Luận văn thạc sĩ hydrothermal carbonization of soybean milk residue okara nutrient extraction and hydrochar fuel properties

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu quá trình carbon hóa thủy nhiệt bã đậu nành okara, chiết xuất dinh dưỡng và đặc tính nhiên liệu của hydrochar.

• Tác giả: Cao Thi Thuy Giang
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Thi An Hang
• Trường học: Vietnam National University, Hanoi Vietnam Japan University
• Chuyên ngành: Environmental Engineering
• Đề tài: Hydrothermal Carbonization Of Soybean Milk Residue (Okara): Nutrient Extraction And Hydrochar Fuel Properties
• Loại tài liệu: Master's thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENTS
• TABLE OF CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: FUNDAMENTALS AND ADVANTAGES OF HTC
• 1.1. Fundamentals and advantages of HTC
• 1.2. Process parameters of HTC
• 1.3. Application of HTC
• 2. CHAPTER 2: MATERIALS AND METHODS
• 2.1. Soybean milk residue (okara)
• 2.2. HTC of okara
• 2.3. Axit humics and nutrient recovery from HTC process water
• 2.4. Analytical methods and equipment
• 2.5. Statistical data analysis
• 3. CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSION
• 3.1. Extraction of nutrients from okara using HTC
• 3.1.1. Extraction of total phosphorus (TP)
• 3.1.2. Extraction of phosphate (PO43-)
• 3.1.3. Extraction of nitrogen as ammonium (NH4+)
• 3.2. Nutrient and acid humic (HA) recovered from HTC process water
• 3.2.1. Potential of nutrients and humic substances in HTC process water
• 3.2.2. Recovery of axit humics and nutrients from HTC process water
• 3.2.3. Recovery of nutrients from HTC process water
• 3.3. Fuel properties of okara derived hydrochar
• 4. CHAPTER 4: CONCLUSION AND RECOMMENDATION
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS
• INTRODUCTION

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Luận Văn Thạc Sĩ

Luận văn thạc sĩ với chủ đề 'Hydrothermal Carbonization Từ Bã Đậu Nành Okara - Chiết Xuất Dinh Dưỡng Và Tính Chất Nhiên Liệu Hydrochar' tập trung vào việc nghiên cứu quá trình hydrothermal carbonization (HTC) từ bã đậu nành okara. Mục tiêu chính là chiết xuất các chất dinh dưỡng và đánh giá tính chất nhiên liệu của hydrochar. Bã đậu nành okara là một phụ phẩm nông nghiệp giàu dinh dưỡng nhưng dễ phân hủy, gây ô nhiễm môi trường. Việc áp dụng HTC không chỉ giúp xử lý chất thải mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị như hydrochar và chất dinh dưỡng phục vụ nông nghiệp.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu

Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp với sản lượng đậu nành lớn, dẫn đến lượng bã đậu nành okara thải ra hàng năm rất cao. Okara chứa nhiều chất dinh dưỡng như phốt pho, protein, và chất xơ, nhưng dễ phân hủy và gây ô nhiễm. Việc xử lý okara thông qua HTC không chỉ giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra các sản phẩm có ích như hydrochar và chất dinh dưỡng phục vụ nông nghiệp.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm mục tiêu: (1) Chiết xuất chất dinh dưỡng từ okara bằng HTC, (2) Đánh giá tiềm năng thu hồi tài nguyên từ nước thải HTC, và (3) Khảo sát tính chất nhiên liệu của hydrochar. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chiết xuất như nhiệt độ, thời gian, và nồng độ dung môi được nghiên cứu kỹ lưỡng.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp hydrothermal carbonization (HTC) để xử lý bã đậu nành okara. Quá trình HTC được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ từ 180-260°C, áp suất 2-6 MPa, và thời gian từ 5 phút đến 12 giờ. Các chất dinh dưỡng như phốt pho, nitơ, và axit humic được chiết xuất từ nước thải HTC. Tính chất nhiên liệu của hydrochar được đánh giá thông qua các chỉ số như HHV (Higher Heating Value), hàm lượng tro, và chất bay hơi.

2.1. Quy trình HTC

Quá trình HTC được thực hiện trong lò phản ứng kín với các điều kiện nhiệt độ, áp suất, và thời gian được kiểm soát chặt chẽ. Bã đậu nành okara được xử lý để tạo ra hydrochar và nước thải giàu chất dinh dưỡng. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, và nồng độ dung môi được điều chỉnh để tối ưu hóa quá trình chiết xuất.

2.2. Phân tích và đánh giá

Các phương pháp phân tích bao gồm đo lường hàm lượng phốt pho, nitơ, và axit humic trong nước thải HTC. Tính chất nhiên liệu của hydrochar được đánh giá thông qua các chỉ số như HHV, hàm lượng tro, và chất bay hơi. Các kết quả được so sánh với các loại nhiên liệu truyền thống để đánh giá tiềm năng ứng dụng.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy quá trình HTC hiệu quả trong việc chiết xuất các chất dinh dưỡng từ bã đậu nành okara. Phốt pho và nitơ được thu hồi với hiệu suất cao trong điều kiện tối ưu. Hydrochar có tính chất nhiên liệu tốt với HHV cao, hàm lượng tro thấp, và chất bay hơi phù hợp. Nước thải HTC chứa nhiều chất dinh dưỡng và axit humic, có tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp.

3.1. Chiết xuất chất dinh dưỡng

Kết quả cho thấy quá trình HTC hiệu quả trong việc chiết xuất phốt pho và nitơ từ bã đậu nành okara. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, và nồng độ dung môi ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chiết xuất. Điều kiện tối ưu được xác định để đạt hiệu suất cao nhất.

3.2. Tính chất nhiên liệu của hydrochar

Hydrochar có tính chất nhiên liệu tốt với HHV cao, hàm lượng tro thấp, và chất bay hơi phù hợp. So sánh với các loại nhiên liệu truyền thống, hydrochar có tiềm năng ứng dụng cao trong sản xuất năng lượng và cải tạo đất.

IV. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của quá trình hydrothermal carbonization (HTC) trong việc xử lý bã đậu nành okara và thu hồi các chất dinh dưỡng. Hydrochar có tính chất nhiên liệu tốt và tiềm năng ứng dụng cao. Tuy nhiên, cần thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình và mở rộng ứng dụng trong thực tế.

4.1. Kết luận

Nghiên cứu đã thành công trong việc chiết xuất chất dinh dưỡng từ bã đậu nành okara và đánh giá tính chất nhiên liệu của hydrochar. HTC là phương pháp hiệu quả để xử lý chất thải nông nghiệp và tạo ra các sản phẩm có giá trị.

4.2. Khuyến nghị

Cần thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình HTC và mở rộng ứng dụng trong thực tế. Việc kết hợp HTC với các công nghệ khác có thể nâng cao hiệu quả xử lý và tạo ra các sản phẩm có giá trị cao hơn.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY CAO THI THUY GIANG HYDROTHERMAL CARBONIZATION OF SOYBEAN MILK RESIDUE (OKARA): NUTRIENT EXTRACTION AND HYDROCHAR FUEL PROPERTIES MASTER'S THESIS VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY CAO THI THUY GIANG HYDROTHERMAL CARBONIZATION OF SOYBEAN MILK RESIDUE (OKARA): NUTRIENT EXTRACTION AND HYDROCHAR FUEL PROPERTIES MAJOR: ENVIRONMENTAL ENGINEERING CODE: 8520320.01 RESEARCH SUPERVISORS: Dr. NGUYEN THI AN HANG Dr. NGUYEN VIET HOAI Hanoi, 2021 ACKNOWLEDGMENTS After a period of conducting research, I have also completed the content of the thesis “Hydrothermal carbonization of soybean milk residue (okara): nutrient extraction and hydrochar fuel properties". The thesis was completed not only by the author's own efforts but also with the helps and active supports of many individuals and groups.

First of all, I would like to express my sincere and deep thanks to my Principal Supervisor Dr. Nguyen Thi An Hang, who directly guided my thesis. She gave me a lot of time and energy as well as many valuable ideas, corrected my thesis with specific comments. Additionally, she always cared, encouraged and reminded me in a timely manner, thereby I could complete the thesis on schedule.

A special thank also goes to my Co-Supervisor Dr. Nguyen Viet Hoai, for his valuable comments, concern, encouragment, and dedicated guidance for analysis of some hydrochar. The second, I am also very grateful to Ms. Nguyen Thi Xuyen, the assistant to Dr.

Nguyen Thi An Hang’s project, for supporting my experiment set-up and environmental parameters analysis. In addition, I would like to thank the professors, officers and staffs of the Master’s Program in Environmental Engineering, Vietnam Japan University, Vietnam National University, Hanoi, who have wholeheartedly taught and helped me in my years in graduate school. Last but not least, I would also like to express my sincere thanks to my family, friends, and fellow masters of the Master’s Program in Environmental Engineering – Batch 4 for always encouraging, caring and helping me during my study and process thesis execution. I acknowledge VJU’s JICA research fund (2021-2023 Principle investigator Dr.

Nguyen Thi An Hang) for financially supporting my thesis research. Ha Noi, June 2021- Cao Thi Thuy Giang TABLE OF CONTENTS LIST OF TABLES. i LIST OF FIGURES .ii LIST OF ABBREVIATIONS. Fundamentals and advantages of HTC.

Process parameters of HTC. Application of HTC. Nutrient extraction and recovery from agro-byproducts using HTC. Factors influencing nutrient extraction by HTC.

Potential of axit humics (HA) and nutrient recovery from HTC water process. Fuel properties of agro-byproducts derived hydrochars .1 Evaluation of fuel properties of hydrochars. Factors influencing the fuel properties of hydrochars. Comparison between agro-byproducts derived hydrochars and other conventional fuels.

Soybean milk residue (okara) as an agricultural by-product. MATERIALS AND METHODS. Soybean milk residue (okara). HTC of okara.

Axit humics and nutrient recovery from HTC process water. Analytical methods and equipment. Statistical data analysis. RESULTS AND DISCUSSION.

Extraction of nutrients from okara using HTC. Extraction of total phosphorus (TP). Extraction of phosphate (PO43-). Extraction of nitrogen as amonium (NH4+).

Nutrient and acid humic (HA) recovered from HTC process water. Potential of nutrients and humic substances in HTC process water. Recovery of axit humics and nutrients from HTC process water. Recovery of nutrients from HTC process water.

Fuel properties of okara derived hydrochar. 46 CHAPTER 4: CONCLUSION AND RECOMMENDATION. 59 LIST OF TABLES Table 1. Evaluations of the state of different approaches for applications of HTC products.

Table of HHV values of hydrochar from different materials. Table of ash content values of hydrochar from different materials. Table of Fixed C values of hydrochar from different materials. Methods for examination of parameters.

Values of some indicators of precipitation when changing the concentration of Fe. Values of precipitation at the optimal P extraction conditions. Values of precipitation at the optimal N extraction conditions. The value of ultimate analysis of hydrochar.

The value of proximate analysis of hydrochar. Comparison table of HHV values of hydrochar from different materials. 49 i LIST OF FIGURES Figure 1. Okara as a by-product of the tofu and soymilk production processes.

Image of fresh soybean by-product (okara). Tofu business household. Soybean milk residue (okara) raw. Soybean milk residue (okara) after preparation process.

Vacuum filtration apparatus. Hydrochar after drying until unchanged weight. Images of apparatus used in this study. Effect of the solvent categories.

Effect of the solvent concentration. Effect of the HTC temperature. Effect of the HTC time. Effect of the solvent categories.

Effect of the solvent concentration. Effect of the HTC temperature. Effect of HTC time. Effect of the solvent categories.

Effect of the solvent concentration. Effect of the HTC temperature. Effect of the HTC time. Concentrations of PO43- and NH4+ in the HTC process water.

Precipitation from recovery humic acid and phosphorus process. The concentration of N in the solution in the condensate when change the condition of experiments. The images of ultimate analysis of hydrochar. 47 ii LIST OF ABBREVIATIONS BET: Brunauer–Emmett–Teller COD: Chemical oxygen demand FC: Fixed carbon HA: Humic acid HHV: Higher heating value HTC: Hydrothermal carbonization N: Nitrogen P: Phosphorous TCVN: Vietnam standard TN: Total nitrogen TP: Total phosphorous VM: Volatile matter iii INTRODUCTION In the food processing, besides the process of creating quality products, the recovery of waste by-products is very necessary.

Besides being meaningful in terms of environmental protection, the treatment of waste by-products will bring economic benefits to businesses. One of the by-products of the food industry is soybean milk residues (okara). Okara is the main by-product obtained after processing soybeans into soy milk. Our country has favorable natural conditions and farmers' agricultural experience, so the planted area and soybean yield are quite high over the years.

According to the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), by 2009, soybean area increased to 98.8 million hectares, production reached 222.3 million tons, yield 22.49 quintals/ha, most concentrated in America (76.0%), followed by Asia (20. In Vietnam, the General Statistics Office of Vietnam and the Ministry of Agriculture and Rural Development reported that in 2014, the soybean growing area reached 120 thousand hectares with the total output was 176. Along with the growing area and production of soybeans, the amount of soybean residue obtained in soy milk production is also expected to increase. Currently, a large amount of soybeans is used to produce soy milk.

In our country, there are big soy milk brands such as Vinasoy, Vinamilk, Tribeco. With a capacity of 120 million liters per year at Vinasoy factory (Quang Ngai) and 90 million liters per year at Vinasoy factory (Bac Ninh), experts say: Vinasoy is leading the production capacity of dairy products. The total amount of soybean residue (okara) discharged annually in two factories of Vinasoy alone can reach more than 20 thousand tons/year. Okara contains a large amount of nutrients (phosphorus), protein, glucide, fat and fiber.

However, okara does not last long at room temperature (less than 2 days) and even under refrigeration due to easy decomposition. This can cause odors and pollute the environment. Therefore, handling okara is very necessary. On the one hand, this treatment will help reduce solid waste into the environment.

On the other hand, it contributes to the creation of useful materials (biochar, soil improvement nutrients, etc). 1 In addition, the treatment of soybean milk residues also helps bring economic benefits to enterprises. Hydrothermal carbonization (HTC) is a developing but promising innovation for the treatment of waste biomass as well as agricultural residues with high moisture (Burguete et al., 2016; He et al., 2015; Yao et al. The HTC is efficient in nitrogen (N) recovery through change of organic-N into ammonium-N (He et al., 2015; Huang et al., 2016), at the same time it make possible the conversion of organic-P into inorganic-P, it is efficient in P recovery when HTC condition is acidic (Dai et al.

Okara is a by-product from soybean, which is a nutritious agricultural product. Therefore, the potential to recover nutrients from okara is very large. In order for the nutrient recovery process to achieve maximum efficiency, it is necessary to study to find the optimal extraction conditions. To achieve that, it is necessary to investigate the factors affecting the extraction process by testing the nutrient recovery method.

In addition, besides liquid phase, HTC also generates the solid product known as hydrochar, so its energy potential needs to be assessed. 2 Research objectives and scope This study has three main objectives as follows: (1) Extract nutrients from okara using HTC  Optimization of HTC process by studying effects of the addition of acids, solvent concentration, HTC temperature, HTC time (2) Evaluate the potential of resource recovery (HA and nutrients) from HTC process solution  Investigation of the potential of recovery of acid humics, PO43- and NH4+ from HTC process water: Recovery of HA and P as solid, N as solution (NH4)2SO4 (3) Investigate the effect of extraction conditions on fuel properties of char  Evaluation the effects of extraction conditions fuel properties of HTC char by measuring HHV values, ash content, volatile matter. Research significance Vietnam is an agricultural country, where a huge amount of agricultural by- products is generated annually. In which, to mention bean residues, agricultural by- products obtained from the production of tofu and soy milk.

Thus, recycling of agro waste as a source of nutrients has dual environmental benefits, such as (i) reducing solid waste into the environment, (ii) producing useful materials (soil amendments, fertilizers, environmental materials, etc.) and create additional economic value for the business. 3 Thesis’s outline This thesis contains of 4 chapters. The main content of each chapter is presented as follows: Introduction provides the research background, identifies research objectives, research scope, main tasks, and research significance. Chapter 1: Literature review provides information about Hydrothermal Carbonization (HTC), its advantages and application on many fields.

factors which effect on the nutrient and humic acid extraction. The focus is placed on the nutrient and humic acid extraction from HTC water process and fuels properties of hydrochar. Chapter 2: Research materials and methodology describes the materials, equipment, and methods used in this study. Experiment setting-up is described in detail.

The analytical methods as well as instruments are also introduced. Chapter 3: Result and discussion provides results on the optimal condition of total phosphorus, ortho phosphate and ammonium nitrogen extraction from HTC water process. Results of humic acid and nutrients recovery. Furthermore, in this chapter, results about fuel properties of hydrochar is also discussed.

Chapter 4: Conclusion and recommendation summaries the main findings, limitations of this research and further research directions. Fundamentals and advantages of HTC Hydrothermal carbonization (HTC) is a thermochemical process for the pretreatment of high moisture content biomass with hot compressed water and making it applicable for diversified purposes. It takes 5 minutes to 12 hours in a closed reactor at temperatures ranging from 180 to 260 °C under pressure (2–6 MPa) condition. HTC has been used to solve practical problems and produce desirable carbonaceous products using a wide variety of derived waste from sewage sludge, algae to municipal solid waste, in addition to lignocellulose biomass as a renewable feedstock.

Until now, hydrothermal processing of macro-algae research has primarily centered on hydrothermal liquefaction to produce oils and supercritical water gasification to produce syngas (Torres et al. Hydrothermal carbonization produces a coal-like substance called hydrochar as well as aqueous (nutrient-rich) and gas phases (primarily CO2) as byproducts (Fiori et al. This solid product has a higher energy density and can be used to generate energy or disposed of as fertilizer for soil nourishment. Meanwhile the HTC water process from some material such as agro- waste can be used to recovery nutrients because of high nutrients content in agro-waste.