Vật liệu aerogel từ rơm rạ, bã mía…
Chia sẻ về cơ duyên chọn lựa nghiên cứu này, Phạm Thế Vinh, sinh viên năm 4, Viện Khoa học Công nghệ Môi trường (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) cho biết, trong một lần nghe cô giáo giảng về vật liệu aerogel siêu nhẹ, nhóm rất ngạc nhiên về công dụng xử lý môi trường của vật liệu này.
Mong muốn có thể cải tiến, tạo nên một loại vật liệu có khả năng giúp xử lí nguồn nước bị tác động bởi xăng dầu, Phạm Thế Vinh cùng 3 người bạn của mình đã chế tạo nên vật liệu aerogel có thể hấp thụ xăng dầu trong nước nhanh chóng chỉ từ rơm rạ, bã mía, lá dứa.
Tháng 6 năm 2020, Vinh với ba bạn cùng lớp gồm Vũ Hữu Hòa, Nguyễn Thế Phong, Phạm Thị Hương Giang bắt đầu tìm hiểu để có thể bắt tay vào chế tạo vật liệu aerogel siêu nhẹ này.
Biết được vật liệu này có thể được tạo ra từ phụ phẩm nông nghiệp và thông qua khảo sát thị trường, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng các nguyên vật liệu cần thiết để chế tạo nên aerogel rất dễ tìm. Nguồn nguyên liệu chủ yếu chỉ cấu tạo nên từ rơm rạ, bã mía, lá dứa, tuy nhiên sau chế tạo lại có thể thu được thành phẩm có giá trị rất cao.
Để chế tạo nên vật liệu siêu nhẹ có khả năng lọc nước nhiễm xăng dầu, nhóm nghiên cứu bắt đầu thu thập bã mía, lá dứa và rơm rạ để mang về phòng thí nghiệm. Nhóm chia nhau cắt nhỏ các nguyên liệu và rồi xay nhỏ chúng thành bột để thu gom chất cellulose.
Sau đó nhóm sử dụng chất kiềm NaOH ở mức độ an toàn để loại bỏ những tạp chất khi tạo nên thành phẩm. Cellulose rồi được pha trộn với một loại chất tạo độ liên kết. Hỗn hợp gel này được đưa vào máy chiết siêu âm trong điều kiện 80 độ C.
Cuối cùng là công đoạn đông khô. Thế Phong – một thành viên trong nhóm nghiên cứu – chia sẻ rằng, công đoạn cuối cùng này sẽ quyết định đến chất lượng của vật liệu, bởi vật liệu tốt yêu cầu phải loại bỏ chất lỏng bên trong hỗn hợp gel mà không phá vỡ cấu trúc rắn bên ngoài vật liệu.
Nhiều lần thử với các phương pháp đông khô khác nhau, Vinh và cộng sự đã chọn cách sấy thăng hoa với ưu điểm dễ kiểm soát nhiệt độ và chất lượng vật liệu. Hỗn hợp gel được giữ ổn định 24 giờ ở mức nhiệt 40 độ C và sau đó được đưa vào máy đông khô.
Sau 3 ngày, vật liệu aerogel mà nhóm chế tạo nên có độ xốp cao tới 99%, khối lượng riêng nhỏ, siêu nhẹ. Qua thử nghiệm về khả năng hấp thụ xăng dầu trong nước cho thấy rằng 1 gram aerogel có thể hấp phụ 16 - 18 gram dầu và 17 gram xăng, có khả năng thay thế vật liệu hút dầu thương mại không thân thiện môi trường như polypropylene trong xử lý dầu tràn.
Lọc bụi bẩn trong nước sinh hoạt
Vật liệu siêu nhẹ nên khi sử dụng để hút xăng dầu trong nước có nhiều ưu điểm. Có thể hấp thụ các hỗn hợp dầu tràn vãi ở mọi dạng nguyên, nhũ hóa từng phần hay bị phân tán trên mặt nước. Vật liệu này có đặc tính chỉ hút dầu, không hút nước. Trong quy trình sản xuất, trải qua công đoạn được phun phủ một lớp parafin mỏng.
Chính lớp parafin này làm cho vật liệu kị nước. Nhưng khi tiếp xúc với dầu (kể cả dầu nhũ tương trong nước), lớp bọc bằng parafin đó bị phá vỡ rất nhanh để cho các xơ bông tiếp xúc ngay với dầu và hút dầu.
Đối với giếng nước thành được xây trơn bằng gạch hoặc bê tông và có chiều sâu mực nước thấp, vật liệu sẽ được rải phủ trên toàn bộ bề mặt giếng, dùng gậy đảo để tiếp xúc nhanh với váng xăng, vật liệu sẽ nhanh chóng thấm hút hết lượng xăng váng trên bề mặt nước giếng. Sau 5 - 10 phút, dùng vợt hay lưới mặt nhỏ để vớt các miếng xốp đã thấm xăng lên.
Aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế giới mà con người từng biết đến. Nó nhẹ đến mức có thể đặt được trên một bông hoa. Với thể tích 1 inch khối (khoảng 16,3 ml) có thể dát mỏng và phủ lên toàn bộ một sân bóng đá. Aerogel loại silica giữ 15 mục trong sách kỷ lục Guinness cho các thuộc tính vật chất.
Điển hình là nhẹ nhất, rắn nhất, cách điện tốt nhất; và mật độ vật chất thấp nhất. 90% thể tích của aerogel là không khí, nặng hơn không khí 3 lần và nhẹ hơn thủy tinh 1.000 lần. Mặc dù rất nhẹ nhưng một vật làm bằng aerogel có khả năng “cõng” một vật khác có trọng lượng gấp 500 đến 4.000 lần trọng lượng của nó.
Nó cũng có khả năng cho không khí xuyên qua, chống cháy và có thể thấm cả dầu lẫn nước. Chưa hết, aerogel vừa có thể làm dây dẫn điện, vừa có thể trở thành một chất cách điện tốt nhất từ trước tới nay khi được pha trộn với một số vật liệu khác.
Với những khả năng phi thường đó, aerogel xứng đáng với cái tên “vật liệu tốt nhất hành tinh”. Aerogel có thể được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực; cho phép con người làm được những điều chưa từng làm được với các loại vật liệu trước đó. Đơn cử như việc lọc sạch chất thải, chất gây ô nhiễm và vi nhựa có trong nước.
Viện Nghiên cứu Nước và Môi trường Nanyang (Singapore) đã công bố sáng chế bọt biển màu đen, nhỏ có tên gọi sợi carbon fiber aerogel. Các nhà khoa học khẳng định, nó có thể lọc sạch nước ở quy mô lớn.
Mỗi miếng bọt biển sợi carbon fiber aerogel này có khả năng hấp thụ lượng chất thải, ô nhiễm; chất dẻo nhựa với khối lượng bằng 190 lần bản thân nó.
Thành viên nhóm nghiên cứu cho biết, với đặc tính vượt trội về khối lượng, độ xốp và khả năng hấp phụ tốt, aerogel cũng có thể dùng để lọc bụi bẩn trong nước sinh hoạt.
“Vật liệu mới được hoàn thiện ở quy mô phòng thí nghiệm, việc điều chế với số lượng lớn còn hạn chế, phụ thuộc thiết bị nhà trường”, Vinh nói và cho biết, đã có một đơn vị trao đổi với giáo viên hướng dẫn của nhóm để hỗ trợ cải tiến và phát triển sản phẩm này.
