Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước do sự cố tràn dầu là một trong những thách thức môi trường nghiêm trọng toàn cầu. Năm 2023, đã xảy ra khoảng 10 sự cố tràn dầu trên 7 tấn từ tàu chở dầu, với tổng khối lượng dầu tràn ước tính khoảng 2000 tấn. Vụ tràn dầu nặng nhất tại Philippines đã làm tràn hơn 800.000 lít dầu công nghiệp ra môi trường biển, gây ảnh hưởng lâu dài đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Các phương pháp xử lý truyền thống như phao quây dầu, thiết bị hớt váng, chất hấp phụ tự nhiên và tổng hợp đều có những hạn chế nhất định về hiệu quả và tính bền vững.

Trong bối cảnh đó, vật liệu aerogel cellulose vi khuẩn (BC aerogel) được xem là giải pháp tiềm năng nhờ đặc tính thân thiện môi trường, độ xốp cao và khả năng hấp phụ vượt trội. Tuy nhiên, BC aerogel nguyên bản có tính ưa nước cao do chứa nhiều nhóm hydroxyl, làm giảm hiệu quả hấp phụ các dung môi hữu cơ kỵ nước. Do vậy, việc biến tính bề mặt để tăng tính kỵ nước là cần thiết nhằm nâng cao khả năng hấp phụ dung môi hữu cơ không tan trong nước.

Mục tiêu nghiên cứu là tổng hợp vật liệu aerogel cellulose vi khuẩn từ thạch dừa bằng phương pháp sấy đông khô, biến tính bề mặt bằng methyltrimethoxysilane (MTMS) qua lắng đọng hơi hóa học (CVD) để tạo vật liệu kỵ nước, đồng thời khảo sát khả năng hấp phụ các dung môi hữu cơ kỵ nước như cyclohexane, diesel và nhiều dung môi khác. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM trong giai đoạn từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường, hiệu quả trong xử lý sự cố tràn dầu và ô nhiễm dung môi hữu cơ.

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:

  • Cấu trúc và tính chất của cellulose vi khuẩn (BC): BC là polysaccharide có cấu trúc nano sợi với đường kính 50-100 nm, tạo mạng lưới 3D xốp, có độ tinh khiết cao và khả năng giữ nước vượt trội. BC không chứa lignin và hemicellulose nên dễ biến tính và thân thiện môi trường.

  • Aerogel và đặc tính vật liệu xốp: Aerogel là vật liệu rắn xốp có khối lượng riêng thấp, diện tích bề mặt lớn, được tổng hợp qua quá trình tạo gel và sấy khô giữ cấu trúc xốp. Aerogel BC có ưu điểm về độ bền cơ học và khả năng phân hủy sinh học.

  • Phương pháp silane hóa (silanization) bằng methyltrimethoxysilane (MTMS): Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) sử dụng MTMS để gắn các nhóm methyl kỵ nước lên bề mặt aerogel, làm tăng góc tiếp xúc nước lên gần 125°, cải thiện tính kỵ nước và khả năng hấp phụ dung môi hữu cơ.

  • Khái niệm hấp phụ dung môi hữu cơ kỵ nước: Khả năng hấp phụ được đánh giá dựa trên khối lượng dung môi hấp phụ trên mỗi đơn vị khối lượng vật liệu (g/g), phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu, tính kỵ nước và điều kiện biến tính.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu cellulose vi khuẩn được tổng hợp từ thạch dừa, một nguyên liệu tự nhiên phổ biến tại Việt Nam. Vật liệu aerogel được tạo thành bằng phương pháp sấy đông khô.

  • Quy trình biến tính: Aerogel BC được biến tính bằng MTMS qua phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) trong khoảng nhiệt độ 50–120°C, thời gian 6–30 giờ, với hàm lượng MTMS từ 0 đến 2,5 mL. Các cách đặt mẫu trong quá trình biến tính cũng được khảo sát để tối ưu hiệu quả.

  • Phân tích đặc trưng vật liệu: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc nano sợi, phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để xác định hàm lượng MTMS, nhiễu xạ tia X dạng bột (PXRD) để kiểm tra cấu trúc tinh thể, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để phát hiện liên kết Si-C, và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để đánh giá hàm lượng biến tính.

  • Khảo sát khả năng hấp phụ: Thí nghiệm hấp phụ các dung môi hữu cơ kỵ nước như cyclohexane, diesel, n-hexane, ethyl acetate, dichloromethane, chloroform, toluene, chlorobenzene, tetrahydrofuran, 1,2-dichlorobenzene và dầu dừa. Khả năng hấp phụ được đo bằng sự chênh lệch khối lượng dung môi trước và sau hấp phụ, với thời gian hấp phụ từ 0 đến 300 giây.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu thực hiện trong 5 tháng, với nhiều mẫu aerogel biến tính khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tổng hợp và biến tính đến hiệu quả hấp phụ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc vật liệu: SEM cho thấy sợi cellulose có đường kính 50-100 nm phân bố 3D không trật tự trong aerogel. PXRD xác nhận cấu trúc tinh thể cellulose không thay đổi đáng kể sau biến tính MTMS. FT-IR phát hiện tín hiệu liên quan đến liên kết Si-C ở mức thấp do hàm lượng MTMS gắn trên bề mặt khoảng 1,8% theo phân tích EDX và TGA.

  2. Tính kỵ nước: Sau biến tính, góc tiếp xúc nước của aerogel đạt gần 125°, thể hiện tính kỵ nước rõ rệt so với mẫu chưa biến tính. Điều này nhờ nhóm methyl kỵ nước được gắn lên bề mặt aerogel.

  3. Khả năng hấp phụ dung môi hữu cơ: Vật liệu aerogel biến tính hấp phụ dung môi hữu cơ kỵ nước với hiệu suất từ 128,3 đến 231,5 g/g, tỷ lệ thuận với tỉ trọng dung môi. Ví dụ, khả năng hấp phụ cyclohexane và diesel được cải thiện đáng kể khi tăng nhiệt độ biến tính lên 110°C, thời gian biến tính 18 giờ và hàm lượng MTMS 1 mL.

  4. Ảnh hưởng các yếu tố tổng hợp: Nhiệt độ biến tính, hàm lượng MTMS, thời gian biến tính, nồng độ cellulose trong huyền phù và cách đặt mẫu trong quá trình biến tính đều ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ. Ví dụ, đặt mẫu aerogel nằm ngang và chai MTMS bên trong beaker cho hiệu quả hấp phụ cao nhất.

Thảo luận kết quả

Việc giữ nguyên cấu trúc tinh thể cellulose sau biến tính cho thấy quá trình silane hóa không làm phá hủy cấu trúc vật liệu, đảm bảo tính ổn định cơ học và hóa học. Tính kỵ nước tăng lên nhờ nhóm methyl từ MTMS làm giảm sự tương tác với nước, giúp aerogel ưu tiên hấp phụ các dung môi hữu cơ kỵ nước.

So với các nghiên cứu trước đây, vật liệu aerogel biến tính trong nghiên cứu này có khả năng hấp phụ dung môi hữu cơ tương đương hoặc vượt trội, đồng thời quy trình tổng hợp đơn giản, sử dụng nguyên liệu thạch dừa sẵn có tại Việt Nam, góp phần giảm chi phí và tăng tính bền vững.

Biểu đồ góc tiếp xúc nước và biểu đồ khả năng hấp phụ theo điều kiện biến tính có thể minh họa rõ ràng sự cải thiện tính kỵ nước và hiệu suất hấp phụ. Bảng so sánh khả năng hấp phụ với các vật liệu aerogel khác cũng cho thấy ưu thế của vật liệu nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình biến tính: Khuyến nghị áp dụng nhiệt độ biến tính khoảng 110°C, thời gian 18 giờ và hàm lượng MTMS 1 mL để đạt hiệu quả hấp phụ tối ưu. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ.

  2. Phát triển quy mô sản xuất: Đề xuất mở rộng quy mô tổng hợp aerogel cellulose vi khuẩn từ thạch dừa nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu dồi dào, giảm chi phí sản xuất và tăng tính khả thi thương mại trong vòng 1-2 năm.

  3. Ứng dụng trong xử lý sự cố tràn dầu: Khuyến khích sử dụng vật liệu aerogel biến tính trong các thiết bị thu hồi dầu và xử lý ô nhiễm dung môi hữu cơ tại các khu vực ven biển và công nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu tác động môi trường.

  4. Nghiên cứu mở rộng: Đề xuất nghiên cứu thêm về khả năng tái sử dụng vật liệu aerogel sau quá trình hấp phụ, cũng như biến tính với các tác nhân silane khác để nâng cao tính kỵ nước và độ bền cơ học trong vòng 1-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Có thể áp dụng phương pháp tổng hợp và biến tính aerogel cellulose vi khuẩn để phát triển vật liệu hấp phụ mới, phục vụ nghiên cứu và ứng dụng.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và xử lý môi trường: Tận dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, hiệu quả trong xử lý sự cố tràn dầu và ô nhiễm dung môi hữu cơ.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn và hướng dẫn sử dụng vật liệu sinh học trong xử lý ô nhiễm, góp phần bảo vệ môi trường bền vững.

  4. Ngành nông nghiệp và chế biến nông sản: Khai thác tiềm năng nguyên liệu thạch dừa để phát triển chuỗi giá trị mới, tăng thu nhập cho nông dân và thúc đẩy kinh tế địa phương.

Câu hỏi thường gặp

  1. Aerogel cellulose vi khuẩn là gì và có ưu điểm gì?
    Aerogel cellulose vi khuẩn là vật liệu xốp nhẹ được tổng hợp từ cellulose do vi khuẩn tạo ra, có độ tinh khiết cao, cấu trúc nano sợi 3D, độ xốp lớn và khả năng phân hủy sinh học. Ưu điểm gồm khả năng hấp phụ cao, thân thiện môi trường và độ bền cơ học tốt.

  2. Tại sao cần biến tính aerogel bằng silane?
    Biến tính bằng silane như MTMS giúp gắn các nhóm methyl kỵ nước lên bề mặt aerogel, làm tăng tính kỵ nước, giảm hấp phụ nước và nâng cao khả năng hấp phụ dung môi hữu cơ kỵ nước, phù hợp cho xử lý sự cố tràn dầu.

  3. Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) hoạt động như thế nào?
    CVD là phương pháp biến tính bề mặt bằng cách cho hơi silane phản ứng với bề mặt vật liệu trong điều kiện nhiệt độ kiểm soát, tạo lớp phủ mỏng các nhóm chức năng trên bề mặt mà không làm thay đổi cấu trúc vật liệu.

  4. Khả năng hấp phụ dung môi hữu cơ của vật liệu đạt mức nào?
    Vật liệu aerogel biến tính hấp phụ dung môi hữu cơ kỵ nước với hiệu suất từ 128,3 đến 231,5 g dung môi trên 1 g vật liệu, tỷ lệ thuận với tỉ trọng dung môi, cho thấy hiệu quả hấp phụ cao.

  5. Vật liệu này có thể tái sử dụng được không?
    Mặc dù nghiên cứu chính tập trung vào khả năng hấp phụ, các nghiên cứu tương tự cho thấy aerogel biến tính có thể tái sử dụng nhiều lần sau quá trình xử lý, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để đánh giá độ bền và hiệu quả tái sử dụng cụ thể.

Kết luận

  • Vật liệu aerogel cellulose vi khuẩn từ thạch dừa được tổng hợp thành công bằng phương pháp sấy đông khô và biến tính bằng MTMS qua CVD, tạo vật liệu kỵ nước với góc tiếp xúc nước gần 125°.
  • Cấu trúc nano sợi cellulose giữ nguyên sau biến tính, đảm bảo tính ổn định vật liệu.
  • Khả năng hấp phụ dung môi hữu cơ kỵ nước đạt từ 128,3 đến 231,5 g/g, hiệu quả vượt trội so với nhiều vật liệu tương tự.
  • Các yếu tố tổng hợp như nhiệt độ, thời gian biến tính, hàm lượng MTMS và cách đặt mẫu ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất hấp phụ.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu hấp phụ thân thiện môi trường, ứng dụng hiệu quả trong xử lý sự cố tràn dầu và ô nhiễm dung môi hữu cơ.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu mở rộng về tái sử dụng vật liệu và phát triển quy mô sản xuất thương mại. Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp ứng dụng kết quả để nâng cao hiệu quả xử lý môi trường.