Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Hiện trạng phát sinh vỏ trấu từ sản xuất nông nghiệp Việt Nam là đất nước có truyền thống sản xuất nông nghiệp lâu đời, năm 2013 nước ta sản xuất được khoảng 44 triệu tấn lúa và là nước đứng thứ hai trên thế giới về sản xuất lúa gạo. Cây lúa là cây trồng quan trọng nhất thuộc nhóm ngũ cốc, lúa cũng là cây lương thực chính của người dân Việt Nam.
Ngành nông nghiệp trồng lúa Việt Nam trong những năm gần đây đã đạt những tiến bộ vượt bậc trong việc áp dụng các công nghệ góp phần tạo ra tổng sản lượng lúa hàng năm rất cao và đến năm 2014 nước ta sản xuất được khoảng hơn 44 triệu tấn lúa.1: Diễn biến tình hình sản xuất lúa trong nước giai đoạn từ 1995 - 2014 Năm Diện tích (1000ha) Năng suất (tấn/ha) Sản lượng (triệu tấn) 1995 6,766 3,68 24,96 2000 7,666 4,24 32,52 2005 7,326 4,88 35,79 2006 7,324 4,89 35,82 2007 7,305 4,86 35,56 2008 7,414 5,22 38,72 2011 7,657 5 38,285 2012 7,75 5,6 43,4 2013 7,742 5,43 42,04 2014 7,8 5,7 44,46 Nguồn: Cục trồng trọt ( 2014) Hàng năm bên cạnh lượng nông sản thu hoạch được thì lượng phế phụ phẩm phát sinh từ cây lúa cũng rất lớn. Phụ phẩm đó bao gồm có: tấm, cám, vỏ trấu và rơm rạ. Trong thành phần của hạt lúa, vỏ trấu chiếm khoảng 20% khối lượng, khi chế biến cứ mỗi tấn lúa tạo ra khoảng 200 kg vỏ trấu. Như vây, hàng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat năm khối lượng vỏ trấu có thể lên tới 8 triệu tấn/năm.
Trong đó sản lượng trấu thu gom được khoảng từ 4-5 triệu tấn, phần còn lại không được thu gom và thải ra môi trường bên ngoài. Với các tính chất tự nhiên như cứng, có xơ và dễ gây trầy khiến các sản phẩm làm từ trấu có ít dinh dưỡng, độ ăn mòn cao hoặc lượng tro quá nhiều. Cho tới nay thì chưa có phương án nào sử dụng hữu hiệu và rộng rãi nguồn phế liệu trên trừ làm nhiên liệu đốt thẳng với hiệu quả không cao hay sử dụng làm chất độn cho phân chuồng. Lượng trấu không được sử dụng hiện nay rất lớn, đặc biệt tại các nhà máy xay xát gạo.
Do ít có giá trị kinh tế, cũng như giá trị sử dụng nên vỏ trấu được coi như một loại phế thải nông nghiệp và là một trong những yếu tố gây ô nhiễm môi trường. Đã có hàng loạt những công trình nghiên cứu, tận dụng vỏ trấu làm nguyên liệu để phục vụ đời sống và sản xuất đã được triển khai trong thực tế. Và nhiều doanh nghiệp, cơ sở sản xuất, người dân đã làm giàu từ nguồn phế phẩm này. Song với khối lượng trấu được phát sinh quá lớn cùng với nền nông nghiệp còn mang tính nhỏ lẻ nên khó khăn trong việc thu gom vì vậy mà trấu vẫn được thải bỏ ra ngoài môi trường gây ô nhiễm ngiêm trọng ảnh hưởng đến sức khoẻ người dân.
Do đó cần có những hướng đi mới trong việc nghiên cứu tận thu ứng dụng trấu trên quy mô công nghiệp và một trong những hướng nghiên cứu đầy triển vọng đó chính là nghiên cứu quy trình tách SiO2 từ trấu. Sử dụng tro trấu làm nguyên liệu để thu hồi SiO 2 cùng một lúc giải quyết được hai vấn đề. Một là thu hồi được SiO2 ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Hai là khai thác sử dụng một cách có hiệu quả nguồn phế thải vỏ trấu khổng lồ, giảm thiểu khả năng gây ô nhiễm môi trường.
Những năm gần đây, có nhiều tiến bộ khoa học kỹ thuật ứng dụng vào việc tận thu các phế, phụ phẩm trong quá trình sản xuất nông sản, thực phẩm để sản xuất phân hữu cơ vi sinh, vật liệu xây dựng, thức ăn chăn nuôi, khí đốt, năng lượng… Tuy nhiễn vẫn còn hạn chế và chưa được ứng dụng một cách phổ biến mà chỉ diễn ra chủ yếu trên quy mô hộ gia đình. Do đặc thù của sản xuất nông nghiệp của nước ta hiện nay vẫn còn mang tính nhỏ lẻ, phân tán nên việc TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat thu gom, phân loại phế phụ phẩm nông nghiệp rất khó khăn. Chính vì vậy phế phẩm nông nghiệp không được tận dụng triệt để, một lượng lớn phế phẩm được thải bỏ bằng cách đốt thậm chí đổ xuống ao, hồ, sông suối… vừa gây lãng phí, vừa gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Hiện nay, trấu 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 là các nhà máy nhiệt điện sử dụng trấu làm chất đốt làm lượng phế phụ phẩm tro trấu thải ra sau quá trình đốt, nung là rất lớn.
Phế phẩm này rất khó xử lý, do chứa SiO2, nên hầu hết được thải ra môi trường. Trong nhiều năm gần đây, tận dụng tro trấu từ vở trấu vào các ngành sản xuất khác nhau đã được tập trung nghiên cứu. Hiện nay, tro trấu cũng đã được sử dụng trong các ngành công nghiệp như: công nghiệp sản xuất xi măng, chế biến cao xu, công nghiệp sản xuất thép tấm chất lượng cao và vật liệu cách nhiệt, vật liệu tổng hợp zeolite ứng dụng trong xử lý môi trường. Thành phần, tính chất của vỏ trấu 1.
Thành phần hóa học của vỏ trấu Vỏ trấu có kích thước trung bình khoảng 8 – 10 mm dài, 2 – 3 mm rộng và dày 0.2 mm , chiếm khoảng 20 – 21% trọng lượng hạt. Vỏ trấu có cấu tạo rất bền và dai nhằm bảo vệ cho phôi và nội nhũ khỏi bị tác động cơ học cũng như hóa học từ bên ngoài. Thành phần hóa học của vỏ trấu tương tự như của nhiều sợi hữu cơ phổ biến chứa cellulose, lignin, hemicelluloses và silica. Sau khi đốt, các thành phần hữu cơ bị phân hủy và thu được tro trấu.
Tuỳ vào mục đích sử dụng, đặc trưng về vật lí và hoá học được đánh giá theo nhiều tiêu chí khác nhau. Thành phần hoá học của vỏ trấu biến động theo giống lúa, mùa vụ, đặc trưng canh tác nông nghiệp của từng vùng khác nhau.Tuy nhiên thành phần chính của vỏ trấu chủ yếu là cellulos hemicelluloses, lignin chiếm 90% về khối lượng và một số kim loại khác như: Si, P, K, Al. Thành phần hoá học của vỏ trấu được thể hiện qua bảng sau: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Bảng 1.2: Thành phần các nguyên tố hoá học trong vỏ trấu Khối lượng Khối lượng Nguyên tố Nguyên tố (% ) (%) C 30,68 Si 9,81 O 55,01 P 0,02 H 3,35 S 0,05 Mg 0,09 K 0,28 Al 0,58 Ca 0,15 Nguồn: Trần Văn Đức(2012) Từ bảng trên ta có thể thấy được thành phần chủ yếu của vỏ trấu chủ yếu chứa các nguyên tố C, H, O, Si ( chiếm tới 98,85% ) còn lại là các nguyên tố khác không đáng kể. Trong đó đặc biệt là hàm lượng Si chiếm tỉ lệ 9,81% tương đương với phần trăm SiO2 là 21,02% nên thuận lợi cho việc tổng hợp zeolite từ tro trấu.Thành phần hóa học của tro trấu Vỏ trấu sau khi cháy các thành phần hữu cơ sẽ chuyển hoá thành tro trấu.
Tro trấu là một trong các nguyên vật liệu rất giàu Silic , sau khi đốt cháy hoàn toàn nó có chứa khoảng 90% đến 98% Silic và một số lượng tạp chất kim loại khác. Oxit Silic được sử dụng trong đời sống sản xuất rất phổ biến. Điều quan trọng là Silic trong các hợp chất có trong tro trấu tồn tại trong trạng thái vô định hình và có diện tích bề mặt cao. Bởi vì các tính năng này mà chúng có nhiều ứng dụng, chẳng hạn như nguồn vật liệu hấp phụ tổng hợp tàu sân bay, phụ gia y tế, chất độn trong các vật liệu composite… và chứng minh lợi thế khi đạt được ở kích thước nanomet.
Trong đó hàm lượng các nguyên tố hoá học trong tro của vỏ trấu sau khi đã nung đến khối lượng không đổi được trình bày ở bảng sau: Bảng 1.3: Thành phần các nguyên tố hoá học trong tro trấu Nguyên tố Phần trăm khối Nguyên tố Phần trăm khối lượng TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat lượng ( % ) (%) C 3,5 S 0,17 O 48,78 Cl 0,33 Na 0,11 K 3,08 Mg 0,35 Ca 0,93 Si 42,31 Mn 0,21 P 0,22 Nguồn: Trần Văn Đức (2012 ) Từ bảng trên ta có thể thấy được các thành phần chủ yếu trong tro trấu gồm 2 nguyên tố chính đó là Si và O trong đó hàm lượng SiO 2 chiếm tới 91,09%. Cũng theo Bùi Huy Hiền trong tro trấu SiO2 chiếm tới 95,4% về khối lượng, chính vì vậy tro trấu được xem là nguồn vật liệu lý tưởng cho việc tách chiết SiO2. Đặc điểm tính chất SiO2 có trong phế phụ phẩm 1. Đặc điểm cấu tạo của SiO2 Silic đioxit không tồn tại dưới dạng phân tử riêng lẻ mà tồn tại dưới dạng tinh thể, nghĩa là dưới dạng một phân tử khổng lồ.
Ở điều kiện thường nó có dạng tinh thể là thạch anh, triđimit và cristtobalit. Mỗi dạng đa hình này lại có hai dạng: dạng α bền ở nhiệt độ thấp, dạng β bền ở nhiệt độ cao. Tất cả những dạng tinh thể này đều bao gồm những nhóm tứ diện SiO4 nối với nhau qua những nguyên tử O chung. Trong tứ diện SiO4, nguyên tử Si nằm ở trung tâm của tứ diện liên kết hóa trị với bốn nguyên tử O nằm ở các đỉnh của tứ diện.
Như vậy mỗi nguyên tử O liên kết với hai nguyên tử Si ở hai tứ diện khác nhau và tính trung bình cứ trên mặt nguyên tử Si có hai nguyên tử O và công thức kinh nghiệm của silic đioxit là SiO2. Tính chất của SiO2 - Tính chất vật lí : Bảng 1.4: Tính chất vật lí của SiO2 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat Công thức phân tử SiO2 Khối lượng mol 60,0843 Trọng lượng phân tử 375,117 Khối lượng riêng 2,634 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy 1650oC Nhiệt độ sôi 2230 oC Độ hoà tan trong nước 0,012g/100ml Nguồn: Nguyễn Đức Vân ( 2004) - Tính chất hoá học: SiO2 ở dạng tinh thể ít có khả năng phản ứng, dạng vô định hình hoạt động hơn. Tan trong nước ở một mức độ ít, kết tủa dưới dạng SiO 2.nH2O trong dung dịch Tác dụng với Kim loại : SiO2 + 2Mg → 2MgO + Si + 89 Kcal Về mặt hoá học Silic đioxit rất trơ. Nó không tác dụng với oxi, clo, brom và axit ngay cả khi đun nóng.
Nó chỉ tác dụng với F2 và HF ở điều kiện thường.