Tổng quan nghiên cứu

Bã mía là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào trên thế giới, với sản lượng hàng năm ước tính lên đến hàng triệu tấn, đặc biệt tại các vùng trồng mía lớn như Việt Nam. Theo báo cáo ngành, năng suất mía bình quân năm 2012 đạt khoảng 63,9 tấn/ha, với tổng diện tích trồng mía toàn quốc khoảng 26,1 triệu ha, sản lượng mía thu hoạch đạt 1,83 tỷ tấn. Bã mía chiếm khoảng 30-33% trọng lượng mía, chứa nhiều thành phần hữu ích như cellulose (32-41%), hemicellulose (27-32%) và lignin (19-24%). Việc tận dụng bã mía để thu hồi nanocellulose không chỉ góp phần nâng cao giá trị phụ phẩm mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường do lượng bã mía thải ra lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều kiện thu nanocellulose từ bã mía bằng phương pháp thủy phân acid sulfuric, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và đặc tính sản phẩm như nồng độ NaOH, thời gian xử lý, nồng độ clo, hydro peroxide trong giai đoạn xử lý sơ bộ, cũng như nồng độ acid sulfuric và nhiệt độ trong giai đoạn thủy phân. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh trong năm 2014-2015, với mục tiêu tối ưu hóa quy trình thu nanocellulose có kích thước nano, độ tinh khiết cao và tính chất vật lý ổn định.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ chế biến phụ phẩm nông nghiệp thành vật liệu giá trị cao, góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp sinh học và vật liệu nano tại Việt Nam. Các chỉ số hiệu suất thu nanocellulose đạt khoảng 38%, kích thước hạt trung bình 0,7 µm đường kính và 1,2 µm chiều dài, mở ra tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như vật liệu composite, y dược và công nghiệp thực phẩm.

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 cellulose và nanocellulose. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết cấu trúc cellulose: Cellulose là polymer tự nhiên phổ biến nhất, cấu tạo từ các mạch β-1,4-glycosidic của D-glucose, có cấu trúc tinh thể và vô định hình xen kẽ. Các liên kết hydro nội và ngoại phân tử tạo nên tính bền vững và độ bền cơ học cao của cellulose. Cấu trúc này được xác định qua các phương pháp như phổ FT-IR, nhiễu xạ tia X (XRD) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).

  • Mô hình thủy phân acid sulfuric để tạo nanocellulose: Phương pháp thủy phân acid sulfuric tập trung phá vỡ vùng vô định hình của cellulose, giữ lại vùng tinh thể để tạo ra nanocellulose có kích thước nano. Các yếu tố như nồng độ acid, nhiệt độ, thời gian phản ứng ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt, độ tinh khiết và tính chất vật lý của nanocellulose.

Các khái niệm chính bao gồm: cellulose, nanocellulose, thủy phân acid, hiệu suất thu, kích thước hạt trung bình, cấu trúc tinh thể, và tính ổn định nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là bã mía thu thập từ các nhà máy đường tại TP. Hồ Chí Minh, được sấy khô và xay nhỏ trước khi xử lý. Quy trình nghiên cứu gồm ba giai đoạn:

  1. Xử lý sơ bộ bã mía: Bã mía được xử lý bằng dung dịch NaOH 10% với tỉ lệ rắn:lỏng 1:25 (g/ml) ở 90°C để loại bỏ hemicellulose và lignin. Tiếp theo, cellulose thu được được tẩy trắng bằng dung dịch javel (NaOCl 3,8 g/l) và hydro peroxide 2% ở 50°C trong 1 giờ.

  2. Thủy phân acid sulfuric: Cellulose sau xử lý sơ bộ được thủy phân bằng acid sulfuric 65% với tỉ lệ rắn:lỏng 1:60 (g/ml) ở 40°C trong 1 giờ, khuấy liên tục. Sau phản ứng, hỗn hợp được rửa sạch, trung hòa bằng natri carbonate và ly tâm để thu huyền phù nanocellulose.

  3. Phân tích và đánh giá sản phẩm: Kích thước hạt được xác định bằng phương pháp tán xạ laser (LDS), cấu trúc hóa học bằng phổ FT-IR, cấu trúc tinh thể bằng XRD, tính ổn định nhiệt bằng TGA, hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM).

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm nhiều lô bã mía và sản phẩm cellulose, nanocellulose được xử lý theo các điều kiện khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 7/2014 đến tháng 6/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến hiệu suất thu cellulose: Khi tăng nồng độ NaOH từ 5% đến 15%, hiệu suất thu cellulose tăng từ khoảng 25% lên 38%, đồng thời lượng lignin còn lại giảm từ 27,6% xuống còn khoảng 12%. Tuy nhiên, nồng độ NaOH vượt quá 15% không làm tăng đáng kể hiệu suất mà còn làm giảm độ trắng của sản phẩm.

  2. Ảnh hưởng thời gian xử lý NaOH: Thời gian xử lý tối ưu là 90 phút, khi đó hiệu suất thu cellulose đạt 38,05%, độ trắng và độ tinh khiết cao nhất. Thời gian xử lý ngắn hơn hoặc dài hơn đều làm giảm hiệu suất hoặc làm biến đổi cấu trúc cellulose.

  3. Điều kiện thủy phân acid sulfuric: Ở nồng độ acid 65%, nhiệt độ 40°C và thời gian 1 giờ, nanocellulose thu được có kích thước trung bình 4,44 nm (theo LDS), hình dạng elip với đường kính 0,7 µm và chiều dài 1,2 µm (theo SEM). Hiệu suất thu nanocellulose đạt khoảng 30%. Nồng độ acid thấp hơn hoặc thời gian thủy phân ngắn hơn làm tăng kích thước hạt, trong khi nồng độ acid cao hơn hoặc thời gian dài hơn làm giảm kích thước nhưng giảm hiệu suất.

  4. Đặc tính vật lý và hóa học của nanocellulose: Phổ FT-IR xác nhận cấu trúc cellulose không bị biến đổi sau thủy phân. XRD cho thấy nanocellulose giữ được cấu trúc tinh thể cellulose-I với các đỉnh đặc trưng ở góc 2θ khoảng 22°. TGA cho thấy nanocellulose có độ ổn định nhiệt thấp hơn cellulose ban đầu do sự hiện diện của nhóm sulfate trên bề mặt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc xử lý sơ bộ bằng NaOH và tẩy trắng bằng javel, hydro peroxide hiệu quả trong việc loại bỏ lignin và hemicellulose, làm tăng độ tinh khiết cellulose thu được. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về xử lý ligno-cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp. Việc kiểm soát nồng độ NaOH và thời gian xử lý là yếu tố then chốt để tối ưu hiệu suất và chất lượng cellulose.

Phương pháp thủy phân acid sulfuric được chứng minh là hiệu quả để tạo nanocellulose có kích thước nano đồng đều, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, sự hiện diện của nhóm sulfate làm giảm độ ổn định nhiệt, điều này cần được cân nhắc khi ứng dụng trong các sản phẩm yêu cầu nhiệt độ cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ NaOH và hiệu suất thu cellulose, biểu đồ kích thước hạt nanocellulose theo điều kiện thủy phân, cùng bảng so sánh các đặc tính vật lý của nguyên liệu, cellulose và nanocellulose.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình xử lý sơ bộ: Khuyến nghị sử dụng dung dịch NaOH 10-15% với thời gian xử lý khoảng 90 phút ở 90°C để đạt hiệu suất thu cellulose cao và độ tinh khiết tốt. Chủ thể thực hiện là các nhà máy chế biến bã mía, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng.

  2. Kiểm soát điều kiện thủy phân acid sulfuric: Áp dụng nồng độ acid 65%, nhiệt độ 40°C, thời gian 1 giờ để thu nanocellulose có kích thước nano đồng đều và hiệu suất tối ưu. Các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp sản xuất vật liệu nano nên áp dụng trong giai đoạn nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm.

  3. Phát triển công nghệ trung hòa và xử lý sau thủy phân: Đề xuất nghiên cứu thêm các phương pháp trung hòa acid và loại bỏ nhóm sulfate để nâng cao độ ổn định nhiệt của nanocellulose, mở rộng ứng dụng trong các ngành công nghiệp yêu cầu nhiệt độ cao. Thời gian nghiên cứu phát triển khoảng 12 tháng.

  4. Ứng dụng nanocellulose trong vật liệu composite và y dược: Khuyến khích các doanh nghiệp vật liệu và dược phẩm nghiên cứu ứng dụng nanocellulose thu được từ bã mía trong sản xuất vật liệu sinh học, bao bì thân thiện môi trường và các sản phẩm y tế. Thời gian triển khai dự kiến 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Hóa học, Vật liệu: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về quy trình thu nanocellulose từ bã mía, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan đến vật liệu sinh học và công nghệ nano.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và nano: Thông tin về điều kiện xử lý và đặc tính nanocellulose hỗ trợ doanh nghiệp tối ưu quy trình sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nguyên liệu.

  3. Ngành công nghiệp mía đường và chế biến nông sản: Giúp các nhà máy tận dụng phụ phẩm bã mía hiệu quả, tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do thải bã mía.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường, nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách khuyến khích phát triển công nghệ sinh học, thúc đẩy sử dụng nguyên liệu tái tạo và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nanocellulose là gì và tại sao nó quan trọng?
    Nanocellulose là dạng cellulose có kích thước nano, có tính chất cơ học cao, nhẹ, thân thiện môi trường và có nhiều ứng dụng trong vật liệu composite, y dược và thực phẩm. Ví dụ, nanocellulose có thể thay thế vật liệu truyền thống như thủy tinh hoặc nhựa trong sản xuất màn hình điện thoại.

  2. Tại sao bã mía được chọn làm nguyên liệu thu nanocellulose?
    Bã mía là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào, chứa hàm lượng cellulose cao (khoảng 32-41%) và có giá thành thấp. Việc sử dụng bã mía giúp tận dụng nguồn nguyên liệu tái tạo, giảm ô nhiễm môi trường do thải bã mía.

  3. Phương pháp thủy phân acid sulfuric có ưu điểm gì?
    Phương pháp này giúp phá vỡ vùng vô định hình của cellulose, thu được nanocellulose có kích thước đồng đều và tinh khiết cao. Ví dụ, với nồng độ acid 65% và thời gian 1 giờ, nanocellulose có kích thước trung bình khoảng 4,44 nm được thu nhận.

  4. Những yếu tố nào ảnh hưởng đến hiệu suất thu nanocellulose?
    Các yếu tố chính gồm nồng độ NaOH và thời gian xử lý trong giai đoạn sơ bộ, nồng độ acid sulfuric, nhiệt độ và thời gian thủy phân. Điều chỉnh các yếu tố này giúp tối ưu hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

  5. Nanocellulose có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Nanocellulose được ứng dụng trong sản xuất vật liệu composite, bao bì sinh học, dược phẩm làm chất kết dính hoặc pha loãng, mỹ phẩm, và công nghiệp thực phẩm như chất ổn định. Ví dụ, nanocellulose giúp tăng cường độ bền cơ học cho vật liệu sinh học và cải thiện tính năng lọc trong y tế.

Kết luận

  • Bã mía là nguồn nguyên liệu giàu cellulose, có tiềm năng lớn để thu nanocellulose với hiệu suất khoảng 38% và hàm lượng cellulose đạt 92%.
  • Xử lý sơ bộ bằng NaOH 10-15% và tẩy trắng bằng javel, hydro peroxide là bước quan trọng để loại bỏ lignin và hemicellulose, nâng cao độ tinh khiết.
  • Thủy phân acid sulfuric 65% ở 40°C trong 1 giờ tạo nanocellulose có kích thước nano đồng đều, hình dạng elip, phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
  • Nanocellulose thu được có cấu trúc tinh thể ổn định, tuy nhiên cần cải tiến để nâng cao độ ổn định nhiệt do nhóm sulfate trên bề mặt.
  • Đề xuất áp dụng quy trình nghiên cứu vào sản xuất thử nghiệm trong 6-12 tháng, đồng thời phát triển các ứng dụng mới trong vật liệu sinh học và y dược.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời nghiên cứu cải tiến công nghệ xử lý để nâng cao chất lượng nanocellulose. Để biết thêm chi tiết và hợp tác nghiên cứu, vui lòng liên hệ với Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.