CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về nguyên liệu rơm rạ 1.Thống kê về lượng rơm rạ phế thải [ 1 ]. Nước ta là một nước nông nghiệp với trên 9 triệu ha đất nông nghiệp. Trong các cây trồng nông nghiệp, lúa là cây lương thực quan trọng và được sản xuất nhiều nhất.
Năm 2014 , diện tích trồng lúa nước giảm nhưng năng suất lúa tốt nên tổng sản lượng lúa tăng đáng kể so vơi năm 2013. Theo ước tính của Tổng cục Thống kê , tổng diện tích gieo trồng lúa ước đạt hơn 7,8 triệu ha, giảm 96,8 ngàn ha so với năm 2013, nhưng do năng suất đạt 57,4 tạ/ha, tăng 1,7 tạ/ha, nên sản lượng lúa cả nước đạt 44,84 triệu tấn, tăng 80,4 vạn tấn so với năm 2013. Theo Tổng cục Thống kê, khối lượng xuất khẩu gạo năm 2014 đạt 6,52 triệu tấn với giá trị xuất khẩu 3,04 tỷ USD. Thị trường nhập gạo lớn nhất là Trung Quốc.
Philipin với sự tăng trưởng mạnh trong năm trở thành thị trường nhập gạo lớn thứ 2 , các thị trường khác như Malaysia, Indonesia…đều có sự tăng trưởng. Những con số thống kê trên cho thấy phần nào sức ảnh hưởng mạnh mẽ của sản xuất lúa với nền kinh tế nước nhà. Trong hơn 20 năm đổi mới, sản xuất lúa ở nước ta đã chuyển sang sản xuất lúa hàng hóa, có bước phát triển vượt bậc. So với năm 1983 diện tích trồng lúa tăng từ 5,9 triệu ha lên hơn 7,8 triệu ha (năm 2014), sản lượng từ 14.500 triệu tấn tăng lên 47,84 triệu tấn (năm 2014) và theo đó hàng năm có khoảng trên 30 triệu tấn rơm rạ.
Ảnh hưởng của rơm rạ tới môi trường. Hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế xã hội và mức độ cơ giới cao, đại bộ phận rơm không được thu gom sử dụng.Thêm vào đó, việc gia tăng số mùa vụ canh tác hàng năm cũng làm gia tăng lượng rơm rạ thải ra môi trường. Biện pháp chính được người dân sử dụng với lượng rơm rạ thải nói trên là đốt ngay trên đồng ruộng. Tại thời điểm thu hoạch, độ ẩm của rơm rạ lên tới 60%.
Tuy nhiên trong điều kiện thời tiết khô hanh rơm rạ đạt trạng thái độ ẩm cân bằng khoảng 10- 12%. Việc đốt rơm ngoài đồng được xem như là một biện pháp thuận lợi, rẻ tiền nhất.Có khả năng tiêu diệt được nguồn sâu bệnh và cỏ dại cho vụ sau, đồng thời trả lại cho đất các nguyên tố dinh dưỡng cơ bản như đạm, lân, kali [13]. Khoá luận tốt nghiệp 2 Đặng Thu Thảo – K18.11-04 Việc đốt rơm rạ bừa bãi ngoài đồng ruộng sẽ tạo ra nhiều khí thải độc hại làm ô nhiễm môi trường. Những loại khí thải chủ yếu được tạo ra khi đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng bao gồm khí Dioxit Cacbon (CO2), Cacbon Monoxide (CO), khí Methane (CH4), các Oxit Nitơ (NOx hoặc N2O), Oxit Sulphur (SO2 và SOx), Non- Methan Hydrocarbon (NMHC ) bụi hay vật chất dạng hạt (như TPM, PM25, PM10 ) khí Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs), và Polychlorinated Dioxins và Furans (PCDD/F).
Trong số đó thì lượng khí thải CO2 chiếm tỷ trọng cao nhất [1] Theo Streets & cs.(2003), hàng năm lượng phát thải do đốt rơm rạ và các phế thải từ cây ngắn ngày khác ngoài đồng ruộng ở châu Á được ước tính trong bảng 1. Khí thải từ đốt rơm rạ có chứa nhiều chất được xem là tác nhân gây hiệu ứng nhà kính như CO2, CH4, N2O, NMHC (non-methane hydrocarbon) .1 : Lượng phát thải do đốt rơm rạ và các phế thải từ cây ngắn ngày khác ngoài đồng ruộng ở châu Á hàng năm [9] STT Tên khí Khối lương ( triệu tấn) 1 CO2 379 2 NOx 0,96 s SO2 0,1 4 CH4 0,68 5 CO 23 Trong những năm gần đây, tình trạng đốt rơm rạ sau mỗi vụ gặt là tình trạng chung của hầu hết vùng trồng lúa chính ở một số tỉnh thuộc ĐBSH , ĐBSCL. , đặc biệt tại ĐBSH. Theo số liệu ước tính của phòng NN&PTNT huyện Bình Giang, Hải Dương tỷ lệ rơm rạ đốt ngoài đồng ruộng chiếm 30%.
Ở các nơi gần đô thị như các huyện ngoại thành Hà Nội và một số địa tỷ lệ rơm rạ đốt ngoài đồng ruộng có thể đạt tới 60-90%. Thực trạng này diễn ra phổ biến tại nước ta. Khoá luận tốt nghiệp 3 Đặng Thu Thảo – K18. Lượng khí phát thải do hoạt động đốt rơm rạ theo các tỉ lệ ước tính tại ĐBSH [9] Loại khí Hệ số STT thải phát Lượng khí thải (1000 tấn) theo tỉ lệ đốt rơm rạ thải (g/kg) 30% 40% 50% 60% 70% 80% (1529,2) (2038,9) (2548,4) (3058,3) (3568,1) (4077,8) 1 CO2 1460 1786,1 2381,4 3976,8 2572,1 4167,5 4762,8 2 CH4 1,20 1,5 2,0 2,4 2,9 3,4 3,9 3 N2 O 0,07 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 4 CO 34,70 42,4 56,6 70,7 84.9 99,0 113,2 5 NMHC 4,00 4,9 6,5 8,2 9,8 11,4 13,0 6 SOx 3,10 3,8 5,1 6,3 7,6 8,8 10,1 7 SO2 2,00 2,4 3,3 4,1 4,9 5,7 6,5 8 TPM 13,00 15,9 21,2 26,5 31,8 37,1 42,4 9 FineTM 12,95 15,8 21,1 26,4 31,7 37.0 42,2 10 PM 10 3,70 4,5 6,0 7,5 9,1 10,6 12,1 11 PAHS 18,62 22,8 30,4 38,0 45,6 53,1 60,7 12 PCDDF 0,50 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Chú ý: Số trong ngoặc đơn là sản lượng rơm rạ đốt ngoài đồng ruộng tương ứng (nghìn tấn).
Nguồn: Gadde & cs., 2009 và ước tính của tác giả Như vậy, rất nhiều các khí thải từ đốt rơm rạ là những khí gây hiệu ứng nhà kính như CO2, CH4, N2O, NMHC. Ngoài ra các loại khí thải khác như SOx, NOx có thể tích tụ trong khí quyển gây ra tình trạng mưa axít cũng như gây ra các bệnh liên quan đến đường hô hấp. Chính vì vậy hạn chế tình tình trạng đốt rơm rạ bừa bãi giúp giảm lượng khí thải độc hại, hạn chế tình trạng ô nhiễm môi trường, tình trạng biến đối khí hậu cũng như giảm thiểu những tác động tiêu cực đến sức khỏe người dân. Khoá luận tốt nghiệp 4 Đặng Thu Thảo – K18.
Các thành phần chính của rơm rạ Thành phần của rơm, rạ chứa chủ yếu là cellulose, hemicellulose, lignin và một số ít các hợp phần khác.Giá trị trung bình của các thành phần hóa học của rơm, rạ lúa (%) Thành phần hóa học Rơm, rạ lúa Cellulose 43 Hemicellulose 25 Lignin 12 Protein thô ( N × 6.25) 3- 4 Hàm lượng tro 16-17 (silic 83%) 1. Cellulose [18, 19, 22,28, 30,32] Cellulose là thành phần cơ bản của vách tế bào thực vật. Hàng năm nó được tạo thành với khối lượng lớn đến mức vượt tất cả các sản phẩm tự nhiên khác. Theo dự tính, sinh khối thực vật của trái đất là 1,8.1012 tấn trong đó cellulose chiếm 40%.
Cellulose có công thức: (C6H10O)n là polymer mạch thẳng của α-D-glucose với liên kết β-(1→4) (gọi là polysaccharide), bao gồm 100-20.000 gốc glucose, nối với nhau bằng liên kết β-1,4-glucosid. Kiểu liên kết này đối lập với liên kết α- 1,4glucosid có trong tinh bột, glycogen và các carbohydrate khác. Cellobiose là đơn vị cấu trúc lặp lại của cellulose gồm có 2 gốc glucose. Phân tử cellulose chứa 3 dạng anhydroglucose.
Dạng thứ nhất có đầu khử với nhóm bán acetal tự do (hoặc aldehyde) ở C-1. Dạng thứ hai có đầu không khử với nhóm hydroxyl tự do ở C-4 và dạng thứ 3 có vòng nối giữa C-1 và C-4. Phản ứng thủy phân cellulose bị kiểm soát nhiều bởi yếu tố không gian hơn so với khả năng phản ứng được dự tính theo tính chất vốn có của các nhóm hydroxyl trong vòng anhydroglucose. Các nhóm hydroxyl của gốc glucose ở mạch này tạo liên kết hydro với nguyên tử oxy của mạch khác giữ cho các mạch ở bên cạnh nhau một cách vững chắc.
Khoá luận tốt nghiệp 5 Đặng Thu Thảo – K18.Cấu trúc của cellulose Cellulose có cấu trúc tinh thể là cellulose chỉ tạo nên từ monomer glucose. Cellulose có cấu trúc tinh thể còn gọi là α-cellulose hoặc “cellulose thực”. Khi cho tác động với dung dịch 17.5% sodium hydroxide ở 20°C, α-cellulose có đặc trưng là không tan, phần tan trong dung dịch này là β-cellulose và γ - cellulose.β-cellulose kết tủa khi cho thêm axit, phần còn lại không kết tủa với axit là γ-cellulose. Đặc điểm quan trọng và đặc trưng của cellulose tự nhiên đó là cấu trúc không đồng nhất, gồm hai phần.
- Vùng kết tinh có trật tự cao và rất bền vững với các tác động bên ngoài - Vùng vô định hình có cấu trúc không chặt chẽ do đó kém bền vững hơn vùng kết tinh vùng vô định hình vùng kết tinh Hình 1.2: Cấu trúc không đồng nhất của phân tử cellulose Vùng vô định hình có thể hấp thụ nước và trương lên, còn vùng kết tinh mạng lưới liên kết hydrogen ngăn cản sự trương này. Trong tự nhiên, các chuỗi glucan của cellulose có cấu trúc dạng sợi. Mỗi đơn vị sợi nhỏ nhất có đường kính khoảng 3 nm. Các sợi sơ cấp hợp lại thành vi sợi có đường kính 10 - 40 nm, dài 100 - 40000 nm và bao gồm đến 40 chuỗi cellulose.Những vi sợi này hợp thành bó sợi to có thể quan sát dưới kính hiển vi Khoá luận tốt nghiệp 6 Đặng Thu Thảo – K18.
Toàn bộ bó sợi có một lớp vỏ Hemicellulose và Lignin rắn chắc bao bọc bên ngoài làm cho sự xâm nhập của enzyme vào cấu trúc bên trong hết sức khó khăn. Điều này làm tăng thêm độ bền vững của cellulose nói chung. Cellulose kết tinh là hợp chất bền vững, nếu như nấu ở 60-70 0C, tinh bột đã từ trạng thái kết tinh chuyển sang vô định hình, đối với Cellulose nấu ở 320 °C mới xảy ra chuyển trạng thái như vậy Cellulose không tan trong nước, trong nhiều dung môi hữu cơ và các dung dịch kiềm loãng. Cellulose có thể bị phân hủy thành glucose khi đun nóng với axit hoặc kiềm.
Liên kết glucosit không bền với axít, dưới tác dụng của axít, cellulose tạo thành các sản phẩm thủy phân, có độ bền cơ học kém hơn, cellulose khi bị thủy phân hoàn toàn sẽ thu được sản phẩm cuối cùng là đường hòa tan D-glucose. Xylan là polymer mạch thẳng của D-xylose với liên kết β-(1→4). Arabinoxylan gồm mạch chính là xylan gắn với mạch nhánh là L-arabinofuranose bởi các liên kết α-(1→2). Như vậy, đơn vị thành phần tạo nên cấu trúc Hemicellulose chính là D-xylose và một ít L-arabinofuranose.
Xylan - Hemicellulose A Khoá luận tốt nghiệp 7 Đặng Thu Thảo – K18. Lignin [46] Lignin là một loại cao phân tử có cấu trúc vô định hình tạo nên một mạng lưới trong khi cellulose có cấu trúc tinh thể. Cho đến nay công thức của lignin vẫn chưa được xác định, các mắt xích của lignin không giống nhau, tạo nên bới các (– OH), nhóm metoxyl (-OCH3) và nhân benzene. Vì vậy khi bị thủy phân, lignin cho sản phẩm chứa các gốc vòng thơm, Phenyl.