Chất thải Tỷ lệ thành phần % Hiệu suất thu hồi sản phẩm Hiệu suất thu hồi cacbon Nhiệt trị của sản phẩm Hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng Hơi nƣớc cacbon tro Gỗ thông tƣơi 24,7 72,5 2,8 40,0 29,7 29,9 66,1 Gỗ thông khô 15,8 80,6 3,6 36,8 30,4 31,2 63,6 Gỗ sồi 20,2 79,5 0,5 35,1 28,0 31,6 62,5 Lõi ngô 13,6 83,7 2,7 33,1 28,0 32 60,7 Vỏ trâu 23,8 43,2 33,0 46,1 24 19,4 57,7
Ngày nay, cơng nghệ cacbon hóa ở nhiệt độ thấp đƣợc nghiên cứu ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhua. Các vật liệu có tỷ lệ thành phần cacbon cao có thể đƣợc cacbon hóa thành những vật liệu có ích trong các hoạt động xử lý chất thải rắn bảo vệ môi trƣờng. Rác thải hữu cơ chát đƣợc trong rác thải đô thị hay các chất thải
PVC có thành phần cacbon cao đƣợc cacbon hóa ở nhiệt độ thấp tạo ra các hợp chất có độ xốp lớn, ứng dụng trong ngành công nghiệp và công nghệ xử lý nƣớc thải.
b. Công nghệ cacbon hóa bằng phương pháp áp suất cao.
Hiện nay, ngồi phƣơng pháp cacbon hóa ở nhiệt độ thấp thì phƣơng pháp cacbon hóa áp suất cao cũng đạt đƣợc những thành tích đáng kể và một cơng nghệ cacbon hóa nhanh và hiệu quả, biến sinh khối của cacbon sinh học với lƣợng có thể cân bằng giới hạn sau vài chục phút phản ứng. Công nghệ này cần lƣu ý sự chát và kiểm soát tia lửa trong khoang chứa sinh khối. Trong các thí nghiệm tiêu biểu, hệ thống nén ở 1 MPa bằng khơng khí và điện đƣợc phát cho bộ phận làm nóng ở đáy lò phản ứng. Sự cháy diễn ra sau vài phút dƣới áp suất cao và các tia lửa sẽ bắt đầu làm cho sinh khối chuyển thành cacbon sinh học. Nếu sinh khối sử dụng là lõi ngô,sản lƣợng cacbon đƣợc giữ nguyên tuân theo lý thuyết và phản ứng hoàn thành sau 20 phút [21].
Cacbon sinh học (than củi) đƣợc chế tạo ra sau hơn 38.000 năm và hiện giờ vẫn là nguồn nhiên liên có thể tái tạo quan trọng nhất đƣợc sử dụng. Tuy nhiên những cơng nghệ cacbon hóa có tính thƣơng mại thì chậm và kết quả khơng rõ rệt. Sản lƣợng đặc trƣng của sản xuất than củi từ gỗ cứng của lị Missouri có chu trình 7-12 ngày khoảng 25% trọng lƣợng [21]. Những cơng nghệ cacbon hóa kém hiệu quả hơn đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nƣớc và nó cũng là nguyên nhân hàng đầu cho nạn phá rừng ở nhiều quốc gia nhiệt đới. Ngồi ra chu trình sản xuất nhiên liệu than củi phát thải khí nhà kính nhiều nhất.
Theo báo cáo Viện năng lƣợng tự nhiên Hawai, Đại học Hawai của nhóm tác giả Kazuhiro Mochizuki, LloydS. Paredes và Michael J. Antal, Jr năm 2002 [34], sinh khối đƣợc đựng trong hộp hình trụ nhỏ và đƣa vào khoang cacbon hóa có áp suất khơng khí cao lên tới 1,1 MPa. Hệ thống lị có 2 bộ phận làm nóng ở đáy của khoang cacbon hóa. Sự cháy bắt đầu sau vài phút và bộ phận làm nóng đƣợc tắt đi. Sau đó, khơng khí đi vào nồi hơi và các tia lửa bắn ra và chuyển sinh khối thành cacbon. Khi khơng khí đã cung cấp đủ cho q trình cacbon hóa thì sẽ tạm ngừng dịng khí, khoang cacbon hóa sẽ giảm áp suất và để nguội.
Lõi ngơ là nhiên liệu tốt cho q trình cacbon hóa, tại áp suất 1,2 MPa sự cháy xảy ra sau 2 phút làm nóng và dịng khí thổi dừng lại sau 18 phút. Với công nghệ này sản lƣợng cacbon cố định đạt 100% sản lƣợng tại giới hạn cân bằng nhiệt hóa học. Kết quả đạt đƣợc sự cải tiến to lớn so với công nghệ cũ. Giống nhƣ lõi ngơ, vỏ trấu cháy dễ dàng trong khơng khí ở áp suất cao nhƣng sự lƣu thơng nhiệt và khí thì bị hạn chế. Với đặc tính đó, sản lƣợng cacbon hóa cố định (24%) chỉ đạt đƣợc 82% giá trị tại giới hạn thành phần cacbon hóa cố định của than thì ít thay đổi [21].
1.6.3 Tình hình nghiên cứucacbon hóa ở Việt Nam.
Rác thải đang ngày càng trở thành vấn đề bức xúc của xã hội. Với sự phát triển nhanh chóng của các đơ thị lớn nhƣ TP Hồ Chí Minh, Hà Nội và Hải phịng… thì vấn đề xử lý rác thải đơ thị lại càng trở nên bức thiết. Ở nƣớc ta, phần lớn rác thải đƣợc xử lý thô sơ bằng cách vùi lấp tại các bãi rác với nguy cơ gây ô nhiễm môi trƣờng cao, gây ra nhiều hậu quả xấu ảnh hƣởng tới sức khoẻ con ngƣời.
Có nhiều phƣơng pháp xử lý rác thải đô thị đã đƣợc nghiên cứu và áp dụng, trong đó có phƣơng pháp thiêu đốt. Phƣơng pháp này xử lý đƣợc nhiều loại chất thải (đặc biệt là các chất thải rắn khó phân huỷ nhƣ plastic, da, cao su…), tiết kiệm đƣợc diện tích cho các bãi chơn lấp. Tuy nhiên, nó lại gây tác động xấu đến mơi trƣờng khơng khí, ngồi ra chi phí cho việc xử lý khí thải của q trình thiêu đốt rất tốn kém [15, 17, 22].
Trên cơ sở thực tế đó, một phƣơng pháp xử lý mới áp dụng đối với chất thải rắn giàu cacbon bằng nhiệt phân đã bắt đầu đƣợc các nhà khoa học không chỉ ở Việt Nam mà cả trên thế giới nghiên cứu. Phƣơng pháp cacbon hố này vừa có thể xử lý đƣợc ô nhiễm của chất thải với chi phí xử lý thấp hơn, vừa tạo ra đƣợc loại sản phẩm tái chế phục vụ kinh tế xã hội nhƣ than sạch làm nhiên liệu hoặc vật liệu hấp phụ dùng trong công nghệ xử lý ô nhiễm môi trƣờng. Bản chất của phƣơng pháp là đốt các chất thải rắn cháy đƣợc trong điều kiện thiếu ơxy hoặckhơng có oxy hồn tồn.
Với những ƣu điểm vƣợt trội mà phƣơng pháp cacbon hố bằng nhiệt phân có đƣợc, trong thời gian qua, các nhà khoa học Viện Công nghệ Môi trƣờng đã tiến
hành nghiên cứu cơng nghệ cacbon hố để xử lý chất thải rắn đơ thị Hà Nội và đã có một số kết quả khả quan cho việc áp dụng vào thực tế [31,24].
Hình 1.3 Lị nung cacbon hố đặt tại Viện Công nghệ môi trường và mẫu tre khô trước cabon hoá và mẫu than.
Cụ thể, hiệu suất thu hồi đối với giấy từ 22-30% và tƣơng đối ổn định; với nhựa là 25-39%; vải tƣơng đối cao từ 60-75% ở nhiệt độ 300, 400 độ C, nhƣng giảm hẳn xuống còn 14-59% ở nhiệt độ 500 độ C; gỗ đạt từ 15,5 – 25,5%; cao su là 20 – 35% [27].
Vì sản phẩm than thu hồi đƣợc định hƣớng nhƣ là nhiên liệu đốt cho công nghiệp và vật liệu làm giá thể sinh học trong xử lý ơ nhiễm mơi trƣờng. Trong đó, để làm nhiên liệu đốt thì vật liệu khi đốt phải sinh ra nhiệt lƣợng cao và đƣợc đặc trƣng bởi thành phần TOC (tổng cacbon hữu cơ) có trong sản phẩm. Do đó, các nhà khoa học đã tiến hành phân tích các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng sản phẩm theo tiêu chí nhiệt năng thơng qua chỉ tiêu TOC và nhiệt trị.
Bảng dƣới đây trình bày kết quả đạt đƣợc nhƣ sau: