Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh gia tăng dân số và nhu cầu sản xuất lương thực ngày càng cao, lượng phụ phẩm nông nghiệp cũng tăng theo, gây ra nhiều vấn đề về môi trường do xử lý không hợp lý. Tại Việt Nam, lá dứa là một phụ phẩm nông nghiệp phong phú với hàm lượng cellulose lên đến 36,3%, tuy nhiên phần lớn bị bỏ phí sau thu hoạch. Việc tận dụng nguồn nguyên liệu này để tổng hợp nanocellulose (NC) không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế cao. Nanocellulose là vật liệu nano có kích thước từ 10 đến 300 nm, sở hữu đặc tính nổi bật như độ bền cơ học cao, khối lượng nhẹ, khả năng biến đổi bề mặt và thân thiện với môi trường. Thị trường NC toàn cầu được ước tính đạt khoảng 350 triệu đô la năm 2021 và dự báo tăng lên 682 triệu đô la vào năm 2026.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát và tối ưu hóa quy trình tổng hợp NC từ lá dứa thông qua phương pháp tiền xử lý cơ học kết hợp hóa học (kiềm hóa, tẩy trắng) và thủy phân acid, nhằm thu hồi cellulose với hàm lượng cao và hiệu quả kinh tế. Nghiên cứu cũng tập trung ứng dụng NC trong gia cố màng biocomposite từ polyvinyl alcohol (PVA) và chitosan, hướng tới phát triển vật liệu sinh học có tính bền vững và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp màng bọc thực phẩm, màng lọc khí.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa Dầu, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM, trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2022. Các chỉ số đánh giá bao gồm hàm lượng cellulose, độ kết tinh, kích thước hạt NC, độ bền kéo và khả năng trương nở của màng biocomposite. Nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị phụ phẩm nông nghiệp, thúc đẩy phát triển vật liệu sinh học thân thiện môi trường và giảm thiểu ô nhiễm do chất thải nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về vật liệu nano, đặc biệt là nanocellulose (NC) – một dạng cellulose được thu nhỏ và tái cấu trúc ở cấp độ nano. NC được phân loại thành ba loại chính: tinh thể nanocellulose (CNC), sợi nanocellulose (CNF) và nanocellulose vi khuẩn (BNC), với đặc tính vật lý và hóa học khác nhau. CNC có độ kết tinh cao (54-88%), kích thước chiều dài từ 100 đến vài trăm nm, chiều rộng 10-70 nm; CNF có kích thước chiều dài lớn hơn (500-2000 nm) và chứa cả vùng kết tinh và vô định hình.

Phương pháp thu hồi cellulose từ sinh khối lignocellulose bao gồm tiền xử lý cơ học (cắt, nghiền, tách sợi) và tiền xử lý hóa học (kiềm hóa bằng NaOH, tẩy trắng bằng H2O2). Tiền xử lý nhằm loại bỏ lignin, hemicellulose, tăng độ xốp và diện tích bề mặt cellulose, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân acid tổng hợp NC. Thủy phân acid sử dụng H2SO4 để cắt các vùng vô định hình của cellulose, giữ lại vùng kết tinh tạo thành CNC có kích thước nano.

Ứng dụng nanocellulose trong vật liệu composite dựa trên khả năng gia cường cơ học, cải thiện tính chất nhiệt và giảm độ trương nở của màng polymer. Việc kết hợp NC với PVA và chitosan tạo ra màng biocomposite có độ bền kéo tăng gần gấp đôi và khả năng chống thấm nước được cải thiện đáng kể.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ phụ phẩm lá dứa tại Việt Nam, được xử lý tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa Dầu, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM. Cỡ mẫu gồm các lô lá dứa tươi được tách sợi, nghiền thành bột 80 mesh. Phương pháp chọn mẫu theo tiêu chuẩn đồng nhất về kích thước và độ tươi nhằm đảm bảo tính đại diện.

Quy trình nghiên cứu gồm ba giai đoạn chính:

  1. Tiền xử lý cơ học và hóa học: Lá dứa được tách sợi bằng máy PALF M1, sau đó xử lý kiềm với dung dịch NaOH (nồng độ 2-10%, thời gian 1-3 giờ, tỉ lệ rắn-lỏng 1:20-1:40) và tẩy trắng bằng dung dịch H2O2 (nồng độ 1-5%, thời gian 1-2 giờ). Mục tiêu là thu hồi cellulose với hàm lượng cao và độ kết tinh tối ưu.

  2. Tổng hợp nanocellulose: Cellulose thu được được thủy phân acid bằng H2SO4 64% ở nhiệt độ 45-60°C, thời gian 30-60 phút, tỉ lệ rắn-lỏng 1:20-1:40. Sản phẩm NC được rửa, ly tâm và thẩm tách đến pH trung tính.

  3. Ứng dụng NC trong màng biocomposite: NC được kết hợp với PVA và chitosan theo tỉ lệ thích hợp, tạo màng biocomposite. Màng được đánh giá về độ bền kéo, độ trương nở, cấu trúc bề mặt bằng SEM, FTIR, TGA.

Phương pháp phân tích bao gồm: định lượng carbohydrate theo chuẩn NREL, kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), nhiễu xạ tia X (XRD), tán xạ ánh sáng động (DLS) để xác định kích thước hạt và phân bố điện tích bề mặt. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm thống kê với mức ý nghĩa p<0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tiền xử lý cơ học và hóa học đến thu hồi cellulose:

    • Sau tiền xử lý cơ học và kiềm hóa với NaOH 6%, thời gian 2 giờ, tỉ lệ rắn-lỏng 1:30, hàm lượng cellulose thu hồi đạt 98,09%, tăng gần gấp 3 lần so với nguyên liệu thô (36,3%).
    • Độ kết tinh (CrI) của cellulose tăng từ 27,53% (lignin ban đầu) lên 76,95%, cho thấy hiệu quả loại bỏ lignin và hemicellulose.
    • Tẩy trắng bằng H2O2 3%, thời gian 1,5 giờ giúp tăng độ tinh khiết cellulose mà không làm giảm độ kết tinh.

  2. Tổng hợp nanocellulose bằng thủy phân acid:

    • Thời gian thủy phân 45 phút, nhiệt độ 50°C, tỉ lệ rắn-lỏng 1:30 cho NC có độ kết tinh tăng lên 84,31%.
    • Kích thước NC phân bố trong khoảng chiều dài 100-300 nm, chiều rộng 10-50 nm, phù hợp với tiêu chuẩn nanocellulose tinh thể.
    • Điện tích bề mặt của NC đạt giá trị âm cao, giúp huyền phù ổn định trong nước, giảm hiện tượng kết tụ.

  3. Ứng dụng NC trong màng biocomposite PVA/CS:

    • Khi bổ sung NC, độ bền kéo của màng tăng gần 2 lần so với màng không có NC (từ khoảng 15 MPa lên gần 30 MPa).
    • Độ trương nở trong nước giảm đến 160% và duy trì ở mức 280% trong 2 giờ, cho thấy khả năng chống thấm nước được cải thiện rõ rệt.
    • Phân tích FTIR và TGA cho thấy sự tương tác liên kết hydro giữa NC, PVA và chitosan, làm tăng tính ổn định nhiệt và cấu trúc màng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp tiền xử lý cơ học kết hợp hóa học (kiềm hóa và tẩy trắng) hiệu quả trong việc loại bỏ lignin và hemicellulose, làm tăng hàm lượng cellulose và độ kết tinh, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân acid tổng hợp NC. So với các nghiên cứu trước đây, hàm lượng cellulose thu hồi và độ kết tinh đạt được cao hơn khoảng 5-10%, chứng tỏ quy trình tối ưu.

Thủy phân acid với H2SO4 64% ở điều kiện nhiệt độ và thời gian phù hợp giúp tạo ra NC có kích thước nano đồng đều, độ kết tinh cao, phù hợp với các ứng dụng kỹ thuật. Điện tích bề mặt âm cao của NC giúp huyền phù ổn định, giảm hiện tượng kết tụ, thuận lợi cho việc gia cố vật liệu composite.

Việc ứng dụng NC trong màng biocomposite PVA/CS làm tăng đáng kể độ bền kéo và giảm độ trương nở, phù hợp với yêu cầu vật liệu bao bì và màng lọc. Các kết quả phân tích cấu trúc và nhiệt cho thấy sự tương tác liên kết hydro giữa các thành phần, góp phần cải thiện tính chất cơ học và nhiệt của màng. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, màng biocomposite có NC từ lá dứa cho hiệu suất tương đương hoặc vượt trội, khẳng định tiềm năng ứng dụng của NC từ phụ phẩm nông nghiệp Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hàm lượng cellulose theo điều kiện kiềm hóa, đồ thị kích thước hạt NC theo thời gian thủy phân, biểu đồ so sánh độ bền kéo và độ trương nở của màng biocomposite với và không có NC, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng bước xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tiền xử lý:

    • Áp dụng kiềm hóa với NaOH nồng độ 6-8%, thời gian 2 giờ, tỉ lệ rắn-lỏng 1:30 để đạt hiệu suất thu hồi cellulose cao nhất.
    • Thực hiện tẩy trắng bằng H2O2 3% trong 1,5 giờ để tăng độ tinh khiết mà không làm giảm độ kết tinh.
    • Chủ thể thực hiện: các nhà máy chế biến nông sản, trung tâm nghiên cứu; thời gian áp dụng: 6-12 tháng.

  2. Nâng cao hiệu quả tổng hợp nanocellulose:

    • Kiểm soát chặt chẽ thời gian (45 phút) và nhiệt độ (50°C) thủy phân acid để tạo NC có kích thước đồng đều và độ kết tinh cao.
    • Sử dụng hệ thống thẩm tách và ly tâm hiệu quả để loại bỏ acid dư và tạp chất.
    • Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu, doanh nghiệp sản xuất NC; thời gian áp dụng: 6 tháng.

  3. Phát triển màng biocomposite ứng dụng thực tế:

    • Kết hợp NC với PVA và chitosan theo tỉ lệ tối ưu để gia tăng độ bền kéo và giảm độ trương nở.
    • Thử nghiệm mở rộng ứng dụng trong màng bọc thực phẩm, màng lọc khí và vật liệu y sinh.
    • Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học, viện nghiên cứu; thời gian áp dụng: 12-18 tháng.

  4. Khuyến khích sử dụng phụ phẩm nông nghiệp:

    • Xây dựng chuỗi cung ứng nguyên liệu lá dứa ổn định, giảm lãng phí và ô nhiễm môi trường.
    • Hỗ trợ chính sách và đào tạo kỹ thuật cho nông dân và doanh nghiệp thu gom, chế biến.
    • Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý nông nghiệp, tổ chức phát triển bền vững; thời gian áp dụng: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ vật liệu:

    • Lợi ích: nắm bắt quy trình tổng hợp nanocellulose từ phụ phẩm nông nghiệp, phương pháp phân tích đặc tính vật liệu.
    • Use case: phát triển đề tài nghiên cứu, ứng dụng công nghệ xanh trong sản xuất vật liệu.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu sinh học và bao bì:

    • Lợi ích: áp dụng quy trình thu hồi cellulose và tổng hợp NC để sản xuất vật liệu composite thân thiện môi trường.
    • Use case: cải tiến sản phẩm, giảm chi phí nguyên liệu, nâng cao giá trị sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp, môi trường:

    • Lợi ích: hiểu rõ tiềm năng sử dụng phụ phẩm nông nghiệp, thúc đẩy phát triển kinh tế tuần hoàn.
    • Use case: xây dựng chính sách hỗ trợ, phát triển bền vững ngành nông nghiệp và công nghiệp sinh học.

  4. Các tổ chức phát triển bền vững và môi trường:

    • Lợi ích: có cơ sở khoa học để khuyến khích tái chế phụ phẩm nông nghiệp, giảm ô nhiễm môi trường.
    • Use case: triển khai dự án, chương trình giáo dục và truyền thông về bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nanocellulose là gì và tại sao nó quan trọng?
    Nanocellulose là dạng cellulose có kích thước nano, có đặc tính cơ học cao, nhẹ và thân thiện môi trường. Nó được ứng dụng rộng rãi trong vật liệu composite, y sinh và điện tử do khả năng tái tạo và phân hủy sinh học.

  2. Tại sao chọn lá dứa làm nguyên liệu tổng hợp nanocellulose?
    Lá dứa là phụ phẩm nông nghiệp dồi dào với hàm lượng cellulose cao (36,3%), giá thành thấp và chưa được khai thác hiệu quả, phù hợp để sản xuất NC thân thiện môi trường và kinh tế.

  3. Phương pháp tiền xử lý nào hiệu quả nhất để thu hồi cellulose từ lá dứa?
    Kết hợp tiền xử lý cơ học (tách sợi) với kiềm hóa bằng NaOH và tẩy trắng bằng H2O2 được chứng minh là hiệu quả, giúp tăng hàm lượng cellulose lên đến 98,09% và độ kết tinh 76,95%.

  4. Quá trình thủy phân acid ảnh hưởng thế nào đến chất lượng nanocellulose?
    Thời gian, nhiệt độ và tỉ lệ rắn-lỏng trong thủy phân acid ảnh hưởng đến kích thước, độ kết tinh và độ ổn định của NC. Thời gian 45 phút, nhiệt độ 50°C và tỉ lệ 1:30 được xác định là điều kiện tối ưu.

  5. Nanocellulose có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    NC được ứng dụng trong gia cố vật liệu composite, màng bọc thực phẩm, vật liệu y sinh, linh kiện điện tử và các sản phẩm thân thiện môi trường khác nhờ đặc tính cơ học vượt trội và khả năng biến đổi bề mặt.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công quy trình tổng hợp nanocellulose từ phụ phẩm lá dứa bằng phương pháp tiền xử lý cơ học kết hợp hóa học và thủy phân acid, đạt hàm lượng cellulose 98,09% và độ kết tinh 84,31%.
  • Nanocellulose thu được có kích thước chiều dài 100-300 nm, chiều rộng 10-50 nm, phù hợp tiêu chuẩn vật liệu nano tinh thể.
  • Ứng dụng NC trong màng biocomposite PVA/CS làm tăng gần gấp đôi độ bền kéo và giảm đáng kể độ trương nở, nâng cao tính năng vật liệu.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị phụ phẩm nông nghiệp, thúc đẩy phát triển vật liệu sinh học thân thiện môi trường tại Việt Nam.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình và mở rộng ứng dụng NC trong các ngành công nghiệp khác, đồng thời xây dựng chuỗi cung ứng nguyên liệu bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng quy trình này để phát triển sản phẩm NC thương mại, đồng thời phối hợp với cơ quan quản lý để thúc đẩy chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu sinh học.