Nghiên cứu tổng hợp và biến tính nanosilica ứng dụng thu hồi dầu - H. T. Phương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------- HOÀNG THỊ PHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH VẬT LIỆU NANO SILICA ỨNG DỤNG CHO QUÁ TRÌNH THU HỒI DẦU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2018 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------- HOÀNG THỊ PHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ BIẾN TÍNH VẬT LIỆU NANO SILICA ỨNG DỤNG CHO QUÁ TRÌNH THU HỒI DẦU Ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 9520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. ĐINH THỊ NGỌ 2. HOÀNG XUÂN TIẾN Hà Nội – 2018 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Những số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được các tác giả khác công bố.

Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh Hoàng Thị Phương TM. Tập thể hướng dẫn GS.TS Đinh Thị Ngọ i LỜI CẢM ƠN- Trước hết, tôi trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. Đinh Thị Ngọ đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho tôi trong quá trình nghiên cứu cũng như hoàn thành luận án này; Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. Nguyễn Khánh Diệu Hồng, người đã hướng dẫn tôi trong mọi khía cạnh học thuật, giúp đỡ nhiệt tình cũng như ủng hộ tôi thực hiện những thảo luận khoa học quý báu trong thời gian thực hiện luận án; Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới PGS.

Hoàng Xuân Tiến đã giúp đỡ tôi thực hiện các nhiệm vụ vủa luận án. Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp ở Viện Dầu khí Việt Nam, các thầy cô trong Bộ môn Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu, Viện Kỹ thuật Hóa học, Viện Đào tạo sau Đại học, các đơn vị trong và ngoài trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi về nhiều mặt trong thời gian thực hiện luận án; Xin bày tỏ lòng biết ơn đến mọi người trong gia đình, bạn bè tôi sự giúp đỡ tận tâm và tin tưởng của mọi người là động lực lớn để tôi hoàn thành luận án. Hà Nội ngày tháng năm 2018 Nghiên cứu sinh Hoàng Thị Phương ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASTM American Society for Testing and Materials BET Brunauer–Emmett–Teller (tên một lý thuyết hấp phụ chất khí trên bề mặt rắn) BJH Barrett-Joyner-Halenda (tên một phương pháp xác định phân bố mao quản) CTAB Cetyl Trimethylammonium Bromide CMC Critical Micelle Concentration DTG Differential Thermal Gravimetry (nhiệt khối lượng vi sai) DAF Dissolved Air Flotation E Electrophile (tác nhân electrophil) FT-IR Fourier Transform-Infrared Spectroscopy (phổ hồng ngoại biến đổi Fourier) GC-MS Gas Chromatography-Mass Spectroscopy (sắc ký khí – khối phổ) HLPN Hydrophobic Lipophilic Polysilicon Nanoparticles HĐBM Hoạt động bề mặt The International Union of Pure and Applied Chemistry (Liên minh Quốc tế IUPAC về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng) IAF Induced Air Flotation LS Laser Scattering (Phương pháp tán xạ laze) LHPN Lipophobic Hydrophilic Polysilicon Nanoparticles NWPN Neutrally Wettable Polysilicon Nanoparticles Nu Nucleophile (tác nhân nucleophil) PDMS Polydimethylsiloxane PN Polysilicon Nanopartiles POS- Polysiloxane/Polyvinyl Alcohol (mạng polyme thâm nhập kiểu compozit của PVA polysiloxan và polyvinyl ancol) PVC Polyvinyl Chloride SEM Scanning Electron Microscopy (hiển vi điện tử quét) STE Stimulated Trap Effect TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TEM Transmission Electron Spectroscopy (hiển vi điện tử truyền qua) TMCS Trimethylsilyl Chloride TMOS Tetrametoxysilan TEOS Tetraethyl Orthosilicate Thermal Gravimetry-Differential Thermal Analysis (phân tích nhiệt trọng TG-DTA lượng – nhiệt vi sai) TTL Thủy tinh lỏng UV-VIS Ultraviolet-Visible Spectroscopy (Phổ tử ngoại – khả kiến) VTES Vinyltriethoxysilane XRD X-Ray Diffraction (nhiễu xạ tia X) iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.

iii MỤC LỤC. iv DANH MỤC BẢNG BIỂU. vi DANH MỤC HÌNH VẼ. vii MỞ ĐẦU .TỔNG QUAN CHUNG VỀ SILICA .Đặc điểm cấu tạo và tính chất của silica .2 Tính chất của nanosilica và silica aerogel .2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP NANOSILICA.

Phương pháp kết tủa. Phương pháp sol – gel. Phương pháp nhiệt độ cao. Phương pháp hóa ướt.

Phương pháp vi nhũ tương ngược. CÁC PHƯƠNG PHÁP HỮU CƠ HÓA BỀ MẶT NANOSILICA. Tính chất ưa nước của vật liệu. Tính chất kỵ nước của vật liệu.

Biến tính vật lý. Biến tính hóa học. ỨNG DỤNG CỦA NANOSILICA VÀ SILICA AEROGEL. NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANOSILICA TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM.

Tình hình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanosilica trên thế giới. Tình hình nghiên cứu vật liệu nanosilica tại Việt Nam .6 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ VÀ THU HỒI DẦU.1 Lý thuyết chung về quá trình hấp phụ .2 Nghiên cứu xử lý nước thải nhiễm dầu tại khu vực khai thác dầu khí .3 Ứng dụng của các vật liệu nanosilica trong quá trình thu hồi dầu. 39 Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ.

Dụng cụ thí nghiệm. CHẾ TẠO NANOSILICA TỪ NGUỒN THỦY TINH LỎNG (TTL). CHẾ TẠO NANOSILICA TỪ NGUỒN TETRAETYL ORTHOSILICAT (TEOS). BIẾN TÍNH NANOSILICA ĐIỀU CHẾ TỪ NGUỒN TEOS.

Biến tính nanosilica sử dụng VTES. Biến tính nanosilica sử dụng PDMS. CHẾ TẠO VÀ BIẾN TÍNH NANOSILICA AEROGEL. Chế tạo nanosilica aerogel.

Biến tính aerogel bằng PDMS. THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DẦU CỦA CÁC VẬT LIỆU NANOSILICA. Thử nghiệm khả năng hấp phụ với các chất kỵ nước và ưa nước khác nhau. Thử nghiệm khả năng hấp phụ với dầu thô.

Đánh giá khả năng tái sử dụng của các vật liệu nanosilica. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA LÝ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR).

Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM). Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Phương pháp phân tích nhiệt (TG-DTA). Phương pháp hấp phụ-giải hấp phụ đẳng nhiệt (BET-BJH).

Phương pháp tán xạ laze (LS). Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). Phương pháp phổ tử ngoại – khả kiến (UV-VIS). Các phương pháp tiêu chuẩn.

50 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. BIỆN LUẬN VỀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANOSILICA TỪ NGUỒN THỦY TINH LỎNG (TTL). Ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ tiền chất và dung môi tới kích thước hạt nanosilica-TTL.

Ảnh hưởng của pH đến kích thước hạt nanosilica-TTL. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến kích thước hạt nanosilica-TTL. Ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đến kích thước hạt nanosilica-TTL. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn đến kích thước hạt nanosilica-TTL.

Một số đặc trưng khác của vật liệu nanosilica-TTL điều chế ở điều kiện thích hợp nhất. 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 .NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NANOSILICA TỪ NGUỒN TEOS. Ảnh hưởng của hàm lượng TEOS đến kích thước hạt nanosilica-TEOS. Ảnh hưởng của hàm lượng NH3 đến kích thước hạt nanosilica-TEOS.

Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo cấu trúc CTAB đến kích thước hạt nanosilica- TEOS. Ảnh hưởng của thời gian siêu âm đến kích thước hạt nanosilica-TEOS. Ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đến kích thước hạt nanosilica-TEOS. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến kích thước hạt nanosilica-TEOS.

Các đặc trưng khác của mẫu nanosilica-TEOS tổng hợp ở các điều kiện thích hợp. Thử nghiệm khả năng hấp phụ dầu của vật liệu nanosilica -TEOS. NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH VẬT LIỆU NANOSILICA TỪ NGUỒN TEOS, ỨNG DỤNG CHO QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ DẦU. Biến tính vật liệu nanosilica sử dụng vinyltrietoxysilan (VTES).

Biến tính vật liệu nanosilica sử dụng polydimetylsiloxan (PDMS). 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). TỔNG HỢP, BIẾN TÍNH VÀ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ DẦU CỦA VẬT LIỆU NANOSILICA AEROGEL. Tổng hợp vật liệu nanosilica aerogel.

Biến tính vật liệu nanosilica aerogel. 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. 128 CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN. 130 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.

131 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 132 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3. Tỷ lệ tiền chất/dung môi trong thành phần ban đầu của các mẫu nanosilica-TTL khác nhau. Các mẫu nanosilica-TTL tổng hợp trong các điều kiện pH ban đầu khác nhau.

Các mẫu nanosilica-TTL tổng hợp trong các điều kiện thời gian siêu âm khác nhau .Các mẫu nanosilica-TTL tổng hợp trong các điều kiện năng lượng siêu âm khác nhau. Các mẫu nanosilica-TTL tổng hợp trong các điều kiện tốc độ khuấy trộn khác nhau. Các tính chất mao quản của vật liệu nanosilica-TTL. Các mẫu nanosilica-TEOS tại các nồng độ TEOS khác nhau.

Kích thước trung bình của các hạt nanosilica-TEOS ở các nồng độ TEOS khác nhau. Các mẫu nanosilica-TEOS tại các nồng độ NH3 khác nhau. Các mẫu nanosilica-TEOS tại các nồng độ CTAB khác nhau. Các mẫu nanosilica-TEOS tại các thời gian siêu âm khác nhau.

Sự tập trung kích thước hạt nanosilica-TEOS theo thời gian siêu âm. Các mẫu nanosilica-TEOS tại các năng lượng siêu âm khác nhau. Sự tập trung kích thước hạt nanosilica-TEOS theo năng lượng siêu âm. Các mẫu nanosilica-TEOS tại các tốc độ khuấy trộn khác nhau.

Sự tập trung kích thước hạt nanosilica-TEOS tại các tốc độ khuấy trộn khác nhau. Các điều kiện hợp lý nhất để tổng hợp nanosilica-TEOS. Góc dính ướt của dầu thô trong dung dịch nước biển đối với nanosilica và nanosilica-VTES .Góc thấm ướt của dầu thô trong dung dịch nước biển đối với nanosilica-TEOS và nanosilica-TEOS-PDMS. Một số tính chất hóa lý của dầu thô Bạch Hổ.

Một số tính chất của các vật liệu nanosilica-TEOS, nanosilica-TEOS-VTES và nanosilica-TEOS-PDMS. Các mẫu aerogel tại các tỷ lệ TEOS/etanol khác nhau .Các mẫu aerogel tại các tỷ lệ TEOS/etanol khác nhau .Các mẫu aerogel tại các các giá trị pH khác nhau.Các thông số thu được từ quá trình khảo sát tổng hợp aerogel từ tiền chất TEOS. Góc thấm ướt của giọt dầu thô trong dung dịch nước biển đối với nanosilica- aerogel và nanosilica-aerogel-PDMS. Một số tính chất cơ lý của nanosilica-aerogel và nanosilica-aerogel-PDMS.

Tóm tắt tính chất hóa lý và khả năng hấp phụ dầu của hai loại vật liệu nanosilica đã tổng hợp. 127 vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của silica .2 Các dạng liên kết của nhóm Si – O trên bề mặt silica .3 Sự thay đổi nồng độ và hàm lượng silanol theo kích thước hạt của silica (nm) .4 Sự thay đổi diện tích bề mặt BET theo kích thước hạt của silica (nm) .5 Các phổ phát quang (photoluminescence spectra) của hạt nanosilica với các kích thước hạt khác nhau.6 Sơ đồ tổng hợp nanosilica từ nguồn thủy tinh lỏng theo phương pháp sol -gel .