lỏng ion
Trong nghiên cứu này, rơm rạ từ cây lúa được lựa chọn là dư phẩm để khảo sát khả năng chiết tách cellulose của một số chất lỏng ion. Rơm rạ là một trong những loại dư phẩm nông nghiệp phổ biến nhất ở Việt Nam, đồng thời nó cũng là một trong những loại nguyên liệu dồi dào lignocellulose nhất trên thế giới. Với tiềm năng rất lớn cho ngành công nghiệp sản xuất và giải quyết vấn đề môi trường, đã có nhiều nghiên cứu về chiết xuất các thành phần trong rơm rạ như lignin, cellulose. Tuy nhiên trước đó, rơm rạ cần được sơ chế, đặc biệt để chuẩn bị cho phương pháp xử lý chất lỏng ion tiếp theo. 2.3.3.1. Phương pháp sơ chế dư phẩm
Dư phẩm được cung cấp cho nghiên cứu là rơm lúa Tám Thơm qua máy suốt lúa, từ xã Ngọc Thiện, huyện Tân Yên, tỉnh Bắc Giang. Ban đầu, rơm rạ khô được rửa kỹ bằng vòi nước chảy để loại bỏ tạp chất như cát, bụi bẩn và phơi ngoài trời trong 48 giờ. Rơm rạ đã được làm sạch và khô được xay bằng máy xay, làm đều kích thước qua sàng. Sợi rơm rạ thu được sau đó được xử lý bằng dung dịch NaOH 7% trong 1 giờ ở 80℃, sử dụng máy khuấy từ để trộn đều hỗn hợp. Sau đó, sợi rơm rạ được rửa nhiều lần bằng nước cất cho đến khi loại bỏ hoàn toàn chất kiềm, tức độ pH đạt 7. Sợi rơm rạ được mang đi sấy ở nhiệt độ 65℃ trong 24 tiếng, rồi đem ra cắt thành sợi nhỏ có kích thước dưới 5mm. Nguyên liệu khô được bảo quản trong tủ sấy ở nhiệt độ 60℃.
2.3.3.2. Phương pháp khảo sát khả năng hòa tan và tách cellulose từ dư phẩm sử dụng chất lỏng ion
Quá trình xử lý dư phẩm bằng phương pháp ion để tách cellulose bao gồm 2 bước. Đầu tiên, nguyên liệu khô được đun trong mỗi chất lỏng ion theo tỉ lệ nhất định ở nhiệt độ cao để hòa tan tối đa sinh khối. Sau đó, phản dung môi được thêm vào dung dịch tạo ra sự chuyển pha của một hoặc một số thành phần có độ tan khác nhau trong phản dung môi. Cellulose kết tủa trở lại, được lọc và rửa sạch chất lỏng ion.
Bước 1: Hòa tan hoàn toàn dư phẩm bằng chất lỏng ion
Dựa theo kết quả khảo sát về độ tan của cellulose trong chất lỏng ion ở các nhiệt độ khác nhau đã được thực hiện ở trên, nhóm nghiên cứu lựa chọn ra các điều kiện thích hợp cho quy trình xử lý, cụ thể là nhiệt độ phản ứng và lượng chất lỏng ion so với nguyên liệu.
27
Một số phản dung môi hay được sử dụng cho sinh khối xử lý với chất lỏng ion là nước, ethanol, hoặc aceton,… Tùy vào độ tan của các thành phần của dư phẩm trong phản dung môi, khối lượng và chất lượng sản phẩm thu được có thể bị ảnh hưởng bởi lượng phản dung môi. Với các chất lỏng ion của diethanolamin có độ nhớt cao, phản dung môi còn có ý nghĩa để giảm độ nhớt của dung dịch, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lọc rửa sản phẩm.
Nghiên cứu trước đây [1] đã sử dụng phản dung môi là dung dịch aceton trong nước (tỉ lệ thể tích 1:1) cho chất lỏng ion diethanolammonium hydrosulfat để kết tủa sản phẩm, và đúng với mong đợi, dung dịch aceton trong nước này đã có khả năng giảm độ nhớt hiệu quả trong khi tác dụng kết tủa cellulose của nước vẫn được giữ nguyên. Trong khóa luận này, chúng tôi tiếp tục sử dụng dung dịch aceton trong nước để làm phản dung môi, với lượng cho vào trong chất lỏng ion là 15 ml (tỉ lệ giữa thể tích phản dung môi và khối lượng chất lỏng ion là 3:4) với mong muốn thu được lượng cellulose tối đa từ hỗn hợp sinh khối – chất lỏng ion.
Quy trình chung tách cellulose từ sinh khối đối với mỗi chất lỏng ion như sau: - Cân lượng chất lỏng ion bằng cân phân tích vào bình cầu ba cổ 100 ml, lắp sinh hàn thẳng.
- Đun nóng chất lỏng ion đến nhiệt độ thích hợp bằng máy khuấy từ gia nhiệt. - Cân lượng nguyên liệu khô bằng cân phân tích, cho vào chất lỏng ion. Khuấy đều hỗn hợp phản ứng bằng máy khuấy từ.
- Hỗn hợp được duy trì ở nhiệt độ tương ứng trong đến khi dư phẩm tan hoàn toàn rồi dừng phản ứng, để nguội xuống nhiệt độ thường.
- Thêm phản dung môi, khuấy đều hỗn hợp trong 10 phút để kết tủa hoàn toàn cellulose.
- Lọc hỗn hợp bằng phễu thủy tinh xốp dưới áp suất giảm.
- Rửa kết tủa thu được bằng nước cất lạnh 3 lần, mỗi lần 10 ml để loại hết chất lỏng ion. Dịch lọc được thu hồi cho các nghiên cứu tái chế IL tiếp theo.
- Sấy khô ở 60℃ trong 3 giờ, sau đó nghiền bằng cối sứ thu được cellulose thô. Cân khối lượng bột cellulose bằng cân phân tích, tính hiệu suất tách cellulose của từng chất lỏng ion.
28 2.3.3.3. Phương pháp tẩy trắng cellulose thô
Các phương pháp tẩy trắng cellulose đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều trên thực tiễn, với mục đích khử lignin và tạp màu khác vẫn còn tồn tại trong mẫu cellulose. Một vài hóa chất tẩy trắng được sử dụng phổ biến như H2O2, NaOCl, Na2O2,… Trong số trên, dung dịch H2O2 30% đã được lựa chọn cho khóa luận này để làm sạch cellulose thô thu được, với quy trình như sau:
- Cân lượng cellulose thô thu được từ dư phẩm vào bình cầu 3 cổ 250 ml, lắp sinh hàn thẳng.
- Thêm một thể tích dung dịch H2O2 30% theo tỷ lệ 5:1 (thể tích:khối lượng) so với khối lượng cellulose thô vào bình cầu. Thêm vào hỗn hợp 3 – 5 giọt NaOH 7% làm xúc tác.
- Nâng nhiệt độ hỗn hợp phản ứng lên 80℃, đun hồi lưu trong 1 tiếng. - Phản ứng kết thúc, để nguội khối phản ứng đến nhiệt độ thường.
- Lọc hỗn hợp bằng phễu lọc thủy tinh xốp dưới áp suất giảm, rửa chất rắn thu được với nước cất lạnh 3 lần, mỗi lần 10 ml.
- Cellulose thu được đem đi sấy khô ở nhiệt độ 60℃ trong 3 tiếng.
- Nghiền chất rắn thu được bằng cối sứ, thu được bột cellulose thô màu trắng. 2.3.3.4. Kiểm tra chất lượng cellulose tách chiết được bằng phương pháp phổ hồng ngoại (IR)
Phổ IR của các mẫu chất lỏng ion điều chế được tiến hành ghi tại Viện Hoá Học- Viện Hàn lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam, trên máy Shimadzu với kỹ thuật viên nén KBr (đối với chất rắn) trong vùng 4000 – 400 cm-1.
29
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1.Điều chế chất lỏng ion