Nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng vật liệu aerogel từ phụ phẩm nông nghiệp trong xử lý nước thải

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật hóa học synthesis and application of aerogel composites from agricultural byproducts in, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Vu Van Phu
• Người hướng dẫn: Assoc. Le Thi Kim Phung
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Synthesis and Application of Aerogel Composites from Agricultural Byproducts for Wastewater Treatment
• Loại tài liệu: master thesis
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT TIẾNG ANH (ABSTRACT)
• TÓM TẮT TIẾNG VIỆT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.2. Bố cục luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Aerogel và composite aerogel
• 2.2. Composite cellulose aerogel
• 2.2.1. Sợi lá dứa
• 2.2.2. Sợi bông phế thải
• 2.3. Composite aerogel gốc silica
• 2.3.1. Composite chitosan-silica aerogel
• 2.4. Phương pháp tổng hợp aerogel
• 2.4.1. Tổng hợp composite cellulose aerogel
• 2.4.2. Tổng hợp composite aerogel gốc silica
• 2.5. Ứng dụng của aerogel trong xử lý nước thải
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Composite cellulose aerogel
• 3.1.1. Hóa chất và nguyên liệu
• 3.1.2. Tổng hợp composite aerogel PF/CF
• 3.1.3. Nghiên cứu khả năng tách dầu của composite aerogel PF/CF kỵ nước
• 3.1.4. Nghiên cứu khả năng xử lý MB của composite aerogel PF/CF
• 3.2. Composite aerogel gốc silica
• 3.2.1. Hóa chất và nguyên liệu
• 3.2.2. Tổng hợp silica aerogel
• 3.2.3. Tổng hợp composite chitosan-silica aerogel
• 3.2.4. Nghiên cứu khả năng xử lý phẩm nhuộm cation MB của vật liệu xốp gốc silica
• 3.3. Khối lượng riêng và độ xốp
• 3.4. Phân tích hình thái bề mặt
• 3.5. Phân tích diện tích bề mặt riêng và lỗ xốp
• 3.6. Phân tích độ bền cơ học
• 3.7. Phân tích phổ hồng ngoại
• 3.8. Phân tích độ dẫn nhiệt
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Composite cellulose aerogel
• 4.1.1. Đặc tính của composite aerogel PF/CF
• 4.1.2. Khả năng xử lý phẩm nhuộm của composite aerogel PF/CF
• 4.1.3. Khả năng hấp phụ dầu của composite aerogel PF/CF phủ MTMS
• 4.2. Composite aerogel gốc silica
• 4.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit đến quá trình gel hóa của silica aerogel từ tro trấu
• 4.2.2. Đặc tính của silica aerogel và composite chitosan/silica aerogel
• 4.2.3. Khả năng hấp phụ phẩm nhuộm của composite chitosan-silica aerogel
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Khuyến nghị nghiên cứu trong tương lai
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về tổng hợp và ứng dụng aerogel từ phụ phẩm nông nghiệp

Nhu cầu xử lý nước thải ngày càng tăng cao, đặc biệt là trong bối cảnh ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng aerogel composites từ phụ phẩm nông nghiệp không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra các vật liệu có giá trị. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và ứng dụng các loại aerogel trong xử lý nước thải, nhằm cải thiện hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm.

1.1. Tại sao chọn phụ phẩm nông nghiệp cho tổng hợp aerogel

Phụ phẩm nông nghiệp như sợi lá dứa và sợi cotton có sẵn với số lượng lớn và có khả năng tái chế cao. Việc sử dụng chúng để sản xuất aerogel composites không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu tác động môi trường.

1.2. Lợi ích của aerogel trong xử lý nước thải

Aerogel có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm trong nước. Chúng có thể loại bỏ hiệu quả các chất độc hại như phẩm màu và dầu mỡ, góp phần bảo vệ môi trường.

II. Thách thức trong việc xử lý nước thải hiện nay

Xử lý nước thải đang đối mặt với nhiều thách thức lớn, bao gồm chi phí cao và hiệu quả thấp của các phương pháp truyền thống. Các chất ô nhiễm như phẩm màu và dầu mỡ thường khó phân hủy và gây hại cho hệ sinh thái. Việc tìm kiếm các giải pháp mới, hiệu quả và bền vững là rất cần thiết.

2.1. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống

Các phương pháp như lọc, oxy hóa và phân hủy vi sinh thường tốn kém và không hiệu quả trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm khó phân hủy. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các công nghệ mới.

2.2. Tác động của ô nhiễm nước đến sức khỏe con người

Ô nhiễm nước gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, từ bệnh tật đến tử vong. Các chất độc hại trong nước có thể gây ra các bệnh về da, tiêu hóa và thậm chí là ung thư.

III. Phương pháp tổng hợp aerogel từ phụ phẩm nông nghiệp

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp sol-gel để tổng hợp aerogel composites từ sợi lá dứa và sợi cotton. Quá trình này bao gồm các bước như gel hóa, sấy thăng hoa và biến đổi bề mặt, nhằm tạo ra các vật liệu có khả năng hấp phụ cao.

3.1. Quy trình tổng hợp cellulose aerogel

Cellulose aerogel được tổng hợp từ sợi lá dứa và sợi cotton thông qua dung dịch kiềm-urê. Quá trình này giúp tạo ra cấu trúc xốp và tăng cường khả năng hấp phụ của vật liệu.

3.2. Quy trình tổng hợp silica aerogel

Silica aerogel được chiết xuất từ tro trấu và chitosan từ tôm, sau đó trải qua các bước gel hóa và làm khô. Phương pháp này giúp tạo ra vật liệu có tính chất hấp phụ tốt cho xử lý nước thải.

IV. Ứng dụng thực tiễn của aerogel composites trong xử lý nước thải

Các aerogel composites đã được thử nghiệm trong việc loại bỏ phẩm màu và dầu mỡ trong nước thải. Kết quả cho thấy chúng có khả năng hấp phụ cao, góp phần cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường.

4.1. Hiệu quả hấp phụ của cellulose aerogel

Cellulose aerogel cho thấy khả năng hấp phụ tối đa đối với phẩm màu methylene blue lên đến 34 mg/g, cho thấy tiềm năng lớn trong xử lý nước thải nhiễm phẩm màu.

4.2. Hiệu quả hấp phụ của silica aerogel

Silica aerogel có khả năng hấp phụ dầu mỡ lên đến 15 g/g chỉ trong vòng 20 giây, chứng tỏ tính hiệu quả trong việc xử lý nước thải nhiễm dầu.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về aerogel composites từ phụ phẩm nông nghiệp mở ra hướng đi mới trong xử lý nước thải. Việc phát triển các vật liệu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị từ chất thải nông nghiệp.

5.1. Tương lai của aerogel trong xử lý nước thải

Với những ưu điểm vượt trội, aerogel composites có thể trở thành giải pháp hiệu quả cho các vấn đề ô nhiễm nước trong tương lai, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và nâng cao hiệu quả hấp phụ của aerogel composites, đồng thời mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như lọc không khí và xử lý chất thải rắn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước đang là một trong những thách thức sinh thái nghiêm trọng nhất trên phạm vi toàn cầu, cướp đi sinh mạng của khoảng 14.000 người mỗi ngày theo các thống kê y tế quốc tế. Sự gia tăng nhanh chóng của các hoạt động công nghiệp và sự cố tràn dầu đã thải vào nguồn nước một khối lượng khổng lồ các hợp chất hữu cơ độc hại, tiêu biểu là phẩm màu tổng hợp hòa tan và dầu khoáng không tan. Các chất màu như Methylene Blue có độ bền hóa học cao, khả năng tự phân hủy sinh học kém và nguy cơ chuyển hóa thành các hợp chất amin gây ung thư, đồng thời ngăn cản quá trình quang hợp của hệ sinh thái thủy sinh.

Tại Việt Nam, ngành nông nghiệp và dệt may phát triển mạnh mẽ mang lại giá trị xuất khẩu lớn nhưng cũng để lại lượng phế phẩm khổng lồ từ 8 đến 11 triệu tấn sinh khối mỗi năm. Riêng sản lượng dứa năm 2018 đạt 654.800 tấn, ước tính cứ 1 hecta dứa sau hai vụ thu hoạch thải ra khoảng 50 tấn phụ phẩm lá dứa. Cùng với đó, ngành dệt may tiêu thụ hơn 1,5 triệu tấn bông nguyên liệu mỗi năm và thải ra lượng lớn sợi bông vụn khó tiêu hủy. Mặt khác, tro trấu từ quá trình xay xát lúa gạo chứa trên 90% silica vô định hình và vỏ tôm dồi dào polymer sinh học chitin/chitosan thường chỉ bị đốt bỏ hoặc chôn lấp, gây phát thải khí nhà kính và lãng phí tài nguyên.

Nhằm giải quyết đồng thời bài toán xử lý chất thải và làm sạch nguồn nước, đề tài nghiên cứu của học viên Vũ Văn Phú dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Lê Thị Kim Phụng tại Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM (thực hiện từ tháng 01/2022 đến tháng 12/2022) tập trung tổng hợp hai hệ vật liệu aerogel composite tiên tiến từ nguồn phụ phẩm sinh khối:

1. Aerogel composite cellulose từ sợi lá dứa và sợi bông phế thải bằng phương pháp sol-gel kết hợp sấy thăng hoa.
2. Aerogel composite silica-chitosan từ tro trấu và chitosan vỏ tôm bằng phương pháp sol-gel kết hợp sấy ở áp suất khí quyển.

Vật liệu tạo thành hướng đến mục tiêu hấp phụ hiệu quả thuốc nhuộm Methylene Blue và thu gom dầu tràn, đón đầu xu hướng thị trường aerogel toàn cầu dự kiến đạt quy mô 1.045 triệu USD vào năm 2025 với tốc độ tăng trưởng kép 10,4% mỗi năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng các lý thuyết hóa lý vật liệu và hiện tượng truyền khối bề mặt:

• Lý thuyết mạng lưới Sol-Gel và chuyển pha polymer sinh học: Quá trình sol-gel mô tả sự chuyển đổi từ hệ phân tán keo của các hạt hoặc chuỗi polymer thành mạng lưới không gian ba chiều ngậm chất lỏng (gel). Dung dịch kiềm-urê (NaOH/Urea/H2O) ở nhiệt độ thấp đóng vai trò phá vỡ liên kết hydro nội và liên phân tử trong chuỗi cellulose của sợi lá dứa và sợi bông, tạo hệ sol bền vững. Đối với hệ silica-chitosan, phản ứng thủy phân và ngưng tụ của natri silicat chiết từ tro trấu dưới xúc tác axit clohydric (HCl) tạo khung silica liên kết chéo với các mạch chitosan qua liên kết hydro và tương tác tĩnh điện giữa ion âm silanol và nhóm polycation amin.
• Lý thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich: Mô hình Langmuir giả định quá trình hấp phụ đơn lớp xảy ra trên bề mặt đồng nhất với số lượng vị trí hấp phụ xác định và không có tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ. Ngược lại, mô hình Freundlich mô tả quá trình hấp phụ đa lớp trên bề mặt dị thể không đồng nhất về năng lượng.
• Mô hình động học hấp phụ biểu kiến: Động học bậc một biểu kiến (Pseudo-first-order) và bậc hai biểu kiến (Pseudo-second-order) được ứng dụng để làm sáng tỏ cơ chế khống chế tốc độ hấp phụ, phân định giữa quá trình khuếch tán màng ngoài, khuếch tán nội lỗ xốp và hấp phụ hóa học tạo liên kết cộng hóa trị hoặc phối trí.
• Khái niệm biến tính bề mặt và hiệu ứng mao quản: Quá trình silyl hóa bề mặt bằng Methyltrimethoxysilane (MTMS) thay thế nhóm -OH ưa nước bằng nhóm mang gốc methyl kỵ nước (-Si-CH3), làm giảm sức căng bề mặt chất lỏng-khí, ngăn chặn hiện tượng sụp đổ mao quản theo hiệu ứng Knudsen trong quá trình sấy thường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế quy trình thực nghiệm đồng bộ với các bước chọn mẫu, chế tạo và phân tích đặc tính lý hóa:

• Quy mô và phương pháp chọn mẫu: Nguồn sợi lá dứa được thu nhận với hàm lượng cellulose đạt 75,2%, độ bền kéo 29,8 MPa và mô đun Young 981 MPa; sợi bông phế thải từ nhà máy dệt địa phương có hàm lượng cellulose 85,6%, chiều dài sợi 21,78 mm, độ ẩm 8,0% và hàm lượng tro thấp dưới 1,8%. Chitosan từ vỏ tôm có độ deacetyl hóa trên 75%. Ba công thức phối trộn sợi lá dứa và sợi bông (tỷ lệ khối lượng 1:1, 2:1 và 4:1) ở tổng nồng độ sợi 4% khối lượng được khảo sát song song cùng các tỷ lệ phối trộn chitosan-silica khác nhau. Mỗi thí nghiệm đo đạc được lặp lại 3 lần độc lập để thu thập dữ liệu trung bình và độ lệch chuẩn tin cậy.
• Quy trình tổng hợp và phân tích hóa lý:
  • Hệ composite cellulose: Bột sợi lá dứa (kích thước khoảng 100 µm) và sợi bông được phân tán trong dung dịch NaOH/Urea/H2O (tỷ lệ khối lượng 7:12:81), khuấy từ ở 0°C trong 15 phút, cấp đông 24 giờ rồi ủ trong ethanol ở 60°C để tạo gel. Mẫu gel sau khi rửa sạch được đông lạnh ở -50°C trong 4 giờ và sấy thăng hoa liên tục trong 50 giờ. Quá trình phủ kỵ nước được thực hiện qua kỹ thuật lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) với tiền chất MTMS.
  • Hệ composite chitosan-silica: Dung dịch silicat từ tro trấu phản ứng với chitosan dưới xúc tác HCl, trải qua giai đoạn già hóa gel, trao đổi dung môi nhiều lần bằng ethanol và n-hexane, biến tính bề mặt bằng hỗn hợp n-hexane/MTMS và làm khô ở áp suất khí quyển (APD).
• Phương pháp phân tích công cụ: Hình thái cấu trúc xốp được quan sát qua kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM Hitachi S-4800. Diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp được đo bằng phương pháp hấp phụ-khử hấp phụ N2 theo tiêu chuẩn BET/IUPAC. Các liên kết chức năng được xác định qua quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR). Độ bền nén cơ học đo trên máy Zwick Roell Z010, độ dẫn nhiệt đo bằng thiết bị HFM-100 và độ ổn định nhiệt đánh giá qua phân tích nhiệt trọng lượng TGA. Nồng độ phẩm màu Methylene Blue được phân tích định lượng bằng quang phổ hấp thụ tử ngoại-khả kiến UV-Vis ở bước sóng cực đại 640 nm. Dung lượng hấp phụ dầu nhớt động cơ thương mại 5w30 được xác định theo thời gian từ 5 đến 50 giây bằng cân phân tích 4 chữ số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã ghi nhận nhiều kết quả vượt bậc về cấu trúc và khả năng xử lý nước ô nhiễm của hai hệ composite sinh học:

• Hiệu suất hấp phụ phẩm màu của Chitosan-Silica Aerogel: Ở nồng độ Methylene Blue ban đầu 125 mg/L, vật liệu composite chitosan-silica đạt dung lượng hấp phụ cân bằng lên tới 53,81 mg/g, cao hơn 13,24% so với mẫu silica aerogel không chứa chitosan (đạt 47,52 mg/g). Mặc dù quá trình kết hợp với chitosan làm giảm diện tích bề mặt riêng BET từ 457 m2/g xuống phạm vi 21,40 – 81,49 m2/g và độ xốp giảm từ 94,84% xuống 84,67% – 90,54%, sự xuất hiện dày đặc của các nhóm chức amin (-NH2) đã tạo ưu thế vượt trội về mặt hóa học bề mặt.
• Khả năng xử lý dầu của Cellulose Aerogel phủ MTMS: Vật liệu composite sợi lá dứa/sợi bông sau khi biến tính kỵ nước bằng MTMS thể hiện ái lực cực mạnh với dầu khoáng, đạt dung lượng hấp phụ dầu nhớt 5w30 cực đại là 15,8 g/g. Đặc biệt, quá trình thấm hút diễn ra siêu nhanh, đạt trạng thái bão hòa chỉ trong vòng 20 giây đầu tiếp xúc.
• Hiệu quả loại bỏ màu của Cellulose Aerogel nguyên bản: Mẫu aerogel cellulose không phủ kỵ nước có khả năng bắt giữ phẩm màu Methylene Blue nhanh chóng với dung lượng hấp phụ tối đa đạt 34,01 mg/g, dữ liệu thực nghiệm tương thích chặt chẽ với mô hình động học bậc hai biểu kiến với hệ số xác định R2 đạt trên 0,99.

Thảo luận kết quả

Cơ chế hấp phụ vượt trội của composite chitosan-silica được giải thích thông qua tương tác liên kết hydro và lực hút tĩnh điện giữa các nhóm chức tích điện dương của phân tử Methylene Blue với các tâm hoạt tính trên bề mặt aerogel. Trong dung dịch nước, các nhóm amin (-NH2) tự do và hydroxyl (-OH) của chitosan đóng vai trò là các trung tâm phối trí mạnh mẽ, giúp giữ chặt các phân tử thuốc nhuộm ngay cả khi cấu trúc xốp có diện tích bề mặt thấp hơn silica aerogel nguyên bản. Động học hấp phụ tuân theo mô hình bậc hai biểu kiến chứng minh quá trình hấp phụ bị chi phối chủ yếu bởi cơ chế hấp phụ hóa học.

Đối với hệ cellulose aerogel, sự kết hợp giữa sợi lá dứa có độ bền cơ học cao và sợi bông có hàm lượng cellulose tinh khiết giúp tạo nên mạng khung xương vững chắc, cải thiện độ bền nén lên tới hơn 5 MPa, khắc phục hoàn toàn nhược điểm giòn gãy của aerogel vô cơ. Khi biến tính với MTMS, các liên kết Si-O-Si và nhóm chức -CH3 kỵ nước bao phủ bề mặt làm tăng góc tiếp xúc của giọt nước lên trên 135°, biến vật liệu thành chất siêu kỵ nước nhưng siêu thấm dầu, ngăn nước xâm nhập vào các lỗ xốp nano và dành toàn bộ thể tích rỗng cho các phân tử dầu nhớt.

Các kết quả nghiên cứu được minh chứng rõ nét qua các đồ thị phân bố kích thước lỗ xốp BET dạng đẳng nhiệt loại IV theo chuẩn IUPAC, đồ thị đường cong kéo-nén Stress-Strain thể hiện độ đàn hồi vượt trội, cùng đồ thị đường đẳng nhiệt Langmuir Ce/qe biểu diễn theo nồng độ cân bằng Ce. Bảng so sánh cho thấy hiệu suất hấp phụ của aerogel composite sinh học này cao gấp 2 đến 3 lần so với các chất hấp phụ truyền thống như zeolite hay bọt polypropylene thương mại.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp môi trường, luận văn đưa ra 4 nhóm khuyến nghị hành động cụ thể:

• Tối ưu hóa quy trình tiền xử lý sinh khối và nhân rộng mô hình bán công nghiệp: Các doanh nghiệp sản xuất nông nghiệp và chế biến thủy sản cần phối hợp với các trung tâm nghiên cứu hóa học vật liệu thiết lập dây chuyền nghiền sợi dứa và chiết tách natri silicat từ tro trấu quy mô 50 - 100 kg/mẻ trong giai đoạn 2024 - 2025, hướng tới giảm 35% chi phí nguyên liệu thô so với việc sử dụng hóa chất thương phẩm tinh khiết.
• Ứng dụng công nghệ sấy áp suất thường (APD) tiết kiệm năng lượng: Các nhà máy sản xuất vật liệu lọc cần triển khai quy trình sấy thường kết hợp biến tính bề mặt bằng MTMS trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, giúp cắt giảm hơn 60% mức tiêu thụ điện năng so với công nghệ sấy thăng hoa hoặc sấy siêu tới hạn, đồng thời duy trì độ nguyên khối của vật liệu không bị nứt vỡ.
• Thiết kế mô-đun lọc liên tục cho hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm và dầu mỡ: Các khu công nghiệp dệt may và chế biến thực phẩm nên ứng dụng vật liệu composite aerogel dạng hạt hoặc dạng tấm vào tháp hấp phụ cố định (Fixed-bed column), đặt mục tiêu xử lý đạt hiệu suất khử màu Methylene Blue trên 95% và hàm lượng dầu dư dưới 5 mg/L với công suất thử nghiệm 20 - 50 m3/ngày đêm từ năm 2025.
• Xây dựng cơ chế chính sách kinh tế tuần hoàn và tiêu chuẩn kỹ thuật xanh: Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Bộ Công Thương cần ban hành bộ tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về vật liệu lọc sinh thái từ phụ phẩm nông nghiệp trước năm 2026, kèm theo các chính sách ưu đãi tín dụng xanh và giảm thuế môi trường cho doanh nghiệp tái chế rơm rạ, tro trấu và vỏ tôm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung toàn diện và tính ứng dụng cao của luận văn là nguồn tài liệu quý giá cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Các nhà nghiên cứu, giảng viên và sinh viên sau đại học: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Vật liệu, Khoa học Môi trường và Công nghệ Sinh học; tiếp cận sâu quy trình công nghệ sol-gel, kỹ thuật sấy thăng hoa, sấy APD và các mô hình toán học giải thích động học hấp phụ.
• Kỹ sư môi trường và chuyên gia vận hành trạm xử lý nước thải: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm để tính toán, thiết kế và tối ưu hóa các công trình xử lý nước thải chứa phẩm màu cation khó phân hủy hoặc xử lý sơ bộ dòng thải nhiễm dầu mỡ công nghiệp.
• Doanh nghiệp nông sản, chế biến dứa, xay xát lúa gạo và chế biến thủy sản: Nắm bắt quy trình công nghệ gia tăng giá trị chuỗi cung ứng, thương mại hóa phụ phẩm tro trấu, bã lá dứa và vỏ tôm thành vật liệu sinh thái có giá trị gia tăng cao.
• Các đơn vị ứng phó sự cố môi trường và cứu hộ tràn dầu: Tìm kiếm các giải pháp chế tạo phao quây, màng lọc và túi hấp phụ dầu siêu nhẹ, kỵ nước với tốc độ hấp phụ tức thì để ứng cứu tại các cảng biển và kho chứa xăng dầu.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc kết hợp chitosan với silica tro trấu lại nâng cao dung lượng hấp phụ Methylene Blue dù diện tích bề mặt riêng bị giảm?
Sự hiện diện của chitosan cung cấp mật độ dồi dào các nhóm amin (-NH2) và hydroxyl (-OH), tạo lực hút tĩnh điện mạnh và liên kết hydro trực tiếp với cation Methylene Blue. Mặc dù diện tích bề mặt BET giảm từ 457 m2/g xuống 21,40 – 81,49 m2/g do chuỗi polymer chèn vào các khoảng trống, tương tác hóa học vượt trội này đã bù đắp hoàn toàn, giúp dung lượng hấp phụ đạt 53,81 mg/g, cao hơn 13,24% so với silica tinh khiết.

Phương pháp sấy ở áp suất khí quyển (APD) có lợi ích kinh tế và kỹ thuật gì nổi bật?
Sấy APD giúp loại bỏ sự phụ thuộc vào các thiết bị sấy siêu tới hạn (SCD) áp suất cao đắt đỏ và tiềm ẩn rủi ro cháy nổ. Nhờ quy trình trao đổi dung môi qua n-hexane/ethanol kết hợp biến tính bề mặt bằng MTMS, sức căng bề mặt mao quản được triệt tiêu, hạn chế tối đa sự co ngót và nứt vỡ cấu trúc gel, duy trì độ xốp vật liệu đạt từ 84,67% đến 90,54%.

Vật liệu cellulose aerogel phủ MTMS có tốc độ xử lý sự cố tràn dầu nhanh như thế nào?
Sau khi được biến tính hóa hơi với MTMS, góc tiếp xúc của giọt nước trên bề mặt aerogel vượt mức 135°, tạo ra tính kỵ nước tuyệt đối. Trong các thử nghiệm thực tế với dầu nhớt động cơ 5w30, vật liệu đạt dung lượng hấp phụ dầu bão hòa lên tới 15,8 g/g chỉ trong vòng 20 giây đầu tiên ngâm trong dung dịch.

Hệ dung môi NaOH/Urea đóng vai trò gì trong việc tổng hợp aerogel từ sợi lá dứa và sợi bông?
Dung dịch NaOH/Urea/H2O (tỷ lệ 7:12:81) ở nhiệt độ 0°C tạo phức hydrat hóa thâm nhập sâu vào sợi cellulose, phá vỡ mạng lưới liên kết hydro bền vững mà không phá hủy mạch phân tử. Urea đóng vai trò bao bọc ngăn chặn chuỗi polymer tái liên kết, tạo thành hệ dung dịch sol đồng nhất 4% khối lượng trước khi chuyển pha tạo gel bền vững.

Vật liệu composite aerogel này có khả năng tái sử dụng và độ bền cơ học ra sao?
Khung sợi cellulose từ lá dứa có độ bền kéo tự nhiên lên tới 29,8 MPa giúp vật liệu duy trì hình thái nguyên khối ổn định trong môi trường nước mà không bị rã nát. Sau khi hấp phụ phẩm màu hoặc dầu nhờt, vật liệu có thể được giải hấp hiệu quả bằng dung môi hữu cơ thích hợp và tái sử dụng qua hơn 5 chu kỳ với hiệu suất suy giảm không đáng kể.

Kết luận

• Nghiên cứu đã chế tạo thành công hai hệ vật liệu aerogel composite nguyên khối từ nguồn phụ phẩm sinh khối dồi dào tại Việt Nam (sợi lá dứa, sợi bông thải, tro trấu và vỏ tôm).
• Làm chủ công nghệ sol-gel kết hợp sấy thăng hoa và sấy ở áp suất khí quyển APD, tạo ra vật liệu có độ xốp cao từ 84,67% đến 90,54% và cấu trúc mao quản nano đồng nhất.
• Khẳng định hiệu năng xử lý nước vượt trội với dung lượng hấp phụ phẩm màu Methylene Blue đạt 53,81 mg/g và dung lượng hấp phụ dầu nhớt 5w30 đạt 15,8 g/g chỉ trong 20 giây.
• Cung cấp giải pháp kinh tế tuần hoàn bền vững, biến chất thải nông-thủy sản thành sản phẩm hấp phụ môi trường giá trị cao, giảm phát thải ô nhiễm.
• Mở ra định hướng hoàn thiện dây chuyền sản xuất bán công nghiệp và thử nghiệm hệ thống lọc liên tục quy mô pilot trong giai đoạn 2024 - 2026.

Tác giả Vũ Văn Phú cùng nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM đã đóng góp một công trình khoa học có giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc. Quý độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm được khuyến khích tải toàn văn tài liệu luận văn thạc sĩ để khai thác chi tiết thông số công nghệ và thúc đẩy hợp tác ứng dụng vật liệu xanh vào thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY – HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY VU VAN PHU SYNTHESIS AND APPLICATION OF AEROGEL COMPOSITES FROM AGRICULTURAL BY-PRODUCTS IN WASTEWATER TREATMENT Major: Chemical Engineering Code: 8520301 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, January 2023 ` THIS RESEARCH WAS CONDUCTED AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VNU-HCM Supervisor: Assoc. Le Thi Kim Phung Reviewer 1: Assoc. Nguyen Truong Son Reviewer 2: Dr. Tran Phuoc Nhat Uyen The master thesis was defended at Ho Chi Minh city University of Technology, VNU-HCM, January 6, 2023 The members of the Assessment Committee including: 1.

Nguyen Thi Phuong Phong - Chairman 2. Nguyen Truong Son - Reviewer 1 2. Tran Phuoc Nhat Uyen - Reviewer 2 4. Le Thi Kim Phung - Committee 5.

Tran Tan Viet - Secretary Confirmation of the Assessment Committee Chairman and the Head of Faculty after the thesis has been corrected (if any). Assessment Committee Chairman Dean of Chemical Engineering Faculty ` Vietnam National University – HCM City SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HCMC University of Technology Independence - Freedom – Happiness MASTER THESIS MISSIONS Full Name: VU VAN PHU Student’s ID: 2070481 Date of Birth: 25/10/1998 Place of Birth: Binh Phuoc Major: Chemical Engineering Code: 8520301 I. THESIS TITLE: SYNTHESIS AND APPLICATION OF AEROGEL COMPOSITES FROM AGRICULTURAL BY-PRODUCTS IN WASTEWATER TREATMENT TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG TỔNG HỢP AIRGEL TỪ PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI II. MISSIONS AND CONTENTS:  Synthesis and investigation of physical-chemical properties of cellulose aerogel composites from pineapple leaf fibers and cotton waste fibers  Evaluation of adsorption performance for dye and oil of cellulose aerogel composites in wastewater treatment  Synthesis and investigation of physical-chemical properties of silica-based aerogel composites from rice husk ash and shrimp-based chitosan  Evaluation of adsorption performance for the dye of chitosan-silica aerogel composites in wastewater treatment III.

DATE OF ASSIGNMENT: 01/2022 IV. DATE OF COMPLETION: 12/2022 V. Le Thi Kim Phung Ho Chi Minh City, December 28, 2022. SUPERVISOR HEAD OF DEPARTMENT DEAN OF CHEMICAL ENGINEERING FACULTY i ` ACKNOWLEDGEMENTS There are no proper words to convey my deep gratitude and respect for my thesis and research advisor Assoc.

Le Thi Kim Phung. She has inspired me to become an independent researcher and helped me realize the power of critical reasoning. She also demonstrated what a brilliant and hard-working scientist can accomplish. My sincere thanks must also go to my brilliant friends who are always beside me from joyful moments to hard times, cheering me on, and celebrating each accomplishment.

I will also never forget the sleepless nights in many coffee shops and the buffet parties. I am most grateful to the collaborators for giving me many memories at RPTC. There is no way to express how much it meant to me to have been a member of RPTC. Last but not the least, I would like to express my gratitude to my family for their unfailing emotional support, unconditional trust, timely encouragement, and endless patience.

I acknowledge the support of time and facilities from Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT), VNU-HCM for this study. Ho Chi Minh City, December 2022 Vu Van Phu ii ` ABSTRACT In a world where demands for freshwater are ever-growing, wastewater remediation becomes a global concern. However, the development of innovative processes for wastewater treatment is still a major obstacle. Therefore, the utilization of agricultural byproducts as a feedstock for successfully making adsorbents not only meaningful turns waste into high-value materials but also lowers production costs.

Concerning their fast removal rate and environmental compatibility, cellulose aerogel composites and silica-based aerogel composites are recently considered potential contributors to water remediation. In this study, cellulose aerogel composites are fabricated using the sol-gel method from pineapple leaf fibers and cotton waste fibers in the alkali-urea solution followed by freeze-drying. Meanwhile gelation of silica extracted from rice husk ash and shrimp-based chitosan catalyzed by hydrochloric acid (HCl), followed by aging, solvent exchange, surface modification, and cost-effective ambient drying results in monolithic chitosan-silica aerogel composites without fragmented. The obtained chitosan-silica aerogel composites show higher equilibrium methylene blue (MB) uptake (53.81 mg/g) than those of chitosan-free silica aerogel (47.52 mg/g) at the MB concentration of 125 mg/L.

Although the aerogel composites showed both lower porosity (84.54%) and surface area (21.49 m2/g) compared with chitosan-free silica aerogel (94.84% and 457 m2/g), the presence of amine groups enhanced the adsorption efficiency of the aerogel composites. The synthesized cellulose aerogel composites are directly applied to adsorb cationic methylene blue and exhibit a maximum adsorption uptake of 34. The MTMS-coated cellulose aerogel composites also show their ability to deal with oil pollution with a maximum oil adsorption capacity of 15.g-1 within only 20 sec. Overall, our developed natural feedstock-derived aerogel composites demonstrated their great adsorption perfromance based on their ability to eliminate methylene blue, making them a potential material in dye-contaminated water treatment.

iii ` TÓM TẮT Ngày nay khi nhu cầu về việc sử dụng nước sạch ngày càng tăng thì việc xử lý nước thải trở thành mối quan tâm mang tính toàn cầu. Tuy nhiên, việc phát triển các quy trình để xử lý nước thải vẫn là một trở ngại lớn. Vì thế, việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp làm nguyên liệu để chế tạo thành công vật liệu hấp phụ không chỉ có ý nghĩa biến phế thải thành vật liệu có giá trị sử dụng cao mà còn giảm chi phí sản xuất. Vật liệu cellulose aerogel composite và vật liệu aerogel composite có nguồn gốc từ silica gần đây được coi là những ứng cử viên tiềm năng cho việc xử lý nước.

Trong nghiên cứu này, vật liệu cellulose aerogel composite được chế tạo bằng phương pháp sol-gel từ sợi lá dứa và sợi cotton thải trong dung dịch kiềm-urê sau đó được sấy thăng hoa. Trong khi đó, quá trình gel hóa silica chiết xuất từ tro trấu và chitosan từ tôm được xúc tác bởi axit clohydric (HCl), sau đó là quá trình lão hóa, trao đổi dung môi, biến đổi bề mặt và làm khô môi trường xung quanh hiệu quả về chi phí tạo ra vật liệu tổng hợp aerogel chitosan-silica nguyên khối mà không bị phân mảnh. Chitosan-silica aerogel composite thu được cho thấy lượng hấp phụ methylene blue (MB) ở trạng thái cân bằng (53,81 mg/g) cao hơn so với silica aerogel không chứa chitosan (47,52 mg/g) ở nồng độ MB là 125 mg/L. Mặc dù chitosan-silica aerogel composite cho thấy cả độ xốp (84,67 – 90,54%) và diện tích bề mặt (21,40 – 81,49 m2/g) thấp hơn so với silica aerogel không chứa chitosan (94,84% và 457 m2/g), nhưng sự có mặt của các nhóm amin đã tăng cường khả năng hấp phụ hiệu quả của vật liệu aeogel composite.

Vật liệu cellulose arogel composite được ứng dụng trực tiếp để hấp phụ methylene blue và cho thấy đương lượng hấp phụ tối đa là 34,01 g. Vật liệu cellulose arogel composite phủ MTMS cũng cho thấy khả năng xử lý nước nhiễm dầu với khả năng hấp phụ dầu tối đa là 15,8 g.g-1 chỉ trong vòng 20 giây. Nhìn chung, vật liệu aerogel composite có nguồn gốc từ nguyên liệu tự nhiên của chúng tôi đã chứng minh khả năng hấp phụ tốt dựa trên khả năng loại bỏ màu methylene blue, khiến chúng trở thành vật liệu tiềm năng trong xử lý nước bị nhiễm thuốc nhuộm. iv ` DECLARATION I hereby declare that this thesis is my original work and it has been written by me in its entirety.

I have duty acknowledged all the sources of information that have been used in the thesis. This thesis has also not been submitted for any degree in any university previously. Master student Vu Van Phu v ` CONTENT LIST OF ABBREVIATIONS. ix LIST OF FIGURES.

x LIST OF TABLES. xii CHAPTER 1 PREFACE. Research aims and Objectives. Outline of thesis.

3 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW. Aerogel and aerogel composite. Cellulose aerogel composite. Pineapple leaf fiber.

Cotton waste fiber. Silica-based aerogel composite. Chitosan-silica aerogel composite. Synthesis method of aerogel.

Synthesis of cellulose aerogel composite. Synthesis of silica-based aerogel composite. Application of aerogel in wastewater treatment. 31 CHAPTER 3 MATERIALS AND METHODS.

Cellulose aerogel composite. Chemicals and materials. Synthesis of PF/CF aerogel composites. Study on oil removal of hydrophobic PF/CF aerogel composites.

Study on MB removal of PF/CF aerogel composites. Silica-based aerogel composite. Chemicals and materials. Synthesis of silica aerogels.

Synthesis of chitosan-silica aerogel composites. Study on MB cationic dye removal of silica-based porous material. Density and porosity. Surface morphology analysis.

Specific surface area and pore analysis. Mechanical strength analysis. Infrared spectrum analysis. Thermal conductivity analysis.

47 CHAPTER 4 RESULTS AND DISCUSSIONS. Cellulose aerogel composites. Characterization of PF/CF aerogel composites. Dye removal of PF/CF aerogel composites.

Oil adsorption of the MTMS-coated PF/CF aerogel composites. Silica-based aerogel composite. Effect of acid concentration on gelation of silica aerogels from RHA. Characterization of silica aerogels and chitosan/silica aerogel composites.

Dye adsorption of chitosan-silica aerogel composite. 62 vii ` CHAPTER 5 CONCLUSION AND FUTURE WORK. Future work recommendations. 68 LIST OF PUBLICATIONS.

70 SHORT CURRICULUM VITAE. 79 viii ` LIST OF ABBREVIATIONS CFs Cotton waste fibers PFs Pineapple leaf fibers PVA Polyvinyl alcohol SEM Scanning electron microscopy BET Brunauer-Emmett-Teller TGA Thermogravimetric analysis RHA Rice husk ash MB Methylene blue IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry MTMS Methyltrimethoxysilane APD Ambient Pressure Drying SCD Supercritical drying ix ` LIST OF FIGURES Figure 1. Graphical abstract of this study. Several forms of aerogel have been produced commercially, such as (a) Clear glass from silica aerogel; (b) Polyurethane aerogel insulation sheet; (c) Silica aerogel towels; (d) Silica aerogel powder.

Raw pineapple fiber production process: (a) Pineapple field; (b) Pineapple tree; (c) Stripping of fibers from pineapple leaves; (d) Pineapple fiber. (a) Putting the pineapple leaves into the stripping machine, (b) harvesting the bundles from the stripping machine and (c) the pineapple leaves after drying. Cotton waste fiber. Cellulose aerogel from bagasse (a), wastepaper (b), and coir (c).

Extraction silica aerogel from rice husk. Silica Aerogel with blue smoke color. Process of obtaining chitosan by the deacetylation alkaline treatment of chitin from shrimp shell wastes. Chemical structure of Chitin and Chitosan.

Schematic for the chemical structure of silica-chitosan hybrid scaffolds. A Typical Phase Diagram for a Substance That Exhibits Three Phases—Solid, Liquid, and Gas. General procedure for the synthesis of cellulose aerogel. Cellulose fibers in NaOH/Urea/H2O solution.

The fiber part is not swollen (A), the part is swollen like a bubble (B). Sol-gel and gel-sol process. Crosslinking of polymer chains. Schematic representation of the formation of SiO2–chitosan–MTMS (SCM).

Phase diagram and paths of drying technique: freeze-drying (left), conventional drying (middle), and supercritical drying (right). Chemical structure of MB. The procedure of synthesis of silica aerogel. The procedure of chitosan-silica aerogel composite.

FE-SEM Hitachi S-4800. IUPAC adsorption-desorption isotherms. Mechanical meter Zwick Roell Z010. Fourier transform infrared spectrometer (MIR/NIR Frontier).

Thermal conductivity meter HFM-100. SEM images of aerogel composites with PF/CF ratios (a) 4:1; (b) 2:1; (c) 1:1. FTIR spectra of PF/CF aerogel composites. Stress-strain (a) and TGA curves (b) of PF/CF aerogel composites with different fiber ratios.

Thermal conductivity of PF/CF aerogel composites with different fiber ratios. (a) MB adsorption kinetics of PF/CF aerogel composite with different ratios (b) Effect of contact time on MB absorption by PF/CF aerogel composite. (a) Adsorption isothermal of PF/CF aerogel composite (b) Effect of initial concentration of MB on absorption by PF/CF aerogel composite .