Tổng Hợp Composite Aerogel Từ Lốp Xe Và Tro Thải Cho Ứng Dụng Cách Nhiệt Và Cách Âm

Khám phá composite aerogel từ lốp xe và tro thải, ứng dụng hiệu quả trong cách nhiệt và cách âm, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Lê Thị Cúc
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Trường Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Tổng Hợp Composite Aerogel Từ Lốp Xe Và Tro Thải Cho Ứng Dụng Cách Nhiệt Và Cách Âm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Ý nghĩa đề tài
• 1.3. Mục tiêu đề tài
• 1.4. Phạm vi đề tài và nội dung thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Nguồn nguyên liệu phế thải
• 2.1.1. Nguồn lốp xe thải
• 2.1.2. Tro thải từ các nhà máy nhiệt điện
• 2.2. Tổng quan về vật liệu Aerogel
• 2.3. Vật liệu composite Aerogel từ bột cao su của lốp xe thải và tro bay
• 2.3.1. Tình hình nghiên cứu
• 2.3.2. Phương pháp tổng hợp
• 2.3.3. Khả năng ứng dụng của vật liệu trong cách nhiệt và cách âm
• 2.4. Hóa chất và thiết bị
• 2.5. Dụng cụ và thiết bị
• 2.6. Quy trình tổng hợp vật liệu
• 2.6.1. Tiền xử lý nguyên liệu
• 2.6.2. Quy trình tổng hợp composite aerogel từ WTRP và tro thải
• 2.6.3. Thiết kế thí nghiệm
• 2.7. Xác định các tính chất đặc trưng của vật liệu
• 2.7.1. Khối lượng riêng và độ xốp
• 2.7.2. Độ dẫn nhiệt - Độ bền cơ học
• 2.7.3. Đo quang phổ hồng ngoại FTIR
• 2.7.4. Kính hiển vi điện tử quét SEM
• 2.7.5. Phương pháp nhiệt khối lượng TGA
• 2.7.6. Độ trở kháng âm thanh
• 2.7.7. Khả năng hấp thụ nước và dầu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Kết quả tiền xử lý bột cao su và tro thải
• 3.1.1. Tiền xử lý bột cao su thải
• 3.1.2. Tiền xử lý tro thải
• 3.2. Đặc điểm hình thái cấu trúc composite aerogel từ bột cao su thải và tro thải
• 3.3. Kết quả đo quang phổ hồng ngoại FTIR
• 3.4. Kết quả đo TGA - DTA
• 3.5. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến đặc tính của composite aerogel
• 3.5.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng tro thải và bột cao su đến đặc tính của composite aerogel
• 3.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng CMC đến đặc tính của composite aerogel
• 3.5.3. Ảnh hưởng của hàm lượng GA đến đặc tính của composite aerogel
• 3.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng đến đặc tính của composite aerogel
• 3.5.5. Ảnh hưởng của hàm lượng PVA đến đặc tính của composite aerogel
• 3.5.6. Tính chất cơ của vật liệu composite aerogel
• 3.5.7. Góc thấm ướt của composite aerogel
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Composite Aerogel Từ Lốp Xe Và Tro Thải

Composite aerogel là một loại vật liệu mới, được tổng hợp từ các nguyên liệu phế thải như lốp xe và tro thải. Vật liệu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn mang lại nhiều ứng dụng trong lĩnh vực cách nhiệt và cách âm. Việc nghiên cứu và phát triển composite aerogel từ lốp xe tái chế và tro thải từ nhà máy nhiệt điện đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghệ vật liệu.

1.1. Đặc Điểm Của Composite Aerogel

Composite aerogel có cấu trúc xốp, nhẹ và khả năng cách nhiệt, cách âm tốt. Đặc điểm này giúp vật liệu này trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong xây dựng và công nghiệp.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Việc Tái Chế Lốp Xe

Việc tái chế lốp xe không chỉ giúp giảm thiểu lượng rác thải mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu quý giá cho việc sản xuất composite aerogel, góp phần bảo vệ môi trường.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Từ Lốp Xe Và Tro Thải

Lượng lốp xe thải và tro thải từ các nhà máy nhiệt điện đang gia tăng nhanh chóng, gây ra nhiều vấn đề ô nhiễm môi trường. Việc xử lý các loại chất thải này là một thách thức lớn cho xã hội hiện đại. Nếu không có biện pháp xử lý hiệu quả, chúng sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái.

2.1. Tác Động Của Lốp Xe Thải Đến Môi Trường

Lốp xe thải chứa nhiều hóa chất độc hại, có thể gây ô nhiễm đất và nước. Việc xử lý không đúng cách sẽ dẫn đến những hệ lụy nghiêm trọng cho môi trường.

2.2. Vấn Đề Ô Nhiễm Từ Tro Thải

Tro thải từ nhà máy nhiệt điện chứa nhiều kim loại nặng và chất độc hại, gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường sống.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Composite Aerogel Từ Lốp Xe Và Tro Thải

Quy trình tổng hợp composite aerogel từ lốp xe và tro thải được thực hiện qua nhiều bước, bao gồm xử lý nguyên liệu, tạo gel và sấy khô. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn thân thiện với môi trường, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái.

3.1. Quy Trình Xử Lý Nguyên Liệu

Nguyên liệu từ lốp xe và tro thải được xử lý bằng các hóa chất an toàn, giúp loại bỏ tạp chất và tạo điều kiện cho quá trình tổng hợp diễn ra hiệu quả.

3.2. Phương Pháp Sol Gel Trong Tổng Hợp

Phương pháp sol-gel được sử dụng để tạo ra cấu trúc xốp cho composite aerogel, giúp tăng cường tính chất cách nhiệt và cách âm của vật liệu.

IV. Ứng Dụng Của Composite Aerogel Trong Cách Nhiệt Và Cách Âm

Composite aerogel có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực cách nhiệt và cách âm. Với tính năng vượt trội, vật liệu này hứa hẹn sẽ trở thành giải pháp hiệu quả cho các công trình xây dựng và công nghiệp.

4.1. Ứng Dụng Trong Xây Dựng

Composite aerogel có thể được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt cho các tòa nhà, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

4.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, composite aerogel có thể được sử dụng để cách âm cho các thiết bị máy móc, giảm tiếng ồn và cải thiện môi trường làm việc.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Về Composite Aerogel

Nghiên cứu cho thấy composite aerogel từ lốp xe và tro thải có khối lượng riêng thấp, độ xốp cao và khả năng cách nhiệt tốt. Các thông số này cho thấy tiềm năng ứng dụng cao của vật liệu trong thực tế.

5.1. Đặc Tính Vật Lý Của Composite Aerogel

Các đặc tính như khối lượng riêng, độ xốp và độ dẫn nhiệt của composite aerogel đã được khảo sát và cho thấy kết quả khả quan.

5.2. Khả Năng Cách Nhiệt Và Cách Âm

Khả năng cách nhiệt và cách âm của composite aerogel được đánh giá cao, cho thấy đây là vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng trong xây dựng và công nghiệp.

VI. Tương Lai Của Composite Aerogel Trong Ngành Vật Liệu

Với những ưu điểm vượt trội, composite aerogel từ lốp xe và tro thải hứa hẹn sẽ trở thành một trong những vật liệu quan trọng trong tương lai. Nghiên cứu và phát triển thêm các ứng dụng mới cho vật liệu này sẽ mở ra nhiều cơ hội trong ngành công nghiệp.

6.1. Tiềm Năng Phát Triển Vật Liệu

Sự phát triển của công nghệ sản xuất composite aerogel sẽ giúp nâng cao chất lượng và giảm chi phí, mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện tính chất của composite aerogel và tìm kiếm thêm các nguồn nguyên liệu tái chế khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng, lượng chất thải công nghiệp và sinh hoạt ngày càng gia tăng, đặc biệt là lốp xe thải và tro thải từ các nhà máy nhiệt điện than. Theo ước tính, mỗi năm trên thế giới có khoảng 1,5 tỷ lốp xe thải ra môi trường, trong khi tại Việt Nam, với hơn 3 triệu xe ô tô và 60 triệu xe máy đang lưu hành, lượng lốp thải cũng rất lớn. Đồng thời, tro thải từ các nhà máy nhiệt điện chiếm tỷ trọng lớn trong chất thải rắn công nghiệp, với thành phần chủ yếu là các oxit kim loại và các hạt mịn có thể gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Vấn đề xử lý và tái sử dụng các loại phế thải này đang là thách thức cấp thiết nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp composite aerogel từ bột cao su của lốp xe thải và tro thải từ nhà máy nhiệt điện, nhằm tạo ra vật liệu cách nhiệt và cách âm hiệu quả, thân thiện môi trường. Mục tiêu cụ thể là phát triển quy trình tổng hợp aerogel đơn giản, xanh, sử dụng các dung môi thân thiện, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp đến cấu trúc và tính chất vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện trong năm 2022 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM, với nguyên liệu thu thập từ các nguồn phế thải trong nước.

Việc phát triển composite aerogel từ nguồn nguyên liệu tái chế không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra vật liệu có khối lượng riêng thấp (khoảng 0,055 g/cm³), độ xốp cao (95,6%), độ dẫn nhiệt thấp (0,022 W/m.K) và khả năng hấp thụ âm thanh tốt (hệ số giảm tiếng ồn NRC 0,450). Những chỉ số này cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và cải thiện chất lượng cuộc sống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu aerogel và composite, bao gồm:

• Lý thuyết sol-gel: Quá trình chuyển đổi từ dung dịch keo (sol) sang mạng lưới gel rắn 3D, làm nền tảng cho tổng hợp aerogel. Quá trình này bao gồm tạo sol, gel hóa, già hóa và sấy khô nhằm giữ cấu trúc xốp đặc trưng của aerogel.

• Cơ chế liên kết hóa học trong composite: Tương tác giữa các nhóm hydroxyl (-OH) của polyvinyl alcohol (PVA), carboxymethyl cellulose (CMC), glutaraldehyde (GA) với bột cao su và tro thải tạo thành mạng lưới liên kết hydro và liên kết chéo, giúp tăng cường độ bền cơ học và tính ổn định của vật liệu.

• Khái niệm về tính chất vật liệu cách nhiệt và cách âm: Aerogel với cấu trúc xốp nano giúp giảm truyền nhiệt qua hiệu ứng Knudsen và hấp thụ âm thanh qua cơ chế ma sát phân tử không khí trong lỗ rỗng.

Các khái niệm chính bao gồm: khối lượng riêng, độ xốp, độ dẫn nhiệt, hệ số giảm tiếng ồn (NRC), mô đun Young, và các phương pháp phân tích vật liệu như SEM, FTIR, TGA.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là bột cao su nghiền mịn từ lốp xe thải và tro bay từ các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam. Hóa chất sử dụng gồm PVA, CMC, GA, H2O2, HCl, NaOH.

• Phương pháp tổng hợp: Composite aerogel được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel, bao gồm tiền xử lý nguyên liệu (xử lý bột cao su bằng H2O2 30% và tro thải bằng HCl loãng 2%), tạo gel, và sấy đông khô để giữ cấu trúc xốp.

• Phân tích và đo lường: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát cấu trúc bề mặt, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) để xác định liên kết hóa học, phân tích nhiệt khối lượng (TGA) để đánh giá tính ổn định nhiệt, đo độ dẫn nhiệt bằng thiết bị C-Therm Trident, đo hệ số giảm tiếng ồn NRC bằng buồng dội âm, và xác định độ bền cơ học qua mô đun Young.

• Thiết kế thí nghiệm: Thay đổi tỷ lệ khối lượng giữa bột cao su và tro thải, hàm lượng CMC, GA, PVA, cũng như điều kiện nhiệt độ và thời gian phản ứng để khảo sát ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu composite aerogel được tổng hợp với kích thước chuẩn, lựa chọn ngẫu nhiên từ các lô sản xuất để đảm bảo tính đại diện. Tổng số mẫu nghiên cứu khoảng vài chục mẫu để đánh giá đầy đủ các biến số.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu thực hiện trong vòng 12 tháng, từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2022, bao gồm các giai đoạn tiền xử lý, tổng hợp, phân tích và đánh giá tính chất vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khối lượng riêng và độ xốp: Composite aerogel đạt khối lượng riêng trung bình 0,055 g/cm³ và độ xốp lên đến 95,6%. Khi tăng tỷ lệ tro thải trong hỗn hợp, khối lượng riêng giảm nhẹ, độ xốp tăng, cho thấy tro thải góp phần tạo cấu trúc xốp hơn cho vật liệu.

2. Độ dẫn nhiệt: Mẫu composite có độ dẫn nhiệt thấp, chỉ khoảng 0,022 W/m.K, thấp hơn nhiều so với vật liệu cách nhiệt truyền thống. Hàm lượng CMC và GA ảnh hưởng rõ rệt đến độ dẫn nhiệt, với hàm lượng tối ưu giúp giảm truyền nhiệt hiệu quả.

3. Khả năng hấp thụ âm thanh: Hệ số giảm tiếng ồn NRC đạt 0,450, thể hiện khả năng hấp thụ âm thanh tốt. Tỷ lệ tro thải và bột cao su ảnh hưởng đến NRC, với tỷ lệ cân bằng giúp tối ưu hóa khả năng cách âm.

4. Độ bền cơ học: Mô đun Young của composite aerogel đạt giá trị khoảng 1 MPa, cao hơn nhiều so với aerogel silica truyền thống, nhờ sự liên kết chéo giữa PVA, GA và CMC. Điều này giúp vật liệu có độ bền nén tốt, phù hợp ứng dụng trong xây dựng.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy composite aerogel từ bột cao su và tro thải có cấu trúc xốp nano đặc trưng, giúp giảm truyền nhiệt và hấp thụ âm thanh hiệu quả. Sự kết hợp giữa hai nguồn nguyên liệu phế thải không chỉ tận dụng được nguồn tài nguyên sẵn có mà còn tạo ra vật liệu có tính năng vượt trội.

So với các nghiên cứu trước đây về aerogel silica hoặc carbon, composite aerogel này có ưu điểm về chi phí thấp, thân thiện môi trường và độ bền cơ học cao hơn. Việc sử dụng phương pháp sol-gel kết hợp sấy đông khô giúp giữ nguyên cấu trúc xốp, hạn chế sụp đổ cấu trúc gel.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ tro thải và bột cao su với khối lượng riêng, độ xốp, độ dẫn nhiệt và hệ số NRC. Bảng tổng hợp các thông số vật liệu dưới các điều kiện tổng hợp khác nhau cũng giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng biến số.

Kết quả này mở ra hướng phát triển vật liệu cách nhiệt, cách âm từ nguồn phế thải công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu quy trình tổng hợp: Áp dụng tỷ lệ bột cao su và tro thải khoảng 1:1 để đạt hiệu quả tối ưu về khối lượng riêng, độ xốp và tính năng cách nhiệt, cách âm. Thời gian phản ứng nên duy trì trong khoảng 4-6 giờ ở nhiệt độ 60-70°C để đảm bảo liên kết chéo hiệu quả.

2. Mở rộng ứng dụng vật liệu: Khuyến khích sử dụng composite aerogel trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, đặc biệt cho các công trình cần cách nhiệt và cách âm cao như nhà ở, văn phòng, nhà máy sản xuất. Thời gian triển khai trong 1-2 năm tới.

3. Phát triển quy mô sản xuất: Hỗ trợ đầu tư thiết bị sấy đông khô quy mô công nghiệp nhằm giảm chi phí sản xuất, đồng thời nghiên cứu thay thế các hóa chất hiện tại bằng các dung môi sinh học thân thiện hơn. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ vật liệu và viện nghiên cứu.

4. Nâng cao tính bền vững: Khuyến khích phối hợp với các cơ quan quản lý môi trường để phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật cho vật liệu composite aerogel từ phế thải, đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng lâu dài. Thời gian thực hiện trong 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu: Nghiên cứu về tổng hợp vật liệu mới từ nguồn phế thải, áp dụng phương pháp sol-gel và sấy đông khô.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Tìm hiểu công nghệ sản xuất composite aerogel thân thiện môi trường, phát triển sản phẩm cách nhiệt, cách âm mới.

3. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Đánh giá giải pháp xử lý phế thải lốp xe và tro thải, thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và giảm ô nhiễm.

4. Chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng và thiết kế công trình: Áp dụng vật liệu aerogel composite trong các dự án cần cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm tiếng ồn.

Câu hỏi thường gặp

1. Composite aerogel từ bột cao su và tro thải có ưu điểm gì so với aerogel truyền thống?
   Composite aerogel có khối lượng riêng thấp, độ xốp cao, khả năng cách nhiệt và cách âm tốt, đồng thời chi phí nguyên liệu thấp do tận dụng phế thải. Độ bền cơ học cũng được cải thiện nhờ liên kết chéo giữa các thành phần polymer.

2. Phương pháp sol-gel và sấy đông khô có vai trò gì trong tổng hợp aerogel?
   Phương pháp sol-gel giúp tạo mạng lưới gel rắn từ dung dịch keo, còn sấy đông khô giữ nguyên cấu trúc xốp bằng cách thăng hoa dung môi mà không làm sụp đổ gel, đảm bảo tính chất vật liệu.

3. Tỷ lệ pha trộn giữa bột cao su và tro thải ảnh hưởng thế nào đến tính chất vật liệu?
   Tỷ lệ cân bằng giúp tối ưu khối lượng riêng, độ xốp và khả năng cách nhiệt, cách âm. Tăng tro thải làm tăng độ xốp và giảm khối lượng riêng, nhưng quá nhiều có thể làm giảm độ bền cơ học.

4. Composite aerogel có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
   Chủ yếu dùng trong xây dựng để cách nhiệt, cách âm; có thể mở rộng sang công nghiệp, môi trường như hấp thụ dầu tràn, vật liệu cách nhiệt cho thiết bị điện tử và phương tiện giao thông.

5. Làm thế nào để đảm bảo tính thân thiện môi trường trong quy trình tổng hợp?
   Sử dụng dung môi xanh, hạn chế hóa chất độc hại, tái sử dụng phế thải làm nguyên liệu chính, và áp dụng công nghệ sấy đông khô giúp giảm phát thải và tiêu thụ năng lượng.

Kết luận

• Composite aerogel từ bột cao su lốp xe thải và tro thải nhà máy nhiệt điện được tổng hợp thành công với khối lượng riêng 0,055 g/cm³, độ xốp 95,6%, độ dẫn nhiệt 0,022 W/m.K và hệ số giảm tiếng ồn NRC 0,450.
• Phương pháp sol-gel kết hợp sấy đông khô là quy trình hiệu quả, thân thiện môi trường, giữ nguyên cấu trúc xốp và tính chất vật liệu.
• Tỷ lệ pha trộn nguyên liệu và hàm lượng các chất kết dính ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất vật liệu, cần tối ưu để đạt hiệu quả cao nhất.
• Vật liệu composite aerogel này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xây dựng và công nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao hiệu quả năng lượng.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất, cải tiến công nghệ và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật để ứng dụng thực tiễn trong 1-3 năm tới.

Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý trong lĩnh vực vật liệu xanh và xử lý phế thải công nghiệp. Hành động ngay hôm nay để thúc đẩy phát triển bền vững và bảo vệ môi trường!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu về chất lượng cuộc sống của con người cũng ngày càng nâng lên. Vì vậy, các ngành công nghệ trên thế giới không ngừng tìm tòi, nghiên cứu để đáp ứng những đòi hỏi của thị trường. Và đương nhiên ngành công nghệ hóa chất không nằm ngoài cuộc đua này, luôn luôn chuyển mình để phù hợp với thế giới, với mong muốn đem đến những giải pháp mang tính tiết kiệm, hạn chế các phát thải, đảm bảo tiêu chí thân thiện với môi trường. Làn sóng của ngành công nghiệp hóa học và vật liệu đang phát triển mạnh mẽ nhằm đem lại những sự lựa chọn mới cho thị trường trên thế giới.

Luôn không ngừng tìm kiếm ra những vật liệu mới, tối ưu hơn, rẻ hơn, bền hơn,… và cả nhẹ hơn nữa. Một trong những nghiên cứu đáng chú ý nhất trong cuộc cách mạng ấy chính là việc tìm ra vật liệu rắn nhẹ nhất từ trước đến nay- vật liệu aerogel. Aerogel là một vật liệu siêu nhẹ và xốp, được tổng hợp bằng cách thay thế chất lỏng trong gel bằng chất khí, aerogel có khối lượng cực kì nhẹ nên còn được gọi dưới cái tên “khói băng” hay “khói rắn”. Do có cấu trúc xốp, aerogel thường có tính chất cách nhiệt và cách âm rất tốt.

Vật liệu aerogel đã được nghiên cứu và phát triển trên thế giới, đa dạng về phân loại như silica aerogel, carbon aerogel, graphene aerogel, cellulose aerogel, polymer aerogel. Vật liệu aerogel đã bước đầu được thương mại hóa và cho thấy rất hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực như cách nhiệt, cách âm, hút dầu tràn, xử lý môi trường, truyền dẫn thuốc, mỹ phẩm, xúc tác, … Sự phát triển nhanh chóng của kinh tế ngày nay cũng đi kèm theo những hệ lụy. Cụ thể là việc sử dụng ô tô ngày càng tăng, dẫn đến lượng lốp xe thải ngày càng nhiều, khiến môi trường sống bị ảnh hưởng nặng nề. Song song cùng với sự phát triển kinh tế thì nhu cầu về nguồn năng lượng cũng ngày càng tăng.

Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời bị ảnh hưởng nhiều bởi thời tiết, không đảm bảo tính ổn định, bên cạnh đó giá thành các nguồn năng lượng này khá cao. Vì vậy, ngành công nghiệp nhiệt điện than với sự ổn định cao, giá thành hợp lý là nguồn năng lượng chính yếu trong tương lai gần. Và khi ngành công nghiệp này phát triển sẽ dẫn đến lượng tro thải tạo ra ngày càng 1 nhiều gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Chính vì vậy, việc tìm ra phương án hiệu quả để giải quyết các vấn đề phế thải này là vô cùng cấp thiết.

Nhìn chung, sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp luôn đi kèm với sự phát sinh thêm các vấn đề về môi trường, vì thế khái niệm “vật liệu thân thiện với môi trường” không còn xa lạ. Việc sử dụng vật liệu gắn với phát triển bền vững trên cơ sở ứng dụng công nghệ xanh, sạch, tái tạo,… sẽ là hướng đi tốt và đầy tiềm năng cho thời điểm hiện tại lẫn trong tương lai.2 Ý nghĩa đề tài Nhằm góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nan giải đó, tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu điều chế composite aerogel từ lốp xe thải và tro thải từ nhà máy nhiệt điện cho ứng dụng cách nhiệt và cách âm”, tận dụng bột cao su từ lốp xe thải và tro thải từ nhà máy nhiệt điện để chế tạo vật liệu aerogel cực nhẹ và xốp cho ứng dụng cách nhiệt và cách âm trong xây dựng dân dụng cũng như trong công nghiệp. Việc kết hợp cả hai nguồn chất thải: cao su từ lốp xe thải và tro thải từ quá trình nhiệt điện than, để tạo ra vật liệu aerogel là rất mới trên thế giới và cả ở Việt Nam. Quá trình tổng hợp sử dụng những dung môi xanh thân thiện với môi trường.

Điều này sẽ góp phần giải quyết ô nhiễm môi trường, nâng cao chất lượng sống và tạo ra một loại vật liệu cách nhiệt – cách âm với giá thành rẻ, tạo ra một bước ngoặt trong lĩnh vực vật liệu.3 Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu tìm ra được quy trình tổng hợp vật liệu aerogel từ bột cao su của lốp xe thải và nguồn tro thải từ các nhà máy nhiệt điện, khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp lên tính chất vật liệu, khả năng cách nhiệt, cách âm của vật liệu aerogel tạo thành. Tính chất đặc trưng của composite aerogel được khảo sát thông qua các đại lượng khối lượng riêng, độ xốp, phân tích nhiệt vi sai (TGA), độ dẫn nhiệt, hệ số giảm ồn, khả năng hấp thụ dầu và góc thấp ướt. Từ các dữ liệu thu được phân tích và xác định điều kiện tổng hợp phù hợp nhất cho composite aerogel đáp ứng khả năng ứng dụng cách nhiệt và cách âm.4 Phạm vi đề tài và nội dung thực hiện Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite aerogel từ bột cao su của lốp xe thải và tro thải từ nhà máy nhiệt điện cho ứng dụng cách nhiệt cách âm. Nội dung luận văn bao gồm: - Tổng hợp vật liệu composite aerogel từ bột cao su và tro thải với quy trình tổng hợp đơn giản, thân thiện môi trường.

Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng các tác chất và điều kiện tổng hợp đến cấu trúc và đặc tính của composite aerogel. Cụ thể: + Ảnh hưởng của tỉ lệ WTRP và CA trong quá trình tổng hợp + Ảnh hưởng của hàm lượng CMC + Ảnh hưởng của hàm lượng PVA + Ảnh hưởng của hàm lượng GA + Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ tổng hợp. - Đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu tổng hợp thông qua khảo sát các giá trị độ dẫn nhiệt, khả năng ứng dụng trong lĩnh vực cách âm thông qua hệ số giảm ồn. - Mở rộng ứng dụng của composite aerogel thông qua việc đánh giá khả năng hấp thụ dầu và góc thấp ướt.1 Nguồn nguyên liệu phế thải 2.1 Nguồn lốp xe thải 2.1 Thực trạng nguồn lốp xe thải Với các tính chất hóa-lý vốn được coi là ưu việt của mình, lốp xe phế thải lại là một vấn đề nghiêm trọng với môi trường.

Hiện nay, mỗi năm lượng lốp xe thải ra trên thế giới khoảng 1,5 tỷ lốp [1] và đang gia tăng rất nhanh. Theo thống kê, chỉ riêng ở Mỹ mỗi năm thải loại khoảng 300 triệu lốp ô tô cũ. Ở châu Âu, hàng năm khối EU cũng thải ra khoảng 3,5 triệu lốp xe cũ; lượng lốp xe mà Trung Quốc thải bỏ hàng năm là 100 triệu lốp [2]. Riêng ở Việt Nam, chưa có thống kê đầy đủ nào về lượng lốp xe thải hàng năm, tuy nhiên có thể dự đoán con số này rất lớn với trên 3 triệu xe ô tô và 60 triệu xe máy đang lưu hành [3, 4].

Lượng chất thải quá lớn này gây ra nhiều vấn đề nhức nhối đối với môi trường do lốp cao su rất khó phân hủy, bền vững trước tác nhân hóa học, sinh học và vật lý. Lốp xe chất đống là nơi tiềm tàng nguy cơ gây cháy và là môi trường sống cho ký sinh trùng và muỗi. Lốp xe chiếm thể tích rất lớn khi chôn lấp. Việc đốt lốp xe gây ô nhiễm môi trường như tạo ra dioxin, furan và nhiều chất độc hại khác.1: Bãi chứa lốp xe và thực trạng tác động đối với môi trường của lốp xe Hiện nay, lốp xe thải được tái chế bằng nhiều cách như làm nhiên liệu cho lò nung xi măng, nhà máy nhiệt điện, sử dụng trong làm đường, xây dựng, vật liệu cách nhiệt, nhiệt phân tạo nhiên liệu,.

Tuy nhiên, lượng lốp xe được tái chế chiếm phần khá nhỏ so với lượng thải ra. Một số phương pháp xử lý được sử dụng cụ thể như: 4 o Chôn lấp cao su phế thải là phương pháp cổ điển nhất để xử lý cao su phế thải. Tuy vậy, việc chôn lấp cao su là một biện pháp không mong muốn, do cao su chiếm khối lượng, thể tích lớn, số lượng cao su cần chôn lấp cũng rất nhiều khiến chúng nhanh chóng lấp đầy các khu chôn lấp rác thải. Ngoài ra, cao su phế thải có thể tạo thành các “bẫy” lưu giữ khí metan, tạo thành những “quả bóng khí” có xu hướng di chuyển lên phía bề mặt.

Những “quả bóng khí” này có thể phá vỡ lớp phủ bề mặt, gây ô nhiễm môi trường nước và không khí xung quanh. Chưa kể đó, cao su với độ bền vốn được coi là tính chất vật lý ưu việt của nó, sẽ tồn tại rất lâu và khó bị phân hủy. o Thiêu đốt- Đây là phương pháp phổ biến nhất trong việc xử lý cao su phế thải. Cao su có điểm bắt cháy ở nhiệt độ ít nhất là 400oC và cao su phế thải thường được phân hủy ở nhiệt độ 538oC.

Phương pháp thiêu đốt phổ biến hiện nay gồm hai phương pháp chủ yếu là thiêu đốt trực tiếp không kiểm soát và đốt có thu hồi nhiệt. Đi kèm với việc thiêu đốt cao su phế thải là quá trình phát thải khí độc hại, khi nâng nhiệt độ đốt cao su sẽ tạo ra làn khói đen thoát ra ngoài, và càng lên nhiệt độ cao mật độ khói càng dày đặc. o Công nghệ nhiệt phân: đây được xem là giải pháp tối ưu trong việc tái chế lốp xe ô tô hiện nay. Nhiệt phân lốp xe là một phương pháp hóa học để tái chế lốp xe phế liệu ở nhiệt độ cao trong môi trường không có oxy.

Thông qua quá trình nhiệt phân lốp xe, chúng ta có thể thu được dầu nhiệt phân, dây thép, muội than và khí đốt. Tuy nhiên, chính các nhà máy nhiệt phân này lại là nguồn ô nhiễm không khí lớn nếu không được đầu tư công nghệ xử lý hiện đại. o Tái chế lốp xe: Lốp ô tô, xe tải cũ có đường kính từ 900 cm – 1200 cm sau khi được làm sạch qua lớp đất bụi sẽ được đưa vào phần cắt bỏ tanh thép. Tùy vào dây chuyền sản xuất mà lốp xe có thể được để nguyên hoặc cắt nhỏ cho phù hợp.

Sau đó qua các máy nghiền nhiều công đoạn để tách kim loại, phân li các tạp chất, phân loại các loại hạt và bột cao su để tạo ra nguồn nguyên liệu thô.2: Những phương án tái chế và tái sử dụng lốp xe ô tô- Nguồn: Hiệp hội Tái chế lốp xe Châu Âu Tuy nhiên vẫn cần có những cách tái chế mới để nâng cao giá trị sử dụng của cao su từ lốp xe thải và giảm thiểu tạo ra chất thải độc hại.