Luận văn thạc sĩ về composite aerogel từ lốp xe và tro thải cho ứng dụng cách nhiệt và cách âm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật hóa học tổng hợp composite aerogel từ lốp xe và tro thải cho ứng dụng cách nhiệt và cách âm, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Lê Thị Cúc
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Trường Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Tổng hợp composite aerogel từ lốp xe và tro thải cho ứng dụng cách nhiệt và cách âm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về composite aerogel

Composite aerogel là một trong những vật liệu composite nổi bật với khả năng cách nhiệt và cách âm vượt trội. Vật liệu này được tổng hợp từ bột cao su của lốp xe tái chế và tro thải từ các nhà máy nhiệt điện. Aerogel, với cấu trúc xốp và khối lượng nhẹ, được biết đến như một trong những vật liệu cách nhiệt tốt nhất hiện nay. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một loại vật liệu cách nhiệt và cách âm hiệu quả từ nguồn nguyên liệu phế thải, góp phần bảo vệ môi trường và tối ưu hóa chi phí sản xuất.

1.1. Tình hình nghiên cứu vật liệu aerogel

Aerogel đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu, nhưng việc sử dụng nguyên liệu tái chế như bột cao su từ lốp xe thải và tro thải là một hướng đi mới. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào vật liệu cách nhiệt từ silica hay carbon. Việc kết hợp hai loại phế thải này không chỉ giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra một sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Theo nghiên cứu, việc sử dụng các vật liệu xanh không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn nâng cao hiệu quả cách nhiệt và cách âm của sản phẩm cuối cùng.

II. Quy trình tổng hợp composite aerogel

Quy trình tổng hợp composite aerogel từ bột cao su và tro thải được thực hiện theo phương pháp sol-gel. Bột cao su và tro thải được xử lý bằng các hóa chất cơ bản, sau đó gel hóa và sấy đông khô. Các yếu tố như tỉ lệ giữa bột cao su và tro thải, cũng như các điều kiện tổng hợp khác sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc và tính chất của vật liệu cách nhiệt này. Các thông số như khối lượng riêng, độ xốp và độ dẫn nhiệt sẽ được khảo sát để đánh giá khả năng ứng dụng của sản phẩm.

2.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ WTRP và CA

Nghiên cứu cho thấy rằng tỉ lệ giữa bột cao su và tro thải có ảnh hưởng lớn đến các đặc tính của composite aerogel. Tỉ lệ tối ưu giữa hai nguyên liệu này sẽ giúp đạt được khối lượng riêng thấp nhất và độ xốp cao nhất, từ đó cải thiện khả năng cách nhiệt và cách âm. Kết quả cho thấy rằng khi tỉ lệ tro thải tăng lên, độ dẫn nhiệt giảm, đồng thời khả năng hấp thụ âm thanh cũng được cải thiện. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa tỉ lệ các thành phần là rất quan trọng trong quy trình tổng hợp.

III. Đánh giá tính năng cách nhiệt và cách âm

Các tính năng cách nhiệt và cách âm của composite aerogel được đánh giá thông qua các phương pháp đo đạc chuyên dụng. Kết quả cho thấy composite aerogel từ bột cao su và tro thải có độ dẫn nhiệt rất thấp, chỉ khoảng 0,022 W/m.K, cùng với khả năng hấp thụ âm thanh tốt với hệ số giảm tiếng ồn (NRC) đạt 0,450. Những thông số này chứng tỏ rằng composite aerogel có thể được ứng dụng hiệu quả trong xây dựng, đặc biệt là trong việc cách nhiệt và cách âm cho các công trình dân dụng và công nghiệp.

3.1. Hiệu suất cách nhiệt

Hiệu suất cách nhiệt của composite aerogel được đánh giá thông qua các thử nghiệm thực tế. Kết quả cho thấy rằng composite aerogel có khả năng giữ nhiệt tốt, giảm thiểu sự thất thoát nhiệt trong các công trình xây dựng. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng của các hệ thống điều hòa không khí. Việc sử dụng vật liệu này trong xây dựng sẽ góp phần giảm thiểu chi phí năng lượng cho người sử dụng.

3.2. Hiệu suất cách âm

Khả năng cách âm của composite aerogel cũng được đánh giá qua các thử nghiệm âm thanh. Kết quả cho thấy vật liệu này có khả năng hấp thụ âm thanh tốt, đặc biệt là trong các điều kiện tiếng ồn cao. Việc áp dụng composite aerogel trong các công trình xây dựng sẽ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho cư dân, giảm thiểu tiếng ồn từ bên ngoài và tạo ra không gian sống yên tĩnh hơn.

IV. Kết luận và triển vọng

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc tổng hợp composite aerogel từ bột cao su và tro thải không chỉ khả thi mà còn mang lại nhiều lợi ích về mặt môi trường và kinh tế. Composite aerogel có thể được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng và công nghiệp, góp phần tạo ra một sản phẩm thân thiện với môi trường. Hướng đi này không chỉ giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn mở ra cơ hội mới trong việc phát triển các vật liệu cách nhiệt và cách âm hiệu quả.

4.1. Triển vọng nghiên cứu

Triển vọng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc mở rộng quy mô sản xuất composite aerogel và nghiên cứu thêm về các ứng dụng khác của vật liệu này trong ngành công nghiệp. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường sẽ là mục tiêu hàng đầu. Đồng thời, việc khảo sát khả năng ứng dụng của composite aerogel trong các lĩnh vực khác như xử lý môi trường, sản xuất năng lượng tái tạo cũng rất cần thiết để tối ưu hóa giá trị của vật liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu về chất lượng cuộc sống của con người cũng ngày càng nâng lên. Vì vậy, các ngành công nghệ trên thế giới không ngừng tìm tòi, nghiên cứu để đáp ứng những đòi hỏi của thị trường. Và đương nhiên ngành công nghệ hóa chất không nằm ngoài cuộc đua này, luôn luôn chuyển mình để phù hợp với thế giới, với mong muốn đem đến những giải pháp mang tính tiết kiệm, hạn chế các phát thải, đảm bảo tiêu chí thân thiện với môi trường. Làn sóng của ngành công nghiệp hóa học và vật liệu đang phát triển mạnh mẽ nhằm đem lại những sự lựa chọn mới cho thị trường trên thế giới.

Luôn không ngừng tìm kiếm ra những vật liệu mới, tối ưu hơn, rẻ hơn, bền hơn,… và cả nhẹ hơn nữa. Một trong những nghiên cứu đáng chú ý nhất trong cuộc cách mạng ấy chính là việc tìm ra vật liệu rắn nhẹ nhất từ trước đến nay- vật liệu aerogel. Aerogel là một vật liệu siêu nhẹ và xốp, được tổng hợp bằng cách thay thế chất lỏng trong gel bằng chất khí, aerogel có khối lượng cực kì nhẹ nên còn được gọi dưới cái tên “khói băng” hay “khói rắn”. Do có cấu trúc xốp, aerogel thường có tính chất cách nhiệt và cách âm rất tốt.

Vật liệu aerogel đã được nghiên cứu và phát triển trên thế giới, đa dạng về phân loại như silica aerogel, carbon aerogel, graphene aerogel, cellulose aerogel, polymer aerogel. Vật liệu aerogel đã bước đầu được thương mại hóa và cho thấy rất hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực như cách nhiệt, cách âm, hút dầu tràn, xử lý môi trường, truyền dẫn thuốc, mỹ phẩm, xúc tác, … Sự phát triển nhanh chóng của kinh tế ngày nay cũng đi kèm theo những hệ lụy. Cụ thể là việc sử dụng ô tô ngày càng tăng, dẫn đến lượng lốp xe thải ngày càng nhiều, khiến môi trường sống bị ảnh hưởng nặng nề. Song song cùng với sự phát triển kinh tế thì nhu cầu về nguồn năng lượng cũng ngày càng tăng.

Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng nhiều bởi thời tiết, không đảm bảo tính ổn định, bên cạnh đó giá thành các nguồn năng lượng này khá cao. Vì vậy, ngành công nghiệp nhiệt điện than với sự ổn định cao, giá thành hợp lý là nguồn năng lượng chính yếu trong tương lai gần. Và khi ngành công nghiệp này phát triển sẽ dẫn đến lượng tro thải tạo ra ngày càng 1 nhiều gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Chính vì vậy, việc tìm ra phương án hiệu quả để giải quyết các vấn đề phế thải này là vô cùng cấp thiết.

Nhìn chung, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp luôn đi kèm với sự phát sinh thêm các vấn đề về môi trường, vì thế khái niệm “vật liệu thân thiện với môi trường” không còn xa lạ. Việc sử dụng vật liệu gắn với phát triển bền vững trên cơ sở ứng dụng công nghệ xanh, sạch, tái tạo,… sẽ là hướng đi tốt và đầy tiềm năng cho thời điểm hiện tại lẫn trong tương lai.2 Ý nghĩa đề tài Nhằm góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nan giải đó, tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu điều chế composite aerogel từ lốp xe thải và tro thải từ nhà máy nhiệt điện cho ứng dụng cách nhiệt và cách âm”, tận dụng bột cao su từ lốp xe thải và tro thải từ nhà máy nhiệt điện để chế tạo vật liệu aerogel cực nhẹ và xốp cho ứng dụng cách nhiệt và cách âm trong xây dựng dân dụng cũng như trong công nghiệp. Việc kết hợp cả hai nguồn chất thải: cao su từ lốp xe thải và tro thải từ quá trình nhiệt điện than, để tạo ra vật liệu aerogel là rất mới trên thế giới và cả ở Việt Nam. Quá trình tổng hợp sử dụng những dung môi xanh thân thiện với môi trường.

Điều này sẽ góp phần giải quyết ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng sống và tạo ra một loại vật liệu cách nhiệt – cách âm với giá thành rẻ, tạo ra một bước ngoặt trong lĩnh vực vật liệu.3 Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu tìm ra được quy trình tổng hợp vật liệu aerogel từ bột cao su của lốp xe thải và nguồn tro thải từ các nhà máy nhiệt điện, khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp lên tính chất vật liệu, khả năng cách nhiệt, cách âm của vật liệu aerogel tạo thành. Tính chất đặc trưng của composite aerogel được khảo sát thông qua các đại lượng khối lượng riêng, độ xốp, phân tích nhiệt vi sai (TGA), độ dẫn nhiệt, hệ số giảm ồn, khả năng hấp thụ dầu và góc thấp ướt. Từ các dữ liệu thu được phân tích và xác định điều kiện tổng hợp phù hợp nhất cho composite aerogel đáp ứng khả năng ứng dụng cách nhiệt và cách âm.4 Phạm vi đề tài và nội dung thực hiện Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite aerogel từ bột cao su của lốp xe thải và tro thải từ nhà máy nhiệt điện cho ứng dụng cách nhiệt cách âm. Nội dung luận văn bao gồm: - Tổng hợp vật liệu composite aerogel từ bột cao su và tro thải với quy trình tổng hợp đơn giản, thân thiện môi trường.

Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng các tác chất và điều kiện tổng hợp đến cấu trúc và đặc tính của composite aerogel. Cụ thể: + Ảnh hưởng của tỉ lệ WTRP và CA trong quá trình tổng hợp + Ảnh hưởng của hàm lượng CMC + Ảnh hưởng của hàm lượng PVA + Ảnh hưởng của hàm lượng GA + Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ tổng hợp. - Đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu tổng hợp thông qua khảo sát các giá trị độ dẫn nhiệt, khả năng ứng dụng trong lĩnh vực cách âm thông qua hệ số giảm ồn. - Mở rộng ứng dụng của composite aerogel thông qua việc đánh giá khả năng hấp thụ dầu và góc thấp ướt.1 Nguồn nguyên liệu phế thải 2.1 Nguồn lốp xe thải 2.1 Thực trạng nguồn lốp xe thải Với các tính chất hóa-lý vốn được coi là ưu việt của mình, lốp xe phế thải lại là một vấn đề nghiêm trọng với môi trường.

Hiện nay, mỗi năm lượng lốp xe thải ra trên thế giới khoảng 1,5 tỷ lốp [1] và đang gia tăng rất nhanh. Theo thống kê, chỉ riêng ở Mỹ mỗi năm thải loại khoảng 300 triệu lốp ô tô cũ. Ở châu Âu, hàng năm khối EU cũng thải ra khoảng 3,5 triệu lốp xe cũ; lượng lốp xe mà Trung Quốc thải bỏ hàng năm là 100 triệu lốp [2]. Riêng ở Việt Nam, chưa có thống kê đầy đủ nào về lượng lốp xe thải hàng năm, tuy nhiên có thể dự đoán con số này rất lớn với trên 3 triệu xe ô tô và 60 triệu xe máy đang lưu hành [3, 4].

Lượng chất thải quá lớn này gây ra nhiều vấn đề nhức nhối đối với môi trường do lốp cao su rất khó phân hủy, bền vững trước tác nhân hóa học, sinh học và vật lý. Lốp xe chất đống là nơi tiềm tàng nguy cơ gây cháy và là môi trường sống cho ký sinh trùng và muỗi. Lốp xe chiếm thể tích rất lớn khi chôn lấp. Việc đốt lốp xe gây ô nhiễm môi trường như tạo ra dioxin, furan và nhiều chất độc hại khác.1: Bãi chứa lốp xe và thực trạng tác động đối với môi trường của lốp xe Hiện nay, lốp xe thải được tái chế bằng nhiều cách như làm nhiên liệu cho lò nung xi măng, nhà máy nhiệt điện, sử dụng trong làm đường, xây dựng, vật liệu cách nhiệt, nhiệt phân tạo nhiên liệu,.

Tuy nhiên, lượng lốp xe được tái chế chiếm phần khá nhỏ so với lượng thải ra. Một số phương pháp xử lý được sử dụng cụ thể như: 4 o Chôn lấp cao su phế thải là phương pháp cổ điển nhất để xử lý cao su phế thải. Tuy vậy, việc chôn lấp cao su là một biện pháp không mong muốn, do cao su chiếm khối lượng, thể tích lớn, số lượng cao su cần chôn lấp cũng rất nhiều khiến chúng nhanh chóng lấp đầy các khu chôn lấp rác thải. Ngoài ra, cao su phế thải có thể tạo thành các “bẫy” lưu giữ khí metan, tạo thành những “quả bóng khí” có xu hướng di chuyển lên phía bề mặt.

Những “quả bóng khí” này có thể phá vỡ lớp phủ bề mặt, gây ô nhiễm môi trường nước và không khí xung quanh. Chưa kể đó, cao su với độ bền vốn được coi là tính chất vật lý ưu việt của nó, sẽ tồn tại rất lâu và khó bị phân hủy. o Thiêu đốt- Đây là phương pháp phổ biến nhất trong việc xử lý cao su phế thải. Cao su có điểm bắt cháy ở nhiệt độ ít nhất là 400oC và cao su phế thải thường được phân hủy ở nhiệt độ 538oC.

Phương pháp thiêu đốt phổ biến hiện nay gồm hai phương pháp chủ yếu là thiêu đốt trực tiếp không kiểm soát và đốt có thu hồi nhiệt. Đi kèm với việc thiêu đốt cao su phế thải là quá trình phát thải khí độc hại, khi nâng nhiệt độ đốt cao su sẽ tạo ra làn khói đen thoát ra ngoài, và càng lên nhiệt độ cao mật độ khói càng dày đặc. o Công nghệ nhiệt phân: đây được xem là giải pháp tối ưu trong việc tái chế lốp xe ô tô hiện nay. Nhiệt phân lốp xe là một phương pháp hóa học để tái chế lốp xe phế liệu ở nhiệt độ cao trong môi trường không có oxy.

Thông qua quá trình nhiệt phân lốp xe, chúng ta có thể thu được dầu nhiệt phân, dây thép, muội than và khí đốt. Tuy nhiên, chính các nhà máy nhiệt phân này lại là nguồn ô nhiễm không khí lớn nếu không được đầu tư công nghệ xử lý hiện đại. o Tái chế lốp xe: Lốp ô tô, xe tải cũ có đường kính từ 900 cm – 1200 cm sau khi được làm sạch qua lớp đất bụi sẽ được đưa vào phần cắt bỏ tanh thép. Tùy vào dây chuyền sản xuất mà lốp xe có thể được để nguyên hoặc cắt nhỏ cho phù hợp.

Sau đó qua các máy nghiền nhiều công đoạn để tách kim loại, phân li các tạp chất, phân loại các loại hạt và bột cao su để tạo ra nguồn nguyên liệu thô.2: Những phương án tái chế và tái sử dụng lốp xe ô tô- Nguồn: Hiệp hội Tái chế lốp xe Châu Âu Tuy nhiên vẫn cần có những cách tái chế mới để nâng cao giá trị sử dụng của cao su từ lốp xe thải và giảm thiểu tạo ra chất thải độc hại.