Mạnh hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn: Tăng cường sản xuất sợi carbon bằng cặn dầu giá rẻ
của Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah
Sợi carbon đang có nhu cầu cao do các đặc tính đặc biệt của chúng. Sử dụng cặn dầu, các nhà nghiên cứu KAUST đã phát triển một phương pháp chi phí thấp để sản xuất sợi carbon chất lượng cao. Nguồn: Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah
Vật liệu sợi carbon tiên tiến có thể được sử dụng trong các ứng dụng từ cánh tua bin gió đến cấy ghép y sinh sau khi phát triển nguyên liệu đầu vào sợi carbon giá rẻ.
Sợi carbon được kéo từ hỗn hợp hiệp đồng của các loại dầu nặng giá trị thấp còn sót lại từ quá trình lọc dầu thô của các thành viên thuộc Nền tảng nghiên cứu năng lượng sạch của KAUST. Công trình này không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng sợi carbon rộng rãi hơn mà còn tạo ra những công dụng mới bền vững cho dầu cặn khi thế giới chuyển sang các hệ thống năng lượng thay thế.
"Dầu thô là một nguồn tài nguyên có tiềm năng to lớn ngoài nhiên liệu", Edwin Guevara Romero, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Mani Sarathy, người đứng đầu công trình này, cho biết. "Sử dụng cặn dầu làm nguyên liệu cho vật liệu carbon là một ứng dụng sáng tạo, có giá trị cao của các nguồn tài nguyên có nguồn gốc từ dầu mỏ, mở đường cho sự đa dạng hóa kinh tế", ông nói.
Sợi carbon đang ngày càng có nhu cầu cao trong nhiều ngành công nghiệp do các đặc tính đặc biệt của nó, bao gồm độ bền và độ bền cơ học cao, trọng lượng nhẹ, độ ổn định nhiệt và độ dẫn điện. Một yếu tố hạn chế là chi phí cao, phần lớn có thể là do tiền chất carbon đắt tiền, polyacrylonitrile (PAN), được sử dụng để tạo ra nó.
Chi phí cao của PAN đã thúc đẩy việc tìm kiếm các nguyên liệu thay thế. "Cặn dầu có thể cung cấp một giải pháp thay thế hiệu quả về mặt chi phí và dồi dào", Guevara nói. Đối với nghiên cứu của mình, nhóm nghiên cứu đã nhắm mục tiêu vào các thành phần nặng nhất, phức tạp nhất—và theo truyền thống là khó xử lý nhất—của dầu cặn, được gọi là asphaltenes và resins.
Trước đây, asphaltenes đã được thử nghiệm làm nguyên liệu sợi carbon. Tuy nhiên, những nỗ lực để kéo sợi các vật liệu này thành sợi bị hạn chế do xu hướng đứt gãy của chúng và sản lượng sợi carbon từ bước xử lý nhiệt cacbon hóa cuối cùng tương đối thấp.
Tóm tắt đồ họa. Nguồn: Fuel (2024). DOI: 10.1016/j.fuel.2024.134154
"Các nghiên cứu trước đây về cặn dầu đã chỉ ra rằng nhựa ổn định các phân tử asphaltene, làm nổi bật ái lực phân tử mạnh của chúng", Guevara nói. "Điều này khiến chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng việc pha trộn asphaltene với nhựa có thể tạo ra nguyên liệu đầu vào có tác dụng hiệp đồng để sản xuất sợi carbon".
Được công bố trên tạp chí Fuel, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng hỗn hợp này mang lại một số lợi thế so với asphaltene đơn lẻ làm nguyên liệu đầu vào cho sợi carbon. Nó có đặc tính chảy tốt hơn và có thể kéo sợi ở nhiệt độ thấp hơn, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng. Nhóm nghiên cứu cũng quan sát thấy ít sợi bị đứt hơn trong quá trình kéo sợi và đạt được năng suất cao hơn sau bước cacbon hóa.
"Điều này cải thiện khả năng tồn tại của quy trình bằng cách tối đa hóa quá trình chuyển đổi vật liệu tiền chất thành sản phẩm sợi carbon cuối cùng", Guevara nói.
Các sợi carbon thu được cũng có chất lượng cao. "Các đặc tính của sợi của chúng tôi tương đương với các đặc tính của 'sợi carbon đẳng hướng', thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cơ học từ trung bình đến cao", Guevara cho biết.
"Theo truyền thống, cặn dầu được sử dụng trong các ứng dụng có giá trị rất thấp như mặt đường. Bằng cách chiết xuất asphaltene và nhựa nặng nhất để sản xuất sợi carbon có giá trị cao, các loại dầu còn lại cũng có thể được xử lý dễ dàng hơn để tạo ra nhiên liệu sạch hơn hoặc các phân tử nhỏ có giá trị, cải thiện thêm tính kinh tế của quy trình", Sarathy nói thêm.
Các nhà nghiên cứu hiện đang tinh chỉnh hỗn hợp dầu còn lại để tối đa hóa tương tác hóa học giữa các thành phần nhằm cải thiện thêm các đặc tính vật lý của sợi. Họ cũng đang hợp tác với Saudi Aramco để mở rộng quy trình.
"Mục tiêu chính của chúng tôi là tạo ra sợi carbon hiệu suất cao và sau đó mở rộng quy mô theo hướng quy trình công nghiệp", Sarathy cho biết. "Điều này sẽ mang đến cho Ả Rập Xê Út một sản phẩm độc đáo, có khả năng cạnh tranh về mặt kinh tế và có thể được tiếp thị trên toàn cầu".
