Sản xuất và tiêu dùng bền vững

Thứ hai, 15/07/2024 | 09:01 GMT+7

Kinh tế tuần hoàn

Sản xuất vật liệu cách nhiệt từ phế phụ phẩm nông nghiệp

17/05/2024

Trong số các nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm, trấu là phế phẩm nông nghiệp tập trung dồi dào nhất ở Việt Nam, với sản lượng ước tính khoảng 8-9 triệu tấn/năm. Các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam cho thấy, nếu trấu được xử lý theo phương pháp phù hợp có rất nhiều ứng dụng, như làm giá thể trong nông nghiệp, than hoạt tính trong xử lý nước, vật liệu cách nhiệt, chất xúc tác, chất độn, phụ gia, phân bón cung cấp Silica.
Ở Việt Nam, gần như toàn bộ các sản phẩm silica vô định hình, ứng dụng trong các ngành xây dựng, công nghiệp, nông nghiệp cũng như các sản phẩm silica cao cấp khác đều phải nhập ngoại.
Trên thế giới cũng đã có rất nhiều công trình nghiên cứu chế biến trấu thành các sản phẩm cao cấp. Tuy nhiên, hầu hết các công trình đều mang tính chất nghiên cứu cơ bản và/hoặc chỉ chú trọng đến yếu tố chất lượng của sản phẩm, chưa quan tâm đến tính kinh tế - kỹ thuật và tính khả thi trong triển khai ứng dụng. 
Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các công nghệ hiệu quả, thân thiện môi trường để xử lý các nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm khác, như vỏ trái cây các loại, xơ dừa, mùn cưa thành sản phẩm có giá trị gia tăng cao chưa được quan tâm đúng mức. Phần lớn các công trình nghiên cứu chủ yếu dừng ở các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, trên một vài đối tượng nguyên liệu không mang tính đại diện cho sản xuất công nghiệp nên ít có tính khả thi khi triển khai công nghiệp.
Việt Nam có sản lượng trấu ước tính khoảng 8-9 triệu tấn/năm.
Từ năm 2013 đến nay, Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Lọc, Hóa dầu (PTNTĐ) đã bắt đầu nghiên cứu công nghệ liên quan đến chuyển hóa trấu, tro trấu cũng như một số loại sinh khối khác, thành các sản phẩm có giá trị gia tăng cao, sử dụng nhiều quá trình khác nhau, trong đó có quá trình nhiệt phân. 
Xuất phát từ những cơ sở khoa học và thực tiễn đó, PTNTĐ đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất giá thể hữu cơ đa dinh dưỡng, vật liệu hấp phụ và vật liệu cách nhiệt từ một số phế phụ phẩm nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm”. Đề tài do ThS Nguyễn Tiến Hoàng làm chủ nhiệm, với mục tiêu xây dựng được công nghệ sản xuất giá thể hữu cơ đa dinh dưỡng, vật liệu hấp phụ và vật liệu cách nhiệt từ một số phế phụ phẩm nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm.
Để đáp ứng các mục tiêu đã đặt ra, PTNTĐ tiến hành thực hiện đồng bộ giữa phương pháp phân tích các tính chất cơ bản của than hoạt tính, giá thể, vật liệu hấp phụ và vật liệu cách nhiệt. Cũng như phương pháp nhiệt phân chế tạo than sinh học, phương pháp nhiệt phân kết hợp hoạt hóa bằng hơi nước chế tạo than hoạt tính và phương pháp tiền xử lý nguyên liệu và nhiệt phân tạo thành vật liệu silica vô định hình. Và phương pháp chế tạo giá thể.
Thiết bị nhiệt phân được sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài 
Thực hiện đề tài, nhóm tiến hành nghiên cứu về tính tương thích, khả năng đáp ứng nhu cầu nguyên liệu sản xuất giá thể hữu cơ đối với một số phế phụ phẩm nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm. Theo đó, nhóm nghiên cứu nhận thấy, hàng năm, ngành chế biến gỗ cho ra khoảng hàng triệu tấn mùn cưa, đây là nguồn nguyên liệu quan trọng cho các ngành chế biến sâu, đặc biệt là sản xuất viên nén gỗ xuất khẩu, khoảng 3 triệu tấn/năm. Đây cũng là nguồn nguyên liệu dồi dào, giá rẻ, nếu tận dụng được để sản xuất các sản phẩm có giá trị tăng cao là việc làm có ý nghĩa khoa học và kinh tế. 
Đối với nguyên liệu bã mía, hiện nay, phần lớn được sử dụng để làm chất đốt trong sản xuất điện, dự báo đến năm 2030, điện năng sản xuất từ bã mía có thể đạt 4,7 triệu MWh. Phần còn lại được sử dụng để ủ làm phân bón ruộng, trồng nấm, làm chất đốt đun nấu. 
Đối với nguyên liệu vỏ trấu, hàng năm nước ta thải loại khoảng 7.9 đến 8.4 triệu tấn trấu. Trong đó, có một phần lớn được sử dụng trực tiếp làm phân bón trong sản xuất cây trồng, giá thể. Một phần nhỏ được sử dụng làm chất đốt, ép thành bánh trấu, củi trấu thay thế một phần cho than và dầu.
Kết hợp với các kết quả phân tích tính chất nhiệt của nguyên liệu, cho thấy việc sử dụng các phế phụ phẩm trong chế biến cây lương thực, đặc biệt là vỏ trấu làm giá thể hữu cơ có tính khả thi cao nhất trong số các loại nguyên liệu được khảo sát.
ThS Nguyễn Tiến Hoàng cho biết: "Sau gần 3 năm năm thực hiện đề tài, nhóm đã nghiên cứu thành công giá thể phục vụ canh tác nông nghiệp sạch chứa than sinh học, vật liệu hấp phụ chứa carbon hoạt tính và sản phẩm cách nhiệt silica vô định hình."
Trong đó, giá thể hữu cơ mà nhóm đề tài nghiên cứu là loại giá thể hữu cơ trên cơ sở của than sinh học nhằm tận dụng được các ưu điểm như khả năng giữ nước, hàm lượng dinh dưỡng cao, cấu trúc xốp, thoáng khí cho rễ cây phát triển… Các nguyên liệu để sản xuất giá thể được lựa chọn bao gồm: đất phù sa (đã qua xử lý bằng cách ngâm nước 7 – 10 ngày), mụn xơ dừa, than sinh học và mùn hữu cơ và vôi. Ngoài ra, dinh dưỡng bổ sung trong nghiên cứu là phân bón NPK 13:13:13-TE 0,5%. Các kết quả thử nghiệm cho thấy khi thay thế đến 20% giá thể cũ, chất lượng giá thể hữu cơ khảo sát vẫn đáp ứng được yêu cầu.
 
Để sản xuất vật liệu hấp phụ chứa carbon hoạt tính, nhóm thực hiện đề tài tiến hành sản xuất than hoạt tính với 2 nguồn đối tượng giàu xenlulose (trấu, mùn cưa) và nghèo xenlulose (hạt bơ). Than sinh học phục vụ chế tạo than hoạt tính từ các nguồn nguyên liệu trấu, mùn cưa và hạt bơ được sản xuất với các điều kiện tối ưu. Theo đó, tốc độ nạp liệu phù hợp để sản xuất than hoạt tính đối với nguyên liệu tro trấu và hạt bơ là 30kg/h, đối với nguyên liệu mùn cưa là 34kg/h. Tốc độ dòng hơi nước hoạt hóa tối ưu được xác định là 300 lít/phút. Tốc độ quạt hút tối ưu được xác định là 800 m3/h.
Ảnh SEM của vật liệu silica sau khi nung
Đối với sản phẩm cách nhiệt silica vô định hình sử dụng vật liệu từ vỏ trấu, nhóm nghiên cứu đã đưa ra được thông số phù hợp để sản xuất vật liệu cách nhiệt từ trấu. Sản phẩm thu được từ quá trình nhiệt phân vỏ trấu trong đề tài đã đáp ứng được yêu cầu làm chất cách nhiệt trong xây dựng với các thông số cụ thể như sau: hàm lượng silica vô định hình đạt trên 98%, hàm lượng cacbon nhỏ hơn 1%, diện tích bề mặt riêng theo BET đạt 180m2/g, khối lượng riêng đổ đống đạt 2,31 g/cm3 và độ dẫn nhiệt đạt 0,016 W/m.K. 
Đánh giá về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của công nghệ, ThS Nguyễn Tiến Hoàng cho biết, công nghệ triển khai trong đề tài có thể xử lý các phế phụ phẩm mà không phát sinh ô nhiễm thứ cấp, khắc phục được các nhược điểm của các quá trình truyền thống. Tạo ra quy trình công nghệ và sản phẩm mẫu có tính mới, hướng tới việc ươm tạo công nghệ để triển khai ứng dụng trong thực tiễn, tạo ra các sản phẩm có giá trị gia tăng, thay thế hàng nhập khẩu, đồng thời giải quyết một cách căn cơ một số nguồn phế thải nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm ở Việt Nam, giảm ô nhiễm môi trường. 
“Do tận dụng được nguồn phụ phẩm của ngành chế biến nông sản rất sẵn có ở Việt Nam. Các phụ phẩm này đang là nguồn thải cần xử lý của các doanh nghiệp chế biến nông sản, đồng thời, nhờ áp dụng công nghệ sản xuất hiệu quả, đồng bộ từ khâu thu gom, sơ chế, bảo quản đến khâu sản xuất ra thành phẩm, tận thu sản phẩm phụ, các sản phẩm của đề tài có chất lượng tốt, giá thành rất cạnh tranh so các sản phẩm trên thị trường”, ThS Nguyễn Tiến Hoàng nhấn mạnh.
Hương Trà