Luận án nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vi sợi cellulose từ lùng phế thải tại Nghệ An

Vi sợi cellulose (cellulose microfibers hoặc microfibrillated cellulose) là các hạt nano hoặc micro có cấu trúc dạng sợi, được tách chiết từ sợi cellulose tự nhiên. Chúng có đường kính từ vài nanomet đến hàng trăm nanomet và chiều dài lên đến vài micromet. Đặc điểm nổi bật của vi sợi cellulose là tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn, độ bền kéo cao và mô đun đàn hồi vượt trội. Các tính chất này khiến vi sợi cellulose trở thành vật liệu gia cường lý tưởng cho nhiều loại vật liệu polyme composit. Việc khai thác vi sợi cellulose góp phần giảm thiểu dấu chân carbon. Vật liệu này phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tính bền vững cao. Sự quan tâm đến vi sợi cellulose ngày càng tăng do khả năng thay thế vật liệu tổng hợp truyền thống. Khái niệm này bao gồm cả nanofibrillated cellulose (NFC) và cellulose nanocrystal (CNC) tùy thuộc vào kích thước và mức độ kết tinh.

Cây lùng là một loại thực vật thân gỗ, thuộc họ tre nứa, mọc phổ biến ở nhiều vùng tại Việt Nam. Đặc điểm sinh trưởng nhanh và khả năng tái sinh mạnh mẽ tạo ra nguồn sinh khối dồi dào. Tuy nhiên, phần lớn phụ phẩm tre nứa, đặc biệt là phế thải sau thu hoạch hoặc chế biến, thường bị bỏ đi hoặc đốt bỏ. Điều này gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường. Việc nghiên cứu cây lùng phế thải như một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho tách chiết cellulose mang lại nhiều lợi ích. Nguồn sinh khối lignocellulose này có hàm lượng cellulose đáng kể, phù hợp cho việc chế tạo vi sợi cellulose. Tận dụng cây lùng phế thải giúp giải quyết vấn đề chất thải nông nghiệp. Nó cũng tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng cao. Đây là hướng đi bền vững, phù hợp với xu thế phát triển công nghiệp xanh.

Tiền xử lý là bước đầu tiên và quan trọng trong quy trình tách chiết cellulose từ cây lùng phế thải. Mục tiêu chính là loại bỏ lignin và hemicellulose. Các chất này bao bọc sợi cellulose, cản trở quá trình phân tách. Phương pháp xử lý kiềm (alkaline treatment) thường được sử dụng. Xử lý bằng dung dịch NaOH giúp phá vỡ cấu trúc lignocellulose, hòa tan lignin và một phần hemicellulose. Tiếp theo, quá trình tẩy trắng xơ sợi được thực hiện. Các tác nhân tẩy trắng như H2O2 hoặc NaClO2 loại bỏ hoàn toàn lignin còn lại. Quá trình loại bỏ lignin này tạo ra sợi cellulose tinh khiết. Chất lượng sợi cellulose sau tiền xử lý ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của bước nghiền cơ học và tính chất của vi sợi cellulose cuối cùng. Các thông số như nồng độ hóa chất, nhiệt độ, và thời gian xử lý cần được tối ưu hóa. Điều này đảm bảo hiệu suất tách chiết cao nhất. Phân tích hàm lượng lignin được thực hiện để đánh giá hiệu quả của quá trình tiền xử lý.

Sau bước tiền xử lý, sợi cellulose tinh khiết cần được phân tách thành vi sợi cellulose. Nghiền cơ học là phương pháp phổ biến để đạt được điều này. Các kỹ thuật nghiền cơ học bao gồm nghiền bằng máy nghiền siêu mịn (refiner), nghiền áp lực cao (high-pressure homogenizer), hoặc nghiền bi. Những phương pháp này áp dụng lực cắt và lực nén mạnh mẽ. Các lực này phá vỡ liên kết hydro và cấu trúc tinh thể của sợi cellulose. Điều này giúp tách rời các vi sợi thành các cấu trúc nhỏ hơn ở cấp độ micro hoặc nano. Quá trình nghiền cơ học tạo ra cellulose microfibers với diện tích bề mặt lớn và tính chất cơ học được cải thiện. Số chu kỳ nghiền và điều kiện vận hành ảnh hưởng đến kích thước và hình thái của vi sợi. Tối ưu hóa quá trình nghiền giúp kiểm soát kích thước sợi. Từ đó cải thiện tính chất của vi sợi cellulose từ cây lùng phế thải.

Vi sợi cellulose nguyên chất có tính ưa nước cao. Điều này gây khó khăn khi trộn với các polyme nền kỵ nước trong chế tạo vật liệu composit. Axetyl hóa (acetyl hóa) là một phương pháp biến tính hóa học hiệu quả. Nó giúp cải thiện tính kỵ nước và khả năng tương thích của vi sợi. Trong quá trình acetyl hóa, các nhóm hydroxyl (-OH) trên bề mặt cellulose được thay thế bằng nhóm acetyl (-OCOCH3). Điều này làm giảm số lượng nhóm -OH tự do, giảm tính ưa nước. Phản ứng thường được thực hiện với anhydrit acetic và một chất xúc tác (ví dụ: H2SO4 hoặc NBS). Độ thế acetyl hóa (DS - degree of substitution) là một chỉ số quan trọng. Nó đánh giá mức độ thay thế các nhóm hydroxyl. Acetyl hóa vi sợi cellulose không chỉ cải thiện khả năng phân tán trong polyme kỵ nước. Nó còn có thể tăng cường độ bền nhiệt của vật liệu. Việc khảo sát ảnh hưởng của xúc tác và cơ chế phản ứng acetyl hóa là cần thiết để tối ưu hóa quy trình. Điều này tạo ra vi sợi cellulose biến tính phù hợp cho các ứng dụng đa dạng.

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) được sử dụng để xác nhận sự loại bỏ lignin và hemicellulose. Nó cũng xác nhận sự hình thành các nhóm acetyl sau biến tính. Các đỉnh đặc trưng của lignin và hemicellulose sẽ giảm hoặc biến mất sau tiền xử lý. Sự xuất hiện của các đỉnh mới ở vùng 1700-1750 cm-1 và 1200-1250 cm-1 xác nhận phản ứng acetyl hóa. Nhiễu xạ tia X (XRD) được áp dụng để khảo sát cấu trúc tinh thể của cellulose. Từ phổ XRD, có thể tính toán chỉ số kết tinh (crystallinity index - CrI). Chỉ số này thường tăng sau khi loại bỏ pha vô định hình (lignin, hemicellulose). Điều này cho thấy cellulose microfibers có cấu trúc tinh thể cao hơn. Các nghiên cứu này cung cấp bằng chứng rõ ràng về sự thay đổi cấu trúc vật liệu. Chúng cũng xác nhận hiệu quả của các bước xử lý trong việc tạo ra vi sợi cellulose tinh khiết và biến tính từ cây lùng phế thải.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử lực nguyên tử (AFM) được sử dụng để quan sát hình thái bề mặt và kích thước của vi sợi cellulose. Ảnh SEM/AFM cho thấy sự phân tán và kích thước nano/micro của các vi sợi sau quá trình nghiền cơ học. Điều này xác nhận sự hình thành microfibrillated cellulose. Các hình ảnh này cũng đánh giá mức độ phân tách sợi. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) được thực hiện để đánh giá độ bền nhiệt của vi sợi cellulose. Kết quả TGA thường cho thấy sự cải thiện độ bền nhiệt cho vi sợi cellulose sau quá trình acetyl hóa. Các nhóm acetyl có thể làm tăng nhiệt độ phân hủy của cellulose. Điều này giúp vật liệu ổn định hơn ở nhiệt độ cao. Việc khảo sát hình thái học và độ bền nhiệt là cần thiết. Nó giúp hiểu rõ hơn về tiềm năng ứng dụng của vi sợi cellulose từ cây lùng phế thải trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Vi sợi cellulose từ lùng phế thải được sử dụng làm chất độn gia cường trong vật liệu polyme composit nền polyeste không no (PEKN). Quá trình chế tạo bao gồm trộn vi sợi cellulose đã được acetyl hóa (nếu cần) vào nhựa polyeste lỏng. Sau đó, hỗn hợp được đúc và đóng rắn. Các vật liệu composit này được đánh giá về các tính chất cơ học. Bao gồm độ bền kéo đứt, độ bền uốn và độ bền va đập. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về các tính chất cơ học. Đặc biệt, độ bền kéo và mô đun đàn hồi tăng lên. Điều này chứng tỏ vi sợi cellulose có khả năng truyền tải ứng suất hiệu quả trong ma trận polyme. Vật liệu composit nền PEKN gia cường bằng vi sợi cellulose từ cây lùng phế thải có tiềm năng thay thế các vật liệu truyền thống. Chúng có thể ứng dụng trong sản xuất các bộ phận không chịu tải quá lớn hoặc các sản phẩm có yêu cầu về trọng lượng nhẹ.

Ngoài polyeste không no, nhựa epoxy cũng là một ma trận polyme phổ biến. Nó được sử dụng để chế tạo vật liệu polyme composit hiệu năng cao. Vi sợi cellulose từ cây lùng phế thải được tích hợp vào nhựa epoxy. Điều này tạo ra vật liệu composit có độ bền và cứng vượt trội. Nhựa epoxy nổi tiếng với khả năng kết dính tuyệt vời, độ bền cơ học cao và kháng hóa chất tốt. Khi được gia cường bằng vi sợi cellulose, các tính chất này càng được cải thiện. Quá trình chế tạo tương tự như với polyeste, nhưng cần chú ý đến khả năng phân tán của vi sợi trong ma trận epoxy. Các vật liệu composit nền epoxy gia cường bằng cellulose microfibers từ phụ phẩm tre nứa có thể ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu tính chất cơ học cao. Chúng bao gồm các ngành công nghiệp hàng không, ô tô và vật liệu xây dựng tiên tiến. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển vật liệu composit xanh với hiệu suất cao.

Hiệu suất hấp phụ ion Cu2+ của vi sợi cellulose được đánh giá thông qua các thí nghiệm hấp phụ batch. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ như pH dung dịch, nồng độ ion kim loại ban đầu, thời gian tiếp xúc và liều lượng chất hấp phụ được khảo sát. Kết quả cho thấy vi sợi cellulose, đặc biệt là vi sợi cellulose đã được biến tính, có khả năng hấp phụ đáng kể ion Cu2+. Các nhóm hydroxyl trên bề mặt cellulose có thể tạo liên kết với ion kim loại. Acetyl hóa có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ do thay đổi các nhóm chức bề mặt. Các phương pháp phân tích như phổ UV-Vis hoặc quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) được sử dụng để xác định nồng độ ion Cu2+ trước và sau hấp phụ. Việc xác định dung lượng hấp phụ tối đa (qmax) là quan trọng. Nó đánh giá hiệu quả của vật liệu trong việc loại bỏ kim loại nặng. Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về khả năng hấp phụ ion Cu2+.

Khả năng hấp phụ ion Cu2+ của vi sợi cellulose từ cây lùng phế thải mở ra tiềm năng ứng dụng lớn trong xử lý nước thải công nghiệp. Với chi phí sản xuất thấp từ nguồn nguyên liệu tái tạo, vi sợi cellulose có thể trở thành một giải pháp kinh tế và thân thiện môi trường. So với các vật liệu hấp phụ tổng hợp đắt tiền, vật liệu sinh học này mang lại lợi thế cạnh tranh. Ứng dụng này giúp giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải. Điều này bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Nghiên cứu này đóng góp vào phát triển công nghệ xử lý nước thải bền vững. Nó cũng thúc đẩy việc sử dụng hiệu quả các nguồn sinh khối lignocellulose. Việc chế tạo vật liệu hấp phụ hiệu quả từ phụ phẩm tre nứa là một hướng đi triển vọng. Nó hướng tới giải quyết các thách thức môi trường toàn cầu.