Các nghiên c ut ng hp carbon aerogel ng d ng hp ph

1.3.1. ng d ng trong h p ph khí

Ọ nhi m khơng khí do phát th i m t s h p ch t h u c d bay h i nguy h i (VOCs) vào khí quy n t các ngành cơng nghi p ho c khí th i c a xe c gi i c ng gây ra các v n đ môi tr ng nghiêm tr ng. Các ch t ơ nhi m khơng khí ph bi n nh t c n đ c ki m soát là benzene, toluene, ethylbenzene và xylene còn đ c g i là “BTEX’’. H i c a các ch t h u c này có th gây ung th và gây h i nghiêm tr ng cho s c kh e con ng i. H p ph là cách ph bi n nh t đ lo i b h i các h p ch t bay h i này kh i khí quy n. Trong s các ch t h p ph khác nhau, các v t li u x p có kích th c l x p micro/meso v i s phân b kích th c l x p khít nhau, di n tích b m t riêng cao và hóa h c b m t l x p có th thay đ i đ c, đư đ c báo cáo là m t l a ch n thay th t t h n v i kh n ng h p th cao. Nh đó, aerogel có th đáp ng các yêu c u h p ph m t cách d dàng và ng d ng c a chúng trong vi c lo i b các ch t ơ nhi m đ c h i nói trên là r t h a h n [100].

19

Carbon aerogels đ c Wu báo cáo n m 2006 là m t v t li u t t đ h p ph h i toluene v i kh n ng tái s d ng v t tr i [100, 101]. Kh n ng h p ph toluene t i đa c a carbon aerogels v i kích th c l x p đ c ki m soát là 1180 mg/g và kh n ng gi i h p ph hoàn toàn 400°C [102]. i v i s h p ph c a BTXE trên carbon aerogels, các vi l có kích th c kho ng 1.05 nm đư đóng góp ph n l n vào q trình h p ph BTXE. Vì v y vi c ki m sốt kích th c l x p c a carbon aerogels r t quan tr ng đ i v i các ng d ng h p ph .

Các v t li u carbon aerogels có kh n ng h p ph cao đ i v i m t s phân t h u c nh methanol, acetone, xiclohexane, benzene; l ng h p ph t i đa l n l t là 1605, 1435, 1584 và 1750 mg/g. T c đ h p ph đ i v i h i h u c cao h n nhi u so v i t c đ h p ph đ i v i than ho t tính d ng h t nh ng g n v i t c đ h p ph trên s i than ho t tính.

Li và c ng s đư báo cáo m t quá trình đ ch t o m t carbon aerogel pha nitrogen (NCA). NCA có các đ c tính k t c u t t, ch ng h n nh di n tích b m t riêng l n (2.356 m2/g), th tích l x p l n (1.12 cm3/g), đ x p l n (70%) và kh i l ng riêng th p (5 mg/cm3). M u đ c ch t o đư h p th m t l ng đáng k CO2 [103].

Ngoài ra carbon aerogels là ch t h p ph có ti m n ng đáng k , vì đ c đi m c u t o c a chúng có th đ c đi u ch nh b ng cách ki m soát n ng đ , t l và b n ch t c a ch t ph n ng và ch t xúc tác trong các công th c ban đ u đ c s d ng và t t c các b c chu n b . Nh ng v t li u carbon m i này thu đ c b ng cách carbon hóa aerogel h u c , th ng đ c đi u ch t h n h p resorcinol- formaldehyde b ng quá trình sol-gel. Sau khi thu đ c, aerogel carbon có th đ c ho t hóa đ phát tri n đ x p h n n a.

N m 2006, carbon aerogels đ c nghiên c u nh v t li u h p ph khí, c th là benzene và xylene. M t carbon aerogel thu đ c b ng cách carbon hóa m t aerogel h u c đ c đi u ch b ng cách trùng h p sol-gel c a resorcinol và formaldehyde trong n c. Sau đó, aerogel carbon đ c ho t hóa CO2 800°C đ t ng di n tích b m t và m r ng đ x p. Di n tích b m t riêng SBET c a các m u carbon aerogel t 814 đ n 1622 m2/g, th tích l x p t 0.32 đ n 0.67 cm3

20

N m 2007, m i ba m u carbon aerogels nguyên kh i v i k t c u l x p khác nhau đ c Maldonado-Hosdar s d ng làm ch t h p ph toluene. Quá trình h p ph đ c th c hi n trong c đi u ki n t nh và đ ng. Trong đi u ki n t nh 25C, kh n ng h p ph cao t i 1180 mg/g đư đ t đ c. H p ph toluene là m t quá trình thu n ngh ch trong t t c các m u aerogel, và toluene b h p ph đ c thu h i hoàn toàn b ng cách nung chúng 400C. Các ch t h p ph đ c tái sinh cho th y di n tích b m t và chi u r ng vi l l n h n so v i các m u ban đ u, cho th y r ng khơng có s t c ngh n l x p nào đ c t o ra. S h p ph trong đi u ki n đ ng 100C c ng hoàn toàn thu n ngh ch sau ít nh t ba chu k h p ph - gi i h p ph liên ti p. Các m u carbon aerogel (t resorcinol và formaldehyde) đ c s d ng trong nghiên c u này có di n tích b m t riêng SBET > 400 m2/g và ng v i SBET = 1048 m2/g cho k t qu h p ph toluene t t nh t [102].

N m 2017, Can đư nghiên c u h p ph CO2 b ng nhi u v t li u aerogel khác nhau, trong đó có carbon aerogel t resorcinol và formaldehyde. K t qu phân tích c u trúc v t li u cho th y carbon aerogel có di n tích b m t riêng l n lên t i 900 m2/g, đ ng kính l trung bình là 16 nm và di n tích b m t l x p kích th c micro là 342 m2/g. Kh n ng h p ph CO2 c a carbon aerogel là 20% áp su t 1 bar và h n 95% áp su t l n h n 20 bar. Aerogel có th cung c p gi i pháp cho vi c thu gi CO2đ cô l p c ng nh tách CO2 kh i tr l ng khí đ t t nhiên [88].

Các v t li u composite ngày nay c ng đư đ c nghiên c u r ng rưi, do đó carbon aerogel có th k t h p v i nhi u lo i v t li u khác nhau đ mang l i hi u qu cao h n. Trong đó có các lo i v t li u t ng h p nh là carbon nanotubes/carbon aerogels, graphene/carbon aerogels, s i gia c carbon aerogels, …

G n đây, v t li u t ng h p carbon-silica đ c Liao t ng h p b ng ph ng pháp sol-gel d a trên vi c đi u ch aerogel k n c vào n m 2020. i u ki n chu n b là pH c a h ph n ng ph i là 5.5, th i gian đi u ch nh k n c ph i là 50 gi và li u l ng than ho t tính ph i là 2% tr ng l ng. Di n tích b m t riêng c a nó là 725 m2/g, kích th c l trung bình là 3.5 nm và t ng th tích l là 0.67 cm3

/g [104]. Carbon aerogel đư đ c quan tâm nghiên c u trong l nh v c h p ph khí, tuy nhiên v n ch a có nhi u cơng b . Do đó, carbon aerogel là v t li u ti m n ng đ

21

ng d ng làm v t li u l c khí nói chung và ng d ng cho t m l c khí c a m t n phịng hóa nói riêng. Các thơng s phù h p đ s d ng carbon aerogel làm v t li u l c khí là: di n tích b m t riêng t 400-2000 m2/g, th tích l x p t 0.3-1.5 cm3/g, đ ng kính l x p 2-10 nm và ngu n carbon có th t các h p ch t h u c , cellulose, biomass,…

1.3.2. ng d ng trong x lý n c

Tách các h p ch t d u/n c

Trong nh ng th p k g n đây, tai n n rò r d u và tràn d u đư tr thành m t trong nh ng m i quan tâm hàng đ u v môi tr ng v i vi c khai thác d u thô đang phát tri n nhanh chóng. Vi c tách d u / n c có ch n l c là r t mong mu n đ l y l i các ngu n d u quỦ giá. Do đó, vi c phát tri n các ch t h p ph d u ch n l c, hi u qu và thân thi n v i môi tr ng đ tách d u / n c là vô cùng c p thi t. Kh n ng h p ph d u ch n l c ch y u đ c xác đ nh b i hai đ c tính c a ch t h p ph . u tiên là tính k n c b m t, đ k n c b m t càng cao thì kh n ng h p ph c nh tranh c a n c càng kém. ng th i, tính k n c cao d n đ n vi c hút d u t phát. Tính k n c c a b m t có th đ c c i thi n b ng cách đi u ch nh các nhóm ch c b m t và thi t k h p lỦ các k t c u b m t phân c p. Th hai là m t đ c a carbon aerogel. M t đ đ c xác đ nh b i đ x p và các l x p cung c p không gian đ l u tr các lo i d u h p ph . Do đó, t tr ng t l ngh ch v i kh n ng h p ph . Nói m t cách d hi u, ch t h p ph áp d ng đ tách d u / n c có ch n l c ph i có các đ c đi m sau: t tr ng th p và đ x p cao, n ng l ng b m t th p và tính k n c cao, đ b n c h c m nh, kh n ng tái s d ng ch t t và kh n ng m r ng quy mô l n.

Carbon aerogel th ng đ c s d ng làm ch t h p ph ch n l c đ tách d u/n c do các đ c tính n i t i. Các nhóm ch a oxy và hydro trong aerogel b phân h y trong q trình cacbon hóa, đ l i c u trúc graphit, đ c c u t o ch y u b i cacbon sp2 n ng l ng b m t th p. Wang và c ng s đư ch t o aerogel cacbon giàu nit b ng cách s d ng b t poly (melamine formaldehyde) làm ti n ch t. K t qu là aerogel có kh n ng h p ph ch n l c d u t n c lên đ n 158 l n tr ng l ng c a chính nó. Trong khi đó, aerogel có th d dàng tái ch do đ c tính ch u

22

l a và ch u nén. Chen và c ng s đư đi u ch m t carbon aerogel m i b ng cách carbon hóa tr c ti p b t melamine. Aerogel th hi n đ x p cao (h n 99.6%), kh i l ng riêng th p (5 mg/cm3), di n tích b m t riêng cao (268 m2/g), và các đ c tính h p th tuy t v i đ i v i d u và dung môi h u c (g p 148 đ n 411 l n tr ng l ng c a chính nó ).

G n đây, v t li u sinh kh i (th m chí c v t li u cacbon th i) đư đ c chuy n đ i thành carbon aerogel k n c và đ c s d ng đ tách d u/n c. Li và c ng s đư t ng h p m t carbon aerogel b ng cách nhi t phân các s i bông c a cây d ng có c u trúc hình ng. K t qu là carbon aerogel cho th y hi u su t h p ph tuy t v i , kh n ng h p th c a d u lên đ n 161 l n kh i l ng c a chính nó [91].

Lo i b các ion kim lo i n ng

Các ion kim lo i n ng, bao g m crom (Cr), đ ng (Cu), Chì (Pb), th y ngân (Hg), mangan (Mn), cadimi (Cd), niken (Ni), k m (Zn) và s t (Fe)... c ng là m t trong nh ng ch t gây ô nhi m nghiêm tr ng trong môi tr ng n c. Và chúng ch y u đ c th i ra t khí th i và n c th i công nghi p. Kim lo i n ng đ c bi t đ n v i đ c tính cao và kh n ng gây ung th cho con ng i, và chúng có th t n t i lâu dài trong mơi tr ng sinh thái do tính khơng phân h y sinh h c [105]. Do đó, c n lo i b các ion kim lo i n ng kh i môi tr ng b ô nhi m. Trong s các ph ng pháp x lỦ khác nhau, h p ph là cách ti p c n phù h p nh t v i nhi u l i th [106]. lo i b kim lo i n ng, c ch ch y u d a trên s h p ph v t lỦ, và kh n ng h p ph b nh h ng nghiêm tr ng b i các nhóm ái l c b m t c a ch t h p ph . Khác v i s phân tách d u/n c, càng có nhi u nhóm a n c ch a N, O, S, P trên b m t ch t h p ph thì kh n ng h p ph kim lo i n ng càng m nh.

Carbon aerogel đ c s d ng r ng rưi trong quá trình h p ph kim lo i n ng vì c u trúc x p c a chúng, di n tích b m t riêng l n, đ x p cao và quan tr ng nh t là các nhóm ch c b m t có th ki m soát đ c. Meena và c ng s đư th c hi n h p ph b y lo i kim lo i n ng (Cd, Pb, Hg, Cu, Ni, Mn và Zn) b ng cách s d ng aerogel carbon (carbon hóa t aerogel resorcinol formaldehyde (RF)). Kh n ng h p ph ph thu c vào, nhi t đ , li u l ng ch t h p ph , n ng đ và th i gian ti p xúc. Ng i ta đư ch ng minh r ng quá trình trao đ i ion và t o ph c là nh ng c ch

23

chính. Kh n ng h p ph cao nh t thu đ c đ i v i Cd (II) (400.8 ml/g) trong khi dung l ng th p nh t đ i v i Pb (II) (0.70 m1/g). S khác bi t là do ái l c hóa h c khác nhau và kh n ng trao đ i ion c a các ion kim lo i n ng khác nhau đ i v i các nhóm ch c h p th . Ngồi ra, mơ hình Langmuir có th đ c s d ng đ gi i thích đ ng h c th p ph c a t t c các ion kim lo i, minh h a r ng các phân t t o thành m t l p đ n l p trên b m t ch t n n v i các t ng tác t i thi u và n ng l ng h p ph là b ng nhau cho t t c các v trí [91].

Trong nh ng n m ti p theo, các nhà khoa h c t p trung vào nghiên c u cách c i thi n hi u su t h p ph c a carbon aerogel trên các ion kim lo i n ng, bao g m t ng đ x p và di n tích b m t riêng, thay đ i thành ph n b m t và khám phá các v trí ho t đ ng c a v t li u. Petra và c ng s đư t ng h p carbon aerogel ph N s d ng NH3 h tr q trình ho t hóa và carbon aerogel đ c s d ng đ lo i b các ion Cu (II) và PB (II). H phát hi n ra r ng di n tích b m t riêng, di n tích b m t l x p micro và th tích l x p micro đư t ng trong quá trình nhi t phân s d ng

NH3, và hàm l ng oxy c a các m u đ c ph N cao h n so v i các m u thông

th ng. H n n a, tính a n c cao h n đ i v i carbon aerogel ph N, và kh n ng h p ph đư đ c c i thi n 2-6 l n so v i các m u thông th ng [107]. T ng t , Alatalo và c ng s đư t ng h p m t aerogel cacbon ph N b ng cách s d ng protein làm ngu n N t nhiên và tác nhân đ nh h ng c u trúc, carbon aerogel đ c ng d ng đ lo i b ion Cr (VI) và Pb (II) trong n c th i. Carbon aerogel ph N cho th y kh n ng siêu h p th c Cr (VI) (kho ng 68 mg/g) và Pb (II) (kho ng 240 mg/g) [106].