Đặt vấn đề Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp, các sản phẩm nông nghiệp xuất khẩu đứng đầu thế giới như gạo, đường, cà phê… kèm theo đó chúng ta cũng có một lượng sinh khối không nhỏ được thải ra. Theo tính toán của Viện Năng Lượng Việt Nam, tổng nguồn sinh khối vào khoảng 118 triệu tấn mỗi năm, trong đó khoảng 40 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 6 triệu tấn bã mía và trên 50 triệu tấn vỏ cà phê, vỏ đậu, phế thải gỗ… chúng được xem như là chất thải, bị đốt hoặc vứt bỏ và chỉ khoảng 11% được sử dụng, chủ yếu dùng làm chất đốt. Các nghiên cứu để khai thác nguồn sinh khối ở nước ta vẫn còn sơ khai, chưa mang lại nhiều giá trị trong ứng dụng thực tiễn. Các quá trình chuyển hoá sinh khối khác nhau tạo ra các sản phẩm được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau như thu nhiệt lượng, khí nhiên liệu, nhiên liệu lỏng và than sinh học.
Các nghiên cứu ứng dụng sản phẩm của quá trình chuyển hoá sinh khối đang phát triển mạnh trong nước và trên thế giới, trong đó có vật liệu than sinh học. Tiềm năng sử dụng than sinh học rất lớn nhờ cấu trúc bề mặt, có khả năng ứng dụng như một vật liệu đa chức năng với nguồn nguyên liệu dồi dào, chi phí sản xuất thấp. Các nghiên cứu về than sinh học ở nước ta hiện nay chủ yếu trong lĩnh vực nông nghiệp cải tạo đất nông nghiệp, tăng hiệu quả sử dụng phân bón, tăng năng suất cây trồng. Trong lĩnh vực môi trường, than sinh học được nghiên cứu khả năng xử lý kim loại nặng, chất hữu cơ trong nước và khí thải như một vật liệu hấp phụ với chi phí thấp, đây là một vật liệu tiềm năng thay thế than hoạt tính.
Tuy nhiên các nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực này còn hạn chế và riêng lẻ, chưa đưa ra cơ sở vững chắc ứng dụng trong từng trường hợp cụ thể. Các nghiên cứu trên thế giới những năm gần đây cho thấy khả năng sử dụng than sinh học như một vật liệu hấp phụ, thân thiện với môi trường, xử lý được các kim loại nặng, chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học. Nhưng từng trường hợp cụ thể như loại nguyên liệu loại nào, điều kiện điều chế thế nào, để xử lý được chất ô nhiễm nào trong điều kiện ra sao thì cần phải nghiên cứu thêm.2 Mục tiêu nghiên cứu 2 Nghiên cứu chế tạo và đánh giá khả năng hấp phụ than sinh học, trong xử lý các chất ô nhiễm trong nước như kim loại nặng, kháng sinh, màu hữu cơ.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu bao gồm những nội dung sau: ‐ Nội dung 1: Chế tạo than sinh học từ các loại sinh khối, ‐ Nội dung 2: Thử nghiệm sơ bộ khả năng xử lý các đối tượng ô nhiễm ‐ Nội dung 3: Phân tích các đặc trưng than sinh học. ‐ Nội dung 4: Đánh giá đặc tính hấp phụ của than sinh học với các chất ô nhiễm.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng của nghiên cứu bao gồm: ‐ Xơ dừa, trấu, bã mía, bã cà phê.
‐ Nước chứa Mn, Fe, Cr, Pb, Tartrazine, Rhodamine B, Levofloxacine, Doxycyline 1.2 Phạm vi nghiên cứu Đánh giá khả năng hấp phụ của một loại than sinh học đối với kim loại nặng (Fe, Mn, Cr, Pb) và các chất hữu cơ (Levofloxacine, Doxycyline, Tartrazine, Rhodamine B) trong quy mô phòng thí nghiệm, so sánh hiệu quả với than hoạt tính thương mại.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học Đánh giá khả năng, điều kiện xử lý của than sinh học đối với chất ô nhiễm đặc trưng trong nước thải (kim loại nặng, chất hữu cơ), tìm ra cơ chế xử lý của than sinh học đối với các đối tượng ô nhiễm.2 Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu vật liệu có tính ứng dụng cao trong xử lý nước, được tạo ra từ nguồn nguyên liệu dồi dào là chất thải nông nghiệp sẵn có của địa phương. Điều này góp phần hạn chế ô nhiễm từ nguồn chất thải nông nghiệp, đồng thời tạo ra vật liệu có chi phí thấp trong giải quyết các vấn đề xử lý nước thải.6 Tính mới của đề tài Thử nghiệm hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm kim loại và chất hữu cơ trong nước bằng than sinh học được chế tạo từ chất thải nông nghiệp dồi dào, phổ biến tại địa phương. Từ đó xem xét tính chất, thành phần, khả năng phát triển và ứng dụng vật liệu hấp phụ này trong tương lai. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Khái quát về than sinh học Than sinh học (biochar) là một loại vật liệu giàu carbon, được làm từ sinh khối (nguồn nguyên liệu khô, độ ẩm <10%) thông qua các quá trình nhiệt hóa học như nhiệt phân, nung, carbon hóa nhanh và khí hoá [2].
Quá trình nhiệt phân sản xuất than sinh học thường từ 300 – 700 oC trong điều kiện thiếu oxy ở áp suất khí quyển [21]. Nguồn sinh khối từ chất thải nông nghiệp có thể tận dụng để sản xuất than sinh học, nó là nguồn nguyên liệu dồi dào và tái tạo. Các chất thải nông nghiệp như mùn cưa, bã mía, xơ dừa, trấu, rơm rạ, bã cà phê… có rất nhiều ở nước ta, có thể tận dụng dùng làm nguyên liệu để sản xuất than sinh học. Than sinh học là kết quả của các phản ứng nhiệt phân cellulose, hemicellulose, và lignin tạo nên các nhóm chức trên bề mặt than sinh học.
Ở nhiệt độ cao, các phản ứng có thể xảy ra như khử carboxyl, khử carbonyl hoá, khử nước, tạo nhân thơm, sắp xếp lại các phân tử. Quá trình này tạo ra các cấu trúc của nhiều dạng nền carbon khác nhau gồm carbon vô định hình (chiếu ưu thế khi nung ở nhiệt độ thấp), dạng carbon turbostratic (hình thành ở nhiệt độ cao hơn) và dạng carbon than chì (graphite) [1]. Than sinh học có cấu trúc lỗ xốp với diện tích bề mặt lớn. Thành phần hóa học của than sinh học có cấu trúc aliphatic và nhân thơm với các nhóm chức trên bề mặt khác nhau như hydroxy, epoxy, carbonyl, carboxyl, phenol, quinonyl, acyl, ether, esters.
Ngoài các nguyên tố chính như C, H và O còn có một lượng nhỏ N, Si, P, S và Fe. Cụ thể tổng hàm lượng C từ 60 - 89%, O từ 9% – 36%, H từ 1% - 7% và tro từ 0,2% - 40% [2]. Đặc tính hóa lý của than sinh học khác nhau tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu (thành phần sinh khối, độ ẩm, kích thước hạt) và điều kiện nhiệt phân (thiết kế lò nung, thời gian nung, tốc độ gia nhiệt, áp suất, tốc độ dòng khí trơ…). Các nghiên cứu phân tích TEM và BET trên bề mặt than sinh học cho thấy chúng có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn.
Đặc tính vật lý được xem xét như cấu trúc lỗ xốp, kích thước hạt, tỉ trọng và độ bền cơ học [5]. 5 - Một trong những đặt tính vật lý quan trọng của than sinh học là kích thước các lỗ xốp. Đó là các macropores (>50 nm), mesopores (2-50 nm) và micropores (<2 nm) tạo nên tổng diện tích bề mặt và thể tích lỗ rỗng của than sinh học. - Kích thước hạt của than sinh học phụ thuộc nhiều vào độ cứng của sinh khối và kích thước hạt sinh khối khi đem vào nung, kích thước hạt có thể bị vỡ ra trong quá trình nhiệt phân, chúng trở nên nhỏ hơn khi nhiệt độ tăng từ 450 oC đến 700 oC.
- Tỷ trọng của than sinh học được xem xét khối lượng riêng của than sinh học so với nguyên liệu ban đầu, khối lượng riêng của than sinh học tăng khi nhiệt độ tăng. - Độ bền cơ học phụ thuộc vào độ rắn của than sinh học và độ kết tinh của nó, nó tương quan với tỉ trọng và tỉ lệ nghịch với độ xốp. Độ bền cơ học quan trọng trong việc xác định chất lượng than sinh học trong ứng dụng. Đặc tính của than sinh học phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và điều kiện nhiệt phân bao gồm nhiệt độ của quá trình nhiệt phân [5].
‐ Đặc tính nguồn nguyên liệu: là nguồn sinh khối, xem xét các đặc tính như thành phần hóa học, kích thước hạt, hàm lượng chất dễ bay hơi, độ ẩm và năng lượng. Chúng phụ thuộc rất nhiều vào nguồn gốc và đặc tính nguyên liệu (rễ, thân, vỏ, hạt thực vật, hay phân động vật…). Sự khác nhau ở thành phần nguồn nguyên liệu tạo nên tính đa dạng cho cho than sinh học khi chế tạo trong cùng điều kiện. Các sinh khối có lượng lignin cao cho lượng tro thấp và lượng than cao hơn.
Diện tích bề mặt than sinh học ở sinh khối gỗ mềm cao hơn ở gỗ cứng [5]. ‐ Điều kiện nhiệt phân (mục 2.2) đóng vai trò tạo khung cấu trúc cho than sinh học và biến đổi đặc tính hoá lý trên bề mặt sinh khối, do sự phân huỷ thành phần sinh khối hình thành và biến đổi các hợp chất trung gian, loại bỏ thành phần dễ bay hơi… Các quá trình hình thành nhóm chức trên bề mặt than sinh học phụ thuộc vào quá trình nhiệt như nhiệt độ nung, tốc độ gia nhiệt, thời gian. Nhiệt độ nung có ảnh hưởng mạnh nhóm chức bề mặt hơn là tốc độ gia nhiệt [38]. Ở nhiệt độ ≥ 500 oC, lignin bắt đầu chuyển hóa [5], xảy ra quá trình khử nước nhóm methyl dẫn đến mất các gốc chức C=O và O-H, đồng 6 thời cũng tăng gốc C-O trên bề mặt [4], than sinh học trở nên kỵ nước và bền nhiệt khi nhiệt phân ở nhiệt độ > 650 oC [5].
Điều này làm nên đặc tính hóa học bề mặt của vật liệu, tạo nên tính chất hấp phụ đặc trưng của than sinh học. Than sinh học được sản xuất ở nhiệt độ > 400 oC có hiệu quả trong việc hấp phụ chất hữu cơ và vô cơ, do có diện tích bề mặt cao và sự gia tăng thể tích lỗ rỗng [27]. Các nghiên cứu gần đây [29, 43, 45] đều cho kết quả than sinh học tạo ra ở nhiệt độ 700 oC cho hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm tốt hơn. Dựa vào các đặc tính hoá học bề mặt có thể có được của than sinh học (Hình 2.1 [25]), có thể phát triển ứng dụng than sinh học như một vật liệu đa chức năng [25], tiềm năng trong xử lý nhiều chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong đất và nước, nhờ vào khả năng hấp phụ và cấu trúc lỗ rỗng, cũng như cải tạo đất, tăng khả năng giữ chất dinh dưỡng của đất trong nông nghiệp.