Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự cố tràn dầu trên mặt nước là một trong những hiểm họa môi trường nghiêm trọng, gây suy thoái hệ sinh thái thủy sinh, làm tổn hại rừng ngập mặn, rạn san hô, vùng triều và đe dọa trực tiếp đến sinh kế cộng đồng ven biển. Theo các số liệu khảo sát quốc tế được công bố trong đề tài, Việt Nam nằm trong nhóm ba quốc gia (cùng với Trung Quốc và Hoa Kỳ) có tần suất xảy ra sự cố tràn dầu cao nhất, ghi nhận từ 10 sự cố trở lên trong giai đoạn 2005–2014.

Trong thực tế, nhiều vụ tai nạn hàng hải và rò rỉ nhiên liệu đã gây ra những tổn thất nặng nề:

  • Vụ chìm tàu dầu ĐNA 0607 vào ngày 14/01/2021 tại Đà Nẵng làm tràn khoảng $4\text{ m}^3$ dầu DO, tạo vệt dầu loang rộng xấp xỉ $20\text{ m}^2$.
  • Vụ đắm tàu vận tải Hoàng Thiên 99 (trọng tải 156,2 DWT) ngày 15/12/2022 tại Bình Thuận khi đang chở 2 tấn dầu DO và 70 tấn hàng hóa, khiến dầu liên tục rò rỉ ra môi trường biển dù lực lượng chức năng đã thu hồi được khoảng 400 lít dầu ban đầu.
  • Trên thế giới, thảm họa nổ giàn khoan Deepwater Horizon năm 2010 tại Vịnh Mexico làm tràn lượng dầu khổng lồ, tiêu tốn 14 tỷ USD chi phí ứng phó; sự cố sập bể chứa nhiên liệu tại Nhà máy Nhiệt điện số 3 ở Norilsk (Nga) năm 2020 làm rò rỉ $21.000\text{ m}^3$ ($17.500$ tấn) dầu diesel ra diện tích $350\text{ km}^2$, phát sinh chi phí ứng cứu khẩn cấp 146 triệu USD và ước tính tổng kinh phí khắc phục lên tới 1,4 tỷ USD trong 5–10 năm.

Các phương pháp xử lý dầu tràn truyền thống hiện nay gồm có phao quây dầu (booms), vật liệu hấp phụ tự nhiên và tổng hợp (sorbents như sợi bông, milkweed, polypropylene), đốt dầu tại chỗ (in-situ burning), thiết bị gạt vớt cơ học (skimmers) và hóa chất phân tán (dispersants). Tuy nhiên, các giải pháp này bộc lộ nhiều hạn chế về hiệu suất phân tách, chi phí vận hành cao, khả năng tái thu hồi dầu sạch thấp và khó áp dụng linh hoạt cho nhiều dải độ nhớt khác nhau.

Một số nghiên cứu gần đây đã phát triển thiết bị thu gom dầu qua các lỗ kích thước milimet (như cấu trúc Hydrogel bowl hoặc thuyền nhựa thân thiện môi trường), hoạt động theo nguyên lý chặn nước và cho dầu thấm qua. Mặc dù vậy, các thiết bị này vẫn có nhược điểm lớn là bắt buộc phải kết nối hệ thống bơm hút dầu ra liên tục trong suốt quá trình hoạt động.

Để giải quyết vấn đề trên, đề tài tốt nghiệp mã số CKM – 163 với tên gọi "Design and fabrication of a device for collecting oil spills on water using ABS plastic" (Thiết kế và chế tạo thiết bị thu gom dầu tràn trên nước bằng nhựa ABS) được thực hiện bởi nhóm sinh viên Châu Nữ Diễm Kiều, Nguyễn Viết Hoàng, Bùi Việt Hoàng dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Văn Trọn tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM. Đề tài tập trung thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị nổi có khoang chứa dầu độc lập, có khả năng tự thu gom một lượng dầu nhất định vào bên trong mà không cần duy trì bơm hút liên tục.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Đánh giá ảnh hưởng của các đặc tính bề mặt vật liệu nhựa ABS đến tốc độ thấm ướt dầu và xác định đặc tính cơ lý của vật liệu.
  2. Tính toán năng lượng tự do bề mặt của các mẫu thử nghiệm trước và sau khi xử lý biến tính.
  3. Xác định kích thước hình học của các lỗ vĩ mô (macroscopic openings) có khả năng ngăn chặn dòng nước nhưng cho phép dầu chảy qua.
  4. Tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị thu gom dầu tràn nổi trên mặt nước bằng công nghệ in 3D với tỷ lệ rỗng thích hợp.
  5. Xác định ảnh hưởng của độ nhớt dầu đến tốc độ thu gom của thiết bị đối với các loại dầu thương mại có độ nhớt từ thấp đến cao (từ 2,5 cSt trở lên).
  6. Đánh giá hiệu suất thu gom dầu của thiết bị trong môi trường nước biển và trên bề mặt nước gợn sóng nhân tạo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Vật liệu chế tạo: Nhựa Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) gia công bằng công nghệ in 3D FDM.
  • Mô hình thiết bị: Kích thước bao $130 \times 100 \times 40\text{ mm}^3$, tỷ lệ rỗng thân thuyền 50%, kích thước lỗ rãnh biên dạng $l = 3, 4, 5\text{ mm}$ và bán kính cung tròn $R$.
  • Các loại dầu thử nghiệm: Dầu Diesel DO 0.05S (độ nhớt động học 2,5 cSt ở 40 °C), dầu khoáng bơm chân không Vacuum Pump Oil – 46 (VPO-46, độ nhớt 41,4–50,6 cSt ở 40 °C), dầu nhớt tổng hợp Shell Advance 4T Ultra SCOOTER 5W-40 (độ nhớt 85,0 cSt ở 40 °C).
  • Môi trường thử nghiệm: Nước ngọt sinh hoạt và nước biển tĩnh, nước biển gợn sóng tạo bởi máy tạo sóng nhân tạo Sobo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đặc tính vật liệu nhựa ABS và dung dịch phủ Nano Ceramic

Nhựa ABS là một polymer nhiệt dẻo vô định hình có công thức hóa học $(C_8H_8 \cdot C_4H_6 \cdot C_3H_3N)_n$, được tổng hợp từ ba monome: Acrylonitrile (tăng độ cứng vững, kháng hóa chất), Butadiene (tạo tính dẻo dai và chịu va đập) và Styrene (đảm bảo độ bóng bề mặt và tính dễ gia công). ABS có khả năng chịu nhiệt tốt hơn PLA, độ bền cơ học cao, thích hợp cho phương pháp in 3D lắng đọng sợi nóng chảy (FDM).

Dung dịch phủ Nano ceramic Mr.fix Premium Coating 9H được sử dụng để biến tính bề mặt ABS. Dung dịch có thành phần chính là polysiloxane và các vật liệu nano, tạo lớp phủ có độ dày khoảng $30\ \mu\text{m}$, độ cứng 9H, chịu nhiệt đến 760 °C và bền trong môi trường pH từ 2 đến 12.

Phương pháp tính toán năng lượng tự do bề mặt Owens-Wendt

Năng lượng tự do bề mặt ($\gamma_S$) của vật liệu ABS được xác định dựa trên phương pháp Owens-Wendt, phân tách thành hai thành phần phân tán ($\gamma_S^d$) và cực tính ($\gamma_S^p$):

$$\gamma_S = \gamma_S^d + \gamma_S^p$$

Thành phần $\gamma_S^d$ và $\gamma_S^p$ được tính toán thông qua việc đo góc tiếp xúc ($\theta$) của hai chất lỏng chuẩn (nước và hexadecane $C_{16}H_{34}$) nhỏ lên bề mặt mẫu thử, áp dụng phương trình:

$$\gamma_L (1 + \cos\theta) = 2\sqrt{\gamma_S^d \gamma_L^d} + 2\sqrt{\gamma_S^p \gamma_L^p}$$

Trong đó:

  • Nước có $\gamma_L = 72,8\text{ mJ/m}^2$, $\gamma_L^d = 21,8\text{ mJ/m}^2$, $\gamma_L^p = 51,0\text{ mJ/m}^2$.
  • Hexadecane ($C_{16}H_{34}$) có $\gamma_L = 26,35\text{ mJ/m}^2$, $\gamma_L^d = 26,35\text{ mJ/m}^2$, $\gamma_L^p = 0\text{ mJ/m}^2$.

Cơ chế chặn nước và cho dầu thấm qua lỗ rãnh (Laplace Pressure)

Cơ chế tách dầu/nước dựa trên sự cân bằng áp suất mao dẫn tại miệng lỗ kích thước milimet. Khi mực nước dâng cao một khoảng $h$ tính từ tâm lỗ, bề mặt nước lồi ra tạo thành mặt khum bán kính cong $R$. Áp suất Laplace sinh ra tại mặt phân cách:

$$\Delta p_L = \frac{2\gamma}{R}$$

Áp suất này cùng với thành phần lực căng bề mặt tiếp tuyến ($F_\gamma \cos\theta$) và áp suất khí quyển ($F_{ap}$) cân bằng với áp suất thủy tĩnh ($F_{wp} = \rho_w g h$), ngăn cản không cho nước chảy qua lỗ. Ngược lại, do dầu có sức căng bề mặt thấp, lực cản mặt khum không đủ để giữ trạng thái cân bằng với áp suất cột dầu ($F_{op}$), do đó dầu dễ dàng chảy lọt qua lỗ vào bên trong thuyền.

Kích thước lỗ dạng khe rãnh (chiều dài $L$, bán kính hai đầu $R$) được xác lập dựa trên điều kiện cân bằng giữa độ gia tăng công cơ học ($dW$) và độ gia tăng năng lượng bề mặt ($dE_s$) khi mực nước dâng:

$$dW = \rho_w g h \cdot \pi(2R^2 + RL) dR$$ $$dE_s = \gamma \cdot \pi(4R + L) dR$$ $$dW = dE_s$$

Trong đó $\rho_w = 0,997 \times 10^{-6}\text{ kg/mm}^3$ là khối lượng riêng của nước ở 25 °C, $g = 9,81\text{ m/s}^2$, $h = R + l$ ($l$ là khoảng cách từ mép trên của lỗ đến mặt nước).

Phương pháp kiểm tra cơ tính và độ bám dính

  • Thử nghiệm kéo cơ học: Thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D638 Type I trên máy thử kéo nén vạn năng Instron Series 6800 nhằm xác định ứng suất kéo, mô đun Young và công kéo dài trên các mẫu in 3D có tỷ lệ rỗng khác nhau (0%, 25%, 50%, 75%, 100%).
  • Kiểm tra phổ hồng ngoại: Phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để kiểm tra độ phủ đồng đều của màng nano ceramic.
  • Thử nghiệm độ bám dính: Dùng dao rạch các đường cắt ngang - dọc dạng lưới (cross-cut test) trên bề mặt đã phủ rồi dán băng dính trong Scotch tape, miết phẳng và bóc mạnh để đánh giá độ tróc của lớp màng.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Quy trình thiết kế và chế tạo thiết bị thu gom dầu tràn được triển khai qua các bước kỹ thuật sau:

[Mô hình 3D trên Inventor] 
       ↓
[Cắt lớp & Lập trình G-code trên Simplify3D] 
       ↓
[In 3D FDM vật liệu ABS (Tỷ lệ rỗng 50%)] 
       ↓
[Làm sạch & Phủ 3 lớp Nano Ceramic 9H] 
       ↓
[Tạo nhám cơ học bằng chổi ở lớp phủ thứ 3] 
       ↓
[Ngâm dầu Shell Helix Ultra 5W-40 trong 60 phút] 
       ↓
[Mô hình thuyền hoàn thiện sẵn sàng thử nghiệm]

  1. Thiết kế hình học và kết cấu rỗng:

    • Kích thước phủ bì mô hình: Dài $130\text{ mm} \times$ Rộng $100\text{ mm} \times$ Cao $40\text{ mm}$.
    • Kết cấu thân thuyền: Thiết kế hệ thống gân trợ lực (ribs) bên trong với thể tích rỗng chiếm 50% tổng thể tích thân, đảm bảo giảm trọng lượng để thuyền tự nổi cân bằng trên mặt nước mà vẫn giữ được độ cứng vững cơ học khi chịu tải chứa dầu.
    • Dung tích khoang chứa dầu tối đa của thuyền đạt 100 mL.

  2. Quy trình xử lý biến tính bề mặt (Surface Treatment):

    • Bước 1 (Làm sạch): Vệ sinh bề mặt chi tiết in 3D, loại bỏ ba-via, bụi bẩn và các khuyết tật in bên trong các lỗ rãnh.
    • Bước 2 (Phủ Nano Ceramic và tạo nhám): Dùng miếng xốp thoa đều dung dịch Mr.fix 9H lên bề mặt theo hướng zic-zac hoặc đường thẳng. Tiến hành phủ 3 lớp liên tiếp (mỗi lớp cách nhau 60 phút để khô tự nhiên). Tại lớp phủ thứ 3, sau khi quét 20–30 phút, sử dụng chổi quét chuyên dụng để chải tạo nhám liên tục trên bề mặt nhằm hình thành các cấu trúc vi mô gồ ghề xen kẽ trước khi màng đóng rắn hoàn toàn. Độ dày lớp phủ sau hoàn thiện đo được qua kính hiển vi quang học là $0,17\text{ mm}$.
    • Bước 3 (Kích hoạt tính ưa dầu): Ngâm toàn bộ mô hình đã tạo nhám vào dầu nhờn Shell Helix Ultra 5W-40 trong thời gian 60 phút để dầu thâm nhập sâu vào các khe vi mô, gia tăng tốc độ loang và khả năng hút dầu khi tiếp xúc màng dầu tràn.

  3. Bố trí hệ thống lỗ thu gom:

    • Các lỗ dạng khe rãnh được bố trí thành hàng ngang trên các vách biên của thuyền tại vị trí tính toán tương ứng với chiều cao mớn nước khi thả nổi tự do.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan (Overview)

Chương 1 phân tích bối cảnh ô nhiễm dầu tràn trên thế giới và tại Việt Nam, nêu bật tính cấp bách của đề tài thông qua các số liệu thống kê tai nạn hàng hải thực tế. Tác giả tổng thuật 5 phương pháp thu gom dầu truyền thống (phao quây, vật liệu hấp phụ, đốt tại chỗ, thiết bị gạt vớt, chất phân tán), chỉ rõ các mặt hạn chế cố hữu về chi phí và khả năng tái sử dụng dầu. Chương này cũng phân tích các nghiên cứu tiền đề về thiết bị thu gom qua lỗ milimet (Hydrogel bowl, plastic boat) và xác định mục tiêu của đồ án là chế tạo thiết bị bằng nhựa ABS in 3D có khoang chứa gom dầu tự vận hành.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết (Theoretical Basis)

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết toàn diện phục vụ thiết kế:

  • Các thông số lý hóa, cấu trúc monome và ưu nhược điểm của nhựa nhiệt dẻo ABS; phân tích hiện tượng co ngót nhiệt khi in 3D FDM và giải pháp gia nhiệt bàn in, dùng buồng kín.
  • Thông số kỹ thuật của dung dịch phủ Nano Ceramic Mr.fix 9H (polysiloxane, độ dày $30\ \mu\text{m}$, độ cứng 9H).
  • Thông số độ nhớt của 3 loại dầu khảo nghiệm: Dầu Diesel DO 0.05S (2,5 cSt), dầu chân không VPO-46 (46 cSt), dầu Shell Advance 4T Scooter 5W-40 (85 cSt).
  • Lịch sử phát triển và phân loại các công nghệ tạo mẫu nhanh (FDM, SLA, SLS, DLP, LOM, SLM, DMLS, CLIP, EBM,...).
  • Thiết lập phương trình Owens-Wendt tính năng lượng tự do bề mặt và xây dựng mô hình toán học cân bằng lực Laplace trên miệng lỗ rãnh để xác định kích thước chặn nước $L$ và $R$.

Chương 3: Tính chất bề mặt và đặc tính cơ học của vật liệu ABS (Surface Properties and Mechanical Characteristics of ABS Material)

Chương 3 tập trung vào các kết quả thực nghiệm đo đạc tính chất bề mặt và cơ tính:

  • Đo góc tiếp xúc của nước: Mẫu ABS thô sau in có $\theta = 73,57^\circ \pm 1,55^\circ$ (< 90°, tính ưa nước). Sau khi phủ Nano Ceramic, góc tiếp xúc tăng lên $94,37^\circ \pm 0,89^\circ$ (> 90°, kỵ nước). Khi kết hợp phủ nano ceramic và tạo nhám cơ học, góc tiếp xúc đạt $114,52^\circ \pm 0,9^\circ$ (tăng thêm $20,15^\circ$).
  • Độ bám dính: Phổ FT-IR khẳng định bề mặt được phủ kín hoàn toàn bởi dung dịch nano ceramic; thử nghiệm cắt lưới cross-cut và bóc băng dính Scotch tape không ghi nhận hiện tượng bong tróc lớp phủ.
  • Năng lượng tự do bề mặt: Mẫu thô đạt $32,35\text{ mJ/m}^2$ ($\gamma_S^d = 18,42$, $\gamma_S^p = 13,93$). Mẫu sau khi phủ nano ceramic và tạo nhám giảm xuống còn $20,8\text{ mJ/m}^2$ ($\gamma_S^d = 20,75$, $\gamma_S^p = 0,05$), chứng minh tính kỵ nước vượt trội.
  • Khả năng loang dầu: Tốc độ loang dầu tăng dần theo thứ tự: Mẫu thô < Mẫu phủ nano < Mẫu phủ nano + tạo nhám < Mẫu phủ nano + tạo nhám + ngâm dầu Shell Helix Ultra 5W-40.
  • Đặc tính cơ học: Thử nghiệm kéo theo tiêu chuẩn ASTM D638 Type I trên máy Instron Series 6800 cho 5 mức độ rỗng (0%, 25%, 50%, 75%, 100%). Kết quả cho thấy mẫu rỗng 50% vừa đảm bảo độ bền kéo, vừa tối ưu hóa sức nổi và tiết kiệm vật liệu in.

Chương 4: Tính toán, thử nghiệm và chế tạo mô hình thu gom dầu tràn trên mặt nước (Calculation, Testing, and Manufacturing of Oil Spill Collection Model on Water Surface)

Chương 4 mô tả quá trình tính toán và hiện thực hóa kết cấu mô hình:

  • Xác định kích thước lỗ chặn nước trên thành thẳng đứng và thành nghiêng qua mô hình thực nghiệm với các giá trị chiều cao mực nước $l$.
  • Tính toán thể tích phần chìm, lực đẩy Archimedes và kiểm tra độ ổn định nổi của thuyền khi rỗng và khi chứa đầy lượng dầu tối đa 100 mL.
  • Thiết kế hệ thống gân trợ lực (ribs) bên trong thân thuyền trên phần mềm Autodesk Inventor và xuất file STL sang phần mềm Simplify3D để lập trình đường in.

Chương 5: Ứng dụng mô hình thu gom dầu trên mặt nước (Application of Oil Collecting Model on Water Surface)

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả thử nghiệm thực tế của thiết bị:

  • Kiểm tra độ kín nước và khả năng tự nổi của thuyền trên mặt nước ngọt và nước biển.
  • Đánh giá ảnh hưởng của các kích thước lỗ rãnh khác nhau ($l = 3, 4, 5\text{ mm}$) đến lưu lượng và thời gian thu gom dầu.
  • Khảo sát quá trình thu gom 3 loại dầu có độ nhớt tăng dần (DO 0.05S, VPO-46, Shell 5W-40) từ mốc 20 mL đến 95 mL trong điều kiện nước tĩnh có phao quây dầu.
  • Thử nghiệm mô hình trên môi trường nước biển tĩnh và nước biển gợn sóng nhân tạo (sử dụng máy tạo sóng Sobo), ghi nhận khả năng ngăn nước xâm nhập vào khoang chứa trong khi vẫn duy trì hút dầu loang hiệu quả.

Chương 6: Kết quả và hướng phát triển của đề tài (Results and Development Directions of the Topic)

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được về mặt công nghệ, chế tạo và hiệu năng thu gom dầu; tiến hành so sánh đối chuẩn giữa thiết bị nghiên cứu với các thiết bị thu hồi dầu thương mại hiện nay; đồng thời đề xuất các hướng hoàn thiện về quy mô kích thước và tự động hóa cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Dữ liệu thực nghiệm chính

Bảng tổng hợp các thông số đặc tính bề mặt của vật liệu ABS qua các giai đoạn xử lý:

Trạng thái mẫu bề mặt ABS Góc tiếp xúc với Nước ($\theta_{water}$) Góc tiếp xúc Hexadecane ($\theta_{C16H34}$) Thành phần phân tán $\gamma_S^d$ ($\text{mJ/m}^2$) Thành phần cực tính $\gamma_S^p$ ($\text{mJ/m}^2$) Năng lượng tự do bề mặt $\gamma_S$ ($\text{mJ/m}^2$)
Mẫu in 3D thô ban đầu $73,57^\circ \pm 1,55^\circ$ $47,75^\circ$ 18,42 13,93 32,35
Mẫu phủ Nano Ceramic 9H $94,37^\circ \pm 0,89^\circ$ — — — —
Mẫu phủ Nano + Tạo nhám $114,52^\circ \pm 0,90^\circ$ $39,23^\circ$ 20,75 0,05 20,80

Bảng tổng hợp đặc tính cơ tính và kiểm thử ứng dụng thu gom dầu:

Hạng mục thông số Giá trị xác lập trong nghiên cứu
Tiêu chuẩn mẫu kéo cơ học ASTM D638 Type I (chiều dài tổng thể $\ge 195\text{ mm}$, chiều dài phần song song $57\text{ mm}$)
Tỷ lệ rỗng thân thuyền tối ưu 50% thể tích rỗng (kết cấu gân ribs)
Kích thước bao mô hình thuyền $130 \times 100 \times 40\text{ mm}^3$
Kích thước lỗ thu gom (slot pores) Chiều dài $l = 3, 4, 5\text{ mm}$, biên dạng cung tròn bán kính $R$
Dung tích chứa dầu của thuyền Lên đến $100\text{ mL}$ dầu thu gom
Dải độ nhớt dầu thu gom thành công Từ $2,5\text{ cSt}$ (Dầu DO 0.05S) đến $85,0\text{ cSt}$ (Dầu Shell SCOOTER 5W-40)
Môi trường hoạt động kiểm chứng Nước ngọt tĩnh, nước biển tĩnh, nước biển gợn sóng nhân tạo

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Chế tạo thành công thiết bị thu gom dầu tràn bằng công nghệ in 3D FDM từ nhựa ABS thương mại với chi phí thấp và quy trình chế tạo nhanh chóng.
  • Đề xuất và chứng minh tính hiệu quả của quy trình biến tính bề mặt kết hợp ba yếu tố: phủ màng nano ceramic Mr.fix 9H, tạo nhám cơ học cục bộ và ngâm bão hòa dầu, giúp chuyển hóa bề mặt nhựa ABS từ ưa nước ($\theta = 73,57^\circ$) sang kỵ nước/ưa dầu cao ($\theta = 114,52^\circ$, năng lượng bề mặt giảm về $20,8\text{ mJ/m}^2$).
  • Khắc phục nhược điểm của các thiết bị màng lọc/khe lỗ milimet trước đây bằng việc tích hợp khoang chứa dầu 100 mL ngay trên thân thuyền rỗng 50%, cho phép thiết bị tự vận hành thu gom lượng dầu tràn định mức mà không cần hệ thống ống nối và bơm hút duy trì liên tục trong suốt quá trình hút dầu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung thực hiện trong văn bản đồ án, các hạn chế và hướng mở rộng được xác định như sau:

  • Hạn chế:
    • Thiết bị mới dừng lại ở mô hình thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm ($130 \times 100 \times 40\text{ mm}^3$) với dung tích chứa giới hạn ở mức 100 mL.
    • Các thử nghiệm độ nhớt tập trung vào dải từ 2,5 cSt đến 85,0 cSt; chưa kiểm chứng thực nghiệm trên các loại dầu thô hoặc dầu siêu nặng có độ nhớt cực cao (trên 2000 cSt).
    • Độ bền cơ hóa của lớp phủ nano ceramic và cấu trúc nhám chưa được khảo sát trong điều kiện mài mòn thời tiết biển dài hạn (bão cát, bức xạ tia cực tím UV kéo dài).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng kích thước hình học của thiết bị lên quy mô công nghiệp để phục vụ ứng cứu sự cố tràn dầu thực địa trên sông biển.
    • Tích hợp thêm cảm biến đo mức dầu tự động và cơ chế bơm xả tự hành khi khoang chứa đạt dung tích tối đa.
    • Nghiên cứu tăng cường độ bền liên kết của màng phủ kỵ nước trước tác động của sóng biển cấp cao và dòng chảy xiết.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

  • Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí & Chế tạo máy: Tham khảo quy trình thiết kế sản phẩm in 3D FDM có kết cấu rỗng chịu lực, quy trình lập trình cắt lớp trên phần mềm Simplify3D và thử nghiệm cơ tính theo tiêu chuẩn ASTM D638 trên máy Instron.
  • Kỹ thuật Môi trường & Xử lý chất thải: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về cơ chế phân tách dầu-nước qua lỗ vĩ mô (macroscopic openings), phương pháp thu gom dầu tràn không dùng hóa chất độc hại.
  • Khoa học Vật liệu: Tham khảo phương pháp tính toán năng lượng tự do bề mặt Owens-Wendt, kỹ thuật đo góc tiếp xúc chất lỏng và giải pháp biến tính bề mặt polymer kỵ nước - ưa dầu bằng màng phủ nano ceramic kết hợp tạo nhám.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mẫu in 3D bằng nhựa ABS ban đầu không thể dùng ngay để thu gom tách dầu tràn?

Mẫu nhựa ABS sau khi in 3D có góc tiếp xúc với nước đo được là $73,57^\circ \pm 1,55^\circ$ (< 90°), mang đặc tính ưa nước (hydrophilic) và có năng lượng tự do bề mặt cao ($32,35\text{ mJ/m}^2$). Do đó, nước sẽ dễ dàng thấm ướt và chảy qua các lỗ rãnh vào trong thuyền thay vì bị ngăn chặn lại.

2. Quy trình biến tính bề mặt trên vật liệu ABS trong đề tài gồm những bước nào?

Quy trình gồm 3 bước: (1) Làm sạch bề mặt chi tiết in 3D; (2) Phủ 3 lớp dung dịch Nano Ceramic Mr.fix Premium Coating 9H (mỗi lớp cách nhau 60 phút) và dùng chổi chải tạo nhám cơ học ở lớp thứ 3 sau khi quét 20–30 phút; (3) Ngâm mẫu vào dầu nhờn Shell Helix Ultra 5W-40 trong 60 phút để tăng tính bão hòa ưa dầu.

3. Cơ chế vật lý nào giúp các lỗ milimet trên thành thuyền ngăn được nước nhưng cho dầu chảy qua?

Khi nước tiếp xúc với lỗ khe rãnh có bề mặt kỵ nước ($\theta = 114,52^\circ$), sức căng bề mặt lớn của nước kết hợp với bán kính cong tại miệng lỗ tạo ra áp suất Laplace ($\Delta p_L = 2\gamma/R$) cân bằng với áp suất thủy tĩnh của cột nước ($F_{wp} = \rho_w g h$), ngăn không cho nước chảy qua. Ngược lại, dầu có sức căng bề mặt rất nhỏ, lực mặt khum không đủ cân bằng áp suất cột dầu nên dầu dễ dàng chảy lọt qua lỗ vào khoang chứa.

4. Tại sao nhóm nghiên cứu lại lựa chọn tỷ lệ thân thuyền rỗng 50%?

Kết quả kiểm thử kéo nén cơ học trên máy Instron Series 6800 cho thấy cấu trúc gân rỗng 50% đảm bảo sự cân bằng tối ưu: giữ được độ bền kéo và độ cứng vững kết cấu cần thiết của thân thuyền, đồng thời giảm đáng kể trọng lượng để thuyền có mớn nước nổi tự do phù hợp và tiết kiệm vật liệu in 3D.

5. Thiết bị đã được thử nghiệm thực tế với các loại dầu nào và trong điều kiện nào?

Thiết bị đã thu gom thành công 3 loại dầu: Diesel DO 0.05S (độ nhớt 2,5 cSt), dầu khoáng chân không VPO-46 (độ nhớt 46 cSt) và dầu tổng hợp Shell Advance 4T Scooter 5W-40 (độ nhớt 85 cSt). Các thử nghiệm được thực hiện trên cả bề mặt nước ngọt sinh hoạt, nước biển tĩnh và nước biển gợn sóng nhân tạo.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình thiết bị thu gom dầu tràn trên mặt nước bằng vật liệu nhựa ABS thông qua công nghệ in 3D FDM. Bằng việc kết hợp lớp phủ nano ceramic 9H, tạo nhám cơ học và ngâm dầu, nhóm tác giả đã nâng góc tiếp xúc kỵ nước của bề mặt ABS lên $114,52^\circ$, giúp các lỗ rãnh milimet ngăn chặn dòng nước hoàn toàn và thu hồi hiệu quả các loại dầu có độ nhớt từ 2,5 cSt đến 85 cSt. Thiết kế thân rỗng 50% tích hợp khoang chứa 100 mL cho phép thuyền tự nổi ổn định trên môi trường nước biển tĩnh lẫn nước gợn sóng mà không cần duy trì bơm hút liên tục, mở ra giải pháp khả thi cho việc nghiên cứu phát triển các thiết bị ứng phó sự cố tràn dầu quy mô lớn hơn.