu cơ được hấp thụ ngay tại bình cầu thứ nhất (chiếm từ $73{,}78%$ đến $86{,}77%$ tổng lượng dung môi ban đầu tùy loại hóa chất); bình thứ hai hấp thụ bổ sung từ $3{,}10%$ đến $7{,}61%$; bình thứ ba hấp thụ một lượng nhỏ còn lại từ $1{,}03%$ đến $4{,}35%$.

3. Khả năng hấp thụ benzen của dung dịch CMC biến đổi như thế nào khi kéo dài thời gian thí nghiệm từ 40 đến 120 phút?
Hiệu suất hấp thụ tăng dần theo thời gian: đạt $90{,}63%$ ở $40$ phút, $91{,}21%$ ở $75$ phút, $93{,}53%$ ở $90$ phút và đạt mức cực đại $94{,}75%$ ở mốc $120$ phút.

4. Nồng độ CMC tối ưu được ghi nhận trong nghiên cứu là bao nhiêu?
Hiệu suất hấp thụ benzen tăng từ $86{,}32%$ ở nồng độ CMC $1%$ lên $91{,}15%$ ở nồng độ $3%$ và đạt $93{,}11%$ ở nồng độ $4%$. Mức tăng từ $3%$ lên $4%$ chỉ đạt thêm $1{,}96%$, cho thấy dải nồng độ $3% - 4%$ mang lại hiệu quả hấp thụ tốt.

5. Dung dịch nước giặt thương mại có hiệu quả hấp thụ dung môi hữu cơ như thế nào so với các hóa chất tinh khiết?
Dung dịch nước giặt ở nồng độ $3%$ cho hiệu suất hấp thụ rất cao ($90{,}60%$ với benzen và $90{,}86%$ với toluen), chỉ xếp sau CMC và cao hơn cả Laurylsunfat ($88{,}35%$ benzen, $89{,}99%$ toluen) cùng Isoamyl alcohol ($85{,}29%$ benzen, $84{,}26%$ toluen).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Vũ Ngọc Sơn đã khảo sát thực nghiệm khả năng hấp thụ hơi dung môi hữu cơ (benzen và toluen) bằng 4 loại chất hoạt động bề mặt trên mô hình phòng thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu chứng minh Carboxymethyl cellulose (CMC) và nước giặt tổng hợp thể hiện khả năng hấp thụ vượt trội, đạt hiệu suất trên $90%$ đối với cả hai loại dung môi. Số liệu về sự phụ thuộc của hiệu suất vào thời gian và nồng độ CMC cung cấp cơ sở thực nghiệm ban đầu có giá trị cho việc phát triển các giải pháp xử lý khí thải chứa hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong thực tế.