Ứng dụng biochar trong cải tạo đất

Mục lục Lời Mở Đầu I. Tổng quan về biochar (than sinh học)………………………………………3 1.1. Biochar là gì?.................................................................................................3 1.1.1. Khái niệm……………………………………………………………..…..3 1.1.2. Lịch sử biochar………………………………………………………..…..4 1.2. Nguyên liệu sản xuất biochar…………………………………………….…4 1.3. Sản xuất biochar…………………………………………………………….7 1.4. Tính chất hóalý của biochar…………………………………………........12 1.4.1. Thành phần cấu tạo………………………………………………….…....12 1.4.2. Thành phần hóa học và bề mặt hóa học……………………………….….13 1.4.3. Sự phân bố kích thước lỗ…………………………………………………15 1.4.4. CEC và pH……………………………………………………………...…16 II. Ứng dụng của biochar……………………………………………..…………17 2.1. Đôi với nông nghiệp và quàn lý chất thải…………………………….…….17 2.2. Giảm nhẹ biến đổi khí hậu……………………………………………….....19 2.3. Giải pháp cho trái đất từ biochar……………………………………..……20 2.4. Giới hạn của giải pháp biochar…………………………………………….21 III. Sử dụng biochar trong cải tạo đất…………………………………………..22 3.1. Ảnh hưởng đến tính chất vật lý đất………………………………………….22 3.1.1. Dung trọng………………………………………………………………....23 3.1.2. Chế độ nước và khả năng duy trì chất dinh dưỡng…………………….….24 3.1.3. CEC và pH……………………………………………………………..…..26 3.2. Ảnh hưởng của biochar tới các quá trình trong đất………………………...27 3.2.1. Sự hấp thu các hợp chất hữu cơ kỵ nước………………………………….27 3.2.2. Sự giữ lạitính hiệu lựcsựu rửa trôi chất dịn dưỡng……………………..30 3.2.3. Sự ô nhiễm…………………………………………………………………31 3.2.4. Động lực học chất hữu cơ trong đất……………………………………….34 3.2.4.1. Tính ngoan cố của biochar trong đất…………………………..……34 3.2.4.2. Tương tác hữu cơ khoáng…………………………………………...35 3.2.4.3. Khả năng tiếp cận……………………………………………………35 3.2.4.4. Hiệu ứng mồi………………………………………………………..36 3.2.4.5. Loại bỏ dư lượng…………………………………………………….36 3.2.5. Sinh học đất………………………………………………………………...37 3.3. Mô hình thực nghiệm………………………………………………….…….39 IV. Kết luận………………………………………………………………………...41 V. Tài liệu tham khảo………………………………………………………....…..42 Lời Mở Đầu Đất đai canh tác đang ngày một xấu đi và bị thu hẹp lại khi tỷ lệ gia tăng dân số trên thế giới ngày một lớn, vì vậy nhu cầu cải tạo đất vừa cấp bách vừa đòi hỏi phải đạt đến độ bền vững. Đất có khả năng lưu giữ C thông qua quá trình thực vật sử dụng khí CO2 để quang hợp và ảnh hưởng tới nồng độ của khí CO2 trong khí quyển. Biochar có thể được sử dụng để làm tăng khả năng cô lập C của đất và đồng thời cải thiện “sức khỏe” đất. Khoảng 25% diện tích đất trên toàn cầu bị suy thoái bởi các hoạt động của con người. Hiện loại biochar (than sinh học) làm từ dư lượng thực vật, phế phẩm sản xuất ghỗ, giấy, phân gia cầm,… có thể giúp nông nghiệp phát triển bền vững hơn và biến các cánh đồng thành hầm “nhốt” CO2. Biochar thu hút các vi sinh vật, giúp cây trồng hấp thu các chất dinh dưỡng trong đất, cho phép đất giữ nước nhiều hơn. Phương pháp tiên tiến sản xuất biochar từ dư lượng thực vật, phế phẩm sản xuất ghỗ, giấy, phân gia cầm,… bằng cách nung nóng ở nhiệt độ tươn đối cao trong điều kiện thiếu ôxy. Một số công ty đang xây dựng thiết bị sản xuất biochar ở nhiều quy mô khác nhau. Một trong những công ty đầu tiên giới thiệu sản phẩm là Biochar Engineering ở Colorado. Mục đích của bài tiểu luận này là để giới thiệu các khái niệm, nguồn gốc biochar, thảo luận về quá trình sản xuất, tiềm năng sử dụng, và những lợi ích của biochar với các vai trò quan trọng của nó trong nông nghiệp và với môi trường. I. Tổng quan về Biochar (than sinh học) 1.1. Biochar là gì? 1.1.1. Khái niệm Biochar là sản phẩm tạo bởi sự nhiệt phân của nguyên liệu sinh học trong điệu kiện nồng độ khí O2 thấp hoặc hoàn toàn không có. Thông thường quá trình nhiệt phân sinh khối cho ra 20% biochar, 20% khí tổng hợp dùng làm nhiên liệu, và 60% dầu sinh học thay thế dầu mỏ trong sản xuất các vật dụng như đồ nhựa. Nhưng khi cần khối lượng lớn để cải tạo đất, người ta thay đổi cách đốt chậm hơn để có tỷ lệ biochar lên trên 50%. Điều khác biệt giữa biochar với than củi là mục đích chính sử dụng của nó, nó được sản xuất như một chất phụ gia cho đất, chủ yếu để cải thiện lưu giữ chất dinh dưỡng và lưu trữ carbon. Biochar là chất ổn định vững chắc và giàu cacbon, do đó, có thể được sử dụng để khóa carbon trong đất. Sự quan tâm về biochar ngày càng tăng vì những lo ngại về biến đổi khí hậu gây ra bởi lượng khí thải carbon dioxide (CO2) và các khí nhà kính khác (GHG). Mặc dù lịch sử của biochar đã kéo dài hàng ngàn năm song khoa học vẫn còn tương đối chưa được thấu đáo về biochar. Biochar là một phương pháp để carbon được rút ra từ khí quyển và là một giải pháp để giảm thiểu tác động toàn cầu của nông nghiệp (và trong việc giảm ảnh hưởng từ tất cả các chất thải nông nghiệp). Từ biochar có thể cô lập carbon trong đất cho hàng trăm đến hàng ngàn năm, nó đã nhận được sự quan tâm đáng kể như một công cụ tiềm năng để làm chậm sự nóng lên toàn cầu. Sự phân hủy tự nhiên và đốt cháy của sinh khối và các vấn đề nông nghiệp đóng góp một lượng lớn khí CO2 thải vào khí quyển. Biochar có thể lưu trữ carbon trong lòng đất, có khả năng làm giảm đáng kể lượng khí nhà kính trong khí quyển, đồng thời sự hiện diện của nó trong lòng đất có thể cải thiện chất lượng nước, tăng độ phì đất, nâng cao năng suất nông nghiệp. Hiện tại các dự án về biochar chỉ trên quy mô nhỏ và không tác động đáng kể vào àm lượng cácbon tổng thể toàn cầu. Tháng năm, 2009, Quỹ biochar ( the Biochar Fund) nhận được tài trợ từ Quỹ rừng tại các lưu vực sông Congo (the Congo Basin Forest Fund) để thực hiện ý tưởng của mình ở Trung Phi. Trong dự án này, biochar là một công cụ được sử dụng để đồng thời làm chậm nạn phá rừng, tăng cường an ninh lương thực của các cộng đồng nông thôn, cung cấp năng lượng tái tạo cho họ và carbon cô lập. 1.1.2. Lịch sử Biochar Người bản xứ Amazon được cho là đã sử dụng biochar để nâng cao chất lượng đất và sản xuất nó bằng cách đốt cháy âm ỉ chất thải nông nghiệp. Người Châu Âu gọi đất đó là đất đen (có màu ngạ quỷ). Trong toàn bộ lưu vực Amazon chiều sâu đất đen có vùng lên đến 2m, đây là loại đất màu mỡ rất tốt canh tác nông nghiệp cho người dân vùng Amazon. H.1. trái đất đỏ nhiệt đới (oxisols) nghèo dinh dưỡng, phảiđất đã qua cải tạo bởi biochar Phân tích đất đen cho thấy nồng độ cao của các biochar và vật chất hữu cơ, chẳng hạn như thực vật và động vật vẫn còn (phân hữu cơ, xương và cá). Chất lượng của đất đen là do lưu giữ chất dinh dưỡng tốt và độ pH trung tính.Và một điều thú vị là đất đen chỉ tồn tại trong khu vực có người ở, điều đó cho thấy rằng con người có tác động đến đất thông qua việc đưa biochar vào đất và tạo ra loại đất đặc biệt đó. 1.2. Nguyên liệu sản xuất biochar Sản xuất biochar được mô hình hóa sau khi tìm hiểu các quá trình bắt đầu từ hàng nghìn năm trước ở lưu vực sông Amazon. Người ta cho rằng lửa từ việc nấu ăn và đống rác bếp cùng với việc cố ý đặt than vào đất dẫn đến các loại đất có độ màu mỡ và hàm lượng cacbon cao. Các loại đất này tiếp tục “giữ” lại cacbon và vẫn còn rất giàu dinh dưỡng, thậm chí còn được đào lên và bán dưới hình thức các chậu đất tại thị trường Brazil. Do lợi ích mà biochar mang lại mà từ đó đến nay các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu và tìm ra rất nhiều các nguồn nguyên liệu để sử dụng trong sản xuất biochar. Ngày nay, người ta thể sử dụng bất kỳ vật liệu sinh khối thực vật, đem đi nhiệt phân trong điều kiện thiếu hoặc không có oxi để tạo ra biochar, sinh khối đó có thể là dư lượng cây trồng, gỗ và chất thải gỗ, hoặc các vật liệu hữu cơ khác nhau. Tuy nhiên, một số vật liệu có nguồn cung cấp rất phong phú cũng như giá thành rẻ đã được đề xuất làm nguyên liệu sinh khối cho biochar, bao gồm vỏ trấu, vỏ hạt, dư lượng phân bón và dư lượng cây trồng, những nguyên liệu này được sử dụng rộng rãi hơn. Cũng có nhiều nguyên liệu khác có tiềm năng sẵn có để sản xuất biochar, trong đó có biowaste (ví dụ như bùn thải, rác thải đô thị, phân gia cầm) và phân compost. Tuy nhiên, sử dụng những loại nguyên liệu này có sự nguy hiểm do có sự tồn tại các thành phần nguy hại (ví dụ như các chất hữu cơ ô nhiễm, kim loại nặng,…). Về nguyên tắc, bất kỳ vật chất hữu cơ nào cũng có thể nhiệt phân, tuy nhiên mỗi loại nguyên liệu khác nhau thì cho tỷ lệ sản phẩm chất rắn (than) và sản phẩm chất lỏng, chất khí cùng với đặc tính lý hóa của biochar là khác nhau. Do thành phần hóa học cấu tạo nên sinh khối vật chất hữu cơ là thành tố quan trong trong sản xuất biochar. Dưới đây là một số thành phần chính trong những nguyên liệu chính thường dùng để sản xuất biochar. Tro Lignin Cellulose Rơm lúa mì 11.2 14 38 Dư lượng ngô 2.86.8 15 39 Cỏ 6 18 32 Gỗ (cây dương, liễu, sồi) 0.27 1 26 30 38 45 Bảng.1.Một số thành phần chính trong các loại nguyên liệu Cellulose và lignin qua bị nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau, tương ứng từ 240350°C đến 280500°C, tỷ lệ tương đối của mỗi thành phần sẽ xác định cấu trúc sinh khối được giữ lại sau thời gian nhiệt phân, ở nhiệt độ nhất định và trong một thời gian nhiệt phân nhất định. Nguyên liệu có hàm lượng lignin cao, thường cho sản lượng biochar cao hơn. Mặt khác, lignocellulosic là nguyên liệu hữu cơ phong phú nhất trên trái đất chiếm 50% tổng số sinh khối thực vật và giới thiệu sản xuất ước tính hàng năm là 50×109 tấn (Rajarathnam and Bano, 1989). Phần lớn các chất thải lignocellulose trước đây thường chỉ được xử lý bằng cách đốt sinh khối, điều này gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường bởi lượng khí phát thải ra. Vật liệu chứa lignocellulosic Phế liệu Sử dụng Thu hoạch ngũ cốc + Lúa mì, gạo, yến mạch, lúa mạch và bắp Chế biến các loại ngũ cốc + Ngô, lúa mì, gạo, đậu tương + Thu hoạch trái cây và rau + Chế biến rau quả + Mía đường và sản phẩm đường khác + Dầu và các cây hạt có dầu. Các loại hạt, hạt bông, ô liu, đậu tương,… + Chất thải động vật Lâm nghiệp giấy và bột giấy + Thu hoạch gỗ + Chất thải cưa và gỗ dán + Nhà máy bột giấy và giấy + Chất thải lignocellulose từ các cộng đồng + Cỏ + Rơm, bắp, thân cây, vỏ, + Xử lý nước, cám + Hạt, vỏ, vỏ, đá, toàn bộ trái cây và nước trái cây bị loại + Hạt, vỏ, nước thải, vỏ trấu, vỏ sò, đá, bác bỏ toàn bộ trái cây và nước trái cây + Xác mía + Vỏ sò, vỏ, xơ vải, sợi, bùn, nước thải,… + Phân bón, chất thải khác + Gỗ dư, vỏ cây, lá,… + Dăm gỗ, dăm gỗ, bụi cưa,… + Sợi thải, … + Báo cũ, giấy, bìa, ván cũ, đồ nội thất không sử dụng,… + Chưa sử dụng cỏ + Thức ăn chăn nuôi, đốt nhiên liệu, phân bón, vùi vào đất + Thức ăn chăn nuôi + Thức ăn cho động vật và cá, một số hạt để khai chiết rút dầu + Thức ăn cho động vật và cá, một số hạt chiết rút dầu + Nhiên liệu đốt cháy + Thức ăn gia súc, phân bón, nhiên liệu đốt cháy + Bón vào đất +Đốt, làm ghỗ ép,… + Các ngành công nghiệp giấy và bột giấy, … + Tái sử dụng trong ngành công nghiệp bột giấy và làm nhiên liệu + Tỷ lệ tái chế nhỏ, làm chất đốt cháy khác + Đốt cháy Bảng.2.Các loại vật liệu chứa lignocellulosic và sử dụng hiện tại Hiện nay, người ta chú ý tới việc sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu sản xuất biochar. Cùng với sản lương thóc gạo ngày càng tăng thì lượng trấu thải ra cũng ngày càng cao, nhất là ở những vựa lúa lớn như Thái Lan, Ấn Độ, Trung Quốc hay như ĐBSCL và ĐBSH ở nước ta. Ngay chỉ ở huyện Cờ Đỏ, trực thuộc thành phố Cần Thơ, lượng trấu thải ra hàng năm lên đến 500.000 tấn. Lượng trấu này nhiều khi không được sử dụng mà được xử lý bằng hai phương pháp là đốt trực tiếp, hoặc đổ thẳng ra sông. Việc này có thể gây ô nhiễm môi trường trầm trọng. Trong khi đó, sử dụng vỏ trấu nhiệt phân thành biochar đem lại nguồn lợi lớn. Biochar sản xuất từ vỏ trấu có hàm lượng khoáng cao, đặc biệt là silic. Lượng tro trong biochar có thể lên đến 24% hoặc thậm chí 41% theo khối lượng. 1.3. Sản xuất biochar Quy trình cổBiochar được tạo ra trong tự nhiên từ kết quả của các vụ cháy thảm thực vật và việc cố ý đốt của con người trong những hầm lò có cấu trúc đơn giản được làm thủ công. Khi than được tạo ra với mục đích thêm nó vào đất như là một chất “sửa đổi”, thì nó được gọi là biochar (biochar). Mặc dù những mặt lợi mà biochar có thể mang lại cho đất theo các phương pháp truyền thống không cáo và nó không phải là một cách thân thiện với môi trường. Bằng chứng đầu tiên của việc con người sử dụng than như một chất “sửa đổi” đất, đã được tìm thấy ở trong lưu vực sông Amazon của Nam Mỹ hơn 2.500 năm trước. Các bằng chứng khảo cổ cho thấy người cổ đại đã chất gỗ thành đống trong hầm lò làm bằng đất nung, sau đó đốt cháy nó từ từ với không khí hạn chế. Phương pháp này ngày nay vẫn còn được sử dụng ở các nước kém phát triển, nó tạo ra lượng khói đáng kể và phát thải khoảng một nửa lượng C ( ở dạng khí carbon dioxide CO2 )có trong sinh khối ban đầu cùng với các khí nhà kính khác vào môi trường. Điều đó, gây hại cho sức khỏe con người, gây ô nhiễm môi trường, nghiêm trọng hơn nó còn làm hiện tượng gia tăng khí nhà kính thêm trầm trọng.

Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện Mục lục Lời Mở Đầu I Tổng quan biochar (than sinh học)………………………………………3 I.1 Biochar gì? .3 I.1.1 Khái niệm…………………………………………………………… … I.1.2 Lịch sử biochar……………………………………………………… … I.2 Nguyên liệu sản xuất biochar…………………………………………….…4 I.3 Sản xuất biochar…………………………………………………………….7 I.4 Tính chất hóa-lý biochar………………………………………… 12 I.4.1 Thành phần cấu tạo………………………………………………….… 12 I.4.2 Thành phần hóa học bề mặt hóa học……………………………….….13 I.4.3 Sự phân bố kích thước lỗ…………………………………………………15 I.4.4 CEC pH…………………………………………………………… …16 II Ứng dụng biochar…………………………………………… …………17 II.1 Đôi với nông nghiệp quàn lý chất thải…………………………….…….17 II.2 Giảm nhẹ biến đổi khí hậu……………………………………………… 19 II.3 Giải pháp cho trái đất từ biochar…………………………………… ……20 II.4 Giới hạn giải pháp biochar…………………………………………….21 III Sử dụng biochar cải tạo đất………………………………………… 22 III.1 Ảnh hưởng đến tính chất vật lý đất………………………………………….22 III.1.1 Dung trọng……………………………………………………………… 23 III.1.2 Chế độ nước khả trì chất dinh dưỡng…………………….….24 III.1.3 CEC pH…………………………………………………………… … 26 III.2 Ảnh hưởng biochar tới trình đất……………………… 27 III.2.1 Sự hấp thu hợp chất hữu kỵ nước………………………………….27 III.2.2 Sự giữ lại/tính hiệu lực/sựu rửa trơi chất dịn dưỡng…………………… 30 III.2.3 Sự ô nhiễm…………………………………………………………………31 III.2.4 Động lực học chất hữu đất……………………………………….34 III.2.4.1 Tính ngoan cố biochar đất………………………… ……34 III.2.4.2 Tương tác hữu khoáng………………………………………… 35 III.2.4.3 Khả tiếp cận……………………………………………………35 III.2.4.4 Hiệu ứng mồi……………………………………………………… 36 III.2.4.5 Loại bỏ dư lượng…………………………………………………….36 III.2.5 Sinh học đất……………………………………………………………… 37 III.3 Mơ hình thực nghiệm………………………………………………….…….39 IV Kết luận……………………………………………………………………… 41 V Tài liệu tham khảo……………………………………………………… … 42 Lời Mở Đầu Đất đai canh tác ngày xấu bị thu hẹp lại tỷ lệ gia tăng dân số giới ngày lớn, nhu cầu cải tạo đất vừa cấp bách vừa đòi hỏi phải đạt đến Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện độ bền vững Đất có khả lưu giữ C thơng qua q trình thực vật sử dụng khí CO2 để quang hợp ảnh hưởng tới nồng độ khí CO2 khí Biochar sử dụng để làm tăng khả cô lập C đất đồng thời cải thiện “sức khỏe” đất Khoảng 25% diện tích đất tồn cầu bị suy thoái hoạt động người Hiện loại biochar (than sinh học) làm từ dư lượng thực vật, phế phẩm sản xuất ghỗ, giấy, phân gia cầm,… giúp nơng nghiệp phát triển bền vững biến cánh đồng thành hầm “nhốt” CO2 Biochar thu hút vi sinh vật, giúp trồng hấp thu chất dinh dưỡng đất, cho phép đất giữ nước nhiều Phương pháp tiên tiến sản xuất biochar từ dư lượng thực vật, phế phẩm sản xuất ghỗ, giấy, phân gia cầm, … cách nung nóng nhiệt độ tươn đối cao điều kiện thiếu ôxy Một số công ty xây dựng thiết bị sản xuất biochar nhiều quy mô khác Một công ty giới thiệu sản phẩm Biochar Engineering Colorado Mục đích tiểu luận để giới thiệu khái niệm, nguồn gốc biochar, thảo luận trình sản xuất, tiềm sử dụng, lợi ích biochar với vai trị quan trọng nơng nghiệp với môi trường I I.1 I.1.1 Tổng quan Biochar (than sinh học) Biochar gì? Khái niệm Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện Biochar sản phẩm tạo nhiệt phân nguyên liệu sinh học điệu kiện nồng độ khí O2 thấp hồn tồn khơng có Thơng thường trình nhiệt phân sinh khối cho 20% biochar, 20% khí tổng hợp dùng làm nhiên liệu, 60% dầu sinh học thay dầu mỏ sản xuất vật dụng đồ nhựa Nhưng cần khối lượng lớn để cải tạo đất, người ta thay đổi cách đốt chậm để có tỷ lệ biochar lên 50% Điều khác biệt biochar với than củi mục đích sử dụng nó, sản xuất chất phụ gia cho đất, chủ yếu để cải thiện lưu giữ chất dinh dưỡng lưu trữ carbon Biochar chất ổn định vững giàu cacbon, đó, sử dụng để khóa carbon đất Sự quan tâm biochar ngày tăng lo ngại biến đổi khí hậu gây lượng khí thải carbon dioxide (CO 2) khí nhà kính khác (GHG) Mặc dù lịch sử biochar kéo dài hàng ngàn năm song khoa học tương đối chưa thấu đáo biochar Biochar phương pháp để carbon rút từ khí giải pháp để giảm thiểu tác động toàn cầu nông nghiệp (và việc giảm ảnh hưởng từ tất chất thải nơng nghiệp) Từ biochar cô lập carbon đất cho hàng trăm đến hàng ngàn năm, nhận quan tâm đáng kể công cụ tiềm để làm chậm nóng lên tồn cầu Sự phân hủy tự nhiên đốt cháy sinh khối vấn đề nơng nghiệp đóng góp lượng lớn khí CO thải vào khí Biochar lưu trữ carbon lịng đất, có khả làm giảm đáng kể lượng khí nhà kính khí quyển, đồng thời diện lịng đất cải thiện chất lượng nước, tăng độ phì đất, nâng cao suất nông nghiệp Hiện dự án biochar quy mô nhỏ không tác động đáng kể vào àm lượng cácbon tổng thể toàn cầu Tháng năm, 2009, Quỹ biochar ( the Biochar Fund) nhận tài trợ từ Quỹ rừng lưu vực sông Congo (the Congo Basin Forest Fund) để thực ý tưởng Trung Phi Trong dự án này, biochar công cụ sử dụng để đồng thời làm chậm nạn phá rừng, tăng cường an ninh lương thực cộng đồng nông thôn, cung cấp lượng tái tạo cho họ carbon cô lập Lịch sử Biochar Người xứ Amazon cho sử dụng biochar để nâng cao chất lượng đất sản xuất cách đốt cháy âm ỉ chất thải nông nghiệp Người Châu Âu gọi đất đất đen (có màu ngạ quỷ) Trong tồn lưu vực Amazon chiều sâu đất đen có I.1.2 Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện vùng lên đến 2m, loại đất màu mỡ tốt canh tác nông nghiệp cho người dân vùng Amazon H.1 trái- đất đỏ nhiệt đới (oxisols) nghèo dinh dưỡng, phải-đất qua cải tạo biochar Phân tích đất đen cho thấy nồng độ cao biochar vật chất hữu cơ, chẳng hạn thực vật động vật (phân hữu cơ, xương cá) Chất lượng đất đen lưu giữ chất dinh dưỡng tốt độ pH trung tính.Và điều thú vị đất đen tồn khu vực có người ở, điều cho thấy người có tác động đến đất thơng qua việc đưa biochar vào đất tạo loại đất đặc biệt Nguyên liệu sản xuất biochar Sản xuất biochar mơ hình hóa sau tìm hiểu trình hàng nghìn năm trước lưu vực sông Amazon Người ta cho lửa từ việc nấu ăn đống rác bếp với việc cố ý đặt than vào đất dẫn đến loại đất có độ màu mỡ hàm lượng cacbon cao Các loại đất tiếp tục “giữ” lại cacbon cịn giàu dinh dưỡng, chí cịn đào lên bán hình thức chậu đất thị trường Brazil Do lợi ích mà biochar mang lại mà từ đến nhà khoa học khơng ngừng nghiên cứu tìm nhiều nguồn nguyên liệu để sử dụng sản xuất biochar Ngày nay, người ta thể sử dụng vật liệu sinh khối thực vật, đem nhiệt phân điều kiện thiếu khơng có oxi để tạo biochar, sinh khối dư lượng trồng, gỗ chất thải gỗ, vật liệu hữu khác Tuy nhiên, số vật liệu có nguồn cung cấp phong phú giá thành rẻ đề xuất làm nguyên liệu sinh khối cho biochar, bao gồm vỏ trấu, vỏ hạt, dư lượng phân bón dư lượng trồng, nguyên liệu sử dụng rộng rãi Cũng I.2 Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện có nhiều nguyên liệu khác có tiềm sẵn có để sản xuất biochar, có biowaste (ví dụ bùn thải, rác thải thị, phân gia cầm) phân compost Tuy nhiên, sử dụng loại nguyên liệu có nguy hiểm có tồn thành phần nguy hại (ví dụ chất hữu ô nhiễm, kim loại nặng,…) Về nguyên tắc, vật chất hữu nhiệt phân, nhiên loại nguyên liệu khác cho tỷ lệ sản phẩm chất rắn (than) sản phẩm chất lỏng, chất khí với đặc tính lý hóa biochar khác Do thành phần hóa học cấu tạo nên sinh khối vật chất hữu thành tố quan trong sản xuất biochar Dưới số thành phần nguyên liệu thường dùng để sản xuất biochar Rơm lúa mì Dư lượng ngơ Cỏ Gỗ (cây dương, liễu, sồi) Tro Lignin Cellulose 11.2 2.8-6.8 0.27 - 14 15 18 26 - 30 38 39 32 38 - 45 Bảng.1.Một số thành phần loại nguyên liệu Cellulose lignin qua bị nhiệt phân nhiệt độ khác nhau, tương ứng từ 240350°C đến 280-500°C, tỷ lệ tương đối thành phần xác định cấu trúc sinh khối giữ lại sau thời gian nhiệt phân, nhiệt độ định thời gian nhiệt phân định Nguyên liệu có hàm lượng lignin cao, thường cho sản lượng biochar cao Mặt khác, lignocellulosic nguyên liệu hữu phong phú trái đất chiếm 50% tổng số sinh khối thực vật giới thiệu sản xuất ước tính hàng năm 50×10 (Rajarathnam and Bano, 1989) Phần lớn chất thải lignocellulose trước thường xử lý cách đốt sinh khối, điều gây lãng phí tài nguyên ô nhiễm môi trường lượng khí phát thải Vật liệu chứa lignocellulosic -Thu hoạch ngũ cốc + Lúa mì, gạo, yến mạch, lúa mạch bắp Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp Phế liệu Sử dụng + Rơm, bắp, thân cây, vỏ, + Thức ăn chăn ni, đốt nhiên liệu, phân bón, vùi vào đất Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất -Chế biến loại ngũ cốc + Ngơ, lúa mì, gạo, đậu tương GVHD: PGS.Lê Văn Thiện + Xử lý nước, cám + Thức ăn chăn nuôi + Thu hoạch trái rau + Hạt, vỏ, vỏ, đá, toàn trái nước trái bị loại + Thức ăn cho động vật cá, số hạt để khai chiết rút dầu + Chế biến rau + Hạt, vỏ, nước thải, vỏ trấu, vỏ sò, đá, bác bỏ toàn trái nước trái + Thức ăn cho động vật cá, số hạt chiết rút dầu + Mía đường sản phẩm đường khác + Xác mía + Nhiên liệu đốt cháy + Dầu hạt có dầu Các loại hạt, hạt bông, ô liu, đậu tương,… + Chất thải động vật + Vỏ sò, vỏ, xơ vải, sợi, bùn, nước thải,… + Thức ăn gia súc, phân bón, nhiên liệu đốt cháy + Phân bón, chất thải khác + Bón vào đất + Gỗ dư, vỏ cây, lá,… +Đốt, làm ghỗ ép,… - Lâm nghiệp giấy bột giấy + Thu hoạch gỗ + Chất thải cưa gỗ dán + Dăm gỗ, dăm gỗ, bụi cưa,… + Các ngành công nghiệp giấy bột giấy, … + Nhà máy bột giấy giấy + Sợi thải, … + Chất thải lignocellulose từ cộng đồng + Báo cũ, giấy, bìa, ván cũ, đồ + Tỷ lệ tái chế nhỏ, làm nội thất không sử dụng,… chất đốt cháy khác + Cỏ + Chưa sử dụng cỏ + Tái sử dụng ngành công nghiệp bột giấy làm nhiên liệu + Đốt cháy Bảng.2.Các loại vật liệu chứa lignocellulosic sử dụng Hiện nay, người ta ý tới việc sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu sản xuất biochar Cùng với sản lương thóc gạo ngày tăng lượng trấu thải ngày cao, vựa lúa lớn Thái Lan, Ấn Độ, Trung Quốc hay ĐBSCL ĐBSH nước ta Ngay huyện Cờ Đỏ, trực thuộc thành phố Cần Thơ, lượng trấu Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện thải hàng năm lên đến 500.000 Lượng trấu nhiều không sử dụng mà xử lý hai phương pháp đốt trực tiếp, đổ thẳng sơng Việc gây nhiễm mơi trường trầm trọng Trong đó, sử dụng vỏ trấu nhiệt phân thành biochar đem lại nguồn lợi lớn Biochar sản xuất từ vỏ trấu có hàm lượng khống cao, đặc biệt silic Lượng tro biochar lên đến 24% chí 41% theo khối lượng Sản xuất biochar Quy trình cổ-Biochar tạo tự nhiên từ kết vụ cháy thảm thực vật việc cố ý đốt người hầm lị có cấu trúc đơn giản làm thủ cơng Khi than tạo với mục đích thêm vào đất chất “sửa đổi”, gọi biochar (biochar) Mặc dù mặt lợi mà biochar mang lại cho đất theo phương pháp truyền thống khơng cáo cách thân thiện với môi trường Bằng chứng việc người sử dụng than chất “sửa đổi” đất, tìm thấy lưu vực sông Amazon Nam Mỹ 2.500 năm trước Các chứng khảo cổ cho thấy người cổ đại chất gỗ thành đống hầm lị làm đất nung, sau đốt cháy từ từ với khơng khí hạn chế Phương pháp ngày sử dụng nước phát triển, tạo lượng khói đáng kể phát thải khoảng nửa lượng C ( dạng khí carbon dioxide CO )có sinh khối ban đầu với khí nhà kính khác vào mơi trường Điều đó, gây hại cho sức khỏe người, gây ô nhiễm môi trường, nghiêm trọng cịn làm tượng gia tăng khí nhà kính thêm trầm trọng I.3 H.2.Cấu trúc lị làm thủ cơng sản phẩm Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện Cơng nghệ lị nung sản xuất biochar khơng có tiến đáng kể nhiều kỷ liên tiếp ngoại trừ việc sử dụng vật liệu làm lị thay gị đất Lị nung để sản xuất biochar ngồi xây dựng đất, cịn sử dụng gạch, thép,… Nhưng lị phát nhiều bụi khói bao gồm khí nhà kính nguy hiểm H.3.Lị thủ cơng thép lị làm gạch Ngày nay, biochar sản xuất kỹ thuật nhiệt phân, nghĩa sinh khối đốt có khơng có ơxy nhiệt độ cao (350-700°C) lị có thiết kế đặc biệt Các “biến” trình nhiệt phân : nguyên liệu đầu vào, nhiệt độ thời gian nhiệt phân Về nguyên tắc, nguyên liệu hữu sử dụng cho nhiệt phân sản xuất biochar, nhiên loại nguyên liệu khác cho tỉ lệ sản phẩm chất lượng sản phẩm khác Điều liên quan đến thành phần cấu tạo vật liệu, khả tiêu hao biến đổi nguyên liệu trình nhiệt phân Để trình nhiệt phân diễn nhanh chóng ngun liệu u cầu phải sấy/hong khô đến hàm lượng ẩm 10% Điều thực để dầu không bị ô nhiễm nước sau trình nhiệt phân Mặt khác nguyên liệu đầu vào cần nghiền nhỏ tới kích thước khoảng 2mm (kích thước thích hợp vỏ trấu) để q trình nhiệt phân nhanh hồn tồn hơn, cộng với trình giảm độ ẩm nhằm tiết kiệm nhiên liệu giảm chi phí Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tỉ lệ thành phần sản phẩm, nhìn chung nhiệt độ thích thích hợp, mang lại hiệu xuất cao cho trình nhiệt phân sản xuất biochar nằm khoảng 400-600°C Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện H.4 Sự phụ thuộc tỉ lệ sản thành phần sản phẩm nhiệt độ nhiệt phân Thời gian nhiệt phân yếu tố quan trọng thứ ba định chất lượng sản phẩm trình nhiệt phân Hiện có ba hệ thống nhiệt phân với thời gian nhiệt phân khác áp dụng kết loại thể bảng sau: Loại Fast pyrolysis Intermedia te Pyrolysis Slow Pyrolysis (Carbonisa tion) Điều kiện Moderate temperature, ~500°C, short hot vapour residence time of ~ s Moderate temperature ~500°C, moderate hot vapour residence time of 10 – 20 s Low temperature ~400°C, very long solids residence time Dầu Biochar Khí tổng hợp 75% 12% 13% 50% 20% 30% 30% 35% 35% Bảng.3 Thành phần sản phẩm thu hệ thống nhiệt phân Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện H.5 Biểu đồ thể tỉ lệ thành phần sản phẩm sau nhiệt phân hệ thống nhiệt phân chậm (trên) hệ thống nghiệt phân nhanh (dưới) Bảng cho thấy điều kiện nhiệt phân khác dẫn đến tỷ lệ thành phần sản phẩm cuối (chất lỏng, biochar khí tổng hợp) khác Điều có nghĩa điều kiện nhiệt phân cụ thể thiết kế riêng cho kết mong muốn Hệ thống hiệt phân nhanh có xu hướng sản xuất dầu nhiều hơn, hệ thống nhiệt phân chậm sản xuất khí tổng hợp nhiều Tuy nhiên, việc sử dụng biochar chất cải tạo đất giảm nhẹ biến đổi khí hậu rõ ràng nhiệt phân chậm thích hợp hơn, phương pháp tối đa hóa hiệu xuất q trình sản xuất biochar, mang lại sản phẩm nhiệt phân cuối ổn định Có thể phát triển hệ thống nhiệt phân sản xuất biochar theo dạng di động tĩnh Quy mơ nhỏ hệ thống sử dụng trang trại sở sản xuất nhỏ với đầu vào sinh khối 50 kg/giờ đến 1.000 kg/giờ Tại địa phương khu vực đơn vị diện tích lớn, khu cơng nghiệp lớn phát triển hệ thống với quy mô sử lý lớn lên đến 8.000 kg sinh khối/giờ Các lò nhiệt phân sản xuất bochar dùng nhiều điều kiện, từ bếp trại cho đơn vị quy mô công nghiệp để tạo điện sưởi ấm tòa nhà lớn Bếp lò nhỏ sử dụng nước giới thứ ba để đun nấu, sưởi ấm giảm khói nhà sử dụng nửa sinh hoạt đồng thời tạo sản phẩm giúp cải tạo đất Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp 10 Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện kích thước nhỏ benzene toluene (Zhu Pignatello, 2005) Trong hầu hết lớp hợp chất hữu thông thường, biochars cho thấy hấp phụ PAHs đặc biệt mạnh mẽ, với giải hấp phụ “rất chậm” (hằng số tốc độ “giải hấp” nước 10-7-10-1 /h, chí thấp trầm tích) (Jonker et al., 2005) Điều lý giải mặt phẳng phân tử PAHs, cho phép tiếp cận không hạn chế vào khoảng hổng nhỏ (Bucheli Gustafsson, năm 2003; Van Noort et al, 2004), liên kết π-π mạnh bề mặt biochars phân tử vịng thơm ( ví dụ Sander Pignatello, 2005) Mặc dù phần lớn chứng hiện đặc tính hợp chất hữu kị nước gây ảnh hưởng tới khả hấp phụ biochars, đóng góp đặc tính than cho q trình đánh giá Nó thường chấp nhận chế dẫn đến gia tăng diện tích bề mặt và/hoặc tính kị nước than, phản ánh mối quan hệ tăng khả hấp phụ bề mặt chất gây ô nhiễm, chứng minh cho hình thức khác BC (Jonker Koelmans, năm 2002; Noort et al , 2004; Tsui Roy, 2008) Sự ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân chủ yếu phạm vi 340-400 oC (Jame et al, 2005; Zhu et al, 2004; Tsui Roy, 2008) loại nguyên liệu (Pastor-Villegas et al., 2006) lên tượng than gỗ khác gần dã số tác giả đánh giá Thật thú vị, hút thấm bề mặt lên than nhiệt độ cao xuất riêng hấp thụ bề mặt, than nhiệt độ thấp bắt nguồn từ hai hấp phụ hấp thụ (ở quy mơ nhỏ hơn) chất hữu cịn sót lại (Chun et al., 2004) Sau phát tán mơi trường, tính chất hấp phụ biochar ban đầu bị ảnh hưởng “sự ngưng kết(aging)” yếu tố môi trường, chẳng hạn chất tồn Sự diện hợp chất hữu có độ kị nước hoặc/và có kích thước phân tử lớn cho thấy giảm khả hấp phụ chất có khối lượng phân tử thấp biochar ( ví dụ Sander Pignatello, 2005; Wang cộng sự, 2006) Một số ion kim loại (ví dụ Cu 2+, Ag+) có nồng độ xác định mơi trường (50 mg/L) thay đổi đáng kể bề mặt hóa học và/hoặc cấu trúc mạng lưới lỗ hổng than (Chen cộng sự, 2007) Có lẽ chế quan trọng cần xem xét, ảnh hưởng phân rã hợp chất hữu tự nhiên, bao gồm humic, fulvic (Pignatello cộng sjw, 2006) phân hủy lipid (Salloum cộng sự, 2002), lên tính chất lý hóa, khả hấp phụ sức chứa biochars (Kwon Pignatello, 2005) Bằng chứng tương tự tìm thấy than hoạt tính từ lâu “Sự ngưng kết aging” than từ gỗ Thích (400 oC) đất than bùn Amherst (18,9%OC) chứng minh hợp chất hữu tự nhiên làm giảm lực than với benzene, nhiều chứng khác Tương tự, quan sát Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp 33 Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện khoảng thời gian 100 năm qua cho thấy báo cáo cho pyrene (C16H10) đất rừng làm giàu với than củi (Hockaday, 2006) Trong hai trường hợp, nhà khoa học giải thích chế hợp chất hữu tự nhiên làm tắc nghẽn lỗ hổng, lực cạnh tranh hợp chất hữu tự nhiên đổi chỗ hợp chất hữu từ điểm hấp phụ Thông thường, loại đất bị ô nhiễm có chứa hỗn hợp dung mơi hữu cơ, hydrocacbon mạch vòng, kim loại nặng thuốc trừ sâu, thêm vào chất khoáng tự nhiên chất hữu (Chen et al, 2007.) Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu hấp thu chất hữu với vật liệu than dựa vào thí nghiệm đơn chất tan, chúng tồn tự nhiên dạng hỗn hợp (Sander Pignatello, 2006) Cạnh tranh hấp thu mơi trường có q trình tăng cường đáng kể tính di động tiềm thẩm thấu hợp chất hữu kị nước đất giàu biochars Hầu hết chứng tăng khả hấp thu hợp chất hữu kị nước biochar thêm vào đất gián tiếp nỗ lực trước để đánh giá trực tiếp đánh giá cao (Cornelissen Gustafsson, 2004) Tuy nhiên, tiềm việc cải tạo biochar để nâng cao lực hấp thu đất, giảm bớt độc tính vận chuyển chất gây nhiễm mơi trường xuất đất trầm tích khơng thể phủ nhận Người ta cho nâng cao lực hấp thu đất dẫn đến tích tụ chất nhiễm hữu có khả gây nguy hiểm với sức khỏe hậu xấu tới mơi trường Ở giai đoạn này, thông tin tác động ngắn hạn dài hạn, phân phối khả sử dụng sinh học chất ô nhiễm đất giàu biochar Sự giữ lại/tính hiệu lực/sự rửa trơi chất dinh dưỡng Giảm rửa trôi chất dinh dưỡng từ nông nghiệp mục tiêu phù hợp với thị khung nước (WFD) WFD cần xúc tiến cách tiếp cận quản lý tổng hợp để cải thiện chất lượng nước tới quan quản lý nước châu Âu Sử dụng loại phân bón làm tăng nồng độ nitrat phốt phát vùng nước mặt nước ngầm Châu Âu Mục tiêu chất lượng nước cụ thể thiết lập thị khung nước nitrat, chất dễ bị rửa trôi (Nghị viện Châu Âu Hội đồng Liên minh châu Âu, 2000) Cải tiến thực tế quản lý nơng nghiệp khuyến khích “Chính sách nông nghiệp chung” (Common Agricultural Policy) Dẫn chứng từ số phịng thí nghiệm nghiên cứu thực địa cho thấy ứng dụng biochar dẫn đến giảm rửa trôi chất dinh dưỡng (đặc biệt tập trung vào nghiên cứu nitrat) vận chuyển chất gây ô nhiễm vùng rễ Một số III.2.2 Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp 34 Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện chế, góp phần giảm rửa trơi chất dinh dưỡng có liên quan đến tăng cường hiệu sử dụng chất dinh dưỡng tăng hàm lượng nước trì chất dinh dưỡng (thời gian cư trú vùng rễ) tính dễ tiêu, liên quan đến việc tăng bề mặt phản ứng nội hệ đất-biochar, giảm nước vùng rễ có liên quan đến tăng sử dụng nước thực vật (tăng bề mặt bay hơi), tăng sử dụng dinh dưỡng, thông qua nâng cao sinh trưởng trồng Thời gian trì cao cho phép phân hủy chất hữu tốt thúc đẩy phân hủy hóa chất nơng nghiệp Tuy nhiên, chế, chẳng hạn vận chuyển dung dịch keo chất ô nhiễm hạt biochar, gây dòng chảy ưu tiên (preferential flow induced) ứng dụng biochar, ổn định dài hạn biochar đất, yếu tố tiềm để tăng rửa trôi chất dinh dưỡng / chất gây ô nhiễm Độ lớn tính động kết từ ứng dụng biochar thời gian, khơng gian quy trình cụ thể Vơ số tương tác đất-thực vật- khí quyển, phạm vi ảnh hưởng nguyên liệu tiềm cụ thể biochar tương tác này, làm cho vốn khó khăn để đưa đặc tính chung "biochar" Nó phải giữ quan hệ với yếu tố khác, chẳng hạn lượng mưa phương thức quản lý nông nghiệp, xác định rõ việc chất dinh dưỡng từ vùng rễ Tính di động nước thấm vùng rễ phụ thuộc vào khả xâm nhập, lực dẫn thủy giữ nước vùng rễ, lượng thoát trồng phụ thuộc vào mật độ khả mạng rễ để lấy nước, điều kiện khí tượng phổ biến khác Những yếu tố chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ kết nối khoảng hổng nhỏ, vừa lớn Phân chia nguồn nước ngầm, dòng chảy bề mặt bốc thoát nước bị ảnh hưởng thay đổi khả giữ nước đất Trong trường hợp mà ứng dụng biochar để cải thiện lưu giữ (nước có sẵn thực vật) tăng thực vật thoát (Lehmann et al., 2003), hút nước vùng rễ bị giảm, dẫn đến việc lưu giữ chất dinh dưỡng di động dễ bị rửa trôi nitrat, cation pH thấp Biochar trực tiếp góp phần hấp phụ chất dinh dưỡng thông qua chất mang tương tác cộng hóa trị diện tích bề mặt cao Major et al (2002) cho thấy biochar phải sản xuất nhiệt độ 500 ° C kích hoạt để đạt kết tăng diện tích bề mặt biochar tăng khả hấp phụ trực tiếp chất dinh dưỡng Glaser et al (2002) kết luận "than củi góp phần làm tăng lượng ion đất giảm rửa trôi “OM bị phân giải” chất dinh dưỡng hữu cơ” họ tìm thấy chất dinh dưỡng giữ lại cao chất dinh dưỡng dễ tiêu sau bổ sung than cho đất nhiệt đới Một chế góp phần trì tăng N đất cải tạo với biochar kích thích vi sinh vật cố định N tăng Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp 35 Nhóm Ứng dụng Biochar cải tạo đất GVHD: PGS.Lê Văn Thiện nitrat tái chế có hàm lượng cao cacbon dễ tiêu (xem Phần 3.2.3) N cố định sinh học đậu thông thường tăng với việc bổ sung biochar 50 g/ kg đất (Rondon et al, 2007.), đất hấp thu N giảm 50%, tỷ lệ C: N tăng với yếu tố Lehmann et al (2003) báo cáo thí nghiệm thẩm kế tỷ lệ hấp thu rửa trôi cho tất chất dinh dưỡng tăng áp dụng than củi đất Tuy nhiên họ hồn tồn chứng minh rõ ràng than củi có vai trị việc hay khơng, thí nghiệm khả thấm nước khơng giảm Do đó, chất dinh dưỡng phải giữ lại phức hấp phụ tĩnh điện tạo than Sự ô nhiễm Khi quan tâm rộng rãi tới ứng dụng biochar đất tiếp tục tăng mối quan tâm khả ô nhiễm đất số thành phần chúng tăng theo Đảm bảo sử dụng biochar để cải tạo đất trường hợp rủi ro, gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe đất khu hệ sinh vật tác động xấu tới môi trường kinh tế xã hội (Collison cộng sự, 2009) Chất gây nhiễm muối khống thường tồn số biochars gây hại cho hoạt động đất ảnh hưởng tới sức khỏe người động vật Sự xuất hợp chất có khả gây nhiễm đất trầm trọng gây ảnh hưởng tới sức khỏe sinh vật (như kim loại nặng, hidrocacbon thơm đa vịng dioxin) biochar ngun liệu bị ô nhiễm từ điều kiện nhiệt phân Ví dụ, nhiệt phân chậm nhiệt độ 250t/ha) (theo McHenry, 2009) Đồng thời nhiều nghiên cứu đặt cho tác động khác biochar tới loại đất khác Hơn nữa, trình nhiệt phân vật liệu hữu nhiệt độ