1- Trấu- chất thải nông nghiệp là vật liệu quý
Ở Việt nam bình quân mỗi năm sản xuất ra hơn 40 triệu tấn thóc, riêng năm 2015 sản lượng lúa gạo của nước ta đạt tới 44,7 triệu tấn. Khối lượng trấu chiếm 20% trong thành phần hạt thóc, vậy mỗi năm có xấp xỉ 9 triệu tấn trấu thải ra môi trường, đây là số lượng chất thải khổng lồ mà nếu không xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường và là một sự lãng phí lớn.
Trong thực tế trấu là một chất thải khó tái chế, nó cũng là vật liệu khó cháy, khó mục nát trong môi trường. Theo truyền thống ở nước ta trấu thường được dùng làm nhiên liệu đốt trực tiếp, thời gian vài năm gần đây trấu được chế biến thành củi tiện lợi hơn trong việc sử dụng, trấu cũng được chế tạo thành các tấm ép phục vụ cho xây dựng và trang trí nội thất. Nhưng số lượng trấu dùng cho các mục đích nêu trên chỉ chiếm một tỷ lệ quá nhỏ so với khối lượng trấu lớn mỗi năm thải ra môi trường. Đã có những dự án dùng trấu để đốt vận hành nhà máy nhiệt điện nhưng tính ra thấy giá trị kinh tế thấp nên không khả thi. Trấu cũng được tính toán ứng dụng cho các lò sinh khối nhưng ở địa bàn đồng bằng sông Cửu Long là vùng công nghiệp chưa phát triển thì sinh khối không tiêu thụ là bao nhiêu nên xem ra cũng kém hiệu quả. Mặt khác chất thải của các quá trình vận hành ở trên là tro trấu thì không dùng vào việc gì cho hết, cũng không thể tinh chế oxit silic (tên khoa hoc-silica) từ tro này được vì hàm lượng oxit silic (SiO2 ) rất thấp, do đó đầu tư công nghệ không hiệu quả.
Theo kết quả phân tích của các nhà khoa học thì trong trấu có chứa một tỷ lệ silica – SiO2 chiếm khoảng 15-17%. Nếu đốt trấu trong điều kiện tự nhiên như các mục đích nêu ở trên thì tro trấu thu được cũng có hàm lượng SiO2 không cao, nếu tinh chế oxit silic từ các loại tro này thu được kết quả rất thấp, không có hiệu quả kinh tế. Vì thế các nhà khoa học thế giới đã sáng chế ra phương pháp nhiệt phân đốt trấu trong các lò đặc biệt ở những nhiệt độ đặc biệt để thu được tro trấu có hàm lượng SiO2 cao lên đến trên 90% phương pháp này vô cùng hiệu quả cho công nghệ điều chế SiO2 để ứng dụng cho nhiều mục đích. Trong bài viết náy sẽ trình bày về giải pháp ứng dụng công nghệ nhiệt phân để sản xuất silica (SiO2) hiệu quả cao. Oxit silic thu được từ trấu thường có dạng vô định hình (hình thức dạng bột), có kích thước dạng hạt nhỏ cỡ vài micron (µm) có độ rỗng giữa các hạt kích thước 0,0045µm vì vậy diện tích riêng tiếp xúc bề mặt rất lớn đạt tới 321 m2/1g. Chính bởi có những đặc tính nêu trên mà silica có hoạt tính rất cao.
2- Silica – nhiều ứng dụng và có giá tri xuất khẩu
Silica hay oxit silic có công thức hóa học- SiO2 có tên gọi khoa học là- Silica, là hợp chất của silic và oxy, trên trái đất này nó tồn tại ở trong cát thạch anh (cát trắng) và trong vỏ trấu, rơm, rạ và một số thực vật khác. Silica được chế tạo từ trấu là vật liệu nano – silica nên hoạt tính của vật liệu rất cao. Do vậy, silica rất thích hợp như vật liệu gốc để chế tạo hàng loạt các vật liệu cao cấp khác. Silica nano được ứng dụng rộng rãi vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau:
Silica nano được ứng dụng rộng rãi vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau:
– Để tinh chế nguyên liệu silic dùng chế tạo pin mặt trời và chất bán dẫn.
– Chế tạo thủy tinh lỏng, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế tạo vật liệu, trong đó có chế tạo kính xây dựng, thủy tinh công nghiệp, …
– Phụ gia cho sản xuất lốp ô tô chất lượng cao,
– Sơn chịu nhiệt, chịu môi trường hóa chất,
– Gạch chịu nhiệt, cách âm, cách nhiệt,
– Làm xà phòng, kem đánh răng, các sản phẩm làm đẹp …
– Làm phụ gia cho công nghiệp thực phẩm, công nghiệp chất dẻo.
– Dùng trong công nghiệp dược phẩm,
– Trong công nghiệp luyện thép, chế tạo xi măng và bê tông.
– Đặc biệt để chế tạo phân bón hữu cơ silic giúp tăng năng suất lúa và các cây trồng khác lên từ 15-30%, giảm thiểu các chất N,P,K và giảm thiểu việc sử dụng thuốc trừ sâu,v .v…
Do có nhiều ứng dụng rộng rãi như vậy nên nhu cầu về silica ngày càng tăng trên thị trường thế giới hiện nay thế giới mỗi năm có nhu cầu 1 triệu 500 ngàn tấn, qua mỗi năm lại tăng thêm. Riêng nước Nga cần 15.000 tấn/năm, đến năm 2020 nhu cầu đến 26.000 tấn/năm. Đặc biệt xu hướng phát triển năng lượng sạch của thế giới càng ngày càng tăng cao thì nhu cầu về năng lượng mặt trời lại càng trở nên bức xúc từ đó càng tăng thêm nhu cầu về silic. Ví dụ: năm 2016 nhu cầu về silic tinh chế tăng hơn năm 2010 là 100.000 tấn, đạt tới 350.000 tấn. Nhu cầu về tăng trưởng của năng lượng mặt trời sẽ còn tăng đột biến trong những năm tiếp theo. Trên thế giới rất nhiều nước không có tài nguyên về cát thạch anh và nông nghiệp lúa nước nhưng nhu cầu phát triển kinh tế, công nghiệp, khoa học công nghệ rất cao nên hầu như phải nhập khẩu 100% oxit silic. Ví dụ tại Nga riêng vùng Viễn Đông là vùng cực phía Đông-Nam của nước này là vùng đất gần với Việt Nam nhất của nước Nga, mỗi năm nhập khẩu 2.500 tấn Silica, đồng thời nhu cầu qua mỗi năm lại tăng thêm. Nước Nga gần như 90% silica phải nhập khẩu từ nước ngoài, mấy năm trước phải nhập từ Brazin, vài năm gần đây nhập từ Ấn Độ và Trung Quốc.
3- Tóm tắt về giải pháp công nghệ
Như đã nói ở phần trên, mục tiêu của công nghệ hướng tới là công nghệ nhiệt phân trấu đặc biệt tạo ra 2 loại sản phẩm:
– Sản phẩm 1: Silica dạng nano hàm lượng cao từ: 98,0-99,99 %.
– Sản phẩm 2: Nhiệt lượng – Dùng để phát điện hoặc cho mục đích khác.
Giải pháp công nghệ độc đáo này do các nhà khoa học Nga sáng chế ra, khác với công nghệ đốt trấu truyền thống là ở công nghệ đốt truyền thống thì tro trấu là chất thải gần như bỏ đi, chỉ sử dụng một phần không đáng kể làm vật liệu xây dựng, phân bón và một số việc khác. Còn trong công nghệ mới này tro trấu được sử dụng là nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất. Phần khí thải được thu hồi thành nhiệt lượng, vì vậy không thải ra môi trường những chất thải độc hại. silica thu được có độ tinh khiết đạt tới trên 90%, có thể đạt tới 99,99% với độ tinh khiết này đạt tiêu chuẩn làm nguyên liệu để chế tạo pin mặt trời và chất bán dẫn chất lượng cao.
Thông thường đốt trấu trong điều kiện không khí tự nhiên chỉ thu được tro trấu có hàm lượng oxit silic thấp. Trong công nghệ này trấu được đốt trong lò nhiệt phân có điều khiển kiểm soát nhiệt độ tăng dần theo lập trình của nhà sản xuất. Trấu nguyên liệu đầu vào có độ ẩm trung bình 10%, có thể cao hơn nhưng không quá 25%. Không cần phải sấy trấu trước khi cho vào lò. Lò có hệ thống điều khiển tự động do người điều khiển máy lập trình trước. Ví dụ có thể điều khiển để lò có tốc độ tăng nhiệt 5o C/phút, 10o C/phút, 15o C/phút, … Cũng có chế độ hãm ở một nhiệt độ nào đó 30 phút hay 60 phút, … Hệ thống lò có thể điều tiết tự động van đóng mở để cho không khí vào nhiều hay ít tùy thuộc vào chế độ theo yêu cầu của công nghệ mà người điều khiển mong muốn. Hệ thống lò tiên tiến này rất tiết kiệm nhiên liệu, an toàn, có hiệu suất cao.
Công nghệ xử lý, tái chế trấu thành nguyên liệu quý silica và nhiệt lượng hữu ích đã được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành dây chuyền sản xuất ổn định có hiệu quả cao tại Liên Bang Nga. Dây chuyền công nghệ này không chỉ xử lý tái chế trấu thành oxit silic mà còn có khả năng chế biến rơm, rạ cũng là chất thải của đồng ruộng thành silica tương tự.
4- Tại sao không nên chế tạo silica từ cát
Theo công nghệ truyền thống oxit silic được chế tạo từ cát thạch anh (cát trắng) ở bãi biển miền Trung nước ta có nhiều. Nhưng công nghệ chế tạo gây ô nhiễm môi trường rất trầm trọng và tốn nhiều nhiên liệu vì phải đốt nóng chảy cát thành chất lỏng để tinh luyện oxit silic. Một nước như Trung Quốc trước đây phát triển công nghệ chế silica từ cát nhưng từ cuối năm 2016 Chính Phủ đã ra lệnh đóng cửa 70% số nhà máy này vì gây ô nhiễm môi trường rất lớn.
Vì vậy không nên chế tạo silica từ cát. Mặt khác từ công nghệ này cho ra sản phẩm với giá thành cao không có tính cạnh tranh so với công nghệ đi từ trấu.
5- Silic – nguyên liệu chế tạo chất bán dẫn
Như đã nói trong mục 2 ở trên silica- oxit silic có vai trò quan trọng là làm nguyên liệu để chế tạo chất bán dẫn, pin mặt trời và nhiều vật liệu khác. Từ silica sẽ tinh chế ra silic là nguyên liệu chính quan trọng để chế tạo chất bán dẫn. Có nhiều loại nguyên liệu để chế pin mặt trời như các nguyên tố đất hiếm, hay một số loại khác, tuy nhiên pin mặt trời silic là loại pin được chế tạo từ silic có tính chất ổn định được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ khai thác năng lượng mặt trời hiện nay. Từ silic có thể chế tạo ra pin tinh thể và pin vô định hình (hay còn gọi là pin màng mỏng hay pin asi). Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học Việt Nam đã hợp tác với Viện Hàn Lâm Khoa Học Nga nghiên cứu phát hiện ra công nghệ chế tạo silic từ trấu rất hiệu quả. Ở nước ta mỗi năm thu hoạch xấp xỉ 45 triệu tấn thóc, thì sẽ thải ra môi trường xấp xỉ 9 triệu tấn trấu. Vì trấu chiếm 20% khối lượng hạt thóc. Trấu đã được dùng làm chất đốt, làm phân bón, làm các tấm thay gỗ trong trang trí nội thất, nhưng giá trị kinh tế không cao, …nhưng cũng chỉ dùng hết một phần không đáng kể, vậy là phần lớn còn lại thải ra môi trường là chất thải gây ô nhiễm môi trường trầm trọng nếu như không được xử lý triệt để.
Triển khai công nghệ này vừa có lợi xử lý được nguồn rác thải trấu mà lại tạo một nguyên liệu quý, có giá trị cao để xuất khẩu và làm nguyên liệu tại chỗ không cần nhập khẩu để chế tạo pin măt trời và các sản phẩm khác.
Việc triển khai công nghệ này tại Việt Nam sẽ là một đóng góp giá trị cho chủ trương của Chính Phủ phát triển đồng bộ công nghiệp trong nông nghiệp, triển khai ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp, nhằm phát huy tiềm năng của nông nghiệp, góp phần hiện đại hóa ngành nông nghiệp phát triển kinh tế nông thôn, giải quyết an sinh xã hội, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do trấu sinh ra.
6 – Đề xuất xây dựng nhà máy đầu tiên tại Việt Nam
Kinh phí đầu tư thiết bị:
– Cho nhà máy công suất silica: 1.000 – 1200 tấn/ năm.
– Chi phí thiết bị và chuyển giao công nghệ:
– Giai đoạn 1- chế tạo silica hàm lượng 86%
– Giai đoạn 2: – đầu tư thiết bị để nâng cao hàm lượng lên 99,99%
– Nhu cầu xây dựng: – Nhà xưởng: 3.000 m²
– Nhân sự: Sản xuất 3 ca /ngày.
-10 người x 3 = 30 người.
– Thời gian thu hồi vốn: dưới 3 năm.
Sơ đồ quy trình công nghệ được trình bày trên hình 1:
1- Băng tải trấu; 2- Cửa nạp trấu; 3- Vít tải trấu; 4- Lưới phân phối không khí; 5- Chất xúc tác; 6- Tro silica; 7- Van điều phối; 8- Ống dẫn nước làm nguội; 9- Vít thải xả tro; 10- Phễu xả thải; 11- Khoang trung chuyển.
7 – Một số thông tin tham chiếu
– Một tấn trấu có thể chế biến được 120-140 kg silica.
– Giá thành sản phẩm silica hàm lượng 86%: 0,3 USD.
– Giá bán silica thị trường thế giới hàm lượng 86%:Từ 0,9 USD- 1,2 USD / 1kg.
– Giá bán silica tại nước Nga loại hàm lượng 98%: 410 rup/ 1kg ≥ 3 USD
– Tiêu thụ sản phẩm silica: 10% trong nước, 90% xuất khẩu sang các nước Nga, Trung Quốc, Nhật Bản, Ucraina, Belarus, …
