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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 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.