Aerogel Vải Sợi Sen: Ứng Dụng Lọc Nước Bằng Năng Lượng Mặt Trời Hiệu Suất Cao

Giải pháp lọc nước sạch hiệu suất cao bằng năng lượng mặt trời. Nghiên cứu về aerogel vải sợi sen với cấu trúc vi mao quản cho khả năng bay hơi vượt trội.

• Tác giả: Lai Tuan Dung
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Phạm Tiến Thanh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Việt Nhật
• Chuyên ngành: Công nghệ Nano
• Đề tài: Aerogel Sợi Sen: Bay Hơi Nước, Lọc Nước Hiệu Suất Cao
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khám Phá Aerogel Sợi Sen Vật Liệu Tương Lai Từ Tự Nhiên

Trong bối cảnh tìm kiếm các giải pháp bền vững, một loại vật liệu đột phá đã ra đời, kết hợp giữa truyền thống và công nghệ tiên tiến: Aerogel Sợi Sen. Đây là một dạng vật liệu aerogel được chế tạo từ cellulose chiết xuất từ sợi sen tự nhiên – một nguồn tài nguyên sinh học dồi dào tại Việt Nam. Không chỉ là một vật liệu siêu nhẹ, Aerogel Sợi Sen còn sở hữu cấu trúc vật liệu nano xốp ba chiều độc đáo, mở ra tiềm năng to lớn trong lĩnh vực xử lý nước và năng lượng. Nghiên cứu của Lai Tuấn Dũng (2023) tại Đại học Việt Nhật đã chứng minh khả năng vượt trội của loại vật liệu này. Bằng cách tận dụng các vi mao quản tự nhiên trong sợi sen, các nhà khoa học đã tạo ra một hệ thống mao dẫn kép, giúp vận chuyển nước hiệu quả. Cấu trúc này không chỉ tối ưu hóa quá trình bay hơi mà còn giảm thiểu thất thoát nhiệt, một yếu tố then chốt trong các ứng dụng quang nhiệt. Hơn nữa, việc sử dụng vật liệu sinh học từ phế phẩm nông nghiệp như cuống sen giúp giảm thiểu rác thải, thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn và phát triển công nghệ xanh. Vật liệu này thể hiện một hướng đi mới, nơi các vật liệu tiên tiến có thể được tạo ra từ những nguồn tài nguyên gần gũi nhất, giải quyết các vấn đề toàn cầu bằng các giải pháp địa phương. Aerogel Sợi Sen không chỉ là một thành tựu khoa học mà còn là minh chứng cho tiềm năng của vật liệu bền vững trong việc xây dựng một tương lai xanh hơn.

1.1. Định nghĩa vật liệu aerogel nano xốp siêu nhẹ

Aerogel, thường được mệnh danh là "khói đông lạnh", là một loại vật liệu nano xốp với những đặc tính phi thường. Chúng được tạo ra bằng cách thay thế thành phần lỏng của gel bằng khí mà không làm sụp đổ cấu trúc rắn. Kết quả là một vật liệu có tỷ trọng cực thấp, với độ rỗng có thể lên tới 99.8%. Cấu trúc 3D liên kết của aerogel mang lại diện tích bề mặt riêng rất lớn, lý tưởng cho các ứng dụng hấp phụ và xúc tác. Nhờ cấu trúc này, aerogel là một trong những vật liệu cách nhiệt tốt nhất được biết đến, giảm thiểu đáng kể sự truyền nhiệt. Trong nghiên cứu này, Aerogel Sợi Sen có độ rỗng lên tới 97.05%, cho thấy tiềm năng cách nhiệt và vận chuyển nước ưu việt.

1.2. Sợi sen tự nhiên Nguồn vật liệu sinh học bền vững

Sợi sen là một loại sợi hữu cơ độc đáo được chiết xuất từ cuống của cây sen. Theo nghiên cứu, sợi sen tự nhiên có độ bền kéo vượt trội so với sợi bông và sợi viscose, đặc biệt trong cả điều kiện khô và ướt. Cấu trúc của sợi sen bao gồm nhiều vi sợi nhỏ liên kết với nhau, tạo ra các kênh dẫn nước tự nhiên. Việc tận dụng cuống sen, một phế phẩm nông nghiệp, để sản xuất aerogel không chỉ tạo ra một vật liệu sinh học có giá trị cao mà còn góp phần vào việc phát triển vật liệu bền vững. Sợi sen chứa khoảng 74% cellulose, là thành phần chính để tạo ra khung aerogel, biến một nguồn tài nguyên bị bỏ đi thành một giải pháp công nghệ cao.

II. Thách Thức Nước Sạch Hạn Chế Của Công Nghệ Hiện Tại

An ninh nguồn nước đang là một trong những thách thức toàn cầu lớn nhất. Theo Liên Hợp Quốc, tình trạng căng thẳng về nước đang ngày càng lan rộng, dự báo đến năm 2040 sẽ có 44 quốc gia đối mặt với nguy cơ thiếu nước ở mức "cực kỳ cao" hoặc "cao". Nhu cầu về một giải pháp nước sạch hiệu quả và bền vững trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Các phương pháp xử lý ô nhiễm nước và khử mặn nước biển truyền thống như thẩm thấu ngược (RO) hay chưng cất đa hiệu ứng (MED) tuy hiệu quả nhưng gặp phải nhiều rào cản. Các công nghệ này đòi hỏi vốn đầu tư lớn và tiêu thụ một lượng năng lượng khổng lồ, thường là từ nhiên liệu hóa thạch, gây phát thải khí nhà kính và tác động tiêu cực đến môi trường. Hơn nữa, quá trình này tạo ra nước muối cô đặc, một sản phẩm phụ có hại cần được xử lý cẩn thận để tránh gây ô nhiễm hệ sinh thái biển. Do đó, việc phát triển các công nghệ mới, đặc biệt là những công nghệ tận dụng năng lượng tái tạo, là xu hướng tất yếu. Lọc nước bằng năng lượng mặt trời nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, nhưng hiệu suất của các vật liệu hiện có vẫn còn hạn chế, chi phí sản xuất cao và độ bền chưa đáp ứng được yêu cầu thực tiễn. Đây chính là khoảng trống mà công nghệ aerogel từ sợi sen có thể lấp đầy.

2.1. Nhu cầu cấp thiết về giải pháp khử mặn nước biển

Với 97% lượng nước trên Trái Đất là nước mặn, khử mặn nước biển là một giải pháp hợp lý để giải quyết tình trạng thiếu nước ngọt. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống tiêu tốn nhiều năng lượng. Ví dụ, công nghệ thẩm thấu ngược (RO) cần áp suất rất cao để đẩy nước qua màng lọc. Chi phí vận hành cao và tác động môi trường từ việc sử dụng năng lượng hóa thạch là những rào cản lớn, đặc biệt đối với các quốc gia đang phát triển. Do đó, cần có các phương pháp khử mặn chi phí thấp, sử dụng các nguồn tái tạo năng lượng như năng lượng mặt trời.

2.2. Hạn chế của vật liệu quang nhiệt truyền thống

Các vật liệu quang nhiệt truyền thống sử dụng trong chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời thường dựa trên các cấu trúc nano kim loại (vàng, bạc) hoặc bán dẫn vô cơ. Mặc dù có hiệu suất chuyển đổi quang-nhiệt tốt, chúng có chi phí sản xuất cao, quy trình chế tạo phức tạp và độ bền hóa học không ổn định. Ngoài ra, một số vật liệu còn sử dụng các chất phụ gia đắt tiền như Carbon Nanotubes (CNF) để tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng. Những hạn chế này ngăn cản việc triển khai trên quy mô lớn, thúc đẩy việc tìm kiếm các vật liệu thay thế rẻ tiền, bền vững và hiệu quả hơn như Aerogel Sợi Sen.

III. Bí Quyết Chế Tạo Aerogel Sợi Sen Cho Hiệu Suất Vượt Trội

Quy trình chế tạo Aerogel Sợi Sen là một sự kết hợp tinh tế giữa xử lý hóa học và kỹ thuật vật liệu. Điểm cốt lõi của công nghệ aerogel này nằm ở việc tối ưu hóa cả cấu trúc vật lý và thành phần hóa học để đạt hiệu suất cao nhất. Quá trình bắt đầu bằng việc chiết xuất cellulose tinh khiết từ sợi sen thô thông qua các bước xử lý với ethanol, NaOH và NaClO để loại bỏ tạp chất như lignin và hemicellulose. Cellulose tinh khiết sau đó được phân tán trong nước để tạo huyền phù. Để tăng cường độ bền cơ học, Polyvinyl alcohol (PVA) được thêm vào như một chất liên kết ngang, tạo ra một mạng lưới vững chắc giữa các vi sợi cellulose. Tuy nhiên, bước đột phá thực sự đến từ việc tích hợp Tannic Acid và ion sắt (Fe3+). Hỗn hợp này tạo ra các phức chất màu đen, biến aerogel từ màu trắng thành một vật liệu quang nhiệt có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời vượt trội. Tannic Acid không chỉ đóng vai trò là chất hấp thụ ánh sáng mà còn hoạt động như một chất liên kết ngang thứ cấp, tạo ra nhiều liên kết hydro với PVA và cellulose, giúp tăng cường đáng kể độ bền nén của vật liệu. Cuối cùng, huyền phù được đông lạnh ở -70°C và sấy thăng hoa để loại bỏ nước, giữ nguyên cấu trúc vật liệu nano xốp. Quá trình này tạo ra một vật liệu siêu nhẹ nhưng bền chắc, sẵn sàng cho các ứng dụng lọc nước hiệu suất cao.

3.1. Quy trình chiết xuất cellulose và tạo cấu trúc nano xốp

Bước đầu tiên và quan trọng nhất là tách cellulose ra khỏi các thành phần khác trong sợi sen tự nhiên. Quá trình xử lý hóa học có chọn lọc giúp thủy phân và loại bỏ lignin, hemicellulose và các tạp chất khác, để lại cellulose có độ tinh khiết cao. Theo phân tích XRD trong nghiên cứu, cellulose chiết xuất có độ kết tinh cao hơn đáng kể so với sợi thô. Sau đó, kỹ thuật sấy thăng hoa đóng vai trò quyết định trong việc hình thành cấu trúc vật liệu nano xốp. Bằng cách đông lạnh nhanh huyền phù và loại bỏ nước trực tiếp từ thể rắn sang thể khí, cấu trúc 3D mỏng manh của gel được bảo toàn, tạo ra một mạng lưới lỗ xốp liên kết với nhau.

3.2. Tối ưu hóa cơ tính và hấp thụ ánh sáng với PVA và Tannic Acid

Aerogel cellulose tinh khiết thường giòn và dễ vỡ. Việc thêm PVA giúp tạo liên kết chéo, cải thiện độ bền. Tuy nhiên, sự bổ sung Tannic Acid và FeCl3 mới là yếu tố tạo nên sự khác biệt. Phức chất Tannic Acid-Fe3+ hình thành ngay lập tức, tạo ra màu đen giúp vật liệu hấp thụ tới 95% ánh sáng trong phổ nhìn thấy. Theo nghiên cứu, các mẫu aerogel đen có độ bền nén và module Young cao gần gấp đôi so với mẫu trắng không chứa Tannic Acid. Điều này chứng tỏ Tannic Acid vừa là chất tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, vừa là chất gia cường cơ học hiệu quả, tạo ra một vật liệu quang nhiệt đa chức năng.

IV. Cách Aerogel Sợi Sen Biến Ánh Sáng Thành Nước Sạch Hiệu Quả

Hiệu suất vượt trội của Aerogel Sợi Sen trong việc lọc nước bằng năng lượng mặt trời đến từ sự kết hợp của ba cơ chế chính: hấp thụ ánh sáng phổ rộng, hiệu ứng nhiệt cục bộ, và hệ thống vận chuyển nước mao dẫn kép. Đầu tiên, nhờ phức hợp Tannic Acid-Fe3+, vật liệu quang nhiệt này có khả năng hấp thụ mạnh mẽ năng lượng mặt trời trên toàn bộ phổ từ tử ngoại, nhìn thấy đến cận hồng ngoại (UV-VIS-IR). Phân tích quang phổ cho thấy khả năng hấp thụ trung bình đạt trên 95% trong vùng 300-800 nm. Năng lượng ánh sáng hấp thụ được chuyển hóa thành nhiệt một cách hiệu quả thông qua hiệu ứng quang nhiệt. Thứ hai, nhờ đặc tính của một vật liệu cách nhiệt xuất sắc, nhiệt lượng tạo ra được giữ lại cục bộ ngay trên bề mặt aerogel thay vì bị thất thoát vào khối nước bên dưới. Hình ảnh nhiệt hồng ngoại từ thí nghiệm cho thấy nhiệt độ bề mặt aerogel đen có thể đạt tới 61°C, trong khi khối nước bên dưới vẫn mát. Sự chênh lệch nhiệt độ này tập trung năng lượng để làm bay hơi một lượng nước nhỏ trên bề mặt, tối ưu hóa hiệu suất. Cuối cùng, cấu trúc vật liệu nano xốp và các vi mao quản của sợi sen tạo ra một hệ thống vận chuyển nước liên tục, đảm bảo bề mặt bay hơi luôn được cung cấp đủ nước, duy trì quá trình chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời một cách ổn định và hiệu quả.

4.1. Cơ chế hấp thụ quang phổ rộng của vật liệu quang nhiệt

Không giống như các vật liệu chỉ hấp thụ trong một dải hẹp, Aerogel Sợi Sen đen cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng vượt trội trên một phổ rộng. Điều này là do sự kết hợp của nhiều yếu tố: phức chất Tannic Acid-Fe3+ có khả năng chuyển dời điện tích từ phối tử sang kim loại (LMCT), cấu trúc bề mặt gồ ghề và xốp của aerogel làm tăng hiện tượng phản xạ đa hướng, "bẫy" ánh sáng hiệu quả. Nhờ vậy, vật liệu quang nhiệt này có thể tận dụng tối đa năng lượng từ mặt trời, kể cả trong những ngày ít nắng, để tạo ra nhiệt lượng cần thiết cho quá trình bay hơi.

4.2. Hiệu ứng quang nhiệt và cơ chế bay hơi nước cục bộ

Bí quyết của hiệu suất cao nằm ở hiệu ứng quang nhiệt cục bộ. Aerogel Sợi Sen có độ dẫn nhiệt thấp, hoạt động như một tấm vật liệu cách nhiệt ngăn nhiệt truyền xuống khối nước bên dưới. Năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành nhiệt và tập trung hoàn toàn tại lớp giao diện không khí-nước trên bề mặt vật liệu. Điều này cho phép nước bay hơi nhanh chóng mà không cần đun sôi toàn bộ khối nước, một quá trình cực kỳ tốn năng lượng. Cơ chế này không chỉ tăng tốc độ bay hơi mà còn giảm thiểu tối đa sự thất thoát năng lượng ra môi trường xung quanh.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Lọc Nước Khử Mặn Nước Biển Ấn Tượng

Các kết quả thực nghiệm từ luận văn của Lai Tuấn Dũng (2023) đã chứng minh một cách thuyết phục hiệu quả của Aerogel Sợi Sen trong ứng dụng xử lý ô nhiễm nước. Dưới điều kiện chiếu sáng mô phỏng mặt trời (cường độ 1 sun), hệ thống sử dụng aerogel đen đạt tốc độ bay hơi nước lên tới 2.0 kg/m²·h. Con số này cao hơn đáng kể so với tốc độ bay hơi của nước biển thông thường (0.42 kg/m²·h) và vượt trội hơn nhiều loại vật liệu quang nhiệt dựa trên cellulose khác. Hiệu quả này đến từ sự kết hợp hoàn hảo giữa khả năng hấp thụ ánh sáng cao và hiệu ứng nhiệt cục bộ. Ngoài khả năng bay hơi, vật liệu còn cho thấy độ bền cơ học ấn tượng. Các mẫu aerogel chịu được 20 chu kỳ nén-xả mà không bị phá hủy, cho thấy tiềm năng ứng dụng lâu dài trong điều kiện thực tế. Một đặc tính quan trọng khác là khả năng tự làm sạch. Bề mặt ưa nước mạnh mẽ của vật liệu cho phép các giọt nước cuốn trôi muối và các chất bẩn tích tụ, duy trì hiệu suất ổn định theo thời gian. Khả năng hấp phụ kim loại nặng cũng là một ưu điểm tiềm năng nhờ vào các nhóm chức (-OH, C=O) có trên bề mặt. Những kết quả này khẳng định Aerogel Sợi Sen là một giải pháp nước sạch đầy hứa hẹn, đặc biệt cho các ứng dụng khử mặn nước biển và lọc nước tại các vùng sâu vùng xa, nơi chỉ có năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng dồi dào.

5.1. Hiệu suất bay hơi nước vượt trội trong điều kiện thí nghiệm

Trong các thí nghiệm được kiểm soát, tốc độ bay hơi của Aerogel Sợi Sen đen đạt 2.0 kg/m²·h, cao hơn gần 5 lần so với bay hơi tự nhiên. Mẫu aerogel trắng (không có Tannic Acid) cũng cho hiệu suất tốt hơn nước thường, đạt 1.25 kg/m²·h, nhưng vẫn thua xa mẫu đen. Điều này khẳng định vai trò then chốt của phức chất Tannic Acid-Fe3+ trong việc tối đa hóa hiệu suất chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời. Hiệu suất cao này mở ra khả năng sản xuất nước ngọt quy mô nhỏ một cách hiệu quả chỉ với ánh sáng mặt trời.

5.2. Độ bền cơ học và khả năng tự làm sạch hấp phụ kim loại nặng

Một vật liệu bền vững không chỉ hiệu quả mà còn phải bền bỉ. Module Young của Aerogel Sợi Sen (104.7 kPa) cao hơn so với các aerogel từ trấu (47 kPa) hay bã mía (88 kPa), cho thấy độ cứng và khả năng chống biến dạng tốt hơn. Đặc biệt, vật liệu thể hiện khả năng tự làm sạch bề mặt khỏi cặn muối, một vấn đề lớn trong các hệ thống khử mặn nước biển. Thêm vào đó, các nhóm hydroxyl (-OH) trên bề mặt cellulose và Tannic Acid có ái lực với các ion kim loại, mở ra tiềm năng hấp phụ kim loại nặng trong quá trình lọc, cung cấp một giải pháp xử lý nước toàn diện hơn.

VI. Tương Lai Của Công Nghệ Xanh Ứng Dụng Rộng Rãi Aerogel Sen

Aerogel Sợi Sen không chỉ dừng lại ở một công trình nghiên cứu mà còn mở ra một chương mới cho công nghệ xanh và vật liệu bền vững. Với những đặc tính vượt trội đã được chứng minh, tiềm năng ứng dụng của nó vô cùng rộng lớn, vượt ra ngoài phạm vi lọc nước. Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất để giảm chi phí và nâng cao quy mô, đưa công nghệ này từ phòng thí nghiệm ra thị trường. Một trong những ứng dụng tiềm năng nhất là trong lĩnh vực tái tạo năng lượng. Khả năng chuyển đổi quang-nhiệt hiệu quả có thể được khai thác trong các hệ thống thu nhiệt mặt trời hoặc máy phát nhiệt điện. Bên cạnh đó, với đặc tính của một vật liệu cách nhiệt hàng đầu, Aerogel Sợi Sen có thể được sử dụng trong xây dựng xanh, giúp tiết kiệm năng lượng cho việc sưởi ấm và làm mát. Khả năng hấp phụ kim loại nặng và các chất ô nhiễm hữu cơ cũng mở ra ứng dụng trong xử lý nước thải công nghiệp. Việc phát triển thành công công nghệ aerogel từ một nguồn phế phẩm nông nghiệp địa phương là một hình mẫu cho nền kinh tế tuần hoàn. Nó cho thấy con đường để tạo ra các sản phẩm công nghệ cao, giải quyết các vấn đề toàn cầu trong khi vẫn bảo vệ môi trường và tận dụng hiệu quả nguồn tài nguyên bản địa, hướng tới một giải pháp nước sạch và một tương lai bền vững cho tất cả.

6.1. Tiềm năng ứng dụng trong cách nhiệt và tái tạo năng lượng

Với độ dẫn nhiệt cực thấp, Aerogel Sợi Sen là một ứng cử viên sáng giá cho ngành vật liệu xây dựng thế hệ mới. Nó có thể được dùng làm lớp phủ cách nhiệt cho tường, cửa sổ, hoặc trong các thiết bị bảo ôn. Trong lĩnh vực tái tạo năng lượng, vật liệu này có thể đóng vai trò là lớp hấp thụ nhiệt hiệu quả trong các tấm pin nhiệt mặt trời hoặc các hệ thống tập trung năng lượng, góp phần đa dạng hóa các giải pháp năng lượng sạch.

6.2. Hướng tới giải pháp nước sạch bền vững và toàn diện

Mục tiêu cuối cùng là triển khai các hệ thống lọc nước bằng năng lượng mặt trời dựa trên Aerogel Sợi Sen tại các cộng đồng thiếu nước sạch. Các hệ thống này có thể được thiết kế nhỏ gọn, di động, không cần điện lưới, phù hợp với các vùng nông thôn, hải đảo hoặc các khu vực bị ảnh hưởng bởi thiên tai. Việc nghiên cứu sâu hơn về khả năng hấp phụ kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác sẽ giúp hoàn thiện công nghệ, cung cấp một giải pháp nước sạch không chỉ loại bỏ muối mà còn cả các độc tố nguy hiểm, đảm bảo an toàn sức khỏe cho người sử dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY LAI TUAN DUNG MICRO-CAPALLARIES LOTUS FABRIC- BASED AEROGEL FOR HIGH-EFFICIENCY SOLAR STEAM EVAPORATOR AND WATER PURIFICATION MASTER’S THESIS VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI VIETNAM JAPAN UNIVERSITY LAI TUAN DUNG MICRO-CAPALLARIES LOTUS FABRIC- BASED AEROGEL FOR HIGH-EFFICIENCY SOLAR STEAM EVAPORATOR AND WATER PURIFICATION MAJOR: NANOTECHNOLOGY CODE: 8440140.11 QTD RESEARCH SUPERVISOR: Dr. PHAM TIEN THANH Prof. YOJI SHIBUTANI Hanoi. 2023 COMMITMENT I have read and understood the plagiarism violations.

I pledge with personal honor that the research is my own and does not violate the Regulation on prevention of plagiarism in academic and scientific research activities at VNU Vietnam Japan University (Issued together with Decision No 700/QĐ-ĐHVN dated 30/9/2021 by the Reactor of Vietnam Japan University). Author of the thesis Lai Tuan Dung ACKNOWLEDGEMENTS I would like to sincerely express my gratitude to my advisors, Dr. Pham Tien Thanh and Prof. Yoji Shibutani, for their invaluable guidance and support during my master's program.

Their expertise and encouragement have been instrumental in completing this research and writing this thesis. I extend my heartfelt thanks to all my labmates from both the MNT Lab and the MEE Lab for their assistance. Our time spent together and their support have greatly enriched my research projects. I am also grateful to the professors, lecturers, and staff at MNT for their assistance during my internship.

Their knowledge and guidance have been crucial in my research and studies in this field. I would like to express my appreciation to artist Phan Thi Thuan, whose help in collecting lotus fibers from lotus stems and artistic inspiration have played a significant role in my material-making and research endeavors. Lastly, I want to convey my deep appreciation to my mother, father, brother, and friends who have always been there for me, providing unwavering support and encouragement throughout my life journey. Their presence has meant everything to me.

This research has been done under the research project QG.52 “Fabrication of cellulose fibers and biomass-based photothermal materials for efficient seawater desalination” of Vietnam National University, Hanoi Lai Tuan Dung Hanoi, 2023 TABLE OF CONTENTS LIST OF TABLE. i LIST OF FIGURE. ii LIST OF ABBREVIATIONS. iv CHAPTER 1: INTRODUCTION OF SOLAR STEAM GENERATION.

The importance of creating freshwater. Desalination of seawater. Solar steam generation (SSG). Types of photothermal materials.

Inorganic semiconductor materials. Aerogel-based photothermal materials. Justify the selection of research material and method. Cellulose based aerogel fabrication procedure.

Purposes of the thesis. Fabrication of photothermal materials. Characterization of photothermal materials. Investigate the photothermal material’s performance.

Investigation of the material thermal behavior under laboratory condition. Investigation of the material’s performance under laboratory condition .18 CHAPTER 3: RESULTS AND DISCUSSIONS. Explanation on the fabrication of aerogels from Lotus fiber. Extraction of cellulose from ground sugarcane bagasse.

Preparation of white cellulose-based aerogel from extracted cellulose. Preparation of black cellulose-based aerogel from extracted cellulose. The surface morphologies of photothermal materials. SEM images of raw lotus fiber and extracted cellulose.

SEM images of the photothermal material. Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis results. X-ray diffraction results. Chemical composition of the photothermal material.

FT-IR spectra. Wetting behavior measurement. Mechanical properties of the photothermal materials. Evaporation performance of the aerogel.

Thermal behavior and FT-IR of the aerogel. Evaporation performance of the aerogel in the experiment condition. Evaluation the solar energy evaporation efficiency of the black aerogel in dark condition. Evaluation the structural stability of the black aerogel.

Evaluation of the black aerogel evaporation over time. Evaluation of the black aerogel’s self-cleaning properties .52 LIST OF TABLE Table 1. The tensile properties of cotton, viscose and lotus fiber in normal temperature state, wet state, and dry state. Composition of white and black aerogel samples.

List of equipment used for the material characterization. Young modulus of photothermal materials. Comparision of Young Modulus between lotus fiber aerogel and other natural-based aerogel. Comparison on the specifications and performance of the Cellulose based aerogel in this thesis and other type of photothermal materials.42 i LIST OF FIGURE Figure 1.

Projected water stress in 2040. Reverse osmosis is one method of desalination. The status of the renewable energy operated desalination technologies. Three components of solar steam generator.

SEM image of one spiral lotus fiber bundle with conglutination of several lotus fibers. Image of lotus fiber. Fabrication process of cellulose – based aerogel (including white and black aerogel). a) White cellulose-based aerogel, b) Black cellulose-based aerogel.

Setup of the experiment to measure thermal behavior of the aerogels. a) Solar steam generator containing water supply path, absorber and source of water b) Solar simulator. (a) Cellulose suspension, (b) PVA solution, (c) Final suspension of cellulose in PVA solution, (d) A piece of white aerogel. Crosslinking between PVA and cellulose in the white aerogel sample.

(a) Cellulose suspension in Tannic acid solution, (b) PVA + FeCl3 solution, (c) Final suspension containing cellulose PVA, Tannic acid, FeCl3, (d) A piece of black aerogel. (a) Crosslinking between PVA, tannic acid and cellulose in black aerogel. (b) Formation of complexes between tannic acid and Fe3+. SEM images of (a) raw lotus fiber (bar: 20µm), (b) extracted cellulose (bar: 20µm).

SEM images of a) white aerogel’s surface; b) cross-section and longitudinal section surface of black aerogel. BET Isotherm of the aerogels. a) XRD spectra of raw lotus fiber and extracted cellulose, .28 b) XRD spectra of white aerogel and black aerogel. FT-IR spectra of white aerogel and 3 black aerogel samples with different tannic mass in the wavenumber range of 500 – 4000 cm-1.

Photographic images of the aerogel’s contact angles and water droplet permeation processes: a) white aerogel, b) black aerogel. The process of measuring the compressive strength of photothermal materials. Compressive stress–strain curves of the aerogels with different chemical compositon. Crosslinking between tannic acid, PVA and cellulose.

Compressive loading-unloading stress-strain curves of aerogel. a) UV-VIS-IR spectra of the white and black aerogel samples and b) the maximum temperature of white and black aerogel under sun intensity 0. IR images, indicating the temperature changes before and after under sun simulator for 10 minutes: a) white sample; b) black sample. Mass change of the seawater, white aerogel, and black aerogel in the solar steam generator under light intensity 0.

Temperature variation during evaporation experiment between: a) Surface of white and black aerogel samples b) black sample surface, bulk water and black sample body. IR images, indicating the temperature change during the evaporation experiment of: a) white aerogel’s surface, b) black aerogel’s surface and c) bulk water and black aerogel’body. Evaporation rates of the seawater, white aerogel and black aerogel in dark condition. a) Black aerogel’s rate of evaporation after 20 days, b) Physical appearance of the black aerogel samples after 30 days of exposure to seawater.

a) Self-cleaning mechanism of the aerogel b) Self-cleaning performance of the black aerogel.49 iii LIST OF ABBREVIATIONS FT-IR Fourier-Transform Infrared Spectroscopy PVA Polyvinyl alcohol RO Reverse Osmosis SEM Scanning Electron Microscope SSG Solar steam generation UV-Vis-nIR Ultraviolet-Visible-Near Infrared iv CHAPTER 1: INTRODUCTION OF SOLAR STEAM GENERATION 1. The importance of creating freshwater Figure 1. Projected water stress in 2040[1]. Water stress is considered as one of the major global problems.

According to the United Nations, a region is considered "water-stressed" when it withdraws 25 percent or more of its renewable freshwater resources[2].4% of the world's total renewable freshwater resources were extracted. However, there are already regions experiencing serious problems. Northern Africa has critical levels of water stress, whereas Central and Southern Asia have high water stress. On the opposite end of the 1 spectrum, 31% of the global population remained in the "no stress" category.

According to the World Resources Institute's projections for 2040, the problem will only become more widespread. According to a report by the Economist Intelligence Unit, urbanization, population growth, climate change, and economic growth are exerting pressure on water systems[3]. According to the projections, 44 nations will experience "extremely high" or "high" water stress by 2040. According to a report by The Economist, a growing number of regions, particularly in East and South-East Asia, are at an increased risk of flooding, which can overwhelm sanitation systems and contaminate potable water sources[3].

In order to safeguard the well-being of communities in affected areas, achieve the UN Sustainable Development Goal 6 on clean water and sanitation, and protect the environment and biodiversity, it is crucial to address water scarcity. While human activities have contributed to the water crisis, humans have also developed technologies to improve freshwater acquisition and conservation. Various remedies for water scarcity have been developed, including the construction of dams and reservoirs, the practice of rainwater harvesting, the establishment of aqueducts, the implementation of desalination processes, water reuse systems, and water conservation measures. Over the years, numerous scientists and organizations have dedicated their efforts to advancing seawater desalination technology with the aim of enhancing efficiency and reducing energy consumption.

By continually improving desalination techniques, it becomes possible to alleviate water scarcity, enhance access to clean water, and mitigate the impact of the water crisis on both humans and the environment. These efforts align with the objectives of sustainable development and contribute to a more sustainable future for all. Desalination of seawater 2 Figure 1. Reverse osmosis is one method of desalination[4].

Desalination is a method which involves removing dissolved salt and minerals from seawater or saline groundwater. This method has the benefit of a practically unlimited supply of saltwater. There are numerous methods for desalinating seawater, such as boiling, filtration, electrodialysis (using an electric current to remove the ions that make up salts), and reverse osmosis (Figure 1. All of these processes are moderately to extremely expensive and require substantial energy input, making the produced water significantly more expensive than that from conventional sources.

Additionally, the process generates highly saline wastewater that must be disposed of and has a significant impact on the environment. Therefore, affordable desalination technologies that utilize renewable energy sources must be developed to address the water shortage and ensure a sustainable future for future generations. Research and development of desalination technologies based on renewable energy sources, such as solar, wave, wind, and geothermal energy, are depicted in Figure 1. The status of the renewable energy operated desalination technologies[5].

Solar Still, PV RO, Solar thermal MED, and Wind RO have reached the application stage among the technologies based on renewable energy. Solar evaporation: Solar Still and Solar thermal MED transform solar energy into heat in order to evaporate water. Per cubic meter of desalinated water, their operating costs range between 1. Consequently, these technologies have the potential to be used as inexpensive desalination technologies in countries with a high number of sunlight hours, such as Vietnam, Bangladesh, etc.

The performance of solar steam generator technologies is primarily determined by their solar energy conversion efficiency. By creating a new photothermal material with increased solar energy conversion efficiency, the efficiency of solar evaporation could be improved. Consequently, the objective of my thesis is to produce a new photothermal material with a high solar energy conversion efficiency so as to fully realize the potential of a solar steam generator for desalination. In the following section, the working principle of a solar steam generator will be discussed.

Solar steam generation (SSG) Solar irradiation is a promising renewable energy source because the hourly solar flux incident on the earth's surface exceeds the annual global energy demand[6]. The earth receives 1361 W/m2 of solar radiation annually, of which 70% is absorbed and the remainder is either reflected or scattered[7]. As a tropical nation, Vietnam has a large number of sunshine hours (2000 – 6000 hours/year, or 6 – 7 hours/day) and an average annual solar irradiance of 5 kW/h/m2, creating favorable conditions for the implementation of solar energy-related technologies.