Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

Mục lục
Lời Mở Đầu
I.
Tổng quan về biochar (than sinh học)………………………………………3
I.1.
Biochar là gì?.................................................................................................3
I.1.1.
Khái niệm……………………………………………………………..…..3
I.1.2. Lịch sử biochar………………………………………………………..…..4
I.2.
Nguyên liệu sản xuất biochar…………………………………………….…4
I.3.
Sản xuất biochar…………………………………………………………….7
I.4.
Tính chất hóa-lý của biochar…………………………………………........12
I.4.1. Thành phần cấu tạo………………………………………………….…....12
I.4.2. Thành phần hóa học và bề mặt hóa học……………………………….….13
I.4.3. Sự phân bố kích thước lỗ…………………………………………………15
I.4.4. CEC và pH……………………………………………………………...…16
II.
Ứng dụng của biochar……………………………………………..…………17
II.1.
Đơi với nông nghiệp và quàn lý chất thải…………………………….…….17
II.2.
Giảm nhẹ biến đổi khí hậu……………………………………………….....19
II.3.
Giải pháp cho trái đất từ biochar……………………………………..……20

II.4.
Giới hạn của giải pháp biochar…………………………………………….21
III.
Sử dụng biochar trong cải tạo đất…………………………………………..22
III.1.
Ảnh hưởng đến tính chất vật lý đất………………………………………….22
III.1.1. Dung trọng………………………………………………………………....23
III.1.2. Chế độ nước và khả năng duy trì chất dinh dưỡng…………………….….24
III.1.3. CEC và pH……………………………………………………………..…..26
III.2.
Ảnh hưởng của biochar tới các quá trình trong đất………………………...27
III.2.1. Sự hấp thu các hợp chất hữu cơ kỵ nước………………………………….27
III.2.2. Sự giữ lại/tính hiệu lực/sựu rửa trơi chất dịn dưỡng……………………..30
III.2.3. Sự ô nhiễm…………………………………………………………………31
III.2.4. Động lực học chất hữu cơ trong đất……………………………………….34
III.2.4.1.
Tính ngoan cố của biochar trong đất…………………………..……34
III.2.4.2.
Tương tác hữu cơ khoáng…………………………………………...35
III.2.4.3.
Khả năng tiếp cận……………………………………………………35
III.2.4.4.
Hiệu ứng mồi………………………………………………………..36
III.2.4.5.
Loại bỏ dư lượng…………………………………………………….36
III.2.5. Sinh học đất………………………………………………………………...37
III.3.
Mơ hình thực nghiệm………………………………………………….…….39
IV.
Kết luận………………………………………………………………………...41

V.
Tài liệu tham khảo………………………………………………………....…..42

Lời Mở Đầu
Đất đai canh tác đang ngày một xấu đi và bị thu hẹp lại khi tỷ lệ gia tăng dân số trên
thế giới ngày một lớn, vì vậy nhu cầu cải tạo đất vừa cấp bách vừa đòi hỏi phải đạt đến
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

1

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

độ bền vững. Đất có khả năng lưu giữ C thơng qua q trình thực vật sử dụng khí CO2
để quang hợp và ảnh hưởng tới nồng độ của khí CO2 trong khí quyển. Biochar có thể
được sử dụng để làm tăng khả năng cô lập C của đất và đồng thời cải thiện “sức khỏe”
đất.
Khoảng 25% diện tích đất trên tồn cầu bị suy thối bởi các hoạt động của con người.
Hiện loại biochar (than sinh học) làm từ dư lượng thực vật, phế phẩm sản xuất ghỗ,
giấy, phân gia cầm,… có thể giúp nơng nghiệp phát triển bền vững hơn và biến các
cánh đồng thành hầm “nhốt” CO2. Biochar thu hút các vi sinh vật, giúp cây trồng hấp
thu các chất dinh dưỡng trong đất, cho phép đất giữ nước nhiều hơn. Phương pháp tiên
tiến sản xuất biochar từ dư lượng thực vật, phế phẩm sản xuất ghỗ, giấy, phân gia cầm,
… bằng cách nung nóng ở nhiệt độ tươn đối cao trong điều kiện thiếu ôxy. Một số
công ty đang xây dựng thiết bị sản xuất biochar ở nhiều quy mô khác nhau. Một trong
những công ty đầu tiên giới thiệu sản phẩm là Biochar Engineering ở Colorado.

Mục đích của bài tiểu luận này là để giới thiệu các khái niệm, nguồn gốc biochar,
thảo luận về quá trình sản xuất, tiềm năng sử dụng, và những lợi ích của biochar với
các vai trị quan trọng của nó trong nông nghiệp và với môi trường.

I.
I.1.
I.1.1.

Tổng quan về Biochar (than sinh học)
Biochar là gì?
Khái niệm

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

2

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

Biochar là sản phẩm tạo bởi sự nhiệt phân của nguyên liệu sinh học trong điệu kiện
nồng độ khí O2 thấp hoặc hồn tồn khơng có. Thơng thường q trình nhiệt phân sinh
khối cho ra 20% biochar, 20% khí tổng hợp dùng làm nhiên liệu, và 60% dầu sinh học
thay thế dầu mỏ trong sản xuất các vật dụng như đồ nhựa. Nhưng khi cần khối lượng
lớn để cải tạo đất, người ta thay đổi cách đốt chậm hơn để có tỷ lệ biochar lên trên
50%. Điều khác biệt giữa biochar với than củi là mục đích chính sử dụng của nó, nó
được sản xuất như một chất phụ gia cho đất, chủ yếu để cải thiện lưu giữ chất dinh

dưỡng và lưu trữ carbon. Biochar là chất ổn định vững chắc và giàu cacbon, do đó, có
thể được sử dụng để khóa carbon trong đất. Sự quan tâm về biochar ngày càng tăng vì
những lo ngại về biến đổi khí hậu gây ra bởi lượng khí thải carbon dioxide (CO 2) và
các khí nhà kính khác (GHG). Mặc dù lịch sử của biochar đã kéo dài hàng ngàn năm
song khoa học vẫn còn tương đối chưa được thấu đáo về biochar.
Biochar là một phương pháp để carbon được rút ra từ khí quyển và là một giải pháp để
giảm thiểu tác động tồn cầu của nơng nghiệp (và trong việc giảm ảnh hưởng từ tất cả
các chất thải nông nghiệp). Từ biochar có thể cơ lập carbon trong đất cho hàng trăm
đến hàng ngàn năm, nó đã nhận được sự quan tâm đáng kể như một công cụ tiềm năng
để làm chậm sự nóng lên tồn cầu. Sự phân hủy tự nhiên và đốt cháy của sinh khối và
các vấn đề nơng nghiệp đóng góp một lượng lớn khí CO 2 thải vào khí quyển. Biochar
có thể lưu trữ carbon trong lịng đất, có khả năng làm giảm đáng kể lượng khí nhà kính
trong khí quyển, đồng thời sự hiện diện của nó trong lịng đất có thể cải thiện chất
lượng nước, tăng độ phì đất, nâng cao năng suất nông nghiệp.
Hiện tại các dự án về biochar chỉ trên quy mô nhỏ và không tác động đáng kể vào àm
lượng cácbon tổng thể toàn cầu. Tháng năm, 2009, Quỹ biochar ( the Biochar Fund)
nhận được tài trợ từ Quỹ rừng tại các lưu vực sông Congo (the Congo Basin Forest
Fund) để thực hiện ý tưởng của mình ở Trung Phi. Trong dự án này, biochar là một
công cụ được sử dụng để đồng thời làm chậm nạn phá rừng, tăng cường an ninh lương
thực của các cộng đồng nông thôn, cung cấp năng lượng tái tạo cho họ và carbon cô
lập.

Lịch sử Biochar
Người bản xứ Amazon được cho là đã sử dụng biochar để nâng cao chất lượng đất
và sản xuất nó bằng cách đốt cháy âm ỉ chất thải nơng nghiệp. Người Châu Âu gọi đất
đó là đất đen (có màu ngạ quỷ). Trong tồn bộ lưu vực Amazon chiều sâu đất đen có
I.1.2.

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp


3

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

vùng lên đến 2m, đây là loại đất màu mỡ rất tốt canh tác nông nghiệp cho người dân
vùng Amazon.

H.1. trái- đất đỏ nhiệt đới (oxisols) nghèo dinh dưỡng,
phải-đất đã qua cải tạo bởi biochar

Phân tích đất đen cho thấy nồng độ cao của các biochar và vật chất hữu cơ, chẳng hạn
như thực vật và động vật vẫn còn (phân hữu cơ, xương và cá). Chất lượng của đất đen
là do lưu giữ chất dinh dưỡng tốt và độ pH trung tính.Và một điều thú vị là đất đen chỉ
tồn tại trong khu vực có người ở, điều đó cho thấy rằng con người có tác động đến đất
thơng qua việc đưa biochar vào đất và tạo ra loại đất đặc biệt đó.
Nguyên liệu sản xuất biochar
Sản xuất biochar được mơ hình hóa sau khi tìm hiểu các q trình bắt đầu từ hàng
nghìn năm trước ở lưu vực sơng Amazon. Người ta cho rằng lửa từ việc nấu ăn và
đống rác bếp cùng với việc cố ý đặt than vào đất dẫn đến các loại đất có độ màu mỡ và
hàm lượng cacbon cao. Các loại đất này tiếp tục “giữ” lại cacbon và vẫn còn rất giàu
dinh dưỡng, thậm chí cịn được đào lên và bán dưới hình thức các chậu đất tại thị
trường Brazil.
Do lợi ích mà biochar mang lại mà từ đó đến nay các nhà khoa học đã khơng ngừng
nghiên cứu và tìm ra rất nhiều các nguồn nguyên liệu để sử dụng trong sản xuất
biochar.

Ngày nay, người ta thể sử dụng bất kỳ vật liệu sinh khối thực vật, đem đi nhiệt phân
trong điều kiện thiếu hoặc khơng có oxi để tạo ra biochar, sinh khối đó có thể là dư
lượng cây trồng, gỗ và chất thải gỗ, hoặc các vật liệu hữu cơ khác nhau. Tuy nhiên,
một số vật liệu có nguồn cung cấp rất phong phú cũng như giá thành rẻ đã được đề
xuất làm nguyên liệu sinh khối cho biochar, bao gồm vỏ trấu, vỏ hạt, dư lượng phân
bón và dư lượng cây trồng, những nguyên liệu này được sử dụng rộng rãi hơn. Cũng
I.2.

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

4

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

có nhiều nguyên liệu khác có tiềm năng sẵn có để sản xuất biochar, trong đó có
biowaste (ví dụ như bùn thải, rác thải đô thị, phân gia cầm) và phân compost. Tuy
nhiên, sử dụng những loại nguyên liệu này có sự nguy hiểm do có sự tồn tại các thành
phần nguy hại (ví dụ như các chất hữu cơ ơ nhiễm, kim loại nặng,…).
Về nguyên tắc, bất kỳ vật chất hữu cơ nào cũng có thể nhiệt phân, tuy nhiên mỗi loại
nguyên liệu khác nhau thì cho tỷ lệ sản phẩm chất rắn (than) và sản phẩm chất lỏng,
chất khí cùng với đặc tính lý hóa của biochar là khác nhau. Do thành phần hóa học cấu
tạo nên sinh khối vật chất hữu cơ là thành tố quan trong trong sản xuất biochar. Dưới
đây là một số thành phần chính trong những nguyên liệu chính thường dùng để sản
xuất biochar.


Rơm lúa mì
Dư lượng ngơ
Cỏ
Gỗ (cây dương, liễu, sồi)

Tro

Lignin

Cellulose

11.2
2.8-6.8
6
0.27 - 1

14
15
18
26 - 30

38
39
32
38 - 45

Bảng.1.Một số thành phần chính trong các loại nguyên liệu

Cellulose và lignin qua bị nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau, tương ứng từ 240350°C đến 280-500°C, tỷ lệ tương đối của mỗi thành phần sẽ xác định cấu trúc sinh
khối được giữ lại sau thời gian nhiệt phân, ở nhiệt độ nhất định và trong một thời gian

nhiệt phân nhất định. Nguyên liệu có hàm lượng lignin cao, thường cho sản lượng
biochar cao hơn.
Mặt khác, lignocellulosic là nguyên liệu hữu cơ phong phú nhất trên trái đất chiếm
50% tổng số sinh khối thực vật và giới thiệu sản xuất ước tính hàng năm là 50×10 9 tấn
(Rajarathnam and Bano, 1989). Phần lớn các chất thải lignocellulose trước đây thường
chỉ được xử lý bằng cách đốt sinh khối, điều này gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm
môi trường bởi lượng khí phát thải ra.

Vật liệu chứa lignocellulosic
-Thu hoạch ngũ cốc
+ Lúa mì, gạo, yến mạch, lúa
mạch và bắp
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

Phế liệu

Sử dụng

+ Rơm, bắp, thân cây, vỏ,

5

+ Thức ăn chăn nuôi, đốt
nhiên liệu, phân bón, vùi
vào đất
Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất


-Chế biến các loại ngũ cốc
+ Ngơ, lúa mì, gạo, đậu tương

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

+ Xử lý nước, cám

+ Thức ăn chăn nuôi

+ Thu hoạch trái cây và rau

+ Hạt, vỏ, vỏ, đá, toàn bộ trái
cây và nước trái cây bị loại

+ Thức ăn cho động vật
và cá, một số hạt để khai
chiết rút dầu

+ Chế biến rau quả

+ Hạt, vỏ, nước thải, vỏ trấu,
vỏ sị, đá, bác bỏ tồn bộ trái
cây và nước trái cây

+ Thức ăn cho động vật
và cá, một số hạt chiết rút
dầu

+ Mía đường và sản phẩm
đường khác


+ Xác mía

+ Nhiên liệu đốt cháy

+ Dầu và các cây hạt có dầu.
Các loại hạt, hạt bơng, ơ liu,
đậu tương,…
+ Chất thải động vật

+ Vỏ sò, vỏ, xơ vải, sợi, bùn,
nước thải,…

+ Thức ăn gia súc, phân
bón, nhiên liệu đốt cháy

+ Phân bón, chất thải khác

+ Bón vào đất

+ Gỗ dư, vỏ cây, lá,…

+Đốt, làm ghỗ ép,…

- Lâm nghiệp giấy và bột giấy
+ Thu hoạch gỗ
+ Chất thải cưa và gỗ dán

+ Dăm gỗ, dăm gỗ, bụi cưa,… + Các ngành công nghiệp
giấy và bột giấy, …


+ Nhà máy bột giấy và giấy

+ Sợi thải, …

+ Chất thải lignocellulose từ
các cộng đồng

+ Báo cũ, giấy, bìa, ván cũ, đồ + Tỷ lệ tái chế nhỏ, làm
nội thất không sử dụng,…
chất đốt cháy khác

+ Cỏ

+ Chưa sử dụng cỏ

+ Tái sử dụng trong
ngành công nghiệp bột
giấy và làm nhiên liệu

+ Đốt cháy

Bảng.2.Các loại vật liệu chứa lignocellulosic và sử dụng hiện tại

Hiện nay, người ta chú ý tới việc sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu sản xuất biochar.
Cùng với sản lương thóc gạo ngày càng tăng thì lượng trấu thải ra cũng ngày càng cao,
nhất là ở những vựa lúa lớn như Thái Lan, Ấn Độ, Trung Quốc hay như ĐBSCL và
ĐBSH ở nước ta. Ngay chỉ ở huyện Cờ Đỏ, trực thuộc thành phố Cần Thơ, lượng trấu
Tiểu luận môn: Hóa Học Nơng Nghiệp


6

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

thải ra hàng năm lên đến 500.000 tấn. Lượng trấu này nhiều khi không được sử dụng
mà được xử lý bằng hai phương pháp là đốt trực tiếp, hoặc đổ thẳng ra sơng. Việc này
có thể gây ơ nhiễm mơi trường trầm trọng. Trong khi đó, sử dụng vỏ trấu nhiệt phân
thành biochar đem lại nguồn lợi lớn. Biochar sản xuất từ vỏ trấu có hàm lượng khống
cao, đặc biệt là silic. Lượng tro trong biochar có thể lên đến 24% hoặc thậm chí 41%
theo khối lượng.
Sản xuất biochar
Quy trình cổ-Biochar được tạo ra trong tự nhiên từ kết quả của các vụ cháy thảm thực
vật và việc cố ý đốt của con người trong những hầm lị có cấu trúc đơn giản được làm
thủ công. Khi than được tạo ra với mục đích thêm nó vào đất như là một chất “sửa
đổi”, thì nó được gọi là biochar (biochar). Mặc dù những mặt lợi mà biochar có thể
mang lại cho đất theo các phương pháp truyền thống không cáo và nó khơng phải là
một cách thân thiện với mơi trường.
Bằng chứng đầu tiên của việc con người sử dụng than như một chất “sửa đổi” đất, đã
được tìm thấy ở trong lưu vực sông Amazon của Nam Mỹ hơn 2.500 năm trước. Các
bằng chứng khảo cổ cho thấy người cổ đại đã chất gỗ thành đống trong hầm lò làm
bằng đất nung, sau đó đốt cháy nó từ từ với khơng khí hạn chế. Phương pháp này ngày
nay vẫn cịn được sử dụng ở các nước kém phát triển, nó tạo ra lượng khói đáng kể và
phát thải khoảng một nửa lượng C ( ở dạng khí carbon dioxide CO 2 )có trong sinh khối
ban đầu cùng với các khí nhà kính khác vào mơi trường. Điều đó, gây hại cho sức
khỏe con người, gây ô nhiễm môi trường, nghiêm trọng hơn nó cịn làm hiện tượng

gia tăng khí nhà kính thêm trầm trọng.
I.3.

H.2.Cấu trúc lị làm thủ cơng và sản phẩm của nó
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

7

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

Công nghệ lị nung sản xuất biochar đã khơng có tiến bộ đáng kể nào trong nhiều thế
kỷ liên tiếp ngoại trừ việc sử dụng vật liệu mới làm lò thay vì gị đất. Lị nung để sản
xuất biochar ngồi được xây dựng trong đất, cịn có thể sử dụng gạch, thép,… Nhưng
những lị đó vẫn phát ra rất nhiều bụi và khói bao gồm các khí nhà kính nguy hiểm.

H.3.Lị thủ cơng bằng thép và lị làm bằng gạch

Ngày nay, biochar được sản xuất bằng kỹ thuật nhiệt phân, nghĩa là sinh khối được đốt
khi có ít hoặc khơng có ơxy ở nhiệt độ cao (350-700°C) trong lị có thiết kế đặc biệt.
Các “biến” chính trong q trình nhiệt phân là : nguyên liệu đầu vào, nhiệt độ và thời
gian nhiệt phân.
Về nguyên tắc, bất kỳ nguyên liệu hữu cơ nào cũng có thể sử dụng cho nhiệt phân sản
xuất biochar, tuy nhiên mỗi loại nguyên liệu khác nhau sẽ cho một tỉ lệ sản phẩm và
chất lượng sản phẩm khác nhau. Điều này liên quan đến thành phần cấu tạo của vật
liệu, khả năng tiêu hao và biến đổi của nguyên liệu trong quá trình nhiệt phân. Để quá

trình nhiệt phân diễn ra nhanh chóng thì ngun liệu u cầu phải được sấy/hong khô
đến hàm lượng ẩm dưới 10%. Điều này được thực hiện để dầu không bị ô nhiễm nước
sau quá trình nhiệt phân. Mặt khác nguyên liệu đầu vào cũng cần nghiền nhỏ tới kích
thước khoảng 2mm (kích thước thích hợp của vỏ trấu) để q trình nhiệt phân nhanh
và hồn tồn hơn, cộng với q trình giảm độ ẩm nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm
chi phí.
Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tỉ lệ giữa các thành phần trong sản phẩm, nhìn chung
nhiệt độ thích thích hợp, mang lại hiệu xuất cao nhất cho quá trình nhiệt phân sản xuất
biochar nằm trong khoảng 400-600°C .

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

8

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

H.4. Sự phụ thuộc của tỉ lệ sản thành phần
sản phẩm và nhiệt độ nhiệt phân

Thời gian nhiệt phân là yếu tố quan trọng thứ ba quyết định chất lượng sản phẩm của
q trình nhiệt phân. Hiện tại có ba hệ thống nhiệt phân với thời gian nhiệt phân khác
nhau được áp dụng và kết quả của từng loại được thể hiện trong bảng sau:
Loại
Fast
pyrolysis


Intermedia
te Pyrolysis

Slow
Pyrolysis
(Carbonisa
tion)

Điều kiện
Moderate
temperature,
~500°C, short hot
vapour residence
time of ~ 1 s
Moderate
temperature
~500°C, moderate
hot vapour
residence time of
10 – 20 s
Low temperature
~400°C,
very long solids
residence time

Dầu

Biochar


Khí tổng hợp

75%

12%

13%

50%

20%

30%

30%

35%

35%

Bảng.3. Thành phần sản phẩm thu được của các hệ thống nhiệt phân

Tiểu luận môn: Hóa Học Nơng Nghiệp

9

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất


GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

H.5. Biểu đồ thể hiện tỉ lệ thành phần trong sản phẩm sau nhiệt phân
của hệ thống nhiệt phân chậm (trên) và hệ thống nghiệt phân nhanh (dưới).

Bảng trên cho thấy điều kiện nhiệt phân khác nhau dẫn đến tỷ lệ thành phần trong sản
phẩm cuối cùng (chất lỏng, biochar hoặc khí tổng hợp) là khác nhau. Điều này có
nghĩa rằng các điều kiện nhiệt phân cụ thể có thể được thiết kế riêng cho mỗi kết quả
mong muốn. Hệ thống hiệt phân nhanh có xu hướng sản xuất dầu nhiều hơn, trong hệ
thống nhiệt phân chậm khi sản xuất khí tổng hợp nhiều hơn. Tuy nhiên, đối với việc sử
dụng biochar như là một chất cải tạo đất và giảm nhẹ biến đổi khí hậu thì rõ ràng là
nhiệt phân chậm sẽ thích hợp hơn, vì phương pháp này tối đa hóa hiệu xuất của q
trình sản xuất biochar, và mang lại sản phẩm nhiệt phân cuối cùng ổn định nhất.
Có thể phát triển hệ thống nhiệt phân sản xuất biochar theo dạng di động hoặc tĩnh.
Quy mô nhỏ của hệ thống có thể được sử dụng trong các trang trại hoặc các cơ sở sản
xuất nhỏ với đầu vào sinh khối 50 kg/giờ đến 1.000 kg/giờ. Tại các địa phương hoặc
khu vực đơn vị diện tích lớn, các khu cơng nghiệp lớn có thể phát triển hệ thống với
quy mô sử lý lớn lên đến 8.000 kg sinh khối/giờ.
Các lị nhiệt phân sản xuất bochar có thể dùng trong nhiều điều kiện, từ bếp trại cho
các đơn vị quy mô công nghiệp để tạo ra điện và sưởi ấm các tòa nhà lớn. Bếp lò nhỏ
đang được sử dụng ở các nước thế giới thứ ba để đun nấu, sưởi ấm và giảm khói trong
nhà khi sử dụng nửa trong sinh hoạt và đồng thời tạo ra sản phẩm giúp cải tạo đất.

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

10

Nhóm 3



Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

H.6. Máy sản xuất biochar loại nhỏ (30kg/h) và nhà máy sản xuất biochar

Nguyên liệu thường được sử dụng cho quá trình sản xuất này rất đa dạng và phong
phú, có thể là từ phế phụ phẩm nông-lâm nghiệp như vỏ trấu, ghỗ tạp,… hay từ các
ngành công nghiệp nhẹ như sản xuất giấy, đồ ghỗ, … và từ ngay cả các chất thải sinh
hoạt, chất thải công sở hay khu sản xuất, chế xuất đã qua phân loại. Điều này rất có ý
nghĩa với mơi trường vì làm giảm một lượng đáng kể các sản phẩm thải gây hại thải
vào môi trường, đặc biệt là từ nông nghiệp ngành mà hầu hết những các chất này sẽ
được để phân hủy tự nhiên, được đốt hoặc chôn vùi vào đất.
Trong phương pháp hiện đại, quá trình nhiệt phân biến đổi chất hữu cơ thành ba thành
phần khác nhau là khí, dầu và biochar theo tỷ lệ khác nhau tùy thuộc vào nguyên liệu
và điều kiện nhiệt phân được sử dụng, do đó thường có ba sản phẩm chính ra khỏi lị.
Ngồi sản phẩm là biochar thường chiếm khoảng 50% của hàm lượng của sinh khối,
có sản phẩm khác là nhiên liệu sinh học. Nhiên liệu sinh học này là khí tổng hợp, đó
một hỗn hợp gồm hydro và carbon monoxide là chủ yếu, với một lượng rất ít khí
carbon dioxide. Tỷ lệ của ba loại khí khác nhau tùy theo các quy trình được sử dụng để
tạo ra khí tổng hợp. Tuy nhiên, điểm quan trọng là khí tổng hợp là dễ cháy và do đó có
thể được sử dụng như một nguồn nhiên liệu. Tùy thuộc vào quá trình này, các nhiên
liệu sinh học từ lị cũng có thể là dầu sinh học, có thể được sử dụng như thay thế cho
dầu diesel trong một số động cơ. Hỗn hợp các nhiên liệu này ngoài việc sử dụng cho
các mục đích thương mại hay sinh hoạt, cịn có thể sử dụng ngay trong hệ thống thông
qua việc chạy máy phát điện hay đốt và tạo nhiệt trực tiếp cho quá trình nhiệt phân
biochar, vì vậy hệ thống nhiệt phân sản xuất biochar tiên tiến hiện nay có khả năng tự
duy trì hoạt động mà khơng cần cung cấp năng lượng, ngoài trừ “năng lượng mồi” lúc
bắt đầu hoạt động.


Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

11

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

H.7. Sơ đồ minh họa quá trình nhiệt phân sản xuất Biochar

I.4.
I.4.1.

Tính chất hóa-lí của Biochar
Thành phần cấu tạo

Cellulose bị nhiệt phân ở nhiệt độ từ 250-350ºC, khi bị nhiệt phân các tiểu cấu chúc
cấu thành cellulose sẽ bị phân cắt và tách ra, hầu hết chúng là những phân tử hữu cơ
phân tử thấp nên dễ bay hơi, hay bị phân hủy thành CO 2, dẫn đến làm giảm khối lượng
đáng kể của sinh khối dưới dạng các chất dễ bay hơi, để lại đằng sau một ma trận C vơ
định hình cứng chắc. Khi làm tăng nhiệt độ nhiệt phân, tỷ lệ cacbon thơm trong
biochar bắt đầu thay đổi theo hướng tăng lên, do việc mất các chất dễ bay hơi (ban đầu
là nước, tiếp theo là các hydrocacbon, hơi hắc ín, H 2, CO và CO2) và việc chuyển hóa
của nhóm ankyl và O-ankyl. Ở khoảng 330 º C, tấm graphene polyaromatic bắt đầu
phát triển theo chiều ngang và cuối cùng kết lại. Chính điều này đã làm cho biochar có
cấu chúc lớp, độ xốp và diện tích bề mặt lớn mà biochar có được lcungx là do quá trìh

này. Ở nhiệt độ trên 600 º C, cacbon hóa sẽ trở thành q trình chiếm ưu thế. Cacbon
hóa đánh dấu sự loại bỏ các nguyên tử không chứa C còn lại và kết quả là tăng hàm
lượng C (có thể lên đến 90% theo khối lượng của biochar được sản xuất từ gỗ) (Antal
và Gronli, 2003; Demirbas, 2004).

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

12

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

H.8. Mơ hình của một cấu trúc graphitic microcristalline được hiển thị trên bên trái và hình ảnh biochar
trên kính hiển vi điện tư quét, cấu trúc một vòng thơm chứa oxy và các gốc C tự do
Mỗi hạt biochar bao gồm 2 phần kết cấu chính: các tấm graphene kết tinh xếp chồng lên nhau và các cấu
trúc thơm vô định hình theo một trật tự ngẫu nhiên. Hyđrơ, O, N, P và S được tìm chủ yếu kết hợp trong
các vòng thơm như các nguyên tử khác (Bourke và nnk, 2007). Sự có mặt của các nguyên tử khác là một
đóng góp lớn, đặc trưng cho hóa học bề mặt rất khơng đồng nhất và hoạt tính của biochar.
I.4.2.

Thành phần hóa học và bề mặt hóa học

Thành phần biochar rất khơng đồng nhất, nó chứa cả thành phần bền và không bền
(Sohi et al, 2009.). Carbon, vật chất dễ bay hơi, khoáng chất (tro) và độ ẩm thường
được coi như là thành phần chính của nó (Antal và Gronli, 2003). Bảng 5 tóm tắt
phạm vi tỷ lệ tương đối của các thành phần trong biochar được sản xuất từ rất nhiều

nguồn vật liệu và các điều kiện nhiệt phân (Antal và Gronli, 2003 - Brown, 2009).
Thành phần
Cacbon bền
Vật chất dễ bay hơi
Độ ẩm
Tro (khoáng chất)

Tỷ lệ
50-90
0-40
1-15
0,5-0

Bảng.5. tỷ lệ tương đối 4 thành phần chính của biochar
(phần trăm tỷ lệ trọng lượng)

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

13

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

Tỷ lệ tương đối của các thành phần trong biochar xác định tính chất hóa học, vật lý và
chức năng của biochar nói chung (Brown, 2009). Ví dụ, biochar được tạo ra tạo ra
bằng cách nhiệt phân nguyên liệu gỗ (Winsley, 2007) thì vững chắc. Ngược lại,

biochar sản xuất từ phế phẩm nông nghiệp (như lúa mạch đen, ngô ) phân súc vật và
rong biển nói chung là tốt hơn nhưng ít bền vững (sức bền cơ học thấp ) do đó chúng
giàu dinh dưỡng và dễ dàng hơn cho khu hệ vi sinh vật phân hủy trong môi trường
(Sohi và nnk, 2009). Hàm lượng tro của biochar phụ thuộc vào hàm lượng tro của các
nguyên liệu đầu vào. Cỏ, vỏ hạt, bã rơm rạ và phân thường sản xuất biochar có hàm
lượng tro cao trái ngược so với nguyên liệu gỗ (Demirbas, 2004). Ví dụ, các biochar
được sản xuất từ phân gà có thể chứa 45% tro (theo trọng lượng) (Amonette và
Joseph, 2009). Độ ẩm là một thành phần quan trọng khác của biochar (Antal và
Gronli, 2003), độ ẩm cao sẽ làm tăng chi phí sản xuất và vận chuyển biochar đối với
các đơn vị sản xuất biochar. Giữ thành phần độ ẩm khoảng 10% (theo khối lượng) là
điều mong muốn. Để có thể đạt được điều này, cần làm khơ ngun liệu sinh khối
trước khi nhiệt phân (đây có thể là một thách thức khi sản xuất biochar).
Mặc dù, tính khả thi của biochar là được sản xuất ở một phạm vi rộng các nguyên liệu
dưới các điều kiện nhiệt phân khác nhau, hàm lượng cacbon cao và cấu trúc thơm bền
vững là các đặc điểm bất biến (Sohi và nnk, 2009). Theo Sohi và nnk. (2009), các đặc
điểm này chủ yếu giải thích cho sự ổn định hóa học của nó. Tương tự như vậy, pH chỉ
ra ít có sự biến đổi giữa các biochar, và thường >7.
pH

C

(g/kg)

(g/kg)

N

N

P


Pa

K

(NO-3,
NH4+)

(g/kg)

(g/kg)

(g/kg)

(mg/kg
)
Range
Mean

From

6.2

172

1.7

0.0

0.2


0.015

1.0

To

9.6

905

78.2

2.0

73.0

11.6

58.0

8.1

543

22.3

-

23.7


-

24.3

Source: Verheijen (2009)

Bảng trên tóm tắt thành phần nguyên tố tổng số (C, N, C:N, P, K, Pa) và phạm vi pH
của các biochar được sản xuất từ rẩt nhiều nguyên liệu (gỗ, chất thải xanh, phế phẩm

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

14

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

nông nghiệp, bùn thải, rác, vỏ quả hạch) và các điều kiện nhiệt phân (350 - 500 0C)
được dùng trong nhiều nghiên cứu khác nhau.
Hàm lượng Cacbon tổng trong biochar được tìm thấy trong phạm vi từ 172 đến 905 g
kg-1,mặc dù OC thường <500 g.kg-1. Nito tổng số giữa khoảng 1.8 và 56.4 g kg -1 và
phụ thuộc vào nguyên liệu (Chan và Xu, 2009). Mặc dù hàm lượng N tổng số trong
biochar cao nhưng có thể khơng hiệu quả đối với cây trồng, vì N chủ yếu có mặt trong
các dạng khống khơng dễ tiêu ( hàm lượng khống N < 2 mg k -1, Chan và Xu
2009).Tỷ lệ C:N trong biochar tìm thấy rất khác nhau 7-500 (Chan và Xu 2009) nó có
ý nghĩa đối với sự lưu giữ chất dinh dưỡng trong đất, tỷ lệ C:N thường được sử dụng

như là một chỉ số đặc trưng cho khả năng của các chất hữu cơ để giải phóng N vô cơ
khi đưa vào đất.
Tổng P và K trong biochar được tìm thấy với hàm lượng dao động rất lớn tùy thuộc
vào nguyên liệu với giá trị tương ứng từ 2,7-480 và 1,0-58,0 g kg -1 (Chan và Xu,
2009). Thật thú vị, phạm vi tổng số N, P và K trong biochar là rộng hơn phạm vi N, P,
K đã được báo cáo trong các tài liệu của các phân bón hữu cơ điển hình. Hầu hết các
khống chất trong phần tro của biochar được xem là xuất hiện riêng rẽ, độc lập với ma
trận cacbon, ngoại trừ K và Ca (Amonette and Joseph, 2009). Điển hình, mỗi khống
lại bao gồm các liên kết với hơn một loại khoáng. Joseph và nnk. (2009) nhấn mạnh
rằng sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về vai trò của các biochar có tro khống cao vẫn
cịn hạn chế, như chúng ta phải đối mặt với sự thiếu dữ liệu sẵn có về ảnh hưởng lâu
dài của chúng trên các tính chất đất.

pH
C
(g kg-1)
N
(g kg-1)
N (NO3-+
NH4+)
(mg kg-1)
C:N
P
(g kg-1)
Pa
(g kg-1)
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

Khoảng
dao động

6.2 -9.6

Trung
bình

172-905

43

1.7-78.2

22.3

0.0-2.0

-

7-500

61

0.2-73.0

23.7

0.015-11.6

-

15


8.1

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện
K
(g kg-1)

1.0-58

24.3

Bảng.6. Tóm tắt tổng số nguyên tố (C, N, C: N, P, K,..) và khoảng pH dao động của biochars từ nhiều nguyên liệu
(gỗ, chất thải màu xanh lá cây, dư lượng cây trồng, bùn thải, rác xả, vỏ hạt) và các điều kiện nhiệt phân (350-500°C)
được sử dụng trong các nghiên cứu khác nhau.

Thành phần hóa học phức tạp và không đồng nhất của biochars được mở rộng tới cả
hóa học bề mặt của nó, giải thích cách biochar tương tác với một phạm vi rộng các
hợp chất hữu cơ và vô cơ trong môi trường. Sự bẻ gãy và sắp xếp lại các nhóm chức
hóa học trong biochar trong suốt quá trình nhiệt phân hình thành nhiều loại nhóm chức
(ví dụ hydroxyl-OH, amino-NH2, xeton -OR, ester - (C=O)OR, nitro -NO 2, aldehyde (C=O)H, carboxyl -(C= O) OH) xảy ra chủ yếu trên bề mặt ngoài của tấm graphene
(Harris, 1997; Harris và Tsang, 1997) và bề mặt của các lỗ rỗng. Một số nhóm chức
này hoạt động như các chất cho điện tử, trong khi một số khác là chất nhận điện tử, kết
quả trên cùng một bề mặt có thể biểu hiện tính axit hoặc tính bazơ, tính ưa nước đến kị
nước. Một số nhóm chức cũng có chứa các nguyên tố khác, chẳng hạn như N và S, đặc
biệt là ở biochars từ phân súc vật, bùn thải.

Có bằng chứng thực nghiệm chứng tỏ rằng thành phần, sự phân bố, tỷ lệ tương đối và
hoạt tính của các nhóm chức năng trong biochar phụ thuộc vào một số yếu tố khác
nhau, bao gồm nguồn nguyên liệu và phương pháp nhiệt phân được sử dụng (Antal và
Gronli, 2003). Các điều kiện nhiệt phân khác nhau ( nhiệt độ 700 0C hoặc 4500C) giải
thích sự khác nhau về hàm lượng N trong 3 mẫu biochar sản xuất từ phân gà (Lima và
Marshall, 2005; Chan và nnk, 2007). Khi tăng nhiệt độ nhiệt phân, thì tăng tỷ lệ
cacbon thơm trong biochar, trong khi hàm lượng N cao nhất ở khoảng 300 0C (Baldock
và Smernick, 2002). Ngược lại, các nhiệt độ nhiệt phân thấp (<500 0C) lại có sự tích
lũy tương đối một lượng lớn K, Cl (Yu và nnk, 2005), Si, Mg, P và S (Bourke và nnk,
2007; Schnitzer và nnk, 2007) dễ tiêu. Do đó, các nhiệt độ nhiệt phân <500 0C sẽ cho
sự cầm giữ dinh dưỡng trong biochar (Chan và Xu, 2009), trong khi đó thu được sự
thuận lợi tương tự đối với năng suất (Gaskin và nnk, 2008). Tuy nhiên, điều quan
trọng cần nhấn mạnh rằng sự hoán vị các điều kiện nhiệt phân, bao gồm nhiệt độ, có
thể có ảnh hưởng khác nhau với mỗi nguồn vật liệu.
Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải đánh giá từng trường hợp cụ thể các tính chất
vật lý và hóa học của biochar trước khi ứng dụng nó vào trong đất.
Sự phân bố kích thước lỗ.
Ban đầu sự phân bố kích thước lỗ trong biochar chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi bản chất
của nguyên liệu sinh khối và các điều kiện nhiệt phân (Cetin và nnk., 2004). Độ co và
I.4.3.

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

16

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất


GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

sự tiêu hao của vật liệu hữu cơ xảy ra trong suốt q trình nhiệt phân, từ đó tạo ra một
loạt các kích cỡ lỗ của sản phẩm cuối cùng, cường độ của q trình đó phụ thuộc vào
cơng nghệ nhiệt phân (Cetin và nnk, 2004).
Sự phân bổ kích thước lỗ trong biochar cũng có ý nghĩa đối với việc xác định sự phù
hợp của mỗi biochar cho một ứng dụng cụ thể (Downie và nnk, 2009), cũng như cho
sự lựa chọn phương pháp ứng dụng phù hợp nhất. Ngoài ra, các vấn đề sức khỏe và an
toàn liên quan đến xử lý, lưu trữ và vận chuyển biochar cũng ảnh hưởng lớn tới sự
phân bổ kích thước hạt của nó.Downie và nnk. (2009) cung cấp nhiều bằng chứng về
ảnh hưởng của nguyên liệu và các điều kiện nhiệt phân tới sự phân bổ kích cỡ hạt của
biochar. Mùn cưa và dăm gỗ dưới các phương pháp tiền xử lý khác nhau, được nhiệt
phân sử dụng quá trình nhiệt phân chậm liên tục (tốc độ lên nhiệt 5 - 10 0C/phút), sau
đó sự phân bố kích cỡ hạt trong sản phẩm biochar được đánh giá thơng qua việc sàng
khơ. Nhìn chung, kích cỡ hạt là giảm khi tăng nhiệt độ nhiệt phân (từ 450 0C đến
7000C) đối với tất cả các nguyên liệu.
Các điều kiện hoạt động trong quá trình nhiệt phân (ví dụ như tốc độ lên nhiệt, nhiệt
độ xử lý cao, thời gian lưu, áp suất, tốc độ dòng của khí trơ, kiểu và dạng thiết bị phản
ứng), xử lý trước (ví dụ sấy, hoạt hóa) và sau (ví dụ như rây, hoạt tính) có thể ảnh
hưởng rất lớn đến cấu trúc vật lí của biochar (Gonzalez et al., 1997; Antal and Grønli,
2003; Cetin et al., 2004; Lua et al., 2004; Zhang et al., 2004; Brown et al., 2006). Các
nhận xét này bắt nguồn chủ yếu từ các nghiên cứu liên quan đến than hoạt tính được
sản xuất từ nhiều nguyên liệu, bao gồm thân cây ngô, vỏ hạt (Lua et al, 2004.;
Gonzalez và cộng sự, 2009), hạt ô liu (Gonzaléz và cộng sự, 2009). Tương tự như vậy,
tốc độ lên nhiệt, thời gian lưu và áp suất trong suốt quá trình nhiệt phân được chứng
minh là yếu tố quyết định sự tạo ra các hạt biochar tốt hơn, độc lập với nguyên liệu
ban đầu (Cetin và nnk, 2004.). Ví dụ, với tốc độ lên nhiệt cao hơn (ví dụ lên đến 105500ºC trên giây) và thời gian lưu ngắn hơn, nguyên liệu mịn hơn (50-2000 μm) là điều
cần thiết để các phản ứng truyền nhiệt và chuyển khối diễn ra thuận lợi, kết quả sẽ tạo
ra loại biochar tốt hơn (Cetin và nnk, 2004). Ngược lại, nhiệt phân chậm (tốc độ lên
nhiệt 5-30ºC trên phút) có thể sử dụng các hạt nguyên liệu lớn hơn, do đó sản xuất ra

các biochar thô (Downie và nnk, 2009). Tăng tỉ lệ các hạt biochar lớn hơn cũng có thể
thu được bằng việc tăng áp suất (từ áp suất khơng khí tới 5, 10 và 20 bar) trong quá
trình nhiệt phân (Cetin và nnk, 2004).
Phần bụi của biochar bao gồm các hợp chất vô cơ và hữu cơ khác nhau với các kích cỡ
hạt riêng biệt trong phạm vi từ nano mét tới micro mét (Harris và Tsang, 1997;
Cornelissen và nnk, 2005). Harris và Tsang. (1997) nghiên cứu các phần có kích cỡ
nano và micro mét của các than củi, mặc dù cho đến nay, vấn đề này vẫn chưa được
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

17

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

hiểu rõ. Sinh khối ban đầu (nguyên liệu) và các điều kiện nhiệt phân (Donaldson và
nnk, 2005; Hays và van der Wal, 2007) như là các yếu tố chính ảnh hưởng đến các tính
chất của bụi biochar (Downie và nnk, 2009.), bao gồm các loại và kích cỡ của các hạt
biochar, cũng như tỷ lệ các hạt nano và micro.
Harris và Tsang (1997) sử dụng kính hiển vi điện tử độ phân giải cao (HREM) để
nghiên cứu những phần nhỏ hơn của than củi thu được từ quá trình nhiệt phân (700 0C)
của đường mía và kết luận rằng bụi than củi bao gồm dạng viên tròn cấp độ nano như
fulơren (Harris và Tsang, 1997). Brodowski và nnk (2005) chứng thực sự tìm ra các hạt có
dạng hình cầu xốp (với cấu trúc bề mặt từ nhẵn tới xù xì) trong đó phần nhỏ hơn 2 μm của
than củi trên lớp đất mặt thí nghiệm (0-10cm), nhưng vẫn chưa có sự đề cập đến “fulơren”
được chỉ ra ở đây. Điều quan trọng là xem xét về kích thước nhỏ của các cấp hạt và khả
năng phản ứng của chúng, thành phần bụi có trong biochar có liên quan thực tế, cũng như

sự ảnh hưởng tới sức khỏe và độ an toàn.
Thành phần bụi trong biochar cũng là một yếu tố quan trọng trong xác định sự phù hợp
của chiến lược ứng dụng đã đề ra (Blackwell và nnk, 2009). Ví dụ, Holownicki (2000) đã
đề xuất rằng phần bụi mịn này có thể được sử dụng thành công trong hoạt động nông
nghiệp hợp lý cho sự chuẩn bị phun thuốc trừ sâu trong các vườn cây ăn quả và vườn nho.
Khi sự phun này phù hợp, Blackwell và nnk (2009) chỉ ra rằng sự áp dụng bụi biochar
trên thực có thể được ưa chuộng hơn khi được sử dụng kết hợp với chất thải gia súc dạng
lỏng.
Mặt khác, bụi biochar được đề cập trong các tài liệu được xem như một loại chất hấp
thụ tốt hơn cho một phạm vi rộng các chất ô nhiễm dạng vết kỵ nước (như PAHs, PCBs,
thuốc trừ sâu, polychlorinated dibenzeno-p-dioxins and –furan - PCDD/PCDFs ) khi so
sánh với các hạt biochar lớn hơn hoặc với vật chất hữu cơ dạng hạt (Hiller và nnk, 2007;
Bucheli và Gustafsson, 2001, 2003). Như vậy, việc bổ sung bụi biochar vào đất có thể
tăng ái lực hấp phụ của đất với các chất gây ô nhiễm môi trường phổ biến.
2.3 Sự phân bố kích cỡ lỗ rỗng và khả năng liên kết
Sinh khối đầu vào và điều kiện sản xuất là các yếu tố chính quyết định đến sự phân bố
kích cỡ lỗ trong biochar, và theo sau đó là tổng diện tích bề mặt (Dowine và nnk, 2009).
Trong suốt quá trình phân hủy nhiệt của sinh khối, sự mất đi khối lượng diễn ra hầu hết ở
dạng vật chất hữu cơ dễ bay hơi, để lại những khoảng trống sau đó và tạo thành một mạng
lưới lỗ rỗng lớn.
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

18

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện


Các lỗ rỗng trong biochar được phân thành 3 loại (Downie và nnk, 2009), theo đường
kính bên trong của chúng (ID): các lỗ macro (ID >50 nm), các lỗ meso (2 nm< ID <50
nm) và các lỗ micro (ID <2 nm). Sự phân loại này được sắp xếp với các độ lớn khác nhau
so với cách phân loại chuẩn cho kích thước lỗ rỗng trong khoa học đất. Độ rỗng cơ sở và
cấu trúc của sinh khối đầu vào được giữ lại trong sản phẩm biochar tạo thành (Downie và
nnk, 2009). Cấu trúc mao dẫn của vật liệu thực vật ban đầu có xu hướng đóng góp cho sự
tạo thành lỗ hổng kích thước macro trong biochar, như đã chứng minh ở than hoạt tính từ
than và các gỗ ban đầu (Wildman và Derbyshire, 1991). Ngược lại, các lỗ có kích thước
micro được hình thành chủ yếu trong suốt quá trình nhiệt phân vật liệu đầu vào. Trong
khi, các lỗ có kích thước macro được xác định như một “nguồn cung cấp nguyên liệu”
cho các lỗ rỗng nhỏ hơn (Martinez và nnk, 2006), các lỗ rỗng micro thực sự giải thích
cho tính chất diện tích bề mặt lớn trong than củi (Brown, 2009).
Trong số các thông số hoạt động , HTT được cho là yếu tố quan trọng nhất dẫn tới sự
phân bổ lỗ rỗng trong than củi (Lua và nnk, 2004), như những thay đổi vật lý trong suốt
quá trình nhiệt phân sinh khối đầu vào thường phụ thuộc vào nhiệt độ (Antal và Gronli,
2003).
Sự phát triển của độ xốp micro trong biochar liên quan tới sự tăng cường trật tự trong
cấu trúc và tổ chức, được chỉ ra rất rõ bởi thời gian lưu và HTT cao hơn, được chứng
minh trước đó đối với than hoạt tính (Lua và nnk, 2004). Ví dụ, sự tăng nhiệt độ nhiệt
phân từ 250 tới 5000C đã làm tăng sự phát triển của các lỗ rỗng micro trong các than có
nguồn gốc từ vỏ quả hồ trăn, dẫn tới tăng sự phóng thích các chất bay hơi. Tiếp theo sự
tăng về nhiệt độ (>8000C), sự giảm về diện tích bề mặt tổng thể của than được quan sát và
được cho là do tan chảy một phần của cấu trúc than (Lua và nnk, 2004). Tương tự như
vậy, tốc độ lên nhiệt và áp suất trong suốt quá trình nhiệt phân cũng ảnh hưởng tới sự
chuyển khối của sản phẩm bay hơi tại bất kỳ khoảng nhiệt độ nào được thiết đặt và do đó
được coi như các thơng số góp phần quan trọng ảnh hưởng tới sự phân bổ kích thước lỗ
rỗng (Antal và Gronli, 2003). Ví dụ, Lua và nnk. (2004) quan sát thấy một điểm cực đại
trong diện tích bề mặt của than sản xuất từ vỏ quả hồ trăn ở tốc độ lên nhiệt thấp (10 0C),
ngược lại tốc độ lên nhiệt cao hơn dẫn tới giảm diện tích bề mặt.

Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng các ảnh hưởng tương đối của mỗi thông số nhiệt phân
tới độ xốp micro cuối cùng trong biochar được xác định bởi loại vật liệu đầu vào, được
ghi nhận từ các nghiên cứu trên (như Cetin và nnk, 2004; Lua và nnk, 2004; PastorVillegas và nnk, 2006; Gonzaléz và nnk, 2009). Đặc biệt, thành phần Lignocellulose của
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

19

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

vật liệu đầu vào xác định độ lớn mức độ phân hủy nhiệt của chúng và sự phát triển về độ
xốp (Gonzaléz và nnk, 2009). Trong trường hợp than củi sản xuất từ những phần thu được
từ cắt tỉa cây hạnh nhân, một số lượng lớn hơn các lỗ rỗng macro và micro được tạo thành
bởi tốc độ phân hủy chậm như trong suốt giai đoạn ban đầu của sự nhiệt phân (Gonzaléz
và nnk, 2009). Điều ngược lại được tìm thấy đối với vỏ quả hạnh nhân, điều này có thể do
tốc độ phân hủy nhiệt ban đầu vốn đã cao của nó (Gonzaléz và nnk, 2009).
2.4 Sự ổn định nhiệt động học
Qúa trình cân bằng nhiệt động lực học liên quan đến tàn dư bị carbon hóa, như
biochar, chủ yếu sản sinh ra CO2.

Entanpi tiêu chuẩn được biểu thị như ΔHof và ký hiệu độ biểu thị các điều kiện tiêu chuẩn
(P = 1 bar và T = 250C).
Phương trình 1 chỉ ra sự oxi hóa của graphite, carbon hầu hết ở trạng thái bền nhiệt động
lực học, sẽ diễn ra tự nhiên và được chỉ ra bởi giá trị năng lượng âm (nghĩa là 395,51kJ
năng lượng được phát ra với mỗi mol của CO 2 tạo thành). Khi quá trình oxi hóa graphite
thành CO2 xảy ra , mặc dù rất chậm dưới các điều kiện thường (Shneour, 1966), tất cả các

dạng khác của carbon là kém ổn định nhiệt động học hơn graphite, cũng sẽ trải qua sự oxi
hóa thành CO2 khi có mặt oxy. Tốc độ của sự oxi hóa diễn ra phụ thuộc vào một số yếu
tố, chẳng hạn thành phần hóa học chính xác, cũng như nhiệt độ và chế độ độ ẩm mà hợp
chất được tiếp xúc. Hơn nữa, thời gian tồn lưu của biochar trong đất cũng sẽ bị ảnh hưởng
bởi các quá trình sinh học.
I.4.4.

CEC và PH

CEC trong biochar biến động không đáng kể khoảng 40 cmolc g-1 và được nhận định
rằng sẽ thay đổi khi đưa nó vào đất (Lehmann, 2007). Điều này có thể xảy ra bởi q
trình khử các thành phần kị nước trong biochar (Briggs và nnk, 2005) hoặc tăng sự
cacboxyl hóa C thơng qua oxy hóa phi sinh vật (Chang và nnk, 2006; Liang và nnk,
2006).

Tiểu luận môn: Hóa Học Nơng Nghiệp

20

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

H.9. …….

Xem xét các tính chất rất khơng đồng nhất, giá trị pH biochar tương đối ổn định, nghĩa
là chủ yếu từ trung tính tới kiềm. Chan và Xu ( 2009 ) xem xét giá trị pH của biochar

từ rất nhiều nguyên liệu và thấy giá trị trung bình của pH là 8.1 trong phạm vi pH 6.2 9.6. Đầu phía dưới của phạm vi này dường như từ chất thải xanh và nguyên liệu vỏ
cây, với sự kết thúc giá trị cao hơn từ nguyên liệu rác thải gia cầm.
Tóm lại
Biochar bao gồm các hợp chất cácbon ổn định sinh khối được tạo ra khi đun nóng
đến nhiệt độ từ 300-1000°C với nồng độ oxy thấp (tốt nhất là không). Các thành phần
cấu trúc và hóa học của biochar là rất khơng đồng nhất, ngoại trừ với pH.
Thành phần hóa học và cấu trúc hóa học phụ thuộc vào loại nguyên liệu cấp cho máy
và điều kiện nhiệt phân ( chủ yếu là nhiệt độ ). Những thông số này cũng là chìa khóa
trong việc xác định kích thước hạt và kích thước lỗ rỗng (macro, meso và micropore)
phân bố trong biochar. Các đặc tính của biochar có thể thay đổi đáng kể tính chất vật lí
và các q trình trong đất và quan trọng là cần xem xét kĩ khi đưa nó vào đất. Hơn
nữa, điều này sẽ xác định sự phù hợp của biochar cho từng ứng dụng nhất định của nó.
Các đặc tính biochar khác nhau nhấn mạnh nhu cầu của nó theo từng trường hợp cụ
thể, mỗi sản phẩm biochar trước khi đưa vào trong đất ở một địa điểm nghiên cứu cụ
thể, nhằm đánh giá đầy đủ và sâu hơn tác động của biochar.


II.

Ứng dụng của Biochar

Biochar đã trở nên phổ biến nhờ vai trò và tiềm năng của nó trong cải tạo đất, mơi
trường và giảm nhẹ biến đổi khí hậu. Biochar rất giàu carbon và phụ thuộc vào mục
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

21

Nhóm 3



Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

đích sử dụng, biochar có khả năng cố định carbon, do đó nó cản trở hoặc ngăn chặn
hồn tồn sự phát tán của carbon trở lại bầu khí quyển dưới dạng khí CO 2. Những lợi
ích mà biochar mang lại cịn nhiều hơn những gì đã nêu ở trên, tuy nhiên, phạm vi của
nó chủ yếu phục vụ cho các khu vực nông nghiệp và các ngành quản lý chất thải. Hơn
nữa, như đã trình bày ở trên, quá trình sản xuất đó cịn tạo ra hai loại năng lượng từ
một nguồn, đó là một nguồn năng lượng tái tạo bền vững.
Biochar có thể được sử dụng như một sự bổ sung thêm vào đất để tăng sản lượng cây
trồng, cải thiện chất lượng nước, duy trì độ ẩm cho đất, giảm lượng phát thải khí nhà
kính, làm giảm sự rửa trôi các chất dinh dưỡng, làm giảm độ chua cho đất, cải thiện
tính chất vật lý của đất, giảm sự tưới tiêu và các nhu cầu về phân bón. Các tính chất đó
phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính của biochar và có thể phụ thuộc vào cả điều kiện
của khu vực đó nữa ( đất cằn cỗi hay đất tốt ), nhiệt độ , độ ẩm. Bổ sung vừa phải
biochar cho đất có thể làm giảm 50- 80% lượng phát thải khí N 2O và hồn tồn ngăn
chặn sự phát thải khí metal ( CH4 ). Bảo tồn năng lượng có thể đạt được thơng qua
việc tránh phát sinh năng lượng trong sản xuất phân bón dư thừa. Biochar có thể được
sử dụng trong việc cải tạo các vùng đất bị thối hóa và mất khả năng canh tác ( có tính
acid và tính kiềm ).

II.1.

Đối với nơng nghiệp và quản lý chất thải

Ngành nơng nghiệp có thể thu được lợi ích từ biochar theo 2 cách: cải tạo đất và xử
lý chất thải của động vật và cây trồng . Cải tạo đất sẽ làm cho năng suất cây trồng
tăng lên, từ đó làm nâng cao chất lượng nông phẩm. Từ những năm 1980, các thử
nghiệm nghiên cứu về vấn đề này đã diễn ra trên khắp thế giới - đó là việc ứng dụng

của các loại biochar trên các loại đất cụ thể.
Các loại biochar khác với các loại nhiên liệu sinh học, mặc dù nguyên liệu để sản
xuất chúng có thể là giống nhau, trong nhiều trường hợp : gạo, gỗ hoặc vỏ cây đã
được sử dụng, và các thông số sản xuất như tốc độ nhiệt phân , kích thước lị. Trong
hầu hết các nghiên cứu, đất chua đã trở thành đối tượng chủ yếu của nghiên cứu và
các loại đất này thường tập chung ở các vùng nhiệt đới hoặc bán nhiệt đới , các thí
nghiệm cũng đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau.
Kết quả của thử nghiệm cũng đã thu được nhiều kết quả khả quan như từ không tăng
năng suất ( trường hợp của các đồn điền chuối ở Brazil ) đến tăng nhiều tới 151% giá
trị về năng suất đậu tương trong một dự án.Trong nhiều trường hợp đã làm giảm tính
acid và tăng sự hấp thu của các ngun tố khống, và khả năng này đơi khi cịn kéo
dài cho tới vụ sau hoặc năm sau. Nghiên cứu trên cịn ứng dụng cho việc sử dụng
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

22

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

biochar cho đồng cỏ hoặc rừng trồng cây, và đối với khu vực đất khô hoặc khu vực
ôn đới.
Gần đây thuật ngữ biochar ngày càng trở nên phổ biến hơn trong ngành nông nghiệp,
để chỉ loại than của các thứ cây cỏ hay rác thải được đốt tồn tính, nghĩa là đốt cho
thành thứ than đen chứ không thành tro để bón cho đồng ruộng. Biochar tồn tại nhiều
năm trong đất, nhờ đó cải thiện độ tơi xốp của đất, giữ được nhiều nước cho đất ẩm
hơn, tạo môi trường cho sự phát triển của các tập đoàn sinh vật hoạt động ngang tầm

bộ rễ và từ đó tạo ra chất dinh dưỡng tự nhiên cho các cây trồng. Mục đích cuối cùng
là cải tạo đất nền bạc màu, gia tăng sản lượng và giảm bớt chi phí cũng như sự lệ
thuộc vào phân bón hóa học cũng như thuốc trừ sâu .
Kết quả đo đạc mới nhất được tờ TreeHugger tường thuật hôm 13/5 cho thấy sản
lượng cây trồng ở các vùng đất bón biochar ở Canada tăng từ 6 đến 17% so với đối
chứng tại chỗ, thân cây cứng hơn và bộ rễ phát triển nhiều hơn đến 68%. Hao hụt
dưỡng chất phân bón do bị rửa trơi giảm đi rõ rệt , trong đó hiện tượng mất lân giảm
đi tới 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
tặng thưởng cho các nơng gia.
Người ta chú ý đến việc sản xuất biochar từ vỏ trấu vì phế phẩm này luôn sẵn nơi xứ
lúa gạo. Kỹ thuật đốt than tồn tính khơng khó, trong khi hạt than rất mịn nhưng có thể
tích lỗ hổng rất lớn. Mặt khác bụi than tương đối nặng do giàu silic nhờ đó có thể rải
vãi bằng tay hay bằng cơ giới. Nước ta đã có thói quen lấy tro lị đốt đem ra bón
ruộng, nhưng tỉ lệ biochar trong đó thường thấp lẫn với tro đen. Trong loại tro xám này
có đến trên dưới 40% tro trắng vốn có hoạt tính rất mạnh và thường có hại hơn là làm
lợi cho cây, cho đất.
Một lợi ích thứ hai của việc sản xuất biochar cho ngành nông nghiệp ( và một số
ngành cơng nghiệp, như ngành cơng nghiệp giấy ) đó là việc nó có thể tái chế chất thải
hữu cơ. Các nguồn chất thải của động vật và cây trồng thải ra cịn tích lại có thể làm ơ
nhiễm đất và lớp nước bề mặt. Ngành quản lý chất thải có nhiệm vụ là phải ngăn ngừa
ô nhiễm, nhưng để giải quyết vấn đề này là rất tốn kém. Biochar hiện tại sẽ trở thành
một sự thay thế hấp dẫn nếu chi phí kinh tế dành cho nó ít hơn quản lý chất thải. Bằng
cách cho vật liệu hữu cơ là đầu vào của quá trình này, quá trình sản xuất biochar có thể
biến chất thải thành tài ngun. Q trình nhiệt phân với mục đích làm giảm trọng
lượng và khối lượng của nguyên liệu đầu vào, và do hoạt động ở nhiệt độ trên 350ºC ,
nó cũng loại bỏ những tác nhân gây bệnh tiềm ẩn mà có thể sẽ trở thành vấn đề lớn
Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

23


Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

nếu trực tiếp áp dụng cho các loại đất. Các chất thải xanh từ đô thị và chất thải từ một
số quy trình cơng nghệ, ví dụ như xay xát giấy cũng có thể được sử dụng.
Biochar cịn làm giảm độ chua của đất, do đó làm giảm lượng vơi cần bón cho đất
nhưng khơng thực sự thêm chất dinh dưỡng cho đất. Biochar là một loại phân bón
đặc biệt, nó có thể giữ lại một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng, bởi vì biochar hút
thu và giữ các chất dinh từ dưỡng đất, nó làm giảm các nhu cầu về phân bón - một
cái gì đó phổ biến mà chất hữu cơ không thể làm. Kết quả là chi phí về phân bón
được giảm thiểu và phân bón được giữ lại trong đất thời gian lâu hơn. Phân hóa học
thường dựa trên nguyên liệu là nhiên liệu hóa thạch, do đó biochar cịn cung cấp
thêm lợi ích gián tiếp là giảm biến đổi khí hậu bằng cách giảm nhu cầu phân bón.

Giảm nhẹ biến đổi khí hậu
Biochar gần đây đã nhận được nhiều sự chú ý bởi đó là một phương tiện giải quyết
vấn đề biến đổi khí hậu. Sở dĩ nó có khả năng như vậy, bởi nó có khả năng: Lưu trữ
carbon trong thời gian dài, làm giảm các khí nhà kính như khí metal và lượng khí
carbon dioxide ( CO2) có thể được tạo ra từ xử lý chất thải, xử lý tái chế chất thải và
sản xuất năng lượng tái tạo .
Thơng qua q trình sản xuất, khoảng 50% thành phần carbon của nguyên liệu đầu vào
được giữ lại trong biochar này. Điều này nhiều hơn so với 10-20% những gì cịn xót
lại trong sinh khối sau 5 đến 10 năm phân rã tự nhiên, và ít hơn 3% những gì cịn xót
lại trong tro sau khi đốt hoàn toàn.
Biochar cải thiện cấu trúc đất, hơn nữa cịn giúp giảm 50- 80% lượng khí thải nito

oxide, nito oxide phát thải ra từ phân bón là khí nhà kính có tác động tới mơi trường
nhiều hơn 310 lần khí CO2.
Từ năm 2000, lượng carbon dioxide ( CO 2 ) phát thải ra môi trường đã tăng hơn 3 %
mỗi năm, điều này đã đặt hệ sinh thái của Trái Đất trên quỹ đạo đầy nguy hiểm và
không thể tránh khỏi ảnh hưởng của sự biến đổi khí hậu tồn cầu. Để thay đổi quỹ đạo
này, đã có nhiều nghiên cứu về các biện pháp nhằm giảm thiểu lượng CO 2 phát thải ra
môi trường. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, để ổn định nhiệt độ bề mặt tồn cầu,
khơng cịn cách nào hơn là trong tương lai con người cần phải giảm sự phát thải lượng
CO2 ra môi trường.
Sản xuất biochar, kết hợp với việc lưu trữ nó trong đất, đã được đề xuất như là một
phương pháp có thể làm giảm nồng độ CO 2 trong khí quyển. Đồng thời nó cũng có
tiềm năng để giảm lượng khí phát thải từ các hoạt động khác, những hoạt động đó bao
gồm q trình xử lý chất thải ở trên và quá trình tái chế. Cả hai q trình này đều có
II.2.

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

24

Nhóm 3


Ứng dụng Biochar trong cải tạo đất

GVHD: PGS.Lê Văn Thiện

thể là nguồn phát thải khí nhà kính chẳng hạn như khí CO 2 từ q trình vận chuyển,
chế biến .
Cuối cùng, quá trình nhiệt phân của việc sản xuất biochar nói trên cũng tạo ra các sản
phẩm là các nguồn năng lượng tái tạo. Các khí tổng hợp và các loại dầu sinh học là kết

quả của quá trình sản xuất biochar và nhiệt được tạo ra trong quá trình này có thể sử
dụng để sản xuất điện hoặc làm nhiên liệu. Điều này không chỉ đại diện cho một giải
pháp thay thế năng lượng tái tạo , đồng thời nó cịn cải thiện hiệu quả năng lượng của
q trình nhiệt phân.
Giải pháp cho Trái đất từ biochar
Đại học Georgia của Mỹ hiện có một cỗ máy độc đáo có khả năng giải quyết những
vấn đề lớn của môi trường hiện nay như: năng lượng, sản xuất lương thực và thậm chí
cả vấn đề biến đổi khí hậu. Chiếc máy này có khả năng sản xuất biochar – một loại
than mà ngoài khả năng giữ độ màu mỡ cho đất trong nhiều năm cịn có rất nhiều
những ứng dụng khác .
Kỹ sư Brian Bibens- một nhà nghiên cứu phương thức tái chế carbon đồng thời là tác
giả của cỗ máy này. Biochar có độ xốp cao được tạo nên từ chất thải hữu cơ. Vật liệu
thô để sản xuất biochar có thể là các loại chất thải từ sản xuất nông lâm nghiệp hoặc
chất thải động vật như các mảnh vụn gỗ, các loại vỏ ngũ cốc, vỏ hạt đậu thậm chí là cả
phân gà. Bibens đưa những chất thải được gọi là “sinh khối” này vào trong một thùng
kim loại bát giác, tại đó sinh khối bị nấu chảy dưới nhiệt độ cao, đôi khi lên đến hơn
1000ºF. Vật chất hữu cơ sẽ bị nấu chảy bởi một quá trình nhiệt phân. Chỉ trong vài giờ,
bã hữu cơ bị biến thành các viên giống như than củi, từ đó người nơng dân có thể sử
dụng như phân bón. Khí thốt ra trong suốt q trình nhiệt phân có thể được sử dụng
làm nhiên liệu.
Các nhà khoa học đã ví biochar là “vàng đen” của ngành nông nghiệp. Hàm lượng
cácbon cao cùng với độ xốp tự nhiên của biochar giúp đất giữ được nước và các chất
dinh dưỡng, đồng thời bảo vệ các loại vi khuẩn sống trong đất. Kết quả là sản lượng
mùa màng tăng lên. Hơn nữa, biochar cịn đóng vai trị là nơi chứa đựng cácbon tự
nhiên có khả năng lưu trữ CO2 trong đất.
Christoph Steiner, một trong những nhà khoa học hàng đầu nghiên cứu về biochar bày
tỏ kỳ vọng rằng việc sản xuất biochar còn mang lại cho chúng ta cơ hội sản xuất năng
lượng cácbon âm. Còn theo James Hansen, nhà khoa học thuộc Cơ quan Hàng khơng
và Vũ trụ Mỹ (NASA) thì việc sử dụng biochar trên tồn thế giới có thể giúp giảm
lượng CO2 xuống khoảng 8 phần triệu trong vòng 50 năm tới.

Q trình sản xuất biochar cũng có thể tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị khác. Một số
khí thốt ra trong q trình sản xuất biochar có thể được sử dụng để sản xuất điện
II.3.

Tiểu luận mơn: Hóa Học Nơng Nghiệp

25

Nhóm 3