Luận án nghiên cứu vật liệu nano silica biến tính trong quá trình thu hồi dầu

• Tác giả: Hoàng Thị Phương
• Người hướng dẫn: GS.TS Đinh Thị Ngọ
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Silica Biến Tính Cho Thu Hồi Dầu Hiệu Quả
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• 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
• 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP NANOSILICA
• 2.1. Phương pháp kết tủa
• 2.2. Phương pháp sol – gel
• 2.3. Phương pháp nhiệt độ cao
• 2.4. Phương pháp hóa ướt
• 2.5. Phương pháp vi nhũ tương ngược
• 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP HỮU CƠ HÓA BỀ MẶT NANOSILICA
• 3.1. Tính chất ưa nước của vật liệu
• 3.2. Tính chất kỵ nước của vật liệu
• 3.3. Biến tính vật lý
• 3.4. Biến tính hóa học
• 4. ỨNG DỤNG CỦA NANOSILICA VÀ SILICA AEROGEL
• 5. NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANOSILICA TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
• 5.1. Tình hình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanosilica trên thế giới
• 5.2. Tình hình nghiên cứu vật liệu nanosilica tại Việt Nam
• 6. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ VÀ THU HỒI DẦU
• 6.1. Lý thuyết chung về quá trình hấp phụ
• 6.2. Nghiên cứu xử lý nước thải nhiễm dầu tại khu vực khai thác dầu khí
• 6.3. 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
• 2.2. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.3. CHẾ TẠO NANOSILICA TỪ NGUỒN THỦY TINH LỎNG (TTL)
• 2.4. CHẾ TẠO NANOSILICA TỪ NGUỒN TETRAETYL ORTHOSILICAT (TEOS)
• 2.5. BIẾN TÍNH NANOSILICA ĐIỀU CHẾ TỪ NGUỒN TEOS
• 2.5.1. Biến tính nanosilica sử dụng VTES
• 2.5.2. Biến tính nanosilica sử dụng PDMS
• 2.6. CHẾ TẠO VÀ BIẾN TÍNH NANOSILICA AEROGEL
• 2.6.1. Chế tạo nanosilica aerogel
• 2.6.2. Biến tính aerogel bằng PDMS
• 2.7. THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DẦU CỦA CÁC VẬT LIỆU NANOSILICA
• 2.7.1. Thử nghiệm khả năng hấp phụ với các chất kỵ nước và ưa nước khác nhau
• 2.7.2. Thử nghiệm khả năng hấp phụ với dầu thô
• 2.7.3. Đánh giá khả năng tái sử dụng của các vật liệu nanosilica
• 2.8. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA LÝ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
• 2.8.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.8.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 2.8.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.8.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.8.5. Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA)
• 2.8.6. Phương pháp hấp phụ-giải hấp phụ đẳng nhiệt (BET-BJH)
• 2.8.7. Phương pháp tán xạ laze (LS)
• 2.8.8. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 2.8.9. Phương pháp phổ tử ngoại – khả kiến (UV-VIS)
• 2.8.10. 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. Giới thiệu về vật liệu nano silica

Vật liệu nano silica là một trong những loại vật liệu có cấu trúc mạng lưới ba chiều, chứa các nhóm silanol (Si – OH) và siloxan (Si-O-Si). Những đặc điểm này giúp nano silica có khả năng hấp phụ cao và tương thích với nhiều loại vật liệu khác nhau. Nghiên cứu cho thấy rằng nano silica có thể thay đổi tính dính ướt của bề mặt, từ đó tạo ra các loại hạt kỵ nước ưa dầu (HLPN) và hạt ưa nước kỵ dầu (LHPN). Việc biến tính nano silica với các phân tử hữu cơ có thể làm tăng khả năng hấp phụ dầu, đặc biệt trong môi trường nước thải nhiễm dầu. Theo nghiên cứu của Ju và cộng sự, các hạt nano silica có thể làm tăng cường tác động ưa hữu cơ trong thu hồi dầu, nhờ vào khả năng hấp phụ trên các giao diện dầu – nước.

1.1. Tính chất của vật liệu nano silica

Vật liệu nano silica có nhiều tính chất nổi bật như độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác hóa học tốt. Các nhóm silanol trên bề mặt nano silica có thể tham gia vào các phản ứng hóa học, tạo ra các nhóm chức có khả năng liên kết với các phân tử hữu cơ. Điều này giúp nano silica có thể được biến tính để tăng cường khả năng hấp phụ dầu. Nghiên cứu cho thấy rằng việc biến tính nano silica có thể làm giảm sự kết tụ của các hạt trong dung dịch, từ đó cải thiện hiệu quả thu hồi dầu. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng nano silica có thể hấp phụ một lượng lớn dầu trong môi trường nước, nhờ vào khả năng tương tác mạnh mẽ với các phân tử dầu.

II. Phương pháp tổng hợp và biến tính nano silica

Có nhiều phương pháp để tổng hợp nano silica, bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp kết tủa và phương pháp vi nhũ tương. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kích thước và tính chất của nano silica thu được. Việc biến tính nano silica cũng rất quan trọng, vì nó quyết định đến khả năng hấp phụ dầu của vật liệu. Các tác nhân biến tính như VTES và PDMS đã được sử dụng để cải thiện tính chất bề mặt của nano silica. Nghiên cứu cho thấy rằng việc biến tính với VTES giúp tăng cường khả năng hấp phụ dầu, trong khi PDMS lại tạo ra các hạt có tính kỵ nước tốt hơn.

2.1. Các phương pháp tổng hợp nano silica

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến nhất để tổng hợp nano silica. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt nano silica thông qua các điều kiện phản ứng như pH, nồng độ tiền chất và thời gian phản ứng. Ngoài ra, phương pháp kết tủa cũng được sử dụng để tạo ra nano silica với kích thước hạt đồng đều. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số trong quá trình tổng hợp có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất của nano silica, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ dầu của vật liệu.

III. Ứng dụng của nano silica trong thu hồi dầu

Vật liệu nano silica đã được chứng minh là có khả năng hấp phụ dầu hiệu quả trong các ứng dụng thu hồi dầu. Nghiên cứu cho thấy rằng nano silica có thể hấp phụ một lượng lớn dầu trong môi trường nước, nhờ vào khả năng tương tác mạnh mẽ với các phân tử dầu. Việc sử dụng nano silica trong thu hồi dầu không chỉ giúp cải thiện hiệu quả thu hồi mà còn giảm thiểu tác động môi trường từ nước thải nhiễm dầu. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng nano silica biến tính có thể tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu quả hấp phụ, điều này rất quan trọng trong việc phát triển các công nghệ thu hồi dầu bền vững.

3.1. Hiệu quả thu hồi dầu của nano silica

Các thử nghiệm cho thấy rằng nano silica có khả năng hấp phụ dầu thô trong môi trường nước biển, với hiệu suất thu hồi cao. Việc biến tính nano silica với các tác nhân hữu cơ như VTES và PDMS đã làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ dầu. Kết quả cho thấy rằng nano silica không chỉ hấp phụ dầu hiệu quả mà còn có khả năng tái sử dụng, giúp giảm chi phí và tăng tính bền vững trong quá trình thu hồi dầu. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng nano silica trong ngành công nghiệp dầu khí, đặc biệt trong việc xử lý nước thải nhiễm dầu.