Mở đầu Ngày nay, các vấn đề liên quan đến môi trường nói chung, và môi trường nước nói riêng, trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu và không thể thay thế trong sinh hoạt và sản xuất, nhưng nguồn nước hiện tại đang bị ô nhiễm nặng nề từ nguồn thải trực tiếp và gián tiếp. Các hoạt động sản xuất, các ngành công nghiệp và dịch vụ đã làm ô nhiễm môi trường nước bằng chất nhuộm, kim loại nặng, vi khuẩn và dầu tràn… Vì thế, cần có một giải pháp cụ thể để làm sạch nguồn nước, và phương pháp đó cần dễ áp dụng trên diện rộng, vật liệu dễ tổng hợp bằng các nguyên liệu sẵn có, thân thiện với môi trường và có giá thành sản xuất hợp lý. Với vị thế là quốc gia đứng thứ hai về xuất khẩu gạo trên thế giới, khối lượng rơm rạ tại Việt Nam, vốn là thành phẩm phụ sau mùa gặt, trở nên dư thừa và lãng phí.
Cách thức truyền thống để xử lí rơm rạ là đốt bỏ, nhưng lâu dần cách này không còn được áp dụng rộng rãi vì phát thải quá nhiều khí nhà kính. Một số phương pháp khác tận dụng nguồn dinh dưỡng dồi dào trong sợi rơm rạ để ủ làm phân bón và chất làm tơi đất sinh học. Một trong những chất chiếm hàm lượng lớn trong sợi rơm rạ chính là cellulose. Cùng với graphene oxide (GO) và xúc tác bởi các tác chất kết dính, aerogel tạo thành tận dụng được những tính chất tuyệt vợi của nguyên liệu đầu vào như kết cấu khung vững chắc từ cellulose, tăng khả năng hấp phụ khi có sự hiện diện của GO và sức bền vật liệu được gia cố bởi tác nhân kết dính.
Vì thế, luận văn lần này đề xuất và báo cáo các kết quả thí nghiệm liên quan đến tổng hợp vật liệu aerogel từ hai tác chất chính là cellulose rơm rạ và GO. Để có cái nhìn khách quan nhất về tính chất vật liệu, các so sánh giữa các mẫu aerogel từ nguồn cellulose khác như nanocellulose dạng tinh thể (CNC) cũng được đưa ra và bàn luận. Hầu hết các mẫu aerogel tổng hợp được đều có khối lượng riêng thấp (0.04g/cm3), độ rỗng cao (trên 96%). Các ứng dụng hấp phụ dầu, chất màu và ion kim loại nặng cũng cho ra kết quả cao như mong đợi, ví dụ như: hấp phụ 5.24mg/g chất màu methylene blue (MB) và 2.593mg/g rhodamine B (RhB); hấp phụ tới khoảng 144mg/g ion kim loại nặng; 36.12g/g dầu đậu nành và 35.
Tổng quan đề tài 1.1 Tổng quan Vật liệu aerogel lần đầu tiên được giới thiệu vào những năm 30 của thế kỷ 19 bởi Steven Kistler - một giáo sư hóa học người Mỹ. Ông bắt đầu với một loại gel và loại bỏ chất lỏng, để lại một chất rắn có tỷ trọng thấp. Thông thường, sức căng bề mặt là một trở ngại lớn khi đây là nguyên nhân xé toạc cấu trúc rắn bên trong của gel. Để cải thiện, Kistler đã sử dụng autoclave để ép chất lỏng vượt qua điểm tới hạn của nó và từ đó, aerogel bằng silica đầu tiên đã ra đời.
Do những thách thức đáng chú ý và những cân nhắc về an toàn liên quan đến việc sản xuất aerogel, trong vòng gần nửa thế kỷ đã không xuất hiện thêm bất cứ một nghiên cứu nào liên quan đến vật liệu kỳ lạ này. Trước đây, aerogel thường được chế tạo bằng cách đưa các thành phần gốc cồn đến nhiệt độ và áp suất dễ bay hơi để đạt được điểm tới hạn. Giới hạn nhiệt độ và áp suất này cho phép aerogel và các thành phần gel được chiết tách tại điểm siêu tới hạn. Tuy aerogel sở hữu nhiều tính chất đặc biệt nhưng nó không thu hút nhiều sự chú ý cho đến đầu những năm 1970.
Từ sau đó, aerogel được phổ biến rộng rãi hơn trong giới khoa học. Những năm 1980, một nhà nghiên cứu người Pháp hướng tới việc cải thiện quy trình chế tạo aerogel đã phát minh ra một quy trình sử dụng ít nguyên tố độc hại hơn và thu hút được sự quan tâm bằng cách thay rượu etylic và tetra ethyl ortho silicat (TEOS) bằng rượu methylic và tetra methyl ortho silicate (TMOS) [1]. Bước đột phá tiếp theo xảy ra vào đầu những năm 1990, khi carbon dioxide lỏng được sử dụng thay cho rượu ethylic trong gel trước quá trình siêu tới hạn. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu tránh được áp suất và nhiệt độ nguy hiểm cần thiết để đẩy ethanol nguyên chất vượt qua điểm siêu tới hạn [2].
Sự phát triển của aerogel hữu cơ và carbon aerogel, cũng như việc phát minh ra phương pháp sấy biến đổi bề mặt trong điều kiện phòng là những cột mốc quan trọng [3-5]. Nhiều cuộc điều tra ứng dụng chuyên sâu và những nỗ lực mới trong công nghiệp hóa đã được tiến hành, kết quả là 2 aerogel trở thành vật liệu cạnh tranh cả về chất lượng và giá thành [6]. Từ đầu thế kỷ 21 đến nay, cuộc bùng nổ thứ ba diễn ra theo hướng tự phát. Trong thời gian này, nhiều thành tựu đã được công bố.
Vào năm 2001, Gash đã phát minh ra một phương pháp linh hoạt để tạo ra các aerogel oxide khác nhau bằng cách sử dụng muối vô cơ làm tiền chất và epoxy làm chất gia tốc gel hóa [7, 8]. Năm 2004, Brock đã sử dụng phương pháp tổng hợp mixen ngược, phương pháp sol-gel và làm khô siêu tới hạn để tạo ra aerogel chalcogenide [9]. Gradient aerogel bắt các hạt vận tốc siêu cao từ sao chổi và không gian giữa các vì sao vào năm 2006 và đưa chúng trở lại Trái đất [10- 12]. Tiếp theo đó, người ta đã cải tiến vật liệu aerogel, chẳng hạn như aerogel từ ống nano carbon (CNT), graphene aerogel, carbide aerogel, và aerogel một phần tử [13- 16].
Trong thời gian này, các đặc tính, cách sử dụng và thương mại hóa của aerogel cũng được phát triển rộng rãi. Ngày càng có nhiều nhà khoa học, kỹ sư, quan chức chính phủ và công chúng đặc biệt chú ý đến aerogel, cho thấy rằng đây là một lĩnh vực có một tương lai tươi sáng phía trước. Aerogel được sử dụng rộng rãi làm chất cách điện cho các tòa nhà, lò phản ứng, đường ống, cách điện cho hàng hóa trong quá trình vận chuyển, quần áo và giày bảo hộ đặc biệt trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ và đời sống. Vật liệu này cũng được sử dụng để cách âm trong nhà hát, rạp hát, sân vận động thể thao, các dự án tàu điện ngầm… Hơn nữa, các nhà khoa học có thể dựa vào aerogel cho các ứng dụng phức tạp và nổi bật, ví dụ: điện cực tụ điện, cảm biến độ ẩm, pin, tế bào nhiên liệu và chất hấp phụ trong công nghiệp hàng không vũ trụ, v.
Các phần tiếp theo sẽ đề cập sâu hơn về cấu trúc, tính chất hóa lý và giải thích các ứng dụng được hình thành dựa trên những đặc điểm riêng biệt của nó.2 Phân loại aerogel 1.1 Aerogel từ silica Silica aerogel là loại aerogel đầu tiên được phát minh và phát triển. Nó thường được gọi là "khói xanh" vì vẻ ngoài trong suốt màu xanh lam và có trọng lượng chỉ khoảng ba lần trọng lượng của không khí và lên đến một nghìn lần trọng lượng của thủy tinh. Khối lượng riêng của silica aerogel khá thấp chỉ khoảng từ 0,03 đến 3 0,35g/cm3; diện tích bề mặt riêng từ 600 đến 1000m2/g. Silica aerogel có khả năng cách âm tốt với vận tốc truyền âm khoảng 100m/s.1, trọng lượng của aeorgel nhẹ tới mức có thể nằm gọn trong lòng bàn tay và dễ dàng nhận biết với màu xanh khói đặc trưng.1 Khối lượng nhẹ khó tin của silica aerogel với màu xanh khói đặc trưng 1.2 Aerogel từ than Aerogel than có màu đen và mang lại cảm giác giống như than khi chạm vào.
Vật liệu này có diện tích bề mặt lớn, dao động từ 400-1000m2/g, tương đương với diện tích của một sân bóng đá lớn [17]. Hơn nữa, 1g aerogel than có thể hấp thụ 68.8g chất hữu cơ trong một giây, do đó aerogel than được biết đến nhiều như chất hấp phụ dầu tràn trên biển. Với hệ số dẫn nhiệt có thể đạt 500W/m.K và thay đổi tùy theo mật độ phân bố chất rắn trong cấu trúc, vì vậy aerogel than là một vật liệu tiềm năng để ứng dụng trong các thiết bị điện tử. Aerogel than được mô tả trong Hình 1.2 Aerogel từ than 1.3 Aerogel từ oxide kim loại Tùy thuộc vào oxide kim loại được sử dụng, đây là loại aerogel có nhiều màu sắc rực rỡ, thể hiện trong Hình 1.
Những aerogel này có thể được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học, chất nổ và tiền chất cho vật liệu. Aerogel từ oxide kim loại cũng vượt trội về khả năng sống sót sau các tác động lớn và NASA sử dụng nó trong các bộ hút bụi hàng không vũ trụ để bắt các hạt vật chất di chuyển với tốc độ cao.3 Aerogel từ oxide kim loại 5 1.4 Aerogel từ các chất cao phân tử (polymer) NASA đã và đang sử dụng phản ứng tạo liên kết chéo để tạo ra aerogel polymer, cho phép một polymer tuyến tính phản ứng với một chất liên kết chéo để xây dựng một mạng lưới ba chiều trong cấu trúc. Gel hầu như có thể liên kết hoàn toàn các polymer ba chiều đa dạng và thường được tạo ra ở nhiệt độ môi trường. Khi các gel này được làm khô trong điều kiện CO2 siêu tới hạn, aerogel polymer được tạo ra với khối lượng riêng 0,14g/cm3 và độ xốp 90%.
Dù đây không phải là kỷ lục thế giới nhưng vật liệu này đủ nhẹ để cung cấp các tính năng mong muốn như độ dẫn nhiệt thấp vốn có đặc trưng. Aerogel polymer không chỉ sở hữu những đặc tính của aerogel điển hình mà còn loại bỏ những nhược điểm của aerogel trước đó như độ giòn, bở và dễ gãy. Điều này đã khiến chúng được sử dụng cho nhiều mục đích thực tế. Tiến sĩ Mary Ann B.
Meador, một nhà hóa học tại Trung tâm Glenn của NASA, lưu ý rằng aerogel polymer bền gấp năm trăm lần so với các polymer silica khác. "Một tấm aerogel polymer dày thực sự có thể chịu được trọng lượng của một chiếc ô tô", như trong Hình 1. Aerogel polymer cũng có tính linh hoạt, khả năng chống gấp, nhăn, nghiền và nén cường độ cao, chất lượng cơ học tương đương với cao su tổng hợp chỉ bằng 10% trọng lượng.4 Aerogel từ polymer chịu được sức nặng của một chiếc ô tô mà không bị sụp cấu trúc vật liệu 1.2 Các phương pháp tổng hợp 1.1 Phương pháp sol-gel Hiểu một cách ngắn gọn, phương pháp sol-gel chính là quá trình tổng hợp keo tụ ở nhiệt độ thấp. Phương pháp này dựa trên các nguyên tắc ngưng tụ và thủy phân.