7. Điểm mới và đĩng gĩp của luận án
1.4 Than sinh học
1.4.1 Đặc tính của than sinh học
Mỗi loại than sinh học được sản xuất từ các loại vật liệu và điều kiện sản xuất khác nhau sẽ cĩ đặc tính khác nhau.
Hình 1.19 Đặc tính TSH thay đổi theo nhiệt độ quá trình nhiệt phân [71]
- Độ pH: Đối với các vật liệu giàu xenlulơzơ và hemi-xenlulơzơ thì cĩ thể phân hủy ở 200 – 300oC tạo ra các sản phẩm axit hữu cơ và phenolic làm giảm pH của sản phẩm. Khi nhiệt độ lớn hơn 300oC, muối kiềm bắt đầu tách ra khỏi hữu cơ và làm pH tăng lên, pH sẽ tăng cao ở nhiệt độ hơn 600oC. Than sinh học từ trấu cĩ pH khoảng 8,0.
- Diện tích bề mặt riêng: Diện tích bề mặt riêng là chìa khĩa để biết sự tương tác giữa đất và than sinh học. Nĩ chịu ảnh hưởng bởi nguyên liệu sinh khối và điều kiện sản xuất.
- Khả năng trao đổi cation (CEC): Than sinh học mới sản xuất cĩ ít khả năng trao đổi cation hơn vì tuổi của than sinh học hay q trình chín trong đất làm tăng khả năng trao đổi cation. Than sinh học cĩ khả năng trao đổi cation sẽ hấp thụ kim loại nặng và các hĩa chất nơng nghiệp như thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ.
1.4.2 Phương pháp sản xuất than sinh học
Than sinh học được sản xuất bằng các phương pháp phổ biến sau: Nhiệt phân liên tục, nhiệt phân gián đoạn, hĩa khí,…
Stefan và các cộng sự [32] đã khảo sát 84 doanh nghiệp nghiên cứu phát triển cơng nghệ và chế tạo thiết bị sản xuất than sinh học quy mơ cơng nghiệp ở nhiều nước và châu lục trên tồn Thế giới (Hình 1.20). Trong đĩ, cĩ 37 doanh nghiệp áp dụng phương pháp nhiệt phân liên tục; 16 doanh nghiệp sử dụng phương pháp nhiệt phân gián đoạn; 13 doanh
nghiệp sử dụng phương pháp hĩa khí; cịn lại một số doanh nghiệp sử dụng phương pháp lị đun, nhiệt phân một phần, thủy phân, nhiệt phân vi sĩng, nhiệt phân gián đoạn (Hình 1.21).
Hình 1.20 Các doanh nghiệp sản Hình 1.21 Số doanh nghiệp sử dụng phương
xuất than sinh học [32] pháp sản xuất than sinh học [32]
Mausam Verma và cộng sự [72] đã trình bày các cơng nghệ chuyển đổi hĩa nhiệt của sinh khối nơng nghiệp thành than sinh học nhằm đánh giá vịng luân chuyển của CO2
và khả năng cải tạo đất của than sinh học. Nhĩm tác giả đã cơng bố các cơng nghệ chuyển đổi hĩa nhiệt để sản xuất than sinh học (Hình 1.22).
Hình 1.22 Cơng nghệ chuyển đổi hĩa nhiệt của sinh khối [72]
Trong những năm gần đây, do tình hình ơ nhiễm mơi trường và biến đổi hĩa khí trở nên trầm trọng nên việc hạn chế thải CO2 ra mơi trường luơn được các nhà khoa học quan tâm. Bên cạnh đĩ, đất canh tác nơng nghiệp trên tồn thế giới đang ngày càng giảm đi thành phần dinh dưỡng tự nhiên vốn cĩ của nĩ, thay vào đĩ là những thành phần dinh dưỡng do con người tạo nên. Việc thay thế này nếu phù hợp sẽ làm cho nơng nghiệp phát triển bền vững, nếu khơng sẽ là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến mơi trường sống của muơn lồi.
Duo Wang và cộng sự [31] đã tổng hợp một số nghiên cứu về sản xuất và ứng dụng của than sinh học bằng biểu đồ (Hình 1.23). Nhĩm tác giả đã kết luận các phương pháp sản xuất than sinh học gồm: Nhiệt phân chậm, nhiệt phân nhanh, hĩa khí,… Các ứng dụng của than sinh học gồm: Cải thiện đất, phục hồi đất, xử lý nước,…
Hình 1.23 Phương pháp sản xuất và ứng dụng than Hình 1.24 Lượng than sinh học
sinh học [31] thu được ứng với nhiệt độ [73] Wen-Tien Tsai và cộng sự [73] đã cơng bố kết quả sản xuất than sinh học ở nhiệt độ 400 – 900oC (Hình 1.24). Theo kết quả cơng bố tại 900oC, sản lượng than sinh học thu được khoảng 33%, diện tích bề mặt 280 m2/g và độ xốp 0,316. Dựa trên các đặc tính hĩa lý đã được phân tích, tác giả khẳng định than sinh học được sản xuất từ trấu cĩ thể được sử dụng để lọc nước, xử lý nước thải và cải tạo đất.
Blasi C D và cộng sự [74] đã cơng bố kết quả nghiên cứu sản xuất than sinh học của trấu ở nhiệt độ 580oC cĩ thành phần C (carbon) là 51,52%. Maiti và cộng sự [75] cho rằng than sinh học của trấu từ 350oC đến 650oC chủ yếu là C (65,9% đến 69,3%). Theeba và cộng sự [76] kết luận than sinh học từ trấu tại 550oC đến 600oC cũng chủ yếu là C (77,9%).
Bayu Dume và cộng sự [77] đã thực nghiệm sản xuất than sinh học từ vỏ cà phê và cùi bắp theo phương pháp nhiệt phân chậm ở nhiệt độ 350oC và 500oC. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng than sinh học được sản xuất từ vỏ cà phê và cùi bắp ở nhiệt độ 500oC cĩ diện tích bề mặt, độ pH và khả năng trao đổi cation tốt hơn ở nhiệt độ 350oC.
Mai Thị Lan Anh và cộng sự [78] đã cơng bố kết quả sản xuất than sinh học từ rơm, gỗ keo lai và tre theo phương pháp nhiệt phân chậm với nhiệt độ từ 300 – 850oC. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tỷ lệ than sinh học thu được 46,98% khi nhiệt độ 300 – 450oC; 39,98% khi nhiệt độ 450 – 600oC; 23,8% khi nhiệt độ 600 – 850oC.
Swapan Suman [79] đã thực nghiệm sản xuất than sinh học từ cùi bắp và gáo dừa theo cơng nghệ nhiệt phân chậm với nhiệt độ 800oC. Tác giả đánh giá than sinh học ở chỉ
tiêu thành phần carbon là 74,54% và 79,31% đối với cùi bắp và gáo dừa. Diện tích bề mặt của than sinh học sản xuất từ cùi bắp và gáo dừa lần lượt là 297,76 m2/g và 434,66 m2/g.
Yao Zhiyi và cộng sự [68] đã sử dụng cơng nghệ hĩa khí sinh khối tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống để sản xuất đồng thời khí tổng hợp và than sinh học. Kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt trị của khí tổng hợp giảm từ 6,15 MJ/Nm3 đến 3,60 MJ/Nm3 và lượng than sinh học giảm từ 22% đến 14% khi hệ số khơng khí cấp ER tăng từ 0,1 đến 0,6; nhiệt độ buồng phản ứng đạt 920oC khi hệ số khơng khí cấp ER = 0,35.
Wajeha Tauqir và cộng sự [80] đã cơng bố kết quả nghiên cứu trên hệ thống hĩa khí gỗ và mùn cưa theo cơng nghệ tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống nhiệt độ vùng khử 800 – 1100oC và hệ số khơng khí cấp từ ER = 0,1 – 0,5. Kết quả nghiên cứu cho thấy tại nhiệt độ 789oC, hệ số khơng khí cấp ER = 0,254, ẩm độ vật liệu 10,05% thu được khí tổng hợp cĩ nhiệt trị 5,669 MJ/Nm3 và lượng than sinh học giảm khi lượng khơng khí cấp tăng hoặc khi nhiệt độ vùng khử tăng.
Simone Pedrazzi và cộng sự [81] đã nghiên cứu trên hệ thống hĩa khí phụ phẩm lâm nghiệp theo cơng nghệ tầng cố định kiểu dịng khí đi xuống của hãng Power labs để phát điện và than sinh học dùng cho nơng nghiệp. Nhĩm tác giả kết luận rằng nhiệt trị trung bình của khí tổng hợp đạt 6,55 MJ/Nm3, với thành phần các khí cĩ ích khí CO = 25,7%; H2 = 18,35% và CH4 = 2,4%. Than sinh học được sử dụng để trồng cây húng quế (Ocimum basilicum), sau 55 ngày cho thấy khối lượng cây húng quế của các chậu cĩ chứa 30% than sinh học được sản xuất từ cơng nghệ hĩa khí cĩ khác biệt rõ rệt so với các chậu khơng chứa than sinh học.
Than sinh học vào đất sẽ hấp thụ các chất ơ nhiễm như kim loại và thuốc trừ sâu ngấm vào đất. Than sinh học cĩ thành phần chủ yếu là carbon, nên khả năng ngậm nước là rất tốt, 1 kg than sinh học sau khi nhúng vào nước cĩ thể hút 400 gram nước. Ngồi tính hút nước thì than sinh học được xem là “ngân hàng dự trữ nước”. Nếu chúng ta mang 1.400 gram than sinh học vừa nhúng nước để ngồi khơng khí với thời gian là 7 ngày thì khối lượng của than sinh học là 1.350 gram. Điều này, chứng tỏ than sinh học cĩ khả năng chống bốc hơi và dự trữ nước cực kỳ tốt, đặc tính này giúp ích rất nhiều trong việc giữ ẩm cho đất [82].