Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).Khả năng hấp phụ dinh dưỡng và giảm phát thải khí nhà kính của than tre (Bambusa blumeana) và than tràm (Melaleuca cajuputi).
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
TỔNG QUAN THAN SINH HỌC
2.1.1 Khái niệm than sinh học
Than sinh học (TSH) là vật liệu rắn giàu cacbon, được sản xuất từ sinh khối nông nghiệp và chất thải rắn thông qua quá trình nung ở nhiệt độ cao trong điều kiện thiếu oxy (Lehmann et al., 2006) Nguyên liệu cho TSH rất phong phú và rẻ, bao gồm cả các cây trồng xâm lấn, giúp quản lý thực vật xâm lấn và bảo vệ môi trường Theo Xie et al (2015), chuyển đổi sinh khối thành TSH là giải pháp hiệu quả cho việc xử lý chất thải và bảo vệ môi trường Với diện tích bề mặt lớn, cấu trúc nhiều lỗ rỗng và các nhóm chức năng phong phú, than sinh học thường được sử dụng để cải thiện đặc tính lý hóa của đất.
2.1.2 Tính chất than sinh học
2.1.2.1 Cấu trúc than sinh học
Các tính chất của than sinh học (TSH) như diện tích bề mặt, mật độ điện tích và cấu trúc lỗ đóng vai trò quan trọng trong việc giữ nước, chất dinh dưỡng và cung cấp môi trường sống cho vi sinh vật TSH bao gồm bốn thành phần chính: cacbon bền, cacbon không bền, thành phần bay hơi, tro khoáng và độ ẩm Thành phần của TSH phụ thuộc vào nguồn gốc sinh khối cũng như các yếu tố như điều kiện nhiệt phân, nhiệt độ, tốc độ lên nhiệt, áp suất và các điều kiện xử lý trước và sau.
Hình 2.1 Cấu trúc chung của than sinh học
Than sinh học có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp với nhiều đường mao dẫn, hình thành từ các lỗ có kích thước và hình dạng khác nhau Khi nhiệt độ nhiệt phân tăng, số lượng lỗ rỗng và độ xốp (%) của than cũng tăng, nhưng đường kính của các lỗ rỗng lại giảm Theo kích thước, lỗ rỗng có thể được chia thành ba loại: lỗ micro (đường kính nhỏ hơn 2 nm), lỗ meso (đường kính từ 2 nm đến 50 nm) và lỗ macro (đường kính lớn hơn 50 nm) (Jien, 2018).
Sự hấp phụ trong các lỗ micro diễn ra thông qua cơ chế lấp đầy thể tích mà không có sự ngưng tụ mao quản Năng lượng hấp phụ tại các lỗ micro vượt trội hơn so với lỗ meso và macro do lực hấp phụ từ các vách đối diện của TSH Diện tích bề mặt riêng của lỗ micro chiếm tới 95% tổng diện tích bề mặt của TSH, và với số lượng lỗ micro tăng lên, diện tích bề mặt cũng sẽ gia tăng tương ứng (Lehmann and Joseph).
Diện tích bề mặt của lỗ meso chỉ chiếm dưới 5% tổng diện tích bề mặt của than, trong khi lỗ macro có diện tích bề mặt rất nhỏ, không quá 0,5 m²/g, nên không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của TSH Chúng chủ yếu hoạt động như kênh vận chuyển chất bị hấp phụ vào lỗ micro và lỗ meso, đồng thời không bị lấp đầy bởi sự ngưng tụ mao quản (Nartey và School, 2014).
2.1.2.2 Vi hình thái và diện tích bề mặt của than sinh học
Hình thái của TSH được xác định bằng kính hiển vi điện tử (SEM) để phân tích cấu trúc vi mô Quá trình nhiệt phân sinh khối giúp mở rộng và sắp xếp các tinh thể một cách có trật tự hơn Khi nhiệt độ tăng, năng lượng kích hoạt và thời gian giữ lại lâu hơn dẫn đến sự thay đổi trật tự trong cấu trúc TSH Việc tăng nhiệt độ nhiệt phân từ 250°C đến 500°C làm tăng diện tích bề mặt than (BET) do sự mất đi các chất bay hơi Diện tích bề mặt tối đa đo được bằng BET (N2) ở 450°C chỉ nhỏ hơn 10 m²/g, trong khi ở nhiệt độ từ 600 đến 750°C, diện tích bề mặt đạt khoảng 400 m²/g (Ardila-A et al.).
Diện tích bề mặt riêng của TSH đóng vai trò quan trọng trong khả năng hấp phụ ion kim loại và hợp chất hữu cơ Việc tăng nhiệt độ nhiệt phân có thể nâng cao diện tích bề mặt cụ thể và sự hình thành vi hạt trong TSH (Ardila-A et al.).
Nghiên cứu cho thấy, khi nhiệt độ nhiệt phân tăng từ 250°C lên 600°C, diện tích bề mặt riêng của TSH bã mía tăng đáng kể từ 0,56 m²/g lên 14,1 m²/g Tương tự, TSH từ vỏ đậu nành đạt được diện tích bề mặt cụ thể lên tới 420 m²/g khi được sản xuất ở 700°C, cao hơn nhiều so với chỉ 6 m²/g ở 300°C (Clough et al., 2013).
Diện tích bề mặt cụ thể của TSH phụ thuộc vào nguyên liệu tạo than, với bã mía và mụn dừa có diện tích bề mặt lần lượt là 202 m²/g và 13,7 m²/g Việc giữ lại các chất bay hơi từ xenlulo và hemixenluloza trong quá trình nhiệt phân có thể tăng cường cấu trúc bó mạch, cải thiện diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ của TSH Chẳng hạn, khi giảm hàm lượng chất bay hơi trong TSH lõi ngô, diện tích bề mặt cụ thể tăng từ 61,8 m²/g lên 192,9 m²/g Nhìn chung, nguyên liệu thô và nhiệt độ nhiệt phân là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến diện tích bề mặt cụ thể của TSH (Ding et al., 2016).
2.1.2.3 Các nhóm chức năng bề mặt
Nhiệt độ nhiệt phân ảnh hưởng đáng kể đến các thành phần hóa học bề mặt của TSH, đặc biệt là các nhóm chức chứa oxy, dẫn đến sự thay đổi trong đặc tính hấp phụ của nó Cụ thể, khi nhiệt độ tăng, nồng độ hydro và oxy cũng như tỷ lệ mol hydro đối với cacbon (H/C) sẽ giảm, đồng thời sự loại bỏ các nhóm chức phân cực như (-OH và C-O) gia tăng rõ rệt Điều này được thể hiện qua phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) (Ding et al., 2016).
Nhóm Cacbon-Oxy trên bề mặt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất bề mặt như tính ưa nước, độ phân cực và tính axit, đồng thời quyết định các đặc điểm hoá lý như khả năng xúc tác và dẫn điện của TSH Oxy kết hợp là yếu tố then chốt giúp TSH phát huy hiệu quả trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong khả năng hấp phụ nước, khí và hơi, cũng như ảnh hưởng đến sự hấp phụ ion và khả năng bám dính Tính chất và lượng nhóm oxy-cacbon trên bề mặt phụ thuộc vào bản chất của than, phương pháp sản xuất, diện tích bề mặt, cũng như điều kiện oxy hoá và nhiệt độ nung (Mohan et al., 2014).
2.1.2.4 Khả năng trao đổi cation (CEC) và giá trị pH
Khả năng trao đổi cation (CEC) của TSH phản ánh khả năng hấp phụ các cation như NH4 + và Ca2+, những chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng, do đó, TSH có CEC cao giúp giảm thiểu sự thất thoát chất dinh dưỡng từ đất (Clough et al., 2013) Tuy nhiên, TSH được sản xuất ở nhiệt độ nhiệt phân cao (>500ºC) lại có CEC thấp, nguyên nhân là do quá trình thơm hóa và sự mất mát các nhóm chức (Nartey and School, 2014) Nghiên cứu cho thấy CEC của TSH từ cỏ tăng từ 8,1 lên 44,5 cmolc/kg khi nhiệt độ nhiệt phân tăng từ 200 đến 550°C, sau đó giảm xuống 32,4 cmolc/kg, với CEC của TSH được tạo ra ở 200, 300, 350 và 650ºC lần lượt là 16,5, 16,9, 23,8 và 2,1 cmolc/kg (Mohan et al., 2014).
CEC của TSH bã mía tăng từ 6,40 cmolc/kg ở 250ºC lên 9,66 cmolc/kg ở 500ºC, sau đó giảm xuống 4,19 cmolc/kg ở 600ºC, cho thấy TSH sản xuất ở nhiệt độ thấp có khả năng giữ cation như NH4+ tốt hơn, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón Khi được nung ở nhiệt độ cao, than sinh học có giá trị pH cao do giải phóng muối kiềm từ nguyên liệu hữu cơ; ví dụ, pH của TSH từ rơm ngô tăng từ 9,37 lên 11,32 khi nhiệt độ tăng từ 300 lên 600ºC Giá trị pH của TSH ở 400 và 800ºC lần lượt là 7,60 và 11,54 Việc sử dụng TSH có thể làm tăng độ pH của đất, không chỉ nhờ vào pH của chính TSH mà còn qua khả năng cải thiện lưu giữ cation trong đất như Ca2+.
2.1.2.5 Tính ổn định của than sinh học
Than sinh học ngày càng được công nhận là vật liệu giá trị cho cải tạo đất bền vững, với khả năng hấp phụ carbon, duy trì chất dinh dưỡng và xử lý đất ô nhiễm thuốc trừ sâu Tuy nhiên, khả năng bảo vệ môi trường lâu dài của nó vẫn chưa được đánh giá đầy đủ Độ ổn định của than sinh học chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân và nguyên liệu thô Một số loại than sinh học có thể phân hủy nhanh chóng trong một số loại đất, cho thấy rằng quá trình nhiệt phân có thể được tối ưu hóa để tạo ra than sinh học ổn định hơn.
Tính ổn định của TSH có thể được cải thiện bằng cách tăng nhiệt độ nhiệt phân, với độ ổn định của TSH bã mía tăng đáng kể từ 350 đến 550ºC, trong khi TSH từ phân gà có khả năng tồn tại thấp hơn Sự ổn định của TSH phụ thuộc vào lượng chất nền cacbon; TSH sản xuất ở nhiệt độ thấp dễ bị phân huỷ, ngược lại TSH ở nhiệt độ cao khó bị phân huỷ (Ding et al., 2016) TSH có những đặc tính quan trọng như diện tích bề mặt riêng lớn và khả năng trao đổi cation tốt, giúp hấp phụ hiệu quả các cation như NH4 + Hơn nữa, TSH còn là nguồn nguyên liệu hữu ích trong việc cải tạo đất nhờ vào giá trị pH cao và tính ổn định lâu dài.
CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN SINH HỌC
Nhiệt độ, thời gian lưu, nguyên liệu sản xuất TSH và công nghệ chuyển hóa nhiệt đều có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của TSH cũng như hiệu quả hấp phụ của than đối với các chất ô nhiễm khác nhau, trong đó nhiệt độ được xem là yếu tố quan trọng nhất.
2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ chất dinh dưỡng Ở nhiệt độ cao, sinh khối đã được cacbon hóa hoàn toàn, diện tích bề mặt (BET) tăng lên rất nhiều, đồng thời hình thành các lỗ xốp có kích thước nano có tác dụng làm tăng khả năng hấp phụ của than (Nartey and School, 2014) Vì vậy, TSH nung ở nhiệt độ cao sẽ cho hiệu quả hấp phụ tốt điều này đã được chứng minh qua một số nghiên cứu từ các tác giả trước.
Tỷ lệ hấp phụ NH4+ của TSH gỗ tiêu sản xuất ở 450ºC đạt 15,7%, cao hơn so với 3,8% ở 300ºC và 11,9% ở 600ºC Ngoài ra, TSH từ bã mía ở 450ºC cũng cho tỷ lệ hấp phụ photphate cao hơn, đạt 3,1% so với TSH sản xuất ở 300ºC và 600ºC (Yao et al., 2012).
Nghiên cứu của Clough et al (2013) cho thấy ở nhiệt độ 350 và 650 οC, các vật liệu có thể hấp thụ tương ứng khoảng 0,19, 0,17, 0,28 và 0,03 mmol K +/g Bên cạnh đó, Yao et al (2012) chỉ ra rằng tỷ lệ hấp phụ NO3 - từ các loại chất thải như bã mía, tre, vỏ đậu phộng và gỗ tiêu lần lượt là 3,7%, 2,5%, 0,2% và 0,12% Tỷ lệ hấp phụ NH4 + của các loại chất thải này dao động từ 2% đến 12%.
2.2.2 Thuộc tính của than sinh học
Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng, nhưng nguyên liệu sản xuất TSH cũng có ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ của than Theo nghiên cứu của Yao et al (2012), các vật liệu TSH được chế biến từ bã mía, vỏ đậu phộng, hạt tiêu Brazil và tre đã được nhiệt phân ở nhiều nhiệt độ khác nhau.
Nghiên cứu về khả năng loại bỏ NO - từ than cho thấy rằng ở nhiệt độ 600 o C, bốn loại TSH đạt hiệu quả tối ưu, có khả năng loại bỏ từ 0,12% đến 3,7% NO - tương ứng với 0,02-0,64 mg NO - trên 1 gam than từ dung dịch.
NO - ở các nồng độ 50 mg/L và 34,4 mg/L) Một nghiên cứu khác của Kameyama et al.
Nghiên cứu năm 2016 cho thấy than tre nung ở 800 o C có khả năng hấp phụ NO tốt nhất với hiệu suất đạt 0,15 mg/g Tuy nhiên, kết quả này vẫn thấp hơn so với nghiên cứu của Mizuta et al (2004), trong đó than tre nung ở 900 o C đạt hiệu suất hấp phụ NO lên tới 1,25 mg/g.
Bảng 2.1 Ảnh hưởng của nguyên liệu và nhiệt độ nhiệt phân lên khả năng hấp phụ NH 4 + và
NO 3 - của một số loại than sinh học
Nguyên liệu Nhiệt độ nhiệt phân (°C)
Tổng lượng hấp phụ (mg/ g) Nguồn
Lúa mì 400 N-NH 4 + 7,33 Gai et al (2014)
Lúa mì 500 N-NH 4 + 4,68 Gai et al (2014)
Lúa mì 600 N-NH 4 + 3,16 Gai et al (2014)
Lúa mì 700 N-NH 4 + 2,64 Gai et al (2014)
Lõi bắp 400 N-NH 4 + 15,45 Gai et al (2014)
Lõi bắp 500 N-NH 4 + 12,04 Gai et al (2014)
Lõi bắp 600 N-NH 4 + 8,62 Gai et al (2014)
Lõi bắp 700 N-NH 4 + 7,16 Gai et al (2014)
Vỏ đậu 400 N-NH 4 + 10,51 Gai et al (2014)
Vỏ đậu 500 N-NH 4 + 9,92 Gai et al (2014)
Vỏ đậu 600 N-NH 4 + 7,77 Gai et al (2014)
Vỏ đậu 700 N-NH 4 + 4,01 Gai et al (2014)
Gỗ sồi 250 N-NH 4 + 109,70 Takaya et al (2016)
Gỗ sồi 450 N-NH 4 + 129,40 Takaya et al (2016)
Gỗ vụn 300 N-NO 3 - 0,67 Zhou et al (2019)
Gỗ vụn 500 N-NO 3 - 0,94 Zhou et al (2019)
Gỗ vụn 700 N-NO 3 - 1,43 Zhou et al (2019)
Sậy 300 N-NO 3 - 0,80 Zhou et al (2019)
Sậy 500 N-NO 3 - 1,50 Zhou et al (2019)
Sử dụng than sinh học trong môi trường ô nhiễm NH4+ (hoặc NH3) là một giải pháp khả thi Theo nghiên cứu của Yao et al (2012), 9 trong số 12 loại than sinh học được thử nghiệm đã cho thấy hiệu quả trong quá trình hấp phụ.
3 3 có thể loại bỏ NH + từ dung dịch (0,1 gam TSH trong 50 mL dung dịch NH + có nồng độ
Nghiên cứu cho thấy rằng với nồng độ N-NH+ 10 mg/L, tỷ lệ loại bỏ dao động từ 1,8-15,7% (tương đương 0,05 đến 0,79 mg NH+ trên mỗi gam TSH), sự khác biệt này phụ thuộc vào loại nguyên liệu và nhiệt độ nhiệt phân TSH được nhiệt phân ở nhiệt độ cao (từ 600°C trở lên) có khả năng loại bỏ N-NH+ hiệu quả trong nguồn nước ô nhiễm Cụ thể, than trấu nhiệt phân ở 600°C có khả năng hấp phụ NH+ đạt 2,9 mg/g (Khalil et al., 2018).
Giá trị pH của dung dịch là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ NO3 - và NH +, vì nó tác động đến điện tích bề mặt của chất hấp phụ cũng như mức độ ion hóa và tính chuyên biệt của chất bị hấp phụ (Kołodynska et al., 2012; Zhang et al., 2012; Hafshejania et al., 2016) Hầu hết các nghiên cứu về hấp phụ chất ô nhiễm bằng TSH đều xem xét yếu tố pH Nghiên cứu của Hafshejania et al (2016) cho thấy, khi khảo sát ảnh hưởng của dãy pH từ 2 đến 11, tại pH=4,64, quá trình hấp phụ NO3 - đạt cân bằng với khối lượng NO - hấp phụ là 28,21 mg/g sau 60 phút sử dụng 2 g than Ngược lại, hiệu suất hấp phụ giảm dần trong khoảng pH từ 5 đến 11.
Nghiên cứu của Kameyama et al (2016), Zhao et al (2015) và Zhao et al (2018) cho thấy pH thấp (2-5) là điều kiện tối ưu cho sự hấp phụ NO3- Đồng thời, các tác giả cũng xác định rằng pH trong khoảng 7-7,5 mang lại hiệu suất hấp phụ NH4+ tốt nhất, đạt từ 0,7-0,8 mg/g Một số nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng khoảng pH từ 7 là phù hợp cho quá trình này.
8 là thích hợp nhất cho quá trình hấp phụ NH4 + của TSH (Niu et al., 2012).
Giá trị pHpzc của TSH là pH tại điểm có điện tích bằng 0 Theo Hafshejania et al.
Khi pH của dung dịch thấp hơn pHpzc của TSH, bề mặt TSH tích điện dương do hấp phụ nhiều ion H+, dẫn đến quá trình hấp phụ chủ yếu diễn ra qua cơ chế trao đổi ion, giúp TSH hấp phụ hiệu quả các ion âm Ngược lại, khi pH cao hơn pHpzc, bề mặt TSH tích điện âm do giải hấp phụ ion H+, từ đó TSH có khả năng hấp phụ tốt các ion dương.
(Nguồn: Ding et al., 2017) Hình 2.2 Cơ chế hấp phụ ion ở than sinh học
2.2.4 Khử khoáng hóa và xử lý khử tro
Các cơ chế tác động của việc khử khoáng và khử tro của TSH trong hấp phụ chất ô nhiễm từ nước vẫn còn hạn chế Tuy nhiên, các phương pháp này có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ của TSH, chủ yếu do khử tro làm thay đổi thành phần và đặc tính bề mặt của TSH Sau khi khử tro, tất cả các thành phần bề mặt đều giảm trừ cacbon Theo nghiên cứu của Zhang et al (2012), khả năng hấp phụ tăng lên đáng kể khi TSH được khử tro, nhờ vào việc loại bỏ các hợp chất vô cơ lấp đầy các vị trí hấp phụ Gai et al (2014) đã chỉ ra rằng sau khi khử tro, TSH có nhiều vùng kỵ nước hơn và ít nhóm chức phân cực hơn, ảnh hưởng đến tính chất cấu trúc và khả năng hấp phụ phenanthrene.
Kết quả nghiên cứu cho thấy sự tăng cường ở các vị trí hấp phụ và kỵ nước của chất hữu cơ có thể làm gia tăng khả năng hấp phụ phenanthrene Hiệu ứng này đặc biệt rõ rệt ở TSH khi nhiệt độ cao Gai et al (2014) đã thực hiện thí nghiệm trên ba loại TSH gồm lúa mì, ngô và vỏ đậu phộng để khảo sát khả năng hấp phụ NH4 +.
Kết quả từ nghiên cứu của Gai et al (2014) cho thấy rằng, sau khi khử khoáng và khử tro bằng axit, than sẽ có khả năng hấp phụ nitrate cao hơn nhưng lại giảm khả năng hấp phụ ammonium Ngoài ra, quá trình rửa than bằng nước cũng dẫn đến sự giảm khả năng hấp phụ cả ammonium lẫn nitrate.
Bảng 2.2 Ảnh hưởng của phương pháp khử khoáng lên khả năng hấp phụ NH 4 + và NO 3 - của than sinh học
Không rửa Rửa axit Rửa DI Không rửa Rửa axit Rửa DI
Ghi chú: DIonized water; cùng dung dịch nước 50 mg/g
2.2.5 Các ion đồng tồn tại
KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN SINH HỌC
2.3.1 Hấp phụ nitrate trong nước
Nghiên cứu của Yao et al (2012) đã đánh giá khả năng loại bỏ NO3 - và NH4 + từ dung dịch của 12 loại vật liệu TSH, bao gồm bã mía, vỏ đậu phộng, hạt tiêu Brazil và tre, được nhiệt phân ở các nhiệt độ 300ºC, 450ºC và 600ºC Kết quả cho thấy bốn loại TSH ở nhiệt độ 600ºC có khả năng loại bỏ từ 0,12% đến 3,7% NO3 - (tương ứng 0,02-0,64 mg NO3 - trên 1 gam than) từ dung dịch chứa 34,4 mg/L NO3 - Nghiên cứu chỉ ra rằng TSH được nung ở nhiệt độ cao có hiệu suất hấp phụ nitrate tốt hơn so với than ở nhiệt độ thấp, điều này cũng được xác nhận bởi Mizuta et al (2004) với than tre 900ºC có khả năng hấp phụ 1,25 mg/g NO3 - Thêm vào đó, Clough et al (2013) đã chỉ ra rằng TSH khuynh diệp (Eucalyptus sp.) ở 600ºC có thể hấp phụ đến 80% NO3 - trong dung dịch.
( tỉ lệ là 10 g:100 mL) thời gian hấp phụ 24 giờ, có thể hấp phụ được 0,02-0,04 mg
Than sinh học có nhiều tính chất hấp phụ tốt, nhưng tiềm năng của nó chưa được khai thác đầy đủ và hiệu suất hấp phụ NO3 - vẫn còn thấp Nghiên cứu của Zhao et al (2017) chỉ ra rằng thời gian hấp phụ ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ NO3 - Thí nghiệm với than rơm ở 400ºC cho thấy thời gian hấp phụ 12 giờ đạt hiệu suất tốt nhất, với khả năng hấp phụ lên tới 88% NO3 - trong dung dịch ban đầu (Zhao et al., 2018) Ngoài ra, nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch và nhiệt độ lên khả năng hấp phụ.
Than lõi ngô có khả năng hấp phụ NO3 - tối ưu ở nhiệt độ 40ºC và pH 2, với dung lượng hấp phụ đạt 14,64 mg/g.
Nghiên cứu của Hafshejania et al (2016) đã thực hiện quá trình kích hoạt than mía ở nhiệt độ 750ºC bằng epichlorohydrin và N-dimethylformamife Các thí nghiệm được tiến hành nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như pH dung dịch, khối lượng chất hấp phụ, thời gian hấp phụ và nhiệt độ hấp phụ Mục tiêu là xác định điều kiện tối ưu cho quá trình hấp phụ.
Than mía NO3 có dung lượng hấp phụ tối đa đạt 28,21 mg/g khi được xử lý ở nhiệt độ 750ºC, trong điều kiện pH 7, thời gian hấp phụ 60 phút, khối lượng than là 2 g và nhiệt độ hấp phụ duy trì ở 30±1ºC.
2.3.2 Hấp phụ ammonium trong nước
Theo Yao et al (2012), 9 loại TSH trong thí nghiệm hấp phụ của họ có thể loại bỏ
NH4 + với tỷ lệ loại bỏ từ 1,8-15,7% tương ứng 0,05 đến 0,79 mg NH4 + trên mỗi gam
Nghiên cứu cho thấy than bạch đàn được nung ở 600ºC có khả năng hấp phụ NH4+ với hiệu suất 0,04 mg/g (Clough et al., 2013) Để cải thiện khả năng hấp phụ NH4+, Khalil et al (2018) đã sử dụng than rơm được kích hoạt bằng NaOH 1M ở các nhiệt độ khác nhau (25±1ºC, 35±1ºC, 45±1ºC) Kết quả cho thấy ở nhiệt độ 45±1ºC, than rơm đạt hiệu suất hấp phụ NH4+ cao nhất là 69,5%, với dung lượng hấp phụ tương ứng là 4,5 mg/g.
Nghiên cứu của Gai et al (2014) cho thấy rằng trong khi TSH ở nhiệt độ cao có khả năng hấp phụ NO3 - tốt, thì quá trình hấp phụ NH4 + không theo xu hướng tương tự Họ đã phân tích 12 loại TSH được sản xuất từ rơm lúa mì (W-BC), ngô (C-BC) và vỏ đậu phộng (P-BC) ở các nhiệt độ nhiệt phân 400°C, 500°C, 600°C và 700°C, và kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt về sản lượng TSH và hàm lượng hấp phụ của chúng.
N, hydro và oxy giảm khi nhiệt độ nhiệt phân tăng từ 400 o C đến 700 o C, trong khi hàm lượng tro, pH và carbon tăng với nhiệt độ nhiệt phân lớn hơn Tất cả các TSH có thể hấp thụ một lượng đáng kể NH4 +, tuân theo mô hình đẳng nhiệt Freundlich Khả năng hấp thụ NH4 + như sau: C-BC > P-BC > W-BC, dung lượng hấp phụ giảm khi nhiệt độ nhiệt phân cao hơn.
Trong đó, C-BC có dung lượng hấp phụ NH4 + là cao nhất đạt 2,3 mg/g, xét thấy C-
BC có khả năng trao đổi cation (CEC) lớn nhất trong các loại TSH được nghiên cứu, đạt 38,3 cmol/kg Nghiên cứu của Fidel et al (2018) cho thấy khả năng hấp phụ NH4+ của than sinh giảm khi nhiệt độ nhiệt phân tăng Điều này phù hợp với kết quả của Gai et al (2014) và Hachiya cùng Sakakibara (2017), cho thấy CEC của TSH thay đổi theo nhiệt độ, với sự gia tăng ban đầu và sau đó giảm khi nhiệt độ tăng Cụ thể, CEC của TSH loblolly tăng từ 16,5 cmol/kg ở 200°C lên 23,8 cmol/kg ở 350°C, rồi giảm xuống 2,1 cmol/kg tại 650°C Giá trị CEC thấp hơn ở nhiệt độ cao có thể do sự giải phóng các nhóm chức năng Như vậy, CEC là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ NH4+ của TSH, tuy nhiên, cơ chế này cần được nghiên cứu thêm.
Nhiều loại TSH đã được nghiên cứu để hấp phụ ammonium và nitrate, tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào việc hấp phụ trong dung dịch đơn chất Do đó, cần có thêm các nghiên cứu để đánh giá khả năng hấp phụ của TSH trong các dung dịch nước thải thực tế, chẳng hạn như nước thải chăn nuôi và nước thải công nghiệp.
VAI TRÒ CỦA THAN SINH HỌC VỚI ĐẤT
Bổ sung TSH vào đất có thể làm tăng sự phong phú của các lỗ rỗng vĩ mô và vi mô từ 4 đến 27% và 11 đến 54% Ngoài ra, TSH trấu cũng cải thiện đáng kể độ xốp của đất kết cấu pha sét Những kết quả gia tăng này có thể là do sự sắp xếp lại các hạt đất sau khi bổ sung TSH (Dejene và Tilahun, 2019).
2.4.2 Tăng khả năng giữ nước của đất Độ ẩm của đất của đất tăng từ 6 đến 25% sau khi được bổ sung thêm TSH từ chất thải với tỷ lệ 20 tấn/ha Tương tự, tổng dòng chảy trung bình giảm 28% sau khi sử dụng TSH rơm rạ với tỷ lệ 20 tấn/ha trong thời gian 2 năm so với nghiệm thức đối chứng. Việc giảm dòng chảy được cho là do tác dụng giữ nước mạnh của TSH Đất cát có bổ sung TSH cho thấy khả năng giữ nước tăng từ 0,2 lên 56,1% (Dejene and Tilahun, 2019).
2.4.3 Tăng sự liên kết trong đất
Việc sử dụng TSH đã chứng minh tác dụng tích cực đối với sự kết tụ của đất, với nghiên cứu của Lu et al (2014) cho thấy sự tăng cường này Zhang et al (2013) cũng ghi nhận rằng việc bổ sung TSH trong đất nhiều mùn đã thúc đẩy đáng kể sự hình thành và ổn định của các tập hợp vĩ mô Hơn nữa, Lu et al (2014) đã quan sát rằng việc bổ sung TSH trấu làm tăng sự kết tụ của đất trong Vertisol hơn ba lần so với không gian lỗ rỗng ban đầu, từ 8% lên 36% Ouyang et al (2013) cũng báo cáo rằng việc thay đổi TSH từ phân bò sữa vào đất đã thúc đẩy sự hình thành các khối kết tụ ở cả đất bùn-sét và đất cát-mùn.
2.4.4 Tăng độ pH của đất
Than sinh học đã được chứng minh là có khả năng tăng độ pH của đất, với nghiên cứu của Rhoades et al (2017) cho thấy việc kết hợp TSH với tỷ lệ 20 tấn/ha và lớp phủ 37 tấn/ha đã nâng độ pH đất rừng từ 5,7 lên 6,4 Sự gia tăng này có thể do bổ sung vật liệu kiềm hoặc giảm hàm lượng nhôm có thể trao đổi trong đất nhờ vào liên kết ion Al 3+ với các nhóm chức oxy trên bề mặt TSH, từ đó làm tăng cation bazơ có thể trao đổi và nâng cao pH đất (Dai et al., 2017) TSH được xem là một giải pháp hiệu quả để cải tạo đất chua Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại không ghi nhận tác động của TSH đối với độ pH đất rừng, điều này có thể do sự khác biệt về nguyên liệu TSH, quy trình nhiệt phân và đặc tính đa dạng của đất.
2.4.5 Tăng hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất
Hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất tăng lên đáng kể khi bổ sung TSH, theo báo cáo của Lakitan et al (2018) Wang et al (2014) cũng chỉ ra rằng việc thêm TSH với tỷ lệ 5 tấn/ha có tác động tích cực đến hàm lượng cacbon hữu cơ trong đất Nguyên nhân chính là do sự hiện diện của cacbon ổn định trong TSH, khó phân hủy trong môi trường đất, từ đó tạo ra nguồn cacbon quan trọng cho đất.
2.4.6 Bổ sung nguồn dinh dưỡng cho đất
Việc bổ sung than sinh học (TSH) vào đất không chỉ tăng cường hàm lượng chất dinh dưỡng mà còn cải thiện sinh khả dụng cho cây trồng, nhờ vào thành phần dinh dưỡng phong phú của TSH Được sản xuất từ gỗ phế thải, TSH thường chứa hàm lượng K+ hòa tan cao cùng với nồng độ P và Ca2+ biến đổi (Dejene và Tilahun, 2019) Nghiên cứu của Sackett et al (2015) cho thấy, việc sử dụng TSH với tỷ lệ 5 tấn/ha đã làm tăng đáng kể nồng độ K, Ca và Mg có sẵn sinh học trong đất Hơn nữa, khi bổ sung TSH với tỷ lệ 10 tấn/ha, tỷ lệ khoáng hóa N thuần và nồng độ NH4+ trong đất cũng được cải thiện.
Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng TSH không chỉ làm tăng nồng độ các chất dinh dưỡng như Si và Bo, mà còn có tác động tích cực đến sự phát triển và năng suất cây trồng trong đất nhiệt đới nhờ vào việc nâng cao nồng độ Ca, Cu, K, P và Zn Mặc dù tác động tức thì của TSH là rõ ràng, nhưng ảnh hưởng lâu dài chủ yếu đến từ sự thay đổi sinh khả dụng của các chất dinh dưỡng, thay vì việc cung cấp trực tiếp từ TSH.
2.4.7 Cung cấp nơi trú ngụ của cho các quần thể vi sinh vật
Quần thể Rhizobia trên đậu xanh tăng lên khi đất được bổ sung TSH, vì TSH hoạt động như một vật mang vi khuẩn Việc áp dụng TSH cùng với Azospirillum đã làm gia tăng đáng kể quần thể Azospirillum và các vi sinh vật Diazotrophic khác trong sinh quyển Hơn nữa, vi sinh vật dựa trên TSH còn thúc đẩy sự phát triển của thực vật và cải thiện khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng Tính chất xốp của TSH giúp bảo vệ các vi sinh vật bên trong khỏi các yếu tố bên ngoài như hạn hán, pH không thuận lợi và các chất độc hại trong đất (Dejene và Tilahun, 2019).
TSH khi bổ sung vào đất giúp tăng độ xốp, pH, khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng, từ đó nâng cao độ phì nhiêu của đất Sau khi hấp phụ dinh dưỡng, TSH có thể được tái sử dụng như phân bón cho cây trồng, vừa xử lý môi trường vừa nâng cao năng suất nông nghiệp.
VAI TRÒ CỦA THAN SINH HỌC ĐỐI VỚI KHÍ NHÀ KÍNH
2.5.1 Tổng quan khí nhà kính
Sự nóng lên toàn cầu đang trở thành một trong những thách thức lớn nhất của nhân loại, với nhiệt độ Trái Đất đã tăng 0,8ºC trong 100 năm qua Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến hiện tượng này là sự gia tăng khí nhà kính (KNK) do hoạt động của con người, bao gồm cả CO2, CH4, N2O và CFCs Mặc dù CO2 từng là khí chủ yếu gây ấm lên toàn cầu, nhưng hiện nay các khí khác như HFCs, PFCs và SF6 cũng đã gia tăng đáng kể, góp phần vào sự nóng lên của hành tinh Nghị định thư Kyoto năm 1997 đã công nhận sự cần thiết phải kiểm soát các khí này để giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.
Từ thập niên 1940, metan (CH4) đã được nhận diện là một trong những khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ, gây tác động tiêu cực đến môi trường Khí CH4 có khả năng bức xạ mạnh, hấp thụ tia hồng ngoại và bức xạ nhiệt hiệu quả gấp nhiều lần so với các khí khác, góp phần làm gia tăng hiện tượng ấm lên toàn cầu.
Khí methane (CH4) có khả năng gây hiệu ứng nhà kính mạnh gấp 25 lần so với khí carbon dioxide (CO2) theo báo cáo của IPCC năm 2007 Trong khí quyển, CH4 đóng góp khoảng 16% vào sự gia tăng nhiệt độ môi trường, đồng thời thúc đẩy quá trình oxy hóa hơi nước ở tầng bình lưu, làm tăng cường hiệu ứng nhà kính Tuổi thọ của khí CH4 trong khí quyển ước tính là khoảng
Trong 100 năm qua, khí quyển đã nhận được khoảng 400-765 triệu tấn khí metan (CH4) hàng năm Mặc dù phát thải CH4 toàn cầu thấp hơn so với CO2, nhưng CH4 có khả năng gây hiệu ứng nhà kính mạnh gấp 25 lần so với CO2 Kể từ năm 1750, hàm lượng CH4 trong khí quyển đã tăng khoảng 150% (IPCC, 2014) Các hoạt động của con người như chăn nuôi gia súc, trồng lúa, chôn rác và rò rỉ khí tự nhiên trong sản xuất, vận chuyển và sử dụng là những nguồn phát thải chính Ngoài ra, các nguồn phát tự nhiên như động vật nhai lại, đầm lầy và tổ mối cũng góp phần vào lượng CH4 trong khí quyển.
Khí N2O, một loại khí nhà kính, có khả năng làm nóng lên toàn cầu gấp 298 lần so với CO2 và tồn tại trong khí quyển hơn 100 năm, ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ Trái Đất Nguồn phát sinh N2O chủ yếu từ quá trình phản nitrate hóa của vi sinh vật trong điều kiện thiếu oxy dưới đất hoặc nước (Fan et al., 2020) Theo Hội đồng liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC), CO2, N2O và CH4 là ba loại khí chính gây ra bức xạ toàn cầu.
Bảng 2.3 Một số loại khí nhà kính
Loại khí nhà kính Tiềm năng nóng lên toàn cầu (CO 2 eq)
Nông nghiệp hiện nay được xem là một trong những nguồn phát thải khí nhà kính (KNK) lớn, với các hoạt động nông nghiệp tạo ra lượng khí CH4 (51%) và N2O (58%) đáng kể (Cruse et al., 2014) Tại Việt Nam, báo cáo kiểm kê KNK năm 2010 cho thấy nông nghiệp chiếm 33,2% tổng phát thải KNK, tương đương với 88,3 triệu tấn CO2 quy đổi Trong đó, sản xuất lúa gạo là nguồn phát thải lớn nhất, chiếm 50,5%, chủ yếu do khí CH4 và N2O phát sinh từ quá trình phân hủy chất hữu cơ và sử dụng phân đạm vô cơ.
2.5.2 Phát thải khí N 2 O trong canh tác nông nghiệp
2.5.2.1 Sự phát thải khí N 2 O trong nông nghiệp Đất nông nghiệp là nguồn phát thải N2O quan trọng, trong đất N2O được sinh ra do quá trình phản nitrate hóa, quá trình này xảy ra trong điều kiện thiếu oxy, đặc biệt là ở các cánh đồng lúa Ước tính có khoảng 10-30% lượng nitơ bón bị mất dưới dạng khí do quá trình này gây nên, kết quả của quá trình phản nitrate sẽ tạo ra các dạng khí nitơ
(N2 hoặc các nitơ oxit) (Chirinda et al., 2018) Có thể mô tả tổng quát quá trình phản nitrate như sau:
NO và N2O có thể được giải phóng vào khí quyển trước khi chuyển thành N2, với N2O thường giải phóng mạnh hơn trong vài tuần đầu sau khi bón phân Nitơ, đặc biệt là ở dạng NH4 + so với NO3 - Hàm lượng N2O trung bình là khoảng 0,04% đối với nitrate và 0,15-0,19% đối với ammonium và urea Tốc độ giải phóng N2O phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hàm lượng oxy và độ ẩm đất Trong điều kiện thoáng khí, N bị khoáng hóa nhanh hơn so với điều kiện yếm khí, nhờ vào việc rễ cây tiết ra enzyme và acid hữu cơ kích thích hoạt động của vi sinh vật Trên ruộng lúa, chỉ có lớp đất mặt khoảng 10 cm và vùng rễ là thoáng khí, trong khi phần còn lại chủ yếu là yếm khí (Zhang et al., 2014).
2.5.2.2 Cơ chế hình thành N 2 O trong đất Đất là một nguồn phát thải N2O chủ yếu, đặc biệt là đất được bón nhiều phân hữu cơ hoặc đạm vô cơ, N2O được tạo ra bởi một loạt quá trình hóa học và sinh học Nguồn chính của N2O là từ đất, vi khuẩn khử nitrate và nitrite qua một số bước sẽ tạo N2 Nhiều loại vi khuẩn không có khả năng khử nitrate, không có đủ enzyme để hoàn thiện quá trình này điều này dẫn đến việc giải phóng các chất trung gian bao gồm N2O Trong một số trường hợp nhất định như pH thấp và tỷ lệ NO3/C cao, việc tạo ra N2O được ưu tiên hơn so với sản phẩm cuối cùng là N2 Quá trình khử N2O thành N2 được thực hiện bởi enzyme khử nitơ oxit, được mã hóa bởi gen nosZ ở vi khuẩn khử nitrate Trong một nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, lượng khí thải N2O có mối tương quan nghịch với biểu hiện gen nosZ (Harter et al., 2014).
Vi khuẩn nitrate hóa có ảnh hưởng đến phát thải N2O từ đất thông qua quá trình khử nitrate hóa, sử dụng ammoniumac và nitrite Ngoài ra, nấm cũng đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất N2O từ đất bằng phương pháp khử nitrate nấm Mặc dù vai trò của vi khuẩn cổ trong sản xuất N2O chưa được làm rõ, nhưng có bằng chứng cho thấy chúng có sự đóng góp đáng kể Việc phân biệt các quá trình này trong các khu vực đất khác nhau là một thách thức, do chúng có thể diễn ra đồng thời Các phương pháp nghiên cứu mới đã được phát triển nhằm làm sáng tỏ các nguồn phát thải N2O.
N2O, bao gồm các đồng vị ổn định, có thể được phân tích thông qua các phương pháp phân tử hoặc mô hình hóa (Sutka et al., 2006; Harter et al., 2014) Hiện tại, chưa có phương pháp nào đơn lẻ có thể cung cấp cái nhìn toàn diện về các con đường sản xuất N2O đa dạng, nhưng sự kết hợp của các phương pháp khác nhau có thể mang lại kết quả tốt hơn.
2.5.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng phát thải khí N 2 O
Các yếu tố môi trường như nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm đất, hàm lượng oxy, độ xốp, hàm lượng chất hữu cơ, hàm lượng N-NO3 - và pH của đất có ảnh hưởng lớn đến sự giải phóng N2O Quá trình này diễn ra mạnh mẽ khi có sự biến động hàm lượng oxy trong đất, đặc biệt giữa trạng thái đất khô và ướt Khi đất ướt, N2O được giải phóng nhanh chóng, trong khi đất khô làm hạn chế quá trình chuyển N2O thành N2, dẫn đến sự gia tăng N2O vào khí quyển.
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và điều chỉnh tốc độ phóng thích N2O trong đất, với mức nhiệt độ tối ưu cho quá trình phản nitrate khoảng 30ºC đến 35ºC Vi khuẩn tham gia vào phản nitrate hóa phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm, dẫn đến sự thay đổi trong việc giải phóng N2O giữa ban ngày và ban đêm cũng như theo mùa (Kang et al., 2021) Ngoài ra, các yếu tố như độ pH và thành phần hóa học của đất cũng ảnh hưởng đến quá trình này, trong đó môi trường axit có thể hạn chế sự phóng thích N2O Việc sử dụng phân bón photphat và vôi có thể tăng cường hoạt động của vi khuẩn chuyển hóa nitơ, từ đó làm gia tăng khả năng giải phóng N2O (Kammann et al., 2017).
Quản lý nông nghiệp liên quan đến nhiều yếu tố như sử dụng phân bón, quản lý nước, làm đất, quản lý rơm và sử dụng đất Quá trình tưới nước cho đất khô có thể giảm phát thải N2O, đặc biệt khi có sự biến động về lượng oxy trong đất giữa các trạng thái khô và ướt, dẫn đến việc N2O thường được giải phóng nhiều hơn trong giai đoạn tưới tiêu Tuy nhiên, phản nitrate hóa, một quá trình sinh khí N2O, lại chiếm ưu thế ở các tầng đất sâu và có độ ẩm cao (Kammann et al., 2017).
2.5.2.4 Một số kết quả nghiên cứu sử dụng than sinh học làm giảm phát thải khí nhà kính
Các giả thuyết hiện nay về tác động của TSH trong hỗn hợp than - đất đối với khí thải N2O liên quan đến tính chất của TSH, đặc tính đất và các điều kiện môi trường như nhiệt độ và lượng mưa Nghiên cứu chủ yếu được tiến hành trong phòng thí nghiệm với mẫu đất đã bị xáo trộn cùng độ ẩm Một số nghiên cứu khác thực hiện trong nhà kính hoặc trên đồng ruộng kết hợp với cây trồng, cho thấy TSH có thể ảnh hưởng đến lượng khí thải N2O từ đất.
NƯỚC THẢI SAU BIOGAS
2.6.1 Sơ lược về nước thải sau biogas
Biogas, hay khí sinh học, là hỗn hợp khí được tạo ra từ quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi vi sinh vật yếm khí Nguyên liệu chính cho quá trình ủ biogas thường là phân gia súc và phụ phẩm nông nghiệp Tại Đồng bằng sông Cửu Long, các nguồn nguyên liệu chủ yếu được sử dụng là phân heo, phân bò và một số loại thực vật Hỗn hợp khí sinh ra từ quá trình này bao gồm CH4 (55-65%), CO2 (35-45%) và H2S (0-1%).
Bảng 2.6 Chất lượng nước thải sau biogas
Nước thải sau biogas – phân heo 7,33 165 0,2 52,6 50,8
Nước thải sau biogas – bèo tai tượng 6,8 42 0,61 2,04 49,8
Khí metan (CH4) là thành phần chính trong năng lượng khí đốt, chiếm tỷ lệ cao nhất trong các loại khí Sự hình thành khí CH4 phụ thuộc vào quá trình phân hủy sinh học, chịu ảnh hưởng bởi loại phân, lượng nước, nhiệt độ và các yếu tố khác trong hệ thống phân hủy sinh học yếm khí Ngoài ra, một số nguyên liệu thực vật và phụ phẩm nông nghiệp cũng có thể được sử dụng để sản xuất biogas.
2.6.2 Thành phần hóa học và dinh dưỡng của nước thải sau biogas
Nước thải từ túi biogas chứa nhiều muối dinh dưỡng vô cơ như đạm và lân, với thành phần hóa học gồm 93% nước và 7% chất thô, trong đó có 4,5% chất hữu cơ và 2,5% chất vô cơ Nước thải này chứa các chất hữu cơ rắn, dinh dưỡng hòa tan và các nguyên tố vi lượng như Cu, Zn, Fe, Mn, có khả năng cải tạo đất Hàm lượng dinh dưỡng trong nước thải biogas bao gồm N (0,37-0,8 g/L), P2O5 (0,099-0,31 g/L), K2O (0,32-0,56 g/L) và các nguyên tố khác như Ca (109,7-239,6 mg/L), Mg (91,8-125,6 mg/L), Zn (1,2-5,3 mg/L) và Mn (1,1-5,7 mg/L) Đặc biệt, hàm lượng kim loại nặng trong nước thải biogas thấp hơn nhiều so với quy chuẩn Việt Nam cho nước mặt, tuy nhiên, việc xử lý nước thải biogas trước khi thải ra môi trường là rất cần thiết, đặc biệt là xử lý các tác nhân ô nhiễm như chất hữu cơ, đạm và lân.
STT Thông số Đơn vị Trước khi qua túi ủ biogas Sau khi qua túi ủ biogas
1 Nhu cầu oxy sinh học (BOD 5 ) mg/L 873-1690 192-582
2 Nhu cầu oxy hóa học (COD) mg/L 1794-3871 264-789
3 Chất rắn hòa tan (SS) mg/L 1528-4521 188-821
4 Chất rắn bay hơi (VSS) mg/L 955-2753 123-499
SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN SINH HỌC TRONG NGHIÊN CỨU
Tre thuộc họ hòa hảo (Poaceae), họ phụ Bambusoideae, có sự phân bố rộng rãi trên toàn cầu Loài cây này có chiều cao trung bình từ 10-20 m, đường kính thân từ 7-25 cm, với thân hình ống, có đốt và thân ngầm dưới đất Lá tre có gân song song, cành phân nhánh từ các đốt, và cụm hoa hình bông với hoa nhỏ, quả thóc Tre dễ trồng, sinh trưởng nhanh và dễ khai thác, chế biến, nên được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Tre là một nguyên liệu đa năng, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, thực phẩm và các mục đích văn hóa Với thân khí sinh lớn, vách dày và cứng cáp, tre thường được dùng làm vật liệu xây dựng cho cột nhà và đòn tay Các loài tre nhỏ hơn với thân mỏng được ứng dụng làm sàn nhà và lát vách trong các ngôi nhà truyền thống của đồng bào dân tộc Ngoài ra, tre còn là nguồn nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất giấy và các nghề truyền thống như đan lát, nhờ vào hàm lượng sợi cao (40-60%) và chiều dài sợi từ 1,5-2,5 mm.
Cây tràm (Melaleuca cajuputi) là cây trồng chủ lực tại vùng đất phèn ĐBSCL, với tiềm năng nguồn nguyên liệu gỗ lớn Trữ lượng gỗ tràm từ 1-5 năm tuổi ước tính đạt khoảng 13 triệu m³ trên tổng diện tích 132.262 ha rừng trồng sản xuất Tại ĐBSCL, cây tràm bao gồm nhiều loại khác nhau, trong đó Melaleuca cajuputi là phổ biến nhất.
Melaleuca leucadendra và Melaleuca viridiflora thuộc họ sim (Myrtaceae), trong đó Melaleuca cajuputi là loài bản địa Cây tràm có khả năng sinh trưởng trong nhiều điều kiện môi trường, từ vùng đất ngập nước theo mùa đến các khu vực gò đồi khô cằn ở miền núi phía bắc Đặc biệt, loài cây này phát triển tốt trên các vùng đất ngập phèn, giúp ngăn chặn và hạn chế phèn hóa, ngay cả ở những khu vực nước lợ và nước mặn mà các loại cây rừng khác khó có thể tồn tại.
Cây tràm, với khả năng sinh trưởng tốt trên nhiều loại đất, được Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn công nhận là một trong những cây ưu tiên cho trồng rừng sản xuất và bảo vệ môi trường đất ngập nước Rừng tràm đóng vai trò quan trọng trong hệ sinh thái ngập nước của vùng Đồng bằng sông Cửu Long, vì vậy việc duy trì và phát triển rừng tràm không chỉ có ý nghĩa bảo tồn hệ sinh thái đặc biệt mà còn góp phần bảo vệ môi trường khu vực Để nâng cao giá trị kinh tế của cây tràm, cần tạo động lực cho việc duy trì và phát triển rừng tràm bền vững.
Tre và tràm là nguồn tài nguyên phong phú và giá rẻ tại ĐBSCL, nhưng việc quản lý không đúng có thể dẫn đến ô nhiễm môi trường Lựa chọn nguyên liệu tối ưu cho sản xuất TSH có thể giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường Các ứng dụng trong nước của chúng bao gồm gối than, nệm và bảo quản độ tươi trong tủ lạnh, cũng như máy khử mùi ở những nơi ẩm ướt Than có tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp, như cải thiện cấu trúc đất, giảm tác động tiêu cực của thuốc trừ sâu, và tăng nhiệt độ cũng như lượng nước trong đất (Gupta et al., 2008).
Tre là lâm sản địa phương chủ yếu cho sản xuất thủ công và sàn công nghiệp xuất khẩu tại Việt Nam Năm 2011, sản lượng tre khai thác đạt 55.000 cây, tăng lên 58.000 cây vào năm 2012 Diện tích trồng tre ước tính khoảng 800.000 ha rừng trồng với năng suất trung bình từ 10 đến 13 tấn/ha, cùng với 600.000 ha rừng hỗn giao chứa đến 70% tre Sử dụng tre chủ yếu tập trung vào ba phân ngành chính ở miền Nam: chế biến giá trị gia tăng (20% cho ván sàn ép), chế biến số lượng lớn (80% đồ gia dụng, đũa, thủ công mỹ nghệ), và vật liệu xây dựng Hiện nay, nhu cầu tre ở Việt Nam lớn hơn cung, trong khi sản xuất tre đối mặt với áp lực đất đai và các biện pháp bảo vệ rừng.
TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI CÂY TRỒNG SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
Cây rau muống (Ipomoea aquatica Forsk) thuộc họ Convolvulaceae, có nguồn gốc từ các vùng nhiệt đới châu Á, châu Phi, Trung Á, Nam Mỹ và châu Đại Dương Là loại rau ngắn ngày, rau muống phát triển tốt và cho năng suất cao trong điều kiện ánh sáng đầy đủ ở vùng nhiệt đới ẩm Tại Việt Nam, rau muống là thực phẩm phổ biến, được trồng rộng rãi từ Bắc vào Nam, từ miền núi đến đồng bằng Rau muống chứa nhiều dưỡng chất quan trọng như protein, lipid, canxi, photpho, sắt, kali, và các vitamin B1, B2, C, cùng nhiều axit amin, với thành phần dinh dưỡng gồm 92% nước, 3,2% protein, 2,5% glucide, và hàm lượng muối khoáng cao.
Rau muống (Ipomoea aquatica Forsk) là một loại cây thân thảo, có rễ bất định và thân lóng bộng, không có lông Lá cây rau muống có hình tam giác hoặc hình đầu tên với cuống lá dài Hoa của rau muống mọc ở nách lá, có màu trắng, với lá đài bằng nhau và tiểu nhuỵ 5 gắn trên ống vành Quả nang của cây có hình tròn, kích thước từ 8-9 mm và chứa hạt bên trong.
Rau muống có rễ chùm, không có rễ chính, và rễ phụ mọc tại các đốt trên thân Rễ ăn nông, chủ yếu tập trung ở tầng đất mặt, trong khi thân rau muống tròn, rỗng và có nhiều lóng Hoa rau muống màu trắng, tự thụ phấn với nhị đực và nhuỵ cái trên cùng một hoa Quả rau muống khi còn non có màu xanh nhạt, mỗi quả chứa 4 ô, mỗi ô có một hạt 1 gam hạt rau muống chứa khoảng 20-30 hạt, và khi chín, hạt có màu nâu Điều kiện ngoại cảnh đóng vai trò quan trọng trong sự sinh trưởng và phát triển của rau muống.
Rau muống là loại rau ưa khí hậu nóng ẩm, chịu nóng tốt nhưng không chịu rét Ở nhiệt độ dưới 23°C, rau muống sinh trưởng chậm, lá giòn và năng suất giảm, đồng thời rau có vị chát Nhiệt độ lý tưởng cho rau muống là khoảng 25-30°C Ánh sáng cũng rất quan trọng cho sự phát triển của rau muống, với thời gian chiếu sáng từ 10-12 giờ mỗi ngày Loại rau này thích ánh sáng tán xạ và có khả năng chịu bóng râm.
Rau chứa 75-95% hàm lượng nước, vì vậy nước là yếu tố quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của rau Thiếu nước sẽ làm rau nhanh chóng già cỗi, nhiều xơ và giảm chất lượng, trong khi thừa nước lại khiến hàm lượng đường và muối hòa tan giảm, làm rau trở nên nhạt và dễ bị sâu bệnh Đối với rau muống, độ ẩm lý tưởng để phát triển là 90% Ngoài ra, rau muống có thể trồng trên nhiều loại đất như đất sét, đất cát và đất pha, nhưng cần đảm bảo đất ẩm ướt, giàu mùn và phân hữu cơ, đồng thời tránh xa các khu vực ô nhiễm.
Rau muống là cây trồng có năng suất cao và thu hoạch nhiều lần trong một vụ, do đó, cần bổ sung nhiều chất dinh dưỡng trong suốt quá trình sinh trưởng Trong ba nguyên tố dinh dưỡng N, P, K, rau muống cần nhất là đạm (N), vì đây là yếu tố quyết định tăng năng suất và chất lượng sản phẩm Mặc dù kali (K) và photpho (P) không yêu cầu nhiều, nhưng chúng vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng rau và hạt (Ba, 2010).
Kỹ thuật trồng rau muống cạn yêu cầu tăng cường sử dụng phân hữu cơ, đặc biệt là phân chuồng đã ủ hoai mục, kết hợp với phân hữu cơ vi sinh và tro trấu Cần tránh sử dụng phân chuồng chưa hoai mục, phân tươi pha loãng và phân rác Việc bón phân N-P-K cần được thực hiện một cách cân đối và vừa đủ theo nhu cầu của từng loại rau Có thể sử dụng phân bón lá và phân bón kết thúc trước khi thu hoạch ít nhất 5 – 7 ngày Sau 10 – 15 ngày trồng, cần bón thúc để đảm bảo cây phát triển tốt (Thi & Hùng, 2006) Liều lượng và phương pháp bón phân hóa học cho rau muống được trình bày trong Bảng 2.8.
Bảng 2.8 Liều lượng phân bón cho cây rau muống
Tổng lượng bón Loại phân
Kg nguyên chất/ha Kg/ha
Phân NPK được bón theo tỷ lệ khuyến cáo: 150 kg/ha phân đạm, 60 kg/ha phân lân và 40 kg/ha phân kali (Thi & Hùng, 2006) Trong giai đoạn bón lót, cần bón toàn bộ super lân, kali sulphate và phân chuồng với lượng 15 – 20 tấn/ha, trộn đều và rải trên mặt luống, sau đó lấp đất hoặc rạch hàng và rắc phân trước khi gieo hạt Đối với bón thúc, sử dụng urê sau mỗi đợt thu hoạch và tưới nước lại vào ngày hôm sau sau khi đã bón phân.
Rau muống cạn cần được tưới nước thường xuyên để duy trì độ ẩm khoảng 90%, giúp nâng cao năng suất và chất lượng Sau khi gieo hạt hoặc cấy, có thể thu hái lứa đầu sau 35 - 40 ngày Nếu được chăm sóc tốt, các đợt thu hái tiếp theo có thể diễn ra sau 20 - 25 ngày Khi thu hoạch, nên để lại 2 - 3 đốt thân và tưới phân đạm ngay sau mỗi đợt thu để rau nhanh chóng nảy mầm.
Phòng trừ sâu bệnh trên rau muống là rất quan trọng, đặc biệt trong mùa mưa Theo Dật (2002), các loại sâu bệnh hại chủ yếu bao gồm sâu khoang, sâu ba ba và bệnh vàng lá Để bảo vệ cây, rau muống có thể được trồng trong nhà lưới hoặc che phủ bằng bạt nilon nhằm ngăn chặn đất cát bám lên cây, từ đó giảm nguy cơ nhiễm bệnh Bên cạnh đó, việc bón phân cân đối cũng giúp hạn chế và ngăn ngừa bệnh hại hiệu quả Thi & Hùng (2006) đã đề xuất các biện pháp phòng trị sâu bệnh chính cho rau muống.
Sâu ba ba (Taiwania circumdata) thường gây hại cho ruộng rau muống nước và những khu vực có độ ẩm cao Để kiểm soát hiệu quả, cần tiêu diệt cả sâu non và sâu trưởng thành Các loại thuốc như Sherpa 20EC và Regent 80WG có thể được sử dụng để phòng trừ sâu bệnh này.
Sâu khoang (Spodoptera litura) cần được phát hiện sớm để ngăn chặn sự lây lan Bạn nên bắt sâu bằng tay, ngắt ổ trứng và tổ sâu mới nở Chỉ khi thật cần thiết, hãy phun thuốc, có thể sử dụng Sherpa 20EC, thuốc thảo mộc HCĐ 25 BTN hoặc thuốc sinh học NPV để kiểm soát dịch hại hiệu quả.
- Sâu xanh (Helicoverpa armigera): ít gây hại nặng Khi phòng trừ có thể sử dụng các loại thuốc Shera 20EC, Cyperan 25EC, thuốc sinh học NPV.
Rầy xám (Tettigoniella sp.) là loài gây hại nghiêm trọng cho rau muống cạn Để phòng trừ hiệu quả, nông dân có thể sử dụng các loại thuốc như Basa 50ND và Cyperan 25EC Việc phun thuốc cần được thực hiện kỹ lưỡng sau mỗi lần thu hoạch trên toàn bộ ruộng.
Khi sử dụng thuốc phòng trừ sâu bệnh cần phải tuân theo đúng hướng dẫn trên bao bì của từng loại thuốc, thời gian cách ly từ 7 - 10 ngày.
Cải xanh, tên khoa học Brassica jiuncea, là loại rau có thời gian sinh trưởng ngắn khoảng 30 ngày và yêu cầu lượng nước thấp, thích hợp với điều kiện nóng lên đến 41ºC trong nhà lưới Cải xanh thuộc họ Brassicaceae, có đặc điểm cuống lá nhỏ và phiến lá mỏng, màu sắc từ xanh vàng đến xanh đậm Thân cây cao trung bình từ 40-60 cm với rễ trụ ít phân nhánh Lá hình trái xoan, có cuống, dài tới 1 m và rộng 60 cm, thường có vị đắng hoặc cay, với mép lá không đều Hoa cải xanh có màu vàng nhạt, xếp thành chùm dạng ngù, và hạt có hình cầu màu đen Loại rau này chịu được nhiệt độ cao và mưa, nên có thể trồng vào vụ Xuân.
Hè để chống giáp vụ rất tốt.
Cải xanh, có nguồn gốc từ miền nhiệt đới và cận nhiệt đới châu Á, được trồng rộng rãi ở Việt Nam và có thể phát triển quanh năm Trong mùa nắng, cải xanh cho năng suất cao hơn, tuy nhiên cần đảm bảo đủ nước tưới và phòng trừ sâu bệnh do mùa này sâu bệnh phát triển mạnh Ngược lại, mùa mưa khó trồng và năng suất thu hoạch thấp, nhưng sản phẩm lại có giá bán cao.
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1 NĂNG SUẤT THAN VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ-HOÁ HỌC CỦA THAN SINH HỌC ĐƯỢC TẠO TỪ TRE VÀ TRÀM
Vật liệu tạo than chủ yếu từ tre và tràm, là nguồn tài nguyên dồi dào và dễ tìm tại ĐBSCL với giá thành thấp Tre sử dụng là giống tre gai (Bambusa blumeana), được thu hoạch từ xã Bình Hòa, huyện Châu Thành, tỉnh An Giang, với tuổi trung bình từ 3-4 năm và đường kính thân khoảng 8 cm Tràm được nghiên cứu thuộc giống tràm ta (Melalueca cajuputi), được thu mua từ vựa tràm Như Ngọc, đường Tầm Vu, thành phố Cần Thơ, cũng có độ tuổi trung bình từ 3-4 năm và đường kính thân khoảng 5 cm.
Trong nghiên cứu, các thiết bị và máy đo đóng vai trò quan trọng, bao gồm máy nghiền nguyên liệu, máy đo pH (MP220, Mettler Toledo), máy đo EC (Laqua Twin, Horiba), và cân (Ohaus Corporation – China) Ngoài ra, máy lắc ổn nhiệt (Bioshaker BR-23FH) và máy lắc ngang (Ikalabortechnik – Japan) cũng được sử dụng để hỗ trợ quá trình nghiên cứu Các thiết bị khác như tủ sấy mẫu (GZX-9030MBE), lò điện (MMF-2, AS ONE), và thiết bị phân tích các nguyên tố hữu cơ (CHNS-O Perkin-Elmer 2400 Series II, PerkinElmer-Mỹ) cũng rất cần thiết Để phân tích các phần các nguyên tố kim loại, máy JSM-7500F (JEOL, Tokyo, Nhật Bản) được sử dụng, cùng với máy quang phổ hồng ngoại (FTIR Thermo Nicolet Nexus 670 của Hoa Kỳ) và kính hiển vi điện tử (Hitachi TM-1000 và S-4800) Cuối cùng, máy đo diện tích bề mặt BET (Quantachrome Instruments, Version 11.0) cũng là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu.
3.1.2.1.Phương pháp tạo than trong phòng thí nghiệm
Than tre và tràm được sản xuất trong phòng thí nghiệm bằng lò nung VMF 165 (Yamada Denki, Adachi, Nhật Bản) thông qua phương pháp nhiệt phân chậm ở ba mức nhiệt độ 500ºC, 700ºC và 900ºC trong điều kiện yếm khí Quy trình bắt đầu bằng việc chuẩn bị nguyên liệu từ cây tràm và tre, sau khi thu hoạch, nguyên liệu sẽ được làm sạch và cắt thành đoạn dài khoảng 1 m Đối với cây tràm, lớp vỏ ngoài sẽ được loại bỏ trước khi cưa thành mạc Cuối cùng, mạc cưa sẽ được nghiền thành bột mịn với kích thước lỗ 0,5 mm.
Hình 3.1 Tre gai (Bambusa blumeana) (A) và tràm ta (Melaleuca cajuputi) (B)
Hình 3.2 Máy nghiền nguyên liệu (A) và bột tràm và tre sau khi được nghiền (B)
Bột mịn từ tre và tràm được sử dụng để sản xuất TSH bằng cách cho vào khuôn ép kim loại và sử dụng máy ép để tạo thành viên hình trụ có đường kính 5 mm và chiều dài 10 mm Sau khi ép, các viên được sấy khô ở nhiệt độ 105ºC để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm, cho đến khi khối lượng không đổi, rồi được bảo quản trong bình hút ẩm để nguội Cuối cùng, mẫu được cân và đưa vào lò nung VMF-165 (Yamada Denky-Nhật Bản) để tiến hành sản xuất TSH.
Hình 3.3 Khuôn kim loại ép viên (A); thiết bị nén viên (B); viên nén tre (C)
Lò nung VMF-165 hoạt động bằng cách dẫn khí N2 vào bên trong, tạo ra môi trường yếm khí với tốc độ gia nhiệt 10ºC/phút Sau đó, lò được gia nhiệt đến nhiệt độ 500ºC.
Nhiệt độ 700ºC và 900ºC được duy trì trong 2 giờ, sau đó làm mát đến nhiệt độ phòng Than được lấy ra và nghiền mịn đến kích thước 0,5 mm, sau đó được bảo quản với độ ẩm 25% trong máy sấy tự động.
Hình 3.4 Lò nung VMF-165 (Yamada Denky-Nhật Bản)
Phương pháp tính năng suất than bao gồm việc sử dụng bột than tre và than tràm, sau khi đốt bằng khí N2 Mẫu than cần được làm nguội hoàn toàn trong tủ hút ẩm trước khi cân trọng lượng Năng suất than được xác định dựa trên trọng lượng sinh khối ban đầu và trọng lượng than sau khi nung, theo công thức tính toán cụ thể.
Trong đó: m1 (g) trọng lượng sinh khối trong cốc trước khi nung m2 (g) trọng lượng than trong cốc sau khi nung
Hình 3.5 Viên nén tre trước khi nung (A) và than tre 700ºC (B)
3.1.2.2 Phương pháp phân tích tính chất vật lý và hóa học của than
Sau khi trải qua quá trình sấy khô, nghiền nát và sàng lọc qua rây có kích thước 0,5 mm, TSH được sử dụng để xác định một số tính chất vật lý và hóa học.
Để xác định pH và EC, than được đo trong dung dịch với tỷ lệ nước khử ion và than là 1:100 Hỗn hợp này được lắc trong 2 giờ trên máy lắc Bioshaker BR-23FH với tốc độ lắc ổn định.
Dưới điều kiện nhiệt độ phòng 25ºC và tốc độ 100 vòng/phút, dung dịch trích được dùng để xác định giá trị pH và EC Giá trị pH được đo bằng máy đo pH MP220 của Mettler Toledo, trong khi giá trị EC được xác định bằng máy đo EC Laqua Twin của Horiba.
Xác định hàm lượng tro trong bột tre và bột tràm được thực hiện bằng lò điện MMF-2, AS ONE, theo phương pháp chuẩn ASTM D1762-84 (2013) Quá trình này bao gồm việc đốt mẫu ở nhiệt độ 750-800ºC trong 6 giờ để phân hủy các thành phần hữu cơ, từ đó xác định trọng lượng tro còn lại.
Để xác định độ ẩm của nguyên liệu, phương pháp sấy khô theo TCVN 1867:2001 được áp dụng Mẫu nguyên liệu sẽ được sấy ở nhiệt độ 105±5ºC cho đến khi khối lượng không thay đổi Độ ẩm được tính toán dựa trên sự chênh lệch trọng lượng trước và sau khi sấy của mẫu, trong đó độ giảm khối lượng chính là độ ẩm của nguyên liệu.
Xác định chất bay hơi: hàm lượng chất bay hơi được xác định khi đun nóng ở
900±20°C trong vòng 7 phút trong điều kiện không có không khí Hàm lượng cacbon cố định được tính như sau:
Cacbon cố định (%) = 100% – [độ ẩm (%) + tro (%) + chất bay hơi (%)] (3.2)
Xác định thành phần nguyên tố: TSH được nghiền để thu được bột mịn đồng nhất và được làm khô ở 105°C trước khi phân tích Hàm lượng carbon (C%), hydro (H
%) và nitơ (N%) của nó sau đó được phân tích bằng thiết bị phân tích nguyên tố CHNS-
Máy Perkin-Elmer 2400 Series II cho phép xác định thành phần carbon (C%), hydro (H%) và nitơ (N%) trong mẫu Từ các giá trị này, hàm lượng oxy (O%) có thể được tính toán theo công thức (3.4) Tỷ lệ phần trăm của các nguyên tố carbon, hydro và nitơ đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích thành phần hóa học của mẫu.
%) và Oxy (O%) sau đó được sử dụng để tính toán tỷ lệ nguyên tử H/C, O/C và C/N của mỗi loại TSH.
Cacbon (%) = 100% – [độ ẩm (%) + tro (%) + chất bay hơi (%)] (3.3)
Giá trị gia nhiệt cao hơn (HHV - Higher Heating Value) là tổng năng lượng thu được khi các sản phẩm cháy được làm lạnh về nhiệt độ ban đầu trước khi đốt, bao gồm cả việc ngưng tụ hơi nước Công thức tính HHV được đề xuất bởi Sheng và Azevedo (2005) là công thức quan trọng trong việc xác định năng lượng từ nhiên liệu.
Phương pháp xác định cation trao đổi của than (CEC) sử dụng dung dịch BaCl2, trong đó TSH được trích ba lần với dung dịch BaCl2 0,1 M để trao đổi cation với Ba2+ Sau đó, dung dịch MgSO4 0,02 M được thêm vào để thay thế Ba2+ và tạo kết tủa BaSO4 CEC được tính toán dựa trên sự khác biệt giữa hàm lượng.
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 2 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DINH DƯỠNG CỦA THAN TRE VÀ THAN TRÀM
Than sinh học từ tre và tràm được sản xuất ở nhiệt độ 700°C bằng lò nung VMF-165 trong môi trường yếm khí Sau khi nghiền và sàng qua rây với kích thước lỗ 0,5 mm, than này được sử dụng để thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ ion NH4 + và NO3 -.
Hóa chất NaOH và HCl (Merk, độ tinh khiết ≥ 99%) được sử dụng để hiệu chỉnh pH trong dung dịch Dung dịch ammonium và nitrate chuẩn (Merk, độ tinh khiết ≥ 99%) có nồng độ gốc 1000 ppm, được pha loãng thành nồng độ 50 mg/L cho thí nghiệm.
Trước khi tiến hành thí nghiệm, cần lấy mẫu đại diện để phân tích các thông số vật lý và hóa học trong nước thải sau túi ủ biogas, bao gồm nhiệt độ, pH, EC, DO, NH4+ và NO3-, theo phương pháp được trình bày trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Phương pháp phân tích các thông số trong nước
Chỉ tiêu Phương pháp phân tích Thiết bị chính
Nhiệt độ (ºC) Được trực tiếp tại hiện trường Nhiệt kế rượu (Đức) pH Được trực tiếp tại hiện trường Máy đo pH (TOA-DKK HM-31P,
EC (mS/cm) Được trực tiếp tại hiện trường Máy đo EC (Milwaukee MI 306,
Eh (mV) Được trực tiếp tại hiện trường Máy đo điện thế oxy hóa khử SWC-
DO (mg/L) Được trực tiếp tại hiện trường Máy đo DO (Hanna Hi-9146, Rumani)
TN (mg/L) Phương pháp Kjeldahl (APHA, 1998)
TP (mg/L) Phương pháp axit ascorbic
PO 4 3- (mg/L) Phương pháp axit ascorbic,
(APHA, 1998) Phương pháp vô cơ mẫu với axit
Giàn chưng cất Kjeldahl (Đức) Máy UV-2900 Hitachi (Nhật Bản) Máy UV-2900 Hitachi (Nhật Bản)
Máy máy quang phổ hấp thụ nguyên Tổng K (mg/L) flohydric và axit percloric (TCVN
NH 4 + (mg/L) Phương pháp Indophenol Blue
NO 3 - (mg/L) Phương pháp salicylic (APHA,
Máy UV-2900 Hitachi (Nhật Bản) Máy UV-2900 Hitachi (Nhật Bản)
NO 2 - (mg/L) Phương pháp Colorimetric Máy UV-2900 Hitachi (Nhật Bản)
Nước thải sau túi ủ biogas được thu từ quy trình ủ với vật liệu nạp trung bình 7,0-8,5 kg phân lợn mỗi ngày, sử dụng phân từ 15 con lợn có trọng lượng trung bình 60-70 kg/con, tương ứng với lợn nuôi ở giai đoạn 3 tháng tuổi Túi ủ đã hoạt động ổn định và sản xuất khí đều đặn, với mẫu nước thải được lấy vào khoảng thời gian giữa ngày, từ 11 đến 12 giờ trưa.
Để thu mẫu nước thải từ túi ủ biogas, cần thực hiện quy trình thu trực tiếp từ ao chứa đầu ra Nước thải được khuấy lên và sử dụng ca nhựa 1000 mL để lấy mẫu ở độ sâu 20-30 cm, sau đó cho vào can nhựa 30 L và bảo quản trong điều kiện kín khí ở nhiệt độ phòng thí nghiệm Lưu ý rằng mẫu nước thải chỉ được thu khi vật nuôi không sử dụng kháng sinh; nếu có, cần chờ ít nhất 7 ngày trước khi thu mẫu Các thông số đo đạc nước thải biogas bao gồm pH=8, EC=85 (µS/cm), DO=5,14 (mg/L), NO3-=2,45 (mg/L), và NH4+=6,73 (mg/L).
3.2.2.1 Khảo sát khả năng hấp phụ ammonium và nitrate của than tre và than tràm trong dung dịch ammonium và nitrate chuẩn
Thí nghiệm 1 Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch lên khả năng hấp phụ NH 4 + và NO 3 - của than tre và than tràm
Nghiên cứu được thực hiện với hai loại dung dịch chuẩn ammonium và nitrate có nồng độ 50 mg/L, pha từ dung dịch NH4+ và NO3- gốc 1000 ppm với độ tinh khiết ≥99% Hai loại TSH được sử dụng là than tre và than tràm Dung dịch chuẩn NH4+ và NO3- được cho vào các ống ly tâm 50 mL, sau đó điều chỉnh pH bằng dung dịch NaOH 0,1 M và HCl 0,1 M để đạt các trị số pH 2, 3, và 4.
5, 6, 7, 8, 9, 10 và 11 (Hafshejania et al., 2016) với 5 lần lặp lại cho mỗi mức giá trị pH
Mỗi ống ly tâm tương ứng với một lần lặp lại trong quá trình thí nghiệm Khối lượng than tre và than tràm được sử dụng là 0,5 g, với kích thước hạt than là 0,5 mm, được cho vào các ống ly tâm đã chuẩn bị sẵn.
Để đạt được giá trị pH chuẩn, hãy điều chỉnh các giá trị tương ứng và lắc hỗn hợp trên máy lắc ngang với tốc độ 220 vòng/phút trong 2 giờ liên tục (Hình 3.6A).
Hình 3.6 Máy lắc ngang (A), trích mẫu sau khi lắc (B) và máy so màu quang phổ (C)
Sau khi lắc, hỗn hợp được lọc qua giấy lọc có kích thước lỗ 45 µm để tách than ra khỏi dung dịch Phần hỗn hợp sau khi lọc được sử dụng để phân tích nồng độ NH4+ bằng phương pháp Indophenol Blue và NO3- bằng phương pháp salicylate, với kết quả được xác định qua máy so màu quang phổ UV Hitachi-U2900 ở bước sóng 660 nm cho NH4+ và 410 nm cho NO3- Lượng ammonium và nitrate hấp phụ trên 1 gam than được tính toán, cùng với hiệu suất hấp phụ theo các công thức đã định sẵn Kết quả từ thí nghiệm này là cơ sở cho việc lựa chọn mức pH tối ưu trong việc đánh giá khả năng hấp phụ NH4+ và NO3- của than tràm và than tre trong các thí nghiệm tiếp theo.
Lượng ammonium và nitrate hấp phụ trên 1 gam than tre hoặc than tràm cùng với hiệu suất hấp phụ của than được xác định theo công thức (3.8) do Hafshejania et al (2016), Kołodyńska et al (2012) và Tran et al (2016) đề xuất.
Lượng ammonium/nitrate hấp phụ trên 1 gam than: q e
Hiệu suất hấp phụ của than: H (%)= (€ 0 – € e )×100
(3.9) Trong đó: m (g) khối lượng than
C0 (mg/L) nồng độ NH4 +/NO3̄ trước khi hấp phụ
Ce (mg/L) nồng độ NH4 +/ NO3̄ sau khi hấp phụ qe (mg/g) dung lượng NH4 + hấp phụ trên 1 gam than
V (L) thể tích dung dịch hấp phụ
H (%) hiệu suất hấp phụ của than
Thí nghiệm 2 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng than đến khả năng hấp phụ
NH 4 + và NO 3 - của than tre và than tràm
Thí nghiệm thực hiện ở 5 mức khối lượng trên 2 loại than tre và than tràm lần lượt là 0,05 g; 0,25 g; 0,5 g; 1,0 g và 1,5 g Mỗi mức khối lượng được thực hiện với 5 lần lặp
Nghiên cứu được thực hiện với 4 lần lặp lại cho mỗi ống ly tâm, sử dụng 2 loại dung dịch chuẩn ammonium và nitrate có nồng độ 50 mg/L, được pha chế từ dung dịch NH4+.
Nồng độ gốc NO3 - chuẩn là 1000 ppm với độ tinh khiết ≥99%, đã được điều chỉnh pH=7 trong dung dịch ammonium và pH=4 trong dung dịch nitrate Than tre và than tràm được cân và cho vào ống ly tâm 50 mL, sau đó trộn với 50 mL dung dịch NH4 + và NO3 - nồng độ 50 mg/L, lắc ở tốc độ 220 vòng/phút trong 2 giờ Hỗn hợp được lọc qua giấy lọc 45 µm để tách than khỏi dung dịch Phần dung dịch sau khi lọc được phân tích nồng độ NH4 + bằng phương pháp Indophenol Blue và NO3 - bằng phương pháp salicylate, sử dụng máy so màu quang phổ UV Hitachi-U2900 ở bước sóng 660 nm cho NH4 + và 410 nm cho NO3 -.
Lượng ammonium và nitrate hấp phụ trên 1 gam than và hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức (3.8) và (3.9).
Thí nghiệm 3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian lên khả năng hấp phụ NH 4 + và
NO 3 - của than tre và than tràm
Thí nghiệm đánh giá khả năng hấp thu NH4 + và NO3 - được thực hiện qua nhiều mốc thời gian từ 2 phút đến 360 phút, với 5 lần lặp lại cho mỗi mốc thời gian Dung dịch NH4 + và NO3 - có thể tích 50 mL/ống ly tâm và nồng độ 50 mg/L, được điều chỉnh pH lần lượt là 7 và 4 Khối lượng TSH sử dụng là 1 g cho cả than tre và than tràm Hỗn hợp được lắc với tốc độ 220 vòng/phút và sau đó lọc qua giấy lọc 45 µm để tách than ra khỏi dung dịch Phần dung dịch sau lọc được phân tích nồng độ NH4 + bằng phương pháp Indophenol Blue và NO3 - bằng phương pháp salicylate, sử dụng máy so màu quang phổ UV Hitachi-U2900 ở các bước sóng 660 nm và 410 nm Lượng ammonium và nitrate hấp phụ trên 1 g than cùng hiệu suất hấp phụ được tính toán theo công thức đã đề cập.
Thí nghiệm 4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch lên khả năng hấp phụ
NH 4 + và NO 3 - của than tre và than tràm
Thí nghiệm được thực hiện nhằm đánh giá khả năng hấp phụ ion NH4+ và NO3- của than tre và than tràm Các mức nồng độ thử nghiệm bao gồm 1 mg/L, 5 mg/L, 10 mg/L, 20 mg/L, 40 mg/L, 50 mg/L, 100 mg/L, 200 mg/L, 250 mg/L và 400 mg/L, sử dụng dung dịch ammonium và nitrate chuẩn pha từ dung dịch gốc có nồng độ 1000 ppm với độ tinh khiết cao.
Trong nghiên cứu này, khối lượng than sử dụng là 1 g, với dung dịch ammonium ở pH=7 và dung dịch nitrate ở pH=4, cho kết quả loại bỏ trên 99% các ion Mỗi thí nghiệm được thực hiện với thể tích dung dịch NH4+ và NO3- là 50 mL/ống ly tâm, và mỗi nồng độ được lặp lại 5 lần Hỗn hợp được lắc trên máy lắc ngang với tốc độ 220 vòng/phút trong 15 phút cho dung dịch nitrate, trong khi đối với dung dịch ammonium, thời gian lắc là 90 phút cho than tre và 120 phút cho than tràm Sau khi lắc, hỗn hợp được lọc qua giấy lọc với kích thước lỗ 45 µm để tách than ra khỏi dung dịch Phần dung dịch sau khi lọc được pha loãng từ 50-400 lần và được phân tích nồng độ NH4+ bằng phương pháp Indophenol Blue và NO3- bằng phương pháp salicylate, sử dụng máy so màu quang phổ UV Hitachi-U2900 ở bước sóng 660 nm cho NH4+.
410 nm đối với NO3 - Lượng ammonium và nitrate hấp phụ trên 1 g than và hiệu suất hấp phụ được tính theo công thức (3.8) và (3.9).
3.2.2.2 Quá trình chuyển hóa đạm trong nước thải biogas thành nitrate
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 3 KHẢO SÁT TIỀM NĂNG LÀM GIẢM PHÁT THẢI KHÍ CH 4 VÀ N 2 O CỦA THAN TRE VÀ
3.3.1 Thí nghiệm 1 Sử dụng than tre, tràm làm giảm phát thải khí CH 4 và N 2 O trên đất trồng lúa ngập nước liên tục
Chuẩn bị đất cho thí nghiệm được thực hiện bằng cách thu mẫu đất từ khu vực chuyên canh tác lúa trên 10 năm tại huyện Bình Minh, tỉnh Vĩnh Long, với tọa độ 10º05'19,9''N và 105º50'45,9''E Mẫu đất được lấy từ lớp đất mặt ở độ sâu 0-20 cm và có thành phần là đất sét pha thịt, theo phân loại của Soil Survey Staff (1998) Trước khi tiến hành thí nghiệm, một số thành phần vật lý và hóa học của đất đã được xác định.
Bảng 3.7 Đặc tính ban đầu của đất lúa sử dụng cho thí nghiệm
Thông số Đơn vị Giá trị Thông số Đơn vị Giá trị pH (1/5) - 6,30 Tổng N % 0,33
Chất hữu cơ (OC) % 2,99 Độ xốp % 44,65
Giống lúa OM 5451, được thu thập từ Viện lúa đồng bằng sông Cửu Long, có thời gian sinh trưởng từ 88-95 ngày và chiều cao trung bình khoảng 95-100 cm Đây là giống lúa thấp cây, nở bụi, có phẩm chất hạt tốt, được nông dân ĐBSCL ưa chuộng trồng trong nhiều năm qua OM 5451 nổi bật với năng suất cao, khả năng thích nghi rộng và chống chịu tốt với rầy nâu và đạo ôn Trong suốt quá trình trồng, mực nước được duy trì ở mức 4 cm, và lượng nước bốc thoát sẽ được bổ sung bằng nước máy hàng ngày để giữ ổn định mức nước này (Minamikawa et al., 2019).
Nước thải sau biogas được sử dụng để tưới lúa trong quá trình thí nghiệm, được thu từ hộ ông Nguyễn Văn Bình tại ấp Nhơn Thành, xã Nhơn Nghĩa, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ Mẫu nước biogas này được lấy từ túi ủ với lượng vật liệu nạp trung bình từ 7,5-9,5 kg phân lợn mỗi ngày, với 17 con lợn nuôi có trọng lượng trung bình từ 55-65 kg/con (3 tháng tuổi) để cung cấp phân Túi ủ đã hoạt động ổn định và sinh khí đều đặn Mẫu nước thải được thu vào khoảng thời gian giữa ngày (10-11 giờ trưa) và là mẫu trộn, trước khi tiến hành thí nghiệm, mẫu đại diện đã được lấy.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tiến hành phân tích các thông số vật lý và hóa học của nước thải sau túi ủ biogas Kết quả cho thấy pH đạt 7,31, độ dẫn điện (EC) là 3,68 mS/cm, tổng nitơ (TN) ở mức 477 mg/L, tổng photpho (TP) là 126 mg/L và tổng kali (K) đạt 98 mg/L.
Than sinh học được sản xuất từ tre và tràm, được nung trong lò VMF 165 (Yamada Denky, Nhật Bản) ở nhiệt độ 700ºC trong 2 giờ Quá trình nung này diễn ra trong môi trường khí trơ (khí nitơ) với tốc độ gia nhiệt 10ºC/phút Quy trình tạo ra than tràm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Biochar, Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Đại học Cần Thơ Lượng than được sử dụng để bón cho cây lúa ở ba cấp độ khác nhau là 2.
Theo nghiên cứu của Xiao et al (2018), lượng phân bón cần thiết là từ 10 đến 20 tấn/ha, và nên được bón lót trước khi gieo sạ Than dùng trong thí nghiệm được nghiền nhỏ và sàng với kích thước 4 mm.
Chậu nhựa: có đường kính và chiều cao lần lượt là 25 x 20 cm Diện tích bề mặt đất để trồng cây là 0,042 m 2
Buồng thu mẫu khí (Chamber): được thiết kế dùng để thu mẫu khí CH4 và N2O theo hướng dẫn của Minamikawa et al (2015) bao gồm 2 phần:
Đế chamber được thiết kế từ ống nhựa với đường kính 21 cm và kích thước tổng thể là 26 x 26 x 20 cm Toàn bộ cấu trúc được gia cố bằng khớp nối và keo dán Trong quá trình thu khí, đế chamber được cố định trong thùng chứa nước có kích thước 60 x 38,5 cm.
29 cm và mực nước được giữ cố định ở 23 cm (Hình 3.8B).
Hình 3.8 Đế chamber (A); Đặt đế chamber (B)
Hình 3.9 Mô hình thu khí trên lúa
Buồng thu khí được thiết kế bằng nhựa trắng đục, có kích thước 26 x 26 x 100 cm và thể tích 62,87 L Trong buồng có gắn một nhiệt kế đo nhiệt độ từ 0-100 °C, cùng với một quạt nhỏ sử dụng pin 9V để khuấy trộn khí Hệ thống bao gồm một ống thu khí bằng nhựa có đường kính 4,8 mm và chiều dài 60 cm, trong đó 40 cm nằm bên trong buồng và 20 cm bên ngoài, kết nối với bơm tiêm 60 mL.
1 van 3 chiều nối liền với 1 đầu kim nhỏ loại 2,5 μm để thu mẫu khí.
Lọ đựng mẫu khí (Vial) được làm từ thủy tinh với dung tích 18 mL, đi kèm nút đậy cao su và được hút chân không trước khi sử dụng Đồng hồ bấm giờ là dụng cụ cần thiết để đảm bảo việc lấy mẫu khí diễn ra chính xác và đồng nhất về thời gian giữa các mẫu thu khí.
Máy sắc ký khí (Model SRI 8610C, USA): dùng để phân tích hàm lượng khí CH4 và N2O có trong mẫu bằng đầu dò đầu dò FID và ECD.
Hình 3.10 Lọ đựng mẫu khí (A) và ống tiêm thu mẫu (B)
3.3.1.2 Phương pháp thực hiện a) Làm đất và gieo sạ
Để chuẩn bị hạt giống, trước tiên cần xử lý hạt bằng nước nóng từ 50-54 độ C và ngâm trong khoảng 24 giờ Sau đó, vớt hạt ra, đãi sạch nước chua và loại bỏ các hạt lép, kém chất lượng Tiếp theo, ngâm hạt trong nước cất trong 18 giờ để hạt giống hút đủ nước.
Để chuẩn bị hạt giống, trước tiên bạn cần ngâm chúng trong nước để loại bỏ nước chua, sau đó để ráo nước Tiếp theo, ủ hạt giống trong khoảng 24-26 giờ cho đến khi chúng nảy mầm, rồi mới tiến hành gieo.
Để chuẩn bị đất trồng lúa, mẫu đất được thu từ độ sâu 0-20 cm, sau đó loại bỏ tạp chất và rễ cây Đất được trộn đều và chia vào các chậu, mỗi chậu chứa 6,5 kg đất Tiếp theo, đất sẽ được ngâm với 600 mL nước máy đã bay hơi chlorine trong 2-3 ngày, trong vòng 7 ngày để làm mềm đất Sau khi ngâm, đất được trộn đều và đánh bùn để chuẩn bị sạ lúa, đồng thời phối trộn với TSH Than được thêm vào với ba mức tỷ lệ: thấp (2 tấn/ha), trung bình (10 tấn/ha) và cao (20 tấn/ha) theo khuyến cáo của Xiao et al (2018).
Hình 3.11 Ngâm đất (A), đánh bùn và phối trộn than (B)
Trong giai đoạn sạ lúa, mật độ gieo sạ ban đầu được thiết lập là 3 hạt/chậu, với khoảng cách gieo đều nhau Sau 7 ngày gieo, cần tiến hành tỉa thưa và loại bỏ những cây yếu kém, chỉ giữ lại những cây khỏe mạnh.
Trong suốt quá trình thí nghiệm, mỗi cây được trồng trong chậu và thực hiện trong điều kiện nhà lưới, đảm bảo ánh sáng đầy đủ cho sự sinh trưởng và phát triển của cây với mức độ ánh sáng đạt từ 38-40 kLux.
Hình 3.12 Gieo hạt (A), cây lúa ở giai đoạn 7 NSS (B), cây lúa ở giai đoạn 26 NSS (C) b) Bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm kéo dài 90 ngày nhằm đánh giá khả năng giảm phát thải khí CH4 và N2O trên đất trồng lúa ngập nước, được thiết kế theo thể thức hoàn toàn ngẫu nhiên với 4 lần lặp lại cho mỗi nghiệm thức Nghiên cứu kết hợp sử dụng than tre/tràm và tưới nước thải biogas thay thế cho phân bón hóa học, bao gồm 6 nghiệm thức, trong đó nghiệm thức đối chứng (NT1) chỉ sử dụng nước máy, trong khi các nghiệm thức khác kết hợp than tre/tràm và nước biogas với các khối lượng khác nhau Mực nước trong suốt thí nghiệm được duy trì ở mức 4 cm để đảm bảo điều kiện phát triển tối ưu cho cây lúa, với lượng nước bốc hơi được bổ sung hằng ngày bằng nước máy có pH 6,80 và EC 42,5 µS/cm để duy trì mực nước ổn định.
Bảng 3.8 Các nghiệm thức trong thí nghiệm
NT1 Đối chứng (chỉ tưới nước máy) _ _
NT2 Đất+than tre (hoặc than tràm) (2 tấn/ha) 8,4 _
NT3 Đất+biogas (không than) _ 1320
NT4 Đất+biogas+ tre (hoặc than tràm) (2 tấn/ha) 8,4 1320 NT5 Đất+biogas+ tre (hoặc than tràm) (10 tấn/ha) 42 1320 NT6 Đất+biogas+ tre (hoặc than tràm) (20 tấn/ha) 84 1320
Ghi chú: (*) thể tích biogas là thể tích tổng cho 3 lần tưới ở giai đoạn 11, 26 và 41 NSS
Bảng 3.9 Tỉ lệ và thời điểm bón N cho lúa theo công thức 30-60-60 kg N/ha
Liều lượng N, P và K quy đổi từ nước thải Thời điểm tưới Thể tích biogas tưới (mL/chậu) biogas (mg/chậu)
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU NỘI DUNG 1 NĂNG SUẤT THAN VÀ TÍNH CHẤT VẬT LÝ-HOÁ HỌC CỦA THAN SINH HỌC ĐƯỢC TẠO TỪ TRE VÀ TRÀM
Than sinh học từ tre và tràm được sản xuất qua quá trình nhiệt phân sinh khối ở các nhiệt độ 500ºC, 700ºC và 900ºC Năng suất than giảm khi nhiệt độ tăng, với kết quả cao nhất ở 500ºC là 29,9% cho than tre và 27,6% cho than tràm, trong khi năng suất thấp nhất ở 900ºC lần lượt là 26,6% và 23,7% (p