Nhận thấy lượng chất thải tro bay quá nhiều, đe dọa môi trường, thầy và trò Trường Đại học Bách khoa TPHCM đã nghiên cứu quy trình sản xuất vật liệu xây dựng từ nguyên liệu này.
Thu hồi tro bay để bảo vệ môi trường
PGS.TS Lê Thị Kim Phụng, Đại học Bách khoa TPHCM cho biết, tro bay là phế thải sinh ra khi đốt các nguyên liệu hóa thạch như than đá, than nâu trong các nhà máy nhiệt điện. Đây là những hạt tro rất mịn bị cuốn theo dòng khí từ ống khói nhà máy thải ra môi trường.
Theo báo cáo tổng hợp tình hình tro xỉ tại các nhà máy nhiệt điện than của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), với 12 nhà máy nhiệt điện than đang vận hành thì tổng khối lượng than sử dụng trung bình năm khoảng 34 triệu tấn.
Tổng khối lượng tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện than của EVN phát sinh trung bình năm là 8,1 triệu tấn. Tính đến năm 2020, khối lượng tro xỉ phát sinh từ các nhà máy nhiệt điện than khoảng 15 triệu tấn và sẽ tăng lên 20 triệu tấn vào năm 2025.
Trong khi đó, aerogel là loại vật liệu rắn siêu nhẹ nhưng chịu được vật nặng có trọng lượng gấp 500 đến 4.000 lần trọng lượng của nó. Vật liệu aerogel có khả năng cho không khí xuyên qua, chống cháy, cách nhiệt, cách âm và thấm cả dầu lẫn nước.
Ngoài ra, đây còn là loại vật liệu vừa có khả năng dẫn điện vừa là chất cách điện tốt khi được pha trộn với một số vật liệu khác. Vì có thể tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu khác nhau như phụ phẩm công nghiệp (vải vụn, nhựa thải, giấy đã qua sử dụng) và phế phẩm nông nghiệp (rơm, rạ, tro trấu), aerogel được xem là vật liệu thân thiện với môi trường và tính năng cao.
TS Phụng và nhóm nghiên cứu nhận định việc chuyển hóa tro bay thành vật liệu tính năng cao aerogel và aerogel composite là cấp thiết nhằm tái chế chất thải công nghiệp và phát triển các dạng sản phẩm có giá trị kỹ thuật cao.
Vì vậy nhóm đã nghiên cứu, chế tạo và sản xuất thử nghiệm thành công vật liệu aerogel và aerogel composite từ tro bay sử dụng công nghệ sấy thăng hoa và dung môi xanh, cùng chất kết dính thân thiện với môi trường nhằm ứng dụng vào vật liệu cách nhiệt và cách âm.
Làm vật liệu cách âm, cách nhiệt
Nhờ vào những đặc tính độc đáo như khối lượng riêng thấp, độ rỗng lớn (chứa đến hơn 80% là không khí), diện tích bề mặt lớn, độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt thấp và khả năng hấp thụ âm thanh tốt, aerogel composite có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực như vật liệu cách nhiệt, vật liệu cách âm, thay thế vật liệu xây dựng hiện tại trong vấn đề cách nhiệt cho các tòa nhà…
Nhóm nghiên cứu đã tạo được vật liệu aerogel từ silica trích ly từ tro bay có diện tích bề mặt riêng 293,947m2/g, thể tích lỗ xốp 0,30 - 0,032cm3/g, kích thước lỗ rỗng 1,20 - 1,21nm. Ưu điểm của vật liệu tro bay aerogel sử dụng trực tiếp nguyên liệu tro bay so với silica aerogel truyền thống (dựa trên silica trích ly từ tro bay) là độ bền cơ học được cải thiện và tính nguyên vẹn hình dạng của khối vật liệu xuyên suốt quá trình tổng hợp.
Về tính chất vật lý và cơ tính, sử dụng phương pháp mới phối trộn tro bay với PVA/CMC tạo ra aerogel có tính siêu nhẹ, chịu nén tốt gấp 3 lần aerogel từ bã mía (88 kPa), gấp 1,5 lần silica-cellulose aerogel (169 kPa). Do đó, khối vật liệu có thể được sử dụng ngay mà không cần thêm quá trình trung gian phối trộn silica aerogel với các thành phần khác.
Vật liệu aerogel composite ứng dụng cách nhiệt và cách âm cũng được tổng hợp thành công từ tro bay và sợi rPET với cấu trúc rỗng xốp, khối lượng riêng cực thấp (0,026 – 0,062 g/cm3), độ rỗng cao (96,59 – 98,42%); thể hiện đặc tính cách nhiệt nổi bật với độ dẫn nhiệt cực thấp (0,034-0,039 W/mK), độ bền cơ học (3,98 – 20,61 kPa) và hệ số hấp thụ âm thành từ 0,40 đến 1,0 trong khoảng tần số từ 1.400 đến 6.000 Hz. Tấm tro bay aerogel composite có tính chất cách nhiệt đồng đều ở mọi điểm trên tấm với độ dẫn nhiệt trung bình là 0,036 W/mK.
PGS.TS Lê Thị Kim Phụng cho biết, công nghệ sản xuất aerogel composite từ tro bay được nghiên cứu trên cơ sở sử dụng ít hóa chất độc hại, không phát thải ra ngoài môi trường và chuyển hóa hoàn toàn tro bay thành aerogel composite. Quy trình đã được nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot để đánh giá mức độ khả thi trong sản xuất công nghiệp. Qua đó, nhóm nghiên cứu nắm vững và làm chủ được công nghệ sản xuất aerogel composite, thiết kế được quy trình sản xuất aerogel composite ở quy mô công nghiệp và sẵn sàng chuyển giao cho các doanh nghiệp trong nước.
So với công nghệ tổng hợp aerogel từ tro bay trên thế giới, công nghệ trong nghiên cứu này có nhiều điểm ưu việt như sản phẩm tạo thành có cấu trúc vững chắc hơn khi được gia cố bởi mạng lưới sợi polyethylene terephthalate (rPET) tái chế; quy trình tổng hợp ít sử dụng hóa chất, chỉ sử dụng xanthan gum tạo liên kết giữa các hạt tro bay và mạng lưới sợi rPET; không phát thải dung môi hay khí thải ra ngoài môi trường.
Kết quả tính toán về hiệu quả kinh tế với việc sử dụng năng lượng Mặt trời nhằm tiết kiệm chi phí vận hành cho thấy, tro bay aerogel composite có giá thành sản xuất rất thấp, chỉ khoảng 59.000 đồng/m2.