Đặt vấn đề Do sự gia tăng nhanh chóng dân số toàn cầu, các hoạt động của con người bao gồm các mục đích nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt, chiếm hơn một phần ba lượng nước ngọt có thể tái tạo trên Trái đất [1]. Việc gia tăng phát triển đô thị và công nghiệp dọc theo sông đi kèm theo đó là nước thải từ các đô thị và nước thải công nghiệp không qua xử lý dẫn đến tác động đáng kể đến môi trường nhất là ô nhiễm môi trường nước [2], [3]. Xã thải ở các khu đô thị và công nghiệp. Các loại dung môi và hóa chất tổng hợp xuất hiện trong sinh hoạt hàng ngày của con người thông qua các sản phẩm, chẳng hạn như mỹ phẩm, thuốc trừ sâu và bao bì nhựa, chúng có lợi cho cuộc sống con người, nhưng lại tác động tiêu cực với môi trường và hậu quả của chúng có thể kéo dài đến vĩnh viễn.
Trong suốt nhiều thế kỷ, con người có thể đã chú ý đến những lợi ích mà họ nhận được từ những sản phẩm từ hóa chất tổng hợp đó, mà quên đi chúng ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường như thế nào [4]. Hoạt động sản xuất của các nhà máy có thể là ví dụ điển hình cho điều đó. Hàng nghìn chất độc hại đã bị thải xuống sông mà không được xử lý thích hợp, dẫn đến ô nhiễm nguồn nước [1], [5]. Do đó, con người phải đối mặt với rất nhiều vấn đề về sức khỏe [1].
Hơn 9 triệu người chết mỗi năm do môi trường bị ô nhiễm, trong đó số ca tử vong ở các nước có thu nhập 2 trung bình và thấp chiếm tới 92% [6]. Hệ sinh thái và các nhu cầu thiết yếu, chẳng hạn như thụ phấn và nước sạch, cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Có thể thấy ô nhiễm hóa học có thể phá vỡ hệ sinh thái toàn hành tinh [7]. Ô nhiễm môi trường nước biển do dầu thô hoặc các sản phẩm từ dầu mỏ tăng nhanh trong thế kỷ 20 do các phương tiện cơ giới và các nguồn năng lượng công nghiệp [4].
Sự cố tràn dầu xảy ra trong quá trình vận chuyển dầu mỏ, hoạt động khoan dầu, khai thác và tiêu thụ. Ước tính có khoảng 375 triệu gallon dầu được thải ra đại dương mỗi năm và tất cả các loại dầu đều có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, gây ra thiệt hại cho hệ sinh thái và ảnh hưởng đến sức khỏe con người [8]. Sự cố tràn dầu tại bãi biển Quy Nhơn. Vì vậy, một giải pháp hữu hiệu để xử lý ô nhiễm môi trường nước là rất cần thiết, là động lực cũng như là nhu cầu của việc đẩy mạnh phát triển khoa học công nghệ cung cấp thêm giải pháp xử lý ô nhiễm môi trường nước đã dẫn đến các nghiên cứu về vấn đề này được phát triển.
Và đề tài “Tổng hợp vật liệu carbon aerogel từ mụn dừa định hướng ứng dụng làm chất hấp phụ” đáp ứng một số tiêu chí về chi phí thấp, thân thiện với môi 3 trường, khả năng tái chế và hiệu quả loại bỏ vượt trội đối với sự cố tràn dầu và dung môi hữu cơ trong nước hứa hẹn sẽ có những ứng dụng trong sản xuất vật liệu xanh trong tương lai đã được nghiên cứu và thực hiện. Dừa Dừa là cây công nghiệp lâu năm, có khả năng khai thác từ 50 năm đến 60 năm. Theo số liệu của FAO 2019, cây dừa được trồng tại hơn 90 quốc gia và lãnh thổ vùng nhiệt đới, với tổng diện tích gần khoảng 11.68 triệu ha, tập trung tại các nước châu Á – Thái Bình Dương như Philippines, Indonesia, Thái Lan, Malaysia và Việt Nam. Ba nước sản xuất dừa hàng đầu là Indonesia, Philippines và Ấn Độ chiếm tới 3/4 sản lượng dừa toàn cầu [9].
Diện tích cây dừa của Việt Nam đứng hàng thứ 7 trong 93 nước trồng dừa trên thế giới. Theo Cộng đồng dừa quốc tế (ICC), dừa Việt Nam có năng suất và chất lượng cao nhất trên thế giới. Là cây công nghiệp phổ biến nhất ở Việt Nam đứng sau cao su, hồ tiêu và điều. Việt Nam hiện đang nằm trong top 20 quốc gia có sản lượng dừa lớn nhất trên thế giới.
Năm 2020, diện tích trồng dừa của Việt Nam đạt 182.000 hecta, tập trung tại Đồng bằng sông Cửu Long và một số tỉnh duyên hải miền Trung [10]. Trong đó, Đồng bằng sông Cửu Long chiếm gần 80% diện tích dừa cả nước với diện tích khoảng 130. Các tỉnh có diện tích trồng dừa lớn là: Bến Tre (trên 72.000 ha), Trà Vinh (gần 20.000 ha), Tiền Giang (trên 14.000 ha), Vĩnh Long (trên 7.000 hecta trồng dừa đã đạt chứng nhận hữu cơ, tập trung tại tỉnh Bến Tre. Điều kiện tự nhiên thuận lợi cả về khí hậu nhiệt đới lẫn vùng đất nhiễm mặn nhẹ, cùng với chính sách phấn đấu đến năm 2025 không sử dụng đồ nhựa một lần ở Việt Nam, tạo nên lợi thế phát triển lớn cho cây dừa cũng như các phụ phẩm từ dừa [10].
Từ đó dừa được xác định là cây trồng quan trọng trong việc cung cấp nguồn nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp ở nước ta và thế giới. 4 Trong nền kinh tế xanh, vấn đề phát triển bền vững ngành tái tạo nguyên vật liệu từ phụ phẩm nông nghiệp đang được chú trọng để tạo ra các loại vật liệu mang tính ứng dụng và giá trị sử dụng cao. Cánh đồng dừa ở Bến Tre. Dừa có rất nhiều ứng dụng trong đời sống người Việt Nam.
Năng suất bình quân của cây dừa vào khoảng 36–38 quả/cây/năm, có thể dùng trực tiếp hoặc chế biến món ăn, cơm dừa khô và đạt khoảng 1–1,2 tấn/ha/năm, là nguyên liệu sản xuất dầu dừa chiếm khoảng 40% dầu thực vật trong nước. Chủ yếu để xuất khẩu và được pha trộn với các loại dầu khác để sản xuất dầu ăn [11]. Còn được gọi là “Cây của cuộc sống” khả năng tận dụng tất cả các bộ phận của cây dừa để phục vụ cho cuộc sống con người Việt Nam. Rễ dừa dùng làm thuốc chữa bệnh.
Thân dừa dùng làm gỗ, cột nhà, vật liệu cho công trình xây dựng, đồ mỹ nghệ. Lá dừa dùng làm nhiều vật dụng trong gia đình như chỗi, giỏ, thảm và còn nhiều sản phẩm khác. Ngoài ra nhà được rợp bằng lá dừa là biểu tượng đặc trưng của miền Tây Nam Bộ. Quả dừa là phần mang lại nhiều lợi ích hơn cả đối với con người.
Mỗi quả dừa có khối lượng trung bình từ 1,2 – 1,5 kg, bao gồm lớp vỏ ngoài, lớp vỏ trong chứa xơ dừa và mụn xơ dừa, sau đó đến lớp gáo dừa và trong cùng là cơm dừa và nước dừa. Các thành phần của 5 quả dừa đều được sử dụng với các mục đích khác nhau, hình thành một chuỗi sản phẩm có giá trị cao trên thị trường trong và ngoài nước [12]. Mụn dừa Trước đây, các phế phụ phẩm nông nghiệp có nhiều tiềm năng nhưng chưa được khai thác hiệu quả mà còn gây ô nhiễm môi trường. Hiện nay, các phế phụ phẩm nông nghiệp bị thải trong quá trình sản xuất này như mụn dừa không chỉ hữu ích mà giá trị gia tăng ngày càng cao.
Thành phần trung bình của một quả dừa khô theo % trọng lượng thì vỏ dừa chiếm 33,33% (23,33% là mụn dừa). Cấu trúc của quả dừa và vị trí của xơ dừa được mô tả ở Hình 1. Cấu tạo trái dừa. Mụn xơ dừa là một sản phẩm phụ từ việc chế biến chỉ xơ dừa (Hình 1.
Tùy theo giống dừa, độ chín tới, độ ẩm, lượng xơ của vỏ dừa thông thường hệ số chế biến từ vỏ dừa thành mụn dừa: trung bình 3,3 nghìn vỏ dừa sẽ cho ra 1 tấn mụn dừa. Năm 2020, sản 6 lượng mụn dừa của tỉnh vào khoảng 146.979 tấn, trong đó xuất khẩu 9.870 tấn nhưng chưa đạt mục tiêu đề ra của Chương trình Phát triển ngành dừa giai đoạn 2016 – 2020 là 33.000 tấn do dịch COVID-19 và phần còn lại tiêu thụ nội địa [13], [14]. Sơ đồ quy trình sản xuất mụn dừa. Trong thời đại công nghiệp phát triển, tỉnh Bến Tre đã ứng dụng công nghệ kỹ thuật để làm tăng giá trị của cây dừa qua các sản phẩm từ phụ phẩm quá trình sản xuất.
Như công nghệ xử lý EC (Electrical Conductivity) áp dụng nguyên lý cơ học, tính chất thủy lực để tạo ra đất sạch, sau đó sấy khô và ép viên đạt tiêu chuẩn xuất khẩu. Biến mụn dừa từ phế phẩm, không có giá trị sử dụng còn gây ô nhiễm môi trường thành sản phẩm hữu ích là đất sạch. Không chỉ dừng lại ở đó, mụn dừa còn được nghiên cứu sử dụng các tác nhân sinh học để chuyển hóa lignin và cellulose trong mụn dừa thành các hợp chất mùn tinh, ứng dụng công nghệ vi sinh phối trộn các vi sinh vật hữu ích tạo sản phẩm phân hữu cơ vi sinh hoặc trộn các loại khoáng đa lượng, vi lượng tạo thành các sản phẩm hữu cơ khoáng. Trải qua quá trình nghiên cứu và phát triển lâu dài các phế phẩm từ dừa góp phần ngày càng hoàn thiện chuỗi giá trị ngành dừa.
Mang lại lợi ích kinh tế cho gần 7 200.000 hộ dân trồng dừa ở tỉnh Bến Tre nói riêng cũng như cả nước nói chung. Một số thành phần hóa học của mụn dừa được thể hiện qua bảng 1. Kết quả cho thấy, phụ phẩm mụn dừa giá hàm lượng cellulose cao (20 – 30% tổng khối lượng) và có khả năng cung cấp lượng lớn thông qua các hoạt động sản xuất. Các đặc tính về hóa học được thể hiện qua bảng 1.2, dựa vào đặc điểm và tính chất của mụn dừa để biến nó thành sản phẩm hữu ích, có giá trị gia tăng cao [15].
Thành phần hóa học mụn dừa. STT Thành phần Hàm lượng % 1 Chất hữu cơ 9,4 – 9,8 2 Tổng lượng tro 3,0 – 6,0 3 Cellulose 20 - 30 4 Lignin 60 - 70 5 Tanin 8,0 – 8,5 Bảng 1. Tính chất hóa học của mụn dừa. STT Đặc điểm Giá trị 1 Độ pH 5,5 2 Tỷ lệ C:N 80:1 3 Độ xốp 10 – 20 (%) Dựa trên các thông tin về mụn dừa đã nêu ở trên, trong thành phần mụn dừa ngoài cellulose còn có mặt các thành phần không mong muốn khác như lignin.
Vì vậy, để quá trình tổng hợp cellulose aerogel và carbon cellulose aerogel có độ tinh khiết cao về 8 cellulose, mụn dừa cần được trải qua quá trình tiền xử lý để loại bỏ các thành phần không mong muốn. Tuy có nhiều tạp chất nhưng thành phẩm mụn dừa vẫn có hàm lượng lớn cellulose là vật liệu thích được định hướng nghiên cứu dùng làm nguyên liệu để tổng hợp nên một loại vật liệu mới là Aerogel.