Tiềm năng sản xuất hỗn hợp C60-C70 fullerene từ chất thải nông nghiệp

Fullerene là tên gọi chung cho các phân tử có cấu trúc mặt cầu, hình êlip hay dạng ống… Fullerene đã được các nhà khoa học phát hiện ra vào năm 1985 trong tàn dư than chì khi cho bốc hơi cacbon trong bầu khí quyển helium, trong phổ khối của sản phẩm, các đỉnh riêng biệt xuất hiện tương ứng với các phân tử có khối lượng chính xác là sáu mươi hoặc bảy mươi hoặc nhiều nguyên tử carbon, cụ thể là C₆₀ và C₇₀. Tuy được phát hiện từ năm 1985 nhưng phải một thời gian sau fullerene mới được tìm thấy trong tự nhiên và vũ trụ. Việc phát hiện ra fullerene đã mở rộng đáng kể số lượng các đồng vị cacbon đã biết (trước đây chỉ giới hạn ở than chì, kim cương và cacbon vô định hình như bồ hóng và than củi). Chúng là chủ đề của nghiên cứu mạnh mẽ, cả về hóa học và ứng dụng công nghệ, đặc biệt là trong khoa học vật liệu, điện tử và công nghệ nano.
 

Hình 1: Sơ đồ sắp xếp các nguyên tử cacbon trong các phân tử C₆₀-C₇₀ fullerene.

(Nguồn: Bản mô tả sáng chế số 20192 - Cục Sở hữu trí tuệ).

Hiện nay trên thế giới chưa có nhiều nghiên cứu và bằng sáng chế được cấp về hỗn hợp C₆₀-C₇₀. Theo thống kê từ cơ sở dữ liệu sáng chế Derwent Innovation, số lượng các đơn và bằng sáng chế về hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene không nhiều (năm 2019 có 53 đơn và bằng, năm 2020 có 105 đơn và bằng).

Nhận thấy tiềm năng ứng dụng cao của hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene, từ năm 2009 ông Trịnh Đình Năng – Giám đốc Công ty TNHH Công nghệ cao Trịnh Đình Năng, đồng thời là một nhà sáng chế (NSC) đam mê khoa học - đã miệt mài nghiên cứu để sản xuất hợp chất này. Sau nhiều lần thất bại, đến năm 2015 NSC đã tìm được bí quyết và sản xuất thành công chất hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene từ các loại chất thải tổng hợp trong nông nghiệp có hàm lượng cacbon cao như vỏ trấu, sọ dừa, vỏ tơ hạt cà phê, cùi ngô, lông vũ...

Quy trình sản xuất hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene của NSC bao gồm 4 bước:

1. Cốc hóa nguyên liệu cacbon hữu cơ: Để thực hiện bước này cần sử dụng thiết bị cốc hóa do chính NSC chế tạo ra có khả năng cốc hóa hoàn toàn nguyên liệu hữu cơ, không để lại lõi. Tiếp theo, nguyên liệu sau khi làm sạch được nạp vào lò cốc hóa và nung ở nhiệt độ 1400 độ C trong điều kiện hiếm khí trong khoảng 12 giờ để thu được than hoạt tính chứa hàm lượng cacbon vô định hình thấp (90 - 94%);
2. Tinh chế than hoạt tính: Dùng axit và dung môi để loại bỏ tạp chất trong khối than hoạt tính thu được từ bước 1 bằng thiết bị tinh chế than hoạt tính do chính NSC chế tạo ra, sau đó rửa với nước sạch để thu được than tinh khiết là C₁₂ có độ tinh khiết 98 - 99% (Cacbon vô định hình);
3. Tổng hợp hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene: Thiết bị nhiệt hóa dùng để tổng hợp C₆₀-C₇₀ fullerene có cấu tạo gần giống với thiết bị cốc hóa do NSC tự nghiên cứu có cấu tạo gồm: Lò nung gồm có vỏ lò có hai lớp, lớp trong được làm bằng vật liệu chịu được nhiệt độ đến 2400 độ C, lớp ngoài được làm bằng vật liệu cách nhiệt. Bên trong vỏ lò là nồi hóa nhiệt được làm bằng vật liệu dẫn nhiệt và chịu được nhiệt độ 2400 độ C, nồi này được đặt lọt bên trong vỏ lò sao cho cách mặt trong của vỏ một khoảng trống làm khoang đốt bao quanh nồi. Nung nóng chảy than tinh khiết C₁₂ trong lò phản ứng hóa nhiệt ở nhiệt độ 1800 độ C, đồng thời bổ sung hỗn hợp 2Co + Li dạng bột để tạo phản ứng phát ra tia gamma (g). Sử dụng tia laser kích hoạt làm giãn nở phồng khối C₁₂. Lúc này, nhờ tác dụng của tia g, quá trình sắp xếp lại các nguyên tử C để tạo thành hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene đã xảy ra; và
4. Nghiền sản phẩm hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene thu được ở bước trên bằng máy nghiền thông thường thành bột có cỡ hạt theo ý muốn.

Quy trình sản xuất hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene nói trên được thực hiện với thiết bị đi kèm bao gồm: thiết bị cốc hóa cacbon hữu cơ, thiết bị tinh chế than hoạt tính, thiết bị tổng hợp hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene.

Hình 2: Sơ đồ thiết bị cốc hóa sử dụng trong phương pháp sản xuất hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene theo sáng chế. (Nguồn: Bản mô tả sáng chế số 20192 - Cục Sở hữu trí tuệ).

Hình 3: Sơ đồ cấu tạo thiết bị tinh chế than hoạt tính sử dụng trong phương pháp sản xuất hỗn hợp theo sáng chế. (Nguồn: Bản mô tả sáng chế số 20192 - Cục Sở hữu trí tuệ).

Hình 4: Sơ đồ cấu tạo thiết bị tổng hợp hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene sử dụng trong phương pháp sản xuất hỗn hợp theo sáng chế. (Nguồn: Bản mô tả sáng chế số 20192 - Cục Sở hữu trí tuệ).

So với những phương pháp sản xuất cacbon đắt đỏ trước đây, quy trình của NSC Trịnh Đình Năng có ưu điểm là tận dụng được nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có ở Việt Nam để tổng hợp ra sản phẩm C₆₀- C₇₀ fullrene, từ đó giúp giảm thiểu chi phí sản xuất, tiết kiệm năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường.

Năm 2018 hệ thống sản xuất hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene của NSC Trịnh Đình Năng đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng bảo hộ độc quyền sáng chế (số 20192, ngày cấp 25/12/2018) và đã đạt giải 3 trong cuộc thi sáng chế 2018 do Cục tổ chức.

Không dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm, hệ thống sản xuất hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene của NSC Trịnh Đình Năng hiện đã phát triển hoàn thiện để áp dụng vào quy mô công nghiệp và sẵn sàng đáp ứng nhu cầu thị trường.

Với mong ước đưa công nghệ Việt vươn tầm quốc tế, NSC Trịnh Đình Năng cùng cộng sự mong muốn tìm kiếm những đối tác, nhà khoa học, nhà đầu tư có tầm nhìn để cùng phát triển, hoàn thiện và đưa được sản phẩm ứng dụng hỗn hợp C₆₀-C₇₀ fullerene ra thị trường phục cộng đồng phát triển kinh tế xã hội.

Mọi thông tin xin liên hệ: Phòng Chính sách và Tư vấn thương mại hóa sáng chế_Viện Nghiên cứu sáng chế và Khai thác công nghệ.

Số điện thoại: 02436.321.032

Email: pcstmhsc.niptech@gmail.com