NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN SINH HỌC (BIOCHAR) TỪ PHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG
-------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN SINH HỌC
(BIOCHAR) TỪPHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP
VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG”

Người thực hiện
Lớp

: TĂNG THỊ KIỀU LOAN
: MTE

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn : ThS.HỒ THỊ THÚY HẰNG

Hà Nội – 2016
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM


KHOA MÔI TRƯỜNG

-------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN SINH HỌC
(BIOCHAR) TỪPHẾ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP
VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG”

Người thực hiện

: TĂNG THỊ KIỀU LOAN

Lớp

: MTE

Khóa

: 57

Chuyên ngành

: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn : ThS.HỒ THỊ THÚY HẰNG
Địa điểm thực tập

:Bộ môn Công nghệ Môi trường

Hà Nội – 2016

2
2


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, ngoài sự cố gắng của bản
thân tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết
ơn với những sự giúp đỡ đó.
Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Môi trường, các thầy
cô giáo trong khoa và trong bộ môn Công nghệ Môi Trường, Học viện Nông
Nghiệp Việt Nam, gia đình và cùng toàn thể bạn bè của tôi.
Để có được kết quả này tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu
sắctới TS. Trịnh Quang Huy, ThS. Nguyễn Ngọc Tú và đặc biệt là ThS. Hồ Thị
Thúy Hằng- người đã luôn tận tình chỉ bảo, truyền đạt cho tôi rất nhiều kiến thức,
kỹ năng làm việc, kỹ năng sống, giúp đỡ tôi trong học tập, nghiên cứu và theo sát
tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới anh kỹ thuật viên Trần Minh Hoàng
tại phòng thí nghiệm- Bộ môn Công nghệ Môi Trường cùng các bạn Phùng Thị
Ngọc Mai, Hồ Thị Thương đã giúp đỡ cho tôi thực hiện đề tài.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất.
Song do điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên khóa luận không thể tránh khỏi
những thiếu sót nhất định. Tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của các
thầy cô giáo, các nhà khoa học và toàn thể bạn đọc.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 20 tháng 05 năm 2016
Người thực hiện

Tăng Thị Kiều Loan

3


MỤC LỤC

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ash
CEC
EC
IM
FC
TSH
VM

Độ tro
Khả năng trao đổi cation
Độ dẫn điện
Độ ẩm
Cacbon cố định
Than sinh học
Vật chất bay hơi

5


DANH MỤC BẢNG

6


DANH MỤC HÌNH

7


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam là một đất nước có truyền thống nông nghiệp lâu đời, là chỗ
dựa vững chắc cho nền kinh tế đất nước cũng như đảm bảo an ninh lương
thực. Mặc dù, Việt Nam đang trong giai đoạn công nghiệp hóa- hiện đại hóa
đất nước, nhiều diện tích đất nông nghiệp được chuyển đổi mục đích sử dụng
cho ngành công nghiệp, số lượng các khu công nghiệp vừa và nhỏ ngày càng
tăng lên, chiếm dần diện tích đất nông nghiệp, nhưng sản lượng các loại nông
sản vẫn tăng liên tục qua các năm. Theo thống kê của Bộ Nông Nghiệp và
Phát Triển Nông Thôn, tính đến tháng 12/2015 cả nước có: sản lượng lúa ước
tính đạt 45,22 triệu tấn, tăng 241 nghìn tấn;cây ngô đạt 5281 nghìn tấn tăng
1,5%; cây sắn đạt 10,67 triệu tấn tăng 464 nghìn tấn; rau các loại sản lượng
đạt 15,7 triệu tấn tăng 276,6 nghìn tấn; đậu các loại sản lượng đạt 169,6 nghìn
tấn tăng 5,634 nghìn tấn so với năm 2014. Với sản lượng hằng trăm triệu tấn
nông sảnnhư vậy tương ứng với một lượng lớn phế phụ phẩm nông nghiệp
phát sinh hằng năm như trấu và rơm rạ40,80 triệu tấn;lá và bã mía 15,60 triệu
tấn; thân và lõi ngô 9,20 triệu tấn; vỏ cà phê 1,17 triệu tấn; mùn cưa 1,12 triệu
tấn…(Nguyễn Đặng Anh Thi, Bio-Energy in Vietnam, 2014). Các phế phụ
phẩm này được sử dụng làm chất đốt, chất độn chuồng,thức ăn cho gia súc, ủ
gốc cây, làm giá thể trồng nấm, tuy nhiên hiện nay phần lớn phế phụ phẩm
nông nghiệp bị bỏ ngay tại đồng ruộng, đổ ra kênh mương, hay đốt trực tiếp

tại đồng ruộng đặc biệt là sau mỗi vụ thu hoạch gây nên tình trạnglãng phí tài
nguyên và ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng môi trường. Do đó, việc
nghiên cứucác giải pháp tận thu nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp để sử dụng
hiệu quả nguổn tài nguyên này và giảm thiểu các tác động môi trường là vấn
đề đáng được quan tâm hiện nay.

88


Trên thế giới và Việt Nam,hiện nay ngoài các hình thức sử dụng truyền
thống, phế phụ phẩm còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác
nhau như: chế tạo cồn sinh học làm nhiên liệu, chế tạo vật liệu xử lý môi
trường, sản xuất than sinh học (Biochar)... Trong đó than sinh học (TSH) đang
là hướng nghiên cứu được quan tâm, đây là sản phẩm của quá trình nhiệt phân
yếm khí các vật liệu hữu cơ, tạo ra loại vật liệu mới có tính ứng dụng trong
đời sống và thân thiện với môi trường. TSH được sử dụng làm phân bón thế
hệ mới, cải thiện độ phì nhiêu của đất, tăng khả năng giữ nước và các chất
dinh dưỡng, bảo vệ các loại vi khuẩn sống trong đất, chống lại các tác động
xấu của thời tiết, xói mòn đất, làm tăng sản lượng cây trồng và giải quyết
được nguồn phế phụ phẩm trong nông nghiệp. Ngoài ra, nócó thể làm chất đốt
thay cho than đá, dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt. Đặc biệt, TSH đang được
ứng dụng thử nghiệm làm vật liệu xử lý nước thải, (Tạp trí Stinfo số 6-2015,
Than sinh học- Hiệu quả nhờ công nghệ). Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên
cứu về than sinh học như tại Nhật Bản, TSH được cấy thêm vi sinh vật để xử
lý chất thải nhà vệ sinh, bảo vệ môi trường; trường Đại học Politécnica de
Madrid (Tây Ban Nha) đã nghiên cứu chế tạo than sinh học từ bùn thải ứng
dụng trong cải tạo tính chất của đất… Ở Việt Nam, đã bước đầu nghiên cứu
và ứng dụng than sinh học tại một số địa phương như: Viện Môi trường Nông
nghiệp (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam) sản xuất thành công TSH từ
rơm, rạ; Mai Thị Lan Anh (Đại học Khoa học Thái Nguyên) sáng chế TSH từ

rơm rạdùng làm phân bón; Viện Thổ nhưỡng Nông hóa sử dụng TSH từ trấu
làm giá thể, đất nhân tạo và phân bón hữu cơ vi sinh... Từ các nghiên cứu đó
cho thấy sự phát triển trong hướng nghiên cứu thu hồi và ứng dụng phế phụ
phẩm nông nghiệp hiện nay. Tuy nhiên, tổ chức International Biochar
Initiative, 2014đã chỉ ra đặc tính của TSH phụ thuộc nguyên liệu đầu vào và
quá trình nhiệt phân. Mỗi loại nguyên liệu đầu vào và mỗi quá trình đốt khác
nhau tạo than sinh học có đặc tính khác nhau do đó tiềm năng nghiên cứu than
99


sinh học và sử dụng chúng cho các mục đích như sản xuất nông nghiệp, vật
liệu xử lý môi trường là rất lớn. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trên, tôi tiến
hành đề tài: “Nghiên cứu chế tạo than sinh học (Biochar) từ phế phụ phẩm
nông nghiệp và ứng dụng trong xử lý môi trường”để đánh giá đặc tính và
thử nghiệm khả năng hấp phụ của than sinh học chế tạo từ các loại phế phụ
phẩm nông nghiệp khác nhau.
2. Mục tiêu nghiên cứu
−
−

Chế tạo than sinh học từ các loại phế phụ phẩm nông nghiệp khác nhau
Thử nghiệm khả năng hấp phụ của than sinh học

3. Yêu cầu nghiên cứu
−
−

Các nội dung nghiên cứu phải đáp ứng được mục tiêu đề ra của đề tài
Phương pháp thực hiện và bố trí thí nghiệm đòi hỏi phải có tính chính
xác, phù hợp với mục tiêu nghiên cứu

10


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Thực trạng phát sinh và sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp tại
Việt Nam
1.1.1. Thực trạng phát sinh phế phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam
Việt Nam có truyền thống làm nông nghiệp từ hàng ngàn năm nay, với
hai vùng đồng bằng phì nhiêu là đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông
Cửu Long, khí hậu nhiệt đới gió mùa phù hợp cho cây nông nghiệp phát triển
quanh năm, đa dạng loại giống cây trồng; cùng với lực lượng lao động dồi
dào nhiều kinh nghiệm đã đưa Việt Nam trở thành một nước lợi thế với nền
nông nghiệp phát triển, là chỗ dựa vững chắc cho nền kinh tế đất nước cũng
như cũng như đảm bảo an ninh lương thực.Sản lượng nông sản Việt Nam liên
tục tăng qua các năm thể hiện qua biểu đồ sản lượng của 3 loại cây trồng: lúa,
ngô, mía trong giai đoạn từ năm 2010-2014 (Hình 1.1); cũng theo theo thống
kê của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn sản lượng nông sản năm
2015, cả nước có: sản lượng lúa ước tính đạt 45,22 triệu tấn, cây ngô đạt 5281
triệu tấn, cây sắn đạt 10,67 triệu tấn, rau các loại sản lượng đạt 15,7 triệu tấn,
đậu các loại sản lượng đạt 169,6 nghìn tấn.
Hình 1.1: Sản lượng một số loại cây trồng qua các năm 2010-2014
Nguồn: Tổng cục thống kê (2014)
Trong quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản, bên cạnh
những sản phẩm chính sẽ phát sinh những phế phụ phẩm khác. Khiến cho nền
nông nghiệp đã và đang phải đối mặt với việc xử lý phế thải trồng trọt, đặc
biệt khi mùa thu hoạch đến. Khi trồng lúa ngoài hạt lúa thu hoạch được ta còn
có rơm, rạ; khi xay xát thóc ngoài gạo ta còn có tấm,cám, trấu; khi thu hoạch
ngoài hạt ngô ta còn có bẹ ngô, áo ngô, lõi ngô… Trong chăn nuôi gia súc,
ngoài sản phẩm chính là thịt, trứng hay sữa ta còn có phân… Các phế thải

11


nông nghiệp phát sinh từ hoạt động trồng trọt rất đa dạng như: rơm, rạ, vỏ
trấu, vỏ cà phê, lõi ngô, xơ dừa, dây khoai, thân cây đậu... (Hình 1.2).

Hình 1.2:Phế phụ phẩm nông nghiệp
Khối lượng phế phụ phẩm này rất lớn tuỳ thuộc vào loại cây trồng, hình
thức canh tác, mục đích sử dụng. Riêng đối với các cây trồng thuộc nhóm ngũ
cốc như lúa, ngô, khoai...phế phụ phẩm thải ra rất lớn. Những phế phụ phẩm
này thực sự là nguồn tài nguyên khổng lồ ước tính trên 100 triệu tấn/năm luôn
tồn tại và ngày càng tăng cùng với sự gia tăng diện tích và năng suất cây
trồng, giàu tiềm năng nhất là trấu, lá và bã mía, cây rừng tự nhiên (Bảng 1.1).
Các loại phế phụ phẩm này được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau đồng
thời giúp tạo thêm thu nhập cho người dân, tuy vậy nếu không có những hình
thức tận thu phế phụ phẩm phù hợp có thể gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng
môi trường.
Bảng 1.1: Tiềm năng phế phụ phẩm ở Việt Nam
Loại phế phụ phẩm

Số lượng (triệu tấn/năm)
40,80
15,60

Trấu và rơm
Lá và bã mía

12

Cây rừng tự nhiên
Thân và lõi ngô
Cây rừng trồng
Cây rừng thưa
Nguồn thải từ ngành giấy
Cây vùng đồi trống đồi trọc
Cây công nghiệp lâu năm
Vỏ cà phê
Mùn cưa
Nguồn thải từ gỗ xây dựng
Cây ăn trái
Các nguồn thải khác (dừa, đậu, khoai mì)

14,07
9,20
9,07
7,79
5,58
2,47
2,00
1,17
1,12
0,80
0,41
6,37

Nguồn: Nguyễn Đặng Anh Thi, Bio-Energy in Vietnam (2014)
Trong đó, phế phụ phẩm trấu tập trung chủ yếu tại Đồng bằng Sông
Cửu Long, Đồng bằng Bắc Bộ và Duyên hải Nam Trung Bộ. Phế phụ phẩm

mùn cưa tập trung nhiều ở miền Trung, Tây Nguyên, Tây Bắc. Vỏ cà phê có
nhiều ở các tỉnh Tây Nguyên…Hầu hết các phế phụ phẩm nông nghiệp này có
hàm lượng chất xơ rất cao ví dụ như rơm chứa 34% chất xơ, lá mía chiếm
43%...nên rất khó tiêu hoá. Mặt khác một số loại phế phụ phẩm lại khó chế
biến và dự trữ khi thu hoạch đồng loạt như cây lạc, dây lang, ngọn lá sắn, lá
mía…Đó cũng là lí do làm cho người nông dân chỉ sử dụng một phần các loại
phế phụ phẩm này ở dạng tươi làm thức ăn cho gia súc.
Bên cạnh, nguồn phế phụ phẩm rất đa dạng, các nghiên cứu trước nhận
địnhcác thành phần hydrate cacbon chính có trong các phế phụ phẩm nông
nghiệp đều là xenlulozo, hemixenlulozo, và lignin chiếm 90% về khối lượng
(Bảng 1.2); về thành phần nguyên tố hóa học trong phế phụ phẩm nông
nghiệp cho thấy thành phần chủ yếu của chúng là các nguyên tố Cacbon,
Hidro, Oxi, Nittơ, Photpho, Oxi, Silic… Đặc biệt Silic là nguyên tố không chỉ
chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần tươi mà còn chiếm tỷ lệ lớn trong thành phần
tro của các phế phụ phẩm, (Bảng 1.3). Đó là các nguyên tố đa lượng cần thiết
cho đất và cây trồng, nếu không có các phương thức sử dụng phế phụ phẩm

13


phù hợp và tận thu đối đa nguồn tài nguyên này sẽ gây thất thoát một lượng
lớn các nguyên tố đa lượng: O, Si, Al, Fe, Ca, K, P, N, C, H.
Bảng 1.2: Thành phần các hợp chất hữu cơ của 7 loại vật liệu
Thành phần
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

(7)

Vỏ trấu
Lá tre
Rơm rạ
Mùn cưa
Lá mía
Lá ngô
Lõi ngô

Xenlulozo
(%)
25-35
45-50
39,2
45,1
35-45
61,2
41,5

Hemixenlulozo
(%)
18-21
20-25
23,5
28,1
26,2-35,8
19,3
13

Nguồn:
(1) Haiqing Yang1 and Kuichuan Sheng (2007);
(2) Dr J N Shah,Dr S R Shah and Sweety Agrawal (2012);
(3) T.S. El-TayebI; A.A. AbdelhafezI; S.H. AliII; E.M. Ramadan (2015);
(4) T.S. El-TayebI; A.A. AbdelhafezI; S.H. AliII; E.M. Ramadan (2015);
(5) Wiley, Society of Chemical Industry (2015);
(6) Braz. J. Microbiol (2012);
(7) Kiran R. Garadimani , G. U. Raju , K. G. Kodancha (2015).

14

Lignin
(%)
26-31
20-30
36,1
24,1
11,4-25,2
6,9
35,2


Bảng 1.3: Thành phần hoá học của một số phế phụ phẩm nông nghiệp
Loại tro
Cói
Rạ chiêm
Cây sậy
Thân ngô
Rạ mùa
Lá mía

Rạ nếp
Tầu dừa
Dâu tằm
Bã mía
Mạt cưa
Lá phi lao
Cây sú vẹt
Cây trinh nữ
Cây vừng
Cây đay
Trấu
Trấp
Cây sắn
Cây bông

% tan
trong
nước
37,0
3,2
9,5
13,7
6,8
8,1
5,9
35,0
20,4
16,5
6,4
0,8

17,0
25,2
35,7
51,9
4,2
0,8
32,1
33,8

% tan
trong
HCl
57,0
13,3
26,9
36,2
18,2
19,3
11,0
76,2
70,1
39,1
54,6
41,5
56,1
70,8
93,0
89,2
4,6
9,0

98,4
94,8

SiO2

Al2O3

Fe2O3

P2O5

K2O

CaO

43,0
86,7
73,1
63,8
81,8
80,7
89,0
23,8
29,9
60,9
45,4
58,5
43,9
29,2
7,0

10,8
95,4
91,0
1,6
5,2

1,34
2,04
1,08
0
0
0
0,3
0
0,4
0,2
2,2
4,3
3,6
0,6
0
0
0
5,8
0
0

1,49
3,19
2,79

2,09
3,29
1,49
1,29
1,49
1,59
1,29
3,69
3,09
1,19
2,19
1,19
0,50
2,39
1,09
1,49
1,49

3,3
0,9
3,3
9,5
1,2
2,3
0,6
6,4
8,8
8,4
2,0
1,0

1,6
5,8
7,9
4,8
0,6
0,4
19,0
16,4

22,2
2,0
5,4
8,3
4,1
5,0
3,5
21,0
12,2
9,9
3,8
0,5
10,2
15,7
21,4
31,2
2,5
0,5
19,2
20,3

6,4
2,6
5,1
5,2
3,8
5,5
1,7
11,2
25,1
3,8
20,6
17,5
12,2
16,6
24,4
18,2
0,8
0,5
17,7
23,2

Nguồn: Bùi Huy Hiền (2013)
1.1.2.Thực trạng sử dụng phế phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam
Như thực trạng phát sinh phế phụ phẩm nông nghiệp đã đưa ra ở mục
1.1.1, nguồn phế phụ phẩm nước ta tương đối dồi dào, tuy nhiên các giải pháp
đã và đang được áp dụng trong tận thu phế phụ phẩm nông nghiệp chưa tương
xứng với lượng phát sinh hiện nay. Trước đây, khi chưa cơ giới hóa trong
nông nghiệp, các phế phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, bẹ ngô… được tái sử
dụng. Bẹ ngô được sử dụng làm chất đốt trong gia đình. Rơm và rạ vừa được
sử dụng làm chất đốt, vừa được dùng làm thức ăn trong chăn nuôi đồng thời

cũng được dùng làm nguyên liệu ủ phân hữu cơ… Người nông dân có thể tận
dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp vào nhiều mục đích khác nhau.Ngày nay,
đời sống được nâng cao, nhu cầu ngày một tăng, áp lực dân số gây nên áp lực
an ninh lương thực trên toàn cầu, các sản phẩm cung cấp cho nông nghiệp
15


ngày càng nhiều, nông nghiệp được cơ giới hóa, được chú trọng nhưng nó để
lại không ít hệ quả ảnh hưởng tới môi trường đời sống con người. Con người
không còn chú trọng đến việc tái sử dụng những phế phẩm nông nghiệp, vì
thế những phế phẩm nông nghiệp này thường bị bỏ lại ngay tại đồng ruộng
sau khi thu hoạch, thậm chí bị đốt ngay tại ruộng gây hậu quả nghiêm trọng
tới môi trường đất, môi trường khí và ảnh hưởng các vấn đề nhân sinh xã hội
khác. Do được cơ giới hóa, người dân dùng máy gặt, gặt lúa ngay trên đồng
ruộng, sau đó chỉ việc mang lúa về. Phế phẩm từ lúa như rơm và rạ, người
dân bỏ lại, thời gian sau sẽ đốt bỏ. Nhiều khi, người nông dân còn đốt rơm rạ
cùng một lúc, hiện tượng khói lan tỏa khắp nơi vừa ảnh hưởng tới môi trường,
vừa ảnh hưởng tới sức khỏe con người và thậm chí gây mất an toàn giao
thông. Vấn đề đặt ra hiện nay làm thế nào giải quyết triệt để việc tái sử dụng
phế phẩm nông nghiệp tạo sinh kế cho người nông dân đồng thời hạn chế mức
độ ảnh hưởng tới môi trường.
Theo kết quả khảo sát của Trịnh Sĩ Nam về các hình thức sử dụng phế
phụ phẩm nông nghiệp ở Đồng bằng sông Hồng năm 2012, (Hình 1.3) cho
thấy có 6 biện pháp xử lý phế phụ phẩm được người dân lựa chọn là: đốt trên
đồng, vùi trong đất, làm giá thể trồng nấm, bán, chăn nuôi và cho người khác.
Trong đó, tỷ lệ các hộ xử lý phế phụ phẩm sau thu hoạch bằng biện pháp đốt
là 73,14%;vùi là 16,28%; làm giá thể trồng nấm là 3,46%; bán là 1,64%; chăn
nuôi là 0,19% và cho người khác là 0,95%. Điều này cho thấy đốt phế phụ
phẩm vẫn là biện pháp xử lý phổ biến nhất của nông hộ hiện nay, các hình
thức sử dụng khác thì ít được phổ biến hơn.

Tuy nhiên khuynh hướng sử dụng phế phụ phẩm trên đồng ruộng cũng
có sự thay đổi ở các vụ trong năm phụ thuộc rất nhiều vào số vụ canh tác
nông phẩm trong năm, yếu tố thời tiết cũng như điều kiện canh tác của từng
nông hộ. Thường người dân đốt rơm ở vụ có có thời tiết thuận lợi, trời thường
nắng nóng nên tỷ lệ phế phụ phẩm cháy khi đốt cao hơn và thời gian cháy
16


cũng nhanh hơn. Với vụ thời tiết không được thuận lợi có mưa nhiều tỷ lệ các
hộ đốt rơm giảm, các hộ nông dân thường đốt phế phụ phẩm khi trời nắng và
cày vùi phế phụ phẩm khi trời mưa. Theo tập quán canh tác, người dân đốt
phế phụ phẩm để vệ sinh đồng ruộng chuẩn bị sản xuất vụ tiếp theo, đồng thời
lượng tro sau khi đốt được làm phân để bón cho ruộng.

Hình 1.3: Các hình thức sử dụng phế phụ phẩm phổ biến ở Đồng bằng
sông Hồng năm 2012
Biện pháp phổ biến nhất hiện nay là đốt, cụ thể phế phụ phẩm sau khi
thu hoạch được để lại trên đồng ruộng cho khô, sau đó người dân thu thành
đống và đốt. Đây là cách xử lý nhanh nhất, đơn giản, giảm giá thành, không
tốn nhiều công sức, đồng thời tiêu hủy mầm bệnh, không phải tuân theo quy
định nghiệm ngặt trong hoạt động vận hành. Nhưng nó cũng có nhược điểm
làm mất chất dinh dưỡng cho đất, gây ô nhiễm môi trường không khí nghiêm
trọng, mất cacbon, gây hiệu ứng nhà kính, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con
người, gây ra các bệnh về đường hô hấp và gây hiện tượng khói mù cản trở
tầm nhìn của người điều khiển phương tiện giao thông.
Vùi trực tiếp vào đất trên đồng ruộng cũng là giải pháp truyền thống
được người nông dân áp dụng. Sau khi thu hoạch nông sản, phế phụ phẩm
được để lại ngay trên đồng ruộng. Khi người dân cày sẽ úp phế phụ phẩm
xuống dưới. Nhờ các hoạt động của vi sinh vật, phế phụ phẩm sẽ được phân
hủy để thành các chất hữu cơ dễ sử dụng cho cây trồng trong vụ trồng kế tiếp.

Ưu điểm của hình thức này là giúp tuần hoàn vòng vật chất, cải thiện các đặc
tính hóa, sinh học cho đất, nâng cao độ phì của đất và duy trì khả năng sản
xuất của đất đồng thời diệt trừ một số mầm sâu bênh hại. Tuy nhiên, việc vùi
phế phụ phẩm vào đất ướt sẽ gây ra tình trạng cố định đạm tạm thời và làm
tăng lượng khí metan phóng thích trong đất, gây ra tình trạng tích lũy các khí

17


nhà kính, tốn công lao động và cần máy móc thích hợp cho làm đất và nó có
thể gây ra một số mầm bệnh cho cây trồng.
Làm thức ăn cho gia súc, đun nấu: phế phụ phẩm sau thu hoạch được
tận dụng để làm thức ăn cho gia súc (nhóm động vật nhai lại) như trâu, bò và
làm nguyên liệu đun nấu. Cách này đem lại hiệu quả kinh tế, tiết kiệm được
tiền cho việc mua thức ăn cho gia súc, thu mua những nhiên liệu khác để đun
nấu và hạn chế ô nhiễm môi trường do phế phụ phẩm không để ngoài đồng.
Nhưng hạn chế là không khép kín vòng tuần hoàn vật chất, chất dinh dưỡng bị
cây trồng lấy đi nhưng chưa có biện pháp thích hợp để bù trả lại và tốn công
lao động cho việc thu gom.
Ngày nay, bên cạnh các biện pháp truyền thống trên, người nông dân
còn sử dụng phế phụ phẩm làm giá thể trồng nấm. Rơm rạ được thu gom và
làm chín nhằm phân hủy một số độc tố trong rơm rạ do khi canh tác ta sử
dụng một số nông dược. Sau đó ép lại thành bánh rồi nuôi nấm trên những
bánh rơm đó. Giải pháp này giúp nâng cao hiệu quả kinh tế cho người dân,
giảm tỉ lệ đói nghèo, cải thiện môi trường nông thôn do tận dụng nguồn phế
phụ phẩm nông nghiệp, tăng vẻ đẹp mỹ quan đồng thời tạo công ăn việc làm
cho người dân. Tuy nhiên cách này lấy mất hàm lượng chất dinh dưỡng của
đất, phá vỡ vòng tuần hoàn vật chất trong đất, để áp dụng được cách này
người dân cần đầu tư kinh phí để mua thiết bị, tạo cơ sở nuôi trồng nấm.
Ngoài làm giá thể trồng nấm, người nông dân hiện nay cũng áp dụng

giải pháp ủ phế phụ phẩm làm phân hữu cơ. Biện pháp này sử dụng phế phẩm
đồng ruộng kết hợp với phân gia súc, gia cầm trộn cùng với chế phẩm vi sinh,
và đảm bảo độ ẩm thích hợp cho vi sinh vật hoạt động phân hủy thành phân
hữu cơ để bón cho cây trồng. Cách này đem lại lợi ích là tiêu diệt được mầm
bệnh, làm sạch đồng ruộng hạn chế ô nhiễm môi trường, trả lại một phần chất
dinh dưỡng cho đất, đồng thời đem lại hiệu quả kinh tế nhờ tiết kiệm được

18


tiền mua phân bón hóa học (Bảng 1.4). Tuy nhiên, giải pháp này cần thời gian
ủ và tốn công lao động.
Bảng 1.4: Hiệu quả xã hội của việc tái chế phế phụ phẩm nông nghiệp
làm phân hữu cơ
Loại cây
Lúa
Ngô
Lạc và
đậu
tương
Hành
Tỏi

Lượng phế thải
trên đồng ruộng
(tấn/ha)

Lượng phân hữu
cơ được tạo ra
(tấn/ha)

Số lượng lao động tham gia
vào quá trình xử lí phế phụ
phẩm (người/ha)

16,5
16,7

6,6
8,4

50
50

8,0

2,8

26

15,4
22,7

8,5
7,9

3
45

Nguồn: Nguyễn Xuân Thành và CS (2010)

Ngày nay, khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển, bên cạnh các
hình thức sử dụng truyền thống của người dân, cũng đã có một số nghiên cứu
mới theo hướng tận thu phế phụ phẩm nông nghiệp, điển hình là các biện
pháp sản xuất năng lượng. Sinh khối có thể sản xuất ra nhiều loại năng lượng
khác nhau như nhiệt, điện, xăng dầu vận tải.
Sản xuất dầu sinh học: nhiều nước đã chế tạo nhiên liệu sinh học từ sản
phẩm nông nghiệp như từ ngô (Mỹ), từ mía đường (Brazil), củ cải đường (các
nước châu Âu)…để thay thế cho nguyên liệu hoá thạch. Theo nghiên cứu của
PGS.TS Đặng Tuyết Phương, Viện Hoá học Việt Nam, đốt 1 tấn rơm rạ có thể
tạo ra khoảng 250kg nhiên liệu lỏng thô để sản xuất dầu sinh học thay vì chỉ
thu được một lượng tro không đáng kể để bón ruộng đồng thời gây ô nhiễm
môi trường. Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc Viện Dầu
khí Việt Nam và Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, khảo sát quá
trình nhiệt phân nhanh rơm rạ ở điều kiện nhiệt độ phản ứng 500 0C, lưu lượng
khí 6 lít/phút và kích thước nguyên liệu rơm rạ dưới 2mm, hiệu suất bio oil
cao nhất là 52,76%/kl. So với tiêu chuẩn chất lượng nhiên liệu sinh học lỏng
19


nhiệt phân loại G dùng cho lò đốt công nghiệp tại Mỹ ban hành năm 2012,
dầu sinh học đi từ rơm rạ theo phương pháp nhiệt phân nhanh này đáp ứng
tiêu chuẩn. Với hiệu suất thu hồi lỏng dầu sinh học, nguồn nguyên liệu rơm rạ
từ sản xuất nông nghiệp của Việt Nam có thể sản xuất được hàng chục triệu
tấn bio oil/năm phục vụ làm nhiên liệu thay thế cũng như có thể nâng cấp để
sản xuất xăng, dầu diezel trong tương lai gần.
Sản xuất điện: Mỹ là nước sản xuất điện biomass lớn nhất thế giới, với
hơn 350 nhà máy điện sinh học, sản xuất trên 7.500MW điện mỗi năm.
Những nhà máy này sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sản
phẩm phụ nông nghiệp, cành lá từ các vườn cây ăn quả... Năng lượng biomass
chiếm 4% tổng năng lượng được tiêu thụ ở Mỹ và 45% năng lượng tái sinh.Ở

Nhật Bản, chính phủ đã ban hành Chiến lược năng lượng sinh khối từ năm
2003 và hiện nay đang tích cực thực hiện Dự án phát triển các đô thị sinh khối
(biomass town). Đến đầu năm 2011, Nhật Bản đã có 286 thị trấn sinh khối trải
dài khắp đất nước.Trong khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt,
nhu cầu sử dụng điện ngày càng cao thì giải pháp sử dụng nguồn điện sinh
khối để thay thế mang ý nghĩa to lớn trên các khía cạnh kinh tế, xã hội và môi
trường. Hơn nữa, Việt Nam lại có tiềm năng to lớn để phát triển điện sinh
khối cả trong hiện tại và tương lai. Hiện nay, nước ta đã có các nhà máy điện
sinh khối được triển khai và đi vào hoạt động tại một số tỉnh như Thanh Hoá,
Phú Thọ…Tuy nhiên, phát triển điện sinh khối ở Việt Nam còn nhiều khiêm
tốn.
Nhìn chung các phương pháp xử lý đối với phế thải nông nghiệp hiện
nay đều mang tính truyền thống, diễn ra phổ biến ở các làng quê Việt Nam và
đang gây ra những mối lo ngại về môi trường. Việc xử lý phế phụ phẩm bằng
cách đốt ngoài trời, ngay trên đồng ruộng có thể gây nên vấn đề ô nhiễm
không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe người dân. Mặt khác, nhiều công trình
nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn cho thấy nếu không xử lý hết các phế
20


thải nông nghiệp trên cánh đồng và để sót lại trên đất với lượng lớn có khả
năng làm giảm sản lượng cây trồng, tăng các bệnh ở lá và suy thoái độ màu
mỡ của đất. Chính vì vậy mà các công nghệ xử lý và tận dụng một cách kinh
tế nguồn sản phẩm phụ nông nghiệp này cần được nghiên cứu và phát triển.
1.2. Than sinh học và các ứng dụng của than sinh học trên thế giới và
Việt Nam
1.2.1. Than sinh học (Biochar)
Có rất nhiều định nghĩa về than sinh học, tuy nhiên có thể hiểu than
sinh học là một sản phẩm được tạo ra qua quá trình nhiệt phân các vật liệu hữu
cơ trong môi trường yếm khí hoặc hoàn toàn nghèo oxy, có khả năng tồn tại bền

vững trong môi trường đất và làm tăng lượng cacbon lưu giữ trong đất, giảm
cacbon phát thải vào khí quyển, có ảnh hưởng tích cực đến sức sản xuất của đất.
Theo tổ chức IBI (International Biochar Initiative) 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, (Warnock, 2007).
Các yếu tố chính quyết định đến đặc tính của than sinh học là: thành phần
vật liệu ban đầu; các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân (nhiệt độ, khí,
chất xúc tác). Tiềm năng khai thác phế phụ phẩm nông nghiệp ở nước ta là rất
lớn và chất lượng của một số loại TSH được sản xuất từ các nguồn phế phụ
phẩm khác nhau như: trấu, rơm,lõi ngô, vỏ dừa,...cho hiệu suất thu hồi phế phụ
phẩm và chất lượng khác nhau giữa các phương pháp đốt. Chính sự khác nhau
về các yếu tố này đã ảnh hưởng đến tính chất và thành phần của than sinh học
sau tạo thành.
Tính chất vật lý: Than sinh học bao gồm 4 phần chính: cacbon bền,
cacbon không bền, các thành phần bay hơi khác, phần tro khoáng và độ ẩm.
Thành phần trong than sinh học rất khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc
21


sinh khối, các điều kiện nhiệt phân, nhiệt độ nhiệt phân, tốc độ lên nhiệt, áp
suất, các điều kiện trước và sau xử lý. Tính chất vật lý của than sinh học phụ
thuộc chủ yếu vào vật liệu ban đầu và các điều kiện nhiệt phân (Downie và
nnk, 2009). Trong quá trình nhiệt phân, ở các nhiệt độ thấp xenlulozơ và
hemi-xenlulozơ bị mất ở dạng chất hữu cơ bay hơi dẫn tới sự suy giảm về
khối lượng. Chất khoáng và bộ khung cacbon vẫn giữ được hình dạng cấu
trúc của vật liệu ban đầu. Cấu trúc phân tử của than có trạng thái xốp và có
diện tích bề mặt lớn. Các lỗ rỗng đường kính rất nhỏ (50 nm) được hình thành
trong quá trình nhiệt phân tạo nên các hệ thống mao quản. Chính hệ thống các

lỗ rỗng trong than góp phần quan trọng cho sự thông khí, hoạt động của vùng
rễ và cấu trúc của đất. Chính vì vậy bổ sung than vào đất làm thay đổi tính
chất vật lý tự nhiên của đất, làm tăng tổng diện tích bề mặt riêng, cải thiện cấu
trúc và sự thoáng khí của đất (Kolb, 2007).
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 giữa 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 bề mặt này
được tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình hoạt hóa,
khi làm sạch nhựa đường và các chất chứa cacbon khác trong khoảng trống
giữa các tinh thể. Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đường kính
lỗ. Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từ
bản chất nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa. Sự hoạt hóa cũng loại
bỏ cacbon không phải trong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự hoạt động
của các tác nhân hoạt hóa và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp.
Trong pha sau cùng của phản ứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sự
tạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau
được diễn ra. Điều này làm cho các lỗ trống có chức năng vận chuyển và các
lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ.
22


Theo Dubinin và Zaveria, than sinh học vi lỗ xốp được tạo ra khi mức
độ đốt cháy (burn-off) nhỏ hợn 50% và than sinh học lỗ macro khi mức độ đốt
cháy là lớn hơn 75%. Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50- 75% sản phẩm
có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất cả các loại lỗ.
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
thướcvà hình dạng khác nhau. Người ta khó có thể đưa ra thông tin chính xác
về hình dạng của lỗ xốp. Có vài phương pháp được sử dụng để xác định hình

dạng của lỗ, các phương pháp này đã xác định than thường có dạng mao dẫn
mở cả hai đầu hoặc có một đầu kín, thông thường có dạng rãnh, dạng chữ V
và nhiều dạng khác.
Than sinh học có lỗ xốp từ 1nm đến vài nghìn nm. Dubinin đề xuất một
cách phân loại lỗ xốp đã được Liên minh Quốc tế về Hóa học thuần túy và
Hóa học ứng dụng (IUPAC chấp nhận. Sự phân loại này dựa trên chiều rộng
của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh
hoặc bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ được chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ
trung và lỗ lớn.
Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ
hơn 2nm. Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ,
và không xảy ra sự ngưng tụ mao quản. Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này
lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực
hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ. Nói chung chúng có thể tích lỗ từ
0,15 – 0,7 cm3/g. Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích
bề mặt của than sinh học.
Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu
dụng từ 2 đến 50 nm, thể tích của chúng thường từ 0,1 đến 0,2cm 3/g. Diện
tích bề mặt của lỗ này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than.
Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc biệt người ta có thể tạo ra than sinh học có

23


lỗ trung lớn hơn, thể tích của lỗ trung đạt được từ 0,2 - 0,65cm 3/g và diện tích
bề mặt của chúng đạt 200m2/g. Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao
quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấp phụ.
Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ
của than sinh học bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá
0,5m2/g. Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thường trong khoảng

500- 2000nm với thể tích lỗ từ 0,2– 0,4 cm 3/g. Chúng hoạt động như một
kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung. Các lỗ lớn không được
lấp đầy bằng sự ngưng tụ mao quản.
Nhóm Cacbon - oxy trên bề mặt than sinh học: Nhóm cacbon - oxy bề
mặt là những nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc trừng bề mặt như tính
ưa nước, độ phân cực, tính acid, và đặc điểm hóa lý như khả năng xúc tác, dẫn
điện và khả năng phản ứng của các vật liệu này. Thực tế, oxy đã kết hợp
thường được biết là yếu tố làm cho than trở nên hữu ích và hiệu quả trong một
số lĩnh vực ứng dụng nhất định. Ví dụ, oxy có tác động quan trọng đến khả
năng hấp phụ nước và các khí và hơi có cực khác, ảnh hưởng đến sự hấp phụ
chất điện phân, lên than sử dụng làm chất lọc trong cao su và nhựa, lên độ
nhớt của graphit cũng như lên tính chất của nó khi là một thành phần trong
phản ứng hạt nhân. Trong trường hợp của sợi cacbon, nhóm bề mặt quyết
định khả năng bám dính của nó vào chất nền là nhựa và sau đó là đặc điểm
vật liệu composite. Theo Kipling, các nguyên tử oxy và hydro là những thành
phần cần thiết của than hoạt tính với đặc điểm hấp phụ tốt, và bề mặt của vật
liệu này được nghiên cứu như một bề mặt hydrocacbon biến đổi ở một số tính
chất bằng nguyên tử oxy.
Than sinh học có nhiều xu hướng mở rộng lớp oxy đã được hấp thụ hóa
học này và nhiều các phản ứng của chúng xảy ra do xu hướng này. Ví dụ, than
sinh học có thể phân hủy các khí oxy hóa như ozone và oxit của nitơ. Chúng

24


cũng phân hủy dung dich muối bạc halogen, sắt(III)clorua, KMnO 4,
amonipersunfat, axit nitric... Trong mỗi trường hợp, có sự hấp phụ hóa học
oxy và sự tạo thành hợp chất cacbon – oxy bề mặt. Than sinh học cũng có thể
được oxy hóa bằng nhiệt trong không khí, CO2 hoặc oxy. Bản chất và lượng
nhóm oxy- cacbon bề mặt tạo thành từ các sự oxy hóa khác nhau phụ thuộc

vào bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó, diện tích bề mặt của nó, bản chất
chất oxy hóa và nhiệt độ quá trình.
Phản ứng của than sinh học với oxi ở nhiệt độ dưới 4000C chủ yếu tạo
ra sự hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành hợp chất cacbon- oxy bề mặt, khi ở
nhiệt độ trên 400oC, sự phân hủy hợp chất bề mặt và khí hóa cacbon là các
phản ứng trội hơn hẳn.
C + O2 => C (O) (<4000C) Sự tạo thành hợp chất bề mặt
C + O2 => CO +CO2 (>4000C) Sự khí hóa
C (O) => CO + CO2 (>4000C) Sự phân hủy hợp chất bề mặt
Trong trường hợp sự oxy hóa xảy ra trong dung dịch, phản ứng chính là
sự tạo thành hợp chất bề mặt, mặc dù một vài quá trình khí hóa cũng có thể
xảy ra phụ thuộc độ mạnh của chất oxy hóa và sự khắc nghiệt của điều kiện
thí nghiệm. Sự tạo thành hợp chất cacbon- oxy bề mặt sử dụng than khác
nhau. Than sinh học và muội than sử dụng nhiều cách oxy hóa trong pha khí
và pha lỏng đã được nghiên cứu nhiều hơn.
Đối những than có đặc trưngaxit- bazơ, nhiều nhà khoa học đã bỏ công
sức nghiên cứu để góp phần tìm hiểu nguyên nhân và cơ chế than có bản chất
acid hay bazơ. Một vài thuyết, ví dụ thuyết điện hóa học của Burstein và
Frumkin, thuyết oxit của Shilov và trường của ông, thuyết pyron của Voll và
Boehm đã được đưa ra để giải thích cho đặc trưng acid - bazơ của than. Các
thuyết này và các nghiên cứu liên quan đã được xem xét lại một cách kỹ
lưỡng và được xem xét trong một vài bài báo tổng kết. Bây giờ người ta đã
chấp nhận rằng đặc trưng acid- bazơ của than là kết quả của quá trình oxi hóa
25