MỞ ĐẦU Việt Nam là một nước có ngành nông nghiệp phát triển mạnh mẽ và lâu đời. Theo báo cáo ngành hàng lúa gạo của bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, tính đến tháng 10 trong năm 2022, xuất khâu gạo của Việt Nam đạt 6,07 triệu tan vả theo thông kê từ Tông cục Thống kê Việt Nam, nước ta đã xuất khâu hơn 660 tan gạo trong tháng 7 năm 2023. Có thé thay rằng, hang năm, lượng lúa gạo được san xuất ở nước ta là rất lớn và bên cạnh đó, một lượng lớn vỏ trau - phế phẩm nông nghiệp cũng được thải ra ngoài môi trường từ quá trình xay xát lúa. Với một lượng lớn vỏ trâu được thải ra ngoài môi trường hàng năm gây ô nhiễm nguôn nước và ảnh hưởng đền đời sông sinh hoạt của nhiều người dân xung quanh.
Hiện nay, vỏ trau được sử dung chủ yếu trong việc làm chất đốt, phân bón hoặc trong sản xuất điện, chưa có nhiều giải pháp và sự tận dụng triệt để lượng phế phẩm nông nghiệp này. Có thé thấy, RHA là một nguyên liệu tiềm năng trong việc thu hỏi SiO›, một thành phan rất có giá trị, có thé tông hợp nên nhiều sản phâm như xi măng, aerogel, silica gel va zeolite,. Silica gel là một chất rắn màu trắng, không độc, không gây ô nhiễm môi trường, có công thức hoá học là SiO›-nH:O được ứng dung rộng rãi trong đời sông vả trong lĩnh vực hoá học. Silica gel được sử dụng làm chat hút 4m dé bảo quản sản phẩm không bị âm mốc, có hiệu quả vả tính kinh tế cao so với các loại hút âm khác.
Mặt khác, silica gel còn được sử dung làm xúc tác trong tông hợp hữu cơ lọc, hoá dau, y té và nhiều ứng dung khác. Với mong muốn thu hồi một lượng lớn silica từ tro trâu, vật liệu silica tông hợp được có nhiều ứng dụng cao trong những lĩnh vực khác nhau, có giá trị kính tế và giảm thiêu ô nhiễm môi trường. Công trình nghiên cứu được đề xuất là “TONG HỢP SILICA TỪ TRO TRAU BANG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN”. Thành phan hóa học của tro trau (RHA) Lớp vỏ bọc bên ngoài của hat lúa gọi là vỏ trau, trong quá trình xay xát lúa sẽ thải ra ngoài môi trường một lượng lớn vỏ trau, khi dem vỏ trau khi đem đi nung ở nhiệt độ cao sẽ thu được tro trấu, các chất hữu cơ có trong vỏ trau trong quá trình nung sẽ bay hơi.
Thanh phan hóa học có trong tro trau sẽ bao gồm các oxide kim loại như K›O. CaO, MgO, Na¿O và Fe:O: hàm lượng chủ yêu đưới 1%, trong đó, silica (SiO2) chiếm lượng lớn nhất, có phân tram về khối lượng cao nhất, khoảng 87 — 97% silica [1]. Các thành phần trong tro trâu được thé hiện qua Bang 1. Thanh phan hóa hoc cua tro trau [2] Thanh phan oxide Hàm lượng (%) SiO; 90,21 Al:O: 0,68 Trong các công trình nghiên cứu của các tác giả khác, hàm lượng SiO› trong tro trau được công bố §.
Sankar (2016) cho kết qua 80% [3], Pham Trung Kien (2016) cho kết quả về hàm lượng SiO: là 92. kết quả này cho thấy một lượng lớn SiO có trong thành phan của tro trau, việc thu hội SiOz sẽ mang lại nhiều ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường vả tạo nhiều sản phâm mang lại lợi ích về kinh tế. Một số ứng dụng của tro trau Tro trâu được xem là một phé phẩm trong nông nghiệp, một số ứng dụng hiện nay của tro trau có thé kế đến như làm chất đốt, làm phân bón, lọc nước, chế tạo bê tông siêu nhẹ ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng, gạch bê tông siêu nhẹ có những ưu điểm như cách nhiệt, cách âm, nhẹ, khả năng chéng chịu cao và thân thiện với môi trường. Ngoài ra, tro trau con được dung dé san xuat acrogel, là một vật liệu có giá trị cao.
Silica Silica hay silic dioxide có công thức hóa học là SiOa, được phát hiện bởi nhà khoa học người Thụy Điền, tồn tại ở đạng đơn chất hoặc hợp chất. Trong tự nhiên, silica là thành phân chính có trong cát và thạch anh. Dù có công thức phân tử có phần giống với carbon dioxide nhưng các phân tử SiO› không ton tại ở dạng từng phân tử riêng lẽ ma chúng liên kết với nhau tạo thành một đại phan tử. Trong tứ diện SiOs, nguyên tử Sỉ nằm ở trung tâm của tứ điện, nguyên tử Si liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử O nam ở các đỉnh của tứ diện, mỗi nguyên tử O lại liên kết với hai nguyên tử Sỉ ở hai tứ diện khác nhau và tạo thành một đại phân tử như hình 1.
0| i O—Si— O—Si—O TỦ ⁄ 0 O Si | œZlỀ _Sim on OH O“ | OH Hình 1. Cấu trúc tinh thé silica Silica có những dang cau trúc là dang tinh thé và dạng vô định hình, ba dang tinh thé của silica la thạch anh, tridimit và cristobalit. Mỗi dang đa hình nay lại có hai dang lả (a) (b) (c) Hình 1. a) Thạch anh b) triđimit; c) cristobalit Các dang đa hình này có những cách sắp xếp nhóm tứ điện SiOs khác nhau trong tinh thé.
Trong thạch anh, nhóm tứ điện được sắp xếp cho các nguyên tử Si nằm trên một đường xoắn ốc. Trong triđimit, nguyên tử Si chiếm vị trí của các nguyên tử S và Zn trong mạng lưới vuazit (theo hình 1.b), còn trong cristobalit, nguyên tử Si chiếm vị trí của S và Zn trong mạng lưới sphalerit (hình 1.c), các nguyên tử Si liên kết với nhau thông qua nguyên tử O [6]. Cau trúc tinh thé của a) thạch anh b; b) tridimit b; e) eristobalit Ngoài ba dang đa hình trên thì trong tự nhiên còn có những dạng khác nữa của silic đioxide như mã não và opan. Trong đó, mã não có kiến trúc vi tỉnh thể, tồn tại ở dạng chất rắn, trong suốt, có mau sắc đa dang và khác nhau, được sử dụng làm 46 trang trí, ngoài ra, mã não rat cứng, được sử dụng làm chày dé nghiền các vật liệu cứng.
Opan là một loại đá quý không có kiến trúc tinh thé, bao gồm các hạt cầu SiO; liên kết lại tạo ra các lỗ trống chứa không khi. Opan có nhiều mau sắc khác nhau vi có chứa các tạp chat [6]. Trong các nghiên cứu, silica vô định hình bao gồm các đạng như silica sol, silica gel, bột silica, silica kết tủa. Silica gel là một dang của silic dioxide vô định hình, có công thức hóa học là SiO›-nHaO, rat tro về mặt hóa học, cứng, có độ xốp, bèn, không độc và có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực hóa học Những hat silica vô định hình, tách rời nhau, có đường kính từ 1 — 100 nm gọi là silica sol dạng huyền phù.
Silica sol bền va không tạo thành gel hoặc bị chuyên dạng trong dung dịch trong thời gian dai. Silica sol có độ bèn phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, nông độ, pH va chat hoat dong bê mặt. Dé tạo ra silica ở đạng sol bên với hàm lượng silica tương đối cao [6]. Nguyên tắc chung đẻ điều chế silica gel là cho mudi silicat kiềm tác dụng với acid ở pH khoảng 4, thu được dung dich keo gọi là silicic acid, dung dịch keo nảy sẽ lồn tại trong khoảng thời gian ngắn, phản ứng ngưng tụ sẽ tiếp diễn, những nhóm -OH nằm giữa mạch có thé tương tác với nhau dé tạo nên những phân tử ba chiều lớn hơn, chứa it nước hơn và có mạch nhánh.
Khi kích thước của hạt keo vượt qua một giới hạn nào đó thì dung địch keo silica sol sẽ đông tụ lại và lắng xuống dưới dạng kết tủa thô nhìn giống như thạch gọi là silica gel, quá trình ngưng tụ xảy ra liên tục cho đến khi tạo nên san phẩm cuối cùng là SiO» vô định hình [6]. | Ou m mà ——oH ——— to. : — em + (n-1)HạO OH l b Nam 1918, quá trình này được phát triển bởi giáo sư Patrick, đây được xem là cơ sở của tat cả các quá trình tông hợp silica gel hiện đại. Các phương pháp tông hợp silica từ tro trau Tác giá Zhiliang Zhang và cộng sự đã tông hợp vật liệu nano silica bằng phương pháp siêu âm trong nghiên cứu “Rice Husk Ash-Derived Silica Nanofluids: Synthesis and Stability Study” [7].
Đầu tiên, tro trau được xử lí bằng acid HCl, đun sôi và khuấy đều trong vòng 12 giờ, lọc thu chất rắn va rửa bang nước khứ ion, sau đó say khô trong tủ say ở nhiệt độ 120°C trong 12 giờ. Sau quá trình tiền xử lí bằng acid và nhiệt độ, thêm dung địch Na2COs vào tro trau va dun trên máy khuấy từ gia nhiệt trong vòng 4 giờ. Sau đó, thêm CO: vao vả tiếp tục khuấy trong vòng | giờ, lọc thu lay kết tủa thu được đem đi say khô 120°C trong 12 giờ. Cuối cùng, chất rắn được đặt vào máy siêu âm và siêu âm trong vòng 2 giờ ở nhiệt độ 25°C.
Nhà khoa học Wemer Stober là người dau tiên tông hợp vật liệu nano silica bằng phương pháp sol-gel, bang cách thủy phân tetracthyl orthosilicat trong môi trường ethanol với xúc tác là acid hoặc base. Phương pháp sol-gel bao gồm 2 giai đoạn chính, đầu tiên là các tiền chat alkoxide kim loại hoặc á kim bị thuỷ phân va liên kết với nhau qua cầu oxygen nhưng vẫn tan trong dung dich, tạo thành sol. Tiếp theo, các phân tử trung gian ngưng tụ với nhau tạo thành mạng lưới 3 chiều, tạo thảnh gel [8], [9]. Phan ứng thuỷ phân có các alkoxide thuỷ phân dé tạo thành liên kết Si-OH như sau: Si(OR)s + H:O ——> HO-Si(OR); + R-OH Trong đó, gốc R là C2Hs.
Cơ chế phan ứng khi sử dung xúc tác acid thuỷ phân alkoxide được đề xuât như sau: H RO. H H oR H OR yi a4 `. N_—Ừ +ROH+H = ROS R H RO \¿ R Vor Cơ chế phan ứng khi sử dụng xúc tac base thuỷ phan alkoxide được dé xuất như sau: RO OR om \ £ , ‘mm |s;—F ___.\, " , J"8eOR OH yO — % Vor $ Ro Nie ` s rod R Các phân tir trung gian tiếp tục xảy ra phản ứng với nhau theo phản ứng: (OR):-Si-OH + HO-Si-(OR): ——> [(OR):Si-O-Si(OR):| + H-O-H Cuối cùng, các phân tử được tạo thành liên kết với nhau theo phản ứng polymer hoa, phản ứng polymer hoá dién ra liên tục theo thời gian ở điều kiện thường độ nhớt của dung dich sẽ tăng dan vả ngưng tụ cho tới khi hình thanh gel rắn, hình thành bộ khung cho vật liệu silica [10]. oO o—si—on \ = OH °| | aan OH HO / x4 HO Si HO OH \_, _ —— HO ad.
“So—si—ou |“ \ OH OH Hình 1. Bộ khung cầu tạo hạt silica Tác gia A.