Trồng tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học

Trồng tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học là một trong những thí nghiệm thuộc giáo án STEM môn Hóa – Sinh học. Thông qua hoạt động đơn giản này, học sinh sẽ có cơ hội tìm hiểu và tiếp xúc với các loài tảo. Hãy cùng Sylvan Learning Việt Nam khám phá thí nghiệm thú vị này nhé!

Chuyên đề STEM liên quan: Sinh học – Hóa học – Năng lượng sinh học – Sinh thái học – Kỹ thuật

Bậc học: THCS (Lớp 6-8)

Mục tiêu chính

Trong thí nghiệm này, học sinh sẽ được tự thực hành khám phá nghiên cứu trồng tảo bằng cách sử dụng nước làm từ phân bón. Sau đó, học sinh sẽ chiết xuất “chất thô xanh” được tạo ra từ tảo thông qua sử dụng phương pháp lọc trọng lực. Chất thô xanh sẽ trải qua quá trình chuyển hóa bằng cách thêm các hóa chất như rượu để tạo ra dầu diesel sinh học và glycerol.

Kiến thức tích hợp

Nhiên liệu sinh học là gì?

Nhiên liệu sinh học là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học) như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải…)

• Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự và có thể sử dụng thay thế cho loại dầu diesel truyền thống. Biodiesel được điều chế bằng cách dẫn xuất từ một số loại dầu mỡ sinh học (dầu thực vật, mỡ động vật).
• Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng ethanol như là một loại phụ gia nhiên liệu pha trộn vào xăng thay phụ gia chì. Ethanol được chế biến thông qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, cellulose, lignocellulose. 
• Khí sinh học (Biogas) là một loại khí hữu cơ gồm Methane và các đồng đẳng khác. Biogas được tạo ra sau quá trình ủ lên men các sinh khối hữu cơ phế thải nông nghiệp, chủ yếu là cellulose, tạo thành sản phẩm ở dạng khí. Biogas có thể dùng làm nhiên liệu khí thay cho sản phẩm khí gas từ sản phẩm dầu mỏ.

Nhiên liệu tảo là gì?

Nhiên liệu tảo, nhiên liệu sinh học tảo hoặc dầu tảo là một sự thay thế cho nhiên liệu hóa thạch lỏng sử dụng tảo làm nguồn dầu giàu năng lượng. Ngoài ra, nhiên liệu tảo là một giải pháp thay thế cho các nguồn nhiên liệu sinh học thường được biết đến, chẳng hạn như ngô và mía. Khi được làm từ rong biển (macroalgae), nó có thể được gọi là nhiên liệu rong biển hoặc dầu rong biển.

Phương pháp lọc trọng lực là gì?

Lọc trọng lực là phương pháp lọc tạp chất ra khỏi dung dịch bằng cách sử dụng trọng lực để kéo chất lỏng qua màng lọc. Hai loại lọc chính được sử dụng trong phòng thí nghiệm là trọng lực và chân không.

Lọc trọng lực thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm hóa học để lọc các chất kết tủa từ các phản ứng kết tủa cũng như các chất làm khô hoặc các chất phản ứng còn lại. Mặc dù nó cũng có thể được sử dụng để tách các sản phẩm mạnh, nhưng lọc chân không được sử dụng phổ biến hơn cho mục đích này.

Thí nghiệm trồng tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học

Vật liệu cần chuẩn bị cho thí nghiệm tạo nhiên liệu sinh học

• Mẫu tảo (Được tìm thấy từ ao hồ)

Lưu ý: Đảm bảo mẫu tảo không bị nóng trước khi sử dụng vì nó sẽ làm chết mẫu. Mẫu có thể được bảo quản trong tủ lạnh đến 4 tháng trước khi sử dụng.

• Nước khử ion, nước suối hoặc nước giếng
• Thùng chứa 1 gallon (gần 3.8 lít) hoặc bình đựng nước
• ½ cốc oxy già (hydrogen peroxide – nồng độ 3%)
• Ống hút – Pipet
• Phân bón
• Miếng xốp
• Kéo
• Bộ lọc cà phê
• Ứng dụng dành cho thiết bị di động (miễn phí): LuxMeter (dành cho iPhone) hoặc MobiLux: Light Meter (dành cho Android) 

Thực hành thí nghiệm trồng tạo sản xuất nhiên liệu sinh học

Bước 1: Bắt đầu bằng cách tìm một thùng chứa có kích thước ít nhất là 1 gallon. Khử trùng thùng chứa đó bằng ½ cốc nước oxy già 3% pha với ½ gallon nước. Lưu ý rằng không nên sử dụng nước máy vì nó sẽ làm chết tảo. Sau đó, đậy nắp và lắc thùng để rửa sạch. Thùng chứa phải đảm bảo rửa sạch bằng nước khử ion ít nhất 3 lần sau khi dùng oxy già để loại bỏ dung dịch còn sót lại.

Bước 2: Đổ nửa gallon nước vào thùng chứa. Sau đó hãy thêm phân bón vào thùng và lắc đều cho đến khi tất cả phân bón được hòa tan.

Bước 3: Lắc kỹ mẫu tảo và thêm ít nhất 2ml mẫu tảo vào thùng chứa. Hãy thay nắp thùng bằng miếng xốp. Điều này đảm bảo bọt có ô thoáng, dễ nén và cho phép chuyển không khí. Có thể lắc lại để đảm bảo rằng tảo được trộn đều.

Bước 4: Đặt thùng chứa trong một khu vực nhận được ít nhất 10 giờ ánh sáng mỗi ngày.

Lưu ý:

• Có thể sử dụng ánh sáng tự nhiên hoặc đèn huỳnh quang bật liên tục (ánh sáng có cường độ từ 2000 đến 4000 Lux). Có thể đo cường độ ánh sáng bằng một trong các ứng dụng điện thoại thông minh miễn phí sau: LuxMeter (dành cho iPhone) hoặc MobiLux: Light Meter (dành cho Android).
• Nhiệt độ cần duy trì từ 18 đến 22 độ C để tảo phát triển tốt nhất.
• Cẩn thận lắc tảo hàng ngày. Điều này sẽ giúp tất cả tảo tiếp xúc với ánh sáng và làm tăng sự phát triển. Chất lỏng sẽ bắt đầu chuyển sang màu xanh lá cây rõ rệt trong vòng 3 hoặc 4 ngày.

Bước 5: Học sinh cần đo lượng tảo trong dung dịch thường xuyên nhất có thể. Điều này có thể được thực hiện bằng ứng dụng điện thoại thông minh (LuxMeter hoặc MobiLux) như sau:

• Đặt máy ảnh của điện thoại di động vào thùng chứa tảo và đo cường độ ánh sáng chiếu qua chất lỏng.
• Không di chuyển điện thoại di động, hãy đặt một hộp đựng giống hệt phân bón với nồng độ chính xác trước ống kính máy ảnh để làm vật kiểm soát. Điều này sẽ đo ánh sáng mà dung dịch dinh dưỡng hấp thụ mà không có tảo.
  
• Chia cường độ ánh sáng (tảo) cho cường độ ánh sáng (kiểm soát)
• Kết quả là một phép đo lượng tảo đang phát triển trong dung dịch. 

Bước 6: Cách tách tảo 

• Cắt phần đầu của chai 2L để bộ lọc cà phê vào miệng cắt.
• Đặt hai bộ lọc cà phê vào đầu chai.
• Đổ từ từ dung dịch tảo vào bộ lọc cà phê cho đến khi đầy bộ lọc. Chờ cho đến khi nước rút hết.
• Lặp lại thêm nước tảo cho đến khi lọc hết nước.
• Chất nhờn màu xanh lá cây còn lại là tảo có chứa dầu (11% đối với mẫu Selenastrum).

Câu hỏi về thí nghiệm sản xuất nhiên liệu sinh học

Cơ bản 

1. Trồng tảo ở đâu là tốt nhất? Dưới những điều kiện nào?
2. Cuối cùng tảo có chết không? Giải thích?
3. Màu sắc cho biết điều gì về tình trạng của tảo?

Nâng cao

1. Yếu tố nào là quan trọng nhất để phát triển tảo? 
2. Một số thách thức của việc trồng tảo để làm nguyên liệu nhiên liệu sinh học là gì? 
3. Tại sao các ao mở thường được sử dụng để phát triển tảo bằng nhiên liệu sinh học thay vì các lò phản ứng sinh học trong nhà?

Quan sát kết quả thực hành

Học sinh có thể tự do tiến hành thí nghiệm tảo và khám phá điều gì sẽ xảy ra nếu sử dụng nước máy thay thế nước khử ion. Ngoài ra, học sinh có thể tự thiết kế một cách nuôi trồng tảo thương mại (không sử dụng ao) và thiết kế cần đảm bảo các yêu cầu như: Tiếp xúc ánh sáng tối đa với tất cả các loại tảo; Chiếm không gian tối thiểu; Một cách luân chuyển tảo mà chúng nhận được ánh sáng mặt trời như nhau; Một cách để thêm và loại bỏ tảo khỏi hệ thống.

Trên đây là một hoạt động thí nghiệm liên quan đến Sinh học – Hóa học thú vị về cách tạo nhiên liệu sinh học từ tảo mà Sylvan Learning muốn chia sẻ với các bậc phụ huynh và học sinh. Hy vọng hoạt động đơn giản và lý thú này sẽ giúp học sinh cảm thấy hứng thú hơn khi tiếp xúc với các giáo trình STEM.