MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Nền kinh tế phát triển và bùng nổ dân số toàn cầu đã phát sinh rất nhiều hệ lụy liên quan như tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng trầm trọng. Ô nhiễm xuất hiện ở nhiều nơi cả trong môi trường đất, nước lẫn không khí. Một trong những hình thức phổ biến và đễ nhận thấy nhất đó là ô nhiễm nước. Ô nhiễm nước được gây ra bởi rất nhiều nguyên nhân khác nhau như các ion vô cơ hòa tan (SOs ? , Cl , PO¿ >), các muối nitơ (NH¿', NO; , NQ;), các kim loại nặng (Hg, Pb, As, Cr), các vi sinh vật.chính những chất này gây nguy hại không nhỏ đến người và động vật.
Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực đứng thứ hai sau lúa, sinh khối lignocellulose để dang tìm thấy mọi nơi và nguồn phụ phẩm nông nghiệp lớn mạnh của nước ta. Trong đó, việc đốt bỏ phế phâm nông nghiệp sau mỗi vụ thu hoạch cũng đã góp phan 6 nhiễm môi trường. Dé giải quyết van dé đó và tận dụng tối đa lượng phế phẩm nông nghiệp, các nhà khoa học đã tận dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp lõi ngô để thu được nanocellulose ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y học, vật lý, hoa học,. Nanocellulose là một thuật ngữ dùng dé chỉ cenlullose có cấu trúc nano, có nhiều dạng như tinh thé nanocellulose(CNC), sợi nanocellulose(CNF), hay cellulose vi khuẩn (BNC) do vi khuẩn tạo ra.
Đường kính của nó nằm trong khoảng từ 5 đến 20nm va chiều dài khoảng 10nm đến vài micromet. Các đặc tính của nanocellulose như nhẹ, cứng hơn Kevlar, dẫn điện, không độc hại, có kha năng tương thích sinh học, không thấm nước, độ bền kéo cao gấp 8 lần thép, .v Điều nay làm cho nanocellulose trở thành loại vật liệu được kì vọng trong tương lai, thúc đây sự nghiên cứu và phát triển công nghệ nanocellulose trên thế giới và ở Việt Nam. Nanocellulose được chiết xuất từ bất kì sinh khối nào như cây cỏ dại, cây bụi và chất thải nông nghiệp. Ở Việt Nam, những phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trau, vỏ dita, bã đậu nành, lỗi ngô.
rất lớn vì vậy đây là nguồn liệu san có và rẻ tiền để điều chế nanocellulose. Là một nước có nền nông nghiệp phát triển , có diện tích lớn đất nông nghiệp được sử dụng cho trồng bắp ( ngô ) dé phục vụ sản xuất, chăn nuôi. Theo ước tính cứ 100kg ngô thì có tới 13-15kg lõi ngô, hầu hết chúng được dùng trong chăn nuôi gia súc và 1 số được đem đi đốt gây 1 ô nhiễm môi trường. Vì vậy việc ứng dụng lõi ngô để sản xuất nanocellulose không chỉ giúp sử dụng triệt dé chúng mà còn giúp bảo vệ môi trường.
Việc nguyên cứu quy trình sản xuất sợi cellulose từ lõi ngô nhằm tìm ra được phương pháp sản xuất phù hợp, điều kiện phản ứng tối ưu với thực tiễn nhằm mục đích sản xuất được sợi nanocellulose có giá thành thấp, chất lượng cao, năng suất cao đáp ứng nhu cầu sử dụng và nhu cầu kinh tế. Chính vì những lí do trên nên em đã chọn đề tài nghiên cứu : “Nghiên cứu trích xuất nanocellulose từ phế phâm nông nghiệp lõi ngô - định hướng trong xử lý nước thải”.2 Mục tiêu nghiên cứu Trích xuất thành công vật liệu nanocellulose từ lõi ngô. Ung dụng vật liệu nanocellulose làm chất hap phụ giúp loại bỏ ion kim loại nặng trong nước. Phương pháp nghiên cứu 1.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Thu thập, tổng hợp nghiên cứu, phân tích các tài liệu sách báo trong và ngoài nước liên quan đến đè tài Tổng hợp lý thuyết các dit liệu liên quan đến đề tài và đưa ra các van đề cần thực hiện trong quá trình thực nghiệm.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Thu gom và xử lý làm sạch mẫu lõi ngô Trích xuất nanocellulose từ lõi ngô bằng phương pháp nitro — oxidation.
Đánh giá khả năng hap phụ ion kim loại nặng của nanocellulose. Nghiên cứu các đặc tính về hình thái bề mặt, độ bền nhiệt, độ kết tinh và cấu trúc hóa học của nanocellulose tạo thành bằng : SEM, TGA, XRD, FTIR. Chương 2 : TÔNG QUAN 2.1 Dư lượng cây trồng Ngày nay, cùng với sự phát triển của công nghiệp, nhu cầu tiêu dùng năng lượng tăng lên chóng mặt, trong khi đó, nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Sử dụng nhiên liệu hóa thạch còn gây ra các vấn đề về môi trường gồm ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước và đất.
Việc chuyên đổi sang sử dụng các loại nhiên liệu xanh như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh khối là xu thé tat yếu. Việt Nam là một nước nông nghiệp có hệ thực vật rất đa dạng, vì vậy, nước ta được đánh giá là có tiềm năng lớn về năng lượng sinh khối. Năng lượng sinh khối có thể hiểu đơn giản là nguồn năng lượng có nguồn gốc từ vật “sống”, bao gồm phế phẩm nông - lâm nghiệp (rơm rạ, thân/lõi ngô, bã mía, mùn cưa, vỏ cây, lá khô, vụn cây.) và chất thai từ động vật. Tổng lượng tàn dư có nguồn gốc từ thực vật là 120 triệu tan, 70 triệu tan phân động vật và 12 triệu tan rác thải sinh hoạt.
Trong đó, chỉ có khoảng 11% lượng sinh khối thực vật được sử dụng, còn lại bị đốt và thải bỏ tương đương với 44,8 triệu tan dầu DO trị giá 34,7 tỷ USD. Hang năm, cứ đến vụ thu hoạch lúa, khói bụi từ việc đốt rơm rạ ngoài đồng tràn ngập khắp các địa điểm từ thành thị đến nông thôn, gây ô nhiễm không khí, cản trở giao thông do ảnh hưởng tầm nhìn, lãng phí tài nguyên. Ngoài ra, đốt các loại cây trồng khác như thân cây lạc, thân lõi ngô ngoài đồng cũng gây ra ô nhiễm cục bộ.1 Tổng quan về cây ngô Ngô là cây nông nghiệp một lá mầm thuộc chi Zea, họ hòa thao. Các bộ phận của cây ngô bao gồm: rễ, thân, lá, hoa và hạt.
Ngô là cây lương thực quan trọng trên toàn thế giới bên cạnh lúa mì và lúa gạo. Giai đoạn 1995- 1997 sản lượng ngô làm lương thực chiếm 17%, nguyên liệu cho công nghiệp 5%, xuất khẩu >10% [1]. Ở các nước thuộc Trung Mỹ, Nam A và Châu Phi, người ta sử dụng ngô làm lương thực chính cho người với phương thức rất đa dạng theo vùng địa lí và tập quán từng nơi. Ngoài việc cung cấp lương thực cho con người, ngô còn là nguồn thức ăn quan trọng trong ngành chăn nuôi : gần 70% tinh chat trong thức ăn tổng hợp của gia súc là ngô.
Ngoài ra, ngô còn là thức ăn xanh và ủ chua lí tưởng cho đại gia súc đặc biệt là bò sữa. Ở các nước phát triển, tỉ lệ ngô làm thức ăn cho chăn nuôi chiếm trên 70%. Ngô còn là nguyên liệu của ngành công nghiệp lương thực - thực phẩm và công nghiệp nhẹ dé sản xuất rượu, cồn, tinh bột, dau, glucozo, bánh keo.2 Tình hình sản xuất ngô trong và ngoài nước [2]. 1,200 Gần lượng ngô toàn cầu (triệu tan) 1,000 - 800 TMONS 1965 1980 Il 2020E 2030E Hình 2-3 : Sản lượng ngô toàn cầu và dự đoán nhu cầu đến năm 2030 (Mosanfo,2007) Trên thế giới, ngô là một trong những cây ngũ cốc quan trọng, diện tích đứng thứ 3 sau lúa mì và lúa nước; sản lượng thứ hai và năng suất cao nhất trong các cây ngũ cốc.
Năm 1961, diện tích ngô toàn thế giới đạt 105,5 triệu ha, năng suất 19,4 tạ/ha, sản lượng 205 triệu tấn, đến năm 2009, diện tích trồng ngô thế giới đạt khoảng 159,5 triệu ha, năng suất bình quân 51,3 tạ/ha, sản lượng 817,1 triệu tấn. Trong đó Mỹ, Trung Quốc, Braxin là những nước đứng đầu về diện tích và sản lượng [2]. Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau cây lúa và là cây màu quan trọng nhất được trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa vụ gieo trồng và hệ thống canh tác. Cây ngô không chỉ cung cấp lương thực cho người, vật nuôi mà còn là cây trồng xóa đói giảm nghèo tại các tỉnh có điều kiện kinh tế khó khăn.
Sản xuất ngô cả nước qua các năm không ngừng tăng về diện tích, năng suất, sản lượng: năm 2001 tổng diện tích ngô là 730.000 ha, đến năm 2005 đã tăng trên | triệu ha; năm 2010, diện tích ngô cả nước 1126,9 nghìn ha, năng suất 40,9 ta/ha, sản lượng trên 4,6 triệu tan [2]. Thành phần cấu tạo lõi ngô Hình 2-4 : Thanh phan cấu tạo lõi ngô (Nguồn: African Journal of Biotechnology) Lõi ngô về mặt hình thai thì ở phía ngoài được bao bọc bởi một lớp trau ngô(chaff), phan lõi( pith) ở trung tâm xốp mềm và vòng gỗ cứng (woody ring) được hình thành ở giữa [3]. Thành phần chủ yếu của lõi ngô là cellulose; hemicellulose và ligin, nên rất khó bị vi sinh vật phân hủy. Lõi ngô được nghiên cứu cho thấy có khả năng tách các amoni hòa tan trong nước nhờ vào cấu trúc nhiều lỗ xốp và thành phần gồm các polyme chờ cellulose, hemicellulose, pectin.
Ligin và protein [4]. Bảng 2-1 : Thanh phan lõi ngô [4] Thành phần Khối lượng (%) Cellulose 323 —45,6 Hemicellulose 39,8 Lignin 6,7 — 13,9 2. Tống quan sinh khối lignocellulosic Sinh khối lignocelulosic bao gồm các chat hữu cơ khác nhau chủ yếu từ thực vật, nguyên liệu có nguồn gốc thực vật, là lượng lớn nhất nhóm nguyên liệu chứa cacbon bền vững, sản xuất bền vững các chất sinh hóa, cồn sinh học, nhiên liệu sinh học. Đặc biệt, sinh khối lignocellulosic là nguồn cung cấp chất xơ tự nhiên có thé thay thế các polymer có nguồn gốc từ dau mỏ làm thân thiện với môi trường.
Hơn nữa, chat thải 6 sinh khối như chất thải nông nghiệp, phụ phẩm lâm nghiệp có nhiều tiềm năng được tái sử dụng là nhiên liệu có giá trị cao mà không cạnh tranh với nguồn thức ăn con người và động vật. Cấu trúc thành tế bào của sinh khối lignocellulosic chủ yêu gồm ba loại polymer là lignin, hemicellulose and cellulose. Tuy nhiên, tùy theo loài, chủng loại, nguồn sinh khối mà có thành phần và hàm lượng của ba thành phần này khác nhau [5]. Cellulose => Hemicellulose Plant cell wall Microfibril Hình 2-5 : Cau trúc chính của thành tế bào thực vật trong sinh khối lignocellulosic bao gầm lignin, hemicellulose và cellulose [5] 2.1 Cellulose Cellulose: là một polyme không phân nhánh gồm 8000 - 10000 gốc glucose bao gồm từ vài trăm đến vài nghìn đơn vi B-D-Glucose, có công thức cau tạo là (CeHioOs)n hay [CøH;Oz(OH):] [6].
Nó được cấu tạo bởi homopolysaccharide mạch thắng của các đơn vị anhydro-d- glucose liên kết B-1.4 với đơn vi lặp lại là cellobise.