I. Tổng quan về nanocellulose
Nanocellulose (NC) là một trong những vật liệu sinh học có tiềm năng lớn trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học và công nghệ vật liệu. Được tổng hợp từ cellulose, NC không chỉ có tính chất nhẹ, bền mà còn thân thiện với môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng NC có thể được thu hồi từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, đặc biệt là từ phụ phẩm nông nghiệp như lá dứa. Việc sử dụng nanocellulose trong sản xuất vật liệu composite không chỉ nâng cao hiệu suất của sản phẩm mà còn giảm thiểu lượng chất thải nông nghiệp, góp phần vào phát triển bền vững. Theo báo cáo, thị trường NC toàn cầu đang trên đà tăng trưởng mạnh mẽ, từ 350 triệu đô la vào năm 2021 dự kiến sẽ đạt 682 triệu đô la vào năm 2026.
1.1. Phân loại nanocellulose
Nanocellulose được chia thành ba loại chính: (1) tinh thể nanocellulose (CNC), (2) sợi nanocellulose (CNF), và (3) nanocellulose vi khuẩn (BNC). CNC có độ kết tinh cao và được sản xuất thông qua quá trình thủy phân cellulose bằng acid. CNF được thu hồi từ cellulose qua các phương pháp cơ học như đồng hóa hoặc siêu nghiền. Trong khi đó, BNC được sản xuất từ vi khuẩn và có cấu trúc hình mạng đặc biệt. Sự đa dạng trong cấu trúc và tính chất của các loại NC này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học và vật liệu mới.
II. Quy trình tổng hợp nanocellulose
Quy trình tổng hợp nanocellulose từ lá dứa bao gồm nhiều bước, bắt đầu từ việc tiền xử lý cơ học và hóa học. Quá trình này giúp loại bỏ các tạp chất và tăng cường hàm lượng cellulose trong nguyên liệu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, sử dụng NaOH trong quá trình kiềm hóa và H2O2 trong quá trình tẩy trắng có ảnh hưởng tích cực đến chất lượng cellulose thu hồi. Đặc biệt, hàm lượng cellulose đạt đến 98,09% sau khi tiền xử lý. Sau đó, quá trình thủy phân acid được thực hiện để tạo ra NC với độ kết tinh lên đến 84,31%. Kết quả cho thấy, chiều dài của NC khoảng 100 - 300 nm và chiều rộng từ 10 - 50 nm, cho thấy tiềm năng ứng dụng cao trong việc gia cố vật liệu composite.
2.1. Tiền xử lý và thu hồi cellulose
Quá trình tiền xử lý là bước quan trọng trong việc thu hồi cellulose từ lá dứa. Nghiên cứu đã khảo sát các yếu tố như nồng độ NaOH, thời gian phản ứng và tỉ lệ rắn-lỏng để tối ưu hóa quy trình. Kết quả cho thấy, việc điều chỉnh các thông số này có thể nâng cao hiệu suất thu hồi cellulose. Đặc biệt, việc tẩy trắng bằng H2O2 cũng đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng cellulose, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tổng hợp NC.
III. Ứng dụng nanocellulose trong kỹ thuật hóa học
Nanocellulose có nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học, đặc biệt là trong sản xuất vật liệu composite. Việc kết hợp NC với polyvinyl alcohol và chitosan đã cho ra đời các màng biocomposite với độ bền kéo cao và khả năng trương nở thấp. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi bổ sung NC, độ trương trong nước của màng biocomposite giảm đến 160% và độ bền kéo tăng gần 2 lần so với màng không có NC. Điều này chứng tỏ rằng NC không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, phù hợp với xu hướng hóa học xanh hiện nay.
3.1. Tính chất và ưu điểm của nanocellulose
Nanocellulose mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như độ bền cơ học cao, khả năng chịu nhiệt tốt và tính trơ hóa học. Những đặc tính này giúp NC trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ bao bì sinh học đến y học tái tạo. Hơn nữa, NC có thể được điều chỉnh để đạt được các đặc tính bề mặt khác nhau, mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm mới trong ngành công nghiệp vật liệu.
