I. Tổng Quan Về Sản Xuất Hóa Chất Từ Rơm Rạ Biorefinery Bền Vững
Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng và hóa chất thay thế từ sinh khối trở nên cấp thiết. Rơm rạ, phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, đặc biệt tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam, với sản lượng hàng năm lên đến gần 50 triệu tấn, đang thu hút sự chú ý lớn. Thay vì đốt bỏ gây ô nhiễm môi trường, rơm rạ có tiềm năng lớn để chuyển hóa thành các hóa chất giá trị gia tăng thông qua quy trình Biorefinery. Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác triệt để nguồn tài nguyên này, hướng đến mục tiêu Biorefinery không chất thải và phát triển một nền kinh tế tuần hoàn bền vững. Việc sử dụng rơm rạ không chỉ giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, theo [4±6].
1.1. Tiềm năng của rơm rạ trong sản xuất hóa chất giá trị gia tăng
Rơm rạ là nguồn lignocellulose dồi dào, chứa các thành phần chính là cellulose, hemicellulose và lignin. Các thành phần này có thể được chuyển đổi thành nhiều loại hóa chất giá trị gia tăng khác nhau, như ethanol, butanol, acetic acid, furfural và các sản phẩm sinh học khác. Sự đa dạng này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các quy trình Biorefinery tích hợp, tối ưu hóa việc sử dụng rơm rạ và tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Theo các nghiên cứu, việc tận dụng rơm rạ có thể mang lại lợi nhuận đáng kể cho ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến.
1.2. Định hướng biorefinery không chất thải trong chế biến rơm rạ
Mục tiêu của Biorefinery không chất thải là tận dụng tối đa tất cả các thành phần của rơm rạ, giảm thiểu lượng chất thải phát sinh và biến chất thải thành các sản phẩm có giá trị. Điều này đòi hỏi việc phát triển các quy trình chế biến tích hợp, trong đó các sản phẩm phụ từ một quy trình được sử dụng làm nguyên liệu cho quy trình khác. Ví dụ, lignin sau khi tách khỏi cellulose và hemicellulose có thể được chuyển đổi thành bio-oil hoặc các hóa chất aromatics. Chất thải lỏng từ quá trình lên men có thể được sử dụng làm phân bón hoặc tái chế trong quá trình acid hóa, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
II. Thách Thức Trong Sản Xuất Hóa Chất Từ Rơm Rạ Vấn Đề Silica
Mặc dù tiềm năng lớn, việc sản xuất hóa chất giá trị gia tăng từ rơm rạ vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là hàm lượng silica cao trong rơm rạ. Silica có thể gây cản trở trong quá trình chế biến, làm giảm hiệu suất chuyển đổi và gây khó khăn cho việc tách chiết các sản phẩm mong muốn. Các phương pháp giảm silica truyền thống thường đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt hoặc thiết bị đặc biệt, làm tăng chi phí sản xuất. Hơn nữa, sự tương tác phức tạp giữa lignin và các polysaccharid, đặc biệt là hemicellulose, thông qua các liên kết cộng hóa trị, cũng gây khó khăn trong quá trình phân tách và chế biến [9, 10].
2.1. Hàm lượng silica trong rơm rạ và ảnh hưởng đến quy trình biorefinery
Rơm rạ chứa một lượng đáng kể silica, có nguồn gốc từ đất và được hấp thụ vào cây lúa. Silica tồn tại trong rơm rạ dưới dạng polysilicic acid không hòa tan, gây khó khăn cho quá trình chế biến. Silica có thể làm giảm hiệu suất thủy phân cellulose và hemicellulose, gây tắc nghẽn trong các thiết bị và làm giảm chất lượng của các sản phẩm cuối cùng. Do đó, việc loại bỏ silica hiệu quả là một bước quan trọng để nâng cao hiệu quả của quy trình Biorefinery.
2.2. Các phương pháp loại bỏ silica truyền thống và hạn chế của chúng
Các phương pháp loại bỏ silica truyền thống bao gồm xử lý bằng axit mạnh, kiềm mạnh hoặc nhiệt độ cao. Tuy nhiên, các phương pháp này có thể gây ra các vấn đề về môi trường, ăn mòn thiết bị và làm biến đổi cấu trúc của lignin và các thành phần khác trong rơm rạ. Do đó, cần phát triển các phương pháp loại bỏ silica hiệu quả hơn, thân thiện với môi trường và ít gây ảnh hưởng đến các thành phần khác trong rơm rạ.
III. Phương Pháp Loại Bỏ Silica Hiệu Quả Axit Hóa Hai Bước Trong Biorefinery
Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới để giảm hàm lượng silica trong lignin từ rơm rạ một cách hiệu quả và chọn lọc. Phương pháp này dựa trên việc theo dõi sự kết tủa và cấu trúc hóa học của các chất kết tủa bằng cách axit hóa dịch đen thu được từ quá trình xử lý kiềm của rơm rạ ở các giá trị pH khác nhau. Kết quả cho thấy rằng việc axit hóa hai bước bằng axit sulfuric 20 w/v% ở quy mô thí điểm để thu hồi lignin ở pH 9 và silica ở pH 3 cho phép loại bỏ đến 94% silica. Quy trình này đơn giản, hiệu quả và có thể được tích hợp vào quy trình Biorefinery hiện có.
3.1. Cơ chế loại bỏ silica bằng axit hóa hai bước
Quá trình axit hóa hai bước giúp tách lignin và silica dựa trên sự khác biệt về tính chất hòa tan của chúng ở các giá trị pH khác nhau. Ở pH 9, lignin kết tủa trong khi silica vẫn hòa tan. Sau khi tách lignin, dịch lỏng còn lại được axit hóa tiếp đến pH 3 để kết tủa silica. Quá trình này cho phép thu hồi cả lignin và silica một cách hiệu quả.
3.2. Ưu điểm của phương pháp axit hóa hai bước so với các phương pháp khác
Phương pháp axit hóa hai bước có nhiều ưu điểm so với các phương pháp loại bỏ silica truyền thống. Nó đơn giản, dễ thực hiện, không đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt hoặc thiết bị đặc biệt. Nó cũng hiệu quả hơn trong việc loại bỏ silica và ít gây ảnh hưởng đến cấu trúc của lignin. Hơn nữa, dịch thải sau khi thu hồi lignin và silica có thể được tái sử dụng trong quá trình axit hóa, giúp giảm thiểu lượng chất thải phát sinh.
IV. Tích Hợp Sản Xuất Bioethanol Và Thu Hồi Lignin Biorefinery Không Chất Thải
Nghiên cứu tiếp tục phát triển một quy trình Biorefinery thí điểm tích hợp sản xuất bioethanol từ rơm rạ với hệ thống thu hồi lignin, silica và các chất dinh dưỡng. Hiệu suất thu hồi silica và lignin từ dịch đen đạt đến 96%, độ tinh khiết của lignin đạt 79% mà không có sự tồn tại của sợi carbohydrate. Chất thải lỏng cuối cùng chủ yếu chứa các chất vô cơ và có tiềm năng được tái sử dụng trong bước axit hóa. Bã chưng cất là nguồn nitơ cho quá trình đường hóa và lên men đồng thời, tương đương với dịch ngâm ngô, với nồng độ ethanol cuối cùng là 1. Dòng vật chất chỉ ra rằng các sản phẩm có giá trị hơn được sản xuất bằng phương pháp đơn giản làm tăng lợi nhuận của quy trình này. Ngoài ra, hiệu quả năng lượng của quy trình là 0.53, chứng minh tính kinh tế và bền vững của quy trình.
4.1. Hiệu quả thu hồi lignin và silica trong quy trình biorefinery tích hợp
Quy trình Biorefinery tích hợp cho phép thu hồi lignin và silica với hiệu suất cao từ dịch đen sau quá trình xử lý kiềm. Lignin thu được có độ tinh khiết cao và có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho nhiều ứng dụng khác nhau. Silica thu được cũng có thể được sử dụng để tổng hợp các vật liệu có giá trị, như ZSM-5.
4.2. Tiềm năng tái sử dụng chất thải trong biorefinery không chất thải
Quy trình Biorefinery được thiết kế để giảm thiểu lượng chất thải phát sinh. Chất thải lỏng sau khi thu hồi lignin và silica có thể được tái sử dụng trong quá trình axit hóa, giảm lượng axit cần thiết và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Bã chưng cất từ quá trình sản xuất bioethanol có thể được sử dụng làm nguồn nitơ cho quá trình lên men, giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nitơ bên ngoài.
V. Chuyển Hóa Lignin Thành Bio Oil Ứng Dụng Xúc Tác Ni ZSM 5 Hiệu Quả
Nghiên cứu sử dụng silica có nguồn gốc từ trấu để tổng hợp ZSM-5 và Ni/ZSM-5 để xúc tác cho quá trình hydro hóa lignin từ rơm rạ lần đầu tiên. Kết quả cho thấy năng suất bio-oil cao là 24.4 wt% và hàm lượng phenolic là 41.2% khi sử dụng Ni/ZSM-5. Điều này cho thấy tiềm năng của việc sử dụng Ni/ZSM-5 làm chất xúc tác hiệu quả cho việc chuyển hóa lignin thành bio-oil và các hóa chất có giá trị khác.
5.1. Vai trò của xúc tác Ni ZSM 5 trong quá trình hydro hóa lignin
Ni/ZSM-5 là một chất xúc tác hiệu quả cho quá trình hydro hóa lignin, giúp phá vỡ các liên kết phức tạp trong lignin và tạo ra các phân tử nhỏ hơn, như các hợp chất phenolic và bio-oil. Niken (Ni) có vai trò xúc tác cho quá trình hydro hóa, trong khi ZSM-5 có vai trò tăng diện tích bề mặt và độ xốp của chất xúc tác.
5.2. So sánh hiệu quả của Ni ZSM 5 với các xúc tác khác
So với các chất xúc tác khác, Ni/ZSM-5 cho thấy hiệu quả cao hơn trong việc chuyển hóa lignin thành bio-oil và các hợp chất phenolic. Điều này có thể là do sự kết hợp giữa tính chất xúc tác của niken và tính chất vật lý của ZSM-5.
VI. Phân Tích Vòng Đời Rơm Rạ Hướng Đến Kinh Tế Tuần Hoàn Bền Vững
Nghiên cứu cũng xem xét toàn diện vòng đời của rơm rạ theo định hướng kinh tế tuần hoàn. Việc đánh giá vòng đời giúp xác định các tác động môi trường của quy trình Biorefinery từ giai đoạn thu hoạch rơm rạ đến giai đoạn sử dụng các sản phẩm cuối cùng. Kết quả phân tích cho thấy rằng quy trình Biorefinery tích hợp có tiềm năng giảm thiểu tác động môi trường và tạo ra các sản phẩm bền vững.
6.1. Đánh giá tác động môi trường của quy trình biorefinery rơm rạ
Việc đánh giá tác động môi trường của quy trình Biorefinery bao gồm việc xác định và định lượng các nguồn phát thải, sử dụng tài nguyên và các tác động tiềm ẩn đến môi trường. Kết quả đánh giá giúp xác định các điểm nóng môi trường và đề xuất các giải pháp để giảm thiểu tác động.
6.2. Định hướng phát triển kinh tế tuần hoàn trong sản xuất hóa chất từ rơm rạ
Định hướng phát triển kinh tế tuần hoàn trong sản xuất hóa chất từ rơm rạ bao gồm việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, giảm thiểu chất thải và tái chế các sản phẩm và vật liệu. Điều này đòi hỏi sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và chính phủ để phát triển các quy trình và công nghệ bền vững.
