'Biến' tro bay thành Aerogel - siêu vật liệu của tương lai

PGS.TS Dương Minh Hải, giảng viên khoa Cơ khí thuộc Đại học Quốc gia Singapore (NUS) và đồng nghiệp đã tìm ra phương pháp chuyển tro bay, một loại chất thải ở nhà máy nhiệt điện, trở thành aerogel, một 'siêu vật liệu của tương lai'.

Kể từ khi giáo sư hóa học người Mỹ Samuel Kistler tìm ra một vật liệu rắn có pha phân tán là khí chưa từng được biết đến vào cuối những năm 1920, một thế kỷ sau đó, aerogel đã trở thành loại vật liệu được kỳ vọng sẽ mở ra một cuộc cách mạng vật liệu bởi khả năng cách âm, cách nhiệt, cách điện ưu việt của nó. Tuy nhiên để phát triển các ứng dụng từ aerogel, có rất nhiều thách thức đặt ra cho các nhà khoa học: Làm thế nào để cải thiện độ bền của aeogel? Làm thế nào để nâng cao khả năng cách nhiệt của nó? Và quan trọng hơn hết, làm thế nào để aerogel thực sự trở thành một vật liệu bền vững thúc đẩy công nghệ xanh? Đó là cơ hội để PGS.TS Dương Minh Hải cùng nhiều đồng nghiệp quốc tế đó tận dụng. “Năm 2012, Aerogel Community Mỹ mời tôi đến chia sẻ về phương pháp mới tạo ra aerogel. Khi ấy, tôi có nói, phương pháp của tôi khác những nhóm nghiên cứu khác ở chỗ, tôi không dùng các dụng cụ và phương pháp đắt tiền, quá trình sản xuất của tôi cũng không có một hóa chất độc hại nào, thêm vào đó phương pháp của tôi nhanh hơn nhiều nên giá thành cũng rẻ hơn”, ông nhớ lại.
Aerogel từ tro bay do nhóm nghiên cứu thuộc NUS chế tạo.
Lúc bấy giờ, aerogel không được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp bởi chi phí sản xuất của chúng quá cao và quá lâu, quá trình sản xuất cũng sử dụng rất nhiều dung môi độc hại, và bản thân ứng dụng của aerogel lúc đấy cũng không đa dạng. “Tôi muốn thay đổi điều đó”, PGS.TS Dương Minh Hải cho biết.
Không nói suông, những năm sau đó nhóm nghiên cứu của ông đã chuyển đổi thành công giấy thải và vải vụn thành cellulose aerogel và cotton aerogel tương ứng. Từ đó, nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển vật liệu aerogel từ chai nhựa, bã cà phê, lá dứa, lốp xe… nhưng vẫn đảm bảo giữ các đặc tính như khả năng phân hủy sinh học, không độc hại, linh hoạt, bền và không thấm nước, mở ra những ứng dụng khác nhau cho vật liệu này như làm sạch dầu tràn, cầm máu từ vết thương, xử lí kim loại nặng trong nước thải, chất mang để nuôi tế bào, bảo quản hoa quả…
PGS. Dương Minh Hải (trái) và GS Phan Thiện Nhân (phải) luôn mong muốn phát triển những phương pháp nhanh, rẻ và xanh để chuyển đổi các loại rác thải thành aerogel.
Tuy nhiên, bên cạnh những nguồn nguyên liệu vốn là rác thải sinh hoạt và rác thải nông nghiệp, PGS.TS Dương Minh Hải còn mong muốn chuyển đổi một loại chất thải khác trong công nghiệp thành aerogel, đó là tro bay (fly ash). Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), than đá vẫn là nguồn nguyên liệu chính để cung cấp năng lượng của thế giới. “Quá trình đốt cháy than thải ra một phụ phẩm ở dạng rắn, thường gọi là tro bay. So với các phụ phẩm công nghiệp khác, việc bảo quản và xử lý tro bay vô cùng phức tạp, bởi nó có thành phần phức tạp, bao gồm nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ độc hại, phụ thuộc vào nguồn than”, ông Hải lý giải. Với việc lắp đặt thêm nhiều nhà máy nhiệt điện ở các nước đang phát triển, sản lượng toàn cầu của tro bay đã tăng lên tổng cộng 750 triệu tấn vào năm 2015.
Vì sao ông Hải lại quan tâm đến phụ phẩm này? Theo PGS.TS Dương Minh Hải, hiện tại thế giới chỉ tái sử dụng được 25% trong tổng sản lượng của tro bay. Số tro bay còn lại thường lắng đọng ở ao, hồ, gây ô nhiễm nước, đất và không khí. “Nếu bị ô nhiễm tro bay, nguồn nước ngầm sẽ đục đi và không thể uống được. Tro bay cũng làm giảm chỉ số chất lượng không khí, gây ra nhiều vấn đề sinh thái và ảnh hưởng đến đời sống của cộng đồng địa phương”, ông Hải cho biết. “Và aerogel sẽ là lời giải cho vấn đề này”.
Cách nhiệt và cách âm hiệu quả
Bước đầu, nhóm của PGS. Dương Minh Hải đã thu bột tro bay từ nhà máy ở Đan Phượng để tiến hành nghiên cứu. Tuy nhiên, ông cũng lưu ý rằng phương pháp chuyển đổi tro bay thành aerogel phải là một phương pháp bền vững và thân thiện với môi trường. “Nếu dùng một phương pháp gây hại cho môi trường để xử lý một nguyên liệu độc hại thì chẳng có ý nghĩa gì cả”, ông khẳng định.
Với ‘tôn chỉ’ đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một cách tiếp cận mới đó là sấy thăng hoa thay vì sấy ở áp suất khí quyển so với các nghiên cứu khác, cách này không chỉ hiệu quả về chi phí mà còn đòi hỏi thời gian sản xuất ngắn hơn. Hơn nữa, quy trình này loại bỏ việc sử dụng dung môi hữu cơ, thay vào đó chỉ sử dụng nước.
Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng tập trung vào các đặc tính như cách nhiệt và cách âm, để từ đó phát triển aerogel dựa trên tro bay với các đặc tính nhiệt, âm thanh và cơ học phù hợp. “Cần lưu ý về ảnh hưởng của độ xốp để độ dẫn nhiệt của aerogel tro bay”, ông Hải nhận định. Độ dẫn nhiệt của aerogel tro bay tăng từ 0,043 lên 0,050 W/mK và từ 0,042 lên 0,047 W/mK khi thay đổi hàm lượng tro bay từ 1,25 đến 5.00% và hàm lượng Polyvinyl alcohol tương ứng từ 1,00 đến 4,00% Sự thay đổi này là do độ dẫn nhiệt của aerogel tăng lên khi hàm lượng lỗ xốp bên trong (độ xốp) giảm xuống, vì không khí là chất cách nhiệt tốt (0,026W/mK) ở điều kiện thường. Nhìn chung, với khối lượng riêng thấp (0,10 – 0,19g/cm3) và độ dẫn nhiệt thấp (0,042 – 0,050 W/mK), “aerogel tro bay là một ứng cử viên tiềm năng để làm vật liệu cách nhiệt”, PGS.TS Dương Minh Hải nhận định.
Bên cạnh đó, aerogel tro bay cũng là vật liệu hiệu quả cho các ứng dụng cách âm, bởi nó có đặc tính như khối lượng riêng thấp, độ bền cơ học và hiệu quả hấp thụ âm thanh cao. Cụ thể, có thể nhìn nhận thông qua hệ số tiêu âm (NRC) của nó, đó là một giá trị đại diện cho lượng âm thanh được triệt tiêu hoặc hấp thụ khi nguồn âm tác động vào một bề mặt.Trong dài tần từ 100 – 6100 Hz, việc gia tăng khối lượng riêng aerogel tro bay từ 0,10g/cm3 lên 0,12g/cm3 tương ứng với sự tăng giá trị NRC từ 0,20 đến 0,30. Qua đó, có thể thấy aerogel tro bay có khả năng hấp thụ âm thanh tốt hơn từ 1,3 đến 1,9 lần so với silica aerogel và PET aerogel, và có thể so sánh ngang với một số vật liệu cách âm thương mại khác.
Với những nỗ lực của nhóm nghiên cứu, họ đã phát triển loại aerogel tro bay đầu tiên thông qua một phương pháp chế tạo đơn giản và tiết kiệm thời gian. Thông qua phương pháp sấy thăng hoa để giảm thiểu ảnh hưởng của sức căng bề mặt, aerogel tro bay thu được có đặc tính siêu nhẹ (0,10 – 0,19g/cm3), cấu trúc xốp cao (75%), mô-đun đàn hồi lên đến 153,5 kPa khi tính toán độ nén. “Với những đặc tính ưu việt này, aerogel tro bay có tiềm năng lớn trong các ứng dụng cách nhiệt và cách âm”, PGS.TS Hải khẳng định. PGS.TS Dương Minh Hải và các cộng sự đã công bố nghiên cứu của mình trên Tạp chí Waste Management (tạp chí quốc tế chuyên về chất thải rắn trong công nghiệp ở các nước đang phát triển) vào cuối tháng tư vừa qua.
Mặc dù đây là bước đột phá lớn đối với lĩnh vực ứng dụng vật liệu aerogel, đặc biệt là đối với các nước phát triển có nhiều nhà máy nhiệt điện sử dụng than đá, nhưng PGS.TS Dương Minh Hải cho biết ông quyết định sẽ mang công nghệ này về ứng dụng tại Việt Nam. Hiện tại, ông đang làm việc với công ty DPN Aerogels ở Tiền Giang và trường Đại học Bách khoa TP.HCM để triển khai sản xuất và góp phần xử lý tro bay của các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam. Suy cho cùng, “tôi là người Việt, và tôi muốn những ý tưởng của mình có thể giúp ích cho đất nước”, PGS.TS Dương Minh Hải chia sẻ.