Nghiên cứu tổng hợp zeolite với chất định hướng cấu trúc là lignin từ nguồn nguyên liệu chính là tro và trấu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHI MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BK
TP HCM

Vũ Tâm Định

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP ZEOLITE VỚI
CHẤT ĐỊNH HƯỚNG CẤU TRÚC LÀ LIGNIN
TỪ NGUYÊN LIỆU CHÍNH LÀ TRO VÀ TRẤU

CHUYÊN NGÀNH :
MÃ SỐ NGÀNH :

KỸ THUẬT HĨA HỌC
60.52.03.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, Tháng 8 Năm 2015


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Quang Long

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. Nguyễn Đình Thành

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Đoàn Văn Hồng Thiện

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM

ngày 16 tháng 07 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hạnh
2. TS. Đoàn Văn Hồng Thiện
3. PGS. TS. Nguyễn Đình Thành
4. PGS. TS. Trịnh Văn Dũng
5. TS. Ngô Thanh An
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Vũ Tâm Định ................................................. MSHV:13051167 ...........
Ngày, tháng, năm sinh: 30/07/1990 ........................................... Nơi sinh: Tp. HCM .........
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học ............................................ Mã số : 60520301 ..........
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu tổng hợp zeolite với chất định hướng cấu trúc là
lignin từ nguyên liệu chính là tro và trấu.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tổng hợp zeolite ZSM-5 sử dụng chất định hướng cấu trúc là lignin từ nguồn

nguyên liệu chính là tro và trấu.

-

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp.

-

Khảo sát đặc trưng vật liệu và khả năng trao đổi cation của zeolite tổng hợp
được

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/01/2015..................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2015 ..................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Quang Long
Tp. HCM, ngày 03 tháng 07 năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC


Lời Cám Ơn
Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với TS.
Nguyễn Quang Long. Thầy chính là người đã đặt nền tảng và dẫn dắt tơi hồn thành
luận văn của mình. Với những lời chỉ dẫn, những tài liệu, sự tận tình hướng dẫn và
những lời động viên của thầy, cũng như những hỗ trợ thiết thực của thầy trong quá
trình nghiên cứu đã giúp tơi vượt qua nhiều khó khăn trong q trình thực hiện luận
văn này.
Ngồi ra, tơi cũng xin gửi làm cám ơn chân thành đến các giảng viên trong

trường là những người đã cung cấp kiến thức và đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp
tơi hồn thành tốt luận văn này. Đặc biệt là các thầy cô trong bộ mơn hóa lý, đã cho
tơi những lời khun, những ý kiến và đóng góp kinh nghiệm quý báu trong q
trình nghiên cứu.
Bên cạnh đó, tơi cũng xin gửi làm cám ơn đến các bạn bè trong phịng thí
nghiệm xúc tác. Mọi người đã giúp đỡ tơi trong q trình thực nghiệm, tôi sẽ luôn
ghi nhớ sự giúp đỡ của các bạn trong lúc tơi gặp khó khăn.
Cuối cùng, tơi cũng xin gửi lời cám ơn đến sự giúp đỡ, động viên của bạn bè
và gia đình trong những lúc khó khăn, nó là động lực giúp tơi hồn thành tốt nhiệm
vụ của mình.


Tóm Tắt
Trong nghiên cứu này, zeolite ZSM-5 được tổng hợp bằng phương pháp thủy
nhiệt, sử dụng nguồn silica được chiết xuất từ tro trấu. Trấu còn được sử dụng như
một nguồn cung cấp lignin đóng vai trị là chất định hướng cấu trúc rẻ tiền và không
độc hại cho quá trình tổng hợp. Cấu trúc MFI của ZSM-5 thu được trong quá trình
tổng hợp được đánh giá và kiểm tra bằng các phương pháp: nhiễu xạ tia X, kính
hiển vi điện tử quét, phổ hấp thụ hồng ngoại, phương pháp phân tích nhiệt, khả
năng trao đổi cation. Bên cạnh đó, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp
cũng được khảo sát như: độ pH, thời gian thủy nhiệt, nhiệt độ thủy nhiệt, ảnh hưởng
của mầm trợ kết tinh và hàm lượng lignin. Điều kiện tổng hợp thích hợp là ở pH =
11, quá trình thủy nhiệt được tiến hành trong 96 giờ ở nhiệt độ 160 oC. Kết quả cho
thấy zeolite tổng hợp được có cấu trúc MFI của ZSM-5 và độ tinh thể cao, khả năng
trao đổi cation lên đến 160 mEq/100g.


Abstract
In the thesis, silica from rice husk ash were used as a source of silica for the
synthesis of ZSM-5 zeolite using hydrothermal process. Inexpensive, harmless, and

naturally available lignin was used as a structure-directing agent. The effects of
varying the alkalinity, the time and temperature of hydrothermally, the presence of
nucleation, concentration of lignin on synthesis were studied. The structure MFI of
ZSM-5 zeolite characterized by X-ray diffraction (XRD), scan electron microscopy
(SEM), infrared spectroscopy (IR), thermogravimetric analysis (TGA). The cation
exchange capacity calculated by cations removed with barium chloride solution.
The synthesis process with lignin at 160 oC and 96h was successfully produced
ZSM-5 with high crystallinity. The cation exchange capacity (CEC) of 160
mEq/100g was obtained for the synthesized ZSM-5 material.


Lời Cam Đoan
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Quang
Long.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này
trung thực và chưa từng được cơng bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Vũ Tâm Định


Mục Lục
Danh Mục Viết Tắt...................................................................................................... I
Danh Mục Hình .......................................................................................................... II
Danh Mục Bảng ....................................................................................................... IV
Phần I: Tổng Quan Tài Liệu........................................................................................3
1.1. Giới thiệu về trấu và tro .......................................................................................3
1.1.1. Cấu tạo của trấu .............................................................................................3

1.1.2. Hiện trạng trấu tại Việt Nam .........................................................................8
1.1.3. Giới thiệu về tro trấu. ..................................................................................11
1.2. Zeolite.................................................................................................................14
1.2.1. Giới thiệu về Zeolite. ..................................................................................14
1.2.2. Phân loại zeolite ..........................................................................................16
1.2.3. Cấu trúc của zeolite .....................................................................................17
1.2.4. Một số tính chất cơ bản của zeolite .............................................................19
1.2.4.1. Tính chất axit........................................................................................19
1.2.4.2. Tính chọn lọc hình dạng.......................................................................20
1.2.4.3. Tính chất trao đổi cation ......................................................................22
1.2.4.4. Tính chất hấp phụ. ................................................................................23
1.2.5. Vật liệu Zeolite ZSM-5 ...............................................................................24
1.2.5.1. Giới thiệu về ZSM-5 ............................................................................24
1.2.5.2. Cấu trúc của ZSM-5. ............................................................................24
1.2.6. Ứng dụng của zeolite ..................................................................................26
1.2.6.1. Zeolite trong hấp thụ và tách................................................................26


1.2.6.2. Sử dụng zeolite làm xúc tác trong các quy trình cơng nghiệp .............28
1.2.6.3. Trao đổi ion ..........................................................................................29
1.2.6.4. Các ứng dụng khác ...............................................................................29
1.2.7. Tổng hợp vật liệu zeolite .............................................................................30
1.2.7.1. Các giai đoạn hình thành zeolite ..........................................................30
1.2.7.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp .....................................31
1.2.8. Tổng hợp zeolite từ trấu ..............................................................................34
1.2.8.1. Tình hình nghiên cứu ...........................................................................34
1.2.8.2. Tổng hợp zeolite ZSM-5 ......................................................................36
Phần 2: Thực Nghiệm ...............................................................................................39
2.1. Tổng hợp zeolite ZSM-5 ....................................................................................39
2.1.1. Hóa chất sử dụng ........................................................................................39

2.1.2. Quy trình tổng hợp ZSM-5 .........................................................................40
2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp .....................................41
2.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ kiềm .....................................................................41
2.2.2. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt............................................................41
2.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ..............................................................................42
2.2.4. Ảnh hưởng của mầm trợ kết tinh ................................................................42
2.2.5. Ảnh hưởng của lignin ..................................................................................42
2.3. Khả năng trao đổi cation của ZSM-5 .................................................................45
2.3.1. Hóa chất sử dụng .........................................................................................45
2.3.2. Phương pháp thực hiện................................................................................45
2.4. Các phương pháp xác định đặc trưng của vật liệu .............................................46


2.4.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ............................................................46
2.4.2. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại (IR) .................................................48
2.4.3. Phương pháp phân tích nhiệt .......................................................................49
2.4.4. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ...........................................50
Phần III: Kết Quả Và Bàn Luận ................................................................................51
3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp ...................................................51
3.1.1. Ảnh hưởng của pH ......................................................................................51
3.1.2. Ảnh hưởng của mầm tinh thể. .....................................................................52
3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt............................................................54
3.1.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt .............................................................56
3.1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng lignin. ..............................................................58
3.2. Kết quả tổng hợp zeolite ZSM-5 ........................................................................59
3.2.1. Kết quả phân tích cấu trúc vật liệu bằng phương pháp XRD .....................60
3.2.2. Kết quả FTIR...............................................................................................61
3.2.3. Kết quả TGA ...............................................................................................63
3.2.4. Kết quả SEM ...............................................................................................64
3.2.5. Khả năng trao đổi cation CEC ....................................................................65

Phần IV: Kết Luận Và Kiến Nghị .............................................................................66
4.1. Kết luận ..............................................................................................................66
4.2. Kiến nghị ............................................................................................................66


I

Danh Mục Viết Tắt
CEC

: Cation Exchange Capacity

DTGA

: Dynamic Thermogravimetric Analysis

IR

: Infrared Spectroscopy

SBU

: Secondary Building Units

SDA

: Structure Directing Agent

SEM

: Scan Electron Microscope

TGA

: Thermo Gravimetric Analysis

XRD

: X-Ray Diffraction

ZSM

: Zeolite Socony Mobil

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


II

Danh Mục Hình
Hình 1. 1: Cấu tạo hạt lúa................................................................................... 3
Hình 1. 2: Cấu trúc lignocellulose...................................................................... 3
Hình 1. 3: Cấu tạo của cellulose......................................................................... 4
Hình 1. 4: Các đơn vị đường chính của hemicellulose ...................................... 5
Hình 1. 5: Các monolignols phổ biến trong lignin ............................................. 6
Hình 1. 6:Ví dụ về cấu trúc của lignin. .............................................................. 8
Hình 1. 7: Trấu đổ ra bờ sơng. ........................................................................... 9
Hình 1. 8: Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đến thành phần tro trấu........ 12

Hình 1. 9: Một số SBU trong zeolite. .............................................................. 18
Hình 1. 10: Các tứ diện liên kết thành vòng 6 nguyên tử oxi .......................... 18
Hình 1. 11: Chọn lọc hình dạng chất tham gia phản ứng................................. 21
Hình 1. 12: Chọn lọc hình dạng sản phẩm phản ứng. ...................................... 21
Hình 1. 13: Sự chọn lọc hình dạng trạng thái chuyển tiếp. .............................. 22
Hình 1. 14: Cấu trúc của zeolite ZSM-5, hệ thống mao quản vịng 10. .......... 25
Hình 1. 15: Sự sắp xếp cấu trúc ZSM-5.. ......................................................... 25
Hình 1. 16: Hệ thống hai kênh mao quảng giao nhau trong ZSM-5. ............... 25
Hình 1. 17: Hệ thống kênh mao quản của ZSM-5. .......................................... 26
Hình 1. 18: Lượng tiêu thụ zeolite làm xúc tác hàng năm. .............................. 28
Hình 1. 19: Ảnh hưởng của độ pH đến tỷ lệ Si/Al ........................................... 33
Hình 1. 20: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tách silica khỏi trấu. ....... 37
Hình 2. 1: Quy trình tổng hợp zeolite ZSM-5. ................................................. 40
Hình 2. 2: Các dung dịch với hàm lượng lignin khác nhau ............................. 43
Hình 2. 3: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể. ........................................ 47
Hình 3. 1: Kết quả XRD các mẫu zeolite tổng hợp tại các pH khác nhau. ...... 51
Hình 3. 2: Phổ XRD của zeolite Analcime. ..................................................... 52
Hình 3. 3: Kết quả XRD ảnh hưởng của mầm trợ kết tinh. ............................. 53
Hình 3. 4: XRD các mẫu zeolite tổng hợp theo thời gian . ........................... 54
Hình 3. 5: Kết quả TGA các mẫu với thời gian thủy nhiệt khác nhau............. 55

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


III

Hình 3. 6: Phổ XRD các mẫu tổng hợp tại các nhiệt độ khác nhau. ................ 57
Hình 3. 7: Phổ XRD các mẫu có hàm lượng lignin khác nhau. ....................... 58

Hình 3. 8: Kết quả XRD zeolite tổng hợp và ZSM-5 chuẩn. ........................... 60
Hình 3. 9: Kết quả IR mẫu Z4d. ....................................................................... 61
Hình 3. 10: Kết quả IR của ZSM-5 chuẩn ....................................................... 62
Hình 3. 11: Kết quả TGA/DTG của mẫu Z4d trước khi nung. ........................ 63
Hình 3. 12: Kết quả SEM của mẫu Z4d. .......................................................... 64

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


IV

Danh Mục Bảng
Bảng 1: Thành phần lignin trong gỗ cứng và gỗ mềm....................................... 7
Bảng 2: Thành phần hóa học của tro trấu. ....................................................... 11
Bảng 3: khả năng trao đổi cation của một số loại zeolite. ............................... 23
Bảng 4: Các nghiên cứu tổng hợp zeolite từ trấu. ............................................ 35
Bảng 5: Thành phần của tro trấu thu được. ...................................................... 39
Bảng 6: Bảng tóm tắt các yếu tố ảnh hưởng đến q trình tổng hợp. .............. 44
Bảng 7: Kết quả CEC của Z4d và Z4d0Z ........................................................ 53
Bảng 8: CEC các mẫu tổng hợp với các thời gian thủy nhiệt khác nhau......... 56
Bảng 9: CEC của các mẫu thay đổi theo nhiệt độ. ........................................... 57
Bảng 10: Khả năng trao đổi cation của ZSM-5. .............................................. 65

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định

Trang 1

Lời Mở Đầu
Việt Nam là một trong những nước sản xuất và xuất khẩu gạo hàng đầu thế
giới với sản lượng 39 triệu tấn (theo FAO năm 2008). Từ sản lượng gạo khổng lồ
này, đã nảy sinh một lượng lớn phế phẩm nông nghiệp là trấu. Theo thống kế, trong
quá trình sản xuất gạo đã tạo ra khoảng 9 triệu tấn trấu mỗi năm [1]. Ở Việt Nam
hiện nay, trấu chủ yếu chỉ được sử dụng làm nguyên liệu đốt, hơn nữa trấu còn được
coi là một trong những yếu tố gây ô nhiễm môi trường. Trấu sau khi cháy sẽ chuyển
thành tro, trong tro silica chiếm hơn 80% về khối lượng [2]. Silica là một chất được
sử dụng rất rộng rãi trong đời sống và sản xuất. Nếu tận thu được nguồn silica này
ta sẽ không cần nhập khẩu silica và vấn đề ô nhiễm môi trường do trấu gây ra cũng
được giải quyết. Vì vậy, việc tái sử dụng trấu và tro trấu đã và đang rất được quan
tâm và thu hút nhiều cơng trình nghiên cứu.
Những năm gần đây, các vật liệu rây phân tử ngày càng đóng vai trị quan
trọng trong xúc tác cơng nghiệp, đặc biệt là zeolite. Nó càng ngày càng thay thế vị
trí các loại xúc tác trước đây, vì thế đã thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa
học trên thế giới. ZSM-5 là zeolite có hàm lượng silica cao[3]. Đặc điểm nổi bật của
ZSM-5 là có độ axit bề mặt, tính bền nhiệt và khả năng chọn lọc hình dáng cao [4].
Vì vậy mà ZSM-5 được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp hóa học như là một
rây phân tử.
Zeolite có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, sử dụng
các nguồn nhôm và silic khác nhau. Việc tận dụng nguồn silica trong tro trấu để
tổng hợp zeolite đã có từ rất lâu, do trong thành phần của tro trấu có chứa một
lượng lớn SiO2, trên 80% theo khối lượng. Nhiều nghiên cứu tổng hợp các loại
zeolite khác nhau từ trấu như: zeolite A, zeolite X, zeolite Y, ZSM-11, ZSM-5,
ZSM-12, silicalite… trong đó ZSM-5 là đối tượng được quan tâm nhiều nhất. Tuy
nhiên, các nghiên cứu này chỉ sử dụng trấu như là một nguồn cung cấp silic cho quá
trình tổng hợp, trong quá trình tổng hợp sử dụng các chất định hướng cấu trúc hữu
cơ mắc tiền và độc hại. Mãi đến năm 2012, Ali và các cộng sự đã tìm ra một chất

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 2

định hướng cấu trúc mới cho quá trình tổng hợp ZSM-5. Họ đã sử dụng lignin được
chiết xuất từ rơm, và sử dụng nó làm chất định hướng cấu trúc cho quá trình tổng
hợp. Nhưng quá trình tổng hợp cịn khó khăn và mất nhiều thời gian.
Lấy cảm hứng từ nghiên cứu trên, trong nghiên cứu này, ZSM-5 được tổng
hợp từ trấu nhằm mục đích giải quyết vấn đề tái sử dụng trấu theo hướng tạo ra các
sản phẩm có giá trị cao, đồng thời góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường do trấu
gây ra. Silica và lignin được chiết xuất từ trấu được sử dụng như là nguồn cung cấp
silic và chất định hướng cấu trúc cho quá trình tổng hợp ZSM-5. Các yếu tố ảnh
hưởng đến quá trình tổng hợp và các đặc trưng của vật liệu cũng được xem xét
trong luận văn này.

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 3

Phần I: Tổng Quan Tài Liệu
1.1. Giới thiệu về trấu và tro
1.1.1. Cấu tạo của trấu
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng của hạt lúa và được tách ra trong q trình xay xát.

Trấu chiếm 20% hạt lúa [1], có màu vàng, nhẹ xốp. Kích thước trung bình của trấu:
dài khoảng 7 mm – 10 mm, rộng 1,5 mm – 2 mm và dày khoảng 0,1 mm – 0,15 mm
.

Hình 1. 1: Cấu tạo hạt lúa.
Thành phần hoá học của trấu biến động theo giống lúa, mùa vụ, đặc trưng
canh tác nông nghiệp của từng vùng khác nhau. Tuy nhiên, theo các nghiên cứu
tổng hợp, hầu hết trong trấu chứa khoảng 75% chất hữu cơ dễ bay hơi, chúng sẽ bị
cháy trong q trình đốt và cịn lại khoảng 25% sẽ chuyển thành tro [5]. Chất hữu
cơ trong trấu bao gồm: cellulose (chiếm khoảng 40%), hemi-cellulose (chiếm
khoảng 20%), lignin (chiếm khoảng 25%), các hợp chất nitơ và vô cơ (chiếm
khoảng 15%) [6].

Hình 1. 2: Cấu trúc lignocellulose. [7]

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 4

a. Cellulose
Cellulose là thành phần chủ yếu của thành tế bào thực vật có cơng thức cấu
tạo (C6H10O5)n, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu của cellulose mà n ít nhất nằm
trong khoảng 9000 đến 10000, và có thể lên đến 15000 [8, 9]. Cellulose là một
polymer mạch thẳng của D-glucose, các D-glucose được liên kết với nhau bằng liên
kết β 1-4 glucoside [8]. Các mạch cellulose được liên kết với nhau nhờ liên kết
hydrogen và liên kết Van Der Waals, hình thành hai vùng cấu trúc chính là tinh thể
và vơ định hình [8]. Trong vùng tinh thể, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với

nhau, vùng này khó bị tấn cơng bởi enzyme cũng như hóa chất. Ngược lại, trong
vùng vơ định hình, cellulose liên kết khơng chặt với nhau nên dễ bị tấn cơng. Ngồi
ra Cellulose còn được bao bọc bởi hemicellulose và lignin, điều này làm cho
cellulose khá bền vững với tác động của enzyme cũng như hóa chất .

Hình 1. 3: Cấu tạo của cellulose. [9]

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 5

b. Hemicellulose
Hemicellulose là những polysaccaride dị thể. Các đơn vị monome của
hemicellulose dựa trên hexoses và pentoses [10]. Các hexoses chủ yếu bao gồm các
D-glucose, D-galactose, D-mannose, axit D-glucoronic, axit D-galactoronic, và axit
4-O-methyl-D-glucoronic. Các pentoses bao gồm arabinose và xylose. Độ bền hóa
học và bền nhiệt của hemicenllulose thấp hơn so với cellulose vì chúng có độ kết
tinh và độ trùng hợp thấp [10]. So với cellulose, hemicellulose dễ bị thủy phân hơn
rất nhiều lần trong môi trường kiềm hay axit do hemicellulose thường tồn tại ở dạng
mạch nhánh dễ bị tấn công hơn, và chúng ở trạng thái vơ định hình.

Hình 1. 4: Các đơn vị đường chính của hemicellulose. [10]
(a) D-glucose; (b) D-xylose; (c) D-galactose; (d) D- mannose; (e) L-arabinose; (f)
axit D-glucoronic; (g) axit D-galacturonic; (h) axit 4-O-methyl-D-glucoronic
Cấu tạo của hemicellulose phức tạp tùy theo dạng nguyên liệu, Tùy theo
trong thành phần của hemicellulose có chứa monosaccharide nào mà nó sẽ có
những tên tương ứng như manan, galactan, glucan và xylan. Tuy nhiên cấu tạo của

hemicellulose có một số điểm chung [10]:

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 6

- Xylose là thành phần chiếm nhiều nhất
- Cấu tạo gồm hai phần: Mạch chính gồm các β - D xylopyranose liên kết
với nhau bằng liên kết β - (1,4) xylanase. Mạch nhánh cấu tạo từ các nhóm đơn
giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide. Sự liên kết

của

hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này.
- Nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl O – liên kết với vị trí 2 hoặc 3.
- Nối pectin với cellulose để hình thành nên mạng lưới xơ sợi.
c. Lignin
Lignin là một loại polyphenol có cấu trúc mở, được xây dựng từ sự kết hợp
của ba loại monomer rượu cơ bản: rượu p-coumaryl, rượu coniferyl, rượu sinapyl
[11]. Trong tự nhiên, lignin chủ yếu đóng vai trị chất liên kết trong thành tế bào
thực vật, liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose. Rất khó để có thể
tách lignin ra hồn tồn.

Hình 1. 5: Các monolignols phổ biến trong lignin: H: rượu p-coumaryl. G: rượu
coniferyl. S: rượu sinapyl.
Cấu trúc của lignin đa dạng, tùy thuộc vào loại gỗ, độ tuổi của cây hoặc cấu
trúc của nó trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ mềm và

cỏ, lignin có thể được phân thành hai loại chính: guaicyl lignin và guaicyl-syringyl
lignin [11]. Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Các
nhóm chức ảnh hưởng đến hoạt tính của lignin bao gồm nhóm phenolic hydroxyl tự

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 7

do, methoxyl, benzylic hydroxyl, ether của benzylic với các rượu mạch thẳng và
nhóm carbonyl. Guaicyl lignin chứa nhiều nhóm phenolic hydroxyl hơn syringyl.
Bảng 1: Thành phần lignin trong gỗ cứng và gỗ mềm.
Các nhóm chức

Lignin gỗ cứng Lignin gỗ mềm

Phenolic hydroxyl

10 – 20

20 – 30

Aliphatic hydroxyl

110 – 115

115 - 120

Methoxyl

140 – 160

90 – 95

Carbonyl

15

20

Lignin tạo liên kết hóa học với hemicellulose và ngay cả với cellulose
(nhưng không nhiều). Độ bền hóa học của những liên kết này phụ thuộc vào bản
chất liên kết, cấu trúc hóa học của lignin và các gốc đường tham gia liên kết.
Carbon alpha (Cα) trong cấu trúc phenyl propane là nơi có khả năng tạo liên kết cao
nhất với khối hemicellulose. Ngược lại, các đường nằm ở mạch nhánh như
arabinose, galactose, và axit 4-O-methylglucuronic là các nhóm thường liên kết với
lignin. Các liên kết có thể là ether, ester (liên kết với xylan qua axit 4-O-methyl-Dglucuronic), hay glycoside (phản ứng giữa nhóm khử của hemicellulose và nhóm
OH phenolic của lignin).

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 8

Hình 1. 6:Ví dụ về cấu trúc của lignin. [12]
1.1.2. Hiện trạng trấu tại Việt Nam

Việt Nam là một trong những nước sản xuất và xuất khẩu gạo hàng đầu thế
giới với sản lượng 39 triệu tấn (theo FAO năm 2008). Gần đây, do nhu cầu lương
thực trên thế giới ngày càng tăng cao, đòi hỏi sự đầu tư nghiên cứu và cải tiến kỹ
thuật của các nước nông nghiệp nhằm gia tăng sản lượng lúa gạo. Nhưng khi sản
lượng lúa gạo tăng lên, đã nảy sinh vấn đề về sự gia tăng phế phẩm nơng nghiệp
trong q trình sản xuất lúa gạo là trấu. Năm 2014, sản lượng lúa của Việt Nam đạt

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 9

45 triệu tấn, trong đó trấu chiếm khoảng 20% khối lượng hạt thóc, nghĩa là hằng
năm đã tạo ra khoảng 9 triệu tấn trấu, trong đó có khoảng 4,5 triệu tấn chỉ riêng tại
đồng bằng sông Cửu Long [1].
Các số liệu của cơ quan môi trường học gần đây cho thấy chỉ có 25-30%
lượng trấu này được sử dụng [1], trong đó cho dù được tận dụng làm củi trấu, thì
cũng chỉ sử dụng được 12000 tấn trấu/năm. Với đặc tính chiếm thể tích rất lớn
nhưng giá trị khơng cao, trấu ở một số vùng còn đang bị xem là một loại chất thải
bỏ đi, thậm chí một số nhà máy xay xát ở miền Tây còn phải thuê phương tiện chở
trấu đem đổ bỏ.Tại đồng bằng sông cửu long, các nhà máy xay xát đổ trấu xuống
sông, rạch làm ô nhiễm nguồn nước, cản trở giao thông qua lại của các ghe tàu, và
ảnh hưởng đến việc nuôi trồng thủy sản của người dân xung quanh.

Hình 1. 7: Trấu đổ ra bờ sông.
Giải quyết được việc sử dụng trấu, cũng sẽ giải quyết được các vấn đề về
môi trường do chính trấu gây ra, đồng thời sẽ làm gia tăng giá trị kinh tế của chúng.
Vì vậy đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng trấu, các ứng dụng hiện nay của trấu bao

gồm:
- Làm chất đốt: Trấu có khả năng cháy và sinh nhiệt tốt do chứa 75% chất
hữu cơ, chất đốt từ trấu được sử dụng rất nhiều trong cả sinh hoạt (nấu ăn, nấu thức
ăn gia súc) và sản xuất (làm gạch, sấy lúa). Đối với sản xuất tiểu thủ công nghiệp
và chăn nuôi, trấu cũng đưọc sử dụng rất thường xuyên. Thông thường trấu là chất

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 10

đốt dùng cho việc nấu thức ăn nuôi cá hoặc lợn, nấu rượu và một lượng lớn trấu
được dùng nung gạch trong nghề sản xuất gạch tại khu vực đồng bằng sông Cửu
Long.
- Dùng trấu để lọc nước: Tại thành phố Hải Dương đã có phát minh ra cách
chế tạo thiết bị lọc nước từ trấu, có khả năng lọc thẳng nước ao, hồ thành nước uống
sạch. Cốt lõi của thiết bị là một cụm sứ xốp trắng, hình trụ nằm trong chiếc bình lọc.
Điều đặc biệt là loại sứ này được tạo ra bằng cách tách ôxit silic từ trấu, có đặc tính
lọc cực tốt, với lỗ lọc siêu nhỏ.
- Chế tạo củi trấu: Máy ép củi trấu được sản xuất tại Gị Cơng (Tiền Giang)
có cơng suất 70 - 80 kg củi/giờ, tiêu thụ điện 6 - 7 KW/h. Cứ 1,05 kg trấu thì cho ra
1 kg củi trấu. Sử dụng củi trấu có thể tiết kiệm được khoảng 20% đến 30% so với sử
dụng các chất đốt truyền thống như than đá, dầu mỏ. củi trấu có mùi thơm của
hương lúa, ít khói và lâu tàn hơn so với các loại củi bình thường, vừa an tồn cho
mơi trường, khơng ảnh hưởng đến sức khỏe người dùng như các loại củi gỗ, và than
đá.
- Trấu làm sản phẩm mỹ nghệ: huyện Gia Viễn, Ninh Bình người ta đã tạo ra
các sản phẩm mỹ nghệ nội thất từ trấu. Trấu được nghiền nhỏ tạo thành bột dưới

dạng mịn và bột sợi. Sau khi kết hợp với keo, trấu được cho vào máy ép định hình
sản phẩm và sấy khơ,hồn thiện để trở thành một sản phẩm mỹ nghệ. Giải pháp này
giúp hạ giá thành đầu tư, và giảm được giá thành sản phẩm.
- Sản xuất điện năng: đây là dây chuyền công nghệ được Viện cơ điện nông
nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch nghiên cứu. Điện áp do dây chuyền này tạo ra
đạt 220/380 V, công suất có thể đạt 50 kW. Khơng chỉ sản xuất được ra điện, dây
chuyền này còn dùng được để sấy nơng sản với cơng suất đạt khoảng 8 tấn/giờ vì
nguồn nhiệt sinh ra trong quá trình này rất lớn. Tuy giá thành sản xuất điện từ công
nghệ này cao hơn thuỷ điện nhưng theo đánh giá của các nhà khoa học thì giá thành
trên vẫn cịn rẻ hơn rất nhiều so với các nguồn nguyên liệu hoá thạch (khoảng 10 30%).

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định


Trang 11

- Làm nguyên liệu xây dựng sạch: các nhà khoa học từ lâu đã phát hiện ra
trấu có giá trị khi sử dụng làm nguyên liệu xây dựng. Trong bê tông nếu thêm tro
trấu sẽ cứng chắc hơn và có khả năng chống xâm thực cao hơn, việc sửa chữa các
ngôi nhà cao tầng, trụ cầu hay bất kỳ cơng trình nào gần biển hay trên nước, nếu
như sử dụng tro trấu thay thế 20% xi măng, thì sẽ mang lại hiệu quả rất cao cho bê
tông. Sở dĩ tro trấu chưa thể làm thành phần chính trong xi măng là bởi vì hàm
lượng carbon q cao. Nếu có thể giải quyết vấn đề này thì tro trấu sẽ trở thành
ngun liệu tốt của bê tơng, từ đó có thể giảm bớt đi lượng carbon thải ra từ ngành
bê tơng.
Khơng dừng ở các ứng dụng trên, trấu cịn có thể dùng làm thiết bị cách
nhiệt, làm chất độn, trồng nấm, dùng đánh bóng các vật thể bằng kim loại, trấu cịn
có thể dùng làm phân bón.

1.1.3. Giới thiệu về tro trấu.
Tro trấu là sản phẩm của quá trình đốt cháy trấu, chiếm khoảng 20% khối
lượng của trấu, các đặc tính của tro phụ thuộc vào nguồn trấu, nhiệt độ và thời gian
đốt [2, 13]. Nếu trấu bị đốt cháy ở nhiệt độ quá cao hoặc trong thời gian quá lâu, thì
tro sẽ bao gồm các silica có cấu trúc tinh thể. Còn nếu nhiệt độ đốt cháy thấp hoặc
trong thời gian ngắn thì thành phần tro sẽ chứa một lượng carbon khơng cháy được.
Bảng 2: Thành phần hóa học của tro trấu. [2]

Thành
phần

% khối
lượng

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

Na2O

K2 O

80 – 90

1,0 – 2,5

0,5

1,0 – 2,0

0,5 – 2,0

0,2 – 0,5

0,2

Luận Văn Thạc Sĩ

HVTH: Vũ Tâm Định