TIÊU CHUẨN QUỐC GIA TCVN 9493-2:2012 (ISO 14855-2:2007) VỀ XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG PHÂN HỦY SINH HỌC HIẾU KHÍ HOÀN TOÀN CỦA VẬT LIỆU CHẤT DẺO TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA QUÁ TRÌNH TẠO COMPOST ĐƯỢC KIỂM SOÁT – PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CACBON DIOXIT SINH RA – PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO TRỌNG LƯỢNG CỦA CACBON DIOXIT SINH RA TRONG PHÉP THỬ QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 9493-2 : 2012

ISO 14855-2:2005

XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG PHÂN HỦY SINH HỌC HIẾU KHÍ HOÀN TOÀN CỦA VẬT LIỆU CHẤT DẺO TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA QUÁ TRÌNH TẠO COMPOST ĐƯỢC KIỂM SOÁT – PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CACBON DIOXIT SINH RA – PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO TRỌNG LƯỢNG CỦA CACBON DIOXIT SINH RA TRONG PHÉP THỬ QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

Determination of the ultimate aerobic biodegradability of plastic materials under controlled composting conditions – Method by analysis of evolved carbon dioxide – Part 2: Gravimetric measurement of carbon dioxide evolved in a laboratory – scale test

Lời nói đầu

TCVN 9493-2:2012 hoàn toàn tương đương với ISO 14855-2:2007 và Đính chính kỹ thuật 1:2009.

TCVN 9493-2:2012 do Tiểu Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC61/SC11 Sản phẩm bằng chất dẻo biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Bộ TCVN 9493 (ISO 14855), Xác định khả năng phân hủy sinh học hiếu khí hoàn toàn của vật liệu chất dẻo trong các điều kiện của quá trình tạo compost được kiểm soát – Phương pháp phân tích cacbon dioxit sinh ra, gồm các phần sau:

– TCVN 9493-1:2012 (ISO 14855-1:2005), Phần 1: Phương pháp chung;

– TCVN 9493-2:2012 (ISO 14855-2:2007), Phần 2: Phương pháp đo trọng lượng của cacbon dioxit sinh ra trong phép thử quy mô phòng thí nghiệm.

Lời giới thiệu

Quản lý chất thải dẻo đang là vấn đề mang tính thời sự toàn cầu. Các công nghệ thu hồi chất dẻo bao gồm việc thu hồi vật liệu (tái chế cơ học, tái chế hóa học hoặc nguyên liệu và tái chế sinh học hoặc hữu cơ); thu hồi năng lượng (nhiệt, hơi hoặc điện, là nguồn thay thế nhiên liệu hóa thạch hoặc các nguồn nhiên liệu khác). Việc sử dụng chất dẻo có khả năng phân hủy sinh học là một cách thu hồi có giá trị (tái chế sinh học hoặc hữu cơ).

Một vài tiêu chuẩn dùng để xác định khả năng phân hủy sinh học hiếu khí/kỵ khí hoàn toàn của vật liệu chất dẻo đã được công bố. Tiêu chuẩn này là phương pháp thử chung để xác định lượng cacbon dioxit sinh ra bằng phương pháp phân tích hồng ngoại liên tục, sắc ký khí hoặc chuẩn độ. So sánh với TCVN 9493-1 (ISO 14855-1), lượng vật liệu cấy compost và mẫu thử sử dụng trong tiêu chuẩn này chỉ bằng một phần mười. Để đảm bảo hoạt tính của vật liệu cấy compost, phải trộn thêm vật liệu trơ vào vật liệu cấy để tạo ra hỗn hợp tương tự như đất. Lượng cacbon dioxit sinh ra từ bình thử được xác định bằng cách cho hấp thụ trong một bẫy cacbon dioxit và tiến hành phân tích trọng lượng của chất hấp thụ. Phương pháp sử dụng hệ thống kín để thu khí cacbon dioxit thoát ra như mô tả trong tiêu chuẩn này có thể được dùng để thu được các thông tin quý báu bằng kỹ thuật nguyên tử đánh dấu, theo dõi lộ trình cấu trúc phân tử của co-polyme phân hủy.

 

XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG PHÂN HỦY SINH HỌC HIẾU KHÍ HOÀN TOÀN CỦA VẬT LIỆU CHẤT DẺO TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA QUÁ TRÌNH TẠO COMPOST ĐƯỢC KIỂM SOÁT – PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CACBON DIOXIT SINH RA – PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP ĐO TRỌNG LƯỢNG CỦA CACBON DIOXIT SINH RA TRONG PHÉP THỬ QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM

Determination of the ultimate aerobic biodegradability of plastic materials under controlled composting conditions – Method by analysis of evolved carbon dioxide – Part 2: Gravimetric measurement of carbon dioxide evolved in a laboratory – scale test

CẢNH BÁO Trong rác thải, bùn hoạt tính, đất và compost có thể tồn tại các sinh vật gây bệnh, do đó cần có biện pháp đề phòng thích hợp khi xử lý các chất này. Nên cẩn thận với các chất thử độc hại và các chất chưa biết tính chất.

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định khả năng phân hủy sinh học hiếu khí hoàn toàn của chất dẻo trong các điều kiện của quá trình tạo compost được kiểm soát bằng cách đo trọng lượng cacbon dioxit sinh ra. Phương pháp thử này được dùng để đưa ra tốc độ phân hủy sinh học tối ưu bằng cách điều chỉnh độ ẩm, quá trình thoáng khí và nhiệt độ của các bình compost.

Phương pháp này áp dụng cho các loại vật liệu sau:

– Polyme tổng hợp và/hoặc tự nhiên, polyme đồng trùng hợp hoặc hỗn hợp của chúng;

– Vật liệu chất dẻo có các phụ gia như chất hóa dẻo hoặc chất màu;

– Polyme tan được trong nước;

– Vật liệu mà trong các điều kiện của phép thử không ức chế hoạt động của vi sinh vật có trong vật liệu cấy.

Nếu vật liệu thử ức chế vi sinh vật trong vật liệu cấy thì sử dụng loại compost đã ngấu khác hoặc sử dụng compost đã được ủ trước.

2. Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN 5987:1995 (ISO 5663:1984), Chất lượng nước – Xác định nitơ Ken-đan (Kjeldahl) – Phương pháp sau khi vô cơ hóa với selen.

TCVN 6634:2000 (ISO 8245:1999), Chất lượng nước – Hướng dẫn xác định cacbon hữu cơ tổng số (TOC) và cacbon hữu cơ hòa tan (DOC).

TCVN 9493-1:2012 (ISO 14855-1:2005), Xác định khả năng phân hủy sinh học hiếu khí hoàn toàn của vật liệu chất dẻo trong các điều kiện của quá trình tạo compost được kiểm soát – Phương pháp phân tích lượng cacbon dioxit sinh ra – Phần 1: Phương pháp chung.

ISO 11721-1, Textiles – Determination of resistance of cellolose-containing textiles to micro-organisms – Soil burial test – Part 1: Assessment of rot-retardant finishing (Vật liệu dệt – Xác định độ bền của vật liệu có chứa xenlolu với vi sinh vật – Phép thử chôn trong đất – Phần 1: Đánh giá kết thúc quá trình ức chế mục nát).

3. Thuật ngữ và định nghĩa

Trong tiêu chuẩn này, áp dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau đây

3.1. Compost (compost)

Đất hữu cơ thu được bởi quá trình phân hủy sinh học một hỗn hợp gồm chủ yếu rác thực vật, đôi khi có vật liệu hữu cơ khác và hàm lượng khoáng giới hạn.

3.2. Quá trình tạo compost (composting)

Quá trình hiếu khí để tạo thành compost.

3.3. Chất rắn khô tổng số (total dry solids)

Lượng chất rắn thu được sau khi sấy khô một lượng biết trước của vật liệu thử hoặc compost ở nhiệt độ khoảng 105^oC đến khối lượng không đổi.

3.4. Chất rắn bay hơi (volatile solids)

Lượng chất rắn thu được sau khi lấy lượng chất rắn khô tổng số trừ đi phần cặn sau khi nung ở nhiệt độ khoảng 550^oC của một lượng biết trước vật liệu thử hoặc compost.

CHÚ THÍCH       Hàm lượng chất rắn bay hơi là chỉ số thể hiện lượng chất hữu cơ có trong vật liệu.

3.5. Phân hủy sinh học hiếu khí hoàn toàn (ultimate aerobic biodegradation)

Phân hủy một hợp chất hữu cơ bởi các vi sinh vật khi có mặt oxy, tạo thành cacbon dioxit, nước và muối khoáng của các nguyên tố bất kỳ có mặt (quá trình khoáng hóa) cộng với sinh khối mới.

3.6. Lượng cacbon dioxit sinh ra theo lý thuyết (theoretical amount of evolved carbon dioxide)

ThCO₂

Lượng cacbon dioxit tối đa sinh ra theo lý thuyết sau khi oxy hóa hoàn toàn một hợp chất hóa học, tính từ công thức phân tử, biểu thị bằng miligam cacbon dioxit sinh ra trên miligam hoặc gam hợp chất thử.

3.7. Giai đoạn thích ứng (lag phase)

Thời gian, tính bằng ngày, từ khi bắt đầu phép thử cho đến khi đạt được sự thích nghi và/hoặc sự chọn lọc vi sinh vật phân hủy và khi đó mức độ phân hủy sinh học của một hợp chất hóa học hoặc chất hữu cơ tăng lên khoảng 10 % so với mức phân hủy sinh học tối đa.

3.8. Mức độ phân hủy sinh học tối đa (maximum level of biodegradation)

Mức độ phân hủy sinh học, tính bằng phần trăm, của một hợp chất hóa học hoặc chất hữu cơ trong phép thử mà sau đó không có sự phân hủy sinh học nào tiếp tục diễn ra nữa.

3.9. Giai đoạn phân hủy sinh học (biodegradation phase)

Thời gian, tính bằng ngày, từ khi kết thúc giai đoạn thích ứng của phép thử cho đến khi đạt được khoảng 90 % mức phân hủy sinh học tối đa.

3.10. Giai đoạn ổn định (plateau phase)

Thời gian, tính bằng ngày, từ khi kết thúc giai đoạn phân hủy sinh học cho đến khi kết thúc phép thử.

3.11. Ủ sơ bộ (pre-exposure)

Quá trình ủ trước vật liệu cấy với hợp chất hóa học hoặc chất hữu cơ cần thử để tăng khả năng phân hủy sinh học vật liệu thử của vật liệu cấy thông qua sự thích nghi và/hoặc chọn lọc vi sinh vật.

3.12. Điều hòa sơ bộ (pre-conditioning)

Quá trình ủ trước vật liệu cấy trong các điều kiện của phép thử tiếp theo nhưng không có mặt của hợp chất hóa học hoặc chất hữu cơ cần thử để nâng cao tính năng của phép thử thông qua sự thích nghi của vi sinh vật với các điều kiện của phép thử.

3.13. Khả năng giữ nước (water-holding capacity)

WHC

Khối lượng nước bay hơi từ đất đã bão hòa nước khi đất được sấy khô đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ 105 ^oC chia cho khối lượng đất khô.

4. Nguyên tắc

Phương pháp này xác định tốc độ phân hủy sinh học tối ưu của vật liệu chất dẻo trong compost đã ngấu bằng cách kiểm soát độ ẩm, tỷ lệ thoáng khí và nhiệt độ trong bình compost. Phép thử cũng xác định khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn của vật liệu thử bằng cách sử dụng thiết bị phản ứng dạng nhỏ. Tốc độ phân hủy của vật liệu được đo định kỳ bằng cách cân trên cân điện tử khối lượng của cacbon dioxit sinh ra được hấp thụ trong cột hấp thụ nhồi đầy natri cacbonat và bột talc có chứa natri hydroxit.

Vật liệu thử được trộn với vật liệu cấy lấy từ compost đã ngấu và vật liệu trơ, như cát biển. Cát biển đóng vai trò hiệu quả, là chất giữ độ ẩm và vi sinh vật. Ví dụ về hệ thống thử nghiệm được nêu tại Phụ lục A và B. Lượng cacbon dioxit sinh ra được đo định kỳ trên cân điện tử và hàm lượng cacbon dioxit được xác định theo phương pháp sau. Đạo hàm của phương trình sử dụng để tính toán mức độ phân hủy sinh học từ lượng cacbon dioxit sinh ra được nêu tại Phụ lục C. Trong phương pháp này, mức độ phân hủy sinh học được biểu thị bằng phần trăm, được tính toán bằng cách so sánh với lượng cacbon dioxit sinh ra theo lý thuyết (ThCO₂).

Phép thử kết thúc khi đạt được pha ổn định của quá trình phân hủy sinh học. Thời gian chuẩn để xác định sự kết thúc là 45 ngày, tuy nhiên phép thử có thể tiếp tục đến tối đa 6 tháng.

5. Thuốc thử

Chỉ sử dụng thuốc thử loại phân tích và nước khử ion.

5.1. Natri cacbonat, cỡ hạt từ 2 mm đến 4 mm, dùng để hấp thụ CO₂.

5.2. Canxi clorua khan, cỡ hạt từ 2 mm đến 3 mm, dùng để hấp thụ nước.

5.3. Bột tal có chứa natri hydroxit (thường gọi là soda talc), cỡ hạt từ 2 mm đến 3 mm, dùng để hấp thụ CO₂.

5.4. Silica gel (có chất chỉ thị độ ẩm), cỡ hạt từ 2 mm đến 4 mm dùng để hấp thụ nước.

5.5. Cát biển, cỡ lọt qua sàng từ 20 mesh đến 35 mesh.

5.6. Vật liệu đối chứng: Sử dụng cellulose vi tinh thể loại sắc ký lớp mỏng (TLC) có cỡ hạt nhỏ hơn 20 mm là vật liệu đối chứng dương.

6. Thiết bị, dụng cụ

Tất cả các dụng cụ thủy tinh phải được làm sạch và đặc biệt không có chất hữu cơ và chất độc hại.

6.1. Hệ thống cấp khí

Có khả năng cung cấp không khí bão hòa nước, không chứa cacbon dioxit vào từng bình compost. Khí này có thể được chuẩn bị bằng cách đưa không khí nén qua bẫy cacbon dioxit và thiết bị tạo ẩm (xem ví dụ trong Phụ lục A và B), là các cột nhồi đầy natri cacbonat và nước. Tốc độ dòng khí phải được kiểm soát bằng một thiết bị đo lưu lượng dòng sao cho tốc độ này cao vừa đủ để tạo được điều kiện hiếu khí.

6.2. Bình compost

Sử dụng chai hoặc các cột để có thể cung cấp được không khí bão hòa hơi nước và không có cacbon dioxit vào hỗn hợp chứa bên trong. Thể tích thích hợp là 500 ml. Trong trường hợp xác định sự tổn hao khối lượng của vật liệu thử thì cân từng bình rỗng trước khi bắt đầu phép thử.

6.3. Hệ thống xác định cacbon dioxit

Hệ thống có thể xác định được cacbon dioxit trực tiếp từ sự thay đổi khối lượng của bẫy cacbon dioxt. Bẫy cacbon dioxit bao gồm các cột chứa natri cacbonat, bột talc có chứa natri hydroxit và canxi clorua khan. Canxi clorua nên để trong cột riêng (xem ví dụ trong Phụ lục A và B). Giữa bình compost và cột hấp thụ cacbon dioxit phải có bẫy amoniac (axit sunphuric loãng) và bẫy nước (silica gel và canxi clorua).

6.4. Ống kín khí

Các ống này được dùng để nối bình compost với hệ thống cung cấp khí và thiết bị đo cacbon dioxit.

6.5. Thiết bị đo pH

Thiết bị đo pH được sử dụng để xác định pH của hỗn hợp thử. Thiết bị phải có độ chính xác 0,1 đơn vị pH hoặc tốt hơn.

6.6. Thiết bị phân tích

Thiết bị này được dùng để xác định chất rắn khô (ở 105^oC), chất rắn bay hơi (ở 550 ^oC) và cacbon hữu cơ tổng số (TOC), sử dụng trong phân tích nguyên tố của vật liệu thử và nếu cần để xác định hàm lượng cacbon vô cơ hòa tan (DIC), axit béo bay hơi, oxy trong không khí, hàm lượng nước và nitơ tổng.

6.7. Cân

Cân dùng để xác định định kỳ khối lượng của cột hấp thụ cacbon dioxit, từ đó xác định lượng cacbon dioxit sinh ra và xác định khối lượng của bình compost có chứa compost và vật liệu thử. Cân điện tử có màn hình hiển thị từ 10 mg đến lớn hơn 500 g là phù hợp.

………….

Chuẩn bị hỗn hợp gồm 1 phần vật liệu cấy với 5 phần nước khử ion. Trộn đều và đo pH ngay lập tức. Giá trị pH phải nằm trong khoảng từ 7,0 đến 9,0.

Để mô tả rõ hơn đặc tính của vật liệu cấy, có thể xác định các thông số phù hợp như hàm lượng cacbon hữu cơ tổng số, nitơ tổng hoặc axit béo ngay khi bắt đầu và khi kết thúc phép thử.

Kiểm tra hoạt tính của vật liệu cấy trong suốt phép thử thông qua vật liệu đối chứng có khả năng phân hủy sinh học và bằng cách đo lượng cacbon dioxit sinh ra trong bình chứa mẫu trắng. Vật liệu đối chứng phải phân hủy từ 70 % hoặc nhiều hơn khi kết thúc phép thử. Vật liệu cấy trong bình chứa mẫu trắng phải sinh ra từ 50 mg đến 150 mg cacbon dioxit trên một gam chất rắn bay hơi trong vòng 10 ngày đầu tiên của phép thử. Nếu cacbon dioxit sinh ra quá nhanh thì ổn định compost bằng cách để thoáng khí vài ngày trước khi sử dụng trong phép thử mới.

7.2. Chuẩn bị cát biển

Ngâm cát biển trong nước máy. Sau khi gạn bỏ các tạp chất nổi lên trên, rửa sạch, tháo nước và sấy khô cát ở nhiệt độ khoảng 105 ^oC.

CHÚ THÍCH       Cát biển là chất trơ có chứa hơn 90 % SiO₂. Tuy nhiên, nó có vai trò quan trọng trong việc duy trì hàm lượng nước phù hợp và là chất hỗ trợ cho sự phát triển của vi khuẩn.

7.3. Chuẩn bị vật liệu thử và vật liệu đối chứng

Xác định cacbon hữu cơ tổng số (TOC) của vật liệu thử và vật liệu đối chứng theo TCVN 6634 (ISO 8245) và biểu thị theo gam TOC trên gam chất khô tổng số. Nếu vật liệu không có cacbon vô cơ thì có thể xác định hàm lượng cacbon bằng phương pháp phân tích nguyên tố và khi đó, vật liệu thử phải có đủ lượng cacbon hữu cơ sao cho tạo thành một lượng cacbon dioxit thích hợp để xác định. Thông thường, trong mỗi bình tối thiểu phải có 10 g chất rắn khô tổng số chứa 4 g TOC.

Sử dụng vật liệu thử ở dạng bột, nhưng cũng có thể sử dụng các miếng nhỏ dạng màng hoặc hình dạng đơn giản. Nên sử dụng cỡ hạt có đường kính tối đa là 250 mm.

7.4. Khởi động phép thử

Chuẩn bị số lượng các bình compost ít nhất như sau:

a) hai bình dùng cho vật liệu thử (ký hiệu V_T);

b) hai bình dùng cho mẫu trắng (ký hiệu V_B);

c) hai bình sử dụng vật liệu đối chứng dùng để kiểm tra hoạt tính của vật liệu cấy (ký hiệu V_R).

Lượng hỗn hợp thử, bao gồm vật liệu cấy và vật liệu thử sử dụng trong phép thử phụ thuộc vào chất lượng của vật liệu thử và kích thước của bình compost. Tỷ lệ giữa chất rắn khô tổng số của vật liệu cấy với chất rắn khô tổng số của vật liệu thử tốt nhất là 6:1. Vật liệu trơ bổ sung vào hỗn hợp không được tính vào giá trị này. Hỗn hợp thử có cùng hàm lượng nước như vật liệu cấy. Hàm lượng nước của hỗn hợp thử nên đặt ở mức 80 % đến 90 % khả năng giữ nước của hỗn hợp thử. Cho vào từng bình lượng vật liệu cấy có lượng chất rắn khô tổng số là như nhau.

Trong trường hợp cụ thể, chuẩn bị các bình có nắp đậy, có thể tích khoảng 500 ml, với từng bình, cân ở bên ngoài một lượng vật liệu cấy gồm 60 g chất rắn khô tổng số và bổ sung nước vừa đủ để có hàm lượng nước khoảng 65 %. Sau khi trộn đều, để yên compost trong 24 h ở nhiệt độ phòng. Sau đó trộn đều compost với cát biển có hàm lượng nước là 15 %, được chuẩn bị trước bằng cách bổ sung nước vào khoảng 320 g cát biển và được sử dụng là vật liệu trơ. Dựa vào khối lượng khô, bổ sung 10 g vật liệu thử vào hỗn hợp và trộn đều. Khi sờ bằng tay hỗn hợp phải gần giống như đất. Nếu cần, đo khả năng giữ nước của hỗn hợp thử theo ISO 11721-1 sau đó điều chỉnh hàm lượng nước của hỗn hợp đến khoảng 90 % khả năng giữ nước bằng cách bổ sung nước hoặc để thoáng với không khí khô. Cho hỗn hợp này vào trong bình compost. Nếu sử dụng chất khoáng làm vật liệu trơ thì chuẩn bị như mô tả trong TCVN 9493-1 (ISO 14855-1).

Khi sử dụng compost đã ngấu được bảo quản trong tủ lạnh làm vật liệu cấy thì phải điều hòa sơ bộ compost trước khi sử dụng. Trong trường hợp cụ thể, với từng bình cho 60 g compost đã ngấu dựa trên hàm lượng chất rắn khô tổng số vào bình phản ứng tạo compost, bổ sung thêm nước và điều chỉnh hàm lượng nước của compost đến khoảng 110 % khả năng giữ nước. Sau khi trộn, để yên trong 24 h ở nhiệt độ phòng sau đó ủ trong 24 h ở 58 ^oC. Thêm một lượng cát biển bằng lượng compost đã ngấu (khoảng 320 g theo khối lượng khô) và trộn đều. Trước khi bổ sung cát, hàm lượng nước của cát biển phải được điều chỉnh đến khoảng 15 % (tương đương khả năng giữ nước của cát biển). Nếu cần, bổ sung 10 g amoniac magie photphat hexahydrat vào là nguồn nitơ. Cho hỗn hợp vào trong dụng cụ phản ứng tạo compost và ủ trong 1 tuần ở 58 ^oC. Hằng ngày, thỉnh thoảng khuấy dung dịch trong khoảng 10 min để đảm bảo điều kiện hiếu khí và để bay hơi nước dư thừa. Sau một tuần, điều chỉnh hàm lượng nước của hỗn hợp đến khoảng 90 % khả năng giữ nước của nó. Hỗn hợp cuối có khối lượng khoảng 550 g nhưng cũng có thể có giá trị khác tùy thuộc vào lượng compost được sử dụng (các compost khác nhau sẽ có giá trị khả năng giữ nước khác nhau). Dựa vào khối lượng khô, cho thêm 10 g vật liệu thử vào hỗn hợp và trộn đều. Cho hỗn hợp này vào các bình compost.

Khi tiến hành phép thử khả năng phân hủy sinh học theo TCVN 9493-1 (ISO 14855-1) thì phải sử dụng compost đã ngấu, có hàm lượng nước khoảng 50 % như quy định trong TCVN 9493-1 (ISO 14855-1). Sử dụng 120 g compost đã ngấu chứa khoảng 60 g chất rắn khô tổng số đối với mỗi bình compost. Dựa vào khối lượng khô, cho thêm 10 g vật liệu thử vào compost đã ngấu và trộn đều. Cho hỗn hợp này vào các bình compost. Nếu hỗn hợp thử khô quá nhanh, cho vật liệu trơ có chứa nước vào bình cùng với hỗn hợp. Tuy nhiên, vật liệu có chứa nước đó không được trộn với hỗn hợp thử.

Hàm lượng cacbon hữu cơ có thể được tính toán từ TOC của vật liệu cấy và vật liệu thử. Hàm lượng nitơ tổng số có thể được xác định trong một mẫu đại diện của hỗn hợp thử, ví dụ bằng phương pháp Kjeldahl nêu trong TCVN 5987 (ISO 5663).

Đặt các bình compost vào môi trường thử ở 58 ^oC ± 2 ^oC và để thoáng khí lần đầu với không khí không có cacbon dioxit và có hàm lượng nước danh định. Để đáp ứng cả hai điều kiện này phải đưa không khí qua một bẫy cacbon dioxit có nhồi natri cacbonat và thiết bị tạo ẩm có chứa nước (xem Phụ lục A và B). Điều chỉnh tốc độ dòng khí qua từng bình compost với tốc độ khí như nhau trong khoảng từ 10 ml/min đến 30 ml/min.

Sử dụng tốc độ dòng cao vừa phải để đảm bảo điều kiện hiếu khí được duy trì trong toàn bộ từng bình compost và trong suốt thời gian thử. Sử dụng bình rửa hoặc đồng hồ đo dòng khí dạng bọt khí để kiểm tra thường xuyên tốc độ dòng khí ở đầu ra.

Tiến hành xử lý với vật liệu đối chứng tương tự như với vật liệu thử. Trong các bình chứa mẫu trắng chỉ cho vật liệu cấy và cát biển với lượng giống như của bình chứa vật liệu thử.

7.5. Đo lượng cacbon dioxit sinh ra

Đổ đầy dung dịch axit sunphuric 1M vào bình hấp thụ amoniac để loại bỏ amoniac ra khỏi khí thoát ra từ bình compost. Đổ lần lượt silica gel rồi đến canxi clorua khan vào đầy hai bình bẫy hơi ẩm. Đổ đầy chất hấp thụ cacbon dioxit vào cột hấp thụ cacbon dioxit và chất hấp thụ nước vào cột hấp thụ nước. Chất hấp thụ cacbon dioxit hay sử dụng là hỗn hợp cân bằng của natri cacbonat và bột talc có chứa natri hydroxit. Chất hấp thụ nước hay sử dụng là canxi clorua khan. Dùng cân xác định khối lượng của các bẫy này (nghĩa là khối lượng của cả hai cột) chính xác đến 10 mg. Lượng cacbon dioxit sinh ra được xác định chính là giá trị khối lượng tăng lên.

Thay các thuốc thử trong các cột hấp thụ cacbon dioxit và hấp thụ nước khi chúng đạt đến khoảng 80 % khả năng hấp thụ. Lưu ý rằng 80 g hỗn hợp cân bằng của natri cacbonat và bột talc có chứa natri hydroxit có khả năng hấp thụ khoảng 15 g cacbon dioxit.

7.6. Quá trình ủ

Đo lượng cacbon dioxit sinh ra trong không khí thoát ra từ mỗi bình compost tại giai đoạn trung gian bằng cách đo sự thay đổi khối lượng của bẫy cacbon dioxit. Đo lượng cacbon dioxit sinh ra ít nhất một lần một ngày trong giai đoạn phân hủy sinh học và sau đó là hai ngày một lần trong giai đoạn ổn định.

Khuấy trộn compost hằng tuần để tránh sự tạo dòng và đảm bảo sự tiếp xúc đồng đều của vi sinh vật với vật liệu thử. Để làm được điều này phải lấy compost ra khỏi bình và bổ sung nước nếu cần.

Phải đảm bảo rằng hàm lượng nước của hỗn hợp thử trong các bình compost không quá lớn và cũng không quá thấp khi quan sát bằng mắt thường. Hỗn hợp thử không được chứa nước tự do hoặc vật liệu không được vón cục. Điều kiện rất khô thường biểu hiện ở trạng thái không có chất ngưng tụ trong khoảng không bên trên của bình compost. Cũng có thể tiến hành đo hàm lượng ẩm bằng thiết bị thích hợp. Trong trường hợp đó, hàm lượng ẩm phải được giữ ở khoảng từ 80 % đến 90 % khả năng giữ nước của hỗn hợp thử. Hàm lượng ẩm này được kiểm soát bằng cách cung cấp không khí khô hoặc bão hòa hơi nước. Hàm lượng nước mong muốn có thể đạt được bằng cách bổ sung nước hoặc thoát nước qua đỉnh của bình compost.

Trong suốt quá trình khuấy trộn các bình compost và khi kết thúc quá trình thử, ghi lại bất kỳ quan sát nào liên quan đến ngoại quan của compost như là kết cấu, hàm lượng ẩm, màu sắc, sự phát triển của nấm, mùi của khí thoát ra và sự phân rã của vật liệu thử.

Ủ các bình compost trong khoảng thời gian không quá 6 tháng ở nhiệt độ khoảng 58 ^oC ± 2 ^oC. Thời gian ủ có thể kéo dài cho đến khi đạt được giai đoạn ổn định, nếu vẫn quan sát được rõ sự phân hủy sinh học của vật liệu thử. Hoặc, thời gian ủ có thể rút ngắn nếu giai đoạn ổn định đạt được sớm hơn.

Trong quá trình thử nếu cần có thể cấy lại các bình thử bằng cách thêm một lượng tương tự compost vào từng bình. Nguồn gốc của compost và ngày cấy lại cần phải nêu rõ trong báo cáo thử nghiệm.

Tiến hành đo định kỳ pH của hỗn hợp giống như khi bắt đầu phép thử.

Nếu pH nhỏ hơn 7,0 quá trình phân hủy sinh học có thể bị ngăn chặn do quá trình axit hóa của compost nhờ sự phân rã nhanh của vật liệu thử dễ phân rã. Trong trường hợp này nên đo phổ của các axit béo dễ bay hơi để kiểm tra độ chua của các chất có trong bình compost. Nếu có nhiều hơn 2 g axit béo dễ bay hơi trên một kilogam chất khô tổng thì phép thử được coi là không phù hợp do sự axit hóa và ức chế hoạt tính của vi sinh vật. Để hạn chế sự axit hóa, bổ sung thêm compost vào tất cả các bình hoặc lặp lại phép thử mới, sử dụng ít vật liệu thử, nhiều compost hoặc compost đã được ủ trước hơn.

7.7. Kết thúc phép thử

Khi xác định sự giảm khối lượng của vật liệu thử, có thể cân lại bình compost có chứa hỗn hợp thử (compost, mẫu thử và vật liệu trơ như cát biển) khi kết thúc phép thử. Tuy nhiên, nên xác định lượng chất rắn khô và chất rắn bay hơi trong từng bình sau khi lấy hỗn hợp ra khỏi bình.

8. Tính toán

8.1. Tính toán lượng cacbon dioxit sinh ra theo lý thuyết

Tính lượng cacbon dioxit sinh ra theo lý thuyết ThCO₂ từ vật liệu thử, theo gam cho mỗi bình theo phương trình (1):

(1)

Trong đó

m là khối lượng của vật liệu thử cho vào trong bình thử, tính bằng gam;

w_C là hàm lượng cacbon của vật liệu thử, xác định từ công thức hóa học hoặc phân tích nguyên tố, biểu thị bằng phần khối lượng;

44 và 12 là khối lượng phân tử của cacbon dioxit và khối lượng nguyên tử của cacbon.

Tính toán lượng cacbon dioxit sinh ra theo lý thuyết từ vật liệu đối chứng trong từng bình theo cách tương tự.

8.2. Phần trăm phân hủy sinh học

Từ lượng cacbon dioxit trong mỗi phép đo, tính phần trăm phân hủy sinh học D_t của mỗi bình thử V_T theo phương trình (2):

(2)

Trong đó

 là lượng tích lũy cacbon dioxit sinh ra trong từng bình thử V_T từ khi bắt đầu phép thử cho đến thời gian t, tính bằng gam;

 là lượng tích lũy trung bình cacbon dioxit sinh ra trong bình chứa mẫu trắng V_B từ khi bắt đầu phép thử đến thời gian t (lấy trung bình của các giá trị thu được từ hai bình chứa mẫu trắng), tính bằng gam;

ThCO₂ là lượng cacbon dioxit sinh ra theo lý thuyết từ vật liệu thử, tính bằng gam.

9. Biểu thị và giải thích kết quả

Lập bảng các số liệu đo được và các số liệu tính toán đối với vật liệu thử, vật liệu đối chứng và mẫu trắng theo từng ngày đo.

Vẽ đồ thị lượng tích lũy cacbon dioxit sinh ra theo thời gian của từng bình compost chứa mẫu trắng, bình chứa vật liệu thử và vật liệu đối chứng (xem ví dụ trong Phụ lục B). Vẽ đồ thị đường cong phân hủy sinh học (phần trăm phân hủy sinh học theo thời gian) đối với vật liệu thử và vật liệu đối chứng (xem ví dụ trong Phụ lục B). Sử dụng giá trị trung bình nếu chênh lệch giữa các giá trị riêng lẻ nhỏ hơn 20 %. Nếu không thì vẽ đường cong phân hủy sinh học cho từng bình compost.

Nếu quan sát được giai đoạn ổn định, đọc giá trị ổn định này từ đường cong phân hủy sinh học, nghĩa là mức độ phân hủy sinh học hoàn toàn và lấy giá trị này là kết quả thử cuối cùng. Nếu không quan sát được giai đoạn ổn định thì ước lượng mức độ phân hủy sinh học hoàn toàn từ lượng tích lũy cacbon dioxit sinh ra khi kết thúc phép thử.

10. Độ tin cậy của kết quả

Phép thử được coi là có tin cậy nếu

a) mức độ phân hủy sinh học của vật liệu đối chứng lớn hơn 70 % sau 45 ngày;

b) chênh lệch giữa phần trăm phân hủy sinh học của vật liệu đối chứng trong các bình khác nhau nhỏ hơn 20 % khi kết thúc phép thử;

Nếu không đáp ứng được các tiêu chí này thì lặp lại phép thử sử dụng compost đã được điều hòa sơ bộ hoặc được ủ trước.

11. Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo thử nghiệm phải bao gồm tất cả các thông tin thích hợp và các thông tin sau:

a) viện dẫn tiêu chuẩn này;

b) tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết và mô tả vật liệu thử, như hàm lượng chất rắn khô hoặc chất rắn bay hơi, hàm lượng cacbon hữu cơ, hình dạng hoặc ngoại quan;

c) thông tin cần thiết để nhận dạng và mô tả vật liệu đối chứng và hàm lượng cacbon hữu cơ của vật liệu;

d) thể tích các bình compost, lượng vật liệu cấy, vật liệu thử và vật liệu đối chứng cho vào các bình, các thời gian khi khuấy hỗn hợp thử và chi tiết quá trình cấy lại (nếu có);

e) thông tin về vật liệu cấy, như nguồn gốc, thời gian ủ, ngày thu gom, bảo quản, chuẩn bị, ổn định, hàm lượng chất rắn khô tổng số, chất rắn bay hơi, pH của huyền phù, hàm lượng nitơ tổng hoặc axit béo bay hơi và chi tiết quá trình điều hòa sơ bộ hoặc ủ trước;

f) kết quả cacbon dioxit sinh ra và phần trăm phân hủy sinh học của từng bình compost và giá trị trung bình được lập ở dạng bảng và đồ thị, cũng như mức độ phân hủy sinh học cuối cùng của vật liệu thử và vật liệu đối chứng và hoạt tính của vật liệu cấy (sinh ra CO₂ sau 10 ngày trong bình chứa mẫu trắng);

g) kết quả các quan sát trên vật liệu cấy và vật liệu thử trong suốt quá trình thử và khi kết thúc phép thử như hàm lượng ẩm, sự phát triển của nấm, cấu trúc, màu sắc và mùi vị;

h) khối lượng của từng bình compost khi bắt đầu và khi kết thúc phép thử, và chi tiết các phép đo tổn hao khối lượng, nếu tiến hành;

i) lý do của việc loại bỏ bất kỳ kết quả thử nào;

j) thông tin và nguồn gốc, loại và lượng vật liệu trơ như cát biển hoặc chất khoáng, nếu sử dụng;

 

PHỤ LỤC A

(tham khảo)

NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA PHÉP THỬ

Sơ đồ thử đặc trưng được nêu trong Hình A.1. Sơ đồ này gồm bốn phần chính: (1) bình compost có chứa hỗn hợp vật liệu thử và vật liệu cấy được đặt trong một bình ủ, (2) hệ thống kiểm soát khí cung cấp vào (gồm một bẫy để loại bỏ cacbon dioxit, thiết bị kiểm soát tốc độ dòng và thiết bị tạo ẩm) để đảm bảo kiểm soát chính xác quá trình thoáng khí của hỗn hợp thử, (3) hệ thống hấp thụ khí để loại bỏ amoniac, hydro suphit, axit hữu cơ bay hơi và nước khỏi khí thoát ra từ bình compost và (4) bẫy hấp thụ cacbon dioxit sinh ra để phân tích trọng lượng.

Các bình compost được giữ ở nhiệt độ 58 ^oC ± 2 ^oC trong bình ủ được ổn nhiệt. Hỗn hợp trong mỗi bình được trộn đều ít nhất một tuần một lần trong các bình khác. Bổ sung một lượng nước tương ứng với khối lượng mất mát của hỗn hợp thử sau khi trộn rồi cho hỗn hợp vào lại bình compost. Thu khí bão hòa nước, không có cacbon dioxit bằng cách cho không khí đi qua thiết bị hấp thụ có chứa canxi cacbonat và bình rửa chứa nước rồi đưa vào bình compost ở tốc độ được kiểm soát. Loại amoniac, nước và axit hữu cơ bay hơi có trong khí thoát ra từ bình compost bằng cách đưa qua các bẫy có chứa axit sunphuric 1M, silica gel và canxi clorua khan. Cacbon dioxit trong khí được bẫy vào ở dạng natri cacbonat và nước (tạo thành bởi phản ứng giữa cacbon dioxit và natri hydroxit) trong bẫy có chứa natri cacbonat và bột talc có chứa natri hydroxit cũng như canxi clorua khan. Khả năng hấp thụ còn lại của các bẫy khác nhau có thể phải điều khiển bằng cách quan sát sự thay đổi màu của chỉ thị hoặc sự tăng khối lượng của chất hấp thụ.

CHÚ DẪN

1 bẫy cacbon dioxit

2 natri cacbonat

3 lưu lượng kế

4 bình ủ có thiết bị điều nhiệt

5 nước

6 thiết bị tạo ẩm

7 hỗn hợp compost, vật liệu thử và cát biển

8 bình compost

9 H₂SO₄ 1M có chứa chất chỉ thị metyl da cam

10 bẫy amoniac

11 silica gel

12 bẫy khử ẩm 1

13 bẩy khử ẩm 2

14 canxi clorua khan

15 bẫy cacbon dioxit sinh ra

16 hỗn hợp natri cacbonat và bột talc có chứa natri hydroxit

17 cột hấp thụ cacbon dioxit

18 cột hấp thụ nước

^a khí nén đi vào

^b đầu ra

Hình A.1 – Ví dụ về hệ thống thử sử dụng bình ủ

 

PHỤ LỤC B

(tham khảo)

VÍ DỤ VỀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG BÌNH COMPOST ĐƯỢC GIA NHIỆT BẰNG ĐIỆN

Sơ đồ thử trong Hình B.1 hoạt động theo nguyên tắc giống như nguyên tắc nêu trong Hình A.1 nhưng bình compost được thiết kế để phép thử diễn ra liên tục trong thời gian dài hơn bình thường. Thuận lợi chính của thiết bị gia nhiệt bằng điện là không cần phải có bình cách thủy trước đó. Thực tế bình compost không ở bên trong bình ủ nên thuận lợi cho các thao tác với hỗn hợp thử. Bẫy khử ẩm 2 (18 trong Hình B.1) và cột hấp thụ nước (25) có khả năng hoạt động trong khoảng 1 năm. Tuy nhiên, chất hấp thụ trong bẫy khử ẩm 1 (17) và cột hấp thụ cacbon dioxit (23) sẽ phải thay thế vài lần trong thời gian hoạt động thường là 45 ngày.

Kích thước tính bằng milimét

CHÚ DẪN

1 bẫy cacbon dioxit dung tích 1 000 ml

2 1 000 g natri cacbonat

3 lưu lượng kế

4 300 ml nước

5 thiết bị tạo ẩm dung tích 500 ml

6 bình compost bằng thủy tinh dung tích 500 ml

7 hỗn hợp compost, vật liệu thử và cát biển

8 vật liệu cách nhiệt

9 đầu trên của thiết bị gia nhiệt bằng điện

10 đầu dưới của thiết bị gia nhiệt bằng điện

11 khóa bằng thủy tinh (để thoát nước khỏi bình compost)

12 giá đỡ tấm lọc PTFE (polytetrafloroetylen)

13 cảm biến nhiệt

14 300 ml H₂SO₄ 1M có chứa chất chỉ thị metyl da cam

15 bẫy amoniac dung tích 500 ml

16 silica gel

17 bẫy khử ẩm 1 (200 ml)

18 bẫy khử ẩm 2 (120 ml)

19 20 ml silica gel

20 100 ml canxi clorua khan

21 bẫy cacbon dioxit sinh ra

22 80 g hỗn hợp natri cacbonnat và bột talc có chứa natri hydroxit

23 cột hấp thụ cacbon dioxit dung tích 120 ml

24 canxi clorua khan

25 cột hấp thụ nước dung tích 120 ml

^a khí nén đi vào

^b đầu ra

Hình B.1 – Ví dụ về một hệ thống thử sử dụng bình compost được gia nhiệt bằng điện

PHỤ LỤC C

(tham khảo)

ĐẠO HÀM PHƯƠNG TRÌNH SỬ DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN MỨC ĐỘ PHÂN HỦY SINH HỌC TỪ LƯỢNG CACBON DIOXIT SINH RA

Lượng cacbon dioxit sinh ra được xác định bằng cách đo giá trị khối lượng tăng lên của bẫy cacbon dioxit sinh ra (xem Phụ lục A). Cacbon dioxit sinh ra phản ứng có định lượng với natri hydroxit và canxi hydroxit của chất hấp thụ ở trong bẫy, theo phản ứng hóa học sau:

CO2 + 2NaOH ® Na2CO3 + H2O	(C.1)
CO2 + Ca(OH)2 ® CaCO3 + H2O	(C.2)

Lượng cacbon dioxit sinh ra trong mỗi phép đo được tính theo công thức (C.3)

(C.3)

Trong đó

 là lượng tích lũy cacbon dioxit sinh ra trong bình thử V_T từ khi bắt đầu phép thử đến thời gian t, tính bằng gam;

 và  là khối lượng của bẫy cacbon dioxit khi bắt đầu phép thử và tại thời gian t.

Tính  và  là lượng tích lũy cacbon dioxit sinh ra trong bình đối chứng và bình chứa mẫu trắng theo cách tương tự.

Tính phần trăm phân hủy sinh học D_t đối với từng bình V_T từ lượng cacbon dioxit sinh ra với mỗi phép đo theo công thức (C.4):

Trong đó

 là lượng tích lũy cacbon dioxit sinh ra trong bình thử V_T từ khi bắt đầu phép thử cho đến thời gian t, tính bằng gam;

 là lượng tích lũy trung bình cacbon dioxit sinh ra trong bình chứa mẫu trắng từ khi bắt đầu phép thử đến thời gian t, tính bằng gam;

ThCO₂ là lượng cacbon dioxit sinh ra theo lý thuyết từ vật liệu thử, tính bằng gam.

Tính phần trăm phân hủy sinh học D_t đối với từng bình V_R theo cách tương tự.

 

THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] UEMATSU, S., MURAKAMI, A., HIYOSHI, K., TSUKAMOTO, Y., SAIDA, H., TSUJI, M., and HOSHINO, A., Accurate and easy evaluation of aerobic microbial degradability of biodegradable plastics under controlled soil, Polymer reprints, 2002, 43(2), pp.930-931.

[2] HOSHINO, A., TSUJI, M., ITOH, M., MOMOCHI, M., MIZUTANI, A., TAKAKUWA, K., HIGO, S., SAWADA, H., and UEMATSU, S., Study of aerobic biodegradability of plastic materials under controlled compost in Biodegradable Polymers and Plastics, Eds. Chielline, E., and Solaro, R., Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2003, pp.47-54.

[3] KUNIOKA, M., NINOMIYA, F., and FUNABASHI, M., Biodegradation of poly(latic acid) powders purposed as the reference test materials for the international standard of biodegradation evaluation methods, Polymer Degradation and Stability, 2006, 91, pp.1919-1928.

[4] UEMATSU, S., KUNIOKA, M., FUNABASHI, M., WENG, Y., VERMA S.K., SADOCCO, P., VERSTICHEL, S., EKENDAHL, S., NARAYAN, R., and HOSHINO, A., Determination of the ultimate aerobic biodegradation of plastic materials by gravimetric analysis of evolved carbon dioxide under controlled composting conditions – Round-Robin test for confirmation of ISO/DIS 14855-2, in Preprints of the 2^nd international conference of technology and application of biodegradable and biobased plastics, Hangzhou (China), ICTABP@, 2006, pp.224-233.