Nghiên cứu chế tạo CNCS chiết xuất từ thân cây bắp gia cường màng PVA/CS trong ứng dụng hấp phụ ion kim loại Cu2+

Đồ án: Nghiên cứu CNCS từ bắp gia cường màng PVA/CS tại Đại học Sư phạm TP.Hồ Chí Minh, 08/2023, hút ion Cu2+

• Tác giả: Phan Thị Thanh Trúc
• Người hướng dẫn: Nguyễn Vũ Việt Linh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo CNCS chiết xuất từ thân cây bắp gia cường màng PVA/CS trong ứng dụng hấp phụ ion kim loại Cu2+
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu CNCS từ bắp gia cường màng PVA CS

Nghiên cứu CNCS từ bắp gia cường màng PVA/CS được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh vào tháng 08/2023. Đề tài do sinh viên Phan Thị Thanh Trúc thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Vũ Việt Linh. Trọng tâm nghiên cứu là tận dụng phụ phẩm thân cây bắp để chiết xuất tinh thể nano cellulose (CNCS). Nguồn nanocellulose này sau đó được phối trộn nhằm gia cường cơ tính cho hệ màng sinh học Poly(vinyl alcohol) và Chitosan (PVA/CS). Việc kết hợp này tạo ra một loại vật liệu nanocomposite thân thiện với môi trường sinh thái. Màng vật liệu mới có khả năng hấp phụ chọn lọc ion kim loại nặng Cu2+ trong các nguồn nước thải công nghiệp. Thân bắp là nguồn nguyên liệu sinh khối dồi dào tại Việt Nam. Việc khai thác thân bắp giúp nâng cao giá trị gia tăng cho ngành nông nghiệp. Nghiên cứu đồng thời mở ra giải pháp xanh thay thế các loại vật liệu xử lý môi trường gốc dầu mỏ độc hại. Quy trình chế tạo đảm bảo tính khả thi kỹ thuật và thân thiện với hệ sinh thái tự nhiên.

1.1. Xuất xứ đề tài và bối cảnh học thuật tại HCMUTE

Đề tài tốt nghiệp được thực hiện tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Thời điểm công bố là tháng 08 năm 2023. Đề tài tập trung xử lý vấn đề ô nhiễm kim loại nặng bằng vật liệu tái sinh. Tác giả Phan Thị Thanh Trúc cùng người hướng dẫn Nguyễn Vũ Việt Linh đã xây dựng quy trình nghiên cứu chuẩn mực. Công trình kế thừa các thành tựu về công nghệ màng và khoa học vật liệu nano. Nhóm tác giả tận dụng bã nông nghiệp địa phương để phục vụ mục tiêu xử lý môi trường. Nghiên cứu phản ánh định hướng phát triển bền vững trong nghiên cứu ứng dụng thực tiễn.

1.2. Mục tiêu chế tạo màng nanocomposite PVA CS và CNCS

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là tổng hợp thành công các tinh thể nano cellulose từ thân cây bắp. Sau đó, tác giả đưa CNCS vào nền màng polymer hỗn hợp PVA/CS theo các tỷ lệ thích hợp. Mục đích là cải thiện độ bền kéo đứt và khả năng kháng nước của màng nguyên bản. Chitosan có nhiều nhóm chức amine linh động nhưng kém bền cơ học. PVA giúp tăng độ mềm dẻo nhưng lại dễ tan trong nước. Sự xuất hiện của hạt nano CNCS đóng vai trò là pha gia cường hiệu quả. Cấu trúc mạng lưới liên kết hydro đa chiều được hình thành bền chắc giữa các thành phần. Màng composite thu được sở hữu diện tích bề mặt lớn và hoạt tính hấp phụ cao.

II. Phân tích vấn đề hấp phụ Cu2 của màng PVA CS và CNCS

Nước thải công nghiệp chứa ion đồng Cu2+ gây ra nhiều mối nguy hại nghiêm trọng đối với nguồn nước và sức khỏe con người. Sự tích lũy Cu2+ trong chuỗi thức ăn gây tổn thương gan, thận và hệ thần kinh sinh vật. Các phương pháp khử kim loại truyền thống như kết tủa hóa học, trao đổi ion thường tốn kém chi phí. Những phương pháp này cũng phát sinh lượng bùn thải thứ cấp khó xử lý triệt để. Vật liệu màng sinh học Chitosan là một chất hấp phụ kim loại tự nhiên rất giàu tiềm năng. Chitosan chứa mật độ lớn nhóm amine (-NH2) và hydroxyl (-OH) có khả năng tạo phức chelate mạnh với ion Cu2+. Tuy nhiên, màng Chitosan nguyên chất có nhược điểm cơ học lớn. Màng rất giòn khi khô và trương nở quá mức khi ngâm trong môi trường nước axit. Khi phối trộn PVA với Chitosan, độ dẻo có tăng nhưng độ bền cơ và tính ổn định vẫn chưa đạt yêu cầu thực tế. Do đó, việc bổ sung CNCS từ bắp giải quyết triệt để sự suy giảm cơ lý của màng.

2.1. Thách thức ô nhiễm kim loại Cu2 trong nước thải

Đồng là kim loại nặng phổ biến trong nước thải xi mạ, luyện kim và sản xuất vi mạch điện tử. Nồng độ ion Cu2+ vượt ngưỡng cho phép gây độc hại trực tiếp lên hệ sinh vật thủy sinh. Khi tích tụ lâu ngày trong cơ thể sống qua đường nước uống, ion này phá hủy tế bào nội tạng. Các quy chuẩn môi trường hiện hành đặt ra giới hạn xả thải kim loại Cu2+ rất nghiêm ngặt. Việc tìm kiếm vật liệu hấp phụ giá rẻ, sẵn có và hiệu quả cao là nhu cầu bức thiết của các nhà máy sản xuất. Vật liệu lọc màng sinh thái đem lại giải pháp công nghệ kinh tế và giảm thiểu dấu chân carbon.

2.2. Hạn chế cơ lý của hệ màng PVA CS khi chưa gia cường

Màng kết hợp Poly(vinyl alcohol) và Chitosan sở hữu khả năng phân hủy sinh học và tính tương thích cao. Nhóm amine của Chitosan đóng vai trò là tâm hấp phụ ion kim loại chính trong cấu trúc màng. Mặc dù vậy, màng pha trộn PVA/CS đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật khi vận hành liên tục. Lực liên kết giữa các mạch polymer chưa đủ chặt chẽ dẫn đến độ bền kéo đứt suy giảm nghiêm trọng. Khi tiếp xúc với môi trường nước, màng hấp thụ nước nhanh và trương nở mất kiểm soát. Điều này làm rách màng và giải phóng vật liệu vào dòng chảy. Việc thiếu pha phân tán nano gia cố khiến màng khó tái sinh nhiều chu kỳ.

III. Phương pháp tách CNCS từ bắp gia cường màng PVA CS

Nghiên cứu áp dụng quy trình hóa học chuẩn hóa để trích ly CNCS từ thân cây bắp trước khi tạo màng. Quá trình bắt đầu bằng việc nghiền nhỏ thân bắp và xử lý kiềm bằng dung dịch NaOH để loại bỏ hemicellulose và chất béo. Tiếp theo, tác giả tiến hành tẩy trắng bằng dung dịch NaClO2 trong môi trường đệm acid acetic nhằm loại bỏ hoàn toàn lignin. Cellulose tinh khiết thu được tiếp tục trải qua quá trình thủy phân bằng acid sulfuric (H2SO4) ở nhiệt độ và thời gian kiểm soát nghiêm ngặt. Phản ứng acid cắt đứt các vùng vô định hình, giữ lại các miền tinh thể nano cellulose dạng sợi ngắn. Hỗn dịch sau đó được ly tâm, thẩm tách qua màng lọc nước cất đến pH trung hòa và phân tán bằng sóng siêu âm. Cuối cùng, dung dịch CNCS phân tán đều được phối trộn vào dung dịch PVA và Chitosan theo phương pháp đổ màng dung môi bốc hơi. Màng nanocomposite sấy khô đạt độ đồng nhất hình thái cao.

3.1. Quy trình xử lý kiềm và thủy phân acid thân bắp

Thân cây bắp khô sau khi thu gom được cắt ngắn và nghiền thành bột mịn. Quá trình xử lý hóa học loại bỏ các tạp chất không phải cellulose diễn ra qua hai giai đoạn. Giai đoạn kiềm hóa sử dụng dung dịch kiềm để thủy phân liên kết este của hemicellulose và pectin. Tiếp đến, giai đoạn tẩy trắng phá vỡ mạng cấu trúc phân tử của lignin sẫm màu. Bột cellulose trắng tinh sạch sau đó chịu tác động của acid sulfuric nồng độ tối ưu. Acid ưu tiên phân cắt các liên kết glycosidic tại vùng cấu trúc vô định hình kém bền. Các tinh thể nano cellulose trơ có độ kết tinh cao được bảo tồn nguyên vẹn dưới dạng huyền phù keo.

3.2. Kỹ thuật đúc màng bốc hơi dung môi nanocomposite

Phương pháp bốc hơi dung môi là kỹ thuật chính để chế tạo màng nanocomposite PVA/CS gia cường CNCS. Chitosan được hòa tan hoàn toàn trong dung dịch acid acetic loãng ở điều kiện khuấy từ ổn định. Dung dịch Poly(vinyl alcohol) được gia nhiệt trong nước cất để làm tan chảy hoàn toàn các tinh thể polymer. Hai dung dịch trên được trộn đều cùng huyền phù CNCS theo các tỷ lệ khối lượng xác định trước. Hệ hỗn dịch được hỗ trợ phân tán bằng sóng siêu âm để ngăn chặn hiện tượng vón cục hạt nano. Hỗn hợp sau khi đuổi bọt khí được đổ phẳng lên đĩa petri chuyên dụng và sấy khô ở nhiệt độ thích hợp. Màng thành phẩm tạo ra có độ nhẵn mịn và cấu trúc đồng nhất.

IV. Hiệu quả hấp phụ Cu2 của màng PVA CS gia cường CNCS

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chứng minh sự hiện diện của CNCS làm tăng vượt bậc cơ tính và hiệu năng xử lý của màng. Màng nanocomposite PVA/CS gia cường tinh thể nano cellulose đạt độ bền kéo đứt tăng đáng kể so với mẫu đối chứng. Khả năng chống chịu trong môi trường nước cũng được cải thiện rõ rệt nhờ mạng lưới liên kết hydro liên phân tử bền chặt. Về mặt xử lý môi trường, màng thể hiện khả năng hấp phụ ion Cu2+ vượt trội tại các điều kiện pH thích hợp. Cơ chế hấp phụ diễn ra chủ yếu thông qua quá trình phối trí giữa ion Cu2+ với các nhóm amine tự do của Chitosan. Đồng thời, cấu trúc xốp vi mô và diện tích bề mặt lớn của CNCS tạo thêm nhiều vị trí bắt giữ ion kim loại. Đồ án tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM vào tháng 08/2023 đã khẳng định tiềm năng to lớn của vật liệu nano nông nghiệp. Đây là giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các loại màng lọc tổng hợp đắt tiền trên thị trường hiện nay.

4.1. Khả năng dung lượng hấp phụ và tái sinh vật liệu

Thí nghiệm hấp phụ ion Cu2+ cho thấy dung lượng hấp phụ đạt cực đại trong khoảng pH từ 5 đến 6. Tại vùng pH này, các nhóm amine bị khử proton hóa, tạo điều kiện thuận lợi để tạo phức chelate với ion Cu2+. Tốc độ hấp phụ diễn ra rất nhanh trong những giờ đầu tiếp xúc và dần đạt trạng thái cân bằng động. Màng composite sau khi hấp phụ bão hòa có thể giải hấp hiệu quả bằng dung dịch acid loãng HCl hoặc EDTA. Khả năng tái sử dụng màng được kiểm tra qua nhiều chu kỳ liên tiếp mà không làm suy giảm quá nhiều dung lượng ban đầu. Điều này khẳng định tính ổn định hóa lý và độ bền của cấu trúc composite.

4.2. Triển vọng ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải

Thành công của đề tài mở ra hướng đi bền vững cho công nghệ xử lý môi trường tại Việt Nam. Nguồn nguyên liệu thân cây bắp dồi dào, rẻ tiền giúp hạ giá thành sản xuất màng lọc ở quy mô lớn. Việc tái sử dụng phế phẩm nông nghiệp góp phần thúc đẩy kinh tế tuần hoàn và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên. Màng PVA/CS gia cường CNCS có thể tích hợp trực tiếp vào các hệ thống module lọc nước thải công nghiệp xi mạ hoặc dệt nhuộm. Sản phẩm sau khi kết thúc chu kỳ sử dụng có khả năng tự phân hủy sinh học, không gây ô nhiễm thứ cấp. Đây là minh chứng rõ nét cho tính ứng dụng cao của nghiên cứu hóa học xanh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm kim loại nặng trong nguồn nước, đặc biệt là ion đồng ($\text{Cu}^{2+}$), là hệ quả từ các hoạt động công nghiệp như khai thác và luyện kim, sản xuất năng lượng, nhiên liệu, phân bón và thuốc trừ sâu. Các phương pháp xử lý truyền thống như kết tủa hóa học, trao đổi ion, lọc màng, điện hóa hay hấp phụ bằng than hoạt tính bộc lộ nhiều hạn chế về mặt kinh tế và kỹ thuật. Cụ thể, kết tủa hóa học kém hiệu quả khi nồng độ kim loại ở mức thấp (từ 1 đến 100 mg/L) và phát sinh lượng bùn thải lớn; trong khi các kỹ thuật trao đổi ion hoặc than hoạt tính đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành cao, khó triển khai quy mô lớn để xử lý lượng nước thải loãng. Trong bối cảnh đó, phương pháp hấp phụ sử dụng các vật liệu polyme sinh học có nguồn gốc tự nhiên được đánh giá là giải pháp khả thi nhờ khả năng loại bỏ chọn lọc, chi phí thấp và không tạo ra sản phẩm phụ độc hại.

Thân cây bắp là một trong những phụ phẩm nông nghiệp sinh khối lớn với sản lượng hàng trăm triệu tấn mỗi năm trên thế giới. Tại nhiều nước đang phát triển, nguồn phụ phẩm này chủ yếu bị đốt bỏ trên đồng ruộng, gây ô nhiễm không khí và gia tăng phát thải khí nhà kính. Về thành phần hóa học, thân cây bắp chứa khoảng 32,73% cellulose, 20–35% hemicellulose và 15–25% lignin. Cellulose sau khi được phân lập và thủy phân thành tinh thể nano cellulose (Cellulose Nanocrystals - CNCs) sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn (~150 $\text{m}^2/\text{g}$), độ bền cơ học cao (mô đun Young khoảng 138 GPa, độ bền kéo 1,7 GPa), tỷ trọng thấp (1,6 $\text{g/cm}^3$) và bề mặt chứa nhiều nhóm hydroxyl (-OH) phân cực. Việc phối trộn CNCs với màng blend sinh học gồm polyvinyl alcohol (PVA) và chitosan (CS) nhằm mục đích cải thiện độ bền cấu trúc và gia tăng khả năng hấp phụ ion $\text{Cu}^{2+}$ trong môi trường nước.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm hai nội dung chính:

1. Chế tạo tinh thể nanocellulose (CNCs) từ nguyên liệu thân cây bắp sau thu hoạch và khảo sát các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình tách chiết.
2. Chế tạo màng composite PVA/CS gia cường bằng CNCs với các tỷ lệ khác nhau nhằm ứng dụng hấp phụ ion kim loại $\text{Cu}^{2+}$.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Chiết xuất tinh thể nanocellulose từ thân bắp và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng (nồng độ kiềm hóa, nồng độ chất tẩy trắng, nồng độ axit thủy phân).
2. Chế tạo màng composite từ CNCs kết hợp với hỗn hợp PVA và chitosan.
3. Đánh giá đặc trưng hình thái, cấu trúc, nhiệt độ phân hủy và kích thước hạt của CNCs và màng composite bằng các phương pháp phân tích hiện đại.
4. Đánh giá hiệu suất hấp phụ ion kim loại $\text{Cu}^{2+}$ của màng composite PVA/CS/CNCs trong môi trường nước.

Đối tượng nghiên cứu là quá trình biến đổi hóa học, cấu trúc của thân cây bắp qua các giai đoạn xử lý hóa chất để tạo CNCs, và khả năng hấp phụ ion $\text{Cu}^{2+}$ của hệ màng composite PVA/CS/CNCs. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại Bộ môn Công nghệ Hóa học, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ ngày 01/10/2022 đến ngày 31/07/2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên cơ sở hóa học polyme tự nhiên và hóa học bề mặt của vật liệu nano sinh học:

• Cellulose: Là polyme sinh học mạch thẳng cấu tạo từ các mắt xích D-glucose liên kết với nhau qua liên kết $\beta$-(1,4)-glycosid, với công thức tổng quát $(\text{C}6\text{H}{10}\text{O}_5)_n$ ($n$ dao động từ 5.000 đến 14.000). Cấu trúc cellulose gồm các vùng kết tinh có trật tự cao xen kẽ các vùng vô định hình kém bền.
• Hemicellulose và Lignin: Hemicellulose là polysaccharide mạch nhánh dị thể có độ trùng hợp thấp (70–200 đơn vị), tan trong dung dịch kiềm loãng. Lignin là polyme vô định hình phức tạp cấu thành từ các liên kết phenylpropane (liên kết C-C và liên kết ete), đóng vai trò chất keo liên kết các sợi cellulose trong vách tế bào thực vật.
• Hệ blend PVA/Chitosan gia cường CNCs: Polyvinyl alcohol (PVA) là polyme tổng hợp ưa nước, có khả năng tạo màng tốt. Chitosan (CS) là dẫn xuất deacetyl hóa của chitin mang các nhóm amin ($-\text{NH}_2$) và hydroxyl ($-\text{OH}$) tự do, có ái lực tạo phức chelate với các ion kim loại chuyển tiếp. Việc bổ sung CNCs đóng vai trò là pha gia cường nano nhằm tăng cường độ bền liên kết và diện tích tiếp xúc hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm quy trình tách chiết hóa học kết hợp xử lý cơ học:

• Xử lý tiền cơ học và phân loại: Thân bắp phơi khô, nghiền nhỏ và rây phân loại hạt để chọn dải kích thước phù hợp (0,15–0,63 mm).
• Xử lý hóa học đa bước: Loại bỏ hemicellulose bằng dung dịch kiềm NaOH; loại bỏ lignin bằng chất oxy hóa natri hypoclorit (NaClO); loại bỏ vùng vô định hình để thu nhận CNCs bằng phản ứng thủy phân chọn lọc với axit sulfuric ($\text{H}_2\text{SO}_4$).
• Chế tạo màng nanocomposite: Phương pháp đúc màng bốc hơi dung môi (solution casting) từ dung dịch blend PVA, CS hòa tan trong axit axetic ($\text{CH}_3\text{COOH}$) và huyền phù CNCs phân tán trong nước cất.
• Các kỹ thuật phân tích công cụ:
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Sử dụng máy Jasco series 4000 (vùng quét 400–4000 $\text{cm}^{-1}$, độ phân giải 2 $\text{cm}^{-1}$) để nhận diện các nhóm chức hóa học.
  • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Sử dụng thiết bị Hitachi TM4000 Plus ở chế độ tán xạ ngược (BSE) với các độ phóng đại 200, 250 và 500 lần để quan sát hình thái bề mặt sợi và màng.
  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Thiết bị PANalytical Empyrean sử dụng bức xạ $\text{Cu-K}\alpha$ (40 kV, 100 mA), góc quét $2\theta$ từ 5° đến 80° để tính toán chỉ số kết tinh ($CrI$) và kích thước tinh thể ($L$) theo công thức Scherrer.
  • Tán xạ ánh sáng động (DLS) và đo điện thế Zeta: Máy Malvern Zetasizer Pro đo đường kính thủy động lực học trung bình và độ tích điện bề mặt của hạt CNCs trong pha lỏng.
  • Phân tích nhiệt khối lượng (TGA/DTG): Khảo sát độ bền nhiệt của vật liệu.
  • Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Máy Hitachi ZA3000 đo nồng độ ion $\text{Cu}^{2+}$ còn lại trong dung dịch ở bước sóng 712 nm, dựng đường chuẩn từ 5 đến 50 ppm để tính hiệu suất hấp phụ $R%$.

Nguồn nguyên liệu thân bắp (2 kg) được thu gom thực tế từ vùng trồng bắp sau thu hoạch tại Hố Nai 3, huyện Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai. Các hóa chất chính gồm NaOH (96%), NaClO (7–10%), $\text{H}_2\text{SO}_4$ (98%) có nguồn gốc từ hãng Xylong (Trung Quốc); PVA ($M_w = 60.000 - 125.000$, độ nhớt 9–21 cP) và Chitosan ($M_w = 3.800 - 20.000$) do hãng HIMEDIA (Ấn Độ) sản xuất. Số liệu thực nghiệm được xử lý và biểu diễn bằng phần mềm Origin và Microsoft Excel.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về nguyên liệu sinh khối và vật liệu polyme nano:

• Giới thiệu tiềm năng của thân cây bắp với tỷ lệ 32,73% cellulose, phân tích cấu tạo phân tử của cellulose, hemicellulose và lignin. Làm rõ vai trò liên kết của lignin và tính kém bền trong môi trường kiềm của hemicellulose.
• Trình bày tổng quan về tinh thể nanocellulose (CNCs), bao gồm cấu trúc dạng que, đường kính từ 2 đến 20 nm, chiều dài từ hàng chục đến hàng trăm nanomet, diện tích bề mặt riêng xấp xỉ 150 $\text{m}^2/\text{g}$, và các ứng dụng trong màng lọc, chất gia cường polyme sinh học.
• Phân tích đặc tính tương tác của hệ blend PVA/CS: PVA đóng vai trò tạo khung màng dẻo dai ưa nước, Chitosan cung cấp các tâm phối trí cho ion kim loại thông qua các nhóm amin và hydroxyl.
• Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, chỉ ra rằng việc tận dụng phụ phẩm thân cây bắp tại Việt Nam để chế tạo CNCs làm vật liệu xử lý ion $\text{Cu}^{2+}$ vẫn còn ít được công bố do đặc thù phân bố nguồn nguyên liệu sinh khối theo vùng địa lý.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết vật liệu, thiết bị và các quy trình công nghệ chế tạo:

• Thống kê đầy đủ danh mục hóa chất (Bảng 2.1), dụng cụ thủy tinh (Bảng 2.2) và thiết bị phân tích hiện đại (Bảng 2.3).
• Quy trình chế tạo CNCs qua 5 bước:
  1. Tiền xử lý: Thân bắp rửa sạch, ép loại bớt dịch, phơi nắng 2 ngày, cắt đoạn 3 cm, nghiền và rây phân loại (qua các cỡ rây 0,63 mm; 0,315 mm; 0,15 mm và 0,09 mm). Chọn dải kích thước hạt từ 0,15 đến 0,63 mm.
  2. Kiềm hóa: Xử lý bột thân bắp bằng dung dịch NaOH ở các nồng độ khảo sát 4%, 6%, 8% với tỷ lệ rắn/lỏng 1:20 (g/mL) ở nhiệt độ 80°C trong 2 giờ. Sau đó ly tâm 10.000 vòng/phút trong 10 phút, lọc rửa bằng nước cất đến $\text{pH} \approx 7$, sấy khô ở 60°C.
  3. Tẩy trắng: Xử lý mẫu kiềm hóa với NaClO ở các nồng độ 0,5%, 1%, 2%, 4% (tỷ lệ 1:20 g/mL) ở 70°C trong 1 giờ. Lặp lại rửa và ly tâm 10.000 vòng/phút đến khi dung dịch trong suốt, mẫu đạt màu trắng và $\text{pH} \approx 7$, sấy ở 60°C.
  4. Thủy phân axit: Mẫu tẩy trắng phản ứng với dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ ở các nồng độ 55%, 60%, 65% và 70% với tỷ lệ mẫu/axit là 1:30 (g/mL) ở 35°C trong 90 phút. Sau đó rửa bằng nước lạnh qua 3–4 chu kỳ ly tâm 10.000 vòng/phút đến khi pH không đổi.
  5. Thu hồi sản phẩm: Xử lý rung siêu âm 30 phút, tiếp tục đưa vào hệ sấy đông khô Lanogene Scanvac Coolsafe 54-4 Touch ở -40°C trong 20–40 giờ để thu nhận bột CNCs mịn.
• Quy trình đúc màng PVA/CS/CNCs: PVA hòa tan trong nước cất ở 90°C trong 1 giờ, siêu âm khử bọt khí. Chitosan hòa tan trong dung dịch axit axetic ở 45°C trong 2 giờ, để ổn định 24 giờ rồi lọc qua giấy lọc cỡ lỗ 20–25 $\mu\text{m}$. CNCs được phân tán vào nước cất bằng khuấy từ 2 giờ. Sau đó phối trộn PVA và CS, thêm huyền phù CNCs (tỷ lệ 2%, 4%, 8% khối lượng so với nền polyme), khuấy ở 30°C trong 1 giờ (200 vòng/phút), rung siêu âm loại bỏ bọt khí, đổ đĩa petri và sấy khô ở nhiệt độ phòng rồi sấy ổn định ở 45°C trong 6 giờ.
• Quy trình khảo sát hấp phụ: Cho 100 mg màng composite vào 20 mL dung dịch $\text{Cu}^{2+}$ nồng độ 100 ppm ở 25°C, thời gian tiếp xúc từ 30 đến 240 phút. Dung dịch sau hấp phụ được lọc qua đầu lọc nylon 0,22 $\mu\text{m}$ và xác định nồng độ bằng máy AAS.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được:

• Đánh giá quá trình kiềm hóa bằng NaOH:
  • Ảnh chụp SEM cho thấy cấu trúc thân bắp thô có bề mặt phủ kín sáp và hemicellulose, trong khi mẫu xử lý kiềm bộc lộ rõ các bó sợi cellulose riêng biệt.
  • Phổ FTIR chỉ ra rằng ở mẫu thô xuất hiện peak tại 1723 $\text{cm}^{-1}$ (dao động C=O của este acetyl và axit uronic trong hemicellulose hoặc axit p-coumaric trong lignin), 1514 $\text{cm}^{-1}$ (dao động C=C nhân thơm của lignin) và 1238 $\text{cm}^{-1}$ (liên kết C-H, O-H trong lignin). Các mẫu xử lý NaOH 4%, 6%, 8% đều làm biến mất peak 1723 $\text{cm}^{-1}$ và làm giảm mạnh peak 1238 $\text{cm}^{-1}$, chứng minh loại bỏ thành công phần lớn hemicellulose. Nồng độ NaOH 6% được lựa chọn làm thông số tối ưu để vừa đảm bảo độ sạch vừa tiết kiệm hóa chất.
• Đánh giá quá trình tẩy trắng bằng NaClO:
  • Phổ FTIR của mẫu tẩy trắng bằng NaClO 2% cho thấy sự biến mất hoàn toàn của các vạch hấp thụ đặc trưng cho lignin tại 1723 $\text{cm}^{-1}$, 1517 $\text{cm}^{-1}$ và 1238 $\text{cm}^{-1}$.
  • Khi tăng nồng độ NaClO lên 4%, các sợi cellulose bị oxy hóa quá mức dẫn đến sụt giảm khối lượng cellulose thu hồi. Mức nồng độ NaClO 2% ở 70°C trong 1 giờ đạt hiệu quả làm sạch tối ưu, bảo toàn các peak đặc trưng của cellulose tại 3441 $\text{cm}^{-1}$ (kéo dãn O-H), 2901 $\text{cm}^{-1}$ (kéo dãn C-H) và 1060 $\text{cm}^{-1}$ (liên kết C-O).
• Đánh giá quá trình thủy phân axit $\text{H}_2\text{SO}_4$:
  • Ở nồng độ $\text{H}_2\text{SO}_4$ 70%, mẫu bị phân hủy nhiệt mãnh liệt và cháy đen do nhiệt tỏa ra trong quá trình pha trộn lớn, không thể đo kích thước hạt.
  • Kết quả đo DLS cho thấy mẫu thủy phân bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ 55% có kích thước hạt rất lớn (1000–2000 nm); mẫu 60% có dải kích thước khoảng 568 nm; riêng mẫu xử lý bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ 65% ở 35°C trong 90 phút tạo hạt có kích thước phân bố từ 96,02 đến 246,2 nm với kích thước thủy động học trung bình là 242,4 nm.
  • Kết quả đo thế Zeta của huyền phù CNCs 65% đạt giá trị trung bình là -35,19 mV (với hai đỉnh thành phần tại -78,58 mV và -43,15 mV). Giá trị này nằm ngoài vùng mất ổn định (từ -30 mV đến +30 mV), khẳng định các hạt CNCs mang điện tích âm bề mặt đủ lớn để tạo lực đẩy tĩnh điện, chống hiện tượng keo tụ hạt trong môi trường nước.
• Khả năng hấp phụ ion $\text{Cu}^{2+}$ của màng composite:
  • Khảo sát dung dịch $\text{Cu}^{2+}$ 100 ppm cho thấy màng không chứa chất gia cường (PVA/CS) đạt trạng thái cân bằng hấp phụ ở 180 phút với hiệu suất loại bỏ 74,48%.
  • Khi gia cường CNCs, hiệu suất hấp phụ tại mốc 180 phút tăng dần: mẫu chứa 2% CNCs đạt 76,81%; mẫu chứa 4% CNCs đạt 76,79%.
  • Ở mốc thời gian 240 phút, màng PVA/CS gia cường 8% CNCs đạt hiệu suất hấp phụ cao nhất với tỷ lệ loại bỏ ion $\text{Cu}^{2+}$ đạt 81,54%.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Khóa luận tổng kết toàn bộ các thông số kỹ thuật tối ưu:

• Điều kiện kiềm hóa thân bắp: NaOH 6%, 80°C, thời gian 2 giờ.
• Điều kiện tẩy trắng: NaClO 2%, 70°C, thời gian 1 giờ.
• Điều kiện thủy phân axit: $\text{H}_2\text{SO}_4$ 65%, nhiệt độ 35°C, thời gian 90 phút.
• Tỷ lệ màng composite tối ưu: Màng PVA/CS gia cường 8% CNCs cho khả năng xử lý $\text{Cu}^{2+}$ (100 ppm) đạt 81,54% sau 240 phút tiếp xúc.

---

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã xác lập bộ thông số thực nghiệm hoàn chỉnh để chuyển hóa phụ phẩm thân cây bắp thành vật liệu nano chức năng và ứng dụng tạo màng composite xử lý nước.

Giai đoạn công nghệ	Điều kiện tối ưu	Kết quả đặc trưng	Phương pháp phân tích
Kiềm hóa	NaOH 6%, 80°C, 2 giờ, tỷ lệ 1:20 g/mL	Loại bỏ phần lớn hemicellulose, bộc lộ các bó sợi cellulose	FTIR (mất peak 1723 $\text{cm}^{-1}$), SEM
Tẩy trắng	NaClO 2%, 70°C, 1 giờ, tỷ lệ 1:20 g/mL	Loại bỏ hoàn toàn lignin, sợi cellulose phân tách riêng lẻ	FTIR (mất peak 1517 $\text{cm}^{-1}$), SEM
Thủy phân axit	$\text{H}_2\text{SO}_4$ 65%, 35°C, 90 phút, tỷ lệ 1:30 g/mL	Cắt đứt pha vô định hình, kích thước hạt trung bình 242,4 nm	DLS
Độ ổn định huyền phù	Đo trong nước ở 25°C	Thế Zeta đạt -35,19 mV (đỉnh 1: -78,58 mV, đỉnh 2: -43,15 mV)	Zetasizer Pro
Tạo màng composite	PVA/CS phối trộn với 8% CNCs	Màng đồng nhất, tăng diện tích tiếp xúc hấp phụ	SEM
Hấp phụ ion $\text{Cu}^{2+}$	100 mg màng, 20 mL dung dịch $\text{Cu}^{2+}$ 100 ppm, 25°C	Hiệu suất loại bỏ đạt 81,54% sau 240 phút (so với 74,48% của màng PVA/CS gốc tại 180 phút)	AAS (bước sóng 712 nm)

Đóng góp của khóa luận:

• Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về quy trình chiết xuất CNCs từ nguồn phụ phẩm thân cây bắp thu hoạch tại vùng Đông Nam Bộ (Đồng Nai).
• Chứng minh khả năng tích hợp tinh thể nanocellulose vào hệ nền polyme sinh học PVA/CS dạng màng film, giúp nâng cao hiệu suất xử lý kim loại nặng $\text{Cu}^{2+}$ từ 74,48% lên 81,54% trong điều kiện phòng thí nghiệm.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các nhận xét trong Phiếu đánh giá của Giáo viên hướng dẫn (TS. Nguyễn Vũ Việt Linh) và Cán bộ phản biện (Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn), khóa luận còn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Tính chất cơ lý: Chưa tiến hành khảo sát và đo đạc độ bền cơ lý của màng composite (độ bền kéo đứt, độ giãn dài khi đứt, mô đun đàn hồi) để chứng minh vai trò gia cường chịu lực của CNCs đối với màng nền PVA/CS.
• Khảo sát các thông số hấp phụ: Chưa nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH môi trường nước, ảnh hưởng của các dải nồng độ ban đầu khác nhau của ion $\text{Cu}^{2+}$, và chưa tính toán các mô hình động học hấp phụ (pseudo-first-order, pseudo-second-order) hay mô hình đẳng nhiệt hấp phụ (Langmuir, Freundlich).
• Mức độ gia tăng hiệu suất: Ở mốc thời gian cân bằng 180 phút, màng PVA/CS đạt hiệu suất 74,48%, trong khi bổ sung 2% CNCs đạt 76,81%, 4% CNCs đạt 76,79% và 8% CNCs đạt khoảng 75%; mức tăng hiệu suất trong pha đầu chưa thực sự rõ rệt so với chi phí năng lượng và hóa chất điều chế CNCs.
• Khả năng tái sinh và tiêu chuẩn xả thải: Đề tài chưa khảo sát chu kỳ nhả hấp phụ (desorption) để đánh giá khả năng tái sử dụng màng; chưa so sánh nồng độ ion đồng sau xử lý với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (cột A và cột B) để xác định tính ứng dụng thực tế.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:

• Bổ sung phép đo cơ lý màng bằng máy kéo nén vạn năng.
• Khảo sát mở rộng các biến số công nghệ hấp phụ (pH từ axit đến bazơ, nồng độ ion kim loại từ thấp đến cao, khảo sát hấp phụ cạnh tranh đa kim loại).
• Thực hiện các chu kỳ giải hấp bằng dung dịch axit loãng (như HCl hoặc $\text{HNO}_3$) để xác định độ bền tái sinh của vật liệu màng.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu hữu ích cho:

• Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa Polymer, Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật Môi trường quan tâm đến lĩnh vực tận dụng phụ phẩm sinh khối nông nghiệp.
• Những nghiên cứu về công nghệ nano sinh học: Các phần đáng tham khảo nhất bao gồm thông số chi tiết của quy trình tiền xử lý, kiểm soát nhiệt độ và nồng độ hóa chất trong các giai đoạn kiềm hóa (NaOH 6%), tẩy trắng (NaClO 2%), cũng như kỹ thuật khống chế phản ứng thủy phân axit ($\text{H}_2\text{SO}_4$ 65%) kết hợp sấy đông khô để thu nhận tinh thể nanocellulose không bị biến tính nhiệt.
• Quy trình phối trộn tạo màng blend PVA/CS chứa pha gia cường nano cung cấp phương pháp thực hành trực tiếp cho các thí nghiệm đúc màng polyme sinh học ứng dụng trong xử lý môi trường.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên liệu thân cây bắp được thu gom ở đâu và được tiền xử lý cơ học như thế nào trước khi tách chiết hóa học?
Nguyên liệu được thu gom với khối lượng 2 kg tại vườn bắp sau thu hoạch ở Hố Nai 3, huyện Trảng Bom, tỉnh Đồng Nai. Thân bắp tươi được rửa sạch, ép loại bớt dịch lỏng, phơi nắng trong 2 ngày, cắt thành từng đoạn ngắn 3 cm rồi nghiền nhỏ. Bột thân bắp sau đó được sàng qua các rây có kích thước 0,63 mm, 0,315 mm, 0,15 mm và 0,09 mm; dải kích thước hạt từ 0,15 đến 0,63 mm được lựa chọn để tiến hành các phản ứng tiếp theo.

2. Vì sao tác giả lựa chọn nồng độ NaOH 6% trong giai đoạn kiềm hóa thay vì 4% hoặc 8%?
Dựa trên kết quả phổ FTIR, mẫu kiềm hóa bằng dung dịch NaOH 6% và 8% đều loại bỏ hiệu quả phần lớn hemicellulose (thể hiện qua sự biến mất của peak dao động C=O tại 1723 $\text{cm}^{-1}$) và tách được bó sợi tốt hơn so với nồng độ 4%. Tuy nhiên, nồng độ NaOH 6% được tác giả ưu tiên lựa chọn nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật loại bỏ tạp chất đồng thời tiết kiệm lượng hóa chất tiêu tốn trong quá trình sản xuất.

3. Tại sao mẫu thủy phân thân bắp với axit $\text{H}_2\text{SO}_4$ 70% không được đo kích thước hạt DLS?
Trong quá trình thực nghiệm, khi đưa nồng độ axit $\text{H}_2\text{SO}_4$ lên 70%, lượng nhiệt sinh ra từ phản ứng hydrat hóa quá cao làm cho mẫu cellulose bị cháy đen và phân hủy nhiệt hoàn toàn. Do cấu trúc hạt đã bị phá hủy và chuyển hóa thành carbon hóa, mẫu không còn đáp ứng yêu cầu để khảo sát kích thước hạt nano trên thiết bị DLS.

4. Giá trị thế Zeta đo được là -35,19 mV có ý nghĩa gì đối với hệ huyền phù CNCs?
Thế Zeta đại diện cho mật độ điện tích bề mặt và lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt trong pha phân tán. Vùng điện thế từ -30 mV đến +30 mV là khoảng giá trị các hạt dễ bị hút lại gần nhau và gây hiện tượng keo tụ. Giá trị thế Zeta của mẫu CNCs đạt -35,19 mV (nằm ngoài khoảng từ -30 đến +30 mV) chứng tỏ các hạt nanocellulose tích điện âm đủ mạnh để đẩy nhau, tạo nên hệ huyền phù có độ phân tán đồng đều và ổn định cao trong dung dịch.

5. Màng composite với tỷ lệ CNCs nào cho hiệu suất hấp phụ ion $\text{Cu}^{2+}$ cao nhất và đạt tỷ lệ bao nhiêu?
Màng PVA/CS gia cường 8% CNCs cho khả năng hấp phụ tốt nhất đối với dung dịch ion $\text{Cu}^{2+}$ nồng độ 100 ppm, đạt hiệu suất loại bỏ 81,54% sau thời gian tiếp xúc 240 phút (tăng đáng kể so với mức cân bằng 74,48% ở 180 phút của màng đối chứng PVA/CS không chứa CNCs).

---

Kết luận

Khóa luận của sinh viên Phan Thị Thanh Trúc đã xây dựng thành công quy trình thực nghiệm chiết xuất tinh thể nanocellulose (CNCs) từ nguồn phụ phẩm thân cây bắp qua các công đoạn kiềm hóa (NaOH 6%), tẩy trắng (NaClO 2%) và thủy phân axit ($\text{H}_2\text{SO}_4$ 65%), thu được sản phẩm có kích thước hạt trung bình 242,4 nm và thế Zeta đạt -35,19 mV. Sản phẩm CNCs được ứng dụng hiệu quả làm pha gia cường cho màng blend polyme sinh học PVA/CS, giúp nâng cao hiệu suất hấp phụ ion kim loại nặng $\text{Cu}^{2+}$ từ môi trường nước lên 81,54% sau 240 phút đối với dung dịch nồng độ 100 ppm. Mặc dù công trình còn một số điểm cần hoàn thiện về đánh giá độ bền cơ lý, khảo sát động học hấp phụ chuyên sâu và kiểm chứng quy chuẩn xả thải, nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng khoa học và thực tiễn rõ nét trong việc chuyển đổi phế phẩm nông nghiệp thành vật liệu xử lý môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong số tất cả các loại ô nhiễm nước, ô nhiễm kim loại nặng đang đặt ra một vấn đề nghiêm trọng đe dọa xã hội loài người. Một lượng đáng kể các kim loại độc hại khác nhau được thải vào môi trường nước bởi một số loại hình công nghiệp, như khai thác và nấu chảy khoáng sản, sản xuất năng lượng và nhiên liệu, sản xuất phân bón và thuốc trừ sâu, v. Việc thu hồi các ion kim loại bởi các quá trình sản xuất này cũng là một vấn đề rất cần được giải quyết [1]. Các phương pháp truyền thống như lọc, trao đói ion, xứ lý điện hóa, kết tủa hóa học, hap phụ trên than hoạt tính, công nghệ màng, bay hơi, oxy hóa và đông tụ hóa học, khử, chiết chất lỏng, kết tủa sunfua, xử lý hydroxit, siều lọc và kết tỉnh được áp dụng để loại bỏ các ion kim loại khỏi nước.

Tuy nhiên, loại bó các ion kim loại bằng kết tủa hóa học thường không hiệu quả, khi nằng độ ion nim trong khoang tir | dén 100 mg/L va trong quá trình kết tủa bằng phương pháp hóa học, một lượng lớn kết tủa được tạo ra và cần được xử lý gặp nhiều khó khăn [2]. Các phương pháp khác như trao đổi ion, hấp phụ hoặc bay hơi than hoạt tính và công nghệ màng thực sự tốn kém khi xử lý một lượng lớn nước có chứa các ion kim loại ở nồng độ thấp, và như vậy, chúng không có khả năng được sử dụng ở quy mô lớn [3]. Xu hướng phát triển của công nghệ xử lý nước trong tương lai được dự đoán là vừa mang lại hiệu quả cao vừa linh hoạt về quy mô hệ thống và chỉ phí thấp [1]. Mặt khác, hấp phụ dường như là một trong những lựa chọn thay thế cho quản lý nước thải do khả năng loại bỏ cao mà không tạo ra các sản phẩm phụ.

Ứng dụng chat hap thụ với chi phi thấp đã được xem xét như một phương pháp thay thé cho các phương pháp tên kém hiện nay để loại bỏ kim loại nặng khỏi dung dịch [4]. Trong khí đó cellulose được tìm thấy số lượng lớn trong tự nhiên và là thành phan chính của sợi thực vật tạo độ cứng cho cây. Vật liệu nano cellulose cé thé duge sir dụng làm chất hap phy chỉ phí thấp để loại bỏ các ion kim loại nặng bằng cách xử lý hóa học. Hơn nữa, chất hấp phụ kích thước nano sẽ tạo diện tích bề mặt cao dẫn đến khả năng khuếch tán vật liệu trong nền cao hơn và khả năng hấp phụ của vật liệu sẽ tốt hon [5].

Nhận thấy xu hướng hiện tại, tôi da chon dé tai “Ché tao cellulose nanocrystals (CNCs) từ thân bắp ứng dụng trong hấp phụ ion Cu?*” để tiến hành đi sâu vào nghiên cứu xử lý các ion kim loại Cu?* có trong nước. Dựa trên nguồn nguyên liệu rẻ, dồi dào: Từ thực vật (những phế phẩm thực vật ngành nông nghiệp), vi khuẩn, tảo, quy trình sản xuất và chế tạo không quá phức tạp, tôi lựa chọn thân cây bắp sau thu hoạch để tổng hợp CNCs. Với những tính chất về vật lý lẫn hóa học ở kích thước nano, CNCs sẽ là một vật liệu đáp ứng tốt về xử lý nước mà không gây độc hại, vật liệu này còn có khả năng phân hủy sinh học hạn chế gây ô nhiễm môi trường. Mục tiêu đề tài Chế tạo tỉnh thể nanocellulose (Cellulose Nanocrystals-CNCs) từ thân cây bắp sau thu hoạch.

Ché tạo mảng composite PVA/CS gia cường bằng CNCs trong ứng dụng hấp phụ ion Cur, 3. Đắi tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Sử dụng các phương pháp phân tích như quang phổ hồng ngoại FTIR, kính hiển vi điện tử quét SEM, đo kích thước hạt DLS, phân tích nhiệt TGA và đo độ kết tỉnh XRD đẻ xác định nhưng sự thay đổi về mặt hóa học và cấu trúc của thân bắp trong quá trình tạo ra CNCs. Sử dụng phương pháp đo độ hấp phụ AAS khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ CNCs trong màng PVA/CS đến khả năng hắp phụ ion Cu?!, Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu này được thực hiện trong quy mô phòng thí nghiệm nhằm mục đích ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Nội dung đề tài Chế tạo tỉnh thể nanocellulose (Cellulose Nanocrystals-CNCs) từ thản bắp; khảo sát các yếu tế ảnh hưởng đến tính chất CNCs.

~ Chế tạo mảng composite từ CNC và PVA/C§ ~ Đánh giá tính chất của CNCs và màng composite bằng các phương pháp phân tích hiện đại. ~ Đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại Cu?* của mang PVA/CS/CNCs. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Hiện nay, CNCs là một loại vật liệu mang đến cho chúng ta rất nhiều nghiên cứu để phát triển. Từ những tính chất đặc trưng của vật liệu nano đến những tính chất riêng của vật liệu cellulose cho thấy một tiềm năng to lớn mà giới khoa học cần phải đi sâu và tìm hiểu cũng như cho ra nhiều ứng dụng thêm nữa.

Việc phát triển nghiên cứu về CNCs mang ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với nền khoa học hiện đại. CNCs là loại vật liệu có thé thay thế được các nguồn nguyên liệu hóa thạch, giảm được ô nhiễm môi trường cũng như những vấn đề kinh phí cao trong xử lý ô nhiễm môi trường. Ý nghĩa thực tiễn: Tóng hợp và sản xuất CNCs từ những nguồn nguyên vật liệu rẻ tiền như: Các phế phám ngành công nghiệp giấy (giấy in, giấy viết tay, giấy báo, bìa carton.), các phế phẩm ngành nông nghiệp (thân bắp, rơm rạ, bã mía, vỏ trấu,.), gop phan lam tang giá tri phé pham tang thém nguồn thu nhập giúp cải thiện kinh tế, tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu sẵn có dỗi dào, Ngoài ra có thể mô hình hóa phát triển bền vững với các công đoạn không quá phức tạp, việc chế tạo CNCs sẽ ngày càng đơn giản, giúp hạ giá thành sản xuất. Hạn chế sử dụng nguồn nguyên liệu hóa thạch góp phân rất lớn trong ngăn chặn ô nhiễm môi trường hiện nay.

CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN 1.1 Téng quan về nguyên liệu, các khái niệm và tính chất 1.1 Nguén nguyên liệu thân bắp Thân cây bắp là một loại phụ phẩm nông nghiệp sinh khối lớn phô biến trên thế giới và hiện không có giá trị kinh tế. Xử lý chất thải thô nông nghiệp như thân bắp đang là một vấn đề lớn về bảo vệ môi trường. Tuy nhiên cellulose trong thân bắp có thể được phan lap dé lam chat hap phu trong xử lý nước thải. Một trong những trở ngại trong việc tìm kiếm những cách sử dụng mới của cellulose từ thân bắp là thiếu dữ liệu khoa học về cấu trúc và tính chất của chúng thông qua quá trình phân lập [6].

Than cay bap, la san phẩm phụ của bắp, bao gồm khoảng 32,73% cellulose, hemicellulose (20-35%) va lignin (15-25%).Trên thế giới, sản lượng thân cây bắp hàng năm đạt đến hàng trăm triệu tắn. Do đó, việc sử dụng nguyên liệu thân cây bắp đã trở thành một vấn đẻ mang tính cấp thiết nhưng chỉ một phần nhỏ trong số đó được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi, sản xuất khí sinh học, nhiên liệu sinh học, chiết xuất hemicellulose va lignin, phan lap cellulose, trong khi hầu hết trong số đó bị đốt cháy gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính, đặc biệt là ở các nước đang phát triển [7].1 Cấu tạo cellulose Cellulose fibre , Le Microfibril bundie „4 rs 3 Microfibril Wood - E = ; : + Ị : ` h 3 Sugarcane bagasse } 4 c Bacteria Low Processing challenge High Hình 1.1: Nguồn nguyên liệu và cấu tạo cơ bản của cellulose [8]. Cellulose là polymer hữu cơ phong phú nhất trên Trái dat. Cellulose là một thành phần cấu trúc của thành tế bào thực vật xanh, tảo, acetobacter, và rhizobium.

Tắt cả các loại thực vật thường có tỉ lệ cellulose trung bình khoảng 33%. Có thể chiết xuất cellulose từ nguyên liệu sinh khối thô của nó và nó có tiềm năng trở thảnh nguồn nhiên liệu sinh học gan như vô hạn có thể tái tạo. Do đó người ta dần chú trọng nhiều hơn vào Việc sử dụng một loại polyme sinh học như vậy trong việc phát triển các sản phẩm tổng hợp thân thiện với môi trường và tương thích sinh học.2 Các tính chất cơ bản của cellulose Cellulose thể hiện các tính chất cơ học, vật lý và hóa học tốt, chẳng hạn như độ ổn định cao trong điều kiện axit, độ bền kéo cao, mô đun đàn hỏi tốt (130-150 GPa), mat độ thấp hoặc trọng lượng nhẹ (mật độ 1,6 g/cm`), khả năng phân hủy sinh học cao, và các nhóm chức hydroxyl linh động của chúng dễ dàng tham gia các phan ứng hỏa học. Do đó, cellulose có các ứng dụng tiên tiến về năng lượng, môi trường và y tế.

Vật liệu dựa trên cellulose bao gồm vật liệu tổng hợp với các chất hữu cơ và vô cơ tiên tiến ứng dụng trong y sinh. Chúng là chất kháng khuẩn và là vật liệu để băng vết thương, kỹ 3 thuật mô và bảo vệ khỏi bức xạ cực tím (UV). Cellulose có thể được xử lý thành các dạng khác nhau, chăng hạn như hydrogel, aerogel, màng và khung ba chiều (3D). Chúng có đặc tính liên kết tốt.

Tính chất hóa học bề mặt của cellulose có thể được thay đôi bằng một số nhóm chức và hợp chất. Các vật liệu dựa trên cellulose thể hiện tiềm năng lớn trong y sinh. Tiềm năng của cellulose và vật liệu tổng hợp của nó với các vật liệu khác có các ưu điểm như: tính tương thích sinh học cao, sản xuất từ các nguồn tái tạo, chỉ phí thấp, độ bên cơ học và vật lý cao, dễ xử lý, và quy trình đơn giản để kết hợp với các vật liệu khác[ 10]. Tính chất vật lý La chat mau trắng, không mùi, không vị.

Cellulose không tan trong nước ngay cả khi đun nóng và các dung môi hữu cơ thông thường. Tan trong một số dung dịch axid vô cơ mạnh như; HCI, HNOs,.một số dung dịch muối: ZnCl;, PbCl;,. Là thành phần chính tạo nền màng tế bào thực vật giúp cho các mô thực vật có độ bền cơ học và tính đàn hồi. Cellulose có nhiều trong bông (95-99%), đay, gai, tre, nứa, gỗ,.

Tính chất hóa học OH OH O HO O HO O 0 OH OH n Hình 1.2: Cấu tạo hóa học của Cellulose. Cellulose là một hợp chất hữu cơ có công thức polysaccharid bao gỏm một chuỗi từ vài trăm đến hàng nghìn đơn vị D-glucose liên kết với nhau bằng liền kết ÿ (14) ((CøH¡oOs)n; n là mức độ trùng hợp; n bằng 5000-14000, tùy thuộc vào nguồn được sử dụng để chiết xuất cellulose) Cellulose là polyme vừa phân cực mạnh vừa kết tỉnh cao, không tan trong nước và chỉ hòa tan trong một số ít dung môi đặc biệt cellulose có khá năng trương nở.