Tro than từ phụ phẩm nông nghiệp: Từ gánh nặng môi trường thành giải pháp thu giữ CO2 bền vững

Thành tựu này là kết quả nghiên cứu của nhiệm vụ hợp tác quốc tế về: “Ứng dụng tro thải sau quá trình khí hóa sinh khối làm chất hấp phụ khí CO2” (mã số: QTJP01.02/22-24) do TS. Nguyễn Hồng Nam Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm Chủ nhiệm phía Việt Nam và Học viện Kỹ thuật Kyushu (KIT), Nhật Bản do PGS. TS. Toshiki Tsubota làm Chủ nhiệm phía đối tác.

Việt Nam là quốc gia nông nghiệp, mỗi năm phát sinh khoảng 75 triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp như rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, thân cây sắn… Tuy nhiên, chỉ khoảng 40% trong số này được thu gom và sử dụng, phần lớn còn lại bị đốt bỏ hoặc thải ra môi trường, gây ô nhiễm và lãng phí nguồn tài nguyên quý giá. Những năm trở lại đây, công nghệ khí hóa sinh khối nổi lên như một giải pháp tiềm năng, giúp chuyển hóa phụ phẩm nông nghiệp thành khí tổng hợp có thể dùng phát điện, đốt tạo nhiệt hoặc nâng cấp thành nhiên liệu sạch, phù hợp với quy mô vừa và nhỏ. Dù vậy, quá trình này vẫn tạo ra lượng tro thải lớn, chưa được xử lý hiệu quả, làm tăng chi phí vận hành và tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường.

Chia sẻ về ý nghĩa của nhiệm vụ, TS. Nguyễn Hồng Nam cho biết: “Sau quá trình khí hóa, một lượng tro thải rắn rất lớn vẫn phát sinh do đặc tính của sinh khối và hạn chế của công nghệ hiện tại. Nếu không được xử lý hợp lý, nguồn tro thải này sẽ trở thành gánh nặng môi trường, làm tăng chi phí vận hành và ảnh hưởng đến tính bền vững của công nghệ. Chính vì vậy, nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc biến tro than sau quá trình khí hóa thành vật liệu hấp phụ khí CO₂ giá rẻ, thân thiện với môi trường”.

Trong nghiên cứu này, nhóm đã tiến hành điều chỉnh một loạt các điều kiện khí hóa để vận hành hệ thống quy mô 20 kW điện, vốn chỉ sử dụng gỗ, với 3 loại phụ phẩm nông nghiệp phổ biến ở Việt Nam là bã mía, vỏ hạt mắc ca và rơm. Sau quá trình khí hóa, lượng tro than sinh ra được thu thập và phân tích bằng nhiều thiết bị hiện đại để làm rõ đặc tính hóa lý và cấu trúc vật liệu.

Kết quả cho thấy, tro than vỏ hạt mắc ca và bã mía sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn (lần lượt là 939 m2/g và 749 m2/g), kèm theo mạng lưới các vi mao quản và siêu vi mao quản dày đặc, vốn là những “lỗ nhỏ” lý tưởng để giữ lại khí CO2. Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy, khả năng hấp phụ CO2 của tro than mắc ca đạt tới 2,8 mmol/g và bã mía đạt 2,4 mmol/g, có thể so sánh với nhiều loại than hoạt tính vốn phải qua quy trình hoạt hóa tốn kém. Khi thử trong điều kiện hấp phụ khí thải (40°C, nồng độ CO2 chỉ 15%), tro than mắc ca và bã mía vẫn giữ hiệu suất hấp phụ tốt (1,8 mmol/g và 1,6 mmol/g).

Tro than từ bã mía và vỏ hạt mắc ca còn thể hiện khả năng chọn lọc CO2/N2 cao, một đặc điểm đặc biệt quan trọng khi xử lý khí thải công nghiệp. Sau 30 chu kỳ tái sử dụng và ngay cả khi tiếp xúc với độ ẩm, vật liệu này vẫn giữ được hơn 90% hiệu suất ban đầu.

Chia sẻ về thành tựu của nghiên cứu, TS. Nguyễn Hồng Nam cho biết: “Kết quả nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng tro than thải vào nhiều lĩnh vực, mang lại lợi ích kép về môi trường và kinh tế. Vật liệu sau khi bão hòa CO2 có thể được ứng dụng trong công nghiệp, điển hình là trong quá trình khoáng hóa xi măng. Khi một lượng nhỏ vật liệu mang CO2 được trộn đều vào xi măng tươi, CO2 sẽ được giải hấp dần và phản ứng với Ca(OH)2 trong xi măng, tạo thành CaCO3, từ đó nâng cao độ ổn định, độ đặc chắc và cường độ lâu dài của xi măng. Hiện tại nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản Hàn Quốc đã liên hệ với chúng tôi bày tỏ mong muốn hợp tác theo hướng nghiên cứu này”.

Các nhà khoa học đã được công bố kết quả nghiên cứu trên 2 bài báo quốc tế thuộc danh mục SCI-E, 2 bài trên tạp chí Scopus và 2 bài trên các tạp chí chuyên ngành uy tín trong nước. Ngoài ra, nhóm đã hỗ trợ đào tạo 2 kỹ sư và tạo cơ hội cho 3 sinh viên, học viên sang Nhật Bản học tập, trao đổi cùng các cán bộ nghiên cứu. Những thành công ban đầu đã khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu, đồng thời mở ra triển vọng phát triển tiếp theo. Nhóm sẽ tiếp tục đánh giá hiệu suất và độ bền của vật liệu trong điều kiện ứng dụng lâu dài, đồng thời nghiên cứu các phương pháp biến tính phù hợp để tối ưu hóa khả năng hấp phụ CO2. Kỳ vọng của nhóm là tạo ra giải pháp vừa hiệu quả vừa kinh tế, góp phần khẳng định tính bền vững và thực tiễn của công nghệ.