I. Giới thiệu
Vật liệu nano polyme đang ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực, từ vật liệu siêu bền trong ngành ô tô đến công nghệ y học. Cellulose nanocrystals (CNCs), với những ưu điểm vượt trội về tính chất hóa học và vật lý so với polyme kích thước lớn, là một trong những ứng dụng nổi bật của cellulose. Tuy nhiên, CNCs vẫn còn một số hạn chế như chưa phổ biến trên thị trường, tốn thời gian sản xuất và ứng dụng còn hạn chế.
Nghiên cứu chế tạo cellulose nanocrystals từ giấy vụn và vỏ trấu cho xử lý nước thải là một hướng đi mới nhằm khai thác tiềm năng của CNCs trong lĩnh vực môi trường. Với nguồn nguyên liệu rẻ, dồi dào như giấy vụn và vỏ trấu, quy trình sản xuất và chế tạo không quá phức tạp, CNCs hứa hẹn là vật liệu xử lý nước hiệu quả, không độc hại và có khả năng phân hủy sinh học, góp phần bảo vệ môi trường.
II. Tổng quan về Cellulose và CNCs
Cellulose là một homopolyme tuyến tính của glucose (C6H10O5)n, là thành phần chính cấu tạo nên thành tế bào thực vật. Giấy và vỏ trấu là hai nguồn nguyên liệu tiềm năng để chế tạo CNCs. Giấy, với thành phần chủ yếu là cellulose, được sản xuất từ gỗ, tre nứa và các loại phế phẩm nông nghiệp. Vỏ trấu, phế phẩm của ngành nông nghiệp, cũng chứa một lượng đáng kể cellulose (khoảng 45,7%).
CNCs là những tinh thể nano có đường kính từ 5-20 nm và chiều dài từ 100-2000 nm, được tạo ra bằng cách loại bỏ vùng vô định hình của cellulose. CNCs sở hữu nhiều đặc tính ưu việt như:
- Tính chất cơ lý tốt
- Độ bền nhiệt cao
- Khả năng phân hủy sinh học
- Tính tương thích sinh học tốt Nhờ những ưu điểm này, CNCs được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, y sinh, xử lý nước thải và công nghệ nano.
III. Chế tạo CNCs từ giấy vụn và vỏ trấu
Chế tạo CNCs từ giấy vụn: Giấy vụn được nghiền nhỏ và tẩy trắng để loại bỏ các tạp chất. Sau đó, cellulose được thủy phân bằng axit sulfuric (H2SO4) để thu được CNCs. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân như nồng độ axit, thời gian và nhiệt độ cần được khảo sát để tối ưu hóa hiệu suất thu hồi CNCs.
Chế tạo CNCs từ vỏ trấu: Vỏ trấu cần được xử lý sơ bộ để loại bỏ lignin và hemicellulose trước khi thủy phân axit. Quá trình này thường bao gồm các bước như:
- Xử lý kiềm
- Tẩy trắng
- Thủy phân bằng H2SO4
Tương tự như giấy vụn, các thông số của quá trình thủy phân cũng cần được nghiên cứu để đạt hiệu suất thu hồi CNCs cao nhất.
IV. Ứng dụng của CNCs trong xử lý nước thải
CNCs có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng trong nước thải như Cr3+, Pb2+, Hg2+,... Nhờ:
- Diện tích bề mặt riêng lớn.
- Nhiều nhóm chức hydroxyl (-OH) trên bề mặt.
CNCs được ứng dụng trong xử lý nước thải dưới dạng màng composite kết hợp với các loại polyme như PVA, PCL, PU,... Màng composite CNCs/PVA thể hiện khả năng hấp phụ kim loại nặng hiệu quả và có thể tái sử dụng nhiều lần.
Nghiên cứu và phát triển các vật liệu xử lý nước thải từ CNCs là hướng đi đầy tiềm năng, góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay.
