Phương pháp gia công hầm ủ BIOGAS từ sợi sơ dừa

Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 37 (2015): 1-7 PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG HẦM Ủ BIOGAS TỪ SỢI XƠ DỪA Cao Lưu Ngọc Hạnh1, Nguyễn Thành Nhiều2 Nguyễn Trường Giang2 Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Sinh viên Công nghệ Hóa học K36, Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Thông tin chung: Ngày nhận: 23/12/2014 Ngày chấp nhận: 24/04/2015 Title: Processing methods of biogas tanks from coconut fibers Từ khóa: Hầm ủ biogas, sợi xơ dừa, vật liệu composite Keywords: Biogas tank, coir fiber, composite material ABSTRACT This paper showed the results of mechanical properties investigation of the composite plates reinforced by the coir fiber plates using calcium carbonate as a filler In addition, the paper also presented a method for biogas tank production using coir fiber This method is suitable for small and medium household livestock breeding Coir fiber from Mo Cay District - Ben Tre province, unsaturated polyester and calcium carbonate were used as the initial materials The biogas tank was made by hand using the coir fiber mat prepared by hot pressing method with a Pan Stone hot-pressing machine that operates based on the hydraulic system with automatic control and has its heating equipment on the mold Experiments were conducted to evaluate the tensile and bending properties of the composite plates reinforced by coir fiber mat The obtained results indicated that the suitable mass fraction of the unsatured polyesters per calcium carbonate for the tank processing was 60% and proper processing steps were proposed to successfully build the biogas tank TÓM TẮT Bài báo trình bày kết khảo sát tính chất học composite gia cường mat sợi xơ dừa có sử dụng chất độn CaCO3 Thêm vào đó, báo trình bày phương pháp gia công hầm ủ biogas từ sợi xơ dừa, phù hợp cho hộ chăn nuôi vừa nhỏ Xơ dừa từ huyện Mỏ Cày – tỉnh Bến Tre, nhựa polyester chất độn CaCO3 sử dụng làm nguyên liệu Hầm ủ biogas gia công theo phương pháp thủ công với mat xơ dừa gia công theo phương pháp ép nóng máy ép nóng Panstone (có xuất xứ từ Đài Loan), máy hoạt động nhờ hệ thống thủy lực, điều khiển tự động thiết bị gia nhiệt khuôn ép Các khảo sát đánh giá thông qua tính kéo uốn composite gia cường mat sợi xơ dừa Các kết khảo sát cho thấy tỷ lệ chất độn CaCO3 thích hợp cho gia công hầm ủ 60% so với trọng lượng nhựa polyester (UPE) xây dựng bước gia công hầm ủ từ khuôn sản phẩm chuyển lắp đặt Nhưng giá thành hầm ủ thị trường cao chưa thể áp dụng cho hộ chăn nuôi vừa nhỏ Đã có nhiều công trình nghiên cứu nước thực nghiên cứu dừng lại ĐẶT VẤN ĐỀ Hầm ủ biogas vật liệu composite quan tâm để thay hầm ủ truyền thống, có khả chịu áp suất cao, dễ vận Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 37 (2015): 1-7 hầm ủ sử dụng sợi gia cường sợi thủy tinh, túi ủ Năm 2004, Viện Khoa học lượng, Sở Khoa học công nghệ tỉnh Thái Bình Công ty TNHH Phát triển khí sinh học Môi Trường Xanh kết hợp nghiên cứu cho đời hầm ủ biogas composite đầu tiên, thích hợp với điều kiện chăn nuôi miền Núi Việt Nam Công trình nghiên cứu chế tạo túi ủ biogas vật liệu plastic thân thiện với môi trường nhóm tác giả Melea Atkins, Miriam Fuchs, Adam Hoffman, Natalie Wilhelm thực năm 2010, nhóm nghiên cứu chế tạo thành công túi ủ biogas vật liệu plastic Tác giả Nguyễn Huân giới thiệu phân tích mạnh hầm ủ vật liệu composite báo Nông Nghiệp vào tháng 11/2011 Theo đó, hầm ủ composite nghiên cứu đầy đủ sâu rộng giải pháp tối ưu cho sản xuất khí sinh học từ chất thải chăn nuôi Việt Nam Việc gia công hầm ủ biogas vật liệu composite sợi xơ dừa thực phương pháp thủ công Đây phương pháp gia công khuôn hở, công đoạn thực tay Phương pháp sử dụng công nghệ đơn giản, thông dụng, dễ làm, cấu trúc sản phẩm thay đổi dễ dàng, chi phí đầu tư thiết bị thấp, gia công chi tiết có hình dạng phức tạp không đòi hỏi trình độ công nhân cao Để hạ giá thành sản phẩm nâng cao tính hầm ủ, việc sử dụng chất độn cần thiết CaCO3 chọn để làm chất độn gia công sản phẩm Việc khảo sát tỷ lệ CaCO3 tiến hành Bằng thực nghiệm xây dựng qui trình gia công mẫu thử với vật liệu cốt sợi xơ dừa nhựa polyester Để gia công mẫu thử tỷ lệ nhựa UPE so với CaCO3 40%-60% gồm 91.35g mat sợi xơ dừa, 112.75 g nhựa UPE, 169.75 g bột đá, 1.13 g MEKP so với trọng lượng nhựa, khối lượng mẫu thử tỷ lệ khác tính tương tự dựa khối lượng sợi không đổi, tỷ lệ nhựa UPE với chất độn CaCO3và MEKP tính 1% so với trọng lượng nhựa Việc gia công mẫu vật liệu tiến hành theo phương pháp thủ công Các mat sợi xơ dừa gia công điều kiện nhiệt độ T= 120oC, thời gian ép t = 300 s áp suất ép P= 500 Psi Các mat có khối lượng phân bố theo diện tích sợi khoảng 250 g/m2 Việc nghiên cứu hầm ủ biogas vật liệu composite từ sợi thiên nhiên thay sợi tổng hợp hạn chế, đặc biệt sợi xơ dừa Song song đó, sử dụng sợi xơ dừa thô chưa định hình gia công hầm ủ biogas khó khăn Như vậy, việc gia công mat sợi xơ dừa giúp cho việc gia công hầm ủ dễ dàng Đồng thời, khảo sát tỷ lệ chất độn CaCO3 nhằm nâng tính sản phẩm giảm giá thành sản xuất, từ xây dựng bước gia công hầm ủ biogas composite gia cường sợi xơ dừa theo phương pháp thủ công thực cần thiết Vì tận dụng nguồn nguyên liệu chỗ, sản phẩm thân thiện với môi trường đảm bảo yêu cầu kỹ thuật Ảnh hưởng tỷ lệ gia công đến tính vật liệu mẫu thử đánh giá thông qua kết đo độ bền kéo, uốn thiết bịZwick/Roell BDO – FB050TN (có xuất xứ từ Đức) Mẫu đo kéo mẫu thử đo theo tiêu chuẩn ASTM D3039/3039M, mẫu đo uốn cắt theo phương vuông góc với sợi gia cường đo theo tiêu chuẩn ASTM D790M/84 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu Sợi rối xơ dừa (tách máy) mua huyện Mỏ Cày, Bến Tre Sợi sau đem làm phơi khô sơ Nhựa polyester (UPE), chất đóng rắn Methyl Ethyl Ketone Peroxide (MEKP), chất độn CaCO3 mua Công ty TNHH SX – TM – DV Nguyên Mỹ, phường Hưng Lợi, quận Ninh Kiều, TP Cần Thơ 2.2 Phương pháp nghiên cứu KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết khảo sát tỷ lệCaCO3 đến tính composite 3.1.1 Ảnh hưởng tỷ lệ CaCO3đến modulus đàn hồi kéo Qua thực nghiệm ta thu bảng kết khảo sát tỷ lệ CaCO3 khác trình bày Bảng Bảng 1: Kết khảo sát tỷ lệ CaCO3đến modulus đàn hồi kéo composite Tỷ lệ UPE - CaCO3 Modulus đàn hồi kéo (MPa) Tỷ lệ 30-70% Tỷ lệ 40-60% 7156.13 ±449.13 5741.88 ±108.09 Tỷ lệ 50-50% 4541.15 ±173.39 Tỷ lệ 100-0% 3483.9 ±25.23 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 37 (2015): 1-7 Hình 1: Đồ thị modulus đàn hồi kéo composite sợi xơ dừa theo tỷ lệ chất độn tải lực nên thay đổi tỷ lệ độn làm thay đổi Qua đồ thị ta thấy thay đổi tỷ lệ modulus đàn hồi (modulus đàn hồi thể cho độ CaCO3 modulus đàn hồi kéo thay đổi đáng cứng vật liệu, ta thêm nhiều CaCO3 kể cụ thể giảm tỷ lệ độn modulus đàn hồi vào vật liệu làm cho vật liệu có khả chịu lực kéo giảm với tỷ lệ độn tương ứng tốt trở nên cứng nên làm modulus đàn Nhìn chung, sử dụng chất độn mẫu thử hồi tăng) có modulus đàn hồi kéo cao so với mẫu không sử dụng chất độn CaCO3, mẫu tỷ lệ 303.1.2 Ảnh hưởng tỷ lệ CaCO3 đến tính 70% cho modulus đàn hồi kéo cao nhỏ Kết khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ CaCO3 mẫu tỷ lệ 50-50% dãy sử dụng chất độn đến tính mẫu composite sợi xơ dừa theo tỷ CaCO3 Do chất độn CaCO3 có độ mịn cao, khả lệ CaCO3 khác phân tán tốt tham gia vào trình truyền Bảng 2: Cơ tính mẫu composite sợi xơ dừa theo tỷ lệ CaCO3 Tỷ lệ nhựa-chất độn Độ bền kéo (MPa) Độ bền uốn (MPa) Tỷ lệ 30-70% 18.19 ±1.19 29.78 ± 1.61 Tỷ lệ 40-60% 22.23 ± 0.52 41.51 ± 2.14 Tỷ lệ 50-50% 18.97 ± 3.55 43.52 ± 1.45 Tỷ lệ 100-0% 26.07 ± 0.8 48.85 ± 3.48 Hình 2: Kết đo tính mẫu composite sợi xơ dừa theo tỷ lệ CaCO3 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 37 (2015): 1-7 Qua đồ thị ta thấy mẫu tỷ lệ 30-70% có độ bền uốn thấp tất thấp so với mẫu tỷ lệ 100-0%, hai mẫu tỷ lệ 40-60% mẫu tỷ lệ 50-50% có độ bền uốn chênh lệch không đáng kể Độ bền kéo mẫu thay đổi theo tỷ lệ khác nhau, mẫu tỷ lệ 40-60% có độ bền kéo cao thấp mẫu tỷ lệ 30-70% dãy mẫu sử dụng chất độn CaCO3, độ bền uốn mẫu tỷ lệ 100-0% có độ bền kéo cao Với kết cho thấy tỷ lệ CaCO3 ảnh hưởng lớn đến tính sản phẩm chất độn dạng hạt tăng tỷ lệ CaCO3 nhựa giảm làm cho liên kết thành phần nên dẫn đến tính thấp 3.2 Kết gia công hầm ủ thải Trước tiên tạo mẫu khuôn làm bê tông có đường kính 0.6 m Ở khuôn bê tông ta quét lớp nhựa lên bề mặt khuôn nhằm mục đích làm bề mặt khuôn trở nên nhẵn giúp sản phẩm tạo thành tách khuôn dễ dàng Từ khuôn bê tông ta tiến hành chép khuôn bán cầu sản phẩm, khuôn bê tông khuôn ngoài, sản phẩm sau chép khuôn xem mẫu làm từ composite sợi thủy tinh tiếp tục lấy đem chép khuôn lần để tạo khuôn bán cầu sản phẩm hầm ủ thay cho khuôn khuôn bê tông Vì khuôn bê tông sau gia công sản phẩm khó tách khuôn không sử dụng lâu Do đó, ta cần chép khuôn composite sợi thủy tinh làm nhiều sản phẩm tách khuôn dễ dàng Khuôn composite sợi thủy tinh gia công với nhựa trộn với chất độn (CaCO3) vật liệu cốt sợi thủy tinh, có bề dày thành khoảng mm Sau thu sản phẩm composite khuôn sợi thủy tinh ta tiến hành tạo khuôn cách dùng đất sét tạo lòng khuôn gia công sản phẩm bán cầu Từ sản phẩm bán cầu ta dùng đất sét để tạo Hình ống nạp thải để chép khuôn, khuôn ống nạp thải hầm ủ làm composite sợi thủy tinh Khi khuôn tạo thành (Hình 3) sản phẩm tiến hành gia công Từ kết khảo sát với điều kiện gia công hầm ủ phương pháp thủ công điều kiện nhiệt độ phòng tỷ lệ nhựa UPE CaCO3 thích hợp cho gia công hầm ủ 40-60% Việc sử dụng kết giúp nâng cao hiệu suất gia công hầm ủ biogas composite từ sợi xơ dừa, tính đạt yêu cầu, giảm chi phí sản xuất hạ giá thành sản phẩm 3.2.1 Tạo khuôn chuẩn bị khuôn Khuôn gia công hầm ủ khuôn composite gia cường sợi thủy tinh, khuôn gồm có phận tách rời nửa bán cầu trên, nửa bán cầu dưới, bể nạp Lố thoát khuôn Lố thoát khuôn Khuôn Khuôn bể thải Khuôn bể nạp Hình 3: Bộ khuôn sản phẩm Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 37 (2015): 1-7 độ thường ta cần dùng chất xúc tác cho trình đóng rắn sản phẩm Nếu sử dụng MEKP nhiều làm cho sản phẩm bị cứng trình đóng rắn nhanh khó gia công, sử dụng chất đóng rắn thấp làm sản phẩm không đóng rắn hoàn toàn Qua khảo sát tìm tỉ lệ tối ưu cho trình gia công MEKP 1% Khi ta sử dụng chất đóng rắn ta nên để vào bắt đầu sử dụng trộn với hỗn hợp nhựa nhằm giúp cho thời gian gia công sản phẩm lâu giúp sản phẩm kết dính tốt hơn) Khi nhựa preform sợi xơ dừa chuẩn bị xong, tiến hành gia công sản phẩm Trước tiên, lớp nhựa gelcoat quét lên bề mặt khuôn, lớp nhựa gelcoat cần quét kỹ Nhựa gelcoat quét vào khuôn nhằm mục đích tạo sản phẩm có bề mặt bóng không cho sợi xơ dừa bị trồi lên bề mặt sản phẩm sản phẩm Sau lớp gelcoat quét xong bắt đầu đóng rắn chưa đóng rắn hoàn toàn ta quét thêm lớp hỗn hợp nhựa chất độn lên Sau quét xong lớp nhựa lớp sợi đặt vào khuôn, ấn nhẹ cho lớp sợi bám dính vào khuôn Dùng cọ thấm nhựa có trộn bột đá với chất đóng rắn lên sợi dùng lăn ép nhựa giúp nhựa thấm vào sợi (Hình 5) Quá trình lăn ép giúp giảm tỷ lệ bọt khí sản phẩm Sau nhựa thấm lớp sợi đầu tiên, lớp sợi thứ hai đặt lên trước trải lớp thứ hai ta cần quét lên bề mặt lớp sợi thứ lớp hỗn hợp nhựa sau trải lớp sợi thứ hai Chú ý lớp sợi thứ hai vào khuôn theo chiều vuông góc với lớp sợi thứ nhất, không trùng vị trí nối hai sợi hai lớp (Vì lớp sợi trùng dẫn đến tính sản phẩm vị trí không đồng đều, tạo ứng suất tập trung, dễ làm sản phẩm bị nứt điểm trùng lớp sợi thứ hai theo hướng vuông góc với lớp sợi thứ giúp cho lực phân bố vật liệu đồng giảm tượng ứng suất tập trung) Quá trình sợi thấm nhựa lớp Tương tự, trình lặp lại sản phẩm đạt bề dày yêu cầu Trước gia công hầm ủ việc kiểm tra vệ sinh khuôn cần thiết Khuôn đánh bóng lại giấy nhám để bề mặt khuôn không bị gồ ghề bóng Sau đáy khuôn khoan lỗ gắn vòi xe vào để tạo lỗ thoát khuôn giúp cho trình tách khuôn sản phẩm thuận lợi Dùng băng keo dán lỗ thoát khuôn nhựa không bít lỗ gia công sau thoa wax thoát khuôn Khi thoa wax thoát khuôn ta phải thoa thật kỹ từ – lần, sau lần thoa chờ cho dung môi wax bay hết sau dùng vải lau bỏ lớp sáp khô bề mặt khuôn tiếp tục thoa wax thoát khuôn lần 3.2.2 Chuẩn bị preform, cách xếp sợi gia công hầm ủ Sau chuẩn bị khuôn, bước ta cần chuẩn bị nguyên liệu, thiết bị cần thiết cho trình gia công sản phẩm Từ trình khảo sát trên, preform sử dụng dạng mat không xử lý không sử dụng chất kết dính, điều kiện gia công mat sợi nhiệt độ T=120oC, thời gian ép t=300s, áp suất P=500Psi Các preform sau gia công cắt bỏ rìa với hình dạng phẳng (Hình 4) trữ lại túi nhựa PP, gia công hầm ủ đem xếp vào khuôn Hình 4: Tấm mat sợi dùng để gia công hầm ủ Mat sợi chuẩn bị xong, bước hỗn hợp nhựa đem cân trộn với chất độn (CaCO3) theo tỷ lệ 40/60 Chất đóng rắn MEKP 1% trộn vào sau bắt đầu sử dụng (Vì nhựa ta dùng nhựa nhiệt rắn không tự đóng rắn nhiệt Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 37 (2015): 1-7 Hình 5: Xếp sợi vào khuôn 3.2.3 Tháo khuôn sản phẩm nhằm mục đích để tách khuôn Việc tháo khuôn tiến hành tương tự với khuôn lại Cuối cùng, ta cắt bỏ bavia không cần thiết mài chỗ gồ ghề ta sản phẩm hoàn chỉnh Sản phẩm sau gia công đóng rắn tự nhiên với điều kiện nhiệt độ phòng Sau đóng rắn hoàn toàn sản phẩm tháo khỏi khuôn Tại lỗ thoát khuôn khí nén thổi vào bên Hình 6: Tháo khuôn sản phẩm 3.2.4 Nhận xét sản phẩm hầm ủ biogas thành tương đối đồng phân bố đồng sợi nhựa Tuy nhiên, sản phẩm xuất nhiều bọt khí, mặt sản phẩm không bóng láng dùng khuôn Nhưng nhìn chung, chất lượng hình dáng bên sản phẩm chấp nhận có khả cạnh tranh với thị trường hầm ủ Sản phẩm hầm ủ tạo thành phương pháp đắp tay sử dụng khuôn composite tạo thành Sản phẩm hoàn thành có giá thành thấp giá thị trường, có tính chấp nhận Bên cạnh đó, chiều dày sản phẩm tạo Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ Môi trường: 37 (2015): 1-7 Hình 7: Hầm ủ biogas composite gia công từ mat sợi xơ dừa Nguyễn Hòa Thinh, Nguyễn Đình Đức, 2002 Vật liệu composite học công nghệ, NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Khánh Luân, 2011 Khảo sát quy trình tách sợi gia công mat sợi xơ dừa làm vật liệu gia cường cho composite Đại học Cần Thơ Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ Nguyễn Minh Trí, Trần Lê Quân Ngọc, Trương Chí Thành, 2005 Vật liệu composite, Trường Đại học Cần Thơ Võ Thị Hồng Tươi, 2013 Quy trình gia công số sản phẩm composite phương pháp đắp tay Đại học Cần Thơ Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ KẾT LUẬN Khảo sát tỷ lệ nhựa UPE chất độn CaCO3thích hợp để gia công hầm ủ 40/60% Với điều kiện thích hợp cho việc gia công hầm ủ biogas composite sợi xơ dừa theo phương pháp thủ công, đóng rắn tự nhiên nhiệt độ phòng Qua khảo sát gia công ta thấy mat không xử lý, kết dính tự nhiên sử dụng mang lại hiệu với điều kiện gia công mat T= 120oC, t = 300s, P= 500Psi Với việc tạo mat sợi xơ dừa giúp cho việc gia công hầm ủ dễ dàng hơn, tiết kiệm nguồn nguyên liệu, tăng hiệu suất gia công Cuối cùng, báo xây dựng thành công bước gia công hầm ủ biogas composite sợi xơ dừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, có khả ứng dụng cao, thân thiện môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu chỗ, hạ giá thành sản xuất TÀI LIỆU THAM KHẢO Cao Lưu Ngọc Hạnh, 2013 Phương pháp gia công mat xơ dừa có chất kết dính để khảo sát khả gia cường cho vật liệu composite nhựa nhiệt dẻo Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ Số tạp chí 25