ĐIỀU CHẾ VI SỢI CELLULOSE CÓ KÍCH THƯỚC NANO TỪ NGUỒN BIOMASS SỢI TRE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

Vũ
ng

Tà

u

KHOA HĨA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM

a-

MAI THỊ THANH THỦY

Bà

Rị

ĐIỀU CHẾ VI SỢI CELLULOSE CĨ KÍCH THƯỚC
NANO TỪ NGUỒN BIOMASS SỢI TRE

Người hướng dẫn
TS. TRẦN VĂN MẪN
ThS. NGUYỄN HỮU ĐẠT

Tr

ườ

ng

Y

2012

ĐH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC

BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2012


ng

ườ

Tr
ĐH
Bà
Rị
a-

Vũ
ng

u

Tà

u

MỞ ĐẦU

Tà

Vào những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, cùng với sự phát triển mạnh

mẽ của kinh tế và xã hội, nhu cầu sử dụng năng lượng càng tăng nhanh. Theo dự báo

của IEO (Internation Energy Organization) từ năm 1999 đến 2020 nhu cầu tiêu thụ

Vũ
ng

năng lượng của thế giới sẽ tăng 60%. Hiện nay, trên thế giới nguồn cung cấp năng
lượng chủ yếu vẫn là từ nhiên liệu hoá thạch. Tuy nhiên, trữ lượng của nguồn nhiên
liệu này là có hạn và ngày một giảm dần. Bên cạnh đó, việc khai thác và sử dụng dầu
mỏ và than đá cịn thải ra khí CO2, SO2 và NOx gây hiệu ứng nhà kính,làm ơ nhiễm
mơi trường và làm thay đổi nghiêm trọng đến khí hậu tồn cầu [4, 5].

Ngoài ra, như chúng ta đã biết trong những thập kỷ gần đây polymer là một loại

a-

vật liệu thay thế cho các vật liệu truyền thống khác, nó có nhiều ứng dụng khác nhau
và là vật liệu đầy hứa hẹn trong tương lai [4]. Polymer có thể cải tiến bằng cách sử

Rị

dụng chất phụ gia và các sợi gia cường để độ bền cao và modul cao. Nhưng nhược
điểm lớn nhất của vật liệu polymer là rất khó phân hủy, có thể tồn tại trong mơi trường
hàng chục năm đến hàng triệu năm. Khi bị phân hủy do tác động nhiệt độ thì gây ơ

Bà

nhiễm mơi trường. Polymer cũng là vật liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ.
Chính vì vậy, nhiều năm qua các nhà khoa học cơng nghệ trên thế giới đã có
nhiều cơng trình nghiên cứu tìm nguồn năng lượng mới, làm ra các vật liệu mới. Có

ĐH

khả năng thay thế năng lượng từ nhiên liệu gốc khống, có thể tái tạo, thân thiện với
mơi trường và tìm chất phụ gia hoặc sợi gia cường để cải thiện nhược điểm của
polymer. Đó là năng lượng tái tạo, hay vật liệu phân hủy sinh học gọi tắt là Biomass.
Nguồn biomass có thể bao gồm: Gỗ, chất thải gỗ, phân động vật, nông sản và phế thải
từ nông nghiệp như rơm rạ, trấu, thân và lõi ngô… [5]. Trong đó, nguồn biomass từ

ng

sợi tự nhiên có thể dùng là pha gia cường cho vật liệu composite thu hút được nhiều sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu bởi vì nó có nhiều lợi thế hơn các vật liệu khác. Vật

ườ

liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nhưng song song vào đó là vấn đề về
mơi trường. Vì thế, người ta đang nghiên cứu chế tạo vật liệu composite thân thiện môi
trường và giá thành tương đối thấp. Sợi thực vật có kích thước micro/nano là một lựa

Tr

chọn tối ưu để thay thế các loại sợi đắt tiền khác mà lại thân thiện với môi trường.
Trong đồ án này, chúng tôi nghiên cứu “Điều chế vi sợi cellulose có kích thước nano từ
nguồn biomass sợi tre”.


u

LỜI CẢM ƠN

Tà

Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy TRẦN VĂN MẪN và thầy NGUYỄN HỮU

ĐẠT, đã hướng dẫn tận tình, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em
từ lúc bắt đầu cho đến khi hoàn thành luận văn.

Vũ
ng

Em cũng gửi lời cám ơn đến các thầy cô đã dạy dỗ, chỉ bảo trong suốt bốn năm
học vừa qua, giúp em có được kiến thức cần thiết cho quá trình thực hiện đồ án và công
việc sau này.

Cảm ơn các bạn lớp DH08H1 đã gắn bó, động viên, giúp đỡ mình trong bốn
năm học qua. Cảm ơn các bạn lớp 08 Polymer & Composite, Khoa Khoa học Vật liệu,

a-

các bạn Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ mình trong thời gian mình làm
đồ án tại đây.

Trong quá trình thực hiện đồ án em khơng tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong

Rị

thầy cơ cùng các bạn thơng cảm và đóng góp ý kiến.

Tr

ườ

ng

ĐH

Bà

Chúc các thầy cô và các bạn mạnh khỏe, hạnh phúc và thành công.


u

MỤC LỤC

Tà

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................................... 1
1.1. Biomass................................................................................................................ 1

1.1.1. Giới thiệu...................................................................................................... 1
1.1.2. Các nguồn nguyên liệu Biomass từ thực vật.................................................. 2

Vũ
ng

1.1.2.1. Bã cây rừng .......................................................................................... 2
1.1.2.2. Bã nông nghiệp .................................................................................... 2
1.1.2.3. Cây trồng năng lượng ........................................................................... 2
1.1.3. Ứng dụng của biomass.................................................................................. 4
1.1.3.1. Ứng dụng chung................................................................................... 4

a-

1.1.3.2. Điều chế bioethanol.............................................................................. 4
1.1.3.3. Điện sinh học ....................................................................................... 4
1.1.3.4. Ứng dụng làm pha gia cường cho vật liệu composite............................ 5

Rị

1.2. Sợi thực vật và sợi tre ......................................................................................... 5
1.2.1. Giới thiệu...................................................................................................... 5
1.2.1.1. Thành phần hóa học của sợi thực vật .................................................... 5

Bà

1.2.1.2. Cấu trúc của sợi thực vật ...................................................................... 9
1.2.2. Giới thiệu về sợi tre .................................................................................... 10
1.2.2.1. Thành phần hóa học của sợi tre........................................................... 10

ĐH

1.2.2.2. Ứng dụng của sợi tre .......................................................................... 11
1.3. Microfibrillated cellulose (MFC)...................................................................... 12
1.3.1. Giới thiệu.................................................................................................... 12
1.3.2. Một số cách điều chế MFC ......................................................................... 13

ng

1.3.2.1. Phương pháp nổ hơi nước kết hợp với thủy phân và nghiền mạnh ...... 13
1.3.2.2. Phương pháp tinh lọc và đồng nhất áp suất cao................................... 14

ườ

1.3.2.3. Phương pháp nghiền lạnh ................................................................... 15

1.3.3. Ứng dụng MFC........................................................................................... 15

CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM ............................................................................. 16

Tr

2.1. Hóa chất và nguyên liệu.................................................................................... 16
2.2. Trang thiết bị và dụng cụ ................................................................................. 16
2.3. Phương pháp phân tích, đánh giá kết quả ....................................................... 17


2.3.1. Hiển vi kim tương....................................................................................... 17

u

2.3.2. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) .................................................... 17

Tà

2.3.3. Nhiễu xạ tia X (XRD)................................................................................. 17

2.3.4. Hiển vi điện tử quét (SEM)......................................................................... 17
2.4. Quy trình thực nghiệm ..................................................................................... 18
2.4.1. Quá trình tiền xử lý sợi tre .......................................................................... 18

Vũ
ng

2.4.2. Điều chế vi sợi cellulose có kích thước micro/nano từ sợi tre đã xử lý kiềm 20
2.4.2.1. Tách sợi tre bằng phương pháp thủy phân .......................................... 20
2.4.2.2. Tách sợi tre bằng phương pháp nổ hơi nước kết hợp với thủy phân .... 21
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................... 24
3.1. Kết quả phân tích hiển vi kim tương ............................................................... 24

a-

3.2. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier........................................ 27
3.3. Kết quả phân tích hiển vi điện tử quét............................................................. 30
3.4. Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X...................................................................... 33

Rị

KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 35

Tr

ườ

ng

ĐH

Bà

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 36


Tà

u

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của một số loại thực vật ................................................... 6
Bảng 1.2 Phân loại sợi tre theo kích thước ................................................................. 12
Bảng 2.1 Bảng thống kê hóa chất và nguyên liệu....................................................... 16

Vũ
ng

Bảng 2.2 Bảng thống kê dụng cụ và thiết bị .............................................................. 16
Bảng 2.3 Các điều kiện thực nghiệm của quá trình thủy phân sợi tre ........................ 21
Bảng 2.4 Các điều kiện thực nghiệm của quá trình nổ hơi nước sợi tre ..................... 22

Tr

ườ

ng

ĐH

Bà

Rị

a-

Bảng 3.1 Độ kết tinh của các mẫu.............................................................................. 34


Tà

u

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Chu trình khí CO2 của vật liệu phân hủy sinh học ............................................ 1
Hình 1.2 Cấu trúc cellulose ......................................................................................... 7
Hình 1.3 Cấu trúc của hemicellulose ........................................................................... 8

Vũ
ng

Hình 1.4 Cấu trúc lignin .............................................................................................. 8
Hình 1.5 Cấu trúc sợi thực vật ..................................................................................... 9
Hình 1.6 Thành phần cơ bản sợi tre........................................................................... 11
Hình 2.1 Kính hiển vi điện tử qt............................................................................. 17
Hình 2.2 Ảnh chụp một bụi tre gai ............................................................................ 18

a-

Hình 2.3 Nan tre và sợi tre sau khi cán 3 lần ............................................................. 18
Hình 2.4 Ảnh chụp sợi tre sau khi xử lý kiềm đã rửa sạch và sợi tre sau khi nghiền cơ

học............................................................................................................. 19

Rị

Hình 2.5 Sơ đồ điều chế vi sợi cellulose dùng phương pháp nghiền kết hợp với thủy

phân (a) và nổ hơi nước kết hợp với thủy phân (b)..................................... 21
Hình 2.6 Sợi tre sau khi thủy phân và tẩy trắng ......................................................... 22

Bà

Hình 2.7 Ảnh chụp sợi tre sau khi nổ hơi nước.......................................................... 23
Hình 2.8 Hệ thống thiết bị nổ hơi nước ..................................................................... 25
Hình 3.1 Ảnh kính hiển vi kim tương của sợi tre thô (a) và sợi tre đã xử lý NaOH

ĐH

2%(b)......................................................................................................... 24
Hình 3.2 Ảnh một sợi tre thơ (a) và sợi tre đã xử lý NaOH 2% (b) ............................ 25

Hình 3.3 Ảnh kính hiển vi kim tương của sợi tre đã tẩy trắng tại các điều kiện thủy

phân khác nhau và sợi tre nổ hơi nước kết hợp với các điều kiện thủy phân

ng

khác nhau .................................................................................................. 26

Hình 3.4 Phổ FT-IR của sợi tre thô và sợi tre đã xử lý hóa học.................................. 29

ườ

Hình 3.5 Phổ FT-IR của sợi tre ở các điều kiện xử lý hóa học khác nhau .................. 29
0

Hình 3.6 Ảnh SEM của sợi tre nghiền kết hợp với thủy phân ở 40 C, 180 phút và tẩy

trắng ở các độ phóng đại khác nhau ........................................................... 30

Tr

Hình 3.7 Ảnh SEM của sợi tre nghiền kết hợp với thủy phân ở 500C, 90 phút và tẩy

trắng ở các độ phóng đại khác nhau ........................................................... 31


0

Hình 3.8 Ảnh SEM của sợi tre nổ hơi nước kết hợp với thủy phân ở 40 C, 180 phút và

u

tẩy trắng..................................................................................................... 32

Tà

Hình 3.9 Giản đồ XRD của sợi tre thơ và sợi tre đã xử lý hóa học ở các điều kiện khác

Tr

ườ

ng

ĐH

Bà

Rị

a-

Vũ
ng

nhau........................................................................................................... 33


FT-IR

Fourier Transform Infrared

PEO

Polyethylene oxide

PS

Polystylene

PVC

Poly vinyl chloride

SEM

Scanning electron microscopy

XRD

X-ray diffraction method

u

Vũ
ng

Microfibrillated Cellulose

Tr

ườ

ng

ĐH

Bà

Rị

a-

MFC

Tà

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT


ng

ườ

Tr
ĐH
Bà
Rị
a-

Vũ
ng

u

Tà


Đồ án Tốt nghiệp đại học – Khóa 2008-2012

Trường ĐHBRVT

CHƯƠNG 1

Biomass

Tà

1.1.

u

TỔNG QUAN

1.1.1. Giới thiệu

Vũ
ng

Biomass là một nguồn năng lượng tái tạo, vật liệu sinh học từ cuộc sống hoặc

sinh vật. Là một nguồn năng lượng, sinh khối có thể được sử dụng trực tiếp, hoặc
chuyển đổi thành các sản phẩm năng lượng khác như nhiên liệu sinh học. Biomass có
nguồn gốc từ carbon và được tao thành từ các phân tử hữu cơ có chứa hydro, thường
có cả nguyên tử oxy, nitơ, một lượng nhỏ kiềm và kim loại nặng.

Năng lượng từ biomass đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu. Tuy nhiên

a-

biomass bị quên lãng do sự lấn át của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng cả trên
phương diện kỹ thuật, công nghệ và kinh tế. Gần đây, nhu cầu về năng lượng ngày
càng tăng đồng thời ý thức về môi trường cũng tăng lên trong phạm vi toàn cầu đã

Rị

buộc chúng ta phải suy nghĩ lại về việc sử dụng biomass.

Chu kỳ carbon là nguyên tắc đứng đằng sau công nghệ biomass. Khi thực vật

Bà

sinh trưởng, chúng hấp thụ CO2 trong môi trường thơng qua q trình quang hợp. Một
lượng CO2 tương đương được giải phóng khi thực vật bị phân huỷ tự nhiên hoặc đốt
cháy. Tất cả trong một khoảng thời gian tương đối ngắn. Bởi vì sử dụng biomass tạo ra

ườ

ng

ĐH

một chu kỳ carbon khép kín.

Hình 1.1: Chu trình khí CO2 của vật liệu phân hủy sinh học [2]

Điều đó có nghĩa là biomass khơng tham gia vào q trình phát thải khí nhà kính (CO2,

Tr

CH4…).

Chun ngành Hóa dầu

1

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm


Đồ án Tốt nghiệp đại học – Khóa 2008-2012

Trường ĐHBRVT

1.1.2. Các nguồn nguyên liệu Biomass từ thực vật [5]

u

Biomass là một thuật ngữ có ý nghĩa bao hàm rất rộng dùng để mơ tả các vật

Tà

chất có nguồn gốc sinh học vốn có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng hoặc
do các thành phần hóa học của nó. Với định nghĩa như vậy, Biomass bao gồm cây cối

tự nhiên, cây trồng cơng nghiệp, tảo và các lồi thực vật khác, hoặc là những bã nông

Vũ
ng

nghiệp và lâm nghiệp,…
1.1.2.1. Bã cây rừng

Các chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng nhằm giảm
nguy cơ cháy rừng, sinh khối không được thu hoạch hoặc di dời ở nơi đốn gỗ cứng và
mềm thương mại và các vật liệu dư thừa trong quá trình quản lý rừng như phát rừng và
di dời các cây đã chết. Một trong những thuận lợi của việc tận dụng bã cây rừng là một

a-

phần lớn các bã dạng này được tạo ra từ các nhà máy giấy hoặc các nhà máy xử lý gỗ,
do đó phần lớn nguồn nguyên liệu có thể sử dụng ngay được. Cũng vì lý do này, việc

Rị

tái sử dụng mùn cưa, bã gỗ để tạo năng lượng tập trung ở các nhà máy công nghiệp
giấy và gỗ, nhưng tiềm năng nguyên liệu thật sự là lớn hơn nhiều.
1.1.2.2. Bã nông nghiệp

Bà

Chất thải nông nghiệp là các chất dư thừa sau các vụ thu hoạch. Chúng có thể

được thu gom với các thiết bị thu hoạch thông thường cùng lúc hoặc sau khi gặt hái.
Các chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu ... Hằng năm, có
khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, cho nên vỏ bắp đươc dự đốn sẽ là dạng sinh khối

ĐH

chính cho các ứng dụng năng lượng sinh học. Ở một số nơi, đặc biệt những vùng khô,
các chất bã cần phải được giữ lại nhằm bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất cho vụ
mùa kế tiếp. Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết tất cả các chất dinh dưỡng từ cặn bã,
các chất bã này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa làm thất thoát năng lượng.

ng

Hiện trạng thực tế là một tỷ lệ khá lớn các bã nông nghiệp này vẫn cịn bị bỏ phí

hoặc sử dụng khơng đúng cách, gây các ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường, sinh thái

ườ

và lương thực. Một trong các giải pháp được ứng dụng rộng rãi hiện nay và có tiềm
năng đầy hứa hẹn là tận dụng các bã thải từ cơng nghiệp mía đường, xử lý gỗ và làm
giấy.

Tr

1.1.2.3. Cây trồng năng lượng
Các giống cây năng lượng là các giống cây, cây cỏ được xử lý bằng công nghệ

sinh học để trở thành các giống cây tăng trưởng nhanh, được thu hoạch cho mục đích
Chun ngành Hóa dầu

2

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm


Đồ án Tốt nghiệp đại học – Khóa 2008-2012

Trường ĐHBRVT

sản xuất năng lượng. Các giống cây này có thể được trồng, thu hoạch và thay thế

u

nhanh chóng.

Tà

 Các giống cây cỏ (thảo mộc) năng lượng

Đây là các giống cây lâu năm được thu hoạch hằng năm sau 2-3 năm gieo trồng
để đạt tới hiệu suất tối đa. Các giống cây này bao gồm các loại cỏ như cỏ mềm xuất xứ

Vũ
ng

từ Bắc Mỹ, cỏ voi, cây tre, cỏ đuôi trâu cao, lúa mì… Các giống cây này thường được
trồng cho việc sản xuất năng lượng.
 Các giống cây gỗ năng lượng

Các giống cây gỗ có vịng đời ngắn là các giống cây phát triển nhanh và có thể
thu hoạch sau 5-8 năm gieo trồng. Các giống cây này bao gồm cây dương ghép lai, cây
liễu ghép lai, cây thích bạc, cây bơng gịn đơng phương, cây tần bì xanh, cây óc chó

a-

đen và cây sung.
 Các giống cây công nghiệp

Các giống cây này đang được phát triển và gieo trồng nhằm sản xuất các hóa

Rị

chất và vật liệu đặc trưng nhất định. Các giống cây chuyển gen đang được phát triển
nhằm sản xuất các hóa chất mong muốn là một thành phần của cây, chỉ đòi hỏi sự chiết

Bà

xuất và tinh lọc sản phẩm.
 Các giống cây nông nghiệp

Các giống cây nơng nghiệp bao gồm các sản phẩm sẵn có hiện tại như bột bắp
và dầu bắp, dầu đậu nành, bột xay thơ, bột mì, các loại dầu thực vật khác và các thành

ĐH

phần đang được phát triển cho các giống cây tương lai. Mặc dù các giống này thường
được dùng để sản xuất nhựa, các chất hóa học và các loại sản phẩm, chúng thường
cung cấp đường, dầu và các chất chiết xuất khác.
Tóm lại, nguyên liệu sinh khối hiện vẫn là nguồn năng lượng tái tạo bền vững

ng

và dồi dào nhất hiện nay trên thế giới. Một điều cần nhấn mạnh ở đây là vấn đề cịn lại
khơng phải là nguồn nguyên liệu, mà là khả năng quản lý và luân chuyển tốt năng

ườ

lượng tạo ra đến người sử dụng.
Bã thải hiện nay vẫn là nguồn cung cấp chính năng lượng sinh khối và vẫn sẽ

đóng vai trị chủ đạo trong tương lai gần, và các loại cây trồng năng lượng sẽ ngày

Tr

càng trở nên quan trọng trong tương lai xa. Sự phát triển của năng lượng sinh khối, đặc
biệt là dưới các dạng hiện đại, sẽ có một ảnh hưởng quan trọng không chỉ đến lĩnh vực

Chuyên ngành Hóa dầu

3

Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm


Đồ án Tốt nghiệp đại học – Khóa 2008-2012

Trường ĐHBRVT

năng lượng, mà cịn thúc đẩy q trình hiện đại hóa nông nghiệp, và phát triển nông

u

thôn

Tà

1.1.3. Ứng dụng của biomass
1.1.3.1. Ứng dụng chung

Biomass có thể sinh nhiệt năng, năng lượng, và phát điện, sản xuất nhiên liệu

Vũ
ng

sinh học và sản xuất hóa chất (ví dụ như, chất kết dính, dung môi, chất dẻo, mực, và
chất bôi trơn…), làm pha gia cường cho vật liệu composite.....
1.1.3.2. Điều chế bioethanol [11]

Ethanol được sản xuất bằng cách lên men bất kỳ loại biomass nào có hàm lượng
carbohydrate cao (tinh bột, đường hoặc cellulose) . Ethanol chủ yếu được sử dụng làm

a-

phụ gia nhiên liệu để giảm lượng carbon monoxide và các loại khí thải gây sương khói
khác từ xe cộ. Hiện đã có các loại xe sử dụng nhiên liệu linh hoạt gồm xăng và 85%
ethanol.

Rị

Diesel sinh học (biodiesel) được sản xuất bằng phản ứng giữa rượu (thường là
methanol) với dầu thực vật, mỡ động vật hoặc các loại mỡ nấu ăn được tái chế. Nó có

Bà

thể được sử dụng làm chất phụ gia nhiên liệu để giảm lượng khí thải cho xe cộ (20%).
Ở dạng thuần khiết, diesel sinh học được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ
diesel.

ĐH

Các loại nhiên liệu sinh học khác thêm vào nhiều quá sẽ gây lão hóa các chi tiết
nhựa dẫn đến rị rỉ nhiên liệu và gây cháy xe và các thành phần biến tính khác của
xăng. Methanol, thường được gọi là cồn gỗ, hiện được sản xuất từ khí tự nhiên; tuy
nhiên, cũng có thể sản xuất nó từ biomass. Có một số cách biến biomass thành
methanol song biện pháp phổ thông nhất là khí hố. Khí hố liên quan tới việc làm bốc

ng

hơi biomass ở nhiệt độ cao, rồi loại bỏ các tạp chất từ khí nóng và cho nó đi qua một
chất xúc tác. Chất xúc tác biến khí thành methanol. Phần lớn các thành phần biến tính

ườ

của xăng được sản xuất từ biomass là những phụ gia nhiên liệu giảm ô nhiễm, chẳng
hạn như methyl tertiary butyl ether (MTBE) và ethyl tertiary butyl ether (ETBE).

Tr

1.1.3.3. Điện sinh học [13]

Điện sinh học là việc sử dụng bimomass để sản xuất điện năng. Phần lớn các

nhà máy điện sinh học trên thế giới sử dụng hệ thống đốt trực tiếp. Họ đốt ngun liệu
Chun ngành Hóa dầu

4

Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm


Đồ án Tốt nghiệp đại học – Khóa 2008-2012

Trường ĐHBRVT

sinh học trực tiếp để tạo hơi nước. Hơi nước đó bị tua-bin bắt giữ và máy phát điện sau

u

đó biến nó thành điện. Trong một số ngành cơng nghiệp, hơi nước từ nhà máy điện

Tà

cũng được sử dụng cho sản xuất hoặc để sưởi ấm cho các toà nhà. Những nhà máy
điện này được gọi là nhà máy nhiệt - điện kết hợp. Chẳng hạn như phụ phẩm của gỗ
(mùn cưa) thường được sử dụng để sản xuất cả điện và tạo nhiệt ở các nhà máy giấy.

nông nghiệp, cành lá từ các vườn cây ăn quả.

Vũ
ng

Những nhà máy này sử dụng chất thải từ nhà máy giấy, nhà máy cưa, sản phẩm phụ

1.1.3.4. Ứng dụng làm pha gia cường cho vật liệu composite

Vật liệu composite hay còn gọi là vật liệu kết hợp được hình thành từ hai hay
nhiều vật liệu khác nhau, có tính năng hơn hẳn các vật liệu thành phần khi sử dụng
riêng lẻ. Mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn (vật liệu gia cường)

a-

được phân bố trong một pha liên tục (vật liệu nền). Vật liệu gia cường có thể là sợi
tổng hợp hoặc sợi tự nhiên (lanh, đay, gai, thùa, xơ dừa...) gia cường cho các vật liệu

PS…).
Sợi thực vật và sợi tre

1.2.1. Giới thiệu

Bà

1.2.

Rị

nền khác nhau. Trong đó, vật liệu nền được sử dụng rất phổ biến là các polymer (PVC,

1.2.1.1. Thành phần hóa học của sợi thực vật
Thành phần hóa học của sợi thực vật bao gồm các polymer tự nhiên:

ĐH

cellulose, hemicellulose, lignin, pectin,... Trong phân tử của các thành phần kể trên đều có
nhiều nhóm -OH phân cực nên sợi thực vật tương hợp tốt với các polymer phân cực.
Sợi thực vật có thể chia làm 3 loại chính:
 Sợi lấy từ vỏ, thân cây: lanh, đay, gai, gỗ, cỏ giấy, bã mía, tre, vỏ trấu, rơm rạ…

ng

 Sợi lấy từ lá: dứa dại, chuối, sisal, dứa gai….

Tr

ườ

 Sợi lấy từ hạt: bông (cotton), đay cách, hạt cọ dừa, xơ dừa…

Chuyên ngành Hóa dầu

5

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm


Đồ án Tốt nghiệp đại học – Khóa 2008-2012

Trường ĐHBRVT

Hemicellulose (%)

Lignin (%)

Bông

85 – 90

01 – 03

0.7 – 1.6

Chuối

56 – 63

15 – 17

07 – 09

Gai dầu

57 – 77

14 – 17

09 – 13

Sisal

47 – 62

21 – 24

07 – 09

Tre

26 – 43

15 – 26

21 – 31

Đay

45 – 63

Bã mía

32 – 48

Cói

38 – 44

a-

Vũ
ng

Cellulose (%)

Cỏ giấy

18 – 21

21 – 26

27 – 32

19 – 24

22 – 29

16 – 19

27 – 32

17 – 19

Rị

Bà

Loại sợi

Tà

u

Bảng 1.1: Thành phần hoá học của một số loại sợi thực vật [1]

33 – 38

ĐH

 Cellulose

Cellulose là loại polymer có mặt nhiều nhất trong vách tế bào thực vật. Nó tạo
nên 20-30% trọng lượng khô của vách tế bào này. Liên kết β-1, 4-glycoside giữa các
đường đơn glucose cho phép hình thành các vi sợi cellulose trong suốt quá trình sinh

ng

tổng hợp vách tế bào. Các vi sợi có tính kết tinh cao và tạo nên khung cấu trúc chính
cho vách tế bào. Cellulose được biết đến năm 1838 là hợp chất cao phân tử mạch

ườ

thẳng được cấu tạo nên từ các mắt xích β-D-Glucose.
Cơng thức phân tử chung (C6H10O5)n với 5000-14000 đơn vị. Phân tử β-D-

Glucose chứa 3 nhóm hydroxyl giúp cho cellulose dễ dàng tạo liên kết hydro liên phân

Tr

tử và nội phân tử. Cellulose có cấu trúc tinh thể với độ kết tinh cao (> 60%) nên không
bị hịa tan trong nước, khơng bị thủy phân bởi kiềm hay acid lỗng. Vì vậy người ta

Chun ngành Hóa dầu

6

Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm


Đồ án Tốt nghiệp đại học – Khóa 2008-2012

Trường ĐHBRVT

thường sử dụng kiềm hay acid loãng cho việc tiền xử lý cellulose tách bỏ các thành

u

phần không cần thiết [13-15].

Tà

Tương tác giữa cellulose và nước đóng vai trị quan trọng trong hóa học, vật lý và
kỹ thuật của vật liệu cách điện và gia cơng cellulose. Cellulose có tính hút ẩm cao là do

tương tác của các nhóm -OH trong phân tử với nước nhưng lại bị cản trở không tan

Vũ
ng

trong nước do cấu trúc siêu phân tử trật tự cao của cellulose. Sự tương tác cellulose -

nước có thể được hiểu là sự cạnh tranh tạo nối hydro giữa các nhóm -OH của cellulose

a-

và sự tạo thành nối hydro giữa một nhóm -OH của mạch cellulose và một phân tử nước.

Rị

Hình 1.2: Cấu trúc cellulose [11]
 Hemicellulose

Bà

Hemicellulose tồn tại song song với cellulose trong tế bào thực vật. Vi sợi
cellulose có một lớp hemicellulose bao quanh gắn nó liên kết với các vi sợi khác.
Hemicellulose được chức hóa giúp ổn định cấu trúc vách trong suốt quá trình sinh tổng

ĐH

hợp vách tế bào. Vì vậy, chúng khó có thể phân hủy thành đường đơn. Hệ composite
polysaccharide gồm hemicellulose và cellulose được bọc kín trong một nền lignin. Về
mặt cấu tạo, hemicellulose là một polysaccharide bao gồm xylan, glucuronoxylan,
arabinoxylan, glucomannan.

ng

Hemicellulose có cấu trúc vơ định hình, mạch phân nhánh, chuỗi mạch ngắn
(500-3000 đơn vị) kém bền dễ dàng thủy phân trong mơi trường acid hay bazơ lỗng.
Hemicellulose gồm ba thành phần: (i) thành phần thứ nhất kém bền có thể tách ra dưới

ườ

tác dụng của hóa chất dạng lỗng, (ii) thành phần thứ hai liên kết khá chặt với lignin

nên thường dùng phản ứng hòa tan mạnh tách ra cùng lignin, (iii) thành phần thứ ba là

Tr

cellulosan là: hexose, pentose liên kết rất chặt chẽ với cellulose [13-15].

Chuyên ngành Hóa dầu

7

Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm


Trường ĐHBRVT

Vũ
ng

Tà

u

Đồ án Tốt nghiệp đại học – Khóa 2008-2012

Hình 1.3 : Cấu trúc của hemicellulose [13]

 Lignin

Lignin là hợp chất cao phân tử vơ định hình có đặc tính thơm, có thể xem lignin

a-

như một nhựa nhiệt dẻo, chúng bị mềm đi dưới tác dụng của nhiệt độ. Các nhóm chức
ảnh hưởng lớn nhất đến tính chất của lignin là nhóm hydroxyl phenol, nhóm
hydroxyl rượu benzylic và nhóm carbonyl. Thành phần lignin trong thực vật thay đổi

Rị

tùy theo loài và số năm tuổi của cây. Vai trò của lignin trong cây là kháng sâu bệnh
hại, kháng vi khuẩn, chịu đựng thời tiết khắc nghiệt, truyền nước trên thân cây. Loại

trong sợi tre [13-15].

Bà

bỏ lignin là một trong những bước xử lý để tẩy trắng và tách lấy thành phần cellulose

Cấu trúc của lignin rất phức tạp, là một polyphenol có mạng khơng gian mở.
Trong lignin có hơn hai phần ba số đơn vị phenylpropan nối với nhau qua liên kết ete,

Hình 1.4: Cấu trúc của lignin

Tr

ườ

ng

ĐH

phần cịn lại là liên kết C-C giữa các đơn vị mắc xích và liên kết este:

Chun ngành Hóa dầu

8

Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm


Đồ án Tốt nghiệp đại học – Khóa 2008-2012

Trường ĐHBRVT

Vũ
ng

Tà

u

1.2.1.2. Cấu trúc của sợi thực vật

Hình 1.5 : Cấu trúc sợi thực vật [2]

a-

Sợi thực vật có thể được coi như là composite của sợi cellulose rỗng được giữ
bởi lignin và hemicellulose. Tường tế bào của sợi là tường không đồng nhất. Tường tế
bào sợi gồm hai lớp cơ bản: lớp sơ cấp tương đối mỏng (P) và lớp thứ cấp dày hơn (S).

Rị

Lớp sơ cấp có tính chất bao bọc lấy chất nguyên sinh trong mỗi tế bào. Lớp thứ cấp được
hình thành từ ba lớp phụ: tường thứ cấp ngoài (S1), tường thứ cấp giữa (S2) và tường thứ

Bà

cấp trong (S3). Lớp (S3) có khi cịn được gọi là tường tam cấp (T). Các lớp này khác
nhau về bề dày (lớp S2 dày nhất), về sự định hướng của các thành phần hóa học. Lớp
thứ hai xác định cơ tính của sợi, chúng chứa chuỗi xoắn ốc của vi sợi cellulose hình
thành từ phân tử cellulose chuỗi dài. Góc đinh hướng giữa sợi và vi sợi được gọi là góc

ĐH

vi sợi. Giá trị góc vi sợi của những sợi khác nhau thì khác nhau. Các vi sợi quấn quanh
trục tế bào theo những phương khác nhau, hoặc về phía phải (đường xoắn ốc S), về
phía trái (xoắn ốc trái S).

Bộ phận cellulose là nhỏ nhất, với chiều rộng khoảng 3,5nm trong vách tế bào

ng

trưởng thành, được gọi là sợi con cơ bản. Các sợi con này lại được lại được tổ chứcthành
những bộ phận gọi là vi sợi - có bề rộng khoảng 10 - 30nm, được làm từ 30 - 100 phần

ườ

tử cellulose trong hình thể chuỗi kéo dài và cung cấp độ bền cơ cho sợi. Pha nền vơ định
hình trong tường tế bào rất phức tạp và chứa hemicellulose, lignin hay trong một
số trường hợp là pectin. Phần tử hemicellulose được gắn cellulose và hoạt đọng như

Tr

nền xi măng giứu vi sợi cellulose, hình thành nên mạng lưới cellulose hemicellulose, nó là thành phần chủ lực trong tế bào sợi. Mạng lưới lignin kỵ nước ảnh
hưởng đến cơ tính của các mạng lưới khác, nó hoạt động như một chất gắn kết và gia
Chuyên ngành Hóa dầu

9

Khoa Hóa học và Cơng nghệ thực phẩm