Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ bằng phương pháp axit và kiềm dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm

Nghiên cứu tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ bằng phương pháp axit và kiềm kết hợp sóng siêu âm, mở ra hướng đi mới trong công nghệ sinh học.

• Tác giả: Nguyễn Việt Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Đình Ngọ
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa vô cơ
• Đề tài: Nghiên cứu tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ bằng phương pháp axit và kiềm dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• 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
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
• 0.4. Đối tượng nghiên cứu
• 0.5. Phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Cấu trúc của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: Thành phần của lignoxenlulozơ
• 1.1. Xenlulozơ
• 1.2. Hemixenlulozơ
• 1.3. Lignin

Tóm tắt

I. Tổng quan về tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ bằng sóng siêu âm

Tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ là một quy trình quan trọng trong việc khai thác nguồn tài nguyên sinh học. Rơm rạ, một loại phế phẩm nông nghiệp, chứa nhiều lignin và xenlulozơ, hai hợp chất có giá trị cao trong ngành công nghiệp. Việc sử dụng sóng siêu âm trong quy trình tách chiết này không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu thời gian và chi phí. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp tách lignin và xenlulozơ, đồng thời phân tích hiệu quả của sóng siêu âm trong quy trình.

1.1. Tại sao tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ là cần thiết

Rơm rạ là nguồn nguyên liệu phong phú nhưng chưa được khai thác triệt để. Việc tách lignin và xenlulozơ không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị như biofuel và vật liệu sinh học. Lignin và xenlulozơ có thể thay thế cho các sản phẩm từ dầu mỏ, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

1.2. Các ứng dụng của lignin và xenlulozơ trong công nghiệp

Lignin và xenlulozơ có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như sản xuất giấy, chế biến thực phẩm, và sản xuất vật liệu sinh học. Chúng có thể được sử dụng để sản xuất biofuel, nhựa sinh học, và các sản phẩm hóa học khác, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguyên liệu hóa thạch.

II. Vấn đề và thách thức trong tách lignin và xenlulozơ

Mặc dù có nhiều phương pháp tách lignin và xenlulozơ, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong quy trình này. Các vấn đề như hiệu suất tách thấp, thời gian xử lý dài và chi phí cao vẫn là những rào cản lớn. Việc nghiên cứu và cải tiến các phương pháp tách chiết là cần thiết để tối ưu hóa quy trình.

2.1. Hiệu suất tách lignin và xenlulozơ thấp

Một trong những thách thức lớn nhất trong quy trình tách lignin và xenlulozơ là hiệu suất tách thấp. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ dung dịch và thời gian phản ứng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tách. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để xác định điều kiện tối ưu cho từng phương pháp.

2.2. Chi phí và thời gian xử lý cao

Chi phí và thời gian xử lý là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính khả thi của quy trình tách lignin và xenlulozơ. Việc sử dụng sóng siêu âm có thể giúp giảm thiểu thời gian và chi phí, nhưng cần phải nghiên cứu thêm để xác định mức độ hiệu quả của phương pháp này.

III. Phương pháp tách lignin và xenlulozơ bằng sóng siêu âm

Phương pháp tách lignin và xenlulozơ bằng sóng siêu âm đã được nghiên cứu và chứng minh là hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống. Sóng siêu âm giúp tạo ra các bọt khí nhỏ trong dung dịch, làm tăng khả năng khuếch tán và tương tác giữa các chất, từ đó nâng cao hiệu suất tách.

3.1. Quy trình tách lignin bằng sóng siêu âm

Quy trình tách lignin bằng sóng siêu âm bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, xử lý bằng sóng siêu âm, và thu hồi lignin. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các yếu tố như thời gian rung siêu âm và nồng độ dung dịch có thể cải thiện đáng kể hiệu suất tách lignin.

3.2. Quy trình tách xenlulozơ bằng sóng siêu âm

Tương tự như lignin, quy trình tách xenlulozơ cũng được thực hiện dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sóng siêu âm giúp tăng cường khả năng hòa tan của xenlulozơ trong dung dịch, từ đó nâng cao hiệu suất thu hồi.

IV. Kết quả nghiên cứu về tách lignin và xenlulozơ

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng sóng siêu âm trong quy trình tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ mang lại hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Các yếu tố như thời gian rung siêu âm, nồng độ dung dịch và nhiệt độ phản ứng đều có ảnh hưởng lớn đến kết quả tách chiết.

4.1. Hiệu suất tách lignin và xenlulozơ

Nghiên cứu cho thấy hiệu suất tách lignin có thể đạt tới 90% khi sử dụng sóng siêu âm, trong khi hiệu suất tách xenlulozơ cũng được cải thiện đáng kể. Các số liệu này cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp này trong việc khai thác lignin và xenlulozơ từ rơm rạ.

4.2. Tính chất của lignin và xenlulozơ thu được

Các tính chất của lignin và xenlulozơ thu được từ quy trình tách chiết cũng được phân tích. Kết quả cho thấy lignin có tính chất hóa học ổn định và xenlulozơ có độ tinh khiết cao, phù hợp cho các ứng dụng trong công nghiệp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của tách lignin và xenlulozơ

Tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ bằng sóng siêu âm là một phương pháp hứa hẹn, mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc khai thác tài nguyên sinh học, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình và mở rộng ứng dụng của lignin và xenlulozơ.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện tách chiết, cũng như nghiên cứu sâu hơn về các ứng dụng của lignin và xenlulozơ trong các lĩnh vực khác nhau. Việc phát triển các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Tác động đến môi trường và kinh tế

Việc khai thác lignin và xenlulozơ từ rơm rạ không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Điều này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Rơm rạ là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào tại Việt Nam với sản lượng hàng năm ước tính tương đương khối lượng thóc thu hoạch, khoảng 42,8 triệu tấn lúa gạo năm 2017. Tuy nhiên, phần lớn rơm rạ hiện nay bị đốt bỏ trực tiếp trên đồng ruộng, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do phát thải khí CO2, CO, CH4 và bụi mịn, đồng thời làm chai đất và lãng phí nguồn nguyên liệu quý giá. Thành phần chính của rơm rạ gồm xenlulozơ, lignin và hemixenlulozơ, là các hợp chất cao phân tử có nguồn gốc thiên nhiên, có tiềm năng ứng dụng lớn trong sản xuất vật liệu sinh học thay thế nguyên liệu hóa thạch.

Mục tiêu nghiên cứu là tách chiết 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 và thu hồi. Nghiên cứu tập trung 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 quả tách chiết, đồng thời xác định các tính chất đặc trưng của lignin và xenlulozơ thu được. Đối tượng nghiên cứu là rơm rạ lúa Khang Dân tại xã Tiên Kiên, huyện Lâm Thao, tỉnh Phú Thọ, trong phạm vi thời gian thực hiện năm 2019.

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, đồng thời tạo ra nguồn nguyên liệu tái tạo, thân thiện với môi trường cho ngành công nghiệp hóa học và vật liệu sinh học. Các chỉ số hiệu suất tách lignin và xenlulozơ được đo lường cụ thể, giúp đánh giá hiệu quả quy trình và đề xuất các điều kiện tối ưu cho ứng dụng thực tiễn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về cấu trúc và tính chất của lignoxenlulozơ, bao gồm:

• Cấu trúc xenlulozơ: Polime β-D-glucozơ liên kết mạch thẳng, gồm vùng tinh thể và vùng vô định hình, ảnh hưởng đến khả năng hòa tan và phản ứng hóa học.
• Cấu trúc lignin: Hợp chất polyphenol dạng vô định hình, chứa các nhóm chức –OH phenol, metoxyl, benzylic hydroxyl, tạo liên kết hóa học với hemixenlulozơ và xenlulozơ, đóng vai trò liên kết ngang trong thành tế bào thực vật.
• Mô hình tách chiết lignin và xenlulozơ: Phân tách dựa trên các phương pháp hóa học như axit, kiềm và sự hỗ trợ của sóng siêu âm nhằm phá vỡ liên kết giữa lignin, hemixenlulozơ và xenlulozơ, tăng hiệu suất tách chiết.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất tách và thu hồi lignin, hiệu suất tách xenlulozơ, ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, nồng độ dung dịch, thời gian phản ứng và tác động của sóng siêu âm.

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, cồn tuyệt đối và dung dịch H2O2.
• Phương pháp phân tích:
  • Tách lignin và xenlulozơ bằng phương pháp axit và kiềm, có và không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm.
  • Phân tích hình thái bằng ảnh SEM.
  • Xác định thành phần nhóm chức bằng phổ FT-IR.
  • Đánh giá tính chất nhiệt bằng phương pháp TG-DTA.
  • Xác định thành phần nguyên tố bằng phổ EDX.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu rơm rạ được cắt nhỏ kích thước 0,1 cm, cân 10 g cho các thí nghiệm tách chiết. Trong khảo sát sóng siêu âm, sử dụng 1 kg rơm rạ trong dung dịch 20 lít NaOH.
• Phương pháp phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm Excel và Chem Office để xử lý và biểu diễn dữ liệu.
• Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm được tiến hành trong năm 2019, với các giai đoạn khảo sát điều kiện phản ứng, phân tích tính chất sản phẩm và đánh giá hiệu suất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần và hình thái rơm rạ: Rơm rạ chứa 39,2% xenlulozơ, 19,02% lignin và 24,01% hemixenlulozơ. Phân tích EDX cho thấy thành phần nguyên tố chủ yếu là C, O và Si chiếm trên 90%. Ảnh SEM cho thấy mặt ngoài rơm rạ sần sùi với nhiều hạt nhỏ, mặt trong trơn nhẵn, phù hợp với vai trò bảo vệ và vận chuyển dinh dưỡng.

2. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol CH3COOH/HCl trong phương pháp axit: Hiệu suất tách lignin tăng từ khoảng 20% khi dùng CH3COOH đơn thuần lên gần 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 vẫn thấp hơn phương pháp kiềm.

3. Ảnh hưởng thời gian phản ứng trong phương pháp kiềm: Tăng thời gian từ 1 giờ lên 2 giờ làm hiệu suất tách lignin tăng từ 69% lên 86,8%, hiệu suất tách xenlulozơ đạt 95,1%. Thời gian trên 2 giờ không làm tăng hiệu suất đáng kể do lignin có thể bị phân hủy.

4. Ảnh hưởng nhiệt độ và nồng độ NaOH trong phương pháp kiềm: Nhiệt độ 80oC và nồng độ NaOH 2M là điều kiện tối ưu, đạt hiệu suất tách lignin 86,3% và xenlulozơ 94,8%. Nhiệt độ cao hơn 90oC làm giảm hiệu suất lignin do phân hủy, nồng độ NaOH trên 2M không cải thiện hiệu suất thêm.

5. Ảnh hưởng của sóng siêu âm: Sử dụng sóng siêu âm hỗ trợ trong phương pháp kiềm làm tăng hiệu suất tách lignin và xenlulozơ, giảm thời gian phản ứng và nâng cao độ tinh khiết sản phẩm. Lignin thu được có phân tử lượng và độ ổn định nhiệt cao hơn so với phương pháp không sử dụng sóng siêu âm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp kiềm kết hợp sóng siêu âm là giải pháp hiệu quả để tách lignin và xenlulozơ từ rơm rạ, vượt trội hơn so với phương pháp axit truyền thống. Sóng siêu âm kích thích phá vỡ liên kết hydro và liên kết hóa học giữa lignin và hemixenlulozơ, giúp tăng khả năng tiếp xúc của dung dịch kiềm với vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất tách chiết.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, hiệu suất tách lignin đạt khoảng 86% là mức cao, đồng thời lignin thu được có tính chất nhiệt và phân tử khối phù hợp cho ứng dụng công nghiệp. Việc khảo sát chi tiết các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ và thời gian giúp xác định điều kiện tối ưu, giảm tiêu hao năng lượng và hóa chất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất tách lignin và xenlulozơ theo từng điều kiện phản ứng, bảng thành phần hóa học và ảnh SEM minh họa hình thái vật liệu trước và sau xử lý, giúp trực quan hóa sự khác biệt và hiệu quả của các phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp kiềm kết hợp sóng siêu âm trong công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng dung dịch NaOH 2M, nhiệt độ 80oC, thời gian 2 giờ và thời gian rung siêu âm phù hợp để tối ưu hiệu suất tách lignin và xenlulozơ, giảm chi phí và thời gian sản xuất.

2. Phát triển thiết bị siêu âm công suất lớn: Đầu tư nghiên cứu và chế tạo thiết bị siêu âm công nghiệp có khả năng xử lý khối lượng lớn rơm rạ, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quy trình tách chiết.

3. Nghiên cứu ứng dụng lignin và xenlulozơ thu được: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phát triển sản phẩm từ lignin và xenlulozơ như vật liệu composite, chất kết dính sinh học, phân bón cải tiến, góp phần nâng cao giá trị phụ phẩm nông nghiệp.

4. Xây dựng quy trình xử lý rơm rạ bền vững: Kết hợp công nghệ tách chiết với các phương pháp xử lý sinh học hoặc vật lý khác để tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu, giảm thiểu phát thải và ô nhiễm môi trường.

5. Chính sách hỗ trợ và đào tạo: Nhà nước và các tổ chức liên quan nên có chính sách hỗ trợ kỹ thuật, tài chính cho các doanh nghiệp và nông dân trong việc thu gom, xử lý rơm rạ theo công nghệ mới, đồng thời đào tạo nâng cao nhận thức về lợi ích môi trường và kinh tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học và Công nghệ hóa học: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu trúc lignoxenlulozơ, phương pháp tách chiết và phân tích tính chất vật liệu, hỗ trợ nghiên cứu và học tập.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và hóa chất xanh: Tham khảo quy trình tách lignin và xenlulozơ hiệu quả, ứng dụng công nghệ sóng siêu âm để phát triển sản phẩm thân thiện môi trường.

3. Chính quyền địa phương và cơ quan quản lý môi trường: Hiểu rõ tác động của phế phẩm nông nghiệp và các giải pháp xử lý bền vững, từ đó xây dựng chính sách quản lý và hỗ trợ phát triển kinh tế xanh.

4. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Nắm bắt công nghệ xử lý rơm rạ hiệu quả, giảm thiểu đốt rơm gây ô nhiễm, đồng thời tạo thêm nguồn thu từ phế phẩm nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải sử dụng sóng siêu âm trong quá trình tách lignin và xenlulozơ?
   Sóng siêu âm giúp phá vỡ liên kết hydro và liên kết hóa học trong cấu trúc lignoxenlulozơ, tăng khả năng tiếp xúc của dung dịch kiềm hoặc axit với vật liệu, nâng cao hiệu suất tách chiết và giảm thời gian phản ứng.

2. Phương pháp kiềm có ưu điểm gì so với phương pháp axit?
   Phương pháp kiềm cho hiệu suất tách lignin và xenlulozơ cao hơn (khoảng 86% so với 50%), đồng thời ít gây phân hủy xenlulozơ, phù hợp hơn cho việc thu hồi nguyên liệu có giá trị.

3. Điều kiện tối ưu để tách lignin và xenlulozơ là gì?
   Nghiên cứu xác định nhiệt độ 80oC, nồng độ NaOH 2M, thời gian phản ứng 2 giờ và sử dụng sóng siêu âm hỗ trợ là điều kiện tối ưu để đạt hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng.

4. Lignin và xenlulozơ thu được có thể ứng dụng vào lĩnh vực nào?
   Lignin có thể dùng làm chất kết dính, phụ gia trong bê tông, vật liệu composite, chất hoạt động bề mặt; xenlulozơ dùng trong sản xuất giấy, vật liệu sinh học, vật liệu cốt trong composite.

5. Việc xử lý rơm rạ theo phương pháp này có tác động môi trường như thế nào?
   Phương pháp tách chiết giúp tận dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm thiểu đốt rơm gây ô nhiễm không khí, đồng thời tạo ra nguyên liệu tái tạo, thân thiện môi trường, góp phần phát triển kinh tế tuần hoàn.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định thành phần hóa học và hình thái rơm rạ, làm cơ sở cho quá trình tách lignin và xenlulozơ.
• Phương pháp kiềm kết hợp sóng siêu âm cho hiệu suất tách lignin đạt khoảng 86,8% và xenlulozơ 95,1%, vượt trội so với phương pháp axit.
• Các yếu tố nhiệt độ 80oC, nồng độ NaOH 2M, thời gian 2 giờ và thời gian rung siêu âm được xác định là điều kiện tối ưu.
• Lignin và xenlulozơ thu được có tính chất phù hợp cho ứng dụng công nghiệp, góp phần phát triển vật liệu sinh học thân thiện môi trường.
• Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ trong quy mô công nghiệp, đồng thời nghiên cứu phát triển sản phẩm từ lignin và xenlulozơ để nâng cao giá trị kinh tế và bảo vệ môi trường.

Luận văn mở ra hướng đi mới trong xử lý phế phẩm nông nghiệp, kêu gọi các nhà khoa học, doanh nghiệp và chính quyền địa phương cùng hợp tác phát triển công nghệ xanh, bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. 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 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail]  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 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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.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. 8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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.9: Liên kết giữa xenlulozơ, hemixenlulozơ, lignin trong thực vật Cấu trúc phân tử của lignin rất dễ bị thay đổi bởi các yếu tố vật lí và hoá học trong các quá trình xử lý hay tiền xử lý vật liệu lignoxenlulozơ.