Nghiên cứu biến tính bã mía acid hữu cơ ứng dụng trong loại bỏ chất màu methyleneblue

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BÃ MÍA BẰNG ACID HỮU CƠ ỨNG
DỤNG TRONG LOẠI BỎ CHẤT MÀU METHYLENE BLUE
Mã số đề tài:

19.2H01

Chủ nhiệm đề tài:

PGS.TS Nguyễn Văn Cường

Đơn vị thực hiện:

Khoa Cơng nghệ Hóa học

TP. HỒ CHÍ MINH, 8.2020


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH BÃ MÍA BẰNG ACID HỮU CƠ ỨNG
DỤNG TRONG LOẠI BỎ CHẤT MÀU METHYLENE BLUE
Mã số đề tài:

19.2H01

Chủ nhiệm đề tài:

PGS.TS Nguyễn Văn Cường

Đơn vị thực hiện:

Khoa Cơng nghệ Hóa Học

TP. HỒ CHÍ MINH, 8.2020
ii


DANH MỤC VIẾT TẮT

• CAS: Bã mía biến tính với acid citric
• MCAS: Bã mía từ tính với acid citric
• RS: Bã mía thơ
• MB: metylene blue
• XRD: X-ray diffraction
• FT-IR: Fourier transform infrared spectroscopy

• SEM: Scanning electron microscope
• VSM: Vibrating sample magnetometer
• VLHP: Vật liệu hấp phụ
• CHHĐBM: Chất hoạt động bề mặt

iii


MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................................viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................................... ix
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................................................ 8

1.1.

Tổng quan về cây mía ...........................................................................................8

1.1.1.

Giới thiệu chung về cây mía [1] ....................................................................8

1.1.2.

Thành phần hóa học và cấu trúc của bã mía ..................................................9

1.2.

Tổng quan hạt nano sắt từ Fe3O4.........................................................................18

1.2.1.

Cấu trúc .......................................................................................................18

1.2.2.

Tính chất đặc trưng ....................................................................................19

1.2.3.

Phương pháp điều chế .................................................................................19

1.2.4.

Ứng dụng của hạt nano từ tính ....................................................................21

1.3.

Tổng quan về nước thải dệt nhuộm.....................................................................23

1.3.1.

Khái niệm về thuốc nhuộm ..........................................................................24

1.3.2.

Loại thuốc nhuộm nghiên cứu: ....................................................................24

1.3.3.

Tác hại của ô nhiễm nước thải dệt nhuộm do thuốc nhuộm ........................26

1.4.

Tổng quan về một số loại bã mía biến tính và ứng dụng của chúng...................28

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .......................................................................................................... 32

2.1. Hóa chất, thiết bị, dụng cụ ......................................................................................32
2.2. Quy trình tiến hành..................................................................................................32
2.2.1. Xử lý bã mía .....................................................................................................32
2.2.2. Biến tính bã mía bằng acid citric ......................................................................32
2.2.3. Tổng hợp nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa ........................33
2.2.4. Tổng hợp bã mía từ tính (MCAS) ....................................................................34
2.3. Các phương pháp phân tích hóa lý ..........................................................................36
2.4. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của bã mía biến tính..........36
2.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ acic citric lên khả năng hấp phụ chất màu methylene
blue ............................................................................................................................. 36
2.4.2. Ảnh hưởng của khối lượng bã mía từ tính đến khả năng hấp phụ methylene
bue .............................................................................................................................. 37
2.4.3. Ảnh hưởng của thời gian và nồng độ chất màu MB đến độ hấp phụ của bã mía
từ tính ..........................................................................................................................37
2.4.4. Ảnh hưởng của pH ........................................................................................... 37
vi


2.4.5. Ảnh hưởng của các chất màu khác nhau đến khả năng hấp phụ của bã mía từ
tính .............................................................................................................................. 38
Chương 3: Kết quả và thảo luận .................................................................................................... 39

3.1. Tổng hợp và xác định cấu trúc của vật liệu ............................................................ 39
3.1.1. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) ..................................39
3.1.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng tia X
(EDX) .........................................................................................................................41
3.1.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .................................................................42
3.1.4. Phân tích từ tính (VSM) ...................................................................................43
3.1.5. Kết quả đo TGA của bã mía từ tính .................................................................44
3.2. Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ chất màu MB của bã
mía biến tính ...................................................................................................................45
3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của kích thước bã mía đến khả năng hấp phụ chất màu
MB: ............................................................................................................................. 45
3.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ acid citric đến khả năng hấp phụ màu MB ...............46
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian biến tính đến khả năng hấp phụ chất màu
MB: ............................................................................................................................. 47
3.2.4. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu đến khả năng hấp phụ chất màu MB .......48
3.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian đến khả năng hấp phụ chất màu MB ....50
3.2.6. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ chất màu MB .......................50
3.2.7. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ chất màu MB ................................ 51
3.2.8. Ảnh hưởng của các chất màu khác nhau đến khả năng hấp phụ của bã mía từ
tính .............................................................................................................................. 52
Chương 4: Kết Luận Và Kiến Nghị ................................................................................................. 56

4.1.

Kết luận ...........................................................................................................56

4.2.

Kiến nghị .........................................................................................................56

Tài liệu tham khảo ......................................................................................................................... 57
Phụ lục ........................................................................................................................................... 60

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nước mía .................................................................................. 9
Bảng 2.1 Hóa chất ......................................................................................................................... 32
Bảng 2.2. Bước sóng cực đại của các chất màu ............................................................................ 38
Bảng 3.2. So sánh độ pH đến khả năng hấp phụ của bã mía từ tính với CA ................................. 51
Bảng 3.3 Các giá trị hằng số đẳng nhiệt của quá trình hấp phụ chất màu MB ở các nhiệt độ 298 K54
Bảng PL.1. So sánh hiệu suất hấp phụ của bã mía với các nồng độ acid citric khác nhau ............ 60
Bảng PL.2. So sánh hiệu suất hấp phụ của bã mía từ tính với CA với nồng độ và thời gian khác
nhau............................................................................................................................................... 60

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc của cellulose, hemicellulose và lignin .............................................................. 10
Hình 1.2. Cấu trúc phân tử của cellulose ...................................................................................... 11
Hình 1.3. Vùng tinh thể và vùng vơ định hình của cellulose ......................................................... 11
Hình 1.4. Cấu trúc hóa học của các hợp chất chính của hemicellulose ........................................ 14
Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của lignin............................................................................................ 14
Hình 1.6. Cấu trúc của ferit spinel ................................................................................................. 18
Hình 1.7. Cơng thức cấu tạo của metylene blue ........................................................................... 26
Hình 2.1. Sơ đồ biến tính bã mía với acid citric ............................................................................ 33

Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp hạt nano sắt từ ..................................................................................... 34
Hình 2.3. Sơ đồ tạo bã mía từ tính MCAS ..................................................................................... 35
Hình 3.1. (a) Phổ FT-IR của bã mía thơ, bã mía biến tính với acid citric và (b) Phổ FT-IR của bã
mía từ tính. .................................................................................................................................... 41
Hình 3.2. Ảnh chụp SEM của bã mía từ tính với CA ở các độ phóng đại khác nhau: a) 30000x, b)
50000x, c) 100000x ....................................................................................................................... 41
Hình 3.3. Phổ EDX của bã mía từ tính với CA ................................................................................ 42
Hình 3.4. Ảnh nhiễu xạ XRD của bã mía từ tính với CA và Fe3O4 .................................................. 43
Hình 3.5. Đường cong từ tính của Fe3O4 và bã mía từ tính .......................................................... 44
Hình 3.6. Kết quả TGA của bã mía từ tính ..................................................................................... 45
Hình 3.7. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu đến khả năng hấp phụ chất màu MB. Nồng độ ban
đầu của chất màu MB là 25 mg/L, thời gian hấp phụ là 30 phút, khối lượng vật liệu hấp phụ 0.5
g ..................................................................................................................................................... 46
Hình 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ Acid Citric đến hiệu suất hấp phụ .......................................... 47
Hình.3.9 Ảnh hưởng của thời gian biến tính bã mía với acid citric đến khả năng hấp phụ chất
màu MB. Nồng độ dung dịch chất màu MB ban đầu là 25 mg/L, thời gian hấp phụ là 30 phút và
khối lượng vật liệu hấp phụ là 0.5 g. ............................................................................................. 48
Hình 3.10. Ảnh hưởng của khối lượng bã mía từ tính đến khả năng hấp phụ chất màu MB....... 49
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian đến khả năng hấp phụ của bã mía từ tính. ...... 50
Hình 3.12. Ảnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ màu MB 75ppm của bã mía từ tính với CA51
Hình 3.13. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của bã mía từ tính với CA ........................ 52
Hình 3.14. Khả năng hấp phụ các bột màu khác của bã mía từ tính. ........................................... 53
Hình. 3.15. Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt của chất màu MB ở nhiệt độ 298 K ................................. 55

ix


LỜI CÁM ƠN
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ nghiên cứu khoa học của Trường Đại học Công
nghiệp Tp HCM, lãnh đạo khoa Cơng nghệ Hóa học, Phịng thí nghiệm Khoa Cơng nghệ

Hóa học, các thành viên của đề tài đã giúp tơi hồn thành đề tài nghiên cứu khoa học này.
Cảm ơn các thành viên của nhóm nghiên cứu thuộc IUH đã động viên giúp đỡ tôi về mặt
tinh thần để hồn thành cơng trình nghiên cứu này.

1


PHẦN I. THƠNG TIN CHUNG
I. Thơng tin tổng qt
1.1. Tên đề tài
Nghiên cứu biến tính bã mía bằng acid hữu cơ ứng dụng trong loại bỏ chất màu
methylene blue
1.2. Mã số: 19.2H01
1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
Họ và tên

TT

3
4

Vai trò thực hiện đề tài

Trường Đại học Công
nghiệp Tp HCM

Thành viên

Trần Nguyễn Minh Ân

Trường Đại học Công
nghiệp Tp HCM

Thành viên

Trần Thanh Phúc

Trường Đại học Công
nghiệp Tp HCM

Thành viên

Trần Thị Quỳnh Mai

Trường Đại học Công
nghiệp Tp HCM

Thành viên

1 Nguyễn Văn Cường
2

Đơn vị công tác

(học hàm, học vị)

1.4. Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng nghệ Hóa học, Đại học Công nghiệp Tp.HCM
1.5. Thời gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 10 năm 2019 đến tháng 10 năm 2020.
1.5.2. Gia hạn (nếu có): Khơng

1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 10 năm 2019 đến tháng 6 năm 2020
1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
II. Kết quả nghiên cứu
1. Đặt vấn đề
Cơng nghiệp hóa hiện đại hóa phải đi đơi với bảo vệ môi trường. Phát triển công nghiệp
2


phải bền vững và đem lại lợi ích cho tồn xã hội. Ngành công nghiệp nước ta đang trên
đà phát triển và những tác động tiêu cực đến môi trường là không nhỏ. Do đặc thù là nền
công nghiệp mới phát triển, chưa có quy hoạch tổng thể và nhiều ngun nhân khác nhau
như chi phí xử lý mơi trường quá cao hoặc chi phí xử lý ảnh hưởng đến lợi nhuận và tính
cạnh tranh của sản phẩm nên rất nhiều nhà máy đã xả thải trực tiếp ra môi trường.
Trong những ngành cơng nghiệp ấy thì ngành dệt nhuộm là ngành rất phát triển ở nước
ta, tuy nhiên nước thải của ngành này cũng được đánh giá là có độ ô nhiễm cao cả về
màu, mùi vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Lưu lượng, thành phần và tính chất thường
không ổn định. Việc xả thải thẳng ra môi trường không qua xử lý hoặc xử lý không đạt
tiêu chuẩn dẫn đến ô nhiễm nguồn nước trầm trọng.
Một số phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm đã được nghiên cứu và ứng dụng như
phương pháp sinh học, màng lọc, đơng-keo tụ, điện phân, oxi hóa bậc cao và hấp
phụ. Trong hấp phụ, than hoạt tính là một chất thường được sử dụng để loại bỏ các chất ô
nhiễm hữu cơ từ nước thải nhưng là một vật liệu đắt tiền.
Để có thêm phương án lựa chọn kinh tế cho quy trình xử lý hiệu quả nước thải dệt nhuộm
đặc biệt là việc khử màu, đề tài này sẽ đi vào nghiên cứu khả năng áp dụng phương pháp
hấp phụ bằng vật liệu bã mía biến tính, một vật liệu phế thải của ngành cơng nghiệp mía
đường để hấp phụ màu nước thải ngành dệt nhuộm. Từ thực tế đó việc nghiên cứu sử
dụng vật liệu phế thải để xử lý ô nhiễm môi trường là một hướng đi đúng đắn nhằm nâng
cao giá trị cây mía, giảm ơ nhiễm cho ngành cơng nghiệp mía đường và tạo ra loại vật
liệu xử lý nước thải cho các nhà máy dệt nhuộm. Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu biến tính bã
mía bằng acid hữu cơ ứng dụng trong loại bỏ chất màu methylene blue” được đề nghị

nghiên cứu nhằm đáp ứng các yêu cầu trên.
2. Mục tiêu
2.1. Mục tiêu tổng quát.
−

Biến tính bã mía bằng một số hóa chất với sự hỗ trợ của vi sóng để làm chất hấp phụ
xử lý loại bỏ chất màu trong ngành công nghiệp dệt nhuộm.

2.2. Mục tiêu cụ thể.
−

Xây dựng được quy trình tổng hợp bã mía biến tính với acid và bã mía từ tính với hạt
nano sắt từ;
3


−

Xác định được các yếu ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ nước thải của vật liệu;

−

Xác định được khả năng hấp phụ của vật liệu với các loại nước thải khác nhau;

−

Viết bài đăng tạp chí thuộc hệ thống quốc tế Scopus/ISI: 01 bài

−

Báo cáo tổng kết và nghiệm thu.

3. Phương pháp nghiên cứu
− Đọc tài liệu;
− Thiết kế qui trình thực nghiệm;
− Xây dựng kế hoạch thực nghiệm;
− Nghiên cứu biến tính bã mía với acid bằng gia nhiệt vi sóng
− Nghiên cứu tổng hợp nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa
− Nghiên cứu tổng hợp bã mía từ tính
− Phương pháp nghiên cứu cấu trúc vật liệu
o Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
o Nhiễu xạ tia X (XRD)
o Quang phổ hồng ngoại FTIR.
o Quang phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
o Phân tích từ tính (VSM)
o Đo bề mặt riêng theo phương pháp BET
− Phương pháp đánh giá hấp phụ
− Viết báo cáo tổng kết.
4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu
− Đã biến tính bã mía bằng acid citric dưới sự hỗ trợ của vi sóng;
− Nghiên cứu tổng hợp nano từ tính Fe3O4 bằng phương pháp đồng kết tủa;
− Nghiên cứu tổng hợp bã mía từ tính;
− Xác định cấu trúc của bã mía trước và sau khi biến tính bằng acid citric và sau khi
có sự hỗ trợ của vi sóng;
− Nghiên cứu khảo sát khả năng hấp phụ chất màu và các yếu tố ảnh hưởng đến khả
4


năng hấp phụ chất màu của bã mía sau khi biến tính;
− Nghiên cứu khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của bã mía biến

tính và bã mía từ tính.
5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
− Biến tính thành cơng bã mía với hạt nano từ tính;
− Nghiên cứu thành công khả năng hấp phụ màu MB và các yếu tổ ảnh hưởng đến
khả năng hấp phụ màu MB của bã mía biến tính;
− Cơng bố 01 bài quốc tế trên tạp chí thuộc danh mục Scopus;
− Hồn thành báo cáo nghiệm thu đề tài.
6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)
Wastewater from industries has been a serious issue that both manufactures and
authorities raise concerns since it brings tremendous demerits to the surrounding
environment and human well-being. Therefore, an appropriate treatment method should
be applied before being discharged into the environment. In this paper, sugarcane bagasse
was modified with citric acid and then used to load the suspension of Fe3O4 nanoparticles
to form a nanocomposite of magnetic citric acid-modified sugarcane bagasse. The
properties of prepared materials were investigated by a variety of modern methods such
as FT-IR, SEM, EDX, VSM, and XRD. The adsorptive capacity of prepared materials
was investigated with methylene blue as the typical adsorbate.The decolonization
effectiveness was increased with increasing contact time and declined with rising initial
dye concentration. The higher removal efficiency was observed for the basic medium in
comparison with the acidic medium. Additionally, the results showed that more than 98%
of cationic yellow 51, and basic red 46 dyes were removed after 30 minutes.
III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo
3.1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)

T
T

Tên sản
phẩm

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu
kinh tế - kỹ thuật
Đăng ký

Đạt được
5


1

Bài báo
quốc tế
trên tạp
chí
Scopus/I
SI

01 Scopus

01 Scopus

Microwave-Assisted Preparation of Magnetic Citric
Acid-Sugarcane Bagasse for Removal of Textile Dyes
Indones. J. Chem., 2020, 20(5), 1101-1109
(ISSN 1411-9420 / 2460-1578)
/>
3.2. Kết quả đào tạo: Không đăng ký
IV. Tình hình sử dụng kinh phí
Stt

Nội dung

Chỉ tiêu được duyệt
Quyết tốn chi (Theo khoản mục)
Chi tiền cơng (Cộng mục này)
- Điều tra, khảo sát ban đầu, xây dựng đề cương,
thuyết minh
- Thuê lập phiếu điều tra, cung cấp thông tin
- Thuê cán bộ nghiên cứu thực địa…
- Thù lao chủ nhiệm đề tài:
- Thuê khoán thực hiện đề tài, nghiên cứu chuyên đề
+ Hợp đồng thuê khoán số 1
2.2 Chi phí chun mơn nghiệp vụ (Cộng mục này)
2.2.1 Acid citric và base
2.2.2 Hóa chất và dụng cụ khác
- Sách, tài liệu phục vụ nghiên cứu, sưu tầm…
- Phân tích mẫu thí nghiệp, xử lý số liệu
- Nghiệm thu, đánh giá…
- Chi phí khác…(Báo cáo tổng thuật, B/c tổng kết đề
tài)
2.3 Chi phí khác (Cộng mục này)
- Cơng tác phí
-In và photo (HĐ VAT0034528)
-In và photo (HĐ VAT0034550)
- Thuê phương tiện, địa điểm nghiên cứu
- Chi phí khác
3
Số kinh phí đã tạm ứng
4
Số đề nghị thanh toán tiếp (4 = 2 - 3)

1
2
2.1

6

Kinh phí
Kinh phí
được duyệt
dự tốn
43.500.000 43.450.000
43.500.000 43.450.000
10.000.000 10.000.000

10.000.000 10.000.000
28.500.000 28.450.000
10.000.000 9.950.000
18.500.000 18.500.000

5.000.000

5.000.000

2.500.000
2.500.000

2.500.000
2.500.000

0

0
43.500.000 43.450.000

Chênh
lệch
-50.000

-50.000
-50.000
0

0

0
0


V. Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
− Kết quả đạt được có thể là một thành công đối với chúng tôi trong quá trình
nghiên cứu vì nó cho thấy giá trị thực tiễn khi biến phế phẩm thành chất hấp phụ
xử lý được nước thải dệt nhuộm, hạn chế ô nhiễm môi trường. Cần tiến hành khảo
sát nghiên cứu vật liệu hấp phụ với các phẩm màu nhuộm khác và nước thải có
chứa kim loại nặng.
VI. Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
− Nguyen Thi Hong Anh, Tran Thanh Phuc, Tran Nguyen Minh An, Pho Quoc Hue,
Nguyen Van Cuong, Microwave-Assisted Preparation of Magnetic Citric Acid-Sugarcane
Bagasse for Removal of Textile Dyes, Indones. J. Chem., 2020, 20(5), 1101-1109
(ISSN 1411-9420 / 2460-1578) />Tp. HCM, ngày 12 tháng 08 năm 2020
Chủ nhiệm đề tài

PGS.TS NGUYỄN VĂN CƯỜNG

Phòng QLKH&HTQT

PGS.TS. ĐÀM SAO MAI

7

KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

TS. TRẦN NGUYẾN MINH ÂN


PHẦN II
BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1.

Tổng quan về cây mía

1.1.1. Giới thiệu chung về cây mía [1]
Cây mía có tên khoa học là Saccharum ssp. Thuộc họ hòa thảo giống Sacarum.
Trong loại Saccharum có 5 lồi mía gồm: 3 lồi trồng trọt và 2 lồi hoang dại. Thân cây
mía cao trung bình 2-3 m, một số giống có thể cao 4-5m, đường kính 2-5cm. Thân mía
được hình thành bởi nhiều dóng (đốt) hợp lại. Chiều dài mỗi dóng từ 15-20 cm, trên mỗi
dóng gồm có mắt mía (mắt mầm), đai sinh trưởng, đai rễ, sẹo lá…
Thành phần của cây mía:
−

Thành phần nước: 70 – 75%

−

Thành phần đường: 9 – 15%

−

Thành phần xơ: 10 – 16%

−

Đường khử: 0,01 – 2%

−

Chất không đường khác: 1 – 3%

Mía đường là cây trồng có nhiều ưu điểm và giá trị kinh tế cao và là một trong
những nguyên liệu quan trọng của ngành công nghiệp chế biến đường nên được trồng ở
nhiều quốc gia trong khu vực khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới. Ở nước ta, mía được
trồng nhiều ở miền Bắc, duyên hải miền Trung, Tây Nguyên, Đông Nam Bộ và đồng
bằng sông Cửu Long.Theo số liệu thống kê của Cục Chế biến nơng lâm thủy sản và nghề
muối, niên vụ mía đường 2015-2016 diện tích trồng mía cả nước là 284.367 héc ta, sản
lượng mía đạt 18,3 triệu tấn, năng suất bình quân 64,4 tấn/héc ta. So với vụ trước, diện
tích mía giảm 6,7%, sản lượng mía giảm 8%.

8

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nước mía
Thành phần
Đường
Saccarose
Glucose
Fructose
Xơ
Xenlulose
Pentosan (xylan)
Araban
Linhin
Chất có chứa nito
Protein
Amit
Acid amin
Acid nitric
Chất béo
Pectin
Acid tự do (succinic, malic)
Acid kết hợp (succinic, malic)
Chất vơ cơ
SiO2
K2O
Na2O
CaO
MgO
P2O5
SO3

%

Nước

74.5

12.0
0.90
0,50
5.50
2.0
0.5
2.0
0.12
0.07
0.21
0.01
0.20
0.08
0.12
0.25
0.12
0.01
0.02
0.01
0.07
0.02

1.1.2. Thành phần hóa học và cấu trúc của bã mía
Cấu tạo bã mía: chiều dài sợi khoảng: 0.15 ÷ 2.17 mm, chiều rộng khong: 21 ữ 28
àm. Bó mớa chim 25-30% trng lng mía đem ép.

Thành phần trung bình của bã mía:
−

Nước: khoảng 40-50%

−

Xơ: khoảng 45- 48% (trong đó 45-55% là cellulose)

−

Chất hồ tan (đường): 2,5%

Tùy theo loại mía và đặc điểm nơi trồng mía mà thành phần hố học các chất có
trong bã mía khơ (xơ) có thể biến đổi.
9


Thành phần của bã mía sau khi rửa sạch và sấy khơ gồm:
−

Cellulozo: khoảng 45-55%

−

Hemicellulose: khoảng 20-25%

−

Lignin: khoảng 18-24 %

Ngồi bã mía cịn một lượng nhỏ chất hịa tan khác như protein, sáp (<1%), tro (1 –

4%)…
Hình 1.1 Cấu trúc của cellulose, hemicellulose và lignin
Bã mía được xem là hệ composite polysaccharide gồm hemicellulose và cellulose
được bọc kín trong một nền chất lignin dai dẻo chịu hóa chất và kị nước, đan xen giữa
chúng là những lỗ xốp nhờ vậy bã mía có khả năng hấp phụ một số chất nhờ tạo lực liên
kết yếu giữa nó và chất bị hấp phụ.
Cellulose
Cellulose là một homopolimer mạch thẳng được tạo thành từ các đơn phân cellulose
(hai vòng glucose nối với nhau nhờ liên kết β-1,4-glycoside), có cơng thức cấu tạo là
(C6H10O5)n hay [C6H7O2(OH)3]n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000-14000, là
thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật. Trọng lượng phân tử khoảng từ
50000-2500000 Dalton.
Cellulose là phân tử polymer có mặt nhiều nhất trong vách tế bào. Nó tạo nên 2030% trọng lượng khơ của vách tế bào. Liên kết β-1,4-glycoside giữa các đường đơn

10


glucose cho phép hình thành các vi sợi cellulose trong suốt quá trình sinh tổng hợp vách
tế bào. Các vi sợi có tính kết tinh cao và cung cấp khung cấu trúc chính cho vách tế bào.

Hình 1.2. Cấu trúc phân tử của cellulose
Các polymer cellulose mạch dài được liên kết với nhau bởi liên kết hydrogen và
Van der Walls tạo thành dạng vi sợi với hai vùng cấu trúc chính là kết tinh và vơ định
hình. Trong vùng kết tinh, các phân tử cellulose liên kết chặt chẽ với nhau, vùng này khó
bị tấn cơng bởi enzyme cũng như hóa chất do các mạch cellulose kết với nhau theo một
trật tự đều đặn nhờ liên kết hydro nối nhóm hydroxyl thứ nhất của mạch này với
hydroxyl ở mạch cacbon của mạch khác…Ngược lại, trong vùng vơ định hình, cellulose

liên kết không chặt với nhau nên dễ bị tấn công do các mạch liên kết với nhau nhờ lực
Vander Waals nên cấu trúc ở vùng này không chặt, dễ bị tác động bởi các yếu tố bên
ngoài. Khi gặp nước dễ trương phồng, rất dễ tác động, làm thay đổi tồn bộ cấu trúc của

chúng.

Hình 1.3. Vùng tinh thể và vùng vơ định hình của cellulose
Cellulose có hai dạng tinh thể là cellulose I và cellulose II [2]. Cellulose I có các
chuỗi cellulose sắp xếp song song với nhau, trong khi các chuỗi cellulose II đối song với
nhau. Các dạng vơ định hình của cellulose là dạng III và dạng IV. Cellulose I thường có
trong cellulose tự nhiên. Trong cellulose I có hai loại liên kết hydro: liên kết hydro nội
phân tử và giữa các phân tử [2].
Ngoài ra, cenlulose 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
11


số dung dịch acid vô cơ mạnh như: HCl, HNO3… và một số dung dịch muối: ZnCl2,
PbCl2…
Cellulose do các mắt xích β-D-Glucose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4glycoside do vậy liên kết này thường không bền trong các phản ứng thủy phân.
−

Đun nóng lâu cellulose với dung dịch acid sunfuric, các liên kết β-glycoside bị
đứt tạo thành sản phẩm cuối cùng là glucozơ:
(C6H10O5)n + nH2O → nC6H12O6 (xt: H+, to)

−

Phản ứng với NaOH và CS2. Sản xuất tơ visco:
[C6H7O2(OH)3]n → [C6H7O2(OH)2ONa]n → [C6H7O2(OH)2OCS2Na]n

(Cellulose)

(Cellulose kiềm)

(Cellulose xanthogenate)

[C6H7O2(OH)2O-CS2Na]n + n/2H2SO4 → [C6H7O2(OH)3]n + nCS2 + Na2SO4
(Cellulose xanthogenate)
−

(Cellulose hidrat)

Tác dụng của dung dịch Cu(OH)2 trong ammoniac NH4OH:

Cellulose tan được trong dung dịch Cu(OH)2 trong amoniac có tên là "nước
Svayde", trong đó Cu2+ tồn tại chủ yếu ở dạng phức chất Cu(NH3)n(OH)2. Khi ấy sinh ra
phức chất của cellulose với ion đồng ở dạng dung dịch nhớt. Nếu ta cũng bơm dung dịch
nhớt này đi qua ống có những lỗ rất nhỏ ngâm trong nước, phức chất sẽ bị thủy phân
thành cellulose hidrate ở dạng sợi, gọi là tơ đồng - amoniac.
Phản ứng với một số acid hoặc anhydrit acid tạo thành este.
−

Tác dụng của HNO3:

Đun nóng cellulose với hỗn hợp HNO3 và H2SO4 đậm đặc, tùy theo điều kiện phản
ứng mà một, hai hay cả ba nhóm -OH trong mỗi mắt xích C6H10O5 được thay thế bằng
nhóm -ONO2 tạo thành các este cellulose nitrat:
[C6H7O2(OH)3]n + 3nHNO3 → [C6H7O2(ONO2)3]n + 3nH2O
(Cellulose trinitrate)
Hỗn hợp cellulose mononitrat và cellulose dinitrate (gọi là coloxilin) được dùng để

tạo màng mỏng tại chỗ trên da nhằm bảo vệ vết thương, và dùng trong công nghệ cao
12


phân tử (chế tạo nhựa xenluloit, sơn, phim ảnh...). Cellulose trinitrate thu được (có tên
gọi piroxiline) là một sản phẩm dễ cháy và nổ mạnh, được dùng làm chất nổ cho mìn, lựu
đạn và chế tạo thuốc súng khơng khói.
−

Tác dụng của (CH3CO)2O: Cellulose tác dụng với anhydrit acetic có
H2SO4 xúc tác có thể tạo thành Cellulose mono- hoặc đi- hoặc triacetate. Ví
dụ:
[C6H7O2(OH)3]n + 3n(CH3CO)2O → [C6H7O2(OCOCH3]n + 3nCH3COOH
(Cellulose triacetate)

Hemicellulose
Vi sợi cellulose có một lớp hemicellulose áo quanh gắn nó gắn kết với các vi sợi
khác. Hemicellulose được chức hóa giúp ổn định cấu trúc vách trong suốt quá trình sinh
tổng hợp vách tế bào.Nó là một loại polymer phức tạp và phân nhánh. Trong cấu trúc của
hemicellulose chứa các nhóm pentose (xylose arabinose) và hexose (glucose, mannose và
galactose) liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4, trong đó xylose là đơn phân chính. Ngồi
liên kết β-1,4 glucoside cịn có liên kết β-1,3 glucoside và liên kết β-1,6 glucoside tạo nên
phân tử có mạch nhánh. Chỉ số polyme hóa thấp nên hemicellulose có cấu trúc khơng
bền, dễ tham gia phản ứng hơn chúng khơng hịa tan trong nước nhưng dễ dàng tan trong
kiềm và bị thủy phân bởi acid loãng.

a) Xylan

13

b) Glucomannan
Hình 1.4. Cấu trúc hóa học của các hợp chất chính của hemicellulose
Lignin
Lignin là một hợp chất có cấu trúc phân tử phức tạp chứa polyme liên kết ngang của
các đơn phân phenolic, đặc biệt là p-coumaryl ancol, coniferyl ancol, sinapyl ancol.
Lignin có khả năng chống lại sự giảm cấp bằng tá hóa học hoặc enzyme.

Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của lignin
Hệ composite polysaccharide gồm hemicellulose và cellulose được bọc kín trong
một nền chất lignin dai dẻo chịu hóa chất và kỵ nước. Lignin là một polymer sinh học
phổ biến thứ nhì thường được tìm thấy trong các cây có mạch nhựa. Nó là loại polymer dị
thể gốc từ phenylpropanoid. Lignin làm cho vách tế bào chịu được côn trùng, kháng vi
14


khuẩn, chịu thời tiết và giúp truyền nước. Ngoài ra, lignin có cấu trúc vơ định hình,
khơng tan trong nước và trong acid vô cơ. Dưới tác dụng của bisulfite natri và H2SO4
lignin bị phân giải tạo ra các hợp chất thơm.
Lignin là chất tương đối hoạt động về mặt hóa học do có các nhóm –OH đính với
vịng thơm tham gia các phản ứng thế (nitro hóa, clo hóa…), este hóa, oxi hóa.
Lignin hịa tan tốt trong kiềm nóng, đây cũng chính là phương pháp tách lignin từ
lignin-cellulose.
Ứng dụng của bã mía
Trước đây, với khối lượng vơ cùng lớn bã mía- phế phẩm của ngành cơng nghiệp
mía đường chỉ dừng lại ở việc làm nhiên liệu đốt lò hoặc làm bột giấy và ván ép dùng
trong xây dựng…nên các ứng dụng của bã mía chưa được khai thác triệt để. Nếu như
trước đây tận dụng bã mía làm nhiên liệu thơng qua q trình đốt cháy trực tiếp có thể
gây ra các vấn đề mơi trường thì trong thời gian gần đây ứng dụng bã mía được khai thác
triệt để hơn như:

−

Sử dụng bã mía trong cơng nghệ trồng nấm linh chi

Nấm linh chi là loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cũng như chữa bệnh cao, nó có
tác dụng lớn trong hạ huyết áp. Nấm linh chi trồng trên bã mía có một số hoạt chất nhóm
polysarcarit và một số acid amin không thay thế với hàm lượng cao hơn trong nấm linh
chi trồng trên mùn cưa. Những hoạt chất này có tác dụng tang sức đề kháng của cơ thể,
điều chỉnh hàm lượng cholesterol trong máu. Nấm linh chi được trồng ở nước ta từ năm
1997 với nguyên liệu là mùn cưa. Nay mùn cưa được thay thế bằng bã mía. Khi trồng
nấm trên bã mía thì sản lượng nấm tăng lên từ 10 – 15%. Sản lượng đạt 45kg nấm khơ
trên 1 tấn bã mía. Một tấn mùn cưa giá 600.000 - 700.000đ/tấn, trong khi đó nguồn bã
mía hầu như cho khơng, dân chỉ mất phí vận chuyển. Hiện giá 1kg nấm khơng dưới
200.000 đồng.
Bã mía sau chế biến khi trồng và thu hoạch nấm trở thành nguồn phân bón hữu cơ
chất lượng thay thế phân hóa học để cải tạo đất trồng mía. Qua q trình ni cấy, cây
nấm sẽ phân hủy mía thành các vi sinh nhờ enzyme. Các chất dinh dưỡng nấm tiết ra sẽ
góp phần phục hồi độ màu của đất, phụ vụ ngành sản xuất đường sạch.
15


−

Ứng dụng bã mía trong chăn ni.
Đa phần những hộ chăn ni ở nơng thơn thường khơng có các biện pháp để xử lý

nước thải chăn nuôi gia súc, gia cầm. Phần lớn người dân đều cho nước thải chảy xuống
ao, mương, gây ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến sức khỏe người dân sinh sống gần
đó. Người dân khơng phải là khơng muốn xử lý nước thải mà vì nếu xây dựng hệ thống
xử lý nước thải như những trang trại chăn ni lớn thì khơng có tiền nên họ chỉ còn cách

cho chảy ra ao, mương.
Để giải quyết vấn nạn ơ nhiễm mơi trường vì nước thải chăn nuôi, các em học sinh
lớp 12 trường THPT An Lạc Thơn, huyện Kế Sách, tỉnh Sóc Trăng đã tìm ra được cách
để giải quyết vấn đề này. Các em dùng bã mía để lọc nước thải chăn ni trước khi cho
thải ra ngoài ao, hồ, kênh, mương. Nguồn nước sau khi lọc này có thể dùng để ni cá.
−

Sử dụng bã mía làm ván ép

Bã mía chứa nhiều cellulose nên ngồi việc dùng để đốt cịn được ứng dụng làm ván
ép. Bã mía được dùng làm nguyên liệu thay thế gỗ dùng làm ván ép thông thường. Tuy
nhiên để đạt được những yêu cầu không thấm nước, không bị nứt khi phơi nắng, cứng,
dai, rẻ… thì sản xuất cịn phải trộn them những phụ liệu khác như vỏ cà phê, lá thông,
rơm rạ, sợi tre… Tất cả những nguyên liệu trên được cắt nhỏ, xay, trộn đều theo tỷ lệ mà
nhà sản xuất nghiên cứu, đem ép thành tấm, sấy. Ván ép là sản phẩm làm từ phế phẩm
nông nghiệp, chúng có tính hút nước thấp, độ giản nở thấp, đạt tiêu chuẩn xây dựng. Ứng
dụng này không những giải quyết được đầu ra cho những phế phẩm nông nghiệp mà còn
mang về thu nhập lớn cho người dân và nhà máy.
−

Làm vật liệu siêu bền từ bã mía.

Nguồn nguyên liệu để sản xuất vật liệu siêu bền là rơm, bã mía, tre, tràm. Quy trình
cũng gần giống với quy trình sản xuất ván ép.
−

Sử dụng bã mía tạo ra điện.

Ở thế kỷ trước, khi giá dầu lửa còn rẻ, bã mía dư thừa là nỗi ám ảnh của các nhà
máy đường. Vì thế, các nhà máy chỉ dùng lị hơi áp lực thấp, hiệu suất thấp và phát điện

đủ dùng trong tồn bộ nhà máy. Với 1.000 tấn mía cho 290 tấn bã, lị hơi cơng suất 24 tấn
hơi/giờ, máy phát điện công suất 2MW là đủ để vận hành nhà máy. Ngày nay, khi giá dầu
16


mỏ đắt đỏi và ngày càng cạn kiệt, các nhà máy đường quan tâm nhiều hơn đến việc tiết
kiệm điện bằng cách sử dụng lò hơi áp lực cao và tuabin đa tầng, hiệu suất cao hơn nhiều.
Với lò hơi, tuabin hiệu suất cao, sản lượng điện sẽ nhiều hơn. Cụ thể, với 1.000 tấn mía,
lị hơi trên 33 tấn/giờ, máy phát điện sẽ có cơng suất 4MW. Nhận thấy được tiềm năng rất
lớn từ việc sử dụng bã mía để tạo ra điện, nên hiện nay rất nhiều nhà máy mía đường đầu
tư thêm hệ thống sản xuất điện từ bã mía khơng chỉ đáp ứng được nhu cầu dùng điện của
nhà máy mà cịn có thể hịa vào mạng lưới quốc gia với sản lượng thật đáng nể.
Trên thị trường hiện có mặt sản phẩm bã mía nén viên: Bã mía được đưa vào máy
xay nhuyễn, sấy, rồi đưa vào máy ép viên tạo thành các viên nén rắn chắc, đường kính 68mm, chiều dài 15-30 mm. Các viên nén này có thể sử dụng trong cơng nghiệp và dân
dụng làm nguồn nhiên liệu đốt cho nhiệt lượng từ 4200 - 4700 Kcal/kg.
Các ứng dụng khác của bã mía:
−

Là nguồn nguyên liệu sản xuất bột giấy.

−

Làm vật liệu lọc nước tự nhiên, chất hấp thụ kim loại nặng (sau khi đã xử lý
bằng phương pháp thích hợp).

−

Ủ lên men làm thức ăn gia súc thay thế 1 phần cỏ, rơm.

−

Ủ lên men làm phân bón.

−

Thay thế bột mì: Tại bang Queensland (Australia), bã mía của nhà máy đường
(với quy trình hồn tồn khơng sử dụng hóa chất) được sấy khô và xay thành
sản phẩm. Sản phẩm này được bán tại thị trường Australia, xuất khẩu sang
Nhật Bản và New Zealand. Bột bã mía này được sử dụng thay thế bột mì đối
với những người khơng thể tiêu hóa được gluten và cần nhiều chất xơ. Cũng có
thể sử dụng bột bã mía thực phẩm này trong xúc xích và thịt xay.

Ngồi ra, bã mía cịn được sử dụng như chất hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm để xử lý các
chất thải gây ô nhiễm môi trường như nước thải cơng nghiệp, dầu tràn… Như vậy vừa có
thể mang lại lợi ích cả về mơi trường và kinh tế. Chính vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng
bã mía trong sản xuất chất hấp phụ xử lý chất thải là rất cần thiết.

17


1.2.

Tổng quan hạt nano sắt từ Fe3O4

1.2.1. Cấu trúc
Sắt từ (Fe3O4) là vật liệu lâu đời nhất được biết đến. Tại nhiệt độ phịng chúng có
cấu trúc tinh thể spinel thường (thuận) hoặc spinel ngược. Trong mỗi ô, đơn vị cấu trúc
của spinen thường, những ion hóa trị 3 chiếm vị trí bát diện, những ion hóa trị 2 chiếm
các vị trí tứ diện. Cấu trúc spinen ngược được sắp xếp sao cho một nửa ion Fe3+ ở dạng tứ
diện, một nửa số ion Fe3+ còn lại và tất cả số ion Fe2+ ở dạng bát diện. Mỗi vị trí bát diện

có 6 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối bát diện. Trong khi đó ở vị trí
tứ diện có 4 ion O2- lân cận gần nhất sắp xếp trên các góc của khối tứ diện.
Oxide sắt từ có cấu trúc Fe3O4 có cấu trúc spinen nghịch với ô đơn vị lập phương
tâm mặt. Ô đơn vị gồm 56 nguyên tử 32 nguyên tử O2-, 16 cation Fe3+ và 8 cation Fe2+,
dựa vào cấu trúc Fe3O4, các spin của 8 ion Fe3+ chiếm các vị trí tứ diện, sắp xếp ngược
chiều và khác nhau về độ lớn so với các spin của 8 ion Fe3+ và 8 ion của Fe2+ ở vị trí bát
diện. Các ion Fe3+ ở vị trí bát diện này ngược chiều với ion Fe3+ ở vị trí tứ diện nên chúng
triệt tiêu nhau. Do đó, moment từ tổng cộng là tổng moment từ của ion Fe2+ ở vị trí bát
diện gây ra. Vậy mỗi phân tử Fe3O4 có moment từ trong các spin trong ion Fe2+ ở vị trí
bát diện ion gây ra và có độ lớn là 4μb . Vì vậy tinh thể Fe3O4 tồn tại tính dị hướng vật
liệu thể hiện tính siêu thuận từ khi ở kích thước nano đủ nhỏ và ta xem mỗi hạt Fe3O4
như hạt đơn domain. Tinh thể Fe3O4 có cấu trúc lập phương, có độ từ hóa bão hịa Ms =
92A.m2.kg-1 và nhiệt độ curie khoảng 580 oC.

Hình 1.6. Cấu trúc của ferit spinel
18