Khai thác “vàng đen” từ phế phẩm nông nghiệp

Bằng cách tận dụng những phế phẩm nông nghiệp, các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Công nghiệp TP.HCM đã tạo ra các loại than sinh học ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau, giúp nâng cao giá trị kinh tế và hạn chế ô nhiễm môi trường.

Rau cải được bón phân hữu cơ từ than sinh học do nhóm nghiên cứu chế tạo phát triển tốt hơn so với rau cải đối chứng không sử dụng loại phân này.

Nguồn tài nguyên còn bỏ ngỏ

Nếu bước vào phòng thí nghiệm chuyên ngành của khoa Công nghệ hóa học, trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, bạn sẽ thấy những vỏ sắn thường bị vứt bỏ trong đống mùn rác, lại được rửa sạch, sấy khô, đặt gọn gàng trên bàn. Chúng đang chờ cơ hội “tái sinh” thành một sản phẩm mới: than sinh học. “Từ vỏ sắn này, chúng tôi đã nghiên cứu tạo ra than sinh học để làm chất hấp phụ màu hữu cơ xanh methylene xanh. Kết quả bước đầu cho thấy có thể sử dụng loại than này làm chất hấp phụ xử lý nước thải mang màu rộng rãi ở quy mô công nghiệp”, TS. Võ Thành Công ở Khoa Công nghệ hóa học, trường Đại học Công nghiệp TP.HCM, chia sẻ.

Lượng vỏ sắn mà TS. Võ Thành Công và các cộng sự đã tái chế chỉ là một phần rất nhỏ trong số hàng trăm triệu tấn phế phẩm nông nghiệp phát sinh ở Việt Nam mỗi năm. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê năm 2022, tổng khối lượng phế phụ phẩm nông nghiệp của Việt Nam lên tới 159 triệu tấn. Các loại phế phụ phẩm này rất đa dạng, bao gồm tàn dư sau quá trình thu hoạch, chế biến các loại nông sản, tiêu biểu là rơm rạ, thân rễ cây rau củ, vỏ trấu, bã mía, vỏ cà phê, vỏ sắn…

Nếu biết cách tận dụng, đây sẽ là nguồn nguyên liệu dồi dào để chế biến thành những sản phẩm hữu dụng, có giá trị kinh tế cao như làm thực phẩm, thức ăn chăn nuôi, nhiên liệu và phân bón… Tuy nhiên, tỉ lệ tái chế phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam vẫn còn cách xa kỳ vọng. Một nửa trong số đó vẫn đang bị “bỏ rơi”. Tỉ lệ phụ phẩm cây trồng được thu gom, tái sử dụng ở Việt Nam chiếm khoảng 52% - theo thống kê của Cục Trồng trọt (Bộ NN&PTNT) vào năm 2022. Trong đó tỉ lệ sử dụng rơm rạ (chiếm 1/4 tổng lượng phế phụ phẩm nông nghiệp hằng năm) chỉ đạt 56,3%, bao gồm làm phân bón, đệm lót sinh học, giá thể trồng nấm, làm đồ thủ công mỹ nghệ, lót trái cây, che phủ trên đồng ruộng, thức ăn gia súc, chất độn chuồng. Tương tự, trong lĩnh vực lâm nghiệp, Việt Nam là quốc gia hàng đầu thế giới về xuất khẩu viên nén gỗ nhưng mức độ tận dụng phế phụ phẩm lâm nghiệp làm viên gỗ nén chỉ đạt khoảng 15% (theo số liệu của Tổng cục Lâm nghiệp năm 2022).

Lượng phế phụ phẩm bị thải bỏ sẽ trở thành gánh nặng lớn với môi trường. Đơn cử như cà phê, “ước tính ở Việt Nam hằng năm có khoảng 300.000 tấn vỏ cà phê, lượng phế phẩm này thường được xử lý bằng cách thải bỏ trực tiếp ở các nhà máy chế biến hoặc thải bỏ tại các bãi chôn lấp, gây ra ô nhiễm trực tiếp tới môi trường. Ngoài ra, trong thành phần cấu trúc của vỏ cà phê có tỷ lệ C/N (tỷ lệ giữa carbon và nitơ trong vật liệu hữu cơ) cao, bao gồm lignocellulose có chứa hemicellulose và các hợp chất hóa học khác, những thành phần này trực tiếp gây ô nhiễm đất khi thải bỏ, gây ảnh hướng tới môi trường”, TS. Võ Thành Công cho biết.

Trong lúc các nhà quản lý đang tìm giải pháp về chính sách, các nhà khoa học như TS. Võ Thành Công và các cộng sự cũng tiếp cận bài toán xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp dưới góc độ công nghệ. Cụ thể, anh và các cộng sự ở trường Đại học Công nghiệp TP.HCM đã phát triển các phương pháp chế tạo than sinh học từ những phế phẩm như vỏ sắn, vỏ cà phê, xương động vật… dùng để xử lý nước, làm phân bón, nhiên liệu… “Mục tiêu của chúng tôi là có thể hợp tác nghiên cứu, ứng dụng và chuyển giao công nghệ cho các bên có nhu cầu, các địa phương, doanh nghiệp muốn sản xuất, kinh doanh than sinh học từ nguồn phế phẩm nông nghiệp”, TS. Võ Thành Công cho biết.

Tối ưu quy trình đốt than

Than sinh học (biochar) là một khoáng chất dạng rắn giàu carbon thu được từ quá trình nhiệt phân các vật liệu hữu cơ trong môi trường yếm khí hoặc nghèo oxy. Với nhiều tác dụng như cải tạo đất, làm phân bón, chất hấp phụ giúp xử lý ô nhiễm… than sinh học còn được mệnh danh là “vàng đen” trong nông nghiệp. “Khi đưa vào đất, than sinh học sẽ cải thiện được các đặc tính hóa lý của đất, bao gồm làm tăng khả năng giữ và cung cấp chất dinh dưỡng, giữ ẩm, tăng độ phì nhiêu của đất, góp phần nâng cao năng suất cây trồng. Ngoài khả năng lưu trữ carbon, nước và cải tạo đất, than sinh học còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như làm nền chất mang trong sản xuất xúc tác, chất hấp phụ, hoặc làm vật liệu cho các quá trình công nghiệp hóa chất và dược phẩm”, TS. Võ Thành Công cho biết. Sự quan tâm đối với than sinh học thể hiện rõ trong những năm gần đây, thị trường than sinh học đã phát triển nhanh chóng với tỉ lệ tăng trưởng kép hàng năm là 91% trong giai đoạn 2021-2023, ước tính quy mô thị trường toàn cầu sẽ đạt hơn 800 triệu USD vào năm nay.

Tuy nhiên, không phải ai cũng thấy hết tầm quan trọng của than sinh học. Hầu hết mọi người đều coi than sinh học là một thứ phổ biến, đơn giản, dễ sản xuất, đốt nguyên liệu là có. Điều này chỉ đúng một phần. “Nhiều người cứ nghĩ cứ đốt phụ phẩm nông nghiệp xong là tạo thành than sinh học. Nhưng muốn có than sinh học chất lượng tốt, đảm bảo các yêu cầu về mặt kỹ thuật, hiệu quả kinh tế, môi trường, chúng ta phải nắm được bí quyết công nghệ trong quá trình đốt”, TS. Võ Thành Công cho biết.

Bí mật nằm ở hai yếu tố quan trọng nhất trong quá trình đốt để tạo ra than sinh học: oxy và nhiệt độ. “Để tạo ra than sinh học, phải đốt nguyên liệu trong môi trường yếm khí. Nhiều nơi hiện nay đốt than nhưng để lượng không khí vào nhiều, đó là điều kiện hiếu khí chứ không phải yếm khí. Nếu nhiều oxy quá, carbon trong mạch hydrocarbon sẽ phản ứng với oxy, tạo thành CO2 bay đi mất, làm sản phẩm kém chất lượng, hàm lượng carbon thấp, ảnh hưởng đến các tính chất của than sinh học, chẳng hạn như giảm khả năng hấp phụ”, anh giải thích. Tương tự, “nhiệt độ trong lò đốt cũng rất quan trọng, tùy theo nhiệt độ lò đốt, cấu trúc, tính chất than sẽ khác nhau. Do vậy, việc khống chế thời gian, nhiệt độ là điểm mấu chốt để tạo ra sản phẩm mà chúng ra mong muốn”.

Nhờ nắm được bí quyết, việc tối ưu quy trình sản xuất than sinh học từ các phế phụ phẩm nông nghiệp tùy theo nguyên liệu, mục đích sử dụng là điều nằm trong tầm tay của các nhà nghiên cứu. Họ đã xây dựng quy trình và thiết bị phù hợp để sản xuất than sinh học cho từng loại nguyên liệu, gồm loại có khả năng tự cháy (hầu hết là phế phụ phẩm từ thực vật như rơm rạ, vỏ cà phê…) và không có khả năng tự cháy (như xương động vật). “Nếu phế phụ phẩm tự cháy được, chúng ta sẽ đưa vào thiết bị nhiệt phân, sau khi cháy xong sẽ thu được than sinh học, còn nguồn nhiệt dư có thể dùng để vận hành nồi hơi hoặc phục vụ các quy trình đốt nóng khác. Nếu phế phẩm không có khả năng tự cháy được như xương động vật hay các vật liệu ẩm ướt, chúng ta phải làm một thiết bị để cấp nhiệt từ bên ngoài vào, cấu trúc lò đốt cũng sẽ khác”, TS. Võ Thành Công cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm trên nhiều nguyên liệu như vỏ thanh long, vỏ cà phê, vỏ sắn cho đến xương bò… Kết quả cho thấy than sinh học được sản xuất theo các quy trình của nhóm nghiên cứu đạt chất lượng và hiệu quả tốt. Chẳng hạn, họ đã sử dụng than sinh học từ vỏ cà phê để sản xuất phân bón hữu cơ và thử nghiệm trên rau cải, cho thấy cây phát triển tốt hơn so với đối chứng. “Các loại than này có thể dùng làm chất cải tạo đất, chất xúc tác, chất xử lý môi trường, tùy theo nhu cầu của từng nơi. Đặc biệt, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy than xương có khả năng hấp phụ mạnh hơn than sinh học. Do đó, chúng ta có thể sử dụng than xương này để xử lý môi trường sẽ hiệu quả hơn”, TS. Võ Thành Công cho biết.

Dù thu được kết quả tích cực song nếu muốn mở rộng sản xuất và thương mại hóa sản phẩm than sinh học, sẽ còn rất nhiều việc cần làm. “Các kết quả mới ở quy mô phòng thí nghiệm. Để phát triển ra quy mô công nghiệp, chúng ta cần tính toán dựa trên đặc điểm và nhu cầu của từng nơi”, TS. Võ Thành Công phân tích. “Với vùng nguyên liệu phân mảnh nhỏ lẻ như Việt Nam, tôi nghĩ phát triển những mô hình có quy mô vừa phải dành riêng cho từng vùng sẽ rất phù hợp. Chẳng hạn những nơi muốn dùng than sinh học để xử lý nước, chúng ta sẽ sử dụng phụ phẩm ngay tại vùng đó để sản xuất than sinh học. Chúng tôi sẵn sàng hỗ trợ xây dựng quy trình công nghệ, trang thiết bị cho bất cứ nơi nào có nhu cầu”.

Khoahocphattrien