Nhiệt độ là yếu tốảnh hưởng rất lớn đến quá trình than hóa và chất lượng than tạo thành. Để khảo sát sựảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ và xác định khoảng nhiệt
độ tối ưu cho quá trình than hóa để đạt được độ hấp phụ CO2 tối ưu ta tiến hành than hóa các phân khúc Tre Gai : phần gốc (TG), phần giữa (TT), phần ngọn (TN) tạo than Tre tại các nhiệt độ 500oC, 600oC, 700oC, 800oC, 900oC, 1000oC. Mẫu than
thu được xác định độ hấp phụ CO2 và CH4ở 25oC.
2.1.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của phân khúc Tre
Trên cùng một cây Tre thì mỗi phân khúc có thành phần, đặc tính gỗ khác nhau [12],[15], điều này có thểảnh hưởng đến chất lượng than và khảnăng hấp phụ
chọn lọc CO2 do vậy ta tiến hành khảo sát riêng biệt từng phân khúc Tre. Thí nghiệm này được tiến hành trên Tre Gai chia làm ba phân khúc để khảo sát:
Phần gốc : từ gốc lên khoảng 3m Phần thân: 3m phần giữa cây
38 Phần ngọn: 3m phần ngọn.
2.1.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của loài
Các loài Tre khác nhau thì có sự khác nhau về đặc tính gỗ cũng như các thành
phần lignin, cellulose, hemicellulose… do vậy có thể sự hấp phụ chọn lọc CO2 của mỗi loài sẽ khác nhau. Để tìm hiểu vấn đề này ta tiến hành than hóa tạo than Tre của một số loài khác nhau và khảo sát độ hấp phụ CO2, CH4 ở 25oC của các mẫu than Tre. Trong đề tài này chỉ giới hạn khảo sát ba loài Tre phổ biến ở Việt Nam:
Tre Gai (Bambusa Stenostachya Hackel) Tre Là Ngà (Bambusa Sinospinosa)
Tre Vàng Sọc (Bambusa Multiplex Alphonsokarii)
2.2. Nguyên vật liệu
Tre trưởng thành được lấy từ nhiều nguồn khác nhau:
Tre Gai (Bambusa Stenostachya): Huyện Đức Hòa, Tỉnh Long An
Tre Vàng Sọc (Bambusa Multiplex Alphonsokarii): Huyện Đức Hòa, Tỉnh Long An
Tre Là Ngà (Bambusa Sinospinosa): Huyện Tư Nghĩa, Tỉnh Quảng Ngãi
Tre sau khi được lấy về tiến hành sấy tự nhiên trong một khoảng thời gian xác
định, đảm bảo độ ẩm giữa các mẫu tương đối giống nhau trong quá trình thí nghiệm. 2.3. Dụng cụ thí nghiệm Lò than hóa Tủ sấy Cân phân tích 4 số Hệ thống bình khí Argon
39 Becher
Một vài thiết bịcơ khí khác
Hình 2.1 : Thiết bị than hóa.
Hình 2.2: Tủ sấy.
40
2.4. Trình tự thí nghiệm
Sơ đồ quy trình than hóa và đo hấp phụ:
Hình 2.4: Quy trình thực nghiệm
2.4.1. Mô tả quy trình thí nghiệm
Mẫu Tre sau khi đã được xửlý, chúng được chia thành những thanh mỏng có
kích thước: dài khoảng 250mm, bề dày khoảng 2-3mm, bề rộng của thanh khoảng 7-10mm.
Xác định khối lượng của nguyên liệu trước khi tiến hành than hoá.
Tiến hành than hoá Tre theo dãy nhiệt độ: 500oC, 600oC, 700oC, 800oC, 900oC, 1000oC. Quá trình than hoá được tiến hành trong lò điện với tốc độ gia nhiệt 10oC/phút, lưu lượng dòng khí Argon sử dụng trong những thí nghiệm này là 50l/h, nhằm đuổi oxy không khí tồn tại sẵn có trong thiết bị khi đặt mẫu trước khi tiến
hành than hoá, đồng thời với lưu lượng dòng khí này sẽ giúp cho chất bốc thoát ra trong quá trình than hoá nhanh hơn. Sau khi quá trình gia nhiệt đạt được nhiệt độ như mong muốn, chúng ta tiến hành duy trì nhiệt đó trong khoảng thời gian 2h.
41
Ngay khi kết thúc thời gian lưu nhiệt, ngừng cung cấp dòng khí Argon vào trong lò than hoá, mẫu được để làm nguội tự nhiên về nhiệt độ phòng .
Xác định khối lượng than thu được khi kết thúc quá trình than hóa.
Than thu được từ quá trình than hoá, được tiến hành đo độ hấp phụ CO2, CH4.
Hình 2.5: Mô hình thiết bị than hóa
2.4.2. Đo độ hấp phụ CO2, CH4
Mẫu than được tiến hành đo độ hấp phụ CO2, CH4 tại phòng thí nghiệm của Viện Khoa học Công nghiệp trường Đại học Tokyo, Nhật Bản. Mẫu được tiến hành
đo độ hấp phụở 25oC, theo phương pháp trọng lượng cho đến khi quá trình đạt cân bằng.
Quá trình đo độ hấp phụ của than Tre được tiến hành qua 7 bước theo mô hình thí nghiệm sau:
Bước 1: Xử lý mẫu (khối lượng đối trọng là 60mg) trong điều kiện áp suất chân không (khoảng 1h xem như điều kiện gần chân không tuyệt đối khoảng 0.001mmHg).
Bước 2: Tiến hành chỉnh “0” mẫu đối trọng làm mốc trọng lượng để làm chuẩn xác định giá trị của mẫu than (chỉnh “0” ở áp suất 0.001mmHg)
42
Bước 3: Tiến hành cấp dòng khí CO2 (CH4) vào ống chứa mẫu tương ứng
ở các giá trị áp suất khác nhau, để xác định sự giảm khối lượng của mẫu khi áp suất dòng khí tăng dần (nguyên nhân chính là do áp lực của dòng khí dội lại từđáy bình, làm khối lượng của mẫu giảm) Bước này chỉ cần tiến hành 1 lần và lấy giá trịđể hiệu chỉnh khi tiến hành thí nghiệm cho các mẫu tương tự.
Hình 2.6: Mô hình thiết bị đo độ hấp phụ của than
Bước 4: Tiến hành đặt mẫu than vào trong cốc chứa mẫu và đưa vào ống chứa mẫu.
Bước 5: Xử lý mẫu than trong điều kiện chân không (khoảng 1h xem
43
Bước 6: Xác định khối lượng của mẫu than (so với mức “0” khi hiệu chỉnh mẫu đối trọng)
Bước 7: Cấp dòng khí CO2 (CH4) vào ống chứa mẫu tương ứng với các giá trị áp suất khác nhau. Ứng với mỗi giá trị áp suất, ta đợi cho quá trình hấp phụ cân bằng (khối lượng của mẫu không đổi) Xác định khối lượng của CO2 (CH4) bị hấp phụ. Lặp lại quá trình cho đến khi áp suất đạt khoảng 1atm.
44
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khảo sát sựảnh hưởng của nhiệt độ3.1.1. Kết quả quá trình than hóa Tre Gai 3.1.1. Kết quả quá trình than hóa Tre Gai
Bảng 3.1: Khối lượng của mẫu trước và sau khi than hóa
Nhiệt độ (oC) Phần gốc (TG) Phần giữa (TT) Phần ngọn (TN) Mđ (g) Ms (g) Mđ (g) Ms (g) Mđ (g) Ms (g) 500 81.5 13.5 94.50 20.71 108.50 20.76 600 79.5 15.0 102.30 22.97 88.13 17.95 700 79.0 16.0 83.90 19.80 99.68 20.54 800 77.0 16.5 99.31 23.75 98.82 20.82 900 71.5 16.0 101.37 26.37 113.20 24.00 1000 78.5 18.0 95.30 25.46 106.35 23.90
Ghi chú: Mđ: khối lượng nguyên liệu Ms: khối lượng than
Hình 3.1: Biến thiên lượng than của từng phân khúc Tre Gai theo nhiệt độ than hóa
0.16 0.20 0.24 0.28 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Khối lượng (g/g) nhiệt độ(oC) TG TT TN
45
Trong hình 3.1, lượng than tạo thành tính trên 1g nguyên liệu được tính theo công thức: =
đ
(g/g). Dựa vào đồ thị, ta nhận thấy lượng than sinh ra cao nhất khi nhiệt phân ở 500oC và sau đó giảm dần khi tăng nhiệt độ quá trình nhiệt phân. Bởi vì khi nhiệt độ than hoá càng cao thì lượng chất bốc có trong vật liệu thoát ra càng nhiều, nghĩa là nhiệt độ càng cao lượng sản phẩm lỏng và sản phẩm khí thu được càng nhiều. Trong Tre có những thành phần: cellulose, hemicellulose và lignin,
trong đó lignin có cấu trúc ổn định, nên khi nhiệt độ không cao thì cấu trúc lignin
chưa bị phá vỡ hoàn toàn.
Mặt khác, trong quá trình than hoá, ở nhiệt độ thấp khoảng (500oC–700oC), trong than vẫn còn một ít nhựa Tre nặng chưa phản ứng.
Tre CO2 + CO + H2O + Nhựa Tre nặng + Nhựa Tre nhẹ + Than
Khi nhiệt độtăng lên thì nhựa nặng còn tồn tại trong than sẽ tiếp tục phản ứng tạo ra nhiều khí CO và nhựa Tre nhẹ (phần chính của sản phẩm lỏng)
Nhựa Tre nặng CO +H2 + H2O + CH4 + C2H4 + CxHy + Nhựa Tre nhẹ [12]
3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hấp phụ CO2 của than Tre Gai 3.1.2.1. Tre gốc (TG) 3.1.2.1. Tre gốc (TG)
Hình 3.2: Độ hấp phụ CO2 ở 25oC của than phần gốc Tre Gai
0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 q (ml/g) P/P0 CO2-TG-500 CO2-TG-600 CO2-TG-700 CO2-TG-800 CO2-TG-900 CO2-TG-1000
46
Theo hình 3.2: than TG1000 tạo ra bằng cách than hóa Tre Gai phần gốc ở
1000oC hấp phụlượng khí CO2 thấp nhất, các mẫu than TG700, TG800, TG900 hấp phụlượng khí CO2 cao nhất và lượng hấp phụtương đương nhau 43ml/g ở áp suất khoảng 800mmHg .
3.1.2.2. Tre thân (TT)
Hình 3.3: Độ hấp phụ CO2 ở 25oC của than phần thân Tre Gai
Theo hình 3.3: giống như phần gốc (TG), khả năng hấp phụ CO2 của than
TT1000 thu được khi tiến hành than hoá ở 1000oC cũng thấp nhất so với các mẫu
Tre được than hoá ở các nhiệt độ khác. Tuy nhiên có sự khác biệt với TG, ở TT khả năng hấp phụ CO2 được chia thành ba vùng riêng biệt. Khả năng hấp phụ CO2 của hai mẫu TT700 và TT800 tốt hơn các mẫu khác, và đạt giá trị khoảng 43ml/g tương ứng áp suất khoảng 800mmHg.
3.1.2.3. Tre ngọn (TN)
Kết quảở hình 3.4 cho thấy, khả năng hấp phụ CO2 của than thu được từ quá trình than hoá Tre phần ngọn ở 1000oC khá thấp so với các mẫu than khác. Các mẫu than còn lại có khả năng hấp phụ CO2 gần bằng nhau, đạt giá trị khoảng 30 – 36ml/g tương ứng với áp suất khoảng 800mmHg. 0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 q (ml/g) P/P0 CO2-TT-500 CO2-TT-600 CO2-TT-700 CO2-TT-800 CO2-TT-900 CO2-TT-1000
47
Hình 3.4: Độ hấp phụ CO2 ở 25oC của than phần ngọn Tre Gai
Từ ba hình 3.2, 3.3, 3.4 cho thấy khảnăng hấp phụ CO2 của than Tre thu được từ quá trình than hoá Tre Gai phần gốc, phần giữa, phần ngọn:
Than Tre thu được từ quá trình than hoá ở 1000oC, có khả năng hấp phụ
CO2 thấp nhất so với các mẫu được than hoá ở nhiệt độ khác.
Khả năng hấp phụ CO2 của than tốt nhất khi than hoá trong khoảng nhiệt
độ 700oC, 800oC, 900oC
Mẫu than thu được từ phần gốc (TG) và phần giữa (TT) cho kết quả hấp phụ CO2 (khoảng 43ml/g) tốt hơn so với phần ngọn (TN) (khoảng 34ml/g)
3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hấp phụ CH4 của than Tre Gai
Sau khi tiến hành đo độ hấp thụ CO2 của cả ba phần than Tre (TG, TT, TN), những mẫu than thể hiện khảnăng hấp phụ CO2 tốt được đưa đi tiến hành kiểm tra khảnăng hấp phụ CH4. 0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 q (ml/g) P/P0 CO2-TN-500 CO2-TN-600 CO2-TN-700 CO2-TN-800 CO2-TN-900 CO2-TN-1000
48
3.1.3.1. Tre gốc (TG)
Hình 3.5: Độ hấp phụ CH4 ở 25oC của than phần gốc Tre Gai
Từ hình 3.5 ta có nhận xét: khi nhiệt độ than hóa tăng thì khả năng hấp phụ
CH4 của than giảm. Mẫu than TG900 hấp phụlượng khí CH4 thấp nhất (2.79ml/g) ở
áp suất khoảng 800mmHg.
3.1.3.2. Tre thân (TT)
Hình 3.6: Độ hấp phụ CH4 ở 25oC của than phần thân Tre Gai
0 5 10 15 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 q (ml/g) P/P0 CH4-TG-700 CH4-TG-800 CH4-TG-900 0 2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 q (ml/g) P/P0 CH4-TT-700 CH4-TT-800 CH4-TT-900
49
Từ hình 3.6 cho thấy kết quả hấp phụ CH4 của than thu được phần giữa tương
tựnhư phần gốc, kết quả hấp phụ CH4 của than TT900 thấp hơn nhiều so với TT700 và TT800. Khảnăng hấp phụ CH4 của 2 mẫu than TT700 và TT800 là tương đương
nhau.
3.1.3.3. Tre ngọn (TN)
Hình 3.7: Độ hấp phụ CH4 ở 25oC của than phần ngọn Tre Gai
Theo hình 3.7 khả năng hấp phụ CH4 của than thu được từ quá trình than hoá Tre phần ngọn khác với hai phần gốc và phần giữa, các mẫu than hóa ở các nhiệt độ
700oC , 800oC và 900oC hấp phụ tương đương nhau và đạt 8ml/g tương ứng áp suất khoảng 800mmHg.
Từ ba hình 3.5, 3.6, 3.7 cho thấy khả năng hấp thụ CH4 khác nhau của các mẫu than tạo ra bằng cách than hóa ở các nhiệt độ khác nhau. Khả năng hấp phụ
CH4 của mẫu than phần gốc và phần giữa (3ml/g) thấp hơn phần ngọn (8ml/g), và khi tiến hành than hoá Tre ở 900oC cho kết quả hấp phụ CH4 thấp hơn ở 800oC và 700oC. Điều này có thể dự đoán rằng, khi nhiệt độ than hoá càng tăng thì đường kính mao quản (lỗ xốp) càng giảm xuống, nên khảnăng hấp phụ CH4 càng giảm. Vì
0 2 4 6 8 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 q (ml/g) P/P0 CH4-TN-700 CH4-TN-800 CH4-TN-900
50
phân tử CH4 có cấu trúc tứ diện diện đều với kích thước phân tử xác định, khi kích
thước mao quản giảm sẽ làm cho khảnăng di chuyển vào trong mao quản của CH4
càng khó khăn hơn.
3.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hấp phụ chọn lọc của than Tre Gai 3.1.4.1. Tre gốc (TG) 3.1.4.1. Tre gốc (TG)
Hình 3.8: Độ hấp phụ chọn lọc ở 25oC của than phần gốc Tre Gai
Theo hình 3.8 ta nhận xét:
Đối với than tạo ra cùng một nhiệt độthan hóa (lưu lượng khí Argon và tốc
độ gia nhiệt như nhau) thì khảnăng hấp phụ CO2 cao hơn CH4 rất nhiều. Các mẫu than khi cho hấp phụ ở 25oC, áp suất khoảng 800mmHg thì mẫu
TG700, TG800, TG900 hấp phụ lượng CO2 tương đương, mẫu TG900 hấp phụlượng CH4 thấp nhất (2.79 ml/g). Như vậy khả năng hấp phụ chọn lọc của than Tre phần gốc tốt nhất khi tiến hành than hoá ở 900oC.
0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 q (ml/g) P/P0 CO2-TG-700 CO2-TG-800 CO2-TG-900 CH4-TG-700 CH4-TG-800 CH4-TG-900
51
3.1.4.2. Tre thân (TT)
Hình 3.9: Độ hấp phụ chọn lọc ở 25oC của than phần thân Tre Gai
Theo hình 3.9 ta nhận xét:
Đối với than tạo ra cùng một nhiệt độthan hóa (lưu lượng khí Argon và tốc
độ gia nhiệt như nhau) thì khảnăng hấp phụ CO2 cao hơn CH4 rất nhiều. So với phần gốc, ở phần giữa kết quả có sự khác biệt, than TT900 hấp phụ
CH4ít hơn so với TT800 và TT700, nhưng khảnăng hấp phụ CO2 của than TT900 cũng ít hơn. Như vậy nếu xét về hiệu quả hấp phụ CO2 thì TT900 không bằng TT700 hay TT800, nhưng khả năng hấp phụ CH4 thì TT900 thấp hơn TT700 và TT800. Do mục tiêu của nghiên cứu này, tạo ra than hấp phụ CO2 trong hỗn hợp khí sinh học, nhằm tăng hàm lượng của CH4 trong hỗn hợp khí sinh học, để có thể sử dụng khí sinh học như khí thiên
nhiên. Vì vậy khả năng hấp phụ chọn lọc của than Tre phần giữa tốt nhất khi than hoá ở 800oC.
0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 q (ml/g) P/P0 CO2-TT-700 CO2-TT-800 CO2-TT-900 CH4-TT-700 CH4-TT-800 CH4-TT-900
52
3.1.4.3. Tre ngọn (TN)
Hình 3.10: Độ hấp phụ chọn lọc ở 25oC của than phần ngọn Tre Gai
Theo hình 3.10 ta nhận xét:
Đối với than tạo ra cùng một nhiệt độthan hóa (lưu lượng khí Argon và tốc
độ gia nhiệt như nhau) thì khảnăng hấp phụ CO2 cao hơn CH4 rất nhiều. Mẫu TN900 hấp phụ CO2 cao nhất, các mẫu hấp phụ CH4 lượng tương
đương nhau. Như vậy đối với phân khúc ngọn thì các mẫu TN900 có khả năng hấp phụ chọn lọc nhất.
Từ ba đồ thị 3.8, 3.9, 3.10 cho thấy than Tre có khả năng hấp phụ chọn lọc CO2. Hấp phụ chọn lọc có sự khác biệt giữa than các phân khúc gốc, giữa và ngọn:
đối với phần gốc và phần ngọn khảnăng hấp phụ chọn lọc của than, khi tiến hành than hoá ở 900oC, còn đối với phần giữa là 800oC.
Khả năng hấp phụ khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau của than Tre được giải thích là do sự tăng, giảm số lượng lỗ xốp tạo thành và thay đổi kích thước của lỗ
xốp khi thay đổi nhiệt độ than hóa. Khi nhiệt độ than hóa thấp 500oC thì thành phần
0 10 20 30 40 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 q (ml/g) P/P0 CO2-TN-700 CO2-TN-800 CO2-TN-900 CH4-TN-700 CH4-TN-800 CH4-TN-900
53
bị phân hủy chính là hemicellulose và cellulose, lignin bị phân hủy chậm do đó số lượng lỗ xốp tạo thành bị giới hạn. Trong khoảng nhiệt độ 500oC -700oC thì hiệu