Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Giữ Ẩm Cao Từ Phụ Phẩm Nông Sản Trong Nông Nghiệp

Chuyên khảo nông nghiệp phân tích Nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông sản để chế tạo vật liệu có tính chất giữ ẩm cao cho các ứng dụng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất

Trường đại học

Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng

Chuyên ngành

Kỹ thuật hóa học

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận văn thạc sĩ

2022

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Tính chất vật lý

1.2. Thành phần hóa học

1.3. Ứng dụng của rơm

1.4. Các phương pháp thu hồi cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp

1.4.1. Phương pháp cơ học

1.4.1.1. Phương pháp đồng nhất áp suất cao (High-Pressure Homogenisation – HPH)

1.4.1.2. Siêu âm cường độ cao (High-Intensity UltraSound – HIUS)

1.4.1.3. Mài cắt cường độ lớn

1.4.2. Phương pháp sử dụng enzim

1.4.3. Phương pháp hóa học

1.4.3.1. Thủy phân bằng kiềm

1.4.3.2. Thủy phân axit

1.4.3.3. Sử dụng chất lỏng ion (Ionic Liquid – Ils)

1.5. Các phương pháp làm tăng khả năng phân tán của cellulose

1.6. Chất lỏng ion

1.7. Những lợi ích hydrogel mang lại cho nền nông nghiệp

1.7.1. Tăng khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng

1.7.2. Tăng năng suất vụ mùa

1.8. Tác động kinh tế xã hội khi sử dụng vật liệu có tính giữ ẩm cao trên cơ sở hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp

1.8.1. Phân tích tính kinh tế

1.8.2. Tác động đến môi trường

1.9. Tổng hợp hydrogel

1.9.1. Phương pháp hóa học

1.9.1.1. Trùng hợp dung dịch

1.9.1.2. Trùng hợp nhũ tương đảo

1.9.2. Phương pháp vật lý

1.9.2.1. Phản ứng trùng hợp bởi bức xạ điện từ

1.9.2.2. Quá trình trùng hợp tạo liên kết ngang bằng xử lý lạnh đông

1.10. Kỹ thuật tạo liên kết ngang

1.10.1. Liên kết ngang vật lý

1.10.1.1. Kỹ thuật lạnh đông – rã đông

1.10.1.2. Kỹ thuật quang tử

1.10.1.3. Kỹ thuật bức xạ cảm ứng

1.10.2. Liên kết hóa học

1.10.3. Kỹ thuật trùng hợp

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Đối với quy trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose

2.2. Đối với quy trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm

2.3. Quy trình nghiên cứu và tổng hợp vật liệu

2.3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose

2.3.2. Quy trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm

2.3.3. Quy trình đánh giá khả năng hấp thu, giải phóng nước và khả năng tái sử dụng của mẫu bằng phương pháp định lượng

2.4. Các phương pháp đánh giá sản phẩm

2.4.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)

2.4.1.1. Nguyên lý hoạt động

2.4.1.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp

2.4.2. Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FTIR)

2.4.2.1. Nguyên lý hoạt động

2.4.2.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp

2.4.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

2.4.3.1. Nguyên lý hoạt động

2.4.3.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp

2.4.4. Phân tích nhiệt trọng trường (TGA)

2.4.4.1. Nguyên lý hoạt động

2.4.4.2. Ưu và nhược điểm của phương pháp

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Đánh giá đặc tính sản phẩm

3.1.1. Kết quả của quá trình thủy phân kiềm

3.1.2. Kết quả tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm

3.2. Đánh giá khả năng hấp thu và giải phóng nước của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose

3.3. Đánh giá khả năng hấp thu, giải phóng nước và khả năng tái sử dụng của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Chế Tạo Vật Liệu Giữ Ẩm Từ Phụ Phẩm Nông Sản

Chế tạo vật liệu giữ ẩm từ phụ phẩm nông sản là một lĩnh vực nghiên cứu đang thu hút sự quan tâm lớn trong ngành nông nghiệp. Vật liệu này không chỉ giúp cải thiện khả năng giữ nước cho đất mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ việc đốt rơm rạ. Việc sử dụng các phụ phẩm nông sản như rơm, trấu để chế tạo vật liệu giữ ẩm cao không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn có ý nghĩa lớn về mặt môi trường.

1.1. Tính Chất Vật Liệu Giữ Ẩm Từ Phụ Phẩm Nông Sản

Vật liệu giữ ẩm có khả năng hấp thụ nước cao, giúp duy trì độ ẩm cho đất. Các nghiên cứu cho thấy, vật liệu này có thể hấp thụ nước gấp nhiều lần so với trọng lượng của nó, nhờ vào cấu trúc mạng lưới ba chiều của polymer.

1.2. Ứng Dụng Của Vật Liệu Giữ Ẩm Trong Nông Nghiệp

Vật liệu giữ ẩm từ phụ phẩm nông sản có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cải tạo đất, tăng năng suất cây trồng và giảm thiểu tình trạng hạn hán. Việc sử dụng vật liệu này giúp tiết kiệm nước tưới tiêu và cải thiện chất lượng đất.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Môi Trường Từ Phụ Phẩm Nông Sản

Việc đốt rơm rạ sau mùa thu hoạch gây ra ô nhiễm không khí nghiêm trọng. Các khí thải như CO2, CH4 từ quá trình này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn góp phần vào biến đổi khí hậu. Do đó, việc tìm kiếm giải pháp sử dụng phụ phẩm nông sản một cách hiệu quả là rất cần thiết.

2.1. Tác Động Của Việc Đốt Rơm Đến Môi Trường

Việc đốt rơm tạo ra lượng khí thải lớn, gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc này góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính.

2.2. Giải Pháp Giảm Thiểu Ô Nhiễm Từ Phụ Phẩm Nông Sản

Sử dụng phụ phẩm nông sản để chế tạo vật liệu giữ ẩm là một giải pháp hiệu quả. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ nguồn nguyên liệu sẵn có.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Giữ Ẩm Từ Rơm

Có nhiều phương pháp chế tạo vật liệu giữ ẩm từ rơm, trong đó phương pháp xử lý lạnh đông được đánh giá cao về tính thân thiện với môi trường. Phương pháp này giúp tạo ra vật liệu có khả năng giữ nước tốt mà không tạo ra chất thải độc hại.

3.1. Phương Pháp Xử Lý Lạnh Đông Trong Chế Tạo Vật Liệu

Phương pháp xử lý lạnh đông giúp tạo ra mạng lưới polymer bền vững, cải thiện khả năng giữ nước của vật liệu. Đây là một trong những phương pháp hiệu quả nhất hiện nay.

3.2. Quy Trình Tổng Hợp Vật Liệu Giữ Ẩm

Quy trình tổng hợp vật liệu giữ ẩm từ rơm bao gồm các bước như thu gom nguyên liệu, xử lý hóa học và tạo liên kết ngang. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Vật Liệu Giữ Ẩm Từ Rơm

Nghiên cứu cho thấy vật liệu giữ ẩm từ rơm có khả năng hấp thụ nước lên đến 8.36g nước/g vật liệu. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu này trong việc cải thiện độ ẩm cho đất nông nghiệp.

4.1. Đánh Giá Khả Năng Hấp Thụ Nước Của Vật Liệu

Khả năng hấp thụ nước của vật liệu giữ ẩm từ rơm được đánh giá thông qua các thí nghiệm thực nghiệm. Kết quả cho thấy vật liệu này có khả năng giữ nước tốt hơn nhiều so với rơm nguyên liệu.

4.2. Tính Phân Hủy Sinh Học Của Vật Liệu

Vật liệu giữ ẩm từ rơm không chỉ có khả năng giữ nước mà còn có tính phân hủy sinh học cao. Điều này giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường khi vật liệu được sử dụng.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Vật Liệu Giữ Ẩm Từ Phụ Phẩm Nông Sản

Vật liệu giữ ẩm từ phụ phẩm nông sản có tiềm năng lớn trong việc cải thiện nông nghiệp bền vững. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp chế tạo hiệu quả sẽ giúp tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên này.

5.1. Triển Vọng Phát Triển Vật Liệu Giữ Ẩm

Với sự phát triển của công nghệ, việc chế tạo vật liệu giữ ẩm từ phụ phẩm nông sản sẽ ngày càng trở nên phổ biến. Điều này không chỉ giúp cải thiện năng suất nông nghiệp mà còn bảo vệ môi trường.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của vật liệu giữ ẩm trong các lĩnh vực khác nhau, từ nông nghiệp đến công nghiệp.

25/07/2025

Bạn đang xem trước tài liệu:

Nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông sản để chế tạo vật liệu có tính chất giữ ẩm cao cho các ứng dụng trong nông nghiệp

Tải đầy đủ

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Phụ phẩm nông nghiệp, đặc biệt là rơm, phát sinh hàng triệu tấn mỗi năm, gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng khi bị đốt bỏ trực tiếp trên đồng ruộng, tạo ra khí thải như CO2, CH4 và CO góp phần vào hiệu ứng nhà kính. Ở Việt Nam, lượng rơm thải bỏ ước tính lên đến hàng chục nghìn tấn mỗi năm, trong đó vụ Đông Xuân năm 2020 tại Hà Nội đã phát sinh khoảng 384.1 nghìn tấn rơm rạ. Rơm chứa khoảng 32 – 47% cellulose, một nguồn nguyên liệu sinh học quý giá có thể tận dụng để chế tạo vật liệu giữ ẩm cao phục vụ nông nghiệp. Việc phát triển vật liệu hydrogel từ rơm không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần duy trì độ ẩm và cải tạo đất, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và hạn hán gia tăng tại các vùng Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Trung Bộ.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp vật liệu hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp, cụ thể là rơm, bằng phương pháp xử lý lạnh đông thân thiện môi trường, đồng thời đánh giá khả năng hấp thu và giải phóng nước cũng như khả năng tái sử dụng của vật liệu. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, với phạm vi thời gian nghiên cứu năm 2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ vật liệu sinh học, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong nông nghiệp và giảm thiểu tác động tiêu cực của phụ phẩm nông nghiệp đến môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về vật liệu hydrogel, cellulose và các thành phần chính của rơm gồm cellulose, hemicellulose và lignin. Hydrogel là mạng lưới polyme ba chiều có khả năng hấp thu và giữ nước lớn nhờ các nhóm chức ưa nước như –OH, –COOH, –NH2. Các phương pháp tổng hợp hydrogel bao gồm trùng hợp dung dịch, trùng hợp nhũ tương đảo, trùng hợp bằng bức xạ điện từ và kỹ thuật tạo liên kết ngang vật lý như lạnh đông – rã đông. Trong đó, kỹ thuật lạnh đông – rã đông được lựa chọn do tính thân thiện môi trường và khả năng cải thiện độ bền cơ học của vật liệu.

Ba thành phần chính của rơm có vai trò quan trọng trong cấu trúc và tính chất của vật liệu hydrogel:

Cellulose: polyme sinh học mạch thẳng, chiếm 32 – 47% rơm, có tính phân hủy sinh học và tương thích sinh học cao.
Hemicellulose: polyme ngắn, chiếm 19 – 27%, dễ thủy phân trong môi trường kiềm và axit.
Lignin: polyme vô định hình, chiếm 5 – 24%, có tính kỵ nước và cung cấp độ cứng cho thành tế bào.

Chất tạo liên kết ngang như axit citric được sử dụng để hình thành mạng lưới ba chiều trong hydrogel, giúp tăng độ bền cơ học và khả năng trương nở của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp và đánh giá vật liệu hydrogel từ cellulose tinh khiết và rơm lấy từ thị xã Quảng Trị. Quy trình tổng hợp vật liệu hydrogel từ cellulose bao gồm thủy phân axit sulfuric để thu vi tinh thể cellulose, tăng khả năng phân tán bằng hệ dung môi NaOH/Urê, gel hóa bằng kỹ thuật lạnh đông, tạo liên kết ngang với axit citric và thẩm tích để loại bỏ ion tự do. Đối với rơm, thủy phân kiềm được áp dụng để phân tách lignin và hemicellulose, sau đó bổ sung polyvinyl alcohol (PVA) để tăng khả năng tạo gel, tiếp tục gel hóa, tạo liên kết ngang và thẩm tích.

Phân tích cấu trúc và đặc tính vật liệu được thực hiện bằng các phương pháp hiện đại:

Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và thành phần pha.
Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FTIR) để xác định các nhóm chức và liên kết hóa học.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để quan sát hình thái bề mặt.
Phân tích nhiệt trọng trường (TGA) để đánh giá tính ổn định nhiệt.

Khả năng hấp thu và giải phóng nước được đánh giá định lượng qua cân khối lượng mẫu trong quá trình ngâm nước và giải phóng nước ở nhiệt độ môi trường. Khả năng tái sử dụng được khảo sát qua các chu kỳ hấp thu – giải phóng nước. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 4g nguyên liệu, được xử lý trong các điều kiện chuẩn hóa nhằm đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Tổng hợp thành công vật liệu hydrogel từ rơm và cellulose: Vật liệu hydrogel từ rơm có khả năng hấp thu nước đạt 8.36g nước/g vật liệu, gấp 4.89 lần so với rơm ban đầu. Vật liệu từ cellulose cũng cho thấy khả năng hấp thu nước cao, gấp nhiều lần so với nguyên liệu gốc.
Khả năng giải phóng nước chậm: Vật liệu hydrogel từ rơm có khả năng giải phóng nước kéo dài trong vòng 15 ngày ở điều kiện nhiệt độ môi trường, giúp duy trì độ ẩm đất lâu dài, phù hợp với điều kiện hạn hán tại các vùng nghiên cứu.
Khả năng tái sử dụng và phân hủy sinh học: Vật liệu hydrogel từ rơm thể hiện khả năng tái hấp thu nước sau nhiều chu kỳ sử dụng, đồng thời có tính phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường.
Đặc tính cấu trúc và hóa học: Phân tích FTIR cho thấy sự hình thành liên kết hydro giữa các nhóm –COOH của axit citric và các nhóm chức trong cellulose, hemicellulose và lignin. Kết quả XRD xác nhận sự hiện diện của các pha tinh thể cellulose và muối Na2SO4 do trung hòa axit sulfuric. SEM cho thấy vật liệu hydrogel có cấu trúc khối, khác biệt rõ rệt so với cấu trúc sợi của nguyên liệu ban đầu. TGA cho thấy vật liệu ổn định nhiệt với các giai đoạn phân hủy đặc trưng, phù hợp với ứng dụng trong môi trường nông nghiệp.

Thảo luận kết quả

Khả năng hấp thu nước cao của vật liệu hydrogel từ rơm và cellulose là do cấu trúc mạng lưới ba chiều được tạo thành bởi liên kết ngang vật lý và hóa học, đặc biệt là sự tham gia của axit citric làm chất tạo liên kết ngang. Việc sử dụng hệ dung môi NaOH/Urê giúp tăng khả năng phân tán cellulose, nâng cao hiệu quả tổng hợp hydrogel. Thủy phân kiềm giúp loại bỏ lignin và hemicellulose không mong muốn, làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và khả năng tạo gel của vật liệu.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, vật liệu hydrogel tổng hợp trong nghiên cứu này có khả năng giữ nước và giải phóng nước chậm tương đương hoặc vượt trội, đồng thời quy trình tổng hợp không tạo ra dòng thải độc hại, chi phí thấp và thân thiện môi trường. Các biểu đồ hấp thu và giải phóng nước có thể được trình bày để minh họa rõ ràng hiệu suất giữ ẩm của vật liệu theo thời gian.

Kết quả này có ý nghĩa lớn trong việc ứng dụng vật liệu hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp để cải tạo đất, chống hạn hán và tăng năng suất cây trồng, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

Triển khai sản xuất vật liệu hydrogel từ rơm quy mô công nghiệp: Áp dụng quy trình tổng hợp lạnh đông kết hợp thủy phân kiềm và sử dụng axit citric làm chất tạo liên kết ngang để sản xuất hydrogel giữ ẩm với chi phí thấp, thân thiện môi trường. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ sinh học và nông nghiệp.
Ứng dụng hydrogel trong cải tạo đất tại các vùng hạn hán: Sử dụng hydrogel để tăng khả năng giữ nước và cải thiện độ phì nhiêu đất ở Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Trung Bộ, giảm thiểu tác động của hạn hán. Mục tiêu tăng độ ẩm đất lên ít nhất 30% so với hiện trạng trong vòng 3 vụ mùa.
Phát triển chuỗi giá trị phụ phẩm nông nghiệp: Khuyến khích nông dân thu gom và bán rơm cho các nhà máy sản xuất hydrogel, tạo nguồn thu nhập bổ sung và giảm thiểu việc đốt rơm gây ô nhiễm. Thời gian triển khai 1 năm, phối hợp giữa chính quyền địa phương và các hợp tác xã nông nghiệp.
Nghiên cứu mở rộng ứng dụng hydrogel: Khảo sát khả năng kết hợp hydrogel với phân bón và thuốc bảo vệ thực vật để tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên trong nông nghiệp. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật hóa học, Công nghệ sinh học: Nghiên cứu quy trình tổng hợp hydrogel từ nguồn nguyên liệu sinh học, ứng dụng các phương pháp phân tích hiện đại như FTIR, XRD, SEM, TGA.
Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và nông nghiệp: Áp dụng công nghệ tổng hợp hydrogel thân thiện môi trường, phát triển sản phẩm giữ ẩm cải tạo đất, nâng cao giá trị phụ phẩm nông nghiệp.
Chính quyền địa phương và cơ quan quản lý môi trường: Xây dựng chính sách khuyến khích thu gom và tái sử dụng phụ phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt rơm, thúc đẩy nông nghiệp bền vững.
Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Hiểu rõ lợi ích của vật liệu hydrogel trong việc giữ ẩm đất, tăng năng suất cây trồng, giảm chi phí tưới tiêu và phân bón, từ đó áp dụng vào thực tế sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

Vật liệu hydrogel từ rơm có khả năng giữ nước như thế nào so với rơm nguyên liệu?
Vật liệu hydrogel tổng hợp từ rơm có khả năng hấp thu nước gấp khoảng 4.89 lần so với rơm ban đầu, đạt 8.36g nước trên 1g vật liệu, giúp duy trì độ ẩm đất lâu dài.
Quy trình tổng hợp hydrogel có gây ô nhiễm môi trường không?
Quy trình sử dụng phương pháp lạnh đông và thủy phân kiềm không tạo ra dòng thải độc hại, đồng thời axit sulfuric dư được trung hòa hoàn toàn, đảm bảo thân thiện với môi trường.
Hydrogel có thể tái sử dụng bao nhiêu lần?
Nghiên cứu cho thấy hydrogel từ rơm có khả năng tái hấp thu nước hiệu quả qua nhiều chu kỳ, duy trì tính năng giữ ẩm và giải phóng nước chậm trong thời gian dài.
Hydrogel có phân hủy sinh học không?
Vật liệu hydrogel tổng hợp từ rơm có khả năng phân hủy sinh học tốt, không để lại chất độc hại, phù hợp với các ứng dụng nông nghiệp bền vững.
Ứng dụng thực tế của hydrogel trong nông nghiệp là gì?
Hydrogel giúp cải thiện độ ẩm đất, giảm lượng nước tưới tiêu, tăng năng suất cây trồng, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính do hạn chế đốt rơm, góp phần chống hạn và cải tạo đất.

Kết luận

Đã tổng hợp thành công vật liệu hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp rơm với khả năng giữ ẩm cao, hấp thu nước gấp gần 5 lần so với nguyên liệu ban đầu.
Vật liệu có khả năng giải phóng nước chậm trong vòng 15 ngày, phù hợp với điều kiện hạn hán và cải tạo đất.
Quy trình tổng hợp thân thiện môi trường, không tạo dòng thải độc hại, sử dụng axit citric làm chất tạo liên kết ngang hiệu quả.
Vật liệu hydrogel có khả năng tái sử dụng và phân hủy sinh học, đáp ứng yêu cầu phát triển nông nghiệp bền vững.
Đề xuất triển khai ứng dụng hydrogel trong cải tạo đất, phát triển chuỗi giá trị phụ phẩm nông nghiệp và nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong tương lai.

Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp phát triển công nghệ sản xuất hydrogel quy mô lớn, đồng thời triển khai ứng dụng thực tế tại các vùng hạn hán để nâng cao hiệu quả sử dụng nước và cải thiện năng suất nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Rơm Rơm là phụ phẩm còn lại sau khi cây lúa được thu hoạch. Đặc tính của rơm được chia thành 2 nhóm chính gồm các tính chất vật lý và thành phần hóa học. Các tính chất vật lý bao gồm khối lượng phân tử, kích thước hạt, tỷ trọng khối, khả năng giữ nước, nhiệt trị, độ dẫn nhiệt và hàm lượng ẩm. Thành phần hóa học của rơm gồm 3 thành phần chính là cellulose, hemicellulose, lignin, ngoài ra còn có protein, tro và các thành phần nguyên tố khác[6].

Cho đến nay, phần lớn rơm rạ sau khi được thu hoạch sẽ được thu gom thành đống để tự phân hủy ngoài đồng hoặc đốt ngay tại đồng ruộng. Phần nhỏ còn lại được sử dụng để làm thức ăn cho gia súc, trồng nấm hay phục vụ nhu cầu đun nấu cho các hộ gia đình. Tổng sinh khối của rơm rạ thu được phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống lúa, đất, chất dinh dưỡng và thời tiết. Ngoài ra lượng rơm rạ thu được còn phụ thuộc vào chiều cao cắt (chiều cao của gốc rạ).

Trên cơ sở số liệu của tổng cục thống kê về tổng sản lượng lúa theo từng năm[1] và hệ số tỷ lệ rơm/thóc là 1.3[2] tác giả đã tính toán và xây dựng được biểu đồ lượng rơm hằng năm tại Việt Nam như được trình bày trong Hình 1. Lượng rơm thải bỏ ước tính hằng năm tại Việt Nam (nghìn tấn) Bảng 1. Bảng thống kê số lượng của bốn chất thải nông nghiệp chính theo báo cáo của Sarkar và cộng sự năm 2012[7] Lượng chất thải (triệu tấn) Loại chất thải Châu Đại Châu Phi Châu Á Châu Âu Châu Mỹ Dương Rơm rạ 20.49 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 5 Dựa vào Hình 1.1 ta có thể thấy lượng rơm hằng năm phát thải ra môi trường là rất lớn.

Như năm 2012, ở châu Á lượng rơm ra phát thải là 667.6 triệu tấn[7], trong đó riêng Việt Nam là 56859. Riêng vụ Đông Xuân năm 2020 sản lượng rơm rạ bị bỏ lại ở đồng ruộng ở Hà Nội là 384.1 Tính chất vật lý Tùy thuộc vào hình thái, phương pháp xử lý, đóng gói mà rơm có tỷ trọng khối khác nhau. Rơm ngay sau khi thu hoạch xong trên đồng ruộng có tỷ trọng khối trong khoảng 162. Khi tỷ trọng khối của rơm càng nhỏ thì thể tích/kg của rơm càng lớn dẫn đến chi phí vận chuyển và xử lý cao hơn.

Do đó, có một số phương pháp giúp giảm kích thước và tăng tỷ trọng khối của rơm như nghiền viên, sử dụng máy ép con lăn, nén pistông, ép khối hay sử dụng máy đùn trục vít. Khối lượng phân tử của rơm thì ảnh hưởng đến nhiệt trị của sinh khối khi sử dụng làm nhiên liệu. Kích thước hạt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy, khuếch tán và tốc độ phản ứng. Về khả năng giữ nước của rơm rạ ảnh hưởng đến ứng dụng cải tạo đất.

Hàm lượng ẩm của rơm ảnh hưởng đến nhiệt trị của rơm khi mà rơm được sử dụng như là nguồn năng lượng sinh học. Nhiệt trị là là một thông số quan trọng khi rơm rạ được sử dụng làm năng lượng sinh học, đây là thông số thể hiện giá trị năng lượng của rơm.2 Thành phần hóa học Rơm cũng giống như các nguồn sinh khối lignocellulosic khác đều bao gồm ba thành phần chính là cellulose, hemicellulose và lignin như được trình bày trên Hình 1. Ngoài ra, trong rơm còn có protein, tro và một số nguyên tố. Các thành phần chính của rơm Cấu trúc của rơm như Hình 1.2 cho thấy rằng trong các thành phần chính của rơm, cellulose và hemicellulose là chất hữu cơ dạng sợi còn lignin là thành tế bào.

Cấu trúc hóa học cũng như các tính chất có liên quan của cellulose, hemicellulose và lignin sẽ được trình bày ở phần tiếp theo. THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 6 1.1 Cellulose Cellulose là một loại polyme sinh học dồi dào trên trái đất tham gia vào thành phần thành tế bào thực vật. Sự phân bố cellulose trong thành tế bào của thực vật được mô tả như Hình 1.

Cellulose trong thành tế bào của thực vật Cellulose không màu, không mùi, không hòa tan trong nước và nhiều dung môi hữu cơ. Do liên kết hydro giữa các phân tử cellulose với nhau kèm theo lực Van der Waals và vùng cấu trúc tinh thể khiến cho cellulose khó bị hòa tan. Tuy nhiên, liên kết glycosidic trong cellulose có thể bị thủy phân trong môi trường axit [9]. Cấu trúc phân tử của chuỗi cellulose được trình bày trên Hình 1.

Cấu trúc phân tử của chuỗi cellulose điển hình Hình 1. Liên kết hydro giữa các phân tử cellulose THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 7 Hình 1.5 cho thấy rằng cấu tạo của cellulose là một homopolysaccharide mạch thẳng chứa các mắt xích β-D-glucose. Các mắt xích được liên kết cộng hóa trị bằng liên kết β-1,4-glycosidic giữa các nhóm hydroxyl của cacbon C1 và C4.

Mỗi chuỗi cellulose được cấu tạo bởi một đầu khử được kết thúc bằng nhóm C1 – OH và đầu còn lại là một đầu không khử với nhóm C4 – OH [9][10]. Cellulose là phân tử cấu trúc chính trong thành tế bào thực vật. Trong rơm, cellulose chiếm khoảng 32 – 47% [5]. Cellulose là thành phần vừa có tính tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, vừa có thể tái tạo, có độ bền cơ tốt.

Đây là loại vật liệu an toàn, chi phí thấp và thân thiện với môi trường.2 Hemicellulose Hemicellulose là một cacbohydrate phong phú thứ hai trên thế giới sau cellulose. Hemicellulose là một polyme ngắn với độ trùng hợp khoảng từ 50 – 200, trong khi các polyme cellulose dài hơn với độ trùng hợp từ 500 – 15000[11]. Khác với cellulose có cấu tạo mạch thẳng và không có nhóm đính kèm thì một số hemicellulose được phân nhánh và hầu hết đều có nhóm phụ đính kèm. Hemicellulose là một polysaccharide có mạch liên kết β-(1-4)[12].

Hemicellulose có thể phân thành 3 họ được đặt tên theo mạch polyme gồm xylan, manan và galactan. Các monome tạo thành hemicellulose được thể hiện trong Hình 1. THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 8 Hình 1.

Các monome của hemicellulose Từ Hình 1.6 ta có thể thấy hemicellulose được cấu tạo từ 2 loại monome chính là hexose (gồm glucose, galactose, mannose) và pentose (gồm xylose, arabinose). Hemicellulose có cấu trúc ngẫu nhiên, vô định hình và có độ bền thấp. Hemicellulose bắt đầu phân hủy trên 200oC khiến cho nó trở thành thành phần kém bền nhiệt nhất của thành tế bào. Chỉ một số ít hemicellulose hòa tan trong nước như glactan và galactomannan.

Hemicellulose dễ dàng thủy phân trong dung dịch NaOH loãng và axit loãng. Sự phân hủy kiềm xảy ra từ đầu khử của polyme (phần cuối với nhóm C1 – OH tự do hoặc không liên kết) [11]. Vai trò quan trọng của hemicellulose là củng cố thành tế bào bằng cách tương tác với cellulose và lignin. Trong rơm, hemicellulose chiếm khoảng 19 – 27%[5].3 Lignin Lignin là một cấu trúc polyme vô định hình được tạo thành bằng liên kết ngang từ các tiểu đơn vị phenolic.

Có thể trùng hợp thành 3 loại ligin gồm syringyl lignin, guaiacyl lignin và hydroxyl-phenyl lignin từ 3 monome tương ứng là rượu sinapyl, coniferyl và p-coumaryl được thể hiện trong Hình 1. THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 9 Hình 1. Monome và loại lignin tạo thành tương ứng Ba loại cấu trúc chính của lignin trong Hình 1.7 có thể kết hợp với nhau để tạo ra polyme lignin có cấu trúc không gian ba chiều trong quá trình sinh tổng hợp lignin [14].

Cấu trúc cơ bản của lignin được chia thành 2 phần gồm vòng thơm và phần còn lại là chuỗi C3. Vị trí phản ứng duy nhất trong lignin là nhóm – OH của phenol và ancol. Các monome của lignin liên kết với nhau thông qua liên kết bất đối xứng của liên kết ete (C – O – C) và liên kết cacbon (C – C). Có nhiều loại liên kết được hình thành, trong đó liên kết ete β-O-4 chiếm ưu thế trong các cấu trúc, thường chiếm khoảng một nửa số liên kết được hình thành.

Lignin kỵ nước vì có các nhóm vòng benzene bền cộng hưởng tạo thành mức độ liên kết ngang cao trong polyme lignin. Nồng độ cao của các nhóm hydroxyl phenolic có trong lignin làm cho chúng có thể hòa tan trong điều kiện kiềm[13]. Lignin trong thực vật chủ yếu cung cấp độ cứng bằng cách tăng cường cấu trúc của thành tế bào. Trong rơm, lignin chiếm khoảng 5 – 24%[5].3 Ứng dụng của rơm Rơm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như làm thức ăn cho gia súc, làm vật liệu xây dựng, sản xuất bột giấy và giấy, làm nguồn năng lượng sinh học hay ứng dụng trong nông nghiệp.

Rơm được sử dụng làm thức ăn cho gia súc ở nhiều quốc gia trên thế giới do rơm có hàm lượng sợi cao. Tuy nhiên, khả năng tiêu hóa và hàm lượng protein trong rơm thấp do đó rơm cần trải qua quá trình tiền xử lý bằng vật lý, hóa học, hóa lý hoặc sinh học để tăng khả năng tiêu hóa và giá trị dinh dưỡng của nó. THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 10 Trong ngành vật liệu xây dựng, rơm được sử dụng để làm ván dăm, sợi, tấm xi măng và vật liệu composite.

Một số nước trên thế giới còn sử dụng rơm để làm chất kết dính đất sét và bê tông. Rơm rạ ép thành tấm được đề xuất là vật liệu xây dựng lý tưởng với giá thành rẻ, bền tại các vùng động đất, đặc biệt là các nước đang phát triển. Do rơm rạ ép thành tấm nhẹ, bền, chống nước, cách điện tốt và không độc. Ngoài ra, đây là vật liệu có thể phân hủy và tái sử dụng được.

Những năm gần đây việc sản xuất bột giấy và giấy từ rơm rạ có được nhiều lợi ích như giảm việc nhập khẩu gỗ và bột giấy ở các nước thiếu nguồn tài nguyên gỗ, tăng lợi nhuận cho nông dân thông qua việc sử dụng phụ phẩm là rơm rạ. Ngoài ra, việc sử dụng rơm rạ còn có nhiều ưu điểm như dễ tẩy trắng hơn bột gỗ, ít tốn năng lượng hơn trong quá trình chuẩn bị bột giấy, lượng hóa chất sử dụng ít hơn. Rơm rạ được sử dụng như là nguồn năng lượng tái tạo thông qua quá trình sinh hóa hay nhiệt hóa. Quá trình sinh hóa chuyển đổi rơm rạ thành năng lượng sinh học gồm ba bước chính là tiền xử lý, thủy phân bằng enzim và lên men để sản xuất ethanol.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ