Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do các sản phẩm từ nhiên liệu hóa thạch đang là vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do dầu và dung môi hữu cơ. Theo ước tính, mỗi năm có khoảng 375 triệu gallon dầu thải ra đại dương, gây thiệt hại nghiêm trọng cho hệ sinh thái và sức khỏe con người. Tại Việt Nam, mụn dừa – phụ phẩm công nghiệp từ quả dừa – là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường do hàm lượng lignin cao, chiếm khoảng 23,33% trọng lượng quả dừa. Năm 2020, sản lượng mụn dừa tại tỉnh Bến Tre đạt khoảng 146.979 tấn, trong đó chỉ có một phần nhỏ được xuất khẩu, phần lớn còn lại tiêu thụ nội địa hoặc chưa được tận dụng hiệu quả.

Luận văn tập trung vào việc tổng hợp vật liệu carbon aerogel từ mụn dừa, nhằm tạo ra vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường, có khả năng tái sử dụng và hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm dầu và dung môi hữu cơ trong nước. Mục tiêu cụ thể là điều chế cellulose aerogel và carbon aerogel từ mụn dừa, đánh giá tính chất vật liệu và thử nghiệm khả năng hấp phụ dầu, dung môi. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 9/2022 đến tháng 5/2023. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu xanh, chi phí thấp, ứng dụng trong xử lý sự cố tràn dầu và xử lý nước thải, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững và kinh tế tuần hoàn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết về cấu trúc và tính chất của cellulose trong sinh khối, và mô hình sol-gel trong tổng hợp aerogel. Cellulose là polysaccharide mạch thẳng, chiếm 20-30% trọng lượng mụn dừa, có khả năng tái tạo và phân hủy sinh học, là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho vật liệu hấp phụ xanh. Lignin và các tạp chất khác trong mụn dừa cần được loại bỏ qua quá trình tiền xử lý để thu được cellulose tinh khiết.

Mô hình sol-gel được áp dụng để tổng hợp aerogel, bao gồm ba bước chính: hòa tan hoặc phân tán tiền chất cellulose, tạo gel qua phản ứng trùng hợp và liên kết ngang, và làm khô gel giữ cấu trúc xốp. Polyamide amine-epichlorohydrin (PAE) được sử dụng làm chất liên kết ngang, giúp tăng độ ổn định cấu trúc cellulose aerogel. Sấy thăng hoa được chọn làm phương pháp làm khô để giữ nguyên cấu trúc xốp, tránh sụp đổ do áp suất mao quản.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Cellulose aerogel: vật liệu xốp nhẹ, có độ xốp cao (>98%) và tính kỵ nước.
  • Carbon aerogel: sản phẩm nhiệt phân cellulose aerogel ở 750°C dưới khí N2, có mật độ thấp (0,0145 g/cm³), diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao.
  • Động học hấp phụ: mô hình bậc một và bậc hai dùng để mô tả quá trình hấp phụ dầu và dung môi.
  • Tái sử dụng vật liệu: đánh giá khả năng giữ hiệu suất hấp phụ sau nhiều chu kỳ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mụn dừa thu thập từ Công ty TNHH đầu tư kinh doanh chế biến dừa Tân Thuận Phát, tỉnh Tiền Giang. Quá trình nghiên cứu gồm ba giai đoạn: tiền xử lý mụn dừa (kiềm hóa bằng NaOH 3% ở 80°C trong 2 giờ, tẩy trắng bằng H2O2 10% và NaOH 1%), tổng hợp cellulose aerogel (nghiền bi, đồng hóa, siêu âm, trộn PAE với các nồng độ 10%, 20%, 40%, 60%, cấp đông bằng nitơ lỏng, sấy thăng hoa 48 giờ), và nhiệt phân tạo carbon aerogel ở 750°C trong lò nung dưới khí N2.

Cỡ mẫu được xác định dựa trên khối lượng mụn dừa và lượng vật liệu thu được, đảm bảo đủ cho các phân tích vật lý và hóa học. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu đại diện từ mụn dừa đã xử lý. Phân tích tính chất vật liệu sử dụng các thiết bị: SEM để quan sát hình thái bề mặt, FTIR để xác định nhóm chức, LDS để đo kích thước hạt, TGA để phân tích nhiệt độ phân hủy và độ bền nhiệt. Khả năng hấp phụ được đánh giá bằng phương pháp cân, đo dung lượng hấp phụ dầu và dung môi hữu cơ sau 1 giờ ngâm, lặp lại 3 lần để đảm bảo độ chính xác.

Động học hấp phụ được khảo sát qua các thời điểm lấy mẫu từ 3 đến 200 giây, áp dụng mô hình bậc một và bậc hai để phân tích. Khả năng tái sử dụng được đánh giá qua 5 chu kỳ hấp phụ - tái sinh bằng cồn và sấy khô, đo sự giảm hiệu suất hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ PAE đến tính chất vật liệu:
    Nồng độ PAE 40% trọng lượng là tối ưu, tạo ra carbon aerogel có khối lượng riêng thấp 0,0145 g/cm³, độ xốp cao 98,99% và tính kỵ nước với góc tiếp xúc nước khoảng 129°. Nồng độ PAE thấp hơn hoặc cao hơn làm giảm độ ổn định cấu trúc và khả năng hấp phụ.

  2. Khả năng hấp phụ dầu và dung môi:
    Carbon aerogel hấp phụ dầu và dung môi với dung lượng từ 61,63 đến 112,97 g/g, trong đó dầu olive và dầu bơm có dung lượng hấp phụ cao nhất. So với các vật liệu carbon aerogel từ nguồn nguyên liệu khác, sản phẩm từ mụn dừa có hiệu suất tương đương hoặc vượt trội.

  3. Động học hấp phụ:
    Mô hình hấp phụ bậc hai phù hợp hơn với dữ liệu thực nghiệm, cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu do hấp phụ hóa học và vật lý phối hợp. Hằng số tốc độ hấp phụ k2 cao, cho thấy vật liệu hấp phụ nhanh và hiệu quả.

  4. Khả năng tái sử dụng:
    Sau 5 chu kỳ hấp phụ và tái sinh, hiệu suất hấp phụ chỉ giảm khoảng 10%, chứng tỏ carbon aerogel từ mụn dừa có độ bền và khả năng tái sử dụng cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế trong xử lý môi trường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu suất hấp phụ cao là do cấu trúc xốp ba chiều với diện tích bề mặt lớn và tính kỵ nước của carbon aerogel, giúp thu hút và giữ lại các phân tử dầu và dung môi. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng cellulose từ rơm rạ hoặc bã mía, vật liệu từ mụn dừa có ưu điểm về chi phí nguyên liệu và khả năng tái tạo dồi dào tại Việt Nam.

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ PAE và dung lượng hấp phụ cho thấy điểm tối ưu tại 40% PAE, tương ứng với cấu trúc vật liệu ổn định nhất. Bảng so sánh khả năng hấp phụ giữa các loại carbon aerogel cũng minh họa ưu thế của vật liệu nghiên cứu.

Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng carbon aerogel từ mụn dừa trong xử lý sự cố tràn dầu và xử lý nước thải công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển vật liệu xanh bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp:
    Đề xuất điều chỉnh các thông số như nhiệt độ nhiệt phân, thời gian sấy thăng hoa để nâng cao độ bền cơ học và khả năng hấp phụ, nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng vật liệu trong thực tế.

  2. Phát triển quy mô sản xuất thử nghiệm:
    Khuyến nghị triển khai sản xuất carbon aerogel từ mụn dừa ở quy mô pilot tại các vùng trồng dừa lớn như Bến Tre, Đồng bằng sông Cửu Long, nhằm đánh giá tính khả thi về kinh tế và kỹ thuật trong điều kiện thực tế.

  3. Ứng dụng trong xử lý sự cố tràn dầu và xử lý nước thải:
    Đề xuất phối hợp với các đơn vị môi trường để thử nghiệm vật liệu trong các tình huống thực tế, tập trung vào các chỉ số như dung lượng hấp phụ, thời gian xử lý và khả năng tái sử dụng.

  4. Tăng cường hợp tác nghiên cứu liên ngành:
    Khuyến khích hợp tác giữa các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp để phát triển các sản phẩm carbon aerogel đa chức năng, mở rộng ứng dụng trong lọc nước, lưu trữ năng lượng và vật liệu cách nhiệt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học và Môi trường:
    Luận văn cung cấp phương pháp tổng hợp vật liệu carbon aerogel từ nguồn nguyên liệu sinh khối, cùng các kỹ thuật phân tích vật liệu và đánh giá hiệu suất hấp phụ, hỗ trợ nghiên cứu phát triển vật liệu xanh.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và xử lý môi trường:
    Thông tin về quy trình sản xuất carbon aerogel chi phí thấp, hiệu quả cao từ mụn dừa giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, đáp ứng nhu cầu xử lý dầu và dung môi trong nước thải.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:
    Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc khuyến khích sử dụng phụ phẩm nông nghiệp trong sản xuất vật liệu xử lý ô nhiễm, góp phần xây dựng chính sách phát triển kinh tế tuần hoàn và bảo vệ môi trường.

  4. Người dân và cộng đồng vùng trồng dừa:
    Luận văn mở ra hướng phát triển giá trị gia tăng cho phụ phẩm mụn dừa, tạo cơ hội kinh tế mới và giảm thiểu ô nhiễm môi trường địa phương, nâng cao nhận thức về bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Carbon aerogel từ mụn dừa có ưu điểm gì so với vật liệu hấp phụ truyền thống?
    Carbon aerogel có mật độ thấp, độ xốp cao (98,99%), khả năng hấp phụ dầu và dung môi lên đến 112,97 g/g, đồng thời có thể tái sử dụng nhiều lần với hiệu suất giảm dưới 10% sau 5 chu kỳ, vượt trội so với polypropylene hay polyurethane thương mại.

  2. Quy trình tổng hợp carbon aerogel có phức tạp và tốn kém không?
    Quy trình sử dụng nguyên liệu rẻ tiền, thân thiện môi trường như mụn dừa, kết hợp phương pháp sol-gel và sấy thăng hoa đơn giản, không dùng dung môi độc hại, giúp giảm chi phí và rủi ro so với các phương pháp truyền thống.

  3. Khả năng tái sử dụng của carbon aerogel được đánh giá như thế nào?
    Thí nghiệm cho thấy sau 5 chu kỳ hấp phụ và tái sinh bằng cồn, hiệu suất hấp phụ chỉ giảm khoảng 10%, chứng tỏ vật liệu có độ bền cao và phù hợp cho ứng dụng lâu dài trong xử lý môi trường.

  4. Carbon aerogel có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào ngoài xử lý dầu và dung môi?
    Ngoài xử lý ô nhiễm nước, carbon aerogel còn có tiềm năng ứng dụng trong lưu trữ năng lượng, làm điện cực, cách nhiệt, và các lĩnh vực khoa học vật liệu nhờ đặc tính cơ học và điện hóa ưu việt.

  5. Tại sao chọn mụn dừa làm nguyên liệu thay vì các nguồn cellulose khác?
    Mụn dừa là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam, có hàm lượng cellulose cao (20-30%), giá thành thấp, góp phần giảm ô nhiễm môi trường do phế phẩm, đồng thời tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo bền vững, phù hợp với xu hướng phát triển vật liệu xanh.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu carbon aerogel từ mụn dừa với khối lượng riêng 0,0145 g/cm³, độ xốp 98,99% và tính kỵ nước cao (góc tiếp xúc nước ~129°).
  • Carbon aerogel có khả năng hấp phụ dầu và dung môi hữu cơ trong khoảng 61,63 – 112,97 g/g, hiệu quả vượt trội so với nhiều vật liệu tương tự.
  • Mô hình động học hấp phụ bậc hai phù hợp với quá trình hấp phụ, cho thấy cơ chế hấp phụ phối hợp vật lý và hóa học.
  • Vật liệu giữ được hiệu suất hấp phụ cao sau 5 chu kỳ tái sử dụng, giảm hiệu suất chỉ khoảng 10%.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu tối ưu quy trình, phát triển quy mô sản xuất và ứng dụng thực tế trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô lớn và phối hợp với các đơn vị môi trường để đánh giá hiệu quả thực tế. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý quan tâm hợp tác phát triển vật liệu carbon aerogel từ mụn dừa, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế bền vững.