Đồ Án Điều chế vi sợi Cellulose có kích thước Nano từ nguồn Biomass sợi tre

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC
BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2012


MỤC LỤC


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
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
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
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
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
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
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
1.3.2.3. Phương pháp nghiền lạnh . 15
1.3.3. Ứng dụng MFC . 15

CHƯƠNG 2 : THỰC NGHIỆM . 16
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
2.3.2. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 17
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
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
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

KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ . 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 36



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
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
Bảng 3.1 Độ kết tinh của các mẫu 34


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
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 quét . 17
Hình 2.2 Ảnh chụp một bụi tre gai 18
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
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
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
2%(b) . 24
Hình 3.2 Ảnh một sợi tre thô (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 khác nhau 26
Hình 3.4 Phổ FT-IR của sợi tre thô và sợi tre đã xử lý hóa học 29
Hình 3.5 Phổ FT-IR của sợi tre ở các điều kiện xử lý hóa học khác nhau 29
Hình 3.6 Ảnh SEM của sợi tre nghiền kết hợp với thủy phân ở 400C, 180 phút và tẩy
trắng ở các độ phóng đại khác nhau . 30
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
Hình 3.8 Ảnh SEM của sợi tre nổ hơi nước kết hợp với thủy phân ở 400C, 180 phút và tẩy trắng . 32
Hình 3.9 Giản đồ XRD của sợi tre thô và sợi tre đã xử lý hóa học ở các điều kiện khác
nhau . 33


ĐẶT VẤN ĐỀ

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 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 còn thải ra khí CO2, SO2 và NOx gây hiệu ứng nhà kính,làm ô nhiễm môi trường và làm thay đổi nghiêm trọng đến khí hậu toàn cầu [4, 5].

Ngoài ra, như chúng ta đã biết trong những thập kỷ gần đây polymer là một loại 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 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 môi trường hàng chục năm đến hàng triệu năm. Khi bị phân hủy do tác động nhiệt độ thì gây ô nhiễm môi trường. Polymer cũng là vật liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ.

Chính vì vậy, nhiều năm qua các nhà khoa học công nghệ trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu tìm nguồn năng lượng mới, làm ra các vật liệu mới. Có khả năng thay thế năng lượng từ nhiên liệu gốc khoáng, có thể tái tạo, thân thiện với môi 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 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 liệu composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nhưng song song vào đó là vấn đề về môi 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 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”.