Nghiên cứu xử lý mùn cưa cây keo để sản xuất phân than sinh học cải thiện đất tại Hạ Long

Luận văn thạc sĩ phân tích hus nghiên cứu xử lý vật liệu giàu lignocellulose mùn cưa cây keo để sản xuất phân than sinh học, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Hoàng Chiều Tiến
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngân Hà
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý vật liệu giàu lignocellulose (mùn cưa cây keo) để sản xuất phân than sinh học ứng dụng nhằm cải thiện môi trường đất ở khu vực bãi thải khai thác than Khe Hùm, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về vật liệu lignocellulose
• 1.1.1. Khái niệm về vật liệu Lignocellulose
• 1.1.2. Ứng dụng của vật liệu Lignocellulose
• 1.2. Tổng quan về than sinh học và ứng dụng của than sinh học để cải tạo đất ở Việt Nam và trên thế giới
• 1.2.1. Khái niệm về than sinh học
• 1.2.2. Đặc điểm của than sinh học
• 1.3. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 1.4.1. Thành phần lignocellulose và tính chất hóa học của mùn cưa cây Keo
• 1.4.2. Đặc tính hóa lý của than sinh học chế tạo từ mùn cưa cây Keo
• 1.4.3. Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng và nhiệt trọng lượng vi sai (TGA/DTG) của mùn cưa cây Keo
• 1.4.4. Thành phần khoáng của biochar
• 1.4.5. Cấu trúc bề mặt của biochar từ mùn cưa
• 1.4.6. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của than sinh học
• 1.4.6.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến chất lượng của than sinh học
• 1.4.6.2. Ảnh hưởng của thời gian nung đến chất lượng của than sinh học
• 1.4.7. Đặc tính hóa học của đất trước thí nghiệm
• 1.4.8. Tính chất hóa học của đất sau thí nghiệm với than sinh học
• 1.5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu sản xuất phân than sinh học từ mùn cưa cây keo

Nghiên cứu sản xuất phân than sinh học từ mùn cưa cây keo đang trở thành một xu hướng quan trọng trong việc cải thiện đất tại Hạ Long. Mùn cưa cây keo, một loại phế thải lâm nghiệp, chứa nhiều lignocellulose, có thể được xử lý để tạo ra than sinh học. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn cải thiện tính chất đất, nâng cao năng suất cây trồng.

1.1. Khái niệm về phân than sinh học và mùn cưa cây keo

Phân than sinh học là sản phẩm từ quá trình cacbon hóa các nguyên liệu hữu cơ, trong đó mùn cưa cây keo là một nguồn nguyên liệu tiềm năng. Mùn cưa chứa nhiều lignin và cellulose, giúp tạo ra sản phẩm có giá trị cho nông nghiệp.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng phân than sinh học

Sử dụng phân than sinh học giúp cải thiện cấu trúc đất, tăng cường khả năng giữ nước và dinh dưỡng cho cây trồng. Nó cũng góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải lâm nghiệp.

II. Vấn đề ô nhiễm đất tại khu vực Hạ Long và thách thức cải tạo

Khu vực Hạ Long đang đối mặt với nhiều vấn đề ô nhiễm đất do hoạt động khai thác than. Các bãi thải khai thác than tạo ra lượng lớn đất đá thải, làm suy giảm chất lượng đất. Việc cải tạo đất tại đây là một thách thức lớn, đòi hỏi các giải pháp hiệu quả như sử dụng phân than sinh học.

2.1. Tình trạng ô nhiễm đất tại bãi thải khai thác than

Bãi thải khai thác than Khe Hùm tại Hạ Long đang gặp phải tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng. Đất tại đây bị mất đi độ màu mỡ, ảnh hưởng đến khả năng sản xuất nông nghiệp.

2.2. Thách thức trong việc cải tạo đất

Cải tạo đất tại khu vực bãi thải không chỉ đòi hỏi công nghệ tiên tiến mà còn cần sự phối hợp giữa các cơ quan chức năng và cộng đồng. Việc áp dụng phân than sinh học có thể là một giải pháp khả thi.

III. Phương pháp sản xuất phân than sinh học từ mùn cưa cây keo

Quá trình sản xuất phân than sinh học từ mùn cưa cây keo bao gồm các bước xử lý nhiệt và kiểm soát điều kiện sản xuất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ và thời gian nung là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của than sinh học.

3.1. Quy trình xử lý mùn cưa cây keo

Mùn cưa cây keo được thu gom, sau đó trải qua quá trình xử lý nhiệt trong điều kiện thiếu oxy để tạo ra than sinh học. Quy trình này cần được tối ưu hóa để đạt được sản phẩm chất lượng cao.

3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng than sinh học

Nhiệt độ nung và thời gian nung là hai yếu tố chính quyết định đến chất lượng của than sinh học. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ từ 450°C đến 550°C là tối ưu để sản xuất than có chất lượng tốt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phân than sinh học trong cải tạo đất

Việc ứng dụng phân than sinh học trong cải tạo đất tại Hạ Long đã cho thấy nhiều kết quả tích cực. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc bổ sung than sinh học vào đất giúp cải thiện đáng kể tính chất hóa lý và hóa học của đất.

4.1. Kết quả thí nghiệm cải tạo đất với phân than sinh học

Các thí nghiệm cho thấy rằng đất được bổ sung phân than sinh học có độ pH và khả năng giữ nước cao hơn so với đất không được bổ sung. Điều này cho thấy hiệu quả của than sinh học trong việc cải thiện chất lượng đất.

4.2. Tác động lâu dài của phân than sinh học đến đất

Sử dụng phân than sinh học không chỉ cải thiện chất lượng đất trong ngắn hạn mà còn có tác động tích cực đến sự phát triển bền vững của đất trong dài hạn, giúp duy trì độ màu mỡ và khả năng sản xuất nông nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu sản xuất phân than sinh học từ mùn cưa cây keo không chỉ mang lại lợi ích cho nông nghiệp mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc cải tạo đất tại Hạ Long.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bối cảnh hiện tại

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm đất tại Hạ Long, đồng thời thúc đẩy phát triển nông nghiệp bền vững.

5.2. Hướng đi tương lai cho nghiên cứu và ứng dụng

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp sản xuất phân than sinh học hiệu quả hơn, đồng thời mở rộng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác như xử lý ô nhiễm và cải tạo môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hoạt động khai thác khoáng sản lộ thiên tại tỉnh Quảng Ninh mỗi năm thải ra hàng chục triệu mét khối đất đá, hình thành các bãi thải khổng lồ làm suy thoái nghiêm trọng hệ sinh thái tự nhiên. Điển hình tại bãi thải mỏ than Khe Hùm thuộc thành phố Hạ Long, các khu vực đổ thải có quy mô rất lớn như bãi thải mức cộng 290 Bắc với diện tích 270.000 m2, bãi thải mức cộng 120 Nam rộng 218.000 m2 và bãi thải trong mức cộng 160 lên tới 624.000 m2. Theo kế hoạch đổ thải giai đoạn 2017 - 2024, khối lượng đất đá bóc thải tiếp tục gia tăng với hàng triệu mét khối mỗi năm, dẫn đến tình trạng đất bãi thải bị thoái hóa nặng nề, có tính chua cao với độ pH đạt 4,5, dung tích trao đổi cation chỉ ở mức 5,5 meq/100g và hàm lượng chất hữu cơ nghèo nàn khoảng 1,69%.

Song song với thách thức môi trường mỏ, ngành chế biến lâm nghiệp tại Việt Nam phát sinh một lượng khổng lồ phế phụ phẩm mùn cưa cây keo (Acacia). Mùn cưa keo chứa hàm lượng chất hữu cơ lên tới 70,12% nhưng lại rất khó phân hủy trong điều kiện tự nhiên do tỷ lệ C:N cực cao đạt 1275:1 và tổng hàm lượng hợp chất lignocellulose chiếm gần 80% khối lượng khô (cellulose 35,04%, hemicellulose 20,50% và lignin 24,41%). Việc thải bỏ bừa bãi nguồn phế liệu này không chỉ gây lãng phí tài nguyên sinh khối mà còn tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường và cháy nổ.

Nghiên cứu được triển khai từ tháng 1 đến tháng 11 năm 2019 tại thành phố Hạ Long nhằm giải quyết đồng thời hai vấn đề môi trường cấp bách. Mục tiêu cụ thể là xác định chế độ nhiệt phân yếm khí tối ưu (nhiệt độ và thời gian nung) để chuyển hóa mùn cưa keo thành phân than sinh học chất lượng cao, đồng thời đánh giá định lượng khả năng cải thiện các đặc tính lý hóa của đất bãi thải Khe Hùm thông qua thí nghiệm chậu vại kết hợp trồng cây cỏ đậu (Arachis pintoi). Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững trong kinh tế tuần hoàn, giúp biến phế thải lâm nghiệp thành nguồn phân bón cải tạo đất thoái hóa, tăng khả năng đệm dinh dưỡng và lưu giữ carbon bền vững trong đất hàng trăm năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt phân yếm khí sinh khối lignocellulose và cơ chế trao đổi ion trong đất học môi trường:

1. Lý thuyết nhiệt phân yếm khí (Pyrolysis Theory): Dưới điều kiện thiếu oxy và gia nhiệt có kiểm soát, các thành phần carbohydrate (cellulose, hemicellulose) và polymer thơm (lignin) trong mùn cưa keo bị nhiệt phân, giải phóng các hợp chất bay hơi và tái cấu trúc thành khung carbon thơm bền vững. Quá trình này hình thành hệ thống mao quản vi mô (micropores dưới 2 nm chiếm tới 95% diện tích bề mặt riêng) và phát triển các nhóm chức oxy hóa bề mặt.
2. Lý thuyết trao đổi ion và hóa học bề mặt đất: Than sinh học sở hữu mật độ điện tích âm cao trên bề mặt nhờ các nhóm carboxyl, hydroxyl và phenol. Khi bón vào đất chua, các nhóm này cùng hàm lượng ion kiềm trao đổi dồi dào (Ca2+, Mg2+, K+) giúp trung hòa ion H+ tự do, nâng cao dung tích hấp thu cation (CEC) và giảm thiểu sự rửa trôi dinh dưỡng khoáng.
3. Mô hình sinh thái phục hồi đất kết hợp thảm thực vật che phủ: Tận dụng cơ chế cộng sinh giữa biochar và cây họ Đậu (Arachis pintoi). Cây cỏ đậu có khả năng sản xuất sinh khối xanh đạt trung bình 150 tấn/ha/năm với hàm lượng đạm trong thân lá đạt 2,5 - 3,0% N, kết hợp với nốt sần cố định nitơ tự do từ khí quyển, tạo chu trình bổ sung dinh dưỡng hữu cơ tuần hoàn cho đất bãi thải.

Các khái niệm then chốt bao gồm: Vật liệu Lignocellulose, Phân than sinh học (Biochar), Dung tích trao đổi cation (CEC), Đất bãi thải mỏ than và Quá trình cố định carbon âm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu và mẫu vật: Mùn cưa cây keo được thu thập tại các xưởng chế biến gỗ lâm sản trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh, phơi khô 3 ngày và nghiền nhỏ qua sàng 0,5 mm. Đất thí nghiệm được lấy từ các tầng đất bãi thải Khe Hùm, nhặt sạch sỏi vụn, rễ cây và rây đồng nhất qua mắt lưới 3 mm.

Quy mô và phương pháp chọn mẫu thực nghiệm: Thí nghiệm chậu vại được bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên trong điều kiện nhà lưới tại Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường Quảng Ninh. Mỗi thùng xốp thí nghiệm (kích thước 50 x 37 x 34 cm) chứa 20 kg đất đồng nhất, duy trì độ ẩm ổn định ở mức 60% sức giữ ẩm tối đa. Nghiên cứu khảo sát 8 công thức thí nghiệm độc lập với 3 lần lặp lại (tổng số 24 chậu thí nghiệm), gồm 4 tỷ lệ phối trộn than sinh học (0%, 1%, 5%, 10% theo khối lượng đất) trong hai chế độ: không trồng cây và có trồng cây cỏ đậu (gieo 10g hạt/thùng).

Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm:

• Phân tích thành phần lignocellulose: Sử dụng quy trình chiết tách hóa học Mansor A với dung môi acetone, NaOH 0,5M và H2SO4 98% để định lượng chính xác cellulose, hemicellulose và lignin.
• Phân tích nhiệt và cấu trúc vật liệu: Giản đồ nhiệt vi sai TGA/DTG được quét từ 30 °C đến 900 °C với tốc độ nâng nhiệt 10 °C/phút trong khí trơ Argon; nhiễu xạ tia X (XRD) quét góc 2-theta từ 10° đến 70°; kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (SEM) độ phóng đại 1.000 lần xác định độ xốp bề mặt.
• Phân tích hóa lý đất và than sinh học: Thực hiện nghiêm ngặt theo các tiêu chuẩn quốc gia gồm TCVN 5979:2007 (đo pH), TCVN 8568:2010 (xác định CEC), TCVN 8941:2011 (đo chất hữu cơ), TCVN 6498:2009 (đo Nitơ tổng số Kjeldahl), quang phổ phát xạ ICP-OES (xác định Kali tổng số) và US EPA Method 3051 kết hợp SMEWW 3125B (phân tích kim loại nặng Cu, Zn, Pb, Cd, As).

Lý do lựa chọn phương pháp: Sự kết hợp giữa các phương pháp phân tích cấu trúc hiện đại (TGA, XRD, SEM) và hệ thống tiêu chuẩn TCVN, US EPA đảm bảo tính chuẩn xác, khách quan và khả năng truy xuất nguồn gốc số liệu trong suốt 12 tuần thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã làm sáng tỏ các biến đổi hóa lý của than sinh học mùn cưa keo và đất bãi thải mỏ than qua các chỉ số định lượng cụ thể:

Thứ nhất, xác lập điều kiện nhiệt phân tối ưu ở 450 °C trong 2 giờ. Tại mốc nhiệt độ này, hiệu suất thu hồi than sinh học đạt 80,11%, vật liệu có phản ứng kiềm với pH 7,92 và CEC đạt đỉnh 81,82 meq/100g (cao gấp 4 lần so với mức 20,24 meq/100g khi nung ở 250 °C). Hàm lượng dinh dưỡng đa lượng và trung lượng được tích lũy cao nhất với N tổng số đạt 6,284 mg/g, P2O5 tổng số đạt 1,4486 mg/g, K tổng số đạt 4,309 mg/g, tổng Ca2+ và Mg2+ trao đổi đạt 24,0 mgđl/100g, cùng hàm lượng chất hữu cơ ổn định ở mức 6,869%.

Thứ hai, cải thiện vượt bậc độ chua và dung tích đệm của đất bãi thải. Đất ban đầu có độ chua cao (pH 4,5). Sau 12 tuần thí nghiệm phối trộn 10% biochar kết hợp trồng cỏ đậu, pH đất tăng mạnh lên 6,9 (tăng 53,3% so với nền đất gốc và tăng 50% so với đối chứng không bón biochar có pH 4,6). Đồng thời, dung tích trao đổi cation CEC của đất tăng vọt từ 5,5 meq/100g lên 16,5 meq/100g (tăng 200%, gấp gần 3 lần đối chứng).

Thứ ba, làm giàu nhanh chóng hàm lượng mùn và nguồn dinh dưỡng NPK. Khi bón 10% than sinh học và trồng cỏ đậu, hàm lượng chất hữu cơ trong đất đạt 2,16% (tăng 92,8% so với đối chứng không trồng cây chỉ đạt 1,12%). Đặc biệt, hàm lượng nitơ tổng số trong đất tăng vọt từ 0,05% lên 0,323% (tăng hơn 540%), lân tổng số P2O5 tăng từ 0,017% lên 0,063% (tăng 270%) và kali tổng số K2O tăng từ 0,20% lên 0,255%.

Thứ tư, bất hoạt và giảm thiểu linh động của các kim loại nặng trong đất. Trong nghiệm thức trồng cỏ đậu bón 10% than sinh học, hàm lượng các kim loại nặng hòa tan chiết xuất được giảm rõ rệt so với đối chứng không bổ sung than: đồng (Cu) giảm từ 55,4 ppm xuống 30,1 ppm (giảm 45,6%), kẽm (Zn) giảm từ 131,3 ppm xuống 97,9 ppm (giảm 25,4%), chì (Pb) giảm từ 22,5 ppm xuống 14,4 ppm (giảm 36,0%), cadimi (Cd) giảm từ 2,22 ppm xuống 1,03 ppm (giảm 53,6%) và asen (As) giảm từ 7,71 ppm xuống 3,67 ppm (giảm 52,4%).

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao độ phì đất bắt nguồn từ cấu trúc vi xốp rỗng của biochar mùn cưa, được chứng minh qua giản đồ XRD với đỉnh rộng vô định hình tại góc 2-theta bằng 22,5° và hình ảnh SEM. Cấu trúc mao quản này đóng vai trò như một kho chứa vi mô giữ nước và chất hòa tan, ngăn chặn hiện tượng trực di rửa trôi dưỡng chất thường gặp ở các bãi thải dốc.

Sự gia tăng độ pH đất được giải thích bởi quá trình phân ly của các muối cacbonat, oxit và hydroxit kiềm (Ca2+, Mg2+, K+) tích tụ trong than sinh học khi nhiệt phân ở 450 °C, tương tự như tác dụng bón vôi nông nghiệp nhưng duy trì tính đệm bền vững hơn. Sự vượt trội của công thức kết hợp cỏ đậu và than sinh học (N tổng số đạt 0,323% so với 0,110% ở công thức chỉ bón 10% biochar không có cây) chứng minh hiệu ứng hiệp đồng sinh học: biochar cung cấp môi trường trú ngụ và khoáng chất cho vi khuẩn nốt sần Bradyrhizobium, thúc đẩy cố định đạm khí quyển và chuyển hóa thành sinh khối hữu cơ.

Đặc tính hấp phụ và bất hoạt kim loại nặng diễn ra thông qua ba cơ chế chính: kết tủa kim loại dưới dạng hydroxit/cacbonat khi pH đất tăng lên môi trường trung tính (6,9), tạo phức chelate bề mặt với các nhóm chức oxy hóa (-COOH, -OH) và trao đổi cation trực tiếp với các vị trí tích điện âm trên bề mặt biochar.

Toàn bộ các chuỗi dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa liều lượng phối trộn biochar (0% đến 10%) với các chỉ số lý hóa của đất có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua hệ thống biểu đồ cột kép so sánh trước và sau 12 tuần, kết hợp bảng ma trận phân tích tương quan tuyến tính giữa tỷ lệ biochar, giá trị pH và dung tích hấp thu CEC.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu vào thực tiễn cải tạo phục hồi môi trường các mỏ than, bốn giải pháp trọng tâm được đề xuất:

1. Chuẩn hóa quy trình nhiệt phân mùn cưa quy mô bán công nghiệp: Doanh nghiệp chế biến gỗ và công ty môi trường mỏ cần phối hợp đầu tư hệ thống lò nhiệt phân liên hoàn ở nhiệt độ 450 °C trong 120 phút, kiểm soát tốc độ gia nhiệt ổn định 10 °C/phút nhằm đạt mục tiêu sản lượng than sinh học đạt tiêu chuẩn CEC trên 80 meq/100g và tỷ lệ thu hồi đạt tối thiểu 80% sinh khối khô, hoàn thành chuyển giao công nghệ trong quý 2 năm 2021.
2. Ứng dụng gói kỹ thuật phối trộn 5% đến 10% than sinh học kết hợp thảm cỏ đậu: Công ty TNHH MTV Khai thác Khoáng sản thuộc Tổng công ty Đông Bắc chủ trì thi công rải đều và cày xới lớp mặt sâu 20 cm với định mức 50 - 100 tấn biochar/ha tại bãi thải Khe Hùm, kết hợp gieo hạt cỏ đậu Arachis pintoi mật độ 10 kg/ha để phủ xanh và hoàn nguyên 15 ha bãi thải trong vòng 12 đến 24 tháng.
3. Thiết lập chuỗi liên kết tuần hoàn sinh thái lâm nghiệp và khai khoáng: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh chủ trì điều phối mạng lưới thu gom khoảng 9.000 tấn mùn cưa keo phát sinh hàng năm từ các cơ sở chế biến lâm sản, tạo nguồn cung ứng nguyên liệu sản xuất phân bón tại chỗ, giúp giảm phát thải khí nhà kính và cắt giảm ít nhất 40% chi phí mua đất màu phủ mặt bãi mỏ trong giai đoạn 2021 - 2025.
4. Ban hành hướng dẫn kỹ thuật phục hồi đất bãi thải khoáng sản bằng biochar: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp cùng Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Quảng Ninh thẩm định, đưa than sinh học từ phế liệu lignocellulose vào danh mục vật liệu phục hồi môi trường bắt buộc trong các đề án đóng cửa mỏ than lộ thiên, phấn đấu đưa độ pH đất bãi thải đạt ngưỡng an toàn từ 6,0 đến 7,0 và hàm lượng hữu cơ vượt mốc 2,0% vào cuối năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị ứng dụng thiết thực cho bốn nhóm đối tượng:

1. Doanh nghiệp khai thác than và khoáng sản: Áp dụng trực tiếp quy trình cải tạo đất bãi thải bằng biochar mùn cưa và cỏ đậu để thực hiện nghĩa vụ hoàn nguyên môi trường theo quy định pháp luật, rút ngắn thời gian phục hồi thảm thực vật từ 5 năm xuống còn 2 năm và tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí vận chuyển đất mặt màu mỡ.
2. Cán bộ nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học: Sử dụng toàn bộ hệ thống số liệu hóa lý, phương pháp tách chiết Mansor A, giản đồ nhiệt vi sai TGA/DTG, XRD và mô hình động học trao đổi ion làm tài liệu tham khảo chuẩn mực trong các công trình nghiên cứu về vật liệu học môi trường, khoa học đất và công nghệ nhiệt phân sinh khối.
3. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và nông nghiệp: Tham khảo các luận cứ khoa học để hoạch định chính sách kinh tế tuần hoàn, xây dựng định mức kinh tế kỹ thuật trong xử lý chất thải lâm nghiệp và thiết lập bộ tiêu chí đánh giá phục hồi môi trường mỏ sau khai thác.
4. Nhà máy sản xuất phân bón và chế phẩm sinh học cải tạo đất: Khai thác công nghệ chế tạo than sinh học kiềm tính giàu khoáng chất để thương mại hóa các dòng sản phẩm phân bón nhả chậm chuyên dùng cho các vùng đất cát ven biển, đất chua phèn và đất đồi núi dốc bị thoái hóa rửa trôi.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao mùn cưa keo tươi không thể bón trực tiếp cho đất mà phải chuyển hóa thành than sinh học? Mùn cưa cây keo chứa tỷ lệ C:N cực cao (1275:1) và hàm lượng lignocellulose tới gần 80%. Nếu bón trực tiếp, vi sinh vật đất sẽ tiêu thụ toàn bộ lượng đạm tự do để phân giải cellulose và lignin, gây ra hiện tượng cạnh tranh đạm nghiêm trọng làm cây trồng còi cọc, đồng thời kéo dài thời gian hoai mục trong nhiều năm.

Nhiệt độ và thời gian nhiệt phân nào mang lại chất lượng than sinh học tối ưu nhất? Nhiệt độ tối ưu là 450 °C trong thời gian nung 2 giờ. Ở chế độ này, than sinh học đạt hiệu suất 80,11%, có dung tích trao đổi cation CEC cao nhất đạt 81,82 meq/100g, pH kiềm 7,92, hàm lượng chất hữu cơ đạt 6,869% và bảo toàn được tối đa các dưỡng chất N, P, K, Ca, Mg dễ tiêu.

Than sinh học tác động thế nào đến độ chua và khả năng giữ dinh dưỡng của đất bãi thải than? Than sinh học đóng vai trò như chất cải tạo kiềm tính, bổ sung các cation Ca2+ và Mg2+ hòa tan (đạt 24,0 mgđl/100g) giúp trung hòa độ chua, nâng pH đất từ 4,5 lên 6,7 - 6,9. Đồng thời, cấu trúc vi xốp và điện tích âm làm tăng dung tích trao đổi cation CEC của đất từ 5,5 lên 16,5 meq/100g, hạn chế rửa trôi khoáng chất.

Tại sao cần phối hợp trồng cây cỏ đậu cùng với bón than sinh học trong cải tạo đất? Cây cỏ đậu có sinh khối lớn (150 tấn chất xanh/ha/năm) và chứa 2,5 - 3,0% N. Sự kết hợp này tạo môi trường thuận lợi cho nốt sần rễ cố định đạm tự do, đưa hàm lượng nitơ tổng số trong đất tăng mạnh lên 0,323% (gấp hơn 5 lần so với nền đất ban đầu 0,06%), giúp thiết lập thảm thực vật bền vững.

Than sinh học có khả năng cố định và xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất mỏ không? Có hiệu quả rất rõ rệt. Khi bón 10% biochar kết hợp cỏ đậu sau 12 tuần, hàm lượng kim loại nặng chiết xuất được trong đất bãi thải Khe Hùm giảm mạnh nhờ cơ chế kết tủa kiềm và tạo phức bề mặt: nồng độ đồng giảm 45,6%, kẽm giảm 25,4%, chì giảm 36,0%, cadimi giảm 53,6% và asen giảm 52,4%.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu khoa học và thực tiễn với năm đóng góp nổi bật:

• Xác định chính xác đặc tính hóa lý của mùn cưa cây keo với hàm lượng hữu cơ 70,12%, tỷ lệ C:N cao 1275:1 và tổng hợp phần lignocellulose đạt 79,95%. • Tối ưu hóa thành công quy trình công nghệ nhiệt phân ở 450 °C trong 2 giờ, tạo ra sản phẩm than sinh học chất lượng cao với chỉ số CEC đạt 81,82 meq/100g và pH đạt 7,92. • Minh chứng thực nghiệm khả năng cải thiện đất bãi thải Khe Hùm: nâng pH từ 4,5 lên 6,9, tăng dung tích trao đổi cation CEC lên gấp 3 lần và nâng hàm lượng chất hữu cơ lên 2,16%. • Khám phá hiệu ứng cộng hưởng giữa biochar và cây cỏ đậu, giúp gia tăng hàm lượng đạm tổng số trong đất hơn 540% và giảm thiểu từ 25% đến 53% hàm lượng kim loại nặng linh động (Cu, Zn, Pb, Cd, As). • Đề xuất mô hình kinh tế tuần hoàn khả thi, giải quyết đồng thời bài toán xử lý phế phẩm lâm nghiệp và hoàn nguyên sinh thái bãi thải khai thác than.

Kế hoạch tiếp theo trong giai đoạn 2021 - 2023 tập trung vào việc thử nghiệm mở rộng mô hình cải tạo trên diện tích 5 đến 10 ha tại thực địa bãi thải mỏ than Khe Hùm nhằm hoàn thiện quy trình kỹ thuật hoàn nguyên cấp ngành. Các doanh nghiệp khai khoáng và chế biến lâm sản cần chủ động liên kết đầu tư công nghệ nhiệt phân sinh khối để biến chất thải thành nguồn tài nguyên quý giá, hướng tới phát triển bền vững và trung hòa carbon.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Lignocellulose là các vật liệu cấu thành nên phần thiết yếu của thành tế bào thực vật, thành phần chủ yếu bao gồm lignin, cellulose và hemicellulose. Lignocellulose hiện nay được coi là một nguồn nguyên liệu tái tạo dồi dào nhất bao gồm phế thải nông nghiệp (ngũ cốc, rơm rạ, trấu, phế thải khác có từ ngành chế biến cây lương thực.), phế liệu lâm nghiệp (có từ quá trình khai thác rừng, chế biến gỗ), cây năng lượng thân thảo và thân gỗ được trồng trên đất thoái hóa hoặc ô nhiễm, cây nguyên liệu cho công nghiệp giấy. Phần lớn các vật liệu lignocellulose đều khó phân giải tự nhiên ở điều kiện thường và chỉ một số ít sinh vật có khả năng phân giải chúng. Vì vậy sự tồn đọng với lượng lớn của lignocellulose trong môi trường và tích tụ theo thời gian sẽ không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn làm đứt quãng chu trình tuần hoàn vật chất trong tự nhiên.

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh được khả năng và triển vọng sử dụng, xử lý các vật liệu giàu lignocellulose để tạo ra được nhiều sản phẩm mới có ích và ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó có mục đích cải tạo đất và môi trường. Mùn cưa cây Keo là một loại phế thải lâm nghiệp phổ biến ở nhiều địa phương của nước ta, rất giàu hàm lượng lignocellulose, có từ quá trình khai thác, chế biến gỗ. Mùn cưa gỗ cây Keo được đánh giá là loại phế thải rất khó phân hủy tự nhiên trong môi trường, chúng thường được tận dụng làm chất đốt hoặc than đốt sinh học. Các nghiên cứu về ứng dụng than sinh học chế biến từ mùn cưa gỗ cây Keo để cải tạo đất cũng còn rất ít.

Chính vì những lý do đó, đề tài đã lựa chọn mùn cưa cây Keo làm đối tượng để sản xuất phân than sinh học phục vụ cho mục đích cải tạo môi trường đất. Ngành công nghiệp khai thác khoáng sản, đặc biệt là công nghiệp khai thác than là ngành kinh tế mũi nhọn của tỉnh Quảng Ninh. Đóng góp của ngành công nghiệp khai thác than đối với sự phát triển của đất nước nói chung và tỉnh Quảng Ninh là vô cùng lớn. Tuy nhiên, ô nhiễm môi trường đối với hoạt động khai thác 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] than là không thể tránh khỏi, đặc biệt là khai thác than lộ thiên.

Lượng đất đá thải quá lớn tạo thành các núi đất, đá thải khổng lồ hệ sinh thái tại các khu vực này gần như hoàn toàn thay đổi theo chiều hướng tiêu cực, vấn đề cải tạo phục hồi môi trường đất tại các bãi đổ thải được ngành than cũng như các cấp chính quyền đặc biệt quan tâm. Vì những lý do trên tôi đã lựa chọn thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý vật liệu giàu lignocellulose (mùn cƣa cây Keo) để sản xuất phân than sinh học ứng dụng nhằm cải thiện môi trƣờng đất ở khu vực bãi thải khai thác than Khe Hùm, thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh”. Mục tiêu: - Xác định được điều kiện nhiệt độ và thời gian nung tối ưu nhất để tạo ra phân TSH có chất lượng tốt nhất. - Xác định được hiệu quả cải tạo tính chất đất lấy ở khu vực bãi thải khai thác than Khe Hùm bằng than sinh học (Thí nghiệm chậu vại).

2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về vật liệu lignocellulose 1. Khái niệm về vật liệu Lignocellulose Lignocellulose là các vật liệu cấu thành nên phần thiết yếu của thành tế bào thực vật, thành phần chủ yếu bao gồm các polyme lignin, cellulose và hemicellulose.

Trong đó, cellulose là bộ khung cho sinh khối thực vật và được bao quanh bởi hemicellulose và lignin. Cellulose và hemicellulose (cacbohydrat) liên kết chặt chẽ với lignin (polyme thơm) thông qua các liên kết hydro và cộng hóa trị nên đã làm cho cấu trúc vật liệu trở nên phức tạp và bền chặt hơn. Ngoài ra, trong các vật liệu này còn có thể chứa một số thành phần khác nữa như pectin, protein, lipid và tro nhưng với lượng ít hơn nhiều. Hàm lượng của hai thành phần là cellulose và hemicellulose có sự thay đổi tùy thuộc vào sự khác biệt về loài và tuổi thực vật, giữa các bộ phận khác nhau, nguồn gen, khí hậu, đất đai, nhưng chúng thường chiếm khoảng 50-70% khối lượng khô, phần còn lại là lignin [13, 15].

Thành phần cấu trúc của lignocellulose 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hàm lượng lignocellulose của một số loại vật liệu được liệt kê trong Bảng 1. Thành phần chính của một số loại vật liệu lignocellulose [20, 22] Vật liệu lignocellulose Cellulose (%) Hemicellulose (%) Lignin (%) Có nguồn gốc từ nông nghiệp Bã mía 37,5 30,6 25,3 Lõi ngô 35,8 30,7 18,5 Thân ngô 35,0 16,8 7,0 Vỏ trấu lúa mì 34,0 23,2 20,2 Vỏ trấu 36,7 20,0 21,3 Rơm rạ 36,2 19,0 9,9 Thân cây đậu nành 34,5 28,4 19,8 Các loại cỏ Cỏ switchgrass 37,0 34,7 22,7 Cỏ Chè vè Miscanthus 45,0 25,4 26,5 Gỗ mềm Thông 41,8 22,3 30,1 Keo 43,8 20,8 28,8 Gỗ cứng Gỗ Dương 46,8 16,8 23,4 Gỗ Sồi 45,2 24,5 24,3 Bạch đàn 44,7 20,1 27,7 1. Ứng dụng của vật liệu Lignocellulose Nhiều nghiên cứu đã chứng minh được khả năng và triển vọng sử dụng, xử lý các vật liệu lignocellulose để tạo ra được nhiều sản phẩm mới có ích và ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Một số cách xử lý vật liệu lignocellulose phổ biến hiện nay để tạo ra sản phẩm có ích như: xử lý để tạo ra năng lượng khí sinh học (biogas), xử lý kiềm để cải thiện tính chất vật lý, cơ học, hóa học của sợi lignocellulose tự nhiên phục vụ cho các mục đích tiếp theo, sản xuất diesel sinh học từ sinh khối lignocellulose có sử dụng vi khuẩn Oleaginous, sản xuất etanol sinh học từ phế liệu ngành chế biến lúa gạo, mía đường, sản xuất butanol sinh học, sản xuất nhiên liệu sinh học trên cơ sở lignocellulose, sử dụng vật liệu lignocellulose cho ngành công nghiệp sản xuất giấy, sản xuất than sinh học (biochar) phục vụ cho nông nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường, sản xuất phân bón hữu cơ phục vụ cho cải tạo đất [6].

4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tổng quan về than sinh học và ứng dụng của than sinh học để cải tạo đất ở Việt Nam và trên thế giới 1. Khái niệm về than sinh học Trong nông nghiệp truyền thống, các phế phụ phẩm đã được sử dụng từ lâu, bằng nhiều hình thức như: làm vật liệu che phủ gốc, vùi cho xốp đất, ủ hoai mục làm phân hữu cơ, đốt lấy tro bón, … Trong nông nghiệp hiện đại, bên cạnh những hình thức đó, chúng còn được ứng dụng sản xuất than sinh học (biochar). Than sinh học được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống, một trong những ứng dụng nổi bật là làm phân bón thế hệ mới trong nông nghiệp.

Than sinh học là vật liệu giàu cacbon có được từ việc đốt cháy bằng nhiệt các nguyên liệu hữu cơ trong điều kiện hạn chế oxy [16]. Nhiều chất thải hữu cơ có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất biochar như chất thải nông, lâm nghiệp, bùn thải đô thị. Than sinh học có những lợi ích riêng của nó như dung tích trao đổi cation cao, diện tích bề mặt lớn và có cấu trúc bền vững và khả năng xúc tác [23]. Vì vậy ngày nay than sinh học được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực môi trường, nông nghiệp như xử lý ô nhiễm và cải tạo đất, cô lập cacbon, xử lý nước và nước thải.

Theo tổ chức IBI (International Biochar Initiative – Sáng kiến Than sinh học Quốc tế) thì than sinh học là một chất rắn thu được từ quá trình cacbon hóa sinh khối. Than sinh học có thể được bổ sung vào đất với mục đích cải thiện các chức năng của đất và giảm sự phát thải các khí nhà kính. Chúng có ý nghĩa lớn trong việc cố định cacbon theo chu trình tuần hoàn vật chất cacbon trong khí quyển [29]. Phân than sinh học là than sinh học thường được tạo ra nhờ nung nguyên liệu ở nhiệt độ dưới 5500C, sản phẩm tạo ra được sử dụng để bón vào đất giống như phân bón.

Trong thành phần của phân than sinh học vẫn còn chứa một lượng chất hữu cơ và các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho đất và cây trồng. Các nguyên liệu khác nhau có tỉ lệ thành phần nguyên tố và tính chất khác nhau, do đó than sinh học có nguồn gốc từ các nguyên liệu này sẽ có đặc tính khác nhau. Ví dụ, than sinh học có nguồn gốc từ rơm rạ có hàm lượng kali (961 mg/kg) 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] và pH (9,5) cao hơn là than sinh học chế biến từ gỗ (349 mg/kg, pH 8,0) [28].Than sinh học có nguồn gốc từ rơm rạ có hàm lượng các chất dễ bay hơi cao hơn nên dễ dàng bị loại bỏ trong quá trình nhiệt phân hơn là chất không bay hơi. Do đó, nguyên liệu có chứa hàm lượng các chất bay hơi cao có thể dẫn đến sản lượng than sinh học thấp.

Do đó, người ta kết luận rằng các loại nguyên liệu có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất hóa lý của than sinh học [24]. Đặc điểm của than sinh học a. Tỷ lệ dinh dưỡng trong than sinh học Hầu hết than sinh học được tạo ra trong khoảng nhiệt độ từ 4500C – 5500C nên sẽ ảnh hưởng tới việc mất N và S. Tuy nhiên, nếu sản xuất than sinh học từ một số nguyên liệu giàu N thì có thể giữ được khoảng 50%N và tất cả S nếu nhiệt phân ở 4500C.

Than sinh học sản xuất ở nhiệt độ cao (8000C) có pH và EC cao. Diện tích bề mặt riêng và vi lỗ trong than sinh học/đặc điểm cấu trúc xốp và nhóm trên bề mặt của than sinh học Cấu trúc xốp của bề mặt than sinh học: Than sinh học với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữ chúng, làm cho than sinh học có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển. Chúng có tỷ trọng tương đối thấp (nhỏ hơn 2g/cm3) và mức độ graphit hóa thấp. Cấu trúc vi lỗ bề mặt này quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu, được tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình hoạt hóa than sinh học.

[11] Nói chung than sinh học có bề mặt riêng phát triển và thường được đặc trưng bằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thước và hình dạng khác nhau.