Tổng quan nghiên cứu

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa và túi nilon ngày càng trở nên nghiêm trọng. Trung bình mỗi ngày tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh thải ra khoảng 80 tấn nhựa và nilon, trong khi đó, mỗi hộ gia đình Việt Nam sử dụng khoảng 1 kg túi nilon mỗi tháng. Tỉ lệ chất thải nhựa phát sinh tại các nước có thu nhập trung bình như Việt Nam chiếm khoảng 12% tổng lượng chất thải rắn. Nếu 10% lượng chất thải nhựa và túi nilon không được tái sử dụng, lượng rác thải nhựa thải bỏ sẽ lên tới khoảng 2 triệu tấn mỗi năm. Các sản phẩm nhựa dùng một lần như muỗng, đũa, chén, đĩa được sử dụng phổ biến do tính tiện lợi, giá thành thấp, nhưng lại gây ra tác động tiêu cực lâu dài đến sức khỏe con người và môi trường.

Trong bối cảnh đó, nông nghiệp Việt Nam đóng vai trò quan trọng với tỷ trọng 13,96% GDP, tạo ra lượng phế phẩm nông nghiệp rất lớn, như rơm rạ, thân cây chuối, bã mía, vỏ hạt... Tuy nhiên, phần lớn phế phẩm này chưa được tận dụng hiệu quả, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường. Việc nghiên cứu và ứng dụng phế phẩm nông nghiệp để sản xuất các sản phẩm thân thiện môi trường là cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tối ưu hóa quá trình điều chế đĩa sử dụng một lần từ thân cây chuối, nhằm thay thế sản phẩm nhựa dùng một lần, tận dụng phế phẩm nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu thực hiện trong phạm vi quy mô phòng thí nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh, tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như nồng độ dung dịch Na2CO3, thời gian gia nhiệt, tỉ lệ phụ gia hồ tinh bột và khối lượng vật liệu ban đầu. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao ý thức bảo vệ môi trường, thúc đẩy phát triển kinh tế tuần hoàn và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Tính chất phế phẩm thân chuối: Thân chuối chứa khoảng 43,54% cellulose, 9% lignin, 2-3% chất béo và sáp, cùng hàm lượng tro 8%. Cellulose là thành phần chính tạo nên độ bền cơ học của vật liệu, trong khi lignin cần được loại bỏ để thu hồi sợi cellulose tinh khiết.

  • Quá trình loại bỏ lignin: Sử dụng dung dịch Na2CO3 trong môi trường kiềm để phân hủy liên kết ete β-aryl của lignin, tăng tính hòa tan lignin, đồng thời hạn chế phản ứng ngưng tụ lignin gây cản trở quá trình tách.

  • Cơ chế hoạt động của Natri Benzoat (E211): Chất bảo quản này có tác dụng kháng khuẩn, chống nấm mốc, giúp bảo quản hồ tinh bột và vật liệu trong quá trình điều chế.

  • Phương pháp ma trận trực giao Taguchi: Đây là phương pháp thiết kế thí nghiệm đa yếu tố, giúp xác định ảnh hưởng của các yếu tố đến kết quả đầu ra với số lần thí nghiệm tối thiểu. Phương pháp sử dụng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) để đánh giá và lựa chọn bộ tham số tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm: độ bền kéo (tensile strength), tải trọng bề mặt (weight load), tỷ lệ khối lượng bột năng trên khối lượng vật liệu, và khối lượng vật liệu sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính là thân cây chuối thu thập tại Củ Chi, TP. Hồ Chí Minh. Các hóa chất sử dụng gồm Na2CO3, hồ tinh bột (bột năng), và chất bảo quản Natri Benzoat (E211).

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp thực nghiệm với 16 thí nghiệm theo ma trận trực giao Taguchi L16, biến đổi 4 yếu tố gồm nồng độ Na2CO3 (5-20%), thời gian nấu (15-60 phút), tỉ lệ bột năng (5-20%), và khối lượng vật liệu (30-75g). Các chỉ tiêu đánh giá gồm độ bền kéo, tải trọng bề mặt, khả năng chống thấm nước, và khối lượng riêng.

  • Thiết bị: Máy thử kéo nén M500-50 Testometric để đo độ bền kéo; tủ sấy ECOCELL để sấy nguyên liệu; máy ép cơ khí để ép lá sen lên đĩa; máy đo pH, cân phân tích, và các dụng cụ thí nghiệm tiêu chuẩn.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 6 tháng, bao gồm giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, tiến hành thí nghiệm, phân tích dữ liệu và đánh giá sản phẩm.

  • Phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm Minitab để tính toán tỷ số S/N, phân tích phương sai (ANOVA) và xây dựng mô hình hồi quy nhằm xác định các yếu tố ảnh hưởng và bộ tham số tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của thời gian nấu đến độ bền kéo: Thời gian nấu là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất. Khi tăng thời gian nấu từ 15 đến 45 phút, độ bền kéo tăng rõ rệt do lượng lignin được loại bỏ nhiều hơn, thu hồi cellulose hiệu quả. Tuy nhiên, kéo dài thời gian nấu đến 60 phút làm giảm nhẹ độ bền kéo do phản ứng ngưng tụ lignin. Thời gian nấu tối ưu được xác định là 45 phút.

  2. Ảnh hưởng của nồng độ Na2CO3 đến tải trọng bề mặt: Nồng độ Na2CO3 tăng giúp tăng khả năng loại bỏ lignin, cải thiện cấu trúc sợi cellulose, nâng cao tải trọng bề mặt. Nồng độ tối ưu là 20%. Tuy nhiên, vượt quá mức này gây phản ứng ngưng tụ lignin, giảm hiệu quả.

  3. Tỉ lệ bột năng và khối lượng vật liệu: Tỉ lệ bột năng tối ưu là 10%, giúp tăng liên kết giữa các sợi cellulose, nâng cao độ bền kéo và tải trọng bề mặt. Khi tỉ lệ bột năng quá cao, các sợi cellulose bị tách rời, làm giảm độ bền. Khối lượng vật liệu tối ưu là 45g đối với độ bền kéo và 60g đối với tải trọng bề mặt; vượt quá mức này làm giảm khả năng phân tán lực, dễ gây gãy sản phẩm.

  4. Khả năng chống thấm và chịu nhiệt: Đĩa có thể chứa nước ở nhiệt độ phòng hơn 4 giờ mà không bị rò rỉ, phù hợp để đựng thức ăn lỏng. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với nước nóng trên 60°C hoặc đá viên ở 0-5°C trên 30 phút, màu sắc lá sen bị biến đổi, giảm tính thẩm mỹ.

  5. Phân tích FT-IR: Phổ FT-IR cho thấy sản phẩm chứa các nhóm chức tự nhiên như –O-H, –C-H, –C-O-C đặc trưng của cellulose và tinh bột, không có các nhóm khó phân hủy, chứng tỏ sản phẩm có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn trong vòng 6 tháng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc tối ưu hóa các yếu tố trong quá trình điều chế đĩa từ thân cây chuối có thể tạo ra sản phẩm có độ bền cơ học và khả năng chịu lực phù hợp để thay thế sản phẩm nhựa dùng một lần. Thời gian nấu và nồng độ Na2CO3 là hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về xử lý lignin trong phế phẩm nông nghiệp.

Việc sử dụng hồ tinh bột làm chất kết dính giúp tăng cường liên kết giữa các sợi cellulose, nhưng cần kiểm soát tỉ lệ để tránh làm giảm độ bền. Khối lượng vật liệu cũng cần được điều chỉnh để cân bằng giữa độ dày và khả năng chịu lực.

Khả năng chống thấm và chịu nhiệt của sản phẩm phù hợp với các ứng dụng đựng thức ăn nguội và lỏng, tuy nhiên hạn chế khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hoặc thấp kéo dài, cần nghiên cứu thêm để cải thiện.

Phân tích FT-IR khẳng định sản phẩm thân thiện môi trường, có thể phân hủy sinh học, góp phần giảm thiểu ô nhiễm nhựa. Các biểu đồ Pareto và mô hình hồi quy cho thấy sự phù hợp của phương pháp Taguchi trong tối ưu hóa quy trình với số liệu tin cậy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình điều chế tối ưu: Khuyến nghị sử dụng nồng độ Na2CO3 10%, thời gian nấu 45 phút, tỉ lệ bột năng 10%, và khối lượng vật liệu 45g để sản xuất đĩa thân chuối đạt chất lượng cao. Thời gian thực hiện quy trình trong vòng 6 tháng để đảm bảo hiệu quả.

  2. Phát triển công nghệ sấy và ép lá sen: Thời gian sấy lá sen tối ưu là 30 phút ở 40°C để giữ màu sắc và độ dẻo dai, tăng khả năng chống thấm. Cần đầu tư máy ép cơ khí gia nhiệt để đảm bảo độ kết dính và thẩm mỹ sản phẩm.

  3. Mở rộng quy mô sản xuất: Khuyến khích các doanh nghiệp và hợp tác xã nông nghiệp tận dụng phế phẩm thân chuối để sản xuất đĩa dùng một lần, góp phần giảm rác thải nhựa, tạo việc làm và tăng thu nhập cho nông dân.

  4. Nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình tuyên truyền, đào tạo về lợi ích của sản phẩm thân thiện môi trường, khuyến khích người tiêu dùng chuyển sang sử dụng sản phẩm sinh học phân hủy được.

  5. Nghiên cứu cải tiến sản phẩm: Tiếp tục nghiên cứu nâng cao khả năng chịu nhiệt và chống thấm của sản phẩm để mở rộng ứng dụng trong đựng thức ăn nóng và lạnh, đồng thời giảm trọng lượng sản phẩm để tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Hóa học và Thực phẩm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về xử lý phế phẩm nông nghiệp, tối ưu hóa quy trình sản xuất vật liệu sinh học.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và bao bì thân thiện môi trường: Thông tin về quy trình điều chế, các yếu tố ảnh hưởng và kết quả đánh giá chất lượng sản phẩm giúp doanh nghiệp áp dụng và phát triển sản phẩm mới.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực tiễn về tận dụng phế phẩm nông nghiệp, góp phần xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu ô nhiễm.

  4. Người tiêu dùng và tổ chức xã hội quan tâm đến bảo vệ môi trường: Luận văn giúp nâng cao nhận thức về tác hại của nhựa dùng một lần và lợi ích của sản phẩm sinh học phân hủy được, thúc đẩy thay đổi hành vi tiêu dùng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn thân cây chuối làm nguyên liệu sản xuất đĩa dùng một lần?
    Thân cây chuối chứa hàm lượng cellulose cao (43,54%) và lignin thấp (9%), dễ dàng xử lý để thu hồi sợi cellulose có độ bền cơ học tốt. Ngoài ra, thân chuối là phế phẩm nông nghiệp phổ biến, giá thành thấp và thân thiện môi trường.

  2. Phương pháp Taguchi giúp gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp Taguchi giúp thiết kế thí nghiệm đa yếu tố với số lần thí nghiệm tối thiểu, phân tích ảnh hưởng của từng yếu tố đến chất lượng sản phẩm, từ đó xác định bộ tham số tối ưu một cách hiệu quả và tin cậy.

  3. Sản phẩm đĩa thân chuối có khả năng chịu nhiệt như thế nào?
    Đĩa có thể chứa thức ăn nguội ở nhiệt độ phòng và đựng nước hơn 4 giờ mà không rò rỉ. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với nước nóng trên 60°C hoặc đá viên ở 0-5°C trên 30 phút, màu sắc lá sen bị biến đổi, giảm tính thẩm mỹ.

  4. Khả năng phân hủy của sản phẩm ra sao?
    Phân tích FT-IR cho thấy sản phẩm chứa các thành phần tự nhiên như cellulose và tinh bột, không có các nhóm khó phân hủy. Sản phẩm có thể phân hủy sinh học hoàn toàn trong môi trường tự nhiên trong vòng 6 tháng.

  5. Làm thế nào để nâng cao độ bền và tải trọng của sản phẩm?
    Tối ưu thời gian nấu (45 phút), nồng độ Na2CO3 (10-20%), tỉ lệ bột năng (10%) và khối lượng vật liệu (45-60g) giúp tăng cường liên kết giữa các sợi cellulose, nâng cao độ bền kéo và tải trọng bề mặt của sản phẩm.

Kết luận

  • Đã xác định được quy trình tối ưu điều chế đĩa dùng một lần từ thân cây chuối với thời gian nấu 45 phút, nồng độ Na2CO3 10%, tỉ lệ bột năng 10%, và khối lượng vật liệu 45g.
  • Sản phẩm đạt độ bền kéo 7 MPa và lực kéo 246,9 N, có khả năng chịu tải trọng bề mặt phù hợp.
  • Đĩa có khả năng chống thấm nước tốt, giữ được nước hơn 4 giờ ở nhiệt độ phòng, phù hợp đựng thức ăn lỏng và nguội.
  • Lá sen sấy 30 phút ở 40°C giữ được màu sắc và độ dẻo dai, tăng tính thẩm mỹ và khả năng chống thấm cho sản phẩm.
  • Phân tích FT-IR khẳng định sản phẩm hoàn toàn tự nhiên, có khả năng phân hủy sinh học trong vòng 6 tháng, thân thiện môi trường.

Next steps: Mở rộng quy mô sản xuất, cải tiến khả năng chịu nhiệt và chống thấm, đồng thời phát triển các sản phẩm sinh học khác từ phế phẩm nông nghiệp.

Call to action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý hãy phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu, thúc đẩy sản xuất và tiêu thụ sản phẩm thân thiện môi trường, góp phần bảo vệ hành tinh xanh.