Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm dầu trên biển là một vấn đề môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái biển và các hoạt động kinh tế liên quan. Theo thống kê, từ năm 1987 đến 2001, Việt Nam đã xảy ra hơn 90 vụ tràn dầu tại các vùng sông và biển ven bờ, gây thiệt hại kinh tế và môi trường lớn. Ví dụ, tại Tp.HCM, từ năm 1993 đến nay đã có trên 8 vụ tràn dầu với tổng lượng dầu ước tính khoảng 2.520 tấn, gây thiệt hại hơn 7 triệu USD. Sự cố tràn dầu tại biển Quy Nhơn – Bình Định năm 2013 đã làm chết hàng trăm lồng bè nuôi cá, thiệt hại hàng tỉ đồng cho ngư dân.

Việt Nam là quốc gia nông nghiệp với lượng phế phụ phẩm nông nghiệp lớn, trong đó rơm rạ chiếm khoảng 70% lượng phế thải nông nghiệp. Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu này chưa được tận dụng hiệu quả, chủ yếu do thiếu công nghệ chế biến phù hợp. Rơm rạ chứa hàm lượng xenluloza khoảng 37-40%, pentozan 17,5%, lignin 21%, là nguồn sinh khối lignoxenluloza tiềm năng để sản xuất vật liệu hấp phụ dầu thân thiện môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu hấp phụ dầu từ xơ sợi lignoxenluloza phế thải nông nghiệp (rơm rạ) kết hợp với polyurethane (PU) nhằm nâng cao dung lượng hấp phụ dầu, góp phần xử lý ô nhiễm dầu trên biển. Nghiên cứu tập trung vào các phương pháp tiền xử lý rơm rạ để tăng khả năng hấp phụ, tối ưu tỷ lệ độn rơm rạ trong vật liệu PU, kích thước xơ sợi và điều kiện chế tạo vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Việt Nam, sử dụng rơm rạ Khang Dân (Nghệ An) trong giai đoạn 2017-2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc tận dụng phế thải nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển vật liệu hấp phụ dầu hiệu quả, kinh tế và thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết hấp phụ: Quá trình hấp phụ dầu trên bề mặt vật liệu xốp, dựa trên sự tương tác giữa dầu và bề mặt vật liệu hấp phụ, đặc biệt là tính kỵ nước và diện tích bề mặt.
  • Cấu trúc lignoxenluloza: Thành phần chính của rơm rạ gồm xenluloza, hemixenluloza và lignin, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu và khả năng hấp phụ dầu.
  • Polyurethane xốp: Vật liệu tổng hợp có cấu trúc xốp, độ bền cơ học cao, khả năng chống chịu hóa học tốt, được sử dụng làm nền cho vật liệu hấp phụ.
  • Phương pháp tiền xử lý sinh khối: Sử dụng các tác nhân hóa học (nước nóng, kiềm, axit sunfuric, axit axetic) để phá vỡ cấu trúc lignoxenluloza, tăng diện tích bề mặt và tính kỵ nước của rơm rạ, nâng cao hiệu quả hấp phụ dầu.

Các khái niệm chính bao gồm: dung lượng hấp phụ (g dầu/g vật liệu), tỷ lệ độn rơm rạ (%), kích thước xơ sợi (mm), hệ số hấp phụ dầu, và các điều kiện xử lý (nhiệt độ, thời gian, tỷ dịch).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Rơm rạ Khang Dân thu thập tại Nghệ An, dầu Diesel (DO) chuẩn theo tiêu chuẩn ASTM và TCVN.

  • Phân tích thành phần hóa học: Xác định hàm lượng xenluloza, pentozan, lignin, chất trích ly, độ tro, độ ẩm theo tiêu chuẩn TAPPI, GOST.

  • Tiền xử lý rơm rạ: Thực hiện xử lý bằng nước nóng (160-180°C), kiềm NaOH 10%, axit H2SO4 10%, axit axetic 10% với các điều kiện nhiệt độ, thời gian và tỷ dịch khác nhau để tối ưu khả năng hấp phụ dầu.

  • Chế tạo vật liệu hấp phụ: Kết hợp rơm rạ đã xử lý với polyurethane theo tỷ lệ A:B (100:60, 150:60, 100:100) và tỷ lệ độn rơm rạ từ 5% đến 30%. Vật liệu được tạo thành dạng xốp, cắt mẫu kích thước 2x2x1 mm.

  • Xác định hệ số hấp phụ dầu: Ngâm vật liệu trong dung dịch nước có pha dầu Diesel, đo khối lượng trước và sau hấp phụ ở các thời gian 15, 30, 60, 120 phút. Tính hệ số hấp phụ theo công thức:
    [ \text{Hệ số hấp phụ} = \frac{S_t - S_0}{S_0} \quad (g , dầu/g , vật liệu) ] với (S_t) là khối lượng vật liệu sau hấp phụ, (S_0) là khối lượng vật liệu khô.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập mẫu và phân tích thành phần (3 tháng), thử nghiệm tiền xử lý (6 tháng), chế tạo vật liệu và đánh giá hiệu quả hấp phụ (6 tháng), tổng hợp và báo cáo kết quả (3 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thành phần hóa học của rơm rạ:

    • Xenluloza: 37,3%
    • Pentozan: 17,5%
    • Lignin: 21%
    • Độ tro: 15,4%
    • Độ ẩm: 9,9%
      Tỉ trọng rơm rạ khoảng 0,22 g/cm³.

  2. Dung lượng hấp phụ dầu của rơm rạ chưa xử lý:

    • Sau 120 phút hấp phụ đạt 2,59 g dầu/g vật liệu.

  3. Ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý rơm rạ:

    • Xử lý bằng nước nóng (170°C, 60 phút) tăng dung lượng hấp phụ lên 3,96 g/g (tăng gần 60%).
    • Xử lý bằng kiềm NaOH (110°C, 30 phút) chỉ đạt 2,63 g/g, thấp hơn xử lý nước nóng.
    • Xử lý bằng axit H2SO4 (110°C, 30 phút) đạt 2,97 g/g, cao hơn kiềm nhưng thấp hơn nước nóng.
    • Xử lý bằng axit axetic (100°C, 60 phút, tỷ dịch 30:1) đạt dung lượng hấp phụ cao nhất 4,18 g/g, vượt trội so với các phương pháp khác.

  4. Ảnh hưởng tỷ lệ độn rơm rạ trong vật liệu PU:

    • Dung lượng hấp phụ tăng theo tỷ lệ độn rơm rạ, đạt tối đa tại 25% với dung lượng hấp phụ khoảng 12 g dầu/g vật liệu (kích thước rơm 0,5 mm).
    • Tỷ lệ độn 30% làm giảm khả năng hấp phụ do vật liệu kém bền, dễ mùn.

  5. Ảnh hưởng kích thước rơm rạ:

    • Kích thước 0,5 mm cho dung lượng hấp phụ cao nhất (12,003 g/g).
    • Kích thước 0,7 mm giảm nhẹ còn 11,185 g/g.
    • Kích thước 3 mm và 6-7 mm giảm mạnh còn 6,3 g/g và 4,285 g/g tương ứng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ dầu nhờ quá trình axetyl hóa bề mặt, tạo nhóm kỵ nước và tăng diện tích bề mặt vật liệu. So với các phương pháp xử lý khác, axit axetic vừa giữ được cấu trúc lignoxenluloza vừa nâng cao tính kỵ nước, giúp vật liệu hấp phụ hiệu quả hơn.

Việc kết hợp rơm rạ với polyurethane tận dụng ưu điểm của cả hai loại vật liệu: tính bền cơ học và xốp của PU cùng khả năng hấp phụ dầu của lignoxenluloza. Tỷ lệ độn 25% là tối ưu để cân bằng giữa hiệu suất hấp phụ và độ bền vật liệu. Kích thước rơm rạ nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt và số lượng mao quản, từ đó tăng khả năng hấp phụ.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, dung lượng hấp phụ dầu của vật liệu chế tạo đạt mức cao hơn nhiều so với rơm rạ chưa xử lý và các vật liệu tự nhiên khác, đồng thời gần bằng hoặc vượt vật liệu tổng hợp polypropylene thương mại. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh dung lượng hấp phụ theo phương pháp xử lý và tỷ lệ độn rơm rạ, kích thước xơ sợi để minh họa rõ ràng hiệu quả cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic (100°C, 60 phút, tỷ dịch 30:1) để nâng cao dung lượng hấp phụ dầu, giảm thiểu sử dụng hóa chất độc hại, thân thiện môi trường. Chủ thể thực hiện: các nhà máy chế biến sinh khối, thời gian áp dụng: 6-12 tháng.

  2. Chế tạo vật liệu hấp phụ polyurethane độn rơm rạ với tỷ lệ độn 25% và kích thước rơm 0,5 mm nhằm tối ưu hiệu quả hấp phụ và độ bền vật liệu. Chủ thể: doanh nghiệp sản xuất vật liệu môi trường, thời gian triển khai: 12 tháng.

  3. Phát triển thiết bị ứng dụng vật liệu hấp phụ trong xử lý sự cố tràn dầu trên biển với quy mô pilot tại các vùng biển có nguy cơ cao như Quy Nhơn, Vịnh Đà Nẵng. Chủ thể: cơ quan quản lý môi trường, thời gian thử nghiệm: 12-18 tháng.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật cho lực lượng ứng phó sự cố tràn dầu về sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học để tăng hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường biển. Chủ thể: các tổ chức đào tạo, cơ quan quản lý, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Môi trường: Nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ dầu từ sinh khối lignoxenluloza, ứng dụng trong xử lý ô nhiễm dầu.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu môi trường và xử lý ô nhiễm: Áp dụng công nghệ chế tạo vật liệu hấp phụ dầu thân thiện môi trường, tiết kiệm chi phí nguyên liệu.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và ứng phó sự cố tràn dầu: Tham khảo giải pháp vật liệu hấp phụ mới, hiệu quả để triển khai xử lý sự cố tràn dầu tại các vùng biển.

  4. Người làm chính sách và phát triển bền vững nông nghiệp: Tận dụng phế thải nông nghiệp thành vật liệu giá trị, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu hấp phụ dầu từ rơm rạ có ưu điểm gì so với vật liệu tổng hợp?
    Vật liệu từ rơm rạ thân thiện môi trường, chi phí thấp, dễ phân hủy sinh học và tận dụng nguồn phế thải nông nghiệp dồi dào, trong khi vật liệu tổng hợp thường đắt và khó phân hủy.

  2. Phương pháp tiền xử lý nào hiệu quả nhất để tăng khả năng hấp phụ dầu của rơm rạ?
    Tiền xử lý bằng axit axetic ở 100°C trong 60 phút với tỷ dịch 30:1 cho dung lượng hấp phụ cao nhất, khoảng 4,18 g dầu/g vật liệu, nhờ tăng tính kỵ nước và diện tích bề mặt.

  3. Tỷ lệ độn rơm rạ trong vật liệu polyurethane ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả hấp phụ?
    Tỷ lệ độn tăng làm tăng dung lượng hấp phụ, tối ưu ở 25%. Tỷ lệ cao hơn 30% làm giảm độ bền vật liệu và khả năng hấp phụ do liên kết kém.

  4. Kích thước rơm rạ ảnh hưởng ra sao đến khả năng hấp phụ dầu?
    Kích thước nhỏ (0,5 mm) tăng diện tích bề mặt và mao quản, giúp dung lượng hấp phụ đạt cao nhất (12 g/g). Kích thước lớn làm giảm hiệu quả hấp phụ đáng kể.

  5. Vật liệu hấp phụ này có thể tái sử dụng được không?
    Dầu sau khi hấp phụ có thể thu hồi bằng thiết bị cơ học, vật liệu có khả năng tái sử dụng nhiều lần, giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả kinh tế.

Kết luận

  • Rơm rạ phế thải nông nghiệp chứa hàm lượng xenluloza và lignin phù hợp để chế tạo vật liệu hấp phụ dầu thân thiện môi trường.
  • Tiền xử lý rơm rạ bằng axit axetic (100°C, 60 phút, tỷ dịch 30:1) nâng cao dung lượng hấp phụ dầu lên 4,18 g/g, vượt trội so với các phương pháp khác.
  • Vật liệu polyurethane độn rơm rạ với tỷ lệ độn 25% và kích thước rơm 0,5 mm đạt dung lượng hấp phụ dầu cao nhất, khoảng 12 g/g.
  • Vật liệu mới kết hợp ưu điểm của sinh khối tự nhiên và polymer tổng hợp, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm dầu trên biển.
  • Đề xuất triển khai áp dụng quy trình chế tạo và thử nghiệm thực tế tại các vùng biển có nguy cơ tràn dầu, đồng thời đào tạo kỹ thuật sử dụng vật liệu hấp phụ sinh học.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển công nghệ, thử nghiệm quy mô pilot và mở rộng ứng dụng trong thực tế nhằm góp phần bảo vệ môi trường biển và phát triển kinh tế bền vững.