Nghiên cứu sản xuất than sinh học (Biochar) từ vỏ trâu và ứng dụng xử lý nước nuôi trồng thủy sản

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp công nghệ sinh học nghiên cứu sản xuất than sinh học biochar từ vỏ trấu và ứng dụng xử, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải

• Tác giả: Lê Minh Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Vĩnh Khang
• Trường học: Trường Đại Học Nông Lâm
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Sản Xuất Than Sinh Học Từ Vỏ Trâu Và Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Nuôi Trồng Thủy Sản
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thủ Đức

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• XÁC NHẬN VÀ CAM ĐOAN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Than sinh học
• 1.2. Tổng quan về than sinh học
• 1.3. Các phương pháp sản xuất than sinh học
• 1.4. Ứng dụng của than sinh học
• 2. TỔNG QUAN VỀ THAN SINH HỌC
• 2.1. Cơ chế nhiệt phân hình thành than sinh học
• 2.2. Quy trình sản xuất than sinh học
• 2.3. Thành phần trong than sinh học
• 2.4. Diện tích bề mặt và vi lỗ trong than sinh học
• 2.5. Độ tro và độ ẩm
• 2.6. Tổng quan về hấp phụ
• 2.7. Cơ chế của sự hấp phụ
• 2.8. Cân bằng hấp phụ - Một số phương trình đẳng nhiệt hấp phụ
• 2.9. Cơ chế hấp phụ của than sinh học
• 2.10. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ của than sinh học
• 2.11. Sinh trưởng và sinh sản của cá Tra
• 2.12. Hệ thống xử lý nước
• 2.13. Ưu và nhược điểm của hệ thống xử lý nước
• 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 3.1. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
• 3.2. Phương pháp nghiên cứu
• 3.3. Sản xuất than sinh học
• 3.4. pH và độ dẫn điện (EC) của than sinh học
• 3.5. Khả năng hấp phụ Methylene xanh (MB)
• 3.6. Chất rắn lơ lửng (TSS), BOD, COD, DO và nitơ tổng
• 4. CÁC ĐẶC TÍNH HÓA LÝ CỦA THAN SINH HỌC
• 4.1. Hiệu suất tạo than, khối lượng riêng
• 4.2. Đặc tính hấp phụ của than sinh học
• 4.3. Khả năng hấp phụ Methylene xanh của than sinh học
• 4.4. Các đặc tính hóa lý của than sinh học ở mức nhiệt 350°C
• 4.5. Khả năng hấp phụ của than sinh học ở mức nhiệt 350°C với các kích thước hạt khác nhau
• 4.6. Khả năng xử lý nước của than sinh học trong xử lý nước nuôi trồng thủy sản (cá Tra)
• 4.7. Chất lượng nước sau xử lý
• 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• PHỤ LỤC
• DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH SÁCH HÌNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu sản xuất than sinh học từ vỏ trâu

Nghiên cứu sản xuất than sinh học từ vỏ trâu đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực nông nghiệp và môi trường. Than sinh học được sản xuất từ các vật liệu hữu cơ, trong đó vỏ trâu là một nguồn nguyên liệu phong phú. Việc sử dụng than sinh học không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn cải thiện chất lượng đất và nước. Nghiên cứu này nhằm mục đích khảo sát quy trình sản xuất và ứng dụng của than sinh học trong xử lý nước nuôi trồng thủy sản.

1.1. Định nghĩa và lợi ích của than sinh học

Than sinh học là sản phẩm thu được từ quá trình nhiệt phân các vật liệu hữu cơ. Nó có khả năng cải thiện chất lượng đất, tăng cường khả năng giữ nước và dinh dưỡng cho cây trồng. Ngoài ra, than sinh học còn giúp giảm thiểu khí thải nhà kính và ô nhiễm môi trường.

1.2. Tình hình sản xuất than sinh học tại Việt Nam

Việt Nam có nguồn nguyên liệu phong phú cho sản xuất than sinh học, đặc biệt là từ vỏ trâu. Tuy nhiên, việc ứng dụng than sinh học trong nông nghiệp và xử lý nước vẫn còn hạn chế. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để khai thác tiềm năng này.

II. Vấn đề ô nhiễm nước trong nuôi trồng thủy sản hiện nay

Ngành nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là nuôi cá tra, đang đối mặt với nhiều thách thức về ô nhiễm nước. Nước thải từ nuôi trồng thủy sản chứa nhiều chất độc hại như BOD, COD và nitơ tổng. Việc xử lý nước thải là cần thiết để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Than sinh học từ vỏ trâu có thể là giải pháp hiệu quả cho vấn đề này.

2.1. Các thành phần ô nhiễm trong nước nuôi trồng thủy sản

Nước thải từ nuôi trồng thủy sản thường chứa BOD khoảng 50 mg/L, COD khoảng 112 mg/L và tổng nitơ khoảng 4,81 mg/L. Những chất này có thể gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách.

2.2. Tác động của ô nhiễm nước đến môi trường và sức khỏe

Ô nhiễm nước không chỉ ảnh hưởng đến hệ sinh thái mà còn gây ra các vấn đề sức khỏe cho con người. Việc xử lý nước thải là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho cộng đồng và bảo vệ môi trường.

III. Phương pháp sản xuất than sinh học từ vỏ trâu hiệu quả

Quy trình sản xuất than sinh học từ vỏ trâu bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, nhiệt phân và kiểm tra chất lượng. Nhiệt độ và thời gian nhiệt phân là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của than sinh học. Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ 350°C cho ra sản phẩm có chất lượng tốt nhất.

3.1. Quy trình nhiệt phân vỏ trâu

Quy trình nhiệt phân vỏ trâu diễn ra trong điều kiện yếm khí, giúp tạo ra than sinh học với hàm lượng carbon cao. Nhiệt độ và thời gian là hai yếu tố quyết định đến chất lượng sản phẩm.

3.2. Đặc tính hóa lý của than sinh học từ vỏ trâu

Than sinh học từ vỏ trâu có đặc tính xốp, diện tích bề mặt lớn, giúp tăng khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước. Các nghiên cứu cho thấy sản phẩm này có khả năng hấp phụ methylene xanh lên đến 83,48%.

IV. Ứng dụng than sinh học trong xử lý nước nuôi trồng thủy sản

Việc ứng dụng than sinh học trong xử lý nước nuôi trồng thủy sản đã cho thấy hiệu quả rõ rệt. Sản phẩm này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn duy trì lượng oxy hòa tan cần thiết cho sự phát triển của cá. Kết quả nghiên cứu cho thấy nước sau khi xử lý bằng than sinh học có pH ổn định và giảm thiểu ô nhiễm.

4.1. Hiệu quả xử lý nước thải bằng than sinh học

Nghiên cứu cho thấy than sinh học từ vỏ trâu có khả năng giảm BOD, COD và nitơ tổng trong nước nuôi cá tra. Điều này giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường.

4.2. Kết quả thực nghiệm ứng dụng than sinh học

Kết quả thực nghiệm cho thấy nước sau khi qua lõi lọc chứa than sinh học có hàm lượng chất rắn lơ lửng và các chỉ tiêu ô nhiễm khác thấp hơn so với nghiệm thức không xử lý.

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

Nghiên cứu sản xuất than sinh học từ vỏ trâu và ứng dụng trong xử lý nước nuôi trồng thủy sản đã mở ra nhiều triển vọng mới. Việc sử dụng than sinh học không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn góp phần vào phát triển bền vững trong ngành nông nghiệp. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng của than sinh học.

5.1. Triển vọng ứng dụng than sinh học trong tương lai

Với tiềm năng lớn, than sinh học từ vỏ trâu có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ nông nghiệp đến xử lý nước thải. Cần có các chính sách hỗ trợ để khuyến khích nghiên cứu và phát triển.

5.2. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Cần thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về khả năng hấp phụ của than sinh học đối với các chất ô nhiễm khác nhau. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng của than sinh học trong thực tiễn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam, nông nghiệp đóng vai trò trụ cột với diện tích đất sản xuất đạt khoảng 27.482 nghìn ha, trong đó đất trồng lúa chiếm 4,1 triệu ha. Năm 2021, sản lượng lúa cả nước đạt 43,86 triệu tấn, kéo theo lượng phụ phẩm nông nghiệp phát sinh rất lớn. Thống kê năm 2020 cho thấy tổng khối lượng phụ phẩm nông nghiệp đạt trên 156,8 triệu tấn, riêng phụ phẩm sau thu hoạch và chế biến cây trồng chiếm 88,9 triệu tấn (khu vực Đồng bằng sông Cửu Long phát sinh trên 39,4 triệu tấn, Đông Nam Bộ chiếm 13,9 triệu tấn). Trong đó, nguồn phụ phẩm vỏ trấu từ quá trình xay xát lúa gạo phát sinh khoảng 8,6 triệu tấn/năm nhưng tỷ lệ thu gom, tái sử dụng còn thấp, chủ yếu bị thải bỏ hoặc đốt lộ thiên gây ô nhiễm môi trường và lãng phí sinh khối giàu carbon.

Song song với trồng trọt, nuôi trồng thủy sản là ngành kinh tế mũi nhọn với sản lượng tăng từ 3,53 triệu tấn (2015) lên 5,19 triệu tấn (2022). Riêng cá tra (Pangasianodon hypophthalmus) đạt sản lượng 1,7 triệu tấn vào năm 2022, tập trung 95% tại Đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên, hoạt động nuôi thâm canh phát sinh lượng nước thải lớn (từ 15.000 đến 25.000 m³/ha/vụ) chứa hàm lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng cao (thông thường BOD khoảng 50 mg/L, COD khoảng 112 mg/L, tổng nitơ khoảng 4,81 mg/L, tổng photpho khoảng 2,17 mg/L). Nguồn nước thải này nếu không được xử lý đạt chuẩn sẽ gây suy thoái hệ sinh thái nước mặt tiếp nhận. Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Nghiên cứu sản xuất than sinh học (Biochar) từ vỏ trấu và ứng dụng xử lý nước nuôi trồng thủy sản (cá Tra)" được thực hiện nhằm tận dụng phụ phẩm vỏ trấu để chế tạo vật liệu hấp phụ chi phí thấp, thân thiện với môi trường phục vụ xử lý nước tuần hoàn nuôi cá.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu chung: Khảo sát quy trình sản xuất than sinh học (TSH) từ vỏ trấu có khả năng hấp phụ tốt, đồng thời bước đầu đánh giá khả năng xử lý nước nuôi cá tra quy mô nhà lưới đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Mục tiêu cụ thể:

1. Sản xuất được TSH từ vỏ trấu có khả năng hấp phụ các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước.
2. Ứng dụng TSH đã sản xuất làm vật liệu hấp phụ để xử lý nước nuôi cá tra ở quy mô nhà lưới, hướng tới đạt các tiêu chuẩn về nước nuôi và nước thải theo QCVN 02-20:2014/BNNPTNT.

Nhiệm vụ và nội dung thực hiện:

• Nội dung 1: Sản xuất than sinh học từ vỏ trấu bằng phương pháp nhiệt phân chậm ở các dải nhiệt độ khác nhau.
• Nội dung 2: Đánh giá các đặc tính hóa lý (hiệu suất tạo than, khối lượng riêng, pH, độ dẫn điện EC, độ tro, độ ẩm) và khảo sát khả năng hấp phụ Methylene Blue (MB) của than sinh học.
• Nội dung 3: Thiết kế hệ thống cột lọc chứa than sinh học và thử nghiệm xử lý nước nuôi cá tra trong nhà lưới.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu:
  • Than sinh học nhiệt phân từ vỏ trấu thu mua tại các nhà máy xay xát lúa gạo thuộc tỉnh Tiền Giang.
  • Cá tra giống (Pangasianodon hypophthalmus) thu mua từ trại cá giống Tân Vạn (phường Bình An, TP. Dĩ An, tỉnh Bình Dương).
  • Nguồn nước nuôi cá tra thực nghiệm tại chỗ (sử dụng nước máy đã được phơi 48 giờ để xử lý clo dư).
• Phạm vi không gian: Khoa Khoa học Sinh học và Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ tháng 8/2022 đến tháng 12/2022.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình ứng dụng

• Cơ chế nhiệt phân sinh khối lignocellulose: Quá trình chuyển hóa nhiệt vỏ trấu trong điều kiện yếm khí diễn ra qua sự phân hủy của ba thành phần chính:
  • Cellulose: Phân cắt liên kết glucosidic tạo D-glucopyranose, tái sắp xếp nội phân tử thành levoglucosan trước khi chuyển hóa thành cấu trúc carbon xốp.
  • Hemicellulose: Khử thành oligosaccharide, đứt gãy liên kết glycosidic trong chuỗi xylan tạo 1,4-anhydro-D-xylopyranose, tiếp tục khử carboxyl và ngưng tụ.
  • Lignin: Phân hủy phức tạp nhất thông qua phản ứng tạo gốc tự do do phân cắt liên kết $\beta$-O-4, hình thành các hợp chất phenolic bền vững và cấu trúc than giàu carbon.
• Cơ chế hấp phụ của than sinh học: Sự lưu giữ chất ô nhiễm diễn ra qua các cơ chế: lấp đầy lỗ rỗng (vi lỗ < 2 nm, trung bình 2–50 nm), tương tác tĩnh điện, liên kết hydrogen, hiệu ứng kỵ nước và trao đổi ion giữa các nhóm chức chứa oxy (-OH, -COOH) hoặc cation khoáng ($Ca^{2+}, Mg^{2+}, K^+$) trên bề mặt than với chất tan.
• Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ:
  • Mô hình Langmuir: Mô tả quá trình hấp phụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất về năng lượng, biểu diễn qua phương trình: $$\frac{C_e}{Q_e} = \frac{1}{K_L Q_m} + \frac{C_e}{Q_m}$$ Trong đó: $Q_m$ là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g); $Q_e$ là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g); $C_e$ là nồng độ chất bị hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/L); $K_L$ là hằng số Langmuir (L/mg). Đánh giá tính thuận lợi của quá trình thông qua tham số phân tách: $$R_L = \frac{1}{1 + K_L C_0}$$ (Quá trình thuận lợi khi $0 < R_L < 1$).
  • Mô hình Freundlich: Mô tả quá trình hấp phụ đa lớp trên bề mặt không đồng nhất: $$\log Q_e = \log K_F + \frac{1}{n} \log C_e$$ Trong đó: $K_F$ là dung lượng hấp phụ Freundlich; $1/n$ là cường độ hấp phụ.

Hệ thống quy chuẩn và phương pháp phân tích

Nghiên cứu áp dụng đồng bộ các phương pháp phân tích tiêu chuẩn quốc gia (TCVN) và quốc tế (ASTM, ISO):

Thông số / Chỉ tiêu	Phương pháp / Tiêu chuẩn đối chiếu	Thiết bị / Hóa chất chính
Quy chuẩn nước nuôi & thải	QCVN 02-20:2014/BNNPTNT	Tiêu chuẩn chất lượng nước ao nuôi cá tra
Hiệu suất tạo than	TCVN 5335:2009	Lò nung BIODOT, Cân kỹ thuật Ohaus PA
Độ dẫn điện (EC) & pH	TCVN 5979:2021	Máy đo pH/EC Extech cầm tay
Khối lượng riêng	ASTM D854-14	Bình tỷ trọng thủy tinh, cân phân tích
Độ tro	ASTM D2866-89	Lò nung Nabertherm ($550 \pm 25^\circ\text{C}$, 8 giờ)
Độ ẩm	TCVN 6257:1997	Tủ sấy Memmert ($105 \pm 5^\circ\text{C}$)
Hấp phụ Methylene Blue	Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis	Máy đo UV-Vis tại bước sóng $\lambda = 624\text{ nm}$
Chất rắn lơ lửng (TSS)	TCVN 6625:2000 (ISO 11923:1997)	Giấy lọc Whatman No.1, bộ lọc hút chân không Finetech
BOD	TCVN 6001-1:2008 (ISO 5851-1:2003)	Hệ thống ủ mẫu BOD chuyên dụng
COD	TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989)	Phương pháp chuẩn độ hồi lưu kín
Oxy hòa tan (DO)	TCVN 7324:2004 (ISO 5814:1990)	Máy đo DO hiện trường
Nitơ tổng số (TN)	TCVN 6638:2000 (ISO 10048:1991)	Máy phân tích đạm Kjeldahl (Gerhardt), chỉ thị Tashiro

Thiết kế bố trí thí nghiệm

1. Chế tạo than sinh học: Vỏ trấu sau khi loại bỏ tạp chất được nạp vào lò BIODOT với khối lượng $13 \pm 0,5\text{ kg/mẻ}$. Tiến hành nhiệt phân ở 4 mức nhiệt độ: $200^\circ\text{C}, 250^\circ\text{C}, 300^\circ\text{C}$ và $350^\circ\text{C}$ với thời gian lưu nhiệt 3 giờ. Mỗi mức nhiệt lặp lại 3 lần. Than sau nung được phân loại bằng hệ thống rây Haver & Boecker thành 3 cỡ hạt: 1 mm, 0,6 mm và 0,212 mm.
2. Khảo sát hấp phụ MB: Cho 0,2 g TSH vào 10 mL dung dịch MB ở các dải nồng độ $5, 10, 15, 20, 25\text{ ppm}$ tại pH = 7,5. Lắc 90 phút trên máy lắc Lalabo, lọc qua giấy Whatman No.1 và đo quang ở bước sóng 624 nm để xác định đường đẳng nhiệt.
3. Thử nghiệm xử lý nước nuôi cá tra:
   • Bể nuôi: 02 bể nhựa hình trụ (1 bể đối chứng không lọc, 1 bể xử lý bằng TSH), đường kính 2,5 m, chiều cao 1 m, thể tích hiệu dụng $3,93\text{ m}^3$. Thả 100 cá tra giống/hồ (mật độ khoảng 15–20 con/m³).
   • Hệ thống lọc: Cột lọc PVC đường kính 11,2 cm, dài 60 cm. Cấu trúc lõi lọc từ trên xuống gồm: khoang chứa nước vào (10 cm), lớp than sinh học (40 cm, khối lượng 450–500 g), lớp đệm đá nhỏ (5 cm) và lớp đệm đá lớn ở đáy; giữa các lớp có màng lưới ngăn rò rỉ vật liệu. Nước được bơm tuần hoàn qua cột lọc 6–8 giờ/ngày mà không thay nước trong suốt chu kỳ nuôi.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Đặt vấn đề

Chương này tổng quan về thực trạng sản xuất lúa gạo và nuôi trồng thủy sản tại Việt Nam, đặc biệt là khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Tác giả chỉ rõ mâu thuẫn giữa việc phát sinh hàng triệu tấn phụ phẩm vỏ trấu chưa qua chế biến với nguy cơ ô nhiễm nguồn nước do thâm canh cá tra. Từ đó, xác định mục tiêu nghiên cứu sản xuất than sinh học từ vỏ trấu để làm vật liệu xử lý nước nuôi thủy sản tuần hoàn khép kín, phân kỳ thực hiện qua 3 nội dung nghiên cứu cụ thể.

Chương 2. Tổng quan tài liệu

Trình bày cơ sở lý luận về than sinh học, bao gồm bản chất hóa học, cơ chế nhiệt phân các hợp chất cao phân tử lignocellulose, các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến cấu trúc xốp và nhóm chức bề mặt của than. Phân tích chi tiết lý thuyết hấp phụ (hấp phụ vật lý, hấp phụ hóa học, mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich). Giới thiệu đặc tính sinh thái, dinh dưỡng và sinh lý của cá tra (Pangasianodon hypophthalmus), nguyên lý xử lý nước bằng phương pháp lọc - hấp phụ và hệ thống chỉ tiêu chất lượng nước theo QCVN 02-20:2014/BNNPTNT.

Chương 3. Vật liệu và phương pháp

Mô tả chi tiết địa điểm, thời gian, nguồn nguyên vật liệu (vỏ trấu Tiền Giang, cá giống Tân Vạn) cùng danh mục trang thiết bị, hóa chất nghiên cứu. Trình bày chi tiết các công thức toán học và quy trình thực nghiệm xác định: hiệu suất tạo than, khối lượng riêng, pH, EC, độ tro, độ ẩm, độ hấp phụ MB. Trình bày thông số kỹ thuật hệ thống bể nuôi cá tra ($3,93\text{ m}^3$) và thiết kế chi tiết cột lọc PVC ($11,2\text{ cm} \times 60\text{ cm}$) nạp 450–500 g than sinh học hoạt động tuần hoàn.

Chương 4. Kết quả và thảo luận

Tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm:

• Đánh giá sự biến thiên các tính chất hóa lý của TSH theo 4 mức nhiệt độ nhiệt phân ($200^\circ\text{C} - 350^\circ\text{C}$).
• Khảo sát khả năng hấp phụ chất màu MB theo nhiệt độ tạo than, nồng độ chất tan và 3 kích thước hạt than (1 mm, 0,6 mm, 0,212 mm).
• Thiết lập và đối chiếu mô hình toán học Langmuir và Freundlich cho loại than tối ưu (TSH350), xác định kích thước hạt 0,6 mm là tối ưu về mặt cân bằng giữa hiệu suất hấp phụ và tính khả thi trong vận hành cột lọc.
• Đánh giá diễn biến các chỉ tiêu môi trường nước nuôi cá tra (pH, nhiệt độ, TSS, DO, BOD, COD, Nitơ tổng) và các chỉ số sinh trưởng, tỷ lệ sống của cá tra thực nghiệm.

Chương 5. Kết luận và đề nghị

Đưa ra kết luận tổng hợp về các thông số tối ưu để sản xuất TSH từ vỏ trấu (nhiệt độ $350^\circ\text{C}$, cỡ hạt 0,6 mm) và tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước nuôi thủy sản. Đồng thời nêu các kiến nghị về việc tối ưu chu kỳ hoàn nguyên vật liệu lọc và mở rộng thử nghiệm.

---

Kết quả và đóng góp

Dữ liệu thực nghiệm về đặc tính hóa lý của than sinh học

Nhiệt độ nhiệt phân có ảnh hưởng mang tính quyết định đến các tính chất vật lý và hóa học của than sinh học vỏ trấu. Số liệu thực nghiệm được xử lý thống kê bằng trắc nghiệm phân hạng Tukey ($p < 0,05$):

Mức nhiệt độ nung	Hiệu suất tạo than (%)	Khối lượng riêng (g/cm³)	pH	Độ dẫn điện EC (mS/cm)	Độ tro (%)	Độ ẩm (%)
$200^\circ\text{C}$	$42,31 \pm 0,58^\text{a}$	$0,72 \pm 0,01^\text{c}$	$8,09 \pm 0,04^\text{d}$	$0,43 \pm 0,02^\text{d}$	$30,92 \pm 0,01^\text{d}$	$1,83 \pm 0,14^\text{d}$
$250^\circ\text{C}$	$39,23 \pm 0,37^\text{b}$	$0,78 \pm 0,06^\text{bc}$	$9,78 \pm 0,04^\text{c}$	$0,67 \pm 0,02^\text{c}$	$35,77 \pm 0,06^\text{c}$	$3,28 \pm 0,04^\text{c}$
$300^\circ\text{C}$	$37,60 \pm 0,46^\text{c}$	$0,88 \pm 0,02^\text{b}$	$9,84 \pm 0,04^\text{b}$	$0,79 \pm 0,00^\text{b}$	$36,11 \pm 0,11^\text{b}$	$4,54 \pm 0,15^\text{b}$
$350^\circ\text{C}$	$35,29 \pm 0,34^\text{d}$	$1,03 \pm 0,05^\text{a}$	$10,05 \pm 0,03^\text{a}$	$0,97 \pm 0,01^\text{a}$	$37,86 \pm 0,15^\text{a}$	$6,88 \pm 0,07^\text{a}$

Nhận xét từ số liệu:

• Hiệu suất tạo than giảm từ 42,31% xuống 35,29% khi tăng nhiệt độ từ $200^\circ\text{C}$ lên $350^\circ\text{C}$ do sự giải phóng mạnh mẽ các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.
• Khối lượng riêng tăng từ 0,72 lên 1,03 g/cm³; pH tăng từ 8,09 lên 10,05 (tính kiềm mạnh do tích lũy muối khoáng kiềm Ca, K, Mg và mất nhóm acid); EC tăng từ 0,43 lên 0,97 mS/cm chứng tỏ khả năng giải phóng cation và trao đổi ion gia tăng.
• Độ tro tăng từ 30,92% lên 37,86% do hàm lượng silica trong vỏ trấu không bị cháy; độ ẩm tăng từ 1,83% lên 6,88% phản ánh cấu trúc vi xốp phát triển mạnh, làm tăng khả năng hút ẩm ngược.

Đặc tính đẳng nhiệt hấp phụ của TSH350 theo kích thước hạt

Khảo sát khả năng hấp phụ Methylene Blue của than sinh học nhiệt phân ở $350^\circ\text{C}$ (TSH350) qua 3 dải kích thước hạt cho thấy quá trình hấp phụ tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir cao hơn mô hình Freundlich:

Kích thước hạt than	Dung lượng hấp phụ cực đại $Q_m$ (mg/g)	Hằng số Langmuir $K_L$	Hệ số tương quan $R^2$ (Langmuir)	Hệ số tương quan $R^2$ (Freundlich)	Dải tham số phân tách $R_L$
1 mm	0,3421	0,2433	0,9126	0,8307	0,1412 – 0,4512
0,6 mm	0,5647	0,1857	0,9973	0,9375	0,1772 – 0,5185
0,212 mm	0,5981	0,4880	0,9785	0,9159	0,2146 – 0,5774

• Hệ số tương quan $R^2$ của mô hình Langmuir ở cả 3 kích thước hạt đều đạt giá trị cao (từ 0,9126 đến 0,9973), đặc biệt đạt 0,9973 đối với cỡ hạt 0,6 mm, chứng minh quá trình hấp phụ MB là hấp phụ hóa học đơn lớp trên bề mặt đồng nhất.
• Giá trị $R_L$ đều nằm trong khoảng $0 < R_L < 1$, khẳng định điều kiện hấp phụ rất thuận lợi.
• Mặc dù cỡ hạt 0,212 mm cho dung lượng hấp phụ cực đại cao nhất ($Q_m = 0,5981\text{ mg/g}$, hiệu suất khử MB đạt tới 83,40%), tác giả đề xuất chọn cỡ hạt 0,6 mm ($Q_m = 0,5647\text{ mg/g}$, hiệu suất khử MB $> 70%$) để chế tạo cột lọc vì giảm thiểu nguy cơ nghẹt dòng chảy, tránh rò rỉ than mịn vào bể nuôi và tiết kiệm năng lượng nghiền rây.

Kết quả thử nghiệm xử lý nước nuôi cá tra trong nhà lưới

Thực nghiệm vận hành cột lọc chứa 450–500 g TSH350 (cỡ hạt 0,6 mm) trong hệ thống nuôi cá tra tuần hoàn ghi nhận các kết quả:

• Độ ổn định môi trường: Nước sau lọc duy trì pH ổn định trong ngưỡng tối ưu cho cá tra sinh trưởng, hạn chế sự biến động nhiệt độ nước.
• Khả năng làm sạch: Hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD) và nitơ tổng số (TN) ở bể có xử lý TSH luôn thấp hơn đáng kể so với nghiệm thức đối chứng không lọc.
• Duy trì dưỡng khí: Hệ thống lọc TSH hỗ trợ duy trì nồng độ oxy hòa tan (DO) cần thiết trong nước nuôi ($> 2,0\text{ mg/L}$).
• Sinh trưởng của cá: Cá tra ở nghiệm thức xử lý TSH duy trì màu sắc tự nhiên, hoạt động nhanh nhẹn, tỷ lệ sống và mức tăng trọng lượng được cải thiện so với hồ đối chứng.

Giải pháp kỹ thuật và đóng góp của đề tài

• Giải pháp đề xuất: Ứng dụng mô hình cột lọc tuần hoàn sử dụng than sinh học vỏ trấu TSH350 cỡ hạt 0,6 mm (phối hợp lớp đệm đá sỏi phân tầng) vận hành 6–8 giờ/ngày, giúp tái sử dụng nước nuôi cá tra, hạn chế xả thải ra môi trường.
• Đóng góp học thuật: Xác lập bộ thông số thực nghiệm đầy đủ về đặc tính hóa lý của than sinh học vỏ trấu sản xuất ở dải nhiệt độ $200^\circ\text{C} - 350^\circ\text{C}$, chứng minh cơ chế hấp phụ đơn lớp Langmuir đối với chất ô nhiễm chứa nhóm mang màu/gốc nitơ và chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng than sinh học phụ phẩm nông nghiệp trong công nghệ xử lý nước nuôi thủy sản quy mô nhỏ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong nghiên cứu

• Thời gian bão hòa của vật liệu: Vật liệu than sinh học trong lõi lọc bị bão hòa hấp phụ sau khoảng 3 ngày vận hành liên tục, đòi hỏi phải thay thế hoặc tái sinh vật liệu để duy trì hiệu quả xử lý nước.
• Yêu cầu kỹ thuật vận hành: Hệ thống đòi hỏi người vận hành phải có hiểu biết cơ bản về cơ khí ghép nối đường ống, kỹ thuật lọc tuần hoàn và kiểm soát chất lượng nước nuôi.
• Quy mô thực nghiệm: Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô nhà lưới với thể tích bể $3,93\text{ m}^3$ và mật độ nuôi 100 con cá/hồ, chưa tiến hành thử nghiệm đối chứng ở quy mô ao nuôi đất thương phẩm thâm canh ngoài trời (diện tích hàng nghìn mét vuông).
• Thỏa hiệp kích thước hạt: Than có kích thước siêu mịn (0,212 mm) cho hiệu suất hấp phụ cao nhất nhưng chưa thể ứng dụng thực tế do hiện tượng rò rỉ hạt qua màng lọc và gây tổn thất áp lực dòng chảy lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Nghiên cứu các giải pháp giải hấp, tái sinh hoặc hoàn nguyên than sinh học vỏ trấu sau khi bão hòa để kéo dài tuổi thọ vật liệu lọc và giảm chi phí thay thế.
• Tận dụng than sinh học sau khi bão hòa (đã hấp phụ giàu nitơ và chất hữu cơ từ phân cá) làm phân bón hữu cơ hoặc giá thể cải tạo đất trồng cây.
• Mở rộng quy mô thử nghiệm hệ thống lọc than sinh học trên các mô hình ao nuôi thủy sản thực tế ngoài đồng ruộng.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

• Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Sinh học, Khoa học Môi trường và Kỹ thuật Môi trường: Tham khảo quy trình nhiệt phân sinh khối bằng lò đốt BIODOT, các phương pháp xác định chỉ tiêu lý hóa của than sinh học (ASTM D854-14, ASTM D2866-89, TCVN 5979:2021) và quy trình tính toán động học, đẳng nhiệt hấp phụ theo mô hình Langmuir và Freundlich.
• Cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành Nuôi trồng Thủy sản: Tham khảo mô hình thiết kế cột lọc tuần hoàn đơn giản, chi phí thấp sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học để kiểm soát chất lượng nước bể ương/nuôi cá tra trong điều kiện không thay nước.
• Các nhà nghiên cứu về kinh tế tuần hoàn và quản lý phụ phẩm nông nghiệp: Kế thừa số liệu thực nghiệm về tiềm năng chuyển hóa vỏ trấu thành vật liệu xử lý môi trường có giá trị gia tăng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Nhiệt độ nhiệt phân nào tạo ra than sinh học vỏ trấu có tính chất hóa lý tốt nhất và các thông số cụ thể là bao nhiêu?
Nhiệt độ nhiệt phân $350^\circ\text{C}$ (mẫu TSH350) cho chất lượng than tốt nhất với các thông số: hiệu suất tạo than đạt $35,29 \pm 0,34%$, khối lượng riêng lớn nhất đạt $1,03 \pm 0,05\text{ g/cm}^3$, pH đạt $10,05 \pm 0,03$, độ dẫn điện EC đạt $0,97 \pm 0,01\text{ mS/cm}$, độ tro $37,86 \pm 0,15%$ và độ ẩm $6,88 \pm 0,07%$.

2. Tại sao tác giả lựa chọn kích thước hạt than 0,6 mm để làm cột lọc thay vì kích thước 0,212 mm dù hạt 0,212 mm có khả năng hấp phụ cao hơn?
Hạt 0,212 mm có dung lượng hấp phụ cực đại cao nhất ($Q_m = 0,5981\text{ mg/g}$), nhưng tốn nhiều thời gian, công sức nghiền rây và dễ bị rò rỉ ra bể nuôi gây tắc nghẽn. Hạt 0,6 mm có dung lượng hấp phụ tương đương ($Q_m = 0,5647\text{ mg/g}$, hiệu suất khử MB $> 70%$), hệ số tương quan Langmuir cao nhất ($R^2 = 0,9973$), dễ gia công và vận hành ổn định trong cột lọc nên được lựa chọn.

3. Quá trình hấp phụ Methylene Blue của than sinh học vỏ trấu tuân theo mô hình đẳng nhiệt nào?
Quá trình hấp phụ MB của TSH350 tuân theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir với hệ số tương quan $R^2$ rất cao (từ 0,9126 đến 0,9973, vượt trội so với mô hình Freundlich có $R^2$ từ 0,8307 đến 0,9375), chứng tỏ quá trình hấp phụ diễn ra đơn lớp trên bề mặt đồng nhất với cơ chế tương tác tĩnh điện và trao đổi ion.

4. Cấu tạo chi tiết của cột lọc xử lý nước nuôi cá tra trong nghiên cứu gồm những thành phần nào?
Cột lọc được chế tạo từ ống nhựa PVC hình trụ đường kính 11,2 cm, chiều dài 60 cm. Cấu tạo từ trên xuống gồm: khoang trống chứa nước vào (10 cm), lớp than sinh học TSH350 cỡ hạt 0,6 mm dày 40 cm (chứa 450–500 g than), lớp đệm đá nhỏ dày 5 cm và lớp đệm đá lớn ở đáy; giữa các lớp vật liệu có lưới ngăn xáo trộn và chống rò rỉ. Cột lọc vận hành tuần hoàn 6–8 giờ/ngày.

5. Căn cứ pháp lý và tiêu chuẩn môi trường nào được sử dụng để đối chiếu chất lượng nước trong đề tài?
Nghiên cứu sử dụng Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02-20:2014/BNNPTNT của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn quy định về cơ sở nuôi cá tra trong ao - điều kiện bảo đảm vệ sinh thú y, bảo vệ môi trường và an toàn thực phẩm làm căn cứ đánh giá các chỉ tiêu nước nuôi và nước thải (pH, DO, BOD, COD, TSS, Nitơ tổng).

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Lê Minh Thắng đã hoàn thành trọn vẹn quy trình thực nghiệm từ sản xuất than sinh học vỏ trấu bằng phương pháp nhiệt phân chậm ở $350^\circ\text{C}$ đến khảo sát đặc tính lý hóa và mô hình hóa quá trình hấp phụ đơn lớp Langmuir. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng TSH350 cỡ hạt 0,6 mm trong cột lọc tuần hoàn để ổn định pH, duy trì DO và giảm thiểu TSS, BOD, COD, Nitơ tổng trong nước nuôi cá tra quy mô nhà lưới. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật giàu tiềm năng giúp gia tăng giá trị chuỗi phụ phẩm lúa gạo và đóng góp vào mục tiêu phát triển nghề nuôi thủy sản bền vững, tuần hoàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, nông nghiệp vẫn là một ngành quan trọng, góp phần vào phát triển, tồn tại của nhiều nước. Theo thống kê, tổng diện tích canh tác nông nghiệp chiếm khoảng 38% tổng diện tích đất trên thế giới. Nông nghiệp là ngành sản xuất lớn bao gồm trồng trọt, chăn nuôi, lâm nghiệp và thủy sản. Sản lượng lúa gạo thương mại toàn cầu hằng năm khoảng 36 triệu tấn, với kim ngạch thương mại đạt 3,2 tỷ USD (Đỗ Thị Bích, 2022).

Ngành nông nghiệp cung cấp những sản phẩm thiết yêu như lương thực, thực phẩm và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp. Bên cạnh đó, nông nghiệp còn mang lại nhiều giá trị về mặt kinh tế và xã hội như xuất khẩu, tạo việc làm và thu nhập cho người dân. Ở Việt Nam ước tính diện tích đất nông nghiệp là 27.482 ha trong đó đất trồng lúa chiếm 4,1 triệu ha. Tổng sản lượng lúa năm 2021 là 43,86 triệu tan tăng 1,1 triệu tan so với năm 2020.

Tỷ trọng gạo chat lượng cao chiếm trên 89% gạo xuất khẩu, góp phan nâng giá gạo xuất khâu bình quân từ 496 USD/tan năm 2020 lên trên 503 USD/tấn năm 2021 (Tổng cục Thống kê, 2022). Tuy vậy, cùng với sự gia tăng sản lượng các sản phẩm nông nghiệp đi theo đó là lượng phụ phẩm ngày càng tăng. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê, tổng khối lượng phụ phẩm năm 2020 của cả nước là trên 156,8 triệu tấn trong đó phụ phẩm sau thu hoạch từ cây trồng, từ quá trình chế biến nông san là 88,9 triệu tấn, chiếm 56,7%. Trong đó, riêng khu vực Đông Nam Bộ phát sinh 13,9 triệu tan và đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) với hơn 39,4 triệu tan.

Mặc dù vậy, tỉ lệ phụ phẩm cây trồng được thu gom, sử dụng chỉ chiếm 52,2%. Trong đó, tỉ lệ sử dụng rơm lúa chỉ 56,3% (cho các mục đích làm thức ăn thô cho gia súc, làm đệm lót sinh học cho vật nuôi, làm nam rơm, phủ gốc cho cây trồng. Đặc biệt, một lượng đáng ké phụ phẩm nông nghiệp không được xử lý hoặc xử lý sai cách gây ô nhiễm không khí, cản trở giao thông, ảnh hưởng đến sức khỏe con người, làm giảm đi giá trị của chúng. Theo số liệu Tổng cục thống kê năm 2020, phụ phẩm từ quá trình chế biến nông sản của ngành trồng trọt gồm: Vỏ trau 8,6 triệu tan, bã mía 3,5 triệu tấn, lõi bắp 1,4 triệu tan, vỏ củ mì 1,3 triệu tan và các loại khác là 2 triệu tan.

Đặc biệt, vỏ trau là nguồn phụ phẩm dồi dao, có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: xử lý nước, làm giá thé cho cây trồng. nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi, còn lãng phi. Ở nước ta, bên cạnh trồng trot, thì nuôi trồng thủy sản được xem là ngành kinh tế mũi nhọn. Với hệ thống sông ngòi dày đặc và điều kiện khí hậu thuận lợi cho nuôi trồng nhiều loại thủy sản khác nhau như tôm, cá tra.

Từ năm 2015-2022: Sản lượng nuôi trồng thủy sản của Việt Nam tăng từ 3,53 triệu tan lên 5,19 triệu tấn, tăng 47%. Nuôi trồng thủy sản phục vụ cho xuất khẩu tập trung chủ yếu ở ĐBSCL (chiếm 95% tổng sản lượng cá Tra và 80% sản lượng tôm). Đặc biệt, sản lượng cá tra trong năm 2022 là 1,7 triệu tấn. Bên cạnh đó nước thải trong nuôi trồng thủy sản cũng chứa nhiều thành phần độc hại có thể gây ô nhiễm môi trường cần được xử lý.

Thông thường, nước thải từ nuôi trồng cá tra có lượng BOD khoảng 50 mg/L, COD khoảng 112 mg/L, tổng nitơ khoảng 4,81 mg/L, và tổng photpho khoảng 2,17 mg/L. Nguồn nước thải nuôi trồng thủy sản trong một vụ có thé đạt 15000 — 25000 m/ha tùy thuộc vào quy trình và diện tích nuôi trồng các loại thủy sản mà lượng phát thải khác nhau (Phạm Đình Đôn, 2016). Phát triển kinh tế cần phải gắn liền với bảo vệ môi trường sinh thái: do đó nước thải từ quá trình nuôi trồng thủy sản cần đucowj xử lý triệt dé và tái sử dụng. Những giải pháp xử lý hiện nay bao gồm: phương pháp vật lý (lọc lắng, sử dung tia cực tim,.), phương pháp hóa học (sử dụng ozon, các biện pháp kết tủa,.), và sinh học (sử dụng than sinh học, chế phẩm sinh học, xử lý bằng hệ thực vật như sử dung tao, thực vật.

Hiện nay, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học; đặc biệt sử dụng các vật liệu thân thiện với môi trường đang được khuyến khích sử dụng. Từ nguồn nguyên liệu vỏ trau đồi đào sẵn có và tiềm năng ứng dụng của than sinh học trong xử lý nước thải ô nhiễm, đề tài “ Nghiên cứu sản xuất than sinh học (biochar) từ vỏ trau và ứng dụng xử lý nước nuôi trồng thủy sản (cá tra)” đã được thực hiện. Mục tiêu của nghiên cứu nhằm khảo sát quy trình sản xuất TSH có khả năng hấp phụ tốt, đồng thời bước đầu đánh giá khả năng xử lý nước nuôi trồng thủy sản của TSH sản xuất từ vỏ trâu ở quy mô nhà lưới. Mục tiêu nghiên cứu Sản xuất TSH từ vỏ trâu có khả năng hấp phụ các chat gây ô nhiễm trong môi trường nước.

Ứng dụng TSH đã sản xuất làm vật liệu hấp phụ dé xử lý nước nuôi cá tra (quy mô nhà lưới) đạt các tiêu chuẩn về xử lý nước thai theo QCVN 02-20:2014/BNNPTNT. Nội dung thực hiện Nội dung 1: Sản xuất TSH từ vỏ trau. Nội dung 2: Đánh giá các đặc tính hóa lý và khả năng hấp phụ của TSH. Nội dung 3: Ứng dụng TSH dé xử lý nước nuôi cá tra trong nhà lưới.

TONG QUAN TÀI LIEU 2. Than sinh hoc 2. Tổng quan về than sinh học Than sinh học (biochar) được sản xuất từ bat kỳ vật liệu thực vật nào (cành cây, vỏ trau, rơm.) có hàm lượng carbon cao khi được đốt trong điều kiện yém khí (nồng độ khí Oxy thấp hoặc không có). Than sinh học được mệnh danh là “vàng đen” vì những tác dụng quý báu của nó đối với nông nghiệp và môi trường, là nhân tố chủ yếu tạo ra cuộc cách mạng xanh lần thứ ba.

Than sinh học có hàm lượng cacbon cao, đặc tính xốp và là “ngôi nha” của vi sinh vật. Ngoài ra, than sinh học còn có đặc tính như một bê chứa cacbon tự nhiên. Biochar cũng rất ôn định vì vậy nó trở thành một thành phần tồn tại lâu dài trong đất; các nghiên cứu khảo cô học ở Amazon đã phát hiện ra các trầm tích “đất den’ có tuổi trên 500 năm vẫn giữ được độ màu mỡ. Than sinh học là một loại cacbon đen được sản xuất từ vật liệu cacbon thông qua việc áp dụng nhiệt hoặc hóa chất (Lehmann, 2007; Novak và ctv, 2009).

Carbon đen trong đất có thé là kết quả của các hoạt động nhân sinh như các hiện tượng tự nhiên như hoạt động núi lửa hoặc cháy rừng (Spokes và ctv, 2012). Cụ thé hơn, TSH là sản phẩm rắn thu được sau khi nhiệt phân vật liệu hữu cơ trong điều kiện không có hoặc có rất ít oxy (Lehmann và Joseph, 2015). Nó có thé được sản xuất từ việc đốt những phụ phẩm nông nghiệp có sinh khối lớn ở Việt Nam như: rơm rạ, vỏ trâu, lõi ngô, vỏ dừa, cà phê, mùn cưa. Theo tính toán của Viện Năng lượng Việt Nam, đến năm 2013, tong lượng chat thải nông nghiệp vào khoảng 118,21 triệu tắn/năm, bao gồm khoảng 32,8 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trau, 15,6 triệu tấn bả mía, 1,2 triệu tan vỏ ca phê, 9,2 triệu tan lõi ngô, 8,1 triệu tấn các loại phụ phâm nông nghiệp khác và phế thải từ gỗ khoảng 43,3 triệu tan.

Day là nguồn nguyên liệu tiềm năng dé sản xuất TSH. Các phương pháp sản xuất TSH bao gồm: nhiệt phân nhanh, nhiệt phân chậm, khí hóa. Trong đó, nhiệt phân chậm là công nghệ được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất TSH với hiệu suất tạo ra TSH cao. Các tính chất của TSH tạo thành phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu, điều kiện nhiệt phân (nhiệt độ nhiệt phân, thời gian lưu, tốc độ gia nhiệt) và quá trình tiền xử lý.

Trong đó nhiệt độ nhiệt phân là yếu tố ảnh hưởng đáng kể nhất đến chất lượng than sinh học tạo ra. Các phương pháp nhiệt phân bao gồm nhiệt phân cacbon hóa thủy nhiệt, nung chảy và gia nhiệt vi sóng, thay đổi về nhiệt độ và thời gian nhiệt hóa. Cho đến nay, TSH đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, được sử dụng dé giải quyết các van đề môi trường như hap phụ chat ô nhiễm, giảm khí thải nhà kính, ủ phân, xử lý nước thải, cải tạo đất, sản xuất năng lượng và chất xúc tác. Hàm lượng khoáng chất của TSH làm cho nó trở thành chất xúc tác cuối cùng cho quá trình phân hủy ky khí, giúp tăng cường đáng kể sản xuất năng lượng sinh học.

Bồ sung vào quá trình phân hủy ky khí bằng TSH có thể làm tăng sản lượng khí sinh học và hydro sinh học có thé dat được từ 57% đến 118% tương ứng trong quá trình kiểm soát (Malyan và ctv, 2021). Bồ sung TSH vào đất giúp cải thiện sức khỏe của đất, độ xốp và độ thoáng khí, làm giảm phát thải khí nhà kính từ đất. Bên cạnh đó, TSH còn có hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên, góp phan cải thiện, khắc phục và bảo vệ, hạn chế ô nhiễm môi trường, giúp giảm thiêu phát thải khí nhà kính. Đặc biệt TSH cũng có tính chất hấp phụ tương tự như than hoạt tính (THT) giúp TSH có thể được sử dụng như một chất hấp phụ giúp loại bỏ kim loại nặng hay anion gây ô nhiễm ra khỏi nước.

Nhưng so với THT, quá trình sản xuất TSH đơn giản và chi phí thấp hơn (Lehmann và Joseph, 2015) nhờ sử dụng nhiệt độ nhiệt phân thấp và không có bước hoạt hoá bé sung carbon tiêu tốn nhiều năng lượng và hoá chất. Như vậy, có thé thay TSH là một vật liệu tiềm năng với chi phí thấp trong vấn dé làm sạch đất, khí, nước thải trong tương lai. Cơ chế nhiệt phân hình thành than sinh học Các phản ứng hóa học thông thường xảy ra trong quá trình nhiệt phân đề sản xuất than sinh học bao gồm phân hủy và trùng hợp các thành phần cao phân tử, ngưng tụ, khử cacbon, khử cacboxyl, khử nước, methoxyl hóa, bién dang giữa các phân tử. Cơ chế nhiệt phân sinh khối dé sản xuất than sinh học bao gồm cơ chế nhiệt phân cellulose, hemicellulose và lignin vì mỗi thành phần có các đặc tính nhiệt khác nhau.

Nhiệt độ phản ứng là một trong những thông số quan trọng nhất chi phối các phan ứng chiếm ưu thế, nhưng rất khó dé duy trì nhiệt độ đồng nhất trong một hệ thống thực.