Luận văn thạc sĩ về chế tạo vật liệu xốp từ tấm pin năng lượng mặt trời phế thải

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu xốp từ tấm pin năng lượng mặt trời phế thải, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

• Tác giả: Bùi Khắc Thạch
• Người hướng dẫn: GS. Đỗ Quang Minh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xốp từ tấm pin năng lượng mặt trời phế thải
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Pin năng lượng mặt trời
• 1.2. Vật liệu xốp
• 1.3. Thuỷ tinh bọt
• 1.4. Tình hình nghiên cứu
• 1.4.1. Phương pháp tái sử dụng thuỷ tinh thải
• 1.4.2. Thu hồi và tái sử dụng thuỷ tinh từ pin năng lượng mặt trời
• 1.5. Nhiệm vụ đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 2.1. Quy trình thực nghiệm
• 2.1.1. Phối trộn theo tỷ lệ
• 2.1.2. Tạo hình và sấy
• 2.2. Phương pháp phân tích và đánh giá vật liệu
• 2.2.1. Các tính chất vật lý
• 2.2.2. Cường độ chịu nén
• 2.2.3. Phương pháp huỳnh quang tia X
• 2.2.4. Phương pháp tán xạ laser
• 2.2.5. Phân tích nhiệt TGA-DSC
• 2.2.6. Mô phỏng kính hiển vi nhiệt
• 2.3. Các phương pháp phân tích vi cấu trúc vật liệu
• 2.3.1. Chụp cắt lớp vi tính
• 2.3.2. Phân bố kích thước lỗ xốp
• 2.4. Khả năng ứng dụng trong ngành nông nghiệp
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Đặc tính nguyên liệu
• 3.1.1. Thành phần pha
• 3.1.2. Thành phần hạt
• 3.1.3. Hình thái nguyên liệu
• 3.1.4. Các điểm nhiệt độ đặc trưng
• 3.2. Khối lượng thể tích và độ giãn nở thể tích
• 3.3. Độ xốp hở và độ hút nước
• 3.4. Độ xốp tổng và cường độ chịu nén
• 3.5. Phân bố kích thước lỗ xốp
• 3.5.1. Ảnh chụp kỹ thuật số
• 3.5.2. Ảnh chụp cắt lớp vi tính
• 3.6. Khảo sát quá trình tạo bọt bằng mô phỏng kính hiển vi nhiệt
• 3.7. Thành phần pha của mẫu
• 3.8. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
• 3.9. Cơ chế hình thành vật liệu thủy tinh bọt
• 3.10. Tiềm năng ứng dụng trong ngành nông nghiệp
• 3.10.1. Khả năng giữ nước
• 3.10.2. Ứng dụng làm giá thể trồng lan
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về tấm pin năng lượng mặt trời và vật liệu xốp

Nghiên cứu chế tạo vật liệu xốp từ tấm pin năng lượng mặt trời phế thải đang trở thành một xu hướng quan trọng trong bối cảnh ô nhiễm môi trường và nhu cầu tái chế ngày càng tăng. Tấm pin năng lượng mặt trời, chủ yếu được làm từ silica, soda và vôi, chiếm tỷ lệ lớn trong tổng khối lượng. Khi hết hạn sử dụng, các tấm pin này trở thành phế thải, gây ra vấn đề môi trường nghiêm trọng. Việc tái sử dụng thủy tinh từ tấm pin phế thải không chỉ giảm thiểu lượng chất thải mà còn tạo ra vật liệu sinh thái có nhiều ứng dụng trong xây dựng và nông nghiệp. Theo nghiên cứu, vật liệu thủy tinh bọt có độ xốp cao, khả năng cách nhiệt tốt và khả năng chịu nước, giúp đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc tái sử dụng thủy tinh từ tấm pin năng lượng mặt trời phế thải có thể tạo ra vật liệu composite với nhiều tính năng vượt trội. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn góp phần vào công nghệ xanh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ nung thích hợp cho vật liệu thủy tinh bọt dao động từ 830°C đến 910°C, cho phép tạo ra các sản phẩm với độ xốp và khối lượng thể tích phù hợp. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý phế thải và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thực hiện bằng cách thu gom thủy tinh từ các tấm pin năng lượng mặt trời đã qua sử dụng và tiến hành phân tích các tính chất của chúng. Quy trình chế tạo vật liệu xốp bao gồm các bước như phối trộn, tạo hình và nung. Sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại như kính hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích nhiệt TGA-DSC, và mô phỏng kính hiển vi nhiệt để xác định các đặc tính cơ lý và vi cấu trúc của sản phẩm. Kết quả cho thấy rằng việc điều chỉnh tỷ lệ và nhiệt độ nung có ảnh hưởng lớn đến tính chất của vật liệu tái chế. Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng có thể đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật cần thiết.

2.1. Kỹ thuật phân tích

Trong nghiên cứu này, các kỹ thuật phân tích như XRD và FT-IR được sử dụng để xác định thành phần pha và liên kết của vật liệu thủy tinh bọt. Phân tích hình thái và kích thước lỗ xốp được thực hiện bằng cách chụp cắt lớp vi tính (CT) và phân tích SEM. Các kết quả cho thấy rằng vật liệu xốp có khả năng giữ nước cao và độ xốp lên đến 81%, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp và xây dựng. Việc sử dụng các phương pháp phân tích này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc của vật liệu mà còn hỗ trợ trong việc tối ưu hóa quy trình chế tạo.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc tái chế thủy tinh từ tấm pin năng lượng mặt trời phế thải có thể tạo ra vật liệu xốp với nhiều tính chất ưu việt. Các mẫu vật liệu sau khi nung có khối lượng thể tích 0.55 g/cm3 và độ hút nước 1.l, cho thấy khả năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực như xây dựng và nông nghiệp. Hơn nữa, việc sử dụng công nghệ xanh trong chế tạo vật liệu không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn góp phần vào phát triển bền vững. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý phế thải và phát triển vật liệu sinh thái, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

3.1. Tiềm năng ứng dụng

Vật liệu thủy tinh bọt có khả năng giữ nước tốt, có thể được ứng dụng làm giá thể trong nông nghiệp, đặc biệt trong việc trồng cây lan. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu xốp trong xây dựng có thể cải thiện hiệu suất năng lượng của các công trình, nhờ vào khả năng cách nhiệt và chống cháy. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành cho các công trình xây dựng. Do đó, việc phát triển và ứng dụng vật liệu tái chế từ tấm pin năng lượng mặt trời phế thải là một giải pháp thực tiễn và hiệu quả trong bối cảnh hiện nay.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năm 2021, sản lượng điện mặt trời tại Việt Nam tăng trưởng bứt phá 337% so với năm 2020, đưa Việt Nam vào nhóm 10 quốc gia có sản lượng điện quang điện lớn nhất toàn cầu. Theo số liệu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, nguồn năng lượng mặt trời đóng góp tới 10,78% tổng sản lượng điện toàn hệ thống trong 4 tháng đầu năm 2022. Tuy nhiên, với vòng đời trung bình khoảng 20 đến 25 năm của các tấm pin quang điện, thế giới ước tính sẽ đối mặt với hơn 78 triệu tấn rác thải pin mặt trời vào năm 2050. Trong cấu trúc tấm pin silic đa tinh thể tiêu chuẩn nặng khoảng 21 kg, thành phần kính soda-lime-silica chiếm tỷ trọng áp đảo từ 70% đến 76% tổng khối lượng.

Việc chôn lấp chất thải pin mặt trời tiềm ẩn nguy cơ phát tán hóa chất độc hại vào nguồn nước ngầm, trong khi kính phế thải chứa nhiều tạp chất kim loại khó tái sinh trực tiếp trong các lò nấu kính thông thường. Nhằm giải quyết thách thức này, đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Vật liệu (Mã số: 8520309) tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM đã nghiên cứu giải pháp công nghệ thủy tinh hóa để chế tạo vật liệu thủy tinh bọt xốp nhẹ từ thủy tinh pin mặt trời thải kết hợp chất tạo bọt canxi cacbonat và phụ gia kết dính thủy tinh lỏng.

Nghiên cứu được triển khai từ tháng 2/2022 đến tháng 12/2022 tại TP.HCM trên nguồn phế liệu tấm pin mặt trời thực tế. Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi cung cấp giải pháp xử lý chất thải theo mô hình kinh tế tuần hoàn, tạo ra vật liệu xốp có khối lượng thể tích siêu nhẹ từ 0,25 đến 0,55 g/cm3, độ xốp biểu kiến đạt tới 81,0% và độ giãn nở thể tích cực đại 335,13%, mở ra tiềm năng thương mại hóa lớn trong xây dựng và nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết nhiệt động học thủy tinh hóa kết hợp động học tạo bọt vô cơ. Khi nung nóng, hỗn hợp bột thủy tinh chuyển dần sang trạng thái biến mềm dẻo quánh, đồng thời chất tạo bọt canxi cacbonat bị nhiệt phân sinh ra khí cacbonic để hình thành các lỗ rỗng vi mô khép kín hoặc liên thông. Phương trình Vogel – Fulcher – Tammann (VFT) được ứng dụng để phân tích quan hệ phụ thuộc giữa nhiệt độ và độ nhớt động học của khối nóng chảy, xác định khoảng độ nhớt lý tưởng từ log η = 4,0 đến 6,0 dPa.s nhằm giữ khí ổn định mà không làm sụp đổ cấu trúc bọt.

Bên cạnh đó, mô hình cơ học rạn nứt Griffith giải thích mối tương quan giữa độ bền cơ lý và cấu trúc lỗ xốp: độ bền nén của vật liệu tỷ lệ nghịch với bán kính lỗ xốp lớn nhất và chiều dài vết nứt lan truyền dọc theo biên giới hạt. Các khái niệm trung tâm bao gồm:

• Thủy tinh bọt: Vật liệu silicat xốp có tỷ trọng thấp, khả năng cách âm, cách nhiệt, chống cháy và kháng hóa chất.
• Độ xốp hở và độ xốp kín: Tỷ số thể tích giữa các lỗ xốp thông với môi trường ngoài hoặc cô lập hoàn toàn so với thể tích tổng của mẫu.
• Các điểm nhiệt độ đặc trưng theo tiêu chuẩn DIN 51730 và ISO 540: Bao gồm nhiệt độ kết khối, nhiệt độ biến mềm, nhiệt độ hình cầu, nhiệt độ bán cầu và nhiệt độ chảy tràn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình chế tạo và kiểm tra hơn 120 mẫu thử nghiệm hình trụ (kích thước đường kính 18 mm, chiều cao 12 mm cho mẫu tạo hình; đường kính 26 mm, chiều cao 15 mm cho mẫu đo nén). Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích với 8 nhóm tỷ lệ phối trộn canxi cacbonat từ 0% đến 14% khối lượng (bước nhảy 2%) kết hợp 10% khối lượng thủy tinh lỏng sodium silicate (mô đun silic 2,4 - 2,6, tỷ trọng 1,45 - 1,47 g/cm3) và 20% nước cất.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm tối ưu hóa độ chính xác và tính toàn diện:

• Huỳnh quang tia X (XRF) định lượng thành phần oxit với SiO2 chiếm ưu thế 67,88%, Al2O3 chiếm 4,14%, Na2O chiếm 13,05% và CaO chiếm 9,64%.
• Phương pháp tán xạ laser xác định kích thước hạt trung bình d50 của bột thủy tinh nghiền bi 6 giờ qua sàng 125 µm là 35,4 µm và bột canxi cacbonat là 12,8 µm.
• Phân tích nhiệt đồng thời TGA-DSC trên thiết bị Labsys Evo ghi nhận khoảng nhiệt phân giải phóng khí cacbonic của canxi cacbonat bắt đầu từ 600°C và kết thúc ở 860°C với độ giảm khối lượng 43,5%.
• Mô phỏng kính hiển vi nhiệt quang học kết hợp máy ảnh kỹ thuật số và phần mềm phân tích hình ảnh ImageJ giúp theo dõi liên tục sự co ngót và giãn nở hình học của mẫu theo nhiệt độ.
• Chụp cắt lớp vi tính tia X (CT Scan) với bước quét 0,1 mm cùng kính hiển vi điện tử quét (SEM-EDS) nhằm giải đoán cấu trúc lỗ xốp 3D và thành phần pha không phá hủy mẫu. Toàn bộ thực nghiệm diễn ra liên tục theo tiến độ 10 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã xác định 4 phát hiện khoa học mang tính đột phá:

Thứ nhất, mô phỏng kính hiển vi nhiệt đã thiết lập chính xác các điểm nhiệt độ đặc trưng của bột thủy tinh pin mặt trời: nhiệt độ kết khối ở 710°C, nhiệt độ biến mềm bắt đầu bo tròn mép ở 810°C, mẫu đạt dạng hình cầu ở 895°C, nhiệt độ bán cầu ở 1030°C và chảy tràn hoàn toàn tại 1050°C. Từ đó, khoảng nhiệt độ nung tạo bọt tối ưu được xác định từ 830°C đến 910°C, hoàn toàn tương thích với vùng sinh khí của canxi cacbonat (600°C – 860°C).

Thứ hai, hàm lượng chất tạo bọt quyết định trực tiếp đến mức độ giãn nở và tỷ trọng vật liệu. Mẫu không chứa canxi cacbonat (chỉ chứa 10% thủy tinh lỏng) có khối lượng thể tích 0,55 g/cm3 và độ giãn nở thể tích 91,2% nhờ hơi nước giải phóng. Khi bổ sung 2% canxi cacbonat và nung ở 870°C, độ giãn nở thể tích đạt giá trị cực đại 335,13% (tăng hơn 267% so với mẫu không có phụ gia), đồng thời khối lượng thể tích giảm xuống mức thấp nhất 0,25 g/cm3.

Thứ ba, độ xốp tổng dao động linh hoạt từ 65,0% đến 89,5% tùy thuộc vào chế độ nhiệt. Mẫu chứa từ 10% đến 14% canxi cacbonat nung tại 870°C duy trì cấu trúc vách tế bào dày, mang lại cường độ chịu nén vượt trội từ 1,20 MPa đến 3,50 MPa, cao gấp 3 đến 6 lần so với nhóm mẫu chứa 2% đến 6% phụ gia (chỉ đạt 0,30 – 0,80 MPa).

Thứ tư, thử nghiệm ứng dụng sinh học khẳng định vật liệu thủy tinh bọt có khả năng giữ nước bão hòa đạt trên 60%. Khi sử dụng làm giá thể trồng cây lan Dendro YaYa Mini thay thế hoàn toàn than củi truyền thống trong 21 ngày, cây phát triển rễ và chồi khỏe mạnh với tỷ lệ sống 100%, phổ EDS xác nhận các khoáng chất nitơ, photpho và kali từ phân bón được lưu giữ tối ưu trên bề mặt xốp.

Thảo luận kết quả

Sự biến thiên tính chất cơ lý phụ thuộc chặt chẽ vào độ nhớt pha lỏng thủy tinh ở nhiệt độ cao. Khi nâng nhiệt độ từ 830°C lên 870°C, độ nhớt thủy tinh giảm dần xuống mức thích hợp để áp suất khí CO2 thổi phồng các bọt khí đồng đều. Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt quá 890°C (lên 900°C – 910°C), độ nhớt chất lỏng quá thấp khiến vách ngăn lỗ xốp bị phá vỡ, khí thoát ra ngoài làm mẫu tự sụp đổ thể tích, dẫn đến độ xốp hở giảm từ 81,0% xuống dưới 68,0%.

So với các nghiên cứu tái chế thủy tinh chai lọ hoặc thủy tinh đèn hình CRT thường đòi hỏi nhiệt độ nung 900°C – 1000°C, việc bổ sung 10% thủy tinh lỏng trong đề tài này đã giúp hạ nhiệt độ nung kết khối xuống 870°C, tiết kiệm khoảng 15% đến 20% chi phí năng lượng. Toàn bộ tập dữ liệu thực nghiệm được hệ thống hóa qua biểu đồ phân bố kích thước lỗ xốp 3 chiều và bảng ma trận thông số d10, d50, d90 trích xuất từ 10 lát cắt chụp CT Scan, phản ánh trực quan sự đồng nhất về vi cấu trúc của mẫu nung tại 870°C với 10% canxi cacbonat.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp công nghệ và chính sách có tính khả thi cao:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình phân tách cơ nhiệt đối với tấm pin năng lượng mặt trời phế thải. Các doanh nghiệp tái chế cần áp dụng kỹ thuật gia nhiệt cục bộ ở 85°C trong 30 phút để làm mềm màng EVA, tách rời lớp kính nguyên vẹn và kết hợp nghiền bi kín đạt độ mịn hạt d50 dưới 40 µm, hướng tới mục tiêu thu hồi 90% khối lượng kính sạch trong giai đoạn 2024 - 2025.

Thứ hai, đầu tư chuyển giao công nghệ sản xuất thủy tinh bọt quy mô công nghiệp. Các nhà máy gốm sứ và vật liệu xây dựng nên ứng dụng lò nung con lăn liên tục ở nhiệt độ 870°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút, thời gian lưu 15 phút, nhằm thương mại hóa dòng gạch nhẹ và tấm panel cách âm, cách nhiệt đạt cường độ nén trên 2,50 MPa từ năm 2025 đến 2027.

Thứ ba, mở rộng ứng dụng hạt thủy tinh bọt xốp hở trong nông nghiệp công nghệ cao. Các viện nghiên cứu nông nghiệp và doanh nghiệp cây giống cần triển khai sản phẩm giá thể trồng lan, cây cảnh và rau thủy canh từ thủy tinh bọt (độ xốp >75%, độ hút nước >50%), giúp tiết kiệm 30% lượng nước tưới và giảm xói mòn phân bón tại các vùng khô hạn miền Trung từ năm 2026.

Thứ tư, hoàn thiện khung pháp lý về trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất (EPR). Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Bộ Công Thương cần ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về tái chế pin mặt trời, quy định tỷ lệ tái chế bắt buộc tối thiểu 70% đối với các chủ đầu tư dự án quang điện từ năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, các chủ đầu tư trang trại điện mặt trời và doanh nghiệp xử lý chất thải công nghiệp. Luận văn cung cấp quy trình công nghệ khả thi để xử lý triệt để hàng ngàn tấn tấm pin hỏng hóc hoặc hết niên hạn, giúp đơn vị tối ưu hóa chi phí xử lý môi trường và đáp ứng đầy đủ quy định tại Nghị định 38/2015/NĐ-CP cùng tiêu chuẩn ESG.

Thứ hai, các kỹ sư và doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng xanh. Doanh nghiệp có thể ứng dụng trực tiếp công thức phối liệu (thủy tinh thải, 10% CaCO3, 10% thủy tinh lỏng) để chế tạo vật liệu cách nhiệt chống cháy nhẹ với giá thành nguyên liệu giảm 25% so với sản phẩm truyền thống.

Thứ ba, các nhà khoa học và chuyên gia nông nghiệp đô thị. Tài liệu mang đến giải pháp thay thế than củi và xơ dừa bằng giá thể vô cơ trơ hóa học có độ bền trên 5 năm, không bị mục nát, giữ ẩm tốt và kiểm soát hiệu quả hệ dưỡng chất N-P-K cho hoa cảnh.

Thứ tư, học viên cao học, nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Vật liệu và Môi trường. Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp kết hợp mô phỏng kính hiển vi nhiệt quang học, phân tích XRD, FTIR và chụp cắt lớp vi tính CT Scan trong nghiên cứu vật liệu xốp silicat.

Câu hỏi thường gặp

Thủy tinh từ tấm pin năng lượng mặt trời có thành phần gì khác so với thủy tinh thông thường? Kính pin mặt trời thuộc hệ silica-soda-vôi với hàm lượng SiO2 chiếm khoảng 67,88% và chứa ít tạp chất oxit sắt nhằm tối đa hóa độ truyền quang. Tuy nhiên, mặt sau tấm kính thường bám dính polyme EVA và kim loại dẫn điện, đòi hỏi phải tách nhiệt ở 85°C trước khi tái chế thành vật liệu xốp.

Tại sao cần bổ sung thủy tinh lỏng sodium silicate vào hỗn hợp tạo bọt? Thủy tinh lỏng đóng vai trò là chất kết dính vô cơ tạo hình viên mẫu trước khi nung, đồng thời ở nhiệt độ cao, quá trình mất nước cấu trúc sẽ giải phóng áp suất hơi nước giúp mẫu đạt độ giãn nở thể tích 91,2% ngay cả khi chưa có chất tạo bọt canxi cacbonat.

Nhiệt độ nung 870°C mang lại ưu điểm gì vượt trội cho sản phẩm? Tại 870°C, độ nhớt của thủy tinh đạt trạng thái cân bằng hoàn hảo với tốc độ nhiệt phân sinh khí CO2 của canxi cacbonat (kết thúc ở 860°C). Mức nhiệt này giúp mẫu đạt độ giãn nở thể tích tối đa 335,13% hoặc đạt cường độ nén cao 3,50 MPa tùy theo tỷ lệ phụ gia.

Kỹ thuật mô phỏng kính hiển vi nhiệt quang học có độ tin cậy như thế nào? Phương pháp mô phỏng sử dụng camera kỹ thuật số độ nét cao ghi nhận biến dạng hình học của mẫu trong lò nung và xử lý qua phần mềm ImageJ. Kỹ thuật này xác định chính xác khoảng biến mềm 810°C – 1050°C, hoàn toàn tương đương với các thiết bị phân tích nhiệt chuẩn của Đức.

Vật liệu thủy tinh bọt có an toàn khi sử dụng trong canh tác nông nghiệp không? Thủy tinh bọt có bản chất vô cơ trơ hóa học, không phân hủy ra chất độc hại và cố định kim loại nặng trong mạng silicat. Thực nghiệm trên cây lan Dendro YaYa Mini suốt 21 ngày cho thấy rễ cây bám dính tốt, cây sinh trưởng ổn định và giữ phân bón hiệu quả.

Kết luận

• Luận văn đã tái chế thành công thủy tinh từ tấm pin năng lượng mặt trời phế thải để chế tạo vật liệu thủy tinh bọt xốp nhẹ, mở ra giải pháp công nghệ tuần hoàn bền vững cho nguồn rác thải quang điện.
• Kỹ thuật mô phỏng kính hiển vi nhiệt quang học đã xác định chính xác khoảng nhiệt độ biến mềm từ 810°C đến 1050°C và vùng nhiệt độ nung tạo bọt tối ưu từ 830°C đến 910°C.
• Công thức phối trộn bổ sung 10% canxi cacbonat và 10% thủy tinh lỏng nung tại 870°C đem lại các thông số cơ lý xuất sắc với độ xốp tổng 81,0% và cường độ chịu nén đạt tới 3,50 MPa.
• Thử nghiệm sinh học khẳng định khả năng ứng dụng thực tế vượt trội của vật liệu làm giá thể giữ ẩm và lưu giữ phân khoáng cho cây lan Dendro YaYa Mini.
• Lộ trình triển khai tiếp theo hướng tới hoàn thiện dây chuyền nung pilot liên tục quy mô công nghiệp trong giai đoạn 2025 - 2027.

Các cơ sở nghiên cứu, doanh nghiệp vật liệu xây dựng và đơn vị xử lý môi trường hãy chủ động kết nối, chuyển giao công nghệ để đưa sản phẩm thủy tinh bọt tái chế vào ứng dụng thực tiễn ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Pin năng lượng mặt trời Điện mặt trời là điện được sản xuất từ các tấm quang điện theo nguyên lý biến đổi từ quang năng thành điện năng. Sản xuất điện từ năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng và mang lại những lợi ích đáng kể. Năm 2021, sản lượng điện năng lượng mặt trời trên thế giới là 1032.

Trên thị thường hiện nay, phổ biến nhất là pin năng lượng nền Silic đa tinh thể. Cấu trúc phổ biến và các vật liệu chính cấu thành một tấm pin năng lượng mặt trời mẫu có khối lượng 21kg được mô tả trong Hình 1. Có thể thấy rằng thuỷ tinh chiếm phần lớn về khối lượng trong tấm pin và thủy tinh hệ soda – đá vôi – silica thường được lựa chọn trong sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời [2, 3].1 Mô tả cấu trúc phổ biến của tấm pin năng lượng mặt trời Silic đa tinh thể [2] và khối lượng tương đối của các vật liệu có trong tấm pin năng lượng mặt trời Si sản xuất năm 2020 [3]. Theo báo cáo Đánh giá điện toàn cầu năm 2022 của Ember (tổ chức chuyên tập trung nghiên cứu năng lượng và khí hậu) [4], sản lượng điện mặt trời của Việt Nam năm 2021 nằm trong 10 quốc gia có sản lượng điện mặt trời cao nhất thế giới (Hình 1.

Bên cạnh đó, sản lượng điện mặt trời của Việt Nam năm 2021 tăng tới 337% so với năm 2020, điện gió và điện mặt trời đóng góp hơn 10% vào sản lượng điện tổng. Việt Nam đã chuyển đổi hơn 8% tổng nhu cầu điện từ nhiên liệu hóa thạch sang điện gió và điện mặt trời chỉ trong hai năm qua. Theo số liệu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), 4 tháng đầu năm 2022, điện mặt trời chiếm 10.78% lượng điện sản xuất toàn hệ thống. Các số liệu thống kê đã cho thấy sự chuyển đổi mạnh mẽ và nhanh 3 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch chóng của Việt Nam trong việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, cụ thể là năng lượng mặt trời.

Các quốc gia có sản lượng điện mặt trời cao nhất thế giới năm 2021 (theo Đánh giá điện toàn cầu năm 2022 - ember-climate.org) Tuổi thọ ước tính của một tấm pin năng lượng mặt trời là khoảng 25 năm. Do đó, trong những thập kỷ tới, các tấm pin mặt trời có thể trở thành một nguồn chất thải nguy hại và việc xử lý các tấm pin mặt trời sẽ là một vấn đề môi trường quan trọng [5]. Bên cạnh đó, hư hỏng trong quá trình lắp đặt, sử dụng và vận chuyển là nguyên nhân phổ biến dẫn đến việc thải bỏ các tấm pin năng lượng mặt trời. Mặt khác, các tấm pin năng lượng mặt trời bị lỗi thời do hiệu suất kém so với các thế hệ pin năng lượng mặt trời mới ra cũng sẽ bị thải bỏ trước khi hết hạn sử dụng.

Hiện nay đã có các quy trình công nghệ và chương trình tái chế toàn cầu đã được tiến hành và thương mại hoá [2, 6]; hai quy trình tái chế phổ biến được thể hiện trong Hình 1. Tuy nhiên, các chất thải từ tấm pin năng lượng mặt trời phần lớn vẫn được xử lý bằng phương pháp chôn lấp. Về lâu dài các chất độc trong các tấm pin có thể sẽ đi vào đất, mạch nước ngầm,…gây ảnh hưởng tới hệ sinh thái và ô nhiễm môi trường [7–9].3 Hai quy trình phổ biến tái chế tấm pin năng lượng mặt trời của PV Cycle, SEIA và Veolia [2]. 4 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch Tại Việt Nam, các tổ chức, cá nhân sản xuất, sử dụng pin năng lượng mặt trời phải thực hiện quy định về trách nhiệm của chủ nguồn thải quy định tại Nghị định số 38/2015/NĐ-CP ngày 24/4/2015 của Chính phủ về quản lý chất thải và phế liệu.

Các chủ nguồn thải có trách nhiệm thực hiện phân định và phân loại tấm pin năng lượng mặt trời quy định tại mục 3 của QCVN 07:2009/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ngưỡng chất thải nguy hại để quản lý cho phù hợp như tái sử dụng, tái chế, xử lý hoặc chuyển giao cho các cơ sở có chức năng phù hợp để tái chế, xử lý theo đúng quy định. Vật liệu xốp 1. Định nghĩa và phân loại Bất kỳ vật liệu nào chứa các lỗ rỗng, chẳng hạn như kênh hoặc kẽ với độ sâu lớn hơn bề rộng, đều có thể được coi là vật liệu xốp, mặc dù trong một ngữ cảnh cụ thể, một định nghĩa hẹp hơn có thể phù hợp. Dựa trên Hình 1.4, lỗ xốp có thể phân loại theo tính khả dụng của chúng đối với chất lỏng bên ngoài.

Minh họa mặt cắt của vật liệu xốp. Theo quan điểm này, những lỗ xốp hoàn toàn độc lập so với những lỗ xốp bên cạnh (a), được gọi là lỗ xốp kín. Mặt khác, những lỗ xốp có kênh dẫn liên tục đến bề mặt ngoài của vật liệu (b, c, d, e và f) được gọi là lỗ xốp hở. Gần giống, nhưng khác với độ xốp là độ nhám (roughness) của bề mặt bên ngoài (g), để phân biệt, một bề mặt gồ ghề được quy ước không phải là xốp, trừ khi nó có chiều sâu lớn hơn chiều rộng [10].

Một số loại vật liệu xốp có nguồn gốc từ gốm, polyme và kim loại được thể hiện trong Hình 1. Dữ liệu được tham khảo từ phần mềm CES Edupack 2019. 5 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch Hình 1. Biểu đồ thể hiện mối tương quan giữa khối lượng thể tích và cường độ chịu nén của một số loại vật liệu xốp.

Vật liệu xốp có thể được phân loại dựa trên kích thước lỗ xốp theo Liên minh Quốc tế về Hóa học cơ bản và Hóa học ứng dụng - IUPAC [11] như sau: - Micropores: vật liệu có kích thước lỗ xốp nhỏ hơn 2 nm. - Mesopores: vật liệu có kích thước lỗ xốp từ 2 đến 50 nm. - Macropores: vật liệu có kích thước lỗ xốp lớn hơn 50 nm. Vật liệu xốp được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong đời sống như xây dựng, xúc tác, môi trường, y sinh, năng lượng…Có nhiều cách chế tạo vật liệu xốp khác nhau.

Khả năng ứng dụng của vật liệu xốp phụ thuộc rất nhiều vào kích thước lỗ xốp của vật liệu.6 thể hiện mối liên hệ giữa kích thước lỗ xốp, độ xốp và phạm vi ứng dụng của một số loại vật liệu xốp có nguồn gốc ceramic. Kích thước lỗ xốp và độ xốp của các nhóm vật liệu xốp điển hình có nguồn gốc ceramic [12]. 6 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch 1. Các khái niệm chung Nếu vật rắn có khối lượng m và thể tích là V, thì thể tích đó có thể viết như sau: V = Vr + Vlx = Vr + Vk + Vbk (1.1) Trong đó: Vr: phần thể tích của pha rắn (cm3) Vlx: phần thể tích lỗ xốp (cm3), bao gồm phần thể tích lỗ xốp kín Vk và lỗ xốp hở Vbk.

a) Mật độ thực (ρt): là tỉ số giữa khối lượng và thể tích của pha rắn, không kể thể tích lỗ xốp. b) Mật độ biểu kiến (ρbk): là tỉ số giữa khối lượng và phần thể tích không chứa các lỗ xốp hở.3) ρ= (g⁄cm3 ) Vr + Vk c) Khối lượng thể tích (ρ): là tỉ số giữa khối lượng và toàn bộ thể thể tích của mẫu.4) ρ= = = (g⁄cm3 ) V Vr + Vlx Vr + Vk + Vbk d) Độ xốp hở: hay độ xốp biểu kiến, là tỉ số giữa phần thể tích lỗ xốp hở và thể tích của mẫu.5) εbk = (%) V Các giá trị mật độ biểu kiến, khối lượng thể tích và độ xốp hở có thể được xác định bằng phương pháp cân trong chất lỏng thấm ướt, dựa trên nguyên lý lực đẩy Archimedes. e) Độ xốp kín: là tỉ số giữa phần thể tích lỗ xốp kín và thể tích của mẫu.6) εbk = (%) V 7 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch f) Độ xốp: hay độ xốp tổng, là tỉ số giữa phần thể tích lỗ xốp và thể tích của mẫu. Bằng tổng của độ xốp hở và độ xốp kín.

Vlx Vbk +Vk (1.7) ε = εbk + εk = = (%) V V g) Kích thước lỗ xốp và phân bố kích thước lỗ xốp: kích thước lỗ xốp là khoảng cách giữa hai bên tường đối diện của lỗ xốp. Trên thực tế trong vật liệu xốp, không chỉ tồn tại một kích thước lỗ xốp, do các lỗ xốp không có hình dạng xác định (dị dạng), mà là một dải phân bố kích thước lỗ xốp (Hình 1. Đường cong phân bố kích thước lỗ xốp. - Kích thước lỗ xốp trung bình (Mean) được hiểu là trung bình cộng của tất cả các kích thước lỗ xốp.

- Trung vị (Median) là giá trị giữa của phân bố kích thước lỗ xốp (d50), tại đó 50% kích thước lỗ xốp nhỏ hơn giá trị kích thước lỗ xốp tại d50 trên đường cong phân bố lỗ xốp. - Giá trị xuất hiện thường xuyên nhất (Mode): là giá trị kích thước lỗ xốp xuất hiện với tần suất lớn nhất. h) Độ bền cơ: khi vượt quá giới hạn bền nào đó, vật liệu xuất hiện vết nứt cho tới khi các vết nứt nối liền nhau thì vật liệu bị phá hủy. Độ bền cơ của vật liệu xốp phụ thuộc vào độ xốp, kích thước và hình dạng lỗ xốp, sự phân bố kích thước lỗ xốp, độ bền của tường lỗ xốp, sự phân bố lớp tường và kích thước lỗ xốp lớn nhất.

Thủy tinh Thủy tinh là hợp chất vô cơ nóng chảy được làm quá lạnh về trạng thái rắn mà không kết kinh. Thủy tinh không có nhiệt độ nóng chảy xác định mà thay đổi dần từ trạng thái rắn sang lỏng, gọi là khoảng nhiệt độ biến mềm. Giới hạn phân chia trạng 8 Luận văn thạc sĩ Bùi Khắc Thạch thái rắn – lỏng của các chất tạo thủy tinh được quy ước bởi nhiệt độ tạo thủy tinh Tg, thường được định nghĩa là nhiệt độ tương ứng với độ nhớt 1013 Poises (η = 1012 Pa. Với độ nhớt là đại lượng dùng để đánh giá mức trượt tương đối giữa hai lớp chất lỏng khi có lực tác dụng.

Nhiệt độ Tg, có thể xác định được bằng kỹ thuật phân tích độ giãn nở (Dilatometry), phân tích nhiệt vi sai DTA (Differential Thermal Analysis) hoặc nhiệt lượng kế quét vi sai DSC (Differential Scanning Calorimetry) [13]. Phương trình Vogel – Fulcher – Tammann – Hesse, còn được gọi là phương trình Vogel – Fulcher hoặc phương trình Fulcher (VFT), được sử dụng để mô tả độ nhớt của thủy tinh (η) theo một hàm của nhiệt độ (T). Trong đó, A, B và T0 là các hằng số phụ thuộc vào thành phần hóa của thủy tinh [14].