Luận Văn Thạc Sĩ: Tách Lignin Và Xenlulozơ Từ Rơm Rạ Bằng Phương Pháp Axit Và Kiềm Với Sóng Siêu Âm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ bằng phương pháp axit, kiềm với hỗ trợ sóng siêu âm, ứng dụng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Việt Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Đình Ngọ
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ bằng phương pháp axit và kiềm với hỗ trợ sóng siêu âm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 1. Chương 1: Tổng quan
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Cấu trúc của luận văn
• 1.7. Thành phần của lignoxenlulozơ
• 1.7.1. Xenlulozơ
• 1.7.2. Hemixenlulozơ
• 1.7.3. Lignin
• 2. Chương 2: Thực nghiệm
• 3. Chương 3: Kết quả và thảo luận
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nghiên cứu tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ

Nghiên cứu này tập trung vào việc tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ bằng phương pháp axit và phương pháp kiềm với sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Rơm rạ là nguồn nguyên liệu sinh học dồi dào tại Việt Nam, nhưng việc xử lý chưa hiệu quả gây lãng phí và ô nhiễm môi trường. Lignin và xenlulozơ là các hợp chất cao phân tử có tiềm năng thay thế nguyên liệu hóa thạch. Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa quy trình tách và thu hồi hai hợp chất này, đồng thời xác định các tính chất đặc trưng của chúng.

1.1. Phương pháp axit và kiềm

Phương pháp axit và phương pháp kiềm là hai phương pháp chính được sử dụng để tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ. Phương pháp axit sử dụng axit acetic và HCl, trong khi phương pháp kiềm sử dụng NaOH. Cả hai phương pháp đều được hỗ trợ bởi sóng siêu âm để tăng hiệu suất tách. Sóng siêu âm giúp phá vỡ cấu trúc của rơm rạ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tách.

1.2. Ứng dụng sóng siêu âm

Sóng siêu âm được sử dụng như một công cụ hỗ trợ trong quá trình tách. Nó giúp tăng cường hiệu quả của phương pháp axit và phương pháp kiềm bằng cách tạo ra các vi bọt khí, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa dung dịch và nguyên liệu. Điều này giúp rút ngắn thời gian phản ứng và tăng hiệu suất tách lignin và xenlulozơ.

II. Quy trình tách lignin và xenlulozơ

Quy trình tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ được thực hiện qua các bước cụ thể. Đầu tiên, rơm rạ được xử lý tiền xử lý để loại bỏ tạp chất. Sau đó, quá trình tách được thực hiện bằng phương pháp axit hoặc phương pháp kiềm với sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ dung dịch, và thời gian phản ứng được khảo sát để tìm điều kiện tối ưu.

2.1. Tách lignin bằng phương pháp axit

Tách lignin bằng phương pháp axit sử dụng hỗn hợp axit acetic và HCl. Quá trình này được khảo sát với các tỉ lệ mol khác nhau để đạt hiệu suất tách cao nhất. Kết quả cho thấy, tỉ lệ mol 1:1 giữa CH3COOH và HCl mang lại hiệu suất tách lignin tốt nhất. Thời gian phản ứng và nhiệt độ cũng được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả.

2.2. Tách xenlulozơ bằng phương pháp kiềm

Tách xenlulozơ bằng phương pháp kiềm sử dụng dung dịch NaOH. Quá trình này được hỗ trợ bởi sóng siêu âm để tăng hiệu suất. Nồng độ NaOH, thời gian phản ứng, và nhiệt độ được khảo sát để tìm điều kiện tối ưu. Kết quả cho thấy, nồng độ NaOH 10% và thời gian phản ứng 60 phút mang lại hiệu suất tách xenlulozơ cao nhất.

III. Tính chất đặc trưng của lignin và xenlulozơ

Sau khi tách, lignin và xenlulozơ được phân tích để xác định các tính chất đặc trưng. Lignin được đánh giá qua thành phần nhóm chức, tính chất nhiệt, và phân tử khối. Xenlulozơ được đánh giá qua thành phần nhóm chức, tính chất nhiệt, và đường kính sợi. Các kết quả phân tích cho thấy, lignin và xenlulozơ thu được có chất lượng cao, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp.

3.1. Tính chất của lignin

Lignin thu được có thành phần nhóm chức phong phú, bao gồm nhóm hydroxyl và metoxyl. Phân tích nhiệt cho thấy, lignin bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ 200°C. Phân tử khối của lignin được xác định bằng phương pháp GPC, cho thấy giá trị trung bình khoảng 5000 g/mol.

3.2. Tính chất của xenlulozơ

Xenlulozơ thu được có cấu trúc tinh thể và vô định hình. Phân tích nhiệt cho thấy, xenlulozơ bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ 250°C. Đường kính sợi xenlulozơ được xác định bằng ảnh SEM, cho thấy giá trị trung bình khoảng 10 µm.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc tái chế rơm rạ và sản xuất các sản phẩm thân thiện với môi trường. Lignin và xenlulozơ có thể được sử dụng trong các ngành công nghiệp như sản xuất giấy, vật liệu composite, và nhiên liệu sinh học. Việc tối ưu hóa quy trình tách giúp giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu quả sử dụng nguồn nguyên liệu sinh học.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Lignin và xenlulozơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Lignin có thể được chuyển hóa thành nhiên liệu sinh học hoặc sử dụng làm chất kết dính. Xenlulozơ được sử dụng trong sản xuất giấy, vật liệu composite, và các sản phẩm dệt may.

4.2. Giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Việc tái chế rơm rạ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt bỏ rơm rạ sau thu hoạch. Nghiên cứu này góp phần vào việc phát triển các sản phẩm thân thiện với môi trường, giảm sự phụ thuộc vào nguyên liệu hóa thạch.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Rơm rạ là phế phẩm nông nghiệp có khối lượng rất lớn, đặc biệt ở Việt Nam – quốc gia đứng thứ hai thế giới về sản lượng lúa gạo với 42,8 triệu tấn năm 2017. Theo ước tính, cứ 1 tấn thóc thu hoạch sẽ tạo ra lượng rơm rạ tương đương, dẫn đến nguồn nguyên liệu lignoxenlulozơ dồi dào từ rơm rạ. Tuy nhiên, phần lớn rơm rạ hiện nay bị đốt bỏ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng với lượng phát thải CO2 lên đến hàng triệu tấn mỗi năm, đồng thời làm lãng phí nguồn tài nguyên quý giá. Lignin và xenlulozơ là hai thành phần chính trong rơm rạ, có tiềm năng ứng dụng lớn trong sản xuất vật liệu sinh học thay thế nguyên liệu hóa thạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và phát triển bền vững.

Luận văn tập trung nghiên cứu quy trình tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ bằng phương pháp axit và kiềm, kết hợp với sự hỗ trợ của sóng siêu âm nhằm nâng cao hiệu suất tách chiết. Mục tiêu cụ thể là khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ dung dịch, thời gian phản ứng và thời gian rung siêu âm đến hiệu suất tách lignin và xenlulozơ, đồng thời xác định điều kiện tối ưu cho từng yếu tố. Nghiên cứu được thực hiện trên rơm rạ lúa Khang Dân thu thập tại xã Tiên Kiên, huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ trong năm 2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý phế phẩm nông nghiệp, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo nguồn nguyên liệu tái tạo cho ngành công nghiệp hóa học và vật liệu sinh học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về cấu trúc và tính chất của lignoxenlulozơ, bao gồm:

• Cấu trúc lignin và xenlulozơ: Xenlulozơ là polymer β-D-glucozơ mạch thẳng, có vùng tinh thể và vùng vô định hình, không hòa tan trong nước và axit loãng, chịu nhiệt phân hủy ở 180°C. Lignin là polymer phenylpropanoid dạng vô định hình, chứa nhiều nhóm chức như –OH phenol, metoxy, có cấu trúc mạng lưới phức tạp, đóng vai trò liên kết ngang trong bó sợi xenlulozơ.

• Phương pháp tách chiết lignin và xenlulozơ: Bao gồm phương pháp axit, kiềm và dung môi hữu cơ. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và tính chất sản phẩm thu được. Sóng siêu âm được ứng dụng để tăng cường quá trình tách chiết nhờ kích thích liên kết hydro và tăng khả năng tiếp xúc giữa dung dịch và vật liệu.

• Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách chiết: Nhiệt độ, nồng độ dung dịch, thời gian phản ứng và thời gian rung siêu âm là các biến số quan trọng quyết định hiệu suất tách lignin và xenlulozơ.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Rơm rạ lúa Khang Dân thu thập từ xã Tiên Kiên, huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ. Hóa chất sử dụng gồm NaOH, H2SO4, HCl, CH3COOH, H2O2 và cồn tuyệt đối.

• Phương pháp phân tích: Hình thái rơm rạ và xenlulozơ được khảo sát bằng ảnh SEM; thành phần nguyên tố xác định bằng phổ EDX; nhóm chức lignin và xenlulozơ phân tích qua phổ FT-IR; tính chất nhiệt đánh giá bằng phương pháp TG-DTA.

• Phương pháp tách chiết: Thực hiện tách lignin và xenlulozơ bằng phương pháp axit (CH3COOH/HCl) và kiềm (NaOH) với và không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm tần số 20 kHz, công suất 500W. Các yếu tố như nhiệt độ (70-110°C), nồng độ dung dịch (0,5-3M), thời gian phản ứng (1-3 giờ) và thời gian rung siêu âm (0-35 phút) được khảo sát để xác định điều kiện tối ưu.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu rơm rạ được chuẩn bị đồng nhất, cắt nhỏ kích thước 0,1 cm, cân chính xác 10 g cho mỗi thí nghiệm. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Excel và Chem Office.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019, bao gồm giai đoạn thu thập nguyên liệu, thí nghiệm tách chiết, phân tích đặc tính và xử lý số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần và hình thái rơm rạ: Rơm rạ có thành phần chính gồm 39,2% xenlulozơ, 19,02% lignin, 24,01% hemixenlulozơ và 14,26% tro. Ảnh SEM cho thấy mặt ngoài rơm rạ sần sùi với nhiều hạt nhỏ, mặt trong trơn nhẵn, các bó sợi xenlulozơ song song.

2. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol CH3COOH/HCl trong phương pháp axit: Hiệu suất tách lignin tăng từ dưới 20% khi dùng 100% CH3COOH lên khoảng 50% khi bổ sung 1,5% HCl, do axit cloaxetic có hoạt tính cao hơn. Tuy nhiên, hiệu suất tách lignin bằng phương pháp axit tối đa chỉ đạt khoảng 50% sau 2 giờ phản ứng ở 110°C.

3. Hiệu suất tách lignin và xenlulozơ bằng phương pháp kiềm không có siêu âm: Tại điều kiện tối ưu 80°C, 2M NaOH, 2 giờ, hiệu suất tách lignin đạt 86,8% và xenlulozơ đạt 95,1%. Khi tăng thời gian phản ứng từ 1 lên 2 giờ, khối lượng lignin thu được tăng từ 1,31 g lên 1,65 g trên 10 g rơm rạ, bã xenlulozơ giảm từ 4,84 g xuống 3,71 g, chứng tỏ quá trình tách diễn ra hiệu quả hơn. Tuy nhiên, tăng thời gian lên 3 giờ không làm tăng hiệu suất mà còn giảm nhẹ do phân hủy lignin.

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ NaOH: Nhiệt độ 80°C là tối ưu, tăng từ 70°C đến 80°C làm tăng hiệu suất tách lignin từ 1,24 g lên 1,64 g, nhưng tăng lên 90°C lại giảm nhẹ do phân hủy lignin. Nồng độ NaOH tăng từ 0,5M đến 2M làm tăng hiệu suất tách lignin từ 0,96 g lên 1,64 g, nhưng vượt quá 2M không cải thiện thêm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp kiềm có hiệu suất tách lignin và xenlulozơ cao hơn đáng kể so với phương pháp axit, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về khả năng phân hủy liên kết lignin trong môi trường kiềm. Sự hỗ trợ của sóng siêu âm được chứng minh làm tăng hiệu quả tách chiết nhờ kích thích liên kết hydro và tăng diện tích tiếp xúc, tuy nhiên cần cân nhắc chi phí và kỹ thuật khi ứng dụng quy mô lớn.

Biểu đồ hiệu suất tách lignin và xenlulozơ theo thời gian, nhiệt độ và nồng độ dung dịch NaOH minh họa rõ xu hướng tăng hiệu suất đến điểm tối ưu rồi giảm nhẹ do phân hủy sản phẩm. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất tách lignin đạt trên 85% là mức cao, đồng thời lignin thu được có tính chất nhiệt và phân tử khối ổn định, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp.

Việc xác định điều kiện tối ưu giúp tiết kiệm năng lượng và hóa chất, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm lignin và xenlulozơ, mở ra hướng phát triển vật liệu sinh học thân thiện môi trường từ phế phẩm nông nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp tách kiềm kết hợp sóng siêu âm trong công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng dung dịch NaOH 2M, nhiệt độ 80°C, thời gian 2 giờ và thời gian rung siêu âm khoảng 20 phút để tối ưu hiệu suất tách lignin và xenlulozơ. Chủ thể thực hiện là các nhà máy chế biến nông sản và công ty sản xuất vật liệu sinh học, với lộ trình thử nghiệm quy mô pilot trong 1-2 năm.

2. Phát triển công nghệ thu hồi và tái sử dụng hóa chất: Đề xuất nghiên cứu và ứng dụng hệ thống thu hồi NaOH và cồn trong quy trình để giảm chi phí và ô nhiễm môi trường, đảm bảo tính bền vững cho quy trình sản xuất.

3. Nâng cao chất lượng lignin và xenlulozơ thu được: Khuyến khích nghiên cứu biến tính lignin và xenlulozơ nhằm mở rộng ứng dụng trong sản xuất vật liệu composite, chất kết dính, và phụ gia công nghiệp. Thời gian thực hiện 3-5 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

4. Tuyên truyền và đào tạo kỹ thuật cho nông dân và doanh nghiệp: Tổ chức các khóa đào tạo về thu gom, sơ chế rơm rạ và ứng dụng công nghệ tách chiết lignoxenlulozơ nhằm nâng cao giá trị phế phẩm nông nghiệp, giảm thiểu đốt rơm gây ô nhiễm. Chủ thể là các cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường, triển khai trong 1-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Công nghệ hóa học: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về quy trình tách lignin và xenlulozơ, phương pháp phân tích đặc tính vật liệu, giúp mở rộng kiến thức và phát triển đề tài nghiên cứu mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và hóa chất xanh: Thông tin về điều kiện tối ưu tách chiết lignin và xenlulozơ từ rơm rạ giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, giảm chi phí nguyên liệu và nâng cao hiệu quả sản xuất.

3. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho các chính sách xử lý phế phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm do đốt rơm rạ, đồng thời thúc đẩy phát triển kinh tế tuần hoàn.

4. Nhà đầu tư và phát triển công nghệ xanh: Luận văn minh họa tiềm năng ứng dụng công nghệ tách chiết lignoxenlulozơ, giúp đánh giá hiệu quả đầu tư và phát triển các dự án công nghệ sinh học bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn rơm rạ làm nguyên liệu tách lignin và xenlulozơ?
   Rơm rạ là phế phẩm nông nghiệp dồi dào, chứa hàm lượng lignin và xenlulozơ tương đối cao (lần lượt 19,02% và 39,2%), dễ thu gom và có tiềm năng ứng dụng lớn trong sản xuất vật liệu sinh học, giúp giảm ô nhiễm môi trường do đốt rơm.

2. Phương pháp tách kiềm có ưu điểm gì so với phương pháp axit?
   Phương pháp kiềm cho hiệu suất tách lignin cao hơn (khoảng 86,8% so với 50% của axit), đồng thời giữ nguyên tính chất của xenlulozơ tốt hơn, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp với chi phí và hiệu quả cân đối.

3. Sóng siêu âm hỗ trợ quá trình tách chiết như thế nào?
   Sóng siêu âm kích thích liên kết hydro trong cấu trúc lignoxenlulozơ, tăng diện tích tiếp xúc giữa dung dịch và vật liệu, giúp phá vỡ liên kết lignin-xenlulozơ hiệu quả hơn, nâng cao hiệu suất tách chiết và giảm thời gian phản ứng.

4. Điều kiện tối ưu để tách lignin và xenlulozơ là gì?
   Nghiên cứu xác định điều kiện tối ưu là nhiệt độ 80°C, dung dịch NaOH 2M, thời gian phản ứng 2 giờ và thời gian rung siêu âm khoảng 20 phút, giúp đạt hiệu suất tách lignin 86,8% và xenlulozơ 95,1%.

5. Lignin và xenlulozơ thu được có thể ứng dụng vào lĩnh vực nào?
   Lignin có thể dùng làm chất kết dính, phụ gia bê tông, chất hoạt động bề mặt, nguyên liệu tổng hợp hóa học; xenlulozơ dùng trong sản xuất giấy, vật liệu composite, và các sản phẩm sinh học phân hủy sinh học, góp phần phát triển công nghiệp xanh.

Kết luận

• Rơm rạ là nguồn nguyên liệu lignoxenlulozơ dồi dào, có tiềm năng lớn trong sản xuất vật liệu sinh học thân thiện môi trường.
• Phương pháp tách kiềm kết hợp sóng siêu âm đạt hiệu suất tách lignin và xenlulozơ cao, tối ưu ở 80°C, 2M NaOH, 2 giờ phản ứng và 20 phút siêu âm.
• Lignin và xenlulozơ thu được có tính chất ổn định, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp đa dạng.
• Nghiên cứu góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do đốt rơm rạ, đồng thời tạo giá trị kinh tế từ phế phẩm nông nghiệp.
• Khuyến nghị triển khai ứng dụng công nghệ trong sản xuất quy mô công nghiệp và phát triển các sản phẩm biến tính lignin, xenlulozơ trong tương lai gần.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp công nghệ xanh từ rơm rạ để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, danh mục công trình đã công bố có liên quan đến luận văn và phụ lục. Thành phần của lignoxenlulozơ 1. Xenlulozơ Xenlulozơ là hợp chất cao phân tử có nguồn gốc thiên nhiên, được hình thành từ các mắt xích β – D – glucozơ liên kết với nhau theo dạng mạch thẳng không Luận văn Khoa học Nghiên cứu phân nhánh (hình 1. Cấu trúc xenlulozơ Xenlulozơ có thể được biểu diễn bằng công thức cấu tạo là (C6H10O5)n hoặc [C6H7O2(OH)3]n trong đó giá trị của n nằm trong khoảng 5000 – 14000 tuỳ thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây.

Hàm lượng xenlulozơ trong từng loại vật liệu lignoxenlulozơ cũng có sự khác biệt lớn. Xenlulozơ chiếm 41 - 49% thể tích trong gỗ lá kim, 43 - 52% trong gỗ lá rộng [4]. Xenlulozơ ở điều kiện thường là chất rắn màu trắng, không mùi, không vị. Xenlulozơ có tính hút ẩm, xơ xenlulozơ khô tuyệt đối có thể hấp thụ 8 - 14% nước theo khối lượng (ở 20°C, độ ẩm 60%) [9].

Xenlulozơ không bị hòa tan trong nước, khi tương tác với nước, xenlulozơ hấp thụ một phần và bị trương nở. Bó sợi xenlulozơ chủ yếu trương nở theo chiều ngang, ít trương nở theo chiều dọc. Còn đối với bột gỗ hoặc các vật liệu lignoxenlulozơ khác, khả năng trương nở còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như loại vật liệu, thành phần lignin và hemixenlulozơ… Xenlulozơ cũng không hòa tan trong dung dịch axit loãng ở 4 nhiệt độ thấp. Khả năng hòa tan của xenlulozơ liên quan chặt chẽ đến mức độ phân hủy của sinh khối sau quá trình xử lý.

Nếu như cung cấp đủ năng lượng để phá vỡ các liên kết hiđro tham gia vào cấu trúc tinh thể, xenlulozơ dễ bị hòa tan hơn. Xenlulozơ có thể hòa tan trong axit đặc như H2SO4 72%, H3PO4 85%. Tuy nhiên cấu trúc của các bó sợi xenlulozơ bị phá huỷ nghiêm trọng do xảy ra phản ứng thuỷ phân xenlulozơ thành các saccarit mạch ngắn hơn. Dung dịch NaOH 16 – 18% cũng có thể hoà tan được xenlulozơ mạch ngắn tuy nhiên khi có sự có mặt Luận văn Khoa học Nghiên cứu của oxi, xenlulozơ bị oxi hoá đứt mạch.

Dung môi hoà tan xenlulozơ thường dùng là các hệ dung môi phức của đồng hoặc cađimi như hiđroxit (cuen) cuprietylen điamin hoặc cađoxen. Ngoài ra, các dung dịch muối đậm đặc như muối kẽm clorua, có khả năng hòa tan xenlulozơ có phân tử nhỏ. Xenlulozơ không nóng chảy mà bắt đầu bị phân hủy ở nhiệt độ 180oC. Xenlulozơ được cấu tạo từ các mắt xích là glucozơ giống như tinh bột và glicogen nhưng có cấu tạo phức tạp hơn.

Xenlulozơ là saccarit không phân nhánh, trong đó các gốc β – glucozơ kết hợp với nhau qua liên kết β – 1→ 4 – glicozit. Các mạch xenlulozơ được liên kết với nhau nhờ liên kết hiđro và liên kết Van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là vùng tinh thể và vùng vô định hình (hình 1. Hai vùng cấu trúc chính của xenlulozơ Trong vùng tinh thể, các phân tử xenlulozơ liên kết chặt chẽ với nhau nên vùng này khó bị hoà tan và khó xảy ra phản ứng. Ngược lại, trong vùng vô định hình, 5 xenlulozơ liên kết không chặt với nhau nên dễ bị hoà tan và dễ bị các tác nhân tấn công và xảy ra phản ứng hơn.

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường là một vấn đề nóng của toàn thế giới, là thách thức của nhiều quốc gia. Ngoài ra, các nguồn nguyên, nhiên liệu hoá thạch dần cạn kiệt cùng với những tác hại to lớn của rác thải nhựa đặt ra yêu cầu về một loại vật liệu mới khắc phục được nhược điểm của các loại vật liệu truyền thống Luận văn Khoa học Nghiên cứu mà lại không gây ô nhiễm môi trường, có thể phân huỷ sinh học và giá thành sản xuất hợp lý. Nhiều loại vật liệu có nguồn gốc thiên nhiên thoả mãn được yêu cầu trên trong đó có xenlulozơ. Xenlulozơ là polime thiên nhiên đã được sử dụng từ cách đây rất lâu trong việc sản xuất giấy.

Các sản phẩm sản xuất từ xenlulozơ như xenlulozơ nitrat, xenlulozơ axetat… đều được sửa dụng rất rộng rãi. Hiện nay có khá nhiều nghiên cứu về ứng dụng của xenlulozơ như làm vật liệu cốt trong vật liệu compozit, giấy…, nhưng ứng dụng của xenlulozơ tách chiết từ vật liệu sinh khối, đặc biệt là rơm rạ chưa được công bố nhiều. Có thể khẳng định xenlulozơ từ rác thải sinh khối như rơm rạ là nguồn nguyên liệu quý cùng với gỗ đóng góp một phần không nhỏ trong vấn đề giải quyết ô nhiễm môi trường, giảm cạn kiệt tài nguyên.2 Hemixenlulozơ Hemixenlulozơ là một loại hợp chất cao phân tử thiên nhiên. Khác với xenlulozơ, hemixenlulozơ có cấu tạo mạch phân nhánh, số mắt xích saccarit liên kết từ 70 đến 200.

Hemixenlulozơ có thành phần saccarit đa đạng như đường hexozơ gồm glucozơ, mannozơ, galactozơ và đường pentozơ gồm xylozơ, arabinozơ. Cấu trúc của hemixenlulozơ đa dạng và phức tạp tùy vào vật liệu lignoxenlulozơ, tuy nhiên chúng có một vài điểm chung gồm [3]  Mạch chính của hemixenlulozơ được cấu tạo từ các mắt xích β – D – xylopyranozơ liên kết với nhau bằng liên kết β - (1,4).  Nhóm thế phổ biến nhất của hemixenlulozơ là nhóm axetyl ở vị trí cacbon số 2 hoặc 3. 6  Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đisaccarit hoặc trisaccarit.

Các nhóm này có vai trò liên kết hemixenlulozơ với xenlulozơ, lignin và các cấu tử khác. Mặt khác, các mạch nhánh đều rất ngắn so với mạch chính nên hemixenlulozơ tồn tại ở dạng chất rắn vô định hình và cũng dễ bị thuỷ phân hơn xenlulozơ ở dạng tinh thể. Gỗ cứng, gỗ mềm và nguyên liệu phi gỗ có các đặc điểm hemixenlulozơ khác Luận văn Khoa học Nghiên cứu nhau. Gỗ cứng chủ yếu có hai loại hemixenlulozơ - Axetyl – 4 – O – metylglucuronoxylan (hình 1.3), là một loại polime có mạch chính gồm β – D – xylopyranozơ liên kết với nhau bằng liên kết β – D (1,4) trong đó 70% các nhóm OH ở vị trí C2 và C3 bị axetyl hóa, 10% các nhóm ở vị trí C2 liên kết với axit 4 – O – metyl – D – glucuronic.

Gỗ cứng còn chứa glucomannan (hình 1.4), polime này chứa một tỉ lệ bằng nhau β – D – glucopyranozơ và β – D – mannopyranozơ.3: Axetyl – 4 – O – metylglucuronoxylan Hình 1.4: Glucomannan  Loại thứ hai có mạch chính là β – D – galactopyranozơ, phân nhánh. Loại hemixenlulozơ này tạo liên kết glicozit tại nhóm OH ở vị trí C6 với α – L – arabinozơ, β – D – galactozơ hoặc axit β – D – glucoronic. 7 Gỗ mềm cũng bao gồm hai loại hemixenlulozơ chính  Galactoglucomannan (hình 1.5) là loại quan trọng nhất, đây là polime cấu thành từ các phân tử D – mannopiranozơ liên kết với D – glucopiranozơ bằng liên kết β - (l,4) với tỉ lệ hai monome tương ứng là 3:1 tuy nhiên tỉ lệ này thay đổi tùy theo loại vật liệu. Luận văn Khoa học Nghiên cứu Hình 1.5: Galactoglucomannan  Arabino – 4 – O – metylglucuronoxylan, cấu tạo từ các D – xylopyranozơ, các monome này bị thế ở vị trí 2 bằng axit 4 – O - metyl-glucuronic, ở vị trí 3 bằng (α – L – arabinofuranozơ.

Đối với cỏ, 20 - 40% hemixenlulozơ là arabinoxylan. Polisaccarit này cấu tạo từ các D-xylopyranozơ, OH ở C2 bị thế bởi axit 4 – O – metylglucuronic. OH ở vị trí C3 sẽ tạo mạch nhánh với α-L-arabinofuranozơ.6: Arabinoglucuronoxylan Cấu tạo phức tạp của hemixenlulozơ tạo nên nhiều tính chất hóa sinh và lý sinh cho cây. Lignin Luận văn Khoa học Nghiên cứu Hình 1.7: Cấu trúc của lignin Lignin (hình 1.7) là hợp chất cao phân tử dạng vô định hình được hình thành chủ yếu từ các dẫn xuất phenylpropanoit có nguồn gốc thiên nhiên [10].

Lignin là nguồn nguyên liệu hiđrocacbon thơm tiềm năng trong tương lai khi các nguồn nguyên liệu hoá thạch trong tương lai đang dần cạn kiệt. Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở nhưng cấu trúc lignin hoàn toàn không đồng nhất trong các loại vật liệu lignoxenlulozơ khác nhau. Cho đến nay công thức của lignin vẫn chưa được xác định rõ ràng và chính xác. Mặc dù lignin ở các vật liệu lignoxenlulozơ 9 khác nhau nhưng người ta đã kết luận rằng trong phân tử lignin có chứa các nhóm (-OH), nhóm metoxyl (-OCH3) và nhân benzen.

Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu trúc của nó trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và cỏ, lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringly lignin. Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Nghiên cứu chỉ ra rằng guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của xơ sợi và vì vậy loại nguyên liệu đó sẽ khó bị tấn công Luận văn Khoa học Nghiên cứu bởi enzym hơn syringyl lignin.

Cấu trúc lignin được cấu thành thông qua trùng hợp một số loại phenylpropanoit, tạo ra phân tử lớn có cấu trúc mạng lưới. Nguyên nhân khó có thể làm rõ công thức của lignin là trong quá trình tách chiết, một phần cấu trúc bị biến tính nên khó thu được lignin ở trạng thái nguyên vẹn. Tuy nhiên, người ta đã đưa ra công thức chung của lignin như hình 1. Các đơn vị cơ bản cấu thành lignin như ở hình 1.8: Các đơn vị cơ bản của lignin Tính chất của lignin được quyết định bởi các nhóm chức hữu cơ bao gồm nhóm –OH phenol –OH ancol, metoxy, benzylic hiđroxyl, ete của benzylic với các ancol mạch thẳng và nhóm cacbonyl (hình 1.

Do có chứa nhiều loại nhóm chức khác nhau nên lignin tạo liên kết hóa học với hemixenlulzơ và ngay cả với xenlulozơ (nhưng không nhiều), đóng vai trò liên kết ngang trong các bó sợi xenlulozơ [16]. Các liên kết này có độ bền phụ thuộc vào bản chất liên kết, cấu trúc hóa học của lignin và các gốc saccarit tham gia liên kết. Cacbon anpha (C α) trong các phenylpropanoit là nơi có khả năng tạo liên kết cao nhất với khối hemixenlulozơ, có thể do hiệu ứng liên hợp của vòng benzen lên vị trí cacbon này. Các saccarit nằm ở mạch nhánh như arabinozơ, galactozơ, và axit 4 – O – metylglucuronic là các nhóm thường liên kết với lignin.

Các liên kết có thể là ete, este (liên kết với 10 xylan qua axit 4 – O – metyl – D – glucuronic), hay glicozit (phản ứng giữa nhóm khử của hemixenlulozơ và nhóm OH phenolic của lignin). Do lignin đóng vai trò liên kết ngang trong thành tế bào thực vật nên việc tách ra hoàn toàn và giữ nguyên được cấu trúc lignin là vấn đề không dễ. Luận văn Khoa học Nghiên cứu Hình 1.