Nghiên cứu làm sạch CO2 từ khí thải đốt than để nuôi vi khuẩn lam Spirulina platensis

Luận án nghiên cứu phương pháp làm sạch CO2 từ khí thải đốt than bằng kỹ thuật xúc tác hấp phụ, tạo nguồn cacbon cho vi khuẩn lam spirulina platensis.

• Tác giả: Đoàn Thị Oanh
• Người hướng dẫn: GS. Đặng Đình Kim
• Trường học: Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Công nghệ môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu làm sạch CO2 từ khí thải đốt than bằng kỹ thuật xúc tác hấp phụ cho vi khuẩn lam Spirulina platensis
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 20
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2. CÔNG NGHỆ XÚC TÁC – HẤP PHỤ XỬ LÝ CÁC KHÍ THẢI ĐỒNG HÀNH VỚI CO2 TRONG KHÍ THẢI ĐỐT THAN
• 3. NGUỒN CO2 TỪ KHÍ THẢI ĐỐT THAN CHO SINH TRƯỞNG VI TẢO VÀ VI KHUẨN LAM
• 4. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
• 4.2. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT
• 4.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4.3.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu hấp phụ - xúc tác và các phương pháp đánh giá đặc trưng vật liệu
• 4.3.2. Quy trình tổng hợp vật liệu
• 4.3.3. Phương pháp đánh giá đặc trưng vật liệu
• 4.3.4. Các phương pháp phân tích thành phần hóa học của than
• 4.3.5. Các phương pháp phân tích khí
• 4.3.6. Các phương pháp phân tích các khí ở quy mô phòng thí nghiệm
• 4.3.7. Các phương pháp phân tích các khí ở quy mô pilot và nhà máy
• 4.3.8. Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý
• 4.3.9. Các phương pháp nghiên cứu Spirulina platensis
• 4.3.10. Xác định tốc độ sinh trưởng của Spirulina platensis
• 4.3.11. Phương pháp xác định phycocyanine, chlorophyll a, carotenoid của Spirulina platensis
• 4.3.12. Tách chiết lipit từ sinh khối tảo theo phương pháp Bligh và Dyer (1959) đã cải biên
• 4.3.13. Phương pháp xác định hàm lượng HCO3- và CO32- trong môi trường nuôi
• 4.4. Phân tích thành phần và hàm lượng các axit béo bão hòa và không bão hoà đa nối đôi
• 4.5. Phân tích thành phần dinh dưỡng
• 4.6. Phân tích hàm lượng carbon trong sinh khối vi tảo
• 4.7. Đánh giá hiệu quả hấp thu CO2 của Spirulina platensis
• 4.8. CÁC MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.8.1. Thiết bị nghiên cứu chức năng của từng vật liệu
• 4.8.2. Hệ thống xử lý khí thải quy mô phòng thí nghiệm
• 4.8.3. Hệ thống xử lý khí thải quy mô nhà máy
• 4.8.4. Mô hình thực nghiệm nuôi Spirulina platensis
• 4.9. CÁC PHƯƠNG PHÁP BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM
• 4.9.1. Các phương pháp bố trí thí nghiệm nghiên cứu khả năng xử lý của vật liệu xúc tác/ hấp phụ
• 4.9.2. Các phương pháp bố trí thí nghiệm nghiên cứu Spirulina platensis
• 4.10. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU
• 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. NGHIÊN CỨU LÀM SẠCH CO2 TỪ KHÍ THẢI ĐỐT THAN BẰNG KỸ THUẬT XÚC TÁC – HẤP PHỤ
• 5.1.1. Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu xúc tác-hấp phụ
• 5.1.2. Nghiên cứu sử dụng vật liệu hấp phụ trên cơ sở Fe2O3 - MnO2 và các hợp chất chứa Canxi/ Natri nhằm giảm thiểu hơi kim loại nặng và hơi axit
• 5.1.3. Nghiên cứu vật liệu xúc tác để xử lý khí độc
• 5.1.4. Chế tạo xương gốm – chất mang
• 5.1.5. Nghiên cứu thử nghiệm hệ modun hấp phụ-xúc tác để làm sạch CO2 từ khí thải đốt than
• 5.1.6. Nghiên cứu thử nghiệm hệ modul hấp phụ/xúc tác để làm sạch CO2 từ khí thải đốt than quy mô phòng thí nghiệm
• 5.1.7. Nghiên cứu thử nghiệm hệ modul hấp phụ-xúc tác để làm sạch CO2 từ khí thải đốt than tại nhà máy gạch tuynel
• 5.2. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CO2 LÀM SẠCH TỪ KHÍ THẢI ĐỐT THAN ĐỂ NUÔI SPIRULINA PLATENSIS
• 5.2.1. Nghiên cứu sử dụng CO2 làm sạch từ khí thải đốt than để nuôi Spirulina platensis SP8 ở điều kiện phòng thí nghiệm quy mô 1 Lít
• 5.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấp
• 5.2.3. Nghiên cứu lựa chọn nồng độ CO2 phù hợp cho sinh trưởng của Spirulina platensis
• 5.2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaHCO3 trong điều kiện sục nguồn CO2 khác nhau lên sinh trưởng của SP8
• 5.2.5. Nghiên cứu thay đổi pH trong môi trường nuôi Spirulina platensis sử dụng các nguồn CO2 khác nhau
• 5.2.6. Nghiên cứu biến động CO32- và HCO3- trong môi trường nuôi Spirulina platensis SP8
• 5.2.7. Nghiên cứu sử dụng CO2 làm sạch từ khí thải đốt than để nuôi Spirulina platensis SP8 ở điều kiện phòng thí nghiệm quy mô 10L
• 5.2.8. Ảnh hưởng của thời gian sục khí CO2 từ khí thải đốt than
• 5.2.9. Nghiên cứu thay đổi pH trong môi trường nuôi Spirulina platensis ở các thời gian sục khí CO2 từ khí thải đốt than khác nhau
• 5.2.10. Nghiên cứu biến động CO32- và HCO3- trong môi trường nuôi Spirulina platensis SP8 khi sục CO2 từ khí thải đốt than
• 5.2.11. Nghiên cứu sử dụng CO2 làm sạch từ khí thải đốt than để nuôi Spirulina platensis SP8 tại nhà máy gạch tuynel
• 5.2.12. Nghiên cứu sinh trưởng của Spirulina platensis trong điều kiện bổ sung CO2 từ khí thải đốt than tại nhà máy gạch tuynel
• 5.2.13. Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ sục khí CO2 1,2% khác nhau lên khả năng sinh trưởng của Spirulina platensis SP8
• 5.2.14. Giá trị dinh dưỡng của sinh khối Spirulina platensis nuôi trong điều kiện sử dụng CO2 từ khí thải đốt than
• 5.2.15. Đánh giá hiệu quả hấp thu CO2 của Spirulina platensis SP8
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về CO2 và khí thải đốt than

Khí thải đốt than chủ yếu chứa CO2, một trong những tác nhân chính gây hiệu ứng nhà kính. CO2 chiếm khoảng một nửa khối lượng khí nhà kính và đóng góp tới 60% vào sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu. Việc đốt than thải ra lượng CO2 lớn nhất so với các nhiên liệu hóa thạch khác như dầu và xăng. Sự gia tăng CO2 trong khí quyển không chỉ gây ra biến đổi khí hậu mà còn đặt ra thách thức lớn cho sự phát triển bền vững. Do đó, việc tìm kiếm các công nghệ làm sạch CO2 từ khí thải đốt than là rất cần thiết. Các phương pháp như hấp thụ hóa học, tách bằng màng, và đông lạnh phân đoạn đã được nghiên cứu, nhưng không giải quyết triệt để vấn đề phát triển bền vững.

II. Công nghệ xúc tác hấp phụ trong xử lý khí thải

Công nghệ xúc tác - hấp phụ được xem là giải pháp hiệu quả trong việc xử lý khí thải, đặc biệt là trong việc làm sạch CO2. Vật liệu hấp phụ như CaO - Na2CO3 và Fe2O3 - MnO2 có khả năng hấp phụ các khí độc hại như NOx, CO, và CxHy, đồng thời chuyển hóa chúng thành các sản phẩm an toàn hơn như H2O và N2. Việc sử dụng các vật liệu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu cho quá trình nuôi trồng vi tảo. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp giữa xúc tác oxi hóa và xúc tác quang có thể nâng cao hiệu quả xử lý khí thải, từ đó làm sạch CO2 một cách hiệu quả.

III. Nghiên cứu sử dụng CO2 làm nguồn dinh dưỡng cho Spirulina platensis

Việc sử dụng CO2 đã được làm sạch từ khí thải đốt than để nuôi Spirulina platensis là một ứng dụng thực tiễn đầy hứa hẹn. Spirulina platensis có khả năng hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp, từ đó sản xuất sinh khối có giá trị dinh dưỡng cao. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh nồng độ CO2 và các yếu tố môi trường như pH có ảnh hưởng lớn đến tốc độ sinh trưởng của Spirulina platensis. Việc tận dụng CO2 từ khí thải không chỉ giúp làm sạch môi trường mà còn tạo ra nguồn thực phẩm bổ dưỡng, góp phần vào phát triển bền vững.

IV. Đánh giá hiệu quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc làm sạch CO2 từ khí thải đốt than bằng công nghệ xúc tác - hấp phụ không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn dinh dưỡng cho Spirulina platensis. Các vật liệu xúc tác được chế tạo đã cho thấy hiệu quả cao trong việc xử lý khí thải, đồng thời giảm thiểu các khí độc hại. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển công nghệ xanh, giúp bảo vệ môi trường và nâng cao giá trị dinh dưỡng của sản phẩm từ vi tảo. Việc ứng dụng công nghệ này trong các nhà máy gạch tuynel và các ngành công nghiệp khác sẽ góp phần quan trọng vào việc giảm thiểu phát thải CO2 và bảo vệ hệ sinh thái.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Công trình luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Đoàn Thị Oanh có tiêu đề "Nghiên cứu làm sạch CO2 từ khí thải đốt than bằng kĩ thuật Xúc tác-Hấp phụ để làm nguồn cac bon nuôi vi khuẩn lam Spirulina platensis giàu dinh dưỡng", được thực hiện tại Viện Công nghệ môi trường thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Đặng Đình Kim và TS. Trần Thị Minh Nguyệt, với sự hỗ trợ kinh phí từ Đề tài KC08.08/11-15 thuộc Chương trình Khoa học Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước KC.08/11-15.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Khí dioxide carbon ($CO_2$) chiếm khoảng một nửa khối lượng các khí nhà kính và đóng góp tới 60% vào hiện tượng gia tăng nhiệt độ khí quyển toàn cầu. Nguồn phát thải $CO_2$ chủ yếu bắt nguồn từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, trong đó đốt than đá chiếm tỷ trọng lớn nhất. Tại Việt Nam, mức phát thải khí nhà kính $CO_2$ ước tính trong các năm 2010, 2020 và 2030 lần lượt đạt 169,2; 300,4 và 515,8 triệu tấn; theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia (Quy hoạch điện VII), ngành năng lượng và các ngành công nghiệp nặng như nhiệt điện, xi măng, sản xuất gạch là những nguồn phát thải tập trung lớn nhất.

Các phương pháp giảm thiểu $CO_2$ truyền thống như thu giữ, chôn lấp địa chất hoặc hấp thụ bằng dung dịch hóa học (ví dụ alkanolamin) và phân tách màng thường đòi hỏi chi phí vận hành cao, thiết bị cồng kềnh, tiêu tốn năng lượng tái sinh và có nguy cơ phát sinh dòng thải thứ cấp. Mặt khác, khí thải đốt than là hỗn hợp đa thành phần, ngoài $CO_2$ còn chứa các khí đồng hành độc hại như bụi lơ lửng ($PM$), các hợp chất hữu cơ bay hơi ($VOCs$), oxit lưu huỳnh ($SO_x$), oxit nitơ ($NO_x$), carbon monoxide ($CO$) và hơi acid ($HCl, HF$). Sự hiện diện của các chất này gây ức chế nghiêm trọng đến sự sinh trưởng của vi sinh vật quang hợp nếu sử dụng trực tiếp khí thải thô.

Trong khi đó, việc nuôi cấy vi khuẩn lam Spirulina platensis đòi hỏi lượng lớn carbon vô cơ hòa tan. Trong công thức môi trường Zarrouk chuẩn, muối natri hydrocarbonat ($NaHCO_3$) được sử dụng với nồng độ lên tới 16,8 g/L, chiếm tới 60% tổng chi phí hóa chất dinh dưỡng. Do đó, việc nghiên cứu một hệ thống làm sạch đa tầng bằng kỹ thuật xúc tác - hấp phụ để loại bỏ đồng thời các khí độc hại, thu hồi $CO_2$ sạch cung cấp cho quá trình nuôi cấy Spirulina platensis nhằm cắt giảm chi phí sản xuất sinh khối và giảm phát thải khí nhà kính là một khoảng trống công nghệ có ý nghĩa thực tiễn rõ rệt.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

1. Làm sạch $CO_2$ từ khí thải đốt than bằng kỹ thuật xúc tác - hấp phụ.
2. Sử dụng $CO_2$ từ khí thải đốt than để nuôi Spirulina platensis.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu:
  • 05 loại vật liệu hấp phụ và xúc tác: Hệ vật liệu hấp phụ $CaO - Na_2CO_3$; hệ vật liệu hấp phụ $Fe_2O_3 - MnO_2$; vật liệu xúc tác oxy hóa perovskite $La_{0.1}CoO_3$; vật liệu xúc tác chuyển hóa khử $NO_x$ hệ $V_2O_5 + WO_3 / TiO_2 + Al_2O_3 + SiO_2$; vật liệu xúc tác quang nano $V_2O_5 / TiO_2$ dạng rutile.
  • Nguồn khí: Khí $CO_2$ tinh khiết thương mại (độ tinh khiết > 95%) và dòng khí $CO_2$ thu hồi từ khí thải đốt than đã qua hệ thống làm sạch.
  • Đối tượng sinh học: Chủng vi khuẩn lam Spirulina platensis SP8 (Gomont) Geitler do phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường phân lập và lưu giữ.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm tại Viện Công nghệ môi trường và thử nghiệm thực tế hiện trường trên hệ thống trích dòng khí thải từ ống khói lò nung tại Nhà máy gạch tuynel Đan Phượng, thành phố Hà Nội.
  • Phạm vi quy mô nuôi cấy: Khảo sát quy mô bình tam giác 1 lít, hệ thống bể phản ứng quang sinh (PBR) 10 lít và bể nuôi hở có phao sục khí ngoài trời tại nhà máy sản xuất gạch.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được tác giả tổng thuật

Trong phần tổng quan, tác giả đã hệ thống hóa các nhóm công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan trực tiếp đến đề tài:

1. Công nghệ thu hồi và làm sạch $CO_2$:

   • Phương pháp hấp thụ: Sử dụng các dung dịch hóa học gốc alkanolamin như monoethanolamin, diethanolamin, N-methyldiethanolamin, diglycolamin, diisopropanolamin và 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP); hoặc các dung dịch vật lý như propylene carbonat, Selexol, methanol, n-methyl-2-pyrrolidone và hỗn hợp sulphinol-D/M.
   • Phương pháp hấp phụ: Sayari và cộng sự (2011) đã tổng kết các ưu thế của chất hấp phụ rắn về chi phí nguyên liệu, dung lượng hấp phụ và tính ổn định nhiệt, tuy nhiên chỉ ra nhược điểm về sự suy giảm hoạt tính và yêu cầu cấu trúc tiếp xúc không gian lớn.
   • Phương pháp màng: Các nghiên cứu về màng vô cơ xốp, màng palladium, màng polymer và màng zeolite chỉ ra hạn chế về độ phân tách khí đơn tầng, tiêu tốn áp suất cao.

2. Vật liệu xử lý khí đồng hành trong khí thải đốt than:

   • Hấp phụ khí acid ($SO_2, HCl, HF$): Các nghiên cứu về hợp chất kiềm và kiềm thổ dạng rắn ($CaO, Ca(OH)_2, CaCO_3, NaHCO_3, Na_2CO_3$) và hệ canxi silicat ngậm nước $(CaO)(SiO_2)_y(H_2O)_z$ phản ứng theo chuỗi ái lực hóa học; các công trình sử dụng hệ oxit sắt - mangan ($Fe_2O_3 - MnO_2$) để hấp phụ hơi halogen, hơi kim loại nặng thăng hoa ($As, Hg$) ở nhiệt độ lên đến 400 °C nhờ tận dụng hoạt tính bề mặt và từ tính vật liệu.
   • Xúc tác oxy hóa $CO$ và $VOCs$: Các công bố ban đầu của Libby (1971), Tascon và cộng sự (1981) về cơ chế oxy hóa $CO$ trên mạng lưới perovskite $ABO_3$; các nghiên cứu của Xie và cộng sự (2010), Chen và cộng sự (2003) về oxit cobalt nano; Wei và cộng sự (2005, 2006), Jian và cộng sự (2014) về hoạt tính của $La_{1-x}K_xCoO_3$; tại Việt Nam có nghiên cứu của Quách Thị Hoàng Yến và cộng sự (2011) về $La_{1-x}Na_xCoO_3$ và Trần Thị Minh Nguyệt và cộng sự (2012) về dãy perovskite $La_{1-x}M_xCoO_3$ ($M = Li, Na, K$).
   • Xúc tác chuyển hóa $NO_x$ ($deNO_x$): Chen và cộng sự (2010) biến tính $CeO_2/TiO_2$ bằng $WO_3$; Zhong và cộng sự (2011) biến tính $V_2O_5/TiO_2$ bằng flo; Djerad và cộng sự (2004), Dong và cộng sự (2014) khảo sát hệ $V_2O_5-WO_3/TiO_2$; Stefania và cộng sự (2008), Pan và cộng sự (2013), Peng và cộng sự (2013), Debecker và cộng sự (2007), Bertinchamps và cộng sự (2006) làm rõ vai trò của tỷ lệ tâm acid Brønsted (B) và Lewis (L) trong việc tăng độ chọn lọc chuyển hóa $NO_x$ và ức chế các dẫn xuất Dioxin/Furan.
   • Vật liệu quang xúc tác: Nghiên cứu của PGS. Nguyễn Thị Huệ về vật liệu nano $TiO_2$ phủ trên bông thạch anh và sợi $Al_2O_3$; luận án của Nguyễn Thị Hồng Phượng (2014), Nguyễn Thế Anh (2013); các nghiên cứu biến tính $TiO_2$ của Chen và cộng sự (2007); nghiên cứu của Trần Thị Minh Nguyệt và cộng sự (2013) tổng hợp nano rutile $TiO_2/V_2O_5$ bằng phương pháp nghiền cơ hóa năng lượng cao có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng 400–600 nm.

3. Cố định $CO_2$ bằng vi tảo và vi khuẩn lam:

   • Cơ chế sinh lý dinh dưỡng carbon: Longmuir và cộng sự (1966), Berry và cộng sự (1976), Beardall và cộng sự (1976), Lehman (1978), Miller và cộng sự (1980), Sikes và cộng sự (1980), Amoroso và cộng sự (1998), Klinthong và cộng sự (2015) xác định 3 con đường đồng hóa carbon vô cơ ($CO_2$ trực tiếp, bicorbonat qua enzyme carbonic anhydrase - CA, và vận chuyển qua màng).
   • Khả năng chịu khí thải: Negoro và cộng sự (1991), Hirata và cộng sự (1996), Cheng và cộng sự (2006), De Morais và cộng sự (2007), Yoo và cộng sự (2010), Sydney và cộng sự (2010). Ảnh hưởng ức chế của $SO_2$ (gây giảm pH < 3,0 làm ngừng sinh trưởng khi vượt 100 ppm) và sự dung nạp $NO_x$ (tới 240–300 ppm).
   • Nghiên cứu nuôi cấy Spirulina platensis: Zarrouk (1966), Wouters (1969), Pandey và cộng sự (2010), Kumar và cộng sự (2011), Ogbonda và cộng sự (2007), Vincent và Silvester (1979), Binh và Bruce (2015), Kim và cộng sự (2004), Ravelonandro và cộng sự (2011), Shabani và cộng sự (2016), Xianhai Zeng và cộng sự (2012), Costa và cộng sự (2015).
   • Tại Việt Nam: GS. Nguyễn Hữu Thước (thập niên 1970) ứng dụng nguồn nước khoáng Vĩnh Hảo giàu bicorbonat tại Bình Thuận; Đặng Đình Kim và cộng sự (1992 - dùng nước thải biogas, 1994 - dùng nước khoáng Đắc Min); Trần Văn Tựa (1993 - nghiên cứu cơ chế dinh dưỡng carbon bằng đồng vị phóng xạ $^{14}C$ và giảm 3/4 lượng $NaHCO_3$).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết khoảng trống về mặt công nghệ tích hợp: thiết kế và chế tạo đồng bộ một hệ modun xúc tác - hấp phụ dạng khô trên chất mang gốm cấu trúc tổ ong cordierit, kết hợp giữa xúc tác nhiệt và xúc tác quang nano rutile $TiO_2/V_2O_5$ để xử lý triệt để hỗn hợp khí độc đa thành phần ($SO_x, NO_x, CO, HCl, HF, VOCs$, bụi) trong khí thải đốt than. Dòng khí $CO_2$ sau khi làm sạch được đưa trực tiếp vào quy trình nuôi cấy Spirulina platensis SP8 nhằm thay thế phần lớn lượng $NaHCO_3$ trong môi trường nuôi ở cả quy mô phòng thí nghiệm và hiện trường nhà máy công nghiệp.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

• Lý thuyết phản ứng hấp phụ pha khí - rắn: Dựa trên cơ chế phản ứng trung hòa acid - base giữa các oxit/muối kiềm ($CaO, Na_2CO_3$) với các khí acid ($SO_2, HCl, HF$); cơ chế giữ kim loại nặng và hơi acid của oxit kim loại chuyển tiếp ($Fe_2O_3, MnO_2$).
• Lý thuyết xúc tác dị thể oxy hóa - khử: Cơ chế chuyển dịch electron và oxy mạng lưới trên bề mặt oxit phức hợp perovskite $La_{0.1}CoO_3$ để oxy hóa $CO$ và $VOCs$ thành $CO_2$ và $H_2O$; cơ chế khử chọn lọc $NO_x$ ($deNO_x$) trên xúc tác $V_2O_5 - WO_3 / TiO_2$ phụ thuộc vào sự phân bố các tâm acid Brønsted và Lewis.
• Lý thuyết quang xúc tác dị thể: Sự kích thích photon vùng ánh sáng nhìn thấy tạo cặp điện tử - lỗ trống ($e^- / h^+$) trên chất bán dẫn nano rutile $TiO_2$ biến tính $V_2O_5$ để oxy hóa $CO$ ở nhiệt độ phòng.
• Lý thuyết sinh lý học dinh dưỡng carbon vô cơ hòa tan (DIC): Động thái cân bằng giữa $CO_2(aq) \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons HCO_3^- \rightleftharpoons CO_3^{2-}$ trong dung dịch kiềm đệm bicorbonat; cơ chế tập trung carbon (CCM) và hoạt động xúc tác của enzyme carbonic anhydrase (CA) trong tế bào vi khuẩn lam.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Tổng hợp và gia công vật liệu:
  • Hệ hấp phụ $CaO - Na_2CO_3$: Phối trộn $CaO$ (35%), $Na_2CO_3$ (10%), bột gốm cordierit $Mg_2Al_4Si_5O_{18}$ (40%), caolanh $Al_2Si_2O_5(OH)_4$ (15%), nhào ẩm, ép tạo hình viên gốm, phơi khô và sấy ở 300 °C trong 180 phút.
  • Hệ hấp phụ $Fe_2O_3 - MnO_2$: Sử dụng caolin Phú Thọ, gốm cordierit tổng hợp, bột $Fe_2O_3$ và $MnO_2$, phối trộn với dung dịch thủy tinh lỏng $Na_2SiO_3$ 50%, đùn ép, nung ở 900 °C trong 24 giờ.
  • Xúc tác perovskite $La_{0.1}CoO_3$: Tổng hợp bằng phương pháp Sol-Gel citrate từ các muối nitrat $La(NO_3)_3, KNO_3, Co(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$ với tỷ lệ mol $[Cit] : [Co^{2+}] = 1,5 : 1$, kiểm soát pH = 7 bằng $NH_4OH$ và $CH_3COOH$ ở 80 °C trong 4 giờ, sấy gel ở 120 °C trong 6 giờ, nung sơ bộ ở 450 °C trong 2 giờ và nung thiêu kết ở 600 °C trong 4 giờ; sau đó tẩm phủ lên chất mang gốm cordierit (đã tiền xử lý ở 1200 °C trong 3 giờ).
  • Xúc tác quang nano $V_2O_5 / TiO_2$: Tổng hợp từ $TiO_2$ rutile thương phẩm và $V_2O_5$ bằng phương pháp nghiền phản ứng cơ hóa năng lượng cao trên máy Spex 8000M trong thời gian 4 giờ.
  • Chế tạo xương gốm cấu trúc tổ ong: Chế tạo từ hỗn hợp $MgO, Al_2O_3, SiO_2, CaO, Fe_2O_3$, thiêu kết ở 950 °C trong 3 giờ.
• Phương pháp đánh giá đặc trưng hóa lý vật liệu:
  • Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc pha tinh thể.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái học bề mặt và kích thước hạt nano.
  • Đo diện tích bề mặt riêng theo phương pháp Brunauer-Emmett-Teller (BET).
  • Khử hấp phụ theo chương trình nhiệt độ (TPD) đo mật độ tâm acid.
  • Quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) khảo sát bờ hấp thụ quang học.
• Phương pháp phân tích thành phần khí và đánh giá hiệu quả xử lý:
  • Đo trực tiếp các thông số khí ($CO, NO, NO_2, SO_2, O_2$, nhiệt độ) bằng thiết bị phân tích khí Testo 350-XL Emission Analyzer.
  • Thu mẫu khí bằng thiết bị HS7 Kimoto; phân tích $SO_2$ bằng phương pháp so màu PRA; phân tích $CO$ bằng dung dịch muối paladi và heteropoly acid; phân tích $HCl$ bằng phương pháp chuẩn độ bạc nitrat ($AgNO_3$); quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) phân tích kim loại nặng.
• Phương pháp nghiên cứu sinh học Spirulina platensis SP8:
  • Đo mật độ quang tại bước sóng 445 nm ($OD_{445nm}$) trên máy UV-Vis Shimadzu 2450 và cân trọng lượng sinh khối khô (SKK) qua lọc sấy ở 105 °C.
  • Phân tích sắc tố: Chiết xuất phycocyanine trong đệm phosphate, diệp lục ($chlorophyll\ a$) và carotenoid trong dung môi acetone.
  • Tách chiết lipid theo phương pháp Bligh và Dyer (1959) cải biên (hỗn hợp chloroform : methanol : nước); phân tích thành phần acid béo bão hòa và không bão hòa đa nối đôi bằng sắc ký khí (GC).
  • Chuẩn độ acid - base xác định hàm lượng ion $HCO_3^-$ và $CO_3^{2-}$ trong môi trường nuôi; đo pH bằng pH kế Mettler Toledo.
  • Xác định hàm lượng protein tổng số theo phương pháp Kjeldahl và hàm lượng carbon tổng số trong sinh khối.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu thu thập trực tiếp từ các chuỗi thí nghiệm đối chứng tại phòng thí nghiệm và các đợt đo đạc, lấy mẫu quan trắc dòng khí ống khói thực tế tại Nhà máy gạch tuynel Đan Phượng, Hà Nội.

Nhóm dữ liệu	Nguồn gốc / Phương pháp thu thập	Chỉ tiêu chính
Nguyên liệu & Than	Caolin Phú Thọ, than tổ ong thương phẩm	Thành phần oxide ($SiO_2, Al_2O_3, Fe_2O_3...$), hàm lượng nguyên tố than (C, H, N, S, tro, ẩm)
Đặc trưng vật liệu	Phân tích thiết bị (XRD, SEM, BET, TPD, UV-Vis)	Cấu trúc pha, diện tích bề mặt riêng ($m^2/g$), mật độ tâm acid Brønsted/Lewis
Dòng khí thải	Thiết bị Testo 350-XL, lấy mẫu hóa ướt	Nồng độ $CO, SO_2, NO_x, HCl, HF$, bụi trước và sau xử lý
Sinh trưởng tảo	Thí nghiệm nuôi cấy PBR 1L, 10L và pilot	Giá trị $OD_{445nm}$, sinh khối khô ($g/L$), hàm lượng $HCO_3^-/CO_3^{2-}$, pH
Chất lượng sinh khối	Phân tích sinh hóa phòng thí nghiệm	Tỷ lệ Protein, Lipid, Acid béo (GC), Phycocyanine, Chlorophyll a

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan tài liệu

Chương này tổng hợp cơ sở lý luận về hiện trạng phát thải $CO_2$ và thành phần khí thải đốt than. Tác giả phân tích cấu phần của nhiên liệu than trung bình gồm carbon (81,6%), hydro (4,8%), nitơ (1,4%), lưu huỳnh (1,0%), oxy (3,0%), độ ẩm (2,1%) và tro (6,1%). Phân tích chi tiết ưu nhược điểm của các công nghệ làm sạch khí truyền thống (hấp thụ hóa học/vật lý, hấp phụ, màng lọc), từ đó xác lập tính ưu việt của phương pháp làm sạch bằng hệ xúc tác - hấp phụ dạng khô. Chương 1 cũng trình bày toàn diện cơ chế hấp phụ khí acid bằng hợp chất canxi/natri, cơ chế hấp phụ trên $Fe_2O_3 - MnO_2$, cơ chế xúc tác oxy hóa trên perovskite $La_{0.1}CoO_3$, xúc tác chuyển hóa $NO_x$ trên hệ $V_2O_5 - WO_3 / TiO_2$ phụ thuộc tỷ lệ tâm acid Brønsted/Lewis, và khả năng xúc tác quang của nano rutile $TiO_2 / V_2O_5$. Đồng thời, chương này tổng thuật cơ chế hấp thụ carbon vô cơ qua enzyme carbonic anhydrase (CA), tác động ức chế của các khí độc $SO_2, NO_x$, và tổng kết lịch sử nghiên cứu nuôi trồng Spirulina platensis trên thế giới và tại Việt Nam.

Chương 2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả hệ thống đối tượng, hóa chất, thiết bị và các quy trình công nghệ chế tạo 05 loại vật liệu hấp phụ - xúc tác. Tác giả trình bày chi tiết sơ đồ công nghệ tổng hợp gốm hấp phụ $CaO - Na_2CO_3$, gốm $Fe_2O_3 - MnO_2$, quy trình sol-gel citrat chế tạo $La_{0.1}CoO_3$, quy trình nghiền cơ hóa năng lượng cao chế tạo nano rutile $TiO_2/V_2O_5$, và kỹ thuật đùn ép thiêu kết xương gốm cordierit cấu trúc tổ ong. Thiết kế chi tiết 03 mô hình thực nghiệm: mô hình kiểm tra chức năng vật liệu đơn lẻ, hệ thống modun xử lý khí thải (HMĐXLKT) phòng thí nghiệm, và hệ thống tháp xử lý khí thải pilot kết nối trực tiếp với điểm trích khí ống khói lò nung tại Nhà máy gạch tuynel Đan Phượng. Trình bày đầy đủ các phương pháp phân tích hóa lý xác định đặc trưng vật liệu, phương pháp đo đạc phân tích các thành phần khí độc hại, và các kỹ thuật nuôi cấy, thu hoạch, phân tích sinh hóa sinh khối vi khuẩn lam Spirulina platensis SP8.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các phát hiện thực nghiệm được chia làm hai nội dung lớn:

1. Nghiên cứu làm sạch $CO_2$ bằng kỹ thuật xúc tác - hấp phụ:

   • Đặc trưng cấu trúc vật liệu: Giản đồ XRD và ảnh SEM chứng minh sự phân tán đồng đều của các pha hoạt tính $CaO - Na_2CO_3$ và $Fe_2O_3 - MnO_2$ trên chất mang cordierit; mẫu perovskite $La_{0.1}CoO_3$ hình thành đơn pha có độ xốp cao; xúc tác $V_2O_5 - WO_3 / TiO_2$ đạt mật độ tâm acid Brønsted tối ưu ở hàm lượng $V_2O_5$ khoảng 2–3%; phổ UV-Vis của nano rutile $TiO_2/V_2O_5$ sau nghiền 4 giờ dịch chuyển mạnh về vùng ánh sáng khả kiến (400–600 nm).
   • Hiệu quả xử lý khí: Vật liệu $CaO - Na_2CO_3$ đạt hiệu suất hấp phụ $SO_2$ và khí acid cao; hệ perovskite $La_{0.1}CoO_3$ chuyển hóa $CO$ thành $CO_2$ đạt hiệu suất cao khi tăng nhiệt độ; hệ modun $V_2O_5 + WO_3 / TiO_2 + Al_2O_3 + SiO_2$ khử hiệu quả $NO$ và $NO_2$.
   • Thử nghiệm hệ modun tại nhà máy gạch tuynel: Khi vận hành hệ thống pilot xử lý khí thải trích từ ống khói, các khí độc hại $SO_2, NO_x, CO, HCl$, hơi kim loại nặng và bụi lơ lửng được giữ lại và chuyển hóa gần như hoàn toàn qua tháp xúc tác - hấp phụ, tạo ra dòng khí chứa khoảng 1,2% $CO_2$ sạch và ổn định.

2. Nghiên cứu sử dụng dòng $CO_2$ làm sạch để nuôi Spirulina platensis SP8:

   • Quy mô phòng thí nghiệm 1L và 10L: Xác định tỷ lệ giống cấp ban đầu thích hợp; nồng độ $CO_2$ làm sạch bổ sung phù hợp cho sinh trưởng nằm trong dải 1,2%–5%; việc cấp $CO_2$ giúp ổn định pH môi trường trong vùng tối ưu (8,5–9,5), ngăn chặn hiện tượng kiềm hóa quá mức (pH > 11 làm tảo ngừng sinh trưởng); thiết lập chế độ sục khí ngắt quãng giúp duy trì nồng độ ion $HCO_3^-$ ổn định.
   • Cắt giảm hóa chất môi trường: Khi sục khí $CO_2$ làm sạch định kỳ, nồng độ $NaHCO_3$ trong môi trường nuôi có thể cắt giảm đáng kể so với mức 16,8 g/L của môi trường Zarrouk chuẩn mà vẫn duy trì tốc độ sinh trưởng và năng suất sinh khối khô tương đương mẫu đối chứng.
   • Quy mô pilot tại Nhà máy gạch tuynel Đan Phượng: Nuôi cấy thành công chủng SP8 trong bể nuôi hở gắn phao cấp khí $CO_2$ sạch với lưu lượng sục 50–150 L/phút; tảo sinh trưởng ổn định dưới ánh sáng tự nhiên.
   • Chất lượng sinh khối và hiệu quả cố định carbon: Phân tích sinh khối khô thu được cho thấy hàm lượng protein tổng số đạt 55–65%, hàm lượng lipid đạt 4–8%, giữ nguyên hàm lượng các acid béo không no đa nối đôi thiết yếu; hiệu quả hấp thu và chuyển hóa $CO_2$ của chủng SP8 đạt mức cao so với các loài vi tảo khác.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

• Đã nghiên cứu chế tạo thành công tổ hợp 05 loại vật liệu xúc tác - hấp phụ đa chức năng trên cơ sở các oxit kim loại kích thước nano phủ trên chất mang gốm cordierit cấu trúc tổ ong ($CaO - Na_2CO_3, Fe_2O_3 - MnO_2, La_{0.1}CoO_3, V_2O_5 + WO_3 / TiO_2 + Al_2O_3 + SiO_2$).
• Làm sáng tỏ quy luật tương tác và cơ chế xử lý đồng thời hơi acid ($SO_2, HCl, HF$), oxit nitơ ($NO_x$), hơi kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ bay hơi ($VOCs$) bằng hệ vật liệu xúc tác - hấp phụ dạng khô.
• Lần đầu tiên kết hợp hệ xúc tác oxy hóa - khử nhiệt truyền thống với vật liệu quang xúc tác nano rutile $TiO_2$ biến tính $V_2O_5$ (chế tạo bằng kỹ thuật nghiền phản ứng cơ hóa năng lượng cao Spex 8000M hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy) để xử lý triệt để khí $CO$ ngay ở điều kiện nhiệt độ thường.
• Cung cấp luận cứ khoa học về khả năng thích ứng sinh lý và cơ chế chuyển hóa carbon vô cơ của chủng vi khuẩn lam Spirulina platensis SP8 khi sử dụng trực tiếp nguồn $CO_2$ thu hồi từ khí thải công nghiệp sau xử lý.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp công nghệ

• Làm chủ quy trình công nghệ chế tạo xương gốm cordierit tổ ong và kỹ thuật tẩm phủ vật liệu xúc tác - hấp phụ, tạo tiền đề nội địa hóa vật liệu xử lý khí thải công nghiệp giá thành thấp.
• Thiết kế, chế tạo và vận hành thành công hệ thống modun xử lý khí thải (HMĐXLKT) pilot tại Nhà máy gạch tuynel Đan Phượng, chứng minh tính khả thi của giải pháp làm sạch dòng khí trích từ ống khói lò nung công nghiệp.
• Xây dựng thành công quy trình nuôi cấy Spirulina platensis SP8 sử dụng nguồn $CO_2$ làm sạch từ khí thải đốt than, cho phép cắt giảm phần lớn hàm lượng muối $NaHCO_3$ đắt tiền trong môi trường Zarrouk, giúp hạ giá thành sản xuất sinh khối tảo giàu protein làm nguyên liệu thực phẩm chức năng và bảo vệ môi trường.

Kiến nghị và đề xuất từ luận án

• Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện dây chuyền chế tạo vật liệu xúc tác - hấp phụ ở quy mô công nghiệp để nâng cao độ bền cơ học và tuổi thọ làm việc liên tục của khối gốm tổ ong.
• Mở rộng ứng dụng hệ thống thu hồi và làm sạch $CO_2$ tại các nhà máy nhiệt điện than, nhà máy xi măng, kết hợp xây dựng các trang trại nuôi cấy Spirulina platensis trên các vùng đất hoang hóa, cằn cỗi lân cận nhằm tạo chu trình kinh tế tuần hoàn giảm phát thải carbon.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Thử nghiệm làm sạch khí thải hiện trường mới chỉ được thực hiện trên nguồn khí trích từ ống khói của một cơ sở sản xuất cụ thể là Nhà máy gạch tuynel Đan Phượng (nồng độ $CO_2$ đầu vào khoảng 1,2%), chưa khảo sát toàn diện trên các nguồn khí thải có nồng độ $CO_2$ cao hơn (10–14%) từ các nhà máy nhiệt điện đốt than quy mô lớn.
• Vật liệu hấp phụ dạng khô sau một thời gian hoạt động sẽ dần suy giảm dung lượng hấp phụ khi các tâm hoạt tính bị bão hòa bởi hơi acid và kim loại nặng, đòi hỏi phải nghiên cứu chu kỳ thay thế hoặc quy trình tái sinh vật liệu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Khảo sát độ bền nhiệt, độ bền hóa học và tuổi thọ suy giảm hoạt tính của các modun xúc tác - hấp phụ trong điều kiện vận hành liên tục dài ngày ở quy mô công nghiệp.
• Tối ưu hóa hiệu suất lượng tử của vật liệu quang xúc tác nano rutile $TiO_2/V_2O_5$ để tiến tới thay thế hoàn toàn modun xúc tác nhiệt, giúp tiết kiệm năng lượng sấy/nung dòng khí.
• Nghiên cứu tự động hóa hệ thống kiểm soát pH và tự động điều tiết van sục khí $CO_2$ cho các hệ thống nuôi cấy Spirulina platensis quy mô lớn ngoài trời.

---

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Hóa học, Vật liệu học và Công nghệ Sinh học có thể tham khảo phương pháp luận tích hợp liên ngành giữa khoa học vật liệu xúc tác và công nghệ sinh học môi trường.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu: Sử dụng các số liệu thực nghiệm về cơ chế phân bố tâm acid Brønsted/Lewis, quy trình sol-gel citrat chế tạo perovskite, và động thái biến đổi hệ đệm $HCO_3^- / CO_3^{2-}$ làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu.
• Kỹ sư công nghệ và doanh nghiệp: Các nhà máy nhiệt điện, xi măng, gạch nung và các cơ sở nuôi trồng vi tảo thương phẩm có thể ứng dụng thiết kế modun gốm tổ ong và quy trình cắt giảm $NaHCO_3$ để tối ưu hóa chi phí sản xuất.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật

• Quy trình phối liệu và chế tạo các hệ vật liệu gốm hấp phụ $CaO - Na_2CO_3$, $Fe_2O_3 - MnO_2$ và perovskite $La_{0.1}CoO_3$ trên chất mang cordierit tổ ong.
• Phương pháp tổng hợp xúc tác quang nano rutile $TiO_2/V_2O_5$ bằng máy nghiền phản ứng năng lượng cao Spex 8000M.
• Số liệu thực nghiệm đối chứng về sinh trưởng, thành phần dinh dưỡng và hàm lượng acid béo của Spirulina platensis SP8 khi sục khí $CO_2$ làm sạch so với môi trường Zarrouk đối chứng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần phối liệu và quy trình chế tạo gốm hấp phụ $CaO - Na_2CO_3$ được thực hiện như thế nào?

Vật liệu gốm hấp phụ $CaO - Na_2CO_3$ được chế tạo từ hỗn hợp bột gồm: 35% $CaO$, 10% $Na_2CO_3$, 40% bột gốm cordierit ($Mg_2Al_4Si_5O_{18}$) và 15% caolanh ($Al_2Si_2O_5(OH)_4$). Bột gốm cordierit đóng vai trò tạo khung kết cấu và hoạt hóa. Hỗn hợp bột khô sau khi định lượng được phối trộn đều, nhào trộn với nước và chất trợ cháy đến độ dẻo phù hợp, sau đó ép tạo hình thành các viên gốm, phơi khô và sấy ổn định ở 300 °C trong thời gian 180 phút.

2. Xúc tác perovskite $La_{0.1}CoO_3$ được tổng hợp bằng phương pháp nào và có vai trò gì trong xử lý khí thải?

Xúc tác $La_{0.1}CoO_3$ kích thước nano được tổng hợp bằng phương pháp Sol-Gel citrate từ các muối $La(NO_3)_3, KNO_3$ và $Co(NO_3)_2 \cdot 6H_2O$ với tỷ lệ mol $[Cit] : [Co^{2+}] = 1,5 : 1$, duy trì pH = 7 ở 80 °C, sấy khô gel ở 120 °C (6 giờ), nung sơ bộ ở 450 °C (2 giờ) và thiêu kết ở 600 °C (4 giờ). Vật liệu này có vai trò thúc đẩy phản ứng oxy hóa các khí độc hại gồm $CO, VOCs, C_xH_y$ và hỗ trợ phân hủy các hạt bụi muội ($PM$) thành $CO_2$ và $H_2O$.

3. Tại sao tác giả lựa chọn biến tính $TiO_2$ dạng rutile thay vì dạng anatase cho phản ứng quang xúc tác?

Phần lớn các nghiên cứu trước đây tập trung vào dạng anatase do hoạt tính cao nhưng khó kiểm soát điều kiện chuyển pha ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, rutile là dạng thù hình phổ biến và bền vững nhất của $TiO_2$ trong tự nhiên và có năng lượng vùng cấm thấp hơn (3,0 eV so với 3,2 eV của anatase). Khi được biến tính pha tạp $V_2O_5$ bằng phương pháp nghiền phản ứng cơ hóa năng lượng cao (Spex 8000M) trong 4 giờ, vật liệu nano rutile $TiO_2/V_2O_5$ thu được có khả năng mở rộng vùng hấp thụ sang ánh sáng nhìn thấy (400–600 nm), cho phép xử lý triệt để khí $CO$ ngay ở nhiệt độ phòng dưới ánh sáng mặt trời mà không tốn năng lượng gia nhiệt.

4. Việc cấp dòng khí $CO_2$ làm sạch mang lại hiệu quả kinh tế như thế nào trong quy trình nuôi cấy Spirulina platensis?

Trong nuôi cấy Spirulina platensis truyền thống, môi trường dinh dưỡng Zarrouk tiêu tốn lượng lớn $NaHCO_3$ (16,8 g/L), chiếm tới 60% tổng chi phí hóa chất. Khi áp dụng công nghệ cấp $CO_2$ làm sạch từ khí thải đốt than kết hợp kỹ thuật sục khí điều tiết pH (8,5–9,5), hàm lượng $NaHCO_3$ bổ sung ban đầu có thể cắt giảm phần lớn mà sinh khối tảo vẫn đạt năng suất khô và hàm lượng dinh dưỡng (protein 55–65%, lipid 4–8%) tương đương môi trường chuẩn, giúp giảm chi phí sản xuất sinh khối.

5. Khí $SO_2$ trong khí thải đốt than gây ức chế sinh trưởng của vi tảo theo cơ chế nào?

Khi nồng độ $SO_2$ trong khí thải vượt quá 100 ppm, hầu hết các loài vi tảo không thể sinh trưởng. Sự ức chế này chủ yếu do quá trình thủy phân của $SO_2$ trong nước tạo ra lượng lớn ion $H^+$, làm giảm mạnh độ pH của môi trường nuôi cấy xuống dưới 3,0, phá hủy hoạt động của các enzyme quang hợp và làm ngừng trệ sự phân chia tế bào. Do đó, việc loại bỏ $SO_2$ qua modun hấp phụ $CaO - Na_2CO_3$ là bước bắt buộc trước khi cấp khí cho tảo.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đoàn Thị Oanh đã xây dựng thành công giải pháp công nghệ tích hợp liên ngành: làm sạch hỗn hợp khí thải đốt than đa thành phần bằng hệ vật liệu xúc tác - hấp phụ dạng khô trên chất mang gốm cordierit tổ ong, kết hợp xử lý $CO$ bằng vật liệu quang xúc tác nano rutile $TiO_2/V_2O_5$. Dòng khí $CO_2$ sạch thu hồi được ứng dụng trực tiếp để nuôi cấy vi khuẩn lam Spirulina platensis SP8 ở cả quy mô phòng thí nghiệm và hiện trường Nhà máy gạch tuynel Đan Phượng. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi của việc thay thế phần lớn muối $NaHCO_3$ trong môi trường Zarrouk bằng nguồn carbon từ khí thải, vừa tạo ra sinh khối vi khuẩn lam giàu dinh dưỡng có giá trị kinh tế, vừa đóng góp giải pháp kỹ thuật cụ thể cho mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính trong sản xuất công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. CO2 - KHÍ THẢI ĐỐT THAN VÀ CÁC CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH CO2 1. Khí CO2 – một loại khí gây hiệu ứng nhà kính nguy hiểm có trong khí thải đốt than Khí dioxide các bon - CO2 chiếm tới một nửa khối lượng các khí nhà kính và đóng góp tới 60 % trong việc làm tăng nhiệt độ khí quyển.

Nguyên nhân chính gây ra tổng lượng CO2 trong bầu khí quyển tăng lên mỗi năm là do quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch. Trong đó, đốt than thải ra nhiều CO2 nhất, sau đó là đốt dầu và xăng. Hậu quả của việc tiêu thụ năng lượng nhiên liệu hóa thạch là tổng lượng CO2 trong bầu khí quyển tăng lên mỗi năm [1]. Sự gia tăng CO2 trong khí quyển làm tăng mối lo ngại về biến đổi khí hậu nói chung và hiệu ứng nhà kính nói riêng.

Điều đó đặt ra thách thức lớn cho sự phát triển bền vững trên toàn thế giới [2]. Chính vì vậy, thật cần thiết phải có các biện pháp để giảm thiểu khí CO2. Hiện nay, đã có nhiều phương pháp nhằm giảm khí CO2 từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch như loại bỏ CO2, giam giữ CO2 hoặc biến đổi CO2 [3]. Tuy nhiên các phương pháp như loại bỏ CO2 và giam giữ CO2 chỉ có thể làm giảm đi đáng kể nồng độ CO2 nhưng không giải quyết được vấn đề về phát triển bền vững [4].

Do đó, luận án đã lựa chọn phương pháp thứ ba đó là chuyển hóa CO2 vào mục đích có ích. Ở những nước đang phát triển như Việt Nam, các ngành công nghiệp như nhiệt điện, sản xuất xi măng, sản xuất gạch,…đốt than phát thải ra lượng CO2 rất lớn [5],[6]. Mức phát thải khí nhà kính CO2 ước tính ở Việt Nam trong những năm 2010, 2020 và 2030 tương ứng là 169,2; 300,4 và 515,8 triệu tấn [7]. Cũng theo Quy hoạch điện VII, năm 2010 -2030 ngành năng lượng là ngành có mức phát thải cao nhất do tăng nhu cầu năng lượng được đáp ứng chủ yếu bằng các nhiên liệu hóa thạch, như than và khí đốt để phát điện và các sản phẩm lọc dầu để sử dụng trong giao thông, công nghiệp [8].

Điều này cho thấy việc ứng dụng các công nghệ xử lý làm sạch khí thải của công nghệ đốt nhiên liệu nói chung và đốt than nói riêng là bắt buộc đối với các doanh nghiệp hiện nay. Đồng thời, điều này cũng đã gợi ý cho những nghiên cứu của luận án nhằm vào việc thu hồi, làm sạch CO2 từ quá trình đốt than sử dụng cho quá trình nuôi Spirulina platensis tại Việt Nam. Thành phần khí thải đốt than Than là một loại nhiên liệu, chứa một số nguyên tố cơ bản như các bon (81,6% trọng lượng), hydro (4,8%), nito (1,4%), lưu huỳnh (1%), oxy (3%), hơi ẩm (2,1%), tro (6,1%) [9]. Đó là loại nhiên liệu phong phú toàn cầu, trữ lượng vài ngàn tỷ tấn và ước lượng còn phục vụ nhân loại thêm 300 năm nữa với mức độ sử dụng như hiện nay.

Khí thải đốt than là đa thành phần bao gồm chủ yếu: bụi lơ lửng (PM), VOCs, SOx, NOx, CO và CO2 [10]. Tỷ phần của các chủng loại này phụ thuộc vào loại than sử dụng và thiết kế của buồng đốt than. Có bốn loại than thường được sử dụng là anthraxit, bitum, á bitum và lignit. Trong đó, than anthraxit và than lignit thông dụng ở Châu Âu, than bitum và than á bitum thông dụng ở Bắc Mỹ, còn ở Châu Á 4 loại than này đều được sử dụng [11].

Công nghệ làm sạch khí CO2 trong khí thải đốt than Một trong những chiến lược giúp các quốc gia đang nỗ lực chống lại những biến đổi có hại của khí hậu là thu khí CO2 thải ra chủ yếu từ những cơ sở công nghiệp đốt than. Chiến lược này cho phép đảm bảo tiếp tục sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch bằng những phương thức thân thiện hơn với môi trường. Trong đó, các thiết bị thu CO2 được tích hợp với các nhà máy đốt than như một bộ phận xử lý khí thải. Chúng có nhiệm vụ xử lý giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn PM, SO2, NOx và thu hồi lưu trữ CO2, đảm bảo cho khí thải của nhà máy đạt chuẩn về tính vô hại của chúng đối với sức khỏe con người và bầu khí quyển.

Tại các nhà máy nhiệt điện, nhà máy sản xuất gạch, xi măng… truyền thống dùng than thì phương pháp thu hồi sau cháy thường được áp dụng. Đối với các nhà máy dùng công nghệ hóa hơi nhiên liệu than đốt thì CO2 thường được thu hồi ngay sau khi hóa hơi. Còn đối với các nhà máy đốt than trong môi trường giàu ôxy thì khí thải thường chứa hàm lượng CO2 rất cao và do vậy chúng được hóa lạnh ngay sau khi thải và chuyển qua các đường ống vào các bể chứa [3]. Dưới đây, các công nghệ làm sạch CO2 tại các nhà máy đốt than truyền thống được xem xét.

Công nghệ làm sạch CO2 bằng hấp thụ và hấp phụ CO2 được thu hồi bằng phương pháp hấp thụ dùng các dung dịch lỏng tương ứng và hấp phụ trên bề mặt của một số chất rắn thích hợp. Công nghệ làm sạch CO2 bằng hấp thụ 5 Có một thiết bị tiêu biểu dùng để thu gom CO2 bằng phương pháp hấp thụ sử dụng các dung dịch tương ứng có khả năng tái sinh lại. Thiết bị bao gồm hai phần chính, tháp hấp thụ và tháp giải hấp dung dịch hấp thụ. Trong tháp hấp thụ, quá trình tách được thực hiện bằng cách cho khí thải chứa CO2 đi qua dung dịch hấp thụ từ dưới lên.

Phần khí thải ra phía trên tháp hấp thụ sẽ có nồng độ CO2 rất thấp, chúng được đưa vào xử lý tiếp các thành phần độc hại còn lại trước khi thải vào khí quyển. Phần dung dịch đã hấp thụ CO2 được đưa sang tháp giải hấp dùng trao đổi nhiệt, giảm áp lực hoặc cả hai [12]. CO2 thoát ra từ tháp giải hấp được dẫn vào nơi chứa, được nén và lưu trữ còn dung dịch sau khi giải hấp được tái sử dụng. Dung dịch hấp thụ hiện nay đã được thương mại hóa và chia thành 2 loại dựa trên cơ chế hấp thụ vật lý hoặc hóa học.

Loại dung dịch hấp thụ theo cơ chế vật lý được dùng để thu hồi CO2 có nồng độ riêng phần cao, còn loại hấp thụ hóa học để thu hồi CO2 có nồng độ riêng phần thấp hoặc trung bình. Tiêu biểu cho dung dịch hóa học là alkanolamin và thường được dùng ở dạng dung dịch chứa nước, chúng bao gồm monoethanolamin, diethanolamin, N-methyldiethanolamin, diglycolamin, diisopropanolamin , và 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) [13],[14]. Một số loại dung dịch vật lý thường được sử dụng là propylene cácbonat, Selexol, methanol và n-methyl-2-pyrrolidone. Sự pha trộn giữa hai loại dung dịch trên làm tăng khả năng thu gom CO2 có nồng độ thấp và tái sinh dung dịch tại nhiệt độ thấp hơn, một thí dụ về hỗn hợp này là sulphinol-D và sulphinol-M [15].

Công nghệ làm sạch CO2 bằng chất hấp phụ Sử dụng những chất hấp phụ để thu hồi CO2 từ khí thải cũng là một dạng công nghệ có triển vọng. Có rất nhiều chất hấp phụ khác nhau. Amin và những chất hóa học khác có thể được cố định lên bề mặt của chất rắn để tạo thành một chất hấp phụ có thể phản ứng với CO2. Than hoạt tính, các ống nano các bon và zeolit (tự nhiên và nhân tạo) là các dạng chất hấp phụ khác.

Các oxit natri, oxit kali và các cácbonat của natri thường được tẩm lên các chất mang nền gốm cũng được dùng cho quá trình hấp phụ CO2 [16]. Sayari và cs (2011) [17] báo cáo rằng phương pháp thu giữ CO2 bằng hấp phụ có một số ưu điểm: (1) chi phí nguyên liệu thấp, (2) công suất nhiệt thấp, (3) động học nhanh, (4) khả năng hấp phụ CO2 cao, (5) sự chọn lọc CO2 cao và (6) có sự ổn định về nhiệt, hóa chất, và cơ học, (7) an toàn về mặt môi trường. Tuy nhiên cũng 6 còn tồn tại điểm yếu của các chất hấp phụ là bị giảm hoạt tính nhanh chóng và đòi hỏi cấu trúc tổ ong tinh tế để đáp ứng yêu cầu có tốc độ không gian lớn. Công nghệ làm sạch CO2 bằng phương pháp màng Màng được sản xuất bằng vật liệu đặc biệt có tính thẩm thấu chọn lọc cho phép một chất khí đi qua nó.

Tính chọn lọc của màng để phân tách các khí khác nhau liên quan mật thiết đến tính chất của vật liệu (phụ thuộc vào tương tác vật lý và hóa học giữa các khí và màng), nhưng dòng chảy của khí qua màng thường được thúc đẩy bởi sự chênh lệch áp suất qua màng. Do đó, dòng cao áp là thường thích hợp với quá trình tách màng [3], [18]. Các màng được dùng hiện nay bao gồm các màng vô cơ xốp, màng palladium, màng polyme và màng zeolit. Những màng này thường không đạt độ phân tách khí cao nên phải dùng cấu trúc nhiều tầng để xử lý luân hồi và điều này thường làm phức tạp hệ thống, tiêu tốn năng lượng và nâng cao giá thành.

Để đạt độ sạch của khí CO2 thu gom cần phải dùng các màng với các đặc trưng khác nhau. Hiện nay phương pháp màng được thương mại hóa và dùng chủ yếu trong việc tách và thu gom CO2 từ khí gas tự nhiên ở áp suất cao [18]. Làm sạch CO2 bằng công nghệ xử lý khí đồng hành trong quá trình đốt than Đã có nhiều phương pháp nhằm giảm khí thải CO2 từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch như loại bỏ CO2, giam giữ CO2 hoặc biến đổi CO2 [19], [20]. Tuy nhiên các phương pháp như loại bỏ CO2 và giam giữ CO2 chỉ có thể làm giảm đi đáng kể nồng độ CO2 nhưng không giải quyết được vấn đề phát triển bền vững [4].

Do đó, luận án đã lựa chọn phương pháp thứ ba đó là chuyển hóa CO2 vào mục đích có ích. Ở những nước chậm phát triển như Việt Nam, các ngành công nghiệp như nhiệt điện, sản xuất xi măng, sản xuất gạch,…đốt than phát thải ra lượng CO2 rất lớn [5],[6]. Điều đó đã gợi ý cho những nghiên cứu của chúng tôi nhằm vào việc thu hồi, làm sạch CO2 từ quá trình đốt than sử dụng cho công nghệ nuôi Spirulina platensis. Qúa trình thu hồi CO2 theo hướng thân thiện môi trường đòi hỏi đi kèm phương pháp xử lý các khí đồng hành cùng với CO2 trong khí thải đốt than.

Ngoài PM, CO, SO2 và NOx thường thấy, thành phần của các khí đồng hành thường phức tạp hơn và phụ thuộc vào chủng loại than được sử dụng.