Nghiên cứu chế tạo vật liệu cải tạo Đất trên cơ sở than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cải tạo Đất trên cơ sở than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệpNghiên cứu chế tạo vật liệu cải tạo Đất trên cơ sở than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp

TỔNG QUAN VỀ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

Thực trạng phát sinh phụ phẩm nông nghiệp

Với hai vùng đồng bằng phì nhiều là đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sống

Cửu Long, khí hậu nhiệt đới gió mùa phù hợp cho cây nông nghiệp sinh sôi, nảy nở quanh năm, Việt Nam là đất nước có nền văn minh lúa nước lâu đời và đa dạng các loại giống cây trồng, cùng với lực lƣợng lao động dồi dào, giàu kinh nghiệm đã đƣa Việt Nam trở thành một nước lợi thế với nền nông nghiệp phát triển, là điểm tựa vững chắc cho nền kinh tế nước nhà cũng như cũng như đảm bảo an ninh lương thực Hình

1 cho thấy sản lƣợng nông sản Việt Nam tăng qua các năm thể hiện trong biểu đồ sản lượng của 6 loại cây trồng lúa, ngô, mía, bông, lạc, đậu tương qua các năm 2014 – 2019 [6]

Hình 1 Sản lƣợng một số loại cây trồng qua các năm 2014 -2019

Trong quá trình sản xuất nông nghiệp, bên cạnh các sản phẩm chính thì một lƣợng lớn phế phụ phẩm nông nghiệp khác đƣợc hình thành từ việc chế biến nông sản

Khi trồng lúa, ngoài hạt lúa thu hoạch đƣợc thì còn có rơm, rạ; khi xay thóc ngoài gạo thì ta còn có tấm, cám, trấu, …; khi thu hoạch ngô thì có bẹ ngô, áo ngô, lõi ngô bỏ đi;… Năm 2020, tổng khối lượng phụ phẩm theo lý thuyết ở nước ta là trên 156 triệu tấn, bao gồm hơn 88 triệu tấn phụ phẩm sau thu hoạch từ cây trồng, từ quá trình chế biến của ngành trồng trọt (chiếm 56,7%); hơn 61 triệu tấn phân gia súc, gia cầm từ

Sản lượ n g ( n gh ìn t ấn )

Lúa Mía Ngô Bông Lạc Đậu tương

8 ngành chăn nuôi (chiếm 39,1%) cùng hơn 5 triệu tấn từ ngành lâm nghiệp (chiếm 3,5

%) và khoảng 1 triệu tấn từ ngành thủy sản (chiếm 10,6%) [7] Khối lƣợng phụ phẩm nông nghiệp này rất lớn tuỳ thuộc vào loại cây trồng, hình thức canh tác, mục đích sử dụng Đối với nhóm cây trồng thuộc nhóm ngũ cốc nhƣ lúa, ngô, khoai, … lƣợng phụ phẩm là rất lớn nhƣng chƣa đƣợc tận dụng triệt để Các loại phụ phẩm này đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau đồng thời giúp tạo thêm thu nhập cho người dân, ngoài ra không có sự tận dụng tối đa nguồn phế phụ phẩm này một cách phù hợp có thể gây ô nhiễm môi trường Riêng lĩnh vực trồng trọt, tỷ lệ cây trồng được thu gom sử dụng vào các mục đích khác chỉ chiếm khoảng 52%, rơm rạ là phụ phẩm phổ biến đƣợc sử dụng cho các mục đích khác chỉ khoảng 56% [8] Trong khi rơm có thể sử dụng hữu ích cho nhiều mục đích khác nhau, thậm chí bán trên thị trường thế giới

Ngoài các loại phế phụ phẩm nông nghiệp, những mặt hàng hoa quả kém chất lượng không bán được, người dân không biết làm cách nào để xử lý, vô hình biến nó thành loại rác thải khổng lồ gây ô nhiễm môi trường Đây được đánh giá là sự lãng phí, trong khi nền nông nghiệp đang có nhu cầu rất lớn về vật liệu cải tạo đất Hình 3 thể hiện tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp ở các nước Đông Nam Á [9] Việc đánh giá đúng tiềm năng, tìm ra giải pháp kỹ thuật phù hợp để xử lý hiệu quả nguồn phụ phẩm này đang là vấn đề đặt ra với các nhà nghiên cứu

9 Hình 2 Phụ phẩm nông nghiệp

Bảng 3 Tiềm năng phế phụ phẩm ở Việt Nam

Loại biomass Số lƣợng (triệu tấn/năm)

Nguồn thải từ ngành giấy 5.58

Cây vùng đất trống đồi trọc 2.47

Cây công nghiệp lâu năm 2.00

Nguồn thải từ cà phê 1.17

Nguồn thải từ gỗ xây dựng 0.80

Các nguồn thải khác (dừa, đậu, khoai mì, …) 6.37

Hình 3 Tiềm năng phụ phẩm nông nghiệp ở các nước Đông Nam Á năm 2009

Bảng 3 cho thấy tiềm năng phế phụ phẩm ở Việt Nam là tương đối lớn [10] trong đó, trấu tập trung chủ yếu ở các vùng đồng bằng Sông Cửu Long, đồng bằng Sông Hồng, mùn cƣa tập trung chủ yếu ở miền Trung, Tây Nguyên, Tây Bắc, vỏ cà

10 phê có nhiều ở các tỉnh Tây Nguyên, … Hầu hết các phụ phẩm này có hàm lƣợng chất xơ cao ví dụ nhƣ rơm chứa 34% chất xơ, lá mía chiếm hàm lƣợng chất xơ rất cao 47% nên rất khó tiêu hoá đối với động vật [10] Mặt khác, một số loại phụ phẩm lại khó chế biến và dự trữ khi thu hoạch đồng loạt nhƣ cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá mía, …đó cũng là lí do làm cho người nông dân chỉ dùng một lượng nhỏ làm thức ăn cho gia súc

Các nghiên cứu trước nhận định rằng các thành phần hydrate cacbon chính trong các phụ phẩm nông nghiệp có thành phần chủ yếu của chúng là xenlulozo, hemixenlulozo, lignin chiếm 90% về khối lƣợng; về thành phần nguyên tố hoá học trong phụ phẩm nông nghiệp cho thấy thành phần chủ yếu của chúng là các nguyên tố Cacbon, Hidro, Oxi, Nito, Photpho, Silic, … Đặc biệt là Silic là nguyên tố vừa chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần phụ phẩm tươi vừa chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần tro của các phụ phẩm nông nghiệp Đó là các nguyên tố đa lƣợng cần thiết cho đất và cây trồng, nếu không có các phương thức sử dụng phụ phẩm phù hợp và tận thu tối đa nguồn tài nguyên này sẽ gây thất thoát một lƣợng lớn các nguyên tố đa lƣợng Bảng 4 thể hiện thành phần hoá học của một số phụ phẩm nông nghiệp [11]

Bảng 4 Thành phần các hợp chất hữu cơ của một số phụ phẩm nông nghiệp

11 Bảng 5 Thành phần hoá học của một số phụ phẩm nông nghiệp

Thực trạng sử dụng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

Nhƣ thực trạng phát sinh phụ phẩm nông nghiệp đã đƣa ra ở trên, nguồn phụ phẩm nước ta tương đối dồi dào, tuy nhiên các giải pháp đã và đang được áp dụng trong tận thu phụ phẩm nông nghiệp còn chưa tương xứng với lượng phát sinh hiện nay

Trước đây, khi chưa cơ giới hoá trong nông nghiệp, các phụ phẩm nông nghiệp nhƣ rơm, rạ, trấu, bẹ ngô, … đƣợc tái sử dụng Ví dụ nhƣ bẹ ngô đƣợc sử dụng làm chất đốt trong gia đình, rơm rạ vừa đƣợc sử dụng làm chất đốt, vừa đƣợc dùng làm thức ăn trong chăn nuôi đồng thời cũng đƣợc dùng làm nguyên liệu ủ phân hữu cơ, …

Người nông dân có thể tận dụng nguồn nguyên liệu này vào nhiều mục đích khác nhau Tuy nhiên, đời sống con người ngày càng nâng cao dẫn đến việc tái sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp không còn chú trọng, thế nên những phụ phẩm nông nghiệp này thường bị bỏ lại ngay tại đồng ruộng sau khi thu hoạch, thậm chí đốt ngay tại ruộng gây ra hậu quả nghiêm trọng tới môi trường đất, môi trường không khí và ảnh hưởng đến các vấn đề nhân sinh xã hội khác Sau khi cơ giới hoá, người dân dùng máy gặt, gặt lúa ngay trên đồng ruộng, sau đó chỉ việc mang lúa về Phụ phẩm từ lúa như rơm rạ, người dân bỏ lại, thời gian sau sẽ đốt bỏ Nhiều khi, người nông dân còn đốt rơm rạ cùng một lúc, khói bay lên khắp nơi vừa ảnh hưởng tới môi trường, vừa ảnh hưởng tới sức khoẻ con người, thậm chí còn gây nguy hiểm đến vấn đề an toàn giao thông nếu đốt ruộng ngay bên đường

Hiện nay có 5 biện pháp xử lý phụ phẩm nông nghiệp được mọi người lựa chọn nhiều đó là: đốt ngay trên đồng, làm giá thể trồng nấm, vùi trong đất, bán, phục vụ

12 chăn nuôi Trong đó, tỷ lệ các hộ nông dân đốt ngay sau khi thu hoạch lên đến 73,14%; vùi là 16,28%; làm giá thể trồng nấm là 3,46%, và một số biện pháp khác chiếm một phần nhỏ [18] Điều này cho thấy đốt vẫn là biện pháp xử lý phổ biến nhất hiện nay Đây là cách xử lý nhanh nhất, đơn giản, không tốn nhiều công sức, không cần tuân theo quy định nghiêm ngặt trong vận hành Nhƣng nó cũng có nhƣợc điểm đó là làm mất chất dinh dƣỡng trong đất, gây ô nhiễm không khí nghiệm trọng, mất cacbon, gây hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng đến sức khoẻ con người, gây ra các bệnh về hô hấp và gây ra hiện tượng khói mù cản trở tầm nhìn của người điều khiến phương tiện giao thông

Tuy nhiên khuynh hướng sử dụng phế phụ phẩm trên đồng ruộng cũng có sự thay đổi ở các vụ trong năm phụ thuộc rất nhiều vào số vụ canh tác nông phẩm trong năm, yếu tố thời tiết cũng như điều kiện canh tác của từng nông hộ Thường người dân đốt rơm ở vụ có có thời tiết thuận lợi, trời thường nắng nóng nên tỷ lệ phế phụ phẩm cháy khi đốt cao hơn và thời gian cháy cũng nhanh hơn Với vụ thời tiết không đƣợc thuận lợi có mưa nhiều tỷ lệ các hộ đốt rơm giảm, các hộ nông dân thường đốt phế phụ phẩm khi trời nắng và cày vùi phế phụ phẩm khi trời mƣa Theo tập quán canh tác, người dân đốt phế phụ phẩm để vệ sinh đồng ruộng chuẩn bị sản xuất vụ tiếp theo, đồng thời lƣợng tro sau khi đốt đƣợc làm phân để bón cho ruộng

Ngày nay, khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển, bên cạnh các hình thức sử dụng truyền thống của người dân, cũng đã có một số nghiên cứu mới theo hướng tận thu phế phụ phẩm nông nghiệp, điển hình là các biện pháp sản xuất năng lƣợng Sinh khối có thể sản xuất ra nhiều loại năng lƣợng khác nhau nhƣ nhiệt, điện, xăng dầu vận tải Ứng dụng than sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp để chế tạo vật liệu cải tạo đất cũng ngày càng đƣợc chú trọng hơn.

THAN SINH HỌC

Giới thiệu về than sinh học

Than sinh học là sinh khối bị biến đổi nhiệt trong điều kiện không có oxy và giải phóng các khí dễ cháy (H 2 , CO) Mỗi loại than sinh học có tính chất khác nhau phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu và điều kiện nhiệt phân (nhiệt độ, chất xúc tác,

13 thời gian lưu trú,…) và rất khó xác định chính xác thành phần hoá học của than sinh học

Hình 4 Một số loại than sinh học

Nhiệt biến đổi cacbon từ sinh khối thành các vòng cacbon thơm hợp nhất và tạo ra than sinh học có 4 phần chính: cacbon bền, cacbon không bền, các thành phần dễ bay hơi khác, tro khoáng và độ ẩm Sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể tạo thành một cấu trúc lỗ xốp phân bố trong than sinh học với nhiều lỗ nhỏ (micropores), lỗ trung (mesopores), lỗ lớn (macropores) Tất cả các lỗ này đều làm tăng cấu trúc xốp và diện tích bề mặt cũng nhƣ tăng khả năng hấp phụ than sinh học

TSH sau khi bị oxy hoá bởi các tác nhân hoá học tạo ra các hợp chất cacbon – oxy trên bề mặt Hợp chất này gây ra tính axit và bazo bởi các nhóm chức: cacboxyl, lacton, phenol, quinine, hydroquinone Ngoài ra, sự kết hợp chặt chẽ của các yếu tố nhƣ H, O, P, S trong vòng thơm làm cho than sinh học mang điện tích âm và ảnh hưởng đến khả năng trao đổi cation (CEC) nên có thể khử ion điện tích dương (Cd 2+ , Pb 2+ ,…) Đất có thể bị biến đổi vật lý bởi các tính chất axit – bazo, bên cạnh đó các ống mao dẫn đƣợc hình thành bởi các lỗ rỗng có thể tạo lỗ hổng trong thành phần dinh dƣỡng Thành phần hoá học và vật lý phức tạp và không đồng nhất của than sinh học là cơ sở để loại bỏ các chất gây ô nhiễm và cải tạo đất nông nghiệp

Các đặc trƣng bề mặt của than sinh học

Diện tích bề mặt riêng (SSA): Diện tích bề mặt Brunauer – Emmett – Teller (BET) là diện tích trên một gam mẫu và thường được đo bằng sự hấp phụ vật lý của một số loại khí (N 2 và CO 2 ) lên bề mặt TSH ở nhiệt độ của nito lỏng (77K) [20, 21]

Nói chung TSH có diện tích bề mặt riêng lớn liên quan đến hệ thống mao quản dày đặc tạo nên từ các lỗ với kích thước và hình dạng khác nhau Nhiều thử nghiệm khác nhau đã chứng minh rằng phần lớn TSH có diện tích bề mặt cao và có mối quan hệ giữa diện tích bề mặt riêng và nhiệt độ nhiệt phân

Cấu trúc xốp của bề mặt TSH: TSH với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm cho TSH có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển Cấu trúc vi lỗ xốp bề mặt này quyết định chủ yếu từ bản chất sinh khối, đƣợc tạo ra trong quá trình than hóa và đƣợc gia tăng trong quá trình biến tính than sinh học Dubinin đề xuất cách phân loại lỗ xốp (đƣợc IUPAC – Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần túy và Hóa học ứng dụng chấp nhận) dựa trên bán kính lỗ rỗng, khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống; các lỗ đƣợc chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn

Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2 nm, thể tích lỗ từ 0,15-0,7 cm³/g Năng lƣợng hấp phụ ở các lỗ này lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ

Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của TSH

Lỗ trung (Mesopore), còn gọi là lỗ vận chuyển, có bán kính hiệu dụng từ 2-50 nm, thể tích thường từ 0,1-0,2 cm³/g Diện tích bề mặt của lỗ này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc biệt người ta có thể tạo ra TSH có lỗ trung lớn hơn, thể tích của lỗ trung đạt đƣợc từ 0,2-0,65 cm 3 /g và diện tích bề mặt của chúng đạt 200 m 2 /g

Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của TSH vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ (không quá 0,5 m 2 /g) và bán kính hiệu dụng lớn (trên 50 nm và thường từ 500-2000 nm) với thể tích lỗ từ 0,2-0,4 cm 3 /g

15 Cấu trúc xốp của TSH có tác dụng to lớn trong nông nghiệp Nó có thể chứa một lượng nước lớn, khi bón trên đất cát giúp nâng cao năng lực giữ nước của đất, cải thiện đáng kể độ ẩm đất Đồng thời nó cũng có khả năng giữ khí rất tốt, khi bón cho đất sét, nó có ảnh hưởng đáng kể đến độ xốp thoáng và khả năng trao đổi khí của loại đất này [31] Cấu trúc xốp của TSH cũng là nơi hấp phụ hữu cơ là nơi trú ngụ và nhận sinh khối của các vi sinh vật hữu ích trong đất

Hình 5 Cấu trúc xốp than sinh học

3.2.2 Đặc trƣng hóa học: Nhóm chức bề mặt

Nhóm chức bề mặt: Lignocellulose, tinh bột, polysaccharide, protein động vật là các thành phần trong sinh khối, TSH sau khi bị oxy hóa sẽ tạo ra bề mặt TSH có các nhóm chức chứa oxy dồi dào, ví dụ: nhóm chức cacboxylat (-COOH), cacbonyl (-COH) và hydroxyl (-OH) có thể được phát hiện bằng phương pháp quang phổ FT-IR, NMR, Raman Sự hiểu biết về nhóm chức năng trong than sinh học giúp chúng ta biết cách than sinh học hoạt động khi đƣợc thêm vào đất hoặc dung dịch

16 Nhóm cacbon - oxy trên bề mặt TSH là nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc trưng bề mặt (tính ưa nước, độ phân cực, tính axit, ), đặc điểm hóa lý (khả năng xúc tác, dẫn điện, ) và khả năng phản ứng của các vật liệu Thực tế, oxy đã kết hợp thường được biết là yếu tố làm cho than trở nên hữu ích và hiệu quả trong một số lĩnh vực ứng dụng nhất định Ví dụ, oxy có tác động quan trọng đến khả năng hấp phụ nước và các khí và hơi có cực khác, ảnh hưởng đến sự hấp phụ ion, khả năng bám dính

Hình 6 Nhóm chức trên bề mặt than sinh học

Theo Kipling, các nguyên tử oxy và hydro là những thành phần cần thiết của than hoạt tính với đặc điểm hấp phụ tốt, và bề mặt của vật liệu này đƣợc nghiên cứu nhƣ một bề mặt hydrocacbon biến đổi ở một số tính chất bằng nguyên tử oxy Bản chất và lƣợng nhóm oxy- cacbon bề mặt phụ thuộc vào bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó, diện tích bề mặt của nó, bản chất chất oxy hóa và nhiệt độ quá trình Dạng

17 nhóm cacbon-oxy bề mặt (axit, bazo, trung hòa) đã đƣợc xác định, các nhóm axit bề mặt là rất đặc trƣng và đƣợc tạo thành khi than đƣợc xử lý với oxy ở nhiệt độ trên 400°C Các nhóm chức axit bề mặt này làm cho bề mặt than ưa nước và phân cực, các nhóm này là caboxylic, lacton, phenol Tác dụng của nhóm cacbon-oxy trên bề mặt của TSH trong nông nghiệp vô cùng phong phú, trong đó quan trọng nhất là cải thiện khả năng hấp phụ, lưu trữ và trao đổi khoáng làm tăng tính đệm, độ phì của đất, tăng hệ số sử dụng và hiệu quả của phân bón Nói chung, pH của đất sẽ tăng lên khi có than sinh học do nhiều nhóm OH, nhưng trong một số trường hợp, hiệu quả tăng pH không đáng kể khi chứa nhóm RCOOH vì các nhóm chức này cung cấp một số khả năng đệm, và việc tăng pH thường ít nghiêm trọng hơn Do đó, với kiến thức về các nhóm chức năng có trong than sinh học, chúng ta có thể lựa chọn nhiều loại tác động nông học hoặc môi trường mong muốn [20, 21].

Đặc tính của than sinh học khi bón vào đất

TSH đƣợc mệnh danh là ―vàng đen‖ vì những tác dụng quý báu của nó đối với nông nghiệp và môi trường, là nhân tố chủ yếu tạo ra cuộc cách mạng xanh lần thứ 3

TSH được dùng để chôn dưới đất, sau phân hủy sẽ cho ra một loại phân bón hữu cơ, đây là một loại phân bón tốt và thân thiện môi trường TSH có hàm lượng cacbon cao và đặc tính xốp giúp đất giữ nước, dưỡng chất và bảo vệ vi khuẩn có lợi cho đất TSH còn có đặc tính nhƣ một bể chứa cacbon tự nhiên, cô lập và giữ khí CO 2 trong đất

Các yếu tố chính quyết định đến đặc tính của TSH khi bón vào đất là: thành phần vật liệu ban đầu; quá trình nhiệt phân (các yếu tố nhiệt độ, khí, chất xúc tác); cách thức và điều kiện sử dụng Chính sự khác nhau về đặc tính của TSH mà hiệu quả dùng làm phân bón, giá trị mang lại khác nhau

3.3.1 Các tác động vật lý

Than sinh học bao gồm 4 phần chính: cacbon bền, cacbon không bền, các thành phần bay hơi khác, phần tro khoáng và độ ẩm Trong đó, tro vô cơ phổ biến là: P, S, K, Ca, Mg, Na, Zn và Fe, mỗi loại than sinh học có hàm lƣợng tro khác nhau dựa vào thành phần nguyên liệu Trong các nghiên cứu khảo sát, hàm lƣợng tro của than sinh học ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển và kết hợp với đất trong các hoạt động canh tác Các nghiên cứu cũng cho thấy hàm lượng tro ảnh hưởng đến thành phần và hoạt động của vi sinh vật và cản trở sự cảm nhận tế bào giữa các vi sinh vật [20, 21] Tuy

18 nhiên, than sinh học có hàm lƣợng tro yêu cầu xử lý đặc biệt vì tro có tác dụng nhƣ bón vôi; có liên quan đến việc tăng tính kỵ nước của đất; gây ra khả năng giữ lại các hóa chất nông nghiệp kỵ nước (thuốc diệt cỏ nhóm phenyl urê) [20, 21] Ngoài ra, than sinh học có hàm lượng tro cao gây nguy hiểm cho sức khỏe đường hô hấp

Bên cạnh đó, cấu trúc của TSH có trạng thái xốp và có diện tích bề mặt rất lớn, các lỗ rỗng đường kính rất nhỏ (50 nm) hình thành trong quá trình nhiệt phân tạo nên các hệ thống mao quản, góp phần quan trọng cho sự thông khí, hoạt động của hệ rễ và cấu trúc của đất Chính vì vậy bổ sung than vào đất làm thay đổi tính chất vật lý tự nhiên của đất, làm tăng tổng diện tích bề mặt riêng, cải thiện cấu trúc và sự thoáng khí của đất Diện tích bề mặt của than quyết định bản chất của sự tương tác giữa TSH với các hạt đất, chất hữu cơ hòa tan, khí, vi sinh vật và nước trong đất Theo thời gian, TSH mất dần hoạt tính do các lỗ rỗng của nó bị che khuất và do đó khả năng hấp phụ của nó sẽ giảm Các lỗ rỗng bên trong trở nên không tiếp cận đƣợc dẫn tới giảm diện tích bề mặt Sự tái tạo lại hoạt tính là điều có thể khi vi khuẩn, nấm và giun tròn tồn tại trong các lỗ rỗng đó của TSH

3.3.2 Các tác động hoá học a Độ pH Độ pH của than sinh học thường lớn hơn 7 nên có tính kiềm Than sinh học có pH cao sẽ sử dụng cho đất chua (tác dụng như bón vôi) và ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của cation trên đất Khi đất đƣợc xử lý bằng than sinh học, độ pH của đất có thể thay đổi 1,5 đơn vị làm tăng độ bão hòa bazơ (tăng nồng độ Ca, Mg) và hoạt động của vi sinh vật trong đất Tuy nhiên, việc bổ sung TSH kiềm vào đất kiềm có rất ít tác dụng trong một số trường hợp với tỷ lệ sử dụng than sinh học cao có thể làm giảm đáng kể độ pH của đất, khoảng 0,92-0,95 đơn vị pH pH của than sinh học có thể bị ảnh hưởng bởi sinh khối hơn là quá trình nhiệt phân b Khả năng trao đổi cation (CEC):

CEC là thước đo các cation có thể trao đổi (Ca 2+ , Mg 2+ , K + và Na + ) và là một thước đo quan trọng về chất lượng và năng suất đất Giá trị CEC của than sinh học thay đổi tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu sinh khối và điều kiện nhiệt phân [20, 21]

Trong TSH có sự kết hợp chặt chế giữa các nguyên tố nhƣ: H, N, O, P, S trong các

19 vòng thơm; chính điều này tạo ra ái lực điện tử của than, ảnh hưởng đến khả năng trao đổi cation

Một số thí nghiệm làm tăng CEC bằng cách tăng nhiệt độ bên cạnh đó, một số thí nghiệm khác có kết quả ngƣợc lại rằng quá trình nhiệt phân không thể mô tả chính xác xu hướng của CEC vì vậy một số cơ chế đã được đề xuất cho hai xu hướng trái ngược nhau Đối với xu hướng tăng, người ta đã đề xuất rằng CEC cao là do SSA cao và sự hiện diện của cacboxyl bề mặt Ngược lại, xu hướng giảm được cho là do mất các nhóm chức có tính axit khi nhiệt độ nhiệt phân tăng lên [20, 21]

Sự hiện diện của nhóm chức bề mặt cao (nhóm chức tích điện âm, tức là –

COO - ,…) khiến than sinh học có tiềm năng làm tăng CEC trong đất, đặc biệt là trong đất cát Đối với đất có độ phì nhiêu thấp, việc tăng CEC sẽ làm giảm sự rửa trôi chất dinh dƣỡng từ đất và cải thiện khả năng cung cấp chất dinh dƣỡng vào rễ cây [22] Sự gia tăng CEC trong đất cũng bị ảnh hưởng bởi quá trình thoái hóa TSH giả thuyết là do quá trình oxy hóa bề mặt để tạo thành nhiều nhóm chức chứa O hơn Việc thay đổi CEC trong đất sẽ có hiệu quả khi sản phẩm có tác dụng cải tạo phù hợp với loại đất và có tỷ lệ bón vào đất

3.3.3 Các tác động sinh học

Không giống các loại chất hữu cơ khác đƣợc bón vào đất, TSH làm thay đổi môi trường lý hóa tính của đất, ảnh hưởng tới các tính chất cũng như sự tồn tại, phát triển của vi sinh vật trong đất, việc dụng bón TSH đã đƣợc chứng minh là có lợi cho nấm rễ Mức độ hóa mùn của phân hữu cơ đạt kết quả cao hơn với việc bổ sung TSH

Sự phát triển hệ vi sinh vật có ích khu trú trên TSH, góp phần cải thiện cân bằng vi sinh vật đất theo hướng có lợi, quyết định đến năng suất cây trồng và hệ sinh thái

3.3.4 Đặc tính bổ sung và duy trì các chất dinh dƣỡng

TSH không trực tiếp cung cấp dinh dƣỡng khi đƣợc bón vào đất Bởi vì, TSH thường không có hàm lượng NPK-TE dễ tiêu cao; nhưng giá trị dinh dưỡng gián tiếp có đƣợc là rất to lớn, do khả năng tồn trữ và cung cấp lại các chất dinh dƣỡng cho đất, hạn chế sự rửa trôi, gia tăng sự hấp thu, hệ số sử dụng dinh dƣỡng của cây trồng, nhờ đó năng suất vụ mùa cao hơn

Than sinh học là sản phẩm có khả năng giữ các chất dinh dƣỡng đa lƣợng trong chu trình dinh dưỡng của cây trồng bằng cách tăng khả năng lưu giữ, hiệu quả sử dụng

20 và giảm rửa trôi do đó ứng dụng TSH cải thiện độ phì nhiêu của đất Theo báo cáo cho rằng bón TSH cho đất cát có độ phì nhiêu thấp đã làm tăng tổng C lên 7–11%, K lên 37–42%, P lên 68–70%, và Ca lên 69–75% so với không bón [20] Mặt khác, than sinh học cung cấp chất dinh dƣỡng cho đất bằng chính thành phần dinh dƣỡng của than sinh học

Vai trò của than sinh học

TSH trong sử dụng làm vật liệu cải tạo đất có những yếu tố quan trọng đối với đất, nhƣ sau:

 Cung cấp các nguyên tố có ích cho quá trình sinh trưởng và phát triển của cây, cải thiện các tính chất lý, hóa học của đất, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật có lợi tồn tại và phát triển

 TSH không những tăng cả khả năng giữ dinh dưỡng và nước trong đất mà còn cải thiện hàm lƣợng dinh dƣỡng do các yếu tố này đƣợc hấp thụ vào trong các

21 khe hở của TSH Ngoài việc cung cấp các chất dinh dƣỡng cần thiết, TSH có các axit humic chứa hóc môn tăng trưởng cây trồng Một số nghiên cứu cho thấy tác dụng của TSH đối với sự sinh trưởng và năng suất cây trồng còn cao hơn nếu bón vào đất kết hợp với phân khoáng

 TSH đƣợc cho là có khả năng hấp thu các amoni từ dung dịch đất Sự cố định đạm lên bề mặt TSH giúp giảm lƣợng đạm bị thẩm thấu vào đất

 TSH làm tăng tỷ lệ nitrat hóa trong đất ở rừng tự nhiên (loại đất này có tỷ lệ nitrat hóa tự nhiên rất thấp)

 TSH có khả năng làm giảm sự bay hơi amoniac và làm tăng pH của đất, đó là cả hai điều kiện giảm sự hình thành và bay hơi amoniac Ngoài ra, TSH đƣợc cho là có khả năng xúc tác khử oxit nitơ (khí gây hiệu ứng nhà kính) thành khí nitơ

 TSH có tác dụng khử mùi và khử trùng tại các trại chăn nuôi Người ta có thể sử dụng TSH kết hợp với chế phẩm vi sinh để làm lớp thảm sinh học cho các trang trại chăn nuôi gia súc và gia cầm

 Làm cho chất thải hữu cơ thối rữa, giải phóng khí CO, cho phép cây trồng lưu trữ CO hấp thu từ không khí trong quá trình quang hợp một cách an toàn

 Ngoài những tác dụng trên, TSH còn nâng cao chất lƣợng đất, từ 80% đến 220%, tăng khả năng hấp thụ các chất dinh dƣỡng của cây trồng và chống xói mòn đất, đặc biệt là đất ở những vùng có địa hình không ổn định.

Tiềm năng sản xuất than sinh học ở Việt Nam và ứng dụng

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là chủ đề nóng rất được người dân Việt Nam và trên toàn thế giới quan tâm do nó ảnh hưởng nghiêm trọng đến con người, đặc biệt là trong lĩnh vực nông – lâm nghiệp, thực phẩm Càng ngày, dư lượng các loại hoá chất độc hại và các chất gây ô nhiễm khác càng nhiều, chất lƣợng đất càng giảm, tình trạng ―đất trống đồi trọc‖ ngày càng nhiều, hiện tƣợng phèn hoá, mặn hoá, chua hoá, axit hoá càng nghiêm trọng, sản lƣợng các loại cây trồng theo đó mà giảm xuống Vì vậy, ngoài việc giải quyết nguyên nhân con người thì ta cũng cần phải giải quyết vấn đề chất lƣợng đất Một trong những giải pháp phù hợp nhất đó là ứng dụng than sinh học vào canh tác nông – lâm nghiệp Than sinh học vừa cải tạo đất,

22 nâng cao chất lượng đất, vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường đồng thời cũng an toàn đối với mọi người

Nguyên liệu sản xuất TSH ở Việt Nam vô cùng phong phú, đa dạng với giá thành rẻ, nguyên liệu từ phế phụ phẩm nông nghiệp (trấu, rơm, bã mía, thân, lõi ngô, nguồn thải từ ngành giấy,…), rác thải từ nhà bếp (xương động vật, vỏ sò, ốc, hến,…), tro bếp, xác các loại động thực vật, các loại cây thuỷ sinh (tảo, bèo,…)… Tuy nhiên, hầu hết những nguồn nguyên liệu này đều đang bị bỏ phí, xử lý không đúng kỹ thuật gây ô nhiễm môi trường TSH có tiềm năng tạo các lợi ích xã hội, kinh tế và môi trường, nhất là trong nông – lâm nghiệp,…

Than sinh học hiện nay đang đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong nông nghiệp và công nghiệp TSH có lợi thế rẻ và bền vững trong sản xuất, được sử dụng để cải thiện việc giữ nước và chất dinh dưỡng trong đất, giảm tiêu thụ phân bón và phát thải khí nhà kính TSH sẽ hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ nhƣ thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm, hoá cất công nghiệp nhƣ PAHs (các hydrocacbon thơm đa vòng), kháng sinh và một số hoá chất khác khi nó đƣợc bón vào đất Các nhóm oxi trên bề mặt TSH có lợi cho việc hấp phụ các chất ô nhiễm có trong đất và nước, từ đó, nó có thể giảm bớt được các vấn đề về môi trường

Sử dụng TSH không chỉ làm cô lập cacbon trong đất mà còn cải tạo, nâng cao chất lƣợng đất bằng cách trung hoà độ pH của đất tăng khả năng trao đổi cation của đất, tăng cường sự phát triển của vi sinh vật trong đất Các nhóm chức năng như nhóm carbonxylic, hydroxyl, phenolic có trong TSH tương tác với các ion hydro trong đất, làm giảm nồng độ của ion hydro, do đó làm tăng độ pH của đất Carbonat, bicacbonat và silicat trong TSH phản ứng với ion H + và trung hòa độ pH của đất Do đó, ứng dụng TSH trong việc cải tạo đất trong các lĩnh vực nông nghiệp đã làm tăng sự quan tâm do các đặc tính bề mặt và thành phần nguyên tố của nó TSH có độ xốp khá lớn, độ xốp này tạo ra các lỗ rỗng, giúp than lưu giữ được lượng nước, nhờ đó tăng khả năng giữ nước và dinh dưỡng trong đất, đặc biệt là đất cát Nếu bón cho những loại đất có hàm lƣợng sét cao nhƣ đất sét sẽ cải thiện độ thoáng khí cho đất nhờ cấu trúc lỗ xốp giúp khí len lỏi đi vào trong đất Ngoài ra, TSH còn là không gian trú ngụ khá lý

23 tưởng của các vi sinh vật hữu ích có trong đất Vi sinh vật gia tăng, giúp chuyển hóa và phân giải mùn bã hữu cơ phức tạp ra thành dạng đơn giản để cây trồng có khả năng hấp thu Từ đó cải thiện khả năng hấp phụ, lưu trữ và trao đổi chất dinh dưỡng, tăng độ phì nhiêu của đất, tăng khả năng hấp thụ phân bón, dẫn đến tăng năng suất cây trồng [33, 34, 35, 38]

TSH có thể hoạt động nhƣ một chất xúc tác đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, môi trường, năng lượng, Với vai trò là chất xúc tác, TSH đƣợc ứng dụng rộng rãi nhƣ sản xuất diesel sinh học, sản xuất năng lƣợng, loại bỏ hắc ín, quản lý chất thải, sản xuất khí tổng hợp và điện cực trong pin nhiên liệu vi sinh, sản xuất hóa chất và loại bỏ các chất gây ô nhiễm môi trường TSH cũng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy kỵ khí và quá trình ủ phân

Kết quả cho thấy, việc sản xuất metan tăng lên khi sử dụng tất cả các loại TSH: metan được sản xuất từ rơm lúa mì, cây ăn quả phế thải và phân gà, tương ứng trong điều kiện nhiệt phân 350, 450, 550 °C Ngoài ra, tỷ lệ lưu giữ nitơ cao hơn và độ ổn định kim loại nặng tốt hơn có thể đạt đƣợc bằng cách thêm TSH vào vật liệu composite

Hơn nữa, chất hữu cơ có thể bị phân hủy hiệu quả bởi TSH đƣợc tạo ra trong quá trình nhiệt phân chậm sinh khối, điều này làm giảm tổng lƣợng nitơ thất thoát và phát thải khí nhà kính trong quá trình ủ phân [36]

TSH cũng được coi là chất độn lý tưởng trong các quy trình làm phân trộn giàu nitơ, do đó nó có thể làm giảm (hoặc thậm chí ngăn chặn) phát thải từ quá trình phân hủy tự nhiên của chất thải nông nghiệp trong đất TSH làm chất độn trong quá trình ủ phân gia cầm và nhận thấy sự cải thiện rõ rệt về tỷ lệ phân hủy (cao tới 70%) Việc bổ sung TSH cũng làm giảm phát thải mùi và mất nitơ

Brazil là nước thuận lợi trong việc sản xuất TSH bởi hàng năm họ thu hoạch khoảng 460 triệu tấn mía và có khoảng 100 triệu tấn dƣ lƣợng có thể dùng cho mục đích tạo TSH [42] Tại Indonesia, một trong những nước sản xuất nhiều dầu cọ ở châu Á, trong cây cọ dầu sẽ cho 10% dầu, còn 90% sinh khối (cây, lá, quả, vỏ quả, xơ, buổng hoa, buồng quả, ) đều là nguyên liệu để sản xuất TSH, biết đƣợc lợi ích từ TSH ở nước này đã có công ty sản xuất ở quy mô công nghiệp với công suất tới 200 tấn biocarbon/ngày [43]

24 Trên thực tế, lợi ích của việc bón Biochar đã đƣợc quan trắc, kiểm nghiệm nhiều nơi ở Úc, Philippines, Congo, và nhiều nước đã có chế độ khuyến khích hay thưởng cho các nông hộ sử dụng loại than này Theo GS Lehmann đã trình bày ở Hội hóa học Mỹ rằng sử dụng TSH cộng với phân hóa học đã làm tăng trưởng lúa mỳ mùa đông và rau quả lên 25-50% so với bón một mình phân hóa học, TS N Sai Bhaskar Reddy (2008) nghiên cứu ở đậu tương cũng nhận xét rằng có thêm TSH vào đất nền, tỷ lệ nảy mầm cao, hệ rễ phát triển mạnh, quang hợp tăng, hoạt động của vi khuẩn cộng sinh cố định nitơ mạnh mẽ hơn so với đối chứng trên đất nền [37]

Tại Mĩ đã có nghiên cứu của Elmer, Wade, Jason C White, và Joseph J

Pignatello, Đại học tổng hợp Connecticut (2009) khi cho thêm TSH vào đất sẽ có đƣợc giá trị sinh học đặc biệt quan trọng bởi nó sẽ hấp thụ các chất ô nhiễm nhƣ kim loại, đặc biệt là kim loại nặng và thuốc trừ sâu ngấm vào đất nên không gây ở nhiễm các nguồn cung cấp thực phẩm Than sinh học có thể đƣợc thiết kế để phù hợp với tính chất riêng biệt của đất Cho thêm TSH ở mức 10% đất sẽ giảm đƣợc tới 80% mức độ gây ô nhiễm thuốc trừ sâu độc hại nhƣ chiordane, DDT trong các cây trồng [39]

Tại Nhật Bản, TSH đƣợc cấy thêm vi sinh vật để xử lý chất thải nhà vệ sinh, bảo vệ môi trưởng Sử dụng TSH làm nguyên liệu sản xuất xi măng cũng là hướng đang đƣợc nhắm tới Than sinh học góp phần giảm hiệu ứng nhà kính, sử dụng TSH có thể giúp hấp thụ 2,2 tỷ tấn cacbon/năm vào năm 2050 [40, 41]

Bảng 6: Ảnh hưởng của than sinh học lên sản lượng lúa của Việt Nam

Năng suất trung bình (tấn/ha)

So sánh năng suất khi chỉ bón

Năng suất trung bình (tấn/ha)

So sánh năng suất khi chỉ bón

NPK + 0,5 tấn than sinh học 5.94 107.1 6.06 105.9

NPK + 2,5 tấn than sinh học 6.78 122.3 6.77 118.2

Các phương pháp thực nghiệm

Phương pháp chế tạo

TSH có nhiều ứng dụng khác nhau đã dẫn đến việc tăng cường chuyển đổi sinh khối thành TSH Chuyển đổi nhiệt hóa là một kỹ thuật phổ biến để sản xuất TSH

Phương pháp chuyển đổi nhiệt hóa bao gồm nhiệt phân, cacbon hóa, khí hóa Để đạt năng suất tối đa, kỹ thuật đƣợc chọn để sản xuất phải phù hợp tùy thuộc vào loại sinh khối và các điều kiện quy trình nhƣ tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ, thời gian… phải tối ƣu

Những điều kiện này rất quan trọng vì chúng có thể ảnh hưởng đến trạng thái vật lý và hóa học của TSH trong quá trình sản xuất Hình thái học của TSH có nguồn gốc từ sinh khối thực vật thay đổi tùy theo điều kiện của quá trình chuyển hóa vì nó liên quan đến việc giảm trọng lƣợng của sinh khối Ban đầu, sự sụt giảm trọng lƣợng do mất nước ở khoảng 100ºC tiếp tục bởi sự phân hủy xenlulo, hemixenlulo và lignin xảy ra trên 220ºC Cuối cùng, giảm khối lƣợng do quá trình đốt cháy dƣ lƣợng cacbon

26 TSH đƣợc sản xuất bằng kỹ thuật nhiệt phân, nghĩa là sinh khối đƣợc đốt khi có ít hoặc không có oxy ở nhiệt độ cao (350-700°C) trong lò thiết kế đặc biệt Các

―biến‖ chính trong quá trình nhiệt phân là: nguyên liệu đầu vào, nhiệt độ và thời gian nhiệt phân

Về nguyên tắc, bất kỳ nguyên liệu hữu cơ nào cũng có thể sử dụng cho nhiệt phân sản xuất biochar, tuy nhiên mỗi loại nguyên liệu khác nhau sẽ cho một tỉ lệ sản phẩm và chất lƣợng sản phẩm khác nhau Để quá trình nhiệt phân diễn ra nhanh chóng thì nguyên liệu yêu cầu phải được sấy/hong khô đến hàm lượng ẩm dưới 10% Mặt khác nguyên liệu đầu vào cũng cần nghiền nhỏ tới kích thước khoảng 2mm (kích thước thích hợp của vỏ trấu) để quá trình nhiệt phân nhanh và hoàn toàn hơn, cộng với quá trình giảm độ ẩm nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí [26]

Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tỉ lệ giữa các thành phần trong sản phẩm, nhiệt độ thích hợp, mang lại hiệu suất cao nhất cho quá trình nhiệt phân nằm trong khoảng 400-600°C

Có thể phát triển hệ thống nhiệt phân sản xuất biochar theo dạng di động hoặc tĩnh Quy mô nhỏ của hệ thống có thể đƣợc sử dụng trong các trang trại hoặc các cơ sở sản xuất nhỏ với đầu vào sinh khối 50 kg/giờ đến 1.000 kg/giờ Tại các địa phương hoặc khu vực đơn vị diện tích lớn, các khu công nghiệp lớn có thể phát triển hệ thống với quy mô xử lý lớn, lên đến 8.000 kg sinh khối/giờ

Các lò nhiệt phân sản xuất TSH có thể dùng trong nhiều điều kiện, từ bếp trại cho các đơn vị quy mô công nghiệp để tạo ra điện và sưởi ấm các tòa nhà lớn Bếp lò nhỏ đang được sử dụng để đun nấu, sưởi ấm, thiết bị được sử dụng trong sinh hoạt và đồng thời tạo ra sản phẩm giúp cải tạo đất

27 Hình 7 Máy sản xuất biochar loại nhỏ (30kg/h) và nhà máy sản xuất biochar

4.2 Phương pháp biến tính than sinh học

Quan sát thấy rằng TSH thu đƣợc thông qua quá trình nhiệt phân sinh khối có diện tích bề mặt tương đối thấp Một số ứng dụng bị hạn chế vì nó có diện tích bề mặt thấp (