CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu chung Cellulose được phân tách từ thực vật và được giới thiệu lần đầu tiên bởi nhà hóa học người Pháp Anselme Payen vào năm 1839 [1]. Cellulose được xem là nguyên liệu polymer sinh học có sẵn dồi dào và phong phú bậc nhất trên thế giới và rất quan trọng trong sinh thái trên Trái Đất vì cellulose là thành phần chính cấu tạo nên thực vật mà thực vật được xem là mắc xích đầu tiên trong chuỗi thức ăn [2, 3]. Cellulose có thể dễ dàng tìm thấy ở thực vật, gỗ hoặc tảo vì cellulose là thành phần chính của thành tế bào các nhóm thực vật này như xơ, rễ, vỏ cây, thân cây hoặc có thể tìm thấy ở các hạt, trấu, cây bông (90%), cây gai dầu khô (57%) [1, 4]. Cellulose trong thực vật.
Dù có nhiều tên gọi vì sự đa dạng trong cấu trúc (nanocellulose, microcrystalline cellulose, nanocrystalline cellulose, cellulose nanocrystals), nhưng có thể chia các hình dạng của cellulose thành những nhóm lớn vì chúng có sự tương đồng nhất định trong cấu trúc. Cụ thể, cellulose được chia thành hai nhóm lớn là nano tinh thể (cellulose nanocrystals - CNC) và nano filber (cellulose nanofilbers - CNF) [5]. Trong đó, vật liệu CNF bao gồm vùng vô định hình và vùng tinh thể, thường có đường kính 5-60 nm và dài chiều dài đến khoảng vài 100 micromet trong khi CNC có chiều dài 2 chỉ khoảng 100 - 250 nm. Từ CNF có thể tạo ra CNC bằng quá trình thủy phân CNF trong acid (hình 2).
Quá trình này sẽ loại bỏ vùng vô định hình trong CNF [5]. Tổng quát các dạng của cellulose [5]. Cellulose được ứng dụng rất nhiều lĩnh vực và được đánh giá rất cao như một vật liệu đầy tìm năng trong tương lai, nhờ sở hữu nhiều đặc tính nổi bật hơn các vật liệu khác như với một sợi cellulose đơn cho lực Young mô đun cao đến khoảng 114 GPa, mức độ kết tinh khoảng 89% được đánh giá là kết quả cao, mức độ trùng hợp cao 14.400 và diện tích bề mặt riêng lên đến 37 m2/g) [1]. Cellulose tồn tại trong thực vật cùng với nhiều thành phần khác, nên để phân lập được cellulose cần trải qua hai công đoạn chính là xử lý nguyên liệu trước khi thực hiện những phản ứng phân tách với mục đich hỗ trợ quá trình phân tách diễn ra đồng đều và hiệu quả hơn, giai đoạn tiếp theo là tách cellulose từ các nguyên liệu vừa được xử lý bằng các xử lý cơ học, thủy phân hoặc xử lý bằng enzyme [1].2 Cấu trúc tổng quát của cellulose Cellulose là một polysaccharide không tan trong nước, được hình thành bởi liên kết β-1,4 D-glucose gọi là glucan với mức độ trùng hợp rất đa dạng từ 100 – 15000 phân từ glucose [6, 7].
Các chuỗi glucan này sẽ sắp xếp và liên kết với nhau bằng liên kết hydro giữa các phân tử glucose tạo thành những sợi nhỏ và sẽ kết hợp những sợi nhỏ thành bó sợi và cuối cùng là hình thành cấu trúc 3D, dựa vào cách sắp xếp của các glucan mà cellulose có hai dạng là cellulose I và cellulose II trong đó cellulose I có dạng ruy băng khi các glucan liên kết gần như song song với nhau còn với cellulose II vì các chuỗi liên kết có sự chênh lệch nên hình thành dạng kết tinh vô định hình và bền hơn về mặt nhiệt động so với dạng I và cũng được xem là trạng thái bền nhất của cellulose (hình 4) [8], cellulose I có thể chuyển hóa thành cellulose II bằng cách trương nở trong dung dịch kiềm và thường là sodium hydroxide [4]. Cellulose được xem là một homopolymer vì được hình thành hoàn toàn bằng glucose nên cũng được xem là nguồn đường có thể lên men để ứng dụng sản xuất ethanol, ether, acetic acid,. Cấu trúc của cellulose. Có nhiều kỹ thuật để xác định cấu trúc cũng như hình thái vật liệu cellulose giúp quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về vật liệu này trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.
Để xác định bề mặt vật liệu cũng như thấy được hệ thống sợi phân bố của cellulose có thể sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM), để xác định cấu trúc vật liệu có thể dùng phương pháp quang phổ hồng ngoại Fourier (Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR), để phân biệt hai dạng tinh thể phổ biến cellulose I và II có thể sử dụng nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction, XRD) [8]. Cấu trúc của cellulose I và II.3 Ứng dụng vật liệu cellulose trong quá trình hấp phụ các chất gây ô nhiễm môi trường Vật liệu cellulose được biết đến là một trong những vật liệu phổ biến nhất trên toàn thế giới vì có nguồn nguyên liệu dễ kiếm và đa dạng, cũng như có khả năng ứng dụng đa lĩnh vực như là thành phần chính trong ngành công nghiệp giấy và bao bì, thành phần chính của ngành vải, thực phẩm, lĩnh vực y-sinh học, được phát triển làm chất phụ gia trong xi măng, phụ gia cho chất kết dính và xử lý nước thải. Tuy nhiên, do giới hạn luận văn nên đề tài sẽ tập trung tìm hiểu và nghiên cứu về ứng dụng xử lý nước thải mà cellulose được dùng làm vật liệu hấp phụ của quá trình xử lý các chất gây ô nhiễm trong nước.1 Vấn đề ô nhiễm nước do kim loại nặng Kể từ khoảng đầu thế kỷ XXI, sự đẩy mạnh quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ở nước ta nói riêng và Thế giới nói chung đã thúc đẩy nhiều nhà máy xí nghiệp được thành lập, điều này dẫn đến tình trạng chất lượng nguồn nước bị suy giảm dần và trở thành ô nhiễm nguồn nước, đây cũng là vấn đề lớn mà con người sẽ phải đối mặt và phải tìm cách giải quyết cấp bách ở hiện tại và tương lai vì nước là một trong những yếu tố thiết yếu bậc nhất của con người về sinh hoạt đời sống và sức khỏe con 5 người. Trong nước thải công nghiệp có rất nhiều hợp chất hữu cơ và hợp chất vô cơ khác nhau đa số đề có ảnh hưởng không tốt đến môi trường nước nhưng có hai loại hợp chất là kim loại nặng độc hại và thuốc nhuộm là những chất ô nhiễm chính gây ô nhiễm môi trường nước, hai loại hợp chất này gây ảnh hưởng rất xấu và nặng nề đến hệ sinh thái và sức khỏe con người [9].
Kim loại nặng được hiểu là các nguyên tố kim loại mang độc tính rất cao có thể gây hại cho môi trường, gây tổn hại nghiêm trọng đến sức khỏe con người ở bất kì nồng độ nào (ngay cả khi ở nồng độ thấp) và thường là các nguyên tố này có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm3 (độc tính của các cation kim loại thường gặp được nêu ở bảng 1). Ngoài ra một số đặc tính chung của các kim loại nặng là khả năng phân hủy sinh học rất kém và gần như không thể phân hủy được. Một số kim loại nặng thường gặp và được khuyến cáo nhiều nên tránh tiếp xúc cũng như thải ra môi trường là chì (Pb), cadmium (Cd), kẽm (Zn), thủy ngân (Hg), arsen (As), bạc (Ag), crom (Cr), đồng (Cu), sắt (Fe) và các nguyên tố đất hiếm [9]. Nguyên nhân kim loại nặng là một trong những mối quan tâm hàng đầu trong mục tiêu cải thiện nguồn nước và xử lý thải là vì các nguyên tố này rất độc hại và gây tổn thương rất nặng đến sức khỏe như giảm tốc độ phát triển của cơ thể hoặc trí tuệ, gây tổn thương hệ thần kinh (nếu tiếp xúc với hàm lượng lớn sẽ rất khó phục hồi), gây ung thư, làm tổn thương các cơ quan trong cơ thể và trong trường hợp tiếp xúc thời gian dài và không điều trị kịp thời có thể dẫn đến tử vong [10].
Ngoài các hợp chất kim loại nặng mối quan tâm lớn còn lại trong việc xử lý nước thải công nghiệp là thuốc nhuộm. Thuốc nhuộm là các hợp chất hữu cơ dùng nhiều trong các ngành công nghiệp phổ biến hiện nay như giấy, da, mỹ phẩm, dệt, cao su và tạo màu trong lĩnh vực mực in ấn. Đối với thuốc nhuộm nếu tiếp xúc nhiều sẽ có những ảnh hưởng xấu đến cơ thể như sẽ gây nhiều căn bệnh về hô hấp, kích ứng da và thậm chí có thể gây ung thư nếu tiếp xúc một lượng lớn và trong thời gian dài [11]. Vì nhu cầu về xử lý nước thải công nghiệp để cung cấp nguồn nước sạch và an toàn hiện nay rất cấp bách cũng như tăng cao theo từng năm nên đã có rất nhiều 6 phương pháp xử lý được nghiên cứu và công bố và ứng dụng rộng rãi như xử lý sinh học, công nghệ màng lọc, công nghệ hóa học và điện hóa học, công nghệ thẩm thấu ngược, công nghệ trao đổi ion và công nghệ hấp phụ [9].
Các công nghệ này đều cho thấy tính hiệu quả trong việc xử lý nước thải tuy nhiên một trong những nhược điểm chung của các công nghệ này là cần năng lượng cao, chi phí vận hành quy trình cao, tạo ra các chất thải và bùn độc hại nên cần thêm các bước xử lý phần chất thải bùn này (ưu nhược điểm được nêu ở bảng 2). Nhưng trong các công nghệ này có một công nghệ được đánh giá ưu việt hơn và có tiềm năng phát triển nhờ dễ vận hành, thiết kế đơn giản, tiết kiệm chi phí và vẫn đạt hiệu quả cao [12, 13]. Về cơ chế, quá trình hấp phụ là quá trình chất gây ô nhiễm trong dung dịch ở dạng khối được chuyển đến bề mặt của chất hấp phụ, sau đó tiếp tục truyền khối từ bề mặt vào các lỗ trống bên trong chất mang. Tốc độ cả quá trình hấp phụ được xác định khi xuất hiện tách pha hoặc có sự khuếch tán nội phân tử hoặc cả hai trường hợp trên [14].
Nguồn gốc và ảnh hưởng của một số nguyên tố độc hại gây ra đối với cơ thể người [9].