Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước đang là một trong những thách thức môi trường cấp bách trên quy mô toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Sự gia tăng của các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt đô thị đã làm phát sinh lượng lớn các chất ô nhiễm vô cơ nguy hại, đặc biệt là các ion kim loại nặng độc hại như đồng ($\text{Cu}$), chì ($\text{Pb}$), thủy ngân ($\text{Hg}$) và crôm ($\text{Cr}$). Khác với các chất ô nhiễm hữu cơ, kim loại nặng không có khả năng tự phân hủy sinh học; khi xâm nhập vào môi trường nước và chuỗi thức ăn, chúng tích lũy sinh học trong cơ thể sinh vật và con người, gây ra các tổn thương nghiêm trọng đến hệ thần kinh, gan, thận và các cơ quan nội tạng.

Hiện nay, các công nghệ xử lý nước thải truyền thống bao gồm phương pháp cơ học/vật lý (song chắn rác, lắng trọng lực, lắng ly tâm), hóa lý (trung hòa $\text{pH}$ về mức $6{,}5 - 8{,}5$, keo tụ, kết tủa hóa học, trao đổi ion) và phương pháp sinh học (xử lý hợp chất hữu cơ hòa tan, $\text{H}_2\text{S}$, sunfit, amoniac, nitơ). Nhằm nâng cao hiệu quả loại bỏ kim loại nặng ở nồng độ vết và giảm thiểu tác động thứ cấp đến môi trường, xu hướng nghiên cứu vật liệu mới tập trung vào các màng polyme phân hủy sinh học (như $\text{PLA}$, $\text{PHA}$, $\text{PVA}$, $\text{Chitosan}$) kết hợp với nanocellulose có nguồn gốc từ phụ phẩm nông nghiệp (rơm, rạ, vỏ trấu, xơ dừa, bã mía). Trong đó, $\text{Poly(vinyl alcohol)}$ ($\text{PVA}$) là polyme có khả năng phân hủy sinh học cao, giá thành hợp lý và dễ dàng tạo phức; kết hợp với $\text{Chitosan}$ ($\text{CS}$) và tinh thể nano cellulose ($\text{CNC}$) chiết xuất từ bã mía mở ra hướng đi bền vững vừa xử lý nước ô nhiễm, vừa tận dụng nguồn sinh khối phế thải.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là chế tạo màng nanocomposite trên cơ sở pha nền $\text{PVA/Chitosan}$ kết hợp pha gia cường tinh thể nanocellulose ($\text{CNC}$) từ sợi bã mía nhằm ứng dụng hấp phụ ion kim loại nặng trong môi trường nước, đảm bảo tính thân thiện với hệ sinh thái.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm 4 nội dung:

  1. Chế tạo nanocellulose từ nguồn sợi bã mía và đánh giá các tính chất đặc trưng như hình thái học, cấu trúc phân tử và độ kết tinh của vật liệu.
  2. Chế tạo màng nanocomposite từ nanocellulose bã mía và hỗn hợp polyme $\text{PVA-Chitosan}$; phân tích và đánh giá hình thái bề mặt, độ bền kéo, thành phần hóa học, độ kết tinh và độ hấp phụ nước bằng các phương pháp phân tích hiện đại.
  3. Khảo sát các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến màng, bao gồm tỷ lệ phối trộn giữa $\text{PVA/Chitosan}$ và hàm lượng phần trăm $\text{CNC}$ bổ sung.
  4. Đánh giá thực nghiệm khả năng hấp phụ ion kim loại nặng trong dung dịch nước (tập trung khảo sát thực nghiệm với ion $\text{Cu}^{2+}$, định hướng các ion $\text{Fe}^{3+}$, $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Cr}^{3+}$).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tinh thể nano cellulose ($\text{CNC}$) tách chiết từ sợi bã mía; hệ màng blend $\text{PVA/Chitosan}$; màng nanocomposite $\text{CNC/CS-PVA}$; quá trình hấp phụ ion kim loại $\text{Cu}^{2+}$ trong dung dịch nước.
  • Phạm vi không gian: Thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Vật liệu, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Nguồn nguyên liệu bã mía thô được thu gom tại các điểm kinh doanh nước mía trên địa bàn thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Khóa luận được giao thực hiện từ ngày 25/02/2022 và hoàn thành báo cáo nghiệm thu vào ngày 25/08/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên cơ sở khoa học về polyme phân hủy sinh học, hóa học polysaccarit và vật liệu nanocomposite chức năng:

  • Polyme phân hủy sinh học và cơ chế phân hủy: Quá trình phân hủy sinh học diễn ra qua hai giai đoạn liên tiếp: (1) Quá trình phân rã mạch polyme thành các đoạn có khối lượng phân tử thấp (oligomer, dimer, monomer) dưới tác động của các yếu tố môi trường (thủy phân, oxy hóa, quang hóa); (2) Quá trình khoáng hóa sinh học nhờ vi sinh vật chuyển hóa các hợp chất thành $\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$, $\text{CH}_4$, muối khoáng và sinh khối.
  • Chitosan: Polysaccarit mạch thẳng cấu tạo từ các đơn vị $\text{D-glucosamine}$ (đã khử acetyl) và $\text{N-acetyl-D-glucosamine}$ liên kết với nhau qua liên kết $\beta\text{-(1-4)-glicozit}$, được điều chế qua phản ứng khử acetyl ($\text{deacetylation}$) chitin vỏ giáp xác bằng dung dịch kiềm $\text{NaOH}$ đặc. Chitosan có tính kiềm yếu, tích điện dương do chứa nhóm amino ($-\text{NH}_2$), tan trong các dung dịch axit hữu cơ loãng ($\text{CH}_3\text{COOH}$, axit xitric) và không tan trong môi trường trung tính hoặc kiềm.
  • Poly(vinyl alcohol) ($\text{PVA}$): Polyme mạch thẳng có công thức $[\text{CH}_2\text{CH(OH)}]_n$, dạng hạt/bột màu trắng, nhiệt độ nóng chảy $230^\circ\text{C}$, nhiệt độ sôi $200^\circ\text{C}$, tan tốt trong nước nóng, mang nhiều nhóm chức hydroxyl ($-\text{OH}$) tự do có khả năng tạo liên kết hydro liên phân tử và tạo phức phối trí với các ion kim loại.
  • Tinh thể nano cellulose ($\text{CNC}$): Dạng hạt nano hình que hoặc hình râu có chiều rộng $3 - 5\text{ nm}$, chiều dài $50 - 500\text{ nm}$, độ kết tinh cao ($54 - 88%$), mô đun Young tính toán lý thuyết đạt từ $58 - 180\text{ GPa}$ (lên tới $206 - 300\text{ GPa}$ khi tính cả mạng liên kết hydro), được tạo ra nhờ quá trình thủy phân chọn lọc vùng vô định hình của cellulose bằng axit vô cơ mạnh.
  • Cơ chế hấp phụ kim loại nặng: Quá trình loại bỏ cation kim loại ($\text{Cu}^{2+}$) xảy ra chủ yếu thông qua tương tác hút tĩnh điện và tạo phức chelat giữa các tâm hoạt tính tích điện âm/giàu electron (nhóm $-\text{OH}$, $-\text{NH}_2$ của chitosan/PVA và nhóm este sunfat $-\text{OSO}_3^-$ gắn trên bề mặt CNC sau khi thủy phân bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$) với các ion kim loại mang điện tích dương.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị sử dụng:

Hạng mục phân tích / Chế tạo Thiết bị & Tiêu chuẩn Thông số / Nguyên lý kỹ thuật
Gia nhiệt & Khuấy trộn Máy khuấy từ Dlab MS-H280-PRO; Máy khuấy cơ IKA-RW20 digital Khuấy dung dịch polyme ở $200 - 1500\text{ rpm}$, gia nhiệt đến $90^\circ\text{C}$
Phân tán sóng siêu âm Bể siêu âm Elma S100H Công suất siêu âm $150\text{ W}$, chế độ sweep phá vỡ liên kết tụ
Phân tách & Tinh chế Máy quay ly tâm Hermle Tốc độ $5000\text{ rpm}$ tách bỏ axit dư và rửa huyền phù
Làm khô mẫu Tủ sấy Memmert Model 30; Máy sấy đông khô CoolSafe 4-15L Sấy đối lưu $40 - 60^\circ\text{C}$; sấy thăng hoa ở nhiệt độ từ $-55^\circ\text{C}$ đến $-110^\circ\text{C}$
Độ dày màng Đồng hồ so điện tử Mitutoyo 543-392B (Nhật Bản) Dải đo $0 - 12\text{ mm}$, độ phân giải $0{,}001\text{ mm}$, đo 10 điểm ngẫu nhiên
Cơ tính kéo đứt Máy kéo nén Tensile Test Machine (M07D-TTTN10, Đài Loan) Tiêu chuẩn ASTM D882; mẫu quả tạ; vận tốc kéo $12{,}5\text{ mm/phút}$
Hình thái vi cấu trúc Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Chùm điện tử năng lượng cao quét bề mặt mẫu phủ màng platin
Phân bố kích thước & Thế Zeta Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (DLS) & ELS Dải đo $0{,}3\text{ nm} - 10\ \mu\text{m}$, đo kích thước thủy động và thế Zeta
Cấu trúc nhóm chức Quang phổ hồng ngoại FTIR Nicolet 6700 (Thermo) Dải quét số sóng $4000 - 500\text{ cm}^{-1}$, độ phân giải $0{,}07\text{ cm}^{-1}$
Độ kết tinh & Pha tinh thể Nhiễu xạ tia X XRD Empyrean (Panalytical) Bước sóng $\text{Cu-K}\alpha$ ($\lambda = 0{,}1542\text{ nm}$), góc quét $2\theta$ từ $5^\circ$ đến $80^\circ$
Đo quang phổ hấp phụ Quang phổ tử ngoại - khả kiến UV-Vis Spectrometer T80 (PG Instruments) Bước sóng $\lambda = 810\text{ nm}$ (dựng đường chuẩn $\text{CuSO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O}$ dải $10 - 250\text{ ppm}$)

Nguồn hóa chất chính gồm: $\text{PVA}$ (khối lượng phân tử $M = 1750 \pm 50$, độ tinh khiết $99%$, Shanghaizhanyun - Trung Quốc), $\text{Chitosan}$ (dạng xơ màu vàng, Việt Nam), $\text{CH}_3\text{COOH}$ $99{,}5%$, $\text{H}_2\text{O}_2$ $30%$, $\text{NaOH}$ $98%$, $\text{H}_2\text{SO}_4$ $98%$ (Xilong - Trung Quốc), nước cất 1 lần và bã mía tự nhiên.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này hệ thống hóa toàn diện các lý thuyết nền tảng liên quan đến đề tài:

  • Trình bày định nghĩa polyme phân hủy sinh học, bản chất chu trình tuần hoàn carbon tự nhiên và các ứng dụng của polyme sinh học trong y sinh (chỉ khâu tự tiêu, khung đỡ mô, màng mang thuốc), nông nghiệp (màng phủ giữ ẩm) và công nghiệp bao bì thân thiện môi trường. Phân tích các rào cản kỹ thuật như độ bền cơ lý kém hơn polyme hóa thạch và chi phí sản xuất.
  • Khái quát cấu tạo hóa học của chitosan, cơ chế điều chế từ chitin qua quá trình khử nhóm acetyl bằng kiềm đặc. Phân tích tính chất hòa tan trong môi trường axit loãng nhờ sự proton hóa nhóm amin ($-\text{NH}_3^+$) và khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải nhờ cơ chế tạo bông keo tụ, hấp phụ kim loại nặng và thuốc nhuộm hữu cơ.
  • Trình bày đặc tính lý hóa của $\text{Poly(vinyl alcohol)}$ ($\text{PVA}$), cấu trúc chứa mật độ nhóm $-\text{OH}$ cao, khả năng tạo màng dẻo dai, trong suốt và hòa tan trong nước.
  • Phân loại nanocellulose thành ba nhóm chính: tinh thể nano cellulose ($\text{CNC}$), sợi nano cellulose ($\text{CNF}$) và cellulose vi khuẩn ($\text{BNC}$). Nêu bật các thông số cơ tính vượt trội của $\text{CNC}$ (mô đun Young $58 - 180\text{ GPa}$, mật độ $1{,}5 - 1{,}6\text{ g/cm}^3$) so với sợi thủy tinh và thép.
  • Khái quát về vật liệu nanocomposite, các phương pháp gia công chế tạo màng (đúc màng bay hơi dung môi, đùn nóng chảy hai trục vít, phương pháp xử lý mẻ) và tổng quan các công trình nghiên cứu sử dụng màng $\text{PVA/CS}$ kết hợp $\text{CNC}$ để xử lý nước nhiễm kim loại nặng.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chế tạo vật liệu và các kỹ thuật đo kiểm:

  • Quy trình pha chế dung dịch $\text{PVA}$ $10%$: Cân $10\text{ g}$ $\text{PVA}$ rắn hòa tan trong $90\text{ ml}$ nước cất, gia nhiệt khuấy từ ở $90^\circ\text{C}$ trong $2\text{ giờ}$ với tốc độ $450\text{ rpm}$, sau đó ổn định trong $24\text{ giờ}$ để triệt tiêu bọt khí.
  • Quy trình chế tạo dung dịch Chitosan: Hòa tan bột chitosan vào $100\text{ ml}$ dung dịch axit axetic $3%$ (tạo các nồng độ chitosan $1%$ và $2%$), khuấy ở nhiệt độ phòng trong $2\text{ giờ}$ với tốc độ $500\text{ rpm}$, lọc qua giấy lọc kích thước lỗ $20 - 25\ \mu\text{m}$.
  • Quy trình chiết tách $\text{CNC}$ từ bã mía: Bã mía thu gom được phơi khô, cắt nhỏ, rửa bằng nước nóng loại bỏ đường dư, sấy khô, nghiền bột và rây qua lưới $1\text{ mm}$. Bột bã mía được xử lý với hỗn hợp $100\text{ ml}$ $\text{H}_2\text{O}_2$ $11%$ và $100\text{ ml}$ $\text{NaOH}$ $5%$ để tẩy trắng và loại bỏ lignin/hemicellulose. Sản phẩm được rửa nước cất đến $\text{pH } 7$, sấy ở $50^\circ\text{C}$ trong $24\text{ giờ}$. Sau đó, tiến hành thủy phân bằng $100\text{ ml}$ dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4\ 6\text{M}$, ly tâm ở $5000\text{ rpm}$ để loại bỏ axit, rửa sạch đến $\text{pH } 7$, đánh siêu âm chế độ sweep để phân tán huyền phù keo trắng và sấy đông khô để thu nhận $\text{CNC}$.
  • Quy trình đúc màng nanocomposite $\text{CNC/CS-PVA}$: Phối trộn $\text{CNC}$ vào dung dịch chitosan, khuấy $200\text{ rpm}$ trong $15\text{ phút}$, siêu âm $30\text{ phút}$. Sau đó bổ sung dung dịch $\text{PVA } 10%$, khuấy tiếp $15\text{ phút}$. Dung dịch huyền phù được rót vào đĩa petri và sấy khô ở $50^\circ\text{C}$ trong $24\text{ giờ}$.
  • Phương pháp khảo sát khả năng hấp phụ: Chuẩn bị mẫu màng khối lượng $0{,}1\text{ g}$, ngâm vào $50\text{ ml}$ dung dịch ion $\text{Cu}^{2+}$ nồng độ $200\text{ ppm}$ trong các khoảng thời gian $5, 15, 30, 60, 90\text{ phút}$. Đo độ hấp thụ quang phổ bằng máy $\text{UV-Vis}$ ở bước sóng $810\text{ nm}$ để xác định nồng độ ion $\text{Cu}^{2+}$ còn lại dựa vào phương trình đường chuẩn $\text{CuSO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O}$.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương này trình bày các phát hiện thực nghiệm và phân tích dữ liệu:

  • Tối ưu hóa chế độ sấy màng $\text{PVA}$:
    • Thời gian sấy (ở $50^\circ\text{C}$): Mẫu sấy $12\text{ giờ}$ chưa khô hoàn toàn, bị dính tay và co rút nhăn nheo khi tách khuôn; mẫu sấy $24\text{ giờ}$ khô hoàn toàn, bề mặt phẳng, không dính, cấu trúc ổn định; mẫu sấy $48\text{ giờ}$ bị quá nhiệt, màng giòn, dính chặt vào đĩa petri và dễ rách.
    • Nhiệt độ sấy (trong $24\text{ giờ}$): Ở $40^\circ\text{C}$, nước chưa thoát hết khiến màng bị ướt và dính; ở $50^\circ\text{C}$, màng khô đều, dẻo dai và tách khuôn tốt; ở $60^\circ\text{C}$, màng bị mất nước cục bộ, giòn và bám dính đế petri. Thông số chuẩn được xác lập cho các thí nghiệm tiếp theo là $50^\circ\text{C}$ trong $24\text{ giờ}$.
  • Đặc trưng màng blend $\text{CS-PVA}$:
    • Bề dày màng: Các mẫu màng phối trộn ở các tỷ lệ $\text{PVA/CS}$ ($9:1, 8:2, 7:3$) với nồng độ chitosan $1%$ và $2%$ đều đạt bề dày trung bình dao động quanh mức $\approx 0{,}1\text{ mm}$ (cụ thể từ $0{,}0940\text{ mm}$ đến $0{,}1211\text{ mm}$, độ lệch chuẩn $0{,}0102 - 0{,}0148\text{ mm}$, độ sai lệch kiểm soát ở mức $10 - 13%$).
    • Độ hấp thụ nước: Tỷ lệ chitosan trong màng càng tăng thì độ hấp thụ nước của màng càng lớn (ở tỷ lệ $9:1$, độ hấp thụ đạt $57%$, tăng dần khi chuyển sang tỷ lệ $8:2$ và $7:3$). Nguyên nhân do chitosan mang nhiều nhóm chức ưa nước amin ($-\text{NH}_2$) và hydroxyl ($-\text{OH}$).
    • Phổ $\text{FTIR}$ của màng $\text{PVA}$: Xác định các đỉnh hấp thụ đặc trưng: dải rộng $3500 - 2500\text{ cm}^{-1}$ với cực đại tại $3263\text{ cm}^{-1}$ (dao động kéo dãn liên kết $\text{O-H}$ liên phân tử); $2921\text{ cm}^{-1}$ (dao động kéo dãn bất đối xứng của nhóm $-\text{CH}_2-$); $1648\text{ cm}^{-1}$ (dao động kéo của nhóm $\text{C=O}$); $1418\text{ cm}^{-1}$ (dao động uốn của nhóm $-\text{CH}_2-$); $1325\text{ cm}^{-1}$ (dao động uốn kết hợp $\text{O-H}$ và $\text{C-H}$); $1083\text{ cm}^{-1}$ (dao động kéo dãn $\text{C-O}$ và uốn $\text{O-H}$ của vùng vô định hình $\text{PVA}$); và đỉnh $822\text{ cm}^{-1}$ ($834\text{ cm}^{-1}$, dao động kéo dãn khung $\text{C-C}$).
  • Đặc trưng của $\text{CNC}$ bã mía và màng nanocomposite:
    • Ảnh $\text{SEM}$ ghi nhận quá trình loại bỏ hiệu quả các thành phần phi cellulose sau xử lý $\text{NaOH/H}_2\text{O}_2$ và phân rã tạo các tinh thể nano cellulose sau thủy phân axit $\text{H}_2\text{SO}_4$.
    • Phân bố kích thước hạt $\text{DLS}$ và thế $\text{Zeta}$ khẳng định hệ huyền phù $\text{CNC}$ đạt kích thước nano đồng đều và độ bền phân tán tĩnh điện tốt.
    • Phổ $\text{XRD}$ của $\text{CNC}$ bã mía thể hiện các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của mạng tinh thể cellulose loại I với độ kết tinh cao.
    • Đánh giá cơ tính cho thấy sự xuất hiện của $\text{CNC}$ giúp gia cường đáng kể độ bền kéo và mô đun đàn hồi của màng nanocomposite so với màng blend $\text{CS-PVA}$ thuần túy.
    • Khảo sát quang phổ $\text{UV-Vis}$ tại bước sóng $810\text{ nm}$ chứng minh màng nanocomposite $\text{CNC/CS-PVA}$ có khả năng hấp phụ ion $\text{Cu}^{2+}$ nhanh trong các mốc thời gian đầu và đạt trạng thái cân bằng dần sau $90\text{ phút}$.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về quy trình công nghệ chế tạo $\text{CNC}$ từ bã mía, tối ưu hóa thông số tạo màng nanocomposite $\text{CNC/CS-PVA}$ và khả năng xử lý ion kim loại nặng; đồng thời đề xuất định hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả định lượng và thông số kỹ thuật chính thu được từ đồ án được tổng hợp như sau:

Thông số / Đặc trưng Điều kiện / Tỷ lệ khảo sát Giá trị đo được trong thực nghiệm
Chế độ sấy tạo màng tối ưu Nhiệt độ và thời gian sấy trong tủ Memmert $50^\circ\text{C}$ trong $24\text{ giờ}$ (màng khô hoàn toàn, phẳng đều, không dính, không giòn)
Bề dày màng CS 2% Tỷ lệ PVA/CS = 9:1
Tỷ lệ PVA/CS = 8:2
Tỷ lệ PVA/CS = 7:3		 $0{,}1211 \pm 0{,}0102\text{ mm}$
$0{,}0940 \pm 0{,}0116\text{ mm}$
$0{,}1110 \pm 0{,}0148\text{ mm}$
Bề dày màng CS 1% Tỷ lệ PVA/CS = 9:1
Tỷ lệ PVA/CS = 8:2
Tỷ lệ PVA/CS = 7:3		 $0{,}1107 \pm 0{,}0145\text{ mm}$
$0{,}0946 \pm 0{,}0104\text{ mm}$
$0{,}1022 \pm 0{,}0133\text{ mm}$
Độ hấp thụ nước (Màng PVA/CS) Tỷ lệ PVA/CS = 9:1 $57%$ (tăng dần khi tỷ lệ CS tăng lên $8:2$ và $7:3$)
Đặc trưng dải phổ FTIR (PVA thuần) Số sóng hấp thụ ($\text{cm}^{-1}$) $3263\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{OH}$ dãn); $2921\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{CH}_2-$); $1648\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C=O}$); $1418\text{ cm}^{-1}$ ($-\text{CH}_2-$ uốn); $1325\text{ cm}^{-1}$ ($\text{OH/CH}$); $1083\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C-O}$ vô định hình); $822\text{ cm}^{-1}$ ($\text{C-C}$)
Hấp phụ ion kim loại nặng Nồng độ $\text{Cu}^{2+}$ ban đầu $200\text{ ppm}$, mẫu $0{,}1\text{ g}$ màng Khảo sát ở bước sóng $\lambda = 810\text{ nm}$ qua các mốc thời gian $5, 15, 30, 60, 90\text{ phút}$

Giải pháp và đề xuất của tác giả:

  • Thiết lập quy trình công nghệ xanh khép kín từ khâu thu gom, tiền xử lý tẩy trắng sinh khối bã mía bằng $\text{H}_2\text{O}_2/\text{NaOH}$ đến thủy phân bằng $\text{H}_2\text{SO}_4\ 6\text{M}$ kết hợp sóng siêu âm sweep và sấy đông khô để điều chế $\text{CNC}$ độ tinh khiết cao.
  • Sử dụng phương pháp đúc dung môi thân thiện môi trường để chế tạo màng nanocomposite kết hợp giữa hai polyme có khả năng phân hủy sinh học ($\text{PVA}$ và $\text{Chitosan}$) cùng chất gia cường $\text{CNC}$, kiểm soát độ dày đồng đều quanh mức $0{,}1\text{ mm}$.

Đóng góp của khóa luận:

  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về quy trình chuyển hóa phế phẩm nông nghiệp bã mía thành tinh thể nano cellulose ($\text{CNC}$) có giá trị gia tăng cao.
  • Chứng minh tính khả thi của việc kết hợp $\text{CNC}$ bã mía vào nền $\text{PVA/Chitosan}$ nhằm cải thiện độ bền cơ tính, duy trì tính tương thích sinh học và tạo ra vật liệu màng dạng tấm có khả năng hấp phụ ion kim loại nặng $\text{Cu}^{2+}$, mở ra giải pháp vật liệu mới cho công tác xử lý môi trường nước ô nhiễm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Quy trình tổng hợp màng thực hiện theo phương pháp mẻ thủ công trong phòng thí nghiệm (đúc đĩa petri), bề dày màng còn có độ sai lệch cục bộ ($10 - 13%$) do thao tác đặt khuôn trong tủ sấy.
  • Tinh thể nanocellulose ($\text{CNC}$) có xu hướng keo tụ do tương tác hydro liên hạt dày đặc, đòi hỏi quá trình phân tán bằng sóng siêu âm liên tục và kiểm soát chặt chẽ để tránh làm giảm diện tích bề mặt hoạt tính.
  • Dữ liệu thực nghiệm định lượng về dung lượng hấp phụ kim loại tập trung chi tiết vào ion đơn lẻ $\text{Cu}^{2+}$ trong điều kiện tĩnh, chưa khảo sát toàn diện trong hệ dung dịch đa ion có sự cạnh tranh hấp phụ phức tạp.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Mở rộng đánh giá thực nghiệm khả năng hấp phụ của màng trên các ion kim loại nặng độc hại khác như chì ($\text{Pb}^{2+}$), thủy ngân ($\text{Hg}^{2+}$), sắt ($\text{Fe}^{3+}$) và crôm ($\text{Cr}^{3+}$).
  • Khảo sát sâu hơn các yếu tố ảnh hưởng của môi trường phản ứng như $\text{pH}$ dung dịch ($2 - 8$), nhiệt độ môi trường, nồng độ ion ban đầu và thời gian tiếp xúc để xác định dung lượng hấp phụ cực đại theo các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ (Langmuir, Freundlich).
  • Nghiên cứu cơ chế giải hấp phụ và đánh giá khả năng tái sinh, tái sử dụng của màng nanocomposite qua nhiều chu kỳ hấp phụ - khử hấp phụ.
  • Tối ưu hóa biến tính chức năng hóa bề mặt $\text{CNC}$ nhằm gia tăng mật độ nhóm chức mang điện tích và nâng cao độ phân tán trong các nền polyme khác nhau.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Môi trường: Cung cấp tài liệu tham khảo thực nghiệm chi tiết về phương pháp chiết tách nanocellulose từ sinh khối thực vật, kỹ thuật phối trộn polyme blend và quy trình đúc màng phân hủy sinh học.
  • Các nhóm nghiên cứu về xử lý nước thải và vật liệu hấp phụ sinh học: Cung cấp các thông số kỹ thuật về quy trình đo quang phổ $\text{UV-Vis}$ dựng đường chuẩn ion kim loại $\text{Cu}^{2+}$ ở bước sóng $810\text{ nm}$, phương pháp đánh giá độ hấp thụ nước và quy trình phân tích cơ tính màng mỏng theo tiêu chuẩn ASTM D882.
  • Kỹ sư và nhà phát triển sản phẩm vật liệu xanh: Tham khảo quy trình tận dụng phế phẩm nông nghiệp (bã mía) để chế tạo vật liệu nano composite có tính năng xử lý môi trường, góp phần phát triển chuỗi kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy trình chiết tách tinh thể nano cellulose (CNC) từ bã mía trong nghiên cứu được thực hiện qua các bước hóa - cơ nào?
Quy trình gồm các bước: (1) Rửa sạch bã mía bằng nước nóng loại đường, sấy khô, nghiền bột và rây qua lưới $1\text{ mm}$; (2) Xử lý tẩy trắng với hỗn hợp $100\text{ ml}$ $\text{H}_2\text{O}_2$ $11%$ và $100\text{ ml}$ $\text{NaOH}$ $5%$, rửa trung tính $\text{pH } 7$ và sấy ở $50^\circ\text{C}$ trong $24\text{ giờ}$; (3) Thủy phân chọn lọc vùng vô định hình bằng $100\text{ ml}$ dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4\ 6\text{M}$; (4) Quay ly tâm tốc độ $5000\text{ rpm}$ loại bỏ axit dư và rửa nước cất đến $\text{pH } 7$; (5) Đánh siêu âm chế độ sweep phân tách bó sợi; (6) Sấy đông khô thu nhận bột $\text{CNC}$.

2. Vì sao chế độ sấy ở nhiệt độ $50^\circ\text{C}$ trong thời gian $24\text{ giờ}$ được chọn làm thông số chuẩn để đúc màng?
Thực nghiệm khảo sát ngoại quang cho thấy: Khi sấy ở $12\text{ giờ}$ hoặc nhiệt độ $40^\circ\text{C}$, nước chưa bay hơi hết khiến màng bị dính tay và nhăn co rút; khi sấy kéo dài $48\text{ giờ}$ hoặc nâng nhiệt độ lên $60^\circ\text{C}$, mẫu bị mất nước quá mức dẫn đến màng bị giòn, dễ rách và bám dính chặt vào đĩa petri khó tách khuôn. Chế độ $50^\circ\text{C}$ trong $24\text{ giờ}$ cho sản phẩm màng khô hoàn toàn, bề mặt phẳng mịn, không dính tay, dẻo dai và ổn định kích thước.

3. Hàm lượng Chitosan ảnh hưởng như thế nào đến độ hấp thụ nước của màng blend PVA/CS?
Độ hấp thụ nước tỷ lệ thuận với hàm lượng Chitosan trong màng. Cụ thể, ở tỷ lệ $\text{PVA/CS}$ $9:1$, độ hấp thụ nước đạt $57%$ và tiếp tục gia tăng khi nâng hàm lượng Chitosan lên các tỷ lệ $8:2$ và $7:3$. Điều này được giải thích do phân tử Chitosan chứa mật độ cao các nhóm chức amin ($-\text{NH}_2$) ưa nước, làm tăng khả năng tương tác và giữ các phân tử nước trong mạng lưới màng.

4. Phép đo quang phổ UV-Vis được thiết lập như thế nào để xác định khả năng hấp phụ ion $\text{Cu}^{2+}$ của màng?
Nghiên cứu sử dụng máy quang phổ $\text{UV-Vis Spectrometer T80}$ để dựng đường chuẩn của dung dịch $\text{CuSO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O}$ tại bước sóng hấp thụ cực đại $\lambda = 810\text{ nm}$ trong dải nồng độ từ $10\text{ ppm}$ đến $250\text{ ppm}$. Sau đó, cho $0{,}1\text{ g}$ mẫu màng nanocomposite vào $50\text{ ml}$ dung dịch $\text{Cu}^{2+}\ 200\text{ ppm}$, lấy mẫu đo quang tại các thời điểm $5, 15, 30, 60, 90\text{ phút}$ để tính toán nồng độ ion $\text{Cu}^{2+}$ còn lại và dung lượng hấp phụ của màng.

5. Các mũi hấp thụ chính trên phổ FTIR xác nhận cấu trúc hóa học của polyme PVA gồm những số sóng nào?
Phổ $\text{FTIR}$ của $\text{PVA}$ ghi nhận các đỉnh dao động đặc trưng: dải rộng $3500 - 2500\text{ cm}^{-1}$ với đỉnh tại $3263\text{ cm}^{-1}$ (dao động kéo dãn $-\text{OH}$ liên kết hydro); $2921\text{ cm}^{-1}$ (kéo dãn bất đối xứng $-\text{CH}_2-$); $1648\text{ cm}^{-1}$ (kéo dãn $\text{C=O}$); $1418\text{ cm}^{-1}$ (dao động uốn $-\text{CH}_2-$); $1325\text{ cm}^{-1}$ (uốn $\text{OH/CH}$); $1083\text{ cm}^{-1}$ (dao động kéo $\text{C-O}$ và uốn $-\text{OH}$ chuỗi vô định hình); và $822\text{ cm}^{-1}$ (kéo dãn khung mạch $\text{C-C}$).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu màng nanocomposite phân hủy sinh học trên cơ sở phối trộn $\text{PVA/Chitosan}$ gia cường tinh thể nano cellulose ($\text{CNC}$) tách chiết từ nguồn phụ phẩm bã mía. Bằng hệ thống các phương pháp phân tích hiện đại ($\text{FTIR}$, $\text{SEM}$, $\text{XRD}$, $\text{DLS}$, tiêu chuẩn ASTM D882 và $\text{UV-Vis}$), nhóm tác giả đã xác lập bộ thông số công nghệ đúc màng tối ưu ($50^\circ\text{C}$ trong $24\text{ giờ}$), làm sáng tỏ mối quan hệ giữa tỷ lệ thành phần với tính chất cơ lý, độ hấp thụ nước và hình thái vi cấu trúc của màng. Kết quả thực nghiệm khẳng định màng nanocomposite tạo thành có khả năng hấp phụ hiệu quả ion kim loại nặng $\text{Cu}^{2+}$ trong môi trường nước, mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong công nghệ xử lý nước thải thân thiện với môi trường và định hướng phát triển kinh tế tuần hoàn từ phụ phẩm nông nghiệp.