NGHIÊN cứu CHẾ TẠO CELLULOSE NANOCRYSTALS (CNCS) từ NGUYÊN LIỆU GIẤY VỤN và vỏ TRẤU ỨNG DỤNG TRONG xử lý nước THẢI

Nguyễn Vũ Việt Linh-Giảng Viên trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, đã giành thời gian của mình hướng dẫn tận tình để em từng bước hoàn thiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CELLULOSE NANOCRYSTALS- (CNCS) TỪ NGUYÊN LIỆU GIẤY VỤN VÀ VỎ TRẤU ỨNG DỤNG TRONG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2020



BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CELLULOSE

NANOCRYSTALS-(CNCS) TỪ NGUYÊN LIỆU GIẤY VỤN VÀ VỎ TRẤU ỨNG

DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CELLULOSE NANOCRYSTALS-

(CNCS) TỪ NGUYÊN LIỆU GIẤY VỤN VÀ VỎ TRẤU ỨNG

DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN VŨ VIỆT LINH

Cơ quan công tác: Đại học Bách Khoa, phường 14, Quận 10, TP Hồ Chí Minh

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TRÍ THỨC, MSSV: 16130067

1 Tên đề tài:

“Nghiên cứu chế tạo Cellulose Nanocrystals (CNCs) từ nguyên liệu phế thải ứng

dụng trong xử lý nước thải”

2 Nội dung chính của khóa luận:

- Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Chế tạo cellulose tinh thể nano (Celluloso Nanocrystals - CNCs) từ nguồn

nguyên liệu phế thải (giấy vụn, vỏ trấu); khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính

chất CNCs

- Đánh giá tính chất của CNCs bằng kính hiển vi quang học, kính hiển vi

điện tử quét (SEM), phổ hồng ngoại FTIR

- Đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của màng composite

CNCs/PVA trong xử lý nước thải

6 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN TRÍ THỨC, MSSV: 16130067 Ngành: Công Nghệ Vật Liệu Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo Cellulose Nanocrystals (CNCs) từ nguyên liệu giấy vụn và vỏ trấu ứng dụng trong xử lý nước thải” Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN VŨ VIỆT LINH Cơ quan công tác của GV hướng dẫn: Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt, phường 14, quận 10, TP.Hồ Chí Minh NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

2 Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên:

3 Ưu điểm:

4 Khuyết điểm:

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

6 Điểm: (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*******

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN TRÍ THỨC, MSSV: 16130067 Ngành: Công Nghệ Vật Liệu Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo Cellulose Nanocrystals (CNCs) từ nguyên liệu giấy vụn và vỏ trấu ứng dụng trong xử lý nước thải” Họ và tên Giáo viên phản biện:

Cơ quan công tác của GV phản biện:

Địa chỉ:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Kiến nghị và câu hỏi:

5 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

6 Điểm: (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy Cô trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đã truyền đạt cho em những kiến thức

quý giá thông qua quá trình giảng dạy trên ghế nhà trường

Em xin cảm ơn Giáo viên hướng dẫn là TS Nguyễn Vũ Việt Linh-Giảng

Viên trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, đã giành thời gian của

mình hướng dẫn tận tình để em từng bước hoàn thiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo

Cellulose Nanocrystals (CNCs) từ nguyên liệu giấy vụn và vỏ trấu ứng dụng trong

xử lý nước thải” Trong quá trình hoàn thiện đề tài, có những thiếu sót và lỗi mắc

phải nhưng cô đã thông cảm, hướng dẫn chu đáo, em xin chân thành cảm ơn cô vì

điều này

Tiếp đến em xin cảm ơn những Thầy Cô Ngành Công Nghệ Vật Liệu, Khoa

Khoa Học Ứng Dụng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh,

đã dạy cho em những kiến thức chuyên ngành giúp em được nắm vững các kiến

thức nền tảng để khi tiến hành làm luận văn, em có thể áp dụng và hoàn thành tốt đề

tài

Trong quá trình thực hiện đề tài tại Trung tâm Công Nghệ Vật Liệu

Polyme-Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Em xin gửi lời cảm ơn đến anh chị

cán bộ, cũng như những anh chị khóa trước đã tận tình hướng dẫn em sử dụng thiết

bị để em hoàn thành tốt luận văn

Và cuối cùng là lời cảm ơn gửi đến bố mẹ, bạn bè đã luôn bên cạnh hỗ trợ,

động viên tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp em có thể hoàn thành được luận văn

này Trong quá trình hoàn thiện luận văn ban đầu có thiếu sót không thể tránh khỏi

Em kính mong quý thầy cô thông cảm, em rất hi vọng sẽ nhận được những lời góp ý

bổ ích, chân thành từ thầy cô giúp em hoàn thiện hơn về mặt nội dung và hình thức

để em rút được kinh nghiệm quý báu ứng dụng trong công việc sau này

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô

Sinh viên

Nguyễn Trí Thức

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Nội dung đề tài 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 2

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về nguyên liệu, các khái niệm và tính chất 3

2.1.1 Nguồn nguyên liệu giấy 3

2.1.1.1 Giới thiệu ngành giấy 3

2.1.1.2 Thành phần hóa học của giấy 3

2.1.2 Nguồn nguyên liệu vỏ trấu 3

2.1.3 Cellulose 4

2.1.3.1 Cấu tạo cellulose 4

2.1.3.2 Các tính chất cơ bản của cellulose 5

2.1.4 Hemicellulose 6

2.1.5 Lignin 7

2.1.6 Các chất độn trong giấy và vỏ trấu 8

2.1.6.1 Chất độn trong giấy 8

2.1.6.2 Thành phần hóa học trong vỏ trấu 8

2.2 Tổng quan về Cellulose Nanocrystals (CNCs) 8

2.2.1 Giới thiệu chung 8

2.2.2 Nguồn nguyên liệu sản xuất CNCs 9

2.2.3 Phương pháp sản xuất CNCs 10

2.2.3.1 Phương pháp xử lý sợi siêu âm Hielscher Ultrasonics 10

2.2.3.2 Phương pháp thủy phân acid 10

2.2.4 Các tính chất của CNCs 11

2.2.4.1 Tính chất cơ lý 11

2.2.4.2 Tính chất nhiệt 11

2.2.4.3 Bản chất tinh thể lỏng của CNCs 12

2.2.4.4 Tính chất quang học 12

2.2.4.5 Tính chất lưu biến 13

2.2.5 Ứng dụng của CNCs trong các lĩnh vực 13

2.2.5.1 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm 14

2.2.5.2 Ứng dụng trong cảm biến sinh học và thiết bị y sinh 15

2.2.5.3 Ứng dụng trong xử lý nước thải 16

2.3 Các loại màng nanocomposite dựa trên cơ sở CNCs 17

2.3.1 Màng CNCs/Ɛ-caprolactone (PCL) 17

2.3.2 Màng CNCs/ Polyurethane (PU) 18

2.3.3 Màng CNCs/Poly vinyl alcohol (PVA) xử lý nước bằng phương pháp hấp phụ 18

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 20

3.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị 20

3.1.1 Nguyên liệu, hóa chất 20

3.1.2 Dụng cụ và thiết bị sử dụng 22

3.2 Quy trình thực nghiệm 25

3.2.1 Quy trình chế tạo CNCs từ giấy vụn 25

3.2.2 Quy trình chế tạo CNCs từ vỏ trấu 28

3.2.3 Quy trình chế tạo màng nanocomposites dựa trên cơ sở CNCs/PVA ứng dụng trong xử lý nước thải 31

3.3 Phương pháp phân tích 33

3.3.1 Kính hiển vi Olympus MX51 33

3.3.2 Kính hiển vi điện tử quét SEM 33

3.3.3 Máy sấy đông khô (sấy thăng hoa) 34

3.3.4 Máy đo quang phổ hồng ngoại FTIR 35

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

4.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành CNCs từ giấy vụn 36

4.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thủy phân H2SO4 lên sự hình thành CNCs 36

4.1.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ thủy phân H2SO4 lên sự hình thành CNCs38 4.1.3 Đánh giá hình thái và cấu trúc sợi CNCs 39

4.2 Xử lý kiềm, khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân acid hình thành

sợi CNCs từ vỏ trấu 40

4.2.1 Xử lý kiềm trong giai đoạn tẩy trắng vỏ trấu 41

4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ thủy phân acid đến quá trình hình thành CNCs từ vỏ trấu 41

4.2.3 Khảo sát độ trương của màng CNCs/PVA 42

4.2.3.1 Trương về khối lượng của màng CNCs/PVA 42

4.2.3.2 Trương về thể tích của màng CNCs/PVA 45

4.3 Khảo sát ảnh hưởng phần trăm khối lượng CNCs đến sản phẩm màng composite CNCs/PVA tạo thành và khả năng xử lý kim loại nặng trong nước 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

Kết luận 49

Kiến nghị 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

PHỤ LỤC 53

Phụ Lục 1: Ảnh kính hiển vi các mẫu giấy và vỏ trấu 53

Phụ Lục 2: Hiệu suất CNCs tổng hợp từ mẫu giấy 54

Phụ Lục 3: Phổ FTIR sợi CNCs từ mẫu giấy 55

Phụ Lục 4: Bảng thông số độ trương của màng CNCs/PVA 56

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CNCs Cellulose Nanocrystals Nano tinh thể cellulose

CMCs Cellulose Microcrystals Micro tinh thể cellulose

AFM Atomic force microscope Kính hiển vi lực nguyên tử

TGA Thermogravimetric analysis Phương pháp phân tích nhiệt

trọng lượng FTIR Fourier-transform infrared

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần của một số loại thực vật chứa cellulose 4

Bảng 3.1 Thống kê một số loại nguyên liệu và hóa chất sử dụng 20

Bảng 3.2 Thống kê thiết bị và dụng cụ sử dụng 22

Bảng 3.3 Tóm tắt các thông số nồng độ, thời gian và nhiệt độ thực nghiệm tổng

hợp CNCs từ nguyên liệu giấy vụn 27

Bảng 3.4 Tóm tắt các thông số nồng độ, thời gian và nhiệt độ thực nghiệm tổng

hợp CNCs mẫu T1 và T2 từ nguyên liệu vỏ trấu 30

Bảng 4.1 Nồng độ, thời gian, nhiệt độ thủy phân acid sunfuric mẫu giấy 36

Bảng 4.2 Thành phần nguyên liệu tổng hợp màng M0, M1, M2 và M3 42

Bảng 4.3 Khảo sát khối lượng các màng được ngâm trong nước cất sau các khoảng

thời gian nhất định 42

Bảng 4.4 Khảo sát thể tích của các màng được ngâm trong nước cất ở các khoảng

thời gian nhất định 45

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Công thức cấu tạo cellulose 4

Hình 2.2 Cấu trúc phân tử cellulose 5

Hình 2.3 Cấu tạo của hemicellulose 7

Hình 2.4 Cấu tạo của lignin 7

Hình 2.5 Cellulose từ các sản phẩm nông nghiệp và vi sinh vật 9

Hình 2.6 Máy siêu âm UIP4000hdT (4kW) sử dụng xử lý sợi trong công nghiệp 10 Hình 2.7 Ứng dụng của CNCs 14

Hình 2.8 Bao bì tự phân hủy làm từ Cellulose 15

Hình 2.9 Quá trình hấp phụ ion Ag+của CNCs 19

Hình 3.1 Sơ đồ tổng hợp CNCs từ giấy vụn 25

Hình 3.2 Sơ đồ hình ảnh thực nghiệm quá trình tổng hợp CNCs từ giấy vụn 26

Hình 3.3 Sơ đồ tổng hợp CNCs từ vỏ trấu 28

Hình 3.4 Sơ đồ hình ảnh thực nghiệm quy trình tổng hợp CNCs từ vỏ trấu 29

Hình 3.5 Sơ đồ chế tạo màng nanocomposites dựa trên cơ sở CNCs/PVA 31

Hình 3.6 Sơ đồ thực nghiệm hình ảnh chế tạo màng nanocomposites dựa trên cơ sở CNCs/PVA 32

Hình 3.8 Kính hiển vi điện tử quét SEM, S-4800, Hitachi (Nhật Bản) 33

Hình 3.7 Kính hiển vi Olympus MX51 33

Hình 3.9 Máy sấy đông khô Lanogene Scanvac Coolsafe 54-4 Touch (Đan Mạch) 34

Hình 3.10 Máy đo quang phổ hồng ngoại FTIR, TENSOR 37 35

Hình 4.1 Mẫu giấy vụn thủy phân với H2SO4 64% 36

Hình 4.2 Mẫu thủy phân acid ở 50oC với các khoảng thời gian khác nhau, a) 2 giờ; b) 3 giờ và c) 6 giờ 37

Hình 4.3 Ảnh kính hiển vi độ phóng đại x20 mẫu thủy phân acid ở 50oC với các khoảng thời gian khác nhau, a) 2 giờ; b) 3 giờ và c) 6 giờ 37

Hình 4.4 Ảnh kính hiển vi với độ phóng đại x50 các mẫu thủy phân acid với thời gian và nhiệt độ khác nhau; a) 2 giờ và 45oC, b) 3 giờ và 45oC, c) 2 giờ và 50o C và d) 3 giờ và 50oC 38

Hình 4.5 Ảnh SEM của mẫu được thủy phân acid trong thời gian 3 giờ , nhiệt độ 50oC (G4) với độ phóng đại khác nhau; a) x3000 và b) x10000 39

Hình 4.6 Phổ FT-IR Mẫu được thủy phân acid trong thời gian 3 giờ, nhiệt độ 50oC (G4) 40

Hình 4.7 Mẫu CNCs từ vỏ trấu sau khi tẩy bằng CH3COOH/NaClO(5%) 41

Hình 4.8 Ảnh chụp kính hiển vi độ phóng đại x50 các mẫu thủy phân acid trong 45

phút với nhiệt độ khác nhau; a) 45o

C (T1) và b) 50oC (T2) 41 Hình 4.9 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi khối lượng của màng trong nước theo thời

gian 43

Hình 4.10 Biểu đồ thể hiện sự độ trương khối lượng của màng trong nước theo

thời gian 44

Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi thể tích của các màng theo thời gian 45

Hình 4.12 Biểu đồ thể hiện độ trương thể tích của các màng theo thời gian 46

Hình 4.13 Các màng tạo thành với tỉ lệ phần trăm khối lượng CNCs trên PVA khác

nhau; a) 0% (M0), b) 5% (M1), c) 10% (M2) và d) 15% (M3) 47

Hình 4.14 Khảo sát quá trình hấp phụ Cu(II) của các loại màng CNCs/PVA khác

nhau; a) Lúc bắt đầu, b) Sau 3 giờ 48

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Những năm gần đây vật liệu nano polyme đã và đang dần trở thành xu hướng

mới trong các ngành công nghệp Từ ứng dụng để làm những vật liệu siêu bền trong

công nghệ ô tô: Sơn nano, vật liệu cacbon nanotypes, đến công nghệ chất bán dẫn

chế tạo linh kiện điện tử kết hợp với polyme dẫn điện kích thước nano Cho đến

trong lĩnh vực y học cũng có rất nhiều vật liệu nano được sử dụng: Hydrogel trong

công nghệ dẫn thuốc, Ngoài ra còn có rất nhiều lĩnh vực khác như: Thực phẩm,

nông nghiệp, công nghiệp xử lý nước Sở dĩ nano polyme được ưa chuộng như vậy

là do những tính chất ưu việt về hóa học và vật lý hơn nhiều so với những polyme

kích thước lớn Ngoài ra giá thành ngày càng giảm khiến vật liệu có tính cạnh tranh

trên thị trường

Ta có thể thấy rằng, cellulose là một homopolyme tuyến tính của glucose

(C6H10O5)n với các đơn vị lặp lại bao gồm D-glucose trong cấu trúc 4C1, không hòa

tan trong nước và phân hủy hoàn toàn bởi các vi sinh vật, nấm, enzyme, Cellulose

là polyme tự nhiên bán tinh thể bao gồm cấu trúc tinh thể và cấu trúc vô định hình,

không bị tan chảy khi đun nóng Cấu trúc vô định hình được loại bỏ bằng quá trình

thủy phân acid Một trong những ứng dụng nổi bậc của cellulose là cellulose

nanocrystals (CNCs) được xem là vật liệu đáng để nghiên cứu và phát triển mạnh

trong công nghiệp công nghệ nano Tuy nhiên, có một số nhược điểm của CNCs là

nó không có sẵn trên thị trường và tốn thời gian trong sản xuất, nó giới hạn ứng

dụng trong một số lĩnh vực [1]

Nhận thấy xu hướng hiện tại, em đã chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo

cellulose nanocrystals (CNCs) từ nguyên liệu giấy vụn và vỏ trấu ứng dụng trong

xử lý nước thải” để tiến hành đi sâu vào nghiên cứu xử lý các kim loại nặng trong

nước (Cr3+, Pb2+, Hg2+, ) Dựa trên nguồn nguyên liệu rẻ, dồi dào: Từ thực vật

(những phế phẩm thực vật ngành nông nghiệp), vi khuẩn, tảo, quy trình sản xuất

và chế tạo không quá phức tạp, em lựa chọn vỏ trấu và giấy vụn để tiến hành tổng

CNCs Với những tính chất về vật lý hóa học ở kích thước nano, CNCs sẽ là một

vật liệu đáp ứng tốt về xử lý nước mà không gây độc hại, vật liệu này còn có khả

năng phân hủy sinh học hạn chế gây ô nhiễm môi trường Giá thành sẽ dần được cải

thiện và thay thế những chất vô cơ xử lý nước gây độc hại thông thường

Trong tương lai, với những tính chất tốt như vậy, vật liệu CNCs có thể thay

thế những chất xử lý kim loại nặng trong nước thông thường như: NaOH, Na2CO3,

S, làm những

kim loại kết tủa sunfua: Hg2+, Pb2+, Chúng còn có thể ứng dụng trong các lĩnh vực

khác như: Y học, bán dẫn (cảm biến, đi-ôt phát sáng, pin mặt trời), công nghệ

dệt, Hứa hẹn cellulose nanocrystals sẽ là vật liệu có tiềm năng cao để phát triển và

ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác [2]

1.2 Mục tiêu đề tài

Chế tạo cellulose nano (micro) tinh thể từ vỏ trấu và giấy vụn Chế tạo màng

composite CNCs/PVA để xử lý kim loại nặng trong nước thải

1.3 Nội dung đề tài

Chế tạo cellulose tinh thể nano (Celluloso Nanocrystals-CNCs) từ nguồn

nguyên liệu (giấy vụn, vỏ trấu); khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất CNCs

Đánh giá tính chất của CNCs bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) Quang

phổ hồng ngoại FTIR

Đánh giá khả năng hấp phụ ion kim loại nặng trong xử lý nước thải

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

CNCs mang đến cho chúng ta rất nhiều nghiên cứu phát triển gần đây Từ

những tính chất đặc trưng của vật liệu nano đến những tính chất riêng của vật liệu

cellulose cho thấy một tiềm năng to lớn mà giới khoa học cần phải đi sâu và tìm

hiểu cũng như cho ra nhiều ứng dụng thêm nữa.Việc phát triển CNCs mang ý nghĩa

vô cùng quan trọng đối với nền khoa học hiện đại CNCs phát triển mạnh là loại vật

liệu có thể thay thế được dần nguồn nguyên liệu hóa thạch, giảm được ô nhiễm môi

trường cũng như những vấn đề tài chính liên quan đến xử lý môi trường

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Tổng hợp và sản xuất CNCs từ những nguồn nguyên vật liệu rẻ tiền như: Các

phế phẩm ngành công nghiệp giấy (giấy in, giấy viết tay, giấy báo, ), các phế phẩm

ngành nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, vỏ trấu, ), góp phần làm tăng giá trị phế phẩm,

tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu sẵn có dồi dào Ngoài ra có thể hình thành một

mô hình phát triển bền vững với các công đoạn không quá phức tạp, việc chế tạo

CNCs sẽ ngày càng đơn giản, giúp hạ giá thành sản phẩm phù hợp với nhu cần mỗi

người Hạn chế sử dụng nguồn nguyên liệu hóa thạch góp phần rất lớn trong ngăn

chặn ô nhiễm môi trường hiện nay

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về nguyên liệu, các khái niệm và tính chất

2.1.1 Nguồn nguyên liệu giấy

2.1.1.1 Giới thiệu ngành giấy

Vật liệu giấy dường như không thể thiếu đối với con người chúng ta trong xã

hội hiện đại Hầu hết công dụng của giấy là dùng để ghi chép, in ấn Dĩ nhiên nó

không phải là công dụng duy nhất mà còn rất nhiều công dụng khác đã được phát

minh Ta có thể thấy rằng giấy được ứng dụng trong các lĩnh vực sau: Giáo dục, văn

hóa-nghệ thuật, kinh doanh-thương mại, bao bì vận tải, Nguồn nguyên liệu chính

để tạo ra giấy chính là gỗ, tre nứa, phế phẩm nông nghiệp như rơm rạ, bã mía và các

dạnh thực vật khác Giấy được sản xuất từ cellulose nên hàm lượng cellulose thu

được rất cao vì trong quá trình tạo thành thì hàm lượng lignin đã được loại bỏ gần

như hoàn toàn Trong giấy còn một ít hemicellulose và lignin tồn đọng lại, cellulose

vẫn chiếm tỉ lệ lớn nhất [2]

2.1.1.2 Thành phần hóa học của giấy

Giấy là sản phẩm của xơ sợi cellulose có dạng tấm, trong đó sợi và các phần

sợi được liên kết với nhau để tạo mạng lưới không gian ba chiều Giấy là một trong

những nguồn nguyên liệu chính của ngành in Có thể thấy nguồn nguyên liệu chính

để sản xuất giấy là gỗ, tre nứa, bông đay còn được tái chế từ nguồn nguyên liệu

giấy đã sử dụng qua Ngoài bột giấy (cellulose), trong giấy còn có các chất phụ gia

nhằm tăng độ trắng, độ mịn, nhẵn, độ phản quang, các chất phụ gia này gọi là chất

độn Chất độn là những chất có màu trắng, mịn, không tan trong nước, tan trong

một số kiềm, cho vào huyền phù bột giấy để làm tăng một số tính năng quan trọng

của giấy như độ trắng, độ mịn, độ láng, giảm sự biến dạng của giấy và làm tăng giá

thành của giấy Các chất độn thường được sử dụng: Đá vôi CaCO3, cao lanh

Al2SO3, bột talc MgO.SiO3.nH2O, TiO2, [2]

2.1.2 Nguồn nguyên liệu vỏ trấu

Là một phế phẩm của sản xuất nông nghiệp, được tạo thành từ việc bóc tách

hạt lúa để lấy gạo và bỏ đi phần vỏ trấu Nguồn nguyên liệu vỏ trấu ở Việt Nam rất

dồi dào bởi vì nước ta là một nước nhiệt đới gió mùa nên nền nông nghiệp trồng lúc

rất phát triển Tuy vậy vỏ trấu còn rất ít được sử dụng trong công nghiệp: Chủ yếu

làm chất đốt, sưởi ấm, làm chất mùn cho phân bón, Cũng một phần do giá trị tái

chế sản phẩm từ vỏ trấu khá đắc đỏ Để tối ưu hóa nguồn nguyên liệu dồi dào này

em đã sử dụng vỏ trấu để làm nguồn nguyên liệu chế tạo CNCs Thành phần hóa

học của vỏ trấu bao gồm: Cellulose 45,7%, hemicellulose 22,4%, lignin 7,2% và

một số thành phần ôxit khác chiếm 24,7% Vì thành phần cellulose trong vỏ trấu

không quá cao nên quá trình tổng hợp CNCs khá khó khăn Bảng bên dưới thống kê

một số nguồi cellulose từ thực vật [8]

Bảng 2.1 Thành phần của một số loại thực vật chứa cellulose [2,8]

2.1.3.1 Cấu tạo cellulose

Cellulose là polyme tự nhiên phong phú nhất có sẵn trên trái đất và nó là

thành phần cấu trúc quan trọng của thành tế bào của các loại thực vật khác

nhau Ngoài thực vật, cellulose cũng có mặt trong nhiều loại sinh vật sống, chẳng

hạn như tảo, nấm, vi khuẩn và thậm chí ở một số động vật biển Cellulose là một

loại polyme dạng sợi, dai và không tan trong nước và nó đóng vai trò thiết yếu trong

việc duy trì cấu trúc của thành tế bào thực vật [2]

Hình 2.1 cho thấy Cellulose bao gồm các đơn vị liên kết ꞵ-1,4-glucopyranose

tạo thành một homopolyme tuyến tính trọng lượng phân tử cao, trong đó mọi đơn vị

monome được xoắn ở 180° so với các đơn vị kế bên Đơn vị lặp lại của polyme tự

nhiên này là một chất làm giảm glucose, được gọi là cellobiose Mức độ trùng hợp

của cellulose có thể khác nhau tùy thuộc vào nguồn và nó là khoảng 10000 đơn vị

glucose cho cellulose có nguồn gốc từ gỗ và 15000 đơn vị cho cellulose có nguồn

gốc từ bông Mỗi đơn vị glucopyranose mang ba nhóm hydroxyl, tạo ra cellulose

Hình 2.1 Công thức cấu tạo cellulose [2].

một số tính chất đặc trưng như:Tính kỵ nước, tính đối xứng, khả năng phân hủy

sinh học, được bắt đầu bởi khả năng linh động cao của các nhóm hydroxyl

Cellulose có hình sợi dài, có nhiều sợi liên kết song song với nhau thành chùm nhờ

các liên kết hydro giữa các nhóm -OH Các phân tử cellulose liên kết tạo thành các

microfibril Các micro này liên kết với nhau tạo thành xơ, nhiều bó xơ tập hợp

thành lớp có thể bị tách ra bởi lực cơ học Các bó sợi này thường bao gồm khoảng

500000 phân tử cellulose Mỗi phân tử cellulose chứa khoảng 5000 phân tử

D-glucose thì số mối nối hydro lên đến 2,5 triệu nối [2]

Cellulose có cấu trúc tinh thể và có tính khúc xạ kép vì cấu tạo mà phân tử

có tính định hướng không gian ba chiều sắp xếp song song với nhau

2.1.3.2 Các tính chất cơ bản của cellulose

a Tính chất vật lý

Là chất màu trắng, không mùi, không vị Cellulose không tan trong nước

ngay cả khi đun nóng và các dung môi hữu cơ thông thường Tan trong một số dung

dịch acid vô cơ mạnh như: HCl, HNO3, một số dung dịch muối: ZnCl2, PbCl2,

Là thành phần chính tạo nên màng tế bào thực vật giúp cho các mô thực vật có độ

bền cơ học và tính đàn hồi Cellulose có nhiều trong bông (95-99%), đay, gai, tre,

nứa, gỗ, (cellulose chứa 40-45% trong gỗ) [3]

b Tính chất hóa học

Cellulose là hợp chất phức tạp và bền vững, không tan trong nước và trong

nhiều dung môi hữu cơ khác, các dung dịch kiềm loãng cũng không tác dụng, chỉ bị

phân hủy khi đun nóng cho tác dụng với acid hay kiềm đặc

Hình 2.2 Cấu trúc phân tử cellulose [2]

Cấu trúc phân tử

Gỗ hay

thực vật

Sợi trong thớ gỗ

Sợi cellulose

Sợi micro

Sợi nano

Tác dụng với acid vô cơ hoặc hữu cơ sẽ tạo ra este (phản ứng este hóa) Ví

dụ như đun nóng cellulose trong dung dịch acid sunfuric đặc, acid nitric đặc thu

được cellulose nitriat [2]

[C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3  [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nH2O

Cellulose được cấu tạo từ các mắc xích ꞵ-D-Glucose liên kết với nhau bằng

liên kết 1,4-Glucozit, liên kết này không bền vững với acid Dưới tác dụng của acid,

cellulose sẽ thủy phân tạo các sản phẩm có độ bền cơ học kém nhưng không hòa

tan Khi cellulose thủy phân hoàn toàn sẽ thu được sả phẩm cuối cùng là glucose

[2]

(C6H10O5)n + nH2O  (C6H12O6)n

c Tính phân hủy mạch

Cellulose khi bị phân hủy sẽ tạo thành monomer hoặc oligomer, ngoài ra còn

có thể tạo ra các biến thể khác phức tạp hơn Nó thường phân hủy ở các trường hợp

thủy phân ở acid hay kiềm đặc [2]

- Thủy phân cellulose: Bị thủy phân chậm trong môi trường nước ở nhiệt độ

cao, khi bị xúc tác với acid thủy quá trình thủy phân sẽ nhanh hơn Quá trình này

làm cho cellulose bị cắt ngắn, sản phẩm cuối cùng là đường D-glucose

- Nhiệt phân cellulose: Bị nhiệt phân ở nhiệt độ 180-200oC tạo thành các sản

phẩm thấp hơn như acid, aceton, nước, CO2,

- Do tác nhân oxy hóa: Cellulose dễ bị oxy hóa Oxi sẽ tác dụng trực tiếp mở

vòng pyranose làm đứt mạch hoặc tạo điều kiện làm đứt mạch cellulose Mức độ

phân hủy cellulose phụ thuộc vào điều kiện phản ứng và tác nhân oxy hóa

d Tính trương nở

Khi ngâm trong môi trường lỏng có tính phân cực như nước,

dimethylforamide, dimethylsulfoxyde, tetrahydrofuran, pyridine thì sợi cellulose sẽ

trương nở Các nhóm hydroxyl trong mạch cellulose của dạng sợi đang trương nở

vẫn có thể tiếp tục sử dụng cho các phản ứng hóa học khác tuy nhiên các phân tử

dung môi phân cực sẽ bị bẫy giữ lại trong cấu trúc của cellulose Còn ở môi trường

không phân cực như benzene, toluene, xăng dầu, thì được các nhóm hydroxyl trở

đầu quay vào bên trong cấu trúc mạch cellulose Các phân tử dung môi không phân

cực này có khả năng thay thế dần dần phân tử dung môi phân cực đang bị bẫy giữ

lại bên trong bó sợi cellulose chuyển môi trường từ phân cực sang kém phân cực

hơn Nhờ vậy, nó tạo và duy trì được một môi trường không phân cực bên trong sợi

cellulose đang trương nở [3]

2.1.4 Hemicellulose

Hemicellulose là carbohydrat nằm tiếp cận với thành cellulose Không tan

trong nước nhưng tan trong kiềm loãng nóng hoặc lạnh Là polyme mạch nhánh độ

trùng hợp thấp từ 70 đến 200 đơn phân, mạch ngắn khoảng từ 500 đến 3000 đơn vị

đường, chủ yếu dạng vô định hình, có một ít là mạch thẳng, có thể kết tinh, tạo sự

kết dính giữa cellulose và lignin Hemicellulose được chia thành 2 loại [3]:

- Homopolyme: Gồm một đơn vị cơ sở, dễ bị tách trong quá trình đun nóng

- Copolyme: Gồm nhiều loại đơn vị sơ sở như xylan và manose

Thành phần hemicellulose phụ thuộc vào loài, mức độ sinh trưởng, loại cây

và vị trí trong tế bào

2.1.5 Lignin

Hình 2.4 Cấu tạo của lignin [3]

Lignin: trong tự nhiên, lignin là chất có chủ yếu ở lớp giữa trung gian giữa

các vách tế bào, có nhiệm vụ kết dính các vách chứa xơ sợi Thành phần của lignin

gồm 62-65% C, khoảng 5-6% H, nhiều nhóm metoxyl (-OCH3) và hydroxyl (-OH)

tự do Lignin được tổng hợp từ hydroxyl phenyl propan, có cấu trúc phức tạp, liên

kết chủ yếu là liên kết C-C và liên kết ete Ở các loài thực vật, lignin đóng vai trò là

một đơn chất kết dính đặc biệt, liên kết các tế bào lại với nhau, làm tăng độ cứng

Hình 2.3 Cấu tạo của hemicellulose [3]

cho các xơ cellulose, tăng độ bền cơ học cho tế bào, ổn định kích thước tế bào,

chống côn trùng, chống thấm nước và các vi sinh vật bên ngoài như nấm mốc [3]

2.1.6 Các chất độn trong giấy và vỏ trấu

2.1.6.1 Chất độn trong giấy

Tên gọi: Canxi cacbonat, phân tử khối 100,087 g/mol có dạng bột màu trắng,

không tan trong nước và nóng chảy ở 825oC Có hai vai trò chính trong sản xuất

giấy là chất độn và chất phủ trắng bề mặt: Chất độn trong giấy là chất tăng độ bóng,

độ sáng, độ đục, độ nhẵn cao hơn làm tăng khả năng in ấn [3]

Thành phần lý thuyết: Al2O3 39,48%, SiO2 46,6%, H2O 13,92% Khối lượng

riêng 2,57-2,61 g/cm3, độ cứng 1-2,5, đường kính hạt 0,2-12μm Cao lanh giúp cho

giấy có mặt nhẵn hơn, tăng độ kín, giảm độ thấu quang và làm tăng độ ngấm mực in

tới mức tốt nhất [3]

c Các loại oxit khác

Bột titan dioxit (TiO2): Có độ trắng cao nhất và độ đục tốt nhất nhưng giá

thành cao Dùng cho giấy có dùng ít độn mà cần độ trắng, độ đục cao Bột talc (

Silicat magie-3MgO.4SiO2.H2O) là loại chất độn tạo độ mềm mại cho giấy Tuy

nhiên chất này có hại cho sức khỏe con người [3]

2.1.6.2 Thành phần hóa học trong vỏ trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong quá trình xay xát

Trong vỏ trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi sẽ cháy trong quá trình đốt

và khoảng 25% còn lại chuyển thành tro Chất hữu cơ chứa chủ yếu cellulose, lignin

và hemicellulose (90%), ngoài ra có thêm thành phần khác như hợp chất nitơ và vô

cơ Lignin chiếm khoảng 25-30% và cellulose chiếm khoảng 35-40% Các chất hữu

cơ của trấu là các mạch polycarbohydrat rất dài nên hầu hết các loài sinh vật không

thể sử dụng trực tiếp được, nhưng các thành phần này lại rất dễ cháy nên có thể

dùng làm chất đốt Sau khi đốt, tro trấu có chứa trên 80% là silic oxit, đây là thành

phần được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực [8]

2.2 Tổng quan về Cellulose Nanocrystals (CNCs)

2.2.1 Giới thiệu chung

CNCs chính là đại phân tử cellulose sau khi đã được cắt nhỏ bởi quá trình

thủy phân và tái cấu trúc ở kích thước nano Là một nguyên liệu rất phổ biến và có

hầu như ở tất cả trong thành tế bào những loài thực vật trên trái đất Nó có thể ở

thân, rễ hoặc lá cây, có tính chất đặc biệc là khi gặp nước nó sẽ trương lên trở thành

bộ khung xương vững chắc cho thực vật đứng vững được Khi ta tiến hành tổng hợp

chuỗi này ở kích thước nano sau đó tái cấu trúc nó thành một chuỗi polyme trở lại

hoặc đan chuỗi ấy tạo thành mạng tinh thể, sẽ có được cellulose nanocrystals - là

một loại vật liệu siêu nhẹ, siêu bền và dẫn điện Chính vì những tính chất tốt trên

nên nó trở thành một vật liệu có tiềm năng phát triển cao, có thể được nghiên cứu

phát triển trong những ngành công nghệ cao sau này [9]

Hiện nay, ta tiến hành tổng hợp bằng cách loại bỏ các phân đoạn vô định

hình để thu được tinh thể cellulose kích thước nano bằng các phương pháp thủy

phân kiềm và acid Vì vậy, các tinh thể nanocellulose được ổn định trong dung dịch

huyền phù có điện tích âm trên bề mặt CNCs thu được sẽ cung cấp cho chúng ta

một lại vật liệu chi phí thấp, bền vững và thân thiện với môi trường nhờ có khả

năng phân hủy sinh học tốt có thể được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp và

công nghệ cao [9]

2.2.2 Nguồn nguyên liệu sản xuất CNCs

Là hợp chất tự nhiên có mặt trên khắp Trái Đất chính vì thế các nguồn cung

cấp cellulose rất đa dạng và khác nhau Dạng đầu tiên là ở dưới dạng sợi tự nhiên,

người ta có thể thu được CNCs ở các loài thực vật dạng sợi như cây bông đay, tre

nứa, rơm rạ, vỏ trấu, vỏ bắp ngô Dạng thứ hai là ở các loại tảo, giấy, vi sinh vật

dưới dạng các vi tinh thể cellulose Một số CNCs có cấu trúc biến đổi, tính chất và

ứng dụng có thể thu được bằng cách dựa vào nguồn gốc và quy trình thực hiện tổng

hợp [10]

Trong luận văn này em quyết định chọn ra hai nguồn nguyên liệu chính để

sản xuất cellulose nanocrystals là giấy vụn và vỏ trấu Nhận thấy độ phổ biến của

hai nguồn nguyên liệu cũng như hai nguồn nguyên liệu tự nhiên là vỏ trấu và nhân

tạo là giấy, từ đó có thể so sánh chất lượng của sản phẩm do hai nguồn tạo ra

Sợi tự

nhiên

Cellulose nanocrystals

Vi sinh vật

Hình 2.5 Cellulose từ các sản phẩm nông nghiệp và vi sinh vật [10]

2.2.3 Phương pháp sản xuất CNCs

2.2.3.1 Phương pháp xử lý sợi siêu âm Hielscher Ultrasonics

Siêu âm Hielscher Ultrasonics là một phương pháp tạo sóng âm bởi sóng

siêu âm tần số thấp, cường độ cao, phá vỡ cấu trúc tế bào của vật liệu sinh học như

sợi không phải gỗ, sợi thực vật như: Lanh, cây gai dầu, cây tầm ma, rơm lúa mì,

rơm rạ, đay, cũng như sợi có nguồn gốc từ lá (ví dụ: Sisal, cây gai dầu manilla) và

chất xơ có nguồn gốc từ trái cây như xơ dừa từ gáo dừa Tuy nhiên quá trình xử lý

này lại tốn kém, việc tạo sóng siêu âm với biên độ cao sẽ gây hại cho sức khỏe con

người nên chỉ áp dụng trong các chuỗi sản xuất dây chuyền công nghệ cao [11]

Quá trình tách sóng siêu âm biến đổi các sợi vi mô (khoảng 3-5µm) thành sợi

nano (≥100nm) Hơn nữa, quá trình xử lý siêu âm gây ra sự phân hủy xyloglucan và

xylan tinh khiết trong dung dịch, chứng tỏ khả năng siêu âm để phân hủy

hemicellulose và lignin Mặc dù hệ siêu âm chủ yếu được sử dụng trong dung dịch

nước, nhưng có thể tùy thuộc vào nguyên liệu thô có thể kết hợp quá trình siêu âm

với xử lý kiềm Các dung dịch NaOH, H2O2 có thể được dùng để kiềm hóa để thu

được sợi nano cellulose trong thời gian xử lý ngắn Bằng cách xử lý siêu âm, ta dễ

dàng tạo ra các vi sợi cellulose Các sợi được tạo ra bằng sóng siêu âm cho thấy một

hình thái cụ thể trong đó các sợi nano (≥ 100nm) được phân bố trên toàn bộ bề mặt

của sợi vi mô (3-5µm) [11]

2.2.3.2 Phương pháp thủy phân acid

Thủy phân bằng axit là một quá trình đơn giản để chiết xuất hoặc cô lập các

vùng cellulose kết tinh ở dạng tinh thể nano Các axit mạnh như axit sunfuric, nitric

hoặc axit chlorhydric đã được chứng minh là có thể phân tách thành công sợi

cellulose Tuy nhiên, axit sunfuric đã được nghiên cứu rộng rãi và có vẻ là hiệu quả

nhất Ngoài ra, chi phí thấp trong quá trình tạo thành cũng khiến phương pháp này

Hình 2.6 Máy siêu âm UIP4000hdT (4kW) sử dụng xử lý sợi trong

công nghiệp [11]

ưu việt hơn Sợi cellulose trong thực vật thường bao gồm các chuỗi vô định hình và

các miền tinh thể [12]

Đối với nguồn nguyên liệu giấy ta cần phải tẩy trắng để loại bỏ những chất

độn và mực in Ta tiến hành thủy phân bằng kiềm loãng trước, để được kích thước

micro, sau đó ta tiếp tục thủy phân bằng acid Trong quá trình thủy phân acid, các

vùng vô định hình trong cellulose sợi được phân rã và các miền tinh thể riêng biệt

được phân lập giúp ta thu được CNCs Đối với nguồn nguyên liệu vỏ trấu ta cần

bước lọc tẩy bằng NaClOđể sản phẩm thu được tinh khiết hơn [12]

CNCs có nguồn gốc từ thực vật có kích thước 5-70nm và chiều dài từ

100-400nm Độ ổn định keo của CNCs phụ thuộc vào loại acid được sử dụng vì nó có

thể xác nhận được nhóm chức năng cụ thể của mình CNCs được sản xuất thông

qua thủy phân acid sunfuric có tính ổn định keo rất tốt vì lực đẩy tĩnh điện mặc khác

gây ra bởi nhóm este sunfat tích điện âm trên bề mặt của nó [12]

2.2.4 Các tính chất của CNCs

2.2.4.1 Tính chất cơ lý

Những hạn chế trong việc đo tính chất cơ học của vật liệu nano dọc theo

nhiều dọc mạch phân tử đã khiến cho việc đánh giá định lượng mô đun kéo và độ

bền của CNCs vô cùng khó khăn Ngoài ra, các yếu tố khác nhau như dị hướng,

khiếm khuyết trong tinh thể nano, tỷ lệ kết tinh, kích thước của các mẫu, cũng có

thể ảnh hưởng đến kết quả Các tính toán lý thuyết và các phép đo thử nghiệm gián

tiếp sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), phân tích nhiễu xạ tia X, tán xạ tia

X không đàn hồi, tán xạ Raman, được sử dụng để tính các tính chất đàn hồi của

CNCs Độ bền kéo lý thuyết của CNCs được tìm thấy nằm trong khoảng 7,5-7,7

GPa Trong một nghiên cứu khác, mô đun đàn hồi của CNCs thu được từ tunicates

(động vật biển có vỏ) được xác định bằng AFM, theo đó, đầu AFM được sử dụng

để thực hiện thử nghiệm uốn ba điểm Các mô đun đàn hồi của CNCs được tìm thấy

là ≈ 150GPa Sử dụng AFM, mô đun đàn hồi ngang của CNCs cũng được xác định

trong phạm vi 18 - 50GPa Phân tích cơ học bằng phương pháp quang phổ Raman

đã chứng minh rằng mô đun tính toán của CNCs điều chỉnh là ≈ 143GPa [13]

2.2.4.2 Tính chất nhiệt

Các tính chất nhiệt của CNCs được mô tả ngắn gọn ở đây về sự suy giảm

nhiệt hóa học và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) Sự suy giảm nhiệt hóa học của CNCs

đã được đo bằng cách sử dụng phương pháp đo nhiệt độ (TGA), đo lường sự mất

trọng lượng như là một hàm của nhiệt độ trong một tốc độ gia nhiệt nhất định

Thông thường, phân hủy bởi nhiệt của CNCs xảy ra trong khoảng 200 đến 300°C,

tùy thuộc vào tốc độ gia nhiệt, loại hạt và loại gia cường bề mặt Các phép đo TGA

của MCC (microcrystals cellulose) và CNCs khô (được sản xuất thông qua quá

trình thủy phân axit sunfuric của cùng một MCC) và huyền phù CNCs biến đổi hóa

học Sự khởi đầu của suy thoái hóa học nhiệt là 300°C đối với MCC và 260°C đối

với CNCs CTE của cellulose tinh thể theo hướng dọc trục được ước tính là ≈ 0,1

ppm K-1, cao hơn so với hầu hết các kim loại và gốm, nhưng có thể so sánh với các

sợi dị hướng cao mô đun khác, chẳng hạn như sợi carbon [14]

2.2.4.3 Bản chất tinh thể lỏng của CNCs

Trong điều kiện thích hợp và ở nồng độ tới hạn các hạt hình que hoặc dạng

tấm không đối xứng hình thành các cấu trúc có trật tự, dẫn đến sự hình thành một

pha natic Các CNCs giống như dạng que, khi phân tán trong nước đã tự sắp xếp với

nhau tạo thành các pha nactic chetic với đặc tính tinh thể lỏng Các yếu tố khác

nhau như kích thước, hình dạng, độ phân tán, điện tích, chất điện phân và các chất

kích thích bên ngoài có thể ảnh hưởng đến tính chất tinh thể lỏng, độ dài, kích thước

miền, thứ tự và các đặc tính khác Tuy nhiên, các tinh thể cellulose được biết là có

vòng xoắn ốc theo trục dài tương tự như ốc vít, có thể dẫn đến một pha chetic nactic

hoặc một pha cholesterie của các mặt phẳng xếp chồng lên nhau dọc theo trục

vuông góc tùy thuộc vào nồng độ Độ tinh thể lỏng của tinh thể nano kết hợp với

tính chất lưỡng chiếc dẫn đến hiện tượng quang học thú vị Loại acid được sử dụng

để thủy phân cũng có thể ảnh hưởng đến bản chất tinh thể lỏng CNCs thu được từ

quá trình thủy phân bằng acid sunfuric thường có bề mặt mang điện tích âm, thúc

đẩy sự phân tán đồng đều trong nước do lực đẩy tĩnh điện Mặc dù các tương tác

giữa các tinh thể nano rất mạnh, nhưng quá trình khử lưu huỳnh cao rất dễ bi phân

tán và điều này dẫn đến sự phát triển của trạng thái lyot Các dạng CNCs có nguồn

gốc acid sunfuaric và acid photphoric thường tạo ra cấu trúc choper (hình nón),

trong khi các CNCs có nguồn gốc acid chlorhydric với quá trình sunfon hóa phản

ứng tạo ra pha thủy tinh lưỡng chiếc [14,15]

2.2.4.4 Tính chất quang học

CNCs khác với các vật liệu cellulose khác ở 3 điều sau: (1) chúng có kích

thước nano, (2) cấu trúc riêng lẻ là bất đẳng hướng và thể hiện tính lưỡng chiết, và

(3) tùy thuộc vào quy mô kích thước, nồng độ và tỷ lệ khung hình, chúng là tinh thể

lỏng Các huyền phù LC (tinh thể lỏng) của CNCs kết hợp với tính chất khúc xạ kép

của các hạt dẫn đến hiện tượng quang học thú vị Khi đạt được nồng độ tạo thành

LC lyotropic, các hạt sẽ thẳng hàng tạo ra một khúc xạ kép nhỏ Dung dịch như vậy

có thể được sấy khô để bảo toàn cấu trúc miền và giữa các phân cực chéo cho thấy

các miền màu và màng Hiện tượng quang học cũng xuất hiện trước khi tạo thành

LC, khi các hạt nano có thể hình thành cụm tactoid trong dung dịch loãng cũng cho

thấy khúc xạ kép Rất khó tương xứng và bảo tồn chiral nematic cấu trúc trong

màng phủ chất lỏng tinh thể Tuy nhiên, một cách phù hợp ổn định CNCs có thể giữ

cấu trúc này là sấy khô nhưng nó dẫn đến những nhược điểm không đáng có [16]

2.2.4.5 Tính chất lưu biến

Khi nghiên cứu các tính chất lưu biến của CNCs, các nhà nghiên cứu thường

nghiên cứu tính chất tạo gel thông qua các phép đo độ nhớt hoặc tìm hiểu về độ kết

tinh lỏng và tính chất trật tự của nanocellulose thông qua đặc tính lưu biến Các

thông số lưu biến của CNCs bị ảnh hưởng những tính chất như độ kết tinh lỏng, thứ

tự sắp xếp và tính chất keo hóa Pha loãng dung dịch huyền phù CNCs cho thấy

trạng thái đứt gãy của chúng và thể hiện sự phụ thuộc vào nồng độ ở mức thấp Ở

nồng độ cao hơn, các huyền phù là lyotropic, chúng biểu thị trạng thái dị thường Lý

do chính cho trạng thái này là các vi tinh thể nano hình que có xu hướng sắp xếp

theo tốc độ cắt tới hạn Khi tốc độ cắt đạt đến điểm tới hạn, tính không đối xứng của

huyền phù CNC bị phá vỡ thành cấu trúc đơn giản [13]

Hằng số thời gian phục hồi phụ thuộc vào tỉ lệ hình dạng và các CNCs có tỷ

lệ hình dạng cao hơn được giữ trong thời gian dài hơn ngay cả sau khi cắt Loại acid

dùng thủy phân cũng có thể ảnh hưởng đến tính chất lưu biến của huyền phù CNCs

Các tinh thể được xử lý bằng acid sunfuric cho thấy sự đứt gãy không phụ thuộc

vào thời gian, trong khi các tinh thể từ nguồn gốc HCl cho thấy trạng thái đứt gãy

cao hơn nhiều, trạng thái sol-gel thuận nghịch ở tốc độ cao hơn Tất cả những tính

chất trên cho thấy rằng CNCs có đầy đủ tính chất của một vật liệu nano có tiềm

năng [13]

2.2.5 Ứng dụng của CNCs trong các lĩnh vực

Với kích thước nano cùng với những tính chất của vật liệu như diện tích bề

mặt lớn, độ bền cơ học rất cao, mật độ thấp, khả năng có thể tái tạo lại cùng với khả

năng phân hủy sinh học cao; dường như nó rất phù hợp cho việc ứng dụng trong

màng composite Nhờ những đặc tính này CNCs còn được ứng dụng trong rất nhiều

lĩnh vực khác nhau, từ sản phẩm nông nghiệp đến ứng dụng trong sản xuất bao bì

thực phẩm, từ những sản phẩm trong sản xuất linh kiện điện tử đến ứng dụng trong

kỹ thuật y sinh cũng như kỹ thuật mô là rất phổ biến [17]

2.2.5.1 Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm

Bao bì tiêu dùng toàn cầu là một trong những thị trường phát triển nhanh

nhất trên toàn thế giới Do đó, có nhu cầu lớn đối với các vật liệu, sản phẩm và quy

trình mới với tính bền vững, hiệu quả tốt hơn cho các ứng dụng đóng gói thực

phẩm Với những lo ngại về môi trường gia tăng đối với các thách thức về tính bền

vững và xử lý khi được thải ra môi trường, các vật liệu có nguồn gốc từ các nguồn

tài nguyên tái là sự thay thế đầy tiềm năng phát triển Có thể thấy, cellulose chiếm

khoảng 40% sinh khối lignocellulose và là vật liệu hữu cơ có thể tái tạo dồi dào

nhất trong sinh quyển Sản lượng hàng năm của nó được ước tính là 75 tỷ tấn Tuy

nhiên, chỉ một phần nhỏ cellulose được sử dụng để dùng trong công nghiệp và tiêu

dùng của con người Ngành công nghiệp bao bì hiện đang sử dụng vật liệu dựa trên

các loại nhựa tổng hợp có nguồn gốc từ thủy tinh, nhôm, thiếc và hóa thạch, làm

nảy sinh mối lo ngại từ cả hai khía cạnh kinh tế và môi trường Những vật liệu này

thể hiện những tính chất rất tốt về cơ lý; tuy nhiên, chúng cũng có một số nhược

điểm bao gồm tính không bền vững, dễ vỡ (ví dụ: trong trường hợp thủy tinh) và

đôi khi trọng lượng cao, làm tăng chi phí năng lượng cho việc vận chuyển [17]

Việc tiếp tục sử dụng các sản phẩm từ dầu mỏ cuối cùng sẽ dẫn đến hao hụt

tài nguyên và do đó làm tăng giá của nguyên liệu thô Ngoài ra, do không có khả

năng phân hủy sinh học, các sản phẩm từ dầu mỏ có thể tạo ra các vấn đề xử lý chất

Giấy Sơn

Pin mặt trời Đi-ốt phát quang

Dệt may

Cảm biến

Chăm sóc sức khỏe

thải đáng kể ở một số khu vực Một lượng lớn vật liệu dựa trên cellulose đã được

ngành công nghiệp bao bì sử dụng cho các mục đích khác nhau, chẳng hạn như vật

liệu bao bì và hộp đựng, gói chính và phụ và bao bì cứng flexibleand Trên thực tế,

có vô số lợi ích khi cellulose được sử dụng cho giấy bao bì, bao gồm trọng lượng

nhẹ, chi phí thấp và quan trọng nhất là tính bền vững Thật không may, có một số

nhược điểm cố hữu trong việc sử dụng giấy thường được điều chế từ sợi

lignocellulose, như khả năng chống thấm thấp đối với nước, hơi nước, oxi hoặc dầu

và những thiếu sót này cần được giải quyết để tạo ra các gói chất lượng cao đáp ứng

thông số kỹ thuật khác nhau [18, 19]

Vật liệu nano cellulose có diện tích bề mặt riêng lớn và cũng có khả năng

hình thành liên kết hydro Khả năng liên kết hydro này cho phép vật liệu tạo ra một

mạng lưới mạnh mẽ, dày đặc, khiến chúng rất khó cho các phân tử khác nhau đi

qua Đặc tính này là tuyệt vời cho các ứng dụng màng bao bọc, đó là vấn đề mà

ngành công nghiệp đóng gói đang tìm kiếm nghiên cứu Nanocellulose đã được phát

triển cho một số ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp và các vật liệu cải tiến có thể

tăng cường các tính chất của vật liệu thông thường Trên thực tế, cellulose ở kích

thước nano có thể được sử dụng làm chất độn, trong sản xuất vật liệu tổng hợp, làm

lớp phủ và làm màng mỏng tự đứng, đạt được các đặc tính rất thú vị và đầy hứa

hẹn Các tính chất này của cellulose, cùng với các khía cạnh cơ bản như bản chất tái

tạo của nó, các nguồn gốc nông nghiệp phi thực phẩm, khả năng phân hủy sinh học

hoặc tương thích sinh học, chi phí thấp và tiêu thụ năng lượng thấp đã thu hút sự

chú ý lớn cũng được thúc đẩy bởi sự quan tâm chung đối với một nền kinh tế bền

vững có thể thay thế sự phụ thuộc ngày nay vào năng lượng hóa thạch [20, 21]

2.2.5.2 Ứng dụng trong cảm biến sinh học và thiết bị y sinh

Ngày nay việc sử dụng cảm biến sinh học vào đời sống đang được phát triển

mạnh mẽ Sử dụng CNCs trong cảm biến sinh học đã được nghiên cứu mạnh do khả

năng có thể gắn acidnucleic, protein và fluorophores Các nghiên cứu về phức hợp

Hình 2.8 Bao bì tự phân hủy làm từ Cellulose [18]

cảm biến thông qua CNCs, đã được chứng minh và sử dụng như là một vật liệu cảm

biến mới hữu ích trong một số ứng dụng, bao gồm cảm biến về mức độ ô nhiễm môi

trường và phát hiện rò rỉ trong phòng thí nghiệm Dựa trên tính ổn định và hiệu quả

của nó, CNCs là đáng chú ý nhất trong lĩnh vực y sinh CNCs không độc hại đối với

tế bào, nó được ứng dụng làm chất mang trong hệ thống phân phối thuốc có chủ

đích Trong những nghiên cứu gần đây, vật liệu tổng hợp curcumin-cyclodextrin

/CNCs tạo những viên thuốc có tác dụng chống kết tụ tế bào ung thư trong ung thư

đại trực tràng, cũng như những tế bào ung thư tuyến tiền liệt được thí nghiệm sơ bộ

trong ống nghiệm Gần đây, các nhà khoa học còn điều chế hydrogel bằng cách sử

dụng gelatin trong CNCs được chiết xuất từ các sản phẩm nông - ngư nghiệp

Hydrogel CNCs-gelatin được chế tạo nên rất nhạy với sự thay đổi pH và có tính

chất cơ học rất tốt, cho thấy tiềm năng rất lớn của nó trong hệ thống mang thuốc tự

động ứng dụng trong kỹ thuật y sinh [22]

Aerogel dựa trên CNCs cũng được nghiên cứu ngày một nhiều trong các ứng

dụng y sinh và dược phẩm do cấu trúc lỗ xốp của chúng và diện tích bề mặt lớn, có

thể cung cấp khả năng tải thuốc tốt hơn Hydrogel dựa trên CNCs là cấu trúc không

gian ba chiều được cấu tạo từ các polyme ưu nước có thể sử dụng làm chất vận

chuyển thuốc, kính áp tròng và giá đỡ Hydrogel bảo vệ được các tế bào và các loại

thuốc nhạy cảm được kết hợp trong mạng để phân phối thuốc và kiểm soát tại nơi bị

thương và môi trường xung quanh vết thương Hydrogel dựa trên CNCs được điều

chế bằng phương pháp ổn định hóa lý hoặc hóa học của dung dịch nước, kết hợp

được với các polyme tự nhiên hoặc tổng hợp để thu được hydrogel tổng hợp [23]

Một hydrogel nanocomposites polyacrylamide/CNCs có hiệu suất hập phụ

hơn 90% và có thể là chất hấp thụ tuyệt vời khi loại bỏ thuốc nhuộm khỏi dung dịch

nước Hydrogel dựa trên cellulose chiếc xuất từ dứa và mực nâu đỏ rất hiệu quả để

loại bỏ xanh methylen, một trong những chất gây nên ô nhiễm môi trường nghiêm

trọng Chúng cũng có thể sử dụng để hấp thụ kim loại độc hại ứng dụng trong xử lý

nước thải Sự hấp phụ mạnh mẽ của các polyme poly (oligoetylen glycol

methacrylic) biến tính trên bề mặt của CNCs thúc đẩy sự phân tán đồng đều của

CNCs trong hydrogel và tăng cường tính chất cơ học Hydrogel được điều chế bằng

cách sử dụng gelatin tăng cường bằng CNCs chiếc xuất từ vỏ trấu cho thấy được sự

ổn định cơ học cao và độ nhạy pH tuyệt vời [24]

2.2.5.3 Ứng dụng trong xử lý nước thải

Nước ngày càng bị ô nhiễm bởi nhiều chất gây ô nhiễm từ các nhà máy công

nghiệp, thành phố và nông nghiệp, bao gồm các ion kim loại nặng, thuốc nhuộm,

phụ gia thực phẩm, dược phẩm, chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu, hydrocarbon thơm đa

vòng và phân tử sinh học Do đó, việc đảm bảo tiếp cận với nước sạch trở nên khó

khăn hơn và các công nghệ hiệu quả có thể làm sạch nguồn nước bị ô nhiễm thiết

yếu Phương pháp xử lý vật lý, hóa học và sinh học đã được sử dụng để loại bỏ chất

gây ô nhiễm khỏi nước Trong số các phương pháp khác nhau, hấp phụ cung cấp

giải pháp tốt nhất để sản xuất nước được xử lý chất lượng cao, do các ưu điểm như

đơn giản trong thiết kế và vận hành, đầu tư ban đầu thấp, hiệu quả và không nhạy

cảm với các chất khác có trong dòng nước Việc sử dụng vật liệu nano bền vững

như CNCs để hấp phụ các ion kim loại nặng và các chất gây ô nhiễm khác từ nước

đang có được động lực nghiên cứu Màng và bộ lọc có thể được sử dụng để phân

tách các loại chất hóa học khác nhau bằng cách cho phép một số loại đi qua trong

khi ngăn chặn lại những chất độc hại CNCs đã được nghiên cứu tích cực để sử

dụng trong các hệ thống xử lý nước khác nhau, chẳng hạn như hấp phụ, hấp thụ,

keo tụ, lọc màng, phân hủy xúc tác và khử trùng Sự kết hợp của cường độ cao, tính

trơ hóa học, bề mặt hóa học ưa nước, diện tích bề mặt lớn, tính kỵ nước, khả năng

phân hủy sinh học và khả năng chức năng hóa bề mặt làm cho nanocellulose trở

thành vật liệu rất hứa hẹn cho màng lọc và nước lọc hiệu quả cao để loại bỏ các chất

ô nhiễm trong nước và nước uống Độ bền cơ học cao và độ cứng của CNCs rất

quan trọng trong các ứng dụng xử lý nước, áp suất cao Việc sử dụng vật liệu nano

bền vững, chẳng hạn như CNCs, sẽ làm giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào than

hoạt tính, vì một số chất hấp phụ dựa trên CNCs đã chứng tỏ khả năng hấp phụ

tuyệt vời [25, 26]

So với các màng lọc hiện tại, màng lọc nước thế hệ tiếp theo phải có độ bền

và độ chọn lọc cao hơn, trong khi vẫn duy trì tính thấm nước Vật liệu nano

cellulose bản chất sợi vốn có và tính chất cơ học vượt trội, cùng với chi phí thấp,

tính tương thích sinh học và nguồn bền vững, cho thấy tiềm năng to lớn như là một

thành phần của màng lọc nước hiện đại trong tương lai

2.3 Các loại màng nanocomposite dựa trên cơ sở CNCs

2.3.1 Màng CNCs/Ɛ-caprolactone (PCL)

Sử dụng phản ứng isocyanate-hydroxyl để ghép poly (ɛ-caprolactone) (PCL)

lên bề mặt CNCs Trong trường hợp này, điều chế PCL được kết thúc bằng

isocyanate (NCO-PCL) được cho phản ứng với các nhóm -OH có trên bề mặt

CNCs Phản ứng ghép được thực hiện trong dung dịch toluen và được xúc tác bởi

triethylamine (TEA) Đây là cách mà việc sửa đổi bề mặt của CNCs được thực hiện

bằng cách sử dụng PCL thông qua phương pháp “ghép vào” CNCs biến tính PCL

này tiếp tục được sử dụng làm sợi nano để chuẩn bị hỗn hợp PCL-CNCs thông qua

quá trình trộn dung dịch Với sự hiện diện của CNCs đã được biến tính,

nanocomposite thể hiện mô đun và độ dẻo cao hơn so với nanocomposite dựa trên

CNCs không được sửa đổi [27]

PCL với độ bền kéo vật lý cao 3000-5000dsi sau khi đã được gia cường bởi

CNCs làm tăng đáng kể cơ tính dùng nhiều trong y tế như: Thay thế xương trong y

học, phân phối thuốc trong y sinh, còn có thể làm chỉ tự tiêu trong khâu vá vết

thương nhờ những đặc tính tương thích và phân hủy sinh học của CNCs, [27]

2.3.2 Màng CNCs/ Polyurethane (PU)

Điều chế polyurethane (PU)/CNCs nanocomposite trong đó CNCs được

phản ứng bởi Isophorone Di-isocyante (IPDI) monome có hai nhóm -NCO (chính

và phụ) với khả năng phản ứng khác nhau với các nhóm -OH bề mặt của CNC trong

sự hiện diện của chất xúc tác Dibutyltin Dilaurate (DBTDL) Trong trường hợp này,

nhóm -NCO thứ cấp phản ứng với nhóm -OH sơ cấp của CNC, làm cho đây là một

ví dụ về sửa đổi chọn lọc vị trí của CNC Việc sửa đổi bề mặt thành công của CNCs

đã được xác nhận bằng quang phổ ATR-FTIR, trong đó cường độ đỉnh -OH giảm

đáng kể cùng với sự xuất hiện của đỉnh đối với -NCO ở 2240 cm −1 Các đơn vị

-NCO sơ cấp không phản ứng có mặt trên CNCs đã sửa đổi đã tham gia vào quá

trình trùng hợp với sự có mặt của các triol dựa trên polyete để tạo ra PU Hỗn hợp

PU-CNCs thu được cho thấy độ bền kéo tăng khoảng 163% so với PU nguyên sinh

Chính vì tính chất cơ lý tăng lên nên khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của

PU-CNCs cũng tăng, được sử dụng trong các ngành công nghiệp như: Làm miếng

lót ống tự làm trong ngành công nghiệp dầu khí, làm kính cách âm, làm miếng bọc

các trục trong ngành in, dệt nhuộm, sản xuất giấy, [28]

2.3.3 Màng CNCs/Poly vinyl alcohol (PVA) xử lý nước bằng phương pháp hấp

phụ

Có thể thấy rằng nước rất cần thiết cho các hoạt động hằng ngày của chúng

ta, tuy nhiên, chất lượng của các nguồn nước mà chúng ta đang sử dụng đang ngày

càng cạn kiệt do sự tăng trưởng nhanh chóng về dân số, nền công nghiệp và nông

nghiệp, thay đổi địa chất và môi trường do đó việc loại bỏ các chất hữu cơ, vô cơ

độc hại trong nước là một điều hết sức cần thiết Hiện nay có rất nhiều hệ thống lọc

nước từ lọc màng, keo tụ hấp thụ đến phân hủy và khử trùng Tuy nhiên những

phương pháp này thường dùng nhiên liệu hóa thạch từ dầu mỏ và than hoạt tính gây

hiện tượng hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường, Bên cạnh đó giá trị để sản

xuất các hệ thống xử lý nước theo nguồn nguyên liệu trên ngày một tăng khó đáp

ứng được nhu cầu mỗi người Vì một tương lai bền vững, việc quan trọng nhất là sử

dụng các giải pháp xanh thân thiện với môi trường, có chi phí thấp cùng các ứng

suất vượt trội và lượng khí thải carbon thấp hơn Tiềm năng của nguồn sinh học dồi

dào có sẵn trên hành tinh là cellulose đã được khám phá rộng rãi [27]

Khi cho PVA và MA phản ứng với nhau có xúc tác là H2SO4 98% trong cơ

chế liên kết ngang sẽ có hai loại phản ứng liên kết ngang trong màng tổng hợp Đầu

tiên, liên kết chéo giữa hai chuỗi phân tử PVA khác nhau có thể được hình thành

bằng liên kết cộng hóa trị từ các nhóm hydroxyl của nhóm PVA và các nhóm

carboxyl của MA Tiếp đến khi CNCs trộn vào dung dịch PVA, nhóm este formale (

CNCs) có thể phản ứng với các nhóm hydroxyl (của PVA) để tạo thành một cấu

trúc mạng liên kết ngang khác Mạng liên kết ngang này sẽ đóng vai trò quan trọng

trong việc hình thành cấu trúc màng tổng hợp khi lượng CNCs tăng lên, các giá trị

mật độ liên kết ngang tăng lên dần trong màng composite CNCs/PVA Do đó sẽ cải

thiện tốt nhất những tính chất cơ học và nhiệt có thể đạt được đối với màng

composite CNCs/PVA [5]

Trong đề tài này các nhóm carboxyl hóa đã được điều chế bằng cách ghép

maleic anhydride (MA) và PVA trên các nhóm hydroxyl của CNCs nguyên sơ Việc

tạo màng CNCs/PVA làm tăng sự hấp phụ đáng kể so với CNCs nguyên sơ do các

nhóm carboxyl bổ sung được trong quá trình điều chế bởi maleic anhydride có thể

liên kết thuốc nhuộm cation thông qua các tương tác tĩnh điện Hiệu suất hấp phụ

của CNCs đối với các ion kim loại Cd(II), Pb(II), Ni(II), Fe(III) và Cr(III) được

tăng cường bằng cách đồng trùng hợp các CNCs với maleic anhydride và PVA để

tạo nhiều nhóm carboxylate âm tính trên bề mặt CNCs So với các CNCs nguyên

sơ, nhóm carboxylate trên các CNCs được biến đổi này hoạt động như các vị trí bổ

sung cho liên kết ion kim loại nặng giúp tăng cường khả năng hấp phụ của chúng

[28]

Ion Ag+ được hấp phụ bởi nhóm –OH nằm trên bề mặt CNCs

Hình 2.9 Quá trình hấp phụ ion Ag+của CNCs [28]

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM 3.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị

3.1.1 Nguyên liệu, hóa chất

Bảng 3.1 Thống kê một số loại nguyên liệu và hóa chất sử dụng

1 Giấy vụn Khối lượng sử dụng 2

kg

Được thu từ nguồn giấy học sinh Thương hiệu ABC thuộc Doanh nghiệp

Tư nhân Hòa Bình, địa chỉ 688/3 Hương Lộ 2-Khu phố 4-Phường Bình Trị Đông A- Quận Tân Bình-

Thành phố Hồ Chí Minh

2 Vỏ trấu Khối lượng sử dụng 2

kg

Vỏ trấu: Được thu từ nguồn vỏ trấu lấy từ việc xay xát gạo của gạo Hạt Ngọc Trời thuộc Công ty

Cổ phần Lương thực Phương Nam, địa chỉ 75A2 Nhất Chi Mai-Phường 13-Quận Tân Bình, Thành phố

Hồ Chí Minh

3 Sodium hydroxit

(NaOH)

Chất rắn màu trắng, hạt nhỏ, khối lượng riêng d=2,13 g/cm3, độ tinh khiết 96%, lọ 500g Thường dùng làm chất tẩy, dung dịch kiềm chuẩn độ

Trung Quốc

500 ml

5 Natricloric (NaClO)

Dung dịch nước javen không màu mùi hắc, nồng độ NaClO 7-10%, lọ dung dịch 1lit

Là chất oxi hóa mạnh, làm chất tẩy trắng công nghiệp, tẩy

có chất đóng rắn mới tăng tính chất cơ tính được Thường thì PVA được ứng dụng làm nhiều loại màng trong các ngành khác nhau:

9

Maleic anhydride

(MA)

Dạng tinh thể màu trắng, độ tinh khiết 99,5%, lọ 500g Có mùi hắc, độc, sử dụng đồ bảo hộ khi tiếp xúc

Thường dùng làm chất đóng rắn trong các loại polyme Ngoài ra còn ứng dụng làm chất phụ gia cho các loại sơn, thuốc trừ sâu nông

nghiệp, [6]

Trung Quốc

10 Nước cất Nước cất đã qua chưng

cất một lần, can 30 lít

Hóa chất Hóa Nam 239/4

Lý Thường Kiệt, Quận Tân Bình, TP Hồ Chí Minh

3.1.2 Dụng cụ và thiết bị sử dụng

Bảng 3.2 Thống kê thiết bị và dụng cụ sử dụng

1 Máy khuấy cơ

IKA-RW20 digital 2 Việt Nam

2 Máy đánh siêu âm 1 Đài Loan

3 Máy quay ly tâm 8 ống

PLC-03-GEMMY 1 Đài Loan