MỞ ĐẦU Polymer là một trong những loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, rác thải của loại vật liệu này lại là một mối nguy hại lớn đối với môi trường do số lượng rác thải lớn và thời gian phân huỷ lâu dài. Vì vậy, một số nghiên cứu đã hướng tới việc tách chiết, biến tính các sợi tự nhiên để chế tạo vật liệu polymer thân thiện với môi trường, có thể thay thế cho các polymer đang được sử dụng hiện nay. Một trong những nguồn vật liệu tiềm năng được nghiên cứu gần đây nhất là keratin- một loại protein tách chiết từ lông gà.
Loại vật liệu này đem lại lợi ích cho môi trường ở 2 khía cạnh: tận dụng các sợi polymer tự nhiên, qua đó giảm thiểu lượng rác thải hữu cơ thải vào môi trường và rút ngắn thời gian phân huỷ của vật liệu polymer trong môi trường. Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây, loại vật liệu polymer này chủ yếu được chế tạo bằng phương pháp cấy ghép-đồng trùng hợp monomer lên sợi cellulose và chưa có nhiều nghiên cứu thực hiện đối với sợi keratin lông gà. Vì vậy, đề tài ''Nghiên cứu khả năng cấy ghép ethyl acrylate và methyl methacrylate lên sợi keratin có nguồn gốc từ lông gà'' được lựa chọn nhằm nghiên cứu khả năng chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo từ lông gà bằng phương pháp cấy ghép đồng trùng hợp. Đề tài gồm 4 nội dung chính như sau: - Đánh giá hiệu quả tách chiết keratin sử dụng dung môi hoà tan [BMIM]Cl và [BDIM]Cl.
- Đánh giá hiệu quả thu hồi vật liệu cấy ghép EA và MMA lên sợi keratin trong dung môi [BMIM]Cl and [BDIM]Cl. - Đánh giá các tính chất nhiệt của vật liệu thu được. - Đánh giá khả năng hình thành các tấm film mỏng từ vật liệu thu được. 1 z Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.
Tổng quan về nguồn rác thải polymer Polymer là sản phẩm được tạo ra từ hoá dầu rất quen thuộc trong đời sống hàng ngày ở hầu hết mọi quốc gia trên thế giới. Hàng năm, có khoảng hơn 200 triệu tấn polymer được sản xuất để phục vụ nhu cầu của con người và con số này ngày càng tăng theo đà tăng dân số và đời sống. Sản xuất polymer thương mai tiêu thụ khoảng 5% trữ lượng toàn cầu về nhiên liệu hoá thạch hữu hạn như khí thiên nhiên hoặc dầu mỏ. Song song với điều này, số lượng rác thải từ các sản phẩm này cũng tăng lên đáng kể và trở thành thách thức đối với môi trường của trái đất.
Túi chất dẻo phế thải là một trong những ví dụ điển hình về vấn đề rác thải vật liệu polymer. Mỗi năm, con người tiêu thụ hơn 1 nghìn tỷ túi poly etylen để đựng các loại hoàng hoá khác nhau. Ở một số nước, ví dụ Pháp, tỷ lệ tái chế đối với loại chất dẻo này tương đối cao (>80%), trong khi ở một số nước, tỉ lệ này khá thấp (<30%). Trong khi một số sản phẩm chất dẻo đã qua sử dụng được xử lý bằng cách thiêu huỷ để thu hồi năng lượng, phần lớn các sản phẩm khác hoặc được chôn lấp hoặc thải bỏ ra môi trường.
Ứơc tính mỗi năm có khoảng 5 triệu tấn chất dẻo thải bỏ ra các đại dương mỗi năm. Đối với biện pháp chôn lấp, nhược điểm của loại vật liệu này là không thể tự phân huỷ sinh học. Vật liệu chỉ có thể phân huỷ sau 500 năm thậm chí 1 triệu năm. Chỉ có những tác động về cơ học và nhiệt mới có thể phá huỷ nó, nhưng lại tạo ra nhiều chất độc hại hơn và đòi hỏi chi phí khổng lồ, vượt qua cả giá thành tạo ra chúng.
Do đó, rác thải của vật liệu polymer là một mối nguy hiểm tiềm ẩn cho môi trường sinh thái, trở thành một thách thức lớn cho môi trường. Tại với Việt Nam, theo thống kê của Bộ tài nguyên-Môi trường, trung bình mỗi ngày, người tiêu dùng sử dụng ít nhất một túi ni lông. Như vậy, với số dân hơn 80 triệu người, mỗi ngày nước ta phải tiêu thụ hơn 80 triệu túi ni lông và con số này ngày càng tăng theo đà tăng dân số. Bên cạnh đó, nguồn rác thải polymer từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và nông nghiệp cũng tăng lên không ngừng.
Tuy nhiên, việc tái chế, tái sử dụng cũng như xử lý rác thải vật liệu này còn nhiều hạn 2 z chế. Trước thực trạng này, nhiều nhóm nghiên cứu đã hướng tái phát triển những dạng vật liệu tương ứng tính năng của polymer truyền thống để thay thế. Đó chính là polymer có khả năng phân huỷ sinh học khi gặp tác động của nước, không khí, nấm, vi khuẩn trong môi trường tự nhiên. Bên cạnh yếu tố giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, việc sản xuất polymer sinh học còn hướng tới mục đích tận dụng nguồn sản phẩm phụ trong hoạt động sản xuất nông nghiệp cũng như một số ngành công nghiệp.
Tổng quan về nguồn rác thải lông gà Trong những năm gần đây, sản xuất thịt gia cầm đang dần trở thành một lĩnh vực phát triển nhanh chóng trong ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm nói chung. Theo Belove và cộng sự (2012), tỉ lệ thịt gia cầm so với tổng khối lượng thịt gia súc và gia cầm tăng đáng kể từ 12. Thống kê của tổ chức lương thực thế giới (FAO) cũng cho thấy lĩnh vực sản xuất thịt gia cầm đang phát triển một cách nhanh chóng. Mức tiệu thụ thịt gia cầm tăng đều đặn trong vòng 5 năm trở lại đây và được dự đoán là sẽ tiếp tục tăng nhanh trong những năm tiếp theo.
Năm 2013, tổng sản lượng thịt gà trên toàn thế giới là 85 triệu tấn, con số này được dự đoán sẽ tăng lên 94,8triệu tấn vào năm 2014. Trong đó, Châu Mĩ và Châu Á là 2 khu vực có sản lượng thịt gia cầm lớn nhất với gần 40-30 triệu tấn sản phẩm được sản xuất mỗi năm [41]. Sản lượng thịt gia cầm tại một số khu vực trên thế giới được tóm tắt trong bảng 1. Sản lượng thịt gia cầm tại một số khu vực trên thế giới (triệu tấn) [41] Khu vực 2010 2011 2012 2013 2014 Châu Phi 4.5 3 z Đối với môi trường, số liệu thống kê trên cho thấy sự tăng lên của sản lượng thịt gia cầm đồng nghĩa với lượng rác thải sinh ra từ ngành công nghiệp này cũng tăng lên.
Một khảo sát tại Mĩ cho thấy, có khoảng 2 triệu tấn lông gà sinh ra từ ngành công nghiệp này mỗi năm. Tại Philippin, mỗi năm nước này sản xuất khoảng 60 triệu kg thịt gia cầm và thải ra môi trường khoảng 6 triệu kg rác thải [28]. Cho đến này, chỉ có một lượng nhỏ rác thải lông gà được sử dụng làm phân bón và thức ăn chăn nuôi, số còn lại được xử lý bằng phương pháp chôn lấp hoặc thiêu huỷ.Tuy nhiên, cả 2 phương pháp này đều có thể gây ra những ảnh hưởng nhất định đối với môi trường do khả năng ô nhiễm môi trường đất trong quá trình keratin phân huỷ hoặc khả năng phát sinh các khí nhà kính như CO2, SO2 nếu bãi chôn lấp hoặc lò thiêu huỷ không đạt tiêu chuẩn. Tại Việt Nam, mặc dù chăn nuôi gia cầm thường có quy mô nhỏ, tuy nhiên tổng số gia cầm tính trên phạm vi cả nước tăng đều qua các năm, và đóng góp một phần không nhỏ vào thu nhập của ngành nông nghiệp nói chung.
Theo số liệu của tổng cục thống kê và đo lường Việt Nam, tổng sản lượng thịt gà đã tăng lên đáng kể từ 321 nghìn tấn năm 2005 đến 615 nghìn tấn năm 2010[42]. Theo Arun Gupta và cộng sự (2012), 1 cở sở sản xuất có mức sản xuất là 50000 con gà một ngày, cơ sở này sẽ thải ra 2-3 tấn lông gà khô. Theo tính toán này, tại Việt Nam mỗi năm sẽ có khoảng 80000-120000 tấn lông gà thải ra môi trường. Mặc dù một số lượng nhỏ lông gà được thu mua để sản xuất thức ăn chăn nuôi, áo lông vũ nhưng phần lớn nguồn rác thải này tại Việt Nam chủ yếu được chôn lấp, thiêu huỷ hoặc thải bỏ ngoài môi trường.
Vì vậy, nếu có thể tận dụng nguồn rác thải này để chế tạo vật liệu nhựa nhiệt dẻo không những có thể giảm thiểu nguồn rác thải rắn thải ra ngoài môi trường mà còn góp phần đem lại lợi ích môi trường lâu dài. Số lượng gia cầm và sản lượng thịt gia cầm tại Việt Nam [42] (Nguồn: Tổng cục thống kê và đo lường Việt Nam) 1. Tổng quan về thành phần keratin trong lông gà 1. Cấu trúc và tính chất của keratin trong lông gà Cấu trúc của keratin lông gà Keratin hay còn gọi là chất sừng, thường được biết đến là thành phần chính trong tóc, móng tay, sừng gia súc và lông gia cầm.
Hầu hết các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào cấu trúc và tính chất của thành phần keratin trong tóc để đưa ra các sản phẩm chăm sóc tóc tốt hơn và chưa có nhiều nghiên cứu về thành phần keratin trong các nguồn vật liệu khác. Tuy nhiên, do lượng rác thải lông gà từ ngành công nghiệp thực phẩm ngày càng tăng nhanh và yêu cầu về tái chế, tận dụng các nguồn rác thải nhằm giảm thiểu lượng rác thải trong môi trường, các nghiên cứu về cấu trúc, tính chất và ứng dụng của keratin trong lông gà đã bắt đầu được tiến hành trong những năm gần đây. Theo nghiên cứu của Lederer (2005), keratin là thành phần chính trong lông gà. Thành phần này chiếm tới 91% khối lượng, trong khi các thành khác như nước, lipit .chỉ chiếm 8% khối lượng còn lại [22].
Về thành phần của keratin lông gà, nghiên cứu của Kannappan Sarawanan và cộng sự (2012) cho thấy keratin đặc trưng bởi hàm lượng cao của các amino acid như serin, prolin, cystein và gluramin (Table 5 z 1). Trong đó, thành phần các amino acid ưa nước chiếm tới 20%, các amino acid kỵ nước chiếm tới 60%. Vì vậy, keratin lông gà hầu như không tan trong nước. Ngoài ra, do trong thành phần keratin có tới 8% cystein - một loại amino acid có chứa nhóm chức -SH nên trong cấu trúc của keratin còn có các liên kết disulfua bền vững.
Đặc điểm này chính là một trong những nguyên nhân giới hạn khả năng hoà tan keratin lông gà trong các dung môi [20]. Thành phần các amino acid trong keratin lông gà [20] Amino acid % Khối lƣợng Arginine 4,3 Aspartic acid 6,0 Glutamine 7,6 Theronine 4,0 Serine 16,0 Tyrosine 1,0 Leucine 2,6 Isoleucine 3,3 Valine 1,6 Cystine 8,8 Alanine 3,5 Phenylalanine 0.8 methionine 1,0 Proline 12,0 Asparagine 4,0 Chuỗi polypeptide 1 Chuỗi polypeptide 2 Hình 1. Liên kết disulfide trong cấu trúc keratin [20] 6 z Về cấu trúc, cấu trúc bậc 1 của keratin là các chuỗi polypeptide tạo thành bởi các amino acid khác nhau.