Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, vật liệu aerogel được tổng hợp từ cellulose có nguồn gốc từ thân cây ngô với poly(vinyl Alcohol) (PVA) làm chất liên kết cho ứng dụng dụng hấp phụ dầu. Đặc trưng và khả năng hấp phụ hợp chất hữu cơ và dầu của vật liệu aerogel được phân tích và nghiên cứu. Kết quả cho thấy vật liệu aerogel có cấu trúc xốp, độ xốp cao, khối lượng riêng thấp có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ và dầu.

Giới thiệu

Với đặc thù là nước nông nghiệp, Việt Nam sở hữu nguồn sinh khối dồi dào và đa dạng, tuy nhiên trong quá trình sản xuất nông nghiệp, sinh khối được thải ra với số lượng lớn gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Do đó, việc tìm ra phương án xử lý và tận dụng sinh khối đang được quan tâm. Thân ngô là sinh khối được thải ra với số lượng lớn và hầu như chưa có phương pháp tái sử dụng triệt để nguồn sinh khối này. Thân ngô và xơ dừa có hàm lượng cellulose lớn nên được sử dụng làm tiền chất để tổng hợp các vật liệu như: Aerogel, carbon dạng ống, carbon hoạt tính, v.v. Trong đó, vật liệu aerogel được quan tâm nghiên cứu do có các đặc tính như cấu trúc khối ba chiều, diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao, khối lượng riêng thấp, độ bền cơ cao và thân thiện với môi trường. Nhờ các đặc tính trên, aerogel có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực chế tạo vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm dầu.

Ngày nay, sự cố tràn dầu đã gây ra những tác động thảm khốc và ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái. Ô nhiễm dầu làm suy giảm lượng động, thực vật, và sức khỏe của con người. Vì vậy, việc xử lý dầu luôn được quan tâm trong vấn đề xử lý các chất ô nhiễm. Nhiều phương pháp xử lý dầu được phát triển đa dạng như: Phao quây dầu, đốt tại chỗ, enzyme phân hủy dầu, vật liệu hấp phụ, v.v. Trong đó, phương pháp sử dụng vật liệu hấp phụ, đặc biệt là vật liệu aerogel được tổng hợp từ sinh khối với diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao, kích thước lỗ xốp đa dạng mang lại nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác như: Khả năng hấp phụ dầu cao, có thể tái sử dụng cho nhiều chu kỳ, quy trình tổng hợp đơn giản, giá thành thấp, tiết kiệm thời gian, dễ xử lý, và có khả năng phân hủy sinh học. Do đó, vật liệu aerogel từ sinh khối được nghiên cứu như vật liệu tiềm năng trong ứng dụng hấp phụ xử lý dầu.

Aerogel được định nghĩa là hệ gel khô (không chứa dung môi), có lượng lớn lỗ xốp (không khí chiếm hơn 80%), khối lượng nhẹ, và diện tích bề mặt riêng lớn. Aerogel là một loại chất rắn nhẹ với cấu trúc lỗ xốp dạng mở hoặc đóng đa dạng, kích thước lỗ xốp từ nano đến micro. Aerogel được tổng hợp thông qua quá trình loại bỏ nước (hoặc các hợp chất dễ bay hơi) khỏi hệ gel lỏng, do đó aerogel được xem là một mạng lưới polymer gồm các hạt hoặc sợi liên kết với nhau. Trong quá trình đuổi khí khỏi hệ gel tạo lỗ xốp trong aerogel và giúp tăng diện tích bề mặt riêng, giảm khối lượng riêng. Vật liệu aerogel có cấu trúc khối ba chiều, độ xốp cao với các kích thước, hình thái lỗ xốp đa dạng, diện tích bề mặt riêng cao. Aerogel có nhiều hình dạng và kích thước lỗ xốp khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng, phương pháp tổng hợp. Do đó, có nhiều cách phân loại aerogel. Dựa trên thành phần và cấu trúc hóa học, aerogel được chia thành ba nhóm: Aerogel vô cơ, aerogel hữu cơ, và aerogel composite. Các aerogel vô cơ có nguồn gốc từ các thành phần tiền chất vô cơ như alkoxide kim loại hoặc muối kim loại. Aerogel hữu cơ được chế tạo từ các sản phẩm tiền chất hữu cơ như nhựa phenol formaldehyde, polymer hữu cơ (cellulose, chitosan, v.v.). Các aerogel composite được sản xuất bởi hỗn hợp của cả tiền chất vô cơ và hữu cơ. Trong số đó, aerogel hữu cơ, được chế tạo từ sợi cellulose, rất được quan tâm nhờ khả năng phân hủy sinh học, chi phí thấp và diện tích bề mặt lớn [11,12]. Một trong những phương pháp để tổng hợp aerogel từ cellulose là thông qua việc loại bỏ tạp chất trong tiền chất bằng cách xử lý hóa học để giữ lại các cấu trúc vốn có của sợi cellulose trong aerogel. Trong nghiên cứu này, để tận dụng các phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, thân ngô được sử dụng làm nguyên liệu thô để tổng hợp aerogel. Thân cây ngô có trữ lượng lớn ở nhiều vùng ở Việt Nam, chứa hàm lượng cellulose tương đối lớn (35 – 50%) và lignin (5 – 34%) có thể cung cấp sợi cellulose cho sự hình thành mạng lưới aerogel. Sau khi xử lý hóa học, những sợi này có thể được sắp xếp lại một cách hiệu quả để tạo ra một khung lớn xốp điển hình, cùng với bề mặt riêng lớn, rất thích hợp cho việc hấp phụ dầu và dung môi hữu cơ trong môi trường nước [19].

Aerogel được tổng hợp từ cellulose thông qua các chất tạo liên kết ngang trong dung dịch để liên kết các sợi cellulose tạo gel. Để thu được aerogel, nước trong hệ gel sẽ được thay thế bằng không khí thông qua giai đoạn sấy, nhưng không làm sụp cấu trúc hiện có của vật liệu thông qua phương pháp sấy thăng hoa giúp hình thành các lỗ xốp với cấu trúc dạng khối. Như vậy, aerogel trong nghiên cứu này được tổng hợp từ cellulose và chất tạo liên kết ngang kết hợp với sấy thăng hoa. Chất kiên kết ngang được sử dụng là poly(vinyl alcohol) (PVA), là tác nhân liên kết hiệu quả với cellulose góp phần tạo cấu trúc khung ba chiều của aerogel, tăng cường độ xốp giúp tăng khả năng hấp phụ của vật liệu. Tuy nhiên, cấu trúc aerogel chỉ từ PVA có thể sụp đổ khi tiếp xúc với nước. Điều này có thể cản trở đáng kể khả năng ứng dụng của vật liệu, do đó việc xử lý nhiệt để carbon hóa nhằm làm tăng tính kỵ nước, độ xốp và diện tích bề mặt riêng của aerogel từ đó tăng cường và cải thiện đặc tính hấp phụ vật liệu.

Đặc trưng của vật liệu

Khối lượng riêng và độ xốp của PTA được xác định và hiển thị trong Hình 1. Kết quả cho thấy, vật liệu PTA có khối lượng riêng 83 mg/cm³ và độ xốp là 94,5%.

Hình 1. Độ xốp và khối lượng riêng và của PTA

Giản đồ XRD được của PTA được thể hiện ở Hình 2. Kết quả cho thấy PTA có ba đỉnh nhiễu xạ ở 2θ = 16,5; 23,0 và 34,1 ^o , có thể là của mặt phẳng tinh thể (110), (200) và (004) của mạng cellulose. Ngoài ra, cường độ tín hiệu cao hơn của cellulose, cho thấy cellulose được tách từ thân ngô có độ tinh khiết cao hơn so với tiền chất thân ngô. Điề này có thể là kết quả của việc loại bỏ hiệu quả các thành phần không phải cellulose như lignin, hemicellulose và pectin trong quá trình tách cellulose từ thân ngô. Các đỉnh nhiễu xạ của vật liệu aerogel được tổng hợp từ cellulose và PVA có các đỉnh nhiễu xạ tương tự cellulose thân ngô, điều này cho thấy quá trình tổng hợp vật liệu aerogel không làm thay đổi đáng kể cấu trúc vốn có của tiền chất cellulose.

Hình 2. Giản đồ XRD của thân ngô, cellulose và aerogel từ cellulose thân ngô

Ảnh SEM của vật thân ngô, cellulose từ thân ngô và vật liệu PTA được hiển thị trong Hình 3, bề mặt xốp đặc biệt có thể được phát hiện trong thân cây ngô, trong khi đối với cellulose được tách từ thân ngô có rất nhiều sợi mảnh và dài có đường kính từ 5 đến 15 μm. Khi kết hợp PVA để tổng hợp PTA, cho thấy bề mặt vật liệu xuất hiện nhiều liên kết chắc chắn giữa các sợi cellulose và PVA. Bề mặt vật liệu PTA có nhiều lỗ xốp nhỏ với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau rất phù hợp với kết quả đạt được về độ xốp và khối lượng riêng.

Hình 3. Ảnh SEM của (a) thân cây ngô , (b) cellulose từ thân ngô, (c) PTA

Ánh xạ nguyên tố của PTA được sử dụng để phân tích các thành phần chính của vật liệu, cụ thể là C, N, O, S, P và được thể hiện ở Hình 4, tất cả các thành phần được phân bố tương đối đồng đều trong toàn bộ vật liệu PTA. Trong khi đó, C và O là hai thành phần chính của cellulose xuất hiện dọc theo các sợi, điều này khẳng định sự hiện diện của mạng lưới cellulose trong vật liệu aerogel.

Hình 4. (ag) Nguyên tố ánh xạ và (h) phổ EDS của PTA

Khả năng hấp phụ của vật liệu

Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ các chất hữu cơ và dầu của PTA được thể hiện ở Hình 5. Dung lượng hấp phụ dầu của vật liệu PTA cao hơn so với các chất hữu cơ. Kết quả hấp phụ cho thấy khả năng hấp phụ dầu diesel của vật liệu là cao nhất, điều này này có thể giải thích các nhóm CH₂ trên cellulose tạo liên kết tốt với dầu từ đó lưu giữ dầu tốt hơn, tuy nhiên khả năng hấp phụ của dầu nành thấp hơn diesel có thể là do cấu trúc phân tử của dầu nành lớn hơn nên khó có thể hấp phụ vào các lỗ xốp nhỏ của vật liệu.

Hình 5. Dung lượng hấp phụ dầu của vật liệu PTA

Kết luận

Vật liệu PTA tổng hợp được có khối lượng riêng thấp, độ xốp cao, thành phần chủ yếu là cellulose có khả năng hấp phụ được một số dung môi hữu cơ như n-hexan, methanol, dầu nành và dầu diesel. Nhờ cấu trúc xốp với kích thước lỗ xốp đa dạng với các nhóm CH₂ của cellulose có thể dễ dàng tạo liên kết với các nhóm chức kỵ nước của các chất hữu cơ và lưu giữ các chất bị hấp phụ trong các lỗ xốp nhờ lực mao quản, từ đó tạo khả năng hấp phụ dầu và các hợp chất hữu cơ của vật liệu PTA.