Quá trình thực nghiệm được tiến hành bao gồm: sản xuất than cacbon hóa bằng lò nung yếm khí, nghiên cứu khả năng hấp phụ của than cacbon hóa sản xuất từ lõi ngô theo 2 quy mô: quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot.
2.2.2.1. Phương pháp sản xuất than cacbon hóa
Đây là phương pháp tiến hành thí nghiệm thực tế quá trình cacbon hóa lõi ngô. Qua đó tìm ra các thông số, các số liệu thực nghiệm như: thời gian, nhiệt độ, hiệu suất thu hồi sản phẩm, hiệu suất thu hồi cacbon hữu cơ tối ưu nhất cho than cacbon hóa có khả năng hấp phụ amoni.
Nguyên liệu sử dụng là lõi ngô thải từ hoạt động nông nghiệp. Khối lượng tiến hành mẫu từ 100 – 150g. Quá trình cacbon hoá được tiến hành trên thiết bị do Viện Công nghệ Môi trường thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam chế tạo.
Mô tả quá trình thí nghiệm: Lõi ngô được đem cân khối lượng, sau đó được đưa vào l 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 l 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 thoát ra theo đường ống dẫn khí, đi qua tháp hấp thụ bằng nước ra bên ngoài. Hệ thống lò nung là hoàn toàn kín nên oxi sẽ không tham gia vào quá trình đốt. Ngoài ra, trong một số trường hợp, để tạo môi trường trơ cho quá trình đốt, người ta có thể bơm khí N2 vào trong lò. Trong quá trình này, áp suất của l không được kiểm soát, áp suất hoạt động theo hoạt động tự nhiên của lò.
31
Hình 2.2. Lò nung
2.2.2.2. Phương pháp nghiên cứu khả năng hấp phụ của than cacbon hóa a. Quy mô phòng thí nghiệm a. Quy mô phòng thí nghiệm
Quá trình thực hiện trong phòng thí nghiệm sẽ được tiến hành trên hệ thống Jartest.
Mô tả thí nghiệm: Lấy các bình thủy tinh dung tích 1000ml, đổ vào mỗi bình 250ml dung dịch mẫu. Xác định nồng độ amoni ban đầu C0 có trong dung dịch bằng phương pháp phenat. Sau đó, cho vào mỗi bình lần lượt từ 0,1g – 0,5g than cacbon hóa đã được nghiền nhỏ. Đặt các cánh khuấy vào trong bình dung dịch, lưu ý đặt làm sao để khi khuấy các cánh khuấy không chạm vào thành bình và không đặt cánh khuấy quá sâu để tránh xảy ra sự cố làm hỏng hệ thống. Cài đặt thời gian và tốc độ khuấy thích hợp. Saukhi đã khuấy xong, tiến hành lọc bỏ bã rắn, xác định nồng độ amoni trong dung dịch sau hấp phụ C1 bằng phương pháp phenat.
32
Hình 2.3.Thiết b Jartest
Phương pháp phân tích amoni(NH4+
) trong phòng thí nghiệm
Amoni (NH4
+ được xác định bằng phương pháp phenat (Standard Methods 1995 , đo quang tại bước sóng 640nmbằng máy quang phổ UV – VIS
Hình 2.4. Máy quang phổ UV - Vis
Hóa chất
NH4Cl dùng để tạo mẫu nước nhân tạo Dung dịch phenol 11,1%
33 Natri nitroprosside 0,5%
Natri citrat, NaClO được dùng làm dung dịch oxy hóa theo tỷ lệ 4:1
Dụng cụ:
Thiết bị cất nước 2 lần Bình định mức 25ml Pipet : 1ml, 2ml
Cuvet, máy quang phổ Tiến hành phân tích
Bước 1: Lấy 1ml dung dịch mẫu cho vào bình định mức dung tích 25ml, thêm đồng thời lắc trộn cẩn thận với mẫu thuốc thử sau: 0,5ml dung dịch phenol, 0,5ml Natri Nitroproside và 1,25ml dung dịch oxy hóa.
Bước 2: Đậy kín bình bằng nút. Để cho màu phát triển ở nhiệt độ phòng(22- 270C) trong ánh sáng ít nhất 45 phút.
Bước 3: Đo màu ở bước sóng 640nm trên thiết bị máy quang phổ
Bước 4: Pha dung dịch mẫu trắng và ít nhất 2 dung dịch chuẩn từ dung dịch tiêu chuẩn sao cho nồng độ NH4
+
ở trong vùng nồng độ mẫu phân tích. Bước 5: Xử lý mẫu chuẩn tương tự mẫu phân tích.
Tính toán và kết quả (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Dựng 1 đường cong chuẩn quan hệ giữa mật độ quang đo được và các nồng độ NH4+ dung dịch chuẩn. Dùng đường chuẩn có thể tính được nồng độ của NH4
+
của mẫu cần xác định.
- Pha loãng mẫu bằng nước cất sao cho nồng độ mẫu nằm trong khoảng đường chuẩn nếu cần thiết.
Điều kiện của thí nghiệm:
- Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất xử lý amoni(chọn dải thời gian để làm thí nghiệm từ 10 phút đến 60 phút).
34
- Ảnh hưởng của khối lượng than cacbon đến hiệu suất xử lý amoni(chọn dải khối lượng để làm thí nghiệm từ 0,1g đến 0,6g).
- Ảnh hưởng của nồng độ đến dung lượng hấp phụ Kỹ thuật sử dụng:
- Thiết bị:
+ Bình thủy tinh 1000ml + Thiết bị Jar Test
+Cân phân tích + Giấy thử pH + Máy quang phổ - Vật liệu:
+ Than cacbon hóa sản xuất từ lõi ngô
b. Quy mô pilot (thiết b cột lọc b ng nhựa PVC)
35
Hình 2.6.Sơ đ thiết b xử lý amoni theo phương pháp hấp phụ sử dụng than cacbon hóa
Đây là hệ thống lọc ngược.Cho 0,5kg than cacbon hóa bằng lỗi ngô vào thiết bị thực nghiệm sau đó chạy hệ thống bằng nước máy sạch 1 ngày để rửa than. Tiếp đó tiến hành chạy máy với nước ngầm đã qua lọc cát và chạy trong 1 tuần với các mức lưu lượng khác nhau lần lượt là: 0.5l/h; 0.75l/h; 1ll/h; 1,5l/h(mỗi ngày đều kiểm tra lại lưu lượng trước khi lấy mẫu) Mỗi lưu lượng lấy mẫu ở đầu ra, vào lần lượt với các khoảng thời gian khác nhau trong ngày để khảo sát hiệu suất hấp phụ của than. Sau mỗi ngày tháo van xả đáy để xả cặn trong ngày tránh ảnh hưởng đến lưu lượng của nước. Mẫu lấy xong đem đi phân tích trong ph ng thí nghiệm theo phương pháp phenat để xác định hàm lượng amoni trong nước sau xử lý.
2.2. Phương pháp tính toán và ử lý số liệu
Phương pháp t nh toán
Cáchtính các giá tr Độ ẩm, độ tro, thành phần cháy, hiệu suất thu h i sản phẩm
Nước ngầm vào
36 - Xác đ nh độ ẩm
Trong đó: – độ ẩm (%).
– khối lượng chất rắn (g).
- khối lượng chất rắn sau khi sấy (g). - Xác đ nh độ tro
Trong đó: – Độ tro (%).
– Khối lượng xỉ tro sau khi đốt (g). – Khối lượng chất rắn (g).
- Xác đ nh thành phần cháy
- Xác đ nh hiệu suất thu h i sản phẩm
A (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong đó:
A
- hiệu suất thu hồi sản phẩm (%).
- khối lượng sản phẩm thu hồi sau khi nung (g). - khối lượng mẫu trước khi nung (g).
Cách tính các giá tr : lượng amoni (NH4 + ) b hấp phụ, dung lượng hấp phụ, hiệu suất xử lý. - Xác đ nh lượng amoni(NH4+ ) b hấp phụ: M1= – Trong đó: M1: lượng amoni bị hấp phụ(g) V : thể tích dung dịch(l)
37 C0 : nồng độ dung dịch đầu vào(mg/l) C1 : nồng độ dung dịch đầu ra(mg/l) - Xác đ nh dung lượng hấp phụ:
–
Trong đó: M1: lượng amoni bị hấp phụ(mg) Mthan: khối lượng than(mg)
V : thể tích dung dịch(1)
C0 : nồng độ dung dịch đầu vào(mg/l) C1 : nồng độ dung dịch đầu ra(mg/l) - Hiệu suất xử lý: 0 1 0 (C C).100% C
Trong đó: : hiệu suất xử lý(%)
C0 : nồng độ dung dịch đầu vào(mg/l) C1 : nồng độ dung dịch đầu ra(mg/l)
- Phương pháp t nh tải trọng của vật liệu hấp phụ
Mô hình tính toán cho các phương pháp hấp phụ, trao đổi ion thường sử dụng Langmuair hoặc Frendlich.
Khi thiết lập phương trình đ ng nhiệt hấp phụ Langmuir, người ta xuất phát từ các giả thiết
+ 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 trung tâm như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
38
(*) Trong đó :
q, qmax : dung lượng hấp phụ trung bình và dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)
b: hằng số Langmuir.
Ccb: nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)
Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn b.Ccb<<1 và b.Ccb>>1 thì đường đ ng nhiệt biểu diễn là một đường cong. Để xác định các hằng số trong phương trình đ ng nhiệt Langmuir, đưa phương trình (* về dạng đường th ng:
Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của vào Ccb sẽ xác định được các hằng số b, qmax trong phương trình. Trong đó: a = tan=
, qmax = (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phương pháp xử lý số liệu
- Phân tích, tổng hợp, xử lý số liệu…xác định được hiệu suất thu hồi sản phẩm, dung lượng hấp phụ của than cacbon hóa từ lõi ngô.
- Lập biểu đồ biểu diễn sự ảnh hưởng của các thông số công nghệ như: thời gian lưu nhiệt khác nhau, nhiệt độ khác nhau đến hiệu suất thu hồi sản phẩm; thời gian hấp phụ, nồng độ, khối lượng than đến hiệu suất xử lý amoni.
39
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả quá trình sản xuất than cacbon hóa từ lõi ngô
3. . . Độ ẩm của lõi ngô
Lõi ngô được cân xác định khối lượng rồi đánh số cho vào l nung để sấy. Tiến hành sấy ở nhiệt độ 100oC và giữ ổn định nhiệt độ này trong các thời gian khác nhau từ 10-40 phút, sau đó lấy lõi ngô ra cân xác định khối lượng để xác định độ ẩm trong lõi ngô.
Bảng 3.1. T lệ bay hơi nước khi sấy lõi ngô
STT Thời gian sấy (phút) Số mẫu (mỗi mẫu 1 lõi ngô) Khối lượng trước khi sấy (g) Khối lượng sau khi sấy (g) Tỷ lệ hơi nước đã bay hơi ( Tỷ lệ trung bình hơi nước đã bay hơi (%) M1 10 1 24,325 22,414 7,85 7,63 2 30,187 28,134 6,80 3 25,546 23,437 8,25 M2 20 1 29,196 23,075 20,96 23,83 2 31,702 23,216 26,76 3 25,831 19,692 23,76 M3 30 1 22,336 15,934 28,66 29,45 2 27,410 19,182 30,02 3 26,216 18,438 29,67 M4 40 1 28,974 20,009 30,94 31,12 2 23,147 15,724 32,07 3 26,571 18,507 30,35
40
Hình 3.1. Đ th biểu diễn t lệ hơi nước bay hơi của lõi ngô theo thời gian. Nhận xét: Tốc độ bay hơi nước của lõi ngô từ 10-20 phút đầu xảy ra nhanh. Từ 20-30 phút tốc độ bay hơi giảm dần và sau 40 phút thì ổn định.
Kết luận: Độ ẩm của lõi ngô khoảng 31,12 , như vậy trong quá trình cacbon hóa sẽ mất một khoảng thời gian để bay hơi hết hơi nước trong lõi ngô.
3.1.2. Hiệu suất thu hồi sản phẩm than cacbon hóa từ lõi ngô
Cacbon hóa lõi ngô ở nhiệt độ T= 300oC
Bảng 3.2. Hiệu suất thu h i sản phẩm ở T=3000C
STT Thời gian (phút)
m0 (g) mt (g) Hiệu suất thu hồi (%) 1 10 103,875 68,620 66,06 2 15 102,413 61,796 60,34 3 20 103,692 55,610 53,63 4 25 100,494 50,026 49,78 5 30 101,235 46,102 45,54 0 7.63 23.83 29.45 31.12 0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 50 tỷ lệ hơi nƣớc ba y hơi (%)
thời gian sấy (phút)
tỷ lệ hơi nước bay hơi (%)
41
Hình3.2. Lõi ngô sau khi nung ở T=3000C (thời gian 20, 30 phút)
Cacbon hóa lõi ngô ở nhiệt độ T = 4000C
Bảng 3.3. Hiệu suất thu h i sản phẩm ở T=4000C
STT Thời gian (phút) m0 (g) mt (g) Hiệu suất thu hồi (%)
1 10 100,257 38,739 38,64
2 15 100,153 37,978 37,92
3 20 102,674 36,121 35,18 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4 25 101,129 34,910 34,52
5 30 101,389 30,680 30,26
Hình 3.3. Lõi ngô sau khi nung ở T=4000C (thời gian 10,20,30 phút) T = 3000C t = 20 phút T = 3000C t = 30 phút T = 4000C, t= 10 phút T = 4000C, t= 20 phút T = 4000 C, t= 30 phút
42
Cacbon hóa lõi ngô ở nhiệt độ T=5000C
Bảng 3.4. Hiệu suất thu h i sản phẩm ở T=5000C
STT Thời gian (phút) m0 (g) mt (g) Hiệu suất thu hồi (%)
1 10 100,784 25,468 25,27
2 15 101,191 25,186 24,89
3 20 101,583 21,962 21,62
4 25 100,486 20,529 20,43
5 30 101,231 15,599 15,41
Hình 3.4. Lõi ngô sau khi nung ở T = 5000C (thời gian 10,20,30 phút)
Hình 3.5. Đ th biểu diễn sự biến đổi hiệu suất thu h i sản phẩm theo thời gian ở các nhiệt độ khác nhau
T = 5000C, t=10 phút T = 5000C, t= 20 phút T = 5000C, t= 30 phút 0 20 40 60 80 100 120 0 5 10 15 20 25 30 35 H iệu su ất t hu hồ i ( %)
Thời gian nung (phút)
T = 500 độ C T = 400 độ C T =300 độ C
43
Nhận xét: Qua các bảng 3.2, 3.3, 3.4 và đồ thị hình 3.5 nhận thấy hiệu suất thu hồi sản phẩm đều giảm dần theo thời gian. Tuy nhiên bằng mắt thường quan sát có thể thấy lõi ngô sau khi nung ở T=3000C vẫn chưa đạt, một số phần c n chưa được cabon hóa hết. Do đó điểm tối ưu để hiệu suất thu hồi sản phầm lớn nhất là ở T=4000C và t= 10 phút. Tuy nhiên chưa xác định thành phần cacbon hữu cơ lớn nhất và hiệu suất thu hồi cacbon hữu cơ lớn nhất nên sẽ sử dụng cả hai loại than được cacbon hóa ở T=4000C và T=5000C cho quá trình thực nghiệm tiếp theo để xác định loại than có khả năng hấp phụ tối ưu.
3.2. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ amoni của than cacbon hóa
3.2.1. Quy mô Jartest
Lõi ngô sau khi cacbon hóa đem nghiền nhỏ, rây mịn để sử dụng cho thí nghiệm với thiết bị Jartest. Tiến hành các thí nghiệm ở các điều kiện khác nhau ta xác định được những kết quả dưới đây
3.2.1.1.Khả năng hấp phụ amoni của các loại than cacbon hóa từ lõi ngô
Từ dung dịch NH4Cl gốc có hàm lượng amoni là 1gN/l pha các dung dịch làm việc có nồng độ 20mg/l. Lấyvào 6 bình thủy tinh loại 1000ml, mỗi bình chứa 250ml với hàm lượng amoni là C0 = 20mg/l. Cho 0,5g than mỗi loại vào bình khuấy bằng máy Jatest trong 20 phút với tốc độ 100v/phút. Lọc bỏ bã rắn trong dung dịch, tiến hành xác định hàm lượng amoni còn lại. Kết quả được thể hiện trong bảng dưới đây:
Bảng 3.5. Khả năng hấp phụ của các loại than
STT Loại than Nồng độ NH4+ ban đầu(mg/l) Nồng độ NH4+ sau khi hấp phụ(mg/l) Hiệu suất (%) 1 4000C – 10 phút 20 15,748 21,26 2 4000C – 20 phút 20 14,994 25,03 3 4000C – 30 phút 20 14,274 28,63 4 5000C – 10 phút 20 14,558 27,21
44
5 5000C – 20 phút 20 14,732 26,34
6 5000C – 30 phút 20 14,956 25,22
Hình 3.6 Đ th thể hiện khả năng hấp phụ của các loại than (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhận xét: Dựa và bảng 3.5 và đồ thị hình 3.6 dễ dàng nhận thấy loại than cabon hóa ở T=4000C – 30 phút có khả năng hấp phụ amoni lớn nhất. Do đó chọn loại than này để sử dụng cho các thí nghiệm tiếp theo.
3.2.1.2. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến quá trình xử lý amoni
Với mẫu nhân tạo ta pha dung dịch làm việc C0 = 20mg/l cho vào 6 cốc thủy tinh 1000ml, mỗi bình chứa 250ml dung dịch. Cho vào mỗi bình 0,5g than khuấy trong dải thời gian 10, 20, 30, 40, 50, 60 phút, ở nhiệt độ phòng. Tốc độ khuấy 100v/phút. Lọc bỏ bã rắn, xác định nồng độ amoni trong nước sau hấp phụ bằng phương pháp phenat. Kết quả được thể hiện ở bảng 3.6
Bảng 3.6.Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni
STT Thời gian(phút) Nồng độ amoni ban đầu (mg/l) Nồng độ amoni sau khi xử lý(mg/l) Hiệu suất xử lý(%) 1 10 20,00 16,921 15,39 2 20 20,00 13,536 32,32 21.26 25.03 28.63 27.21 26.34 25.22 0 5 10 15 20 25 30 35 1 2 3 4 5 6 H iệ u su ất h ấp p h ụ (% ) Loại than Hiệu suất hấp phụ (%)
45
3 30 20,00 12,876 35,62
4 40 20,00 11,947 40,27
5 50 20,00 10,074 49,63
6 60 20,00 10,713 48,24
Hình 3.7. Đ th ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni
Hình 3.8. Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến hiệu suất xử lý amoni