Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu tiềm năng nông nghiệp nhiệt đới rộng lớn với diện tích canh tác dứa đạt trên 41.000 ha và sản lượng thu hoạch bình quân vượt 567.000 tấn mỗi năm. Tuy nhiên, sau các vụ thu hoạch, phần lớn sinh khối như thân và lá dứa bị chất đống trên đồng ruộng hoặc đốt bỏ trực tiếp, phát thải lượng lớn khí nhà kính và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Phụ phẩm lá dứa thực chất là nguồn sinh khối lignocellulose giá trị cao, chứa khoảng 36,3% cellulose, 22,9% hemicellulose và 27,5% lignin. Việc chuyển hóa nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào này thành các vật liệu tiên tiến có khả năng phân hủy sinh học là hướng đi chiến lược nhằm thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững.

Vấn đề cốt lõi của đề tài là giải quyết nhược điểm cơ tính kém, tính ưa nước tự nhiên và khả năng bắt cháy cao của aerogel gốc sinh học truyền thống. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm: xây dựng quy trình trích xuất vi sợi cellulose (MFC) từ sợi lá dứa bằng phương pháp cơ hóa kết hợp; tổng hợp vi sợi cellulose aerogel (MFCA) định hướng cách nhiệt; biến tính bề mặt kỵ nước nhằm xử lý tràn dầu và dung môi hữu cơ; tích hợp phụ gia chậm cháy; đồng thời chế tạo aerogel composite cellulose/chitosan (CL/CSA) định hướng hấp phụ kim loại nặng crom hóa trị sáu Cr(VI) trong môi trường nước.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022 tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc-Hóa Dầu thuộc Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM, sử dụng nguồn mẫu lá dứa thu gom tại tỉnh Nghệ An. Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi chế tạo thành công vật liệu aerogel siêu nhẹ với khối lượng riêng chỉ từ 13,7 đến 29,7 mg/cm3, độ xốp đạt 97,7% đến 99,0%, hệ số dẫn nhiệt thấp tương đương vật liệu thương mại ở mức 36,0 đến 36,3 mW/m.K, và dung lượng hấp phụ Cr(VI) đạt kỷ lục lên đến 211,4 mg/g.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba hệ thống lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật hóa học và khoa học vật liệu. Thứ nhất là lý thuyết gel hóa sol-gel và tạo liên kết ngang polymer, giải thích cơ chế hình thành khung mạng không gian ba chiều bền vững thông qua tương tác giữa nhóm chức cation azetidinium trên chất tạo liên kết polyamide amine-epichlorohydrin (PAE) với các nhóm carboxyl và hydroxyl trên mạch cellulose. Thứ hai là lý thuyết truyền nhiệt trong môi trường xốp vi mô, phân tích sự triệt tiêu cơ chế đối lưu và giảm thiểu độ dẫn nhiệt của pha khí khi kích thước mao quản xốp đạt tới kích thước quãng đường tự do trung bình của phân tử không khí. Thứ ba là lý thuyết hấp phụ bề mặt và cân bằng đẳng nhiệt, áp dụng các mô hình Langmuir và Freundlich để đánh giá động thái liên kết tĩnh điện và tạo phức giữa ion kim loại nặng với nhóm amine (-NH2) và hydroxyl (-OH) của polymer sinh học.

Khung khái niệm chính của đề tài xoay quanh năm trụ cột: Vi sợi cellulose (MFC) kích thước micro-nano; Vật liệu siêu xốp aerogel cấu trúc mạng 3D; Biến tính siêu kỵ nước bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) với hợp chất methyltrimethoxysilane (MTMS); Cơ chế chậm cháy tạo lớp than phồng ngăn oxy của ammonium polyphosphate (APP); và Hệ vật liệu lai sinh học tương thích cao giữa cellulose và chitosan có độ deacetyl 85%.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình tiền xử lý và chế tạo có kiểm soát trên các lô mẫu sợi lá dứa 100 g. Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nguyên tắc lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng đại diện từ các nông trường dứa tại Nghệ An. Quy trình tiền xử lý hóa học gồm hai giai đoạn: kiềm hóa bằng dung dịch NaOH 3 wt% ở 80 °C nhằm hòa tan phần lớn lignin và hemicellulose, sau đó tẩy trắng bằng hỗn hợp NaOH 1 wt% và H2O2 10 wt% để thu được sợi lá dứa tẩy trắng (BPL) có hàm lượng cellulose tinh khiết đạt 79,7%. Vi sợi MFC được tách chiết bằng cách thủy phân nhẹ với dung dịch H2SO4 40 wt%, rửa lắng gạn về pH 7, và đồng hóa cơ học tốc độ cao 15.000 vòng/phút trong 60 phút ở nồng độ huyền phù 1 wt%.

Hệ thống phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm kiểm chứng toàn diện tính chất vật liệu. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) trên máy Bruker D8 Advance sử dụng bức xạ CuKα bước sóng 0,154 nm ở 40 kV và 40 mA để xác định chính xác chỉ số kết tinh CrI mà không phá hủy cấu trúc. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trên thiết bị Bruker Alpha II trong dải sóng 400 đến 4000 cm-1 được dùng để xác định các liên kết hóa học mới và đánh giá quá trình biến tính bề mặt. Hệ số dẫn nhiệt được đo chuẩn xác bằng thiết bị dòng nhiệt HFM-100. Cấu trúc hình thái mao quản 3D được quan sát qua kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM. Độ bền cơ học nén được đo bằng máy Zwick/Roell Z2010. Khả năng phân hủy nhiệt được đánh giá bằng phân tích nhiệt trọng lượng TGA (Labsys Evo TG-DSC) từ nhiệt độ phòng đến 600 °C. Toàn bộ chuỗi thí nghiệm được thực hiện xuyên suốt trong khung thời gian 16 tuần từ ngày 05/09/2022 đến 23/12/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, quá trình kết hợp thủy phân acid nhẹ và đồng hóa cơ học đã chuyển hóa thành công sợi thô thành vi sợi cellulose (MFC) đồng đều với đường kính 1,69 đến 3,05 μm và chiều dài dưới 100 μm, nâng hàm lượng cellulose từ 36,3% ban đầu lên 79,7% trong sản phẩm BPL, đồng thời duy trì độ kết tinh tinh thể cao trên giản đồ XRD.

Thứ hai, việc phối trộn huyền phù MFC nồng độ 1 wt% với 80 wt% PAE kết hợp sấy thăng hoa ở áp suất 10 Pa và ủ nhiệt tại 120 °C trong 3 giờ đã tạo ra aerogel vi sợi lá dứa (MFCA) có khối lượng riêng siêu nhẹ chỉ 13,7 đến 29,7 mg/cm3 và độ xốp đạt 97,7% đến 99,0%. Hệ số dẫn nhiệt của MFCA đạt mức 36,0 đến 36,3 mW/m.K, giảm hơn 50% so với aerogel gỗ tự nhiên (120 mW/m.K) và tương đương với các xốp cách nhiệt thương mại như polystyrene (35-40 mW/m.K).

Thứ ba, biến tính bề mặt MFCA bằng phương pháp ngưng tụ hơi MTMS ở 80 °C giúp vật liệu chuyển biến từ ưa nước sang siêu kỵ nước với góc thấm ướt đạt 150°, duy trì dung lượng hấp thụ dầu nhớt động cơ 5w30 và dung môi toluen ở mức cao từ 15,1 đến 25,0 g/g. Khi phối trộn thêm 20 wt% chất chống cháy ammonium polyphosphate (APP), vật liệu có khả năng tự dập tắt hoàn toàn ngọn lửa khi rời nguồn nhiệt, ngăn chặn bắt cháy hiệu quả.

Thứ tư, vật liệu lai sinh học CL/CSA chế tạo bằng kỹ thuật cấp đông định hướng với nitơ lỏng cho thấy sự cải thiện vượt bậc về cơ tính với module Young đạt 11,7 kPa, bền vững trong môi trường acid mạnh ở pH 2,0. Dung lượng hấp phụ cực đại đối với ion Cr(VI) đạt 211,4 mg/g, duy trì hiệu suất thu hồi trên 85% sau 5 chu kỳ giải hấp bằng dung dịch Na2EDTA.

Thảo luận kết quả

Khả năng cách nhiệt vượt trội của MFCA bắt nguồn từ kiến trúc xốp liên thông ba chiều nano-micro, nơi không khí bị giam giữ trong các khoang mao quản kín, ngăn chặn hiện tượng đối lưu nhiệt tự nhiên. Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn qua các đồ thị phân tích dẫn nhiệt HFM-100 cho thấy hệ số dẫn nhiệt giảm rõ rệt khi nồng độ huyền phù được kiểm soát tối ưu ở mức 1,0 wt%. Nếu nồng độ tăng lên 1,25 wt%, khối lượng riêng tăng kéo theo độ dẫn nhiệt của pha rắn tăng lên; ngược lại nếu nồng độ giảm xuống 0,5 wt%, cấu trúc mao quản quá lớn làm tăng độ dẫn nhiệt pha khí.

Đối với khả năng làm chậm cháy, phổ phân tích nhiệt TGA và DTA chỉ ra rằng sự hiện diện của APP xúc tác cho phản ứng khử nước của cellulose ở nhiệt độ thấp khoảng 250 °C, tạo nên lớp than bảo vệ phồng xốp vững chắc cản trở sự khuếch tán của khí oxy và nhiệt lượng vào sâu bên trong vật liệu.

Trong ứng dụng xử lý môi trường, khả năng hấp phụ ion Cr(VI) của CL/CSA đạt hiệu quả cao nhất tại môi trường pH 2,0. Tại giá trị pH này, các nhóm amine (-NH2) trên khung chitosan bị proton hóa mạnh mẽ thành ion mang điện tích dương (-NH3+), tạo lực hút tĩnh điện cực mạnh đối với các dạng anion oxo-crom như HCrO4-. Dữ liệu hấp phụ tuân theo hoàn hảo mô hình động học biểu kiến bậc hai và mô hình đẳng nhiệt Langmuir với hệ số tương quan R2 đạt trên 0,99. So sánh với các công bố quốc tế về aerogel cellulose/chitosan trước đây (thường chỉ đạt dung lượng hấp phụ 33,1 đến 47,4 mg/g), vật liệu phát triển trong luận văn này có dung lượng cao hơn gấp 4,5 lần và thời gian đạt cân bằng rút ngắn đáng kể nhờ cấu trúc kênh mao quản thẳng hàng từ phương pháp cấp đông định hướng.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, xây dựng quy trình thu gom và tiền xử lý phụ phẩm lá dứa tập trung tại các vùng chuyên canh trọng điểm như Nghệ An, Ninh Bình và Tiền Giang. Mục tiêu cụ thể là đưa vào vận hành hệ thống tước sợi cơ học bán tự động đạt công suất 500 kg nguyên liệu lá tươi mỗi ngày trước quý 4 năm 2024, do các Hợp tác xã Nông nghiệp phối hợp cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn các tỉnh chủ trì thực hiện.

Thứ hai, tối ưu hóa quy trình sấy thăng hoa và hoàn thiện hệ thống thu hồi hơi silan MTMS trong quá trình biến tính kỵ nước. Doanh nghiệp cần đặt mục tiêu giảm 30% chi phí tiêu hao năng lượng điện và giảm 25% lượng hóa chất dư thừa, tiến tới thử nghiệm dây chuyền pilot sản xuất tấm cách nhiệt aerogel quy mô 50 m3 vật liệu mỗi tháng trong giai đoạn 2024-2025 dưới sự điều phối kỹ thuật của Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc-Hóa Dầu.

Thứ ba, triển khai ứng dụng thử nghiệm mô-đun lọc nước chứa aerogel composite CL/CSA tại các cơ sở mạ điện và nhuộm công nghiệp. Mục tiêu kỹ thuật là xử lý triệt để nồng độ Cr(VI) trong nước thải xuống dưới 0,05 mg/L, đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT với lưu lượng dòng chảy 10 m3/ngày trong năm 2025, do các công ty công nghệ môi trường phối hợp cùng Ban quản lý Khu công nghiệp thực hiện.

Thứ tư, ban hành bộ tiêu chuẩn kỹ thuật cơ sở và tiêu chuẩn quốc gia TCVN cho dòng sản phẩm vật liệu cách nhiệt sinh học nguồn gốc từ phụ phẩm nông nghiệp. Chỉ số giới hạn bắt buộc cần đạt gồm hệ số dẫn nhiệt dưới 38 mW/m.K, chỉ số oxy giới hạn LOI trên 25% và khả năng phân hủy sinh học trên 90% sau 180 ngày chôn lấp, định hướng trình Bộ Khoa học và Công nghệ thẩm định trong giai đoạn 2025-2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu và Công nghệ Môi trường. Luận văn cung cấp toàn bộ thông số vận hành chuẩn xác về quy trình trích xuất MFC, cơ chế liên kết ngang bằng PAE và kỹ thuật sấy thăng hoa ở áp suất thấp 10 Pa để phát triển các thế hệ vật liệu aerogel sinh học mới.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư công nghệ và chuyên gia vận hành hệ thống xử lý nước thải tại các nhà máy công nghiệp luyện kim, xi mạ và hóa chất. Nhóm này có thể ứng dụng trực tiếp thiết kế cột hấp phụ CL/CSA với dung lượng 211,4 mg/g để loại bỏ chọn lọc kim loại nặng độc hại và thiết lập chu trình tái sinh vật liệu bằng dung dịch Na2EDTA qua 5 chu kỳ tuần hoàn.

Nhóm thứ ba là các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng xanh, vật liệu chống cháy và giải pháp cách âm cách nhiệt. Dữ liệu thực nghiệm về hệ số dẫn nhiệt 36,0 mW/m.K kết hợp phụ gia 20 wt% APP tự dập lửa là giải pháp thay thế hoàn hảo cho xốp polystyrene và bông khoáng nhân tạo truyền thống.

Nhóm thứ tư là các cơ quan quản lý nông nghiệp, nhà hoạch định chính sách phát triển bền vững và các nhà khởi nghiệp kinh tế sinh học. Công trình là minh chứng điển hình cho việc nâng cao chuỗi giá trị nông sản, biến nguồn phế phẩm hơn 567.000 tấn lá dứa hàng năm thành sản phẩm kỹ thuật cao mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội.

Câu hỏi thường gặp

Lá dứa có những đặc tính ưu việt gì để trở thành nguồn nguyên liệu sản xuất vi sợi cellulose? Lá dứa tự nhiên chứa hàm lượng cellulose cao đạt khoảng 36,3% với các chuỗi tinh thể sắp xếp song song tạo độ bền cơ học lớn. Sau quá trình xử lý kiềm hóa bằng NaOH 3 wt% và tẩy trắng, hàm lượng cellulose tăng vọt lên 79,7%. Việc tận dụng lá dứa giúp giảm thiểu phát thải khí nhà kính từ hơn 567.000 tấn phụ phẩm nông nghiệp bị đốt bỏ mỗi năm tại Việt Nam.

Khả năng cách nhiệt của aerogel vi sợi lá dứa có cạnh tranh được với các vật liệu thương mại hiện nay không? Vật liệu MFCA đạt hệ số dẫn nhiệt từ 36,0 đến 36,3 mW/m.K, hoàn toàn tương đương với các dòng cách nhiệt phổ biến như xốp polystyrene (35-40 mW/m.K) hay bông thủy tinh (35-42 mW/m.K). Hơn nữa, MFCA vượt trội nhờ khối lượng riêng siêu nhẹ chỉ 13,7 mg/cm3, không phát tán sợi bụi độc hại và có khả năng phân hủy sinh học thân thiện với môi trường.

Cơ chế nào giúp aerogel cellulose từ lá dứa có thể tự dập tắt ngọn lửa khi bắt cháy? Khi phối trộn chất chống cháy ammonium polyphosphate (APP) ở tỷ lệ 20 wt%, APP thúc đẩy quá trình khử nước tạo lớp than carbon phồng xốp dày đặc trên bề mặt vật liệu ngay khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trên 250 °C. Lớp than này ngăn cách hoàn toàn sự tiếp xúc của khí oxy với nền cellulose bên trong, giúp vật liệu tự dập tắt lửa tức thì.

Hiệu quả hấp phụ crom Cr(VI) của vật liệu composite cellulose/chitosan (CL/CSA) đạt được ở mức nào? Vật liệu CL/CSA đạt dung lượng hấp phụ cực đại lên đến 211,4 mg/g trong điều kiện pH 2,0 nhờ lực hút tĩnh điện giữa nhóm amine proton hóa mang điện dương (-NH3+) của chitosan với anion HCrO4-. Cấu trúc mao quản định hướng bằng nitơ lỏng giúp chất ô nhiễm khuếch tán nhanh, đồng thời vật liệu duy trì hiệu suất hấp phụ trên 85% sau 5 chu kỳ tái sử dụng.

Phương pháp biến tính nào giúp aerogel từ lá dứa đạt hiệu quả xử lý tràn dầu cao nhất? Phương pháp ngưng tụ hơi hóa học (CVD) sử dụng hợp chất MTMS ở 80 °C tạo ra lớp phủ màng silan đồng nhất trên toàn bộ bề mặt mao quản 3D mà không làm sụp đổ độ xốp 97,7%. Bề mặt sau biến tính đạt góc thấm ướt 150°, cho phép hấp thụ chọn lọc từ 15,1 đến 25,0 g dầu và dung môi hữu cơ trên mỗi gam vật liệu.

Kết luận

  • Chuyển hóa thành công phụ phẩm lá dứa thành vi sợi cellulose (MFC) chất lượng cao với hàm lượng tinh khiết đạt 79,7% và đường kính sợi 1,69 đến 3,05 μm.
  • Tổng hợp thành công aerogel siêu nhẹ MFCA có khối lượng riêng 13,7 đến 29,7 mg/cm3, độ xốp 97,7% đến 99,0% và hệ số dẫn nhiệt ấn tượng 36,0 đến 36,3 mW/m.K.
  • Làm chủ công nghệ biến tính kỵ nước đạt góc tiếp xúc 150° cho khả năng hấp thụ dầu 15,1 đến 25,0 g/g, kết hợp 20 wt% APP mang lại tính năng tự dập tắt ngọn lửa.
  • Chế tạo thành công aerogel composite CL/CSA có module Young 11,7 kPa, đạt dung lượng hấp phụ Cr(VI) kỷ lục 211,4 mg/g và tái sử dụng bền bỉ qua 5 chu kỳ.
  • Đề xuất giải pháp công nghệ tuần hoàn khép kín nâng cao giá trị cho hơn 567.000 tấn sinh khối nông nghiệp bị lãng phí mỗi năm tại Việt Nam.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là thiết lập quy trình tổng hợp aerogel thân thiện môi trường từ sợi lá dứa với chi phí thấp, giải quyết đồng thời bài toán rác thải nông nghiệp và cung cấp vật liệu tiên tiến cho ngành xây dựng và xử lý môi trường. Kế hoạch tiếp theo là hoàn thiện dây chuyền sản xuất thử nghiệm quy mô pilot trước năm 2025. Hãy chủ động liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ cùng nhóm nghiên cứu để cùng hiện thực hóa các giải pháp vật liệu xanh vì một tương lai phát triển bền vững.