CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN 1. Nghiên cứu vật liệu polymer phân hủy sinh học 1. Tinh cấp thiết của việc nghiên cứu polymer phân lrủy sinh học Sự nghiên cứu mạnh mẽ trên thế giới về lĩnh vực polymer phân hủy sinh học, xuất phát từ những lý do sau đây: Vấn đề môi trường: Trên thế giới, mỗi phút có triệu chai nhựa được bán ra, mỗi năm có năm nghìn tỷ tấn túi nylon được tiêu thụ. Tại Việt Nam, mỗi một hộ gia đình trung bình mỗi tháng tiêu thụ một kg túi nylon.
Nói riêng tại Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội. mỗi một ngày có tới 80 tấn nhựa và nylon bị thải ra môi trường. Ô nhiễm đại dương do rác thải nhựa được coi là thách thức lớn thứ hai sau biến đổi khí hậu. Những phẻ thải dạng này nếu đem chôn lấp rất tốn diện tích đồng thời còn gây ô nhiễm cho nguồn đắt, nước.
Nếu đốt chúng sẽ gây ô nhiễm môi trường do khói bụi, sinh ra dioxin rất có hại cho con người và môi trường đồng thời làm suy giảm tầng ozôn {1]. Sự tiến bộ của khoa học công nghệ: thực tế đặt ra và đòi hỏi các nhà khoa học và công nghệ nghiên cứu để chế tạo ra những sản phẩm vật liệu mới, ưu việt hơn. phục vụ đời sống con người cũng như nên kinh tế quốc đản [2]. Nhu câu tiêu thụ: ngày nay.
nhu cầu về vật liệu polymer tự phân hủy trên thế giới ngày một tăng do sức ép vẻ bảo vệ môi trường. Các nước công nghiệp phát triển đang phấn đấu thay thế dẫn các sản phảm từ vật liệu polymer nhiệt dẻo sang vật liệu polymer tự phân hủy. Nhựa tự hủy người ta có thể sản xuất ra các loại sản phẩm như: ca, cốc, hộp đựng, bau ươm cây giống,. bằng máy ép phun, đồng thời có thể sản xuất ra vật liệu màng mỏng, túi đựng, bao bì,.
bằng máy thổi màng, mục đích thay thế dần bao bì, túi đựng, màng mỏng polyetylen (PE). polypropylen (PP) hiện nay. Từ những lý do nêu trên có thể thấy vấn đề nghiêu cứu và ứng dụng vật liệu polymer phân hủy sinh học trở thành vấn đề rất cấp bách và bức xúc trong giai đoạn hiện nay [4]. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới Từ những năm 70 của thể kỷ XX, việc nghiên cứu các vật liệu polyme có khả năng phân hủy sinh học đã được thế giới quan tâm.
Số lượng bài báo liên quan đến polyme phân hủy sinh học đều tăng qua từng năm và có xu hướng tăng rất nhanh. Các công trình nghiên cứu thường này thường đến từ các nước phát triển như Mỹ, Đức, Pháp, Ý, Nhật, Hàn Quốc,. Nhu cầu tiêu thụ của loại vật liệu này cũng rất lớn ở những nước phát triển và chúng được tính bằng hàng nghìn tan thậm chí là hàng triệu tắn mỗi năm. Nhằm đáp ứng những nhu cầu, rất nhiều nghiên cứu về loại vật liệu này càng tăng lên.
Cụ thể có thể kể đến một số nghiên cứu về vật liệu polyme phân hủy sinh học như Nghiên cứu vật liệu polyme phân hủy hoàn toàn từ cơ sở tính bột của D. Xu đến từ Trung Quốc. Tùy vào thổ nhưỡng, khí hậu và đặc điểm nông nghiệp mà nhiều loại tình bột khác nhau được nghiên cứu chế tạo màng phân hủy sinh học. tỉnh bột sẵn (cassava), trái xa-kê (breadfruit) với tên khoa học là Artocarpus altilis được ding lam cơ sở nghiên cứu [5].
Tuy nhiên, nhược điểm của màng được chế tạo hoàn toàn từ tỉnh bột là độ ôn định về hình dạng và cơ tính. Vì thế, có rất nhiều nghiên cứu về phụ gia dé kết hợp với tinh bột nhằm tạo ra loại màng polyme có cơ tỉnh ôn định hơn. Tùy vào mục đích sử dụng mà loại và hàm lượng phụ gia cần được nghiên cứu thêm. Tinh hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, nhóm nghiên cửu của ĐH Khoa học tự nhiên (Đại học Quốc gia TP.HCM) đã chế tạo thành công loại vật liệu sản xuất bao bì tự hủy 100%, giá thành rẻ.
Dù còn ở quy mô phòng thí nghiệm nhưng vật liệu này hứa hẹn lat dé bao nylông trong tương lai gàn. Ngoài ra còn có nghiên cứu của tác giả Phạm Thế Trinh thuộc Viện Hóa học Công nghiệp với đề tài: “Chế tạo và ứng dụng polyme phân hủy sinh học”. Nghiên cứu này đã chế tạo ra màng phủ polyme, đạt được một số kết quả sử dụng thử nghiệm ban đầu như sau: Màng polyme tự hủy để phủ luống lạc tại nông trường Thanh Hà - Hòa Bình và nông trường Sông Cầu Thái Nguyên. Kết quả màng phủ polyme tự phân hủy hoàn toàn trong khoảng 170 ngày.
Màng polyme để phủ luống cây cam - (một loại cây 4 ăn quả dài ngày). Kết quả là màng phủ polyme tự hủy trong khoảng 165 ngày. Màng polymer làm bầu ươm được thử nghiệm cho 1.000 bầu ươm cây tại nông trường chè Sông Cầu và 1.000 bầu ươm cho xoài ở nông trường Thanh Hà - Hòa Bình. Kết quả là màng phủ polyme tự hủy sau 9 - 10 tháng [6].
Việc chế tạo màng phân hủy sinh học có thể xuất phát từ rất nhiều nguyên liệu ban dau khác nhau. Ngoài viéc ting hgp tir PVA va MFC, trong một nghiên cứu khác của nhóm nghiên cứu từ trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Polyme, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tổng hợp được màng phân hủy sinh học dựa trên cơ sở polylactic axit và tinh bot sắn Việt Nam, theo nghiên cứu từ nhóm này thì đã tạo được màng có khả năng phân hủy nhanh trong môi trường đất trồng nhưng cơ tính vẫn còn thấp. Trong nghiên cứu này thì nhóm nghiên cứu đã dùng chất hóa dẻo là PEG (polyetylen glycol). Ngoài các nghiên cứu đã nêu ở trên, có rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu trong nước cũng đã tận dụng các nguyên liệu có sẵn trong nước để tạo ra mảng có khả năng phân hủy sinh học.
Từ năm 2007, bộ môn Công nghệ hóa học ĐH Nông Làm TP.HCM đã nghiên cứu và cho ra thành phẩm là sản phẩm túi ni-lông sinh học với thành phần từ tỉnh bột sắn, kết hợp với glycerol và một số phụ gia. Màng sản phảm được gia công thành tạo hình thành dạng túi với kích thước 9x 9cm có khả năng chứa được vật có khối lượng từ 0,5 - 1,0 kg. Ở những nơi ghép mi bằng mấy ép hàn nhiệt thì, độ bền chắc của các mí ghép này bảng 60% sức bền của bao bì. Tuy nhiên, việc đựng các vật có độ âm cao vẫn còn hạn chế.
Khi chôn loại màng này trong môi trường đất, mang polyme nay phân hủy hoàn toan trong vòng 60 ngày, không độc, không đe dọa đến môi trường. Các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng và Trường DH Nông Lâm TP.HCM đã hợp tác ché tạo thành công màng polymer composite có khả năng phân hủy trong vòng 90 ngày với thành phần từ PVA, tỉnh bột sắn, chitosan,. Giới thiệu chung về polymer phân hủy sinh học Trong thời gian gần đây, polymer sinh học (biopolymer) là polymer có khả năng phân hủy sinh học (biodegradable polymer) ngày càng được quan tâm nghiên cứu nhằm làm giảm tác hại đến môi trường và làm giảm bớt sự phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu dầu khí. Các nhà khoa học cùng với những nghiên cứu trong công nghiệp cần phát triển vật liệu mới “thân thiện với môi trường” hơn, tức là vật liệu được tạo thành từ nguồn tái tạo 5 được (như từ phế phẩm nông nghiệp), tiêu thụ ít năng lượng hơn, có khả náng phân hủy sinh học và không thải chất độc hại ra môi trường ngoài.
Polymer được gọi là polymer phân hủy sinh học khi polymer đáp ứng một số tiếu chuẩn quan trong như sau [9]: Polymer phân hủy sinh học được sản xuất phải phân hủy được với tốc độ phù hợp khí xử lý bằng các biện pháp xử lý chất thải thông thường như ủ thành phân, xử lý nước thải, khử nitrat, xử lý bùn ky khí. Sản phẩm phân hủy cuối cùng của polymer phân hủy sinh học phải là cacbon dioxide, nước, khoáng chất, sinh khối, đất mùn. Quá trình phân hủy phải an toàn, không gây hại đến môi trường cũng như các sản phẩm khác của quá trình xử lý chất thải. Sự trộn hợp của hai hoặc nhiều hơn các polymer có khả năng phân hủy sinh học có thể tạo ra một polymer có khả năng phân hủy sinh học phù hợp với những yêu cầu nhất định.
Khả năng phân hủy sinh học không chỉ phụ thuộc vào nguồn pốc mà còn phụ thuộc vào cầu trúc hóa học và môi trường phân hủy. Khi một vật liệu có khả nàng phân hủy sinh học (polymer nguyên chất, sản phẩm trộn hợp. hoặc composite) thu được hoàn toàn từ các nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo được gọi là vật liệu polymer xanh [10]. Hiện nay, polymer phân hủy sinh học được đa số các nhà khoa học phân loại theo nguồn gốc như sau: Polymer phản hủy sinh học có nguồn gốc tự nhiên được chia làm sáu nhóm: polysaccharides (tinh bot.
cellulose, lignin, chitin); proteins (gelatin, casein, gluten lúa mì, tơ và len); lipid (dau déng va thyc vat); polyester ti thực vat (polyhydroxyalcanoates, poly-3-hydroxybutyrate); polyester tổng hợp từ các monomer đẫn xuất sinh hoc (polylactic acid) va cao su tự nhiên [11]. Polymer phân hủy sinh học có nguồn gốc từ dầu mỏ được chia làm bốn nhóm: polyester béo (polyglycolic acid, polybutylene succinate, polycaprolactone); polyester thom (terephthalate); polyvinylalcohol; polyolefin duge biến tính (polyethylene hay polypropylene được bổ sung chất nhạy sáng hoặc nhạy nhiệt độ). Giới thiệu về tỉnh bột Trong tự nhiên, tỉnh bột là hợp chất hữu cơ rất phổ biến, chỉ đứng sau cellulose. Tinh bột có trong cây xanh, rễ, cành, hạt, củ và quả.
Tinh bột được tạo ra ở lục lạp do quá trình quang hợp, đều nhanh chóng chuyển gluxit thành tỉnh bột. Tinh bột đại điện cho 60 - 90% tổng sản lượng các loại lương thực như ngô, khoai tây, lúa mì, củ mì, sắn day, gạo, đậu, ở một số quả như chuối, táo, rau,. Tinh bột là nguồn nguyên liệu rẻ tiền và được sử dụng rộng rãi, có tiềm năng ứng dụng cao. Tỉnh bột được tổng hợp nhờ năng lượng mặt trời và được giữ lại trong quá trình quang hợp.
Tỉnh bột là nguồn cung cấp năng lượng chính, là thành phần quan trọng trong chế độ dinh dưỡng của con người cũng như nhiều loài động vật khác [14]. Ở nước ta lương thực chiếm một vị trí quan trọng trong sản xuất nông nghiệp và là nguồn nguyên liệu quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp, trong đó có công nghiệp sản xuắt giấy, rượu, băng bó xương, công nghiệp sản xuất tỉnh bột và các đẫn xuất của tỉnh bột.