Giảm thiểu tác hại môi trường, tận dụng nguồn nguyên liệu từ phế phẩm nông nghiệp và sợi thiên nhiên để chế tạo vật liệu xanh là hướng đi mới hiện nay. Sợi thân cây dứa dại được xử lý trong dung dịch NaOH 20% tại 80oC trong 4 giờ đạt hàm lượng lignin còn lại là 8.18%. Hàm lượng lignin trong bả sả còn lại là 2.43% sau khi bả sả được xử lý trong dung dịch NaOH 5% ở 85oC trong 2 giờ. Hình thái cấu trúc bề mặt sợi được chụp dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM), cho thấy bề mặt sợi đồng đều hơn sau khi xử lý. Sợi thân cây dứa dại và bả sả đã xử lý loại bớt hàm lượng lignin ứng dụng để gia cường cho vật liệu composite trên nền nhựa phenol được xem là một hướng ứng dụng mới giúp hạn chế ô nhiễm môi trường (ONMT), đồng thời giúp tận dùng nguồn nguyên liệu rẻ tiền từ thiên nhiên. Kết quả cho thấy tính chất cơ lý của vật liệu composite trên nền nhựa phenol gia cường bằng sợi thân cây dứa dại và bả sả với tỷ lệ nhựa/sợi tốt nhất là 6/4, đạt độ bền kéo lần lượt là 15.23 MPa và 13.79 MPa.
MỞ ĐẦU
Sợi dứa dại đã được dùng để gia cường cho các loại vật liệu composite khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu về ứng dụng sợi thân cây dứa dại để gia cường cho vật liệu composite trên nền nhựa phenol còn rất hạn chế hầu như chưa được nghiên cứu. Bên cạnh cây dứa dại, cây sả rất gần gũi với đời sống con người. Cây sả không những được sử dụng trong thực phẩm, cây sả còn được sử dụng phổ biến trong mỹ phẩm - dược phẩm thông qua tinh dầu sả. Sau khi tách hết lượng tinh dầu có trong cây sả, một lượng phế phẩm lớn đã thải ra môi trường gây ONMT. Việc tận dụng lượng lớn bả sả trong sản xuất công nghiệp giúp nâng cao giá trị kinh tế cho cây trồng, cải thiện đời sống cho nông dân, hạn chế ONMT. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tận dụng các nguồn nguyên liệu từ thiên nhiên và phế phẩm nông nghiệp để gia cường cho vật liệu composite trên nền nhựa phenol, một hướng ứng dụng mới giúp hạn chế ONMT, nâng cao tính kinh tế của cây trồng và đa dạng hóa vật liệu composite.
THỰC NGHIỆM
Hóa chất - nguyên liệu
Phenol (Trung Quốc), Formalin (lỏng, Trung Quốc, 37-40% formaldehyd), dung dịch ammoniac NH4OH (lỏng, Trung Quốc), Etanol 96o (Chemsol, Việt Nam), NaOH (rắn, Trung Quốc), KMnO4 (rắn, Việt Nam), Na2S2O3 (rắn, Trung Quốc), KI (rắn, Trung Quốc).
Thân cây dứa dại (vùng Kiên Giang) được cắt đoạn ngắn 30-40 cm.
Cây sả trưởng thành có kích thước trung bình 68 cm, được trồng tại tỉnh Tiền Giang.
Chuẩn bị mẫu
Tổng hợp nhựa Phenol formaldehyd
Nhựa phenol formaldehyd (gọi tắt là nhựa phenol) dạng rezol được tổng hợp với tỷ lệ Phenol/ Formaldehyd (tỷ lệ mol Phenol/mol Formaldehyd) là 0.833 trong điều kiện pH=7,5-8. Dùng dung dịch NH4OH để tạo dung dịch đệm, nhiệt độ phản ứng duy trì 85-90oC. Sau thời gian phản ứng 120 phút, hiệu suất quá trình tổng hợp đạt 95.06%. Tiến hành rửa nhựa bằng nước ấm ở 70oC. Nhựa rezol được hòa tan trong etanol 96o theo tỷ lệ 50/50 (khối lượng).
Các phương pháp xử lý sợi dứa dại
Tách sợi dứa dại bằng phương pháp cơ học
Thân cây dứa dại được cắt thành tấm có kích thước 10 cm x 5 cm x 1 cm (dài x rộng x dầy) dọc theo chiều dài của thân.
Dùng búa giã đều và nhẹ vào các tấm dứa dại đã được ngâm nước sao cho cấu trúc các sợi sau khi tách được giữ nguyên.
Tách sợi dứa dại bằng cách dùng dung dịch NaOH
Ngâm các tấm dứa dại trong dung dịch NaOH (7%, 10% và 20%) trong 24 giờ, 45 giờ và 54 giờ tại nhiệt độ phòng và 800C.
Các phương pháp xử lý bả sả
Cây sả trưởng thành có kích thước trung bình từ 68cm được cắt từ cánh đồng của tỉnh Tiền Giang. Sau khi tách hết tinh dầu, bả sả được rửa sạch, cắt nhỏ và phơi khô. Bả sả được xử lý bằng hai phương pháp: ngâm trong nước nóng và ngâm trong dung dịch NaOH.
Xử lý bằng phương pháp ngâm nước nóng
Bả sả được ngâm trong nước nóng 85# trong 2 giờ và sau đó sấy khô ở 80oC.
Xử lý bằng phương pháp ngâm trong dung dịch NaOH
Bả sả khô được ngâm trong dung dịch NaOH (2%, 5%, 7%, 10%) tại các nhiệt độ khác nhau (30oC, 50oC, 70oC, 850C) trong 2 giờ, sau đó mẫu được sấy khô ở 80oC.
Phương pháp tạo mẫu vật liệu composite
Mẫu vật liệu composite được chế tạo bằng phương pháp ép nóng trong khuôn trên máy ép thủy lực, áp suất ép 30 kg/cm2, nhiệt độ ép 150oC, thời gian ép 30 phút.
Phương pháp phân tích
Xác định hàm lượng lignin được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D1106 và ISO 302.
Cấu trúc hình thái của sợi được chụp trên kính hiển vi điện tử quét (SEM), trên thiết bị FESEM S-4800 của hãng Hitachi tại Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu composite
Độ bền uốn của vật liệu composite được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D790 trên máy đo cơ tính hiệu LLOYD LR 30 K.
Độ bền kéo của vật liệu composite được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D638 trên máy đo cơ tính hiệu LLOYD LR 30 K.
Độ bền nén của vật liệu composite được xác định theo tiêu chuẩn ASTM D695 trên máy đo cơ tính hiệu LLOYD LR 30 K.
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Ảnh hưởng của điều kiện xử lý đến quá trình tách sợi và hàm lượng lignin có trong sợi thân cây dứa dại
Xử lý sợi trong dung dịch kiềm giúp loại bỏ các thành phần tạp chất trong sợi trong đó có lignin, làm thay đổi cấu trúc bề mặt và hình thái sắp xếp các sợi. Tuy nhiên, hiệu quả của quá trình xử lý phụ thuộc nhiều yếu tố như thời gian, nhiệt độ và nồng độ dung dịch kiềm [1-3].
Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian xử lý đến hàm lượng lignin trong sợi thân cây dứa dại được trình bày trong hình 1 và hình 2.
Hình 1. Hàm lượng lignin của sợi thân cây dứa dại xử lý trong dung dịch NaOH 10% tại nhiệt độ phòng
.jpg)
Hình 2. Hàm lượng lignin của sợi thân cây dứa dại xử lý trong dung dịch NaOH 10% tại 800C
.jpg)
Từ hình 3 nhận thấy, hàm lượng lignin trong sợi thân cây dứa dại giảm dần theo thời gian xử lý trong dung dịch NaOH 10% từ 11% giảm còn 8.82% sau 54 giờ xử lý. Tuy nhiên, thời gian xử lý quá dài. Cũng theo tài liệu [2,3], nhiệt độ phù hợp để xử lý sợi tốt sợi sisal từ 80-100oC.
Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý 80oC và thời gian xử lý trong dung dịch NaOH 10% đến hàm lượng lignin còn lại trong sợi thân cây dứa dại được trình bày ở hình 1.
Từ hình 2 nhận thấy, hàm lượng lignin trong sợi thân cây dứa dại giảm đáng kể sau 4 giờ xử lý trong dung dịch NaOH 10% ở 80oC và còn lại 8.58% sau 6 giờ xử lý và sau đó hầu như giảm không đáng kể nữa. Như vậy, khi xử lý lignin ở điều kiện 800C cho hiệu quả xử lý tốt.
Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH đến hàm lượng lignin trong sợi thân cây dứa dại được trình bày trong hình 3.
Hình 3. Hàm lượng lignin của sợi thân cây dứa dại theo nồng độ dung dịch NaOH tại 800C trong 4 giờ xử lý
.jpg)
Từ hình 3 nhận thấy, khi tăng nồng độ dung dịch NaOH thì hàm lượng lignin giảm đáng kể. Với nồng độ dung dịch NaOH 20% thì hàm lượng lignin còn lại là 8.18%. Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu [2], trong đó các tác giả đã xử lý sợi sisal từ lá cây dứa dại bằng dung dịch NaOH với nồng độ 18% ở nhiệt độ 800C và 1000C, đã làm thay đổi các thành phần hemicellulose và lignin trong sợi.
Như vậy, từ kết quả khảo sát đã tìm được điều kiện xử lý sợi thân cây dứa dại tốt nhất là xử lý trong dung dịch NaOH 20% tại 80oC trong 4 giờ.
Hình thái cấu trúc bề mặt sợi thân cây dứa dại trước và sau khi xử lý bằng dung dịch NaOH 20% tại 80oC trong 4 giờ có cấu trúc đều đặn hơn do đã loại bỏ một phần tạp chất lignin.
Ảnh hưởng của điều kiện xử lý đến hàm lượng lignin trong bả sả
Theo tài liệu [4], hàm lượng lignin có trong cây sả được trồng tại Ấn Độ đạt 17.39%. Trong quá trình tách tinh dầu, các thành phần hữu cơ còn lại của sả được trồng tại Việt Nam (Henmicellulose, lignin...) đã bị ảnh hưởng. Do vậy, hàm lượng lignin còn lại của bả sả sau khi tách tinh dầu đạt 7.69%.
Hàm lượng lignin trong bả sả khi ngâm trong nước nóng 85oC trong 2 giờ và xử lý bằng dung dịch NaOH 5% ở 85oC trong 2 giờ được trình bày trong hình 8.
Hình 4. Sự thay đổi hàm lượng lignin theo điều kiện xử lý bả sả
.jpg)
Từ hình 4, ta thấy hàm lượng lignin đã giảm đáng kể sau khi xử lý bằng nước nóng, đặc biệt là sau giờ ngâm sả trong dung dịch NaOH 5% tại 850C trong 2 giờ. Đối với bả sả được ngâm 2 giờ trong nước nóng, mẫu vẫn còn màu xanh, các sợi vẫn còn màu xanh lá và khó tách ra dạng sợi. Trong khi đó, bả sả được xử lý bằng dung dịch NaOH 5% tại 85# trong 2 giờ trở nên tơi và có màu vàng nhạt.
Hàm lượng lignin đã giảm đáng kể sau khi xử lý bằng nước nóng ở 85oC, đặc biệt là sau giờ ngâm bả sả trong dung dịch NaOH 5% tại 85# trong 2 giờ. Đối với bả sả được ngâm 2 giờ trong nước nóng 85oC, mẫu vẫn còn màu xanh, các sợi vẫn còn màu xanh lá và khó tách ra dạng sợi. Trong khi đó, bả sả được xử lý bằng dung dịch NaOH 5% tại 85# trong 2 giờ trở nên tơi và có màu vàng nhạt.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý bả sả bằng dung dịch NaOH 5% trong 2 giờ được trình bày trong hình 5.
Hình 5. Sự thay đổi hàm lượng lignin trong bả sả theo nhiệt độ khi xử lý bằng dung dịch NaOH 5% trong 2 giờ
.jpg)
Từ hình 8 nhận thấy, hàm lượng lignin trong bả sả giảm dần khi tăng nhiệt độ xử lý từ 30# đến 85oC.
Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH đến hiệu quả xử lý bả sả lý ở 850C trong 2 giờ được trình bày trong hình 6.
Hình 6. Sự ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH lên hàm lượng lignin trong bả sả khi xử lý ở 85oC trong 2 giờ
.jpg)
Kết quả từ hình 9 nhận thấy, hàm lượng lignin giảm mạnh khi nồng độ dung dịch NaOH tăng từ 2% đến 5%. Tuy nhiên, khi nồng độ dung dịch NaOH tăng lên 7% và 10%, hàm lượng lignin giảm không nhiều. Như vậy, với điều kiện thực nghiệm, đã chọn được điều kiện xử lý lignin trong bả sả bằng dung dịch NaOH 5% tại 85oC trong 2 giờ là điều kiện xử lý thích hợp và hiệu quả nhất.
Khảo sát sự ảnh hưởng của tỷ lệ nhựa/sợi đến tính chất cơ lý của vật liệu composite trên nền nhựa phenol được gia cường bằng sợi thân cây dứa dại và bả sả
Tỷ lệ nhựa/sợi ảnh hưởng rất lớn đến hình thái cấu trúc và tính chất cơ lý của vật liệu composite. Các tỷ lệ nhựa/sợi khảo sát là 5/5; 6/4 và 7/3.
Các mẫu vật liệu composite được gia công bằng phương pháp ép nóng. Ảnh chụp các mẫu vật liệu composite trên nền nhựa phenol (dạng rezol) gia cường bằng sợi thân cây dứa dại và bả sả.
Qua nghiên cứu cho thấy, bề mặt vật liệu composite tương đối phẳng láng, trong đó sợi được sắp xếp đều đặn, nhựa và sợi thấm đều nhau.Độ bền kéo của vật liệu composite trên nền nhựa phenol (rezol) và sợi thân cây dứa dại được trình bày ở hình 7.
Hình 7. Độ bền kéo của vật liệu composite nhựa phenol/sợi thân cây dứa dại theo tỷ lệ nhựa/sợi
.jpg)
Từ hình 7 nhận thấy, độ bền kéo của vật liệu composite trên nền nhựa phenol (dạng rezol) và sợi thân cây dứa dại đã xử lý cao hơn độ bền kéo của vật liệu composite trên nền nhựa phenol (dạng rezol) và sợi thân cây dứa dại chưa xử lý. Điều này có thể giải thích là do sợi thân dứa dại sau khi xử lý đã loại bớt hàm lượng lignin trong sợi, qua đó làm thay đổi cấu trúc và hình thái của sợi, giúp quá trình tương tác giữa nhựa nền và sợi tốt hơn nên tính chất cơ lý cao hơn.
Các kết quả từ hình 7 cũng cho thấy tỷ lệ nhựa/sợi là 6/4 cho độ bền kéo tốt nhất đạt 15.23 MPa. Ngoài yếu tố tương tác giữa nhựa nền và cấu trúc hình thái bề mặt sợi thì yếu tố tỷ lệ phối trộn giữa nhựa nền và sợi cũng rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ lý của vật liệu composite. Với tỷ lệ phối trộn nhựa/sợi là 50/50, lượng nhựa nền không đủ để liên kết thành phần sợi, qua đó có những vùng nhựa và sợi không liên kết được dẫn đến tính chất cơ lý thấp. Với tỷ lệ phối trộn nhựa/sợi là 7/3, lượng nhựa dư thừa quá lớn, lượng sợi không đủ, do vậy liên kết nhựa và sợi cũng kém dẫn đến tính chất cơ lý thấp. Độ bền kéo của vật liệu composite trên nền nhựa phenol (dạng rezol) và bả sả được trình bày ở hình 8.
Hình 8. Độ bền kéo của vật liệu composite trên nền nhựa phenol/bả sả theo tỷ lệ nhựa/bả sả
.jpg)
Từ hình 8 nhận thấy, độ bền kéo của vật liệu composite trên nền nhựa phenol (dạng rezol) và bả sả đã xử lý, tốt hơn độ bền kéo của vật liệu composite trên nền nhựa phenol (dạng rezol) và bả sả chưa xử lý. Kết quả này cũng tương tự như kết quả nhận được từ hình 7. Bả xả sau xử lý làm giảm đáng kể hàm lượng lignin qua đó giúp tương tác giữa nhựa nền và bả sả tốt, do đó tính chất cơ lý của vật liệu composite cao hơn. Từ hình 13 cũng cho thấy, tỷ lệ nhựa/bả sả 6/4 là tỷ lệ phối trộn tối ưu, do vậy độ bền kéo lớn nhất đạt 13.79 MPa.
So sánh độ bền nén và độ bền uốn của vật liệu composite trên nền nhựa phenol (dạng rezol) gia cường bằng sợi thân cây dứa dại và bả sả với tỷ lệ phối trộn nhựa/sợi là 6/4, được trình bày trong hình 9.
Hình 9. Tính chất cơ lý của vật liệu composite trên nền nhựa phenol (dạng rezol)/sợi thân cây dứa dại và bả sả với tỷ lệ nhựa/sợi là 6/4
.jpg)
Từ hình 9 nhận thấy, cùng một loại nhựa nền là nhựa phenol (dạng rezol), cùng tỷ lệ phối trộn nhựa/sợi là 6/4 thì tính chất cơ lý của vật liệu composite từ sợi thân cây dứa dại cao hơn bả sả. Tuy nhiên mức độ chênh lệch này không lớn.
KẾT LUẬN
Hàm lượng lignin trong sợi thân cây dứa dại được loại bỏ một phần với điều kiện xử lý tối ưu là ngâm trong dung dịch NaOH 20% trong 4 giờ tại 800C, đã loại bỏ được 2.82% lignin ra khỏi cấu trúc sợi, hàm lượng lignin còn lại là 8.18%.
Loại bỏ một phầm hàm lượng lignin trong bả sả bằng cách ngâm trong dung dịch NaOH 5% tại 85oC trong 2 giờ là điều kiện xử lý thích hợp và hiệu quả nhất.
Sợi thân cây dứa dại và bả sả đã xử lý loại bớt hàm lượng lignin, được ứng dụng để gia cường cho vật liệu composite trên nền nhựa phenol được xem là một hướng ứng dụng mới giúp hạn chế ONMT, đồng thời giúp tận dùng nguồn nguyên liệu rẻ tiền từ thiên nhiên.
Vật liệu composite trên nền nhựa phenol (dạng rezol) và sợi thân cây dứa dại/bả sả được chế tạo với tỷ lệ nhựa/sợi là 6/4 cho tính chất cơ lý của vật liệu composite tốt nhất với độ bền kéo đạt được là 15.23 MPa (với sợi thân cây dứa dại) và 13.79 MPa (với bả sả).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hoàng Thị Lĩnh, Nghiên cứu xử lý hóa học sơ dứa và khả năng ứng dụng, Luận án Phó Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật, 1993.
2. Nguyễn Hữu Niếu, Phan Thânh Bình, Huỳnh Văn Sáu, Một số thay đổi về tính chất sợi dứa Việt Nam bằng phương pháp xử ý trong dung dịch sodium hydroxyde, Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ, tập 10, số 03, 2007.
3. Trần Vĩnh Diệu, Phan Thị Minh Ngọc, Nguyễn Đắc Thành, Nguyễn Phạm Duy Linh, Bùi Văn Tiến, Nguyễn Thị Thanh Nhàn, Tính chất của sợi dứa dại (sisal) Việt Nam, Tạp chí Hóa học, tập 47, 2009.
4. Harjeet kaur and Dharm Dutt, Anatomical, morphological and chemical characterization of lignocellulosic by-products of lemon and sofia grasses obtained after recuperation of essential oils by steam distillation, Department of Paper Technology, Indian Institute of Technology Roorkee, Saharanpur, 247001, India, 2012.
HUỲNH LÊ HUY CƯỜNG, NGUYỄN NGỌC KIM TUYẾN, HUỲNH BẢO LONG
Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh (HUFI)
ĐÀO MINH TRUNG
Trường Đại học Thủ Dầu Một
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu giải pháp xử lý chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) bền vững cho Việt Nam thông qua tích hợp công nghệ vi sinh (phân hủy sinh học) và nhiệt phân. Trước áp lực gia tăng rác đô thị và yêu cầu phát triển kinh tế tuần hoàn, phương pháp này được đề xuất nhằm tận dụng tài nguyên từ rác, giảm chôn lấp và phát thải.
Nếu ở Kỳ 1, độc giả đã thấy những định hướng chiến lược và công nghệ xanh mở ra lối đi mới cho nông nghiệp Việt, thì đến Kỳ 2, điểm nhấn lại nằm ở những giải pháp cụ thể. Từ phòng thí nghiệm, nhiều nghiên cứu khoa học đã bước ra thực tiễn, đồng hành cùng doanh nghiệp, tạo nên các mô hình thành công: từ công nghệ bảo quản mới, chế biến cà phê hiện đại, đến kinh tế tuần hoàn phụ phẩm tôm và nâng tầm sản phẩm truyền thống như nước mắm. Đây chính là những hạt nhân giúp nông sản Việt gia tăng giá trị và chinh phục thị trường quốc tế.
Cao chloroform của Bí kỳ nam (Hydnophytum formicarum Jack.) được sắc ký cột với các hệ dung môi có độ phân cực khác nhau và kết hợp với kỹ thuật sắc ký lớp mỏng để thực hiện quá trình phân lập và tinh sạch các hợp chất. Cấu trúc của các hợp chất được xác định bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân và kết hợp so sánh với tài liệu tham khảo. Ba hợp chất được tinh sạch và xác định cấu trúc bao gồm luteolin (1), quercetin (2) và quercitrin (3).
Hoạt tính xua đuổi hiệu quả của p-menthan-3,8-diol (PMD) đã được chứng minh là hiệu quả an toàn cho sức khỏe, tuy nhiên, hợp chất này vẫn chưa được sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Đã có một số công trình nghiên cứu khảo sát tổng hợp PMD chủ yếu sử dụng xúc tác acid H2SO4 loãng với các điều kiện phản ứng khác nhau về thời gian và nhiệt độ.
Cháy nổ trong sinh hoạt dân dụng vẫn là một vấn đề nhức nhối tại Việt Nam, gây ra những thiệt hại nặng nề về người và tài sản do sự bất cẩn hoặc lỗi thiết bị điện. Các hệ thống cảnh báo cháy truyền thống thường có độ trễ cao, chỉ phản ứng khi cháy đã xảy ra rõ ràng, dễ gây báo động giả và thiếu khả năng cảnh báo từ xa.
Khu vực đảo Palawan (Philippine), Sempoma SABAH (Malaysia) nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với hai mùa mưa, mùa khô rõ rệt. Tại Palawan, trung bình năm nhiệt độ không khí 28,50C, độ ẩm trung bình 58,4%, tổng lượng mưa 2.920 mm, tổng số giờ nắng trong khoảng 2,180 - 2,307h, nhiệt độ nước biển 29,30C và độ muối nước biển 33,3‰.
