Nghiên Cứu Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Đặc Tính Hóa Lý Của Nanocellulose Từ Phế Phẩm Nông Nghiệp

Khóa luận nghiên cứu ảnh hưởng đến đặc tính hóa lý của nanocellulose từ phế phẩm nông nghiệp lõi ngô, ứng dụng trong công nghệ hóa học và thực phẩm.

• Tác giả: Bùi Thị Ngọc Diễm
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Chí Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Nông Lâm
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Đặc Tính Hóa Lý Của Nanocellulose Từ Phế Phẩm Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Lí do thực hiện đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Dư lượng cây trồng
• 2.2. Giới thiệu về nguyên liệu lõi ngô
• 2.3. Tổng quan về cây ngô
• 2.4. Tình hình sản xuất ngô trong và ngoài nước
• 2.5. Tổng quan về nanocellulose
• 2.5.1. Giới thiệu chung
• 2.5.2. Cấu trúc và tính chất
• 2.5.3. Các phương pháp trích xuất
• 2.5.4. Ứng dụng của nanocellulose
• 2.5.5. Tổng hợp các bài báo có liên quan
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
• 3.1. Nguyên liệu và hóa chất sử dụng
• 3.2. Chuẩn bị nguyên liệu thí nghiệm
• 3.3. Hóa chất sử dụng
• 3.4. Trích xuất sợi nanocellulose bằng phương pháp nitro-oxidation
• 3.5. Tiến hành thí nghiệm
• 3.6. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.7. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA)
• 3.8. Phương pháp xác định độ kết tinh (XRD)
• 3.9. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BIẾN LUẬN
• 4.1. Kết quả phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 4.2. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại (FTIR)
• 4.3. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD)
• 4.4. Kết quả phân tích nhiệt (TGA)
• 4.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích xuất nanocellulose
• 4.5.1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 4.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
• 4.5.3. Ảnh hưởng của nồng độ axit HNO3
• 4.5.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích HNO3 và khối lượng mẫu
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu nanocellulose từ phế phẩm nông nghiệp

Nghiên cứu về nanocellulose từ phế phẩm nông nghiệp đang thu hút sự chú ý lớn trong cộng đồng khoa học. Nanocellulose là một vật liệu có tiềm năng lớn nhờ vào các đặc tính vượt trội như độ bền cao, nhẹ và khả năng tương thích sinh học. Việc khai thác phế phẩm nông nghiệp như lõi ngô không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu giá trị cho ngành công nghiệp. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính hóa lý của nanocellulose.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng của nanocellulose

Nanocellulose là cellulose có kích thước nano, có nhiều dạng như sợi nanocellulose (CNF) và tinh thể nanocellulose (CNC). Chúng được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, dược phẩm và vật liệu xây dựng nhờ vào tính chất cơ học và hóa học vượt trội.

1.2. Tầm quan trọng của phế phẩm nông nghiệp

Phế phẩm nông nghiệp, đặc biệt là lõi ngô, là nguồn nguyên liệu phong phú và rẻ tiền. Việc sử dụng chúng để sản xuất nanocellulose không chỉ giúp giảm thiểu lãng phí mà còn tạo ra giá trị kinh tế cao cho nông dân.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính hóa lý của nanocellulose

Đặc tính hóa lý của nanocellulose phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian phản ứng, nhiệt độ và nồng độ axit. Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh các yếu tố này có thể cải thiện đáng kể độ kết tinh và tính chất cơ học của nanocellulose.

2.1. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

Thời gian phản ứng là yếu tố quan trọng trong quá trình trích xuất nanocellulose. Nghiên cứu cho thấy, thời gian phản ứng dài hơn có thể dẫn đến độ kết tinh cao hơn, nhưng cũng cần cân nhắc để tránh phân hủy vật liệu.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

Nhiệt độ phản ứng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản ứng và độ kết tinh của nanocellulose. Nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ tối ưu giúp tăng cường hiệu suất trích xuất mà không làm giảm chất lượng sản phẩm.

2.3. Ảnh hưởng của nồng độ axit

Nồng độ axit sử dụng trong quá trình trích xuất cũng là một yếu tố quan trọng. Nồng độ axit cao có thể làm tăng tốc độ phản ứng nhưng cũng có thể dẫn đến sự phân hủy của nanocellulose.

III. Phương pháp trích xuất nanocellulose từ lõi ngô

Phương pháp trích xuất nanocellulose từ lõi ngô sử dụng kỹ thuật nitro-oxidation, một phương pháp đơn giản và hiệu quả. Quy trình này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng. Kết quả cho thấy, phương pháp này cho ra sản phẩm có độ kết tinh cao và tính chất cơ học tốt.

3.1. Quy trình nitro oxidation

Quy trình nitro-oxidation bao gồm việc sử dụng hỗn hợp axit nitric và natri nitrit để trích xuất nanocellulose. Phương pháp này cho phép thu được sản phẩm với độ tinh khiết cao và ít tạp chất.

3.2. Đặc trưng sản phẩm nanocellulose

Sản phẩm nanocellulose thu được được đặc trưng bằng các phương pháp như SEM, FTIR và XRD. Các kết quả phân tích cho thấy sản phẩm có độ kết tinh cao và hình thái đồng nhất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nanocellulose trong ngành công nghiệp

Nanocellulose có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm và vật liệu xây dựng. Đặc biệt, nanocellulose có khả năng loại bỏ kim loại nặng trong nước, góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc ứng dụng nanocellulose trong xử lý nước có thể mang lại hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí.

4.1. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Trong ngành thực phẩm, nanocellulose được sử dụng như một chất tạo độ nhớt và ổn định cho sản phẩm. Điều này giúp cải thiện chất lượng và thời gian bảo quản thực phẩm.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước

Nanocellulose có khả năng hấp thụ kim loại nặng, giúp cải thiện chất lượng nước. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng nanocellulose trong xử lý nước có thể giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu nanocellulose

Nghiên cứu về nanocellulose từ phế phẩm nông nghiệp như lõi ngô mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng nanocellulose sẽ góp phần vào sự phát triển bền vững. Tương lai của nanocellulose hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho cả môi trường và kinh tế.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc trích xuất nanocellulose từ lõi ngô có thể đạt được hiệu suất cao với chất lượng tốt. Các yếu tố như thời gian, nhiệt độ và nồng độ axit cần được tối ưu hóa để nâng cao chất lượng sản phẩm.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các ứng dụng mới cho nanocellulose và cải thiện quy trình sản xuất để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hàng năm, ngành nông nghiệp Việt Nam tạo ra khoảng 158,8 triệu tấn phế phẩm sinh khối, trong đó lượng tàn dư sau thu hoạch và chế biến nông sản chiếm tới 88,9 triệu tấn. Riêng với cây ngô, theo ước tính cứ 100 kg bắp sau thu hoạch sẽ thải ra từ 13 kg đến 15 kg lõi ngô chưa được khai thác hiệu quả, phần lớn bị đốt ngoài đồng ruộng gây ô nhiễm môi trường và lãng phí nguồn tài nguyên hữu cơ giá trị cao. Nhằm giải quyết thách thức này, nghiên cứu được triển khai nhằm thiết lập quy trình chuyển hóa phụ phẩm lõi ngô thành sợi nanocellulose chức năng cao thông qua phản ứng nitro-oxidation một giai đoạn thân thiện với môi trường.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là khảo sát toàn diện ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như thời gian, nhiệt độ, nồng độ axit và tỷ lệ phối liệu đến đặc tính hóa lý, hình thái và cấu trúc của nanocellulose thu nhận. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm bộ môn Hợp chất thiên nhiên thuộc Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 2 năm 2022 đến tháng 10 năm 2022.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc trích xuất thành công sợi nanocellulose có đường kính giảm xuống chỉ còn khoảng 0,1 micromet cùng độ kết tinh tăng vọt lên 67,48%. Kết quả này cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng để phát triển vật liệu sinh học xanh thay thế polyme hóa thạch, mở rộng ứng dụng trong gia cường composite và chế tạo màng lọc xử lý ion kim loại nặng trong nước thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên hai nền tảng lý thuyết trọng tâm: lý thuyết cấu trúc phức hợp sinh khối lignocellulose và lý thuyết biến đổi tinh thể học của polymer sinh học. Cấu tạo thành tế bào lõi ngô gồm ba hợp phần chính: cellulose chiếm từ 32,3% đến 45,6%, hemicellulose chiếm khoảng 39,8% và lignin dao động từ 6,7% đến 13,9%. Theo lý thuyết cấu trúc, cellulose tự nhiên dạng cellulose I bao gồm các đơn vị anhydroglucose liên kết beta-1,4-glycoside với mạng lưới liên kết hydro bền vững tạo nên các vùng tinh thể xen kẽ vùng vô định hình.

Nền tảng thứ hai là cơ chế phản ứng oxy hóa chọn lọc nitro-oxidation bằng hỗn hợp axit nitric và natri nitrit. Trong môi trường axit, phản ứng tạo ra ion nitroxonium tấn công chọn lọc nhóm hydroxyl sơ cấp tại vị trí C6 trên vòng pyranose, chuyển hóa thành nhóm aldehyde trung gian rồi oxy hóa thành nhóm carboxyl. Nghiên cứu vận dụng 4 khái niệm then chốt: sợi nanocellulose (CNFs), tinh thể nanocellulose (CNC), chỉ số độ kết tinh (CrI) và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).

Phương pháp nghiên cứu

Cỡ mẫu thực nghiệm được chuẩn hóa là 6 gam bột lõi ngô khô cho mỗi mẻ phản ứng. Phương pháp chọn mẫu là thu thập ngẫu nhiên từ nguồn phụ phẩm lõi ngô sau thu hoạch, làm sạch, nghiền nhỏ và sàng phân loại qua rây tiêu chuẩn 60 mesh để đồng nhất kích thước hạt dưới 250 micromet, sau đó sấy khô tách ẩm ở 75°C trong 24 giờ.

Quy trình phản ứng nitro-oxidation được thực hiện trong bình cầu ba cổ đun cách thủy, khuấy từ liên tục 500 vòng/phút ở dải nhiệt độ 60°C đến 80°C, thời gian từ 5 giờ đến 7 giờ với nồng độ axit nitric 6,5M đến 8,5M. Sản phẩm sau phản ứng được dập tắt bằng 500 ml nước cất, gạn rửa 4 lần, ly tâm ở tốc độ 6000 vòng/phút trong 15 phút, xử lý rung siêu âm với công suất 60W trong 10 phút và trung hòa bằng dung dịch natri hydroxit 1% về pH trung tính.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn nhằm đánh giá toàn diện vật liệu: kính hiển vi điện tử quét SEM tại điện áp 20 kV để phân tích hình thái bề mặt; quang phổ FTIR trong dải số sóng 450 cm-1 đến 4000 cm-1 để nhận diện nhóm chức; nhiễu xạ tia X (XRD) với góc quét 2 theta từ 5 độ đến 40 độ để xác định độ kết tinh; và phân tích nhiệt trọng trường TGA với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút từ 50°C đến 800°C dưới dòng khí nitơ 100 ml/phút để kiểm tra độ bền nhiệt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã xác lập bốn phát hiện thực nghiệm mang tính cốt lõi về đặc tính hóa lý của vật liệu:

Thứ nhất, chỉ số độ kết tinh của vật liệu sau xử lý tăng mạnh từ mức 24,01% ở mẫu thô ban đầu lên mức 67,48% ở mẫu sợi nanocellulose tối ưu, tương ứng mức tăng trưởng độ kết tinh tuyệt đối đạt 43,47% (tăng gấp 2,81 lần).

Thứ hai, kích thước hình thái có sự thu nhỏ rõ rệt. Ảnh chụp SEM chứng minh các bó sợi thô ban đầu có chiều dài 300 micromet và đường kính 150 micromet đã được phân tách thành các sợi nano riêng biệt, phân bố đều với đường kính chỉ còn khoảng 0,1 micromet (100 nanomet), giảm kích thước đường kính hơn 1500 lần.

Thứ ba, phổ FTIR xác nhận sự xuất hiện của đỉnh hấp thụ mới tại số sóng 1605 cm-1 đặc trưng cho nhóm carboxylat dạng muối natri, đồng thời các đỉnh dao động của lignin tại 1516 cm-1 và hemicellulose tại 1733 cm-1 biến mất hoàn toàn, chứng minh các hợp phần phi cellulose đã bị loại bỏ triệt để.

Thứ tư, phân tích TGA cho thấy sợi nanocellulose duy trì độ ổn định nhiệt cao với hai giai đoạn hao hụt khối lượng chính: giai đoạn bay hơi ẩm ở 100°C đến 110°C và giai đoạn phân hủy nhiệt cấu trúc mạch chính ở khoảng 220°C đến 340°C.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt bậc của độ kết tinh được giải thích bởi tác động oxy hóa mạnh của hỗn hợp axit nitric và natri nitrit, giúp hòa tan và loại bỏ hoàn toàn pha vô định hình kém bền nhiệt của hemicellulose và lignin. Khảo sát các yếu tố công nghệ chỉ ra quy luật rõ ràng: ở mốc thời gian 6 giờ, độ kết tinh đạt đỉnh 67,48%, vượt trội so với 60,1% ở 5 giờ và 59,65% ở 7 giờ; ở nhiệt độ 70°C, độ kết tinh đạt 67,48%, cao hơn mức 65,5% ở 60°C và 62,15% ở 80°C; nồng độ axit 7,5M mang lại độ kết tinh tối ưu 67,48%, cao hơn nồng độ 6,5M đạt 64,23% và 8,5M đạt 64,74%. Khi nhiệt độ hoặc nồng độ axit vượt quá giới hạn tối ưu, các liên kết glycoside trong vùng tinh thể bị phân cắt quá mức, gây suy giảm độ kết tinh.

Dữ liệu thực nghiệm này được trình bày trực quan qua giản đồ XRD với các đỉnh nhiễu xạ sắc nét tại các góc 14,8 độ, 16,3 độ, 22,3 độ và 34,4 độ, cùng biểu đồ TGA thể hiện đường cong phân hủy nhiệt. Kết quả này tương đồng với các công bố quốc tế như nghiên cứu của Hudson Alves Silvério trên lõi ngô đạt độ kết tinh 83,7% sau 60 phút thủy phân axit sunfuric, nghiên cứu của Wilson Pires Flauzino Neto trên vỏ đậu nành đạt 73,5% ở 40°C trong 30 phút, và nghiên cứu của Đặng Thị Mai trên bã mía tối ưu ở 50°C trong 3 giờ. Điều này khẳng định phương pháp nitro-oxidation một giai đoạn vừa tối ưu hóa công đoạn xử lý vừa bảo tồn hoàn hảo khung tinh thể cellulose.

Đề xuất và khuyến nghị

Để thúc đẩy ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất, bốn nhóm giải pháp chiến lược được đề xuất:

Thứ nhất, mở rộng quy mô sản xuất nanocellulose từ mẻ 6 gam trong phòng thí nghiệm lên quy mô pilot 10 kg nguyên liệu mỗi mẻ, đặt mục tiêu duy trì hiệu suất thu hồi sản phẩm trên 75% và độ kết tinh ổn định trên 65% trong thời gian 12 tháng, do các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm chuyên ngành chủ trì thực hiện.

Thứ hai, thiết kế và lắp đặt hệ thống thu hồi khí oxit nitơ và tái tuần hoàn axit nitric dư, kết hợp trung hòa dòng thải bằng dung dịch kali hydroxit để sản xuất muối kali nitrat làm phân bón, hướng tới mục tiêu cắt giảm 85% chi phí xử lý hóa chất trong vòng 9 tháng, do đội ngũ kỹ sư công nghệ hóa học tại doanh nghiệp đảm trách.

Thứ ba, chế tạo màng hấp phụ composite từ sợi nanocellulose mang nhóm chức carboxylat để xử lý các ion kim loại nặng như chì và cadimi trong nước thải công nghiệp với mục tiêu đạt hiệu suất khử trên 92% trong thời hạn 18 tháng, do nhóm nghiên cứu môi trường phối hợp cùng doanh nghiệp cấp thoát nước triển khai.

Thứ tư, xây dựng mô hình liên kết thu gom và sơ chế lõi ngô tại các vùng trồng tập trung nhằm cung ứng 500 tấn nguyên liệu khô ổn định mỗi năm với chi phí dưới 1.500 đồng/kg trong vòng 24 tháng tới, do các hợp tác xã nông nghiệp phối hợp với doanh nghiệp bao tiêu thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật giá trị dành cho bốn nhóm đối tượng:

Thứ nhất, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Kỹ thuật Vật liệu và Khoa học Môi trường có thể sử dụng công trình làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về phản ứng nitro-oxidation một giai đoạn, nắm bắt chi tiết phương pháp phân tích đặc trưng qua hệ thống SEM, XRD, FTIR và TGA tại điều kiện tối ưu 70°C trong 6 giờ.

Thứ hai, kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm (R&D) tại các doanh nghiệp sản xuất bao bì sinh học, vật liệu composite và polyme gia cường có thể ứng dụng sợi nanocellulose để tăng cường độ bền kéo cao gấp 8 lần thép và mô đun đàn hồi đạt từ 110 GPa đến 220 GPa.

Thứ ba, chuyên gia công nghệ môi trường tại các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp có thể khai thác tính năng hấp phụ trao đổi ion của nhóm carboxylat trên sợi nano để thiết kế các modul lọc nước kim loại nặng với hiệu suất loại bỏ trên 90%.

Thứ tư, các nhà quản lý nông nghiệp và doanh nghiệp chế biến nông sản có thể tìm thấy giải pháp kinh tế tuần hoàn bền vững nhằm gia tăng giá trị cho 88,9 triệu tấn phụ phẩm cây trồng tại Việt Nam hàng năm.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp nitro-oxidation có ưu điểm gì vượt trội so với các phương pháp trích xuất nanocellulose truyền thống? Phương pháp nitro-oxidation là quy trình tổng hợp trực tiếp một giai đoạn sử dụng hỗn hợp axit nitric và natri nitrit mà không cần các bước tiền xử lý loại bỏ lignin hay tẩy trắng phức tạp. Kỹ thuật này giúp tiết kiệm hơn 50% thời gian xử lý, giảm tiêu thụ năng lượng cơ học trên 30 MWh mỗi tấn và cho phép tái sử dụng nước thải làm phân bón hữu ích.

Tại sao phụ phẩm lõi ngô lại được đánh giá là nguồn nguyên liệu tiềm năng để tổng hợp nanocellulose? Lõi ngô là nguồn sinh khối dồi dào với sản lượng từ 13 kg đến 15 kg trên mỗi 100 kg bắp hạt, chứa hàm lượng cellulose cao từ 32,3% đến 45,6% cùng cấu trúc xốp thuận lợi cho tác nhân hóa học thâm nhập. Việc tận dụng nguồn nguyên liệu giá rẻ này giúp giảm thiểu ô nhiễm do đốt đồng và tạo ra sản phẩm nano có giá trị gia tăng cao.

Bộ thông số công nghệ nào mang lại độ kết tinh tối ưu cho sợi nanocellulose từ lõi ngô? Điều kiện phản ứng tối ưu đã được chứng minh thực nghiệm bao gồm nhiệt độ 70°C, thời gian phản ứng 6 giờ và nồng độ axit nitric 7,5M với tỷ lệ 6 gam nguyên liệu trong 60 ml axit. Tại bộ thông số này, độ kết tinh của sợi nanocellulose đạt giá trị cao nhất là 67,48%, trong khi ở nhiệt độ 80°C độ kết tinh giảm xuống 62,15%.

Sự hình thành của nhóm carboxylat trên bề mặt sợi nano mang lại ý nghĩa ứng dụng gì? Quá trình oxy hóa chọn lọc gắn các nhóm carboxylat mang điện tích âm lên bề mặt sợi nano tại vị trí C6, thể hiện qua đỉnh phổ FTIR ở 1605 cm-1. Nhóm chức này giúp hệ huyền phù phân tán bền vững trong nước mà không bị vón tụ, đồng thời tạo ra các trung tâm hoạt động mạnh mẽ để hấp phụ các ion kim loại nặng trong xử lý nước thải.

Các kỹ thuật phân tích XRD và TGA đã chứng minh phẩm chất của vật liệu nanocellulose như thế nào? Phân tích XRD ghi nhận bốn đỉnh nhiễu xạ sắc nét với độ kết tinh tăng từ 24,01% lên 67,48%, chứng minh các pha vô định hình đã bị loại bỏ triệt để. Giản đồ TGA xác nhận độ bền nhiệt ổn định của sợi nano trong khoảng 220°C đến 340°C, cho phép vật liệu chịu được quá trình gia công nhiệt độ cao trong sản xuất composite.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết thành công bài toán chuyển hóa phụ phẩm nông nghiệp thành vật liệu công nghệ cao thông qua năm đóng góp cốt lõi:

• Làm chủ quy trình tổng hợp sợi nanocellulose một giai đoạn bằng phương pháp nitro-oxidation trực tiếp từ bột lõi ngô mà không qua tiền xử lý hóa học phức tạp.
• Xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu gồm nhiệt độ 70°C, thời gian 6 giờ và nồng độ axit nitric 7,5M giúp độ kết tinh đạt đỉnh 67,48%.
• Tách chiết thành công sợi nano có đường kính mảnh chỉ khoảng 0,1 micromet từ bó sợi thô 150 micromet với độ bền nhiệt ổn định trong khoảng 220°C đến 340°C.
• Tạo lập các nhóm chức carboxylat bề mặt với đỉnh đặc trưng 1605 cm-1 trên phổ FTIR, mở ra tiềm năng lớn trong xử lý nước và gia cường composite.
• Đóng góp giải pháp kinh tế tuần hoàn khả thi nhằm nâng cao chuỗi giá trị cho nguồn phụ phẩm nông nghiệp 88,9 triệu tấn hàng năm tại Việt Nam.

Kế hoạch tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới là mở rộng quy mô phản ứng bán công nghiệp và thử nghiệm chế tạo màng lọc nano xử lý nước thải thực tế. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể kết nối trực tiếp để hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ vật liệu xanh tiên tiến này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHAM NGHIÊN CUU KHAO SAT CÁC YEU TO ANH HUONG DEN ĐẶC TÍNH HOA LY CUA NANOCELLULOSE TRÍCH SUAT TỪ PHE PHAM NONG NGHIEP LOI NGO Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Chi Thanh Họ và tên sinh viên: Bùi Thị Ngọc Diễm MSSV: 18139022 Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa hoc Niên Khóa: 2018-2022 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 NGHIÊN CỨU KHAO SÁT CÁC YEU TO ANH HUONG DEN ĐẶC TÍNH HOA LY CUA NANOCELLULOSE TRÍCH SUAT TU PHE PHAM NONG NGHIEP LOI NGO Tac Gia Bui Thi Ngoc Diém Khóa luận được đệ trình dé đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học Giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Chí Thanh Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11/2022 LỜI CẢM ƠN Đề tài “Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính hóa lý của nanocellulose trích xuất từ phế phẩm nông nghiệp lõi ngô” là nội dung mà em đã nghiên cứu và làm luận văn tốt nghiệp sau thời gian theo học tại Khoa Công Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm, Trường Đại Học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, em đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ từ quý thầy cô, gia đình và bạn bè.

Đề luận văn thành công nhất, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến với: Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Nông Lâm thành phó Hồ Chí Minh đã tạo môi trường học tập và rèn luyện rất tốt, cung cấp cho em những kiến thức và kỹ năng bồ ích giúp em có thé áp dụng và thuận lợi thực hiện luận văn. Giảng viên hướng dẫn TS. Nguyễn Chí Thanh là người thầy tâm huyết, đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ em em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài. Thầy đã có những trao đổi và góp ý để em có thê hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu này.

Em xin gửi lời cám ơn đến Ban giám hiệu và quý thầy cô Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm đã tạo cơ hội cho em được công tác tại trường và truyền dạy cho em những nên tảng kiến thức vững chắc, kinh nghiệm, thông tin hữu ich cho luận văn. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn động viên và tạo điều kiện tốt nhất dé em có thé nỗ lực hoàn thành tốt bài nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn! 1 TÓM TAT Đề tài “Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính hóa lý của nanocellulsoe trích xuất từ phế phẩm nông nghiệp lõi ngô” được thực hành tại phòng thí nghiệm bộ môn Hợp chất thiên nhiên, Khoa Công nghệ hóa học và thực phẩm, trường đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện đề tài từ tháng 2 năm 2022 đến tháng 10 năm 2022.

Phế phẩm nông nghiệp là một nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có trong tự nhiên đang có xu hướng được các nhả nghiên cứu quan tâm đến, đặc biệt là các phương pháp trích xuất cellulose đạt kích thước nano như sợi nano hay hạt nano. Trong đề tài này, Soi nanocellulose đã được tổng hợp trực tiếp từ phế phẩm nông nghiệp lõi ngô thông qua phương pháp nitro — oxidation hay nói cách khác là phản ứng một giai đoạn bằng cách sử dụng hỗn hợp axit nitric và natri nitrit. Các sợi nano thu được được đặc trưng bởi chỉ số kết tinh, hình thái, diện tích bề mặt và độ ồn định nhiệt thông qua các phương pháp phân tích kính hiển vi điện tử quét SEM, phổ hồng ngoại FTIR, nhiễu xa tia X, phân tích nhiệt TGA. Khảo sát các yêu tố ảnh hưởng đến độ kết tinh của vật liệu thu được như thời gian, nhiệt độ phản ứng, nồng độ axit sử dụng và tỷ lệ nguyên liệu : axit.

So với những phương pháp truyền thống nhiều bước, phương pháp được sử dụng đơn giản hơn, ít sử dụng hóa chất và ít tiêu tốn năng lượng. Bài nghiên cứu đã đề xuất được một quy trình don giản dé tổng hợp sợi nano carboxyl cellulose từ phụ phẩm lõi ngô, hứa hẹn cho nhiều ứng dụng khác nhau. Đặc biệt, sợi nano được phát hiện có hiệu quả trong việc loại bỏ các 1on kim loại nặng đê lọc nước. ill ABSTRACT The thesis "Research to investigate the factors affecting the physicochemical properties of nanocellulsoe extracted from corncob agricultural waste" was conducted in the laboratory of the Department of Natural Compounds, Faculty of Food and Chemical Technology at Nong Lam University, Ho Chi Minh City.

The project implementation period is from February 2022 to October 2022. Agricultural residues are a cheap and readily available source of raw materials in nature that is tending to be of interest to researchers, especially methods of extracting cellulose reaching nanoscale such as nanofibers or nanoparticles. In this research, Nanocellulose fibers were synthesized directly from corn cob agricultural waste through nitro-oxidation method or in other words a one-stage reaction using a mixture of nitric acid and sodium nitrite. The obtained nanofibers were characterized by crystallinity index, morphology, surface area and thermal stability through analytical methods of scanning electron microscopy (SEM), FTIR infrared spectroscopy, X-ray diffraction, TGA thermal analysis.

Investigate the factors affecting the crystallinity of the obtained materials such as time, reaction temperature, concentration of acid used and ratio of raw materials: acid. Compared with the traditional multi-step methods, the method used is simpler, uses less chemicals and consumes less energy. This paper proposes a simple process for synthesizing carboxyl cellulose nanofibers from corn cob by-products, promising for many different applications. In particular, nanofibers were found to be effective in removing heavy metal ions for water purification.

1V MỤC LỤC LOT CAM 09) ẢÝẢ. iii ABSTRACT oo ccccccessesssessesssessessvessessessssssessessuesssssesiessssasessssiessesiesasessessiessecstessessesasesees iv MỤC LỤC.-22©22-522222225221221127122112117112112112112112112111121121111121111212 2101 c0 v TAT Bale TT na nseneeeaneaeeedbinaorasobitoertegilSGSiGitttre 0939/00 xsi viii THANH SÃCH DẮC PEIN cecicesncersersaonacnvvinnuivurvndtvisceercenutdiecureiceeioncccunticonwocereaeatercten ix DANH SÁCH CAC CHU VIET TAT ooccccscsscsssessesssessesssessesseessesesessessessressessnesseteeeeseess xi CHUONG 1: DAT VAN DE o.1 Lí do thực hiện đề tài.--- 2 s2S222ES2xEE1221221211221211111111211111 2222 e6 | 1⁄2 Mục tiêu đề tài.---5- S2 22 22212212122122121212112121221211121121121211221 2xx 3 lỗ Dhan yrnghien CU sce. a:ess ernest 2 EIDNGE : TONGAN TALLY icocenreconemmcmamienonteeamanmenkastonnens 3 3. Wher lượng cấy ĐH sec secs svecscesnrosseserarossnseinvianenweresenrineveaurioctaaanereventevrwomseensiaeees 3 2.

Giới thiệu về nguyên liệu lõi ngô.-- 2-2 5S+SE+2E£EE£EEEEEEEE2E23212322e 22 e2 4 2. _ Tổng quan về cây ngô. __ Tình hình sản xuất ngô trong và ngoài nước. Thành phan cấu tạo lõi ngô.-- 2 22©2222222E22EE22E22EE22E222E22EzErcre.

Tống quan sinh khối lignocelÏulosic.1, CC GSC ca secnettiibtoae3beoetikttstisedlsssddecdtgrorlctcbctrocfkgkfcbirultipiketicbriitfrorrEozEirtirgfibDEoticiröic 7 DB. FISHEL OSC hcsctrecersnte sunt venient emied verdes asides reemeurveneniucetreedeeretidenectivns 10 eeSie AGT mzzaynndtotdtoeVEHEEHEDESIGHADEOHEESDSOEGHOSSENSERSOESSUASSGHSHESEOPSSREEOOOUOERSAHESOEEEE 11 2. Tổng quan về nanocellulose.-- 2-25 +++zseEsz2xecrerx+rkrrrrrrrrrxrrrree 12 2. Giới thiệu chung.-- -- 5< + xxx SH HH HH nrêt 12 2.

Cấu trúc và tính chất. Các phương pháp trích xuat. Ứng dụng của nanocellulose. Tông hợp các bãi báo có liền qUAN ssisccsssisniasznsncianesnasineraesananieeneninssntatiarenensss 21 CHƯƠNG 3 : PHƯƠNG PHÁP TIEN HANH THÍ NGHIỆM.

Nguyên liệu và hóa chat sử dụng. Chuẩn bị nguyên liệu thí nghiệm. — Hóa chất sử dụng. Trích xuất sợi nanocellulose bang phương pháp nitro — oxidation.

Tiến hành thi nghi@nn o. Cae phương pPhẩp phần Te siccssssnwiscewvinatirvninninmniovanisuanivsnmncnneniiieitsuancvenaliewnatinnains 27 3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM]). Phương pháp phân tích nhiệt (TGA).

Phương pháp xác định độ kết tinh XRD). Quang phố hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).---2-52- 28 GEHfONG4: RET QUÁ VÀ BIẾN LULAI. Kết quả phân tích kiến hiển vi điện tử quét (SEM]). Kết quả phân tích phổ hồng ngoại (FTIR).---2---255-+5se5sscs-=sc--s---30 VI 4.

Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD). Kết quả phân tích nhiệt (TGA) .-- 2-2 22++2E22E+2EE2EE2EE2ZEE2EEczxrzrrcrex 34 4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trích xuất nanocellulose. Anh hưởng của thời gian phản ứng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ phan ứng. Ảnh hưởng của nồng độ axit HNOa,. 2-22 222222222222EZ22222Ez22zz 38 4. Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích HNO3 và khối lượng mẫu.

39 CHUONG 5: KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ. - 2-52 SSE£EE2ESEEEE2EEEEeEEzErxerxrei 41 ÖSn. 41 TÀI LIEU THAM KHẢO.--- 2: 2S2+SE2EE2EE2E19E1221221221712121212111212121 21 xe 42 PHU LỤC. 46 vil DANH SÁCH CÁC BẢNG Bang 2.1: Thành phan hóa học của lõi ngô [4] .-------2- 2552 52z2222z+2E+zx+zxzzxzzxezez 6 Bảng 2-2: Tính chất cơ học của nanocellulose và một số vật liệu điển hình khác [10] 16 Trắng 3-1::T16a khi lc: | co eueseeeeenesdiozrndinoireitiobnueui05u.0:2000) 29 Bảng 4-1 : Độ kết tinh từ phương pháp phân tích XRD của mẫu CP và mẫu CNEs.32 Bang 4-2 : Độ kết tinh của mẫu CP và CNFs ở các thời gian phan ứng khác nhau.35 Bang 4-3 : Độ kết tinh của mẫu CP và CNEs ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau.

36 Bảng 4-4 : Độ kết tinh của mau CP và CNEs ở các nồng độ axit khác nhau. 38 Bang 4-5 : Độ kết tinh của mẫu CP và CNEs ở ty lệ HNO3/ nguyên liệu khác nhau.39 vill DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2-1 : Một số loại tàn dư nông — lâm nghiệp (nguồn internet) .---- 3 Hình Z2 : Gây ngõ (ngần Feb ss«ecsekssceeEsiiDsoiES0000LG2S000:0gE0i00G181g000003043000p05g3g.gigggerẻ4 Hình 2-3 : Sản lượng ngô toàn cầu và dự đoán nhu cầu đến năm 2030 (Mosanto,2007) Hình 2-4: Thành phan cấu tạo lõi ngô. 6 Hình 2-5 : Cau trúc chính của thành tế bào thực vật trong sinh khối lignocellulosic bao gồm lignin, hemicellulose va cellulose [5].------2-22222+2222E++EE22E22EE22222++zzzzzzzex Ỷ Hình 2-6: Cấu trúc hóa học của celÏulose.-- 2 2 2+2 +SE+E£+E+EE£E£E£EE2EEEcEEzErxrrxrer 8 Hình 2-7 : Từ nguồn cellulose đến phân tir cellulose - chi tiết về cấu trúc sợi cellulo với điểm nhắn là các vi sợi celÏuÏO. 8 Hình 2-8 : Biến thé hình vị của cellulose [9] .ccccccccscecsessessessessessessessessesseseesseseeeseees 9 Hình 2-9 : Các đường đơn trong hemicellulose [6 ].--- ----- ----+-+©+<++++<+<c++s<2 10 Hình 2-10 : Hai loại hemicellulose khác nhau [ I9].- 5 2222252222 #++#£<z£>z££>>s 11 Hình 2-11 : Các don vi cơ ban của lignin [ 19].

---- --5- 55+ ++*>+sz++z+ee+zereeeerereererers 12 Hình 2-12 : Cấu tạo của chuỗi cellulose (a) Micro cellulose bao gồm vùng vô định hình và vùng tinh thé; (b) Nano cellulose tạo thành[ 1 5].-- 5-52 22s2S22S2z£+zzz5+2 13 Hình 2-13 : Anh TEM của tinh thể nanocellulose [17].----- 2 2+s5s222+se£szzszs4 14 Hình 2-14 : Ảnh TEM của sợi nanocellulose [17] .---2- 2 55s+2s+2z+zs+zzzzszzzz5s+2 14 Hình 2-15 : Anh TEM của Nanocellulose vi khuẩn [17] .----2- 52 s22s+zs+zsz5s+2 15 Hình 3-1 : Lõi ngô sau khi sàng và sấy khô.-- 2 2 2222222E£2EE2EE22E222EzzEzzzxcrev 22 Hình 3-2 : So đồ quy trình trích xuất nanocellulose.------2- 22 ©2z22z2sz2z+zzs2 24 Hình 3-3 : Hình minh họa lắp hệ thống phản ứng.61196 saw phan dim se t466a5021970014955539338916003953E539303E8003.8E3001193958903431 26 1X Hinh 3-5 : Qua trink 02/0117. 26 Hình 3-6 : Mẫu sau khi trung hòa được bảo quan ở nhiệt độ 5°C ở dạng huyền phù, say thăng hoa trong 24 giờ ở dạng khô.£vExerkrrkrrrrrrrerrrkerkrrke 27 Hình 4-1 : Cơ chế phản ứng oxy hóa cellulose sử dung axit nitric/ natri nitrit. 29 Hình 4-2: Anh SEM a) mẫu thô, b) mẫu CNFs.-- 2 2+Ss+cs+zsezserssrsersersers--. 3Ö Hình 4-3 : Kết quả phân tích phố hồng ngoại FTIR.--2---252s5cs5szcse=sc--.+3 Hình 4-4 : Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu CP và CNEs.33 Hình 4-5 : Giản đồ TGA của mẫu CP và CNFs.34 Hình 4-6: Giản đồ XRD của nanocellulose trích xuất được ở các thời gian phản ứng 210 12.