Nghiên Cứu Phương Pháp Tổng Hợp Silica Từ Tro Trấu

Khóa luận tốt nghiệp hóa học tổng hợp silica từ tro trấu bằng phương pháp siêu âm nhiệt độ cao

• Tác giả: Lưu Trọng Tâm
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Trúc Linh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa học Vô cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Tổng Hợp Silica Từ Tro Trấu
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRẤU, TRO TRẤU
• 1.1. Trấu, tro trấu
• 1.2. Pha tĩnh sắc ký cột
• 1.3. Các phương pháp tổng hợp, tình hình tổng hợp và nghiên cứu silica từ tro trấu
• 1.3.1. Phương pháp vật lý (nhiệt)
• 1.3.2. Phương pháp hóa học
• 1.3.3. Phương pháp thủy nhiệt
• 1.3.4. Phương pháp sol - gel
• 1.3.5. Tình hình tổng hợp và nghiên cứu silica từ tro trấu
• 2. CHƯƠNG 2: HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ
• 2.1. Quy trình tổng hợp silica từ tro trấu
• 2.2. Các phương pháp xác định đặc trưng vật liệu
• 2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 2.2.2. Phương pháp quang phổ phát xạ - cảm ứng plasma (ICP — OES)
• 2.2.3. Phương pháp đo diện tích bề mặt BET
• 2.2.4. Phương pháp phổ hồng ngoại IR
• 2.2.5. Phương pháp phổ tử ngoại — khả kiến (UV — Vis)
• 2.2.6. Phương pháp phân tích tán xạ ánh sáng tinh (SLS)
• 2.2.7. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3. Khảo sát hàm lượng silic hữu hiệu ứng dụng làm phân bón silic
• 2.4. Khảo sát ứng dụng vật liệu trong pha tĩnh sắc ký cột
• 2.4.1. Xác định hệ pha động
• 2.4.2. Quy trình tiền hành tách chiết hợp chất hữu cơ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hiệu suất tổng hợp silica từ tro trấu
• 3.2. Đặc trưng sản phẩm silica từ tro trấu
• 3.3. Kết quả hàm lượng silic hữu hiệu trong các mẫu
• 3.4. Kết quả khảo sát làm pha tĩnh sắc ký cột
• 3.4.1. Hiệu suất tách chất
• 3.4.2. Tính toán hiệu suất tách chất
• 3.4.3. Nhận xét hiệu suất tách chất của các mẫu silica gel
• 3.4.4. Đánh giá độ sạch của chất sau khi tách thông qua sắc ký lớp mỏng TLC
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.1. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1. Kết quả đo điện tích bề mặt của mẫu silicagel Himedia GRM7484
• Phụ lục 2. Kết quả đo điện tích bề mặt của mẫu silicagel ở nhiệt độ phòng
• Phụ lục 3. Kết quả đo diện tích bề mặt của mẫu silicagel ở 50 — 55°C
• Phụ lục 4. Kết quả đo diện tích bề mặt của mẫu silicagel ở 70 — 75°C
• Phụ lục 5. Kết quả ICP - OES phân tích chỉ tiêu Si trong tro trấu khô
• Phụ lục 6. Kết quả ICP — OES phân tích chỉ tiêu Si trong mẫu silicagel tổng hợp ở nhiệt độ phòng
• Phụ lục 7. Kết quả ICP — OES phân tích chỉ tiêu Si trong mẫu silicagel tổng hợp ở 70 — 75°C
• Phụ lục 8. Kết quả phân tích SLS của mẫu silica tổng hợp ở nhiệt độ phòng
• Phụ lục 9. Kết quả phân tích SLS của mẫu silica tổng hợp ở 50 — 55°C
• Phụ lục 10. Kết quả phân tích SLS của mẫu silica tổng hợp ở 70 - 75°C
• Phụ lục 11. Kết quả phân tích hàm lượng silic hữu hiệu của mẫu silica tổng hợp ở 70 - 75°C
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ
• DANH MỤC CÁC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu silica từ tro trấu

Nghiên cứu về silica từ tro trấu đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Tro trấu, sản phẩm phụ từ ngành nông nghiệp, chứa một lượng lớn silica có thể được khai thác. Việc tổng hợp silica từ tro trấu không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra nguyên liệu có giá trị cho nhiều ngành công nghiệp. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về thành phần hóa học và tiềm năng ứng dụng của silica trong thực tiễn.

1.1. Thành phần hóa học của tro trấu và silica

Tro trấu chứa khoảng 80-90% SiO2, cùng với các thành phần khác như Al2O3, Fe2O3. Nghiên cứu cho thấy silica trong tro trấu có cấu trúc vô định hình, phù hợp cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp.

1.2. Tiềm năng ứng dụng của silica trong nông nghiệp

Silica có thể được sử dụng làm phân bón, cải thiện độ phì nhiêu của đất. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng silica giúp tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng với điều kiện môi trường khắc nghiệt.

II. Vấn đề và thách thức trong việc tổng hợp silica từ tro trấu

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc tổng hợp silica từ tro trấu vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như hiệu suất thu hồi silica thấp và sự biến đổi trong quá trình tổng hợp cần được giải quyết. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và đề xuất giải pháp cải thiện.

2.1. Hiệu suất thu hồi silica từ tro trấu

Hiệu suất thu hồi silica từ tro trấu thường không đạt yêu cầu. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ kiềm ảnh hưởng lớn đến kết quả. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa quy trình.

2.2. Biến đổi trong quá trình tổng hợp silica

Quá trình tổng hợp silica có thể gặp phải biến đổi không mong muốn, dẫn đến sản phẩm không đạt chất lượng. Việc kiểm soát các điều kiện phản ứng là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

III. Phương pháp tổng hợp silica từ tro trấu hiệu quả

Có nhiều phương pháp để tổng hợp silica từ tro trấu, bao gồm phương pháp hóa học, nhiệt và siêu âm. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết các phương pháp và so sánh hiệu quả của chúng.

3.1. Phương pháp hóa học trong tổng hợp silica

Phương pháp hóa học sử dụng dung dịch kiềm để chiết xuất silica từ tro trấu. Nghiên cứu cho thấy phương pháp này có thể đạt hiệu suất cao nếu được tối ưu hóa đúng cách.

3.2. Phương pháp siêu âm trong tổng hợp silica

Sử dụng siêu âm trong quá trình tổng hợp silica giúp tăng cường hiệu suất thu hồi. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng và cải thiện chất lượng sản phẩm.

IV. Ứng dụng thực tiễn của silica từ tro trấu

Silica từ tro trấu có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như xây dựng, nông nghiệp và y học. Việc sử dụng silica không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này sẽ trình bày các ứng dụng cụ thể và lợi ích của silica trong thực tiễn.

4.1. Silica trong ngành xây dựng

Silica được sử dụng làm phụ gia trong sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng. Nó giúp cải thiện tính chất cơ học và độ bền của sản phẩm.

4.2. Silica trong nông nghiệp

Silica có thể được sử dụng làm phân bón, giúp cải thiện khả năng sinh trưởng của cây trồng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng silica giúp tăng cường sức đề kháng của cây với sâu bệnh.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu silica từ tro trấu

Nghiên cứu về silica từ tro trấu mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp và nông nghiệp. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng silica sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho xã hội.

5.1. Tương lai của nghiên cứu silica

Nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm kiếm các phương pháp mới để tối ưu hóa quy trình tổng hợp silica từ tro trấu, nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

5.2. Định hướng ứng dụng silica trong công nghiệp

Các ứng dụng của silica trong công nghiệp sẽ được mở rộng, từ xây dựng đến nông nghiệp, nhằm tận dụng tối đa tiềm năng của nguyên liệu này.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới với sản lượng lúa năm 2023 đạt khoảng 43,5 triệu tấn, kéo theo lượng trấu thải ra sau quá trình xay xát ước tính lên tới 8,7 triệu tấn (vỏ trấu chiếm khoảng 20% trọng lượng hạt lúa). Khi sử dụng trấu làm chất đốt, lượng tro trấu (trấu hun) phát sinh chiếm khoảng 20% khối lượng trấu ban đầu, tương đương 1,74 triệu tấn mỗi năm. Phân tích thành phần hóa học cho thấy tro trấu chứa hàm lượng silicon dioxide ($\text{SiO}_2$) rất cao, dao động từ 80% đến hơn 90%, tồn tại chủ yếu ở dạng vi hạt xốp. Đây là nguồn nguyên liệu tái tạo dồi dào, giá thành thấp để điều chế silica vô định hình phục vụ nhiều ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

Tuy nhiên, các quy trình chiết xuất silica truyền thống từ tro trấu thường sử dụng phương pháp nung ở nhiệt độ cao khó kiểm soát chuyển pha tinh thể, hoặc kiềm hóa thông thường kết hợp kết tủa bằng các acid vô cơ mạnh ($\text{HCl}$, $\text{H}_2\text{SO}_4$) tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn hóa chất và phát sinh chất thải độc hại ra môi trường. Đề tài "Tổng hợp silica từ tro trấu bằng phương pháp siêu âm nhiệt độ cao" của tác giả Lưu Trọng Tâm (Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh, 2024) được thực hiện nhằm giải quyết các tồn tại này thông qua việc ứng dụng sóng siêu âm kết hợp gia nhiệt trong giai đoạn kiềm hóa và sử dụng acid hữu cơ (acid citric) làm tác nhân tạo gel.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể:

1. Tổng hợp thành công silica vô định hình ($\text{SiO}_2\cdot n\text{H}_2\text{O}$) từ nguồn tro trấu nông nghiệp bằng phương pháp sol-gel có hỗ trợ siêu âm gia nhiệt và kết tủa bằng acid citric.
2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng (nhiệt độ phòng, 50–55°C, 70–75°C) và tỷ lệ mol $\text{NaOH}/\text{SiO}_2$ đến hiệu suất tách chiết silica.
3. Xác định các đặc trưng cấu trúc lý hóa, hình thái và độ tinh khiết của vật liệu bằng các kỹ thuật phân tích hiện đại (XRD, ICP-OES, BET, FT-IR, SEM, SLS).
4. Khảo sát hai định hướng ứng dụng thực tiễn của vật liệu: làm nguồn cung cấp silic hữu hiệu cho phân bón nông nghiệp (theo TCVN 11407:2019) và làm pha tĩnh trong sắc ký cột để phân tách hợp chất hữu cơ.

Đối tượng nghiên cứu là tro trấu nguyên liệu, sản phẩm silica tổng hợp và hợp chất hữu cơ thử nghiệm sắc ký $tert\text{-butyl } (S)\text{-(1-oxo-3-phenyl-1-(phenylamino)propan-2-yl)carbamate}$. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các điều kiện thực nghiệm tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Hóa học Vô cơ và Tổng hợp Hữu cơ thuộc Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh cùng các trung tâm kiểm nghiệm chuyên môn trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh năm 2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Cơ sở lý thuyết và nguyên lý

Khóa luận xây dựng trên các nền tảng lý thuyết hóa học vô cơ và khoa học vật liệu:

• Cấu trúc và hóa học của $\text{SiO}_2$: Silicon dioxide tồn tại ở các dạng tinh thể (thạch anh - quartz, tridymite, cristobalite biến đổi qua lại theo nhiệt độ) và dạng vô định hình. Dạng vô định hình là sản phẩm ngưng tụ tách nước của acid silixic ($\text{H}_4\text{SiO}_4$ hoặc $\text{H}_2\text{SiO}_3$) tạo thành mạng lưới liên kết $-\text{Si}-\text{O}-\text{Si}-$ xốp, diện tích bề mặt lớn và chứa các nhóm silanol hoạt tính ($-\text{Si}-\text{OH}$).
• Cơ chế hòa tan và kết tủa sol-gel: Phản ứng kiềm hóa chuyển $\text{SiO}_2$ trong tro trấu thành dung dịch natri silicat ($\text{Na}_2\text{SiO}_3$). Khi trung hòa bằng acid hữu cơ (acid citric) về $\text{pH} = 7$, các monomer acid silixic ngưng tụ tạo thành dung dịch keo (sol), chuyển hóa thành mạng lưới gel ba chiều và sấy khô để thu được silica gel.
• Nguyên lý phân bón silic hữu hiệu: Cây trồng hấp thu silic chủ yếu dưới dạng monomer acid orthosilicic ($\text{H}_4\text{SiO}_4$) hòa tan trong dịch chiết đất nhằm củng cố cấu trúc vách tế bào, tăng khả năng quang hợp và chống chịu sâu bệnh.
• Nguyên lý sắc ký cột pha thường: Pha tĩnh silica gel phân cực tương tác với các phân tử chất tan qua liên kết hydro của nhóm silanol; các hợp chất kém phân cực hơn sẽ được hệ pha động rửa giải ra trước.

Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật phân tích

Quy trình thực nghiệm kết hợp đa dạng các phương pháp hóa học ướt và kỹ thuật đo lường vật lý:

• Phương pháp tổng hợp: Hòa tách kiềm hỗ trợ siêu âm gián đoạn (khuấy 3 giờ, siêu âm 2 giờ gồm 1 giờ siêu âm, 1 giờ nghỉ, 1 giờ siêu âm) tại các mức nhiệt độ xác định; tạo gel bằng acid citric $1\text{ M}$, ủ gel 24 giờ, sấy ở 105–110°C, nghiền thô, rửa sạch tạp chất bằng $\text{HCl } 1\text{ M}$ và nước cất kết hợp khuấy gia nhiệt đến trung tính, sấy khô và nghiền mịn cơ học trong 3 giờ.
• Kỹ thuật xác định cấu trúc pha: Nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị Panalytical X'Pert ($\text{Cu K}\alpha$, bước nhảy 0,02°/giây, góc quét $2\theta = 0^\circ - 80^\circ$).
• Kỹ thuật định lượng nguyên tố: Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng (ICP-OES) trên thiết bị PerkinElmer Optima 8300 xác định hàm lượng $% \text{Si}$ và $% \text{SiO}_2$.
• Kỹ thuật xác định diện tích bề mặt: Phương pháp Brunauer – Emmett – Teller (BET) đa điểm đo trên máy Quantachrome Nova 4000e với khí hấp phụ $\text{N}_2$.
• Kỹ thuật phổ dao động: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trên thiết bị Thermo Nicolet 6700 trong dải số sóng $400 - 4000\text{ cm}^{-1}$.
• Kỹ thuật hình thái và kích thước hạt: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S-4800 (phủ màng dẫn điện Platinum) và phân tích tán xạ ánh sáng tĩnh (SLS) trên thiết bị Horiba LA-920.
• Phương pháp trắc quang xác định silic hữu hiệu: Đo quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis trên thiết bị Palintest-7000 tại bước sóng $\lambda = 660\text{ nm}$ thông qua phản ứng tạo phức màu xanh molipdat - acid ascorbic theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 11407:2019.
• Thử nghiệm sắc ký cột: Sử dụng cột sắc ký nhồi mẫu silica gel tự chế và mẫu đối chứng thương mại (Merck 60741, Himedia GRM7484), pha động Hexane : Ethyl Acetate tỷ lệ $5:1$, kiểm tra độ tinh khiết sản phẩm tách chiết bằng sắc ký lớp mỏng (TLC).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về trấu, tro trấu và silica

Chương 1 hệ thống hóa tổng quan tài liệu về nguồn gốc, thành phần sinh khối của vỏ trấu (50% cellulose, 25–30% lignin, 15–20% silica) và đặc tính lý hóa của tro trấu. Tác giả tổng hợp dữ liệu thành phần hóa học từ các nghiên cứu đã công bố, chỉ ra rằng hàm lượng $\text{SiO}_2$ trong tro trấu đạt từ 86,9% đến 94,6%, diện tích bề mặt riêng đạt khoảng $30 - 50\text{ m}^2/\text{g}$.

Chương này so sánh ưu - nhược điểm của các phương pháp điều chế silica từ tro trấu:

• Phương pháp vật lý (nung nhiệt độ cao 550–1000°C): Dễ dẫn đến chuyển dịch sang pha tinh thể tridymite/cristobalite khó kiểm soát nếu nhiệt độ vượt quá 600–800°C.
• Phương pháp thủy nhiệt (180–300°C, áp suất cao): Cho độ tinh khiết cao nhưng chi phí thiết bị đắt đỏ và tiềm ẩn rủi ro áp suất.
• Phương pháp sol-gel: Thao tác ở nhiệt độ thấp, áp suất thường, dễ kiểm soát độ vô định hình và hình thái xốp của hạt, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm.

Tác giả cũng phân tích chi tiết ứng dụng của silica gel trong phân bón nông nghiệp (theo Quyết định 55/2006/QĐ-BNN) và vai trò của các nhóm hoạt động silanol ($-\text{Si}-\text{OH}$) trong kỹ thuật sắc ký cột phân tách các chất hữu cơ.

Chương 2: Hóa chất, dụng cụ và thiết bị

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất sử dụng (độ tinh khiết phân tích từ 97,0% đến 99,8%), hệ thống dụng cụ thủy tinh, thiết bị khuấy cơ, bể siêu âm và các máy đo phân tích hiện đại. Trọng tâm của chương là thiết kế quy trình thực nghiệm gồm 4 giai đoạn rõ ràng:

1. Kiềm hóa chiết xuất: $100\text{ g}$ tro trấu phản ứng với dung dịch $\text{NaOH}$ (khảo sát theo các tỷ lệ mol), gia nhiệt đến 70–75°C, khuấy trục 3 giờ kết hợp siêu âm 2 giờ, lọc áp suất thấp thu dung dịch $\text{Na}_2\text{SiO}_3$.
2. Acid hóa tạo gel: Dùng acid citric $1\text{ M}$ chỉnh về $\text{pH} = 7$, ủ gel 24 giờ, lọc thu kết tủa và sấy khô ở 105–110°C trong 24 giờ.
3. Rửa và tinh chế: Nghiền thô mẫu, rửa lặp lại nhiều lần bằng dung dịch $\text{HCl } 1\text{ M}$ và nước cất có gia nhiệt khuấy từ cho đến khi nước rửa đạt $\text{pH} \approx 7$, sấy khô lại trong 24 giờ.
4. Nghiền mịn: Nghiền thành phẩm trong 3 giờ và bảo quản chống ẩm.

Chương này cũng trình bày chi tiết quy trình dựng đường chuẩn Silicon ($0 - 2\text{ mg Si/L}$) theo TCVN 11407:2019 và quy trình 5 bước chạy sắc ký cột cô lập hợp chất $tert\text{-butyl } (S)\text{-(1-oxo-3-phenyl-1-(phenylamino)propan-2-yl)carbamate}$.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 tập trung công bố và biện giải các dữ liệu thực nghiệm thu được:

• Khảo sát hiệu suất tổng hợp: Dữ liệu chỉ ra hiệu suất thu hồi silica phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và tỷ lệ kiềm. Ở tỷ lệ mol $\text{NaOH}/\text{SiO}_2 = 1,5/1$, hiệu suất tăng từ 19,18% (nhiệt độ phòng) lên 39,8% (ở 50–55°C) và đạt đỉnh 90,6% (ở 70–75°C).
• Phân tích cấu trúc pha (XRD): Giản đồ XRD của tất cả các mẫu đều xuất hiện một peak tù rộng đặc trưng tại góc $2\theta = 23^\circ - 24^\circ$, khẳng định cấu trúc vô định hình hoàn toàn của silica gel thu được mà không cần qua công đoạn nung nhiệt độ cao.
• Độ tinh khiết nguyên tố (ICP-OES): Hàm lượng $\text{SiO}_2$ trong tro trấu nguyên liệu là 87,3%. Sau tinh chế, mẫu tổng hợp ở nhiệt độ phòng đạt độ tinh khiết 99,0% $\text{SiO}_2$, trong khi mẫu ở 70–75°C đạt 96,0% $\text{SiO}_2$ (do nhiệt độ cao lôi cuốn một phần tạp chất carbon hữu cơ).
• Diện tích bề mặt riêng (BET): Mẫu tổng hợp ở nhiệt độ phòng có diện tích bề mặt lớn nhất đạt $222,19\text{ m}^2/\text{g}$, mẫu 50–55°C đạt $187,71\text{ m}^2/\text{g}$, mẫu 70–75°C đạt $94,38\text{ m}^2/\text{g}$, tiệm cận với mẫu thương mại Himedia GRM7484 ($260,15\text{ m}^2/\text{g}$).
• Hàm lượng silic hữu hiệu: Khảo sát UV-Vis theo TCVN 11407:2019 cho thấy sản phẩm có khả năng hòa tan giải phóng silic hữu hiệu cao, đáp ứng các tiêu chuẩn thương mại của phân bón silic nông nghiệp.
• Hiệu quả phân tách sắc ký: Pha tĩnh silica gel tro trấu cho kết quả tách hợp chất amide thử nghiệm tương đương với silica gel thương mại Merck 60741; sắc ký lớp mỏng TLC ghi nhận một vết duy nhất, chứng minh độ sạch và hoạt tính bề mặt tốt của vật liệu.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 4 đúc kết các thông số kỹ thuật tối ưu của quy trình siêu âm gia nhiệt kết hợp acid citric, đồng thời đưa ra các kiến nghị cụ thể nhằm hoàn thiện công nghệ chiết xuất silica và mở rộng ứng dụng trên quy mô lớn hơn.

---

Kết quả và đóng góp

Bảng tổng hợp số liệu thực nghiệm chính

Mẫu khảo sát	Điều kiện nhiệt độ	Tỷ lệ mol $\text{NaOH}/\text{SiO}_2$	Hiệu suất tổng hợp (%)	Hàm lượng $\text{SiO}_2$ (ICP-OES, %)	Diện tích bề mặt riêng $S_{\text{BET}}$ ($\text{m}^2/\text{g}$)	Cấu trúc pha (XRD)
Tro trấu thô	-	-	-	87,3	$30 - 50$	Vô định hình
Silica gel RT	Nhiệt độ phòng	$1,5 : 1$	19,18	99,0	222,19	Vô định hình ($2\theta \approx 23^\circ$)
Silica gel 50-55	50 – 55°C	$1,5 : 1$	39,80	$96,0 - 99,0$ (dự đoán)	187,71	Vô định hình ($2\theta \approx 23^\circ$)
Silica gel 70-75	70 – 75°C	$1,5 : 1$	90,60	96,0	94,38	Vô định hình ($2\theta \approx 23^\circ$)
Himedia chuẩn	Thương mại	-	-	-	260,15	Vô định hình

Các giải pháp và đóng góp mới của tác giả

• Cải tiến kỹ thuật chiết xuất: Kết hợp thành công tác động cơ học của sóng siêu âm với gia nhiệt (70–75°C) trong giai đoạn hòa tách kiềm, nâng hiệu suất thu hồi silica từ tro trấu lên 90,6% ở tỷ lệ mol $\text{NaOH}/\text{SiO}_2 = 1,5/1$, khắc phục nhược điểm tiêu tốn kiềm đặc của các nghiên cứu trước đây.
• Giải pháp hóa học xanh: Sử dụng acid citric (acid hữu cơ) làm tác nhân tạo tủa gel thay cho acid vô cơ mạnh ($\text{HCl}$, $\text{H}_2\text{SO}_4$). Nước thải sau lọc chứa phức ion citrate thân thiện với môi trường, có thể tái sử dụng trực tiếp trong sản xuất phân bón vi lượng cho cây trồng.
• Chứng minh ứng dụng thực tiễn:
  • Khẳng định vật liệu đáp ứng tiêu chuẩn phân bón silic hữu hiệu theo TCVN 11407:2019.
  • Ứng dụng thành công vật liệu làm pha tĩnh sắc ký cột thông thường, tách chọn lọc hợp chất hữu cơ $tert\text{-butyl } (S)\text{-(1-oxo-3-phenyl-1-(phenylamino)propan-2-yl)carbamate}$ với độ sạch kiểm chứng qua TLC tương đương pha tĩnh đắt tiền của hãng Merck.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Khi phản ứng ở nhiệt độ cao (70–75°C), sóng siêu âm mạnh lôi cuốn theo một lượng nhỏ hợp chất hữu cơ và carbon chưa cháy hết từ tro trấu vào dung dịch silicat, khiến sản phẩm silica gel 70–75°C có độ tinh khiết (96,0%) và diện tích bề mặt ($94,38\text{ m}^2/\text{g}$) thấp hơn mẫu tổng hợp ở nhiệt độ phòng.
• Quy trình rửa loại bỏ tạp chất bằng $\text{HCl } 1\text{ M}$ và nước máy lặp lại nhiều lần tốn nhiều thời gian và lượng nước rửa lớn.
• Khảo sát ứng dụng sắc ký cột mới chỉ dừng lại ở một hợp chất hữu cơ đơn lẻ với hệ dung môi giải ly Hexane : Ethyl Acetate ($5:1$).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Bổ sung công đoạn tiền xử lý tro trấu bằng acid loãng hoặc nung nhẹ có kiểm soát trước khi kiềm hóa nhằm loại bỏ triệt để tạp chất carbon mà không làm tinh thể hóa silica.
• Nghiên cứu biến tính bề mặt silica gel thu được bằng các tác nhân silan hóa (như chlorodimethylalkylsilan) để chế tạo pha tĩnh sắc ký pha đảo ($\text{C}8, \text{C}{18}$) hoặc pha liên kết nhóm chức phân cực ($\text{amino, cyano}$).
• Mở rộng thử nghiệm hiệu quả phân bón silic trên các đối tượng cây trồng thực tế trong điều kiện nhà kính hoặc đồng ruộng.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

• Sinh viên và học viên ngành Hóa học Vô cơ, Hóa học Vật liệu, Công nghệ Hóa học: Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp sol-gel hỗ trợ siêu âm, cách tối ưu hóa tỷ lệ mol tác chất và các bước tinh chế silica gel.
• Người nghiên cứu trong lĩnh vực Hóa học Phân tích và Hóa Hữu cơ: Tham khảo phương pháp kiểm tra chất lượng phân bón silic theo TCVN 11407:2019 và quy trình tự chế tạo, nhồi cột sắc ký pha thường chi phí thấp thay thế vật liệu thương mại.
• Nhà nghiên cứu xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp và Môi trường: Cung cấp số liệu định lượng về thành phần tro trấu và giải pháp tận dụng sinh khối trấu thải theo định hướng kinh tế tuần hoàn và hóa học xanh.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả sử dụng acid citric làm tác nhân tạo gel thay vì các acid vô cơ phổ biến như $\text{HCl}$ hay $\text{H}_2\text{SO}_4$?

Việc sử dụng acid citric (acid hữu cơ) nhằm giảm thiểu rủi ro ăn mòn thiết bị và nguy hiểm khi thao tác thực nghiệm so với acid vô cơ đậm đặc. Quan trọng hơn, dịch lọc sau quá trình tách gel chứa các ion citrate không gây độc hại cho môi trường và là nguồn phụ gia hữu ích có thể phối trộn trực tiếp vào phân bón kích thích sinh trưởng cây trồng.

2. Nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất và độ tinh khiết của silica gel?

Nhiệt độ phản ứng tỷ lệ thuận với hiệu suất tổng hợp nhưng tỷ lệ nghịch nhẹ với độ tinh khiết và diện tích bề mặt. Ở 70–75°C, phản ứng hòa tan $\text{SiO}_2$ diễn ra mãnh liệt nhất giúp hiệu suất đạt 90,6%, nhưng đồng thời lôi cuốn tạp chất carbon làm độ tinh khiết giảm còn 96,0% và diện tích bề mặt giảm xuống $94,38\text{ m}^2/\text{g}$. Ở nhiệt độ phòng, hiệu suất chỉ đạt 19,18% nhưng độ tinh khiết đạt tới 99,0% và diện tích bề mặt đạt $222,19\text{ m}^2/\text{g}$.

3. Cấu trúc vô định hình của silica tổng hợp được chứng minh bằng phương pháp nào?

Cấu trúc vô định hình được chứng minh thông qua giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). Trên giản đồ của tất cả các mẫu silica tổng hợp đều xuất hiện một peak nhiễu xạ tù, rộng ở góc quét $2\theta = 23^\circ - 24^\circ$, hoàn toàn không xuất hiện các peak nhọn sắc nét của các dạng tinh thể thạch anh, tridymite hay cristobalite.

4. Phương pháp xác định hàm lượng silic hữu hiệu trong khóa luận được thực hiện ra sao?

Tác giả thực hiện theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 11407:2019. Mẫu silica được chiết trong dung dịch $\text{Na}_2\text{CO}_3\text{ - }\text{NH}_4\text{NO}_3$, sau đó cho phản ứng với amoni molipdat, acid tactaric và acid ascorbic để phát triển phức màu xanh lam đặc trưng. Mật độ quang được đo bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis tại bước sóng $\lambda = 660\text{ nm}$ và quy đổi về nồng độ $% \text{SiO}_2$ qua đường chuẩn.

5. Hoạt tính sắc ký cột của silica gel tro trấu được đánh giá trên đối tượng nào?

Vật liệu được thử nghiệm làm pha tĩnh sắc ký cột để tách chiết hợp chất hữu cơ $tert\text{-butyl } (S)\text{-(1-oxo-3-phenyl-1-(phenylamino)propan-2-yl)carbamate}$ với hệ dung môi giải ly Hexane : Ethyl Acetate ($5:1$). Kết quả kiểm tra bằng sắc ký lớp mỏng (TLC) cho thấy vết chất sau khi tách hoàn toàn đơn nhất và có độ sạch tương đương mẫu đối chứng sử dụng silica gel thương mại Merck 60741.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lưu Trọng Tâm đã nghiên cứu và phát triển thành công quy trình tổng hợp silica vô định hình từ nguồn tro trấu nông nghiệp bằng phương pháp sol-gel hỗ trợ siêu âm nhiệt độ cao kết hợp acid citric. Kết quả thực nghiệm xác định điều kiện tối ưu tại 70–75°C với tỷ lệ mol $\text{NaOH}/\text{SiO}_2 = 1,5/1$, cho hiệu suất thu hồi silica đạt 90,6% và độ tinh khiết đạt 96–99%. Công trình đã chứng minh tính khả thi cao trong việc ứng dụng vật liệu làm nguồn silic hữu hiệu cho phân bón và làm pha tĩnh sắc ký cột phân tách hợp chất hữu cơ, mở ra giải pháp gia tăng giá trị kinh tế cho phế phẩm nông nghiệp lúa nước theo hướng tiếp cận thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH KHOA HÓA HỌC TP. HỒ CHÍ MINH Lưu Trọng Tâm KHOA LUAN TOT NGHIEP Thành phố Hồ Chi Minh - 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH KHOA HÓA HỌC TP. HỒ CHÍ MINH PHƯƠNG PHÁP SIEU AM NHIET ĐỘ CAO Họ và Tên sinh viên: LƯU TRỌNG TAM Mã số sinh viên: 46.064 Chuyên ngành: Hóa học Vô cơ Giảng viên hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Trúc Linh Thành phố Hồ Chí Minh - 2024 XÁC NHẬN CHÍNH SỨA SAU BẢO VỆ ¬.

XÁC NHAN CUAGVHD XÁC NHẠN CUA CHỦ TỊCH HỘI DONG (Kí tên, ghi rõ họ tên) (Kí tên, ghi rõ họ tên) LỜI CÁM ƠN Lời nói đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Và lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS Nguyễn Thị Trúc Linh, người đã tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Cô đã động viên tôi trong những lúc khó khăn và bề tắc, là nguồn động lực lớn đẻ tôi hoàn thành khóa luận.

Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cô. Tiếp đến, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo môt môi trường vô cùng thuận lời cho tôi học tập, phát triển và toàn thê đội ngủ giảng viên của trường nói chung và của Khoa Hóa nói riêng đã tận tình truyền đạt các kiến thức khoa học cũng như kiến thức kinh nghiệm dé cho tôi có nên tảng vững chắc đề học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn bạn Trịnh Quang Duy Khang, người có cùng giảng viên hướng dẫn với tôi đã giúp đỡ các công đoạn thực nghiệm cũng như lả cho tôi nhiều kiến thức lý thuyết dé củng cỗ dé tài. Xin gửi lời cảm ơn đến bạn Nguyễn Thị Mỹ Hiền chuyên ngành Hóa học Hữu cơ đã cung cấp cho tôi một vài hợp chất hữu cơ đề tôi có thê khảo sát thành công ứng dụng của vật liệu cũng như là cho tôi những tài liệu, lý thuyết về quá trình sắc ký cột và sắc ký bản mong.

Xin cảm ơn bạn Nguyễn Minh Chiến, trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Đại học Quốc gia Thanh pho Hồ Chí Minh đã hỗ trợ trong công cuộc trình bày phỏ theo văn phong khoa học. Xin phép cho tôi được gửi những lời cảm ơn sâu sắc nhất đến tất cả những người đã giúp đỡ tôi. Thành phổ Hỗ Chí Minh, ngày 10 tháng 0Š năm 2024 Tác giả khóa luận Lưu Trọng Tâm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả được trình bày trong khóa luận này đều đúng sự thật và không trùng với bất cứ bài viết nào.

Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi thông lin trích dan trong bài viết này đều được ghi rõ nguồn gốc. Thành phố Ho Chí Minh, ngày 10 tháng 0Š năm 2024 Tác gia khóa luận Lưu Trọng Tâm MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LOI CAM DOAN MUC LUC DANH MUC CAC TU VIET TAT DANH MUC BANG BIEU DANH MỤC HINH VE VA DO THỊ L{ DO CHON DE TAI +a= CHUONG 1. Tong quan về trau, tro trau 1. Trấu, tro trau 1.

Pha tĩnh sắc ký cột II 1. Các phương pháp tong hợp, tình hình tong hợp và nghiên cứu silica từ trotrẫu eee 1. Phương pháp vat lý (nhiệt) 14 1. Phương pháp hóa học 14 1.

Phương pháp thủy nhiệt l4 1. Phương pháp sol - gel 15 1. Tình hình tông hợp và nghiên cứu silica từ tro trau _ l6 CHƯƠNG 2. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 19 2.

Quy trình tổng hợp silica từ tro trấu 21 2.