Luận án tiến sĩ: Khả năng khí hóa than nhờ hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu khả năng khí hóa than bằng hệ vi sinh vật từ bể than Sông Hồng, mở ra hướng ứng dụng công nghệ sinh học trong ngành năng lượng.

• Tác giả: Hoàng Lan
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Lan Hương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Khí Hóa Than Bằng Vi Sinh Vật Từ Bể Than Sông Hồng
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khí hóa than và vi sinh vật

Khí hóa than là quá trình chuyển hóa than thành khí methane thông qua sự hỗ trợ của vi sinh vật. Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác tiềm năng của bể than Sông Hồng, một trong những nguồn tài nguyên than lớn nhất Việt Nam. Quá trình này không chỉ giúp tận dụng nguồn than dồi dào mà còn giảm thiểu tác động môi trường so với phương pháp khai thác truyền thống. Công nghệ sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình khí hóa, đặc biệt là trong việc nghiên cứu và ứng dụng các hệ vi sinh vật bản địa.

1.1. Cơ chế khí hóa than

Quá trình khí hóa than diễn ra thông qua sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong than bởi vi sinh vật. Các vi sinh vật này chuyển hóa than thành khí methane và các sản phẩm phụ khác. Nghiên cứu chỉ ra rằng, hiệu suất của quá trình này phụ thuộc vào đặc tính của than và sự đa dạng của quần xã vi sinh vật. Bể than Sông Hồng với trữ lượng lớn và điều kiện địa chất đặc thù là đối tượng lý tưởng để áp dụng công nghệ này.

1.2. Vai trò của vi sinh vật

Vi sinh vật đóng vai trò trung tâm trong quá trình khí hóa than. Chúng tham gia vào việc phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp trong than thành các phân tử đơn giản hơn, cuối cùng tạo ra khí methane. Nghiên cứu đã xác định được sự hiện diện của nhiều loại vi khuẩn và cổ khuẩn trong bể than Sông Hồng, đặc biệt là các loài có khả năng sinh methane. Điều này mở ra tiềm năng lớn cho việc ứng dụng công nghệ sinh học trong khai thác năng lượng từ than.

II. Bể than Sông Hồng và tiềm năng khí hóa

Bể than Sông Hồng là một trong những nguồn tài nguyên than lớn nhất Việt Nam, với trữ lượng ước tính lên tới hàng trăm tỷ tấn. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tiềm năng khí hóa than tại khu vực này, đặc biệt là trong điều kiện địa chất phức tạp và sự hiện diện của các hệ vi sinh vật bản địa. Kết quả nghiên cứu cho thấy, bể than Sông Hồng có tiềm năng lớn để áp dụng công nghệ khí hóa sinh học, giúp tận dụng nguồn tài nguyên than một cách hiệu quả và bền vững.

2.1. Đặc điểm địa chất

Bể than Sông Hồng có cấu trúc địa chất phức tạp, với các vỉa than nằm sâu dưới lòng đất. Điều này làm cho việc khai thác than truyền thống trở nên khó khăn và tốn kém. Tuy nhiên, đây lại là điều kiện lý tưởng để áp dụng công nghệ khí hóa than bằng vi sinh vật, vì quá trình này có thể diễn ra ngay tại chỗ mà không cần đào bới lớn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các vỉa than tại bể than Sông Hồng có cấu trúc lỗ rỗng phù hợp cho sự phát triển của vi sinh vật và quá trình khí hóa.

2.2. Tiềm năng năng lượng

Với trữ lượng than lớn, bể than Sông Hồng có tiềm năng trở thành nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho Việt Nam. Nghiên cứu ước tính rằng, việc áp dụng công nghệ khí hóa than có thể giúp khai thác hàng tỷ mét khối khí methane từ khu vực này. Điều này không chỉ giúp đảm bảo an ninh năng lượng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đặc biệt là lượng khí thải CO2 từ việc đốt than truyền thống.

III. Công nghệ sinh học và phát triển bền vững

Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào việc khai thác năng lượng từ bể than Sông Hồng mà còn hướng đến mục tiêu phát triển bền vững. Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong quá trình khí hóa than giúp giảm thiểu tác động môi trường so với các phương pháp khai thác truyền thống. Đồng thời, nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa quá trình khí hóa, đảm bảo hiệu quả kinh tế và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

3.1. Giảm thiểu tác động môi trường

Quá trình khí hóa than bằng vi sinh vật giúp giảm thiểu đáng kể lượng khí thải CO2 so với việc đốt than truyền thống. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc chuyển đổi than thành khí methane không chỉ tạo ra nguồn năng lượng sạch hơn mà còn giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí và nước. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh Việt Nam đang đối mặt với những thách thức lớn về môi trường và biến đổi khí hậu.

3.2. Phát triển bền vững

Nghiên cứu này góp phần vào việc thúc đẩy phát triển bền vững thông qua việc tận dụng nguồn tài nguyên than một cách hiệu quả và thân thiện với môi trường. Bằng cách áp dụng công nghệ sinh học, nghiên cứu đã mở ra hướng đi mới trong việc khai thác và sử dụng tài nguyên thiên nhiên, đảm bảo sự cân bằng giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan về quá trình khí hóa than bằng vi sinh vật. Chương này tập trung đánh giá tổng quan các thông tin về hiện trạng khai thác và sử dụng than trong mối quan tâm đến tác động môi trường và hướng đến tìm kiếm một giải pháp công nghệ khai thác mới phù hợp với bể than Sông Hồng. Thu thập và đánh giá các thông tin liên quan đến lịch sử hình thành và tình hình nghiên cứu phát triển công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật trong nước và trên thế giới. Phân tích chi tiết quá trình hình thành khí trong tự nhiên và vai trò tham gia vào quá trình chuyển hóa của vi sinh vật cũng như đặc điểm của nguồn cơ chất than nhằm xác lập các kiến thức và thông tin cần thiết cho quá trình xây dựng mô hình mô phỏng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Cung cấp các thông tin liên quan đến bể than Sông Hồng nói chung và xác định vị trí vùng nghiên cứu nói riêng. Chương 2 Nguyên vật liệu và phương pháp Các phương pháp và nguyên vật liệu được sử dụng trong Luận án được mô tả chi tiết để thực hiện các thí nghiệm nhằm đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra. Các phương pháp nghiên cứu này được lựa chọn phù hợp thông qua việc đánh giá tổng quan các phương pháp đang được thực hiện trên thế giới và khả thi ở Việt Nam. Chương 3 Kết quả và thảo luận Toàn bộ quá trình thực hiện các nghiên cứu cũng như việc luận giải các kết quả thí nghiệm được trình bày chi tiết theo các nội dung sau: 3 Bằng việc xây dựng và thực hiện quy trình khoa học đã xây dựng, Luận án đã giải quyết được toàn bộ mục tiêu nghiên cứu, xác định được nhiều điểm mới và hướng nghiên cứu tiếp theo.

Thông qua Luận án này, một số nội dung được đề xuất cần tiếp tục nghiên cứu để công nghệ khí hóa than ngầm bằng vi sinh vật được triển khai tại bể than Sông Hồng. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH KHÍ HÓA THAN BẰNG VI SINH VẬT 1.1 Hiện trạng khai thác, sử dụng than truyền thống và các giải pháp thay thế trong tình hình mới Năng lượng cần thiết cho sự phát triển kinh tế - xã hội cũng như cải thiện chất lượng cuộc sống của con người. Theo số liệu phân tích cho thấy nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến tăng khoảng 25% trong giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2040. Sự gia tăng này phản ánh tốc độ gia tăng dân số, phát triển kinh tế và công nghiệp.

Tính từ thời kỳ đầu của cách mạng công nghiệp cho đến năm 2018, dân số thế giới đã tăng từ 700 triệu lên 7,6 tỷ người và dự đoán sẽ tiếp tục tăng đến 9,2 tỷ vào năm 2040 hay nói một cách khác trong khoảng thời gian này sẽ có thêm khoảng 1,6 tỷ đối tượng tiêu thụ năng lượng mới [1]. Quá trình gia tăng dân số đi kèm với với việc phát triển không ngừng của công nghệ, phương tiện giao thông, tiêu chuẩn sống, công nghiệp hóa. sẽ dẫn đến gia tăng việc sử dụng năng lượng. Tổng sản phẩm quốc nội (GDP) toàn cầu trong giai đoạn 2018-2040 tăng trung bình 3,4 %/ năm.

Trong đó, GDP tại các nước phát triển thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế - OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) tăng trung bình 1,4 %/năm. Các nước đang phát triển ngoài khối OECD tăng GDP một cách nhanh chóng với tốc độ trung bình 3,5 %/năm. Các nước hiện đang có GDP tăng mạnh nhất trong khối này là các nước thuộc châu Á (4,4 %/năm) như Trung Quốc (4,3 %/năm) và Ấn Độ (6,4 %/năm). Nhu cầu năng lượng từ các nước ngoài OECD chiếm đến 56% [1].

Cùng với nền kinh tế đang được phát triển một cách nhanh chóng, phần lớn sự gia tăng dân số cũng sẽ tập trung tại các nước thuộc khu vực châu Á và châu Phi. Theo số liệu của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA – International Energy Agency), cho đến năm 2018 vẫn còn khoảng 860 triệu người trên thế giới (chiếm 11% dân số thế giới) chưa có điện để sử dụng. Phần lớn trong số này thuộc khu vực ngoại ô của các nước lân cận sa mạc Sahara, châu Phi và các nước đang phát triển ở Châu Á. Cũng theo thống kê vào năm 2018 của IEA, khoảng 2,5 tỷ người (chiếm 33% dân số thế giới) vẫn dựa vào việc sử dụng nguồn sinh khối rắn truyền thống để phục vụ sinh hoạt.

Các nước châu Á đang phát triển và lân cận sa mạc Sahara, châu Phi tiếp tục chiếm tỷ lệ lớn trong số này. Theo IEA dự báo đến năm 2050 thì vẫn còn 726 triệu người thiếu điện và 1,5 tỷ người vẫn dựa trên các nguồn sinh khối truyền thống để sinh sống [1]. Các con số cụ thể này cho thấy nhu cầu về sử dụng năng lượng dự báo sẽ tiếp tục còn tăng trong tương lai gần. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, năng lượng thu nhận từ nhiên liệu hóa thạch hiện vẫn đang chiếm vai trò chủ đạo (81% vào năm 2018).

Theo dự báo đến năm 2030 của IEA, nguồn nhiên liệu này sẽ vẫn tiếp tục giữ vững vai trò của mình trong việc cung cấp năng lượng cho toàn cầu (79%) [1]. Trong các nguồn năng lượng hóa thạch, than được xem là nguồn nhiên liệu phong phú và được phân bố rộng rãi tại nhiều quốc gia hơn hẳn so với dầu và khí tự nhiên (hơn 75 quốc gia trên thế giới). Với tốc độ tiêu thụ như hiện nay, IEA dự báo nguồn năng lượng từ than có thể kéo dài trong 142 năm, so với 61 năm của khí tự nhiên và chỉ 54 năm 5 của dầu. Nhu cầu than dự báo tăng khoảng 14,7% trong giai đoạn từ 2018 đến 2040 với các chính sách năng lượng như hiện nay.

Hiện nay, than được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực sản xuất điện năng (65%), nguồn vật liệu thô cho quá trình sản xuất thép (74%), xi măng (61%) và hóa chất (13%) [1]. Qua các số liệu cho thấy, không chỉ tiếp tục duy trì vai trò trụ cột trong công nghiệp sản xuất điện năng, than còn là nhiên liệu củng cố cho sự phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa tại các thị trường mới trỗi dậy, giúp nâng cao mức sống và đưa hàng trăm triệu người thoát khỏi tình trạng thiếu thốn năng lượng. Xu hướng về nhu cầu than toàn cầu hiện được phân thành hai khuynh hướng chính theo nhóm quốc gia. Đối với các nước thuộc OECD, thậm chí ngay cả khi nhu cầu về điện năng gia tăng không ngừng trong một thập kỷ vừa qua thì lượng than được sử dụng cho lĩnh vực này vẫn giảm từ 42% xuống còn 39% trên tổng năng lượng sử dụng [1].

Trong khi đó, đối với các quốc gia không thuộc OECD, than vẫn tiếp tục đóng vai trò then chốt trong cả sản xuất điện năng và trong các ngành công nghiệp khác. Nhu cầu năng lượng trong lĩnh vực sản xuất điện mở rộng đến 75% vào cuối thập kỷ vừa qua cùng với việc gia tăng gấp đôi lượng than sử dụng [1]. Các quốc gia không thuộc OECD hiện đang chiếm đến 70% lượng than sử dụng trên toàn cầu [1]. Và trong tương lai xa để thúc đẩy quá trình phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu năng lượng tại các quốc gia không thuộc OECD, yếu tố quyết định đến sự tăng trưởng về nhu cầu than, sẽ gia tăng không ngừng.

Trên thế giới cũng như tại Việt Nam, việc khai thác than được tiến hành theo hai phương pháp là khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò (gọi chung là phương pháp khai thác truyền thống). Trong đó, khai thác lộ thiên được áp dụng với các mỏ than có độ sâu nông, gần bề mặt trái đất. Thông thường, khả năng khai thác của phương pháp này không vượt quá độ sâu 100 m. Phương pháp khai thác hầm lò cho phép tiếp cận với các mỏ than sâu hơn khoảng 300 m so với bề mặt trái đất.

Trong một số trường hợp đặc biệt, độ sâu này có thể lên đến 500 ̶ 600 m. Tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng than truyền thống như một cách thức tất yếu để đáp ứng nhu cầu về năng lượng khi không đi kèm với quản lý môi trường và xử lý chất thải phù hợp đang đưa lại vô số các hệ lụy. (1) Ô nhiễm môi trường – Biến đổi khí hậu: Để tiếp cận khai thác các vỉa than sâu trong lòng đất, cả hai phương pháp khai thác lộ thiên và hầm lò đều phải thực hiện việc loại bỏ các lớp đất đá phía trên. Sụt lún được xem là một trong những tác động mạnh mẽ nhất của quá trình khai thác than lên địa hình bề mặt môi trường đất [2].

Quy mô và mức độ nguy hiểm của quá trình sụt lún phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như độ dày của lớp đất và đá phủ cũng như quy mô và phương pháp khai thác. Quá trình sụt lún đất không chỉ làm giảm năng suất mùa màng mà còn gây ra những vấn đề về môi trường như tàn phá và hủy hoại hệ thực vật, làm biến đổi bề mặt và mất đất, phá hỏng hệ thống thoát nước, tàn phá các khu dân cư. Quá trình khai thác than truyền thống cũng gây ra những tác động đến môi trường nước, bao gồm cả nước mặt và nước ngầm. Việc loại bỏ lớp che phủ thực vật trong khai thác lộ thiên cũng như hầm lò làm lộ ra ngày càng nhiều các lớp đá địa tầng dẫn đến làm giảm tốc độ thấm và thay đổi hướng dòng chảy [2].

Tuy nhiên, những tác động đến môi trường khí được xem là những tác động nghiêm trọng và sâu sắc nhất khi những thay đổi này đang ảnh hưởng một cách đặc 6 biệt tiêu cực đến sức khỏe của con người. Ô nhiễm không khí từ việc khai thác than chủ yếu là do sự phát xạ không bền của các vật liệu dạng hạt siêu mịn và khí như methane, sulphua dioxide và các oxit của nitơ [2]. Đối với quá trình sử dụng, than chủ yếu được đốt để sản xuất nhiệt và điện. Lượng khí CO2 và các khí nhà kính khác giải phóng ra khí quyển trên một kilowatt-giờ điện tạo thành phụ thuộc vào hàm lượng cacbon có trong than, hiệu suất và cách thức vận hành của nhà máy điện.

Trên thực tế, chỉ khoảng một phần ba lượng nhiệt sinh ra từ việc đốt than được chuyển hóa thành điện. Theo số liệu của IEA, năm 2018, lượng phát thải CO2 từ than trên toàn cầu là 14. Quá trình phát thải này là hệ quả của cả hai quá trình khai thác và sử dụng than. Mức gia tăng này sẽ thúc đẩy nhanh hiệu ứng khí nhà kính, làm nhiệt độ toàn cầu trung bình tăng 0,85 oC/năm.