Đánh giá chất lượng than sinh học sản xuất từ một số loại vật liệu hữu cơ phổ biến ở Miền Bắc Việt Nam

Chia sẻ: Hoang Son | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

88
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo tập trung đánh giá một số tính chất cơ bản của than sinh học (TSH) sản xuất từ một số vật liệu hữu cơ phổ biến như tre, rơm rạ và gỗ keo lai trong các điều kiện nhiệt độ nhiệt phân từ thấp đến cao (300 – 850oC). Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ nhiệt phân thấp (300-450oC) có năng suất cao nhất (46,98%) và giảm dần nhiệt độ nhiệt phân tăng cao. pH, CEC cũng tăng theo nhiệt độ nhiệt phân. CEC cũng phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân thông qua sự tăng pH của than khi nhiệt độ nhiệt phân tăng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá chất lượng than sinh học sản xuất từ một số loại vật liệu hữu cơ phổ biến ở Miền Bắc Việt Nam

Mai Thị Lan Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 231 - 236 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THAN SINH HỌC SẢN XUẤT TỪ MỘT SỐ LOẠI VẬT LIỆU HỮU CƠ PHỔ BIẾN Ở MIỀN BẮC VIỆT NAM Mai Thị Lan Anh1*, S. Joseph2, Nguyễn Văn Hiền3, Trần Mạnh Hùng , Nguyễn Công Vinh3, Ngô Thị Hoan5, Phạm Thị Anh1 4 1 Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên, 2Đại học New South Wale - Australia, 3 Viện Nông hóa Thổ nhưỡng, 4Care International tại Việt Nam TÓM TẮT Bài báo tập trung đánh giá một số tính chất cơ bản của than sinh học (TSH) sản xuất từ một số vật liệu hữu cơ phổ biến như tre, rơm rạ và gỗ keo lai trong các điều kiện nhiệt độ nhiệt phân từ thấp đến cao (300 – 850oC). Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ nhiệt phân thấp (300-450oC) có năng suất cao nhất (46,98%) và giảm dần nhiệt độ nhiệt phân tăng cao. pH, CEC cũng tăng theo nhiệt độ nhiệt phân. CEC cũng phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân thông qua sự tăng pH của than khi nhiệt độ nhiệt phân tăng. Các gốc chức năng của TSH từ tre (~77,6%) > CEC từ TSH gỗ keo lai (~70,4%) > CEC của TSH từ rơm rạ (67,2%). Trong các loại TSH từ tre, rơm rạ, gỗ keo lai, thành phần các nguyên tố có sự khác nhau nhưng nhìn chung đều có chứa các nguyên tố C, O, N, P, Ca… Từ khóa: than sinh học; nhiệt phân; đất Terra preta; SEM; EDS… ĐẶT VẤN ĐỀ* Than sinh học (TSH) là một sản phẩm giàu các bon thu được khi nhiệt phân các vật liệu hữu cơ như gỗ, phân chuồng, lá cây, phụ phẩm nông nghiệp… ở nhiệt độ tương đối thấp ( TD1 là 1,1 lần. Trong tất cả các mẫu than nghiên cứu TD3 có pH cao nhất, mang tính kiềm mạnh (pH=11.31). Ở cùng điều kiện nhiệt phân, pH của TSH từ rơm rạ > pH của TSH từ tre > pH của TSH từ gỗ keo lai. Sự tăng pH khi nhiệt độ tăng có thể là do sự tập chung của các nguyên tố vô cơ có tính kiềm không thể bị nhiệt phân có trong nguyên liệu (Ca, K, Mg…) tăng [1], còn các gốc chức năng mang tính axit thì lại bị mất đi cùng với sự mất đi của các vật chất dễ bay hơi (Jeff Novak và cộng sự, 2009) [2], do đó làm tăng pH của than sinh học khi nhiệt độ nhiệt phân tăng. CEC ở TSH từ tre > CEC của TSH từ rơm rạ > CEC của TSH từ gỗ keo lai. Trong 9 mẫu TSH nghiên cứu thì CEC của mẫu BD1 có giá trị cao nhất (826,61mmol/kg).Trong nhóm BC.D1, sau giá trị CEC của mẫu BD1 là giá trị CEC của mẫu TD1 (696,92mmol/kg), thấp nhất là CEC của mẫu 232 96(08): 231 - 236 WD1 (289,45 mmol/kg). BD2 có giá trị CEC cao nhất (795,02 mmol/kg) trong các mẫu than nhiệt phân ở nhiệt độ 450 – 600oC, CEC của mẫu TD2 giảm không đáng kể so với BD2 (giảm khoảng 1,13 lần). Ở các mẫu than nhiệt phân ở khoảng nhiệt độ cao, CEC của mẫu BD3 có giá trị cao nhất (786,77mmol/kg), tiếp theo là CEC của mẫu TD3 (694,52mmol/kg), và thấp nhất là CEC của mẫu WD3 (287,56mmol/kg). Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ lệ của các nhóm chức năng có trong TSH Trong các mẫu TSH nghiên cứu đều có chứa các nhóm chức năng, đó là C-C/C-H, C-O, C=O, O=C-O, CO32- với tỷ lệ thay đổi tùy thuộc vào nguyên liệu nhưng tỷ lệ mỗi nhóm chức năng không sai khác nhau nhiều ở mỗi loại than. Trong đó nhóm chức năng C-C/C-H ở tất cả 3 loại than từ 3 nguyên liệu nghiên cứu khác nhau (rơm rạ, tre, gỗ keo lai) đều có tỷ lệ phần trăm cao hơn cả (trung bình đạt trên 50%), cao gấp khoảng 5 lần tỷ lệ của nhóm C-O và khoảng 14 lần so với tỷ lệ của nhóm C=O. Điều này có thể là do bản chất các nguồn nguyên liệu hữu cơ (chất hữu cơ bao gồm hidrocacbon và dẫn xuất của hidrocacbon) với đặc trưng trong thành phần chủ yếu có chứa các liên kết C-C/C-H dẫn đến nhóm chức năng này cũng chiếm tỷ lệ lớn trong than thành phẩm. Tiếp đến là nhóm chức năng C-O với tỷ lệ phần trăm trung bình trên 10%, thấp nhất là nhóm chức năng CO32(trung bình khoảng 2%). Có thể thấy, TSH từ tre có tỷ lệ C-C/C-H là cao nhất trong 3 loại than từ tre, gỗ keo lai và rơm rạ (57,9%) nhưng lại có tỷ lệ phần trăm nhóm CO32- thấp nhất trong 3 loại than (0,84%). Thành phần, hàm lượng các nguyên tố có trong TSH Thành phần nguyên tố có trong các mẫu TSH Kết quả nghiên cứu được thực hiện thông qua nghiên cứu các hình ảnh từ kính hiển vi điện tử quét và phân tích phổ EDS. - Nguyên liệu tre: Kết quả phân tích SEM và phổ EDS cho thấy các nguyên tố có trong TSH từ tre thu được là C, O, Al, Si, Ca, K, N, Mg. Mai Thị Lan Anh và Đtg STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 96(08): 231 - 236 Bảng 1. Kết quả phân tích pH và CEC của các mẫu TSH từ tre, gỗ keo lai, rơm rạ Nhiệt độ nhiệt Nguyên liệu Năng suất CEC Ký hiệu pH phân (oC) đầu vào (%) (mmol/kg) TD1 Rơm rạ 9,6 696,92 BC.D1 WD1 300 – 450 Gỗ keo lai 46,98 4,25 289,45 BD1 Tre 7,9 826,61 TD2 Rơm rạ 10,42 701,32 BC.D2 WD2 450 – 600 Gỗ keo lai 39,98 6,89 292,13 BD2 Tre 8,16 795,02 TD3 Rơm rạ 11,31 694,52 BC.D3 WD3 600 – 850 Gỗ keo lai 23,8 7,2 287,56 BD3 Tre 9,47 786,77 Hình 1. Hình ảnh SEM của mẫu TSH từ tre Hình 2. Bản đồ phân bố của các nguyên tố của mẫu TSH từ tre thu được qua phân tích phổ EDS - Nguyên liệu rơm rạ: Kết quả phân tích hình ảnh SEM và phổ EDS cho thấy, TSH từ rơm rạ có chứa các nguyên tố Si, C, O, N, K. Hình 3. Hình ảnh SEM từ mẫu TSH từ rơm rạ Hình 4. Phổ EDS của các nguyên tố thu được từ mẫu TSH từ rơm rạ - Nguyên liệu gỗ keo lai: Kết quả phân tích SEM và phổ EDS cho thấy, TSH từ gỗ keo lai có chứa các nguyên tố: O, C, K, Al, Cl, N, Si, Ca, Mg. Hình 5. Hình ảnh SEM từ mẫu TSH từ gỗ keo lai Hình 6. Phổ EDS của các nguyên tố tại vị trí đánh dấu trên mẫu TSH từ gỗ keo lai 233 Mai Thị Lan Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Như vậy, khi bón các loại TSH này vào trong đất có thể làm tăng một số nguyên tố dinh dưỡng trong đất như Mg, K, N, P, Ca, C, O. Hàm lượng tro, CHC bay hơi và một số nguyên tố khác trong các mẫu TSH Theo bảng 2 ta thấy, hàm lượng các bon trong các mẫu đều rất cao (>50%), cao nhất là TSH từ gỗ keo lai (74,2%), thấp nhất là 50,2% đối với TSH từ rơm rạ. Dạng các bon cố định chiếm tỷ lệ khá lớn trong TSH (tb là trên 50%). CHC bay hơi trong TSH từ gỗ keo lai có tỷ lệ cao nhất (20,8%), cao hơn TSH từ tre 3,8%. Chỉ tiêu này thấp nhất ở TSH từ rơm rạ (10,5%). Tỷ lệ tro trong mẫu TSH từ rơm rạ là cao nhất (35,6%), trong khi đó tỷ lệ này giảm mạnh trong mẫu TSH từ tre (12,1%), đặc biệt là trong gỗ, tỷ lệ này giảm tới 31,8%, chỉ còn là 3,8%. Nitơ trong TSH từ tre chiếm tỷ lệ phần trăm cao nhất, đạt 1,02%, cao hơn so với TSH từ rơm rạ 0,17%, và 0,63% so với TSH từ gỗ. Tỷ lệ hydro trong TSH từ tre và gỗ gần như bằng nhau (lần lượt là 2,63%, 2,64%). Tỷ lệ này thấp nhất ở TSH với nguồn nguyên liệu là rơm rạ, chỉ có 0,92%. Oxy là nguyên tố có tỷ lệ lớn thứ 2, sau các bon, trong 5 nguyên tố được xác định trong các mẫu TSH. Gỗ keo lai cho TSH có tỷ lệ oxy cao hơn cả (12,89%), thấp nhất là với TSH từ rơm rạ, chỉ có 5,89% oxy. 96(08): 231 - 236 Hàm lượng một số chất dinh dưỡng có trong các mẫu TSH nghiên cứu Từ bảng 3 có thể thấy, hàm lượng nitơ tổng số trung bình trong các mẫu TSH là lớn nhất trong số 3 nguyên tố dinh dưỡng được phân tích (~ 0,3%). Trong đó, các mẫu BC.D1 có hàm lượng nitơ tổng số cao nhất (~ 0,38%) và giảm dần với mẫu BC.D2 (~ 0,37%) và mẫu BC.D3 – giảm đáng kể, chỉ còn trung bình khoảng 0,18%. Nitơ tổng số trong mẫu BD1 là cao nhất (0,54%), các mẫu TD1, BD2, TD2 thì sai khác nhau không nhiều. Thấp nhất là tỷ lệ % Nts ở mẫu TD3, chỉ đạt 0,15%. TSH từ tre có hàm lượng Nts cao nhất ở nhiệt độ nhiệt phân thấp 300-450oC. Hàm lượng này giảm khi nhiệt độ nhiệt phân tăng. Giá trị này giảm 1,26 lần với BD2, còn với BD3 là 2,6 lần so với giá trị Nts của BD1. Nguồn nguyên liệu rơm rạ cho TSH có hàm lượng Nts cũng thay đổi theo chiều tăng nhiệt độ như với TSH từ tre. Nts thấp nhất trong TD3 (0,15%). Hàm lượng này tăng gần 2,5 lần với TD2 và hơn 2,7 lần với TD1. TSH từ gỗ với hàm lượng Nts có sự biến đổi khác so với TSH từ 2 nguồn nguyên liệu kể trên. Với sự giảm tỷ lệ Nts trùng với sự tăng nhiệt độ có thể lý giải là do: Nitơ là nguyên tố nhạy cảm, dễ phân hủy bởi nhiệt nhất trong tất các nguyên tố hóa học có lợi cho sự sinh trưởng phát triển của thực vật. Bảng 2. Hàm lượng tro, CHC bay hơi và một số nguyên tố có trong các mẫu TSH Chỉ tiêu (%) Tre Gỗ keo lai Rơm rạ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 234 Các bon Lưu Các bon Hydro Nitơ Oxy cố định huỳnh 12,1 65,6 70,3 2,63 1,02 0,27 8,38 3,8 69,5 74,2 2,64 0,39 0,18 12,89 35,6 47,5 50,2 0,92 0,85 0,14 5,89 (Nguồn: Phân tích tại Đại học New South Wale, Australia, 2011) Bảng 3. Hàm lượng Nts, Pts, Kts, trong các mẫu TSH từ tre, gỗ keo lai và rơm rạ Chỉ tiêu phân tích Kí hiệu STT Nts Kts Pts mẫu mg/g % mg/g % mg/g % WD1 1,19 0,19 1,3 0,13 0,4 0,04 BC.D1 BD1 5,4 0,54 0,7 0,07 1,8 0,18 TD1 4,1 0,41 2,4 0,24 2,4 0,24 WD2 3,2 0,32 0,7 0,07 0,7 0,07 BC.D2 TD2 3,7 0,37 1,0 0,10 1,5 0,15 BD2 4,3 0,43 1,3 0,13 0,7 0,07 BD3 2,1 0,21 2,3 0,23 0,5 0,05 BC.D3 WD3 1,8 0,18 2,6 0,26 0,4 0,04 TD3 1,5 0,15 2,0 0,2 0,6 0,06 Tro CHC bay hơi 17,0 20,8 10,5 Mai Thị Lan Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Kết quả bảng 3 cho thấy 3 mẫu có hàm lượng kali tổng số cao nhất là WD3 (0,26%), TD1 (0,24%), BD3 (0,23%). Hàm lượng kali tổng số trong WD1 và BD2 là như nhau (0.13%). Mẫu BD1, WD2 có hàm lượng kali tổng số thấp nhất (0,07%). Ở khoảng nhiệt độ thấp (300-450oC), hàm lượng Kts của TSH từ rơm rạ là cao nhất đối với mẫu TD1 (0,24%). Giá trị này giảm khi nhiệt độ nhiệt phân ở mức trung bình (450-600oC). Tuy nhiên tỷ lệ này lại tăng khi nhiệt độ nhiệt phân tiếp tục tăng đến 600-850oC (TD3-0,2%). Với TSH từ gỗ cũng có sự biến động hàm lượng này như vậy. Đầu tiên hàm lượng Kts ở TSH nhiệt phân ở nhiệt độ thấp là 0.13%, hàm lượng này giảm xuống gần 2 lần khi nhiệt độ nhiệt phân tăng lên 400-650oC. Tiếp tục, nhiệt độ tăng lên 600-800oC thì Kts trong TSH từ nguồn nguyên liệu này lại tăng, thậm chí tăng cao hơn so với WD1 tới 2 lần. Còn với TSH từ tre, Kts có trong các mẫu tăng theo chiều tăng của nhiệt độ, thấp nhất là mẫu BD1 (0,07%), cao nhất là BD3 (0,23%). Trong số 9 mẫu TSH, TD1 có Pts là cao nhất (0,24%), sau đó là mẫu BD1 (0,18%) và TD2 (0,15%). Mẫu WD2 VÀ BD2 có tỷ lệ này là như nhau, đều đạt 0,07% Pts. Thấp nhất là 2 mẫu TSH từ gỗ keo lai WD1 và WD3, chỉ đạt 0,04%. Duy nhất chỉ có mẫu WD1, nhiệt phân ở nhiệt độ thấp nhưng lại có Pts thấp như WD3 sản xuất ở nhiệt độ nhiệt phân cao (0,04%). TSH từ rơm rạ và tre có hàm lượng Pts giảm theo chiều tăng nhiệt độ giống như với sự giảm hàm lượng Nts trong TSH từ 2 nguồn nguyên liệu này. Đối với TSH từ gỗ keo lai cũng vậy, sự thay đổi hàm lượng Pts cũng giống như sự thay đổi hàm lượng Nts. Tức là, hàm lượng này cao nhất khi nhiệt độ nhiệt phân ở mức trung bình (450-600oC) và thấp hơn khi nhiệt độ nhiệt phân ở mức 300-450oC hay 600850oC. 96(08): 231 - 236 KẾT LUẬN Nhiệt độ nhiệt phân có ảnh hưởng đến lượng than thu được, pH, CEC và lượng chất dinh dưỡng có trong TSH: Ở nhiệt độ nhiệt phân thấp (300-450oC) có năng suất cao nhất (46,98%) và giảm dần nhiệt độ nhiệt phân tăng cao. pH, CEC cũng tăng theo nhiệt độ nhiệt phân. CEC cũng phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân thông qua sự tăng pH của than khi nhiệt độ nhiệt phân tăng. Các gốc chức năng của TSH từ tre (~77,6%) > CEC từ TSH gỗ keo lai (~ 70,4%) > CEC của TSH từ rơm rạ (67,2%). Trong các loại TSH từ tre, rơm rạ, gỗ keo lai, thành phần các nguyên tố có sự khác nhau nhưng nhìn chung đều có chứa các nguyên tố C, O, N, P, Ca… Hàm lượng các chất dinh dưỡng (Nts, Pts, Kts) trong TSH cũng phụ thuộc vào nhiệt độ nhiệt phân. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. David Rutherford, Colleen E. Rostad, “Effects of formation conditions on the pH of biochars”, USGS science for a Changing world, 2008, pp13.(cees.colorado.edu/biochar_characterization.html [2]. Jeffrey M. Novak, “Characterization of designer biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy sand”, United States Department of Agriculture, 2009, pp195206.(www.ars.usda.gov/research/publications/publ ications.htm?seq_no_115=24429). [3]. Johannes Lehmann and Stephen Joseph, “Biochar for Environmental Management”, Mapset Ltd, Gateshead, UK, 2009.pp19.www.biocharinternational.org/images/Biochar_book_Chapter _1.pdf [4]. USBI, “Biochar Production”, Helena, Montana, United State. (www.biocharus.org/production.html) 235