Luận văn thạc sĩ: Tận dụng bã đen trong sản xuất cellulose để tổng hợp vật liệu carbon

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật hóa học the utilization of black liquor generated in the cellulose production in the, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Pham Dang Co
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Vietnam National University – Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Tận dụng bã đen trong sản xuất cellulose để tổng hợp vật liệu carbon
• Loại tài liệu: master’s thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT TIẾNG ANH
• TÓM TẮT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC SƠ ĐỒ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Rơm rạ và lợi thế nông nghiệp của rơm rạ
• 1.1.1. Tính chất của rơm rạ
• 1.2. Dịch đen và composite lignin-silica từ rơm rạ
• 1.2.1. Dịch đen từ rơm rạ
• 1.2.2. Composite lignin-silica từ dịch đen
• 1.2.3. Vật liệu cacbon có nguồn gốc từ lignin
• 1.3. Giới thiệu về cellulose vi sợi (MFC)
• 1.3.1. Cellulose vi sợi
• 1.3.2. Quy trình chế tạo
• 1.4. Điện cực dựa trên lignin và cellulose
• 1.4.1. Cơ chế hoạt động của pin lithium-ion
• 1.4.2. Điện cực dựa trên lignin
• 1.4.3. Điện cực dựa trên cellulose
• 1.5. Ứng dụng của lignin trong bảo quản thực phẩm
• 1.5.1. Các đặc tính ưu việt của lignin trong màng bao gói thực phẩm
• 1.5.2. Composite chitosan-lignin trong màng bao gói thực phẩm
• 1.6. Động lực và mục tiêu nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: PHẦN THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguyên vật liệu và thiết bị
• 2.2. Tổng hợp lai lignin-silica và vật liệu cacbon từ lai lignin-silica
• 2.3. Chế tạo aerogel cellulose vi sợi cacbon hóa (C-MFCA)
• 2.4. Điều chế màng lignin/chitosan
• 3. CHƯƠNG 3: HIỆU SUẤT CỦA VẬT LIỆU DỰA TRÊN CELLULOSE VÀ LIGNIN TRONG CỰC ÂM PIN LITHIUM-ION
• 3.1. Đặc tính cấu trúc của vật liệu cacbon
• 3.1.1. Đặc trưng của lignin-silica cacbon hóa (CLS)
• 3.1.2. Đặc trưng của aerogel cellulose vi sợi cacbon (C-MFCA)
• 3.2. Hoạt tính của các mẫu CLS và aerogel cacbon làm cực âm trong pin lithium-ion
• 3.2.1. Hiệu suất của các mẫu CLS
• 3.2.2. Hiệu suất của C-MFCA
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CỦA MÀNG LIGNIN/CHITOSAN TRONG CẢN TIA UV, KHÁNG OXY HÓA VÀ KHÁNG KHUẨN
• 4.1. Tính chất của màng lignin/chitosan
• 4.1.1. Độ thấm hơi nước
• 4.2. Hoạt tính cản tia UV, kháng oxy hóa và kháng khuẩn của màng lignin/chitosan
• 4.2.1. Khả năng cản tia UV và độ đục
• 4.2.2. Hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Kiến nghị
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về việc tận dụng bã đen trong sản xuất cellulose

Việc tận dụng bã đen trong sản xuất cellulose đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại. Bã đen là sản phẩm phụ từ quá trình sản xuất cellulose, chứa nhiều hợp chất có giá trị. Việc khai thác bã đen không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra các vật liệu mới có ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bã đen có thể cải thiện hiệu suất sản xuất và giảm chi phí nguyên liệu.

1.1. Tại sao bã đen lại quan trọng trong sản xuất cellulose

Bã đen chứa nhiều hợp chất hữu cơ và khoáng chất, có thể được tái chế thành các sản phẩm có giá trị. Việc sử dụng bã đen giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.2. Các lợi ích của việc sử dụng bã đen trong sản xuất

Sử dụng bã đen không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tạo ra các sản phẩm thân thiện với môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bã đen có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu carbon, có ứng dụng trong pin lithium-ion.

II. Thách thức trong việc tận dụng bã đen cho sản xuất cellulose

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc tận dụng bã đen cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như chất lượng bã đen, quy trình xử lý và chi phí sản xuất vẫn cần được giải quyết. Đặc biệt, việc đảm bảo rằng bã đen không chứa các tạp chất độc hại là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho sản phẩm cuối cùng.

2.1. Chất lượng bã đen và ảnh hưởng đến sản xuất

Chất lượng của bã đen có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất sản xuất cellulose. Các tạp chất có thể làm giảm chất lượng sản phẩm và tăng chi phí xử lý.

2.2. Chi phí và quy trình xử lý bã đen

Chi phí xử lý bã đen có thể cao, đặc biệt là trong các quy trình cần thiết để loại bỏ tạp chất. Cần có các phương pháp hiệu quả để giảm thiểu chi phí này.

III. Phương pháp sản xuất cellulose từ bã đen

Có nhiều phương pháp để sản xuất cellulose từ bã đen. Các phương pháp này bao gồm xử lý hóa học, sinh học và cơ học. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3.1. Phương pháp xử lý hóa học

Xử lý hóa học là một trong những phương pháp phổ biến nhất để sản xuất cellulose từ bã đen. Phương pháp này sử dụng các hóa chất để tách cellulose ra khỏi các thành phần khác.

3.2. Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật để phân hủy bã đen và thu hồi cellulose. Phương pháp này thân thiện với môi trường và có thể giảm thiểu ô nhiễm.

3.3. Phương pháp cơ học

Phương pháp cơ học bao gồm việc nghiền và tách cellulose từ bã đen. Mặc dù hiệu suất có thể không cao như các phương pháp khác, nhưng nó đơn giản và tiết kiệm chi phí.

IV. Ứng dụng của cellulose và vật liệu carbon từ bã đen

Cellulose và các vật liệu carbon được sản xuất từ bã đen có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Chúng có thể được sử dụng trong sản xuất pin, vật liệu xây dựng, và thậm chí trong ngành thực phẩm. Việc phát triển các ứng dụng này không chỉ giúp tăng giá trị cho bã đen mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững.

4.1. Ứng dụng trong pin lithium ion

Vật liệu carbon từ bã đen đã được chứng minh là có khả năng hoạt động tốt trong pin lithium-ion, với hiệu suất cao và độ bền tốt.

4.2. Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Cellulose từ bã đen có thể được sử dụng để sản xuất màng bảo quản thực phẩm, giúp kéo dài thời gian bảo quản và giữ nguyên chất lượng thực phẩm.

V. Kết luận và tương lai của việc tận dụng bã đen

Việc tận dụng bã đen trong sản xuất cellulose và vật liệu carbon là một hướng đi tiềm năng cho ngành công nghiệp hiện đại. Với sự phát triển của công nghệ và nghiên cứu, tương lai của việc sử dụng bã đen hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lợi ích cho môi trường và kinh tế.

5.1. Tương lai của nghiên cứu về bã đen

Nghiên cứu về bã đen sẽ tiếp tục phát triển, mở ra nhiều cơ hội mới trong việc sản xuất vật liệu bền vững.

5.2. Khuyến nghị cho ngành công nghiệp

Ngành công nghiệp cần đầu tư vào nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để tối ưu hóa việc sử dụng bã đen, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam tạo ra hơn 40 triệu tấn rơm rạ hàng năm, nhưng phần lớn bị đốt bỏ ngoài đồng ruộng, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Rơm rạ là nguồn sinh khối lignocellulose dồi dào với hàm lượng gồm 38% cellulose, 25% hemicellulose, 12% lignin và lượng tro chiếm từ 10% đến 17% (trong đó silica $\text{SiO}_2$ chiếm tới 74,6% thành phần tro). Trong quá trình xử lý kiềm để chiết tách cellulose sản xuất sợi vi sợi cellulose (MFC), một lượng lớn dịch đen (black liquor) chứa từ 25% đến 30% lignin và silica hòa tan bị thải bỏ. Nếu chỉ đốt dịch đen để thu hồi năng lượng nhiệt cục bộ thì hiệu quả kinh tế rất thấp và làm phát sinh khí thải độc hại.

Xuất phát từ yêu cầu cấp thiết về kinh tế tuần hoàn và mô hình nhà máy sinh học tinh chế (biorefinery), luận văn thạc sĩ của tác giả Phạm Đăng Cơ, thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa dầu (RPTC) thuộc Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh từ tháng 9 năm 2023 đến tháng 1 năm 2024, đã giải quyết bài toán khai thác triệt để chuỗi giá trị rơm rạ. Mục tiêu trọng tâm là tổng hợp các dòng vật liệu cacbon tiên tiến phục vụ hai lĩnh vực chiến lược: lưu trữ năng lượng điện hóa và bao bì sinh học bảo quản thực phẩm.

Nghiên cứu được triển khai theo quy trình đa tầng tích hợp. Tầng thứ nhất chuyển hóa cellulose thành aerogel cacbon vi sợi (C-MFCA) ứng dụng làm cực âm pin Lithium-ion. Tầng thứ hai thu hồi trực tiếp silica và lignin từ dịch đen thông qua cơ chế đồng kết tủa sol-gel tại các giá trị pH 3 và pH 9, sau đó nhiệt phân chậm để chế tạo vật liệu lai cacbon lignin-silica (CLS). Tầng thứ ba tận dụng phần lignin tinh sạch phối trộn với chitosan tạo màng bọc thực phẩm đa chức năng. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế và môi trường to lớn, mở ra giải pháp anode pin Lithium-ion có dung lượng nạp ban đầu đạt tới 1668 mAh/g và màng mỏng sinh học có khả năng chặn tia UV tuyệt đối 100% cùng hiệu suất dập tắt gốc tự do DPPH vượt trên 90%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng tích hợp của ba lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật hóa học và khoa học vật liệu:

1. Thuyết Biorefinery và tiếp cận ưu tiên Lignin (Lignin-First Biorefinery): Lý thuyết này xem sinh khối nông nghiệp là nguồn nguyên liệu tổng hợp đa sản phẩm thay vì chỉ khai thác đơn dòng cellulose. Quá trình tiền xử lý kiềm phá vỡ liên kết giữa lignin và carbohydrate, hòa tan các đơn vị monolignol (guaiacyl, syringyl, p-coumaryl) cùng các hợp chất silicat thành dịch đen, bảo tồn hoạt tính hóa học của polyme tự nhiên.
2. Cơ chế lưu trữ điện tích và đệm ứng suất trong vật liệu lai Si/C: Trong pin Lithium-ion, silicon và silica có dung lượng lý thuyết rất cao nhưng dễ bị nghiền vụn do giãn nở thể tích (lên đến 300%) trong quá trình xen cài ion $\text{Li}^+$. Khung carbon vô định hình nguồn gốc từ lignin đóng vai trò giá đỡ cơ học và lớp đệm xốp dẫn điện, hạn chế sự suy giảm cấu trúc của hạt silica.
3. Cơ chế chống oxy hóa và hấp thụ photon quang học của polyphenol sinh học: Cấu trúc dị vòng thơm mang các nhóm chức phenolic hydroxyl, methoxy và các nhóm mang màu quinone trong lignin có khả năng bẫy gốc tự do thông qua phản ứng cho nguyên tử hydro, đồng thời hấp thụ mạnh bức xạ tử ngoại trong dải bước sóng từ 200 nm đến 400 nm.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng các khái niệm chuyên ngành then chốt: Micro-fibrillated Cellulose (MFC) – mạng lưới vi sợi có diện tích bề mặt riêng lớn; Hiệu suất Coulomb (Coulombic Efficiency) – thước đo tỷ lệ thuận nghịch giữa dung lượng phóng và nạp điện; cùng Độ thấm hơi nước (Water Vapor Permeability - WVP) của màng composite sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn nguyên liệu rơm rạ thu gom đồng nhất tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Quy mô mẫu phân tích được thiết kế theo phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng và lặp lại ba lần (triplicate) cho từng thông số công nghệ nhằm đảm bảo sai số thực nghiệm luôn được kiểm soát dưới 5%.

Quy trình chế tạo và phân tích được tiến hành theo các bước chuẩn hóa:

• Tổng hợp C-MFCA: Huyền phù MFC được tạo liên kết ngang bằng chất đóng rắn Polyamide Epichlorohydrin (PAE) với tỷ lệ tối ưu, định hình mạng không gian 3D, cấp đông sâu ở nhiệt độ -70 °C, sấy thăng hoa dưới áp suất chân không thấp hơn 100 mbar để bảo toàn độ xốp rỗng, sau đó nhiệt phân ở môi trường khí quyển trơ.
• Tổng hợp vật liệu lai CLS: Dịch đen được axit hóa bằng dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ để hạ pH từ 12 về hai giá trị khảo sát là pH 3 (ký hiệu LS3) và pH 9 (ký hiệu LS9), kích hoạt quá trình đồng kết tủa hạt nano silica trên mạch polyme lignin. Hỗn hợp rắn sau khi thu hồi được nhiệt phân chậm trong dải nhiệt độ 250–1000 °C dưới dòng khí $\text{N}_2$ với tốc độ gia nhiệt từ 5 °C đến 50 °C/phút để hình thành các mẫu cacbon hóa tương ứng (CLS3, CLS9).
• Chế tạo màng bọc Lignin/Chitosan (LN): Lignin tinh chế được phối trộn cùng dung dịch chitosan theo các tỷ lệ khối lượng 0%, 1%, 2%, 4%, 8% (tương ứng LN0 đến LN8), sử dụng kỹ thuật đổ màng bay hơi dung môi (solvent casting).

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn có chủ đích:

• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) và Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định nhóm chức hóa học và mức độ vô định hình của mạng lưới cacbon.
• Kính hiển vi điện tử quét kết hợp tán sắc năng lượng tia X (SEM-EDX) đánh giá hình thái bề mặt và độ phân tán của các nguyên tố C, O, Si, N.
• Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt Brunauer-Emmett-Teller (BET) đo đạc diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp mao quản.
• Đánh giá điện hóa thông qua đường cong phóng nạp dòng tĩnh (GCD) trong dải điện thế làm việc chuẩn của pin Lithium-ion.
• Đo quang phổ UV-Vis, thử nghiệm bắt gốc tự do DPPH, và phương pháp khuếch tán đĩa thạch kiểm tra hoạt tính kháng khuẩn đối với Escherichia coli cùng nấm men Candida albicans.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện mang tính đột phá về hiệu năng vật liệu:

1. Hiệu năng điện hóa vượt trội của vật liệu lai CLS: Mẫu CLS tổng hợp từ dịch đen ở pH 9 thể hiện dung lượng nạp riêng ban đầu đạt 1668 mAh/g tại tốc độ dòng 1C, cao gấp 4,5 lần so với dung lượng lý thuyết của anode than chì graphite truyền thống (372 mAh/g). Sau 100 chu kỳ phóng nạp liên tục, dung lượng điện tích duy trì ổn định ở mức 328 mAh/g, chứng minh độ bền chu kỳ cao nhờ sự tương tác cộng hưởng giữa hạt silica và nền cacbon lignin.
2. Đặc tính mao quản của aerogel cacbon C-MFCA: Vật liệu C-MFCA duy trì dung lượng nạp riêng ở mức 258 mAh/g với hiệu suất Coulomb đạt xấp xỉ 99% sau 100 chu kỳ. Cấu trúc mao quản phân cấp dạng tổ ong của C-MFCA cung cấp các kênh truyền dẫn ion $\text{Li}^+$ thông suốt, giảm thiểu hiện tượng phân cực điện cực khi vận hành ở mật độ dòng cao.
3. Hiệu quả ngăn chặn tia tử ngoại và chống oxy hóa của màng sinh học LN: Sự tích hợp lignin vào nền chitosan đã gia tăng vượt bậc tính năng quang học. Mẫu màng LN2 (chứa 2% lignin) đạt khả năng chặn 100% cả hai dải bức xạ nguy hại là UV-A và UV-B (bước sóng 200–400 nm). Đồng thời, hoạt tính dập tắt gốc tự do DPPH của màng LN2 vượt ngưỡng 90%, tăng hơn 260% so với màng chitosan tinh khiết LN0 (chỉ đạt dưới 25%).
4. Khả năng ức chế vi sinh vật gây hại: Màng composite Lignin/Chitosan ức chế sự phát triển của vi khuẩn Gram âm E. coli và nấm C. albicans, với đường kính vòng kháng khuẩn mở rộng tỷ lệ thuận theo hàm lượng lignin bổ sung, giúp giảm mật độ vi sinh vật bề mặt trên 85% so với mẫu đối chứng.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao dung lượng và độ bền chu kỳ của CLS được lý giải thông qua cấu trúc vi mô phân tán đều đặn của các hạt silica vô định hình bên trong ma trận cacbon xốp. Lớp đệm cacbon sinh học đóng vai trò hấp thụ ứng suất nội sinh sinh ra do sự biến dạng mạng tinh thể khi tạo hợp kim $\text{Li}_x\text{Si}$, triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ nứt vỡ điện cực và ngăn chặn sự tích tụ dày lên mất kiểm soát của lớp liên pha điện giải rắn (SEI).

Dữ liệu thực nghiệm được minh chứng thông qua các biểu đồ đường Galvanostatic Charge-Discharge (GCD) tại các chu kỳ 1, 2 và 100, thể hiện rõ vùng thế bằng phẳng đặc trưng của phản ứng xen cài ion liti. Đường cong hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt $\text{N}_2$ theo mô hình BET xác nhận diện tích bề mặt riêng lớn cùng hệ thống mao quản trung bình (mesopores), tạo điều kiện cho dung dịch điện ly thẩm thấu sâu vào toàn bộ thể tích điện cực.

Đối với màng bao gói thực phẩm, việc bổ sung lignin giúp làm kín các vi khe nứt trong cấu trúc polymer chitosan nhờ hình thành liên kết hydro dày đặc giữa nhóm amino ($\text{–NH}_2$) của chitosan và nhóm hydroxyl phenolic của lignin. Kết quả từ bảng đo độ thấm hơi nước (WVP) cho thấy hệ số thấm qua màng giảm khoảng 30% khi có mặt 2% lignin, tạo nên một rào cản ngăn ẩm và khí oxy hiệu quả, bảo vệ tối ưu chất lượng thực phẩm nhạy cảm với ánh sáng và quá trình oxy hóa lipid.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể nhằm chuyển giao và ứng dụng công nghệ:

1. Mở rộng quy mô nhiệt phân dòng liên tục (Continuous Pyrolysis): Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và bột giấy cần phối hợp nâng cấp hệ thống nhiệt phân dịch đen từ quy mô phòng thí nghiệm (mẻ 50 gam) lên lò phản ứng tầng sôi liên tục quy mô pilot công suất 50–100 kg/ngày. Cần kiểm soát chặt chẽ tốc độ nâng nhiệt ở mức 10 °C/phút trong dải nhiệt độ từ 700 °C đến 850 °C dưới khí bảo vệ $\text{N}_2$ nhằm tối ưu hóa diện tích bề mặt riêng của vật liệu CLS trong thời gian 12 tháng tới.
2. Kỹ thuật biến tính pha tạp dị nguyên tố (Heteroatom Doping): Các nhóm nghiên cứu chuyên sâu nên tiếp tục phát triển hướng pha tạp Nitơ (N-doping) hoặc Phốt pho (P-doping) vào khung cacbon lignin bằng cách bổ sung phụ gia thân thiện trước khi cacbon hóa. Mục tiêu kỹ thuật là nâng dung lượng duy trì của điện cực CLS sau 300 chu kỳ đạt mốc trên 450 mAh/g, triển khai thực hiện trong lộ trình 6–9 tháng.
3. Thương mại hóa công nghệ đùn thổi màng mỏng bao bì sinh học: Chuyển giao công thức phối trộn màng LN2 sang dây chuyền ép đùn màng thổi (blown film extrusion) công nghiệp. Đơn vị sản xuất bao bì thực phẩm cần đặt mục tiêu sản xuất thử nghiệm 500 $\text{m}^2$ màng sinh học tự phân hủy mỗi ngày, hướng tới thay thế màng PE/PP truyền thống trong bảo quản nông sản xuất khẩu trong vòng 18 tháng.
4. Thiết lập chuỗi cung ứng và thu gom rơm rạ bền vững: Các cơ quan quản lý nông nghiệp tại các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long cần ban hành chính sách hỗ trợ thành lập các hợp tác xã thu gom cơ giới hóa rơm rạ tập trung, mục tiêu cung ứng ổn định 10.000 tấn sinh khối khô/năm cho các nhà máy chiết xuất biorefinery, giảm thiểu 80% tình trạng đốt rơm rạ ngoài trời.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu thực nghiệm trong luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư và chuyên gia nghiên cứu vật liệu lưu trữ năng lượng: Cung cấp giải pháp kỹ thuật chi tiết để tổng hợp composite Si/C giá thành thấp từ phế phẩm nông nghiệp, giúp giải quyết bài toán suy giảm dung lượng của cực âm pin Lithium-ion thế hệ mới.
• Doanh nghiệp sản xuất bao bì sinh học và chế biến thực phẩm: Tiếp cận quy trình đúc màng composite Lignin/Chitosan kháng khuẩn, chống oxy hóa và ngăn 100% tia cực tím, trực tiếp ứng dụng vào công nghệ bao gói trái cây, thịt tươi nhằm kéo dài thời hạn bảo quản tự nhiên mà không cần dùng hóa chất bảo quản tổng hợp.
• Các nhà máy sản xuất giấy, bột giấy và chế biến cellulose: Nắm bắt quy trình công nghệ thu hồi và giá trị hóa dịch đen thành các sản phẩm hóa chất tinh khiết có giá trị thương mại cao, giúp biến dòng chất thải gây ô nhiễm thành nguồn doanh thu phụ trợ bền vững.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Hóa học, Vật liệu sinh học: Sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích hóa lý chuyên sâu (XRD, FT-IR, SEM-EDX, BET, GCD) và tư duy tích hợp công nghệ trong mô hình kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế nào giúp vật liệu CLS từ dịch đen duy trì dung lượng ổn định sau 100 chu kỳ?
Khung cacbon xốp nguồn gốc từ polyme thơm lignin đóng vai trò như một giá đỡ dẫn điện phân tán và đệm cơ học đàn hồi. Cấu trúc này bao bọc các hạt silica nano, ngăn ngừa hiện tượng vỡ vụn do giãn nở thể tích khi nạp xả ion liti, đồng thời duy trì đường truyền dẫn điện tử liên tục, giúp điện cực đạt dung lượng ổn định 328 mAh/g sau 100 chu kỳ.

2. Tại sao giá trị pH khi axit hóa dịch đen (pH 3 và pH 9) lại tạo ra sự khác biệt cấu trúc của composite Lignin-Silica?
Độ pH điều chỉnh tốc độ ngưng tụ của polysilicic acid và mức độ proton hóa các nhóm phenolic của lignin. Tại pH 9, silica kết tủa đồng đều tạo liên kết hydro chặt chẽ với lignin hơn, trong khi tại pH 3 tốc độ kết tủa diễn ra ồ ạt làm kích thước hạt silica lớn hơn, dẫn đến sự khác biệt về diện tích bề mặt BET và hiệu năng phóng nạp điện hóa.

3. Khả năng ngăn chặn 100% tia UV của màng Lignin/Chitosan có làm giảm độ trong suốt của bao bì không?
Cấu trúc liên hợp $\pi$-$\pi$ và các nhóm mang màu quinone trong lignin hấp thụ triệt để tia tử ngoại dải 200–400 nm nhưng cũng làm màng chuyển sang màu nâu nhạt hổ phách. Ở tỷ lệ phối trộn tối ưu 2% (mẫu LN2), màng vẫn giữ được độ trong suốt quang học cần thiết cho người tiêu dùng quan sát thực phẩm bên trong mà vẫn chặn 100% tia UV.

4. Điểm khác biệt cơ bản giữa vật liệu cực âm C-MFCA và CLS trong nghiên cứu này là gì?
C-MFCA được chế tạo từ vi sợi cellulose định hình mạng aerogel 3D siêu nhẹ, tập trung vào khả năng dẫn truyền ion nhanh với hiệu suất Coulomb tiệm cận 99% nhưng dung lượng đạt 258 mAh/g. Ngược lại, CLS tận dụng silica từ dịch đen để tạo cơ chế lưu trữ kép, đạt dung lượng nạp cực cao tới 1668 mAh/g trong chu kỳ đầu.

5. Quy trình xử lý dịch đen thành vật liệu cacbon có phát sinh chất thải thứ cấp độc hại không?
Quy trình sử dụng tác nhân kết tủa là axit sunfuric loãng thông thường ở điều kiện nhiệt độ phòng, dịch lỏng sau tách kết tủa có thể trung hòa dễ dàng. Khí sinh ra trong quá trình nhiệt phân chậm chủ yếu là các hợp chất hữu cơ bay hơi nhẹ được hồi lưu đốt sinh nhiệt, hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn sản xuất sạch hơn và không phát thải thứ cấp nguy hại.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công quy trình công nghệ tích hợp xanh, khai thác triệt để rơm rạ nông nghiệp và tái chế toàn diện dịch đen thành các dòng vật liệu cacbon kỹ thuật cao.
• Vật liệu lai cacbon lignin-silica (CLS) tổng hợp từ dịch đen khẳng định tiềm năng vượt trội làm anode pin Lithium-ion với dung lượng nạp ban đầu 1668 mAh/g và duy trì 328 mAh/g sau 100 chu kỳ ở tốc độ 1C.
• Aerogel cacbon vi sợi cellulose (C-MFCA) cấu trúc xốp rỗng 3D đạt dung lượng nạp riêng 258 mAh/g với hiệu suất Coulomb tiệm cận 99%, đảm bảo tính bền vững cơ hóa cho pin lưu trữ.
• Màng mỏng sinh học Lignin/Chitosan tỷ lệ 2% lignin đạt khả năng chống tia tử ngoại 100%, khử gốc tự do DPPH trên 90% cùng hoạt tính kháng khuẩn E. coli và nấm mốc tự nhiên.
• Nghiên cứu đặt nền móng vững chắc cho mô hình kinh tế tuần hoàn không chất thải tại Việt Nam, mở ra hướng đi bền vững cho ngành công nghiệp hóa chất và lưu trữ năng lượng tái tạo trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY -------------------- PHAM DANG CO THE UTILIZATION OF BLACK LIQUOR GENERATED IN THE CELLULOSE PRODUCTION IN THE SYNTHESIS OF CARBON-BASED MATERIALS TỔNG HỢP VẬT LIỆU CACBON TỪ DỊCH ĐEN TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CELLULOSE TỪ RƠM RẠ Major: Chemical Engineering Major code: 8520301 MASTER’S THESIS HO CHI MINH CITY, January 2024 This research was conducted at: Vietnam National University – Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT). Le Thi Kim Phung Examiner 1: Assoc. Nguyen Truong Son Examiner 2: Dr. Tran Phuoc Nhat Uyen This master’s thesis is defended at Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM on January 20th, 2024.

Master’s Thesis Committee: 1. Nguyen Thi Phuong Phong 2. Nguyen Truong Son 3. Tran Phuoc Nhat Uyen 4.

Tran Tan Viet 5. Le Vu Ha Approval of the Chairman of the Master’s Thesis Committee and Dean of Faculty of Chemical Engineering after the thesis was corrected. CHAIRMAN OF DEAN OF FACULTY OF THESIS COMMITTEE CHEMICAL ENGINEERING VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY – HO CHI MINH CITY SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Independence – Freedom – Happiness ─────────────────────────────── ────────────────── APPROVAL OF MASTER’S DISSERTATION Full name: PHAM DANG CO Student ID: 2270118 Day of birth: 29/09/1999 Place of birth: Ben Tre City Major: Chemical Engineering Major code: 8520301 1. Name of dissertation In English: The utilization of black liquor generated in the cellulose production in the synthesis of carbon-based materials In Vietnamese: Tổng hợp vật liệu cacbon từ dịch đen trong quá trình sản xuất cellulose từ rơm rạ 2.

Dissertation objectives: Phase 1: - Synthesis and characterization of carbonized lignin-silica hybrids (CLS); Investigation into the effect of pH value (3 and 9) on the electrochemical behavior of CLS samples as an anode of lithium-ion battery. - Synthesis chẩcterization of carbonized MFC aerogel (C-MFCA); Investigation of the electrochemical behavior of CLS samples as an anode of lithium-ion battery. Phase 2: - Fabrication and characterization of lignin/chitosan film with different lignin content; Evaluation of the UV blocking, antioxidant performance, and antibacterial activity of lignin/chitosan film. Start date: 4th September, 2023 4.

Finish date: 4th January, 2024 5. Le Thi Kim Phung Ho Chi Minh City, January 11th 2024 SUPERVISOR HEAD OF DEPARTMENT PGS. Lê Thị Kim Phụng PGS. Lê Thị Kim Phụng DEAN OF FACULTY OF CHEMICAL ENGINEERING i ACKNOWLEDGEMENT First of all, I would like to deliver many thanks to Ho Chi Minh City University of Technology, Faculty of Chemical Engineering, and especially Refinery and Petrochemical Technology Research Center (RPTC) for creating such precious opportunities for me to take my thesis project.

Most importantly, I would like to express my sincerest gratitude to my supervisor, Assoc. Le Thi Kim Phung, who always wholeheartedly supports me not only in terms of academic issues but also with her thoughtful encouragement. Even though there were several times that I squeezed her last drop of patience, she would still help me to work on my problems in such a moderate manner. Moreover, I would also like to send my thankfulness to PhD student Le Minh Tan and PhD student Do Nguyen Hoang Nga, the kind and passionate researchers, who were always ready to answer my chemistry questions.

More than knowledge or surprising gifts, the “things” you two lied in me were the positive change in awareness, skills as well as heartfelt appreciation. Although there were countless moments for me to feel grateful about during the thesis period, the occasion to know and work with my team was the most priceless. Thanks to you all, Boi Tuyen, Thanh Viet, and Trang Nhi, my senior year was full of memorial stories. Each member left in me deep impressions with a very special sensation.

Last but not least, I would like to say my biggest thanks to my wife and my family, who always supported me in various aspects and have been my most reliable foundation. Pham Dang Co ii ABSTRACT Nowadays, the necessity of sustainable development in manufacturing is increasingly emphasized. In this setting, value-added byproducts from agriculture, waste-free processes, and efficient utilization of raw materials are considered to play a crucial role.