Bài báo khoa học Đánh giá tiềm phát triển khả ứng dụng sợi cellulose tự nhiên Việt Nam theo hướng kinh tế tuần hoàn Nguyễn Vũ Việt Linh1, Đoàn Văn Huy1, Đặng Trương Nhân1, Trần Thanh Tâm2* Khoa Khoa học ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh 17130017@student.hcmute.edu.vn; 17130030@student.hcmute.edu.vn; linhnvv@hcmute.edu.vn Trường Đại học Tài Nguyên Mơi trường Thành phố Hồ Chí Minh; tttam@hcmunre.edu.vn *Tác giả liên hệ: tttam@hcmunre.edu.vn; Tel.: +84-862386805 Ban Biên tập nhận bài: 8/12/2021; Ngày phản biện xong: 1/4/2022; Ngày đăng bài: 25/4/2022 Tóm tắt: Sợi cellulose nguồn nguyên liệu phổ biến tự nhiên dồi Việt Nam Tính đến thời điểm tại, sợi cellulose sử dụng nhiều ứng dụng đời sống Sợi cellulose có đặc tính quan trọng cấu trúc dạng sợi tự nhiên, tính tốt, phân hủy sinh học thân thiện với môi trường Các nghiên cứu ứng dụng sợi cellulose tổng quan đánh giá trong viết Ngoài ứng dụng thông thường, sợi cellulose với cấu trúc sợi nano cellulose ứng dụng nhiều lĩnh vực y học, dược phẩm, mỹ phẩm, xử lý chất thải vv Các ứng dụng đánh giá tiềm phát triển sợi cellulose tự nhiên Việt Nam được đề cập tới viết Việt Nam nằm vùng nhiệt đới tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển nguồn nguyên liệu có chứa hàm lượng sợi cellulose lớn đa dạng Bài viết đánh giá tiềm phát triển ứng dụng tương lai nguồn sợi cellulose Việt Nam lớn Tiềm góp phần vào việc định hướng nghiên cứu, phát triển ứng dụng sợi cellulose theo hướng kinh tế tuần hoàn tương lai Từ khóa: Cellulose tự nhiên; Tiềm năng; Kinh tế tuần hoàn Đặt vấn đề Sợi cellulose nguyên liệu thô tự nhiên phong phú với tổng sản lượng từ 1011 – 10 tấn/năm [1] Nó loại polymer tự nhiên có sẵn, phân hủy sinh học tái tạo, cấu trúc dạng sợi, dài, khơng tan nước giúp trì cấu trúc thành tế bào thực vật, tế bào trứng tảo [2] Các sản phẩm dựa Cellulose phân loại thành ba nhóm khác dựa dạng Cellulose, bao gồm: monomer có nguồn gốc từ Cellulose để sản xuất chất tạo màng sinh học; sản phẩm dựa sợi Cellulose dẫn xuất Cenllulose; sản phẩm dựa Nanocellulose [3] 12 Hình Cấu trúc phân tử sợi cellulose [4] Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, EME4, 332-340; doi:10.36335/VNJHM.2022(EME4).332-340 http://tapchikttv.vn/ Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, EME4, 332-340; doi:10.36335/VNJHM.2022(EME4).332-340 333 Cellulose tạo thành từ hàng nghìn đơn vị D–glucose Các đơn vị liên kết với thông qua liên kết β–1,4–glicozit [5] Cellulose chuỗi polymer tự nhiên với cấu trúc phân tử không phân nhánh Các chuỗi cao phân tử glucozơ xếp theo mơ hình tuyến tính Khơng giống tinh bột glycogen, chuỗi không trải qua trình cuộn, xoắn phân nhánh Các chuỗi xếp song song với Các liên kết hydro hình thành chuỗi nguyên tử hydro nhóm hydroxyl giữ chặt chuỗi lại với Điều dẫn đến hình thành sợi nhỏ cellulose bền Cellulose có mạch thẳng cellulose thường gặp có dạng sợi Sợi bơng gịn, bơng vải hay sợi xơ dừa cấu thành từ xoắn hay chập vào vô số đại phân tử cellulose chung quanh trục chung [5] Cellulose nhiều sản phẩm cellulose thân thiện mơi trường có khả phân hủy sinh học Cellulose cho thấy tính chất đặc trưng tính ưa nước, tiềm chất hấp thụ, khơng độc hại, biến đổi hóa học dễ dàng, tính chất học tốt, cuối không phần quan trọng, khả vứt bỏ sau sử dụng mà an tồn [6] Có thể sử dụng lượng lớn nguyên liệu thô từ nguồn khác để làm chất hấp thụ nhiều dạng khác cellulose thơ, cellulose biến tính ACs, nhằm loại bỏ chất ô nhiễm thuốc nhuộm, phenol, kim loại, thuốc trừ sâu, v.v từ nước [7] Sợi tự nhiên gần thu hút ý nhà khoa học công nghệ ưu điểm mà sợi mang lại nhằm phát triển để thay cho loại vật liệu kim loại, nhựa, sợi tổng hợp,… ứng dụng với nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác cách âm, xử lý nước thải, hấp thụ dầu loang,… (Bảng 1–4) Gần đây, sợi nano–cellulose quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực hấp thụ kim loại, cảm biến, composite (Bảng 2) Ngoài ra, chiết suất monomer từ cellulose nghiên cứu nhiều cho ứng dụng khác (Bảng 4) Sợi tự nhiên có lợi nguồn nguyên liệu dồi dào, giá thành rẻ, có khả phân hủy sinh học, chịu mài mòn tốt, dễ xử lý Tuy nhiên, số hạn chế gặp phải tính thấm nước, khơng tương thích với polymer kỵ nước, khả chống ẩm làm giảm đáng kể tiềm phát triển sợi thiên nhiên [8] Sợi thiên nhiên có khả ứng dụng cao sản xuất sản phẩm đa dạng, phong phú Bảng Thống kê ứng dụng sợi cellulose Ứng dụng Nguồn Dẫn chứng Ô tô Lanh, đay, xơ dừa [9] Hydrogel Lanh, bông, … [10] Hấp thụ dầu Bông… [11] May mặc Bông, lanh ,đay [12] Cách âm Bông, xơ dừa… [13] Xử lý nước thải Xơ dừa [14] Gỗ nhân tạo Xơ dừa, lanh, day… [8] Bảng Ứng dụng sợi cellulose có cấu trúc nano mét Loại nano cellulose CNF – Cellulose Nano Fiber Kết Cho thấy độ ổn định học hóa học cao Phục hồi 94% hình dạng nước Ứng dụng Bọt biển/ hấp phụ đồng [15] CNC – Cellulose Nanocrystals Biến đổi màu sắc tiếp xúc với NH3.H2O, HCl, H2O, acid acetic Phủ/ cảm biến hóa học [16] BC – Bacterial Cellulose Mang lại nhiều đặc tính học, mức độ dị hướng cao Nanocomposites [17] Hội nghị khoa học toàn quốc “Chuyển đổi số công nghệ số Khoa học Trái đất, Mỏ Môi trường” (EME 2021) Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, EME4, 332-340; doi:10.36335/VNJHM.2022(EME4).332-340 334 Bảng Ứng dụng vật liệu tổng hợp dựa cellulose Vật liệu tổng hợp dựa cellulose Carbon nanotube/ cellulose fibers composite papers Cellulose diacetate/ màng cellulose nanocomposite Cellulose lyocell fibers/ cellulose acetate butyrate composite Kết Ứng dụng Tăng cường tính chất điện tính ổn định nhiệt Khả hấp thụ vi sóng phạm vi 10,5 GHz Tăng độ bền kéo, mô–đun young độ căng đứt Tăng mô đun Young, Tăng cường độ kéo, độ hút nước khả phân hủy sinh học Lá chắn điện từ ứng dụng công nghệ sinh học [18] Vật liệu tổng hợp nano hiệu suất cao [19] Hấp thụ nước [20] Bảng Thống kê quy trình tổng hợp monomer từ sợi cellulose Monomer chiết từ cellulose Ethanol LA (lactic acid) Sorbitol Q trình Polymer/hóa chất Q trình Chuyển đổi ethanol cách lên men Lên men đường Etylen, Polyetylen, polyetylen polyvinyl clorua, polystyren oxit, Hydro hóa thủy phân trực tiếp Sorbitol, Isosorbide (base of polymers such as polyesters, polyamides, polycarbonates, polyurethanes, etc.), glycerol, propylene, ethylene glycol (1) Acrylic acid, 2,3–pentanedione, acetaldehyde, and propionic acid (2) propylene glycol, polycarbonates, polyurethanes, and polypropylene oxide) or pyruvic acid (3) alkyl lactates (4) PLA Sản xuất etylen cách khử nước etanol nhiệt độ cao 1) Sự khử nước LA kết hợp với phản ứng khác (2) Khử oxy hóa (3) Este hóa (4) Trùng hợp trực tiếp, trùng hợp mở vòng Phản ứng thủy phân khử nước hydrodeoxy hóa Tình hình nghiên cứu ứng dụng sợi thiên nhiên giới Trên giới, thị trường sản phẩm xuất phát từ nguồn sợi cellulose tập trung chủ yếu nước vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới – vùng có điều kiện tự nhiên phù hợp với phát triển sợi cellulose Các nước có nguồn nguyên liệu từ sợi cellulose dồi như: Trung Quốc, Ấn Độ, nước Đông Nam Á, Mỹ, Mexico, nước Tây Âu (Bảng 5) Các sản phẩm thị trường từ nguồn nguyên liệu sợi tự nhiên đa dạng phong phú sợi chỉ, thảm, giấy, vải,… (Bảng 5) Bảng Sợi thiên nhiên thị trường sản xuất giới [10] Sợi tự nhiên Những nhà sản xuất Sản phẩm thị trường Nguyên liệu Cotton China, USA, India, Paskistan Vải dệt: thẩm định, đồ nội thất gia đình, bọc, khơng dệt, giấy đặc sản, cellulose, y tế vệ sinh, vật tư (chất hấp thụ ưa nước) Linter, hạt bông, thân Kapok Indonesia Gối, nệm Hạt giống, gỗ Hình ảnh sản phẩm minh họa Hội nghị khoa học tồn quốc “Chuyển đổi số cơng nghệ số Khoa học Trái đất, Mỏ Môi trường” (EME 2021) Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, EME4, 332-340; doi:10.36335/VNJHM.2022(EME4).332-340 Sợi tự nhiên Những nhà sản xuất Sản phẩm thị trường Nguyên liệu India, Bangladesh China, India, Thailand Thảm sợi, vải bố, thảm lau Thân (gậy) Vải dệt, vật liệu tổng hợp không dệt, thảm cách nhiệt, giấy chuyên dụng Hạt giống, mùn Hemp China, France, Belgium, Belarus, Ukraine China Ramie China Vải dệt Lá, thân Abaca Philippines, Ecuador Giấy spcialty, túi trà Lá, trái Jute Kenaf Flax Sisal Henequen Coir Brazil, China, Tanzania, Kenya Mexico India, Sri Lanka 335 Hình ảnh sản phẩm minh họa Chất xơ ngắn, trái, thân Chỉ dây thừng Chỉ, dây thừng, thảm, bàn chải, nệm, vải địa kỹ thuật, sản phẩm làm vườn Copra, nước, vỏ, pith, gỗ, Wood Australia, China, New Zealand Mặc dệt kim Phụ phẩm từ cừu, phô mai Silk China, India Quần áo đẹp, veis, khăn tay Giun, kén, trái cây, gỗ Đánh giá tiềm phát triển sợi thiên nhiên Việt Nam 3.1 Đánh giá tiềm Hội nghị khoa học tồn quốc “Chuyển đổi số cơng nghệ số Khoa học Trái đất, Mỏ Môi trường” (EME 2021) Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2022, EME4, 332-340; doi:10.36335/VNJHM.2022(EME4).332-340 336 Theo thống kê số liệu từ bảng cho thấy Việt Nam có nguồn nguyên vật liệu từ sợi thiên nhiên đa dạng phong phú Diện tích trồng trọt phân bố nguồn nguyên liệu có sợi tự nhiên hầu hết tỉnh thành Việt Nam theo như chuối, dừa, đay, lanh, bơng gịn, mía, lúa, bơng… Tuy vậy, nguồn ngun liệu phân bố rải rác với lượng nhỏ Ngồi ra, cơng trình nghiên cứu sợi tự nhiên cịn Với tiềm nguồn ngun liệu dồi dào, Việt Nam có khả phát triển sản phẩm từ sợi tự nhiên lớn tương lai Bảng nêu ứng dụng tiềm sợi tự nhiên sản phẩm có khả sản xuất thương mại thị trường Bảng Nguồn nguyên liệu sợi tự nhiên Việt Nam phong phú đa dạng từ loại trồng nông nghiệp khác chuối, dừa, đay, lanh, bơng gịn, mía, lúa, bơng… Tuy vậy, nguồn ngun liệu phân bố rải rác với lượng nhỏ Ngồi ra, cơng trình nghiên cứu sợi tự nhiên cịn Với tiềm nguồn ngun liệu dồi dào, Việt Nam có khả phát triển sản phẩm từ sợi tự nhiên lớn tương lai Bảng nêu ứng dụng tiềm sợi tự nhiên sản phẩm có khả sản xuất thương mại thị trường Bảng Thống kê loại, diện tích sản lượng nguyên liệu sợi cellulose Việt Nam Loại sợi Diện tích, sản lượng Khu vực trồng chủ yếu Sợi chuối 200.000 (ước tính cung cấp lượng sợi khoảng 200.000 tấn/năm) 168.646 (sản lượng dừa 1,5 triệu tấn) năm 2020 >3000 Đồng Nai, Sóc Trăng, Cà Mau,… Sợi xơ dừa Tơ sen Sợi gai dầu Sợi đay Sợi tre – – 1.5 triệu (350–380 triệu năm) Sợi lanh Rơm rạ Sợi gịn Bã mía – 42–43 triệu – 127.446 (7,5 triệu tấn) năm 2020 Sợi (cotton)