ĐẶC ĐIỂM HÓA LÝ CỦA THAN SINH HỌC ĐIỀU CHẾ TỪ VỎ TRẤ U- PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERIZATION OF BIOCHAR DERIVED FROM RICE HUSK

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: />
ĐẶC ĐIỂM HÓA LÝ CỦA THAN SINH HỌC ĐIỀU CHẾ TỪ VỎ TRẤU- PHYSICAL
AND CHEMICAL CHARACTERIZATION OF BIOCHAR DERIVED FROM RICE
HUSK

Article · January 2016 READS

CITATIONS 6,464

0

1 author:

Tu Tran Thi
Hue University (HU), Vietnam
28 PUBLICATIONS 2 CITATIONS

SEE PROFILE

Some of the authors of this publication are also working on these related projects:

"Research on the efficiency of rice husk biochar on the growth of vegetables on loamy sand in Thua Thien Hue province". Code: DHH2014-09-10. View project

"Nghiên cứu ảnh hưởng của biochar sản xuất từ vỏ trấu lên sinh trưởng của một số loại rau trên đất cát pha ở Thừa Thiên Huế". "Research on the efficiency of rice
husk biochar on the growth of vegetables on loamy sand in Thua Thien Hue province". Project of Hue University (2014- 2016), Code: DHH2014-09-10. View project

All content following this page was uploaded by Tu Tran Thi on 23 October 2017.
The user has requested enhancement of the downloaded file.

Tạp chí Khoa học – Đại học Huế
ISSN 1859-1388

Tập 120, Số 6, 2016, Tr. 233-247

ĐẶC ĐIỂM HÓA LÝ CỦA THAN SINH HỌC
ĐIỀU CHẾ TỪ VỎ TRẤU

Trần Thị Tú
Viện Tài ngun và Mơi trường, Đại học Huế

Tóm tắt: Bài báo này trình bày một số đặc điểm hóa lý của than sinh học từ vỏ trấu (Rice Husk Biochar-
RHB). Hiệu suất tối đa tạo RHB của giống lúa HT1 đạt 48,1 %. RHB có màu đen, cấu trúc dạng xốp và nhiều
lỗ rỗng. RHB có 75,6 % thành phần nước, chất hữu cơ dễ bay hơi có thể cháy và phân hủy, 24,4 % chất vô cơ
không bị phân hủy trong khoảng nhiệt độ từ 34,9 °C đến 765,8 °C. Các nguyên tố chủ yếu trong RHB là C
(11,9 % - 47,6 %), O (30,4 % - 49,3 %), Si (20,6 % - 38,0 %) và K (0,7 % - 1,4 %). Diện tích bề mặt riêng của RHB
đạt SBET là 47,14 ± 1,18 m2/g. RHB chủ yếu là vật liệu mao quản trung bình. Điểm điện tích khơng (PZC)
của RHB là pHPZC đạt 8,0.

Từ khóa: diện tích bề mặt riêng, hấp phụ, than sinh học, vỏ trấu.

1 Giới thiệu

Theo Lehmann và Joseph, than sinh học (biochar) là vật rắn giàu carbon (C) thu được từ
việc nhiệt phân sinh khối hay các chất hữu cơ trong mơi trường yếm khí [7]. Với tính tốn của
Viện Năng lượng Việt Nam, lượng chất thải nông nghiệp ở Việt Nam rất đa dạng (như rơm rạ,
vỏ trấu, lõi ngô, vỏ dừa, vỏ cà phê, phế thải gỗ…), thải ra môi trường hoặc đốt ngoài đồng ruộng
hàng năm rất lớn. Đây là một trong những nguồn năng lượng sinh khối tiềm năng để phục vụ
cho nhu cầu đun nấu và sản xuất biochar. Năm 2013, tổng lượng chất thải nông nghiệp khoảng
118,21 triệu tấn/năm, bao gồm khoảng 32,8 triệu tấn rơm rạ, 8 triệu tấn trấu, 15,6 triệu tấn bã mía,
1,2 triệu tấn vỏ cà phê, 9,2 triệu tấn lõi ngô, 8,1 triệu tấn các loại phụ phẩm nông nghiệp khác và
phế thải từ gỗ khoảng 43,3 triệu tấn.

Các nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam đã cho thấy biochar từ các loại phụ phẩm nơng
nghiệp có thể được sử dụng như là chất hấp phụ màu, kim loại, chất dinh dưỡng... giống như
than bùn, than hoạt tính. Ngồi ra, than sinh học cịn dùng để cải tạo đất (tăng cường hàm lượng
carbon, lưu giữ carbon lâu dài trong đất, cải thiện tính chất vật lí của đất như tăng khả năng giữ
nước và tạo độ tơi xốp, giữ lại dinh dưỡng trong đất). Bên cạnh đó, biochar cịn có hiệu quả trong
việc sử dụng tài nguyên; góp phần cải thiện, khắc phục và/hoặc bảo vệ, hạn chế ô nhiễm môi
trường, giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính [2, 7, 13].

Lúa nước (Oryza sativa L.) là loại cây lương thực chủ yếu của vùng sản xuất nông nghiệp
Việt Nam, cho nên chất thải nông nghiệp từ vỏ trấu và rơm rạ chiếm khối lượng lớn. Do đó, một
số đề tài, dự án, đã nghiên cứu sản xuất biochar và đánh giá lợi ích của việc ứng dụng biochar

*Liên hệ:
Nhận bài: 12-01-2016; Hoàn thành phản biện: 09-07-2016; Ngày nhận đăng: 01-09-2016.

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

vào cải tạo đất ở Thừa Thiên Huế. Từ năm 2008 đến năm 2013, Vườn quốc gia Bạch Mã đã triển
khai “Dự án Than Bạch Mã” và có hơn 140 hộ dân ở huyện Phú Lộc và Nam Đông tham gia. Dự
án “Giảm thiểu tổn thất sau thu hoạch và chế biến lúa gạo” do Viện lúa quốc tế (IRRI) chủ trì từ
năm 2009 đến năm 2013, trong đó có hợp phần chế tạo lị đốt biochar của nhóm tác giả Phạm
Xn Phương, Đại học Nông Lâm Huế cũng cho kết quả tốt. Tuy nhiên, các đề tài này chưa tìm
hiểu về đặc điểm cấu trúc và một số tính chất hóa lý của biochar tạo ra từ vỏ trấu.

Theo Tổ chức năng lượng quốc tế (IEA), chất lượng và sản lượng biochar phụ thuộc rất lớn
vào các quá trình nhiệt phân khác nhau. Hiện nay, biochar được nhiệt phân theo 5 kiểu khác
nhau: carbon hóa thủy nhiệt, nhiệt phân cực nhanh, nhiệt phân nhanh, nhiệt phân chậm và khí
hóa. Những cách tạo ra nhiều biochar là kiểu carbon hóa thủy nhiệt (từ 50 % đến 80 %), nhiệt
phân cực nhanh (40 %) và nhiệt phân chậm (30 %) [14]. Vật liệu RHB tạo ra trong nghiên cứu này

theo kiểu nhiệt phân chậm. Vì thế, nghiên cứu này đã tìm hiểu một số đặc điểm hóa lý (điểm
nhiệt phân, thành phần nguyên tố, cấu trúc bề mặt vật liệu, điểm điện tích khơng, diện tích bề
mặt riêng và phân bố đường kính mao quản...) của biochar điều chế từ vỏ trấu ở Thừa Thiên Huế
để phục vụ cho việc khảo sát khả năng giữ nước, cải thiện tính chất đất; hấp phụ chất hữu cơ,
màu trong dung dịch nước hoặc một số loại nước thải (dệt nhuộm, phịng thí nghiệm...) ở các
nghiên cứu sau này.

2 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1 Vật liệu nghiên cứu

Vỏ trấu tươi khoảng 300 kg được thu thập tại phường Hương Sơ, thành phố Huế vào tháng
4 năm 2014. Vỏ trấu được lấy từ giống lúa Hương thơm số 1 (HT1), đây là giống lúa thơm ngắn
ngày hiện đang được trồng phổ biến tại phường Hương Sơ, thành phố Huế và các vùng nông
thôn ở phường Hương Vinh, Hương Chữ, thị xã Hương Trà, tỉnh Thừa Thiên Huế.

Nguyên liệu vỏ trấu được phơi khô trong 3 ngày. Vỏ trấu được nhiệt phân bằng lị đốt yếm
khí loại 2 m3 theo dạng mẻ. Lị thí nghiệm 2 m3 có khả năng chứa từ 22,5 kg đến 26,0 kg nhiên
liệu đốt và nguyên liệu, tùy vào việc nhồi nguyên liệu vào thùng và lò. Các thùng nguyên liệu
kín chứa nguyên liệu là vỏ trấu (RH); mNL từ 5,5 kg đến 7,0 kg đặt trong lị. Nhiệt cung cấp cho
lị từ q trình đốt cháy nhiên liệu (vỏ trấu, củi, rơm rạ) (mNhL từ 17,0 kg đến 19,0 kg).
Lị đốt yếm khí ít sử dụng điện, chỉ mất 15 phút châm lò bằng quạt thổi. Q trình cháy tự nhiên
trong điều kiện thiếu khơng khí từ 2 giờ đến 8 giờ; để nâng nhiệt độ từ nhiệt độ khơng khí đến
nhiệt độ nhiệt phân khoảng từ 276 °C đến 760 °C; nguyên liệu vỏ trấu chuyển thành biochar vỏ
trấu (RHB); với khối lượng mb từ 2,0 kg đến 3,0 kg. Sử dụng máy đo nhiệt độ tiếp xúc kiểu K để
kiểm tra diễn biến nhiệt độ của lị đốt, quan sát khói và hơi nước bốc lên. Khi nhiệt độ lò giảm
đến nhiệt độ thường thì lấy mẫu than ra.

234

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

Nguyên liệu: Máy đo nhiệt Biochar vỏ trấu (RHB),
Vỏ trấu (RH), độ tiếp xúc để nguội tự nhiên,
mNL từ 5,5 kg - 7,0 kg mb = 2,5 - 3,0 kg
Nhiên liệu: Đốt cháy yếm khí, Nhiệt
Vỏ trấu, củi, rơm rạ: độ lị: 30 ÷ 760 oC
mNhL từ 17,0 kg - 19,0 kg

Hình 1. Sơ đồ quy trình điều chế biochar vỏ trấu (RHB)

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Các thông số, phương pháp nghiên cứu và thiết bị sử dụng như sau:

- Khối lượng: xác định khối lượng bằng cân kỹ thuật (AND, SH 5000, Nhật Bản), cân phân
tích (AUY220, SHIMADZU, Nhật Bản).

- Nhiệt độ: đo nhiệt độ trực tiếp bằng Máy đo nhiệt độ tiếp xúc kiểu K (Extech, TM100, Mỹ).

- pH: Biochar được ngâm trong nước cất với tỷ lệ khối lượng 1 : 100 (0,5 g/ 50 mL), đậy kín,
khuấy trong 1 giờ ở nhiệt độ phòng bằng máy khuấy từ, chờ trong 2 tiếng thì đo giá trị pH bằng
máy đo pH (Hach, Sension + pH3, Tây Ban Nha).

- Điểm điện tích khơng (PZC-Point of Zero Charge) của vật liệu: Xác định PZC của vật liệu
để giải thích q trình hấp phụ trên bề mặt vật liệu. Thí nghiệm xác định sơ bộ điểm điện tích
khơng trong dung dịch muối KCl 0,1 M để được các giá trị pHi: 2, 4, 6, 7, 8, 10 và 12. Đổ các dung
dịch đã chuẩn pHi ở trên vào các bình tam giác đã chứa chất hấp phụ là biochar (0,5 g), đậy kín,
khuấy dung dịch bằng máy khuấy từ 1 giờ, chờ trong trong 48 giờ. Để lắng, lọc sạch huyền phù
bằng giấy lọc, đo lại các giá trị pH gọi là pHf. Làm tương tự với dung dịch KCl 0,01 M. Thí nghiệm

xác định chính xác điểm điện tích khơng trong dung dịch muối KCl tương tự thí nghiệm xác định
sơ bộ, nhưng khoảng pH được chia nhỏ hơn [1]. Đo pH bằng máy đo pH (Hach, Sension+ pH3,
Tây Ban Nha), máy khuấy từ (HEIDOLPH, MR 3001K, Đức).

235

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

- Phân tích nhiệt: Phân tích nhiệt trọng lượng/nhiệt trọng lượng vi sai (TGA/DTG - Thermo
Gravimetric Analysis/ Derivative Thermo Gravimetry) bằng máy SETARAM (Labsys TG/DSC
1600, Pháp).

- Thành phần khoáng của vật liệu: Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD - X Ray Diffraction)
với ống phát bức xạ CuKα (λ = 0,15406 nm; 40 kV; 40 mA), góc đo: từ 10° đến 70°, trên máy
XRD - X Ray Diffraction (D8 Advance, Brucker, Đức).

- Vi cấu trúc vật liệu: Chụp ảnh bề mặt vật liệu bằng máy TEM (Transmission Electron
Microscopy) với ống phát nhiệt điện tử có thế gia tốc 80 kV, bằng kính hiển vi điện tử truyền qua
TEM (JEOL, JEM-1010 Electron Microscope, Nhật Bản).

- Cấu trúc bề mặt và thành phần nguyên tố vật liệu: Chụp ảnh bề mặt và bên trong vật liệu
bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM - Field Emission Scanning Electron
Microscopy) (JEOL, JSM-7600F, Mỹ); tích hợp đầu thu phổ tán sắc năng lượng tia X
(EDS - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, Oxford Instruments 50 mm2 X-Max, Anh) và đầu
dò huỳnh quang catot CL (Gatan MonoCL4, Anh); để xác định phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX-
Energy Dispersive X-ray) nhằm phân tích thành phần nguyên tố, pha của vật liệu.

- Diện tích bề mặt riêng và phân bố đường kính mao quản (BET/BJH): Đo diện tích bề mặt
riêng theo phương pháp của BET (Brunauer- Emmett- Teller) và BJH (Barrett- Joyner- Halenda)
để xác định diện tích bề mặt hấp phụ và giải hấp phụ khí N2 ở 77,35K; bằng máy đo diện tích bề

mặt riêng BET (Quantachrome Instrument, Autosorb - iQ – MP, Mỹ) và thiết bị phân tích hóa hấp
thụ Autochem (Micromeritics Instrument, Autochem II 2920, Mỹ).

2.3 Xử lý số liệu

- Xác định hiệu suất tạo than sinh học theo công thức (1).

H (%)  mb *100 (1)
mo

Khối lượng nguyên liệu và biochar được xác định bằng phương pháp cân trọng lượng.
Trong đó: mo, mb (g): khối lượng vỏ trấu ban đầu trước khi nung và than sinh học vỏ trấu tạo
thành sau khi nung trong thùng nguyên liệu.

- Xác định điểm điện tích khơng (PZC) theo cơng thức (2).

pH  pH f  pHi (2)

Trong đó, pHi và pHf là giá trị đo pH ban đầu và sau khi cho biochar vào dung dịch muối
KCl 0,1 M và KCl 0,01 M. Điều kiện thí nghiệm: nhiệt độ khơng khí từ 23,2 °C đến 28,3 °C; độ ẩm
khơng khí: từ 68 % đến 77 %; nhiệt độ dung dịch: từ 22,4 °C đến 25,0 °C.

- Biều đồ và số liệu phân tích được xử lý bằng Microsoft Excel 2007.

236

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Hiệu suất tạo than sinh học điều chế từ vỏ trấu

Hình 2a thể hiện diễn biến nhiệt độ lị đốt dạng mẻ được kiểm tra bằng máy đo nhiệt độ
tiếp xúc kiểu K, từ nhiệt độ khơng khí (29,2 °C) đến 760 °C, kéo dài khoảng 16 giờ từ khi bắt đầu
đốt đến khi trở về nhiệt độ thường. Trong đó, q trình cháy trong điều kiện thiếu khơng khí kéo
dài từ 4 giờ đến 5 giờ với nhiệt độ duy trì từ 524 °C đến 639,8 °C; sau đó duy trì nhiệt từ 440 °C
đến 524 °C trong 3,5 giờ. Ban đầu, tốc độ nâng nhiệt chậm đạt 2,4 °C/phút trong khoảng 30 phút
từ 29,2 °C đến 76,9 °C. Tốc độ nâng nhiệt tăng nhanh từ 33 °C/phút trong 6 phút tiếp theo (29,2
°C đến 275,3 °C) đến 45 °C/phút trong 11 phút (từ 275,3 °C đến 760 °C). Sau đó, tốc độ hạ nhiệt
2,93 °C/phút từ 760 °C xuống 617,7 °C trong 48,6 phút tiếp theo. Quá trình duy trì nhiệt với tốc
độ hạ nhiệt chậm 0,34 °C/phút từ 577 °C xuống 440 °C trong 6,6 giờ. Trong 9 đến 16 giờ tiếp theo,
quá trình hạ nhiệt diễn ra từ 213 °C xuống 40 °C.

a) b)

Hình 2. Diễn biến nhiệt độ lị đốt yếm khí theo thời gian (a) và mẫu RHB (b)

Trong 9 đợt thí nghiệm, hiệu suất trung bình tạo biochar biến động Htb từ 35,6 % đến
48,1 % với nhiệt độ lị < 760 °C. Trong đó, đợt 5 có hiệu suất cao nhất (Htb = 48,1 %), biochar có
màu đen, còn nguyên cấu trúc vỏ trấu ban đầu và khá đồng đều (hình 2b, bảng 1). Như vậy, quá
trình đốt cháy diễn ra ngắn hay dài tùy thuộc vào lượng nhiên liệu nhồi vào lò chặt hay lỏng.
Nếu quá trình đốt cháy diễn ra ngắn thì do lượng nhiên liệu ít, là loại dễ cháy (như rơm rạ, vỏ
trấu), độ rỗng trong lò nhiều sẽ cung cấp thêm lượng oxi cho quá trình cháy diễn ra nhanh hơn.
Nếu thời gian cháy diễn ra kéo dài hơn thì do lượng nhiên liệu nhồi chặt; nhiên liệu đốt có sử
dụng củi gỗ cùng với rơm rạ và vỏ trấu để tăng cường thời gian giữ nhiệt.

237

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

Bảng 1. Hiệu suất tạo biochar

Số Khối lượng Hiệu suất Tỷ lệ nhiên
thùng 1 thùng (g) tạo liệu/ tổng
nguyên sinh khối
Đợt liệu, N Vỏ trấu, Biochar, biochar, Nhiên liệu đốt
mo tb mb tb Htb (%) (%)
Đợt 1 Vỏ trấu, rơm rạ
Đợt 2 4 659 ± 81 234 ± 26 35,6 ± 1,3 86,1 Vỏ trấu, rơm rạ, củi
Đợt 3 Vỏ trấu, rơm rạ, củi
Đợt 4 4 573 ± 32 216 ± 7 37,7 ± 1,0 86,5 Vỏ trấu, rơm rạ, củi
Đợt 5 Vỏ trấu, rơm rạ, củi
Đợt 6 4 710 ± 21 266 ± 19 37,4 ± 1,7 82,6 Vỏ trấu, rơm rạ, củi
Đợt 7 Vỏ trấu, rơm rạ, củi
Đợt 8 4 855 ± 18 346 ± 11 40,5 ± 0,8 80,2 Vỏ trấu, rơm rạ, củi
Đợt 9 Vỏ trấu, rơm rạ, củi
Trung 4 950 ± 15 457 ± 46 48,1 ± 5,0 76,9
bình
3 1.020 ± 14 424 ± 9 41,6 ± 0,9 81,8

3 1.034 ± 45 456 ± 7 44,2 ± 2,2 79,3

3 1.097 ± 46 477 ± 20 43,5 ± 2,5 79,5

2 1.241 ± 98 475 ± 44 38,3 ± 0,5 80,3

3,4 904 ± 41 372 ± 21 40,7 ± 1,8 81,5

3.2 Đặc tính hóa lý của than sinh học điều chế từ vỏ trấu

3.2.1 Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng và nhiệt trọng lượng vi sai (TGA/DTG)

Hình 3 thể hiện giản đồ TGA/DTG của RHB từ nhiệt độ phòng (34,9 °C) đến 765,8 °C; tốc
độ nâng nhiệt 10 °C /phút trong dịng khơng khí có lưu lượng 2,5 L/giờ để xác định điểm nhiệt
phân khác nhau và mất khối lượng của vật liệu. Đường cong nhiệt trọng lượng (TGA) bắt đầu từ
peak thu nhiệt ở 81,9 °C (mất khối lượng 1,94 %) đến 289,6 °C (mất khối lượng 6,94 %) do quá
trình bay hơi từ mất nước dạng tự do, hấp phụ vật lý - dạng liên kết yếu giữa nước màng mỏng
và hấp phụ trên bề mặt vật liệu; và q trình chuyển hóa chất dễ bay hơi nhẹ. Các peak từ 495,5
°C (mất khối lượng 33,0 %) đến 696,8 °C (mất khối lượng 69,1 %) và kết thúc ở 765,8 °C (mất khối
lượng 75,6 %) do quá trình oxi hóa, chuyển hóa các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và phân hủy
carbon trong vật liệu. Như vậy; mẫu RHB có khoảng 75,6 % thành phần là nước; chất hữu cơ dễ
bay hơi, hydrocarbon có thể cháy và phân hủy; 24,4 % chất vô cơ không bị phân hủy trong khoảng
nhiệt độ < 800 °C.

238

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

Hình 3. Giản đồ nhiệt trọng lượng/nhiệt trọng lượng vi sai (TGA/DTG) của RHB
Theo Mahir et al. [8] quá trình nhiệt phân vỏ trấu được phân thành các vùng nhiệt độ khác
nhau như: vùng sấy khô (do mất nước tự do và vật lý của vật liệu) từ 27 °C (300 K) đến 152 °C
(425 K) làm mất khối lượng 7,56 %; vùng chuyển hóa chất hữu cơ dễ bay hơi từ 152 °C (425 K)
đến 627 °C (900 K) làm mất khối lượng 77,2 %; vùng phân hủy than từ 627 °C (900 K) đến 1.000
°C (1.273 K) làm mất khối lượng 15,24 %, trong đó phần cịn lại chiếm 13,82 %. Như vậy, quá trình
mất nước và phân hủy chất hữu cơ dễ bay hơi diễn ra mạnh từ 127 °C đến 727 °C (400 K đến
1.000 K) [8]. Theo Kok và Özgür, với tốc độ nâng nhiệt 10 °C/phút, quá trình nhiệt phân vỏ trấu
(RH) trong khoảng nhiệt độ từ 252 °C đến 380 °C làm phân hủy các chất dễ bay hơi nhẹ; trong
khoảng nhiệt độ từ 380 °C đến 525 °C làm phân hủy các chất dễ bay hơi nặng [8]. Như vậy,
khoảng nhiệt độ chuyển hóa của RHB nghiên cứu so với các nghiên cứu trên có sự chệnh lệch
nhiệt độ không lớn, vẫn diễn ra các quá trình cơ bản như mất nước, chuyển hóa và phân hủy chất

dễ bay hơi và tạo tro.

239

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

3.2.2 Thành phần khoáng của biochar vỏ trấu

Nếu vật liệu có cấu trúc mạng tinh thể thì sẽ thỏa mãn theo phương trình Vulf - Bragg:

2 x dhkl x sin  n x  . Trong đó, chiều dài bước sóng thí nghiệm ở λ= 0,15406 nm; góc phản

xạ θ = 5°; n = 1, 2, 3... thì giá trị khoảng cách giữa các mặt phản xạ dhkl không thỏa mãn để vật liệu
có cấu trúc mạng tinh thể.

Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của biochar vỏ trấu ở hình 4a cho thấy vật liệu RHB là dạng
carbon vơ định hình, do có đỉnh rộng ở góc 2θ = 10°, khơng xác định được đỉnh peak khống do
chưa hình thành pha kết tinh, vì nhiệt độ lị đốt < 760 °C. Kết quả này cũng tương tự với nghiên
cứu tạo tro trấu (RHA) của Habeeb và Mahmud, vật liệu tạo ra cũng là dạng vơ định hình do có
đỉnh rộng ở góc 2θ= 22° (hình 4b) [5]. Nhiều nghiên cứu khác của Zhang và Malhotra, Huang et
al., Chandrasekhar et al. cho thấy nhiệt độ tối thiểu cho kết tinh silica trong biochar vỏ trấu phải
đạt từ 800 °C trở lên [5].

a) Biochar vỏ trấu (RHB) nghiên cứu a) Tro trấu (RHA) [5]

Hình 4. Giản đồ XRD a) RHB nghiên cứu;
b) tro trấu (RHA) của Habeeb và Mahmud [5]
3.2.3 Thành phần nguyên tố pha rắn của biochar vỏ trấu

Để đánh giá thành phần và hàm lượng của các nguyên tố cấu thành vật liệu, công nghệ

được sử dụng phổ biến và thông dụng nhất là quét phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX). Kết quả
ở hình 5 cho thấy RHB có thành phần nguyên tử chủ yếu theo khối lượng như sau: cấu trúc bên
trong (S2-Inside) có C (47,6 %), O (30,4 %), Si (20,6 %) và K (1,4 %); cấu trúc bề mặt (S2- Outside)
có O (49,3 %), Si (38,0 %), C (11,9 %) và K (0,7 %) ứng với nhiệt độ lò < 760 °C.

Nghiên cứu của Blasi et al., RHB tại 580 °C cho thấy các thành phần nguyên tố chính trong
RHB là C (51,5 %), O (9,8 %), H (2,1 %), N (0,5 %) và S (0,3 %) [10]. Kết quả của Maiti et al. cho
thấy RHB từ 350 °C đến 650 °C chủ yếu là C (65,9 % đến 69,3 %), O (25,6 % đến 28,4 %), H (3,6 %
đến 4,2 %), N (1,41 % đến 1,42 %) và S (0,05 % đến 0,06 %) [9]. Nghiên cứu của Masulili et al. cho

240

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

thấy, thành phần của RHB tại 600 °C chủ yếu là C (18,7 %), Na (1,4 %), Mg (0,42 %), Ca (0,41 %)
và K (0,2 %) [10]. Trong nghiên cứu của Theeba et al., RHB tại 550 % đến 600 °C cũng chủ yếu là
C (77,9 %), O (18,3 %), H (3,5 %) và S (0,3 %) [16]. Như vậy, các giống lúa và nhiệt độ nhiệt phân
khác nhau thì có tỷ lệ thành phần nguyên tố khác nhau.

Vùng điểm ảnh FESEM, 400x (10 µm, 5kV, WD: 6,0 mm, SEI LM)

Giản đồ phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) theo nguyên tử (At, %) và khối lượng (Wt, %)

a) B01-HT1 (S2- Inside) b) B01-HT1 (S2- Outside)

Hình 5. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) của RHB

3.2.4 Cấu trúc bề mặt của biochar vỏ trấu

Ảnh vỏ trấu ban đầu (RH) và biochar vỏ trấu (RHB) được chụp bằng kính hiển vi điện tử

quét phát xạ trường (FESEM) có độ phóng đại 100 hoặc 400 lần, 2.000 lần và 15.000 lần, với ống
phát điện từ trường phát xạ làm việc ở 5 kV, khoảng cách làm việc WD từ 5,2 mm đến 6,0 mm.
Mẫu vật liệu có kích thước lỗ rỗng < 10 µm (ở mức phóng đại 2.000 lần). Ảnh bề mặt bên trong
(Inside) và bên ngoài (Outside) vật liệu cho thấy mẫu RHB có dạng lỗ rỗng và xốp hơn so với
mẫu vỏ trấu ban đầu (hình 6).

241

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

a) Vỏ trấu RH (S1- Inside)

100x 2.000x 15.000x
(100 µm, 5kV, WD: 6,0 mm) (10 µm, 5kV, WD: 5,6 mm) (1 µm, 5kV, WD: 5,6 mm)
b) Vỏ trấu RH (S1- Outside)

100x 2.000x 15.000x

(100 µm, 5kV, WD: 6,0 mm) (10 µm, 5kV, WD: 5,2 mm) (1 µm, 5kV, WD: 5,2 mm)

c) Biochar vỏ trấu RHB (S2- Inside)

400x 2.000x 15.000x

(10 µm, 5kV, WD: 6,0 mm) (10 µm, 5kV, WD: 5,6 mm) (1 µm, 5kV, WD: 5,6 mm)

d) Biochar vỏ trấu RHB (S2- Outside)

400x 2.000x 15.000x
(10 µm, 5kV, WD: 6,0 mm) (10 µm, 5kV, WD: 5,2 mm) (1 µm, 5kV, WD: 5,5 mm)

Hình 6. Ảnh SEM của vỏ trấu RH (a, b) và biochar vỏ trấu RHB (c, d)
242

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

Mặt khác, kết quả ở bảng 2 xác định diện tích bề mặt riêng của RHB là
SBET = 47,14 ± 1,18 m2/g trong khoảng áp suất tương đối p/po từ 0,049 đến 0,299; tương ứng với thể
tích hấp phụ từ 9,87 cm3/g đến 14,86 cm3/g (hình 8a). Dựa trên cơng thức Halsey, khảo sát trong
khoảng độ rỗng vật liệu từ 1,7 nm đến 300 nm; thể tích lỗ rỗng hấp phụ và giải hấp phụ tối đa
của RHB là 0,0425 cm3/g (độ rỗng trung bình 1,8 nm) và 0,0285 cm3/g (độ rỗng trung bình 1,91
nm). Diện tích bề mặt BJH hấp phụ và giải hấp phụ N2 tối đa đạt 51,10 m2/g và 7,933 m2/g (hình
8b). Kích cỡ lỗ rỗng hấp phụ và giải hấp phụ trung bình đạt 3,33 nm và 14,4 nm. Vì thế, đường
đẳng nhiệt của RHB thuộc kiểu II. Ảnh SEM (hình 6) và số liệu BET/BJH (hình 8 và bảng 2) cho
thấy RHB chủ yếu là vật liệu mao quản trung bình (từ 2 nm đến 50 nm) theo sự phân loại của
IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) [12].

Trong khi đó, các vật liệu tự nhiên (đất sét, diatomite) có diện tích bề mặt riêng (SBET) nhỏ
hơn 50 m2/g. So sánh với các nghiên cứu khác về biochar vỏ trấu, lị đốt trong điều kiện khơng
khí, SBET (850 °C đến 1.200 °C) là 57 m2/g của Song et al. [15]; SBET (550 °C đến 600 °C) là 401 m2/g
của Theeba et al. [16]. Lò đốt trong điều kiện thổi khí N2, SBET (600 °C) là 141 m2/g, SBET (800 °C) là
117 m2/g và SBET (1.000 °C) là 46 m2/g của Paethanom và cộng sự [11]; SBET (350 °C) là 34 m2/g, SBET
(400 °C) là 45 m2/g, SBET (450 °C) là 58 m2/g, SBET (500 °C) là 170 m2/g và SBET (550 °C) là 216 m2/g
của Azhar et al. [3]. Như vậy, diện tích bề mặt riêng của RHB trong điều kiện khơng khí so với
các loại mẫu biochar khác khá thấp; do điều kiện nhiệt độ nung, dịng khí thổi vào lò và chế độ
nâng nhiệt khác nhau.

Cấu trúc mao quản của vật liệu RHB được quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua
(TEM). Ảnh TEM của RHB ở hình 7 cho thấy vật liệu có dạng carbon vơ định hình, khơng có cấu
trúc tinh thể, những điểm đậm trên ảnh là những nơi có lỗ mao quản lớn và trung bình. Ðiều này

một lần nữa minh chứng cấu trúc mao quản trung bình của RHB.

Hình 7. Ảnh TEM của mẫu RHB
243

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

Bảng 2. Kết quả xác định BET/BJH của RHB

BET Áp suất Thể tích hấp 1/[Q(p0/p-1)] Diện tích bề mặt riêng, Công thức
tương đối phụ, Vm (cm3/g) SBET (m2/g)

(p/p0)

BET 0,0499 ÷ 0,299 9,87 ÷ 14,86 0,0053 ÷ 0,0288 SBET  4, 35*Vm Phương trình BET:
p  1  C 1 * p
S BET = 47,125 ± 1,184 V ( p0  p) Vm *C Vm *C p0
Đường tuyến tính BET:
Y= 0,0920*X + 0,0004, R2= 0,9957

BJH, ở Kích cỡ lỗ Kích cỡ lỗ rỗng Thể tích Diện tích lỗ rỗng (m2/g) Công thức
77,35 K rỗng (nm) TB (nm)
lỗ rỗng
(cm3/g)

Hấp 1,7 ÷ 300 1,80 ÷ 123,8 (3,33) 0,0425 ÷ 0,0033 51,104 ÷ 0,108 Công thức Halsey:
phụ N2 1,7 ÷ 300 1,91 ÷ 120,6 (14,4) 0,0285 ÷ 0,0111 7,933 ÷ 0,369
t  3, 54 *[5/log(p/p0 1/3
Giải
hấp ]

phụ N2

Đường đẳng nhiệt hấp phụ và Đường tuyến tính diện tích bề mặt riêng
giải hấp phụ a) BET

b) BJH
Hình 8. Diện tích bề mặt riêng (BET) và phân bố đường kính mao quản (BJH) của RHB
244

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

3.3 Xác định điểm điện tích khơng (PZC)

Trong khoa học về bề mặt, điểm điện tích khơng (PZC) dùng để giải thích q trình hấp
phụ, xác định được chất nền hấp phụ các ion. Theo Railsback, “điểm điện tích khơng” đối với
một bề mặt khống vật là pH tại đó bề mặt nói trên có điện tích trung hồ tồn phần [6]. Vì thế,
mục đích chính của xác định pHPZC vật liệu trong nghiên cứu này nhằm phục vụ cho việc giải
thích cách thức hấp phụ của biochar với các ion có trong mơi trường nước, đất ở các nghiên cứu
tiếp theo. Thí nghiệm xác định sơ bộ PZC của biochar vỏ trấu trong dung dịch KCl là pHKCl từ 7,8
đến 8,2; vì có ΔpHKCl từ (-0,04) đến (-0,08) (hình 9a). Thí nghiệm xác định chính xác PZC thể hiện
ở hình 9b cho thấy ở nồng độ KCl 0,1M, đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc ΔpH vào pHi là đường y
= - 0,2851x + 1,1116 với hệ số tương quan R2 = 0,9975. Ở nồng độ KCl 0,01 M, đồ thị biểu diễn sự
phụ thuộc ΔpH vào pHi là đường y = - 0,2832x + 1,1059 với hệ số tương quan
R2 = 0,9937. Như vậy, giá trị pH của RHB là pHKCl = 8,0 (điểm có ΔpHKCl 0,01M =|-0,01|, ΔpHKCl 0,1M
=|-0,02|). Giá trị pHPZC của RHB với cùng một loại muối ít phụ thuộc vào nồng độ của muối đó.
Vì vậy, biochar vỏ trấu có giá trị pHPZC = 8,0. Kết quả phân tích cũng tương đồng với nghiên cứu
trước đây của Vadivelan et al., biochar vỏ trấu có pHPZC = 8,0 [17].

a) b)

Hình 9. Xác định PZC của RHB trong KCl 0,1 M và KCl 0,01 M

4 Kết luận

Một số kết quả nghiên cứu đặc tính hóa lý của than sinh học điều chế từ vỏ trấu như sau:
- Lị thủ cơng dạng mẻ có nhiệt độ lò đốt < 760 °C, hiệu suất trung bình tạo biochar biến
động Htb từ 35,6 % đến 48,1 %; RHB có màu đen, cịn ngun cấu trúc vỏ trấu ban đầu, xốp và
khá đồng đều.
- Kết quả phân tích TG/DTG cho thấy RHB có 75,6 % thành phần nước, chất hữu cơ dễ bay
hơi có thể cháy và phân hủy; 24,4 % chất vơ cơ không bị phân hủy trong khoảng nhiệt độ từ
34,9 °C đến 765,8 °C. Các nguyên tố chủ yếu trong RHB theo khối lượng là C (11,9 % đến 47,6 %),

245

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

O (30,4 % đến 49,3 %), Si (20,6 % đến 38,0 %) và K (0,7 % đến 1,4 %). Diện tích bề mặt riêng của
RHB đạt SBET= 47,14 ± 1,18 m2/g. Biochar vỏ trấu chủ yếu là dạng vật liệu mao quản trung bình.
Độ rỗng trung bình hấp phụ và giải hấp phụ N2 là 3,33 nm và 14,4 nm. Điểm điện tích khơng
(PZC) của RHB là pHPZC = 8,0.

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Trung Minh, Nguyễn Đức Chuy, Nguyễn Thu Hoà, Lê Quốc Khuê, Cù Sỹ Thắng, Nguyễn Thị
Thu, Nguyễn Kim Thường, Nguyễn Trung Kiên, Đồn Thị Thu Trà, Phạm Tích Xn, Cù Hồi Nam
(2009), Kết quả bước đầu xác định điểm điện tích khơng của bazan Phước Long, Tây Nguyên bằng
phương pháp đo pH, Tạp chí Địa chất, 313(7-8), Tr. 47 - 53.

2. Trần Thị Tú, Morihiro Maeda, Lê Văn Thăng, Trần Đặng Bảo Thuyên, Nguyễn Đăng Hải (2013), Nghiên
cứu sử dụng than sinh học từ vỏ dừa bón cho rau Komatsuna trên một số loại đất ở tỉnh Thừa Thiên

Huế, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội,
51(3B), Tr. 315 - 322.

3. Azhar, U. Md., Ho, T.P. (2013), Development of technologies for the utilization of agricultural and forestry
wastes: preparation of biochar rice residues, The 3rd Final Meeting of Practical Research and Education of Solid
Waste Management based on Partnership between Universities and Governments in Asia and Pacific Countries.
Waste Management Research Center, Okayama University, The Final Report of FY 2012, Japan,
pp. 51 - 70.

4. Blasi, C. D., Signorelli, G., Russo, C. D., Rea, G. (1999), Product distribution from pylolysis of wood and
agricultureal residues, Industrial & Engineering Chemical Reseaarch, 38(6), pp. 2216 - 2224.

5. Habeeb, G. A., Mahmud, H. B. (2010), Study on properties of rice husk ash and its use as cement
replacement material, Journal of Material Research, 13(2), pp. 185 - 190.

6. Kok, M.V., Özgür, E. (2013), Thermal analysis and kinetics of biomass samples, Fuel Processing
Technology, 106, pp. 739 - 743.

7. Lehmann, J., Joseph, S. (2009), Biochar for environmental management: An introduction. In “Biochar for envi-
ronmental management: Science and Technology”, 1st edition, Earthscan publisher, International Biochar In-
itiative, Westerville, OH, USA, pp. 1 - 12.

8. Mahir, M. S., Geoffrey, R. J., Cuthbert, F. M. (2014), Thermal characteristics and kinetics of rice husk for
pyrolysis process, International journal of Renewable Energy Research, 4(2), pp. 275 - 278.

9. Maiti, S., Dey S., Purakayastha, S., Ghosh, B. (2006), Physical and thermochemical characterization of rice
husk char as potential biomass energy source, Bioresource Technology, 97(16), pp. 2065 - 2070.

10. Masulili, A., Utomo, W. H., Syechfani, M. S. (2010), Rice husk biochar for rice based cropping system in
acid soil 1. The charactericstics of rice husk biochar and its influence on the properities of acid sulfate

soils and rice growth in West Kalimantan, Indonesia, Journal of Agricultural Science, 2(1), pp. 39 - 47.

246

Trần Thị Tú Tập 120, Số 6, 2016

11. Paethanom, A., Yoshikawa, K. (2012), Influence of Pyrolysis Temperature on Rice Husk Char
Characteristics and Its Tar Adsorption Capability, Energies, 5, pp. 4941 - 4951.

12. Rouquerol, J., Avnir, D., Fairbridge, C. W., Everett, D. H., Haynes, J. M., Pernicone, N., Ramsay, J. D. F.,
Sing, K. S. W., Unger, K. K. (1994), Recommendations for the characterization of porous solids
(Technical Report), Pure and Applied Chemistry, 66(8), pp. 1739 - 1758.

13. Scholz, S.B., Sembres, T., Robert, K., Whitman, Th., Wilson, K. and Lehmann J. (2014), Biochar systems for
smallholders in developing countries: Leveraging current knowledge and exploring future potential for
climate-smart agriculture, World Bank Publications, Washington D.C., USA, pp. 1 - 208.

14. Sohi, S., Loez-Capel, E., Krull, E., Bol, R. (2009), Biochar, climate change and soil: A review to guide future
research, CSIRO Land and Water Science Report 05/09, CSIRO, UK, pp. 1 – 56.

15. Song, H., Jun, X., Lushi, S., Minhou, X., Jianrong, Q., Peng, F. (2008), Characterisation of char from rapid
pyrolysis of rice husk, Fuel Processing Technology, 89(11), pp. 1096 - 1105.

16. Theeba, M., Robert, T. B., Illani, Z. I., Husni, M. H. A., Samsuri, A. W. (2012), Characterization of local
mill rice husk charcoal and anf its effect on compost properties, Malaysian journal of Soil Science, 16,
pp. 89 - 102.

17. Vadivelan, V., Vasanth, K. (2005), Equilibrium, kinetics, mechanism and process design for the
sorption of methylene blue onto rice husk, Journal Colloid Interface Science, 286(1), pp. 90 - 100.

PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERIZATION OF
BIOCHAR DERIVED FROM RICE HUSK

Tran Thi Tu
Institute of Resources and Environment, Hue University

Abstract: This paper presents physical and chemical properties of biochar derived from rice husk (RHB).
HT1 rice husk produced biochar with a maximum conversion efficiency of 48.1 %. RHB was a black,
porous material with many voids. RHB was composed of approximately 75.6 % of water and flammable and
decomposable volatile organic compounds; and 24.4 % of inorganic residues stable at temperatures from
34.9 °C to 765.8 °C. The main elements in RHB were C (11.9 % - 47.6 %), O (30.4 % - 49.3 %),
Si (20.6 % - 38.0 %) and K (0.7 % - 1.4 %). The specific surface area of RHB was 47.14 ± 1.18 m2/g. RHB was
mostly a mesoporous material. The point of zero charge of RHB (pHPZC) was 8.0.

Keywords: specific surface area, zero charge, biochar, rice husk

247

View publication stats