Chương 1 - TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ TRẤU VÀ TRO TRẤU 1. Giới thiệu chung về trấu và hiện trạng sử dụng trấu ở nước ta Việt Nam là nước xuất khẩu gạo lớn thứ hai thế giới với sản lượng lúa năm 2011 đạt khoảng 42 triệu tấn. Theo báo cáo của Tổ chức Nông Lương của Liên Hiệp Quốc (FAO), Việt Nam giữ vị trí lớn thứ hai thế giới về tiêu thụ gạo tính theo bình quân đầu người với 166 kg/người/năm.
Do đó, lượng vỏ trấu được tạo ra hàng năm ở Việt Nam là rất lớn, khoảng 7 – 8 triệu tấn/năm, như một loại vật liệu thải của ngành nông nghiệp mà chưa được khai thác hợp lý nên rất lãng phí. 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 là cellulose, lignin và Hemi – cellulose (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%. Từ lâu, vỏ trấu đã là một loại chất đốt rất quen thuộc với bà con nông dân. Chất đốt từ vỏ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt. Trấu là nguồn nguyên liệu rất dồi dào và rẻ tiền.
Vỏ trấu dạng khô, có hình dáng nhỏ và rời, tơi xốp, nhẹ, vận chuyển dễ dàng. Thành phần là chất sơ 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. Ngoài ra, vỏ trấu còn có thể dùng làm thiết bị cách nhiệt, làm chất độn, giá thể trong sản xuất men giống để trồng nấm, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại. Vỏ trấu được nghiền nhỏ tạo thành bột dưới dạng mịn và bột sợi.
Trấu được người dân sử dụng rất nhiều để đun nấu nhưng ngày nay gần như không còn được sử dụng nữa do bếp gas, bếp điện phổ biến hơn rất nhiều. Trấu thải bỏ từ các nhà máy xay bị cuốn trôi và chảy xuống sông gây ô nhiễm nguồn nước. Bên cạnh đó, người dân thường đốt vỏ trấu sau mỗi mùa thu hoạch mà không đảm 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bảo được sự an toàn phòng cháy chữa cháy. Hơn nữa, việc đốt trấu còn tạo ra những đám mây đen chứa hơi cay gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Những đám mây đen chứa khói bụi này rất nguy hiểm cho sức khỏe con người đặc biệt là trẻ em và người lớn tuổi. Vì vậy, việc tìm ra hướng khai thác và xử lý trấu hợp lý không những tận dụng được nguồn nguyên liệu vỏ trấu thải mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Khai thác trấu và sử dụng trấu trong sản xuất công nghiệp Hiện nay, trấu đã được tận dụng làm nhiên liệu trong các lò đốt (nhà máy nhiệt điện, lò sản xuất gạch,…) trong sản xuất giấy;… Tuy nhiên, một vấn đề gặp phải trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng trấu làm chất đốt là lượng phế phẩm tro trấu thải ra sau quá trình đốt, nung là rất lớn. Phế phẩm này là rất khó xử lý, do chứa một lượng lớn SiO2, nên hầu hết được thải ra môi trường.
Trong nhiều năm gần đây, tận dụng tro trấu từ vỏ trấu vào các ngành sản xuất khác nhau đã được tập trung nghiên cứu. Hiện nay, tro trấu cũng đã được sử dụng có hiệu quả trong các ngành công nghiệp như: công nghiệp sản xuất xi măng, chế biến cao su, công nghiệp thép để sản xuất các loại thép tấm chất lượng cao và vật liệu cách nhiệt [3]. Một số loại tro trấu chất lượng cao đã được sản xuất thành công để làm phụ gia hoạt tính nhằm nâng cao chất lượng cho bê tông xi măng [3,4,17]. Tro trấu cũng được ứng dụng để sản xuất viên nhiên liệu [7] hoặc sản xuất nhiên liệu lỏng [11].
Điều đặc biệt của SiO2 thu hồi từ tro trấu là khả năng phục hồi và tái sinh cao, giá thành rẻ. Với nhiều ứng dụng như thế nên việc nghiên cứu thu hồi SiO2 có nhiều ý nghĩa thực tế. Tổng quan các phương pháp thu SiO2 từ trấu 1. Các công nghệ nhiệt phân trấu thu SiO2 Các công nghệ nhiệt phân được sử dụng để thu hồi SiO2 từ trấu.
Đây là quá trình sử dụng nhiệt độ cao để phân hủy chất rắn, nếu trong điều kiện có oxi thì quá 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trình cháy, còn nếu trong điều kiện thiếu oxi sẽ tùy theo điều kiện khống chế nhiệt độ mà quá trình là khí hóa hay nhiệt phân. Công nghệ nhiệt phân trấu trong các lò nung Theo phương pháp này, trấu được nhiệt phân trong các lò nung ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí, hoặc môi trường N2. Sản phẩm thu được là tro trấu đen hay tro trấu trắng được quyết định bởi quá trình nung. Nếu nung trong dòng N2 (quá trình khí hóa), sản phẩm thu được là tro trấu đen, nếu nung trong không khí thì thu được sản phẩm tro trấu trắng.
Để thu hồi tro trấu có độ tinh khiết cao, có thể kết hợp các quá trình xử lý mẫu trước khi nung. Quá trình thu hồi phải trải qua hai giai đoạn: (i) xử lý axit, (ii) nung ở nhiệt độ cao. Sơ đồ thu hồi được đưa ra trong hình 1. Trấu Rửa nước, sấy khô Xử lý axit Rửa loại hết axit Bã rắn Sấy khô Trấu sạch Nung ở nhiệt độ cao Tro trấu Hình 1.
Sơ đồ quy trình thu hồi Si từ trấu 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bằng phương pháp thu hồi này, tro trấu thu được có hàm lượng SiO2 là rất cao (> 90%), diện tích bề mặt riêng lớn, kích thước hạt nhỏ. Nhiệt phân chậm thành tro kết hợp thủy phân tro trong dung dịch kiềm Theo phương pháp này, tro đốt sẽ được thủy phân trong dung dịch kiềm để tạo thành muối natri silicat. Sau đó, axit hóa dung dịch thu được bằng HCl thì xảy ra phản ứng: Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 H2SiO3 trong dung dịch tự trùng hợp theo phản ứng sau: nH2SiO3 = (SiO2)n + nH2O Trong dung dịch, các mầm hạt (SiO2)n lớn dần lên và phát triển thành các hạt sol liên kết với nhau tạo thành gel. Gel thu được đem rửa sạch để loại bỏ các chất bẩn, sau đó sấy và nung ta sẽ thu được SiO2.
Rõ ràng hiệu suất thu hồi SiO2 từ tro trấu phụ thuộc chủ yếu vào các giai đoạn các “alkoxit oxit silic” này thủy phân trong môi trường kiềm. Bằng phương pháp này, chỉ thu được tro trấu trắng chứa SiO2 tinh khiết. Ngoài ra, đây là một phương pháp khá phức tạp nên ít được sử dụng. Một quy trình cụ thể thu hồi SiO2 tinh khiết từ tro trấu có thể được hình dung theo sơ đồ hình 2, gồm các bước sau: - Vỏ trấu sau khi được rửa sạch hết các tạp chất được phơi khô.
Sau đó, tiến hành đốt trấu trong các lò đốt thông dụng. Trấu cháy hoàn toàn thành tro. Bảo quản tro trong lọ kín tránh tiếp xúc với hơi nước; - Tiến hành thủy phân tro trấu trong dung dịch NaOH; - Sau quá trình đun cách thủy hoàn toàn, tiến hành quá trình lọc để loại bỏ chất bẩn và tro trấu còn dư ra khỏi dung dịch (dung dịch 1), thu được dung dịch 2. Nếu dung dịch 2 bị đục hoặc ngả vàng, tiếp tục cho hấp thụ bởi than hoạt tính, thu được dung dịch 3.
Giai đoạn này quyết định sự tinh sạch của SiO2 thu được; 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Lọc dung dịch 3 thu được dung dịch 4. Dung dịch 4 được gel hóa bằng cách thêm dung dịch HCl 2M vào đến môi trường axit. Gel thu được được rửa sạch bằng nước cất nhiều lần đến môi trường trung tính để loại bỏ các chất bẩn và ion Cl-. - Sau đó tiến hành sấy tự nhiên gel ở 100oC trong thời gian 24 giờ, rồi nung ở 550oC trong thời gian 2 giờ.
Trấu Rửa sạch, phơi khô, đun kĩ tro Sấy ở 100 và nung 250ml Dung dịch 1 NaOH .n Tiến hành đun cách thủy và lọc Rửa Dung dịch 2 Than hoạt sạch tính bằng nước cất Dung dịch 3 Lọc Hỗn hợp dạng gel Dung dịch 4 Axit HCl 2M Hình 2. Sơ đồ quy trình thu hồi SiO2 từ tro đốt c. Nhiệt phân trấu trong lò đốt tầng sôi ở nhiệt độ cao và thổi gió tuần hoàn Theo phương pháp này, phản ứng nhiệt phân trấu diễn ra trong thiết bị phản ứng tầng sôi với tác nhân tải nhiệt là dòng khí trơ và tác nhân truyền nhiệt là các hạt rắn trơ. Các chất tải nhiệt và truyền nhiệt này đảm bảo cho quá trình nhiệt phân xảy 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ra nhanh.
Nhiệt độ trong lò đốt tầng sôi trong khoảng 500 – 700oC kết hợp thổi gió tuần hoàn. Chế độ đốt khống chế nhiệt và không khí là cơ sở để có thể sản xuất được tro trấu chất lượng đảm bảo. Hỗn hợp sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng tầng sôi sẽ được dẫn vào xyclon để tách khí ra khỏi rắn. Sau đó, chất rắn được sấy khô và thu được sản phẩm là tro trấu.
Phương pháp này tốn kém nên thường được sử dụng để thu hồi cả hai sản phẩm rắn (tro trấu) và lỏng (nhiên liệu). Trong đó, tro trấu chỉ là thứ phẩm. Tro trấu sau khi đốt bằng lò này sẽ được nghiền mịn theo các chế độ nghiền tương tự như nghiền xi măng Portland truyền thống đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của một loại phụ gia khoáng pozzolan hoạt tính. Các nghiên cứu ngoài nước Saowaroj Chuayjuljit và cộng sự [32] đã nghiên cứu thu hồi tro trấu trắng bằng cách nung trấu đã được rửa sạch và sử lý với axit trong dòng không khí ở 600oC trong 6 giờ.
Kết quả cho thấy, tro trấu trắng (WRHA) thu được có độ tinh khiết cao, đạt 99,6% SiO2, diện tích bề mặt riêng lớn 182 m2/g. Genieva và cộng sự [29] đã tiến hành thu hồi SiO2 tinh khiết (WRHA) và hỗn hợp SiO2 và C đen (tro trấu đen – BRHA) bằng xử lý trấu bằng dòng hơi nước nóng và tiến hành nung trấu trong lò nung ở 700 lần lượt trong dòng không khí hoặc trong dòng N2. Kết quả cho thấy, WRHA thu được có độ tinh khiết 96,8% SiO2, và BRHA thu được tinh khiết, có thành phần 22,6% C và 77% SiO2 Qingge Feng và các đồng sự nghiên cứu sự hấp phụ ion chì và thủy ngân trong nước thải bởi tro trấu [26]. Vỏ trấu được xử lý bằng dung dịch HCl và được nung tại 700 để thu được tro trấu.