nghiên cứu xác định một số thông số làm việc chính của máy ép viên than hoạt tính(biochar) từ phụ phẩm nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM









NGUYỄN THỊ HẠNH NGUYÊN




NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ LÀM
VIỆC CHÍNH CỦA MÁY ÉP VIÊN THAN HOẠT
TÍNH(BIOCHAR) TỪ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP






LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM




NGUYỄN THỊ HẠNH NGUYÊN





NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ LÀM
VIỆC CHÍNH CỦA MÁY ÉP VIÊN THAN HOẠT
TÍNH(BIOCHAR) TỪ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP






CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 60.52.01.03


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ MINH LƯ

HÀ NỘI, NĂM 2015

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ học hàm học vị nào.
Tôi xin cam đoan: mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã
được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được ghi rõ
nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2015
Tác giả luận văn


Nguyễn Thị Hạnh Nguyên










Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn ngoài sự cố gắng
nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô
giáo, cũng như sự động viên giúp đỡ của các tổ chức, gia đình và bạn bè. Tôi
xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất tới tất cả các tập thể, cá nhân đã tạo điều
kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu luận văn này.
Trước hết tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám đốc trường Học viện
Nông nghiệp Việt Nam, Ban Quản lý đào tạo của Học viện cùng các thầy
cô giáo, những người đã trang bị kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học
tập.
Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, tôi xin trân trọng cảm
ơn thầy giáo TS. Lê Minh Lư, người thầy đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn
khoa học và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận
văn này.
Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã động viên
giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận
văn này.
Do thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn của tôi chắc hẳn không thể
tránh khỏi những sơ suất, thiết sót, tôi rất mong nhận được sự đóng góp của
các thầy cô giáo cùng toàn thể bạn đọc.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2015
Tác giả luận văn



Nguyễn Thị Hạnh Nguyên

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật

Page iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC BẢNG v
DANH MỤC HÌNH vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii
MỞ ĐẦU 1
Chương 1.

TỔNG QUAN 3
1.1. Tổng quan về than hoạt tính, tình hình sản xuất và sử dụng than hoạt
tính 3
1.1.1. Than hoạt tính [22] 3
1.1.2. Nghiên cứu về tình hình sản xuất và sử dụng than hoạt tính sinh học 6
1.2. Một số loại phụ phẩm nông nghiệp [19][24] 15
1.2.1 Trấu 15
1.2.2 Rơm rạ 15
1.2.3 Lõi ngô 16
1.3. Nghiên cứu tổng quan về các loại máy ép [11][25] 17
1.3.1. Nhóm máy ép để tách pha lỏng ra khỏi pha rắn 17
1.3.2. Nhóm máy ép để tạo hình 22
1.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng thiết bị ép viên, thanh trong &
ngoài nước 25
1.4.1 Máy và thiết bị chế tạo trấu thành củi thanh trấu và trấu viên (sản
phẩm của Công ty TNHH BIOMASS SCT) 25
1.4.2 Máy ép củi trấu cỡ nhỏ 26
1.4.3 Máy ép loại tĩnh tại điển hình là máy ΠCM-5,0A dùng để ép cỏ, rơm

thành bó. Máy có thể nhận truyền động từ máy kéo hoặc động cơ tĩnh tại 28
Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page iv

2.1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 30
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 30
2.1.2 Mục tiêu nghiên cứu 30
2.2 Nội dụng nghiên cứu 30
2.3 Phương pháp nghiên cứu 31
2.3.1 Phương pháp xác định lực ép, vận tốc ép 31
2.3.2 Phương pháp xử lý các số liệu thực nghiệm 32
2.3.3 Phương pháp xác định chất lượng của sản phẩm ép 35
Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36
3.1. Lựa chọn mô hình và nguyên lý làm việc 36
3.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình đùn ép 37
3.3 Cơ sở lý thuyết 38
3.3.1. Mô hình quá trình ép trấu, than trấu 38
3.3.2. Quy luật chuyển động của vật liệu trong bộ phận ép 39
3.3.3. Quy luật biến đổi áp suất của vật liệu trong bộ phận ép 44
3.4 Thí nghiệm xác định một số thông số 48
3.5 Tính toán một số thông số của máy ép: 51
3.5.1 Bộ phận trục vít 51
3.6. Đầu ép tạo hình sản phẩm: 55
3.7 Thiết kế máy ép viên than hoạt tính: 56
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 59
1 Kết luận 60
2 Đề nghị 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 61
PHỤ LỤC 1 63

PHỤ LỤC 2 64


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page v


DANH MỤC BẢNG

STT Tên bảng Trang

Bảng 1.1: Bảng so sánh các loại chất đốt 16
Bảng 3.1: Bảng kết quả thí nghiệm 1 49
Bảng 3.2: Bảng kết quả thí nghiệm 2 50
Bảng 3.3: Bước vít và vận tốc trên mỗi vòng vít 52
Bảng 3.4: Góc nâng α trên mỗi bước vít 53
Bảng 3.5: Lực ép trên mỗi bước vít 54
Bảng 3.6: Bảng lực vòng và mô men xoăn trên mỗi bước vít 55
Bảng 3.7: Các thông số kỹ thuật của máy ép 56
Bảng 3.8: Bảng kết quả thí nghiệm lực phá vỡ 58

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page vi

DANH MỤC HÌNH

STT Tên hình Trang

Hình 1.1: Than hoạt tính 3
Hình 1.2: Sản phẩm than hoạt tính từ trấu 6
Hình 1.3. Lò phản ứng Cacbon Zero 9
Hình 1.4: Máy ép có đường kính trục vít lớn dần 18
Hình 1.5: Máy ép có đường kính kính vít nhỏ dần 18
Hình 1.6 : Sơ đồ ép thiết bị thủy lực(để ép rượu vang) 19
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy ép dùng khí nén 21
Hình 1.8:Nguyên lý làm việc của máy ép nén 22
Hình 1.9: Nguyên lý làm việc của máy ép cán dùng trong CN bánh kẹo 23
Hình 1.10: Sơ đồ máy dập ép tạo hình bánh qui 23
Hình 1.11: Sơ đồ làm việc của máy ép có khuôn đúc kiểu đứng 24
Hình 1.12: Thiết bị ép thanh củi trấu và trấu viên 25
Hình 1.13: Sản phẩm củi thanh trấu 26
Hình 1.14: Sản phẩm trấu viên 26
Hình 1.15: Máy ép củi trấu 27
Hình 1.16: Máy ép một số phụ phẩm nông nghiệp . 28
Hình 1.17: Các liên hợp máy thu hoạch cỏ, rơm khô 28
Hình 2.1: Máy kéo nén 31
Hình 2.2: Khuôn tạo hình sản phẩm 32
Hình 3.1: Sơ đồ máy ép đùn dùng trục vít đùn 36
Hình 3.2. Đồ thị chỉ sự phụ thuộc của áp suất và chiều cao của bánh ép 37
Hình 3.3: Đa giác vận tốc biểu diễn sự dịch chuyển của vật liệu trong vùng
cấp liệu 41

Hình 3.4: Quá trình đốt than hoạt tính 48
Hình 3.5: Một số hình ảnh thí nghiệm 50
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page vii

Hình 3.6: Đầu tạo hình sản phẩm 56
Hình 3.7: Máy ép 57
Hình 3.8: Sản phẩm ép bằng máy 57
Hình 3.9 : Thí nghiệm độ bền trong nước của sản phẩm 58











Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
STT Ký hiệu
Tên gọi
Đơn vị
1 R
v
, r

v
Bán kính ngoài và trong của vít xoắn m
2 S Bước vít xoắn mm
3 n
tv
Tốc độ quay của vít xoắn Vg/ph
4 γ khối lượng riêng của vật liệu kg/m
3

5 α góc nâng cánh vít Độ
6 v
no

vận tốc dọc trục của vật liệu khi
không có trượt quay
m/s
7 Q
c

Năng suất vận chuyển vật liệu của
vít xoắn trong vùng cấp liệu kg/h
kg/h
8 F
c

Diện tích tiết diện ngang của vật liệu
trong vùng cấp liệu
m
2

9 R
tbc

Bán kính trung bình của cánh xoắn
trong vùng cấp liệu
m
10 v
ne

Vận tốc dọc trục của vật liệu trong
vùng ép
m/s
11 β
góc nghiêng của trục vít xoắn so với
đường tâm vít xoắn
Độ
12 p Áp lực ép N/mm
2

13 P Lực ép N
14 M
x
Mô men xoắn của trục vít N.m


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 1

MỞ ĐẦU
Việt Nam là một nước có truyền thống Nông nghiệp lâu đời, hiện nay

tuy xã hội phát triển một số ngành nghề đa dạng như: Công nghiệp,
Thương nghiệp, Dịch vụ… nhưng không vì thế mà Nông nghiệp mất đi vị
thế của mình. Tiêu biểu như: Việt Nam vẫn là nước đứng thứ hai trên thế
giới trong lĩnh vực xuất khẩu gạo chỉ sau Thái Lan. Mỗi năm Việt Nam sản
xuất 40 triệu tấn lúa và thải ra hơn 8 triệu tấn trấu khi xay sát. Ngoài trấu ra
thì những phế phụ phẩm nông nghiệp như: lõi ngô, rơm, rạ, mùn
cưa…cũng là vấn đề nan giải cần giải quyết. Đây là nguồn năng lượng lớn
và ổn định có khuynh hướng tăng đều mỗi năm.
Trước đây, những phế phụ phẩm nông nghiệp này thường được dùng
để làm chất đốt để nấu ăn, dùng trong các lò sấy, nung gạch, một phần
được đốt thành tro ủ để bón cho tơi xốp đất. Những năm gần đây do sản
lượng nông nghiệp tăng nhanh nên lượng phế phụ phẩm nông nghiệp thải
ra hàng năm rất lớn. Nhiều nơi trở thành vấn nạn. Ví dụ như việc xả trấu
bừa bãi xuống kênh rạch và đốt vỏ trấu ở một số thời điểm trong năm đã
làm ô nhiễm trầm trọng.
Theo một số nghiên cứu thì trấu có khả năng cháy và sinh nhiệt tốt do
thành phần có 75% là chất xơ: 1kg trấu khi đốt sinh ra 3400 Kcal bằng 1/3
năng lượng được tạo ra từ dầu hỏa nhưng giá lại thấp hơn đến 25 lần (năm
2006). Hiện nay đã có một vài cơ sở chế biến trực tiếp vỏ trấu thành củi
trấu và trấu viên làm chất đốt cho sinh hoạt nhưng chủ yếu là ở các vùng
nông thôn vì củi trấu và than trấu vẫn gây ra nhiều khói và khí độc có trong
trấu nên các sản phẩm này vẫn chưa được cung cấp cho các khu vực có nhu
cầu chất đốt cao như đô thị, khu vực đông dân, các nhà máy, khu công
nghiệp và nhiệt điện.
Ngoài trấu ra thì những phế phụ phẩm nông nghiệp khác như: lõi ngô,
rơm rạ, mùn cưa… cũng đang được nghiên cứu để được tái chế thành than
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 2

hoạt tính. Những phế phụ phẩm này nếu sản xuất được với số lượng lớn thì

có thể là nguyên liệu chất lượng cao và rẻ tiền cung cấp cho các đô thị, khu
vực đông dân, các nhà máy, khu công nghiệp và nhiệt điện. Đem lại lợi ích
kinh kế lớn đồng thời giải quyết được vấn nạn ô nhiễm môi trường .
Một trong những yêu cầu cơ bản của sản xuất than hoạt tính (biochar)
từ phụ phẩm nông nghiệp là gom và ép thành viên, bánh thu độ chặt cần
thiết nhằm tiện lợi cho sử dụng và tăng nhiệt lượng của nhiên liệu.
Vì vậy việc “Nghiên cứu xác định một số thông số làm việc chính
của máy ép viên than hoạt tính (biochar) từ phụ phẩm nông nghiệp” là
rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học thực tiễn.












Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 3

Chương 1
TỔNG QUAN
Trong nội dung chương này chúng tôi trình bày về các vấn đề sau:
* Tổng quan về than hoạt tính, tình hình sản xuất và sử dụng than
hoạt tính
* Một số loại phế phụ phẩm nông nghiệp

* Nghiên cứu tổng quan về các loại máy ép
* Tình hình nghiên cứu và ứng dụng thiết bị ép viên, thanh trong &
ngoài nước
1.1. Tổng quan về than hoạt tính, tình hình sản xuất và sử dụng than
hoạt tính
1.1.1. Than hoạt tính [22]
1.1.1.1. Khái niệm

Hình 1.1: Than hoạt tính
Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố carbon ở
dạng vô định hình (bột), một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit. Ngoài
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 4

carbon thì phần còn lại thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm
và vụn cát). Than hoạt tính có diện tích bề mặt ngoài rất lớn nên được ứng
dụng như một chất lý tưởng để lọc hút nhiều loại hóa chất.
1.1.1.2. Cấu tạo
Diện tích bề mặt của than hoạt tính nếu tính thu khối lượng thì từ
500 đến 2500 m
2
/g (lấy một ví dụ cụ thể để so sánh thì một sân quần vợt có
diện tích rộng khoảng chừng 260 m
2
). Bề mặt riêng rất lớn này là hệ quả
của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ
xuất xứ, qua quá trình chưng khô (sấy) ở nhiệt độ cao trong điều kiện yếm
khí. Phần lớn các vết rỗng - nứt vi mạch, đều có tính hấp thụ rất mạnh và
chúng đóng vai trò các rãnh chuyển tải (kẽ nối). Than hoạt tính thường
được tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc các hóa chất tráng mặt), để lưu giữ

lại được những thuộc tính lọc hút, để có thể thấm hút được các thành phần
đặc biệt như kim loại nặng.
Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính còn ở phương diện
nó là chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó), than hoạt tính được
tạo từ gỗ và than đá thường có giá thành thấp, từ xơ dừa, vỏ trái cây thì
giá thành cao và chất lượng hơn. Chất thải của quá trình chế tạo than hoạt
tính dễ dàng được tiêu hủy bằng phương pháp đốt. Nếu như các chất đã
được lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi lại, từ tro đốt, cũng rất dễ.
1.1.1.3 Ứng dụng
Với cấu trúc đặc biệt và được sản xuất bởi quy trình công nghệ tiên
tiến, than hoạt tính có khả năng loại bỏ hàng trăm hợp chất hóa học có thể
gây hại cho con người.
•
Than hoạt tính dùng lọc sạch môi trường không khí (Môi trường
nhà ở và làm việc)
Than hoạt tính khử mùi, khử màu, khử các chất độc có trong không
khí do ô nhiễm, chống nhiễm phóng xạ, diệt khuẩn, virus… làm sạch môi
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 5

trường phòng ngủ, học tập, làm việc, làm sạch môi trường phòng bếp,
phòng ăn…
• Than hoạt tính dùng lọc nước và khử các chất hữu cơ hòa tan
trong nước
Do có đặc tính hấp phụ cao nên than hoạt tính được dùng trong xử lý
nước với mục đích : Khử các chất bẩn: được tính bằng gram chất bẩn hoặc
gram COD được giữ lại trong 1kg than hoạt tính theo công thức Feundlich
Làm sạch vết của các kim loại nặng hòa tan trong nước.
Làm sạch triệt để chất hữu cơ hòa tan, khử mùi và vị, đặc biệt nước
thải CN chứa các phần tử hữu cơ độc hại hoặc các phần tử có độ bền vững

bề mặt cao ngăn cản các quá trình xử lý sinh học.
Nước đi qua than hoạt tính phần lớn là các phân tử hữu cơ hòa tan
được giữ lại trên bề mặt. Ngoài ra trong quá trình lọc than hoạt tính chứa và
nuôi dưỡng các loại vi khuẩn có khả năng phân hủy các chất hữu cơ dính
bám để tạo ra bề mặt tự do, cho phép giữ lại các phân tử hữu cơ mới.
Khử Clo dư trong nước. Khi tiệt trùng nước bằng Clo thường phải giữ lại
một lượng Clo dư trong thời gian tiếp xúc để đảm bảo khả năng tiệt trùng
tiếp trên đường ống dẫn. Lượng Clo dư này gây mùi khó chịu, có thể dùng
Than Hoạt Tính để khử.
• Than hoạt tính dùng chữa bệnh, nâng cao sức khỏe
- Than hoạt tính trong y học được dùng chữa bệnh: tham gia vào một
trong các thành phần của thuốc như Carbogast trị đau dạ dày và đường
ruột, Carbotrim trị ỉa chảy do nhiễm khuẩn và ngộ độc thức ăn, viên sáng
mắt (đông dược) có tác dụng làm sáng mắt, trong khẩu trang phòng lây
nhiễm bệnh, trong mặt nạ phòng chất độc hóa học …
- Than hoạt tính dùng trong khi tắm làm trắng mịn da, chống mệt mỏi,
giảm cơn đau thần kinh và loại bỏ được chứng tê nhức toàn thân. Đó là
do than hoạt tính hấp phụ các chất bẩn có trong nước khi tắm còn bức xạ
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 6

hồng ngoại. Tia bức xạ này có thể xuyên qua da và các tổ chức dưới da cải
thiện tuần hoàn máu, lưu thông khí huyết.
1.1.2. Nghiên cứu về tình hình sản xuất và sử dụng than hoạt tính sinh học
1.1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước thuộc lĩnh vực của đề tài
Than hoạt tính sinh học còn gọi là Biochar được sản xuất bằng
phương pháp nhiệt phân (đốt cháy trong điều kiện thiếu oxy) từ nguyên liệu
có nguồn gốc sinh khối thực vật, các loại phế phụ phẩm nông nghiệp (rơm
rạ, vỏ cây, trấu, vỏ hạt cà phê, cỏ khô,…) và rác thải có rất nhiều tác dụng
như là vật liệu tốt sử dụng trong quá trình cải tạo đất, xử lý môi trường

Hình 1.2: Sản phẩm than hoạt tính từ trấu
Người nông dân Việt Nam hay có thói quen đốt rơm rạ trên ruộng sau
khi thu hoạch xong, dùng trấu nấu bếp và lấy than, tro bón lại cho đất. Tuy
nhiên do đốt tự nhiên khối lượng lớn gây ra khói bụi ảnh hưởng lớn đến môi
trường, mặt khác khi đốt tự nhiên phế phụ phẩm thường cháy kiệt tạo nhiều
tro mà trong thành phần của tro có hàm lượng SiO
2
khá cao làm giảm tác
dụng của than hoạt tính, trong một số trường hợp còn gây hại cho đất tự nhiên.
Vì vậy cần phải nghiên cứu biện pháp đốt than hoạt tính từ phế phụ
phẩm nông nghiệp đảm bảo yêu cầu: giảm lượng khói bụi phát sinh trong
quá trình đốt, khống chế được quá trình cháy để giảm lượng tro tạo thành,
tăng chất lượng than hoạt tính.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 7

Tại Việt Nam, gần đây Báo Nông nghiệp (21/12/2010) cũng đã có bài
viết đề cập đến việc sản xuất Biochar từ vỏ trấu để cải tạo đất, việc sản xuất
Biochar nên được thực hiện để một mặt lấy nhiệt sản xuất điện năng, mặt
khác thu hồi Biochar thương phẩm để bán trong nước hay đem xuất khẩu.
Theo tác giả bài viết thì nhu cầu sử dụng Biochar vỏ trấu trên ruộng vào
khoảng 16 tấn/ha, tương đương với khoảng tỷ lệ 1,4% trong lớp đất mặt từ
0-0,1m. Hơn nữa, trong một xã hội mà sản xuất đang trên đà phát triển, đời
sống của người dân được nâng cao thì các hoạt động của con người tác
động đến môi trường sống cũng mạnh mẽ hơn, làm cho môi trường trở nên
ô nhiễm nặng. Các chất thải từ sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, chất thải
sinh hoạt, công nghiệp mía đường, chế biến gỗ, đóng tàu thuyền, sản xuất
giấy, tinh bột ngày càng nhiều nhưng chúng ta chưa biết biến rác thành
vàng như những nơi khác. Nếu ở Việt Nam có sự đầu tư vào việc xây dựng

một số nhà máy ở những vùng trọng điểm (vùng công nghiệp, đô thị )
hoặc trang bị các lò đốt Biochar (cố định hay lưu động) để thu gom phế thải,
rác thải và biến nó thành than hoạt tính sinh học thì vừa có Biochar phục vụ
sản xuất nông nghiệp bền vững và dùng cho các mục đích khác (như xử lý
nước thải, xử lý nước sinh hoạt và nước uống trong mùa lũ lụt, giảm phát
thải các khí nhà kính như CO
2
, CH
4
, NO
2
, CFC ), vừa giải quyết được vấn
đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng như hiện nay.
1.1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước ngoài thuộc lĩnh vực của đề
tài [23]
Vào năm 1545, trong khu rừng rậm vùng Amazon, các nhà thám hiểm
Tây Ban Nha lần đầu tiên thấy các khu vườn tươi tốt, ở đó đất sâu giàu màu
đen - đất Terra Preta (Tiếng Bồ Đào Nha: đất đen) - không giống như
những nơi mà họ từng thấy trước đây. Theo những kết quả nghiên cứu mới
đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra được cách mà những người cổ đại đã
tạo ra làm cho đất dồi dào dinh dưỡng. 2.500 năm trước, đất đen đã được
sản xuất từ bột than, phân trâu bò và cỏ rác tự nhiên, có tác dụng làm tăng
độ phì nhiêu của đất, ảnh hưởng tốt đến sự sinh trưởng, phát triển của cây
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 8

trồng. Theo GS Solomon, Dawit, Johannes Lehmann et al trong Molecular
signature and sources of biochemical recalcitrance of organic carbone in
Amazonian Dark Earths, (2007): Terra Preta của nông dân địa phương ở
lưu vực Amazon của Brazil lưu hành là loại được tạo ra bởi con người từ

năm 450 trước công nguyên và năm 950 sau công nguyên ở độ sâu đến 2m,
hiện người dân ở đây đã và đang tìm kiếm để khai thác “mỏ vàng đen” này
sử dụng và để bán làm phân hữu cơ có giá trị.
Hiện nay, nhiều vùng trên khắp hành tinh đã áp dụng than hoạt tính
sinh học cho đất, chẳng hạn ở Hoa Kỳ đã có những báo cáo khoa học về tác
dụng của than hoạt tính sinh học được trình bày tại các hội thảo khoa học
uy tín và nhiều bài viết với cái tên hấp dẫn “Từ rác đến vàng - From
Garbage to Gold” được đăng trên các tạp chí.
Than hoạt tính sinh học được sản xuất từ những nguyên liệu là sinh
khối thực vật (rơm, rạ, cây cối, bã mía, xơ dừa), rác thải… bằng phương
pháp đốt cháy trong điều kiện thiếu oxy, than hoạt tính sinh học có thể sản
xuất bằng lò thủ công hoặc sản xuất trong các nhà máy lớn. Chẳng hạn ở
Indonesia có công ty sản xuất ở quy mô công nghiệp với công suất tới 200
tấn/ngày. Hiện nay chủ yếu có hai phương pháp chính để sản xuất than hoạt
tính sinh học là đốt “nhanh” và đốt “chậm”. Ngoài ra, công nghệ vi sóng
gần đây đã được sử dụng một cách hiệu quả trong việc chuyển đổi các chất
hữu cơ thành than hoạt tính sinh học ở quy mô công nghiệp.
Ngày xưa, việc sản xuất than hoạt tính sinh học như là một phụ gia đất
đã được thực hiện trong các "hố, hầm" hay "rãnh". Phương pháp này là một
tiềm năng để sản xuất than hoạt tính sinh học ở khu vực nông thôn.
Hiện nay việc sản xuất than hoạt tính sinh học thường được thực hiện
theo một trong 3 hệ thống. Hệ thống thứ nhất là hệ thống tập trung, nơi tất
cả sinh khối thực vật, rác thải trong khu vực sẽ được đưa đến một nhà máy
đốt để xử lý. Hệ thống thứ hai là một lò đốt công nghệ thấp hơn cho từng
trang trại hoặc một nhóm nhỏ của nông dân. Thứ ba là một hệ thống di
động, như một chiếc xe tải được trang bị lò đốt.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 9

Brazil là nước thuận lợi trong việc sản xuất than hoạt tính sinh học bởi

hàng năm họ thu hoạch khoảng 460Mt mía, như vậy có khoảng 100Mt bã,
thân mía có thể đưa vào lò đốt. Tại Indonesia, một trong những nước sản
xuất nhiều dầu cọ ở châu Á, từ cây cọ dầu (Oil Palm) sẽ cho 10% dầu, còn
90% sinh khối (cây, lá, quả, vỏ quả, xơ, buồng hoa, buồng quả ) đều là
nguyên liệu để sản xuất Biochar. Michael J. Antal, J và các nhà nghiên cứu
tại Đại học Hawaii (UH) đã cho biết, nhiệt độ lý tưởng để đốt sinh khối là
khoảng 500
o
C. Các công nghệ carbon hóa UH Flash được bảo vệ bởi bằng
sáng chế ở Mỹ năm 2003 đã được áp dụng ở bang Hawaii, nhiều tiểu bang
và quốc gia khác. Nguyên liệu được dùng ở đây bao gồm củi gỗ bạch đàn
và gỗ sồi và sản phẩm phụ nông nghiệp như vỏ quả, lõi ngô, dứa, chất thải
chế biến gỗ như mùn cưa gỗ, vỏ bào, các loại cây nhỏ và các vật liệu tổng
hợp như lốp ô tô

Hình 1.3. Lò phản ứng Cacbon Zero
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 10

Còn trong Dự án Biochar Thụy Sỹ (CarbonZero Project - Switzerland,
2007), để có hiệu quả cao với các thông số cho phép thực hiện trong điều
kiện vắng mặt oxygen, nhiệt độ thích hợp trong khoảng 500-700
o
C và với
quy mô lớn để sản xuất than hoạt tính sinh học, người ta đã cho ra các lò
phản ứng Cacbon Zero (hình 2) để sản xuất than hoạt tính sinh học với giá
thành thấp. Ngoài ra, các lò phản ứng cũng tạo ra các khí tổng hợp (một sự
kết hợp của hydro, carbon monoxide và methane) và các sản phẩm phụ
khác. Các khí này có thể được sử dụng để thay thế cho khí propane và gas
tự nhiên, sản xuất nhiệt cho các nhà kho hoặc nhà nuôi gia súc, gia cầm. Nó

cũng có thể được sử dụng để tạo ra năng lượng cho máy bơm tưới tiêu
thông qua một bộ trao đổi nhiệt và động cơ hơi nước hiện đại, hoặc để tạo
ra điện năng.
Trong các lò đốt hiện đại, các thông số kỹ thuật có thể được điều
chỉnh về phạm vi nhiệt độ hoặc thời gian mong muốn cho phép chuyển đổi
hiệu quả sinh khối thực vật thành than hoạt tính sinh học (đạt mức cho 30-
33% than hoạt tính sinh học). Vì vậy, thiết bị này sẽ sản xuất ra 300-330 kg
than hoạt tính sinh học từ 1 tấn sinh khối thực vật. Khi các phản ứng cháy
đã bắt đầu, nó sẽ tự duy trì, không đòi hỏi việc cung cấp thêm năng lượng
từ bên ngoài. Sản phẩm phụ của quá trình này bao gồm các khí tổng hợp
(H
2
+ CO), số lượng nhỏ của khí mê-tan (CH
4
), hắc ín, các axit hữu cơ và
nhiệt dư thừa.
Than hoạt tính sinh học được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như để hấp thụ CO
2
góp phần làm giảm khí nhà kính, làm chậm sự biến đổi
khí hậu hoặc để sản xuất biofilter dùng lọc nước uống trong các gia đình,
hoặc dùng xử lý nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt… nhưng trong
nông nghiệp vẫn được dùng nhiều hơn. Theo GS Lehmann, bộ môn Địa
Hoá học đất, trường Đại học Stanford (2007), khi được sử dụng rộng rãi,
thuật ngữ Biochar được hiểu là than từ bất kỳ sinh khối phế thải nào. Trong
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 11

bối cảnh rộng hơn, Biochar có thể được hiểu là chất sử dụng để cải thiện
chất lượng đất. Những người đam mê than hoạt tính sinh học nói chung

đồng ý rằng, nguyên than hoạt tính sinh học cần phải được xử lý thêm
trước khi được bổ sung vào khu vườn hoặc ủ trộn với phân hữu cơ, thường
được sử dụng để tạo vật chất mang các vi sinh vật và chất dinh dưỡng có
lợi. Than hoạt tính sinh học có diện tích hoạt động bề mặt cao hơn so với
than khác và ngày càng có nhiều người quan tâm đến đặc điểm tiềm năng
của than hoạt tính sinh học. Các hoạt động của dự án than hoạt tính sinh
học Thụy Sỹ đã chứng minh tác dụng của than này đối với đất. Họ đưa than
hoạt tính sinh học thực nghiệm tại Terrigal (Australia) với các công thức thí
nghiệm: 1. Đất đồng bằng, 2. Đất + NPK (Nitơ, Phospho và phân bón Kali),
3. Đất + than hoạt tính sinh học, 4. Đất + NPK + than hoạt tính sinh học, tỷ
lệ ứng dụng than hoạt tính sinh học vào ngày 3 lô thử nghiệm là 50 tấn/ha.
Sau 10 tuần, ở các lô thử nghiệm cho thấy ở các công thức thí nghiệm có
Biochar đều cho kết quả tốt và hiệu ứng tương tự cũng được thấy trong
nhiều loại đất và các địa điểm khác trên thế giới. Than hoạt tính sinh học
được sử dụng phổ biến trên các lĩnh vực nông nghiệp và tích hợp vào các
lớp trên của đất bởi nó có nhiều lợi ích, như làm tăng năng suất cây trồng
đáng kể trên đất đang trong tình trạng nghèo, giúp ngăn chặn dòng chảy và
mất mát phân bón, cho phép sử dụng phân bón ít hơn và giảm bớt ô nhiễm
môi trường xung quanh mà vẫn giữ được độ ẩm, giúp cây qua được các
thời kỳ hạn hán dễ dàng hơn. Quan trọng nhất, nó bổ sung dưỡng chất cho
đất. Carbon hữu cơ sẽ thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật đất cần thiết
cho sự hấp thụ chất dinh dưỡng, đặc biệt là nấm rễ. Các nghiên cứu đã chỉ
ra rằng carbon trong than hoạt tính sinh học vẫn ổn định trong thiên niên kỷ
này, cung cấp một phương tiện đơn giản, bền vững để cô lập lượng khí thải
carbon, đó là công nghệ khả thi ở các nước phát triển hay đang phát triển.
Than hoạt tính sinh học được tạo ra từ sinh khối có khả năng hấp thụ
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 12

khoảng 50% CO

2
khí quyển và đó là nguyên liệu cần thiết cho quang hợp
của thực vật. Các chất hữu cơ và vô cơ có chứa nhiều nguyên tử carbon có
khả năng cung cấp một khối lượng dự trữ carbon lâu dài hơn so với than
củi. Do đó, than hoạt tính sinh học cho chúng ta một cơ hội vàng để loại bỏ
CO
2
dư thừa từ khí quyển do khí thải các nhà máy, nạn phá rừng và cô lập
nó một cách gần như thường xuyên và có lợi cho môi trường. Saibhaskar
Nakka (2007) còn cho rằng, than hoạt tính sinh học là than cần cho đất,
được sử dụng đối với đất cùng với các sửa đổi khác để nâng cao độ phì
nhiêu của đất. Loại đất đen có hàng ngàn năm trước được tạo ra trong các
vùng của lưu vực sông Amazon cho đến khi có người Âu Châu đến. Tại
châu Á, giá trị của than hoạt tính sinh học đã được biết đến nhiều tại Ấn Độ
và được sử dụng như một thói quen truyền thống và văn hóa cho các mục
đích khác nhau, bởi vậy than này không bao giờ được coi là một loại vật
liệu chất thải. Mặc dù việc bổ sung than cho các loại đất được thực hiện
như là một thói quen, nhưng nó vẫn là một phần của truyền thống canh tác
tại Ấn Độ, khi chúng ta khám phá và chứng minh rằng các nông dân ở đây
đã sử dụng than củi từ hàng trăm năm để sản xuất nông nghiệp bền vững.
Nhiều nghiên cứu cho thấy, than hoạt tính sinh học có một vai trò cực kỳ
quan trọng trong việc giải quyết một số thách thức lớn nhất đối với nhân
loại ngày nay. Như vậy, việc tiếp tục thực hiện chương trình: nghiên cứu
công nghệ, phát triển, triển khai và phổ biến than hoạt tính sinh học và
công nghệ đốt than hoạt tính sinh học là hoàn toàn cần thiết.
Trong bài viết “Than hoạt tính sinh học có thể cứu vãn hành tinh?”
(Can biochar save the planet), GS.TS Tim Flannery - Đại học Mcquarie, Úc
(2009) cho rằng, than hoạt tính sinh học có thể là đại diện cho các sáng
kiến quan trọng nhất đối với môi trường trong tương lai của nhân loại.
Theo Azadeh Ansari (2009), ngay ở Đại học Georgia đã có một nhà máy có

thể nắm giữ một trong những giải pháp cho các vấn đề lớn về môi trường
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 13

như năng lượng, sản xuất lương thực và thậm chí thay đổi khí hậu toàn cầu.
Bibens - một kỹ sư ở đây cho biết “đặc sản ở đây là than hoạt tính sinh
học", một loại than rất xốp được làm từ chất thải hữu cơ. Các nguyên liệu
được dùng là các thứ bất kỳ thu được của rừng, của chất thải nông nghiệp
và chất thải động vật như dăm gỗ, vỏ bắp, vỏ đậu phộng, thậm chí phân gà.
Than hoạt tính sinh học thu được có tính chất xốp có thể giúp đất giữ nước,
chất dinh dưỡng, bảo vệ các vi sinh vật trong đất. Việc tăng cường năng lực
lưu giữ chất dinh dưỡng của đất bởi than hoạt tính sinh học không chỉ làm
giảm các yêu cầu phân bón mà còn tác động tích cực đến khí hậu và môi
trường của đất canh tác. Nghiên cứu cho thấy, do tính chất vật lý, hóa học
của than hoạt tính sinh học mà nó có một khả năng độc đáo để thu hút và
giữ độ ẩm cũng như chất dinh dưỡng và hóa chất nông nghiệp, thậm chí
còn giữ lại chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho. Nghiên cứu gần đây đã
chứng minh than hoạt tính sinh học không chỉ làm giàu đất mà còn giảm
50- 80% lượng khí carbon dioxide (CO
2
) và các oxit nitơ (NO
2
) phát thải.
Mà NO
2
là khí nhà kính đáng kể, mạnh hơn CO
2
tới 310 lần. Than hoạt tính
sinh học lại có diện tích bề mặt lớn và cấu trúc lỗ rỗng phức tạp (1g có thể
có một diện tích bề mặt hơn 1.000m

2
) nên có khả năng hấp thụ nước, tạo
thành các “hồ”, các “bể” nước dưới mặt đất để giữ lại lượng nước và dinh
dưỡng rất lớn cho đất. Nhờ đó cung cấp một môi trường sống an toàn cho
cây và các vi sinh vật trong đất. Nhiều nhà nghiên cứu đều cho rằng
Biochar là người bạn tốt nhất của đất (Land’s Best Friend) bởi có những lợi
ích như: tăng trưởng thực vật, giảm phát thải oxit nitơ (ước tính 50%), triệt
khử nhiều sự phát thải mê-tan, giảm nhu cầu phân bón (ước tính 10%),
giảm rửa trôi các chất dinh dưỡng, giảm độ chua của đất, tăng pH đất, lưu
trữ carbon trong một bồn rửa ổn định lâu dài, tăng tập hợp đất do sợi nấm
tăng, giảm độc tính nhôm, cải thiện việc xử lý đất nước, tăng mức đất ở có
sẵn để dùng Ca, Mg, P và K, tăng hô hấp của vi sinh vật đất, tăng sinh khối
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 14

vi sinh vật đất, tăng nấm rễ Arbuscular mycorrhyzal, kích thích vi sinh vật
cố định đạm cộng sinh trong cây họ đậu, tăng khả năng trao đổi cation.
Kết quả nghiên cứu mới nhất cho thấy, sản lượng cây trồng ở các
vùng đất bón Biochar ở Canada tăng lên từ 6-17% so với đối chứng, thân
cây cứng hơn và bộ rễ phát triển nhiều hơn (đến 68%). Hao hụt dưỡng chất
phân bón do bị rửa trôi giả m rõ rệt, trong đó hiện tượng mất lân giảm đến
44%. Trên thực tế, lợi ích của việc bón Biochar đã được quan trắc, kiểm
nghiệm nhiều nơi ở Úc, Philippines, Congo… và nhiều nước đã có chế độ
khuyến khích hay thưởng cho các nông hộ sử dụng loại than này. Theo GS
Lehmann đã trình bày ở Hội hóa học Mỹ rằng sử dụng than hoạt tính sinh
học cộng với phân hóa học đã làm tăng trưởng lúa mỳ mùa đông và rau quả
lên 25-50% so với bón một mình phân hóa học. TS N.Sai Bhaskar Reddy
(2008) nghiên cứu ở đậu tương cũng nhận xét rằng có thêm Biochar vào đất
nền, tỷ lệ nảy mầm cao, hệ rễ phát triển mạnh, quang hợp tăng, hoạt động
của vi khuẩn cộng sinh cố định nitơ mạnh mẽ hơn so với đối chứng (trên

đất nền). Biochar còn có vai trò trong việc chống suy thoái đất. Theo GS
Johannes Lehmann, bộ môn Khoa học cây trồng và đất - Đại học Cornell
đã nói tại Hiệp hội khoa học và tiến bộ Mỹ (2006) rằng: “Các kiến thức mà
chúng ta có thể đạt được từ nghiên cứu các loại đất đen được tìm thấy trên
toàn khu vực sông Amazon không chỉ dạy chúng ta làm thế nào để khôi
phục đất bị suy thoái, sản lượng thu hoạch tăng gấp ba và hỗ trợ một mảng
rộng các loại cây trồng trong vùng có đất nông nghiệp nghèo mà còn có thể
dẫn đến các công nghệ để cô lập carbon trong đất và ngăn chặn những thay
đổi quan trọng về khí hậu thế giới”. Mặt khác, theo Elmer, Wade, Jason C.
White, and Joseph J. Pignatello, Đại học tổng hợp Connecticut (2009) thì
cho thêm than hoạt tính sinh học vào đất sẽ có được giá trị sinh học đặc
biệt quan trọng bởi nó sẽ hấp thụ các chất ô nhiễm như kim loại, đặc biệt là
kim loại nặng và thuốc trừ sâu ngấm vào đất nên không gây ô nhiễm các
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật
Page 15

nguồn cung cấp thực phẩm. Than hoạt tính sinh học có thể được thiết kế để
có phẩm chất cụ thể phù hợp với tính chất riêng biệt của đất. Cho thêm than
hoạt tính sinh học ở mức 10% đất và giảm được tới 80% mức độ gây ô
nhiễm thuốc trừ sâu độc hại như Chlordane, DDX trong các cây trồng.
1.2. Một số loại phụ phẩm nông nghiệp [19][24]
1.2.1 Trấu
Sản phẩm thu được từ cây lúa là thóc. Sau khi xát bỏ lớp vỏ ngoài thu
được sản phẩm chính là gạo và các phụ phẩm là cám và trấu. Trấu là lớp vỏ
ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát. Trong vỏ
trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt
và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro. Chất hữu cơ chứa chủ yếu
cellulose, lignin và Hemi - cellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần
khác như hợp chất nitơ và vô cơ. Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose
chiếm khoảng 35-40%.

1.2.2 Rơm rạ
Rơm rạ là một trong những phế thải nông nghiệp ít giá trị sử dụng, số
lượng lớn đặc biệt ở các nước xuất khẩu lúa gạo, như ở Việt Nam. Rơm rạ
chiếm hơn 50% tổng trọng lượng cây lúa
Thành phẩn khóa học (% khối lượng) của rơm rạ gồm chủ yếu là
xenluloza (60%), lignin (14%), chất béo (1,9%) và protein (3,4%). Thành
phần nguyên tố (% khối lượng): C~44%, H ~5%, N~0,92%, O ~49%. Tuy
nhiên, do nhiệt trị của rơm rạ rất thấp (thấp hơn nhiều so với dầu mỏ) và
không thuận tiện cho việc vận chuyển, tích trữ nên rơm rạ không được sử
dụng như nhiên liệu công nghiệp. Vì vậy, việc chuyển hóa rơm rạ thành sản
phẩm có giá trị hơn, dễ dàng vận chuyển, bảo quản, tích trữ có ý nghĩa đặc
biệt quan trọng đối với các nước đang phát triển.