TÓM TẮT:
Lá mía, một phụ phẩm nông nghiệp phổ biến trong ngành mía đường, hiện đang được quan tâm như một nguồn nguyên liệu sinh khối tiềm năng cho sản xuất năng lượng tái tạo. Nghiên cứu này nhằm xác định các đặc điểm nhiệt hóa học và hành vi phân hủy nhiệt của lá mía thông qua các phân tích như nhiệt trọng (TGA), phổ hồng ngoại (FTIR) và phân tích nguyên tố. Kết quả cho thấy lá mía có hàm lượng carbon cao, hàm lượng tro thấp và khả năng sinh nhiệt đáng kể, phù hợp cho các quá trình chuyển hóa nhiệt như đốt, nhiệt phân và khí hóa. Quá trình phân hủy nhiệt của lá mía diễn ra theo 3 giai đoạn chính, với nhiệt độ phân hủy mạnh nhất ở khoảng 300-350°C. Những đặc điểm này cho thấy lá mía là nguồn nguyên liệu sinh khối có giá trị và có thể được tận dụng hiệu quả trong các công nghệ năng lượng sinh học.
Từ khóa: lá mía, nhiệt hóa học, phân hủy nhiệt, sinh khối, TGA, năng lượng tái tạo.
1. Đặt vấn đề
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu cấp thiết về chuyển đổi năng lượng theo hướng bền vững, việc khai thác các phụ phẩm nông nghiệp như nguồn nguyên liệu tái tạo đang trở thành xu hướng tất yếu. Lá mía - phần phế phẩm chiếm tỷ lệ lớn trong quá trình canh tác và thu hoạch mía - thường bị đốt bỏ hoặc xử lý không hiệu quả, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, với đặc tính chứa nhiều hợp chất hữu cơ có khả năng sinh năng lượng, lá mía đang thu hút sự chú ý như một dạng sinh khối tiềm năng. Việc nghiên cứu đặc điểm nhiệt hóa học và hành vi phân hủy nhiệt của lá mía là cần thiết để đánh giá tiềm năng ứng dụng trong các công nghệ chuyển hóa nhiệt như nhiệt phân, khí hóa và đốt sinh học. Vì vậy, bài viết này tập trung phân tích các tính chất cơ bản của lá mía thông qua các phương pháp phân tích nhiệt và hóa học, từ đó đề xuất hướng sử dụng bền vững phụ phẩm này trong lĩnh vực năng lượng sinh học.
2. Tính chất nhiệt hóa của và hành vi phân nhiệt của lá mía
Tính chất nhiệt hóa
Lá mía là một trong những phụ phẩm sinh khối có giá trị cao về mặt năng lượng nhờ hàm lượng lignocellulose dồi dào. Việc nghiên cứu đặc điểm nhiệt hóa của lá mía có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn và tối ưu hóa công nghệ chuyển hóa năng lượng phù hợp như nhiệt phân, khí hóa hay đốt trực tiếp. Đặc tính nhiệt của lá mía được xác định thông qua các chỉ tiêu như giá trị nhiệt trị (calorific value), thành phần nguyên tố (elemental composition), phân tích nhiệt trọng (TGA/DTG) và hành vi phân hủy nhiệt theo từng giai đoạn nhiệt độ.
Về thành phần nguyên tố, lá mía chủ yếu bao gồm carbon (C), hydro (H), oxy (O), với tỷ lệ trung bình khoảng 45-50% C, 5-6% H và 40-45% O, cùng một lượng nhỏ nitrogen và tro (ash). Tỷ lệ carbon cao cho thấy tiềm năng sinh nhiệt lớn khi đốt cháy, trong khi lượng tro thấp giúp hạn chế sự hình thành xỉ và tắc nghẽn trong thiết bị nhiệt. Độ ẩm ban đầu của lá mía thường dao động từ 10-20% tùy điều kiện thu gom và bảo quản, cần được xử lý sấy trước khi đưa vào chuyển hóa nhiệt để tăng hiệu suất.
Giá trị nhiệt trị thấp (Lower Heating Value - LHV) của lá mía được xác định vào khoảng 15-17 MJ/kg, tương đương với các loại sinh khối khác như rơm lúa hoặc vỏ cà phê. Đây là mức nhiệt trị đủ cao để ứng dụng trong sản xuất nhiệt và điện năng. Giá trị nhiệt trị cao (Higher Heating Value - HHV) có thể lên tới 18-19 MJ/kg khi lá mía được làm khô hoàn toàn và ép viên, cho thấy tiềm năng sử dụng như một nhiên liệu sinh khối bền vững.
Phân tích nhiệt trọng (TGA) và đạo hàm nhiệt trọng (DTG) cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình phân hủy nhiệt của lá mía. Kết quả từ các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy quá trình nhiệt phân của lá mía diễn ra theo ba giai đoạn chính. Giai đoạn đầu (từ 50-150°C) là sự mất nước vật lý và bốc hơi ẩm. Giai đoạn thứ hai (200-400°C) là quá trình phân hủy nhanh các cấu trúc polysaccharide như hemicellulose (bắt đầu khoảng 220-280°C) và cellulose (khoảng 300-350°C). Đây là giai đoạn giải phóng năng lượng mạnh nhất, với sự hình thành của khí dễ cháy như CO, CO₂, CH₄ và một phần dầu sinh học. Giai đoạn cuối (trên 450°C) là sự phân hủy lignin - cấu trúc bền vững nhất - diễn ra chậm và kéo dài đến khoảng 600°C, đồng thời tạo ra lượng lớn than sinh học (biochar).
Hành vi phân hủy nhiệt này cho thấy lá mía phù hợp với cả quá trình nhiệt phân nhanh (fast pyrolysis) để thu dầu sinh học và nhiệt phân chậm (slow pyrolysis) để sản xuất than sinh học có giá trị sử dụng cao. Khí hóa lá mía ở nhiệt độ cao hơn (800-1000°C) có thể thu hồi khí tổng hợp giàu năng lượng (syngas) phục vụ phát điện. Ngoài ra, đốt trực tiếp lá mía cũng là một lựa chọn khả thi trong các lò hơi công nghiệp nếu được xử lý và phối trộn hợp lý với các loại sinh khối khác để tối ưu hóa nhiệt trị và kiểm soát phát thải.
Một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính nhiệt hóa của lá mía bao gồm độ ẩm, kích thước hạt, tốc độ gia nhiệt và điều kiện oxy hóa. Lá mía khô, được nghiền mịn, khi xử lý ở tốc độ gia nhiệt thích hợp (10-30°C/phút) cho hiệu suất nhiệt phân cao hơn và sản phẩm đầu ra ổn định hơn. Hơn nữa, khi phối trộn lá mía với các phụ phẩm nông nghiệp giàu đạm hoặc chất xúc tác khoáng (như CaO, Fe₂O₃), có thể cải thiện chất lượng khí sinh học, giảm lượng khí độc hại (NOₓ, SO₂) trong quá trình đốt.
Tóm lại, các đặc tính nhiệt hóa của lá mía phản ánh khả năng ứng dụng rộng rãi trong các công nghệ năng lượng sinh học, đồng thời đóng vai trò nền tảng cho việc thiết kế các hệ thống chuyển hóa hiệu quả, tiết kiệm và thân thiện với môi trường.
Hành vi phân hủy nhiệt của lá mía
Trong quá trình chuyển hóa sinh khối thành năng lượng, hiểu rõ đặc tính phân hủy nhiệt của nguyên liệu là một yêu cầu thiết yếu. Đối với lá mía - một dạng phế phụ phẩm nông nghiệp giàu lignocellulose - hành vi phân hủy nhiệt phản ánh rõ mối liên hệ giữa cấu trúc hóa học và khả năng biến đổi năng lượng. Phân tích nhiệt trọng (TGA - Thermogravimetric Analysis) là phương pháp được sử dụng phổ biến nhằm theo dõi sự thay đổi khối lượng của vật liệu khi gia nhiệt trong môi trường khí trơ như nitơ. Dữ liệu TGA và đạo hàm nhiệt trọng (DTG) cung cấp thông tin chi tiết về các giai đoạn phân hủy khác nhau, giúp định hướng các công nghệ xử lý phù hợp như nhiệt phân, khí hóa hoặc đốt trực tiếp.
Phản ứng phân hủy nhiệt của lá mía diễn ra theo 3 giai đoạn rõ rệt. Giai đoạn đầu tiên, từ khoảng 30°C đến 120°C, liên quan chủ yếu đến sự bay hơi của nước tự do và một phần nhỏ nước liên kết trong cấu trúc nội tại của lá. Mặc dù không tạo ra sản phẩm năng lượng, việc loại bỏ nước trong giai đoạn này là cần thiết nhằm tăng hiệu suất trong các bước chuyển hóa kế tiếp. Khối lượng mất đi ở giai đoạn này thường chiếm khoảng 5-10% tổng lượng mẫu ban đầu.
Tiếp theo là giai đoạn nhiệt phân chính, diễn ra mạnh mẽ trong khoảng từ 200°C đến 380°C. Đây là thời điểm các hợp phần như hemicellulose và cellulose bị phá vỡ, giải phóng khí dễ cháy, nhựa sinh học và một lượng lớn vật liệu bay hơi. Hemicellulose, với cấu trúc vô định hình và ít ổn định, bắt đầu phân hủy sớm hơn - khoảng từ 200 đến 280°C. Trong khi đó, cellulose có cấu trúc tinh thể cao hơn và bền nhiệt hơn, thường phân rã mạnh ở nhiệt độ từ 300°C đến 360°C. Giai đoạn này chiếm phần lớn quá trình mất khối lượng, có thể lên tới 60-70% tùy thuộc vào điều kiện thực nghiệm.
Giai đoạn cuối cùng, từ khoảng 380°C trở lên, là giai đoạn phân hủy chậm, xảy ra chủ yếu đối với lignin và phần carbon cố định còn lại. Lignin - một hợp chất có cấu trúc polymer phức tạp và bền nhiệt - phân hủy từ từ trên một dải nhiệt độ rộng và tạo ra biochar (than sinh học). Tỷ lệ biochar thu được từ lá mía sau nhiệt phân có thể đạt 20-25%, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng nông nghiệp và môi trường như cải tạo đất, xử lý kim loại nặng hoặc hấp phụ khí độc.
Các yếu tố kỹ thuật như tốc độ gia nhiệt, cỡ hạt, độ ẩm nguyên liệu và môi trường khí có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình phân hủy. Nếu tốc độ gia nhiệt tăng nhanh, nhiệt độ mà tại đó các phản ứng xảy ra cũng sẽ bị đẩy lên cao hơn do vật liệu chưa kịp phản ứng đồng bộ. Trong môi trường khí trơ (ví dụ nitơ), quá trình chuyển hóa chủ yếu tập trung vào thu hồi khí tổng hợp và sản phẩm trung gian như bio-oil và biochar. Ngược lại, nếu thực hiện trong môi trường giàu oxy, phản ứng oxy hóa sẽ chiếm ưu thế, làm tăng hiệu quả sinh nhiệt nhưng lại hạn chế khả năng thu hồi các sản phẩm có giá trị sử dụng thứ cấp.
Những đặc tính phân hủy nhiệt này cho thấy lá mía là nguyên liệu có tiềm năng sử dụng linh hoạt trong các công nghệ năng lượng nhiệt. Tùy vào mục tiêu cụ thể - tối ưu hóa sản lượng nhiệt, thu hồi biochar hay sản xuất khí tổng hợp - có thể điều chỉnh điều kiện vận hành để đạt hiệu quả tối ưu. Điều này không chỉ góp phần nâng cao giá trị kinh tế của phụ phẩm nông nghiệp mà còn hỗ trợ mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính thông qua việc sử dụng nguyên liệu sinh khối thay thế nhiên liệu hóa thạch.
Tóm lại, hành vi phân hủy nhiệt của lá mía phản ánh một quá trình phức tạp nhưng dễ kiểm soát, phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất năng lượng từ sinh khối. Sự hiểu biết về các giai đoạn phân hủy, đặc điểm cấu trúc và yếu tố ảnh hưởng sẽ là cơ sở quan trọng để khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên giàu tiềm năng này trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
3. Ứng dụng thực tiễn và định hướng khai thác lá mía trong năng lượng sinh học
Trên thế giới, nhiều quốc gia có ngành Công nghiệp Mía phát triển như Brazil, Ấn Độ và Thái Lan đã tích cực ứng dụng các công nghệ nhiệt để xử lý lá mía, trong đó nổi bật là nhiệt phân và khí hóa. Những công nghệ này cho phép thu hồi năng lượng dưới dạng bio-oil, biochar và khí tổng hợp, phục vụ sản xuất điện hoặc nhiên liệu công nghiệp.
Tại Việt Nam, dù ngành Mía đường chiếm diện tích canh tác lớn, song việc khai thác lá mía cho mục đích năng lượng vẫn còn manh mún, chủ yếu do thiếu cơ sở hạ tầng và công nghệ chuyển hóa thích hợp. Một số nhà máy mía đường như Lam Sơn đã thử nghiệm tận dụng bã mía và lá mía làm nhiên liệu cho hệ thống lò hơi đốt, giúp tiết kiệm chi phí điện năng và tăng hiệu quả sản xuất. Tuy nhiên, tiềm năng này chưa được phát triển đồng bộ trên quy mô toàn ngành.
Bên cạnh các công nghệ nhiệt, hướng tiếp cận sinh học như lên men kỵ khí để sản xuất biogas từ lá mía cũng đang được nghiên cứu rộng rãi. Khi kết hợp với các nguồn chất thải hữu cơ giàu đạm như phân bò hoặc chất thải thực phẩm, hiệu suất sinh khí có thể cải thiện rõ rệt. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với quy mô trang trại hoặc nông hộ, nơi chi phí đầu tư thấp và nguồn nguyên liệu sẵn có tại chỗ.
Để hiện thực hóa khả năng sử dụng lá mía làm nguyên liệu sinh khối, cần có các chính sách hỗ trợ về mặt kỹ thuật, tài chính và pháp lý. Việc xây dựng mô hình liên kết chuỗi giữa nông dân - doanh nghiệp thu gom - nhà máy năng lượng là một giải pháp khả thi. Cần chú trọng hơn đến khâu cơ giới hóa thu gom lá mía sau thu hoạch và đầu tư các thiết bị tiền xử lý như máy sấy, máy băm nhỏ. Đồng thời, Nhà nước có thể triển khai các chương trình hỗ trợ tín dụng xanh, ưu đãi thuế cho doanh nghiệp năng lượng sử dụng sinh khối.
Về mặt nghiên cứu, hướng đi tiềm năng hiện nay là tích hợp công nghệ nhiệt phân với các giải pháp nâng cao như sử dụng xúc tác hoặc kết hợp với pin nhiên liệu để nâng hiệu suất chuyển hóa. Ngoài ra, ứng dụng kỹ thuật phân tích vòng đời để đánh giá toàn diện tác động môi trường của quá trình chuyển hóa từ lá mía cũng là xu hướng cần quan tâm nhằm đảm bảo tính bền vững.
Tóm lại, lá mía không chỉ là nguồn nguyên liệu sinh khối rẻ tiền và sẵn có, mà còn đóng vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam. Để khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên này, cần có sự phối hợp đồng bộ giữa nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ, chính sách hỗ trợ và sự tham gia tích cực của cộng đồng nông nghiệp - công nghiệp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
Valizadeh, S.; Oh, D.; Jae, J.; Pyo, S.; Jang, H.; Yim, H.; Rhee, G. H.; Khan, M. A.; Jeon, B. H.; Lin, K. Y. A.; Show, P. L.; Sohn, J. M.; Park, Y. K (2022). Effect of torrefaction and fractional condensation on the quality of bio-oil from biomass pyrolysis for fuel applications. Fuel, 312, 122959
Selvarajoo, A.; Wong, Y. L.; Khoo, K. S.; Chen, W. H.; Show, P. L (2022). Biochar production via pyrolysis of citrus peel fruit waste as a potential usage as solid biofuel.
Nguyen, T. T., Pham, M. H., & Le, H. N. (2021). Potential of sugarcane residues for biogas production in Vietnam: Current status and future prospects. Biomass and Bioenergy, 148, 106018.
FAO (2020). Sugarcane by-products for energy: Opportunities and constraints. Food and Agriculture Organization of the United Nations.
Thermochemical properties and thermal degradation of sugarcane leaves for renewable energy applications
Pham Thi Thanh Thuy
Faculty of Applied Science, University of Economics - Technology for Industries
Abstract:
Sugarcane leaves, a widely available agricultural by-product of the sugar industry, are emerging as a promising biomass feedstock for renewable energy production. This study investigates the thermochemical properties and thermal degradation behavior of sugarcane leaves using thermogravimetric analysis (TGA), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and elemental analysis. The findings indicate that sugarcane leaves possess a high carbon content, low ash content, and substantial calorific value, making them well-suited for thermal conversion methods such as combustion, pyrolysis, and gasification. Thermal degradation occurs in three distinct stages, with the most intense decomposition observed between 300°C and 350°C. These results highlight the potential of sugarcane leaves as an efficient and sustainable biomass resource for bioenergy applications.
Keywords: sugarcane leaves, thermochemistry, thermal decomposition, biomass, TGA, renewable energy.
[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 15 năm 2025]
