NOI DUNG LUAN VAN đại học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐÀO HỒNG THẮM

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH CELLULOSE
TÁCH TỪ DĂM TRE LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ
ION Mn2+, Zn2+ TRONG NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐÀO HỒNG THẮM

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH CELLULOSE
TÁCH TỪ DĂM TRE LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ
ION Mn2+, Zn2+ TRONG NƯỚC

Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
Mã số: 60440114

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ TỰ HẢI

Đà Nẵng – Năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Đào Hồng Thắm


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài...................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu..............................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.........................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn...............................................................2
6. Cấu trúc luận văn..................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN...........................................................................4
1.1. TRE............................................................................................................4
1.1.1. Phân loại khoa học..........................................................................4
1.1.2. Đặc điểm sinh thái...........................................................................4
1.1.3. Thu hoạch và lọc nhựa....................................................................5
1.1.4. Thành phần hóa học........................................................................6
1.2. CELLULOSE.............................................................................................8
1.2.1 Cấu trúc phân tư...............................................................................8
1.2.2. Tính chất vật lý..............................................................................11

1.2.3. Tính chất hóa học..........................................................................11
1.2.4. Trạng thái tự nhiên........................................................................12
1.2.5. Ứng dụng.......................................................................................12
1.3. PHƯƠNG PHÁP TÁCH CELLULOSE..................................................12
1.3.1. Phương pháp tách cellulose...........................................................12
1.3.2. Phản ứng của hydratcacbon và lignin trong môi trường kiềm......14
1.3.3. Phản ứng hóa học trong quá trình nấu bột sunfat..........................18
1.4. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG ĐIỂN HÌNH.....20
1.4.1. Khái quát chung............................................................................20


1.4.2. Các ion kim loại nặng và vấn đề ô nhiễm nguồn nước.................24
1.5. HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC..............................25
1.5.1. Các khái niệm................................................................................25
1.5.2. Các mô hình cơ bản của quá trình hấp phụ...................................28
1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ................................31
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.....34
2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ.............................................34
2.1.1. Nguyên liệu...................................................................................34
2.1.2. Hóa chất, dụng cụ..........................................................................34
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................34
2.2.1. Tách cellulose từ dăm tre..............................................................34
2.2.2. Tẩy trắng bột cellulose thô............................................................36
2.2.3. Biến tính cellulose bằng axit citric................................................39
2.2.4. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính............40
2.2.5. Phân tích sản phẩm cellulose biến tính từ cellulose tách từ dăm
tre .................................................................................................................42
2.2.6. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ ion
kim loại nặng (Mn2+, Zn2+) của cellulose biến tính.........................................42
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................44

3.1. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÁCH CELLULOSE TỪ DĂM TRE.....44
3.2. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH
BIẾN TÍNH CELLULOSE.............................................................................51
3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit.........................................................51
3.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng.......................................................52
3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian biến tính................................................53
3.3. PHÂN TÍCH SẢN PHẨM CELLULOSE BIẾN TÍNH..........................55
3.3.1. Phổ hồng ngoại..............................................................................55


3.3.2. Ảnh kính hiển vi điện tư quét (SEM)............................................58
3.4. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG HẤP
PHỤ Mn2+, Zn2+ CỦA CELLULOSE BIẾN TÍNH.........................................59
3.4.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ....................................59
3.4.2. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ....................................................60
3.4.3. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng đến khả năng hấp phụ..................62
3.4.4. Đường đẳng nhiệt hấp phụ ion theo Freundlich............................63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu

Tên bảng

bảng
1.1.

Tiêu chuẩn của Bộ y tế về giới hạn hàm lượng kim loại

3.1.

nặng trong nước thải công nghiệp
Kế hoạch tiến hành thí nghiệm và kết quả xác định thể

Trang

21

tích dung dịch KMnO4 0,1N phản ứng với 0,1 gam dăm
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.

tre sau khi nấu.
Kết quả thí nghiệm ở tâm
Tính mức chuyển động của các mức yếu tố
Kết quả thí nghiệm theo hướng leo dốc đứng
Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến quá trình biến

45
47
50
50
51

3.6.

tính cellulose
Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn: lỏng đến quá trình biến tính

52

3.7.

cellulose
Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính

3.8.
3.9.
3.10.

cellulose
Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ
Thời gian đạt cân bằng hấp phụ
Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng đến khả năng hấp phụ

53
59
61
62

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1.1.

Tên hình
Thân tre

Trang
4


1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.

Cấu trúc phân tư cellulose
Cấu trúc phân tư cellulose trong không gian 3 chiều
Vi sợi cellulose
Phản ứng màu của hydro – cellulose với iod
Phản ứng oxi hóa của hydratcacbon trong môi trường

9
10
10
11

1.7.
1.8.

kiềm
Phản ứng thủy phân cấu trúc cacbonyl-β-glucoxy
Phản ứng chuyển vị và tách loại hydratcacbon trong môi

14
15

1.9.
1.10.

trường kiềm
Phản ứng peeling
Minh họa phản ứng thủy phân lignin trong môi trường

15
16
17

1.11.

kiềm
Minh họa phản ứng ngưng tụ của lignin trong môi trường

17

1.12.

kiềm
Phản ứng của cấu trúc lignin β-O-4 trong quá trình nấu

19

1.13.

bột
Phản ứng của cấu trúc phenylcumaran trong quá trình
nấu bột sunfat

20

x
Đồ thị sự phụ thuộc của lgCf vào lg m

30

1.14.
3.1.

Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến quá trình biến tính
51

3.2.

cellulose
Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn: lỏng đến quá trình biến tính

53

3.3.

cellulose
Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính

3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.
3.12.

cellulose
Cellulose biến tính
Phổ IR của cellulose dăm tre chưa biến tính
Phổ IR của cellulose dăm tre biến tính
Ảnh SEM của cellulose chưa biến tính
Ảnh SEM của cellulose biến tính
Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ
Thời gian đạt cân bằng hấp phụ
Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng đến khả năng hấp phụ
Dạng tuyến tính của phương trình Freundlich đối với Mn

54
55
56
57
58
58
60
61
62

63


3.13.

(II)
Dạng tuyến tính của phương trình Freundlich đối với Zn
(II)

64


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Tre có mặt ở nhiều nơi trên thế giới và ở khắp các làng quê Việt Nam.
Từ lâu, con người đã biết sư dụng tre để làm nhà, làm đũa, vật dụng nông
nghiệp. Tre non làm thức ăn, tre khô làm củi đun, … Ngày nay, trong công
nghiệp, tre còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất giấy và làm thuốc chữa
các bệnh ngứa, hen suyễn, ho, … trong y học.
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay tạo điều kiện thuận
lợi cho sự phát triển của nền kinh tế xã hội, nhưng nó cũng góp phần tạo ra
lượng chất thải độc hại tác động trực tiếp đến sức khỏe con người và động
thực vật. Các ngành công nghiệp như thuộc da, điện tư, công nghiệp hóa
dầu... đã gây ô nhiễm nguồn nước vì chứa các ion kim loại độc hại như Cu,
Pb, Ni, Cd, As… Xư lý nguồn nước ô nhiễm là vấn đề cấp bách của các quốc
gia trên thế giới. Hiện nay, các nhà khoa học đang có xu hướng tìm đến các
vật liệu xanh, thân thiện với môi trường, có giá thành rẻ. Đã có nhiều vật liệu
được nghiên cứu như xơ dừa, trấu, vỏ các loại đậu, bã mía, … làm vật liệu

hấp phụ, tuy nhiên chúng tôi chưa tìm thấy tài liệu về vật liệu từ tre. Do vậy,
trong đề tài nghiên cứu này chúng tôi chọn vật liệu là dăm tre với nội dung
“Nghiên cứu biến tính cellulose tách từ dăm tre làm vật liệu hấp phụ ion
Mn2+, Zn2+ trong nước”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Biến tính cellulose tách từ dăm tre làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng
trong nước.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng: Dăm tre


2

3.2. Phạm vi nghiên cứu: Quy mô phòng thí nghiệm.
4. Phương pháp nghiên cứu
4.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Phân tích và tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài.
- Nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo có liên quan đến đề tài.
- Trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Tách cellulose từ dăm tre.
- Biến tính cellulose.
- Xác định khả năng biến tính bằng:
+ Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR).
+ Ảnh kính hiển vi điện tư quét (SEM).
- Khả năng hấp phụ ion Mn2+, Zn2+ của vật liệu hấp phụ bằng phương
pháp quang phổ hấp thụ nguyên tư (AAS).
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
- Nghiên cứu biến tính cellulose tách từ dăm tre.

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Mn2+, Zn2+ trong nước.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần cung cấp tư liệu cho những
nghiên cứu về khả năng hấp phụ ion kim loại trong nước, tạo ra hướng phát
triển mới trong việc xư lý ion kim loại bằng vật liệu rẻ tiền, thân thiện với
môi trường.


3

6. Cấu trúc luận văn
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


4

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1. TRE
1.1.1. Phân loại khoa học
Tre (Bamboo) thuộc giới Plantae, bộ Poales, họ Poaceae, phân họ
Bambusoideae, liên tông Bambusodea, tông Bambusea [16].

Hình 1.1. Thân tre
1.1.2. Đặc điểm sinh thái

Tre là nhóm thực vật thân gỗ lâu năm, được coi là lớn nhất trong bộ
Hòa thảo (Poales). Thân tre có các lóng rỗng, các bó mạch nằm rải rác khắp
thân tre thay vì sắp xếp hình trụ như gỗ.


5

Tre là một trong các thực vật phát triển nhanh nhất trên thế giới. Một số
loài có khả năng phát triển 100 cm (39 inch) hoặc nhiều hơn mỗi ngày do hệ
thống rễ độc đáo. Tuy nhiên, tỷ lệ tăng trưởng một phần phụ thuộc vào điều
kiện thổ nhưỡng và khí hậu.
Tre có nhiều ý nghĩa về kinh tế và văn hóa đáng chú ý ở khu vực Nam
Á, Đông Nam Á và Đông Á. Tre đang được sư dụng cho vật liệu xây dựng, là
một nguồn thực phẩm và là nguyên liệu linh hoạt cho nhiều sản phẩm.
1.1.3. Thu hoạch và lọc nhựa
a. Thu hoạch
Tre được sư dụng cho mục đích xây dựng phải được thu hoạch khi các
cây đạt sức mạnh lớn nhất và lượng đường trong nhựa ở mức thấp nhất, vì
lượng đường cao dễ gây sâu bệnh.
Thu hoạch tre thường được thực hiện theo các chu kỳ sau:
- Vòng đời của thân tre: Khi mỗi thân tre đã được 5 – 7 năm tuổi, cây lý
tưởng đạt tới độ trưởng thành trước khi thu hoạch. Chặt hết hoặc làm giảm
bớt số cây, đặc biệt là các cây lâu năm nhằm đảm bảo ánh sáng và nguồn lực
cho sự phát triển mới. Việc duy trì tốt các cụm tre có thể cho năng suất gấp 3 –
4 lần so với một cụm hoang dã.
Tùy theo chu kỳ sống được mô tả ở trên, tre được thu hoạch 2 – 3 năm
hoặc 5 – 7 năm, tùy thuộc vào loài.
- Chu kỳ hàng năm: Tất cả sự tăng trưởng của tre mới xảy ra vào mùa
mưa, gây rối các cụm trong giai đoạn này sẽ có khả năng thiệt hại vụ tới.
Đồng thời lượng nhựa trong tre cũng cao nhất vào mùa mưa và giảm dần vào

6

mùa khô. Do đó, thời gian thu hoạch tốt nhất là vào cuối mùa khô một vài
tháng trước khi bắt đầu ẩm ướt.
- Chu kỳ hàng ngày: Ban ngày là thời gian quang hợp của tre, làm sản
sinh lượng nhựa cao nhất. Những người thu hoạch truyền thống tin rằng thời
gian thu hoạch tốt nhất là lúc bình minh hoặc hoàng hôn.
b. Lọc nhựa
Lọc nhựa là loại bỏ các nhựa sau khi thu hoạch. Ở nhiều vùng trên thế
giới, lượng nhựa trong tre được giảm thông qua lọc sau thu hoạch. Một số
cách thường dùng là:
- Tre cắt được nâng lên khỏi mặt đất và nghiêng so với phần còn lại của
cụm 1 – 2 tuần cho đến khi lá chuyển sang màu vàng để cây tiêu thụ hết
lượng nhựa.
- Một phương pháp tương tự để giảm lượng nhựa là để tre đứng trong
nước, có thể trong một cái trống lớn hoặc trong một dòng suối.
- Tre cắt được ngâm trong một suối đang chảy trong 3 – 4 tuần.
- Bơm nước qua tre tươi, đẩy nhựa cây ra ngoài.
Độ bền của tre liên quan trực tiếp với việc xư lý từ thời điểm trồng, thu
hoạch, chế biến, vận chuyển và lưu trữ.
1.1.4. Thành phần hóa học
Thành phần hóa học của tre tương tự như gỗ [Higuchi, 1957]. Các
thành phần chính của tre là cellulose, hemicellulose và lignin, các thành phần
này chiếm trên 90% khối lượng của tre. Các thành phần phụ là nhựa, tannin,
sáp và muối vô cơ. Tuy nhiên, so với gỗ thì tre có hàm lượng kiềm, tro và
silica cao hơn.

7

Yusoff [1992] nghiên cứu thành phần hóa học của tre một, hai, ba tuổi.
Kết quả chỉ ra rằng các thành phần holocellulose không khác nhau nhiều giữa
các lứa tuổi khác nhau của tre. Hàm lượng alpha-cellulose, lignin, chất trích
ly, pentosan, tro và silica tăng theo tuổi tre.
Holocellulose bao gồm alpha-cellulose và hemicellulose. Alphacellulose là thành phần chính của tre. Khoảng 40 – 50% chất khô trong tre là
alpha-cellulose. Các phân tư cellulose hoàn toàn tuyến tính và có xu hướng
mạnh tạo liên kết hydro nội phân tư và liên phân tư. Bó của các phân tư
cellulose do đó tổng hợp lại với nhau tạo thành các sợi rất nhỏ. Hemicellulose
là các polisaccarit không đồng nhất. Giống cellulose, hầu hết các chức năng
của hemicellulose là hỗ trợ vật liệu trong thành tế bào. Alpha-cellulose là
nguồn gốc chính của các tính chất cơ học của tre và gỗ.
Nói chung, hàm lượng alpha-cellulose trong tre là 40 – 50%, phù hợp
với các báo cáo đã biết về hàm lượng cellulose trong gỗ mềm là 40 – 52% và
gỗ cứng là 38 – 56%. Hàm lượng cellulose trong phạm vi này cho thấy tre là
vật liệu phù hợp với ngành công nghiệp giấy và bột giấy.
Lượng lignin trong tre cũng khoảng từ 20 – 26%, gần giống với phạm
vi báo cáo cho gỗ mềm là 24 – 37% và gỗ cứng là 17 – 30%. Hàm lượng
lignin cao của tre góp phần giúp tre chịu nhiệt tốt và tăng độ cứng của tre làm
cho nó trở thành một vật liệu xây dựng có giá trị.
Tre còn chứa các thành phần hữu cơ khác ngoài cellulose và lignin. Tre
chứa khoảng 2 – 6% tinh bột, 2% saccarit khư, 2 – 4% chất béo và 0,8 – 6%
protein. Các thành phần cacbohydrat của tre đóng vai trò quan trọng trong độ
bền và dịch vụ cuộc sống. Độ bền của tre là chống nấm mốc tấn công và đục
liên quan chặt chẽ với thành phần hóa học của tre. Độ bền của tre thay đổi từ
1 đến 36 tháng tùy thuộc vào loài và điều kiện khí hậu. Sự hiện diện một


8

lượng lớn tinh bột trong tre làm cho tre rất dễ bị tấn công do nấm, bọ cánh
cứng và côn trùng. Đáng chú ý là kể cả tre 12 tuổi cũng có tinh bột trong toàn
thân tre, đặc biệt là trong các tế bào theo chiều dọc của các mô.
Thành phần tro tre được tạo thành từ khoáng chất vô cơ, chủ yếu là
silica, canxi và kali. Mangan và magie là hai khoáng chất phổ biến khác.
Thành phần silica có cao nhất trong lớp biểu bì, rất ít trong các nút và vắng
mặt trong các lóng tre. Hàm lượng tro trong một số loại tre có thể ảnh hưởng
bất lợi đến chế biến.
Số lượng các thành phần hóa học của tre thay đổi theo độ tuổi, chiều
cao, lớp và thành phần hóa học của tre tương quan với tính chất vật lý và các
thuộc tính cơ học của nó [13].
1.2. CELLULOSE
1.2.1 Cấu trúc phân tư
Cellulose là một polisaccarit, có phân tư lượng từ 1.000.000 đến
2.400.000. Có công thức chung là (C6H10O5)n trong đó n có thể nằm trong
khoảng 5000 – 14000. Mỗi phân tư cellulose gồm những đường đa được cấu
tạo từ các liên kết glucose. Các phân tư glucose nối với nhau ở vị trí β-1,4
bằng cầu nối oxi. Mỗi phân tư cellulose có thể cấu tạo từ 200 - 1000 phân tư
glucose.
Cellulose có dạng hình sợi dài, nhiều sợi liên kết song song với nhau
thành chùm nhờ các liên kết hidro giữa các nhóm –OH. Mạch cellulose xếp
đối song song tạo thành các sợi có đường kính 3,5nm. Mỗi phân tư cellulose
chứa khoảng 8000 gốc monosaccarit.


9

Cellulose có tính chất của 1 tinh thể crystal và có tính khúc xạ kép vì do
cấu tạo mà phân tư có tính định hướng không gian 3 chiều sắp xếp song song

với nhau.

Hình 1.2. Cấu trúc phân tử cellulose


10

Hình 1.3. Cấu trúc phân tử cellulose trong không gian 3 chiều
Tóm lại, nhiều phân tư glucose → phân tư cellulose → micel → vi sợi
(fibrille) → sợi cellulose / fibril (macrofibril).

Hình 1.4. Vi sợi cellulose


11

1.2.2. Tính chất vật lý
Cellulose không tan trong nước và các dung môi hữu cơ nhưng tan
trong dung dịch nước svayde (Cu(OH)2 trong NH3), axit vô cơ mạnh như HCl,
HNO3... và một số dung dịch muối như ZnCl 2, PbCl2. Cellulose nguyên chất
khó nhuộm màu, trong phòng thí nghiệm thường nhuộm đỏ cellulose bằng
carmin alune hay đỏ Congo. Cellulose có phản ứng màu đặc sắc: ngâm mẫu
vào dung dịch axit mạnh H3PO4/ H2SO4/ ZnCl2, cellulose bị thủy giải thành
hydro – cellulose, chất này gặp iod sẽ có màu xanh.

Hình 1.5. Phản ứng màu của hydro – cellulose với iod
1.2.3. Tính chất hóa học
Tác dụng với dung dịch axit vô cơ và hữu cơ (phản ứng este hóa). Ví
dụ như đun nóng cellulose trong hỗn hợp axit nitric đặc và axit sunfuric đặc
thu được cellulose nitrat.

[C6H7O2(OH)3]n+ 3nHNO3 [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nH2O
Do cellulose được cấu tạo bởi các mắt xích β-D-Glucose liên kết với
nhau bằng liên kết 1,4–Glucozit, do vậy liên kết này thường không bền. Đun
nóng cellulose trong dung dịch axit vô cơ đặc nó bị thủy phân tạo ra các
glucose.


12

H  ,t o

� nC6H12O6
[C6H10O5]n + nH2O ���

1.2.4. Trạng thái tự nhiên
Cellulose là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật, tạo
nên bộ khung của cây. Cellulose là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong tự nhiên
chiếm khoảng 50% cacbon hữu cơ của khí quyển.
Cellulose chiếm khoảng 50% trong gỗ, các sợi bông vải có thể chứa
cellulose nguyên chất 100%. Trung bình cellulose chiếm từ 40-50% vách tế
bào. Ngoài ra cellulose còn có trong vi khuẩn và vài động vật bậc thấp.
1.2.5 . Ứng dụng
Cellulose có ý nghĩa kinh tế rất lớn vì tất cả hàng dệt có nguồn gốc thực
vật và giấy đều trích từ cellulose có vách tế bào thực vật. Những nguyên liệu
chứa cellulose như bông đay gai gỗ thường được dùng trực tiếp (kéo sợi dệt
vải, xây dựng, làm đồ gỗ) hoặc chế biến thành giấy.
Cellulose là nguyên liệu sản xuất tơ nhân tạo: tơ visco, tơ đồng
amoniac, tơ axetat, thuốc súng không khói và chế tạo phim ảnh. Ngày nay
cellulose dùng chế tạo các sản phẩm hữu cơ có giá trị.
1.3. PHƯƠNG PHÁP TÁCH CELLULOSE

1.3.1. Phương pháp tách cellulose
Gỗ với cấu trúc đanh chắc, cần có những quy trình chế biến thích hợp để
chuyển chúng sang dạng xơ sợi mềm mại. Quy trình xư lý nhằm mục đích làm
mềm hoặc làm hòa tan phần lignin (được xem là chất kết dính các bó sợi tạo
nên cấu trúc chặt chẽ của gỗ), từ đó các bó sợi sẽ được giải phóng. Dưới tác
dụng hóa học hoặc cơ học, các sợi cellulose được tách ra và tạo nên huyền phù


13

đồng nhất trong nước. Từ hai phương pháp hóa học và cơ học, ta có một số loại
bột có đặc tính khác nhau như:
Phương pháp hóa học: Với phương pháp này hiệu suất bột đạt từ 45 –
55%, các thành phần không phải cellulose đã hòa tan phần lớn trong dịch nấu.
Bột giấy chứa chủ yếu là sợi cellulose có độ bền môi trường và cơ lý cao, vì
vậy bột giấy loại này được gọi là bột hóa hay bột cellulose. Tùy theo hóa chất
sư dụng, ta có các loại bột giấy sau:
- Bột sođa, thuộc loại bột kiềm – dịch nấu gỗ là dung dịch NaOH.
- Bột sunfat (hoặc gọi là bột kraft), cũng thuộc loại bột kiềm – tác chất
nấu là NaOH và Na2S.
- Bột sunfit, có thể có bột sunfit axit, bột sunfit trung tính hoặc sunfit
kiềm.
- Bột bán hóa, là loại bột sunfit được nấu ở chế độ khá êm dịu với
NaHSO3, sau đó sẽ hỗ trợ thêm một giai đoạn xư lý cơ học để tách sợi. Với
phương pháp này hiệu suất có thể được tăng đến 80%.
Phương pháp cơ học: cho bột với hiệu suất cao, có thể đạt từ 85 – 95%.
Bột giấy loại này có thành phần tương đương như gỗ (chỉ có một tỉ lệ nhỏ các
chất bị hòa tan trong quá trình nghiền), được gọi tên là bột cơ, bột gỗ hay bột
hiệu suất cao. Với phương pháp này, quá trình phân tách sợi chủ yếu nhờ tác
động cơ học. Theo một số cải tiến phát triển sau này, có thể hỗ trợ thêm tác

động nhiệt – ta có bột nhiệt cơ, hoặc tác động của một lượng nhỏ các chất hóa
học để cho loại bột hóa nhiệt cơ.
Sau đó tùy theo yêu cầu sư dụng, bột hóa hay bột cơ sẽ được qua giai
đoạn tẩy để làm tăng độ trắng cho bột giấy trong điều kiện đảm báo giá thành
và tính chất kỹ thuật của bột giấy.


14

1.3.2. Phản ứng của hydratcacbon và lignin trong môi trường kiềm
Có rất nhiều loại phản ứng có thể xảy ra với thành phần hydratcacbon
và lignin trong gỗ (hoặc tre). Tuy nhiên, phần này chỉ đề cập đến phản ứng
của hydratcabon và lignin trong môi trường kiềm, rất hay gặp trong quá trình
sản xuất hay xư lý bột cellulose.
a. Phản ứng của hydratcacbon trong môi trường kiềm
- Phản ứng oxi hóa – thủy phân hydratcacbon trong môi trường kiềm
Đây là phản ứng rất quan trọng vì luôn gặp trong quá trình nấu hay tẩy
trắng bột giấy.
+ Phản ứng oxi hóa
Nhóm OH ở cacbon C2, C3 hoặc C6 của vòng glucose bị oxi hóa thành
nhóm cacbonyl, tạo nên những cấu trúc cacbonyl–β–glucoxy nhạy với kiềm.

[O]

Hình 1.6. Phản ứng oxi hóa của hydratcacbon trong môi trường kiềm
+ Thủy phân trong môi trường kiềm
Cấu trúc cellulose bị oxi hóa tại C2 hoặc C3 khá nhạy với dung dịch
kiềm. Sự phân hủy đại phân tư cellulose được tiến hành trước tiên qua sự hình
thành một ion, rồi kế đó dịch chuyển điện tư và gây ra phản ứng cắt mạch.

15

Hình 1.7. Phản ứng thủy phân cấu trúc cacbonyl-β-glucoxy
+ Phản ứng tách loại và chuyển vị
Trong môi trường kiềm, các cấu trúc dicacbonyl của cellulose (loại
xeton hoặc andehit) sẽ có thể tiếp tục thay đổi bằng phản ứng chuyển vị
benzylic hoặc bằng phản ứng tách loại β.

Hình 1.8. Phản ứng chuyển vị và tách loại hydratcacbon
trong môi trường kiềm
- Phản ứng peeling
Sự thủy phân của cellulose trong môi trường kiềm xảy ra theo cơ chế
của phản ứng này. Nó được đặc biệt quan tâm vì đặc trưng của phản ứng là sự


16

giảm hiệu suất của quá trình nấu và sự giảm trọng lượng phân tư cellulose.
Nó là một phản ứng rất khó tránh vì xảy ra ngay trong giai đoạn gia nhiệt của
quá trình nấu (>80oC). Phản ứng được đặc trưng sự tách dần nhóm khư ở cuối
mạch cellulose. Những phần hydratcacbon bị tách ra thì chuyển thành các axit
hữu cơ và như vậy sẽ làm giảm nồng độ của các ion OH-.
Ví dụ: Một đơn vị đường có nhóm khư ở C1 (đồng phân pyranose), do
nhóm C=O ở cacbon C1 mà hydro của C2 có tính axit và do vậy H này bị lấy
đi trong môi trường kiềm.
CHO
H

R'

OH

HO

C

H

H

OH

CHO

HO

OR

OH
H

OH

-

OH

OH
H

H

OR

H

OH

OR

R'

OH

H

C

R'

O
OH

HO

H

H

OR

H

OH

R'

R: mạch polysaccarit; R’: CH2OH (với cellulose và glucose), H (với xylan)
Hình 1.9. Phản ứng peeling
b. Phản ứng của lignin trong môi trường kiềm
- Phản ứng thủy phân