Nghiên cứu từ thực tiễn
Trong quá trình học tập, tìm hiểu kiến thức, Mai Xuân Quang (lớp 11C5B) và Nguyễn Hoàng Minh (lớp 10C4), Trường THPT chuyên Hùng Vương (Gia Lai) nhận thấy, trong nhiều trường hợp, khi xảy ra hỏa hoạn nguyên nhân chính gây thương vong không phải là ngọn lửa, mà là khói và khí độc, đặc biệt là khí carbon monoxide (CO).
Từ đó, hai em mong muốn nghiên cứu, chế tạo một loại vật liệu có khả năng hấp phụ khí độc, tích hợp vào mặt nạ lọc khí phục vụ thoát hiểm. Yêu cầu đặt ra là sản phẩm phải có cấu trúc gọn nhẹ, dễ sử dụng và có hiệu quả trong khoảng thời gian đủ để người gặp nạn di chuyển ra khỏi khu vực nguy hiểm.
Một điểm đáng chú ý trong hướng tiếp cận của dự án là việc sử dụng bã mía, phế phẩm nông nghiệp phổ biến tại Gia Lai làm nguyên liệu đầu vào. Theo Xuân Quang, việc tận dụng sinh khối này vừa giúp giảm chi phí sản xuất, vừa góp phần xử lý chất thải từ các nhà máy đường.
Từ ý tưởng ban đầu, nhóm xây dựng đề tài “Chế tạo vật liệu hấp phụ khí độc từ Biochar/Carbon-dots ứng dụng cho mặt nạ lọc khí thoát hiểm cháy”, kết hợp giữa kiến thức hóa học, vật lý và công nghệ vật liệu.
Quá trình triển khai hai em gặp khá nhiều thuận lợi, như nội dung nghiên cứu phù hợp với chương trình trung học phổ thông, nguồn nguyên liệu sẵn có và sự hỗ trợ từ giáo viên. Tuy nhiên, nhóm cũng gặp khó khăn về thiết bị và điều kiện thí nghiệm, đặc biệt là các phép đo chuyên sâu.
Để khắc phục, Quang và Minh liên hệ và trực tiếp đến Học viện Khoa học và Công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam tại Hà Nội) để thực hiện các thí nghiệm và kiểm chứng kết quả.
Dự án được triển khai theo 4 giai đoạn: Xử lý nguyên liệu sinh khối; chức năng hóa bề mặt biochar; đo đặc trưng và đánh giá khả năng hấp phụ; tích hợp vào lõi lọc và thiết kế mặt nạ.
Theo Hoàng Minh, từ bã mía, nhóm tiến hành nhiệt phân để tạo than sinh học (biochar), sau đó biến tính bằng phương pháp thủy nhiệt trong dung dịch H2O2 nhằm tạo ra các hạt carbon-dots (CDs) kích thước nano. Các hạt này phân bố trên nền vật liệu xốp, giúp tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ.
Về nguyên lý, hấp phụ là quá trình các phân tử khí bám lên bề mặt vật liệu. Nhờ cấu trúc xốp và sự hiện diện của các nhóm như OH, COOH, vật liệu chế tạo có khả năng tương tác tốt với các phân tử khí độc.
Để đánh giá đặc tính vật liệu, nhóm sử dụng nhiều phương pháp phân tích như hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát cấu trúc; phổ Raman và FTIR để xác định liên kết và nhóm chức; phương pháp BET để đo diện tích bề mặt; và thế Zeta để đánh giá điện tích bề mặt.
Kết quả cho thấy vật liệu có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc lỗ xốp phát triển và khả năng hấp phụ khí CO tốt. Hai em cũng tiến hành so sánh với than hoạt tính thương mại và vật liệu từ các loại mặt nạ phòng cháy trên thị trường, qua đó đánh giá hiệu quả tương đối của vật liệu chế tạo.
Sau khi hoàn thiện vật liệu, nhóm tích hợp vào lõi lọc của mặt nạ. Lõi lọc được cấu tạo từ 15 lớp vải không dệt, tẩm vật liệu hấp phụ và cuộn thành dạng hình trụ. Phần vỏ mặt nạ được thiết kế phù hợp khuôn mặt, đảm bảo độ kín và được in 3D bằng nhựa PLA để giảm trọng lượng.
Dự án đã tạo ra 3 mẫu vật liệu hấp phụ với các điều kiện biến tính khác nhau và 3 mẫu mặt nạ tương ứng để thử nghiệm. Kết quả cho thấy, mặt nạ có khả năng hấp phụ khí CO trong thời gian khoảng 50 phút ở nồng độ 5.000 ppm, với lưu lượng khí 300 ml/phút.
Kết quả này đáp ứng yêu cầu cơ bản cho thiết bị hỗ trợ thoát hiểm trong các tình huống cháy, khi thời gian tiếp xúc với khí độc cần được kéo dài để tăng khả năng di chuyển ra khỏi khu vực nguy hiểm.
Giá trị khoa học và định hướng phát triển
Theo Xuân Quang, ngoài hiệu quả hấp phụ khí độc, vật liệu chế tạo từ bã mía còn có ưu điểm về chi phí và khả năng mở rộng sản xuất. Sử dụng phế phẩm nông nghiệp giúp giảm phụ thuộc vào nguyên liệu công nghiệp và phù hợp với định hướng phát triển bền vững.
Bên cạnh ý nghĩa khoa học trong lĩnh vực vật liệu, nghiên cứu còn có giá trị ứng dụng trong thực tiễn, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu về thiết bị bảo hộ cá nhân ngày càng tăng.
Với kết quả đạt được, dự án của Quang và Minh đã giành giải Nhì tại Cuộc thi nghiên cứu khoa học, kỹ thuật cấp quốc gia năm học 2025 - 2026. Đây là sự ghi nhận đối với hướng tiếp cận gắn với thực tiễn và khả năng triển khai nghiên cứu của học sinh.
Từ nền tảng của dự án, Quang và Minh cho biết sẽ tiếp tục hoàn thiện thiết kế và chức năng của mặt nạ để tăng độ bền, độ an toàn và tính tiện dụng. Nâng cấp mặt nạ ở các phiên bản tiếp theo nhằm cải thiện hiệu suất lọc, khả năng sử dụng và trải nghiệm người dùng. Đồng thời hoàn thiện công nghệ để tạo ra sản phẩm mặt nạ thoát hiểm cháy cho sử dụng trong hộ gia đình, trường học.
Bà Lê Thị Thu, Hiệu trưởng nhà trường, cho biết: Kết quả của dự án thể hiện việc học sinh vận dụng kiến thức để giải quyết vấn đề cụ thể, phù hợp với định hướng đổi mới giáo dục hiện nay.
Theo Phó Giám đốc Sở GD&ĐT Gia Lai Nguyễn Văn Long, thông qua hoạt động nghiên cứu khoa học, học sinh được rèn luyện tư duy phân tích, phương pháp nghiên cứu và khả năng vận dụng kiến thức liên môn. Đây cũng là cơ sở để các em định hướng nghề nghiệp trong tương lai.
