Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do dầu thải từ các thiết bị công nghiệp, đặc biệt là dầu máy biến áp, đang là vấn đề cấp bách với mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng đến đất, nước và không khí. Theo ước tính, lượng dầu thải từ máy biến áp và các động cơ công nghiệp ngày càng gia tăng, đòi hỏi các giải pháp xử lý hiệu quả nhằm giảm thiểu tác động môi trường. Dầu máy biến áp là loại dầu cách điện có vai trò quan trọng trong việc cách điện và làm mát máy biến áp, tuy nhiên trong quá trình sử dụng, dầu bị nhiễm bẩn, oxy hóa và suy giảm chất lượng, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển vật liệu hấp phụ dựa trên graphene và các composite liên quan để làm sạch và tái sinh dầu thải máy biến áp, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng dầu và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo các vật liệu như reduced graphene oxide (rGO), composite rGO-đất sét bentonite, và composite rGO-đất sét-polyurethane (PU) với cấu trúc mao quản và diện tích bề mặt riêng lớn nhằm tối ưu khả năng hấp phụ dầu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong năm 2022, với các phương pháp phân tích vật liệu hiện đại như SEM, XRD, FTIR để đánh giá cấu trúc và tính chất vật liệu. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc phát triển công nghệ tái chế dầu thải, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả bảo vệ môi trường trong ngành điện lực và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết hấp phụ: Quá trình hấp phụ được hiểu là sự tập trung các chất bẩn trên bề mặt vật liệu xốp nhờ các lực bề mặt như lực Van der Waals và liên kết hóa học. Vật liệu hấp phụ cần có diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc mao quản phù hợp và tính bền cơ học để đảm bảo hiệu quả và độ bền trong quá trình sử dụng.

  • Lý thuyết cấu trúc vật liệu graphene và các dẫn xuất: Graphene là vật liệu 2D với cấu trúc tổ ong bền vững, có tính kỵ nước và diện tích bề mặt lớn, thích hợp làm vật liệu hấp phụ. Các dẫn xuất như graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO) và expanded graphite (EG) có tính chất khác nhau về độ ưa nước, khả năng hấp phụ và tính chất cơ học, được ứng dụng trong composite để nâng cao hiệu quả lọc dầu.

  • Mô hình composite vật liệu: Sự kết hợp giữa rGO, đất sét bentonite và polyurethane (PU) tạo thành hệ composite với cấu trúc xốp, mao quản đa dạng, tăng khả năng hấp phụ dầu thải. Bentonite có khả năng hấp phụ dầu tự nhiên, PU cung cấp cấu trúc xốp giúp tăng diện tích tiếp xúc và tính chọn lọc hấp phụ.

Các khái niệm chính bao gồm: hấp phụ vật lý và hóa học, cấu trúc mao quản, tính kỵ nước của vật liệu, hiệu suất hấp phụ, và tính chất cách điện của dầu máy biến áp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu graphite khai thác từ mỏ Bảo Hà, Việt Nam, sau đó tiến hành xử lý để tạo EG, GO và rGO. Đất sét bentonite được lấy từ nguồn địa phương có trữ lượng lớn. PU được sử dụng làm chất mang trong composite.

  • Phương pháp chế tạo vật liệu: Graphite được làm sạch bằng axit HCl 15%, sau đó chế tạo EG bằng phương pháp hóa học sử dụng (NH4)2S2O8 và H2SO4. GO được tổng hợp từ EG bằng phương pháp Hummers cải tiến với KMnO4 và H2SO4. rGO được tạo thành bằng cách khử GO sử dụng vitamin C (axit ascorbic) ở 95°C trong 3 giờ. Composite rGO-đất sét và rGO-đất sét-PU được chế tạo bằng cách trộn và nhúng PU vào dung dịch GO-đất sét, sau đó khử bằng vitamin C.

  • Phương pháp phân tích vật liệu: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc bề mặt và phân bố vật liệu, phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha vật liệu, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định các nhóm chức trên bề mặt vật liệu.

  • Phương pháp đánh giá hiệu quả lọc dầu: Thí nghiệm lọc dầu thải máy biến áp qua các hệ vật liệu chế tạo, đo các chỉ số chất lượng dầu trước và sau lọc như độ axit, hàm lượng tạp chất, độ nhớt, và tính cách điện.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, bao gồm các giai đoạn làm sạch nguyên liệu, tổng hợp vật liệu, chế tạo composite, phân tích đặc tính vật liệu và thử nghiệm lọc dầu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất làm sạch graphite và chế tạo EG: Graphite sau khi rửa bằng axit HCl giảm tạp chất từ 20% xuống còn khoảng 1.2% sau khi nung ở 1000°C trong 4 giờ. Thể tích EG thu được tăng gấp 11.25 lần so với graphite ban đầu, cho thấy hiệu quả trương nở cao, phù hợp làm nguyên liệu cho quá trình oxy hóa tiếp theo.

  2. Tính chất vật liệu GO và rGO: GO có tính ưu nước, dễ phân tán trong dung môi, trong khi rGO sau khi khử bằng vitamin C có tính kỵ nước, dễ dàng lọc rửa và giữ lại trên vật liệu. Phân tích SEM cho thấy cấu trúc bề mặt rGO dạng bông xốp với diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho hấp phụ dầu. XRD và FTIR xác nhận sự thay đổi cấu trúc và sự loại bỏ nhóm chức oxy trong quá trình khử.

  3. Hiệu quả hấp phụ dầu của các hệ vật liệu: Hệ composite rGO-đất sét cho khả năng hấp phụ dầu thải máy biến áp với hiệu suất lọc đạt khoảng 70-85% tùy tỷ lệ pha trộn. Khi kết hợp thêm PU tạo thành hệ PU-rGO-đất sét, hiệu quả lọc dầu tăng lên đến 90%, nhờ cấu trúc xốp và mao quản lớn của PU giúp tăng diện tích tiếp xúc và khả năng hấp phụ chọn lọc dầu. So sánh với các vật liệu truyền thống như zeolite, hệ vật liệu mới có chi phí thấp hơn và quy trình chế tạo đơn giản hơn.

  4. Ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần và điều kiện chế tạo: Tỷ lệ rGO và đất sét trong composite ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng hấp phụ dầu. Tỷ lệ rGO:đất sét 1:10 được xác định là tối ưu. Thời gian nhúng PU trong dung dịch GO-đất sét 1 giờ và nhúng 3 lần cho kết quả hấp phụ tốt nhất. Khuấy trong quá trình nhúng làm giảm lượng GO hấp phụ vào PU do phân tán quá mức.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vật liệu dựa trên graphene, đặc biệt là rGO, có khả năng hấp phụ dầu thải máy biến áp vượt trội nhờ diện tích bề mặt lớn và tính kỵ nước. Việc kết hợp với đất sét bentonite tận dụng khả năng hấp phụ tự nhiên của khoáng sét, đồng thời PU cung cấp cấu trúc xốp giúp tăng cường hiệu quả hấp phụ và khả năng tái sử dụng vật liệu. So với các nghiên cứu trước đây về hấp phụ dầu bằng graphene aerogel hay các vật liệu nano oxit kim loại, hệ composite này có ưu điểm về chi phí và tính thân thiện môi trường do sử dụng vitamin C làm chất khử thay vì các hóa chất độc hại như hydrazin. Dữ liệu phân tích SEM, XRD và FTIR minh họa rõ sự thay đổi cấu trúc vật liệu qua các giai đoạn chế tạo, hỗ trợ giải thích cơ chế hấp phụ dầu. Biểu đồ so sánh hiệu suất lọc dầu giữa các hệ vật liệu cho thấy sự vượt trội của composite PU-rGO-đất sét, đồng thời bảng số liệu về tỷ lệ thành phần và điều kiện nhúng cung cấp cơ sở để tối ưu hóa quy trình sản xuất. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho công nghệ tái sinh dầu thải máy biến áp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế trong ngành điện lực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình sản xuất vật liệu composite PU-rGO-đất sét quy mô công nghiệp: Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ thành phần, thời gian nhúng và điều kiện khử để nâng cao hiệu suất hấp phụ dầu, giảm chi phí sản xuất. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác.

  2. Ứng dụng vật liệu trong hệ thống lọc dầu máy biến áp tại các trạm biến áp và nhà máy điện: Triển khai thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu quả lọc dầu, tuổi thọ vật liệu và khả năng tái sử dụng. Mục tiêu giảm tỷ lệ thay dầu mới xuống dưới 30% trong vòng 3 năm, do các đơn vị quản lý vận hành thiết bị thực hiện.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu hấp phụ trong xử lý dầu thải công nghiệp khác: Khảo sát khả năng hấp phụ các loại dầu thải khác như dầu động cơ, dầu công nghiệp, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và tăng giá trị kinh tế. Thời gian nghiên cứu 2 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp.

  4. Phát triển các chất khử thân thiện môi trường thay thế vitamin C để nâng cao hiệu quả khử GO: Tìm kiếm các tác nhân khử xanh mới nhằm giảm chi phí và tăng tính bền vững của quy trình sản xuất vật liệu. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu hóa học vật liệu thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và ứng dụng vật liệu graphene, composite trong xử lý dầu thải, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và tái chế dầu máy biến áp: Tham khảo quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ hiệu quả, chi phí thấp để áp dụng trong công nghệ tái sinh dầu, nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

  3. Các cơ quan quản lý môi trường và điện lực: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, hướng dẫn kỹ thuật về xử lý dầu thải, giảm thiểu ô nhiễm và tăng tuổi thọ thiết bị điện.

  4. Nhà sản xuất vật liệu composite và thiết bị lọc: Áp dụng công nghệ chế tạo composite PU-rGO-đất sét để phát triển sản phẩm mới, mở rộng thị trường trong lĩnh vực xử lý dầu thải và môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu rGO có ưu điểm gì so với các vật liệu hấp phụ truyền thống?
    rGO có diện tích bề mặt riêng lớn, tính kỵ nước cao và khả năng hấp phụ mạnh mẽ các phân tử dầu, vượt trội hơn nhiều so với than hoạt tính hay zeolite. Ví dụ, hiệu suất hấp phụ dầu của rGO-đất sét đạt trên 80%, cao hơn nhiều so với vật liệu truyền thống.

  2. Tại sao sử dụng vitamin C làm chất khử GO?
    Vitamin C là chất khử thân thiện môi trường, không độc hại, dễ sử dụng và hiệu quả trong việc loại bỏ nhóm chức oxy trên GO để tạo rGO. Điều này giúp giảm thiểu chất thải độc hại so với các chất khử truyền thống như hydrazin.

  3. Composite PU-rGO-đất sét có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
    Theo thử nghiệm, vật liệu composite này có thể tái sử dụng ít nhất 5 lần mà hiệu suất hấp phụ dầu vẫn duy trì trên 75%, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững.

  4. Quy trình chế tạo vật liệu có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp không?
    Quy trình sử dụng nguyên liệu phổ biến, hóa chất thân thiện và thiết bị đơn giản, có thể mở rộng quy mô sản xuất công nghiệp với chi phí hợp lý, phù hợp cho các nhà máy tái chế dầu thải.

  5. Vật liệu này có thể ứng dụng cho các loại dầu thải khác ngoài dầu máy biến áp không?
    Có, vật liệu có khả năng hấp phụ các loại dầu thải công nghiệp khác như dầu động cơ, dầu công nghiệp nhờ tính kỵ nước và cấu trúc mao quản đa dạng, mở rộng ứng dụng trong xử lý môi trường.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu reduced graphene oxide (rGO) và composite rGO-đất sét, rGO-đất sét-PU với cấu trúc mao quản và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho hấp phụ dầu thải máy biến áp.
  • Vật liệu composite PU-rGO-đất sét cho hiệu quả lọc dầu cao nhất, đạt trên 90% hiệu suất, vượt trội so với các vật liệu truyền thống.
  • Quy trình chế tạo sử dụng vitamin C làm chất khử thân thiện môi trường, giảm thiểu chất thải độc hại và chi phí sản xuất.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho công nghệ tái sinh dầu thải, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế trong ngành điện lực.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng, tối ưu quy trình và triển khai thử nghiệm thực tế trong các hệ thống lọc dầu công nghiệp.

Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai ứng dụng thực tế, đồng thời phát triển các dự án nghiên cứu mở rộng để nâng cao hiệu quả và tính bền vững của công nghệ.