Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm dầu trong môi trường nước là một vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Tại Việt Nam, vùng biển có lưu lượng vận chuyển dầu lên đến 30 triệu tấn mỗi năm, đồng thời sản lượng khai thác dầu thô đạt khoảng 20 triệu tấn/năm, tạo ra nguy cơ cao về sự cố tràn dầu và ô nhiễm môi trường. Các nguồn ô nhiễm dầu chủ yếu đến từ hoạt động công nghiệp, sự cố tràn dầu trên biển, và nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý. Mức độ ô nhiễm dầu mỡ trong nước thải sinh hoạt tại Hà Nội được ghi nhận trong khoảng 123 mg/l đến 39.168 mg/l, vượt xa quy chuẩn cho phép (<20 mg/l).

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo hệ vật liệu xốp có bề mặt siêu kỵ nước bằng phương pháp nhúng phủ, nhằm ứng dụng trong phân tách dầu khỏi nước, góp phần xử lý ô nhiễm dầu hiệu quả. Nghiên cứu tập trung vào biến tính xốp Melamine bằng các vật liệu tăng độ nhám như Graphene Oxide Thiol hóa (GOT), TiO2 và phủ lớp giảm năng lượng bề mặt Stearic Acid (SA). Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong phát triển xanh (KLAMAG), Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển vật liệu thân thiện môi trường, chi phí thấp, hiệu quả cao cho xử lý sự cố tràn dầu và ô nhiễm dầu trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về tính thấm ướt bề mặt và mô hình thấm ướt như Young, Wenzel và Cassie-Baxter để giải thích cơ chế siêu kỵ nước. Góc tiếp xúc nước tĩnh (SWCA) được sử dụng để định lượng khả năng kỵ nước, với bề mặt siêu kỵ nước có góc tiếp xúc ≥ 150°. Mô hình Wenzel mô tả ảnh hưởng của độ nhám bề mặt lên góc tiếp xúc, trong khi mô hình Cassie-Baxter giải thích sự tồn tại của lớp không khí giữa bề mặt và giọt nước trên cấu trúc thô nhám, giúp tăng khả năng kỵ nước.

Vật liệu xốp Melamine được chọn làm nền do có độ xốp cao (>99%), tỷ trọng thấp (<18 kg/m³), độ ổn định nhiệt và cơ học tốt. Vật liệu tăng độ nhám gồm Graphene Oxide Thiol hóa (GOT) và TiO2 được sử dụng để tạo cấu trúc bề mặt nhám, kết hợp với Stearic Acid (SA) làm giảm năng lượng bề mặt, tạo nên tính siêu kỵ nước. Các phương pháp phủ nhúng và biến tính bề mặt được áp dụng để tổng hợp vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và đặc trưng vật liệu tại phòng thí nghiệm KLAMAG. Cỡ mẫu gồm các miếng xốp Melamine kích thước 2x2x2 cm hoặc hình trụ đường kính 5 cm, cao 1,5 cm. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và khả năng ứng dụng thực tế.

Phân tích đặc trưng vật liệu sử dụng các kỹ thuật: phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định nhóm chức, kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phân tích nguyên tố (EDS) để khảo sát hình thái bề mặt và thành phần hóa học, nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể. Góc tiếp xúc nước được đo bằng máy đo tự động SmartDrop_Plus.

Khả năng hấp thu và phân tách dầu được đánh giá qua thí nghiệm trực quan, xác định dung lượng hấp thu dầu kerosene và dầu đậu nành theo thời gian, hiệu suất tách dầu khỏi hỗn hợp dầu/nước, và khả năng tái sử dụng vật liệu. Quy trình chiết xác định tổng dầu mỡ được thực hiện bằng dung môi n-Hexane và cân khối lượng sau bay hơi dung môi.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, bao gồm tổng hợp vật liệu, đặc trưng, thí nghiệm phân tách dầu và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng cấu trúc vật liệu: Giản đồ XRD cho thấy đỉnh đặc trưng của GO ở 2θ = 11,2°, trong khi GOT có đỉnh dịch chuyển về 2θ = 24° với dải rộng 20°-30°, chứng tỏ thành công trong quá trình thiol hóa và khử nhóm chức oxy. Vật liệu TiO2 thể hiện pha Anatase rõ ràng. Xốp Melamine có phổ dải rộng đặc trưng cho hợp chất hữu cơ, sau phủ GOT và TiO2 không làm thay đổi cấu trúc xốp nhưng tăng độ nhám bề mặt.

  2. Hình thái bề mặt: SEM cho thấy xốp Melamine có cấu trúc lỗ 3D với kích thước lỗ 100-200 µm, bề mặt mịn. Sau phủ GOT và TiO2, bề mặt trở nên nhám hơn do các hạt phủ đồng đều, TiO2 có độ che phủ cao hơn do kích thước hạt nhỏ. Phân tích EDS xác nhận sự hiện diện của các nguyên tố đặc trưng trên bề mặt vật liệu.

  3. Tính siêu kỵ nước: Vật liệu phủ GOT và TiO2 kết hợp với Stearic Acid đạt góc tiếp xúc nước tĩnh trên 150°, thể hiện tính siêu kỵ nước. Ví dụ, mẫu MTS1 có góc tiếp xúc đạt 161°, cho thấy hiệu quả của phương pháp phủ nhúng trong việc tạo lớp phủ giảm năng lượng bề mặt và tăng độ nhám.

  4. Khả năng hấp thu và tách dầu: Dung lượng hấp thu dầu kerosene của vật liệu MGS1 đạt khoảng 72 g/g, cao hơn nhiều so với xốp Melamine ban đầu. Hiệu suất tách dầu khỏi hỗn hợp dầu/nước đạt trên 98% sau nhiều lần sử dụng, chứng tỏ vật liệu có khả năng tái sử dụng tốt. Thời gian đạt cân bằng hấp thu dầu khoảng 300 giây, phù hợp với ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Việc phủ các vật liệu tăng độ nhám như GOT và TiO2 lên xốp Melamine làm tăng đáng kể độ nhám bề mặt, kết hợp với lớp phủ Stearic Acid giảm năng lượng bề mặt, tạo nên bề mặt siêu kỵ nước với góc tiếp xúc nước tĩnh trên 150°. Điều này phù hợp với mô hình Cassie-Baxter, khi lớp không khí được giữ lại giữa các cấu trúc nhám giúp tăng khả năng chống thấm nước.

So sánh với các nghiên cứu trước, dung lượng hấp thu dầu của vật liệu tổng hợp cao hơn nhiều so với các vật liệu xốp truyền thống như polyurethane hoặc cellulose, đồng thời hiệu suất tách dầu và khả năng tái sử dụng cũng vượt trội. Kết quả này khẳng định tính khả thi của phương pháp phủ nhúng trong chế tạo vật liệu siêu kỵ nước ứng dụng xử lý ô nhiễm dầu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ góc tiếp xúc nước tĩnh của các mẫu vật liệu, đồ thị dung lượng hấp thu dầu theo thời gian, và biểu đồ hiệu suất tách dầu qua các lần tái sử dụng, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển quy trình phủ nhúng quy mô lớn: Áp dụng phương pháp phủ nhúng với vật liệu GOT, TiO2 và Stearic Acid để sản xuất vật liệu xốp siêu kỵ nước với dung lượng hấp thu dầu cao, nhằm phục vụ xử lý sự cố tràn dầu trong môi trường nước. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác.

  2. Ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Triển khai vật liệu xốp siêu kỵ nước trong các khu công nghiệp có nước thải nhiễm dầu, nhằm nâng cao hiệu quả tách dầu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Chủ thể thực hiện là các nhà máy xử lý nước thải và cơ quan quản lý môi trường.

  3. Nâng cao khả năng tái sử dụng vật liệu: Nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tái chế vật liệu sau khi hấp thu dầu, giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ vật liệu. Thời gian nghiên cứu 6-12 tháng, do các viện nghiên cứu chuyên ngành đảm nhận.

  4. Phát triển vật liệu đa chức năng: Kết hợp tính siêu kỵ nước với khả năng chống ăn mòn, chống cháy để mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác như hàng hải, dầu khí. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu vật liệu tiên tiến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa môi trường: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về vật liệu siêu kỵ nước, phương pháp tổng hợp và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm dầu, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp xử lý môi trường và công nghiệp dầu khí: Tham khảo để áp dụng vật liệu mới trong xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm dầu, nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách, quy chuẩn về xử lý ô nhiễm dầu và ứng phó sự cố tràn dầu.

  4. Nhà sản xuất vật liệu và thiết bị lọc: Hướng dẫn phát triển sản phẩm vật liệu xốp siêu kỵ nước có hiệu suất cao, chi phí hợp lý, đáp ứng nhu cầu thị trường xử lý ô nhiễm dầu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu xốp Melamine có ưu điểm gì trong xử lý dầu?
    Xốp Melamine có độ xốp cao (>99%), tỷ trọng thấp (<18 kg/m³), độ ổn định nhiệt và cơ học tốt, giúp hấp thu dầu hiệu quả và bền bỉ trong môi trường nước.

  2. Phương pháp phủ nhúng có ưu điểm gì?
    Phủ nhúng tạo lớp phủ đồng đều, ổn định, tiết kiệm vật liệu, áp dụng cho nhiều loại nền khác nhau và dễ dàng kiểm soát độ dày lớp phủ, phù hợp sản xuất quy mô lớn.

  3. Tại sao cần vật liệu siêu kỵ nước để tách dầu?
    Vật liệu siêu kỵ nước không hấp thu nước mà chỉ hấp thu dầu, giúp tăng hiệu quả tách dầu khỏi nước, giảm lượng nước hấp thu không mong muốn, nâng cao dung lượng và hiệu suất tách.

  4. Khả năng tái sử dụng vật liệu như thế nào?
    Vật liệu tổng hợp có thể tái sử dụng ít nhất 3 lần với hiệu suất tách dầu trên 95%, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững trong ứng dụng thực tế.

  5. Ứng dụng thực tế của vật liệu này là gì?
    Vật liệu phù hợp để xử lý sự cố tràn dầu trên biển, xử lý nước thải công nghiệp nhiễm dầu, và có thể phát triển thành sản phẩm lọc dầu trong các hệ thống xử lý nước hiện đại.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu xốp Melamine phủ GOT, TiO2 và Stearic Acid tạo bề mặt siêu kỵ nước với góc tiếp xúc nước tĩnh trên 150°.
  • Vật liệu có dung lượng hấp thu dầu kerosene đạt 72 g/g, hiệu suất tách dầu khỏi hỗn hợp dầu/nước trên 98%.
  • Khả năng tái sử dụng vật liệu tốt, giữ hiệu suất cao sau nhiều lần sử dụng.
  • Phương pháp phủ nhúng đơn giản, chi phí thấp, phù hợp sản xuất quy mô lớn và ứng dụng thực tế trong xử lý ô nhiễm dầu.
  • Đề xuất phát triển quy trình sản xuất và ứng dụng vật liệu trong xử lý nước thải công nghiệp và sự cố tràn dầu trong 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời phát triển sản phẩm thương mại từ vật liệu này để góp phần bảo vệ môi trường nước hiệu quả.