Nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông sản để chế tạo vật liệu có tính chất giữ ẩm cao cho các ứng dụng trong nông nghiệp (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ NGUYỄN THỊ TUYẾT NGỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ PHẨM NƠNG SẢN ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU CĨ TÍNH GIỮ ẨM CAO CHO CÁC ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 8520301 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Đà Nẵng – Năm 2022 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Công trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THANH BÌNH PGS TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM Phản biện 1: TS Phan Thế Anh Phản biện 2: PGS.TS Lê Minh Đức Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật hóa học họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày tháng 07 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: − Trung tâm Học liệu Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN − Thư viện Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Phân bón nước hai nhân tố quan trọng sản xuất nơng nghiệp Hiện với biến đổi khí hậu dẫn đến tình trạng hạn hán vùng Trung Bộ, Tây Nguyên Nam Trung Bộ ngày gia tăng Việc giảm nguồn nước dẫn đến nguồn nước tưới tiêu bị thiếu hụt theo, điều quan trọng phải sử dụng nguồn nước cách hợp lý để chống lại áp lực hạn hán góp phần cải thiện tình trạng sa mạc hóa vùng đất bị hạn hán Vật liêu giữ ẩm sở hydrogel vật liệu có cấu trúc mạng lưới ba chiều chuỗi polyme ưa nước liên kết với nhờ vào liên kết vật lý, liên kết hóa học nhờ vào q trình polyme hóa Chúng mạng lưới polyme tự nhiên polyme tổng hợp có khả giữ lại lượng lớn nước lớn bề mặt cấu trúc mà khơng bị hịa tan nước Vật liệu giữ ẩm sở hydrogel cấu trúc tương tự tạo thành từ phụ phẩm nơng nghiệp tổng hợp nhiều phương pháp khác trùng hợp dung dịch, trùng hợp huyền phù, polyme hóa hình thành liên kết ngang cách xử lý lạnh đông, phản ứng trùng hợp xạ điện từ Trong phương pháp phương pháp xử lý lạnh đơng phương pháp thân thiện với môi trường đánh giá có khả cải thiện độ bền học độ bền nhiệt vật liệu Chất tạo liên kết ngang sử dụng vật liệu giữ nước sở hydrogel hợp chất kết nối phân tử với cải thiện đặc tính vật liệu Việc sử dụng chất tạo liên kết ngang để hình thành mạng lưới ba chiều hydrogel giúp làm tăng khối THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội lượng phân tử, cải thiện độ ổn định cải thiện tính chất học, vật lý độ đàn hồi, độ nhớt tính khơng hịa tan polyme Chất tạo liên kết ngang thường sử dụng N, N’ – Methylenebiscarylamide, nhiên hợp chất có giá thành cao, khơng thân thiện với mơi trường Do đó, nghiên cứu hướng đến sử dụng axit hữu đa axit làm chất tạo liên kết ngang chúng tương đối rẻ tiền, khơng độc hại, ưa nước có – nhóm –COOH tạo thành liên kết hydro mạnh để cải thiện độ trương nở độ bền vật liệu Rơm nguồn phụ phẩm nông nghiệp phát sinh hàng triệu năm (khoảng 731 triệu năm giớii Việc đốt cháy rơm đồng ruộng sau mùa thu hoạch tạo lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính ô nhiễm môi trường CO2, CH4, CO Tuy nhiên, rơm nguồn chất thải có chứa nhiều cellulose thành phần (khoảng 32 – 47%) Do đó, việc sử dụng rơm nguồn nguyên liệu có nguồn gốc sinh học để tổng hợp vật liệu giữ ẩm góp phần làm giảm thiểu vấn đề môi trường chất thải nông nghiệp phát sinh đặc biệt cịn góp phần vào việc trì độ ẩm cải tạo đất sau canh tác Hiện việc nghiên cứu sử dụng nguồn vật liệu có nguồn gốc sinh học từ phụ phẩm nơng nghiệp rơm, trấu, mùn cưa, vỏ dứa, lõi bắp, … để tổng hợp vật liệu giữ ẩm sở hydrogel cấu trúc tương tự nhà khoa học quan tâm Đã có số nghiên cứu công bố việc sử dụng cellulose từ phụ phẩm nông sản việc tổng hợp vật liệu giữ ẩm cho ứng dụng nông nghiệp Kết cho thấy loại vật liệu tổng hợp từ cellulose đảm bảo khả giữ nước mà cịn có khả phân hủy sinh học tính tương thích sinh THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội học tốt Tuy nhiên, nghiên cứu này, lượng hemicellulose lignin bị thải bỏ môi trường và theo hiểu biết tác giả chưa có nghiên cứu sử dụng tồn ba thành phần rơm (gồm cellulose, hemicellulose lignin) để tổng hợp vật liệu giữ ẩm sở hydrogel Từ phân tích nói trên, đề tài tập trung vào nghiên cứu “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu giữ ẩm sở hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp” đánh giá khả ứng dụng của chúng Mục tiêu nghiên cứu • Nghiên cứu tổng hợp thành công vật liệu sở hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp phương pháp xử lý lạnh đơng • Đánh giá khả hấp thu – giải phóng nước khả tái sử dụng vật liệu Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu giữ nước sở hydrogel từ cellulose - Tổng hợp vật liệu giữ nước sở hydrogel từ rơm - Đánh giá đặc tính cấu trúc vật liệu giữ nước sở hydrogel - Nghiên cứu khả hấp thu nước vật liệu điều kiện nhiệt độ môi trường khả tái sử dụng vật liệu Phương pháp nghiên cứu Một số phương pháp áp dụng như: - Kính hiển vi điện tử quét (SEM), - Quang phổ hồng ngoại (FT – IR), - Phương pháp phân tích nhiệt trọng trường TGA, - Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Ý nghĩa thực tiễn khoa học đề tài THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 5.1 Ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa thực tiễn đề tài giảm lượng rơm phát thải hàng năm, giảm nhiễm khơng khí việc đốt rơm gây Đây phương án giúp giải tình trạng hạn hán cao, tăng hiệu sử dụng nước, góp phần cải tạo chất lượng đất nông nghiệp cho vùng đất bị hạn hán sa mạc hóa Trung Bộ, Nam Trung Bộ, Tây Nguyên 5.2 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu sử dụng quy trình đơn giản có tính khả thi cao để tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ nguồn phụ phẩm nơng nghiệp (rơm, trấu) có khả giữ nước cao, phân hủy sinh học, thân thiện với mơi trường Việc nghiên cứu giúp tìm công nghệ tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp nhằm đáp ứng yêu cầu cấp bách mặt khoa học, làm chủ công nghệ lĩnh vực tạo vật liệu siêu hấp thu nước phục vụ cho nông nghiệp xanh Bố cục luận văn Nội dung luận văn chia làm phần chính: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm Chương 3: Kết thảo luận CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Rơm Rơm phụ phẩm lại sau lúa thu hoạch Đặc tính rơm chia thành nhóm gồm tính chất vật lý thành phần hóa học THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.1.1 Tính chất vật lý 1.1.2 Tính chất hóa học Rơm giống nguồn sinh khối lignocellulosic khác bao gồm ba thành phần cellulose, hemicellulose lignin 1.1.2.1 Cellulose Cellulose khơng màu, khơng mùi, khơng hịa tan nước nhiều dung môi hữu Do liên kết hydro phân tử cellulose với kèm theo lực Van der Waals vùng cấu trúc tinh thể khiến cho cellulose khó bị hịa tan Tuy nhiên, liên kết glycosidic cellulose bị thủy phân môi trường axit Cấu tạo cellulose homopolysaccharide mạch thẳng chứa mắt xích β-D-glucose Các mắt xích liên kết cộng hóa trị liên kết β-1,4-glycosidic nhóm hydroxyl cacbon C1 C4 Cellulose phân tử cấu trúc thành tế bào thực vật Trong rơm, cellulose chiếm khoảng 32 – 47% Đây loại vật liệu an tồn, chi phí thấp thân thiện với môi trường 1.1.2.2 Hemicellulose Hemicellulose polysaccharide có mạch liên kết β-(1-4) Hemicellulose có cấu trúc ngẫu nhiên, vơ định hình có độ bền thấp Hemicellulose dễ dàng thủy phân dung dịch NaOH lỗng axit lỗng Vai trị quan trọng hemicellulose củng cố thành tế bào cách tương tác với cellulose lignin Trong rơm, hemicellulose chiếm khoảng 19 – 27% THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.1.2.3 Lignin Lignin cấu trúc polyme vô định hình tạo thành liên kết ngang từ tiểu đơn vị phenolic Lignin thực vật chủ yếu cung cấp độ cứng cách tăng cường cấu trúc thành tế bào Trong rơm, lignin chiếm khoảng – 24% 1.1.3 Ứng dụng rơm 1.1.4 Các phương pháp trích xuất cellulose từ phụ phẩm nơng nghiệp 1.1.4.1 Phương pháp học a Phương pháp đồng áp suất cao (High-Pressure Homogenisation – HPH) b Siêu âm cường độ cao (High-Intensity UltraSound – HIUS) c Mài cắt cường độ lớn d Nổ 1.1.4.2 Phương pháp sử dụng enzim 1.1.4.3 Phương pháp hóa học a Thủy phân kiềm b Thủy phân axit c Sử dụng chất lỏng ion (Ionic Liquids – ILs) Tăng khả phân tán cellulose 1.1.5 1.1.5.1 NaOH/Urê 1.1.5.2 NaOH/Thiourê 1.1.5.3 Chất lỏng ion 1.2 Hydrogel THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Hydrogel mạng lưới polyme liên kết ba chiều (3D) Hydrogel hấp thu giữ lại lượng lớn nước, chất dinh dưỡng thời gian dài Hydrogel thường cấu tạo từ nhóm ưa nước – OH, – COOH, – NH2, – CONH2, – SO3H mạng lưới polyme ưa nước Khả hấp thu nước hydrogel nhóm chức ưa nước gắn với mạch polyme mang lại khả chống lại hòa tan lại lại liên kết ngang chuỗi mạng 1.2.1 Những lợi ích hydrogel mang lại cho nơng nghiệp 1.2.1.1 Tăng khả giữ nước chất dinh dưỡng 1.2.1.2 Tăng suất vụ mùa 1.2.2 Tác động kinh tế xã hội sử dụng vật liệu có tính giữ ẩm cao sở hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp 1.2.2.1 Phân tích tính kinh tế 1.2.2.2 Tác động đến môi trường 1.2.3 1.2.3.1 Tổng hợp hydrogel Phương pháp hóa học a Trùng hợp dung dịch b Trùng hợp nhũ tương đảo 1.2.3.2 Phương pháp vật lý a Phản ứng trùng hợp xạ điện từ b Quá trình trùng hợp tạo liên kết ngang xử lý lạnh đông 1.2.4 1.2.4.1 Kỹ thuật tạo liên kết ngang Liên kết ngang vật lý a Kỹ thuật lạnh đông – rã đông b Kỹ thuật quang tử THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội c Kỹ thuật xạ cảm ứng Liên kết hóa học 1.2.4.2 a Axit citric b Epichlorohydrin (ECH) c Glutaraldehyde Kỹ thuật trùng hợp 1.2.4.3 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM Nguyên liệu 2.1 Trong quy trình nghiên cứu tổng hợp, tác giả sử dụng hóa chất sau: nguồn nguyên liệu cellulose tinh khiết từ y tế Bạch Tuyết; axit H2SO4 64%; hệ dung môi NaOH/Urê; rơm lấy từ đồng ruộng thị xã Quảng Trị, tỉnh Quảng Trị; dung dịch NaOH 2M; polyvinylancol, axit citric 20% nước cất Quy trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu 2.2 2.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ cellulose Quy trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ cellulose thể Hình 2.1 Hình 2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ cellulose THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 10 Vật liệu cellulose hydrogel sau thẩm tích với nước để loại bỏ ion tự lại hydrogel cellulose Sau tổng hợp thành cơng, vật liệu đem khảo sát tính chất 2.2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ rơm Quy trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ rơm thể thơng qua Hình 2.2 Hình 2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ rơm Trong đề tài này, tác giả thủy phân 4g rơm 64ml dung dịch NaOH 2M sử dụng máy khuấy từ gia nhiệt Velp Arec.X Hình 2.5 để trì nhiệt độ 90oC, vòng với tốc độ khuấy 200 vịng/phút Hình 2.5 Hệ thống thực trình thủy phân rơm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 11 Sau thu huyền phù gồm cellulose, hemicellulose, lignin NaOH, 10ml dung dịch polyvinylancol (PVA) 4% bổ sung vào huyền phù thu với tốc độ khuấy 200 vòng/phút vòng 30 phút để tăng khả tạo gel lignin hemicellulose Sol thu sau bổ sung PVA tiến hành lạnh đơng vịng 20 để thực q trình gel hóa Hydrogel thu sau lạnh đông xử lý cách ngâm dung dịch axit citric 20% vòng 20 nhiệt độ môi trường để tăng độ bền học nhờ hình thành liên kết ngang axit citric với phân tử cellulose Sau q trình lạnh đơng 20ml dung dịch dư thu hồi sử dụng trình tổng hợp vật liệu sở hydrogel giai đoạn thủy phân kiềm Vật liệu sở hydrogel từ rơm sau thẩm tích với nước để loại bỏ ion tự lại hydrogel từ rơm Sau tổng hợp thành công, vật liệu đem khảo sát tính chất 2.3 Quy trình đánh giá khả hấp thu, giải phóng nước khả tái sử dụng mẫu phương pháp định lượng Tác giả tiến hành để đánh giá khả hấp thu – giải phóng nước khả hấp thu nước trở lại mẫu phương pháp định lượng dựa thay đổi khối lượng Khả hấp thu nước 1g vật liệu sở hydrogel (W) theo công thức (1.1) W= 𝑤1 −𝑤2 𝑤2 (1.1) Khả hấp thu nước trở lại 1g vật liệu sở hydrogel (W’) theo công thức (1.2) W’ = 𝑤3 −𝑤2 𝑤2 (1.2) THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 12 2.4 Các phương pháp đánh giá sản phẩm 2.4.1 Nhiễu xạ tia X 2.4.1.1 Nguyên lý hoạt động 2.4.1.2 Cấu tạo 2.4.1.3 Ưu nhược điểm phương pháp Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Furier (FTIR) 2.4.2 2.4.2.1 Nguyên lý hoạt động 2.4.2.2 Cấu tạo 2.4.2.3 Ưu nhược điểm phương pháp Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 2.4.3 2.4.3.1 Nguyên lý hoạt động 2.4.3.2 Cấu tạo 2.4.3.3 Ưu nhược điểm phương pháp Phân tích nhiệt trọng trường (TGA) 2.4.4 2.4.4.1 Nguyên lý hoạt động 2.4.4.2 Cấu tạo 2.4.4.3 Ưu nhược điểm phương pháp CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 3.1.1 Tổng hợp đánh giá đặc tính sản phẩm Cellulose THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 13 Hình 3.1 Kết phổ hồng ngoại (a) vật liệu sở hydrogel từ MCC, (b) axit citric (c) urê Kết cho thấy có tương tác liên kết hydro phân tử tạo nhóm – COOH C = O trình tổng hợp Dao động biến dạng N – H urê 1455 cm-1 phổ FTIR (gần với giá trị 1457 cm-1) vật liệu sở hydrogel từ cellulose cho thấy có mặt urê tinh thể cấu trúc vật liệu Tuy nhiên độ hấp thụ liên kết N – H vật liệu sở hydrogel từ cellulose yếu so với urê ban đầu phần urê tương tác tạo liên kết hydro liên phân tử Hình 3.2 Ảnh chụp SEM (A) bơng độ phóng đại 100 (B) vật liệu hydrogel sở cellulose độ phóng đại 1000 Kết cho thấy cellulose ban đầu có cấu trúc dạng sợi vật liệu sở hydrogel tạo thành từ cellulose lại có cấu trúc khối, hạt Kết nhiễu xạ tia X hydrogel tạo thành từ trình thủy phân cellulose axit cho thấy cấu trúc tinh thể cellulose, đồng thời cho thấy H2SO4 dư trung hòa NaOH tạo thành muối Na2SO4 Ngoài ra, dựa liên kết C = O tìm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 14 thấy kết FTIR kết XRD Hình 3.3 ta thấy cấu trúc vật liệu cịn urê tinh thể dư vật liệu hydrogel tạo thành có cấu trúc khối thay cấu trúc dạng sợi ban đầu cellulose Hình 3.3 Kết đo XRD vật liệu sở hydrogel từ cellulose Kết cho thấy sau thủy phân axit cho thấy lượng H2SO4 lại sau thủy phân trung hòa NaOH tạo thành muối Na2SO4 giữ cấu trúc vật liệu Ngồi ra, urê tìm thấy cấu trúc vật liệu sở hydrogel từ MCC Trong phổ XRD vật liệu không thu peak đặc trưng axit citric, điều thấy axit citric phân tán hoàn toàn cấu trúc vật liệu để pham gia tạ liên kết ngang không bị kết tinh trở lại Hình 3.4 Đường cong TGA vật liệu sở hydrogel từ cellulose THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 15 Dựa vào đường cong TGA vật liệu sở hydrogel từ MCC cho thấy năm giai đoạn suy thối nhiệt Giai đoạn đầu khoảng từ 50oC đến 120oC tương ứng với nước hấp phụ vật lý bề mặt vật liệu Lần giảm khối lượng thứ hai khoảng 170oC đến 190oC tương ứng với phân hủy urê tinh khiết dư vật liệu sở hydrogel từ cellulose Kết tương tự với tinh thể urê tìm thấy vật liệu từ kết đo XRD, SEM phân hủy nhiệt giống với kết phân hủy nhiệt urê tinh khiết Yaolin Wang cộng công bố Lần giảm khối lượng thứ ba khoảng 190oC đến 210oC đến từ phân hủy urê tham gia tạo liên kết hydro liên phân tử với cellulose để giúp tăng khả hòa tan cellulose Lần giảm khối lượng thứ tư khoảng 280oC đến 310oC tương ứng với nhiệt phân cellulose tự có mặt sản phẩm Lee Chiau Yeng cộng công bố vào năm 2015 Lần giảm khối lượng cuối khoảng 700 – 800oC tương ứng với trình phân hủy vật liệu tạo nên từ liên kết ngang cellulose axit citric cấu trúc vật liệu 3.1.2 3.1.2.1 Rơm Kết trình thủy phân kiềm Hình 3.5 Ảnh SEM rơm (C) trước thủy phân kiềm, (D) sau thủy phân kiềm (×500) THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 16 Kết cho thấy trình thủy phân kiềm gây thay đổi cấu trúc Quá trình thủy phân kiềm phân tách hemicellulose lignin để lại bề mặt gồ ghề cellulose có dạng sợi Kết tương tự tìm thấy công bố Damaurai cộng tiền xử lý rơm với NaOH Có thể thấy q trình thủy phân kiềm giúp phân tách lignin, hemicellulose từ giúp tăng hiệu tiếp cận cellulose Việc sử dụng kiềm giúp tăng diện tích bề mặt bên cellulose từ giúp cellulose tăng khả tiếp xúc với PVA axit citric trình tổng hợp Kết cịn thể rõ phổ hồng ngoại mẫu rơm trước (đường màu xanh) sau thủy phân kiềm (đường màu đỏ) Hình 3.6 Hình 3.6 Phổ hồng ngoại rơm (đường màu xanh dương) rơm sau thủy phân kiềm (đường màu đỏ) Kết cho thấy rơm sau thủy phân kiềm, cellulose tách khỏi lignin hemicellulose bao bọc ban đầu dẫn đến tăng mật độ nhóm – OH, liên kết C – H sp3, CAr – H C – O có cấu trúc cellulose Tương tự kết XRD, kết FT-IR cho thấy trình thủy phân kiềm giúp phân tách lignin, hemicellulose từ giúp tăng hiệu tiếp cận cellulose THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 17 Hình 3.7 Kết đo XRD rơm (đường màu đỏ) rơm sau thủy phân kiềm (đường màu xanh) Kết XRD thu rơm trước sau thủy phân kiềm trùng với phổ cellulose ialpha (C6H10O5)n phổ liệu thiết bị nhiễu xạ tia X Dựa kết phân tích XRD ta thấy gia tăng cường độ giảm độ rộng peak góc nhiễu xạ 2θ = 22.2o sau rơm thủy phân kiềm so với peak rơm cho thấy dung dịch NaOH có khả phân tách lignin hemicellulose khỏi bề mặt cellulose dẫn đến việc dung dịch thủy phân tiếp cận bề mặt cellulose đễ dàng, làm tăng khả thủy phân cellulose có mặt rơm Liên kết hydro vùng tinh thể cellulose bị suy giảm tạo điều kiện cho thủy phân liên kết glycosidic liên kết este ngun nhân dẫn đến gia tăng cường độ đỉnh rơm sau thủy phân kiềm 3.1.2.2 Kết tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ rơm Hình 3.8 Ảnh SEM rơm (E) sau bổ sung PVA, (F) vật liệu hydrogel tạo thành từ rơm (×500) THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 18 Kết cho thấy bổ sung thêm PVA PVA giúp phân tán lignin hemicellulose xen sợi cellulose dẫn đến việc tăng thể tích mẫu so với rơm ban đầu Đồng thời, PVA bám lên bề mặt sợi cellulose làm gồ ghề cellulose sau thủy phân kiềm Ảnh chụp SEM (F) Hình 3.8 cho thấy mảng màu trắng tạo thành este PVA axit citric giúp tạo thành khối liên kết chặt chẽ cellulose, lignin hemicellulose từ giúp tăng độ bền học cho mẫu Kết tương tự với kết thu từ FT-IR XRD Hình 3.9 Phổ hồng ngoại rơm (đường màu xanh dương), rơm sau thủy phân kiềm (đường màu đỏ) vật liệu sở hydrogel từ rơm (đường màu xanh cây) Kết cho thấy vật liệu sở hydrogel từ rơm có tạo liên kết hydro liên phân tử nhóm – OH sau bổ sung PVA axit citric làm giảm lượng dao động nhóm – OH, peak dịch chuyển phía lượng thấp dẫn đến độ rộng peak giãn So với phổ hồng ngoại rơm rơm sau thủy phân kiềm, nhìn thấy có dao động kéo giãn liên kết C – H sp3, CAr – H C – O vật liệu sở hydrogel từ rơm có đỉnh hẹp cương độ cao Điều thấy vật THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 19 liệu sở hydrogel có gia tăng mật độ liên kết C – H sp3, CAr – H C – O tương ứng lần PVA tham gia tạo liên kết hydro với lignin, hemicellulose cellulose cấu trúc khung vật liệu Ngoài ra, axit citric tham gia tạo liên kết ngang dẫn đến việc gia tăng mật độ liên kết C – H sp3 C – O cấu trúc vật liệu Tương tự kết SEM, kết FT-IR cho thấy PVA tham gia tạo liên kết hydro với lignin, hemicellulose cellulose để tạo thành khung vật liệu Hình 3.1 Kết đo XRD rơm vật liệu sở hydrogel từ rơm Dựa vào đồ thị ta thấy thay đổi cấu trúc rơm sau trải qua giai đoạn xử lý trình tổng hợp So với phổ hồng ngoại rơm rơm sau thủy phân kiềm, nhìn thấy có dao động kéo giãn liên kết C – H sp3, CAr – H C – O vật liệu sở hydrogel từ rơm có đỉnh hẹp cường độ cao Điều thấy vật liệu sở hydrogel có gia tăng mật độ liên kết C – Hsp3, CAr – H C – O tương ứng lần PVA tham gia tạo liên kết hydro với lignin, hemicellulose cellulose cấu trúc khung vật liệu Ngoài ra, axit citric tham gia tạo liên kết ngang dẫn đến việc gia tăng mật độ liên kết C – Hsp3 C – O cấu trúc vật liệu THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 20 Hình 3.11 Đường cong TGA vật liệu sở hydrogel từ rơm Hình 3.2 Đường cong TGA rơm Đường cong TGA vật liệu sở hydrogel Hình 3.11 cho thấy hai giai đoạn suy thối nhiệt Giai đoạn đầu từ khoảng 50oC đến 120oC tương ứng với nước hấp phụ vật lý bề mặt vật liệu Lần giảm khối lượng thứ hai khoảng từ 220oC đến 280oC tương ứng với phân hủy nhánh nhóm chuỗi bên polyme So sánh đường cong TGA rơm (Hình 3.12) vật liệu tạo thành thấy vật liệu sở hydrogel giảm nhiệt độ phân hủy nhánh nhóm chuỗi bên polyme so với rơm ban đầu Điều giải thích rơm sau trải qua trình xử lý, cellulose khơng bảo vệ lignin hemicellulose cellulose dễ bị phân hủy, nhiệt độ phân hủy thấp THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 21 3.2 Đánh giá khả hấp thu giải phóng nước vật liệu sở hydrogel từ cellulose Hình 3.13 Vật liệu sở hydrogel từ cellulose (a) vật liệu hấp thu nước tối đa (b) vật liệu giải phóng nước đến khối lượng khơng đổi Hình 3.14 Đồ thị giải phóng nước nhiệt độ mơi trường theo thời gian vật liệu sở hydrogel từ cellulose Kết cho thấy vật liệu sở hydrogel từ cellulose có khả giữ giải phóng nước chậm vịng 15 ngày nhiệt độ môi trường khả hấp thu nước vật liệu 15.39g nước/g vật liệu 3.3 Đánh giá khả hấp thu, giải phóng nước khả tái sử dụng vật liệu sở hydrogel từ rơm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 22 Hình 3.15 Vật liệu sở hydrogel từ rơm (a) vật liệu hấp thu nước tối đa (b) vật liệu giải phóng nước đến khối lượng khơng đổi Hình 3.16 Đồ thị giải phóng nước nhiệt độ môi trường theo thời gian vật liệu sở hydrogel từ rơm Kết cho thấy vật liệu sở hydrogel từ rơm có khả giữ giải phóng nước chậm vịng ngày nhiệt độ môi trường khả hấp thu nước vật liệu 8.36g nước/g vật liệu Khả hấp thu nước gấp 4.89 lần so với rơm ban đầu Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn khả tái sử dụng vật liệu sở hydrogel từ rơm theo thời gian nhiệt độ môi trường Dựa vào đồ thị biểu diễn khả tái sử dụng vật liệu sở hydrogel từ rơm Hình 3.17 thấy vật liệu có khả hấp thu nước tối đa 4.38g nước/g vật liệu sau ngày (144 giờ) Khối lượng nước hấp thu trở lại nhỏ so với lần THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 23 giải thích q trình háp thu giải phóng nước làm thay đổi cấu trúc khung vật liệu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ➢ Kết luận Luận văn Thạc sỹ với đề tài “Nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nơng sản để chế tạo vật liệu có tính giữ ẩm cao cho ứng dụng nơng nghiệp”, hoàn thành yêu cầu đặt ra, cụ thể: ✓ Đã thành công việc tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ cellulose Sản phẩm thu có khả hấp thu 15.39g nước/g vật liệu giải phóng chậm vịng 15 ngày điều kiện nhiệt độ môi trường ✓ Tổng hợp thành công vật liệu sở hydrogel từ rơm mà khơng tạo dịng thải bỏ mơi trường Vật liệu thu có khả hấp thu nước gấp 4.89 lần so với rơm có khả giải phóng nước chậm vịng ngày điều kiện nhiệt độ mơi trường Ngồi ra, vật liệu tạo thành cịn có khả phân hủy sinh học tái sử dụng với khả hấp thu nước trở lại 4.38g nước/g vật liệu ✓ Tính khả thi phương pháp tổng hợp, khả hấp thu giải phóng nước vật liệu sở hydrogel từ cellulose từ rơm, phế phẩm nông nghiệp, điều kiện môi trường thu nghiên cứu sở để phát triển vật liệu có tính giữ ẩm cao từ phế phẩm nông nghiêp ➢ Kiến nghị ✓ Cần khảo sát thêm mức độ ảnh hưởng số chu kỳ lạnh đông – rã đông đến khả tạo gel vật liệu THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 24 ✓ Khảo sát ảnh hưởng nồng độ axit citric đến khả tạo liên kết ngang vật liệu ✓ Cần tìm thêm giải pháp giúp tăng khả hấp thu nước khả tái sử dụng vật liệu THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... cấu trúc khung vật liệu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ➢ Kết luận Luận văn Thạc sỹ với đề tài ? ?Nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông sản để chế tạo vật liệu có tính giữ ẩm cao cho ứng dụng nơng nghiệp? ??, hồn... để tổng hợp vật liệu giữ ẩm sở hydrogel cấu trúc tương tự nhà khoa học quan tâm Đã có số nghiên cứu công bố việc sử dụng cellulose từ phụ phẩm nông sản việc tổng hợp vật liệu giữ ẩm cho ứng dụng. .. tổng hợp vật liệu giữ ẩm sở hydrogel Từ phân tích nói trên, đề tài tập trung vào nghiên cứu ? ?Nghiên cứu tổng hợp vật liệu giữ ẩm sở hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp? ?? đánh giá khả ứng dụng của chúng