Một trang trại chăn nuôi cần cung cấp lượng nhiệt có ích là 1.000.000 kJ/ngày để sưởi ấm cho đàn vật nuôi trong mùa đông. Trang trại đang cân nhắc giữa 2 phương án dùng nhiên liệu:
– Phương án 1 (dùng than đá): Than đá chứa 84% carbon (C) theo khối lượng (phần còn lại là tạp chất trơ không cháy). Khi đốt cháy hoàn toàn 1 mol C tỏa ra 393,5 kJ. Do lò đốt thủ công nên hiệu suất truyền nhiệt chỉ đạt 40%.
– Phương án 2 (dùng hầm biogas): Biogas giả thiết chứa 60% CH4 về thể tích (còn lại là CO2 không cháy). Đốt cháy hoàn toàn 1 mol CH4 tỏa ra 890 kJ. Hệ thống đầu đốt biogas hiện đại đạt hiệu suất truyền nhiệt 75%.
a) Tính khối lượng than đá (kg) trang trại cần đốt trong một ngày.
b) Tính thể tích khí biogas (m³ ở điều kiện chuẩn) cần dùng trong một ngày.
c) Tính thể tích phát thải khí nhà kính CO2 (m³ ở điều kiện chuẩn) ra môi trường mỗi ngày của từng phương án. Cho nhận xét về mặt môi trường.
(a) nC phản ứng = 1000000/(393,5.40%) = 6353,24 mol
—> m than = 12.6353,24/84% = 90760,6 gam ≈ 90,76 kg
(b) nCH4 phản ứng = 1000000/(890.75%) = 1498,13 mol
—> V biogas = 1498,13.24,79/60% = 61897,63 L ≈ 61,90 m³
(c) Phương án 1:
C + O2 —> CO2
nCO2 = nC phản ứng = 6353,24 mol —> V CO2 = 157496,82 L ≈ 157,50 m³
Phương án 2:
V CO2 sẵn có từ đầu trong biogas (chiếm 40% thể tích khí biogas) = 61,90.40% = 24,76 m³
CH4 + 2O2 —> CO2 + 2H2O
—> V CO2 từ phản ứng cháy = 1498,13.24,79 = 36915,53 L ≈ 36,92 m³
Tổng V CO2 phát thải = 24,76 + 36,92 = 61,68 m³
Phương án 2 tốt cho môi trường hơn vì:
+ Phát thải ít CO2 hơn phương án 1.
+ Than đá (chứa S) và hiệu suất đốt thấp khiến phát thải rất nhiều khí độc khác như SO2, CO…
+ Khí CH4 gây hiệu ứng nhà kính cực mạnh, việc sử dụng CH4 làm nhiên liệu sẽ ngăn khí này tự thoát ra môi trường.