Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do rác thải công nghiệp và sinh hoạt đang là vấn đề cấp bách toàn cầu, trong đó ngành công nghiệp thuốc lá đóng góp một lượng lớn phế phẩm cellulose acetate (CA) chưa được tái chế hiệu quả. Theo ước tính, Việt Nam hiện có khoảng 2.586 triệu bao thuốc lá sản xuất mỗi năm, tạo ra một khối lượng lớn sợi cellulose acetate từ phế phẩm ngành thuốc lá, đặc biệt là sợi Tow. Việc xử lý và tái chế loại phế phẩm này không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu giá trị cho các sản phẩm thân thiện môi trường.

Luận văn tập trung vào việc tổng hợp vật liệu cellulose acetate aerogel từ phế phẩm ngành thuốc lá, nhằm khai thác tiềm năng tái chế và ứng dụng trong cách nhiệt thân thiện môi trường và xử lý dầu tràn. Mục tiêu cụ thể gồm: (1) tổng hợp thành công vật liệu aerogel từ sợi cellulose acetate; (2) khảo sát các tính chất lý hóa của vật liệu; (3) đánh giá khả năng ứng dụng trong cách nhiệt và hấp phụ dầu. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Lạc Hóa Dầu và Phòng Thí nghiệm Cơ bản Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, trong giai đoạn từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu aerogel cellulose acetate có độ xốp cao (95,22% - 98,39%), khối lượng riêng thấp (0,020 ± 0,061 g/cm³), khả năng cách nhiệt tốt với hệ số dẫn nhiệt thấp (0,034 ± 0,042 W.K⁻¹), đồng thời có tính linh hoạt và khả năng hấp phụ dầu lên đến 26,21 g/g. Những chỉ số này cho thấy vật liệu có tiềm năng thay thế các vật liệu cách nhiệt truyền thống và ứng dụng trong xử lý môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm từ phế phẩm thuốc lá.

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 sol-gel: Quá trình tạo gel từ dung dịch sol, trong đó các phân tử polymer liên kết ngang tạo thành mạng lưới ba chiều, là nền tảng cho việc tổng hợp aerogel cellulose acetate. Quá trình này bao gồm tạo dung dịch, gel hóa và làm khô dung môi để giữ cấu trúc xốp.

  • Mô hình cấu trúc aerogel: Aerogel là vật liệu siêu nhẹ, có độ xốp cao (>95%), với cấu trúc mạng lưới ba chiều chứa nhiều lỗ khí kích thước nano đến meso (2-50 nm). Cấu trúc này quyết định các tính chất vật lý như khối lượng riêng, diện tích bề mặt riêng và khả năng cách nhiệt.

  • Khái niệm liên kết ngang hóa học: Sử dụng polyvinyl alcohol (PVA) làm chất liên kết ngang giúp tăng cường độ bền cơ học và ổn định cấu trúc aerogel. Methyltrimethoxysilane (MTMS) được dùng để phủ bề mặt, cải thiện tính chất thủy kỵ và khả năng hấp phụ dầu.

  • Tính chất vật liệu cellulose acetate: Cellulose acetate là polymer ester hóa cellulose, có tính sinh học phân hủy, độ tan và nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào mức độ thay thế acetyl (DS). Sợi cellulose acetate từ phế phẩm thuốc lá có cấu trúc đặc trưng, phù hợp làm nguyên liệu tổng hợp aerogel.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là sợi cellulose acetate thu hồi từ phế phẩm ngành thuốc lá tại Việt Nam và sợi cotton phế phẩm từ ngành dệt may. Các hóa chất gồm polyvinyl alcohol (PVA), ethanol, methyltrimethoxysilane (MTMS) và dung môi ion deionized water.

  • Quy trình tổng hợp: Sợi cellulose acetate được làm sạch, xay nhuyễn và phân tán trong dung dịch PVA với nồng độ thay đổi từ 1% đến 5% (w/v). Hỗn hợp được siêu âm, gia nhiệt, sau đó đông lạnh ở -18°C để tạo gel. Gel được làm khô bằng phương pháp đông khô chân không trong 48 giờ để giữ cấu trúc xốp.

  • Phân tích và khảo sát:

    • Cấu trúc vật liệu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
    • Cấu trúc hóa học được xác định bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).
    • Khối lượng riêng và diện tích bề mặt riêng được đo bằng công thức và thiết bị chuyên dụng.
    • Tính chất nhiệt được phân tích bằng phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).
    • Khả năng cách nhiệt được đo bằng cảm biến nhiệt MTPS.
    • Độ bền cơ học được kiểm tra bằng máy đo lực nén Instron.
    • Khả năng hấp phụ dầu được đánh giá qua trọng lượng dầu hấp thụ trên gram aerogel.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Tháng 8-9/2019: Chuẩn bị nguyên liệu, làm sạch và xay nhuyễn sợi cellulose acetate.
    • Tháng 9-10/2019: Tổng hợp gel và aerogel với các nồng độ PVA khác nhau.
    • Tháng 10-11/2019: Phân tích cấu trúc, tính chất vật lý và hóa học.
    • Tháng 11-12/2019: Đánh giá ứng dụng, hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp thành công vật liệu aerogel cellulose acetate
    Aerogel được tổng hợp với độ xốp rất cao từ 95,22% đến 98,39%, khối lượng riêng rất thấp trong khoảng 0,020 ± 0,061 g/cm³. Nồng độ sợi cellulose acetate trong gel ảnh hưởng rõ rệt đến cấu trúc và tính chất vật liệu. Ví dụ, aerogel với nồng độ 1% có khối lượng riêng thấp nhất, trong khi tăng nồng độ lên 5% làm tăng khối lượng riêng và giảm độ xốp.

  2. Tính chất cách nhiệt vượt trội
    Hệ số dẫn nhiệt của aerogel dao động trong khoảng 0,034 ± 0,042 W.K⁻¹, thấp hơn nhiều so với vật liệu cách nhiệt truyền thống. Điều này được giải thích bởi cấu trúc xốp nano giúp giảm truyền nhiệt qua vật liệu. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu về aerogel silica và cellulose aerogel trên thế giới.

  3. Tính linh hoạt và độ bền cơ học
    Aerogel thể hiện mô đun Young thấp khoảng 3,41 kPa, cho thấy vật liệu có tính linh hoạt cao, dễ dàng uốn cong mà không bị gãy. Việc bổ sung sợi cotton vào hỗn hợp aerogel làm tăng độ bền cơ học và cải thiện cấu trúc xốp, đồng thời giảm khối lượng riêng nhẹ nhàng.

  4. Khả năng hấp phụ dầu ấn tượng
    Aerogel cellulose acetate có khả năng hấp phụ dầu lên đến 26,21 g/g, với tốc độ hấp phụ nhanh chỉ trong 30 giây để đạt trạng thái cân bằng. Việc thêm sợi cotton cũng làm tăng khả năng hấp phụ dầu, giúp vật liệu có thể ứng dụng hiệu quả trong xử lý sự cố tràn dầu trên biển.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy vật liệu aerogel cellulose acetate tổng hợp từ phế phẩm thuốc lá có cấu trúc xốp siêu nhẹ, khả năng cách nhiệt và hấp phụ dầu vượt trội. Cấu trúc mạng lưới gel được củng cố bởi liên kết ngang hóa học với PVA, giúp tăng cường độ bền và tính linh hoạt. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng dung môi độc hại hoặc chất liên kết khác, phương pháp sử dụng nước ion deionized và PVA thân thiện môi trường, chi phí thấp, phù hợp với quy mô sản xuất công nghiệp.

Việc bổ sung sợi cotton không chỉ tận dụng thêm phế phẩm ngành dệt may mà còn cải thiện các tính chất vật liệu, mở rộng phạm vi ứng dụng. Các biểu đồ SEM minh họa rõ sự phân bố sợi và cấu trúc xốp, trong khi biểu đồ TGA cho thấy vật liệu ổn định nhiệt đến khoảng 300°C, phù hợp với các ứng dụng cách nhiệt trong xây dựng và công nghiệp.

Kết quả này đồng nhất với các nghiên cứu quốc tế về aerogel cellulose acetate, đồng thời khẳng định tiềm năng phát triển vật liệu cách nhiệt thân thiện môi trường và vật liệu hấp phụ dầu từ nguồn nguyên liệu tái chế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô sản xuất aerogel cellulose acetate
    Áp dụng quy trình tổng hợp sử dụng PVA và phương pháp đông khô chân không để sản xuất aerogel quy mô pilot trong vòng 12 tháng, do các doanh nghiệp công nghiệp hóa chất và vật liệu thực hiện nhằm cung cấp vật liệu cách nhiệt thân thiện môi trường.

  2. Phát triển vật liệu composite aerogel cellulose acetate - cotton
    Nghiên cứu tối ưu tỷ lệ pha trộn cellulose acetate và cotton để nâng cao độ bền cơ học và khả năng hấp phụ dầu, hướng tới ứng dụng trong xử lý sự cố tràn dầu biển, với mục tiêu tăng khả năng hấp phụ dầu lên trên 30 g/g trong 6 tháng.

  3. Ứng dụng aerogel trong cách nhiệt xây dựng
    Hợp tác với các công ty xây dựng để thử nghiệm vật liệu aerogel trong các công trình thực tế, nhằm giảm tiêu hao năng lượng cho điều hòa không khí, dự kiến giảm 15-20% chi phí năng lượng trong vòng 1 năm.

  4. Nghiên cứu cải tiến tính năng bề mặt aerogel
    Sử dụng các chất phủ như MTMS để tăng tính thủy kỵ và khả năng hấp phụ dầu, đồng thời nâng cao độ bền vật liệu dưới điều kiện môi trường khắc nghiệt, thực hiện trong 9 tháng bởi các viện nghiên cứu vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu vật liệu polymer và aerogel
    Có thể ứng dụng quy trình tổng hợp và phân tích tính chất vật liệu để phát triển các loại aerogel mới từ nguyên liệu tái chế, mở rộng nghiên cứu về vật liệu thân thiện môi trường.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu cách nhiệt và xử lý môi trường
    Tận dụng nguồn nguyên liệu phế phẩm thuốc lá để sản xuất vật liệu aerogel giá thành thấp, thân thiện môi trường, phục vụ các ứng dụng cách nhiệt và xử lý dầu tràn.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách phát triển bền vững
    Tham khảo các giải pháp tái chế phế phẩm công nghiệp thuốc lá thành vật liệu có giá trị, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

  4. Ngành công nghiệp thuốc lá và dệt may
    Khai thác phế phẩm cellulose acetate và cotton phế liệu để tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng, giảm thiểu lượng rác thải công nghiệp, nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Aerogel cellulose acetate là gì và có ưu điểm gì?
    Aerogel cellulose acetate là vật liệu siêu nhẹ, có độ xốp cao (trên 95%), khả năng cách nhiệt tốt với hệ số dẫn nhiệt khoảng 0,034 W.K⁻¹, đồng thời có tính linh hoạt và khả năng hấp phụ dầu cao. Ví dụ, aerogel này có thể hấp phụ dầu lên đến 26,21 g/g trong 30 giây.

  2. Nguyên liệu chính để tổng hợp aerogel này là gì?
    Nguyên liệu chính là sợi cellulose acetate thu hồi từ phế phẩm ngành thuốc lá và sợi cotton phế phẩm từ ngành dệt may, kết hợp với polyvinyl alcohol (PVA) làm chất liên kết ngang và nước ion deionized làm dung môi xanh.

  3. Phương pháp tổng hợp aerogel được thực hiện như thế nào?
    Sợi cellulose acetate được làm sạch, xay nhuyễn, phân tán trong dung dịch PVA, siêu âm, gia nhiệt, sau đó đông lạnh tạo gel. Gel được làm khô bằng phương pháp đông khô chân không để giữ cấu trúc xốp và tính chất vật liệu.

  4. Aerogel này có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
    Aerogel cellulose acetate có thể ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt trong xây dựng, công nghiệp, và làm vật liệu hấp phụ dầu trong xử lý sự cố tràn dầu trên biển, góp phần bảo vệ môi trường.

  5. Làm thế nào để cải thiện tính chất của aerogel?
    Việc bổ sung sợi cotton vào hỗn hợp aerogel giúp tăng độ bền cơ học và khả năng hấp phụ dầu. Ngoài ra, phủ bề mặt bằng methyltrimethoxysilane (MTMS) giúp tăng tính thủy kỵ và ổn định vật liệu dưới điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công vật liệu cellulose acetate aerogel từ phế phẩm ngành thuốc lá với độ xốp cao (95,22% - 98,39%) và khối lượng riêng thấp (0,020 ± 0,061 g/cm³).
  • Vật liệu có khả năng cách nhiệt vượt trội với hệ số dẫn nhiệt thấp (0,034 ± 0,042 W.K⁻¹) và tính linh hoạt cao (mô đun Young khoảng 3,41 kPa).
  • Aerogel thể hiện khả năng hấp phụ dầu ấn tượng (lên đến 26,21 g/g) với tốc độ hấp phụ nhanh, phù hợp ứng dụng xử lý dầu tràn.
  • Việc bổ sung sợi cotton cải thiện đáng kể các tính chất vật liệu, mở rộng tiềm năng ứng dụng.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu cách nhiệt và xử lý môi trường thân thiện, sử dụng nguyên liệu tái chế từ phế phẩm công nghiệp thuốc lá.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô pilot, tối ưu hóa công thức composite, và hợp tác với doanh nghiệp ứng dụng thực tế.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng vật liệu aerogel cellulose acetate thân thiện môi trường.