Bài viết sử dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp là vỏ trấu để tổng hợp CNCs. Cellulose được cô lập từ vỏ trấu bằng phương pháp hóa học, thông qua quá trình axit formic/axit peroxyformic, nhằm loại bỏ lignin và hemicellulose trong nguồn nguyên liệu thô ban đầu, thu được cellulose tinh khiết.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 Bài Nghiên cứu Open Access Full Text Article Cô lập nano tinh thể cellulose từ vỏ trấu phương pháp axit formic/axit peroxyformic Vũ Năng An, Nguyễn Vân Nhi, Trần Thị Thanh Vân, Hà Thúc Chí Nhân, Lê Văn Hiếu* TĨM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Nano tinh thể cellulose (CNCs) vật liệu thú vị thu hút nhiều nhà nghiên cứu từ thập kỷ qua, đặc biệt lãnh vực tổng hợp vật liệu từ nguồn sinh khối tự nhiên Trong nghiên cứu này, sử dụng nguồn nguyên liệu phụ phẩm nông nghiệp vỏ trấu để tổng hợp CNCs Cellulose cô lập từ vỏ trấu phương pháp hóa học, thơng qua trình axit formic/axit peroxyformic, nhằm loại bỏ lignin hemicellulose nguồn nguyên liệu thô ban đầu, thu cellulose tinh khiết Tiếp đến thủy phân cellulose axit sulfuric (64% wt, tỷ lệ khối lượng cellulose thể tích axit g/15 mL) 45o C 30 phút Vật liệu sau bước xử lý khảo sát thơng qua phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourrier (FTIR), nhiễu xạ tia X (XRD) ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Hình thái học vật liệu thu từ ảnh TEM cho thấy CNCs có dạng hình kim với đường kính chiều dài trung bình 15 nm 480 nm Thành phần lignin loại bỏ khỏi mẫu q trình xử lý hóa học thơng qua phân tích phổ FTIR Tính chất nhiệt vật liệu thu suốt trình khảo sát thơng qua phép phân tích nhiệt – khối lượng (TGA) Những kết thu hứa hẹn cho việc sử dụng vỏ trấu làm nguyên liệu tổng hợp CNCs hướng đến ứng dụng chế tạo vật liệu nanocomposite Từ khố: Vỏ trấu, q trình axit formic/ axit peroxyformic, nano tinh thể cellulose, phụ phẩm nông nghiệp MỞ ĐẦU Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, ĐHQG-HCM Liên hệ Lê Văn Hiếu, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, ĐHQG-HCM Email: lvhieu@hcmus.edu.vn Lịch sử • Ngày nhận: 21-12-2018 • Ngày chấp nhận: 17-4-2020 • Ngày đăng: 06-6-2020 DOI : 10.32508/stdjns.v4i2.658 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo cơng bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Chế tạo vật liệu có tính tốt, bền vững thân thiện với môi trường nhằm thay vật liệu dựa nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu toàn giới Hiện vật liệu có nguồn gốc sinh học với ưu điểm bền vững, có khả tái tạo, khả phân hủy sinh học không sử dụng phụ gia độc hại dần lên ứng cử viên đầy hứa hẹn Trong hai thập kỷ gần đây, vật liệu composite với pha gia cường sợi tự nhiên trở nên phổ biến Về mặt cấu tạo, sợi tự nhiên bao gồm ba thành phần cellulose, hemicellulose lignin; ngồi cịn có số thành phần nhỏ pectin, sáp phụ gia Cellulose, hàm lượng chủ yếu sợi tự nhiên, polymer mạch thẳng bao gồm đơn vị mắt xích β -D-glucopyranose Các đơn vị liên kết với qua liên kết cộng hóa trị (β -1,4-glucan) tạo thành từ nhóm acetal nhóm – OH vị trí xích đạo nguyên tử carbon C1 C4 Trong cấu trúc cellulose có chứa nhiều nhóm chức –OH, nên mạch cellulose hình thành nhiều liên kết hydrogen nội phân tử liên phân tử Chính nhờ mạng lưới liên kết hydrogen mà mạch cellulose hình thành nên cấu trúc dạng sợi với đường kính khoảng 2-20 nm chiều dài lên đến vài micromet Hai thành phần cịn lại sợi tự nhiên hemicellulose lignin Hemicellulose thuộc họ polymer polysaccharide mạch nhánh, có cấu tạo từ phân tử glucose, xylose, galactose, arabinose, mannose Lignin thuộc họ polymer phenolic có độ khâu mạng cao Cả hemicellulose lignin thuộc họ polymer vơ định hình, cellulose có cấu trúc bán kết tinh Nano tinh thể cellulose (Cellulose nanocrystals_CNCs) tạo thành cách loại bỏ phần vơ định hình cấu trúc cellulose tinh khiết Quá trình ảnh hưởng đến cấu trúc, hàm lượng tinh thể, hình thái bề mặt độ bền nhiệt vật liệu Một số nghiên cứu gần cố gắng cải thiện hàm lượng tinh thể độ chịu nhiệt vật liệu 3,4 Về mặt hình thái, CNCs có cấu trúc hình que cứng với hàm lượng pha tinh thể khoảng 54 đến 88% Hình thái hàm lượng pha tinh thể CNCs phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu phương pháp tổng hợp CNCs sở hữu số tính quan trọng độ cứng cao, tỷ trọng thấp (xấp xỉ khoảng 1,57 g.cm−3 ), hệ số giản nở nhiệt thấp Trích dẫn báo này: An V N, Nhi N V, Vân T T T, Nhân H T C, Hiếu L V Cô lập nano tinh thể cellulose từ vỏ trấu phương pháp axit formic/axit peroxyformic Sci Tech Dev J - Nat Sci.; 4(2):430-440 430 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 modun đàn hồi cao (khoảng 150 GPa) Chính nhờ tính chất trội mà CNCs trở thành ứng cử viên đầy triển vọng việc làm pha gia cường cho loại polymer nhiệt dẻo nhiệt rắn nhằm hướng đến ứng dụng khác 5–7 Trong năm gần đây, nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp CNCs từ nguồn phụ phẩm nông nghiệp Một số nghiên cứu công bố việc sử dụng nguồn nguyên liệu khác bã mía , xơ dừa , rơm rạ 10 , thân chuối 11 , bã trà 12 Tại Việt Nam, khoảng hai thập kỷ vừa qua, vỏ trấu ứng dụng nhiều 13 Trấu lớp vỏ bọc tự nhiên tạo thành xung quanh hạt gạo trình phát triển, loại sợi tự nhiên thải từ quy trình sản xuất gạo.Vỏ trấu xử lý hóa học bề mặt để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng, sử dụng làm chất độn chế tạo vật liệu composite Gần sử dụng vỏ trấu làm nguồn nguyên liệu chế tạo silica than hoạt tính thơng qua trình xử lý nhiệt Tuy nhiên, nghiên cứu chi tiết việc chế tạo CNCs từ nguồn nguyên liệu Việt Nam Việt Nam nước có văn minh lúa nước lâu đời Năm 2016, sản lượng lúa Việt Nam đạt 42 triệu tấn, lượng vỏ trấu thải chiếm đến 20% 14 Hầu hết chúng đem đốt đổ bỏ loại rác thải, phương pháp không khả thi hàm lượng tro cao sinh q trình chuyển hóa carbon vỏ trấu cháy Ngồi ra, q trình phân hủy vi sinh vật trấu giải phóng khí methane gây tượng nóng lên vỏ trái đất, ảnh hưởng đến thay đổi khí hậu tồn cầu Bên cạnh đó, trấu tồn dạng hạt mịn, nhẹ gây vấn đề hô hấp cho người 15 Chính nguyên nhân kể gây thách thức vấn đề xử lý loại phụ phẩm nhà máy sản xuất gạo Những nghiên cứu trước tập trung nhiều vào việc xử lý bề mặt trấu nhằm ứng dụng làm pha gia cường lĩnh vực chế tạo vật liệu composite 15 xử lý trấu nhiệt độ cao để thu silica 16 Về mặt hàm lượng thành phần trấu 17 , trấu bao gồm ba thành phần cellulose (25-35%), hemicellulose (18-21%), lignin (18-21%), silica ( 15-17%) lại hợp chất hòa tan độ ẩm (7-15%) Do đó, nghiên cứu việc sử dụng vỏ trấu làm nguồn nguyên liệu để tổng hợp nano tinh thể cellulose thu hút nhiều quan tâm Mục đích nghiên cứu cô lập cellulose từ nguồn nguyên liệu vỏ trấu thủy phân tạo tinh thể nanocellulose (CNCs) nhằm hướng đến 431 ứng dụng làm pha gia cường cho vật liệu composite Cellulose lập thơng qua q trình axit formic/axit peroxyformic bao gồm ba bước chính: xử lý axit formic (HCOOH), xử lý axit peroxyformic (PFA-hỗn hợp dung dịch HCOOH + H2 O2 + H2 O) tẩy trắng hỗn hợp dung dịch NaOH H2 O2 Tiếp đến thủy phân cellulose axit sulfuric Xử lý vỏ trấu môi trường axit để phần hemicellulose, sáp, pectin… bị hòa tan Phần lại lignin trương lên môi trường axit di hành bên bề mặt, tạo điều kiện cho trình xử lý PFA Giai đoạn PFA làm mềm sợi, tiếp tục loại bỏ phần lớn hemicellulose phần lignin nhờ vào có mặt chất oxy hóa H2 O2 Trải qua bước xử lý axit PFA, phần lớn hemicellulose, sáp, pectin vỏ trấu loại bỏ Tuy nhiên, thành phần lignin cịn bám bên ngồi sợi Do cần phải tiếp tục thực q trình tẩy trắng để loại bỏ hoàn toàn lignin thu cellulose tinh khiết Sợi cellulose dạng polymer bán kết tinh mà vùng tinh thể liên kết với thơng qua vùng vơ định hình Để có cấu trúc bền mang lại hiệu cao vai trò pha gia cường sợi cellulose, vùng vơ định hình cần thiết bị loại bỏ Do đó, giai đoạn cuối chúng tơi thực thủy phân axit Trong trình axit ưu tiên cơng vào vùng vơ định hình vùng có cấu trúc tinh thể khơng bị axit công mức độ trật tự cao Chức chủ yếu axit giải phóng ion hydronium (H+ ) để cắt đứt liên kết glycoside ether chuỗi phân tử cellulose vùng vơ định hình VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Vỏ trấu có nguồn gốc từ vùng trồng lúa Củ Chi, Tp.HCM Vỏ trấu sau thu gom rửa với nước sau đem xay nhuyễn thành dạng bột mịn NaOH (Trung Quốc), HCOOH (Trung Quốc), H2 O2 (Trung Quốc) H2 SO4 (Trung Quốc) Tất hóa chất dạng thương mại sử dụng trực tiếp Phương pháp nghiên cứu Các mẫu dạng bột gồm vỏ trấu thô với vỏ trấu qua giai đoạn xử lý khác nghiền mịn sấy 24 80o C Thành phần hóa học phân tích thơng qua quang phổ hồng ngoại FTIR (TENSOR 27, Bruker) Mẫu phân tích ép viên với KBr, sau quét từ số sóng 4000 đến 400 cm−1 Hàm lượng nguyên tố diện bề mặt xác định thông qua phổ EDX, sử dụng hệ EMAX ENERGY kết hợp Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 thiết bị FESEM S-4800 Mẫu khơ dạng bột phân tích nhiễu xạ tia X (D2 PHARSER, Bruker) với góc quét 2θ từ 10o đến 80o bước chuyển 0,02o /phút Hàm lượng tinh thể mẫu tính theo cơng thức (1) 18 : am CrI (%) = − II200 (1) Giá trị Iam ứng với cường độ nhiễu xạ thấp 2θ khoảng 18o , I200 mũi cao mặt mạng (200) 2θ khoảng 22,1-22,9o Kích thước tinh thể tính dựa cơng thức Debye-Scherrer k.λ (nm) (2) D (nm) = β Cosϕ 1/2 Với k = 0,91 số Scherrer, bước sóng λ = 0,154 nm, β1/2 nửa bề rộng mũi (200) tính theo radian θ góc nhiễu xạ mũi Hình thái học mẫu xác định qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Trước quan sát, mẫu nano tinh thể cellulose phân tán nước (0,01 mg/ml) siêu âm khoảng 30 phút, sau giọt hệ huyền phù đưa lên lưới đồng phủ lên lớp carbon mỏng, tiếp đến mẫu sấy khô trước phân tích Tính chất nhiệt mẫu vỏ trấu thô vỏ trấu qua giai đoạn xử lý khác xác định phương pháp phân tích nhiệt – khối lượng (TGA) Giản đồ TGA phân tích máy TGA Q500, mẫu quét từ 30o C đến 700o C mơi trường khí nitrogen, tốc độ gia nhiệt 10o C/phút Cô lập cellulose từ vỏ trấu thủy phân tạo nano tinh thể cellulose Tiền xử lý Vỏ trấu thu gom từ vùng trồng lúa Củ Chi, Tp.HCM rửa với nước sau đem xay nhuyễn thành dạng bột mịn (sợi macro) Bột vỏ trấu hòa vào nước cất, đun 100o C nhằm loại bỏ thành phần mùn số tạp chất bẩn khác bám bên ngồi Sau đó, hỗn hợp lọc sấy khoảng 70o C Xử lý axit HCOOH Vỏ trấu sau trình tiền xử lý khuấy hoàn lưu axit formic 90% (tỉ lệ trấu/ axit = 1:10) 100o C Sau đó, lọc phễu Buchner rửa lại lần với axit formic tinh khiết, sau rửa tiếp ba lần với nước cất đun sôi để loại bỏ axit cịn dư sấy khơ Xử lý axit peroxyformic (FPA) Sau xử lý axit, vỏ trấu tiếp tục khuấy hoàn lưu với dung dịch PFA (90% HCOOH, 4% H2 O2 , 6% nước cất) 80o C lọc, rửa lại với axit formic 80% nước cất Tẩy trắng Sản phẩm sau xử lý PFA tẩy trắng với dung dịch NaOH 1M H2 O2 , tỉ lệ mẫu/H2 O2 1:1, khuấy hoàn lưu 80o C Lọc rửa lại nhiều lần với nước cất Giai đoạn tẩy trắng đươc thực hai lần Thủy phân axit Sau tẩy trắng, sản phẩm thu có màu trắng, mịn khuấy dung dịch axit sulfuric 64% 45o C 30 phút Huyền phù sau thủy phân tiến hành ly tâm nước cất với tốc độ 4000 vòng/phút 10 phút Bước ly tâm thực nhiều lần đến dung dịch trung hịa có pH = Sản phẩm cuối thu dạng bột trắng sấy khô khoảng 80o C 24 Hiệu suất tổng tồn q trình tính theo cơng thức (3), khối lượng khơ mẫu thô mẫu sau thủy phân sấy đông khô áp suất 100 mTorr 24 giờ: s H(%) = m (3) mt × 100 Trong đó: ms khối lượng khô mẫu sau thủy phân (g) mt khối lượng khô mẫu vỏ trấu thô ban đầu (g) KẾT QUẢ THẢO LUẬN Phân tích kết phổ FTIR EDX Từ nguồn nguyên liệu vỏ trấu thơ ban đầu, trải qua q trình xử lý hóa học từ bước tiền xử lý đến thủy phân axit, hiệu suất tổng thu tính theo cơng thức (3) khoảng 27-29% Quá trình tách chiết cellulose tổng hợp CNCs đánh giá thông qua phổ biến đổi hồng ngoại Fourier (FTIR) vật liệu từ mẫu vỏ trấu thô đến mẫu thủy phân thể Hình Các kết thể Hình cho thấy thay đổi mũi tín hiệu đặc trưng qua giai đoạn Mũi bầu rộng vùng từ 3100 cm−1 đến 3500 cm−1 đặc trưng cho dao động kéo dãn nhóm –OH tồn bề mặt mạch cellulose, đồng thời dao động cho thấy diện phân tử nước bị hấp phụ vào mẫu Ở số sóng khoảng 2900 cm−1 dao động kéo dãn liên kết CH thành phần cellulose, hemicellulose lignin 19 Các thành phần vô định hình hemicellulose, phần lignin, sáp, pectin tạp chất khác dần loại bỏ qua giai đoạn từ mẫu thô đến xử lý PFA kèm theo giảm hấp thu ẩm mẫu nên tín hiệu mũi –OH giảm dần Điều minh chứng thông qua thay đổi màu sắc vỏ trấu qua giai đoạn xử lý từ mẫu thơ ban đầu đến xử lý PFA (Hình 2) 432 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 Hình 1: Phổ FTIR mẫu (a) mẫu thô; (b) mẫu xử lý axit; (c) mẫu xử lý PFA; (d) mẫu tẩy trắng (e) mẫu thủy phân Dưới tác động axit HCOOH nhiệt độ cao (100o C), phần hemicellulose, sáp, pectin… bị hòa tan axit Riêng lignin bị trương lên có xu hướng di hành bên ngồi bề mặt, làm giảm hấp thu ẩm mẫu Do dẫn xuất phenol tồn lignin thành phần hấp thu ánh sáng khả kiến nên làm cho mẫu giai đoạn có màu nâu đỏ đậm ban đầu Phổ FTIR mẫu có diện mũi tín hiệu vùng từ 1714-1735 cm−1 dao động đặc trưng nhóm acetyl (C=O) nhóm ester (-COO) có thành phần hemicellulose nhóm carboxyl axit ferulic axit p-coumeric thành phần lignin 20 Tiếp đến giai đoạn tẩy trắng, tác động hỗn hợp gồm NaOH 1M H2 O2 NaOH đóng vai trị môi trường tạo điều kiện cho H2 O2 phân ly Trong nước H2 O2 phân ly thành ion H+ ion perhydroxyl (HO2 − ) ion hoạt động tẩy trắng Các ion tác kích vào nối đơi mạch dẫn xuất vịng thơm có 433 lignin hemicellulose giúp loại bỏ lớp vỏ bọc bên ngồi, giải phóng cấu trúc cellulose Trải qua giai đoạn tẩy trắng lignin loại bỏ gần hồn tồn, lúc vật liệu có màu trắng sáng so với giai đoạn trước, thể Hình Sau giai đoạn này, cấu trúc cellulose giải phóng, nhóm –OH cấu trúc lộ nên cường độ mũi tăng cao phổ FTIR Tiếp đến, mẫu tẩy trắng thủy phân môi trường axit, ion hydronium (H+ ) ưu tiên cơng vào vùng vơ định hình vùng có cấu trúc tinh thể không bị axit công mức độ trật tự cao Sau q trình phá vỡ cấu trúc vơ định hình, tinh thể riêng biệt giải phóng với kích thước nanomet, khối tinh thể giữ nguyên hướng phân bố dọc theo chiều dài bó sợi nhỏ ban đầu Ngoài ra, axit sulfuric trình thủy phân hình thành bề mặt sợi nhóm sulfate tích điện âm Chính Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 Hình 2: Sự thay đổi màu sắc mẫu qua giai đoạn xử lý (a) mẫu thô,(b) mẫu tiền xử lý, (c) mẫu xử lý axit (d) mẫu xử lý PFA Hình 3: Sợi sau tẩy trắng lần (a) sợi sau tẩy trắng lần hai (b) 434 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 Hình 4: Huyền phù cellulose sau thủy phân axit (a) Huyền phù sau trung hòa đánh siêu âm (b) nhóm giúp cho hệ huyền phù CNCs trở nên bền vững môi trường nước (Hình 4) Phổ FTIR cho thấy, hai mẫu tẩy trắng thủy phân, mũi tín hiệu thành phần lignin vùng 1714-1735 cm−1 hoàn toàn biến Ngoài ra, dao động kéo dãn liên kết C=C vịng thơm lignin khoảng 1500 cm−1 quan sát thấy mẫu thô, xử lý axit xử lý PFA hoàn toàn biến hai mẫu tẩy trắng thủy phân Kết phổ FTIR phù hợp với thay đổi màu sắc hình thái sợi, chứng minh hiệu quy trình tách chiết cellulose chúng tơi Cường độ tín hiệu nhóm –OH sau thủy phân giảm vùng cellulose vơ định hình bị loại bỏ, đồng thời q trình ester hóa gắn nhóm sulfate lên bề mặt sợi thay phần nhóm –OH Các dao động uốn tương ứng nhóm C-O-H khoảng 1200-1400 cm−1 , bị ghép cặp với dao động khác xuất dạng mũi tương đối yếu Các dải hấp thu mạnh dao động kéo dãn C-O C-C xuất vùng 1000-1100 cm−1 , với hấp thu liên kết ether C-O-C bên vòng glucopyranose liên kết ether nối vùng kế cận cấu trúc cellulose 1059 cm−1 21 Sự chồng lấp dải ether dải C-O alcol tạo nên hình dạng đặc trưng cho tồn dải vùng 1000-1100 cm−1 Ngoài ra, dải hấp thu yếu 897 cm−1 dao động uốn C1 -H cho thấy nguyên tử hydro gắn vào nguyên tử C1 vịng glucopyranose vị trí trục (do cho thấy OH vị trí xích đạo) Chính vịng pyranose liên kết với kiểu β -1,4 khẳng định cấu 435 trúc hóa học cellulose polymer liên kết β glucose vị trí 1,4 22 Nhằm hiểu rõ thành phần ngun tố có mẫu sau q trình tẩy trắng, chúng tơi tiến hành phân tích EDX Phổ EDX mẫu sau trình tẩy trắng hiển thị Hình Kết cho thấy qua q trình xử lý hóa học, tới q trình tẩy trắng, tạp chất vỏ trấu loại bỏ, sản phẩm cuối bao gồm C O Phân tích giản đồ TGA Theo M Mariano cộng 23 , trình phân hủy nhiệt lý tưởng cellulose có ba vùng Đầu tiên khối lượng bay nước tạp chất có trọng lượng phân tử thấp Giai đoạn khối lượng thứ trình oxy hóa nhiệt nhóm –OH bề mặt, cắt đứt phân hủy mạch cellulose tạo thành lớp than Q trình oxy hóa tiếp tục lớp than cặn ngừng gia nhiệt xảy giai đoạn phân hủy thứ hai 23 Nhìn vào giản đồ TGA DTG (Hình 6) mẫu thơ cho thấy độ khối lượng bay nước khoảng 98o C (mất 4,08% khối lượng) Nhiệt độ bắt đầu phân hủy (To ) 285o C Vùng khối lượng thứ thể qua mũi tín hiệu DTG từ 285o C đến 315o C chồng chéo trình phân hủy lignin, hemicellulose, sáp số thành phần phụ khác (giai đoạn phân hủy 22,09% khối lượng) Lignin hemicellulose sau phân hủy để lại thành lớp than bao bọc bên ngồi sợi cellulose, đóng vai trị tác nhân chống cháy pha rắn hạn chế tiếp xúc sợi nguồn nhiệt làm chậm Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 Hình 5: Phổ EDX mẫu thu sau trình tẩy trắng Hình 6: Giản đồ TGA DTG mẫu vỏ trấu thô, tẩy trắng thủy phân trình cháy Từ 315o C– 450o C q trình phân hủy nhóm –OH bề mặt xảy đồng thời trình đề polymer hóa, đề hydrat hóa làm phân hủy đơn vị glucosyl mạch cellulose tạo thành lớp than cặn Trên 450o C, lớp than tiếp tục bị oxy hóa tạo thành sản phẩm có phân tử lượng thấp Lớp than lại 900o C cao (28,62%) (Bảng 1) Độ khối lượng bay nước mẫu tẩy trắng nhiệt độ khoảng 74o C Ở giai đoạn nhóm –OH mạch cellulose lộ nên tăng khả hút ẩm làm khối lượng nước cao so với mẫu thô (7,08%) Nhiệt độ bắt đầu phân hủy giảm cịn 256o C Các vùng cellulose vơ định hình phân hủy từ 256o C đến 290o C Từ 300o C– 450o C phân hủy mạch cellulose tạo thành lớp than Do sau trình tẩy trắng loại gần hoàn toàn lignin hemicellulose nên hàm lượng than lại 900o C thấp (16,10%) Độ bền nhiệt tiếp tục giảm mẫu thủy phân axit sulfuric Nhiệt độ bắt đầu phân hủy 228o C thấp 11% so với mẫu vỏ trấu thô Nguyên nhân tượng liên quan đến xuất nhóm sulfate bề mặt sợi Theo nghiên cứu Maren cộng 24 , có mặt nhóm sulfate gắn bề mặt sợi sau thủy phân axit có ảnh hưởng đến độ bền nhiệt nanocellulose Hàm lượng nhóm sulfate tăng tăng nồng độ, tỷ lệ thời gian thủy phân kèm theo giảm độ bền nhiệt sợi chứng minh Các nhóm hydroxyl diện bề mặt tinh thể cellulose làm gia tăng hấp thụ độ ẩm 436 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 Bảng 1: Phân tích phân hủy nhiệt mẫu vỏ trấu thô, mẫu tẩy trắng thủy phân Mẫu Giai đoạn nước Giai đoạn Giai đoạn hai Hàm lượng than 900o C WL (%) To (o C) Tmax (o C) WL (%) To Tmax WL (%) (%) Thô 4,08 285 315 22,09 320 374 44,43 28,62 Tẩy trắng 7,08 256 277 11,87 280 369 64,85 16,10 Thủy phân 2,56 228 284 37,76 290 389 33,08 19,59 Trong đó: To nhiệt độ bắt đầu phân hủy, Tmax nhiệt độ phân hủy cực đại, WL độ khối lượng khơng khí kết hợp với giải ester hóa nhóm sulfate nhiệt độ cao (hơn 150o C) tạo axit sulfuric Axit sulfuric tạo điều kiện cho phân hủy nhóm hydroxyl vịng cách xúc tác trực tiếp phản ứng khử nước 24 Trong giai đoạn một, độ khối lượng tương đối lớn đến 37% 10 phút 228o C-360o C xảy đồng thời phản ứng khử nước, đề sulfat hóa, phần phản ứng depolymer hóa Từ 360o C, q trình phân hủy tiếp tục tinh thể cellulose đồng thời xảy trình phân hủy axit sulfuric sinh trình giải ester hóa Các phân tử axit sulfuric sau sinh ra, nằm vùng nhiệt không phân hủy nhiệt đạt 380o C 24 Hàm lượng lớp than cuối 900o C tăng cao so với mẫu thủy phân 19,59% nhóm sulfate việc gây giảm độ bền nhiệt cịn hoạt động tác nhân làm chậm trình cháy Kết XRD Cùng với kết phân tích phổ hồng ngoại phổ EDX, kết phân tích nhiễu xạ tia X (Hình 7) lần khẳng định sản phẩm thu cellulose tinh khiết Theo lý thuyết, giản đồ XRD cellulose tinh khiết bao gồm mũi kết tinh vị trí 2θ 14,4o , 16,5o , 22,6o 34,9o , ứng với mặt phẳng (101), (101− ) , (002) (040) 25 Dựa vào XRD, hàm lượng tinh thể tính theo cơng thức (1) kích thước tinh thể tính theo công thức (2) với kết thể Bảng Bảng 2: Độ kết tinh kích thước tinh thể mẫu Mẫu Độ kết tinh (%) Kích thước tinh thể (nm) Mẫu thơ 56,52 2,1 Mẫu tẩy trắng 70,04 4,7 Mẫu thủy phân 74,47 7,1 437 Từ vỏ trấu thơ, trải qua q trình từ tiền xử lý đến tẩy trắng loại bỏ thành phần vơ định hemicelulose, ligin pectin Điều làm cho hàm lượng tinh thể cellulose mẫu sau tẩy trắng tăng lên (70,04% so với 56,52% mẫu thô ban đầu) Cellulose với chất polymer bán kết tinh, với vùng vô định hình tinh thể đan xen Quá trình thủy phân làm cắt đứt liên kết β -glycoside ion hydronium axit mạnh, ion cơng vào vùng vơ định hình sợi đồng thời loại bỏ vùng này, để lại vùng có độ kết tinh cao Kết độ kết tinh tăng từ 70,04% với mẫu cellulose lên 74,47% mẫu qua thủy phân (Bảng 2) Phân tích ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Kết ảnh hiển vi điện tử truyền qua sợi sau thủy phân axit sulfuric nồng độ 64% Hình cho thấy đường kính sợi có kích thước trung bình 15 nm, độ dài ước tính trung bình khoảng 480 nm KẾT LUẬN Chúng cô lập cellulose từ nguồn vỏ trấu Việt Nam phương pháp hóa học, thơng qua trình xử lý axit formic/ axit peroxyformic Quy trình loại bỏ thành công thành phần lignin hemicellulose vơ định hình có vỏ trấu, từ thu cellulose tinh khiết Tiếp đến, cellulose thủy phân với axit sulfuric 64% đạt kích thước nano Kết XRD cho thấy độ kết tinh sợi tăng từ 56,52% với mẫu thô lên 74,47% với mẫu qua thủy phân Nguyên nhân q trình lập, tiếp đến thủy phân loại bỏ thành phần vơ định hemicelulose, lignin, pectin vùng cellulose vơ định hình có cấu trúc lỏng lẻo cấu trúc sợi Nano tinh thể cellulose thu có dạng hình kim với đường kính chiều dài trung bình sợi 15 nm 480 nm Với kết Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 Hình 7: Giản đồ XRD mẫu(a) mẫu thô, (b) mẫu tẩy trắng (c) mẫu thủy phân Hình 8: Ảnh TEM mẫu huyền phù nanocellulose thu được, nanocellulose hứa hẹn có tiềm lớn định hướng ứng dụng làm pha gia cường cho DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) khuôn khổ CNCs nano tinh thể cellulose TEM Ảnh hiển vi điện tử truyền qua XRD nhiễu xạ tia X FT-IR phổ hồng ngoại biến đổi Fourier EDX phổ tán sắc lượng tia X TGA phân tích nhiệt – khối lượng Đề tài mã số “562-2018-18-01” Nhóm tác giả xin XUNG ĐỘT LỢI ÍCH vật liệu nanocomposite LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành chân thành cám ơn Nhóm tác giả cam kết khơng có xung đột lợi ích 438 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(2):430-440 ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ Vũ Năng An, Nguyễn Vân Nhi: thực nghiệm Vũ Năng An, Trần Thị Thanh Vân, Hà Thúc Chí Nhân, Lê Văn Hiếu: chuẩn bị thảo chỉnh sửa/phản hồi phản biện, hoàn chỉnh thảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Johar N, Ahmad I, Dufresne A Extraction, preparation and characterization of cellulose fibres and nanocrystals from rice husk Industrial Crops and Products 2012;37(1):93–99 Available from: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2011.12.016 Trache D, Hussin MH, Haafiz MM, Thakur VK Recent progress in cellulose nanocrystals: sources and production Nanoscale 2017;9(5):1763–1786 PMID: 28116390 Available from: https: //doi.org/10.1039/C6NR09494E Hastuti N, Kanomata K, Kitaoka T Hydrochloric Acid Hydrolysis of Pulps from Oil Palm Empty Fruit Bunches to Produce Cellulose Nanocrystals Journal of Polymers and the Environment 2018;p 1–12 Available from: https://doi.org/10.1007/ s10924-018-1248-x Lorenz M, Sattler S, Reza M, Bismarck A, Kontturi E Cellulose nanocrystals by acid vapour: towards more effortless isolation of cellulose nanocrystals Faraday Discussions 2017;202(0):315–330 PMID: 28671216 Available from: https: //doi.org/10.1039/C7FD00053G Chen Y, Liu C, Chang PR, Cao X, Anderson DP Bionanocomposites based on pea starch and cellulose nanowhiskers hydrolyzed from pea hull fibre: Effect of hydrolysis time Carbohydrate Polymers 2009;76(4):607–615 Available from: https: //doi.org/10.1016/j.carbpol.2008.11.030 Achaby ME, Miri NE, Aboulkas A, Zahouily M, Bilal E, Barakat A, et al Processing and properties of eco-friendly bionanocomposite films filled with cellulose nanocrystals from sugarcane bagasse International journal of biological macromolecules 2017;96:340–352 PMID: 27988293 Available from: https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2016.12.040 Rajinipriya M, Nagalakshmaiah M, Robert M, Elkoun S Importance of Agricultural and Industrial Waste in the Field of Nanocellulose and Recent Industrial Developments of Wood Based Nanocellulose: A Review ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2018;6(3):2807–2828 Available from: https: //doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b03437 Feng YH, Cheng TY, Yang WG, Ma PT, He HZ, Yin XC, et al Characteristics and environmentally friendly extraction of cellulose nanofibrils from sugarcane bagasse Industrial Crops and Products 2018;111:285–291 Available from: https://doi org/10.1016/j.indcrop.2017.10.041 Nascimento DM, Almeida J, Vale S, Leitão R, Muniz C, Figueirêdo M, et al A comprehensive approach for obtaining cellulose nanocrystal from coconut fiber Part I: Proposition of technological pathways 2016;Available from: https: //doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.12.078 10 Lu P, Hsieh YL Preparation and characterization of cellulose nanocrystals from rice straw Carbohydrate Polymers 2012;87(1):564–573 Available from: https://doi.org/10.1016/ j.carbpol.2011.08.022 11 Mueller S, Weder C, Foster EJ Isolation of cellulose nanocrystals from pseudostems of banana plants RSC Advances 439 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 2014;4(2):907–915 Available from: https://doi.org/10.1039/ C3RA46390G Rahman NHA, Ibrahim NA, Chieng BW, Rahman NA Extraction and Characterization of Cellulose Nanocrystals from Tea Leaves Waste Fiber 2017;Available from: doi:10.3390/ polym9110588 Thuc CNH, Thuc HH Synthesis of silica nanoparticles from Vietnamese rice husk by sol-gel method Nanoscale research letters 2013;8(1):58 PMID: 23388152 Available from: https: //doi.org/10.1186/1556-276X-8-58 Dung PTP Nghiên cứu chế tạo vật liệu Composite từ trấu nhựa Polypropylene Luận văn tốt nghiệp, Trường Đại Học Cần Thơ, Cần Thơ 2012; Yuzer N, Cinar Z, Akoz F, Biricik H, Gurkan YY, Kabay N, et al Influence of raw rice husk addition on structure and properties of concrete Construction and Building Materials 2013;44:54– 62 Available from: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat 2013.02.070 Rungrodnimitchai S, Phokhanusai W, Sungkhaho N Preparation of silica gel from rice husk ash using microwave heating Journal of Metals, Materials and Minerals 2017;19(2) Jackson M The alkali treatment of straws Animal Feed Science and Technology 1977;2(2):105–130 Available from: https://doi.org/10.1016/0377-8401(77)90013-X Segal L, Creely JJ, Martin AE, Conrad CM An Empirical Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellulose Using the X-Ray Diffractometer Textile Research Journal 1959;29(10):786–794 Available from: https://doi.org/10.1177/ 004051755902901003 Oun AA, Rhim JW Isolation of cellulose nanocrystals from grain straws and their use for the preparation of carboxymethyl cellulose-based nanocomposite films Carbohydrate polymers 2016;150:187–200 PMID: 27312629 Available from: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2016.05.020 Hsieh YL Cellulose nanocrystals and self-assembled nanostructures from cotton, rice straw and grape skin: a source perspective Journal of materials science 2013;48(22):7837– 7846 Available from: https://doi.org/10.1007/s10853-0137512-5 Khandanlou R, Ngoh GC, Chong WT Feasibility Study and Structural Analysis of Cellulose Isolated from Rice Husk Microwave Irradiation, Optimization, and Treatment Process Scheme 2016;Available from: https://doi.org/10.15376/biores 11.3.5751-5766 Habibi Y, Lucia LA, Rojas OJ Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications Chemical reviews 2010;110(6):3479–3500 PMID: 20201500 Available from: https://doi.org/10.1021/cr900339w Mariano M, Cercená R, Soldi V Thermal characterization of cellulose nanocrystals isolated from sisal fibers using acid hydrolysis Industrial Crops and Products 2016;94:454–462 Available from: https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.09.011 Roman M, Winter WT Effect of sulfate groups from sulfuric acid hydrolysis on the thermal degradation behavior of bacterial cellulose Biomacromolecules 2004;5(5):1671– 1677 PMID: 15360274 Available from: https://doi.org/10 1021/bm034519+ Kalita E, Nath B, Deb P, Agan F, Islam MR, Saikia K High quality fluorescent cellulose nanofibers from endemic rice husk: Isolation and characterization Carbohydrate polymers 2015;122:308–313 PMID: 25817673 Available from: https: //doi.org/10.1016/j.carbpol.2014.12.075 Science & Technology Development Journal – Natural Sciences, 4(2):430-440 Research Article Open Access Full Text Article Isolation of cellulose nanocrystals from rice husk using the formic/ peroxyformic acid process Vu Nang An, Nguyen Van Nhi, Tran Thi Thanh Van, Ha Thuc Chi Nhan, Le Van Hieu* ABSTRACT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Cellulose nanocrystals (CNCs) is one of the interesting materials attracting many researchers from the decades, especially when they are extracted from natural biomass resources The aim of this study was to explore the utilization of rice husk residues as source for the production of CNCs Cellulose was extracted from rice husk based on chemical method, using the formic/ peroxyformic acid process in order to effectively remove lignin and hemicelluloses from raw material The cellulose was then treated by acid hydrolysis process performing at 45o C for 30 min, using 15 mL of H2 SO4 (64% wt) for each gram of cellulose The material obtained after each stage of the treatments was carefully characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and Transmission electron microscopy (TEM) Morphological characterization from TEM revealed the appearance of needle-like shaped CNCs, average diameter and length of 15 nm and 480 nm, respectively FT-IR results indicated that lignin was completely removed from the samples during chemical treatment The thermal stability of the materials in successive treatments was also investigated using thermogravimetric analysis (TGA) These promising results proved revalue of this by-product for the production of CNCs and its potential use as reinforcement in the preparation of nanocomposites Key words: agricultural waste, cellulose nanocrystals, formic/peroxyformic acid process, rice husk University of Science, VNU-HCM Correspondence Le Van Hieu, University of Science, VNU-HCM Email: lvhieu@hcmus.edu.vn History • Received: 21-12-2018 • Accepted: 17-4-2020 • Published: 06-6-2020 DOI : 10.32508/stdjns.v4i2.658 Copyright © VNU-HCM Press This is an openaccess article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license Cite this article : An V N, Nhi N V, Van T T T, Nhan H T C, Hieu L V Isolation of cellulose nanocrystals from rice husk using the formic/ peroxyformic acid process Sci Tech Dev J - Nat Sci.; 4(2):430-440 440 ... nghiên cứu cô lập cellulose từ nguồn nguyên liệu vỏ trấu thủy phân tạo tinh thể nanocellulose (CNCs) nhằm hướng đến 431 ứng dụng làm pha gia cường cho vật liệu composite Cellulose cô lập thơng... trường khí nitrogen, tốc độ gia nhiệt 10o C/phút Cô lập cellulose từ vỏ trấu thủy phân tạo nano tinh thể cellulose Tiền xử lý Vỏ trấu thu gom từ vùng trồng lúa Củ Chi, Tp.HCM rửa với nước sau... hàm lượng tinh thể tính theo cơng thức (1) kích thước tinh thể tính theo cơng thức (2) với kết thể Bảng Bảng 2: Độ kết tinh kích thước tinh thể mẫu Mẫu Độ kết tinh (%) Kích thước tinh thể (nm)