Nghiên cứu, chế tạo carbon cellulose aerogel từ hỗn hợp sợi lá dứa và sợi cotton ứng dụng trong hấp phụ

Carbon cellulose aerogel

T ng quan

Cellulose là một polymer tự nhiên phong phú nhất trên Trái đất, có cấu trúc là một polymer mạch thẳng được hình thành bởi các liên kết glycosidic 1,4 giữa D-glucose Chiều dài chuỗi phân tử của cellulose phụ thuộc vào nguồn gốc và quá trình chiết xuất Cellulose sở hữu nhiều tính chất đặc biệt như tính tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, độ bền nhiệt, độ bền hóa học và chi phí thấp Các ứng dụng công nghiệp của cellulose, như trong giấy, bìa cứng, vải và vật liệu xây dựng, đã tồn tại hàng ngàn năm Mặc dù cellulose có cấu trúc đa dạng và đặc trưng, nhưng các vật liệu này không đáp ứng yêu cầu cho vật liệu mới trong thế kỷ 21 về tính bền vững, độ bền và tính đồng nhất Với các nghiên cứu gần đây về tính chất vật lý và hóa học của cellulose, các vật liệu dựa trên cellulose như sợi cellulose, màng cellulose, hydrogel cellulose, cellulose aerogel và vật liệu tổng hợp dựa trên cellulose đã được phát triển và ngày càng thân thiện với môi trường.

Aerogel là một loại vật liệu xốp đặc biệt với tính chất vật lý và hóa học nổi bật, có khối lượng riêng thấp (0.003-0.500 g/cm³), độ xốp cao (80 ~ 99,8%), diện tích bề mặt lớn (100 ~ 1600 m²/g) và các hoạt tính hóa học đa dạng Được phát triển lần đầu tiên bởi Kistler vào những năm 1930, aerogel được tạo ra bằng cách loại bỏ dung môi trong gel thông qua phương pháp sấy khô siêu tĩnh Trong vài thập kỷ qua, nhiều loại aerogel khác nhau đã được nghiên cứu, bao gồm aerogel vô cơ như SiO₂, TiO₂, SnO₂, V₂O₅ và Al₂O₃, aerogel dựa trên polymer tổng hợp như resorcinol formaldehyd, polyvinylchloride, polypropylen và polyimide, cũng như aerogel từ đại phân tử tự nhiên như alginate, protein, chitosan và hemicellulose, và cuối cùng là aerogel carbon như carbon và carbon nanotubes.

4 graphene) [21-23], đư đ c phát tri n do s ti n b trong các công ngh đ c s d ng đ t ng h p và s y aerogel

Cellulose aerogel là một vật liệu rỗng có cấu trúc độc đáo, được tạo ra qua ba bước chính: hòa tan hoặc phân tán cellulose, tạo gel cellulose bằng quy trình sol-gel, và làm khô gel cellulose để duy trì cấu trúc 3D Với diện tích bề mặt riêng lớn (10-975 m²/g), độ xốp cao (84.0-99.9%) và khối lượng riêng thấp (0.00-0.35 g/cm³), cellulose aerogel có thể so sánh với aerogel silica truyền thống và aerogel polymer tổng hợp Tuy nhiên, cellulose aerogel nổi bật với khả năng nén cao hơn (5.20 kPa-16.67 MPa) và khả năng phân hủy sinh học tốt hơn.

Cellulose và các dẫn xuất của nó có khả năng cải thiện các đặc tính cơ học và khả năng hấp thụ của vật liệu aerogel Việc sử dụng cellulose làm nguyên liệu để chế tạo aerogel mang lại nhiều lợi ích: Thứ nhất, nguồn nguyên liệu cellulose là bền vững và có thể tái tạo; Thứ hai, chuỗi cellulose rất giàu nhóm hydroxyl, giúp giảm thiểu việc tạo liên kết ngang trong quá trình chuẩn bị aerogel Một cấu trúc mạng ba chiều (3D) ổn định có thể thu được thông qua liên kết vật lý giữa các phân tử và các liên kết hydro, làm cho quá trình chế tạo aerogel trở nên đơn giản hơn; Thứ ba, sự biến đổi hóa học của cellulose giúp củng cố tính chất và đặc điểm cấu trúc của aerogel cellulose, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu suất cao.

Carbon aerogel là một loại vật liệu có khối lượng riêng rất thấp, được sản xuất từ quá trình nhiệt phân của aerogel hữu cơ Carbon cellulose aerogel là một dạng carbon aerogel có nguồn gốc sinh khối Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực aerogel, đặc biệt là aerogel dựa trên graphene và carbon nanotube, thuật ngữ "carbon aerogel" không chỉ dành riêng cho loại vật liệu từ nhiệt phân thông thường Các aerogel này thể hiện những đặc tính và cấu trúc hấp dẫn hơn Carbon aerogel đầu tiên được phát triển bởi Pekala và các cộng sự vào những năm 1990, với phương pháp sản xuất từ quá trình nhiệt phân các tiền chất hữu cơ Cấu trúc của carbon aerogel có những đặc điểm độc đáo.

Quá trình nhiệt phân của aerogel carbon là vô định hình, và các đặc tính của vật liệu này phụ thuộc vào hiệu quả của quá trình trùng hợp sol-gel cùng với quá trình nhiệt phân Carbon aerogel được sản xuất theo cấu trúc đư tr, dẫn đến sự phát triển của hydrogel và aerogel carbon nanotube Hơn nữa, việc chế tạo graphene aerogel trong thập kỷ trước đã mở rộng diện tích của carbon aerogel từ vật liệu hoàn toàn vô định hình thành vật liệu được sản xuất theo cấu trúc.

Các đặc tính của carbon aerogel được điều chỉnh để đạt hiệu suất cao thông qua việc chọn lựa các điều kiện thực hiện thích hợp Carbon aerogel có cấu trúc mạng ba chiều (3D) được kết nối với nhau bằng các hạt nano siêu nhỏ Đặc tính cấu trúc lỗ xốp micro của chúng liên quan đến khung bên trong hạt, trong khi hình thái giữa các hạt chỉ phí phát triển của l meso và macro Sự hình thành lỗ xốp kích thước meso và micro của aerogel carbon được kiểm soát rất lặp, tạo ra một lợi thế khác biệt cho việc chế tạo vật liệu xốp Các đặc tính độc đáo của carbon aerogel thúc đẩy nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng của chúng.

Phân lo i carbon cellulose aerogel

Carbon cellulose aerogel đ c phân lo i d a trên s phân lo i c a cellulose aerogel, bao g m: cellulose aerogel t nhiên (aerogel nanocellulose, aerogel vi khu n), cellulose aerogel tái t o và aerogel d n xu t cellulose

Sợi nanocellulose có đường kính nhỏ hơn 100nm và được tách ra khỏi cellulose nguyên chất bằng các phương pháp cơ học hoặc hóa học Trong quá trình phân tách, nanocellulose có thể được chia thành hai loại chính: tinh thể nanocellulose (CNC) và sợi nanocellulose (CNF), trong khi cellulose sợi nano (NFC) và cellulose sợi micro cũng được phân loại.

Aerogel nanocellulose được chế tạo bằng cách phân tán nanocellulose trong nước thông qua phương pháp siêu âm hoặc hóa học, sau đó trải qua quá trình sấy khô có hoặc không có sự trao đổi dung môi So với các loại cellulose khác, aerogel nanocellulose mang lại nhiều ưu điểm vượt trội trong ứng dụng.

Aerogel nanocellulose có cấu trúc khung với kích thước nano, không dẫn điện và có diện tích bề mặt riêng lớn, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Tuy nhiên, quá trình phân tách hóa học của nanocellulose có thể tạo ra một lượng lớn chất thải, dẫn đến tăng chi phí và cản trở sự phát triển của aerogel nanocellulose.

Cellulose vi khuẩn được thu thập từ nuôi cấy vi khuẩn tự nhiên và có cấu trúc gel mạng 3D tự nhiên Sau khi xử lý vi khuẩn, các thành phần khác và sấy khô, có thể thu được aerogel cellulose Mặc dù cấu trúc hóa học của cellulose vi khuẩn tương tự cellulose thực vật, nhưng cellulose vi khuẩn không chứa các thành phần như lignin và hemicellulose, do đó có một số ưu điểm nhất định như độ tinh khiết cao, độ trùng hợp cao và độ kết tinh cao Vì vậy, aerogel vi khuẩn có mô đun cao nhất trong số các aerogel cellulose, cùng với độ xếp cao và diện tích bề mặt riêng cao Tuy nhiên, việc sản xuất cellulose vi khuẩn gặp thách thức bởi một chu kỳ sản xuất dài (30 ngày), năng suất thấp và chi phí cao, điều này làm giảm sự hấp dẫn của nó trong các nghiên cứu và ứng dụng.

Các aerogel cellulose tái tạo hiện đang được nghiên cứu rộng rãi Quá trình chuẩn bị các aerogel tái tạo bao gồm các bước chính như hòa tan cellulose, tái tạo cellulose, trao đổi dung môi và sấy khô Do mạng lưới liên kết hydro phức tạp trong cellulose, nó không hòa tan trong nước và các dung môi hữu cơ thông thường như ethanol Ngược lại, các đại phân tử cellulose có tính amphiphilic.

Dung môi cellulose philoic có khả năng tạo liên kết hydro và tương tác kiến cấu Các dung môi cellulose truyền thống như carbon disulfide gây ô nhiễm môi trường, trong khi các dung môi cellulose thân thiện với môi trường như NaOH hoặc LiOH, dung dịch chitin (kiềm/nước), dung dịch ure hoặc thiourea, và polyethylen glycol (PEG) đang được nghiên cứu Ngoài ra, các dung môi như LiCl/DMSO, LiCl/dimethylacetamide (DMAc) và chất lỏng ion (IL) cũng đang được xem xét.

Việc tái chế aerogel đòi hỏi quy trình hòa tan phức tạp và nhiều bước trao đổi dung môi, dẫn đến tốn nhiều thời gian Tỷ lệ co rút của aerogel tái chế thường lớn hơn 30%, khiến chúng dày hơn so với aerogel tự nhiên và có kích thước trung bình lớn hơn Tuy nhiên, quy trình sản xuất aerogel tái chế đơn giản và chi phí thấp, điều này đã khiến chúng trở thành đối tượng nghiên cứu phổ biến.

Việc thay đổi các tính chất vật lý và hóa học của cellulose là một phương pháp quan trọng để cải thiện tính năng của aerogel cellulose Một số dẫn xuất cellulose hòa tan trong nước và dung môi hữu cơ điển hình bao gồm carboxymethylcellulose (CMC) và hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) hòa tan trong nước, triacetyl cellulose (TAC) hòa tan trong dioxane/isopropanol, và ethyl cellulose (EC) hòa tan trong dichloromethane Sự hòa tan của acetone và một số dung môi hữu cơ khác trong CO2 siêu tĩnh có thể làm giảm thời gian của quá trình trao đổi dung môi, từ đó cải thiện hiệu quả tổng hợp aerogel Hơn nữa, do chuỗi phân tử của các dẫn xuất cellulose có số nhóm hydroxyl giảm, một tác nhân liên kết ngang thường được yêu cầu trong quá trình gel hóa dung dịch Sự phân bố không đồng đều của các nhóm chức cũng ảnh hưởng đến cấu trúc của aerogel cellulose, với các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng mức độ thay thế không ảnh hưởng đáng kể đến mô đun nén của aerogel cellulose, nhưng mức độ thay thế cao có thể làm giảm độ hút ẩm.

Ph ngăpháp t ng h p carbon cellulose aerogel

Công ngh t ng h p carbon cellulose aerogel bao g m ba quá trình: quá trình sol- gel, s y khô gel và carbon hóa

Trong hệ sol, các hạt keo có đường kính từ 1nm đến 1000nm được phân tán trong một chất lỏng Gel bao gồm một mạng lưới ba chiều, chứa đầy một chất lỏng khác, thường là chất lỏng Phản ứng sol-gel là một quá trình trong đó vật liệu biến đổi.

Quá trình sol-gel đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành cấu trúc mạng xếp 3D trong môi trường aerogel Hiện nay, hầu hết các aerogel đều được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hóa t: phương pháp sol-gel.

Dung dịch cellulose có thể tạo ra gel bằng cách kết tụ các polymer thông qua quá trình tách pha khi tái tạo đông đặc Sự trao đổi giữa dung môi và không dung môi dẫn đến sự phá hủy các phân tử cellulose và tái tổ chức lại các liên kết hydro trong quá trình này Ví dụ, quá trình tạo gel của cellulose từ dung dịch N-methylmoroline-N-oxide (NMMO) sử dụng hệ thống đông t là kết quả của quá trình tách pha thành các pha giàu và nghèo polymer Thông thường, hai cách tách pha có thể diễn ra trong quá trình tách lớp lỏng-lỏng của dung dịch polymer, hoặc thông qua tách pha spinodal Bằng cách thêm các tác nhân hóa học liên kết ngang như epichlorohydrin (ECH) và N,N'-methylenebisacrylamide (MBA) vào dung dịch hoặc thay đổi điều kiện vật lý như nhiệt độ và pH, có thể tạo ra cấu trúc mạng liên kết 3D, chuyển đổi vật liệu thành dạng gel rắn.

Gel vật lý được hình thành nhờ các liên kết ngang giữa các tác nhân vật lý như liên kết van der Waals, liên kết hydro, và liên kết ion Tính chất gel hóa của gel vật lý chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch cellulose hoặc polymer phân tán và nhiệt độ Cấu trúc bền vững và hiệu quả của gel cellulose thường được tạo ra bằng cách sử dụng các liên kết ngang hóa học, có thể hình thành liên kết cộng hóa trị giữa các chuỗi polymer trong quá trình tạo gel Ngược lại với liên kết cộng hóa trị trong gel hóa hóa học, năng lượng liên kết của các liên kết ngang trong gel vật lý là phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó các liên kết này có thể được tạo ra và phá hủy bởi sự chuyển động nhiệt của các polymer, dẫn đến các tính chất đặc trưng của gel vật lý Ngoài ra, mức độ và tính chất tách pha phụ thuộc vào loại hóa chất của chất chống dung môi và nhiệt độ.

Tổng quan, quá trình tạo gel hóa học diễn ra nhanh chóng hơn so với quá trình tạo gel vật lý nhờ vào liên kết ngang hóa học Cấu trúc gel được hình thành một cách chắc chắn và ổn định Ngoài ra, sự hiện diện của các chất điển hình như CaCl2 có thể thay đổi sự phân bố điện tích trong dung dịch, từ đó thúc đẩy quá trình tạo gel vật lý Graphene oxit (GO) có khả năng hình thành liên kết hydro với cellulose, góp phần tăng tốc độ tạo gel vật lý.

S hình thành c a gel có th đ c xác đ nh b ng các ph ng pháp sau: (1) gel s không ch y khi khuôn b nghiêng 70 ho c đ o ng c; (2) mô đun l u tr (G’) b ng v i mô đun t n th t (G’’) [63, 70]

Quá trình sol-gel được áp dụng để cải thiện tính chất của cellulose aerogel mong muốn Các chuỗi phân tử cellulose có nhóm hydroxyl giảm, do đó cần sử dụng một tác nhân liên kết ngang để tạo ra cấu trúc gel chắc chắn.

Tái t o gel cellulose đ c đi u ch b ng cách tái t o các dung d ch cellulose, trong khi gel nanocellulose đ c t o ra t huy n phù nanocellulose

Sấy khô là bước quan trọng nhất trong việc chế biến aerogel Hình thái của aerogel cellulose phụ thuộc nhiều vào phương pháp sấy Khi sử dụng các phương pháp làm khô thông thường, áp suất mao quản có thể gây ra sự suy giảm cấu trúc của gel, dẫn đến sự biến dạng Do đó, sấy khô siêu tới hạn (sử dụng như rượu, acetone hoặc CO2) và sấy khô chân không thường được áp dụng trong các phương pháp chế biến cellulose aerogel hiện nay Sấy thông hoa là sự thông hoa của chất rắn, thường là nước đóng băng, tại mao quản của tế bào chất Trong điều kiện siêu tới hạn, sức căng bề mặt của chất lỏng/khi gas bằng không, vì không còn sự tồn tại của khí Aerogel được chế biến bằng cách làm khô bằng CO2 siêu tới hạn thường có cấu trúc cellulose giống như súp lơ: sự kết tụ của các hạt xù xì Tuy nhiên, quá trình làm đông khô dẫn đến một mạng lưới cellulose giống như mạng mao quản liên kết với nhau có đường kính vài micromet do sự phát triển của đá trong quá trình đóng băng.

CO2 siêu tới hạn (304K, 7.4 MPa) là một chất lỏng lý tưởng cho quá trình sản xuất aerogel cellulose nhờ vào chi phí thấp và độ an toàn cao Quá trình này liên quan đến việc truyền khối hai chiều của CO2 siêu tới hạn và dung môi gel, dẫn đến sự tạo thành một chất lượng mỏng và sự phân bố đồng đều của thể tích chất lỏng Hàm lượng CO2 trong các lớp tăng theo thời gian cho đến khi đạt được điều kiện siêu tới hạn, cho phép hình thành chất lỏng trong mao quản mà không cần sự chuyển đổi trung gian Cuối cùng, sự hình thành chất lỏng siêu tới hạn trong mao quản không có pha lỏng dẫn đến việc không xảy ra hiện tượng xẹp lún mao quản trong cấu trúc gel, giúp duy trì kích thước macro trong quá trình loại bỏ dung môi.

Nước có sức căng bề mặt cao có thể làm hỏng cấu trúc vật liệu và có độ xếp hạng cao của mạng cellulose, ban đầu được hình thành sau quá trình sấy khô Do đó, cần phải thay thế hoàn toàn nước có sức căng bề mặt cao Ví dụ, khi aerogel cellulose tái sinh được điều chỉnh trong dung môi NMMO, gel cellulose nên được làm ẩm bằng nước, tiếp theo là trao đổi ethanol và acetone hoặc trao đổi acetone.

[73, 74] Khi m t ch t l ng ion đ c s d ng làm h dung môi, gel cellulose ph i đ c m i l i b ng n c tr c, sau đó là trao đ i nhi u acetone [75] Các aerogel t nhiên th ng đ c trao đ i ethanol [68, 76]

Việc sử dụng dung môi cellulose có thể làm giảm hiệu suất sử dụng Ngoài ra, sự xuất hiện của các chất lẫn khác nhau và rung lắc trong quá trình hòa trộn và trao đổi dung môi có thể làm hỏng cấu trúc gel của cellulose Quá trình trao đổi dung môi diễn ra rất chậm, thường mất 2-3 ngày Tóm lại, việc sấy khô bằng CO2 siêu tĩnh có thể giúp tránh làm hỏng màng gel 3D do áp lực mao dẫn bên trong lỗ mao quản, cho phép sản xuất vật liệu aerogel với cấu trúc đồng đều hơn Tuy nhiên, quy trình này yêu cầu thiết bị đặc biệt, vì cần một bình áp lực cao.

S y th ng hoa là phương pháp sản xuất aerogel cellulose thân thiện với môi trường, thông qua quá trình đông khô gel Gel được đông lạnh ở nhiệt độ thấp, sau đó chất lỏng trong gel được loại bỏ bằng cách thăng hoa, ảnh hưởng đến cấu trúc và hạn chế co rút Kết quả và tính chất của aerogel phụ thuộc vào các yếu tố như tốc độ đông và nhiệt độ, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc mao quản Các yếu tố này bao gồm nồng độ cellulose, kích thước và hình dạng của gel, cũng như nhiệt độ trong quá trình sản xuất.

Aerogel làm từ nanocellulose và các dẫn xuất của nó thường được tạo ra bằng phương pháp đông khô Tuy nhiên, cấu trúc của nanocellulose có thể làm giảm diện tích bề mặt riêng của chúng Rượu tert-butyl có khả năng làm tăng bề mặt và chứa nhóm hydroxyl, có thể tạo liên kết hydro với nhóm hydroxyl hoặc carboxyl trên bề mặt nanocellulose và các dẫn xuất của nó Đồng thời, sự cản trở không gian gây ra bởi một lượng lớn các nhóm butyl có thể ảnh hưởng đến cấu trúc của nanocellulose Do đó, việc sử dụng rượu tert-butyl trong quá trình trao đổi dung môi có thể bảo vệ cấu trúc gel của nanocellulose và các dẫn xuất của nó, từ đó nâng cao hiệu quả của cấu trúc aerogel.

Khi đun nóng nitơ lỏng hoặc propan lỏng, gel cellulose có thể làm lạnh nhanh chóng, giúp cải thiện sự kết tủa của cellulose và sự phát triển của tinh thể băng, từ đó tăng độ xốp của aerogel Zhang và cộng sự đã nghiên cứu ba phương pháp làm mát: cung cấp nitơ lỏng (-196 o C, 30 phút), đông lạnh thẩm thấu (-80 o C, 12 giờ) và tủ lạnh thông thường (-20 o C, 24 giờ) Họ phát hiện rằng nitơ lỏng gây ra sự hình thành nhanh chóng của các tinh thể băng, cải thiện hiệu quả sự kết tủa của cellulose và tạo ra cấu trúc bền vững và mịn màng Các chất chống đóng băng và kỹ thuật sấy đông khô phun cũng góp phần vào quá trình đóng băng, tạo ra aerogel có cấu trúc đồng nhất.

Công nghệ sử dụng khô đông để sản xuất một loại cellulose aerogel đặc biệt có ảnh hưởng rất lớn đến diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước mao quản Sự phát triển của các tinh thể băng và sức căng bề mặt cao của chúng thường tạo ra các vật thể không mong muốn trong vật liệu aerogel Tuy nhiên, nhược điểm khác của quá trình này bao gồm thời gian xử lý dài và tiêu thụ năng lượng lớn Một phương pháp khác, làm khô bằng CO2 siêu tới hạn, có thể bảo tồn cấu trúc gel của cellulose và tạo ra aerogel với vật liệu co rút thấp, kích thước nhỏ hơn và diện tích bề mặt riêng cao hơn.

Làm khô áp suất môi trường xung quanh là phương pháp hiệu quả cho sản xuất quy mô lớn với chi phí thấp và tính an toàn cao Mặc dù đây là một kỹ thuật đòi hỏi khắt khe, việc làm khô áp suất môi trường xung quanh có thể dẫn đến sự co rút cấu trúc của vật liệu Để đảm bảo hiệu quả trong quá trình này, cần kiểm soát chính xác các điều kiện làm khô Sự chọn lựa dung môi thích hợp là rất quan trọng, thường được thực hiện thông qua việc trao đổi dung môi, như acetone 323K trong khoảng thời gian sáu ngày Bên cạnh đó, việc thiết kế khung cần đảm bảo có khả năng chịu được áp suất cao Feng và cộng sự đã kết hợp aerogel resorcinol-formaldehyde (RF) với phương pháp làm khô áp suất môi trường xung quanh.

Quá trình carbon hóa

Công nghệ sản xuất carbon aerogel bao gồm hai quá trình chính là than hóa và hoạt hóa Trong quá trình than hóa, nguyên liệu ban đầu được phân hủy nhiệt để tạo ra carbon, đồng thời loại bỏ các hợp chất hữu cơ và hình thành cấu trúc mao quản ban đầu Giai đoạn hoạt hóa giúp phát triển mao quản và tăng diện tích bề mặt của carbon aerogel Hoạt hóa là giai đoạn khó thực hiện và quyết định chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Quá trình than hóa : thông th ng, quá trình than hóa đ c th c hi n nhi t đ cao trong môi tr ng y m khí, các v t li u giàu carbon s b dehydrat hóa

Carbon aerogel có diện tích bề mặt riêng phát triển, với sự hiện diện của oxy có thể dẫn đến sự cháy của carbon aerogel trong giai đoạn này Trong môi trường không có oxy, quá trình than hóa thông thường sử dụng các phương pháp phổ biến để đảm bảo hiệu quả.

Sử dụng khí nitrogen là phương pháp hiệu quả để loại bỏ oxygen trong quá trình thu hồi khí Phương pháp này giúp hạn chế sự có mặt của oxygen và tối ưu hóa quá trình hoạt hóa tiếp theo bằng CO2 Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là thiết bị phức tạp và tiêu tốn nitrogen.

Cát silic (SiO2) được tạo ra từ nguyên liệu và chiếm các không gian trống trong quá trình nung, nhằm tối ưu hóa lượng oxy và hạn chế sự lưu thông của oxy trong thể tích phản ứng Đây là phương pháp đơn giản, hiệu quả và tiết kiệm Tuy nhiên, nó gây trở ngại cho giai đoạn hoạt hóa tiếp theo bằng CO2 và các chất có khả năng tác động với cát như KOH, NaOH.

Sử dụng khí CO2 trong quá trình sản xuất carbon aerogel không chỉ đóng vai trò cung cấp oxy mà còn là tác nhân hoạt hóa quan trọng Phương pháp này được ưa chuộng trong công nghiệp vì khí CO2 là nguồn sẵn có, rẻ tiền và không gây ô nhiễm môi trường.

Quáă trìnhă ho tă hóa: ho t hóa là quá trình bào mòn m ng l i tinh th carbon d i tác d ng c a nhi t và tác nhân ho t hóa t o đ x p cho carbon aerogel

Mục đích của giai đoạn hoạt hóa là phát triển cấu trúc bền vững của carbon aerogel thu được sau giai đoạn than hóa Có hai phương pháp hoạt hóa cơ bản: hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học Hoạt hóa vật lý sử dụng tác nhân nhiệt độ để thay đổi cấu trúc bền vững của carbon aerogel, trong khi hoạt hóa hóa học dựa vào phản ứng hóa học của chất hoạt hóa với bề mặt carbon aerogel để điều chỉnh cấu trúc của nó.

Hóa vật liệu luôn đi kèm với quá trình than hóa và nhiệt độ cao, dẫn đến việc dehydrat hóa Đồng thời, quá trình tái cấu trúc bề mặt carbon aerogel diễn ra, tạo ra cấu trúc xếp chồng của bề mặt, làm tăng diện tích bề mặt riêng của aerogel.

S d ng h i n c ho c khí CO2làm tác nhân ho t hóa, nhi t đ cao nh ng tác nhân ho t hóa này th c hi n cácph n ng v i nguyên t carbon nh sau:

Quá trình tạo ra carbon aerogel bắt đầu từ việc sử dụng nguyên liệu carbon để hình thành một lớp xốp trong cấu trúc của nó, tạo nên mạng lưới mao quản, giúp tăng diện tích bề mặt Ngoài việc tạo thành lớp xốp, các nguyên liệu carbon còn tham gia vào các túi khí có sẵn trong carbon aerogel Khi nhiệt độ cao, các túi khí này sẽ bị phá vỡ và thoát ra ngoài, làm giảm mật độ trong cấu trúc Ban đầu, lớp xốp này vẫn còn nguyên vẹn, nhưng theo thời gian, các túi khí xung quanh cũng thoát ra, dẫn đến sự hình thành các lớp xốp nhỏ hơn Nếu quá trình hoạt hóa diễn ra quá lâu, điều này có thể làm giảm hoạt tính của carbon aerogel Vì vậy, thời gian hoạt hóa là một trong những thông số quan trọng quyết định chất lượng của carbon aerogel thu được Ưu điểm của phương pháp hoạt hóa vật lý là sử dụng thiết bị đơn giản, ít gây mòn thiết bị, sản phẩm carbon aerogel thu được sạch, có thể thực hiện với năng suất lớn và chi phí sản xuất hợp lý Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là diện tích bề mặt của carbon aerogel không cao.

Các ch t ho t hóa có th phân chia thành tác nhân ho t hóa có tính acid

(H 3 PO 4 , H 2 SO 4 , ZnCl 2 …) và các tác nhân có tính base (KOH, NaOH, K2CO 3 …). Trong đó, tác nhân ho t hóa th ng đ c dùng nhi u nh t là: KOH, NaOH, ZnCl 2 ,

Các chất này được trộn vào carbon aerogel, sau đó sấy khô và tiến hành nung trong khí Tỉ lệ giữa các chất được sử dụng làm tác nhân hoạt hóa cần được xác định, cùng với nhiệt độ nung và thời gian nung để phù hợp với từng trạng thái hợp chất.

Chất xúc tác trong quá trình hoạt hóa có vai trò quan trọng trong việc dehydrat hóa và tương tác với carbon Khi hoạt hóa ở nhiệt độ cao, các phản ứng hóa học diễn ra mạnh mẽ, dẫn đến sự hình thành các sản phẩm mới.

Quá trình hoạt hóa carbon aerogel bằng KOH bắt đầu bằng việc hòa tan carbon trong dung dịch KOH Sau đó, mẫu được gia nhiệt để kích thích quá trình hoạt hóa trong môi trường khí Ở nhiệt độ cao, KOH sẽ phản ứng với carbon, tạo ra các sản phẩm như kali (K), khí carbon dioxide (CO2) và khí hydro (H2).

K2CO3 tác động vào mạng tinh thể carbon, làm suy yếu cấu trúc của graphite Khi nhiệt độ tăng, các hạt di chuyển gây ra lực tách rời các lớp graphite trong cấu trúc xếp chồng Do đó, nhiệt độ và năng lượng tăng lên.

KOH có ảnh hưởng tích cực đến cấu trúc xốp của carbon aerogel Phương pháp hoạt hóa hóa học mang lại hiệu suất sản phẩm cao và diện tích bề mặt carbon aerogel thu được lớn Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là gây ăn mòn thiết bị, gây ô nhiễm môi trường và chi phí sản xuất cao.

ng d ng c a carbon cellulose aerogel

Vật liệu làm từ carbon, đặc biệt là carbon aerogel, có những đặc tính độc đáo và lợi ích thực tiễn trong các lĩnh vực khoa học hiện đại như lưu trữ năng lượng điện (EES), khoa học môi trường và hóa học vật liệu Những đặc tính nổi bật và đa dạng của chúng mang lại tiềm năng to lớn cho nhiều ứng dụng khác nhau Tuy nhiên, các tập chất có nguồn gốc tự nhiên và sự biến đổi không kiểm soát được trong các đặc tính của vật liệu carbon tự nhiên đã tạo ra nhu cầu ngày càng tăng về việc thay thế bằng các vật liệu carbon tổng hợp Carbon aerogel, với tính chất cao và khả năng kiểm soát cấu trúc, đã trở thành lựa chọn thay thế hiệu quả cho những thách thức hiện tại Các tính năng độc đáo của carbon aerogel cho phép chúng được sử dụng làm vật liệu lưu trữ năng lượng, khung xúc tác và chất hấp phụ.

16 hi u ng Knudsen và tính k n c c a carbon aerogel thúc đ y các ng d ng cho thi t b tách ch t ô nhi m h u c và ch t cách nhi t

Carbon aerogel có nhiều ứng dụng quan trọng như lưu trữ điện năng, xúc tác và hỗ trợ xúc tác, lưu trữ và phân tách khí, xử lý nước, cách nhiệt và chống cháy Với các đặc tính nổi bật, vật liệu này đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Nghiên c u các v t li u đi n t và n ng l ng hi u qu là đi u c n thi t đ đáp ng nhu c u ngày càng t ng nhanh chóng v các thi t b và ng d ng đi n t

Carbon aerogel là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng điện tử nhờ vào cấu trúc và độ dẫn điện ấn tượng Tuy nhiên, để tối ưu hóa hiệu suất điện hóa, cần kiểm soát kích thước phân bố của aerogel carbon Phân bố kích thước lỗ xốp là yếu tố quan trọng, với các lỗ micro ( 1) xem xét và đánh giá m t thuy t h p ph theo Brunauer S c n ph i d a theo ba tiêu chu n t ng quát sau

-Ph ng trình ph n ánh đúng đ c tr ng C(P) t th c nghi m

-Tính các giá tr h ng s hoàn toàn đúng.

-Lý thuy t c n ph n ánh đúng s ph thu c c a h p ph đ i v i nhi t đ

Thuy t h p ph BET d a theo các quan đi m sau:

Cácăy uăt ă nhăh ngăđ năkh ăn ngăh păph

Di n tích b m t c a v t li u h p ph : Di n tích l n bao hàm m t kh n ng h p ph cao h n.

Kích th c l x p c a v t li u h p ph : Kích th c l x p nh h n làm gi m s khu ch tán n i b và truy n kh i h n ch s xâm nh p c a các ch t b h p ph bên trong v t li u h p ph

Th i gian ti p xúc và th i gian l u: Th i gian càng lâu hi u qu càng cao, tuy nhiên các thi t b s l n h n [108]

CH NGă2:ăPH NGăPHÁPă TH C NGHI M

T ng h p v t li u

T ng h p Carbon cellulose aerogel

Hình 2.1: Quy trình t ng h p cellulose aerogel

Cellulose khô được xử lý bằng dung dịch NaOH 14% và ure 24% với tỉ lệ 1:1 trong 30 phút, tạo ra hợp chất cellulose với nồng độ 4% Sau đó, dung dịch này được siêu âm trong 10 phút Cuối cùng, dung dịch cellulose được chuyển vào tủ lạnh và đông lạnh ở -15 độ C.

Cellulose đông l nh được thu nhận và khuấy trong vòng 30 phút trong môi trường nhiệt độ thích hợp để tạo ra dung dịch dính Dung dịch cellulose được ly tâm ở tốc độ 8000 vòng/phút trong 5 phút để loại bỏ bọt khí Sau đó, dung dịch thu được được chứa trong khuôn nhựa và ngâm vào b methanol trong 24 giờ để tái sinh Cuối cùng, cellulose hydrogel tái sinh được rửa bằng ethanol để loại bỏ các tạp chất.

T C Sieu ấm Đong lấnh R ấ Đong lấnh Sấy thấng hoấ

Quá trình s y th ng hoa đ c th c hi n nhi t đ -70 o C trong vòng 54h, s n ph m thu đ c là Cellulose Aerogel [111]

Cellulose aerogel được chế biến bằng cách cho vào thiết bị phân hủy và gia nhiệt đến 400°C trong môi trường khí trơ (dòng N2 với tốc độ 100ml/phút) trong thời gian 1 giờ Quá trình than hóa này được thực hiện trong hệ thống than hóa như mô tả trong hình 2.2 Giai đoạn gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 400°C được thực hiện với tốc độ 10°C/phút.

Hi u su t than hóa đ c xác đnh theo công th c:

Trong đó: m 1 là kh i l ng carbon cellulose aerogel sau giai đo n than hóa, m olà kh i l ng nguyên li u ban đ u Ảiai đo n ho t hóa

Ho t hóa v t lý: Sau giai đo n than hóa ti p t c gia nhi t lên 800°C s d ng

CO 2 làm tác nhân ho t hóa v t lý v i t c đ gia nhi t là 10°C/phút Ta thu đ c carbon cellulose aerogel

Hóa học cellulose aerogel được thực hiện qua quá trình than hóa, sau đó xử lý với KOH ở nhiệt độ 60°C trong 2 giờ Sau khi hoàn thành, mẫu vật được làm khô ở 110°C trong 16 giờ Cuối cùng, mẫu vật được hoá hợp nhiệt độ và thời gian thích hợp, sản phẩm được rửa sạch với nước cho đến khi pH trung hòa và tiếp tục làm khô ở 110°C.

S đ quy trình than hóa và ho t hóa đ c th hi n trong hình 2.2

Hình 2.2 S đ quy trình than hóa và ho t hóa

1 Bình c p khí, 2 L u l ng k , 3 Thi t b c p nhi t, 4 Thi t b ph n ng,

5 B đi u khi n nhi t đ , 6 C c ch a d ch nh a.

Kh o sát các y u t nhăh ngăđ n quá trình ho t hóa

Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian lên quá trình hoạt hóa được thực hiện bằng cách gia nhiệt đến 800°C và sử dụng dòng CO2 với tốc độ 100ml/phút Điều kiện hoạt hóa này được duy trì trong các khoảng thời gian khác nhau là 10, 15, 20 và 30 phút Các mẫu này đã được sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của thời gian đến quá trình hoạt hóa vật liệu.

Kh o sát s nh h ng c a l u l ng dòng khí CO 2 lên quá trình ho t hóa:

Sau giai đo n than hóa ti p t c gia nhi t lên 800°C s d ng CO 2 làm tác nhân ho t hóa v t lý v i t c đ gia nhi t là 10°C/phút, duy trì nhi t đ 800 o C trong th i gian

Trong 15 phút, dòng CO2 và các lưu lượng khác nhau được khảo sát ở mức 50, 100, 200 và 400 ml/phút Các mẫu này được sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của tác nhân xúc tác lên quá trình hóa hơi vật liệu.

Quá trình hoạt hóa cellulose aerogel bắt đầu bằng giai đoạn than hóa, tiếp theo là xử lý với KOH theo tỉ lệ khối lượng 1:1 ở nhiệt độ 60°C trong 2 giờ Sau đó, mẫu được làm khô ở 110°C trong 16 giờ Cuối cùng, mẫu được đưa đi hoạt hóa nhiệt ở 800°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút.

Để duy trì điều kiện hoạt hóa, các khoang thời gian được áp dụng là 30, 60, 90 và 120 phút Các mẫu này được sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của thời gian lên quá trình hoạt hóa hóa học.

Quá trình hoạt hóa cellulose aerogel được thực hiện bằng cách xử lý với KOH ở nhiệt độ 60°C trong 2 giờ, sau đó mẫu được sấy khô ở 110°C trong 16 giờ Cuối cùng, mẫu được mang đi hoạt hóa nhiệt để hoàn thiện quá trình.

800 o C v it c đ gia nhi t 10°C/phút t nhi t đ môi tr ng, duy trì đi u ki n ho t hóa này 90 phút T l kh i l ng KOH/C khác nhau đ c kh o sát 0.5, 1, 1.5 và

2.0 Các m u này đ c s d ng đ đánh giá s nh h ng c a tác nhân ho t hóa lên quá trình ho t hóa hóa h c.

Kh oăsátăcácăđ cătr ngălỦ - hóa

Xácăđ nh ch s h p ph

2.2.1.1.ăXácăđ nh ch s h p ph methylene blue

Pha ch methylene blue dung d ch tiêu chu n 1g/l: cân 1g methylene blue, chuy n vào bình đ nh m c dung tích 1000ml, l c m nh cho tan, pha loãng b ng n c c t đ n v ch m c và l c đ u

Chú ý: N u dùng methylene blue có công th c thì khó tan

N u dùng methylene blue có công th c thì d tan h n nh ng khi tính kh i l ng c n pha ph i c ng thêm ph n n c k t tinh [26]

Để chuẩn bị các dung dịch methylene blue tiêu chuẩn với nồng độ 1g/l, cần pha loãng dung dịch gốc trong các bình đựng 1000ml Các nồng độ cuối cùng sẽ đạt được lần lượt là 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350 và 400mg/l Những dung dịch này sẽ được sử dụng trong quá trình thí nghiệm.

L păđ ngăchu n: dung d ch methylene blue 50mg/l đ c pha loưng trong ng nghi m thành các dung d ch có n ng đ l n l t 0.4, 0.6, 0.8, 1.2, 1.6, 2, 4, 6,

8, 10mg/l, sau đó đo đ h p ph t ng m u b ng máy UV-vis b c sóng 664nm

Ta có bi u đ n ng đ methylene blue tiêu chu n, bi u đ này đ c v ra b c sóng 664nm

Hình 2.3 nglàm vi c chu n c a methylen blue b c sóng 664nm

Xác định nồng độ hấp phụ methylene blue (mg/g) được thực hiện bằng cách cho carbon cellulose aerogel và dung dịch methylene blue vào bình thủy tinh Sử dụng máy khuấy với tốc độ 500 vòng/phút để khuấy đều dung dịch trong suốt quá trình hấp phụ Sau một khoảng thời gian nhất định, sử dụng xilanh để lấy mẫu hấp phụ và lọc qua phin có kích thước 4.5 m Nồng độ methylene blue còn lại được xác định bằng máy phân tích quang phổ UV-vis tại bước sóng 664nm.

Kh n ng h p ph t i th i đi m t (q t ) và kh n ng h p ph cân b ng (q e ) v i các n ng đ khác nhau đ c xác đ nh b i công th c: o t t

Trong đó: C o , C t , C e (mg/L) là n ng đ methylene blue ban đ u, t i th i đi m t và cân b ng V (L) là th tích, W (g) là kh i l ng carbon cellulose aerogel s d ng h p ph

Xác định lượng hấp phụ của carbon cellulose aerogel được thực hiện bằng cách chuẩn bị dung dịch methylene blue 200mg/l Cân các mẫu carbon cellulose aerogel với khối lượng 0.050, 0.075, 0.100, 0.125 và 0.150g, đã được hoạt hóa bằng phương pháp vật lý và hóa học ở nhiệt độ 800°C trong 10 phút, với dòng CO2 100 ml/phút Sau đó, mẫu được hoạt hóa hóa học với tỷ lệ KOH/C = 1/1 trong 60 phút Khả năng hấp phụ được xác định bằng cách cho các mẫu vào 200ml dung dịch methylene blue nồng độ 200mg/l, sau một thời gian hấp phụ, dung dịch sẽ được đo để xác định lượng hấp phụ của carbon cellulose aerogel đối với dung dịch methylene blue.

Kh o sát s nh h ng c a đi u ki n ho t hóa lên kh n ng h p ph :

Dung dịch methylene blue 200mg/l được chuẩn bị cho thí nghiệm này, trong khi lượng carbon cellulose aerogel có tỷ lệ hợp phách phù hợp với thí nghiệm được sử dụng để hấp phụ Khả năng hấp phụ của carbon cellulose aerogel được xác định bằng cách cho lượng aerogel vào 200ml dung dịch methylene blue nồng độ 200mg/l Sau mỗi lần thí nghiệm, kết quả sẽ được phân tích để đánh giá hiệu quả hấp phụ.

15 và 30 phút m u đ c mang đi đo đ xác đnh dung l ng h p ph đ n khi đ t tr ng thái cân b ng

Khảo sát khả năng hấp phụ của carbon cellulose aerogel đối với dung dịch methylene blue cho thấy hiệu quả hấp phụ cao Dung dịch methylene blue 200 mg/l được chuẩn bị cho thí nghiệm Carbon cellulose aerogel, nặng 0.1g, đã được hoạt hóa bằng các phương pháp vật lý và hóa học ở nhiệt độ 800°C trong 15 phút, với dòng CO2 100 ml/phút Quá trình hoạt hóa hóa học sử dụng tỷ lệ KOH/C = 1/1 trong 90 phút cũng ở nhiệt độ 800°C Khả năng hấp phụ được xác định bằng cách cho 200 ml dung dịch methylene blue vào mẫu và đo hiệu suất hấp phụ sau 15 và 30 phút, cho đến khi dung dịch đạt trạng thái cân bằng.

Kh o sát s nh h ng c a n ng đ methylene blue lên kh n ng h p ph : N ng đ khác nhau c a dung d ch methylene blue đ c chu n b t 50 đ n

350 mg/l b ng cách hòa tan tinh th methylene blue trong n c c t M u carbon

Cellulose aerogel có khả năng hấp phụ cao nhất trong thí nghiệm xác định Khả năng hấp phụ được khảo sát bằng cách cho mẫu vào dung dịch methylene blue với nồng độ khác nhau Sau 300 phút, mẫu được đo để xác định dung lượng hấp phụ cân bằng.

2.2.1.2.ăXácăđ nh ch s h p ph Cu 2+

Trong nghiên cứu này, dung dịch Cu 2+ được pha loãng thành các nồng độ 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 và 1.0 mg/l Sau đó, pH của dung dịch được đo bằng máy UV-vis tại bước sóng 550 nm Biểu đồ nồng độ Cu 2+ tiêu chuẩn được xây dựng dựa trên dữ liệu thu được tại bước sóng này.

Hình 2.4 nglàm vi c chu n c a Cu 2+ b c sóng 550 nm

Trong nghiên cứu xác định nồng độ Cu²⁺ (mg/g), carbon cellulose aerogel và dung dịch Cu²⁺ được đưa vào lọ thủy tinh Quá trình hấp phụ diễn ra với tốc độ 150 vòng/phút để đảm bảo hiệu quả tối ưu Sau thời gian hấp phụ, mẫu được thu thập bằng xilanh và lọc qua màng lọc kích thước 4.5 m Nồng độ Cu²⁺ còn lại được xác định bằng máy phân tích quang phổ UV-vis tại bước sóng 550 nm, với phương trình hồi quy y = 0.2744x - 0.0043 và hệ số xác định R² = 0.9977.

Kh n ng h p ph t i th i đi m t (q t ) và kh n ng h p ph cân b ng (q e ) v i các n ng đ khác nhau đ c xác đ nh b i công th c 2.2 và 2.3

Khảo sát sinh học của thời gian hợp ph : Dung dịch Cu 2+ 100mg/l được chuẩn bị cho thí nghiệm này Cân 12 mg carbon cellulose aerogel đã được hoạt hóa bằng tác nhân hóa học và vật lý trong điều kiện nhiệt độ 800 oC.

15 phút, dòng CO 2 100 ml/phút v i m u ho t hóa v t lỦ và đi u ki n nhi t đ

Nghiên cứu được thực hiện ở nhiệt độ 800 °C trong 90 phút với tỉ lệ KOH/C là 1/1, nhằm khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu Để xác định lượng Cu2+ còn lại trong dung dịch 100 mg/l, các mẫu đã được thu thập tại các khoảng thời gian hấp phụ khác nhau: 30 giây, 1, 3, 5, 7, 10, 15, 30, 60 và 90 phút, cho đến khi dung dịch đạt trạng thái cân bằng.

Khảo sát khả năng hấp phụ của nano đồng (Cu 2+) được thực hiện với nồng độ khác nhau từ 20 đến 150 mg/l Mẫu carbon cellulose aerogel đã được sử dụng làm chất xúc tác Khả năng hấp phụ được xác định bằng cách cho 12 mg mẫu vào 20 ml dung dịch Cu 2+ với các nồng độ khác nhau.

120 phút m u đ c mang đi đo đ xác đnh dung l ng h p ph cân b ng

Phép đo UV-Vis là phương pháp xác định nồng độ của các chất màu trong dung dịch thông qua việc phân tích sự hấp thụ ánh sáng Khi chùm sáng có bước sóng phù hợp đi qua dung dịch, các phân tử trong dung dịch sẽ hấp thụ một phần năng lượng của chùm sáng, trong khi phần còn lại sẽ truyền qua Để xác định nồng độ của dung dịch, ta sử dụng định luật Bouguer-Lambert-Beer, với công thức A = -lgT = lg(Io/It), trong đó T là tỷ lệ ánh sáng truyền qua Máy đo UV-Vis SP-2000UV được sử dụng để xác định nồng độ methylene blue trong nghiên cứu này.

Hình 2.5: Máy đo ph h p ph phân t UV-vis SP-2000UV

Phân tích FTIR là phương pháp kiểm tra phân tích hiệu quả để xác định các vật liệu hữu cơ, cao phân tử và trong một số trường hợp khác Phương pháp này sử dụng ánh sáng hồng ngoại để quét các mẫu thử, từ đó xác định nhóm chức và quan sát các đặc tính hóa học của mẫu Đây là kỹ thuật được áp dụng rộng rãi trong việc kiểm soát chất lượng khi đánh giá các vật liệu sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp Thiết bị đo phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Model: Alpha II, Bruker) được sử dụng để xác định các nhóm chức và đặc tính hóa học của mẫu carbon cellulose aerogel, với phạm vi thực hiện từ 500 đến 4000 cm -1 và tốc độ quét 1 cm -1/s.

Hình 2.6: Thi t b đo ph h ng ngo i bi n đ i Fourier (Model: Alpha II)

K thu t phân tích thành ph n v t ch t EDX

Kỹ thuật phân tích xác định thành phần của mẫu chất rắn dựa vào việc ghi lại phôtôn X phát ra từ mẫu vật khi tương tác với các bức xạ (chùm điện tử có năng lượng cao trong các kính hiển vi điện tử) Đặc biệt, kỹ thuật phân tích EDX hay EDS được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử, cho phép ghi lại cấu trúc vật chất thông qua việc sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao tương tác với vật rắn Khi chùm điện tử có năng lượng lớn được chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử và tương tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử Tương tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có bước sóng đặc trưng cho nguyên tố (Z) của nguyên tử theo định luật Mosley.

Nghiên cứu này sử dụng kỹ thuật EDX trong kính hiển vi quét (model: Tescan Mira 3) để ghi nhận phóng xạ X phát ra từ vật thể, nhằm thu thập thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu Việc ghi nhận phóng xạ X không chỉ cung cấp dữ liệu về thành phần hóa học mà còn giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc của vật liệu.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là thiết bị chuyên dụng giúp tạo ra hình ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu thông qua việc sử dụng chùm điện tử quét trên bề mặt mẫu vật Quá trình tạo ảnh diễn ra bằng cách ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ sự tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật SEM cho phép quan sát bề mặt của vật thể với độ phóng đại lên tới hàng triệu lần Trong nghiên cứu này, kính hiển vi điện tử quét Tescan Mira 3 được sử dụng nhằm mục đích quan sát hình thái bề mặt mẫu.

Hình 2.7: Thi t b FE-SEM Tescan Mira 3

Ph ng pháp BET cho đ n nay là ph ng pháp th c nghi m hi u d ng nh t đ xác đnh di n tích b m t riêng c a v t li u S d ng mô hình đ ng nhi t h p ph

- gi i h p ph N 2 Di n tích b m t riêng S BET (m 2 /g) đ c xác đ nh thông qua công th c sau:

Trong nghiên cứu này, x m là lượng chất hấp phụ trên bề mặt 1 gam xúc tác (g/g) Thiết bị đo BET 201A được sử dụng để xác định diện tích bề mặt của vật liệu nghiên cứu, đồng thời xác định kích thước mao quản của vật liệu Kết quả thu được giúp làm rõ hoạt tính hấp phụ của vật liệu.

Phé păđoăSEM

CH NGă3:ăK T QU VÀ BÀN LU N

c tính c u trúc c a v t li u

Hình thái và phân tích c u trúc

Hình 3.1 nh SEM c a CA (a), C (b), CCA CO2 (c) và CCA KOH (d) a b c d

Hình 3.2 Ph EDXc a CA (a), C (b), CCA CO2 (c) và CCA KOH (d)

Hình 3.1 trình bày quá trình thực hiện nh SEM của mẫu cellulose aerogel (CA) và mẫu cellulose aerogel than hóa (CA T) Mẫu được xử lý ở nhiệt độ 800°C trong 15 phút với dòng CO2 100ml/phút (CCA CO2) và mẫu than hóa ở 800°C trong 1.5 giờ với tỷ lệ CO2 khác.

KOH/C = 1 (CCA KOH) cho thấy trong hình ảnh SEM, cellulose aerogel có cấu trúc mạng 3D liên kết chặt chẽ với nhau, với đường kính sợi cellulose lên đến 50 micromet và chiều dài vài centimet Quá trình nhiệt phân trực tiếp CA dẫn đến sự chuyển màu từ trắng sang đen, với đường kính của cellulose aerogel giảm từ 50 micromet xuống còn 20 micromet Mặc dù các mạng 3D vẫn giữ được tính liên kết, nhưng đường kính của sợi cellulose trong CA T giảm so với sợi cellulose trong CA do sự bay hơi các hợp chất hữu cơ trong quá trình than hóa, phù hợp với sự co rút thể tích sau quá trình này.

Hóa s d ng tác nhân hóa học đã cho thấy khả năng cải thiện cấu trúc 3D liên kết chặt chẽ hơn, đồng thời giảm đáng kể đường kính sợi cellulose và mức độ co rút so với việc sử dụng tác nhân vật lý.

Hàm lượng oxigen của các mẫu CA, C, CCA CO2 và CCA KOH được thể hiện trong phân tích EDX Các đỉnh của oxigen giảm đáng kể sau giai đoạn than hóa, cho thấy rõ ràng rằng các nhóm chức đã bị phân hủy trong quá trình này Một lượng lớn các nhóm chức bị phân hủy trong giai đoạn hoạt hóa Điều này chứng tỏ rằng than hóa là quá trình phân hủy nhiệt độ cao của nguyên liệu ban đầu và dẫn đến sự bay hơi một số chất hữu cơ Giai đoạn hoạt hóa giúp phát triển mao quản, tăng diện tích bề mặt của carbon aerogel.

Hình 3.3 nh SEM c a CAT(a), CCA KOH 0.5 (b) và CCA KOH 2 (c)

Hình 3.3 Th hi n nh SEM c a m u carbon cellulose aerogel (CCA) các đi u ki n ho t hóa hóa h c khác nhau So sánh m u CAT v i m u ho t hóa t i

Nghiên cứu cho thấy, khi thực hiện quá trình hoá than ở nhiệt độ 800 °C trong thời gian 1.5 giờ với tỉ lệ KOH/C lần lượt là 0.5 (CCA KOH 0.5) và 2 (CCA KOH 2), KOH đóng vai trò quan trọng trong việc làm thay đổi cấu trúc của carbon cellulose Khi tỉ lệ KOH/C tăng từ 0.5 lên 2, các rãnh phân chia cấu trúc xuất hiện sâu hơn và tạo ra nhiều lớp trên cấu trúc carbon cellulose Điều này có thể được giải thích bởi nhiệt độ cao khiến KOH tương tác với carbon, tạo ra các sản phẩm như K, CO2, H2 và K2CO3, từ đó các kết quả sinh ra xâm nhập vào bên trong mạng lưới carbon.

46 tinh th carbon t o nên s ph ng n c a c u trúc graphite Trong quá trình ho t hóa, các ch t này d ch chuy n gây nên l c tách r i các l p graphite t o ra c u trúc nhi u l p [89]

Hình 3.4 nh SEMc a CAT(a), CCA CO2 100 (b) và CCA CO2 400 (c)

Hình 3.4 thể hiện ảnh SEM của mẫu carbon cellulose aerogel (CCA) dưới các điều kiện hoạt hóa vật lý khác nhau So sánh mẫu CAT với mẫu hoạt hóa tại 800 oC, thời gian 15 phút, dòng CO2 100ml/phút (CCA CO2 100) và mẫu hoạt hóa tại 800 oC, thời gian 15 phút, dòng CO2 400ml/phút (CCA CO2 400), cho thấy CO2 đóng vai trò chính trong việc hình thành các rãnh chia cấu trúc siêu vi thành nhiều lớp khác nhau Điều này được giải thích là do các nguyên tử carbon bị bay hơi, phá vỡ các liên kết tạo ra hệ thống mao quản trong cấu trúc siêu vi carbon cellulose Chính các rãnh chia cấu trúc thành nhiều lớp khác nhau tạo thành các kênh dẫn nhánh, là một lợi thế trong việc di chuyển dung môi hữu cơ trong quá trình hấp phụ.

Hình 3.5 nh SEMc a CCA KOH t=0.5 (a), CCA KOH t=1.5 (b), CCA KOH t=2 (c),

CCA CO2 t (d), CCA CO2 t (e), CCA CO2 t0 (f)

Hình 3.5 cho th y th i gian c ng là y u t nh h ng r t l n đ n quá trình ho t hóa So sánh các m u ho t hóa t i 800 o C, th i gian 0.5h, t l KOH/C = 1

Quá trình hoạt hóa hóa học CCA KOH được thực hiện ở nhiệt độ 800 độ C với thời gian khác nhau và tỉ lệ KOH/C là 1 Cụ thể, ở thời điểm t=0.5 giờ, thời gian hoạt hóa là 1.5 giờ; ở t=1.5 giờ, thời gian hoạt hóa là 2 giờ; và ở t=2 giờ, quá trình hoạt hóa diễn ra trong 10 phút với dòng CO2 100ml/phút.

800 o C, th i gian 15 phút, dòng CO 2 100 ml/phút (CCA CO2 t ), t i 800 o C, th i gian

Quá trình hoạt hóa vật liệu carbon aerogel diễn ra trong 30 phút với dòng CO2 100 ml/phút (CCA CO2 t0), cho thấy sự phát triển của các cấu trúc rỗng và kích thước lớn hơn Thời gian hoạt hóa kéo dài giúp nhiệt độ tăng cao, đồng thời cho phép tác nhân hoạt hóa xâm nhập sâu hơn vào bên trong vật liệu, tạo ra các rỗng sâu hơn và kích thước lớn hơn.

Di n tích b m tăriêngăvƠăđ cătr ngăl x p

B ng 3.1 Di n tích b m t riêng c a carbon cellulose aerogel

Diện tích bề mặt riêng (S) được xác định bởi công thức S = diện tích bề mặt, V là thể tích lấp đầy, và dp là đường kính lấp đầy trung bình (4V/A) Ảnh hưởng của tác nhân hoạt hóa lên diện tích bề mặt riêng BET (S BET) được thể hiện trong bảng 3.1 Kết quả cho thấy diện tích bề mặt riêng tăng đáng kể sau quá trình hoạt hóa vật lý và hóa học, từ 342.2 m²/g lên 886.6 m²/g và 970.2 m²/g Sự gia tăng diện tích bề mặt riêng chứng minh cho quá trình phản ứng với nguyên tố carbon của tác nhân hoạt hóa vật lý (CO2), cũng như sự xâm nhập của nguyên tố K vào mạng tinh thể carbon, dẫn đến sự phá hủy cấu trúc graphite trong quá trình hoạt hóa hóa học.

Diện tích bề mặt riêng của các mẫu hóa vật lý và hóa học lần lượt là 773.2 m²/g và 682.1 m²/g Diện tích bề mặt riêng của carbon cellulose aerogel được xác định là vi xếp Tỷ lệ phần trăm diện tích bề mặt riêng trên tổng diện tích bề mặt BET được tính toán cho mỗi mẫu, đạt 87.2% cho mẫu hóa vật lý và 70.3% cho mẫu hóa hóa học Bảng 3.1 cho thấy, sau quá trình than hóa, vật liệu thu được có diện tích bề mặt riêng và cấu trúc lỗ xốp phát triển đáng kể.

Tổng thể tích lỗ xốp của carbon aerogel sau quá trình hoạt hóa vật lý và hóa học lần lượt là 0.9487 và 0.7033 cm³/g, cao hơn nhiều so với thể tích xốp của than hóa là 0.2561 cm³/g Tổng thể tích lỗ xốp được chia thành lỗ xốp micro và lỗ xốp meso, macro Trong đó, lỗ xốp meso và macro được coi là lỗ xốp vận chuyển, đóng vai trò quan trọng trong tính chất hấp phụ của vật liệu Nó ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ của carbon aerogel.

Mẫu carbon cellulose aerogel hoá thạch có tính chất vật lý với kích thước lỗ xốp meso và macro cao hơn so với mẫu hoá thạch hóa học Mestre và cộng sự báo cáo rằng vật liệu hấp phụ có lỗ xốp meso không đáng kể thể hiện khả năng hấp phụ chậm nhất, trong khi tốc độ hấp phụ nhanh nhất xảy ra với vật liệu có lỗ xốp phát triển nhất Kích thước lỗ xốp trung bình (dp) của carbon cellulose aerogel hoá thạch cao hơn so với hoá thạch hóa học, cụ thể là 4.28 và 2.90 nm Kích thước lỗ xốp trung bình xác định khả năng các phân tử hấp phụ thâm nhập vào bên trong vật liệu và tương tác với bề mặt bên trong của nó.

[113] i u này th hi n rõ nh t trong quá trình h p ph methylene blue theo th i gian c a m u ho t hóa v t lý và ho t hóa hóa h c

Sự phân bố kích thước được thể hiện rõ trong hình 3.6, cho thấy sự hiện diện của các lớp xếp có kích thước nhỏ hơn 5nm Ngoài ra, còn có một lượng lớp xếp có kích thước meso và macro xuất hiện trong mẫu carbon cellulose aerogel.

Hình 3.6 th th hi n s phân b kích th cl x p c a arbon cellulose aerogel

Phơnătíchăb ăm tăhóaăh c

Hình 3.7 Ph FTIR c a CA (a), C (b), CCA CO2 (c) và CCA KOH (d)

Hình 3.7 cho thấy phổ FTIR của các mẫu cellulose aerogel, mẫu than hóa, hoạt hóa vật liệu và hoạt hóa hóa học Trong đó, có sự khác biệt rõ rệt và sự thay đổi thành phần giữa mẫu cellulose aerogel, mẫu than hóa và hoạt hóa Điều này xảy ra do sự phá vỡ các liên kết trong quá trình nhiệt phân, dẫn đến việc giải phóng các hợp chất dễ bay hơi, thúc đẩy sự thay đổi bề mặt vật liệu.

CA cho thấy một peak hấp thụ tại 3287 cm⁻¹, liên quan đến liên kết O-H của nhóm hydroxyl, thể hiện khả năng hợp phức của nhóm hydroxyl cao nhất Peak hấp thụ 2937 cm⁻¹ được cho là liên quan đến liên kết C-H của nhóm metyl, trong khi peak 2853 cm⁻¹ là liên kết C-H của nhóm aryl ether Peak tại 1729 cm⁻¹ và 1420 cm⁻¹ là liên kết C=O của nhóm cetone Sự hiện diện của phenol được xác định bởi sự rung động khung của vòng benzen tại 1576 cm⁻¹, và peak tại 1648 cm⁻¹ liên quan đến liên kết C=O của ion carboxylate.

1090 cm -1 đ c gán cho dao đ ng kéo dài C ậ O c a các liên k t gi a các nhóm ete

Trong phân tích phổ hồng ngoại, các đỉnh hấp thụ quan trọng xuất hiện ở 51 và hydroxyl, trong khi đỉnh tại 1049 cm-1 liên quan đến liên kết C=O của các nhóm axit, rượu, phenol, ete và este Cuối cùng, một số đỉnh trong khoảng 860-580 cm-1 thể hiện sự liên kết C-H và CH=C trong cấu trúc của hợp chất.

Sau khi tiến hành đo đạc, đỉnh sóng 3281 cm-1 cho thấy các nguyên tử hydro được phân bố, trong khi các đỉnh còn lại nằm trong khoảng 1677-754 cm-1 thể hiện sự hiện diện của nhóm chức chứa oxi trên bề mặt vật liệu Tiếp tục thực hiện quá trình hoá hơi, sự hấp thụ các dư lượng hiển thị trong phổ FTIR của cellulose aerogel ban đầu đã bị biến đổi, do sự phá vỡ liên kết hóa học sau quá trình hoá hơi Các đỉnh trong khoảng 1620-1000 cm-1 sau quá trình hoá hơi giảm đáng kể, cho thấy sự giảm thiểu các nguyên tử carbon do quá trình hoá hơi.

Quá trình h p ph c a carbon cellulose aerogel

nhăh ng c a t l r n ậ l ng lên kh n ngăh p ph

Thí nghi m đ c th c hi n sau th i gian h p ph là 6h, 200ml dung d ch methylene blue n ng đ 200mg/L đ c s d ng đ kh o sát K t qu th hi n trong hình 3.8 và 3.9

Hình 3.8: Hi u su t h p ph theo kh i l ng

Kết quả thí nghiệm cho thấy nồng độ methylene blue đạt 200mg/L và hiệu suất hấp phụ của carbon cellulose aerogel tăng lên theo nồng độ chất hấp phụ Hiện tượng này xảy ra do sự gia tăng nồng độ chất hấp phụ tạo ra nhiều vị trí hoạt động hơn, dẫn đến khả năng hấp phụ methylene blue cao hơn Khi nồng độ chất hấp phụ tăng lên đến 0.1g, hiệu suất hấp phụ tiếp tục tăng, nhưng khi vượt quá mức này, hiệu suất hấp phụ gần như không thay đổi Điều này được giải thích là do sự giảm dần số lượng methylene blue trên bề mặt, dẫn đến sự hạn chế trong việc sử dụng các vị trí hoạt động.

0.1g đ kh o sát các thí nghi m ti p theo.

Hình 3.9: Dung l ng h p ph theo kh i l ng

nhăh ng c aăđi u ki n ho t hóa lên quá trình h p ph

Thí nghiệm được thực hiện trong thời gian 6 giờ với 200ml dung dịch methylene blue nồng độ 200mg/L Kết quả thí nghiệm được trình bày trong hình 3.10 và 3.11.

Hình 3.10: Dung l ng h p ph c a m u ho t hóa hóa h c th i gian ho t hóa khác nhau

Hình 3.11: Dung l ng h p ph c a m u ho t hóa v t lý th i gian ho t hóa khác nhau

Khảo sát quá trình hoạt hóa hóa học dung lượng hấp phụ tăng theo thời gian hoạt hóa lên đến 90 phút, sau đó dung lượng hấp phụ giảm đáng kể Đối với quá trình hoạt hóa vật lý, sau 15 phút nếu tiếp tục thực hiện thì dung lượng hấp phụ giảm rõ rệt Thời gian hoạt hóa ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ, được báo cáo bởi Winmonrat và cộng sự, cho thấy thời gian hoạt hóa dài và tác nhân hoạt hóa xâm nhập sâu làm tăng khả năng hấp phụ Tuy nhiên, các mao quản phát triển lên khi tiếp tục kéo dài thời gian hoạt hóa, điều này lại làm giảm khả năng hấp phụ của vật liệu Thí nghiệm hấp phụ được thực hiện sau thời gian hấp phụ 6 giờ với dung dịch methylene blue nồng độ 200mg/L, và kết quả thể hiện rõ trong các hình ảnh minh họa.

Hình 3.12: Dung l ng h p ph c a m u ho t hóa hóa h c v i t l KOH/C khác nhau

Hình 3.13: Dung l ng h p ph c a m u ho t hóa v t lý v i l u l ng CO 2 khác nhau

Quá trình hoạt hóa hóa học dung lượng hấp phụ tăng lên đáng kể khi tăng lưu lượng dòng CO2 từ 50 ml/phút lên 100 ml/phút, nhưng nếu tiếp tục tăng lưu lượng, dung lượng hấp phụ sẽ giảm Điều này có thể giải thích rằng tác nhân hoạt hóa xâm nhập vào bên trong mạng lưới tinh thể carbon, thúc đẩy việc phá vỡ liên kết trong mạng lưới và tạo ra các lỗ rỗng bên trong vật liệu Sự phát triển của mao quản là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Tuy nhiên, khi tác nhân hoạt hóa tăng quá nhiều, các mao quản có kích thước nhỏ sẽ bị phá vỡ liên kết và kết hợp lại thành các mao quản lớn hơn, dẫn đến giảm bề mặt riêng và dung lượng hấp phụ giảm.

nhăh ng c a th i gian h p ph lên quá trình h p ph

Quá trình hấp phụ methylene blue của carbon cellulose aerogel được chia thành ba giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên diễn ra nhanh chóng với sự hấp phụ cao, do sự khuếch tán bề mặt và sự hiện diện của các vị trí hấp phụ trên bề mặt carbon aerogel Giai đoạn tiếp theo có tốc độ hấp phụ giảm dần, khi các vị trí hấp phụ bắt đầu bão hòa Giai đoạn cuối cùng xảy ra khi sự cân bằng hấp phụ đạt được, với lượng methylene blue hấp phụ vào carbon aerogel tương đương với lượng methylene blue còn lại trong dung dịch Sau 300 phút, lượng hấp phụ không có sự thay đổi đáng kể, cho thấy quá trình đã đạt trạng thái cân bằng So với mù than hóa, quá trình hấp phụ methylene blue của mù than hóa diễn ra qua hai giai đoạn, với giai đoạn đầu tiên có hiệu suất cao, sau đó giảm dần do quá trình khuếch tán bên ngoài.

Hóa học của carbon cellulose aerogel cho thấy rằng không có sự di chuyển của các phân tử chất tan vào bên trong cấu trúc vật liệu Điều này chỉ ra rằng, quá trình hoạt hóa không hình thành hệ thống mao quản bên trong cấu trúc, mà chỉ làm bay hơi các hợp chất hữu cơ, dẫn đến việc hình thành hệ thống mao quản trên bề mặt của carbon cellulose.

S quá trình hấp phụ methylene blue của mụ carbon cellulose aerogel được chia thành 3 giai đoạn khác nhau, như thể hiện trong hình 3.15 và bảng 3.2 Kết quả cho thấy ki1 > ki2 > ki3, cho thấy quá trình hấp phụ diễn ra nhanh chóng theo thời gian Hình 3.15 và bảng 3.2 cũng chỉ ra rằng giai đoạn đầu của quá trình hấp phụ diễn ra mạnh mẽ, sau đó tiến tới trạng thái cân bằng.

Hình 3.14: nh h ng th i gian đ n dung l ng h p ph methylene blue

Hình 3.15: Mô hình khu ch tán mao qu n quá trình h p ph methylen blue

B ng 3.2: Các thông s c a các mô hình khu ch tán mao qu n quá trình h p ph methylene blue

Than hóa Ho tăhóaăv tălỦă Ho tăhóaăhóaăh că k i1 R i1 2 k i2 R i2 2 k i3 R i3 2

Cùng v i đó, kh o sát s nh h ng c a th i gian đ n dung l ng h p ph

Quá trình hấp phụ Cu 2+ được trình bày trong hình 3.16 cho thấy rằng quá trình này không xảy ra với mũ carbon aerogel than hóa Hấp phụ Cu 2+ trên mũ carbon aerogel hoạt hóa vật lý và hóa học được chia thành hai giai đoạn Giai đoạn đầu diễn ra nhanh chóng trong 15 phút đầu tiên do các vị trí hấp phụ còn trống và Cu 2+ dễ dàng tương tác với các bề mặt này Sau 15 phút, sự hấp phụ gần như không thay đổi và có thể coi là ổn định.

Quá trình hoạt hóa carbon aerogel làm tăng diện tích bề mặt và tạo ra liên kết với ion cation trong dung dịch, dẫn đến những tính chất hấp phụ vượt trội.

Hình 3.16: nh h ng th i gian đ n dung l ng h p ph Cu 2+

Hợp phức là một công cụ quan trọng trong việc khảo sát cấu trúc hợp phức Mô hình hợp phức biểu kiến bậc 1 và bậc 2 được sử dụng để mô tả quá trình hợp phức Mô hình phù hợp nhất được xem xét dựa trên hệ số tương quan (R2) và kết quả thu được trong các thí nghiệm.

Kh o sát mô hình h p ph bi u ki n b c 1 và mô hình h p ph bi u ki n b c

2 c a quá trình h p ph methylene bluek t qu đ c th hi n trong b ng 3.3, trong hình 3.17 và hình 3.18

Hình 3.17: Mô hình đ ng h c b c m t c a quá trình h p ph methylene blue

Hình 3.18: Mô hình đ ng h c b c hai c a quá trình h p ph methylene blue

B ng 3.3: Các thông s c a các mô hình đ ng h c b c m t và b c hai c a quá trình h p ph methylene blue ngăh căb căm t ngăh căb căhai q e (mg/g) R 1 2 q e (mg/g ) R 2 2

Mô hình hấp phụ biểu kiến bậc 1 cho thấy giá trị hệ số tương quan R² đạt 0.9695 và 0.9836, cao hơn so với mô hình bậc 2 với giá trị R² lần lượt là 0.8419 và 0.7460 Giá trị q_e tính toán lần lượt là 188.74 mg/g và 205.34 mg/g, gần sát với giá trị thực nghiệm là 190.57 mg/g và 230.58 mg/g Điều này cho thấy quá trình hấp phụ chủ yếu diễn ra theo cơ chế hấp phụ vật lý, với sự chiếm ưu thế của giai đoạn khuếch tán bề mặt Thêm vào đó, mẫu sau gia công than hóa cũng phù hợp với mô hình biểu kiến bậc 1.

Giá trị R2 trong nghiên cứu đạt 0.9872, trong khi giá trị tính toán q e là 151.15 mg/g, gần với giá trị thực nghiệm 140.56 mg/g Quá trình hấp phụ methylene blue của carbon aerogel diễn ra thông qua các phản ứng hóa học, tạo thành liên kết giữa các nhóm chức chứa oxi trên bề mặt của carbon aerogel và methylene blue Điều này cho thấy sự tương tác giữa các chất hấp phụ và chất bị hấp phụ có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả hấp phụ methylene blue.

Kh o sát mô hình h p ph bi u ki n b c 1 và mô hình h p ph bi u ki n b c

2 c a quá trình h p ph Cu 2+ k t qu đ c th hi n trong b ng 3.4, trong hình 3.19 và hình 3.20

Hình 3.19: Mô hình đ ng h c b c m t c a quá trình h p ph Cu 2+

Hình 3.20: Mô hình đ ng h c b c hai c a quá trình h p ph Cu 2+

B ng 3.4: Các thông s c a các mô hình đ ng h c b c m t và b c hai c a quá trình h p ph Cu 2+ ngăh căb căm t ngăh căb căhai q e (mg/g) R 1 2 q e (mg/g ) R 2 2

Mô hình hấp phụ biểu kiện bậc 2 cho thấy quá trình hấp phụ Cu²⁺ có sự phù hợp cao với hệ số xác định R² lần lượt là 0.9981 và 0.9996, vượt trội hơn so với mô hình bậc 1 với R² chỉ đạt 0.941 và 0.868 Giá trị hấp phụ tối đa đạt được là 58.479 mg/g và 63.291 mg/g, cho thấy hiệu quả hấp phụ của vật liệu được nghiên cứu.

Quá trình hấp phụ hóa học liên quan đến việc kiểm soát các lực hóa tr thông qua việc chia sẻ và trao đổi các điện tích giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, với các giá trị đo được là 56.980 mg/g và 62.444 mg/g.

nhăh ng c a n ngăđ banăđ u lên kh n ngăh p ph

Quá trình h p ph methylene blue

K t qu thí nghi m h p ph methylene blue các n ng đ khác nhau đ c trình bày trong hình 3.21

Hình 3.21 cho thấy khả năng hấp phụ methylene blue của các vật liệu khác nhau Khi nồng độ methylene blue ban đầu từ 50 đến 350 mg/L, khả năng hấp phụ sau 3 giờ tăng từ 77.24 lên 227.55 mg/g đối với mẫu hóa vật lý, từ 84.98 lên 248.14 mg/g đối với mẫu hóa hóa học, và từ 62.77 lên 153.33 mg/g đối với mẫu than hóa Điều này có thể do động lực truyền khối cao hơn khi nồng độ methylene blue ban đầu tăng lên, dẫn đến sự gia tăng số lượng các phân tử cạnh tranh cho các vị trí hấp phụ trên bề mặt vật liệu Ở nồng độ thấp (Co = 50 - 100 mg/L), dung lượng hấp phụ thấp do methylene blue chưa khuếch tán vào cấu trúc vật liệu Với nồng độ Co từ 100 đến 200 mg/L, sự chênh lệch nồng độ trong quá trình khuếch tán đến bề mặt carbon aerogel tăng lên, khiến dung lượng hấp phụ giảm nhanh.

Khi n ng đ l n h n 200 mg/L, các trung tâm h p ph c a carbon cellulose đư đ c đi n đ y, đ ng bi u di n q e t ng ch m và có xu h ng n m ngang [112, 119]

Hình 3.21 th th hi n dung l ng h p ph methylene blue các n ng đ khác nhau

Xây d ng đ ng đ ng nhi t h p ph

Sự cân bằng hợp phần trong hệ thống hợp phần là yếu tố quan trọng để xác định động thái của hệ thống Các nghiên cứu về động thái hợp phần giúp hiểu rõ cách phân tách hợp phần giữa pha lỏng và pha rắn, từ đó duy trì trạng thái cân bằng trong hệ thống hợp phần.

Động động công hấp phụ được xác định bởi các yếu tố ảnh hưởng, và động động nhiệt hấp phụ có thể mô tả thông qua nhiều dạng phương trình động nhiệt Việc phân tích dữ liệu động nhiệt bằng cách lập chúng vào các mô hình động nhiệt khác nhau là rất quan trọng để tìm ra mô hình phù hợp có thể được sử dụng cho mục đích thiết kế Một số mô hình cân bằng được phát triển để mô tả các mối quan hệ động nhiệt hấp phụ Hai phương trình động nhiệt được sử dụng trong nghiên cứu này là động nhiệt Langmuir và Freundlich.

Kh o sát d ng đ ng đ ng nhi t Freundlich và Langmuir k t qu đ c th hi n trong b ng 3.5 và hình 3.22, 3.23

Hình 3.22 th h p ph đ ng nhi t theo Langmuir, quá trình h p ph MB

Hình 3.23 th h p ph đ ng nhi t theo Freundlich, quá trình h p ph MB

B ng 3.5 H ng s đ ng nhi t Langmuir, Freundlich, quá trình h p ph MB

Mô hình hấp phụ Langmuir cho thấy carbon cellulose aerogel có khả năng hấp phụ methylene blue hiệu quả hơn so với mô hình Freundlich Kết quả cho thấy tính chất hấp phụ đồng nhất của bề mặt carbon cellulose aerogel và khả năng hấp phụ methylene blue trên bề mặt này Giá trị R_L cho thấy carbon cellulose aerogel thích hợp để xử lý methylene blue, với các giá trị R_L nằm trong khoảng từ 0 đến 1 Kết quả cũng chỉ ra rằng có sự hình thành lớp phủ dày đặc của methylene blue trên bề mặt carbon aerogel.

Theo mô hình Langmuir, carbon aerogel có khả năng hấp phụ tối đa là 263 mg/g đối với mẫu được hoạt hóa hóa học, 250 mg/g đối với mẫu được hoạt hóa vật lý và 166 mg/g đối với mẫu than hóa Kết quả cho thấy dung lượng hấp phụ của carbon cellulose aerogel tăng lên đáng kể so với kết quả hấp phụ đạt được đối với cellulose aerogel chưa hoạt hóa (23.20 mg/g) Kết quả hấp phụ methylene blue đạt được từ các vật liệu và quy trình khác nhau được tổng hợp và so sánh với kết quả đạt được trong nghiên cứu này thể hiện trong bảng 3.6.

B ng 3.6 Kh n ng h p ph methylene blue t i đa t nguyên li u khác nhau

Nguyên li u Tác nhân ho t hóa Kh n ng h p ph (mg/g) Carbon cellulose aerogels t Carboxymethyl KOH 249.6 [57]

Than ho t tính t b cà phê ZnCl 2 188.7 [122]

Than ho t tính t r m (NH 4 ) 3 PO 4 129.5 [123]

Carbon cellulose aerogels t s i lá d a và s i cotton KOH 263

Carbon cellulose aerogels t s i lá d a và s i cotton CO 2 250

K t qu thí nghi m h p ph Cu 2+ các n ng đ khác nhau đ c trình bày trong hình 3.24

Hình 3.24 th th hi n dung l ng h p ph Cu 2+ n ng đ khác nhau

Mẫu cellulose aerogel không hấp phụ Cu²⁺ tại bất kỳ nồng độ nào, cho thấy rằng cấu trúc của cellulose aerogel không có các điện tích âm và các điện thế liên kết cần thiết để tạo thành quá trình hấp phụ hóa học với Cu²⁺ Đối với mẫu hoạt hóa, nồng độ hấp phụ methylene blue tăng lên khi nồng độ Cu²⁺ ban đầu từ 20 đến 150 mg/L, khối lượng hấp phụ tăng từ 23.31 lên 60.69 mg/g đối với mẫu hoạt hóa vật lý và từ 25.73 lên 66.78 mg/g đối với mẫu hoạt hóa hóa học Sự hấp phụ ban đầu có thể được giải thích bởi nồng độ ion kim loại thấp, tạo điều kiện cho các vị trí hấp phụ thích hợp cho các ion kim loại.

Nồng độ ion kim loại ban đầu là 68 pH, nhưng khi nồng độ này tăng cao, các vị trí hấp phụ của carbon cellulose được lấp đầy, dẫn đến sự gia tăng nồng độ ion kim loại trong dung dịch Khi nồng độ ion kim loại tăng, số lượng ion hấp phụ cũng tăng lên đáng kể, mặc dù sự cân bằng hấp phụ không đạt được như mong đợi Kết quả cho thấy rằng mặc dù nồng độ ion kim loại tăng, nhưng không thể đạt được sự cân bằng hấp phụ hoàn toàn với nồng độ ban đầu.

Kh o sát d ng đ ng đ ng nhi t Freundlich và Langmuir quá trình h p ph

Cu 2+ k t qu đ c th hi n trong b ng 3.7 và hình 3.25, 3.26

Hình 3.25 th h p ph đ ng nhi t theo Langmuir, quá trình h p ph Cu 2+

Hình 3.26 th h p ph đ ng nhi t theo Freundlich, quá trình h p ph Cu 2+

B ng 3.7 H ng s đ ng nhi t Langmuir, Freundlich, quá trình h p ph Cu 2+

Quá trình hấp phụ ion Cu²⁺ trên bề mặt carbon cellulose aerogel tuân theo mô hình Langmuir, cho thấy sự đồng nhất trong khả năng hấp phụ Các giá trị R_L cho thấy carbon cellulose aerogel có khả năng hấp phụ ion Cu²⁺ hiệu quả, với các giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 1 Kết quả cho thấy sự hình thành lớp hấp phụ ion Cu²⁺ trên bề mặt carbon aerogel, khẳng định tính chất hấp phụ mạnh mẽ của vật liệu này đối với kim loại Cu²⁺.

Theo lý thuy t q m đ c tính toán t mô hình Langmuir, carbon aerogel có kh n ng h p ph Cu 2+ t i đa là 69.44 mg/g đ i v i m u đ c ho t hóa hóa h c và 62.11 mg/g đ i v i m u đ c ho t hóa v t lý M t s k t qu h p ph Cu 2+ đ t

70 đ c t các v t li u và quy trình khác nhau đ c t ng h p đ so sánh v i k t qu đ t đ c t trong nghiên c u này th hi n trong b ng 3.8

B ng 3.8 Kh n ng h p ph Cu 2+ t i đa t nguyên li u khác nhau

Quá trình hoạt hóa nhờ vào tác nhân vật lý và hóa học là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của carbon cellulose aerogel Hoạt hóa giúp cải thiện cấu trúc và tính chất của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

Nguyên li u Tác nhân ho t hóa Kh n ng h p ph (mg/g) Carbon aerogels ph N Tác nhân nhi t đ

Carbon cellulose aerogels t s i lá d a và s i cotton KOH 69.44

Carbon cellulose aerogels t s i lá d a và s i cotton CO 2 62.11

CH NG 4 K T LU N VÀ XU T

K t lu n

T các k t qu nghiên c u c a đ tài, có th rút ra m t s k t lu n nh sau:

Vật liệu vi nguyên liệu, bao gồm siêu lá dừa và siêu bông, được tổng hợp từ carbon cellulose aerogel, mang lại hiệu quả hấp phụ cao hơn so với cellulose aerogel thông thường Do đó, nghiên cứu này tập trung vào giai đoạn hoạt hóa của quá trình sản xuất.

Trong quá trình hoạt hóa carbon cellulose aerogel, điều kiện nhiệt độ 800°C, thời gian 1.5 giờ và tỉ lệ KOH/C là 1 cho quá trình hoạt hóa hóa học, trong khi đó, điều kiện nhiệt độ 800°C, thời gian 15 phút và lưu lượng CO2 100ml/phút cho quá trình hoạt hóa vật lý, cho thấy khả năng hấp phụ methylene blue cao nhất.

Carbon cellulose aerogel có diện tích bề mặt riêng (S BET) đạt 970.20 m²/g khi được hoạt hóa hóa học, trong khi S BET là 6.58 m²/g khi hoạt hóa vật lý Vật liệu này rất thích hợp để hấp phụ một số chất như methylene blue và ion kim loại nặng Cu²⁺ Kết quả hấp phụ methylene blue và Cu²⁺ phù hợp với mô hình hấp phụ đồng nhất Langmuir, với khả năng hấp phụ tối đa đạt 263 mg/g và 250 mg/g đối với methylene blue, cũng như 69.44 mg/g và 62.11 mg/g đối với Cu²⁺.

xu t

- C n ti p t c nghiên c u, tính toán nh m t i u c chi phí và quy trình ho t hóa ng th i nghiên c u, s d ng tác nhân ho t hóa khác ngoài KOH và CO 2

- C n ph i nghiên c u đánh giá m t s ch tiêu đ m r ng vi c ng d ng carbon cellulose aerogel t ng h p đ c t s i lá d a và s i bông

Nghiên cứu cho thấy carbon cellulose aerogel được tổng hợp từ si lá dừa và si bông là vật liệu hấp phụ hiệu quả, có chi phí thấp và thân thiện với môi trường Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng vật liệu này trên quy mô lớn để khai thác tiềm năng của nó.

[1] D Klemm et al., "Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material," Angewandte chemie international edition, vol 44, pp 3358-3393,

[2] C Tsioptsias et al., "Development of micro-and nano-porous composite materials by processing cellulose with ionic liquids and supercritical CO 2," Green Chemistry, vol 10, pp 965-971, 2008

[3] Y Habibi et al., "Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications," Chemical reviews, vol 110, pp 3479-3500, 2010

[4] S Wang et al., "Recent advances in regenerated cellulose materials,"

Progress in Polymer Science, vol 53, pp 169-206, 2016

[5] S S Kistler, "Coherent expanded aerogels and jellies," Nature, vol 127, pp

[6] S S Kistler, "Coherent expanded-aerogels," The Journal of Physical

[7] N Leventis et al., "Nanoengineering strong silica aerogels," Nano letters, vol 2, pp 957-960, 2002

[8] O Masson et al., "Size and shape characterization of TiO2 aerogel nanocrystals," Nanostructured materials, vol 7, pp 725-731, 1996

[9] T F Baumann et al., "Facile synthesis of a crystalline, high surface area

SnO2 aerogel," Advanced Materials, vol 17, pp 1546-1548, 2005

[10] D Le et al., "High surface area V 2 O 5 aerogel intercalation electrodes,"

Journal of the Electrochemical Society, vol 143, pp 2099, 1996

[11] A Corrias et al., "Preparation and characterization of FeCo-Al2O3 and

Al2O3 aerogels," Journal of sol-gel science and technology, vol 31, pp 83-

[12] S A Al Muhtaseb and J A Ritter, "Preparation and properties of resorcinolậformaldehyde organic and carbon gels," Advanced materials, vol

[13] J Yamashita et al., "Organic and carbon aerogels derived from poly (vinyl chloride)," Carbon, vol 41, pp 285-294, 2003

[14] C Daniel et al., "Syndiotactic polystyrene aerogels: adsorption in amorphous pores and absorption in crystalline nanocavities," Chemistry of Materials, vol 20, pp 577-582, 2008

[15] H Guo et al., "Tailoring properties of cross-linked polyimide aerogels for better moisture resistance, flexibility, and strength," ACS applied materials

[16] C A García-González et al., "Polysaccharide-based aerogels—Promising biodegradable carriers for drug delivery systems," Carbohydrate Polymers, vol 86, pp 1425-1438, 2011

[17] E G Deze et al., "Porous alginate aerogel beads for effective and rapid heavy metal sorption from aqueous solutions: Effect of porosity in Cu2+ and

Cd2+ ion sorption," Chemical engineering journal, vol 209, pp 537-546,

[18] M Betz et al., "Preparation of novel whey protein-based aerogels as drug carriers for life science applications," The Journal of Supercritical Fluids, vol 72, pp 111-119, 2012

[19] X Chang et al., "Chitosan-based aerogels with high adsorption performance," The Journal of Physical Chemistry B, vol 112, pp 7721-7725,

[20] A Salam et al., "Crosslinked hemicellulose citrateậchitosan aerogel foams,"

[21] D Fairén-Jiménez et al., "Porosity and surface area of monolithic carbon aerogels prepared using alkaline carbonates and organic acids as polymerization catalysts," Carbon, vol 44, pp 2301-2307, 2006

[22] A E Aliev et al., "Giant-stroke, superelastic carbon nanotube aerogel muscles," science, vol 323, pp 1575-1578, 2009

[23] M A Worsley et al., "Synthesis of graphene aerogel with high electrical conductivity," Journal of the American Chemical Society, vol 132, pp 14067-14069, 2010

[24] L.-Y Long et al., "Cellulose aerogels: Synthesis, applications, and prospects," Polymers, vol 10, pp 623, 2018

[25] M Ahmadi et al., "Whey protein aerogel as blended with cellulose crystalline particles or loaded with fish oil," Food chemistry, vol 196, pp 1016-1022, 2016

[26] B Seantier et al., "Multi-scale cellulose based new bio-aerogel composites with thermal super-insulating and tunable mechanical properties," Carbohydrate polymers, vol 138, pp 335-348, 2016

[27] B N Nguyen et al., "Polyimide cellulose nanocrystal composite aerogels,"

[28] A Allahbakhsh and A R Bahramian, "Self-assembled and pyrolyzed carbon aerogels: an overview of their preparation mechanisms, properties and applications," Nanoscale, vol 7, pp 14139-14158, 2015

[29] M Enterría and J Figueiredo, "Nanostructured mesoporous carbons: Tuning texture and surface chemistry," Carbon, vol 108, pp 79-102, 2016

[30] Z Tang et al., "Polyaniline-coated activated carbon aerogel/sulfur composite for high-performance lithium-sulfur battery," Nanoscale research letters, vol

[31] M Canal-Rodríguez et al., "Performance of carbon xerogel-graphene hybrids as electrodes in aqueous supercapacitors," Electrochimica Acta, vol

[32] H Zhuo et al., "Sustainable hierarchical porous carbon aerogel from cellulose for high-performance supercapacitor and CO2 capture," Industrial Crops and Products, vol 87, pp 229-235, 2016

[33] S Mondal, "Preparation, properties and applications of nanocellulosic materials," Carbohydrate polymers, vol 163, pp 301-316, 2017

[34] H A Khalil et al., "Production and modification of nanofibrillated cellulose using various mechanical processes: a review," Carbohydrate polymers, vol

[35] K Abe and H Yano, "Comparison of the characteristics of cellulose microfibril aggregates of wood, rice straw and potato tuber," Cellulose, vol

[36] S Iwamoto et al., "Optically transparent composites reinforced with plant fiber-based nanofibers," Applied Physics A, vol 81, pp 1109-1112, 2005

[37] W Chen et al., "Individualization of cellulose nanofibers from wood using high-intensity ultrasonication combined with chemical pretreatments,"

[38] E Qua et al., "Preparation and characterisation of cellulose nanofibres,"

Journal of Materials Science, vol 46, pp 6029-6045, 2011

[39] T Zimmermann et al., "Cellulose fibrils for polymer reinforcement,"

Advanced engineering materials, vol 6, pp 754-761, 2004

[40] O Nechyporchuk et al., "Production of cellulose nanofibrils: A review of recent advances," Industrial Crops and Products, vol 93, pp 2-25, 2016

[41] H G de Oliveira Barud et al., "A multipurpose natural and renewable polymer in medical applications: Bacterial cellulose," Carbohydrate Polymers, vol 153, pp 406-420, 2016

[42] K Qiu and A N Netravali, "A review of fabrication and applications of bacterial cellulose based nanocomposites," Polymer Reviews, vol 54, pp 598-626, 2014

[43] P R Chawla et al., "Microbial cellulose: fermentative production and applications," Food Technology & Biotechnology, vol 47, 2009

[44] H Sai et al., "Flexible aerogels with interpenetrating network structure of bacterial celluloseậsilica composite from sodium silicate precursor via freeze drying process," Rsc Advances, vol 4, pp 30453-30461, 2014

[45] B Lindman et al., "On the mechanism of dissolution of cellulose," Journal of molecular liquids, vol 156, pp 76-81, 2010

[46] B Medronho and B Lindman, "Brief overview on cellulose dissolution/regeneration interactions and mechanisms," Advances in colloid and interface science, vol 222, pp 502-508, 2015

[47] B Medronho and B Lindman, "Competing forces during cellulose dissolution: From solvents to mechanisms," Current Opinion in Colloid & Interface Science, vol 19, pp 32-40, 2014

[48] B Xiong et al., "Dissolution of cellulose in aqueous NaOH/urea solution: role of urea," Cellulose, vol 21, pp 1183-1192, 2014

[49] L Zhang et al., "Dissolution and regeneration of cellulose in NaOH/thiourea aqueous solution," Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, vol

[50] Z Wang et al., "Dissolution of ethylenediamine pretreated pulp with high lignin content in LiCl/DMSO without milling," Journal of Wood Chemistry and Technology, vol 30, pp 219-229, 2010

[51] Z Wang et al., "Dissolution of beech and spruce milled woods in

LiCl/DMSO," Journal of agricultural and food chemistry, vol 57, pp 6167-

[52] D Ishii et al., "Investigation of the Structure of Cellulose in LiCl/DMAc

Solution and Its Gelation Behavior by Small Angle X Ray Scattering Measurements," Macromolecular bioscience, vol 6, pp 293-300, 2006

[53] Y Nishio and N Hirose, "Cellulose/poly (2-hydroxyethyl methacrylate) composites prepared via solution coagulation and subsequent bulk polymerization," Polymer, vol 33, pp 1519-1524, 1992

[54] S Zhu et al., "Dissolution of cellulose with ionic liquids and its application: a mini-review," Green Chemistry, vol 8, pp 325-327, 2006

[55] Y Fang et al., "Synthesis and characterization of cellulose triacetate aerogels with ultralow densities," RSC advances, vol 6, pp 54054-54059,

[56] F Fischer et al., "Cellulose-based aerogels," Polymer, vol 47, pp 7636-

[57] M Yu et al., "KOH-activated carbon aerogels derived from sodium carboxymethyl cellulose for high-performance supercapacitors and dye adsorption," Chemical engineering journal, vol 310, pp 300-306, 2017

[58] W Surapolchai and D A Schiraldi, "The effects of physical and chemical interactions in the formation of cellulose aerogels," Polymer bulletin, vol 65, pp 951-960, 2010

[59] B F Martins et al., "Hydroxypropyl methylcellulose based aerogels:

Synthesis, characterization and application as adsorbents for wastewater pollutants," Carbohydrate polymers, vol 155, pp 173-181, 2017

[60] N Hüsing and U Schubert, "Aerogels—airy materials: chemistry, structure, and properties," Angewandte Chemie International Edition, vol 37, pp 22-

[61] J L Gurav et al., "Silica aerogel: synthesis and applications," Journal of

[62] H Gesser and P Goswami, "Aerogels and related porous materials,"

[63] R Gavillon and T Budtova, "Aerocellulose: new highly porous cellulose prepared from cellulose− NaOH aqueous solutions," Biomacromolecules, vol

[64] O Biganska and P Navard, "Morphology of cellulose objects regenerated from celluloseậN-methylmorpholine N-oxideậwater solutions," Cellulose, vol 16, pp 179-188, 2009

[65] A Sannino et al., "Biodegradable cellulose-based hydrogels: design and applications," Materials, vol 2, pp 353-373, 2009

[66] X Shen et al., "Hydrogels based on cellulose and chitin: fabrication, properties, and applications," Green chemistry, vol 18, pp 53-75, 2016

[67] X Wang et al., "Tert-butyl alcohol used to fabricate nano-cellulose aerogels via freeze-drying technology," Materials research express, vol 4, pp

[68] X Wang et al., "Fabrication and characterization of nano-cellulose aerogels via supercritical CO2 drying technology," Materials Letters, vol 183, pp 179-182, 2016

[69] J Zhang et al., "Graphene-oxide-sheet-induced gelation of cellulose and promoted mechanical properties of composite aerogels," The Journal of Physical Chemistry C, vol 116, pp 8063-8068, 2012

[70] R Sescousse et al., "Influence of lignin on cellulose-NaOH-water mixtures properties and on Aerocellulose morphology," Cellulose, vol 17, pp 1137-

[71] N Buchtová and T Budtova, "Cellulose aero-, cryo-and xerogels: Towards understanding of morphology control," Cellulose, vol 23, pp 2585-2595,

[72] F Liebner et al., "Aerogels from unaltered bacterial cellulose: application of scCO2 drying for the preparation of shaped, ultra lightweight cellulosic aerogels," Macromolecular bioscience, vol 10, pp 349-352, 2010

[73] Y Lu et al., "Fabrication of mesoporous lignocellulose aerogels from wood via cyclic liquid nitrogen freezingậthawing in ionic liquid solution," Journal of Materials Chemistry, vol 22, pp 13548-13557, 2012

[74] N Pircher et al., "Impact of selected solvent systems on the pore and solid structure of cellulose aerogels," Cellulose, vol 23, pp 1949-1966, 2016

[75] R Sescousse et al., "Aerocellulose from celluloseậionic liquid solutions: preparation, properties and comparison with celluloseậNaOH and celluloseậ NMMO routes," Carbohydrate polymers, vol 83, pp 1766-1774, 2011

[76] L Heath and W Thielemans, "Cellulose nanowhisker aerogels," Green

[77] J Innerlohinger et al., "Aerocellulose: aerogels and aerogel like materials made from cellulose," in Macromolecular Symposia, 2006, vol 244, no 1, pp 126-135: Wiley Online Library

[78] M Schestakow et al., "Cellulose aerogels prepared from an aqueous zinc chloride salt hydrate melt," Carbohydrate polymers, vol 137, pp 642-649,

[79] H Jin et al., "Nanofibrillar cellulose aerogels," Colloids and Surfaces A:

Physicochemical and Engineering Aspects, vol 240, pp 63-67, 2004

[80] F Jiang and Y.-L Hsieh, "Super water absorbing and shape memory nanocellulose aerogels from TEMPO-oxidized cellulose nanofibrils via cyclic freezingậthawing," Journal of Materials Chemistry A, vol 2, pp 350-

[81] X Zhang et al., "The effect of freezing speed and hydrogel concentration on the microstructure and compressive performance of bamboo-based cellulose aerogel," Journal of wood science, vol 61, pp 595-601, 2015

[82] A N Nakagaito et al., "Cellulose nanofiber aerogel production and applications," Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol 32, pp 1547-1552, 2013

[83] H Cai et al., "Aerogel microspheres from natural cellulose nanofibrils and their application as cell culture scaffold," Biomacromolecules, vol 15, pp 2540-2547, 2014

[84] C Jiménez-Saelices et al., "Spray freeze-dried nanofibrillated cellulose aerogels with thermal superinsulating properties," Carbohydrate polymers, vol 157, pp 105-113, 2017

[85] F Liebner et al., "Cellulose aerogels: Highly porous, ultra-lightweight materials, " Holzforschung, vol 62, pp 129ậ135, 2008

[86] J Cai et al., "Cellulose aerogels from aqueous alkali hydroxideậurea solution," ChemSusChem: Chemistry & Sustainability Energy & Materials, vol 1, pp 149-154, 2008

[87] M Beaumont et al., "Surface properties and porosity of highly porous, nanostructured cellulose II particles," Cellulose, vol 24, pp 435-440, 2017

[88] M Anas et al., "Thermodynamics of adsorption of carbon dioxide on various aerogels," Journal of CO2 Utilization, vol 21, pp 82-88, 2017

[89] K V T Diem et al., "Nghiên c u c i ti n quá trình than hóa trong quy trình đi u ch than ho t tính t v h t đi u," T p chí Khoa h c Tr ng i h c

[90] T H Bùi, "Nghiên c u ch t o than ho t tính t v tr u b ng ph ng pháp oxi hóa và ng d ng làm ch t h p ph trong x lỦ n c th i," khóa lu n t t nghi p, i h c Dân l p H i Phòng, 2016

[91] J.-H Lee and S.-J Park, "Recent advances in preparations and applications of carbon aerogels: A review," Carbon, vol 163, pp 1-18, 2020

[92] D M Smith et al., "Aerogel-based thermal insulation," Journal of non- crystalline solids, vol 225, pp 254-259, 1998

[93] Y.-T Wang et al., "Efficient approach to improving the flame retardancy of poly (vinyl alcohol)/clay aerogels: incorporating piperazine-modified ammonium polyphosphate," ACS Applied Materials & Interfaces, vol 7, pp 1780-1786, 2015

[94] Y Hanzawa et al., "Structural changes in carbon aerogels with high temperature treatment," Carbon, vol 40, pp 575-581, 2002

[95] L Hu et al., "Carbon aerogel for insulation applications: a review,"

International Journal of Thermophysics, vol 40, pp 1-25, 2019

[96] J.-J Zhao et al., "Effects of solidậgas coupling and pore and particle microstructures on the effective gaseous thermal conductivity in aerogels," Journal of Nanoparticle Research, vol 14, pp 1-15, 2012

[97] J.-J Zhao et al., "Experimental and analytical analyses of the thermal conductivities and high-temperature characteristics of silica aerogels based on microstructures," Journal of Physics D: Applied Physics, vol 46, pp

[98] L Aditya et al., "A review on insulation materials for energy conservation in buildings," Renewable and sustainable energy reviews, vol 73, pp 1352-

[99] A Eftekhari, "Materials today energy," Mater Today, vol 5, pp 37-57,

[100] S Yun et al., "Three-dimensionally macroporous, Si and N-incorporated graphene aerogels for gas adsorbents," Materials Express, vol 5, pp 463-

[101] D Wu et al., "Structure and adsorption properties of activated carbon aerogels," Journal of applied polymer science, vol 99, pp 2263-2267, 2006

[102] F J Maldonado-Hódar et al., "Reversible toluene adsorption on monolithic carbon aerogels," Journal of Hazardous Materials, vol 148, pp 548-552,

[103] D Fairen-Jimenez et al., "Surface area and microporosity of carbon aerogels from gas adsorption and small-and wide-angle X-ray scattering measurements," The Journal of Physical Chemistry B, vol 110, pp 8681-

[104] L Fu et al., "Preparation of nano-porous carbon-silica composites and its adsorption capacity to volatile organic compounds," Processes, vol 8, pp

[105] A K Meena et al., "Removal of heavy metal ions from aqueous solutions using carbon aerogel as an adsorbent," Journal of hazardous materials, vol

[106] K Li et al., "Ultrahigh-surface-area activated carbon aerogels derived from glucose for high-performance organic pollutants adsorption," Journal of colloid and interface science, vol 546, pp 333-343, 2019

[107] G Gan et al., "Carbon Aerogels for Environmental Clean Up," European journal of inorganic chemistry, vol 2019, pp 3126-3141, 2019

[108] M H Khiêm, Hóa Keo i h c Qu c Gia TPHCM, 2008

[109] Y.-J Zhang et al., "Effects of steam activation on the pore structure and surface chemistry of activated carbon derived from bamboo waste," Applied Surface Science, vol 315, pp 279-286, 2014

[110] J Fan et al., "Adsorption of 2, 4, 6-trichlorophenol from aqueous solution onto activated carbon derived from loosestrife," Desalination, vol 267, pp 139-146, 2011

[111] P V Vu et al., "A Novel Application of Cellulose Aerogel Composites

From Pineapple Leaf Fibers And Cotton Waste: Removal of Dyes and Oil In Wastewater," Journal of Porous Materials, vol 29, pp 1137ậ1147, 2021

[112] D Lv et al., "Carbon aerogels derived from sodium lignin sulfonate embedded in carrageenan skeleton for methylene-blue removal," International Journal of Biological Macromolecules, vol 148, pp 979-987,

[113] Y Wang et al., "Removal of methylene blue from water by copper alginate/activated carbon aerogel: equilibrium, kinetic, and thermodynamic studies," Journal of Polymers and the Environment, vol 28, pp 200-210,

[114] L Chen et al., "High performance agar/graphene oxide composite aerogel for methylene blue removal," Carbohydrate polymers, vol 155, pp 345-353,

[115] W Yuan et al., "Ultra-lightweight and highly porous carbon aerogels from bamboo pulp fibers as an effective sorbent for water treatment," Results in physics, vol 7, pp 2919-2924, 2017

[116] R Aravindhan et al., "Equilibrium and thermodynamic studies on the removal of basic black dye using calcium alginate beads," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol 299, pp 232-238,

[117] W Tongpoothorn et al., "Preparation of activated carbon derived from

Jatropha curcas fruit shell by simple thermo-chemical activation and characterization of their physico-chemical properties," Chemical engineering research and design, vol 89, pp 335-340, 2011

[118] Z Li et al., "Adsorption of methylene blue on natural cotton based flexible carbon fiber aerogels activated by novel air-limited carbonization method," Journal of Molecular Liquids, vol 242, pp 747-756, 2017

[119] K Zhou et al., "Kinetic, isotherm and thermodynamic studies for removal of methylene blue using -cyclodextrin/activated carbon aerogels," Journal of Polymers and the Environment, vol 26, pp 3362-3370, 2018

[120] J Li et al., "A novel carbon aerogel prepared for adsorption of copper (II) ion in water," Journal of Porous Materials, vol 24, pp 1575-1580, 2017

[121] X Mi et al., "Preparation of graphene oxide aerogel and its adsorption for

Cu2+ ions," Carbon, vol 50, pp 4856-4864, 2012

[122] S S Brum et al., "Preparation and characterization of activated carbon produced from coffee waste," Química Nova, vol 31, pp 1048-1052, 2008

[123] P Gao et al., "Preparation and characterization of activated carbon produced from rice straw by (NH4) 2HPO4 activation," Bioresource technology, vol

In their 2014 study published in the Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Veselá and Slovák investigated nitrogen-doped carbon xerogels synthesized through ammonia-assisted pyrolysis The research focused on the surface characterization, thermal properties, and adsorption capabilities of these xerogels for heavy metal ions, highlighting their potential applications in environmental remediation.

[125] L Ma et al., "Controllable synthesis of an intercalated ZIF-67/EG structure for the detection of ultratrace Cd2+, Cu2+, Hg2+ and Pb2+ ions," Chemical Engineering Journal, vol 395, pp 125216, 2020.