Than sinh học là gì? Các công bố khoa học về Than sinh học

Định nghĩa than sinh học

Than sinh học (biochar) là một vật liệu carbon rắn, được tạo ra từ sinh khối hữu cơ thông qua quá trình nhiệt phân trong điều kiện yếm khí (thiếu hoặc không có oxy). Khác với than hoạt tính dùng trong công nghiệp hoặc dược phẩm, than sinh học chủ yếu được sử dụng để cải thiện đất, giảm phát thải khí nhà kính và xử lý môi trường.

Về mặt cấu trúc, than sinh học có tỷ lệ carbon cố định cao, cấu trúc rỗng với diện tích bề mặt lớn, giúp nó giữ nước và chất dinh dưỡng hiệu quả khi được trộn vào đất. Việc bổ sung than sinh học vào đất không chỉ hỗ trợ cây trồng mà còn góp phần cô lập carbon khỏi khí quyển trong thời gian dài.

Vì được sản xuất từ nguyên liệu hữu cơ tái tạo như phụ phẩm nông nghiệp, rác hữu cơ hay gỗ phế thải, than sinh học được xem là giải pháp kép cho quản lý chất thải và ứng phó biến đổi khí hậu. Nhiều quốc gia đang khuyến khích phát triển công nghệ này như một phần trong chiến lược nông nghiệp bền vững và trung hòa carbon.

Quy trình sản xuất than sinh học

Than sinh học được tạo ra qua quá trình nhiệt phân – tức là đốt nóng vật liệu sinh học ở nhiệt độ cao (thường từ 300°C đến 700°C) trong điều kiện thiếu oxy để ngăn ngừa quá trình cháy hoàn toàn. Các công nghệ sản xuất phổ biến gồm:

• Nhiệt phân chậm (slow pyrolysis): thường dùng trong sản xuất nông nghiệp, tạo ra sản phẩm giàu carbon và ít khí thải.
• Nhiệt phân nhanh (fast pyrolysis): tạo ra nhiều dầu sinh học nhưng ít than, phù hợp với mục tiêu năng lượng.
• Khí hóa (gasification): tạo khí tổng hợp (syngas) là chính, than sinh học là sản phẩm phụ.

Nguyên liệu dùng để sản xuất than sinh học rất đa dạng, từ rơm rạ, vỏ trấu, bã cà phê, phân gia súc, đến gỗ vụn hoặc bùn thải sinh học. Lựa chọn nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần và hiệu suất than sinh học thu được.

Các hệ thống hiện đại có thể kiểm soát nhiệt độ, thời gian lưu và tốc độ gia nhiệt để tạo ra than sinh học có chất lượng ổn định. Bên cạnh đó, quá trình sản xuất còn sinh ra khí dễ cháy và dầu sinh học – những sản phẩm có thể thu hồi để sử dụng làm năng lượng.

Thành phần hóa học và đặc tính vật lý

Thành phần của than sinh học phụ thuộc vào loại nguyên liệu và điều kiện nhiệt phân. Thành phần chủ yếu là carbon cố định (từ 50% đến 90%), tro khoáng, hydrocarbon vòng thơm ngưng tụ và các khoáng chất vi lượng. Carbon trong than sinh học tồn tại ở dạng ổn định, khó phân hủy, nhờ cấu trúc dạng graphitic bán tinh thể.

Về đặc tính vật lý, than sinh học có độ xốp cao, tỷ trọng khối thấp và diện tích bề mặt lớn (có thể lên đến 400 m²/g), giúp nó hấp phụ tốt nước, khí và các chất dinh dưỡng. Độ pH của than sinh học thường là trung tính đến kiềm (pH 7–10), hỗ trợ cải thiện tính axit của đất.

Thuộc tính	Giá trị điển hình
Carbon cố định	50–90%
Độ xốp	Cao (micropore và mesopore)
pH	7–10
Diện tích bề mặt	50–400 m²/g
Tro khoáng	2–20%

Đặc tính hấp phụ cao của than sinh học được lý giải bởi cấu trúc mao quản phát triển và điện tích bề mặt âm. Điều này khiến nó trở thành vật liệu hữu hiệu không chỉ trong cải tạo đất mà còn trong xử lý chất thải và hấp phụ kim loại nặng.

Cơ chế cải tạo đất

Khi được trộn vào đất, than sinh học cải thiện cấu trúc đất nhờ khả năng giữ nước và làm tăng độ thông khí. Cấu trúc rỗng của than giúp ngăn hiện tượng nén chặt đất, đặc biệt hiệu quả trong đất sét hoặc đất có cấu trúc kém.

Về mặt hóa học, than sinh học giúp tăng khả năng trao đổi cation (CEC), cải thiện giữ lại chất dinh dưỡng như kali, canxi, magiê và amoni. Ngoài ra, than sinh học có thể làm tăng độ pH cho các loại đất chua, nhờ đó cải thiện môi trường cho rễ cây và vi sinh vật đất.

• Tăng giữ nước và giảm bốc hơi
• Ổn định cấu trúc đất và giảm xói mòn
• Tăng mật độ và đa dạng hệ vi sinh vật có lợi
• Giảm phát thải khí nitơ (N₂O) từ phân bón

Hiệu quả của than sinh học còn phụ thuộc vào loại đất (cát, sét, phù sa), điều kiện khí hậu và liều lượng sử dụng. Nhiều nghiên cứu thực nghiệm cho thấy năng suất cây trồng tăng lên rõ rệt sau khi bổ sung than sinh học vào đất nghèo dinh dưỡng.

Tiềm năng hấp phụ và xử lý ô nhiễm

Than sinh học có cấu trúc mao quản phức tạp với diện tích bề mặt lớn, thường từ vài chục đến vài trăm mét vuông trên mỗi gram vật liệu, tạo ra khả năng hấp phụ mạnh mẽ đối với nhiều loại chất ô nhiễm trong nước và đất. Các nhóm chức hóa học trên bề mặt như -COOH, -OH và -C=O có khả năng liên kết với ion kim loại và các phân tử hữu cơ độc hại.

Trong xử lý nước thải, than sinh học được sử dụng để hấp phụ kim loại nặng như chì (Pb), cadimi (Cd), đồng (Cu) và arsen (As). Cơ chế hấp phụ có thể là trao đổi ion, hấp phụ vật lý hoặc tạo phức hóa học với bề mặt carbon giàu chức nhóm oxy hóa. Ngoài ra, than sinh học cũng có thể loại bỏ dư lượng thuốc trừ sâu, kháng sinh và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi.

Chất ô nhiễm	Hiệu quả hấp phụ	Ghi chú
Asen (As)	70–95%	Phụ thuộc pH và nguyên liệu than
Chì (Pb)	80–99%	Hấp phụ mạnh trong môi trường trung tính
Thuốc trừ sâu atrazine	60–90%	Bề mặt phải xử lý trước bằng acid hoặc kiềm

Hiệu quả xử lý có thể được tăng cường bằng cách biến tính bề mặt than sinh học như tẩm clo, sắt hoặc nano bạc. Ngoài xử lý nước, than sinh học còn được dùng để khử mùi trong chăn nuôi, hấp phụ khí amoniac và giảm ô nhiễm không khí cục bộ.

Vai trò trong giảm phát thải khí nhà kính

Than sinh học là một công cụ hiệu quả trong chiến lược giảm phát thải khí nhà kính nhờ khả năng lưu giữ carbon ổn định trong đất. Khi nguyên liệu hữu cơ bị phân hủy tự nhiên, chúng giải phóng CO₂ và CH₄ vào khí quyển. Tuy nhiên, nếu được nhiệt phân để tạo than sinh học, một phần lớn carbon sẽ bị "khóa" trong cấu trúc không dễ phân hủy của vật liệu.

$C_{biomass} \rightarrow C_{biochar} + CO_2 + CH_4 + \text{others}$

Lượng carbon được cô lập phụ thuộc vào hiệu suất nhiệt phân và loại sinh khối đầu vào. Ước tính, mỗi tấn than sinh học được đưa vào đất có thể cô lập khoảng 2–3 tấn CO₂ tương đương khỏi khí quyển trong hàng thế kỷ. Ngoài ra, than sinh học còn làm giảm phát thải N₂O từ phân bón và CH₄ từ ruộng lúa.

Theo IPCC 2019, việc sử dụng than sinh học trong nông nghiệp có thể là một trong những chiến lược âm carbon khả thi nhất để đạt mục tiêu trung hòa phát thải toàn cầu.

Ứng dụng trong nông nghiệp bền vững

Than sinh học không chỉ là chất cải tạo đất mà còn là công cụ để nâng cao năng suất cây trồng, đặc biệt trong các vùng đất bạc màu hoặc đất cát nghèo dinh dưỡng. Khi kết hợp với phân hữu cơ, than sinh học giúp tăng cường khả năng giữ lại nitơ và photpho, giảm thất thoát dinh dưỡng qua rửa trôi và bay hơi.

Than sinh học còn tạo môi trường sống lý tưởng cho vi sinh vật đất, giúp tăng cường các hoạt động phân giải hữu cơ và cố định đạm sinh học. Những vi sinh vật có lợi như nấm rễ (mycorrhizae), vi khuẩn cố định đạm (rhizobia) hoạt động mạnh hơn trong môi trường giàu than sinh học.

• Tăng năng suất cây trồng (thí nghiệm cho thấy tăng 10–40%)
• Giảm sử dụng phân bón hóa học
• Ổn định độ ẩm và giảm stress nước trong mùa khô

Các chương trình thử nghiệm tại Kenya, Brazil và Ấn Độ cho thấy hiệu quả rõ rệt khi ứng dụng than sinh học trong canh tác lúa, ngô và đậu nành, đặc biệt trên đất hoang hóa hoặc bị xói mòn. Điều này chứng minh than sinh học là công cụ quan trọng trong nông nghiệp khí hậu thông minh.

Tiêu chuẩn và chứng nhận chất lượng

Để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả khi sử dụng, than sinh học cần đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế. Hai tổ chức lớn nhất hiện nay là IBI (International Biochar Initiative) và EBC (European Biochar Certificate) đã thiết lập các tiêu chí nghiêm ngặt về nguyên liệu, quá trình sản xuất và đặc tính sản phẩm cuối cùng.

Các tiêu chuẩn bao gồm:

• Tỷ lệ carbon cố định tối thiểu
• Hàm lượng kim loại nặng dưới ngưỡng cho phép
• Không chứa hợp chất hữu cơ độc hại (PAHs, dioxins)
• Kiểm tra độ pH, CEC và độ ổn định trong đất

Chứng nhận chất lượng giúp người dùng yên tâm về hiệu quả và tránh các rủi ro môi trường. Đồng thời, đây cũng là điều kiện tiên quyết để thương mại hóa than sinh học trên quy mô lớn và đưa vào các cơ chế tín chỉ carbon quốc tế.

Xem thêm: IBI Certification Standards

Rủi ro và thách thức

Dù có nhiều lợi ích, việc sử dụng than sinh học không đúng cách có thể gây hại. Nguyên liệu bị nhiễm độc (rác thải công nghiệp, gỗ sơn phủ) hoặc quá trình nhiệt phân không kiểm soát có thể tạo ra than chứa PAHs, kim loại nặng hoặc các hợp chất độc khác. Điều này làm giảm chất lượng đất và gây rủi ro sức khỏe.

Hiệu quả của than sinh học còn phụ thuộc vào loại đất, điều kiện khí hậu, liều lượng và phương pháp bón. Trong một số trường hợp, nếu sử dụng quá nhiều hoặc sai mục tiêu, than sinh học có thể làm mất cân bằng dinh dưỡng, giữ lại quá nhiều phân bón hoặc gây kiềm hóa đất quá mức.

Rào cản lớn khác là chi phí sản xuất, thiếu công nghệ phù hợp cho quy mô nhỏ và khó khăn trong việc thiết lập thị trường tiêu thụ ổn định.

Triển vọng nghiên cứu và phát triển

Các nghiên cứu mới đang mở rộng ứng dụng than sinh học ra ngoài lĩnh vực nông nghiệp. Một số hướng phát triển bao gồm sản xuất vật liệu tổ hợp, xúc tác sinh học, lưu trữ năng lượng (electrodes cho pin siêu tụ) và hỗ trợ phản ứng trong xử lý nước thải công nghiệp.

Than sinh học cũng là thành phần quan trọng trong công nghệ BECCS (bioenergy with carbon capture and storage), nơi nhiệt phân sinh khối không chỉ tạo năng lượng mà còn cô lập carbon dạng rắn. BECCS đang được đánh giá là chiến lược carbon âm mạnh mẽ, được đề cập trong nhiều kịch bản của IPCC để giữ mức tăng nhiệt toàn cầu dưới 1.5°C.

Với sự hỗ trợ từ các chính sách khí hậu, thị trường tín chỉ carbon và nhu cầu cải tạo đất, than sinh học hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển như một giải pháp bền vững trong nhiều lĩnh vực.