Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp phát triển với sản lượng phụ phẩm nông nghiệp lớn, trong đó thân chuối chiếm khoảng 61.1 tấn/năm, là nguồn sinh khối giàu cellulose (khoảng 70%) có tiềm năng ứng dụng cao trong sản xuất vật liệu carbon. Tuy nhiên, phần lớn phụ phẩm này chưa được tận dụng hiệu quả, gây ra ô nhiễm môi trường và lãng phí tài nguyên. Vật liệu carbon aerogel (CA) từ sinh khối được xem là giải pháp tiềm năng nhờ cấu trúc ba chiều xốp, diện tích bề mặt lớn (400-1000 m²/g), và khả năng biến tính cao, phù hợp cho các ứng dụng hấp phụ dầu và lưu trữ năng lượng.

Luận văn tập trung tổng hợp vật liệu CA pha tạp ZnO từ cellulose thân chuối (Zn-BS-CA) nhằm ứng dụng trong hấp phụ dầu diesel và chế tạo điện cực siêu tụ điện. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân (600, 700, 800°C) đến đặc tính vật liệu, dung lượng hấp phụ dầu, và tính chất điện hóa. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh trong năm 2023.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu thân thiện môi trường, tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, đồng thời góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm do tràn dầu và nhu cầu lưu trữ năng lượng bền vững trong công nghiệp hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lignocellulose và cellulose: Sinh khối thân chuối chứa lignocellulose gồm cellulose, hemicellulose, và lignin. Cellulose là polymer β-D-glucose có độ bền cao, là tiền chất chính để tổng hợp vật liệu carbon aerogel.
  • Phương pháp sol-gel và tạo hydrogel: Hydrogel được tổng hợp bằng phương pháp tạo liên kết ngang giữa cellulose thân chuối (BS-cell) với sodium alginate (SA) và ion Zn²⁺, tạo mạng lưới gel ổn định.
  • Phương pháp sấy thăng hoa: Hydrogel được sấy thăng hoa để loại bỏ dung môi, giữ cấu trúc xốp ba chiều, tạo thành aerogel pha tạp ZnO (Zn-BS-A).
  • Nhiệt phân trong khí trơ: Aerogel được nhiệt phân ở nhiệt độ 600-800°C trong môi trường N₂ để chuyển hóa thành carbon aerogel pha tạp ZnO (Zn-BS-CA), giữ cấu trúc xốp và tăng tính dẫn điện.
  • Mô hình động học hấp phụ: Quá trình hấp phụ dầu diesel được mô tả bằng mô hình giả bậc 1 và bậc 2, đánh giá hiệu suất và cơ chế hấp phụ.
  • Phương pháp điện hóa: Tính chất lưu trữ năng lượng được đánh giá qua điện dung riêng, điện trở, và độ dẫn điện bằng các kỹ thuật quét thế vòng tuần hoàn (CV), phổ điện trở kháng (EIS), và đường phóng-nạp dòng cố định (GCD).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu được tổng hợp từ cellulose tách chiết thân chuối thu thập tại Việt Nam. Các mẫu Zn-BS-CA được nhiệt phân ở ba mức nhiệt độ 600, 700, và 800°C.
  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu được chuẩn bị theo quy trình sol-gel, sấy thăng hoa, và nhiệt phân nhằm đảm bảo tính đồng nhất và kiểm soát các biến số nhiệt độ.
  • Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng SEM, EDX, FTIR, Raman, XRD, và phương pháp hấp phụ-giải hấp N₂ BET 77K để xác định cấu trúc, thành phần, diện tích bề mặt, và kích thước lỗ xốp.
  • Khảo sát hấp phụ dầu diesel: Đo dung lượng hấp phụ dầu diesel của các mẫu Zn-BS-CA, phân tích động học hấp phụ theo mô hình giả bậc 1 và bậc 2.
  • Đánh giá tính chất điện hóa: Thực hiện trên hệ ba điện cực với dung dịch điện li khác nhau (đệm phosphate pH 7, KOH 0,01 M, HCl 0,01 M). Phân tích ảnh hưởng của dung dịch điện li, tốc độ quét thế (5-100 mV/s), và mật độ dòng phóng-nạp (0,1-4 A/g) đến điện dung riêng, điện trở, và độ bền phóng-nạp.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2023, bao gồm tổng hợp vật liệu, phân tích đặc trưng, khảo sát hấp phụ và điện hóa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng vật liệu Zn-BS-CA: SEM cho thấy cấu trúc xốp ba chiều với kích thước lỗ đa dạng; EDX xác nhận sự phân bố đồng đều của Zn và O trên bề mặt. Diện tích bề mặt riêng của Zn-BS-CA700 đạt khoảng 650 m²/g, cao hơn Zn-BS-CA600 và Zn-BS-CA800. Góc thấm ướt trên 120° cho thấy tính kỵ nước phù hợp cho hấp phụ dầu.

  2. Dung lượng hấp phụ dầu diesel: Zn-BS-CA700 có dung lượng hấp phụ cao nhất, đạt khoảng 55 g dầu/g vật liệu, vượt trội hơn 20% so với Zn-BS-CA600 và Zn-BS-CA800. Quá trình hấp phụ đạt trạng thái bão hòa trong vòng 60 giây. Mô hình động học giả bậc 2 phù hợp với dữ liệu hấp phụ, cho thấy hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý.

  3. Tính chất điện hóa: Zn-BS-CA600 thể hiện điện dung riêng cao nhất khoảng 210 F/g ở tốc độ quét 5 mV/s trong dung dịch đệm phosphate pH 7, với điện trở thấp (khoảng 2 Ohm) và độ dẫn điện cao (khoảng 0,5 S/cm). Đường cong GCD cho thấy độ bền phóng-nạp ổn định qua 500 chu kỳ với hiệu suất duy trì trên 90%.

  4. Ảnh hưởng dung dịch điện li, tốc độ quét thế và mật độ dòng phóng-nạp: Dung dịch đệm phosphate pH 7 cho hiệu suất điện hóa tốt nhất so với KOH và HCl. Tăng tốc độ quét thế làm giảm điện dung riêng từ 210 F/g xuống còn 150 F/g khi tăng từ 5 đến 100 mV/s. Mật độ dòng phóng-nạp tăng từ 0,1 đến 4 A/g làm giảm thời gian phóng-nạp nhưng vẫn duy trì tính ổn định.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nhiệt độ nhiệt phân ảnh hưởng rõ rệt đến cấu trúc và tính chất của Zn-BS-CA. Ở 700°C, vật liệu đạt sự cân bằng tối ưu giữa diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ xốp, từ đó nâng cao khả năng hấp phụ dầu diesel. Ở 600°C, cấu trúc carbon chưa phát triển hoàn toàn nhưng có tính dẫn điện tốt hơn, phù hợp cho ứng dụng lưu trữ năng lượng. Ở 800°C, sự sụp đổ cấu trúc lỗ xốp làm giảm hiệu suất hấp phụ và điện hóa.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, Zn-BS-CA700 có dung lượng hấp phụ dầu cao hơn khoảng 10-15% so với các vật liệu carbon aerogel từ sinh khối khác. Tính chất điện hóa của Zn-BS-CA600 cũng tương đương hoặc vượt trội hơn các vật liệu carbon pha tạp oxit kim loại được báo cáo, nhờ sự pha tạp ZnO giúp tăng độ linh động electron và ổn định cấu trúc.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dung lượng hấp phụ theo thời gian, đồ thị CV và GCD thể hiện điện dung riêng và độ bền phóng-nạp, cùng bảng so sánh điện trở và diện tích bề mặt của các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu quy trình nhiệt phân ở 700°C để sản xuất vật liệu Zn-BS-CA với dung lượng hấp phụ dầu cao, áp dụng trong xử lý sự cố tràn dầu tại các khu vực ven biển. Thời gian triển khai: 6-12 tháng, chủ thể: các doanh nghiệp môi trường và viện nghiên cứu.

  2. Phát triển điện cực siêu tụ điện từ Zn-BS-CA600 cho các thiết bị lưu trữ năng lượng công suất cao, ưu tiên ứng dụng trong công nghiệp điện tử và năng lượng tái tạo. Thời gian: 12-18 tháng, chủ thể: các công ty công nghệ và trung tâm nghiên cứu vật liệu.

  3. Nghiên cứu mở rộng pha tạp các oxit kim loại khác như Fe₂O₃, MnO₂ để nâng cao tính năng điện hóa và hấp phụ, tăng khả năng ứng dụng đa dạng. Thời gian: 18-24 tháng, chủ thể: các nhóm nghiên cứu đại học và viện khoa học.

  4. Xây dựng quy trình tái sử dụng vật liệu sau hấp phụ dầu bằng phương pháp nén hoặc chưng cất để thu hồi dầu và tái sử dụng vật liệu, giảm chi phí và ô nhiễm thứ cấp. Thời gian: 6-12 tháng, chủ thể: doanh nghiệp xử lý môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Nắm bắt quy trình tổng hợp và đặc trưng vật liệu carbon aerogel từ sinh khối, áp dụng trong nghiên cứu vật liệu mới.

  2. Doanh nghiệp xử lý môi trường và công nghệ dầu khí: Áp dụng vật liệu hấp phụ dầu hiệu quả, thân thiện môi trường, giảm thiểu ô nhiễm do tràn dầu.

  3. Công ty sản xuất thiết bị lưu trữ năng lượng và điện tử: Tìm hiểu vật liệu điện cực siêu tụ điện có hiệu suất cao, tuổi thọ lâu dài, chi phí thấp từ nguồn nguyên liệu tái tạo.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Đánh giá tiềm năng ứng dụng vật liệu sinh học trong xử lý ô nhiễm và phát triển công nghệ xanh bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Carbon aerogel từ thân chuối có ưu điểm gì so với vật liệu carbon khác?
    Carbon aerogel từ thân chuối có cấu trúc xốp ba chiều, diện tích bề mặt lớn (~650 m²/g), khối lượng riêng thấp, và chi phí nguyên liệu thấp do tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, phù hợp cho hấp phụ dầu và lưu trữ năng lượng.

  2. Tại sao pha tạp ZnO vào carbon aerogel lại quan trọng?
    Pha tạp ZnO giúp tăng độ linh động electron, cải thiện tính dẫn điện và ổn định cấu trúc vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất hấp phụ dầu và khả năng lưu trữ năng lượng điện hóa.

  3. Nhiệt độ nhiệt phân ảnh hưởng thế nào đến tính chất vật liệu?
    Nhiệt độ nhiệt phân ảnh hưởng đến cấu trúc lỗ xốp, diện tích bề mặt và tính dẫn điện. 700°C là nhiệt độ tối ưu cho hấp phụ dầu, trong khi 600°C phù hợp cho lưu trữ năng lượng do giữ được tính dẫn điện tốt.

  4. Vật liệu Zn-BS-CA có thể tái sử dụng bao nhiêu lần trong ứng dụng hấp phụ dầu?
    Vật liệu có khả năng tái sử dụng qua nhiều chu kỳ hấp phụ và giải hấp, với hiệu suất duy trì cao nhờ cấu trúc bền vững và tính kỵ nước, giúp giảm chi phí và ô nhiễm thứ cấp.

  5. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến tính chất điện hóa của vật liệu?
    Dung dịch điện li, tốc độ quét thế, và mật độ dòng phóng-nạp là các yếu tố chính ảnh hưởng đến điện dung riêng, điện trở và độ bền phóng-nạp của vật liệu trong hệ ba điện cực.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu carbon aerogel pha tạp ZnO từ cellulose thân chuối với cấu trúc xốp ba chiều và diện tích bề mặt lớn.
  • Nhiệt độ nhiệt phân 700°C tối ưu cho khả năng hấp phụ dầu diesel với dung lượng hấp phụ đạt khoảng 55 g/g.
  • Nhiệt độ 600°C phù hợp cho ứng dụng lưu trữ năng lượng với điện dung riêng đạt 210 F/g và độ bền phóng-nạp cao.
  • Dung dịch điện li đệm phosphate pH 7, tốc độ quét thế thấp, và mật độ dòng phóng-nạp vừa phải giúp tối ưu tính chất điện hóa của vật liệu.
  • Luận văn mở ra hướng phát triển vật liệu carbon aerogel từ phụ phẩm nông nghiệp, góp phần giải quyết ô nhiễm môi trường và nhu cầu lưu trữ năng lượng bền vững.

Next steps: Triển khai quy trình sản xuất quy mô pilot, mở rộng pha tạp oxit kim loại, và phát triển ứng dụng thực tiễn trong xử lý môi trường và thiết bị lưu trữ năng lượng.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để phát triển và ứng dụng vật liệu carbon aerogel sinh học trong các lĩnh vực công nghiệp và môi trường.