Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu làm sạch CO2 từ khí thải đốt than bằng kỹ thuật xúc tác - hấp thụ để làm nguồn cacbon nuôi vi khuẩn lam Spirulina platensis giàu dinh dưỡng

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là làm sạch CO2 từ khí thải đốt than bằng kỹ thuật xúc tác hấp thụ, sử dụng CO2 từ khí thải đốt than để nuôi Spirulina platensis giàu dinh dưỡng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu làm sạch CO2 từ khí thải đốt than bằng kỹ thuật xúc tác - hấp thụ để làm nguồn cacbon nuôi vi khuẩn lam Spirulina platensis giàu dinh dưỡng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ********************** ĐOÀN THỊ OANH NGHIÊN CỨU LÀM SẠCH CO2 TỪ KHÍ THẢI ĐỐT THAN BẰNG KỸ THUẬT XÚC TÁC-HẤP PHỤ ĐỂ LÀM NGUỒN CAC BON NUÔI VI KHUẨN LAM SPIRULINA PLATENSIS GIÀU DINH DƯỠNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 9 52 03 20 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2019
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học 1: GS. TS. Đặng Đình Kim Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Trần Thị Minh Nguyệt Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: …. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 201…. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 1. Đoàn Thị Oanh, Đặng Đình Kim, Trần Thị Minh Nguyệt, Bùi Thị Kim Anh, Lê Thị Trinh, Đặng Diễm Hồng, Nghiên cứu tuyển chọn chủng Spirulina platensis có khả năng hấp thu hiệu quả khí CO2. Báo cáo Hội nghị Khoa học Công nghệ sinh học toàn quốc 2018, 946-951. 2. Doan Thi Oanh, Quach Thi Hoang Yen, Nguyen Thi Toan, Nguyen Quoc Trung, Tran Que Chi, Nguyen Hong Chuyen, Tran Thi Minh Nguyet, Bui Thi Kim Anh, Dang Dinh Kim, Improvement of CO2 purifying system by photocatalyst for application in microalgae culture technology. Tạp chí Khoa học và Công nghệ ISSN 0866 - 708X 54 (1) (2016) 92-98. 3. Đặng Đình Kim, Bùi Thị Kim Anh, Trần Thị Minh Nguyệt, Mai Trọng Chính, Nguyễn Hồng Chuyên, Hoàng Trung Kiên, Đoàn Thị Oanh, Nguyễn Tiến Cư, Phương pháp nuôi vi tảo bằng khí CO2 được thu hồi từ khí thải đốt than. Bằng Độc quyền, Giải pháp hữu ích số 1380 do Bộ Khoa học và công nghệ, Cục sở hữu trí tuệ cấp ngày 09.05.2016. 4. Oanh Thi Doan, Anh Kim Thi Bui, Kien Trung Hoang, Chuyen Hong Nguyen, Thom Thi Dang, Hong Diem Dang, Nguyet Thi Tran, Kim Dinh Dang, Utilization of Carbon Dioxide from Coal-Firing Flue Gas for Cultivation of Spirulina platensis. American Journal of Environmental Protection, 2016 5 (6): 152 – 156. 5. Quách Thị Hoàng Yến, Đoàn Thị Oanh, Trần Quế Chi, Nguyễn Quốc Trung, Nguyễn Thị Toàn, Trần Minh Nguyệt, Đặng Đình Kim, Nghiên cứu tính chất axit của vật liệu V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2 nhằm ứng dụng trong xử lý khí thải. Tạp chí Xúc tác và Hấp phụ, ISSN 0866 – 7411, 2015 4 (3) 86 – 90. 6. Đặng Đình Kim, Bùi Thị Kim Anh, Mai Trọng Chính, Đặng Thị Thơm, Hoàng Trung Kiên, Nguyễn Hồng Chuyên, Trần Thị Minh Nguyệt, Đặng Diễm Hồng, Đoàn Thị Oanh, Phạm Thanh Nga, Nghiên cứu sử dụng CO2 từ khí thải nhà máy gạch tuynel để sản xuất thử nghiệm Spirulina platensis giàu dinh dưỡng. Tạp chí Khoa học công nghệ Việt Nam, ISSN 1859 – 4794, 2014 13 56 -59. 7. Đoàn Thị Oanh, Đặng Đình Kim, Bùi Thị Kim Anh, Nguyễn Tiến Cư, Trần Thị Minh Nguyệt, Đặng Diễm Hồng, Đặng Thị Thơm, Mai Trọng Chính, Nguyễn Minh Chuyên, Nuôi thử nghiệm Spirulina platensis ở qui mô pilot tận dụng CO2 từ khí thải đốt than. Báo cáo Hội nghị Khoa học Công nghệ sinh học toàn quốc 2013, Quyển 2, Công nghệ sinh học Vi sinh, Công nghệ sinh học Thực vật, 469-473.
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Khí thải đốt than có thành phần chủ yếu là CO2, NOx, SOx, CxHy, CO và các hạt bụi lơ lửng (PM). Trong đó CO2 là thành phần ít độc hại hơn nhưng lại là thành phần chính gây ra hiệu ứng nhà kính. Với mục đích làm sạch môi trường thì ngoài việc xử lý giảm thiểu nồng độ NOx, SO2, CxHy, CO và PM, nhiều nhà công nghệ đã tìm cách thu gom hoặc sử dụng CO2 như một nguồn nguyên liệu có ích t quá trình đốt nhi n liệu hó thạch. Một số phương pháp đã được đề xuất để quản lý các mức độ phát thải CO2 vào khí quyển như hấp thụ vào đại dương hoặc cô lập nó vào các hệ sinh thái trên cạn. Những công nghệ như hấp thụ hóa học, tách bằng màng, đông lạnh phân đoạn c ng được xem xét. Tuy nhiên, các phương pháp n u tr n có thể làm giảm đáng ể nồng độ CO2 nhưng không giải quyết được vấn đề phát triển bền vững. Ý tưởng biến CO2 phát thải thành nguyên liệu cho quá trình sản suất phù hợp đã gợi ý cho những nghiên cứu của chúng tôi nhằm vào việc thu hồi CO2 t quá trình đốt than sử dụng cho công nghệ nuôi Spirulina platensis. Và để đạt được mục đích sử dụng CO2, trước hết cần phải tách CO2 h i các hí độc hại khác. Sử dụng vật liệu hấp phụ-xúc tác có khả năng hấp phụ hơi xit và chuyển hoá các hí độc hại (NOx, CO, CxHy, VOCs) thành H2O, N2 ,CO2 là giải pháp hữu hiệu cho quá trình xử lý hí đồng hành và làm sạch CO2. T đó, việc cố định CO2 đã được làm sạch thông qu quá trình qu ng hợp củ vi tảo và vi huẩn l m đã thu h t sự qu n tâm đặc iệt như một chiến lược đầy hứa hẹn cho chương trình giảm thiểu CO2. â là phương pháp mới rất thân thiện với môi trường. Chính vì vậy luận án này tập trung vào mục tiêu “Nghiên cứu làm sạch CO2 từ khí thải đốt than bằng kĩ thuật Xúc tác-Hấp phụ để làm nguồn cac bon nuôi vi khuẩn lam Spirulina platensis giàu dinh dƣỡng”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án + Làm sạch CO2 t hí thải đốt th n ằng ĩ thuật x c tác-hấp phụ + Sử dụng CO2 t khí thải đốt th n để nuôi Spirulina platensis 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án + Nghi n cứu làm sạch CO2 t hí thải đốt th n ằng ỹ thuật x c tác - hấp phụ + Nghi n cứu sử dụng CO2 làm sạch t hí thải đốt th n để nuôi Spirulina platensis CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. CO2 - KHÍ THẢI ĐỐT THAN VÀ CÁC CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH CO2 1.2. CÔNG NGHỆ XÚC TÁC - HẤP PHỤ XỬ LÝ CÁC KHÍ THẢI ĐỒNG HÀNH VỚI CO2 TRONG KHÍ THẢI ĐỐT THAN
2 1.3. NGUỒN CO2 TỪ KHÍ THẢI ĐỐT THAN CHO SINH TRƢỞNG VI TẢO VÀ VI KHUẨN LAM CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU + 05 loại vật liệu hấp phụ-x c tác: Vật liệu hấp phụ C O – Na2CO3 và Fe2O3 - MnO2; vật liệu x c tác L 0.9K0.1CoO3; vật liệu x c tác V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2; Vật liệu x c tác quang V2O5/ TiO2. + CO2 tinh hiết và CO2 được làm sạch t hí thải đốt th n + Chủng vi huẩn l m Spirulina platensis SP8 (Gomont) Geitler do phòng Thủ sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường phân lập và lưu giữ. 2.2. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Phƣơng pháp tổng hợp và đánh giá đặc trƣng vật liệu 2.3.1.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu a. Nghiên cứu quy trình sử dụng vật liệu hấp phụ CaO - Na2CO3 và Fe2O3 - MnO2 nhằm giảm thiểu hơi im loại nặng và hơi xit Chế tạo hệ hấp phụ CaO-Na2CO3 Vật liệu hấp phụ CaO-Na2CO3 được chế tạo dưới dạng các viên gốm là phối trộn của các vật liệu như s u: C O 35%, N 2CO3 10%, bột gốm cordierite 40%, cao lanh 15%. Cân nguyên liệu, trộn đều, s u đó nhào trộn với nước và chất trợ cháy, ép tạo hình các viên gốm, phơi hô, sấy ở 300oC trong thời gi n 180 ph t, đóng gói, ảo quản. Chế tạo hệ hấp phụ Fe2O3-MnO2 Nguyên liệu chính để chế tạo các viên gốm Fe2O3-MnO2 là oxit sắt Fe2O3 và dioxit mangan MnO2, bột gốm cordierit Mg2Al4Si5O18, caolin Al2Si2O5(OH)4. Cân nguyên liệu, trộn đều trong máy nghiền bi, thấm ướt bằng máy, nhào trộn với dung dịch thủy tinh l ng Na2SiO3 50%, ép tạo hình các viên gốm, sấy khô, nung ở nhiệt độ 900oC trong thời gi n 24h thu được sản phẩm gốm hấp phụ Fe2O3-MnO2. b. Nghiên cứu và chế tạo vật liệu x c tác để xử lý hí độc Chế tạo xúc tác oxy hóa: La0.9K0.1CoO3 Vật liệu perovs it ích thước nanomet dạng La0.9K0.1CoO3 được chế tạo bằng phương pháp Sol-Gel citrat theo [48]: Perovskit La0.9K0.1CoO3 được đư lên chất mang cordierit Mg2Al2Si5O18 bằng phương pháp tẩm tiền chất vô cơ là các phức chất citrat của các nguyên tố cần đư vào. Chất m ng được xử lí bằng cách nung ở 1200 oC trong 3 giờ s u đó được để nguội. Trước khi sử dụng chất m ng được sấy ở 150 oC trong nhiều giờ cho đến khi khối lượng hông đổi và được bảo quản trong bình hút ẩm. Dung dịch phức của các nguyên tố hợp phần được tổng hợp bằng cách trộn đều các muối nitrat của La3+, K+, Co2+ theo tỉ lệ hợp thức. S u đó th m t t dung dịch axit citric vào dung dịch muối hỗn hợp cho đến khi đạt tỉ lệ = Cit : ∑Co2+ = 1,5:1. Môi
3 trường của phản ứng được ổn định ở giá trị pH = 7 bằng các dung dịch NH4OH hoặc CH3COOH. Dung dịch phản ứng được khuấy liên tục ở nhiệt độ 80 oC. Phần thu được tẩm lên chất mang t thời điểm bắt đầu tạo gel. Tỉ lệ về khối lượng giữa chất xúc tác và chất m ng được tính toán vào khoảng 1:19. em sản phẩm thu được sau khi tẩm sấy ở 120 oC trong khoảng 15 giờ. Nung thiêu kết ở 480 oC trong 2 giờ. Nung sản phẩm sau thiêu kết ở 700oC trong 3 - 4 giờ. Chế tạo hệ vật liệu xúc tác V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2 ể tạo thành hệ xúc tác bao gồm cả pha hoạt động và pha nền (chất mang). Chế tạo chất mang: Hỗn hợp Al2O3 + SiO2 được pha trộn theo công thức phù hợp và nghiền hành tinh trong 8 giờ. TiO2/SiO2 + Al2O3 được chế tạo bằng cách tẩm dung dịch muối Ti(NO3)4 lên hỗn hợp SiO2 và Al2O3 v a chế tạo được với tỷ lệ khối lượng sao cho TiO2: (SiO2 + Al2O3) = 30:70. Chế tạo pha hoạt động: Pha hoạt động bao gồm V2O5 và WO3 được chế tạo như s u: các muối tương ứng là NH4VO3 và (NH4)6W12O39.xH2O được hoà t n trong nước, khuấ đều và t t thêm một lượng xác định TiO2/Al2O3 + SiO2 sao cho tỷ lệ khối lượng pha hoạt động/chất mang là 10/90. S u đó thêm axit oxalic 2M sao cho pH của dung dịch đạt được giá trị t 2 đến 4. Thể tích phản ứng được khuấ đều trong 4 giờ ở nhiệt độ 60oC, rồi sấy khô trong không khí ở 80oC/24 giờ, s u đó nung ở 550oC/2 giờ. Hỗn hợp bột nhận được đem nghiền hành tinh rồi nghiên cứu tính xit c ng như hoạt tính xúc tác của chúng. Sau khi chọn được điều kiện pH tối ưu, mẫu V2O5+WO3/TiO2 được chế tạo tương tự như tr n và tiến hành sulphat hóa bằng cách đư th m xit sulfuric loãng vào hỗn hợp tiền chất. Chế tạo vật liệu xúc tác quang V2O5 / TiO2 TiO2 dạng rutil pha tạp v n dium được chế tạo bằng phương pháp nghiền phản ứng năng lượng cao [69]. Thời gian tối ưu nghiền mẫu để tổng hợp V2O5/TiO2 được chọn là 4 giờ. TiO2 rutil và V2O5 theo tỷ lệ 95:5 được sấy khô ở 120OC/2 giờ rồi đem nghiền bằng máy nghiền năng lượng cao (Spex 8000 M). Chế tạo xƣơng gốm cấu trúc tổ ong Nguyên liệu n đầu là các khoáng chất tự nhiên với thành phần chính của phối liệu được xác định là MgO (0,67%), Al2O3 (28,75%) và SiO2 (57,5%), CaO (0,8%), Fe2O3 (1,25%). Bộ xương gốm cấu trúc tổ ong bao gồm các ước sau: Trộn phối liệu với chất kết dính nhiệt độ thấp tạo độ dẻo cần thiết; ùn sơ bộ qu râ để làm sạch phối liệu; ùn qu huôn tạo sản phẩm cấu trúc tổ ong; Cắt sản phẩm có chiều dài mong muốn; Sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ 150oC; Thiêu kết trong lò điện trở tại nhiệt độ trong khoảng 1200oC trong thời gian t 3 đến 4 giờ tùy yêu cầu về độ xốp, độ cứng của sản phẩm. 2.3.1.2. Phương pháp đánh giá đặc trưng vật liệu ặc trưng củ các vật liệu được đánh giá ằng một số phương pháp như phương pháp nhiễu xạ ti X (XRD), Phương pháp ính hiển vi điện tử quét (SEM), Phương pháp đo diện tích ề mặt ri ng (BET)
4 2.3.2. Các phƣơng pháp phân tích thành phần hóa học của than 2.3.3. Các phƣơng pháp phân tích khí 2.3.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu Spirulina platensis ể nghiên cứu sử dụng CO2 làm sạch t khí thải đốt th n để nuôi Spirulina platensis SP8, các phương pháp s u đã được sử dụng: xác định tốc độ sinh trưởng củ Spirulina platensis thông qu các thông số: đo OD445nm hoặc sinh hối hô (SKK, g/L) ở các thời điểm nuôi cấ hác nh u, phương pháp xác định ph coc nine, chloroph ll , c rotenoid củ Spirulina platensis, tách chiết lipit t sinh hối tảo theo phương pháp Bligh và D er (1959) đã cải i n, phương pháp xác định hàm lượng HCO3- và CO32- trong môi trường nuôi, phân tích thành phần và hàm lượng các xit éo ão hò và hông ão hoà đ nối đôi, phân tích thành phần dinh dưỡng, Phân tích hàm lượng c r on trong sinh hối vi tảo, đánh giá hiệu quả hấp thu CO2 củ Spirulina platensis. 2.4. SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU 2.5. CÁC MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 2.5.1. Thiết bị nghiên cứu chức năng của từng vật liệu Thiết ị nghi n cứu chức năng củ t ng vật liệu o gồm các hạng mục thiết ị chính s u: Buồng chứ hí; Tháp hấp phụ/ xúc tác. Hình 2.8 là sơ đồ thiết ị có gắn các thiết ị đi èm. 1 - Buồng chứa khí 6 - Khóa 3 2 - Khóa 1 7 - Khóa 4 3 - Quạt h t đẩy 8 - Khóa 5 4 - Khóa 2 9 - Tháp hấp phụ/ 5 - Thiết bị kiểm soát xúc tác lưu lượng 10 - Thiết bị gia nhiệt Hình 2. 8. Mô hình xử lý khí bằng vật liệu xúc tác/ hấp phụ 2.5.2. Hệ thống xử lý khí thải quy mô phòng thí nghiệm Dự tr n các ết quả phân tích thành phần hí thải đốt th n c ng như các ết quả nghi n cứu chức năng củ t ng loại vật liệu thì hệ thống công nghệ đốt được lự chọn với các hạng mục như tr n hình 2.9. 1- Lò đốt than; 2- Phễu thu hí; 3- Buồng tách ụi; 4- Buồng trộn hí; 5- Buồng x c tác/ hấp phụ; 6- Buồng x c tác/ hấp phụ; 7- Buồng x c tác/ hấp phụ; 8- Tháp hấp thụ; 9- Bể chứ dung dịch; 10- Máy nén khí CO2; 11- Bình chứ hí CO2; 12- Khung giá Hình 2. 9. Hệ thống thu hồi CO2 và xử lý khí thải đồng hành từ quá trình đốt than 2.5.3. Hệ thống xử lý khí thải quy mô nhà máy Dự tr n các ết quả phân tích thành phần hí thải đốt th n tại nhà má c ng như các ết quả nghi n cứu chức năng củ t ng loại vật liệu thì hệ thống công nghệ đốt được lự chọn với các hạng mục như tr n hình 2.10.
5 Hình 2. 10. Hệ thống thu hồi CO2 và xử lý khí đồng hành tại lò nung Nhà máy gạch tuynel, Đan Phượng, Hà Nội 1- ống hói lò nung gạch; 2 -Tủ điều hiển; 3- Xyclon; 4- Tháp hấp phụ/x c tác; 5- Tháp hấp thụ; 6- Bình ổn áp; 7- Bộ lọc hí; 8- Máy nén khí; 9- Khung ệ 2.5.4. Mô hình thực nghiệm nuôi Spirulina platensis a. Thiết bị phản ứng quang sinh 10 L nuôi Spirulina platensis Thiết bị phản ứng quang sinh được chế tạo t nhựa mica trong suốt (1) có chiều c o 64 cm, chiều rộng 25 cm, chiều dày 9 cm và thể tích củ dịch tảo là 10 lít. Bể phản ứng nà được lắp đặt cố định trên khung sắt. 1 - Bình nuôi tảo; 2 - Sensor pH; 3 - Nguồn cấp hí CO2 ; 4 - Má thổi hí;5 - Bình trộn hí ; 6 - V n tự động đóng, mở hí CO2 theo pH; 6 , 6c - V n điều chỉnh hí ; 7 , 7 , 7c - Lưu tốc hí; 8 - á tạo ọt hí; 9 - ng thoát hí; 10 - Nguồn sáng; 11 - pH Control Hình 2. 11. ơ đồ hệ thống thiết b bể phản ứng quang sinh (Photobioreactor - PBR) nuôi Spirulina platensis b. Bể nuôi Spirulina platensis Bể nuôi Spirulina platensis được xây dựng tại Nhà máy gạch tu nel, n Phượng, Hà Nội. Bể bê tông có tổng diện tích 25 m2; chiều dài 12,5 m; chiều rộng 2,0 m; chiều c o 0,5 m; độ rộng củ nh là 1,0 m. H i đầu của bể đã được làm tròn để giảm sự cản trở của sự di chuyển củ nước. Phương pháp nuôi là phương pháp án li n tục. Chiều cao dịch tảo là 30 cm. Môi trường nuôi cấy tảo được sử dụng trong nghiên cứu củ ch ng tôi là môi trường dinh dưỡng Zarrouk cải tiến. Khí CO2 s u hi được làm sạch t hệ thống xử lý khí thải được đư vào môi trường nuôi tảo. Nhiệt độ thích hợp cho sự tăng trưởng của Spirulina platensis t 28 oC đến 35 oC. Thiết ị ph o CO2 cho nuôi cấ vi tảo tr n diện rộng theo thiết ế hiện hành được lắp đặt vào ể nuôi cấ . Tốc độ dòng chả củ môi trường trong ể nuôi tảo vào hoảng 30 cm/s. 2.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 2.6.1 Các phƣơng pháp bố trí thí nghiệm nghiên cứu khả năng xử lý của vật liệu xúc tác/ hấp phụ Các phương pháp ố trí thí nghiệm nghiên cứu khả năng xử lý của vật liệu xúc tác/ hấp phụ như nghiên cứu khả năng hấp phụ SO2 của vật liệu CaO - Na2CO3; nghiên cứu khả năng oxi hó CO của vật liệu La0.9K0.1CoO3; nghiên cứu khả năng chu ển hóa NOx của vật liệu V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2; nghiên cứu ảnh hưởng miền nhiệt độ lên hiệu quả hoạt động của hệ xúc tác- hấp phụ; nghiên cứu hiệu quả hoạt động của hệ modun xử lý
6 khí thải trong quy trình tách và làm sạch CO2 t khí thải đốt than; nghiên cứu hiệu quả tách CO2 khi kết hợp với hệ xúc tác quang hóa đã được bố trí. 2.6.2. Các phƣơng pháp bố trí thí nghiệm nghiên cứu Spirulina platensis Các phương pháp ố trí thí nghiệm nghiên cứu Spirulina platensis như nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống đến sinh trưởng và khả năng hấp thu CO2 của Spirulina platensis SP8; nghiên cứu lựa chọn nồng độ CO2 phù hợp cho sinh trưởng của Spirulina platensis SP8; nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaHCO3 trong môi trường l n sinh trưởng của Spirulina platensis SP8, nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaHCO3 trong điều kiện sục nguồn CO2 khác nhau l n sinh trưởng của Spirulina platensis SP8; nghiên cứu th đổi pH trong môi trường nuôi Spirulina platensis SP8 ở các công thức thí nghiệm sử dụng nguồn CO2 khác nhau; nghiên cứu biến động của HCO3- và CO32- trong môi trường nuôi Spirulina platensis SP8 khi sử dụng nguồn CO2 khác nhau; nghiên cứu sử dụng CO2 t khí thải đốt th n để nuôi Spirulina platensis SP8 trong thiết bị phản ứng quang sinh 10 L; nghiên cứu sử dụng CO2 t khí thải đốt than nhà máy gạch tuynel để nuôi Spirulina platensis SP8 trong bể nuôi 6,25 m3 đã được bố trí. 2.7. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. NGHIÊN CỨU LÀM SẠCH CO2 TỪ KHÍ THẢI ĐỐT THAN BẰNG KỸ THUẬT XÚC TÁC - HẤP PHỤ 3.1.1. Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu xúc tác-hấp phụ 3.1.1.1. Nghiên cứu sử dụng vật liệu hấp phụ tr n cơ sở Fe2O3 - MnO2 và các hợp chất chứa Canxi/ Natri nhằm giảm thiểu hơi im loại nặng và hơi xit a. Chế tạo hệ hấp phụ CaO-Na2CO3 Hình 3.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu hấp Hình 3.2. Ảnh hiển vi điện tử phụ CaO-Na2CO3 trong hỗn hợp chất mang quét (SEM) của vật liệu hấp phụ CaO-Na2CO3 trên nền cordierit ã tổng hợp được vật liệu hấp phụ CaO-Na2CO3 có ích thước và diện tích bề mặt riêng nằm trong khoảng 30 - 50 nm và 12, 56 m2/g. b. Chế tạo hệ hấp phụ Fe2O3- MnO2 ã tổng hợp được vật liệu hấp phụ Fe2O3 - MnO2 có ích thước và diện tích ề mặt ri ng 120 - 200 nm và 7,094 m2/g.
7 Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu Hình 3.4. Ảnh hiển vi điện tử quét hấp phụ Fe2O3-MnO2 trong hỗn hợp chất mang (SEM) của mẫu vật liệu hấp phụ Fe2O3-MnO2 trên nền cordierit 3.1.1.2. Nghiên cứu vật liệu xúc tác để xử lý khí độc a. Nghiên cứu các đặc trƣng của xúc tác oxy hóa La0.9K0.1CoO3 Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của (a) mẫu vật Hình 3.6. Ảnh SEM của mẫu vật liệu LaCoO3 [49] và (b) mẫu vật liệu La0.9K0.1CoO3 liệu La0.9K0.1CoO3 Kết quả thu được bằng phương pháp XRD cho thấy K trong mẫu La0,9K0,1CoO3 đã thế chuẩn vào cấu trúc mạng của LaCoO3. Kích thước và diện tích bề mặt của các hạt La0.9K0.1CoO3 thu được là 30 - 50 nm và 6,8 m2/g. b. Nghiên cứu tính chất hệ vật liệu xúc tác V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2 Ảnh hưởng của pH (a) (b) (c) Hình 3.7. TPD trên mẫu (a) VW/Ti2, (b) VW/Ti3, (c)VW/Ti4 Bảng 3.4. Thông số TPD của các mẫu VW/Ti2, VW/Ti3, VW/Ti4 STT Nhiệt độ tại pic (OC) Thể tích tâm xúc tác (mL/g STP) VW/Ti2 VW/Ti3 VW/Ti4 VW/Ti2 VW/Ti3 VW/Ti4 1 215,4 171,4 176,8 0,34718 0,21743 0,24058 2 412,9 268,8 280,5 0,14961 0,22301 0,32312 3 595,5 461,4 476,9 0,10137 0,00139 0,00393 Kết quả này cho thấy có thể chọn pH = 3÷4 để chế tạo mẫu, tùy thuộc vào tiêu chí lựa chọn: hoặc là nhiệt độ giải hấp phụ thấp hơn cả (với pH=3) hoặc là chọn nhiệt độ giải hấp phụ tương đối thấp nhưng đương lượng hấp
8 phụ c o hơn (pH =4). Ảnh hưởng của quá trình sulphat hóa (a) (b) (c) Hình 3.8. TPD trên (a) mẫu VW/Ti3S; (b) mẫu XG; (c) mẫu XT/XG Bảng 3.5. Các thông số TPD cơ bản của các mẫu VW/Ti3S, XG và XT/XG P Nhiệt độ tại pic (OC) Thể tích (mL/g STP) STT VW/Ti3S XG XT/XG VW/Ti3S XG XT/XG 1 163,7 181,4 172,0 0,25036 3,10089 5,43641 2 356,0 310,5 - 0,21227 2,53675 - ã nghi n cứu ảnh hưởng của pH và quá trình sulphat hóa tới tính axit của xúc tác V2O5+WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2. Kết quả nhận được như s u: + pH = 3÷4 là tối ưu để chế tạo mẫu có đương lương hấp phụ cao ở nhiệt độ tương đối thấp. + Quá trình sulphat hóa chất m ng làm th đổi tính axit của pha hoạt động tạo nên hệ vật liệu x c tác có dung lượng hấp phụ amoniac cao tại một vùng nhiệt độ thấp. + Vật liệu xúc tác với tính xit như vậy có khả năng x c tác tốt cho quá trình chuyển hóa NOx, phân huỷ VOCs, nhất là VOCs chứa clo và các dẫn xuất của dioxin và furan chứa trong khí thải t các lò đốt than. c. Vật liệu xúc tác quang V2O5/TiO2 (a) (b) Hình 3.10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Hình 3.11. Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của mẫu TiO2 rutile chưa nghiền (a) và TiO2 trước khi nghiền (a) và V2O5/ TiO2 sau khi nghiền V2O5/TiO2 đã nghiền 4h (b) 4 giờ (b) Bảng 3.6. Kích thước hạt và các giá tr BET của các mẫu Thời gian nghiền Kích thƣớc hạt BET Tài liệu tham Mẫu (h) trung bình (nm) (m2/g) khảo TiO2 0 100-130 1,19 Nghiên cứu này V2O5/TiO2 4 20-40 19,5 Nghiên cứu này V2O5/ TiO2 4 22 20,80 [68]
9 Bằng phương pháp nghiền phản ứng N no V n di đã được pha tạp vào mạng Rutil TiO2. Vật liệu chế tạo được có ích thước 20 - 40 nm, diện tích bề mặt riêng BET gần 20 m2/g, hấp phụ mạnh trong vùng Hình 3.12. Phổ hấp thụ UV - Vis của TiO2: (a) TiO2 rutile chưa nghiền, và (b) hạt nano UV đồng thời tăng s ng vùng ước V2O5 / TiO2 nghiền 4h sóng dài 430 - 570 nm 3.1.1.2. Chế tạo xương gốm - chất mang Hình 3.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X của Hình 3.14. Ảnh hiển vi điện tử quét xương gốm sau thiêu kết trong không khí (SEM) trên bề mặt xương tại 12000C trong 3h. Bảng 3.7. Các thông số kỹ thuật của các bộ gốm cấu trúc tổ ong Độ bền uốn Độ bền va đập Độ bền nhiệt Loại vật liệu (KG/cm2) (KG/cm2) (ToC) Gốm cấu trúc tổ ong 32,12-34,80 1,48-1,49 1200 3.1.2. Nghiên cứu thử nghiệm hệ modun hấp phụ-xúc tác để làm sạch CO2 từ khí thải đốt than 3.1.2.1. Nghiên cứu thử nghiệm hệ modul hấp phụ/xúc tác để làm sạch CO2 từ khí thải đốt than quy mô phòng thí nghiệm a. Thành phần khí thải đốt than Thành phần hóa học của than tổ ong sử dụng cho mục đích nghi n cứu trong điều kiện phòng thí nghiệm có hàm lượng cacbon khá cao chiếm 55,82%; độ tro và độ ẩm chiếm 38,56% và 13,12%. Bên cạnh đó trong th n c ng có chứa các thành phần hác như H, S, O và N có hàm lượng 1,26%; 0,63%; 1,86% và 0,72%, tương ứng. Với các thành phần củ th n như tr n, thành phần khí thải s u hi đốt than có chứ lượng lớn khí CO2 có nồng độ 4,35 ± 0,01%. Kết quả nhận được c ng cho thấ , hàm lượng CO trong khói thải khá cao, phần lớn các mẫu chứ CO c o hơn 2000 mg/m3. Ngoài ra còn chứa khí SO2, NOx và H2 với nồng độ 422,37 ± 18,36 mg/m3, 32,58 ± 0,81 mg/m3 và 143 ± 7,0 mg/m3 tương ứng. Chính vì vậy, thật cần thiết làm sạch tối đ những hí đồng hành CO, SO2, NOx này để thu được lượng CO2 sạch nhằm mục đích nuôi vi tảo. b. Nghiên cứu thiết lập mô hình hấp phụ/xúc tác để làm sạch khí CO2 từ khí thải đốt than Đánh giá khả năng hấp phụ SO2 của vật liệu CaO-Na2CO3
10 Khi hàm lượng SO2 nằm khoảng giá trị 1,687 mmol/g vật liệu CaO - Na2CO3 thì độ hấp phụ khí SO2 đạt giá trị cực đại, với giá trị a* = 1,569 mmol SO2/g vật liệu. Hình 3.17. Hiệu suất hấp phụ khí SO2 của vật liệu CaO - Na2CO3 Kiểm tra chức năng oxi hóa CO của vật liệu La0,9K0,1CoO3 Kết quả nghiên cứu cho thấy với 1 g vật liệu trong 1 phút có khả năng chu ển hóa hết 253,80 mg CO/g vật liệu. Do trong vật liệu chỉ chứ 5% x c tác (tương đương với 50mg xúc tác/1g vật liệu), có nghĩ là 1 mg x c tác có hả năng chu ển hóa 5,08 mg CO trong 1 phút. Với những nhận định trên của các tác giả, cùng với mục đích chu ển hóa CO thành CO2 cho nuôi Spirulina platensis nên luận án chỉ tập trung nghiên cứu khả năng xử lý CO của vật liệu La0,9K0,1CoO3 và nhiệt độ 320oC là nhiệt độ tối ưu cho quá trình oxi hóa CO thành CO2. Bảng 3.10. Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí hiệu suất xử lý của vật liệu Hình 3.18. Hiệu suất chuyển hóa CO của hệ La0.9K0.1CoO3 theo nhiệt độ Kiểm tra khả năng chuyển hóa NOx của V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2 Tiếp theo là các nghiên cứu chuyển hóa NOx của vật liệu V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2. Hiệu suất của quá trình chuyển hóa NOx ở vật liệu này được thể hiện ở bảng 3.11. Bảng 3. 1. Hiệu suất chuyển hóa khí NO, NO2 qua modun V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2 NO2 NO NOx H2 Nhiệt độ η- η- Ct/Co Ct/Co η-NO2 Ct/Co Ct/Co (oC) NO NOx (mg/m3) (mg/m3) (%) (mg/m3) (mg/m3) (%) (%) 30 60/60 0,00 187,5/187,5 0,00 247,5/247,5 0,00 1070/1070 250 60/60 0,00 169,95/187,5 9,36 229,95/247,5 7,09 1068/1070 310-320 2,11/60 96,48 82,87/187,5 55,78 84,98/247,5 65,66 1051/1070 350 1,43/60 97,62 99,22/187,5 47,08 100,65/247,5 59,33 1053/1070 400 15,56/60 74,06 107,74/187,5 42,54 123,30/247,5 50,18 1055/1070 500 17,85/60 70,24 111,65/187,5 40,66 128,30/247,5 48,16 1056/1070 Ghi chú: Co: Nồng độ khí trước khi qua modun xử lý; Ct: Nồng độ khí sau khi qua hệ xử lý η: Hiệu suất xử lý khí Kết quả thực nghiệm cho thấy, nhiệt độ tối ưu cho hả năng chu ển hóa NOx
11 của vật liệu V2O5 + WO3/ TiO2 + Al2O3 + SiO2 nằm trong khoảng 310 - 320 oC. c. Tích hợp hệ xúc tác/ hấp phụ trong quy trình tách và làm sạch CO2 từ khí thải đốt than quy mô phòng thí nghiệm Dựa vào kết quả phân tích thành phần khí thải t lò đốt than (bảng 3.9) và kết quả kiểm tra chức năng của t ng modun xử lý khí, hệ thống ứng dụng các vật liệu xúc tác và hấp phụ đã được thiết kế để xử lý các hí độc đồng hành nhằm thu được CO2 có độ sạch cao và thân thiện với môi trường nuôi Spirulina platensis Hình 3.19. ơ đồ hệ thống xử lý khí thải đốt theo sơ đồ Hình 3.19. than d. Nghiên cứu ảnh hƣởng miền nhiệt độ lên hiệu quả hoạt động của hệ xúc tác- hấp phụ Những kết quả nghiên cứu cơ ản đã cho phép luận án lựa chọn được tổ hợp modul xúc tác-hấp phụ phù hợp với điều kiện hiện hành. Tuy nhiên, khi tích hợp các modul xúc tác- hấp phụ vào cùng một điều kiện phản ứng, cần phải hảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu quả hoạt động của hệ thống xúc tác/hấp phụ. Số liệu trình bày trên bảng 3.12 là kết quả đo trung ình của 18 lần lặp lại tại các miền nhiệt độ khác nhau trong hệ hấp phụ-xúc tác t 250oC đến 500oC. Tại nhiệt độ 250oC, nồng độ NOx gần như hông th đổi chứng t rằng ở nhiệt độ này, modun xử lý NOx hầu như hông hoạt động. Trong hi đó nồng độ CO và SO2 giảm 68,84 % và 86,44 %, tức là modun oxi hoá và modun hấp phụ đều hoạt động ở 250oC. Khi nhiệt độ buồng x c tác tăng l n 320oC, độ chuyển hoá CO là 74,75 %, lượng SO2 mất đi tới 93,36 %, còn NOx giảm 66,36%. Khi tăng nhiệt độ buồng xúc tác lên 350oC, độ chuyển hoá CO là 64,72 %, SO2 đạt 93,89 % và NOx đạt 56,67%. Ở nhiệt độ 400OC, độ chuyển hoá CO là 58,21% trong khi SO2 là 92,84% và NOx là 51,52 %. Tại nhiệt độ 500oC, độ chuyển hoá CO chỉ là 23,83 %; SO2 là 91,26 % trong khi NOx chỉ là 48,48 %. Như vậy, độ chuyển hoá CO và NOx cao nhất ở 320oC, trong hi độ chuyển hoá SO2 khoảng 90% tại tất cả các vùng nhiệt độ đã hảo sát, tr nhiệt độ 250oC gần như modun chu ển hóa NOx không hoạt động. Lưu ý tới hàm lượng CO2 thu được sau hệ xúc tác- hấp phụ (d o động trong khoảng 4,40 - 4,52%), nhiệt độ 320oC được chọn là nhiệt độ hoạt động của buồng xúc tác -hấp phụ trong HM XLKT ở quy mô lớn hơn. Nhận xét: ộ chuyển hoá CO và NOx cao nhất ở 320oC, trong hi đó độ chuyển hoá SO2 cao nhất ở 100 - 120oC. Tuy vậy, ở các vùng nhiệt độ đã hảo sát, độ chuyển hoá SO2 đều cao trên 90%. Vì vậy, với những kết quả nghiên cứu n đầu đã cho phép chọn tổ hợp những môđun x c tác-hấp phụ phù hợp với điều
12 kiện hiện hành. Tr n cơ sở đó, nhiệt độ 320 oC đã được chọn là nhiệt độ buồng xúc tác/ hấp phụ cho hoạt động củ HM XLKT ở quy mô này. e. Hiệu quả hoạt động của hệ modun xử lý khí thải trong quy trình tách và làm sạch CO2 từ khí thải đốt than Bảng 3.13. Kết quả phân tích thành phần khí thải đốt than trước và sau xử lý Thành phần Tại nguồn đốt Sau bộ xúc tác Sau môđun Hiệu suất xử lý khí thải than và hấp phụ phun sƣơng (%) SO2 (mg/m3) 422 ± 18,34 28± 7,98 5,24 ± 1,06 >98,54 CO (mg/m3) 2086 ± 32,09 446,48 ± 8,44 446,48 ± 8,44 >79,04 NOx (mg/m3) 32,49 ± 0,97 6,2 ± 1,7 5,0 ± 0,53 >83,47 H2 (mg/m3) 143 ± 7 139 ± 1 139 ± 2 - CO2 (%) 4,35 ± 0,01 4,52 ± 0,01 4,50 ± 0,02 - Như vậ , quá trình đốt th n trong phòng thí nghiệm thải r nhiều hí thải như CO, SO2, NOx, CO2, và ụi muội. Lượng CO2 được làm sạch s u HM XLKT hoảng 4,50 ± 0,02% đủ để tiến hành các thí nghiệm cung cấp nguồn c c on cho Spirulina platensis sinh trưởng. f. Hiệu quả tách CO2 khi kết hợp với hệ xúc tác quang hóa A: Hệ modul xử lý hí thải sử dụng hệ x c tác tru ền thống; B: Hệ thống làm nguội hí đến nhiệt độ phòng; C: ng thạch nh; D: Thu hí s u xử lý Hình 3.22. ơ đồ xử lý khí thải của lò đốt than Bảng 3.14. Kết quả đo nồng độ các chất khí đầu vào /đầu ra sau khi xử lý Giai đoạn sau xử lý qua hệ Giai đoạn sau xử lý qua hệ Nồng độ xúc tác truyền thống xúc tác quang Chỉ tiêu đầu vào Hiệu suất Hiệu suất Nồng độ Nồng độ (%) (%) CO (mg/m3) 2086 ± 32,09 446,48 ± 18,44 79,04 38,16 ± 2,24 >98,18 SO2 (mg/m3) 422 ± 18,34 5,24 ± 1,06 >98,54 0 100 NOx (mg/m3) 32,49 ± 0,97 5,0 ± 0,53 >83,47 2 ± 0,03 93,02 H2 (mg/m3) 143 ± 7 139 ± 2 - 139 ± 2 - CO2 (%) 4,35 ± 0,01 4,50 ± 0,02 - 4,56 ± 0,01 - Sự kết nối modun truyền thống và x c tác qu ng hó đã giải quyết gần như triệt để các thành phần khí còn lại. iều này gợi mở khả năng th thế xúc tác quang cho cả hệ modun xúc tác. Tuy nhiên, việc mở rộng khả năng sử dụng xúc tác quang trong xử lý khí thải đốt than quy mô lớn cần thiết những nghiên cứu sâu hơn trong tương lai. 3.1.2.2. Nghiên cứu thử nghiệm hệ modul hấp phụ/xúc tác để làm sạch CO2 từ khí thải đốt than tại nhà máy gạch tuynel a. Thành phần khí thải đốt than tại Nhà máy gạch tuynel Đan Phƣợng, Hà Nội â là thành phần khí thải được trích t ống khói lò nung (1) của nhà máy. Số liệu cho thấy khí thải trích t ống khói nhà mày gạch tuynel chứ hàm lượng CO2 là 1,22 ± 0,01%; SO2 t 148,96 ± 34,58 mg/m3; NOx khoảng 19,92 ± 9,96 mg/m3, CO khoảng 770,24 ± 26,68 mg/m3. Ngoài ra trong thành phần khí thải
13 của nhà máy còn có một lượng nh VOCs, HCl, HF và CxHy, H2. Bảng 3.15. Thành phần khí thải trích từ ống khói lò nung nhà máy gạch tuynel, Đan Phượng, Hà Nội STT Chỉ tiêu Hàm lƣợng STT Chỉ tiêu Hàm lƣợng 1 CO2 (%) 1,22 ± 0,01 6 HCl (mg/m3) 2,17 ± 0,01 148,96 ± 2 SO2 (mg/m3) 7 HF (mg/m3) 2,32 ± 0,02 34,58 3 3 NOx (mg/m ) 30,08 ± 1,43 8 CxHy (mg/m3) 25 ± 0,04 3 770,24 ± 3 4 CO (mg/m ) 9 H2 (mg/m ) 246,00 ± 3,00 26,68 3 5 VOCs (mg/m ) 0,18 ± 0,01 b. Giới thiệu hệ thống làm sạch CO2 và xử lý khí thải đồng hành Với mục đích làm sạch CO2 phục vụ cho quá trình sản xuất Spirulina platensis SP8, sau khi khảo sát các thành phần khí thải trích t ống khói lò nung của nhà máy, hệ thống làm sạch CO2 và xử lý khí thải đồng hành tại lò nung Nhà máy gạch tu nel, n Phượng, Hà Nội đã được thiết kế theo Hình Hình 3.24. c. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ lên hiệu suất xử lý khí thải đồng hành của tháp xúc tác/hấp phụ Các số liệu được trình bày trên bảng 3.16 cho thấy nhiệt độ làm việc tốt nhất của buồng xúc tác – hấp phụ vẫn đảm bảo trong khoảng 300-350oC, ở 320oC cho hiệu quả xử lý tốt nhất. Tại nhiệt độ 250oC, hiệu suất xử lý NOx chỉ đạt 9,13%, trong khi hiệu suất xử lý CO và SO2 đạt 66,62 % và 95,85 %; kết quả nà tương tự với kết quả thu được trong điều kiện phòng thí nghiệm. iều này chứng t trong điều kiện thực tế, modun oxi hoá và modun hấp phụ đều hoạt động ở 250oC, trong khi modun xử lý NOx hầu như hông hoạt động. Khi nhiệt độ tăng l n, thì hiệu suất xử lý hí tăng và đạt tối ưu ở 320oC, độ chuyển hoá CO, SO2, NOx là 80,68 %; 100%; 67,21%, tương ứng. Như vậy, với các kết quả nhận được ở trên, trong nghiên cứu này, nhiệt độ 320oC được xác định là nhiệt độ tối ưu cho hoạt động của tháp xúc tác/hấp phụ cho các nghiên cứu tiếp theo. d. Nghiên cứu hiệu quả làm sạch CO2 và xử lý các khí đồng hành của hệ thống ở nhiệt độ tối ƣu 320oC Bảng 3.17. Hiệu quả làm sạch CO2 từ khí thải đốt than tại Nhà máy gạch tuynel Đan Phượng, Hà Nội thông qua Hệ modun xử lý khí thải STT Thành phần Co Ct-1 Ct-2 η (%) 1. VOCs (mg/m3) 0,19 ± 0,01 0,06 0,03 84,21 2. HCl (mg/m3) 2,17 ± 0,01 0,72 0,33 84,80 3. HF (mg/m3) 2,32 ± 0,02 0,37 0,28 87,90 4. CxHy (mg/m3) 25 ± 0,04 0 0 100 5. H2 (mg/m3) 246,00 ± 3,00 245,00 ± 2,00 245,00 ± 3,00 - 6. SO2 (mg/m3) 148,96 ±34,58 5,32 ± 2,66 0 100 7. CO (mg/m3) 770,24 ±26,68 145,1 ± 12,2 144,6 ± 12,5 82,23 8. NOx (mg/m3) 30,08 ± 2,36 9,98 ± 0,49 2,49 ± 0,72 90,01 9. CO2 (%) 1,22 ± 0,01 1,27 ± 0,01 1,24 ± 0,02 -
14 Ghi chú: Co: nồng độ ban đầu của các chất trước khi đi vào hệ modun xử lý khí thải; Ct-1: nồng độ của các chất sau khi đi qua modun xúc tác-hấp phụ; Ct-2: nồng độ của các chất sau khi đi qua modun phun sương; η: Hiệu suất xử lý khí Khí thải s u hi đi qu tháp hấp phụ/x c tác trong hí đầu ra bao gồm khí CO2 1,27 ± 0,01% vẫn còn lẫn một ít các khí NOx, SO2, VOCs, HCl, HF, CxHy. Do khí thải sau khi qua tháp hấp phụ/ xúc tác có nhiệt độ cao không tốt cho quá trình nuôi Spirulina platensis nên hỗn hợp khí này tiếp tục được dẫn qua tháp hấp thụ với mục đích là giảm nhiệt độ trước hi đư hí vào môi trường nuôi. Kết quả thu được cho thấy hỗn hợp khí thải s u hi đi qu tháp hấp thụ các khí SO2, NOx, VOCs, HCl, HF, CxHy gần như được làm sạch hoàn toàn với hiệu suất 100%; 90%; 84,21 %, 84,8 %, 87,8 %, 100 %, tương ứng. 3.1.3. Nhận xét Như vậy, luận án đã tổng hợp được các vật liệu xúc tác-hấp phụ: CaO- Na2CO3 và Fe2O3 - MnO2, La0.9K0.1CoO3 ,V2O5+WO3/TiO2 + Al2O3 + SiO2, V2O5/TiO2 và đã chế tạo thành công hệ modun xử lý khí thải XT-HP qui mô pilot trong quy trình tách và làm sạch CO2 t khí thải đốt th n (HM XLKT). Khí thải s u hi qu HM XLKT tru ền thống có khả năng xử lý CO đạt được khoảng 79,04 %, SO2 gần như hoàn toàn và NOx đạt 83,47% tại nhiệt độ 320oC. Lượng CO2 được làm sạch s u HM XLKT hoảng 4,35 ± 0,02%. Bên cạnh đó, s u hi kết hợp hệ HM XLKT với hệ quang xúc tác V2O5/TiO2 đã xử lý gần như hoàn toàn các khí thải đồng hành: chuyển hóa CO trên 98%, SO2 - 100% và NOx - trên 93,02% so với thành phần khí thải n đầu. Lượng CO2 thu được khá cao, tăng t 4,35 ± 0,01 lên trên 4,56± 0,01% và thích hợp hơn cho quá trình nuôi tảo. Như vậy, với kết quả nghiên cứu các loại vật liệu xúc tác/ hấp phụ như tr n có thể thiết kế được một HM XLKT làm sạch gần như hoàn toàn CO2 mà vẫn tiết kiệm được năng lượng. HM XLKT đốt than tại nhà máy gạch tu nel c ng đã chứng minh được hiệu quả thu hồi và làm sạch CO2 cho khả năng sinh trưởng c ng như chất lượng của Spirulina platensis. 3.2. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CO2 LÀM SẠCH TỪ KHÍ THẢI ĐỐT THAN ĐỂ NUÔI SPIRULINA PLATENSIS 3.2.1. Nghiên cứu sử dụng CO2 làm sạch từ khí thải đốt than để nuôi Spirulina platensis SP8 ở điều kiện phòng thí nghiệm quy mô 1L 3.2.1.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấp Theo các kết quả nghiên cứu trên cho thấy mật độ giống ban đầu 0,15 g/L môi trường được xem là phù hợp. (a) (b) Hình 3.25. Ảnh hưởng của tỷ lệ giống cấp đến khả năng sinh trưởng (a) và Khối lượng CO2 hấp thu được (b) của pirulina platensis P8 trong điều kiện sục khí CO2 5%
15 3.2.1.2. Nghiên cứu lựa chọn nồng độ CO2 phù hợp cho sinh trưởng của Spirulina platensis Kết quả thể hiện tr n hình 3.26 và cho thấ nồng độ CO2 có ảnh hưởng lớn đến hả năng sinh trưởng và hấp thu CO2 củ SP8. Khi nồng độ CO2 iến thi n t 1% đến 5%, sinh trưởng và lượng CO2 hấp thu được tăng dần, và hiệu quả hấp thụ CO2 trung ình đạt lớn nhất ở nồng độ CO2 5% là 135,71 mgCO2/L/ngày. S u đó hả năng sinh trưởng và hấp thu CO2 giảm dần trong điều kiện sục không khí. Ở nồng độ CO2 10% và 15% quá trình sinh trưởng thấp, d ng lại vài ngày sau thời gian nuôi (b) (a) cấy, chính vì vậy khả năng hấp Hình 3.26. Ảnh hưởng của các nồng độ thu CO2 trung bình của SP8 ở CO khác nhau đến khả năng sinh trưởng (a) 2 hai nồng độ này chỉ đạt 2,570 và Khối lượng CO2 hấp thu được (b) của và 0,406 mgCO2/L/ngày. Spirulina platensis SP8 a. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ NaHCO3 lên sinh trƣởng của SP8 Kết quả nghiên cứu trình bày cho thấ trong điều kiện sục khí bằng không khí sạch, với mật độ tế ào n đầu giống nhau là 0,23 ± 0,01, sau 10 ngày nuôi cấy mật độ tế bào theo OD445nm của SP8 ở các công thức CT1, CT2, CT3, CT4 đạt 1,13 ± 0,01; 0,96 ± 0,01; 0,87 ± 0,01; 0,79 ± 0,01, tương ứng. iều này cho thấy ở những ngà đầu nuôi cấ sinh trưởng của tảo S. platensis ở 4 công thức thí nghiệm không có nhiều sự khác biệt. Vấn đề lí thú ở đâ chính là sinh trưởng của S. platensis ở CT4 (có nồng độ NaHCO3 giảm đi 10 lần so với nồng độ NaHCO3 trong CT1 16,8 g/) gần như tương đương với sinh trưởng của Spirulina platensis ở CT1. Sau 20 ngày nuôi cấ , sinh trưởng của Spirulina platensis tỷ lệ thuận với nồng độ NaHCO3 trong môi trường. Gía trị OD445nm của S. platensis SP8 ở công thức CT3 sau 20 ngày nuôi là 1,59 ± 0,01. Sinh trưởng của S. platensis SP8 ở công thức CT4 d ng lại sau 10 ngày nuôi, sinh khối của VKL có hiện tượng bị vón cục và lắng xuống đá . Gí trị OD445nm của S.platensis SP8 ở công thức CT1, CT2 sau 20 ngày nuôi là 2,04 ± 0,01; 1,81 ± 0,01, tương ứng, c o hơn gấp 1,28 và 1,14 lần so với giá trị OD445nm của CT3. Như vậy, có thể thấy rằng khi nuôi trồng tảo S. platensis SP8 ở nồng độ NaHCO3 thấp (như 4 hoặc 1,36 g/L) cần nuôi trong thời gian ngắn rồi thu hoạch và bổ sung dinh dưỡng đặc biệt là nguồn cacbon cho tảo sinh trưởng. Ưu điểm của việc sử dụng môi trường nuôi có nồng độ NaHCO3 nêu trên v a tiết kiệm được chi phí sản xuất v tăng hiệu quả sử dụng CO2 sau này khi tiến hành sục khí CO2. b. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ NaHCO3 trong điều kiện sục
16 nguồn CO2 khác nhau lên sinh trƣởng của SP8 Nhìn chung, ở nghiên cứu ảnh hưởng của các nồng độ NaHCO3 trong điều kiện sục CO2 t các nguồn khác nhau l n sinh trưởng của Spirulina platensis SP8 cho thấy: 1. Ở tất cả các nghiệm thức (CT1 - CT2 - CT3 - CT4) sinh khối của VKL sau 10 ngày và 20 ngày có giá trị theo trật tự như s u: Sinh khối VKL CO2 4,56% đốt than > Sinh khối VKL CO2 5% >> Sinh khối VKL Sục không khí thường. 2. Ch nh lệch về sinh hối củ VKL giữ công thức sử dụng CO2 đốt th n và CO2 5% tinh hiết ít hơn nhiều so với sự chệnh lệch sinh hối củ 2 công thức tr n với sục hông hí. Hình 3.27. Ảnh hưởng của nồng độ NaHCO3 trong điều kiện sục nguồn CO2 khác nhau lên sinh trưởng của SP8 ( ) CT1: Môi trường Zarrouk có chứa 16,8 g/L NaHCO3; ( ) CT2: Môi trường Zarrouk có chứa 11 g/L NaHCO3; (c) CT3: Môi trường Zarrouk có chứa 4 g/L NaHCO3; (d) CT4: Môi trường Zarrouk có chứa 1,36 g/L NaHCO3 + 2 g/L Na2CO3. 3. Sinh trưởng củ VKL trong điều kiện sục CO2 đốt than luôn cao nhất trong cả 4 công thức thí nghiệm có thể lý giải do lượng NOx được bổ sung t khí thải đốt than. 4. S u 20 ngà nuôi, sinh trưởng của VKL ở các nghiệm thức CT2, CT3 và CT4 không lệch nhau nhiều, chứng t khi ứng dụng môi trường Zarrouk cải tiến là rất có cơ sở (Hình 3.27). c. Nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ NaHCO3 trong điều kiện sục nguồn CO2 khác nhau lên chất lƣợng sinh khối của SP8 Bảng 3.22. Hàm lượng sắc tố, lipit và protein tổng số của pirulina khi nuôi ở hệ thống kín có sục CO2 trong môi trường Zarrouk có nồng độ NaHCO3 khác nhau Nguồn khí CO2 Thông số CT1 CT2 CT3 CT4 (%) Phycocyanin CO2 không khí 47,42±0,47 54,09±0,03 45,37±0,05 47,56±0,07 (mg/g) CO2 tinh khiết 40,36±0,07 25,77±0,15 50,21±0,9 71,74±0,38 CO2 khí thải T 39,06±0,12 24,48±0,14 52,17±0,11 73,62±0,9 Chlorophyll a CO2 không khí 12,04±0,05 11,27±0,04 6,74±0,05 4,28±0,03 (mg/g) CO2 tinh khiết 8,92±0,03 7,71±0,06 10,81±0,05 11,86±0,03 CO2 khí thải T 8,76±0,03 6,67±0,03 11,95±0,01 12,61±0,02 Carotenoit CO2 không khí 4,56±0,02 3,94±0,02 3,63±0,04 2,08±0,03 (mg/g) CO2 tinh khiết 2,89±0,02 1,92±0,02 4,21±0,03 4,24±0,01 CO2 khí thải T 2,61±0,03 1,80±0,03 4,39±0,02 4,49±0,03 Lipit CO2 không khí 7,94±0,1 7,17±0,05 5,84±0,09 5,79±0,07 (% sinh khối khô) CO2 tinh khiết 8,65±0,04 8,02±0,04 7,98±0,03 7,98±0,04 CO2 khí thải T 8,82±0.03 8,35±0,06 8,60±0,02 8,62±0,03 CO2 không khí 47,82±0,11 46,93±0,05 44,82±0,08 43,94±0,04 Protein tổng số CO2 tinh khiết 50,02±0,06 50,95±0,05 52,02±0,06 53,95±0,05 (%) CO2 khí thải T 55,11±0,19 56,08±0,13 59,71±0,25 59,95±0,11 Kết luận:
17 1. Ở nghiệm thức CT1 và CT2, protein tổng số và lipit của hai công thức thí nghiệm (sục khí CO2 đốt than và khí CO2 tinh khiết) là tương đương nh u và luôn c o hơn công thức sục hông hí thường. Sắc tố của 2 công thức thí nghiệm nh hơn công thức sục hông hí thường. 2. Ở nghiệm thức CT3 và CT4, tất cả các chỉ số (sắc tố, lipit và protein tổng số) ở 2 công thức sục khí CO2 tinh khiết và khí CO2 đốt th n là tương đương nh u và luôn c o hơn công thức sục hông hí thường. 3. Việc chọn nghiệm thức CT4 cho các thí nghiệm tiếp theo là có cơ sở, do: Duy trì được năng suất và chất lượng sinh khối Spirulina platensis SP8; Giảm thiểu được tối đ hàm lượng NaHCO3; Tất cả các chỉ ti u là tương đương hi so sánh giữa CT4 (sục CO2 tinh khiết) và CT4 (sục CO2 đốt than). 3.2.1.4. Nghiên cứu thay đổi pH trong môi trường nuôi pirulina platensis sử dụng các nguồn CO2 khác nhau Việc điều chỉnh pH củ môi trường nuôi Spirulina ằng hí CO2 về vùng thích hợp rất có ý nghĩ trong việc chu ển hó các dạng các on vô cơ hò t n trong môi trường. Các số liệu thu Bảng 3.23. Diễn biến pH của môi trường nuôi pirulina được đã nói l n platensis ở các nghiệm thức với nguồn cấp CO2 khác nhau Thời ĐC1 ĐC2 những điều sau: gian pH - pH - pH- CT1 pH- pH- CT2 pH- 1. Cấp khí CO2 (ngày) Trƣớc Sau Trƣớc Sau Trƣớc Sau 0 7,92 10,44 10,44 10,18 10,44 10,17 hoặc NaHCO3 cho 1 8,08 10,46 10,20 9,96 10,19 9,93 môi trường nuôi 2 8,27 10,48 10,03 9,78 10,01 9,74 3 8,43 10,52 9,88 9,60 9,85 9,54 Spirulina platensis 4 8,59 10,57 9,75 9,42 9,69 9,31 là rất quan trọng. 5 8,73 10,63 9,63 9,24 9,55 9,03 6 8,86 10,72 9,58 9,13 9,46 8,79 2. Nguồn CO2 tinh 7 8,97 10,84 9,56 9,09 9,43 8,65 khiết và CO2 t khí 8 9,06 11,01 9,59 9,15 9,43 8,67 thải đốt than không 9 10 9,14 9,21 11,25 11,42 9,64 9,76 9,25 9,44 9,49 9,62 8,87 9,18 khác nhau trong 11 9,29 11,51 9,87 9,59 9,73 9,37 vai trò giữ ổn định 12 13 9,36 9,40 - - 9,97 10,04 9,71 9,79 9,89 9,94 9,59 9,66 pH (Bảng 3.23) và 14 9,43 - 10,01 9,76 9,90 9,60 cung cấp cacbon 15 9,45 - 9,97 9,71 9,84 9,53 16 9,48 - 9,91 9,64 9,77 9,43 cho Spirulina 17 9,50 - 9,84 9,55 9,68 9,29 platensis sinh 18 19 9,53 9,55 - - 9,76 9,65 9,43 9,26 9,57 9,42 9,07 8,60 trưởng (Hình 3.27) 20 9,56 - 9,50 8,97 9,18 8,38 Ghi chú: pH - Trước: pH trước khi sục CO2; pH - Sau: pH sau khi sục CO2. 3. Th môi trường Zarrouk cải tiến chứa 1,36 g/L NaHCO3 + 2 g/L Na2CO3 cho môi trường Z rrou n đầu chứa 16,8 g/L NaHCO3 là có cơ sở khoa học hi xét đến sự ổn định pH môi trường. 3.2.1.5. Nghiên cứu biến động CO32- và HCO3- trong môi trường nuôi Spirulina platensis SP8 Bảng 3.24. ự thay đổi hàm lượng CO32- và HCO3- trong môi trường nuôi Spirulina platensis SP8