BÁO cáo NGHIÊN cứu KHOA học kĩ THUẬT sử DỤNG bùn THẢI AO NUÔI cá làm NGUYÊN LIỆU sản XUẤT THAN tổ ONG

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH ĐỒNG THÁP TRƯỜNG THPT THÀNH PHỐ CAO LÃNH  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI SỬ DỤNG BÙN THẢI AO NUÔI CÁ LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN TỔ ONG Lĩnh vực:

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TỈNH ĐỒNG THÁP

TRƯỜNG THPT THÀNH PHỐ CAO LÃNH



BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI

SỬ DỤNG BÙN THẢI AO NUÔI CÁ LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN TỔ ONG

Lĩnh vực: Khoa học Môi trường

NGƯỜI THỰC HIỆN:

1 NGUYỄN PHẠM ANH DUY

2 LÊ QUANG MINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

HUỲNH THỊ THANH VÂN

TP.Cao Lãnh, Tháng 01 năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt đề tài của mình, lời đầu tiên chúng em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến cô Huỳnh Thị Thanh Vân, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu trường Trung học phổ thông thành phố Cao Lãnh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để chúng

em thực hiện tốt đề tài

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các quý thầy, cô và anh chị ở Sở Tài Nguyên và Môi trường tỉnh Đồng Tháp, Khoa Hóa học Trường Đại học Đồng Tháp và Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ chúng em trong việc đo đạt, đóng góp ý kiến và hỗ trợ thiết bị giúp chúng em hoàn thành tốt công việc

Cuối cùng, nhưng thật quan trọng và có ý nghĩa, đó là ba mẹ của chúng

em đã lo lắng, động viên giúp chúng em vượt qua mọi khó khăn để có thể hoàn thành tốt đề tài của mình

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài 2

Chương 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Bùn thải ao nuôi cá 3

1.2 Than đá 3

1.2.1 Nguồn gốc 3

1.2.2 Thành phần hoá học của than 4

1.3 Than tổ ong 5

1.4 Kết luận phần tổng quan 5

Chương 2 NGUYÊN VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 6

2.1 Dụng cụ, thiết bị và nguyên liệu 6

2.2 Thực nghiệm tạo ra than tổ ong 6

2.3 Thực nghiệm xác định độ ẩm của than 7

2.4 Thực nghiệm đánh giá khả năng làm đun sôi nước 7

2.5 Thực nghiệm xác định nhiệt trị 7

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 8

3.1 Kết quả về độ ẩm của than tổ ong 8

3.2 Kết quả đánh giá khả năng làm đun sôi nước 8

3.3 Kết quả xác định nhiệt trị 9

3.4 Tính giá thành sản phẩm 11

3.5 Tính chọn sản phẩm tối ưu 13

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

PHỤ LỤC 19

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong nhiều thập kỷ qua con người luôn chú trọng đến việc khai thác

và sử dụng nhiên liệu hóa thạch để cung cấp năng lượng phục vụ cho đời sống, cho phát triển công nghiệp, nông nghiệp và cho phát triển kinh tế xã hội [1], [2] Bên cạnh đó, khi nông nghiệp phát triển nhất là ngành nuôi trồng thủy sản sẽ làm gây ô nhiễm môi trường đất, môi trường nước bởi do lượng thức ăn thừa, phân thải, thuốc bảo vệ thủy sản lắng xuống đáy sông, ao hồ tạo thành bùn thải [1], [3] Nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, ô nhiễm môi trường ngày càng lan rộng, gây mất cân bằng sinh thái, gây ra biến đổi khí hậu và thiên tai khôn lường Do vậy, việc tìm kiếm nguyên liệu khác nhằm giảm sử dụng hoặc thay thế nhiên liệu hóa thạch, đồng thời xử lý được lượng bùn thải từ nuôi trồng thủy sản là vấn đề vô cùng quan trọng và cấp thiết tại các tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long

Vùng Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh Đồng Tháp nói riêng đang phát triển mạnh về nghề nuôi trồng thủy sản do có 2 con sông lớn chạy qua là Sông Tiền và Sông Hậu Riêng tỉnh Đồng Tháp có khoảng 7.650

ha nuôi trồng thủy sản, lượng bùn tích tụ ở đáy ao từ quá trình nuôi chứa thức

ăn dư thừa, thuốc thủy sản, sẽ được nạo v t sau mỗi vụ để cải tạo ao nuôi cho vụ sau ước tính khoảng 937 tấn bùn khô/ha Hiện nay, lượng bùn này thải

ra bên ngoài gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nhưng chưa được xử lí [1], [5]

Chúng ta biết rằng, than tổ ong hiện có trên thị trường được làm từ đất

s t trộn với than cám (đất sét chỉ có chức năng định hình), khi đốt năng lượng

nhiệt tỏa ra không nhiều và giá thành còn khá cao [4], [6] Trong khi đó, bùn thải từ ao nuôi cá có chứa nhiều cacbon, nitơ, photpho trong các hợp chất hữu

cơ do thức ăn thừa, phân thải, thuốc bảo vệ thủy sản Vì vậy, bùn thải từ ao nuôi cá thay thế đất s t thường hứa hẹn sẽ tạo nên một loại than tổ ong có

năng lượng nhiệt tỏa ra cao và giá thành thấp Đồng thời, đề tài nghiên cứu thành công sẽ góp phần tạo việc làm, tăng thu nhập cho người dân, giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, giảm một phần nhiên liệu hóa thạch (than cám)

và góp phần vào sự phát triển kinh tế xã hội ở địa phương

Từ những vấn đề trên, chúng em mạnh dạn đề xuất đề tài nghiên cứu:

“Sử dụng bùn thải ao nuôi cá làm nguyên liệu sản xuất than tổ ong”

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài này là tận dụng lượng lớn bùn thải dưới đáy ao nuôi cá làm nguyên liệu sản xuất than tổ ong để giải quyết một số vấn đề như: sản xuất than tổ ong có giá thành thấp, khi đốt năng lượng nhiệt tỏa ra cao, đồng thời xử lý bùn thải ô nhiễm, tạo công ăn việc làm cho người dân góp phần phát triển kinh tế xã hội của địa phương

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Đất bùn thải dưới đáy ao, hồ nuôi trồng thủy sản làm than tổ ong

- Phạm vi nghiên cứu: Sản xuất than tổ ong với quy mô hộ gia đình từ

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài

- Về khoa học: Đưa ra phương pháp thực nghiệm, phương pháp tính

toán giá thành, phương pháp biểu diễn đồ thị và phương pháp so sánh để tìm kiếm sản phẩm tối ưu

- Về môi trường: Xử lý bùn thải ao cá trên địa bàn tình Đồng Tháp làm

giảm ô nhiễm môi trường, ổn định cân bằng sinh thái

- Về kinh tế và xã hội:

tổ ong làm giảm giá thành sản phẩm, tăng năng suất nhiệt

kinh tế xã hội tỉnh Đồng Tháp cũng như của đất nước

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Bùn thải ao nuôi cá

Bùn thải dưới đáy ao nuôi phát sinh từ quá trình nuôi cá thâm canh, sau mỗi vụ nuôi từ 7 - 8 tháng lượng bùn tích tụ lại dưới đáy ao, làm cho ao bị cạn nên người nuôi sẽ nạo v t bùn và xử lý đáy ao để chuẩn bị cho vụ nuôi sau [4] Trong bùn thải có chứa cacbon, nitơ, oxi, photpho dưới dạng các hợp chất hữu cơ chưa phân giải và các hợp chất khác có chứa sắt, kali, canxi, do

dư lượng thức ăn, chất thải từ cá và các chất khác được sử dụng trong quá trình nuôi cá tích tụ lại [4]

Theo kết quả phân tích của Trung tâm Kỹ thuật Thí nghiệm và Ứng dụng Khoa học Công nghệ Đồng Tháp, hàm lượng các chất có trong bùn thải

ao nuôi cá như sau [4]:

Bảng 1.1 Thành phần cơ bản của bùn thải

Thành phần Đất Độ ẩm Chất hữu cơ Phospho Nitơ tổng

Ngoài ra, trong bùn đất có thành phần khoáng chiếm tỷ lệ rất b : Kali khoảng 1,377 mg/kg; Sắt khoảng 14,969 mg/kg và Canxi 14,364 mg/kg Các thành phần này khi đốt cháy sinh ra năng lượng không đáng kể nhưng có thể góp phần vào quá trình giữ nhiệt [2]

1.2 Than đá

1.2.1 Nguồn gốc

Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch hình thành từ các hệ sinh thái đầm lầy nơi mà xác thực vật được nước và bùn lưu giữ không bị ôxi hóa và phân hủy bởi sinh vật (biodegradation) [2], [4], [6] Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có các nguyên tố khác như lưu huỳnh Than đá là sản phẩm của quá trình biến chất, là các lớp đá có màu đen hoặc

đen nâu có thể đốt cháy được Than đá là nguồn nhiên liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế giới, cũng như là nguồn thải khí carbon dioxide lớn nhất, được xem là nguyên nhân hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu Than đá được khai thác từ các mỏ than lộ thiên hoặc dưới lòng đất (hầm lò) [2], [4]

1.2.2 Thành phần hoá học của than

Thành phần của than ở Việt Nam (Hòn Gai, Quảng Ninh) được xác

định theo bảng 2 [2], [4], [6] như sau:

Bảng 1.2 Thành phần cơ bản của than đá

Thành phần Cacbon Hydrô Lưu Huỳnh Oxy - nitơ Độ ẩm Tro và xỉ

Trong than, các nguyên tố cấu thành bao gồm các thành phần sau:

- Cacbon: Là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, nhiệt lượng

phát ra khi cháy của 1 kg cacbon gọi là nhiệt trị của cacbon, khoảng 34,150 kJ/kg

Vì vậy, lượng cacbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị của nhiên liệu càng lớn Tuổi hình thành nhiên liệu càng già thì thành phần cacbon càng cao, song khi

ấy độ liên kết của than càng lớn nên than càng khó cháy [2], [4], [6]

- Hyđrô: Là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu rắn, khi cháy

toả ra nhiệt lượng 144,500 kJ/kg Nhưng lượng hyđrô có trong thiên nhiên rất

ít [2], [4], [6]

- Lưu huỳnh: Là thành phần cháy trong nhiên liệu, trong than lưu

chuyển thành tro của nhiên liệu Lưu huỳnh nằm trong nhiên liệu rắn ít hơn trong nhiên liệu lỏng [2], [6] Vì vậy: S (%) = Shc + Sk + Ss = Sc + Ss

Nhiệt trị của Lưu huỳnh bằng khoảng 1/3 nhiệt trị của cacbon Khi

hiểm vì vậy lưu huỳnh là nguyên tố có hại của nhiên liệu [2], [6]

- Oxy và Nitơ: Là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng Sự có

mặt của oxy và nitơ làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu, làm cho nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống Nhiên liệu càng non thì oxy càng nhiều, khi đốt nhiên liệu, nitơ không tham gia quá trình cháy chuyển thành dạng tự do ở trong khói [2], [6]

- Tro, xỉ (A): Là thành phần còn lại sau khi nhiên liệu được cháy kiệt [2]

- Độ ẩm (M): Là thành phần nước có trong nhiên liệu thường được bốc

hơi vào giai đoạn đầu của quá trình cháy [2], [6]

Như vậy, về thành phần hoá học của nhiên liệu thì ta có các thành phần sau: C, H, O, N, S, A, M và có thể được thể hiện bằng thành phần phần trăm: C+ H + O + N + S + A + M = 100% [1], [2], [6]

1.3 Than tổ ong

Than tổ ong được làm từ than đá xay nhuyễn (còn gọi là than cám) trộn đều với đất bùn pha s t với tỷ lệ nhất định, thông thường trộn với hai dạng tỷ

lệ: một là 9:1 (chín phần than và một phần đất bùn), hai là 8:2 (tám phần than

và hai phần đất bùn) Tùy theo nhu cầu thị trường mà chủ cơ sở trộn ở các

thành phần khác nhau [1], [2], [4], [6]

1.4 Kết luận phần tổng quan

Qua phân tích và tổng hợp các thành phần của bùn thải và đất s t có thể khẳng định rằng, bùn thải và đất s t đều có chức năng định hình khi trộn với than cám để sản xuất than tổ ong Tuy nhiên, còn bùn thải do chứa nhiều chất hữu cơ do đó khi đốt cháy sinh ra năng lượng Vì vậy, sử dụng bùn thải thay cho đất s t là hợp lý, vừa xử lý được môi trường, vừa nâng cao nhiệt trị

Chương 2 NGUYÊN VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Dụng cụ thiết và nguyên liệu

- Dụng cụ và thiết :

Một số dụng cụ và thiết bị được sử dụng trong đề tài như: Tủ sấy, cân

kỹ thuật, máy tính, máy n n tạo than (tự chế), các loại chậu và cốc dùng để đựng mẫu

- Nguyên liệu thí nghiệm:

+ Bùn pha đất s t và than cám được mua tại cơ sở sản xuất than tổ ong

+ Bùn thải dưới đáy ao nuôi cá (sau thời gian nuôi khoảng 7-8 tháng)

2.2 Thực nghiệm tạo ra than tổ ong

Đầu tiên, bùn thải dưới đáy ao nuôi cá sau khi phơi nắng từ 2-3 ngày được trộn đều với than cám ở các tỷ lệ khối lượng than cám/bùn thải khác nhau tương ứng: 80/20; 75/25; 70/30 và 60/40

Nếu gọi R là tỉ lệ về khối lượng của than cám có trong than tổ ong thành phẩm:

ttotp

GG

tổ ong thành phẩm

Khi đó các tỉ lệ khối lượng than cám/bùn thải: 80/20; 75/25; 70/30 và 60/40 sẽ tương ứng với R = % than cám = 80%; 75%; 70% và 60% = 0,8; 0,75; 0,7 và 0,6

Tiếp đến, hỗn hợp than cám và bùn thải được cho vào khuôn và p thành các viên than tổ ong có khối lượng trung bình 250 gam Cuối cùng, các viên than sau khi p được phơi khô dưới ánh nắng mặt trời đến khi độ ẩm còn

lại Wsp nhỏ hơn 6%, thu được sản phẩm than tổ ong từ bùn thải ao nuôi cá (mẫu nghiên cứu) Than tổ ong từ bùn pha đất s t được tiến hành tương tự để làm mẫu đối chứng

2.3 Thực nghiệm xác đ nh độ ẩm của than

bám nước Tiếp đến, cho mẫu than tổ ong vào cóc đã được sấy khô rồi đem

C cho

lượng của mẫu than không còn chứa ẩm và cốc không bám nước Độ ẩm mẫu than chưa phơi nắng được xác định theo công thức sau:

2.4 Thực nghiệm đánh giá khả năng làm đun sôi nước

Lấy hai mẫu than tổ ong (mẫu nghiên cứu và mẫu đối chứng) sau khi sấy khô đến khối lượng không đổi, mỗi mẫu có khối lượng 1 kg và có thành phần khối lượng than cám là 80% Đốt cháy mẫu than và cho vào cùng một loại lò, sau đó đặt nồi cùng loại và có cùng dung tích 2 lít với đường kính là

than trên

2.5 Thực nghiệm xác đ nh nhiệt tr

Than tổ ong (mẫu nghiên cứu và mẫu đối chứng) sau khi sấy khô đến khối lượng không đổi, được đưa đi xác định nhiệt trị bằng phương pháp AOCAC 940.27-2009 trên thiết bị Calorimeter tại Trung tâm Kỹ thuật và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả về độ ẩm của than tổ ong

Độ ẩm của than có ảnh hưởng lớn đến khả năng bắt cháy và sinh nhiệt của than tổ ong [6] Nhằm ước lượng thời gian làm khô cũng như xác định khả năng bắt cháy của than tổ ong, chúng tôi xác định độ ẩm của than trước khi phơi khô Quy trình xác định độ ẩm như đã trình bày ở mục 2.3 Kết quả thực nghiệm như được trình bày ở bảng 3.1

Bảng 3.1: Kết quả xác định độ ẩm của mẫu than tổ ong từ bùn thải ao nuôi cá

ẩm khá cao (dao động trong khoảng từ 18% đến 25%) và độ ẩm tăng khi khối lượng bùn thải tăng Từ kết quả khảo sát chúng tôi nhận thấy nếu than tổ ong được làm khô với độ ẩm dưới 21% thì than có khả năng cháy tốt [6] Ngược lại, nếu chúng trên 21% thì sẽ gây khó khăn trong quá trình cháy, đồng thời làm tiêu hao năng lượng do quá trình bốc hơi nước Để đảm bảo độ ẩm < 21% thì than tổ ong cần được phơi khô ngoài trời dưới điều kiện nắng tốt khoảng

C trong vòng 8h

3.2 Kết quả đánh giá khả năng làm đun sôi nước

Kết quả khảo sát khả năng hay thời gian làm đun sôi nước trên hai loại mẫu than (mẫu than nghiên cứu làm từ bùn thải ao nuôi cá và mẫu than đối

chứng làm từ bùn pha đất s t) được trình bày trong bảng 3.2 Kết quả cho

thấy, mẫu than nghiên cứu có thời gian làm đun sôi nước ngắn hơn so với mẫu than đối chứng Điều này chứng tỏ rằng, mẫu than nghiên cứu tỏa nhiệt cao hơn so với mẫu than đối chứng Nguyên nhân có thể do trong bùn thải ao nuôi cá có hàm lượng chất hữu cơ dễ cháy cao hơn so với mẫu than đối chứng như đã giới thiệu ở phần tổng quan Kết quả này cũng phù hợp khi chúng tôi tiến hành xác định nhiệt trị (nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy) như được trình bày ở phần tiếp theo

Bảng 3.2: Thời gian nước sôi sau khi than đã cháy đều

Các phương trình phản ứng cháy được viết như sau:

- Thành phần than cám cháy tính cho 1 kg than tổ ong:

Tro, xỉ + O2  hợp chất vô cơ + khí + H2O + Q4 (kJ/kg) (4)

- Thành phần bùn thải cháy tính cho 1 kg than tổ ong:

CxHyOz + (x + y/4 – z/2)O2 xCO2 + y/2H2O + Q5 (kJ/kg) (5)

CxHyOzNt + (x + y/4 – z/2)O2 x/2CO2 + t/2NO2 + y/2H2O + Q6 (kJ/kg) (6)

Trong thiết bị Calorimeter đã xảy ra phản ứng cháy hoàn toàn từ (1)

đến (8) của than tổ ong, nhiệt lượng phóng ra được tính toán bằng tổng sau:

Phương trình (9) gọi là nhiệt trị của than tổ ong, Calorimeter có các cảm biến đo nhiệt độ đầu vào cuối rồi tính toán nhiệt trị Kết quả đo hiển thị

trên màn hình của Calorimeter và được trình bày ở bảng 3.3 (hoặc xem phụ

lục) Mô phỏng trên đồ thị quan hệ nhiệt trị q (Cal/g) giữa mẫu nghiên cứu,

mẫu đối chứng với tỉ lệ than cám R (%), kết quả được đưa ra ở hình 1

Bảng 3.3: Kết quả xác định nhiệt trị bằng thiết bị Calorimeter (q, Cal/g)

- Từ thực nghiệm đã xây dựng được phương trình tính giá trị nhiệt

lượng cho than tổ ong nghiên cứu và than tổ ong đối chứng như sau:

a) Phương trình nhiệt trị mẫu nghiên cứu:

b) Phương trình nhiệt trị mẫu đối chứng:

2

Với hệ số tương quan X2

= 0,9998 rõ ràng các phương trình (10) và (11) tương thích với số liệu thực nghiệm Vì vậy, chúng có thể sử dụng tính toán nhiệt trị cho thực tế sản xuất

Kết quả thấy rằng, cùng một giá trị R (%) thì nhiệt trị sản phẩm có trên thị trường (mẫu đối chứng) nhỏ hơn so với sản phẩm nghiên cứu, vì đường nhiệt trị của sản phẩm trên thị trường nằm dưới đường nhiệt trị của sản phẩm

nghiên cứu (xem hình 3.1), điều này hoàn toàn hợp lý với kết quả nghiên cứu

C của sản phẩm nghiên cứu nhỏ hơn

sản phẩm đối chứng (xem bảng 3.2) Do vậy, sản phẩm nghiên cứu đưa ra thị

trường dễ dàng tiêu thụ hơn sản phẩm hiện tại có trên thị trường, bởi vì giá

thành giảm (xem trình bày phần tiếp theo) nhưng năng suất nhiệt lại tăng và

sử dụng rất hiệu quả

14.107,28 15.113,51 16.119,74

17.265,32 18.379,34 19.493,36

Phương trình nhiệt trị mẫu đối chứng:

q = 201,25.R + 20,09; X² = 0,9998

Phương trình nhiệt trị mẫu nghiên cứu:

q = 222,80.R + 1.669,10 ; X² = 0,9998

0 5.000

Mẫu đối chứng Mẫu nghiên cứu

Hình 3.1.Quan hệ giữa tỉ lệ than cám và nhiệt trị sản phẩm