Tối Ưu Hóa Quá Trình Điều Chế Đĩa Sử Dụng Một Lần Từ Thân Cây Chuối.pdf

Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH S K C 0 0 3 9 5 9 CÔNG TRÌNH Tp Hồ Chí Minh, MÃ SỐ S KC0 0 7 3 5 5 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

MÃ SỐ: 69

S KC 0 0 7 3 5 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM



BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHẾ

ĐĨA SỬ DỤNG MỘT LẦN

TỪ THÂN CÂY CHUỐI

SV2020 − 56

Thuộc nhóm ngành khoa học: Hóa Học và Thực Phẩm

SV thực hiện: Trịnh Ngọc Vân Anh Nam, Nữ: Nữ

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: 179150A, khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm Năm thứ: 4 / Số năm đào tạo: 4,5

Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Môi trường

Người hướng dẫn: TS Hoàng Thị Tuyết Nhung

TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2020

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA HÓA HỌC & THỰC PHẨM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

B ẢN GIẢI TRÌNH CHỈNH SỬA BÁO CÁO T ỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

1 Tên đề tài: Tối ưu hóa quá trình điều chế đĩa sử dụng một lần từ thân cây chuối

2 Mã số đề tài: SV2020 - 56

3 Họ và tên chủ nhiệm: Trịnh Ngọc Vân Anh

4 Họ và tên GVHD: TS Hoàng Thị Tuyết Nhung

5 Đơn vị công tác: Khoa Hóa học & Thực phẩm

6 Giải trình chỉnh sửa báo cáo tổng kết đề tài:

TT Nội dung góp ý của

Ghi chú

1 Thay đổi thuật ngữ

“Sức căng bề mặt”

Chỉnh sửa thành “Độ bền kéo”

Thuật ngữ được sửa ở phần kết quả nghiên cứu, các trang trong chương 4 (trang 25 – 34), chương Kết luận và Kiến nghị (trang 39), Poster

2

Thay đổi thuật ngữ

“Phần trăm khối lượng

bột năng / khối lượng

3

Thay đổi thuật ngữ

“Khối lượng vật liệu

ban đầu”

Chỉnh sửa thành “Khối lượng vật liệu sản phẩm”

Thuật ngữ được sửa ở phần kết quả nghiên cứu, các trang trong chương 4 (trang 25 – 34) và chương Kết luận và Kiến nghị (trang 39), Poster

M ỤC LỤC

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

DANH M ỤC HÌNH

M Ở ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Phạm vi, đối tượng nghiên cứu 2

5 Các phương pháp sử dụng để tiến hành nghiên cứu 2

5.1.Phương pháp tổng hợp và xử lý số liệu 2

5.2.Phương pháp thực nghiệm 2

5.3.Phương pháp đồ thị 3

5.4.Phương pháp so sánh 3

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 3

6.1.Ý nghĩa khoa học 3

6.2.Ý nghĩa thực tiễn 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1.Tổng quan phế phẩm nông nghiệp 4

1.2.Công trình nghiên cứu về phế phẩm nông nghiệp 6

1.3.Một số nghiên cứu chế biến phế phẩm nông nghiệp thành đĩa dùng một lần…… 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1.Tính chất phế phẩm điều chế vật liệu 10

2.2.Quá trình loại bỏ lignin trong phế phẩm nông nghiệp 12

2.3.Cơ chế hoạt động và công dụng của Natri Benzoat (E211) 14

2.4.Phương pháp ma trận trực giao Taguchi [16] 15

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17

3.1.Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 17

3.2.Điều chế vật liệu 17

3.3.Xác định khoảng tối ưu của các yếu tố trong điều chế sản phẩm 20

3.4.Chuẩn bị vật liệu làm bề mặt đĩa 23

3.5.Đánh giá các thông số kỹ thuật của sản phẩm đã hoàn thiện 24

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ NHẬN XÉT 25

4.1 Sản phẩm sau thí nghiệm 25

4.2 Ảnh hưởng của các yếu tố tác động lên sản phẩm 25

4.2.1 Xét trên mục tiêu đơn lẻ 25

4.2.2 Mô hình tối ưu các thông số theo phương trình ảnh hưởng của các yếu tố 30 4.3 Kết quả sấy vật liệu lá sen 34

4.4 Ép lá thành phẩm 36

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39

1 Kết luận 39

2 Kiến nghị 40

TÀI LI ỆU THAM KHẢO PH Ụ LỤC i

DANH M ỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số sợi cellulose khác nhau [12] 11

Bảng 2.2: Tính chất hóa học của một số sợi cellulose khác nhau [12] 11

Bảng 3.1: Phân mức tác động của các biến 22

Bảng 3.2: Cấu trúc mảng trực giao thực nghiệm 22

Bảng 4.1: Tỷ số S/N (Signal to Noise) của 4 yếu tố theo 4 mức đến độ bền kéo và xếp hạng theo tiêu chí lớn hơn là tốt hơn 25

Bảng 4.2: Tỷ số S/N (Signal to Noise) của 4 yếu tố theo 4 mức đến tải trọng bề mặt và xếp hạng theo tiêu chí lớn hơn là tốt hơn 27

Bảng 4.3: Tỷ số S/N (Signal to Noise) của 4 yếu tố theo 4 mức đến độ bền kéo và tải trọng bề mặt, xếp hạng theo tiêu chí lớn hơn là tốt hơn 29

Bảng 4.4: Bảng tóm tắt các hệ số của phương trình hồi quy theo Độ bền kéo 30

Bảng 4.5: Bảng tóm tắt mô hình (Model Summary) 31

Bảng 4.6: Bảng phân tích về sự khác biệt của các hệ số trong phương trình hồi quy (Analysis of variance – ANOVA) 31

Bảng 4.7: Bảng tóm tắt các hệ số của phương trình hồi quy theo Tải trọng bề mặt 32

Bảng 4.8: Bảng tóm tắt mô hình (Model Summary) 33

Bảng 4.9: Bảng phân tích về sự khác biệt của các hệ số trong phương trình hồi quy (Analysis of variance – ANOVA) 33

Bảng 4.10: Khối lượng riêng của sản phẩm 36

DANH M ỤC HÌNH

Hình 2.1: Cây chuối và sợi từ thân cây chuối sau khi tách 10

Hình 2.2: Phản ứng phân hủy liên kết ete β-aryl của lignin 12

Hình 2.3: Phản ứng ngưng tụ lignin trong môi trường kiềm 13

Hình 2.4: Vòng glucose bị oxy hóa 13

Hình 2.5: Phản ứng thủy phân 14

Hình 2.6: Cấu trúc phân tử Natri benzoat 14

Hình 3.1: Khuôn mẫu sản phẩm 20

Hình 3.2: Máy thử kéo nén M500-50 Testometric 21

Hình 3.3: Mô hình máy ép cơ khí 23

Hình 4.1: Sản phẩm đĩa sau 16 thí nghiệm từ vật liệu thân chuối 25

Hình 4.2: Đồ thị ảnh hưởng của 4 yếu tố theo 4 mức ảnh hưởng đến độ bền kéo 26

Hình 4.3: Đồ thị ảnh hưởng của 4 yếu tố theo 4 mức ảnh hưởng đến tải trọng bề mặt 28

Hình 4.4: Đồ thị ảnh hưởng của 4 yếu tố theo 4 mức ảnh hưởng đến độ bền kéo

(Tensible Stress) và tải trọng bề mặt thân chuối (Weight load) 29

Hình 4.5: Đồ thị Pareto về ảnh hưởng các yếu tố đến độ bền kéo của sản phẩm 32

Hình 4.6: Đồ thị Pareto về ảnh hưởng các yếu tố đến tải trọng bề mặt 34

Hình 4.7: Lá sen trước khi sấy 34

Hình 4.8: Lá sen sau khi sấy: (1) 15 phút, (2) 30 phút, (3) 45 phút, (4) 60 phút 35

Hình 4.9: Sản phẩm đĩa: (a) Trước khi ép lá, (b) Sau khi ép lá 36

Hình 4.10: Phổ FT-IR của ảnh sản phẩm làm từ thân chuối 37

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Tối ưu hóa quá trình điều chế đĩa sử dụng một lần từ thân cây chuối

- Chủ nhiệm đề tài: Trịnh Ngọc Vân Anh Mã số SV: 17150042

- Lớp: 179150A Khoa: Công nghệ Hóa học và Thực phẩm

- Thành viên đề tài:

Huỳnh Thị Nhã Trúc 18150125 181500B Công nghệ HH &TP

- Người hướng dẫn: TS Hoàng Thị Tuyết Nhung

4 Kết quả nghiên cứu:

Sản phẩm đĩa từ thân cây chuối đạt được chất lượng tối ưu khi: nguyên liệu phế phẩm được nấu trong vòng 45 phút, nồng độ dung dịch nấu nguyên liệu C% Na2CO3 = 10%, tỉ lệ khối lượng

hồ tinh bột trên khối lượng vật liệu là 10%, khối lượng vật liệu sản phẩm là 45g

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng

áp dụng của đề tài:

Đề tài giúp nâng cao ý thức việc bảo vệ môi trường của người dân thông qua việc sử dụng các sản phẩm thân thiện với môi trường, cụ thể ở đây là đĩa từ thân cây chuối Đề tài sử dụng nguồn phế phẩm nông nghiệp của Việt Nam để ứng dụng vào việc nghiên cứu, sản xuất ra sản phẩm từ đó giảm lượng rác thải bỏ ra môi trường, cải thiện môi trường sống tốt hơn

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có)

hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

TP Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 10 năm 2020

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

Trịnh Ngọc Vân Anh

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài

(phần này do người hướng dẫn ghi):

TP Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 10 năm 2020 Người hướng dẫn

TS Hoàng Th ị Tuyết Nhung

1

M Ở ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay trên thế giới cứ mỗi phút có 1 triệu chai nhựa được bán ra, mỗi năm có

5000 tỷ túi nilon được tiêu thụ Còn ở Việt Nam, thống kê bình quân, mỗi hộ gia đình

sử dụng khoảng 1 kg túi nilon/tháng Riêng Hà Nội và TP Hồ Chí Minh trung bình mỗi ngày thải ra môi trường khoảng 80 tấn nhựa và nilon [1]

Thế giới đã đánh giá tỉ lệ chất thải nhựa phát sinh đối với nước có thu nhập trung bình như Việt Nam chiếm 12% lượng chất thải rắn phát sinh Nếu trung bình 10% số lượng chất thải nhựa và túi nilon không được tái sử dụng mà thải bỏ hoàn toàn, lượng chất thải nhựa và túi nilon thải bỏ ở Việt Nam sẽ xấp xỉ 2.5 triệu tấn/năm Số lượng rác thải nhựa, túi nilon thải ra tăng dần theo từng năm [1]

Các sản phẩm nhựa dùng một lần như muỗng đũa chén đĩa trở nên quen thuộc trong cuộc sống của con người Những sản phẩm nhựa dùng một lần được thị trường ưa chuộng bởi chúng đem lại cho con người như sự tiện lợi, giá cả hợp lý, dễ dàng sử dụng Chúng ta vô tư sử dụng mà không quan tâm đến phải mất hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm, các chất thải từ nhựa và ni lông mới phân hủy hết, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, đe dọa các hệ sinh thái và sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia

Cùng với đó, Nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam Hiện nay, phát triển kinh tế phụ thuộc nhiều vào nông nghiệp Về cơ cấu kinh tế, khu vực nông, lâm nghiệp và thủy sản chiếm tỷ trọng 13,96% GDP [2] Tuy nhiên, sau khi thu hoạch nông sản những sản phẩm phụ nông nghiệp thường không được tận dụng

và thải ra gây ô nhiễm môi trường, gây nên sự lãng phí rất lớn tài nguyên đất nước Chính vì vậy cần phải nghiên cứu giải pháp biến phế phẩm nông nghiệp trở thành nguyên liệu để sản xuất ra sản phẩm mới

Nghiên cứu đề tài “Tối ưu hóa quá trình điều chế đĩa sử dụng một lần từ thân cây chuối” là giải pháp thay thế sản phẩm nhựa dùng một lần trong cuộc sống hiện nay

Bên cạnh đó còn tận dụng được nguồn phế thải, phụ phẩm nông nghiệp, tiết kiệm tài nguyên, bảo vệ môi trường

2

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu phương pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp cụ thể là thân chuối làm đĩa dùng một lần thay cho sản phẩm nhựa dùng một lần

3 Nội dung nghiên cứu

Để thực hiện mục đích trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu các nội dung sau đây:

− Tổng quan nghiên cứu phương pháp xử lý phế phẩm nông nghiệp cụ thể là thân chuối

− Xác định khoảng tối ưu của các yếu tố trong điều chế sản phẩm: nồng độ

Na2CO3, thời gian gia nhiệt phế phẩm, tỉ lệ phụ gia (bột năng) thêm vào, khối lượng vật liệu ban đầu

− Tối ưu các yếu tố điều chế sản phẩm để cho ra sản phẩm đạt yêu cầu

− Đánh giá chất lượng sản phẩm: độ bền kéo sản phẩm, tải trọng bề mặt, khả năng chống thấm nước

4 Phạm vi, đối tượng nghiên cứu

❖ Ph ạm vi nghiên cứu:

Sản phẩm quy mô phòng thí nghiệm

❖ Đối tượng nghiên cứu:

- Thân cây chuối

- Sản phẩm đĩa dùng một lần được sản xuất từ thân cây chuối đã được xử lý

5 Các phương pháp sử dụng để tiến hành nghiên cứu

Các thí nghiệm kiểm tra sản phẩm thông qua thực nghiệm, quan sát để xác định:

pH, độ bền kéo, tải trọng bề mặt, khả năng rò rỉ,…

Phương pháp toán học, dùng phương pháp toán học để xử lý các số liệu từ thực nghiệm, sử dụng xác xuất thống kê để có thể biết được sai số

3

Phương pháp Taguchi sử dụng mảng trực giao như mô hình đa yếu tố, được thiết

kế và đánh giá theo một quy trình chặt chẽ, đòi hỏi số thí nghiệm ít và cho số liệu tin cậy Để sử dụng phương pháp Taguchi, làm thí nghiệm sau đó lấy kết quả đưa vào phần mềm Minitab, khai báo các biến, chạy chương trình Taguchi đưa ra được biểu đồ, bảng

số liệu mức độ tin cậy của kết quả thí nghiệm

Các hàm tính toán trong Excel: Sum, Average, Min/Max, Filter

5.3 Phương pháp đồ thị

Sử dụng đồ thị để biểu đạt các số liệu đã qua xử lý để có được cái nhìn toàn diện, trực quan hơn Qua đó đánh giá, nhận xét kết quả thí nghiệm một cách hiệu quả, lựa chọn được phương án hợp lý

5.4 Phương pháp so sánh

Từ các kết quả thí nghiệm thu được, từ biểu đồ thực hiện phương pháp so sánh các kết quả để lựa chọn ra các yếu tố nồng độ chất tham gia, nhiệt độ, tỉ lệ phụ gia bột mì,

độ dày sản phẩm tối ưu

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan phế phẩm nông nghiệp

1.1.1 Định nghĩa phế phẩm nông nghiệp

Phế phẩm nông nghiệp được định nghĩa là dư lượng trong quá trình sản xuất nông nghiệp Những dư lượng này có thể được phân loại thành dư lượng chính và dư lượng

thứ cấp

Dư lượng nông nghiệp được tạo ra trên đồng ruộng tại thời điểm thu hoạch, được định nghĩa là dư lượng chính Trong khi những phế phẩm trong quá trình chế biến, sơ

chế nông sản được gọi là dư lượng thứ cấp [3]

1.1.2 Phân loại phế phẩm nông nghiệp

Phế phẩm chính: là những dư lượng chính được tạo ra trên đồng ruộng tại thời điểm thu hoạch hoặc vườn cây ăn trái Những dư lượng này bao gồm thân cây, lá cây, gốc cây, vỏ hạt như rơm rạ, thân cây ngô, đầu mía chùm dừa rỗng và thân cây vườn cây

ăn trái phế phẩm là lá, thân cây chuối

Phế phẩm thứ cấp: là những dư lượng thứ cấp sau quá trình chế biến, sơ chế nông sản như: trấu, bã mía, lõi ngô, vỏ đậu phộng, vỏ dừa, bụi xơ dừa, bụi cưa, vỏ dầu cọ, xơ [3]

1.1.3 Khái quát chung phế phẩm nông nghiệp

Phế phẩm nông nghiệp là sản phẩm phổ biến của những nước có nền nông nghiệp phát triển Hằng năm lượng phế thải trong quá trình sản xuất nông nghiệp là rất lớn và trong chế biến các loại cây công nghiệp, sản xuất hoa quả, thực phẩm…cũng đa dạng Đối với Việt Nam, nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng, cung

cấp nguồn lương thực và thực phẩm chủ yếu cho cả nước và xuất khẩu, đóng góp không nhỏ vào nền kinh tế nước ta Về cơ cấu kinh tế, khu vực nông, lâm nghiệp và thủy sản chiếm tỷ trọng 13,96% GDP [2]

Chỉ tính riêng việc sản xuất lúa gạo, theo số liệu của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn công bố tại hội nghị thúc đẩy sản xuất tiêu thụ lúa gạo đồng bằng sông Cửu Long đầu năm 2019, hiện nay đất sản xuất lúa cả nước chiếm trên 4 triệu ha; năm 2019

diện tích lúa cả nước trên 7,53 triệu ha (2 vụ), sản lượng lúa dự kiến đạt trên 43,8 triệu tấn Theo tính toán của Cục Trồng trọt (Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn), trung bình sản xuất 1 tấn lúa thì tạo ra 1 tấn rơm rạ, như vậy mỗi năm cả nước tạo khoảng

43 − 44 triệu tấn rơm rạ [5]

5

Mặc dù, nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế và được cơ giới hóa, được chú trọng nhưng nó cũng gây ảnh hưởng tới môi trường Hằng năm một lượng phế thải dư thừa trong thu hoạch, chế biến các sản phẩm nông nghiệp, thực phẩm rất lớn

và đa dạng về chủng loại thải ra môi trường mà chưa được quan tâm xử lý hiệu quả

Việc tận thu và tái chế cũng có khá nhiều hạn chế, nguồn phế phẩm tái chế chủ yếu tập trung ở nông thôn, nơi trực tiếp sản xuất ra những phế phẩm này trong khi đó nguồn thu mua chủ yếu chủ yếu tập trung ở khu công nghiệp, thành phố hay khu đông dân cư Đặc thù của sản xuất nông nghiệp ở nước ta mang tính nhỏ lẻ, phân tán nên việc thu gom, phân loại và tái chế còn nhiều khó khăn Các cơ sở sản xuất, chế biến chủ yếu tập trung vào dây chuyền sản xuất, ít quan tâm tới các khâu khác Do đó, những cơ sở này không

chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn gây ra tình trạng lãng phí Nhiều nơi còn xử lý bằng biện pháp chôn lấp, đốt bỏ, đổ xuống ao hồ

Chăn nuôi và trồng trọt nước ta mỗi năm sản ra lượng phụ phẩm rất lớn: gần 9 triệu

tấn trấu, 80 triệu tấn rơm rạ, 90 triệu tấn phân gia súc gia cầm, đó là chưa kể mùn cưa,

vỏ bào, thân cây ngô, thân cây chuối, cây đậu và nhiều loại thân cây trồng khác Trước đây, các loại phụ phẩm này chưa được sử dụng, mà chỉ đốt hoặc xả thải ra môi trường, vừa lãng phí vừa gây ô nhiễm, tăng nguy cơ phát thải khí nhà kính

Riêng đồng bằng sông Cửu Long trung bình mỗi năm có thể cung cấp 6,5 triệu tấn trấu

và 21,5 triệu tấn rơm rạ, đây là tiềm năng rất lớn để xây dựng các nhà máy điện sinh khối Rõ ràng, trồng lúa không còn chỉ để lấy lúa gạo, mà còn có thể khai thác được nhiều lợi ích từ các phụ phẩm, nâng cao thu nhập cho nông dân [5]

Với tiềm năng dồi dào như vậy, nếu biết tận dụng, tái chế thì không những tạo thêm nhiều điều kiện việc làm cho nhiều lao động nông thôn mà còn góp phần nâng cao giá trị sản phẩm, bảo vệ môi trường Điều quan trọng, các địa phương, các ngành liên quan cần đẩy mạnh tuyên truyền để nông dân hiểu, mạnh dạn tiếp cận và ứng dụng các biện pháp kỹ thuật trong tái sử dụng hiệu quả nguồn phế phụ phẩm trong nông nghiệp Song hành với đó là các chính sách hỗ trợ nghiên cứu, chuyển giao kỹ thuật, đầu tư trang thiết bị để người nông dân có thể dễ dàng áp dụng công nghệ, kỹ thuật mới trong chế biến, tái sử dụng nguồn phế phụ phẩm trong sản xuất nông nghiệp nhằm đạt đa lợi ích, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững

6

1.2 Công trình nghiên cứu về phế phẩm nông nghiệp

1.2.1 Nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, một số đề tài khoa học tận dụng được tính chất polymer tự nhiên của phế phẩm nông nghiệp để thay thế cho một số sản phẩm có nguồn gốc từ dầu mỏ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường: chế tạo tấm panel cách nhiệt làm từ xơ dừa,

bả mía, rơm rạ sau đó phối trộn với chất kết dính, sau đó ép thành tấm và phơi khô, sản xuất gạch xây dựng từ rơm rạ

Các sản phẩm phân hữu cơ từ các phế phẩm nông nghiệp ủ từ vi sinh: như thân ngô, rơm,… đã được trường đại học Lâm Nghiệp nghiên cứu quy trình và tính khả thi

áp dụng tại Phổ Yên, Thái Nguyên Đề tài này đã tiến hành các thí nghiệm ủ phụ gia nông nghiệp bằng chế phẩm sinh học được lựa chọn là Anvi-Tricho và bằng các hỗn hợp khác như men rượu, tro và nước để làm mẫu đối chứng Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng các thành phần dinh dưỡng như N, P, K trong mẫu sử dụng Anvi-Tricho cao hơn các mẫu đối chứng, đặc biệt sau 28 ngày, thì mẫu ủ bằng Anvi-Tricho trở nên tơi xốp, màu đen xám và sẵn sàng mang đi bón cây

Bên cạnh đó, các nghiên cứu về thu nhận bột giấy hiệu suất cao từ thân ngô theo phương pháp xử lý hai công đoạn với hydropeoxit trong môi trường kềm hay thay thế kiềm bằng axit và bổ sung xúc tác Na2MoO4Nghiên cứu sử dụng phương pháp tạo mẫu thí nghiệm và phân tích mẫu theo tiêu chuẩn TAPPI Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng tro trong thân ngô chiếm khoảng 5.2% Hàm lượng chất tan trong dung dịch NaOH 1% (32.4%) rất cao so với một số loại tre nứa, hàm hượng các thành phần chính

là cellulose 41.7% và lignin 22.1% Kết quả thu nhận bột giấy từ thân cây ngô, bao gồm các công đoạn nấu, nghiền, và trích ly kiềm Dịch nấu chứa các tác nhân tách loại lignin

là hydropeoxit và axit sunfuric, xúc tác natri molypdat Bột giấy thu được sau nấu được

xử lý với kềm Chế độ công nghệ thích hợp được xác lập khi nấu ở nhiệt độ 100oC trong

90 phút, với mức dùng 5% H2O2, 1.5% H2SO4 và 0.25% Na2MoO4 so với nguyên liệu thân ngô, trích ly kềm ở 100C trong 60 phút, với mức dùng 0.5% NaOH so với nguyên liệu ban đầu Bột giấy thu được có hiệu suất (65 − 66)%, có hàm lượng lignin (17 − 18)% Qua phân tích tính chất cơ học, bột giấy có thể sử dụng cho sản xuất bao gói, catton “Dịch đen” thải của quá trình nấu có thể tái sử dụng nhiều lần [6]

Bài báo trình bày kết quả tiềm năng sinh khối phụ phẩm rơm rạ và hiệu quả tận thu sản xuất than sinh học (biochar) quy mô hộ gia đình ở Tiền Giang, trường hợp nghiên

7

cứu điển hình ở huyện Gò Công Tây Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng sản lượng lúa trên địa bàn huyện là 185.072 tấn/năm và phát sinh tương ứng lượng khối lượng rơm rạ 233.190,72 tấn/năm Lượng sinh khối rơm rạ có thành phần hữu cơ và nhiệt lượng cao, lần lượt chiếm tỷ lệ 44,1% và 4.030 kcal/kg Với khối lượng 100 kg củi rơm nguyên liệu đầu vào, sau 6 giờ đốt lượng than sinh học thu được tương ứng 48,25 ± 2,25 kg (chiếm 48,25%) Lượng tro sinh ra và than sống có tỷ lệ khá thấp với lần lượt 0,75 ± 0,13 kg và 3,95 ± 1,33 kg Mô hình sản xuất than sinh học tối ưu có khoảng thời gian đốt ngắn nhất, lượng than cao, hàm tro thấp, khối lượng than sống nhỏ Thành phần chất hữu cơ và nhiệt lượng đáp ứng yêu cầu chất lượng để sử dụng cho mục đích cải tạo đất, nâng cao nâng suất cây trồng và hướng đến nền nông nghiệp bền vững

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước

Năm 2011 học viện kỹ thuật và dệt may DKTE đã nghiên cứu thành công khả năng tạo sợi, màng và giấy từ thân chuối cũng như khả năng loại bỏ lignin của chúng bằng NaOH, NaClO2, H2O2 Các sợi cellulose được tách khỏi lignin và hemiaelluloses, có thể được thực hiện biến tính về mặt hóa học, cơ học hoặc bằng cách kết hợp hai phương pháp Kết quả phân tích, phương pháp hóa học ít hoặc không ảnh hưởng đến chiều dài sợi Số lượng Kappa, năng suất, chỉ số giới hạn độ nhớt được sử dụng để mô tả mức độ loại bỏ lignin trong quá trình nấu [7]

Đại học Kỹ thuật Caledonia, Muscat, Oman nghiên cứu so sánh tính chất sợi của thân chuối và bả mía đối với khả năng tạo ra bột giấy bằng cách thêm phụ gia CaCO3, tinh bột,… Thông qua các phương pháp đo GSM, pH, độ ẩm, độ dày Trong dự án này, phế phẩm nông nghiệp từ bã mía và sợi chuối đã được sử dụng để sản xuất giấy thủ công Nguyên liệu được phơi khô dưới ánh mặt trời và đi qua thùng nước để loại bỏ bụi bặm Tiếp theo, nó được nấu với dung dịch xút 10% trong nồi áp suất và sau đó trộn trong máy trộn cho thời gian khác nhau Dung dịch pha loãng của Clorox đã được sử dụng cho sự đổi màu và thanh lọc bột giấy Ba loại giấy tờ được làm từ bột giấy đã được nấu trước đó Loại đầu tiên được thực hiện bằng cách chỉ sử dụng nguyên liệu thô, loại thứ hai bằng cách thêm 2% CaCO3 và 2% tinh bột Và loại thứ ba bằng cách thêm 5% của cả hai chất phụ gia Những giấy tờ này được sấy khô và sau đó ủi cho thẳng GSM,

pH, Độ dày, Số lượng lớn và Độ ẩm được kiểm tra Tính chất sợi bã mía nặng và thô Trong khi mẫu giấy từ sợi chuối rất hữu ích cho việc sử dụng mềm như: khăn lau, giấy,…

Dự án này rất thân thiện với môi trường vì nó sử dụng chất thải nông nghiệp [8]

8

Các nhà khoa học Anh đã mang lại một bước đột phá mới, thông qua một thủ thuật nhỏ trong phòng thí nghiệm Đó là công trình nghiên cứu phát triển một loại nhựa sinh học vừa có đặc tính như những loại nhựa thông thường, vừa đảm bảo an toàn và thân thiện với môi trường, có thể dùng một hay nhiều lần Theo đó, nhóm các nhà khoa học Anh đến từ Đại học Warwick và Đại học York (Anh) đã chỉnh sửa lại một số ren có trong rơm rạ, nhằm tăng tốc độ chuyển đổi xử lý thực vật thành chất liệu nhựa sinh học Theo tính toán của nhóm các nhà khoa học này thì chỉ cần 5% lượng rơm rạ hàng năm, hoặc chỉ 3% lượng bã mía sau khi sử dụng để lấy đường, thì họ có thể sản xuất được hàng tỷ chai nhựa để đựng nước uống (khoảng 17 tỷ chai) Cụ thể, các nhà khoa học Anh đã sản xuất nhựa sinh học từ chất lignin (chất gỗ), có thể là mùn cưa, một loại vật liệu tự nhiên mà chính nhờ đó nó giúp cho thân cây có thể đứng vững Sau đó, họ tiếp tục chưng cất đường để hoàn thiện sản phẩm nhựa, thay vì việc dùng dầu hỏa (một loại nhiên liệu hóa thạch) để làm nhựa Kết quả cho thấy, các nhà khoa học đã thu được một loại nhựa mới vừa bền, nhưng lại có tốc độ phân hủy thần tốc, không như loại nhựa thông thường phải mất hàng chục năm, thậm chí hàng trăm năm vẫn chưa phân hủy được, gây ô nhiễm môi trường tự nhiên

1.3 Một số nghiên cứu chế biến phế phẩm nông nghiệp thành đĩa dùng một lần

Jerzy Wysocki người Balan từ các nghiên cứu về cách phối trộn bột cám cho tới tìm một độ ẩm, áp suất và nhiệt độ phù hợp để sản xuất được các loại chén đĩa và muỗng

từ cám lúa mì

Các dự án của Eco Green Units với mục tiêu hạn chế rác thải nhựa và xóa đói giảm nghèo Tại Ấn Độ, quốc gia có hơn 400.000 ha Areca (loại cây thuộc chi cau) họ đã nghiên cứu thành công quy trình sản xuất đĩa từ lượng phế phẩm của loại cây này và đưa vào sản suất hàng loạt với quy mô từ 70.000 đến 80.000 chiếc đĩa mỗi năm

Đại học Naresuan đã sáng tạo và phát triển một loại bát từ lá cây Những chiếc bát này có khả năng tự phân huỷ và không thấm nước Các giáo sư trong khoa công nghệ của trường đã dành hơn 1 năm để phát triển thành công quy trình sản xuất này, tạo ra những chiếc bát chắc chắn, hữu dụng từ lá cây để thay thế những đồ đựng thức ăn bằng xốp Qua nhiều thử nghiệm và cả những sai sót, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng

lá của 3 loại cây: bastard teak, teak và banyan là những vật liệu tốt nhất để sản xuất bát đĩa đựng thức ăn

9

Các sản phẩm như ống hút, hộp thực phẩm, chén, đĩa dùng một lần cũng đã được nghiên cứu tạo ra và được thương mại hóa thành công như hộp có nguồn gốc từ bã mía, ống hút làm từ cỏ bàng, cỏ sậy dễ phân hủy trong môi trường tự nhiên

Sản phẩm dùng một lần như hộp từ bã mía, chén, đĩa bằng mo cau được Công ty Gracs simple nghiên cứu sản xuất thành công và đã đưa vào thị trường Những sản phẩm này có thể tự phân hủy trong vòng 6 tuần trong lòng đất, không gây ô nhiễm môi trường,

an toàn với sức khỏe con người

10

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tính chất phế phẩm điều chế vật liệu

2.1.1 Tính chất phế phẩm thân chuối

Đối tượng được sử dụng để nghiên cứu điều chế vật liệu trong nghiên cứu được

lựa chọn là thân chuối Tính chất lý hóa của chuối chất xơ trong thân chuối được xem xét để sử dụng làm vật liệu nghiên cứu

Thành phần có trong thân chuối bao gồm sợi Cellulose (43.46%), Hemiaelluloses (38.54%), lignin (9%), chất béo và sáp (2 − 3%), hàm lượng tro (8.3%)

Thân chuối có chất xơ rất mạnh với độ giãn dài 3% và trọng lượng nhẹ Độ mịn trung bình của nó là 2386 Nm, trung bình sức mạnh là 3,93 cN/ dtex và chiều dài trung bình là 50 ~ 60 mm (hoặc 38mm) [12]

Bề ngoài thân chuối tương tự như tre và sợi ramie, tuy nhiên xơ chuối có độ mịn

Nó có độ sáng bóng xuất hiện tùy thuộc vào khai thác và quy trình kéo sợi (Rao và Mohana, 2007) Thân chuối có khả năng hấp thụ và giải phóng độ ẩm dễ dàng Thân cây chuối có thể được tạo sợi bằng các phương pháp khác nhau như vòng kéo sợi, kéo sợi

mở, xơ sợi kéo sợi, và kéo sợi bán hàn Sợi từ tân chuối có thể phân hủy sinh học và không ảnh hưởng đến môi trường do đó có thể được được phân loại là sợi sinh thái [13]

2.1.3 So sánh thân cây chuối với một số phế phẩm khác

Bảng 2.1: Tính chất vật lý của một số sợi cellulose khác nhau [12]

Lo ại sợi Độ ẩm

(wt%)

Hàm lượng tro (wt%)

Độ bền kéo (MPa)

Bảng 2.2: Tính chất hóa học của một số sợi cellulose khác nhau [12]

Lo ại sợi Lignin

(wt%)

Cellulose (wt%)

Hemicellulose (wt%)

Hàm lượng Cellulose trong vỏ ngô 40.7% và thân chuối 43.46% chiếm phần cao trong thành phần vật liệu, dễ dàng thu hồi và sử dụng hơn so với những loại vật liệu khác

12

2.2 Quá trình loại bỏ lignin trong phế phẩm nông nghiệp

Các phương pháp sử dụng dung dịch NaOH, Na2CO3, KOH, trong đó tác nhân tấn công là OH−, có xúc tác nhiệt được gọi là phương pháp soda

Khi tan trong nước, Na2CO3 bị thủy phân mạnh tạo môi trường bazơ, làm đổi màu các chất chỉ thị: dung dịch phenolphtalein không màu thành màu hồng, quỳ tím hóa xanh:

Na2CO3 2Na+ + CO3 2−

CO3 2− + H

2O HCO3 − + OH−Các phản ứng xảy ra trong quá trình nấu:

Trong quá trình nấu, dưới tác dụng của môi trường kiềm, nhiệt độ, áp suất, các mảnh cellulose nguyên liệu thấm dần hóa chất, một loạt các quá trình hoá lý và hoá học xảy ra

Hình 2.2: Phản ứng phân hủy liên kết ete β-aryl của lignin

13

Những phản ứng này có tác dụng chia lignin thành những cấu tử nhỏ hơn, tăng tính

ái nước của lignin (các nhóm phenol được tạo thành) để lignin dễ hoà tan vào dịch nấu.Ngược với các phản ứng phân huỷ để phân chia lignin thành những cấu tử nhỏ hoà tan vào dịch nấu, khi nấu trong môi trường kiềm còn xảy ra phản ứng ngưng tụ lignin, phản ứng cản trở quá trình hòa tan lignin, phản ứng này xảy ra mạnh ở cuối giai đoạn nấu

Hình 2.3: Phản ứng ngưng tụ lignin trong môi trường kiềm

❖ Ph ản ứng của hydrate cacbon

Hình 2.6: Cấu trúc phân tử Natri benzoat

Natri benzoat – hay còn được gọi với những cái tên khác như: E211, muối natri của axit benzoic, benzoat của soda, chất bảo quản thực phẩm 211 Natri benzoate là chất bảo quản thực phẩm phổ biến có trong một số sản phẩm thực phẩm Natri benzoat E211

Hình 2.5: Phản ứng thủy phân

15

là một thực phẩm cấp bảo quản thường được coi như Két an toàn (GRAS) trên toàn thế giới Nó là muối natri của axit benzoic E210 và tổng hợp bằng hiđrôxít natri phản ứng với axit benzoic Natri benzoat E211 có hiệu quả kháng khuẩn chống lại nấm men, nấm mốc, ngộ độc thực phẩm vi khuẩn và spore hình thành vi khuẩn Nó hiệu quả chống lại

vi khuẩn gây hư hỏng thực phẩm như clostridia hoặc vi khuẩn axit lactic

Cơ chế hoạt động bảo quản của benzoates hoặc natri benzoat cơ chế hoạt động phụ thuộc vào các phân tử undissociated, lipophilic dissociable, axit Benzoic E210 là mạnh

mẽ, và dễ dàng để đi qua màng tế bào Sau đó xâm nhập vào trong tế bào, can thiệp với các mốc và vi khuẩn và tính thấm của màng tế bào vi khuẩn, cản trở sự hấp thụ của màng

tế bào chống lại các axit amin Benzoates xâm nhập vào tế bào nội bào và ức chế hoạt động của các enzym hô hấp tế bào vi khuẩn Benzoates là chất (kháng lại vi khuẩn khuẩn) phổ rộng và ức chế các vi khuẩn khác nhau ở pH 4-5

2.4 Phương pháp ma trận trực giao Taguchi [16]

Trong nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng mô hình có ý nghĩa quan trọng về kỹ thuật và kinh tế Các quá trình thực tế thường phức tạp, có nhiều yếu tố (đầu vào) tác động độc lập hay đồng tác động lên kết quả (đầu ra) Đồng thời đầu ra cũng được thể hiện bằng nhiều đại lượng khác nhau Các mô hình một đầu vào, một đầu ra không thể hiện được ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến đầu ra, nên mô tả quá trình một cách phiến diện Khắc phục được điều đó, cần đến các mô hình nhiều đầu vào, nhiều đầu ra Yêu cầu chủ yếu của mô hình thực nghiệm là mô tả quá trình sát với thực tế, tính đến đầy đủ nhất các yếu tố ảnh hưởng của chúng, nhưng giảm thiểu được số lần thí nghiệm Mô hình Taguchi, do Genichi Taguchi (1924-2012) – một kỹ sư người Nhật đưa ra được đánh giá là giải quyết thỏa đáng vấn đề này Mô hình (hay phương pháp) Taguchi được ứng dụng chủ yếu trong giai đoạn thiết kế tham số (công nghệ) dựa trên

sự phân tích, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đén thông số đầu ra, đồng thời xác định bộ thông số tối ưu Trong khi mô hình đa yếu tố toàn phần chính thích hợp khi

số yếu tố không quá 3 thì mô hình Taguchi có thể phát huy tác dụng khi số yếu tố từ 3 đến 50

Về phương pháp luận, phương pháp Taguchi sử dụng mảng trực giao như mô hình

đa yếu tố, nhưng được thiết kế và đánh giá theo một quy trình chặt chẽ, đòi hỏi số thí nghiệm ít và cho số liệu đáng tin cậy hơn Tư tưởng của phương pháp Taguchi là xác

16

định các yếu tố sao cho đạt hiệu quả cao nhất bằng cách phát hiện và loại bỏ tối đa các ảnh hưởng nhiễu loạn

Yếu tố đầu vào tác động lên kết quả theo 2 hướng khác nhau:

− Kết quả tiến đến gần mục tiêu là tín hiệu có ích, gọi tắt là “tín” S_Signal

− Kết quả rời xa mục tiêu là “nhiễu” hay “tạp” N_Noise

 Tỷ số “tín trên tạp” S/N đại diện cho tín hiệu quả, được dùng để đánh giá và lựa chọn tham số Bộ tham số là tốt khi cho S/N lớn Bộ tham số tối ưu cho S/N lớn nhất

Có 3 phương pháp tính tỷ số S/N:

− Bài toán cực tiểu (Smaller better): 2

10 1

+ n: số lần đo khi thí nghiệm

Dù bài toán thuộc dạng nào thì mục tiêu Tối ưu hóa luôn là cực đại tỷ số S/N Phương pháp Taguchi có 7 bước cơ bản:

Bước 1: Chọn biến độc lập (hay yếu tố - Factor, biến điều khiển – Control

Variabale) và biến đáp ứng (Response), hàm mục tiêu (Fitness, Objective Function)

Bước 2: Xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến mục tiêu, các quan hệ

có thể có giữa các yếu tố (gọi là bậc tự do – Degree of Freedom, Objective Function)

Bước 3: Tạo cấu trúc (mảng trực giao): Cột là các biến, hàng là các thí nghiệm Bước 4: Tiến hành thí nghiệm để thu thập số liệu

Bước 5: Phân tích số liệu theo S/N và xác định giá trị tối ưu của các tham số Bước 6: Phân tích phương sai (Analysis of Variance – ANOVA), xác định ảnh

hưởng của các yếu tố đến đầu ra Đây là bước bổ trợ, vì bước 5 đã tính đến ảnh hưởng của các yếu tố qua tỷ số S/N Dù có thực hiện bước 6 hay không thì kết quả tối ưu hóa không thay đổi

Bước 7: Tính toán lại hàm mục tiêu theo bộ tham số tối ưu và kiểm chứng bằng

thực nghiệm

− Máy đo pH WTW Ph720 của hãng Inolab (Đức)

− Tủ sấy Medcenter Eirichturgen GmbH của hãng ECOCELL

− Nhiệt kế, bếp nung, giấy quỳ tím

3.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu

Thân chuối sau khi được lấy tại vườn, tại các khu chợ được phơi khô dưới ánh nắng mặt trời Sau đó được cắt thành mảnh nhỏ với chiều dài khoảng 0.5cm đến 1cm

Nguyên liệu (thân chuối đã được sơ chế)

Xay nhuyễn hỗn hợp

Lọc tách nước ra khỏi vật liệu

Trộn vật liệu với hồ tinh bột

và chất bảo quản

Cân khối lượng vật liệu sau

đó tráng đều ra khuôn

Sấy sản phẩm

Đế đĩa sau khi sấy được phủ bề

mặt bằng lá sen đã được sấy

Ép định hình bằng máy