Ứng dụng biochar từ nông nghiệp làm chất hấp phụ

Ứng dụng biochar từ nông nghiệp làm chất hấp phụ

Trong bối cảnh tăng trưởng dân số và mở rộng sản xuất nông nghiệp, phụ phẩm từ các hoạt động nông nghiệp – như trấu, vỏ hạt, bã mía, phế phẩm từ ngành chăn nuôi – trở nên dồi dào và thường gây ra các vấn đề về môi trường nếu không được xử lý đúng cách.

Trong những năm gần đây, biochar – một sản phẩm cacbon hóa từ chất hữu cơ – đã được nghiên cứu và ứng dụng với vai trò làm chất hấp phụ nhằm xử lý ô nhiễm môi trường. Biochar không chỉ giúp tái chế các phụ phẩm nông nghiệp mà còn có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm, như kim loại nặng, hợp chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng dư thừa, từ đó góp phần cải thiện chất lượng đất, nước và khí quyển.

2. Biochar từ phụ phẩm nông nghiệp: Khái niệm và sản xuất

2.1. Khái niệm biochar

Biochar là một dạng than sinh học được sản xuất thông qua quá trình nhiệt phân (pyrolysis) chất hữu cơ trong điều kiện ít hoặc không có oxy. Khác với quá trình đốt lửa thông thường, quá trình nhiệt phân ở nhiệt độ thấp (thường từ 300 – 700°C) giúp giữ lại phần lớn cacbon trong chất hữu cơ và chuyển hóa chúng thành một sản phẩm có cấu trúc xốp, có khả năng hấp phụ cao.

2.2. Phụ phẩm nông nghiệp làm nguồn nguyên liệu

Các phụ phẩm nông nghiệp như trấu, vỏ hạt, cám, bã mía và các phế phẩm từ chăn nuôi là nguồn nguyên liệu phổ biến để sản xuất biochar. So với các nguồn nguyên liệu khác, phụ phẩm nông nghiệp có:

• Tính sẵn có cao và giá thành thấp.
• Hàm lượng cacbon tự nhiên cao.
• Tính chất cấu trúc đa dạng giúp tạo ra biochar có bề mặt xốp và khả năng hấp phụ tốt.

2.3. Quy trình sản xuất biochar

Quy trình sản xuất biochar thường bao gồm các bước chính sau:

• Thu gom và sơ chế: Phụ phẩm nông nghiệp được thu gom, rửa sạch và sấy khô để giảm độ ẩm, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nhiệt phân.
• Nhiệt phân: Quá trình nhiệt phân được thực hiện trong lò nhiệt phân kín oxy (pyrolysis reactor) với nhiệt độ kiểm soát từ 300 – 700°C. Trong quá trình này, chất hữu cơ phân hủy thành khí, dầu và biochar. Nhiệt phân có thể được điều chỉnh để đạt được hiệu suất chuyển hóa cao nhất cho biochar với bề mặt xốp và chức năng hấp phụ tốt.
• Hậu xử lý: Sau khi sản xuất, biochar được nghiền nhỏ và có thể được kích hoạt hóa (activation) bằng các phương pháp vật lý hoặc hóa học nhằm tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp phụ của nó.

3. Cơ chế hấp phụ của biochar

3.1. Cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn

Một trong những yếu tố chính làm cho biochar trở thành chất hấp phụ hiệu quả là cấu trúc xốp của nó. Quá trình nhiệt phân tạo ra các lỗ nhỏ, vi hốc trên bề mặt biochar, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với các chất ô nhiễm. Diện tích bề mặt lớn giúp biochar hấp thụ và giữ lại các chất hữu cơ, kim loại nặng và các ion dinh dưỡng dư thừa trong môi trường.

3.2. Các cơ chế hấp phụ

Biochar có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm qua một số cơ chế chính:

• Hấp phụ vật lý: Các lỗ và vết nứt trên bề mặt biochar tạo điều kiện cho sự kết hợp vật lý giữa biochar và các phân tử ô nhiễm thông qua lực Van der Waals.
• Hấp phụ hóa học: Các nhóm chức năng (như -COOH, -OH, -C=O) có trên bề mặt biochar sau quá trình nhiệt phân hoặc kích hoạt hóa có thể tạo liên kết hóa học với các ion kim loại hoặc các phân tử hữu cơ thông qua phản ứng trao đổi ion, liên kết hydro, hoặc phóng điện.

Liên kết ion: Trao đổi Ca²⁺, Mg²⁺ trên biochar với kim loại nặng

Biochar-COOH + Pb2+ → Biochar-COO-Pb + 2H+

Phức hợp bề mặt: Nhóm -OH tạo phức chelate với As(III), Cr(VI).

• Sự trao đổi ion: Biochar có khả năng trao đổi ion, thay thế các ion có mặt trong dung dịch với các ion dương hoặc âm trên bề mặt của nó, từ đó loại bỏ các chất ô nhiễm.

Nhờ những cơ chế này, biochar trở thành một chất hấp phụ rất hiệu quả, có thể loại bỏ được nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau trong nước và đất.

• Hấp Phụ Sinh Học

Vi sinh vật bám trên biochar phân hủy chất hữu cơ thành CO₂ và H₂O.

4. Ứng dụng thực tiễn của biochar 

4.1. Xử lý nước thải

Trong xử lý nước thải, biochar được sử dụng với vai trò hấp phụ các chất ô nhiễm như:

• Kim loại nặng: Biochar có thể hấp thụ các ion kim loại như chì (Pb), cadmium (Cd), kẽm (Zn) thông qua quá trình trao đổi ion và liên kết hóa học. Điều này giúp giảm nồng độ kim loại nặng trong nước thải, bảo vệ sức khỏe con người và hệ sinh thái.

Vỏ trấu nhiệt phân 500°C: Hấp phụ 95% As(V) ở pH 6 nhờ nhóm -OH và FeO₃.

Bã mía biến tính bằng NaOH: Loại bỏ 98% Pb²⁺ (dung lượng 120 mg/g).

• Chất hữu cơ: Các hợp chất hữu cơ bền như thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật hay các chất hữu cơ hòa tan khác có thể bị hấp phụ vào bề mặt của biochar, giúp giảm COD và BOD trong nước thải.

Vỏ dừa + ZnCl₂: Diện tích bề mặt 750 m²/g, hấp phụ 99% thuốc nhuộm methylene blue.

Biochar phủ nano Fe₃O₄: Phân hủy 90% thuốc trừ sâu chlorpyrifos dưới ánh sáng UV.

• Các chất dinh dưỡng dư thừa: Nồng độ cao các ion nitrat và photpho trong nước thải có thể gây eutrophication. Biochar có khả năng hấp phụ các ion này, từ đó giảm thiểu hiện tượng phát triển tảo và cải thiện chất lượng nước.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc bổ sung biochar vào hệ thống xử lý nước thải không chỉ giúp làm giảm mức ô nhiễm mà còn có thể tái sử dụng biochar sau khi hấp phụ để phân huỷ chất hữu cơ qua các quá trình sinh học.

4.2. Cải tạo đất và quản lý phụ phẩm nông nghiệp

Ngoài việc sử dụng trong xử lý nước thải, biochar còn có ứng dụng trong cải tạo đất:

• Tăng cường độ phì nhiêu của đất: Khi được trộn vào đất, biochar giúp tăng cường khả năng giữ ẩm, cung cấp các nhóm chức năng hấp phụ các dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng. Điều này cải thiện cấu trúc đất và kích thích sự phát triển của hệ vi sinh vật có lợi.
• Giảm ô nhiễm đất: Biochar hấp phụ các hợp chất ô nhiễm như thuốc trừ sâu, hợp chất hữu cơ bền và kim loại nặng, góp phần làm giảm nguy cơ chuyển giao các chất độc hại qua chuỗi thức ăn.
• Quản lý phụ phẩm nông nghiệp: Sử dụng phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất biochar không chỉ giải quyết vấn đề xử lý chất thải mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế, giảm phát thải khí nhà kính từ quá trình phân hủy hữu cơ không kiểm soát.

4.3. Ứng dụng trong xử lý khí và môi trường

Biochar còn được ứng dụng trong xử lý khí thải và quản lý môi trường:

• Hấp phụ các khí độc hại: Biochar có thể được thiết kế để hấp phụ các khí gây ô nhiễm như amoniac, hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs) và các khí mùi hôi từ các nguồn công nghiệp.

Biochar từ rơm rạ: Hấp phụ 85% CO₂ nhờ lỗ xốp siêu nhỏ.

Kết hợp chitosan: Giảm 70% khí NH₃ trong chuồng trại.

• Ứng dụng trong hệ thống lọc không khí: Biochar được sử dụng làm thành phần của các bộ lọc không khí giúp giảm các chất ô nhiễm, mang lại không khí trong lành cho các khu vực đô thị và công nghiệp.

Cải Tiến Hiệu Suất Hấp Phụ

5.1. Biến Tính Hóa Học

• Axit HNO₃: Tăng nhóm -COOH, nâng khả năng trao đổi cation.
• KOH: Mở rộng lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt lên 300%.

5.2. Tạo Hạt Từ Tính

• Phủ Fe₃O₄: Cho phép tách biochar khỏi nước bằng nam châm, tái sử dụng 5–7 lần.

5.3. Kết Hợp Vật Liệu Khác

• Biochar-graphene: Tăng độ dẫn điện, ứng dụng trong pin sinh học.
• Biochar-cellulose: Tạo màng lọc linh hoạt cho xử lý nước thải.

5. Ưu và nhược điểm của ứng dụng biochar làm chất hấp phụ

5.1. Ưu điểm

• Tính bền vững: Biochar được sản xuất từ các phụ phẩm nông nghiệp, giúp tái sử dụng chất thải, giảm phát thải CO₂ và đóng góp vào nền kinh tế tuần hoàn.
• Hiệu quả hấp phụ cao: Với cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và các nhóm chức năng đa dạng, biochar có khả năng hấp phụ mạnh mẽ các chất ô nhiễm.
• Chi phí thấp: Nguồn nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp có sẵn và giá thành thấp giúp sản xuất biochar trở nên kinh tế, đặc biệt đối với các ứng dụng quy mô lớn.
• Ứng dụng đa dạng: Biochar có thể được sử dụng trong xử lý nước, cải tạo đất, lọc khí và nhiều lĩnh vực khác, góp phần bảo vệ môi trường và tăng năng suất nông nghiệp.

5.2. Nhược điểm

• Chất lượng sản phẩm không đồng nhất: Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu và điều kiện nhiệt phân, biochar có thể có cấu trúc, thành phần và khả năng hấp phụ khác nhau. Điều này đòi hỏi việc kiểm soát chặt chẽ quy trình sản xuất để đảm bảo chất lượng.
• Yêu cầu kích hoạt hóa: Để tăng diện tích bề mặt và các nhóm chức năng, biochar thường cần qua quá trình kích hoạt hóa, tăng thêm chi phí và thời gian sản xuất.
• Khả năng tái sử dụng hạn chế: Sau khi hấp phụ chất ô nhiễm, việc tái sinh hay tái sử dụng biochar có thể gặp hạn chế nếu không được xử lý bổ sung, dẫn đến việc sản phẩm phải được thay thế định kỳ.
• Ứng dụng phụ thuộc vào điều kiện môi trường: Hiệu quả của biochar làm chất hấp phụ phụ thuộc vào pH, nhiệt độ và các yếu tố môi trường khác, đòi hỏi nghiên cứu và điều chỉnh kỹ lưỡng trong ứng dụng thực tế.

6. Triển vọng và hướng nghiên cứu trong tương lai

Với sự gia tăng của các vấn đề ô nhiễm từ nước thải và đất, ứng dụng biochar làm chất hấp phụ hứa hẹn sẽ còn được mở rộng và tối ưu hơn nữa. Một số hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm:

• Nâng cao chất lượng và hiệu quả hấp phụ: Tìm hiểu và tối ưu hóa các điều kiện nhiệt phân, kích hoạt hóa để sản xuất biochar có diện tích bề mặt và các nhóm chức năng hấp phụ tối ưu.
• Kết hợp với các công nghệ xử lý khác: Tích hợp biochar vào hệ thống xử lý nước thải kết hợp với xử lý sinh học, màng lọc hoặc các quá trình oxi hóa tiên tiến để đạt hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm cao hơn.
• Tái sinh biochar: Nghiên cứu các phương pháp tái sinh và tái sử dụng biochar sau khi hấp phụ, nhằm giảm chi phí và tác động môi trường của việc thay thế định kỳ.
• Đánh giá kinh tế và môi trường: Các nghiên cứu vòng đời (LCA) và phân tích chi phí – lợi ích của việc sử dụng biochar từ phụ phẩm nông nghiệp sẽ giúp định hướng cho các doanh nghiệp ứng dụng công nghệ này quy mô lớn.
• Ứng dụng trong nông nghiệp thông minh: Tích hợp biochar vào quản lý đất và nguồn nước trong nông nghiệp, từ đó giúp cải thiện năng suất cây trồng, giảm ô nhiễm và phát thải khí nhà kính.

Kết luận

Ứng dụng biochar từ phụ phẩm nông nghiệp làm chất hấp phụ không chỉ là một giải pháp hiệu quả trong việc xử lý ô nhiễm nước, đất và không khí mà còn là một hướng đi bền vững giúp tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào. Biochar được sản xuất qua quá trình nhiệt phân dưới điều kiện kiểm soát sẽ có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và chứa các nhóm chức năng hữu ích, từ đó có khả năng hấp phụ mạnh mẽ các chất ô nhiễm như hợp chất hữu cơ, kim loại nặng và các ion dinh dưỡng dư thừa.

Ứng dụng của biochar trong xử lý nước thải cho thấy hiệu quả giảm COD, BOD, hấp phụ các kim loại nặng và giảm hiện tượng eutrophication ở các nguồn nước. Đồng thời, khi trộn biochar vào đất, nó không những cải thiện cấu trúc đất mà còn tăng cường khả năng giữ nước, cung cấp dinh dưỡng và kích thích hệ vi sinh vật có lợi, góp phần nâng cao năng suất nông nghiệp.

Mặc dù còn tồn tại một số hạn chế như sự không đồng nhất về chất lượng sản phẩm và yêu cầu kích hoạt hóa bổ sung, nhưng với các nghiên cứu hiện nay và các hướng ứng dụng mới, biochar từ phụ phẩm nông nghiệp hứa hẹn sẽ trở thành một công nghệ chủ đạo trong việc giải quyết các vấn đề môi trường và nông nghiệp.

Tài Liệu Tham Khảo:

• Lehmann et al. (2015). Biochar Effects on Soil Biota – A Review. Soil Biology and Biochemistry.
• Vietnam National University (2023). Biochar Production from Rice Husk for Arsenic Removal.
• EU Horizon Project (2022). Circular Economy Models for Agricultural Waste.