Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sử dụng tro bay biến tính làm vật liệu hấp phụ một số hóa chất bảo vệ thực vật chất cơ clo

Nghiên cứu sử dụng tro bay biến tính làm vật liệu hấp phụ hóa chất bảo vệ thực vật clo, góp phần bảo vệ môi trường và nông nghiệp bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Việt Linh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiều Hưng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Tro Bay Biến Tính Làm Vật Liệu Hấp Phụ Một Số Hóa Chất Bảo Vệ Thực Vật, Chất Cơ Clo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tro bay và ứng dụng của nó
• 1.2. Thành phần và đặc tính của tro bay
• 1.3. Nguồn chính phát thải tro bay và khả năng sử dụng tro bay
• 1.4. Tro bay sử dụng để chế tạo vật liệu hấp phụ
• 1.5. Phương pháp biến tính nhiệt
• 1.6. Phương pháp thủy phân nhiệt axít
• 1.7. Phương pháp thủy phân nhiệt kiềm
• 1.8. Đặc tính hấp phụ của zeolit
• 1.9. Thuốc trừ sâu cơ clo điển hình sử dụng trong nghiên cứu
• 1.10. Các phương pháp xử lý, loại bỏ HCBVTV
• 1.11. Các phương pháp hóa lý sử dụng trong nghiên cứu vật liệu
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp tổng quan tài liệu
• 2.4. Phương pháp đánh giá vật liệu
• 2.5. Phương pháp phân tích sắc ký khí detectơ cộng kết điện tử
• 2.6. Phương pháp sắc ký cột
• 2.7. Thiết bị và hóa chất
• 2.8. Chế tạo vật liệu từ tro bay
• 2.9. Đánh giá vật liệu bằng các phương pháp hóa lý
• 2.10. Đánh giá khả năng tách chất và hấp phụ chất của tro bay biến tính
• 2.11. Điều kiện phân tích các OCPs trong nghiên cứu tách và hấp phụ chất
• 2.12. Phân tích định lượng các OCPs trong nghiên cứu tách và hấp phụ chất
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đánh giá vật liệu tro bay trước và sau khi biến tính
• 3.2. Kết quả đánh giá vật liệu bằng phổ nhiễu xạ tia X
• 3.3. Kết quả đánh giá vật liệu bằng ảnh phổ SEM
• 3.4. Kết quả đánh giá vật liệu bằng phương pháp hấp thụ đa lớp BET
• 3.5. Kết quả nghiên cứu tách OCPs và hấp phụ PCBs của tro bay biến tính kiềm
• 3.6. Đường ngoại chuẩn của 17 chất OCPs và PCBs
• 3.7. Kết quả nghiên cứu tách chất OCPs của tro bay biến tính kiềm
• 3.8. Kết quả nghiên cứu hấp phụ PCBs của tro bay biến tính kiềm
• 3.9. Hiệu suất hấp phụ PCBs của tro bay biến tính kiềm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về tro bay biến tính và ứng dụng hấp phụ hóa chất

Tro bay biến tính là một loại vật liệu hấp phụ có tiềm năng lớn trong việc xử lý ô nhiễm hóa chất. Tro bay được sản xuất từ quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt điện, và việc biến tính nó giúp cải thiện khả năng hấp phụ của nó đối với các hóa chất độc hại. Nghiên cứu cho thấy rằng tro bay biến tính có thể hấp phụ hiệu quả các hợp chất bảo vệ thực vật, đặc biệt là các chất khó phân hủy như OCPs.

1.1. Khái niệm về tro bay và quá trình biến tính

Tro bay là sản phẩm phụ từ quá trình đốt than, thường chứa nhiều oxit kim loại và có khả năng hấp phụ tốt. Quá trình biến tính tro bay có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như nhiệt, hóa học, hoặc thủy nhiệt, nhằm cải thiện tính chất vật lý và hóa học của nó.

1.2. Tính chất và thành phần của tro bay biến tính

Tro bay biến tính thường có thành phần hóa học phong phú, bao gồm SiO2, Al2O3, và Fe2O3. Những thành phần này không chỉ quyết định tính chất hấp phụ mà còn ảnh hưởng đến khả năng tương tác với các hóa chất độc hại trong môi trường.

II. Vấn đề ô nhiễm hóa chất và thách thức trong xử lý

Ô nhiễm hóa chất từ các hợp chất bảo vệ thực vật đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong môi trường. Các hóa chất này, đặc biệt là nhóm OCPs, có khả năng tồn tại lâu dài trong môi trường và gây hại cho sức khỏe con người. Việc tìm kiếm các phương pháp xử lý hiệu quả là rất cần thiết.

2.1. Tác động của hóa chất bảo vệ thực vật đến môi trường

Hóa chất bảo vệ thực vật có thể gây ô nhiễm đất, nước và không khí. Chúng có thể tích tụ trong chuỗi thức ăn và gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho con người và động vật.

2.2. Thách thức trong việc xử lý ô nhiễm hóa chất

Việc xử lý ô nhiễm hóa chất đòi hỏi các phương pháp hiệu quả và bền vững. Các phương pháp truyền thống thường không đủ hiệu quả trong việc loại bỏ các hợp chất khó phân hủy, do đó cần có các giải pháp mới như sử dụng tro bay biến tính.

III. Phương pháp biến tính tro bay để tăng cường khả năng hấp phụ

Có nhiều phương pháp biến tính tro bay nhằm cải thiện khả năng hấp phụ của nó. Các phương pháp này bao gồm biến tính nhiệt, thủy phân nhiệt axít và kiềm. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu quả hấp phụ của vật liệu.

3.1. Phương pháp biến tính nhiệt

Biến tính nhiệt là phương pháp sử dụng nhiệt độ cao để thay đổi cấu trúc của tro bay, từ đó cải thiện khả năng hấp phụ. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ và thời gian biến tính có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu.

3.2. Phương pháp thủy phân nhiệt axít

Phương pháp này sử dụng axít để làm sạch và biến tính tro bay, giúp tăng cường khả năng hấp phụ của nó đối với các hóa chất độc hại. Kết quả cho thấy rằng tro bay biến tính bằng axít có khả năng hấp phụ tốt hơn so với tro bay không biến tính.

3.3. Phương pháp thủy phân nhiệt kiềm

Thủy phân nhiệt kiềm là một phương pháp hiệu quả khác để biến tính tro bay. Phương pháp này giúp tạo ra các cấu trúc zeolit từ tro bay, làm tăng khả năng hấp phụ ion và các chất ô nhiễm trong môi trường.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tro bay biến tính trong xử lý ô nhiễm

Tro bay biến tính đã được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu để xử lý ô nhiễm hóa chất. Kết quả cho thấy rằng vật liệu này có khả năng hấp phụ cao đối với các hợp chất bảo vệ thực vật, giúp giảm thiểu ô nhiễm trong môi trường.

4.1. Kết quả nghiên cứu về khả năng hấp phụ

Nghiên cứu cho thấy rằng tro bay biến tính có thể hấp phụ hiệu quả các hợp chất OCPs, với hiệu suất hấp phụ cao. Điều này mở ra cơ hội sử dụng tro bay như một vật liệu hấp phụ trong xử lý ô nhiễm.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Tro bay biến tính có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải để loại bỏ các hóa chất độc hại. Việc sử dụng vật liệu này không chỉ hiệu quả mà còn tiết kiệm chi phí.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của tro bay biến tính

Tro bay biến tính là một giải pháp tiềm năng cho vấn đề ô nhiễm hóa chất. Với khả năng hấp phụ tốt và chi phí thấp, nó có thể được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng xử lý môi trường. Nghiên cứu thêm về tro bay biến tính sẽ giúp tối ưu hóa khả năng hấp phụ và mở rộng ứng dụng của nó.

5.1. Tương lai của nghiên cứu tro bay biến tính

Nghiên cứu về tro bay biến tính cần được tiếp tục để khám phá thêm các phương pháp biến tính mới và cải thiện khả năng hấp phụ của nó. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hóa chất trong môi trường.

5.2. Khả năng mở rộng ứng dụng trong công nghiệp

Tro bay biến tính có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước thải đến sản xuất vật liệu xây dựng. Việc mở rộng ứng dụng này sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tro bay là sản phẩm phụ sinh ra từ quá trình đốt than trong các nhà máy nhiệt điện, chiếm khoảng 30% lượng than sử dụng. Trên thế giới, sản lượng tro bay ước tính khoảng 700 triệu tấn mỗi năm, trong đó Trung Quốc chiếm 480 triệu tấn với tỷ lệ sử dụng khoảng 67%, Mỹ 70 triệu tấn với 45% được tái sử dụng. Ở Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay hàng năm, với dự báo đến năm 2020 lượng tro bay có thể lên tới 12 triệu tấn. Tro bay có thành phần chủ yếu là các oxit vô cơ như SiO2 (40-65%), Al2O3 (20-40%), Fe2O3, CaO và các oxit kim loại khác, tồn tại dưới dạng hạt hình cầu với kích thước đa dạng và có tính chất vật lý đặc trưng như diện tích bề mặt riêng lớn, độ rỗng xốp cao.

Việc sử dụng tro bay biến tính làm vật liệu hấp phụ các hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo (OCPs) và các hợp chất polyclobiphenyl (PCBs) là một hướng nghiên cứu mới nhằm tận dụng nguồn thải lớn này để xử lý ô nhiễm môi trường. Các hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo như aldrin, DDT, dieldrin, endrin, HCH, heptachlor và các hợp chất PCBs có tính bền vững cao, khó phân hủy, tích tụ sinh học và gây độc hại nghiêm trọng cho sức khỏe con người và môi trường. Mục tiêu nghiên cứu là tạo ra vật liệu hấp phụ từ tro bay biến tính bằng các phương pháp nhiệt, axit và kiềm để đánh giá khả năng hấp phụ các OCPs và PCBs, góp phần xử lý ô nhiễm môi trường đất và nước.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào tro bay của nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Hà Nội, với các phương pháp biến tính và đánh giá vật liệu được thực hiện trong phòng thí nghiệm từ năm 2016 đến 2017. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu hấp phụ giá rẻ, hiệu quả, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm do hóa chất bảo vệ thực vật và các hợp chất hữu cơ bền vững trong môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết về tro bay và đặc tính vật liệu: Tro bay là hỗn hợp các oxit vô cơ với cấu trúc hạt hình cầu, có diện tích bề mặt riêng lớn và tính chất hấp phụ cao. Tro bay được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM C618 thành loại F (hàm lượng CaO < 8%) và loại C (hàm lượng CaO > 20%), ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng biến tính.

• Mô hình biến tính tro bay: Ba phương pháp biến tính chính được áp dụng là biến tính nhiệt (nhiệt độ 650°C), thủy phân nhiệt axit (H2SO4 2,5M, 100°C, 24 giờ) và thủy phân nhiệt kiềm (NaOH 3,5M, 100°C, 24 giờ). Phương pháp kiềm tạo ra zeolit Na-P1 với cấu trúc tinh thể đặc trưng, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ.

• Khái niệm về zeolit: Zeolit là khoáng vật aluminosilicat có cấu trúc mạng tinh thể ba chiều với hệ thống mao quản đồng đều, mang điện tích âm và khả năng trao đổi cation cao. Zeolit có khả năng hấp phụ chọn lọc các phân tử có cực và các ion kim loại nặng, được ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường.

• Đặc tính và độc tính của OCPs và PCBs: Các hợp chất này có cấu trúc bền vững, khó phân hủy, tích tụ sinh học và gây độc hại. Đặc biệt, PCBs có 209 đồng phân với mức độ độc khác nhau, trong đó các đồng phân đồng phẳng có độc tính cao nhất. Hệ số độc tính tương đương TEF được sử dụng để đánh giá mức độ nguy hiểm của từng đồng phân.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Tro bay lấy từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại, các hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo và PCBs chuẩn được cung cấp bởi các trung tâm môi trường uy tín. Dữ liệu thu thập bao gồm kết quả phân tích vật liệu tro bay trước và sau biến tính, khả năng hấp phụ các OCPs và PCBs.

• Phương pháp phân tích vật liệu: Sử dụng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định thành phần khoáng vật và cấu trúc tinh thể; kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc hạt; phương pháp hấp thụ đa lớp BET để đo diện tích bề mặt riêng của vật liệu.

• Phương pháp đánh giá khả năng hấp phụ: Chuẩn bị cột sắc ký nhồi tro bay biến tính để tách và hấp phụ các OCPs và PCBs. Phân tích định lượng các chất trước và sau hấp phụ bằng sắc ký khí với detector cộng kết điện tử (GC/ECD). Xây dựng đường ngoại chuẩn để định lượng chính xác nồng độ các hợp chất.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình biến tính tro bay và đánh giá vật liệu thực hiện trong vòng 6 tháng, từ chuẩn bị mẫu, biến tính, phân tích vật liệu đến đánh giá khả năng hấp phụ. Thí nghiệm được lặp lại 3 lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần và cấu trúc vật liệu tro bay trước và sau biến tính:

   • Tro bay nguyên thủy chủ yếu gồm quartz (64%) và mullite (27%) với pha vô định hình chiếm tới 75%.
   • Sau biến tính nhiệt ở 650°C, thành phần không thay đổi nhiều, quartz chiếm 70%, mullite 21%.
   • Biến tính thủy nhiệt axit cũng không làm thay đổi đáng kể thành phần khoáng vật.
   • Biến tính thủy nhiệt kiềm tạo ra zeolit Na-P1 với các pic phổ XRD rõ nét, giảm pha vô định hình, tăng hàm lượng silicat và aluminat, diện tích bề mặt tăng đáng kể.

2. Hình thái bề mặt vật liệu:

   • SEM cho thấy tro bay ban đầu có cấu trúc dạng lớp với các hạt cầu nhỏ, diện tích bề mặt thấp.
   • Tro bay biến tính nhiệt mất một số lỗ xốp nhưng vẫn giữ cấu trúc hạt cầu.
   • Tro bay biến tính axit có bề mặt xốp, mịn hơn.
   • Tro bay biến tính kiềm có bề mặt bị vỡ vụn, xuất hiện các tinh thể dạng que thẳng dày đặc, phù hợp với sự hình thành zeolit.

3. Khả năng tách và hấp phụ các OCPs:

   • Tro bay biến tính kiềm có khả năng tách và hấp phụ 17 loại OCPs với hiệu suất thu hồi trung bình trên 85%.
   • Các phân đoạn sắc ký cho thấy sự phân tách hiệu quả các hợp chất với độ tinh khiết cao.
   • So sánh với tro bay chưa biến tính, hiệu suất hấp phụ tăng khoảng 30-40%.

4. Khả năng hấp phụ PCBs:

   • Tro bay biến tính kiềm hấp phụ PCBs với dung lượng hấp phụ đạt khoảng 15 mg/g.
   • Hiệu suất hấp phụ PCBs đạt trên 80% ở nhiệt độ 20°C.
   • Các phân đoạn sắc ký khí cho thấy sự loại bỏ hiệu quả các đồng phân PCBs độc hại.

Thảo luận kết quả

Kết quả phổ XRD và SEM cho thấy phương pháp biến tính kiềm hiệu quả trong việc chuyển hóa tro bay thành vật liệu zeolit có cấu trúc tinh thể rõ ràng và diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ các hợp chất hữu cơ bền vững. Sự tăng diện tích bề mặt và thay đổi cấu trúc bề mặt giúp tăng khả năng tương tác giữa vật liệu và các phân tử OCPs, PCBs.

Hiệu suất hấp phụ cao của tro bay biến tính kiềm so với các phương pháp biến tính khác phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về zeolit tổng hợp từ tro bay. Việc sử dụng tro bay biến tính làm vật liệu hấp phụ không chỉ tận dụng nguồn thải lớn mà còn giảm chi phí xử lý môi trường so với các vật liệu hấp phụ thương mại như than hoạt tính.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất hấp phụ các OCPs và PCBs trên các loại tro bay biến tính, bảng thành phần khoáng vật trước và sau biến tính, cũng như ảnh SEM minh họa sự thay đổi cấu trúc bề mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển quy trình biến tính kiềm tro bay quy mô công nghiệp: Áp dụng phương pháp thủy phân nhiệt kiềm với điều kiện tối ưu (NaOH 3,5M, 100°C, 24 giờ) để sản xuất vật liệu hấp phụ zeolit từ tro bay, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm môi trường.

2. Ứng dụng vật liệu hấp phụ tro bay biến tính trong xử lý nước và đất ô nhiễm: Triển khai thử nghiệm thực địa tại các khu vực ô nhiễm hóa chất bảo vệ thực vật cơ clo và PCBs, nhằm giảm thiểu dư lượng độc hại, bảo vệ nguồn nước và đất canh tác.

3. Tăng cường nghiên cứu đa dạng hóa vật liệu hấp phụ: Kết hợp tro bay biến tính với các vật liệu khác như than hoạt tính, polymer để nâng cao khả năng hấp phụ và mở rộng phạm vi ứng dụng cho các loại chất ô nhiễm khác.

4. Xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng tro bay tái chế: Hỗ trợ các doanh nghiệp và nhà máy nhiệt điện trong việc thu gom, biến tính và ứng dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Nghiên cứu về vật liệu hấp phụ, xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ bền vững và hóa chất bảo vệ thực vật.

2. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng các chương trình quản lý chất thải tro bay, chính sách tái sử dụng vật liệu và kiểm soát ô nhiễm hóa chất bảo vệ thực vật.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và xử lý môi trường: Áp dụng công nghệ biến tính tro bay để sản xuất vật liệu hấp phụ giá rẻ, thân thiện môi trường, nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm.

4. Các tổ chức nông nghiệp và phát triển bền vững: Sử dụng vật liệu hấp phụ từ tro bay để xử lý dư lượng thuốc trừ sâu trong đất và nước, bảo vệ sức khỏe người dân và môi trường nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tro bay là gì và tại sao lại quan trọng trong nghiên cứu này?
   Tro bay là bụi mịn sinh ra từ quá trình đốt than trong nhà máy nhiệt điện, chứa nhiều oxit vô cơ có khả năng biến tính thành vật liệu hấp phụ hiệu quả. Việc nghiên cứu tro bay giúp tận dụng nguồn thải lớn, giảm ô nhiễm và tạo ra vật liệu xử lý môi trường giá rẻ.

2. Phương pháp biến tính kiềm có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp biến tính kiềm tạo ra zeolit với cấu trúc tinh thể rõ ràng, diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng hấp phụ các hợp chất hữu cơ bền vững như OCPs và PCBs, hiệu quả hơn so với biến tính nhiệt hoặc axit.

3. Các hợp chất OCPs và PCBs có nguy hiểm như thế nào đối với môi trường và sức khỏe?
   OCPs và PCBs là các hợp chất bền vững, khó phân hủy, tích tụ sinh học và gây độc hại nghiêm trọng, có thể gây ung thư, rối loạn nội tiết và ảnh hưởng lâu dài đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

4. Vật liệu hấp phụ từ tro bay có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
   Có thể ứng dụng trong xử lý nước thải, xử lý đất ô nhiễm, làm vật liệu lọc không khí, sản xuất vật liệu xây dựng thân thiện môi trường và cải tạo đất nông nghiệp.

5. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả hấp phụ của vật liệu tro bay biến tính?
   Hiệu quả được đánh giá qua các thí nghiệm tách và hấp phụ trên cột sắc ký, phân tích định lượng các chất trước và sau hấp phụ bằng sắc ký khí GC/ECD, xây dựng đường ngoại chuẩn và tính toán hiệu suất hấp phụ.

Kết luận

• Tro bay từ nhà máy nhiệt điện Phả Lại có thành phần chủ yếu là quartz và mullite, với pha vô định hình chiếm phần lớn.
• Phương pháp biến tính thủy nhiệt kiềm tạo ra vật liệu zeolit Na-P1 có cấu trúc tinh thể rõ ràng, diện tích bề mặt lớn và bề mặt dạng tinh thể que thẳng.
• Tro bay biến tính kiềm có khả năng hấp phụ hiệu quả các hợp chất bảo vệ thực vật cơ clo (OCPs) và các hợp chất PCBs với hiệu suất trên 80%.
• Vật liệu hấp phụ từ tro bay biến tính có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường đất và nước, góp phần giảm thiểu tác động của các chất độc hại bền vững.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu hấp phụ giá rẻ, thân thiện môi trường từ nguồn thải tro bay, đồng thời đề xuất các giải pháp ứng dụng và chính sách hỗ trợ trong tương lai.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực địa, mở rộng nghiên cứu đa dạng hóa vật liệu và phát triển quy trình sản xuất công nghiệp.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực môi trường nên hợp tác để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1. Tro bay và ứng dụng của nó 1. Khái niệm Trong các nhà máy nhiệt điện, sau quá trình đốt cháy nhiên liệu than đá, phần phế thải rắn tồn tại dưới hai dạng: phần xỉ thu được từ đáy lò và phần gồm các hạt rất mịn bay theo các khí ống khói thu hồi bằng các hệ thống thu gom của các nhà máy nhiệt điện. Việc này đã tạo ra một trữ lượng lớn các sản phẩm của quá trình đốt cháy được gọi là tro.

Tùy theo các phương pháp đốt cháy nhiên liệu, chất đốt và các kĩ thuật làm sạch khí cháy mà các loại tro thu được sau khi đốt cháy cũng khác nhau. Thông thường ở các nhà máy nhiệt điện nước ta cũng chỉ thu được hai loại tro đó là tro than bay và tro xỉ. Tro than bay: là các hạt vật liệu được tách ra từ khí ống khói của nhà máy nhiệt điện bằng các phương pháp khác nhau như: kết tủa, lọc, xoáy cuộn; Tro xỉ: là các dạng vật liệu thô được lấy ra từ đáy của các lò đốt hay gọi là xỉ than. Trước đây ở châu Âu cũng như ở Vương quốc Anh, phần tro này thường được cho là tro của nhiên liệu đốt đã được nghiền mịn[14].

Nhưng ở Mỹ, loại tro này được gọi là tro bay bởi vì nó thoát ra cùng với khí ống khói và “bay” vào trong không khí. Và thuật ngữ tro bay (fly ash) được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay để chỉ phần thải rắn thoát ra cùng các khí ống khói ở nhà máy nhiệt điện. Ở nước ta, các nhà máy nhiệt điện ước tính hằng năm thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay. Riêng nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) trung bình mỗi ngày thải ra khoảng 3.000 tấn tro xỉ, trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn.

Theo dự báo, đến năm 2020 sẽ có thêm 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động, lúc đó lượng tro xỉ thải ra hàng nằm sẽ vào khoảng 12 triệu tấn, đó là chưa kể lượng tro bay khá lớn thải ra từ hàng loạt các lò cao ở các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu đốt là than. Với khối lượng lớn như vậy việc có thể tái sử dụng tro bay đã trở thành một vấn đề vô cùng cấp bách. 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Phân loại Ở một số nước, tùy vào mục đích sử dụng mà người ta phân loại tro bay theo các loại khác nhau.

Tro bay được phân làm hai loại là tro bay có hàm lượng canxi thấp và tro bay có hàm lượng canxi cao[30]. Theo cách phân biệt này thì tro bay có hàm lượng canxi cao có màu hơi vàng trong khi đó tro bay có hàm lượng canxi thấp có màu hơi xám. Theo cách phân loại của Canada [37], tro bay được chia làm ba loại: - Loại F: Hàm lượng CaO ít hơn 8% - Loại CI: Hàm lượng CaO lớn hơn 8% nhưng ít hơn 20% - Loại C: Hàm lượng CaO lớn hơn 20% Trên thế giới hiện nay, thường phân loại tro bay theo tiêu chuẩn ASTM C618. Theo cách phân loại này thì phụ thuộc vào thành phần các hợp chất mà tro bay được phân làm hai loại là loại C và loại F [6].

loại F là sản phẩm khi đốt than đá Antraxit, loại này có hàm lượng vôi thấp ( 7%), chứa nhiều SiO2, Al2O3, Fe2O3. Loại C thu được khi đốt than nâu, có hàm lượng vôi cao hơn (15 30%). 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Các đặc tính loại tro bay C và F Đơn Lớn nhất/ Nhóm Các yêu cầu theo tiêu chuẩn ASTM C618 vị nhỏ nhất F C Yêu cầu hóa học SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 % Nhỏ nhất 70 50 SO3 % Lớn nhất 5 5 Hàm lượng ẩm % Lớn nhất 3 3 Hàm lượng mất khi nung % Lớn nhất 5 5 Yêu cầu hóa học không bắt buộc Chất kiềm % Lớn nhất 1,5 1,5 Yêu cầu vật lý Độ mịn (+325) % Lớn nhất 34 34 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (7 ngày) % Nhỏ nhất 75 75 Hoạt tính pozzolanic so với xi măng (28 ngày) % Nhỏ nhất 75 75 Lượng nước yêu cầu % Lớn nhất 105 105 Độ nở trong nồi hấp % Lớn nhất 0,8 0,8 Yêu cầu độ đồng đều về tỷ trọng % Lớn nhất 5 5 Yêu cầu độ đồng đều về độ mịn % Lớn nhất 5 5 Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM: Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn hơn 70%.

Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) nhỏ hơn 70%. Thành phần và đặc tính của tro bay Tro bay có thể xem là một vậy liệu hỗn tạp, không đồng nhất. Thành phần tro bay phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: nguyên liệu ban đầu, công nghệ đốt, công nghệ tách và thiết bị tách tro bay… 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp các oxit vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3 ,TiO3, MgO, CaO, K2O. Trong đó SiO2 chiếm khoảng 40-65 %, Al2O3 chiếm khoảng 20-40% và còn có thể chứa một lượng than chưa cháy.

Ngoài ra tro bay còn chứa một số oxit kim loại khác như Fe2O3 ,TiO3, MgO, CaO, K2O,… Bảng 1. Thành phần hóa học của tro bay trên thế giới [7] Thành Khoảng (% khối lượng) phần Châu Âu Mỹ Trung Quốc Ấn Độ Australia SiO2 28,5-59,7 37,8-58,5 35,6-57,2 50,2-59,7 48,8-66,0 Al2O3 12,5-35,6 19,1-28,6 18,8-55,0 14,0-32,4 17,0-27,8 Fe2O3 2,6-21,2 6,8-25,5 2,3-19,3 2,7-14,4 1,1-13,9 CaO 0,5-28,9 1,4-22,4 1,1-7,0 0,6-2,6 2,9-5,3 MgO 0,6-3,8 0,7-4,8 0,7-4,8 0,1-2,1 0,3-2,0 Na2O 0,1-1,9 0,3-1,8 0,6-1,3 0,5-1,2 0,2-1,3 K2 O 0,4-4,0 0,9-2,6 0,8-0,9 0,8-4,7 1,1-2,9 P2O5 0,1-1,7 0,1-0,3 1,1-1,5 0,1-0,6 0,2-3,9 TiO2 0,5-2,6 1,1-1,6 0,2-0,7 1,0-2,7 1,3-3,7 MnO 0,03-0,2 - - 0,5-1,4 - SO3 0,1–12,7 0,1–2,1 1,0–2,9 - 0,1–0,6 MKN 0,8-32,8 0,2–11,0 - 0,5-5,0 - Tùy thuộc vào loại nhiên liệu mà thành phần hóa học trong tro bay thu được khác nhau. Các nhà khoa học Ba Lan tiến hành nghiên cứu thành phần hóa học của tro bay với hai nguồn nguyên liệu sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện của nước này là than nâu và than đen [25]: 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Thành phần hóa học của tro bay ở Ba Lan Thành phần (%) Loại tro bay SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 MgO CaO Than ZS-14 54,1 28,5 5,5 1,1 1,9 1,8 đen ZS-17 41,3 24,1 7,1 1,0 2,0 2,7 Than ZS-13 27,4 6,6 3,8 1,0 8,2 34,5 nâu ZS-16 47,3 31,4 7,7 1,6 1,9 1,7 Kết quả trên cho thấy, thành phần của các loại tro bay có được sau quá trình đốt cháy than đen (ZS-14 và ZS-17) và mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-16) là các nhôm silicat.

Còn mẫu tro bay có được sau quá trình đốt cháy than nâu (ZS-13) là loại canxi silicat Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khác nhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau [9]. Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng. Thông thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/ cm3 được gọi là các hạt rỗng. Tương phản hạt tro bay hình Hình 1.

Dạng hạt hình cầu thường cầu lớn và nhỏ thấy trong tro bay 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0 - 2,5 g/cm3 có thể cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng và độ bền xé. Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu compozit siêu nhẹ do khối lượng riêng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4-0,7 g/ cm3, trong khi các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,6-11,0 g/ cm3. Cả hai loại hạt này thường thấy có lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ). Tính chất vật lý của tro bay được đánh giá dựa vào một số thông số sau: Sự phân bố kích thước các hạt; Độ ẩm; Tỷ trọng hạt; Diện tích bề mặt riêng.

Tro bay thường có kích thước rất hỗn tạp, trong khoảng từ hạt bùn đến kích thước hạt cát, giá trị của hệ số đồng nhất trong khoảng 2 đến 32. Diện tích bề mặt riêng của tro bay là rất quan trọng đối với các tính chất khác của tro than bay. Tro bay có diện tích bề mặt riêng càng lớn thì lực kết dính giữa các hạt tro càng lớn. Hơn nữa, diện tích bề mặt riêng càng lớn thì tốc độ phản ứng hóa học giữa các thành phần trong tro tăng lên nhanh chóng.

Tính thấm của tro bay là một trong số các tính chất quan trọng góp phần đánh giá việc xử lý và ảnh hưởng của nó tới môi trường, thông số này rất quan trọng khi tro bay được sử dụng làm vật liệu san lấp, làm nền. Nguồn chính phát thải tro bay và khả năng sử dụng tro bay Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc độ phát triển của nền kinh tế xã hội. Các nguồn cung cấp điện năng mới hiện nay đang phát triển nhanh chóng phải kể đến như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều,… Tuy có nhiều ưu điểm và được khuyến khích sử dụng nhưng các nguồn cung cấp điện năng này hiện nay mới chỉ đáp ứng được một lượng rất nhỏ nhu cầu điện năng toàn cầu và chỉ tập trung ở một vài nước phát triển. Nguồn cung cấp điện năng chủ yếu vẫn dựa trên các nguồn truyền thống và không ngừng phát triển hàng năm.

Trong đó các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn Trên thế giới. Mỹ là một trong các quốc gia tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới và cũng là nước có sản lượng các sản phẩm từ quá trình đốt cháy than đá trong các nhà 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] máy nhiệt điện lớn của thế giới [33]. Năm 2007, Mỹ đã tạo ra hơn 125 triệu tấn các sản phẩm từ than đá bao gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò, … Phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ đã giảm trong những năm 2007 - 2010, nhưng sau đó tỷ lệ sử dụng tro bay lại tăng. Trung Quốc là nước đứng đầu về sản xuất điện năng từ than đá, do vậy lượng tro bay tạo ra từ việc đốt than đá cũng rất lớn.

Năm 2009, công suất phát điện và điện năng của các nhà máy nhiệt điện đều tăng khoảng 7-8%.