“Vàng đen” từ thân cây thanh long

Nhóm các nhà khoa học Việt Nam đã nghiên cứu, biến cành cây thanh long thành than sinh học, để xử lý crom trong nước giúp bảo vệ môi trường... đóng góp cho mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính của ngành nông nghiệp.

Than sinh học là gì?

Than sinh học (biochar) là một sản phẩm được tạo ra trong quá trình nhiệt phân (pyrolysis) các vật liệu hữu cơ trong môi trường yếm khí hoặc nghèo oxy, có khả năng tồn tại bền vững trong môi trường đất và làm tăng lượng cacbon lưu giữ trong đất, giảm cacbon phát thải vào khí quyển, có ảnh hưởng tích cực đến sức sản xuất của đất (Scholz et al., 2014).

Than sinh học còn được mệnh danh là "vàng đen".

Than sinh học nằm trong dải nguyên liệu, bao gồm sinh khối cháy một phần, than củi và muội than (Masiello, 2004).

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)

Đặc tính của than sinh học?

Than sinh học, một loại vật liệu xốp, giúp giữ nước và chất dinh dưỡng trong đất để cây hấp thụ khi lớn lên.

Với đặc tính hấp phụ, biochar có khả năng cố định kim loại nặng, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và hormone; ngăn chặn sự rửa trôi nitrat và vi khuẩn gây hại vào hệ thống sông ngòi; và giảm phát thải N₂O và CH₄ ­từ đất.

Về đặc tính vật lý, biochar có màu đen, độ xốp cao, nhẹ, hạt mịn và có diện tích bề mặt lớn. Nhờ đó, biochar giúp làm tăng hoạt động của vi sinh vật, giữ nước và chất dinh dưỡng trong đất. Do đó, thường cho phép giảm sử dụng phân bón và hóa chất, cải thiện chất lượng đất và giúp tăng năng suất cây trồng.

Tận dụng cành thanh long thải bỏ

Nhóm tác giả gồm: Trần Tuyết Sương, Nguyễn Trung Hiệp - Viện Nghiên cứu Phát triển bền vững; Nguyễn Thị Thu Hảo, Đỗ Hải Sâm, Thái Phương Vũ - Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TPHCM đã nghiên cứu thành công than sinh học từ thân cây thanh long để xử lý crom trong nước thải.

TS Trần Tuyết Sương, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết, ô nhiễm môi trường do nước thải nói chung và nước thải chứa kim loại nặng nói riêng là một vấn đề “nóng” ở Việt Nam trong những năm gần đây. Hiện nay, nước thải từ các ngành công nghiệp như sản xuất sơn và chất nhuộm, mạ kim loại, luyện kim,... có chứa nhiều chất ô nhiễm, điển hình là kim loại nặng như chì, crom, kẽm, đồng, sắt, cadimi…

Các kim loại này không phân hủy sinh học và tồn tại ở sông, hồ, suối gây tích lũy sinh học trong cơ thể sống, dẫn đến nhiều vấn đề sức khỏe ở động vật, thực vật và con người như ung thư, nhiễm axit chuyển hóa, loét miệng, suy thận và tổn thương trong dạ dày.

Crom là kim loại có tính độc cao, đặc trưng của nước thải công nghệ mạ điện. Trong đó, Cr(VI) hấp thu qua dạ dày và ruột nhiều hơn Cr(III) và có thể thẩm thấu qua màng tế bào.

Theo quy chuẩn kỹ thuật Việt Nam về nước thải công nghiệp cột A (QCVN 40:2011/BTNMT) thì nồng độ Cr(VI) trong nước phải thấp hơn 0,05 mg/L. Hàm lượng Cr(VI) dù chỉ một lượng nhỏ có thể làm giảm protein, a-xit nucleic và ức chế hệ thống men cơ bản, đặc biệt gây ung thư ở động vật và con người.

Tại Việt Nam, thanh long được trồng phổ biến ở các tỉnh Nam Trung Bộ và Nam Bộ. Trong quá trình trồng thanh long, người nông dân thường xuyên cắt tỉa cành tán để cây đủ nắng sinh trưởng.

Điều này dẫn đến việc có rất nhiều cành thanh long được thải ra mà chưa có biện pháp xử lý thích hợp gây ô nhiễm môi trường. Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đã hoạt hóa than sinh học thu được từ nhiệt phân cành thanh long bởi axit nitric (HNO3) thành vật liệu hấp phụ Cr(VI) trong nước thải.

Cành thanh long được thu tại xã Thạnh Hòa, huyện Bến Lức, tỉnh Long An để chế tạo than sinh học.

Cành thanh long được rửa sạch và sấy khô. Cây thanh long thuộc họ xương rồng nên dựa vào các nghiên cứu ứng dụng hấp phụ của than sinh học được tạo thành từ nhiệt phân xương rồng, nhiệt phân cành thanh long ở nhiệt độ khoảng 450 độ C trong thời gian 120 phút. Than sinh học thu được sẽ nghiền và rây đến kích thước 0,15 - 0,315 nm rồi chọn điều kiện tối ưu để tiến hành quá trình hoạt hóa.

Than sinh học và tiềm năng ứng dụng 

Than sinh học còn được mệnh danh là “vàng đen” vì những tác dụng quý báu của nó đối với nông nghiệp và môi trường. Với đặc tính như một bể chứa Cacbon tự nhiên, than sinh học giúp cô lập và giữ khí CO2 trong đất và đặc tính xốp giúp đất giữ nước, dưỡng chất và bảo vệ vi khuẩn có lợi cho đất. Khi chôn dưới đất, sau phân hủy sẽ cho ra một loại phân bón hữu cơ, đây là một loại phân bón tốt và thân thiện môi trường. Bên cạnh đó, than sinh học còn có tác dụng khử mùi và khử trùng hoặc có thể sử dụng kết hợp với chế phẩm vi sinh để làm lớp thảm sinh học cho các trại chăn nuôi gia cầm.

TS Trần Tuyết Sương cho biết, quá trình hoạt hóa đã tạo các nhóm chức axit yếu như phenolic, lactonic và cacboxyl trên bề mặt than làm giảm mạnh pH đẳng điện của than sau khi biến tính bằng axit mạnh HNO3.

Các thử nghiệm cho thấy, khi tăng nồng độ Cr(VI) từ10 đến 40 mg/L, thì ở hiệu suất hấp phụ giảm từ 88,9 xuống 56,6%, trong khi đó dung lượng hấp phụ có xu hướng tăng từ 2,2 đến 5,7 mg/g. Kết quả này cho thấy khả năng hấp phụCr(VI) của than sinh học từ cành thanh long phụ thuộc đáng kể vào nồng độ Cr(VI) ban đầu.

Nhìn chung, khi nồng độ Cr(VI) trong dung dịch ban đầu còn thấp, các trung tâm hoạt động trên bề mặt của than sinh học vẫn chưa được lấp đầy bởi Cr(VI) nên hiệu suất hấp phụ của vật liệu cao, càng tăng nồng độ chất bị hấp phụ lên thì hiệu suất hấp phụ của vật liệu sẽ giảm.

Than sinh học sau biến tính có cấu trúc rỗng xốp với nhiều mao quản nhỏ hơn, điều này tạo nhiều thuận lợi cho quá trình hấp phụ, giúp than sinh học có thể giữ được nhiều nhất chất ô nhiễm trong các lỗ rỗng.

Nhóm đã tổng hợp thành công vật liệu than sinh học có khả năng hấp phụ cao với Cr(VI) trong nước bằng phương pháp nhiệt phân cành thanh long. Quá trình hấp phụ Cr(VI) chịu sự ảnh hưởng nhất định của các yếu tố pH dung dịch, thời gian tiếp xúc, khối lượng chất hấp phụ và nồng độ ban đầu của Cr(VI).

Trong điều kiện pH2 với 0,2g than biến tính và nồng độ ban đầu của Cr(VI) là 10 mg/L thì sự hấp phụCr(VI) có thể đạt cân bằng sau khoảng 90 phút tiếp xúc với dung lượng hấp phụ đạt 2,2 mg/g và hiệu suất là 88,9%.

Các kết quả cho thấy than sinh học tạo thành từ phụ phẩm cành thanh long và biến tính bằng dung dịch HNO3 là vật liệu có tiềm năng trong sử dụng loại bỏ ion kim loại nặng Cr(VI) trong nguồn nước ô nhiễm.

Theo đó, than sinh học có đặc tính là cải thiện dinh dưỡng dễ tiêu cho cây trồng; đẩy mạnh quá trình rửa trôi muối, ức chế sự xâm nhập của Na+ cải thiện và phục hồi đất nhiễm mặn, tăng sức chống chịu của cây trồng; tăng giữ nước, giữ dinh dưỡng trong đất. Đồng thời, việc sử dụng TSH trong trồng trọt cho thấy việc bón phân TSH sản xuất từ nguồn phụ phẩm rơm rạ, trấu, lõi bắp, thân, lá, cành các loại cây trồng… có sẵn làm tăng độ phì nhiêu đất, tăng năng suất cây trồng và giảm chi phí đầu tư phân bón, góp phần giảm phát thải nhà kính...

Hiện nay, nguồn nguyên liệu sản xuất than sinh học ở Việt Nam rất phong phú và giá thành rẻ như: Xương động vật, vỏ cua, vỏ ốc hến, tro bếp, xác của các loại động thực vật, các loại cây thủy sinh (tảo, bèo..), vỏ trấu, vỏ cà phê, vỏ đậu phụng, bã mía, vỏ dừa, vỏ ca cao cho đến cây tre, lau sậy, phế thải từ khai thác rừng, cùng rất nhiều các chất thải xanh khác. Tận dụng được nguồn nguyên liệu phong phú, sẵn có, rẻ tiền, đáp ứng được nhu cầu trong nước và tiến tới xuất khẩu sang các nước dựa trên yếu tố cạnh tranh về chi phí.