Xem mẫu

  1. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN SINH HỌC TỪ VỎ TRẤU VÀ XÁC ĐỊNH DIỆN TÍCH BỀ MẶT RIÊNG CỦA THAN SINH HỌC DỰA VÀO DUNG LƯỢNG HẤP PHỤ IOT RESEARCH ON THE MANUFACTURE BIOCHAR FROM RICE HUSK AND DETERMINE THE SPECIFIC SURFACE AREA OF BIOCHAR BASED ON THE IODINE ADSORPTION CAPACITY Dương Thị Thanh Email: thanh90.shmily@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 15/5/2017 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 17/11/2017 Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2017 Tóm tắt Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm quy trình sản xuất than sinh học (TSH) từ vỏ trấu bằng phương pháp nung yếm khí. Điều kiện chế tạo than thích hợp từ vỏ trấu là: nhiệt độ nung 700oC, thời gian nung 1,5 giờ. Dung lượng hấp phụ iot của than sinh học đạt 833,33 mgI2/g, diện tích bề mặt than sinh học xác định dựa trên dung lượng hấp phụ iot là 790,53 m2/g và hiệu suất thu hồi than sinh học là 30,8%. Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và hấp phụ đẳng nhiệt Freunndlich được sử dụng để nghiên cứu khả năng hấp phụ của than sinh học. Kết quả cho thấy iot hấp phụ trên bề mặt than sinh học tuân theo mô hình Langmuir. Từ khóa: Than sinh học (TSH); vỏ trấu; diện tích bề mặt; dung lượng hấp phụ; trị số iot. Abstract This paper presents the results of experimental research on the process of producing biochar by anaerobic method. The condition of making suitable charcoal from rice husk was: incineration temperature 700oC, incineration time 1.5 hours.The iodine adsorption value of biochar was 833.33 mgI2/g, the surface area of biochar was determined based on the iodine absorption capacity was 790.53 m2/g and the biochar recovery efficiency was 30.8%. Langmuir isothermal absorption model and Freunndlich isothermal adsorption model have been used to study the adsorption capacity of biochar. Experimental results showed that iodine adsorbed on the surface of biochar followed the Langmuir model. Keyword: Biochar (TSH); husk shell; surface area; adsorption capacity; iodine value. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ có kinh tế thích hợp hơn do quá trình sản xuất không có quy trình hoạt hóa. Than sinh học (biochar) còn gọi than nhiệt phân, có thể được sản xuất từ các loại chất hữu cơ thải Tính chất của TSH gần giống với than hoạt tính, ra trong quá trình trồng trọt và chế biến nông sản với những đặc tính: có diện tích bề mặt lớn, lỗ như vỏ trấu, vỏ cà phê, vỏ dừa, mụn dừa, vỏ đậu rỗng phức tạp (1 g TSH có thể có một diện tích phộng, bã mía, vỏ hạt điều, lá cao su, rác thải hữu bề mặt hơn 1000 m2) nên có khả năng hấp phụ tốt mà sản xuất đơn giản, giá thành thấp, TSH có cơ đô thị và các loại rác hữu cơ khác, được sử thể tái sử dụng. dụng trong nông nghiệp để làm giàu dinh dưỡng cho đất [1]. Đặc tính của TSH phụ thuộc nguyên liệu đầu vào Than sinh học được coi là tiền thân của than hoạt và quá trình nhiệt phân [3]. Cùng nguyên liệu đầu tính. Sau quá trình than hóa thu được than sinh vào nhưng khác công nghệ sẽ cho ra các loại TSH học, để thu được than hoạt tính phải trải qua quá khác nhau. TSH sản xuất ở nhiệt độ thấp (
  2. LIÊN NGÀNH HÓA HỌC - CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM càng tăng và khả năng hấp phụ cũng tăng [1, 2]. Trị số iot là số milig iot hấp phụ lên 1,0 g TSH khi Vì vậy cần tìm điều kiện chế tạo TSH thích hợp, nồng độ ban đầu của dung dịch iot là 0,1N. Để xác thu được TSH có diện tích bề mặt lớn, khả năng định trị số iot, tiến hành thí nghiệm theo các bước hấp phụ cao, ứng dụng được trong quá trình xử trong hình 1 [6]: lý nước. Trị số iot (X/M hay IN) được tính bằng phương Bài báo này trình bày kết quả chế tạo TSH từ vỏ trình sau: trấu - một nguồn nguyên liệu dồi dào, sẵn có ở Việt Nam [3]; nghiên cứu điều kiện nung trấu thích hợp bằng phương pháp nung yếm khí, kiểm tra (1) Trong đó: đánh giá độ hấp phụ iot, tính diện tích bề mặt riêng N1: nồng độ ban đầu của dung dịch iot; V1: thể của TSH dựa vào dung lượng hấp phụ iot [4, 5]. tích của dung dịch iot; VHCl: thể tích của HCl 5%; 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP VF: thể tích dịch lọc đem chuẩn độ; NNa2S2O3: NGHIÊN CỨU nồng độ của dung dịch Na2S2O3 đem chuẩn độ; VNa2S2O3: thể tích chuẩn độ của dung dịch Na2S2O3. 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, thiết bị Mc: khối lượng của TSH [6]. Trấu được thu mua trực tiếp tại phường Thái Học - thị xã Chí Linh - tỉnh Hải Dương. Vỏ trấu sau khi thu mua về được sơ chế làm sạch bụi bẩn, phơi khô trong điều kiện tự nhiên, sấy ở nhiệt độ 105oC đến khối lượng không đổi. Hóa chất: axit clohydric HCl 37% (Đức); natri thiosunfat Na2S2O3.5H2O (Đức); kali iodua KI (AR - Trung Quốc); kali iodat KIO3 (AR - Trung Quốc); iot I2 (AR - Trung Quốc); hồ tinh bột. Thiết bị: lò nung, SX 2-2,5 -12, Trung Quốc; tủ sấy, 101-4, Trung Quốc; máy so màu UV - Vis, 725N, Trung Quốc. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Cacbon hóa trấu (nhiệt phân trong môi trường yếm khí) Nghiên cứu sự biến đổi khối lượng, độ hấp phụ iot của mẫu trấu theo nhiệt độ và thời gian tiến hành quá trình cacbon hóa. Các thí nghiệm được tiến hành như sau: Mỗi thí nghiệm tiến hành với 50 g trấu cho vào chén sứ có nắp đậy kín, nhiệt độ Hình 1. Sơ đồ các bước tiến hành xác định lò nung không đổi: 500oC, 600oC, 700oC, 800oC, trị số iot 900oC, trong các khoảng thời gian: 30 phút, 60 2.2.2. Xác định diện tích bề mặt của TSH phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút. Khả năng hấp phụ của các mẫu TSH được đo Xác định hiệu suất thu hồi và trị số iot của bằng sự hấp phụ iot. Để khảo sát, đánh giá khả từng mẫu TSH, lựa chọn nhiệt độ nung và thời năng hấp phụ iot của TSH, tiến hành thí nghiệm gian nung thích hợp nhất cho quá trình cacbon với nồng độ iot khác nhau (6000 mg/l, 7000 mg/l, hóa trấu. 8000 mg/l, 9000 mg/l, 10000 mg/l, 11000 mg/l, Hiệu suất thu hồi than được tính theo công thức: 12000 mg/ml). Nồng độ iot còn lại sau quá trình %H = m2/m1*100%. Trong đó m1: khối lượng mẫu hấp phụ được xác định bằng phương pháp trấu ban đầu; m2: khối lượng than thu được. chuẩn độ với Na2S2O3. Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 83
  3. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Xác định hàm lượng hấp phụ đạt ở trạng thái cân Từ hình 2, cho thấy quá trình than hóa xảy ra theo bằng, thiết lập phương trình hấp phụ đẳng nhiệt hai giai đoạn rõ rệt, giai đoạn đầu là giai đoạn bay Langmuir - sự hấp phụ đơn lớp trên bề mặt TSH hơi ẩm diễn ra tương đối nhanh từ 15 phút đến 30 và phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich [7]. phút; Giai đoạn 2 là quá trình nhiệt phân các chất hữu cơ để tạo TSH, tốc độ xảy ra chậm. Phương trình Langmuir có dạng: Ce/Qe = 1/KL.Qm + Ce/Qm (2) Phương trình Freundlich có dạng: LnQe = lnk + 1/n.lnCe (3) Trong đó: Qm: lượng chất bị hấp thụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tương ứng với lớp phủ đơn lớp hoàn chỉnh trên bề mặt; KL: hằng số ; Ce: nồng độ cân bằng của dung dịch iot; Qe: lượng iot hấp phụ ở trạng thái cân bằng; k và n: hằng số Freundlich đặc trưng dung lượng hấp phụ và cường độ hấp phụ. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN • Kết quả khảo sát quá trình cacbon hóa trấu Quá trình cacbon hóa trấu bằng phương pháp yếm khí chính là quá trình nhiệt phân không có Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian oxy. Qua quá trình này, vỏ trấu sẽ được loại bỏ đến hiệu suất thu hồi cacbon nước, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, thơm hóa Từ hình 3 cho thấy, nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng các sợi cacbon hoặc hình thành lớp graphit tạo lớn quyết định hiệu suất cacbon hóa do khi thay các lỗ xốp. đổi nhiệt độ thì thời gian cacbon hóa cũng thay đổi Kết quả thực nghiệm nghiên cứu sự phụ thuộc theo, hay nói cách khác thời gian cacbon hóa phụ giữa biến đổi khối lượng mẫu trấu (m%) vào nhiệt thuộc nhiệt độ. Cùng thời gian nung, nhiệt độ càng độ và thời gian được thể hiện trên hình 2. cao, hiệu suất thu hồi TSH càng thấp. • Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ iot của sản phẩm TSH Tiến hành nung mẫu trong 1,5 giờ ở các nhiệt độ 500oC, 600oC, 700oC, 800oC, 900oC. Sau đó tiến hành đo dung lượng hấp phụ iot của TSH. Kết quả thể hiện trên hình 4. Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ nung, dung lượng hấp phụ iot tăng. Nhưng qua 800oC, dung lượng hấp phụ iot giảm, do nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ cacbon hóa, tạo tro than, phá vỡ cấu trúc xốp, làm giảm diện tích bề mặt riêng của TSH, do đó dung lượng hấp phụ giảm; Nhiệt độ càng cao, hiệu suất thu hồi TSH càng giảm. Như vậy, có thể lựa chọn nhiệt độ nung thích hợp là 700oC vừa Hình 2. Biến thiên khối lượng mẫu đảm bảo hiệu suất thu hồi TSH, vừa đảm bảo thu của mẫu trấu theo nhiệt độ và thời gian được TSH có khả năng hấp phụ tốt nhất. 84 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017
  4. LIÊN NGÀNH HÓA HỌC - CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM iot của TSH tăng. Tuy nhiên, khi tăng thời gian Dung lượng hấp phụ Iot nung quá 120 phút, dung lượng hấp phụ iot của 1000 Hiệu suất thu hồi 35 TSH giảm. Do nung trong thời gian quá dài, một 900 phần TSH bị tro hóa ảnh hưởng tới mạng cacbon, 30 Dung lượng hấp phụ Iốt 800 giảm diện tích bề mặt riêng của TSH dẫn đến Hiệu Suất thu hồi (%) 700 25 giảm dung lượng hấp phụ iot. (mg I2/g than) 600 20 3.1. Xác định diện tích bề mặt TSH 500 Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào đặc tính hóa 400 15 học và vật lý của chất hấp phụ, trong đó diện tích 300 10 bề mặt là một trong những yếu tố quan trọng. 200 Diện tích bề mặt than thường được xác định bằng 5 phương pháp BET (Bruauer - Emmett - Teller). Sử 100 dụng sự hấp phụ N2 ở các áp suất khác nhau và 0 0 ở nhiệt độ N2 lỏng (77K). Mặc dù phương pháp 500 600 700 800 900 này được sử dụng nhiều và cho độ chính xác cao Nhiệt độ (o C) trong việc xác định diện tích bề mặt, độ xốp [8]. Tuy nhiên, phương pháp này mất nhiều thời gian Hình 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dung và yêu cầu sử dụng thiết bị đắt tiền. Các mô hình lượng hấp phụ iot và hiệu suất thu hồi của TSH hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich (Alaa • Ảnh hưởng của thời gian nung đến dung lượng H. Jalil, 2012) được sử dụng để phân tích, đánh hấp phụ iot của TSH giá khả năng hấp phụ và tính diện tích bề mặt của chất hấp phụ [5, 7]. Tiến hành nung mẫu trấu trong 30 phút, 60 phút, 90 phút, 120 phút, 150 phút ở nhiệt độ 700oC. Lấy Từ kết quả đo dung lượng hấp phụ iot của TSH 1 g TSH mỗi mẫu, tiến hành xác định dung lượng ở các nồng độ iot khác nhau, áp dụng mô hình hấp phụ iot của TSH. Kết quả được thể hiện ở hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich xây hình 5. dựng được các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich để xác định các hằng số Dung lượng hấp phụ đặc trưng (Qm, KL, n, k) cũng như đánh giá sơ bộ Hiệu suất thu hồi (%) 1000 40 về khả năng hấp phụ của iot trên TSH. 900 35 Phương trình Langmuir của TSH thể hiện trong Dung lượng hấp phụ Iốt 800 Hiệu suất thu hồi (%) 30 hình 6. 700 (mg I2/g than) 600 25 500 20 400 15 300 10 200 100 5 0 0 30 60 90 120 150 Thời gian (phút) Hình 5. Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của thời gian nung đến dung lượng hấp phụ iot và hiệu suất thu hồi TSH Từ hình 5 cho thấy khi tăng thời gian nung trấu, Hình 6. Phương trình Langmuir thể hiện hiệu suất thu hồi TSH giảm, dung lượng hấp phụ sự hấp phụ iot của TSH Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 85
  5. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Từ phương trình thiết lập được, xác định được giá dụ than hoạt tính chế tạo từ vỏ trấu được cacbon trị Qm và KL thể hiện trên bảng 1. hóa ở nhiệt độ 600oC, diện tích bề mặt thu được 51,2 m2/g, khi hoạt hóa bằng NaOH ở 800oC, Bảng 1. Các giá trị từ phương trình Langmuir diện tích bề mặt than hoạt tính thu được là Qm (mg/g) KL(mg/g) R2 2681 m2/g [10]. Than hoạt tính chế tạo từ vỏ trấu được hoạt hóa bằng hơi nước và khí cacbon dioxit 833,33 0,0218 0,9881 diện tích bề mặt than hoạt tính có thể đạt được 1000 ÷ 1239 m2/g [11]. Phương trình đẳng nhiệt Freundlich được thể hiện trên hình 7. Diện tích bề mặt TSH khoảng 790,53 m2/g tuy thấp hơn so với diện tích than hoạt tính, nhưng phương pháp chế tạo TSH đơn giản, không đòi hỏi cao về công nghệ như chế tạo than hoạt tính. Và với diện tích bề mặt tương đối lớn, TSH có thể ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. 3.2. Nhiệt hấp phụ Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt cho ta thấy các phân tử hấp phụ phân phối giữa pha lỏng và pha rắn sẽ dừng lại khi đạt trạng thái cân bằng. Việc nghiên cứu các dữ liệu đẳng nhiệt bằng cách lắp chúng vào các mô hình đẳng nhiệt khác nhau là bước quan trọng để tìm ra mô hình hấp phụ đẳng nhiệt phù hợp. Đường đẳng nhiệt biểu diễn giữa Hình 7. Phương trình Freundlich thể hiện nồng độ dung dịch và độ hấp phụ iot của TSH sự hấp phụ iot của TSH được thể hiện trên hình 8. Bảng 2 chỉ ra các giá trị k và n của phương trình Qua kết quả hình 8 cho thấy đây là đường hấp Freundlich. phụ đẳng nhiệt loại 1 - phù hợp với thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Bảng 2. Các giá trị từ phương trình Freundlich Từ kết quả các tham số thu được, rút ra một số N k (mg/g) R 2 đánh giá về quá trình hấp phụ của iot lên TSH như sau: 0,27 10-8,15 0,9864 - Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir phản ánh khá phù hợp đối với sự hấp phụ của iot lên TSH. Từ các giá trị thu được trong bảng 1 và 2 cho thấy - Hấp phụ của iot lên TSH chủ yếu là sự hấp phụ phương trình Langmuir có độ tương quan (R2) tốt đơn lớp. hơn phương trình Freundlich. - Giá trị K của mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Diện tích bề mặt của TSH (SA) được tính bằng thu được có giá trị khá nhỏ (0,0218 mg/g), chứng tỏ cách sử dụng giá trị hằng số thu được từ phương sự tương tác giữa của iot lên TSH là khá yếu (năng trình Langmuir: lượng hấp phụ thấp). SA = Qm.Ơ.10-20.N (4) Trong đó: Ơ là diện tích bề mặt của iot (phân tử bị hấp phụ), m2/g; N là số Avogadro [5]. Diện tích bề mặt của TSH tính theo công thức (4) là 790,53 m2/g. Diện tích bề mặt TSH thu được khoảng 790,53 m2/g so với than hoạt tính cùng chế tạo từ vỏ trấu diện tích bề mặt TSH thấp hơn. Do công nghệ chế tạo than hoạt tính thường có hai giai đoạn, giai đoạn đầu là cacbon hóa than, giai đoạn 2 là hoạt hóa than nên diện tích bề mặt than hoạt tính thường cao hơn so với diện tích bề mặt TSH được chế tạo từ một nguồn nguyên liệu [9]. Điều kiện cacbon hóa, hoạt hóa than khác nhau cũng Hình 8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ iot thu được than có diện tích bề mặt khác nhau. Ví củaTSH sinh học 86 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017
  6. LIÊN NGÀNH HÓA HỌC - CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM 4. KẾT LUẬN [4]. Abdelrahman B. Fadhil and Mohammed M. Deyab Những kết quả nghiên cứu và tính toán cho thấy: (2008). Conversıon of some fruıt stones and shells ınto actıvated carbons. The Arabian Journal for - Hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp nhiệt Science and Engineering, No. 33, Vol. 2, 175 ÷ 184. phân yếm khí để chế tạo TSH từ vỏ trấu có khả [5]. Alaa H. Jalil. (2012). Surface Area Determination năng hấp phụ tốt. of Activated Carbons Produced from Waste Tires - Các điều kiện nung trấu thích hợp: nhiệt độ 700oC, Using Adsorption from Solution. Tikrit Journal of thời gian 1,5 giờ, hiệu suất thu hồi than 30,8%. Pure Scence, No. 2, pp. 99 ÷ 104. - TSH thu được có trị số iot đạt 833,33 mgI2/g. [6]. ASTM. D 4607 - 94 (2006). Standard Test Method - Sự hấp phụ của iot lên TSH là hấp phụ đơn lớp, for Determination of Iodine Number of Activated Carbon. tuân theo mô hình Langmuir. [7]. Lê Văn Cát (2002). Hấp phụ và trao đổi ion trong - Diện tích bề mặt TSH thu được - Tính theo độ kỹ thuật xử lý nước và nước thải. NXB Thống kê, hấp phụ iot đạt khoảng 790,53 m2/g. Với giá trị Hà Nội. diện tích bề mặt thu được, so với than hoạt tính chế tạo từ vỏ trấu [10, 11, 12], diện tích bề mặt [8]. Do Thi My Phuong, Takayuki Miyanishi, Takayuki của TSH thấp hơn. Tuy nhiên, phương pháp này Okayama, Ryota Kose, Nguyen Xuan Loc (2016). không sử dụng hóa chất, dễ tiến hành hơn so với BET surface area of biochars produced from quá trình sản xuất than hoạt tính, thiết bị đơn giản Japanese and Vietnamese rice wast. The 27th (nung yếm khí) nên có thể dễ dàng áp dụng sản Annual Conference of JSMCWM, pp. 525 ÷ 527. xuất ở vùng sâu, vùng xa. Trong khi sản xuất than [9]. Daud W. M.A., Ali W. S. W., Sulaiman M.Z. hoạt tính cần công nghệ phức tạp hơn rất nhiều. (2002). Effect of activation temperature on pore development in activated carbon produced from palm shell. J. Chem. Technol, No. 78, pp. 1 ÷ 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [10]. Khu Le Van, Thu Thuy Luong Thi (2014). Activated [1]. Mai Thị Lan Anh, S. Joseph (2012). Đánh giá chất carbon derived from rice husk by NaOH activation lượng than sinh học sản xuất từ một số loại vật and its application in supercapacitor. Progress in liệu hữu cơ phổ biến ở miền Bắc Việt Nam. Tạp Natural Science: Materials International, No. 24, chí Khoa học và Công nghệ Đại học Thái Nguyên, pp. 191÷198. tập 96, số 8. [2]. Huda Abdulrazzaq, Hamdan Jol, Ahmed Husni [11]. V. V. Korobochkin,  N. V. Tu  and  N. M. Hieu & Rosenani Abu-Bakr. Biochar from Empty Fruit (2016). Production of activated carbon from rice Bunches, Wood, and Rice Husks: Effects on Soil husk Vietnam. IOP Conference Series: Earth and Physical Properties and Growth of Sweet Corn on Environmental Science, Vol.43, No. 1, pp. 1 ÷ 6. Acidic Soil. Journal of Agricultural Science, Vol. 7, [12]. Lê Văn Cát, Trần Thị Kim Thoa (2005). Chế tạo No. 1, pp. 192 ÷ 200. than hoạt tính từ vỏ trấu và tính năng hấp phụ chất [3]. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Số liệu hữu cơ trong nước. Viện Hóa học, Viện Khoa học thống kê qua các năm 2010-2016. Công nghệ Việt Nam. Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4(59).2017 87
nguon tai.lieu . vn