KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU

Kế hoạch 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”... Than hoạt tính với những đặc

1

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH LÂM ĐỒNG

- 

Cuộc thi “Khoa học Kỹ thuật dành cho học sinh phổ thông tỉnh Lâm Đồng”

Lần thứ XI – Năm học 2018 – 2019

Kế hoạch 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

Lâm Đồng, tháng 11 năm 2018`

Mã số (BTC ghi)

2

A TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

1 Về mặt pháp lý

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

2 Về mặt lý luận

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

3

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

3 Về mặt thực tiễn

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 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

4

của 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

 Tính cấp thiết của đề tài:

Hiện nay, ô nhiễm môi trường đang trở thành một vấn nạn của xã hội, một lượng lớn bã thải từ pha chế cà phê hàng ngày đều được thải vô tội vạ ra ngoài môi trường Nếu tái sử dụng được nguồn bã thải này vừa giảm thiểu ô nhiễm môi trường, vừa tiết kiệm chi phí

Bên cạnh đó, việc khan hiếm nguồn nước sạch cũng đang trở thành vấn đề nóng hổi của toàn xã hội, tận dụng được nước mưa để sinh hoạt vừa tiết kiệm nước, vừa tiết kiệm năng lượng Nhưng môi trường ô nhiễm làm cho nước mưa không còn sạch mà hòa tan nhiều chất khác mà nguy hiểm hơn là mưa axit, không an toàn khi

sử dụng, xử lý nước mưa thành nước sạch dùng trong sinh hoạt là vấn đề đáng lưu tâm

Mùi hôi khó chịu từ giày dép, mùi ẩm mốc của tủ quần áo gây ảnh hưởng không nhỏ đến tinh thần cũng như sinh hoạt hàng ngày của con người, giảm bớt các mùi hôi khó chịu này cũng là một nhu cầu tất yếu

Xuất phát từ lý luận và thực tiễn trên, chúng em chọn đề tài “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”

B Phát biểu giả thuyết khoa học, câu hỏi nghiên cứu, mục tiêu kĩ thuật, kết quả mong đợi

1 Phát biểu giả thuyết khoa học

- 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 chính vì vậy từ bã cà phê có thể điều chế được than hoạt tính

5

2 Câu hỏi nghiên cứu

 Từ bã cà phê chế tạo than hoạt tính như thế nào?

 Tạo mô hình lọc nước mini trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính như thế nào?

 Tạo mô hình lọc nước mưa và túi khử mùi tại các hộ gia đình như thế nào?

 Dự án có những ưu điểm và hạn chế gì?

 Dự án sẽ có hướng phát triển và cải tiến như thế nào trong tương lai?

3 Mục tiêu kĩ thuật

- Chế tạo được than hoạt tính từ bã cà phê có khả năng hấp phụ tốt các chất hòa tan trong nước mưa

- Chế tạo được mô hình lọc nước có sử dụng than hoạt tính

- Chế tạo các túi khử mùi dùng trong sinh hoạt

4 Kết quả mong đợi

- Than hoạt tính chế tạo được lọc thành công các chất hòa tan trong nước mưa

- Mô hình lọc được được ứng dụng thực tế

- Túi khử mùi than hoạt tính khử hiệu quả mùi mồ hôi của giày dép, mùi ẩm mốc của tủ quần áo, mùi thức ăn trong tủ lạnh

C Mô tả chi tiết phương pháp nghiên cứu và các kết luận

1 Tiến trình và thiết kế thí nghiệm

1.1 Chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê

- Nguyên liệu: Bã cà phê

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

6

- Dụng cụ: Cân phân tích điện tử, rây cầm tay, ống đong, cốc thủy tinh, chậu thủy tinh, giấy bạc, bình gốm có nắp đậy, bút đo các chất rắn hòa tan TDS – 3, bộ dụng cụ đo pH EFS, lò nung gốm thủ công của đồng bào dân tộc Chu ru, lò nung gạch Tuynel và một số dụng cụ phổ biến khác trong phòng thí nghiệm

 Cách tiến hành:

- Thu gom bã cà phê từ các quán cà phê, chế tạo than hoạt tính theo thời gian ngâm khác nhau, tỉ lệ trộn than/KOH, thời gian hoạt hóa, nhiệt độ hoạt hóa

- Đánh giá khả năng hấp phụ thông qua việc lọc nước mưa, thu được các mẫu, đo tổng khối lượng chất rắn hòa tan và pH của các mẫu nước sau khi lọc bằng than hoạt tính so với các mẫu ban đầu

- Từ bã cà phê chế tạo than hoạt tính theo quy trình như sau:

 Dự đoán giá thành sản phẩm

Từ 8kg bã cà phê sau khi sơ chế và loại bỏ hơi nước, phối trộn với 2kg KOH và đem nung sẽ thu được 6,4 kg than hoạt tính với tổng chi phí là 651.000 nghìn đồng Trong đó bình gốm có nắp và dây kẽm có thể sử dụng được nhiều

7

lần Như vậy, than hoạt tính từ bã cà phê có giá khoảng 102.000đ/kg rẻ hơn rất nhiều so với giá thị trường là 200.000đ – 300.000đ/kg

1 Bã cà phê sau khi sơ chế và sấy loại

1.2 Chế tạo mô hình lọc nước

1.2.1 Dụng cụ

- Thùng phi xanh 120l, thùng sơn 18l, ống phi 90, nắp phi 90, ống phi 27, dây thép lớn, dây kẽm nhỏ, màn hoặc lưới lọc chuyên dụng

1.2.2 Cách tiến hành

- Thùng sơn: Cắt bỏ đáy, giữ lại chiều cao tính từ miệng thùng 25cm

- Khoan 4 lỗ ở bốn góc vuông đối diện bằng khoan 5 li, dùng 2 que thép

kích thước 60cm tạo 4 góc vuông và cố định vào mép dưới của thùng

- Dùng 2 thanh thép kích thước 45cm tạo hình chữ U có móc để cố định

lưới lọc trên

+ Đặt hai thanh thép chữ U lên mép trên của thùng sơn

+ Chuẩn bị hai khung tròn bằng thép đường kính 26cm, cố định hai đầu của khung bằng dây kẽm nhỏ

+ Bọc vải màn bên ngoài khung thép để tạo thành lưới lọc (lưu ý: Nên sử dụng lưới lọc chuyên dụng)

+ Đưa lần lượt hai tấm lưới lọc vào thùng sơn

- Tạo ống lọc dẫn nước sạch đặt bên dưới lớp sỏi đỡ

8

+ Dùng khoan ốc xoắn 3 phân, khoan đều vào ống phi 90

+ Hai nắp ống phi 90: Khoan đều lỗ ống thứ nhất, ống còn lại khoan lỗ lớn

để đặt phi 27, lắp 2 nắp sau khoan vào phi 90

+ Cắt phi 27 có kích thước 20cm, khoan lỗ bằng ốc xoắn 3 phân 10 cm đầu + Đưa phần khoan lỗ của phi 27 vào phi 90

+ Đặt nắp phi 90 vừa nối vào ống phi 90

+ Nối ống phi 90 đậy nắp với ông nối và khóa

+ Nối ống phi 90 đậy nắp nối ống nối, khóa và ống nối 10cm

+ Nối ống nối với co ta được ống xả nước sạch hoàn chỉnh

- Ống xả cặn hoặc xả phèn (nếu có)

+ Chọn ống phi 27 kích thước 10cm

+ Nối ống phi 27 với khóa

+ Nối thêm ống phi 27 vào khóa

+ Nối co vào ống nối phi 27 ta được ống xả đầy đủ

- Tạo mô hình lọc nước hoàn chỉnh

+ Nối roa vào ống phi 27 tùy hệ thống thu nước từ máng xả mà lắp cho phù hợp

+ Khoan hai lỗ tròn trên phi 120l để nối phi với ống 27: Lỗ thứ thất cách

đáy 1cm, lỗ thức hai cách miệng phi 24 cm

+ Lắp ống xả cặn hoặc xả phèn (nếu có) vào phi 120l

+ Lắp lần lượt ống thu nước sạch vào phi 120l theo thứ tự

+ Khoan nắp phi đường kính 28cm, đặt thùng sơn lên ống phi đã khoan

 Đề xuất chi phí và vật liệu lọc

9

- Trong mô hình lọc nước có tái sử dụng thùng sơn và phuy đựng nước cũ

đã qua sử dụng để tiết kiệm chi phí

1.2.3 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

+ Đục lỗ nhỏ dưới đáy chai để lọc nước

+ Cho các lớp vật liệu lọc nước lần lượt vào chai nhựa, các lớp cách nhau một lớp màn lọc

+ Lắp mô hình lọc nước lên giá sắt

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

+ Đặt một chai nhựa cắt bỏ phần miệng chai, đục lỗ ở đáy phía trên bộ dụng

cụ để thay cho roa dẫn nước

1.3 Chê tạo túi khử mùi than hoạt tính

 Kích thước

- B1: Vải thừa xin tại tiệm may quần áo

- B2: Cắt vải thành hình chữ nhật theo kích thước 9cm x 11cm

- B3: May thành các túi hình chữ nhật theo tỉ lệ 8cm x 10cm

- B4: Mỗi túi tương ứng buộc 1 dây ruy băng kích thước khoảng 18 - 20cm

 Khối lượng

- Mỗi túi khử mùi cột nơ chứa 30g lượng than hoạt tính

10

- Túi khử mùi dây rút chứa 60 gam than hoạt tính

 Dự đoán giá thành

Từ 6 kg than tạo ra được 100 túi khử mùi than hoạt tính với tổng số tiền là 720.000đ, như vậy giá của túi khử mùi dây rút lớn là 7.200đ/túi, túi khử mùi cột nơ

có giá là 3.600đ/túi rẻ hơn so với giá thị trường là 15.000đ – 20.000đ

2 Phương pháp nghiên cứu

2.1.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 thể hấp phụ

- Nghiên cứu các tài liệu về nước thải sinh hoạt và xử lý nước thải sinh hoạt

2.2 Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn

2.2.1 Phương pháp quan sát

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

2.2.2 Phương pháp đàm thoại

11

- Trao đổi với GV và HS 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 GV và HS đã gặp phải

2.2.3 Phương pháp điều tra

- Điều tra thực trạng về mức độ biết, hiểu của GV và HS về tái sử dụng bã

thải, vấn đề nước sạch và bảo vệ môi trường

2.2.4 Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia

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

2.2.5 Phương pháp thực nghiệm:

- Dựa vào giả thuyết khoa học đã đặt ra, tiến hành thực nghiệm ở nơi công tác, nơi lưu trú và một số địa bàn lân cận để xem xét hiệu quả và tính khả thi của

đề tài

2.3 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

2.4 Tiến hành nghiên cứu

2.4.1 Khảo sát sơ bộ

Than hóa và hoạt hóa là hai giai đoạn quan trọng của quá trình chế tạo than hoạt tính Tuy nhiên 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 tôi đã sử dụng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng và phân tích nhiệt vi sai (TGA-DTA)

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

12

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 KOH

và than 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

2.4.2 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

tả ở trên

 Ảnh hưởng của thời gian ngâm

Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm (thời gian tiếp xúc giữa than/KOH trước khi hoạt hóa) chúng em tiến hành chế tạo 4 mẫu than hoạt tính với thời gian ngâm khác nhau Các mẫu này đều được hoạt hóa trong khoảng thời gian hoạt hóa 2 giờ tại 6000C

Phân tích kết quả để lựa chọn thời gian ngâm để thực hiện các thí nghiệm

tiếp theo

 Ảnh hưởng của tỉ lệ hoạt hóa bằng KOH

Tỉ lệ khối lượng than/KOH là một yếu tố có ảnh hưởng đến đặc tính của than sau hoạt hóa Để nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng này chúng em tiến hành chế tạo 5 mẫu than hoạt tính với tỉ lệ khối lượng KOH/than khác nhau Các mẫu này