Luận án Xử lý tách dầu ở thể nhũ tương trong nước thải nhiễm dầu bằng phương pháp vi sóng điện từ và tuyển nổi áp lực (DAF) kết hợp hệ hóa phẩm phá nhũ chuyên dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Thị Phượng XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƯƠNG TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ TUYỂN NỔI ÁP LỰC (DAF) KẾT HỢP HỆ HÓA PHẨM PHÁ NHŨ CHUYÊN DỤNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC Hà Nội - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Thị Phượng XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƯƠNG TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ TUYỂN NỔI ÁP LỰC (DAF) KẾT HỢP HỆ HÓA PHẨM PHÁ NHŨ CHUYÊN DỤNG Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 62443501 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. ĐÀO VĂN TƯỜNG 2. TS. NGUYỄN ĐỨC HUỲNH Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong các công trình của tác giả khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 TM. Tập thể hướng dẫn GS.TS. Đào Văn Tường Nghiên cứu sinh Lê Thị Phượng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS. TS. Đào Văn Tường, TS. Nguyễn Đức Huỳnh đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ đạo nghiên cứu khoa học và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện đào tạo Sau Đại học đã luôn tạo mọi điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Hữu cơ – Hoá dầu đã giảng dạy và hướng dẫn khoa học cho tôi, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN), Ban lãnh đạo Viện dầu khí Việt Nam (VPI), Trung tâm ứng dụng và chuyển giao công nghệ - Viện Dầu khí, Trung Tâm nghiên cứu ứng dụng và dịch vụ kỹ thuật - Chi nhánh tổng công ty dung dịch khoan và hóa phẩm dầu khí (DMC) cùng các đồng nghiệp đã tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình tôi và bạn bè thân thiết, những người đã luôn ở bên cạnh, ủng hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong những chặng đường tôi đi. Xin chân thành cảm ơn! Nghiên cứu sinh Lê Thị Phượng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................................ 3 1.1 NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU/NƯỚC KHAI THÁC TRONG CÔNG NGHIỆP KHAI THÁC DẦU KHÍ VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NHŨ TƯƠNG TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU/NƯỚC KHAI THÁC ...................................................................................... 3 1.1.1 Ảnh hưởng của nước khai thác tới môi trường .......................................................... 4 1.1.2 Khối lượng nước khai thác ........................................................................................ 5 1.2 NHŨ TƯƠNG DẦU MỎ ................................................................................................. 5 1.2.1 Quá trình hình thành và các loại nhũ tương dầu mỏ ................................................... 5 1.2.2 Độ bền nhũ tương ...................................................................................................... 8 1.2.2.1 Độ bền động học (sa lắng) ................................................................................. 8 1.2.2.2 Độ bền tập hợp................................................................................................... 8 1.3 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƯƠNG TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU ........................................................................................................................10 1.3.1 Các yếu tố quyết định sự lựa chọn công nghệ xử lý nước thải nhiễm dầu .................10 1.3.1.1 Nồng độ dầu trong nước thải nhiễm dầu ...........................................................10 1.3.1.2 Mục đích chính của việc xử lý nước thải nhiễm dầu .........................................11 1.3.2 Công nghệ xử lý tách dầu trong nước thải nhiễm dầu ...............................................12 1.3.2.1 Các công nghệ xử lý tách dầu phổ biến .............................................................12 1.3.2.2 Xử lý nước thải nhiễm dầu bằng phương pháp vi sóng điện từ .........................12 1.3.2.3 Xử lý nước thải nhiễm dầu bằng công nghệ tuyển nổi ......................................18 1.4 SO SÁNH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƯƠNG TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU ...................................................................................23 1.4.1 So sánh các phương pháp xử lý ................................................................................23 1.4.2 Phân cấp và lựa chọn công nghệ xử lý ......................................................................24 1.4.3 Lựa chọn công nghệ để xử lý và thu hồi dầu ở thể nhũ tương trong nước khai thác .27 1.5 HỆ HÓA PHẨM HỖ TRỢ PHÁ NHŨ............................................................................29 1.5.1 Các tính năng hoạt động của hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ ........................................29 1.5.2 Khái niệm về chất hoạt động bề mặt .........................................................................29 1.5.2.1 Khái niệm chung ...............................................................................................29 1.5.2.2 Phân loại chất hoạt động bề mặt........................................................................30 1.5.3 Các hệ hóa phẩm sinh học ........................................................................................31 1.5.4 Thành phần của hệ hóa phẩm ...................................................................................31 1.5.5 Các tác động của hệ hóa phẩm..................................................................................31 1.5.6 Cơ chế sự phá nhũ ....................................................................................................32 1.6 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN..........................................................35 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM ...................................................................................................36 2.1 CHẾ TẠO CÁC MẪU NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU DẠNG NHŨ TƯƠNG DẦU/NƯỚC TỪ DẦU THÔ BẠCH HỔ ..............................................................................36 2.1.1 Tiến hành tạo mẫu nhũ tương dầu/nước từ dầu thô Bạch Hổ ....................................36 2.1.2 Kiểm tra độ bền nhũ tương bằng phương pháp ly tâm siêu tốc .................................37 2.1.3 Xác định kích thước hạt nhũ tương bằng hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..........38 2.2 KHẢO SÁT HIỆU SUẤT XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƯƠNG TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SÓNG ĐIỆN TỪ ...............38 2.2.1 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị vi sóng điện từ .....................................................38 2.2.2 Khảo sát hiệu suất xử lý tách dầu của thiết bị vi sóng điện từ ...................................39 2.2.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất tách dầu ..................................40 2.2.2.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu..........................40 2.2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của công suất chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu ..................41 2.2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất tách dầu ..........................................41 2.2.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng dầu trong NTND đến hiệu suất tách dầu ..41 2.3 CHẾ TẠO HỆ HÓA PHẨM HỖ TRỢ PHÁ NHŨ TỪ MỠ CÁ BA SA ĐỂ XỬ LÝ TÁCH DẦU CHO PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI ÁP LỰC ...........................................42 2.3.1 Chế tạo methyl este từ các acid béo của mỡ cá ba sa ................................................43 2.3.1.1 Chế tạo hệ vật liệu xúc tác dị thể MgO-ZrO2/γ-Al2O3.......................................43 2.3.1.2 Các phương pháp hóa-lý xác định tính chất và đặc trưng xúc tác......................45 2.3.1.3 Khảo sát các đặc trưng sản phẩm methyl este ...................................................48 2.3.2 Tổng hợp acid alkyl hydroxamic từ methyl este của mỡ cá ba sa .............................48 2.3.2.1 Hóa chất ............................................................................................................48 2.3.2.2 Phản ứng amid hoá ...........................................................................................48 2.3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến sự giảm giá trị chỉ số este ...................................................................................................................49 2.3.2.4 Xác định hiệu suất phản ứng qua phương pháp đánh giá giá trị chỉ số este .......49 2.3.2.5 Đánh giá sản phẩm acid alkyl hydroxamic bằng phổ hồng ngoại (IR) ..............49 2.3.3 Chế tạo hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ.........................................................................49 2.3.3.1 Xác định hàm lượng dầu trong NTND thông qua phép đo độ đục ....................49 2.3.3.2 Các hóa phẩm được sử dụng trong các thực nghiệm .........................................50 2.3.3.3 Xác định tỷ lệ tối ưu giữa acid alkyl hydroxamic và methyl este ......................51 2.3.3.4 So sánh hiệu quả tách dầu của hệ hóa phẩm phá nhũ tổng hợp từ acid alkyl hydroxamic và methyl este của mỡ cá ba sa với các hệ hóa phẩm phá nhũ của hãng BASF ...........................................................................................................................51 2.3.3.5 Đánh giá hiệu quả tách dầu bởi hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ từ mỡ cá ba sa kết hợp với hệ hóa phẩm phá nhũ Alcomer 7125 của hãng BASF .....................................51 2.4 KHẢO SÁT HIỆU SUẤT XỬ LÝ TÁCH DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI ÁP LỰC KẾT HỢP HỆ HÓA PHẨM CHẾ TẠO TỪ MỠ CÁ BA SA ................................52 2.4.1 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị tuyển nổi ......................................................................52 2.4.2 Khảo sát hiệu suất xử lý tách dầu ..............................................................................52 2.4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng hệ hóa phẩm .............................................53 2.4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng pH của nước thải nhiễm dầu .............................................53 2.4.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tách .............................................................53 2.4.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng dầu trong nước thải nhiễm dầu .................54 2.5 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HUỲNH QUANG CỰC TÍM RF-1501 ...............................................................................................54 2.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng ...............................................................................................54 2.5.2 Thiết bị, dụng cụ .......................................................................................................55 2.5.3 Hóa chất ...................................................................................................................55 2.5.4 Quy trình phân tích ...................................................................................................55 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................................58 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................................................................58 3.1 CHẾ TẠO CÁC MẪU NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU DẠNG NHŨ TƯƠNG DẦU/NƯỚC TỪ DẦU THÔ BẠCH HỔ ..............................................................................58 3.1.1 Các đặc trưng lý-hóa cơ bản của dầu thô Bạch Hổ ...................................................58 3.1.2 Các đặc trưng lý-hóa cơ bản của nước biển dùng để chế tạo mẫu nhũ tương dầu/nước ..........................................................................................................................................59 3.1.3 Kiểm tra độ bền nhũ tương dầu/nước .......................................................................59 3.1.4 Kiểm tra kích thước hạt nhũ bằng phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ..............................................................................................................................61 3.2 KHẢO SÁT HIỆU SUẤT XỬ LÝ TÁCH DẦU Ở THỂ NHŨ TƯƠNG TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SÓNG ĐIỆN TỪ ...............62 3.2.1 Khảo sát hiệu suất xử lý tách dầu bằng phương pháp vi sóng điện từ .......................62 3.2.1.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất tách dầu .........................................62 3.2.1.2 Khảo sát ảnh hưởng thời gian chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu..........................64 3.2.1.3 Khảo sát ảnh hưởng công suất chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu.........................65 3.2.1.4 Khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất tách dầu .................................................67 3.2.1.5 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng dầu trong nhũ tương đến hiệu suất tách dầu .69 3.3 CHẾ TẠO HỆ HÓA PHẨM HỖ TRỢ PHÁ NHŨ TỪ MỠ CÁ BA SA ĐỂ XỬ LÝ TÁCH DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI ÁP LỰC ........................................73 3.3.1 Chế tạo methyl este từ các acid béo của mỡ cá ba sa ................................................73 3.3.1.1 Khảo sát các tính chất của hệ vật liệu xúc tác cho phản ứng este hóa chéo các acid béo từ mỡ cá ba sa .................................................................................................73 3.3.1.2 Khảo sát các đặc trưng sản phẩm methyl este ...................................................80 3.3.2 Tổng hợp acid alkyl hydroxamic từ methyl este của mỡ cá ba sa .............................83 3.3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến sự giảm giá trị chỉ số este .................83 3.3.2.2 Khảo sát sản phẩm acid alkyl hydroxamic bằng phổ hồng ngoại (IR)...............84 3.3.3 Chế tạo hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ.........................................................................85 3.3.3.1 Xác định tỷ lệ tối ưu của acid alkyl hydroxamic và methyl este ........................85 3.3.3.2 So sánh hiệu quả tách dầu của hệ hóa phẩm phá nhũ tổng hợp từ acid alkyl hydroxamic và methyl este của mỡ cá ba sa với các hệ hóa phẩm phá nhũ của hãng BASF ...........................................................................................................................86 3.3.3.3 Đánh giá hiệu quả tách dầu bởi hệ hóa phẩm hỗ trợ phá nhũ từ mỡ cá ba sa kết hợp với hệ hóa phẩm phá nhũ Alcomer 7125 của hãng BASF .....................................87 3.4 KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT XỬ LÝ TÁCH DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI ÁP LỰC KẾT HỢP HỆ HÓA PHẨM CHẾ TẠO TỪ MỠ CÁ BA SA .....................................................................................................88 3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng hệ hóa phẩm ....................................................88 3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng pH ............................................................................................90 3.4.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tách .....................................................................92 3.4.4 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng dầu .........................................................................93 3.5 SO SÁNH HIỆU SUẤT TÁCH DẦU GIỮA PHƯƠNG PHÁP VI SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ PHƯƠNG PHÁP TUYỂN NỔI.............................................................................................96 3.5.1 Hiệu suất tách dầu của phương pháp tách vi sóng điện từ và phương pháp tuyển nổi áp lực .................................................................................................................................96 3.5.2 So sánh lựa chọn công nghệ vi sóng điện từ và công nghệ tuyển nổi theo phương pháp xếp hạng 5 bậc ..........................................................................................................99 3.5.2.1 So sánh ưu nhược điểm của hai công nghệ vi sóng điện từ và công nghệ tuyển nổi ................................................................................................................................99 3.5.2.2 Xếp hạng cho hệ thống xử lý nước thải nhiễm dầu của công nghệ vi sóng điện từ và công nghệ tuyển nổi ...........................................................................................100 KẾT LUẬN ..............................................................................................................................102 CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ...............................................................................103 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT %kl Phần trăm khối lượng %V Phần trăm thể tích API American Petroleum Institute (Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ) ASTM American Society for Testing and Material BET Brunauer-Emmentt-Teller DAF Dissolved Air Flotation (Tuyển nổi áp lực) GC-MS Gas Chromatography Mass Spectroscopy (Sắc ký khí/khối phổ) HĐBM Hoạt động bề mặt HP Hóa phẩm NKT Nước khai thác NTND Nước thải nhiễm dầu IR Infrared (Phổ hồng ngoại) IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry (Hiệp hội Quốc tế về Hóa học tinh khiết và Hóa ứng dụng) TEM Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua) TPD-NH3 Ammonia Temperature Programmed Desorption (Giải hấp chương trình nhiệt độ amoniac) v/p Vòng/phút XRD X-Ray Diffaction (Nhiễu xạ tia X) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thành phần hóa học và tính chất các hóa phẩm ...........................................................50 Bảng 2.2 Số liệu xây dụng đường chuẩn trên máy quang phổ huỳnh quang cực tím RF-1501 ...55 Bảng 3.1 Các đặc trưng lý-hóa cơ bản của dầu thô Bạch Hổ ......................................................58 Bảng 3.2 Các đặc trưng lý-hóa cơ bản của nước biển dùng để chế tạo mẫu nhũ tương dầu/nước ....................................................................................................................................................59 Bảng 3.3 Kết quả đo độ bền nhũ tương của các mẫu nhũ được chế tạo từ dầu thô Bạch Hổ và các mẫu NTND từ các giàn khai thác dầu bằng phương pháp ly tâm siêu tốc ...................................60 Bảng 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu suất tách dầu của phương pháp vi sóng .........................62 Bảng 3.5 Ảnh hưởng thời gian chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu của phương pháp vi sóng .........64 Bảng 3.6 Ảnh hưởng công suất chiếu xạ đến hiệu suất tách dầu của phương pháp vi sóng ........66 Bảng 3.7 Ảnh hưởng pH đến hiệu suất tách dầu của phương pháp vi sóng ................................68 Bảng 3.8 Ảnh hưởng hàm lượng dầu đến hiệu suất tách dầu của phương pháp vi sóng ..............69 Bảng 3.9 Kết quả khảo sát mẫu MgO-ZrO2/γ-Al2O3 bằng phương pháp XRD ...........................75 Bảng 3.10 Kết quả xác định bề mặt riêng và kích thước mao quản của γ-Al2O3 bằng phương pháp BET ....................................................................................................................................75 Bảng 3.11 Kết quả xác định bề mặt riêng và kích thước mao quản của MgO-ZrO2/γ-Al2O3 bằng phương pháp BET .......................................................................................................................76 Bảng 3.12 Diện tích bề mặt riêng và kích thước mao quản của γ-Al2O3 và của MgO-ZrO2/γ- Al2O3 ...........................................................................................................................................77 Bảng 3.13 Dữ liệu TPD-NH3 của mẫu γ-Al2O3....................................................