Lúa là một trong những cây lƣơng thực trên thế giới, sau khi chế biến thành phẩm là gạo thì còn lại sản phẩm phụ là trấu chiếm khối lƣợng rất lớn, trấu là phế phẩm nông nghiệp vậy làm nhƣ thế nào để xử lí chúng triệt để. Các nhà khoa học đã nỗ lực đốt trấu và tận dụng tro trong củi trấu, gỗ, thiết bị lọc nƣớc và làm điện cực cho pin Lithium-ion. Đặc biệt, trong tro vỏ trấu hàm lƣợng silica vô cùng lớn có thể dùng trong nhiều lĩnh vực chế tạo bê tông, chất phụ gia, chất xúc tác hỗ trợ, hóa dầu, chất tẩy trắng, cao su tăng cƣờng, mực in, chất làm đặc, kim loại mềm, chất đánh bóng, chất độn cách nhiệt, mỹ phẩm cao cấp đóng gói, y học, bảo vệ môi trƣờng, bê tông siêu nhẹ, trong phân bón nông nghiệp,…… Qua đó thấy đƣợc trong những năm gần đây con ngƣời rất cố gắng tận dụng phế phẩm nông nghiệp để trích xuất silica và nghiên cứu các ứng dụng của nó.
1.2.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam – khu vực Đông Nam Á với nền nông nghiệp lúa nƣớc phát triển trên thế giới, Lê Văn Hải và cộng sự đã tận dụng tro vỏ trấu để tổng hợp vật liệu SiO2 kích thƣớc micro và nano và ứng dụng làm vật liệu xây dựng. Nano silica có kích thƣớc đồng đều đƣợc điều chế qua 2 giai đoạn: đầu tiên vỏ trấu đƣợc xử lý nhiệt để tạo thành tro trấu (RHA), sau đó nano silica đựợc tạo thành bằng phƣơng pháp sol – gel từ RHA. Sản phẩm thu đƣợc dƣới dạng bột silica vô định hình có kích thƣớc trung bình khoảng 15 nm. Quy trình tổng hợp có thể ứng dụng đƣợc sản xuất silica kích thƣớc nanomet có nguồn gốc từ chất thải nông nghiệp là vỏ trấu [31].
Đình Cƣờng và cộng sự Viện hóa học và Công nghệ Việt Nam bằng phƣơng pháp sol-gel đã tổng hợp đƣợc các hạt nanosilica từ TEOS với xúc tác bazơ, các hạt silica hình thành ở dạng vô định hình, kích thƣớc hạt trung bình khoảng 50 - 100 nm. Nanosilica làm tăng mô đun trữ động học và độ bền nhiệt của EVA. Chất tƣơng hợp EVAgMA có thể cải thiện khả năng phân tán và tƣơng tác của nanosilica với nền EVA, do đó góp phần tăng đáng kể giá trị mô đun trữ động học và độ bền nhiệt của vật liệu nanocompozit EVA/silica [32].
Đậu Trần Ánh Nguyệt và cộng sự bằng sự ngƣng tụ các phân tử silica từ tiền chất tetraorthosilicate (TEOS) lên chất định hƣớng cấu trúc cetyltrimethyl-amonium bromide (CTAB) trong môi trƣờng kiềm (pH= 9-12) với dung môi là nƣớc khử ion và nung ở nhiệt độ 550oC trong 5 giờ. Thu đƣợc các hạt silica có dạng hình cầu với kích thƣớc 80-140 nm, đƣờng kính lỗ xốp 2-5 nm, SBET = 986,683 m2/g-1. Kết quả đánh giá tính năng hấp phụ rhodamine B của vật liệu MCM-41 cho thấy giá trị dung lƣợng hấp phụ cao nhất là 299,696 mg/g, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng của vật liệu này làm chất
truyền tải và phân phối thuốc trúng đích. và phân phối thuốc trúng đích [33]. Nguyễn Trí Tuấn cộng sự tại trƣờng Đại Học Cần Thơ đã tổng hợp hạt nano SiO2 từ tro vỏ trấu bằng phƣơng pháp kết tủa. Kết quả, những hạt nano SiO2 chế tạo đƣợc có pha vô định hình và kích thƣớc hạt trung bình khoảng 15 nm [34].
Nguyễn Văn Hƣng và cộng sự bằng cách sử dụng dung dịch natri hydroxit để tạo ra dung dịch natri silicat và sau đó đƣợc kết tủa bằng cách thêm dung dịch HCl cho đến khi giá trị pH khoảng 3. Với điều kiện tối ƣu Điều kiện tổng hợp tối ƣu để điều chế các hạt nano SiO2 theo tỷ lệ trọng lƣợng tƣơng ứng RSA/NaOH = 1/2,4 và sản phẩm đƣợc nung ở 550 o
C trong 2 giờ. Trong điều kiện này, bột SiO2 thu đƣợc là hệ tinh thể đơn tà, cấu trúc trung tính và diện tích bề mặt riêng lớn (258,3 m2/g) [35]. Đồng thời, đã đánh giá đƣợc một số yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình hấp phụ xanh metylen trong dung dịch nƣớc trên bột nano SiO2. Kết quả cho thấy, quá trình hấp phụ phù hợp theo cả hai mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich với các hằng số hấp phụ cân bằng tƣơng ứng là 0,604 và 8,515. Vật liệu SiO2 có ái lực hấp phụ vật lý mạnh đối với xanh metylen (qmax = 20,41 mg/g và hiệu suất hấp phụ lớn hơn 90 % ở nồng độ đầu của xanh metylen là 40 mg/l) [35].
Chu Tiến Dũng tại trƣờng Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải tổng hợp các mẫu hạt nano silica tạo thành có cấu trúc vô định hình, xốp, khá tinh khiết với hình dạng gần cầu có kích thƣớc trung bình thay đổi từ 59 nm đến 172 nm [36]. Các hạt nano silica này hứa hẹn sẽ là những vật liệu phụ gia siêu liên kết tạo thành các hệ vật liệu bê tông mới có tính chất cơ học nổi trội với khả năng chịu nén, chịu uốn và môđun đàn hồi cao. Bên cạnh đó, với tính chất xốp nhẹ của từng hạt nano silica giúp cho có thể tạo ra những vật liệu bê tông nhẹ, cƣờng độ cao trong tƣơng lai [36].
Hoàng Thị Phƣơng và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanosilica phục vụ quá trình thu hồi dầu trong khai thác và vận chuyển thu gom dầu thô tại Việt Nam theo phƣơng pháp hóa ƣớt, đồng thời đánh giá ảnh hƣởng của nồng độ chất hoạt động bề mặt cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) đến cấu trúc của vật liệu nanosilica. Quá trình nghiên cứu đã lựa chọn đƣợc mẫu nanosilica có nồng độ 5% CTAB tại pH là 9,5, thời gian phản ứng trong 1 giờ và nhiệt độ là 550o
C có khả năng hấp phụ dầu lớn (có diện tích bề mặt riêng lớn SBET = 158,862m2/g, tỷ trọng khối thấp 0,2312g/cm3). Kết quả đánh giá các thông số của quá trình hấp phụ dầu thô Bạch Hổ cho thấy tại điều kiện nhiệt độ 30oC trong 1 giờ, 1g vật liệu nanosilica có khả năng hấp phụ đƣợc 9,27g dầu thô [37].
Vũ Thị Hải Vân cũng tiến hành nghiên cứu tổng hợp và đặc trƣng nanocompozit silica/polypyrol định hƣớng ứng dụng trong lớp phủ hữu cơ bảo vệ chống ăn mòn bằng phƣơng pháp in-situ, đã tổng hợp thành công nanocompozit silica/polypyrol trong dung môi nƣớc nanocompozit thu đƣợc có dạng hình cầu, đƣờng kính từ 50-100 nm. Kết quả nghiên cứu cho thấy nanocompozit silica/polypyrol có khả năng dịch chuyển thế ăn mòn về vùng anot, có tác dụng ức chế ăn mòn cho thép cacbon [38].
Phạm Phƣớc Nhẫn và Diệp Ngọc Liên ở Khoa Nông nghiệp và Sinh học Ứng dụng, Trƣờng Đại học Cần Thơ cũng Nghiên cứu ảnh hƣởng của natrisilicate và calcisilicate lên tính chống chịu mặn trên lúa OM4900 trồng trong chậu. Kết quả cho thấy khi bổ sung silic cho lúa OM4900 trong điều kiện bị nhiễm mặn có tác dụng làm gia tăng chiều cao cây lúa ở giai đoạn trƣớc 60 ngày sau khi sạ nhƣng không có tác dụng làm gia tăng số chồi và hàm lƣợng các sắc tố quang hợp [39].
trƣớc bằng ethanol và đƣợc tác dụng với 18% natri hydroxit ở nhiệt độ cao để chiết xuất lignin và silica. Silica đƣợc kết tủa khi dùng axit sunfuric 30% đến pH 11,5 và tiến hành rửa mẫu cho đến khi pH=3 cho kết tủa lignin. Kết tủa sau đó đƣợc lọc, rửa, sấy khô và phân tích. Bột silica thu hồi đƣợc đốt ở 575 ° C trong 6 giờ để thu đƣợc tro, sau đó đƣợc hòa tan bằng cách sử dụng dung dịch natri hydroxit đến pH=8 dƣới nhiệt và đƣợc lọc để loại bỏ các thành phần không hòa tan. Các dung dịch đã lọc đƣợc pha loãng bằng axit sulfuric để kết tủa silica. Keo silica đƣợc ly tâm, và sấy khô để xác định năng suất và phân tích các đặc tính của sản phẩm. Qua các phép đo cho thấy rằng sản phẩm ở dạng vô định hình có độ tinh khiết cao kết tụ bột silica ở kích thƣớc 6-8 micromet [40].
Theo Lê Văn Hải và cộng sự, tro trấu (RHA) đƣợc tổng hợp bằng trấu khi xử lý nhiệt ở điều kiện tối ƣu ở 600°C trong 4 giờ. Silica từ RHA đƣợc chiết xuất sử dụng dung dịch natri hydroxit để tạo ra dung dịch natri silicat và sau đó kết tủa bằng cách thêm axit H2SO4 ở pH = 4 sau đó rửa mẫu bằng hỗn hợp nƣớc / butanol. Và xác định điều kiện tối ƣu để sản xuất các hạt nano silica đồng nhất, các hiệu ứng độ che phủ bề mặt, nhiệt độ lão hóa và thời gian lão hóa đã đƣợc nghiên cứu. Bằng các phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét và điện tử, kính hiển vi điện tử truyền qua, sản phẩm silica thu đƣợc là vô định hình và tính đồng nhất cao và ở kích thƣớc trung bình 3nm và kết quả BET cho thấy bề mặt riêng của mẫu cao nhất khoảng 340 m2 /g [41].
1.2.4.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
R. Yuvakkumar đã nghiên cứu, chế tạo bột nano silica với độ tinh khiết cao, kích thƣớc hạt nhỏ và diện tích bề mặt lớn đƣợc tách chiết từ tro trấu bằng dung dịch kiềm, theo phƣơng pháp kết tủa. Hàm lƣợng silica cao nhất
(99.9%) đạt đƣợc ở nồng độ NaOH 2.5N, kích thƣớc hạt trung bình là 25nm, diện tích bề mặt riêng là 274m2/g-1, đƣờng kính mao quản trung bình là 1,46nm [42].
B. Gorji và cộng sự áp dụng quá trình sol-gel để điều chế nano silica gel. Các hạt nano silica đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp hóa học từ tetraethylorthosilicate (TEOS), polyetylen glycol 5% và axit clohydric 0,001 N. Tổng hợp các điều kiện tối ƣu để điều chế các hạt nano silica ở dạng vô định hình kích thƣớc khoảng 34 nm, độ tinh khiết cao [43].
Majid Monshizadeh và cộng sự đã tổng hợp và biến tính nano silica từ tro trấu bằng phƣơng pháp kết tủa. Bột nano silica tổng hợp từ tro trấu đƣợc tách chiết bằng dung dịch NaOH 2.5N có hàm lƣợng SiO2 cao nhất, hạt nano silica có kích thƣớc 10-30nm, ở dạng vô định hình [44].
Ayesha Mushtaq và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp siêu âm hạt nano Silica hình cầu (50- 100nm) bằng phƣơng pháp Stober đã tối ƣu bằng cách sử dụng Tetraethylorthosilicate làm tiền chất. Các hạt nano silica tổng hợp đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu ảnh hƣởng của chúng đối với lúa mì đƣợc trồng dƣới stress mặn. Hạt lúa mì đƣợc mồi trong nƣớc cất (đối chứng) và trong hai nghiệm thức T1 (SiNps 100nm) và T2 (SiNps 50nm). Sự nảy mầm của hạt giống tăng từ 68% (đối chứng) lên 81% (T1) và 88% (T2). đƣợc trồng trong Hydroponics trong môi trƣờng Hoagland trong điều kiện đƣợc kiểm soát trong điều kiện không nhiễm mặn và môi trƣờng nƣớc muối (100 Mm NaCl). Tất cả các thông số tăng trƣởng (chiều dài rễ & chồi, trọng lƣợng thực vật và diệp lục hàm lƣợng) đã giảm trong môi trƣờng mặn còn hạt giống tăng cƣờng hạt nano silica, trong đó cho thấy tiềm năng của hạt nano silica phá vỡ sự ngủ nghỉ của hạt giống và cải thiện sự phát triển của lúa mì chịu áp lực mặn [45].
Megahed M. Amer và các cộng sự đã nghiên cứu về cây ngô và câu đậu cho thấy sự ảnh hƣởng tích cực của nano-silica có cao hơn giá trị với không áp dụng nanosilica dƣới tƣới bởi mức độ mặn khác nhau nƣớc Trong số bón bốn liều nano-silica ở các mức khác nhau (0, 100, 200 và 300 mg/L-1), bón ở 300 mg/ L-1 nano-silica thì cây trồng cho năng suất cao nhất. Dựa trên về những kết quả này, có thể kết luận rằng 300 mg/L-1 của huyền phù nano-silica là nồng độ lý tƣởng mà cây ngô và đậu faba nên đƣợc bón dƣới dạng tƣới để tăng cƣờng tính chống mặn [46].
W.A.P.J. Premaratne và cộng sự đã tổng hợp nanosilica bằng phƣơng pháp kết tủa hóa học từ thóc tro trấu (PHA) và tối ƣu hóa bề mặt của nano silica với axit oleic (C18H34O2 ). Quét hiển vi điện tử cho dữ liệu hình ảnh vi mô (SEM) cho thấy kích thƣớc hạt nanosilica nằm trong khoảng 50-70 nm và chúng ở dạng kết tụ. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) cho kết quả nanosilica tổng hợp ở dạng vô định hình với đỉnh rộng ở 22,14o (2 θ). Dữ liệu quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) xuất hiện nhóm silanol liên kết hydro và nhóm siloxan trong nanosilica [47].
Nittaya Thuadaij và Apinon Nuntiya đã trình bày các bƣớc tổng hợp nano silica từ tro trấu bằng việc tách chiết bằng dung dịch kiềm NaOH với đƣờng kính hạt trung bình là 5 - 10nm, diện tích bề mặt riêng là 656m2
/g, và nano silica ở dạng vô định hình [48].
Suzimara Rovani và cộng sự đã tổng hợp hạt nano silica (SiO2 NP) từ ruộng mía ở Brazil với tro mía thải (SWA), là một nguồn giàu Si. Nghiên chỉ ra rằng phƣơng pháp sản xuất SiO2 NPs cao tinh khiết từ SWA. Kết quả cho thấy hàm lƣợng SiO2 là 88,68 và 99,08% trọng lƣợng đối với các NP SWA và SiO2 tƣơng ứng. TEM hình ảnh của SWA và các NP SiO2 thể hiện sự thay đổi mạnh mẽ của kích thƣớc vật liệu, từ vài micromet đến nhỏ hơn 20 nm. SiO2
NPs có diện tích bề mặt cụ thể là 131 m2/ g −1 và khả năng hấp phụ của khoảng 230 mg/ g −1 cho thuốc nhuộm màu da cam axit. Hơn nữa, việc tái chế chất hấp phụ SiO2NPs sau khi hấp phụ AO8 rất thỏa đáng, có thể sử dụng lại lên đến năm chu kỳ. Kết quả chỉ ra rằng có thể thu đƣợc silica tinh khiết cao trong kích thƣớc nano từ vật liệu thải và tạo ra chất hấp phụ có khả năng hấp phụ cao và khả năng tái sử dụng [49].
Elvis A. Okoronkwo và cộng sự đã tổng hợp silica từ tro lõi ngô thông qua phƣơng pháp sol-gel và tạo cấu trúc nano với khái niệm tạo khuôn mẫu tạo ra hạt nano silica. Hàm lƣợng silica và khoáng chất của CCA đƣợc xác định bởi huỳnh quang tia X (XRF). Các mẫu nhiễu xạ tia X (XRD) cho thấy bản chất vô định hình silica đã tổng hợp. Qua giản đồ phổ hồng ngoại (FTIR) chỉ ra sự hiện diện của nhóm siloxane và nhóm silanol. Nhiễu xạ tia X (XRD) của silica cho ta biết kích thích hạt nano trung bình 54nm. Qua nghiên cứu kính hiển vi điện tử quét / quang phổ tia X tán sắc năng lƣợng (SEM / EDS) chỉ ra các hạt sở hữu hình thái rối loạn với các hạt gắn liền với nhau thông qua ranh giới hạt để hình thành cấu trúc kết tụ và phân tích SEM cho thấy kích thƣớc hạt thay đổi từ đƣờng kính 44nm - 98nm, với đƣờng kính trung bình 55nm. Phổ EDS xác nhậnc chất tổng hợp đƣợc là SiO2 với độ tinh khiết cao [50].
Tại Trung Java, Indonesia, do tình trạng khan hiếm nƣớc và bệnh đạo ôn. Adha Fatmah Siregar và cộng sự đã đƣợc tiến hành để đánh giá tác dụng của silica trong quá trình giữ nƣớc với liều lƣợng bón (với 500 kg silica gel /ha) vào việc cải thiện năng suất và tăng trƣởng lúa và nhiễm bệnh đạo ôn ở Jakenan, Trung Java. Thử nghiệm ngẫu nhiên với 4 lần lặp lại cho các kết quả thấy hai phƣơng pháp tiết kiệm nƣớc, intermittent (IT) và aerobic rice (AR) làm tăng năng suất lúa so với quản lý nƣớc lũ thông
thƣờng. Hơn nữa, IT cho thấy sự tăng trƣởng gốc tốt hơn và do đó sức đề kháng và giảm nhiễm bệnh đạo ôn. IT có tiềm năng năng suất cao hơn so với AR mặc dù năng suất của IT và AR không khác nhau về mặt thống kê. Ứng dụng Si cho hiệu quả rõ rệt trong việc giảm bệnh đạo ôn và cổ nhiễm trùng và cũng làm tăng mật độ khí khổng (p <0,01) trong tất cả các phƣơng pháp giảm thoát hơi nƣớc. Ứng dụng Si không dẫn đến tăng năng suất nhƣng thể hiện tiềm năng theo hƣớng cải thiện tăng trƣởng và sản xuất cây lúa. Kể từ khi bón phân Si kết hợp với IT trong canh tác lúa ở Indonesia cho năng suất lúa tăng cao vào mùa khô hơn [51].
Munasir và cộng sự tiến hành tổng hợp hạt nano SiO2 từ cát silic (từ Bancar, Tuban, Indonesia) đã đƣợc tiến hành bằng phƣơng pháp hai phƣơng pháp khác nhau, tức là phƣơng pháp khô (phƣơng pháp 1) và quy trình thủy nhiệt (phƣơng pháp 2). Sự khác biệt cơ bản giữa hai phƣơng pháp là trong bƣớc trích xuất. Hai phƣơng pháp đƣợc so sánh về hiệu quả, kinh tế và ƣu việt