Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả, thân thiện môi trường và chi phí hợp lý trở thành nhu cầu cấp thiết. Việt Nam, với nền nông nghiệp phát triển mạnh, tạo ra lượng lớn phụ phẩm nông nghiệp chưa được tận dụng hiệu quả, trong đó lá dứa là một nguồn nguyên liệu dồi dào chứa hàm lượng cellulose cao (khoảng 36.3%). Nghiên cứu này tập trung tổng hợp vật liệu carbon aerogel từ sợi lá dứa bằng phương pháp sấy thăng hoa và nhiệt phân, nhằm tạo ra vật liệu có độ rỗng xốp cao, khối lượng riêng thấp, tính siêu kỵ nước và khả năng hấp phụ dầu, dung môi vượt trội. Mục tiêu cụ thể là thiết lập quy trình tổng hợp carbon aerogel từ sợi lá dứa, khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo liên kết ngang polyamidoamine epichlorohydrin (PAE) và phương pháp cấp đông lên khả năng hấp phụ của vật liệu. 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 có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu hấp phụ giá rẻ, thân thiện môi trường, góp phần xử lý ô nhiễm dầu và dung môi trong nước thải công nghiệp, đồng thời tận dụng hiệu quả phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về aerogel – vật liệu rắn có cấu trúc vi xốp với tỷ trọng thấp và diện tích bề mặt riêng lớn, giúp tăng khả năng hấp phụ. Aerogel hữu cơ từ cellulose micro/nano (MFC/NFC) được tổng hợp qua quá trình gel hóa, sấy thăng hoa và nhiệt phân để tạo thành carbon aerogel có tính kỵ nước và ưa dầu. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết gel hóa và tạo liên kết ngang: Sử dụng chất tạo liên kết ngang PAE để tạo mạng lưới liên kết hóa học giữa các sợi cellulose, giúp tăng độ bền cơ học và ổn định cấu trúc aerogel. Cơ chế phản ứng giữa nhóm azetidinium của PAE và nhóm carboxyl của cellulose tạo liên kết hóa học bền vững.

  2. Mô hình cấp đông đẳng hướng: Phương pháp cấp đông đẳng hướng sử dụng gradient nhiệt độ để định hướng phát triển tinh thể đá theo một chiều nhất định, tạo cấu trúc lỗ xốp song song trong aerogel, từ đó cải thiện khả năng thấm và lưu giữ dầu, dung môi.

Các khái niệm chính bao gồm: aerogel, carbon aerogel, microfibril cellulose (MFC), polyamidoamine epichlorohydrin (PAE), sấy thăng hoa, nhiệt phân, cấp đông đẳng hướng, khả năng hấp phụ, tính kỵ nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là sợi lá dứa thu thập tại tỉnh Tiền Giang, Việt Nam, được xử lý để thu hồi cellulose. Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

  • Tiền xử lý sợi lá dứa: Cắt nhỏ, xay bột, chuẩn hóa bằng dung dịch NaOH 0.5% và kiềm hóa 3% lặp lại 3 lần, tẩy trắng bằng NaOH 0.5% và H2O2 5%, sấy khô ở 70 °C.

  • Tổng hợp huyền phù MFC: Bột lá dứa sau xử lý được phân tán trong nước (tỷ lệ 1:100), đồng hóa ở 20,000 rpm trong 120 phút, siêu âm 200 W trong 30 phút.

  • Tạo aerogel: PAE được thêm vào huyền phù MFC với hàm lượng 5%, 10%, 20% theo khối lượng bột khô, trộn đều 15 phút. Hỗn hợp được cấp đông bằng nitrogen lỏng (-196 °C) theo hai phương pháp: cấp đông trực tiếp (toàn bộ mẫu nhúng trong nitrogen lỏng) và cấp đông gián tiếp (mẫu đặt trên khối đồng lạnh tiếp xúc nitrogen lỏng tạo cấp đông đẳng hướng). Sau đó, mẫu được sấy thăng hoa trong 48 giờ ở -50 °C, 0.015 mbar.

  • Nhiệt phân: Aerogel được nhiệt phân ở 750 °C trong môi trường khí trơ (N2) để chuyển hóa thành carbon aerogel.

Phương pháp phân tích bao gồm: đo độ rỗng xốp, khối lượng riêng, góc thấm ướt, phổ FT-IR, SEM để quan sát cấu trúc, đánh giá khả năng hấp phụ dầu và dung môi khác nhau, cũng như khả năng tái sử dụng qua 7 chu kỳ hấp phụ - giải hấp phụ. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các mẫu aerogel với hàm lượng PAE khác nhau và phương pháp cấp đông khác nhau, nhằm so sánh ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc vật liệu: Carbon aerogel tổng hợp từ sợi lá dứa có độ rỗng xốp rất cao (khoảng 99.68%) và khối lượng riêng thấp (khoảng 0.01 g/cm³), thể hiện cấu trúc xốp nhẹ, phù hợp cho ứng dụng hấp phụ.

  2. Ảnh hưởng hàm lượng PAE: Mẫu aerogel với hàm lượng PAE thấp (5%) có độ rỗng xốp cao hơn và khối lượng riêng thấp hơn so với mẫu có hàm lượng PAE 10% và 20%. Điều này giúp mẫu CA5 có khả năng hấp phụ dầu và dung môi tốt hơn, với dung lượng hấp phụ dầu lên đến 130 g/g trong thời gian dưới 30 giây.

  3. Ảnh hưởng phương pháp cấp đông: Phương pháp cấp đông đẳng hướng (sử dụng khối đồng lạnh) tạo ra cấu trúc lỗ xốp song song, giúp tăng khả năng hấp phụ dầu và dung môi lên khoảng 25% so với phương pháp cấp đông bất đẳng hướng truyền thống.

  4. Khả năng tái sử dụng: Carbon aerogel giữ được khoảng 75% dung lượng hấp phụ ban đầu sau 7 chu kỳ hấp phụ - giải hấp phụ, cho thấy tính bền vững và khả năng tái sinh tốt của vật liệu.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy việc sử dụng sợi lá dứa làm nguyên liệu đầu vào không chỉ tận dụng được nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào mà còn tạo ra vật liệu carbon aerogel có tính chất ưu việt về độ rỗng xốp, khối lượng riêng và khả năng hấp phụ. Hàm lượng PAE thấp giúp duy trì cấu trúc xốp và tăng khả năng hấp phụ do liên kết ngang vừa đủ, tránh làm đặc cấu trúc aerogel. Phương pháp cấp đông đẳng hướng tạo ra cấu trúc lỗ xốp định hướng, giúp dầu và dung môi dễ dàng thấm sâu và lưu giữ trong vật liệu, cải thiện hiệu suất hấp phụ. So sánh với các nghiên cứu trước đây về carbon aerogel từ các nguồn nguyên liệu khác như bacterial cellulose hay graphene, vật liệu từ lá dứa có ưu điểm về chi phí thấp, nguồn nguyên liệu sẵn có và thân thiện môi trường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh dung lượng hấp phụ giữa các mẫu với hàm lượng PAE khác nhau và phương pháp cấp đông khác nhau, cũng như biểu đồ thể hiện khả năng tái sử dụng qua các chu kỳ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hàm lượng PAE: Khuyến nghị sử dụng hàm lượng PAE khoảng 5% để đạt được cấu trúc aerogel có độ rỗng xốp cao và khả năng hấp phụ tối ưu, đồng thời giảm chi phí nguyên liệu.

  2. Áp dụng phương pháp cấp đông đẳng hướng: Khuyến khích sử dụng kỹ thuật cấp đông đẳng hướng trong quy trình sản xuất để tạo cấu trúc lỗ xốp song song, nâng cao hiệu quả hấp phụ dầu và dung môi, với thời gian thực hiện cấp đông nhanh chóng (khoảng 15 phút).

  3. Phát triển quy trình tái sử dụng: Xây dựng quy trình tái sinh vật liệu qua các chu kỳ hấp phụ - giải hấp phụ nhằm duy trì hiệu suất hấp phụ trên 70% sau 7 chu kỳ, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững.

  4. Mở rộng ứng dụng và quy mô sản xuất: Đề xuất nghiên cứu mở rộng ứng dụng carbon aerogel từ lá dứa trong xử lý các loại dầu thải công nghiệp khác nhau, đồng thời phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp với chi phí hợp lý, phù hợp cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu vật liệu và môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và quy trình tổng hợp carbon aerogel từ nguồn nguyên liệu sinh khối, giúp phát triển các vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường.

  2. Doanh nghiệp xử lý nước thải và ô nhiễm: Các công ty có nhu cầu xử lý dầu và dung môi trong nước thải có thể áp dụng vật liệu carbon aerogel từ lá dứa để nâng cao hiệu quả xử lý với chi phí thấp.

  3. Ngành nông nghiệp và chế biến nông sản: Các đơn vị sản xuất dứa và chế biến có thể tận dụng phụ phẩm lá dứa để tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Thông tin trong luận văn giúp xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng vật liệu sinh học tái tạo trong xử lý ô nhiễm, thúc đẩy phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Carbon aerogel là gì và tại sao lại chọn lá dứa làm nguyên liệu?
    Carbon aerogel là vật liệu rắn có cấu trúc xốp, nhẹ, có khả năng hấp phụ cao. Lá dứa chứa hàm lượng cellulose cao (~36.3%), là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, giá thành thấp và thân thiện môi trường, phù hợp để tổng hợp carbon aerogel.

  2. Phương pháp sấy thăng hoa có ưu điểm gì trong tổng hợp aerogel?
    Sấy thăng hoa giúp loại bỏ dung môi từ thể rắn sang thể khí mà không làm phá vỡ cấu trúc xốp của gel, giữ được cấu trúc 3D rỗng xốp, an toàn và tiết kiệm chi phí hơn so với sấy siêu tới hạn.

  3. Ảnh hưởng của hàm lượng PAE đến tính chất vật liệu như thế nào?
    Hàm lượng PAE thấp (5%) tạo liên kết ngang vừa đủ, giúp aerogel có độ rỗng xốp cao, khối lượng riêng thấp và khả năng hấp phụ dầu tốt hơn so với hàm lượng PAE cao làm cấu trúc đặc hơn, giảm hiệu quả hấp phụ.

  4. Phương pháp cấp đông đẳng hướng cải thiện khả năng hấp phụ ra sao?
    Cấp đông đẳng hướng tạo cấu trúc lỗ xốp song song, giúp dầu và dung môi dễ dàng thấm sâu vào vật liệu, tăng dung lượng hấp phụ lên khoảng 25% so với cấp đông bất đẳng hướng.

  5. Carbon aerogel từ lá dứa có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Nghiên cứu cho thấy vật liệu giữ được khoảng 75% dung lượng hấp phụ ban đầu sau 7 chu kỳ hấp phụ - giải hấp phụ, cho thấy khả năng tái sử dụng tốt, phù hợp cho ứng dụng thực tế.

Kết luận

  • Đã thiết lập thành công quy trình tổng hợp carbon aerogel từ sợi lá dứa với độ rỗng xốp cao (~99.68%) và khối lượng riêng thấp (~0.01 g/cm³).
  • Vật liệu carbon aerogel có khả năng hấp phụ dầu lên đến 130 g/g trong thời gian dưới 30 giây, vượt trội so với nhiều vật liệu tương tự.
  • Hàm lượng PAE 5% được xác định là tối ưu để duy trì cấu trúc xốp và tăng hiệu quả hấp phụ.
  • Phương pháp cấp đông đẳng hướng giúp tăng khả năng hấp phụ dầu và dung môi khoảng 25% so với phương pháp truyền thống.
  • Vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt, giữ được 75% hiệu suất sau 7 chu kỳ, phù hợp ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải công nghiệp. Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu được khuyến khích hợp tác để phát triển sản phẩm thương mại từ vật liệu này, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế bền vững.