Tổng Hợp Composite Aerogel Từ Lốp Xe và Tro Thải cho Ứng Dụng Cách Nhiệt Cách Âm
Tổng hợp composite aerogel từ lốp xe và tro thải nhằm ứng dụng cách nhiệt và cách âm hiệu quả.
Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM
Luan An
Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản
Số trang
106
Thời gian đọc
16 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Tổng quan tái chế lốp xe phế thải và tro bay tro xỉ
- Số trang:
- 106 trang
- Trường:
- Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM
- Chuyên ngành:
- Kỹ thuật Hóa Học
- Tác giả:
- Lê Thị Cúc
- Năm:
- 2023
Tóm tắt nội dung luận án
I. Tổng quan tái chế lốp xe phế thải và tro bay tro xỉ
Khủng hoảng rác thải rắn đang là vấn đề môi trường cấp bách toàn cầu. Lốp xe hết hạn sử dụng tích tụ với số lượng khổng lồ. Loại rác này chứa cao su lưu hóa khó phân hủy sinh học trong điều kiện tự nhiên. Cùng lúc đó, các nhà máy nhiệt điện phát thải hàng triệu tấn tro xỉ mỗi năm. Bãi thải tro xỉ gây ô nhiễm đất, nguồn nước ngầm và không khí. Hoạt động tái chế lốp xe phế thải kết hợp xử lý tro bay tro xỉ mở ra hướng đi bền vững. Nghiên cứu đã tận dụng hai nguồn phụ phẩm này để tổng hợp vật liệu mới. Quy trình chuyển hóa rác thải công nghiệp thành tài nguyên có giá trị kinh tế cao. Phương pháp này giảm thiểu gánh nặng cho bãi chôn lấp chất thải. Kinh tế tuần hoàn được hiện thực hóa qua các giải pháp khoa học vật liệu tiên tiến.
1.1. Thách thức môi trường từ lốp xe và tro xỉ thải
Lốp cao su phế thải chiếm diện tích bãi chứa rất lớn. Nguy cơ hỏa hoạn từ các bãi lốp xe luôn tiềm ẩn và khó dập tắt. Khói từ cháy lốp thải ra nhiều khí độc hại cho sức khỏe con người. Trong khi đó, bụi mịn tro bay tro xỉ từ lò đốt nhiệt điện phát tán gây ô nhiễm bụi nghiêm trọng. Lượng kim loại nặng trong tro xỉ có thể ngấm sâu vào tầng nước ngầm. Phương pháp xử lý truyền thống chủ yếu là chôn lấp hoặc san lấp mặt bằng. Cách làm này gây lãng phí tài nguyên và đe dọa hệ sinh thái đất. Việc tìm kiếm công nghệ tái chế lốp xe phế thải kết hợp xử lý tro xỉ là nhiệm vụ cấp bách. Các giải pháp công nghệ xanh cần được đẩy mạnh để giải quyết tận gốc rủi ro môi trường.
1.2. Giải pháp chuyển đổi chất thải thành tài nguyên xanh
Chuyển đổi phụ phẩm công nghiệp thành vật liệu kỹ thuật cao là xu hướng tất yếu. Bột cao su tái sinh giữ lại tính đàn hồi và độ bền cơ học tốt. Tro xỉ nhiệt điện chứa hàm lượng silica và khoáng chất vô cơ phong phú. Sự kết hợp giữa hai thành phần tạo ra nền tảng composite độc đáo. Phế thải biến thành nguyên liệu đầu vào giá trị cho ngành sản xuất vật liệu mới. Quá trình xử lý xanh không phát sinh chất thải thứ cấp độc hại. Nghiên cứu mang lại lợi ích kép về môi trường và hiệu quả kinh tế. Chi phí sản xuất giảm đáng kể nhờ nguồn nguyên liệu dồi dào, giá rẻ. Giải pháp góp phần thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn không phát thải.
II. Quy trình tổng hợp vật liệu composite aerogel xanh
Nghiên cứu phát triển quy trình tổng hợp vật liệu composite aerogel theo hướng hóa học xanh. Bột cao su từ lốp xe và tro nhiệt điện được phối trộn theo tỷ lệ tối ưu. Các chất liên kết sinh học thân thiện được đưa vào hệ phản ứng. Hỗn hợp trải qua quá trình tạo gel sol-gel ở điều kiện nhiệt độ phòng. Cấu trúc mạng ba chiều hình thành bền vững nhờ các liên kết ngang. Kỹ thuật sấy thăng hoa freeze-drying được ứng dụng để làm khô mẫu gel ướt. Phương pháp này bảo toàn nguyên vẹn khung mạng xốp rỗng. Thành phẩm thu được có chất lượng đồng đều và hiệu suất cao. Quy trình tổng hợp đơn giản, dễ mở rộng quy mô sản xuất công nghiệp.
2.1. Chuẩn bị nguyên liệu từ bột cao su và tro nhiệt điện
Bột cao su phế thải được sàng lọc để đạt kích thước hạt đồng nhất. Bề mặt hạt cao su được kích hoạt hóa học nhẹ để tăng khả năng bám dính. Tro bay tro xỉ trải qua bước tinh chế nhằm loại bỏ tạp chất thô. Các hạt tro xỉ đóng vai trò chất độn gia cường vô cơ trong cấu trúc. Hai thành phần phân tán đồng đều trong dung dịch tạo mầm liên kết. Dung dịch phân tán duy trì trạng thái ổn định, không bị lắng đọng. Tỷ lệ phối trộn giữa cao su và tro xỉ quyết định tính chất cơ lý của gel. Quá trình tiền xử lý nguyên liệu diễn ra an toàn, tiết kiệm năng lượng. Đây là tiền đề quan trọng để tạo ra mạng lưới gel đồng nhất.
2.2. Kỹ thuật sấy thăng hoa freeze drying tạo mạng liên kết
Kỹ thuật sấy thăng hoa freeze-drying là khâu quyết định cấu trúc xốp của vật liệu. Mẫu hydrogel được cấp đông hoàn toàn ở nhiệt độ âm sâu. Tinh thể dung môi đông đá chuyển trực tiếp sang thể hơi dưới áp suất chân không cao. Quá trình thăng hoa không tạo ra sức căng bề mặt chất lỏng. Nhờ đó, khung mạng polymer cao su không bị sụt lún hay co ngót thể tích. Cấu trúc mao quản rỗng được bảo tồn gần như nguyên vẹn sau khi sấy. Sấy thăng hoa freeze-drying vượt trội hơn sấy nhiệt thông thường về khả năng giữ độ xốp. Mẫu aerogel thành phẩm có độ xốp cực cao và khối lượng riêng siêu nhẹ.
III. Đột phá cấu trúc xốp nano của aerogel cao su tái chế
Kết quả kiểm tra thực nghiệm khẳng định bước đột phá về hình thái vi cấu trúc. Vật liệu aerogel cao su tái chế đạt khối lượng riêng siêu nhẹ chỉ 0,055 g/cm3. Độ rỗng toàn phần của mẫu đạt mức ấn tượng lên đến 95.6%. Khung mạng xốp nano đan xen tạo nên hệ thống mao quản mở liên thông. Từng khoang rỗng hoạt động như bẫy nhốt các phân tử khí. Tro khoáng phân tán đều giúp gia cố độ bền uốn và nén cho khung cao su. Vật liệu chịu được tác động lực nén lặp lại mà không bị phá hủy cấu trúc. Tính năng đàn hồi vượt trội hơn hẳn các dòng aerogel vô cơ thuần túy.
3.1. Phân tích vi cấu trúc qua kính hiển vi điện tử SEM
Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét SEM cung cấp cái nhìn chi tiết về vi cấu trúc. Mạng lưới sợi và hạt cao su liên kết tạo thành khung đỡ không gian ba chiều. Các hạt tro xỉ kích thước micromet bám chặt trên thành mao quản. Cấu trúc xốp nano phân bố đồng đều với kích thước lỗ xốp từ vài chục nanomet đến vài micromet. Mật độ lỗ xốp dày đặc tạo ra diện tích bề mặt tiếp xúc riêng rất lớn. Cấu trúc mao quản mở cho phép khí lưu thông hạn chế trong không gian hẹp. Hình ảnh SEM chứng minh sự tương thích pha tuyệt vời giữa cao su hữu cơ và tro xỉ vô cơ. Cấu trúc xốp này quyết định trực tiếp đến hiệu năng cách nhiệt và cách âm.
3.2. Độ bền cơ học và tính ổn định nhiệt vượt trội
Phân tích nhiệt khối lượng TGA chứng minh độ bền nhiệt cao của vật liệu composite aerogel. Mẫu thử duy trì tính ổn định cấu trúc ở dải nhiệt độ làm việc rộng. Sự có mặt của tro khoáng nâng cao nhiệt độ phân hủy nhiệt của nền cao su. Độ bền cơ học được kiểm chứng qua các phép thử nén biến dạng. Aerogel cao su tái chế thể hiện khả năng phục hồi hình dạng tốt sau khi giải phóng tải trọng. Cấu trúc không bị giòn gãy như aerogel silica truyền thống. Độ dẻo dai của cao su kết hợp độ cứng của tro xỉ tạo nên tính chất cơ lý hoàn hảo. Vật liệu đáp ứng tốt các yêu cầu lắp đặt và vận hành thực tế.
IV. Vật liệu cách nhiệt siêu nhẹ có hệ số dẫn nhiệt thấp
Nghiên cứu tạo ra bước tiến lớn trong lĩnh vực vật liệu cách nhiệt siêu nhẹ. Thành phẩm sở hữu hệ số dẫn nhiệt thấp ấn tượng, tiệm cận không khí tĩnh. Cấu trúc xốp ngăn cản ba phương thức truyền nhiệt: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ nhiệt. Không khí bị cô lập trong các khoang rỗng không thể tạo thành dòng đối lưu. Khung polymer mảnh làm giảm đáng kể khả năng dẫn nhiệt qua pha rắn. Vật liệu composite aerogel là giải pháp bảo ôn hoàn hảo cho các công trình xanh. Việc ứng dụng sản phẩm giúp cắt giảm tiêu thụ năng lượng làm mát và sưởi ấm. Đây là vật liệu cách nhiệt lý tưởng thay thế các loại mút xốp polymer khó tái chế.
4.1. Cơ chế cản nhiệt của hệ thống lỗ xốp liên thông
Cơ chế cản nhiệt dựa trên hiệu ứng bẫy không khí Knudsen trong lỗ xốp nano. Kích thước mao quản nhỏ hơn hoặc tương đương quãng đường tự do trung bình của phân tử khí. Hiện tượng va chạm giữa các phân tử khí bị triệt tiêu gần như hoàn toàn. Sự truyền nhiệt qua pha khí bên trong vật liệu giảm xuống mức tối thiểu. Đồng thời, hàm lượng chất rắn cực thấp làm suy giảm dẫn nhiệt qua khung mạng. Hệ số dẫn nhiệt thấp của aerogel giúp ngăn chặn dòng nhiệt thất thoát qua vách ngăn. Bề mặt vật liệu hạn chế hấp thụ nhiệt bức xạ từ môi trường ngoài. Hiệu quả cách nhiệt duy trì ổn định trong thời gian dài sử dụng.
4.2. Ứng dụng bảo ôn năng lượng cho công trình hiện đại
Vật liệu composite aerogel mang lại giá trị to lớn cho ngành kiến trúc và xây dựng hiện đại. Tấm ốp cách nhiệt siêu nhẹ giúp giảm tải trọng tĩnh cho kết cấu công trình. Nhiệt độ bên trong phòng luôn được duy trì ở mức ổn định dễ chịu. Hệ thống điều hòa không khí giảm thiểu công suất hoạt động liên tục. Năng lượng điện tiêu thụ trong tòa nhà giảm từ 20 đến 30 phần trăm. Ngoài ra, sản phẩm còn ứng dụng bọc bảo ôn đường ống dẫn nhiệt công nghiệp. Đường ống hơi nóng hạn chế thất thoát năng lượng ra môi trường xung quanh. Vật liệu dễ thi công cắt gọt và an toàn cho thợ lắp đặt.
V. Khả năng hấp thụ âm thanh của vật liệu tiêu âm cách âm
Khảo sát âm học ghi nhận khả năng hấp thụ âm thanh xuất sắc của vật liệu composite aerogel. Mạng lưới mao quản mở đa hướng hoạt động như hệ thống tiêu tán sóng âm hiệu quả. Sóng âm thâm nhập sâu vào các ngóc ngách lỗ xốp và bị suy giảm năng lượng. Sản phẩm là vật liệu tiêu âm cách âm thế hệ mới đầy tiềm năng. Khác với bông thủy tinh hay sợi amiang, vật liệu này hoàn toàn không phát tán bụi sợi độc hại. Độ bền cơ học cao giúp tấm tiêu âm không bị mủn rách sau thời gian dài. Ứng dụng vật liệu mang lại không gian âm học êm ái và an toàn tuyệt đối.
5.1. Cơ chế tiêu tán năng lượng âm thanh qua khung xốp
Khi sóng âm va chạm vào bề mặt aerogel, luồng khí dao động len lỏi vào các mao quản xốp. Ma sát nhớt giữa không khí chuyển động và thành lỗ xốp chuyển hóa sóng âm thành nhiệt năng. Khung mạng cao su có tính đàn hồi cao tiếp tục dao động hấp thụ chấn động cơ học. Năng lượng âm thanh bị triệt tiêu liên tục qua nhiều tầng cấu trúc rỗng. Khả năng hấp thụ âm thanh đạt hệ số cao nhất ở dải tần số trung bình và cao từ 1000 đến 4000 Hz. Đây là dải tần phổ biến của tiếng ồn đô thị, động cơ xe và giọng nói con người. Hiệu quả tiêu âm vượt trội so với các loại đệm mút thông thường cùng độ dày.
5.2. Tiềm năng ứng dụng trong kiểm soát tiếng ồn đô thị
Vật liệu mở ra triển vọng lớn trong xử lý ô nhiễm tiếng ồn đô thị và công nghiệp. Sản phẩm phù hợp lắp đặt làm vách tiêu âm đường cao tốc, vách ngăn văn phòng. Các khu vực đòi hỏi tiêu chuẩn âm học cao như rạp chiếu phim, phòng thu âm được hưởng lợi lớn. Tấm vật liệu tiêu âm cách âm này ngăn chặn tiếng ồn truyền qua tường hiệu quả. Quá trình thi công nhanh chóng nhờ khối lượng siêu nhẹ và tính mềm dẻo. Vật liệu không thấm nước, chống ẩm mốc tốt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa. Sự kết hợp giữa tái chế chất thải và giải pháp cách âm mang lại giá trị xã hội bền vững.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (106 trang)Nội dung chính
Tổng quan nghiên cứu
Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông trên toàn cầu đang tạo ra áp lực rác thải khổng lồ với khoảng 1,5 tỷ lốp xe thải loại mỗi năm, trong đó Hoa Kỳ chiếm 300 triệu lốp và Trung Quốc thải ra hơn 100 triệu lốp. Tại Việt Nam, với hơn 3 triệu xe ô tô và 60 triệu xe máy đang lưu hành, lượng bột cao su phế thải phát sinh liên tục nhưng mới chỉ có khoảng 40% được tái chế thành các sản phẩm giá trị thấp, 49% bị đốt thu hồi nhiệt và 11% chôn lấp gây ô nhiễm môi trường. Song song đó, ngành nhiệt điện than cung cấp nguồn năng lượng chủ lực nhưng hàng năm thải ra hàng chục triệu tấn tro xỉ, trong đó tro bay chiếm 80% đến 90% và tro đáy chiếm 10% đến 20%, đe dọa nghiêm trọng đến diện tích đất và nguồn nước ngầm.
Trước thực trạng cấp bách này, đề tài tập trung nghiên cứu quy trình tổng hợp vật liệu composite aerogel từ nguồn nguyên liệu bột cao su lốp xe thải và tro thải nhiệt điện phục vụ mục tiêu cách nhiệt và cách âm. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 01/2022 đến tháng 12/2022.
Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi thiết lập thành công quy trình công nghệ xanh, tạo ra vật liệu siêu nhẹ có khối lượng riêng chỉ 0,055 g/cm3, độ xốp đạt 95,6%, độ dẫn nhiệt siêu thấp 0,022 W/m.K và hệ số giảm ồn NRC đạt 0,450. Kết quả này không chỉ mở ra giải pháp xử lý chất thải rắn tuần hoàn mà còn cung cấp dòng vật liệu xây dựng tiên tiến với chi phí giá thành giảm hơn 50% so với aerogel thương mại.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết truyền nhiệt trong vật liệu xốp nano và hiệu ứng Knudsen. Khi kích thước mao quản trung bình của aerogel đạt dưới 70 nm, nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của phân tử không khí ở điều kiện chuẩn là 66 nm, sự đối lưu nhiệt bị triệt tiêu hoàn toàn và độ dẫn nhiệt thể khí giảm mạnh xuống dưới 0,026 W/m.K. Bên cạnh đó, lý thuyết tiêu âm trong môi trường xốp giải thích cơ chế chuyển đổi năng lượng âm thanh thành nhiệt năng thông qua sự dao động nhớt, ma sát thành lỗ xốp và biến dạng đàn hồi của khung polyme cao su.
Mô hình phản ứng tạo mạng lưới 3D dựa trên hóa học sol-gel và phản ứng liên kết chéo. Quá trình này bao gồm sự kết hợp giữa Polyvinyl Alcohol và Carboxymethyl Cellulose đóng vai trò chất đồng kết dính thông qua liên kết hydro, cùng với Glutaraldehyde 25% tạo cầu nối acetal bền vững. Các hạt khoáng trong tro thải chứa trên 80% hàm lượng oxit vô cơ gồm SiO2, Al2O3 và Fe2O3 liên kết chặt chẽ với khung polyme hữu cơ, tạo nên cấu trúc lai composite bền cơ học. Các khái niệm then chốt bao gồm phản ứng hoạt hóa bề mặt bằng chất oxy hóa, cơ chế thăng hoa không qua pha lỏng trong sấy đông khô và hệ số tiêu âm NRC.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn nguyên liệu sử dụng gồm bột cao su lốp xe thải kích thước 40 đến 80 mesh với đường kính hạt dưới 0,1 mm và tro thải thu gom từ nhà máy nhiệt điện. Quy trình tiền xử lý được chuẩn hóa: 100 g bột cao su được biến tính bề mặt bằng 150 g dung dịch H2O2 30% trong 1 giờ ở nhiệt độ 25°C nhằm tạo các nhóm chức phân cực chứa oxy; tro thải được rửa sạch và ngâm chiết bằng dung dịch HCl 2% theo tỉ lệ khối lượng 1:10 trong 4 giờ để loại bỏ oxit kim loại tự do và đồng nhất kích thước hạt.
Thiết kế thực nghiệm phân tích hơn 30 mẫu thử nghiệm với các dải biến thiên về tỉ lệ tro thải và bột cao su, hàm lượng chất tạo liên kết chéo Glutaraldehyde từ 0,5% đến 2,5%, nồng độ Carboxymethyl Cellulose và nhiệt độ phản ứng từ 30°C đến 70°C. Phương pháp sol-gel kết hợp sấy đông khô thăng hoa ở điều kiện chân không sâu được lựa chọn thay cho phương pháp sấy siêu tới hạn CO2 nhằm bảo toàn khung xốp 3D, loại bỏ 95% nước đóng băng ở pha sơ cấp mà không gây sụp đổ cấu trúc mao quản, đồng thời tối ưu hóa chi phí sản xuất. Cấu trúc vi mô và tính chất vật liệu được đo kiểm chính xác bằng kính hiển vi điện tử quét SEM, phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR, phân tích nhiệt khối lượng TGA-DTA, thiết bị phân tích độ dẫn nhiệt C-Therm Trident và buồng đo trở kháng âm thanh chuyên dụng.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Thứ nhất, nghiên cứu đã tổng hợp thành công composite aerogel với cấu trúc xốp đồng nhất, khối lượng riêng đạt mức siêu nhẹ 0,055 g/cm3 và độ xốp cực cao lên đến 95,6%. So với aerogel tổng hợp thuần từ tro bay có độ xốp khoảng 88% hoặc aerogel cao su nguyên bản, vật liệu composite lai này gia tăng độ xốp thêm 7,6% đến 8,2% nhờ mạng lưới liên kết không gian ba chiều được tối ưu hóa.
Thứ hai, đặc tính cách nhiệt của vật liệu đạt bước tiến vượt bậc với hệ số dẫn nhiệt chỉ 0,022 W/m.K tại nhiệt độ phòng. Mức dẫn nhiệt này thấp hơn độ dẫn nhiệt của không khí tĩnh là 0,026 W/m.K, đồng thời vượt trội hơn từ 3 đến 5 lần so với các dòng vật liệu cách nhiệt truyền thống như bông khoáng hay sợi thủy tinh vốn có độ dẫn nhiệt dao động từ 0,038 đến 0,045 W/m.K.
Thứ ba, khả năng cách âm của composite aerogel ghi nhận hệ số giảm tiếng ồn NRC đạt 0,450 trên dải tần số từ 500 Hz đến 4000 Hz. Hiệu suất hấp thụ âm thanh này tăng hơn 40% so với vật liệu cao su tái sinh thông thường nhờ sự phân bố dày đặc của hệ thống lỗ xốp liên thông có kích thước vi mô.
Thứ tư, độ bền cơ học của vật liệu được cải thiện rõ rệt với giá trị mô-đun đàn hồi Young nén đạt xấp xỉ 1 MPa. Sau khi được biến tính phủ bề mặt bằng Methyltrimethoxysilane, góc thấm ướt của mẫu đạt trên 130 độ, mang lại khả năng kỵ nước vượt trội và khả năng hấp phụ dầu đạt gấp 5 đến 7 lần khối lượng bản thân.
Thảo luận kết quả
Khả năng cách nhiệt và cách âm vượt trội của composite aerogel bắt nguồn từ sự tương tác hiệp đồng giữa khung polyme cao su đàn hồi và các hạt oxit khoáng trong tro thải. Liên kết cầu acetal giữa nhóm aldehyde của Glutaraldehyde và nhóm hydroxyl của Polyvinyl Alcohol, kết hợp mạng lưới liên kết hydro với Carboxymethyl Cellulose, giúp neo giữ các hạt tro bay phân tán đều khắp không gian gel. Cấu trúc này ngăn chặn hiện tượng co ngót mao quản khi sấy thăng hoa, tạo ra các bẫy khí nano cản trở chuyển động nhiệt phân tử theo hiệu ứng Knudsen.
Khi so sánh với các nghiên cứu tiền nhiệm sử dụng dung môi hữu cơ dễ cháy nổ như axeton để tiền xử lý cao su, phương pháp hoạt hóa bằng H2O2 30% trong công trình này giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc lên 78,72% mà vẫn duy trì tính an toàn và thân thiện môi trường. Đồng thời, sự hiện diện của hạt cao su giúp loại bỏ hoàn toàn độ giòn gãy thường gặp ở silica aerogel truyền thống, giúp vật liệu chịu được biến dạng nén trên 50% mà không bị phá hủy cấu trúc.
Về phương diện trực quan hóa, toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được thể hiện qua các đồ thị phân bố hệ số hấp thụ âm thanh theo dải tần số từ 500 đến 4000 Hz, biểu đồ quan hệ giữa nồng độ chất liên kết chéo với độ dẫn nhiệt, cùng bảng so sánh các thông số khối lượng riêng và độ xốp theo các tỉ lệ phối trộn giữa tro thải và cao su từ 1:1 đến 1:3.
Đề xuất và khuyến nghị
Thứ nhất, chuẩn hóa và mở rộng quy mô dây chuyền sản xuất sol-gel sấy đông khô từ phòng thí nghiệm lên quy mô pilot với công suất 50 kg vật liệu mỗi mẻ. Mục tiêu hoàn thiện thiết kế kỹ thuật và chuyển giao công nghệ trong giai đoạn 2024 đến 2025 do Bộ Khoa học và Công nghệ phối hợp với các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng chủ trì thực hiện.
Thứ tư, ứng dụng thương mại hóa composite aerogel thành các tấm panel cách âm và cách nhiệt trong các công trình dân dụng và công nghiệp cao tầng. Đặt mục tiêu giảm từ 25% đến 30% điện năng tiêu thụ cho hệ thống điều hòa không khí trong các tòa nhà sử dụng vật liệu này trước năm 2026, với sự tham gia của các nhà thầu xây dựng và Bộ Xây dựng.
Thứ ba, ban hành chính sách ưu đãi thuế và cơ chế hỗ trợ tài chính từ 10% đến 15% cho các đơn vị thu gom, xử lý lốp xe phế thải và tái chế tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện than. Đề xuất Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Bộ Công Thương hoàn thiện khung pháp lý về kinh tế tuần hoàn trong quản lý chất thải rắn công nghiệp giai đoạn 2024 đến 2027.
Thứ tư, đẩy mạnh nghiên cứu phát triển các dòng sản phẩm phủ kỵ nước biến tính Methyltrimethoxysilane để chế tạo phao thấm dầu và màng lọc xử lý sự cố tràn dầu tại các cảng biển và khu công nghiệp ven biển. Đặt mục tiêu đạt hiệu suất thu hồi dầu trên 95% và tái sử dụng vật liệu tối thiểu 10 chu kỳ trong các thử nghiệm thực địa trước năm 2026.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Nhóm thứ nhất là các nhà khoa học, giảng viên và nghiên cứu sinh thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Môi trường. Luận văn cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết, dữ liệu phân tích hóa lý chuyên sâu và cơ chế tương tác lai giữa polyme hữu cơ và khoáng vô cơ trong hệ sol-gel sấy đông khô.
Nhóm thứ hai là các kỹ sư vật liệu, kiến trúc sư và nhà phát triển dự án công trình xanh. Công trình đem lại giải pháp thực tế về vật liệu cách nhiệt với hệ số 0,022 W/m.K và cách âm với hệ số NRC 0,450 nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn công trình tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải carbon.
Nhóm thứ ba là ban quản lý các nhà máy nhiệt điện than, doanh nghiệp tái chế lốp xe và các đơn vị xử lý chất thải công nghiệp. Nội dung luận văn là tài liệu tham khảo giá trị để đa dạng hóa chuỗi giá trị tái chế tro xỉ và bột cao su, biến nguồn phế thải nguy cơ cao thành sản phẩm thương mại có giá trị gia tăng lớn.
Nhóm thứ tư là các cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và quy hoạch đô thị. Luận văn cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn phục vụ việc xây dựng chính sách kinh tế tuần hoàn, quy chuẩn kỹ thuật tái sử dụng tro xỉ và chiến lược quản lý chất thải rắn bền vững tại Việt Nam.
Câu hỏi thường gặp
Vật liệu composite aerogel từ bột cao su và tro thải có đảm bảo tính thân thiện với môi trường không? Quy trình tổng hợp hoàn toàn đáp ứng tiêu chí hóa học xanh khi sử dụng dung dịch H2O2 30% và HCl loãng 2% để tiền xử lý thay cho các dung môi hữu cơ độc hại như axeton hay benzen. Nước đóng vai trò dung môi phân tán chính và quá trình sấy đông khô không phát thải khí độc hại ra môi trường.
Tại sao composite aerogel lại có độ dẫn nhiệt 0,022 W/m.K thấp hơn cả không khí tĩnh? Độ dẫn nhiệt của vật liệu đạt mức siêu thấp nhờ cấu trúc mao quản nano dưới 70 nm, kích hoạt hiệu ứng Knudsen triệt tiêu sự đối lưu của phân tử khí. Mạng lưới khung xốp 95,6% làm tăng độ quanh co của đường truyền nhiệt rắn, giúp khả năng cách nhiệt vượt trội hơn mức 0,026 W/m.K của không khí tĩnh.
Chất tạo liên kết chéo Glutaraldehyde và Carboxymethyl Cellulose đóng vai trò gì trong phản ứng? Carboxymethyl Cellulose kết hợp cùng Polyvinyl Alcohol tạo mạng khung gel ban đầu thông qua hệ thống liên kết hydro dày đặc. Dung dịch Glutaraldehyde 25% đóng vai trò chất tạo liên kết chéo hóa học, hình thành các cầu nối acetal trong môi trường axit để khóa chặt mạch polyme và giữ các hạt tro vô cơ không bị tách pha.
Vật liệu có khắc phục được độ giòn gãy của các loại aerogel truyền thống không? Composite aerogel đạt mô-đun Young nén xấp xỉ 1 MPa nhờ sự hiện diện của bột cao su lốp xe có tính đàn hồi cao. Cấu trúc khung lai này giúp vật liệu chịu được tải trọng nén và biến dạng đàn hồi lớn mà không xảy ra hiện tượng vỡ vụn như silica aerogel thuần túy.
Phương pháp sấy đông khô mang lại lợi thế kinh tế và kỹ thuật gì so với sấy siêu tới hạn? Sấy đông khô thực hiện thăng hoa trực tiếp tinh thể băng trong điều kiện chân không sâu, loại bỏ 95% nước tự do ở pha sơ cấp mà không tạo lực căng bề mặt gây sụp đổ cấu trúc xốp. Phương pháp này giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị áp suất cao và loại bỏ nguy cơ cháy nổ của dung môi siêu tới hạn.
Kết luận
- Tổng hợp thành công vật liệu composite aerogel siêu nhẹ từ nguồn phế thải bột cao su lốp xe và tro xỉ nhiệt điện than bằng quy trình công nghệ xanh sol-gel sấy đông khô.
- Xác lập các thông số cơ lý ưu việt với khối lượng riêng siêu nhẹ 0,055 g/cm3, độ xốp đạt 95,6% và mô-đun đàn hồi Young nén xấp xỉ 1 MPa.
- Đạt hiệu năng cách nhiệt vượt bậc với độ dẫn nhiệt 0,022 W/m.K và khả năng tiêu âm xuất sắc với hệ số giảm ồn NRC 0,450.
- Khắc phục hoàn toàn nhược điểm giòn vỡ của aerogel truyền thống đồng thời mở rộng tính năng kỵ nước và hấp phụ dầu gấp 5 đến 7 lần khối lượng bản thân.
- Đóng góp giải pháp khoa học mang tính đột phá trong việc tuần hoàn 1,5 tỷ lốp xe phế thải và hàng chục triệu tấn tro xỉ nhiệt điện, thúc đẩy phát triển bền vững ngành vật liệu xây dựng.
Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2024 đến năm 2026, nghiên cứu sẽ tiếp tục hoàn thiện công nghệ ở quy mô pilot và thử nghiệm thực địa trong các công trình xây dựng. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ để đưa dòng vật liệu xanh này vào ứng dụng thực tiễn rộng rãi.
Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ THỊ CÚC TỔNG HỢP COMPOSITE AEROGEL TỪ LỐP XE VÀ TRO THẢI CHO ỨNG DỤNG CÁCH NHIỆT VÀ CÁCH ÂM FABRICATION OF COMPOSITE AEROGEL FROM WASTE TIRES AND COAL ASH FOR THERMAL AND ACOUSTIC INSULATION APPLICATIONS Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2023 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. Nguyễn Trường Sơn (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. Nguyễn Đình Thành (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: TS.
Nguyễn Quốc Thiết (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Chủ tịch: PSG. Nguyễn Quang Long 2.
Ủy viên, thư ký: TS. Phản biện 1: PGS. Nguyễn Đình Thành 4. Phản biện 2: TS.
Nguyễn Quốc Thiết 5. Ủy viên: PGS. Nguyễn Trường Sơn Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC PGS.
Nguyễn Quang Long ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ________________________ ______________________ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Thị Cúc ………. MSHV:1970539 Ngày, tháng, năm sinh: 22/06/1997……. Nơi sinh: Tây Ninh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học……. TÊN ĐỀ TÀI: Tổng hợp composite aerogel từ lốp xe và tro thải cho ứng dụng cách nhiệt và cách âm.
Fabrication of composite aerogel from waste tires and coal ash for thermal and acoustic insulation applications. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu tổng quan về lốp xe thải, tro thải nhà máy nhiệt điện và vật liệu aerogel. - 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. - Khảo sát sự ảnh hưởng của hàm lượng các tác chất và điều kiện tổng hợp đến cấu trúcvà đặc tính của composite aerogel.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/2022 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2022 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. Nguyễn Trường Sơn Tp.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC LỜI CẢM ƠN Đi qua những năm tháng tại ngôi trường Bách Khoa, ta mới biết tuổi trẻ đáng trân trọng như thế nào. Không muốn biết Bách Khoa cho mình bao nhiêu, lấy đi những gì, chỉ biết rằng tuổi trẻ có Bách Khoa và chắc chắn sẽ không bao giờ quên điều đó. Khi quyết định học lên Cao học, trong đầu cô gái trẻ vừa tốt nghiệp chẳng có nhiều nghĩ suy, chỉ đơn giản là muốn tiếp tục gắn bó cùng Bách Khoa, một cảm giác luyến tiếc không nỡ để Bách Khoa thành một phần ký ức. Cũng thời gian này, Bách Khoa đã cho cho bản thân nhận ra được thế mạnh và đam mê của chính mình, định hướng tốt hơn cho hướng đi trong tương lai.
Sau gần 2 năm với nhiều nỗ lực, cũng không ít lần muốn từ bỏ nhưng với sự hỗ trợ và động viên từ mọi người, tôi đã có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp composite aerogel từ lốp xe và tro thải từ nhà máy nhiệt điện cho ứng dụng cách nhiệt và cách âm”. Đầu tiên, lòng biết ơn sâu sắc tôi xin kính gửi đến PGS. Nguyễn Trường Sơn, cảm ơn thầy đã luôn hỗ trợ hết mình để giúp tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Em xin chúc thầy nhiều sức khỏe để có thể tiếp tục công việc giảng dạy cũng như làm được những điều thầy mong muốn và ấp ủ.
Tiếp theo, tôi xin cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Bách Khoa, Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Hóa học và Bộ môn Kỹ thuật Hóa Lý đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập. Cảm ơn sự hỗ trợ về thiết bị của công ty ITS và Ctherm, bạn Goh Xue Yang và nhóm nghiên cứu của PGS. Dương Minh Hải - Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã giúp đỡ trong việc đo tính chất của mẫu, dụng cụ và hóa chất giúp tôi có thể hoàn thành tốt luận án này. Mặc dù đã hoàn thành luận văn, nhưng trong nghiên cứu này vẫn không thể tránh khỏi thiếu sót, mong quý thầy cô thông cảm và đưa ra những góp ý để luận văn được hoàn thiện.
i TÓM TẮT LUẬN ÁN Trong nghiên cứu này, vật liệu composite aerogel được tổng hợp thành công từ nguồn nguyên liệu phế thải là bột cao su từ lốp xe và tro thải từ các nhà máy nhiệt, cho ứng dụng cách nhiệt cách âm; với quy trình tổng hợp đơn giản- xanh- thân thiện với môi trường. Để đánh giá khả năng ứng dụng của composite aerogel trong lĩnh vực vật liệu cách nhiệt và cách âm, các thông số đặc trưng của aerogel như khối lượng riêng và độ xốp đã được tính toán; hình thái, cấu trúc và tính chất vật lý của aerogel được đặc trưng bởi kết quả từ kính hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA); khả năng cách nhiệt, cách âm và độ bền cơ được đo bằng các thiết bị chuyên dụng, cho thấy khả năng ứng dụng cao trong thực tế. Composite aerogel được tổng hợp có khối lượng riêng thấp (0,055 g/cm3), độ xốp cao lên đến 95.6%, độ dẫn nhiệt thấp, chỉ 0,022 W/m.K và khả năng hấp thụ âm thanh tốt với hệ số giảm tiếng ồn NRC là 0,450; giá trị Young Modulus nén cao, lên đến 1. Do đó, composite aerogel từ bột cao su và tro thải được phát triển, hứa hẹn sẽ là một vật liệu tiềm năng trong tương lai.
Tổng hợp composite aerogel từ bột cao su và tro thải bằng phương pháp sol-gel Trong bài nghiên cứu này, composite aerogel được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel. Xử lý tiền chất bột cao su và tro thải bằng những hóa chất cơ bản, sau đó tạo gel và sấy bằng phương pháp đông khô. Sự ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp đến hình thái cấu trúc và tính chất của vật liệu được khảo sát. ii ABSTRACT In this study, composite aerogel was synthesized from waste tire rubber powder (WTRP) and coal ash (CA) from power plants for thermal and acoustic insulation applications, using simpler synthesis methods and through green and eco-friendly processes.
The density and porosity are measured and calculated; other characteristics like thermal conductivity, sound absorption coefficient, mechanical strength, and the results of Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), and scanning electron microscope (SEM) are measured using specialized equipment. Within the scope of this study, the effects of the initial components on the final aerogel are investigated; several characteristics of composite aerogel are also studied. Composite aerogel from WTRP and CA had an ultra-low of density (0,055 g/cm3) with a high porosity (95.6%), exhibit heat insulation properties (0,022 W/m.K), and significantly –enhanced rigidity up to a Young modulus of Eavg= 1. The composite aerogel shows a good sound absorption coefficient (noise reduction number- NRC) of 0,450, A potential material not only applies to thermal and sound insulation of buildings at a low cost, but also scaled up for several other industrial applications.
Synthesis of composite aerogel from waste tire rubber powder and waste ash by sol-gel method The composite aerogel was synthesized by the sol-gel method. Pretreatment of WTRP and CA were treated with basic chemicals, then gelled process and dried by freezing. Polyvinyl alcohol and Carboxymethyl cellulose are used as co-binders for this material to increase coherence and mechanical strength. Glutaraldehyde was also added as a binding agent typical for polyvinyl alcohol by the aldehyde group (-CHO).
Within the scope of this thesis, the effects of the initial components on the final aerogel are investigated. iii LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án Chữ ký Lê Thị Cúc iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. iii LỜI CAM ĐOAN. iv MỤC LỤC. v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.
viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. xi CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài .3 Mục tiêu đề tài.4 Phạm vi đề tài và nội dung thực hiện .1 Nguồn nguyên liệu phế thải .1 Nguồn lốp xe thải .2 Tro thải từ các nhà máy nhiệt điện .2 Tổng quan về vật liệu Aerogel .3 Vật liệu composite Aerogel từ bột cao su của lốp xe thải và tro bay .1 Tình hình nghiên cứu .2 Phương pháp tổng hợp .3 Khả năng ứng dụng của vật liệu trong cách nhiệt và cách âm .1 Hóa chất và thiết bị .2 Dụng cụ và thiết bị .2 Quy trình tổng hợp vật liệu .1 Tiền xử lý nguyên liệu .2 Quy trình tổng hợp composite aerogel từ WTRP và tro thải .3 Thiết kế thí nghiệm .4 Xác định các tính chất đặc trưng của vật liệu.1 Khối lượng riêng và độ xốp .2 Độ dẫn nhiệt- Độ bền cơ học .3 Đo quang phổ hồng ngoại FTIR .4 Kính hiển vi điện tử quét SEM .5 Phương pháp nhiệt khối lượng TGA .6 Độ trở kháng âm thanh .7 Khả năng hấp thụ nước và dầu. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .1 Kết quả tiền xử lý bột cao su và tro thải.1 Tiền xử lý bột cao su thải .2 Tiền xử lý tro thải .2 Đặc điểm hình thái cấu trúc composite aerogel từ bột cao su thải và tro thải .3 Kết quả đo quang phổ hồng ngoại FTIR .4 Kết quả đo TGA- DTA .5 Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến đặc tính của composite aerogel 51 4.1 Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng tro thải và bột cao su đến đặc tính của composite aerogel .2 Ảnh hưởng của hàm lượng CMC đến đặc tính của composite aerogel .3 Ảnh hưởng của hàm lượng GA đến đặc tính của composite aerogel .4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian phản ứng đặc tính của composite aerogel .5 Ảnh hưởng của hàm lượng PVA đến đặc tính của composite aerogel 66 4.6 Tính chất cơ của vật liệu composite aerogel .7 Góc thấm ướt của composite aerogel.
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ. 81 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC. 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 83 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Lê Thị Cúc (2023). Composite Aerogel Từ Lốp Xe & Tro Thải: Cách Nhiệt & Cách Âm [Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM]. LuanAn.net. https://luanan.net/nang-luong-moi-truong/cong-nghe-moi-truong/tong-hop-composite-aerogel-tu-lop-xe-tro-thai-cach-nhiet-cach-am
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Composite Aerogel Từ Lốp Xe & Tro Thải: Cách Nhiệt & Cách Âm" nghiên cứu về vấn đề gì?
Tổng hợp composite aerogel từ lốp xe và tro thải nhằm ứng dụng cách nhiệt và cách âm hiệu quả.
Luận án "Composite Aerogel Từ Lốp Xe & Tro Thải: Cách Nhiệt & Cách Âm" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM. Năm bảo vệ: 2023.
Luận án "Composite Aerogel Từ Lốp Xe & Tro Thải: Cách Nhiệt & Cách Âm" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Composite Aerogel Từ Lốp Xe & Tro Thải: Cách Nhiệt & Cách Âm" thuộc chuyên ngành Kỹ Thuật Hóa Học. Danh mục: Công Nghệ Môi Trường.
Luận án "Composite Aerogel Từ Lốp Xe & Tro Thải: Cách Nhiệt & Cách Âm" có bao nhiêu trang?
Luận án "Composite Aerogel Từ Lốp Xe & Tro Thải: Cách Nhiệt & Cách Âm" có 106 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Composite Aerogel Từ Lốp Xe & Tro Thải: Cách Nhiệt & Cách Âm" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.