Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển bền vững và nhu cầu thay thế nhiên liệu hóa thạch, việc tận dụng nguồn biomass để sản xuất than sinh học ngày càng được quan tâm. Việt Nam hàng năm thải ra khoảng 101 triệu tấn biomass, trong đó tre chiếm khoảng 12,8%, phần lớn bị bỏ phí hoặc đốt gây ô nhiễm môi trường. Hiệu quả sử dụng biomass hiện chỉ đạt khoảng 10% so với tiềm năng năng lượng. Than đen (Carbon Black) là nguyên liệu quan trọng trong ngành sơn phủ và mực in, tuy nhiên than đen truyền thống có hạn chế về khả năng phân tán trong nước, dẫn đến chi phí sản xuất cao do cần thêm chất phụ gia. Luận văn tập trung nghiên cứu điều chế than phân cực từ than tre và than công nghiệp Hi-Black bằng công nghệ plasma nguội, nhằm cải thiện tính phân tán trong nước, phục vụ làm nguyên liệu bột màu cho mực hệ nước. Nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn 2021-2022, với mục tiêu tối ưu hóa điều kiện plasma để tạo than phân cực có đặc tính lý hóa phù hợp, góp phần phát triển ngành công nghiệp sơn - mực in trong nước, giảm phụ thuộc nhập khẩu nguyên liệu. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa trong việc nâng cao giá trị biomass, giảm ô nhiễm môi trường và thúc đẩy sản xuất mực in thân thiện với môi trường.

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:

  • Lý thuyết về than hoạt tính và than phân cực: Than hoạt tính có diện tích bề mặt lớn (800-1500 m²/g) với cấu trúc lỗ xốp đa dạng, được biến tính để tăng nhóm chức oxy hóa bề mặt như hydroxyl (-OH), cacbonyl, axit cacboxylic nhằm cải thiện tính phân tán trong dung môi phân cực.
  • Mô hình plasma nguội trong xử lý bề mặt vật liệu: Plasma nguội tạo ra các ion, gốc tự do và khí Ozone (O3) giúp oxy hóa bề mặt than, gắn nhóm -OH lên bề mặt than, làm tăng tính phân cực và khả năng phân tán trong nước.
  • Khái niệm về tính chất lý hóa của than phân cực: Đánh giá qua các chỉ tiêu như phổ FT-IR, XRD, SEM, pH, tỷ trọng, sức căng bề mặt, độ nhớt và độ ổn định của mực in.
  • Ứng dụng than phân cực trong ngành sơn phủ và mực in: Than phân cực giúp giảm hàm lượng chất phụ gia phân tán, nâng cao chất lượng mực hệ nước, thân thiện môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu than tre được thu thập từ biomass Việt Nam, than Hi-Black 30L nhập khẩu từ Hàn Quốc. Hóa chất sử dụng gồm NaOH, H2O2, khí O2 tinh khiết.
  • Phương pháp điều chế: Than tre được xử lý nhiệt và hoạt hóa bằng KOH để tạo than hoạt tính. Than phân cực được điều chế bằng phương pháp plasma nguội với khí O2, thay đổi thời gian xử lý (1-10 giờ) và lưu lượng dòng khí plasma (1-6 L/h).
  • Phân tích đặc tính vật liệu: Sử dụng phổ hồng ngoại FT-IR để xác định nhóm chức bề mặt, nhiễu xạ tia X (XRD) để khảo sát cấu trúc tinh thể, kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt.
  • Đánh giá tính chất mực in: Đo pH, tỷ trọng, sức căng bề mặt, độ nhớt, độ ổn định nhiệt và độ lắng của mực bút lông kim, bút bi và bút gel sử dụng than phân cực.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu than tre và than Hi-Black được xử lý theo các điều kiện khác nhau, mỗi điều kiện được khảo sát ít nhất 3 lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong khoảng 12 tháng, từ tháng 1/2021 đến tháng 12/2021, bao gồm các giai đoạn điều chế, phân tích và đánh giá ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng thời gian xử lý plasma đến đặc tính than phân cực:

    • Với than tre, thời gian xử lý plasma 8 giờ, lưu lượng 4 L/h (TT-8H-4F) cho kết quả tối ưu, nhóm -OH gắn rõ rệt trên bề mặt than theo phổ FT-IR tại vùng 3178 cm⁻¹.
    • Với than Hi-Black, thời gian xử lý 4 giờ, lưu lượng 4 L/h (HB-4H-4F) đạt hiệu quả cao nhất.
    • Đỉnh XRD tại 2θ = 26° biểu thị cấu trúc cacbon vô định hình được duy trì, đồng thời cường độ đỉnh tăng theo thời gian xử lý, chứng tỏ sự gia tăng nhóm chức oxy hóa.

  2. Ảnh hưởng lưu lượng dòng khí plasma:

    • Lưu lượng khí từ 4 đến 6 L/h giúp tăng độ rộng và độ sâu đỉnh dao động -OH trong phổ FT-IR, cho thấy nhóm hydroxyl được gắn nhiều hơn.
    • Cường độ đỉnh XRD tăng tuyến tính với lưu lượng khí, minh chứng cho sự cải thiện cấu trúc bề mặt than phân cực.

  3. Tính chất phân tán và ổn định của than phân cực trong nước:

    • Than phân cực phân tán tốt trong nước với tỷ lệ 1:50, không bị lắng sau 4 giờ quan sát.
    • pH của dung dịch than phân cực luôn lớn hơn 7, tỷ trọng khoảng 1.900 g/m³, phù hợp tiêu chuẩn làm nguyên liệu mực hệ nước.

  4. Đánh giá mực in sử dụng than phân cực:

    • Mực bút lông kim, bút bi và bút gel đạt các tiêu chuẩn về pH (7.5-8.0), sức căng bề mặt (35-47 mN/m), độ nhớt (900-1300 cps), và độ ổn định nhiệt ở 10°C và 50°C.
    • Độ lắng của mực thấp, mực đồng nhất, không có hiện tượng nổi váng hay lắng cặn sau 48 giờ.

Thảo luận kết quả

Việc sử dụng plasma nguội với khí O2 tinh khiết tạo ra các gốc oxy hóa mạnh như O3 và H2O2, giúp oxy hóa bề mặt than, gắn nhóm hydroxyl (-OH) làm tăng tính phân cực và khả năng phân tán trong nước. Kết quả phổ FT-IR và XRD cho thấy sự gia tăng nhóm chức oxy hóa rõ rệt khi tăng thời gian và lưu lượng khí plasma, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về biến tính than đen bằng plasma. Đặc biệt, than tre hoạt tính sau xử lý plasma có khả năng phân tán tốt hơn so với than Hi-Black, do cấu trúc lỗ xốp và thành phần nguyên liệu khác biệt. Các chỉ tiêu pH, sức căng bề mặt và độ nhớt của mực in sử dụng than phân cực đều nằm trong giới hạn tiêu chuẩn, chứng tỏ than phân cực có thể thay thế than đen truyền thống, giảm chi phí phụ gia phân tán và thân thiện môi trường. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ FT-IR, XRD so sánh các mẫu theo thời gian và lưu lượng khí, bảng tổng hợp các chỉ tiêu mực in để minh họa hiệu quả điều chế than phân cực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình plasma nguội:

    • Áp dụng điều kiện xử lý plasma 8 giờ, lưu lượng 4 L/h cho than tre và 4 giờ, 4 L/h cho than Hi-Black để sản xuất than phân cực đạt chất lượng cao.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng để hoàn thiện quy trình sản xuất công nghiệp.

  2. Phát triển sản phẩm mực in hệ nước sử dụng than phân cực:

    • Đẩy mạnh nghiên cứu phối hợp than phân cực với các phụ gia thân thiện môi trường để nâng cao tính năng mực in.
    • Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp sản xuất mực in và viện nghiên cứu hóa học.

  3. Khuyến khích sử dụng biomass tre làm nguyên liệu than hoạt tính:

    • Tận dụng nguồn biomass dồi dào, giảm ô nhiễm môi trường và chi phí nguyên liệu.
    • Thời gian triển khai: dài hạn, phối hợp với các cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật than phân cực cho ngành sơn - mực in:

    • Thiết lập các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng than phân cực, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả ứng dụng.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương, Bộ Khoa học và Công nghệ, các hiệp hội ngành nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học hữu cơ, Vật liệu:

    • Nắm bắt công nghệ plasma nguội và kỹ thuật biến tính than hoạt tính, phục vụ nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất mực in, sơn phủ:

    • Áp dụng than phân cực làm nguyên liệu thay thế than đen truyền thống, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghiệp hóa chất:

    • Tham khảo để xây dựng chính sách phát triển ngành công nghiệp sơn - mực in bền vững, thúc đẩy sử dụng nguyên liệu trong nước.

  4. Các tổ chức môi trường và phát triển bền vững:

    • Đánh giá tiềm năng sử dụng biomass và công nghệ plasma trong giảm thiểu ô nhiễm và phát triển công nghiệp xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Than phân cực là gì và khác gì so với than đen truyền thống?
    Than phân cực là than hoạt tính được biến tính bề mặt bằng phương pháp plasma nguội để gắn nhóm chức oxy hóa như -OH, giúp tăng tính phân tán trong dung môi phân cực như nước, khác với than đen truyền thống có tính không phân cực và khó phân tán.

  2. Phương pháp plasma nguội có ưu điểm gì trong điều chế than phân cực?
    Plasma nguội tạo ra các gốc oxy hóa mạnh mà không làm thay đổi cấu trúc vật liệu cơ bản, giúp gắn nhóm chức trên bề mặt than hiệu quả, thân thiện môi trường và tiết kiệm năng lượng so với phương pháp hóa học truyền thống.

  3. Than phân cực có thể ứng dụng trong những loại mực in nào?
    Than phân cực được ứng dụng thành công trong mực bút lông kim, bút bi và bút gel hệ nước, với các chỉ tiêu pH, độ nhớt, sức căng bề mặt và độ ổn định nhiệt phù hợp tiêu chuẩn công nghiệp.

  4. Nguồn nguyên liệu biomass tre có tiềm năng như thế nào?
    Tre là nguồn biomass dồi dào tại Việt Nam, chiếm khoảng 12,8% tổng biomass thải ra hàng năm, có hàm lượng carbon cao, thích hợp để sản xuất than hoạt tính và than phân cực, góp phần giảm ô nhiễm và nâng cao giá trị kinh tế.

  5. Làm thế nào để đánh giá chất lượng than phân cực?
    Chất lượng than phân cực được đánh giá qua các phương pháp phân tích FT-IR, XRD, SEM để xác định nhóm chức và cấu trúc, cùng các chỉ tiêu pH, tỷ trọng, khả năng phân tán trong nước và hiệu suất khi ứng dụng trong mực in.

Kết luận

  • Than phân cực được điều chế thành công từ than tre và than Hi-Black bằng công nghệ plasma nguội với điều kiện tối ưu là 8 giờ, 4 L/h cho than tre và 4 giờ, 4 L/h cho than Hi-Black.
  • Nhóm hydroxyl (-OH) được gắn hiệu quả trên bề mặt than, cải thiện khả năng phân tán trong nước và tính chất lý hóa phù hợp làm nguyên liệu bột màu cho mực hệ nước.
  • Mực in sử dụng than phân cực đạt các tiêu chuẩn về pH, độ nhớt, sức căng bề mặt và độ ổn định nhiệt, chứng tỏ tính ứng dụng thực tiễn cao.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển nguồn nguyên liệu trong nước, giảm nhập khẩu và thúc đẩy ngành công nghiệp sơn - mực in bền vững tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục hoàn thiện quy trình sản xuất, mở rộng ứng dụng và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật than phân cực trong ngành công nghiệp hóa chất.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp và phối hợp với các doanh nghiệp để ứng dụng than phân cực trong sản xuất mực in thân thiện môi trường.