ĐỀ TÀI HOÀN CHỈNH (3)-compressed

Đề tài nghiên cứu: “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ CÀ PHÊ VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT HẤP PHỤ ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC MƯA, LÀM TÚI KHỬ MÙI TRONG SINH HOẠT”.. Bã cà phê không còn được xả vô tội

Đề tài nghiên cứu:

“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH

TỪ BÃ CÀ PHÊ VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT HẤP PHỤ ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC MƯA, LÀM TÚI KHỬ MÙI

TRONG SINH HOẠT”

Lĩnh vực: Kĩ thuật môi trường

TÓM TẮT

Than hoạt tính có rất nhiều tính năng ưu việt, từ lâu đã được điều chế và

sử dụng rộng rãi trong đời sống Tuy nhiên, nếu ta tận dụng được bã cà phê, một nguồn bã thải to lớn, được thải ra môi trường hàng ngày để chế tạo nên than hoạt tính thì càng tuyệt vời hơn Bã cà phê không còn được xả vô tội vạ ra ngoài môi trường mà còn được tái sử dụng triệt để, than hoạt tính sau khi điều chế được dùng làm túi khử mùi góp phần giảm bớt mùi hôi khó chịu trong sinh hoạt như: Mùi mồ hôi giày, mùi ẩm mốc từ tủ quần áo Sử dụng làm vật liệu lọc trong mô hình lọc nước tại các hộ gia đình để lọc nước mưa sử dụng trong sinh hoạt giúp tiết kiệm nước, tiết kiệm điện năng Vậy, chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê như thế nào? Khảo sát tính chất hấp phụ của than hoạt tính đó cho kết quả ra sao? Từ than hoạt tính điều chế được kết hợp thêm các vật liệu lọc nước ta chế tạo mô hình lọc nước như thế nào? Tận dụng than hoạt tính vừa điều chế làm túi khử

mùi ra sao? “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê và ứng dụng làm chất

hấp phụ để xử lý nước mưa, làm túi khử mùi trong sinh hoạt” sẽ giúp các bạn hiểu

rõ vấn đề Chế tạo 14 mẫu than từ bã cà phê với các điều kiện khác nhau về thời gian ngâm, tỉ lệ ngâm than/KOH, nhiệt độ hoạt hóa, thời gian hoạt hóa và nghiên cứu khả năng hấp phụ của các mẩu than Để nghiên cứu, chúng em sử dụng rất nhiều phương pháp: Nghiên cứu tài liệu, thống kê toán học, phỏng vấn, quan sát khoa học, điều tra Tạo một mô hình lọc nước đặt tại một gia đình cụ thể và 100 túi khử mùi phát cho 50 người dân, 32 giáo viên, công nhân viên và 18 học sinh Trên

cơ sở nghiên cứu đánh giá về kết quả và đề xuất hướng phát triển

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

I GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1 Tính cấp thiết của đề tài 2

2 Mục đích của đề tài 4

3 Ý nghĩa của đề tài 5

4 Đối tượng và khách thể nghiên cứu 5

5 Những đóng góp mới của đề tài 5

6 Cấu trúc của đề tài 5

II NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 7

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 7

1 Tổng quan về than hoạt tính 7

1.1 Than hoạt tính là gì? 7

1.2 Thực trạng việc sử dụng và chế tạo than hoạt tính ở Việt Nam 8

1.3 Quy trình sản xuất than hoạt tính 9

1.3.1 Quy trình cacbon hóa 9

1.3.2 Quy trình hoạt hóa 10

1.3.3 Chế tạo than hoạt tính từ phế thải nông nghiệp 11

2 Tổng quan về bã cà phê 12

2.1 Thành phần của bã cà phê 12

2.2.Tình hình nghiên cứu tính chất hấp phụ của bã cà phê 13

CHƯƠNG II: TỔ CHỨC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

1 Vài nét về khách thể nghiên cứu 16

1.1 Nước mưa là gì? 16

1.2 Vai trò của nước mưa 17

1.3 Thành phần của nước mưa 17

1.4 Hiện tượng mưa axit 18

1.5 Giới thiệu vật liệu hấp phụ 19

2 Quy trình nghiên cứu 20

3 Các phương pháp nghiên cứu 21

3.1 Nhóm các phương pháp nghiên cứu lí luận 21

3.2 Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn 21

3.2.1 Phương pháp quan sát 21

3.2.2 Phương pháp đàm thoại 21

3.2.3 Phương pháp điều tra 21

3.2.4 Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia 22

3.2.5 Phương pháp thực nghiệm 22

3.3 Phương pháp thống kê toán học 22

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 23

1 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã cà phê 23

1.1 Nguyên liệu và hóa chất 23

1.2 Dụng cụ và thiết bị 24

1.3 Cách tiến hành 25

1.4 Dự đoán giá thành sản phẩm 30

2 Quy trình tạo mô hình lọc nước 30

2.1 Quy trình tạo mô hình lọc nước mini trong phòng thí nghiệm 30

2.2 Kết quả và thảo luận 34

2.3 Mô hình lọc nước ngoài thực tế 46

2.3.1 Dụng cụ 46

2.3.2 Đề xuất chi phí và vật liệu lọc 47

2.3.3 Cách tiến hành 51

2.3.4 Thử nghiệm mô hình lọc nước 62

3 Túi khử mùi dùng trong sinh hoạt 66

3.1 Quy trình may túi khử mùi 66

3.2 Cách sử dụng 68

III KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74

1 Kết luận 74

2 Đánh giá thiết bị 74

3 Hướng phát triển 75

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

V PHỤ LỤC 77

1 Câu hỏi phỏng vấn chuyên gia 77

2 Câu hỏi phỏng vấn người sử dụng túi khử mùi 77

Danh mục bảng 79

Danh mục hình 80

1

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu chế tạo than hoạt

tính từ bã cà phê và ứng dụng làm chất hấp phụ để xử lý nước mưa, làm túi khử mùi trong sinh hoạt” chúng em đã được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của

Ban giám hiệu nhà trường cũng như quý thầy, cô giáo trường THCS Pró Sự giúp

đỡ nhiệt tình từ lò nung gốm thủ công của đồng bào dân tộc Chu ru, lò gạch Tuynel, phòng tài nguyên và môi trường huyện Đơn Dương, gia đình cô Huỳnh Thị Hà trong thời gian qua đã luôn tạo điều kiện, cung cấp cho chúng em những ý kiến quý giá trong quá trình chúng em nghiên cứu và hoàn thành đề tài này

Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Nguyễn Thị Phương Thúy đã tận tình chỉ bảo, khích lệ cung cấp những tri thức sâu rộng và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành đề tài

Trong quá trình hoàn thiện đề tài mặc dù đã có nhiều cố gắng, song thời gian nghiên cứu còn hạn chế Bản thân chúng em cũng còn nhiều thiếu sót về trình độ kiến thức và sự hiểu biết, mặt khác chúng em lại vừa học tập vừa nghiên cứu nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong quý thầy cô chỉ bảo, góp ý

để đề tài của chúng em được hoàn thiện và chúng em rút ra nhiều kinh nghiệm hơn

Chúng em xin trân trọng cảm ơn!

Đơn Dương, ngày 21 tháng 11 năm 2018

Học sinh

Dương Hữu Trí

Nguyễn Lưu Minh Thư

2

I GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất nước ta đang bước vào giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa với mục tiêu đến năm 2020 Việt Nam sẽ từ một nước nông nghiệp về cơ bản trở thành nước công nghiệp, hội nhập với cộng đồng quốc tế Nhân tố quyết định thắng lợi của công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế là con người, là nguồn nhân lực người Việt Nam được phát triển về số lượng và chất lượng trên cơ sở mặt bằng dân trí được nâng cao Việc này cần được bắt đầu từ giáo dục phổ thông Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ XI của Đảng ta đã

khẳng định: “Đổi mới căn bản toàn diện nền giáo dục Việt Nam theo hướng

chuẩn hóa, hiện đại hóa, xã hội hóa, dân chủ hóa và hội nhập quốc tế” Đặc biệt

thủ tướng chính phủ đã phê duyệt “chiến lược phát triển giáo dục 2011 – 2020” với mục tiêu tổng quát đến năm 2020 nền giáo dục Việt Nam được đổi mới căn bản và toàn diện theo hướng chuẩn hóa, hiện đại hóa, xã hội hóa, dân chủ hóa và hội nhập quốc tế Mục tiêu giáo dục phổ thông là giúp cho học sinh phát triển toàn diện, chuẩn bị cho học sinh nghiên cứu sâu hơn ở đại học, cao đẳng hoặc đi vào cuộc sống lao động

Tuy nhiên, rất tiếc là hiện nay giáo dục Việt Nam đang coi trọng kiến thức

lý thuyết hơn là kỹ năng thực hành Do đó, vấn đề đang đặt ra cho giáo dục hiện nay là: Làm thế nào để nội dung kiến thức gắn kết với kỹ năng hành động, môn học trở nên hấp dẫn và có ý nghĩa trong cuộc sống? Làm thế nào để việc học tập nhắm đến mục đích là triển năng lực giải quyết những vấn đề phức tạp trong thực tiễn cuộc sống cho học sinh?

Hàng năm bộ GDĐT tổ chức Cuộc thi khoa học kĩ thuật cấp quốc gia dành cho học sinh trung học Sau 10 năm tổ chức Cuộc thi, hoạt động nghiên cứu khoa học của học sinh trong trường trung học đã đạt được những kết quả đáng khích lệ

Số lượng học sinh tham gia nghiên cứu khoa học kĩ thuật ngày càng nhiều chứng tỏ cuộc thi đã tạo được sự phát triển mạnh mẽ của hoạt động nghiên cứu khoa học trong các trường phổ thông, thu hút được sự quan tâm, hưởng ứng và hỗ trợ của

3

nhiều trường đại học, viện nghiên cứu Cuộc thi đã trở thành một hoạt động thường niên, sân chơi trí tuệ của học sinh trung học, đáp ứng được nhu cầu của đổi mới giáo dục đào tạo

Đối với việc dạy học bộ môn Hóa học, vai trò của việc vận dụng kiến thức vào giải quyết các vấn đề thực tiễn là cấp thiết và mang tính thời sự Trước là tạo điều kiện cho việc học và hành gắn liền với thực tế “học đi đôi với hành”, tạo cho học sinh sự hứng thú, hăng say học tập, thấy được sự thiết thực của việc học tập môn Hóa học Góp phần thúc đẩy học sinh biết vận dụng môn Hóa học để giải quyết các vấn đề nảy sinh trong thực tiễn cuộc sống

Than hoạt tính từ lâu đã được chế tạo và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp Than hoạt tính với những đặc tính tuyệt vời có thể làm sạch nước, không khí thậm chí là tham gia vào các quá trình tinh chế các hóa chất hóa học hữu ích khác Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau, sản xuất theo nhiều phương pháp và đi từ các nguồn nguyên liệu rất khác nhau như khí thiên nhiên, phế phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, bã mía của nhà máy đường), phế phẩm của ngành trồng trọt (lá dứa, xơ dừa của các ngành trồng dừa Nam bộ, vỏ hạt cà phê ở các tỉnh Tây Nguyên và Tây Bắc) hay than bùn Tuy đa dạng về mặt mẫu mã, chủng loại nhưng những tính chất cơ bản của chúng không khác xa nhau

Việt Nam là một trong những nước sản xuất cà phê chính của thế giới, cũng

là một trong những quốc gia tiêu thụ một lượng cà phê đáng kinh ngạc trong vòng trong khoảng từ năm 2005 đến nay Hệ quả là một khối lượng lớn bã cà phê được thải bỏ, theo ước tính của Viện Công nghệ Hoàng gia Đại học Melbourne (Úc), mỗi ngày có khoảng gần 6 triệu tấn bã cà phê bị đổ vào bãi rác Một phần bã cà phê được làm thức ăn cho gia súc, phần còn lại được đốt như chất thải sinh ra khí nhà kính CO2 Vì vậy, việc phát triển công nghệ tái sử dụng bã cà phê cho các mục đích hữu ích là cực kì cần thiết

Bên cạnh đó, việc khan hiếm nguồn nước sạch đang ngày càng nghiêm trọng hơn trên hành tinh, hiện vẫn có tới 633 triệu người không có đủ nước dùng và

4

tình trạng sẽ ngày càng nghiêm trọng hơn ở khắp nơi trên Trái Đất, ở địa phương nơi em cư trú vẫn có hiện tượng thiếu nước Song song với việc tiết kiệm nước sẽ tiết kiệm được điện năng, điện năng không phải là vô tận mà nó có hạn, sử dụng quá mức điện năng sẽ làm cho các nhà máy điện không đủ khả năng cung cấp dẫn đến tình trạng mất điện

Hàng ngày, tại các hộ gia đình, tình trạng mùi hôi khó chịu như mùi mồ hôi trong giày dép, mùi nội thất ô tô, mùi thức ăn trong tủ lạnh phần nào ảnh hưởng tới tinh thần và sức khỏe của con người, việc giảm bớt những mùi hôi khó chịu này trở thành một nhu cầu tất yếu

Trong khoảng một thập niên gần đây, đã có rất nhiều nghiên cứu chế tạo than hoạt tính làm chất hấp phụ từ vỏ trấu, vỏ hạt cà phê và chứng minh được rằng chúng có tính hấp phụ rất đáng kể Nhưng, chỉ có một số ít nghiên cứu tính chất hấp phụ của than bã cà phê Việc tận dụng nguồn phế thải bã cà phê để điều chế chất hấp phụ sinh học không chỉ giải quyết bài toán môi trường mà còn là bài toán kinh tế Vì những lý do trên, chúng em muốn tận dụng nguồn bã thải bã này tạo nên than hoạt tính (một vật liệu hấp phụ) dùng để xử lý nước mưa và tạo ra các túi khử mùi dùng để khử mùi hôi khó chịu trong sinh hoạt như: Mùi mồ hôi của giày dép, mùi ẩm mốc trong tủ quần áo, mùi thức ăn trong nhà bếp

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu các bước tiến hành để chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê, kiểm tra khả năng hấp phụ của than bằng cách chế tạo mô hình lọc nước mini trong phòng thí nghiệm So sánh tổng khối lượng chất rắn hòa tan và giá trị pH của nước mưa trước và sau khi lọc để đánh giá khả năng hấp phụ của than Tận dụng các vật liệu đã qua sử dụng sẵn có kết hợp với than hoạt tính, sỏi lọc, cát lọc để tạo nên mô hình lọc nước mưa tại các hộ gia đình Từ than hoạt tính vừa điều chế tạo ra các túi khử mùi dùng trong sinh hoạt

Kết quả nghiên cứu trả lời được những câu hỏi:

5

năng hấp phụ của than hoạt tính như thế nào?

thế nào?

lai?

3 Ý nghĩa của đề tài

Giúp người dân tận dụng được nguồn bã thải từ bã cà phê tạo ra một vật liệu có ích, góp phần bảo vệ môi trường, tăng hiệu quả kinh tế

Từ than hoạt tính vừa điều chế tạo nên bộ dụng cụ lọc nước, tận dụng nguồn nước mưa sẵn có để sử dụng giúp tiết kiệm nước, tiết kiệm điện năng từ

đó tăng hiệu quả kinh tế

Từ than hoạt tính vừa điều chế tạo nên các túi khử mùi giúp loại bỏ những mùi hôi khó chịu trong sinh hoạt như: Mùi thức ăn của nhà bếp, mùi mồ hôi giày, mùi ẩm mốc trong tủ quần áo để giảm ô nhiễm không khí, nâng cao đời sống tinh thần

4 Đối tượng và khách thể nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu

6

- Chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê, tận dụng được một nguồn bã thải rẻ tiền, dễ kiếm

- Ứng dụng than hoạt tính vừa điều chế để xử lý nước mưa, làm túi khử mùi

Từ đó làm cho việc dạy học hóa học gắn với thực tiễn cuộc sống hơn, học sinh

có hứng thú, say mê học tập môn Hóa học, phù hợp với điều kiện giáo dục nhà trường và định hướng đổi mới phương pháp dạy học

6 Cấu trúc của đề tài

Ngoài phần giới thiệu và tổng quan về đề tài, kết luận và hướng phát triển, tài liệu tham khảo, phụ lục, danh mục bảng, danh mục hình nội dung chính của

đề tài gồm 3 chương:

Chương 1 Cơ sở lý luận của đề tài nghiên cứu

Chương 2 Tổ chức và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Thực nghiệm và kết quả nghiên cứu

7

II NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1 Tổng quan về than hoạt tính

1.1 Than hoạt tính là gì?

Hiện nay có nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể hiểu tổng thể “than hoạt tính” là một thuật ngữ chỉ về một dạng tinh thể cacbon được xử lý đặc biệt để mang lại cấu trúc mao quản lớn với nhiều tâm hoạt động, làm tăng đặc tính hấp thụ của chất

Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối lượng Phần còn lại là các nguyên tố khác như hidro, nito, lưu huỳnh, oxi có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa Thành phần của than hoạt tính thông thường là: 88% C, 0,5% N, 1% S và 6 – 7% O Tuy nhiên hàm lượng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 – 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế Than hoạt tính thường có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500 m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 đến 0,6 cm3/g

Nhiều nguyên liệu khác nhau có thể được sử dụng như gỗ, nhựa, đá hay các vật liệu tổng hợp để sản xuất than hoạt tính mà không cần đưa chúng về dạng cacbon, đồng thời vẫn có được hiệu quả tương tự Than hoạt tính sau khi

sử dụng có thể được tái sinh (làm sạch hoặc giải hấp phụ) và có thể sử dụng hàng trăm, thậm chí hàng ngàn lần

Than hoạt tính được sử dụng từ các nguyên liệu tự nhiên bằng cách than hóa và xử lý trực tiếp Trong quá trình này, một vài thành phần chuyển hóa thành khí và bay hơi khỏi nguyên liệu ban đầu tạo thành các lỗ trống xốp (mao quản)

Hiện nay trên thị trường, thanh hoạt tính được bán dưới ba dạng:

- Than hoạt tính dạng bột

8

- Than hoạt tính dạng hạt

- Dạng than hoạt tính cải tiến (dưới áp suất cao) thường là viên

Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính còn ở phương diện nó là chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó), giá thành sản xuất rẻ (được tạo từ

gỗ và nhiều phế thải hữu cơ khác như từ vỏ hoặc xơ dừa, trấu ) Chất thải của quá trình chế tạo than hoạt tính dễ dàng được tiêu hủy bằng phương pháp đốt Nếu như các chất đã được lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi lại từ tro đốt cũng rất dễ

1.2 Thực trạng việc sử dụng và chế tạo than hoạt tính ở Việt Nam

Than hoạt tính có khả năng hấp phụ có tính chọn lọc và có dung lượng hấp phụ tương đối lớn đối với các chất khí, hơi cũng như chất tan Hiện nay, việc tận dụng các phế thải chi phí thấp, đặc biệt là các chất thải nông nghiệp để sản xuất than hoạt tính đã gây sự chú ý nhiều cho giới nghiên cứu do chi phí việc sản xuất than hoạt tính từ than đá, gỗ và vỏ dừa ngày càng lớn và nguồn nguyên liệu này ngày càng ít đi Trong khi đó chúng ta biết rằng, các phế thải của quá trình chế biến nông sản như bã sắn, bã mía, xơ dừa, lá dứa và vỏ hạt cà phê là sản phẩm phụ của ngành sản xuất nông nghiệp Việt Nam là một trong những quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa, có nhiều đồi núi, cao nguyên thích hợp cho ngành trồng sắn, dứa, dừa, mía, cà phê Trong quá trình thu hoạch, chế biến của bà con nông dân hoặc của các nhà máy đã thải ra một số lượng lớn bã sắn, xơ dừa, bã mía, lá dứa, vỏ hạt cà phê, bã cà phê nhưng chủ yếu chỉ đốt hoặc chôn, vừa gây lãng phí tài nguyên vừa gây ô nhiễm môi trường và cũng góp phần làm thay đổi khí hậu toàn cầu Cho dù ngày nay than hoạt tính đã được tổng hợp từ rất nhiều nguồn khác nhau, tuy nhiên việc tận dụng chất thải của ngành chế biến nông nghiệp có thể là một sự lựa chọn tốt để thay thế các nguồn nguyên liệu truyền thống ngày càng cạn kiệt

Ở Việt Nam, trong những năm của thập kỷ 70 (thế kỉ XX) đã có nhiều công trình nghiên cứu điều chế than hoạt tính dùng trong mặt nạ phòng độc cho

bộ đội phục vụ cho kháng chiến chống Mỹ Bên cạnh đó phải kể đến các công

9

trình nghiên cứu chế tạo các dạng than phục vụ nhu cầu phát triển công nghiệp, những kết quả nghiên cứu đã từng bước áp dụng vào sản xuất vào đời sống Trước kia, xơ dừa chủ yếu nước ta bán rẻ cho Nhật Bản sản xuất nệm Đến nay, nước ta đã có một số nhà máy sản xuất than hoạt tính với giá thành rẻ như nhà máy sản xuất than hoạt tính Trà Bắc ở tỉnh Trà Vinh với công suất 5500 tấn/năm

đi từ xơ dừa, gáo dừa, nhà máy than hoạt tính PICA, JABICO ở Bến Tre với công suất 6000 tấn/ năm đi từ gáo dừa Tuy nhiên, việc chế tạo than hoạt tính

có bề mặt lớn, dung lượng hấp phụ cao từ phế thải nông nghiệp còn chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều và chưa chuyên sâu

1.3 Quy trình sản xuất than hoạt tính

Than hoạt tính được điều chế bằng cách nhiệt phân nhiên liệu thô chứa cacbon ở nhiệt độ dưới 10000C Quy trình điều chế than gồm 2 quá trình nối tiếp nhau: Quá trình cacbon hóa và quá trình hoạt hóa, cả 2 quá trình đều diễn ra trong môi trường yếm khí (nghèo oxi)

1.3.1 Quy trình cacbon hóa

Cacbon hóa là quá trình nhiệt phân hủy nguyên liệu về dạng cacbon và đồng thời làm bay hơi một số hợp chất hữu cơ nhẹ, hình thành nên hệ thống mao quản ban đầu của than

Quá trình cacbon hóa có thể diễn ra ở 3 pha: rắn, lỏng và khí Tùy thuộc vào đặc điểm và trạng thái ban đầu của nguyên liệu để xác định pha hoạt hóa phù hợp

Cacbon hóa pha rắn: Nguyên liệu ban đầu thường là những hệ đại phân tử được tổng hợp hay sản phẩm của các quá trình tự nhiên Nguyên liệu bị phân hủy khi tăng nhiệt độ xử lý, quá trình diễn ra cùng với sự giải phóng các khí và

sự hóa hơi các phân tử có khối lượng thấp Do đó, than thu được luôn có tỉ trọng nhỏ hơn so với nguyên liệu ban đầu Trong quá trình cacbon hóa, khi hệ đại phân tử ban đầu phân hủy, các nguyên tử cacbon còn lại trong cấu trúc mạng đại phân tử sẽ di chuyển một khoảng ngắn (có thể < 1nm) tới những vị trí mà ở đó

10

nguyên tử có năng lượng tự do nhỏ hơn, hình thành những cấu trúc trung gian mới hay thậm chí có thể hình thành những mạng nguyên tử cacbon bền vững Khi các nguyên tử khác tách ra ngoài cấu trúc mạng, cùng với sự di trú của các nguyên tử cacbon và tạo liên kết lẫn nhau chúng tạo nên hệ thống cấu trúc mao quản của than Do vậy, thành phần của nguyên liệu ban đầu khác nhau sẽ phân hủy theo những cách riêng tạo nên những dạng than có cấu trúc và độ xốp khác nhau

Cacbon hóa pha lỏng: Các nguyên liệu thể lỏng như vòng thơm, hắc ín cho phép tạo tạo thành cacbon có thể graphit hóa, về cơ bản là than không xốp Quá trình cacbon hóa ở pha lỏng có cơ chế hoàn toàn khác với trong pha rắn Bằng sự cacbon hóa pha lỏng, dạng graphit hóa được tạo thành

Cacbon hóa pha khí: Nguyên liệu đầu vào ở pha khí, có thể là metan, butan hoặc benzen, nhưng quan trọng là quá trình cacbon hóa nguyên liệu khí ở

áp suất tương đối thấp, thường được pha loãng với khí heli

1.3.2 Quy trình hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình thay đổi đặc điểm cấu trúc mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống mao quả có kích thước khác nhau và hình thành các tâm hoạt động trên bề mặt Có thể sử dụng phương pháp hoạt hóa hóa học hoặc phương pháp hoạt hóa hóa lý

Hoạt hóa hóa học hiểu đơn giản là quá trình hoạt hóa bằng chất hóa học Trong đó quá trình than hóa và quá trình hoạt hóa xảy ra đồng thời Hoạt hóa hóa học chủ yếu được sử dụng cho hoạt hóa than gỗ Nguyên liệu thô được trộn với chất hoạt hóa và chất hút nước, sự hoạt hóa thường xảy ra ở nhiệt độ 5000C, nhưng đôi khi có thể lên tới 8000C

Hoạt hóa hóa lý là phương pháp sử dụng các chất oxy hóa như hơi nước, cacbon dioxit…làm tác nhân tác dụng với nguyên liệu Khi ở mức độ chưa cao (độ xốp còn thấp) tác nhân hoạt hóa tác dụng với cacbon vô định hình và cacbua

11

mạch lớn nằm trên bề mặt than giải phóng độ xốp đã có trong than Tiếp theo chúng tác dụng với khung than làm chảy một phần cacbon tinh thể tạo thêm độ xốp cho than

Chẳng hạn hoạt hóa than đá bằng hơi nước Hơi nước ở 1300C được thổi vào ở nhiệt độ khoảng 10000C Một số túi khí trở thành dòng khí và thoát ra khỏi mao quản Hình thức này phụ thuộc vào nguyên liệu sử dụng Một nguyên liệu cứng như gáo dừa tạo ra nhiều mao quả nhỏ trong khi nguyên liệu mềm như than bùn tạo ra nhiều mao quản trung

Nếu liên tục thổi hơi trong 1 thời gian dài sẽ có nhiều túi khí tạo thành dòng và để lại các mao quản Tuy nhiên, ban đầu các mao quản nhỏ được hình thành sau đó phát triển dần dần thành các mao quản có kích thước trung và lớn không có ý nghĩa trong hấp phụ Do đó, ta không nên kéo dài quá trình hoạt hóa

Như vậy tất cả các chất và hợp chất chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạt tính, và đặc điểm sản phẩm sẽ tùy thuộc vào bản chất từng loại nguyên liệu ban đầu

1.3.3 Chế tạo than hoạt tính từ phế thải nông nghiệp

Các sản phẩm phụ từ nông nghiệp như rơm rạ, vỏ trấu, mùn cưa, vỏ hạt cà phê, bã cà phê… thường là những chất thải cần xử lý, có ít hoặc không có giá trị kinh tế Do đó, việc biến đổi chúng thành than hoạt tính sẽ làm tăng giá trị kinh

tế, giảm chi phí xử lý chất thải và quan trọng hơn cả là tạo ra tiềm năng thay thế

than hoạt tính thương mại

Thành phần chính của các phẩm phụ từ nông nghiệp là xenlulozơ, sau các quy trình than hóa và hoạt hóa sẽ tạo ra được các loại than hoạt tính có đặc tính khác nhau Quy trình chế tạo than hoạt tính từ phế thải nông nghiệp cũng tuân theo nguyên tắc chế tạo than hoạt tính nói chung Tuy nhiên, điều kiện than hóa

và hoạt hóa có thể khác nhau do đó than hoạt tính sinh ra có thể có những tính chất và ứng dụng khác nhau Hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu trong việc chế tạo than hoạt tính từ các phế thải nông nghiệp

Chính vì thế cà phê là một tiềm năng rất lớn, chúng ta có thể vận dụng, tái chế bã cà phê để đem lại những lợi ích về kinh tế, xã hội và còn ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường

13

ion, nhóm hydroxyl này có khả năng trao đổi yếu vì liên kết OH phân cực không mạnh Nhiều biện pháp biến tính đã được công bố như oxi hóa các nhóm hydroxyl thành các nhóm chức acid hoặc sunfo hóa bằng acid sunfuric

2.2 Tình hình nghiên cứu tính chất hấp phụ của bã cà phê

Trong khoảng một thập niên gần đây, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều nghiên cứu trên bã cà phê và chứng minh được rằng bã cà phê có tính chất hấp phụ đáng kể, không chỉ đối với các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ độc hại tan trong nước mà còn đối với khí cacbonic

Ở bài báo, tác giả đã nghiên cứu khả năng tạo than bã cà phê và khảo sát khả năng hấp phụ màu và chất hữu cơ trong dung dịch nước thải dệt nhuộm tự pha theo phương pháp gián đoạn và liên tục Các thí nghiệm tiếp theo tiến hành trên than bã cà phê này Phân tích kết quả thực nghiệm, tác giả khẳng định rằng

bã cà phê sau khi qua quá trình nhiệt phân có khả năng hấp phụ màu và COD trong nước thải dệt nhuộm tự pha (nồng độ 50mg l ) lần lượt là 96,5% và 42,2% Điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ của than với phẩm Dirrect red 23 nồng

độ 50mg l : pH=8, thời gian 60 phút, lượng chất hấp phụ 2g50ml ở hệ tĩnh, và tốc độ dòng 0, 5l h ở hệ động

Ở một nghiên cứu khác, kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ methylenne xanh của bã cà phê có từ tính được trình bày Vật liệu hấp phụ này nhận được từ việc cho bã cà phê sau khi chiết bằng nước nóng tiếp xúc với dung dịch nano oxit sắt từ Fe3O4 Thành phần vật liệu đã được kiểm tra bằng các phân tích SEM và nhiễu xạ tia X Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ của methylene xanh lên vật liệu này như thời gian cân bằng hấp phụ, nhiệt độ, pH và nồng độ ban đầu của methylene xanh đã được khảo sát Các số liệu cân bằng hấp phụ được đánh giá bằng phương trình Langmuir Kết quả cho thấy ở pH=8 và tại nhiệt độ phòng, thời gian cân bằng hấp phụ khoảng 60 phút và dung lượng cực đại hấp phụ là 30,67 mg.g-1 Vật liệu sau khi hấp phụ được thu hồi dễ dàng từ

14

dung dịch nước bởi một nam châm vĩnh cửu Các kết quả thu được đã chứng minh cho khả năng sử dụng bã cà phê được từ tính hóa để loại bỏ thuốc nhuộm trong nước thải

Trong một nỗ lực để tái sử dụng chất thải thực phẩm cho các mục đích hữu ích, nhóm nhà khoa học thuộc trường Đại học Kinki đã nghiên cứu khả năng sử dụng bã cà phê để loại bỏ các ion chì trong nước uống Các đặc tính hấp phụ ion chì bởi cà phê được nghiên cứu bằng cách xác định hàm lượng chất béo

và protein, các đường hấp phụ đẳng nhiệt và tốc độ hấp phụ các ion chì Lượng ion chì được hấp phụ bởi bã cà phê không phụ thuộc vào loại hạt cà phê hoặc nhiệt độ mà tại đó các thí nghiệm hấp phụ được thực hiện Tốc độ hấp phụ ion chì bằng bã cà phê tỉ lệ thuận với lượng bã cà phê thêm vào dung dịch Khi bã cà phê được tẩy dầu mỡ hoặc đun sôi, số lượng các ion chì giảm Khi protein chứa trong bã cà phê được biến tính, sự hấp phụ ion chì giảm đáng kể Đại lượng hấp phụ ion chì bởi bã cà phê giảm, khi tăng nồng độ của axit pecloric Thực nghiệm cho thấy rằng protein có trong hạt cà phê phụ thuộc vào sự hấp thụ của ion chì Kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu đã đưa ra một câu trả lời khẳng định cho khả năng sử dụng bã cà phê, một chất thải thực phẩm dồi dào để loại bỏ các ion chì trong nước uống

Một nghiên cứu khác đã trình bày khả năng sử dụng bã cà phê như vật liệu hấp phụ trong việc loại bỏ các kim loại đồng và chì trong dung dịch nước Trong nghiên cứu này, bã cà phê được rửa sạch bằng nước cất, sấy ở 100oC và sàng lọc thu được hai phần bã cà phê: Loại có kích cỡ hạt nhỏ hơn 200m Cả hai phần bã cà phê được đưa vào polyethyelne kín để bảo quản nó không phản ứng với môi trường Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng bã cà phê hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch nước khá tốt và phụ thuộc vào kích thước hạt Bã cà phê với cỡ hạt lớn hơn 200m thì hiệu quả hấp phụ tăng lên 6 – 11% cho đồng và 8 – 9% cho chì

Trong nghiên cứu, bã cà phê được sử dụng làm nguyên liệu ban đầu để sản xuất cacbon hoạt tính chi phí thấp Các điều kiện hoạt hóa được lựa chọn và

15

tối ưu hóa để tạo ra các microporous cacbon có đại lượng hấp thụ và chọn lọc

CO2 cao, do đó chúng được sử dụng tiềm năng như chất hấp phụ trong ứng dụng thu khí CO2 sau khi đốt Hai phương pháp hoạt hóa được so sánh: Hoạt hóa vật lý với CO2 và hoạt hóa hóa học với KOH Phương pháp đầu tiên được coi là ít ô nhiễm tuy nhiên khả năng hấp thụ CO2 thấp hơn so với vật liệu hấp phụ được hoạt hóa bằng KOH

Tiểu kết chương 1

Trong chương 1 đã nghiên cứu cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài, nội dung gồm các vấn đề chính sau:

- Than hoạt tính là gì?

- Thực trạng việc sử dụng và chế tạo than hoạt tính ở Việt Nam

- Quy trình sản xuất than hoạt tính

16

CHƯƠNG II: TỔ CHỨC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Vài nét về khách thể nghiên cứu

1.1 Nước mưa là gì?

Nước mưa hình thành từ việc ngưng tụ hơi nước trên cao và rơi xuống nên có phần sạch hơn các loại nước khác từ ao hồ, sông suối…Nước mưa cũng giống như nước cất vì nó là hơi nước ngưng tụ nhưng nước mưa khác nước cất ở chỗ là nước mưa có nhiều yếu tố hóa học và vi sinh vật mà nước đã hấp thụ trong suốt quá trình giao lưu khí quyển Nước mưa chứa ít sắt và một số loại muối khoáng hòa tan nên ít tanh, có tính axit nhẹ tuy nhiên sẽ giảm dần trong thời gian tích trữ Bản chất của nước mưa là sạch tuy nhiên hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp, sự hình thành các khu công nghiệp khiến tình trạng ô nhiễm môi trường gia tăng đặc biệt là ô nhiễm không khí nên nước mưa khi đi qua các tầng khí sẽ chứa nhiều chất độc có hại, hòa tan các khí thải (NO2, SO2,…), các kim loại nặng (Chì, Thủy Ngân…) Amiang độc hại, cuốn trôi theo các sinh vật nguy hại gây bệnh làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người Ngoài ra việc thu hứng, dùng dụng cụ thùng chứa nước mưa không đảm bảo vệ sinh, không được che đậy cẩn thận cũng khiến nước mưa dễ chứa nhiều bụi bẩn, tạp chất không an toàn khi sử dụng trực tiếp

Trong điều kiện xã hội hiện nay, nguồn nước mặt nhiều nơi dần trở nên khan hiếm và có nguy cơ ô nhiễm cao, nước ngầm ngày càng cạn kiệt, khả năng cung cấp nước máy có hạn, thì việc khai thác và xử lý nguồn nước mưa là hợp lý

và phù hợp cho các nhiều vùng có lượng nước mưa dồi dào Bên cạnh ưu thế của nước mưa là nguồn nước tự nhiên, khai thác dễ dàng thì việc sử dụng trực tiếp nước mưa cũng có những ảnh hưởng nhất định đến sức khỏe con người như sau:

 Nước mưa chứa lượng khoáng chất rất ít nên nếu dùng nước mưa để uống trực tiếp lâu dài sẽ khiến cơ thể bị thiếu hụt khoáng chất

17

 Nước mưa hòa tan nhiều loại khí thải công nghiệp nên có tính axit nhẹ, sử dụng ngay và thường xuyên để tắm giặt sẽ gây ra các triệu chứng viêm da, mẩn ngứa,… Sử dụng cho ăn uống có thể gây ảnh hưởng đến đường hô hấp

 Chất lượng nước không đảm bảo, có thể chứa nhiều bụi bẩm, nấm mốc, vi sinh vật có hại thậm chí là chất thải động vật nếu quy trình hứng và lưu

trữ nước mưa không đảm bảo vệ sinh sạch sẽ

1.2 Vai trò của nước mưa

 Bổ sung nguồn dự trữ nước mặt và nước ngầm

 Pha loãng nguồn nước bị ô nhiễm nặng để phục hồi các quá trình hóa học

và sinh học

 Có tác dụng rửa trôi các chất ô nhiễm trên bề mặt và mang chúng ngấm vào đất

 Ngoài ra còn có tác dụng giữ áp suất địa tĩnh chống sụt lún vùng đô thị

1.3 Thành phần của nước mưa

Nước mưa chứa nhiều nguyên tố hóa học mà nó đã hấp thụ trong khí quyển Giọt mưa (khoảng 50 mg) rơi từ độ cao 1 km sẽ rửa 16,3 lít không khí nên chứa nhiều bụi, vi khuẩn và các tạp chất hóa học

 Về vi khuẩn: Có thể có mặt Coli (Escherichia coli) là loại vi khuẩn có nguồn gốc trong phân người, súc vật và các vi khuẩn hiếu khí và kị khí khác

 Tạp chất trong kí quyển bao gồm các khí: NO2, NH3, H2S từ các quá trình phân hủy ở mặt đất; Cl- có nguồn gốc từ biển; K+, Ca2+ có nguồn gốc

từ đất liền; SO42- có nguồn gốc từ phát thải nhân tạo; CO2, Cl2, CH4 do các nhà máy thải ra; SO2 do đốt than, dầu mỏ

 Chất hữu cơ dễ bay hơi, các bụi thực vật

18

 Chứa bụi chứa kim loại nặng như Zn, Fe, Cu, Pb những kim loại này phát sinh tại các khu công nghiệp, trong khói xe của các phương tiện giao thông, tại các làng nghề tái chế kim loại

 Các ion trong nước mưa gồm có: F-, Cl-, HCO3-, SO42-, Na+, K+, NH4+,

Mg2+, Ca2+, formate, axetate

Bảng 2.1 Thành phần một số ion chính trong nước mưa

19

Mưa axit là hiện tượng nước mưa có độ pH dưới 5,6 Đây là hậu quả của quá trình tiêu thụ nhiều than đá, dầu mỏ và các nhiên liệu khác Do có tính axit khá lớn, nước mưa có thể hòa tan được một số bụi kim loại và oxit kim loại có trong không khí như oxit chì làm cho nước mưa trở nên độc hơn nữa đối với cây cối, vật nuôi và con người

 Quá trình hình thành mưa axit:

Hình 2.1 Quá trình hình thành mưa axit

1.5 Giới thiệu vật liệu hấp phụ

Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước vì

nó cho phép tách loại đồng thời nhiều chất bẩn từ một nguồn nước và tách loại tốt ngay khi chúng ở nồng độ thấp Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp hấp phụ còn tỏ ra có nhiều ưu thế hơn các phương pháp khác và giá thành xử lý thấp Vật liệu hấp phụ có thể được chế tạo từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, theo những phương pháp khác nhau, đặc biệt nó có thể chế tạo bằng cách biến tính các chất thải ô nhiễm môi trường như tro bay, than bùn hay các phế thải nông nghiệp như vỏ trấu, vỏ đậu, bã mía, bã cà phê, mùn cưa, lõi ngô

Sử dụng bộ lọc than hoạt tính có thể loại bỏ phần lớn các tạp chất rong rêu, bụi bẩn, các vi sinh vật gây hại và các ion kim loại trong nước đảm bảo độ tinh khiết của nước đầu ra Vì vậy các hộ gia đình sử dụng nước mưa nên kèm

20

theo bộ lọc than hoạt tính để loại bỏ tạp chất lẫn trong đó, đảm bảo nguồn nước sạch sẽ và an toàn nhằm bảo vệ sức khỏe của gia đình

2 Quy trình nghiên cứu

- Tìm hiểu về cuộc thi Khoa học Kỹ thuật dành cho học sinh phổ thông tỉnh Lâm Đồng

- Tham khảo tài liệu có liên quan, chọn lĩnh vực và xác định đề tài nghiên cứu chuyên sâu

- Thu thập và nghiên cứu các tài liệu chuyên môn nhằm xây dựng cơ sở lý luận, định hướng nghiên cứu thực tiễn

Để thực hiện đề tài này, em thu thập bã cà phê tại quán cà phê Milano, đường 2/4, thị trấn Thạnh Mỹ, huyện Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng Em chỉ chọn

bã của một quán cà phê vì bã cà phê nhiều quán khác nhau sự pha trộn các chất độn sẽ khác nhau, quán Milano chỉ chuyên bán cà phê nguyên chất và lượng cà phê bán ra mỗi ngày rất lớn (10kg/ngày) nên luôn đảm bảo lượng bã em cần sử dụng để nghiên cứu và tiết kiệm thời gian hơn so với việc thu thập lượng nhỏ từ nhiều quán khác nhau

- Sơ chế bã, xử lý bã bằng KOH ở nhiệt độ cao

- Kiểm tra đặc tính hấp phụ của vật liệu thu được bằng việc sử dụng bộ dụng cụ đo pH EFS, bút đo tổng khối lượng chất rắn hòa tan TDS – 3

- Tổ chức nghiên cứu thực tiễn:

+ Thời gian: Từ ngày 1/09/2018 đến 15/11/2018

+ Địa điểm: Phòng thực hành môn Hóa học trường THCS Pró

- Cách tiến hành:

+ Xin giấy giới thiệu của ban giám hiệu nhà trường, em tiến hành tới các quán cà phê để tìm hiểu lượng cà phê quán thải ra mỗi ngày , trên cơ sở tìm hiểu đó em chỉ chọn thu thập bã cà phê từ quán Milano, đường 2/4 thị trấn Thạnh Mỹ, huyện Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng

+ Từ bã cà phê đó em xử lý với nước cất, sấy để loại bỏ hơi nước, hoạt hóa với KOH sau đó tìm hiểu về nơi sẽ nung bã cà phê để tạo than hoạt

21

tính Em đã tìm hiểu về quy trình nung ở lò gạch và lò gốm thủ công để chọn

ra địa điểm nung phù hợp

+ Kiểm tra đặc tính hấp phụ của vật liệu thu được

+ Sau khi khảo sát xong tiến hành phân tích, thống kê và kiểm chứng kết quả nghiên cứu

3 Các phương pháp nghiên cứu

3.1 Nhóm phương pháp nghiên cứu lý luận

- Nghiên cứu các vấn đề lý luận dạy học, chủ trương, chính sách giáo dục

của Đảng và nhà nước có liên quan đến đề tài

- Nghiên cứu tài liệu tổng quan về than hoạt tính và điều chế than hoạt tính từ phế phẩm nông nghiệp, phế phẩm trồng trọt

- Nghiên cứu tài liệu về vật liệu hấp phụ

- Nghiên cứu các tài liệu về nước mưa và sử dụng nước mưa trong sinh hoạt

3.2 Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn

3.2.1 Phương pháp quan sát

- Tiến hành quan sát việc sử dụng bả cà phê, sử dụng nguồn nước ngầm, nước giếng khoan, nước máy và xử lý nước mưa tại địa phương nhằm phát hiện vấn đề nghiên cứu

3.2.2 Phương pháp đàm thoại

- Trao đổi với giáo viên và học sinh để tìm hiểu ý kiến, quan niệm, thái độ của họ về việc tái sử dụng nguồn bả thải sẵn có, ứng dụng để xử lý nước mưa dùng làm nước sinh hoạt, cũng như những thuận lợi và khó khăn mà giáo viên và học sinh đã gặp phải

3.2.3 Phương pháp điều tra

- Điều tra thực trạng về mức độ biết, hiểu của giáo viên và học sinh về tái

sử dụng bã thải, vấn đề nước sạch và bảo vệ môi trường

22

3.2.4 Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia

- Tham khảo ý kiến của các chuyên gia, các giảng viên và giáo viên có nhiều kinh nghiệm về điều chế than hoạt tính, xử lý nước mưa trước kia và hiện nay

3.2.5 Phương pháp thực nghiệm:

- Dựa vào giả thuyết khoa học đã đặt ra, tiến hành thực nghiệm ở nhà dân

để xem xét hiệu quả và tính khả thi của đề tài

3.3 Phương pháp thống kê toán học

- Phương pháp này được dùng để phân tích và xử lí các số liệu thu được qua điều tra và thực nghiệm

Tiểu kết chương 2:

Trong chương 2 đã trình bày về cách tổ chức và các phương pháp nghiên

cứu Để “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê và ứng dụng làm chất

hấp phụ để xử lý nước mưa, làm túi khử mùi trong sinh hoạt tại các hộ gia đình”

em đã nghiên cứu thực tiến trong thời gian từ 01/09/2018 đến ngày 15/11/2018 với tổng cộng 14 mẫu than hoạt tính được điều chế theo tỉ lệ hoạt hóa bằng KOH và thời gian nung, địa điểm nung khác nhau Sau đó với mỗi mẫu than được điều chế

em lại thử với mẫu nước khác nhau để quy trình nghiên cứu được tiến hành đúng trình tự, khách quan, đảm bảo tính khoa học

Đề tài sử dụng phối hợp hệ thống các phương pháp sau: Nhóm phương pháp nghiên cứu lý luận; nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn (phương pháp quan sát, phương pháp đàm thoại, phương pháp điều tra, phương pháp lấy ý kiến chuyên gia, phương pháp thực nghiệm); phương pháp thống kê toán học để thu được kết quả khách quan và đáng tin cậy

23

CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã cà phê

1.1 Nguyên liệu và hóa chất

 Nguyên liệu:

- Bã cà phê thu gom từ các quán cà phê Milano, đường 2/4 thị trấn Thạnh

Mỹ, huyện Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng Tuy nhiên trước khi thu gom bã cà phê

em có tìm hiểu về tình hình tiêu thụ cà phê mỗi ngày tại các quán cà phê trên địa bàn thị trấn Thạnh Mỹ và xã Pró Em nhận thấy chất lượng cà phê tại các quán khác nhau cũng khác nhau từ đó ảnh hưởng tới chất lượng của bã Mặt khác những quán cà phê thông thường bán rất nhiều loại đồ uống khác nhau nên lưỡng bã hàng ngày thải ra sẽ ít Từ đó, em khoanh vùng lại và chỉ tìm hiểu những quán chỉ bán cà phê, chất lượng đảm bảo, lượng cà phê bán ra nhiều đồng nghĩa với việc lượng bã thải lớn để tiết kiệm thời gian nghiên cứu Cuối cùng, sau thời gian tìm hiểu em chọn quán cà phê Milano

- Em xin giấy giới thiệu của nhà trường, tới các quán cà phê này đưa giấy giới thiệu, giới thiệu bản thân, giới thiệu mục đích của em và nhờ chủ quán tạo điều kiện để em thu gom bã cà phê sau khi pha chế

 Hóa chất:

- Dung dịch KOH, nước cất, giấy đo pH sẵn có tại phòng thí nghiệm của nhà trường

- Việc phối trộn bã cà phê và KOH theo tỉ lệ như thế nào cũng là một vấn

đề cần nghiên cứu Em chọn các tỉ lệ bã cà phê : KOH như sau để tiến hành nghiên cứu:

24

1.2 Dụng cụ và thiết bị

Bảng 3.1 Dụng cụ và thiết bị chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê

3

Lò nung gốm thủ công truyền

thống của đồng bào Chu ru

Than hóa bã cà phê

phòng thí nghiệm Tiến hành các thí nghiệm phụ trợ

- Xin giấy giới thiệu của nhà trường em đi tìm hiểu về địa điểm nung + Địa điểm đầu tiên em tìm hiểu là lò nung gạch Tuynel tại thị trấn Thạnh

Mỹ huyện Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng Trong quá trình tìm hiểu em được ban giám đốc nhiệt tình tạo điều kiện, cho em đi tham quan lò gạch và giải thích cặn

kẽ chu trình Em nhận thấy, khi nung tại lò gạch mức nhiệt không vượt quá

900oC nằm trong mức nhiệt an toàn của việc than hóa tuy nhiên thời gian nung gạch còn phụ thuộc vào tốc độ đẩy của goòng thông thường gạch sẽ sấy trong 8

25

giờ, đem nung ở các mức nhiệt khác nhau từ 200 – 900oC trong khoảng hơn 30 giờ sau đó hạ nhiệt độ tầm 16 giờ thì khoảng hơn hai ngày mới ra được một mẻ mới Mặt khác, để tạo than hoạt tính cần môi trường hiếm khí nên cần chứa than trong vật liệu chịu nhiệt để nung và ban giám đốc tạo điều kiện cho em xếp bã vào giữa các goòng gạch để kết hợp nung cùng

+ Nhờ sự tạo điều kiện của bên ban giám hiệu và địa phương em liên hệ với lò gốm thủ công của bà Lem, thôn Krăngọ, xã Pró, huyện Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng, hiện nay đang được giữ gìn và bảo tồn của đồng bào người dân tộc Chu ru, nhược điểm là nung thủ công nên ban đầu nhiệt độ không ổn định nên khó kiểm soát được nhiệt độ ổn định tuyệt đối trong suốt thời gian nung mà phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm của người nung Tuy nhiên, có thể kết hợp việc nung gốm và nung bã nên tiết kiệm được nhiên liệu, tận dụng được lò nung sẵn

có tại địa phương, áp dụng được ngoài thực tế vì dễ làm, đơn giản, có thể áp dụng rộng rãi Bên cạnh đó, lò nung gốm thủ công là gốm đất nung ở mức nhiệt khoảng 600oC phù hợp với nhiệt khi nung than hoạt tính nên em vẫn áp dụng

1.3 Cách tiến hành

 Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ từ bã cà phê gồm các giai đoạn sau:

- Xử lý sơ bộ bã cà phê thô:

26

+ Bã cà phê thu hồi về đem rửa bằng nước cất nhiều lần

Hình 3.2 Bã cà phê sau khi rửa bằng nước cất

+ Sau đó đem phơi ngoài trời nắng khoảng 8 giờ để loại bỏ bớt hơi nước

Hình 3.3 Bã cà phê sau khi loại bỏ hơi nước

- Dùng rây cầm tay tách lấy các phần tử có kích thước d < 1mm

27

Hình 3.4 Rây bã cà phê tách các phần tử kích thước nhỏ

- Hoạt hóa bã cà phê: Trộn bã cà phê thu được sau xử lý sơ bộ với KOH theo tỉ lệ khối lượng cần nghiên cứu (1:1, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1) Chọn các mức thời gian ngâm là 12 giờ, 24 giờ, 36 giờ, 48 giờ

Hình 3.5 Hoạt hóa bã cà phê bằng KOH

- Nung bã cà phê:

28

+ Bã cà phê không hoạt hóa gói kín trong giấy bạc sau đó cho vào bình gốm

Hình 3.6 Bã cà phê không hoạt hóa được bọc kín bởi giấy bạc

+ Bã cà phê hoạt hóa đặt giấy bạc quanh bình gốm sau đó cho cà phê vào bằng muôi tránh hóa chất dính vào tay

Hình 3.7 Bã cà phê hoạt hóa cho vào bình lót giấy bạc

+ Bình gốm được đậy nắp và cột chặt bằng dây kẽm sau đó đem nung

29

Hình 3.8 Bình gốm trước khi nung

- Xử lý vật liệu sau hoạt hóa: Thu vật liệu sau nung được rửa vài lần với nước cất đến pH bằng 7

- Than hóa bã cà phê: Sau đó, đem nung trong 4 giờ, ta thu được than hoạt tính

Hình 3.9 Than hoạt tính

30

1.4 Dự đoán giá thành sản phẩm

Bảng 3.2 Bảng giá hóa chất và vật liệu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê

1 Bã cà phê sau khi sơ chế

2 Quy trình tạo mô hình lọc nước

2.1 Quy trình tạo mô hình lọc nước mini trong phòng thí nghiệm

- Mô hình lọc nước mini dùng để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

+ Dùng chai nhựa 1l đựng nước không sử dụng cắt bỏ miệng chai

31

Hình 3.10 Chai nhựa 1l cắt bỏ phần miệng chai

+ Đục lỗ nhỏ dưới đáy chai để lọc nước

Hình 3.11 Đục lỗ tròn dưới đáy chai nhựa

32

+ Cho các lớp vật liệu lọc nước lần lượt vào chai nhựa theo thứ tự: Sỏi đỡ, sỏi nhỏ, cát mịn, than hoạt tính, sỏi nhỏ, cát mịn Các lớp cách nhau một lớp màn lọc

Hình 3.12 Mô hình lọc nước trong phòng thí nghiệm

+ Lắp mô hình lọc nước lên giá sắt

Hình 3.13 Mô hình lọc nước lắp trên giá sắt

33

+ Đặt cốc thủy tinh 500ml dưới mô hình lọc để đựng nước

Hình 3.14 Mô hình lọc nước trong phòng thí nghiệm và cốc hứng

+ Đặt một chai nhựa cắt bỏ phần miệng chai, đục lỗ ở đáy phía trên bộ dụng cụ để thay cho roa dẫn nước

Hình 3.15 Mô hình lọc nước trong phòng thí nghiệm đầy đủ

34

2.2 Kết quả và thảo luận

Với mục đích chế tạo than hoạt tính định hướng dùng làm chất hấp phụ để lọc nước mưa và làm túi khử mùi dùng trong sinh hoạt, chúng em đã nghiên cứu quy trình chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê với tác nhân hoạt hóa là KOH Quy trình được nghiên cứu thông qua hai bước là khảo sát sơ bộ và khảo sát chi tiết

 Khảo sát sơ bộ

Than hóa và hoạt hóa là hai giai đoạn quan trọng của quá trình chế tạo than hoạt tính Giai đoạn than hóa có tác dụng loại bỏ bớt các nguyên tố không phải là cacbon (O, H, ) ra khỏi nguồn nguyên liệu ban đầu Các nguyên tử cacbon và (một phần các nguyên tử khác) còn lại sẽ kết hợp với nhau tạo nên các tấm (lớp) của các hệ thơm ngưng tụ, các tấm này thường được sắp xếp một cách không trật tự tạo nên các hang, hốc Tuy nhiên các hang, hốc này thường bị bịt kín bởi nhựa than (sản phẩm tạo ra trong quá trình nhiệt phân nguyên liệu)

Vì vậy để giải phóng các hang, hốc và tạo ra các mao quản cần phải thực hiện giai đoạn hoạt hóa tiếp theo

Để xác định nhiệt độ cần thiết cho các quá trình này chúng em đã tham khảo phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng và phân tích nhiệt vi sai (TGA-DTA) Trong quá trình nhiệt phân sinh khối nói chung, có thể xảy ra đồng thời nhiều phản ứng, trong đó phản ứng chính là phản ứng chuyển sinh khối thành cacbon và các hợp chất bay hơi, được sơ đồ hóa như sau: C HhOoNn  C  k hi  (1)

Khi có mặt oxi và hơi nước có thể xảy ra các phản ứng tiếp theo:

35

C  2H   CH ,    H 6230 kJ / kg C (8)

Theo Annamalai và Puri, phản ứng (2) thường xảy ra ở nhiệt độ thấp (<

530oC) còn phản ứng (3) xảy ra ở nhiệt độ cao hơn Các phản ứng (2) ÷ (8) sẽ làm tiêu hao một phần cacbon sinh ra ở (1) Bên cạnh đó theo phương pháp phân tích nhiệt vi sai TGA-TDA có sự giảm nhanh khối lượng ở khoảng 200  3500C (35,75%) được gán cho sự phá vỡ cấu trúc của bã cà phê chuyển các hợp chất cacbohiđrat trong vỏ hạt cà phê thành cacbon và các sản phẩm lỏng và hơi Do

đó để quá trình cacbon hóa diễn ra thuận lợi, chúng em đã chọn điều kiện than hóa là ở 500oC trong thời gian 2h

Dựa theo giản đồ TGA-DTA của mẫu than (thu được sau quá trình than hóa) có tẩm KOH được đo trong khí Ar Dễ nhận thấy sự giảm khối lượng cũng phụ thuộc vào các khoảng nhiệt độ khác nhau

Sự giảm nhẹ khối lượng ở các khoảng nhiệt độ nhỏ hơn 460oC được gán cho sự tách nước ra khỏi hỗn hợp ban đầu

Khi nhiệt độ lớn hơn 460oC, sự giảm khối lượng trở nên nhanh hơn nhiều Trong khoảng 460 ÷ 600oC độ giảm khối lượng đạt khoảng 57,25% so với khối lượng hỗn hợp ban đầu Sự giảm mạnh khối lượng này là do tương tác giữa than

và KOH Trong quá trình hoạt hóa, KOH sẽ loại bỏ các nguyên tử H và O còn lại trong than tạo thành nước cũng như các chất hữu cơ (là các sản phẩm dễ bay hơi) nên làm khối lượng hỗn hợp giảm mạnh (và tạo ra các mao quản và làm tăng hàm lượng cacbon trong than)

Từ kết quả phân tích trên nhận thấy rằng để quá trình hoạt hóa sản phẩm than thu được từ sự than hóa vỏ hạt cà phê bằng KOH diễn ra hiệu quả thì cần phải thực hiện ở nhiệt độ lớn hơn 460oC Vì vậy chúng em đã chọn khoảng nhiệt

độ từ 500 ÷ 800oC để khảo sát trong quá trình hoạt hóa

 Nghiên cứu chi tiết

Trên cơ sở kết quả khảo sát sơ bộ ở trên chúng em đã nghiên cứu chế tạo

14 mẫu than hoạt tính trong các điều kiện khác nhau về thời gian ngâm than với KOH, tỉ lệ than/KOH, thời gian hoạt hóa và nhiệt độ hoạt hóa theo quy trình mô