Xử lý rỏc luụn là vấn đề đau đầu của cỏc nhà quản lý mụi trƣờng đụ thị. Đối với cỏc đụ thị, chọn cụng nghệ xử lý rỏc nhƣ thế nào để đạt hiệu quả cao,
Trần Văn Huệ 26 Lớp CHMT K18
khụng gõy nờn những hậu quả xấu về mụi trƣờng cho tƣơng lai và ớt tốn kộm luụn là nỗi bức xỳc của cỏc nhà chức năng.
Việc tỏi chế cỏc loại chất thải, sử dụng nhƣ nguyờn liệu phụ cho cỏc ngành sản xuất, cũn cú giỏ thành cao và gõy ụ nhiễm mụi trƣờng thứ cấp. Ở nƣớc ta hiện nay, do nhiều nguyờn nhõn, phƣơng phỏp xử lý rỏc đƣợc lựa chọn nhiều nhất vẫn là chụn lấp. Việc chụn lấp chất thải gõy ra hậu quả lõu dài khú cú thể kiểm soỏt đƣợc nhƣ: ụ nhiễm nguồn nƣớc ngầm do nƣớc rỏc rũ rỉ xuống, phỏt thải khớ độc lại đũi hỏi chi phớ xử lý rất cao cho việc chống rũ rỉ và xử lý khớ thải… Đó cú nhà mỏy chế biến phõn từ rỏc thải nhƣng xem ra những sản phẩm phõn từ rỏc rất khú tiờu thụ. Cụng nghệ cacbon húa cú thể ỏp dụng đối với chất thải nụng nghiệp (trấu, lừi ngụ, xơ dừa…), lõm nghiệp, cỏc nghành chế biến gỗ. Trong khi đú nguyờn liệu cú nguồn gốc từ nụng nghiệp rẻ tiền lại rất dồi dào. Theo kết quả nghiờn cứu thực nghiệm của việc sản xuất than từ trấu. Nhiệt độ cacbon húa trấu thớch hợp từ khoảng 450oC - 520oC. Than trấu đƣợc hoạt húa hơi nƣớc trờn 700oC, với tỷ lệ hơi/than là 0,09 - 0,3 trong khoảng 1,0 - 2,0 giờ. Than hoạt tớnh trấu thu đƣợc cú bề mặt riờng 276,68 m2
/g. Do đú, lựa chọn cụng nghệ cacbon hoỏ để xử lý rỏc thải đụ thị là cụng nghệ cú tớnh khả thi cao. Tớnh ƣu việt của cụng nghệ này là vốn đầu tƣ ớt hơn so với phƣơng phỏp xử lý bằng phƣơng phỏp thiờu đốt truyền thống, an toàn với mụi trƣờng vỡ khụng cú khả năng phỏt thải khớ dioxin và furam.
Sơ đồ cụng nghệ cacbon hoỏ chất thải rắn đụ thị, nụng nghiệp đƣợc đề xuất nhƣ sau:
Trần Văn Huệ 27 Lớp CHMT K18
Hỡnh 1.4. Sơ đồ cacbon húa rỏc thải sinh hoạt đụ thị, nụng nghiệp
Mụ tả sơ đồ cụng nghệ đƣợc đề xuất: Cỏc chất thải sau khi đƣợc thu gom, tiến hành sơ chế, phõn loại và nghiền nhỏ. Sau đú cho vật liệu vào thựng chứa mẫu đƣa vào lũ cacbon hoỏ. Quỏ trỡnh sấy khụ và cacbon hoỏ chất thải xảy ra bờn trong lũ. Khớ thải sinh ra đƣợc tuần hoàn, và đốt chỏy, tạo ra nhiệt vừa tiết kiệm năng lƣợng xử lý khớ thải, hạn chế việc sinh ra cỏc khớ độc nhƣ dioxin và furam. Chất thải Sơ chế (phõn loại, nghiền…) Sấy khụ Cacbon hoỏ Sản phẩm Xử lý khớ thải Khớ sạch Nhiệt tuần hoàn
Trần Văn Huệ 28 Lớp CHMT K18
Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIấN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiờn cứu
Chất thải đụ thị thành phố Hà Nội, cỏc thành phần: tre gỗ, nhựa, giấy, cao su, vải.
Để đảm bảo cho quỏ trỡnh làm thớ nghiệm đƣợc đầy đủ và chớnh xỏc về tỷ lệ, cỏc nguồn nguyờn liệu đƣợc thu nhặt nhƣ sau:
Tre gỗ: Đƣợc lấy từ tre và mựn cƣa của quỏ trỡnh gia cụng gỗ Nhựa: Đƣợc lấy từ chai, lọ và cỏc phế thải đƣợc làm từ nhựa Giấy: Bao gồm giấy viết, bỡa caton
Cao su: Đƣợc lấy từ cỏc săm xe ụ tụ, xe mỏy và xe đạp
Vải: Lấy từ quần ỏo và một số đồ dựng khỏc từ vải đó đƣợc thải bỏ.
Thực nghiệm ỏp dụng cụng nghệ cacbon hoỏ theo mụ hỡnh thiết kế của Viện Cụng nghệ Mụi trƣờng thuộc Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam
2.2. Phƣơng phỏp nghiờn cứu
2.2.1. Phương phỏp thu thập tài liệu
Bằng phƣơng phỏp thu thập tài liệu tỏc giả đó cú những thụng tin liờn quan đến đề tài nhƣ sau:
- Lƣợng phỏt thải chất thải rắn tại đụ thị - Thành phần cú trong chất thải đụ thị
- Cụng nghệ cacbon hoỏ với cỏc vấn đề liờn quan nhƣ khả năng ứng dụng của cụng nghệ trong đời sống thực tế, cỏc ƣu- nhƣợc điểm và cỏc tỏc động đến nhu cầu của hệ thống.
- Tỡnh hỡnh nghiờn cứu cacbon hoỏ trờn Thế giới và Việt Nam
- Khi ỏp dụng cụng nghệ thiờu đốt lƣợng khớ thải ra là vấn đề nhức nhối của cỏc nhà khoa học và cỏc nhà quản lý mụi trƣờng bởi tớnh chất độc hại của nú. Vỡ thế, việc nghiờn cứu thành cụng cụng nghệ cacbon húa là rất quan trọng. Cụng nghệ này gúp phần giảm thiểu lƣợng khớ thải độc hại do cụng nghệ sử dụng ở nhiệt độ thấp nờn khụng tạo ra chất độc hại là dioxin và furan. Ngoài ra
Trần Văn Huệ 29 Lớp CHMT K18
cụng nghệ cũng cú bộ lọc xử lý làm giảm độ độc hại của cỏc khớ sinh ra trong quỏ trỡnh cacbon.
2.2.2. Phương phỏp thực nghiệm
Đõy là phƣơng phỏp tiến hành thớ nghiệm thực tế quỏ trỡnh cacbon hoỏ cỏc loại chất thải rắn khú phõn huỷ. Qua đú tỡm ra cỏc thụng số, cỏc số liệu thực nghiệm nhƣ: thời gian, nhiệt độ, hiệu suất thu hồi sản phẩm, hiệu suất thu hồi cacbon hữu cơ tối ƣu nhất, để việc xỏc định khả năng ỏp dụng cụng nghệ vào việc xử lý chất thải rắn.
Cỏc loại chất thải đƣợc dựng cho quỏ trỡnh thớ nghiệm là: gỗ, nhựa, giấy, cao su, và vải. Khối lƣợng tiến hành thớ nghiệm với cỏc loại mẫu 2 - 8g. Quỏ trỡnh cacbon hoỏ đƣợc tiến hành trờn thiết bị do Viện Cụng nghệ Mụi trƣờng thuộc Viện Khoa học và Cụng nghệ Việt Nam chế tạo.
Trƣớc khi xử lý cỏc loại chất thải đều đƣợc phõn loại. Cỏc thành phần cú khả năng cacbon hoỏ sẽ đƣợc đem nghiền nhỏ rồi đƣa vào lũ cacbon hoỏ để thu đƣợc sản phẩm cuối cựng là “Than sạch”.
Quỏ trỡnh xử lý đƣợc thể hiện qua sơ đồ sau:
Hỡnh 2.1. Sơ đồ thực nghiệm quỏ trỡnh cacbon hoỏ.
Chất thải đụ thị Phõn loại Xử lý sơ bộ (nghiền) Lũ cacbon hoỏ Sản phẩm
Trần Văn Huệ 30 Lớp CHMT K18
Hỡnh 2.2. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị thớ nghiệm.
Mụ tả quỏ trỡnh thớ nghiệm: Chất thải đƣợc đƣa vào một cốc sứ chịu nhiệt, sau đú đậy nắp kớn và đƣa vào lũ nung kớn bằng điện. Tiến hành quỏ trỡnh cacbon hoỏ tại cỏc nhiệt độ khỏc nhau theo giỏ trị nhiệt kế hiển thị, theo dừi quỏ trỡnh cacbon hoỏ theo thời gian và nhiệt độ. Sau khi đủ thời gian cacbon hoỏ, đƣa cốc chứa mẫu ra khỏi lũ, giữ nguyờn nắp đậy, để nguội tự nhiờn cho vào lọ chứa mẫu.
Trong quỏ trỡnh cacbon hoỏ lũ nung đƣợc đậy nắp kớn, khớ núng sinh ra từ hơi nƣớc và cỏc chất dễ bay hơi trong vật liệu, do ỏp suất bờn trong lũ cao hơn bờn ngoài, khớ núng trong lũ sẽ thoỏt ra ngoài, đồng thời ngăn cản sự xõm nhập ụxi vào trong lũ, nhƣ vậy ụxi sẽ khụng tham gia vào quỏ trỡnh đốt. Trong quỏ trỡnh này, ỏp suất của lũ khụng đƣợc kiểm soỏt, ỏp suất hoạt động theo hoạt động tự nhiờn của lũ.
2.3.3. Phương phỏp phõn tớch, tớnh toỏn
Là phƣơng phỏp dựng để phõn tớch, xử lý cỏc kết quả đo đƣợc, nhằm xỏc định cỏc thụng số phục vụ cho mục đớch nghiờn cứu của đề tài.
Cỏch tớnh giỏ trị: Độ ẩm, hiệu suất thu hồi sản phẩm và nhiệt trị
a. Tớnh độ ẩm w = 100% 0 0 m m m r Lũ điện Nhiệt kế Nắp cốc Cốc đựng chất thải Chất thải
Trần Văn Huệ 31 Lớp CHMT K18
Trong đú: w: là độ ẩm, %.
m0: là khối lƣợng chất thải rắn trƣớc khi sấy, g. mr: là khối lƣợng chất thải rắn sau khi sấy, g.
b. Tớnh hiệu suất thu hồi sản phẩm
XA = 100% 0
m mT
Trong đú: xA: là hiệu suất thu hồi sản phẩm, %
m0: khối lƣợng chất thải rắn trƣớc khi cacbon hoỏ, g mT: khối lƣợng sản phẩm sau khi cacbon hoỏ, g
c. Tớnh hàm lƣợng cacbon hữu cơ
Để xỏc định hàm lƣợng cacbon hữu cơ trong sản phẩm thu đƣợc ta xỏc định bằng cỏch đo TOC của sản phảm. Kết quả TOC đƣợc xỏc định nhƣ sau:
Áp dụng phƣơng phỏp đo TOC bằng bộ đo mẫu rắn SSM - 5000A. Khi bộ SSM - 5000A đƣợc kết nối với mỏy chớnh TOC - Vcph của hóng Shimadzu - Nhật Bản sẽ giỳp ta đo đƣợc tổng cacbon hữu cơ cú trong mẫu.
Do thành phần IC trong mẫu khụng quỏ lớn so với thành phần TOC nờn tỏc giả đó ỏp dụng theo phƣơng phỏp đo nhƣ sau:
mTOC = mTC - mIC
Trong đú: mTOC: là khối lƣợng cacbon hữu cơ, mg mTC: là khối lƣợng cacbon tổng, mg mIC: là khối lƣợng cỏc chất cặn vụ cơ, mg
Khi đo với cựng một mẫu ta phải chuẩn bị 2 mẫu cú khối lƣợng giống nhau, một mẫu đem đo để thu kết quả TC, cũn mẫu kia đem đo để thu kết quả IC, sau đú lấy kết quả TC trừ đi kết quả IC ta sẽ đƣợc kết quả TOC.
Cỏc thụng số trƣớc khi đo là:
- Lƣợng mẫu lấy đo: Với mỗi mẫu là 10 (mg)
Trần Văn Huệ 32 Lớp CHMT K18
- Đo trong mụi trƣờng: Khớ
- Tốc độ tăng nhiệt: 200
C/phỳt
- Nhiệt độ cao nhất: 9000 C
- Hoỏ chất dựng đo IC: Dung dịch axit HCl
Thiết bị sử dụng phục vụ cho quỏ trỡnh làm thớ nghiệm gồm cú: Mỏy sấy, lũ cacbon hoỏ, bộ đo mẫu rắn SSM, mỏy TOC - Vcph.
d. Tớnh tỷ lệ thành phần cacbon hữu cơ trong sản phẩm
YTOC = 100%
T TOC
m m
Trong đú: YTOC: là tỷ lệ thành phần cacbon hữu cơ, % mTOC: là khối lƣợng cacbon hữu cơ, mg mT: là khối lƣợng mẫu trƣớc khi đo, mg
e. Tớnh hiệu suất thu hồi cacbon hữu cơ.
XTOC = XA.YTOC
Trong đú: XTOC: là hiệu suất thu hồi cacbon hữu cơ (%) XA: là hiệu suất thu hồi sản phẩm (%)
YTOC: là tỷ lệ thành phần cacbon hữu cơ trong sản phẩm (%)
f. Tớnh nhiệt trị.
Qd = 339Cd + 1256 Hd – 108(Od – Sd) – 25,1(Wd + Hd) Trong đú: Qd: là nhiệt trị của chất thải rắn, kJ/kg
Cd, Hd, Od, Sd: là cỏc thành phần chỏy, % Wd: là độ ẩm, %
Mỏy đo nhiệt trị là AC 500 - Leco, USA
2.3.4. Phương phỏp xử lý số liệu
- Phõn tớch, tổng hợp, xử lý số liệu…xỏc định đƣợc hiệu suất thu hồi của từng loại vật liệu: Gỗ, giấy, da, nhựa, cao su, vải.
Trần Văn Huệ 33 Lớp CHMT K18
- Lập biểu đồ biểu diễn sự ảnh hƣởng của cỏc thụng số cụng nghệ nhƣ: thời gian lƣu nhiệt khỏc nhau (10 phỳt, 20 phỳt, 30 phỳt, 40 phỳt, 50 phỳt), nhiệt độ khỏc nhau (ở 300o
C, 400oC, 500oC) đến hiệu suất thu hồi sản phẩm, nhiệt trị của sản phẩm
Trần Văn Huệ 34 Lớp CHMT K18
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Cỏc loại chất thải ở Việt Nam đƣợc thải ra với cỏc thành phần rất đa dạng, phong phỳ và hầu nhƣ chƣa phõn loại.Vỡ vậy, ỏp dụng cụng nghệ cacbon húa vào việc xử lý cỏc thành phần hữu cơ chậm phõn hủy trong rỏc thải sẽ gúp phần xử lý rỏc thải sinh hoạt hiệu quả hơn.
Tỏc giả đó tiến hành thực nghiệm cacbon húa mẫu gỗ, vải, nhựa, cao su và hỗn hợp chất thải trong khoảng nhiệt độ 3000
C - 5000C với thời gian lƣu nhiệt 10-50 phỳt, đề tài đó thu đƣợc những kết quả nhất định trong việc xử lý chất thải thành than nhiờn liệu. Dƣới đõy là những kết quả chi tiết đó thu đƣợc.
3.1. Khảo sỏt sự biến động của nhiệt độ của buồng cacbon hoỏ
Sự thay đổi nhiệt độ trong buồng cacbon hoỏ ở cỏc khoảng nhiệt độ là T = 3000C, T = 4000C và T = 5000C với cỏc thời gian lƣu nhiệt là t = 10 phỳt, t = 20 phỳt, t = 30 phỳt, t = 40 phỳt, t = 50 phỳt.
Bảng 3.1. Sự thay đổi nhiệt độ trong buồng cacbon hoỏ
TT Thời gian (phỳt) T = 3000C T = 4000C T = 5000C 1 5 70 70 80 2 10 200 230 250 3 15 300 360 370 4 17 350 400 460 5 20 340 430 500 6 25 320 420 530 7 30 310 410 500 8 35 300 400 520 9 40 340 430 500 10 45 330 420 530 11 50 320 410 510 12 55 310 400 500 13 60 300 410 520
Trần Văn Huệ 35 Lớp CHMT K18 0 100 200 300 400 500 600 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Thời gian (phút) N h iệ t đ ộ ( o C )
Nhiệt độ 300 (oC) Nhiệt độ 400 (oC) Nhiệt độ 500 (oC)
Hỡnh 3.1. Biểu đồ biểu diễn nhiệt độ của lũ cacbon hoỏ
Qua số liệu thể hiện sự thay đổi nhiệt độ của buồng cacbon hoỏ, ta thấy: - Từ khi bắt đầu tiến hành khởi động lũ đến khi đạt đƣợc khoảng nhiệt độ và thời gian thớch hợp cho quỏ trỡnh cacbon hoỏ thỡ nhiệt độ trong buồng cacbon hoỏ tăng lờn rất nhanh. Sau thời gian t = 13 phỳt đó đến nhiệt độ T = 3000
C, t = 17 phỳt thỡ T = 4000C và chỉ sau thời gian t = 20 phỳt nhiệt độ bờn trong lũ cacbon đó là T = 5000C.
- Sau đú, trong quỏ trỡnh cacbon hoỏ ở cỏc thời gian lƣu nhiệt khỏc nhau (10 phỳt, 20 phỳt, 30 phỳt, 40 phỳt và 50 phỳt) thỡ nhiệt độ trong buồng cacbon hoỏ giảm dần đều và cú tăng thỡ cũng chỉ tăng rất chậm. Trong khoảng t = 5 phỳt cũng chỉ tăng 100
C - 200C.
3.2. Khảo sỏt đụ ẩm của vật liệu thớ nghiệm
Độ ẩm (tỷ lệ hơi nƣớc) cú trong vật liệu dựng cho quỏ trỡnh cacbon húa, ảnh hƣởng đến quỏ trỡnh cacbon hoỏ, do vậy cần đỏnh giỏ mức độ ảnh hƣởng của độ ẩm đến quỏ trỡnh cacbon hoỏ, độ ẩm đƣợc tớnh sau khi sấy. Dƣới đõy là bảng số liệu thể hiện tỷ lệ nƣớc đó bay hơi trong quỏ trỡnh sấy cỏc vật liệu thớ nghiệm: gỗ, giấy, cao su, nhựa, vải ở nhiệt độ 1000
Trần Văn Huệ 36 Lớp CHMT K18
Khối lƣợng của cỏc vật liệu thớ nghiệm là 2g. Thời gian sấy là từ 10 phỳt đến 60 phỳt
Bảng 3.2. Kết quả xỏc định độ ẩm của vật liệu thớ nghiệm ở nhiệt độ 1000
C Đơn vị tớnh: % Thời gian (phỳt) 10 20 30 40 50 60 Tre, gỗ 6,42 7,57 8,08 8,15 8,25 8,26 Vải 1,80 1,82 1,88 1,97 2,23 2,23 Giấy 6,63 7,75 7,93 8,30 8,33 8,33 Cao su 0,97 1,08 1,18 1,35 1,47 1,48 Nhựa 0,87 0,89 1,02 1,08 1,10 1,12
Hỡnh 3.2. Biểu đồ biểu diễn nhiệt độ của lũ cacbon hoỏ
Nhỡn vào cỏc đồ thị biểu diễn tỷ lệ bay hơi nƣớc của cỏc vật liệu thớ nghiệm,ta thấy:
- Trong khoảng 10 - 30 phỳt đầu của quỏ trỡnh sấy đối với cỏc loại vật liệu trừ nhựa thỡ lƣợng nƣớc bay hơi chậm, khối lƣợng mẫu khụng thay đổi nhiều nờn đồ thị lƣợng hơi nƣớc trong giai đoạn này đi lờn theo chiều tăng khụng đỏng kể.
Trần Văn Huệ 37 Lớp CHMT K18
- Trong khoảng 40 - 60 phỳt sau đối với cỏc vật liệu thớ nghiệm trừ nhựa thỡ đƣờng biểu diễn tăng nhanh và đến khi sự thay đổi khối lƣợng hơi nƣớc trong cỏc mẫu thay đổi khụng đỏng kể thỡ quỏ trỡnh coi nhƣ hoàn thành. Từ đú, ta tớnh đƣợc lƣợng ẩm trong mẫu và đú chớnh là lƣợng hơi nƣớc đó bay hơi.
- Trong cỏc vật liệu thớ nghiệm, nhựa cú tỷ lệ bay hơi nƣớc thấp nhất và tre gỗ cú tỷ lệ bay hơi nƣớc lớn nhất.
3.3. Kết quả của quỏ trỡnh cacbon hoỏ
3.3.1. Kết quả của quỏ trỡnh cacbon hoỏ tre gỗ
Thớ nghiệm đƣợc tiến hành với tre gỗ thải. Khối lƣợng mẫu tre gỗ từ 1 - 3g. Nhiệt độ cacbonhoỏ ở 3000
C, 4000C và 5000C. Thời gian lƣu 10 phỳt, 20 phỳt, 30 phỳt, 40 phỳt, 50 phỳt.
Sản phẩm cacbon hoỏ của tre, gỗ đƣợc đem đo TOC với khối lƣợng mẫu lấy là 10mg.
a. Cacbon hoỏ tre gỗ tại T = 3000C
Bảng 3.3. Hiệu suất thu hồi cacbon hoỏ tre gỗ tại T = 3000
C
STT
Thời gian cacbon hoỏ
(phỳt)
Hiệu suất thu hồi sản phẩm
(%)
Tỷ lệ thành phần cacbon
hữu cơ (%)
Hiệu suất thu hồi cacbon hữu
cơ (%) 1 10 61,97 42,34 26,23 2 20 43,50 45,50 19,79 3 30 40,43 56,12 22,69 4 40 42,29 64,21 27,15 5 50 28,33 46,61 13,21 Trung bỡnh 43,30 50,96 21,82
Trần Văn Huệ 38 Lớp CHMT K18
Hỡnh 3.3. Đồ thị biểu diễn quỏ trỡnh cacbon hoỏ của tre gỗ tại T = 3000C thay đổi theo thời gian
Từ hỡnh 3.3 và bảng 3.3 cho thấy:
Hiệu suất thu hồi sản phẩm và hiệu suất thu hồi cacbon hữu cơ giảm dần theo thời gian. Tuy nhiờn, tỷ lệ thành phần cacbon hữu cơ trong sản phẩm thu