06/07/2017
TÓM TẮT
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát. Trấu có rất nhiều tại Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) là 2 vùng trồng lúa lớn nhất của Việt Nam. Chúng thường được đem đốt hoặc đổ xuống sông suối trôi đi khắp nơi, chìm xuống đáy sông, rạch, gây ô nhiễm nguồn nước. Do đó, đề tài này sản xuất than hoạt tính từ trấu với mục tiêu giảm lượng phát thải phế phẩm này và ứng dụng trong quá trình xử lý nước. Quá trình than hóa được thực hiện ở điều kiện 450oC trong 90 phút và hoạt hóa bằng CO2 ở 800oC, thời gian 120 phút với lưu lượng dòng CO2 30l/h. Than trấu hoạt tính được sử dụng xử lý nước nhằm cung cấp nước sạch phục vụ sinh hoạt của người dân. Nước sau khi được lọc qua than trấu hoạt tính với chiều cao thích hợp có các chỉ tiêu đáp ứng QCVN về nước sinh hoạt như pH 6,9, độ đục 1,6 NTU, TDS 170 mg/l và SS < 3 mg/l.
Từ khóa: Trấu, than hoạt tính, xử lý nước.
STUDY ON SYNTHESIS OF ACTIVATED CARBON FROM RICE HUSK IN WATER TREATMENT
Trần Anh Khoa, Nguyễn Phan Khánh Thịnh, Phan Đình Tuấn
HCMC University of Natural Resources and Environment
ABSTRACT
Rice husk is an outer shell of the grain that is separated during milling. There is a large amount of rice husk in the Mekong Delta and the Red River Delta, two largest rice-growing areas in Viet Nam. The rice husk was usually burned or dumped into the river. This pollutes the water sources. Therefore, this research studies to produce activated carbon from rice husk with the aim to reduce waste volumes and to use the products for the water treatment process. The carbonization process was carried out at 450oC for 90 minutes and activated by CO2 at 800oC during 120 minutes with the flow of CO2 at 30L/h. The activated carbon husk is used for water treatment to supply clean water for domestic purposes. The water treated with appropriate activated carbon 20g will meet the national standards (QCVN 02:2009/BYT) for drinking water such as pH 6.9; 1.6 NTU turbidity; TDS (Total Dissolved Solids) of 170 mg/L and SS (Suspended Solid) < 3 mg/L.
Keywords: Rice husk, activated carbon, water treatment.
1. Mở đầu
Việt Nam là một trong năm nước trên thế giới chịu tác động nhiều nhất của biến đổi khí hậu (BĐKH). Trong 50 năm qua, nhiệt độ trung bình năm tăng khoảng 0,5oC trên phạm vi cả nước và lượng mưa có xu hướng giảm ở miền Bắc và tăng dần ở miền Nam [1]. Liên tiếp trong những năm gần đây do ảnh hưởng của BĐKH, hiện tượng lũ lớn, lũ quét đã xảy ra với tần suất, quy mô và cường độ ngày càng gia tăng gây ngập lụt trên diện rộng, cách ly các vùng dân cư, khiến cho công tác cứu nạn cứu hộ gặp nhiều khó khăn. ĐBSCL gồm 13 tỉnh/thành phố với tổng dân số vùng nông thôn 14 triệu dân. Trong đó số dân được sử dụng nước hợp vệ sinh chỉ đạt 75,82 %, số dân sử dụng nước đạt tiêu chuẩn QCVN 02:2009/BYT chiếm tỷ lệ 36,52, thấp nhất là tỉnh Cà Mau với tỉ lệ 0% [2]. Hiện nay, nhiều phương pháp xử lý nước như vi lọc (MF), lọc nano (NF), lọc thẩm thấu ngược (RO) được nghiên cứu nhằm cung cấp nguồn nước sạch đạt tiêu chuẩn [3-6].
Trong khi đó, trấu là phụ phẩm của ngành sản xuất lúa gạo, có rất nhiều tại ĐBSCL. Một phần trấu được sử dụng để đốt, phần lớn hoặc đổ xuống sông gây ô nhiễm nguồn nước. Nhiều nghiên cứu được thực hiện tận dụng nguồn trấu này nhằm sản xuất các vật liệu, phục vụ đời sống và góp phần xử lý môi trường [7].
Công trình này trình bày các kết quả nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu làm vật liệu lọc trong quá trình xử lý nước đạt QCVN về chất lượng nước sinh hoạt, ứng dụng ở vùng ĐBSCL.
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Nguyên liệu, hóa chất
Trấu được nhà máy sấy lúa Lộc Trời, An Giang cung cấp. Mẫu sau khi lấy về được phân tích để xác định thành phần vật chất, sau đó, được bảo quản để sử dụng trong quá trình sản xuất than.
Khí N2 và CO2 tinh khiết được sử dụng trong quá trình sản xuất và hoạt hóa than hoạt tính từ trấu.
Xanh methylene được sử dụng xác định độ hấp phụ của than sau khi sản xuất.
Mẫu nước trong nghiên cứu này được lấy từ sông Hậu, đoạn chảy qua Cần Thơ, vào cuối tháng 9/2016, lúc ĐBSCL đã vào mùa nước nổi. Mẫu nước được bảo quản lạnh 50C trong suốt quá trình thí nghiệm.
2.2. Sản xuất than hoạt tính từ trấu
Trấu được rửa sạch bằng nước, sấy khô ở 105oC trong 10 giờ và được than hóa ở điều kiện nhiệt độ 450oC, lưu lượng khí trơ (N2) thổi qua 30 L/h trong thời gian 90 phút. Với mục đích xử lý nước vùng lũ thành nước sinh hoạt và ăn uống nên than trấu được hoạt hóa bằng khí CO2 với lưu lượng 30 L/h ở nhiệt độ 800oC trong 120 phút. Kết thúc quá trình hoạt hóa, than trấu hoạt tính được làm nguội bằng khí trơ (N2) đến nhiệt độ thường. Sau đó, than được rửa sạch bằng nước cất và sấy ở 105oC trong 4h. Sản phẩm cuối cùng được bảo quản trong bình hút ẩm để sử dụng trong các thí nghiệm tiếp theo.
2.3. Khảo sát tính chất than hoạt tính
Diện tích bề mặt riêng là một đặc tính quan trọng của than hoạt tính được xác định bằng phương pháp BET (phương pháp Brunauer-Emmett- Teller). Bên cạnh đó, khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ trấu cũng được xác định bằng phương pháp hấp phụ dung dịch xanh methylene với thiết bị quang phổ hấp thụ UV-VIS.
Than sau khi nghiền sử dụng trong quá trình xử lý nước được xác định kích thước bằng phương pháp phân tích DLS (Dimension Laser Scaner).
2.4. Khảo sát khả năng xử lý nước của than trấu hoạt tính
Khả năng lọc nước của than hoạt tính được thực hiện bằng cách cho nước đi qua cột lọc có lớp than hoạt tính. Cột lọc có đường kính 60 mm, được nhồi theo thứ tự từ dưới lên: lớp than có chiều dày thay đổi, từ 0 - 100 mm, lớp cát thạch anh (f0.8-1 mm) dày 100 mm, lớp đá min (f1-2 mm) dày 100 mm và trên cùng là lớp đá thô (f2-3 mm) dày 100 mm. Khối lượng than trong cột lọc được khảo sát trong khoảng 5 – 30g, theo sự thay đổi chiều cao lớp than. Áp suất trên bề mặt lớp vật liệu lọc được duy trì ổn định, khoảng 2mH2O. Tốc độ lọc của nước qua lớp vật liệu lọc đạt 1,2l/h. Mẫu nước trước và sau khi lọc được phân tích để xác định các chỉ tiêu pH, độ đục, hàm lượng chất rắn không tan (TDS) và hàm lượng chất tan trong nước (SS).
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Khảo sát quá trình sản xuất và tính chất than trấu hoạt tính
Trấu thu nhận từ Nhà máy sấy lúa Lộc Trời, An Giang có thành phần chủ yếu C, N và O chiếm 68,28% khối lượng, được trình bày trên Bảng 1. Kết quả này tương tự thành phần các nguồn trấu khác đã được nghiên cứu [8].
Bảng 1. Thành phần trấu sử dụng trong thí nghiệm
|
Nguồn trấu |
Thành phần (%) |
||||||
|
Cacbon |
Hydro |
Nitơ |
Lưu huỳnh |
Oxy |
Độ ẩm |
Tro |
|
|
An Giang |
38,92 |
4,9 |
2,24 |
2,73 |
27,12 |
11,5 |
12 |
|
Tiền Giang [7] |
37,13 |
4,12 |
0,36 |
-- |
31,6 |
9,0 |
-- |
|
[8] |
Thành phần C, N, O khoảng 69,39 |
11,0 |
-- |
||||
Kích thước hạt than là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình và hiệu quả lọc nước. Nếu kích thước than quá nhỏ sẽ tạo nên trở lực lớn, nước khó chảy qua. Do đó, một trong những yêu cầu quan trọng của công nghệ hoạt hóa là không làm vỡ, dẫn đến mịn hóa than. Trong nghiên cứu này, than sau khi hoạt hóa được kiểm tra phân bố hạt theo kích thước. Biểu đồ phân bố hạt than theo kích thước được trình bày ở Hình 1.
Hình 1. Đồ thị phân bố kích thước than sau khi hoạt hóa Hình 2. Hình SEM bề mặt than trấu hoạt tính
Than sau khi hoạt hóa được xác định diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp phân tích BET. Diện tích bề mặt riêng của than trấu hoạt hóa bằng các tác nhân khác nhau được thể hiện ở Bảng 2.
Bảng 2. So sánh diện tích bề mặt riêng cúa than trấu hoạt tính với các tác nhân hoạt hóa khác nhau
|
Tác nhân hoạt hóa |
Diện tích bề mặt riêng (m2/g) |
Nguồn tham khảo |
|
Cacbon dioxit (CO2) |
810,023 |
Nghiên cứu này |
|
Hơi nước |
276,68 |
[7] |
3.2. Khảo sát khả năng xử lý nước của than trấu hoạt tính.
Kết quả này cho thấy sự ưu việt của tác nhân CO2 khi hoạt hóa than trấu. Do đó, phương pháp này được lựa chọn để hoạt hóa than, sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.
Mẫu nước trước và sau khi đi qua lớp than hoạt tính được xác định các thông số độ đục, pH, TDS và SS. Kết quả thí nghiệm được trình bày ở Bảng 3.
Bảng 3. Các thông số của nước trước và sau khi lọc qua lớp than trấu hoạt tính
|
Thông số |
Đơn vị |
Khối lượng than (g) |
QCVN 01:2009/BYT [9] |
||||||
|
Trước khi lọc |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|||
|
pH |
|
6.9 |
6.9 |
6.9 |
6.9 |
6.9 |
6.9 |
6.9 |
6,5 – 8,0 |
|
Độ đục |
NTU |
22,5 |
4,5 |
2,7 |
2,7 |
1,6 |
0,4 |
0,2 |
2 |
|
TDS |
mg/l |
860 |
560 |
380 |
280 |
170 |
90 |
85 |
1000 |
|
SS |
mg/l |
22 |
9 |
8 |
6 |
< 3 |
< 3 |
< 3 |
-- |
PH, độ đục, TDS và SS là một trong những thông số quan trọng đánh giá tính chất của nước sinh hoạt và ăn uống. Kết quả Bảng 3 cho thấy, pH của nước trước và sau xử lý bẳng than hoạt tính có giá trị thay đổi không nhiều, trung bình khoảng 6,9. Bên cạnh đó, các thông số độ đục, TDS và SS giảm dần khi tăng dần khối lượng than trong cột lọc. Trong đó, độ đục, TDS và SS giảm nhanh khi lọc với lượng than 20g, tương đương chiều cao lớp than trong cột thử nghiệm 67mm (độ đục giảm từ 22,5 đến 1,6 NTU; TDS giảm từ 860 mg/l đến 170 mg/l; SS giảm từ 22 mg/l đến < 3 mg/l) và giảm chậm khi tăng khối lượng than từ 20 g đến 30 g (ứng với chiều cao lớp than 100 mm). Bên cạnh đó, các chỉ tiêu của nước sau khi được xử lý bằng than hoạt tính với khối lượng 20 g đáp ứng được QCVN về chất lượng nước ăn uống. Do đó, nước sau khi được xử lý bằng than hoạt tính có thể được sử dụng trong sinh hoạt và ăn uống.
4. Kết luận
Có thể sản xuất than trấu hoạt tính một cách hiệu quả bằng cách than hóa trấu ở 450oC trong 90 phút trong điều kiện không có oxy, sau đó hoạt hóa bằng CO2 ở 800oC trong 120 phút với lưu lượng CO2 là 30l/h. Than trấu hoạt tính có kích thước trung bình 680μm, diện tích bề mặt riêng 810 m2/g và độ hấp phụ xanh methylene 141,2 mg/g. Một số chỉ tiêu của nước sau khi lọc qua lớp than trấu hoạt tính như pH, độ đục, TDS và SS đáp ứng QCVN về nước sinh hoạt. Than trấu hoạt tính này thỏa mãn các điều kiện để có thể đưa vào sử dụng trong quá trình xử lý nước sinh hoạt nhằm sản xuất nước sạch■
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Phan Văn Tân, N.Đ.T., Biến đổi khí hậu ở Việt Nam: Một số kết quả nghiên cứu, thách thức và cơ hội trong hội nhập Quốc tế. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các khoa học Trái đất và môi trường, 2013. Tập 29, Số 2: p. 42 - 45.
Hà, Đ.T., Đánh giá hiện trạng cấp nước nông thôn vùng ĐBSCL và đề xuất giải pháp phát triển. Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, 12/2013.
Khu Le Van, T.T.L.T., Activated carbon derived from rice husk by NaOH activation and its application in supercapacitor. Progress in Natural Science: Materials International, 2014. 24: p. 191-198.
Vũ Quốc Trung, L.T.N., Sổ tay bảo quản lương thực. NXB KH-KT, Hà Nội, 1999: p. 310.
QCVN 01:2009/BYT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống.
Foley, G., A review of factors affecting filter cake properties in dead-end microfiltration of microbial suspensions. Journal of Membrane Science, 2006. 274: p. 38-46.
M. F. A. Goosen, S.S.S., H. Al-Hinai, S. Al-Obeidani, R. Al-Belushi and D. Jackson, Fouling of Reverse Osmosis and Ultrafiltration Membranes: A Critical Review. Separation Science and Technology, 2004. 39: p. 2261-2298.
N. Hilala, H.A.-Z., N.A. Darwish, A.W. Mohammad, M. Abu Arabi, A comprehensive review of nanofiltration membranes: Treatment, pretreatment, modelling, and atomic force microscopy. Desalination, 2004. 170: p. 281-308.
Lilian Malaeb, G.M.A., Reverse osmosis technology for water treatment: State of the art review. Desalination, 2011. 267: p. 1-8.
Trần Anh Khoa
Nguyễn Phan Khánh Thịnh
Phan Đình Tuấn
(Tạp chí Môi trường số chuyên đề I năm 2017)
