Tài liệu Nghiên cứu và chế tạo vật liệu gốm gỗ từ bã thải vỏ điều

tai lieu, luan van1 of 98.ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KIỀU ĐỖ TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO VẬT LIỆU GỐM GỖ TỪ BÃ THẢI VỎ ĐIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số chuyên ngành: 62520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2020 document, khoa luan1 of 98 tai lieu, trình luan van2 of 98 Cơng hồn thành Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn 1: PGS TS Đỗ Quang Minh Người hướng dẫn 2: PGS TS Trần Văn Khải Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM document, khoa luan2 of 98 tai lieu, luan van3 of 98 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Điều hay đào lộn hột (danh pháp khoa học: Anacardium occidentale L.) loại công nghiệp dài ngày thuộc họ xồi Cây có nguồn gốc từ Đơng Bắc Brasil trồng khắp khu vực khí hậu nhiệt đới với mục đích chế biến hạt làm thực phẩm Là ba nước có diện tích sản lượng điều cao giới, Việt Nam có khoảng 300.000 điều trồng tập trung nhiều tỉnh Đông Nam như: Bình Phước, Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai vùng Tây Nguyên Với thị trường xuất chủ lực Hoa Kỳ, Trung Quốc, Australia, Anh, năm 2019, Việt Nam xuất 340 ngàn nhân điều, mang lại tổng kim ngạch xuất khoảng tỉ USD Tuy điều mang lại nguồn lợi lớn việc gia công chế biến hạt điều xuất phát sinh lượng lớn rác thải từ vỏ hạt điều sau chế biến Ước tính, kg hạt điều sau bóc tách nhân lượng vỏ chiếm khoảng 70% (ước tính lượng vỏ điều thải vào khoảng 240.000 tấn/năm) Cho đến nay, hầu hết sở chế biến hạt điều xử lý lượng chất thải vỏ hạt điều cách ép để lấy phần dầu hạt điều Phần lại vỏ điều sau ép thường gọi bã thải vỏ hạt điều Bã thải vỏ điều loại phế thải mà hầu hết nhà sản xuất xử lý phương pháp đốt, việc đốt bã điều khơng kiểm sốt gây số tác hại như: Phát thải khí dioxin, bụi từ lò đốt vỏ điều, hiệu kinh tế giá trị thặng dư thấp Hiện nay, nước có số nghiên cứu ứng dụng bã thải vỏ điều làm nhiên liệu, làm bột má phanh Ngoài nghiên cứu trên, cơng nghệ thích hợp kết hợp với xử lý khí thải hiệu quả, bã thải vỏ điều hồn tồn chế tạo thành vật liệu gốm gỗ Gốm gỗ (woodceramics) định nghĩa vật liệu cacbon có cấu trúc xốp, chế tạo cách nung kết khối gỗ gỗ ngâm tẩm với nhựa phenolic môi trường thiếu oxy [3] Vật liệu gốm gỗ có nhiều ứng dụng hiệu làm document, khoa luan3 of 98 tai lieu, luan van4 of 98 vật liệu ngăn sóng điện từ; làm nguồn phát tia hồng ngoại xa; dùng để lọc khí thải; làm linh kiện khí; làm vật liệu cách âm cách nhiệt; … Không loại nguyên liệu khác dùng để chế tạo gốm gỗ tre, trấu, mạt cưa, … thành phần hóa bã thải vỏ điều có hàm lượng chất vơ thấp nên nguyên liệu làm ảnh hưởng đến tính chất gốm gỗ sau nung Ngoài ra, bã thải vỏ điều có chứa lượng dầu điều cịn lại sau trình ép dầu, dầu điều phân hủy nhiệt môi trường thiếu oxy tạo thành sản phẩm có tính chất gần giống với sản phẩm phân hủy nhiệt nguyên liệu nhựa phenolic Nhờ đó, sử dụng bã điều làm nguyên liệu giúp giảm hàm lượng nhựa phenolic sử dụng thành phần phối liệu Vì vậy, chế tạo vật liệu gốm gỗ từ bã thãi vỏ điều hứa hẹn hướng hiệu giải chất thải từ ngành công nghiệp chế biến hạt điều Ý nghĩa đề tài Chế tạo vật liệu gốm gỗ từ bã thải vỏ điều giải vấn đề cịn tồn chất thải ngành công nghiệp chế biến điều Ngồi ra, biết cơng nghệ ảnh hưởng thơng số cơng nghệ đến tính chất sản phẩm tiền đề cho nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu Với việc chế tạo vật liệu gốm gỗ từ bã thải vỏ điều, đề tài góp phần đưa phương pháp khác xử lý chất thải ngành điều mang lại hiệu kinh tế giá trị thặng dư cao Mục tiêu nghiên cứu - Kết khối gốm gỗ từ bã thải vỏ điều nhiệt độ nung từ 900 – 1200oC, khảo sát thông số kết khối (độ bền uốn, khối lượng thể tích, độ xốp) - Chế tạo nhựa phenolic bột cacbon (hai loại nguyên liệu dùng chế tạo gốm gỗ) từ bã thải vỏ điều nhằm tận dụng tối đa nguồn bã thải - Làm rõ trình kết khối, chế kết khối, đồng thời thành phần gốm gỗ hình thành q trình kết khối document, khoa luan4 of 98 tai lieu, luan van5 of 98 - Khảo sát khả phát xạ hồng ngoại gốm gỗ - định hướng ứng dụng làm nhận phát nhiệt thiết bị sấy Tính đề tài Trong phạm vi tìm hiểu, hướng nghiên cứu vật liệu gốm gỗ hướng chưa thực nước Các nghiên cứu trước vật liệu gốm gỗ giới chưa có nghiên cứu tiến hành chế tạo gốm gỗ từ nguồn nguyên liệu bã thải vỏ điều, đồng thời chưa có nghiên cứu áp dụng kỹ thuật cacbon hóa trước nguồn nguyên liệu kết hợp ép nóng để tăng độ kết khối cho sản phẩm gốm gỗ Ngoài ra, chất kết khối vật liệu gốm gỗ kết khối phản ứng chưa có nghiên cứu trước định danh làm rõ trình kết khối Nghiên cứu này, tiến hành làm rõ trình kết khối phản ứng vật liệu gốm gỗ theo quan điểm lý thuyết đại Nội dung nghiên cứu Chuẩn bị nguồn nguyên liệu: Tạo nhựa phenolic từ bã thải vỏ điều, cacbon hóa bã thải vỏ điều; Kết khối gốm gỗ từ bã thải vỏ điều (Khảo sát yếu tố như: Thành phần phối liệu, nhiệt độ nung, áp lực ép nóng); Nghiên cứu q trình kết khối gốm gỗ, Khảo sát khả phát hồng ngoại Bố cục luận văn Luận án bao gồm phần mở đầu phần nội dung Phần nội dung gồm có bốn chương: Tổng quan; nguyên liệu phương pháp nghiên cứu; kết bàn luận; kết luận kiến nghị Nội dung luận án trình bày 131 trang có 76 hình, 22 bảng biểu 185 tài liệu tham khảo Phần phụ lục gồm 17 trang Phần lớn kết luận án cơng bố tạp chí quốc tế, tạp chí nước hội nghị quốc tế CHƢƠNG TỔNG QUAN Gốm (ceramics) vật liệu rắn có cấu trúc dị thể, có thành phần khống hóa khác document, khoaCác luan5sản of 98.phẩm gốm sản xuất từ nguyên liệu dạng bột mịn, tạo tai lieu, luan van6 of 98 hình kết khối nhiệt độ cao Kết khối công đoạn quan trọng định đến tính chất sản phẩm gốm thành phẩm Quá trình kết khối tạo nên độ bền tính chất cần thiết khác cho gốm [1] Trong nỗ lực chế tạo vật liệu giảm thiểu phát thải khí CO2 vào mơi trường (ecomaterials), Giáo sư Toshihiro Okabe [2] kết khối bột gỗ đặt tên gốm gỗ (woodceramics) Nghiên cứu vật liệu gốm gỗ từ bã thải vỏ hạt điều Việt Nam phối hợp với người nghiên cứu đặt tên cho vật liệu gốm gỗ - Giáo sư, Tiến sĩ Toshihiro Okabe 1.1 Gỗ Gỗ loại vật liệu sinh học phức tạp có cấu tạo từ sợi tế bào xếp lớp lên hình thành cấu trúc xốp thân, cành, rễ, vỏ, hạt, … Các tế bào gỗ phân bố theo quy luật khác thành phần, kích thước hình dạng Chính vậy, loại gỗ khác có cấu tạo khác [4] Bằng cơng nghệ thích hợp, gỗ hồn tồn dùng làm nguyên liệu chế tạo gốm cacbon 1.2 Vật liệu gốm cacbon Vật liệu gốm cacbon vật liệu cấu thành từ nguyên tử cacbon theo công nghệ gốm Để tạo vật liệu cacbon ta cần kết khối phần tử cacbon lại với thành khối có hình dạng độ bền phù hợp với mục đích sử dụng Cacbon dạng thù hình kim cương dạng đơn tinh thể, hình thành nhiệt độ áp suất cao tự nhiên Kim cương nhân tạo dạng bột mịn gần kết khối Cacbon graphite kết khối với chất liên kết thích hợp (K2O, SiO2) nhiên chúng thường kết khối điều kiện nhiệt độ áp suất cao Fullerenes thường sử dụng dạng composite, bị phân tán trường đó, thân chúng khó kết khối Từ thấy khó để kết khối loại cacbon có cấu trúc tinh thể Cacbon vơ định hình kết khối tạo thành vật liệu với hình dạng tính chất mong muốn document, khoa luan6 of 98 tai lieu,cơng luan van7 of 98 trình nghệ thích hợp Một loại vật liệu cacbon dạng vật liệu gốm gỗ (woodceramics) 1.3 Gốm gỗ Gốm gỗ vật liệu cacbon có cấu trúc xốp, chế tạo cách nung kết khối gỗ gỗ ngâm tẩm với nhựa phenolic môi trường chân không [3] (hình 1.7) Thành phần gốm gỗ kết hợp cacbon mềm cacbon cứng [24] Trong đó, cacbon mềm sản phẩm q trình cacbon hóa nguyên liệu có nguồn gốc từ gỗ cacbon cứng sản phẩm cacbon hóa nhựa phenolic [25, 26] Nguồn nguyên liệu để chế tạo vật liệu gốm gỗ thường có nguồn gốc từ gỗ Vì vật liệu gốm gỗ dùng loại vật liệu môi trường xử lý chất thải gốc gỗ từ ngành sản xuất nơng nghiệp Hình 1.7: Vật liệu gốm gỗ chế tạo theo công nghệ gốm [24] 1.4 Quá trình kết khối gốm gỗ Quá trình kết khối vật liệu gốm gỗ chia làm giai đoạn: a) Giai đoạn nhiệt độ thấp: có hình thành pha lỏng (hình 1.10) Sự xếp lại hạt phối liệu tăng mật độ giai đoạn phụ thuộc vào lượng pha lỏng nhiều hay [35] Khi có mặt pha lỏng, tác dụng sức căng bề mặt, hạt phối liệu xếp lại Sau đó, lỗ xốp lấp pha lỏng [36] Tùy vào q trình xếp mà lỗ xốp tồn cấu trúc bị lấp đầy sau kết thúc trình xếp lại document, khoa luan7 of 98 tai lieu, luan van8 of 98 b) Giai đoạn nhiệt độ cao: Xảy tượng cacbon hóa tạo cacbon từ nhựa phenolic, bột gỗ Cacbon hình thành từ q trình cốc hóa tác dụng nhiệt độ cao có xu hướng tạo graphite Q trình graphite hóa cacbon thường bắt đầu 700oC kết thúc 3000oC môi trường kết khối khơng có oxy Sự chuyển pha từ vơ định hình sang dạng tinh thể (graphite hóa) làm tăng mật độ độ bền Graphite hóa thúc đẩy trình kết khối gốm gỗ Kết khối phản ứng dạng kết khối đặc biệt, xử lý nhiệt nhiệt độ cao, trình làm tăng mật độ q trình phản ứng hóa học chất ban đầu diễn đồng thời Nhờ biến đổi hóa học mà khả kết khối khác hẳn so với trình kết khối túy [41] Với vật liệu gốm gỗ, phản ứng phân hủy nhiệt tạo cacbon xảy khoảng nhiệt độ 200oC sớm nhiều so với trình cacbon kết khối Vì vậy, trình kết khối diễn theo quy luật phản ứng hóa học xảy trước Phản ứng hóa học xảy sớm giúp tạo cacbon họat tính làm cho nhiệt độ kết khối gốm gỗ thấp nhiều so với sản phẩm gốm cacbon thơng thường Vì vậy, nói, kết khối phản ứng nguyên nhân làm giảm nhiệt độ kết khối gốm gỗ mà chưa có nghiên cứu vật liệu gốm gỗ làm rõ Ngoài ra, để tăng độ kết khối cho vật liệu gốm gỗ, kỹ thuật kết khối áp lực áp dụng Kết khối kết hợp với áp lực kỹ thuật kết khối đồng thời với lực ép áp dụng nhằm tăng tiếp xúc nguyên liệu bột, tăng biến dạng dẻo, giảm lỗ xốp… kết vật liệu kết khối tốt giảm nhiệt độ kết khối 1.5 Tình hình nghiên cứu vật liệu gốm gỗ Với mong muốn tạo loại vật liệu từ nguồn thải nông nghiệp khơng thải khí CO2 q trình sản xuất sử dụng, vật liệu gốm gỗ giáo sư Toshihiro Okabe phát minh vào năm 1994 [2] Các nguyên liệu có nguồn gốc từ gỗ như: bã mía, bã giấy, gỗ vụn, rơm rạ … Vật liệu gốm tạo thành kết hợp cacbon mềm cacbon cứng có cấu trúc giống thủy tinh [47] Đây loại vật liệu bền gỗ, khả chịu nhiệt cao gỗ lại có kết cấu nhẹ dễ gia công học gốm thông document, khoa luan8 of 98 tai lieu, luan van9 of 98 thường Đối với loại nguyên liệu nguồn gốc từ gỗ có thành phần chứa silic (rơm rạ, vỏ trấu, …), gốm gỗ tạo thành kết hợp cacbon vơ định hình silic carbide (SiC) [48] Nhờ có SiC thành phần, gốm gỗ có độ bền học khả chịu mài mịn cao loại gốm thơng thường khác Nhờ ưu điểm gốm gỗ, kết hợp với việc tận dụng triệt để phế phẩm có nguồn gốc từ gỗ để tạo vật liệu mới, đáp ứng yêu cầu môi trường, tính an tồn cho người, đem lại nguồn lợi kinh tế cao, hàng loạt nghiên cứu gốm gỗ tiến hành rộng rãi giới Đi đầu hướng nghiên cứu kể đến quốc gia Nhật Bản [49], Trung Quốc [50], Hàn Quốc [51], Ấn [52], Tây Ban Nha [53], Nga [54],… Riêng Việt Nam, chưa có nghiên cứu mảng vật liệu Việc nghiên cứu phát triển gốm gỗ kỳ vọng góp phần giải hiệu lượng phế phẩm từ ngành sản xuất nông nghiệp nước ta, tạo sản phẩm có giá trị sử dụng cao Từ năm 1994 đến nay, có nhiều nghiên cứu gốm gỗ Tuy nhiên chia làm ba mảng chính: Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm gỗ, nghiên cứu tính chất - ứng dụng vật liệu gốm gỗ nghiên cứu kết hợp gốm gỗ với vật liệu khác dạng composite Qua năm, số lượng nghiên cứu công bố số quốc gia quan tâm đến hướng nghiên cứu không ngừng tăng lên Quá trình nghiên cứu vật liệu gốm gỗ chia năm giai đoạn: - Giai đoạn đầu (1994-1996), người đầu định danh cho loại vật liệu gốm gỗ Giáo sư Toshihiro Okabe Tên vật liệu gốm gỗ (woodceramics) để loại vật liệu sản xuất từ nguyên liệu gỗ (wood) hình thành từ trình kết khối (sintering) Mà vật liệu hình thành từ kết khối vật liệu gốm (ceramic) Trong giai đoạn này, có báo công bố tất báo Nhật thuộc nhóm nghiên cứu giáo sư Toshihiro Okabe Nội dung document, khoa luan9 of 98 tai lieu, luan van10 of 98 báo chủ yếu đề cập đến phương pháp chế tạo vật liệu gốm gỗ [2] Đây tiền đề cho nhiều nghiên cứu sau vật liệu gốm gỗ - Trong giai đoạn 1996 - 2000, nghiên cứu phổ biến rộng rãi nhiên báo tập trung chủ yếu quốc gia Đông Á Nhật [55], Hàn Quốc [51], Trung Quốc [56] Tại Nhật nhóm nghiên cứu mạnh nhóm Giáo sư T Okabe [55] Trong thời gian này, bên cạnh việc khảo sát yếu tố công nghệ chế tạo vật liệu gốm gỗ nghiên cứu cịn tập trung vào khảo sát tính chất (trơ sinh học, nhẹ, chịu ma sát, chịu mài mòn, độ xốp cao, chống ăn mịn hóa học, …) mở hướng ứng dụng cho gốm gỗ như: Cảm biến độ ẩm, vật liệu chắn sóng điện từ, lọc khí thải, cách âm cách nhiệt, … - Giai đoạn (2001-2005) giai đoạn phát triển mạnh mẽ nghiên cứu gốm gỗ, số công bố khoa học tăng Gốm gỗ bắt đầu nhận quan tâm từ nhà nghiên cứu Tây Âu (nhóm giáo sư Peter Greil nghiên cứu chế tạo gốm từ lignocellulose [57]) Tuy nhiên nghiên cứu nước Tây Âu chưa nhiều, công bố tập trung ba nước Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc Bên cạnh việc chế tạo gốm gỗ từ nguồn phế thải khác nhau, giai đoạn xuất hướng chế tạo vật liệu composite C/SiC từ công nghệ gốm gỗ [58] - Từ năm 2006 đến 2009, số lượng nghiên cứu tăng khơng ngừng Ngồi ba nước Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc dẫn đầu số lượng nghiên cứu, gốm gỗ quan tâm rộng khắp nhà khoa học nhiều nước giới Ba Lan [59], Tây Ban Nha [53], Serbia [48], Ý [60], … Đặc biệt, giai đoạn có gia tăng mạnh mẽ công bố đến từ Trung Quốc Trung Quốc vượt qua Nhật trở thành quốc gia có số lượng cơng bố khoa học vật liệu gốm gỗ nhiều giới Về nội dung, nghiên cứu tập trung vào chế tạo gốm gỗ từ nguồn nguyên liệu gốc gỗ có khả khai thác cơng nghiệp, tìm hiểu sâu tính chất gốm gỗ ứng dụng chúng document, khoa luan10 of 98 tai lieu, luan van18 of 98 Hình 3.30: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu hình 3.31: Kích thước d002 Lc Hình 3.32: Ảnh SEM mẫu 3.3 Quá trình kết khối vật liệu gỗm gỗ Để khảo sát trình kết khối vật liệu gốm gỗ từ bã thải vỏ điều, ba mẫu gồm: Bột bã thải vỏ điều cacbon hóa 500oC (sau gọi tắt bột cacbon), nhựa phenolic chế tạo từ bã thải vỏ điều (sau gọi tắt nhựa phenolic) gốm gỗ với thành phần tỉ lệ khối lượng bột cacbon/ nhựa phenolic 1/1,3 (sau gọi tắt gốm gỗ) kết khối 900 oC, môi trường kết khối CO2 với tốc độ nâng nhiệt độ 5oC/phút Ba mẫu sau nung phân tích FT-IR, XRD, RAMAN, XPS SEM để đánh trình kết khối gốm gỗ document, khoa luan18 of 98 16 tai lieu, luan van19 of 98.ngoại 3.3.1 Phổ hồng Hình 3.33, hình 3.34 hình 3.35 kết phân tích FI-IR mẫu nhựa phenolic, bột cacbon, gốm gỗ trước sau kết khối mơi trường khí CO2 Từ kết thấy: Hình 3.33: FT-IR bột cacbon hình 3.34: FT-IR nhựa phenolic a) Mẫu bột cacbon có thay đổi tỉ lệ cường độ đỉnh trước sau nung nhiệt độ khác Cường độ đỉnh vị trí số sóng 2953 2850 cm-1 đặc trưng cho dao động nhóm -CHn giảm theo chiều tăng nhiệt độ nung Tương tự cường độ dao động vị trí 1552 cm-1, 1451cm-1 tương ứng với liên kết C=C vòng thơm; vị trí 1633 cm-1 đặc trưng cho nhóm -OH cấu trúc phân tử; vị trí 1058 cm-1 đặc trưng cho liên kết CO, vị trí 887,8 cm-1, 826 cm-1, 756,6 cm-1 đặc trưng cho liên kết C-H vòng thơm giảm liên tục nhiệt độ nung tăng Kết cho thấy, phản ứng phân hủy nhiệt tạo cacbon xảy liên tục suốt trình nung bột cacbon b) Tương tự với bột cacbon, tỉ lệ cường độ đỉnh nhựa phenolic thay đổi trước sau nung Các dao động vị trí số sóng: 29532850 cm-1 (dao động dọc nhóm -CHn-); 1633 cm-1, 1370 cm-1, 1019 cm-1 (dao động nhóm -OH cấu trúc); 1552 cm-1, 1513 cm-1, 1451 cm-1 (dao động nhóm C=C); 1370 cm-1, 887,8 cm-1, 826cm-1, 756,6 cm-1 (dao động nhóm C-H cấu trúc); 1284 cm-1, 1058 cm-1 (dao động nhóm C-O); 1116 cm-1 (dao động nhóm C-O-C) có tượng suy giảm cường độ document, khoa luan19 of 98 17 tai lieu, luan van20 of 98 so sánh mẫu trước sau nung Kết chứng tỏ phản ứng phân hủy nhiệt tạo cacbon nhựa phenolic diễn liên tục suốt trình nung Tuy nhiên, đỉnh sau nung nhựa phenolic xuất rõ ràng bột cacbon số đỉnh So sánh chứng tỏ, tác dụng nhiệt độ, nhựa phenolic khó bị phân hủy nhiệt bột cacbon Hình 3.38: FT-IR bột cacbon, nhựa phenolic gốm gỗ kết khối 900oC c) Phổ FT-IR gốm gỗ cộng gộp hai phổ FT-IR nhựa phenolic bột cacbon Từ kết FT-IR hình 3.3, hình 3.34 hình 3.35 cho thấy gốm gỗ kết hợp cacbon hình thành từ trình phân hủy nhiệt nhựa phenolic cacbon từ trình phân thủy nhiệt bột cacbon Các phản ứng phân hủy nhiệt nhựa phenolic bột cacbon diễn liên tục suốt trình nung Vì trình kết khối gốm gỗ kết khối phản ứng 3.3.2 Nhiễu xạ tia X Mức độ trật tự phần tử cacbon nung bột cacbon, nhựa phenolic gốm gỗ 900oC đánh giá thơng q tính tốn kích thước d002 Lc tinh thể graphite tạo thành từ phổ XRD Hình 3.39 kết phân tích XRD hình 3.40 kết tính tốn kích thước d002 Lc từ phổ XRD Kết XRD có đỉnh (002) đỉnh tù có bề rộng lớn Định tính cho thấy cacbon hình thành sau trình nung bột cacbon, nhựa phenolic gốm gỗ 900oC cacbon vô định hình [169] Kết hình 3.37 cho thấy giá trị d002 mẫu lần khoa lượtluan20 0,4129 nm, 0,3475nm, 0,3618 nm lớn nhiều so với document, of 98 18 tai lieu, luan van21 of 98 khoảng cách d002 graphite hoàn chỉnh (d002 = 0,3354 nm [171]) Giá trị Lc 2,13 nm, 9,56 nm, 7,28 nm nên graphite tạo thành vi tinh thể [172] Từ kết kết luận cacbon hình thành mẫu cacbon vơ định tồn vùng có “trật tự gần” vi tinh thể [140] Hình 3.39: Phổ XRD hình 3.40: Kích thước d002 Lc nhựa phenolic, bột cacbon gốm gỗ kết khối 900oC 3.3.3 Phổ RAMAN Hình 3.41: Kết phổ RAMAN mẫu Ngoài phổ XRD phổ RAMAN dùng để đánh giá mức độ trật tự phần tử cacbon thông qua đánh giá liên kết không tồn cấu trúc graphite hoàn chỉnh Phổ RAMAN bột cacbon, nhựa phenolic gốm document, khoa luan21 of 98 19 tai lieu, luan van22 of 98 gỗ nung 900oC hình 3.41 Tỉ lệ liên kết khơng tồn cấu trúc graphite đánh giá cách lập tỉ số cường độ đỉnh vùng D vị trí số sóng 1360 cm-1 (ID) cường độ đỉnh vùng G vị trí số sóng 1590 cm-1 (IG) Theo tính tốn từ phổ RAMAN, tỉ lệ ID/IG nhưa phenolic có giá trị lớn (1,003), bột cacbon có giá trị thấp (0,929) gốm gỗ có giá trị (0,966), cho thấy mức độ trật tự phần tử cacbon nhựa phenolic bột cacbon Sự trật tự liên kết khơng có cấu trúc graphite có mẫu sau kết khối Ngồi ra, kết cịn cho thấy nhựa phenolic khó grapite hóa bột cacbon 3.3.4 Phổ XPS Theo kết phân tích phổ XRD cho thấy cacbon hình thành sau trình nung nhựa phenolic, bột cacbon gốm gỗ 900oC cacbon vô định Phương pháp XPS giúp xác định loại cacbon vơ định hình hình thành Hình 3.42 kết phân tích XPS mẫu 900oC Từ kết phân tích phổ XPS hình 3.42 dùng phần mềm mơ XPS’s peak tách đỉnh cho thấy dạng phổ phổ biến loại cacbon nung nhiệt độ thấp, nhóm cacbon sp2 xếp khơng trật tự khơng gian cấu trúc, nhóm lại liên kết với nhờ cacbon lai hóa sp3 có dạng =C= >C< Dạng lai hóa sp3 bao gồm liên kết δ dạng bền vững dạng cacbon nhờ góp phần tạo nên cường độ cho vật liệu gốm gỗ, giúp vật liệu gốm gỗ kết khối nhiệt độ thấp Kết lập tỉ lệ diện tích vùng sp3/sp2 từ phổ XPS cho thấy: Tỷ lệ diện tích sp3/sp2 nhựa phenolic 0,84, bột cacbon 0,2 gốm gỗ 0,36 So sánh với kết nghiên cứu tác giả Javier Diaz [12] kết luận cacbon vơ định hình hình thành sau nung nhựa phenolic cacbon cứng, với bột cacbon cacbon mềm, gốm gỗ có cấu tạo kết hợp cacbon cacbon cứng (sản phẩm trình phân hủy nhiệt nhựa phenolic) cacbon mềm (sản phẩm trình phân hủy nhiệt bột cacbon) document, khoa luan22 of 98 20 tai lieu, luan van23 of 98 Hình 3.42: Kết XPS mẫu sau kết khối 900oC 3.3.5 Ảnh vi cấu trúc Hình 3.40: Ảnh vi cấu trúc mẫu sau kết khối 900oC Kết khảo sát cấu trúc vi mô ảnh SEM mẫu nhựa phenolic, bột cacbon, gốm gỗ nung 900oC hình 3.43 cho thấy: a) Với mẫu có bột cacbon, hạt tơi xốp Ngồi hạt khơng có liên kết với nhau, không tạo cường độ cho mẫu b) Với mẫu có nhựa phenolic, hạt phối liệu kết dính thành khối Tuy nhiên khối khơng đồng xuất nhiều lỗ xốp Các lỗ xốp làm cho nhựakhoa phenolic document, luan23 of sau 98 kết khối dịn, dễ gãy có ngoại lực tác dụng Các lỗ 21 tai lieu, luancó van24 of 98 xốp dạng hình trịn chứng tỏ nhựa phenolic hình thành pha lỏng q trình nung Ngồi ảnh SEM cịn có dạng cấu trúc hình que giúp tăng độ bền cho gốm gỗ c) Với mẫu gốm gỗ, hạt phối liệu kết khối Các lỗ xốp khơng cịn xuất nhiều Đây ngun nhân làm cường độ mẫu gốm gỗ tăng cao, mẫu khơng dịn, khơng dễ vỡ Ngồi ra, mẫu khơng thấy đường biên giới hạt rõ ràng chứng tỏ trình kết khối kết khối pha lỏng Pha lỏng hình thành từ nhựa phenolic trình nung kết khối gốm gỗ Từ kết FT-IR, XRD, RAMAN, XPS, SEM thấy q trình kết khối gốm gỗ trình kết khối phản ứng Kết khối phản ứng giúp giảm nhiệt độ kết khối gốm gỗ Cơ chế kết khối kết khối pha lỏng Pha lỏng tạo thành từ nhựa phenolic Gốm gỗ có cấu tạo kết hợp cacbon cứng (sản phẩm trình phân hủy nhiệt nhựa phenolic) cacbon mềm (sản phẩm trình phân hủy nhiệt bột cacbon) 3.4 Khảo sát khả phát hồng ngoại Vật đen tuyệt đối loại vật liệu có lượng vùng cấm Eg ≈ nên vật đen tuyệt đối có khả hấp thụ lượng chuyển hóa gần tồn thành xạ hồng ngoại xa có bước sóng từ – 25 µm [90, 115-118] Các xạ hồng ngoại có số sóng trùng với số sóng dao động phân tử nước (3100 – 3600 cm-1 [119]), nhờ hồng ngoại xa thường sử dụng thiết bị sấy [88-90] Gốm gỗ vật liệu cacbon màu đen nên loại vật liệu hy vọng thể tính chất vật đen tuyệt đối, ứng dụng vào làm vật liệu sấy Vì chúng tơi tiến hành khảo sát để tìm quy luật phát xạ hồng ngoại vật liệu gốm gỗ từ bã thải vỏ điều Mẫu WCF66 mẫu kết khối tốt chọn để xác định khả phát hồng ngoại 70oC 190oC Kết phát hồng ngoại mẫu nhiệt độ 70oC 190oC trình bày hình 3.44 Trong khoảng bước sóng ánh sáng từ μm – document, khoa luan24 of 98 22 tai lieu, 25 μm,luan đồvan25 thị of thể98.hiện xạ gốm gỗ đường nằm ngang tương tự quy luật phát xạ vật đen tuyệt đối Hình 3.44: Lượng xạ mẫu WCF66 70oC 190oC Bên cạnh với kết khảo sát lượng phát đơn vị thể tích mẫu gốm gỗ WCF66 bước sóng khác 70oC 190oC hình 3.45 hình 3.46 cho thấy lượng phát xạ gốm gỗ tập trung vùng hồng ngoại xa, lượng tỏa giảm dần bước sóng ánh sáng tăng Ngoài ra, nhiệt độ phát xạ cao (190oC so với 70oC), gốm gỗ có tỉ lệ xạ (hình 3.44) lượng xạ (hình 3.45, hình 3.46) cao Các tính chất phát xạ tương tự với đặc trưng phát xạ vật đen tuyệt đối đề cập đến định luật Wien [90, 115-118, 185] Vì kết luận gốm gỗ có khả hấp thụ lượng chuyển hóa gần tồn thành xạ hồng ngoại xa Nhờ vậy, gốm gỗ từ bã thải vỏ điều định hướng ứng dụng vào thiết bị sấy Hình 3.45: Năng suất phát xạ riêng mẫu WCF66 70oC document, khoa luan25 of 98 23 tai lieu, luan van26 of 98 Hình 3.46: Năng suất phát xạ riêng mẫu WCF66 190oC CHƢƠNG 4.1 KẾT LUẬN Kết luận Luận án đạt mục tiêu đề gồm: Đã tận dụng tối đa nguồn nguyên liêu bã thải vỏ điều chế tạo gốm gỗ cách chế tạo nhựa phenolic bột cacbon từ bã thải vỏ điều: - Nguyên liệu nhựa phenolic chế tạo từ bã thải vỏ điều với tỉ lệ khối lượng phenol/ bã thải vỏ điều (thêm 5% xúc tác axit theo khối lượng phenol sử dụng), phản ứng tạo nhựa nhiệt độ 150oC, lưu thời gian 180 phút - Nguyên liệu bột cacbon chế tạo từ bã thải vỏ điều cách cacbon hóa 500oC mơi trường khí CO2, lưu thời gian 60 phút Lần chế tạo thành công gốm gỗ từ bã thải vỏ điều với thông số chế tạo sau: Thành phần tỉ lệ khối lượng bột cacbon/ nhựa phenolic 1/1,3, kết khối kết hợp áp lực ép nóng 0,66 kgf/cm2 nhiệt độ kết khối 900oC mơi trường khí CO2 với tốc độ nâng nhiệt 5oC/phút, lưu thời gian 60 phút Mẫu tạo thành có độ bền uốn 125,93 kgf/cm2, khối lượng thể tích 1,95 g/cm3 độ xốp 17,44 % Đã làm rõ trình kết khối gỗm gỗ từ bã thải vỏ điều: document, khoa luan26 of 98 24 tai lieu, luan van27 of 98 - Quá trình kết khối gốm gỗ trình kết khối phản ứng Kết khối phản ứng giúp giảm nhiệt độ kết khối gốm gỗ - Cơ chế kết khối kết khối pha lỏng Pha lỏng tạo thành từ nhựa phenolic - Gốm gỗ có cấu tạo kết hợp cacbon cacbon cứng (sản phẩm trình phân hủy nhiệt nhựa phenolic) cacbon mềm (sản phẩm trình phân hủy nhiệt bột cacbon) Đã khảo sát khả phát xạ gốm gỗ Kết cho thấy lượng phát xạ gốm gỗ tập trung vùng hồng ngoại xa Năng lượng phát xạ tăng tăng nhiệt độ phát xạ Các đặc tính phát xạ tương tự đặc trưng phát xạ vật đen tuyệt đối Vì kết luận gốm gỗ có khả hấp thụ lượng chuyển hóa gần toàn thành xạ hồng ngoại xa Nhờ vậy, gốm gỗ từ bã thải vỏ điều định hướng ứng dụng làm thu phát nhiệt thiết bị sấy 4.2 Kiến nghị Các hướng nghiên cứu tiến hành sau: - Nghiên cứu chế tạo gốm gỗ từ nguồn nguyên liệu nước khác - Khảo sát tính chất vật liệu gốm gỗ để đưa ứng dụng lĩnh vực khác - Nghiên cứu kết khối môi trường chân không để ổn định tính chất vật liệu gốm gỗ document, khoa luan27 of 98 25 tai lieu, luan van28 of 98 document, khoa luan28 of 98 tai lieu, luan van29 of 98 document, khoa luan29 of 98 tai lieu, luan van30 of 98 document, khoa luan30 of 98 tai lieu, luan van31 ofDANH 98 MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tạp chí quốc tế K D T Kien, P D Tuan, T Okabe, D Q Minh and T V Khai, “Study on sintering process of woodceramics from the cashew nutshell waste,” Journal of Ceramic Processing Research, vol 19, no 6, pp 472-478, 2018 (thuộc ISI) D Q Minh, H N Minh, N V U Nhi, N N T Huynh, K D T Kien, P T Kien and N H Thang, “The Influence of Composition of Raw Materials on Formation of Phenolic Resin from Cashew Nut Shell Waste (CNSW),” Defect and Diffusion Forum, vol 394, pp 103-108, 2019 (thuộc SCOPUS) Tạp chí nƣớc K D T Kien, T V Khai, N H Q Anh, L T Tai, D Q Minh and P D Tuan, “Changes of microstructure, chemical composition and heating value of cashew nut shell wastes (CNSW) under low pressure carbonization,” Khoa học công nghệ, vol 53, no B, pp 284 - 289, 2015 K Đ T Kiên, T V Khải and Đ Q Minh, “Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm gỗ từ bã thải vỏ điều,” Tạp chí Hoá học, vol 4, no E2355, pp 147-152, 2017 K Đ T Kiên, T V Khải, P Đ Tuấn and Đ Q Minh, “Chế tạo than hoạt tính từ bã thải vỏ điều tác nhân kali hydroxite (KOH),” Tạp chí Hố học, vol 55, no 5E34, pp 47-51, 2017 K D T Kien, T V Khai, P D Tuan and D Q Minh, “The effect of liquefied wood on the sintering of woodceramics from the cashew nut shell waste,” Vietnam Journal of chemistry, vol 55, no 5E34, pp 460-463, 2017 K Đ T Kiên, T V Khải, P Đ Tuấn and Đ Q Minh, “Ảnh hưởng nhựa thơng đến tính chất gốm gỗ từ bã thải vỏ điều,” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Trường Đại học Công nghiệp TPHCM, vol 27, pp 51-56, 2017 K Đ T Kiên,T V Khải, P Đ Tuấn and Đ Q Minh, “Cải thiện độ kết khối gốm gỗ từ bã thải vỏ điều phương pháp ép nóng,” Tạp chí Hóa học, vol 56, no 3E12-2018, pp 186-191, 2018 K Đ T Kiên, P V K Trang, Đ T H Trang and Đ Q Minh, “Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả tạo nhựa phenolic từ nguyên liệu bã thải vỏ điều,” Tạp chí Hóa học, 57(6E1,2), pp 403-407, 2019 document, khoa luan31 of 98 tai lieu, van32 of 98 Kỷ yếuluan hội nghị quốc tế M D Quang, K T Van, T P Dinh and K K D Trung, “Fabrication and Properties of the Biomass Cokes from the Waste Cashew Nut Shell (WCNS),” The 8th Regional Conference on Chemical, 2015, Ha Noi - Việt Nam K D T Kien, D T Khai, T V Khai, D Q Minh and P D Tuan, “Preparation of woodceramic,” Interactive Materials Science Cadet Program, 2015, Osaka, Japan K D T Kien, T C Phat, D V Phuong, L T H Dao, T V Khai and D Q Minh, “Fabrication of the activated carbon from the waste cashew nut shell (WCNS) by Phosphoric Acid,” 23rd Regional Symposium on Chemical Engineering (RSCE2016), 2016, Vung Tau, Vietnam D Q Minh, T V Khai and K D T Kien , “Fabrication and Some Properties of The Biomass Coke from a By – Product of The Cashew Nut Processing,” The 11th seatuc symposium, 2017, Ho Chi Minh, Vietnam Đề tài nghiên cứu khoa học Đ Q Minh and K Đ T Kiên, “Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ nung đến độ kết khối gốm gỗ từ bã thải vỏ điều,” đề tài nghiên cứu khoa học, Khoa Công nghệ Vật liệu, Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia THCM, 2016 document, khoa luan32 of 98 ... liêu bã thải vỏ điều chế tạo gốm gỗ cách chế tạo nhựa phenolic bột cacbon từ bã thải vỏ điều: - Nguyên liệu nhựa phenolic chế tạo từ bã thải vỏ điều với tỉ lệ khối lượng phenol/ bã thải vỏ điều. .. nay, có nhiều nghiên cứu gốm gỗ Tuy nhiên chia làm ba mảng chính: Nghiên cứu chế tạo vật liệu gốm gỗ, nghiên cứu tính chất - ứng dụng vật liệu gốm gỗ nghiên cứu kết hợp gốm gỗ với vật liệu khác dạng... liệu để chế tạo vật liệu gốm gỗ thường có nguồn gốc từ gỗ Vì vật liệu gốm gỗ dùng loại vật liệu môi trường xử lý chất thải gốc gỗ từ ngành sản xuất nơng nghiệp Hình 1.7: Vật liệu gốm gỗ chế tạo theo