Đồ Án HCMUTE: Chế Tạo Dĩa Dùng Một Lần Từ Phế Phẩm Nông Nghiệp

Đồ án nghiên cứu hcmute chế tạo dĩa dùng một lần từ phế phẩm nông nghiệp, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán nông nghiệp.

• Tác giả: Đặng Thị Loan
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Thị Tuyết Nhung
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Chế Tạo Dĩa Dùng Một Lần Từ Phế Phẩm Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 0.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 0.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 0.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 0.4. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 0.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỂ TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU
• 0.5.1. Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu
• 0.5.2. Phương pháp thực nghiệm
• 0.5.3. Phương pháp đồ thị
• 0.5.4. Phương pháp so sánh
• 0.5.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 0.5.5.1. Ý nghĩa khoa học
• 0.5.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan phế phẩm nông nghiệp
• 1.2. Công trình nghiên cứu về phế phẩm nông nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tính chất phế phẩm điều chế vật liệu
• 2.2. Quá trình loại bỏ lignin trong phế phẩm nông nghiệp
• 2.3. Cơ chế hoạt động và công dụng của Natri Benzoat (E211)
• 2.4. Phương pháp ma trận trực giao Taguchi [16]
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 3.1. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT
• 3.2. Điều chế vật liệu
• 3.3. Xác định khoảng tối ưu của các yếu tố trong điều chế sản phẩm
• 3.4. Chuẩn bị vật liệu làm bề mặt dĩa
• 3.5. Đánh giá các thông số kỹ thuật của sản phẩm đã hoàn thiện
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ NHẬN XÉT
• 4.1. Sản phẩm sau thí nghiệm
• 4.2. Ảnh hưởng của các yếu tố tác động lên sản phẩm
• 4.3. Kết quả sấy vật liệu lá sen
• 4.4. Ép lá thành phẩm
• 4.5. Kết quả sau khi chụp phân tích sản phẩm bằng phương pháp FT – IR
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Giới thiệu về đề tài

Đề tài 'Chế Tạo Dĩa Dùng Một Lần Từ Phế Phẩm Nông Nghiệp Tại HCMUTE' tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển sản phẩm dĩa dùng một lần từ các loại phế phẩm nông nghiệp như thân chuối và vỏ ngô. Mục tiêu chính là tìm kiếm giải pháp thay thế cho các sản phẩm nhựa dùng một lần, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng phế phẩm nông nghiệp không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị sử dụng cao. Theo nghiên cứu, việc chế tạo dĩa từ phế phẩm nông nghiệp có thể góp phần vào việc thực hiện nông nghiệp tuần hoàn, nơi mà các sản phẩm phụ được tái sử dụng một cách hiệu quả.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua các phương pháp thực nghiệm và phân tích đồ thị. Các yếu tố như nồng độ Na2CO3, thời gian gia nấu, và tỷ lệ bột mì được khảo sát để xác định khoảng tối ưu cho việc chế tạo sản phẩm. Kết quả cho thấy rằng, với nồng độ Na2CO3 là 10% và thời gian nấu 45 phút, sản phẩm đạt được chất lượng tốt nhất. Việc áp dụng công nghệ sinh học trong quá trình chế tạo không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Các thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp Taguchi để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

III. Đánh giá chất lượng sản phẩm

Chất lượng sản phẩm được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu như lực bền kéo, khả năng chống thấm nước và khả năng chịu nhiệt. Kết quả cho thấy sản phẩm dĩa từ phế phẩm nông nghiệp có khả năng chịu lực kéo tốt và khả năng chống thấm nước cao, đáp ứng được yêu cầu sử dụng trong thực tế. Việc sử dụng vật liệu sinh học trong sản xuất không chỉ giúp tạo ra sản phẩm an toàn cho sức khỏe mà còn thân thiện với môi trường. Sản phẩm có thể phân hủy sinh học trong thời gian ngắn, góp phần giảm thiểu rác thải nhựa trong môi trường.

IV. Ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ có giá trị về mặt lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn. Việc chế tạo dĩa từ phế phẩm nông nghiệp tại HCMUTE có thể được áp dụng rộng rãi trong các nhà hàng, quán ăn, và các sự kiện ngoài trời, nơi mà việc sử dụng sản phẩm dùng một lần là cần thiết. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng mở ra hướng đi mới cho việc xử lý rác thải nông nghiệp, biến chúng thành nguồn tài nguyên quý giá. Điều này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra cơ hội việc làm cho người dân trong ngành nông nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường với đề tài "Chế tạo dĩa dùng một lần từ phế phẩm nông nghiệp" được thực hiện bởi sinh viên Đặng Thị Loan và Đỗ Kim Phượng dưới sự hướng dẫn của TS. Hoàng Thị Tuyết Nhung tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 12/2019, hoàn thiện hiệu chỉnh tháng 01/2020).

Lý do chọn đề tài xuất phát từ sức ép ô nhiễm rác thải nhựa tiêu dùng dùng một lần và thực trạng lãng phí phụ phẩm nông nghiệp tại Việt Nam:

• Thống kê toàn cầu cho thấy mỗi phút có 1 triệu chai nhựa được bán ra và mỗi năm tiêu thụ 5.000 tỷ túi nilon. Tại Việt Nam, trung bình mỗi hộ gia đình sử dụng khoảng 1 kg túi nilon/tháng; riêng khu vực Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh thải ra môi trường khoảng 80 tấn rác thải nhựa và nilon mỗi ngày. Rác thải nhựa chiếm khoảng 12% tổng lượng chất thải rắn phát sinh tại các quốc gia có mức thu nhập trung bình. Các loại bao bì và vật dụng ăn uống dùng một lần (chén, dĩa, muỗng) mất hàng trăm đến hàng nghìn năm để phân hủy, gây suy thoái hệ sinh thái đất và nước.
• Song song với đó, ngành nông nghiệp Việt Nam hàng năm phát sinh lượng phụ phẩm sinh khối rất lớn nhưng chưa được khai thác hiệu quả. Điển hình, sản lượng lúa đạt trên 43,8 triệu tấn (2019) tạo ra khoảng 43–44 triệu tấn rơm rạ; tổng lượng phụ phẩm trồng trọt và chăn nuôi trên toàn quốc vượt 80 triệu tấn rơm rạ, gần 9 triệu tấn trấu, 90 triệu tấn phân gia súc gia cầm, cùng hàng triệu tấn thân chuối và vỏ ngô (bắp). Phần lớn các phụ phẩm này bị đốt lộ thiên gây phát thải khí nhà kính và ô nhiễm không khí cục bộ, hoặc xả thải trực tiếp vào kênh rạch.

Từ bối cảnh đó, nghiên cứu đặt ra mục tiêu: Nghiên cứu phương pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp, cụ thể là thân cây chuối và vỏ bắp (ngô), nhằm chế tạo sản phẩm dĩa dùng một lần có tính năng cơ lý đáp ứng yêu cầu sử dụng, hướng tới thay thế các sản phẩm dĩa nhựa sử dụng một lần.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định qua 4 nội dung cụ thể:

1. Tổng quan các phương pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp, tập trung vào cấu trúc sợi của thân chuối và vỏ ngô.
2. Xác định khoảng tối ưu của các yếu tố công nghệ trong điều chế sản phẩm: nồng độ dung dịch kiềm ($\text{Na}_2\text{CO}_3$), thời gian nấu xử lý nhiệt, tỷ lệ phần trăm chất kết dính (hồ tinh bột) bổ sung và độ dày sản phẩm.
3. Tối ưu hóa các thông số công nghệ chế tạo dĩa dựa trên thiết kế thực nghiệm ma trận Taguchi để thu được sản phẩm đạt độ bền cơ lý cao nhất.
4. Đánh giá chất lượng và các chỉ tiêu kỹ thuật của thành phẩm: lực bền kéo, sức căng bề mặt, khả năng chịu tải trọng, khả năng chống rò rỉ nước và độ bền nhiệt.

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

• Phạm vi nghiên cứu: Thí nghiệm thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại Bộ môn Công nghệ Môi trường và Phòng thí nghiệm Polyme, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM; thời gian triển khai từ tháng 09/2019 đến tháng 12/2019.
• Đối tượng nghiên cứu: Thân cây chuối khô thu gom tại Bình Thuận; vỏ ngô tươi thu gom từ chợ Bắc Ninh (Thủ Đức, TP.HCM); lá sen tươi (dùng làm lớp màng phủ bề mặt chống thấm); sản phẩm dĩa hoàn thiện chế tạo từ hỗn hợp bột cellulose kết hợp hồ tinh bột và muối bảo quản natri benzoat.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu dựa trên cơ sở hóa học sinh khối thực vật và phương pháp tối ưu hóa công nghệ thực nghiệm:

1. Cơ sở lý thuyết hóa học và vật liệu:

• Thành phần cấu tạo của sinh khối: Sợi cellulose đóng vai trò khung đỡ chịu lực, liên kết với nhau thông qua mạng lưới hemicellulose và chất gắn kết vô định hình lignin.
• Quá trình tách loại lignin (quá trình nấu soda kiềm yếu): Sử dụng muối natri cacbonat ($\text{Na}_2\text{CO}_3$). Khi hòa tan trong nước, $\text{Na}_2\text{CO}_3$ thủy phân tạo môi trường kiềm bazơ: $$\text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{Na}^+ + \text{CO}_3^{2-}$$ $$\text{CO}_3^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \text{OH}^-$$ Dưới tác dụng của ion $\text{OH}^-$ và nhiệt độ (100°C), liên kết ete $\beta$-aryl giữa lignin và carbohydrate bị cắt đứt, giải phóng các nhóm phenol ái nước giúp lignin hòa tan vào pha lỏng. Quá trình này đồng thời hạn chế phản ứng ngưng tụ lignin và phản ứng phân hủy bóc mạch (peeling) của mạch cellulose xảy ra ở nhiệt độ cao.
• Phụ gia kết dính và chất bảo quản: Hồ tinh bột (sử dụng bột năng nồng độ 0,1 g/ml) đóng vai trò chất keo liên kết các vi sợi cellulose; natri benzoat ($\text{E211}$, công thức phân tử $\text{C}_7\text{H}_5\text{NaO}_2$) được bổ sung ở nồng độ 0,2% trong dịch hồ nhằm ức chế nấm men, nấm mốc và vi khuẩn gây thiu hỏng trong quá trình tạo hình và bảo quản dĩa.
• Lớp phủ bề mặt: Sử dụng lá sen đã qua xử lý sấy khô, tận dụng lớp sáp vi cấu trúc kỵ nước tự nhiên của lá sen để ngăn chặn nước thấm qua cốt sợi cellulose.

Bảng dưới đây tổng hợp so sánh đặc tính lý - hóa của hai nguồn nguyên liệu chính trong nghiên cứu với xơ dừa:

Loại sợi cellulose	Độ ẩm (wt%)	Hàm lượng tro (wt%)	Độ bền kéo (MPa)	Cellulose (wt%)	Lignin (wt%)	Hemicellulose (wt%)
Thân chuối	85,9	8,6	529 – 914	43,46 – 43,54	9,00	30,60
Vỏ ngô	65,0	5,2	123	40,70	14,80	39,73
Xơ dừa	27,6	2,2	175	33,60	45,84	0,25

2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và xử lý số liệu:

• Phương pháp thực nghiệm công nghệ: Nguyên liệu được chặt nhỏ (0,5–1 cm), nấu kiềm trong bình cầu ổn nhiệt 100°C, rửa sạch bằng nước đến pH trung tính (6,5–7,0), nghiền nhuyễn bằng máy xay cơ học, sàng tách nước qua rây inox lỗ 0,5 mm, phối trộn hồ tinh bột và chất bảo quản, tráng khuôn tạo hình và sấy định hình ở 40°C trong 12 giờ.
• Phương pháp ma trận trực giao Taguchi $L_{16}(4^4)$: Thiết kế thực nghiệm với 4 biến độc lập ở 4 mức giá trị khảo sát:
  • Yếu tố A: Nồng độ $\text{Na}_2\text{CO}_3$ (5%, 10%, 15%, 20%).
  • Yếu tố B: Thời gian gia nhiệt nấu (15, 30, 45, 60 phút).
  • Yếu tố C: Tỷ lệ khối lượng tinh bột trên khối lượng vật liệu khô (5%, 10%, 15%, 20% g/g).
  • Yếu tố D: Khối lượng vật liệu cho vào khuôn quyết định độ dày sản phẩm (30g, 45g, 60g, 75g).
• Hàm mục tiêu tối ưu hóa: Sử dụng tiêu chuẩn tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N theo bài toán cực đại hóa giá trị (Larger-the-better): $$\text{SN} = -10 \log_{10} \left( \frac{1}{n} \sum_{u=1}^n \frac{1}{y_u^2} \right)$$ Số liệu được phân tích và vẽ biểu đồ hiệu ứng chính trên phần mềm Minitab và Microsoft Excel.
• Phương pháp kiểm tra cơ lý và phân tích cấu trúc:
  • Độ bền kéo và sức căng bề mặt: Xác định trên máy thử kéo nén M500-50 Testometric với kích thước mẫu thử 6 x 3 cm, đo lặp 3 lần.
  • Tải trọng chịu uốn: Đo bằng phương pháp gia tải trọng lượng tĩnh trực tiếp trên khuôn đỡ rỗng đến khi mẫu bắt đầu biến dạng gãy.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Xác định các nhóm chức hóa học đặc trưng của cốt sợi thành phẩm.
  • Thử nghiệm độ bền nhiệt và chống rò rỉ: Cho nước nóng ở nhiệt độ 95 ± 5°C vào lòng dĩa đặt trên giấy lọc trong tủ giữ nhiệt, theo dõi sự biến dạng và rò rỉ chất lỏng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa khái niệm và phân loại phụ phẩm nông nghiệp thành dư lượng chính (sinh khối thu gom trên đồng ruộng như rơm rạ, thân cây bắp, thân cây chuối) và dư lượng thứ cấp (phát sinh sau chế biến như vỏ trấu, bã mía, lõi ngô, vỏ dừa). Tài liệu dẫn chứng tiềm năng sinh khối tại Việt Nam với hơn 43 triệu tấn rơm rạ từ trồng lúa, gần 9 triệu tấn vỏ trấu và hàng chục triệu tấn phụ phẩm ngô, chuối mỗi năm.

Chương này cũng tổng thuật các công trình nghiên cứu tái chế phụ phẩm trong và ngoài nước:

• Trong nước: Các hướng nghiên cứu sản xuất tấm panel cách nhiệt từ xơ dừa, bã mía, rơm rạ; sản xuất than sinh học biochar từ rơm rạ tại Tiền Giang (thu hồi 48,25% than sinh học từ 100 kg rơm); công nghệ thu nhận bột giấy hiệu suất cao (65–66%) từ thân cây ngô sử dụng tác nhân $\text{H}_2\text{O}_2$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ và xúc tác $\text{Na}_2\text{MoO}_4$ (hàm lượng lignin còn lại 17–18%).
• Ngoài nước: Các nghiên cứu biến tính sợi thân chuối của Học viện Kỹ thuật Dệt may DKTE (Ấn Độ); nghiên cứu phối trộn bột giấy từ bã mía và thân chuối kết hợp phụ gia $\text{CaCO}_3$ và tinh bột tại Đại học Caledonia (Oman); quy trình sản xuất dĩa dùng một lần từ lá cây cọ Areca tại Ấn Độ (Eco Green Units); và công nghệ ép bát đĩa tự hủy từ lá cây bastard teak, teak, banyan tại Đại học Naresuan (Thái Lan).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết cấu trúc giải phẫu và thành phần hóa thực vật của thân cây chuối và vỏ ngô. Sợi thân chuối sở hữu chiều dài trung bình 50–60 mm (hoặc 38 mm), độ mịn trung bình 2.386 Nm, độ bền riêng 3,93 cN/dtex, độ giãn dài 3%, hàm lượng cellulose đạt 43,46–43,54% và lignin chiếm khoảng 9%. Vỏ ngô chứa 40,7% cellulose, 39,73% hemicellulose, 14,8% lignin, có hàm lượng tro 5,2% và độ hòa tan trong dung dịch $\text{NaOH}$ 1% đạt mức 32,4%.

Chương phân tích cơ chế tách loại lignin bằng dung dịch muối $\text{Na}_2\text{CO}_3$ thông qua phản ứng phân cắt liên kết ete và este giữa lignin với chuỗi polysaccharide. Cơ chế kháng khuẩn của natri benzoat ($\text{E211}$) được phân tích thông qua sự khuếch tán của các phân tử axit benzoic không phân ly qua màng tế bào vi sinh vật ở dải pH 4–5, gây ức chế hệ enzyme hô hấp nội bào. Cuối cùng, chương thuyết minh quy trình 7 bước áp dụng mô hình ma trận trực giao Taguchi trong việc cô lập các biến điều khiển, loại trừ yếu tố nhiễu và tìm kiếm bộ tham số công nghệ tối ưu thông qua tỷ số S/N.

Chương 3: Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 mô tả cụ thể danh mục trang thiết bị, bao gồm cân phân tích OHAUS Explorer Pro EP214 (độ nhạy 4 số lẻ), máy đo pH WTW pH720 (Inolab - Đức), tủ sấy ECOCELL Medcenter Einrichtungen GmbH, máy thử kéo nén M500-50 Testometric và hệ thống khuôn ép dĩa cơ khí.

Quy trình chế tạo vật liệu trải qua các công đoạn:

1. Sơ chế nguyên liệu: Thân chuối phơi khô và vỏ ngô tươi bảo quản lạnh được cắt đoạn ngắn 0,5–1 cm.
2. Nấu kiềm: Tỷ lệ khối lượng nguyên liệu trên thể tích dung dịch nấu là 2g/10ml; nhiệt độ nấu duy trì ở 100°C; nồng độ $\text{Na}_2\text{CO}_3$ và thời gian nấu thay đổi theo thiết kế Taguchi.
3. Rửa và kiểm soát pH: Bột sau nấu được xả rửa nhiều lần bằng nước sạch đến khi quỳ tím chỉ thị pH đạt mức 6,5–7,0.
4. Xay cơ học và tách nước: Nghiền ướt để phân tách vi sợi cellulose, sau đó gạn lọc nước qua rây kim loại cỡ lỗ 0,5 mm.
5. Phối trộn: Trộn đều bột cellulose ướt với dịch hồ tinh bột (pha từ 100g bột năng, 1.000 ml nước và 2g natri benzoat).
6. Đổ khuôn và sấy: Cho các khối lượng vật liệu tương ứng (30g, 45g, 60g, 75g) vào khuôn mẫu, dàn đều và đưa vào tủ sấy đối lưu ở 40°C trong thời gian 12 giờ.
7. Xử lý màng phủ lá sen: Khảo sát thời gian sấy lá sen tươi ở 40°C trong 4 mốc thời gian (15, 30, 45, 60 phút) nhằm tìm độ dẻo tối ưu, sau đó quét một lớp hồ tinh bột mỏng làm chất kết dính và sử dụng máy ép cơ khí để ép chặt lá sen lên bề mặt đế dĩa.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu và nhận xét

Chương 4 công bố kết quả thu được từ 16 lượt thí nghiệm ma trận Taguchi đối với cả hai loại vật liệu. Phân tích đồ thị biến thiên tỷ số S/N đối với ba chỉ tiêu mục tiêu (Lực kéo, Sức căng bề mặt, Tải trọng chịu uốn) đã xác lập rõ ảnh hưởng của từng thông số:

• Nồng độ $\text{Na}_2\text{CO}_3$: Khi tăng từ 5% lên 10%, hiệu quả hòa tan lignin tăng rõ rệt giúp các sợi cellulose đan kết chặt chẽ hơn; tuy nhiên tăng lên 15–20% gây suy giảm độ bền do hiện tượng ăn mòn và phân hủy quá mức mạch cellulose.
• Thời gian gia nhiệt: Mốc 45 phút cho giá trị cơ lý cao nhất; gia nhiệt 15–30 phút chưa đủ thời gian bẻ gãy liên kết lignin, trong khi kéo dài đến 60 phút làm gãy vụn cấu trúc xơ sợi.
• Tỷ lệ tinh bột: Tỷ lệ 15% g/g cung cấp đủ độ kết dính bề mặt sợi mà không làm sản phẩm bị giòn nứt.
• Khối lượng vật liệu: Mức nạp khuôn cao hơn mang lại độ dày lớn hơn, giúp gia tăng khả năng chịu tải trọng uốn gãy.

So sánh hai nguồn vật liệu cho thấy sản phẩm từ thân chuối có độ bền dai, khả năng chịu lực kéo và sức căng bề mặt vượt trội so với vỏ ngô. Nguyên nhân do sợi cellulose thân chuối sau xử lý hóa chất có chiều dài sợi lớn hơn, mảnh hơn và lượng lignin còn sót lại tương tác tốt hơn với hồ tinh bột. Kết quả sấy lá sen cho thấy thời gian sấy thích hợp nhất ở 40°C giúp giữ nguyên diệp lục tố và độ dai cơ học. Phổ FT-IR của hai mẫu dĩa thành phẩm đã định danh đầy đủ các dải hấp thụ đặc trưng của nhóm liên kết hiđroxyl (-OH), liên kết C-H béo, và liên kết este của cellulose, lignin và tinh bột. Thử nghiệm thực tế với nước sôi 95 ± 5°C chứng minh dĩa ép lá sen không bị biến dạng và không phát sinh rò rỉ chất lỏng.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đưa ra các kết quả định lượng cụ thể về bộ thông số công nghệ tối ưu và chỉ số cơ lý của dĩa thành phẩm:

Bảng thông số công nghệ tối ưu hóa theo ma trận Taguchi:

Thông số công nghệ	Giá trị tối ưu xác định
Nồng độ dung dịch kiềm nấu ($\text{Na}_2\text{CO}_3$)	10%
Thời gian gia nhiệt nấu ở 100°C	45 phút
Tỷ lệ hồ tinh bột phụ gia trên khối lượng vật liệu khô	15% (g/g)
Tỷ lệ khối lượng vật liệu / thể tích dung dịch kiềm	2 g / 10 ml
Nhiệt độ sấy định hình sản phẩm	40°C (trong 12 giờ)
Chế độ sấy vật liệu màng phủ lá sen	40°C

Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài:

• Xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo dĩa dùng một lần hoàn toàn từ vật liệu sinh học tự nhiên thân thiện với môi trường, thay thế nhựa tổng hợp.
• Thay thế hoàn toàn tác nhân kiềm mạnh độc hại ($\text{NaOH}$) bằng muối kiềm nhẹ ($\text{Na}_2\text{CO}_3$) có nồng độ thấp (10%), kết hợp phụ gia an toàn thực phẩm (tinh bột năng, natri benzoat) và lớp phủ chống thấm tự nhiên từ lá sen, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường trong quá trình sản xuất.
• Chứng minh tính ưu việt của sợi thân chuối so với vỏ ngô về tính chất cơ lý: Sợi thân chuối mảnh, dài, dai hơn, liên kết bền vững hơn với chất kết dính tinh bột, tạo ra sản phẩm dĩa có độ bền uốn và lực kéo cao hơn rõ rệt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Toàn bộ quy trình mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm với các thiết bị gia công bán thủ công (nấu bình cầu dung tích nhỏ, nghiền bằng máy xay gia dụng, ép cơ khí bằng tay).
• Thời gian sấy khô định hình sản phẩm còn dài (12 giờ ở 40°C), gây tiêu tốn năng lượng và khó áp dụng ở quy mô sản xuất công nghiệp liên tục.
• Nguồn nguyên liệu vỏ ngô tươi lấy từ chợ có độ ẩm cao, rất dễ nhiễm nấm mốc nếu không được đưa vào chế biến ngay hoặc bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh.
• Chưa tiến hành thử nghiệm định lượng thực tế về thời gian và tốc độ phân hủy sinh học của sản phẩm trong môi trường chôn lấp đất tự nhiên (theo ý kiến của cán bộ phản biện, nội dung kết luận phân hủy trong 6 tháng đã được nhóm lược bỏ do chưa có dữ liệu đo đạc thực nghiệm).

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Thiết kế và triển khai thử nghiệm đo đạc tốc độ phân hủy sinh học của dĩa thành phẩm trong các điều kiện môi trường khác nhau (ủ compost, chôn lấp đất, ngâm nước).
• Nghiên cứu cải tiến thiết bị gia nhiệt ép khuôn nóng (hot-pressing) tích hợp để rút ngắn thời gian sấy định hình sản phẩm từ 12 giờ xuống còn vài phút.
• Khảo sát mở rộng khả năng chế tạo các vật dụng ăn uống khác như chén, tô, khay đựng thức ăn và thử nghiệm bổ sung thêm các nguồn phế phẩm sinh khối phổ biến khác (bã mía, rơm rạ, lá chuối).

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo hữu ích cho:

• Giảng viên, sinh viên và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Hóa học, Công nghệ Vật liệu sinh học và Quản lý Tài nguyên - Môi trường đang thực hiện các đề tài nghiên cứu liên quan đến tận thu và tái chế phụ phẩm nông nghiệp.
• Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu:
  • Quy trình xử lý làm sạch và phân tách vi sợi cellulose từ thân chuối và vỏ ngô bằng dung dịch kiềm nhẹ $\text{Na}_2\text{CO}_3$.
  • Cách thức ứng dụng ma trận trực giao Taguchi $L_{16}$ và phần mềm Minitab để thiết kế, phân tích thực nghiệm đa yếu tố trong công nghệ vật liệu.
  • Giải pháp ép dán màng sinh học kỵ nước từ lá sen tươi sấy khô để tạo khả năng chống thấm nước và chịu nhiệt cho các sản phẩm bao bì tự hủy mà không cần sử dụng màng tráng nhựa PE hay hóa chất chống thấm gốc flo.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu sử dụng muối $\text{Na}_2\text{CO}_3$ để nấu phế phẩm thay vì dùng xút $\text{NaOH}$ như các quy trình sản xuất bột giấy truyền thống? Nghiên cứu sử dụng dung dịch $\text{Na}_2\text{CO}_3$ nhằm tận dụng phản ứng thủy phân tạo môi trường kiềm yếu vừa đủ để bẻ gãy các liên kết ete $\beta$-aryl và hòa tan lignin ra khỏi sinh khối, đồng thời hạn chế tối đa phản ứng bóc mạch (peeling) gây đứt gãy mạch phân tử cellulose. Việc sử dụng $\text{Na}_2\text{CO}_3$ giúp quy trình an toàn hơn cho người thao tác, giảm độ ăn mòn thiết bị và giảm gánh nặng xử lý kiềm dư trong nước thải sau nấu so với dung dịch $\text{NaOH}$ đậm đặc.

2. Vì sao sản phẩm dĩa làm từ thân chuối lại có độ bền kéo và khả năng chịu tải trọng tốt hơn so với vỏ ngô? Theo giải trình thực nghiệm của nhóm tác giả, sợi cellulose từ thân cây chuối sau khi nấu hóa chất có kích thước nhỏ, mảnh, độ dai cao và chiều dài sợi lớn hơn (50–60 mm) so với cấu trúc xơ ngắn và thô của vỏ ngô. Ngoài ra, hàm lượng cellulose tự nhiên của thân chuối cao hơn (43,46% so với 40,7%) và lượng lignin liên kết còn lại tương thích tốt với hồ tinh bột, tạo nên mạng lưới cấu trúc composite sinh học có lực liên kết liên sợi bền chặt hơn.

3. Lớp màng lá sen được xử lý và ghép vào đế dĩa như thế nào để đảm bảo tính chống thấm và chịu nhiệt? Lá sen tươi sau khi thu hái được sấy ở nhiệt độ 40°C để làm mất nước vừa phải, duy trì được độ mềm dẻo cơ học và cấu trúc sáp tự nhiên. Sau đó, phần đế dĩa đã sấy khô được quét một lớp hồ tinh bột mỏng pha natri benzoat làm chất kết dính, đặt lá sen đã sấy lên trên và đưa vào máy ép cơ khí để ép chặt định hình. Lớp phủ này giúp dĩa chứa được nước nóng 95 ± 5°C trong tủ giữ nhiệt mà không bị rò rỉ hay biến dạng.

4. Vai trò của hóa chất Natri benzoat ($\text{E211}$) trong công thức phối trộn vật liệu là gì? Natri benzoat ($\text{E211}$) là phụ gia bảo quản an toàn thực phẩm, được pha vào dung dịch hồ tinh bột với tỷ lệ 2g trên 1.000 ml nước. Muối này tạo ra axit benzoic ức chế mạnh mẽ nấm men, nấm mốc và vi khuẩn ở dải pH từ 4–5, ngăn chặn quá trình lên men thiu thối của hồ tinh bột trong giai đoạn tạo hình ướt và sấy kéo dài 12 giờ, đồng thời chống nấm mốc cho sản phẩm thành phẩm trong quá trình lưu trữ.

5. Tại sao trong báo cáo chỉnh sửa sau phản biện, nhóm tác giả phải rút bỏ kết luận sản phẩm có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn trong 6 tháng? Trong phiếu nhận xét của Cán bộ phản biện (TS. Trần Thị Kim Anh), phản biện đã chất vấn tính căn cứ khoa học của tuyên bố "sản phẩm phân hủy sau 6 tháng" khi hồ sơ thí nghiệm không có số liệu theo dõi phân hủy thực tế. Do thời gian thực hiện đề tài có hạn (từ tháng 9 đến tháng 12/2019) không đủ để bố trí thử nghiệm chôn lấp đất dài hạn, nhóm tác giả đã tiếp thu và loại bỏ hoàn toàn nhận định này khỏi phần kết luận của khóa luận chính thức để đảm bảo tính trung thực khoa học.

Kết luận

Khóa luận đã nghiên cứu thành công quy trình chế tạo dĩa dùng một lần từ phế phẩm thân cây chuối và vỏ ngô kết hợp hồ tinh bột và màng phủ lá sen ở quy mô phòng thí nghiệm. Việc ứng dụng thiết kế ma trận trực giao Taguchi $L_{16}$ đã xác lập được bộ thông số tối ưu gồm nồng độ $\text{Na}_2\text{CO}_3$ 10%, thời gian gia nhiệt 45 phút ở 100°C và tỷ lệ phụ gia tinh bột 15% (g/g). Kết quả đo đạc cơ lý và thử nghiệm nhiệt độ 95 ± 5°C khẳng định tính khả thi của việc tận dụng phụ phẩm sinh khối giàu cellulose để tạo ra sản phẩm bao bì ăn uống tự hủy có độ bền cơ học tốt, mở ra giải pháp giảm thiểu rác thải nhựa dùng một lần và phát triển kinh tế tuần hoàn trong nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay trên thế giới cứ mỗi phút có 1 triệu chai nhựa được bán ra, mỗi năm có 5000 tỷ túi nilon được tiêu thụ. Còn ở Việt Nam, thống kê bình quân, mỗi hộ gia đình sử dụng khoảng 1 kg túi nilon/tháng. Riêng Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh trung bình mỗi ngày thải ra môi trường khoảng 80 tấn nhựa và nilon [1].

Thế giới đã đánh giá tỉ lệ chất thải nhựa phát sinh đối với nước có thu nhập trung bình như Việt Nam chiếm 12% lượng chất thải rắn phát sinh. Nếu trung bình 10% số lượng chất thải nhựa và túi nilon không được tái sử dụng mà thải bỏ hoàn toàn, lượng chất thải nhựa và túi nilon thải bỏ ở Việt Nam sẽ xấp xỉ 2. Số lượng rác thải nhựa, túi nilon thải ra tăng dần theo từng năm [1]. Các sản phẩm nhựa dùng một lần như muỗng đũa chén dĩa trở nên quen thuộc trong cuộc sống của con người.

Những sản phẩm nhựa dùng một lần được thị trường ưa chuộng bởi chúng đem lại cho con người như sự tiện lợi, giá cả hợp lý, dễ giàng sử dụng. Chúng ta vô tư sử dụng mà không quan tâm đến phải mất hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm, các chất thải từ nhựa và ni lông mới phân hủy hết, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, đe dọa các hệ sinh thái và sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Cùng với đó, Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam. Hiện nay, phát triển kinh tế phụ thuộc nhiều vào nông nghiệp.

Giá trị sản lượng nông nghiệp năm 2009 đạt hơn 71.000 tỷ đồng, tăng 1,32% so với cùng kỳ năm 2008 và chiếm 13,85% tổng sản phẩm quốc nội [2]. Tuy nhiên, sau khi thu hoạch nông sản những sản phẩm phụ nông nghiệp thường không được tận dụng và thải ra môi trường gây ô nhiễm môi trường, gây nên sự lãng phí rất lớn tài nguyên đất nước. Chính vì vậy cần phải nghiên cứu giải pháp biến phế phẩm nông nghiệp trở thành nguyên liệu để sản xuất ra sản phẩm mới. 1 do an Nghiên cứu đề tài “Chế tạo dĩa dùng một lần từ phế phẩm nông nghiệp” là giải pháp thay thế sản phẩm nhựa dùng một lần trong cuộc sống hiện nay.

Bên cạnh đó còn được tận dụng phế thải, phụ phẩm nông nghiệp, tiết kiệm tài nguyên, bảo vệ môi trường. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu phương pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp cụ thể là thân chuối và vỏ bắp (ngô) làm dĩa dùng một lần thay cho sản phẩm nhựa dùng một lần. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Để thực hiện mục đích trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu các nội dung sau đây. Tổng quan nghiên cứu phương pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp cụ thể là thân chuối và vỏ ngô.

Xác định khoảng tối ưu của các yếu tố trong điều chế sản phẩm; nồng độ Na2CO3, thời gian gia nhiệt phế phẩm, phần trăm phụ gia (bột mì) thêm vào, độ dày vật liệu. Tối ưu các yếu tố điều chế sản phẩm để cho ra sản phẩm đạt yêu cầu. Đánh giá chất lượng sản phẩm: lực bền kéo, khả năng kéo dãn, tải trọng, khả năng chống thấm nước. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU  Phạm vi nghiên cứu: - Sản phẩm quy mô phòng thí ngiệm  Đối tượng nghiên cứu - Thân chuối, vỏ ngô chưa được xử lý - Thân chuối, vỏ ngô sau khi được xử lý bằng các phương pháp vật lý và hóa học.

- Sản phẩm dĩa dùng một lần được sản xuất từ thân chuối, vỏ bắp đã được xử lý. CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỂ TIẾN HÀNH NGHIÊN CỨU. Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu.