Nghiên cứu tổng hợp và biến tính nanosilica ứng dụng thu hồi dầu hiệu quả

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ SILICA

1.1. Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silica

1.2. Tính chất của nanosilica và silica aerogel

1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP NANOSILICA

1.3.1. Phương pháp kết tủa

1.3.2. Phương pháp sol – gel

1.3.3. Phương pháp nhiệt độ cao

1.3.4. Phương pháp hóa ướt

1.3.5. Phương pháp vi nhũ tương ngược

1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP HỮU CƠ HÓA BỀ MẶT NANOSILICA

1.4.1. Tính chất ưa nước của vật liệu

1.4.2. Tính chất kỵ nước của vật liệu

1.4.3. Biến tính vật lý

1.4.4. Biến tính hóa học

1.5. ỨNG DỤNG CỦA NANOSILICA VÀ SILICA AEROGEL

1.6. NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANOSILICA TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.6.1. Tình hình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanosilica trên thế giới

1.6.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu nanosilica tại Việt Nam

1.7. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ VÀ THU HỒI DẦU

1.7.1. Lý thuyết chung về quá trình hấp phụ

1.7.2. Nghiên cứu xử lý nước thải nhiễm dầu tại khu vực khai thác dầu khí

1.7.3. Ứng dụng của các vật liệu nanosilica trong quá trình thu hồi dầu

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ

2.1.1. Dụng cụ thí nghiệm

2.2. CHẾ TẠO NANOSILICA TỪ NGUỒN THỦY TINH LỎNG (TTL)

2.3. CHẾ TẠO NANOSILICA TỪ NGUỒN TETRAETYL ORTHOSILICAT (TEOS)

2.4. BIẾN TÍNH NANOSILICA ĐIỀU CHẾ TỪ NGUỒN TEOS

2.4.1. Biến tính nanosilica sử dụng VTES

2.4.2. Biến tính nanosilica sử dụng PDMS

2.5. CHẾ TẠO VÀ BIẾN TÍNH NANOSILICA AEROGEL

2.5.1. Chế tạo nanosilica aerogel

2.5.2. Biến tính aerogel bằng PDMS

2.6. THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DẦU CỦA CÁC VẬT LIỆU NANOSILICA

2.6.1. Thử nghiệm khả năng hấp phụ với các chất kỵ nước và ưa nước khác nhau

2.6.2. Thử nghiệm khả năng hấp phụ với dầu thô

2.6.3. Đánh giá khả năng tái sử dụng của các vật liệu nanosilica

2.7. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA LÝ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

2.7.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

2.7.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)

2.7.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

2.7.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

2.7.5. Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA)

2.7.6. Phương pháp hấp phụ-giải hấp phụ đẳng nhiệt (BET-BJH)

2.7.7. Phương pháp tán xạ laze (LS)

2.7.8. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)

2.7.9. Phương pháp phổ tử ngoại – khả kiến (UV-VIS)

2.7.10. Các phương pháp tiêu chuẩn

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. BIỆN LUẬN VỀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN

3.2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOSILICA TỪ NGUỒN THỦY TINH LỎNG (TTL)

3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ tiền chất và dung môi tới kích thước hạt nanosilica-TTL

3.2.2. Ảnh hưởng của pH đến kích thước hạt nanosilica-TTL

3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến kích thước hạt nanosilica-TTL

3.2.4. Ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đến kích thước hạt nanosilica-TTL

3.2.5. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến kích thước hạt nanosilica-TTL

3.2.6. Một số đặc trưng khác của vật liệu nanosilica-TTL điều chế ở điều kiện thích hợp nhất

3.2.7. Kết quả đánh giá sơ bộ khả năng hấp phụ dầu thô Bạch Hổ trong môi trường tương tự nước biển của vật liệu nanosilica-TTL

3.3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANOSILICA TỪ NGUỒN TEOS

3.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng TEOS đến kích thước hạt nanosilica-TEOS

3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng NH3 đến kích thước hạt nanosilica-TEOS

3.3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo cấu trúc CTAB đến kích thước hạt nanosilica- TEOS

3.3.4. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến kích thước hạt nanosilica-TEOS

3.3.5. Ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đến kích thước hạt nanosilica-TEOS

3.3.6. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến kích thước hạt nanosilica-TEOS

3.3.7. Các đặc trưng khác của mẫu nanosilica-TEOS tổng hợp ở các điều kiện thích hợp

3.3.8. Thử nghiệm khả năng hấp phụ dầu của vật liệu nanosilica -TEOS

3.4. NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH VẬT LIỆU NANOSILICA TỪ NGUỒN TEOS, ỨNG DỤNG CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ DẦU

3.4.1. Biến tính vật liệu nanosilica sử dụng vinyltrietoxysilan (VTES)

3.4.2. Biến tính vật liệu nanosilica sử dụng polydimetylsiloxan (PDMS)

3.4.3. Khảo sát quá trình hấp phụ dầu trên hai loại nanosilica biến tính với VTES (nanosilica- TEOS-VTES) và nanosilica biến tính với polydimetylsiloxan (nanosilica-TEOS-PDMS)

3.5. TỔNG HỢP, BIẾN TÍNH VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ DẦU CỦA VẬT LIỆU NANOSILICA AEROGEL

3.5.1. Tổng hợp vật liệu nanosilica aerogel

3.5.2. Biến tính vật liệu nanosilica aerogel

3.5.3. Khảo sát quá trình hấp phụ dầu trong môi trường tương tự nước biển của hai loại vật liệu nanosilica-aerogel và nanosilica-aerogel-PDMS

CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nanosilica và ứng dụng

Nanosilica là vật liệu có cấu trúc mạng lưới ba chiều, chứa các nhóm silanol (Si-OH) và siloxan (Si-O-Si) trên bề mặt. Vật liệu này có tính ổn định cao, không độc, và khả năng tương thích với nhiều loại vật liệu khác. Nanosilica được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hóa học, môi trường, và đặc biệt là trong công nghệ thu hồi dầu. Các nhóm silanol trên bề mặt nanosilica có thể tham gia phản ứng hóa học để tạo ra các nhóm chức, giúp tăng cường khả năng hấp phụ và biến tính vật liệu. Biến tính nanosilica là quá trình quan trọng để cải thiện tính chất vật lý và hóa học, giúp vật liệu phù hợp hơn với các ứng dụng cụ thể.

1.1. Tính chất của nanosilica

Nanosilica có diện tích bề mặt lớn, kích thước hạt nano, và khả năng hấp phụ cao. Các nhóm silanol trên bề mặt tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học, giúp biến tính nanosilica dễ dàng hơn. Vật liệu này cũng có khả năng phân tán ổn định trong các dung môi hữu cơ, làm tăng hiệu quả trong thu hồi dầu. Nghiên cứu cho thấy, nanosilica có thể thay đổi tính dính ướt của bề mặt, từ đó cải thiện hiệu quả trong các quá trình hấp phụ và tách dầu.

1.2. Ứng dụng của nanosilica trong thu hồi dầu

Nanosilica được sử dụng rộng rãi trong công nghệ thu hồi dầu nhờ khả năng hấp phụ dầu hiệu quả. Quá trình biến tính nanosilica với các phân tử hữu cơ giúp tăng cường tính kỵ nước và ưa dầu của vật liệu. Điều này làm tăng hiệu quả trong việc thu hồi dầu từ nước thải nhiễm dầu. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, nanosilica có thể tái sử dụng nhiều lần, giảm chi phí và tăng tính kinh tế trong quá trình xử lý.

II. Phương pháp tổng hợp và biến tính nanosilica

Có nhiều phương pháp để tổng hợp nanosilica, bao gồm phương pháp kết tủa, sol-gel, và nhiệt độ cao. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Biến tính nanosilica là quá trình quan trọng để cải thiện tính chất vật liệu, giúp nó phù hợp hơn với các ứng dụng cụ thể. Các phương pháp biến tính bao gồm biến tính vật lý và hóa học, trong đó biến tính hóa học được sử dụng phổ biến hơn do hiệu quả cao.

2.1. Phương pháp tổng hợp nanosilica

Phương pháp sol-gel là phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp nanosilica. Quá trình này bao gồm thủy phân và ngưng tụ các tiền chất như TEOS (Tetraethyl Orthosilicate) trong môi trường axit hoặc bazơ. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt và diện tích bề mặt của nanosilica. Ngoài ra, phương pháp kết tủa cũng được sử dụng để tổng hợp nanosilica từ các nguồn khác nhau như thủy tinh lỏng.

2.2. Phương pháp biến tính nanosilica

Biến tính nanosilica thường được thực hiện bằng cách gắn các nhóm chức hữu cơ lên bề mặt vật liệu. Các tác nhân biến tính như VTES (Vinyltriethoxysilane) và PDMS (Polydimethylsiloxane) được sử dụng để tăng tính kỵ nước và ưa dầu của nanosilica. Quá trình biến tính này giúp cải thiện khả năng hấp phụ dầu và tăng hiệu quả trong thu hồi dầu.

III. Nghiên cứu ứng dụng nanosilica trong thu hồi dầu

Nghiên cứu về ứng dụng nanosilica trong thu hồi dầu đã cho thấy hiệu quả cao của vật liệu này. Nanosilica biến tính có khả năng hấp phụ dầu tốt hơn so với vật liệu chưa biến tính. Các thử nghiệm trong môi trường nước biển mô phỏng cho thấy, nanosilica có thể thu hồi dầu với hiệu suất cao và có khả năng tái sử dụng nhiều lần. Điều này làm tăng tính kinh tế và giảm chi phí trong quá trình xử lý nước thải nhiễm dầu.

3.1. Hiệu quả thu hồi dầu của nanosilica

Các thử nghiệm cho thấy, nanosilica biến tính với VTES và PDMS có khả năng hấp phụ dầu cao hơn so với vật liệu chưa biến tính. Hiệu quả thu hồi dầu của nanosilica phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, thời gian, và nồng độ dầu trong nước thải. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, nanosilica có thể tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu quả hấp phụ.

3.2. Ứng dụng thực tế của nanosilica

Trong thực tế, nanosilica đã được ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu tại các khu vực khai thác dầu khí. Vật liệu này giúp tăng hiệu quả thu hồi dầu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, nanosilica có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật hóa học: Tổng hợp và biến tính vật liệu nanosilica cho quá trình thu hồi dầu