Luận Văn Thạc Sĩ: Tinh Luyện SiO2 Từ Vỏ Trấu Rơm Ứng Dụng Trong Vật Liệu Xây Dựng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu tinh luyện SiO2 từ vỏ trấu, rơm ứng dụng sản xuất vật liệu xây dựng bền vững, thân thiện môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Thị Huỳnh Như
• Người hướng dẫn: Th.S. Vũ Hải Yến
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Tinh Luyện SiO2 Từ Vỏ Trấu, Rơm Để Sản Xuất Vật Liệu Xây Dựng
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU
• 1.1. Tổng quan về phế phẩm nông nghiệp
• 1.1.1. Định nghĩa về phế phẩm nông nghiệp
• 1.1.2. Nguồn gốc phát sinh phế phẩm nông nghiệp
• 1.1.3. Phân loại phế phẩm nông nghiệp
• 1.2. Chất thải từ chăn nuôi gia súc
• 1.3. Thu gom, xử lý và tái chế phế phẩm nông nghiệp
• 1.4. Tổng quan về vỏ trấu
• 1.4.1. Nguồn gốc của vỏ trấu
• 1.4.2. Hiện trạng vỏ trấu tại Việt Nam
• 1.4.3. Các ứng dụng của vỏ trấu hiện nay
• 1.5. Tổng quan về rơm rạ
• 1.5.1. Nguồn gốc của rơm rạ
• 1.5.2. Hiện trạng rơm rạ tại Việt Nam
• 1.5.3. Ứng dụng của rơm rạ hiện nay
• 1.5.3.1. Sử dụng rơm rạ trồng nấm
• 1.5.3.2. Sử dụng rơm rạ làm phân hữu cơ
• 1.5.3.3. Sử dụng rơm rạ sản xuất dầu sinh học
• 1.5.3.4. Sử dụng rơm rạ tạo ra điện
• 1.5.3.5. Sử dụng rơm trong thủ công mỹ nghệ
• 1.6. Tổng quan về xi măng
• 1.6.1. Định nghĩa xi măng
• 1.6.2. Nguồn gốc của xi măng
• 1.6.3. Thành phần hóa học của clinke Portland biểu thị bằng hàm lượng % các oxit
• 1.7. Tổng quan về phụ gia trong vật liệu xây dựng
• 1.8. Tổng quan về sử dụng phụ gia tại Việt Nam
• 1.8.1. Nhu cầu về sử dụng phụ gia
• 1.8.2. Lịch sử dùng phụ gia
• 1.9. Vữa xây dựng
• 1.9.1. Khái niệm chung
• 1.9.2. Vật liệu chế tạo vữa
• 1.9.2.1. Chất kết dính
• 2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ĐỀ TÀI
• 2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2.3. Nhận xét về ba phương pháp
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nội dung nghiên cứu
• 3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3.2.1. Thí nghiệm 1: Tạo mẫu, xử lý và sơ chế mẫu
• 3.2.3. Thí nghiệm 3: Đúc mẫu
• 3.2.4. Thí nghiệm 4: Kiểm tra tính chất cơ lý
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả thí nghiệm kiểm tra hoạt tính của vật liệu
• 4.2. Kết quả thí nghiệm kiểm tra tính chất cơ lý
• KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Tổng quan về phế phẩm nông nghiệp

Phế phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt động nông nghiệp, bao gồm các loại như vỏ trấu, rơm rạ, bã mía, và các chất thải từ chăn nuôi gia súc. Những phế phẩm này thường được coi là rác thải, gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Tuy nhiên, chúng cũng chứa các thành phần hữu ích như SiO2, có thể tận dụng để sản xuất vật liệu xây dựng. Việc tái chế phế phẩm nông nghiệp không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế, đặc biệt trong ngành công nghệ vật liệu.

1.1. Định nghĩa và nguồn gốc

Phế phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh từ các hoạt động như trồng trọt, chăn nuôi, và chế biến nông sản. Chúng bao gồm vỏ trấu, rơm rạ, và các chất thải từ gia súc. Những phế phẩm này thường bị bỏ đi hoặc đốt bỏ, gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, chúng có thể được tận dụng để sản xuất vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường.

1.2. Phân loại và ứng dụng

Phế phẩm nông nghiệp được phân loại thành chất thải từ trồng trọt (như vỏ trấu, rơm rạ) và chất thải từ chăn nuôi (như phân gia súc). Chúng có thể được tái chế thành nhiên liệu, phân bón, hoặc nguyên liệu cho sản xuất vật liệu mới. Đặc biệt, vỏ trấu chứa hàm lượng cao SiO2, có thể tinh luyện để sản xuất vật liệu composite và các sản phẩm xây dựng khác.

II. Tinh luyện SiO2 từ vỏ trấu

Tinh luyện SiO2 từ vỏ trấu là quá trình quan trọng để tạo ra nguyên liệu chất lượng cao cho ngành vật liệu xây dựng. Quy trình này bao gồm các bước như đốt cháy, loại bỏ tạp chất, và tinh chế SiO2 bằng phương pháp hóa học hoặc nhiệt. Kết quả thu được là SiO2 tinh khiết, có thể sử dụng trong sản xuất xi măng, vữa, và các vật liệu xanh khác. Việc tận dụng vỏ trấu không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế cao.

2.1. Quy trình tinh luyện

Quy trình tinh luyện SiO2 từ vỏ trấu bao gồm các bước: đốt cháy để loại bỏ carbon, xử lý hóa học để tách SiO2, và tinh chế để đạt độ tinh khiết cao. Phương pháp này giúp tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp, đồng thời tạo ra nguyên liệu chất lượng cho sản xuất vật liệu xây dựng.

2.2. Ứng dụng của SiO2

SiO2 tinh luyện từ vỏ trấu được ứng dụng rộng rãi trong ngành vật liệu xây dựng, đặc biệt là sản xuất xi măng, vữa, và vật liệu composite. Nó cũng được sử dụng trong các công nghệ xanh nhằm tạo ra sản phẩm thân thiện với môi trường, giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái.

III. Ứng dụng trong sản xuất vật liệu xây dựng

SiO2 tinh luyện từ vỏ trấu và rơm rạ được sử dụng làm phụ gia trong sản xuất vật liệu xây dựng như xi măng, vữa, và vật liệu composite. Những sản phẩm này không chỉ có chất lượng cao mà còn thân thiện với môi trường, góp phần vào sự phát triển bền vững. Việc tận dụng phế phẩm nông nghiệp cũng giúp giảm chi phí sản xuất và tạo ra giá trị kinh tế từ nguồn tài nguyên tái chế.

3.1. Sản xuất xi măng và vữa

SiO2 tinh luyện được sử dụng làm phụ gia trong sản xuất xi măng và vữa, giúp cải thiện tính chất cơ lý của sản phẩm. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng vật liệu xây dựng mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

3.2. Vật liệu composite và công nghệ xanh

SiO2 từ vỏ trấu cũng được ứng dụng trong sản xuất vật liệu composite, mang lại hiệu quả cao trong các công nghệ xanh. Những sản phẩm này không chỉ bền vững mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT IỆU.1 Tổng quan về phế phẩm nông nghiệp.1 Định nghĩa về phế phẩm nông nghiệp. Phế phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt động nông nghiệp.2 Nguồn gốc phát sinh phế phẩm nông nghiệp. Phế phẩm nông nghiệp phát sinh trong quá trình chế biến các loại cây công nghiệp, cây lương thực, cây hoa màu, sản xuất hoa quả, thực phẩm, sinh ra từ hoạt động chăn nuôi,.3 Phân loại phế phẩm nông nghiệp. Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch.

Chúng có thể được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái. Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu, mía,. Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô, các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã, các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng.

Vỏ trấu Cùi ngô Bã mía Rơm rạ Hình 1.1 Các loại bã nông nghiệp. SVTH: Nguyễn Thị Huỳnh Như 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ths.2 Chất thải từ chăn nuôi gia súc. Chất thải từ chăn nuôi gia súc, như phân trâu, bò, heo và gà, có thể được chuyển thành gas hoặc đốt trực tiếp nhằm cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng. Phần lớn phân gia súc có hàm lượng methane khá cao nên các bánh phân được dùng như nhiên liệu cho việc nấu nướng.

Tuy vậy, phương pháp này khá nguy hiểm vì các chất độc hại sinh ra từ việc đốt phân là nguy hại đối với sức khỏe người tiêu dùng, là nguyên nhân gây ra 1,6 triệu người chết mỗi năm ở các nước đang phát triển. Các chất thải gia súc có thể được sử dụng để sản xuất ra nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí.3 Thu gom, xử lý và tái chế phế phẩm nông nghiệp. Bên cạnh mức tăng trưởng xuất khẩu nông sản thì các phụ, phế phẩm trong quá trình chế biến các loại cây công nghiệp, sản xuất hoa quả, thực phẩm, phân gia súc, gia cầm. cũng rất đa dạng về chủng loại và phong phú về số lượng.

Và đó cũng là nỗi lo về các bãi chứa, đầu ra cho các phế phẩm nông nghiệp sau thu hoạch như rơm rạ, vỏ trấu, thân cây chuối, xơ dừa, bã mía, lõi ngô, phân gia súc,… Số liệu hàng trăm ngàn tấn nông sản xuất khẩu hàng năm, tương ứng với con số gấp nhiều lần như thế về phế phẩm nông nghiệp thải ra môi trường sẽ là vấn nạn về rác, đe dọa ô nhiễm môi trường cho các tỉnh đang có thế mạnh về sản xuất nông nghiệp. Do đặc thù của sản xuất nông nghiệp của nước ta hiện nay vẫn mang tính nhỏ lẻ, phân tán, nên việc thu gom, phân loại phụ, phế thải rất khó khăn. Còn các cơ sở chế biến nông sản, thực phẩm thì chủ yếu tập trung đầu tư cho dây chuyền sản xuất chính, ít quan tâm tận thu, tái chế sử dụng lại phụ, phế phẩm trong quá trình sản xuất. Nhiều doanh nghiệp còn sản xuất trong điều kiện không bảo đảm vệ sinh môi trường, huống chi nói đến đầu tư công đoạn xử lý sản phẩm phụ, phế thải để tái chế.

Các phụ, phế phẩm sau khi sử dụng thường được xử lý bằng các biện pháp chôn lấp, đốt bỏ, đổ xuống hồ, ao, sông, suối. vừa lãng phí, vừa gây ô nhiễm môi trường. Chỉ một phần nhỏ trong số đó được sử dụng làm nhiên liệu đốt, thức ăn gia súc, phân bón, còn phần lớn đổ ra các hồ ao, cống rãnh làm ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường sinh thái. Việc sử dụng các phế thải nông nghiệp trong sinh hoạt nông thôn ngày càng giảm và dần dần được thay thế bằng các nguồn nhiên liệu thuận lợi hơn như gas, điện,.

Trong khi đó, các cơ sở sản xuất và chế biến nông SVTH: Nguyễn Thị Huỳnh Như 7 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ths. Vũ Hải Yến sản lại cần rất nhiều nguồn năng lượng mà hiện đang phải sử dụng các nhiên liệu hoá thạch đắt như than, dầu, gas. Vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng phế thải nông nghiệp tạo ra nguồn năng lượng, nguyên vật liệu phục vụ công nghiệp, xây dựng, đời sống sinh hoạt hàng ngày của người dân là việc làm hết sức cần thiết và cấp bách hiện nay.2 Tổng quan về vỏ trấu.1 Nguồn gốc của vỏ trấu. Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát.

Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin và Hemicellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25 - 30% và cellulose chiếm khoảng 35 - 40%.1 Thành phần hóa học của tro trấu. Thành phần SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2 O Na2O Hàm lượng, % 90,21 0,68 0,74 1,41 0,59 2,38 0,25 Các chất hữu cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể dùng làm chất đốt.

Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic oxit, đây là thành phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực.2 Hiện trạng vỏ trấu tại Việt Nam. Vỏ trấu có rất nhiều tại ĐBSCL và ĐBSH, hai vùng trồng lúa lớn nhất cả nước. Chúng thường không được sử dụng hết nên phải đem đốt hoặc đổ xuống sông suối SVTH: Nguyễn Thị Huỳnh Như 8 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ths. Vũ Hải Yến để tiêu hủy.

Theo khảo sát, lượng vỏ trấu thải ra tại ĐBSCL khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ khoảng 10% trong số đó được sử dụng. Về sau, trấu còn được dùng để làm củi trấu (trấu ép lại thành dạng thanh), nhưng cũng chỉ sử dụng được khoảng 12.000 tấn vỏ trấu/năm. Tại ĐBSCL, các nhà máy xay xát đổ trấu xuống sông, rạch. Trấu trôi lềnh bềnh trôi khắp nơi, chìm xuống đáy gây ô nhiễm nguồn nước.

Tại đây, trấu chỉ có công dụng duy nhất là làm chất đốt. Nhưng để sử dụng loại chất đốt cồng kềnh này, một số hộ gia đình phải vận chuyển nhiều lần và phải có nhà rộng để chứa.4 Vỏ trấu được đổ bỏ ra sông. Các nhà máy xay xát của tỉnh Hậu Giang thải ra khoảng 220.000 tấn trấu, trung bình mỗi ngày, mỗi nhà máy xay xát thải ra 24,5 tấn trấu. Lượng trấu thải ra không được tiêu thụ ngay, ứ đọng lại.

Các nhà máy thường un trấu thành phân trấu, đổ thành đống cao. Ở một số huyện vùng sâu thuộc TP Cần Thơ và tỉnh An Giang bức xúc trước tình trạng một lượng lớn vỏ trấu trôi khắp mặt sông, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến đời sống sinh hoạt. Dọc một số bờ sông ở quận Ô Môn, huyện Thới Lai, huyện Cờ Đỏ của TP Cần Thơ như sông Thị Đội, sông Ngang. sẽ thấy rất nhiều vỏ trấu trôi trên mặt sông.

Bờ sông ngập một màu vàng của vỏ trấu. Nước sông ở những đoạn này vốn đã ô nhiễm, giờ quyện với mùi vỏ trấu phân hủy tạo nên một mùi rất khó chịu. Con sông này bị ô nhiễm nặng nề nên không thể dùng nước để sinh hoat được. Chính vì bị một lượng vỏ trấu thải ra sông như thế mà người dân ở SVTH: Nguyễn Thị Huỳnh Như 9 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ths.

Vũ Hải Yến đây không có nước sinh hoạt, ảnh hưởng đến giao thông qua lại của ghe tàu cũng như việc nuôi cá ở đây bị cản trở vì dòng nước bị ô nhiễm quá nặng.3 Các ứng dụng của vỏ trấu hiện nay. Sử dụng làm chất đốt. Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa) nhờ những ưu điểm sau: Trấu có khả năng cháy và sinh nhiệt tốt do thành phần có 75% là chất xơ. Theo bảng chi phí thì 1kg trấu khi đốt sinh ra 3.400 Kcal bằng 1/3 năng lượng được tạo ra từ dầu nhưng giá lại thấp hơn đến 25 lần.

Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và lại rẻ tiền, sản lượng năm 2010 là 38 triệu tấn lúa. Như vậy lượng vỏ trấu thu được sau xay xát tương đương 7,6 triệu tấn (vỏ trấu chiếm 20% trọng lượng hạt lúa). Sản lượng trấu có thể thu gom được ở ĐBSCL lên tới 1,4 - 1,6 triệu tấn. Nguyên liệu trấu có các ưu điểm nổi bật khi sử dụng làm chất đốt: Vỏ trấu sau khi xay xát ở luôn ở rất dạng khô, có hình dáng nhỏ và rời, tơi xốp, nhẹ, vận chuyển dễ dàng.

Thành phần là chất xơ cao phân tử rất khó cho vi sinh vật sử dụng nên việc bảo quản, tồn trữ rất đơn giản, chi phí đầu tư ít. Chính vì các lý do trên mà trấu được sử dụng làm chất đốt rất phổ biến. Trong sinh hoạt người dân đã thiết kế một dạng lò chuyên nấu nướng với chất đốt là trấu. Lò này có ưu điểm là lượng lửa cháy rất nóng và đều, giữ nhiệt tốt và lâu.

Lò trấu hiện nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi ở nông thôn.5 Lò đốt trấu dùng trong sinh hoạt. SVTH: Nguyễn Thị Huỳnh Như 10 Đồ án tốt nghiệp GVHD: Ths. Vũ Hải Yến Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp và chăn nuôi, trấu cũng đưọc sử dụng rất thường xuyên. Thông thường trấu là chất đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cá hoặc lợn, nấu rượu và một lượng lớn trấu được dùng nung gạch trong nghề sản xuất gạch tại khu vực ĐBSCL.6 Lò nung gạch sử dụng trấu.

Dùng vỏ trấu để lọc nước. Tại thành phố Hải Dương đã có người phát minh ra cách chế tạo thiết bị lọc nước từ vỏ trấu, có khả năng lọc thẳng nước ao, hồ thành nước uống sạch. Cốt lõi của thiết bị là một cụm sứ xốp trắng, hình trụ nằm trong chiếc bình lọc. Điều đặc biệt là loại sứ này được tạo ra bằng cách tách ôxit silic từ trấu, có đặc tính lọc cực tốt, với lỗ lọc siêu nhỏ.

Thiết bị còn có khả năng khử được mùi ở nguồn nước ô nhiễm, khử chất dioxin khi mắc nối tiếp một bình lọc có ống lọc bằng than hoạt tính. Để kiểm tra tính hiệu quả, an toàn của thiết bị lọc nước, Trung tâm y tế dự phòng tỉnh Hải Dương đã lấy mẫu nước hồ Bạch Đằng, nơi bị ô nhiễm nặng trong thành phố Hải Dương đem xử lý qua thiết bị lọc từ vỏ trấu.