Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu aerogels từ xơ dừa và ứng dụng hấp phụ

Luận văn thạc sĩ về tổng hợp vật liệu aerogels từ xơ dừa và ứng dụng hấp phụ

• Tác giả: Nguyễn Thị Ngọc Trâm
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu aerogels từ xơ dừa và ứng dụng hấp phụ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan vật liệu aerogel
• 1.1.1. Aerogel sinh học
• 1.1.2. Phương pháp tổng hợp
• 1.1.3. Phương pháp sấy khô
• 1.1.4. Tình hình nghiên cứu
• 1.2. Tổng quan sinh khối xơ dừa
• 1.3. Vấn đề ô nhiễm môi trường nước
• 1.3.1. Ô nhiễm môi trường nước do thuốc nhuộm hữu cơ
• 1.3.2. Ô nhiễm môi trường nước do sự cố rò rỉ và tràn dầu
• 1.4. Hấp phụ trong xử lý ô nhiễm môi trường nước
• 1.4.1. Quá trình hấp phụ
• 1.4.2. Động học hấp phụ
• 1.4.2.1. Mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc một
• 1.4.2.2. Mô hình động học biểu kiến bậc hai
• 1.5. Tình hình sản xuất vật liệu aerogel ở quy mô công nghiệp
• 1.6. Phần mềm mô phỏng trong Công nghệ Hóa học - SuperPro Designer
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Đối tượng, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
• 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.1.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.2.1. Dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Tổng hợp cellulose aerogel từ xơ dừa
• 2.3.1.1. Tiền xử lí xơ dừa thu hồi cellulose
• 2.3.1.2. Tổng hợp cellulose aerogel từ xơ dừa tiền xử lý
• 2.3.1.3. Tổng hợp carbon aerogel từ cellulose aerogel
• 2.3.2. Phương pháp phân tích đặc tính, cấu trúc, hình thái vật liệu
• 2.3.2.1. Khối lượng riêng và độ rỗng
• 2.3.2.2. Diện tích bề mặt riêng (Brunauer-Emmett-Teller - BET)
• 2.3.2.3. Kính hiển vi điện tử quét SEM
• 2.3.2.4. Quang phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.2.5. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
• 2.3.2.6. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
• 2.3.2.7. Quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis)
• 2.3.2.8. Khảo sát khả năng hấp phụ methylene blue
• 2.3.2.9. Hấp phụ dầu động cơ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Hình thái bề mặt, khối lượng riêng, độ rỗng và diện tích bề mặt riêng
• 3.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.4. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA
• 3.5. Khả năng hấp phụ methylene blue của cellulose aerogel
• 3.5.1. Dung lượng hấp phụ methylene blue
• 3.5.2. Động học hấp phụ methylene blue
• 3.5.2.1. Mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc một
• 3.5.2.2. Mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai
• 3.6. Khả năng hấp phụ dầu của cellulose aerogel và carbon aerogel
• 3.6.1. Dung lượng hấp phụ dầu
• 3.6.2. Động học hấp phụ dầu
• 3.6.2.1. Mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc một
• 3.6.2.2. Mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai
• 4. CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH SẢN XUẤT VẬT LIỆU CARBON AEROGEL TỪ SINH KHỐI XƠ DỪA
• 4.1. Quy trình công nghệ
• 4.2. Cân bằng vật chất
• 4.2.1. Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu xơ dừa
• 4.2.2. Giai đoạn tiền xử lý xơ dừa
• 4.2.3. Giai đoạn tổng hợp cellulose aerogel
• 4.2.4. Giai đoạn tổng hợp carbon aerogel
• 5. CHƯƠNG 5: KIẾN NGHỊ VÀ KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về Aerogel và Xơ Dừa

Aerogel là vật liệu rắn xốp, nhẹ nhất thế giới với nhiều tính chất đặc biệt như khối lượng riêng thấp, độ rỗng cao, diện tích bề mặt riêng lớn, khả năng cách nhiệt tốt. Nhờ những đặc tính này, aerogel được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, xây dựng, xử lý môi trường. Luận văn tập trung vào aerogel sinh học, được tổng hợp từ nguồn nguyên liệu tái tạo, thân thiện với môi trường. Xơ dừa, phế phẩm nông nghiệp phổ biến ở Việt Nam, là nguồn nguyên liệu tiềm năng để tổng hợp aerogel nhờ hàm lượng cellulose cao. Việc sử dụng xơ dừa không chỉ tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại giá trị kinh tế. "Sinh khối xơ dừa là một trong những phế phẩm nông nghiệp phổ biến... gây ô nhiễm môi trường và lãng phí nguồn sinh khối tiềm năng." Luận văn đã khai thác tiềm năng này, sử dụng xơ dừa để tổng hợp cellulose aerogel và carbon aerogel, hướng đến ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường.

II. Quy trình Tổng hợp Aerogel từ Xơ Dừa

Luận văn trình bày chi tiết quy trình tổng hợp cellulose aerogel và carbon aerogel từ xơ dừa. Đầu tiên, xơ dừa được tiền xử lý bằng phương pháp cơ học và hóa học để thu hồi cellulose. "Vật liệu cellulose aerogel và carbon aerogel được tổng hợp thành công bằng phương pháp tiền xử lý cơ học kết hợp hóa học để thu hồi cellulose từ xơ dừa." Tiếp theo, cellulose aerogel được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel với dung dịch NaOH/Urê và sấy đông khô. Cuối cùng, carbon aerogel được tạo thành bằng cách carbon hóa cellulose aerogel trong môi trường khí trơ (N2). Các phương pháp phân tích hiện đại như FTIR, SEM, XRD, và TGA được sử dụng để đánh giá đặc tính của vật liệu thu được. Kết quả cho thấy carbon aerogel có khối lượng riêng thấp hơn và độ rỗng cao hơn so với cellulose aerogel. "Carbon aerogel sở hữu khối lượng riêng thấp 0,0026-0,0065 g/cm3 và độ rỗng cao 99,67-99,87 % trong khi các giá trị đó của cellulose aerogel lần lượt là 0,0099-0,0158 g/cm3 và 98,96-99,35 %."

III. Ứng dụng Hấp phụ của Aerogel

Khả năng hấp phụ của cellulose aerogel và carbon aerogel được đánh giá thông qua hấp phụ methylene blue (MB) và dầu. "Cellulose aerogel có dung lượng hấp phụ methylene blue (MB) là 17,68 mg/g và dung lượng hấp phụ dầu là 15,20 g/g. Carbon aerogel có dung lượng hấp phụ dầu cao hơn so với cellulose aerogel là 22,71 g/g." Kết quả cho thấy cả hai loại aerogel đều có khả năng hấp phụ MB và dầu, tuy nhiên, carbon aerogel thể hiện khả năng hấp phụ dầu vượt trội hơn. Động học hấp phụ được phân tích bằng mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc một và bậc hai. Ứng dụng này của aerogel từ xơ dừa cho thấy tiềm năng lớn trong xử lý ô nhiễm nước thải, đặc biệt là ô nhiễm thuốc nhuộm và dầu. Điều này phù hợp với mục tiêu ban đầu của luận văn là tìm kiếm giải pháp cho vấn đề ô nhiễm môi trường nước.

IV. Mô phỏng Quy trình Sản xuất ở Quy mô Công nghiệp

Luận văn không chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm mà còn đề xuất quy trình sản xuất carbon aerogel từ xơ dừa ở quy mô công nghiệp bằng phần mềm SuperPro Designer. "Cuối cùng là dựa vào các kết quả thực nghiệm đã thực hiện đề xuất quy trình công nghệ tổng hợp vật liệu carbon aerogel từ sinh khối xơ dừa bằng phần mềm SuperPro Designer (phần mềm mô phỏng trong Công nghệ Hóa học) với quy mô công nghiệp." Việc mô phỏng này giúp đánh giá tính khả thi kinh tế và kỹ thuật của quy trình, đồng thời tối ưu hóa các thông số vận hành. Kết quả mô phỏng cho thấy từ 200 kg xơ dừa thô có thể thu được gần 12 kg carbon aerogel. Đây là bước tiến quan trọng, mở ra triển vọng ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu trong xử lý ô nhiễm môi trường ở quy mô lớn.

Nội dung chính

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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

Đ

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu aerogel 1.1 Aerogel sinh học 1.1 Giới thiệu Trong những thập kỉ gần đây, vật liệu aerogel đã phát triển nhanh chóng cùng với những tiến bộ của khoa học và công nghệ, nhờ sở hữu một số tính chất đặc biệt cũng như khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Aerogel là vật liệu rắn có cấu trúc rỗng xốp ba chiều, chúng sở hữu một số tính chất đặc biệt như khối lượng riêng và độ dẫn nhiệt thấp; diện tích bề mặt riêng và độ rỗng xốp cao; khả năng chống va đập, chống cháy và chống ẩm cao. Do đó, aerogel thường được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như y tế, dược phẩm, mỹ phẩm, xây dựng, xúc tác, xử lý nước thải và xử lý ô nhiễm môi trường [1]. Aerogel là vật liệu được tổng hợp bằng cách thay thế dung môi trong các mắt lưới của mạng lưới gel bằng không khí.

Việc thay thế này được thực hiện bằng quá trình sấy khô như sấy siêu tới hạn, sấy đông khô hoặc sấy ở điều kiện áp suất khí quyển thông thường. Không khí chiếm khoảng 95 % theo thể tích trong cấu trúc aerogel, do đó chúng có khối lượng riêng thấp và độ rỗng xốp cao. Các lỗ xốp có kích thước micro (<2 nm), meso và macro (>50 nm) phân bố ngẫu nhiên trong cấu trúc của aerogel [1]. Aerogel đầu tiên được công bố bởi Kistler vào năm 1931 [2] và được phát triển nhanh chóng trong những thập kỷ qua nhờ sự phát triển của phương pháp sol-gel và công nghệ sấy siêu tới hạn.

Có thể phân loại aerogel thành hai loại lớn là aerogel vô cơ và aerogel hữu cơ, mỗi loại lớn này cũng sẽ được phân nhỏ dựa vào nguồn gốc của tiền chất cấu trúc thành vật liệu (Hình 1. Aerogels Vô cơ Hữu cơ Florua Silica Kim loại Oxit kim loại Chalcogen Polymers Carbon Tổng hợp Sinh học Hình 1.1 Phân loại aerogel dựa theo nguồn gốc của tiền chất cấu trúc thành vật liệu. 2 Trong đó, aerogel có nguồn gốc từ polymer sinh học đang thu hút nhiều nghiên cứu gần đây vì chúng có khả năng phân hủy sinh học và giảm các tác động xấu đến môi trường. Thông thường, aerogel sinh học được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu tái tạo như đường mía, protein, tinh bột, dầu thực vật, cellulose, lignin, chitosan,… [1].2 Phương pháp tổng hợp Phương pháp tổng hợp vật liệu aerogel sinh học bao gồm 3 bước chính: (1) pha trộn các tiền chất trong điều kiện phản ứng thích hợp để tạo sol; (2) quá trình tạo gel và già hóa để hình thành gel ướt; (3) sấy khô để loại bỏ dung môi lấp đầy lỗ rỗng trong cấu trúc gel ướt, quá trình này giúp aerogel giữ nguyên hình dạng cấu trúc của tiền chất gel ướt sau khi sấy (Hình 1.

Hòa trộn tiền chất - Tiền chất - Dung môi Sản phẩm - Chất tạo liên kết Tạo sol Tạo gel - Điều kiện phản ứng pH Nhiệt độ Tỷ lệ tiền chất Già hóa Nồng độ Sấy khô Gel ướt Khí Siêu tới hạn Đông khô quyển Aerogel Cryogel Hình 1.2 Phương pháp tổng hợp aerogel sinh học 1.3 Phương pháp sấy khô Sấy khô là một bước chính yếu trong quá trình tổng hợp aerogel. Hình thái, độ xốp và cấu trúc của vật liệu aerogel phụ thuộc hoàn toàn vào bước sấy khô này. Khi sử dụng các phương pháp sấy khô thông thường, áp suất mao dẫn có thể gây ra sự sụp đổ cấu trúc lỗ xốp của gel. Do đó, các phương pháp sấy khô thay thế đã được sử dụng như phương pháp sấy siêu tới hạn, sấy đông khô, sấy chân không, sấy ở áp suất khí quyển, sấy lò vi sóng [3].

Quá trình sấy khô được minh họa thông qua giản đồ pha như trong Hình 1.