Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng than trấu xử lý dầu mỡ, COD và chất màu trong nước thải

Việt Nam đang trong thời kỳ đổi mới, nền kinh tế tăng trưởng trên cơ sở áp dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật. Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước ngày càng được đẩy mạnh. Tuy nhiên, song song với quá trình phát triển kinh tế, Việt Nam cũng đang phải đối mặt với những vấn đề môi trường đáng lo ngại.Ô nhiễm môi trường nước gây ra bởi các hoạt động sinh hoạt, sản xuất ngày càng gay gắt. Việc xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường nước ngày càng được nhà nước và các cơ quan chức năng quan tâm thực hiện. Hấp phụ là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm . Đặc biệt, hấp phụ sử dụng vật liệu sinh học đang ngày càng được quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn vì khả năng hấp phụ tốt và chi phí thấp. Trong các loại vật liệu sinh học đó vỏ trấu đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong thời gian gần đây do tính ưu thế về nguồn nguyên liệu và tận dụng được chất thải từ ngành sản xuất nông nghiệp.Vỏ trấu là vật liệu thải từ quá trình sản xuất gạo. Theo báo cáo năm 2011 sản lượng gạo mà Việt Nam sản xuất được là khoảng 6 triệu tấn gạo. Trung bình từ 100 kg gạo trắng, từ quá trình xay xát sẽ tạo ra khoảng 15 kg vỏ trấu. Như vậy hàng năm ở nước ta với sản lượng trung bình 6 triệu tấn gạo sẽ tạo ra nguồn vỏ trấu là khoảng 1 triệu tấn vỏ trấu. Tại Philippin, Ấn độ, Thái Lan, Nhật Bản đã xây dựng nhà máy nhiệt phân vỏ trấu để bón trực tiếp cho cây lúa, đặc biệt là Nhật Bản vỏ trấu nhiệt phân đã được sử dụng từ những năm 1910. Nhiệt phân trấu không những cho sản phẩm là nhiệt mà còn cho ta sản phẩm là than trấu – một loại sản phẩm có ứng dụng trong nông nghiệp, môi trường và một số lĩnh vực khác.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quảnêu trong luận văn là trung thực phản ánh đúng thực nghiệm trong quá trình nghiêncứu và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào

Học viên

Vũ Công Thắng

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện Đào tạo Sau đại học

- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo, các cán bộ nhân viên trongViện Khoa học và Công nghệ Môi trường – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đãquan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập vànghiên cứu tại trường

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Vũ Đức Thảo đã tận tình hướngdẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này

Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô, các anh chị và các bạn phòng

C5-10 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đãgiúp đỡ tạo điều kiện để tôi hoàn thành tốt bản luận văn này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ độngviên tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn

Hà Nội, ngày 10 tháng 9 năm 2014

Học viên

Vũ Công Thắng

DANH MỤC VIẾT TẮT

Agriculture

Recycle, Reduce, Reuse

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Xuât khẩu gạo của Việt Nam mùa vụ 2011/2012 5

Bảng 1.2: Tổng lượng chất thải rắn nông nghiệp phát sinh năm 2008, 2010[3] 6

Bảng 1.3: Thành phần hóa học của vỏ trấu gồm: 10

Bảng I.4: Thành phần hóa học của tro trấu 11

Bảng I.5: Thành phần các nguyên tố hóa học của vỏ trấu 12

Bảng 1.6: Thành phần hóa học vỏ trấu của một số giống lúa 13

Bảng 2.1: Danh mục các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 38

Bảng 2.2: Danh mục các dụng cụ, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 40

Bảng 3.1: Phân tích thành phần của than trấu 50

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ độ màu và COD 51

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ màu và COD 53

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ màu và COD trong nước thải 55

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến khả năng hấp phụ màu và COD của than trấu 57

Bảng 3.6: Mối liên hệ giữa Co, Cf và q của quá trình hấp phụ màu 59

Bảng 3.7: Mối liên hệ giữa Co, Cf và q của quá trình hấp phụ COD 60

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ dầu mỡ trong nước thải của than trấu 62

Bảng 3 9: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ dầu mỡ 63

Bảng 3 10: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến khả năng xử lý dầu 64

Bảng 3.11: Kết quả hấp phụ màu của than bã cà phê ở thí nghiệm hấp phụ liên tục trên cột 65

Bảng 3.12: Kết quả hấp phụ COD trên hệ liên tục 66

DANH MỤC BẢNG HÌNH

Hình 1.1: Xuất khẩu gạo của Việt Nam từ mùa vụ 2005 đến mùa vụ 2011 4

Hình 1.2: Ước tính lượng rơm rạ ngoài đồng ruộng ở một số tỉnh vùng Đồng bằng sông Hồng 7

Hình 1.3: Quy trình xử lý tuần hoàn chất thải rắn ở nông thôn 8

Hình 1.4: Quy trình tổng hợp xử lý sinh khối 9

Hình I.5: Hàm lượng vỏ trấu trong hạt lúa 10

Hình I.6: Một số hình ảnh về vỏ trấu 11

Hình 1.7: Lò đốt kiểu hố đốt hở 17

Hình 1.8: Lò đốt một cấp 18

Hình 1.8: Lò đốt nhiều cấp 19

Hình 1.10: Lò đốt thùng quay 20

Hình 1.11: Lò đốt tầng sôi 23

Hình 1.12 : Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 34

Hình 1.13: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 35

Hình 1.14: Sự phụ thuộc của Cf/q và Cf 35

Hình 1.15: Đẳng nhiệt Freundlich 36

Hình 2.1: Máy nhiệt phân đa vùng [12] 43

Hình 2.2: Quy trình thí nghiệm 45

Hình 3.1: Than trấu nhiệt phân 51

Hình 3.2: Bề mặt của mẫu than trấu nhiệt phân ở 5000C (chụp SEM) 51

Hình 3.2: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ màu của than trấu 52

Hình 3.3: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ COD của than trấu 52

Hình 3.4: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ màu của than trấu .54

Hình 3.5: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ COD của than trấu 54

Hình 3.6: Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ màu của

than trấu 56

Hình 3.7: Ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ đến khả năng hấp phụ COD của

than trấu 56Hình 3.8: Ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến khả năng hấp phụ màu

58Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến khả năng hấp phụ COD

58Hình 3.10: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ q vào nồng độ cân bằng Cf

59Hình 3.11: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf 60Hình 3.12: Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ q vào nồng độ cân bằng Cf

61Hình 3.13: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf 61Hình 3.14: Hiệu quả hấp phụ dầu mỡ của than trấu theo lượng chất hấp phụ

62Hình 3.15: Hiệu quả hấp phụ dầu mỡ của than trấu theo thời gian 63Hình 3.16: Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đến hiệu quả xử lý dầu mỡ của than

trấu 64Hình 3.17: Biến thiên hiệu suất xử lý màu theo thời gian trên hệ liên tục 66Hình 3.18: Biến thiên hiệu suất xử lý COD trên hệ hấp phụ liên tục 67

ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam đang trong thời kỳ đổi mới, nền kinh tế tăng trưởng trên cơ sở ápdụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật Quá trình công nghiệp hóa, hiện đạihóa đất nước ngày càng được đẩy mạnh Tuy nhiên, song song với quá trình pháttriển kinh tế, Việt Nam cũng đang phải đối mặt với những vấn đề môi trường đáng

lo ngại

Ô nhiễm môi trường nước gây ra bởi các hoạt động sinh hoạt, sản xuất ngàycàng gay gắt Việc xử lý các chất ô nhiễm trong môi trường nước ngày càng đượcnhà nước và các cơ quan chức năng quan tâm thực hiện

Hấp phụ là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng để xử lýcác chất ô nhiễm Đặc biệt, hấp phụ sử dụng vật liệu sinh học đang ngày càng đượcquan tâm và nghiên cứu nhiều hơn vì khả năng hấp phụ tốt và chi phí thấp Trongcác loại vật liệu sinh học đó vỏ trấu đang được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trongthời gian gần đây do tính ưu thế về nguồn nguyên liệu và tận dụng được chất thải từngành sản xuất nông nghiệp

Vỏ trấu là vật liệu thải từ quá trình sản xuất gạo Theo báo cáo năm 2011 sảnlượng gạo mà Việt Nam sản xuất được là khoảng 6 triệu tấn gạo Trung bình từ 100

kg gạo trắng, từ quá trình xay xát sẽ tạo ra khoảng 15 kg vỏ trấu Như vậy hàng năm

ở nước ta với sản lượng trung bình 6 triệu tấn gạo sẽ tạo ra nguồn vỏ trấu là khoảng

1 triệu tấn vỏ trấu Tại Philippin, Ấn độ, Thái Lan, Nhật Bản đã xây dựng nhà máynhiệt phân vỏ trấu để bón trực tiếp cho cây lúa, đặc biệt là Nhật Bản vỏ trấu nhiệtphân đã được sử dụng từ những năm 1910 Nhiệt phân trấu không những cho sảnphẩm là nhiệt mà còn cho ta sản phẩm là than trấu – một loại sản phẩm có ứng dụngtrong nông nghiệp, môi trường và một số lĩnh vực khác

Với các lợi thế của vật liệu nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu sử dụng than trấu

xử lý dầu mỡ, COD và chất màu trong nước thải” được thực hiện với mục đích

khảo sát khả năng hấp phụ của than trấu đối với các chất ô nhiễm như độ màu,COD, dầu mỡ trong nước thải theo các yếu tố ảnh hương như pH, thời gian, lượngchất hấp phụ, nồng độ chất ô nhiễm

 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của than trấu đối với các chất ô nhiễm trongnước thải: độ màu, COD, dầu mỡ

 Đối tượng nghiên cứu

- Vật liệu than trấu là sản phẩm của quá trình nhiệt phân trong lò quay đa vùng

- Phẩm nhuộm nguyên chất loại trực tiếp Direct red 23 được mua tại công tyTân Hồng Phát, số 92 phố Cửa Bắc, Ba Đình, Hà Nội

- Nước thải sinh hoạt hộ gia đình

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Bước đầu nghiên cứu thêm một ứng dụng mới của than trấu

- Tìm ra nguồn vật liệu hấp phụ sẵn có, rẻ tiền và thân thiện với môi trường

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về tình hình sản xuất lúa gạo của Việt Nam

1.1.1 Tóm tắt quá trình phát triển ngành lúa gạo Việt Nam

Lúa gạo là một trong những loại cây lương thực chính của thế giới Đặc biệt với các nước châu Á đây là lương thực chính để tạo ra các sản phẩm thiết yếu phục

vụ đời sống Với dân số 88,5 triệu người dân tính đến ngày 1/4/2012 thì vấn đề đảmbảo an ninh lương thực của Việt Namphụ thuộc rất nhiều vào việc sản xuất lúa gạo

vì thế ngành lúa gạo có vai trò rất lớn trong việc cung cấp sản phẩm cho toàn xã hội,xóa đói giảm nghèo Là nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai trên thế giới vì thế lúa gạocòn có vai trò to lớn trong việc thu ngoại tệ về cho đất nước

Từ năm 1990 đến nay, sản lượng lúa gạo Việt Nam liên tục tăng trưởng nhờbiện pháp kỹ thuật canh tác tốt, tăng năng suất và một phần nhờ mở rộng diện tíchcanh tác hàng năm Sản lượng lúa ở nước ta chỉ dừng lại ở 19,23 triệu tấn (năm1990) nhưng đến năm 2000 đã đạt được 32,51 triệu tấn Năng suất và diện tích canhtác tăng không ngừng đã giúp Việt Nam tăng năng suất và sản lượng hàng năm,năm 2011 sản lượng đạt 42,31 triệu tấn và 43,7 triệu tấn năm 2012 tăng 1,26 triệutấn so với năm 2011 (tăng 3%)

Liên quan tới quá trình năng suất lúa tăng, có thể chia ra 4 giai đoạn như sau:

Từ 1878 đến 1955: Năng suất lúa ghi được chỉ nằm trong khoảng 1,2 –1,4tấn /ha; diện tích gieo trồng 4,2 – 4,6 triệu ha; sản lượng lúa đạt 5,5 đến 6,7 triệutấn

Từ 1960 đến 1985: Năng suất lúa đạt 2,0 đến 2,8 tấn/ha Diện tích gieo trồng

và sản lượng lúa tăng rõ rệt: 9,5 triệu ha và 15,9 triệu tấn

Từ 1900 đến 1999: Năng suất lúa đạt từ 3,5tấn – 4,05 tấn/1 ha, tăng thêm 1tấn nữa, nhưng mất có 15 năm Diện tích gieo trồng tăng từ 6 triệu lên 7,7 triệu ha;sản lượng lúa tăng từ 19,5 đến 31 triệu tấn

Từ 2000 đến 2010: Năng suất lúa đạt từ 4 lên 5 tấn 1 ha Cả diện tích canh

tác lúa lẫn gieo trồng đều giảm cho công nghiệp hóa và đô thị hóa Tính đến năm

2013 tổng diện tích gieo cấy lúa cả năm ước đạt 7,9 triệu ha,tăng hơn 138 ngàn ha

so với năm 2012, năng suất ước đạt 55,8 tạ/ha, sản lượng lúa cả nước đạt 44,1 triệutấn tăng 338 ngàn tấn so với năm 2012.[2]

1.1.2 Tinh hình tiêu thụ lúa gạo của Việt Nam

Từ một nước thiếu lương thực của những thấp niên 80, 90 của thế kỷ trướcViệt Nam đã vươn lên trở thành nước có sản lượng gạo xuất khẩu khá ổn định từnhững năm 2005 -2008 Không chỉ sản xuất gạo cung cấp cho nhu cầu tiêu thụtrong nước, xóa bỏ tình trạng đói nghèo vì thiếu lương thực Việt Nam còn là nướcxuất khẩu gạo lớn thứ 2 thế giới sau Thái Lan Cụ thể, mùa vụ 2010/2011, ViệtNam xuất khẩu 7,1 triệu tấn gạo trong tổng sản lượng 26,37 triệu tấn, so với 6,73triệu tấn trong mùa vụ 2009/2010 Mùa vụ 2011/2012, Việt Nam vẫn duy trì mứcxuất khẩu gạo trên 7 triệu tấn và đã đạt 7,72 triệu tấn, kim ngạch xuất khẩu gạo đạt3,45 tỷ USD [8]

(Nguồn thông tin thương mại, tính toán của USDA (2011)).

Hình 1.1: Xuất khẩu gạo của Việt Nam từ mùa vụ 2005 đến mùa vụ 2011 [8]

(Đơn vị: nghìn tấn)

Mùa vụ 2011/12, nước ta xuất khẩu 7,72 triệu tấn gạo trong tổng sản lượng27,15 triệu tấn, tiếp tục giữ vị trí thứ hai trên thế giới về xuất khẩu gạo, sau Ấn Độ.Thị trường xuất khẩu chính của Việt Nam trong mùa vụ 2011/2012 là các quốc giachâu Á chiếm 77,7% tổng lượng gạo xuất khẩu của cả nước (tương đương 6 triệutấn) Indonesia, Philippines và Malaysia là ba thị trường nhập khẩu truyền thốngngoài ra còn có các thị trường mới như Trung Quốc, Ấn Độ, Pakistan.

Cũng theo báo cáo, sản lượng lúa gạo Việt Nam năm 2013 ước tính 27,65triệu tấn, tăng so với khoảng 27,15 triệu tấn của năm 2012 Tiêu thụ lúa gạo trongnước tăng nhẹ, từ khoảng 19,65 triệu tấn năm 2012 lên 20,1 triệu tấn năm 2013

Bảng 1.1 Xuât khẩu gạo của Việt Nam mùa vụ 2011/2012

(Đơn vị tấn)

5% 10% 15% 25% 100% Glutinous Jasmine

Các loại khác Tổng

Châu Á 2.684.81

-1.505.76 7

Châu Phi 82.1826 - 75.947 98.947 365.61

-104.16 2

52.35 6

1.518.30 8

894.62 5

437.41

8 309.434

598.91 4

58.18 8

7.716.55 6

Nguồn: thông tin thương mại/Tổng cục hải quan Việt Nam/ Hiệp hội lương thực

1.2 Tổng quan về chất thải rắn nông nghiệp

1.2.1 Hiện trạng phát sinh chất thải rắn nông nghiệp

Cùng với sự phát triển không ngừng của nền kinh tế đất nước, kinh tế nôngthôn cũng đang trong giai đoạn chuyển mình để phát triển Sự phát triển đó đã tạosức ép không nhỏ đối với môi trường Do vậy, vấn đề chất thải rắn nông thôn đangrất cần đến sự quan tâm đúng mức của các cấp quản lý trong việc chỉ đạo thu gom,quy hoạch các trạm trung chuyển, công nghệ xử lý chất thải rắn của từng địaphương đảm bảo vệ sinh an toàn cho môi trường và con người

Mỗi năm khu vực nông thôn thải ra khoảng 6,35 triệu tấn rác sinh hoạt,tương đương trung bình mỗi người tạo ra 0,3 kg/người/ngày

Lượng chất thải rắn nông nghiệp phát sinh ước tính trung bình năm được đưatrong bảng 1.1 Vùng đồng bằng sông Hồng, bắc trung Bộ và duyên hải miền Trung

và đồng bằng sông Cửu Long có lượng rác phát sinh lớn nhất

Bảng 1.2 Tổng lượng chất thải rắn nông nghiệp phát sinh năm 2008, 2010[3]

Bao bì thuốc bảo vệ thực

Chất thải rắn chăn nuôi Tấn/năm 80.450.000 2008

Phụ phẩm nông nghiệp (rơm, rạ,trấu ): Với khoảng 4 triệu ha đất trồng lúa,

lượng rơm rạ thải ra lên tới 76 triệu tấn/năm

- Tại các vùng đồng bằng, lượng chất thải nông nghiệp từ trồng trọt lớn, thành

phần chất thải rất khác so với những vùng trung du miền núi.

- Tại ĐBSCL, sản xuất lúa thải ra khoảng 17,4 triệu tấn/năm rơm rạ phế thải,0,70 triệu tấn trấu/năm

Lượng chất thải nông nghiệp rơm rạ được ước tính theo hình 1.2:

Hình 1.2 Ước tính lượng rơm rạ ngoài đồng ruộng ở một số tỉnh vùng

Đồng bằng sông Hồng [3]

1.2.2 Xử lý chất thải rắn nông nghiệp:

Hiện nay chất thải rắn sinh hoạt nông thôn chủ yếu được xử lý bằng phươngpháp chôn lấp Tuy nhiên chỉ có 12 tỉnh, thành phố đối với khu vực nông thôn cóbãi chôn lấp hợp vệ sinh hoặc đúng kỹ thuật, hầu hết là bãi rác hở và để phânhủy tự nhiên Chất thải rắn nông nghiệp, chăn nuôi tại các địa phương đều chưa

có công nghệ xử lý bao bì thuốc bảo vệ thực vật, thường đem đốt hoặc chôn lấp

ở xa khu dân cư Các loại phụ phẩm nông nghiệp (rơm, rạ, trấu ) chủ yếu là đốtrồi dùng tro bón ruộng gây lãng phí, gây ô nhiễm môi trường do khói bụi và cácnguy cơ cháy nổ

Để quản lý tốt chất thải rắn ở nông thôn cần có quy trình điều hành thích hợp

Hình 1.2 đưa ra quy trình xử lý tuần hoàn chất thải rắn ở nông thôn.

Hình 1.3 Quy trình xử lý tuần hoàn chất thải rắn ở nông thôn [4]

Nhiều phương pháp được sử dụng để thu năng lượng từ sinh khối: đốt trựctiếp, khí hóa, nhiệt phân

 Chất thải rắn chăn nuôi: Chủ yếu được xử lý bằng ủ nóng và hầm biogas Sau

đó, phân được bón cho cây trồng hoặc dùng làm thức ăn cho cá

 Chất thải rắn làng nghề: Hầu hết chưa được xử lý triệt để, thành phần cónhiều chất nguy hại cần phân loại để chất thải rắn thông thường được xử lýcùng rác thải sinh hoạt, chất thải nguy hại được thuê xử lý

Các công nghệ có thể áp dụng đối với chất thải sinh khối làm nhiên liệu:

Hình 1.4 Quy trình tổng hợp xử lý sinh khối

Mỗi năm Việt Nam thải ra khoảng 1 triệu tấn vỏ trấu, lượng vỏ trấu này chủyếu được đem đốt để lấy tro hoặc thải bỏ ra gây ô nhiễm môi trường, mất cảnhquan

1.3. Giới thiệu về vỏ trấu:

1.3.1 Cấu tạo của vỏ trấu:

Vỏ trấu do hai lá của gié lúa là vảy là mày hoa tạo thành Cả hai phần nàyđược ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau Phần này củahai mảnh của vỏ trấu chuyển thành đoạn cuối của vỏ trấu và cuối cùng kết thúcthành một cái râu

Bảng 1.3 : Thành phần hóa học của vỏ trấu gồm:

Hình I.5: Hàm lượng vỏ trấu trong hạt lúa

1.3.2 Các đặc tính đặc trưng của vỏ trấu:

Tùy theo từng loại trấu mà trấu có chiều dài từ 5mm – 10mm, chiều ngangbằng từ 1/2 - 1/3 chiều dài Góc nghi của trấu từ 350 – 500 tùy theo ẩm độ và điềukiện nhiệt độ môi trường

Đặc điểm chung về hóa lý tính của vỏ trấu:

Hình I.6: Một số hình ảnh về vỏ trấu

Vỏ trấu không cháy dễ dàng với ngọn lửa trần trừ khi có không khí thổi qua

Vỏ trấu có khả năng chống ẩm và mục rữa nên nó là vật liệu cách nhiệt tốt.Tro trấuchứa nhiều SiO2 gây nên hiện tượng ăn mòn các loại lò sử dụng vỏ trấu làm chấtđốt Bảng thành Dưới đây là bảng thành phần hóa học của tro trấu (RHA):

Bảng I.4: Thành phần hóa học của tro trấu

Vỏ trấu khó xử lý vì cồng kềnh và bụi bặm Vỏ trấu có góc nghi khoảng 400

-450 điều đó ảnh hưởng đến khả năng cháy của nó Ví dụ như trong mảng thức ănchăn nuôi là rất khó khăn Khối lượng riêng của vỏ trấu thấp khoảng 70kg/m3 –100kg/m3, do đó đòi hỏi không gian lớn để lưu trữ và vận chuyển và điều này làkhông kinh tế

Khi đốt cháy vỏ trấu tạo ra một lượng tro khoảng 17% – 26% cao hơn rấtnhiều so với gỗ (0,2% – 2%) và than đá (12,2%), dẫn đến có một khối lượng lớn trotrấu cần phải được xử lý

1.3.3 Tính chất hóa học của vỏ trấu:

1.3.3.1 Thành phần hóa học của vỏ trấu:

- Thành phần các nguyên tố hóa học:

Bảng I.5: Thành phần các nguyên tố hóa học của vỏ trấu

Nguyên tố hóa học Vỏ trấu (%)

Bảng 1.6 : Thành phần hóa học vỏ trấu của một số giống lúa

Vỏ trấu Xenlulo Hemi-Xenlulo Lignin

- Sử dụng làm chất đốt: từ lâu vỏ trấu đã là chất đốt quen thuộc với bà connông dân Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt(nấuăn) và sản xuất(làm gạch, sấy lúa)

- Dùng vỏ trấu để lọc nước: thiết bị lọc nước từ vỏ trấu có khả năng lọc thẳngnước ao, hồ thành nước uống sạch Cốt lõi của thiết bị là một cụm sứ xốptrắng, hình trụ nằm trong chiếc bình lọc Điều đặc biệt là loại sứ này đượctạo ra bằng cách tách ôxit silic từ trấu, có đặc tính lọc cực tốt, với lỗ lọc siêunhỏ, ngoài ra nó cũng có độ bền cao (có thể sử dụng 10 đến 20 năm)

- Sử dụng vỏ trấu tạo thành củi trấu:

- Sử dụng làm sản phẩm mỹ nghệ

- Ứng dụng vỏ trấu để sản xuất gas sinh học

- Làm nguyên liệu xây dựng sạch: Trong trấu có chứa hàm lượng SiO2 rấtnhiều, mà đây lại là thành phần chính trong xi măng Các nhà khoa học Mỹmới đây đã phát hiện một phương pháp gia công vỏ trấu mới, có thể sử dụngtro trấu làm thành phần trong xi măng, thúc đẩy sự phát triển nguyên liệu xâydựng sạch

- Một số ứng dụng khác: dùng làm thiết bị cách nhiệt, phân bón, làm chất độn,làm giá thể trong sản xuất meo giống trồng nấm, đánh bóng các vật thể bằngkim loại ngoài ra vỏ trấu cũng đang dần được các nhà khoa học quan tâmnghiên cứu làm chất hấp phụ xử lý ô nhiễm môi trường như: Nghiên cứu sửdụng vỏ trấu biến tính trong quá trình xử lý nước thải nhiễm dầu.

Tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền và dễ kiếm, trong đề tài này vỏ trấu đượctận dụng làm nguyên liệu cho quá trình nhiệt phân tạo than trấu ứng dụng trong xử

lý môi trường

I.4 Tổng quan về công nghệ nhiệt phân

1.4.1 Cơ sở lý thuyết quá trình nhiệt phân

Quá trình nhiệt phân để thu hồi sản phẩm than được tiến hành ở nhiệt độ thấp

và kéo dài hàng giờ Vật liệu không được tiếp xúc với không khí để tránh quá trìnhcháy xảy ra Thông thường thì than và chất vô cơ sẽ lưu lại trong pha rắn còn cáchợp chất hữu cơ bay hơi và nước sẽ được ngưng tụ trong pha hơi Pha khí thải thuđược từ quá trình nhiệt phân thường được ngưng tụ thành pha lỏng để làm nhiênliệu sinh học và pha khí không ngưng tận dụng cho buồng đốt tại nhiệt độ 5000C –

6000C Pha cacbon đưa ra ngoài ở nhiệt độ trung bình, cuối quá trình làm mát giántiếp và ở trạng thái khô

Phản ứng nhiệt phân chất thải rắn được mô tả tông quát như sau:

Chất thải → các chất bay hơi (khí gas) + cặn rắnTrong đó: Khí gas gồm: CxHx, H2 , COx, NOx, SOx và hơi nước

Cặn rắn: cacbon cố định và troKhi nhiệt lượng Q từ thiết bị truyền đến các lớp vật liệu làm cho nội năng củapha khí và các hạt vật liệu rắn tăng lên Trong quá trình tăng nội năng các phân tửnước trong cấu trúc của vật liệu bắt đầu đi từ trong ra ngoài bề mặt làm xảy ra quátrình thoát hơi ẩm tự do và hơi ẩm liên kết ra khỏi bề mặt hạt vật liệu rắn Đồng thờivới các quá trình thoát hơi ẩm các nguyên tử C, H, O,… tại các nút mạng tinh thểtrong cấu tạo của vật liệu sẽ trở nên linh động hơn, làm cho các liên kết cacbon và

cacbon, cacbon và hydro, cacbon và oxy hoặc các gốc tự do khác nếu có trở nên yếu

đi Khi hạt chất rắn nhận một năng lượng đủ lớn, các liê kết trong phần tử hạt rắn sẽ

bị đứt gãy dẫn đến kết quả tạo thành các chất hữu cơ mà chủ yếu là cáchydrocacbon và aldehyt Lượng và thành phần chất hữu cơ tạo thành phụ thuộc vàonhiệt độ và thành phần cấu tạo bên trong của hạt vật liệu rắn Các chất hữu cơ tạothành sẽ thoát ra khỏi hạt vật liệu rắn đi vào trong pha khí Nghiên cứu của Goh vàcộng sự (1998) đã chỉ ra các chất hữu cơ bay hơi được giải phóng ở nhiệt độ khoảng2600C hoặc theo nghiên cứu của Ryn và cộng sự (2001) là 3000C

Khi các liên kết ban đầu của vật liệu bị đứt gãy, kích thước hạt vật liệu rắnS3,is sẽ giảm dần đồng thời các liên kết mới cũng được tạo thành, tạo ra sản phẩmmới ở thể rắn là bitum và than Tốc độ tạo thành than và bitum cũng phụ thuộc vàonhiệt độ và thành phần cấu tạo của vật liệu rắn

Lúc này, ôxy tự do từ trong pha khí bao quanh bên ngoài hạt rắn khuếch tánđến bề mặt của hạt vật liệu rắn, sẽ tiếp xúc với các nguyên tử cacbon của phần tửthan, bitum và tạo ra phản ứng cháy (phản ứng ôxy hoá khử), sinh ra năng lượng.Tốc độ cháy của than được kiểm soát bởi sự khuếch tán của lớp phim khí hỗn hợp

Sản phẩm cháy và các chất hữu cơ bay hơi chưa cháy, ôxy và các phần tử khíkhác sẽ chuyển động sang những thể tích hữu hạn khác ở bên cạnh và bên trên.Năng lượng sinh ra từ các phản ứng cháy sẽ trao đổi nhiệt trực tiếp với pha khí vàtruyền nhiệt ngược đến pha rắn bằng bức xạ

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong công nghệ đốt nhiệt phân chất thải

- Nhiệt độ: ở buồng sơ cấp nhiệt độ phải phù hợp với loại chất thải đem đốt đểđạt được chế độ nhiệt phân tối ưu, ở buồng thứ cấp nhiệt độ đủ cao để phản ứngcháy xảy ra nhanh và hoàn toàn

- Sự xáo trộn: ở buồng sơ cấp ít xáo trộn để giảm phát sinh bụi; ở buồng thứcấp cần sự xáo trộn tốt để tăng hiệu quả tiếp xúc giữa chất cháy và chất ô xy hoá

- Thời gian: thời gian lưu cháy ở buồng thứ cấp phải đủ lâu để phản ứng cháyxảy ra hoàn toàn

- Thành phần và tính chất của chất thải: Thành phần cơ bản của chất thải: C+ H + O + N + S + A + W = 100%

+ C, H là những thành phần cháy chính tạo nên nhiệt trị của chất thải Lưuhuỳnh cũng là thành phần cháy nhưng toả nhiệt ít và nó được coi là thành phần cóhại vì tạo ra khí SOx

+ Oxy và nitơ là chất vô ích Nó làm giảm thành phần cháy của chất thải+ Độ tro (A) và độ ẩm (W) là những yếu tố tiêu cực, chúng làm giảm thànhphần chất cháy Ngoài ra các muối vô cơ, muối alkalin cũng làm khó khăn cho quátrình đốt

- Nhiệt trị: Nhiệt trị có liên quan tới quá trình sinh nhiệt trong khi cháy Mộtchất thải có nhiệt trị không đáng kể thì đốt không phải là giải pháp xử lý thiết thực.Nói chung một chất thải có nhiệt trị thấp hơn 1000 Btu/lg (556 kcal/kg) thì không

có khả năng đốt

- Ảnh hưởng của hệ số dư không khí: Hệ số cấp khí (α) là tỷ số giữa lượng) là tỷ số giữa lượngkhông khí thực tế và lượng không khí lý thuyết Giá trị α) là tỷ số giữa lượng có liên quan tới sự tănghay giảm nhiệt độ của lò đốt

1.5 Giới thiệu một số công nghệ nhiệt phân trong xử lý chất thải

1.5.1 Lò đốt kiểu hố đốt hở

Lò đốt kiểu hố đốt hở được sử dụng để thiêu hủy những chất thải dể xảy racháy nổ Đó là những chất dễ tao nên một vụ nổ hoặc giải phóng một lượng nhiệt

lớn đối với chất thải có nhiệt trị tới 2780 Kcal/kg.

Hình 1.7 Lò đốt kiểu hố đốt hở

Ưu điểm:

 Nhiệt độ trong buồng lò đốt đạt tới 2000 0F (11000C)

 Tự kiểm soát sự cháy bằng cách kiểm soát không khí trên ngọn lửa

Nhược điểm:

 Chỉ tiêu hủy được chất thải dễ xảy cháy nổ

 Phát thải nhiều bụi và không có cơ chế kiểm soát, xử lý khí thải

1.5.2 Lò đốt một cấp (Single – chamber incinerator)

Kiểu lò này được ứng dụng trước những năm 1955 Cấu tạo của lò đốt mộtcấp tương đối đơn giản, chủ yếu gồm buồng đốt để đốt hỗn hợp giữa rác thải và vậtliệu cháy Buồng đốt được chia làm 2 ngăn: ngăn trên chứa rác cần thiêu huỷ, ngăndưới để đốt vật liệu cháy nhằm cung cấp và duy trì nhiệt độ đốt, vách giữa 2 ngăn làghi lò (không có béc đốt hoặc có bộ phận đốt hỗ trợ với béc đốt) Vật liệu xây lòthường là gạch đất nung nên tuổi thọ không cao

2,4 - 4,8m

30

o

2,4 m

Vòi phun khí

Tường bảo vệ

Cổng thoát khí làm nguội

Quạt Động cơ quạt

Bệ nạp liệu

Hình 2 Lò đốt kiểu hố đốt

hở

 Năng suất thấp, phụ thuộc nhiều vào thời tiết

 Cần nhiều nhân công cho một ca làm việc, điều kiện làm việc của công nhânrất nặng nhọc, độc hại, dễ bị các bệnh nghề nghiệp

 Lò không vận hành liên tục, thời gian nghỉ giữa 2 mẻ đốt lớn Hiệu quả quátrình đốt của lò thấp

1.5.3 Lò đốt nhiều cấp (Multiple – Hearth Furnace)

Là loại lò đốt chất thải dạng bùn đặc (Waste – Sludge Incineration) từ cácnhà máy xử lý nước thải, được phát triển sớm từ những năm 1930 Có thể đốt triệt

để chất thải và khí thải ra môi trường phải đạt tiêu chuẩn quy định

Hình 1.8: Lò đốt nhiều cấp.

Kiểu lò này được nghiên cứu và phát triển để đốt các chất thải dạng bùn.Loại chất thải này không thể đem đốt trong các loại lò đốt thông thường do độ ẩmcao, nhiệt trở lớn

Lò có dạng hình trụ đứng, bên trong có nhiều tầng, mỗi tầng có cánh khuấy

để khuấy trộn bùn và gạt bùn Bùn thải cho vào từ phía trên vào tầng thứ nhất đượccánh khuấy gạt xuống tầng thứ hai và cứ như thế cho đến tầng cuối cùng Trong quátrình đi xuống, bùn được đi qua các vùng sấy, vùng đốt, vùng làm nguội và tháo tro.Vùng đốt có béc đốt bổ trợ Không khí làm mát được thổi vào ống trung tâm của lòđốt, một phần khí nóng được hồi lưu để cung cấp cho quá trình cháy nhằm tận dụngnhiệt

Hệ thống cấp khí được thiết kế ở phía dưới của hệ thống Nhiệt độ tối thiểucủa lò là 14000F và thời gian lưu ít nhất là 0.5s để có thể phân huỷ phần lớn các hợpchất hữu cơ

Ưu điểm:

 Đốt được bùn thải, chất thải lỏng nguy hại

 Nhiệt độ cao cho phép đốt triệt để

Nhược điểm:

 Cần cung cấp khí, nguyên liệu phụ để quá trình cháy triệt để hơn, tránh ngọnlửa tác động lên gạch chịu lửa

 Chi phí bảo trì cao

1.5.4 Lò đốt thùng quay (Rotary – Kiln Incineration)

Cấu tạo lò đốt thùng quay được thể hiện trong hình 3.4

Hình 1.10: Lò đốt thùng quay.

Đây là loại lò đốt được sử dụng khá phổ biến ở các nước tiên tiến hiện nay,

lò đốt có nhiều ưu điểm bởi quá trình xáo trộn rác tốt, đạt hiệu quả cao Lò đốtthùng quay được sử dụng để xử lý các loại chất thải nguy hại dạng rắn, cặn, bùn vàcũng có thể ở dạng lỏng Ở Mỹ lò đốt thùng quay chiếm tới 75% số lò đốt chất thảinguy hại, lò đốt tầng sôi chiếm 10%, còn lại 15% các loại lò khác Cấu tạo của lòđốt bao gồm:

a.) Buồng sơ cấp

Là một tang quay với tốc độ điều chỉnh được, có nhiệm vụ đảo trộn chất thảirắn trong quá trình cháy Lò đốt được đặt hơi dốc với độ nghiêng từ (1 – 5)/100,

nhằm tăng thời gian cháy của chất thải và vận chuyển tự động tro ra khỏi lò đốt.Phần đầu của lò đốt có lắp một béc phun dầu hoặc gas kèm quạt cung cấp cho quátrình đốt nhiên liệu nhằm đốt nóng cho hệ thống lò đốt Khi nhiệt độ lò đạt trên

8000C thì chất thải rắn mới được đưa vào để đốt Giai đoạn để đốt sơ cấp, nhiệt độ

lò quay khống chế từ 800 – 9000C, nếu chất thải cháy tạo đủ năng lượng giữ đượcnhiệt độ này thì bộ điều chỉnh bec-phun dầu/gas tự động ngắt Khi nhiệt độ hạ thấphơn 8000C thì bộ đốt tự động làm việc trở lại

b.) Buồng đốt thứ cấp

Đây là buồng đốt tĩnh, nhằm để đốt các sản phẩm bay hơi, chưa cháy hết baylên từ lò sơ cấp Nhiệt độ ở đây thường từ 950 – 11000C Thời gian lưu của khí thảiqua buồng thứ cấp từ 1,5 – 2s Hàm lượng ôxy dư tối thiểu cho quá trình cháy là6% Có các tấm hướng để khí thải vừa được thổi qua vùng lửa cháy của bộ phận đốtphun dầu vừa xáo trộn mãnh liệt để cháy triệt để Khí thải sau đó được làm nguộirồi qua hệ thống xử lý khí trước khi qua ống khói thải ra môi trường

Ưu điểm:

 Áp dụng được cho tất cả chất thải rắn và lỏng

 Có thể nạp chất thải ở dạng thùng hoặc khối, có thể nạp trực tiếp mà khôngcần xử lý sơ bộ

 Linh động trong cơ cấu nạp liệu

 Cung cấp khả năng xáo trộn chất thải và không khí cao

 Lấy tro liên tục mà không ảnh hưởng đến quá trình cháy

 Có thể vận hành ở nhiệt độ trên 14000C

Nhược điểm:

 Gia công lò khó, chi phí đầu tư ban đầu cao, vận hành phức tạp

 Yêu cầu lượng khí dư lớn do thất thoát qua các khớp nối

 Tổn thất nhiệt đáng kể trong tro thải

 Chất thải vô cơ có thể kết xỉ gây khó khăn cho công tác bảo dưỡng, bảo trì

1.5.5 Lò đốt tầng sôi (tháp đốt tầng sôi / Fluid – Bed Furnace)

Lò đốt tầng sôi là một tháp hình trụ đứng, bên trong chứa một lớp cát dày 40– 50cm nhằm: nhận nhiệt và giữ nhiệt cho lò đốt, bổ sung nhiệt cho rác ướt Lò đốtlàm việc ở chế độ tĩnh Lớp cát được gió thổi xáo động làm chất thải rắn bị tơi ra,xáo động nên theo cháy dễ dàng Chất thải lỏng khi bơm vào lò sẽ bám dính lên bềmặt các hạt cát nóng đang xáo động, nhờ vậy sẽ bị đốt cháy còn thành phần nước sẽbay hơi hết.

ổn định và hỗ trợ cho quá trình sôi của lớp chất thải đưa vào đốt Khí thải sau đóđược làm nguội và cho qua hệ thống xử lý trước khi qua ống khói thải ra môi

trường Lò đốt tầng sôi được thể hiện trong hình 3.6.

Hình 1.11: Lò đốt tầng sôi.

Ưu điểm:

 Có thể xử lý cả 3 dạng chất thải rắn, lỏng và khí

 Thiết kế đơn giản và hiệu quả nhiệt cao

 Nhiệt độ khí thải thấp và lượng khí dư yêu cầu nhỏ

 Hiệu quả đốt cao do bề mặt tiếp xúc lớn

 Lượng nhập liệu không cần cố định

 Lớp dịch chuyển phải được tu sửa và bảo trì

1.5.6 Lò đốt chất thải lỏng (Liquid – Waste Incineration):

Chất thải nguy hại dạng lỏng được đốt trực tiếp trong lò đốt bằng cách phunvào vùng ngọn lửa hay vùng cháy của lò phụ thuộc vào nhiệt trị chất thải Lò đượcduy trì nhiệt độ khoảng 10000C Thời gian lưu của chất thải lỏng trong lò từ vàiphần giây đến 2,5 giây

Dòng lỏng được phun vào với áp lực cao, vận tốc lớn và sẽ phân thànhnhững phần tử phun nhỏ Hơi sẽ cấp nhiệt và có khuynh hướng làm giảm độ nhớtcủa chất lỏng Khi độ nhớt giảm thì hiệu quả đốt sẽ tăng lên Độ nhớt là một trongnhững chỉ tiêu quan trọng trong lò đốt chất thải lỏng Độ nhớt chất thải càng cao thìcàng khó đốt

Ưu điểm:

 Đốt được chất thải lỏng nguy hại

 Không yêu cầu lấy tro thường xuyên

 Thay đổi nhiệt độ nhanh chóng theo tốc độ nhập liệu

 Chi phí bảo trì thấp

Nhược điểm:

 Chỉ áp dụng được đối với các chất lỏng có thể nguyên tử hóa

 Cần cung cấp khí, nhiên liệu phụ như gas/dầu để quá trình cháy triệt để hơn, tránh ngọn lửa tác động lên gạch chịu lửa

 Dễ bị nghẹt béc phun khi chất thải lỏng có cặn

1.5.7 Lò đốt nhiệt phân tĩnh

Nguyên lý hoạt động của lò chủ yếu dựa vào quá trình kiểm soát không khícấp vào lò Khi V (lượng không khí cấp tức thời) < V0 (lượng không khí tính toántrên lý thuyết) (vùng thiếu khí) thì nhiệt độ tăng khi lưu lượng khí tăng Khi V > V0(vùng dư khí) thì nhiệt độ sẽ giảm khi lưu lượng khí cấp vào lò tăng Dựa vào quan

hệ giữa lượng không khí được cấp cho quá trình đốt và nhiệt độ buồng đốt để kiểmsoát quá trình đốt.

Trong buồng đốt sơ cấp lượng không khí – V, chỉ được cấp bằng 20 – 70%nhu cầu cần thiết – V0 Nhiệt độ lò đốt sơ cấp được kiểm soát từ 400 – 9500C Khíbao gồm có hỗn hợp các khí cháy (khí gas) và hơi nước sẽ được dẫn lên buồng thứcấp và khí gas sẽ được đốt tiếp trong buồng thứ cấp

Ở buồng thứ cấp lượng không khí cung cấp dư để đốt cháy hoàn toàn khígas Khí thải tiếp tục được làm sạch (khử bụi, khí acid …) bằng các thiết bị xử lýtrước khi thải ra môi trường Nhiệt độ làm việc ở buồng thứ cấp trên 10000C Khiđốt chất thải nguy hại nhiệt độ phải đảm bảo trên 11000C trong thời gian lưu cháy 2giây Lò tĩnh rất kín, đặc biệt ở tại nơi nạp rác, điều này đảm bảo cho 1 quá trìnhnhiệt phân tốt nhất với 1 ít gió nạp vào buồng sơ cấp

Ưu điểm:

 Quá trình nhiệt phân xảy ra ở nhiệt độ thấp (so với các công nghệ đốt khác)

Do vậy, làm tăng tuổi thọ của vật liệu chịu lửa, giảm chi phí bảo trì

 Kiểm soát được chế độ nhiệt phân sẽ tiết kiệm được nhiên liệu vì buồngnhiệt phân chính là nguồn cung cấp khí gas (nhiên liệu bổ sung cho buồngthứ cấp)

 Quá trình nhiệt phân không đòi hỏi sự xáo trộn cao nên sẽ giảm được lượng

bụi phát sinh Thông thường, bụi trong khí thải < 200mg/m3, trong nhiềutrường hợp không cần trang bị thiết bị xử lý bụi

 Quá trình nhiệt phân có thể kiểm soát được nhờ bản chất thu nhiệt của nó

 CTR hoặc lỏng bị đồng thể hóa chuyển vào dòng khí có nhiệt lượng cao nhờquá trình nhiệt phân có kiểm soát

 Các cấu tử có thể thu hồi được tập trung trong bã rắn hoặc nhựa để thu hồi

 Thể tích chất thải giảm đáng kể

 Các chất hữu cơ bay hơi có giá trị kinh tế có thể được ngưng tụ để thu hồi(thu hồi nhiên liệu lỏng)

 Phần hơi không ngưng tụ, cháy được coi như nguồn cung cấp năng lượng

 Vận hành và bảo trì phù hợp với điều kiện Việt Nam

 Các chất hữu cơ và các chất độc hại như dioxyn, furans, PCB cháy hoàntoàn

 Thời gian đốt lâu hơn so với công nghệ đốt lò quay

 Tháo tro gián đoạn nên thường chỉ phù hợp với các quy mô vừa và nhỏ

 Vận hành và điều chỉnh quá trình đốt trong lò đốt nhiệt phân tương đối phứctạp và đòi hỏi công nhân phải có tay nghề cao

1.6 Mô tả công nghệ nhiệt phân TDT-3R

1.6.1 Công đoạn tiền xử lý

Nghiền vật liệu có kích thước nhỏ hơn 5mm Hàm lượng ẩm tối ưu trong vậtliệu là 5%, tuy nhiên trên thực tế là 8-18% Những loại có độ ẩm >35% cần đượcsấy khô để giảm độ ẩm xuống còn <10% trước khi cho vào lò Vật liệu cần đượcsàng để phân loại kích thước đồng nhất trước khi sử dụng, vì kích thước vật liệu vào

sẽ phản ánh dựa vào kích thước sản phẩm thu được Cửa đóng của lò quay đượcđiều khiển bằng cơ cấu cơ khí, có thể nén ép vật liệu để loại bớt không không khínằm bên trong vật liệu và đẩy vật liệu vào vùng gia nhiệt

1.6.2 Quá trình nhiệt phân

Đặc điểm của công nghệ TDT-3R là được thiết kế đặc biệt, trao đổi nhiệtgián tiếp, trong ống lò quay vật liệu được cacbon hóa, bay hơi và áp suất thấp (0-50Pascal) trong khoảng nhiệt độ 550OC – 600OC Buồng nhiệt phân quay theo phươngngang, buồng nhiệt phân được thiết kế bằng loại thép tốt để gia nhiệt bên ngoài Bêntrong ống có đặt các cánh hướng dòng làm nhiệm vụ đẩy nguyên liệu Buồng nhiệtphân làm việc dạng ống, nguyên vật liệu được nạp ở đầu vào còn sản phẩm than vàpha khí thu tách rời 2 pha tại cuối ống đầu ra Thông thường thì than và chất vô cơ

sẽ lưu lại trong pha rắn còn các hợp chất hữu cơ bay hơi và nước sẽ được ngưng tụtrong pha hơi

 Pha khí ngưng từ quá trình nhiệt phân thường được ngưng tụ thành pha lỏng

để làm nhiên liệu sinh học và pha khí không ngưng được tận dụng cho buồngđốt tại nhiệt độ 500-600OC

 Pha cacbon đưa ra ngoài ở nhiệt độ trung bình, cuối quá trình làm mát giántiếp và trạng thái khô

1.6.3 Quá trình hoạt động của TDT-3R

Năng lượng cần thiết cho việc khởi động ban đầu đều dựa vào nhiên liệucung cấp đầu vào Quá trình nung nóng này được thực hiện đốt gián tiếp từ nhiênliệu trong buồng đốt bên ngoài ống chứa vật liệu nhiệt phân Nhiệt được cung cấpgián tiếp qua thành thiết bị đến vật liệu

- Giai đoạn 1: Năng lượng được truyền đến vật liệu qua thành thiết bị lò quay.Vật liệu được đảo trộn và rải đều từ dưới lên qua thành thiết bị đến vật liệu

quay tròn bên trong Nhiệt được truyền từ thiết bị đến vật liệu Vật liệu tiếpxúc với thành thiết bị được gia nhiệt, đảo trộn trong lò nhờ những cánhhướng dòng Vật liệu được làm nóng hoàn toàn Do đó, tính dẫn nhiệt của vậtliệu sinh khối là là một yếu tố kỹ thuật rất quan trọng cần tính đến trong thiết

kế Thông thường khi tính toán dựa trên khả năng dẫn nhiệt thấp, tính dẫnnhiệt của vật liệu phụ thuộc vào các tác nhân vật lý và tác nhân hóa học

- Giai đoạn 2: Nhiệt được truyền từ lớp dưới cùng lên lớp vật liệu trên cùng Khi quá nhiệt độ 270OC bắt đầu xảy ra quá trình phân hủy nhiệt (phản ứngtỏa nhiệt) bên trong vật liệu

Quá trình xảy ra phản ứng tỏa nhiệt diễn ra rất trậm, do đó quá trình tạo sảnphẩm khí của không thu được trong thời gian ngắn Pha khí được hút ra cưỡng bứcbằng quạt hút

Thiết kế kỹ thuật nhiệt của lò phản ứng có liên quan đến năng lực vậnchuyển trong là và nguyên liệu đầu vào Vật liệu đầu vào thường là hỗn hợp củahữu cơ, vô cơ Các phản ứng nhiệt phân không chỉ xảy ra theo trình tự, nhưng đồngthời cũng có hàng loạt các phản ứng khác xảy ra với các mức độ năng lượng khácnhau Các chất có mặt O trong cấu trúc khá ổn định ở nhiệt độ thấp dưới 200OC.Tuy nhiên, khi nóng lên trên 300OC, sẽ tạo CO2, và trên 500OC sẽ tạo CO và H2

1.6.4 Đặc điểm sản phẩm than của quá trình nhiệt phân

Sản phẩm than thu được từ quá trình nhiệt phân có tỷ lệ khác nhau ở mỗi điềukiện nhiệt độ, từ 42% - 49,12% ở 4000C giảm xuống còn 14% - 29,14% ở 7000C.Như vậy, khi tăng nhiệt độ của quá trình thì tỷ lệ than thu được giảm, lượng sảnphẩm khí thu được tăng Thông số nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến quá trình cũng nhưảnh hưởng của thời gian than hóa và mối quan hệ tương hỗ giữa 2 yếu tố

Phần cacbon còn lại trong than, phần trăm H và O bị loại ra khỉ vật liệu đượcxác định là một thông số của quá trình Đây là mục tiêu của quá trình than hóa: tạo

ra tối đa lượng cacbon còn lại trong pha rắn trong khi loại bỏ tối đa lượng H, O rakhỏi vật liệu Các thông số C, H, O có thể được xác định như là chức năng tối ưucủa quá trình than hóa [15]

Quá trình nhiệt phân sẽ dẫn đến thay đổi về thành phần hóa học vì vậy đặcđiểm và tính chất của sản phẩm than thu được phụ thuộc rất nhiều vào loại vật liệuđược tiến hành nhiệt phân Việc giải phóng pha hơi dẫn đến tăng tỉ lệ của chất vô cơ

có trong mẫu than Tất cả các mẫu sinh khối được làm giàu thành dạng nhiên liệutrong quá trình nhiệt phân do tăng tỉ lệ %C và giảm tỉ lệ %O Các mẫu than thuđược có hàm lượng C cao (76-95%), bỏ qua hàm lượng S, hàm lượng N dưới 1%[20] Theo dự báo, các mẫu than thu được có giá trị nhiệt lượng cao hơn so với mẫunguyên liệu ban đầu do tỉ lệ %C cao hơn Sự khác nhau giữa các giá trị nhiệt lượngđối với các loại than trên là khá lớn Các giá trị nhiệt lượng dao động trong khoảng

25 MJ/kg - 30 MJ/kg

Quá trình bốc hơi tạo ra cấu trúc lỗ rỗng xốp trên bề mặt vật liệu và bên trongvật liệu, đối với nhiệt độ nhiệt phân khác nhau, thời gian nhiệt phân khác nhau sẽdẫn đến mẫu than thu được các lỗ rỗng khác nhau, chủ yếu là loại macro, mesopore

và loại micropore lớn Diện tích bề mặt của than (BET) dao động trong khoảng rấtlớn từ vài m2/gam đến vài trăm m2/gam Tuy nhiên diện tích bề mặt của than nhiệtphân nhỏ hơn rất nhiều so với than hoạt tính Sản phẩm than thu được sau quá trìnhnhiệt phân có thể sử dụng rộng rãi trong nghiều lĩnh vực khác nhau: công nghiệp,nông nghiệp, môi trường… Trong giới hạn đề tài này sản phẩm than thu được sauquá trình nhiệt phân sẽ được sử dụng làm vật liệu để nghiên cứu quá trình hấp phụcác chất ô nhiễm trong môi trường nước

Sản phầm than thu được từ quá trình nhiệt phân tiếp tục được sử dụng đểnghiên cứu khả năng hấp phụ đối với một số chất ô nhiễm trong nước thải

1.7 Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ

các hệ mao quản Đây là giai đọan khuếch tán màng

- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ.Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản

- Các phần tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ Đây là giaiđoạn hấp phụ thực sự

Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn có tốc độ chậm sẽ quyết định haykhống chế chủ yếu quá trình động học hấp phụ Với hệ hấp phụ trong môi trườngnước, quá trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trò quyết định Tải trọng hấpphụ sẽ thay đổi theo thời gian tới khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng

Gọi tốc độ hấp phụ là biến thiên độ hấp phụ theo thời gian, ta có:

x

t

d r d

 (1)

Khi tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc nhất vào sự biến thiên nồng độ theo thời gian thì:

x t

d r d

 = β.(Ci - Cf)= k.(qmax - q) (2)

Trong đó:

β : hệ số chuyển khối

Ci : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm ban đầu(mg/l)

Cf : nồng độ chất bị hấp phụ trong pha mang tại thời điểm t (mg/l)

k : hằng số tốc độ hấp phụ

qmax : tải trọng hấp phụ cực đại

q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm t

1.7.1.1 Động học hấp phục bậc 1

Phương trình động học bậc 1 có dạng:

e t t

dq

d   (3)Trong đó:

qe,qt: Dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời điểm t bất kì t (mg/g) k: Hằng số động học bậc 1 (1/phút)

Khi t biến thiên trong khoảng 0÷t, q biến thiên trong khoảng 0÷qt, phương trình (3)trở thành:

Khi t biến thiên trong khoảng 0÷t, q biến thiên trong khoảng 0÷qt, phương trình (5)trở thành :

( 1 ) 1

kt

q  q q  (6)Phương trình (5) có thể viết lại thành:

Phương trình (7) trở thành:

1.7.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình phức tạp, nó chịu ảnh hưởng của một số yếu tố sau:

a Ảnh hưởng của dung môi :

Hấp phụ trong dung dịch là hấp phụ cạnh tranh, nghĩa là khi chất tan bị hấpphụ càng mạnh thì dung môi bị hấp phụ càng yếu Dung môi có sức căng bề mặtcàng lớn thì chất tan càng dễ bị hấp phụ Chất tan trong dung môi nước bị hấp phụtốt hơn so với dung môi hữu cơ

b Tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ :

Thông thường, các chất phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt phân cực và các chấtkhông phân cực dễ hấp phụ lên bề mặt không phân cực Ngoài ra, độ xốp của chấthấp phụ cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Khi giảm kích thước mao quảntrong chất hấp phụ xốp thì sự hấp phụ từ dung dịch thường tăng lên Nhưng đến mộtgiới hạn nào đó, khi kích thước mao quản quá nhỏ sẽ cản trở sự đi vào của chất bịhấp phụ

c Ảnh hưởng của nhiệt độ :

Khi nhiệt độ tăng, sự hấp phụ trong dung dịch giảm Tuy nhiên, đối với nhữngcấu tử tan hạn chế, khi tăng nhiệt độ, độ tan tăng sẽ làm cho nồng độ của nó trongdung dịch tăng lên, do vậy khả năng hấp phụ sẽ tăng lên

d Ảnh hưởng của pH môi trường :

pH ảnh hưởngnhiều đến tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụtrong dung dịch nên cũng ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ Ngoài ra còn có cácyếu tố khác như: nồng độ của chất tan trong dung dịch, áp suất đối với chất khí, quátrình hấp phụ cạnh tranh đối với các chất bị hấp phụ

- Đối với chất hấp phụ là chất rắn, chất bị hấp phụ là chất lỏng, khí thì đường

hấp phụ đẳng nhiệt được mô tả qua các phương trình như: phương trình hấpphụ đẳng nhiệt Henry, Frenundrich, Langmuir…

1.7.3.1 Phương trình đẳng nhiệt Langmuir :

Hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được ứng dụng thành công trong nhiều quátrình hấp phụ chất ô nhiễm và được sử dụng rộng rãi đối với quá trình hấp phụ chấttan từ dung dịch Những giả định của thuyết Langmuir như sau :

- 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 tiểuphân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấpphụ trên các trung tâm bên cạnh

Như vậy, trên bề mặt chất hấp phụ chỉ hình thành một lớp hấp phụ đơn phân tử

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt đơn lớp Langmuir cho phép ước tính khả năng hấp phụtối đa của vật liệu (Qm) được biểu diễn bởi biểu thức: [6]

cb cb

q : tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

qmax : tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g)

b : hằng số chỉ ái lực của vị trí liên kết trên bề mặt chất hấp phụ

Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:

- Khi b.C << 1 thì q = qmaxb.C mô tả vùng hấp phụ tuyến tính

- Khi b.C >> 1 thì q = qmax mô tả vùng hấp phụ bão hòa

Khi nồng độ chất hấp phụ nằm trung gian giữa hai khoảng nồng độ trên thì đườngbiểu diễn phương trình Langmuir là một đường cong