NGUYỄN NHỰT PHI LONG SVTH: HỒNG KIỆN LUÂN PHAN DUY THANH NGHIÊN CỨU QUI TRÌNH THÍ NGHIỆM TẠO BIOCHAR TỪ BÃ CÀ PHÊ, ÁP DỤNG KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ ĐỘ CỨNG TRONG NƯỚC GIẾNG Ở KHU VỰC ĐỒNG
1
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Sinh khối thô, bao gồm các chất hữu cơ như rơm, rạ, lá và cành, có thể được sử dụng làm nguyên liệu sinh học cho năng lượng tái tạo, góp phần cải thiện tính bền vững về năng lượng, môi trường và kinh tế toàn cầu Việc tận dụng bã cà phê sau pha chế làm phân bón hữu cơ hoặc xua đuổi côn trùng là một giải pháp hiệu quả, nhưng phần lớn vẫn bị vứt bỏ, gây áp lực lên môi trường Do đó, nghiên cứu và ứng dụng sinh khối vào các lĩnh vực phục vụ đời sống trở nên cần thiết, với nhiều tiến bộ gần đây trong việc khai thác tiềm năng của nó.
Các nghiên cứu về than sinh học từ bã cà phê đang thu hút sự chú ý của sinh viên và nhà khoa học trong và ngoài Việt Nam Những nghiên cứu đáng chú ý bao gồm khả năng loại bỏ chì và fluoride khỏi nước ô nhiễm, ứng dụng than sinh học trong việc hấp phụ ion Pb2+, và khả năng lọc NH4+ trong nước.
Nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra nhiều ứng dụng đa dạng của than sinh học, bao gồm việc sử dụng trong chế tạo thiết bị lưu trữ năng lượng, làm chất phụ gia cho nhiên liệu bán sinh học, thay thế nhựa trong sản xuất chai nhựa, sản xuất dầu sinh học, cải thiện đất và nước bị nhiễm kim loại nặng, cũng như ứng dụng trong chất chống cháy.
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, nhiều vùng nông thôn vẫn phụ thuộc vào nước giếng và nước sông cho sinh hoạt hàng ngày Việc đầu tư cơ sở hạ tầng phục vụ đời sống là rất cần thiết, tuy nhiên, chất lượng nước giếng dân sinh cần được xem xét kỹ lưỡng Câu hỏi đặt ra là liệu nguồn nước này có đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng theo QCVN 01-1:2018/BYT hay không.
Có nhiều phương pháp đơn giản để cải thiện chất lượng nước sinh hoạt Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng máy lọc nước, giúp loại bỏ tạp chất và đảm bảo nước sạch cho sinh hoạt hàng ngày.
Trang 2 hợp với nhu cầu của hộ gia đình Lọc nước bằng máy lọc là bơm nước từ nguồn vào lõi lọc, nước sẽ chảy qua từng lõi và làm sạch nhờ các thành phần trong từng lõi lọc riêng biệt Một trong các lõi quan trọng quyết định chất lượng nước sau khi được lọc chính là lõi lọc bằng than sinh học Điểm mấu chốt của than sinh học là tận dụng lại những nguồn liệu phế thải từ đời sống, sử dụng chúng để sản xuất sản phẩm than sinh học nên việc nghiên cứu thêm, làm đa dạng thêm về than sinh học hiện nay trở nên rất cần thiết Nhóm chọn bã cafe đã qua sử dụng là loại nguyên liệu để nghiên cứu tạo ra than sinh học phục vụ việc lọc nước hay các mục đích khác phục vụ đời sống
Việt Nam hiện đứng thứ hai thế giới về xuất khẩu cà phê, chiếm 19% thị phần toàn cầu, chỉ sau Brazil Dự báo sản lượng cà phê niên vụ 2023-2024 của Việt Nam đạt khoảng 1,6 triệu tấn, với năng suất chế biến cà phê hòa tan ước tính 100.000 tấn sản phẩm/năm Thị trường cà phê rang xay tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, với nhu cầu tiêu thụ tăng cao, thể hiện qua sự gia tăng số lượng cửa hàng và quán cà phê Tuy nhiên, lượng bã cà phê thải ra sau khi sử dụng cũng gia tăng tương ứng; mỗi kg cà phê rang xay sử dụng tạo ra khoảng 0,7 kg bã Trong khi một phần nhỏ bã cà phê được tận dụng làm phân bón hữu cơ, phần lớn còn lại bị vứt đi, gây áp lực lên môi trường.
Nhóm tác giả đã quyết định nghiên cứu và phát triển quy trình tận dụng bã cà phê rang xay sau pha chế tại khu vực Thủ Đức, nhằm tạo ra than sinh học để giải quyết vấn đề xử lý bã cà phê Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê và khảo sát khả năng hấp phụ cũng như khả năng lọc bỏ chất điện li trong mẫu nước sinh hoạt từ nguồn nước giếng ở Đồng Nai.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Sự phát triển dân số đã dẫn đến ô nhiễm và biến đổi khí hậu, gây ra vấn đề nghiêm trọng về nguồn nước sinh hoạt Để giải quyết vấn đề này, tác giả đã tận dụng bã cà phê đã qua sử dụng để sản xuất than hoạt tính cho lõi lọc nước Bã cà phê là nguồn nhiên liệu xanh, sạch, chưa được khai thác đúng mức, nhưng có tiềm năng lớn trong việc cải thiện đời sống con người Sản phẩm than hoạt tính từ bã cà phê hy vọng sẽ mang lại giải pháp thân thiện với môi trường và tiết kiệm cho người tiêu dùng trong việc nâng cao chất lượng nguồn nước sinh hoạt.
Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu chế tạo than sinh học từ bã cà phê
- Tạo ra một sản phẩm than sinh học phục vụ cho việc lọc nước sinh hoạt
- Khảo sát những ứng dụng khác nhau của bã cà phê trong đời sống
- Góp phần thúc đẩy việc sử dụng các sản phẩm sinh học vào cuộc sống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Bã cà phê được lấy từ các cửa hàng tại khu vực Thủ Đức và lân cận
- Nước giếng được lấy tại khu vực Đồng Nai
- Chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê
- Ứng dụng bã cà phê và lõi lọc nước sinh hoạt
- Ứng dụng liên quan của than sinh học vào đời sống.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu nhập những thông tin và tài liệu nghiên cứu trong nước và ngoài nước
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện bằng cách nung bã cà phê đã sấy khô trong hộp thí nghiệm bằng phương pháp nhiệt phân chậm Nhiệt độ nung được điều chỉnh lần lượt ở 450 o C, 500 o C và 550 o C, với hai khoảng thời gian là 30 phút và 60 phút Sau quá trình nung, than được kiểm nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN tại phòng thí nghiệm.
Trang 4 nghiệm và trung tâm kiểm nghiệm
- Sử dụng than đã kiểm nghiệm để lọc qua nước sinh hoạt theo quy tiêu chuẩn QCVN 01: 2009/BYT.
Kết cấu của ĐATN
Thuyết minh được chia thành 5 phần chính:
- Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
- Chương 5 ĐÁNH GIÁ – THẢO LUẬN
5
Giới thiệu chung về cây cà phê
Cây cà phê, với tên khoa học là Coffea, thuộc họ Rubiaceae, có nguồn gốc từ Châu Phi và hiện được trồng rộng rãi trên toàn cầu, đặc biệt tại Colombia, Brazil, Việt Nam, Ethiopia và Indonesia Cây có thân gỗ, cao từ 3 đến 4 mét, với lá hình bầu dục màu xanh đậm Hoa cà phê có màu trắng và mọc thành chùm, trong khi quả cà phê có màu đỏ hoặc tím, hình bầu dục, chứa hai hạt cà phê bên trong.
Hạt cà phê là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất cà phê, một trong những đồ uống phổ biến nhất toàn cầu Quy trình thu hoạch và chế biến hạt cà phê đa dạng tùy thuộc vào vị trí trồng trọt và phương pháp sản xuất Ngành công nghiệp cà phê không chỉ tạo ra thu nhập cho hàng triệu người mà còn có ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế của nhiều quốc gia.
2.1.1 Thành phần hóa học của cà phê
- Vỏ quả: Có màu đỏ do có chất antoxian và alkaloid, trong vỏ chứa 21,5 - 30% chất khô (enzyme, tanin, caffein )
Vỏ thịt chứa các tế bào mềm giàu đường và pectine, đồng thời có enzyme pectinase giúp phân hủy pectine trong quá trình lên men Quá trình này làm cho pH dao động trong khoảng 5,6 – 6,4.
- Vỏ trấu: Chứa chủ yếu là cellulose và một ít caffein (0,4%) do sự khuếch tán từ vỏ trấu trong quá trình sấy khô hoặc lên men
- Nhân chiếm 10 - 12%, protein chiếm 9 - 11%, lipid chiếm 10 - 13%, các loại đường chiếm 5 - 10%, tinh bột chiếm 3 - 5% Ngoài ra còn có một số chất thơm, khoáng và alkaloid
Cà phê nhân chứa khoảng 13% chất béo tổng, trong đó quá trình rang làm mất đi 1-2% hợp chất chất béo Các chất béo chính trong dầu cà phê bao gồm trigliceride và diterpene, với các axit bão hòa như palmitic, behenic và arachidic Diterpen này rất nhạy cảm với axit, nhiệt độ và ánh sáng, dẫn đến sự giảm hàm lượng trong quá trình bảo quản và rang do sự hình thành các terpenenes bay hơi, naphthalene và quinoline.
Cây cà phê là mặt hàng xuất khẩu nông sản chủ yếu của Việt Nam, đứng thứ hai về giá trị kim ngạch, chỉ sau gạo Ngành trồng trọt cà phê đóng góp quan trọng vào nền kinh tế quốc dân.
Cà phê là cây trồng có nhiều ưu điểm:
Trồng cây cà phê mang lại lợi ích kinh tế đáng kể với năng suất trung bình khoảng 2 tạ/ha Nhờ vào các mô hình trồng cà phê quy mô lớn, người nông dân có thể thu nhập từ 500-700 triệu đồng mỗi năm.
Đa dạng hóa nông nghiệp thông qua việc trồng cà phê không chỉ tạo ra cơ hội phát triển kinh tế bền vững mà còn cải thiện đời sống của cộng đồng nông thôn.
- Khả năng sinh trưởng mạnh, kháng bệnh tốt, phát triển ổn định ngay cả trên đất bạc màu, đất lẫn sỏi đá
- Quả thường to, ít bị lép, vỏ quả hơi dày nhưng chất lượng nhân vẫn đảm bảo
Cây cà phê không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường Chúng tạo ra bóng mát, giảm xói mòn đất và hấp thụ khí CO2, từ đó giúp duy trì cân bằng sinh thái.
2.1.3 Một số ứng dụng của bã cà phê
Bã cà phê, sau khi hạt cà phê được rang, xay và pha chế, là một nguồn nguyên liệu sinh học phong phú và tiềm năng Phần bã này có thể được ứng dụng trong nhiều sản phẩm khác nhau, mang lại giá trị sử dụng cao.
Bã cà phê là nguồn phân bón tự nhiên hiệu quả cho vườn, cung cấp nhiều khoáng chất thiết yếu cho sự phát triển của cây như nitơ, canxi, kali, sắt, phốt pho, magiê và crom Sử dụng bã cà phê không chỉ giúp cải thiện chất lượng đất mà còn thúc đẩy sự sinh trưởng khỏe mạnh của cây trồng.
Cà phê chứa các hợp chất như caffeine và diterpenes, có khả năng xua đuổi côn trùng hiệu quả Những chất này không chỉ độc đối với ruồi giấm, muỗi và bọ cánh cứng mà còn giúp ngăn chặn các loài gây hại khác, mang lại lợi ích cho việc bảo vệ môi trường sống.
Bã cà phê là một giải pháp hiệu quả để trung hòa mùi hôi trong nhà Chất nitơ có trong bã cà phê giúp loại bỏ khí lưu huỳnh, mang lại không khí trong lành hơn.
Tẩy tế bào chết với bã cà phê là một phương pháp hiệu quả, nhờ vào các hạt thô trong bã cà phê giúp loại bỏ bụi bẩn và tế bào chết trên da, mang lại làn da sạch sẽ và tươi sáng.
Bã cà phê là một chất tẩy rửa tự nhiên hiệu quả nhờ vào tính mài mòn của nó, giúp loại bỏ chất tích tụ trên các bề mặt khó làm sạch Ngoài ra, bã cà phê còn có đặc tính kháng khuẩn và kháng vi-rút, hỗ trợ trong việc vệ sinh và bảo vệ sức khỏe.
- Đồ nhựa sinh học dùng 1 lần: ống hút, ly nhựa, túi rác.
Than sinh học
Than sinh học (biochar) là sản phẩm từ quá trình nung nhiệt vật liệu hữu cơ như gỗ, cây cỏ, vỏ hạt, bã cà phê và rơm rạ ở nhiệt độ từ 500 đến 550 độ C trong môi trường thiếu oxy, được gọi là pyrolysis hay nhiệt phân.
Biochar có diện tích bề mặt lớn và khả năng trao đổi cation cao, giúp nó lưu giữ hiệu quả các chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng như N+, K+, Ca2+ Đặc tính xốp của biochar cho phép nó giữ nước và không khí, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của thực vật.
2.2.2 Đặc tính và thành phần hóa học của TSH Đặc tính và thành phần hóa học sẽ thay đổi tùy theo nguồn gốc của vật liệu hữu cơ và quá trình sản xuất Một số đặc tính và thành phần hóa học chung:
Cấu trúc: Biochar có mạng rỗng, với các kênh và lỗ, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu trữ nước, dinh dưỡng và vi khuẩn trong đất
Biochar chủ yếu chứa cacbon, chiếm hơn 60% trọng lượng, giúp tăng cường lưu trữ cacbon trong đất nhờ tính bền vững của nó trước sự phân hủy của vi sinh vật Có hai loại cacbon: cacbon hữu cơ, hình thành từ nguyên liệu sinh khối, và cacbon vô cơ, được tạo ra từ quá trình phong hóa đất, cây và động vật qua hàng triệu năm dưới dạng than khoáng sản.
Nitơ (N) có nguồn gốc từ các vật liệu khác nhau, dẫn đến hàm lượng Nitơ trong than cũng khác nhau Trong quá trình phân giải vi khuẩn trong đất, Nitơ trong than sinh học (TSH) cung cấp dinh dưỡng quan trọng cho cây trồng.
- Phốt Pho (P): Một số loại TSH có thể chứa lượng nhỏ của phốt pho, một nguồn dinh dưỡng quan trọng cho cây trồng
- Kali (K): Kali cũng có thể xuất hiện trong TSH, nhưng với tỷ lệ rất thấp
Mangan (Mn), sắt (Fe) và các khoáng chất khác là thành phần quan trọng có trong TSH, với sự hiện diện của các khoáng chất và vi lượng khoáng chất Hàm lượng và loại khoáng chất này phụ thuộc vào nguồn gốc vật liệu hữu cơ cũng như quy trình sản xuất.
- Khả năng hấp thụ nước: TSH có khả năng giữ nước cao giúp giữ nước trong đất và cung cấp cho cây trồng khi cạn kiệt nước
- Khả năng hấp thụ khí: TSH cũng có khả năng hấp thụ khí như methane và ammonia, giúp làm giảm phát thải khí nhà kính
- pH: TSH thường có độ pH trung tính đến kiềm, tùy thuộc vào nguồn gốc vật liệu và quá trình sản xuất
Cấu trúc bề mặt riêng (BET) của TSH có các kết cấu bề mặt lớn, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc liên kết với các chất hữu cơ và vi khuẩn.
Các phương pháp tạo than sinh học
Nhiệt phân than sinh học là quá trình đốt nóng sinh khối ở nhiệt độ cao với lượng oxy hạn chế, giúp phân hủy thành than sinh khối Quá trình này bao gồm ba giai đoạn chính: sấy khô, phá hủy và phân hủy nhiệt Đầu tiên, độ ẩm trong sinh khối được loại bỏ, tiếp theo là sự giải phóng hắc ín và khí ở dạng khí Cuối cùng, phần sinh khối còn lại sẽ chuyển hóa thành than sinh học.
Quá trình nhiệt phân chậm đã được áp dụng trong hàng trăm năm để sản xuất than và gần đây đã được sử dụng để sản xuất methanol và hắc-ín Những đặc trưng nổi bật của quá trình này bao gồm khả năng chuyển hóa các vật liệu hữu cơ thành sản phẩm có giá trị, đồng thời tạo ra ít khí thải hơn so với các phương pháp khác.
- Tốc độ gia nhiệt thấp: 0 đến 2 ºC/phút;
- Tốc độ phát ra làm các chất dễ bay hơi từ các hạt sinh khối thấp;
- Thời gian lưu lại dài từ vài phút tới vài ngày;
Nhiệt phân nhanh là quá trình diễn ra ở nhiệt độ cao, trong đó nguyên liệu được gia nhiệt nhanh chóng trong môi trường không có không khí, dẫn đến sự bay hơi và ngưng tụ thành chất lỏng Quá trình này có mối liên hệ với các phương pháp nhiệt phân truyền thống.
Trang 9 dụng để sản xuất than củi, nhưng nhiệt phân nhanh là một quy trình tiên tiến hơn có thể được kiểm soát cẩn thận để mang lại sản lượng chất lỏng cao Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân nhanh:
- Tốc độ gia nhiệt cao, từ 10 - 1.000 ºC /s;
- Nhiệt độ trong nhiệt độ từ 600 ºC – 1000 ºC;
- Thời gian lưu lại trong lò của khí < (2 đến 5) s;
Vai trò của nước
Nước là thành phần thiết yếu cho sự sống, cần thiết cho hoạt động của con người và sinh vật khác Nó hỗ trợ sự tăng trưởng và duy trì cơ thể thông qua nhiều quá trình quan trọng Thiếu nước thường xuyên có thể dẫn đến giảm sút tinh thần, khả năng tập trung kém và thậm chí mất trí nhớ Hơn nữa, nước giúp thanh lọc và giải phóng độc tố xâm nhập vào cơ thể qua tiêu hóa và hô hấp Uống đủ nước thúc đẩy hệ thống bài tiết hoạt động hiệu quả, loại bỏ độc tố và có thể ngăn ngừa các bệnh ung thư.
Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt:
Nước có màu sắc bất thường thường là dấu hiệu của ô nhiễm, do sự hiện diện của các ion kim loại như sắt và mangan, tảo, than bùn và chất thải công nghiệp Màu vàng trong nước thường xuất hiện do hợp chất sắt và mangan, trong khi màu xanh có thể do sự phát triển của tảo và hợp chất hữu cơ Sự xuất hiện của màu sắc này không chỉ gây khó chịu mà còn có thể ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và cảm nhận của người sử dụng nước.
Mùi vị lạ trong nước có thể gây khó chịu và thường xuất phát từ việc oxi hóa các chất hữu cơ trong lòng đất, tạo ra mùi bùn đất Ngoài ra, quá trình phân hủy chất hữu cơ xung quanh mạch nước ngầm cũng có thể gây ra mùi trứng thối Hơn nữa, sự hiện diện của các ion sắt và mangan trong nước cũng góp phần tạo ra mùi tanh khó chịu.
Hàm lượng amoni cao trong nước là một chỉ số quan trọng, phản ánh mức độ ô nhiễm do các chất hữu cơ chứa nitơ từ nguồn nước thải, phân bón và chất thải.
Trang 10 từ chuồng trại chăn nuôi Sự chuyển hóa của amoni thành nitrat và nitrit trong nước ngầm có thể gây ra những tác động xấu đến sức khỏe, như thiếu ô-xy trong máu hoặc nguy cơ ung thư do nitrosamine
Chỉ số Permanganate là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nước, giúp xác định mức độ ô nhiễm hữu cơ và vi sinh vật Khi chỉ số permanganate tăng cao, điều này cho thấy sự gia tăng ô nhiễm trong nguồn nước.
Chất hữu cơ dễ oxy hóa có thể ảnh hưởng đến màu sắc và mùi vị của nước, khiến nước có màu sắc và mùi vị bất thường, gây khó chịu cho người sử dụng.
Một số chất hữu cơ có thể gây ra nguy cơ sức khỏe tiềm ẩn, làm suy giảm chất lượng nước và dẫn đến các vấn đề sức khỏe khi tiếp xúc lâu dài.
Chất hữu cơ dễ oxy hóa có thể ảnh hưởng đến quá trình khử trùng nước, dẫn đến giảm hiệu quả của các phương pháp xử lý nước.
- Vi sinh (E coli và Coliforms)
Nước nhiễm vi sinh vật như E coli và Coliform có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm bệnh đường ruột, tiêu chảy, và nhiễm khuẩn huyết Nguyên nhân chính là do nước thải, phân người và gia súc xâm nhập vào mạch nước ngầm hoặc lây lan ra các nguồn nước khác.
Chỉ số TSS (Total Suspended Solids) đo lường tổng lượng chất rắn không tan trong nước, bao gồm các hạt rắn lơ lửng Nước có nồng độ TSS cao thường có màu đục, làm giảm tính hấp dẫn và khả năng sử dụng cho các hoạt động sinh hoạt như nấu ăn, uống và tắm.
Nước có nồng độ TSS cao ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình tiêu hóa bằng cách giảm chất lượng thẩm thấu và vị ngon, dẫn đến việc giảm khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng và lợi khuẩn trong đường tiêu hóa.
Nguy cơ nhiễm trùng gia tăng khi sử dụng nguồn nước có chỉ số TSS cao, do các hạt rắn trong TSS tạo điều kiện cho vi khuẩn và vi sinh vật phát triển.
Tổng quan về nước cứng
Nước cứng hình thành khi các ion kim loại từ đất bị rửa trôi và hòa tan vào nguồn nước ngầm hoặc nước giếng Bên cạnh đó, quá trình sản xuất công nghiệp cũng góp phần làm ô nhiễm nguồn nước, khi các chất thải hòa lẫn vào sông, hồ, suối, dẫn đến hiện tượng nước bị lẫn cặn.
2.5.1 Khái niệm về nước cứng
Nước cứng là loại nước có hàm lượng khoáng chất hòa tan cao, chủ yếu là cation Canxi (Ca 2+) và Magie (Mg 2+) Khi nồng độ Canxi và Magie vượt quá 300mg/lít, nước được coi là nước cứng.
2.5.2 Nguyên nhân tạo thành nước cứng Đầu nguồn, nước chảy thành dòng qua những địa hình khác nhau, hòa tan các nguyên tố vi lượng trong đất đá gồm cả canxi và magie Ngoài ra, dòng nước chảy qua những khu vực có những mỏ khoáng sản hay núi đá vôi, nước sẽ hòa tan một lượng lớn magie và canxi khiến ion Ca 2+ và Mg 2+ trong nước vượt ngưỡng cho phép và biến nguồn nước đó thành nước cứng
Phân loại nước cứng dựa vào anion gốc axit trong nước, nước cứng có 3 loại:
Nước cứng tạm thời là loại nước có thể mất tính cứng khi đun sôi, do muối hiđrocacbonat bị nhiệt phân thành muối không tan Đặc tính cứng tạm thời này chủ yếu do sự hiện diện của các muối Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2.
- Nước cứng vĩnh cửu Tính cứng vĩnh cửu của nước do những loại muối MgCl2, CaCl2, MgSO4, CaSO4 gây ra
- Nước cứng toàn phần là nước cứng có cả 2 loại: tính cứng tạm thời và tính cứng vĩnh cửu
Bảng 2 1 Phân loại nước cứng theo TCVN 5502
Mức Độ cứng (mg CaCO3/L)
2.5.4 Tác hại của nước cứng
Nước cứng ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt, sản xuất và sức khỏe của con người được thể hiện qua các mặt sau:
- Khi dùng nước cứng nấu làm cho thức ăn lâu chín, mất mùi vị khi đun nấu, làm mất vị của nước chè
- Nước cứng không dùng để pha chế thuốc vì tạo kết tủa có thể gây ra thay đổi thành phần của thuốc
- Với các thiết bị chứa nước nóng, làm đóng cặn, gây tắc, làm gỉ các thiết bị, giảm lưu lượng nước trong đường ống
- Giặt bằng nước cứng hao phí xà phòng do Ca 2+ làm kết tủa gốc axit trong xà phòng và làm xà phòng không lên bọt
Nước cứng có thể gây hại cho các thiết bị công nghiệp như thiết bị lạnh và nồi hơi, dẫn đến tình trạng bám cặn trên bề mặt thiết bị Sự tích tụ cặn này làm giảm lưu thông trong đường ống, và nếu không được xử lý kịp thời, có thể tạo ra áp lực lớn, gây nguy cơ nổ nồi hơi trong thời gian dài.
Nước cứng không nên sử dụng trong nồi hơi vì khi đun sôi, canxi cacbonat (CaCO3) và magie cacbonat (MgCO3) sẽ kết tủa và bám vào thành nồi, tạo thành lớp cặn cách nhiệt Lớp cặn này không chỉ làm giảm hiệu suất truyền nhiệt mà còn có nguy cơ gây nổ nồi hơi.
Nước cứng có thể gây hại cho sức khỏe con người, là nguyên nhân dẫn đến bệnh sỏi thận và góp phần gây tắc động mạch do sự tích tụ vôi ở thành trong của động mạch.
Các chỉ số đánh giá than hoạt tính
Than hoạt tính, hay carbon hoạt tính, là một loại than cứng với nhiều đường nứt và lỗ rỗng, có khả năng hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm, kim loại nặng, hợp chất hữu cơ, cũng như mùi và màu Tính chất của than hoạt tính phụ thuộc vào nguyên liệu sản xuất, nhưng nhìn chung, các loại than hoạt tính đều có những thông số cơ bản khác nhau.
Iodine là chỉ số quan trọng của than hoạt tính, phản ánh diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ của nó Chỉ số này được tính bằng khối lượng iodine hấp phụ trên một đơn vị khối lượng than (mg/g), với giá trị dao động từ 500-1200 mg/g Chỉ số iodine càng cao, mức độ hoạt hóa của than càng lớn Từ giá trị này, có thể suy ra diện tích bề mặt riêng của than, tương đương với carbon, nằm trong khoảng 900 đến 1100 m2/g.
Chỉ số iodine là một chỉ số quan trọng phản ánh độ tinh khiết và chất lượng của than hoạt tính Chỉ số này càng cao, hiệu quả xử lý của than hoạt tính càng tốt Thông thường, tiêu chuẩn chỉ số iodine cho than hoạt tính dao động trong khoảng 500-1200 mg/g.
2.6.2 Độ pH Độ pH của than hoạt tính là thước đo độ axit hoặc độ kiềm của than Độ pH cũng là một chỉ số đánh giá khả năng hấp phụ ở pha lỏng của than vì nó ảnh hưởng đến điện tích bề mặt Thông thường, ở độ pH thấp, bề mặt than hoạt tính sẽ tích điện dương, dẫn đến hiệu suất hấp phụ cation thấp do lực đẩy tĩnh điện
Quá trình hấp phụ rất nhạy cảm và bị ảnh hưởng bởi pH, do đó, than hoạt tính cần được trung hòa trước khi sử dụng Một số loại than hoạt tính, như than hoạt tính gáo dừa với pH từ 9-11, thường được sử dụng để hấp phụ các hợp chất khí gây mùi.
2.6.3 Độ ẩm Độ ẩm của than hoạt tính được đo bằng khối lượng giảm đi sau khi than được nung ở nhiệt độ 150 °C và sấy khô đến khối lượng không đổi (thường sau 3 giờ) Độ ẩm của than hoạt tính đóng gói có xu hướng tăng lên trong quá trình bảo quản và vận chuyển Chỉ số độ ẩm lý tưởng của than hoạt tính nên nằm trong khoảng 3-6%
Hàm lượng tro của than hoạt tính là chỉ số quan trọng thể hiện phần trơ và vô cơ không sử dụng được của vật liệu Thông số này được xác định dựa trên trọng lượng oxit khoáng có trong than hoạt tính Quá trình tro hóa khoáng chất diễn ra khi các thành phần khoáng chất trong than hoạt tính được chuyển đổi thành oxit tương ứng ở nhiệt độ 800 °C.
Thành phần tro của than phụ thuộc vào nguyên liệu thô, chủ yếu là silicon và nhôm Hàm lượng tro thấp tương ứng với hàm lượng carbon cao, dẫn đến chất lượng than tốt hơn Chỉ số tro dao động từ 2-3% cho than hoạt tính từ gáo dừa, 5% cho than hoạt tính từ gỗ, và 8-15% cho than antraxit.
2.6.5 Lỗ rỗng, độ xốp, đường kính lỗ rỗng
Lỗ rỗng trên bề mặt than hoạt tính là những lỗ nhỏ dẫn vào bên trong theo đường xoắn ốc, nơi chất lỏng được giữ lại và cho phép lưu thông Độ xốp của than hoạt tính, hay khoảng trống, đại diện cho phần thể tích có giá trị từ 0 đến 100%, được tính dựa trên tổng thể tích của than hoạt tính.
Kích thước lỗ rỗng của than hoạt tính có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên các phương pháp sản xuất, với ba kích thước chính dựa trên đường kính lỗ rỗng hoặc chiều rộng khe hở.
Diện tích bề mặt của than hoạt tính được đo bằng m2/g và là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá khả năng hấp phụ của nó Nghiên cứu cho thấy 95% diện tích bề mặt của than hoạt tính thuộc về micropore, trong khi chỉ 5% là lỗ xốp mesopore Các lỗ rỗng lớn thường có khả năng hấp phụ kém do diện tích bề mặt riêng nhỏ.
15
Vật liệu
Bã cà phê được thu thập từ các cửa hàng pha máy tại thành phố Thủ Đức vào cuối mỗi ngày để ngăn ngừa tình trạng ẩm mốc Nhóm thu gom sử dụng hộp đựng chuyên dụng, yêu cầu các cửa hàng bỏ riêng bã cà phê vào đó sau mỗi lần pha chế Việc này giúp đảm bảo độ sạch và đồng nhất của bã cà phê trước khi được mang về để thực hiện thí nghiệm.
Hình 3 1 Bã cà phê sau khi được thu gom
Bã cà phê sau khi thu thập từ cửa hàng được rửa sạch và ngâm trong nước cất trong 24 giờ Tiếp theo, bã được lọc qua giấy lọc để giảm độ ẩm, sau đó được sấy ở nhiệt độ 103°C trong 2 giờ theo tiêu chuẩn TCVN 7035:2002 Cuối cùng, bã được ray qua sàng có kích thước lỗ 0,25 mm và bảo quản trong túi zip cho các bước thí nghiệm tiếp theo.
Hình 3 2 Bã cà phê sau khi sấy đựng trong túi Zip
Khay Đĩa petri và muỗng
Lò sấy Bình hút ẩm
Hộp thí nghiệm tạo TSH
Túi Zip và giấy lọc
Hình 3 3 Các thiết bị phục vụ quá trình thí nghiệm
Qui trình thí nghiệm
Hình 3 4 Sơ đồ quy trình phương pháp tiến hành nghiên cứu
Sau khi chuẩn bị nguyên liệu, nhóm tiến hành cân lượng bã cà phê vào đĩa petri thí nghiệm khoảng 40g sau đó cho vào hộp nung
Bã cà phê được ép chặt bằng cục ép có đường kính tương ứng với hộp nung, siết chặt bằng bulong M16 và lực siết được điều chỉnh bằng mỏ lết Để ngăn chặn không khí tiếp xúc với môi trường, sợi thủy tinh và giấy bạc được sử dụng làm vật liệu cách ly.
Lò nung được gia nhiệt ở nhiệt độ 450 ℃, 500 ℃, 550 ℃ với sai số là ±10 ℃
Bỏ hộp nung vào lò nung sau khoảng thời gian 30 phút và 60 phút tùy theo thí nghiệm và mẫu được thực hiện lặp lại 3 lần
Tiến hành thí nghiệm
3.3.1 Rửa và ngâm với nước cất trong 24 giờ
Việc rửa sạch và ngâm với nước cất nhằm loại bỏ 1 phần dầu từ bã cà phê và loại bỏ tạp chất
Hình 3 5 Rửa sạch và ngâm bã cà phê trong hộp nhựa
Bã sau khi được rửa và ngâm sau 12 giờ được lọc qua giấy lọc để loại bỏ bớt nước, làm giảm độ ẩm để cho bước sấy tiếp theo
Hình 3 6 Lọc qua giấy lọc loại nước ra khỏi bã cà phê
Bã cà phê sau khi lọc qua giấy sẽ được sấy khô theo tiêu chuẩn TCVN 7035:2002, đạt độ ẩm 0% sau 2 giờ, với việc đảo bã cà phê mỗi giờ Sau khi sấy xong, bã cà phê được bảo quản trong bình hút ẩm Quá trình này diễn ra tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu học thuộc Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM.
Hình 3 7 Lò sấy được điều chỉnh nhiệt độ 105℃
Hình 3 8 Bã cà phê được chuẩn bị bỏ vào lò sấy
3.3.4 Ray sau khi sấy và bảo quản
Bã cà phê sau khi sấy khô tuyệt đối được mang qua rây 0.25 mm để các hạt đạt được kích thước đồng nhất và bảo quan trong túi zip
Hình 3 10 Bã cà phê sau sấy khô bảo quản trong túi Zip
3.3.5 Thiết kế hộp nung thí nghiệm
Hình 3 11 Bản vẽ thân hộp nung
Hình 3 12 Bản vẽ nắp hộp nung
Hình 3 13 Bản vẽ vòng đệm
Hình 3 14 Bản vẽ cục ép
Hình 3 15 Bản vẽ nắp ép
Hình 3 16 Bản vẽ đáy hộp
Từ bản vẽ, sử dụng phần mềm Creo parametric 8.0 để dựng hình 3D
Hình 3 17 Các chi tiết 3D được vẽ bằng phần mềm Creo Parametric 8.0
Hình 3 18 Bản vẽ lắp của hộp nung
3.3.6 Qui trình ép và tạo mẫu than sinh học
Bước 1: Cân lượng bã cà phê 40g và cho vào hộp
Bước 2: Bã cà phê được ép chặt bằng cục ép sau đó dùng nắp ép có bulong M12 siết lực bằng mỏ lết
Bước 3: Sau khi ép bã cà phê bằng mỏ lết, bịt kín miệng hộp bằng lớp giấy bạc và lớp cát
Bước 4: Tiếp theo, lớp sợi thủy tinh ở phía trên cần được nén chặt bằng búa Cuối cùng, thêm một lớp giấy bạc và vòng đệm amiang để tối ưu hóa khả năng ngăn cách không khí với môi trường.
Bước 5: Đậy nắp hộp và siết chặt bằng 4 bulong M12
Bước 6: Bỏ hộp thí nghiệm vào lò nung được cài đặt ở nhiệt độ cố định
Bước 7: Lấy ra và để nguội sau 120 phút hoặc nguội đến nhiệt độ phòng
3.3.6.2 Những lưu ý trong quá trình thí nghiệm
Trong quá trình chuẩn bị nung, việc cho bã cà phê vào hộp cần thực hiện tỉ mỉ, đảm bảo hộp được đậy chặt để hạn chế không khí xâm nhập, nhằm tạo ra than sinh học trong môi trường kín khí hoặc hiếm khí Khi lấy hộp ra làm nguội, cần tránh không khí bên ngoài lọt vào để không gây cháy sản phẩm Ngoài ra, nhiệt độ và thời gian nung cũng rất quan trọng; nếu nhiệt độ quá cao hoặc thời gian nung quá lâu, cacbon trong sinh khối sẽ cháy hết, dẫn đến việc than trở thành phế phẩm.
3.3.7 Tiến hành kiểm nghiệm TSH
3.3.7.1 Xác định hiệu suất tạo TSH
Hiệu suất tạo than được tham chiếu theo [14]:
Khối lượng 𝑚 𝑡 của bã cà phê sau khi nung được tính bằng công thức 𝑚 0 𝑥 100% (3.1), trong đó 𝑚 0 là khối lượng bã cà phê trước khi nung Thí nghiệm được thực hiện lặp lại ba lần để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
Cân được dùng có độ chính xác 0,001g
3.3.7.2 Xác định độ ẩm toàn phần của than sinh học Độ ẩm của than được xác định theo TCVN 5335:2009 về xác định độ ẩm của than sinh học đạng bột
Sấy mẫu ở nhiệt độ 105 o C ± 5 o C đến khối lượng không đổi, hao hụt khối lượng trong quá trình sấy là độ ẩm
Cân khoảng 10 g mẫu, chính xác đến 0,0002 g, cho vào chén cân thủy tinh hoặc nhôm có nắp đậy đã được sấy ở nhiệt độ 100 o C ± 5 o C đến khối lượng không đổi
Chuyển chén chứa mẫu vào tủ sấy và điều chỉnh nhiệt độ ở mức 100 o C ± 5 o C trong 3 giờ Sau đó, lấy chén ra và để nguội trong bình hút ẩm cho đến khi đạt nhiệt độ phòng, rồi tiến hành cân Nếu cần, tiếp tục sấy cho đến khi đạt yêu cầu.
30 phút nữa, để nguội rồi cân Độ ẩm, W, của mẫu được tính bằng phần trăm khối lượng theo công thức [15]:
Công thức tính tỷ lệ phần trăm khối lượng mẫu sau khi sấy được biểu diễn như sau: W (%) = (m2 - m1) x 100 m Trong đó, m1 là khối lượng chén cân chứa mẫu trước khi sấy (đơn vị gam), m2 là khối lượng chén cân chứa mẫu sau khi sấy (đơn vị gam), và m là khối lượng mẫu (đơn vị gam).
Chênh lệch giữa các kết quả hai lần xác định song song không lớn hơn 0,3 %
3.3.7.3 Xác định hàm lượng tro của than sinh học
Hàm lượng tro của than sinh học được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 5335:2009 bằng cách cân khoảng 1 g mẫu với độ chính xác 0,0001 g và cho vào chén sứ đã nung ở 815 o C ± 25 o C đến khối lượng không đổi Sau đó, chén chứa mẫu được đưa vào lò nung, nâng nhiệt độ lên khoảng 815 o C ± 25 o C và giữ ở nhiệt độ này trong 2 giờ Sau khi nung xong, chén chứa tro được lấy ra, để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng và cân Quá trình nung và cân tiếp tục cho đến khi đạt được khối lượng không đổi.
Hàm lượng tro, A, tính bằng phần trăm khối lượng theo công thức [15]
A (%) = (m2 - m1) x 100 m (3.3) Trong đó: m2 là khối lượng của chén và tro, tính bằng gam m1 là khối lượng của chén không, tính bằng gam m là khối lượng mẫu thử, tính bằng gam
Chênh lệch giữa hai phép xác định song song không lớn hơn 0,3%
3.3.7.4 Xác định chỉ số hấp phụ cua than sinh học( chỉ số Iodine)
Iodine là chỉ số quan trọng của than hoạt tính, phản ánh diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ của nó Chỉ số iodine cao tương ứng với khả năng hấp phụ tốt hơn, đặc biệt trong ứng dụng xử lý nước Do đó, các mẫu than sinh học do nhóm nghiên cứu phát triển đã được gửi đến Trung tâm Kỹ thuật Tiêu Chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3) để kiểm tra và xác định tính phù hợp của chúng trong việc xử lý nước giếng.
3.3.7.5 Xác định hình thái bề mặt than sinh học bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Sau khi kiểm nghiệm, nhóm nghiên cứu xác định mẫu có chỉ số iodine cao nhất và gửi mẫu đến Trung tâm Nghiên cứu Triển khai - khu Công nghệ cao, Thành phố Hồ Chí Minh Tại đây, họ sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) với thiết bị FE SEM S4800 của Hitachi, Nhật Bản để phân tích đặc điểm hình thái bề mặt của than sinh học.
3.3.7.6 Xác định chỉ số Permanganate của nước giếng
Nước giếng được lấy từ khu vực Đồng Nai, với hai mẫu nước được xử lý bằng TSH cà phê và TSH gáo dừa Sau quá trình hấp phụ, mẫu nước cuối cùng đã được thu được Hai mẫu nước này sau đó được gửi đến Trung tâm Kỹ thuật Tiêu Chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3) để đo kiểm nghiệm và xác định chỉ số Permanganate.
3.3.7.7 Xác định chỉ số TSS của nước giếng
Chỉ số TSS (Total Suspended Solids) trong nước giếng được sử dụng để đánh giá mức độ chất rắn lơ lửng không tan Đây là một chỉ số quan trọng để xác định sự trong suốt của nước, ảnh hưởng đến nhiều yếu tố khác nhau liên quan đến chất lượng nước giếng.
Nước giếng được lấy từ khu vực Đồng Nai, trong đó hai mẫu nước được xử lý bằng phương pháp hấp phụ với TSH cà phê và TSH gáo dừa Sau khi tiến hành, mẫu nước cuối cùng đã được thu được Hai mẫu nước này sau đó được gửi đi kiểm nghiệm tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu Chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3) để xác định giá trị chỉ số TSS.
3.3.7.8 Xác định độ cứng của nước giếng
Nước giếng được lấy từ khu vực Đồng Nai, sau đó hai mẫu nước được xử lý bằng TSH cà phê và TSH gáo dừa Các mẫu nước này được lọc qua cốc lọc 6 lớp do nhóm nghiên cứu phát triển, tạo ra mẫu nước cuối cùng Mẫu nước này sau đó được gửi đi kiểm nghiệm tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu Chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3) để xác định chỉ số độ cứng.
3.3.7.9 Quy trình xử lý nước qua bộ lọc thô và chuẩn bị mẫu gữi kiểm nghiệm tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu Chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3)
Bước 1: Pha than sinh học vào nước giếng và khuấy đều trong thời gian nhất định để than hấp phụ các chất trong nước
Để lọc 1 lít nước, thường cần sử dụng từ 0,1 đến 1 gam TSH, tùy thuộc vào loại chất cần hấp phụ Trong nghiên cứu này, nhóm sẽ tập trung vào việc lọc các chỉ số TSS, Permanganate và xử lý độ cứng, do đó quyết định sử dụng 1 gam TSH cho 1 lít nước Thời gian khuấy được chọn là 10 phút để đánh giá hiệu quả xử lý các chỉ số này.
Hình 3 26 Than hấp phụ xử lý nước
Bước 2: Cho nước được TSH hấp phụ lọc qua giấy lọc
34
Hiệu suất tạo than
Tiến hành chế tạo nhiều mẫu TSH khác nhau về nhiệt độ và thời gian khác nhau
(450 o C, 500 o C, 550 o C ở 30 phút và 60 phút) Kết quả của hiệu suất tạo than được trình bày ở bảng 4.1
Bảng 4 1.Hiệu suất tạo than
Khối lượng than sau nung (g)
Hiệu suất tạo than trung bình
Hình 4 1 Biểu đồ hiệu suất tạo TSH
Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu suất tạo than cao nhất đạt được ở nhiệt độ 450 °C trong 30 phút, và hiệu suất này giảm dần khi nhiệt độ và thời gian nung tăng lên Nguyên nhân là do khi nhiệt độ tăng, sinh khối bã cà phê sẽ trải qua quá trình nhiệt phân, dẫn đến sự phân hủy lignin và cellulose thành các chất dễ bay hơi như hydrocarbon, hydro, carbon monoxide và nước, làm giảm khối lượng sinh khối còn lại Do đó, hiệu suất than sinh học từ phương pháp nhiệt phân chậm bã cà phê tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và thời gian nhiệt phân Tuy nhiên, để đánh giá chất lượng của than sinh học (TSH), cần xem xét thêm các chỉ số khác liên quan.
Kết quả độ ẩm toàn phần
Độ ẩm là lượng nước liên kết với TSH trong điều kiện bình thường Nghiên cứu đã chỉ ra sự khác biệt về độ ẩm của 6 mẫu TSH khi được thử nghiệm ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau, cụ thể là ở 450°C.
Bảng 4 2 Kết quả độ ẩm TSH
Khối lượng sau sấy (g) Độ ẩm
Hình 4.2 Biểu đồ độ ẩm TSH
Kết quả kiểm nghiệm 6 mẫu TSH cho thấy độ ẩm của TSH rất thấp, dưới 1% cho tất cả các mẫu Độ ẩm này ảnh hưởng đến các đặc tính ứng dụng, giúp nâng cao tuổi thọ, bảo quản tốt hơn và tăng hiệu quả sử dụng.
Khi độ ẩm thấp, bề mặt của than sinh học trở nên sạch sẽ và không bị nước bao phủ, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm, hợp chất hữu cơ, mùi vị và các chất độc hại trong nước.
Giảm thiểu sự phân hủy của TSH giúp kéo dài tuổi thọ sản phẩm, duy trì hiệu quả lâu hơn và bảo quản dễ dàng hơn Điều này đặc biệt quan trọng trong các lĩnh vực yêu cầu cao về độ ẩm.
Kết quả hàm lượng tro
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành kiểm nghiệm độ tro từ nhiều mẫu TSH khác nhau với các điều kiện nhiệt độ và thời gian khác nhau, cụ thể là ở 450 °C, 500 °C và 550 °C trong khoảng thời gian 30 phút và 60 phút, cùng với mẫu TSH thị trường Kết quả của độ tro TSH được tổng hợp và trình bày chi tiết trong bảng 4.3.
Bảng 4 3 Kết quả hàm lượng tro TSH
Khối lượng của chén và tro (g) Độ tro theo khối lượng
Hình 4 3 Biểu đồ hàm lượng tro TSH
Kết quả kiểm nghiệm độ tro của TSH thì kết quả cho thấy ở 6 mẫu đều có
Hàm lượng tro trong các mẫu than sấy khô (TSH) đều dưới 5%, với mẫu A có hàm lượng tro thấp nhất là 2.7% Thành phần tro chủ yếu phụ thuộc vào nguyên liệu thô như silicon và nhôm Hàm lượng tro thấp không chỉ tăng diện tích bề mặt của TSH mà còn nâng cao khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước, từ đó cải thiện hiệu quả xử lý Điều này cũng giúp tăng tuổi thọ và tính ổn định của TSH trong các ứng dụng lâu dài Hàm lượng tro càng thấp chứng tỏ TSH ít tạp chất không cháy, là chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng của TSH.
Kết quả chỉ số Iodine của than sinh học
Bảng 4 4 Kết quả chỉ số Iod của TSH
Hình 4 4 Biểu đồ chỉ số Iod của TSH
Kết quả nghiên cứu cho thấy mẫu TSH nung ở nhiệt độ 450 o C trong 60 phút đạt chỉ số iodine cao nhất là 606 mgI2/g, đáp ứng yêu cầu tối thiểu cho ứng dụng hấp phụ, đặc biệt là trong xử lý nước Chỉ số iodine giảm dần khi nhiệt độ tăng lên 550 o C, đạt mức thấp nhất dưới 200 mgI2/g Ngoài ra, thời gian nung cũng ảnh hưởng đến kết quả, với mẫu nung 60 phút có chỉ số iodine cao hơn so với mẫu nung 30 phút ở cùng nhiệt độ.
Nung bã cà phê ở nhiệt độ thấp và trong thời gian dài giúp quá trình nhiệt phân diễn ra chậm rãi, tối ưu hóa các phản ứng hóa học Quá trình này cho phép các hạt bã cà phê chuyển hóa thành biochar, đồng thời hấp thụ các chất thải hữu cơ như iodine từ môi trường, dẫn đến chỉ số iodine cao hơn.
Khi nung bã cà phê ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, quá trình nhiệt phân diễn ra mạnh mẽ, dẫn đến việc tạo ra biochar với cấu trúc bề mặt kém phát triển hơn Quá trình khí hóa ảnh hưởng đến việc xử lý bề mặt TSH, làm cho nó trở nên kém hiệu quả hơn.
Quá trình nhiệt phân bã cà phê ở nhiệt độ thấp và trong thời gian dài tạo ra biochar với chỉ số iodine cao hơn so với khi nung ở nhiệt độ cao và thời gian ngắn Sự khác biệt về thời gian và nhiệt độ trong quá trình hoạt hóa ảnh hưởng đến cấu trúc bề mặt của sản phẩm biochar cuối cùng.
Trong nghiên cứu này, nhóm đã so sánh than hoạt tính cao cấp từ gáo dừa của công ty TNHH Trúc Vàng, với chỉ số Iodine cao đạt 1000 mgI2/g, với một loại than sinh học khác Mặc dù có sự chênh lệch đáng kể về chỉ số Iodine giữa hai loại than, nhưng nhóm nghiên cứu vẫn hy vọng vào khả năng phát triển bền vững của than sinh học nhằm giải quyết các vấn đề môi trường.
Chỉ số Iodine, biểu thị khả năng hấp phụ của TSH, sẽ được phân tích thông qua các kiểm nghiệm chỉ số Permanganate và chỉ số TSS Kết quả của các kiểm nghiệm này sẽ giúp đánh giá xem độ chênh lệch giữa hai loại TSH và TSH trong nhóm nghiên cứu có đạt yêu cầu hay không.
Kết quả hình thái bề mặt của than sinh học
Hình 4.5.1 Ảnh SEM của bề mặt vật liệu hấp phụ ở độ phóng đại X 1000
Hình 4.5.2 Ảnh SEM của bề mặt vật liệu hấp phụ ở độ phóng đại X 2000
Hình 4.5.1 Ảnh SEM của bề mặt vật liệu hấp phụ ở độ phóng đại X 3000
Cấu trúc vi mô và hình thái bề mặt của than sinh học được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), cho thấy quá trình nhiệt phân tạo ra bề mặt gồ ghề với nhiều kẻ hở và lỗ rỗng xốp Các mao quản xuất hiện trên bề mặt than sinh học từ bã cà phê không chỉ tạo điều kiện cho sự hình thành và phân bố các lỗ xốp mà còn nâng cao khả năng hấp phụ của TSH đối với các chất ô nhiễm, từ đó cải thiện chất lượng nước sinh hoạt và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác.
4.6 Kết quả phân tích chỉ số Pecmanganat của nước giếng
Chỉ số Permanganate là thước đo quan trọng để đánh giá chất lượng nước, đặc biệt trong việc xác định mức độ ô nhiễm hữu cơ và vi sinh vật Theo QCVN 01-1:2018/BYT, tiêu chuẩn cho chỉ số permanganate trong nước sinh hoạt là 2 mg/L.
Bảng 4 6 Kết quả kiểm nghiệm chỉ số Permanganate
Giá trị chỉ số Permanganate (mg/L) Nước giếng nguyên bản (G0) G0 4.2
Nước giếng lọc qua TSH cà phê
Nước giếng lọc qua TSH cà phê
Hình 4.6 Biểu đồ kết quả chỉ số Permanganate
Kết quả nghiên cứu cho thấy chỉ số Permangat của nước giếng ban đầu là 4.2 mg/L, cao hơn mức cho phép, không đảm bảo cho sinh hoạt Do đó, nước cần được xử lý trước khi sử dụng hàng ngày Việc áp dụng TSH kết hợp với bộ lọc thô tự chế đã được nhóm nghiên cứu thực hiện để cải thiện chất lượng nước.
Giá trị chỉ số Permanganate (mg/L)
Trang 43 kết quả rất khả thi Chỉ số permanganate thấp, chỉ 1 mg/l ở cả khi dùng TSH cà phê nhóm đang nghiên cứu và TSH đang được cung cấp trên thị trường Qua kết quả cho thấy khả năng hấp phụ của TSH nhóm đang nghiên cứu rất tốt, đáp ứng xử lý tốt chỉ số Permanganate theo QCVN 01-1:2018/BYT và so với TSH thị trường ở hấp phụ chỉ số này không có cách biệt
4.7 Kết quả phân tích chỉ số TSS của nước giếng
Theo QCVN 40:2011/BTNMT về chỉ số TSS của nước dùng trong sinh hoạt được quy định là từ 50 mg/L đổ xuống
Chỉ số TSS cao làm nước đục và giảm chất lượng sử dụng cho sinh hoạt, gây ra vấn đề sức khỏe như tiêu chảy, bệnh đường tiêu hóa và các bệnh nhiễm trùng.
Bảng 4.7 Kết quả phân tích chỉ số TSS
Tên mẫu Ký hiệu Giá trị chỉ số TSS
(mg/L) Nước giếng nguyên bản
Nước giếng lọc qua TSH cà phê
Nước giếng lọc qua TSH cà phê
Hình 4.7 Biểu đồ kết quả chỉ số TSS
Nước giếng nguyên bản với chỉ số 45.1 mg/L đã được phép sử dụng cho mục đích sinh hoạt, tuy nhiên, chỉ số này vẫn còn cao, có thể ảnh hưởng đến chất lượng nước và sức khỏe con người.
Giá trị chỉ số TSS (mg/L)
Trang 44 trong đời sống Việc sử dụng TSH kèm bộ lọc thô 6 lớp cho kết quả khá tốt về giảm chỉ số TSS khi lọc qua Kết quả là 5 mg/L với nước lọc qua TSH cà phê kèm bộ lọc và thấp hơn 5 mg/L khi lọc qua TSH thị trường Cả 2 kết quả về chỉ số TSS đều là tiểu số, việc sử dụng nước sau xử lý này sẽ an toàn hơn trong sinh hoạt hàng ngày, giảm rất nhiều nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe và kết quả cũng cho thấy ở chỉ số này, khả năng hấp phụ của TSH thị trường nhỉnh hơn so với TSH nhóm đang nghiên cứu, tuy nhiên chênh lệch không đáng kể
4.8 Kết quả phân tích độ cứng của nước giếng Độ cứng của nước sinh hoạt ảnh hưởng khá nhiều trong đời sống Theo QCVN 01-1:2018/BYT độ cứng nước dùng trong sinh hoạt tính theo CaCO3 là 300 mg/L
Bảng kết quả độ cứng nước giếng (mg/L) tính theo tổng hàm lượng CaCO3
Bảng 4.8 Kết quả phân tích độ cứng của nước giếng
Tên Mẫu Ký hiệu Giá trị độ cứng mg/L
Nước giếng lọc qua TSH cà phê kèm bộ lọc 6 lớp G3 5.8
Nước giếng lọc qua TSH gáo dừa kèm bộ lọc 6 lớp G4 1.6
Hình 4.8 Biểu đồ kết quả độ cứng của nước giếng (mg/L) tính theo tổng hàm lượng CaCO 3 qua qui trình xử lý độ cứng
Kết quả phân tích ban đầu cho thấy nước giếng nguyên bản có độ cứng nằm trong giới hạn cho phép theo QCVN 01-1:2018/BYT, được xếp vào dạng nước hơi cứng Tuy nhiên, việc giảm độ cứng sẽ nâng cao an toàn và chất lượng nước sinh hoạt, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng đến đời sống hàng ngày Nhiều nghiên cứu đã chứng minh TSH có khả năng xử lý kim loại nặng và độc hại nhờ khả năng hấp phụ, nhưng khả năng hấp phụ Ca2+ để xử lý độ cứng nước vẫn là một đề tài mới và chưa được nghiên cứu trước đây Do đó, nhóm nghiên cứu đang tập trung vào khả năng hỗ trợ xử lý nước giếng bằng phương pháp hấp phụ của TSH, điều này hứa hẹn mang lại kết quả khả quan.
Kết quả từ nước giếng nguyên bản sau khi lọc qua quy trình xử lý độ cứng với sự hỗ trợ của TSH cà phê và TSH gáo dừa cho thấy tính khả thi cao Chỉ số độ cứng của nước sau khi xử lý giảm thấp, được phân loại là nước mềm, phù hợp cho mục đích sinh hoạt mà không ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống hàng ngày.
Kết quả phân tích chỉ số TSS của nước giếng
Theo QCVN 40:2011/BTNMT về chỉ số TSS của nước dùng trong sinh hoạt được quy định là từ 50 mg/L đổ xuống
Chỉ số TSS cao khiến nước trở nên đục, ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng cho sinh hoạt Tình trạng này có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như tiêu chảy, bệnh đường tiêu hóa và các bệnh nhiễm trùng.
Bảng 4.7 Kết quả phân tích chỉ số TSS
Tên mẫu Ký hiệu Giá trị chỉ số TSS
(mg/L) Nước giếng nguyên bản
Nước giếng lọc qua TSH cà phê
Nước giếng lọc qua TSH cà phê
Hình 4.7 Biểu đồ kết quả chỉ số TSS
Kết quả 45.1 mg/L cho thấy nước giếng nguyên bản đã được phép sử dụng cho mục đích sinh hoạt Tuy nhiên, chỉ số này vẫn khá cao, ảnh hưởng đến chất lượng nước và sức khỏe con người.
Giá trị chỉ số TSS (mg/L)
Trang 44 trong đời sống Việc sử dụng TSH kèm bộ lọc thô 6 lớp cho kết quả khá tốt về giảm chỉ số TSS khi lọc qua Kết quả là 5 mg/L với nước lọc qua TSH cà phê kèm bộ lọc và thấp hơn 5 mg/L khi lọc qua TSH thị trường Cả 2 kết quả về chỉ số TSS đều là tiểu số, việc sử dụng nước sau xử lý này sẽ an toàn hơn trong sinh hoạt hàng ngày, giảm rất nhiều nguy cơ ảnh hưởng sức khỏe và kết quả cũng cho thấy ở chỉ số này, khả năng hấp phụ của TSH thị trường nhỉnh hơn so với TSH nhóm đang nghiên cứu, tuy nhiên chênh lệch không đáng kể.
Kết quả phân tích độ cứng của nước giếng
Độ cứng của nước sinh hoạt ảnh hưởng khá nhiều trong đời sống Theo QCVN 01-1:2018/BYT độ cứng nước dùng trong sinh hoạt tính theo CaCO3 là 300 mg/L
Bảng kết quả độ cứng nước giếng (mg/L) tính theo tổng hàm lượng CaCO3
Bảng 4.8 Kết quả phân tích độ cứng của nước giếng
Tên Mẫu Ký hiệu Giá trị độ cứng mg/L
Nước giếng lọc qua TSH cà phê kèm bộ lọc 6 lớp G3 5.8
Nước giếng lọc qua TSH gáo dừa kèm bộ lọc 6 lớp G4 1.6
Hình 4.8 Biểu đồ kết quả độ cứng của nước giếng (mg/L) tính theo tổng hàm lượng CaCO 3 qua qui trình xử lý độ cứng
Kết quả phân tích ban đầu cho thấy nước giếng có độ cứng nằm trong giới hạn cho phép theo QCVN 01-1:2018/BYT, được xếp vào loại nước hơi cứng Việc hạ độ cứng sẽ giúp nước an toàn hơn cho sinh hoạt, giảm thiểu ảnh hưởng đến đời sống hàng ngày Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra TSH có khả năng xử lý kim loại nặng nhờ khả năng hấp phụ, tuy nhiên, khả năng hấp phụ Ca2+ để xử lý độ cứng vẫn là một đề tài mới chưa được nghiên cứu trước đây Do đó, nhóm nghiên cứu đang tập trung vào khả năng hỗ trợ xử lý nước giếng thông qua khả năng hấp phụ của TSH, điều này hứa hẹn sẽ mang lại kết quả tích cực.
Kết quả từ nước giếng nguyên bản sau khi được lọc qua quy trình xử lý độ cứng với sự hỗ trợ của TSH cà phê và TSH gáo dừa cho thấy tính khả thi cao Chỉ số độ cứng của nước sau xử lý giảm thấp, được phân loại là nước mềm, đảm bảo an toàn cho mục đích sinh hoạt mà không ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống hàng ngày.
47
Kết luận
Nghiên cứu này nhằm sản xuất than sinh học từ bã cà phê qua quá trình nhiệt phân, đồng thời khảo sát hiệu quả hấp phụ của nó trong việc xử lý các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước giếng sinh hoạt Quy trình xử lý độ cứng được thực hiện thông qua việc chế tạo cốc lọc thô 6 lớp tự chế Kết quả cho thấy than sinh học (TSH) sản xuất từ bã cà phê qua nhiệt phân ở các nhiệt độ 450 o C, 500 o C và 550 o C trong thời gian 30 phút và 60 phút, đạt hiệu suất tạo than cao nhất ở nhiệt độ 450 o C.
Trong quá trình nhiệt phân, hiệu suất trung bình tạo TSH giảm dần theo thời gian nung và nhiệt độ, với 30 phút đạt 36.97% Sự giảm hiệu suất này chủ yếu do hiện tượng phân hủy sinh khối thành các chất bay hơi.
Kết quả nghiên cứu cho thấy độ ẩm trung bình toàn phần ở 6 mẫu đều dưới 1%, và hàm lượng tro thấp hơn 5% Mẫu than nung ở 450°C trong 30 phút có hàm lượng tro thấp nhất, chỉ 2.7% Điều này chứng tỏ hiệu quả trong quy trình tạo TSH và chất lượng của TSH trong việc bảo quản, đồng thời đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác.
Kết quả kiểm nghiệm chỉ số Iodine cho thấy ở nhiệt độ 450 oC trong 60 phút, chỉ số iodine cao nhất đạt 606 mgI2/g, giảm dần khi nhiệt độ tăng; thời gian nung lâu hơn dẫn đến chỉ số Iodine cao hơn, cho thấy mối quan hệ tỉ lệ thuận giữa chỉ số Iodine và thời gian, cũng như tỉ lệ nghịch với nhiệt độ trong quy trình tạo ra TSH Phân tích SEM của mẫu TSH có chỉ số Iodine cao nhất cho thấy bề mặt mẫu có nhiều kẻ hở và lỗ rỗng, chứng tỏ khả năng hấp phụ tốt So sánh khả năng hấp phụ của TSH cà phê với TSH trên thị trường qua các chỉ số Pecmanganate và TSS cho thấy mẫu TSH cà phê có khả năng hấp phụ tốt, với sự chênh lệch không lớn so với TSH gáo dừa theo QCVN 01-1:2018/BYT Kết quả xử lý độ cứng của nước giếng qua cốc lọc thô tự chế của nhóm nghiên cứu cho thấy hiệu quả tốt, giúp cải thiện độ cứng nước giếng phục vụ sinh hoạt.
Cải tiến hộp nung thí nghiệm nhằm tăng cường khả năng kín khí, hạn chế tối đa sự lưu thông của không khí, từ đó nâng cao chất lượng của TSH.
- Cải tiến thêm hệ thống đẩy hoặc kéo sản phẩm ở hộp nung thí nghiệm để năng suất làm việc cao hơn, đồng nhất về sản phẩm
Việc sử dụng các chất hóa học trong quy trình tạo TSH giúp tối ưu hóa khả năng hoạt hóa và cải thiện tính chất bề mặt của TSH, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ Đồng thời, cần chú trọng đến việc xử lý TSH sau khi sử dụng hóa chất để đảm bảo không gây hại cho môi trường.
- Nghiên cứu thêm về khả năng ứng dụng của TSH vào các vấn đề khác trong đời sống
Nhóm đã cải tiến và phát triển cốc lọc thô tự chế 6 lớp, giúp nâng cao hiệu quả lọc nước, dễ dàng ứng dụng vào nhu cầu sinh hoạt hàng ngày.