Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp dệt nhuộm đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam, tuy nhiên cũng là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do sử dụng nhiều hóa chất độc hại và lượng nước thải lớn. Theo ước tính, ngành dệt nhuộm sử dụng khoảng 25% hóa chất toàn cầu và thải ra 20% lượng nước ô nhiễm trên thế giới. Trong bối cảnh đó, việc phát triển công nghệ nhuộm sử dụng chất màu tự nhiên thân thiện môi trường trở thành xu hướng cấp thiết. Luận văn tập trung nghiên cứu chiết tách chất màu từ quả dành dành (Gardenia jasminoides Ellis) và ứng dụng trong nhuộm vải tơ tằm tại Quảng Nam – vùng đất nổi tiếng với nghề trồng dâu nuôi tằm và dệt lụa truyền thống. Mục tiêu nghiên cứu là xác định điều kiện chiết tách tối ưu chất màu tự nhiên từ hạt dành dành, xây dựng quy trình nhuộm vải tơ tằm bằng chất màu này, đồng thời đánh giá độ bền màu và cấu trúc tế vi của vải sau nhuộm. Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022, sử dụng nguyên liệu vải tơ tằm sản xuất tại Quảng Nam, góp phần bảo tồn và phát triển làng nghề truyền thống, đồng thời hướng tới sản xuất xanh, sạch hơn trong ngành công nghiệp dệt nhuộm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc khai thác nguồn nguyên liệu tự nhiên sẵn có, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao giá trị sản phẩm dệt nhuộm truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về hấp thụ ánh sáng và cơ chế xuất hiện màu sắc của các hợp chất hữu cơ. Màu sắc của chất màu tự nhiên xuất phát từ sự hấp thụ chọn lọc các bước sóng ánh sáng trong vùng khả kiến (400–750 nm), chủ yếu do các điện tử vòng ngoài trong hệ liên hợp nối đôi cách liên tục chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Các yếu tố ảnh hưởng đến màu sắc bao gồm: hệ thống liên kết nối đôi cách, sự hiện diện của các nguyên tử khác ngoài cacbon (O, N, S), các nhóm thế có khả năng đẩy hoặc hút điện tử, sự ion hóa phân tử và cấu tạo phân tử phẳng. Ngoài ra, lý thuyết về sự tương tác giữa chất màu và chất cầm màu (mordant) như Al2(SO4)3 được áp dụng để tăng độ bền màu trên vải tơ tằm. Các khái niệm chính bao gồm: chiết tách chất màu tự nhiên, phổ UV-Vis, sắc ký khí khối phổ (GC-MS), kính hiển vi điện tử quét (SEM), và các thông số công nghệ nhuộm như nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ nguyên liệu/dung môi, số lần nhuộm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là hạt dành dành thu mua tại Đà Nẵng và vải tơ tằm 100% sản xuất tại công ty lụa Mã Châu, Quảng Nam. Phương pháp chiết tách chất màu sử dụng bộ dụng cụ chưng ninh với dung môi nước, tối ưu các yếu tố nhiệt độ (90°C), thời gian (75 phút), tỷ lệ hạt/dung môi (25g/100 mL). Thành phần hóa học dịch chiết được phân tích bằng máy đo quang phổ UV-Vis và sắc ký khí khối phổ GC-MS với các dung môi bổ sung như hexan, cloroform, etyl axetat, etanol. Quá trình nhuộm vải tơ tằm thực hiện với các thông số tối ưu: nhiệt độ nhuộm 80°C, thời gian 60 phút, số lần nhuộm 1 lần, sử dụng chất cầm màu Al2(SO4)3 5g/L. Cấu trúc tế vi của vải trước và sau nhuộm được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM. Độ bền màu với giặt được đánh giá theo tiêu chuẩn ngành. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều mẫu dịch chiết và vải nhuộm, lựa chọn phương pháp phân tích định lượng và định tính nhằm đảm bảo độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, từ khâu chuẩn bị nguyên liệu, thực nghiệm chiết tách, nhuộm đến đánh giá sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều kiện chiết tách tối ưu: Nhiệt độ chiết 90°C, tỷ lệ hạt dành dành 25g/100 mL nước, thời gian 75 phút cho mật độ quang dịch chiết cao nhất, đảm bảo hiệu suất chiết tách tối ưu. Đồ thị UV-Vis cho thấy hấp thụ cực đại tại bước sóng 434 và 464 nm, phù hợp với sắc tố carotenoid α-crocetin.

  2. Thành phần hóa học dịch chiết: Phân tích GC-MS xác định các hợp chất chính gồm α-crocetin, monacosan, β-sitosterol và D-manitol trong dịch chiết nước và các dung môi hữu cơ. Thành phần sắc tố chủ yếu là crocin – một carotenoid tan trong nước, có khả năng tạo màu vàng đặc trưng.

  3. Quy trình nhuộm vải tơ tằm: Nhuộm ở 80°C trong 60 phút, sử dụng Al2(SO4)3 5g/L làm chất cầm màu, nhuộm một lần cho màu vàng đều, bám chắc trên bề mặt vải. Ảnh SEM cho thấy sự gắn kết màu rõ rệt trên sợi fibroin của tơ tằm sau nhuộm so với mẫu chưa nhuộm.

  4. Độ bền màu: Vải nhuộm đạt độ bền màu cao với giặt, vượt trội so với các mẫu nhuộm không sử dụng chất cầm màu. Kết quả đánh giá độ bền màu với giặt đạt mức trên 4 theo thang đo tiêu chuẩn ngành, đảm bảo tính ứng dụng trong sản xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả chiết tách cao là do nhiệt độ và thời gian được tối ưu phù hợp với tính chất hòa tan của crocin trong nước nóng. Thành phần carotenoid trong hạt dành dành là nguồn sắc tố tự nhiên có khả năng tạo màu vàng bền vững, phù hợp với nhuộm tơ tằm. Việc sử dụng Al2(SO4)3 làm chất cầm màu giúp tạo phức bền giữa sắc tố và sợi fibroin, tăng cường độ bền màu và khả năng chống giặt. So sánh với các nghiên cứu trước đây trên thế giới và trong nước, kết quả tương đồng về thành phần sắc tố và hiệu quả nhuộm, đồng thời bổ sung quy trình chiết tách và nhuộm tối ưu cho vải tơ tằm Quảng Nam. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp thụ UV-Vis, bảng thành phần GC-MS và ảnh SEM minh họa cấu trúc tế vi vải trước và sau nhuộm, giúp trực quan hóa sự gắn màu và độ bền màu. Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ nhuộm tự nhiên thân thiện môi trường, hỗ trợ bảo tồn làng nghề truyền thống và thúc đẩy sản xuất xanh, sạch hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển chất cầm màu tự nhiên: Nghiên cứu thay thế Al2(SO4)3 bằng các chất cầm màu tự nhiên nhằm giảm thiểu tác động kim loại nặng, nâng cao tính thân thiện môi trường. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu hóa học và công nghệ dệt, thời gian 2-3 năm.

  2. Tối ưu quy trình tái sử dụng dịch màu: Xây dựng quy trình thu hồi và tái sử dụng dịch chiết sau nhuộm để tiết kiệm nguyên liệu và giảm thải. Chủ thể: doanh nghiệp dệt nhuộm và trung tâm nghiên cứu, thời gian 1-2 năm.

  3. Nghiên cứu sử dụng bã hạt dành dành làm phân bón hữu cơ: Khai thác phụ phẩm sau chiết tách để làm phân bón, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn. Chủ thể: viện nghiên cứu nông nghiệp và các hợp tác xã nông nghiệp, thời gian 2 năm.

  4. Hỗ trợ chuyển giao công nghệ cho làng nghề: Tổ chức đào tạo, hướng dẫn kỹ thuật nhuộm màu tự nhiên cho các hộ dân tại Quảng Nam nhằm khôi phục và phát triển nghề truyền thống. Chủ thể: chính quyền địa phương, trường đại học, thời gian liên tục.

Các giải pháp trên nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành dệt nhuộm truyền thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Công nghệ dệt may: Nghiên cứu về chiết tách chất màu tự nhiên, quy trình nhuộm và đánh giá sản phẩm.

  2. Doanh nghiệp dệt nhuộm và sản xuất vải tơ tằm: Áp dụng công nghệ nhuộm màu tự nhiên thân thiện môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng xu hướng thị trường xanh.

  3. Chính quyền địa phương và các tổ chức phát triển làng nghề: Hỗ trợ khôi phục nghề truyền thống, phát triển kinh tế địa phương bền vững.

  4. Các tổ chức bảo vệ môi trường và phát triển bền vững: Tham khảo giải pháp giảm thiểu ô nhiễm ngành dệt nhuộm, thúc đẩy sản xuất sạch hơn.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển chuyên môn, nâng cao hiệu quả sản xuất hoặc xây dựng chính sách phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá trình chiết tách chất màu từ hạt dành dành được thực hiện như thế nào?
    Quá trình sử dụng phương pháp chưng ninh với nhiệt độ 90°C, tỷ lệ 25g hạt/100 mL nước, thời gian 75 phút. Điều kiện này tối ưu hóa hiệu suất chiết tách sắc tố carotenoid tan trong nước.

  2. Chất cầm màu nào được sử dụng trong quy trình nhuộm và tại sao?
    Al2(SO4)3 với nồng độ 5g/L được dùng làm chất cầm màu vì khả năng tạo phức bền với sắc tố và sợi fibroin, giúp tăng độ bền màu và khả năng chống giặt của vải nhuộm.

  3. Độ bền màu của vải nhuộm bằng chất màu tự nhiên có đảm bảo không?
    Vải nhuộm đạt độ bền màu với giặt trên 4 theo tiêu chuẩn ngành, cho thấy khả năng giữ màu tốt, phù hợp ứng dụng thực tế trong sản xuất và tiêu dùng.

  4. Có thể tái sử dụng dịch chiết sau nhuộm không?
    Nghiên cứu đề xuất cần phát triển quy trình tái sử dụng dịch chiết để tiết kiệm nguyên liệu và giảm thải, hiện tại chưa có quy trình hoàn chỉnh nhưng tiềm năng cao.

  5. Ứng dụng của bã hạt dành dành sau chiết tách là gì?
    Bã hạt có thể được nghiên cứu sử dụng làm phân bón hữu cơ, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu chất thải nông nghiệp.

Kết luận

  • Đã xác định được điều kiện chiết tách tối ưu chất màu tự nhiên từ hạt dành dành bằng phương pháp chưng ninh với nhiệt độ 90°C, thời gian 75 phút, tỷ lệ 25g/100 mL nước.
  • Xây dựng thành công quy trình nhuộm vải tơ tằm bằng dịch chiết hạt dành dành với nhiệt độ 80°C, thời gian 60 phút, sử dụng Al2(SO4)3 5g/L làm chất cầm màu.
  • Vải nhuộm đạt độ bền màu cao với giặt, cấu trúc tế vi vải sau nhuộm cho thấy sự gắn màu chắc chắn trên sợi fibroin.
  • Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ nhuộm tự nhiên thân thiện môi trường, hỗ trợ bảo tồn và phát triển làng nghề dệt lụa truyền thống Quảng Nam.
  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo về chất cầm màu tự nhiên, tái sử dụng dịch chiết và sử dụng phụ phẩm làm phân bón hữu cơ nhằm nâng cao hiệu quả và tính bền vững của công nghệ.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và chính quyền địa phương tiếp tục triển khai ứng dụng và phát triển công nghệ nhuộm màu tự nhiên để thúc đẩy sản xuất xanh, sạch hơn và bảo tồn giá trị văn hóa truyền thống.