Nghiên cứu đặc tính lý hoá của vật liệu biochar dạng cầu từ rơm rạ

Luận văn nghiên cứu đặc tính lý hoá của vật liệu biochar dạng cầu từ rơm rạ. Phân tích hình thái, thành phần và so sánh với biochar thông thường.

• Tác giả: Nguyễn Trung Đức
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Ngọc Minh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Kĩ thuật Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu một số đặc tính lý hoá học của vật liệu biochar dạng cầu từ rơm rạ
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Biochar dạng cầu từ rơm rạ

Biochar dạng cầu là một vật liệu tiên tiến được chế tạo từ rơm rạ, một phụ phẩm nông nghiệp phong phú tại Việt Nam. Vật liệu này sở hữu cấu trúc hình cầu độc đáo, tăng cường khả năng hấp phụ và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Với sản lượng lúa gạo lớn, rơm rạ trở thành nguồn nguyên liệu quý giá cho sản xuất biochar. Biochar dạng cầu từ rơm rạ không chỉ giải quyết vấn đề chất thải nông nghiệp mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cao. Đặc tính lý hóa học của vật liệu này đã được nghiên cứu sâu rộng, chứng minh hiệu quả trong xử lý môi trường và ứng dụng công nghiệp.

1.1. Định nghĩa và đặc điểm chung

Biochar dạng cầu là sản phẩm than sinh học có hình dạng hình cầu, được chế tạo thông qua các quá trình nhiệt phân và cacbon hóa thủy nhiệt. Vật liệu này có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Hình dạng cầu giúp cải thiện khả năng điều chỉnh, phân tán trong môi trường và hiệu quả xử lý chất ô nhiễm. So với biochar thông thường, dạng cầu có tính ổn định cao hơn và ứng dụng rộng rãi.

1.2. Tiềm năng nguyên liệu rơm rạ

Việt Nam sản xuất hàng triệu tấn rơm rạ hàng năm từ ngành lúa gạo. Phần lớn rơm rạ bị đốt hoặc bỏ thải, gây ô nhiễm môi trường. Thành phần silica-lignocellulose trong rơm rạ lý tưởng cho chế tạo biochar dạng cầu. Việc tận dụng nguyên liệu này không chỉ bảo vệ môi trường mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế, góp phần phát triển bền vững nông nghiệp.

II. Các đặc tính lý hóa học chính

Đặc tính lý hóa học của biochar dạng cầu từ rơm rạ bao gồm nhiều khía cạnh quan trọng. Cấu trúc vật lý của vật liệu này được đặc trưng bởi hình thái bề mặt xốp, độ rỗng cao và diện tích bề mặt riêng lớn. Thành phần hoá học được xác định thông qua phân tích các nguyên tố và nhóm chức bề mặt. Các đặc tính hóa học như điểm đẳng điện, pH bề mặt và độ ôxiđ hóa đóng vai trò quan trọng trong khả năng hấp phụ. Những đặc tính này được nghiên cứu chi tiết để tối ưu hóa ứng dụng của vật liệu.

2.1. Đặc tính vật lý

Hình thái bề mặt của biochar dạm cầu được quan sát thông qua kính hiển vi điện tử. Vật liệu có cấu trúc xốp với lỗ rỗng kích thước khác nhau, tạo ra diện tích bề mặt lớn. Khối lượng riêng, độ xốp và kích thước hạt là những thông số quan trọng. Độ cứng cơ học và tính ổn định nhiệt đảm bảo vật liệu có thể chịu đựng các điều kiện sử dụng khắc nghiệt.

2.2. Đặc tính hóa học

Thành phần nguyên tố của biochar dạng cầu bao gồm carbon, oxygen, hydrogen và các nguyên tố micronutrient khác. Nhóm chức bề mặt như carboxyl, hydroxyl và phenolic quyết định tính chất hóa học. Khả năng ion hoán và độ axit bề mặt ảnh hưởng đến hấp phụ chất ô nhiễm. Các đặc tính này được xác định bằng phương pháp phổ phân tích.

III. Phương pháp chế tạo và phân tích

Chế tạo biochar dạng cầu từ rơm rạ thông qua các phương pháp tiên tiến bao gồm nhiệt phân và cacbon hóa thủy nhiệt. Quá trình nhiệt phân được thực hiện ở nhiệt độ cao trong môi trường thiếu oxygen, trong khi cacbon hóa thủy nhiệt sử dụng nước nóng áp suất cao. Các điều kiện chế tạo như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ chất thể ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái và đặc tính sản phẩm. Phân tích vật liệu sử dụng các kỹ thuật hiện đại để xác định cấu trúc và thành phần.

3.1. Quá trình chế tạo

Quá trình nhiệt phân bột rơm ở 300-700°C trong lò phản ứng tạo ra biochar thô. Cacbon hóa thủy nhiệt sử dụng bột rơm ở 150-250°C, 4-8 giờ để tạo biochar sơ bộ. Điều kiện cacbon hóa được điều chỉnh để kiểm soát hình dạng cầu. Rửa sạch và sấy khô là các bước quan trọng để nhận được sản phẩm cuối cùng.

3.2. Phương pháp phân tích

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái bề mặt. Phổ tán xạ năng lượng X (EDX) xác định thành phần nguyên tố. Quỹ tích hấp phụ nitrogen đo diện tích bề mặt và kích thước lỗ. Phổ hồng ngoại (FTIR) xác định nhóm chức. Phân tích TGA đánh giá tính ổn định nhiệt của vật liệu.

IV. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Biochar dạm cầu từ rơm rạ có ứng dụng rộng rãi trong xử lý môi trường, nông nghiệp và công nghiệp dược mỹ phẩm. Trong xử lý nước, vật liệu này hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng. Ứng dụng nông nghiệp bao gồm cải thiện chất lượng đất, tăng khả năng giữ ẩm và cung cấp dinh dưỡng. Triển vọng phát triển bao gồm tối ưu hóa quá trình sản xuất, giảm chi phí và mở rộng ứng dụng. Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào nâng cao hiệu suất và phát triển các ứng dụng mới.

4.1. Ứng dụng thực tiễn

Xử lý nước thải: Biochar dạm cầu loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ, fluoride, arsenic. Cải thiện đất: tăng độ rỗng, khả năng giữ nước và cung cấp carbon. Ứng dụng dược mỹ phẩm: nạp thuốc và phân phối các chất dược phẩm. Ứng dụng khác: tạo pin, cảm biến hóa học.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Tối ưu hóa quá trình sản xuất để giảm chi phí và tăng hiệu suất. Phát triển công nghệ chế tạo biochar dạm cầu nano. Nghiên cứu sâu về cơ chế hấp phụ. Mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực mới. Tiêu chuẩn hóa sản phẩm để thương mại hóa và ứng dụng quy mô lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về vật liệu biochar 1. Cấu trúc và nguyên lý hấp phụ của biochar Than sinh học (còn được gọi là biochar hay cacbon đen) là một vật liệu xốp và giàu cacbon, tỉ lệ H/C thấp [24, 48]. Cấu trúc của biochar bao gồm các tấm graphene kết tinh xếp chồng lên nhau và các hợp chất thơm vô định hình được sắp xếp ngẫu nhiên.

Bề mặt của biochar thường không đồng nhất do sự hiện diện của các dị nguyên tử trong các vòng thơm [48]. Biochar có diện tích bề mặt riêng lớn, thể tích lỗ xốp cao, khả năng trao đổi cation, cấu trúc thơm mạnh, nhóm chức đa dạng, độ ổn định nhiệt cao và lượng oxi bề mặt dồi dào nên biochar được sử dụng như chất hấp phụ có khả năng tái tạo để loại bỏ các chất gây ô nhiễm khác nhau trong môi trường đất, nước [22, 24, 40]. Hình 1: Biochar từ vỏ trấu (Nguồn: Research Outreach) Các chất gây ô nhiễm được loại bỏ bằng biochar thông qua: (1) cơ chế hấp phụ vật lý (chất bị hấp phụ ổn định trên bề mặt chất hấp phụ nhờ sự tương tác tĩnh điện); (2) sự kết tủa và tạo phức trong đó chất ô nhiễm phản ứng với các nhóm chức trên bề mặt chất hấp phụ; và (3) lấp đầy lỗ rỗng trong đó chất bị hấp phụ được ngưng tụ vào lỗ rỗng của chất hấp phụ [19]. Trong quá trình hấp phụ, chất bị hấp phụ liên kết với bề mặt chất hấp phụ cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.

Tuy nhiên, các loại biochar thông thường có nhược điểm là thường chứa hàm lượng tạp chất cao, tro tổng số và chứa các kim loại kiềm và kiềm thổ làm ảnh hưởng tới hiệu suất và chất lượng của các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm [59]. Phương pháp chế tạo biochar Nguyên liệu đầu vào (sinh khối) có thể ảnh hưởng đến bản chất của loại biochar được tạo thành. Nguyên liệu phổ biến nhất để chế tạo biochar là lignocellulose có nguồn gốc từ phụ phẩm nông nghiệp (trấu, vỏ cam, bã mía…) và phụ phẩm lâm nghiệp (gỗ cứng, gỗ thông và gỗ sồi), các phụ phẩm công nghiệp (phân bò sữa, bùn thải.), và các vật liệu khác (tro cao su phế thải, giấy, chất thải rắn đô thị, nhựa, chất thải thực phẩm và than xương) [22, 60, 63]. Các phương pháp nhiệt hóa phổ biến được sử dụng để sản xuất biochar bao gồm nhiệt phân, cacbon hóa thủy nhiệt, khí hóa, cacbon hóa nhanh và đốt cháy [13, 66].

Trong tất cả các phương pháp này, nhiệt phân được sử dụng phổ biến nhất để sản xuất biochar. Quá trình nhiệt phân các chất hữu cơ trong môi trường không có oxi hoặc ít oxi ở khoảng nhiệt độ 250- 900C [45]. Quá trình này giúp chuyển đổi sinh khối thải thành các sản phẩm có giá trị gia tăng như than sinh học, khí tổng hợp và nhiên liệu sinh học. Trong quá trình này, các thành phần lignocellulose như cellulose, hemicellulose và lignin trải qua các phản ứng như khử polyme hóa, phân mảnh và liên kết chéo ở nhiệt độ cụ thể dẫn đến trạng thái khác nhau của sản phẩm như rắn, lỏng và khí (sản phẩm rắn và lỏng bao gồm than và nhiên liệu sinh học trong khi các sản phẩm khí là CO2, CO và hidro và cả khí tổng hợp).

Quá trình nhiệt phân có thể được phân loại thành quá trình nhiệt phân nhanh và chậm tùy thuộc vào tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ, thời gian lưu và áp suất. Nhiệt phân nhanh có tốc độ gia nhiệt cao (trên 100C/phút) được coi là một quy trình nhiệt hóa trực tiếp có thể hóa lỏng sinh khối rắn thành nhiên liệu sinh học lỏng với tiềm năng ứng dụng năng lượng cao trong khi nhiệt phân chậm là phương pháp có tốc độ gia nhiệt rất thấp khoảng 5-7C/phút và có thời gian lưu lâu hơn 1 giờ tạo ra các loại biochar [34]. Các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm từ quá trình nhiệt phân bao gồm nhiệt độ, thời gian nhiệt phân, loại sinh khối và tốc độ gia nhiệt. Ứng dụng của vật liệu biochar Biochar đóng một vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm từ môi trường đất và nước.

Biochar cũng được sử dụng cho các ứng dụng khác như: xử lý các chất ô nhiễm, giảm thiểu biến đổi khí hậu, cải tạo đất, ủ phân, lưu trữ năng lượng, công nghiệp mỹ phẩm và giúp xử lý một lượng lớn sinh khối chất thải, cụ thể như sau: Xử lý các chất ô nhiễm: Biochar là một vật liệu tiềm năng trong xử lý môi trường [11]. Các chất ô nhiễm hữu cơ đáng chú ý nhất gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, hydrocacbon thơm đa vòng, thuốc nhuộm và thuốc kháng sinh. Biochar được sử 4 dụng như chất hấp phụ có khả năng tái tạo để cố định NH4+, PO43-, F-, các chất gây ô nhiễm khác nhau (phenol, hóa chất bảo vệ thực vật, kim loại nặng,) trong đất, trong nước [44, 52 65, 69]. Sự hấp phụ NH4+ cũng đã được chứng minh bởi nhiều tác giả [20, 21, 56, 57, 64, 74, 76].

NH4+ được hấp phụ bởi biochar nguồn gốc từ tre, từ gỗ sồi với hàm lượng lớn nhất có thể đạt 6,4 mM/g, 146,4 mg/g, theo thứ tự tương ứng, chiếm đến gần 16% tổng lượng NH4+ [20, 56, 74]. Biochar mang điện tích âm, lực hút tĩnh điện giữa hai điện tích trái dấu nhau làm tăng cường khả năng hấp phụ NH4+ trên bề mặt tạo thành các phức. Sự hấp phụ này phụ thuộc vào pH và hàm lượng NH4+ bị hấp phụ lớn nhất tại giá trị pH 6.5 và giữ mức cao trong khoảng pH 6 đến 7 sau đó giảm dần [20, 64]. Viglašová và nnk (2018) cũng chứng minh biochar nguồn gốc từ tre có khả năng hấp phụ NO3- dựa trên lực hút tĩnh điện, liên kết ion với các cation trao đổi từ biochar [64].

Yao và nnk (2012) khi nghiên cứu biochar từ cây hồ tiêu đã cho thấy lượng NO3- được hấp phụ bởi biochar có thể chiếm tới 4% tổng lượng NO3- có trong nước. PO43- cũng bị hấp phụ bởi biochar [74]. Hàm lượng PO43- bị hấp phụ giữ lại trên bề mặt biochar có thể lên tới 640 mg/L, chiếm tới 83% tổng lượng PO43- trong dung dịch [21]. Sử dụng biochar để cố định, loại bỏ các kim loại nặng cũng được nghiên cứu bởi nhiều tác giả [16, 57].

Cho và nnk (2017) đã chứng minh rằng biochar được tạo ra từ bột làm giấy có khả năng hấp phụ As5+ lên tới 34,1 mg/g; biochar được tạo ra từ các sản phẩm phụ phẩm của cây chuối có khả năng hấp phụ Pb2+ với hàm lượng lên tới 193 mg/g; biochar từ phụ phẩm của cây sen kết hợp với kẽm borate có khả năng loại bỏ được đến 67,1 mg/g Ni2+ [16]. Biochar cũng đã cho thấy khả năng hấp phụ dibromochlopropane tới 102 mg/g [28]. Giảm thiểu biến đổi khí hậu: Sản xuất biochar đã được đề xuất là một trong những cách tốt nhất để giảm thiểu biến đổi khí hậu. Điều này được thực hiện bằng cách cô lập cacbon trong đất.

Biochar cho thấy sự ổn định lâu dài trong đất và điều này đóng vai trò là yếu tố chính trong việc giảm lượng khí thải cacbon dioxit vào khí quyển [54]. Hơn nữa, các nghiên cứu thậm chí còn chỉ ra rằng than sinh học có thể làm giảm lượng khí thải NOx và CH4 từ đất bằng các cơ chế sinh học và phi sinh học [77]. Woolf và nnk (2010) cho rằng việc chế tạo biochar bền vững theo đó có thể tránh được sự phát thải khí nhà kính (bao gồm CH4 và N2O) bằng cách nhiệt phân sinh khối chất thải. Nhiên liệu sinh học được tạo ra trong quá trình nhiệt phân có thể bù đắp một phần cho mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch.

Hơn nữa, một nửa lượng cacbon cố định trong sinh khối trong quá trình quang hợp được giữ lại. Biochar được ước tính có khả năng giải quyết 12% lượng khí thải cacbon do con người tạo ra hiện nay [68]. 5 Cải tạo đất: Biochar có hàm lượng cacbon hữu cơ cao nên có khả năng cải tạo đất bằng cách cải thiện các đặc tính hóa lý và sinh học của đất. Hơn nữa, khả năng giữ nước của đất tăng lên cùng với sự gia tăng cacbon hữu cơ (~18%) và giảm thiểu quá trình rửa trôi chất dinh dưỡng do sử dụng biochar [55].

Biochar có độ pH trung tính đến kiềm, giúp trung hòa pH của đất chua thay thế cho việc bón vôi, do đó có thể nâng cao năng suất cây trồng. Sự gia tăng đáng kể về khả năng nảy mầm của hạt, sự phát triển của cây và năng suất cây trồng cũng đã được báo cáo trong đất được cải tạo bằng biochar. Sử dụng biochar cùng với phân bón hữu cơ hoặc vô cơ làm gia tăng năng suất cây trồng. Hơn nữa, sự gia tăng số lượng cùng với hoạt động của vi sinh vật trong đất được cải tạo bằng biochar cũng đã được ghi nhận [31].

Những điều này ảnh hưởng đến các quá trình sinh địa hóa trong đất. Ủ phân: Bổ sung biochar trong quá trình ủ phân có thể cải thiện các đặc tính hóa lý của phân và giúp tăng cường hoạt động của vi sinh vật và thúc đẩy quá trình phân hủy chất hữu cơ và khoáng hóa cacbon. Quản lý chất thải: Sinh khối chất thải rất lớn và rất đa dạng trong tự nhiên. Nó bao gồm phụ phẩm cây trồng, chất thải lâm nghiệp, phân động vật, chất thải chế biến thực phẩm, chất thải nhà máy giấy, chất thải rắn đô thị và bùn thải.

Sinh khối thải ra được sử dụng để chế tạo than sinh học không những kinh tế mà còn mang lại nhiều lợi ích, giúp làm giảm ô nhiễm liên quan đến nó. Tuy nhiên, sự tồn tại của các kim loại nặng độc hại trong than sinh học phát triển từ bùn thải và chất thải rắn đô thị cần được quan tâm cẩn thận và xử lý đúng cách trước khi ứng dụng lâu dài vào đất [14]. Công nghiệp mỹ phẩm: cũng bởi vì đặc tính xốp rỗng, có khả năng hấp phụ các chất mà các sản phẩm biochar nguồn gốc từ biochar được dùng làm nguyên liệu chế tạo các sản phẩm làm đẹp như sửa rửa mặt, sữa tắm … Trong các sản phẩm mỹ phẩm, biochar có chức năng hút các chất độc hại tồn dư trong mỹ phẩm, hút các chất độc bám sâu trong da… [49]. Tổng quan về vật liệu biochar dạng cầu 1.

Giới thiệu chung về vật liệu biochar dạng cầu Biochar dạng cầu đang dần trở thành một vật liệu tiềm năng nổi trội bởi các đặc tính tối ưu hơn hẳn so với vật liệu biochar thông thường [10, 17, 67, 75].