Nông nghiệp là ngành kinh tế quan trọng và không thể thiếu của Việt Nam. Theo thống kê của Bộ Nông Nghiệp và Phát triển nông thôn, tổng kim ngạch xuất khẩu ngành nông nghiệp trong 6 tháng đầu năm 2022 đạt 11,37 tỷ USD, tăng 8,8% so với cùng kì năm 2021. Trong đó, tăng trưởng GDP của ngành nông nghiệp năm 2022 được dự báo đạt 2,8-3%, cao hơn mức Chính phủ giao là 2,5-2,8% [1]. Bên cạnh việc tăng trưởng trong ngành trồng trọt ở nước ta là sự phát thải vào môi trường, cụ thể tổng sản lượng sinh khối hằng năm có thể lên tới 8 đến 11 triệu tấn.
Phụ phẩm sinh khối từ nông nghiệp: ví dụ cây dứa và tro trấu
Thực tế, trong những loại cây trồng chính của ngành nông nghiệp, cây dứa phát thải một lượng phụ phẩm rất lớn vì tổng diện tích trồng trọt lên đến 41.000 ha, cho sản lượng 567.100 tấn vào năm 2017 (Hình 1). Các sản phẩm phụ bao gồm vỏ, lá, hạt và thịt không sử dụng chiếm 50% tổng trọng lượng dứa thu hoạch [2]. Ước tính 1 ha dứa phá đi để trồng lại sau hai vụ thu quả sẽ để lại khoảng 50 tấn phụ phẩm [3]. Tuy nhiên, phụ phẩm của chúng hiện vẫn chưa được xử lý đúng cách và triệt để. Người nông dân sau mỗi vụ thu hoạch thường đốt những phụ phẩm này ngay trên đồng ruộng, dẫn đến việc phát thải các khí nhà kính như CO2, CH4, các hạt bụi mịn và hợp chất nhân thơm đa vòng vào trong không khí, đồng thời gây xói mòn đất trồng trọt [4, 5]. Ngoài ra, để tiết kiệm chi phí xử lý, các bãi chứa phụ phẩm mọc lên khiến diện tích đất trồng trọt bị thu hẹp dần.
Một loại phụ phẩm khác cũng cần được nghiên cứu tái sử dụng là tro trấu, sản phẩm sau quá trình đốt trấu. Hầu hết các thành phần bay hơi của trấu bị mất trong quá trình đốt cháy này và phần còn lại chứa phần lớn là silicate. Đặc tính của tro trấu phụ thuộc vào thành phần trấu ban đầu, nhiệt độ đốt và thời gian cháy. Ước tính 100 kg trấu đốt trong lò hơi sẽ tạo ra khoảng 25 kg tro trấu. Trong điều kiện đốt có kiểm soát, các chất hữu cơ như cellulose và lignin được loại bỏ, phần còn lại trong tro trấu chủ yếu là silica vô định hình với cấu trúc vi mô. Các hạt tro trấu có kích thước rất bé với đường kính khoảng 45 µm và diện tích bề mặt riêng lớn đạt 36,47 m2/g [6].

Aerogel – vật liệu siêu nhẹ có tiềm năng ứng dụng lớn
Thế kỉ XXI với những tiến bộ vượt bậc trong ngành công nghệ vật liệu đã và đang phát triển loại vật liệu rắn siêu nhẹ nhưng chịu được vật nặng có trọng lượng gấp 500 đến 4.000 lần trọng lượng của nó. Đó chính là aerogel, được Guinness ghi nhận là vật liệu nhẹ nhất thế giới, được tổng hợp thành công vào năm 1931 bởi nhà khoa học người Mỹ Samuel Stephens Kistler bằng phương pháp sol-gel (phương pháp sol-gel: một kỹ thuật chế tạo các vật liệu rắn từ các phân tử đơn giản) và sấy siêu tới hạn khiến cho chất lỏng trong hệ gel bay hơi hoàn toàn mà không phá hủy cấu trúc rắn của gel [7]. Theo thời gian với sự phát triển của khoa học và công nghệ, nhiều phương pháp sấy và cách thức tổng hợp aerogel khác được phát minh, cho phép con người tạo ra các vật liệu tương tự aerogel với cấu trúc vi mô được giữ nguyên [8, 9].
Mặc dù được phát hiện vào thế kỉ XX nhưng phải đến thế kỷ XXI, sự bùng nổ nghiên cứu liên quan đến aerogel mới diễn ra với hàng loạt các công trình khoa học được công bố. Sự phân loại aerogel cũng dựa theo nhiều tiêu chí khác nhau, nổi bật nhất là dựa vào số lượng thành phần cấu thành nên khối vật liệu. Aerogel được chia thành 2 loại chính là aerogel đơn thành phần và aerogel composite. Aerogel đơn thành phần bao gồm các loại aerogel phổ biến như oxide aerogel [10, 11], aerogel hữu cơ [12-14], carbon aerogel [15, 16], chalcogenide aerogel [17] và các loại aerogel khác (đơn nguyên tố, carbide, v.v.) [18]. Aerogel composite bao gồm aerogel đa thành phần và vật liệu tổng hợp micro-/nano- aerogel. Ngoài ra, aerogel còn được phân loại theo loại nguyên liệu tạo nên chúng, phổ biến nhất là silica aerogel và cellulose aerogel.
Silica aerogel, như đã đề cập, lần đầu tiên được tổng hợp từ silica bởi Kistler bằng phương pháp sol-gel và kỹ thuật sấy siêu tới hạn (Hình 2a), với các đặc tính nổi bật như khối lượng riêng rất bé đến 1 mg/cm3, diện tích bề mặt riêng rất lớn (600 – 1600 m2/g), độ dẫn nhiệt có thể thấp đến 0,016 W/m.K, khả năng lan truyền âm thanh đạt 100 – 300 m/s và trở kháng âm thanh cao từ 103 đến 105 kg/m2.s [19, 20]. Silica aerogel được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước thải, cách nhiệt, cách âm, xúc tác, thiết bị hình ảnh, thuốc trừ sâu, v.v. Vào năm 1996, silica aerogel được NASA sử dụng để bảo vệ các xe tự hành trên Sao Hỏa khỏi nhiệt độ bề mặt cực thấp đến xuống -140 °C vào những đêm đông [21]. Silica aerogel còn có đặc tính chống cháy tốt (Hình 2b) với mức tổn thất do bốc cháy đạt 26,4% [22].

Theo thống kê của Aerogel Market, thị trường aerogel toàn cầu năm 2020 đạt 638 triệu USD và ước tính đến năm 2025 sẽ đạt mức trên 1 tỷ USD, với tốc độ tăng trưởng hằng năm khoảng 11%. Sự phát triển thị trường aerogel tập trung vào nhóm ngành dầu khí, xây dựng và vận tải. Trong các ứng dụng nổi bật của aerogel/aerogel composite siêu nhẹ, tính cách nhiệt tốt được nhiều nhà đầu tư quan tâm khi chúng có khả năng thay thế với các vật liệu cách nhiệt hiện có trên thị trường như bông khoáng, bông thủy tinh, xốp polyethylene, vải amiang.
Aerogel đi từ cellulose – sự nổi lên của sinh khối
Cellulose là loại polymer sinh học phong phú nhất trên thế giới, là thành phần không thể thiếu trong cấu trúc của thành tế bào thực vật. Phụ phẩm ngành nông nghiệp và công nghiệp chứa hàm lượng cellulose cao đã được nghiên cứu làm nguyên liệu tổng hợp aerogel (Hình 3) với diện tích bề mặt riêng từ 10 đến 975 m2/g, độ rỗng lên đến 99,9% và khối lượng riêng trong khoảng 0,0005 – 0,35 g/cm3 [8, 12, 23]. Tuy nhiên, cellulose aerogel có độ bền nén cơ học lớn hơn so với silica aerogel (5,2 kPa – 16,67 MPa) và tính phân hủy sinh học [8]. Tương tự như silica aerogel truyền thống, vật liệu cellulose aerogel có nhiều ứng dụng như cách nhiệt trong xây dựng [24, 25], chất mang trong dẫn truyền thuốc [26], xử lý dầu tràn, phân tách nhũ tương dầu/nước và hấp phụ thuốc nhuộm trong nước thải [27-29].

Trước các thực trạng của ngành nông nghiệp khi sản lượng phụ phẩm quá nhiều nhưng chưa được sử dụng triệt để, trong khuôn khổ dự án được tài trợ bởi Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup (VinIF), nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng thuộc Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM hợp tác với PGS.TS. Dương Minh Hải thuộc Trường Đại học Quốc gia Singapore đã nỗ lực tìm kiếm các giải pháp chuyển đổi xanh nguồn phế phẩm nông nghiệp thành vật liệu aerogel tính năng cao, cụ thể đối với hai đối tượng lá dứa thải và tro trấu. Tận dụng khả năng kéo sợi cellulose từ lá dứa và kết hợp với phụ phẩm cellulose khác là sợi cotton thải từ nhà máy dệt may, vật liệu cellulose aerogel composite đã được phát triển bằng phương pháp phối trộn cơ học, có bổ sung chất kết dính polyvinyl alcohol và sấy thăng hoa (Hình 4). Vật liệu có tính siêu nhẹ với khối lượng riêng và độ rỗng lần lượt là 0,019-0,046 g/cm3 và 96,14 – 98,44%. Cellulose aerogel composite có tính chất cách nhiệt với độ dẫn nhiệt siêu thấp (0,039-0,043 W/m.K) ở 25 °C, có nhiệt độ làm việc lên đến 250-275 °C và mô-đun nén Young đạt 11,33-44,63 kPa [32].

Từ phế phẩm tro trấu, nhóm nghiên cứu tiến hành trích xuất lấy silica dưới dạng muối silicate, thực hiện phản ứng đồng gel hóa xúc tác bởi axit HCl trên mạng lưới sợi PET tái chế từ vỏ chai nhựa thải, trao đổi dung môi và sấy thường để tạo ra silica aerogel composite. Sản phẩm tạo thành có tính chất nhẹ với giá trị mô-đun nén Young trên 70 kPa, khả năng cách nhiệt với độ dẫn nhiệt thấp trong khoảng 0,040 – 0,056 W/m.K ở 25 °C. Đồng thời, vật liệu thể hiện khả năng dập tắt đám cháy hiệu quả với tốc độ lan truyền ngọn lửa được xác định là 3,04 – 11,44 mm/s.

Điểm độc đáo trong các nghiên cứu này là các quy trình chế tạo vật liệu được phát triển dựa trên các yếu tố như tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp giá thành cực kỳ thấp, hạn chế sử dụng nguyên liệu độc hại, điều kiện tổng hợp được tối ưu nhằm tiết kiệm chi phí vận hành, đặc biệt là chi phí năng lượng. Không chỉ vậy, trong quy trình được xây dựng, các dòng vật chất đi ra được tái sử dụng hoặc hoàn nguyên làm nguyên liệu cho mẻ kế tiếp, ví dụ như trong quy trình đề xuất chế tạo silica aerogel composite hệ thống cô quay chân không thu hồi lại dung môi ethanol và n-hexan ở quá trình trao đổi dung môi và sử dụng thiết bị chưng cất để thu hồi n-hexan ở quá trình kỵ nước, qua đó vừa tái sử dụng lại dung môi vừa giảm thiểu lượng dung môi thải ra.
Nhờ vào những đặc tính độc đáo như khối lượng riêng thấp, độ rỗng lớn chứa đến hơn 80% là không khí, độ dẫn nhiệt rất thấp, vật liệu aerogel composite sở hữu nhiều ứng dụng tiềm năng vào thị trường cách nhiệt. Thực tế do ảnh hưởng của hiện tượng nóng lên toàn cầu, chi phí dành cho việc cách nhiệt và làm mát trong xây dựng ngày một gia tăng. Vì độ dẫn nhiệt thấp, khối lượng riêng nhỏ, độ bền cao, chi phí sản xuất thấp, vật liệu của chúng tôi có khả năng thay thế vật liệu xây dựng hiện thời trong vấn đề cách nhiệt cho các tòa nhà.
Với những kết quả khả quan thu được, dự án có thể được phát triển tiếp tục theo hướng hợp tác chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp có nhu cầu. Trước khi đưa vào sản xuất đại trà, quy trình công nghệ cần được nghiên cứu hoàn thiện dựa trên điều kiện cơ sở vật chất của nhà máy và tiềm lực của doanh nghiệp.
Tác giả: PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng, Trường ĐH Bách Khoa, ĐH Quốc gia Tp. HCM.
Biên tập: Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup (VinIF).
Tài liệu tham khảo
1. Báo VnEconomy-Tạp chí điện tử của Hội Khoa học Kinh tế Việt Nam (2022) (17/11/2022). Ngành nông nghiệp phục hồi với tăng trưởng xanh, https://vneconomy.vn/nganh-nong-nghiep-phuc-hoi-voi-tang-truong-xanh.htm.
2. Lambri M Roda A (2019), Food uses of pineapple waste and by-products: a review, J Food Sci Technol, số 54(4), tr. 1009-17.
3. Institute for Brand and Competitiveness Strategy – Vietnam business monitor (2017) (19/07/2020). Báo cáo ngành trồng trọt tại Việt Nam, http://vibiz.vn/upload/17604/20180503/BaO_CaO_NGaNH_TRoNG_TRoT_TaI_VIeT_NAM_NaM_2017__1_.pdf.
4. Joshi L Kumar P (2013), Pollution caused by agricultural waste burning and possible alternate uses of crop stubble: A case study of Punjab, Environ Sci, tr. 367-85.
5. Hu D Zhang H, Chen J, Ye X, Wang SX, Hao JM và cộng sự (2011), Particle size distribution and polycyclic aromatic hydrocarbons emissions from agricultural crop residue burning, Environ Sci Technol, số 45(13), tr. 5477-82.
6. Rajagopal K Ganesan K, Thangavel K (2008), Rice husk ash blended cement: assessment of optimal level of replacement for strength and permeability properties of concrete, Construct Build Mater, số 22(8), tr. 1675-1683.
7. Kistler SS (1931), Coherent expanded aerogels and jellies, Nature, số 127, tr. 741.
8. Weng YX Long LY, Wang YZ (2018), Cellulose aerogels: synthesis, applications, and prospects, Polym, số 10, tr. 623.
9. Schulz B Karadaglia I, Schestakow M, Milow B, Gries T (2015), Production of porous cellulose aerogel fibers by an extrusion process, J Supercrit Fluid, số 106, tr. 105-14.
10. Zhou B Du A, Zhang Y, Zhu X, Gao G, Wu G và cộng sự (2011), Hierarchical microstructure and formative mechanism of low-density molybdena-based aerogel derived from MoCl5, J Sol-Gel Sci Technol, số 58(1), tr. 225-31.
11. Zhang L Ren H, Shang C, Wang X, Bi Y (2010), Synthesis of a low-density tantalum oxide tile-like aerogel monolithic, J Sol-Gel Sci Technol, số 53(2), tr. 307-11.
12. Nguyen ST Thai QB, Ho DK, Tran TD, Huynh DM, Do NHN và cộng sự (2020), Cellulose-based aerogels from sugarcane bagasse for oil spill-cleaning and heat insulation applications, Carbohydr Polym, số 228, tr. 115365.
13. Ratke L Schwan M (2013), Flexibilisation of resorcinol–formaldehyde aerogels, J Mater Chem A, số 1(43), tr. 13462-68.
14. Li FF Long LY, Weng YX, Wang YZ (2019), Effects of sodium montmorillonite on the preparation and properties of cellulose aerogels, Polym, số 11(3), tr. 415.
15. Sui Z Zhang X, Xu B, Yue S, Luo Y, Zhan W và cộng sự (2011), Mechanically strong and highly conductive graphene aerogel and its use as electrodes for electrochemical power sources, J Mater Chem, số 21(18), tr. 6494-7.
16. Avgouropoulos G Skaltsas T, Tasis D (2011), Impact of the fabrication method on the physicochemical properties of carbon nanotube-based aerogels, Microporous Mesoporous Mater, số 143(2-3), tr. 451-7.
17. Zhou C Ganguly S, Morelli D, Sakamoto J, Brock SL (2012), Synthesis and characterization of telluride aerogels: Effect of gelation on thermoelectric performance of Bi2Te3 and Bi2–xSbxTe3 nanostructures, J Phys Chem C, số 116(33), tr. 17431-9.
18. Sadekar A Leventis N, Chandrasekaran N, Sotiriou-Leventis C (2010), Click synthesis of monolithic silicon carbide aerogels from polyacrylonitrile-coated 3D silica networks, Chem Mater, số 22(9), tr. 2790-803.
19. Luo H Yun S, Gao Y (2014), Superhydrophobic silica aerogel microspheres from methyltrimethoxysilane: rapid synthesis via ambient pressure drying and excellent absorption properties, RSC Adv, số 4(9), tr. 4535-42.
20. Pircher N Liebner F, Rosenau T (2016), Bacterial nanocellulose aerogels. Bacterial nanocellulose: From biotechnology to bio-economy, John Fedor, Netherlands, United Kingdom, United States.
21. Creighton JA Burchell MJ, Cole MJ, Mann J, Kearsley AT (2001), Capture of particles in hypervelocity impacts in aerogel, Mateorit Planet Sci, số 36, tr. 209-21.
22. Lee D Lee H, Cho J, Kim YO, Lim S, Youn S và cộng sự (2019), Super-insulating, flame-retardant, and flexible poly(dimethylsiloxane) composites based on silica aerogel, Compos Part A Appl Sci Manuf, số 123, tr. 108-13.
23. Widiyastuti W Fauziyah M, Balgis R, Setyawan H (2019), Production of cellulose aerogels from coir fibers via an alkali–urea method for sorption applications, Cellulose, số 26(18), tr. 9583-98.
24. Saito T Kobayashi Y, Isogai A (2014), Aerogels with 3D ordered nanofiber skeletons of liquid-crystalline nanocellulose derivatives as tough and transparent insulators, Angew Chem Int Ed, số 53, tr. 10394-7.
25. Bendahou D Seantier B, Bendahou A, Grohens Y, Kaddami H (2016), Multi-scale cellulose based new bio-aerogel composites with thermal super-insulating and tunable mechanical properties, Carbohydr Polym, số 138, tr. 335–48.
26. Choi H Choy YB, Kim K (2009), Uniform ethyl cellulose microspheres of controlled sizes and polymer viscosities and their drug-release profiles, J Appl Polym Sci, số 112, tr. 850-7.
27. de Toledo PVO Martins BF, Petri DFS (2017), Hydroxypropyl methylcellulose based aerogels: Synthesis, characterization and application as adsorbents for wastewater pollutants, Carbohydr Polym, số 155, tr. 173-81.
28. Xu S Bao MX, Wang X, Sun R (2016), Porous cellulose aerogels with high mechanical performance and their absorption behaviors, BioResources, số 11, tr. 8-20.
29. Kaya M (2017), Super absorbent, light, and highly flame retardant cellulose‐based aerogel crosslinked with citric acid, J Appl Polym Sci, số 134(38), tr. 45315-23.
30. Son T. Nguyen, Jingduo Feng, Shao Kai Ng, Janet P. W. Wong, Vincent B. C. Tan, và Hai M. Duong (2014), Advanced thermal insulation and absorption properties of recycled cellulose aerogels, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, số 445, tr. 128-134.
31. Yen T. Dang, Nga H. N. Do, Phuong T. X. Nguyen, Kim H. Ho, Kien A. Le, Hai M. Duong, và Phung K. Le (2022), Green fabrication of bio-based aerogels from coconut fibers for wastewater treatment, Journal of Porous Materials, số 29(4), tr. 1265-1278.
32. Nga H. N. Do, Viet T. Tran, Quang B. M. Tran, Kien A. Le, Quoc B. Thai, Phuc T. T. Nguyen, Hai M. Duong, và Phung K. Le (2021), Recycling of Pineapple Leaf and Cotton Waste Fibers into Heat-insulating and Flexible Cellulose Aerogel Composites, Journal of Polymers and the Environment, số 29(4), tr. 1112-1121.