Nghiên cứu chi tiết quy trình sản xuất dấm gỗ từ phế phẩm nông nghiệp

Khám phá quy trình sản xuất dấm gỗ từ phế phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, tre. Tìm hiểu ứng dụng của dấm gỗ và than sinh học trong cải tạo đất.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thùy Trang
• Người hướng dẫn: TS. Trần Đức Mạnh
• Trường học: Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu sản xuất dấm gỗ từ phế phẩm nông nghiệp
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Dấm Gỗ Là Gì Và Tầm Quan Trọng Của Nó

Dấm gỗ là một sản phẩm hóa chất quý giá thu được từ quá trình chưng cất phế phẩm nông lâm nghiệp trong điều kiện yếm khí. Đây là một dạng acid hữu cơ chứa nhiều thành phần có giá trị công nghiệp cao như acid acetic, acid formic và các hợp chất phenol. Trong những năm gần đây, việc sản xuất dấm gỗ từ phế phẩm nông nghiệp đã trở thành xu hướng quan trọng, giúp tái sử dụng các chất thải từ nông lâm nghiệp một cách hiệu quả. Quá trình sản xuất này không chỉ tạo ra những sản phẩm hữu ích mà còn góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường. Dấm gỗ thô và dấm gỗ tinh khiết đều có nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, công nghiệp hóa chất và bảo vệ thực vật.

1.1. Định Nghĩa Dấm Gỗ

Dấm gỗ là chất lỏng thu được từ quá trình chứng cất gỗ hoặc phế phẩm gỗ trong môi trường yếm khí (thiếu oxy). Sản phẩm này chứa các axit hữu cơ chính, đặc biệt là acid acetic với nồng độ cao. Theo tiêu chuẩn TCVN, dấm gỗ phải đạt những chỉ tiêu nhất định về độ axit, màu sắc và độ tinh khiết để có thể sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau.

1.2. Giá Trị Kinh Tế Và Môi Trường

Việc sản xuất dấm gỗ từ phế phẩm nông nghiệp có ý nghĩa kinh tế và môi trường rất lớn. Các phế phẩm như vỏ trấu, tre phế liệu, đũa tre đã qua sử dụng thường bị lãng phí hoặc gây ô nhiễm. Bằng cách chuyển hóa những nguồn nguyên liệu này thành dấm gỗ, người nông dân và doanh nghiệp có thể tạo ra giá trị kinh tế bổ sung, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

II. Quy Trình Sản Xuất Dấm Gỗ Chi Tiết

Quy trình sản xuất dấm gỗ là một công nghệ chứng cất nhằm tách chiết các sản phẩm hữu cơ từ nguyên liệu gỗ hoặc phế phẩm nông lâm nghiệp. Quá trình này bao gồm nhiều bước, từ chuẩn bị nguyên liệu, xử lý nhiệt trong điều kiện yếm khí, đến chứng cất và tinh chế. Trong điều kiện thiếu oxy, các hợp chất hữu cơ trong phế phẩm sẽ bị phân hủy nhiệt, tạo ra các sản phẩm khí và lỏng. Dấm gỗ thô được thu lại từ quá trình ngưng tụ, sau đó có thể tinh chế để tạo ra dấm gỗ tinh khiết có độ tinh sạch cao hơn. Sản phẩm còn lại là than sinh học, một vật liệu có giá trị cao trong cải tạo đất.

2.1. Các Bước Chuẩn Bị Nguyên Liệu

Bước đầu tiên trong quy trình sản xuất dấm gỗ là chuẩn bị nguyên liệu. Các phế phẩm như vỏ trấu, tre phế liệu, và đũa tre đã qua sử dụng cần được làm sạch, cắt nhỏ thành kích thước phù hợp (thường 1-2 cm) để tăng diện tích tiếp xúc. Nguyên liệu cần được sấy để giảm độ ẩm, giúp quá trình chứng cất diễn ra hiệu quả hơn.

2.2. Quá Trình Chứng Cất Trong Điều Kiện Yếm Khí

Quá trình chứng cất là bước cốt lõi trong sản xuất dấm gỗ. Nguyên liệu được đặt vào một hệ thống kín (thùng phuy 50L hoặc lò chứng cất) và gia nhiệt lên 300-400°C trong môi trường yếm khí. Ở nhiệt độ cao, các phản ứng hóa học chính diễn ra: phân hủy cellulose, hemicellulose và lignin. Các sản phẩm khí và lỏng tạo thành được dẫn qua hệ thống ống dẫn để ngưng tụ thành dấm gỗ thô.

2.3. Tinh Chế Dấm Gỗ

Dấm gỗ thô sau khi thu lại cần được tinh chế để loại bỏ các tạp chất và cải thiện chất lượng. Qua trình tinh chế có thể sử dụng phương pháp chứng cất lại hoặc lọc hoàn chỉnh. Dấm gỗ tinh khiết thu được có độ tinh sạch cao, nồng độ acid acetic cao hơn, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp yêu cầu chất lượng cao.

III. Ứng Dụng Của Dấm Gỗ Và Than Sinh Học

Dấm gỗ và than sinh học - những sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất - có nhiều ứng dụng quý giá trong nông nghiệp và công nghiệp. Dấm gỗ được sử dụng như một chất kích thích sinh trưởng cho cây trồng, giúp cải thiện khả năng nảy mầm, phát triển rễ và tăng năng suất. Với các tính chất của dấm gỗ bao gồm độ axit cao và chứa nhiều hợp chất hữu cơ, nó có thể được dùng để cải tạo đất, tăng độ肥đất và giảm độ axit của đất. Than sinh học (biochar) được tạo thành từ quá trình chứng cất có khả năng cải tạo đất xuất sắc, tăng khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng, cải thiện độ xốp của đất.

3.1. Ứng Dụng Trong Nông Nghiệp

Dấm gỗ là một chất bảo vệ thực vật tự nhiên, có khả năng kích thích khả năng đề kháng của cây với các bệnh hại. Nó được sử dụng để xử lý hạt giống, kích thích nảy mầm và phát triển rễ hiệu quả. Các thực nghiệm cho thấy dấm gỗ giúp cây rau có tỷ lệ sống cao hơn, phát triển nhanh hơn và có chất lượng tốt hơn. Than sinh học được sử dụng để cải tạo đất, tăng độ xốp, cải thiện cơ tính đất và tăng khả năng giữ chất dinh dưỡng.

3.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Trong lĩnh vực công nghiệp, dấm gỗ được sử dụng làm nguyên liệu hóa chất để sản xuất các sản phẩm khác như acid acetic, phenol, acetone. Nó cũng được dùng trong sản xuất dệt nhuộm, da, giấy và xơ dừa. Than sinh học được ứng dụng trong lọc nước, xử lý khí thải và sản xuất các sản phẩm công nghiệp khác nhờ khả năng hấp phụ tốt.

IV. Phân Tích Thành Phần Hóa Học Của Dấm Gỗ

Thành phần hóa học của dấm gỗ phụ thuộc vào loại nguyên liệu và điều kiện sản xuất. Theo kết quả phân tích từ các nghiên cứu, dấm gỗ sản xuất từ phế phẩm nông nghiệp chứa các acid hữu cơ chính như acid acetic (30-70%), acid formic, acid propionic và các hợp chất phenol. Dấm gỗ thô từ vỏ trấu, tre và bã mía có thành phần khác nhau, phản ánh sự đa dạng trong cơ cấu hóa học của các nguyên liệu. Dấm gỗ tinh khiết có nồng độ acid acetic cao hơn do quá trình tinh chế loại bỏ các tạp chất. Những chỉ tiêu chất lượng này quyết định giá trị sử dụng của dấm gỗ trong các ứng dụng khác nhau, từ nông nghiệp đến công nghiệp hóa chất.

4.1. Các Acid Hữu Cơ Chính

Dấm gỗ chứa nhiều acid hữu cơ quan trọng. Acid acetic là thành phần chính, chiếm 30-70% tùy thuộc vào loại nguyên liệu. Acid formic có nồng độ khoảng 10-15%, trong khi acid propionic và các acid khác chiếm một tỷ lệ nhỏ hơn. Những acid này có tác dụng kích thích sinh trưởng cây trồng, cải thiện hấp thụ chất dinh dưỡng và tăng khả năng chống bệnh tật.

4.2. Hợp Chất Phenol Và Các Tạp Chất

Ngoài các acid hữu cơ, dấm gỗ còn chứa các hợp chất phenol (0,5-2%) có tính kháng khuẩn mạnh. Dấm gỗ thô có nồng độ tạp chất cao hơn, bao gồm các chất ngoại lai, tar và các sản phẩm phân hủy bất hoàn toàn. Quá trình tinh chế dấm gỗ giúp loại bỏ những tạp chất này, nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1. Tổng quan về dấm gỗ 1. Dấm gỗ là gì? Ở nông thôn dùng bếp củi, ai cũng có thể vô tình bắt gặp hiện tượng hơi nóng cùng bọt màu cánh gián xì ra ở đầu còn lại của khúc củi tre hay củi cành cây đang cháy dở. Dễ thấy nhất là khi tre, củi còn tươi.

Thứ bọt xì ra từ khúc củi, tre. khi được gia nhiệt (đốt cháy) được các nhà khoa học Nhật Bản, Thái Lan gọi là hỗn hợp dấm gỗ. Như vậy, dấm gỗ còn gọi là pyroligneous acid, là một chất lỏng màu nâu được sản xuất từ quá trình chưng cất gỗ và các nguyên liệu thực vật khác trong điều kiện yếm khí. Dấm gỗ (axit pyroligneous) Quá trình nhiệt phân yếm khí bằng các kiểu lò không những thu được nhiên liệu than sinh học mà có thể lấy được sản phẩm đồng hành từ khói thải, ngưng tụ, chưng cất và tạo được chế phẩm dấm gỗ sinh học với nhiều thành phần acid hữu cơ bay hơi của nguyên liệu thực vật.

Trong dấm gỗ gồm nhiều hợp chất hữu cơ, trong đó khoảng 80 – 90% là nước. Trong 10 – 20% còn lại gồm rất nhiều thành phần khác là các loại athnol, ester, acid, phenol, aldehyde. Thành phần có nhiều nhất theo đúng như tên của dấm gỗ là acetic acid với khoảng 3 – 7%. Phenol cũng là thành phần chủ yếu của dấm gỗ và chiếm khoảng 2- 5% và khoảng 200 chất khác nhau.

Dấm gỗ có các thành phần ổn định bởi sự phân giải nhiệt các vật liệu carbon. Quy trình sản xuất dấm gỗ Trong công nghệ nhiệt phân yếm khí nguyên liệu để sản xuất than sinh học, bên cạnh thành phẩm chính là than sinh học, có thể thu được sản phẩm từ khí thải. Tiến hành ngưng tụ và chưng cất khí thải sẽ tạo ra một sản phẩm rất hữu ích, đó là dấm gỗ sinh học (pyroligneous acid). Để thu hoạch dấm gỗ cần có thiết bị kết nối với lò gia nhiệt gỗ trong điều kiện yếm khí, thu hồi khói và hơi nước, sau đó, hóa lỏng.

Sự kết hợp giữa hầm than sinh học (nano biochar hay biochar) với tận dụng thu dấm gỗ là hợp lý bởi khối lượng củi, trấu hoặc các nguyên liệu khác tham gia hóa nhiệt nhiều, khối lượng khói lớn suy ra khối lượng dấm gỗ lớn. Theo giải pháp sản xuất biochar, bất cứ phụ phẩm nông nghiệp nào cũng có thể làm ra than sinh học và dấm gỗ, mỗi loại nguyên liệu thu được khối lượng dấm ít nhiều mà thôi. Nếu không thu hồi từ các lò làm than sinh học khói sẽ được thải vào không trung vừa lãng phí vừa gây ô nhiễm môi trường. Dấm gỗ được thu từ sự phân giải nhiệt các vật liệu carbon nên nguyên liệu để hầm than và thu dấm gỗ ra phong phú, có thể là củi cây, củi cành, trấu, rơm, rạ, bã mía,… các loại thảo mộc, tre, mùn cưa,.

Cấu trúc lò hầm than sinh học khá đơn giản. Tùy điều kiện nguyên liệu mà thiết kế lò ủ than sinh học tận thu dấm gỗ sao cho phù hợp, từ kích cỡ nhỏ nhất đến rất lớn. Với hộ gia đình, nguyên liệu là rơm, rạ, bã mía,… các loại thảo mộc, cành củi nhỏ trộn lẫn (dễ cháy âm) lò đốt có thể là một chiếc thùng tol hình trụ hay thùng phuy cũ, có cửa mồi lửa ở đáy (mồi xong đóng nắp lại). Dạng lò nhỏ di động này còn có thể um lá cây, rơm rạ, thân cây bắp, khoai mì trong môi trường yếm khí ngoài đồng ruộng để lấy “tro tươi” làm phân bón than sinh học và tận thu dấm gỗ.

Với nguyên liệu là củi cây, củi cành, trấu khối lượng lớn, lò hầm than sinh học sẽ có quy mô lớn. Đối với những người dân ở nông thôn thì có thể tùy theo điều kiện sử dụng, chỗ để làm hầm và nguyên liệu thực tế mà thiết kế hầm cho phù hợp để đáp ứng cho mình sử dụng. Trong quá trình hầm than, củi, cành gỗ còn tươi cháy yếm khí (um) trong lò sẽ không có lửa, khói bốc lên mang theo hỗn hợp hơi thoát ra. Bằng cách hạ nhiệt có thể tách hợp chất nước và dấm gỗ ra khỏi khói thải, thu được hỗn hợp của dấm gỗ.

Sau một thời gian lắng đọng (khoảng 3 tháng), một phần hỗn hợp gồm dầu ở trên cùng, chất cặn bã hắc ín ở đáy được tách ra, còn phần giữa là cốt dấm gỗ. 15 Ngoài ra muốn thu dấm gỗ tinh khiết nhanh chúng ta còn có thể sử dụng hệ thống ống chưng cất nhưng thời gian dài và lượng dấm gỗ chưng cất ít hơn khi để dấm gỗ lắng động tự nhiên trong 3 tháng. Ngưng tụ khói từ quá trình nhiệt phân (hiếm khí) than sinh học Lắng tĩnh ở nhiệt độ phòng trong điều kiện thiếu ánh sáng sáng Loại bỏ lớp dầu mỏng ở trên bề mặt (dầu nhẹ) và hắc ín nặng lắng ở dưới Chất lỏng ở giữa có màu vàng nhạt hoặc nâu sẫm là cốt dấm gỗ Hình 1. Nguồn gốc của dấm gỗ 1.

Ứng dụng của dấm gỗ Những tác động tích cực khi ứng dụng giấm gỗ trong nông nghiệp: + Gia tăng sinh trưởng, sức đề kháng và cải thiện chất lượng cây trồng. + Giúp kiểm soát côn trùng độc hại và một số loại bệnh cây trồng. + Làm ức chế cỏ dại mọc và giảm thiểu các mầm bệnh tồn tại trong đất. + Giúp hệ rễ của cây phát triển mạnh.

+ Giúp ủ phân chuồng mau và giảm thiểu các mùi khó chịu. + Gia tăng số lượng vi sinh vật có lợi (EM) trong đất. + Gia tăng hương vị của nông sản. + Tăng năng suất cây trồng.

+ Bảo vệ hệ thực vật. Ngoài ra, dấm gỗ còn được nghiên cứu, sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như làm sạch môi trường (khử mùi hôi rác thải), vệ sinh chuồng trại, khử mùi trong chăn nuôi, có thể ứng dụng một phần trong bảo quản thực phẩm, bảo vệ sức khỏe răng miệng, cân bằng cholesterol, làm sạch vết thương, vết loét do tiểu đường,. Tổng quan về một số phế phẩm nông nghiệp 1. Trấu Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát.

Vỏ trấu gồm 2 lá của gié lúa, là vảy lá và mảy hoa tạo thành. Cả hai phần này được ghép liền với nhau theo nếp dọc bằng một nếp gấp cài vào nhau. Cấu tạo vỏ trấu Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Các chất hữu cơ có trong trấu là các mạch polycacbohidrate rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại chứa hàm lượng cacbon tương đối nên có thể dùng làm nguyên liệu sản xuất than sinh học.

Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic dioxide, đây là thành phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Thành phần hợp chất hữu cơ trong trấu. Thành phần hữu cơ Tỷ lệ theo khối lượng (%) Cellulose 35 – 40 Lignin 25 – 30 Hemi – Cellulose 20 – 30 Nitrogen và chất vô cơ 10 khác 17 Bảng 1. Thành phần hóa học của trấu.

Thành phần hóa học Tỷ lệ theo khối lượng (%) Carbon 41,44 Hydrogen 4,94 Oxygen 37,32 Nitrogen 0,57 Tro 15,73 Vỏ trấu sau khi cháy các thành phần hữu cơ sẽ chuyển hóa thành tro chứa các thành phần oxit kim loại. Trấu có thể được ứng dụng rất đa dạng trong đời sống của con người Việt Nam. Trấu có ưu thế rất lớn về nguồn nguyên liệu và giá thành nên việc nghiên cứu sử dụng trấu vào sản xuất luôn mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm chi phí. Thực tế hiện nay ở nhiều tỉnh duyên hải miền Trung, lượng trấu rất dồi dào nhưng không được ứng dụng rộng, phần lớn lượng trấu để phân hủy tự nhiên.

Vì vậy, cần tăng cường việc nghiên cứu ứng dụng nguồn nguyên liệu tại chỗ này vừa giải quyết được vấn đề môi trường, vừa tạo được nguồn thu nhập cho người nông dân. * Các ứng dụng của vỏ trấu hiện nay + Sử dụng làm chất đốt. + Trấu và các phế phẩm khác có thể làm pin sạc. + Trấu làm vật liệu xây dựng nhẹ không nung.

+ Trấu còn có thể làm nguyên liệu xây dựng sạch. + Trấu làm sản phẩm mỹ nghệ. + Dùng trấu để chế tạo than hoạt tính. + Trấu dùng để làm thức ăn chăn nuôi.

+ Trấu dùng để sản xuất mỹ phẩm sạch. + Trấu dùng để làm thức ăn chăn nuôi. + Trấu dùng để sản xuất thực phẩm. + Trấu dùng để xử lý nước thải.

Tre và đũa tre Tre là một nhóm thực vật thân xanh đa niên thân gỗ, rễ chùm, bên trong rỗng, phân thành nhiều đốt, trên thân tre có các mấu mắt. Tre rất dễ sống, không cần quá nhiều 18 điều kiện. Tre thường mọc thành từng quần thể chứ không mọc thành các cá thể riêng biệt.4: Cây tre Thân tre chủ yếu do các thành phần xenluloza, lignin, hemizenluloz, đường, tinh bột, keo sáp mỡ và protein, ngoài ra còn có các nguyên tố P, K, Si,.3: Thành phần hợp chất hữu cơ trong thân tre Thành phần hữu cơ Tỷ lệ theo khối lượng (%) Cellulose 40-60 Lignin 16 – 34 Hemi – Cellulose 14-25 Đường 2 lipid 2-5 protein 1,5-6 tinh bột 2-6 Chất khoáng (P, K, Si, Ca, Mg, Fe, S) 1,0-3,38 Tre được sử dụng làm các đồ vật gia dụng, nhà, (cột, kèo), làm đũa, làm máng nước, làm rổ rá, vật dụng nông nghiệp (gầu, cán cuốc, cán xẻng). Tre non làm thức ăn (măng).

Tre khô kể cả rễ làm củi đun,. Tại Quảng Ngãi, có nhiều cơ sở làm đũa và cơ sở đan lát các vật dụng từ tre. Nên nguồn tre phế phẩm trên địa bàn tương đối lớn. Đặc biệt là cụm công nghiệp làng nghề xã Tịnh Ấn Tây, nguồn phế phẩm từ cơ sở làm đũa tre rất lớn.

Tuy nhiên, lượng phế phẩm này chưa được sử dụng đúng cách và thậm chí gây ô nhiễm môi trường, lãng phí tài nguyên thiên nhiên.5: Tre phế thải của các cơ sở sản xuất đũa tre ở khu công nghiệp Tịnh Ấn Tây Bên cạnh đó, lượng đũa tre chỉ sử dụng được một lần tại các quán ăn, nhà hàng vứt ra tại các điểm thu gom rác trên toàn tỉnh rất lớn, gây ô nhiễm môi trường. Do đó, việc tận dụng đũa phế thải, tre vụn vừa giải quyết ô nhiễm môi trường vừa nghiên cứu ứng dụng vào các mục đích có lợi là hướng đi hợp lý và tạo ra sản phẩm vừa an toàn và hạn chế ô nhiễm môi trường. Đũa tre sử dụng 1 lần 1. Mía và bã mía Mía là tên gọi chung của một số loài trong loại Saccharum, bên cạnh các loài lau, lách khác.