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

NGUYỄN THỊ TUYẾT NGỌC ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ TUYẾT NGỌC NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ PHẨM NÔNG SẢN ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU CĨ TÍNH GIỮ ẨM CAO CHO CÁC ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành Kỹ thuật hóa học KHĨA 41 Đà Nẵng – 2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ TUYẾT NGỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ PHẨM NÔNG SẢN ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU CĨ TÍNH GIỮ ẨM CAO CHO CÁC ỨNG DỤNG TRONG NƠNG NGHIỆP Chun ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Thanh Bình PGS TS Nguyễn Đình Lâm Đà Nẵng – 2022 i MỤC LỤC MỤC LỤC .i LỜI CAM ĐOAN v LỜI CẢM ƠN .vi TÓM TẮT LUẬN VĂN vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Rơm 1.1 1.1.1 Tính chất vật lý 1.1.2 Thành phần hóa học 1.1.2.1 Cellulose .6 1.1.2.2 Hemicellulose .7 1.1.2.3 Lignin 1.1.3 Ứng dụng rơm .9 1.1.4 Các phương pháp thu hồi cellulose từ phụ phẩm nông nghiệp 10 1.1.4.1 Phương pháp học 10 a) Phương pháp đồng áp suất cao (High-Pressure Homogenisation – HPH) 10 b) Siêu âm cường độ cao (High-Intensity UltraSound – HIUS) 11 c) Mài cắt cường độ lớn .11 d) Nổ 11 1.1.4.2 Phương pháp sử dụng enzim 11 1.1.4.3 Phương pháp hóa học 12 1.1.5 a) Thủy phân kiềm .12 b) Thủy phân axit .12 c) Sử dụng chất lỏng ion (Ionic Liquid – Ils) .12 Các phương pháp làm tăng khả phân tán cellulose 12 1.1.5.1 NaOH/Urê 13 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ii 1.1.5.2 NaOH/Thiourê 13 1.1.5.3 Chất lỏng ion 14 1.2 Hydrogel .14 Những lợi ích hydrogel mang lại cho nơng nghiệp 15 1.2.1 1.2.1.1 Tăng khả giữ nước chất dinh dưỡng 15 1.2.1.2 Tăng suất vụ mùa 15 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 15 1.2.2.1 Phân tích tính kinh tế 16 1.2.2.2 Tác động đến môi trường 17 1.2.3 Tổng hợp hydrogel 17 1.2.3.1 Phương pháp hóa học 17 a) Trùng hợp dung dịch 17 b) Trùng hợp nhũ tương đảo 17 1.2.3.2 Phương pháp vật lý 18 a) Phản ứng trùng hợp xạ điện từ 18 b) Quá trình trùng hợp tạo liên kết ngang xử lý lạnh đông 18 Kỹ thuật tạo liên kết ngang 18 1.2.4 1.2.4.1 Liên kết ngang vật lý 18 a) Kỹ thuật lạnh đông – rã đông 18 b) Kỹ thuật quang tử 19 c) Kỹ thuật xạ cảm ứng .19 1.2.4.2 Liên kết hóa học 19 a) Axit citric 19 b) Epichlorohydrin (ECH) 19 c) Glutaraldehyde 20 1.2.4.3 Kỹ thuật trùng hợp 20 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 21 2.1 2.1.1 Nguyên liệu 21 Đối với quy trình tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ cellulose Error! Bookmark not defined THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội iii 2.1.2 Đối với quy trình tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ rơm Error! Bookmark not defined Quy trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu .21 2.2 2.2.1 Quy trình tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ cellulose 21 2.2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ rơm 23 2.3 Quy trình đánh giá khả hấp thu, giải phóng nước khả tái sử dụng mẫu phương pháp định lượng 26 Các phương pháp đánh giá sản phẩm .27 2.4 2.4.1 Nhiễu xạ tia X (XRD) .27 2.4.1.1 Nguyên lý hoạt động 27 2.4.1.2 Cấu tạo .27 2.4.1.3 Ưu nhược điểm phương pháp 28 2.4.2 Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FTIR) .28 2.4.2.1 Nguyên lý hoạt động 29 2.4.2.2 Cấu tạo .30 2.4.2.3 Ưu nhược điểm phương pháp 30 2.4.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .30 2.4.3.1 Nguyên lý hoạt động 31 2.4.3.2 Cấu tạo .31 2.4.3.3 Ưu nhược điểm phương pháp 32 2.4.4 Phân tích nhiệt trọng trường (TGA) .32 2.4.4.1 Nguyên lý hoạt động 33 2.4.4.2 Cấu tạo .33 2.4.4.3 Ưu nhược điểm phương pháp 34 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .35 Đánh giá đặc tính sản phẩm .35 3.1 3.1.1 Cellulose 35 3.1.2 Rơm 38 3.1.2.1 Kết trình thủy phân kiềm .38 3.1.2.2 Kết tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ rơm .40 3.2 Đánh giá khả hấp thu giải phóng nước vật liệu sở hydrogel từ cellulose 43 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội iv 3.3 Đánh giá khả hấp thu, giải phóng nước khả tái sử dụng vật liệu sở hydrogel từ rơm .44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội v LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các tài liệu thông tin tham khảo đề tài luận văn trích dẫn rõ nguồn gốc theo định số 29/QĐ-ĐHBK ngày 09/01/2017 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng liêm học thuật Nếu có hành vi sai phạm tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Các kết quả, số liệu sử dụng đề tài luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Học viên cao học Nguyễn Thị Tuyết Ngọc THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vi LỜI CẢM ƠN 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” nội dung tác giả chọn để nghiên cứu làm luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật hóa học trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Để hồn thành q trình nghiên cứu hoàn thiện luận văn, lời tác giả xin chân thành cảm ơn đến PGS TS Nguyễn Đình Lâm TS Nguyễn Thanh Bình thuộc Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng hướng dẫn tác giả suốt trình làm luận văn để tác giả có định hướng giải tốt đề tài nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn đến KS Huỳnh Thị Thanh Thắng giúp đỡ, tạo điều kiện cho tác giả q trình thực đề tài phịng thí nghiệm Kết luận văn nổ lực cố gắng tác giả để đưa giải pháp tốt cho đề tài thời gian thực nhiên tránh khỏi thiếu sót Do đó, tác giả mong nhận thêm lời góp ý từ q thầy/cơ để tác giả hồn thiện thêm đề tài nghiên cứu Tác giả xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 02 tháng 05 năm 2022 TÁC GIẢ THỰC HIỆN THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ PHẨM NƠNG NGHIỆP ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU CĨ TÍNH GIỮ ẨM CAO CHO CÁC ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Ngọc Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 8520301 Khóa: 41 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Rơm nguồn chất thải nông nghiệp phát sinh hàng triệu năm Việc đốt cháy rơm đồng ruộng sau mùa thu hoạch tạo lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính nhiễm mơi 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 Với đề tài này, tác giả tổng hợp vật liệu sở hydrogel từ rơm mà khơng tạo dịng thải bỏ trình thực Vật liệu tổng hợp thành có khả hấp thu nước 8.36g nước/g vật liệu, gấp 4.89 lần so với rơm ban đầu có khả giải phóng nước chậm vịng 15 ngày điều kiện nhiệt độ môi trường Vật liệu sở hydrogel từ rơm cịn có khả phân hủy sinh học tái sử dụng Kết thu cho thấy tác giả tổng hợp thành công vật liệu sở hydrogel từ rơm có khả hấp thu giải phóng nước chậm với quy trình tổng hợp đơn giản, chi phí thấp thân thiện với mơi trường Từ khóa – Vật liệu sở hydrogel, rơm, giữ ẩm, giải phóng nước chậm RESEARCH UTILIZING AGRICULTURAL WASTE TO PRODUCE HIGH MOISTURE RETENTION PROPERTY MATERIALS FOR AGRICULTURAL APPLICATIONS Abstract - Straw is a source of agricultural waste that generates millions of tons every year The burning of straw right in the field after the harvest season creates an amount of greenhouse gas emissions and environmental pollution such as CO2, CH4, CO However, straw is a source of waste that contains a lot of cellulose in its composition (about 32 – 47%) Therefore, the use of straw as a source of biologically derived material for the synthesis of moisture-retaining material will contribute to reducing the environmental problems caused by agricultural wastes and especially contribute to on maintaining moisture and improving soil after cultivation With this topic, the author has synthesized material on the basis of hydrogel from straw without creating any waste stream during implementation The final sample has a water absorption capacity of 8.36g water/g material, 4.89 times higher than the original straw, and has the ability to release water slowly within 15 days at ambient temperature conditions The material on the basis of hydrogel from straw is also biodegradable and reusable The obtained results show that the author has successfully synthesized material based on hydrogels from straw that have the ability to absorb and release water slowly with a simple, low-cost and environmentally friendly synthesis process Key words – Material on the basic of hydrogel, rice straw, moisture retention, slow water release THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: w1 Khối lượng ướt w2 Khối lượng không đổi w3 Khối lượng ướt vật liệu sau hấp thu nước trở lại W Khả hấp thu nước 1g vật liệu sở hydrogel W’ Khả hấp thu nước trở lại 1g vật liệu sở hydrogel CÁC CHỮ VIẾT TẮT: AC Axit citric ECH Epichlorohydrin FT-IR Fourier Transform infrared spectroscopy HIUS High-intensity ultrasonication HPH High-pressure homogenization PVA Polyvinylancol SEM Scanning electron microscope TGA Thermal Gravimetric analyzer UV Ultraviolet XRD X – ray diffraction THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 53 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 54 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 55 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 56 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 57 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 58 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 59 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 60 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 61 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 62 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 63 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 64 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 65 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 66 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 67 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... hành nội vi LỜI CẢM ƠN Đề tài ? ?Nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông sản để chế tạo vật liệu có tính giữ ẩm cao cho ứng dụng nông nghiệp? ?? nội dung tác giả chọn để nghiên cứu làm luận văn thạc sĩ chuyên... KHOA NGUYỄN THỊ TUYẾT NGỌC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ PHẨM NÔNG SẢN ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU CĨ TÍNH GIỮ ẨM CAO CHO CÁC ỨNG DỤNG TRONG NƠNG NGHIỆP Chun ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 8520301... ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vii TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ PHẨM NƠNG NGHIỆP ĐỂ CHẾ TẠO VẬT LIỆU CĨ TÍNH GIỮ ẨM CAO CHO CÁC ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP Học viên: Nguyễn Thị Tuyết Ngọc Chuyên