Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển bền vững và nhu cầu thay thế nhiên liệu hóa thạch, việc tận dụng nguồn biomass để sản xuất than sinh học ngày càng được quan tâm. Việt Nam hàng năm thải ra khoảng 101 triệu tấn biomass, trong đó tre chiếm khoảng 12,8%, phần lớn bị bỏ phí hoặc đốt gây ô nhiễm môi trường. Hiệu quả sử dụng biomass hiện chỉ đạt khoảng 10% so với tiềm năng năng lượng có thể sinh ra. Than đen (carbon black) là nguyên liệu quan trọng trong ngành sơn phủ và mực in, tuy nhiên than đen công nghiệp có hạn chế về khả năng phân tán trong nước, dẫn đến chi phí sản xuất cao do cần thêm chất phụ gia phân tán.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều chế than phân cực từ than tre và than công nghiệp Hi-Black bằng công nghệ plasma nguội, nhằm cải thiện tính phân tán trong nước, phục vụ làm nguyên liệu bột màu cho mực hệ nước. Nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2021-2022, với mục tiêu tối ưu hóa điều kiện xử lý plasma để tạo ra than phân cực có đặc tính lý hóa phù hợp, đồng thời đánh giá hiệu quả ứng dụng trong sản xuất mực bút lông kim, bút bi và bút gel. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển nguồn nguyên liệu than sinh học thân thiện môi trường, giảm phụ thuộc nhập khẩu nguyên liệu bột màu vô cơ, đồng thời nâng cao giá trị kinh tế từ biomass nông nghiệp.

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 về than hoạt tính và than phân cực: Than hoạt tính có diện tích bề mặt lớn (800-1500 m²/g) với cấu trúc lỗ xốp đa dạng, được biến tính để tăng nhóm chức bề mặt như hydroxyl (-OH), cacbonyl, giúp tăng khả năng phân tán trong dung môi phân cực. Than phân cực là than hoạt tính được xử lý oxy hóa để tăng nhóm chức bề mặt, cải thiện tính phân tán trong nước.

  • Mô hình plasma nguội trong xử lý bề mặt vật liệu: Plasma nguội tạo ra các ion, gốc tự do và khí ozone có khả năng oxy hóa bề mặt than, gắn nhóm hydroxyl lên bề mặt than, làm tăng tính phân cực và khả năng phân tán trong nước.

  • Khái niệm về tính chất lý hóa của than phân cực: Đánh giá qua các chỉ tiêu như phổ hồng ngoại (FT-IR) xác định nhóm chức, nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể, kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát hình thái bề mặt, cùng các chỉ tiêu pH, tỷ trọng, độ phân tán trong nước.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Than tre hoạt tính được điều chế từ bột tre Việt Nam qua quá trình nung và hoạt hóa bằng KOH; than Hi-Black 30L là than công nghiệp nhập khẩu. Than phân cực được điều chế bằng phương pháp plasma nguội sử dụng khí oxy tinh khiết.

  • Phương pháp điều chế: Mẫu than được kiềm hóa bằng dung dịch NaOH 10%, sau đó xử lý plasma nguội với các điều kiện thời gian (1-10 giờ) và lưu lượng dòng khí plasma (1-6 L/h) khác nhau. Sản phẩm được sấy khô ở 105°C trong 12 giờ.

  • Phân tích đặc tính: Sử dụng FT-IR để xác định nhóm chức bề mặt, XRD để khảo sát cấu trúc tinh thể, SEM để quan sát hình thái bề mặt than phân cực. Các chỉ tiêu pH, tỷ trọng, độ phân tán trong nước được đo theo tiêu chuẩn nội bộ.

  • Đánh giá ứng dụng: Than phân cực được sử dụng làm nguyên liệu bột màu trong công thức mực bút lông kim, bút bi và bút gel. Các chỉ tiêu như pH, độ nhớt, sức căng bề mặt, độ ổn định nhiệt và độ lắng của mực được đánh giá theo tiêu chuẩn ngành.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình điều chế và phân tích diễn ra trong khoảng 12 tháng, từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2022, với các bước khảo sát điều kiện plasma, phân tích đặc tính và thử nghiệm ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng thời gian xử lý plasma: Với than tre, thời gian xử lý plasma tối ưu là 8 giờ với lưu lượng khí 4 L/h (mẫu TT-8H-4F), cho thấy sự hình thành rõ rệt nhóm hydroxyl (-OH) trên bề mặt than qua phổ FT-IR tại vùng 3178 cm⁻¹. Đỉnh XRD tại 2θ = 26° biểu thị cấu trúc cacbon vô định hình ổn định. Với than Hi-Black, thời gian tối ưu là 4 giờ (HB-4H-4F) với cùng lưu lượng khí, nhóm -OH cũng được gắn hiệu quả, tăng khả năng phân tán.

  2. Ảnh hưởng lưu lượng dòng khí plasma: Lưu lượng khí từ 4 đến 6 L/h tạo ra nhóm -OH với độ rộng đỉnh FT-IR lớn hơn, cho thấy mức độ oxy hóa bề mặt cao hơn. Lưu lượng 4 L/h được xác định là điều kiện tối ưu cân bằng giữa hiệu quả oxy hóa và chi phí khí.

  3. Tính chất phân tán trong nước: Than phân cực có khả năng phân tán tốt trong nước với tỷ lệ pha 1:50, dung dịch than phân cực giữ màu đen đồng nhất, không lắng cặn sau 4 giờ quan sát. pH dung dịch luôn trên 7, tỷ trọng khoảng 1.9 g/cm³, phù hợp tiêu chuẩn nguyên liệu bột màu cho mực hệ nước.

  4. Hiệu quả ứng dụng trong mực hệ nước: Mực bút lông kim, bút bi và bút gel sử dụng than phân cực đạt các chỉ tiêu pH (7.5-8.0), độ nhớt (900-1300 cps), sức căng bề mặt (35-47 mN/m), độ ổn định nhiệt ở 10°C và 50°C tốt, không có hiện tượng lắng cặn hay biến đổi màu sắc sau 48 giờ thử nghiệm. So với mực sử dụng than đen công nghiệp, mực dùng than phân cực giảm được 20-30% lượng chất phụ gia phân tán, giúp giảm chi phí sản xuất.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng plasma nguội với khí oxy tinh khiết tạo ra các gốc oxy hóa mạnh như ozone và hydrogen peroxide, giúp gắn nhóm hydroxyl lên bề mặt than, làm tăng tính phân cực và khả năng phân tán trong dung môi nước. Kết quả FT-IR và XRD cho thấy sự biến đổi cấu trúc bề mặt than rõ rệt theo thời gian và lưu lượng khí plasma, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về biến tính than hoạt tính bằng plasma.

Khả năng phân tán tốt của than phân cực giúp giảm nhu cầu sử dụng chất phụ gia phân tán trong công thức mực, từ đó giảm chi phí và tăng tính thân thiện môi trường. Độ ổn định nhiệt và pH của mực đảm bảo chất lượng sản phẩm trong điều kiện bảo quản và sử dụng thực tế. Các kết quả này tương đồng với nghiên cứu về than đen ưa nước và các phương pháp biến tính bề mặt bằng plasma hoặc polymer hóa dopamine.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ FT-IR thể hiện đỉnh -OH tăng theo thời gian và lưu lượng khí, biểu đồ XRD minh họa cấu trúc cacbon vô định hình, cùng bảng so sánh các chỉ tiêu pH, độ nhớt, sức căng bề mặt của mực sử dụng than phân cực và than đen công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ plasma nguội trong sản xuất than phân cực: Các doanh nghiệp sản xuất bột màu nên đầu tư hệ thống plasma nguội với điều kiện xử lý tối ưu (thời gian 4-8 giờ, lưu lượng khí 4 L/h) để nâng cao chất lượng than phân cực, cải thiện khả năng phân tán và giảm chi phí sản xuất mực hệ nước. Thời gian thực hiện trong 12-18 tháng.

  2. Phát triển nguồn nguyên liệu than sinh học từ biomass tre: Khuyến khích các cơ sở thu gom và chế biến biomass tre làm nguyên liệu than hoạt tính, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng giá trị kinh tế từ nguồn nguyên liệu sẵn có. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp chế biến nông sản và chính quyền địa phương.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng than phân cực trong các sản phẩm mực in và sơn phủ: Tiếp tục đánh giá hiệu quả than phân cực trong các loại mực in phun, sơn công nghiệp, mực dẫn điện để đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao giá trị thị trường. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho than phân cực làm nguyên liệu bột màu: Bộ ngành liên quan cần phối hợp xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình kiểm định chất lượng than phân cực nhằm đảm bảo tính đồng nhất và an toàn cho sản phẩm mực hệ nước. Thời gian thực hiện 1 năm, chủ thể là Bộ Công Thương và Bộ Khoa học Công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất mực in và sơn phủ: Có thể ứng dụng công nghệ plasma nguội để sản xuất than phân cực, cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nguyên liệu và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

  2. Viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành hóa học, vật liệu: Tham khảo phương pháp điều chế than phân cực, kỹ thuật phân tích đặc tính vật liệu và ứng dụng trong công nghiệp mực in, sơn phủ để phát triển nghiên cứu tiếp theo.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước về công nghiệp và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phát triển ngành công nghiệp than sinh học, thúc đẩy sản xuất nguyên liệu thân thiện môi trường, giảm ô nhiễm từ biomass.

  4. Doanh nghiệp chế biến biomass và sản xuất than hoạt tính: Áp dụng quy trình plasma nguội để nâng cao giá trị sản phẩm than hoạt tính, mở rộng thị trường tiêu thụ trong ngành công nghiệp mực in và sơn phủ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Than phân cực là gì và khác gì so với than đen thông thường?
    Than phân cực là than hoạt tính được biến tính bề mặt bằng phương pháp oxy hóa, thường sử dụng plasma nguội để gắn nhóm hydroxyl (-OH) lên bề mặt, giúp than phân tán tốt trong dung môi phân cực như nước. Khác với than đen thông thường, than phân cực có tính phân tán cao hơn và ít cần chất phụ gia.

  2. Phương pháp plasma nguội có ưu điểm gì trong điều chế than phân cực?
    Plasma nguội tạo ra các gốc oxy hóa mạnh như ozone và hydrogen peroxide ở nhiệt độ thấp, giúp biến đổi bề mặt than hiệu quả mà không làm thay đổi cấu trúc cacbon cơ bản. Phương pháp này thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng và dễ kiểm soát.

  3. Điều kiện tối ưu để điều chế than phân cực bằng plasma nguội là gì?
    Nghiên cứu cho thấy thời gian xử lý 4-8 giờ với lưu lượng khí oxy 4 L/h là điều kiện tối ưu, giúp gắn nhóm hydroxyl hiệu quả, tạo than phân cực có khả năng phân tán tốt trong nước và phù hợp làm nguyên liệu bột màu cho mực hệ nước.

  4. Than phân cực có thể ứng dụng trong những loại mực nào?
    Than phân cực được ứng dụng thành công trong mực bút lông kim, bút bi và bút gel, đáp ứng các chỉ tiêu về pH, độ nhớt, sức căng bề mặt và độ ổn định nhiệt, giúp cải thiện chất lượng mực và giảm chi phí sản xuất.

  5. Lợi ích môi trường khi sử dụng than phân cực từ biomass tre là gì?
    Sử dụng biomass tre làm nguyên liệu than phân cực giúp tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp, giảm lượng biomass bị đốt gây ô nhiễm, đồng thời giảm phụ thuộc vào than đen công nghiệp nhập khẩu, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Kết luận

  • Than phân cực được điều chế thành công từ than tre và than Hi-Black bằng công nghệ plasma nguội với điều kiện tối ưu là 8 giờ xử lý, lưu lượng khí 4 L/h cho than tre và 4 giờ cho than Hi-Black.
  • Các phương pháp phân tích FT-IR, XRD và SEM xác nhận sự gắn nhóm hydroxyl (-OH) trên bề mặt than, cải thiện tính phân tán trong nước.
  • Than phân cực ứng dụng hiệu quả làm nguyên liệu bột màu cho mực hệ nước, đáp ứng các tiêu chuẩn về pH, độ nhớt, sức căng bề mặt và độ ổn định nhiệt.
  • Việc sử dụng than phân cực giúp giảm lượng chất phụ gia phân tán, giảm chi phí sản xuất và tăng tính thân thiện môi trường.
  • Đề xuất áp dụng công nghệ plasma nguội trong sản xuất than phân cực, phát triển nguồn nguyên liệu biomass tre và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho than phân cực trong ngành công nghiệp mực in và sơn phủ.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô công nghiệp và mở rộng ứng dụng than phân cực trong các sản phẩm mực in và sơn phủ đa dạng. Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu được khuyến khích hợp tác để phát triển công nghệ và sản phẩm mới. Hãy liên hệ để được tư vấn chi tiết về công nghệ plasma nguội và ứng dụng than phân cực trong sản xuất mực hệ nước.