Nghien cuu che tao carbon cellulose aerogel tu hon hop soi la dua va soi cotton ung dung trong hap phu pgs

IăH CăQU CăGIAăTHÀNHăPH ăH ăCHệăMINH
TR

NGă

IăH CăBÁCHăKHOA

TR Nă ỊNH LÂM

NGHIÊN C U, CH T O CARBON CELLULOSE AEROGEL T
H N H P S I LÁ D A VÀ S I COTTON

NG D NG TRONG

H P PH
CARBON CELLULOSE AEROGEL PRODUCTION FROM
COMPOSITES OF PINEAPPLE LEAF AND COTTON FIBERS FOR
APPLICATION IN ADSORTION

ChuyênăngƠnh:ăK ăTHU TăHịAăH C
Mưăs :ă8520301

LU NăV NăTH CăS

TP.ăH ăCHệăMINH,ăthángă07 n mă2022


Cơng trình đ c hồn thành t i: Tr
Thành ph H Chí Minh
Cán b h

ng

i H c Bách Khoa ậ

i h c Qu c gia

ng d n khoa h c: PGS. TS. LÊ TH KIM PH NG
PGS.TS. LÊ ANH KIÊN

Cán b ch m nh n xét 1: PGS.TS. PH M TRUNG KIÊN
Cán b ch m nh n xét 2: TS. PH M TH H NG PH

NG

Lu n v n th c s đ c b o v t i Tr ng i H c Bách Khoa ậ
Thành ph H Chí Minh, ngày 25 tháng 07 n m 2022

i h c Qu c gia

Thành ph n H i đ ng đánh giá lu n v n th c s g m:
1. PGS.TS. Nguy n Tr

ng S n ............................................... - Ch t ch

2. PGS.TS. Ph m Trung Kiên ................................ - y viên ph n bi n 1
3. TS. Ph m Th H ng Ph
4. TS.Tr n Ph

ng .............................. - y viên ph n bi n 2

c Nh t Uyên .................................................... - y viên

5. TS. Ph m Hoàng Huy Ph

c L i............................................ - Th kỦ

Xác nh n c a Ch t ch H i đ ng đánh giá Lu n v n và Tr ng Khoa qu n lỦ
chuyên ngành sau khi lu n v n đư đ c s a ch a (n u có).
CH T CH H I

NG

TR

NG KHOA K THU T HịA H C


IăH CăQU CăGIAăTP.ăHCM
TR

NGă

C NGăHọAăXẩăH IăCH ăNGH AăVI TăNAM

IăH CăBÁCHăKHOA

căl pă- T ădoă- H nhăphúc

NHI M V LU NăV NăTH CăS
H tên h c viên:

Tr n ình Lâm

MSHV: 1970065

Ngày, tháng, n m sinh: 16/05/1995

N i sinh: Qu ng Ngưi

Chuyên ngành: K thu t Hóa h c

Mư s : 8520301

I.ăTÊNă

TÀI:

Nghiên c u, ch t o carbon cellulose aerogel t h n h p s i lá d a và s i
cotton ng d ng trong h p ph .
Carbon cellulose aerogel production from composites of pineapple leaf and
cotton fiber for application in adsortion.
II. NHI M V VÀ N I DUNG:
Nghiên c u quy trình đ t ng h p v t li u carbon cellulose aerogel.
Kh o sát c u trúc ậ hình thái ậ đ c tính c a v t li u carbon cellulose aerogel
Th nghi m kh n ng h p ph methylene blue và Cu2+c a v t li u carbon
cellulose aerogel.
III. NGÀY GIAO NHI M V : 14/02/2022
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 17/06/2022
V. CÁN B

H

NG D N: PGS. TS. LÊ TH KIM PH NG
PGS.TS. LÊ ANH KIÊN
TP. HCM, ngày 25 tháng 07 n m 2022

CÁNăB ăH

NGăD N

TR

CH NHI MăB ăMỌNă ÀOăT O

NGăKHOAăK ăTHU TăHịAăH C

i


L I C Mă N
đ tđ

c k t qu nh hôm nay, bên c nh nh ng n l c và c g ng c a

b n thân không th không k đ n s h

ng d n và giúp đ t n tình c a q Th y

Cơ c ng nh s đ ng viên, khích l c a gia đình và b n bè trong su t th i gian th c
hi n đ tài lu n v n. V i lòng bi t n sâu s c, tr

c h t em xin g i l i c m n chân

thành đ n PGS. TS. Lê Th Kim Ph ng và PGS. TS. Lê Anh Kiên đư giao đ tài và
nhi t tình giúp đ . Th y và Cô đư t o đi u ki n, t n tình d y b o và truy n đ t
nh ng ki n th c quý báu trong su t q trình nghiên c u đ giúp em hồn thành
lu n v n.
c bi t g i l i c m n sâu s c đ n PGS. TS. Lê Th Kim Ph ng là ng
tr c ti p h

i đư

ng d n giúp em có th hồn thành lu n v n m t cách hồn thi n.

Khơng ch h c h i t cô nh ng ki n th c chun mơn mà cịn h c h i đ

c tác

phong làm vi c nghiêm túc, khoa h c và c n tr ng.
C m n phịng thí nghi m Quá Trình & Thi t B c a Vi n KH-CN Quân s Vi n Nhi t

i Môi Tr

ng đư t o đi u ki n đ em có d ng c và thi t b giúp em

hồn thành đ tài.
Chân thành c m n anh Ph m Qu c Nghi p c a Vi n KH-CN Quân s -Vi n
Nhi t

i Môi Tr

ng đư giúp đ em trong su t q trình làm thí nghi m.

Em xin chân thành c m n.
Sinh viên th c hi n
Tr n ình Lâm

ii


TÓM T T LU NăV N
Trong lu n v n này, carbon cellulose aerogel đ
aerogel b ng quá trình carbon hóa trong mơi tr

c t ng h p t cellulose

ng khí N2. Q trình carbon hóa

g m hai giai đo n: than hóa và ho t hóa, đ u di n ra trong mơi tr

ng khí tr . Q

trình ho t hóa có th s d ng tác nhân ho t hóa v t lý ho c hóa h c, th

ng s d ng

CO2 và KOH. Trong nghiên c u này, quy trình ho t hóa b ng tác nhân ho t hóa v t
lý CO2 và tác nhân ho t hóa h c KOH đ
gian ho t hóa đ

ng ch t ho t hóa và th i

c kh o sát. C u trúc - hình thái - đ c tính c a v t li u carbon

cellulose aerogel đ
vi đi n t

c nghiên c u, l

c xác đ nh b ng các ph

ng pháp: Kh i l

ng riêng, kính hi n

quét, ph h ng ngo i chuy n hóa Fourier và di n tích b m t riêng

Brunauer - Emmett - Teller.
Carbon cellulose aerogel t ng h p có kh i l
0.0236 g/cm3 t

ng ng v i m u ho t hóa v t lý và m u ho t hóa hóa h c đ
nh h

d ng làm v t li u h p ph .
n ng đ ban đ u đ n dung l
đ ny ut .

ng c a th i gian, kh i l

ng h p ph đư đ

ng h c quá trình h p ph đ

ki n b c m t và b c hai.

v i m u ho t hóa hóa h c và 886.58
ph methylene blue t i đa t

c ng

ng ch t h p ph , và

c nghiên c u thông qua kh o sát

c kh o sát v i mơ hình đ ng h c bi u

ng nhi t h p ph đ

Langmuir và Freundlich. S n ph m thu đ

t

ng riêng th p 0.0212 g/cm3 và

c đánh giá v i mô hình đ ng nhi t

c có di n tích b m t riêng 970,20

/g

/g v i m u ho t hóa v t lý, kh n ng h p

ng ng 263 mg/g và 250 mg/g, h p ph Cu2+ t i đa

ng ng 69.44mg/g và 62.11 mg/g.

ng h c h p ph methylene blue thích h p

v i mơ hình h p ph bi u ki n b c 1, đ ng h c h p ph Cu2+ thích h p v i mơ hình
h p ph bi u ki n b c 2. H p ph đ ng nhi t thích h p v i mơ hình đ ng nhi t
Langmuir. K t qu này ch ng t v t li u t ng h p carbon cellulose aerogel t s i lá
d a và s i cotton thích h p đ làm v t li u h p ph .

ng th i, các đi u ki n thí

nghi m s là c s đ xây d ng quy trình s n xu t trên quy mơ cơng nghi p.

iii


ABSTRACT
In this thesis, carbon cellulose aerogel is synthesized from cellulose aerogel by
carbonization under a N2 atmosphere. The carbonization process consists of twostages: heat treatment and activation, both taking place in an inert atmosphere.
Activation can use a physical or chemical activating agent, often using CO2 and
KOH. The activation process by physical agent CO2 and chemical agent KOH were
studied in this work. KOH impregnation ratio and activation time were investigated.
The structure - morphology - properties of carbon cellulose aerogel were
determined by the following methods: Density, scanning electrone microscopy,
Fourier Transform Infrared Spectroscopy, and Brunauer - Emmett - Teller specific

surface area.
The synthesized carbon cellulose aerogel has a low density of 0.0212 g/cm3
and 0.0236 g/cm3, respectively, for physical and chemically activated samples,
which are used as adsorbents material. The effects of time, amount of adsorbent,
and initial concentration on adsorption capacity were studied through single-factor
survey. The adsorption kinetics was investigated with the pseudo-first-order model
and pseudo-second-order model. The adsorption isotherm was evaluated with
Langmuir and Freundlich isotherm models. The product has a specific surface area
of 970.20 m2/g with the chemically activated sample and 886.58 m2/g with the
physically activated sample, the maximum adsorption capacity of methylene blue
corresponding to 263 mg/g and 250 mg/g, maximum Cu2+ adsorption 69.44mg/g
and 62.11 mg/g respectively. The adsorption kinetics for methylene blue is suitable
for the pseudo-first-order model and the Cu2+ adsorption kinetics is suitable for the
pseudo-second-order model. The adsorption isotherm comply with the Langmuir
isotherm model. These results show that carbon cellulose aerogel was synthesized
from pineapple leaf and cotton fibers can be used as adsorbents material.

iv


L IăCAMă OAN
Tác gi xin cam đoan lu n v n này là cơng trình nghiên c u th c s c a cá
nhân tác gi và đ

c th c hi n d

is h

ng d n c a cô PGS. TS. LÊ TH KIM

PH NG và th y PSG. TS. LÊ ANH KIÊN.
Các s li u, k t qu nghiên c u trong lu n v n này là hoàn tồn trung th c,
ch a t ng đ

c cơng b trong b t c m t cơng trình nào khác tr

giúp đ cho vi c hoàn thành lu n v n này đ u đư đ
d n trong lu n v n này đ u đư đ

c đây. M i s

c c m n, các thơng tin trích

c ch rõ ngu n g c.

Tác gi xin ch u trách nhi m v nghiên c u c a mình.
Tác gi
Tr n ình Lâm

v


M CL C

L I C Mă N ........................................................................................................... ii
TÓM T T LU NăV N .......................................................................................... iii
L IăCAMă OAN ......................................................................................................v
M C L C ................................................................................................................ vi
DANH M C HÌNH ............................................................................................... viii
DANH M C B NG ..................................................................................................x

DANH M C CH

VI T T T .............................................................................. xi

M

U ....................................................................................................................1

CH

NGă1:T NG QUAN......................................................................................3

1.1. Carbon cellulose aerogel ................................................................................3
1.1.1. T ng quan .................................................................................................3
1.1.2.

Ph

ngăpháp t ng h p carbon cellulose aerogel ...............................7

1.1.2.1. Q trình Sol- Gel ..........................................................................7
1.1.2.2. S y khơ gel ......................................................................................9
1.1.2.3. S y khô CO2 siêu t i h n.............................................................10
1.1.2.4. S yăth ngăhoa ...............................................................................11
áp su tămơiătr

1.1.2.5. S y
1.1.3.

ng ............................................................12

Q trình carbon hóa .........................................................................12

1.1.3.1. Ph

ngăphápăho t hóa v t lý ......................................................13

1.1.3.2. Ph

ngăphápăho t hóa hóa h c ..................................................14

1.2.

ng d ng c a carbon cellulose aerogel .................................................15

1.3. Các nghiên c u t ng h p carbon aerogel ng d ng h p ph ..................18
1.3.1.
1.3.2.

ng d ng trong h p ph khí .................................................................18
ng d ng trong x lỦăn

c ................................................................21

1.4. Lý thuy t v h p ph ....................................................................................23
1.4.1. Khái ni m và phân lo i h p ph ..........................................................23
1.4.2. Cácăd ngăđ

ngăh păph ăđ ngănhi t ...................................................26

1.4.3. Cácăy uăt ă nhăh
CH

NGă2:ăPH

ngăđ năkh ăn ngăh păph .....................................30

NGăPHÁPăTH C NGHI M ..............................................31

2.1. T ng h p v t li u ..........................................................................................31
2.1.1 T ng h p Carbon cellulose aerogel .......................................................31
vi


2.1.2. Kh o sát các y u t

nhăh

ngăđ n quá trình ho t hóa .....................33

2.2. Kh oăsátăcácăđ cătr ngălỦ- hóa ....................................................................34
2.2.1. Xácăđ nh ch s h p ph .........................................................................34
2.2.1.1.ăXácăđ nh ch s h p ph methylene blue .....................................34
2.2.1.2.ăXácăđ nh ch s h p ph Cu2+........................................................37
2.2.2.ăPhépăđoăph h ng ngo i (FTIR) ............................................................39
2.2.3. K thu t phân tích thành ph n v t ch t EDX .....................................40
2.2.4. PhépăđoăSEM ..........................................................................................41
2.2.5.ăPhépăđoăBET ...........................................................................................42
CH

NGă3:ăK T QU VÀ BÀN LU N ............................................................43

3.1.

c tính c u trúc c a v t li u ................................................................43

3.1.1. Hình thái và phân tích c u trúc ............................................................43
3.1.2. Di n tích b m tăriêngăvƠăđ cătr ngăl x p ..........................................48
3.1.3. Phơnătíchăb ăm tăhóaăh c .......................................................................50
3.2. Quá trình h p ph c a carbon cellulose aerogel ......................................51
3.2.1. nhăh

ng c a t l r n ậ l ng lên kh n ngăh p ph ........................51

3.2.2. nhăh

ng c aăđi u ki n ho t hóa lên quá trình h p ph .................53

3.2.3. nhăh

ng c a th i gian h p ph lên quá trình h p ph ..................56

3.2.4. nhăh

ng c a n ngăđ banăđ u lên kh n ngăh p ph ....................63

CH

NG 4. K T LU NăVÀă

XU T .............................................................71

4.1. K t lu n ..........................................................................................................71
4.2.

xu t ...........................................................................................................71

TÀI LI U THAM KH O ......................................................................................72

vii


DANH M C HÌNH
Hình 1.1. Q trình h p ph v t lỦ...........................................................................23
Hình 1.2. N m lo i đ

ng h p ph theo Brunauer...................................................25

Hình 1.3. D ng đ th đ
Hình 1.4.

ng h p ph đ ng nhi t BET...........................................27

ng đ ng nhi t h p ph BET..............................................................28

Hình 2.1: Quy trình t ng h p cellulose aerogel........................................................29
Hình 2.2. S đ quy trình than hóa và ho t hóa .......................................................31
Hình 2.3.

ng làm vi c chu n c a Methylen Blue

Hình 2.4.

ng làm vi c chu n c a Cu2+

b

b

c sóng 664 nm.............33

c sóng 550 nm ............................35

Hình 2.5: Máy đo ph h p ph phân t UV-vis SP-2000UV……………………...37
Hình 2.6: Thi t b đo ph h ng ngo i bi n đ i Fourier (Model: Alpha II)………...38
Hình 2.7: Thi t b FE-SEM Tescan Mira 3…………………………………….......39
Hình 2.8: Thi t b BET 201A………………………………………………………40
Hình 3.1. nh SEM c a CA (a), C

(b), CCACO2(c) và CCAKOH (d).....................41

Hình 3.2. Ph EDX c a CA (a), C

(b), CCACO2(c) và CCAKOH (d).....................42

Hình 3.3. nh SEM c a CAT(a), CCAKOH 0.5(b) và CCAKOH 2(c).............................43
Hình 3.4. nh SEM c a CAT(a), CCACO2 100(b) và CCACO2 400(c)...........................44
Hình 3.5.
t=10 (d),

nh SEM c a CCAKOH t=0.5(a), CCAKOH t=1.5(b), CCAKOH t=2(c), CCACO2

CCACO2 t=15 (e), CCACO2 t=30 (f)......................................................................45

Hình 3.6.

th th hi n s

phân b kích th

c l x p c a carbon cellulose

aerogel.......................................................................................................................47
Hình 3.7. Ph FTIR c a CA (a), C

(b), CCACO2(c) và CCAKOH (d)....................48

Hình 3.8: Hi u su t h p ph theo kh i l
Hình 3.9: Dung l
Hình 3.10: Dung l

ng h p ph theo kh i l

ng...........................................................50
ng.......................................................50

ng h p ph c a m u ho t hóa hóa h c

th i gian ho t hóa

khác nhau………………..........................................................................................51
Hình 3.11: Dung l

ng h p ph c a m u ho t hóa v t lý

th i gian ho t hóa khác

nhau...........................................................................................................................51

viii


Hình 3.12: Dung l

ng h p ph c a m u ho t hóa hóa h c v i t l KOH/C khác

nhau...........................................................................................................................52
Hình 3.13: Dung l

ng h p ph c a m u ho t hóa v t lý v i l u l

ng CO2 khác

nhau...........................................................................................................................53
Hình 3.14:

nh h

ng th i gian đ n dung l

ng h p ph

methylene

blue............................................................................................................................55
Hình 3.15: Mơ hình khu ch tán mao qu n quá trình h p ph

methylen

Blue...........................................................................................................................56
Hình 3.16: nh h

ng th i gian đ n dung l

ng h p ph Cu2+...............................57

Hình 3.17: Mơ hình đ ng h c b c m t c a quá trình h p ph

methylene

blue............................................................................................................................58
Hình 3.18: Mơ hình đ ng h c b c hai c a quá trình h p ph methylene blue.........58
Hình 3.19: Mơ hình đ ng h c b c m t c a quá trình h p ph Cu2+.........................60
Hình 3.20: Mơ hình đ ng h c b c hai c a quá trình h p ph Cu2+..........................60
Hình 3.21.

th th hi n dung l

ng h p ph methylene blue

các n ng đ khác

nhau...........................................................................................................................62
Hình 3.22.

th h p ph đ ng nhi t theo Langmuir, quá trình h p ph MB.........63

Hình 3.23.

th h p ph đ ng nhi t theo Freundlich, quá trình h p ph MB.......63

Hình 3.24.

th th hi n dung l

Hình 3.25.

th h p ph đ ng nhi t theo Langmuir, quá trình h p ph Cu2+........66

Hình 3.26.

th h p ph đ ng nhi t theo Freundlich, quá trình h p ph Cu2+......67

ng h p ph Cu2+

n ng đ khác nhau.............65

ix

DANH M C B NG
B ng 3.1. Di n tích b m t riêng c a carbon cellulose aerogel................................46
B ng 3.2: Các thơng s c a các mơ hình khu ch tán mao qu n...............................56
B ng 3.3: Các thông s c a các mơ hình đ ng h c b c m t và b c hai c a quá trình
h p ph methylene blue............................................................................................59
B ng 3.4: Các thơng s c a các mơ hình đ ng h c b c m t và b c hai c a quá trình
h p ph Cu2+.............................................................................................................61
B ng 3.5. H ng s đ ng nhi t Langmuir, Freundlich, quá trình h p ph MB..........64
B ng 3.6. Kh n ng h p ph ethylene blue t i đa t nguyên li u khác nhau...........64
B ng 3.7. H ng s đ ng nhi t Langmuir, Freundlich, quá trình h p ph Cu2+.......67
B ng 3.8. Kh n ng h p ph Cu2+ t i đa t nguyên li u khác nhau.........................68

x


DANH M C CH

VI T T T

T vi t đ y đ

T vi t t t
Ti ng Anh
G

Gram

TCVN

Ti ng Vi t

gam
Tiêu chu n Vi t Nam

UV-VIS

Ultraviolet-Visible

Ph t ngo i kh ki n

SEM

Scanning electrone microscopy

EDX

Energy-dispersive X-ray
spectroscopy
Brunauer S., Emmett P.H, Teller
E.
Fourier Transform Infrared
Spectroscopy
International Union of Pure and
Applied Chemistry

Ph ng pháp hi n vi
đi n t quét
Ph tán s c n ng l ng
tia X
ng nhi t h p ph gi i h p Nitrogen
Ph ng pháp quang ph

h ng ngo i
Danh pháp Hóa h c
theo Liên mình Qu c t
v Hóa h c thu n túy và
Hóa h c ng d ng

BET
FTIR
IUPAC

xi


M

U

1. Lý do ch năđ tài
D a r t giàu vitamin, enzym và ch t ch ng oxy hóa, đ

c coi là m t trong

nh ng lo i trái cây quan tr ng nh t trên th gi i. Qu d a chi m kho ng 20% s n
l

ng trái cây nhi t đ i c a th gi i, v i h n 25 tri u t n đ

c thu ho ch m i n m.

Tuy nhiên, vi c thu ho ch lo i trái cây th m ngon và t t cho s c kh e này d n đ n

hàng t n ch t th i v và lá d a, ch t th i chi m đ n 70% cây d a. L
này th

ng rác th i

ng b đ th i r a ho c đ t, th i ra các hóa ch t đ c h i và khí nhà kính, nh

h

ng nghiêm tr ng đ n môi tr

đ

c l a ch n là

ng. Ph

ng pháp x lý kh i l

ng l n lá d a

làm phân bón, tuy nhiên v i cách này, hi u qu c a lá d a ch a

cao. Cùng v i đó, s i bơng (s i cotton) là m t trong nh ng cây công nghi p hàng
đ u th gi i. Hi n cây bông chi m kho ng 2.5% di n tích đ t canh tác trên th gi i,
tuy nhiên khi tách s i bông ra kh i h t c a chúng, r t nhi u ch t th i s i bông đ

c

t o ra. Hi n t i, ph n l n x bơng đó ch b đ t cháy ho c th i vào bãi rác, kho ng

29 tri u t n s i bông đ

c s n xu t hàng n m, v i kho ng 1/3 trong s đó b th i b .

Vi c x lý này gây nh h

ng nghiêm tr ng đ n môi tr

ng. Do đó, nhu c u tìm ra

v t li u t ng h p t s i lá d a và s i cotton v a mang l i hi u qu kinh t v a x lý
tình tr ng d th a hi n nay là c n thi t.
Trong nh ng n m g n đây, b o v môi tr

ng là ch đ đ

Vi t Nam cùng v i s phát tri n c a n n công nghi p.
h uc t n
lo i n

c th i d t nhu m hi n nay, n

c quan tâm

c bi t là ô nhi m ch t màu

c th i d t nhu m đang đ

c xem là

c th i gây ô nhi m nh t trong t t c các ngành công nghi p. Trong th c t ,

các lo i thu c nhu m th

ng đ

c s d ng trong d t nhu m nh : Thu c nhu m

cation, thu c nhu m anion và thu c nhu m khơng ion. Trong đó, methylene blue là
m t lo i thu c nhu m cation đ

c s d ng nhi u trong các nghành s n xu t gi y

màu, bơng, len, l a và nhu m tóc. Khi ti p xúc v i methylene blue có th gây ra
m t s nguy c nh r i lo i m t, hơ h p, tiêu hóa và tâm th n. Ngồi ra, ơ nhi m
kim lo i n ng trong n

c là v n đ đáng báo đ ng hi n nay. Tình tr ng này x y ra

1


gây nh h

ng nghiêm tr ng đ n s c kh e con ng

i, môi tr

ng s ng và sinh v t.

Cùng v i s phát tri n nhanh chóng c a các ngành công nghi p nh m đi n, khai
thác m , s n xu t đi n và đi n t , ngày càng nhi u ion Cu2+ đ
n

c, đi u này đư tr thành m t v n đ môi tr

Cu2+ trong c th con ng
vi c x lỦ n

c th i vào ngu n

ng n i b t, khi n ng đ cao c a ion

i s gây ra các b nh nghiêm tr ng và r i lo n. Do đó,

c ơ nhi m các ch t gây h i này là c n thi t. Có nhi u ph

lo i b chúng ra kh i n

ng pháp đ

c th i công nghi p nh quá trình enzym, ph n ng phân

h y quang, lo i b đi n hóa, k t t a hóa h c, h p ph v t lý và màng l c. Tuy nhiên,
ph

ng pháp h p ph đ

c nghiên c u và ng d ng nhi u do giá thành ch t h p

ph r v n hành đ n gi n. Ngoài các lo i ch t h p ph khác nhau nh than ho t tính,
zeolit, tro than, chitin và chitosan. Hi n nay, aerogel là m t lo i v t li u h p ph
đang đ

c quan tâm và nghiên c u nhi u do tính ch t có đ r ng cao, d tái sinh, tái

s d ng. Tuy nhiên đ gia t ng di n tích b m t giúp gia t ng hi u qu h p ph c a
v t li u aerogel, carbon aerogel đ
h

c nghiên c u. M t gi i pháp mà đ tài này

ng đ n là t n d ng s i lá d a và s i cotton đ s n xu t carbon cellulose aerogel,

v a gi i quy t đ

c th c tr ng th i b gây ô nhi m môi tr

ng v a nh m m c đích

tìm ngu n nguyên li u m i cho vi c t ng h p v t li u carbon cellulose aerogel.
2.ă

iăt
iăt

ng và ph m vi nghiên c u
ng: PFs v i hàm l

ng cellulose là 75.2% đ

c mua t Công ty d a H nh

Phúc, Ngh An. CFs thu gom t các công ty may t i đ a ph
cellulose cao (85%), 2-naphthol (PAN) và Cu(NO3)2 đ

ng có hàm l

c mua t Merck,

ng

c.

Ph m vi nghiên c u: Carbon hóa cellulose aerogel t ng h p t s i lá d a và s i
bơng b ng tác nhân ho t hóa v t lý và hóa h c, c th là CO2 và KOH. Kh o sát
đi u ki n ho t hóa phù h p cho q trình s n xu t carbon cellulose aerogel. Kh o
sát và so sánh kh n ng h p ph methylene blue và ion Cu2+ c a carbon cellulose
aerogel s d ng tác nhân ho t hóa v t lý và hóa h c.

2


NGă1:T NG QUAN

CH
1.1. Carbon cellulose aerogel
1.1.1. T ng quan

Cellulose là polymer t nhiên phong phú nh t trên Trái đ t. V c u trúc, nó

là m t polymer m ch th ng đ
liên k t 1,4- -glycosidic.

c hình thành b i s liên k t c a D-glucose v i các

dài chu i phân t c a nó ph thu c vào ngu n và quá

trình chi t xu t cellulose [1]. Cellulose có nhi u tính ch t khác v i các polyme có
ngu n g c t d u m , ch ng h n nh tính t

ng thích sinh h c, kh n ng phân h y

sinh h c, n đ nh nhi t, n đ nh hóa h c và chi phí th p [2, 3]. Các ng d ng cơng
nghi p c a nó, nh trong gi y, bìa c ng, v i và v t li u xây d ng, có th đ

c truy

nguyên hàng ngàn n m, m c dù ch có c u trúc đa l p và đ c ng c a cellulose đư
đ

c khai thác trong các v t li u này và chúng không th đáp ng các yêu c u cho

v t li u m i trong th k 21 v ch c n ng, đ b n và tính đ ng nh t. V i các nghiên
c u ti n b v các tính ch t v t lý và hóa h c c a cellulose, các v t li u d a trên
cellulose ch c n ng thân thi n v i môi tr

ng, ch ng h n nh s i cellulose, màng

cellulose, hydrogel cellulose, cellulose aerogel và v t li u t ng h p d a trên
cellulose, đư đ

c phát tri n [4].

Aerogel là m t lo i v t li u x p đ c bi t có tính ch t v t lý và hóa h c tuy t
v i, nh kh i l

ng riêng th p (0.003-0.500 g/cm3), đ x p cao (80 ~ 99,8%), di n

tích b m t riêng l n (100 ~ 1600 m2/g) và các ho t tính hóa h c b m t đ y đ .
u nh ng n m 1930, l n đ u tiên Kistler đư phát tri n m t aerogel b ng cách lo i
b ch t l ng trong gel

t b ng cách s d ng s y khô siêu t i h n [5, 6]. Tuy nhiên,

quá trình chu n b ph c t p đư c n tr s phát tri n c a aerogel. Trong vài th p k
qua, các lo i aerogel khác nhau, ch ng h n nh aerogel vơ c (ví d SiO2, TiO2,
SnO2, V2O5 và Al2O3) [7-11], aerogel d a trên polymer t ng h p, (ví d ,
resorcinolol formaldehyd, polyvinylchloride, polypropylen và polyimide) [12-15],
aerogel d a trên đ i phân t

t

nhiên (ví d : alginate, protein, chitosan và

hemiaellulose) [16-20] và aerogel carbon (ví d , carbon, cacbon nanotubes và

3


graphene) [21-23], đư đ

c phát tri n do s ti n b trong các công ngh đ

cs

d ng đ t ng h p và s y aerogel.
Cellulose aerogel là m t v t li u r n x p. Cellulose aerogel th
chu n b theo ba b

ng đ

c

c: hòa tan / phân tán d n xu t cellulose ho c cellulose, t o gel

cellulose b ng quy trình sol-gel, và làm khô gel cellulose trong khi v n gi c u trúc
x p 3D c a nó. Di n tích b m t riêng l n (10- 975 m2/g), đ x p (84.0-99.9%) và
kh i l

ng riêng (0.00-0.35g/cm3) c a aerogel cellulose có th so sánh v i aerogel

silica truy n th ng và aerogel polymer t ng h p, nh ng aerogel cellulose có đ b n
nén cao h n (5.20 kPa-16.67 MPa) và kh n ng phân h y sinh h c t t h n [24].
Cellulose và các d n xu t c a nó có th nâng cao các đ c tính c h c và ái l c v i
đ

m c a v t li u aerogel [25-27]. Ngồi ra, có th thu đ

c nh ng u đi m khi s

d ng cellulose làm ti n ch t đ đi u ch aerogel. (1) Th nh t, ngu n d tr nguyên
li u thô cellulose là khơng c n ki t và có th tái t o; (2) Th hai, chu i cellulose r t
giàu nhóm hydroxyl, do đó khơng c n ch t t o liên k t ngang trong quá trình chu n
b aerogel. M t c u trúc m ng ba chi u (3D) n đ nh có th thu đ

c b ng liên k t

ngang v t lý trong phân t và gi a các phân t c a các liên k t hydro, do đó làm
cho q trình chu n b aerogel khá đ n gi n; (3) Th ba, s bi n đ i hóa h c c a
cellulose đ c i thi n đ b n c h c và đ c đi m c u trúc c a aerogel cellulose là
t

ng đ i d th c hi n.
Trong phân lo i c đi n c a v t li u aerogel, carbon aerogel đ

là m t lo i v t li u x p v i kh i l

c đ nh ngh a

ng riêng r t th p, là s n ph m c a quá trình

nhi t phân c a aerogel h u c , carbon cellulose aerogel là m t lo i carbon aerogel
có ngu n g c t sinh kh i. Tuy nhiên, v i nh ng phát tri n to l n trong l nh v c
aerogel d a trên graphene và carbon nanotube trong su t th p k qua, t "carbon
aerogel" không th ch dành riêng cho m t lo i c th c a aerogel h u c đ
nhi t phân thông th

c

ng n a. Aerogel d a trên graphene và carbon nanotube đư

trình bày các đ c tính và đ c đi m c u trúc th m chí còn h p d n h n nh ng cái c .
ụt

ng v carbon aerogel l n đ u tiên đ

c Pekala và các c ng s phát tri n trong

su t nh ng n m 1990, nó đư trình bày m t ph

ng pháp s n xu t aerogel carbon t

quá trình nhi t phân các ti n ch t h u c . C u trúc c a cacbon aerogel, đ

c ch t o
4


t quá trình nhi t phân c a aerogel h u c , h u h t là vô đ nh hình và do đó, h u h t
các đ c tính ch c n ng c a các v t li u này ph thu c vào hi u qu c a quá trình
trùng h p sol-gel c ng nh quá trình nhi t phân. Tuy nhiên, các carbon aerogel
đ

c s p x p theo c u trúc đư tr nên d ti p c n nh s ra đ i c a hydrogel và

aerogel carbon nanotube. H n n a, vi c ch t o graphene aerogel trong th p k
tr

c, đư m r ng di n tích c a carbon aerogel t v t li u g n nh hồn tồn vơ

đ nh hình thành v t li u đ

c s p x p theo c u trúc [28].

Các đ c tính c a carbon aerogel đ

c đi u ch nh đ đ t hi u su t cao b ng

cách ch n các đi u ki n th c hi n thích h p. Các carbon aerogel nói chung có c u
trúc m ng ba chi u (3D) đ

c k t n i v i nhau b ng các h t nano s c p. Các đ c

tính c u trúc l x p micro c a chúng có liên quan đ n khung bên trong h t, trong
khi hình thái gi a các h t chi ph i s phát tri n c a l meso và macro [29]. S hình
thành l x p kích th

c meso và micro c a aerogel carbon đ

c ki m sốt đ c l p,

đó là m t l i th khác bi t cho vi c ch t o v t li u x p [30-32]. Các đ c tính đ c
đáo c a carbon aerogel thúc đ y nghiên c u t ng h p và ng d ng c a chúng.
Phân lo i carbon cellulose aerogel
Carbon cellulose aerogel đ

c phân lo i d a trên s phân lo i c a cellulose

aerogel, bao g m: cellulose aerogel t

nhiên (aerogel nanocellulose, aerogel vi

khu n), cellulose aerogel tái t o và aerogel d n xu t cellulose.
Cellulose aerogel t nhiên
Nanocellulose aerogel
S i nanocellulose có đ

ng kính nh h n 100nm [33, 34] và đ

kh i cellulose nguyên ch t b ng cách s d ng ph
hóa h c [38, 39]. Theo s khác bi t trong ph
th đ

c tách ra

ng pháp c h c [35-37] ho c

ng pháp phân tách, nanocellulose có

c chia thành: tinh th nanocellulose (CNC) ho c s i cellulose và s i nano

cellulose (CNF), còn đ

c g i là cellulose s i nano (NFC) ho c cellulose s i micro

(MFC) [40]. Các aerogel nanocellulose đ
nanocellulose trong n

c b ng ph

c đi u ch

b ng cách phân tán

ng pháp siêu âm ho c c h c, sau đó s y khơ

ti p theo có ho c khơng có trao đ i dung mơi. So v i các lo i cellulose khác,

5


nanocellulose có m c đ k t tinh cao h n và t l hình dáng l n h n. Các c u trúc
khung c a aerogel nanocellulose bao g m các s i nano đ

c k t n i ng u nhiên, do

đó d n đ n đ khơng trong su t quang h c, khơng có đ đàn h i tuy n tính, và di n
tích b m t riêng th p h n nhi u so v i d ki n. Ngoài ra, c n m t l
th hóa h c và m t l

ng n ng l

ng l n thu c

ng đáng k trong quá trình phân tách hóa h c

c a nanocellulose, do đó làm t ng chi phí và c n tr s phát tri n c a aerogel
nanocellulose [24].
Cellulose aerogels vi khu n
Cellulose vi khu n đ

c thu th p t nuôi c y vi khu n t nh và có c u trúc gel

m ng 3D t nhiên [41]. Sau khi lo i b vi khu n, các t p ch t khác và s y khơ, có
th thu đ
t

c aerogel cellulose. M c dù c u trúc hóa h c c a cellulose vi khu n

ng t nh cellulose th c v t [42], cellulose vi khu n không ch a các t p ch t

h u c nh lignin và hemiaellulose, do đó có m t s

u đi m nh t đ nh nh đ tinh

khi t cao, đ trùng h p cao và đ k t tinh cao [43]. Do đó, aerogel vi khu n có mơ
đun cao nh t trong s các aerogel cellulose [44], c ng nh đ x p cao và di n tích
b m t riêng cao. Do vi c s n xu t cellulose vi khu n b thách th c b i m t chu k
s n xu t dài (30 ngày), n ng su t th p và chi phí cao, do đó làm gi m s c h p d n
c a nó trong các nhà nghiên c u h c thu t [24].
Cellulose aerogels tái t o
Các aerogel cellulose tái t o hi n đang đ
chu n b các aerogel tái t o có b n b

c nghiên c u r t r ng rãi. Vi c

c chính: hịa tan cellulose, tái t o cellulose,

trao đ i dung môi và s y khô. Do m ng l

i liên k t hydro n i phân t và liên phân

t ph c t p trong cellulose, nó khơng hịa tan trong n

c và các dung mơi h u c

đi n hình khác nh ethanol [45]. M t khác, các đ i phân t cellulose là amphiphilic.
Do đó, dung mơi cellulose ph i lo i b m ng l
n

c [46]. Các dung môi cellulose thông th

gây ô nhi m môi tr

i liên k t hydro và t

ng tác k

ng nh carbon disulfide là các ch t

ng, nh ng các dung môi cellulose thân thi n v i môi tr

nh ki m (NaOH ho c LiOH), h dung d ch (ki m/n

c [47], ki m/ n

ng

c/urea ho c

thiourea, và polyethylen glycol (PEG) [48, 49]), LiCl/DMSO [50, 51], LiCl/
dimethylacetamide (DMAc) [52, 53] và ch t l ng ion (IL) [54] hi n đang đ

cs
6


d ng đ đi u ch các aerogel tái t o. Vi c chu n b các aerogel tái t o đòi h i ph i
tái t o hòa tan và nhi u b

c trao đ i dung môi, t n nhi u th i gian. T l co rút c a

aerogel tái t o nói chung là > 30%. Do đó, aerogel tái t o dày đ c h n so v i
aerogel t nhiên và có kích th

c l trung bình l n h n. M t khác, do quy trình s n

xu t aerogel tái t o r t đ n gi n và chi phí th p, nó đư đ

c nghiên c u r ng rãi

nh t.
Aerogel d n xu t cellulose
Thay đ i các tính ch t v t lý và hóa h c c a cellulose là m t cách quan tr ng
đ ch c n ng hóa các aerogel cellulose. M t s d n xu t cellulose hòa tan trong
n

c và dung mơi h u c

đi n hình: carboxymethylcellulose (CMC) và

hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) hòa tan trong n

c, triacetyl cellulose

(TAC) hòa tan trong dioxane/isopropanol, ethyl cellulose (EC) hòa tan trong
dichloromethane và cellulose . Do acetone và m t s dung môi h u c khác hòa tan
trong CO2 siêu t i h n, s tiêu t n th i gian c a quá trình trao đ i dung mơi có th
đ

c b qua [55], do đó c i thi n hi u qu t ng h p aerogel. M t khác, do các chu i

phân t c a các d n xu t cellulose có s nhóm hydroxyl gi m, nên m t tác nhân liên
k t ngang th

ng đ

c yêu c u trong q trình gel hóa dung d ch [56, 57]. Do s

phân b không đ ng đ u c a các nhóm th , nh h

ng c a các m c đ khác nhau

c a các d n xu t cellulose đ n hi u su t c a aerogel cellulose v n ch a rõ ràng.
v i các k t qu nghiên c u đ
h

i

c công b , m c đ thay th cho th y khơng có nh

ng đáng k đ n m t đ ho c mô đun nén c a aerogel cellulose [58, 59], nh ng

m c đ thay th cao có th làm gi m đ hút m [59].
1.1.2. Ph

ngăpháp t ng h p carbon cellulose aerogel

Công ngh t ng h p carbon cellulose aerogel bao g m ba quá trình: quá trình
sol- gel, s y khơ gel và carbon hóa.
1.1.2.1.

Q trình Sol- Gel

Trong h sol, các h t keo có đ

ng kính t 1nm đ n 1000 nm đ

c phân tán

trong m t ch t l ng. Gel bao g m m t m ng r n ba chi u, ch a đ y m t ch t khác
(th

ng là ch t l ng) [60]. Ph n ng sol- gel là m t quá trình trong đó v t li u bi n

7


đ i t pha sol l ng sang pha gel r n. Ph n ng sol-gel là b

c quan tr ng nh t trong

vi c hình thành c u trúc m ng x p 3D trong m t aerogel. Hi n t i, h u h t t t c các
aerogel đ u thu đ

c b ng ph

ng pháp t ng h p hóa

t: ph

ng pháp sol-gel

[60-62].
Dung d ch ho c huy n phù cellulose có th t o ra gel b ng cách k t t các
polyme ho c b ng quá trình tách pha khi tái t o đông t đ

c s d ng. S trao đ i

dung môi v i không dung môi (tái sinh) d n đ n s phá h y các phân t cellulose
và s tái t o đ

c cho là c a các liên k t hydro n i phân t và liên phân t . Ví d ,

q trình t o gel c a cellulose t
(NMMO) s d ng n

các dung d ch N-methylmoroline-N-oxide

c làm h th ng đông t là k t qu c a quá trình tách pha t o

thành các pha giàu polymer và nghèo polymer [63]. Thông th

ng, hai c ch tách

pha có th di n ra trong quá trình tách l p l ng- l ng c a dung d ch polymer; ho c
t o m m / t ng tr

ng (t c là, h t nhân c a m t pha phát tri n trong h n h p) ho c

phân h y spinodal (t c là, s thay đ i n ng đ đ nh k d n đ n s phân tách pha
cu i cùng) [64]. Nói chung, b ng cách thêm các tác nhân hóa h c liên k t ngang
nh epichlorohydrin (ECH) và N, N0-methylenebisacrylamide (MBA) vào sol l ng
ho c thay đ i đi u ki n v t lý (nhi t đ , pH, x lý siêu âm, v.v.), có th t o ra s k t
t h t keo t o thành c u trúc m ng liên k t 3D, do đó chuy n đ i v t li u thành
d ng gel r n [65, 66].
Gel v t lỦ đ

c liên k t ngang b i các t

liên k t hydro, k n

ng tác v t lỦ nh l c van der Waals,

c ho c liên k t đi n t và k t chu i. Thông th

ng, t c đ gel

hóa c a gel v t lý ch y u d a vào n ng đ c a dung d ch cellulose ho c đ phân
tán và nhi t đ . C u trúc n đ nh và hi u qu tr

đ

ng n c a gel cellulose th

ng đ t

c b ng cách s d ng các liên k t ngang hóa h c, có th hình thành liên k t c ng

hóa tr gi a các chu i polymer trong quá trình t o gel. Trái ng
hóa tr trong gel hóa h c, n ng l
là theo th t n ng l

c v i liên k t c ng

ng liên k t c a các liên k t ngang trong gel v t lý

ng nhi t, do đó các liên k t m ng có th đ

c t o ra và phá

h y b i chuy n đ ng nhi t c a các polyme, d n đ n các tính ch t đ c đáo c a gel
v t lý. Ngoài ra, m c đ và t c đ tách pha ph thu c vào lo i ho c n ng đ c a
ch t ch ng dung môi và nhi t đ .
8


Nói chung, t c đ t o gel hóa h c đ t đ

c b ng liên k t ngang hóa h c

nhanh h n t c đ t o gel v t lý, và c u trúc gel n đ nh h n có th đ

c hình thành

theo cách này. Ngoài ra, các ch t đi n gi i nh CaCl2 có th thay đ i s phân b
đi n tích trong dung d ch và thúc đ y quá trình t o gel v t lý [67, 68]. Graphene
oxit (GO) có th hình thành liên k t hydro v i cellulose, do đó nó c ng có th đ y
nhanh quá trình t o gel v t lý [69].
S hình thành c a gel có th đ

c xác đ nh b ng các ph

s không ch y khi khuôn b nghiêng 70 ho c đ o ng

ng pháp sau: (1) gel

c; (2) mô đun l u tr (G’)

b ng v i mô đun t n th t (G’’) [63, 70].
Quá trình sol- gel thay đ i d a trên lo i riêng bi t c a cellulose aerogel mong
mu n. Ví d , vì các chu i phân t c a các d n xu t cellulose có s nhóm hydroxyl
gi m, nên th

ng c n m t tác nhân liên k t ngang đ đ t đ

c c u trúc gel n đ nh.

Tái t o gel cellulose đ

c đi u ch b ng cách tái t o các dung d ch cellulose, trong

khi gel nanocellulose đ

c t o ra t huy n phù nanocellulose.

1.1.2.2.

S y khô gel

S y khô là b

c quan tr ng nh t trong vi c chu n b aerogel. Hình thái c a

aerogel cellulose ph thu c nhi u vào ph
pháp làm khô thông th

ng pháp s y. Khi s d ng các ph

ng

ng, áp su t mao qu n gây ra b i s u n cong c a m t phân

cách khơng khí - ch t l ng có th làm cho c u trúc l gel n t và s p đ . Do đó, s y
khơ siêu t i h n (s d ng, ví d nh r

u, acetone ho c CO2) và s y khô chân

không th

ng pháp đi u ch cellulose aerogel hi n

ng đ

c s d ng trong các ph

nay. S y th ng hoa là s th ng hoa c a ch t r n, th
qu n c a ti n ch t

ng là n

c đóng b ng, t mao

t. Trong đi u ki n siêu t i h n (SC), s c c ng b m t ch t

l ng/ khí b ng khơng, vì khơng cịn s n l ng/ khí n a. Aerogel đ
cách làm khô b ng CO2 siêu t i h n th

c đi u ch b ng

ng có s s p x p cellulose gi ng nh súp

l : s k t t c a các h t xù xì nh . Tuy nhiên, q trình làm đơng khô d n đ n m t
m ng cellulose gi ng nh t m có l mao qu n l n và liên k t v i nhau có đ
kính vài micromet do s phát tri n c a đá trong q trình đóng b ng n

ng

c [71].

9

1.1.2.3. S y khơ CO2 siêu t i h n
Vì CO2 có đi m t i h n thích h p (304K, 7.4 MPa) và l i th c a chi phí
th p và an tồn cao, đây là m t lo i ch t l ng đ

c s d ng ph bi n nh t cho quá

trình s y aerogel cellulose. S y siêu t i h n liên quan đ n vi c truy n kh i hai chi u
c a CO2 siêu t i h n và dung môi gel đ n và t các mao qu n c a gel
quá trình s y b

nh h

t.

u tiên,

ng ch y u b i s hòa tan cao c a CO2 siêu t i h n trong

dung môi gel l ng, d n đ n m t ch t l ng m r ng và s đ tràn c a th tích ch t
l ng d th a ra kh i m ng gel. Th hai, hàm l
th i gian cho đ n khi đ t đ

ng CO2 trong các l r ng t ng theo

c đi u ki n siêu t i h n cho h n h p ch t l ng trong l

mao qu n, mà khơng có b t k s chuy n đ i trung gian l ng- h i tr

c đó. Cu i

cùng, s hi n di n c a h n h p ch t l ng siêu t i h n trong l mao qu n khơng có
pha l ng d n đ n khơng có s c c ng b m t, do đó tránh đ
mao qu n trong c u trúc gel (t c là thay đ i kích th

c hi n t

ng x p l

c macro) trong quá trình lo i

b dung mơi [16].
N

c có s c c ng b m t cao có th làm h ng c u trúc d v và có đ x p

cao c a m ng cellulose, ban đ u đ
ph i thay th hoàn toàn n
cellulose tái sinh đ
m i l i b ng n

c có s c c ng b m t cao [72]. Ví d , khi aerogel

c đi u ch trong h dung môi NMMO, gel cellulose nên đ

c m i l i b ng n

nhiên th

ng đ

D l

c

c, ti p theo là trao đ i ethanol và acetone ho c trao đ i acetone

[73, 74]. Khi m t ch t l ng ion đ
đ

c hình thành sau q trình s y khơ. Vì v y, c n

c tr

c s d ng làm h dung môi, gel cellulose ph i

c, sau đó là trao đ i nhi u acetone [75]. Các aerogel t

c trao đ i ethanol [68, 76]

ng dung mơi cellulose có th làm gi m hi u su t s y [77]. Ngoài ra,

s c c ng b m t c a các ch t l ng khác nhau và rung l c trong quá trình m i l i và
trao đ i dung mơi có th làm h ng c u trúc gel c a cellulose [77, 78]. Q trình trao
đ i dung mơi r t ch m, và th

ng m t 2-3 ngày. Tóm l i, s y khô b ng CO2 siêu t i

h n có th giúp tránh làm h ng m ng gel 3D gây ra b i áp l c mao d n bên trong l

mao qu n, cho phép s n xu t v t li u aerogel v i c u trúc đ ng đ u h n. Tuy nhiên,
quá trình này liên quan đ n thi t b đ t ti n, b i vì nó c n m t bình áp l c cao.

10


1.1.2.4. S yăth ngăhoa
S y th ng hoa là ph

ng pháp s y đ n gi n và thân thi n v i môi tr

s n xu t aerogel cellulose. Trong q trình đơng khơ, gel l n đ u tiên đ
nhi t đ d

l nh

ch t l ng ch y u đ

i đi m đóng b ng c a môi tr

ng l ng (th

ng là n

ng đ
c đông

c), sau đó

c lo i b b ng cách th ng hoa, là y u t chính trong vi c ng n

ch n s s p đ c u trúc và h n ch co rút . Do đó, k t tinh và t ng tr

ng, ph

thu c vào t c đ làm đơng và nhi t đ , đóng m t vai trò quan tr ng trong c u trúc
l mao qu n (hình thái l r ng và phân b l r ng) c a aerogel x p. T c đ th ng
hoa c ng b

nh h

ng b i nhi u y u t (ngh a là n ng đ cellulose, kích th

hình d ng c a gel, nhi t đ ) và th

c và

ng ch m.

Aerogel làm t nanocellulose và các d n xu t c a nó th

ng đ

c làm đông

khô, nh ng s t k t t c a nanocellulose có th làm gi m di n tích b m t riêng
c a chúng. r
có th

u tert-butyl có s c c ng b m t th p và ch ch a m t nhóm hydroxyl

t o liên k t hydro v i nhóm hydroxyl ho c carboxyl trên b

nanocellulose và các d n xu t c a nó.
m ts l

m t

ng th i, s c n tr khơng gian gây ra b i

ng l n các nhóm butyl có th ng n ch n s k t t c a nanocellulose. Do

đó, vi c s d ng r

u tert-butyl trong trao đ i dung mơi có th b o v t t h n c u

trúc gel c a nanocellulose và các d n xu t c a nó so v i n

c, do đó ng n ch n hi u

qu h n c u trúc aerogel [67, 79, 80].
Khi đ d n nhi t đ
l ng, gel cellulose có th đ

c t ng lên b ng cách s d ng nit l ng ho c propan
c làm l nh nhanh chóng, đi u này làm c ch thêm s

k t t c a cellulose và s phát tri n c a tinh th b ng, do đó làm t ng đ x p c a
aerogel. Zhang và c ng s đư nghiên c u ba t c đ làm mát đ

c cung c p b i nit

l ng (-196oC, 30 phút), t đông nhi t đ th p (-80oC, 12 gi ) và t l nh thông
th

ng (-20oC, 24 gi ). H phát hi n ra r ng nit l ng gây ra s hình thành nhanh

chóng c a các tinh th b ng, c ch hi u qu s t k t t c a cellulose và t o ra c u
trúc b m t đ ng đ u và m n h n [81]. Các ch t ch ng đóng b ng [82] và k thu t
s y đông khô phun [83, 84] c ng d a vào t c đ đóng b ng đ

c t ng t c đ t o ra

aerogel có c u trúc đ ng nh t.

11


Công ngh s y khô đ
bi t nh h

ng r t l n đ n di n tích b m t riêng và phân b kích th

qu n [68, 85]. Thông th
m t cao c a n
nh

c s d ng đ s n xu t m t lo i cellulose aerogel riêng
c l mao

ng, do s phát tri n c a các tinh th b ng và s c c ng b

c, s y th ng hoa t o ra các v t n t trong v t li u aerogel. Nh ng

c đi m khác c a quá trình s y th ng hoa bao g m th i gian x lý dài và tiêu

th n ng l

ng đi n cao. M t khác, làm khô b ng CO2 siêu t i h n có th b o v t t

h n c u trúc gel c a cellulose và t o ra aerogel v i t l co rút th p, kích th

cl

nh h n và di n tích b m t riêng cao h n [76, 86, 87].
1.1.2.5. S y

áp su tămôiătr

Làm khô

ng

áp su t môi tr

ng xung quanh là m t ph

ng pháp đ

c s

d ng cho s n xu t quy mô l n d a trên tính an tồn và chi phí th p. M c dù đây là
m t ph

ng pháp đ y h a h n, nh ng vi c làm khô

áp su t môi tr

ng xung

quanh t o ra s c c ng mao d n nghiêm tr ng t i b m t phân cách r n-l ng-h i, d n
đ n co rút c u trúc.
su t môi tr

đ mb ođ

ng xung quanh. S c c ng b m t c a dung môi đ

su t mao qu n th p h n, th
th

ng đ

n đ nh c h c t t trong đi u ki n làm khô

áp

c gi m xu ng ng

ng đ

c th c hi n thơng qua trao đ i dung mơi. Nó

c th c hi n v i acetone

323K trong m t đ n sáu ngày. Vi c l a ch n

c n th n dung mơi trao đ i thích h p là r t quan tr ng khi s d ng ph
này. Ngoài ra, đ b n c a khung đ

c t ng lên đ có th ch u đ

ng pháp

c s c c ng mao

d n cao. Feng và c ng s đư t ng h p aerogel resorcinol-formaldehyde (RF) v i
ph

ng pháp s y

áp su t môi tr

ng xung quanh [88].

1.1.3. Q trình carbon hóa
Cơng ngh s n xu t carbon aerogel g m hai q trình là than hóa và ho t
hóa. Than hóa là q trình phân h y nhi t đ đ a nguyên li u ban đ u v d ng
carbon, đ ng th i làm bay h i m t s ch t h u c nh và t o mao qu n ban đ u.
Giai đo n ho t hóa giúp phát tri n mao qu n, t ng di n tích b m t c a carbon

aerogel. Ho t hóa là giai đo n khó th c hi n h n và là giai đo n quy t đ nh ch t
l

ng s n ph m.
Q trình than hóa : thơng th

nhi t đ cao trong mơi tr

ng, q trình than hóa đ

c th c hi n

ng y m khí, các v t li u giàu carbon s b dehydrat hóa
12