Nghiên cứu quy trình tổng hợp aerogel từ vi sợi lá dứa và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TẤN LN NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TỔNG HỢP AEROGEL TỪ VI SỢI LÁ DỨA VÀ ỨNG DỤNG RESEARCHING A FABRICATION OF MICROFIBRILLATED CELLULOSE AEROGEL FROM PINEAPPLE LEAVES AND APPLICATIONS Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2023 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa–ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thị Kim Phụng Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Trường Sơn Cán chấm nhận xét 2: TS Trần Phước Nhật Uyên Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 06 tháng 01 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Trường Sơn Phản biện 2: TS Trần Phước Nhật Uyên Ủy viên: PGS.TS Lê Thị Kim Phụng Ủy viên: TS Trần Tấn Việt Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Tấn Luôn MSHV: 2170972 Ngày, tháng, năm sinh: 30/09/1999 Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa Học Mã số: 8520301 Tên đề tài: “Nghiên cứu quy trình tổng hợp aerogel từ vi sợi dứa ứng dụng Researching a fabrication of microfibrillated cellulose aerogel from pineapple leaves and applications” Nội dung thực hiện: - Nghiên cứu khảo sát quy trình tổng hợp vi sợi cellulose aerogel từ dứa định hướng cách nhiệt; Nghiên cứu khảo sát quy trình biến tính kị nước vi sợi cellulose aerogel định hướng cách nhiệt hấp thụ dầu; Nghiên cứu khảo sát quy trình biến tính chậm cháy vi sợi cellulose aerogel định hướng cách nhiệt; Nghiên cứu khảo sát quy trình tổng hợp cellulose/chitosan aerogel định hướng hấp phụ kim loại nặng; Đánh giá khả hấp phụ kim loại nặng cellulose/chitosan aerogel Ngày giao nhiệm vụ: 05/09/2022 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/12/2022 Cán hướng dẫn: PGS TS Lê Thị Kim Phụng Tp Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 12 năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC i LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu thực luận văn Thạc sĩ hướng dẫn PGS TS Lê Thị Kim Phụng trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh tạo hội cung cấp sở vật chất để tơi hồn thành luận văn Đặc biệt, muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Lê Thị Kim Phụng, giảng viên hướng dẫn luận văn tôi, toàn Giảng viên trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh tận tình hướng dẫn, đưa lời khuyên, giúp đỡ cung cấp tri thức hữu ích đẻ tơi hồn thành luận văn Bên cạnh đó, để hồn thành luận văn Thạc sĩ giúp đỡ nhiệt tình từ Ths Đỗ Nguyễn Hoàng Nga bạn sinh viên, học viên cao học Nhóm nghiên cứu Q trình Bền vững Trung tâm Nghiên cứu Cơng nghệ Lọc-Hóa Dầu (Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh) Cuối cùng, lời cảm ơn đến đấng sinh thành tôi, anh chị bạn bè sát cánh bên tôi, quan tâm, động viên đưa lời khun hữu ích cho tơi suốt quãng đường học tập nghiên cứu Học viên cao học Nguyễn Tấn Ln ii TĨM TẮT Vấn đề ô nhiễm môi trường cạn kiệt nguồn tài ngun khơng có khả tái tạo dầu mỏ vấn đề quan tâm kỉ 21 Bên cạnh đó, dứa số loại trồng phổ biến bậc Việt Nam Tuy nhiên, người nông dân thu hoạch dứa, thành phần khác rễ, thân chất đống đồng ruộng đốt bỏ Vì vậy, việc tận dụng nguồn phụ phẩm nơng nghiệp dồi làm nguyên liệu cho sản xuất aerogel có độ bền học cao cấp thiết nay, phù hợp với xu hướng tổng hợp vật liệu tính cao thân thiện với mơi trường phục vụ cho mục tiêu phát triển bền vững Đề tài “Nghiên cứu quy trình tổng hợp aerogel từ vi sợi dứa ứng dụng” xây dựng quy trình tổng hợp vi sợi cellulose aerogel cellulose/chitosan aerogel từ sợi dứa cách phối trộn trực tiếp với chất tạo liên kết ngang, kết hợp với sấy thăng hoa Vật liệu vi sợi cellulose aerogel thu cho thấy khối lượng riêng nhẹ (13,7-29,7 mg/cm3), độ xốp cao (97,7-99,0%), hệ số dẫn nhiệt thấp (36,0-36,3 mW/m.K) tương đương với vật liệu cách nhiệt thương mại polystyrene hay thủy tinh Bên cạnh đó, vật liệu trở nên siêu kị nước sau biến tính methyltrimethoxysilane (MTMS) với góc thấm ướt khoảng 150° dung lượng hấp thụ dầu dung môi hữu đạt khoảng 15,1-25,0 g/g Thêm vào đó, sau kết hợp với chất chống cháy ammonium polyphosphate (APP), vật liệu có khả tự dập tắt lửa sau bắt cháy Về vật liệu cellulose/chitosan aerogel cho thấy tính chất khối lượng riêng, độ xốp tương tự vi sợi cellulose aerogel bên cạnh độ bền học cao (module nén Young 1,8-11,7 kPa) bền môi trường acid Dung lượng hấp phụ cực đại Cr(VI) vật liệu lên đến 210,6-211,4 mg/g Với đặc tính vật liệu aerogel thu từ sợi dứa, vật liệu cho thấy triển vọng để ứng dụng làm vật liệu xây dựng xử lý môi trường iii ABSTRACT Environmental pollution and the depletion of non-renewable resources such as oil are one of the most pressing problems in the 21st century Additionally, pineapple is one of the most popular crops in Vietnam However, farmers only harvest pineapples, other components such as roots, stems and leaves are piled up in the farm and burned Therefore, taking advantage of this abundant source of agricultural by-products as a raw material for the production of robust aerogels is essential at present and in line with the trend of synthesizing highly efficient and eco-friendly materials, particularly meet the need of sustainable development This study "Researching a fabrication of microfibrillated cellulose aerogel from pineapple leaves and applications" develop a procedure to synthesize microfibrillated cellulose aerogel and cellulose/chitosan aerogel from pineapple leaf fibers by directly blending cellulose with crosslinking agents, combined with free-drying The obtained microfibrillated cellulose aerogel shows extremely light density (13.7-29.7 mg/cm3), high porosity (97.7-99.0%), and low thermal conductivity (36.0-36.3 mW/m.K) which is equivalent to commercial insulation materials such as polystyrene or glass wool Additionally, the material becomes superhydrophobic after surface modification by methytrimethoxysilane (MTMS) with wetting angle of around 150° in addition to oil and organic solvent absorption capacity of about 15.1-25.0 g/g Furthermore, after adding ammonium polyphosphate (APP) flame retardant, the material is capable of self-extinguishing after igniting Regarding the cellulose/chitosan aerogel, its density and porosity are similar to microfibrillated cellulose aerogel besides high mechanical strength (Young’s modulus of 1.8-11.7 kPa) and stability in acidic environment The maximum adsorption capacity for Cr(VI) of the material is up to 210.6-211.4 mg/g With these outstanding properties, the materials are potential candidates for building materials and environmental treatment iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu Các số liệu thông tin trích dẫn đề tài thực với quy định ghi rõ mục Tài liệu tham khảo Những số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố từ bên khác Học viên cao học Nguyễn Tấn Luôn v MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xi DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ xii DANH MỤC BẢNG BIỂU xviii CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Vật liệu aerogel 1.1.1 Aerogel từ sinh khối phế phụ phẩm 1.1.2 Nanocellulose aerogel 1.2 Ứng dụng vật liệu nanocellulose aerogel 1.2.1 Xử lý tràn dầu 1.2.2 Vật liệu cách nhiệt 1.2.3 Vật liệu hấp phụ kim loại nặng 1.2.4 Vật liệu chậm cháy 1.3 Phụ phẩm dứa CHƯƠNG CƠ SỞ NGHIÊN CỨU 10 2.1 Phương pháp tổng hợp vi sợi cellulose 10 2.2 Phương pháp tổng hợp aerogel từ vi sợi cellulose 11 2.3 Các nghiên cứu giới 14 2.3.1 Tổng hợp vi sợi cellulose 14 2.3.2 Tổng hợp aerogel từ vi sợi cellulose ứng dụng 15 2.3.3 Tổng hợp aerogel từ cellulose chitosan 18 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM .21 3.1 Mục tiêu, đối tượng nội dung nghiên cứu 21 3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 21 3.1.2 Đối tượng nghiên cứu 21 vi 3.1.3 Nội dung nghiên cứu 21 3.1.4 Hóa chất thiết bị 21 3.2 Phương pháp nghiên cứu phân tích 22 3.2.1 Quy trình phương pháp tổng hợp 22 3.2.1.1 Tiền xử lý bột dứa 22 3.2.1.2 Tổng hợp vi sợi dứa (MFC) 23 3.2.1.3 Tổng hợp vi sợi celulose aerogel (MFCA) 24 3.2.1.4 Biến tính kị nước bề mặt MFCA 25 3.2.1.5 Phối trộn MFCA với chất chống cháy 27 3.2.1.6 Tổng hợp cellulose/chitosan aerogel (CL/CSA) 28 3.2.2 Các phương pháp phân tích 29 3.2.2.1 Tỉ lệ chất rắn thu 29 3.2.2.2 Hàm lượng tinh thể 29 3.2.2.3 Cấu trúc hóa học 31 3.2.2.4 Phân bố kích thước 31 3.2.2.5 Khối lượng riêng độ xốp aerogel 32 3.2.2.6 Hình thái học vật liệu 33 3.2.2.7 Độ bền học 33 3.2.2.8 Độ bền nhiệt 34 3.2.2.9 Hệ số dẫn nhiệt 35 3.2.2.10 Khả chậm cháy 35 3.2.2.11 Góc thấm ướt 36 3.2.3 Phương pháp đánh giá khả hấp thụ dầu dung môi hữu 37 3.2.4 Phương pháp đánh giá khả hấp phụ Cr(VI) 37 3.2.5 Thiết kế thí nghiệm khảo sát 39 3.2.5.1 Khảo sát quy trình tổng hợp MFCA định hướng cách nhiệt 39 3.2.5.2 Khảo sát quy trình biến tính kị nước MFCA định hướng cách nhiệt hấp thụ……………………………………………………………………………40 3.2.5.3 Khảo sát quy trình biến tính chậm cháy MFCA định hướng cách nhiệt…… 41 3.2.5.4 Khảo sát quy trình tổng hợp CL/CSA định hướng hấp phụ kim loại nặng……… 41 vii CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 43 4.1 Đặc điểm MFC 43 4.1.1 Hiệu suất thu hồi chất rắn 43 4.1.2 Hàm lượng tinh thể MFC 43 4.1.3 Thành phần hóa học MFC 44 4.1.4 Kích thước MFC 45 4.2 Kết khảo sát quy trình tổng hợp MFCA định hướng cách nhiệt 46 4.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng PAE đến khả dẫn nhiệt MFCA…… ……………………… 46 4.2.2 Ảnh hưởng phương pháp cấp đông đến khả dẫn nhiệt MFCA 51 4.2.3 Ảnh hưởng tỉ lệ MFC/BPL đến khả dẫn nhiệt MFCA 53 4.2.4 Ảnh hưởng nồng độ cellulose đến khả dẫn nhiệt MFCA… …………………………………………………………………….57 4.2.5 Ảnh hưởng nhiệt độ ủ đến khả dẫn nhiệt MFCA 61 4.2.6 Ảnh hưởng thời gian ủ nhiệt đến khả dẫn nhiệt MFCA… .…………………………………………….63 4.3 Kết khảo sát quy trình biến tính kị nước MFCA định hướng cách nhiệt hấp thụ 64 4.3.1 Ảnh hưởng phương pháp biến tính đến q trình biến tính MFCA trở nên kị nước 64 4.3.2 Ảnh hưởng thời gian phủ đến q trình biến tính MFCA trở nên kị nước… 69 4.4 Kết khảo sát quy trình biến tính chậm cháy MFCA định hướng cách nhiệt 70 4.4.1 Ảnh hưởng chất chống cháy đến khả chậm cháy MFCA……………………………….…………………………….………… 70 4.4.2 Ảnh hưởng hàm lượng chất chống cháy đến khả chậm cháy MFCA 72 viii Hóa học & Môi trường (mg/cm3)) of the composite was determined using Eq.2: The average skeletal density ( b  Wi  (2) i Where and are respectively mass fraction and skeletal density of each component in the material The skeletal density of MFC, BPL, PAE and APP are assumed as 1.46, 1.35, 1.15, and 1.90 g/cm3, correspondingly [5] Field Emission-Scanning Electron Microscope (FE-SEM, Hitachi S4800) was used to investigate the morphology of the aerogel samples Each sample was coated with a thin layer of Pt before testing, and the test was conducted at an acceleration voltage of 10 kV A TGA analyzer (LINSEIS DSC PT 1600) was applied to evaluate the thermal stability of the aerogels The samples were heated from 30 °C to 700 °C at a heating rate of °C/min in the air flow rate of 20 mL/min The thermal conductivity of the aerogels was examined at room temperature by using the HFM-100 Heat Flow Meter (Thermtest Inc., Canada) The procedure adapted from the UL-94 horizontal test was applied to examine the flammability of the samples The standard tested samples were around 1.3 cm wide, cm long, and cm thick They were ignited for s before freely flaming A digital camera was used to record the whole combustion process, and the combustion velocity (V (mm/s)) was determined by the following equation: V L t (3) In Eq.3, L (mm) is the burned length, and t (s) is the time of burning RESULTS AND DISCUSSION 3.1 Density and porosity of cellulose aerogels 50 99.0 Density (mg/cm3) 40 98.1 98.2 98.1 98.0 98.5 98.0 26.8 30 24.4 25.5 25.9 97.5 20 97.0 10 Porosity (%) Density Porosity 96.5 10 15 20 96.0 APP content (%) Figure Density and porosity of cellulose aerogel as a function of APP content Figure illustrates the density and porosity of the cellulose aerogel samples containing different APP contents In terms of density, the neat cellulose aerogel is slightly lighter than the cellulose aerogels with APP As the APP content increases from 10 to 20%, the aerogel density climbs minimally by 1.3 mg/cm3 This is attributed to the growth in the solid concentration after adding the flame retardant agent As a result, the porosity of the cellulose aerogel reduces gradually from 98.2 to 98.0%, corresponding to the APP content rising from 10 to 20% In general, their density and porosity are much lower than other flame-retardant aerogels, such as 18 N T Luon, …, L T K Phung, “Enhanced flame resistance of … for heat insulation.” Nghiên cứu khoa học công nghệ PVA/APP aerogel (482-763 mg/cm3, 73.2-87.1%) and PVA/CNF/ microencapsulated APP aerogel (50-60 mg/cm3) [11, 13] 3.2 Morphology of cellulose aerogels The SEM images (figure 2) reveal that all samples have a 3D porous structure, with BPL playing the role of the main framework, which fosters the mechanical strength of the aerogels MFC with 2-3 μm in diameter and 20-40 μm in length distributes into empty spaces between BPL, and thus the presence of MFC leads to the reduction of the pore size [9] After the introduction of the flame retardant additive, new thin films appear on the surface of the material This film formation will then prevent the materials from further burning [14] Figure Morphology of neat cellulose aerogel (a,b), cellulose aerogels with 10% (c,d), 15% (e,f), 20% (g,h) of APP 3.3 Flame retardancy of cellulose aerogels The result of the burning test is presented in figure Initially, the pure cellulose aerogel is quickly burned in the air with an average burning rate of 5.3 mm/s Noticeably, after collaborating with APP, the aerogel could self-extinguish after three seconds of initial burning During the burning test, there is a formation of char layers on the outer surface of the material These char layers play a role in preventing the indoor substrate from contacting oxygen and transferring heat subsequently [14] This points out that APP is an excellent flame retardant additive for the material In addition, there is almost no difference in the burning characteristics of the aerogel with the APP proportion in the range of 10-20%, suggesting that high flame repellency could be obtained even at a very low APP content (10%) Figure Photographs of cellulose aerogel (a) and cellulose aerogels with 10% (b), 15% (c), 20% (d) of APP after horizontal combustion test 3.4 Thermal conductivity of cellulose aerogels Figure gives information about the heat conductivity of the neat cellulose aerogel and flame-repellent cellulose aerogels The thermal conductivity of the neat cellulose aerogel is around 36.1 mW/m۰K Remarkably, there is almost no change in the thermal conductivity of the Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Nhiệt đới Môi trường, 12-2022 19 Hóa học & Mơi trường material after introducing APP (35.9-36.7 mW/m۰K) On the one hand, the APP contents are too small that have little effect on the thermal conductivity of the solid phase In addition, introducing APP does not make significant changes in the density and porosity (figure 1), which mainly contribute to the heat conductivity of the gas phase Therefore, almost no change was seen in the overall heat conductivity following the increase in APP content In general, the obtained thermal conductivity is comparable to aerogel from pineapple leaf and cotton waste fibers (39.0-43.0 mW/m۰K) [7], PVA/CNF/microencapsulated APP aerogel (39.0-41.3 mW/m۰K) [13], and other commercial insulation materials such as extruded polystyrene (29.048.0 W/m۰K) and foam glass (38.0-50.0 W/m۰K) [15] Thermal conductivity (mW/m.K) 40 36.1 36.0 36.7 36.3 15 20 30 20 10 0 10 APP content (%) Figure Effect of APP proportion on thermal conductivity of cellulose aerogel 3.5 Thermal stability of cellulose aerogels The effect of APP on the thermal stability of the cellulose aerogels could be seen in TGA and DTA curves, as presented in figure There is a small reduction of 8-10% in the materials’ mass at below 100 °C due to moisture evaporation This endothermic process could be observed in the DTA curve with a downward peak of around 80 °C The major mass-reducing step starts from around 220 °C attributed to the decomposition of cellulose and PAE, with the two exothermic peaks at nearly 310 °C and 480 °C Noticeably, at 550 °C, the char residue increases significantly from 0.6% to above 22% after introducing APP In addition, this figure climbs from 22.7 to 27.5% as rising APP content from 10 to 20% Therefore, the presence of APP acts as a catalyst for the dehydration of cellulose to form char, the main cause of flame-retardance [11] 100 80 a) 0% APP 10% APP 15% APP 20% APP 0% APP 10% APP 15% APP 20% APP 60 Heat flow (mW) Weight (%) 80 b) 60 40 20 40 20 -20 -40 0 100 200 300 400 Temperature (oC) 500 600 700 100 200 300 400 500 600 700 Temperature (oC) Figure TGA (a) and DTA (b) curves of cellulose aerogels with various APP contents 20 N T Luon, …, L T K Phung, “Enhanced flame resistance of … for heat insulation.” Nghiên cứu khoa học công nghệ CONCLUSIONS The flame-resistant cellulose aerogel from discarded pineapple leaves was successfully fabricated by a facile and cost-effective method with safe and non-toxic ingredients The obtained aerogels are lightweight (25.5-26.8 mg/cm3), highly porous (98.0-98.2%), and thermally insulating (35.9-36.7 mW/m۰K) The cellulose aerogel with different APP proportions (10-20%) has the same self-extinguishing characteristic and almost no differences in terms of density, porosity, and heat conductivity in comparison with the neat cellulose aerogel Overall, the fabricated aerogel is a good candidate for thermal insulation application The preparation of the flame-resistant cellulose aerogel should be comprehensively studied and optimized for largescale production Acknowledgment: This work was funded by The Vietnam Ministry of Science & Technology (MOST) under project code ĐTĐL.CN-117/21 We also acknowledge the support of time and facilities from Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT), VNU-HCM for this study REFERENCES [1] M O Ansari, A A P Khan, M S Ansari, A Khan, R M Kulkarni, V S Bhamare, "Advances in Aerogel Composites for Environmental Remediation," Elsevier, pp 1-17, (2021) [2] H Zhang et al., "Experimental Characterization of the Thermal Conductivity and Microstructure of Opacifier-Fiber-Aerogel Composite,", Molecules, Vol 23, No 9, (2018) [3] N H N Do et al., "Heat and sound insulation applications of pineapple aerogels from pineapple waste," Materials Chemistry and Physics, Vol 242, p 122267, (2020) [4] A.-R Firatoiu et al., “Study on The Production and Marketing of Pineapples Worldwide,” Proc of the 37th International Business Information Management Association, 1-2 April 2021, Cordoba (2021) [5] M T T Phan et al., "Investigation on Synthesis of Hydrogel Starting from Vietnamese Pineapple Leaf Waste-Derived Carboxymethylcellulose," J of Analytical Methods in Chemistry, Vol 2021 (2021) [6] C T X Nguyen et al., "Nanocellulose from Pineapple Leaf and Its Applications towards High-value Engineering Materials," Chemical Engineering Transactions, Vol 89, pp 19-24, (2021) [7] N H Do et al., "Recycling of pineapple leaf and cotton waste fibers into heat-insulating and flexible cellulose aerogel composites," J of Polymers and the Environment, Vol 29, No 4, pp 1112-1121, (2021) [8] G Liu, "Ammonium Polyphosphate-An Overview with Respect to its Properties, Environmental and Toxicological Aspects," Proc of the 4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering, 18-20 June 2010, Chengdu, pp 1-4, (2010) [9] S Ahankari et al., "Recent developments in nanocellulose-based aerogels in thermal applications: a review," ACS nano, Vol 15, No 3, pp 3849-3874, (2021) [10] S Josset et al., "Microfibrillated cellulose foams obtained by a straightforward freeze–thawing– drying procedure," Cellulose, Vol 24, No 9, pp 3825-3842, (2017) [11] W Yin et al., "Mechanically robust, flame-retardant poly (lactic acid) biocomposites via combining cellulose nanofibers and ammonium polyphosphate," ACS omega, Vol 3, No 5, pp 5615-5626, (2018) [12] M Farooq et al., "Eco-friendly flame-retardant cellulose nanofibril aerogels by incorporating sodium bicarbonate," ACS applied materials & interfaces, Vol 10, No 32, pp 27407-27415, (2018) [13] Y Huang et al., "Flame-retardant polyvinyl alcohol/cellulose nanofibers hybrid carbon aerogel by freeze-drying with ultra-low phosphorus," Applied Surface Science, Vol 497, p 143775, (2019) [14] M Luo et al., "Enhanced thermal insulation and flame-retardant properties of polyvinyl alcoholbased aerogels composited with ammonium polyphosphate and chitosan," International J of Polymer Science, Vol 2021, (2021) [15] Q B Thai et al., "Cellulose-based aerogels from sugarcane bagasse for oil spill-cleaning and heat insulation applications," Carbohydrate polymers, Vol 228, p 115365, (2020) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Nhiệt đới Mơi trường, 12-2022 21 Hóa học & Mơi trường TĨM TẮT Tăng cường tính chống cháy cellulose aerogel ammonium polyphosphate cho ứng dụng cách nhiệt Cellulose aerogel ứng cử viên tiềm cho vật liệu cách nhiệt, nhược điểm chúng tính dễ cháy cản trở việc ứng dụng chúng vào thực tế Nghiên cứu tổng hợp cellulose aerogel từ vi sợi cellulose (MFC) trích xuất từ dứa thải Quy trình tổng hợp vật liệu bắt đầu cách phối trộn trực tiếp sợi MFC với polyamide amine-epichlorohydrin (PAE), chất liên kết ngang hóa học ammonium polyphosphate (APP) (10-20%), chất phụ gia chống cháy an tồn hiệu quả, sau hỗn hợp sấy thăng hoa Các aerogel sau tổng hợp đánh giá đặc trưng chúng hình thái học, độ bền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt, khả chống cháy phương pháp phân tích đại bao gồm kính hiển vi điện tử quét (SEM), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), đo độ dẫn nhiệt thiết bị chuyên dụng đo lưu lượng nhiệt, thử nghiệm đốt theo phương ngang UL94 Vật liệu cellulose aerogel cho thấy khối lượng riêng thấp (25,5-26,8 mg/cm3), độ xốp cao (98,0-98,2%), khả cách nhiệt hiệu (35,9-36,7 mW/m۰K), hồn tồn có khả tự dập tắt cháy Hơn nữa, hàm lượng APP (10-20%) không ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, độ bền nhiệt cellulose aerogel chống cháy so sánh với cellulose aerogel không chứa chất chống cháy Dựa kết thu được, vật liệu tổng hợp cellulose aerogel chống cháy xem vật liệu cách nhiệt có nguồn gốc sinh học đầy hứa hẹn Từ khoá: Vi sợi cellulose; Lá dứa; aerogel; Vật liệu cách nhiệt; Chậm cháy 22 N T Luon, …, L T K Phung, “Enhanced flame resistance of … for heat insulation.” TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L.-Y Long et al., "Cellulose aerogels: Synthesis, applications, and prospects," Polymers, vol 10, no 6, p 623, 2018 [2] M O Ansari et al., "Aerogel and its composites: fabrication and properties," in Advances in Aerogel Composites for Environmental Remediation: Elsevier, 2021, pp 1-17 [3] N Asim et al., "Biomass and industrial wastes as resource materials for aerogel preparation: opportunities, challenges, and research directions," Industrial & Engineering Chemistry Research, vol 58, no 38, pp 1762117645, 2019 [4] M B Sticklen "Plant genetic engineering for biofuel production: towards affordable cellulosic ethanol," Nature reviews genetics, vol 9, no 6, pp 433443, 2008 [5] D Klemm et al., "Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material," Angewandte chemie international edition, vol 44, no 22, pp 33583393, 2005 [6] C Tsioptsias et al., "Development of micro-and nano-porous composite materials by processing cellulose with ionic liquids and supercritical CO2," Green Chemistry, vol 10, no 9, pp 965-971, 2008 [7] Y Habibi et al., "Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications," Chemical reviews, vol 110, no 6, pp 3479-3500, 2010 [8] D Trache et al., "Nanocellulose: from fundamentals to advanced applications," Frontiers in Chemistry, vol 8, p 392, 2020 [9] H Khalil et al., "A review on micro-to nanocellulose biopolymer scaffold forming for tissue engineering applications," Polymers, vol 12, no 9, p 2043, 2020 [10] Y Chen et al., "Recent progress on nanocellulose aerogels: Preparation, modification, composite fabrication, applications," Advanced Materials, vol 33, no 11, p 2005569, 2021 128 [11] H Zhang et al., "Versatile fabrication of a superhydrophobic and ultralight cellulose-based aerogel for oil spillage clean-up," Physical Chemistry Chemical Physics, vol 18, no 40, pp 28297-28306, 2016 [12] K H Ho et al., "Green Fabrication of Bio-based Aerogels from Coconut Coir for Heat Insulation and Oil Removal," Chemical Engineering Transactions, vol 88, pp 709-714, 2021 [13] T Yin et al., "Cellulose-based aerogel from Eichhornia crassipes as an oil superabsorbent," RSC advances, vol 6, no 101, pp 98563-98570, 2016 [14] M Dilamian and B Noroozi "Rice straw agri-waste for water pollutant adsorption: Relevant mesoporous super hydrophobic cellulose aerogel," Carbohydrate polymers, vol 251, p 117016, 2021 [15] A Zaman et al., "Preparation, properties, and applications of natural cellulosic aerogels: a review," Energy and Built Environment, vol 1, no 1, pp 60-76, 2020 [16] Y Kobayashi et al., "Cover Picture: Aerogels with 3D Ordered Nanofiber Skeletons of Liquid‐Crystalline Nanocellulose Derivatives as Tough and Transparent Insulators (Angew Chem Int Ed 39/2014)," Angewandte Chemie International Edition, vol 53, no 39, pp 10253-10253, 2014 [17] I Karadagli et al., "Production of porous cellulose aerogel fibers by an extrusion process," The Journal of Supercritical Fluids, vol 106, pp 105-114, 2015 [18] L Guo et al., "Highly flexible cross-linked cellulose nanofibril sponge-like aerogels with improved mechanical property and enhanced flame retardancy," Carbohydrate Polymers, vol 179, pp 333-340, 2018 [19] C Jiménez-Saelices et al., "Effect of freeze-drying parameters on the microstructure and thermal insulating properties of nanofibrillated cellulose aerogels," Journal of Sol-Gel Science and Technology, vol 84, no 3, pp 475485, 2017 129 [20] L Perez-Cantu et al., "Preparation of aerogels from wheat straw lignin by cross-linking with oligo (alkylene glycol)-α, ω-diglycidyl ethers," Microporous and mesoporous materials, vol 195, pp 303-310, 2014 [21] Y.-Q Li et al., "Lightweight and highly conductive aerogel-like carbon from sugarcane with superior mechanical and EMI shielding properties," ACS Sustainable Chemistry & Engineering, vol 3, no 7, pp 1419-1427, 2015 [22] S Ahankari et al., "Recent developments in nanocellulose-based aerogels in thermal applications: a review," ACS nano, vol 15, no 3, pp 3849-3874, 2021 [23] R M Dos Santos et al., "Cellulose nanocrystals from pineapple leaf, a new approach for the reuse of this agro-waste," Industrial Crops and Products, vol 50, pp 707-714, 2013 [24] L T Thien "Pineapple Cultivation in Vietnam – When and How Farmers Harvest Their Pineapples," Internet: vietnamdriedfruit.com/pineapplecultivation-in-vietnam-when-and-how-farmers-harvest-their-pineapples-softdried-pineapple/, 2020 [25] M Asim et al., "A review on pineapple leaves fibre and its composites," International Journal of Polymer Science, vol 2015, 2015 [26] M Nasir et al., "Nanocellulose: Preparation methods and applications," in Cellulose-reinforced nanofibre composites: Elsevier, 2017, pp 261-276 [27] A A B Omran et al., "Micro-and nanocellulose in polymer composite materials: A review," Polymers, vol 13, no 2, p 231, 2021 [28] D Yang et al., "Switching off PAE wet strength," Nordic Pulp & Paper Research Journal, vol 34, no 1, pp 88-95, 2019 [29] I Aranaz et al., "Chitosan: An overview of its properties and applications," Polymers, vol 13, no 19, p 3256, 2021 [30] D Li et al., "Multifunctional adsorbent based on metal-organic framework modified bacterial cellulose/chitosan composite aerogel for high efficient removal of heavy metal ion and organic pollutant," Chemical Engineering Journal, vol 383, p 123127, 2020 130 [31] M Xiao and J Hu "Cellulose/chitosan composites prepared in ethylene diamine/potassium thiocyanate for adsorption of heavy metal ions," Cellulose, vol 24, no 6, pp 2545-2557, 2017 [32] A M Adel et al., "Microfibrillated cellulose from agricultural residues Part I: Papermaking application," Industrial Crops and Products, vol 93, pp 161174, 2016 [33] K Nie et al., "Preparation and Characterization of Microcellulose and Nanocellulose Fibers from Artemisia Vulgaris Bast," Polymers, vol 11, no 5, p 907, 2019 [34] N H Do et al., "Novel recycling of pineapple leaves into cellulose microfibers by two-step grinding of ball milling and high-speed rotor–stator homogenization," Journal of Polymer Research, vol 29, no 6, pp 1-9, 2022 [35] H Sehaqui et al., "Biomimetic aerogels from microfibrillated cellulose and xyloglucan," in 17th International Conference on Composite Materials, 2009, pp 27-31 [36] W Zhang et al., "Aerogels from crosslinked cellulose nano/micro-fibrils and their fast shape recovery property in water," Journal of Materials Chemistry, vol 22, no 23, pp 11642-11650, 2012 [37] Y Li et al., "Facile cellulose/organosilicon/polydopamine synthesis of composite microfibrillated sponges with flame retardant properties," Cellulose, vol 24, pp 3815-3823, 2017 [38] S Zhou et al., "Sustainable, reusable, and superhydrophobic aerogels from microfibrillated cellulose for highly effective oil/water separation," ACS Sustainable Chemistry & Engineering, vol 4, no 12, pp 6409-6416, 2016 [39] 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 [40] Q Xu et al., "Fabrication of cellulose nanocrystal/chitosan hydrogel for controlled drug release," Nanomaterials, vol 9, no 2, p 253, 2019 131 [41] N H Do et al., "Composite aerogels of TEMPO-oxidized pineapple leaf pulp and chitosan for dyes removal," Separation and Purification Technology, vol 283, p 120200, 2022 [42] S Rizal et al., "Preparation and Characterization of Nanocellulose/Chitosan Aerogel Scaffolds Using Chemical-Free Approach," Gels, vol 7, no 4, p 246, 2021 [43] Y Li et al., "Chitosan/nanofibrillated cellulose aerogel with highly oriented microchannel structure for rapid removal of Pb (II) ions from aqueous solution," Carbohydrate polymers, vol 223, p 115048, 2019 [44] A A Bunaciu et al., "X-ray diffraction: instrumentation and applications," Critical reviews in analytical chemistry, vol 45, no 4, pp 289-299, 2015 [45] F N Tapia "Destruction Feasibility of Perfluorooctanoic Acid (PFOA) and Perfluorooctanesulfonic Acid (PFOS) Via X-Ray Irradiation," Villanova University, 2019 [46] V Vishwakarma and S Uthaman "Environmental impact of sustainable green concrete," in Smart Nanoconcretes and Cement-Based Materials: Elsevier, 2020, pp 241-255 [47] K Plermjai et al., "Extraction and characterization of nanocellulose from sugarcane bagasse by ball-milling-assisted acid hydrolysis," in AIP Conference Proceedings, 2018, vol 2010, no 1: AIP Publishing LLC, p 020005 [48] V Q Hồ Các phương pháp phân tích cơng cụ hố học đại Hà Nội, VN: Đại học Sư phạm, 2009 [49] Y Alqaheem and A A Alomair "Microscopy and spectroscopy techniques for characterization of polymeric membranes," Membranes, vol 10, no 2, p 33, 2020 [50] R C Choudhary et al., "Characterization Methods for Chitosan-Based Nanomaterials," in Plant Nanobionics: Springer, 2019, pp 103-116 132 [51] Q Y Shi G et al., "Controllable synthesis of pomelo peel-based aerogel and its application in adsorption of oil/organic pollutants," R Soc Open Sci, vol 6, p 181823, 2019 [52] Z P Castle JE "Characterization of surface topography by SEM and SFM: problems and solutions," J Phys D Appl Phys, vol 30, no 5, pp 722-40, 1997 [53] B E Jebasingh "Preparation of organic based ternary eutectic fatty acid mixture as phase change material (PCM), optimizing their thermal properties by enriched solar treated exfoliated graphite for energy storage," Materials Today: Proceedings, vol 3, no 6, pp 1592-1598, 2016 [54] N S Khattak et al., "Thermal and rheological study of nanocomposites, reinforced with bi-phase ceramic nanoparticles," Zeitschrift für Physikalische Chemie, vol 233, no 9, pp 1233-1246, 2019 [55] U Laboratories Test for flammability of plastic materials for parts in devices and appliances-UL‐94 Illinois, USA: Underwriters’ Laboratories Inc., 2003 [56] H Chen et al., "Contact angle measurement with a smartphone," Review of Scientific Instruments, vol 89, no 3, p 035117, 2018 [57] X Xu et al., "Extraction and Characterization of Microfibrillated Cellulose from Discarded Cotton Fibers through Catalyst Preloaded Fenton Oxidation," Advances in Materials Science and Engineering, vol 2021, p 5545409, July 2021 [58] Y N Malyar et al., "Microfibrillated Cellulose with A Lower Degree of Polymerization; Synthesis via Sulfuric Acid Hydrolysis under Ultrasonic Treatment," Polymers, vol 15, no 4, p 904, 2023 [59] D.-Y Kim et al., "Preparation of nanocellulose from a kenaf core using Ebeam irradiation and acid hydrolysis," Cellulose, vol 23, no 5, pp 3039-3049, 2016 [60] N H Do et al., "Heat and sound insulation applications of pineapple aerogels from pineapple waste," Materials Chemistry and Physics, vol 242, p 122267, 2020 133 [61] A H Jabbar et al., "Green synthesis and characterization of silver nanoparticle (AgNPs) using pandanus atrocarpus extract," International Journal of Advanced Science and Technology, vol 29, no 3, pp 4913-4922, 2020 [62] V Singh et al., "High thermal conductivity of chain-oriented amorphous polythiophene," Nature nanotechnology, vol 9, no 5, pp 384-390, 2014 [63] M Guo et al., "Novel dual-component microencapsulated hydrophobic amine and microencapsulated isocyanate used for self-healing anti-corrosion coating," Polymers, vol 10, no 3, p 319, 2018 [64] N H Do et al., "Green fabrication of flexible aerogels from polypropylene fibers for heat insulation and oil/water separation," Journal of Porous Materials, vol 28, no 2, pp 617-627, 2021 [65] S S Latthe and A V Rao "Superhydrophobic SiO2 micro-particle coatings by spray method," Surface and Coatings Technology, vol 207, pp 489-492, 2012 [66] A Darmawan et al., "Synthesis and characterization of hydrophobic silica thin layer derived from methyltrimethoxysilane (MTMS)," in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018, vol 299, no 1: IOP Publishing, p 012041 [67] N H Do et al., "Green fabrication of flexible aerogels from polypropylene fibers for heat insulation and oil/water separation," Journal of Porous Materials, vol 28, pp 617-627, 2021 [68] T Obokata and A Isogai "The mechanism of wet-strength development of cellulose sheets prepared with polyamideamine-epichlorohydrin (PAE) resin," Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol 302, no 1-3, pp 525-531, 2007 [69] Y Geng et al., epichlorohydrin/stearic "Further investigation anhydride compatibilizer of polyaminoamide‐ system for wood‐ polyethylene composites," Journal of applied polymer science, vol 99, no 3, pp 712-718, 2006 134 [70] Q Gao et al., "Soybean meal-based wood adhesives enhanced by modified polyacrylic acid solution," BioResources, vol 7, no 1, pp 0946-0956, 2012 [71] G Hayase "Boehmite Nanofiber–Polymethylsilsesquioxane Composite Aerogels: Synthesis, Analysis, and Thermal Conductivity Control via Compression Processing," Bulletin of the Chemical Society of Japan, vol 94, no 1, pp 70-75, 2021 [72] W Yin et al., "Mechanically robust, flame-retardant poly (lactic acid) biocomposites via combining cellulose nanofibers and ammonium polyphosphate," ACS omega, vol 3, no 5, pp 5615-5626, 2018 [73] Y Huang et al., "Flame-retardant polyvinyl alcohol/cellulose nanofibers hybrid carbon aerogel by freeze drying with ultra-low phosphorus," Applied Surface Science, vol 497, p 143775, 2019 [74] S C Dey et al., "Preparation, characterization and performance evaluation of chitosan as an adsorbent for remazol red," International Journal of Latest Research in Engineering and Technology, vol 2, no 2, pp 52-62, 2016 [75] S Lin et al., "Novel antimicrobial chitosan–cellulose composite films bioconjugated with silver nanoparticles," Industrial Crops and Products, vol 70, pp 395-403, Aug 2015 [76] C Qiu et al., "High-efficient double-cross-linked biohybrid aerogel biosorbent prepared from waste bamboo paper and chitosan for wastewater purification," Journal of Cleaner Production, p 130550, 2022 [77] Y Zhou et al., "Efficient removal 17-estradiol by graphene-like magnetic sawdust biochar: Preparation condition and adsorption mechanism," International journal of environmental research and public health, vol 17, no 22, p 8377, 2020 [78] T He et al., "Zr(IV)-based metal-organic framework with T-shaped ligand: unique structure, high stability, selective detection, and rapid adsorption of Cr2O72– in water," ACS applied materials & interfaces, vol 10, no 19, pp 16650-16659, 2018 135 [79] H Ma et al., "Removal of chromium (VI) from water by porous carbon derived from corn straw: Influencing factors, regeneration and mechanism," Journal of Hazardous Materials, vol 369, pp 550-560, 2019 [80] J Gao et al., "Efficient removal of methyl orange and heavy metal ion from aqueous solution by NiFe-Cl-layered double hydroxide," Environmental Engineering Science, vol 35, no 4, pp 373-381, 2018 [81] J Yang et al., "Chemically Dual-Modified Biochar for the Effective Removal of Cr (VI) in Solution," Polymers, vol 14, no 1, p 39, 2021 [82] P Rekha et al., "Unprecedented adsorptive removal of Cr2O72− and methyl orange by a low surface area organosilica," Journal of Materials Chemistry A, vol 4, no 45, pp 17866-17874, 2016 [83] L B Lim et al., "Breadnut peel as a highly effective low-cost biosorbent for methylene blue: equilibrium, thermodynamic and kinetic studies," Arabian Journal of Chemistry, vol 10, pp S3216-S3228, 2017 [84] T Altun et al., "Production of chitosan coated, citric acid modified almond, and hazelnut shell adsorbents for Cr(VI) removal and investigation of equilibrium, kinetics, and thermodynamics of adsorption," Arabian Journal of Geosciences, vol 14, no 6, pp 1-16, 2021 [85] T Shahnaz et al., "Multivariate optimisation of Cr(VI), Co(III) and Cu(II) adsorption onto nanobentonite incorporated nanocellulose/chitosan aerogel using response surface methodology," Journal of Water Process Engineering, vol 36, p 101283, 2020 [86] S Sahu et al., "Modified thorium oxide polyaniline core–shell nanocomposite and its application for the efficient removal of Cr(VI)," Journal of Chemical & Engineering Data, vol 64, no 3, pp 1294-1304, 2019 136 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Tấn Luôn Sinh ngày: 30/09/1999 Nơi sinh: Kiên Giang Địa liên lạc: 901, Hưng Giang, Mỹ Lâm, Hịn Đất, Kiên Giang Q TRÌNH ĐÀO TẠO a Đại học Tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật Hóa Học Loại hình đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ năm: 2017 đến năm 2021 Xếp loại tốt nghiệp: Giỏi b Sau đại học Học cao học từ năm 2021 đến năm 2023 Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa Học Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 11/2021 đến 12/2022: Chuyên viên nghiên cứu Trung tâm Nghiên cứu Cơng nghệ Lọc – Hóa dầu