Nhóm 13 tổng quan về vật liệu nanocellulose 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN KỸ THUẬT HĨA LÝ VÀ PHÂN TÍCH -o0o - TIỂU LUẬN CƠ SỞ VẬT LIỆU VÀ ĂN MÒN TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANOCELLULOSE GVHD: TS Nguyễn Văn Dũng SVTH: Nguyễn Thị Phương 1813624 Bùi Lê Nam Quang 1813655 Tạ Mẫn Tuệ 1814628 Đinh Anh Tú 1814657 Đỗ Vy Thanh Thảo 1811228 Mai Lan Phương 1813619 Tp.HCM, tháng 11/2020 Mục lục Giới thiệu .1 Nguồn lignocellulose Việt Nam Thành phần lignocellulose 3.1 Cellulose 3.2 Lignin 3.3 Hemicellulose Phương pháp tổng hợp cellulose 4.1 Xử lý hoá học 4.2 Xử lý sinh học 4.3 Xử lý – hoá Nanocellulose .7 5.1 Tính chất nanocellulose 5.2 Phân loại nanocellulose Ứng dụng nanocellulose 6.1 Vật liệu nanocellulose ứng dụng hình 6.2 Vật liệu nanocellulose gia cường polymer phân hủy sinh học 10 6.3 Ứng dụng nanocellulose xử lý nước 13 6.4 Ứng dụng nanocellulose lưu trữ lượng .13 Đánh giá 14 Tiềm phát triển vật liệu nanocellulose 14 Kết luận .15 Tài liệu tham khảo .16 i DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Nguồn ngun liệu sinh khối phổ biến Việt Nam [1] Hình 3.1 Cấu trúc phân tử cellulose theo Hawaroth [2] Hình 3.2 Một số kiểu liên kết cấu trúc lignin [2] Hình 3.4 Cấu trúc hemicellulose [4] Hình 5.1 Sự phân lập sợi cellulose thành tinh thể nanocellulose [9] Hình 5.2 Sự phát triển BNC thành màng [9] Hình 6.1 Đường cong ứng suất - biến dạng PLA trộn thêm MFC có hàm lượng khác [21] ii iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tên gọi đầy đủ BNC Baterial nanocellulose CNC Cellulose nanocrystal CNF Cellulose nanofiber PCL Poly caprolactone PE Polyethylene PVA Polyvinyl alcohol PLA Polylactide PLGA Poly lactic-co-glycolic acid AGU Anhydroglucose Unit 10 MCC Microcrystalline Cellulose 11 MFC Microfibrillated Cellulose 12 CN Nanocellulose Giới thiệu Ngày nay, tình hình nhiễm mơi trường Việt Nam nói riêng giới nói chung diễn biến ngày nghiêm trọng để lại nhiều hậu nặng nề Trong nhiều nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm môi trường phải kể đến ô nhiễm phế thải từ vật liệu có nguồn gốc từ hóa thạch Các sản phầm thải môi trường gây ô nhiễm nặng khó bị phân hủy điều kiện thường Yêu cầu đặt cho nhà khoa học phải nghiên cứu tìm loại vật liệu có khả thay vật liệu đồng thời có khả phát triển bền vững lâu dài tương lai Nanocellulose vật liệu tự nhiên thu hút nhiều quan tâm ưu điểm bật tính chất vật lý, khả tương thích sinh học cao đặc biệt thân thiện với mơi trường khả tái chế tự phân hủy nhanh chóng Bên cạnh đó, với đặc thù nước nông nghiệp, nguồn nguyên liệu để tạo nanocellulose dồi giá thành rẻ như: bã mía, rơm rạ, xơ dừa,… cho thấy vật liệu tiềm Nhận thấy khả ứng dụng vật liệu nhiều lĩnh vực khác nhau, nhóm định tìm hiểu đề tài “Tổng quan vật liệu nanocellulose” Nguồn lignocellulose Việt Nam Việt Nam nước có nơng nghiệp phát triển nguồn sinh khối để tổng hợp cellulose chủ yếu lấy từ nguồn lignocellulose phụ phẩm như: rơm rạ, bã mía, trấu, vỏ lạc, phế thải sản xuất chế biến gỗ (mùn cưa, dăm bào, gỗ vụn, ) Tiềm nguồn nguyên liệu sinh khối Việt Nam đánh giá đa dạng có trữ lượng lớn Theo tính tốn Viện Năng lượng Việt Nam, tổng nguồn lignocellulose thu hàng năm đạt khoảng 118 triệu bao gồm khoảng 40 triệu rơm rạ, triệu trấu, triệu bã mía 50 triệu vỏ cà phê, vỏ đậu, phế thải gỗ, [1] Hình 2.1 Nguồn nguyên liệu sinh khối phổ biến Việt Nam [1] 2 Thành phần lignocellulose 2.1 Cellulose Cellulose polymer sinh học quan trọng phổ biến giới Mặc dù cellulose sử dụng từ lâu thơng tin cấu trúc tính chất cịn mẻ tính chất cao phân tử cellulose chưa nghiên cứu sâu rộng Hình 3.1 Cấu trúc phân tử cellulose theo Hawaroth [2] Theo nghiên cứu năm 1920 HermannStaudinger, đơn vị phân tử cellulose tạo liên kết cộng hóa trị với Phân tử cellulose có cấu tạo mạch thẳng, dạng ghế bao gồm đơn vị D-glucopyranose, liên kết với liên kết β-1,4 glycosidic [3] Phân tử cellulose có khối lượng phân tử lớn, polymer mạch chuỗi với nhiều nhóm hydroxyl (3 nhóm –OH đơn phân) Các vòng glucopyranose quay ngược với góc 180° để tạo góc liên kết cho liên kết với –OH [2] Như vậy, xét đơn phân có cấu hình ngược với nhau, ta thu đơn vị disaccharide cellobiose Độ dài chuỗi cellulose hoàn toàn phụ thuộc vào số lượng đơn phân AGU, tạo nên đa dạng cấu trúc tính chất dạng thù hình thực tế cellulose Trái Đất Xem cấu tạo đơn phân D-glucopyranose bao gồm: nhóm C4-OH có tính chất giống nhóm alcol đầu nối với C1 có cấu trúc bán acetal (nhóm OH C1) có tính khử (như nhóm aldehyde) Có khoảng 65 – 73 % phần cellulose trạng thái kết tinh Phần cellulose trạng thái vơ định hình phần nhạy với nước số chất hoá học Cellulose không tan nước, kiềm acid lỗng phân huỷ phản ứng oxy hoá dung dịch kiềm đặc T > 150°C [2] 2.2 Lignin Lignin phức hợp polymer thơm vơ định hình thành phần khơng thể thiếu vách tế bào thực vật Lignin có nhiều thân gỗ cứng, gỗ mềm, thực vật thân cỏ Hàm lượng cấu trúc lignin thay đổi theo nguồn nguyên liệu Trong thân gỗ lignin chiếm khoảng 20% đến 30% sinh khối khô, thực vật có mạch lại chiếm khoảng 15% đến 20% Khoảng trống vách tế bào cellulose, hemicellulose thành phần pectin lấp đầy chất keo dính lignin Bằng kỹ thuật đánh số dùng C phóng xạ (14C) xác định lignin ln có chứa nhóm metoxyl (OCH3) nhân thơm Từ đơn vị phenyl propane kể vài cấu trúc điển hình cho lignin như: coniferyl alcohol, sinapyl alcohol p-coumaryl alcohol Cấu trúc lignin dễ bị thay đổi điều kiện nhiệt độ cao pH thấp Lignin gỗ mềm chủ yếu bao gồm rượu coniferyl (90 - 95%) lignin gỗ cứng chứa coniferyl (25 50%) rượu sinapyl (45 - 75%) Mặc dù lignin thân cỏ chứa ba tiểu đơn vị, hàm lượng p-hydroxyphenyl đáng kể (5 - 35%) lại có hàm lượng thấp gỗ mềm gỗ cứng Trọng lượng phân tử lignin tự nhiên khó xác định cấu trúc thay đổi q trình lập phân tử xác định trọng lượng phân tử trung bình khoảng 2.500 – 410.000 (g mol-1) [2] Hình 3.2 Một số kiểu liên kết cấu trúc lignin [2] Hình 3.3 Đơn vị cấu trúc lignin [2] 2.3 Hemicellulose Hemicellulose loại polysaccharide dị thể, tồn với cellulose hầu hết thành tế bào thực vật Hemicellulose thường tồn mạch nhánh, trạng thái vơ định hình cịn hemicellulose tồn mạch thẳng giống phân tử cellulose có phần trạng thái kết tinh Các đơn vị sở đường hexose (D-glucose, D-mannose, Dgalactose), đường pentose (D-xylose, L-arabinose, D-arabinose) Hemicellulose chứa axit 4-O-methylglucuronic, axit D-galacturonic axit glucuronic Thành phần hemicellulose β – D xylopyranose, β – D xylopyranose liên kết với liên kết β – 1,4 Hình 3.4 Cấu trúc hemicellulose [4] Có loại hemicellulose:  Đơn giản: tách tác dụng hoá chất  Phức tạp: loại liên kết chặt chẽ với lignin cần có phản ứng hồ tan lignin mạnh  Xelulosan: hexose pentose liên kết chặt chẽ với cellulose So với cellulose, hemicellulose dễ bị thuỷ phân nhiều lần mơi trường acid hay base Độ bền hố học bền nhiệt hemicellulose thấp so với cellulose có độ kết tinh trùng hợp thấp (ít 90oC) [2] Phương pháp tổng hợp cellulose Quá trình tổng hợp cellulose từ lignocellulose tập trung loại bỏ thành phần lignin hemicellulose phương pháp chính: xử lý hoá học, xử lý sinh học, xử lý – hoá 3.1 Xử lý hoá học Từ nguồn nguyên liệu lignocellulose ban đầu, người ta tiến hành ngâm qua acid (HCl, H3PO4, H2SO4, HNO3,…) acid hữu (HCOOH, CH3COOH,…), bước tẩy trắng nguyên liệu thô nhằm loại bỏ hầu hết phần lignin, thu holocellulose Sau tiếp tục đưa sản phẩm trung gian ngâm vào dung dịch kiềm vô (NaOH, Ca(OH)2, KOH,…) nồng độ khoảng – 20% khối lượng để loại bỏ hồn tồn cấu trúc lignin cịn lại hemicellulose Phương pháp đánh giá loại bỏ đáng kể lại gây giãn nở cấu trúc, làm giảm khả trùng hợp kết tinh cellulose lại tạo số sản phẩm phụ không mong muốn [5] 3.2 Xử lý sinh học Một số loại vi sinh vật lignolytic, enzyme nấm trắng ứng dụng việc phá hủy cấu trúc lignin hemicellulose bên lignocellulose Đây phương pháp mới, thân thiện với mơi trường, an tồn, tiêu tốn lượng, hiệu kỹ thuật cao lại tốn nhiều thời gian chi phí đầu tư vào nguồn ngun liệu sinh học, khó áp dụng quy mơ lớn, điều kiện vận hành khắt khe hơn, không đem lại hiệu mặt thương mại [6] 3.3 Xử lý – hố Được ứng dụng phịng thí nghiệm Nhiên liệu sinh học & Biomass, địa 268 Lý Thường Kiệt, phường 14, quận 10, thành phố Hồ Chí Minh, dùng phương pháp nổ làm cho cấu trúc lignocellulose bị vỡ giúp cho việc hoà tan lignin NaOH trở nên thuận lợi sau trung hồ lại HCl Đây phương pháp cho tương lai cần nghiên cứu thêm ngồi cơng nghiệp để nâng cao hiệu suất Nanocellulose Nanocellulose cellulose thu nhỏ tái cấu trúc cấp độ nano Cellulose – loại nguyên liệu phổ biến hành tinh, thành phần chủ yếu thành tế bào thực vật, yếu tố tạo nên màu xanh cho hầu hết thực vật Trái đất Cellulose đơn giản kết hợp phân tử glucose lên kết với tạo thành chuỗi dài Khi ta thu nhỏ chuỗi cellulose cấp độ nano, sau tái cấu trúc thành chuỗi polymer dài đan chuỗi tạo thành mạng tinh thể, ta có nanocellulose [7] 4.1 Tính chất nanocellulose Tính chất học nanocellulose vùng tinh thể vơ định hình khác Ở vùng bị rối loạn (vùng vơ định hình) vật liệu có tính dẻo linh hoạt so với vùng xếp trật tự (vùng tinh thể) [8] Tương tự vậy, nanocellulose từ nguồn khác có tính chất lý khác nhau, tùy thuộc vào tỉ lệ vùng tinh thể vùng vô định hình vật liệu Một ưu điểm lớn vật liệu tổng hợp thân thiện với môi trường khả tự phân hủy sinh học chúng Tuy nhiên, đa số loại vật liệu sinh học nhân tạo lại cần nhiệt độ ủ cao (khoảng 60 °C) để đẩy nhanh trình phân hủy Ngược lại, có tính ưa nước nên nanocellulose có khả phân hủy nhanh chóng nhiệt độ thường, tức khoảng 20 – 30°C Và tính chất khác áp dụng vào chế tạo vật liệu vật liệu nanocellulose suốt, có khả dẫn điện, có khả hấp phụ trọng lượng gấp 10000 lần trọng lượng nó,…[7] 4.2 Phân loại nanocellulose Hình 5.1 Sự phân lập sợi cellulose thành tinh thể nanocellulose [9] Cellulose phân lập thành vật liệu nano – nanocellulose có kích thước nhỏ 100 nm [10] với tính chất vật lý hóa học vượt trội diện tích bề mặt lớn, tăng độ bền học độ bền kéo, có tính linh hoạt cao [11] Nanocellulose bao gồm vùng kết tinh vùng vô định hình có độ bền tính linh hoạt tương ứng Tùy thuộc vào phương pháp cô lập, cellulose phân lập thành sợi nanocellulose (CNFs) tinh thể nanocellulose (CNCs) (hình 5.1) Nanocellulose vi khuẩn (BNC) tạo chi vi khuẩn rộng lớn, hiếu khí khơng gây bệnh Trong Acetobacter xylinum Gram dương hình que đánh giá có suất cao [12] 4.2.1 Sợi nanocellulose (CNFs) Các phương pháp để chiết xuất CNFs từ vật liệu lignocellulosic thực vật đồng áp suất cao, vi lỏng hóa, nghiền sóng siêu âm Những q trình lập thường tiêu tốn lượng lớn lượng cần thiết để phá vỡ cellulose thành sợi nhỏ theo trục dọc [11,13] Vì vậy, cần phải xử lý sơ trước thực q trình lập để loại bỏ thành phần không mong muốn, cụ thể lignin hemicellulose Enzyme, axit kiềm, oxi hóa 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl radical (TEMPO) thường sử dụng để xử lý sơ bộ, giảm lượng tiêu thụ trình sản xuất sợi cellulose có đường kính nhỏ kích thước hẹp [13] CNFs thường có đường kính nhỏ 100nm chiều dài tính micromet So với CNC, CNF có tỷ lệ khung hình cao hình dạng chuỗi dài Do đó, CNF có diện tích bề mặt lớn nhiều nhóm hydroxyl bề mặt hoạt động mạnh thuận lợi tham gia phản ứng biến tính [14] 4.2.2 Tinh thể nanocellulose (CNCs) CNC phần kết tinh CNFs sau loại bỏ vùng vơ định hình cách thủy phân acid khử trùng hợp Phản ứng thường sử dụng acid mạnh acid sulfuric (H 2SO4) tính chất CNC phụ thuộc vào điều kiện phản ứng thủy phân nhiệt độ, thời gian phản ứng nồng độ acid [14] CNCs thường có dạng hình que hình kim, kích thước từ 1−50 nm dài khoảng vài trăm nanomet Ngồi ra, CNCs có độ kết tinh cao diện tích bề mặt rộng lớn độ bền tính ổn định nhiệt tốt [11] 4.2.3 Nanocellulose vi khuẩn (BNC) BNC có hình dạng giống dải băng xoắn với đường kính dao động từ 20nm đến 100nm chiều dài tính micromet Khác với CNF CNC, BNC tạo vi khuẩn chất hữu (đường, glycerol) polymer hóa trình trồng trọt (Hình 5.2) [14,15] Mặc dù BNC thành phần hóa học với loại nanocellulose khác lại có độ tinh khiết cao nhất, khơng chứa thành phần khác lignocellulosic biomass ngồi cellulose Bên cạnh đó, BNC có khả giữ nước độ kết tinh cao dẫn đến độ bền nhiệt bền học vượt trội [11,15] Hình 5.2 Sự phát triển BNC thành màng [9] Ứng dụng nanocellulose 5.1 Vật liệu chế tạo hình Cellulose (dạng giấy in) phương tiện truyền đạt thơng tin xã hội Để ứng dụng làm giấy, cellulose phải có độ phản xạ, độ tương phản cao, độ suốt, chi phí khai thác chế biến thấp Việc nghiên cứu thành cơng hình nanocellulose BNC tổng hợp môi trường nuôi cấy Acetobacter xylinum môi trường tiêu chuẩn giàu glucose Do đó, màng nanocellulose vi khuẩn hình thành (khơng phải bột giấy) có ổn định kích thước, có bề ngồi giống giấy có cấu trúc nano sợi nhỏ độc đáo Việc kết lắng ion xung quanh vi sợi để tạo đường dẫn sau cố định thuốc nhuộm điện sắc vi cấu trúc để đưa cấu trúc nanocellulose thành dẫn điện bán dẫn Sử dụng mạch truyền động mặt sau mặt phẳng tiêu chuẩn, xây dựng thiết bị hiển thị động độ phân giải cao sử dụng cellulose làm chất Thiết bị có tiềm mở rộng cho ứng dụng khác nhau, chẳng hạn máy tính bảng sách điện tử, báo điện tử, báo tường động, đồ viết lại cơng cụ học tập Trên giới nhà khoa học nghiên cứu thiết bị đạt giá trị CTE đo 21ppm/K từ chất nanocellulose cho hình OLED [16] 5.2 Vật liệu nanocellulose gia cường polymer phân hủy sinh học Polymer phân hủy sinh học polymer có khả phân hủy thành phân tử đơn giản CO2, nước, hợp chất hữu sinh khối khác tác động số yếu tố môi trường tự nhiên Những năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng phân hủy sinh học hướng nhằm thay loại vật liệu làm từ ngun liệu hóa thạch chúng thân thiện với mơi trường an tồn cho người sử dụng có nhược điểm chung độ bền học chưa cao Nanocellulose có tính chất như: kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn, khối lượng riêng nhỏ (ước tính 1,61 g/cm3 nanocellulose tinh thể tinh khiết) độ bền học cao yếu tố quan trọng để ứng dụng việc gia cường polymer phân hủy sinh học Sản phẩm tạo vừa đạt hiệu suất tính chất vừa không ảnh hưởng đến khả phân hủy sinh học polymer vấn đề quan trọng nhiều nhà khoa học nghiên cứu thời gian qua Bảng 6.1 Nguồn gốc, hàm lượng cellulose thêm vào số vật liệu sinh học đặc tính học vật liệu sau thêm [17] Vật liệu Poly vinyl alcohol Poly Số lượng mắt Nguồn cung cấp Phần trăm Ứng suất Module đàn cellulose cellulose (%wt) kéo (MPa) hồi (GPa) Cây gai 33.07 0.536 42 MCC 80 43 Bột giấy 60 55.6 1.022 44 Chuối 46 2.94 45 Nha đam 10 160 7.99 46 Cotton 1890 42 47 CNF(cây gai) 2.5 -5.0 19.4-30.9 1.48-2.17 48 MCC (bôt giấy) 20 31.8 4.7 49 CNF(bột giấy) 71.2 3.6 27 CNF (cây tre) 53 2.2 50 xích chuỗi lactic acid 10 BC 57 2.3 MCC 71 2.6 CNF ( bột giấy) 10 75 4.7 51 CNC (MCC) 20 8.52 0.0596 35 Poly CNC 3.5 0.072 ethylene CNF 2.2 0.051 oxide CNC 17.6 0.937 CNF 27.3 1.727 CNF 10 57.45 1.627 37 CNC 99 2.971 54 CNC ( gạo) 10 26.8 0.898 55 CNC ( bột mì) 8.2 0.326 56 CNF ( cotton) 20 31.19 1.023 57 CNF 30 59.3 1.816 58 CNF (vỏ ngũ cốc) 10.83 0.172 59 Chitosan 52 53 Tinh bột Protein đậu nành Tham khảo trường hợp thêm nanocellulose vào vật liệu sinh học phổ biến thị trường Polyvinyl alcohol (PVA) Polylactic acid (PLA) 5.2.1 Polyvinyl alcohol (PVA) Polyvinyl alcohol (PVA) polymer phân hủy sinh học tổng hợp dạng nhiệt dẻo, có đặc tính độc đáo bao gồm dễ tạo màng, độ bền kéo tốt độ cứng, độ bền lực [18] Trong phân tử PVA có liên kết đơn C-C nên dễ phân hủy Khả chống thấm khí, chịu dầu mỡ dung môi PVA tốt dễ hút ẩm nên độ ổn định kích thước Trong đó, MFC có cấu trúc tinh thể, có định hướng, dễ phân hủy sinh học MFC tách chiết từ thực vật nhiều chất xơ như: đay, bông, xơ dừa, tre, hay phế phẩm nông nghiệp nên có giá thành rẻ Sở dĩ chọn MFC làm vật liệu gia cường cho PVA đặc điểm quan trọng như: bề mặt lớn, độ bền cao, độ giãn nở theo nhiệt thấp, khắc phục khuyết điểm PVA nguyên chất Đặc biệt, nhóm –OH MFC tạo liên kết hydro với nhóm –OH PVA giúp trình khâu mạch hiệu 11 Dựa vào bảng thực nghiệm trên, ta thấy được, thêm MFC vào, độ bền kéo đứt module đàn hồi tăng đáng kể so với PVA nguyên chất (độ bền kéo module đàn hồi PVA nguyên chất 20 MPa 180 MPa) cho thấy tiềm ứng dụng vật liệu tương lai 5.2.2 Polylactic acid (PLA) Polylactic acid (PLA) chất tạo nhựa sinh học nhiệt dẻo tái tạo làm từ nguyên liệu nơng nghiệp tinh bột ngơ thơng qua q trình trùng ngưng D- lên men acid lactic Do có độ bền kéo cao, giá thành thấp, suốt, khả tương hợp sinh học cao, đặc biệt vô thân thiện với mơi trường khả phân hủy sinh học cao (phân hủy hoàn toàn từ 90 đến 180 ngày, tùy theo điều kiện phân hủy sinh học) nên chúng ứng dụng sản xuất bao bì, phụ tùng tơ, in 3D cấy ghép y sinh [19] Tuy nhiên, PLA có nhược điểm độ dẻo dai yếu độ bền nhiệt thấp Do đó, người ta khắc phục nhược điểm cách kết hợp chất độn tăng cường CNFs, MFC thu từ sợi lanh cách thủy phân axit Độ dãn dài ứng suất kéo vật liệu tổng hợp có CNF 5% tăng 47% 59% so với PLA nguyên chất [20] Bên cạnh đó, đặc tính học PLA cịn phụ thuộc vào hàm lượng nanocellulose khác Điều thể đường cong ứng suất biến dạng đây: Hình 6.1 Đường cong ứng suất - biến dạng PLA trộn thêm MFC có hàm lượng khác [21] 12 5.3 Ứng dụng nanocellulose xử lý nước Trong năm gần đây, vật liệu nano bền vững, tinh thể nanocellulose (CNC) sợi nanocellulose (CNFs), gọi chung vật liệu nanocellulose (CNs) khám phá để ứng dụng quy trình xử lý nước nói chung nước thải nói riêng Các đặc tính cấu trúc, học quang học độc đáo CN bao gồm tỷ lệ diện tích bề mặt thể tích cao, tác động mơi trường thấp, độ bền cao, tính linh động bền vững Cùng với nhiệm vụ toàn cầu để phát triển giải pháp thay lượng khí thải carbon thấp, cung cấp cơng nghệ cho quy trình xử lý nước mục tiêu lớn giới khoa học toàn giới Đã có nghiên cứu cho ứng dụng xử lý nước như: sản xuất đồng thời chức hóa sợi nanocellulose (CNFs) để loại bỏ ion kim loại nặng giải pháp kinh tế đầy hứa hẹn để đẩy nhanh việc sử dụng chúng xử lý nước Trong nghiên cứu này, CNF cacboxymetyl hóa (CMCNF) với hàm lượng carboxylate lên đến 2,7 mmol / g điều chế kết hợp trình carboxymethyl hóa đồng nhất, có đường kính từ 3,40 – 3,53 nm chiều dài 1210,6–383,3 nm Hiệu suất hấp phụ CMCNFs cho thấy khả loại bỏ Cu2+ trạng thái cân cao kỷ lục 115,3 mg / g pH 5,0 [22] Màng tổ hợp nano tổng hợp sử dụng làm chất hấp phụ để loại bỏ ion tím tinh thể (CV), Cd Cu chúng chọn làm đại diện thuốc nhuộm kim loại nặng Các nhà khoa học tìm hiểu ảnh hưởng thông số khác nhau, chẳng hạn thời gian, pH, nhiệt độ, nồng độ ban đầu dung dịch chất hấp phụ lượng chất hấp phụ, đến khả hấp phụ màng Hơn nữa, mơ hình động học, đẳng nhiệt hấp phụ nhiệt động lực học sử dụng để mơ tả q trình hấp phụ Khả hấp phụ tối đa màng ion CV Cd (II) tìm thấy 546 781 (mg g-1) [23] 5.4 Ứng dụng nanocellulose lưu trữ lượng Pin từ nanocellulose khác với pin lithium-ion sử dụng để cấp điện cho thiết bị điện tử cầm tay điện thoại di động, laptop,… Pin nanocellulose loại bỏ hồn tồn khả phát nổ tính chịu nhiệt tốt thời gian dài, pin lithium-ion người ta thường sử dụng thêm lớp nhựa cách điện dẫn đến tình trạng pin bị phát nổ Một thí nghiệm thả sợi nanocellulose vào nước đưa qua hệ thống lọc chân không để sản xuất giấy Sau đó, lấy hai giấy nano mạ mặt với ống nano carbon vật liệu để làm đầu cực pin dạng bột truyền thống, Li-Fe-P để làm cực cathode (cực âm) Li-TiO2 để làm cực anode (cực dương) [24] Các lớp nanocellulose đóng vai trị làm màng tách pin hồn chỉnh Hai mặt mạ hai tờ giấy úp vào để lớp 13 điện cực hướng bên ngồi, sau ngâm dung dịch điện phân bọc kín gói nhựa thu thành phẩm pin Ngoài ra, thời lượng pin giấy lại dài gấp lần so với pin sạc lithium-sulfur Đặc biệt, loại pin cịn bẻ cong Và đương nhiên, vật liệu sản xuất chủ yếu sợi nanocellulose nên vật liệu nhẹ nhỏ gọn (dày khoảng 110 µm, chưa kể lớp vỏ) Một tính chất vượt trội pin nanocellulose tùy thuộc vào mức độ dịng điện, pin sạc nhanh gấp từ đến lần so với pin lithi Đánh giá Nhận thấy rằng, nanocellulose vật liệu thu hút nhiều nhà nghiên cứu ưu điểm bật tính chất nghiên cứu độ bền cao, độ suốt quang học, tính hấp phụ kim loại nặng,…và đặc biệt khả phân huỷ sinh học thích hợp với việc phát triển vật liệu bền vững Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocellulose phát triển gần đây, mẻ nhận nhiều quan tâm tổ chức nhà khoa học Việc nghiên cứu, ứng dụng vật liệu hóa chất từ sinh khối lignocellulose, bao gồm nghiên cứu định hướng tổng hợp ứng dụng cơng nghệ chuyển hóa ngun liệu xơ sợi (gỗ, phế phụ phẩm nông nghiệp, chất thải công nghiệp giấy) thành vật liệu mới, vật liệu nano, hóa chất "xanh", ứng dụng lĩnh vực công nghiệp, môi trường, thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, Tuy nhiên, phải thừa nhận nhiều thách thức lĩnh vực cịn mẻ, việc nghiên cứu dừng lại mặt hiệu suất chưa có hội để áp dụng vào cơng nghiệp Mong khoảng thời gian tới vật liệu nanocellulose phát triển với đầu tư nhà đầu tư với nhà khoa học đồng hành xu hướng phát triển bền vững giới Tiềm phát triển vật liệu nanocellulose Các nghiên cứu nanocellulose bắt đầu lâu trước vào năm 1886 nhà bác học Brown phát vi khuẩn Aceti có khả tổng hộp lớp màng cellulose tinh khiết vào thời điểm vật liệu khơng cho ưu tiên có loại vật liệu rẻ tiền Sau này, giới chạy đua cơng nghiệp vật liệu nanocellulose xuất hy vọng vật liệu bền vững nước nghiên cứu ứng dụng Không đứng xu thế giới, nhà nghiên cứu Việt Nam 14 miệt mài nghiên cứu Nguyễn Thị Ngọc Bích, Nguyễn Xuân Thành,… nghiên cứu sinh trẻ tuổi Tiến sĩ Nguyễn Thị Ngọc Bích xuất sách Kỹ thuật cellulose giấy nghiên cứu tổng quan cellulose việc tạo cellulose từ gỗ nghiên cứu hình thành giấy từ cellulose Tác giả Nguyễn Xuân Thành có chuyên đề nghiên cứu số đặc tính mạng lưới 3D-nanocellulose nạp Curcumin sản xuất từ vi khuẩn Acetovacter Xylium ứng dụng lĩnh vực y sinh [25] Nghiên cứu sinh Lại Trần Ngọc Trân có nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite sở CNC/PVA ứng dụng xử lý nước thải có nội dung khảo sát đặc trưng nanocellulose tinh thể tạo thành TEM,…[26] Một nghiên cứu cho phổ biến áp dụng nghiên cứu chế tạo nanocellulose làm vật liệu gia cường cho PLA nghiên cứu sinh Đặng Thị Mai với việc chế tạo polymer nanocomposite PLA/CNC khảo sát tính chất vật liệu [27] Tuy cịn gặp nhiều khó khăn tài nhìn chung Việt Nam bước nghiên cứu để ứng dụng nguồn sinh khối lignocellulose thay nguồn nguyên liệu cũ Kết luận Chúng ta kết luận nanocellulose polymer linh hoạt, dễ sản xuất chiết xuất Ứng dụng nhiều lĩnh vực thảo luận Với nhu cầu phát triển bền vững giới, lượng tái tạo dần trở thành khía cạnh cấp thiết bảo tồn tài nguyên sức khỏe môi trường tổng thể Mặc dù nhiều loại polymer khác ứng dụng cho tiêu dùng, y sinh dược phẩm, ưu điểm bật vật liệu nanocellulose vật liệu phân hủy sinh học thân thiện với môi trường Việc nghiên cứu nhấn mạnh vào ứng dụng đa dạng nanocellulose để thúc đẩy nhiều cải tiến nhằm thu hẹp khoảng cách lượng chất thải cellulose việc sử dụng tối ưu Lượng lớn chất thải có nguồn gốc cellulose tạo nước giới điển hình nước xứ nhiệt đới như: Việt Nam, Kenya,… nguồn tài nguyên chưa khai thác Việc nghiên cứu chuyển đổi chất thải thành sản phẩm, sử dụng rộng rãi đời sống vừa làm giảm chi phí ngun liệu, vừa góp phần giảm lượng chất thải ngồi mơi trường phát triển bền vững tương lai 15 Tài liệu tham khảo [1] PetroTimes (2014) Năng lượng sinh khối Việt Nam: tiềm năng, [2] Nguyễn Thị Ngọc Bích (2010) Kỹ thuật xenlulô giấy, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [3] Dieter Klemm, Brigitte Heublein, Hans-Peter Fink, Andreas Bohn (2005) Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material Angewandte Chemie, 44, 3359 [4] M.M Alam, M.M Morshed (2014) Nano and Microscale Processing – Modeling Comprehensive Materials Processing [5] Aamir H Bhat, Y.K Dasan, Imran Khan, H Soleimani and Amil Usmani (2017) Application of nanocrystalline cellulose: Processing and biomedical applications, 215-240 [6] D.V.Mashego (2016) Preparation, isolation and characterization of nanocellulose from sugarcane bagasse [7] Sam Gibbs (2013) The amazing material that promises flexible displays Faster cars and bullet-proof suits [8] Fathin Najihah Nor Mohd Hussin, Roswanira Abdul Wahab, Nursyfreena Attan (2020) Nanocellulose and nanoclay as reinforcement materials in polymer composites: A review, Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences, Vol.16 (2), pp.145-153 [9] Hoi-Fang Tan, B.S Ooi, C.P Leo (2020) Future perspectives of nanocellulose-based membrane for water treatment Journal of Water Process Engineering, 37, 101502 [10] P Panchal, E Ogunsona, T Mekonnen (2018) Trends in advanced functional material applications of nanocellulose Processes, 7, 10 [11] A Tshikovhi, S.B Mishra, A.K Mishra (2020) Nanocellulose-based composites for the removal of contaminants from wastewater Int J Biol Macromol, 152, 616–632 [12] M Skočaj (2019) Bacterial nanocellulose in papermaking Cellulose, 26, 6477–6488 [13] H Lee, S.B.A Hamid, S Zain (2014) Conversion of lignocellulosic biomass to nanocellulose: structure and chemical process Sci World J, 2014, 631013 [14] P Phanthong, P Reubroycharoen, X Hao, G Xu, A Abudula, G Guan (2018) Nanocellulose: extraction and application Carbon Resour Convers, 1, 32–43 16 [15] K.P.Y Shak, Y.L Pang, S.K Mah (2018) Nanocellulose: Recent advances and its prospects in environmental remediation Beilstein J Nanotechnol, 9, 2479–2498 [16] Joo-Hyung Kim, Bong Sup Shim, Heung Soo, Kim Young-Jun, Lee Seung-Ki, Min Daseul Jang, Zafar Abas d Jaehwan Kim (2015) Review of Nanocellulose for Sustainable Future Materials International journal of precision engineering and manufacturing-green technology, Vol.2, No.2, pp.197-213 [17] Joo-Hyung Kim1, Bong Sup Shim2, Heung Soo Kim3, Young-Jun Lee1, Seung-Ki Min1, Daseul Jang2, Zafar Abas3, and Jaehwan Kim (2015) Review of Nanocellulose for Sustainable Future Materials [18] Liu, D., Sun, X., Tian, H., Maiti, S., and Ma, Z (2013) Effects of Cellulose Nanofibrils on the Structure and Properties on PVA Nanocomposites Cellulose, Vol 20, No 6, pp 29812989 [19] Vũ Phương Thanh, Trần Công Huyện, Đặng Thị Cẩm Tiên Phạm Ngọc Trúc Quỳnh (2015), Biodegradable Poly (lacticacid) (PLA): Overview and Applications [20] Liu, D Y., Yuan, X W., Bhattacharyya, D., and Easteal, A J (2010) Characterisation of Solution Cast Cellulose Nanofibre-Reinforced Poly (Lactic Acid) Express Polymer Letters, Vol 4, No 1, pp 26-31 [21] Iwatake, A., Nogi, M., and Yano, H (2008) Cellulose NanofiberReinforced Polylactic Acid Composites Science and Technology, Vol 68, No 9, pp 2103-2106 [22] Famei Qin, Zhiqiang FangJie Zhou ,Chuan SunKaihuang Chen, Zixian Ding, Guanhui LiXueqing Qiu, Efficient Removal of Cu2+ in Water by Carboxymethylated Cellulose Nanofibrils: Performance and Mechanism [23] Samaneh Saber-Samandari,, SaeedSaber-Samandari, SamiraHeydaripour, MajidAbdouss, Novel carboxymethyl cellulose based nanocomposite membrane: Synthesis, characterization and application in water treatment [24] Zhaohui Wang, Yong-Hyeok Lee, Sang-Woo Kim, Ji-Young Seo, Sang-Young Lee, and Leif Nyholm (2020) Why Cellulose-Based Electrochemical Energy Storage Devices Advanced Materials, 2000892 [25] Nguyễn Xuân Thành (2018) Nghiên cứu số đặc tính mạng lưới 3D-nanocellulose nạp curcumin sản xuất từ vi khuẩn Acetobacter xylinum Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 184 (8), 83-88 17 [26] Lại Trần Ngọc Trân (2019) Nghiên cứu chế tạo vật liệu Nanocomposite sở Nanocellulose tinh thể/Poly (Vinyl acohol) ứng dụng xử lý nước thải, Luận văn tốt nghiệp [27] Đặng Thị Mai (2020) Nghiên cứu chế tạo Nanocellulose làm vật liệu gia cường cho Polylactic acid, Luận văn thạc sĩ hóa học, Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam 18 ... Ứng dụng nanocellulose 6 .1 Vật liệu nanocellulose ứng dụng hình 6.2 Vật liệu nanocellulose gia cường polymer phân hủy sinh học 10 6.3 Ứng dụng nanocellulose xử lý nước 13 6.4... dụng nanocellulose lưu trữ lượng .13 Đánh giá 14 Tiềm phát triển vật liệu nanocellulose 14 Kết luận .15 Tài liệu tham khảo .16 i DANH MỤC HÌNH Hình 2 .1. .. Sci World J, 2 014 , 6 31 013 [14 ] P Phanthong, P Reubroycharoen, X Hao, G Xu, A Abudula, G Guan (2 018 ) Nanocellulose: extraction and application Carbon Resour Convers, 1, 32–43 16 [15 ] K.P.Y Shak,