NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ CELLULOSE BIẾN TÍNH TỪ DĂM TRE

MỤC LỤC MỞĐẦU................................................................................................................1 1. Lý do chọn đềtài.................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu:Biến tính cellulosetách từ dăm tre......................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................1 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..............................................................................2 6. Cấu trúcluận văn.................................................................................................2 CHƯƠNG 1............................................................................................................3 TỔNG QUAN.........................................................................................................3 1.1. TRE..................................................................................................................3 1.1.1. Phân loại khoa học.........................................................................................3 1.1.2. Đặc điểm sinh thái.........................................................................................3 1.1.3. Thu hoạch và lọc nhựa...................................................................................4 1.1.4. Thành phần hóa học.......................................................................................5 1.2. CELLULOSE...................................................................................................7 1.2.1Cấu trúc phân tử.............................................................................................7 1.2.2.Tính chất vật lý..............................................................................................9 1.2.3.Tính chất hóa học ..........................................................................................9 1.2.4.Trạng thái tự nhiên.......................................................................................10 1.2.5.Ứng dụng....................................................................................................10 1.3. PHƯƠNG PHÁP TÁCH CELLULOSE.........................................................10 1.3.1. Phương pháp tách cellulose..........................................................................10 1.3.2. Phảnứng của hydratcacbon và lignin trong môi trường kiềm.......................11 CHƯƠNG 2..........................................................................................................18 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................................18 2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ....................................................18 2.1.1. Nguyên liệu.................................................................................................18 2.1.2. Hóa chất, dụng cụ........................................................................................18 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................................................................18 2.2.1. Tách cellulose từdăm tre.............................................................................18 Quy trình tách cellulose từdăm tre được thực hiện như sau 2:............................18 2.2.2. Tẩy trắng bột cellulose thô...........................................................................20 2.2.3. Biến tính cellulose bằng axit citric...............................................................22 2.2.4. Nghiên cứu các yếu tốảnh hưởng đến quá trình biến tính............................23 2.2.5. Phân tích sản phẩm cellulose biến tính từcellulose tách từdăm tre..............25 CHƯƠNG 3..........................................................................................................26 KẾT QUẢVÀ THẢO LUẬN...............................................................................26 3.1. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÁCH CELLULOSE TỪDĂM TRE..............26 3.2. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH BIẾN TÍNH CELLULOSE........................................................................................................32 3.2.1.Ảnh hưởng của nồng độ axit........................................................................32 3.2.2.Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn :lỏng......................................................................33 3.2.3.Ảnh hưởng của thời gian biến tính...............................................................34 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính cellulose.....................34 3.3.PHÂN TÍCH SẢN PHẨMCELLULOSE BIẾN TÍNH...................................36 3.3.1. Phổhồng ngoại............................................................................................36 3.3.2.Ảnh kính hiển vi điện tửquét (SEM)...........................................................39 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................40 TÀI LIỆU THAM KHẢO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA

NGUYỄN THỊ CÚCTên đề tài:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ CELLULOSE BIẾN TÍNH TỪ DĂM TRE

Khóa luận tốt nghiệp cử nhân sư phạm

Đà Nẵng - 2016

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ CELLULOSE BIẾN TÍNH TỪ DĂM TRE Khóa luận tốt nghiệp cử nhân sư phạm

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Cúc Lớp : 12SHH

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Lê Tự Hải

Đà Nẵng - 2016

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHSP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA HÓA

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Cúc

Lớp: 12SHH

1 Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ cellulose biến tính từ dăm tre

2 Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị:

- Nguyên liệu: Dăm tre

- Hóa chất: NaOH, Na2S, HCl, H2O2

- Dụng cụ: Bình cầu, bếp điện, cân phân tích, bình định mức, đũa khuấy, nhiệt kế,…

3 Nội dung nghiên cứu

- Tách cellulose từ dăm tre

- Biến tính cellulose: xác định khả năng biến tính bằng phương pháp phân tích phổhồng ngoại (IR) và ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM)

4 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Tự Hải

5 Ngày giao đề tài: Ngày 15 tháng 10 năm 2015

6 Ngày hoàn thành: Ngày 12 tháng 04 năm 2016

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho khoa ngày 27 tháng 04 năm 2016

Kết quả điểm đánh giá:

Ngày… tháng… năm 20

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ, tên)

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn thể quý thầy cô ởkhoa Hóa Học – trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng đã dạy dỗ, truyền đạt vốn trithưc quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Và đặc biệttrong bài khóa luận của mình em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình củathầy Lê Tự Hải Thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trongsuốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận

Em xin được cảm ơn các anh chị, các bạn cũng như các đơn vị đo mẫu thínghiệm đã tạo điều kiện thuận lợi và hợp tác giúp đỡ em trong quá trình làm thựcnghiệm

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thành khóa luận một cách hoàn chỉnhnhất, song do bước đầu làm quen với công việc nghiên cứu cũng như hạn chế vềkiến thức và kinh nghiệm nên việc mắc phải sai sót là không thể tránh khỏi, em rấtmong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để bài báo cáocủa em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin kính chúc quý thầy cô và các bạn dồi dào sức khỏe!

Trân trọng!

Đà Nẵng, ngày 10 tháng 04 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Cúc

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: Biến tính cellulosetách từ dăm tre 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

6 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN 3

1.1 TRE 3

1.1.1 Phân loại khoa học 3

1.1.2 Đặc điểm sinh thái 3

1.1.3 Thu hoạch và lọc nhựa 4

1.1.4 Thành phần hóa học 5

1.2 CELLULOSE 7

1.2.1 Cấu trúc phân tử 7

1.2.2 Tính chất vật lý 9

1.2.3 Tính chất hóa học 9

1.2.4 Trạng thái tự nhiên 10

1.2.5 Ứng dụng 10

1.3 PHƯƠNG PHÁP TÁCH CELLULOSE 10

1.3.2 Phản ứng của hydratcacbon và lignin trong môi trường kiềm 11

CHƯƠNG 2 18

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ 18

2.1.1 Nguyên liệu 18

2.1.2 Hóa chất, dụng cụ 18

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

2.2.1 Tách cellulose từ dăm tre 18

Quy trình tách cellulose từ dăm tre được thực hiện như sau [2]: 18

2.2.2 Tẩy trắng bột cellulose thô 20

2.2.3 Biến tính cellulose bằng axit citric 22

2.2.4 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính 23

2.2.5 Phân tích sản phẩm cellulose biến tính từ cellulose tách từ dăm tre 25

CHƯƠNG 3 26

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

3.1 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÁCH CELLULOSE TỪ DĂM TRE 26

3.2 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH BIẾN TÍNH CELLULOSE 32

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ axit 32

3.2.2 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng 33

3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian biến tính 34

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính cellulose 34

3.3 PHÂN TÍCH SẢN PHẨM CELLULOSE BIẾN TÍNH 36

3.3.1 Phổ hồng ngoại 36

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Kế hoạch tiến hành thí nghiệm và kết quả xác định thể tích dung dịch

KMnO40,1N phản ứng với 0,1 gam dăm tre sau khi nấu .27

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm ở tâm 29

Bảng 3.3 Tính mức chuyển động của các mức yếu tố 31

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm theo hướng leo dốc đứng 31

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến quá trình biến tính cellulose 32

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn: lỏng đến quá trình biến tính cellulose 33

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính cellulose 34

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Thân tre 3

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử cellulose 7

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử cellulose trong không gian 3 chiều 8

Hình 1.4.Vi sợi cellulose 8

Hình 1.5 Phản ứng màu của hydro–cellulose với iod 9

Hình 1.6 Phản ứng oxi hóa của hydratcacbon trong môi trường kiềm 12

Hình 1.7 Phản ứng thủy phân cấu trúc cacbonyl-β-glucoxy 12

Hình 1.8 Phản ứng chuyển vị và tách loại hydratcacbon 13

trong môi trường kiềm 13

Hình 1.9 Phản ứng peeling 14

Hình 1.10 Minh họa phản ứng thủy phân lignin trong môi trường kiềm 15

Hình 1.11 Minh họa phản ứng ngưng tụ của lignin trong môi trường kiềm 15

Hình 1.12 Phản ứng của cấu trúc lignin β-O-4 trong quá trình nấu bột 16

Hình 1.13 Phản ứng của cấu trúc phenylcumaran trong quá trình nấu 17

bột sunfat 17

Hình 3.1.Ảnh hưởng của nồngđộ axit citric đến quá trình biến tính cellulose 33

Hình 3.2.Ảnh hưởng của tỉlệ rắn:lỏng đến quá trình biến tính cellulose 34

Hình 3.3.Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính cellulose 35

Hình 3.4.Cellulose biến tính 35

Hình 3.5 Phổ IR của cellulose dăm tre chưa biến tính 37

Hình 3.6 Phổ IR của cellulose dăm tre biến tính 38

Hình 3.7 Ảnh SEM của cellulose chưa biến tính 39

Hình 3.8 Ảnh SEM của cellulose biến tính 39

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Tre có mặt ở nhiều nơi trên thế giới và ở khắp các làng quê Việt Nam Từlâu, con người đã biết sử dụng tre để làm nhà, làm đũa, vật dụng nông nghiệp Trenon làm thức ăn, tre khô làm củi đun, … Ngày nay, trong công nghiệp, tre còn đượcdùng làm nguyên liệu sản xuất giấy và làm thuốc chữa các bệnh ngứa, hen suyễn,

ho, …

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay tạo điều kiện thuận lợi cho

sự phát triển của nền kinh tế xã hội, nhưng nó cũng góp phần tạo ra lượng chất thảiđộc hại tác động trực tiếp đến sức khỏe con người và động thực vật Các ngànhcông nghiệp như thuộc da, điện tử, công nghiệp hóa dầu đã gây ô nhiễm nguồnnước vì chứa các ion kim loại độc hại như Cu, Pb, Ni, Cd, As… Xử lý nguồn nước

ô nhiễm là vấn đề cấp bách của các quốc gia trên thế giới Hiện nay, các nhà khoahọc đang có xu hướng tìm đến các vật liệuxanh, thân thiện với môi trường, có giáthành rẻ Đã có nhiều vật liệu được nghiên cứu như xơ dừa, trấu, vỏ các loại đậu, bãmía, …làm vật liệu hấp phụ, tuy nhiên chúng tôi chưa tìm thấy tài liệu về vật liệu từtre Do vậy, trong đề tài nghiên cứu này chúng tôi chọn vật liệu là dăm tre với nội

dung“Nghiên cứu chế tạo vật liệu phấp phụ cellulose biến tính từ dăm tre”.

2 Mục tiêu nghiên cứu: Biến tính cellulose tách từ dăm tre

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng: Dăm tre

3.2 Phạm vi nghiên cứu: Quy mô phòng thí nghiệm.

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Phân tích và tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài

- Nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo có liên quan đến đề tài

- Trao đổi với giáo viên hướng dẫn

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Tách cellulose từ dăm tre

- Biến tính cellulose

- Xác định khả năng biến tính bằng:

+ Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR)

+ Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

6 Cấu trúc luận văn

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TRE

1.1.1 Phân loại khoa học

Tre (Bamboo) thuộc giới Plantae, bộ Poales, họ Poaceae, phân họ

Bambusoideae, liên tông Bambusodea, tông Bambusea [6]

Hình 1.1 Thân tre

1.1.2 Đặc điểm sinh thái

Tre là nhóm thực vật thân gỗ lâu năm, được coi là lớn nhất trong bộ Hòa thảo(Poales) Thân tre có các lóng rỗng, các bó mạch nằm rải rác khắp thân tre thay vìsắp xếp hình trụ như gỗ

Tre là một trong các thực vật phát triển nhanh nhất trên thế giới Một số loài

có khả năng phát triển 100 cm (39 inch) hoặc nhiều hơn mỗi ngày do hệ thống rễ

độc đáo Tuy nhiên, tỷ lệ tăng trưởng một phần phụ thuộc vào điều kiện thổ nhưỡng

và khí hậu

Tre có nhiều ý nghĩa về kinh tế và văn hóa đáng chú ý ở khu vực Nam Á,Đông Nam Á và Đông Á Tre đang được sử dụng cho vật liệu xây dựng, là mộtnguồn thực phẩm và là nguyên liệu linh hoạt cho nhiều sản phẩm

1.1.3 Thu hoạch và lọc nhựa

a Thu hoạch

Tre được sử dụng cho mục đích xây dựng phải được thu hoạch khi các câyđạt sức mạnh lớn nhất và lượng đường trong nhựa ở mức thấp nhất, vì lượng đườngcao dễ gây sâu bệnh

Thu hoạch tre thường được thực hiện theo các chu kỳ sau:

- Vòng đời của thân tre: Khi mỗi thân tre đã được 5 – 7 năm tuổi, cây lýtưởng đạt tới độ trưởng thành trước khi thu hoạch Chặt hết hoặc làm giảm bớt sốcây, đặc biệt là các cây lâu năm nhằm đảm bảo ánh sáng và nguồn lực cho sự pháttriển mới Việc duy trì tốt các cụm tre có thể cho năng suất gấp 3 – 4 lần so với mộtcụm hoang dã

Tùy theo chu kỳ sống được mô tả ở trên, tre được thu hoạch 2 – 3 năm hoặc

5 – 7 năm, tùy thuộc vào loài

- Chu kỳ hàng năm: Tất cả sự tăng trưởng của tre mới xảy ra vào mùa mưa,gây rối các cụm trong giai đoạn này sẽ có khả năng thiệt hại vụ tới Đồng thời lượngnhựa trong tre cũng cao nhất vào mùa mưa và giảm dần vào mùa khô Do đó, thờigian thu hoạch tốt nhất là vào cuối mùa khô một vài tháng trước khi bắt đầu ẩm ướt

- Chu kỳ hàng ngày: Ban ngày là thời gian quang hợp của tre, làm sản sinhlượng nhựa cao nhất Những người thu hoạch truyền thống tin rằng thời gian thuhoạch tốt nhất là lúc bình minh hoặc hoàng hôn

b Lọc nhựa

Lọc nhựa là loại bỏ các nhựa sau khi thu hoạch Ở nhiều vùng trên thế giới,lượng nhựa trong tre được giảm thông qua lọc sau thu hoạch Một số cách thườngdùng là:

- Tre cắt được nâng lên khỏi mặt đất và nghiêng so với phần còn lại của cụm

1 – 2 tuần cho đến khi lá chuyển sang màu vàng để cây tiêu thụ hết lượng nhựa

- Một phương pháp tương tự để giảm lượng nhựa là để tre đứng trong nước,

có thể trong một cái trống lớn hoặc trong một dòng suối

- Tre cắt được ngâm trong một suối đang chảy trong 3 – 4 tuần

- Bơm nước qua tre tươi, đẩy nhựa cây ra ngoài

Độ bền của tre liên quan trực tiếp với việc xử lý từ thời điểm trồng, thuhoạch, chế biến, vận chuyển và lưu trữ

1.1.4 Thành phần hóa học

Thành phần hóa học của tre tương tự như gỗ [Higuchi, 1957] Các thànhphần chính của tre là cellulose, hemicellulose và lignin, các thành phần này chiếmtrên 90% khối lượng của tre Các thành phần phụ là nhựa, tannin, sáp và muối vô

cơ Tuy nhiên, so với gỗ thì tre có hàm lượng kiềm, tro và silica cao hơn

Yusoff [1992] nghiên cứu thành phần hóa học của tre một, hai, ba tuổi Kếtquả chỉ ra rằng các thành phần holocellulose không khác nhau nhiều giữa các lứatuổi khác nhau của tre Hàm lượng alpha-cellulose, lignin, chất trích ly, pentosan,tro và silica tăng theo tuổi tre

Holocellulose bao gồm alpha-cellulose và hemicellulose Alpha-cellulose làthành phần chính của tre Khoảng 40 – 50% chất khô trong tre là alpha-cellulose.Các phân tử cellulose hoàn toàn tuyến tính và có xu hướng mạnh tạo liên kết hydronội phân tử và liên phân tử Bó của các phân tử cellulose do đó tổng hợp lại vớinhau tạo thành các sợi rất nhỏ Hemicellulose là các polisaccarit không đồng nhất.Giống cellulose, hầu hết các chức năng của hemicellulose là hỗ trợ vật liệu trong

thành tế bào Alpha-cellulose là nguồn gốc chính của các tính chất cơ học của tre vàgỗ.

Nói chung, hàm lượng alpha-cellulose trong tre là 40 – 50%, phù hợp với cácbáo cáo đã biết về hàm lượng cellulose trong gỗ mềm là 40 – 52% và gỗ cứng là 38– 56% Hàm lượng cellulose trong phạm vi này cho thấy tre là vật liệu phù hợpvớingành công nghiệp giấy và bột giấy

Lượng lignin trong tre cũng khoảng từ 20 – 26%, gần giống với phạm vi báocáo cho gỗ mềm là 24 – 37% và gỗ cứng là 17 – 30% Hàm lượng lignin cao của tregóp phần giúp tre chịu nhiệt tốt và tăng độ cứng của tre làm cho nó trở thành mộtvật liệu xây dựng có giá trị

Tre còn chứa các thành phần hữu cơ khác ngoài cellulose và lignin Tre chứakhoảng 2 – 6% tinh bột, 2% saccarit khử, 2 – 4% chất béo và 0,8 – 6% protein Cácthành phần cacbohydrat của tre đóng vai trò quan trọng trong độ bền và dịch vụcuộc sống Độ bền của tre là chống nấm mốc tấn công và đục liên quan chặt chẽ vớithành phần hóa học của tre Độ bền của tre thay đổi từ 1 đến 36 tháng tùy thuộc vàoloài và điều kiện khí hậu Sự hiện diện một lượng lớn tinh bột trong tre làm cho trerất dễ bị tấn công do nấm, bọ cánh cứng và côn trùng Đáng chú ý là kể cả tre 12tuổi cũng có tinh bột trong toàn thân tre, đặc biệt là trong các tế bào theo chiều dọccủa các mô

Thành phần tro tre được tạo thành từ khoáng chất vô cơ, chủ yếu là silica,canxi và kali Mangan và magie là hai khoáng chất phổ biến khác Thành phần silica

có cao nhất trong lớp biểu bì, rất ít trong các nút và vắng mặt trong các lóng tre.Hàm lượng tro trong một số loại tre có thể ảnh hưởng bất lợi đến chế biến

Số lượng các thành phần hóa học của tre thay đổi theo độ tuổi, chiều cao, lớp

và thành phần hóa học của tre tương quan với tính chất vật lý và các thuộc tính cơhọc của nó [5]

1.2 CELLULOSE

1.2.1 Cấu trúc phân tử

Cellulose là một polisaccarit, có phân tử lượng từ1.000.000 đến 2.400.000

Có công thức chung là (C6H10O5)n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000 –

14000 Mỗi phân tử cellulose gồm những đường đa được cấu tạo từ các liên kếtglucose Các phân tử glucose nối với nhau ở vị trí β-1,4 bằng cầu nối oxi Mỗi phân

tử cellulose có thể cấu tạo từ 200 -1000 phân tử glucose

Cellulose có dạng hình sợi dài, nhiều sợi liên kết song song với nhau thànhchùm nhờ các liên kết hidro giữa các nhóm –OH Mạch cellulose xếp đối song songtạo thành các sợi có đường kính 3,5nm Mỗi phân tử cellulose chứa khoảng 8000gốc monosaccarit

Cellulose có tính chất của 1 tinh thểcrystal và có tính khúc xạ kép vì do cấutạo mà phân tử có tính định hướng không gian 3 chiều sắp xếp song song với nhau

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử cellulose

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử cellulose trong không gian 3 chiều

Tóm lại, nhiều phân tử glucose→ phân tử cellulose→ micel → vi sợi(fibrille) → sợi cellulose / fibril (macrofibril)

Hình 1.4.Vi sợi cellulose

1.2.2 Tính chất vật lý

Cellulose không tan trong nước và các dung môi hữu cơ nhưng tan trongdung dịch nước svayde (Cu(OH)2trong NH3), axit vô cơ mạnh như HCl, HNO3 vàmột số dung dịch muối như ZnCl2, PbCl2 Cellulose nguyên chất khó nhuộm màu,trong phòng thí nghiệm thường nhuộm đỏ cellulose bằng carmin alune hay đỏCongo Cellulose có phản ứng màu đặc sắc: ngâm mẫu vào dung dịch axit mạnh

H3PO4/ H2SO4/ ZnCl2, cellulose bị thủy giải thành hydro –cellulose, chất này gặpiod sẽ có màu xanh

Hình 1.5 Phản ứng màu của hydro–cellulose với iod

1.2.3 Tính chất hóa học

Tác dụng với dung dịch axit vô cơ và hữu cơ (phản ứng este hóa) Ví dụ nhưđun nóng cellulose trong hỗn hợp axit nitric đặc và axit sunfuric đặc thu đượccellulose nitrat

[C6H7O2(OH)3]n+3nHNO3  H2SO 4  ,t o [C6H7O2(ONO2)3]n+ 3nH2O

Do cellulose được cấu tạo bởi các mắt xích β-D-Glucose liên kết với nhaubằng liên kết 1,4–Glucozit, do vậy liên kết này thường không bền Đun nóngcellulose trong dung dịch axit vô cơ đặc nó bị thủy phân tạo ra các glucose

[C6H10O5]n+nH2O H t ,o

 nC6H12O6

1.2.4 Trạng thái tự nhiên

Cellulose là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật, tạo nên bộkhung của cây Cellulose là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong tự nhiên chiếmkhoảng 50% cacbon hữu cơ của khí quyển

Cellulose chiếm khoảng 50% trong gỗ, các sợi bông vải có thể chứa cellulosenguyên chất 100% Trung bình cellulose chiếm từ 40-50% vách tế bào Ngoài racellulose còn có trong vi khuẩn và vài động vật bậc thấp

1.2.5 Ứng dụng

Cellulose có ý nghĩa kinh tế rất lớn vì tất cả hàng dệt có nguồn gốc thực vật

và giấy đều trích từ cellulose có vách tế bào thực vật Những nguyên liệu chứacellulose như bông đay gai gỗ thường được dùng trực tiếp (kéo sợi dệt vải, xâydựng, làm đồ gỗ) hoặc chế biến thành giấy

Cellulose là nguyên liệu sản xuất tơ nhân tạo: tơ visco, tơ đồng amoniac, tơaxetat, thuốc súng không khói và chế tạo phim ảnh Ngày nay cellulose dùng chếtạo các sản phẩm hữu cơ có giá trị

1.3 PHƯƠNG PHÁP TÁCH CELLULOSE

1.3.1 Phương pháp tách cellulose

Gỗ với cấu trúc đanh chắc, cần có những quy trình chế biến thích hợp đểchuyển chúng sang dạng xơ sợi mềm mại Quy trình xử lý nhằm mục đích làm mềmhoặc làm hòa tan phần lignin (được xem là chất kết dính các bó sợi tạo nên cấu trúcchặt chẽ của gỗ), từ đó các bó sợi sẽ được giải phóng Dưới tác dụng hóa học hoặc cơhọc, các sợi cellulose được tách ra và tạo nên huyền phù đồng nhất trong nước Từhai phương pháp hóa học và cơ học, ta có một số loại bột có đặc tính khác nhau như:

Phương pháp hóa học: Với phương pháp này hiệu suất bột đạt từ 45 – 55%,các thành phần không phải cellulose đã hòa tan phần lớn trong dịch nấu Bột giấychứa chủ yếu là sợi cellulose có độ bền môi trường và cơ lý cao, vì vậy bột giấy loại

này được gọi là bột hóa hay bột cellulose Tùy theo hóa chất sử dụng, ta có các loạibột giấy sau:

- Bột sođa, thuộc loại bột kiềm – dịch nấu gỗ là dung dịch NaOH

- Bột sunfat (hoặc gọi là bột kraft), cũng thuộc loại bột kiềm – tác chất nấu làNaOH và Na2S

- Bột sunfit, có thể có bột sunfit axit, bột sunfit trung tính hoặc sunfit kiềm

- Bột bán hóa, là loại bột sunfit được nấu ở chế độ khá êm dịu với NaHSO3,sau đó sẽ hỗ trợ thêm một giai đoạn xử lý cơ học để tách sợi Với phương pháp nàyhiệu suất có thể được tăng đến 80%

Phương pháp cơ học: cho bột với hiệu suất cao, có thể đạt từ 85 – 95% Bộtgiấy loại này có thành phần tương đương như gỗ (chỉ có một tỉ lệ nhỏ các chất bịhòa tan trong quá trình nghiền), được gọi tên là bột cơ, bột gỗ hay bột hiệu suất cao.Với phương pháp này, quá trình phân tách sợi chủ yếu nhờ tác động cơ học Theomột số cải tiến phát triển sau này, có thể hỗ trợ thêm tác động nhiệt – ta có bột nhiệt

cơ, hoặc tác động của một lượng nhỏ các chất hóa học để cho loại bột hóa nhiệt cơ

Sau đó tùy theo yêu cầu sử dụng, bột hóa hay bột cơ sẽ được qua giai đoạntẩy để làm tăng độ trắng cho bột giấy trong điều kiện đảm báo giá thành và tính chất

kỹ thuật của bột giấy

1.3.2 Phản ứng của hydratcacbon và lignin trong môi trường kiềm

Có rất nhiều loại phản ứng có thể xảy ra với thành phần hydratcacbonvàlignin trong gỗ (hoặc tre) Tuy nhiên, phần này chỉ đề cập đến phản ứng củahydratcabon và lignin trong môi trường kiềm, rất hay gặp trong quá trình sản xuấthay xử lý bột cellulose

a Phản ứng của hydratcacbon trong môi trường kiềm

- Phản ứng oxi hóa – thủy phân hydratcacbon trong môi trường kiềm

Đây là phản ứng rất quan trọng vì luôn gặp trong quá trình nấu hay tẩy trắngbột giấy

+ Phản ứng oxi hóa

Nhóm OH ở cacbon C2, C3 hoặc C6của vòng glucose bị oxi hóa thành nhómcacbonyl, tạo nên những cấu trúc cacbonyl–β–glucoxy nhạy với kiềm

Hình 1.6 Phản ứng oxi hóa của hydratcacbon trong môi trường kiềm

+ Thủy phân trong môi trường kiềm

Cấu trúc cellulose bị oxi hóa tại C2hoặc C3khá nhạy với dung dịch kiềm Sựphân hủy đại phân tử cellulose được tiến hành trước tiên qua sự hình thành một ion,rồi kế đó dịch chuyển điện tử và gây ra phản ứng cắt mạch

Hình 1.7 Phản ứng thủy phân cấu trúc cacbonyl-β-glucoxy

O

O

H O

H O

+Phản ứng tách loại và chuyển vị

Trong môi trường kiềm, các cấu trúc dicacbonyl của cellulose (loại xetonhoặc andehit) sẽ có thể tiếp tục thay đổi bằng phản ứng chuyển vị benzylic hoặcbằng phản ứng tách loại β

Hình 1.8 Phản ứng chuyển vị và tách loại hydratcacbon

trong môi trường kiềm

- Phản ứng peeling

Sự thủy phân của cellulose trong môi trường kiềm xảy ra theo cơ chế củaphản ứng này Nó được đặc biệt quan tâm vì đặc trưng của phản ứng là sự giảmhiệu suất của quá trình nấu và sự giảm trọng lượng phân tử cellulose Nó là mộtphản ứng rất khó tránh vì xảy ra ngay trong giai đoạn gia nhiệt của quá trình nấu(>80oC) Phản ứng được đặc trưng sự tách dần nhóm khử ở cuối mạch cellulose.Những phần hydratcacbon bị tách ra thì chuyển thành các axit hữu cơ và như vậy sẽlàm giảm nồng độ của các ion OH-

Ví dụ: Một đơn vị đường có nhóm khử ở C1(đồng phân pyranose), do nhómC=O ở cacbon C1mà hydro của C2 có tính axit và do vậy H này bị lấy đi trong môitrường kiềm

O

CH 2 OH

O O

H

H

O Cell OH

O

CH2OH

O O

H H

O Cell HO

CH 2 OH

H H

O HO

O Cell

Cacboxyl

(I) (II) (III) (IV)

OH

-H+

OH (soda)

R1

OCH 3

O

H3CO O

Hình 1.11 Minh họa phản ứng ngưng tụ của lignin trong môi trường kiềm

1.3.3 Phản ứng hóa học trong quá trình nấu bột sunfat

a Phản ứng của hydratcacbon

Phản ứng của hydratcacbon trong quá trình nấu bột sunfat tương tự như phảnứng của hydratcacbon trong môi trường kiềm Nhiều nghiên cứu cho thấy ion HS-không ảnh hưởng đến phản ứng của hydratcacbon

b Phản ứng của lignin

Quá trình tách lignin trong điều kiện có Na2S sẽ diễn ra nhanh hơn trong môitrường kiềm Phản ứng của lignin phụ thuộc vào cả ion HO- và HS- Vai trò chínhcủa HS-là tăng tốc độ cho quá trình hòa tan lignin

Như đã đề cập, một số liên kết phổ biến trong cấu trúc của lignin là β-O-4, O-4 và α-O-4, β-5 Trong đó kiểu liên kết β-O-4 chiếm từ 50 – 60% tùy loại gỗ, loạiα-O-4 tuy hàm lượng thấp hơn nhiều nhưng đây là những cấu trúc rất hoạt động

α-+

+ CH2O