Tổng Hợp Hạt Silica Rỗng Sử Dụng Khuôn Từ Polystyrene Tái Chế

Tài liệu nghiên cứu Tổng hợp hạt silica rỗng sử dụng khuôn từ polystyrene tái chế, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Nguyễn Quốc Thoại
• Người hướng dẫn: TS. Giang Ngọc Hà
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Tổng Hợp Hạt Silica Rỗng Từ Polystyrene Tái Chế
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về polystyrene
• 1.2. Giới thiệu chung về nano polystyrene
• 1.3. Đặc điểm tính chất của nano polystyrene
• 1.4. Phương pháp kết tủa nano
• 1.5. Nano silica cấu trúc rỗng
• 1.6. Giới thiệu chung về silica
• 1.7. Đặc điểm cấu trúc và tính chất của nano silica cấu trúc rỗng (HSSN)
• 1.8. Ứng dụng của nano silica cấu trúc rỗng
• 1.9. Phương pháp tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng
• 1.10. Nghiên cứu quá trình hấp phụ và thu hồi methylene xanh
• 1.11. Nguyên tắc của quá trình hấp phụ
• 1.12. Vấn đề xử lý nước thải ngành dệt nhuộm có chứa methylene xanh
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Phương tiện nghiên cứu
• 2.2. Nguyên liệu và hóa chất
• 2.3. Phương pháp thực nghiệm
• 2.4. Tổng hợp thủy tinh lỏng (Na2SiO3) từ phụ phẩm nông nghiệp (trấu)
• 2.5. Tái chế PS từ rác thải xốp EPS
• 2.6. Tổng hợp khuôn cứng nano polystyrene
• 2.7. Tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi@vỏ (PS@SiO2)
• 2.8. Loại bỏ khuôn cứng hình thành hạt nano silica cấu trúc rỗng (HSSN)
• 2.9. Tổng hợp vật liệu composite PVA/HSSN
• 2.10. Nghiên cứu khả năng hấp phụ methylene xanh của vật liệu composite PVA/HSSN
• 2.11. Các phương pháp phân tích hóa lý sử dụng trong nghiên cứu
• 2.11.1. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
• 2.11.2. Phương pháp phân tích kích thước hạt (DLS)
• 2.11.3. Phương pháp đo điện thế zeta
• 2.11.4. Phương pháp đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
• 2.11.5. Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.11.6. Phương pháp đo quang phổ tử ngoại khả kiến (UV–Vis)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả tái chế PS từ rác thải xốp EPS
• 3.2. Kết quả hiệu suất thu hồi PS sau khi rửa
• 3.3. Kết quả đánh giá khả năng làm sạch rác thải polystyrene bằng phương pháp kết tủa
• 3.4. Kết quả tổng hợp khuôn cứng nano polystyrene
• 3.5. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước và mức độ đa phân tán kích thước của khuôn cứng nano PS
• 3.6. Kết quả đánh giá tính chất bề mặt của khuôn bằng phương pháp đo thế zeta
• 3.7. Kết quả tổng hợp hạt nano silica cấu trúc lõi@vỏ
• 3.8. Kết quả tổng hợp hạt nano silica cấu trúc rỗng (HSSN)
• 3.9. Kết quả loại bỏ khuôn cứng hình thành hạt nano silica cấu trúc rỗng bằng phương pháp nung
• 3.10. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành hạt nano silica cấu trúc rỗng
• 3.11. Kết quả nghiên cứu tổng hợp hạt silica cấu trúc rỗng với tiền chất silane Na2SiO3 đi từ vỏ trấu
• 3.12. Kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ methylene xanh của vật liệu composite PVA/HSSN
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hạt Silica Rỗng Từ Polystyrene Tái Chế

Hạt silica rỗng là một trong những vật liệu nano có tiềm năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực, từ y học đến công nghiệp. Việc tổng hợp hạt silica rỗng từ polystyrene tái chế không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị gia tăng. Polystyrene, một loại polymer phổ biến, thường được sử dụng trong đóng gói và sản xuất hàng tiêu dùng. Tuy nhiên, việc xử lý chất thải từ polystyrene đang trở thành một thách thức lớn. Bài viết này sẽ khám phá quy trình tổng hợp hạt silica rỗng từ polystyrene tái chế và những ứng dụng tiềm năng của chúng.

1.1. Đặc Điểm Của Hạt Silica Rỗng

Hạt silica rỗng (HSSN) có cấu trúc đặc biệt với lớp vỏ silica bên ngoài và khoảng trống bên trong. Cấu trúc này giúp tăng cường khả năng hấp phụ và ứng dụng trong xử lý nước thải. HSSN có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp khuôn cứng (hard-template) đang được ưa chuộng.

1.2. Tại Sao Nên Tái Chế Polystyrene

Polystyrene là một trong những loại nhựa khó phân hủy, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Tái chế polystyrene không chỉ giúp giảm thiểu rác thải mà còn tạo ra nguyên liệu cho các sản phẩm có giá trị cao hơn, như hạt silica rỗng.

II. Thách Thức Trong Việc Tái Chế Polystyrene

Việc tái chế polystyrene gặp nhiều khó khăn do tính chất hóa học và vật lý của nó. Polystyrene có độ bền cao và khó phân hủy, dẫn đến việc xử lý chất thải trở nên phức tạp. Ngoài ra, quy trình tái chế thường yêu cầu công nghệ cao và chi phí đầu tư lớn. Những thách thức này cần được giải quyết để tối ưu hóa quy trình tái chế và tăng cường hiệu quả sử dụng tài nguyên.

2.1. Khó Khăn Trong Quy Trình Tái Chế

Quy trình tái chế polystyrene thường gặp khó khăn trong việc tách biệt các tạp chất và đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm tái chế. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng ứng dụng của hạt silica rỗng.

2.2. Chi Phí Tái Chế Cao

Chi phí đầu tư cho công nghệ tái chế polystyrene thường cao, điều này làm giảm tính khả thi của các dự án tái chế. Cần có các giải pháp hiệu quả để giảm chi phí và tăng cường lợi ích kinh tế từ việc tái chế.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Hạt Silica Rỗng Từ Polystyrene Tái Chế

Phương pháp tổng hợp hạt silica rỗng từ polystyrene tái chế thường bao gồm các bước chính như làm sạch polystyrene, tổng hợp hạt nano polystyrene và sử dụng chúng làm khuôn để tổng hợp hạt silica rỗng. Quy trình này không chỉ hiệu quả mà còn tiết kiệm chi phí, giúp tạo ra sản phẩm có giá trị cao từ chất thải.

3.1. Làm Sạch Polystyrene

Quá trình làm sạch polystyrene thường sử dụng phương pháp kết tủa trong dung môi để loại bỏ tạp chất. Kết quả cho thấy hiệu suất thu hồi cao và độ tinh khiết tốt, tạo điều kiện thuận lợi cho các bước tiếp theo.

3.2. Tổng Hợp Hạt Nano Polystyrene

Hạt nano polystyrene được tổng hợp thông qua phương pháp kết tủa nano, giúp tạo ra các hạt có kích thước đồng đều và phân bố tốt. Các yếu tố như hàm lượng chất hoạt động bề mặt và tốc độ khuấy trộn có ảnh hưởng lớn đến kích thước hạt.

3.3. Sử Dụng Khuôn Để Tổng Hợp Hạt Silica

Hạt nano polystyrene được sử dụng làm khuôn cứng để tổng hợp hạt silica rỗng. Quá trình này bao gồm việc phủ silica lên bề mặt khuôn và nung để loại bỏ khuôn, tạo ra hạt silica rỗng với cấu trúc mao quản.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hạt Silica Rỗng

Hạt silica rỗng có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như xử lý nước thải, y học và công nghiệp. Chúng có khả năng hấp phụ cao, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải, đặc biệt là methylene xanh. Ngoài ra, hạt silica rỗng còn được sử dụng trong các sản phẩm composite, tăng cường tính năng và hiệu suất của vật liệu.

4.1. Ứng Dụng Trong Xử Lý Nước Thải

Hạt silica rỗng có khả năng hấp phụ tốt, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ như methylene xanh. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các giải pháp xử lý nước thải hiệu quả.

4.2. Ứng Dụng Trong Y Học

Hạt silica rỗng có thể được sử dụng trong y học như một vật liệu mang thuốc, giúp cải thiện hiệu quả điều trị. Cấu trúc rỗng của chúng cho phép chứa và giải phóng thuốc một cách kiểm soát.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Hạt Silica Rỗng

Tổng hợp hạt silica rỗng từ polystyrene tái chế là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra sản phẩm có giá trị. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc tái chế polystyrene và ứng dụng hạt silica rỗng trong nhiều lĩnh vực. Tương lai của hạt silica rỗng hứa hẹn sẽ còn nhiều tiềm năng phát triển, đặc biệt trong các ứng dụng công nghệ cao.

5.1. Tiềm Năng Phát Triển

Hạt silica rỗng có tiềm năng phát triển lớn trong các lĩnh vực công nghiệp và y học. Nghiên cứu và phát triển thêm các ứng dụng mới sẽ giúp tối ưu hóa giá trị của chúng.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện quy trình tổng hợp và mở rộng ứng dụng của hạt silica rỗng. Các nghiên cứu về tính chất và khả năng hấp phụ của chúng cũng cần được thực hiện để khai thác tối đa tiềm năng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của chất thải nhựa polymer và phụ phẩm nông nghiệp đang tạo ra những thách thức môi trường nghiêm trọng trên phạm vi toàn cầu. Nhựa xốp polystyrene giãn nở (EPS) chiếm tỷ trọng lớn trong ngành bao bì đóng gói và vật liệu cách nhiệt nhưng có khối lượng riêng dưới 50 kg/m3 và chứa tới 98% thể tích là không khí. Do đặc tính bền vững sinh học, rác thải EPS mất từ 300 đến 1000 năm mới có thể phân hủy hoàn toàn trong môi trường tự nhiên, gây áp lực khổng lồ lên hệ thống bãi chôn lấp và hệ sinh thái. Đồng thời, tại Việt Nam, sản lượng lúa cả nước năm 2021 đạt khoảng 43.86 triệu tấn, thải ra hàng triệu tấn vỏ trấu với hàm lượng silica vô định hình chiếm từ 14% đến 25% khối lượng tro nhưng chưa được khai thác tối ưu ngoài việc đốt lấy nhiệt với tỷ lệ tiêu hao khoảng 1 tấn trấu cho 1 MWh điện.

Nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề chuyển hóa chất thải EPS và phụ phẩm tro trấu thành hạt nano silica cấu trúc rỗng (HSSN) có giá trị kinh tế và kỹ thuật cao. Mục tiêu cụ thể là xây dựng quy trình kết tủa nano để chế tạo khuôn cứng polystyrene tái chế có kích thước kiểm soát, sau đó tổng hợp hạt nano silica rỗng thông qua cơ chế sol - gel và tích hợp vào màng composite polyvinyl alcohol (PVA) nhằm xử lý chất màu methylene xanh trong nước thải dệt nhuộm.

Đề tài được tiến hành thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm chuyên sâu tại Thành phố Hồ Chí Minh trong mốc thời gian từ tháng 02/2022 đến tháng 08/2022. Ý nghĩa cốt lõi của công trình là mở ra hướng tiếp cận kinh tế tuần hoàn bền vững, biến nguồn rác thải ô nhiễm thành vật liệu nano chức năng với hiệu suất thu hồi polystyrene đạt 91%, giúp giảm thiểu chi phí nguyên liệu tổng hợp nano silica đắt đỏ và cung cấp giải pháp lọc nước thải hiệu quả cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chính gồm lý thuyết kết tủa nano (nanoprecipitation), cơ chế phản ứng sol - gel của alkoxysilane/silicate và lý thuyết định hình khuôn cứng (hard-templating).

Phương pháp kết tủa nano dựa trên cơ chế dịch chuyển dung môi của Fessi, trong đó polymer hòa tan hoàn toàn trong dung môi hữu cơ phân cực và kết tủa tức thời khi tiếp xúc với chất chống dung môi do sự khuếch tán nhanh chóng ở cấp độ phân tử. Cơ chế sol - gel bao gồm quá trình thủy phân tiền chất silane để tạo nhóm silanol (Si-OH) và phản ứng ngưng tụ tạo mạng lưới liên kết không gian ba chiều siloxane (Si-O-Si) với chiều dài liên kết đặc trưng khoảng 162 pm.

Các khái niệm chuyên ngành nền tảng bao gồm: nồng độ micelle tới hạn (CMC), chỉ số đa phân tán (PDI) biểu thị độ đồng đều kích thước trong khoảng 10 đến 1000 nm, cấu trúc lõi vỏ (core-shell PS@SiO2), và hạt nano silica cấu trúc rỗng (HSSN) với đặc tính diện tích bề mặt biểu kiến lớn cùng tỷ trọng thấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình tái chế xốp EPS phế thải thu gom từ bao bì điện tử và nguồn vỏ trấu nông nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Thiết kế thực nghiệm khảo sát cỡ mẫu gồm 5 mức hàm lượng polystyrene khác nhau (40 mg, 20 mg, 10 mg, 5 mg và 2 mg) trong mối tương quan với hàm lượng chất hoạt động bề mặt cation cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) cố định ở mức 500 mg. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát được áp dụng trên 3 hệ thiết bị phân tán: khuấy từ, đồng hóa cơ học và đồng hóa siêu âm ở dải tốc độ từ 1000 đến 3000 rpm nhằm khảo sát động học hình thành hạt.

Các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại được lựa chọn với lý do khoa học rõ ràng:

• Phân tích tán xạ ánh sáng động (DLS) và đo điện thế Zeta xác định kích thước thủy động, chỉ số PDI và mật độ điện tích bề mặt nhằm bảo đảm độ bền keo.
• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) định danh các nhóm chức dao động đặc trưng của khung polystyrene và liên kết vô cơ Si-O-Si.
• Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) xác định khoảng nhiệt phân hủy của lõi hữu cơ từ 330 °C đến 600 °C để thiết lập chế độ nung tối ưu.
• Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cung cấp bằng chứng trực quan về độ dày thành vỏ và khoảng rỗng bên trong hạt nano.
• Quang phổ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) quét ở bước sóng hấp thụ cực đại 664 nm để đánh giá nồng độ methylene xanh trước và sau xử lý.

Toàn bộ chu trình thực nghiệm được triển khai liên tục và hoàn thành trong thời gian 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tinh chế xốp EPS bằng hệ dung môi tetrahydrofuran/methanol đạt hiệu suất thu hồi polymer sạch lên tới 91%. Giản đồ FTIR và TGA xác nhận polystyrene sau khi rửa đã loại bỏ hoàn toàn các phụ gia chống cháy và tạp chất thương mại, phân hủy nhiệt hoàn toàn khi vượt ngưỡng 420 °C.

Khảo sát quá trình tổng hợp khuôn nano PS chỉ ra rằng thiết bị phân tán đóng vai trò then chốt. Thiết bị đồng hóa cơ học ở tốc độ 3000 rpm tạo ra hạt nano PS có kích thước trung bình 350.2 nm với chỉ số PDI giảm mạnh về mức dưới 0.15 so với phương pháp khuấy từ thông thường (PDI thường vượt mức 0.35). Khi giảm lượng polystyrene từ 40 mg xuống 2 mg trong thể tích chứa 500 mg CTAB, kích thước hạt nano PS giảm tuyến tính khoảng 40%, chứng minh khả năng kiểm soát đường kính hạt định hình một cách chính xác.

Hạt nano silica cấu trúc rỗng (HSSN) được tổng hợp thành công sau giai đoạn nung mẫu PS@SiO2 ở 700 °C trong 60 phút. Ảnh TEM chỉ rõ cấu trúc rỗng đồng nhất với đường kính khoang trong khoảng 250 đến 300 nm và độ dày lớp vỏ silica đồng đều khoảng 20 đến 30 nm mà không bị biến dạng hay nứt vỡ thành mao quản.

Thử nghiệm hấp phụ chất màu methylene xanh của màng composite PVA/HSSN (được tạo màng và đóng rắn lạnh sâu ở -60 °C trong 24 giờ) cho thấy hiệu suất xử lý tăng hơn 45% so với mẫu màng PVA nguyên chất không chứa hạt nano silica rỗng trong cùng điều kiện khảo sát 120 phút.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo vỏ silica diễn ra dựa trên lực tương tác tĩnh điện giữa các cation CTAB gắn trên bề mặt hạt polystyrene mang điện thế Zeta dương và các tiền chất silicate mang điện tích âm hình thành từ quá trình thủy phân TEOS hoặc thủy tinh lỏng trấu ($Na_2SiO_3$). Kết quả chỉ ra rằng chất xúc tác base $NH_4OH$ duy trì tốc độ ngưng tụ chậm rãi, tạo vỏ silica mịn màng, trong khi việc sử dụng NaOH làm tăng tốc độ kết tụ quá nhanh dẫn đến vỡ cấu trúc hạt.

Các dữ liệu thực nghiệm này có thể được biểu diễn một cách trực quan qua biểu đồ phân bố kích thước hạt DLS dạng cột kết hợp đường cong tích lũy, giản đồ suy giảm khối lượng vi phân TGA và đồ thị động học hấp phụ biểu diễn phần trăm loại bỏ chất màu theo thời gian.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp trùng hợp nhũ tương styrene truyền thống, phương pháp kết tủa nano từ EPS tái chế rút ngắn thời gian phản ứng từ vài giờ xuống vài phút, đồng thời giảm thiểu lượng monomer dư độc hại trong phòng thí nghiệm. Lớp vỏ silica xốp với các kênh mao quản ngắn cho phép các phân tử chất màu hữu cơ khuếch tán nhanh vào khoang rỗng bên trong, nâng cao dung lượng hấp phụ mà không gây hiện tượng nghẽn tắc bề mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm thúc đẩy khả năng ứng dụng thực tế và thương mại hóa kết quả nghiên cứu, bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý được đề xuất cụ thể:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình phân loại và tiền xử lý rác thải xốp EPS tại nguồn. Các doanh nghiệp tái chế nhựa phối hợp với trường đại học triển khai hệ thống hòa tan - thu hồi dung môi kín trong thời gian 12 tháng, đặt mục tiêu đạt công suất xử lý 50 kg EPS phế thải mỗi ngày với tỷ lệ thu hồi polymer đạt tối thiểu 92% và tuần hoàn 95% dung môi hữu cơ.

Thứ hai, tối ưu hóa quy trình trích xuất dung dịch natri silicat ($Na_2SiO_3$) từ tro trấu quy mô công nghiệp. Các trung tâm nghiên cứu vật liệu mới thực hiện trong vòng 18 tháng, hướng tới mục tiêu hạ giá thành tiền chất silica xuống 30% so với việc nhập khẩu TEOS thương mại và đạt độ tinh khiết dung dịch silicate trên 98.5%.

Thứ ba, thiết kế và chế tạo module màng lọc composite PVA/HSSN dạng tấm phẳng hoặc sợi rỗng liên tục. Đơn vị chuyển giao công nghệ kết hợp với các nhà máy dệt nhuộm thực hiện trong lộ trình 24 tháng, hướng đến chỉ tiêu loại bỏ chất màu methylene xanh và kim loại nặng đạt trên 95% ở lưu lượng lọc 10 m3/giờ.

Thứ tư, xây dựng tiêu chuẩn cơ sở và đánh giá vòng đời sản phẩm (LCA) cho vật liệu nano silica rỗng tái chế. Cơ quan quản lý môi trường và viện nghiên cứu tiến hành trong thời hạn 6 tháng, lượng hóa chỉ số cắt giảm phát thải khí nhà kính đạt mức giảm ít nhất 25% carbon tương đương so với quy trình sản xuất vật liệu hấp phụ truyền thống từ khoáng sản thô.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị khoa học và thực tiễn chuyên sâu cho bốn nhóm đối tượng:

Nhóm 1: Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Hóa Polymer và Công nghệ Vật liệu. Luận văn cung cấp phương pháp luận chuẩn mực về kỹ thuật kết tủa nano, cơ chế tổng hợp vật liệu cấu trúc lõi vỏ và kỹ thuật nung phân hủy khuôn cứng ở 700 °C để tạo cấu trúc rỗng.

Nhóm 2: Các kỹ sư công nghệ và doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực tái chế chất thải rắn, bao bì nhựa. Tài liệu là bản hướng dẫn kỹ thuật chi tiết giúp hiện thực hóa giải pháp nâng cao giá trị gia tăng cho nhựa xốp EPS thải, đạt hiệu suất thu hồi 91% thay vì chôn lấp hay thiêu đốt gây ô nhiễm.

Nhóm 3: Chuyên viên kỹ thuật môi trường và các đơn vị vận hành trạm xử lý nước thải công nghiệp. Luận văn cung cấp công thức chế tạo vật liệu màng composite PVA/HSSN đóng rắn ở -60 °C với khả năng hấp phụ chọn lọc chất màu dệt nhuộm, mở ra giải pháp xử lý nước thải chi phí thấp.

Nhóm 4: Các nhà hoạch định chính sách môi trường và quản lý tài nguyên nông nghiệp. Công trình là minh chứng thực tiễn về mô hình kinh tế tuần hoàn, kết nối chuỗi giá trị từ vỏ trấu và rác thải nhựa thành sản phẩm công nghệ cao phục vụ phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp kết tủa nano từ polystyrene tái chế có ưu điểm gì so với phương pháp trùng hợp nhũ tương truyền thống? Phương pháp kết tủa nano diễn ra gần như tức thời khi hòa tan EPS trong dung môi hữu cơ rồi khuấy trộn vào nước, không đòi hỏi monomer styrene tinh khiết hay chất khơi mào độc hại. Quy trình này giúp kiểm soát kích thước hạt đạt mức 350.2 nm một cách dễ dàng và rút ngắn hơn 80% thời gian tổng hợp khuôn.

Nhiệt độ nung 700 °C trong 60 phút có gây biến dạng hoặc phá hủy vỏ silica rỗng không? Theo kết quả phân tích TGA và ảnh chụp TEM, nhiệt độ nung 700 °C loại bỏ hoàn toàn 100% lõi polymer hữu cơ và chất hoạt động bề mặt CTAB mà không làm nóng chảy hay sụp đổ khung silica. Ngược lại, nhiệt độ này giúp thúc đẩy quá trình ngưng tụ hoàn toàn các liên kết Si-O-Si, gia tăng độ bền cơ học cho hạt.

Nguồn silica chiết xuất từ tro trấu có đáp ứng được độ tinh khiết so với TEOS thương mại không? Quá trình xử lý tro trấu bằng dung dịch acid chlorhydric giúp loại bỏ hầu hết tạp chất oxit kim loại hòa tan, sau đó phản ứng với kiềm tạo natri silicat đạt độ tinh khiết silica trên 90%. Kết quả tổng hợp hạt nano rỗng từ nguồn này cho hình thái tương đương với việc sử dụng tiền chất TEOS đắt tiền.

Chất hoạt động bề mặt CTAB giữ vai trò kỹ thuật nào trong quá trình hình thành lớp vỏ silica? CTAB đóng vai trò chất định hướng cấu trúc và chất tạo mầm. Nhóm cation mang điện tích dương của CTAB liên kết tĩnh điện với bề mặt hạt polystyrene và định hướng các ion silicate mang điện âm bao phủ đều đặn xung quanh khuôn, đồng thời tạo ra mạng lưới lỗ mao quản xốp sau khi nung.

Tại sao màng composite PVA/HSSN cần được đóng rắn ở nhiệt độ âm sâu -60 °C trong 24 giờ? Quá trình đóng rắn ở -60 °C kích thích sự tạo tinh thể mạng lưới polymer PVA qua cơ chế đóng băng - rã đông (freeze-thaw), giúp cố định vững chắc các hạt nano silica rỗng trong nền nhựa mà không cần dùng hóa chất liên kết chéo độc hại, bảo toàn diện tích tiếp xúc hấp phụ chất màu.

Kết luận

• Luận văn đã làm chủ quy trình tinh chế rác thải xốp EPS đạt hiệu suất thu hồi polymer tinh khiết 91%, giải quyết triệt để bài toán ô nhiễm nhựa phân hủy chậm từ 300 đến 1000 năm.
• Xác lập thành công công nghệ kết tủa nano chế tạo hạt nano polystyrene tái chế có kích thước đồng đều 350.2 nm và chỉ số PDI thấp dưới 0.15 nhờ tối ưu hóa thiết bị đồng hóa ở tốc độ 3000 rpm.
• Tổng hợp thành công hạt nano silica cấu trúc rỗng (HSSN) có độ dày thành vỏ 20 đến 30 nm thông qua cơ chế khuôn cứng kết hợp nung nhiệt ở 700 °C trong 1 giờ, tận dụng hiệu quả nguồn silicate từ tro trấu.
• Chế tạo thành công vật liệu màng composite PVA/HSSN với khả năng tăng cường hiệu suất hấp phụ chất màu dệt nhuộm methylene xanh hơn 45% so với vật liệu PVA nền.
• Đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các dòng vật liệu nano đa năng ứng dụng trong xử lý môi trường, xúc tác hóa học và hệ dẫn truyền thuốc y sinh.

Lộ trình nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2023 - 2025 cần tập trung vào việc mở rộng quy mô pilot và thử nghiệm trực tiếp trên các nguồn nước thải công nghiệp thực tế. Các cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất hãy cùng chung tay tài trợ, ứng dụng và nhân rộng giải pháp công nghệ tuần hoàn này vào đời sống sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về polystyrene Polystyrene (PS), một trong những loại nhựa được sử dụng rộng rãi nhất [2], là một polymer thơm thu được bằng cách trùng hợp các monomer styrene (Hình 1. Đối với sản xuất số lượng lớn polystyrene trong công nghiệp, các monomer styrene được sản xuất bằng phản ứng xúc tác dehydro hóa ethylbenzene, với ethylbenzene là sản phẩm của ngành công nghiệp hóa dầu [2]. Phương trình tổng hợp polystyrene [3].

Polystyrene được sử dụng phổ biến ở dạng đúc khuôn hoặc dạng phồng nở (EPS). EPS được xem như một polymer nhiệt dẻo có rất ít vùng kết tinh vì cấu trúc atactic của nó gây cản trở hình thành tinh thể. Do đó, homopolymer trong suốt, bền và dễ dàng tạo màu. PS khó phân hủy sinh học nên phù hợp cho việc sử dụng nó trong ngành công nghiệp thực phẩm, sản phẩm y tế và thiết bị.

Bởi vì polystyrene có tính tương hợp sinh học nên được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị phòng thí nghiệm. Sau khi sản xuất, thiết bị làm từ polystyrene có thể được khử trùng dễ dàng bằng tia UV hoặc ethylene oxide và được sửa đổi bề mặt để tạo ra các nhóm phân cực khác nhau phù hợp với nhu cầu của phòng thí nghiệm [4]. 1 Rác thải EPS tích tụ trong môi trường [5]. Về bản chất EPS được tạo thành từ 98 % không khí và 2 % PS, khối lượng riêng của nó chỉ dưới 50 kg/m3 nên rất dễ phát tán trong gió và chiếm diện tích không nhỏ trong các bãi chôn lấp (Hình 1.

Trong những năm gần đây, vấn đề tái chế chất thải EPS ngày càng được chú ý vì nó có thể giải quyết các vấn đề ô nhiễm đồng thời tạo ra một nguồn nguyên liệu nhiều và rẻ cho các quy trình sản xuất khác. Để kiểm soát lượng chất thải theo cách bền vững, đã có nhiều nghiên cứu sử dụng rác thải EPS để điều chế các sản phẩm và nhiên liệu có giá trị cao [3]. EPS phế thải còn được trộn với bê tông để tạo ra một loại bê tông có trọng lượng và độ dẫn nhiệt thấp [7]. Ngoài ra, vật liệu composite trọng lượng nhẹ có giá trị cao [8], vật liệu carbon xốp [9], vật liệu kết dính [10] và vật liệu kích thước nano như: hạt nano, sợi nano PS, polyelectrolyte,… có thể được sản xuất dùng cho các ứng dụng khác nhau bằng cách sử dụng EPS phế thải làm nguồn nguyên liệu.

Giới thiệu chung về nano polystyrene Từ “nano” ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong thập kỷ qua cùng với số lượng ứng dụng ngày càng tăng của nó trong các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau. Hạt nano được định nghĩa là dạng hạt phân tán hoặc dạng hạt rắn với kích thước trong khoảng 10 – 1000 nm. Đó là việc sử dụng và kiểm soát vật chất ở quy mô cực nhỏ. Ở kích thước này, các nguyên tử và phân tử hoạt động khác nhau, và cung cấp nhiều cách sử dụng thú vị đáng kinh ngạc.

Các ứng dụng của hạt nano ngày càng được mở rộng, tích hợp trong nhiều lĩnh vực như: vi điện tử, cao su tổng hợp, hợp chất xúc tác, vật tư chụp ảnh, mực và chất màu, chất phủ và 2 chất kết dính, hợp chất đánh bóng siêu mịn, chất hấp thụ tia cực tím cho màn chắn nắng, xương tổng hợp, ferrofluids, tấm phủ sợi quang, vải và các phương pháp điều trị, lọc, vật liệu nha khoa, chất khử trùng bề mặt, phụ gia diesel và nhiên liệu, chất trung hòa hóa chất nguy hiểm, linh kiện ô tô, thiết bị điện tử, dụng cụ khoa học, thiết bị thể thao, màn hình phẳng, hệ phân phối thuốc và dược phẩm. Một số kỹ thuật đã được báo cáo để tổng hợp vật liệu nano PS tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Các hạt nano được điều chế thường xuyên nhất bằng ba phương pháp: (1) phân tán các polymer đã được tổng hợp sẵn; (2) trùng hợp monomer; và (3) gel hóa ion hoặc đông tụ đối với các polymer ưa nước. Điều chế các hạt nano cao phân tử có thể đơn giản được chia thành: (1) trùng hợp monomer (2) chế tạo các hạt nano từ polymer tổng hợp sẵn.

Việc tinh chế các hạt nano trộn lẫn monomer, oligomer, thuốc thử còn lại như chất khơi mào và chất hoạt động bề mặt, cũng như kiểm soát các đặc tính phân tử của polymer là những nhiệm vụ đầy thách thức trong kỹ thuật trùng hợp monomer, và đôi khi đòi hỏi năng lượng cao như siêu âm hay đồng hóa. Kết tủa nano (phương pháp dịch chuyển dung môi), một kỹ thuật đầy tiềm năng để sản xuất hạt nano lần đầu tiên được phát triển và cấp bằng sáng chế bởi Fessi cùng các đồng nghiệp. Kết tủa nano là một kỹ thuật đơn giản, nhanh chóng và dễ thực hiện. Quá trình hình thành hạt nano hiệu quả và toàn bộ quy trình chỉ được thực hiện trong một bước.

Về cơ bản, nó yêu cầu hai dung môi có thể trộn lẫn vào nhau. Tốt hơn là polymer phải hòa tan hoàn toàn trong hệ thứ nhất (dung môi, S), nhưng không hòa tan trong hệ thứ hai (chống dung môi, AS). Kết tủa nano xảy ra bởi sự kết tủa nhanh chóng của polymer khi dung dịch polymer được thêm vào AS, ngay khi dung môi chứa polymer khuếch tán vào môi trường phân tán, polymer sẽ kết tủa thành các hạt nano [11]. Đặc điểm tính chất của nano polystyrene Đặc điểm tính chất của hạt nano PS là sự kết hợp giữa đặc tính của polystyrene và hạt có kích thước nanomet.

Polystyrene tương đối ổn định về nhiệt, mặc dù hầu như không có sự phân hủy polystyrene tinh khiết nào xảy ra ở nhiệt độ dưới 200 °C nhưng một lượng rất nhỏ của styrene, ethylbenzene và cumene có thể được phát hiện ở nhiệt độ này bằng phương pháp phân tích. Sau khi duy trì trong 2 giờ ở nhiệt độ trên 330 °C, styrene bị phân hủy hoàn toàn, tạo ra chủ yếu là monomer styrene [12]. Các phân tử polymer của vật liệu nano có ít tương tác với các phân tử xung quanh hơn so với vật liệu khối, dẫn đến năng lượng liên kết liên phân tử thấp hơn khi kích thước hạt giảm. Hệ quả của việc giảm năng lượng liên kết giữa các phân tử là làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hạt PS khi đường kính hạt giảm [13].

Tất cả những yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng phản ứng hóa học của vật liệu nano cũng như các tính chất cơ học, quang học, điện và từ của chúng [14]. Phương pháp kết tủa nano Ba phương pháp kết tủa nano được sử dụng rộng rãi bao gồm: kết tủa nano truyền thống, kết tủa nano nhanh (flash) và kết tủa nano dựa trên vi lỏng (microfluid). Ba phương pháp kết tủa nano này được so sánh về các đặc điểm chính cũng như ưu nhược điểm của chúng qua Bảng 1. 4 So sánh ba phương pháp kết tủa nano.

Phương pháp Đặc điểm chính Ưu điểm Nhược điểm Truyền thống Thường được thực  Dễ dàng sử dụng  Khó kiểm soát hiện trong một lượng quá trình trộn lớn dung dịch, rất  Sản xuất hay thử khó kiểm soát quá nghiệm một lượng  Kích thước hạt trình trộn đặc biệt khi nhỏ mẫu nhanh chóng lớn và phân bố khối lượng được yêu và tiết kiệm kích thước rộng cầu lớn.  Tốn dung môi Nhanh Quá trình trộn dựa  Nhanh  Độ ổn định của trên dòng chảy rối hạt không đủ tạo ra sự hỗn loạn, có  Thiết bị đơn giản tốt cho một số thể tạo được kết tủa ứng dụng  Kích thước hạt nhỏ và nano trong vòng vài phân bố hẹp mili giây.  Có thể sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm và cả quy mô công nghiệp Vi lỏng Thường dựa trên  Các đặc tính hóa lý  Năng suất thấp dòng chảy tầng, của hạt có thể được do thể tích nhỏ đường trộn hẹp (vài kiểm soát bằng cách và tốc độ dòng chục nanomet) tạo kiểm soát tỉ lệ tốc độ chảy chậm nên khuếch tán tốc giữa hai dòng vào độ cao ở micro giây, hoặc thay đổi cấu trúc  Có khả năng có sự kiểm soát giữa thiết bị tắc nghẽn do dung môi và chất các hạt rắn bị chống dung môi,  Có thể sản xuất trên tích tụ hoạt động trong dòng quy mô rộng chảy liên tục. Kết tủa nano truyền thống Kết tủa nano truyền thống thường được thực hiện trong một lượng lớn dung dịch bằng cách thêm dung môi chứa các phân tử kỵ nước vào chất chống dung môi (antisolvent) từng giọt một trong suốt quá trình khuấy trộn [15,16].

Khi trộn một thể tích nhỏ, quá trình này tạo ra các hạt ngay lập tức với sự phân bố kích thước hẹp thường ở kích thước nano. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để xác định và tối ưu hóa các thông số thích hợp nhất có thể kiểm soát quá trình kết tủa, bao gồm việc lựa chọn dung môi và chất chống dung môi thích hợp, tỷ lệ thể tích của chúng, điều kiện pha trộn và nồng độ của các phân tử kỵ nước trong dung môi [17]. Chất chống dung môi phải có khả năng trộn lẫn hoàn toàn với dung môi có chứa polymer, nước là chất chống dung môi được sử dụng nhiều nhất, dung dịch muối và dung dịch đệm cũng thường được sử dụng [15]. Về cơ bản, kết tủa nano không cần chất hoạt động bề mặt nhưng trong một số trường hợp nó có thể được thêm vào chất chống dung môi để ổn định hạt nano [18].

Sự hiện diện của chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến kích thước và sự phân bố kích thước của hạt nano [19]. Các đặc tính hóa lý của hạt nano như kích thước, điện tích, hình thái và tính chất bề mặt ảnh hưởng đến ứng dụng của chúng [20]. Để tạo ra các hạt nano với kích thước và hình thái như mong muốn bằng kết tủa nano truyền thống, việc lựa chọn các thông số chính thích hợp như: lựa chọn dung môi và chất chống dung môi, nồng độ của polymer trong dung môi, nhiệt độ khuấy trộn, độ phân cực của chất chống dung môi, tỉ lệ giữa dung môi/chất chống dung môi và cách thêm vào là rất quan trọng [15,18,21]. Kết tủa nano nhanh Kết tủa nano nhanh (FNP), được báo cáo lần đầu tiên bởi Johnson và Prud’homme vào năm 2003, được thiết kế để đạt được thời gian trộn ít hơn thời gian tạo mầm và phát triển của một hạt nano [22].

Là một quá trình kết tủa được kiểm soát và có thể nhân rộng, nó đã được sử dụng để tạo ra các hạt nano khác nhau của các hợp chất kỵ nước [23–25]. Hai loại thiết bị trộn, bộ trộn tia phun xung lực giới hạn (CIJ) và bộ trộn xoáy đa đầu vào (MIVM) (Hình 1.3), đã được sử dụng rộng rãi để tạo kết tủa nano nhanh.