CHƯƠNG 1. Tổng quan về MFC/NFC cellulose aerogel carbon hóa 3 1. MFC/NFC carbon aerogel 8 1. Phương pháp cấp đông đẳng hướng 17 1.
Chất tạo liên kết ngang PAE 18 1. Tổng quan về lá dứa 19 1. Phụ phẩm nông nghiệp 19 1. Các nghiên cứu trước đây 23 1.
Các nghiên cứu trên thế giới 23 1. Các nghiên cứu trong nước 26 1. Tính cấp thiết của đề tài 29 1. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 29 CHƯƠNG 2.
Hoá chất và thiết bị 31 vi 2. Quy trình thực nghiệm 32 2. Tiền xử lý sợi lá dứa và tổng hợp micro/nanocellulose từ bột lá dứa 33 2. Tổng hợp MFC aerogel carbon hóa 35 2.
Tổng hợp MFC aerogel 35 2. Carbon hóa MFC aerogel 37 2. Phân tích vật liệu 39 2. Đánh giá độ rỗng xốp, khối lượng riêng 39 2.
Hình thái và kích thước lỗ xốp của vật liệu 40 2. Phổ hấp thu hồng ngoại 41 2. Khả năng tái sử dụng 45 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 46 3.
Sự phân huỷ nhiệt của MFC aerogel 46 3. Tính chất vật lý và hoá học bề mặt của MFC aerogel và carbon aerogel 48 3. Độ rỗng xốp, khối lượng riêng và góc thấm ướt 48 3. Scanning electron microscope 50 3.
Tính chất mềm dẻo của carbon aerogel từ sợi lá dứa 52 3. Các nhóm chức hoá học trên bề mặt của MFC aerogel và carbon aerogel 53 3. Hấp phụ dầu và dung môi 54 3. Tái sinh và tái sử dụng carbon aerogel từ sợi lá dứa 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Số lượng bài báo công bố về aerogels và sự bùng nổ của chúng [6] .2 Các lĩnh vực ứng dụng của carbon aerogels [49].3 Quy trình cơ bản tổng hợp carbon aerogels [33].4 Mô hình của (a) cấp đông đẳng hướng; (b) cấp đông bất đẳng hướng và (c) cấp đông truyền thống bằng tủ đông [54].5 Cơ chế phản ứng giữa nhóm azetidinium của PAE và nhóm carboxyl của cellulose [58] .6 Cây dứa, thu hoạch dứa .7 Thành phần hoá học của lá dứa khô [25] .8 Động học hấp phụ với các loại dầu khác nhau của MFC aerogels carbon hóa: (a) Dầu hạt cải, (b) Dầu máy bơm, (c) Dầu diesel, (d) Dầu parafin.1 Quy trình các bước tổng hợp carbon aerogel từ sợi lá dứa .2 Quy trình tiền xử lý bột lá dứa để thu hồi cellulose .3 Quy trình tổng hợp huyền phù MFC/NFC .4 Quy trình tổng hợp MFC aerogel .6 Máy FE-SEM Hitachi S-4800 .7 Máy FT-IR dòng MIR/NIR Frontier của hãng Perkin Elmer, Mỹ .1 Giản đồ TGA của vật liệu MFC aerogel có hàm lượng PAE 5% (CA5) .2 MFC aerogel CA5 (a); carbon aerogel CCA5 (b); giọt nước trên bề mặt carbon aerogel (c); ảnh SEM của CA5 (d), CCA5 (e), CCA10 (f) .3 Ảnh SEM của aerogel đẳng hướng CA5-Ver (a) và CCA5-Ver (b) .4 Tính mềm dẻo của carbon aerogel CCA5 qua quá trình ép thông thường: (a) kích thước ban đầu; (b) ép; (c) lực ép bị loại bỏ.5 Phổ FT-IR của sợi lá dứa, MFC aerogel và carbon aerogel.6 Sự hấp phụ dầu của carbon aerogel (CCA5).7 Dung lượng hấp phụ của MFC carbon aerogel đối với các loại dầu và dung môi khác nhau .8 Thời gian hấp phụ dầu và dung môi của carbon aerogel CCA5 .9 Ảnh hưởng của (a) hàm lượng PAE và (b) hướng cấp đông lên dung lượng hấp phụ dầu của MFC carbon aerogel từ sợi lá dứa.10 Tái sinh carbon aerogel: (a) carbon aerogel đã hấp phụ dầu; (b) Đốt để loại bỏ toàn bộ lượng chất lỏng hấp phụ; (c) carbon aerogel được tái sinh .11 Dung lượng hấp phụ dầu và dung môi của MFC carbon aerogel sau 7 chu kỳ hấp phụ - giải hấp phụ .62 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần hoá học của lá dứa khô [25] .2 Các loại carbon aerogels có khả năng hấp phụ dầu/ dung môi………….1 Danh sách nguyên liệu, hoá chất sử dụng .2 Danh sách dụng cụ và thiết bị .32 Bảng 2 3 Tên của các mẫu cellulose aerogel và carbon aerogel từ sợi lá dứa .1 Tính chất vật lý của mẫu MFC aerogel và carbon aerogel .2 So sánh các loại chất hấp phụ dầu và dung môi họ carbon .60 x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BNC Bacterial nanocellulose CA Carbon aerogel CDPCO Cotton-derived porous carbon oxide CMB Carbon microbelt CNCS Carbon nanocrystals CNFs Carbon nanofibers CNTs Carbon nanotubes FT-IR Fourier - Transform Infrared Spectroscopy MFC Microfibril cellulose SSA Specific surface area NFC Nanofibril cellulose PAE Polyamidoamide epichlorohydrin resin SEM Scanning Electron Microscope TGA Thermal gravity analysis PTFE Poly tetrafluoroethylene 1 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ kỹ thuật của thế giới, các ngành sản xuất thực phẩm, gia dụng cũng phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc.
Tuy nhiên, nước thải, khí thải, rác thải từ các nhà máy công nghiệp được thải trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý hoặc chỉ xử lý sơ bộ đã gây nên những vấn đề môi trường đáng báo động trong vài thập kỷ gần đây. Nguồn nước trên các sông, hồ ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung đang bị ô nhiễm nặng nề. Vừa mới cuối tháng 4 năm 2022, ghi nhận cho thấy cá chết trắng nổi trên sông Đồng Nai, và nguyên do được cho là cá bị ngộ độc từ nguồn nước thải từ các nhà máy xung quanh đó. Liệu rằng thực phẩm, thủy hải sản chúng ta ăn hàng ngày có thực sự an toàn? Hay những con cá, con tôm ta đưa vào người cũng đang mang trong mình những chất độc có trong nguồn nước nơi chúng sinh sống? Việc xử lý nước thải trước khi đưa ra môi trường là rất quan trọng, nhà nước ta cũng đã quy định về hàm lượng các chất độc tối đa được phép có trong nước các công ty thải ra sông, hồ và cũng có các chế tài xử lý vi phạm việc này rất nặng.
Tuy vậy, vẫn còn rất nhiều công ty cố ý vi phạm. Không thể chối cãi rằng, kinh phí để đầu tư cho hệ thống xử lý nước thải hiện nay là rất đắt đỏ và hơi quá sức với một bộ phận doanh nghiệp sản xuất trong nước khi hầu hết các doanh nghiệp là doanh nghiệp vừa và nhỏ với vốn đầu tư không lớn. Do đó việc từng bước phát triển loại vật liệu có khả năng xử lý nước thải với giá thành thấp và được sản xuất trong nước từ nguồn nguyên liệu có sẵn là phụ phẩm nông nghiệp là rất quan trọng và cấp thiết. Cellulose được coi là một nguồn sinh khối tiềm năng để ứng dụng cải thiện tình trạng ô nhiễm do bản chất của nó là một polyme có khả năng phân hủy sinh học, tái sinh và dồi dào trong tự nhiên, nhất là ở những nước nhiệt đới có nguồn thực vật đa dạng như Việt Nam.
Do đó, tập trung nghiên cứu và phát triển những họ vật liệu đi từ cellulose là hướng đi bền vững, tạo ra giá trị lâu dài, xử lý vấn đề rác thải nông nghiệp đang tồn tại và tổng hợp được những vật liệu có tính chất nổi bật. Việt Nam 2 là nước có nền nông nghiệp chiếm tỉ trọng lớn trong cơ cấu nền kinh tế, trong đó ngành nông nghiệp trồng dứa cũng đóng góp một phần đáng kể. Tuy nhiên, cây dứa có kích thước lớn là vậy nhưng sau khi thu hoạch quả dứa, toàn bộ phần còn lại đều bị bỏ phí hoặc chỉ dùng để bón lại cho đồng ruộng. Lượng lớn lá dứa được thải ra không được xử lý này còn có thể gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách.
Việc phân hủy kỵ khí sợi lá dứa khi được người nông dân chôn lấp sẽ tạo ra lượng lớn khí methane gây hiệu ứng nhà kính. Tuy vậy, đây lại là nguồn nguyên liệu dồi dào chứa hàm lượng cellulose cao có tiềm năng để chế tạo nên các vật liệu kỹ thuật có giá trị cao và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Do đó, đề tài “Tổng hợp vật liệu carbon aerogel từ sợi lá dứa và ứng dụng làm chất hấp phụ” có mục tiêu tổng hợp MCF/NFC aerogel carbon hóa từ nguồn nguyên liệu sợi lá dứa đã được tiền xử lý để khảo sát khả năng ứng dụng trong hấp phụ dầu và dung môi. Tổng quan về MFC/NFC cellulose aerogel carbon hóa 1.
Aerogels Aerogels là họ vật liệu xốp lâu đời được tổng hợp đầu tiên vào năm 1931 bởi nhà khoa học người Mỹ Steven Kistler. Ông đã tạo ra aerogel từ silica gel theo phương pháp sol-gel theo sau đó là sấy siêu tới hạn thay vì dùng cách sấy bay hơi truyền thống, qua đó thay thế thành phần lỏng trong gel bằng chất khí mà không làm thay đổi cấu trúc vật liệu [1]. Khái niệm aerogel chưa có được sự thống nhất trên toàn thế giới, theo IUPAC, aerogel là những vật liệu rắn có cấu trúc chứa các vi xốp và pha phân tán là pha khí [1, 2]. Eychmüler gần đây đã đưa ra định nghĩa khác về aerogel, đó là những vật liệu có cấu trúc rỗng xốp với lỗ xốp có kích thước meso hoặc micro và có độ xốp lớn hơn 95% trong đó pha phân tán nằm ở thể khí [3].
Nhìn chung, aerogel là những gel khô có thể tích lỗ xốp hoặc thể tích lỗ xốp riêng lớn [1, 2]. Họ vật liệu aerogel thu hút sự chú ý lớn trong thế kỷ 21 nhờ sở hữu những tính chất hoá lý đặc biệt với cấu trúc rỗng xốp 3D có tỷ trọng thấp (0.500 g/cm3), độ rỗng xốp lớn (≥ 90%), kích thước lỗ xốp từ 2 – 50 nm, diện tích bề mặt riêng lớn (1000 – 1600 m2.g-1), tính chất cơ lý tốt (5.67 MPa), độ dẫn nhiệt thấp (0. Nhờ những tính chất ưu việt như vậy, vật liệu aerogel được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: hấp phụ các chất gây ô nhiễm môi trường, các ứng dụng cách âm và cách nhiệt trong công nghiệp xây dựng, cảm biến, tạo lớp phủ, y tế, vật liệu cho ngành hàng không,. Số lượng nghiên cứu liên quan đến aerogels và những ứng dụng của chúng có sự tăng mạnh qua các năm và được thống kê ở Hình 1.
Thập kỷ qua chứng kiến sự phát triển rầm rộ của những nghiên cứu về tổng hợp và ứng dụng vật liệu aerogel. Nguyên liệu được sử dụng làm nguồn để tổng hợp gel đa dạng và được chia ra làm hai nhóm lớn là vô cơ và hữu cơ. Aerogel vô cơ lại được chia làm hai nhóm nhỏ hơn là nhóm silica- và nhóm nonsilicat-; Nhóm aerogel 4 hữu cơ được phát triển sau nhưng thu hút sự chú ý nhiều và được nghiên cứu rộng rãi hơn nhờ những tính chất nổi bật của mình (nguyên liệu đa dạng, thân thiện môi trường, dễ dàng biến tính,.) như aerogel hữu cơ từ các vật liệu hữu cơ tự nhiên và tổng hợp.