Sinh khối bị đốt cháy thải ra một lượng lớn khí vào khí quyển. Những
khí này được cho là có ảnh hưởng tới khí quyển và khí hậu trên trái đất. Trên
phạm vi toàn cầu ước tính khoảng 5.613 Tg sinh khối khô/năm bị đốt cháy
(1Tg = 1 triệu tấn), trong đó 2.814 Tg/năm là do cháy mở, phần còn lại cháy
trong việc sử dụng làm nhiên liệu sinh học. Tương ứng thải ra 2.290 Tg
C/năm (dạng CO2), 496 Tg CO/năm, 32,2 Tg CH4/năm và một số chất bay hơi khác [100]. Việc chuyển hóa các bon từ sinh khối thành các bon ổn định ở trong đất, cho thấy vai trò của đất như một bể chứa các bon trong quá trình cố định CO2 từ khí quyển. Thơng thường các phương pháp tăng q trình cố định các bon được khuyến cáo như trồng cỏ, phương pháp canh tác nông lâm kết
hợp và bỏ hoang hóa cho mục đích chăn ni thơng qua việc làm tăng độ dày của tầng rễ hoặc không đốt [46]. Các bon trong chất hữu cơ sẽ bị biến đổi thành CO2 khi bón các loại phân hữu cơ phân giải nhanh như bùn thải hoặc phân chuồng trong một thời gian ngắn. Thậm chí trong các hệ thống đốt
nương làm rẫy, hầu hết các bon bị thải trở lại khơng khí sau khi đốt và một
phần rất nhỏ còn lại ở dạng TSH. Do đó, việc cơ lập các bon trong đất ở dạng TSH là một cách rất tốt để cố định CO2 từ khí quyển và rất quan trọng trong việc cố định các bon toàn cầu bởi vì hệ số thu hồi các bon từ phương pháp
nhiệt phân là rất cao đến 50% so với chỉ 3% của kỹ thuật đốt truyền thống. Do
đó bón TSH vào đất có thể gọi là một biện pháp chứa CO2 dài hạn [46].
Trong những năm gần đây, TSH ngày càng nhận được sự chú ý như là một cách tiếp cận thân thiện môi trường, đặc biệt trong chiến lược giảm nhẹ biến đổi khí hậu. TSH được định nghĩa là vật liệu giàu các bon, cấp hạt mịn, xốp, được sản xuất bằng cách nhiệt phân từ sinh khối hữu cơ trong điều kiện oxy hạn chế và ở nhiệt độ tương đối thấp (<700oC) [174]. Nó cũng được định nghĩa là hợp chất các bon hữu cơ ổn định (C) được tạo ra khi sinh khối hữu cơ
(nguyên liệu) được nung nóng tới nhiệt độ thường từ 300oC đến 1000 oC, dưới
nồng độ oxy thấp [137]. TSH giàu các bon, có cấu trúc xốp với diện tích bề mặt riêng cao, với cấu trúc đặc biệt này đã được chứng mình là có khả năng tăng lên trong nước và có khả năng giữ dinh dưỡng trong đất [174]. TSH ngày
càng nhận được nhiều sự chú ý và được khuyến khích bổ sung cho đất bởi vì nó khơng chỉ có thể giảm thiểu biến đổi khí hậu bằng cách cơ lập các bon từ
khơng khí vào đất [113, 131, 116] mà cịn cải thiện tính chất của đất và nâng cao độ phì đất bằng cách cải thiện độ ẩm và duy trì chất dinh dưỡng [117] và tăng sự hoạt động của vi khuẩn [119] do đó làm tăng năng suất cây trồng. Một
số loại sinh khối là nguồn nguyên liệu cho sản xuất TSH như dăm gỗ, phân động vật, phế thải từ cây trồng. Với ý nghĩa này, việc tăng cường tái chế phế
thải của nông nghiệp và lâm nghiệp [127] cũng là một lợi thế đáng chú ý của TSH. Những tiềm năng lợi ích đa dạng này kết hợp với việc TSH có thể sản xuất từ một loạt các sinh khối nên nó có thể coi là một cơng cụ có thể mang lại lợi ích về mơi trường tương đối hiệu quả cả về chi phí và hiệu quả xử lý
mơi trường.
1.4.1. Đặc tính của TSH
Tổng hợp từ nhiều nguồn TSH cho thấy lượng TSH thu được là 28,5%,
hàm lượng các bon trong TSH là 79,6% và năng suất các bon là 49,9%. Các
yếu tố chính quyết định đặc tính của TSH là: (1) loại chất hữu cơ dùng để nhiệt phân, (2) mơi trường nhiệt phân (ví dụ nhiệt độ, khí), (3) chất bổ sung trong q trình nhiệt phân. Nguồn hữu cơ cung cấp cho nhiệt phân than có
ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng TSH, hàm lượng dinh dưỡng và chất dễ tiêu
[86].
Quá trình nhiệt phân nguyên liệu chứa C trong môi trường oxy hạn chế
là như nhau nhưng các phương pháp nhiệt phân khác nhau sẽ cho ra sản phẩm
Nhiệt độ và nguồn gốc vật liệu là hai yếu tố chính chi phối các đặc tính của TSH. Sự gia tăng của nhiệt độ nhiệt phân sẽ dẫn đến sự gia tăng diện tích bề mặt của TSH, dẫn đến việc hấp phụ cao hơn các hóa chất như thuốc trừ
sâu. Ví dụ, than từ phụ phẩm lúa mì tại 500 - 700oC là phù hợp với việc các bon hóa và diện tích bề mặt của nó là tương đối cao (>300 m2/g), trong khi TSH hình thành tại nhiệt độ 300 - 400oC thì một phần bị các bon hóa và diện tích bề mặt thấp (<200 m2/g).
Bảng 1.9. Thành phần còn lại sau nhiệt phân dưới tác động của nhiệt độ và thời gian lưu khác nhau
Phương pháp Điều kiện Chất
lỏng
Than sinh học
Khí tổng hợp Nhiệt phân nhanh Nhiệt độ vừa phải,
~500oC, thời gian lưu của
hơn nóng ngắn ̴ 1 giây.
75% 12% 13%
Nhiệt phân mức trung bình
Nhiệt độ vừa phải ~500°C, thời gian lưu của hơi nóng từ 10 - 20 giây. 50% 20% 30% Nhiệt phân chậm (các bon hóa) Nhiệt độ thấp ~ 400°C, thời gian lưu chất rắn rất
dài.
30% 35% 35%
Q trình khí hóa Nhiệt độ cao ~800°C, thời gian lưu hơi dài.
5% 10% 85%
Nguồn: [174] TSH có diện tích bề mặt lớn hơn thể hiện khả năng hấp phụ cao đối với các hợp chất hữu cơ. TSH có nguồn gốc từ vật liệu khác nhau sẽ có các đặc
tính khác nhau. TSH từ rơm rạ, bồ hóng và tro bay (các bon màu đen) và ghi nhận rằng TSH từ rơm rạ có diện tích bề mặt (234,9 m2/g), độ xốp (0,4392
Bảng 1.10. Phạm vi tương đối của bốn thành phần chính của than sinh học Thành phần Tỉ lệ (% trọng lượng) Các bon cố định 50 - 90 Chất bay hơi 0 - 40 Độ ẩm 1 - 15 Tro (chất khoáng) 0,5 - 5 Nguồn: [174]
Bảng 1.11. Thành phần các nguyên tố có trong một số loại TSH
Sản phẩm TSH Thành phần nguyên tố (%*)
C H N O
TSH từ thân vỏ cây sồi 87,9 2,9 0,6 10,6 TSH từ thân cây cải dầu 66,6 2,5 6,1 24,3 TSH từ vỏ gỗ 85,0 2,8 - 12,2 TSH từ thân cây bông 72,2 1,2 - 26,6 TSH từ tỏ hạt dẻ 95,6 1,3 - 3,1
Nguồn: [70] * : % trọng lượng khơ đã rửa sạch muối có trong TSH.
Nguồn: [121]
Có nhiều loại muối khác nhau có thể tìm thấy trong phần tro của TSH, chúng phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng khống chất có trong ngun liệu. Nhiều nghiên cứu cho thấy, hàm lượng tro của than sinh học thay đổi từ 0,5% - 55%. Trong sản xuất than cổ điển, "chất lượng tốt" được gọi là than hoạt
tính có 0,5% - 5,0% tro. Tuy nhiên, than sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu như cỏ và phụ phẩm cây ngô đã được báo cáo là có hàm lượng tro 26% - 54% trong đó có nhiều ở dạng silica, trong khi tro gỗ cứng có chứa kim loại chủ yếu kiềm. Một loạt các nguyên tố vi lượng đã đo được trong tro than sinh học, ví dụ: boron, cupper, kẽm, ... Tuy nhiên, các yếu tố phổ biến nhất là kali, canxi, silic và một lượng nhỏ nhôm, sắt, magiê, phốt pho, natri và mangan. Những yếu tố này đều ở dạng bị ơxi hóa, ví dụ Na2O, CaO, K2O,
chúng có thể có phản ứng hòa tan trong nước ở những mức độ khác nhau. Đây cũng là phần tro cung cấp các hiệu ứng vôi của than sinh học [174]. Tinh
thể silic cũng đã được tìm thấy trong TSH. Lúa là cây tích lũy Si, theo đó, Si có chức năng vật lý và hóa học quan trọng cho cây lúa phát triển, trong trấu
và rơm rạ có chứa hàm lượng silic cao bất thường (220 và 170 g.kg-1) so với một số cây trồng khác. Si ở thể silic thực vật và được gọi là phytolith, vì vậy khi bón TSH trở lại đất thì đây nguồn bổ sung silic quan trọng cho cây lúa
[143, 174].
1.4.2. Than sinh học cô lập các bon trong đất và giảm phát thải khí nhà kính nhà kính
Các nghiên cứu gần đây đã đề xuất sử dụng TSH bổ sung vào đất như là cách có thể cô lập được một lượng lớn các bon từ khí quyển thơng qua tàn dư của cây trồng. Sự ổn định lâu dài của TSH đã được chứng minh là lớn hơn
so với chất hữu cơ không bị nhiệt phân khi bổ sung vào đất trong các điều
ước tính là trên 1000 năm [63, 122, 124], sự ổn định lâu dài này là tiền đề cho
việc xem TSH như một phương pháp thích hợp cho cô lập các bon trong đất. Việc chuyển các bon hữu cơ thành dạng ổn định cao có thể làm giảm phát thải khí CO2 phát thải từ đất bằng cách làm giảm tốc độ phân hủy của nó. Theo một số nghiên cứu, lượng khí CO2 phát thải từ khí ga trong quá trình nhiệt phân sinh khối sản xuất TSH sẽ vượt quá lượng CO2 thải ra trong quá
trình phân hủy khi cho một lượng tương tương tự trực tiếp cho vào đất trong một vài tháng [118]. Ngoài ra, cịn có một lượng khí CO2 phát thải có liên
quan đến việc cung cấp nhiệt cho quá trình nhiệt phân. Tuy nhiên, các tính
tốn cho thấy lượng khí phát thải là tương đối nhỏ [84]. Ví dụ, trong sản xuất khí tổng hợp từ sinh khối làm tiêu hao 40% lượng các bon trong nguyên liệu
và lượng CO2 phát thải từ việc cung cấp cho quá trình nhiệt phân đó tương đương chỉ hơn 10%. Thậm chí trong mơi trường ơn đới, sự phân hủy chất hữu cơ trong đất là tương đối chậm, ước tính trong vịng 2 - 5 năm, thì sự phát thải
trong quá trình nhiệt phân ở trên vẫn ít hơn so với lượng tích lũy trong đất. Do vậy, trong khoảng thời gian 1 - 5 thập kỷ liên quan đến giảm thiểu biến đổi
khí hậu thì sự tích lũy các bon được cho là đáng kể.
Sự mất CO2 ban đầu cao của có thể bù đắp lại bởi những ảnh hưởng
của TSH lên một số quá trình khác trong đất trong việc ngăn cản sự phát thải khí N2O và CH4 phát thải từ đất. Sự phát thải tự nhiên của N2O từ đất là một chức năng của trạng thái độ ẩm đất và có thể do cày bừa [147]. Do TSH trong
đất có thể thay đổi chế độ ẩm và tính chất vật lý nước trong cấu trúc đất vì
vậy có có thể giảm thiểu sự phát thải N2O. Phát thải khí metan từ đất nông
nghiệp, chủ yếu là nông nghiệp dưới lúa nước, chiếm 12% lượng phát thải khí mê tan tồn cầu từ tất cả các nguồn. Một thí nghiệm cho rằng, việc bổ sung 20g TSH.kg-1 đất giảm phát thải N2O lên đến 50% trên đậu tương và 80% trên
có thể tham gia vẫn chưa rõ ràng. Có một số thí nghiệm đồng ruộng cho rằng,
lượng phân bón giảm 10% sau khi bổ sung than sinh học. Thực tế có nghĩa là ít hơn lượng phát thải các khí gây nóng lên tồn cầu từ môi trường đất [163].
Nghiên cứu về ảnh hưởng của TSH, nước thải biogas và phân chuồng đến
phát thải khí nhà kính từ ruộng lúa trên đất xám bạc màu ở Bắc Giang cho
thấy, bón nước thải biogas kết hợp với TSH đã làm giảm phát thải CH4 từ 28 - 68% khi so sánh với bón phân ủ, nước thải biogas kết hợp với rơm rạ và so với bón phân tươi [18].
1.4.3. Than sinh học cải tạo đất và nâng cao năng suất cây trồng
1.4.3.1. Than sinh học cải thiện dinh dưỡng dễ tiêu cây trồng.
Bón TSH có thể làm tăng pH và giảm nhôm di động trong đất chua, tại
các vùng đất nhiệt đới bị khống hóa mạnh thâm canh cao [133]. Bón TSH làm tăng pH đất đối với rất nhiều loại thành phần cơ giới khác nhau, mức tăng
có thể lên tới 1,2 đơn vị pH. Thậm chí vẫn cịn có thể nhận ra pH tăng ở các cơng thức bón TSH (pH=6,3) so với đối chứng (pH=5,8) sau 3 năm bón TSH. pH sẽ tăng cao hơn ở những đất cát và thịt và tăng thấp hơn ở đất sét. Kết quả
là độ no bazơ tăng đến tận 10 lần so với trước khi bón TSH, cịn CEC thì tăng đến 3 lần bởi vì khi bón TSH thì cũng là bổ sung thêm các nguyên tố kiềm K,
Ca, Mg vào dung dịch đất, tăng pH đất và tăng dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng trong đất. Nhiều nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng kể cả lượng TSH nhỏ bón vào đất thì cũng tăng một cách đáng kể lượng cation kiềm trong đất, kể cả lượng đạm tổng số và lân dễ tiêu cũng tăng hơn so với đối chứng [168].
1.4.3.2. Than sinh học cải thiện khả năng giữ dinh dưỡng.
Than sinh học không những cải thiện hàm lượng dinh dưỡng dễ tiêu mà còn tăng cả khả năng giữ dinh dưỡng trong đất. Các sản phẩm hữu cơ thối hóa như tro than hoặc tro bay thì khơng có khả năng này. Điều này rất quan
TSH từ cây gỗ cứng vào đất thì CEC có thể tăng 50% so với đối chứng [168, 133] nhưng với một lượng TSH nhỏ thì vẫn tăng CEC trong đất trong khi đó bón tro than hoặc tro bay thì cũng khơng tăng khả năng giữ dinh dưỡng của đất. Lehmann và cộng sự (2002) thì chỉ ra rằng sự rửa trôi NH4+ trên đất
Ferralsols khi bón nhiều TSH, điều đó cho thấy rằng NH4+ được TSH hấp phụ
và lượng đạm được cây lúa hút khi bón kết hợp phân bón và TSH cũng có sự ảnh hưởng đến việc giữ NH4+. Khả năng giữ dinh dưỡng cũng có thể đạt được do khả năng giữ dinh dưỡng trong các khe hở lớn và nhỏ [120]. Việc giảm tỷ lệ rửa trơi của phân N khống bổ sung trong đất cùng với TSH làm tăng hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng. Nhiều nghiên cứu khác cũng chỉ ra bón TSH
vào đất thì tăng khả năng giữ ion trong đất và giảm sự rửa trôi của chất hữu cơ hòa tan và các chất dinh dưỡng hữu cơ [120].
1.4.3.3. Than sinh học cải thiện khả năng giữ nước, ổn định cấu
trúc đất và làm giảm mức độ thấm sâu của các chất trong đất
Than sinh học khơng những làm thay đổi đặc tính hóa học đất mà cịn
ảnh hưởng tính chất lý học đất như khả năng giữ nước và đoàn lạp đất.
Những tác dụng này có thể nâng cao lượng nước dễ tiêu cho cây trồng và
giảm xói mịn đất. Những đặc tính lý hóa học của các loại đất nghèo hữu cơ thường được cải thiện bằng các hình thức canh tác gắn liền với việc sử dụng
chất hữu cơ như phân xanh, chất thải hữu cơ và các chất mùn từ than. Một
nhược điểm rất lớn của việc sử dụng tàn dư hữu cơ là phải bón một lượng rất
lớn từ 50 đến 200 tấn ha–1 thì mới cải thiện được một phần đặc tính của đất.
Đáp ứng được lượng bón lớn như vậy là khơng thực tế [149]. Trong khi đó,
chỉ cần bón một lượng nhỏ (1,5 tấn ha–1) than giàu axít humic cũng làm tăng từ 20 đến 130% đoàn lạp ổn định, trong khi phải cần đến một lượng 50 - 200 tấn ha–1 sản phẩm hữu cơ chưa phân hủy để tăng đáng kể lượng đoàn lạp bền
trong đất. Hơn nữa chất thải hữu cơ lại có thể chứa rất nhiều chất ô nhiễm
hữu cơ và vơ cơ [133, 149].
Than sinh học có thể hạn chế sự thấm sâu các chất gây ô nhiễm trong
đất nơng nghiệp [117]. Điều này có thể do bởi khả năng hút bám của TSH đối
với các chất hòa tan như là Al3+, NO3-, PO43- và các ion hịa tan khác. Các chất khống N, K, Ca và Mg thấm sâu tích lũy lại trong đất đen vùng Amazon