Nhóm 13 tổng quan về vật liệu nanocellulose 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN KỸ THUẬT HĨA LÝ VÀ PHÂN TÍCH
---------------o0o---------------

TIỂU LUẬN CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ ĂN MÒN

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU
NANOCELLULOSE
GVHD: TS. Nguyễn Văn Dũng
SVTH: Nguyễn Thị Phương

1813624

Bùi Lê Nam Quang

1813655

Tạ Mẫn Tuệ

1814628

Đinh Anh Tú

1814657

Đỗ Vy Thanh Thảo

1811228

Mai Lan Phương

1813619

Tp.HCM, tháng 11/2020


Mục lục

1.

Giới thiệu.......................................................................................................1

2.

Nguồn lignocellulose tại Việt Nam..................................................................2

3.

Thành phần lignocellulose.............................................................................3

4.

5.

6.

3.1.

Cellulose............................................................................................................3

3.2.

Lignin................................................................................................................3

3.3.

Hemicellulose....................................................................................................5

Phương pháp tổng hợp cellulose....................................................................6
4.1.

Xử lý hoá học....................................................................................................6

4.2.

Xử lý sinh học...................................................................................................6

4.3.

Xử lý cơ – hố...................................................................................................6

Nanocellulose.................................................................................................7
5.1.

Tính chất của nanocellulose..............................................................................7

5.2.

Phân loại nanocellulose....................................................................................7

Ứng dụng của nanocellulose...........................................................................9
6.1.

Vật liệu nanocellulose ứng dụng trong màn hình..............................................9

6.2.

Vật liệu nanocellulose trong gia cường các polymer phân hủy sinh học........10

6.3.

Ứng dụng nanocellulose trong xử lý nước......................................................13

6.4.

Ứng dụng nanocellulose trong lưu trữ năng lượng.........................................13

7.

Đánh giá......................................................................................................14

8.

Tiềm năng phát triển của vật liệu nanocellulose...........................................14

9.

Kết luận.......................................................................................................15

Tài liệu tham khảo...............................................................................................16

i


DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1. Nguồn ngun liệu sinh khối phổ biến ở Việt Nam [1].
Hình 3.1. Cấu trúc phân tử của cellulose theo Hawaroth [2].
Hình 3.2. Một số kiểu liên kết cơ bản trong cấu trúc lignin [2].
Hình 3.4. Cấu trúc của hemicellulose [4].
Hình 5.1. Sự phân lập các sợi cellulose thành các tinh thể nanocellulose [9].
Hình 5.2. Sự phát triển BNC thành màng [9].
Hình 6.1. Đường cong ứng suất - biến dạng của PLA khi trộn thêm MFC có hàm lượng
khác nhau [21].

ii


iii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Tên gọi đầy đủ

1

BNC

Baterial nanocellulose

2

CNC

Cellulose nanocrystal

3

CNF

Cellulose nanofiber

4

PCL

Poly caprolactone

5

PE

Polyethylene

6

PVA

Polyvinyl alcohol

7

PLA

Polylactide

8

PLGA

Poly lactic-co-glycolic acid

9

AGU

Anhydroglucose Unit

10

MCC

Microcrystalline Cellulose

11

MFC

Microfibrillated Cellulose

12

CN

Nanocellulose

1


Giới thiệu
Ngày nay, tình hình ơ nhiễm mơi trường ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung
đang diễn biến ngày càng nghiêm trọng và để lại nhiều hậu quả hết sức nặng nề. Trong nhiều
nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm môi trường phải kể đến ô nhiễm do phế thải từ các vật liệu có
nguồn gốc từ hóa thạch. Các sản phầm này khi thải ra mơi trường sẽ gây ơ nhiễm nặng do khó
bị phân hủy ở điều kiện thường. Yêu cầu đặt ra cho các nhà khoa học là phải nghiên cứu tìm
ra một loại vật liệu có khả năng thay thế các vật liệu trên nhưng đồng thời có khả năng phát
triển bền vững lâu dài trong tương lai.
Nanocellulose là một vật liệu tự nhiên hiện thu hút sự nhiều sự quan tâm bởi các ưu
điểm nổi bật về tính chất vật lý, khả năng tương thích sinh học cao và đặc biệt là thân thiện
với mơi trường vì khả năng tái chế hoặc tự phân hủy nhanh chóng. Bên cạnh đó, với đặc thù
là một nước nông nghiệp, nguồn nguyên liệu để tạo ra nanocellulose rất dồi dào và giá thành
rẻ như: bã mía, rơm rạ, xơ dừa,… cho thấy đây là vật liệu tiềm năng.
Nhận thấy khả năng ứng dụng của vật liệu này trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhóm đã
quyết định tìm hiểu đề tài “Tổng quan về vật liệu nanocellulose”.
1.

Nguồn lignocellulose tại Việt Nam
Việt Nam là một nước có nền nông nghiệp phát triển và nguồn sinh khối để tổng hợp

cellulose chủ yếu lấy từ các nguồn lignocellulose phụ phẩm như: rơm rạ, bã mía, trấu, vỏ
lạc,... và phế thải của sản xuất như chế biến gỗ (mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn,...).
Tiềm năng về nguồn nguyên liệu sinh khối của Việt Nam được đánh giá là rất đa dạng
và có trữ lượng khá lớn. Theo tính tốn của Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn
lignocellulose thu được hàng năm đạt khoảng 118 triệu tấn bao gồm khoảng 40 triệu tấn rơm
rạ, 8 triệu tấn trấu, 6 triệu tấn bã mía và trên 50 triệu tấn vỏ cà phê, vỏ đậu, phế thải gỗ,... [1].

Hình 2.1. Nguồn nguyên liệu sinh khối phổ biến ở Việt Nam [1].

2


2. Thành phần lignocellulose
2.1. Cellulose
Cellulose là một polymer sinh học quan trọng và phổ biến nhất trên thế giới. Mặc dù
cellulose đã được sử dụng từ rất lâu nhưng những thơng tin về cấu trúc và tính chất của vẫn
cịn rất mới mẻ như tính chất cao phân tử của cellulose vẫn chưa được nghiên cứu sâu rộng.

Hình 3.1. Cấu trúc phân tử của cellulose theo Hawaroth [2].
Theo nghiên cứu những năm 1920 của HermannStaudinger, các đơn vị trong phân tử
cellulose tạo liên kết cộng hóa trị với nhau. Phân tử cellulose có cấu tạo mạch thẳng, dạng ghế
bao gồm những đơn vị D-glucopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4 glycosidic [3].
Phân tử cellulose có khối lượng phân tử khá lớn, là polymer mạch chuỗi với nhiều nhóm
hydroxyl (3 nhóm –OH trong mỗi đơn phân). Các vịng glucopyranose quay ngược với nhau
một góc 180° để tạo ra góc liên kết cho 3 liên kết với –OH [2]. Như vậy, xét 2 đơn phân có
cấu hình ngược với nhau, ta thu được một đơn vị disaccharide cellobiose.

Độ dài của một chuỗi cellulose hoàn toàn phụ thuộc vào số lượng đơn phân AGU, tạo
nên sự đa dạng cả về cấu trúc và tính chất của các dạng thù hình thực tế của cellulose trên Trái
Đất. Xem cấu tạo của một đơn phân D-glucopyranose bao gồm: nhóm C4-OH có tính chất
giống như của nhóm alcol đầu kia nối với C1 có cấu trúc bán acetal (nhóm OH tại C1) có tính
khử (như nhóm aldehyde). Có khoảng 65 – 73 % phần cellulose là ở trạng thái kết tinh. Phần
cellulose ở trạng thái vơ định hình là phần khá nhạy với nước và một số chất hố học.
Cellulose khơng tan trong nước, trong kiềm và trong acid lỗng nhưng có thể phân huỷ bằng
phản ứng oxy hoá bởi dung dịch kiềm đặc ở T > 150°C [2].
2.2. Lignin
Lignin là một phức hợp polymer thơm vơ định hình và là một thành phần khơng thể
thiếu của vách tế bào thực vật. Lignin có nhiều trong cây thân gỗ cứng, gỗ mềm, các thực vật

3


thân cỏ. Hàm lượng và cấu trúc của lignin thay đổi theo nguồn nguyên liệu. Trong cây thân gỗ
lignin chiếm khoảng 20% đến 30% sinh khối khô, trong khi ở thực vật có mạch lại chiếm
khoảng 15% đến 20%. Khoảng trống trong vách tế bào giữa cellulose, hemicellulose và các
thành phần pectin lấp đầy bởi chất keo dính lignin.
Bằng kỹ thuật đánh số dùng C phóng xạ (14C) xác định lignin ln có chứa nhóm
metoxyl (OCH3) và nhân thơm. Từ đơn vị cơ bản của phenyl propane có thể kể ra vài cấu trúc
điển hình cho lignin như: coniferyl alcohol, sinapyl alcohol và p-coumaryl alcohol. Cấu trúc
của lignin dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp. Lignin trong gỗ mềm chủ
yếu bao gồm rượu coniferyl (90 - 95%) trong khi lignin trong gỗ cứng chứa cả coniferyl (25 50%) và rượu sinapyl (45 - 75%). Mặc dù lignin trong cây thân cỏ chứa cả ba tiểu đơn vị,
hàm lượng p-hydroxyphenyl là đáng kể nhất (5 - 35%) trong khi lại có hàm lượng rất thấp ở
cả gỗ mềm và gỗ cứng. Trọng lượng phân tử của lignin tự nhiên rất khó xác định do cấu trúc
thay đổi trong q trình cơ lập phân tử nhưng có thể xác định trọng lượng phân tử trung bình
trong khoảng 2.500 – 410.000 (g mol-1) [2].

Hình 3.2. Một số kiểu liên kết cơ bản trong cấu trúc lignin [2].

Hình 3.3. Đơn vị cấu trúc cơ bản của lignin [2].

4


2.3. Hemicellulose
Hemicellulose là một loại polysaccharide dị thể, tồn tại cùng với cellulose trong hầu hết
các thành tế bào thực vật. Hemicellulose thường tồn tại ở mạch nhánh, ở trạng thái vơ định
hình và cịn hemicellulose tồn tại ở mạch thẳng giống như phân tử cellulose thì có một phần ở
trạng thái kết tinh. Các đơn vị cơ sở có thể là đường hexose (D-glucose, D-mannose, Dgalactose), hoặc đường pentose (D-xylose, L-arabinose, D-arabinose). Hemicellulose còn
chứa cả axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic và axit glucuronic. Thành phần cơ
bản của hemicellulose là β – D xylopyranose, các β – D xylopyranose này liên kết với nhau
bằng liên kết β – 1,4.

Hình 3.4. Cấu trúc của hemicellulose [4].

5


Có 3 loại hemicellulose:
 Đơn giản: có thể được tách ra dưới tác dụng của các hoá chất.
 Phức tạp: loại này liên kết chặt chẽ với lignin và do vậy cần có những phản ứng hồ tan
lignin khá mạnh.
 Xelulosan: là những hexose và pentose liên kết khá chặt chẽ với cellulose.
So với cellulose, hemicellulose dễ bị thuỷ phân hơn rất nhiều lần trong môi trường acid
hay base. Độ bền hoá học và bền nhiệt của hemicellulose thấp hơn so với cellulose do có độ
kết tinh và trùng hợp thấp hơn (ít hơn 90oC) [2].
3.

Phương pháp tổng hợp cellulose
Quá trình tổng hợp cellulose từ lignocellulose tập trung loại bỏ thành phần lignin và

hemicellulose bằng 3 phương pháp chính: xử lý hoá học, xử lý sinh học, xử lý cơ – hoá.
3.1. Xử lý hoá học
Từ nguồn nguyên liệu lignocellulose ban đầu, người ta tiến hành ngâm qua acid (HCl,
H3PO4, H2SO4, HNO3,…) hoặc acid hữu cơ (HCOOH, CH3COOH,…), đây là bước tẩy trắng
nguyên liệu thô nhằm loại bỏ hầu hết phần lignin, thu được holocellulose. Sau đó tiếp tục đưa
sản phẩm trung gian ngâm vào dung dịch kiềm vô cơ (NaOH, Ca(OH)2, KOH,…) nồng độ
khoảng 4 – 20% khối lượng để loại bỏ hồn tồn cấu trúc lignin cịn lại và hemicellulose.
Phương pháp này được đánh giá là loại bỏ khá đáng kể nhưng lại gây giãn nở cấu trúc, làm
giảm khả năng trùng hợp và kết tinh của cellulose còn lại cũng như tạo ra một số sản phẩm
phụ không mong muốn [5].
3.2. Xử lý sinh học
Một số loại vi sinh vật lignolytic, enzyme và nấm trắng được ứng dụng trong việc phá
hủy cấu trúc lignin và hemicellulose bên ngồi lignocellulose. Đây là phương pháp mới, thân
thiện với mơi trường, an tồn, ít tiêu tốn năng lượng, hiệu quả kỹ thuật cao nhưng lại tốn
nhiều thời gian và chi phí đầu tư vào nguồn ngun liệu sinh học, khó áp dụng ở quy mô lớn,
điều kiện vận hành cũng khắt khe hơn, không đem lại hiệu quả về mặt thương mại [6].
3.3. Xử lý cơ – hoá
Được ứng dụng tại phịng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học & Biomass, địa chỉ 268 Lý
Thường Kiệt, phường 14, quận 10, thành phố Hồ Chí Minh, dùng phương pháp nổ hơi làm
cho cấu trúc của lignocellulose bị vỡ giúp cho việc hoà tan lignin bằng NaOH trở nên thuận

6


lợi hơn sau đó sẽ được trung hồ lại bằng HCl. Đây là một phương pháp cho tương lai cần
nghiên cứu thêm ngồi cơng nghiệp để nâng cao hiệu suất.
4.

Nanocellulose
Nanocellulose chính là cellulose đã được thu nhỏ và tái cấu trúc ở cấp độ nano.

Cellulose – loại nguyên liệu phổ biến nhất hành tinh, là thành phần chủ yếu của thành tế bào
thực vật, chính là yếu tố tạo nên màu xanh cho hầu hết thực vật trên Trái đất. Cellulose đơn
giản là sự kết hợp của các phân tử glucose được lên kết với nhau tạo thành một chuỗi dài. Khi
ta thu nhỏ chuỗi cellulose này ở cấp độ nano, sau đó tái cấu trúc nó thành một chuỗi polymer
dài hoặc đan chuỗi ấy tạo thành một mạng tinh thể, ta sẽ có được nanocellulose [7].
4.1. Tính chất của nanocellulose
Tính chất cơ học của nanocellulose ở các vùng tinh thể và vơ định hình là khác nhau. Ở
các vùng bị rối loạn (vùng vơ định hình) vật liệu có tính dẻo và linh hoạt hơn so với các vùng
được sắp xếp trật tự (vùng tinh thể) [8]. Tương tự vậy, nanocellulose từ các nguồn khác nhau
cũng có các tính chất cơ lý khác nhau, tùy thuộc vào tỉ lệ giữa vùng tinh thể và vùng vơ định
hình trong vật liệu. Một trong những ưu điểm lớn nhất của vật liệu tổng hợp thân thiện với
môi trường là khả năng tự phân hủy sinh học của chúng. Tuy nhiên, đa số các loại vật liệu
sinh học nhân tạo lại cần nhiệt độ ủ khá cao (khoảng 60 °C) để đẩy nhanh q trình phân hủy.
Ngược lại, do có tính ưa nước nên nanocellulose có khả năng phân hủy nhanh chóng ở nhiệt
độ thường, tức là trong khoảng 20 – 30°C. Và cịn những tính chất khác được áp dụng vào chế
tạo vật liệu như vật liệu nanocellulose trong suốt, có khả năng dẫn điện, có khả năng hấp phụ
được một trọng lượng gấp 10000 lần trọng lượng của chính nó,…[7].
4.2. Phân loại nanocellulose

Hình 5.1. Sự phân lập các sợi cellulose thành các tinh thể nanocellulose [9].

7


Cellulose có thể được phân lập thành vật liệu nano – nanocellulose có kích thước nhỏ
hơn 100 nm [10] với những tính chất vật lý và hóa học vượt trội hơn như diện tích bề mặt lớn,

tăng độ bền cơ học và độ bền kéo, có tính linh hoạt cao [11].
Nanocellulose bao gồm vùng kết tinh và vùng vô định hình có độ bền và tính linh hoạt
tương ứng. Tùy thuộc vào các phương pháp cô lập, cellulose được phân lập thành các sợi
nanocellulose (CNFs) và tinh thể nanocellulose (CNCs) (hình 5.1). Nanocellulose vi khuẩn
(BNC) được tạo ra bởi những chi vi khuẩn rộng lớn, hiếu khí và khơng gây bệnh. Trong đó
Acetobacter xylinum Gram dương hình que được đánh giá là có năng suất cao nhất [12].
4.2.1.

Sợi nanocellulose (CNFs)
Các phương pháp chính để chiết xuất CNFs từ vật liệu lignocellulosic của thực vật là

đồng nhất áp suất cao, vi lỏng hóa, nghiền và sóng siêu âm. Những q trình cô lập này
thường tiêu tốn lượng lớn năng lượng cần thiết để phá vỡ cellulose thành các sợi nhỏ hơn theo
trục dọc [11,13]. Vì vậy, cần phải xử lý sơ bộ trước khi thực hiện q trình cơ lập để loại bỏ
các thành phần không mong muốn, cụ thể là lignin và hemicellulose. Enzyme, axit và kiềm,
oxi hóa 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical (TEMPO) thường được sử dụng để xử lý
sơ bộ, giảm năng lượng tiêu thụ trong quá trình sản xuất sợi cellulose có đường kính nhỏ và
kích thước hẹp [13]. CNFs thường có đường kính nhỏ hơn 100nm nhưng chiều dài được tính
bằng micromet. So với CNC, CNF có tỷ lệ khung hình cao hơn do hình dạng chuỗi dài. Do
đó, CNF có diện tích bề mặt lớn và nhiều nhóm hydroxyl trên bề mặt hoạt động mạnh thuận
lợi tham gia các phản ứng biến tính [14].
4.2.2.

Tinh thể nanocellulose (CNCs)
CNC là phần kết tinh của CNFs sau khi loại bỏ vùng vơ định hình bằng cách thủy phân

acid hoặc khử trùng hợp. Phản ứng thường sử dụng acid mạnh như acid sulfuric (H 2SO4) và
tính chất của CNC phụ thuộc vào các điều kiện của phản ứng thủy phân như nhiệt độ, thời
gian phản ứng và nồng độ acid [14]. CNCs thường có dạng hình que hoặc hình kim, kích
thước từ 1−50 nm và dài khoảng vài trăm nanomet. Ngoài ra, CNCs có độ kết tinh cao trên

diện tích bề mặt rộng lớn cũng như độ bền và tính ổn định nhiệt tốt [11].
4.2.3.

Nanocellulose vi khuẩn (BNC)
BNC có hình dạng giống như dải băng xoắn với đường kính dao động từ 20nm đến

100nm và chiều dài tính bằng micromet. Khác với CNF và CNC, BNC được tạo ra bởi vi
khuẩn khi chất nền hữu cơ (đường, glycerol) được polymer hóa trong quá trình trồng trọt

8


(Hình 5.2) [14,15]. Mặc dù BNC cùng thành phần hóa học với các loại nanocellulose khác
nhưng lại có độ tinh khiết cao nhất, không chứa các thành phần khác trong lignocellulosic
biomass ngồi cellulose. Bên cạnh đó, BNC có khả năng giữ nước và độ kết tinh cao hơn dẫn
đến độ bền nhiệt và bền cơ học vượt trội [11,15].

Hình 5.2. Sự phát triển BNC thành màng [9].
5. Ứng dụng của nanocellulose
5.1. Vật liệu mới chế tạo màn hình
Cellulose (dạng giấy in) là một trong những phương tiện chính truyền đạt thông tin
trong xã hội. Để được ứng dụng làm giấy, cellulose phải có độ phản xạ, độ tương phản cao, độ
trong suốt, chi phí khai thác và chế biến thấp. Việc nghiên cứu đã thành cơng về màn hình
trên nền nanocellulose.
BNC được tổng hợp trong môi trường nuôi cấy Acetobacter xylinum trong mơi trường
tiêu chuẩn giàu glucose. Do đó, màng nanocellulose vi khuẩn được hình thành (khơng phải
bột giấy) có sự ổn định về kích thước, có bề ngồi giống như giấy và có cấu trúc nano sợi nhỏ
độc đáo.
Việc kết lắng các ion xung quanh vi sợi để tạo ra các đường dẫn và sau đó cố định thuốc
nhuộm điện sắc trong vi cấu trúc để đưa cấu trúc nanocellulose thành tấm dẫn điện hoặc bán

dẫn. Sử dụng mạch truyền động mặt sau hoặc mặt phẳng tiêu chuẩn, có thể xây dựng thiết bị
hiển thị động độ phân giải cao sử dụng cellulose làm chất nền. Thiết bị này có tiềm năng được
mở rộng cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như máy tính bảng sách điện tử, báo điện tử,
báo tường động, bản đồ có thể viết lại và công cụ học tập. Trên thế giới các nhà khoa học đã

9


nghiên cứu được rằng thiết bị đã đạt được giá trị CTE đo được 21ppm/K từ chất nền
nanocellulose cho màn hình OLED [16].
5.2. Vật liệu nanocellulose trong gia cường các polymer phân hủy sinh học
Polymer phân hủy sinh học là các polymer có khả năng phân hủy thành những phân tử
đơn giản như CO2, nước, các hợp chất hữu cơ và sinh khối khác dưới tác động của một số yếu
tố của môi trường tự nhiên. Những năm gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng các phân hủy
sinh học là một hướng đi mới nhằm thay thế các loại vật liệu làm từ ngun liệu hóa thạch vì
chúng thân thiện với mơi trường và an tồn cho người sử dụng nhưng có nhược điểm chung là
độ bền cơ học chưa cao.
Nanocellulose có các tính chất cơ bản như: kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn, khối
lượng riêng nhỏ (ước tính 1,61 g/cm3 đối với nanocellulose tinh thể tinh khiết) và độ bền cơ
học cao là những yếu tố quan trọng để ứng dụng trong việc gia cường các polymer phân hủy
sinh học trên. Sản phẩm mới tạo ra vừa đạt về hiệu suất và tính chất vừa khơng ảnh hưởng
đến khả năng phân hủy sinh học của polymer là vấn đề quan trọng được nhiều nhà khoa học
nghiên cứu trong thời gian qua.
Bảng 6.1. Nguồn gốc, hàm lượng cellulose thêm vào một số vật liệu sinh học và đặc tính cơ
học của vật liệu sau khi thêm [17].

Vật liệu

Poly
vinyl

alcohol

Poly

Số lượng mắt

Nguồn cung cấp

Phần trăm

Ứng suất

Module đàn

cellulose

cellulose (%wt)

kéo (MPa)

hồi (GPa)

Cây gai

5

33.07

0.536

42

MCC

5

80

4

43

Bột giấy

60

55.6

1.022

44

Chuối

3

46

2.94

45

Nha đam

10

160

7.99

46

Cotton

5

1890

42

47

CNF(cây gai)

2.5 -5.0

19.4-30.9

1.48-2.17

48

MCC (bôt giấy)

20

31.8

4.7

49

CNF(bột giấy)

5

71.2

3.6

27

CNF (cây tre)

2

53

2.2

50

xích trong
chuỗi

lactic
acid

10


BC

57

2.3

MCC

71

2.6

CNF ( bột giấy)

10

75

4.7

51

CNC (MCC)

20

8.52

0.0596

35

Poly

CNC

1

3.5

0.072

ethylene

CNF

4

2.2

0.051

oxide

CNC

7

17.6

0.937

CNF

7

27.3

1.727

CNF

10

57.45

1.627

37

CNC

5

99

2.971

54

CNC ( gạo)

10

26.8

0.898

55

CNC ( bột mì)

6

8.2

0.326

56

CNF ( cotton)

20

31.19

1.023

57

CNF

30

59.3

1.816

58

CNF (vỏ ngũ cốc)

5

10.83

0.172

59

Chitosan

52
53

Tinh bột
Protein
trong
đậu
nành

Tham khảo trường hợp thêm nanocellulose vào các vật liệu sinh học phổ biến trên thị
trường hiện nay là Polyvinyl alcohol (PVA) và Polylactic acid (PLA).
5.2.1.

Polyvinyl alcohol (PVA)
Polyvinyl alcohol (PVA) là một polymer phân hủy sinh học tổng hợp dạng nhiệt dẻo, có

các đặc tính độc đáo bao gồm dễ tạo màng, độ bền kéo khá tốt nhưng độ cứng, độ bền lực
kém [18]. Trong phân tử PVA có liên kết đơn C-C nên rất dễ phân hủy. Khả năng chống thấm
khí, chịu dầu mỡ và dung môi của PVA tốt nhưng do dễ hút ẩm nên độ ổn định kích thước
kém. Trong khi đó, MFC có cấu trúc tinh thể, có định hướng, dễ phân hủy sinh học. MFC
được tách chiết từ những thực vật nhiều chất xơ như: đay, bông, xơ dừa, tre,... hay phế phẩm
nơng nghiệp nên có giá thành khá rẻ. Sở dĩ chọn MFC làm vật liệu gia cường cho PVA vì
những đặc điểm quan trọng như: bề mặt rất lớn, độ bền cơ khá cao, độ giãn nở theo nhiệt
thấp, có thể khắc phục những khuyết điểm của PVA nguyên chất. Đặc biệt, nhóm –OH của
MFC có thể tạo liên kết hydro với nhóm –OH của PVA giúp quá trình khâu mạch hiệu quả
hơn.

11


Dựa vào bảng thực nghiệm trên, ta thấy được, khi thêm MFC vào, độ bền kéo đứt và
module đàn hồi tăng đáng kể so với PVA nguyên chất (độ bền kéo và module đàn hồi của PVA
nguyên chất lần lượt là 20 MPa và 180 MPa) cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu này
trong tương lai.
5.2.2.

Polylactic acid (PLA)
Polylactic acid (PLA) là chất tạo nhựa sinh học nhiệt dẻo tái tạo được làm từ nguyên

liệu nông nghiệp là tinh bột ngơ thơng qua q trình trùng ngưng D- hoặc lên men acid lactic.
Do có độ bền kéo cao, giá thành thấp, trong suốt, khả năng tương hợp sinh học cao, đặc biệt là
vô cùng thân thiện với môi trường vì khả năng phân hủy sinh học cao (phân hủy hoàn toàn từ
90 đến 180 ngày, tùy theo điều kiện phân hủy sinh học) nên chúng được ứng dụng trong sản
xuất bao bì, phụ tùng ơ tơ, in 3D và cấy ghép y sinh [19]. Tuy nhiên, PLA có nhược điểm là
độ dẻo dai yếu và độ bền nhiệt thấp. Do đó, người ta đã khắc phục nhược điểm này bằng cách
kết hợp chất độn tăng cường như CNFs, MFC thu được từ sợi lanh bằng cách thủy phân axit.
Độ dãn dài và ứng suất kéo của vật liệu tổng hợp có CNF 5% đã tăng 47% và 59% so với
PLA ngun chất [20]. Bên cạnh đó, đặc tính cơ học của PLA còn phụ thuộc vào hàm lượng
của nanocellulose khác nhau. Điều này được thể hiện trong đường cong ứng suất biến dạng
dưới đây:

Hình 6.1. Đường cong ứng suất - biến dạng của PLA khi trộn thêm MFC có hàm lượng
khác nhau [21].

12

5.3. Ứng dụng nanocellulose trong xử lý nước
Trong những năm gần đây, vật liệu nano bền vững, như tinh thể nanocellulose (CNC) và
sợi nanocellulose (CNFs), được gọi chung là vật liệu nanocellulose (CNs) đã được khám phá
để ứng dụng trong các quy trình xử lý nước nói chung và nước thải nói riêng. Các đặc tính
cấu trúc, cơ học và quang học độc đáo của CN bao gồm tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích
cao, tác động mơi trường thấp, độ bền cao, tính linh động và bền vững. Cùng với nhiệm vụ
toàn cầu để phát triển các giải pháp thay thế lượng khí thải carbon thấp, cung cấp cơng nghệ
cho các quy trình xử lý nước là mục tiêu lớn của giới khoa học trên toàn thế giới.
Đã có những nghiên cứu cho ứng dụng về xử lý nước như: sản xuất đồng thời và chức
năng hóa các sợi nanocellulose (CNFs) để loại bỏ ion kim loại nặng là một giải pháp kinh tế
và đầy hứa hẹn để đẩy nhanh việc sử dụng chúng trong xử lý nước. Trong nghiên cứu này,
CNF được cacboxymetyl hóa (CMCNF) với hàm lượng carboxylate lên đến 2,7 mmol / g
được điều chế bằng sự kết hợp của q trình carboxymethyl hóa và đồng nhất, có đường kính
từ 3,40 – 3,53 nm và chiều dài 1210,6–383,3 nm. Hiệu suất hấp phụ của CMCNFs cho thấy
khả năng loại bỏ Cu2+ ở trạng thái cân bằng cao kỷ lục là 115,3 mg / g ở pH 5,0 [22].
Màng tổ hợp nano tổng hợp mới được sử dụng làm chất hấp phụ để loại bỏ các ion tím
tinh thể (CV), Cd cũng như Cu chúng được chọn làm đại diện của thuốc nhuộm và kim loại
nặng. Các nhà khoa học đã tìm hiểu ảnh hưởng của các thông số khác nhau, chẳng hạn như
thời gian, pH, nhiệt độ, nồng độ ban đầu của dung dịch chất hấp phụ và lượng chất hấp phụ,
đến khả năng hấp phụ của màng. Hơn nữa, các mơ hình động học, đẳng nhiệt hấp phụ và nhiệt
động lực học đã được sử dụng để mơ tả các q trình hấp phụ. Khả năng hấp phụ tối đa của
màng đối với các ion CV và Cd (II) được tìm thấy lần lượt là 546 và 781 (mg g-1) [23].
5.4. Ứng dụng nanocellulose trong lưu trữ năng lượng
Pin từ nanocellulose khác với pin lithium-ion hiện đang được sử dụng để cấp điện cho
các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động, laptop,… Pin nanocellulose loại bỏ hoàn
toàn khả năng phát nổ bởi tính chịu nhiệt rất tốt trong thời gian dài, trong khi pin lithium-ion
người ta thường sử dụng thêm lớp nhựa cách điện dẫn đến tình trạng pin có thể bị phát nổ.
Một thí nghiệm thả những sợi nanocellulose vào nước rồi đưa qua hệ thống lọc chân
không để sản xuất giấy. Sau đó, lấy hai tấm giấy nano mạ một mặt với ống nano carbon và vật
liệu để làm đầu cực pin dạng bột truyền thống, hoặc là Li-Fe-P để làm cực cathode (cực âm)

hoặc Li-TiO2 để làm cực anode (cực dương) [24]. Các lớp nanocellulose đóng vai trị làm
màng tách trong pin hồn chỉnh. Hai mặt được mạ của hai tờ giấy được úp vào nhau để lớp

13


điện cực hướng ra bên ngồi, sau đó ngâm trong dung dịch điện phân rồi bọc kín trong một
gói nhựa thu thành phẩm pin.
Ngoài ra, thời lượng của pin giấy lại dài gấp 3 lần so với pin sạc lithium-sulfur. Đặc
biệt, loại pin này cịn có thể bẻ cong được. Và đương nhiên, do vật liệu sản xuất chủ yếu là sợi
nanocellulose nên vật liệu rất nhẹ và nhỏ gọn (dày khoảng 110 µm, chưa kể lớp vỏ). Một tính
chất vượt trội của pin nanocellulose là tùy thuộc vào mức độ của dịng điện, pin có thể sạc
nhanh gấp từ 2 đến 4 lần so với pin lithi hiện tại.
6.

Đánh giá
Nhận thấy rằng, nanocellulose là một trong những vật liệu đang thu hút được rất nhiều

nhà nghiên cứu bởi các ưu điểm nổi bật về tính chất đã được nghiên cứu như độ bền cao, độ
trong suốt quang học, cũng như tính hấp phụ kim loại nặng,…và đặc biệt nhất là khả năng
phân huỷ sinh học thích hợp với việc phát triển vật liệu bền vững.
Việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu nanocellulose đang được phát triển gần đây, tuy còn
khá mới mẻ nhưng cũng đã nhận được rất nhiều sự quan tâm của các tổ chức và các nhà khoa
học. Việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu mới và hóa chất từ sinh khối lignocellulose, bao gồm
các nghiên cứu cơ bản và định hướng tổng hợp và ứng dụng về cơng nghệ chuyển hóa ngun
liệu xơ sợi (gỗ, phế phụ phẩm nông nghiệp, chất thải công nghiệp giấy) thành vật liệu mới,
vật liệu nano, hóa chất "xanh", ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, môi trường, thực
phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, ...
Tuy nhiên, cũng phải thừa nhận rằng còn rất nhiều thách thức trong lĩnh vực này vì cịn
khá mới mẻ, việc nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở mặt hiệu suất chưa có cơ hội để áp dụng vào

công nghiệp. Mong rằng trong khoảng thời gian tới đây vật liệu nanocellulose sẽ phát triển
cùng với sự đầu tư của các nhà đầu tư với các nhà khoa học đồng hành cùng xu hướng phát
triển bền vững của thế giới.
7.

Tiềm năng phát triển của vật liệu nanocellulose
Các nghiên cứu về nanocellulose đã bắt đầu khá lâu trước đây như vào năm 1886 nhà

bác học Brown đã phát hiện vi khuẩn Aceti có khả năng tổng hộp một lớp màng cellulose tinh
khiết nhưng vào thời điểm đó vật liệu này khơng được cho là ưu tiên vì có các loại vật liệu rẻ
tiền hơn. Sau này, khi thế giới đang chạy đua về cơng nghiệp thì vật liệu nanocellulose đã
xuất hiện như một hy vọng về một vật liệu bền vững và cũng đã được các nước nghiên cứu
ứng dụng. Khơng đứng ngồi xu thế của thế giới, các nhà nghiên cứu của Việt Nam đã và

14


đang miệt mài nghiên cứu như Nguyễn Thị Ngọc Bích, Nguyễn Xuân Thành,… và các nghiên
cứu sinh trẻ tuổi.
Tiến sĩ Nguyễn Thị Ngọc Bích đã xuất bản cuốn sách về Kỹ thuật cellulose và giấy đã
nghiên cứu về tổng quan của cellulose cũng như việc tạo ra cellulose từ gỗ và các nghiên cứu
hình thành giấy từ cellulose đó.
Tác giả Nguyễn Xuân Thành có một chuyên đề nghiên cứu một số đặc tính của mạng
lưới 3D-nanocellulose nạp Curcumin được sản xuất từ vi khuẩn Acetovacter Xylium được
ứng dụng trong lĩnh vực y sinh [25].
Nghiên cứu sinh Lại Trần Ngọc Trân có một bài nghiên cứu chế tạo vật liệu
nanocomposite trên cơ sở CNC/PVA trong ứng dụng xử lý nước thải có nội dung khảo sát các
đặc trưng của nanocellulose tinh thể tạo thành bằng TEM,…[26].
Một nghiên cứu cũng được cho là khá phổ biến đã được áp dụng là nghiên cứu chế tạo
nanocellulose làm vật liệu gia cường cho PLA của nghiên cứu sinh Đặng Thị Mai với việc chế

tạo polymer nanocomposite PLA/CNC và khảo sát tính chất vật liệu đó [27].
Tuy cịn gặp nhiều khó khăn về tài chính nhưng nhìn chung Việt Nam đang từng bước
nghiên cứu để có thể ứng dụng nguồn sinh khối lignocellulose thay thế nguồn nguyên liệu cũ.
8. Kết luận
Chúng ta có thể kết luận rằng nanocellulose là một polymer rất linh hoạt, dễ sản xuất và
chiết xuất. Ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực đã được thảo luận ở trên. Với nhu cầu phát
triển bền vững của thế giới, năng lượng tái tạo đang dần trở thành khía cạnh cấp thiết của bảo
tồn tài nguyên và sức khỏe môi trường tổng thể. Mặc dù nhiều loại polymer khác đã được ứng
dụng cho tiêu dùng, y sinh và dược phẩm, nhưng ưu điểm nổi bật của vật liệu nanocellulose là
nó là một vật liệu có thể phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường. Việc nghiên cứu đã
nhấn mạnh vào các ứng dụng đa dạng của nanocellulose để thúc đẩy nhiều cải tiến hơn nhằm
thu hẹp khoảng cách giữa lượng chất thải cellulose và việc sử dụng tối ưu nó. Lượng lớn chất
thải có nguồn gốc cellulose được tạo ra ở các nước trên thế giới điển hình là các nước ở xứ
nhiệt đới như: Việt Nam, Kenya,… cũng là nguồn tài nguyên chưa được khai thác. Việc
nghiên cứu chuyển đổi các chất thải này thành sản phẩm, sử dụng rộng rãi trong đời sống vừa
làm giảm chi phí nguyên liệu, vừa góp phần giảm lượng chất thải ra ngồi mơi trường và phát
triển bền vững trong tương lai.

15


Tài liệu tham khảo
[1] PetroTimes (2014). Năng lượng sinh khối ở Việt Nam: vẫn chỉ là tiềm năng,
< />[2] Nguyễn Thị Ngọc Bích (2010). Kỹ thuật xenlulơ và giấy, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia
Thành phố Hồ Chí Minh.
[3] Dieter Klemm, Brigitte Heublein, Hans-Peter Fink, Andreas Bohn (2005). Cellulose:
Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material. Angewandte Chemie, 44, 3359.
[4] M.M. Alam, M.M. Morshed (2014). Nano and Microscale Processing – Modeling.
Comprehensive Materials Processing.
[5] Aamir H. Bhat, Y.K. Dasan, Imran Khan, H. Soleimani and Amil Usmani (2017).

Application of nanocrystalline cellulose: Processing and biomedical applications, 215-240.
[6] D.V.Mashego (2016). Preparation, isolation and characterization of nanocellulose from
sugarcane bagasse.
[7] Sam Gibbs (2013). The amazing material that promises flexible displays. Faster cars and
bullet-proof suits.
[8] Fathin Najihah Nor Mohd Hussin, Roswanira Abdul Wahab, Nursyfreena Attan (2020).
Nanocellulose and nanoclay as reinforcement materials in polymer composites: A review,
Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences, Vol.16 (2), pp.145-153.
[9] Hoi-Fang Tan, B.S. Ooi, C.P. Leo (2020). Future perspectives of nanocellulose-based
membrane for water treatment. Journal of Water Process Engineering, 37, 101502.
[10] P. Panchal, E. Ogunsona, T. Mekonnen (2018). Trends in advanced functional material
applications of nanocellulose. Processes, 7, 10.
[11] A. Tshikovhi, S.B. Mishra, A.K. Mishra (2020). Nanocellulose-based composites for the
removal of contaminants from wastewater. Int. J. Biol. Macromol, 152, 616–632.
[12] M. Skočaj (2019). Bacterial nanocellulose in papermaking. Cellulose, 26, 6477–6488.
[13] H. Lee, S.B.A. Hamid, S. Zain (2014). Conversion of lignocellulosic biomass to
nanocellulose: structure and chemical process. Sci. World J, 2014, 631013.
[14] P. Phanthong, P. Reubroycharoen, X. Hao, G. Xu, A. Abudula, G. Guan (2018).
Nanocellulose: extraction and application. Carbon Resour. Convers, 1, 32–43.

16


[15] K.P.Y. Shak, Y.L. Pang, S.K. Mah (2018). Nanocellulose: Recent advances and its
prospects in environmental remediation. Beilstein J. Nanotechnol, 9, 2479–2498.
[16] Joo-Hyung Kim, Bong Sup Shim, Heung Soo, Kim Young-Jun, Lee Seung-Ki, Min
Daseul Jang, Zafar Abas d Jaehwan Kim (2015). Review of Nanocellulose for Sustainable
Future Materials. International journal of precision engineering and manufacturing-green
technology, Vol.2, No.2, pp.197-213.
[17] Joo-Hyung Kim1, Bong Sup Shim2, Heung Soo Kim3, Young-Jun Lee1, Seung-Ki Min1,

Daseul Jang2, Zafar Abas3, and Jaehwan Kim (2015). Review of Nanocellulose for
Sustainable Future Materials.
[18] Liu, D., Sun, X., Tian, H., Maiti, S., and Ma, Z. (2013). Effects of Cellulose Nanofibrils
on the Structure and Properties on PVA Nanocomposites. Cellulose, Vol. 20, No. 6, pp. 29812989.
[19] Vũ Phương Thanh, Trần Công Huyện, Đặng Thị Cẩm Tiên và Phạm Ngọc Trúc Quỳnh
(2015), Biodegradable Poly (lacticacid) (PLA): Overview and Applications.
[20] Liu, D. Y., Yuan, X. W., Bhattacharyya, D., and Easteal, A. J. (2010). Characterisation of
Solution Cast Cellulose Nanofibre-Reinforced Poly (Lactic Acid). Express Polymer Letters,
Vol. 4, No. 1, pp. 26-31.
[21] Iwatake, A., Nogi, M., and Yano, H. (2008). Cellulose NanofiberReinforced Polylactic
Acid. Composites Science and Technology, Vol. 68, No. 9, pp. 2103-2106.
[22] Famei Qin, Zhiqiang FangJie Zhou ,Chuan SunKaihuang Chen, Zixian Ding, Guanhui
LiXueqing Qiu, Efficient Removal of Cu2+ in Water by Carboxymethylated Cellulose
Nanofibrils: Performance and Mechanism.
[23] Samaneh Saber-Samandari,, SaeedSaber-Samandari, SamiraHeydaripour, MajidAbdouss,
Novel carboxymethyl cellulose based nanocomposite membrane: Synthesis, characterization
and application in water treatment.
[24] Zhaohui Wang, Yong-Hyeok Lee, Sang-Woo Kim, Ji-Young Seo, Sang-Young Lee, and
Leif Nyholm (2020). Why Cellulose-Based Electrochemical Energy Storage Devices.
Advanced Materials, 2000892.
[25] Nguyễn Xuân Thành (2018). Nghiên cứu một số đặc tính của mạng lưới 3D-nanocellulose nạp curcumin được sản xuất từ vi khuẩn Acetobacter xylinum. Tạp chí Khoa học và
Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 184 (8), 83-88.

17


[26] Lại Trần Ngọc Trân (2019). Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nanocomposite trên cơ sở
Nanocellulose tinh thể/Poly (Vinyl acohol) và ứng dụng trong xử lý nước thải, Luận văn tốt
nghiệp.
[27] Đặng Thị Mai (2020). Nghiên cứu chế tạo Nanocellulose làm vật liệu gia cường cho

Polylactic acid, Luận văn thạc sĩ hóa học, Viện hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam.

18