Tổng quan nghiên cứu
Ô nhiễm môi trường nước do thuốc nhuộm công nghiệp và sự cố tràn dầu là những vấn đề cấp bách toàn cầu, với hơn 50.000 tấn thuốc nhuộm bị thải ra môi trường mỗi năm và các sự cố tràn dầu nghiêm trọng như vụ Deepwater Horizon năm 2010. Tại Việt Nam, nguồn sinh khối xơ dừa dồi dào, chiếm khoảng 35-47% trọng lượng vỏ quả dừa, phần lớn bị bỏ đi gây lãng phí và ô nhiễm môi trường. Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu aerogel từ xơ dừa, bao gồm cellulose aerogel và carbon aerogel, nhằm ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường nước thông qua quá trình hấp phụ các chất ô nhiễm như thuốc nhuộm methylene blue và dầu.
Mục tiêu nghiên cứu là phát triển quy trình tổng hợp vật liệu aerogel từ xơ dừa, khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu và đề xuất quy trình tổng hợp carbon aerogel quy mô công nghiệp. Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tận dụng nguồn nguyên liệu sinh khối tái tạo, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và cung cấp vật liệu hấp phụ hiệu quả với khối lượng riêng thấp (carbon aerogel 0,0026-0,0065 g/cm³, cellulose aerogel 0,0099-0,0158 g/cm³) và độ rỗng cao (carbon aerogel 99,67-99,87%, cellulose aerogel 98,96-99,35%). Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu sinh học thân thiện môi trường, có khả năng hấp phụ methylene blue đạt 17,68 mg/g và hấp phụ dầu lên đến 22,71 g/g đối với carbon aerogel.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:
Lý thuyết vật liệu aerogel sinh học: Aerogel là vật liệu rắn có cấu trúc rỗng xốp ba chiều với khối lượng riêng thấp và diện tích bề mặt lớn, được tổng hợp qua quá trình sol-gel và sấy khô (đông khô, siêu tới hạn). Aerogel sinh học từ cellulose có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện môi trường và ứng dụng trong hấp phụ chất ô nhiễm.
Mô hình hấp phụ và động học hấp phụ: Quá trình hấp phụ được mô tả qua các mô hình động học biểu kiến bậc một và bậc hai, giúp giải thích tốc độ hấp phụ và cơ chế tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong môi trường nước.
Phương pháp tiền xử lý sinh khối: Tiền xử lý hóa học bằng dung dịch NaOH/H2O2 để loại bỏ lignin và hemicellulose, thu hồi cellulose tinh khiết từ xơ dừa, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tổng hợp aerogel.
Quy trình tổng hợp aerogel: Bao gồm các bước tiền xử lý, tạo gel bằng phương pháp sol-gel với dung dịch NaOH/Urê, sấy đông khô để tạo cellulose aerogel, và carbon hóa trong môi trường khí trơ (N2) để tạo carbon aerogel.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng xơ dừa thu thập từ các địa phương miền Nam Việt Nam, chủ yếu từ tỉnh Bến Tre với sản lượng dừa lớn. Các mẫu vật liệu gồm xơ dừa thô, xơ dừa tiền xử lý, cellulose aerogel và carbon aerogel.
Phương pháp phân tích: Đặc tính vật liệu được đánh giá bằng các kỹ thuật FTIR, SEM, XRD, TGA, BET để xác định cấu trúc hóa học, hình thái bề mặt, độ tinh thể, tính ổn định nhiệt và diện tích bề mặt riêng. Khả năng hấp phụ methylene blue và dầu được khảo sát qua các thí nghiệm hấp phụ động học.
Phương pháp chọn mẫu và cỡ mẫu: Mẫu xơ dừa được chọn ngẫu nhiên từ các nguồn cung cấp chính, với cỡ mẫu khoảng 200 kg cho quy trình tổng hợp quy mô công nghiệp mô phỏng. Các thí nghiệm hấp phụ được thực hiện với nhiều nồng độ xơ dừa khác nhau (khoảng 2% khối lượng).
Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong 6 tháng, từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2023, bao gồm các giai đoạn tiền xử lý, tổng hợp aerogel, phân tích đặc tính và mô phỏng quy trình công nghiệp bằng phần mềm SuperPro Designer.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Tổng hợp thành công vật liệu aerogel từ xơ dừa: Cellulose aerogel và carbon aerogel được tổng hợp thành công với khối lượng riêng lần lượt là 0,0099-0,0158 g/cm³ và 0,0026-0,0065 g/cm³; độ rỗng cao tương ứng 98,96-99,35% và 99,67-99,87%. Hình ảnh SEM cho thấy cấu trúc mạng lưới ba chiều xốp đặc trưng.
Khả năng hấp phụ methylene blue: Cellulose aerogel có dung lượng hấp phụ methylene blue đạt 17,68 mg/g, thể hiện hiệu quả hấp phụ tốt đối với thuốc nhuộm hữu cơ. Động học hấp phụ phù hợp với mô hình biểu kiến bậc hai, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu do hấp phụ hóa học chi phối.
Khả năng hấp phụ dầu: Carbon aerogel có dung lượng hấp phụ dầu cao hơn cellulose aerogel, lần lượt là 22,71 g/g và 15,20 g/g. Đặc tính kỵ nước và độ rỗng cao của carbon aerogel giúp tăng khả năng hấp phụ dầu, phù hợp cho ứng dụng xử lý sự cố tràn dầu.
Mô phỏng quy trình công nghiệp: Mô phỏng bằng phần mềm SuperPro Designer cho thấy từ 200 kg xơ dừa thô có thể thu được gần 12 kg carbon aerogel, cho thấy tiềm năng sản xuất quy mô lớn với hiệu suất chuyển đổi hợp lý.
Thảo luận kết quả
Các kết quả cho thấy vật liệu aerogel từ xơ dừa có đặc tính vật lý và hóa học phù hợp cho ứng dụng hấp phụ trong xử lý ô nhiễm môi trường nước. Khối lượng riêng thấp và độ rỗng cao tạo điều kiện cho khả năng hấp phụ lớn. So với các nghiên cứu trước đây về aerogel cellulose từ nguồn nguyên liệu khác, dung lượng hấp phụ methylene blue và dầu của vật liệu trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội, chứng tỏ hiệu quả của quy trình tổng hợp và tiền xử lý xơ dừa.
Việc sử dụng phương pháp sấy đông khô giúp giảm chi phí và thân thiện môi trường so với sấy siêu tới hạn, đồng thời giữ được cấu trúc xốp của aerogel. Carbon hóa trong môi trường khí trơ tạo ra carbon aerogel có tính kỵ nước và độ bền cơ học cao, phù hợp cho ứng dụng hấp phụ dầu. Mô phỏng quy trình công nghiệp cung cấp cơ sở để phát triển sản xuất thương mại, góp phần giảm thiểu lãng phí sinh khối và ô nhiễm môi trường.
Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh khối lượng riêng và độ rỗng của các vật liệu, đồ thị động học hấp phụ methylene blue và dầu, cũng như sơ đồ quy trình công nghệ tổng hợp carbon aerogel.