Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẪN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.6 Tổng quan về tình hình nghiên cứu công nghệ cacbon hóa trên thế giới và Việt
1.6.3 Tình hình nghiên cứu cacbon 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 đô thị lớn như TP Hồ Chí Minh, Hà Nội và Hải phòng… thì vấn đề xử lý rác thải đô thị lại càng trở nên bức thiết. Ở nước ta, phần lớn rác thải được xử lý thô sơ bằng cách vùi lấp tại các bãi rác với nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao, gây ra nhiều hậu quả xấu ảnh hưởng tới sức khoẻ con người.
Có nhiều phương pháp xử lý rác thải đô thị đã được nghiên cứu và áp dụng, trong đó có phương pháp thiêu đốt. Phương pháp này xử lý được nhiều loại chất thải (đặc biệt là các chất thải rắn khó phân huỷ như plastic, da, cao su…), tiết kiệm được diện tích cho các bãi chôn lấp. Tuy nhiên, nó lại gây tác động xấu đến môi trường không khí, ngoài ra chi phí cho việc xử lý khí thải của quá trình thiêu đốt rất tốn kém [15, 17, 22].
Trên cơ sở thực tế đó, một phương pháp xử lý mới áp dụng đối với chất thải rắn giàu cacbon bằng nhiệt phân đã bắt đầu được các nhà khoa học không chỉ ở Việt Nam mà cả trên thế giới nghiên cứu. Phương pháp cacbon hoá này vừa có thể xử lý được ô nhiễm của chất thải với chi phí xử lý thấp hơn, vừa tạo ra được loại sản phẩm tái chế phục vụ kinh tế xã hội như than sạch làm nhiên liệu hoặc vật liệu hấp phụ dùng trong công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường. Bản chất của phương pháp là đốt các chất thải rắn cháy được trong điều kiện thiếu ôxy hoặckhông có oxy hoàn toàn.
Với những ưu điểm vượt trội mà phương pháp cacbon hoá bằng nhiệt phân có được, trong thời gian qua, các nhà khoa học Viện Công nghệ Môi trường đã tiến
33
hành nghiên cứu công nghệ cacbon hoá để xử lý chất thải rắn đô thị Hà Nội và đã có một số kết quả khả quan cho việc áp dụng vào thực tế [31,24].
Hình 1.3 Lò nung cacbon hoá 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 tương đối ổn định; với nhựa là 25-39%; vải tương đối cao từ 60-75% ở nhiệt độ 300, 400 độ C, nhưng 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 được định hướng như là nhiên liệu đốt cho công nghiệp và vật liệu làm giá thể sinh học trong xử lý ô nhiễm môi trường. Trong đó, để làm nhiên liệu đốt thì vật liệu khi đốt phải sinh ra nhiệt lượng cao và được đặc trưng 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 lượng sản phẩm theo tiêu chí nhiệt năng thông qua chỉ tiêu TOC và nhiệt trị.
Bảng dưới đây trình bày kết quả đạt được như sau:
Bảng 1.5 TOC của than carbon hóa từ các vật liệu khác nhau [23]
TT Vật liệu TOC, %
1 Tre 86,77
2 Gỗ 88,82
3 Giấy 52,81
4 Da 57,58
34
5 Lõi ngô 79,35
6 Trấu 68,15
Kết quả cho thấy TOC của các sản phẩm tương đối cao từ 80-90% như của tre, gỗ và lõi ngô. Điều này chứng minh cho triển vọng ứng dụng công nghệ cacbon hoá chất thải thành sản phẩm than dùng như nhiên liệu siêu sạch.
Bên cạnh đó, chỉ tiêu về vật liệu làm giá thể sinh học để xử lý ô nhiễm môi trường cũng được các nhà khoa học nghiên cứu, đánh giá thông qua chỉ tiêu kích thước mao quản và diện tích bề mặt riêng. Các hình ảnh SEM dưới đây cho thấy các sản phẩm than từ nguyên liệu gỗ, tre rất phù hợp để làm vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường vì kích thước mao quản và diện tích bề mặt rất phù hợp (10-150 micromet) [38].
Hình 1.4 ảnh SEM của than cacbon hoá các thành phần chất thải: a) gỗ; b) tre; c) vải; d) giấy [23]
Dưới đây là bảng tổng hợp kích thước bề mặt và diện tích của các vật liệu đã cacbon hóa
35
Bảng 1.6 Kích thước và diện tích bề mặt riêng của than cacbon hóa trên các vật liệu khác nhau [23]
Vật liệu cacbon hóa Kích thước mao quản Diện tích bề mặt(m2/g) Vải Kích thước rất nhỏ, phần lớn
nằm trong khoảng 1-2nm
60 – 70
Giấy Kích thước nhỏ, 1-2nm 50 – 70
Tre Kích thước nhỏ 10- 20 300 – 400
Gỗ 50 - 150 100 – 300
Theo kết quả đề tài nghiên cứu công nghệ cacbon hóa chất thải đô thị ở Việt Nam [4] khi sử dụng công nghệ cacbon hoá để xử lý chất thải ô nhiễm có nhiều ưu điểm vượt trội như chi phí xử lý thấp, lượng khí thải ít, tạo ra được sản phẩm than sạch có nhiệt trị cao làm nhiên liệu trong công nghiệp hoặc vật liệu hấp phụ dùng xử lý ô nhiễm môi trường (ví dụ: làm giá thể sinh học để xử lý nước thải dệt nhuộm tại một số nhà máy dệt trong nước). Phương pháp cacbon hoá cũng có thể dùng để xử lý rác thải nông nghiệp (rơm, rạ, chấu…), sản phẩm là tro thu được dùng làm phân bón cho cây là rất tốt [20, 23].
Các kết quả nghiên cứu trên chứng tỏ phương pháp cacbon hoá để xử lý chất thải rất có triển vọng trong tương lai. Phương pháp này được coi là một xu thế phát triển mới cho việc xử lý chất thải không chỉ ở Việt Nam mà còn cả trên thế giới.
36
C ơ 2: ĐỐ TƯỢNG VÀ P ƯƠNG P ÁP NG ÊN CỨU
2.1Đố t ợng nghiên cứu
- Xơ dừa (bao gồm chỉ xơ dừa và mụn xơ dừa), thực nghiệm áp dụng công nghệ cacbon hóa theo mô hình thiết kế của Viện Công nghệ môi trường thuộc Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam.
- Phân tích xử lý Amoni trong nước thải bệnh viện E – Hà Nội sau khi qua hệ thống xử lý sinh học hiếu khí.
2.2Dụng cụ thí nghiệm.
Bảng 2.1 Danh mục các thiết bị cần thiết cho quá trình nghiên cứu.
STT Tên dụng cụ thiết bị Mục đích
1 Tủ sấy Sấy vật liệu
2 Thiết bị khuấy Jartest Khuấy khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu bằng phương pháp hấp phụ tĩnh
3 Máy đo quang Xác định nồng độ NH4+
4 Lò nung cacbon hóa Nung vật liệu cacbon hóa
5 Máy đo pH Đo và điều chỉnh pH
6 Cân Cân vật liệu
7 Dụng cụ thủy tinh phổ biến trong phòng thí nghiệm
Tiến hành các thí nghiệm phụ trợ
Bảng 2.2 Danh mục các hóa chất cần thiết cho nghiên cứu.
STT Tên hóa chất Mục đích
1 H2SO4 Điều chỉnh pH trong nước thải
2 NaOH Điều chỉnh pH trong nước thải, giải hấp
vật liệu hấp phụ
3 KOH Xác định nồng độ amoni trong dung dịch
37
4 KI Xác định nồng độ amoni trong dung dịch
5 HgI2 Xác định nồng độ amoni trong dung dịch
6 NH4Cl Pha dung dịch amoni và điều chỉnh nồng
độ amoni trong nước thải
2.3 P ơ p áp ê ứu 2.3.1 Phương pháp tài liệu
Thu thập, xử lý và tổng hợp các tài liệu cần thiết liên quan đến đề tài như sau:
- Lượng phát thải xơ dừa tại Việt Nam - Thành phần có trong xơ dừa
- Công nghệ cacbon hóa với các vấn đề liên quan như khả năng ứng dụng của công nghệ trong thực tế, ưu nhược điểm của hệ thống.
- Tình hình nghiên cứu cacbon hóa trên thế giới và Việt Nam
- Hệ thống xử lý nước thải tại bệnh viện E, thành phần nước thải bệnh viện.
- Các phương pháp xử lý amoni trong nước thải.
- Tình hình nghiên cứu xử lý amoni trong và ngoài nước.
2.3.2 Phương pháp thực nghiệm.
2.3.2.1 Thực nghiệm chế tạo than cacbon hóa xơ dừa.
Đây là phương pháp tiến hành thí nghiệm thực tế quá trình cacbon hóa phụ phẩm nông nghiệp (xơ dừa). Qua đó tìm ra các thông số, các số liệu thực nghiệm như: thời gian, nhiệt độ, hiệu suất thu hồi sản phẩm, tối ưu nhất cho than cacbon hóa có khả năng hấp phụ amoni và độ oxi hóa lớn nhất.
a. Xác định độ ẩm của xơ dừa.
Xơ dừa được xé nhỏ, cân xác định khối lượng rồi đánh số M1: mẫu số 1; M2: mẫu số 2; M3: mẫu số 3. Sau đó cho vào lò sấy ở nhiệt độ 100oC và giữ ổn định nhiệt độ này ở trong các khoảng thời gian khác nhau thay đổi từ 10 đến 55 phút. Mỗi khoảng thời gian tiến hành thí nghiệm với 3 mẫu để xác định tỷ lệ bay hơi nước trung bình.
Mẫu sau khi sấy được cho vào bình hút ẩm trong khoảng 30 phút sau đó đem cân để
% 100 .
0 0
m m a m r
38
xác định khối lượng sau khi sấy từ đó tính được độ ẩm của vật liệu theo công thức sau:
Trong đó: a - độ ẩm (%).
m0 - khối lượng mẫu trước khi sấy (g).
mr - khối lượng mẫu sau sấy (g).
b. Xác định tỷ trọng của xơ dừa
Xơ dừa được xé nhỏ, sau đó tiến hành thí nghiệm với các khối lượng khác nhau, cho vào bình có thể tích khác sau đó đem cân để xác định tỷ trọng của xơ dừa. Tính theo công thức sau:
Trong đó b- tỷ trọng (kg/m3)
m: khối lượng mẫu (kg) V: thể tích bình (m3)
c. Xác định độ tro của vật liệu
Tiến hành thí nghiệm với 5 mẫu xơ dừa. Xơ dừa xé nhỏ. Cân xơ dừa với các khối lượng khác khối lượng tương ứng dao động khoảng 5g. Đặt mẫu xơ dừa vào đĩa sau đó cho vào lò nung tro hóa cho đến khi toàn bộ mẫu được cháy hết, cụ thể tiến hành tro hóa ở nhiệt độ 800oC trong khoảng 90 phút. Khi quá trình tro hoá kết thúc, lấy đĩa ra khỏi lò nung và làm nguội trong bình hút ẩm chân không.
Hàm lượng tro tính bằng phần trăm so với khối lượng chất thô được xác định theo công thức:
Trong đó: - Độ tro (%).
- Khối lượng xỉ tro sau khi đốt (g).
- Khối lượng chất rắn (g).
d. Khảo sát sự biến đổi nhiệt độ trong lò phản ứng và đánh giá hiệu suất thu hồi ổn định của xơ dừa trong quá trình cacbon hóa
39
Quá trình khảo sát cacbon hóa được nghiên cứu ở các dải nhiệt độ khác nhau nhằm đánh giá sự thay đổi nhiệt độ trong lò gia nhiệt.
Xơ dừa được xử lý theo mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ như sau:
Hình 2.1 Sơ đồ thực nghiệm quá trình Cacbon hóa
Quá trình Cacbon hóa được thí nghiệm trong lò cacbon hóa theo sơ đồ cấu tạo sau:
Xơ dừa khô
Xử lý sơ bộ (xé nhỏ)
Lò Cacbon hóa ở nhiệt độ từ 300-600oC
Sản phẩm
40
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị thí nghiệm
Hình 2.3 Lò nung
Thiết bị sử dụng phục vụ cho quá trình làm thí nghiệm gồm có: cốc, cân điện tử, lò sấy, lò Cacbon hóa.
Điều kiện thí nghiệm: 300oC, 400oC, 500oC, 600oC
Thời gian cacbon hóa: 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút, 60 phút
Lò điện
Nhiệt kế
MÉu Cốc đựng
mÉu Nắp cốc
41
Mô tả quá trình thí nghiệm: Xơ dừa được xé nhỏ, đem cân khối lượng trước sau đó được đưa vào lò nung kín bằng điện. Tiến hành quá trình cacbon hoá tại các nhiệt độ khác nhau theo giá trị nhiệt kế hiển thị, theo dõi quá trình cacbon hoá theo thời gian và các nhiệt độ khác nhau. Sau khi đủ thời gian cacbon hoá, tắt lò để nguội rồi lấy sản phẩm ra đem cân lại. Trong quá trình cacbon hoá lò nung được đậy nắp kín, khí nóng sinh ra từ hơi nước và các chất dễ bay hơi trong vật liệu, do áp suất bên trong lò cao hơn bên ngoài, khí nóng trong lò sẽ thoát ra ngoài, đồng thời ngăn cản sự xâm nhập ôxi vào trong lò, như vậy ôxi sẽ không tham gia vào quá trình đốt.
Trong quá trình này, áp suất của lò không được kiểm soát, áp suất hoạt động theo hoạt động tự nhiên của lò.
Sau khi đã tiến hành khảo sát quá trình thực nghiệm cacbon hóa quy mô nhỏ để lựa chọn ra loại than tối ưu tốt nhất cho quá trình xử lý amoni trong nước thải bệnh viện tiến hành thí nghiệm trên thiết bị mô hình quy mô lớn.
Chất thải được xử lý theo mô hình thực nghiệm quy mô lớn như trong sơ đồ sau:
Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị thí nghiệm pilot
Mô tả thí nghiệm:
Chất thải được cho vào thùng chứa chất thải rắn, sau đó đóng kín nắp thùng.
Nối ống thoát khí từ nắp thùng với quạt ejector. Quạt ejector có chức năng làm thoát
42
hơi ẩm và các khí bay ra từ buồng cacbon hóa. Ống khí thoát từ thùng chứa chất thải đến buồng gia nhiệt tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa từ đầu đốt nhằm xử lý khí sinh ra từ thùng cacbon hóa. Hiện tượng cháy sẽ làm tăng nhiệt độ buồng gia nhiệt, như vậy sẽ giảm chi phí nhiên liệu cho quá trình xử lý. Cửa gió làm việc theo chế độ tự động và điều khiển bằng tay: khi nhiệt độ buồng cacbon hóa còn thấp chưa đạt đến nhiệt độ cần thiết thì cửa gió làm nhiệm vụ hướng nguồn nhiệt đi từ buồng gia nhiệt xuống buồng cacbon hóa. Khi nhiệt độ đạt đến giá trị cần thiết đã đặt trước, cánh gió hướng nguồn nhiệt thoát trực tiếp ra ống khói và đầu đốt tự ngắt và lò đốt làm việc theo chế độ ủ nhiệt. Đầu đốt được điều chỉnh tự động để cháy nhiên liệu và cấp nhiệt độ cho quá trình cacbon hoá. Nhiệt độ có thể khống chế tự động bằng rơle điều khiển và van gió. Nhiệt độ thực nghiệm từ 300-500 độ C, thời gian cacbon hoá từ 10 – 60 phút.
e. Thực nghiệm hấp phụ trên thiết bị Jartest Mô hình thí nghiệm:
Hình 2.5 Mô hình và thiết bị Jartest của quá trình thí nghiệm hấp phụ Ghi chú:
I. Hộp số điều khiển II. Cánh khuấy
III. Tuabin cánh khuấy IV. Cốc 100ml thủy tinh V. Bệ đỡ
43
Mô hình Jartest là một thiết bị gồm 6 cánh quay cũng tốc độ, nhờ hộp số tốc độ quay có thể điều khiển từ 10 -120 pm. Cánh khuấy có dang turbine gồm 2 bảng phẳng nằm trong cùng một mặt phẳng đứng, được đặt trong beaker dung tích 1000ml có chia vạch đựng cùng một loại nước thải.
2.3.2.2 Thực nghiệm chế tạo vật liệu hấp phụ từ than cacbon hóa xơ dừa dạng viên Tiến hành thực nghiệm phối trộn vật liệu than cacbon hóa xơ dừa với các vật liệu khác là cát, sỏi và xi măng theo các tỷ lệ khác nhau.
- Phối trộn theo tỷ lệ 1 cát: 1 sỏi: 1 than: 2 xi măng
Với tỷ lệ này tiến hành cân vật liệu theo khối lượng như sau: cân 100g cát, 100g sỏi, 100g than cacbon hóa nghiền nhỏ và 200g xi măng. Sau đó tiến hành phối trộn vật liệu bằng cách cho thêm nước để kết dính. Sau đó nặn thành từng viên nhỏ đường kính 3-5mm và phơi khô dưới ánh nắng.
- Phối trộn theo tỷ lệ 0,5 cát: 1 sỏi: 1 than: 2 xi măng
Tiến hành cân vật liệu theo khối lượng như sau: 50g cát, 100g sỏi, 100g than cacbon hóa nghiền nhỏ, 200g xi măng. Sau đó cho thêm nước tạo độ kết dính và phối trộn vật nặn thành các viên nhỏ đường kính 3-5mm, đem phơi khô dưới ánh nắng.
- Phối trộn vật liệu theo tỷ lệ 1 cát: 1 sỏi: 1 than: 3 xi măng
Tiến hành cân vật liệu theo khối lượng như sau: 100g cát: 100g sỏi: 100g than cacbon hóa nghiền nhỏ: 300g xi măng. Sau đó cho thêm nước phối trộn vật liệu tạo thành các viên nhỏ đường kính 3-5mm và đem phơi khô dưới ánh nắng.
Sau khi nghiên cứu phối trộn với các tỷ lệ khác nhau, tiến hành đánh giá khả năng kết dính vật liệu bằng cảm quan để lựa chọn ra vật liệu hấp phụ tối ưu nhất để tiến hành nghiên cứu xử lý khả năng hấp phụ amoni trong nước thải qua hệ liên tục.
2.3.2.3 Thực nghiệm hấp phụ dạng tĩnh
Thí nghiệm được tiến hành trên thiết bị Jartest. Nhằm xác định khả năng hấp phụ amoni trong nước thải bệnh viện sau xử lý sinh học của vật liệu hấp phụ than cacbon hóa xơ dừa. Than cacbon hóa xơ dừa được nghiền nhỏ thành bột.
44
Xác định ảnh hưởng của các yếu tố như pH, thời gian hấp phụ, nồng độ amoni ban đầu, khối lượng than cacbon hóa….đến hiệu suất hấp phụ.
a) Khảo sát lựa ch n loại than tố u quá trì ấp phụ amoni trong c thải bệnh viện.
Tiến hành thí nghiệm với các mẫu than cacbon hóa đã chế tạo ở nhiệt độ 300oC, 400oC, 500oC ở các khoảng thời gian 10, 20, 30, 40, 50 phút.
Chuẩn bị cốc có thể tích 1000ml, sau đó lấy 250ml dung dịch nước thải bệnh viện sau xử lý sinh học có nồng độ NH4+ ban đầu khoảng 16- 18 mg/l, pH = 7,18.
Cân 5g than cacbon hóa mỗi loại cho vào từng cốc, tiến hành thí nghiệm trên thiết bị Jartest trong thời gian 30 phút, tốc độ 150 vòng/phút. Sau đó để lắng khoảng 30 phút, gạn phần nước trong không còn lẫn tạp chất của than cacbon hóa, sau đó lọc phần nước thải đã gạn bỏ tạp chất bằng giấy lọc và tiến hành phân tích nồng độ amoni có trong nước thải bệnh viện để xác định loại than tối ưu.
Sau khi đã chọn được loại than tối ưu tiến hành chụp ảnh SEM để đo kích thước mao quản và diện tích bề mặt riêng của vật liệu để xác định xem vật liệu có thể được dùng làm vật liệu hấp phụ NH4+
hay không.
b) P ơ p áp xá định ả ởng củ p đến khả ă xử lý amoni tr c thải bệnh viện:
Chuẩn bị 6 cốc 1000ml, sau đó lấy 250ml nước thải với nồng độ ban đầu thực tế của nước thải bệnh viện sau khi qua xử lý sinh học hiếu khí là 26,15 mg/l cho vào mỗi cốc đánh số từ 1- 6 tương ứng với các dải pH = 4, 5, 6, 7, 8, 9 . Dùng hóa chất NaOH 1M và H2SO4 2M để điều chỉnh pH. Đo pH bằng máy đo pH cầm tay.
- Tiến hành xác định sự thay đổi nồng độ NH4+trong nước thải bệnh viện sau khi điều chỉnh pH so với nồng độ amoni ban đầu của nước thải.
- Tiến hành xác định sự thay đổi của nồng độ NH4+sau khi sử dụng than cacbon hóa xơ dừa để hấp phụ amoni trong nước thải với nồng độ amoni ban đầu. Cân 2,5g than xơ dừa đã nghiền nhỏ thành bột cỡ 0,1-0,5mm cho vào 6 đĩa. Lần lượt cho than vào từng cốc chứa nước thải đã đánh số. Sau đó đặt 6 cốc vào thiết bị Jartest bật chế độ 30 phút với tốc độ 150 vòng/phút.