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. Để giảm thiểu sự phát tán tro bay ra môi trường, phương pháp phổ thông được sử dụng là thu gom tro bay vào các hồ chứa, sau đó chế biến bằng phương pháp kết lắng, tuyển nổi hoặc lọc tĩnh điện. Tuy nhiên, chỉ khoảng 30% tổng lượng tro bay được tái chế thành các sản phẩm hữu ích. Phần tro bay còn lại không được sử dụng và chất thành đống, ảnh hưởng nghiêm trọng đến cân bằng hệ sinh thái cũng như gia tăng các thảm họa tự nhiên. 

Hiện tại, tro bay ở Việt Nam được sử dụng chủ yếu làm phụ gia (phụ gia bê tông, xi măng, sản xuất gạch không nung) trong các công trình xây dựng nhờ vào hình dạng viên dẹp, xiên nước tốt và cường độ giãn nỡ tốt. Tuy nhiên, do thành phần tro bay không ổn định và hàm lượng tro bay trong một viên gạch rất lớn nên máy phải đạt đến lực ép rất lớn, dẫn đến tốn kém chi phí vận hành thiết bị cũng như vấn đề về lỗi khuôn. Đây cũng là nguyên nhân chủ yếu tác động đến chất lượng sản phẩm. 

Đứng trước thực trạng về ô nhiễm môi trường của tro bay và sự tồn đọng rất lớn của chúng ngoài môi trường, trong khi việc chuyển hóa tro bay thành vật liệu tính năng cao aerogel và aerogel composite góp phần tái chế chất thải công nghiệp và phát triển các dạng sản phẩm có giá trị kỹ thuật cao, PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng cùng các cộng sự Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM đã triển khai đề tài “Phát triển công nghệ sản xuất vật liệu aerogel composite từ tro bay định hướng ứng dụng làm vật liệu siêu nhẹ, cách âm, cách nhiệt”. 

PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng – Chủ nhiệm đề tài cho biết: “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,…”

Sau nhiều tháng thực hiện, 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.

Bên cạnh đó, đề tài cũng nghiên cứu được 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. 

Nhìn chung, tro bay aerogel composite có tính siêu nhẹ với độ rỗng lớn hơn, tính chất cách nhiệt hiệu quả hơn và tính chất dẻo dai tốt hơn so với tro bay aerogel. 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.

Theo PGS.TS. Lê Thị Kim Phụng, 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.

So sánh 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. Đặc biệt, quy trình chế tạo aerogel composite từ tro bay không phát thải dung môi hay khí thải ra ngoài môi trường. 

Đáng chú ý, 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.