PGS.TS Lê Thị Kim Phụng: Chế tạo vật liệu aerogel siêu nhẹ từ... những thứ bỏ đi

Aerogel được biết đến là một loại vật liệu nhẹ nhất thế giới, có tính năng cao và được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực. Với Dự án “Phát triển kỹ thuật sản xuất vật liệu tính năng cao aerogel composite từ phụ phẩm nông nghiệp”, nhóm nghiên cứu của PGS.TS Lê Thị Kim Phụng có thể tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế lớn từ những thứ bỏ đi.

Từ trăn trở về một nền nông nghiệp bền vững…

Trao đổi với PV Tri thức và Cuộc sống, PGS.TS Lê Thị Kim Phụng, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa (ĐH Quốc gia TPHCM) cho biết, Việt Nam là một nước đang phát triển có thế mạnh về nông nghiệp. Cùng với sản lượng dồi dào, các loại phụ phẩm trong quá trình chế biến và trồng trọt đang phát sinh với số lượng lớn và chiếm thành phần chủ yếu trong chất thải rắn nông nghiệp.

Ước tính cứ 1 tấn thóc thì thải ra 1 tấn rơm rạ, trong đó lượng trấu chiếm 0,2 tấn. Để sản xuất 100 kg ngô hạt thì để lại 250 kg thân ngô. Bã mía sau khi ép cây mía lấy dịch chiếm đến 29% khối lượng cây mía.

Một số phụ phẩm được sử dụng cho nhiên liệu, thức ăn gia súc hoặc phân bón, tuy nhiên tỉ lệ sử dụng này chưa lớn và giá trị đem lại chưa cao, vẫn còn nhiều phế phụ phẩm được đốt hoặc vứt bỏ tại đồng ruộng, gây ô nhiễm môi trường. Vấn đề xử lý chất thải rắn nói chung và phụ phẩm ngành nông nghiệp nói riêng luôn là vấn đề nhức nhối suốt thập kỉ qua của Việt Nam.

Là một nhà khoa học đã có những ký ức tuổi thơ gắn bó với ruộng đồng, với người nông dân, PGS.TS Lê Thị Kim Phụng trăn trở rất nhiều về việc làm sao để “trả lại cho thiên nhiên những gì thuộc về thiên nhiên” một cách khoa học.

“Với mục tiêu hướng đến nông nghiệp bền vững, gia tăng giá trị cho các sản phẩm trồng trọt, nhóm nghiên cứu đã tái tạo aerogel siêu nhẹ từ những thứ phụ phẩm nông nghiệp bỏ đi này”, PGS.TS Lê Thị Kim Phụng chia sẻ.

Tái tạo vật liệu tiên tiến từ những thứ “bỏ đi”

Tiền Giang vốn là “thủ phủ” của dứa, với diện tích trồng dứa lớn nhất vùng đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên, dứa là một trong những loại cây có tỷ lệ chất thải nông nghiệp cao nhất thế giới. Cứ 1 kg quả dứa được thu hoạch thì có 3 kg chất thải từ dứa được tạo ra. Lượng rác thải khổng lồ từ vỏ và lá dứa không được xử lý sẽ tạo thành các chất độc hại, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.

Đứng trước thực tế này, nhóm của PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng đã tiếp cận nguồn nguyên liệu này để chế tạo ra các sản phẩm có giá trị như bromelain từ lá và vỏ dứa, xơ sợi dứa và gần đây là tổng hợp thành công vật liệu tái tạo aerogel siêu nhẹ từ sợi lá dứa.

Công nghệ được nhóm phát triển hướng đến tiêu chí ít sử dụng dung môi độc hại với môi trường nhằm hạ thấp chi phí sản xuất. Tuy nhiên, sản phẩm vẫn giữ các tính chất đặc trưng của aerogel như siêu nhẹ (khối lượng riêng cực thấp từ 13 đến 33 mg/cm³) và cấu trúc rỗng xốp với độ rỗng lên đến 99%. Đặc biệt, vật liệu aerogel từ sợi lá dứa thể hiện độ bền uốn dẻo rất tốt khác với các loại aerogel từ silica truyền thống vốn rất dễ bị vỡ vụn.

Với những đặc tính đó, loại vật liệu tái tạo này có ứng dụng tiềm năng ở các mảng môi trường, xây dựng và bảo quản thực phẩm, đặc biệt là xử lý sự cố dầu tràn. “Kết quả nghiên cứu công bố quốc tế cho thấy tiềm năng xử lý các sự cố tràn dầu với khả năng hấp phụ cực đại lên đến 40g dầu/g aerogel chỉ trong vòng 1 phút, nhiều gấp 2 lần so với các tấm hấp phụ polypropylene và polyurethane thương mại”, PGS.TS Lê Thị Kim Phụng cho hay.

Ngoài ra, theo PGS.TS Lê Thị Kim Phụng, với khả năng cách nhiệt tốt, độ dẫn nhiệt siêu thấp và khả năng làm việc lên đến 200°C, aerogel có tiềm năng để chế tạo vỏ áo cách nhiệt (thermal jacket) trong ngành thực phẩm hoặc thời trang may mặc.

Kết quả thử nghiệm cho thấy lớp vỏ áo được làm aerogel có khả năng giữ được nước nóng trên 40°C trong vòng 2,5 giờ và nước đá dưới 0°C trong 6 giờ liên tục. Đặc biệt, vỏ áo này chỉ có trọng lượng vỏn vẹn 190g, nhẹ gấp 7 lần so với các bình giữ nhiệt chân không hiện nay. Ngoài ra, nhờ đặc tính rỗng xốp, vật liệu còn sở hữu khả năng cách âm rất tốt.

Không chỉ dừng lại ở đối tượng sợi lá dứa, nhóm nghiên cứu tiếp tục triển khai tổng hợp cellulose aerogel từ bã mía và rơm rạ. Với bã mía, aerogel có khối lượng siêu nhẹ, độ dẫn nhiệt cực thấp, có tính uốn dẻo và đàn hồi tốt, cho phạm vi ứng dụng đa dạng. Điều đặc biệt là các đặc tính này của vật liệu ổn định được trong hơn 2 tháng ở điều kiện bình thường.

Ước mơ vươn tầm thế giới

PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng chia sẻ, cho đến thời điểm này, việc có thể tái tạo aerogel siêu nhẹ, có được những ứng dụng hiệu quả từ phụ phẩm nông nghiệp bỏ đi là một bước rất thành công của Dự án “Phát triển kỹ thuật sản xuất vật liệu tính năng cao aerogel composite từ phụ phẩm nông nghiệp”.

Dự án đã được Quỹ Đổi mới sáng tạo VinIF tài trợ 5 tỷ đồng với mục tiêu đưa công nghệ này từ nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô pilot và tiến đến quy mô công nghiệp nhằm sản xuất các tấm aerogel từ phụ phẩm tro trấu và sợi cellulose cho ứng dụng cách nhiệt và bao bì bảo quản thực phẩm.

Trong tương lai, nhóm mong muốn tạo ra sản phẩm tái tạo từ phụ phẩm ngành nông nghiệp nhưng có giá trị kỹ thuật cao vào thị trường quốc tế và cạnh tranh với các sản phẩm cùng chất lượng từ các nước.

Để hiện thực hóa điều này, nhóm nghiên cứu hợp tác với doanh nghiệp, trong đó, doanh nghiệp đóng vai trò đánh giá và kiểm chứng tính thực tiễn cũng như hiệu quả kinh tế của nghiên cứu.

“Dây chuyền tổng hợp dự kiến sẽ sản xuất các cuộn aerogel có kích thước 60 x 90cm với năng suất 100.000 m²/năm. Để mang đến sự an tâm cho khách hàng khi tiếp cận loại vật liệu mới, các tấm aerogel được đo đạc và đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM cho các ứng dụng cách nhiệt và bao bì bảo quản thực phẩm”, PGS.TS Lê Thị Kim Phụng chia sẻ.

Theo thống kê của Aerogel Market, tính đến năm 2022, thị trường aerogel toàn cầu sẽ đạt 786,5 triệu USD, tốc độ tăng trưởng mạnh. Trong các ứng dụng nổi bật của aerogel 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, hay vải amiang. Đây sẽ là loại vật liệu đầy tiềm năng thúc đẩy nền kinh tế nước nhà đi lên vượt bậc và sánh ngang các cường quốc với thương hiệu Việt Nam.