Đánh giá tiềm năng thu hồi năng lượng từ các nguồn chất thải công nghiệp và đô thị tại Việt Nam

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

TỪ BCL RÁC THEO MÔ HÌNH IPCC 2005

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VỀ NHIỆT PHÂN HÓA DẦU CHẤT THẢI

Nghiên cứu này tập trung vào quá trình nhiệt phân không có xúc tác đối với ba loại vật liệu: nhựa HDPE, lốp xe ô tô và nhựa ABS, dựa trên tài liệu đã tìm hiểu và thực trạng rác thải công nghiệp tại Việt Nam.

Nhựa HDPE, được thu gom từ các chai dầu nhớt xe máy tại tiệm sửa xe, trải qua quy trình làm sạch và sau đó được cắt nhỏ với kích thước khoảng 4cm.

Hình 3.1: Cấu tạo phân tử nhựa HDPE

Lốp xe đƣợc thu gom từ các tiệm sửa xe ô tô, sau đó đƣợc cắt bằng máy cắt với kích thước giao động từ 5-10 cm

Lốp xe có khoảng 75 phần trăm butadiene (CH 2 = CH-CH = CH 2 ) và 25 phần trăm styrene (CH 2 = CHC 6 H 5 )

Hình 3.2:Cấu tạo của Cao su SBR

Nhựa ABS là vỏ thiết bị điện lạnh đƣợc thu gom tại các tiệm điện lạnh, sau đó đƣợc cắt nhỏ thành kích thước khoảng 5cm

Hình 3.3: Công thức cấu tạo của nhựa ABS

3.2.3 Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm

 Mô hình thí nghiệm nhiệt phân:

Hình 3.4: Hình sơ đồ bố trí thí nghiệm nhiệt phân

1- Hộp điều khiển kiểm soát nhiệt độ thí nghiệm

6- Thùng nước đá làm lạnh

7- Ống dẫn khí thoát ra

Quá trình nhiệt phân bắt đầu khi nguyên liệu được đưa vào lò và gia nhiệt qua bảng điều khiển Sau một thời gian, quá trình cracking diễn ra, bẻ ngắn mạch hydrocarbon dài thành các phân đoạn nhẹ hơn Hơi nóng sau đó đi qua hệ thống làm lạnh, nơi nó ngưng tụ thành giọt lỏng chảy vào bình thu dầu Khí không ngưng tụ sẽ được hấp thụ tại hai bình hấp thụ khí, và sau khi loại bỏ các chất độc, khí sẽ được dẫn ra ngoài qua ống dẫn khí.

Hình 3.5: Mô hình thiết bị chƣng cất Ghi chú:

Phương pháp chưng cất bắt đầu bằng việc cho 100ml mẫu vào bình chưng cất và gia nhiệt từ từ Khi giọt chất lỏng đầu tiên xuất hiện, nhiệt độ lúc đó được ghi nhận là T 0 sôi đầu Tiếp theo, nhiệt độ sẽ được ghi lại tương ứng với 10, 20, 30… đến 90% thể tích Khi cột thủy ngân trong nhiệt kế giảm đột ngột từ cực đại, đó là T 0 sôi cuối Đường chưng cất xác định phạm vi thành phần phân đoạn trong sản phẩm dầu mỏ và thông qua đường cong chưng cất, tính bốc hơi của sản phẩm sẽ được đánh giá.

Hình 3.6: Sơ đồ thực hiện quá trình nhiệt phân

Cân 500 (g) nguyên liệu đã đƣợc cắt nhỏ

Cho nguyên liệu vào lò nhiệt phân

Tiến hành gia nhiệt Lắp đặt mô hình

Sau khi thu gom, các loại nguyên liệu được cắt nhỏ và cân với khối lượng 500g trước khi cho vào lò nhiệt phân Tiến trình gia nhiệt bắt đầu từ 100°C và được cài đặt với tốc độ 30°C/ phút Quá trình này sẽ đẩy không khí bên trong lò ra ngoài, và hiện tượng sủi bọt khí trong bình hấp thụ khí sẽ cho thấy có khí thoát ra.

Sau khi đạt được nhiệt độ nhất định, các liên kết C-C sẽ bị bẻ gãy, tạo thành các gốc tự do thông qua sự xuất hiện giọt dầu lỏng đầu tiên Quá trình gia nhiệt sẽ tạm ngừng để đảm bảo nhiệt độ phản ứng cracking diễn ra hoàn toàn Khi các liên kết dễ bẻ gãy đã bị phá vỡ, nhiệt độ khí sẽ giảm Để tiếp tục bẻ gãy các mạch hydrocacbon dài hơn, quá trình gia nhiệt sẽ được tiếp tục.

Quá trình thí nghiệm sẽ kết thúc khi không còn xuất hiện giọt lỏng đồng thời nhiệt độ sôi giảm

Tỷ trọng là tỷ số giữa khối lượng của một thể tích chất lỏng ở nhiệt độ quy định và khối lượng của cùng thể tích nước tinh khiết ở cùng hoặc khác nhiệt độ, với cả hai nhiệt độ được ghi rõ.

Ví dụ: d 20 4 là tỷ trọng tương đối của sản phẩm ở 20 o C (sử dụng ở Việt Nam)

Tỷ trọng biểu hiện tính bay hơi của một sản phẩm dầu mỏ Tỷ trọng càng thấp chứng tỏ sản phẩm càng nhẹ, càng dễ bay hơi.[16]

Việc xác định tỷ trọng của các sản phẩm dầu mỏ là rất quan trọng, vì nếu tỷ trọng vượt ra ngoài phạm vi hợp lý, điều đó cho thấy tính bay hơi của sản phẩm không phù hợp Tỷ trọng hay khối lượng riêng không chỉ có ý nghĩa kiểm định chất lượng mà còn mang tính thương mại cao Phương pháp xác định tỷ trọng được thực hiện bằng cách sử dụng Picnomet.

Nguyên lý cơ bản của nhiệt lượng kế là chuyển đổi nhiệt năng từ một lượng nhiên liệu đã biết sang một lượng nước xác định, từ đó tính toán nhiệt trị của nhiên liệu dựa trên sự tăng nhiệt độ của nước Trong quá trình thí nghiệm, không chỉ nước mà toàn bộ thiết bị đo cũng sẽ tăng nhiệt độ, vì vậy cần phải ghi nhận nhiệt độ được sử dụng trong quá trình đốt nóng, được đo tương tự như nước.

Giá trị nhiệt trị của vật chất là lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình cháy của nó, được đo bằng đơn vị năng lượng trên đơn vị khối lượng như kcal/kg hoặc kJ/kg Mỗi vật chất có giá trị nhiệt trị riêng, thường được xác định bằng bơm Calorimeter Để đo chính xác nhiệt trị của nhiên liệu, cần đảm bảo một số điều kiện cơ bản.

Sự cháy phải hoàn toàn nghĩa là không có khói, không tạo thành CO

Không thấy các khí hydrocacbon chƣa cháy hết thoát ra

Không có cacbon chưa bị cháy và bất kỳ phép xác định nào về vết than cần được loại bỏ Ngay cả khi vết than xuất hiện trong chén nung, việc xác định lượng cacbon đó cũng không hiệu quả và không nên sử dụng để hiệu chỉnh từ giá trị đã biết Lượng cacbon này có thể gây ra sự cháy không hoàn toàn không mong muốn.

Nhiệt phải truyền hoàn toàn cho nước, đối với các lượng nhiệt mất đi trong khi xác định cần phải đƣợc hiệu chỉnh

Sự tăng nhiệt độ của nước phải được xác định chính xác, vì khối lượng nhiên liệu sử dụng là rất nhỏ so với lượng nước phải đốt nóng.

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VỚI VI TẢO

Chủng tảo Chlorella spp thuần đƣợc cung cấp từ viện Nuôi Trồng Thủy Sản II Chủng tảo Chlorella spp đƣợc phân lập từ hồ nuôi tôm tại Cần giờ

3.3.1.2 Nguồn nước thải: Địa điểm nguồn nước thải: các ao tôm tại huyện Cần Giờ, Bình Khánh

3.3.1.3 Nơi thực hiện: Địa điểm tiến hành các phương pháp nghiên cứu: tại Trường đại học công nghiệp Tp HCM, Viện công nghệ sinh học – thực phẩm phòng F.6.02 và F.6.03

3.3.2 Phương pháp phân lập vi tảo từ nước ao nuôi

Gieo cấy mẫu đã pha loãng trên môi trường dinh dưỡng đặc trưng Nuôi dƣỡng trong điều kiện thích hợp cho tảo mọc tách biệt nhau

Tiếp theo cấy tách từ tảo mọc tách biệt sang ống môi trường dinh dưỡng thạch nghiêng để thu nhận chủng tảo thuần khiết

Pha môi trường -> thu mẫu -> pha loãng mẫu-> Nuôi cấy- > thu nhận ->kiểm tra -> bảo quản

Để pha môi trường, cần cân chính xác các thành phần, sau đó hòa tan chúng vào nước đã đun sôi và khuấy cho đến khi tan hoàn toàn Tiếp theo, kiểm tra thể tích và độ pH của dung dịch Cuối cùng, rót môi trường vào các dụng cụ đã chuẩn bị và đậy kín.

Chặt nắp ống nghiệm hoặc đổ vào chai, sau đó khử trùng bằng nồi hấp hơi nước autoclave ở 1atm và 121°C trong 30 phút Tiến hành đổ môi trường ra làm thạch ngiêng và thạch đĩa Mẫu được thu thập từ nước thải nuôi tôm để phục vụ cho việc phân lập.

Để pha loãng mẫu, đầu tiên hút 1ml nước thải vào ống nghiệm thứ nhất chứa 9ml nước cất vô trùng và trộn đều bằng cách huyền phù 3-5 lần, đạt độ pha loãng 10-1 Tiếp theo, hút 1ml từ ống nghiệm thứ nhất vào ống nghiệm thứ hai cũng chứa 9ml nước cất vô trùng, trộn đều để đạt độ pha loãng 10-2 Tùy thuộc vào loại tảo, quá trình pha loãng có thể tiếp tục đến các mức 10-3, 10-4, và các mức khác Để phân tách các tế bào tảo, có thể nuôi cấy trên bề mặt thạch nhằm thu nhận dần dần các tế bào từ mẫu tạp nhiễm ban đầu.

Nuôi cấy: các đĩa thạch đã được cấy mẩu.nước chứa tảo được nuôi ở điều kiện nhiệt độ phòng và chiếu sáng liên tục với cường độ 3000-7000 lux

Thu nhận: sau khoảng thời gian 7 ngày

Để bảo quản tảo, cần giữ chúng trong ống nghiệm với môi trường thạch hoặc môi trường lỏng có ánh sáng yếu từ 750-1000 lux Nhiệt độ cần duy trì ở mức thấp và cần thực hiện cấy chuyền định kỳ để tránh tình trạng tảo già, chết và suy thoái.

Phương pháp xử lý của NH3 trong môi trường nước:

Phương pháp Nessler được sử dụng để xác định nồng độ amoniac trong nước uống tinh khiết, nước thiên nhiên và nước thải đã được xử lý, yêu cầu độ màu thấp và nồng độ N-NH3 lớn hơn 20 µg/l Khi áp dụng phương pháp này cho nước thải sinh hoạt, sai số cho phép của N-NH3 là từ 1-2 mg/l Amoniac phản ứng với thuốc thử Nessler trong môi trường kiềm, tạo ra sản phẩm có màu vàng đặc trưng.

2(2KI.HgI 2 )+ NH 3 +KOH(NH 2 )Hg-O-HgI + 7KI + 2H 2 O

Để xác định chất lượng nước thải một cách chính xác, mẫu cần được chưng cất nhằm loại bỏ các tập chất gây cản trở Dịch phẩm thu được sẽ được phân tích bằng phương pháp Nessler.

Phương pháp Nessler hóa trực tiếp

Khử clo dư (chỉ áp dụng cho nước thải sinh hoạt hoặc nước thải nhiễm clo) Thêm 1 ml Na2S 2 O 3 N/70 cho 1mg Cl 2 /l trong 50ml mẫu

Thêm 1 ml ZnSO 4 và 0,5 ml NaOH 6N (pH.5)) trong 100 ml mẫu, xáo trộn đều, ly tâm loaị kết tủa, lấy phần nước trong

Lấy 50ml mẫu qua lọc them 1 giọt EDTA đề tránh ion Ca 2 +, Mg 2 + hoặc các ion khác gây kết tủa với Nessler

Chuẩn bị tham chiếu nhƣ sau:

So sánh màu sắc của các dung dịch C0 nm sau khi thêm Nessler sau 10 phút Nếu màu của mẫu vượt quá đường cong tham chiếu, cần thực hiện lại với một thể tích mẫu phù hợp và pha loãng đến 50 ml.

Phương pháp xử lý của Phosphat trong môi trường nước:

Trong môi trường acid, phosphate chuyển hóa thành orthophosphat và phản ứng với ammonium molydate, tạo ra acid molybdophosphoric Acid này sau đó được khử bởi SnCl2, dẫn đến sự hình thành molybdenum màu xanh dương.

PO 4 3-+ 12(NH 4 )2MoO 4 +24H+(NH 4 ) 3 PO 4 12MoO 3 +21NH 4 + +12H 2 O

(NH 4 ) 3 PO 4 12MoO 3 +Sn 2+ Molybdenum (xanh dương)+Sn 4+

Lấy 50 ml mẫu đã đƣợc lắc đều cho vào 0.05 ml chất chỉ thị phenolphthalein Nếu mẫu có màu thêm vào từ từ dung dịch acid sulfuric đến khi mất màu Sau đó thêm 1ml dung dịch acid sulfuric và 0.4 g (NH 4 ) 2 S 2 O 8 hoặc 0.5g K 2 S 2 O 8

Đun hỗn hợp trong khoảng 30-40 phút cho đến khi thể tích còn lại khoảng 10ml Sau đó, để nguội và thêm 1ml chất chỉ thị phenolphthalein, rồi trung hòa đến màu hồng nhạt bằng dung dịch NaOH Cuối cùng, định thể tích lại thành 50ml bằng nước cất.

Lấy 50ml mẫu không màu và đục, thêm 1 giọt phenolphthalein Nếu mẫu chuyển sang màu hồng, từ từ thêm dung dịch acid mạnh cho đến khi mất màu Tiếp theo, thêm 2ml molybdate và 0.25ml (5 giọt) tin chloride, lắc đều Tốc độ và cường độ hiện màu phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy cần giữ các dung dịch chuẩn, mẫu và hóa chất ở cùng một nhiệt độ (chênh lệch không quá 20°C) trong khoảng 20-30°C Sau 10 phút (không quá 12 phút), đo độ hấp thụ bằng máy quang phổ kế ở bước sóng 690nm.

Chuẩn bị đường cong chuẩn

Ml dung dịch P-PO 4 chuẩn

Ml dung dịch molybdate 2 ml

C (mg/l) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Đo độ hấp thu bằng máy ở 690nm ? ? ? ? ? ? ?

Phương pháp xử lý của COD trong môi trường nước:

Rửa sạch ống nghiệm có nắp với H2SO 4 20% trước khi sử dụng, chọn thể tích mẫu và thể tích hóa chất dung tương ứng theo bảng sau: ống nghiệm

H2SO4 reagent Tổng thể tích

Cho mẫu vào ống nghiệm và thêm dung dịch K2Cr2O7 0.0167M Cẩn thận thêm H2SO4 bằng cách cho acid chảy dọc theo thành ống nghiệm, sau đó đậy nắp ngay Đặt ống nghiệm vào giá và cho vào tủ sấy hoặc máy COD.

150 0 C trong 2 giờ Để nguội ở nhiệt độ phòng, cho vào erlen, tráng ống COD bằng

Để thực hiện thí nghiệm, hãy lấy 107 ml nước khoáng (nước cất) và đổ vào bình Erlen, sau đó thêm 0.05-0.1 ml (1-2 giọt) chỉ thị feroin Tiến hành định phân bằng sắt (II) amoni sulfate 0.1 M (FAS) cho đến khi mẫu chuyển màu từ xanh lục sang nâu đỏ Ngoài ra, cần làm một mẫu thử không có nước cất, bao gồm các hóa chất tương tự như mẫu thật, nhưng thay mẫu bằng nước cất và đưa vào tủ sấy ở 1500C trong 2 giờ.

3.3.3 Khảo sát quá trình nuôi trồng vi tảo

3.3.3.1 Nuôi cấy và tăng sinh

Hình 3.7: Sơ đồ quy trình tăng sinh giữ giống tảo

Pha chế môi trường f2 và môitrường Zarrouk (tảo Spirulina spp.)

Tiến hành nuôi cấy tảo với tỷ lệ giống 15% và 20% trong môi trường giàu dinh dưỡng, kết hợp với sục khí và ánh sáng đầy đủ Duy trì điều kiện nhiệt độ phòng trong 4-5 ngày, sau đó cấy chuyền sang môi trường mới để bảo tồn giống Khi tảo đạt mật độ tối đa, tiến hành thu hoạch để tăng sinh trong môi trường nước ao.

Với tỷ lệ 15% và 20%, tương ứng với tỷ lệ nước thải 25%, 50%, 75% và 100%, quá trình sục khí nuôi cấy được thực hiện ở nhiệt độ phòng và dưới ánh sáng Sau 4-5 ngày, sinh khối sẽ được thu hoạch để tiến hành bước thí nghiệm tiếp theo.

Tăng sinh trong môi trường đặc trƣng

Tăng sinh trong môi trường nước.ao Giữ giống

3.3.3.2 Điều kiện nuôi Điều kiện môi trường nuôi:

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN