CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1. Tổng quan về màng polymer phân hủy sinh học 1. Tình hình nghiên cứu về màng polymer phân hủy sinh học Trong những thập kỷ qua, việc sử dụng rộng rãi các polymer có nguồn gốc từ dầu có các đặc tính cơ học, nhiệt và rào cản tốt cũng như chi phí thấp đã dẫn đến những vấn đề đáng kể về sản xuất và tích tụ chất thải. Mối lo ngại ngày càng tăng về việc giảm chất thải từ bao bì nhựa đã khuyến khích cả giới học thuật và ngành công nghiệp tham gia vào nghiên cứu tập trung vào các polymer đến từ tài nguyên thiên nhiên, có thể phân hủy sinh học hoặc có thể phân hủy.
Polymer dựa trên sinh học là những polymer thu được từ tài nguyên thiên nhiên, trong khi polymer phân hủy sinh học là những polymer có thể phân hủy thành nước và carbon dioxide trong điều kiện môi trường bình thường thông qua hoạt động của vi sinh vật, cung cấp phân trộn như một lựa chọn xử lý đơn giản và bền vững, và tất cả những thứ này có thể được coi là nhựa sinh học. Ví dụ, trong trường hợp bao bì thực phẩm, polymer kết hợp các nguồn tái tạo và tính chất phân hủy sinh học được ưu tiên [1]. Tính chất của màng polymer phân hủy sinh học Màng polymer phân hủy sinh học có những ưu điểm tuyệt vời dựa trên các polymer phân hủy sinh học, cụ thể như: Hấp thụ nước thấp, phát thải khí nhà kính thấp, sử dụng ít tài nguyên dầu mỏ, độc tính thấp. Chúng cũng có khả năng phân hủy hoàn toàn trong đất thông qua hoạt động của vi sinh vật (kỵ khí) hoặc bằng quá trình ủ phân (hiếu khí) và chúng cung cấp một giải pháp thay thế khả thi cho các polymer không phân hủy sinh học truyền thống trong đó việc tái chế được thực hiện không thực tế hoặc không có tính kinh tế [2].
Các polymer cho màng nhựa phân hủy sinh học Các polymer phân hủy sinh học thường được chia thành 2 nhóm chính là tự nhiên và tổng hợp dựa trên nguồn gốc của chúng. Polymer có nguồn gốc tự nhiên Phần lớn các polymer có nguồn gốc tự nhiên được sử dụng để chế tạo màng là carbohydrate/polysaccharide và các dẫn xuất của chúng, có thể kể đến như: Cellulose và các dẫn xuất của nó; Chitin và Chitosan; Carrageenan và Alginate [3]. 4 Cellulose là một trong những polysaccharide phổ biến nhất có trong các nguồn tự nhiên như cây cối và thực vật. Các đơn vị monome saccharide trong cellulose (xem Hình 1.1A) các đại phân tử được sắp xếp chủ yếu theo cách tuyến tính, dẫn đến cấu trúc sợi và tính chất cơ học cao của nó.
Polymer này được sử dụng làm vật liệu chế tạo màng ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như tách dầu-nước, cải thiện khả năng chống bám bẩn, hấp phụ kim loại nặng. Chitosan là loại biopolymer phổ biến thứ hai (sau cellulose) trong tự nhiên có thể tìm thấy trong côn trùng, vỏ, động vật thân mềm, tôm, cua, nấm. Nó cũng có thể được lấy từ chitin (bộ xương ngoài của nhiều sinh vật sống, đặc biệt là côn trùng) bằng cách khử acetyl (xem Hình 1. Các ví dụ về ứng dụng màng chitin và chitosan là màng trao đổi ion, xử lý nước thải, tách dầu-nước, loại bỏ thuốc nhuộm…[4].
Carrageenan là một polysaccharide tự nhiên có chứa nhóm sulfat. Polyme này có thể được chiết xuất từ tảo đỏ, đặc biệt là từ Rhodophyceae. Cấu trúc của carrageenan được thể hiện trên Hình 1. Một ví dụ ứng dụng của carrageenan là màng siêu kỵ dầu để loại bỏ thuốc nhuộm và kim loại nặng [5].
Các Polysaccharides và Biopolymers khác: + Tinh bột là một ví dụ khác về polysaccharide. Đây là một trong những loại biopolymer dồi dào nhất trong tự nhiên và có thể được tìm thấy trong các sản phẩm phổ biến như khoai tây, ngô và gạo. Do cấu trúc phân nhánh, dẫn đến tính chất cơ học kém, tinh bột khó có thể được sử dụng làm vật liệu chính sản xuất màng xử lý nước thải [6]. + Sodium Alginate (SA) là một polysaccharide tuyến tính anion hòa tan trong nước tự nhiên bao gồm axit α-L-guluronic và axit β-D-mannuronic (xem Hình 1.1D), thường thu được từ rong biển nâu (Phaeophyceae).
Các màng chứa Alginate được báo cáo là được sử dụng để nhuộm và loại bỏ kim loại nặng [7]. + Fibroin tơ tằm là một loại polymer sinh học tự nhiên khác, được chiết xuất từ kén côn trùng khi xử lý chúng bằng dung dịch kiềm nóng. Protein này được thêm vào màng để cải thiện khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng của chúng [8].1 Cấu trúc hóa học của (A) Cellulose và các dẫn xuất của nó; (B) Chitin và Chitosan; (C) Carrageenan; (D) Sodium Alginate [3] 1. Polymer có nguồn gốc tổng hợp Polymer tổng hợp từ các nguồn tái tạo: Gồm Axit Polylactic, Polybutylene Succinate.
+ Axit Polylactic là một loại polyester nhiệt dẻo được sản xuất bằng cách trùng ngưng axit lactic hoặc trùng hợp mở vòng của diester-lactide vòng. Axit Polylactic được sản xuất từ nguồn sinh học tái tạo, chẳng hạn như mía hoặc tinh bột bằng quá trình lên men 6 hiếu khí. Đây là một trong những loại polymer phân hủy sinh học được nghiên cứu và sản xuất hàng loạt [3]. + Polybutylene Succinate là một ví dụ khác (giống như Axit polylactic) về polyester phân hủy sinh học được sản xuất bằng cách trùng ngưng axit succinic và 1,4-butanediol.
Polymer này được báo cáo là được sử dụng để chế tạo màng cho quá trình thẩm thấu hơi và các ứng dụng khác [3]. Polymer hóa dầu: Gồm Polypropylen Fumarate; Polyethylene Glycol; Polyvinyl Alcohol, Polyurethane. + Polypropylen Fumarate là một polyester aliphatic, chứa một liên kết đôi trong chuỗi chính [9]. Polymer này có thể được sản xuất bằng tổng hợp nhiều bước.
Do sự hiện diện của các liên kết đôi, polymer này có thể được liên kết chéo bằng nhiều phương pháp khác nhau, dẫn đến các tính chất cơ học rộng rãi của các cấu trúc kết quả. Mặc dù vậy, các tính chất cơ học vẫn còn thấp và hạn chế việc sử dụng polymer này cho màng và các ứng dụng khác [3]. + Polyethylene Glycol là một polyether tổng hợp có thể được sản xuất theo nhiều cách khác nhau: Từ ethylene oxide, ethylene glycol hoặc oligomer ethylene glycol. Polyethylene Glycol được biết đến rộng rãi là có độ nhạy với sự phân hủy oxy hóa.
Do đó, vật liệu này rất quan trọng đối với sự phân hủy sinh học oxy hóa bởi các vi sinh vật khác nhau [10]. + Polyvinyl Alcohol chủ yếu được sản xuất bằng cách thủy phân polyvinyl acetate. Phản ứng thủy phân thường được tiến hành khi có mặt ethanol nhưng có thể dễ dàng thực hiện mà không cần ethanol. Polyvinyl Alcohol đã được báo cáo là có thể sử dụng để chế tạo màng cho các ứng dụng băng vết thương.
Ngoài ra, nó có thể phân huỷ sinh học khi có sự hiện diện của các vi sinh vật khác nhau trong quá trình trao đổi chất hai bước, bao gồm oxy hóa và thủy phân [11]. + Polyurethane là một trong những loại polymer được sản xuất nhiều nhất trên thế giới. Polyurethane tuyến tính về cơ bản được sản xuất trong phản ứng trùng ngưng giữa diisocyanate và diol với khả năng tạo ra urê polyurethane khi chất kéo dài chuỗi diamine được sử dụng ở bước tổng hợp thứ hai. Các ứng dụng bao gồm màng phun, sửa chữa mô và nhiều ứng dụng y sinh khác [3].
Ứng dụng của màng polymer phân hủy sinh học 1. Xử lí chất thải Công nghệ màng đã được sử dụng rộng rãi để lọc nước, xử lý nước thải và khử muối trong nước biển do hiệu suất phân tách vượt trội, dễ vận hành và tiêu thụ năng lượng hợp lý. Màng phân hủy sinh học là ứng cử viên sáng giá để xử lý nước thải nhờ tính ổn định tuyệt vời, độ bền cao, hiệu quả năng lượng, độ thấm cao và tính chọn lọc. Tùy thuộc vào ngành công nghiệp thải ra nước thải và loại ô nhiễm, các loại màng khác nhau có thể được sử dụng trong quá trình lọc.
Ví dụ, trong quá trình hấp thụ dầu (tách dầu/nước), các màng có đặc tính siêu thấm dầu/siêu kỵ nước dưới nước được ưa chuộng hơn. Màng composite chứa các vật liệu ưa nước như Polyvinyl Alcohol, Chitosan. đã được sử dụng rộng rãi để loại bỏ thuốc nhuộm khỏi nước thải công nghiệp [3]. Tách khí Xem xét ảnh hưởng của cấu trúc polymer, thể tích tự do, mật độ đóng gói và độ linh động của chuỗi cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả phân tách.
Để giải quyết thách thức này, các chất độn có khả năng phân hủy sinh học với độ chọn lọc mong muốn sẽ được đưa vào màng polymer (màng nền hỗn hợp) để sửa đổi cấu trúc polymer và cải thiện tính thấm khí thậm chí độ ổn định cơ học và nhiệt của màng [3]. Sự bay hơi Màng phân hủy sinh học ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống bay hơi để cải thiện tính bền vững của quy trình. Tuy nhiên, hiệu quả và hiệu suất của quá trình này phụ thuộc nhiều vào tính chọn lọc của màng và khả năng tách các thành phần cụ thể khỏi hỗn hợp chất lỏng. Các màng có đặc tính phân cực và các nhóm thơm như Chitosan, Polyvinyl Alcohol, Agarose, Alginate thuận lợi cho quá trình khử nước hữu cơ do đặc tính ưa nước và độ chọn lọc nước cao.
Ngược lại, màng kỵ nước như poly-dimethyl siloxane polyurethane urê phù hợp hơn để loại bỏ các thành phần không phân cực khỏi dung dịch loãng [3]. Ứng dụng y sinh Các màng lấy cảm hứng từ sinh học và phân hủy sinh học đang ngày càng thu hút được sự chú ý vì các ứng dụng tiềm năng của chúng trong các lĩnh vực y sinh, bao gồm kỹ thuật mô (cấy ghép nha khoa, tái tạo xương, da nhân tạo, gan, dây thần kinh.), phân phối thuốc và chạy thận nhân tạo/lọc máu do độc tính thấp, tính dẫn xương, tính chất 8 kháng khuẩn, tính chất vật lý/cơ học, khả năng định dạng, tính linh hoạt với nhiều chức năng và khả năng khử trùng [3]. Bao bì thực phẩm Đặc tính chống nước và hơi nước là yếu tố chính cho màng/màng được sử dụng trong các ứng dụng đóng gói thực phẩm. Việc kết hợp nanocellulose vào màng polymer có thể cải thiện tính năng ngăn nước của màng phân hủy sinh học bằng cách tạo ra mạng lưới tinh thể nano ngăn chặn sự nở và hấp thụ nước [3].
Pin nhiên liệu Trong pin nhiên liệu, màng có thể được sử dụng làm chất điện giải, được gọi là màng trao đổi proton. Loại màng phổ biến nhất được sử dụng trong là Nafion, loại màng này có chi phí sản xuất cao, tác động đến môi trường, khả năng trao đổi chéo nhiên liệu cao (rò rỉ metanol hoặc hydro) và độ dẫn ion thấp trong màng điện phân pin nhiên liệu.