Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản

Hướng tiếp cận chính của đề tài này là: sử dụng than sinh học từ phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, tro bay chất thải của nhà máy nhiệt điện phối hợp đá apatit hấp phụ và cố định KLN t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Đặng Văn Minh

THÁI NGUYÊN - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát từ yêu cầu thực tế để từ đó hình thành lên hướng nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo GS TS Đặng Văn Minh Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng quy định và kết quả trình bày trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố trước đây

Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình!

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017

Học viên

Nguyễn Nhật Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo GS TS Đặng Văn Minh - Trường Đại học Thái Nguyên, người đã định hướng đề tài, cung cấp tài liệu và tận tình hướng dẫn chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ này Em xin được gửi lời cảm ơn tới Khoa Môi trường - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên cùng các thầy cô giáo trong Khoa đã tận tình giảng dạy

và truyền đạt những kiến thức, những kinh nghiệm quý báu cũng như những tình cảm tốt đẹp cho em trong suốt thời gian học tập tại Trường

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Phòng Đào tạo sau đại học - Đại học Nông Lâm Thái Nguyên các thầy cô giáo đã tạo mọi điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất cho chúng em được học và nghiên cứu

Cuối cùng, em xin dành một tình cảm biết ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh, động viên, chia sẻ cùng em trong suốt thời gian học tập cũng như quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2017

Học viên

Nguyễn Nhật Hiếu

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Quy định mức giới hạn kim loại nặng trong đất 6

Bảng 1.2 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao 8

Bảng 1.3 Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh có thể sử dụng để xử lý kim loại nặng trong đất 9

Bảng 1.4 Số lượng rơm tính theo các loại cây trồng ở Trung Quốc năm 2002 18

Bảng 1.5 Ứng dụng rơm rạ trong nông nghiệp 21

Bảng 1.6 Thành phần hóa học của vỏ trấu 21

Bảng 1.7 Thành phần hóa học của tro bay theo Quốc gia 23

Bảng 1.8 Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu khác nhau 24

Bảng 1.9 Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 25

Bảng 1.10 Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel 28

Bảng 1.11 Kích thước hạt tro bay thương phẩm 28

Bảng 1.12 Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước 31

Bảng 1.13 Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030 31

Bảng 3.1 Nguồn tro bay của các nhà máy nhiệt điện trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên 42

Bảng 3.2 Thành phần, tính chất của tro bay 43

Bảng 3.3 Phân tích mức độ ô nhiễm kim loại trong đất mỏ chì kẽm Làng Hích 44

Bảng 3.4 Lượng rơm rạ phát sinh trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên 45

Bảng 3.5 Tiềm năng sản xuất than sinh học từ rơm rạ tại tỉnh Thái Nguyên 46

Bảng 3.6 Thành phần, tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ 46

Bảng 3.7 Bảng kết quả phân tích thành phần của đất trước phân tích 47

Bảng 3.8 Bảng kết quả các chỉ tiêu pH trong quá trình ủ Biochar, tro bay 48

Bảng 3.9 Bảng kết quả các chỉ tiêu Eh trong quá trình ủ Biochar, tro bay 49

Bảng 3.10 Bảng kết quả các chỉ tiêu EC trong quá trình ủ Biochar, tro bay 50

Bảng 3.11 Bảng kết quả các chỉ tiêu kim loại Pb, Zn, Cd (Tất cả kim loại thuộc dạng di động) sau 90 ngày ủ Biochar, tro bay 51

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Ước tính lượng rơm rạ ngoài đồng ruộng của một số tỉnh vùng

đồng bằng Sông Hồng 18 Hình 1.2 Sự tương phản về kích thước tro bay 27 Hình 1.3 Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích thước

thường thấy nhiều hơn 27 Hình 1.4 Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF 27 Hình 1.5 Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ

từ 1966-2012 29 Hình 1.6 Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần trăm sử

dụng tro bay ở Trung Quốc từ 2001-2008 30 Hình 3.1 Sơ đồ hành chỉnh tỉnh Thái Nguyên 40

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH iv

MỤC LỤC v

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu 2

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 2

3.1 Ý nghĩa khoa học 2

3.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài 3

1.1.1 Cơ sở khoa học 3

1.1.2 Thực tiễn đề tài 3

1.2 Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản 4

1.2.1 Tại Việt Nam 4

1.2.2 Tại nước ngoài 5

1.2.3 Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng 6

1.2.4 Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm 7

1.3 Tổng quan về than sinh học 10

1.3.1 Than sinh học (TSH) là gì? 10

1.3.2 Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH 10

1.3.3 Đặc điểm của TSH 14

1.3.4 Khả năng ứng dụng của TSH 14

1.3.5 Sản xuất TSH 16

1.4 Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp 17

1.4.1 Định nghĩa và nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp 17

1.4.2 Hiện trạng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và trong nước 17

1.4.3 Tổng quan về một số loại phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam 19

1.5 Tổng quan về tro bay 22

1.5.1 Tro bay là gì? 22

1.5.2 Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của Tro bay 22

1.5.3 Đặc điểm của Tro bay 26

1.5.4 Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới 29

1.5.5 Khả năng ứng dụng của tro bay trong nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm 32

1.5.6 Tình hình nghiên cứu xử lý và ứng dụng tro bay ở Việt Nam 32

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 36

2.1.1 Đối tượng 36

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 36

2.2 Nội dung nghiên cứu 36

2.3 Phương pháp nghiên cứu 36

2.3.1 Cách tiếp cận 36

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 40

3.1 Thực trạng việc khai thác khoáng sản và đất bị ô nhiễm KLN trên đất khai thác khoáng sản tại Thái Nguyên 40

3.2 Đánh giá nguồn nguyên liệu sản xuất than sinh học (biochar) và tro bay tại tỉnh Thái Nguyên 42

3.2.1 Tình hình phát sinh và thành phần tính chất của tro bay nhà máy nhiệt điện 42

3.2.2 Nguồn nguyên liệu rơm rạ và thành phần tính chất của than sinh học sản xuất từ rơm rạ 44

3.3 Nghiên cứu khả năng hấp phụ kim loại nặng của than hoạt tính, tro bay trên đất sau khai khoáng 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

1 Kết luận 54

2 Kiến nghị 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có số lượng mỏ khoáng sản lớn Đất tại những vùng sau khi khai thác khoáng sản rất nghèo kiệt và suy thoái nghiêm trọng (Đặng Văn Minh và cs, 2011) Việc suy thoái và ô nhiễm môi trường đất đã làm cho những vùng đất này không có khả năng canh tác nông nghiệp hoặc nếu trồng được cây nông nghiệp nhưng hiệu quả thấp và sản phẩm nông nghiệp trồng trên đất này không an toàn cho người sử dụng (Đặng Văn Can và Đào Ngọc Phong, 2000, Phạm Quang Hà, 2002) Một số nguyên tố kim loại nặng có tính độc hại cao trong đất sau khai khoáng có thể gây hại tới động, thực vật và con người (Trịnh Thị Thanh, 2002)

Kim loại nặng (KLN) có thể tồn tại ở trạng thái phản ứng (linh động), hay không phản ứng (cổ định) Để xử lý kim loại nặng trong đất thường cổ định và ngăn chặn chúng chuyển sang trạng thái linh động Hướng tiếp cận chính của đề tài này là: sử dụng than sinh học (từ phế phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ), tro bay (chất thải của nhà máy nhiệt điện) phối hợp đá apatit hấp phụ và cố định KLN trong đất sau khai khoáng Các nguồn nguyên liệu này rất sẵn có hiện nay và rẻ tiền

Thái Nguyên hiện có 66 đơn vị hoạt động khai thác khoáng sản với tổng số

mỏ được cấp phép khai thác lên tới 85, trong đó có 10 điểm khai thác than, 14 điểm khai thác quặng sắt, 9 điểm khai thác quặng chì kẽm, 24 điểm khai thác đá vôi, 3 điểm khai thác quặng titan… Tổng diện tích đất trong hoạt động khai thác chiếm hơn 3.191 ha, tương ứng gần 1% diện tích đất tự nhiên của tỉnh

Trong quá trình khai thác, các đơn vị đã thải ra một khối lượng lớn đất đá thải, làm thu hẹp và suy giảm diện tích đất canh tác, điển hình là các bãi thải tại mỏ sắt Trại Cau (gần 2 triệu m3 đất đá thải/năm), mỏ than Khánh Hòa (gần 3 triệu m3đất đá thải/năm), mỏ than Phấn Mễ (hơn 1 triệu m3 đất đá thải/năm)… Nhiều mẫu đất tại các khu vực khai khoáng đều có biểu hiện ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt, một số mẫu gần khu sinh sống của dân cư cũng đang bị ô nhiễm Cụ thể, hàm lượng asen tại mỏ sắt Trại Cau và mỏ thiếc Đại Từ vượt chuẩn 12mg/kg; hàm lượng sắt trong tất cả các mẫu ở Trại Cau, Phấn Mễ, Hà Thượng đều ở mức cao; hàm lượng kẽm, chì tại một số khu vực cũng vượt chuẩn cho phép

Đáng chú ý,tại nhiều khu vực mỏ ở Trại Cau, Đồng Hỷ và một vài điểm ở Phú Lương, Đại Từ xuất hiện không ít những doanh nghiệp khai thác không phép, không có thiết kế mỏ, khiến tài nguyên bị tổn thất và môi trường bị ô nhiễm nặng nề

Nhận thức được ảnh hưởng xấu của đất bị ô nhiễm do khai thác khoáng sản,

dưới sự định hướng của GS.TS Đặng Văn Minh, tôi lựa chọn đề tài ”Nghiên cứu khả năng cố định một số kim loại nặng của than sinh học (biochar) và tro bay để

xử lý đất ô nhiễm do khai thác khoáng sản” nhằm đưa ra giải pháp công nghệ góp

phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường đất bị ô nhiễm sau khai khoáng

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

3.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu về tính chất của than sinh học và tro bay và thành phần kim loại nặng có trong đất sau khai khoáng Phân tích, đánh giá được những chỉ tiêu trong đất và hàm lượng kim loại nặng trong đất thay đổi như thế nào với các công thức ủ than sinh học và tro bay khác nhau

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu khả năng xử lý đất bị ô nhiễm do bị ô nhiễm kim loại nặng do khai thác khoáng sản bằng các vật liệu rẻ tiền và sẵn có tại các địa phương như than sinh học, tro bay

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

1.1.1 Cơ sở khoa học

Than sinh học (TSH) được sản xuất từ rơm rạ hiện thường được coi là phế phụ phẩm nông nghiệp Các loại TSH đều có đặc điểm chung: Độ xốp cao có khả năng giữ không khí, giữ nước, chất dinh dưỡng, môi trường sống thích hợp cho một số vi khuẩn và sự phát triển của thực vật, đồng thời có khả năng hấp thụ của các KLN

Tro bay là một loại chất thải rắn sinh ra từ quá trình đốt than từ các nhà máy nhiệt điện Mỗi năm, các nhà máy nhiệt điện Việt Nam tiêu thụ gần 14 triệu tấn than

và thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ phế thải Đến năm 2020, lượng tro xỉ thải lên đến 16 triệu tấn/năm Thành phần hóa học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp các ôxit

vô cơ như SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO3, MgO, CaO, K2O Tính hấp phụ của tro bay là một trong những tính chất quan trọng để xử lý đất ô nhiễm KLN

Đá apatit: Apatit có công thức hóa học là: Ca5(PO4)3X (X: Cl, F, OH ), có khả năng cố định các kim loại nặng Dùng apatit để xử lý kim loại nặng trong đất là phương pháp mới đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới với các tên gọi khác nhau như in-situ remediation technicques (Canađa), phot-phát - induce metal stabilization (Mỹ)

1.1.2 Thực tiễn đề tài

Qua khảo sát của các nhà khoa học cho thấy, đất đai một số địa phương trong

cả nước tập trung nhiều mỏ khoáng sản đã và đang khai thác bị ô nhiễm kim loại nặng Ví như tại Thái Nguyên, ở 4 vùng khai thác mỏ đặc trưng (mỏ than Núi Hồng, sắt Trại Cau, chì - kẽm làng Hích, xã Tân Long và thiếc núi Pháo, Hà Thượng), hàm lượng các kim loại như chì (Pb), kẽm (Zn), asen (As), cadami (Cd) trong đất cao gấp nhiều lần mức cho phép Trong đó phải kể đến là khu vực Hà Thượng, huyện Đại Từ, hàm lượng As trong một số mẫu đất cao hơn quy chuẩn cho phép là 1262 và 467 lần, tương ứng Tại huyện Yên Lãng, hàm lượng As trong đất cao hơn quy chuẩn cho phép của Việt Nam là 308 lần,… Tại huyện Đồng Hỷ, hàm lượng Cd, Pb và Zn ở trong đất Làng Hích, xã Tân Long cao hơn ở các điểm thu mẫu khác Đặc biệt, hàm lượng Pb ở trong 03 mẫu là 108,5; 45,1 và 51,3 ppm, đều

vượt Quy chuẩn Việt Nam Hàm lượng Zn trong các điểm mẫu đó cao hơn quy chuẩn cho phép khoảng 45 lần Hàm lượng As và Cd ở 3 điểm lấy mẫu nêu trên cũng cao hơn khi so với đất không ô nhiễm… (Viện Công nghệ môi trường, 2010 Báo cáo tổng hợp kết quả Khoa học công nghệ đề tài KC 08.04/06-10:)

1.2 Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm KLN trong đất do khai thác khoáng sản

1.2.1 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về khả năng hấp phụ KLN trong đất bởi các vật liệu tự nhiên còn hạn chế Các nhà nghiên cứu chủ yếu tập trung vào khả năng loại bỏ KLN trong nước và sử vật liệu hấp phụ bằng thực vật

Đất là một trong những thành phần chủ yếu của môi trường, do đó công tác quản lý đất là hết sức quan trọng và cấp thiết có thể gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng, môi trường đất Các hoạt động đô thị, khai khoáng, nông nghiệp là nguyên nhân gây suy giảm chất lượng đất và các hình thức bảo vệ nguồn tài nguyên đất là yêu cầu khẩn cấp, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng trong đất

Việc khai thác, sản xuất và sử dụng các sản phẩm hóa học (ví dụ như ắc quy, chất thải công nghiệp, cặn bùn,…) gây ô nhiễm kim loại nặng trong đất Bản thân kim loại nặng cũng tồn tại tự nhiên trong đất nhưng hiếm khi tồn tại ở mức độ độc hại

Sự tích lũy kim loại nặng quá mức trong đất gây độc hại cho người dân và những động vật khác Các thói quen thải kim loại nặng bừa bãi (trong thời gian dài) làm thay đổi chuỗi thức ăn Ngộ độc cấp tính từ kim loại nặng hiếm khi do ăn vào hoặc tiếp xúc qua da nhưng cũng hoàn toàn có thể Việc tiếp xúc với kim loại nặng lâu ngày sẽ gây nên các loại bệnh:

- Chì: Gây thần kinh mệt mỏi và rối loạn

- Cd: Ảnh hưởng đến gan, thận và bộ phận GI

- Arsenic: Đầu độc da, thận và hệ nơ ron trung ương

Vấn đề thường gây ra bởi các cation kim loại (những nguyên tố trong đất là

do các cation Pb2+ …) như Hg, Cd, Pb, Niken, Cu, Zn, Cl và Mn Các anion xung quanh thường là (những nguyên tố trong đất kết hợp với oxy và có điện tích âm: MnO42- …) Arsenic, molybdenum, Solenium và Bo (Theo GS Lê Huy Bá, Viện KHCN và QLMT thành phố HCM)

Bên cạnh đó, tro bay và diatomit được biến tính sau đó đưa vào đất ô nhiễm KLN để khảo sát khả năng hấp phụ Pb2+ và Cd2+ của chúng Sử dụng vật liệu điều

chế cho đất ô nhiễm Cd, Pb cho thấy khả năng làm giảm hàm lượng linh động và trao đổi của những nguyên tố này trong đất Hiệu suất hấp phụ Pb, Cd trong đất ô nhiễm Hưng Yên của vật liệu biến tính từ Diatomit Hòa Lộc cao Lượng vật liệu bổ sung càng lớn (1-5%) thì hiệu suất hấp phụ càng tăng, hiệu suất hấp phụ đối với Pb tăng từ 19,30% đến 25,64%, với Cd từ 12,75% đến 39,24% Vật liệu tổng hợp từ tro bay cũng cho hiệu suất hấp phụ cao Lượng vật liệu bổ sung càng lớn (1-5%) thì hiệu suất hấp phụ càng tăng, hiệu suất hấp phụ đối với Pb tăng từ 2,82% đến 27,18%, với Cd từ 15,44% đến 41,05%

Một biện pháp nhằm làm giảm tính độc của KLN trong đất là sử dụng các chất có khả năng cố định KLN linh động Nghiên cứu của Bùi Hải An sử dụng bentonite đã hoạt hóa Na và than bùn Mỹ Đức kết quả thí nghiệm cho thấy khi bổ sung vào đất xám bạc màu trên nền phù sa cổ bị gây ô nhiễm nhân tạo Pb và Cd ở

ba mức, so sánh với mẫu đối chứng, bentonite và than bùn cho hiệu quả cố định cao nhất khi bổ sung 10 tấn/ha Tuy nhiên kết quả chỉ ở dưới 10% Bentonite và than bùn thể hiện khả năng cố định tốt nhất khi mức ô nhiễm Cd và Pb ở mức thấp nhất

1.2.2 Tại nước ngoài

Môi trường bị ô nhiễm do các hoạt động khai khoáng và tuyển quặng đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu Hiện nay, rất nhiều biện pháp đã được sử dụng để xử lý ô nhiễm, giải quyết hậu quả môi trường liên quan đến các hoạt động khai thác tài nguyên không hợp lý Trong đó một số phương pháp đã được ứng dụng thực tế như sử dụng thực vật hấp thụ ((Kibria, Osman, & Ahmed, 2006), ), sử dụng than sinh học có nguồn gốc thực vật để hấp phụ ((Fellet, Marmiroli, & Marchiol, 2014), (Xu et al., 2013), (Yu et al., 2008), (Ahmad, Lee, et al., 2014; Alslaibi, Abustan, Ahmad, & Foul, 2013; Beesley & Marmiroli, 2011; Bian et al., 2013), sử dụng một số vật liệu có diện tích bề mặt lớn như tro bay ((González, Moreno, Navia, & Querol, 2011), khoáng vật đất ((Armandi, Bonelli, Geobaldo, & Garrone, 2010; Biniak, Pakuła, & Szyman, 1999; Biniak, Pakuła, Szymański, & Świa̧Tkowski, 1999; Davis & Bhatnagar, 1995; Inyang, Gao, Zimmerman, Zhang, & Chen, 2014) (Ahmad, Rajapaksha, et al., 2014) đã tổng hợp rất nhiều nghiên cứu về việc sử dụng than sinh học như là vật liệu hấp thụ chất ô nhiêm trong đất và nước

Gần đây, nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm và đầu tư cho các nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý KLN trong nước thải ((Dong, Ma, & Li, 2011), và đất Các nghiên cứu tập trung phát triển các loại vật liệu có khả năng kết tủa hóa học, hấp phụ, trao đổi ion, và màng lọc Xu hướng chung trong kỹ thuật phát triển các loại vật liệu này đều tập trung vào nghiên cứu các thành phần và cấu trúc carbon Các cấu trúc này có thể được xử lý và tăng cường hoạt tính bằng một số phương pháp nhiệt độ, hóa chất xúc tác Năm 2012, Ademiluyi và công sự đã thực hiện nghiên cứu hiệu quả của một số loại than sinh học như tre, vỏ dừa, vỏ hạt cọ để hấp thụ các chất kim loại (Cr2+, Cu2+, Ni2+, Pb2+, Fe2+, Zn2+) Các loại sinh khối này được nhiệt phân ở nhiệt độ 400◦C-500◦C sau đó biến tính hoạt hóa ở 800oC bằng 6 loại chất xúc tác gồm (H2SO4, HCl, ZnCl2, H3PO4, NaOH, và HNO3) Quá trình xử

lý có ảnh hưởng đáng kể các khoảng hổng trong than, làm tăng kích thước vi lỗ, do

đó có ảnh hưởng đáng kể đến sự hấp thu KLN (Ademiluyi & David-West, 2012)

1.2.3 Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng

Ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng rất quan trong bới vì công việc làm sạch đất ô nhiễm rất khó khăn và tốn kém Việc sử dụng chất thảo công nghiệp hay bùn phải tuân theo quy định giới hạn do US Environmental Protection Agency (EPA) đề

ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Quy định mức giới hạn kim loại nặng trong đất

(Adapted from USEPA, 1993)

Kim loại

nặng

Nồng độ lớn nhất (mg/kg hoặc ppm)

Tốc độ ô nhiễm hàng năm Tốc độ ô nhiễm

tích lũy (kg/ha/năm) (lb/A/năm) (kg/ha) (lb/A)

Sự ngăn chặn ô nhiễm kim loại nặng là phương pháp tốt nhất tránh ô nhiễm kim loại cho đất Với bảng trên, sự cân bằng tương đối được dùng để chỉ ra tổng số bùn lớn nhất có thể được dùng

Những kim loại được giới thiệu là sau quá trình ô nhiễm môi trường chúng

sẽ lưu lại trong đất Những kim loại không phân ra như bazo cacbon (hữu cơ) Chỉ loại trừ Hg và Selenium bằng cách biến đổi thành hơi nhờ các vi sinh vật Tuy nhiên rất khó loại bỏ các kim loại này ra khỏi môi trường

Cách xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong đất theo phương pháp truyền thống

có giá trị rất cao với những vùng đất rộng bị ô nhiễm Cách xử lý có thể được làm tại chỗ hay chuyên đến nơi khác để xử lý, cả 2 cách này đều rất tốn kém

1.2.4 Các phương pháp xử lý đất bị ô nhiễm

Hiện nay các rất nhiều phương pháp đang được áp dụng và nghiên cứu như:

- Xử lý bằng nhiệt độ cao (Sản phẩm thủy tinh, các dạng hạt, không có rò rỉ kim loại)

- Những nhân tố hóa rắn (Sản phẩm vật chất giống xi măng)

- Cách thức làm sạch (lọc ô nhiễm ra ngoài)

Và còn một phương pháp rất hiệu quả, đó là xử lý bằng thực vật

1.2.4.1 Xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật

Trong thực tế, công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật đòi hỏi phải đáp ứng một số điều kiện cơ bản như dễ trồng, có khả năng vận chuyển các chất ô nhiễm từ đất lên thân nhanh, chống chịu được với nồng độ các chất ô nhiễm cao và cho sinh khối nhanh [1,3,6] Xử lý KLN trong đất bằng thực vật có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào từng cơ chế loại bỏ các KLN như:

- Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân Các loài thực vật này phải kết hợp được 2 yếu tố là có thể tích luỹ kim loại trong thân và cho sinh khối cao Có rất nhiều loài đáp ứng được điều kiện thứ nhất (bảng 1.2), nhưng không đáp ứng được điều kiện thứ hai

- Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi

sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ Quá trình này làm giảm khả năng linh

động của kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm và làm giảm hàm lượng kim loại khuếch tán vào trong các chuỗi thức ăn

Bảng 1.2 Một số loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại nặng cao [17]

STT Tên loài

Nồng độ kim loại tích luỹ trong thân (µg/g trọng lượng

khô)

Tác giả/năm công bố

Năm 1998, Cục môi trường Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương pháp xử lý KLN trong đất bằng phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng thực vật tại 1.400.000 vị trí bị ô nhiễm ở Tây Âu, kết quả cho thấy chi phí trung bình của phương pháp truyền thống trên 1 hecta đất từ 0,27 đến 1,6 triệu USD, trong khi phương pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn 10 đến 1000 lần [17]

Có ít nhất 400 loài phân bố trong 45 họ thực vật được biết là có khả năng hấp thụ kim loại [33] Các loài này là các loài thực vật thân thảo hoặc thân gỗ, có khả năng tích luỹ và không có biểu hiện về mặt hình thái khi nồng độ kim loại trong thân cao hơn hàng trăm lần so với các loài bình thường khác Các loài thực vật này

thích nghi một cách đặc biệt với các điều kiện môi trường và khả năng tích luỹ hàm lượng kim loại cao có thể góp phần ngăn cản các loài sâu bọ và sự nhiễm nấm [17]

Bảng 1.3 Một số loài thực vật cho sinh khối nhanh có thể sử dụng để xử lý

kim loại nặng trong đất [17]

STT Tên loài Khả năng xử lý Tác giả và năm công bố

etal., 2001

Ngày nay, sự thích nghi của các loài thực vật có khả năng hấp thụ kim loại nặng chưa được làm sáng tỏ bởi có rất nhiều yếu tố phức hợp tác động lẫn nhau Tích luỹ kim loại là một mô hình cụ thể của sự hấp thụ dinh dưỡng khoáng ở thực vật Có 17 nguyên tố được biết là cần thiết cho tất cả các loài thực vật bậc cao (C,

H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo, Cl và Ni) Các nguyên tố đa lượng cần thiết cho các loài thực vật ở nồng độ cao, trong khi các nguyên tố vi lượng chỉ cần đòi hỏi ở nồng độ rất thấp Các loài thực vật được sử dụng để xử lý môi trường bao gồm các loài có khả năng hấp thụ được các kim loại dạng vết cần thiết như Cu, Mn, Zn và Ni hoặc không cần thiết như Cd, Pb, Hg, Se, Al, As với hàm lượng lớn, trong khi đối với các loài thực vật khác ở các nồng độ này là cực kỳ độc hại [17,39,44]

1.3 Tổng quan về than sinh học

1.3.1 Than sinh học (TSH) là gì?

Than sinh học (biochar) là loại than được hình thành khi nhiệt phân các chất hữu cơ ở nhiệt độ khoảng 400 – 500oC trong điều kiện yếm khí TSH có hạt mịn được SX bằng phương pháp nhiệt phân từ nguyên liệu có nguồn gốc sinh khối thực vật (gỗ, thân, cành, lá và phụ phẩm nông nghiệp, rác thải hữu cơ) Nhiệt phân là sự phân hủy hóa học của vật liệu hữu cơ bằng cách đun nóng trong sự vắng mặt của oxy Thuật ngữ biochar trở nên thông dụng trong ngành nông nghiệp để chỉ loại than được tạo ra từ các loại chất thải hữu cơ trong sản xuất nông lâm nghiệp như trấu, rơm rạ, thân cà lá cây, vỏ hạt cà phê, đậu đỗ, cùi bắp, mùn cưa, phoi bào, gỗ vụn… với cấu trúc cacbon xốp tồn tại bền vững và có tác dụng tăng độ phì nhiêu

cho đất đặc biệt với các loại đất nghèo, đất axit (độ pH thấp)

1.3.2 Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH

1.3.2.1 Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH trên thế giới

Một nhóm các nhà khoa học thuộc nhiều tổ chức khác nhau tại Mỹ đã tiến hành một nghiên cứu tính chất của TSH sản xuất từ những nguồn nguyên liệu khác nhau ở những nhiệt độ khác nhau và ảnh hưởng của chúng đến đất cát pha Đứng đầu nhóm nghiên cứu là Nhà khoa học đất – Jeff Novak, công tác tại Trung tâm nghiên cứu đất, nước và thực vật vùng đồng bằng ven biển trực thuộc tổ chức Dịch

vụ nghiên cứu Nông nghiệp (ARS – Agricultural Research Service) ở Florence Trong dự án này, nhóm nghiên cứu của Novak đã sử dụng vỏ lạc, vỏ hồ đào, rơm trộn phân gia cầm, cỏ switch và các phế phẩm từ gỗ cứng để sản xuất 9 loại TSH khác nhau Tất cả các nguyên liệu trên được nhiệt phân ở hai nhiệt độ khác nhau để sản xuất TSH (từ 250oC đến 700oC) Nhiệt phân là một quá trình phân hủy hóa học,

là kết quả của việc làm nóng nhanh các nguyên liệu thô trong môi trường không có oxy Các nhà nghiên cứu cho rằng, TSH nhiệt phân ở nhiệt độ cao hơn thì sinh khối than thu được ít hơn, diện tích bề mặt lớn hơn, pH cao, hàm lượng tro cao và tổng điện tích bề mặt là nhỏ nhất Việc mất đi các hợp chất bay hơi ở nhiệt độ nhiệt phân cao hơn còn làm cho TSH có tỷ lệ phần trăm các bon cao hơn nhưng hàm lượng hidro và oxy lại thấp hơn rất nhiều Phân tích quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân

13C cho thấy rằng sự mất đi cấu trúc béo diễn ra ở nhiệt độ nhiệt phân cao hơn Các loại TSH, nhìn chung, khi nhiệt phân ở nhiệt độ cao làm tăng giá trị pH của đất Khả năng giữ nước của đất thay đổi sau khi bón thêm TSH vào (Jeff Novak, 2009) TSH sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau dưới những điều kiện nhiệt phân khác nhau có ảnh hưởng đến tính chất vật lý, hóa học của đất theo những cách khác nhau Than nhiệt phân ở nhiệt độ thấp thì có pH thấp (Jeff Novak, 2009) do đó thích hợp bón cho loại đất có tính kiềm vì có thể làm giảm giá trị pH của đất Còn than nhiệt phân ở nhiệt độ cao thì có pH cao (Jeff Novak, 2009), thích hợp bón cho loại đất có tính axit như đất đồi núi của vùng trung du, miền núi Như vậy, TSH có thể được sản xuất để cải thiện tính chất vật lý, hóa học của đất một cách có chọn lọc bằng việc thay đổi nguyên liệu và điều kiện nhiệt phân

Phương pháp hiện đại làm biochar từ chất thải thực vật bằng cách nung nóng

ở nhiệt độ siêu cao trong điều kiện thiếu ôxy Một số công ty đang xây dựng thiết bị sản xuất biochar ở nhiều quy mô Một trong những công ty đầu tiên giới thiệu thiết

bị này là công ty Biochar Engineering Corp (BEC) ở Colorado, Mỹ Thiết bị sản xuất TSH có kích thước cỡ container giúp nông dân có thể sản xuất biochar tại chỗ Ngoài biochar, còn có thể sản xuất nhiên liệu lỏng như methanol [19]

TSH thu được nhiều hơn ở nhiệt độ nhiệt phân thấp hơn vì sự cô đặc của các hợp chất béo là nhỏ nhất, các hợp chất CH4, CO, H2 bị mất đi ít hơn Dưới 350oC, hiệu suất đạt được ít nhất là 50% Hiệu suất giảm xuống khoảng 30% khi nhiệt độ nhiệt phân tăng đến 500 – 700oC vì sự mất nước của các nhóm hydroxyl và sự suy thoái cấu trúc ligno-cellulose bởi nhiệt Hiệu xuất thu được carbon (Cbiochar/Cnguyên liệu) ở nhiệt độ nhiệt phân cao hay thấp là như nhau (Jeff Novak và cộng sự, 2009)

Tổng lượng các bon cao trong các cấu trúc thơm giải thích cho sự thiếu hụt tổng điện tích âm bề mặt trong hầu hết các loại TSH sản xuất ở điệu kiện nhiệt độ nhiệt phân cao Các nhóm chức năng mà phổ biến là những điện tích âm này như -

OH hay –COOH cũng bị mất đi cùng với sự mất đi của các vật chất dễ bay hơi (Jeff Novak và cộng sự, 2009) [25]

Tại Anh, trung tâm nghiên cứu về TSH đã thực hiện nhiều nghiên cứu liên ngành về vai trò của than sinh học như một biện pháp lưu giữ các bon và công nghệ

năng lượng bền vững để cung cấp các hiểu biết về tác động nông học, môi trường

và kinh tế - xã hội của than sinh học Hiện nay TSH được sử dụng rộng rãi ở các vườn ươm đã đem lại kết quả cao

Trung tâm nghiên cứu về TSH New Zealand nhằm mục đích thúc đẩy sự hiểu biết của than sinh học cho sự giảm nhẹ biến đổi khí hậu toàn cầu, đặc biệt là các lĩnh vực nông nghiệp và lâm nghiệp

Ở Ấn Độ, sử dụng TSH như là một phần của tập quán truyền thống và văn hóa của người dân với các mục đích khác nhau Than không bao giờ được coi là một vật liệu phế thải Dư lượng cây trồng bị cháy được chuyển đổi thành than củi

và tro Than, một sản phẩm phụ của các bếp lò truyền thống được thêm vào phân trang trại hay phân hữu cơ, luôn luôn là một nguồn có giá trị để cải thiện độ màu

mỡ của đất Bộ lạc Munda sống trong phần Orissa, Jharkhand và bang Tây Bengal,

Ấn Độ, sử dụng than sinh học trong việc tăng năng xuất cây trồng Than sinh học chủ yếu là sản phẩm phụ từ các bếp nấu sinh khối (nhất là bếp ba lò hoặc bếp lò bằng đất sét đơn giản) Họ pha trộn than với phân trang trại bón vào đất đá ong màu

đỏ ít màu mỡ để trồng rau

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều quốc gia tiếp tục nghiên cứu, sản xuất và

sử dụng TSH TSH được thương mại hóa trên thế giới, là một ngành công nghiệp non trẻ nhưng sẽ phát triển nhanh chóng bởi nó là phương tiện đa lợi ích

1.3.2.2 Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của TSH ở Việt Nam

Một số nghiên cứu về TSH cũng đã được tiến hành ở nhiều nơi tại Việt Nam Tuy nhiên, những nghiên cứu chủ yếu tập chung vào các ứng dụng của TSH trong đời sống sản xuất chứ chưa có một nghiên cứu cụ thể nào về đặc điểm tính chất cụ thể của TSH theo nguồn gốc và điều kiện hình thành, sản xuất

 Tro thảo mộc

Có chứa nhiều loại khoáng chất đa vi lượng rất cần thiết cho cây trồng (cacbonat kali, vôi, lân), các nguyên tố vi lượng (sắt, ma giê, bo, mangan, kẽm, lưu huỳnh…), có tính kiềm có thể khử chua đất rất hữu hiệu Theo tính toán của các nhà chuyên môn, 1 tấn tro có thể khử chua tương đương 300kg vôi bột Hàm lượng các chất khoáng có trong tro thảo mộc khá cao: K2O từ 5,9 – 12,4%; P2O5 từ 3,1 – 3,4%; CaO từ 22,1 – 25,2 % Các chất dễ tan trong nước của tro là cacbonat và

sunfat kali tan đến 90%, lân cũng thuộc loại dễ tan Tro rất phù hợp với các loại cây công nghiệp, cây ăn quả, rau màu [10]

 Đất hun khói

Đây là loại phân bón được “sản xuất” tại chỗ bằng cách dùng củi khô, rơm

rạ, cỏ khô có lẫn đất được dẫy ở ven đường, bãi chăn thả trâu bò hoặc khai thác ở những vạt đồi, gò bỏ trống đem hun khói ở nhiệt độ 150 – 200°C trong điều kiện thiếu oxy (tác giả, năm) Đào hố sâu 25 – 30cm, rồi lót cành khô, rơm cỏ khô phía dưới, vun đất lẫn cỏ, rơm rác thành đống to (cao khoảng 50cm, đường kính 50cm) rồi đốt lửa cho bén để cháy âm ỉ trong 4 – 5 giờ như đống rấm chỉ có khói, không cho bốc thành ngọn lửa, để nguội, dùng cào hoặc bừa san bón đều trên mặt ruộng cùng với phân chuồng, phân hữu cơ trong quá trình làm đất [3]

Ở đồng bằng sông Cửu Long, người ta chú ý đến việc sản xuất TSH từ vỏ trấu vì phế phẩm này luôn sẵn có ở đây 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 lò đốt đem ra bón ruộng, nhưng tỉ lệ TSH trong đó thường thấp hơn tro đen Trong loại tro xám này có đến trên dưới 40% tro trắng vốn có hoạt tính rất mạnh và thường có hại cho cây, cho đất Để có TSH vỏ trấu người ta cần đốt trong điều kiện thiếu khí để chúng cháy ngún chứ không cháy ngọn Có rất nhiều cách để đốt than, phổ thông nhất theo kiểu hầm than đắp ngoài bằng vỏ đất sét Khi trấu đã bắt lửa thì lấp miệng lại chỉ chừa mấy ống cho khói thoát ra Nhưng ở đồng bằng sông Cửu Long nổi tiếng với những dòng sông trấu trôi ra từ các nhà máy xay xát tập trung, việc sản xuất TSH nên được thực hiện trên dây chuyền khí hóa để một mặt lấy nhiệt sản xuất điện năng, mặt khác thu hồi TSH thương phẩm để bán trong nước hay đem xuất khẩu Nhu cầu sử dụng TSH vỏ trấu trên ruộng vào khoảng 16 tấn mỗi hecta, tương đương với khoảng tỷ lệ 1,4% trong lớp đất mặt từ 0 đến 0,1 mét Việc rải bón có thể thực hiện nhiều lần, nhiều vụ mà không ngại mật độ quá cao vì TSH có tính trung hòa chứ không có tính axit như tro xám Người ta tính toán kinh tế bằng cách lấy giá trị tăng thêm sản lượng và giảm bớt phân bón trong các năm sau bù vào đầu tư sản xuất hay tiền mua TSH Việc cân đối này luôn có lợi và lợi lớn cho các nông gia [3]

1.3.3 Đặc điểm của TSH

Thông tin về các đặc tính lý hóa học của TSH rất hạn chế (Golchin et al 1997) Tuy nhiên tổng hợp từ nhiều nguồn TSH Glaser et al, (2002) cho thấy lượng TSH thu được là 28,5%, hàm lượng carbon trong TSH là 79,6% và năng suất carbon là 49,9%

Tuy nhiên, tất cả các loại TSH đều có đặc điểm chung:

- Độ xốp cao có khả năng giữ không khí, giữ nước, chất dinh dưỡng, môi trường sống thích hợp cho một số vi khuẩn và sự phát triển của thực vật

- Có các đặc tính hóa lý giúp hấp thụ của các chất và kiểm soát độ ẩm [29]

Các yếu tố chính quyết định chất lượng của TSH là:

- Chất lượng của loại nguyên liệu đầu vào (loại chất hữu cơ) dùng để đốt

- Môi trường đốt (ví dụ nhiệt độ, khí)

- Thiết bị đốt (lò đất, thiết bị đơn giản, hệ thống máy nhiệt phân hiện đại,)

- Chất bổ sung trong quá trình đốt Nguồn hữu cơ cung cấp để đốt than có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng TSH, hàm lượng dinh dưỡng và chất dễ tiêu

Nếu nguyên liệu là những cây gỗ lớn, chắc thì TSH sẽ tốt, nếu nguyên liệu là các loại cành lá nhỏ, cỏ, cây bụi thì chất lượng TSH sẽ thấp hơn với hàm lượng cacbon thấp hơn [29]

1.3.4 Khả năng ứng dụng của TSH

1.3.4.1 Cải tạo đất

Các nghiên cứu đã xác nhận các tác dụng của TSH đối với đất:

- Giảm rửa trôi các chất dinh dưỡng

- Làm giảm độ chua đất: làm tăng độ pH của đất

- Giảm độc tính nhôm, giảm tính di dộng các kim loại nặng khác

- Cung cấp các khoáng cho đất Ca, Mg, P, và K

- Tăng cường khả năng trao đổi

- Tăng cường giữ nước

- Tăng độ xốp, ổn định cấu trúc đất

- Tăng số lượng vi sinh vật đất có lợi, kích thích các hoạt động vi sinh vật Biochar có thể cải thiện hầu như bất kỳ loại đất nào Những khu vực có lượng mưa thấp hoặc các loại đất nghèo dinh dưỡng sẽ được cải thiện nhiều nhất

1.3.4.2 Tăng sinh trưởng, phát triển và năng suất cây trồng

Bón TSH vào đất làm tăng đáng kể tỷ lệ nảy mầm của hạt giống, sự sinh trưởng phát triển và năng suất cây trồng Tỷ lệ nảy mầm có thể tăng 30%, chiều cao cây tăng 24% và sinh khối cũng tăng 13% so với đối chứng (Chidumayo, 1994) Kishimoto and Sugiura (1985) cho thấy nếu bón 0,5 tấn TSH/ha thì chiều cao của cây sugi tăng thêm 1,26 đến 1,35 lần và sản lượng tăng 2,3 đến 2,4 lần Với cây hàng năm năng suất có thể tăng 200% nếu được bón lượng TSH cao Ngoài việc TSH cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết, các axít humic còn chứa các hóc môn có khả năng tăng trưởng cây trồng (Nardi et al, 2000) Tất nhiên để tìm ra lượng TSH tối ưu bón cho cây trồng thì cần phải xác định cho từng loại đất và cây trồng nhất định Một số nghiên cứu gần đây còn cho thấy tác dụng của TSH đối với sinh trưởng và năng suất cây trồng còn cao hơn nếu bón kết hợp với phân khoáng (Lehmann et al, 2002)

1.3.4.3 Giảm phát thải khí nhà kính

Biochar giúp làm sạch không khí bằng hai cách: Ngăn chất thải hữu cơ thối rữa giải phóng khí CO2 vào khí quyển và cho phép cây trồng lưu trữ CO2 mà nó hấp thu từ không khí trong quá trình quang hợp dưới dạng bền vững Và được tăng thông qua tăng trưởng thực vật tăng lên nhờ bón TSH

Theo nhà khoa học James Hansen (Cơ quan hàng không vũ trụ quốc gia (NASA) của Mỹ), nếu cả thế giới sử dụng biochar, lượng khí CO2 phát thải vào khí quyển trong vòng 50 năm tới có thể giảm khoảng 8 phần triệu (ppm) [29]

1.3.4.4 Sự thấm hút của kim loại nặng

Trong than sinh học, người ta đã tìm thấy khả năng thấm hút một loạt các kim loại nặng, bao gồm chì (Pb), asen (As) và Cadimi (Cd) Một loại than sinh học

từ phân bò sữa được sấy ở nhiệt độ ở 350°C có khả năng thấm hút Pb nhiều hơn nhiều lần so với than hoạt tính (Cao et al., 2009) Trong trường hợp này, sự thấm hút bề mặt bởi than sinh học hầu hết (85%) được cho là Pb phản ứng với tro hiện hữu trong than sinh học, và cũng là trực tiếp thấm hút (15%) trên bề mặt của than

sinh học Các tác giả của nghiên cứu này kết luận rằng: tro trong than sinh học phân chuồng chủ yếu chịu trách nhiệm cho việc làm giảm nồng độ Pb trong nước, cũng như một thực tế hiển nhiên là than hoạt tính (rất ít tro) có khả năng thấm hút số lượng Pb nhỏ hơn nhiều so với than sinh học phân chuồng

1.3.5 Sản xuất TSH

1.3.5.1 Nguyên liệu

Nguyên liệu để sản xuất TSH rất phong phú Đó chính là các vật liệu hữu cơ như các phế phụ phẩm nông nghiệp, lâm nghiệp (vỏ trấu, rơm rạ, bã mía, cùi dừa, lõi ngô, mùn cưa…) và các tàn dư thực vật kháccũng như các loại thực phẩm thừa

và chất thải lâm nghiệp hoặc các chất thải của chăn nuôi Nguồn nguyên liệu này rất sẵn có trong đời sống nhất là đối với một nước có nền nông nghiệp chủ đạo như nước ta hiện nay Sau mỗi vụ thu hoạch của bà con nông dân, lượng phế phụ phẩm nông nghiệp còn lại là rất lớn, do đó có thể dễ dàng thu gom được nguồn nguyên liệu này mà không hề tốn nhiều chi phí, lại có thể tận dụng được phần dư lượng thừa, tưởng như bỏ đi với khối lượng lớn từ hoạt động sản xuất nông nghiệp Vì vậy, vấn đề nguyên liệu cho sản xuất TSH luôn có thể linh hoạt thay đổi dễ dàng tùy thuộc vào điều kiện của từng địa phương

1.3.5.2 Phương pháp sản xuất TSH

Sản xuất than sinh học hiện nay có hai phương pháp chính:

- Đốt ủ yếm khí: là phương pháp cổ xưa để sản xuất than sinh học, nguyên liệu cho vào các hố, rãnh, mồi lửa rồi đắp lại [3] Phương pháp này vẫn còn là một tiềm năng để sản xuất than sinh học ở khu vực nông thôn, nó không cho phép thu được dầu sinh học hoặc khí tổng hợp và vẫn phát thải một lượng khí CO2, và các khí nhà kính khác (có khả năng có cả chất độc) vào không khí

- Nhiệt phân: Sản lượng than nhiệt phân thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ Nhiệt độ càng thấp, càng có nhiều than được tạo ra trên một đơn vị sinh khối Nhiệt phân nhiệt độ cao cũng được gọi là khí hóa, và chủ yếu sản xuất khí tổng hợp từ sinh khối, hai phương pháp chính của nhiệt phân nhiệt phân “nhanh” và nhiệt phân

“chậm” Phương pháp nhiệt phân nhanh thu được 60% dầu sinh học, 20% than sinh học, 20% khí tổng hợp, và có thể được thực hiện trong vài giây, trong khi nhiệt

phân chậm có thể được tối ưu hóa để sản xuất than hiệu quả hơn (~ 50%), nhưng cần phải kiểm soát thời gian [29]

Ngoài ra, công nghệ vi sóng gần đây đã được sử dụng có hiệu quả chuyển đổi các chất hữu cơ than sinh học trên quy mô công nghiệp, sản xuất gần 50% than [14]

1.4 Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp

1.4.1 Định nghĩa và nguồn gốc phát sinh của phế phụ phẩm nông nghiệp

Phế phụ phẩm nông nghiệp là chất thải phát sinh trong quá trình hoạt động nông nghiệp (OECD, 1997) [37] Phụ phẩm nông nghiệp đều là những chất hữu cơ,

có thể còn non, xanh; có thể đã xơ cứng vì silic hoá như trấu hay lignin hoá như gỗ Chúng còn có thể được xem như là một dạng tích trữ năng lượng từ mặt trời nhờ quá trình quang tổng hợp và các quá trình sinh học khác trong sản xuất nông nghiệp

Nguồn gốc phát sinh phế phẩm nông nghiệp là quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến nông sản bao gồm: chế biến các loại cây công nghiệp, cây lương thực, cây hoa màu, sản xuất hoa quả, thực phẩm, sinh ra từ hoạt động chăn nuôi…

1.4.2 Hiện trạng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới và trong nước

1.4.2.1 Hiện trạng phế phụ phẩm nông nghiệp trên thế giới

Các chất thải trong nông nghiệp chiếm hơn 30% sản lượng nông nghiệp trên toàn thế giới Theo thống kê, hàng năm có khoảng 5 tỷ tấn sinh khối được tạo ra từ sản xuất nông nghiệp, và khối lượng sinh khối này đã được sử dụng vào các mục đích khác nhau của cuộc sống, ví dụ: làm thức ăn chăn nuôi, lương thực, năng lượng sinh học, chế biên thực phẩm, hoặc làm phân bón, hoặc ứng dụng trong sản xuất công nghiệp (UNEP, 2009) Tuy nhiên, có một lượng không nhỏ sinh khối nông nghiệp đang bị lãng phí và không được quản lý hiệu quả để tái sử dụng vào các mục đích kinh tế khác

Ấn Độ và Trung Quốc là hai quốc gia Châu Á có lượng phế phụ phẩm nông nghiệp lớn nhất, chiếm trên 2/3 tổng lượng phế phụ phẩm nông nghiệp của khu vực

Cụ thể: Ở Ấn Độ, sản xuất nông nghiệp đã tạo ra trên 500 triệu tấn phế phụ phẩm

Sự gia tăng sản lượng lúa và lúa mỳ đã tạo ra một lượng đáng kể phế phụ phẩm cây trồng, trong đó lượng phế phụ phẩm từ lúa, ngô, lúa mỳ và kê chiếm 70% (khoảng

352 triệu tấn) tổng lượng phế phụ phẩm cây trồng (Singh và Sidhu, 2014) [40]

Ở Trung Quốc, lượng phế phụ phẩm từ các cây trồng chính (ngô, lúa mỳ, lúa, kê và cao lương) đạt khoảng 490 triệu tấn, chiếm khoảng 50% tổng lượng phế phụ phẩm cây trồng ở Châu Á (Devendra, 1997)

Bảng 1.4 Số lượng rơm tính theo các loại cây trồng ở Trung Quốc năm 2002

đó chiếm 80% chất thải chăn nuôi và 90% chất thải trồng trọt chưa qua xử lý (Viện Môi trường Nông nghiệp, 2012)

Hình 1.1 Ước tính lượng rơm rạ ngoài đồng ruộng của một số tỉnh

vùng đồng bằng sông Hồng (Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011)

Tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long, sản xuất lúa thải ra khoảng 39,4 triệu tấn/năm rơm rạ phế thải, lượng vỏ trấu thải ra là khoảng hơn 3 triệu tấn/năm, nhưng chỉ khoảng 10% trong số đó được sử dụng Về sau, trấu còn được dùng để làm củi trấu (trấu ép lại thành dạng thanh), nhưng cũng chỉ sử dụng được khoảng 12.000 tấn

vỏ trấu/năm Trong trồng mía thải ra ngọn lá mía phế thải khoảng 2,47 triệu tấn/năm, lượng bã mía sau chế biến đường khoảng 1,42 triệu tấn/ năm và bùn thải sản xuất mía đường khoảng 0,94 triệu tấn/năm Ngoài đồng bằng sông Cửu Long, các khu vực khác như Tây Nguyên cũng có thể cho lượng chất thải sinh khối đạt 0,3-0,5 triệu tấn từ cây cà phê (Phạm Đình Đôn, 2009)

1.4.3 Tổng quan về một số loại phế phẩm nông nghiệp tại Việt Nam

Việt Nam sản xuất ra xấp xỉ 40 triệu tấn sinh khối từ phụ phẩm lúa gạo, bao gồm 32 triệu tấn rơm rạ và 8 triệu tấn trấu Tương ứng với sản lượng lúa, khối lượng này tập trung chủ yếu ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long (chiếm gần 54%), đồng bằng sông Hồng (chiếm 17%) và đến vùng Bắc trung bộ và duyên hải miền Trung (15,4%)

Rơm rạ là nguồn phế thải trong nông nghiệp, bao gồm phần thân và cành lá của cây lúa, sau khi đã tuốt hạt lúa Rơm rạ chiếm khoảng một nửa sản lượng của

cây ngũ cốc, như lúa mạch, lúa mì và lúa gạo Trong trường hợp ở nước ta, thì rơm

rạ chủ yếu phát sinh từ cây lúa nước Đã có lúc rơm rạ được coi là một loại sản phẩm phụ hữu ích thu hoạch được, nhưng do nhu cầu về lương thực mà sản lượng lúa ngày càng gia tăng, cùng với đó là nguồn rơm rạ không thể tận dụng hết, nên rơm rạ đã trở thành một nguồn phế thải khó xử lý trong nông nghiệp

Rơm rạ có mặt ở những cánh đồng lúa chạy dài khắp đất nước nhưng chúng tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) và đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) Tại những vùng này thì rơm rạ được người nông dân chủ yếu dùng lót chuồng cho trâu, bò, một số ít được dùng trầm nấm, phần lớn còn lại là đổ bỏ ngoài đồng Theo số liệu thống kê thì năm 2010 Việt Nam có khoảng 4 triệu ha đất trồng lúa,

sản lượng năm 2010 là 38 triệu tấn lúa Điều này có nghĩa là hàng năm nước ta thải ra

khoảng 51 triệu tấn rơm rạ Nhưng khoảng 50 % được tái sử dụng để trồng nấm, lót chuồng trại, còn lại là đổ bỏ bừa bãi ngoài đồng, gây ô nhiễm môi trường (Lê Xuân Đính, 2008)

Đốt rơm rạ gây ra sự mất mát gần như hoàn toàn N Lượng P mất đi khoảng 25%, K mất đi khoảng 20% và S mất từ 5- 60 % Lượng dinh dưỡng mất mát tuỳ thuộc vào cách thức đốt rơm rạ Ở những vùng mà thu hoạch đã được cơ giới hoá, hầu như tất cả rơm rạ được để lại trên đồng và được đốt nhanh chóng tại chỗ, vì thế

sự mất mát S, P và K là nhỏ Đa số các trường hợp hiện nay rơm rạ được để thành đống ở chỗ tuốt lúa và được đốt sau khi thu hoạch, vì thế tro và khoáng chất không được rải đều trên đồng Các nguyên tố K, Si, Ca, Mg dễ bị rửa trôi từ đống tro Hơn nữa, việc làm như vậy sẽ gây nên sự chuyển dịch dinh dưỡng rất lớn từ ngoại vi vào giữa ruộng và đôi khi là từ những thửa ruộng xung quanh vào ruộng trung tâm, làm cho hiệu quả sử dụng chúng bị giảm đi rất nhiều, vì nơi quá thừa, nơi quá thiếu Cho

dù việc đốt rơm rạ gây ra ô nhiễm không khí và mất mát dinh dưỡng, nhưng cũng có một tác dụng nhỏ là giảm chi phí công lao động phát sinh và giảm mầm sâu bệnh

Hiện nay rơm rạ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống như: Sử dụng rơm rạ làm nấm, là phân hữu cơ, sản xuất dầu sinh học hay đặc biệt còn được dùng để tạo ra điện Các ứng dụng này không những tái sử dụng lại phế phẩm của

cây lúa mà còn tạo thêm thu nhập cho gia đình, góp phần hiệu quả vào việc nâng cao đời sống người dân

Bảng 1.5 Ứng dụng rơm rạ trong nông nghiệp

Phủ đất

Phủ một lớp rơm rạ lên bề mặt đất vừa bảo vệ bề mặt đất khỏi bị xói mòn rửa trôi, giữ ẩm, chống cỏ dại và sương muối vừa từ từ cung cấp mùn cho đất do sản phẩm phân hủy (mục) rơm rạ

tăng độ phì đất Lót ổ cho gia súc, gia cầm Phổ biến trong chăn nuôi gia súc, gia cầm

Chất nền trong trồng trọt Rơm rạ có thể sử dụng trong sản xuất nhiều loại cây

trồng: dưa chuột, cà chua, cây cảnh,

Nuôi giun (Worm farming) Sử dụng làm vật liệu nuôi giun

để trồng cây cảnh

(Nguồn: Lê Tri, 2014)

Vỏ trấu sau khi thu hoạch được hạt thóc, ta xát bỏ lớp vỏ ngoài thu được sản

phẩm chính là gạo và các phụ phẩm là cám và trấu

Bảng 1.6 Thành phần hóa học của vỏ trấu Thành phần SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO K 2 O Na 2 O

Hàm lượng (%) 90,21 0,68 0,74 1,41 0,59 2,38 0,25

(Nguồn: Vanderholm Dale H, 1985)

Trấu là loại vật liệu dễ cháy, có thể sử dụng làm chất đốt Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic oxyt, đây là thành phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực Tuy nhiện hiện nay chúng không được sử dụng hết nên người dân thường đốt bỏ hoặc chất đầy thành đống cao Cá biệt có trường hợp chúng bị thải bỏ ra sông, hồ gây mất mỹ quan và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

1.5 Tổng quan về tro bay

1.5.1 Tro bay là gì?

Tro bay là loại phụ gia khoáng, hoạt tính nhân tạo, là các sản phẩm phụ hoặc phế thải thu được trong các quá trình sản xuất công nghiệp, bao gồm silicafum, tro

xỉ nhiệt điện, xỉ hạt lò cao… [5]

Trong các nhà máy điện hiện đại, tro bay thường được bắt bởi tĩnh điện hoặc các thiết bị lọc hạt khác trước khi khí được thải ra từ các ống khói Cùng với tro đáy lấy ra từ đáy lò hơi, chúng được biết đến như tro than Tùy thuộc vào nguồn và quá trình của than được đốt cháy, các thành phần của tro bay thay đổi đáng kể, nhưng phần lớn trong tro bay là silic đioxit (SiO2) (cả hai đều vô định hình và tinh thể), oxit nhôm (Al2O3) và oxit canxi (CaO), các hợp chất khoáng chính trong chứa than đá

1.5.2 Tổng quan những nghiên cứu về tính chất của Tro bay

Tro bay khi lơ lửng trong khí thải được thu thập bằng cách lọc bụi tĩnh điện hoặc túi lọc Kể từ khi các hạt củng cố nhanh chóng trong khi lơ lửng trong khí thải, hạt tro bay nói chung có dạng hình cầu và có kích thước từ 0,5 mm đến 300

mm Hậu quả chính của việc làm mát nhanh chóng là rất ít khoáng sản có thời gian để kết tinh, và chủ yếu là vô định hình Các khoáng chất ANORTHIT chưa nhiều canxi, gehlenit, akermanite, silicat canxi khác nhau và canxi aluminat giống với những người tìm thấy trong xi măng có thể được xác định trong tro bay giàu Canxi [41] Các hàm lượng thuỷ ngân có thể đạt 1 ppm, [28], nhưng thường được bao gồm trong phạm vi 0,01-1 ppm đối với than bitum Nồng độ của các nguyên

tố vi lượng khác nhau cũng theo các loại than đốt để tạo thành nó Trong thực tế,

trong trường hợp của than bitum, với ngoại lệ đáng chú ý của nguyên tố bo, nồng

độ yếu tố vi lượng nói chung là tương tự để theo dõi nồng độ yếu tố trong đất không bị ô nhiễm [24]

Hai lớp học của tro bay được xác định bởi ASTM (American Society for Testing and Materials) C618: tro bay loại F và loại C Sự khác biệt chính giữa các lớp này là lượng canxi, silic, nhôm, và hàm lượng sắt trong tro Các tính chất hóa học của tro bụi đều bị ảnh hưởng nhiều bởi phần hoá học của than đốt (tức là, than bitum và than non) [15]

Bảng 1.7 Thành phần hóa học của tro bay theo Quốc gia

Thành

phần

Khoảng (% khối lượng)

Châu Âu Mỹ Trung

Bảng 1.8 Thành phần hóa học tro bay ở Ba Lan từ các nguồn nguyên liệu

khác nhau Loại tro

Không phải tất cả bay tro đáp ứng yêu cầu ASTM C618, mặc dù yếu tố tiên quyết là phụ thuộc chủ yếu vào ứng dụng, điều này có thể không thật sự cần thiết Tro được sử dụng như là một vật liệu thay thế xi măng nhưng phải đáp ứng được các tiêu chuẩn xây dựng chặt chẽ, nhưng không có quy định về môi trường tiêu chuẩn đã được thành lập tại Hoa Kỳ 75% tro phải có một độ mịn của 45 mm hoặc

ít hơn, và có một hàm lượng carbon, được đo bởi sự mất mát trên lửa (LOI-loss on ignition), ít hơn 4%

Bảng 1.9 Tiêu chuẩn tro bay theo ASTM C618 Các yêu cầu theo tiêu chuẩn

ASTM C618 Đơn vị Lớn nhất /

Nhỏ nhất Nhóm F Nhóm C Yêu cầu hóa học

- Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM:

+ Tro bay là loại F nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) lớn hơn 70% + Tro bay là loại C nếu tổng hàm lượng (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3) nhỏ hơn 70%

 Tro bay loại F

Trong quá trình đốt khó khăn, than cũ và than bitum thường tạo lớp tro bay loại F Tro bay này là pozzolanic trong tự nhiên, và chứa ít hơn 7% vôi (CaO) Có tính pozzolanic, silica thủy tinh và nhôm của tro bay lớp F đòi hỏi một lượng lớn xi măng, vôi sống, vôi tôi hoặc trộn với nước để phản ứng và sản xuất các hợp chất kết

dính Ngoài ra, thêm một chất hoạt hóa học như natri silicat (thủy tinh nước) sang tro lớp F có dạng geopolymer

Loại F có hàm lượng CaO < 5%, thu được từ việc đốt than antraxit hoặc than chứa bitum, có hàm lượng than chưa cháy nhiều hơn, khoảng 2-10% Tro bay Phả Lại thuộc loại F Do đốt không tốt, nên hàm lượng than chưa cháy khá cao

 Tro bay loại C

Tro bay được sản xuất từ việc đốt than hay than sub-bitum, ngoài việc có tính chất pozzolanic, cũng có một số đặc tính tự gắn xi măng Trong nước, tro bay loại C cứng và mạnh hơn theo thời gian Tro bay loại C thường có chứa hơn 20% vôi (CaO)

Loại C có hàm lượng CaO ≥ 5% và thường bằng 15-35% Đó là sản phẩm đốt than ligrit hoặc than chứa bitum; chứa ít than chưa cháy, thường < 2%

Ít nhất một nhà sản xuất của Mỹ đã công bố một viên gạch tro bay có chứa đến 50% tro bay loại C Thử nghiệm cho thấy những viên gạch đạt hoặc vượt các tiêu chuẩn thực hiện được liệt kê trong ASTM C 216 cho gạch đất sét thông thường

Nó cũng nằm trong giới hạn cho phép đối với co rút gạch bê tông trong ASTM C

55, tiêu chuẩn kỹ thuật đối với xây dựng Gạch bê tông Người ta ước tính rằng các phương pháp sản xuất sử dụng trong gạch tro bay sẽ giảm năng lượng thể hiện của xây dựng nề lên đến 90% [45] Gạch và pavers được dự kiến sẽ có sẵn với số lượng thương mại trước khi kết thúc năm 2009 [21]

1.5.3 Đặc điểm của Tro bay

1.5.3.1 Cấu trúc hình thái của tro bay

Hầu hết các hạt tro bay đều có dạng hình cầu với các kích thước hạt khácnhau, các hạt có kích thước lớn thường ở dạng bọc và có hình dạng rất khác nhau [42] Các hạt tro bay được chia ra làm hai dạng: dạng đặc và dạng rỗng Thông thường, các hạt tro bay hình cầu, rắn được gọi là các hạt đặc và các hạt tro bay hình cầu mà bên trong rỗng có tỷ trọng thấp hơn 1,0 g/cm3 được gọi là các hạt rỗng Một trong các dạng thường thấy ở tro bay thường được tạo nên bởi các hợp chất có dạng tinh thể như thạch anh, mulit và hematit, các hợp chất có dạng thủy tinh như thủy

tinh oxit silic và các oxit khác

Hình 1.2 Sự tương phản về kích thước tro bay

Hình 1.3 Biểu diễn đặc trưng dạng cầu của các hạt trong khoảng kích thước

thường thấy nhiều hơn

Các hạt tro bay đặc có khối lượng riêng trong khoảng 2,0 - 2,5 g/cm3 có thể cải thiện các tính chất khác nhau của vật liệu nền như độ cứng và độ bền xé

Các hạt tro bay rỗng có thể được sử dụng trong tổng hợp vật liệu compozit siêu nhẹ do khối lượng riêng rất nhỏ của chúng, chỉ khoảng 0,4-0,7 g/cm3, trong khi các chất nền kim loại khác có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,6-11,0 g/cm3

Cả hai loại hạt này thường thấy có lớp vỏ không hoàn chỉnh (bị rỗ)

Các hạt bên trong có thể được thấy bởi các quan sát đơn giản Cấu trúc này

bị che lấp bởi lớp vỏ thủy tinh, vì thế nó có thể được quan sát khi được xử lý với dung dịch HF, dung dịch này có thể hòa tan nhanh chóng phần thủytinh và để lộ ra lớp vỏ bên trong

Hình 1.4 Cấu trúc hạt tro bay sau khi tiếp xúc ngắn với dung dịch HF

Hình 1.4 biểu diễn hai hạt tro bay cạnh nhau sau khi tiếp xúc ngắn (1/2 giờ) với dung dịch axit hydrofloric 1%, hai cấu trúc bên trong rất khác nhau đã được lộ

ra Các hạt bên trái là các hạt có từ tính giàu sắt, và vật liệu có cấu trúc tinh thể bên

có dạng hình cây được nghiên cứu bởi nhóm Biggs và Brunsnel Tất cả chúng đều

có hình lập phương và được hy vọng hoàn toàn không có các phản ứng hóa học trong bê tông

1.5.3.2 Phân bố kích thước hạt trong tro bay

Kích thước hạt tro bay là một yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng ứng dụng của nó Mỗi loại tro bay tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, điều kiện đốt và phương pháp thu hồi mà có sự phân bố kích thước hạt trong tro bay khác nhau Tro bay có kích thước hạt nằm trong khoảng 10-350 m, phân đoạn có đường kính hạt nhỏ hơn 45 m chiếm tỷ trọng lớn

Bảng 1.10 Phân bố kích thước hạt các phân đoạn tro bay Israel [31]

Phân đoạn mesh Kích thước (μm) Nguồn nguyên liệu

Nam Phi Colombia

Bảng 1.11 Kích thước hạt tro bay thương phẩm Thông số Đơn vị Plasfill 5 Plasfill 15

1.5.4 Sản lượng tro bay và tình hình sử dụng tro bay trên thế giới

Nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới không ngừng tăng lên theo tốc độ phát triển của nền kinh tế xã hội Các nguồn cung cấp điện năng mới hiện nay đang phát triển nhanh chóng phải kể đến như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều… Tuy có nhiều ưu điểm và được khuyến khích sử dụng nhưng các nguồn cung cấp điện năng này hiện nay mới chỉ đáp ứng được một lượng rất nhỏ nhu cầu điện năng toàn cầu và chỉ tập trung ở một vài nước phát triển Nguồn cung cấp điện năng chủ yếu vẫn dựa trên các nguồn truyền thống và không ngừng phát triển hàng năm Trong đó các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn

Hình 1.5 Biểu đồ sản lượng tro bay và phần trăm sử dụng tro bay

ở Mỹ từ 1966-2012

Mỹ là một trong các quốc gia tiêu thụ điện năng hàng đầu thế giới và cũng

là nước có sản lượng các sản phẩm từ quá trình đốt cháy than đá trong các nhà máy nhiệt điện lớn của thế giới [26] Năm 2007, Mỹ đã tạo ra hơn 125 triệu tấn

các sản phẩm từ than đá bao gồm tro bay, tro đáy lò, xỉ lò… Phần trăm sử dụng tro bay ở Mỹ đã giảm trong những năm 2007 - 2010, nhưng sau đó tỷ lệ sử dụng tro bay lại tăng

Trung Quốc là nước đứng đầu về sản xuất điện năng từ than đá, do vậy lượng tro bay tạo ra từ việc đốt than đá cũng rất lớn Năm 2009, công suất phát điện

và điện năng của các nhà máy nhiệt điện đều tăng khoảng 7-8%

Mặc dù, lượng tiêu thụ than đã được giảm xuống bằng cách nâng cao hiệu quả của máy phát điện, nhưng lượng tro bay tạo ra vẫn duy trì đà tăng [27] Năm

2010, lượng tro bay tạo ra là 480 triệu tấn và với tốc độ tăng trưởng 20 triệu tấn mỗi năm, dự kiến lượng tro bay tạo ra ở Trung Quốc hiện nay đạt trên 500 triệu tấn

Hình 1.6 Biểu đồ lượng tro bay tạo thành, tro bay sử dụng và phần trăm sử dụng

tro bay ở Trung Quốc từ 2001-2008

Ở Ấn Độ, một lượng lớn tro bay tạo ra trong quá trình đốt cháy than của các nhà máy nhiệt điện Lượng tro bay tạo ra hàng năm liên tục tăng từ khoảng 1 triệu tấn vào năm 1947 lên khoảng 40 triệu tấn trong năm 1994 và năm 2012 vào khoảng

131 triệu tấn Kể từ 1996-97 đến 2010-11, lượng tro bay sử dụng vào trong các lĩnh

vực công nghiệp cũng tăng (năm 1996-1997 là 9,63% đến năm 2010-2012 là 56%) Năm 2009-2010 ở Ấn Độ đạt được mức độ sử dụng tro bay cao nhất 63% [32]

Thống kê của các nhà khoa học Hy Lạp cho thấy lượng tro bay sinh ra gần như tỷ lệ tuyến tính với lượng nhiên liệu than đá được sử dụng [30]

Theo ước tính, lượng tro bay thải ra trên toàn cầu vào khoảng trên 700 triệu tấn Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay của một số nước được trình bày trong bảng 1.12 [26-32;35]

Bảng 1.12 Sản lượng và phần trăm sử dụng tro bay ở một số nước

TT Nước sản xuất Sản lượng tro bay hàng năm

Bảng 1.13 Tro bay từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010-2030

TT Năm Công suất, Tiêu thụ than, Lượng tro bay,

MW triệu tấn/năm triệu tấn/năm

Nguồn cung cấp than nhiên liệu trong nước cho các nhà máy điện thường là loại than chất lượng thấp, có độ tro lớn hơn 31÷32%, thậm chí đến 43÷45% Do đó, các nhà máy nhiệt điện thải ra lượng tro bay khá lớn, có thể chiếm tới 20-30% lượng than sử dụng

1.5.5 Khả năng ứng dụng của tro bay trong nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm

Tro bay đã được sử dụng rất thành công trong ngành công nghiệp bê tông trên thế giới hơn 50 năm qua Ở Mỹ có hơn 6 triệu tấn và ở châu Âu là hơn 9 triệu tấn đã được sử dụng trong xi măng và bê tông Có nhiều dự án lớn trong thời gian gần đây sử dụng bê tông tro bay, bao gồm các đập ngăn nước, các nhà máy điện, các công trình ngoài biển, các đường hầm dưới biển, đường cao tốc, sân bay, các tòa nhà thương mại

hay dân cư, cầu, các đường ống dẫn,

Tro bay và diatomit được biến tính sau đó đưa vào đất ô nhiễm kim loại nặng để khảo sát khả năng hấp thụ Pb2+ và Cd2+ của chúng Sử dụng vật liệu điều chế cho đất ô nhiễm Cd, Pb cho thấy khả năng làm giảm hàm lượng linh động và trao đổi của những nguyên tố trong đất Hiệu suất hấp phụ Pb, Cd trong đất ô nhiễm ở Hưng Yên của vật liệu biến tính từ Diatomit Hòa Lộc cao Lượng vật liệu bổ sung càng lớn (1-5%) thì hiệu suất hấp phụ càng tăng, hiệu suất hấp phụ đối với Pb tăng từ 19,30% đến 25,64%, với Cd từ 12,75% đến 39,24% Vật liệu tổng hợp từ tro bay cũng cho hiệu suất hấp phụ cao Lượng vật liệu bổ sung càng lớn (1-5%) thì hiệu suất hấp phụ càng tăng, hiệu suất hấp phụ đối với Pb tăng từ 2,82% đến 27,18%, với Cd từ 15,44% đến 41,05%

1.5.6 Tình hình nghiên cứu xử lý và ứng dụng tro bay ở Việt Nam

Nước ta hiện đang trong quá trình phát triển xây dựng cầu cống, các công trình thuỷ điện, các đê kè Theo khảo sát thì các công ty bê tông cung cấp cho thị trường khoảng 15% là bê tông đúc sẵn, 85% còn lại là do các nhà máy xi măng bán thẳng cho chủ đầu tư xây dựng Tro bay được dùng làm phụ gia bê tông khối lớn cho các công trình đập thuỷ điện áp dụng công nghệ đổ bê tông đầm lăn như nhà máy thuỷ điện Sơn La, Bản Vẽ, Sông Tranh 2,… và một số công trình khác như đập Bái Thượng (Thanh Hoá), đập Tân Giang (Ninh Thuận), đập Lòng Sông (Bình Thuận),… [1] Tác giả Nguyễn Công Thắng và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng siêu cao (BTCLSC) sử dụng hỗn hợp phụ gia khoáng silica và tro