Carbon hóa thủy nhiệt (Hydrothermal carbonization - HTC) là một quá trình hóa học để mô phỏng sự than hóa sinh khối trong tự nhiên. Phản ứng diễn ra trong môi trường nước, tại nhiệt độ và áp suất cao. Sản phẩm rắn thu được từ phản ứng HTC được gọi là than sinh học hay hydrochar (sử dụng hydrochar nhằm phân biệt với các dạng than sinh họcTSH, thu được từ các quá trình khí hóa than hoặc nhiệt phân nguyên liệu sinh khối), đây là sản phẩm khá đa dạng về ứng dụng như: sử dụng làm nhiên liệu đốt, chất mang xúc tác, sử dụng làm chất hấp phụ trong sử lý môi trường, ứng dụng làm vật liệu điện cực,… Với ứng dụng làm nhiên liệu đốt, than sinh học có nhiệt trị cao, hàm lượng lưu huỳnh và clo thấp, dễ bắt cháy, là nguồn nhiên liệu sạch tiềm năng có khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn sinh khối, đây chính là nguồn nguyên liệu cho quá trình HTC.

Trong khi nhu cầu năng lượng của Việt Nam ngày một gia tăng, khả năng cung cấp các nguồn năng lượng nội địa có giới hạn thì việc xem xét khai thác nguồn sinh khối sẵn có là rất cấp thiết, trong đó việc sử dụng công nghệ HTC là một hướng đi mang lại nhiều lợi ích. Tuy nhiên, việc thu hồi sinh khối còn hạn chế và công nghệ HTC sử dụng xúc tác dị thể chưa từng được đề cập.

Việc nghiên cứu thành công công nghệ HTC để chuyển hóa nguồn sinh khối phế thải nông nghiệp có giá trị thấp thành nhiên liệu rắn, và sau đó trong tương lai, sẽ phát triển thành công nghệ để ứng dụng xử lý rác thải rắn chính là một trong những hướng đi phù hợp với mục đích đã được đặt ra cho ngành công nghệ môi trường theo Quyết định số 418/QĐ-TTg ngày 11/4/2012 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt chiến lược phát triển khoa học và công nghệ giai đoạn 2011-2020, Khoản 3, Mục III: “Phát triển công nghệ xử lý nước thải, chất thải rắn, chất thải nguy hại, khí thải với tính năng, giá thành phù hợp với điều kiện của Việt Nam”. 

Trong những năm qua, phòng Thí ngiệm trọng điểm Công nghệ lọc hóa dầu (PTNTĐ) đã có những thành công và kinh nghiệm trong nghiên cứu triển khai quá trình carbon hóa sinh khối (nhiệt phân), quá trình xử lý thủy nhiệt sinh khối cũng như các quá trình thủy nhiệt trong tổng hợp vật liệu. Đặc biệt, trong thời gian gần đây, PTNTĐ Công nghệ lọc, hóa dầu đã có những nghiên cứu sơ bộ chuyển hóa mùn cưa thành carbon nguyên liệu bằng công nghệ HTC sử dụng xúc tác là các oxit kim loại như γ-Al2O3, MnO2, ZrO2. Các kết quả thu được rất khả quan, trong đó, điều kiện thực hiện quá trình HTC khi có xúc tác ít khắc nghiệt chẳng hạn như nhiệt độ và thời gian thủy nhiệt thấp hơn so với không có xúc tác.

Do đó, ý tưởng của chúng tôi là kế thừa các kết quả đã được công bố trên thế giới, phát huy kinh nghiệm sẵn có của PTNTĐ, tiến hành nghiên cứu công nghệ HTC chuyển hóa sinh khối thành nhiên liệu rắn có sử dụng xúc tác một cách có hệ thống, nhằm đẩy nhanh tốc độ của các phản ứng hóa học trong quá trình xử lý, rút ngắn thời gian xử lý dẫn đến tiết kiệm năng lượng và giảm tính phức tạp trong vận hành, không cần bổ sung năng lượng thứ cấp và không phát sinh phế thải ô nhiễm.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Chủ nhiệm đề tài TS. Trần Thị Liên cùng nhóm nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu thực hiện “Nghiên cứu công nghệ xúc tác thủy nhiệt chuyển hóa sinh khối thành carbon nhiên liệu” với mục tiêu thiết lập được công nghệ carbon hóa thủy nhiệt có xúc tác ứng dụng trong chuyển hóa hiệu quả sinh khối thành carbon nhiên liệu, không cần bổ sung năng lượng thứ cấp và không phát sinh phế thải ô nhiễm.

 

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả sau:

Đã tổng hợp thành công các vật liệu xúc tác: Zeolit Y, cao lanh hoạt hóa, γ-Al2O3 và γAl2O3 biến tính lần lượt bởi SnO2, Fe2O3 bằng cách cải tiến các phương pháp điều chế đã được công bố và thực hiện bởi PTNTĐ trước đây. Cụ thể: zeolit Y được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel, cao lanh được hoạt hóa bằng HCl 4N, γ-Al2O3 được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa, γ-Al2O3 được biến tính bởi SnO2, Fe2O3 bằng phương pháp tẩm ướt. Hình thái cấu trúc, thành phần pha và diện tích bề mặt riêng của các vật liệu này lần lượt được đặc trưng bởi các phương pháp SEM, XRD và BET; mặt khác, hoạt tính xúc tác được đánh giá thông qua phản ứng HTC trên nguyên liệu model α-cellulose. Kết quả khảo sát hoạt tính xúc tác sơ bộ cho thấy việc sử dụng các xúc tác mang tính acid giúp cải thiện hàm lượng carbon trong sản phẩm hyrochar và hiệu suất chuyển hóa carbon vào sản phẩm này. Tuy nhiên, tùy thuộc vào mức độ tính acid của mỗi xúc tác mà hiệu quả tác động của chúng là khác nhau.

Đã nghiên cứu, tổng hợp thành công vật liệu xúc tác 10%Fe2O3/γ-Al2O3 dạng viên, sử dụng làm xúc tác cho quá trình HTC chuyển hóa nguyên liệu sinh khối thành hydrochar. Tại điều kiện nhiệt độ 200oC, thời gian phản ứng 3 giờ, tỷ lệ nguyên liệu/nước bằng 1/3 (m/V) và hàm lượng xúc tác/nguyên liệu bằng 10%, quá trình HTC cho phép thu hồi sản phẩm rắn với hiệu suất 44,95%; hàm lượng C trong sản phẩm đạt 69,42% và hiệu suất chuyển hóa C từ nguyên liệu vào sản phẩm đạt 70,72%. Kết quả đặc trưng cho thấy, xúc tác có độ bền hoạt tính tốt, sử dụng được ít nhất 3 thực nghiệm liên tiếp, không bị vỡ, biến dạng sau phản ứng và không phôi lẫn ra thành phần các sản phẩm khác của quá trình HTC.

Đã nghiên cứu và xây dựng thành công mô hình qui hoạch thực nghiệm quá trình carbon hóa thủy nhiệt, sử dụng xúc tác trên nguyên liệu model α-cellulose. Cụ thể như sau:

• Sử dụng phần mềm Modde 5.0 tối ưu hóa mô hình thực nghiệm, thu được các điều kiện phản ứng tối với nguyên liệu cellulose gồm: Hàm lượng xúc tác/nguyên liệu đạt 10%; tỷ lệ nguyên liệu/nước: 1/5 (m/V); nhiệt độ phản ứng 210oC và thời gian phản ứng 5,5 giờ.
• Kiểm tra và hiệu chỉnh tính hợp lý của mô hình qui hoạch thực nghiệm trên nguyên liệu thực (mùn cưa), sử dụng phần mềm Modde 5.0 xác định bộ thông số tối ưu phù hợp với nguyên liệu này gồm: Hàm lượng xúc tác/nguyên liệu đạt 10%; tỷ lệ nguyên liệu/nƣớc: 1/5; nhiệt độ phản ứng 220oC và thời gian phản ứng 5 giờ.
• Đã tiến hành thực nghiệm kiểm tra độ sai lệch của các thông số tối ưu từ phần mềm Modde 5.0. Các kết quả hiệu suất thu hồi sản phẩm rắn và hiệu suất chuyển hóa carbon xác định từ thực nghiệm sai số < 5% so với số liệu tính toán từ phần mềm. Đã nghiên cứu, đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật tới hiệu quả của quá trình HTC, chuyển hóa nguyên liệu mùn cưa thành hydrochar, các kết luận đưa ra phù hợp với điều 142 kiện tối ưu của quá trình xác định thông qua mô hình thực nghiệm và phần mềm Modde 5.0

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21571/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

Đ.T.V (NASTIS)