Với các lợi thế của vật liệu nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu sử dụng than trấu xử lý dầu mỡ, COD và chất màu trong nước thải” được thực hiện với mục đích khảo sát khả năng hấp phụ của th
Trang 1LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS VŨ ĐỨC THẢO
Hà Nội – Năm 2014
Trang 2Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực phản ánh đúng thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào
Học viên
Vũ Công Thắng
Trang 3
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo, các cán bộ nhân viên trong Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường – Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Vũ Đức Thảo đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này
Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, các anh chị và các bạn phòng C5-10 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
đã giúp đỡ tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt bản luận văn này
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ động viên tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn
Hà Nội, ngày 12 tháng 9 năm 2014
Học viên
Vũ Công Thắng
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH
ĐẶT VẤN ĐỀ 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3
1.1 Tổng quan về tình hình sản xuất lúa gạo Việt Nam 3
1.1.1 Tóm tắt quá trình phát triển ngành lúa gạo Việt Nam 3
1.1.2 Tình hình tiêu thụ lúa gạo của Việt Nam 4
1.2 Giới thiệu về vỏ trấu 6
1.2.1 Cấu tạo của vỏ trấu 6
1.2.2 Các đặc tính đặc trưng của vỏ trấu 6
1.2.3 Tính chất hóa học của vỏ trấu 7
1.2.4 Một số ứng dụng của vỏ trấu 9
1.3 Giới thiệu máy nhiệt phân đa vùng 10
1.3.1 Nguyên lý của quá trình 10
1.3.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống 11
1.3.3 Đặc điểm sản phẩm than của quá trình nhiệt phân 13
1.4 Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ 14
1.4.1 Động học quá trình hấp phụ 14
1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ 16
1.4.3 Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt 17
CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 21
2.1 Mục tiêu, đối tượng, nội dung nghiên cứu 21
2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 21
2.1.2 Đối tượng nghiên cứu 21
2.1.3 Nội dung nghiên cứu: 21
Trang 52.2.1 Hóa chất 22
2.2.2 Phẩm nhuộm sử dụng trong thí nghiệm 22
2.2.3 Dụng cụ và thiết bị sử dụng trong thí nghiệm: 23
2.3 Phương pháp tiến hành thực nghiệm 23
2.3.1 Quá trình tạo ra than trấu 24
2.3.2 Thí nghiệm nghiên cứu khả năng hấp phụ của than trấu bằng phương pháp gián đoạn theo mẻ 25
2.3.3 Thí nghiệm liên tục trên cột 29
2.4 Các phương pháp phân tích 31
2.4.1 Xác định độ màu 31
2.4.2 Xác định nhu cầu oxi hóa học COD 31
2.4.3 Xác định dầu mỡ khoáng trong nước 31
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32
3.1 Đặc điểm của than trấu 32
3.2 Thí nghiệm gián đoạn theo mẻ 33
3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của than trấu 33
3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của than 35
3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ của than trấu 37
3.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến khả năng hấp phụ của than 40 3.3 Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ dầu mỡ của than trấu : 45
3.3.1 Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ 45
3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian 46
3.3.3 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn 47
3.4 Thí nghiệm liên tục trên cột 48
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO 55
PHỤ LỤC 57
Trang 6COD Chemical oxygen demand
Trang 7Bảng 1.1: Xuât khẩu gạo của Việt Nam mùa vụ 2011/2012 5
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của vỏ trấu gồm: 6
Bảng 1.3: Thành phần các nguyên tố hóa học của vỏ trấu 8
Bảng 1.4: Thành phần hóa học vỏ trấu của một số giống lúa 8
Bảng 2.1: Danh mục các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 22
Bảng 2.2: Danh mục các dụng cụ, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 23
Bảng 3.1: Phân tích thành phần của than trấu 32
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ độ màu và COD 33
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ màu và COD 35
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ màu và COD trong nước thải 38
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến khả năng hấp phụ màu và COD của than trấu 40
Bảng 3.6: Mối liên hệ giữa Co, Cf và q của quá trình hấp phụ màu 42
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ dầu mỡ trong nước thải của than trấu 45
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ dầu mỡ 46
Bảng 3.10: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến khả năng xử lý dầu 47
Bảng 3.11: Kết quả hấp phụ màu của than trấu ở thí nghiệm hấp phụ liên tục
trên cột 49
Bảng 3.12: Kết quả hấp phụ COD trên hệ liên tục 50
Trang 8Hình 1.1: Xuất khẩu gạo của Việt Nam từ mùa vụ 2005 đến mùa vụ 2011 4
Hình 1.2: Hàm lượng vỏ trấu trong hạt lúa 6
Hình 1.3: Một số hình ảnh về vỏ trấu 7
Hình 1.4: Máy nhiệt phân đa vùng 12
Hình 1.5 : Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [6] 18
Hình 1.6 : Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 19
Hình 1.7: Sự phụ thuộc của Cf/q và Cf 19
Hình 1.8: Đẳng nhiệt Freundlich 20
Hình 2.1: Quy trình thí nghiệm 26
Hình 2.2: Quy trình nghiên cứu khả năng hấp phụ của than trấu trên hệ liên tục 30
Hình 3.1: Than trấu nhiệt phân 33
Hình 3.2: Bề mặt của mẫu than trấu nhiệt phân ở 5000C (chụp SEM) 33
Hình 3.3: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ màu của than trấu 34
Hình 3.4: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ COD của than trấu 34
Hình 3.5: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ màu của than trấu 36
Hình 3.6: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ COD của than trấu 37
Hình 3.7: Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ màu của than trấu 39
Hình 3.8: Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ COD của than trấu 39
Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến khả năng hấp phụ màu 41
Hình 3.10: Ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến khả năng hấp phụ COD 42
Hình 3.11: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ q vào nồng độ cân bằng Cf 43
Hình 3.12: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf 43
Hình 3.13: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ q vào nồng độ cân bằng Cf 44
Hình 3.14: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf 45
Hình 3.15 : Hiệu quả hấp phụ dầu mỡ của than trấu theo lượng chất hấp phụ 46
Hình 3.16: Hiệu quả hấp phụ dầu mỡ của than trấu theo thời gian 47
Hình 3.17: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu quả xử lý dầu mỡ của than trấu 48
Hình 3.18: Biến thiên hiệu suất xử lý màu theo thời gian trên hệ liên tục 49
Hình 3.19: Biến thiên hiệu suất xử lý COD trên hệ hấp phụ liên tục 51
Hình 3.20: Đồ thị đường cong thoát thể hiện khả năng hấp phụ chất màu của than trấu 52
Trang 9ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam đang trong thời kỳ đổi mới, nền kinh tế tăng trưởng trên cơ sở áp dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước ngày càng được đẩy mạnh Tuy nhiên, song song với quá trình phát triển kinh tế, Việt Nam cũng đang phải đối mặt với những vấn đề môi trường đáng
lo ngại
Ô nhiễm môi trường nước gây ra bởi các hoạt động sinh hoạt, sản xuất ngày càng gay gắt Việc xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường nước ngày càng được nhà nước và các cơ quan chức năng quan tâm thực hiện
Hấp phụ là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm Đặc biệt, hấp phụ sử dụng vật liệu sinh học đang ngày càng được quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn vì khả năng hấp phụ tốt và chi phí thấp Trong các loại vật liệu sinh học đó vỏ trấu đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong thời gian gần đây do tính ưu thế về nguồn nguyên liệu và tận dụng được chất thải từ ngành sản xuất nông nghiệp
Vỏ trấu là vật liệu thải từ quá trình sản xuất gạo Theo báo cáo năm 2011 sản lượng gạo mà Việt Nam sản xuất được là khoảng 6 triệu tấn gạo Trung bình từ 100
kg gạo trắng, từ quá trình xay xát sẽ tạo ra khoảng 15 kg vỏ trấu Như vậy hàng năm
ở nước ta với sản lượng trung bình 6 triệu tấn gạo sẽ tạo ra nguồn vỏ trấu là khoảng
1 triệu tấn vỏ trấu Tại Philippin, Ấn độ, Thái Lan, Nhật Bản đã xây dựng nhà máy nhiệt phân vỏ trấu để bón trực tiếp cho cây lúa, đặc biệt là Nhật Bản vỏ trấu nhiệt phân đã được sử dụng từ những năm 1910 Nhiệt phân vỏ trấu không những cho sản phẩm là nhiệt mà còn cho ta sản phẩm là than trấu – một loại sản phẩm có tính ứng dụng trong nông nghiệp, môi trường và một số lĩnh vực khác
Với các lợi thế của vật liệu nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu sử dụng than trấu
xử lý dầu mỡ, COD và chất màu trong nước thải” được thực hiện với mục đích
khảo sát khả năng hấp phụ của than trấu đối với các chất ô nhiễm như độ màu, COD, dầu mỡ trong nước thải theo các yếu tố ảnh hưởng như pH, thời gian, lượng chất hấp phụ, nồng độ chất ô nhiễm
Trang 10 Mục đích của đề tài
Nghiên cứu khả năng hấp phụ của than trấu đối với các chất ô nhiễm trong nước thải: độ màu, COD, dầu mỡ
Đối tượng nghiên cứu
- Vật liệu than trấu là sản phẩm của quá trình nhiệt phân trong máy nhiệt phân
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Bước đầu nghiên cứu thêm một ứng dụng mới của than trấu
- Tìm ra nguồn vật liệu hấp phụ sẵn có, rẻ tiền và thân thiện với môi trường
Trang 11CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tình hình sản xuất lúa gạo Việt Nam
1.1.1 Tóm tắt quá trình phát triển ngành lúa gạo Việt Nam
Lúa gạo là một trong những loại cây lương thực chính của thế giới Đặc biệt với các nước châu Á, đây là lương thực chính để tạo ra các sản phẩm thiết yếu phục
vụ đời sống Với dân số 88,5 triệu người dân tính đến ngày 1/4/2012 thì vấn đề đảm
vì thế ngành lúa gạo có vai trò rất lớn trong việc cung cấp sản phẩm cho toàn xã hội, xóa đói giảm nghèo Việt Nam là nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai trên thế giới vì thế lúa gạo còn có vai trò to lớn trong việc thu ngoại tệ về cho đất nước
Từ năm 1990 đến nay, sản lượng lúa gạo Việt Nam liên tục tăng trưởng nhờ biện pháp kỹ thuật canh tác tốt, tăng năng suất và một phần nhờ mở rộng diện tích canh tác hàng năm Sản lượng lúa ở nước ta chỉ dừng lại ở 19,23 triệu tấn (năm 1990) nhưng đến năm 2000 đã đạt được 32,51 triệu tấn Năng suất và diện tích canh tác tăng không ngừng đã giúp Việt Nam tăng năng suất và sản lượng hàng năm, năm 2011 sản lượng đạt 42,31 triệu tấn và 43,7 triệu tấn năm 2012 tăng 1,26 triệu tấn so với năm 2011 (tăng 3%) [1]
Liên quan tới quá trình năng suất lúa tăng, có thể chia ra 4 giai đoạn như sau:
Từ 1878 đến 1955: Năng suất lúa ghi được chỉ nằm trong khoảng 1,2 – 1,4 tấn /ha; diện tích gieo trồng 4,2 – 4,6 triệu ha; sản lượng lúa đạt 5,5 đến 6,7 triệu tấn
Từ 1960 đến 1985: Năng suất lúa đạt 2,0 đến 2,8 tấn/ha Diện tích gieo trồng
và sản lượng lúa tăng rõ rệt: 9,5 triệu ha và 15,9 triệu tấn
Từ 1900 đến 1999: Năng suất lúa đạt từ 3,5 tấn – 4,05 tấn/ha Diện tích gieo trồng tăng từ 6 triệu lên 7,7 triệu ha; sản lượng lúa tăng từ 19,5 đến 31 triệu tấn
Từ 2000 đến 2010: Năng suất lúa đạt từ 4 lên 5 tấn/ha Tính đến năm 2013 tổng diện tích gieo cấy lúa cả năm ước đạt 7,9 triệu ha,tăng hơn 138 ngàn ha so với năm 2012, năng suất ước đạt 55,8 tạ/ha, sản lượng lúa cả nước đạt 44,1 triệu tấn tăng 338 ngàn tấn so với năm 2012.[2]
Trang 121.1.2 Tình hình tiêu thụ lúa gạo của Việt Nam
Từ một nước thiếu lương thực trong những thập niên 80, 90 của thế kỷ trước Việt Nam đã vươn lên trở thành nước có sản lượng gạo xuất khẩu khá ổn định từ năm 2005 - 2008 Không chỉ sản xuất gạo cung cấp cho nhu cầu tiêu thụ trong nước, xóa bỏ tình trạng đói nghèo vì thiếu lương thực Việt Nam còn là nước xuất khẩu gạo lớn thứ 2 thế giới sau Thái Lan Cụ thể, mùa vụ 2010/2011, Việt Nam xuất khẩu 7,1 triệu tấn gạo trong tổng sản lượng 26,37 triệu tấn, so với 6,73 triệu tấn trong mùa vụ 2009/2010 Mùa vụ 2011/2012, Việt Nam vẫn duy trì mức xuất khẩu gạo trên 7 triệu tấn và đã đạt 7,72 triệu tấn, kim ngạch xuất khẩu gạo đạt 3,45 tỷ USD [7]
(Nguồn thông tin thương mại, tính toán của USDA (2011))
Hình 1.1: Xuất khẩu gạo của Việt Nam từ mùa vụ 2005 đến mùa vụ 2011 [7]
Trang 136 triệu tấn) Indonesia, Philippines và Malaysia là ba thị trường nhập khẩu truyền
thống ngoài ra còn có các thị trường mới như Trung Quốc, Ấn Độ, Pakistan
Cũng theo báo cáo, sản lượng lúa gạo Việt Nam năm 2013 ước tính 27,65 triệu tấn, tăng so với khoảng 27,15 triệu tấn của năm 2012 Tiêu thụ lúa gạo trong nước tăng nhẹ, từ khoảng 19,65 triệu tấn năm 2012 lên 20,1 triệu tấn năm 2013 [1]
Bảng 1.1 Xuât khẩu gạo của Việt Nam mùa vụ 2011/2012 [7]
(Đơn vị tấn)
5% 10% 15% 25% 100% Glutinous Jasmine
Các loại khác
Trang 141.2 Giới thiệu về vỏ trấu
1.2.1 Cấu tạo của vỏ trấu
Vỏ trấu là sản phẩm phụ của ngành sản xuất lúa gạo Vỏ trấu do hai lá của gié lúa là vảy và mày hoa tạo thành Cả hai phần này được ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau Phần này của hai mảnh vỏ trấu chuyển thành đoạn cuối của vỏ trấu và cuối cùng kết thúc thành một cái râu
Hình 1.2: Hàm lượng vỏ trấu trong hạt lúa
1.2.2 Các đặc tính đặc trưng của vỏ trấu
Tùy theo từng loại trấu mà trấu có chiều dài từ 5mm – 10mm, chiều ngang bằng từ 1/2 - 1/3 chiều dài Góc nghi của trấu từ 350 – 500 tùy theo ẩm độ và điều kiện nhiệt độ môi trường
Đặc điểm chung về hóa lý tính của vỏ trấu:
Trang 15Vỏ trấu khó xử lý vì cồng kềnh và bụi bặm Khối lượng riêng của vỏ trấu thấp
và điều này là không kinh tế
Khi đốt cháy vỏ trấu tạo ra một lượng tro khoảng 17% – 26% cao hơn rất nhiều so với gỗ (0,2% – 2%) và than đá (12,2%), dẫn đến có một khối lượng lớn tro trấu cần phải được xử lý
1.2.3 Tính chất hóa học của vỏ trấu
1.3.3.1 Thành phần hóa học của vỏ trấu:
- Thành phần các nguyên tố hóa học:
Trang 16Bảng 1.3: Thành phần các nguyên tố hóa học của vỏ trấu
Nguyên tố hóa học Vỏ trấu (%)
Bảng 1.4 : Thành phần hóa học vỏ trấu của một số giống lúa
Trang 17- Dùng vỏ trấu để lọc nước: Thiết bị lọc nước từ vỏ trấu có khả năng lọc thẳng nước ao, hồ thành nước uống sạch Cốt lõi của thiết bị là một cụm sứ xốp trắng, hình trụ nằm trong chiếc bình lọc Điều đặc biệt là loại sứ này được tạo ra bằng cách tách ôxit silic từ trấu, có đặc tính lọc cực tốt, với lỗ lọc siêu nhỏ, ngoài ra nó cũng có độ bền cao (có thể sử dụng 10 đến 20 năm)
- Làm nguyên liệu xây dựng sạch: Trong trấu có chứa hàm lượng SiO2 rất nhiều, mà đây lại là thành phần chính trong xi măng Các nhà khoa học Mỹ mới đây đã phát hiện một phương pháp gia công vỏ trấu mới, có thể sử dụng tro trấu làm thành phần trong xi măng, thúc đẩy sự phát triển nguyên liệu xây dựng sạch
- Sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu: Hiện nay, nhờ công nghệ ép thanh, vỏ trấu đã được biến thành "củi trấu" - một sản phẩm năng lượng "sạch" phục
- Ứng dụng vỏ trấu để sản xuất gas sinh học (khí hóa trấu)
- Một số ứng dụng khác: Dùng làm thiết bị cách nhiệt, phân bón, làm chất độn,
Trang 18làm giá thể trong sản xuất meo giống trồng nấm, đánh bóng các vật thể bằng kim loại Ngoài ra vỏ trấu cũng đang dần được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu làm chất hấp phụ xử lý ô nhiễm môi trường như: Nghiên cứu sử dụng vỏ trấu biến tính trong quá trình xử lý nước thải nhiễm dầu
Mỗi năm Việt Nam thải ra khoảng 1 triệu tấn vỏ trấu, lượng vỏ trấu này chủ yếu được đem đốt để lấy tro hoặc thải bỏ ra gây ô nhiễm môi trường, mất cảnh quan
Tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền và dễ kiếm, trong đề tài này vỏ trấu được dùng làm nguyên liệu cho quá trình nhiệt phân tạo than trấu ứng dụng trong xử lý môi trường
1.3 Giới thiệu máy nhiệt phân đa vùng
1.3.1 Nguyên lý của quá trình
Quá trình nhiệt phân chất thải rắn có nguồn gốc hữu cơ sản xuất than được thực hiện trong lò quay, nguyên liệu nạp vào lò trải qua các giai đoạn sấy, nhiệt phân, hoạt hóa sơ bộ, làm nguội Trong lò quay khoảng 80% lượng các bon được chuyển thành than, phần còn lại (20%) sẽ bị “cháy” Hơi nước từ quá trình sấy rác
và do phản ứng nhiệt phân đi cùng “khí cháy” qua khoang đốt tận thu nhiệt đi lên khoang khử độc, giảm nhiệt độ rồi qua cửa thoát hơi ra ngoài Khí thải đã được khử
thoát khí ở trên cùng Nhiệt độ được kiểm soát để không hình thành pha lỏng trong quá trình nhiệt phân Để thực hiện quá trình này, lò được đặt trong buồng đốt nhiều cấp, thực hiện truyền nhiệt qua thành lò (bằng kim loại chịu nhiệt) Lò quay được thiết kế chế tạo đảm bảo “kín” với không khí bên ngoài, như vậy nguyên liệu sẽ không tiếp xúc trực tiếp với môi trường cháy do đó ngăn cản được tiêu hao nguyên liệu do cháy hoặc bị cuốn theo tạo thành bụi Phương pháp đốt theo vùng tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển nhiệt độ của từng giai đoạn, cũng như cho phép tận dụng nhiệt triệt để nhất Để cung cấp nhiệt cho toàn bộ quá trình than hóa, trong dây chuyền sử dụng hai buồng đốt:
- Buồng đốt chính: buồng đốt hai cấp
Trang 19- Buồng đốt phụ, ngoài mục đích cung cấp nhiệt còn có nhiệm vụ đốt hoàn toàn các khí sinh ra trong quá trình nhiệt phân, vừa có tác dụng xử lý khí ô nhiễm vừa có tác dụng thu hồi nhiệt để tiết kiệm nhiên liệu
- Các buồng đốt được cấp khí một cách có kiểm soát để đảm bảo hiệu suất
sử dụng nhiên liệu bổ sung cao nhất và tận thu tối đa nhiệt từ các “khí cháy” đi ra từ
1.3.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống
Trang 20Hình 1.4: Máy nhiệt phân đa vùng
Công nghệ nhiệt phân xử lý chất thải hữu cơ có kiểm soát nhiệt độ trong điều kiện không có không khí là một công nghệ tiên tiến và có nhiều ưu điểm so với các công nghệ đốt khác như:
- Các quá trình sấy, hoá khí trong điều kiện không có oxy xảy ra ở trong buồng sơ cấp, chất hữu cơ mất nước Khí sinh ra có nhiệt trị cao được tiếp tục sử dụng lại làm nhiên liệu cung cấp cho quá trình than hóa và nung nóng thiết bị vì thế
ưu điểm hơn hẳn các công nghệ sử dụng nhiệt khác
- Hiệu quả xử lý chất thải cao nhờ có quá trình kiểm soát được chế độ nhiệt phân tại buồng sơ cấp và quá trình Cacbon hóa hoàn toàn ở buồng thứ cấp
do vậy tăng tuổi thọ của lò do giảm chi phí bảo trì
- So với công nghệ nhiệt phân tĩnh và đốt tầng sôi thì thời gian của lò quay ngắn hơn, nhưng việc chế tạo, vận hành, bảo trì lò phức tạp hơn
- Tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế, coi chất thải rắn có nguồn gốc hữu cơ là nguyên liệu chứ không phải là rác thải
Trang 21Chính nhờ những ưu điểm nổi bật đó nên ngày nay xử lý chất thải rắn có nguồn gốc hữu cơ ứng dụng nguyên lý nhiệt phân trong điều kiện không có oxy đang được áp dụng khá rộng rãi trên thế giới và là hướng nghiên cứu tiềm năng ở Việt Nam trong tương lai
Nhược điểm chính của công nghệ nhiệt phân là giá thành chế tạo thiết bị tương đối lớn
1.3.3 Đặc điểm sản phẩm than của quá trình nhiệt phân
Sản phẩm than thu được từ quá trình nhiệt phân có tỷ lệ khác nhau ở mỗi điều
Như vậy, khi tăng nhiệt độ của quá trình thì tỷ lệ than thu được giảm, lượng sản phẩm khí thu được tăng Thông số nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến quá trình cũng như ảnh hưởng của thời gian than hóa và mối quan hệ tương hỗ giữa 2 yếu tố
Phần cacbon còn lại trong than, phần trăm H và O bị loại ra khi vật liệu được xác định là một thông số của quá trình Đây là mục tiêu của quá trình than hóa: tạo
ra tối đa lượng cacbon còn lại trong pha rắn trong khi loại bỏ tối đa lượng H, O ra khỏi vật liệu Các thông số C, H, O có thể được xác định như là chức năng tối ưu của quá trình than hóa [15]
Quá trình nhiệt phân sẽ dẫn đến thay đổi về thành phần hóa học vì vậy đặc điểm và tính chất của sản phẩm than thu được phụ thuộc rất nhiều vào loại vật liệu được tiến hành nhiệt phân Việc giải phóng pha hơi dẫn đến tăng tỉ lệ của chất vô cơ
có trong mẫu than Tất cả các mẫu sinh khối được làm giàu thành dạng nhiên liệu trong quá trình nhiệt phân do tăng tỉ lệ %C và giảm tỉ lệ %O Các mẫu than thu được có hàm lượng C cao (76 - 95%), bỏ qua hàm lượng S, hàm lượng N dưới 1% [20] Theo dự báo, các mẫu than thu được có giá trị nhiệt lượng cao hơn so với mẫu nguyên liệu ban đầu do tỉ lệ %C cao hơn Sự khác nhau giữa các giá trị nhiệt lượng đối với các loại than trên là khá lớn Các giá trị nhiệt lượng dao động trong khoảng
25 MJ/kg - 30 MJ/kg
Quá trình bốc hơi tạo ra cấu trúc lỗ rỗng xốp trên bề mặt vật liệu và bên trong vật liệu, đối với nhiệt độ nhiệt phân khác nhau, thời gian nhiệt phân khác nhau sẽ dẫn đến mẫu than thu được các lỗ rỗng khác nhau, chủ yếu là loại macro, mesopore
Trang 22và loại micropore lớn Diện tích bề mặt của than (BET) dao động trong khoảng rất
phân nhỏ hơn rất nhiều so với than hoạt tính Sản phẩm than thu được sau quá trình nhiệt phân có thể sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau: công nghiệp, nông nghiệp, môi trường… Trong đề tài này sản phẩm than thu được sau quá trình nhiệt phân sẽ được sử dụng làm vật liệu để nghiên cứu quá trình hấp phụ dầu mỡ, COD và chất màu trong nước thải
1.4 Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ
Gọi tốc độ hấp phụ là biến thiên độ hấp phụ theo thời gian, ta có:
x
t
d r d
(1) Khi tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian thì:
Trang 23x t
d r d
= β.(Ci - Cf)= k.(qmax - q) (2) Trong đó:
Ci : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu(mg/l)
Cf : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t (mg/l)
k : hằng số tốc độ hấp phụ
qmax : tải trọng hấp phụ cực đại
q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm t
Trang 24Phương trình (7) trở thành:
1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ
Hấp phụ là một quá trình phức tạp, nó chịu ảnh hưởng của một số yếu tố sau:
a Ảnh hưởng của dung môi :
Hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh, nghĩa là khi chất tan bị hấp phụ càng mạnh thì dung môi bị hấp phụ càng yếu Dung môi có sức căng bề mặt càng lớn thì chất tan càng dễ bị hấp phụ Chất tan trong dung môi nước bị hấp phụ tốt hơn so với dung môi hữu cơ
b Tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ :
Thông thường, các chất phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt phân cực và các chất không phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt không phân cực Ngoài ra, độ xốp của chất hấp phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Khi giảm kích thước mao quản trong chất hấp phụ xốp thì sự hấp phụ từ dung dịch thường tăng lên Nhưng đến một giới hạn nào
đó, khi kích thước mao quản quá nhỏ sẽ cản trở sự đi vào của chất bị hấp phụ
c Ảnh hưởng của nhiệt độ :
Khi nhiệt độ tăng, sự hấp phụ trong dung dịch giảm Tuy nhiên, đối với những cấu tử tan hạn chế, khi tăng nhiệt độ, độ tan tăng sẽ làm cho nồng độ của nó trong dung dịch tăng lên, do vậy khả năng hấp phụ sẽ tăng lên
Trang 25d Ảnh hưởng của pH môi trường :
pH ảnh hưởng nhiều đến tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong dung dịch nên cũng ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Ngoài ra còn có các yếu tố khác như: nồng độ của chất tan trong dung dịch, áp suất đối với chất khí, quá trình hấp phụ cạnh tranh đối với các chất bị hấp phụ
- Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình như: phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Henry, Frenundrich, Langmuir…
1.6.3.1 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir :
Hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được ứng dụng thành công trong nhiều quá trình hấp phụ chất ô nhiễm và được sử dụng rộng rãi đối với quá trình hấp phụ chất tan từ dung dịch Những giả định của thuyết Langmuir như sau :
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định
- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân
- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên các tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ lên các trung tâm bên cạnh
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt đơn lớp Langmuir cho phép ước tính khả năng hấp phụ tối đa của vật liệu (Qm) được biểu diễn bởi biểu thức: [5]
max .
cb cb
Trang 26q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)
qmax : tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g)
b : hằng số chỉ ái lực của vị trí liên kết trên bề mặt chất hấp phụ
Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)
Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:
- Khi b.C << 1 thì q = qmaxb.C mô tả vùng hấp phụ tuyến tính
- Khi b.C >> 1 thì q = qmax mô tả vùng hấp phụ bão hòa
Khi nồng độ chất hấp phụ nằm trung gian giữa hai khoảng nồng độ trên thì đường biểu diễn phương trình Langmuir là một đường cong
Hình 1.5 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir [6]
Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt Langmuir, đưa phương trình (9) về dạng phương trình đường thẳng:
Trang 27
1.6.3.2 Phương trình đẳng nhiệt Freundlich
Năm 1906, Freundlich đã nghiên cứu hấp phụ sử dụng vật liệu là than củi Ông chỉ ra rằng nếu nồng độ chất tan cân bằng trong dung dịch là Ccb tăng, với năng lượng 1/n, lượng chất tan được hấp phụ q thì Ccb1/n là một hằng số ở nhiệt độ xác định Đẳng nhiệt Freundlich được mô tả trong phương trình thực nghiệm sau: [13]
q = K Ccb1/n (2.4) (11) Trong đó:
Ccb : nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ (mg/l)
q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)
k : hằng số hấp phụ Freundlich
n : cường độ hấp phụ, hằng số này phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1
Hình 1.6 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Tgα = 1/qmax =>qmax = 1/Tgα
Hình 1.7: Sự phụ thuộc của Cf/q và Cf
OM = 1/b.qmax
Trang 28Hình 1.8: Đẳng nhiệt Freundlich
Biểu thức (11) có thể viết là:
lnq = lnK + (1/n) lnCcb (12)
Độ dốc của đồ thị lnq và lnCcb cho biết giá trị của K và 1/n
Phương trình đẳng nhiệt Freundlich được sử dụng rộng rãi như một phương trình kinh nghiệm Mặc dù phương trình này đơn giản và thuận tiện nhưng nó không phải luôn luôn mô tả đúng các số liệu thực nghiệm trong vùng nồng độ rộng
Trang 29CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM
2.1 Mục tiêu, đối tượng, nội dung nghiên cứu
2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng hấp phụ màu và COD và dầu mỡ của than trấu trong nước thải
2.1.2 Đối tượng nghiên cứu
- Vỏ trấu thu thập từ quá trình sản xuất nông nghiệp lúa gạo
- Than trấu là sản phẩm của quá trình nhiệt phân vỏ trấu bằng máy nhiệt phân
đa vùng
- Phẩm nhuộm nguyên chất loại trực tiếp có tên thương mại là : Direct Red 23 xuất xứ Trung Quốc, được mua tại công ty Tân Hồng Phát, số 92, phố Cửa Bắc, quận Ba Đình, thành phố Hà Nội
- Nước thải sinh hoạt hộ gia đình Nước thải được lấy tại hố ga chung chứa nước thải sinh hoạt hàng ngày (nước thải tắm rửa, giặt giũ, nấu ăn) của gia đình
2.1.3 Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ màu và COD của than trấu trong dung dịch nước thải phẩm nhuộm tự pha theo phương pháp gián đoạn
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ màu, COD của than trấu theo phương pháp liên tục
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ dầu mỡ của than trấu đối với nước thải sinh hoạt hộ gia đình bằng các thí nghiệm gián đoạn theo mẻ
Trang 302.2 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
2.2.1 Hóa chất
Bảng 2.1 Danh mục các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu
Xác định COD
2.2.2 Phẩm nhuộm sử dụng trong thí nghiệm
Trang 312.2.3 Dụng cụ và thiết bị sử dụng trong thí nghiệm:
Bảng 2.2 Danh mục các dụng cụ, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu
dải màu của các phẩm nhuộm
các chỉ tiêu
2.3 Phương pháp tiến hành thực nghiệm
Quá trình thực nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển công nghệ môi trường – Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Dung dịch nước thải sử dụng trong thí nghiệm nghiên cứu khả năng hấp phụ màu và COD là dung dịch phẩm nhuộm tự pha chế Nước thải được pha từ phẩm nhuộm Direct red 23 của Trung Quốc có nồng độ phẩm là 50 mg/L, nồng độ COD tương ứng là 52 mg/L
Dung dịch nước thải thực tế là nước thải sinh hoạt gia đình có nồng độ dầu mỡ ban đầu là 23 mg/L
Trang 322.3.1 Quá trình tạo ra than trấu
Than trấu sau khi qua công đoạn tiền xử lý đảm bảo độ ẩm cần thiết sẽ được đưa vào lò nhiệt phân
Tại buồng gia nhiệt 1
Trong khoang vật liệu sẽ xảy ra quá trình sấy khô (bốc hơi nước) Vỏ trấu được đưa vào buồng đốt, thu nhiệt từ không khi nóng của buồng đốt, nhiệt độ của trấu đạt trên 1000C, quá trình thoát hơi ẩm xảy ra mãnh liệt, khi nhiệt độ tiếp tục tăng sẽ xảy ra quá trình nhiệt phân và tạo ra khí gas
Trong khoang vật liệu sẽ xảy ra quá trình:
- Quá trình phân hủy nhiệt tạo khí gas và cặn cacbon: Vỏ trấu bị phân hủy nhiệt sinh ra khí gas, tức là từ các chất hữu cơ phức tạp tạo thành các chất đơn giản như: CH4 , CO2 , H2- , Thông qua quá trình kiểm soát chế độ cấp khí và diễn biến nhiệt độ bên ngoài khoang chứa vật liệu sẽ đánh giá được giai đoạn: sấy, khí hóa và đốt cặn trong buồng nhiệt phân
phân kết thúc, sẽ hình thành tro và cặn cacbon, do vậy người ta gọi giai đoạn này là cacbon hóa
Tại buồng thứ 3
Trong khoang cuối cùng chứa vật liệu này có thêm dòng khí bốc có mang nhiệt từ khoang trước đưa sang Giai đoạn này khí gas bốc lên giảm dần, nhiệt độ trong lớp vật liệu từ khoang trước đưa sang
Giai đoạn cuối mẻ nhiệt phân, nhiệt độ buồng này duy trì ở 2800C - 3000C Tốc độ quay của thân lò: 10-15 vòng/phút
Thời gian cho quá trình nhiệt phân (kể từ lúc cho vào đến lúc ra sản phẩm) là 25-30 phút
Trang 332.3.2 Thí nghiệm nghiên cứu khả năng hấp phụ của than trấu bằng phương pháp gián đoạn theo mẻ
Quá trình thực nghiệm được tiến hành nhằm đánh giá khả năng hấp phụ màu
và COD trong dung dịch nước thải dệt nhuộm tự pha của than trấu thông qua việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ: pH, thời gian, lượng chất hấp phụ (tỷ lệ rắn/lỏng), nồng độ chất ô nhiễm
Sản phẩm than trấu thu được sau quá trình nhiệt phân được rửa qua nước cất 2
các bình tam giác dung tích 250ml có nút nhám, đưa vào mỗi bình 50ml dung dịch nước thải Hỗn hợp dung dịch và vật liệu được đặt trong máy lắc ổn nhiệt, duy trì
với các thực nghiệm pH của dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch NaOH và
H2SO4 loãng Xác định các yêu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý màu và COD trong dung dịch Tách 2 pha bằng giấy lọc và đem đi so màu, phân tích COD
Các mẫu trắng được tiến hành song song với mẫu thực để kiểm tra Mẫu lặp cũng như mẫu chuẩn được sử dụng để đánh giá sai số