Nghiên cứu khả năng hấp phụ của than bã cà phê đối với một số chất ô nhiễm trong môi trường nước

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

..

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực phản ánh đúng thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu và
chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào.

Học viên

Trịnh Thị Thu Hƣơng

i


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Viện Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo, các cán bộ nhân viên trong Viện
Khoa học và Công nghệ Môi trường – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã quan
tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập và nghiên cứu
tại trường.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS.Vũ Đức Thảo đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ tơi trong q trình nghiên cứu để hồn thành luận văn này.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cơ, các anh chị và các bạn phịng C5-10
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã giúp

đỡ tạo điều kiện để tôi hồn thành tốt bản luận văn này.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã ln giúp đỡ động viên
tơi trong suốt q trình học tập và làm luận văn.

Hà Nội, ngày 12 tháng 11 năm 2014
Học viên

Trịnh Thị Thu Hƣơng

ii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC VIẾT TẮT ..........................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... vi
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................ 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN .....................................................................................3
1.1.

Tổng quan về ngành cà phê Việt Nam .......................................................3

1.1.1. Tóm tắt q trình phát triển sản xuất cà phê ở Việt Nam ..............................3
1.1.2. Một số loại cà phê đang được trồng ở Việt Nam ........................................... 5
1.2.

Tình hình xuất khẩu và tiêu thụ cà phê của Việt Nam .............................6

1.2.1. Tình hình xuất khẩu cà phê Việt Nam ...........................................................6
1.2.2. Tình hình tiêu thụ cà phê ................................................................................8
1.3.

Quy trình sản xuất cà phê hòa tan ..............................................................9

1.4.

Giới thiệu về bã cà phê ...............................................................................12

1.4.1. Nguồn thải và tác động ................................................................................12
1.4.2. Một số ứng dụng của bã cà phê ....................................................................13
1.5.

Tổng quan về công nghệ nhiệt phân .........................................................14

1.5.1. Cơ sở lý thuyết quá trình nhiệt phân ............................................................14
1.5.2. Công nghệ nhiệt phân chất thải rắn ..............................................................16
1.5.3. Đặc điểm sản phẩm than của quá trình nhiệt phân ......................................17
1.6.

Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ ............................................................18

1.6.1. Động học quá trình hấp phụ .........................................................................18
1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình hấp phụ ...............................................20
1.7.

Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt ..............................................................21

1.7.1. Phương trình đẳng nhiệt Langmuir ..............................................................21
1.7.2. Phương trình đẳng nhiệt Freundlich ............................................................23
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM ............................................................................25
2.1.

Mục tiêu, đối tƣợng, nội dung nghiên cứu ...............................................25

2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu .....................................................................................25

iii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

2.1.2. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................................25
2.1.3.

Nội dung nghiên cứu ...................................................................................25

2.2.

Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm .................................................25

2.2.1. Hóa chất .......................................................................................................25
2.2.2. Phẩm nhuộm sử dụng trong thí nghiệm .......................................................26
2.2.3. Dụng cụ và thiết bị sử dụng trong thí nghiệm ..............................................27

2.3.

Phƣơng pháp tiến hành thực nghiệm .......................................................27

2.3.1. Nhiệt phân bã cà phê ....................................................................................28
2.3.2. Thí nghiệm gián đoạn theo mẻ .....................................................................30
2.3.3. Thí nghiệm liên tục trên cột .........................................................................34
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................36
3.1.

Kết quả quá trình khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ của than bã cà
phê thu đƣợc ở các khoảng thời gian và nhiệt độ khác nhau ................36

3.2.

Đánh giá sản phẩm than nhiệt phân ở 5000C trong 7 giờ (mẫu than S2) .....37

3.3.

Thí nghiệm gián đoạn theo mẻ ..................................................................38

3.3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của than ..........38
3.3.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ của
than .................................................................................................. 40
3.3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng .......................................................................42
3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến khả năng hấp phụ
của than ............................................................................................ 45
3.4.

Thí nghiệm liên tục trên cột ......................................................................50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................55
PHỤ LỤC .................................................................................................................57

iv


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

DANH MỤC VIẾT TẮT

CHDC

Cộng hịa dân chủ

HĐBT

Hội đồng bộ trưởng

NN & PTNT

Nơng nghiệp và phát triển nông thôn

FAS

Foreign Agriculture Service

USDA

United States Department of Agriculture- Hiệp hội nông nghiệp
Mỹ

WTO

Worl Trade Organization_ Tổ chức thương mại thế giới

TCT

Tổng công ty

XNK

Xuất nhập khẩu

ICO

International Coffee Organization _ Tổ chức cà phê quốc tế

VICOFA

Hiệp hội cà phê – ca cao Việt Nam

BOD

Biochemical oxygen demand _ Nhu cầu oxy sinh hóa

COD

Chemical oxygen demand _ Nhu cầu oxy hóa học

v


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1:

Sản lượng và diện tích trồng cà phê từ 2004 đến 2013 .............................. 4

Hình 1.2 :

Thị trường xuất khẩu cà phê Việt Nam đến tháng 11 năm 2011 ................ 7

Hình 1. 3:

Tổng sản lượng cà phê hịa tan của Việt Nam (tấn) ................................... 9

Hình 1.4:

Thị phần café hịa tan tại Việt Nam năm 2011 ........................................... 9

Hình 1.5:

Sơ đồ quy trình sản xuất cà phê hịa tan ................................................... 10

Hình 1.7.

Các vùng trên đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir ............................... 22

Hình 1.8.

Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Tgα = 1/qmax =>qmax = 1/Tgα ........ 23

Hình 1.9:.

Sự phụ thuộc của Cf/q và Cf OM = 1/b.qmax ......................................... 23

Hình 1.10: Đẳng nhiệt Freundlich .............................................................................. 24
Hình 2.1:

Quy trình nghiên cứu ................................................................................ 31

Hình 2.2:

Quy trình nghiên cứu khả năng hấp phụ của than bã cà phê trên hệ liên tục 35

Hình 3.1:

Ảnh chụp bề mặt mẫu than S2 (chụp SEM) ............................................. 37

Hình 3.2:

Khả năng hấp phụ chất màu của than bã cà phê ở các pH khác nhau ...... 39

Hình 3.3:

Khả năng hấp phụ COD của than bã cà phê ở các pH khác nhau ............ 40

Hình 3.4:

Khả năng hấp phụ chất màu của than bã cà phê theo thời gian ................ 41

Hình 3.5:

Khả năng hấp phụ COD của than bã cà phê theo thời gian ...................... 42

Hình 3.6:

Khả năng hấp phụ chất màu của than bã cà phê với các tỷ lệ khác nhau . 43

Hình 3.7:

Khả năng hấp phụ COD của than bã cà phê với các tỷ lệ khác nhau ....... 44

Hình 3.8:

Khả năng hấp phụ chất màu của than bã cà phê theo nồng độ ................. 45

Hình 3.9:

Khả năng hấp phụ COD của than bã cà phê theo nồng độ ....................... 46

Hình 3.10: Sự phụ thuộc của tải trọng hấp phụ q vào nồng độ cân bằng Cf .............. 47
Hình 3.11: Đường biểu diễn sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf ....................................... 48

Hình 3.12: Sự phụ thuộc của tải trọng hấp phụ q vào nồng độ cân bằng Cf ............... 49
Hình 3. 13: Sự phụ thuộc của Cf/q vào Cf .................................................................... 49
Hình 3.14: Khả năng hấp phụ màu trên hệ liên tục .................................................... 51
Hình 3.15: Khả năng hấp phụ COD trên hệ liên tục ................................................... 52

vi


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1.

Danh mục các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu ................................... 26

Bảng 2.2.

Danh mục các dụng cụ, thiết bị sử dụng trong nghiên cứu ...................... 27

Bảng 3.1:

Khả năng hấp phụ màu của than bã cà phê ở các khoảng thời gian và
nhiệt độ khác nhau .................................................................................... 36

Bảng 3.2:

Khả năng hấp phụ COD của than bã cà phê ở các khoảng thời gian và
nhiệt độ khác nhau .................................................................................... 36

Bảng 3.3:

Kết quả phân tích thành phần mẫu than S2 .............................................. 37

Bảng 3.4:

Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ độ màu và COD .................... 38

Bảng 3.5:

Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ màu và COD ................ 41

Bảng 3.6:

Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn/lỏng đến khả năng hấp phụ chất màu và COD
trong nước thải .......................................................................................... 43

Bảng 3.7:

Ảnh hưởng của nồng độ chất ô nhiễm đến khả năng hấp phụ chất màu
và COD của than bã cà phê ....................................................................... 45

Bảng 3.8:

Mối liên hệ giữa Co, Cf và q của quá trình hấp phụ chất màu ................. 47

Bảng 3.9:

Mối liên hệ giữa Co, Cf và q của quá trình hấp phụ COD ....................... 48

Bảng 3.10: Kết quả hấp phụ chất màu của than bã cà phê ở thí nghiệm hấp phụ liên
tục trên cột ................................................................................................ 50
Bảng 3.11: Kết quả hấp phụ COD trên hệ liên tục ...................................................... 52
Hình 3.16: Đường cong thể hiện khả năng hấp phụ chất màu của than bã cà phê trên
hệ liên tục .................................................................................................. 53

vii


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

ĐẶT VẤN ĐỀ
Môi trường là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến sự tồn tại và phát triển của mỗi
con người, mỗi quốc gia trên thế giới. Chính vì vậy mà vấn đề môi trường ngày
càng được các nước quan tâm chú trọng, bảo vệ môi trường và đảm bảo phát triển
bền vững là vấn đề có tính sống cịn của mỗi quốc gia trên toàn cầu.
Tái chế tận dụng chất thải khơng những đem lại các lợi ích kinh tế, xã hội mà
cịn có ý nghĩa quan trọng trong bảo vệ môi trường. Chiến lược bảo vệ môi trường
quốc gia của Việt Nam đến năm 2010 và định hướng đến năm 2020 đã xác định
mục tiêu “Hình thành và phát triển ngành công nghiệp tái chế chất thải”. Việc
nghiên cứu ra các vật liệu thân thiện với môi trường, giá thành thấp để xử lý môi
trường và ứng dụng vào các lĩnh vực khác trong đời sống đang là vấn đề được nhiều
tác giả trong nước và thế giới quan tâm nghiên cứu: “ Nghiên cứu khả năng tách
chiết dầu từ bã cà phê và sử dụng bã cà phê làm nguyên liệu trồng nấm linh chi”,
Chu Thị Bích Phượng và cộng sự, trường Đại học Kỹ thuật công nghệ thành phố Hồ
Chí Minh [4]; “Nghiên cứu ứng dụng tro trấu từ lị đốt gạch thủ cơng làm chất hấp
phụ metyl da cam”, Th.S Nguyễn Trung Thành và cộng sự trường Đại học An

Giang [10]; “Nghiên cứu xử lý COD và độ màu trong nước thải dệt nhuộm bằng đá
vôi và than hoạt tính”, Jaya Paul A/ I Arumai Dhas thuộc Malaysia [16]
Cà phê là thức uống phổ biến trên thế giới. Thu nhập bình quân của con người
tăng lên, nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng cùng với đó nhu cầu tiêu thụ và sử dụng
cà phê mỗi ngày của người dân cũng ngày một tăng cao. Song song với điều đó là
lượng bã cà phê thải ra cũng khá lớn nhưng phần lớn lượng bã cà phê này bị thải bỏ.
Theo một số nghiên cứu hàm lượng cacbon trong bã cà phê khá lớn, khoảng 53,8%
[15]. Với những lợi thế nêu trên đề tài: “ Nghiên cứu khả năng hấp phụ của than
bã cà phê đối với một số chất ô nhiễm trong môi trường nước” được thực hiện
nhằm mục đích khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu than chế tạo từ bã cà phê đối
với chất ô nhiễm trong môi trường nước.

Lớp 12B QLTNMT

1

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

Mục đích của đề tài
- Nhiệt phân thiếu khí bã cà phê tạo than bã cà phê
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ của than bã cà phê với 2 chỉ tiêu là độ màu và
COD
 Đối tƣợng nghiên cứu
-

Bã cà phê của cơng nghiệp sản xuất cà phê hịa tan tại Cơng ty Vinacafe Biên
Hịa

-

-

Than bã cà phê được nhiệt phân thiếu khí ở 500oC
Phẩm nhuộm nguyên chất loại trực tiếp Direct red 23 xuất xứ Trung Quốc

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Nghiên cứu loại vật liệu mới có khả năng xử lý mơi trường
- Tìm ra nguồn ngun liệu hấp phụ sẵn có, rẻ tiền và thân thiện với môi
trường

Lớp 12B QLTNMT

2

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về ngành cà phê Việt Nam
1.1.1. Tóm tắt q trình phát triển sản xuất cà phê ở Việt Nam
Cây cà phê được đưa vào Việt Nam vào cuối thế kỷ 19. Nó được trồng rộng rãi

trong các đồn điền vào đầu thế kỷ 20. Vào những năm 1960 – 1970 ở miền Bắc Việt
Nam, hàng loạt nơng trường quốc doanh được thành lập, trong đó có hàng chục
nông trường trồng cà phê và trồng cả 3 loại chè, vối, mít. Tình hình phát triển của
cà phê những năm này không mấy khả quan và đến đầu thập niên 70 người ta đã kết
luận không trồng được cà phê ở miền Bắc.
Cho đến năm 1975 cả nước mới có khoảng 13000 ha với sản lượng 6000 tấn [5].
Và cũng từ sau năm 1975 ngành cà phê Việt Nam mới đi vào thời kỳ phát triển
mạnh mẽ.
Năm 1980 một chương trình phát triển cà phê ở Việt nam do công ty cà phê
cacao thuộc Bộ nông nghiệp và Cơng nghiệp thực phẩm xây dựng được trình lên
Thường trực Hội đồng Bộ trưởng và được cho phép thực hiện. Tiếp đó là một loạt
các hiệp định hợp tác sản xuất cà phê được ký kết giữa chính phủ Việt nam và Liên
Xô (trồng mới 20.000 hecta cà phê), CHDC Đức (10.000 hecta), Bungary (5.000
hecta), Tiệp khắc (5.000 hecta) và Ba lan (5.000 hecta).
Năm 1982 Liên hiệp các xí nghiệp cà phê Việt nam được thành lập theo Nghị
định 174 HĐBT của Hội đồng Bộ trưởng với sự tham gia của 3 sư đồn qn đội và
một số cơng ty thuộc Bộ Nông nghiệp và các địa phương Đăklăk, Gia lai Kontum.
Chương trình phát triển cà phê được mở rộng trên các tỉnh Tây nguyên và Đông
Nam Bộ. Loại cà phê được chọn để mở rộng diện tích là cà phê Robusta, một giống
cà phê ưa điều kiện khí hậu nóng ẩm và nhất là ít bị tác hại của bệnh gỉ sắt.
Năm 1986 liên hiệp các xí nghiệp cà phê Việt nam được sự hỗ trợ của các Bộ
nông nghiệp, Kế hoạch, Tài chính, Ngoại thương,… đã tổ chức Hội nghị phát triển
cà phê trong các hộ gia đình nông dân ở các tỉnh Tây nguyên, duyên hải miền trung

Lớp 12B QLTNMT

3

Viện KH và CN Môi trường

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

và Đông Nam Bộ, gọi là Hội nghị cà phê nhân dân lần thứ nhất. Cùng với chính
sách mới và có sự kích thích mạnh mẽ của giá cà phê trên thị trường quốc tế đang
lên cao lúc đó, ngành cà phê Việt nam đã phát triển nhanh mạnh. [5]
Sau 20 năm (từ 1980 - 2000) tổng diện tích cây cà phê đã lên đến 516,7 nghìn
ha, chiếm 4,14% tổng diện tích cây trồng của Việt Nam, đứng thứ 3 chỉ sau lúa
(61,4%) và ngơ (5,7%). Đến năm 2011 diện tích trồng cây cà phê trên cả nước đạt
570,9 nghìn ha và đến năm 2012 diện tích trồng cà phê trên cả nước là khoảng 615
nghìn ha [2]. Theo số liệu ước tính của Sở NN&PTNT, Bộ NN&PTNT, diện tích
trồng cà phê nước ta năm 2013 vào khoảng 633295 ha, tăng 3% so với năm 2012
(năm 2012 là 616407 ha) và tăng 11% so với năm 2011 (571000 ha). [3]
Cùng với sự gia tăng diện tích đất trồng sản lượng cà phê hàng năm của Việt
Nam cũng ngày một tăng cao. Theo số liệu thống kê của FAS USDA những năm
gần đây sản lượng cà phê Việt Nam có sự tăng trưởng nhanh chóng. Năm 2004 sản
lượng cà phê đạt 836 nghìn tấn, đến năm 2011 đã tăng lên 1560 nghìn tấn, năm
2013 sản lượng cà phê cả nước đạt 1740 nghìn tấn tăng 9% so với năm 2012.

Nguồn: Tổng cục thống kê, Bộ NN&PTNT, Dự báo của FAS USDA
Hình 1.1: Sản lượng và diện tích trồng cà phê từ 2004 đến 2013
Từ sau năm 1975 cà phê Việt Nam phát triển theo hướng hàng hóa. Tuy nhiên từ

Lớp 12B QLTNMT

4

Viện KH và CN Môi trường

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

những năm 90 trở lại đây, sau gần 2 thập niên phát triển cà phê Việt Nam đã vươn
lên và trở thành nước xuất khẩu cà phê thứ 2 thế giới.
Cùng với việc ngày càng mở rộng diện tích năng suất, sản lượng cà phê cũng
ngày một nâng cao. Những năm gần đây năng suất cà phê Việt Nam cao hơn năng
suất cà phê thế giới khoản 2,5 lần.
1.1.2. Một số loại cà phê đang được trồng ở Việt Nam
Hiện nay ở Việt Nam có 3 loại cà phê là: Arabica, Robusta, Cheri
Arabica: thường được gọi với các tên cà phê chè. Đây là loại có giá trị cao nhất
trong các giống cà phê. Nhưng được trồng hạn chế vì dễ bị sâu bệnh, ưa thích độ
cao, khí hậu mát mẻ, mưa nhiều. Cà phê Arabica ưa sống ở vùng núi cao, người ta
thường trồng nó ở độ cao từ 1000 – 1500m. Cây có tán lớn, màu xanh đậm, lá hình
oval. Cây cà phê trưởng thành có thể cao từ 4- 6m nếu để mọc hoang dã có thể cao
đến 15m. Quả hình bầu dục, mỗi quả chứa 2 hạt cà phê. Cà phê Arabica ưa thích
nhiệt độ từ 16- 25 độ, lượng mưa khoảng trên 1000 mm.
Robusta: thường được gọi là cà phê vối. Loại cây trồng này rất thích hợp với
khí hậu, thổ nhưỡng tại vùng Tây Nguyên Việt Nam nhất là vùng đất bazan (Gia
Lai, Đắc Lắc), hàng năm đạt 90- 95 % tổng sản lượng cà phê Việt Nam. Cây cà phê
vối có dạng thân gỗ hoặc bụi, chiều cao của cây trưởng thành có thể lên tới 10 m,
quả cà phê có hình trịn, hạt nhỏ hơn cà phê arabica, ưa sống ở vùng nhiệt đới, độ
cao thích hợp để trồng là dưới 1000 m. nhiệt độ ưa thích của cây là khoảng 24 – 29
độ, lượng mưa khoảng trên 1000 mm.
Cheri hay còn gọi là cà phê mít gồm 2 giống chính là Liberica và Exelsa. Loại
này không được phổ biến lắm nhưng đây là loại có khả năng chống chịu sâu bệnh
rất tốt và năng suất rất cao. Được trồng ở những vùng đất khơ đầy gió và nắng của

vùng núi cao ngun. Cây cao khoảng 2-5m, thân, lá và quả đều to khác biệt hẳn
các loại cà phê khác.

Lớp 12B QLTNMT

5

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

1.2. Tình hình xuất khẩu và tiêu thụ cà phê của Việt Nam
1.2.1. Tình hình xuất khẩu cà phê Việt Nam
1.2.1.1. Giới thiệu về ngành xuất khẩu cà phê Việt Nam
Là một nước nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa và có lưu lượng mưa lớn
cho nên Việt Nam có điều kiện thuận lợi cho việc phát triển nông nghiệp. Thêm vào
đó, vùng Tây Ngun và Đơng Nam Bộ có khơng khí mát mẻ cộng với nền đất
bazan màu mỡ rất thích hợp cho việc phát triển cây cơng nghiệp trong đó cà phê là
một loại cây điển hình. Xuất khẩu nơng sản nói chung và xuất khẩu cà phê nói riêng
là một trong những ngành đem lại nguồn ngoại tệ lớn cho nền kinh tế trong nước.
Đây là một ngành kinh tế mũi nhọn của Việt Nam, giúp thúc đẩy phát triển nền kinh
tế, giải quyết vấn đề việc làm, giảm gánh nặng cho xã hội… Những năm gần đây
Việt Nam đã trở thành nước đứng thứ hai trên thế giới trong việc xuất khẩu cà phê
(chỉ sau Brazin).
Sau khi Việt Nam gia nhập WTO (World Trade Organization) tổ chức
thương mại thế giới năm 2007, nền kinh tế bước vào một giai đoạn phát triển mới.
Trong đó lĩnh vực xuất khẩu cà phê cũng chuyển sang một bước ngoặc lớn. Đến

năm 2011, kim ngạch xuất khẩu cà phê đạt hơn 2,7 tỷ USD, tăng hơn so với năm
2010 khoảng 45,4%. Xuất khẩu cà phê đem lại nguồn thu ngoại hối đứng thứ hai
cho quốc gia (trong lĩnh vực xuất khẩu nông nghiệp), chỉ đứng sau gạo. Sản phẩm
cà phê Việt Nam đã bán được trên nhiều quốc gia trên thế giới. Bên cạnh các thị
trường tiêu thụ lớn như châu Âu, châu Mỹ,… cà phê còn được xuất khẩu sang các
nước Nam Mỹ, Trung Đông...
1.2.1.2. Thị trường xuất khẩu
Ngành xuất khẩu cà phê nước ta có trên 140 doanh nghiệp xuất khẩu, với 4
doanh nghiệp hàng đầu là TCT Cà phê Việt Nam, Cà phê 2/9, XNK Intimex, và Tập
đồn Thái Hịa.
Hiện nay, cà phê Việt Nam đã có mặt tại hơn 75 quốc gia trên thế giới, thị
phần đạt 12% sản lượng thế giới (số liệu năm 2010, nguồn ICO). Những thị trường

Lớp 12B QLTNMT

6

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

nhập khẩu cà phê chủ yếu của Việt Nam là Hoa Kỳ, Đức, Bỉ, Italia, Tây Ban Nha,
Nhật Bản, Anh, Hàn Quốc, Hà Lan, Nga… 10 quốc gia trên chiếm tỷ trọng gần 60%
tổng giá trị xuất khẩu mặt hàng cà phê. Cà phê Việt Nam cũng là nguồn nguyên liệu
chủ yếu của nhiều hãng sản xuất cà phê lớn trên thế giới, đáng chú ý có tập đồn
Nestle’, Nestle’ là một trong những khách hàng lớn nhất, mỗi năm hãng này tiêu thụ
khoảng 20% - 25% trong tổng lượng cà phê xuất khẩu của Việt Nam. [8]

(Nguồn: Số liệu của Bộ NN&PTNT Việt Nam)
Hình 1.2 : Thị trường xuất khẩu cà phê Việt Nam đến tháng 11 năm 2011[8]
Nhìn chung trong những năm gần đây các Công ty xuất khẩu cà phê Việt
Nam đang tiếp tục phấn đấu mở rộng quy mô sản xuất, nâng cao chất lượng sản
phẩm, mở rộng thị trường xuất khẩu.
Ngoài ra, Việt Nam tiếp tục xuất khẩu cà phê bột, cà phê rang và cà phê hồ
tan. Ví dụ, nhãn hàng cà phê Trung Ngun G7 vừa chính thức tham gia vào thị
trường Hoa Kỳ và Hàn Quốc. VICOFA tin rằng Việt Nam nên tiếp tục đầu tư vào
các loại cà phê chất lượng cao để đáp ứng nhu cầu cho các thị trường mới nổi. Hiện
tại, những thị trường lớn nhập khẩu các loại cà phê nói trên của Việt Nam trong
mùa vụ 2010/11 bao gồm: Bỉ, Thái Lan và Đức với kim ngạch xuất khẩu lần lượt là
24 triệu USD, 20 triệu USD và 19 triệu USD. Trung Quốc và các nước thuộc khối

Lớp 12B QLTNMT

7

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

ASEAN cũng được coi là các thị trường tiềm năng đối với các loại cà phê bột, cà
phê rang và cà phê pha sẵn của Việt Nam.
1.2.2. Tình hình tiêu thụ cà phê
Mỹ, Brazil và Đức là 3 quốc gia tiêu thụ cà phê hàng đầu thế giới. Cả 3 nước
này tiêu thụ tổng cộng khoảng 37% sản lượng cà phê của thế giới. Tính riêng trong

năm 2010 tổng sản lượng tiêu thụ cà phê trên thế giới là 7 920 nghìn tấn, trong đó
1260 nghìn tấn được tiêu thụ tại Mỹ, 1140 nghìn tấn được tiêu thụ tại Brazil và 540
nghìn tấn tại Đức. Bình quân trong giai đoạn 2000 – 2010, nhu cầu tiêu thụ cà phê
thế giới tăng khoảng 2%/năm.
Tuy nhiên trong những năm gần đây bên cạnh xu hướng tăng trưởng chậm và
ổn định của các thị trường truyền thống thì các thị trường mới nổi như Trung Quốc,
Việt Nam, Indonesia và Philippines lại có được tốc độ tăng trưởng nhanh đáng kể.
Tại Việt Nam ngành cà phê hòa tan hứa hẹn nhiều triển vọng khi người tiêu
dùng ngày càng đánh giá cao sự tiện lợi của dòng sản phẩm này. Thị trường cà phê
Việt Nam hiện được phân chia thành 2 phân khúc rõ ràng: cà phê rang xay (cà phê
phin) chiếm khoảng 2/3 sản lượng cà phê được tiêu thụ tại Việt Nam và cà phê hòa
tan chiếm 1/3. Tăng với tốc độ 10,5%/năm trong giai đoạn 2008 – 2013 do thu nhập
bình quân đàu người tăng và sản phẩm ngày càng được giới trẻ ưa chuộng nhờ đặc
tính tiện lợi, phù hợp với nhịp sống đơ thị hóa.
Theo số liệu của Tổ chức cà phê Quốc tế (ICO) tiêu thụ cà phê của Việt Nam
tăng trưởng 31% trong năm 2010, đạt 95 triệu tấn trong đó cà phê hịa tan chiếm
38,5% tổng lượng tiêu thụ, cà phê rang xay chiếm khoảng 61,5%. [8]

Lớp 12B QLTNMT

8

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

Hình 1. 3: Tổng sản lượng cà phê hòa tan của Việt Nam (tấn)[8]

(Nguồn: Bộ NN và PTNT )
Tính cho đến thời điểm hiện nay, thị trường cà phê hòa tan của Vệt Nam gồm
3 gương mặt tiêu biểu đó là: Vinacafe (Cơng ty cổ phần Cà phê Biên Hịa –
Vinacafe); Nescafe (Nestle’ – Thụy Sĩ) và G7 ( Công ty Trung Ngun).

Hình 1.4: Thị phần café hịa tan tại Việt Nam năm 2011
(Nguồn: AC Nielsen_ Công ty nghiên cứu thị trường tồn cầu)
1.3. Quy trình sản xuất cà phê hịa tan
Các cơng đoạn sản xuất cà phê hịa tan từ cà phê nhân được mơ tả như hình 1.5:
Lớp 12B QLTNMT

9

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

Nguyên liệu
(cà phê nhân)

Rang

Nghiền

Trích Ly

Bã

Cơ đặc

Sấy phun

Phối trộn

Bao gói

Cà phê hịa tan
thành phẩm
Hình 1.5: Sơ đồ quy trình sản xuất cà phê hịa tan

Lớp 12B QLTNMT

10

Viện KH và CN Mơi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

Thuyết minh quy trình
 Nguyên liệu: Cà phê sau khi được loại bỏ hết các lớp vỏ bên ngồi cịn lại
nhân cà phê được đem đến nhà máy để tiến hành thực hiện các khâu sản xuất tiếp
theo tạo thành cà phê rang xay hay cà phê hòa tan.
 Rang: Trong quá trình rang cà phê dưới tác động của nhiệt độ dẫn đến các
biến đổi về vật lý, hóa học ở cà phê nhân, các phản ứng hóa học sẽ diễn ra tạo nên

hương vị và màu sắc đặc trưng của cà phê thành phẩm. Nhiệt độ của hạt cà phê
trong quá trình rang dao động từ 160 – 250 oC tùy thuộc vào công nghệ của từng
nhà máy.
 Nghiền: Quá trình nghiền cà phê rang có mục đích là giảm kích thước của
hạt cà phê, phá vỡ cấu trúc vốn có của hạt cà phê rang để tạo điều kiện thuận lợi cho
q trình trích ly. Ngồi ra, mục đích của q trình nghiền cịn nhằm tạo điều kiện
cho một số khí (đặc biệt là khí CO2) được sinh ra trong quá trình rang và bị giữ lại
bên trong hạt sẽ thốt ra ngồi, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình bao gói.
Để thuận lợi cho q trình trích ly tiếp theo, hạt cà phê sau khi nghiền không
được cịn q thơ hoặc q mịn.
 Trích ly: Đây là giai đoạn quan trọng nhất quyết định đến chất lượng,
hương vị và cả sản lượng của cà phê hòa tan.
Mục đích của q trình: khai thác các chất hịa tan trong bột cà phê.
Thực hiện: Cho dung môi tiếp xúc trực tiếp với cà phê trong thiết bị, các chất
hòa tan sẽ tan vào nước và được tách ra để đưa tiếp vào giai đoạn sau.
 Sấy phun: Quá trình sấy cô đặc nhằm tách nước để thu hồi sản phẩm dạng
bột. Tác nhân sấy là khơng khí sạch nóng, sản phẩm cà phê hịa tan thường có độ
ẩm từ 2 đến 5 %.
Quá trình sấy phun gồm 3 giai đoạn cơ bản:
- Giai đoạn phun sương: chuyển nguyên liệu cần sấy thành dạng sương mù
nhờ cấu trúc phun sương trong thiết bị sấy phun.

Lớp 12B QLTNMT

11

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

- Giai đoạn trộn mẫu (dạng sương) với khơng khí nóng để tách ẩm ra khỏi
nguyên liệu, thời gian tách ẩm diễn ra từ vài giây đến vài chục giây.
-

Giai đoạn thu hồi sản phẩm sau sấy từ dịng khơng khí thốt: Người ta có thể

thu hồi sản phẩm bằng hệ thống cyclone.
 Phối trộn: Mục đích q trình phối trộn nhằm bổ sung các nguyên liệu phụ
như đường, sữa bột, các loại bột kem … vào bột cà phê nhằm cải thiện giá trị cảm
quan của sản phẩm.
 Bao gói: Các điều kiện mơi trường có ảnh hưởng đến chất lượng cũng như
thời gian bảo quản sản phẩm. Nếu bao gói trong điều kiện bình thường thì oxy
khơng khí, hơi nước, vi sinh vật.. có thể đi vào sản phẩm làm thất thốt các cấu tử
hương ra mơi trường, giảm chất lượng mùi, vị của cà phê. Vì vậy quá trình đóng gói
thường có nạp khí Nitơ, CO2, … để bột cà phê khỏi bị oxy hóa, các chất dầu khơng
bị ơi, vi sinh vật khó xâm nhập.
Cà phê hịa tan có thể bảo quản 18 tháng nếu trong bao bì: độ ẩm thấp hơn
4 - 5%, oxy thấp hơn 4%.
Việt Nam hiện có 5 doanh nghiệp sản xuất cà phê hịa tan cơng suất khoảng
35.000 – 40.000 tấn, tương đương 100.000 tấn cà phê nhân (chiếm khoảng 5% sản
lượng cà phê nhân hàng năm). Theo một số nghiên cứu quá trình trích ly cà phê
nhân để sản xuất cà phê hòa tan chỉ tách được khoảng 1% thành phần trong cà phê
nhân, 99% còn lại đều nằm lại trong bã cà phê và bị thải bỏ ra ngoài cùng bã cà
phê. Như vậy, hàng năm ngành công nghiệp sản xuất cà phê hịa tan thải ra mơi
trường khoảng 99.000 tấn bã cà phê. Xuất phát từ tình hình trên nên bã cà phê
ngày càng được các nhà khoa học sử dụng làm vật liệu cho quá trình nghiên cứu,
tận thu chất thải.

1.4. Giới thiệu về bã cà phê
1.4.1. Nguồn thải và tác động
Việt Nam là nước nơng nghiệp có sản lượng cà phê xuất khẩu đứng thứ 2 trên
thế giới (sau Brazil). Theo số liệu của Bộ nông nghiệp Hoa Kì (USDA) lượng cà
phê hịa tan xuất khẩu của Việt Nam niên vụ 2011-2012 là 21.600 tấn. Nhu cầu tiêu

Lớp 12B QLTNMT

12

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

thụ cà phê hòa tan trong nước cũng ngày càng tăng, theo tổng cục thống kê năm
2011, tổng nhu cầu tiêu thụ cà phê trong nước là 60.000 tấn/năm, trong đó cà phê
hòa tan chiếm khoảng 19.000 tấn, cà phê rang xay có thương hiệu chiếm 35.000 tấn,
cịn lại là cà phê rang xay khơng có thương hiệu [4].
Từ các số liệu trên có thể nhận thấy lượng bã cà phê thải ra hàng năm của
nước ta là rất lớn. Hầu hết lượng bã này bị bỏ đi gây lãng phí một nguồn nguyên
liệu tiềm năng và ô nhiễm môi trường xung quanh.
Theo một số nghiên cứu trong thành phần của bã cà phê có hàm lượng đường
khá cao khoảng 14,4%. Trong quá trình lên men phần đường này sẽ bị phân hủy
thành rượu và khí cacbonic, sau đó rượu được biến thành acid axetic làm giảm pH
của nước. Ngoài ra hàm lượng protein trong bã cà phê cũng chiếm khoảng 10,1%,
hàm lượng pectin chiếm 52,62 - 55,14 %, cellulose 15,29 - 17,04 % [6]. Đây là
thành phần khó bị phân hủy vì vậy trong nước thải cà phê những thành phần này

thường được kết tủa thành một lớp đen hoặc xanh trên bề mặt làm mất cảnh quan
môi trường.`
Nước thải cà phê nếu khơng có biện pháp xử lý hợp lý, quản lý chặt chẽ thì
khơng chỉ ảnh hưởng tới mỹ quan môi trường trong vùng mà hệ sinh thái, sức khỏe
cộng đồng cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Một bài học được rút ra từ Costa Rica
vào những năm 80, hai phần ba tổng lượng BOD của các con sông là do nước thải
cà phê thải ra, biến thành những con sông chết.
1.4.2. Một số ứng dụng của bã cà phê
Cà phê là một trong những loại đồ uống được tiêu thụ rộng rãi nhất trên thế
giới. Đời sống xã hội tăng cao dẫn đến nhu cầu tiêu thụ cà phê cũng ngày càng cao.
Bã cà phê là phần chất thải rắn thu được từ quá trình xử lý cà phê thô ở nhiệt độ cao
để chuẩn bị cho quá trình tạo cà phê bột. Hàng năm ngành cơng nghiệp sản xuất cà
phê thải ra khoảng 6 tỷ tấn bã cà phê (Tokimoto, Kawasaki, Nakamura, Akutagawa
& Tanada, 2005). Với một số lượng lớn được thải ra hàng năm như thế nên bã cà
phê đã trở thành nguồn vật liệu thích hợp nghiên cứu. Trên thế giới đã có một vài

Lớp 12B QLTNMT

13

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

nghiên cứu về tác dụng của bã cà phê như sử dụng làm nhiên liệu nồi hơi do nó có
khả năng sinh nhiệt cao khoảng 5000kcal/kg (Silva, Nebra & Sanchez, 1998), hay
sử dụng làm nguồn nguyên liệu chống oxy hóa (Yen, Wang, Chang & Duh, 2005).

Kondamudi, Mohapatra and Misra (2008) đã giải thích rằng bã cà phê có thể sử
dụng cho sản xuất dầu sinh học và làm chất đốt. Bã cà phê cũng được xem là chất
hấp phụ rẻ và sẵn có để loại bỏ các ion dương trong việc xử lý nước thải dệt nhuộm
(Franca, Oliveira & Ferreira, 2009).
Ở Việt Nam, bã cà phê đang là một trong những nguồn nguyên liệu tiềm năng
cho những hướng nghiên cứu mới của các khoa học như: Nghiên cứu khả năng tách
chiết dầu từ bã cà phê [4], nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng Cr6+ và màu
của nước thải dệt nhuộm bằng bã cà phê [9]. Ngoài ra bã cà phê cịn có tác dụng
làm phân bón cho cây, khử mùi hôi giầy, tủ quần áo, làm đẹp da…
Trong giới hạn đề tài này bã cà phê được tận dụng làm nguyên liệu cho quá
trình nhiệt phân tạo than ứng dụng trong xử lý môi trường.
1.5. Tổng quan về công nghệ nhiệt phân
1.5.1. Cơ sở lý thuyết quá trình nhiệt phân
Quá trình nhiệt phân để thu hồi sản phẩm than được tiến hành ở nhiệt độ thấp
và kéo dài hàng giờ. Vật liệu khơng được tiếp xúc với khơng khí để tránh q trình
cháy xảy ra. Thơng thường thì than và chất vô cơ sẽ lưu lại trong pha rắn còn các
hợp chất hữu cơ bay hơi và nước sẽ được ngưng tụ trong pha hơi.
- Pha khí thải thu được từ quá trình nhiệt phân thường được ngưng tụ thành
pha lỏng để làm nhiên liệu sinh học và pha khí khơng ngưng tận dụng cho buồng
đốt tại nhiệt độ 500 – 6000C.
- Pha cacbon đưa ra ngoài ở nhiệt độ trung bình, cuối quá trình làm mát gián
tiếp, trạng thái khô
Phản ứng nhiệt phân chất thải rắn được mô tả tổng quát như sau:
Chất thải → các chất bay hơi (khí gas) + cặn rắn
Trong đó: Khí gas gồm: CxHx, H2, COx, NOx, SOx và hơi nước
Cặn rắn: cacbon cố định + tro
Lớp 12B QLTNMT

14

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

Khi nhiệt lượng Q từ thiết bị truyền đến các lớp vật liệu làm cho nội năng của
pha khí và các hạt vật liệu rắn tăng lên. Trong quá trình tăng nội năng các phân tử
nước trong cấu trúc của vật liệu bắt đầu đi từ trong ra ngoài bề mặt làm xảy ra q
trình thốt hơi ẩm tự do và hơi ẩm liên kết ra khỏi bề mặt hạt vật liệu rắn. Đồng thời
với các q trình thốt hơi ẩm các nguyên tử C, H, O,… tại các nút mạng tinh thể
trong cấu tạo của vật liệu sẽ trở nên linh động hơn, làm cho các liên kết cacbon và
cacbon, cacbon và hydro, cacbon và oxy hoặc các gốc tự do khác nếu có trở nên yếu
đi. Khi hạt chất rắn nhận một năng lượng đủ lớn, các liên kết trong phần tử hạt rắn
sẽ bị đứt gãy dẫn đến kết quả tạo thành các chất hữu cơ mà chủ yếu là các
hydrocacbon và aldehyt. Lượng và thành phần chất hữu cơ tạo thành phụ thuộc vào
nhiệt độ và thành phần cấu tạo bên trong của hạt vật liệu rắn. Các chất hữu cơ tạo
thành sẽ thoát ra khỏi hạt vật liệu rắn đi vào trong pha khí. Nghiên cứu của Goh và
cộng sự (1998) đã chỉ ra các chất hữu cơ bay hơi được giải phóng ở nhiệt độ khoảng
2600C hoặc theo nghiên cứu của Ryn và cộng sự (2001) là 3000C.
Khi các liên kết ban đầu của vật liệu bị đứt gãy, kích thước hạt vật liệu rắn sẽ
giảm dần đồng thời các liên kết mới cũng được tạo thành, tạo ra sản phẩm mới ở thể
rắn là than. Tốc độ tạo thành than cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần cấu
tạo của vật liệu rắn.
Lúc này, ôxy tự do từ trong pha khí bao quanh bên ngoài hạt rắn khuếch tán
đến bề mặt của hạt vật liệu rắn, sẽ tiếp xúc với các nguyên tử cacbon của phần tử
than và tạo ra phản ứng cháy (phản ứng ơxy hố khử), sinh ra năng lượng.Tốc độ
cháy của than được kiểm soát bởi sự khuếch tán của lớp phim khí hỗn hợp và tốc độ
phản ứng.

Tương ứng với các q trình xảy ra trong pha rắn, pha khí bao quanh một hạt
vật liệu rắn cũng xảy ra các quá trình tương ứng. Khi hạt vật liệu rắn giải phóng hơi
ẩm, phần tử hơi nước khuếch tán từ trong hạt vật liệu ra bên ngồi pha khí bao
quanh làm cho mật độ của phần tử hơi nước tăng lên tại một thời điểm tức thời.
Phần tử hơi ẩm ngay lập tức bị lơi cuốn bởi pha khí đi từ dưới lên làm giảm
mật độ hơi ẩm trong vùng thể tích hữu hạn bao quanh hạt rắn. Khi các chất hữu cơ
trong pha rắn được tạo thành và khuếch tán ra khỏi lớp bề mặt của hạt vật liệu rắn,
các phần tử chất hữu cơ sẽ tiếp xúc với ôxy và bắt cháy, sinh năng lượng.

Lớp 12B QLTNMT

15

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

Sản phẩm cháy và các chất hữu cơ bay hơi chưa cháy, ôxy và các phần tử khí
khác sẽ chuyển động sang những thể tích hữu hạn khác ở bên cạnh và bên trên.
Năng lượng sinh ra từ các phản ứng cháy sẽ trao đổi nhiệt trực tiếp với pha khí và
truyền nhiệt ngược đến pha rắn bằng bức xạ.
 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân
- Loại vật liệu nhiệt phân
- Nhiệt độ đủ cao để nhiệt phân và có dải nhiệt độ thích hợp
- Có thời gian lưu đủ dài.
1.5.2. Công nghệ nhiệt phân chất thải rắn
Năng lượng cần thiết cho việc khởi động ban đầu đều dựa vào nhiên liệu cung

cấp đầu vào. Quá trình nung nóng này được thực hiện đốt gián tiếp từ nhiên liệu
trong buồng đốt bên ngoài ống chứa vật liệu nhiệt phân. Nhiệt được cung cấp gián
tiếp qua thành thiết bị đến vật liệu.
- Giai đoạn 1: Năng lượng được truyền đến vật liệu qua thành thiết bị lò quay.
Vật liệu được đảo trộn và rải đều từ dưới lên qua thành thiết bị đến vật liệu quay
tròn bên trong. Nhiệt được truyền từ thiết bị đến vật liệu. Vật liệu tiếp xúc với thành
thiết bị được gia nhiệt, đảo trộn trong lò nhờ những cánh hướng dòng. Vật liệu được
làm nóng hồn tồn. Do đó, tính dẫn nhiệt của vật liệu sinh khối là là một yếu tố kỹ
thuật rất quan trọng cần tính đến trong thiết kế. Thơng thường khi tính tốn dựa trên
khả năng dẫn nhiệt thấp, tính dẫn nhiệt của vật liệu phụ thuộc vào các tác nhân vật
lý và tác nhân hóa học.
- Giai đoạn 2: Truyền nhiệt qua các lớp vật liệu.
Khi vượt quá nhiệt độ 270OC bắt đầu xảy ra quá trình phân hủy nhiệt (phản
ứng tỏa nhiệt) bên trong vật liệu.
Quá trình xảy ra phản ứng tỏa nhiệt diễn ra rất trậm, do đó q trình tạo sản
phẩm khí khơng thu được trong thời gian ngắn. Pha khí được hút ra cưỡng bức
bằng quạt hút.
Thiết kế kỹ thuật nhiệt của lò phản ứng có liên quan đến năng lực vận chuyển
trong là và nguyên liệu đầu vào. Vật liệu đầu vào thường là hỗn hợp của hữu cơ, vô

Lớp 12B QLTNMT

16

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

cơ. Các phản ứng nhiệt phân khơng chỉ xảy ra theo trình tự, nhưng đồng thời cũng
có hàng loạt các phản ứng khác xảy ra với các mức độ năng lượng khác nhau. Các
chất có mặt O2 trong cấu trúc khá ổn định ở nhiệt độ thấp dưới 200OC. Tuy nhiên,
khi nóng lên trên 300OC, sẽ tạo CO2, và trên 500OC sẽ tạo CO và H2.
1.5.3. Đặc điểm sản phẩm than của quá trình nhiệt phân
Sản phẩm than thu được từ quá trình nhiệt phân có tỷ lệ khác nhau ở mỗi điều
kiện nhiệt độ, từ 42% - 49,12% ở 4000C giảm xuống còn 14% - 29,14% ở 7000C.
Như vậy, khi tăng nhiệt độ của quá trình thì tỷ lệ than thu được giảm, lượng sản
phẩm khí thu được tăng.
Thơng số nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến quá trình cũng như ảnh hưởng của thời
gian than hóa và mối quan hệ tương hỗ giữa 2 yếu tố.
Phần cacbon còn lại trong than, phần trăm H và O bị loại ra khi vật liệu được
xác định là một thơng số của q trình. Đây là mục tiêu của q trình than hóa: tạo
ra tối đa lượng cacbon còn lại trong pha rắn trong khi loại bỏ tối đa lượng H, O ra
khỏi vật liệu. Các thơng số C, H, O có thể được xác định như là chức năng tối ưu
của quá trình than hóa. [13]
Q trình nhiệt phân sẽ dẫn đến thay đổi về thành phần hóa học vì vậy đặc
điểm và tính chất của sản phẩm than thu được phụ thuộc rất nhiều vào loại vật liệu
được tiến hành nhiệt phân. Việc giải phóng pha hơi dẫn đến tăng tỉ lệ của chất vơ cơ
có trong mẫu than. Tất cả các mẫu sinh khối được làm giàu thành dạng nhiên liệu
trong quá trình nhiệt phân do tăng tỉ lệ %C và giảm tỉ lệ %O. Các mẫu than thu
được có hàm lượng C cao (76-95%), bỏ qua hàm lượng S, hàm lượng N dưới 1%
[14]. Theo dự báo, các mẫu than thu được có giá trị nhiệt lượng cao hơn so với mẫu
nguyên liệu ban đầu do tỉ lệ %C cao hơn. Sự khác nhau giữa các giá trị nhiệt lượng
đối với các loại than trên là khá lớn. Các giá trị nhiệt lượng dao động trong khoảng
25 MJ/kg - 30 MJ/kg.
Quá trình bốc hơi tạo ra cấu trúc lỗ rỗng xốp trên bề mặt vật liệu và bên trong
vật liệu, đối với nhiệt độ nhiệt phân khác nhau, thời gian nhiệt phân khác nhau sẽ

Lớp 12B QLTNMT

17

Viện KH và CN Môi trường


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trịnh Thị Thu Hương

dẫn đến mẫu than thu được các lỗ rỗng khác nhau, chủ yếu là loại macro, mesopore
và loại micropore lớn. Diện tích bề mặt của than (BET) dao động trong khoảng rất
lớn từ vài m2/gam đến vài trăm m2/gam. Tuy nhiên diện tích bề mặt của than nhiệt
phân nhỏ hơn rất nhiều so với than hoạt tính.
Sản phẩm than thu được sau q trình nhiệt phân có thể sử dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực khác nhau: công nghiệp, nông nghiệp, môi trường… Trong giới hạn
đề tài này sản phẩm than thu được sau quá trình nhiệt phân sẽ được sử dụng làm vật
liệu để nghiên cứu quá trình hấp phụ các chất ô nhiễm trong môi trường nước.
1.6. Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ
1.6.1. Động học quá trình hấp phụ
Đối với hệ hấp phụ lỏng - rắn, động học hấp phụ xảy ra theo một loạt giai
đoạn kế tiếp nhau:
- Chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai đoạn
khuếch tán trong dung dịch.
- Phần tử chất bị hấp phụ chuyển động tới bề mặt ngoài của chất hấp phụ
chứa các hệ mao quản. Đây là giai đọan khuếch tán màng.
- Chất bị hấp phụ khuếch tán vào bên trong hệ mao quản của chất hấp phụ.
Đây là giai đoạn khuếch tán trong mao quản.
- Các phần tử chất bị hấp phụ được gắn vào bề mặt chất hấp phụ. Đây là giai

đoạn hấp phụ thực sự.
Trong tất cả các giai đoạn đó, giai đoạn có tốc độ chậm sẽ quyết định hay
khống chế chủ yếu quá trình động học hấp phụ. Với hệ hấp phụ trong mơi trường
nước, q trình khuếch tán thường chậm và đóng vai trị quyết định. Tải trọng hấp
phụ sẽ thay đổi theo thời gian tới khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng. [7]
Gọi tốc độ hấp phụ là biến thiên độ hấp phụ theo thời gian, ta có:

r

Lớp 12B QLTNMT

dx
dt

(1)

18

Viện KH và CN Mơi trường