VẬT LIỆU và NĂNG LƯỢNG từ SINH KHỐI

VẬT LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG TỪ SINH KHỐI- HƯỚNG ĐI TẤT YẾU CỦA VIỆT NAM TRONG QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU. I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Từ năm 1980 của thế kỷ 20, giáo sư Zimmerman thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Cộng hòa dân chủ Đức ( người hướng dẫn tôi làm luận án TS), đã nói với tôi rằng “việc xây dựng nền công nghiệp hóa chất dựa trên than đá, dầu mỏ, khí đốt là cần thiết, nhưng các bạn cần phải nghỉ đến đặc thù của Việt nam là một nước nông nghiệp và thiên nhiên đã ban tặng cho các bạn nguồn tài nguyên vô cùng phong phú-đó là thực vật. Tôi không tin rằng sau khi anh làm xong luận án, sẽ có ngay khu công nghiệp hóa dầu cho anh. Có lẽ phải đến khi anh về hưu, may ra mới có. Vậy từ nay đến lúc đó, anh sẽ dùng nguyên liệu gì để nghiên cứu, phát triển những điều đã học được, nếu không phải là sinh khối?” Lời tiên đoán đó hoàn toàn chính xác. Mãi đến năm 2010 ta mới có nhà máy lọc hóa dầu đầu tiên! Và cũng trong suốt 30 năm đó nhiều vấn đề về nguyên liệu và nhiên liệu được đặt ra cho loài người. Bây giờ người ta nói nhiều về nền kinh tế các bon thấp hay nền kinh tế hydro như là một phương cách để giải quyết vấn đề khủng hoảng nguyên liệu, môi trường và sự biến đổi khí hậu. Nguyên liệu trong các nền kinh tế mới này không gì khác ngoài nguồn sinh khối, mà phát triển nó, đồng nghĩa với bảo vệ môi trường, sinh thái, đồng nghĩa với phát triển nông nghiệp, xóa đói, giảm nghèo, đồng nghĩa với việc làm cho đất nước xanh hơn, sạch hơn. Sinh khối không mất đi như nguyên liệu dầu mỏ, than, khí đốt, mà có thể tái tạo và tái tạo rất nhanh. Để có một nguồn nguyên liệu hóa thạch, thiên nhiên cần những điều kiện vô cùng khắc nghiệt để chuyển hóa sinh khối trong suốt thời gian hàng tỷ năm. Trong khi đó, nguyên liệu từ sinh khối cũng cho ta những hóa chất tương tự như than đá, dầu mỏ, nhưng có thể tái tạo trong vài tháng!. Cả thế giới đang lao vào một cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực nhiên liệu và vật liệu mới với tầm cở như các cuộc cánh mạng khoa học kỷ thuật trước đây, mà kết quả cũng đang ở giai đầu, vậy mà chúng ta chỉ chú trọng lặp lại hoặc tiếp tục các nghiên cứu cao siêu đã thành thương phẩm của các nước phát triển chỉ để chứng minh rằng ta cũng làm được, nhưng ứng dụng thì còn xa vời vì nhiều lý do. Tại sao ta không tìm chổ đứng trong cuộc cách mạng này để góp phần cùng nhân loại tạo ra những dạng năng lượng, vật liệu sạch, rẻ trong khi khoảng cách với các nước phát triển còn chưa xa nhau lắm? Mặc dù nghị quyết của đại hội Đảng lần thứ VI đã đặt nhiệm vụ nghiên cứu sử dụng một cách hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, nhưng xem ra sự chuyển biến trong ý thức của những người hoạch định chính sách KHCN của ta nói chung còn rất chậm Tuy vậy, những người làm công tác nghiên cứu khoa học trong Viện KH&CN VN vẫn cố gắng để mình không tụt hậu so với thế giới xung quanh. Và những gì đã và đang làm được trong điều kiện hết sức khó khăn, cho phép ta tin tưởng vào kết quả tương lai. II. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG TỪ SINH KHỐI: II.1.Các chất có nguồn gốc sinh học: Các chất có nguồn gốc sinh học ở dạng lỏng rất phong phú như tinh dầu, dầu béo. Tuy nhiên để sử dụng làm nhiên liệu chi có dầu béo. ( tinh dầu là một hỗn hợp của nhiều chất, có thể đốt cháy nhưng vì giá trị sử dụng của nó rất cao nên người ta không dùng nó làm nhiên liệu). Sự hình thành tinh dầu, dầu béo, đường và tinh bột, cũng như các hợp chất tự nhiên khác trong thảm thực vật là một bí ẩn của thiên nhiên. Ngày nay, nhiều công trình nghiên cứu sinh hoá đã dần dần vén bức màn bí mật về sự hình thành các hợp chất hữu cơ trong cây, mà tinh dầu,dầu béo, đường và tinh bột chỉ là một số trong những chất đó. Sinh tổng hợp trong thực vật, tùy theo công dụng của sản phẩm đối với chính bản thân thực vật, được chia ra làm hai loại biến dưỡng: nhất cấp và thứ cấp. Biến dưỡng nhất cấp tạo ra những chất tối cần thiết cho sự phát triển của cây như carbohidrat, nucleosid, axit amin; trong khi sự biến dưỡng thứ cấp cung cấp các nhóm hợp chất như terpenoid, steroid, alkalioid, mà vai trò của chúng với cây cho đến nay vẫn chưa xác định rõ ràng. II.2.Con đường tạo nên nhiên liệu từ sinh khối (biomass): Các chất có nguồn gốc sinh học có thể sử dụng để tạo ra năng lượng là: 1-Đường, tinh bột, các hợp chất xenlulozơ, qua phản ứng lên men, có thể tạo ra cồn . Cồn được làm khan ( sau khi lọai bớt nước gọi là etanol, với hàm lượng C 2 H 5 OH trên 97%) để phối trộn với xăng, gọi là gasohol hay còn gọi là xăng sinh học ( biofuel). 2-Dầu béo được tách ra khỏi cấu trúc triglyxerit bằng phản ứng este hóa để tạo thành metyl este hay etyl este của dầu béo, và sử dụng như nhiên liệu diesel, gọi là diesel sinh học (biodiesel) 3-Những bộ phận khác của thực vật như cành, mảnh vụn,lá được phơi khô, xay nhỏ, thêm phụ gia và ép viên để sử dụng như than củi. Hiện cũng đang có những nghiên cứu chuyển các hợp chất xellulozo của chúng thành những hợp chất xellulozo có mạch ngắn hơn, lên men vi sinh để tạo thành cồn, sử dụng như biofuel, hay chuyển thẳng sang dạng hydrocacbon, được gọi là sunfuel. 4-Các phế thải có nguồn gốc sinh học, được chôn ủ trong các hầm yếm khí với phân và nước thải của các trang trại chăn nuôi sẽ tạo nên khí metan, được sử dụng dưới dạng biogaz. Năng lượng có nguồn gốc sinh học của Việt nam hiện đang tồn tại ở bốn dạng khác nhau: 1. Sử dụng trực tiếp: Than, củi, rơm, rạ dùng làm chất đốt ở vùng nông thôn, vùng sâu xa. 2. Rơm, rạ, chất thải chăn nuôi được chôn ủ để hình thành khí biogas( chủ yếu các hộ nông dân ở nông thôn, các trang trại và khu dân cư tập trung) 3. Bioetanol đi từ sắn, mía, ngô 4. Biodiesel đi từ hạt có dầu, mỡ cá, mỡ động vật. Trong các dạng trên thì dạng 1 phổ biến. Hàng năm, một số lượng lớn gỗ được sử dụng cho sản xuất than; rơm rạ cành nhánh, gỗ nhỏ làm chất đốt. Bioetanol đã được sản xuất công nghiệp và đang thử nghiệm loại E5 tại một số nơi. Biodiesel chưa trở thành công nghiệp và đang ở giai đoạn nghiên cứu, thử nghiệm là chính. Mặc dù đề án “Nhiên liệu sinh học của Chính phủ” đã ra đời, nhưng cho đến nay, năng lượng đi từ sinh khối vẫn chưa góp phần đáng kể vào tiến trình bảo đảm an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường. II.3.Con đường tạo nên vật liệu từ sinh khối (biomass): Vật liệu từ sinh khối đã được sử dụng hàng ngàn năm nay. Từ gỗ, tre, nứa, lá, mây làm nhà và vật dụng trong đời sống con người từ thủa còn mông muội đến lụa, vải, đồ thủ công mỹ nghệ ngày nay.Trãi qua hơn 20 thế kỷ, "các polyme tự nhiên"như hổ phách (amber), đồi mồi (tortoiseshell ) và cac sản phẩm bằng sừng (horn) vẫn có giá trị và rất giống với chất dẻo sản xuất ngày nay. Ví dụ như các vật liệu bằng sừng sẽ trở nên trong suốt và có màu vàng khi đun nóng, được sử dụng như thủy tinh trong thế kỷ 18. Các bước đột phá ban đầu cho các vật liệu nhựa bán tổng hợp đầu tiên - cellulose nitrat - xảy ra trong cuối thập niên 1850, bởi một người Anh, Alexander Parkes, người tạo ra nó như là mẫu nhựa đầu tiên của thế giới vào năm 1862. Các ứng dụng như Parkesine, sau đó Xylonite, đã tìm thấy thành công trong việc sản xuất các đồ trang trí, tay cầm dao, hộp và nhiều sản phẩm linh hoạt khác. Hai anh em người Mỹ tên là Hyatt đã ứng dụng loại nhựa này làm thành quả bóng bia-môn thể thao ưa thích của Mỹ- thay thế cho bóng bi-a làm bằng ngà voi trước đó, đã góp phần phát triển trò chơi này, đồng thời khi làm như vậy đã đưa ra một quy trình cho các nhà sản xuất sử dụng một thành phần cellulose nitrat mà sau đó đã được cấp bằng sáng chế vào năm 1870 – bằng việc ứng dụng làm răng giả, mở đầu sự thành công thương mại của nó trong lĩnh vực y khoa.Tuy nhiên, tính dễ cháy của cellulose nitrat làm cho việc sử dụng nó bị hạn chế. Những năm 1900 chứng kiến sự phát triển của acetate cellulose để cải thiện nhược điểm này. Từ đó, celluloaxetat đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất phim, vải không thấm nước hay thân máy bay của các loại máy bay đầu tiên. Cấu tạo chính của sinh khối là xenluluozo, hemixenlulozo, lignin. Các chất này chiếm tỷ lệ trên 70% và là nguồn nguyên liệu chính cho ngành công nghiệp vật liệu không dầu mỏ. Ngày nay, các loại vật liệu thân thiện môi trường được quan tâm dưới tên gọi “composit xanh” đã và đang được nghiên cứu, sản xuất để phục vụ cho việc tạo ra nhiều loại vật liệu chất lượng cao trong nền kinh tế cacbon thấp. Là một nước nông nghiệp với nguồn tài nguyên thực vật vô cùng phong phú, lẽ nào ta lại không chú trọng đến? Một vài số liệu đã được công bố sau đây có thể giúp chúng ta có cái nhìn đúng đắn hơn với nguồn tài nguên không bị mất đi mà thiên nhiên đã ban tặng: Bảng 1: Nguồn sinh khối từ gỗ Nguồn sinh khối Tiềm năng (triệu tấn) Dầu tương đương (triệu toe) Tỷ lệ (%) Rừng tự nhiên 6,842 2,390 27,2 Rừng trồng 3,718 1,300 14,8 Đất không rừng 3,850 1,350 15,4 Cây trồng phân tán 6,050 2,120 24,1 Cây công nghiệp & ăn quả 2,400 0,840 9,6 Phế liệu gỗ 1,649 0,580 6,6 TỔNG 25,090 8,780 100,0 Bảng 2: Nguồn sinh khối từ nông nghiệp Nguồn sinh khối Tiềm năng (triệu tấn) Dầu tương đương (triệu toe) Tỷ lệ (%) Rơm rạ 32,52 7,30 60,4 Trấu 6,50 2,16 17,9 Bã mía 4,45 0,82 6,8 Các loại khác 9,00 1,80 14,9 TỔNG 53,43 12,08 100,0 II.4.Vai trò của vật liệu và nhiên liệu từ sinh khối (biomass)trong quá trình biến đổi khí hậu của Việt nam và thế giới: Những biến đổi gần đây của khí hậu toàn cầu đặt ra cho chúng ta những vấn đề cần phải quan tâm, đó là: 1. Sự dâng cao của nước biển sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến Việt nam theo nhiều kịch bản mà các nhà khoa học đã đưa ra. Qua đó, chúng ta thấy rằng một bộ phận đất đai sẽ ngập trong nước biển. Việc bỏ nhiều tiền của để xây dựng các đập chắn sóng theo kiểu Hà lan là không tưởng và không thực tế. Thiên nhiên đã dạy cho Việt nam cách lấn biển từ nhiều thế kỷ qua bằng sự phát triển của rừng ngập mặn. Tại sao ta không tiếp tục phát triển nó mà lại đi hủy hoại nó. Bài học nhãn tiền mà ai cũng thấy là sự biến mất của mũi Cà mâu. Những công trình có đồ sộ hay hoành tráng mấy đi nữa cũng chỉ là những hoang phế vô hồn giữa biển nước. Nếu thay vào đó là những rừng tràm xanh ngát, với sự nhộn nhịp sinh động của các quần thể động thực vật, có phải là điểm du lịch lý tưởng hay không? Tài nguyên các loại thực vật này có thể khai thác hàng năm mà không bị mất đi, là nguyên liệu cho nền kinh tế cacbon thấp đang và sẽ phát triển. 2. Qua các sự cố của Nhật bản, nhiều nước đang xem xét lại chính sách năng lượng hạt nhân thái quá của họ và nhận thấy rằng, nếu quá phụ thuộc vào năng lượng hạt nhân thì đến một lúc nào đó sẽ trở tay không kịp. Những nhà máy điện khổng lồ có vẻ hoành tráng nhưng khi có sự cố thì không bằng những nhà máy điện nhỏ lẻ, rải rác khắp nơi. Những nhà máy như vậy, sử dụng nguồn nguyên liệu từ sinh khối, có thể lắp đặt ở khắp nơi, dù nước biển có dâng thêm vài mét! 3. Năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió có vẻ là hiện đại và sạch, nhưng thực tế cho thấy, khi mưa nhiều ngày, mặt trời bị che phủ hay gió bão, hay không gió, các nguồn cung cấp năng lượng này đều gặp trục trặc. 4. Con người không thể cứ “vắt đất ra nước, thay trời làm mưa” mãi được! Khoa học và công nghệ ngày nay chưa thể chế ngự thiên nhiên. Giàu và mạnh như Nhật bản cũng phải chịu tang thương khi thiên tai giáng xuống! Cách tốt nhất để tồn tại và phát tiển, chính là cách đồng cảm với thiên nhiên, học tập thiên nhiên trên tinh thần hai bên cùng có lợi. Như vậy, chúng ta cần phải có chiến lược bảo vệ và phát triển nguồn tài nguyên thực vật của đất nước. Không phải cứ trồng hàng ngàn hecta rừng là tốt: cũng không phải cứ trồng hàng ngàn hecta Jatropha là tốt! Cần phải có sự hài hòa của thiên nhiên, cần phải bảo đảm sự đa dạng sinh học của những vùng sinh thái nhất định. Đó cũng là con đường bảo đảm nguyên liệu cho vật liệu và năng lượng trong bối cảnh biến đổi khí hậu! III. KẾT QUẢ BƯỚC ĐẦU TẠI VIỆN KHVLUD TRONG GIAI ĐOẠN 2001- 2010 I. BIODIESEL TỪ DẦU THỰC VẬT VIỆT NAM: 1. Nguyên liệu: Sử dụng tất cả các loại hạt có dầu của cây công nghiệp, cây ăn trái, cây thân thảo, cây cho tinh dầu có hạt. 2. Công nghệ: Đã hoàn thiện công nghệ sản xuất ở qui mô 100kg/ ngày. 3. Kết quả: Đã nghiệm thu cấp Viện KH&CN VN 12/2008. 4. Ứng dụng: Thử ứng dụng cho xe ô tô, máy phát điện, xe máy với kết quả tốt. Đã nghiên cứu thành phần khí thải và công bố 2 bài báo trên tạp chí KHCN, một bài đã đăng, một bài chưa dăng. ( Đang chờ cơ hội để sản xuất ở qui mô lớn hơn) II. PHỤ GIA CHO NHIÊN LIỆU TỪ THỰC VẬT: 1. Nguyên liệu: Các hợp chất chiết xuất từ khâu sản xuất dầu nguyên liệu cho công đoạn sản xuất BIODIESEL.( Sản phẩm phụ) 2. Công nghệ: Đã tiến hành cô lập được một số chất. 3. Kết quả: - Tăng chỉ số CETAN cho diesel dầu mỏ từ 52( Diesel thương phẩm, bán trên thị trường) lên 63. - Đối với BIODIESEL, tăng chỉ số CETAN từ 51 lên 55 ( B100). - Tăng thời gian ổn định oxy hóa: từ 0,49 lên 20 h 4. Ứng dụng. Đang tiếp tục thử nghiệm. Dự kiến đến hết năm 2011 sẽ xong. PHỤ GIA TĂNG CHỈ SỐ CETAN cho Diesel Đối với diesel thương phẩm Đối với Biodiesel B-100 PHỤ GIA TĂNG CHỈ SỐ CETAN CHO BIODIESEL B100 PHỤ GIA STIGMAD Bio : OSI 0 Biodiesel chuẩn không có phụ gia 0,49 h 1 Biodiesel chuẩn + 0.05% TL STIGMAD Bio 8,10 h 2 Biodiesel chuẩn + 0.10% TL STIGMAD Bio 9.33 h 3 Biodiesel chuẩn + 0.30% TL STIGMAD Bio Trên 20h Đã đăng ký 02 giải pháp hữu ích về phụ gia. III. THUỐC TRỪ SÂU TỪ CÁC CHẤT CÓ HTSH.TỪ THỰC VẬT: 1. Nguyên liệu: - Sản phẩm phụ của BIODIESEL, một số chất khác - Sản phẩm tổng hợp từ NANO oxit kim loại - Sản phẩm visinh ( tự lên men) 2. Công nghệ: Ổn định 3. Kết quả: Tạo ra sản phẩm thuốc trừ sâu sinh học, Phân bón cây 4 chức năng ( trừ sâu, tăng khả năng quang hợp, tăng oxy trong đất, tăng số lượng rễ cây) - Đã thử nghiệm cho hành, cỏ sân gon đạt kết quả tốt. - Thuốc trừ sâu sinh học diệt bọ đậu đen (Đề tài cấp tỉnh BD) ,KQ tốt 4. Ứng dụng: Đang tìm đối tác để triển khai sản xuất theo yêu cầu của UBND tỉnh Bình dương. IV. BIOPOLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC TỪ THỰC VẬT: 1. Nguyên liệu: Các loại tinh bột và sợi tự nhiên từ phế thải nông nghiệp, thủy sản. 2. Công nghệ: Ổn định. 3. Kết quả: - Chất dẻo phân hủy sinh học.( sản phẩm) - Màng giữ hoa quả tươi lâu - Phân NPK có độ hấp thụ và giữ nước 600 lần so với trọng lượng nó, nhả chậm NPK theo thời gian mong muốn. 4. Ứng dụng: Đã đăng ký nhãn hiệu hang hóa và sang chế hữu ích VINAPOL ® và các loại màng: - Màng Vinapol ® PL-AW- Dùng để bọc phân vô cơ, phân visinh. NPK ngoài thị trường vừa gặp nước NPK sau 5 phút ngâm nước Viên phân NPK bọc PLM vừa cho vào nước Viên phân NPK bọc PLM sau 7 ngày. . nay, năng lượng đi từ sinh khối vẫn chưa góp phần đáng kể vào tiến trình bảo đảm an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường. II.3.Con đường tạo nên vật liệu từ sinh khối (biomass): Vật liệu từ sinh. xung quanh. Và những gì đã và đang làm được trong điều kiện hết sức khó khăn, cho phép ta tin tưởng vào kết quả tương lai. II. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG TỪ SINH KHỐI: II.1.Các. VẬT LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG TỪ SINH KHỐI- HƯỚNG ĐI TẤT YẾU CỦA VIỆT NAM TRONG QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU. I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Từ năm 1980 của thế kỷ 20, giáo sư