Khóa luận tốt nghiệp hóa học tổng hợp silica từ tro tấu bằng phương pháp nghiền

Luận văn tốt nghiệp hóa học nghiên cứu tốt nghiệp hóa học tổng hợp silica từ tro tấu bằng phương pháp nghiền, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề xuất biện pháp cải tiến

• Tác giả: Trịnh Quang Duy Khang
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Trúc Linh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa Hóa Học: Nghiên Cứu Về Silica Từ Tro Trấu
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Thành phần hóa học của tro trấu (RHA)
• 1.2. Một số ứng dụng của tro trấu
• 1.3. Các phương pháp tổng hợp silica từ tro trấu
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Dụng cụ và thiết bị. Quy trình tổng hợp vật liệu silica
• 2.2. Phương pháp phổ phát xạ plasma (ICP-OES). Phương pháp tán xạ năng lượng tia X - EDX. Phương pháp BET (Brunauer - Emmett - Teller). Phương pháp tán xạ ánh sáng tĩnh SLS (Statics light scattering)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng của vật liệu silica. Nguyên liệu tro trấu và sản phẩm silica
• 3.2. Kết quả đo phổ tán xạ năng lượng tia X - EDX
• 3.3. Xác định diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp
• 3.4. Kết quả đo phân bố kích thước hạt của vật liệu silica
• 3.5. Đánh giá khả năng hấp phụ methylene blue (MB) trong dung dịch nước
• 3.6. Đánh giá khả năng hấp phụ rhodamine B (RhB) trong dung dịch nước
• 3.7. Đánh giá khả năng hấp phụ methyl orange (MO) trong dung dịch nước
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Khóa Luận Tốt Nghiệp Khoa Hóa Học

Khóa luận tốt nghiệp khoa Hóa học với chủ đề "Nghiên cứu về Silica từ Tro Trấu" mang đến cái nhìn sâu sắc về việc tận dụng phế phẩm nông nghiệp. Tro trấu, một sản phẩm phụ từ ngành nông nghiệp, chứa một lượng lớn silica, có thể được khai thác để sản xuất các vật liệu có giá trị. Nghiên cứu này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ nguồn tài nguyên sẵn có.

1.1. Khái Niệm Về Silica Từ Tro Trấu

Silica từ tro trấu (RHA) là một hợp chất quan trọng, chiếm khoảng 87-97% trong thành phần hóa học của tro trấu. Việc thu hồi silica từ tro trấu không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguyên liệu cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Silica

Nghiên cứu silica từ tro trấu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển bền vững. Silica có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, hóa học và y tế, góp phần vào việc giảm thiểu chất thải nông nghiệp.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Từ Tro Trấu Trong Nông Nghiệp

Tro trấu, mặc dù là một nguồn tài nguyên, nhưng nếu không được xử lý đúng cách sẽ gây ô nhiễm môi trường. Việc thải bỏ tro trấu ra ngoài có thể làm ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp tái chế tro trấu thành silica là rất cần thiết.

2.1. Tác Động Của Tro Trấu Đến Môi Trường

Tro trấu thải ra từ quá trình xay xát lúa gạo có thể gây ô nhiễm không khí và nước. Việc xử lý không đúng cách có thể dẫn đến sự tích tụ chất độc hại trong môi trường sống.

2.2. Giải Pháp Giảm Thiểu Ô Nhiễm

Một trong những giải pháp hiệu quả là tái chế tro trấu thành silica. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế cao.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Silica Từ Tro Trấu

Có nhiều phương pháp để tổng hợp silica từ tro trấu, bao gồm phương pháp sol-gel, kết tủa và siêu âm. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau trong công nghiệp.

3.1. Phương Pháp Sol Gel

Phương pháp sol-gel là một trong những phương pháp phổ biến để tổng hợp silica. Quá trình này bao gồm thủy phân và ngưng tụ các tiền chất silica, tạo ra vật liệu có cấu trúc nano với nhiều ứng dụng trong y tế và công nghiệp.

3.2. Phương Pháp Kết Tủa

Phương pháp kết tủa sử dụng dung dịch kiềm để tạo ra silica từ tro trấu. Phương pháp này đơn giản và hiệu quả, cho phép thu hồi silica với độ tinh khiết cao.

3.3. Phương Pháp Siêu Âm

Phương pháp siêu âm giúp tăng cường quá trình tổng hợp silica bằng cách tạo ra các sóng siêu âm, làm tăng tốc độ phản ứng và cải thiện chất lượng sản phẩm cuối cùng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Silica Từ Tro Trấu

Silica từ tro trấu có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như xây dựng, hóa học và y tế. Việc sử dụng silica không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường.

4.1. Silica Trong Ngành Xây Dựng

Silica được sử dụng để sản xuất bê tông siêu nhẹ và các vật liệu xây dựng khác. Những vật liệu này có tính năng cách nhiệt và cách âm tốt, đồng thời thân thiện với môi trường.

4.2. Silica Trong Ngành Hóa Học

Silica được sử dụng làm chất xúc tác trong nhiều phản ứng hóa học. Nó cũng có vai trò quan trọng trong việc sản xuất các sản phẩm hóa học khác nhau.

4.3. Silica Trong Y Tế

Silica có thể được sử dụng trong các ứng dụng y tế như chất hấp phụ trong các sản phẩm dược phẩm, giúp cải thiện hiệu quả điều trị.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Silica Từ Tro Trấu

Nghiên cứu silica từ tro trấu không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp hiệu quả sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp.

5.1. Tương Lai Của Silica Từ Tro Trấu

Với sự phát triển của công nghệ, việc khai thác silica từ tro trấu sẽ ngày càng trở nên phổ biến. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị.

5.2. Khuyến Nghị Nghiên Cứu Thêm

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện các phương pháp tổng hợp silica, đồng thời tìm kiếm các ứng dụng mới cho silica trong các lĩnh vực khác nhau.

Nội dung chính

Giới thiệu dự án

Ngành nông nghiệp lúa gạo Việt Nam đóng vai trò trụ cột trong nền kinh tế quốc gia, với sản lượng xuất khẩu đạt 6,07 triệu tấn năm 2022 và liên tục tăng trưởng mạnh mẽ trong các năm tiếp theo. Tuy nhiên, hệ quả đi kèm là hàng triệu tấn vỏ trấu – phế phẩm nông nghiệp sau xay xát – bị thải trực tiếp ra môi trường hoặc đốt thủ công ngoài trời. Hành vi này không chỉ gây ô nhiễm bụi mịn, tắc nghẽn nguồn nước mặt mà còn lãng phí một nguồn tài nguyên thứ cấp dồi dào. Tro trấu (Rice Husk Ash - RHA) chứa hàm lượng silica ($\text{SiO}_2$) vô định hình rất cao, dao động từ 87% đến 97% khối lượng sau quá trình nhiệt phân.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là các phương pháp thu hồi silica truyền thống (như phương pháp sol-gel sử dụng tiền chất hữu cơ tetraethyl orthosilicate - TEOS, hoặc phương pháp kết tủa nhiệt phân áp suất cao) đòi hỏi chi phí hóa chất đắt đỏ, quy trình gia nhiệt $180^\circ\text{C} - 200^\circ\text{C}$ kéo dài, tiêu hao năng lượng lớn và phát thải dung môi hữu cơ.

Đồ án khóa luận tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán trên thông qua các mục tiêu cụ thể:

1. Tổng hợp thành công vật liệu silica vô định hình từ nguồn tro trấu nông nghiệp thông qua phương pháp nghiền cơ hóa (mechanochemical grinding) ở nhiệt độ phòng.
2. Khảo sát toàn diện đặc trưng hóa lý của vật liệu bằng hệ thống thiết bị phân tích hiện đại: ICP-OES, EDX, BET-BJH, SLS và UV-Vis.
3. Đánh giá hiệu năng và cơ chế hấp phụ chọn lọc của vật liệu silica đối với ba nhóm chất màu dệt nhuộm đại diện: Methylene Blue (MB - Cationic), Rhodamine B (RhB - Cationic/Hydrophobic) và Methyl Orange (MO - Anionic).

Giải pháp nghiền cơ hóa tận dụng tính hút ẩm tự nhiên của kiềm rắn ($\text{KOH}$) trong không khí mở kết hợp lực ma sát cơ học để hòa tan silica từ tro trấu mà không cần gia nhiệt hồi lưu hay dùng bình phản ứng thủy nhiệt áp suất cao. Kết quả kỳ vọng đạt được là bột nano silica có diện tích bề mặt $\ge 80\text{ m}^2/\text{g}$, độ tinh khiết cao, xử lý được $\ge 85%$ chất màu cation trong nước thải dệt nhuộm với chi phí vật liệu tối thiểu.

---

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi đề xuất phương pháp nghiền cơ hóa, các công nghệ thu hồi và tổng hợp silica hiện có đã được phân tích và đối sánh chi tiết:

Phương pháp tổng hợp	Tiền chất / Tác nhân	Điều kiện phản ứng	Ưu điểm	Nhược điểm / Rào cản
Sol-Gel truyền thống (W. Stöber / A. Alhadhrami)	TEOS / RHA + NaOH	Gia nhiệt $40^\circ\text{C} - 80^\circ\text{C}$, khuấy 4–12h, nung $600^\circ\text{C}$	Hạt đồng đều ($60-80\text{ nm}$), BET $78.52\text{ m}^2/\text{g}$	Chi phí hóa chất cao, tiêu hao năng lượng, dung môi cồn
Thủy nhiệt (Hydrothermal) (Nguyễn Thị Huyền / C. Kongmanklang)	TEOS / RHA + CTAB + $\text{NH}_3$	Autoclave $180^\circ\text{C}$, 20h, áp suất tự sinh	BET cao ($246.91\text{ m}^2/\text{g}$), kiểm soát tốt hình thái hạt	Thiết bị chịu áp đắt tiền, khó scale-up công nghiệp, nguy cơ cháy nổ
Kết tủa nhiệt (Precipitation) (Lương Huỳnh Vũ Thanh)	$\text{RHA} + \text{NaOH 3M} + \text{HCl}$	Đun sôi $200^\circ\text{C}$ trong 1h, khuấy 400 rpm	Quy trình đơn giản, tận dụng được RHA	Tiêu hao năng lượng đun hồi lưu, BET ở mức trung bình ($62.47\text{ m}^2/\text{g}$)
Nghiền cơ hóa (Đề xuất)	$\text{RHA} + \text{KOH rắn} + \text{HNO}_3\text{ 1M}$	Nghiền khô hở nhiệt độ phòng 3h, lắng 24h, sấy $110^\circ\text{C}$	Không gia nhiệt phản ứng, chi phí thấp, BET đạt $82.88\text{ m}^2/\text{g}$	Phân bố kích thước hạt rộng, phụ thuộc lực nghiền

Yêu cầu kỹ thuật của giải pháp được phân loại theo mô hình MoSCoW:

• Must have: Hàm lượng $\text{SiO}_2$ thu hồi tinh khiết $> 80%$, phản ứng xảy ra tại nhiệt độ phòng, hiệu suất hấp phụ chất màu cation $> 80%$.
• Should have: Diện tích bề mặt BET $> 75\text{ m}^2/\text{g}$, vật liệu mang cấu trúc mao quản trung bình (mesoporous).
• Could have: Tối ưu hóa chu kỳ rửa để tiết kiệm nước khử ion và thu hồi phụ phẩm muối $\text{KNO}_3$ làm phân bón.
• Won't have (in this phase): Không sử dụng chất định hướng cấu trúc hữu cơ (CTAB) hay bình thủy nhiệt Teflon.

Thiết kế hệ thống và quy trình công nghệ

Cơ chế chuyển hóa hóa học trong quy trình nghiền cơ hóa gồm 2 giai đoạn chính:

1. Giai đoạn hoạt hóa cơ hóa & kiềm hóa pha rắn: Lực cắt và va đập trong cối nghiền phá vỡ liên kết siloxan ($\text{Si-O-Si}$) trên bề mặt hạt RHA, đồng thời tính hút ẩm của $\text{KOH}$ tạo màng dung dịch nồng độ cực cao tại điểm tiếp xúc: $$\text{SiO}_2\text{ (vô định hình trong RHA)} + 2\text{KOH}\text{ (rắn)} \xrightarrow{\text{Nghiền cơ học, } 25^\circ\text{C}} \text{K}_2\text{SiO}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

2. Giai đoạn sol-gel hóa và ngưng tụ tạo mạng: Axit hóa dịch chiết potassium silicate bằng axit nitric ($\text{HNO}_3$) về điểm đẳng điện định hướng kết tủa: $$\text{K}_2\text{SiO}_3 + 2\text{HNO}_3 + (n-1)\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{SiO}_2\cdot n\text{H}_2\text{O}\downarrow\text{ (gel)} + 2\text{KNO}_3$$ $$\equiv\text{Si}-\text{OH} + \text{HO}-\text{Si}\equiv ;\longrightarrow; \equiv\text{Si}-\text{O}-\text{Si}\equiv + ;\text{H}_2\text{O}\text{ (polyme hóa mạng 3 chiều)}$$

Sơ đồ chuyển hóa vật liệu:

[ Tro trấu khô (87.3% SiO2) + KOH rắn ] 
                  │
                  ▼ (Nghiền liên tục 3 giờ tại 25°C)
      [ Hỗn hợp silicate cơ hóa ]
                  │
                  ▼ (Hòa tan nước cất + Lắng 24 giờ)
     [ Lọc lấy dịch trong màu vàng nhạt ]
                  │
                  ▼ (Nhỏ từ từ HNO3 1M đến pH = 4.0)
     [ Kết tủa Gel Silica trắng đục ]
                  │
                  ▼ (Lọc + Rửa sạch ion đến trung tính)
      [ Sấy khô 110°C trong 24 giờ ]
                  │
                  ▼ (Nghiền mịn thành phẩm)
        [ Hạt Vật Liệu Silica ]

Technology Stack & Thiết bị phân tích

Hệ thống thiết bị đo kiểm và phiên bản phần mềm phân tích chuyên dụng:

• ICP-OES (Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng): PerkinElmer Optima 8300, phân tích nguyên tố vết từ ppb đến %.
• EDX (Phổ tán xạ năng lượng tia X): HORIBA H-7593, detector phân giải cao xác định thành phần nguyên tố màng rắn.
• BET-BJH (Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp $\text{N}_2$): Quantachrome Nova 4000e, đo diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp tại 77K.
• SLS (Tán xạ ánh sáng tĩnh): HORIBA LA-920, dải đo phân bố cỡ hạt từ sub-micron đến milimet.
• UV-Vis Spectrophotometer: Ocean Optics USB2000 Fiber Optic Spectrometer kết hợp phần mềm SpectraSuite, đo độ hấp thụ quang.

Methodology

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm tuân theo mô hình phân tầng chặt chẽ:

• Milestone 1 (Tuần 1-2): Thu thập, tuyển chọn và phân tích thành phần nguyên liệu thô tro trấu từ nhà máy phân bón Hải Dương (Bình Dương) bằng ICP-OES.
• Milestone 2 (Tuần 3-6): Thử nghiệm tham số nghiền cơ hóa (tỷ lệ $\text{RHA}:\text{KOH} = 60\text{g} : 18.5\text{g}$, thời gian 3h), theo dõi động học đông tụ sol-gel ở $\text{pH} = 4$.
• Milestone 3 (Tuần 7-10): Thu hồi mẫu rắn, tinh chế ion, sấy $110^\circ\text{C}$ và khảo sát hóa lý cấu trúc trên thiết bị viện chuyên ngành.
• Milestone 4 (Tuần 11-14): Khảo sát động học hấp phụ các chất màu MB ($664\text{ nm}$), RhB ($550\text{ nm}$), MO ($478\text{ nm}$) tại các mốc thời gian $3, 6, 9, \dots, 30$ phút.
• Kiểm soát rủi ro: Sử dụng kính bảo hộ và găng tay chịu kiềm khi nghiền $\text{KOH}$ rắn; kiểm soát tốc độ nhỏ giọt $\text{HNO}_3$ tránh hiện tượng đóng rắn cục bộ mất kiểm soát pH.

---

Implementation và kết quả

Development Process & Quy trình thực nghiệm

Quy trình tổng hợp được chuẩn hóa chi tiết theo các thông số định lượng:

ALGORITHM: Mechanochemical Silica Synthesis & Dye Sorption Protocol
INPUT: 
  - Raw Rice Husk Ash (RHA): 60.0 g (SiO2 >= 85%)
  - Solid Potassium Hydroxide (KOH): 18.5 g (Pure grade)
  - Nitric Acid (HNO3): 1.0 M
  - Model Pollutants: Methylene Blue (MB), Rhodamine B (RhB), Methyl Orange (MO) at C0 = 10 mg/L
OUTPUT:
  - Mesoporous Silica Powder
  - Removal Efficiency Efficiency (%)

PROCEDURE:
1. Mix 60.0g RHA + 18.5g KOH in an agate/porcelain mortar.
2. Grind continuously for 3.0 hours under atmospheric conditions.
3. Rinse remaining solids with deionized water into a glass beaker; dilute and let settle for 24 hours.
4. Perform vacuum filtration (3 passes) -> collect clear yellowish potassium silicate filtrate.
5. Titrate slowly with 1.0 M HNO3 under gentle stirring, continuously monitoring pH with test strips until pH = 4.0.
6. Observe white gelatinous precipitate formation (silica hydrogel).
7. Filter precipitate through fine filter paper; wash exhaustively with DI water until neutral effluent.
8. Dehydrate hydrogel in drying oven at 110°C for 24 hours.
9. Finely grind dried solids to yield porous amorphous silica.

ADSORPTION EVALUATION:
10. Add 0.05g silica into 100 mL dye solution (10 mg/L, pH = 7.0, T = 25°C).
11. Sample solution every 3 minutes (from t = 3 min to t = 30 min).
12. Measure Absorbance (A) via UV-Vis at lambda_max (MB: 664nm, RhB: 550nm, MO: 478nm).
13. Calculate Removal (%) = [(A0 - At) / A0] * 100%

Testing và Validation

1. Thành phần nguyên liệu và độ tinh khiết (ICP-OES & EDX)

• ICP-OES: Xác nhận hàm lượng $\text{SiO}_2$ trong tro trấu khô ban đầu đạt 87.3% khối lượng (được kiểm định bởi phòng thử nghiệm đạt chuẩn VILAS).
• EDX: Phổ tán xạ năng lượng tia X của sản phẩm silica sau tổng hợp chỉ xuất hiện 2 pic năng lượng đặc trưng chiếm ưu thế tuyệt đối: Silicon (Si): 42.5% khối lượng và Oxygen (O): 40.0% khối lượng. Hoàn toàn không phát hiện tạp chất kim loại kiềm thổ ($\text{Ca, Mg}$) hay kim loại nặng ($\text{Fe, Al}$), chứng minh axit nitric đã hòa tan và rửa trôi triệt để các oxide tạp.

+-------------------------------------------------------------+
| Phổ EDX: Tỷ lệ thành phần nguyên tố trong sản phẩm Silica   |
+--------------------------+----------------------------------+
| Nguyên tố                | Tỷ lệ phần trăm khối lượng (% wt)|
+--------------------------+----------------------------------+
| Silicon (Si)             | 42.5%                            |
| Oxygen (O)               | 40.0%                            |
| Tạp chất khác            | < 0.1% (Không đáng kể)           |
+--------------------------+----------------------------------+

2. Diện tích bề mặt riêng và cấu trúc mao quản (BET - BJH)

• Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp $\text{N}_2$: Thuộc Type IV theo chuẩn phân loại IUPAC, xuất hiện vòng trễ (Hysteresis loop) dạng H1 ở vùng áp suất tương đối cao ($P/P_0 = 0.65 - 1.0$). Điều này chứng minh vật liệu sở hữu hệ mao quản trung bình (mesoporous) đồng đều dạng ống trụ hở hoặc cấu trúc cổ chai liên thông.
• Diện tích bề mặt BET ($S_{BET}$): Đạt $82.88\text{ m}^2/\text{g}$.
• Thể tích và đường kính lỗ xốp (BJH): Thể tích lỗ xốp tích lũy trung bình đạt $0.222\text{ cm}^3/\text{g}$ ($0.222\text{ cc/g}$).

3. Phân bố kích thước hạt (Static Light Scattering - SLS)

• Dữ liệu đo trên máy HORIBA LA-920 cho thấy 95% hạt phân bố tập trung ở mật độ kích thước $959.39\text{ }\mu\text{m}$.
• Kích thước hạt trung bình ghi nhận ở mức $448.36\text{ }\mu\text{m}$, với kích thước xuất hiện nhiều nhất (mode) là $483.89\text{ }\mu\text{m}$. Kích thước nhỏ nhất ở phân vị 5% là $30.33\text{ }\mu\text{m}$. Cấu trúc hạt xốp thứ cấp tạo điều kiện cho chất tan khuếch tán sâu vào lòng mao quản.

4. Đánh giá động học hấp phụ chất màu (UV-Vis Spectrophotometry)

Khảo sát sử dụng $0.05\text{ g}$ silica phân tán trong $100\text{ mL}$ dung dịch màu nồng độ $10\text{ mg/L}$ ở $\text{pH} = 7$, nhiệt độ phòng ($25^\circ\text{C}$):

Chất màu khảo sát	Phân loại điện tích	Bước sóng $\lambda_{max}$	Hiệu suất loại bỏ (30 phút)	Cơ chế tương tác bề mặt
Methylene Blue (MB)	Cationic ($\text{MB}^+$)	$664\text{ nm}$	90.0% (Đạt $>80%$ chỉ sau 3 phút)	Lực hút tĩnh điện mạnh giữa $>\text{SiO}^-$ và cation $\text{MB}^+$; giải phóng nhiệt
Rhodamine B (RhB)	Cationic / Cồng kềnh	$550\text{ nm}$	$< 5.0%$ (Gần như không hấp phụ)	Cản trở lập thể do kích thước phân tử lớn; tính kỵ nước của RhB đối kháng lớp silanol ưa nước
Methyl Orange (MO)	Anionic ($\text{MO}^-$)	$478\text{ nm}$	$\approx 0.0%$ (Không hấp phụ)	Lực đẩy tĩnh điện cực mạnh giữa bề mặt tích điện âm $>\text{SiO}^-$ và anion $\text{MO}^-$

Hiệu suất hấp phụ Methylene Blue (MB) theo thời gian (UV-Vis tại 664 nm):
00 min (Ban đầu): [████████████████████] Abs = 2.45 (100% còn lại)
03 min:          [████░░░░░░░░░░░░░░░░] Abs = 0.52 (Loại bỏ ~78.8%)
06 min:          [███░░░░░░░░░░░░░░░░░] Abs = 0.41 (Loại bỏ ~83.2%)
15 min:          [██░░░░░░░░░░░░░░░░░░] Abs = 0.32 (Loại bỏ ~87.0%)
30 min:          [█░░░░░░░░░░░░░░░░░░░] Abs = 0.24 (Loại bỏ 90.0%)

Kết quả đạt được

Đề tài đã hoàn thành xuất sắc các chỉ tiêu thiết kế ban đầu:

• Thu hồi thành công silica vô định hình đạt độ tinh khiết cao với tỷ lệ Si:O chuẩn xác.
• Diện tích bề mặt BET $82.88\text{ m}^2/\text{g}$ vượt trội hơn so với phương pháp kết tủa thông thường ($62.47\text{ m}^2/\text{g}$).
• Tốc độ hấp phụ MB diễn ra cực nhanh, đạt hiệu suất 90.0% sau 30 phút, giải thích rõ ràng bản chất hóa học bề mặt của nhóm silanol ($\equiv\text{Si}-\text{OH}$) và siloxan ($\equiv\text{Si}-\text{O}-\text{Si}\equiv$).

---

Đổi mới và đóng góp

Đổi mới kỹ thuật nổi bật

1. Nguyên lý cơ hóa pha rắn không tiêu tốn nhiệt năng: Khác biệt hoàn toàn với các nghiên cứu đun sôi tro trấu trong $\text{NaOH}$ $200^\circ\text{C}$ (Lương Huỳnh Vũ Thanh) hay nung $800^\circ\text{C}$ (A. Alhadhrami), giải pháp áp dụng cơ chế mài mòn - va đập cơ học để bẻ gãy mạng tinh thể cục bộ của RHA, tận dụng tính chảy rữa hút ẩm của $\text{KOH}$ rắn trong không khí để tự tạo môi trường kiềm đặc cục bộ tại nhiệt độ phòng.
2. Khả năng tăng cường diện tích bề mặt không cần phụ gia: Quá trình nghiền liên tục tạo ra ứng suất trượt lớn, ngăn ngừa sự tự đóng vón sớm của gel silica, giúp diện tích bề mặt riêng đạt $82.88\text{ m}^2/\text{g}$, cao hơn 32.6% so với phương pháp kết tủa hóa ướt truyền thống ($62.47\text{ m}^2/\text{g}$) mà không cần dùng đến chất hoạt động bề mặt đắt tiền như CTAB.

Đối sánh với các công trình công bố

Chỉ số khoa học	Nghiên cứu này (2024)	Lương Huỳnh Vũ Thanh (2016)	A. Alhadhrami et al. (2021)	Chaiwat K. (Thủy nhiệt)
Phương pháp	Nghiền cơ hóa (Room Temp)	Kết tủa hóa ướt	Sol-Gel nhiệt phân	Thủy nhiệt Autoclave
Năng lượng gia nhiệt	$0\text{ kWh}$ (Nhiệt độ phòng)	Đun sôi $200^\circ\text{C}$ liên tục 1h	Nung $800^\circ\text{C}$ 1h + Khuấy nhiệt 4h	$180^\circ\text{C}$ áp suất cao 20h
Diện tích BET	$82.88\text{ m}^2/\text{g}$	$62.47\text{ m}^2/\text{g}$	$78.52\text{ m}^2/\text{g}$	$246.91\text{ m}^2/\text{g}$
Độ tinh khiết Si, O	Tinh khiết cao (EDX)	Tinh khiết cao	Tinh khiết cao	Tinh thể silicalite
Hiệu suất MB (30p)	$90.0%$ (ở $10\text{ mg/L}$)	$91.0%$ (ở $55\text{ mg/L}$)	Không đo MB (Xử lý MO)	-
Tiềm năng Scale-up	Rất cao (Máy nghiền bi)	Trung bình (Tốn nhiệt)	Thấp (Đốt nung cao)	Rất thấp (Áp suất cao)

Đóng góp cho ngành và học thuật

• Về mặt học thuật: Chứng minh thực nghiệm cơ chế hấp phụ phụ thuộc điểm đẳng điện $pH_{pzc}$ và nhóm silanol: ở $\text{pH} = 7 > pH_{pzc}$, bề mặt tích điện âm ($>\text{SiO}^-$) chỉ hút chọn lọc chất màu cation ($\text{MB}^+$) và đẩy hoàn toàn chất màu anion ($\text{MO}^-$).
• Về mặt môi trường & kinh tế tuần hoàn: Đề xuất một chu trình không rác thải: Tro trấu $\rightarrow$ Silica mao quản trung bình $\rightarrow$ Xử lý nước thải dệt nhuộm $\rightarrow$ Bùn thải silica sau hấp phụ có thể tái sử dụng làm phụ gia bê tông cách nhiệt hoặc gạch không nung.

---

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng công nghiệp

1. Module lọc xử lý nước thải dệt nhuộm cục bộ: Ứng dụng vật liệu silica làm lớp đệm hấp phụ trong cột lọc động học nhằm loại bỏ triệt để các loại thuốc nhuộm mang điện tích dương (nhóm thiazine như Methylene Blue, Crystal Violet) trước khi xả ra hệ thống xử lý sinh học.
2. Phụ gia khoáng pozzolanic cho bê tông biển: Silica vô định hình hạt mịn từ tro trấu phản ứng với $\text{Ca(OH)}_2$ tự do sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng tạo thành khoáng C-S-H ($\text{Calcium Silicate Hydrate}$) bền vững, bịt kín các vi mao quản, tăng cường khả năng chống thấm ion chloride ($\text{Cl}^-$) lên đến $40-60%$, bảo vệ cốt thép trong công trình ven biển.

Phân tích hiệu quả kinh tế (Cost-Benefit Analysis)

Ước tính chi phí sản xuất 1 kg Silica vô định hình từ Tro trấu:
├── Nguyên liệu tro trấu: 2.0 kg (~500 VND/kg)          =  1,000 VND
├── Hóa chất KOH công nghiệp (85%): 0.6 kg (~30k/kg)   = 18,000 VND
├── Axit HNO3 công nghiệp (68%): 0.5 kg (~12k/kg)       =  6,000 VND
├── Điện năng nghiền bi & sấy sấy khô (~3.5 kWh):        =  8,500 VND
├── Nước cất / nước rửa công nghiệp:                     =  1,500 VND
+-------------------------------------------------------------+
| TỔNG CHI PHÍ NGUYÊN LIỆU TRỰC TIẾP:                   ~35,000 VND/kg
| Giá thị trường của Silica thương mại (SiO2 > 98%):    120,000 - 250,000 VND/kg
| BIÊN LỢI NHUẬN ƯỚC TÍNH:                              > 70%
+-------------------------------------------------------------+

Lộ trình triển khai (Roadmap)

[ Giai đoạn 1: Pilot 5 - 10 kg/mẻ ] (Tháng 1 - 3)
  - Chuyển đổi cối nghiền thủ công sang máy nghiền bi hành tinh (Planetary Ball Mill).
  - Tối ưu hóa tỷ lệ bi/bột và tốc độ vòng quay (rpm).

[ Giai đoạn 2: Tối ưu hóa rửa & Thu hồi phụ phẩm ] (Tháng 4 - 6)
  - Thiết kế hệ thống lọc ép khung bản (Filter Press).
  - Kết tinh dịch lọc thu muối KNO3 phục vụ sản xuất phân bón NPK.

[ Giai đoạn 3: Tích hợp Module công nghiệp ] (Tháng 7 - 12)
  - Thử nghiệm cột hấp phụ liên tục tại xưởng dệt nhuộm thực tế.
  - Kiểm định độ bền cơ lý mẫu bê tông chống thấm ion clo chứa phụ gia silica RHA.

---

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

• Diện tích bề mặt chưa tối đa: Diện tích BET ($82.88\text{ m}^2/\text{g}$) tuy cao hơn phương pháp kết tủa thông thường nhưng vẫn thấp hơn đáng kể so với phương pháp thủy nhiệt ($246.91\text{ m}^2/\text{g}$) do phản ứng nghiền hở chưa tạo được áp suất đẳng tĩnh để định hướng mao quản siêu nhỏ.
• Tính chọn lọc đơn chiều: Vật liệu chỉ hấp phụ tốt thuốc nhuộm cation có cấu trúc mạch phẳng nhỏ (MB), hoàn toàn kém hiệu quả đối với thuốc nhuộm anion (MO) hoặc thuốc nhuộm có cấu trúc cồng kềnh kỵ nước (RhB).
• Phân bố kích thước hạt chưa đồng đều: Phương pháp nghiền cối thủ công dẫn đến kích thước hạt phân tán rộng ($30 - 959\text{ }\mu\text{m}$).

Hướng nghiên cứu mở rộng

• Chức hóa bề mặt (Functionalization): Ghép nối các nhóm chức amine ($-\text{NH}_2$) thông qua tác nhân silane hóa (APTES) để đảo ngược điện tích bề mặt từ âm sang dương, kích hoạt khả năng hấp phụ thuốc nhuộm anion và kim loại nặng ($\text{Cr(VI)}, \text{As(V)}$).
• Cơ giới hóa bằng máy nghiền bi năng lượng cao: Kiểm soát chính xác kích thước hạt về mức nanomet đồng đều ($50-100\text{ nm}$).
• Khảo sát tái sinh vật liệu: Thử nghiệm giải hấp chất màu bằng cồn/axit loãng và đánh giá hiệu năng suy giảm sau 5–10 chu kỳ tái sử dụng.

---

Đối tượng hưởng lợi

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      BẢNG PHÂN TÍCH ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                       |
+-------------------+-----------------------------------------------------------+
| Nhóm đối tượng    | Giá trị và Lợi ích định lượng                             |
+-------------------+-----------------------------------------------------------+
| Sinh viên &       | - Tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp cơ hóa xanh.|
| Giảng viên        | - Bộ dữ liệu thực nghiệm đối sánh đa phương pháp phân tích|
|                   |   hóa lý hiện đại (ICP-OES, EDX, BET, BJH, SLS, UV-Vis).  |
+-------------------+-----------------------------------------------------------+
| Kỹ sư môi trường  | - Công thức điều chế chất hấp phụ giá rẻ (< 40k VND/kg).  |
| & Doanh nghiệp    | - Giải pháp thay thế than hoạt tính đắt đỏ trong xử lý    |
| dệt nhuộm         |   nước thải chứa chất màu cation với hiệu suất 90%.       |
+-------------------+-----------------------------------------------------------+
| Doanh nghiệp vật  | - Nguồn silica hoạt tính cao thay thế microsilica nhập    |
| liệu xây dựng     |   khẩu nhằm sản xuất bê tông bền sunfat, kháng mặn.       |
+-------------------+-----------------------------------------------------------+
| Nhà nghiên cứu    | - Cơ sở thực nghiệm để phát triển vật liệu lai hữu cơ - vô|
| công nghệ nano    |   cơ (PMO), màng silica phân tách khí từ phụ phẩm sinh khối|
+-------------------+-----------------------------------------------------------+

---

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để triển khai phương pháp nghiền cơ hóa này là gì?

Ở quy mô thử nghiệm hoặc sản xuất vừa, hệ thống chỉ yêu cầu máy nghiền bi (Ball Mill) hoặc máy nghiền hành tinh có buồng nghiền tráng gốm/agate chống ăn mòn kiềm, thùng khuấy hòa tan có cánh khuấy cơ học tốc độ 400–600 rpm, hệ thống lọc hút chân không hoặc lọc ép màng, và tủ sấy đối lưu nhiệt độ làm việc $100-120^\circ\text{C}$.

2. Vì sao phương pháp nghiền này không cần gia nhiệt mà vẫn trích ly được silica?

Phương pháp dựa trên hiện tượng hoạt hóa cơ hóa (mechanochemical activation). Quá trình nghiền cọ xát tạo ra ứng suất cơ học phá vỡ các liên kết tinh thể yếu ở bề mặt RHA. Đồng thời, $\text{KOH}$ rắn có tính hút ẩm cực mạnh từ không khí, tạo thành một lớp màng chất lỏng kiềm siêu đậm đặc ngay trên bề mặt hạt tro trấu, thúc đẩy phản ứng tạo ion $\text{SiO}_3^{2-}$ diễn ra tự phát tại nhiệt độ phòng.

3. Làm thế nào để xử lý nước thải sau giai đoạn rửa gel silica?

Dung dịch sau khi lọc gel chứa hàm lượng muối $\text{KNO}_3$ hòa tan sinh ra từ phản ứng giữa $\text{K}_2\text{SiO}_3$ và $\text{HNO}_3$. Nước thải này không chứa kim loại nặng độc hại, có thể đưa vào công đoạn cô đặc bốc hơi để thu hồi tinh thể potassium nitrate ($\text{KNO}_3$) – một loại phân bón vô cơ có giá trị kinh tế cao, giúp quy trình đạt trạng thái tuần hoàn không phát thải lỏng độc hại.

4. Tại sao vật liệu hấp phụ rất tốt Methylene Blue nhưng thất bại với Methyl Orange và Rhodamine B?

Điều này được quyết định bởi điện tích và cấu trúc phân tử:

• Ở môi trường $\text{pH} = 7$, bề mặt silica có các nhóm silanol phân ly thành dạng $>\text{SiO}^-$, mang điện tích âm.
• Methylene Blue là thuốc nhuộm cation ($\text{MB}^+$), tạo ra lực hút tĩnh điện liên kết cực mạnh với bề mặt silica.
• Methyl Orange là thuốc nhuộm anion ($\text{MO}^-$), bị bề mặt silica tích điện âm đẩy văng ra do lực đẩy tĩnh điện cùng dấu.
• Rhodamine B tuy là cation nhưng có cấu trúc cồng kềnh và tính kỵ nước cao, bị cản trở lập thể và không thể xuyên qua lớp nước solvat hóa trên bề mặt silica ưa nước.

5. Chi phí đầu tư và thời gian hoàn vốn cho dây chuyền sản xuất silica từ tro trấu?

Một dây chuyền quy mô 50 tấn thành phẩm/năm có chi phí đầu tư thiết bị ước tính khoảng 300–500 triệu VND (chủ yếu là máy nghiền bi công nghiệp, bồn trung hòa, máy lọc ép và lò sấy buồng). Với giá bán silica hoạt tính khoảng 100,000 VND/kg và giá thành sản xuất ~35,000 VND/kg, thời gian hoàn vốn ước tính chỉ từ 10 đến 14 tháng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tổng hợp silica từ tro trấu bằng phương pháp nghiền" đã chứng minh tính khả thi vượt bậc của một quy trình hóa học xanh: chuyển hóa phụ phẩm nông nghiệp có giá trị thấp thành vật liệu nano/mesoporous silica có giá trị gia tăng cao. Bằng cách thay thế hoàn toàn các bước gia nhiệt đun sôi hoặc thủy nhiệt phức tạp bằng kỹ thuật nghiền cơ hóa ở nhiệt độ phòng, công trình đã đạt được các cột mốc quan trọng:

• Thu hồi thành công silica vô định hình tinh khiết với tỷ lệ thành phần Si (42.5%) và O (40.0%).
• Đạt diện tích bề mặt riêng BET $82.88\text{ m}^2/\text{g}$, thể tích lỗ xốp $0.222\text{ cc/g}$, cấu trúc mao quản trung bình Type IV vòng trễ H1.
• Hiệu suất xử lý chọn lọc thuốc nhuộm cation Methylene Blue đạt 90.0% chỉ sau 30 phút.

Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho các doanh nghiệp xử lý môi trường và sản xuất vật liệu xây dựng tại Việt Nam, góp phần giảm thiểu rác thải sinh khối và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn phát triển mạnh mẽ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.