Báo cáo Đề tài vật liệu học

Ngay trong chính môi trường, rác thải nhựa cũng gây ra vô số những rắc rối như: Khó phân hủy, gây cản trở quá trình phát triển của cây cối, thực vật; rác thải nhựa lẫn trong thức ăn của

TỎNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRUONG DAI HOC TON ĐỨC THẮNG

DAI HOC TON BUC THANG

TON DUC THANG UNIVERSITY

BAO CAO DE TAI VAT LIEU HOC

Ma mon hoc: 605015

TP HO CHi MINH, THANG 11 NAM 2022

TỎNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRUONG DAI HOC TON ĐỨC THẮNG

DAI HOC TON BUC THANG

TON DUC THANG UNIVERSITY

BAO CAO DE TAI VAT LIEU HOC

DE TAI:

VAT LIEU POLIME PHAN HUY SINH HOC

Ho tên sinh viên: Mã số sinh viên: Nhóm:

Phan Huỳnh Bảo Trân 62000922 04

Nguyễn Huỳnh Vân Thanh 62000894 04

Lê Nguyễn Bảo Trang 62000927 04

TP HÒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2022

LỜI CẢM ƠN

Trong suôt quá trình học tập và nghiên cứu bộ môn Vật liệu học, chúng em đã nhận

được rất nhiều sự quan tâm, hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ quý thầy cô và các bạn sinh

viên trường Đại học Tôn Đức Thắng

Lời nói đầu tiên, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban giám hiệu nhà trường cùng toàn thê quý thầy cô giáo của trường Đại học Tôn Đức Thắng đã tạo điều kiện cho chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để thực hiện bài báo cáo đề tài này

Đặc biệt chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất đến thầy TS

Phan Vũ Hoàng Giang, là giảng viên đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, để chúng em có thê hoàn thành đề tài này

Chung em xin tran trong cam on!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2022

Sinh viên

Phan Huynh Bao Tran

Nguyễn Huỳnh Vân Thanh

Lê Nguyễn Bảo Trang

Trần Nhật Minh

NHẬN XÉT

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Phan Vi Hoang Giang

Mục Lục

"0 1a 2

PHẦN 2: NỘI DƯNG 2 0 2n 2212 2n n2 HH rrerrerne 6

1 Quá trình phân hủy sinh học -i L1 2112112121111 1112111111101 1111101 H1 HH HH h1 nHeg 6 I8» c0 Ốc ỶỶỶi 6

1.2 Phản ứng sinh học (phản ứng phân rã của poÌy1m€): ác 1 c1 2112111211 11181 H1 Hớu 7

1.3 Đồng hóa 5222 S21 2112111211212 1211212122221 1111212221221 22t ng §

2 Thành phan và cấu trúc của một số vật liệu polyme phân hủy sinh học ‹ 55:5: 8

P.09 ;s((6 1) 0007 nrnTRRRRăă 14

3 Tính chất và ứng dụng của vật liệu polyme phân hủy sinh học ¿5c Scc Sex c2 2222 15 ElIWlioi sáu ii ối 0i 0L ¡ï6i1:)(:-)vV HaiiỶÝỶÝ., 15

3.2 Trong mảng bao bị, hàng hóa 112112121121 12121111111101 1110101 11 11111011 011 HH thấu 16

Ea cac na an 17

TAL LIEU THAM KHAO ố ố 19

PHAN I: TONG QUAN

Ngày nay, thế giới đang phải đối mặt với những vấn đẻ rất lớn do rác thải nhựa gây ra và Việt Nam cũng không ngoại lệ Do thói quen tiêu dùng nhanh, sử dụng các vật liệu, đồ dùng bằng nhựa lớn, mỗi năm Việt Nam thải ra môi trường hàng ngàn tấn rác thải nhựa Điều này dẫn đến

việc chúng ta đang phải đối mặt với những tác hại của rác thải nhựa lớn hơn bao giờ hết

Việt Nam là một trong 5 quốc gia hàng đầu phải chịu trách nhiệm cho khoảng 13 triệu tấn rác

nhựa được thải ra đại dương mỗi năm — đây là nhận định của ông Albert T Lieberg, trưởng đại diện Tổ chức Liên Hiệp Quốc (FAO) ở Việt Nam Ước tính riêng Việt Nam lượng rác thải nhựa

đồ ra biển mỗi năm khoảng 0,28 — 0,73 triệu tắn/năm (chiếm gan 6% tong lượng rác thải nhựa xa

ra biển của thế giới) Việt Nam đang đối mặt với nhiều nguy cơ từ rác thải nhựa, với con số

"không lồ" 1,8 triệu tấn chất thải nhựa được tạo ra ở Việt Nam/năm và lượng nhựa tiêu thụ này còn tăng

Ngay trong chính môi trường, rác thải nhựa cũng gây ra vô số những rắc rối như: Khó phân hủy, gây cản trở quá trình phát triển của cây cối, thực vật; rác thải nhựa lẫn trong thức ăn của các loài

động vật dẫn đến tình trạng động vật bị chết hoặc bị thương do ăn nhằm; rác thải trôi nổi trên các

bề mặt nước gây ra hiện tượng ô nhiễm nguồn nước, khiến các động vật dưới nước bị mac phai (túi mlon, vòng nhựa, chai lọ ) và bị chết do ngạt khi ; rác thải nhựa khi chôn trong dat cũng

khiến cho các vi sinh vật tốt trong dat bị chết và không thẻ sinh trưởng

Một trong những giải pháp cho vấn để này là sự ra đời của các sản phẩm nhựa phân hủy sinh

học, được coi như “cứu cánh” cho mối quan hệ giữa nhụ cầu sử dụng với bảo vệ môi trường Việc nghiên cứu và sản xuất ra nhựa phân hủy sinh học được coi cách mạng “xanh” trong công

nghiệp nhựa

Đối với quá trình sản xuất và đáp ứng nhu cầu sử dụng thuận tiện, các sản phẩm từ nhựa phân

hủy sinh học có thể hoàn toàn thay thế cho những sản phẩm nhựa dùng một lần không được phân

hủy Việc sản xuất các túi, ống hút, cốc từ nhựa phân hủy sinh học thậm chí còn tạo ra được các

sản phẩm nhẹ hơn, sản lượng lớn hơn rất nhiều và giá thành thấp hơn so với các sản phẩm thay

thế nhựa khác (ví dụ như sản phẩm làm từ tre, gỗ ) Vì lẽ đó, Châu Âu đã coi nhựa phân hủy

sinh học là một trong những giải pháp phù hợp dé giảm “ô nhiễm trắng”

Loại bao bì làm từ nhựa phân hủy sinh học xuất hiện gần đây được cho là giải pháp giảm thiểu

rác thải nhựa Nhựa phân hủy sinh học là loại nhựa có khả năng phan hủy sinh học, tức là dưới

sự tác động của vi sinh vat, chúng sẽ phân hủy thành CO2, H2O, sinh khói Nhựa phân hủy sinh

học có thể làm từ nguyên liệu có nguồn gốc tải tạo (như tĩnh bột ngô, khoa, sẵn ); hoặc làm từ

nguyên liệu có nguồn gốc hóa thạch (dầu mỏ)

Cơ sở cho giải pháp này, xét về mặt môi trường, nhựa phân hủy sinh học phân hủy hoàn toàn

thành CO2, H2O, mùa nên thân thiện, an toàn cho môi trường Đặc tính này “ưu việt” hơn nhựa truyền thống - vốn không thể phân hủy mà chỉ bị phân rã thành những hạt vi nhựa nhỏ và

tồn tại hàng trăm năm trong môi trường tự nhiên

Sản phẩm nhựa sinh học được làm từ nhiều nguồn nguyên liệu nhựa sinh học

Nguôn gốc thực vật

những cây trông giảu cacbonhydrate

như là bắp, khoai mì, mía, củ cải, a

Lingo-Cellulosic al

à vật liệ 0 6 trong ——>

A án QXoy

Rac Organic

ä

c

6

Ly

@)

Thêm vào đó, ưu điểm của nhựa phân hủy sinh học còn là khả năng có thể tái sinh Những loại

nhựa này không chỉ mắt ít thời gian để phân hủy mà còn có thê chuyển hóa thành phân sinh học hoặc làm khí sinh học thông qua quá trình hữu cơ, góp phần vào tăng độ phì nhiêu cho đất và giảm bớt được gánh nặng ô nhiễm môi trường do rác thải truyền thống gây ra Đây được gọi là

chu trình tái sinh của vật liệu

Không chỉ có ích cho môi trường, nhựa phân hủy sinh học còn an toàn với sức khỏe người dùng Khi xử lý các sản phẩm nhựa phân hủy sinh học thì chỉ cần chôn lấp, không cần đốt như rác thái

nhựa thông thường nên sẽ hạn chế tối đa các loại khí độc hại như furan hay dioxin — cac chat gay

ra bệnh lý nghiêm trọng ở người như ung thư

PHAN 2: NOI DUNG

1 Quá trình phân hủy sinh học ;

Phân huỷ sinh hoc là quá trình phân hủy các chất hữu cơ, dưới sự tác động của cac vi sinh vat phân huỷ như nắm, vi khuẩn, xạ khuẩn tạo ra khí CO2, Methane, nước và sinh khối

Trong đời sống hàng ngày, quá trình phân huỷ sinh học có ý nghĩa rất quan trọng để làm giảm chất thải ra môi trường, góp phần bảo vệ môi trường xanh — sạch — đẹp hơn

Có rất nhiều tác nhân giúp nhựa polyme phân hủy sinh học và cấu trúc của polyme phân hủy

sinh học bị phân hủy bởi:

Vi sinh vật: tác nhân chính giúp đây nhanh tốc độ phân huỷ sinh học của tất cả các vật liệu Có

rất nhiều oại vi sinh vật có thể phân huỷ nhựa polyme phân huỷ sinh học Trong đó, nấm và vi khuẩn là hai loại đóng vai trò quan trọng nhất

Nám: xuất hiện trên bề mặt của vật liệu trong điều kiện môi trường có không khí và nhiệt độ, độ

am cao Nam phân huỷ vật liệu nhờ enzyme có trong tế bào của chứng Sản phâm sau cùng của

phản ứng phân huỷ thường là CO2, N2, CH4, H2O, khoáng chất và sinh khối

Vì khuẩn: Là những sinh vật đơn bào, thuộc loại ký sinh trùng, có số lượng đông đảo nhất trong

tự nhiên Cơ chế phân huỷ của vi khuẩn cũng tương tự như nắm vậy Khi chúng “ăn” những

mảnh nhựa thì sẽ phá vỡ cấu trúc mạch phân tử, rồi tiêu thụ các chất hữu cơ và sinh ra CO2,

H2O, sinh khối,

Ngoài ra còn có một số tác nhân khác như:

Nhiệt độ: Nhiệt độ cũng là tác nhân khiến cho cầu trúc polyme bị phá vỡ khiến vật liệu bị phân

rã vào tạo điều kiện cho quá trình phân hủy sinh học Ngoài ra, đây cũng là yếu tố ánh hưởng đến

sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

Độ ẩm: Mỗi loại vi sinh vật sẽ có ngưỡng độ âm riêng dé sinh trưởng và phát triển Đa phần vi

sinh vật sẽ thực hiện tốt vai trò phân huỷ sinh học nhựa polyme phân huỷ sinh học khi độ âm

trong không khí khoảng 80% và độ âm môi trường > 20%

Ảnh sảng: phân huỷ quang là việc sử dụng ánh sáng để làm biến đổi cấu trúc của vật liệu khiến chúng xuống cap tram trong va dé bi phân rã hơn Ta cực tím trong ánh sáng sẽ tương tác với các liên kết cacbon bac 3 trong chuỗi polyme và phá vỡ liên kết này

Quá trình phân huỷ sinh học thường được chia thành 3 giai đoạn chính là: phản xạ sinh học, phản ứng sinh học và đồng hoá

1.1 Phan xa sinh học

Phan xa sinh hoc la sy xuống cấp ở bề mặt làm thay đổi các tinh chất vật lý, hoá học và cơ học của vật liệu Phản xạ sinh học xảy ra khi vật liệu tiệp xúc với các yêu tô phi sinh học ngoài môi trường như: sự nén cơ học, ánh sáng, nhiệt độ và hoá chất

Chính những yếu tổ này sẽ làm cho cấu trúc của vật liệu bị suy yếu và xuống cấp Mức độ xuống

cấp của vật liệu sẽ phụ thuộc vào thời gian tiếp xúc với các yêu tố phi sinh học Mặc dù phản xạ sinh học là giai đoạn đầu tiên của quá trình phân huỷ sinh học Tuy nhiên trong một số trường hợp, phản xạ sinh học có thê xảy ra song song với phản ứng sinh học

1.2 Phản ứng sinh học (phản ứng phân rã của polyme):

Phản ứng sinh học hay còn gọi là phản ứng phân rã của polyme là quá trình phân ly Trong đó các liên kết của polyme bị phân cắt thành các đơn phân tử (monome) hoặc các đa phân tử tương

tự nhưng có khối lượng thấp hơn (oligome) khi tương tác với enzyme tt vi sinh vật

Phản ứng sinh học xảy ra khi có sự tác động của vị sinh vật trong điều kiện hiếu khí hoặc ky khí

Điểm giống nhau của hai loại phản ứng này là kết thúc quá trình phân huỷ đều tạo ra: CO2, nước

và sinh khối (vi sinh vật)

Tuy nhiên, điểm khác biệt lại được thê hiện ở chỗ:

° Phản ứng sinh học hiếu khí: Là sự phân huỷ của vật liệu bởi vi khuẩn trong môi trường giàu oxy Phản ứng này có tốc độ nhanh hơn, không tạo ra khí metan, nhưng hiệu quả làm giảm khôi lượng vật liệu không cao băng

° Phản ứng sinh học ky khí: Là sự phân hủy của vật liệu bởi vi khuẩn trong môi trường ít hoặc không có oxy Phản ứng này xảy ra chậm hơn, trong quá trình phát sinh thêm khí metan, hiệu quả cao hơn Các công nghệ phân huỷ ky khí thường được ứng dụng rộng rãi trong xử lý chất thải và tái tạo năng lượng

Giai đoạn 1: Phân my

Wy Giai đoạn 2: Phân hủy sinh học

Sas co2 Nước tự nhiên

Quy Trình Tự Phân Hủy Sinh Học Túi Ni Lông

1.3 Đồng hóa

Đồng hoá là quá trình tích hợp các sản phẩm thu được từ phán ứng sinh học vào các tế bào vi sinh vật Đồng hoá thường xảy ra sau khi phản ứng sinh học kết thúc

Một số sản phẩm từ phản ứng phân huỷ sẽ được vận chuyển dé dàng trong tế bào bởi các chất mang màng Nhưng cũng có những chât phải trải qua quá trình biên đôi sinh học mới có thê vận

chuyên được

Khi ở trong tế bào, các sản phẩm đi vào con đường dị hoá dẫn đến việc sản xuất ra năng lượng ATP (adenosine triphosphate) hoặc các yeu tố của cầu trúc tế bao

2 Thành phần và cầu trúc của một số vật liệu polyme phân hủy sinh học

Dựa vào nguyên liệu cau thành người ta có thé chia nhya polyme phan huy sinh hoc thanh hai loại: có nguon goc từ nguyên liệu dầu mỏ và có nguồn gốc từ nguyên liệu tái tạo Trong đó, loại nhựa có nguồn gốc từ tài nguyên tái tạo được đánh giá cao hơn rất nhiều về tính thân thiện với

môi trường

2.1 Polylactic acid (PLA):

Nhựa phân hủy sinh học PLA có công thức hóa học là (CsHsO2)n, duoc san xuất bằng phương pháp trùng ngưng axIt lactic Các nhà sản xuất sẽ lên men đường lấy từ nguồn nguyên liệu tai tao

như tính bột ngô, bột sẵn hột, mía đường, tinh bột khoai tây và thu lấy acid lactic

CH; polymerization CHs

n HO- C- COOH ————> H+O- C- COO+-H + (n-1)HạO

4 xúc tac

Lactic acid poly(lactic acid)

Polylactic acid (PLA) có thành phần chủ yếu là axit lactie có nguồn gốc từ tỉnh bột tự nhiên (chủ yếu là tỉnh bột ngô) hoặc từ đường được lấy từ mía hoặc củ cải đường Đây là nguồn nguyên liệu

có khả năng tái tạo sẽ nên giúp giám sự phụ thuộc vào nguyên liệu đầu mỏ đang ngày càng cạn kiệt

Đặc biệt, trong điều kiện ủ thích hợp, nhựa PLA có thể phân huỷ hoàn toàn thành CO2, H2O và

sinh khối chi trong khoảng 3 — 6 tháng

Nhựa PLA tương tự như polyethylene terephtalat (PET) nên có đặc tính cứng, độ đàn hỏi cao, độ bền lớn Chúng thường được ứng dụng để sản xuất các vật liệu như: dao, thìa, dĩa, khay, hộp

đựng

@®) Com& Starch

ay

e se i)

Ferment & Lactic Acid _ thosize \

Water '\%⁄ Polymerize

& CO; lu PLA

Granule Blodegrade ie

av tartare

Disposal _

Compost Wes

>Z Producl

2.2 Polyhydroxyalkanoates (PHA):

Polyhydroxyalkanoate (PHA) là loại nhựa polymer phân huỷ sinh học được sản xuất tự nhiên

nhờ vi khuẩn và các mô thực vật biến đổi gen PHA được tạo ra bởi vi sinh vat được cung cấp chất hữu cơ giau nguyên t6 Carbon (C) Vi sinh vật tạo ra PHA như một cách dự trữ Carbon dạng

túi hạt có cầu trúc hóa học tương tự nhựa truyền thống Trong môi trường thích hợp, PHA cũng

phân huỷ hoàn toàn thành CO2, H2O và sinh khối trong thời gian ngắn

a R 0

H =

0 x [POH

n

b

eee 0 0 0

3HB 3HV 3HD

°

Ơ

YT