Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp với sản lượng phụ phẩm nông nghiệp lớn hàng năm, trong đó có phụ phẩm từ đậu nành như bã đậu nành (okara) – sản phẩm phụ chính của quá trình sản xuất sữa đậu nành và đậu phụ. Theo báo cáo của ngành, chỉ riêng hai nhà máy Vinasoy tại Quảng Ngãi và Bắc Ninh đã thải ra hơn 20 nghìn tấn okara mỗi năm. Okara chứa nhiều dưỡng chất như photpho, protein, glucid, chất béo và chất xơ, tuy nhiên dễ bị phân hủy nhanh chóng, gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách.

Nghiên cứu tập trung vào công nghệ cacbon hóa thủy nhiệt (HTC) để xử lý okara nhằm mục tiêu: (1) tối ưu hóa quá trình chiết xuất dưỡng chất như photpho và nitơ amoni từ okara; (2) đánh giá khả năng thu hồi axit humic và dưỡng chất từ dung dịch sau quá trình HTC; (3) khảo sát ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất đến tính chất nhiên liệu của hydrochar thu được. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam, sử dụng okara thu thập từ các cơ sở sản xuất sữa đậu nành truyền thống, với các điều kiện thí nghiệm HTC trong khoảng nhiệt độ 170-200°C, thời gian 4-8 giờ.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu lượng chất thải nông nghiệp, đồng thời tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế như nhiên liệu sinh học và phân bón hữu cơ, góp phần phát triển bền vững ngành công nghiệp chế biến đậu nành và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cacbon hóa thủy nhiệt (HTC) là quá trình nhiệt hóa biomass ẩm trong môi trường nước ở nhiệt độ 180-260°C và áp suất 2-6 MPa, tạo ra sản phẩm hydrochar giàu cacbon, dung dịch giàu dưỡng chất và khí CO2. HTC giúp chuyển đổi các hợp chất hữu cơ phức tạp thành dạng dễ hấp thu, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Hai lý thuyết chính được áp dụng trong nghiên cứu gồm: (1) cơ chế phản ứng hóa học trong HTC như khử nước, khử cacbonyl và polymer hóa; (2) quá trình thu hồi dưỡng chất qua phản ứng kết tủa với các ion kim loại (Fe3+) để thu hồi axit humic và photpho dưới dạng chất rắn, đồng thời thu hồi nitơ amoni dưới dạng dung dịch (NH4)2SO4. Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: hydrochar, axit humic (HA), photpho tổng (TP), photpho ortho (PO43-), nitơ amoni (NH4+), giá trị nhiệt cao hơn (HHV), và phân tích sơ bộ và cuối cùng của nhiên liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là okara thu thập từ các hộ sản xuất sữa đậu nành truyền thống tại Việt Nam. Mẫu okara được xử lý bằng phương pháp HTC trong lò phản ứng kín với tỷ lệ chất rắn/lỏng 1:6, sử dụng các dung dịch axit sulfuric với nồng độ thay đổi (0.1-0.5 M), nhiệt độ từ 170 đến 200°C, thời gian từ 4 đến 8 giờ. Sau quá trình, dung dịch và hydrochar được tách bằng lọc chân không.

Phương pháp phân tích bao gồm: đo nồng độ photpho tổng, photpho ortho và nitơ amoni trong dung dịch theo tiêu chuẩn TCVN; thu hồi axit humic và photpho bằng phản ứng kết tủa với FeCl3; phân tích tính chất nhiên liệu của hydrochar qua các chỉ số HHV, hàm lượng tro, chất bay hơi và cacbon cố định theo tiêu chuẩn ASTM. Cỡ mẫu thí nghiệm được thực hiện ba lần để đảm bảo độ tin cậy, dữ liệu được xử lý thống kê bằng phần mềm Excel.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của loại axit đến chiết xuất dưỡng chất: Axit sulfuric (H2SO4) với nồng độ 0.3 M cho hiệu quả chiết xuất photpho tổng (TP) và photpho ortho (PO43-) cao nhất, lần lượt đạt khoảng 0.6 mg/g và 1.07 mg/g trong dung dịch HTC, cao hơn đáng kể so với nước cất và các axit khác. Nitơ amoni (NH4+) cũng được chiết xuất nhiều nhất với H2SO4, đạt 4.0 mg/g.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ HTC: Nhiệt độ 170°C là tối ưu cho chiết xuất photpho (TP và PO43-), với nồng độ photpho đạt 0.6 mg/g, trong khi nhiệt độ cao hơn (200°C) làm giảm hiệu quả chiết xuất photpho do sự hấp phụ photpho vào hydrochar. Ngược lại, nồng độ NH4+ tăng theo nhiệt độ, đạt cao nhất 5.0 mg/g ở 200°C.

  3. Ảnh hưởng của thời gian HTC: Thời gian 6 giờ là đủ để đạt hiệu quả chiết xuất photpho tối đa, trong khi nitơ amoni tiếp tục tăng nhẹ đến 8 giờ, đạt 3.5 mg/g. Sự khác biệt giữa 6 và 8 giờ không lớn đối với photpho nhưng rõ rệt hơn với nitơ amoni.

  4. Khả năng thu hồi axit humic và dưỡng chất: Sử dụng FeCl3 để kết tủa axit humic và photpho từ dung dịch HTC đạt tỷ lệ thu hồi axit humic lên đến 70% và photpho gần 100%. Nitơ amoni được thu hồi dưới dạng dung dịch (NH4)2SO4, tạo ra sản phẩm phân bón hữu cơ có giá trị.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng axit sulfuric trong quá trình HTC giúp tăng cường hiệu quả chiết xuất photpho và nitơ amoni từ okara, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về xử lý phụ phẩm nông nghiệp và chất thải sinh học. Nhiệt độ và thời gian là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phân bố dưỡng chất giữa pha rắn và lỏng, trong đó nhiệt độ thấp hơn ưu tiên cho photpho, còn nhiệt độ cao hơn thúc đẩy sự chuyển hóa nitơ hữu cơ thành NH4+.

Việc thu hồi axit humic và photpho bằng phản ứng kết tủa với Fe3+ không chỉ giảm tải ô nhiễm cho môi trường mà còn tạo ra sản phẩm có thể sử dụng làm phân bón hữu cơ, góp phần vào nền nông nghiệp bền vững. Hydrochar thu được có giá trị năng lượng cao với HHV khoảng 16-20 MJ/kg, hàm lượng tro thấp, phù hợp làm nhiên liệu sinh học thay thế nhiên liệu hóa thạch.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của các yếu tố (axit, nhiệt độ, thời gian) đến nồng độ TP, PO43-, NH4+ trong dung dịch HTC, cũng như bảng so sánh tính chất nhiên liệu của hydrochar với các loại nhiên liệu truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ HTC với axit sulfuric 0.3 M ở 170-200°C trong 6-8 giờ để tối ưu hóa chiết xuất và thu hồi dưỡng chất từ okara, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế.

  2. Phát triển quy trình thu hồi axit humic và photpho bằng FeCl3 để sản xuất phân bón hữu cơ, góp phần nâng cao chất lượng đất và giảm phụ thuộc vào phân bón hóa học, thực hiện trong vòng 1-2 năm tại các cơ sở chế biến đậu nành.

  3. Khuyến khích sử dụng hydrochar làm nhiên liệu sinh học trong các nhà máy nhiệt điện hoặc sản xuất nhiệt công nghiệp, giảm phát thải khí nhà kính, với kế hoạch triển khai thử nghiệm trong 3 năm tới.

  4. Xây dựng mô hình quản lý chất thải okara tích hợp HTC kết hợp thu hồi dưỡng chất và sản xuất nhiên liệu, nhằm tăng hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường, phối hợp giữa doanh nghiệp và cơ quan quản lý địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường, công nghệ sinh học: Nghiên cứu sâu về công nghệ HTC, xử lý chất thải nông nghiệp và thu hồi dưỡng chất.

  2. Doanh nghiệp chế biến đậu nành và thực phẩm: Áp dụng công nghệ xử lý phụ phẩm okara, giảm chi phí xử lý chất thải và tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Xây dựng chính sách, quy định về xử lý chất thải nông nghiệp và phát triển phân bón hữu cơ từ phụ phẩm.

  4. Nhà sản xuất và nghiên cứu nhiên liệu sinh học: Khai thác hydrochar từ phụ phẩm nông nghiệp làm nguồn nhiên liệu thay thế, giảm phát thải và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. HTC là gì và tại sao được chọn để xử lý okara?
    HTC là quá trình nhiệt hóa biomass ẩm trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao, giúp chuyển hóa okara thành hydrochar và dung dịch giàu dưỡng chất. Phương pháp này hiệu quả với nguyên liệu ẩm, giảm chi phí sấy khô và tạo ra sản phẩm có giá trị năng lượng và phân bón.

  2. Điều kiện tối ưu để chiết xuất photpho và nitơ từ okara là gì?
    Nghiên cứu cho thấy sử dụng axit sulfuric 0.3 M, nhiệt độ 170°C trong 6 giờ tối ưu cho photpho, còn nitơ amoni đạt cao nhất ở 200°C trong 8 giờ. Điều kiện này cân bằng hiệu quả chiết xuất và tiết kiệm năng lượng.

  3. Làm thế nào để thu hồi axit humic và photpho từ dung dịch HTC?
    Sử dụng phản ứng kết tủa với FeCl3 giúp thu hồi axit humic và photpho dưới dạng chất rắn, đồng thời nitơ amoni được thu hồi dưới dạng dung dịch (NH4)2SO4, tạo ra sản phẩm phân bón hữu cơ.

  4. Hydrochar thu được có thể sử dụng làm gì?
    Hydrochar có giá trị nhiệt cao (16-20 MJ/kg), hàm lượng tro thấp, phù hợp làm nhiên liệu sinh học thay thế than đá hoặc nhiên liệu hóa thạch trong các nhà máy nhiệt điện hoặc sản xuất nhiệt công nghiệp.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng rộng rãi ở Việt Nam không?
    Với nguồn nguyên liệu okara dồi dào và công nghệ HTC phù hợp, nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành chế biến đậu nành và xử lý chất thải nông nghiệp, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn và bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được điều kiện tối ưu cho quá trình chiết xuất photpho và nitơ amoni từ okara bằng công nghệ HTC sử dụng axit sulfuric 0.3 M, nhiệt độ 170-200°C, thời gian 6-8 giờ.
  • Phương pháp thu hồi axit humic và photpho bằng FeCl3 hiệu quả, tạo ra sản phẩm phân bón hữu cơ có giá trị.
  • Hydrochar thu được có tính chất nhiên liệu tốt, có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất năng lượng.
  • Kết quả góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phụ phẩm nông nghiệp, đồng thời tạo ra giá trị kinh tế mới cho ngành chế biến đậu nành.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ HTC và thu hồi dưỡng chất trong vòng 1-3 năm tới, phối hợp giữa doanh nghiệp, viện nghiên cứu và cơ quan quản lý.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này để phát triển bền vững ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm tại Việt Nam.