3.2. Đặc trưng vật liệu
3.2.1. Kết quả phép đo nhiễu xạ tia X (XRD)
Hình 3. 2 Giản đồ XRD của các mẫu aerogel cellulose với khối lượng cellulose khác nhau
33
Từ kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X (XRD), có thể nhận thấy các peak đặc trưng của aerogel cellulose tại các góc 2θ = 16-17˚ đặc trưng cho mặt phản xạ (101), 19-20˚ đặc trưng cho các pha vơ định hình, góc 22˚ đặc trưng cho mặt phản xạ (200). Các giản đồ XRD có hàm lượng cellulose khác nhau đều xuất hiện các peak đặc trưng của aerogel cellulose. Cường độ các peak tăng dần khi tăng khối lượng cellulose, điều này có thể giải thích khi tăng hàm lượng cellulose trong mẫu aerogel thì độ tinh thể của các mẫu tăng lên.
3.2.2. Kết quả phổ hồng ngoại FT-IR
Phổ FTIR được áp dụng có chọn lọc để phân tích các liên kết đặc trưng trong cấu trúc của sợi bã mía thơ và cellulose, kết quả được thể hiện trên hình 3.3.
Hình 3.3 Giản đồ FT-IR cả mẫu bã mía thơ và cellulose
Phổ FT-IR SCB cho thấy đỉnh ở các khoảng khoảng 3300 cm-1, 2900 cm-1, 1430 cm- 1 và 1243 cm-1, tương ứng với các nhóm -OH và C-H cellulose, C=C trong vòng thơm trong lignin, biến dạng C-H của lignin hoặc hemicelluloses và của các nhóm acetyl trong hemicelluloses (Oksman và cộng sự, 2011; Uma Maheswari et al., 2012). Sau khi được xử lý, cường độ của đỉnh ở 1430 cm-1 và 1243 cm-1 đã giảm. Cường độ đỉnh ở 1463 cm-1 giảm,
34
điều này chỉ ra rằng hemiaelluloses đã được loại bỏ bởi phương phát thuỷ phân trong môi trường kiềm. Các đỉnh lignin và hemicelluloses ở 1463 cm-1 và 1253 cm-1 biến mất hồn tồn trong sản phẩm sau q trình tẩy trắng. Đỉnh ở 898 cm-1 là liên kết với các liên kết- glycosid của vịng glucose trong cellulose trình bày trong chiết xuất cellulose tinh khiết từ SCB (Wong Sak Hoi & Martincigh, 2013). Đỉnh 1160,1 cm-1 và 1159,6 cm-1 liên quan đến độ giãn của C-O-C của liên kết β-1, 4-glycosid (Yang et al., 2008), được quan sát trong cả nguyên liệu sợi bã mía và cellulose. Ngồi ra, sự xuất hiện của các đỉnh ở 1032,9 cm-1 và 1032,1 cm-1 với cường độ cao trong cả hai phổ được quy cho C–OH trong cellulose. Bên cạnh đó, C-H trong cellulose do liên kết tương ứng ở 897,1 cm-1, 832,7 cm-1 và 896,8 cm- 1 trong bã mía chưa được xử lý và cellulose. Phổ FT-IR của cả hai mẫu đều có cực đại tại khoảng 1630 cm-1. Cụ thể, đối với bã mía chưa được xử lý ở 1631,2 cm-1 và đối với aerogel ở 1632,7 cm-1, đại diện cho các đỉnh hấp thụ nước bị hấp phụ. Tuy nhiên, cường độ của phổ cellulose là cao hơn bã mía. Trong phổ bã mía thơ, đỉnh ở 1728,0 cm-1 được quy cho C=O của axit thơm trong lignin, có liên kết nội phân tử giữa nhóm −COOH và nhóm −OH ở vị trí ortho. Sau khi xử lý , sợi lignocellulose đã được loại bỏ đáng kể, do đó trong phổ cellulose khơng có đỉnh ở 1730 cm-1.
3.2.3. Kết quả đo hiển vi điện tử quét (SEM)
Ảnh SEM của cellulose sau khi xử lý được hiển thị trong hình 3.4 a,b, có thể quan sát thấy rằng cellulose bao gồm các sợi nano riêng lẻ và vẫn có thể tìm thấy một số bó sợi nano. Dưới độ phóng đại cao hơn, nhận thấy rằng các sợi có đường kính từ 150 – 250 nm. Ngồi ra, từ các hình ảnh SEM, người ta thấy rằng kích thước lỗ rỗng thay đổi rất nhiều từ vài nanomet đến micromet trên hình ảnh SEM của aerogel. Hình 3.4 c,d, hiển thị cho cellulose aerogel, mật độ các sợi thưa dần, và cho thấy kích thước lỗ rỗng tăng lên đáng kể. So sánh các hình ảnh SEM a,b,c,d, rõ ràng là khi nồng độ cellulose giảm xuống, sự hình thành liên kết giữa cellulose và PVA làm kích thước mao quản trở nên lớn hơn. Với mật độ cellulose là 1 % wt, độ xốp của mẫu aerogel là 98,2 %, kích thước lỗ rỗng tăng lên đến vài trăm nm, ngược lại khi nồng độ sợi nano trong gel cellulose tăng lên, mật độ cellulose trong mẫu cũng tăng lên, dẫn đến aerogel đậm đặc, các liên kết xếp khít nhau hơn sau khi đơng khơ. Hình 3.4 e,f là hình ảnh hiển thị cho vật liệu aerogel cellulose sau chức năng hóa bởi MTMS vẫn có cấu trúc xốp, bề mặt vật liệu được bao phủ bằng MTMS, các lỗ mao quản vẫn được quan sát thấy.
35
Hình 3. 4 Ảnh SEM của mẫu cellulose (a-b); aerogel cellulose (c-d); aerogel cellulose được biến tính (e-f)
36
Hình 3. 5 Phương pháp hấp phụ - khử hấp phụ N2 (77,15K) đối với các mẫu aerogel cellulose (a), kích thước mao quản aerogel cellulose 1% wt cellulose (b), kích thước mao quản aerogel cellulose 1,5% wt cellulose (c), kích thước mao quản aerogel
cellulose 2% wt cellulose
Để xác định diện tích bề mặt riêng, thể tích mao quản và đường kính mao quản của vật liệu, phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ nito (BET) được tiến hành đối với các mẫu vật liệu aerogel cellulose: 1% cellulose, 1,5% cellulose, 2% cellulose, kết quả được thể hiện trên hình 3.5. Nhận thấy rằng, đường đẳng nhiệt hấp phụ - khử hấp phụ N2 là sự kết hợp của đường cong trễ loại III và loại IV, đặc trưng cho vật liệu đa mao quản. Ở hình 3.5b, vật liệu 1% cellulose là vật liệu đa mao quản, với đường kính trung bình khoảng 72,45 nm. Khi tăng hàm lượng cellulose từ 1-2%wt thì kích thước mao quản giảm xuống từ 72,45 nm xuống 10,64 nm với vật liệu 1,5% cellulose và còn 1,59 nm đối với vật liệu 2% cellulose. Như vậy, khi tăng hàm lượng cellulose thì kích thước mao quản giảm, điều này được giải
37
thích là do các liên kết giữa PVA và cellulose xếp kít nhau hơn, dẫn tới kích thước mao quản giảm.
3.3. Đánh giá khả năng hấp phụ thuốc nhuộm của vật liệu aerogel cellulose 3.3.1. Ảnh hưởng của loại thuốc nhuộm đến khả năng hấp phụ 3.3.1. Ảnh hưởng của loại thuốc nhuộm đến khả năng hấp phụ
Hình 3. 6 Ảnh hưởng của loại thuốc nhuộm đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Khả năng hấp phụ của vật liệu aerogel được khảo sát ở hai loại thuốc nhuộm anion (RR-195) và cation (MB). Kết quả khảo sát cho thấy, vật liệu có khả năng hấp phụ lớn với thuốc nhuộm cation (MB), hiệu suất hấp phụ đạt 93,8% sau 150 phút, trong khi đó khả năng hấp phụ anion (RR195) đạt hiệu suất 50% sau 150 phút. Điều này được giải thích là do, vật liệu aerogel cellulose có các nhóm OH bề mặt, tạo ra lực tương tác với các phân tử anion (MB) vì vậy mà khả năng hấp phụ tốt hơn so với thuốc nhuộm cation.
3.3.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng cellulose đến hiệu quả hấp phụ
Các mẫu vật liệu aerogel cellulose với tỉ lệ khối lượng cellulose lần lượt là 1%, 1,5%, 2% đã tổng hợp được dùng để hấp phụ thuốc nhuộm methylene blue để so sánh hiệu quả
38
hấp phụ. Điều kiện hấp phụ như sau: khối lượng chất hấp phụ là 0.05 g, dung dịch MB 50 ppm, thời gian hấp phụ là 150 phút. Kết quả được thể hiện trên hình 3.2. Kết quả cho thấy, trong cùng điều kiện hấp phụ, sau 30 phút vật liệu cellulose 1% cho hiệu suất hấp phụ đạt 94%, cao hơn so với vật liệu cellulose 1,5% (80%) và cellulose 2% (51%).
Hình 3. 7 Ảnh hưởng của % cellulose đến khả năng hấp phụ thuốc nhuộm
Kết quả này phù hợp với kết quả tính tốn về khối lượng riêng va độ rỗng của các mẫu aerogel cellulose. Mẫu aerogel cellulose có khối lượng cellulose chiếm 1% cho hiệu suất hấp phụ cao nhất do độ rỗng lớn nhất đạt 98,2%. Tiếp sau đó là mẫu cellulose 1,5% với độ rỗng 97,81% và cuối cùng là mẫu cellulose 2% với độ rỗng 96,59%.
3.3.3. Ảnh hưởng của nồng độ thuốc nhuộm đến khả năng hấp phụ của vật liệu
Ảnh hưởng của nồng độ đầu được tiến hành với nồng độ MB trong khoảng từ 20 đến 40 ppm và 0,05g aerogel cellulose 1% ở nhiệt độ phòng trong 150 phút. Kết quả ảnh hưởng của nồng độ đầu đến hiệu suất hấp phụ được thể hiện trên hình 3.8.
Kết quả nghiên cứu cho thấy khi nồng độ MB tăng từ 20 ppm lên 40 ppm thì hiệu suất hấp phụ giảm từ 93,8% xuống 89,9%.
39
Hình 3. 8 Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến khả năng hấp phụ của vật liệu
3.4. Đánh giá khả năng hấp phụ dầu của vật liệu.
Các mẫu vật liệu aerogel cellulose với tỉ lệ khối lượng cellulose lần lượt là 1%, 1,5%, 2% đã tổng hợp được dùng để đánh giá khả năng hấp phụ dầu, mơ hình hình 3.9.
40
Bảng 3. 2 Đánh giá khả năng hấp phụ dầu của vật liệu aerogel cellulose
% cellulose Khả năng hấp phụ dầu (g/g-1)
1 % 17,46
1,5 % 16,89
2 % 16,01
Khả năng hấp phụ dầu phụ thuộc vào độ rỗng của vật liệu, vật liệu có tỉ lệ 1% cellulose cho hiệu quả hấp phụ dầu cao nhất đạt 17,46 g/g-1 tương ứng với độ rỗng đạt 98,2%, tiếp theo đó là mẫu 1,5% cellulose có khả năng hấp phụ dầu đạt 16,89 g/g-1, mẫu 2% cellulose với khả năng hấp phụ dầu đạt 16,01 g/g-1.
3.5. Đánh giá khả năng chống cháy của vật liệu composite 3.5.1. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng 3.5.1. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng
Hình 3. 10 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và nhiệt vi sai (DTA) của vật liệu aerogel cellulose
41
Từ kết quả phân tích TGA và DTA của vật liệu arogel cellulose, có thể thấy khối lượng vật liệu mất đi 27,983% ở khoảng nhiệt độ từ 25˚C đến 200˚C, trong khoảng nhiệt độ tiếp theo 200-450˚C độ xụt giảm khối lượng giảm xuống mức 12,384%. Trong khoảng nhiệt tới 600 ˚C, khối lượng mẫu duy trì ở mức 60% so với mẫu ban đầu.
3.5.2. Kết quả thử khả năng chống cháy của vật liệu composite
Đối với mẫu aerogel cellulose khi đưa lên trên ngọn lửa, mẫu sẽ bị cháy hết trong vòng 15s. Còn đối với mẫu vật liệu biocomposite, sau 60s liên tục trên ngọn lửa, vật liệu vẫn giữ được hình thái như ban đầu.
Hình 3. 11 Đánh giá khả năng chống cháy của vật liệu biocomposite
Hạt AlOOH vô cơ là một trong những chất phụ gia chống cháy vô cơ được sử dụng rộng rãi nhất do các đặc tính đã được chứng minh của nó như khơng vị, khơng độc, chịu nhiệt và khơng bay hơi. Nó bị phân hủy ở 400 ° C theo phản ứng sau:
2AlOOH (s) → Al 2 O 3 (s) + H 2 O (g) (1)
Trong nghiên cứu này, aerogel / AlOOH (CAA) ứng dụng làm chất chống cháy đã được chế tạo thành công thơng qua phương pháp thủy nhiệt dễ dàng. Thay vì pha trộn chất chống cháy truyền thống trong ma trận polymer, trong hệ thống CAA, AlOOH được tạo ra và phân tán trong Cellulose Aerogel hoặc gắn vào các sợi. Cellulose Aerogel đã hoạt động như một giàn giáo để tránh sự kết tụ của AlOOH. Kết hợp cellulose Aerogel và AlOOH có thể được coi là một lộ trình hiệu quả và cạnh tranh để có được vật liệu tổng hợp nhẹ với hiệu suất chống cháy vượt trội.
42 KẾT LUẬN
Với mục tiêu “Nghiên cứu chế tạo vật liệu aerogel cellulose từ phế phụ phẩm nông nghiệp ứng dụng để xử lý môi trường và làm vật liệu chống cháy” nhóm nghiên cứu đã thu được các kết quả sau:
✔ Đã tiến hành tổng hợp thành cơng aerogel cellulose từ bã mía.
✔ Tiến hành tổng hợp thành cơng vật liệu aerogel cellulose có lớp phủ kị nước.
✔ Tiến hành các phép đo phổ XRD, SEM, BET, TGA để xác định cấu trúc vật liệu.
✔ Đánh giá khả năng hấp phụ thuốc nhuộm của vật liệu thông qua phương pháp đo phổ Uv – Vis.
✔ Đánh giá khả năng hấp phụ dầu của vật liệu.
43
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Aliev, Ali E. et al. 2009. “Giant-Stroke, Superelastic Carbon Nanotube Aerogel Muscles.”
Science.
Ba Thai, Quoc et al. 2019. “Advanced Fabrication and Multi-Properties of Rubber Aerogels from Car Tire Waste.” Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.
Baetens, Ruben, Bjørn Petter Jelle, and Arild Gustavsen. 2011. “Aerogel Insulation for Building Applications: A State-of-the-Art Review.” Energy and Buildings.
Chen, Xuli, Rajib Paul, and Liming Dai. 2017. “Carbon-Based Supercapacitors for Efficient Energy Storage.” National Science Review.
Gurav, Jyoti L. et al. 2010. “Silica Aerogel: Synthesis and Applications.” Journal of Nanomaterials.
Ilhan, Faysal U. et al. 2006. “Hydrophobic Monolithic Aerogels by Nanocasting Polystyrene on Amine-Modified Silica.” Journal of Materials Chemistry.
Jelle, Bjørn Petter, Ruben Baetens, and Arild Gustavsen. 2015. “Aerogel Insulation for Building Applications.” In The Sol-Gel Handbook,.
Korhonen, Juuso T. et al. 2011. “Inorganic Hollow Nanotube Aerogels by Atomic Layer Deposition onto Native Nanocellulose Templates.” ACS Nano.
Li, Ya et al. 2019. “Multifunctional Organic–Inorganic Hybrid Aerogel for Self-Cleaning, Heat-Insulating, and Highly Efficient Microwave Absorbing Material.” Advanced Functional Materials.
Li, Zhanying et al. 2018. “Converting Untreated Waste Office Paper and Chitosan into Aerogel Adsorbent for the Removal of Heavy Metal Ions.” Carbohydrate Polymers. Linneen, Nick, Robert Pfeffer, and Y. S. Lin. 2013. “CO2 Capture Using Particulate Silica
Aerogel Immobilized with Tetraethylenepentamine.” Microporous and Mesoporous Materials.
Liu, Rui Lin et al. 2016. “Eco-Friendly Fabrication of Sponge-like Magnetically Carbonaceous Fiber Aerogel for High-Efficiency Oil–Water Separation.” RSC Advances.
Nguyen, Baochau N. et al. 2016. “Polyimide Cellulose Nanocrystal Composite Aerogels.”
Macromolecules.
Nordvik, Atle B. et al. 1996. “Oil and Water Separation in Marine Oil Spill Clean-up Operations.” Spill Science and Technology Bulletin.
Pizzi, A., E. Orovan, and F.A. Cameron. 1984. “The Development of Weather- and Boil- Proof Phenol-Resorcinol-Furfural Cold-Setting Adhesives.” Holz als Roh- und Werkstoff: European Journal of Wood and Wood Industries.
44
Rahman, Md Aminur, Pankaj Kumar, Deog Su Park, and Yoon Bo Shim. 2008. “Electrochemical Sensors Based on Organic Conjugated Polymers.” Sensors.
Reynolds, John G., Paul R. Coronado, and Lawrence W. Hrubesh. 2001. “Hydrophobic Aerogels for Oil-Spill Clean up - Synthesis and Characterization.” Journal of Non- Crystalline Solids.
Rigacci, A. et al. 2004. “Preparation of Polyurethane-Based Aerogels and Xerogels for Thermal Superinsulation.” In Journal of Non-Crystalline Solids,.
Ruokojärvi, Päivi H, Arja H Asikainen, Kari A Tuppurainen, and Juhani Ruuskanen. 2004. “Chemical Inhibition of PCDD/F Formation in Incineration Processes.” Science of the
Total Environment 325(1–3): 83–94.
Tamon, H., H. Ishizaka, M. Mikami, and M. Okazaki. 1997. “Porous Structure of Organic and Carbon Aerogels Synthesized by Sol-Gel Polycondensation of Resorcinol with Formaldehyde.” Carbon.
Thai, Quoc Ba et al. 2020. “Cellulose-Based Aerogels from Sugarcane Bagasse for Oil Spill-Cleaning and Heat Insulation Applications.” Carbohydrate Polymers.
Wan, Caichao et al. 2015. “Fabrication of Hydrophobic, Electrically Conductive and Flame-Resistant Carbon Aerogels by Pyrolysis of Regenerated Cellulose Aerogels.”
Carbohydrate Polymers.
Wang, Chunchun et al. 2017. “Preparation of Carbon Nanotubes/Graphene Hybrid Aerogel and Its Application for the Adsorption of Organic Compounds.” Carbon.
Zhang, Jing, Yewen Cao, Jiachun Feng, and Peiyi Wu. 2012. “Graphene-Oxide-Sheet- Induced Gelation of Cellulose and Promoted Mechanical Properties of Composite Aerogels.” Journal of Physical Chemistry C.
Ziegler, Christoph et al. 2017. “Modern Inorganic Aerogels.” Angewandte Chemie - International Edition.
45 PHỤ LỤC