Tổng quan về tro trấu và khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước của vật liệu chế tạo từ tro trấu
Trấu là phần vỏ ngoài bao quanh hạt lúa và được tách ra dưới dạng phụ phẩm khi xay xát thành gạo. Vỏ trấu có kích thước trung bình dài 8-10 mm, rộng 2-3 mm và dày 0,2 mm với khối lượng riêng khi nén khoảng 122 kg/m3. Vì vậy, cần phải tốn khá nhiều diện tích để chứa chúng. Đối với các cơ sở xay xát gạo tập trung, có công suất lớn thì việc quản lý và xử lý lượng trấu thải ra hàng ngày là một vấn đề khó khăn thường xuyên phải đối mặt. Theo nghiên cứu tổng quan của Chandrasekhar, Satyanarayana, Pramada, Raghavan và Gupta, hầu hết các loại vỏ trấu có thành phần hữu cơ chiếm trên 90% khối lượng. Các hợp chất chính ở dạng cellulose và lignin có cấu trúc xốp. Những hợp chất này khi cháy chứa chủ yếu là SiO2 và các khí CO2, CO thải vào môi trường. Ngoài ra, trấu có giá trị dinh dưỡng rất thấp và mất rất nhiều thời gian để phân hủy nên cũng không thích hợp để sản xuất phân compost.
Một trong các phương pháp xử lý phổ biến nhất hiện nay là đốt trấu để giảm khối lượng và thể tích của nó, đồng thời có thể tận dụng được lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt trấu để phục vụ cho các ngành công nghiệp như nung gạch, sấy nông sản,... Hàm lượng trấu chiếm khoảng 20% hạt lúa và khi đốt trấu tạo thành một lượng tro khoảng 20% khối lượng trấu ban đầu. Như vậy, ước tính khi xay xát mỗi tấn lúa sẽ thải ra 200 kg trấu và khi đốt sẽ còn lại khoảng 40 kg tro (hay than trấu). Tuy nhiên, đây chỉ là số liệu trung bình vì hàm lượng trấu trong lúa và hàm lượng tro trong trấu dao động trong một phạm vi khá lớn, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống lúa, chất lượng đất, phân bón, thời vụ, khí hậu,...
Những năm gần đây, ngành nông nghiệp trồng lúa trên thế giới đã có những phát triển vượt bậc. Việt Nam là một nước có thế mạnh về chuyên canh, chế biến và xuất khẩu lúa gạo. Theo kết quả nghiên cứu gần đây về hiện trạng phát sinh, quản lý, xử lý và nhận thức của các cơ sở sản xuất và cộng đồng đối với vấn đề phát thải tro trấu tại tỉnh An Giang đã cho thấy trung bình mỗi cơ sở phát sinh 862,4 tấn tro trấu/năm với khoảng phân nửa trong số đó được tái sử dụng, 56,3% xử lý bằng cách chôn lấp; 1,6% đến 6,3% xử lý bằng cách đổ bỏ. Hầu hết những người được phỏng vấn biết việc phát thải tro trấu có ảnh hưởng đến chất lượng môi trường, tuy nhiên chỉ có 2% hộ nhận thức được tro trấu có thể tái sử dụng cho các mục đích khác.
Như vậy, có thể thấy việc nghiên cứu tận dụng hiệu quả tro trấu vẫn đang là vấn đề rất cần thiết hiện nay. Báo cáo tổng quan này trình bày tóm lược (i) các ứng dụng của tro trấu từ trước đến nay, (ii) các thành phần, đặc tính của tro trấu và (iii) khả năng hấp phụ của tro trấu cũng như các vật liệu chế tạo từ tro trấu đối với các thành phần ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong xử lý nước và nước thải.
1. Một số ứng dụng của tro trấu
Trên thế giới việc tận dụng tro trấu đã được nghiên cứu từ đầu những năm 1970. Đến nay, tro trấu được ứng dụng rất nhiều vào các lĩnh vực như: công nghiệp sản xuất thép để sản xuất các loại thép tấm chất lượng cao, hay công nghiệp sản xuất các vật liệu bảo ôn. Ngoài ra, do có hàm lượng SiO2 khá cao (ở dạng vi hạt) nên tro trấu còn được dùng trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng như làm chất phụ gia trong các loại xi măng hỗn hợp, gạch chịu lửa, công nghệ bán dẫn,... Bên cạnh đó, các nhà khoa học trên thế giới cũng đang nghiên cứu sử dụng tro trấu để làm chất hấp phụ hay sản xuất oxit silic trong ngành hóa học để ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau.
Trong khi đó ở Việt Nam hiện nay, tro trấu cũng đang được ứng dụng vào một số lĩnh vực nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Trong nông nghiệp, than nhiệt phân từ trấu có khả năng cải tạo đất tốt, vì có cấu trúc xốp nên đối với đất bạc màu chai cứng thì vật liệu này có thể làm đất tơi xốp lại, xét cả về hiệu quả ngắn và dài hạn. Trong ngành xây dựng, tro trấu cũng được dùng làm phụ gia cho vữa xây dựng thay thế cho silicafume (một chất phụ gia của vữa tự chảy dùng trong xây dựng, được nhập khẩu từ một số nước trên thế giới như: Thụy Điển, Australia và châu Phi, vì trong tro trấu với thành phần chủ yếu là silic ở dạng vô định hình có hoạt tính cao làm cho cường độ của vữa tự chảy luôn cao hơn so với vữa dùng silicafume. Bên cạnh đó, tro trấu cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng vào các lĩnh vực như sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng nhẹ,... Tuy nhiên, theo khảo sát thực tế lượng tro trấu được tận dụng ở ĐBSCL nói riêng và ở nước ta nói chung vẫn còn rất ít. Chính vì chưa có nhiều giải pháp xử lý hay tận dụng hiệu quả nên phần lớn lượng tro trấu này đã được thải đổ trực tiếp vào môi trường gây ra một số vấn đề ô nhiễm nhất là cho nguồn nước và các nguồn lợi gắn liền với nguồn nước.
2. Thành phần, đặc tính của tro trấu
Thành phần hóa học của trấu và tro trấu đã được đề cập trong khá nhiều công trình nghiên cứu trước đây. Tro trấu thường bao gồm các thành phần như SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, Na2O, CaO và MgO. Thành phần này thường dao động khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống lúa, điều kiện địa lý, tưới tiêu, phân bón, khí hậu, thỗ nhưỡng, mùa vụ,...
Theo nghiên cứu hiệu suất thu hoạch tro trấu khi đốt trấu ở 8000C là 22%. Trong trấu, carbon là thành phần giữ yếu tố quan trọng (chiếm đến 54,7%). Lượng SiO2 ban đầu trong trấu chiếm khoảng 10,1% sẽ còn lại hoàn toàn trong tro trấu sau khi đốt ở 8000C. Ví dụ khi đốt 100 g trấu thì thu được 22 g tro, trong đó có 10 g là SiO2 (chiếm khoảng 42%), 11 g là carbon (chiếm khoảng 45%), 1 g còn lại là độ ẩm, oxy và các nguyên tố khác.
Khi nung trấu ở nhiệt độ 8000C thì tỷ lệ carbon trong tro trấu thay đổi rất ít so với ban đầu và đây chính là yếu tố quan trọng quyết định cấu trúc và diện tích bề mặt riêng của tro trấu.
Trong nghiên cứu đã công bố trước đây, đặc trưng thành phần hóa học bề mặt và cấu trúc của tro trấu thô và tro trấu sau khi hoạt hóa (bằng axit HF) được xác định thông qua kỹ thuật quang phổ hồng ngoại (FTIR) và phổ nhiễu xạ tia X (XRD).
Kết quả FTIR cho thấy tro trấu sau quá trình hoạt hóa có thành phần hóa học đơn giản gồm các peak dao động của Si-H (520-800 cm-1); Si-O-Si (1080 cm-1); C=C (1600 cm-1); C=O (1730 cm-1); C-H (2930cm-1) và -OH (3400 cm-1). Phổ nhiễu xạ tia X ghi nhận cấu trúc của tro trấu sau khi hoạt hóa ở dạng vô định hình với kích thước hạt rất nhỏ so với tro trấu ban đầu. Thêm vào đó, phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của ARHA có đặc trưng peak ở khoảng 2 theta (2θ) – 250, đây là nhiễu xạ của carbon. Kết quả này rất giống với các kết quả trước đây khi nghiên cứu về than hoạt tính. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn cho thấy bề mặt ARHA có cấu tạo gồ ghề và tồn tại nhiều lỗ xốp có kích thước khá đồng đều như ảnh hiển vi điện tử quét (SEM). Ngoài ra, diện tích bề mặt riêng của ARHA đạt 410 m2/g tăng lên rất cao so với mẫu tro thô chỉ đạt 16 m2/g. Cấu tạo bề mặt của ARHA như vậy được cho là rất hữu ích trong vai trò làm chất mang hoặc chất hấp phụ.
3. Khả năng hấp thu các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước của tro trấu và vật liệu hấp phụ chế tạo từ tro trấu
Từ các công trình nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước có thể thấy rằng tro trấu là vật liệu rất có tiềm năng để hấp phụ nhiều thành phần ô nhiễm khác nhau trong nước và nước thải như các loại thuốc nhuộm, hợp chất phenol, thuốc trừ sâu, các anion vô cơ, hợp chất hữu cơ và các ion kim loại nặng,…
4. Kết luận
Việc tận dụng tro trấu làm nguyên liệu để chế tạo các vật liệu có khả năng hấp phụ đa dạng các thành phần ô nhiễm trong môi trường nước đã được nghiên cứu khá nhiều và đạt được các kết quả rất đáng mong đợi. Tro trấu sau khi xử lý bề mặt có những đặc trưng rất phù hợp để làm chất hấp phụ hữu cơ như các loại thuốc nhuộm, phenol, axit humic,… đồng thời có thể làm chất mang cho các kim loại/oxit kim loại để tăng cường khả năng hấp phụ các thành phần vô cơ trong nước như ion phosphate, fluoride, chloride và nhiều ion kim loại nặng khác nhau,… Tóm lại, các vật liệu chế tạo từ tro trấu có thể được đánh giá là một dạng vật liệu mới, rất có tiềm năng để cạnh tranh với các vật liệu thương mại như than hoạt tính trong lĩnh vực xử lý nước. Do đó, việc tiếp tục nghiên cứu mở rộng, triển khai sản xuất và ứng dụng thực tế các vật liệu chế tạo từ tro trấu là điều cần thiết.
Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp (tập 13, số 2, năm 2024)