Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển của khoa học vật liệu hiện đại, vật liệu nano polymer đang thu hút sự quan tâm lớn nhờ các đặc tính cơ lý và hóa học vượt trội so với polymer kích thước lớn thông thường. Cellulose là một homopolymer tuyến tính của glucose $(C_6H_{10}O_5)_n$ với các đơn vị lặp lại D-glucose liên kết qua cầu nối $\beta$-1,4-glucopyranose, có cấu trúc bán tinh thể xen kẽ giữa miền tinh thể và miền vô định hình. Trong đó, cellulose nanocrystals (CNCs) là vật liệu nano sinh học sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn, độ bền cơ học cao, tỷ trọng thấp, khả năng tương thích sinh học và tự phân hủy hoàn toàn dưới tác động của vi sinh vật. Mặc dù có tiềm năng ứng dụng rộng rãi từ vật liệu y sinh, bao bì tự hủy đến xử lý môi trường, CNCs hiện vẫn gặp rào cản lớn do chưa phổ biến thương mại và chi phí chế tạo còn cao.

Xuất phát từ thực tiễn sản xuất nông nghiệp và tiêu dùng tại Việt Nam, tác giả Nguyễn Trí Thức đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Vật liệu với đề tài "Nghiên cứu chế tạo Cellulose Nanocrystals (CNCs) từ nguyên liệu giấy vụn và vỏ trấu ứng dụng trong xử lý nước thải". Nghiên cứu hướng đến việc tận dụng nguồn phế phẩm dồi dào, giá rẻ gồm giấy vụn học sinh đã qua sử dụng và vỏ trấu nông nghiệp sau xay xát lúa gạo để tổng hợp CNCs, kết hợp tạo màng nanocomposite ứng dụng hấp phụ các ion kim loại nặng trong môi trường nước nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào các hóa chất vô cơ độc hại thông thường.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm hai nội dung:

  1. Chế tạo cellulose nano (micro) tinh thể từ vỏ trấu và giấy vụn.
  2. Chế tạo màng composite CNCs/PVA để xử lý kim loại nặng trong nước thải.

Các nhiệm vụ nghiên cứu được phân định rõ ràng trong văn bản:

  1. Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
  2. Chế tạo cellulose tinh thể nano (CNCs) từ nguồn nguyên liệu phế thải (giấy vụn, vỏ trấu); khảo sát các yếu tố nhiệt độ và thời gian ảnh hưởng đến tính chất của CNCs.
  3. Đánh giá tính chất hình thái, vi cấu trúc của CNCs bằng kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ hồng ngoại FTIR.
  4. Đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của màng composite CNCs/PVA trong xử lý nước thải.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tinh thể nano cellulose (CNCs) tổng hợp từ giấy vụn và vỏ trấu; màng nanocomposite tạo màng trên cơ sở Poly Vinyl Alcohol (PVA) đóng rắn bằng Maleic Anhydride (MA) và gia cường CNCs; quá trình trương nở và hấp phụ ion kim loại nặng trong môi trường nước.
  • Phạm vi không gian: Đề tài thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Vật liệu, Khoa Khoa học Ứng dụng - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh; phối hợp tiến hành thực nghiệm và đo đạc tại Trung tâm Công nghệ Vật liệu Polyme và Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Polyme và Composite thuộc Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM; Phòng Thí nghiệm Khoa Hóa thuộc Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM; Nanotechnology Lab (SHTP Labs) thuộc Khu Công nghệ Cao TP.HCM (Quận 9).
  • Phạm vi thời gian: Quá trình giao đề tài bắt đầu từ tháng 02 năm 2020 và hoàn thành nộp báo cáo vào tháng 08 năm 2020 (nghiệm thu bảo vệ vào tháng 09 năm 2020).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài xây dựng trên bản chất cấu trúc hóa - lý của sợi cellulose thực vật và cơ chế thủy phân loại bỏ vùng vô định hình. Phân tử cellulose cấu tạo từ các đơn vị lặp cellobiose, với liên kết hydro liên phân tử và nội phân tử dày đặc giữa các nhóm hydroxyl (-OH) tạo nên cấu trúc sợi tinh thể có độ bền kéo lý thuyết đạt từ 7,5 đến 7,7 GPa, mô đun đàn hồi dọc trục đạt khoảng 150 GPa, hệ số giãn nở nhiệt thấp ($\approx 0,1\text{ ppm K}^{-1}$) và nhiệt độ phân hủy nhiệt trong khoảng 200–300°C. Sợi xenlulo tự nhiên luôn tồn tại đan xen giữa miền kết tinh có trật tự cao và miền vô định hình lỏng lẻo. Vùng vô định hình có liên kết 1,4-glucosid kém bền trước tác nhân acid, do đó phương pháp thủy phân bằng acid vô cơ mạnh như $H_2SO_4$ được chọn để phân rã hoàn toàn vùng vô định hình, bảo toàn các tinh thể nano riêng rẽ. Đặc biệt, thủy phân bằng acid sulfuric sẽ gắn các nhóm este sulfat mang điện tích âm lên bề mặt CNCs, tạo lực đẩy tĩnh điện giúp hệ huyền phù nanocellulose phân tán bền vững trong nước mà không bị kết tụ.

Về cơ chế tạo màng xử lý nước, hệ vật liệu sử dụng chất nền Poly Vinyl Alcohol (PVA) phối trộn với chất đóng rắn Maleic Anhydride (MA) dưới sự xúc tác của $H_2SO_4$ 98%. Phản ứng este hóa diễn ra giữa các nhóm hydroxyl (-OH) của mạch PVA và các nhóm carboxyl (-COOH) của MA để hình thành mạng lưới liên kết ngang ba chiều. Khi bổ sung CNCs vào hỗn hợp, các liên kết hydro và tương tác este hóa tiếp tục gia tăng mật độ liên kết mạng, giúp màng composite nâng cao độ bền cơ lý và tính ổn định trong môi trường nước. Các nhóm chức carboxylate âm tính sinh ra từ MA cùng các nhóm hydroxyl tự do trên bề mặt CNCs đóng vai trò là các tâm hoạt động tích điện âm, hấp phụ các cation kim loại nặng ($Cu^{2+}$, $Ag^+$, $Pb^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Cr^{3+}$, $Ni^{2+}$, $Fe^{3+}$) thông qua tương tác tĩnh điện và liên kết phối trí.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích bao gồm:

  • Phương pháp tách chiết và hóa học: Xử lý kiềm hóa bằng dung dịch $NaOH$ (nồng độ từ 5%, 10% đến 20%) ở nhiệt độ 60–70°C nhằm loại bỏ hemicellulose, lignin và các chất độn vô cơ tan trong kiềm; tẩy trắng bằng dung dịch $H_2O_2$ 5% hoặc hỗn hợp $CH_3COOH / NaClO$ 5% để phân hủy hoàn toàn màu và lignin dư; thủy phân cắt mạch bằng acid sulfuric $H_2SO_4$ 64% ở các mức nhiệt độ 45°C và 50°C.
  • Phương pháp phân rã vật lý: Sử dụng kỹ thuật ly tâm 6000 vòng/phút trên máy PLC-03-GEMMY để tách rửa acid dư; đánh sóng siêu âm công suất lớn với biên độ 100 trong 45 phút nhằm phá vỡ liên kết giữa các bó vi sợi xơ; sấy đông khô thăng hoa ở nhiệt độ -40°C đến -50 bar trong 24 giờ trên hệ thống Lanogene Scanvac Coolsafe 54-4 Touch để thu hồi CNCs dạng bột xốp trắng với độ ẩm kiểm soát từ 1% đến 4%.
  • Phương pháp đánh giá đặc trưng và phân tích vi cấu trúc:
    • Kính hiển vi quang học Olympus MX51 tại độ phóng đại 20x, 50x, 100x (thước đo $10,\mu\text{m}$) để kiểm tra sơ bộ kích thước và sự phân tán của sợi.
    • Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (SEM) Hitachi S-4800 (điện thế gia tốc 10 kV, độ phóng đại x3000 và x10000, phủ platin trên băng keo carbon dẫn điện) để xác định kích thước và hình thái tinh thể nano.
    • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trên máy Bruker TENSOR 37 (tần số 10 kHz, độ phân giải $2,\text{cm}^{-1}$) nhằm kiểm tra sự biến đổi nhóm chức hóa học trước và sau biến tính.
    • Phương pháp khảo sát độ trương nở khối lượng và thể tích của màng polymer ngâm trong nước cất theo thời gian thực nghiệm.
    • Phương pháp thử nghiệm hấp phụ ion kim loại màu $Cu(II)$ trong dung dịch nước sau khoảng thời gian 3 giờ.

Nguồn nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu:

  • Giấy vụn học sinh nhãn hiệu ABC (Doanh nghiệp Tư nhân Hòa Bình, TP.HCM), thành phần cellulose chiếm khoảng 85–90%, có chứa chất độn vô cơ ($CaCO_3$, cao lanh, bột talc, $TiO_2$).
  • Vỏ trấu nông nghiệp từ gạo Hạt Ngọc Trời (Công ty Cổ phần Lương thực Phương Nam, TP.HCM), thành phần gồm 35–45% cellulose, 20–22% hemicellulose, 5–7% lignin và lượng tro giàu $SiO_2$.
STT Loại sợi thực vật Hàm lượng Cellulose (%) Hàm lượng Hemicellulose (%) Hàm lượng Lignin (%)
1 Bông 85 – 90 1 – 3 0,7 – 1,6
2 Giấy 85 – 99 0,1 – 5 0,1 – 15
3 Gai dầu 57 – 77 14 – 17 0,9 – 13
4 Lá chuối 56 – 63 15 – 17 0,7 – 0,9
5 Đay 45 – 63 18 – 21 21 – 26
6 Vỏ trấu 35 – 45 20 – 22 5 – 7
7 Bã mía 30 – 40 25 – 30 14 – 19
8 Vỏ hạnh nhân 20 – 25 20 – 27 30 – 37
9 Vỏ đậu phộng 15 – 20 65 – 70 25 – 30

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của việc tìm kiếm vật liệu mới thay thế các hóa chất vô cơ xử lý nước thải truyền thống như vôi, $NaOH$, $Na_2CO_3$, $Na_2S$ hay $(NH_4)_2S$ - vốn là những chất tiềm ẩn nguy cơ phát sinh bùn thải và gây độc hại thứ cấp cho nguồn nước. Tác giả đặt ra vấn đề cần chế tạo tinh thể nanocellulose từ hai nguồn phế thải đối chiếu là giấy vụn (nguồn nhân tạo giàu cellulose) và vỏ trấu (nguồn sinh khối nông nghiệp chứa nhiều thành phần phức tạp). Chương mở đầu nêu rõ hai mục tiêu, bốn nội dung chính cùng ý nghĩa khoa học trong việc tận dụng nguồn polymer tái tạo, giảm phụ thuộc vào nguyên liệu hóa thạch, và ý nghĩa thực tiễn trong việc nâng cao giá trị phụ phẩm, hạ giá thành vật liệu composite lọc nước.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Chương 2 cung cấp hệ thống cơ sở lý thuyết chi tiết về nguyên liệu, phương pháp chế tạo và ứng dụng của nanocellulose. Nội dung phân tích sâu cấu trúc vi mô của gỗ, cơ chế liên kết của 500.000 chuỗi phân tử cellulose tạo thành microfibril với 2,5 triệu liên kết hydro; vai trò liên kết tế bào của hemicellulose và tính chất kỵ nước, bền vững của lignin. Chương tổng quan phân tích các chất độn trong ngành giấy gồm đá vôi $CaCO_3$ (nóng chảy ở 825°C), cao lanh $Al_2O_3 \cdot 2H_2O$ (kích thước hạt 0,2–12 $\mu\text{m}$, khối lượng riêng 2,57–2,61 $\text{g/cm}^3$), bột talc $3MgO \cdot H_2O$ và oxit titan $TiO_2$.

Về công nghệ sản xuất nanocellulose, tác giả so sánh phương pháp cơ học xử lý sợi siêu âm Hielscher Ultrasonics (thiết bị UIP4000hdT công suất 4 kW) có hạn chế về chi phí năng lượng và tiếng ồn với phương pháp thủy phân acid sulfuric có ưu thế chi phí thấp và tạo độ bền huyền phù cao. Đồng thời, chương này tổng kết các tính chất vật lý của CNCs: tính chất cơ lý với mô đun đàn hồi 143–150 GPa, độ bền nhiệt khởi đầu ở 260°C đối với CNCs khô, tính chất tinh thể lỏng tạo pha lyotropic chiral nematic và hiện tượng khúc xạ kép. Tác giả cũng hệ thống hóa các ứng dụng của màng nanocomposite nền CNCs phối trộn với Polycaprolactone (PCL) tăng mô đun dẻo, Polyurethane (PU) tăng độ bền kéo thêm 163%, và màng CNCs/PVA biến tính Maleic Anhydride phục vụ xử lý các kim loại nặng $Cu^{2+}$, $Pb^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Ni^{2+}$, $Fe^{3+}$, $Cr^{3+}$, $Ag^+$ thông qua các tâm carboxylate.

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM

Chương 3 trình bày chi tiết toàn bộ hóa chất, quy trình công nghệ chế tạo và trang thiết bị thực nghiệm:

  1. Chế tạo CNCs từ giấy vụn: Mẫu giấy vụn học sinh (6g) được ngâm nước nóng 15 phút, nấu kiềm bằng 200 ml $NaOH$ 20% ở 70±3°C trong 4 giờ để hòa tan hemicellulose và chất độn. Sau khi lọc rửa đến pH 7, mẫu được tẩy trắng bằng 200 ml $H_2O_2$ 5% tại 80°C trong 2 giờ để khử mực in và hòa tan lignin còn lại, thu được bột nhão màu trắng đục. Bột nhão tiếp tục được thủy phân bằng dung dịch $H_2SO_4$ 64% với các điều kiện nhiệt độ và thời gian khảo sát khác nhau. Sau thủy phân, huyền phù được ly tâm 6000 vòng/phút, rửa nước cất nhiều lần đến khi đạt pH trung hòa, đánh siêu âm biên độ 100 trong 45 phút và đem sấy đông khô thăng hoa ở điều kiện áp suất chân không -50 bar trong 24 giờ.
Ký hiệu mẫu Nồng độ dung dịch NaOH Thời gian và nhiệt độ xử lý kiềm Nồng độ dung dịch $H_2O_2$ Thời gian và nhiệt độ tẩy trắng Nồng độ acid $H_2SO_4$ Thời gian và nhiệt độ thủy phân
G1 20% 4 giờ, 70±3°C 5% 2 giờ, 80°C 64% 2 giờ, 45°C
G2 20% 4 giờ, 70±3°C 5% 2 giờ, 80°C 64% 3 giờ, 45°C
G3 20% 4 giờ, 70±3°C 5% 2 giờ, 80°C 64% 2 giờ, 50°C
G4 20% 4 giờ, 70±3°C 5% 2 giờ, 80°C 64% 3 giờ, 50°C
G5 20% 4 giờ, 70±3°C 5% 2 giờ, 80°C 64% 6 giờ, 50°C
  1. Chế tạo CNCs từ vỏ trấu: Cân 5g vỏ trấu đã nghiền nhỏ và rửa sạch cặn bẩn, tiến hành kiềm hóa lần 1 bằng 200 ml $NaOH$ 10% ở 60°C trong 2 giờ. Sau khi rửa sạch đến pH 7, mẫu được tẩy trắng bằng 200 ml hỗn hợp acid acetic và $NaClO$ 5% tại 80±5°C trong 2 giờ (thực hiện lặp lại 2 chu kỳ). Mẫu tiếp tục được xử lý kiềm lần 2 bằng 200 ml $NaOH$ 5% (2 giờ, 60°C) và tẩy trắng lần 2 bằng 200 ml $H_2O_2$ 5% (2 giờ, 70°C) để mẫu trắng hoàn toàn. Quá trình thủy phân acid được thực hiện với $H_2SO_4$ 64% trong thời gian 45 phút ở hai mức nhiệt độ: mẫu T1 (45°C) và mẫu T2 (50°C), sau đó ly tâm 6000 vòng/phút, đánh siêu âm biên độ 100 trong 45 phút và sấy đông khô 24 giờ.
  2. Quy trình chế tạo màng nanocomposite CNCs/PVA: Hòa tan 2g hạt PVA trong 50 ml nước cất, khuấy cơ ở 95°C trong 15–20 phút rồi làm nguội về nhiệt độ phòng. Bổ sung 0,8g Maleic Anhydride (MA) và 1 ml $H_2SO_4$ 98% làm xúc tác, khuấy từ không gia nhiệt liên tục trong 1 giờ. Sau đó, cho bột CNCs vào dung dịch theo các tỷ lệ phần trăm khối lượng khác nhau và tiếp tục khuấy từ trong 15 phút. Dung dịch được lắng gạn qua lưới để khử bọt khí, đổ ra đĩa petri với độ dày lớp lỏng 4–5 mm và sấy ở 50°C trong 24 giờ, thu được màng composite hoàn chỉnh có độ dày từ 0,53 đến 0,60 mm.
Ký hiệu màng Khối lượng PVA (g) Khối lượng MA (g) Thể tích xúc tác $H_2SO_4$ 98% (ml) Tỷ lệ khối lượng CNCs so với PVA (%)
M0 2,0 0,8 1,0 0% (Mẫu đối chứng)
M1 2,0 0,8 1,0 5%
M2 2,0 0,8 1,0 10%
M3 2,0 0,8 1,0 15%

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 4 tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được từ quá trình tổng hợp và khảo sát tính chất vật liệu:

  • Khảo sát quá trình thủy phân giấy vụn: Khi thủy phân với $H_2SO_4$ 64% ở 50°C trong các mốc 2 giờ, 3 giờ và 6 giờ, hình ảnh kính hiển vi quang học (độ phóng đại 20x và 50x) cho thấy mẫu ở 3 giờ (mẫu G4) đạt mức độ phân rã sợi đồng đều nhất, không bị vón cục lớn và không bị cháy phân hủy đen như khi kéo dài phản ứng tới 6 giờ (mẫu G5).
  • Đặc trưng vi cấu trúc của CNCs từ giấy: Ảnh SEM tại độ phóng đại x3000 và x10000 của mẫu G4 khẳng định sự hình thành của các tinh thể nano cellulose dạng sợi ngắn, phân bố tương đối đồng đều. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của mẫu G4 ghi nhận sự biến mất của các pic đặc trưng cho lignin và hemicellulose, xuất hiện dải dao động hấp thụ mạnh của nhóm liên kết hydro hydroxyl (-OH) và các dao động khung C-H, C-O-C của vòng pyranose, chứng minh quy trình tiền xử lý và thủy phân đã tinh chế sạch cellulose tinh thể.
  • Khảo sát quá trình thủy phân vỏ trấu: Sau quy trình xử lý hóa chất đa bước với kiềm và hỗn hợp $CH_3COOH/NaClO$ 5%, vỏ trấu chuyển từ màu nâu sẫm sang màu trắng ngà. Ảnh chụp hiển vi độ phóng đại 50x của hai mẫu T1 (45°C) và T2 (50°C) cho thấy nhiệt độ 50°C trong 45 phút giúp cắt nhỏ sợi tốt hơn và tạo mạng sợi đồng nhất hơn.
  • Khảo sát độ trương nở của màng composite CNCs/PVA: Dữ liệu theo dõi khối lượng và thể tích của các màng M0, M1, M2, M3 khi ngâm ngập trong nước cất theo thời gian cho thấy: màng PVA nguyên chất (M0) có xu hướng trương nở rất mạnh do tính ưa nước cao; khi tăng dần hàm lượng CNCs từ 5% lên 15% (các màng M1, M2, M3), độ trương khối lượng và độ trương thể tích của màng giảm đi đáng kể. Điều này giải thích do mật độ liên kết ngang giữa các nhóm hydroxyl của PVA/CNCs với maleic anhydride tăng cao, tạo cấu trúc mạng lưới đan kết chặt chẽ hạn chế sự thâm nhập tự do của các phân tử nước.
  • Thử nghiệm hấp phụ kim loại nặng trong nước: Bốn loại màng M0, M1, M2, M3 được đưa vào khảo sát khả năng xử lý dung dịch ion đồng $Cu(II)$. Sau 3 giờ ngâm tiếp xúc, dung dịch có sự biến đổi màu rõ rệt; màng M3 chứa 15% CNCs cho thấy khả năng liên kết ion kim loại hiệu quả thông qua sự đổi màu sẫm của màng và giảm cường độ màu của dung dịch so với màng M0, minh chứng cho vai trò quan trọng của các nhóm carboxylate âm tính và nhóm -OH bề mặt CNCs trong việc giữ lại các ion kim loại đa hóa trị.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả cụ thể với dữ liệu thực nghiệm rõ ràng:

  • Xây dựng thành công quy trình công nghệ điều chế Cellulose Nanocrystals từ hai nguồn phế phẩm rẻ tiền: giấy vụn học sinh và vỏ trấu nông nghiệp, đạt chỉ tiêu sản phẩm dự kiến gồm bột CNCs khô và màng mỏng composite.
  • Xác định được chế độ công nghệ tối ưu cho quá trình thủy phân acid giấy vụn bằng dung dịch $H_2SO_4$ 64% ở nhiệt độ 50°C trong thời gian 3 giờ (mẫu G4). Ở điều kiện này, các bó sợi xenlulo bị cắt mạch chọn lọc, phân rã tạo tinh thể nano đồng nhất được xác nhận qua ảnh kính hiển vi Olympus MX51 và ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM S-4800 ở độ phóng đại x10000.
  • Kết quả phổ hồng ngoại FTIR của mẫu tinh thể nano từ giấy (G4) chứng minh đã loại bỏ triệt để các chất độn vô cơ tan, tạp chất mực in, hemicellulose và lignin sau các bước kiềm hóa bằng $NaOH$ 20% và tẩy trắng bằng $H_2O_2$ 5%.
  • Tổng hợp thành công hệ màng nanocomposite CNCs/PVA đóng rắn bằng Maleic Anhydride với độ dày sau sấy từ 0,53 đến 0,60 mm ở 4 tỷ lệ CNCs khác nhau (0%, 5%, 10%, 15%). Thực nghiệm chứng minh việc bổ sung CNCs giúp kiểm soát độ trương nở thể tích và khối lượng của màng trong nước, đồng thời tăng cường rõ rệt khả năng hấp phụ ion kim loại nặng $Cu(II)$ sau 3 giờ phản ứng.
  • Đề xuất giải pháp kỹ thuật có tính bền vững: tái chế phụ phẩm nông nghiệp và chất thải rắn văn phòng thành vật liệu hấp phụ sinh thái, tạo tiền đề để từng bước thay thế các hóa chất xử lý nước vô cơ gây độc hại và các hệ lọc đắt tiền dựa vào than hoạt tính hoặc polymer gốc dầu mỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn một số hạn chế gắn liền với phạm vi và điều kiện thực nghiệm được ghi nhận:

  • Quá trình rửa huyền phù CNCs sau thủy phân acid sulfuric đòi hỏi lượng nước cất rất lớn và nhiều chu kỳ ly tâm 6000 vòng/phút mới đưa được hệ về pH 7 trung hòa, làm phát sinh lượng nước thải acid loãng trong phòng thí nghiệm.
  • Quá trình tổng hợp CNCs từ vỏ trấu phức tạp hơn nhiều so với giấy vụn, phải trải qua hai lần kiềm hóa và hai lần tẩy trắng bằng hỗn hợp acid acetic / $NaClO$ kết hợp $H_2O_2$ do hàm lượng lignin, hemicellulose và oxit silic ($SiO_2$) trong trấu rất cao.
  • Khảo sát khả năng xử lý kim loại nặng mới dừng lại ở thử nghiệm định tính và bán định lượng đối với ion $Cu(II)$ qua quan sát biến đổi màu sắc và độ trương trong thời gian 3 giờ; chưa đo đạc nồng độ ion kim loại tồn dư chính xác bằng các phương pháp phổ nghiệm hấp thu nguyên tử (AAS) hay quang phổ phát xạ plasma (ICP-OES) cho dải các ion kim loại khác đã nêu trong cơ sở lý thuyết ($Pb^{2+}$, $Cd^{2+}$, $Ni^{2+}$, $Fe^{3+}$, $Cr^{3+}$, $Ag^+$).
  • Chưa tiến hành các chu kỳ giải hấp phụ để đánh giá độ bền cơ học và khả năng tái sử dụng (tái sinh) của màng CNCs/PVA sau nhiều lần lọc nước.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn đối với:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên các ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Môi trường và Khoa học Ứng dụng quan tâm đến lĩnh vực polyme nanocomposite và công nghệ vật liệu nano sinh học.
  • Những người thực hiện đề tài về tận dụng phế phụ phẩm sinh khối (rơm rạ, trấu, bã mía) và chất thải rắn ngành in ấn để chế tạo nanocellulose.
  • Phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu là Chương 3 và Chương 4, đặc biệt là quy trình từng bước tẩy trắng loại bỏ chất độn giấy vụn, quy trình khử silica và lignin của vỏ trấu, cùng công thức phối trộn hệ màng PVA/CNCs liên kết ngang bằng Maleic Anhydride có xúc tác acid sulfuric kiểm soát độ trương trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều kiện công nghệ nào được xác định là tối ưu để thủy phân giấy vụn thành tinh thể nano cellulose (CNCs)?
Trong 5 mẫu khảo sát từ G1 đến G5, điều kiện công nghệ tối ưu được xác định ở mẫu G4: sử dụng acid sulfuric ($H_2SO_4$) nồng độ 64%, thủy phân ở nhiệt độ 50°C trong thời gian 3 giờ. Mẫu G4 cho sản phẩm sợi phân rã đồng nhất, không bị vón cục lớn và không bị phân hủy cháy đen như mẫu kéo dài 6 giờ (G5).

2. Quy trình tiền xử lý vỏ trấu khác biệt như thế nào so với giấy vụn trước khi thủy phân acid?
Do vỏ trấu chứa hàm lượng cellulose thấp hơn (35–45%) nhưng chứa nhiều lignin (5–7%) và tro oxit silic ($SiO_2 > 80%$ trong tro), quy trình xử lý vỏ trấu phức tạp hơn nhiều: phải qua xử lý kiềm lần 1 ($NaOH$ 10%, 60°C, 2 giờ), tẩy trắng 2 lần bằng hỗn hợp $CH_3COOH / NaClO$ 5% (80±5°C, 2 giờ/lần), tiếp tục xử lý kiềm lần 2 ($NaOH$ 5%, 60°C, 2 giờ) và tẩy trắng lần 2 bằng $H_2O_2$ 5% (70°C, 2 giờ) thì mẫu mới đạt độ trắng sạch hoàn toàn để thủy phân acid.

3. Vai trò của Maleic Anhydride (MA) trong quá trình tạo màng CNCs/PVA là gì?
Maleic Anhydride (MA) đóng vai trò là chất liên kết ngang (chất đóng rắn). Dưới xúc tác $H_2SO_4$ 98%, các nhóm carboxyl của MA phản ứng este hóa với nhóm hydroxyl của PVA và CNCs để hình thành mạng lưới liên kết ngang ba chiều. Phản ứng này giúp tăng độ bền cơ lý, giảm độ trương nở trong nước của màng, đồng thời cung cấp thêm các nhóm carboxylate âm tính trên bề mặt để tăng cường năng lực hấp phụ cation kim loại nặng.

4. Những thiết bị phân tích hiện đại nào đã được tác giả sử dụng để đánh giá đặc tính của CNCs và màng composite?
Các thiết bị phân tích chính bao gồm: Kính hiển vi quang học Olympus MX51 (độ phóng đại 20x, 50x, 100x), Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường SEM Hitachi S-4800 (điện thế 10 kV, độ phóng đại x3000 và x10000), Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FTIR Bruker TENSOR 37 (tần số 10 kHz, độ phân giải $2,\text{cm}^{-1}$) và Máy sấy đông khô thăng hoa Lanogene Scanvac Coolsafe 54-4 Touch (-40°C đến -50 bar).

5. Bốn loại màng composite được chế tạo có tỷ lệ phối trộn CNCs như thế nào và độ dày thành phẩm là bao nhiêu?
Bốn loại màng được ký hiệu từ M0 đến M3 với tỷ lệ phần trăm khối lượng bột CNCs so với 2g PVA lần lượt là: M0 (0% CNCs - mẫu đối chứng), M1 (5% CNCs), M2 (10% CNCs) và M3 (15% CNCs). Tất cả các màng được đổ đĩa với độ dày lớp lỏng ban đầu 4–5 mm, sau khi sấy khô ở 50°C trong 24 giờ cho ra màng thành phẩm có độ dày ổn định từ 0,53 đến 0,60 mm.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Trí Thức đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra về việc nghiên cứu chế tạo thành công cellulose nanocrystals từ hai nguồn nguyên liệu phế thải là giấy vụn và vỏ trấu thông qua quy trình xử lý hóa lý kết hợp thủy phân bằng acid sulfuric. Bằng việc ứng dụng các phương pháp phân tích quang học, SEM và FTIR, đề tài đã làm sáng tỏ hình thái cấu trúc nano và cơ chế tinh chế sạch sợi cellulose trước khi phối trộn tạo màng nanocomposite CNCs/PVA liên kết ngang bằng maleic anhydride. Kết quả thử nghiệm độ trương nở và khả năng hấp phụ ion kim loại $Cu(II)$ đã khẳng định tính khả thi của việc sử dụng màng composite gốc sinh học trong xử lý nước, mở ra hướng đi bền vững cho công nghệ vật liệu tái chế phụ phẩm nông nghiệp và chất thải rắn sinh hoạt.