NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN SINH HỌC (BIOCHAR) TỪ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

Trong đó than sinh học TSHđang là hướng nghiên cứu được quan tâm, đây là sản phẩm của quá trình nhiệtphân yếm khí các vật liệu hữu cơ, tạo ra loại vật liệu mới có tính ứng dụngtrong đời

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN SINH HỌC (BIOCHAR) TỪPHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG”

Người thực hiện : TĂNG THỊ KIỀU LOAN

Giáo viên hướng dẫn : ThS.HỒ THỊ THÚY HẰNG

Hà Nội – 2016

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA MÔI TRƯỜNG - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:

“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN SINH HỌC (BIOCHAR) TỪPHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG”

Người thực hiện : TĂNG THỊ KIỀU LOAN

Giáo viên hướng dẫn : ThS.HỒ THỊ THÚY HẰNG Địa điểm thực tập :Bộ môn Công nghệ Môi trường

Hà Nội – 2016

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự cố gắng của bản thân tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết

ơn với những sự giúp đỡ đó.

Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Môi trường, các thầy

cô giáo trong khoa và trong bộ môn Công nghệ Môi Trường, Học viện Nông Nghiệp Việt Nam, gia đình và cùng toàn thể bạn bè của tôi.

Để có được kết quả này tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắctới TS Trịnh Quang Huy, ThS Nguyễn Ngọc Tú và đặc biệt là ThS Hồ Thị Thúy Hằng- người đã luôn tận tình chỉ bảo, truyền đạt cho tôi rất nhiều kiến thức,

kỹ năng làm việc, kỹ năng sống, giúp đỡ tôi trong học tập, nghiên cứu và theo sát tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này.

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới anh kỹ thuật viên Trần Minh Hoàng tại phòng thí nghiệm- Bộ môn Công nghệ Môi Trường cùng các bạn Phùng Thị Ngọc Mai, Hồ Thị Thương đã giúp đỡ cho tôi thực hiện đề tài.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất Song do điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên khóa luận không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định Tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo, các nhà khoa học và toàn thể bạn đọc.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2016

Người thực hiện

Tăng Thị Kiều Loan

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Thực trạng phát sinh và sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam 4

1.1.1 Thực trạng phát sinh phế phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam 4

1.1.2.Thực trạng sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam 8

1.2 Than sinh học và các ứng dụng của than sinh học trên thế giới và Việt Nam .14

1.2.1 Than sinh học (Biochar) 14

1.2.2 Một số ứng dụng của than sinh học 20

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNGVÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Đối tượng nghiên cứu 25

2.2 Phạm vi nghiên cứu 25

2.3 Nội dung nghiên cứu 25

2.4 Phương pháp nghiên cứu 25

2.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp 25

2.4.2 Phương phápbố trí thí nghiệm 26

2.4.3 Phương pháp xác định đặc tính của vật liệu 26

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Đặc tính vật liệu nghiên cứu ban đầu 31

3.2 Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ tới các đặc trưng về màu sắc và hình dạng của than sinh tạo thành 35

3.3 Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ tới đặc trưng về khối lượng của than sinh tạo thành 38

3.4 Đánh giá đặc tính pH, EC, CEC của than sinh học tạo thành 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

1 Kết luận 50

2 Kiến nghị 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Tiềm năng phế phụ phẩm ở Việt Nam 6

Bảng 1.2: Thành phần các hợp chất hữu cơ của 7 loại vật liệu 7

Bảng 1.3: Thành phần hoá học của một số phế phụ phẩm nông nghiệp 8

Bảng 1.4: Hiệu quả xã hội của việc tái chế phế phụ phẩm nông nghiệp làm phân hữu cơ 12

Bảng 1.5: Ảnh hưởng của than sinh học lên sản lượng lúa ở Việt Nam 23

Bảng 1.6: Ảnh hưởng than sinh học lên sản lượng rau của Việt Nam 23

Bảng 1.7: Ảnh hưởng của than sinh học lên sản lượng của đậu phộng ở Ninh Thuận 24

Bảng 3.1: Đặc trưng pH, EC của các loại phế phụ phẩm trong nghiên cứu .31

Bảng 3.2: Thành phần tương đối củacủa các loại phế phụ phẩm trong nghiên cứu 32

Bảng 3.3: Thành phần tương đối của vỏ trấu (%) 34

Bảng 3.4: Thành phần tương đối của rơm rạ (%) 34

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ tới đặc trưng về màu sắc của than sinh học tạo thành 36

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ tới đặc trưng về khối lượng của than sinh tạo thành 38

Bảng 3.7: Kết quả kiểm định khối lượng than sinh học tạo thành ở các giá trị nhiệt độ 40

Bảng 3.8: Đặc trưng giá trị pH, EC của than sinh học tạo thành 42

Bảng 3.9: Kết quả kiểm định pH than sinh học ở các giá trị nhiệt độ 45

Bảng 3.10: Kết quả kiểm định EC than sinh học ở các giá trị nhiệt độ 45

Bảng 3.11: Kết quả kiểm định sự sai khác giá trị CEC của nhóm I phụ thuộc vào nhiệt độ 47

Bảng 3.12: Kết quả kiểm định sự sai khác giá trị CEC của nhóm II phụ

thuộc vào nhiệt độ 47

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sản lượng một số loại cây trồng qua các năm 2010-2014 4

Hình 1.2:Phế phụ phẩm nông nghiệp 5

Hình 1.3: Các hình thức sử dụng phế phụ phẩm phổ biến ở Đồng bằng sông Hồng năm 2012 10

Hình 3.1: Sự thay đổi khối lượng than sinh học theo nhiệt độ 40

Hình 3.2: Sự thay đổi pH của than sinh học theo các mức nhiệt độ 43

Hình 3.3: Sự biến động EC của than sinh học theo các mức nhiệt độ 44

Hình 3.4: Đặc trưng CEC của than sinh học tạo thành từ các nhiệt độ khác nhau 46

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một đất nước có truyền thống nông nghiệp lâu đời, là chỗdựa vững chắc cho nền kinh tế đất nước cũng như đảm bảo an ninh lươngthực Mặc dù, Việt Nam đang trong giai đoạn công nghiệp hóa- hiện đại hóađất nước, nhiều diện tích đất nông nghiệp được chuyển đổi mục đích sử dụngcho ngành công nghiệp, số lượng các khu công nghiệp vừa và nhỏ ngày càngtăng lên, chiếm dần diện tích đất nông nghiệp, nhưng sản lượng các loại nôngsản vẫn tăng liên tục qua các năm Theo thống kê của Bộ Nông Nghiệp vàPhát Triển Nông Thôn, tính đến tháng 12/2015 cả nước có: sản lượng lúa ướctính đạt 45,22 triệu tấn, tăng 241 nghìn tấn;cây ngô đạt 5281 nghìn tấn tăng1,5%; cây sắn đạt 10,67 triệu tấn tăng 464 nghìn tấn; rau các loại sản lượngđạt 15,7 triệu tấn tăng 276,6 nghìn tấn; đậu các loại sản lượng đạt 169,6 nghìntấn tăng 5,634 nghìn tấn so với năm 2014 Với sản lượng hằng trăm triệu tấnnông sảnnhư vậy tương ứng với một lượng lớn phế phụ phẩm nông nghiệpphát sinh hằng năm như trấu và rơm rạ40,80 triệu tấn;lá và bã mía 15,60 triệutấn; thân và lõi ngô 9,20 triệu tấn; vỏ cà phê 1,17 triệu tấn; mùn cưa 1,12 triệutấn…(Nguyễn Đặng Anh Thi, Bio-Energy in Vietnam, 2014) Các phế phụphẩm này được sử dụng làm chất đốt, chất độn chuồng,thức ăn cho gia súc, ủgốc cây, làm giá thể trồng nấm, tuy nhiên hiện nay phần lớn phế phụ phẩmnông nghiệp bị bỏ ngay tại đồng ruộng, đổ ra kênh mương, hay đốt trực tiếptại đồng ruộng đặc biệt là sau mỗi vụ thu hoạch gây nên tình trạnglãng phí tàinguyên và ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng môi trường Do đó, việcnghiên cứucác giải pháp tận thu nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp để sử dụnghiệu quả nguổn tài nguyên này và giảm thiểu các tác động môi trường là vấn

đề đáng được quan tâm hiện nay

Trên thế giới và Việt Nam,hiện nay ngoài các hình thức sử dụng truyềnthống, phế phụ phẩm còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khácnhau như: chế tạo cồn sinh học làm nhiên liệu, chế tạo vật liệu xử lý môitrường, sản xuất than sinh học (Biochar) Trong đó than sinh học (TSH)đang là hướng nghiên cứu được quan tâm, đây là sản phẩm của quá trình nhiệtphân yếm khí các vật liệu hữu cơ, tạo ra loại vật liệu mới có tính ứng dụngtrong đời sống và thân thiện với môi trường TSH được sử dụng làm phân bónthế hệ mới, cải thiện độ phì nhiêu của đất, tăng khả năng giữ nước và các chấtdinh dưỡng, bảo vệ các loại vi khuẩn sống trong đất, chống lại các tác độngxấu của thời tiết, xói mòn đất, làm tăng sản lượng cây trồng và giải quyếtđược nguồn phế phụ phẩm trong nông nghiệp Ngoài ra, nócó thể làm chất đốtthay cho than đá, dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt Đặc biệt, TSH đang đượcứng dụng thử nghiệm làm vật liệu xử lý nước thải, (Tạp trí Stinfo số 6-2015,Than sinh học- Hiệu quả nhờ công nghệ) Trên thế giới đã có rất nhiều nghiêncứu về than sinh học như tại Nhật Bản, TSH được cấy thêm vi sinh vật để xử

lý chất thải nhà vệ sinh, bảo vệ môi trường; trường Đại học Politécnica deMadrid (Tây Ban Nha) đã nghiên cứu chế tạo than sinh học từ bùn thải ứngdụng trong cải tạo tính chất của đất… Ở Việt Nam, đã bước đầu nghiên cứu

và ứng dụng than sinh học tại một số địa phương như: Viện Môi trường Nôngnghiệp (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam) sản xuất thành công TSH từrơm, rạ; Mai Thị Lan Anh (Đại học Khoa học Thái Nguyên) sáng chế TSH từrơm rạdùng làm phân bón; Viện Thổ nhưỡng Nông hóa sử dụng TSH từ trấulàm giá thể, đất nhân tạo và phân bón hữu cơ vi sinh Từ các nghiên cứu đócho thấy sự phát triển trong hướng nghiên cứu thu hồi và ứng dụng phế phụphẩm nông nghiệp hiện nay Tuy nhiên, tổ chức International BiocharInitiative, 2014đã chỉ ra đặc tính của TSH phụ thuộc nguyên liệu đầu vào vàquá trình nhiệt phân Mỗi loại nguyên liệu đầu vào và mỗi quá trình đốt khácnhau tạo than sinh học có đặc tính khác nhau do đó tiềm năng nghiên cứu than

sinh học và sử dụng chúng cho các mục đích như sản xuất nông nghiệp, vậtliệu xử lý môi trường là rất lớn Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên, tôi tiến

hành đề tài: “Nghiên cứu chế tạo than sinh học (Biochar) từ phế phụ phẩm

nông nghiệp và ứng dụng trong xử lý môi trường”để đánh giá đặc tính và

thử nghiệm khả năng hấp phụ của than sinh học chế tạo từ các loại phế phụphẩm nông nghiệp khác nhau

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Chế tạo than sinh học từ các loại phế phụ phẩm nông nghiệp khác nhau

 Thử nghiệm khả năng hấp phụ của than sinh học

3 Yêu cầu nghiên cứu

 Các nội dung nghiên cứu phải đáp ứng được mục tiêu đề ra của đề tài

 Phương pháp thực hiện và bố trí thí nghiệm đòi hỏi phải có tính chínhxác, phù hợp với mục tiêu nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Thực trạng phát sinh và sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam

1.1.1 Thực trạng phát sinh phế phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

Việt Nam có truyền thống làm nông nghiệp từ hàng ngàn năm nay, vớihai vùng đồng bằng phì nhiêu là đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sôngCửu Long, khí hậu nhiệt đới gió mùa phù hợp cho cây nông nghiệp phát triểnquanh năm, đa dạng loại giống cây trồng; cùng với lực lượng lao động dồidào nhiều kinh nghiệm đã đưa Việt Nam trở thành một nước lợi thế với nềnnông nghiệp phát triển, là chỗ dựa vững chắc cho nền kinh tế đất nước cũngnhư cũng như đảm bảo an ninh lương thực.Sản lượng nông sản Việt Nam liêntục tăng qua các năm thể hiện qua biểu đồ sản lượng của 3 loại cây trồng: lúa,

ngô, mía trong giai đoạn từ năm 2010-2014 (Hình 1.1); cũng theo theo thống

kê của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn sản lượng nông sản năm

2015, cả nước có: sản lượng lúa ước tính đạt 45,22 triệu tấn, cây ngô đạt 5281triệu tấn, cây sắn đạt 10,67 triệu tấn, rau các loại sản lượng đạt 15,7 triệu tấn,đậu các loại sản lượng đạt 169,6 nghìn tấn

2010 2011 2012 2013 Sơ bộ 2014 0

5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 40005.6 42398.5

Hình 1.1: Sản lượng một số loại cây trồng qua các năm 2010-2014

Nguồn: Tổng cục thống kê (2014)

Trong quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnhnhững sản phẩm chính sẽ phát sinh những phế phụ phẩm khác Khiến cho nềnnông nghiệp đã và đang phải đối mặt với việc xử lý phế thải trồng trọt, đặcbiệt khi mùa thu hoạch đến Khi trồng lúa ngoài hạt lúa thu hoạch được ta còn

có rơm, rạ; khi xay xát thóc ngoài gạo ta còn có tấm,cám, trấu; khi thu hoạchngoài hạt ngô ta còn có bẹ ngô, áo ngô, lõi ngô… Trong chăn nuôi gia súc,ngoài sản phẩm chính là thịt, trứng hay sữa ta còn có phân… Các phế thảinông nghiệp phát sinh từ hoạt động trồng trọt rất đa dạng như: rơm, rạ, vỏ

trấu, vỏ cà phê, lõi ngô, xơ dừa, dây khoai, thân cây đậu (Hình 1.2).

Hình 1.2:Phế phụ phẩm nông nghiệp

Khối lượng phế phụ phẩm này rất lớn tuỳ thuộc vào loại cây trồng, hìnhthức canh tác, mục đích sử dụng Riêng đối với các cây trồng thuộc nhóm ngũcốc như lúa, ngô, khoai phế phụ phẩm thải ra rất lớn Những phế phụ phẩmnày thực sự là nguồn tài nguyên khổng lồ ước tính trên 100 triệu tấn/năm luôntồn tại và ngày càng tăng cùng với sự gia tăng diện tích và năng suất cây

trồng, giàu tiềm năng nhất là trấu, lá và bã mía, cây rừng tự nhiên (Bảng 1.1).

Các loại phế phụ phẩm này được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau đồng

thời giúp tạo thêm thu nhập cho người dân, tuy vậy nếu không có những hìnhthức tận thu phế phụ phẩm phù hợp có thể gây ảnh hưởng xấu đến chất lượngmôi trường.

Bảng 1.1: Tiềm năng phế phụ phẩm ở Việt Nam

Các nguồn thải khác (dừa, đậu, khoai mì) 6,37

Nguồn: Nguyễn Đặng Anh Thi, Bio-Energy in Vietnam (2014)

Trong đó, phế phụ phẩm trấu tập trung chủ yếu tại Đồng bằng SôngCửu Long, Đồng bằng Bắc Bộ và Duyên hải Nam Trung Bộ Phế phụ phẩmmùn cưa tập trung nhiều ở miền Trung, Tây Nguyên, Tây Bắc Vỏ cà phê cónhiều ở các tỉnh Tây Nguyên…Hầu hết các phế phụ phẩm nông nghiệp này cóhàm lượng chất xơ rất cao ví dụ như rơm chứa 34% chất xơ, lá mía chiếm43% nên rất khó tiêu hoá Mặt khác một số loại phế phụ phẩm lại khó chếbiến và dự trữ khi thu hoạch đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lámía…Đó cũng là lí do làm cho người nông dân chỉ sử dụng một phần các loạiphế phụ phẩm này ở dạng tươi làm thức ăn cho gia súc

Bên cạnh, nguồn phế phụ phẩm rất đa dạng, các nghiên cứu trước nhậnđịnhcác thành phần hydrate cacbon chính có trong các phế phụ phẩm nôngnghiệp đều là xenlulozo, hemixenlulozo, và lignin chiếm 90% về khối lượng

(Bảng 1.2); về thành phần nguyên tố hóa học trong phế phụ phẩm nông

nghiệp cho thấy thành phần chủ yếu của chúng là các nguyên tố Cacbon,Hidro, Oxi, Nittơ, Photpho, Oxi, Silic… Đặc biệt Silic là nguyên tố không chỉchiếm tỷ lệ lớn trong thành phần tươi mà còn chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần

tro của các phế phụ phẩm, (Bảng 1.3) Đó là các nguyên tố đa lượng cần thiết

cho đất và cây trồng, nếu không có các phương thức sử dụng phế phụ phẩmphù hợp và tận thu đối đa nguồn tài nguyên này sẽ gây thất thoát một lượnglớn các nguyên tố đa lượng: O, Si, Al, Fe, Ca, K, P, N, C, H

Bảng 1.2: Thành phần các hợp chất hữu cơ của 7 loại vật liệu

Thành phần Xenlulozo

(%)

Hemixenlulozo (%)

Lignin (%)

(1) Haiqing Yang1 and Kuichuan Sheng (2007);

(2) Dr J N Shah,Dr S R Shah and Sweety Agrawal (2012);

(3) T.S El-TayebI; A.A AbdelhafezI; S.H AliII; E.M Ramadan (2015);

(4) T.S El-TayebI; A.A AbdelhafezI; S.H AliII; E.M Ramadan (2015);

(5) Wiley, Society of Chemical Industry (2015);

(6) Braz J Microbiol (2012);

(7) Kiran R Garadimani , G U Raju , K G Kodancha (2015).

Bảng 1.3: Thành phần hoá học của một số phế phụ phẩm nông nghiệp

Loại tro

% tan trong nước

% tan trong HCl

Nguồn: Bùi Huy Hiền (2013)

1.1.2.Thực trạng sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam

Như thực trạng phát sinh phế phụ phẩm nông nghiệp đã đưa ra ở mục1.1.1, nguồn phế phụ phẩm nước ta tương đối dồi dào, tuy nhiên các giải pháp

đã và đang được áp dụng trong tận thu phế phụ phẩm nông nghiệp chưa tươngxứng với lượng phát sinh hiện nay Trước đây, khi chưa cơ giới hóa trongnông nghiệp, các phế phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, bẹ ngô… được tái sửdụng Bẹ ngô được sử dụng làm chất đốt trong gia đình Rơm và rạ vừa được

sử dụng làm chất đốt, vừa được dùng làm thức ăn trong chăn nuôi đồng thờicũng được dùng làm nguyên liệu ủ phân hữu cơ… Người nông dân có thể tậndụng nguồn phế phẩm nông nghiệp vào nhiều mục đích khác nhau.Ngày nay,đời sống được nâng cao, nhu cầu ngày một tăng, áp lực dân số gây nên áp lực

an ninh lương thực trên toàn cầu, các sản phẩm cung cấp cho nông nghiệp

ngày càng nhiều, nông nghiệp được cơ giới hóa, được chú trọng nhưng nó đểlại không ít hệ quả ảnh hưởng tới môi trường đời sống con người Con ngườikhông còn chú trọng đến việc tái sử dụng những phế phẩm nông nghiệp, vìthế những phế phẩm nông nghiệp này thường bị bỏ lại ngay tại đồng ruộngsau khi thu hoạch, thậm chí bị đốt ngay tại ruộng gây hậu quả nghiêm trọngtới môi trường đất, môi trường khí và ảnh hưởng các vấn đề nhân sinh xã hộikhác Do được cơ giới hóa, người dân dùng máy gặt, gặt lúa ngay trên đồngruộng, sau đó chỉ việc mang lúa về Phế phẩm từ lúa như rơm và rạ, ngườidân bỏ lại, thời gian sau sẽ đốt bỏ Nhiều khi, người nông dân còn đốt rơm rạcùng một lúc, hiện tượng khói lan tỏa khắp nơi vừa ảnh hưởng tới môi trường,vừa ảnh hưởng tới sức khỏe con người và thậm chí gây mất an toàn giaothông Vấn đề đặt ra hiện nay làm thế nào giải quyết triệt để việc tái sử dụngphế phẩm nông nghiệp tạo sinh kế cho người nông dân đồng thời hạn chếmức độ ảnh hưởng tới môi trường

Theo kết quả khảo sát của Trịnh Sĩ Nam về các hình thức sử dụng phế

phụ phẩm nông nghiệp ở Đồng bằng sông Hồng năm 2012, (Hình 1.3) cho

thấy có 6 biện pháp xử lý phế phụ phẩm được người dân lựa chọn là: đốt trênđồng, vùi trong đất, làm giá thể trồng nấm, bán, chăn nuôi và cho người khác.Trong đó, tỷ lệ các hộ xử lý phế phụ phẩm sau thu hoạch bằng biện pháp đốt

là 73,14%;vùi là 16,28%; làm giá thể trồng nấm là 3,46%; bán là 1,64%; chănnuôi là 0,19% và cho người khác là 0,95% Điều này cho thấy đốt phế phụphẩm vẫn là biện pháp xử lý phổ biến nhất của nông hộ hiện nay, các hìnhthức sử dụng khác thì ít được phổ biến hơn

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 tácnông phẩm trong năm, yếu tố thời tiết cũng như điều kiện canh tác của từngnông hộ Thường người dân đốt rơm ở vụ có có thời tiết thuận lợi, trời thườngnắng nóng nên tỷ lệ phế phụ phẩm cháy khi đốt cao hơn và thời gian cháy

cũng nhanh hơn Với vụ thời tiết không được thuận lợi có mưa nhiều tỷ lệ các

hộ đốt rơm giảm, các hộ nông dân thường đốt phế phụ phẩm khi trời nắng vàcày vùi phế phụ phẩm khi trời mưa Theo tập quán canh tác, người dân đốtphế phụ phẩm để vệ sinh đồng ruộng chuẩn bị sản xuất vụ tiếp theo, đồng thờilượng tro sau khi đốt được làm phân để bón cho ruộng

Hình 1.3: Các hình thức sử dụng phế phụ phẩm phổ biến ở Đồng bằng

sông Hồng năm 2012

Biện pháp phổ biến nhất hiện nay là đốt, cụ thể phế phụ phẩm sau khithu hoạch được để lại trên đồng ruộng cho khô, sau đó người dân thu thànhđống và đốt Đây là cách xử lý nhanh nhất, đơn giản, giảm giá thành, khôngtốn nhiều công sức, đồng thời tiêu hủy mầm bệnh, không phải tuân theo quyđịnh nghiệm ngặt trong hoạt động vận hành Nhưng nó cũng có nhược điểmlàm mất chất dinh dưỡng cho đất, gây ô nhiễm môi trường không khí nghiêmtrọng, mất cacbon, gây hiệu ứng nhà kính, gây ảnh hưởng đến sức khỏe conngười, gây ra các bệnh về đường hô hấp và gây hiện tượng khói mù cản trởtầm nhìn của người điều khiển phương tiện giao thông

Vùi trực tiếp vào đất trên đồng ruộng cũng là giải pháp truyền thốngđược người nông dân áp dụng Sau khi thu hoạch nông sản, phế phụ phẩm

được để lại ngay trên đồng ruộng Khi người dân cày sẽ úp phế phụ phẩmxuống dưới Nhờ các hoạt động của vi sinh vật, phế phụ phẩm sẽ được phânhủy để thành các chất hữu cơ dễ sử dụng cho cây trồng trong vụ trồng kế tiếp.

Ưu điểm của hình thức này là giúp tuần hoàn vòng vật chất, cải thiện các đặctính hóa, sinh học cho đất, nâng cao độ phì của đất và duy trì khả năng sảnxuất của đất đồng thời diệt trừ một số mầm sâu bênh hại Tuy nhiên, việc vùiphế phụ phẩm vào đất ướt sẽ gây ra tình trạng cố định đạm tạm thời và làmtăng lượng khí metan phóng thích trong đất, gây ra tình trạng tích lũy các khínhà kính, tốn công lao động và cần máy móc thích hợp cho làm đất và nó cóthể gây ra một số mầm bệnh cho cây trồng

Làm thức ăn cho gia súc, đun nấu: phế phụ phẩm sau thu hoạch đượctận dụng để làm thức ăn cho gia súc (nhóm động vật nhai lại) như trâu, bò vàlàm nguyên liệu đun nấu Cách này đem lại hiệu quả kinh tế, tiết kiệm đượctiền cho việc mua thức ăn cho gia súc, thu mua những nhiên liệu khác để đunnấu và hạn chế ô nhiễm môi trường do phế phụ phẩm không để ngoài đồng.Nhưng hạn chế là không khép kín vòng tuần hoàn vật chất, chất dinh dưỡng

bị cây trồng lấy đi nhưng chưa có biện pháp thích hợp để bù trả lại và tốncông lao động cho việc thu gom

Ngày nay, bên cạnh các biện pháp truyền thống trên, người nông dâncòn sử dụng phế phụ phẩm làm giá thể trồng nấm Rơm rạ được thu gom vàlàm chín nhằm phân hủy một số độc tố trong rơm rạ do khi canh tác ta sửdụng một số nông dược Sau đó ép lại thành bánh rồi nuôi nấm trên nhữngbánh rơm đó Giải pháp này giúp nâng cao hiệu quả kinh tế cho người dân,giảm tỉ lệ đói nghèo, cải thiện môi trường nông thôn do tận dụng nguồn phếphụ phẩm nông nghiệp, tăng vẻ đẹp mỹ quan đồng thời tạo công ăn việc làmcho người dân Tuy nhiên cách này lấy mất hàm lượng chất dinh dưỡng củađất, phá vỡ vòng tuần hoàn vật chất trong đất, để áp dụng được cách nàyngười dân cần đầu tư kinh phí để mua thiết bị, tạo cơ sở nuôi trồng nấm

Ngoài làm giá thể trồng nấm, người nông dân hiện nay cũng áp dụnggiải pháp ủ phế phụ phẩm làm phân hữu cơ Biện pháp này sử dụng phế phẩmđồng ruộng kết hợp với phân gia súc, gia cầm trộn cùng với chế phẩm vi sinh,

và đảm bảo độ ẩm thích hợp cho vi sinh vật hoạt động phân hủy thành phânhữu cơ để bón cho cây trồng Cách này đem lại lợi ích là tiêu diệt được mầmbệnh, làm sạch đồng ruộng hạn chế ô nhiễm môi trường, trả lại một phần chấtdinh dưỡng cho đất, đồng thời đem lại hiệu quả kinh tế nhờ tiết kiệm được

tiền mua phân bón hóa học (Bảng 1.4) Tuy nhiên, giải pháp này cần thời gian

ủ và tốn công lao động

Bảng 1.4: Hiệu quả xã hội của việc tái chế phế phụ phẩm nông nghiệp

làm phân hữu cơ

Loại cây

Lượng phế thải trên đồng ruộng (tấn/ha)

Lượng phân hữu

cơ được tạo ra (tấn/ha)

Số lượng lao động tham gia vào quá trình xử lí phế phụ phẩm (người/ha)

Nguồn: Nguyễn Xuân Thành và CS (2010)

Ngày nay, khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển, bên cạnh cáchình thức sử dụng truyền thống của người dân, cũng đã có một số nghiên cứumới theo hướng tận thu phế phụ phẩm nông nghiệp, điển hình là các biệnpháp sản xuất năng lượng Sinh khối có thể sản xuất ra nhiều loại năng lượngkhác nhau như nhiệt, điện, xăng dầu vận tải

Sản xuất dầu sinh học: nhiều nước đã chế tạo nhiên liệu sinh học từ sảnphẩm nông nghiệp như từ ngô (Mỹ), từ mía đường (Brazil), củ cải đường (cácnước châu Âu)…để thay thế cho nguyên liệu hoá thạch Theo nghiên cứu củaPGS.TS Đặng Tuyết Phương, Viện Hoá học Việt Nam, đốt 1 tấn rơm rạ có

thể tạo ra khoảng 250kg nhiên liệu lỏng thô để sản xuất dầu sinh học thay vìchỉ thu được một lượng tro không đáng kể để bón ruộng đồng thời gây ônhiễm môi trường Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc ViệnDầu khí Việt Nam và Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, khảo sátquá trình nhiệt phân nhanh rơm rạ ở điều kiện nhiệt độ phản ứng 5000C, lưulượng khí 6 lít/phút và kích thước nguyên liệu rơm rạ dưới 2mm, hiệu suất biooil cao nhất là 52,76%/kl So với tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu sinh họclỏng nhiệt phân loại G dùng cho lò đốt công nghiệp tại Mỹ ban hành năm

2012, dầu sinh học đi từ rơm rạ theo phương pháp nhiệt phân nhanh này đápứng tiêu chuẩn Với hiệu suất thu hồi lỏng dầu sinh học, nguồn nguyên liệurơm rạ từ sản xuất nông nghiệp của Việt Nam có thể sản xuất được hàng chụctriệu tấn bio oil/năm phục vụ làm nhiên liệu thay thế cũng như có thể nângcấp để sản xuất xăng, dầu diezel trong tương lai gần

Sản xuất điện: Mỹ là nước sản xuất điện biomass lớn nhất thế giới, vớihơn 350 nhà máy điện sinh học, sản xuất trên 7.500MW điện mỗi năm.Những nhà máy này sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sảnphẩm phụ nông nghiệp, cành lá từ các vườn cây ăn quả Năng lượng biomasschiếm 4% tổng năng lượng được tiêu thụ ở Mỹ và 45% năng lượng tái sinh.ỞNhật Bản, chính phủ đã ban hành Chiến lược năng lượng sinh khối từ năm

2003 và hiện nay đang tích cực thực hiện Dự án phát triển các đô thị sinh khối(biomass town) Đến đầu năm 2011, Nhật Bản đã có 286 thị trấn sinh khối trảidài khắp đất nước.Trong khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt,nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao thì giải pháp sử dụng nguồn điện sinhkhối để thay thế mang ý nghĩa to lớn trên các khía cạnh kinh tế, xã hội và môitrường Hơn nữa, Việt Nam lại có tiềm năng to lớn để phát triển điện sinhkhối cả trong hiện tại và tương lai Hiện nay, nước ta đã có các nhà máy điệnsinh khối được triển khai và đi vào hoạt động tại một số tỉnh như Thanh Hoá,

Phú Thọ…Tuy nhiên, phát triển điện sinh khối ở Việt Nam còn nhiều khiêmtốn.

Nhìn chung các phương pháp xử lý đối với phế thải nông nghiệp hiệnnay đều mang tính truyền thống, diễn ra phổ biến ở các làng quê Việt Nam vàđang gây ra những mối lo ngại về môi trường Việc xử lý phế phụ phẩm bằngcách đốt ngoài trời, ngay trên đồng ruộng có thể gây nên vấn đề ô nhiễmkhông khí, ảnh hưởng đến sức khỏe người dân Mặt khác, nhiều công trìnhnghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn cho thấy nếu không xử lý hết các phếthải nông nghiệp trên cánh đồng và để sót lại trên đất với lượng lớn có khảnăng làm giảm sản lượng cây trồng, tăng các bệnh ở lá và suy thoái độ màu

mỡ của đất Chính vì vậy mà các công nghệ xử lý và tận dụng một cách kinh

tế nguồn sản phẩm phụ nông nghiệp này cần được nghiên cứu và phát triển

1.2 Than sinh học và các ứng dụng của than sinh học trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Than sinh học (Biochar)

Có rất nhiều định nghĩa về than sinh học, tuy nhiên có thể hiểu thansinh học là một sản phẩm được tạo ra qua quá trình nhiệt phân các vật liệu hữu

cơ trong môi trường yếm khí hoặc hoàn toàn nghèo oxy, có khả năng tồn tại bềnvững trong môi trường đất và làm tăng lượng cacbon lưu giữ trong đất, giảmcacbon phát thải vào khí quyển, có ảnh hưởng tích cực đến sức sản xuất của đất

Theo tổ chức IBI (International Biochar Initiative) thì than sinh học làmột chất rắn thu được từ quá trình cacbon hóa sinh khối Than sinh học có thểđược bổ sung vào đất với mục đích cải thiện các chức năng của đất và giảm

sự phát thải các khí nhà kính Chúng có ý nghĩa lớn trong việc cố định cacbontheo chu trình tuần hoàn vật chất cacbon trong khí quyển, (Warnock, 2007)

Các yếu tố chính quyết định đến đặc tính của than sinh học là: thành phầnvật liệu ban đầu; các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân (nhiệt độ, khí,chất xúc tác) Tiềm năng khai thác phế phụ phẩm nông nghiệp ở nước ta là rất

lớn và chất lượng của một số loại TSH được sản xuất từ các nguồn phế phụphẩm khác nhau như: trấu, rơm,lõi ngô, vỏ dừa, cho hiệu suất thu hồi phế phụphẩm và chất lượng khác nhau giữa các phương pháp đốt Chính sự khác nhau

về các yếu tố này đã ảnh hưởng đến tính chất và thành phần của than sinh họcsau tạo thành

Tính chất 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

Thành phần trong than sinh học rất khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốcsinh khối, các điều kiện nhiệt phân, nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ lên nhiệt, ápsuất, các điều kiện trước và sau xử lý Tính chất vật lý của than sinh học phụthuộc chủ yếu vào vật liệu ban đầu và các điều kiện nhiệt phân (Downie vànnk, 2009) Trong quá trình nhiệt phân, ở các nhiệt độ thấp xenlulozơ vàhemi-xenlulozơ bị mất ở dạng chất hữu cơ bay hơi dẫn tới sự suy giảm vềkhối lượng Chất khoáng và bộ khung cacbon vẫn giữ được hình dạng cấutrúc của vật liệu ban đầu Cấu trúc phân tử của than có trạng thái xốp và códiện tích bề mặt lớn Các lỗ rỗng đường kính rất nhỏ (50 nm) được hình thànhtrong quá trình nhiệt phân tạo nên các hệ thống mao quản Chính hệ thống các

lỗ rỗng trong than góp phần quan trọng cho sự thông khí, hoạt động của vùng

rễ và cấu trúc của đất Chính vì vậy bổ sung than vào đất làm thay đổi tínhchất vật lý tự nhiên của đất, làm tăng tổng diện tích bề mặt riêng, cải thiện cấutrúc và sự thoáng khí của đất (Kolb, 2007)

Cấu trúc xốp của bề mặt than sinh học: Than sinh học với sự sắp xếp

ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm chothan sinh học có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển Chúng có tỷ trọng tươngđối thấp (nhỏ hơn 2g/cm3) và mức độ graphit hóa thấp Cấu trúc bề mặt nàyđược tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình hoạt hóa,khi làm sạch nhựa đường và các chất chứa cacbon khác trong khoảng trốnggiữa các tinh thể Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đường kính

lỗ Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từbản chất nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa Sự hoạt hóa cũng loại

bỏ cacbon không phải trong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự hoạt độngcủa các tác nhân hoạt hóa và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp

Trong pha sau cùng của phản ứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sựtạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhauđược diễn ra Điều này làm cho các lỗ trống có chức năng vận chuyển và các

lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ

Theo Dubinin và Zaveria, than sinh học vi lỗ xốp được tạo ra khi mức

độ đốt cháy (burn-off) nhỏ hợn 50% và than sinh học lỗ macro khi mức độđốt cháy là lớn hơn 75% Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50- 75% sảnphẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất cả các loại lỗ

Nói chung than sinh học có bề mặt riêng phát triển và thường được đặctrưng bằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kíchthướcvà hình dạng khác nhau Người ta khó có thể đưa ra thông tin chính xác

về hình dạng của lỗ xốp Có vài phương pháp được sử dụng để xác định hìnhdạng của lỗ, các phương pháp này đã xác định than thường có dạng mao dẫn

mở cả hai đầu hoặc có một đầu kín, thông thường có dạng rãnh, dạng chữ V

và nhiều dạng khác

Than sinh học có lỗ xốp từ 1nm đến vài nghìn nm Dubinin đề xuất mộtcách phân loại lỗ xốp đã được Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần túy vàHóa học ứng dụng (IUPAC chấp nhận Sự phân loại này dựa trên chiều rộngcủa chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnhhoặc bán kính của lỗ dạng ống Các lỗ được chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗtrung và lỗ lớn

Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏhơn 2nm Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ,

và không xảy ra sự ngưng tụ mao quản Năng lượng hấp phụ trong các lỗ nàylớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực

hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ Nói chung chúng có thể tích lỗ từ0,15 – 0,7 cm3/g Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích

bề mặt của than sinh học

Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệudụng từ 2 đến 50 nm, thể tích của chúng thường từ 0,1 đến 0,2cm3/g Diệntích 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 than sinh học có

lỗ trung lớn hơn, thể tích của lỗ trung đạt được từ 0,2 - 0,65cm3/g và diện tích

bề mặt của chúng đạt 200m2/g Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng tụ maoquản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấp phụ

Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụcủa than sinh học bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá0,5m2/g Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thường trong khoảng500- 2000nm với thể tích lỗ từ 0,2– 0,4 cm 3/g Chúng hoạt động như mộtkênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung Các lỗ lớn không đượclấp đầy bằng sự ngưng tụ mao quản

Nhóm Cacbon - oxy trên bề mặt than sinh học: Nhóm cacbon - oxy bề

mặt là những nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc trừng bề mặt như tính

ưa nước, độ phân cực, tính acid, và đặc điểm hóa lý như khả năng xúc tác,dẫn điện và khả năng phản ứng của các vật liệu này Thực tế, oxy đã kết hợpthường 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 khảnăng hấp phụ nước và các khí và hơi có cực khác, ảnh hưởng đến sự hấp phụchất điện phân, lên than sử dụng làm chất lọc trong cao su và nhựa, lên độnhớt của graphit cũng như lên tính chất của nó khi là một thành phần trongphản ứng hạt nhân Trong trường hợp của sợi cacbon, nhóm bề mặt quyếtđịnh khả năng bám dính của nó vào chất nền là nhựa và sau đó là đặc điểmvật liệu composite 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 vậtliệu này được nghiên cứu như một bề mặt hydrocacbon biến đổi ở một số tínhchất bằng nguyên tử oxy.

Than sinh học có nhiều xu hướng mở rộng lớp oxy đã được hấp thụ hóahọc này và nhiều các phản ứng của chúng xảy ra do xu hướng này Ví dụ,than sinh học có thể phân hủy các khí oxy hóa như ozone và oxit của nitơ.Chúng cũng phân hủy dung dich muối bạc halogen, sắt(III)clorua, KMnO4,amonipersunfat, axit nitric Trong mỗi trường hợp, có sự hấp phụ hóa họcoxy và sự tạo thành hợp chất cacbon – oxy bề mặt Than sinh học cũng có thểđược oxy hóa bằng nhiệt trong không khí, CO2 hoặc oxy Bản chất và lượngnhóm oxy- cacbon bề mặt tạo thành từ các sự oxy hóa khác nhau phụ thuộcvào bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó, diện tích bề mặt của nó, bản chấtchất oxy hóa và nhiệt độ quá trình

Phản ứng của than sinh học với oxi ở nhiệt độ dưới 4000C chủ yếu tạo

ra sự hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành hợp chất cacbon- oxy bề mặt, khi ởnhiệt độ trên 400oC, sự phân hủy hợp chất bề mặt và khí hóa cacbon là cácphản ứng trội hơn hẳn

C + O2 => C (O) (<4000C) Sự tạo thành hợp chất bề mặt

C + O2 => CO +CO2 (>4000C) Sự khí hóa

C (O) => CO + CO2 (>4000C) Sự phân hủy hợp chất bề mặt

Trong trường hợp sự oxy hóa xảy ra trong dung dịch, phản ứng chính là

sự tạo thành hợp chất bề mặt, mặc dù một vài quá trình khí hóa cũng có thểxảy ra phụ thuộc độ mạnh của chất oxy hóa và sự khắc nghiệt của điều kiệnthí nghiệm Sự tạo thành hợp chất cacbon- oxy bề mặt sử dụng than khácnhau Than sinh học và muội than sử dụng nhiều cách oxy hóa trong pha khí

và pha lỏng đã được nghiên cứu nhiều hơn

Đối những than có đặc trưngaxit- bazơ, nhiều nhà khoa học đã bỏ công

sức nghiên cứu để góp phần tìm hiểu nguyên nhân và cơ chế than có bản chấtacid hay bazơ Một vài thuyết, ví dụ thuyết điện hóa học của Burstein vàFrumkin, thuyết oxit của Shilov và trường của ông, thuyết pyron của Voll vàBoehm đã được đưa ra để giải thích cho đặc trưng acid - bazơ của than Cácthuyết này và các nghiên cứu liên quan đã được xem xét lại một cách kỹlưỡng và được xem xét trong một vài bài báo tổng kết Bây giờ người ta đãchấp nhận rằng đặc trưng acid- bazơ của than là kết quả của quá trình oxi hóa

bề mặt, phụ thuộc vào cách tạo thành và nhiệt độ của quá trình oxi hóa

Dạng nhóm cacbon - oxy bề mặt (acid, bazơ, trung hòa) đã được xácđịnh, các nhóm axit bề mặt là rất đặc trưng và được tạo thành khi than được

xử lý với oxy ở nhiệt độ trên 4000C hoặc bằng phản ứng với dung dịch oxyhóa ở nhiệt độ phòng Các nhóm chức này ít bền nhiệt và phân hủy khi xử lýnhiệt trong chân không hoặc trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ từ 3500C đến

Nhiều nỗ lực của nhiều nhà nghiên cứu để xác định và định lượng cácnhóm oxi- cacbon bề mặt sử dụng các phương pháp vật lý, hóa học và hóa lý

để giải hấp lớp oxit, trung hòa với kiềm, chuẩn độ điện thế, phương pháp phổ

như phổ IR, X-ray Các nghiên cứu này đã chỉ ra sự tồn tại của vài nhómchức, quan trọng hơn cả là các nhóm carboxyl, lacton, phenol, quinin vàhydroquinon Tuy nhiên, các phương pháp này không đưa ra các kết quả cóthể so sánh với nhau và nhiều khi không giải thích được toàn bộ lượng oxi đãkết hợp.

Tính chất hoá học: Trong than sinh học có sự kết hợp chặt chẽ giữa

các nguyên tố như: H, N, O, P, S trong các vòng thơm và chính điều này đãgây nên ái lực điện tử của than, ảnh hưởng đến khả năng trao đổi cation(CEC) Điện tích bề mặt của than quyết định bản chất của sự tương tác giữathan sinh học với các hạt đất, chất hữu cơ hòa tan, khí, vi sinh vật và nướctrong đất Theo thời gian, than sinh học trở lên mất dần hoạt tính do các lỗrỗng của nó bị bít kín và do đó khả năng hấp phụ của nó sẽ giảm Các lỗ rỗngbên trong trở nên không tiếp cận được dẫn tới giảm diện tích bề mặt(Warnock và nnk, 2007) Sự tái tạo lại hoạt tính là điều có thể khi vi khuẩn,nấm và giun tròn định cư trong các lỗ rỗng đó của than sinh học

Tính chất sinh học:Không giống các loại chất hữu cơ khác được bổ sung

vào đất, than sinh học làm thay đổi môi trường vật lý và hóa học của đất, ảnhhưởng tới các tính chất cũng như sự tồn tại, phát triển của sinh vật đất Sự tươngtác giữa các thành phần này góp phần quyết định đến toàn bộ năng suất và chứcnăng của hệ sinh thái, ví dụ như năng suất và sự phát triển của cây trồng

Hàm lượng dinh dưỡng: Than sinh học mang giá trị dinh dưỡng khi

được bổ sung vào đất Mặc dù than sinh học thường không có hàm lượng N

dễ tiêu cao, nhưng giá trị dinh dưỡng gián tiếp có được là do khả năng giữ lạicác chất dinhdưỡng trong đất và hạn chế sự rửa trôi, dẫn đến tăng sự hút thudinh dưỡng của cây trồng và năng suất vụ mùa cao hơn (Chan và Xu, 2009)

1.2.2 Một số ứng dụng của than sinh học

Than sinh học là một trong những sản phẩm được đánh giá có tính ứngdụng cao trong đời sống và thân thiện môi trường Than sinh học còn được

gọi là phân bón thế hệ mới, cải thiện độ phì nhiêu của đất, tăng khả năng giữnước và các chất dinh dưỡng, bảo vệ các loại vi khuẩn sống trong đất, chốnglại các tác động xấu của thời tiết, xói mòn đất, làm tăng sản lượng cây trồng

và giải quyết được nguồn phế phụ phẩm trong nông nghiệp Than sinh họckhông chỉ cải tạo đất mà còn được dùng như một loại chất đốt thay cho than

đá, dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt Than sinh học làm vật liệu xử lý nước ônhiễm, nước nhiễm kim loại nặng

Vào năm 1545, trong khu rừng rậm vùng Amazon, các nhà thám hiểmTây Ban Nha lần đầu tiên thấy các khu vườn tươi tốt, ở đó đất sâu giàu màuđen, không giống như những nơi mà họ từng thấy trước đây Theo những kếtquả nghiên cứu sau này, các nhà khoa học đã phát hiện ra được cách mànhững người cổ đại đã tạo ra “đất đen” dồi dào dinh dưỡng Từ 2.500 nămtrước, người cổ đại đã biết dùng than đốt trong điều kiện O2 đểlàm tăng độ phìnhiêu của đất, ảnh hưởng tốt đến sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng.Theo GS Solomon, Dawit, Johannes Lehmann et al trong Molecular signatureand sources of biochemical recalcitrance of organic carbone in AmazonianDark Earths, (2007): đất đen của nông dân địa phương ở lưu vực Amazon củaBrazil lưu hành là loại được tạo ra bởi con người từ năm 450 BC (trước côngnguyên) và 950 AD (sau công nguyên) ở độ sâu đến 2m, hiện người dân ở đây

đã và đang tìm kiếm để khai thác “mỏ vàng đen” này sử dụng và để bán làmphân hữu cơ có giá trị

Brazil là nước thuận lợi trong việc sản xuất than sinh học bởi hàng năm

họ thu hoạch khoảng 460Mt mía, như vậy có khoảng 100Mt dư lượng có thểdùng cho mục đích tạo than sinh học Tại Indonesia, một trong những nướcsản 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, buồng hoa, buồng quả ) đều là nguyênliệu để sản xuất than sinh học, biết được lợi ích từ than sinh học ở nước này

đã có công ty sản xuất ở quy mô công nghiệp với công suất tới 200 tấn

Trên thực tế, lợi ích của việc bón Biochar đã được quan trắc, kiểmnghiệm nhiều nơi ở Úc, Philippines, Congo… và nhiều nước đã có chế độkhuyến khích hay thưởng cho các nông hộ sử dụng loại than này Theo GSLehmann đã trình bày ở Hội hóa học Mỹ rằng sử dụng than sinh học cộng vớiphân hóa học đã làm tăng trưởng lúa mỳ mùa đông và rau quả lên 25-50% sovới bón một mình phân hóa học, TS N.Sai Bhaskar Reddy (2008) nghiên cứu

ở đậu tương cũng nhận xét rằng có thêm than sinh học vào đất nền, tỷ lệ nảymầm cao, hệ rễ phát triển mạnh, quang hợp tăng, hoạt động của vi khuẩn cộngsinh cố định nitơ mạnh mẽ hơn so với đối chứng (trên đất nền)

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 than sinhhọc vào đất sẽ có được giá trị sinh học đặc biệt quan trọng bởi nó sẽ hấp thụcác chất ô nhiễm như kim loại, đặc biệt là kim loại nặng và thuốc trừ sâungấm vào đất nên không gây ô nhiễm các nguồn cung cấp thực phẩm Thansinh học có thể được thiết kế để phù hợp với tính chất riêng biệt của đất Chothêm than sinh học ở mức 10% đất và giảm được tới 80% mức độ gây ônhiễm thuốc trừ sâu độc hại như chlordane, DDX trong các cây trồng

Tại Nhật Bản, Than sinh học được cấy thêm vi sinh vật để xử lý chấtthải nhà vệ sinh, bảo vệ môi trường Sử dụng than sinh học làm nguyên liệusản xuất xi măng cũng là hướng đang được nhắm tới Than sinh học góp phầngiảm hiệu ứng nhà kính, theo dự báo của IBI, sử dụng TSH có thể giúp hấpthụ 2,2 tỷ tấn carbon/năm vào năm 2050

Ở Việt Nam, thử nghiệm sử dụng TSH để trồng lúa ở Thái Nguyên,với NPK + 2,5 tấn TSH cho năng suất lúa chỉ đứng sau NPK + 10 tấn

compost (Bảng 1.6); trong khi trồng rau với NPK + compost cho năng suất cao nhất, nhưng nếu bón thêm TSH, năng suất lại giảm (Bảng 1.7).

Với TSH từ trấu, trồng đậu phộng ở Ninh Thuận bón đồng thời NPK+

phân xanh + TSH cho năng suất cao nhất (Bảng 1.8) Để sử dụng TSH đạt

hiệu quả, cần có những nghiên cứu áp dụng cụ thể cho từng loại TSH theotừng vùng đất và loại cây trồng

Bảng 1.5: Ảnh hưởng của than sinh học lên sản lượng lúa ở Việt Nam

Năng suất trung bình (tấn/ha)

So sánh năng suất khi chỉ bón NPK (%)

Năng suất trung bình (tấn/ha)

So sánh năng suất khi chỉ bón NPK (%)

2,5 tấn than

sinh học 4,34 78,2 4,47 78,1NPK + 0,5 tấn

than sinh học 5,94 107,1 6,06 105,9NPK + 2,5 tấn

than sinh học 6,78 122,3 6,77 118,2NPK + 10 tấn

compost 7,20 130 7,07 123,5

Ghi chú: ở Thái Nguyên TSH từ rơm, ở Thanh Hóa TSH từ trấu + tre + cây gỗ; NPK

lần lượt là 90, 60, 60 kg/ha; compost gồm phân trâu bò + chất thải nông nghiệp.

Nguồn: Vinh NC, Hien NV, Anh MTL, Johan Lehmann, Stephen Joseph; Biochar treatment and its effects on rice and vegetable yields in mountainous areas of Northern Vietnam.

Bảng 1.6: Ảnh hưởng than sinh học lên sản lượng rau của Việt Nam

Ở Thái Nguyên (rau mồng tơi) Ở Thanh Hóa (rau muống) Năng suất

trung bình (tấn/ha)

So sánh năng suất khi chỉ bón NPK (%)

Năng suất trung bình (tấn/ha)

So sánh năng suất khi chỉ bón NPK (%)

Thực tế của

nông dân 14,33 100 16,83 100Compost không

Ghi chú: TSH từ rơm (ở Thái Nguyên)/ trấu (ở Thanh Hóa) + tre + cây gỗ; NPK lần

lượt là 90, 60, 60 kg/ha; compost gồm phân trâu bò + chất thải nông nghiệp.

Nguồn:Vinh NC, Hien NV, Anh MTL, Johan Lehmann, Stephen Joseph; Biochar treatment and its effects on rice and vegetable yields in mountainous areas of Northern Vietnam.

Bảng 1.7: Ảnh hưởng của than sinh học lên sản lượng của đậu phộng ở

Than sinh học + Phân xanh + NPK 2,29

Ghi chú: TSH từ các lò đun trấu: 12 tấn/ha; NPK: lần lượt 30, 26, 75 kg/ha; phân

xanh: 5 tấn/ha

Nguồn:Sebastian M.Scholz, Thomas Sembres, Kelli Robert,…; Biochar Systems for Smallholders in Developing Countries.

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNGVÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Trong phạm vi đề tài, nghiên cứu tập trung thử nghiệm chế tạo thansinh học từ 7 loại phế phụ phẩm nông nghiệp: vỏ trấu, rơm rạ, lá tre, lá mía, lángô, mùn cưa, lõi ngô

2.2 Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi về không gian: Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí

nghiệm, Bộ môn Công Nghệ Môi Trường, Khoa Môi Trường, Học ViệnNông Nghiệp Việt Nam

- Phạm vi về thời gian: Thời gian nghiên cứu: 01/2016- 05/2016

2.3 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá tính chất của vật liệu nghiên cứu ban đầu

- Chế tạo than sinh học từ các phế phụ phẩm nghiên cứu ban đầu

- Đánh giá đặc tính của than sinh học tạo thành từ các phế phụ phẩm

- Đánh giá khả năng hấp phụ màu xanh metylen của than sinh học chếtạo được

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp

Thu thập các thông tin từ các công trình nghiên cứu, các bài báo khoahọc đã được công bố, những báo cáo có liên quan đến đề tài, gồm có:

- Tình hình phát sinh, quản lý, xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp

- Thông tin về đặc điểm cấu tạo, tính chất của than sinh học

- Thông tin về thành phần; đặc tính vật lí, hóa học của các loại phế phụ

phẩm nông nghiệp

- Vai tròvà ứng dụng của than sinh học trong nhiều lĩnh vực

- Các quy trình chế tạo than sinh học từ nhiều nguồn vật liệu khác nhau

2.4.2 Phương phápbố trí thí nghiệm

2.4.2.1 Vật liệu

Các loại phế phụ phẩm được thu gom từ nhiều địa phương khác nhau:

vỏ trấu được thu từ phường Tân An, thị xã Nghĩa Lộ, tỉnh Yên Bái; lá tre tươi,mùn cưa, lõi ngô tươi được thu gom từ thôn Nha, phường Long Biên, quậnLong Biên, thành phố Hà Nội; rơm rạ được thu gom từ thôn Kiên Thành, thịtrấn Trâu Quỳ, huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội; lá ngô, lá mía tươi, đượcthu gom từ xã Hoàng Tân, thị xã Quảng Yên, thành phố Quảng Ninh

Các vật liệu sau khi thu gom được sơ chế bằng cách làm sạch, phơi khô trongđiều kiện tự nhiên, rồiđem cắt nhỏ thành kích thước từ 3 - 5cm

2.4.2.2 Bố trí thí nghiệm

Các vật liệu sau khi sơ chế được tiến hành nhiệt phân bằng tủ nung với

4 công thức thí nghiệm khác nhau:

 CT1: Phế phụ phẩm Nhiệt phân yếm khí >2000C, 3h

 CT2: Phế phụ phẩm Nhiệt phân yếm khí >2500C, 3h

 CT3: Phế phụ phẩm Nhiệt phân yếm khí > 3000C, 3h

 CT4: Phế phụ phẩm Nhiệt phân yếm khí > 3500C, 3h

2.4.3 Phương pháp xác định đặc tính của vật liệu

2.4.3.1 Phương pháp xác định độ ẩm

- Cách tiến hành: Cân chính xác khối lượng chén đã được sấy khô đến

khối lượng không đổi Sau đó, lấy m(g) mẫu chính xác đến 0,0001 cho vàochén sứ cân được khối lượng m1 (g) Sau đó đem đi sấy ở 1050C đến khốilượng không đổi (tối thiểu là 6h) Sấy xong để nguội mẫu trong tủ sấy đến nhiệt

độ phòng và cho vào bình hút ẩm đem đi cân khối lượng m2 (g) thu được

- Tính toán kết quả: Độ ẩm trong mẫu được tính theo công thức: