Chế phẩm giảm điểm đông đặc nâng cao khả năng chịu lạnh cho dầu

Với chiều dài của hệ thống đường ống dẫn dầu lên đến hàng trăm km, “làm sao để việc vận chuyển dầu được thông suốt?” là một bài toàn “kinh điển” của ngành dầu khí Việt Nam. Lý do là bởi, đa phần dầu tại các mỏ trong nước, đặc biệt là mỏ Bạch Hổ, có điểm đặc thù là hàm lượng parafin cao, đồng nghĩa với việc nhiệt độ đông đặc của chúng cũng cao không kém. “Đây là một vấn đề rất lớn bởi khi nhiệt độ hạ xuống, parafin sẽ dần tạo thành mạng lưới liên kết gây hiện tượng vón cục và tắc nghẽn đường ống, khiến cho việc bảo quản, vận chuyển hay bơm hút các sản phẩm này gặp rất nhiều khó khăn”, TS. Nguyễn Mạnh Huấn cho biết.

Vấn đề này càng nghiêm trọng hơn với các loại dầu đốt FO có chứa hàm lượng parafin cao. “Theo TCVN 6239, nhiệt độ đông đặc tối đa của loại dầu FO No2B là 24°C, tuy nhiên hiện nay mức nhiệt này chỉ phù hợp với các tỉnh miền Nam - vốn có mức nhiệt nền khoảng 25°C, còn ngoài miền Bắc nhiều khi nhiệt độ xuống 15°C thì dầu theo tiêu chuẩn này vẫn bị đông cứng lại ngay”, TS. Huấn giải thích, “muốn dùng được dầu thì phải gia nhiệt - một phương án tốn nhiều chi phí, hoặc phải thêm các chế phẩm giảm điểm đông đặc (PPD) vào khối dầu”.

Thực tế, trên thị trường Việt Nam hiện nay cũng đã có không ít chế phẩm giảm điểm đông đặc. Nhưng có lẽ nhiều người sẽ bất ngờ khi biết rằng, gần như tất cả các chế phẩm đều phải nhập ngoại. “Cái khó ở đây là với mỗi hệ nguyên liệu khác nhau, mình lại phải điều chỉnh tỉ lệ polymer (thành phần của chế phẩm), mà thị trường trong nước lại chưa đủ lớn để lập ra một đội chuyên làm công đoạn như vậy”, TS. Huấn giải thích. Và như bao câu chuyện lệ thuộc “hàng ngoại” khác, “mình bị phụ thuộc nhiều vào nguồn cung và giá thành bên ngoài. Trong những đợt như COVID-19 khiến việc vận chuyển bị tắc nghẽn như thế này thì mệt mỏi lắm”, TS. Huấn cho biết.

Thách thức này đã khiến cho anh và các đồng nghiệp theo đuổi việc giải mã các hệ phụ gia chống đông đặc trên thị trường trong nhiều năm qua. Song, việc phối trộn đơn thuần theo các công thức giải mã được không khiến những người làm nghiên cứu thỏa mãn. Nhóm của TS. Huấn nhận thấy, các chế phẩm đã có hiện nay thường là chế phẩm “vinyl” bởi chúng có giá thành rẻ và dễ chế tạo, tuy nhiên lại chưa hiệu quả trong việc giảm kết tụ cục bộ, cũng như vẫn có các đặc tính chỉ phù hợp cho một số loại dầu cụ thể.

Đó là lúc họ nghĩ đến việc kết hợp các vật liệu có kích thước cỡ nano vào các vật liệu polymer. “Với sự phát triển của công nghệ nano, các chế phẩm chứa các hạt vật liệu có kích cỡ nano đã giải quyết được rất nhiều vấn đề kỹ thuật trước đó, chẳng hạn như cải thiện đáng kể khả năng chịu nhiệt, tính năng cơ lý, các tính chất về dẫn/kháng điện nhờ các hiệu ứng kích cỡ, bề mặt và đường hầm lượng tử (hiệu ứng chỉ sự chuyển dịch của hệ vật chất từ trạng thái này sang trạng thái khác mà thông thường bị các quy luật vật lý cổ điển ngăn chặn) xuất hiện tại bề mặt của các hạt nano, từ đó làm thay đổi kết cấu của các mạng tinh thể trong vật liệu”, TS. Huấn cho biết.

Nhờ tiền đề là các kết quả nghiên cứu về vật liệu nanosilica, nhóm của TS. Huấn nảy ra ý tưởng sử dụng hạt nano này kết hợp với hệ nhựa vinyl để thử nghiệm thành các hệ chế phẩm nano, với kỳ vọng “đặc tính nano của hạt silica sẽ giúp nhựa tương tác với parafin trong hệ dầu được đồng đều hơn”.

Điểm khó đầu tiên mà TS. Huấn và nhóm gặp phải là việc lựa chọn kích cỡ hạt nanosilica và nồng độ phù hợp với mục đích giảm điểm đông đặc. “Kích thước hạt sẽ liên quan đến khả năng phân tán đồng đều trong dung dịch ở sản phẩm cuối”, TS. Huấn giải thích, “kích thước lớn quá thì sẽ dễ bị lắng xuống theo trọng lực, nhưng nếu nhỏ quá thì lại khó đáp ứng được nhu cầu thực tế vì chưa có sản phẩm bán đại trà trên thị trường để dùng ngay - dù về mặt lý thuyết hạt nano có kích thước càng nhỏ thì càng tốt”. Để cân bằng được hai yếu tố này, nhóm đã chọn một hệ nhựa vinyl phù hợp chung với hệ dầu có khoảng parafin rộng, sau đó là thử nghiệm với các loại kích thước hạt nanosilica khác nhau. Đây cũng là cách để nhóm đi đến việc giải quyết vấn đề thách thức thứ hai là sự phân tán đều và ổn định của hạt nano trong hệ nhựa, sự tương thích của hạt nano, và sau cùng là nồng độ của từng thành phần trong chế phẩm để có hiệu quả kinh tế.

Sau thời gian dài thử nghiệm, nhóm của TS. Huấn đã tạo ra được chế phẩm gồm các thành phần dung môi thơm, copolymer gốc vinyl, và vật liệu nanosilica. Trong đó, “các hạt nanosilica có kích cỡ nằm trong khoảng từ 20 đến 70nm, có thể mua trực tiếp sản phẩm có sẵn mà không cần biến tính thêm”, TS. Huấn cho biết. Để tạo ra chế phẩm, copolymer gốc vinyl sẽ được hòa tan vào dung môi thơm, sau đó bổ sung hạt nanosilica và khuấy với tốc độ từ 100-500 vòng/phút trong mức nhiệt và thời gian phù hợp.

Khi thử nghiệm với sản phẩm dầu FO No2B, kết quả cho thấy chế phẩm đã giúp dầu hạ điểm đông đặc từ 24°C xuống còn 15°C. Kết quả này cũng thấp hơn 6°C so với một số chế phẩm thương mại không có thành phần nanosilica ở cùng nồng độ 1000 ppm. “Nhìn chung, chế phẩm giúp giảm điểm đông đặc cho các sản phẩm gốc dầu như DO, FO, dầu thô tối thiểu là 3°C tùy vào lượng mà mình sử dụng”, TS. Huấn nói.

Không chỉ làm chủ được công nghệ, chế phẩm của nhóm anh còn hứa hẹn có độ linh hoạt và đa năng hơn so với các chế phẩm không sử dụng hạt nano. “Do đặc tính hóa học của mỗi loại phụ gia, các chế phẩm không gắn hạt nano thường chỉ dùng được cho 1-2 loại dầu, nhưng sản phẩm của chúng tôi có thể sử dụng được cho nhiều loại hơn thế”, TS. Huấn cho biết và giải thích, “bản chất của chế phẩm chính là quá trình hòa tan, phân tán nhựa vào trong hệ dầu, do đó khi đưa vào chế phẩm hạt nhựa ở dạng liên kết với vật liệu nano thì nó sẽ giúp trợ tan hệ nhựa vào dầu, làm sự tiếp xúc nhựa - dầu tốt hơn, tương thích với nhiều hệ dầu hơn, dẫn đến tăng hiệu quả của sản phẩm”.

Nhờ thu được những hiểu biết sâu sắc hơn về quá trình đông đặc, kết tinh parafin cũng như việc ứng dụng nano, nhóm nghiên cứu dư định sẽ thử nghiệm chế phẩm trên các loại dầu khác, cũng như phát triển thêm các ứng dụng của các hạt nano như nanocarbon, nano titan dioxit (TiO2), nano cerium oxit (CeO2) để có thể tạo các chế phẩm đa năng vừa có khả năng giảm điểm đông đặc, vừa có khả năng nâng cao hiệu quả cháy cho dầu đốt. Mặc dù để thương mại hóa các sản phẩm này lại là một “câu chuyện khác, từ đầu tư cơ sở vật chất, chi phí đến nhu cầu thị trường”, tuy nhiên, TS. Huấn cho biết khi thị trường đã sẵn sàng, họ chắc chắn có thể đưa ra những giải pháp phù hợp tùy theo bên có nhu cầu. Và do nồng độ của hạt nanosilica trong chế phẩm rất thấp, “chi phí sẽ không thay đổi nhiều so với chế phẩm truyền thống”, TS. Huấn cho biết.