Đường cong TGA của vật liệu trên cơ sở hydrogel ở Hình 3.11 cho thấy hai giai đoạn suy thối nhiệt chính. Giai đoạn đầu từ khoảng 50oC đến 120oC tương ứng với sự mất nước hấp phụ vật lý trên bề mặt của vật liệu. Lần giảm khối lượng thứ hai trong khoảng từ 220oC đến 280oC tương ứng với sự phân hủy nhánh hoặc nhóm chuỗi bên của polyme[38]. So sánh đường cong TGA của rơm (Hình 3.12) và vật liệu tạo thành có thể thấy vật liệu trên cơ sở hydrogel giảm nhiệt độ phân hủy nhánh hoặc nhóm chuỗi bên của polyme so với rơm ban đầu. Điều này có thể giải thích là do rơm sau khi trải qua q trình xử lý, cellulose khơng được bảo vệ bởi lignin và hemicellulose do đó cellulose dễ bị phân hủy, nhiệt độ phân hủy thấp hơn.
3.2 Đánh giá khả năng hấp thu và giải phóng nước của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose từ cellulose
Vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose sau khi hấp thu nước tối đa sau 24 giờ ngâm vào nước sẽ được thấm khô bề mặt và cân để thu được khối lượng ướt (w1). Sau đó, vật liệu được giải phóng nước ở nhiệt độ mơi trường và được tác giả ghi lại khối lượng theo thời gian để xây dựng đồ thị giải phóng nước của vật liệu. Quy trình đánh giá được tiến hành như vậy đến khi thu được khối lượng không đổi của vật liệu (w2). Sau khi có số liệu tác giả tiến hành xây dựng đồ thị biểu diễn khả năng giải phóng nước của vật liệu
giải phóng nước của vật liệu, tác giả sử dụng cơng thức tính tốn để thu được số liệu về khả năng hấp thu nước tính trên 1g vật liệu.
Hình 3.13 là hình ảnh vật liệu trên cơ sở hydrogel thu được từ cellulose khi vật liệu
hấp thu nước tối đa (a) và vật liệu khi sau giải phóng nước đến khối lượng khơng đổi (b)
Hình 3.13. Vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose (a) khi vật liệu hấp thu nước tối đa (b) khi vật liệu giải phóng nước đến khối lượng khơng đổi
Hình 3.14. Đồ thị giải phóng nước ở nhiệt độ môi trường theo thời gian của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose
Từ Hình 3.13 và đồ thị ở Hình 3.14 có thể thấy vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose có khả năng giữ và giải phóng nước chậm trong vịng 15 ngày ở nhiệt độ mơi trường. Với khối lượng của vật liệu sau khi hấp thu nước tối đa là 80,17g (w1) và khối lượng không đổi thu được là 4.89g ở 360 giờ (w2) tính tốn theo cơng thức (1.1) kết quả thu được khả năng hấp thu nước của vật liệu là 15.39g nước/g vật liệu.
3.3 Đánh giá khả năng hấp thu, giải phóng nước và khả năng tái sử dụng của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm
Vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm cũng được đánh giá khả năng hấp thu, giải phóng nước theo quy trình tương tự như vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose. Vật liệu trên
(a) (b
cơ sở hydrogel từ rơm sau khi hấp thu nước tối đa tác giả sẽ được thấm khô bề mặt và cân để thu được khối lượng ướt (w1). Sau đó, vật liệu được giải phóng nước ở nhiệt độ mơi trường và được tác giả ghi lại khối lượng theo thời gian để xây dựng đồ thị giải phóng nước của vật liệu. Quy trình đánh giá được tiến hành như vậy đến khi thu được khối lượng không đổi của vật liệu (w2). Sau khi có số liệu tác giả tiến hành xây dựng đồ thị biểu diễn khả năng giải phóng nước của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm theo thời gian ở Hình 3.16. Từ các số liệu về khả năng giải phóng nước của vật liệu, tác giả sử dụng cơng thức tính tốn để thu được số liệu về khả năng hấp thu nước tính trên 1g vật liệu.
Hình 3.15 là hình ảnh vật liệu trên cơ sở hydrogel thu được từ rơm khi vật liệu hấp
thu nước tối đa (a) và vật liệu khi sau giải phóng nước đến khối lượng khơng đổi (b)
Hình 3.15.Vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm (a) khi vật liệu hấp thu nước tối đa (b) khi vật liệu giải phóng nước đến khối lượng khơng đổi
Hình 3.16. Đồ thị giải phóng nước ở nhiệt độ môi trường theo thời gian của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm
Từ Hình 3.15 và đồ thị ở Hình 3.16 có thể thấy vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm có khả năng giữ và giải phóng nước chậm trong vịng 9 ngày ở nhiệt độ môi trường. Với khối lượng của vật liệu sau khi hấp thu nước tối đa là 34,36g (w1) và khối lượng không
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 150 200 250 300 K hối lượn g (g)
Thời gian (giờ)
(a) (b
thu nước của vật liệu là 8.36g nước/g vật liệu. So sánh với kết quả đo được về khả năng hấp thụ nước của rơm ban đầu là 2.71g nước/g rơm, có thể thấy được vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm có khả năng hấp thu nước gấp 4.89 lần so với rơm ban đầu. Ngoài ra, so sánh với rơm thì rơm khơng có khả năng giữ nước và giải phóng nước chậm trong khi đó vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm lại có khả năng giữ và giải phóng nước chậm trong 9 ngày.
Sau khi đã đánh giá xong khả năng hấp thu và giải phóng nước của mẫu, tác giả tiến hành đánh giá khả năng tái sử dụng của mẫu vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm. Vật liệu sau khi thu được khối lượng khơng đổi (w2) thì mẫu sẽ được ngâm trong nước cất ở điều kiện nhiệt độ môi trường. Vật liệu sau khi hấp thu nước trở lại sẽ được tác giả thấm khô bề mặt trước khi cân và mẫu sẽ được ghi lại khối lượng theo thời gian để xây dựng đồ thị tái hấp thu nước của vật liệu. Quy trình tiến hành như vậy đến khi thu được khối lượng ướt không đổi của vật liệu (khối lượng ướt) (w3). Sau khi có số liệu tác giả tiến hành xây dựng đồ thị biểu diễn khả năng tái sử dụng của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm theo thời gian ở Hình 3.17.
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn khả năng tái sử dụng của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm theo thời gian ở nhiệt độ môi trường
Dựa vào đồ thị biểu diễn khả năng tái sử dụng của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm ở Hình 3.17 có thể thấy vật liệu có khả năng hấp thu nước tối đa là 4.38g nước/g vật liệu sau 6 ngày (144 giờ). Khối lượng nước hấp thu trở lại nhỏ hơn so với lần đầu tiên có thể được giải thích là do q trình hấp thu và giải phóng nước đã làm thay đổi cấu trúc khung của vật liệu.
0 5 10 15 20 25 0 50 100 150 200 250 300 350 K hối lượn g (g)
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
➢ Kết luận
Luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu sử dụng phụ phẩm nông sản để chế tạo vật liệu có tính giữ ẩm cao cho các ứng dụng trong nơng nghiệp”, về cơ bản đã hồn thành các yêu cầu đặt ra, cụ thể:
✓ Đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose. Sản phẩm thu được có khả năng hấp thu 15.39g nước/g vật liệu và giải phóng chậm trong vòng 15 ngày ở điều kiện nhiệt độ môi trường.
✓ Tổng hợp thành công vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm mà khơng tạo ra bất kì dịng thải bỏ nào ra mơi trường. Vật liệu thu được có khả năng hấp thu nước gấp 4.89 lần so với rơm và có khả năng giải phóng nước chậm trong vịng 9 ngày ở điều kiện nhiệt độ mơi trường. Ngồi ra, vật liệu tạo thành cịn có khả năng phân hủy sinh học và tái sử dụng với khả năng hấp thu nước trở lại là 4.38g nước/g vật liệu.
✓ Tính khả thi của phương pháp tổng hợp, khả năng hấp thu và giải phóng nước của các vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose và từ rơm, một phế phẩm nông nghiệp, ở điều kiện môi trường thu được trong nghiên cứu này là cơ sở để có thể phát triển các vật liệu có tính giữ ẩm cao từ phế phẩm nông nghiêp.
➢ Kiến nghị
✓ Cần khảo sát thêm mức độ ảnh hưởng của số chu kỳ lạnh đông – rã đông đến khả năng tạo gel của vật liệu.
✓ Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến khả năng tạo liên kết ngang của vật liệu.
✓ Cần tìm thêm giải pháp giúp tăng khả năng hấp thu nước và khả năng tái sử dụng của vật liệu hiện tại.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Tổng cục thống kê. PX Web – General Statistics Office of Vietnam (gso.gov.vn) [2] Đỗ Năng Vịnh, Hà Thị Thúy, Lê Quốc Hùng và cộng sự (2020), Nghiên cứu năng
suất hạt và tiềm năng sinh khối cây lúa và một số định hướng ứng dụng. Tạp chí Khoa
học Nơng nghiệp Việt Nam 2020, 18(8), 479 – 570.
[3] Nguyễn Hoài (2021)s. Bất ngờ số liệu phát thải từ đốt rơm rạ (tienphong.vn)
Tiếng Anh
[4] Zainal, S.H., et al., Preparation of cellulose-based hydrogel: A review. Journal of Materials Research and Technology, 2021. 10: p. 935-952.
[5] Li, S. and G. Chen, Agricultural waste-derived superabsorbent hydrogels: Preparation, performance, and socioeconomic impacts. Journal of Cleaner Production,
2020. 251: p. 119669.
[6] Van Hung, N., et al., Rice straw overview: availability, properties, and management
practices. Sustainable rice straw management, 2020. 1.
[7] Sarkar, N., et al., Bioethanol production from agricultural wastes: an overview.
Renewable energy, 2012. 37(1): p. 19-27.
[8] Zhang, Y., A. Ghaly, and B. Li, Physical properties of rice residues as affected by
variety and climatic and cultivation conditions in three continents. American Journal of
Applied Sciences, 2012. 9(11): p. 1757-1768.
[9] Klemm, D., et al., Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material. Angewandte chemie international edition, 2005. 44(22): p. 3358-3393.
[10] Ergun, R., J. Guo, and B. Huebner-Keese, Cellulose. 2016. [11] Holtzapple, M., Hemicelluloses. 2003.
[12] Scheller, H.V. and P. Ulvskov, Hemicelluloses. Annual review of plant biology,
2010. 61: p. 263-289.
[13] Kai, D., L.P. Chow, and X.J. Loh, Lignin and its properties, in Functional Materials from Lignin: Methods and Advances. 2018, World Scientific. p. 1-28.
[14] Hatakeyama, H. and T. Hatakeyama, Lignin structure, properties, and applications,
in Biopolymers. 2009, Springer. p. 1-63.
[15] Pan, Z., R. Zhang, and S. Zicari, Integrated Processing Technologies for Food and
Agricultural By-Products. 2019: Academic Press. p. 21-58.
[16] Xiong, B., et al., Dissolution of cellulose in aqueous NaOH/urea solution: role of
urea. Cellulose, 2014. 21(3): p. 1183-1192.
[17] Oun, A.A., S. Shankar, and J.-W. Rhim, Multifunctional nanocellulose/metal and
metal oxide nanoparticle hybrid nanomaterials. Critical reviews in food science and
nutrition, 2020. 60(3): p. 435-460.
[19] Chen, J., et al., Environmentally friendly fertilizers: A review of materials used and
their effects on the environment. Science of the total environment, 2018. 613: p. 829-
839.
[20] Chen, Y.-C. and Y.-H. Chen, Thermo and pH-responsive methylcellulose and hydroxypropyl methylcellulose hydrogels containing K2SO4 for water retention and a controlled-release water-soluble fertilizer. Science of the Total Environment, 2019.
655: p. 958-967.
[21] Cannazza, G., et al., Experimental assessment of the use of a novel superabsorbent
polymer (SAP) for the optimization ofwater consumption in agricultural irrigation process. Water, 2014. 6(7): p. 2056-2069.
[22] Montesano, F.F., et al., Biodegradable superabsorbent hydrogel increaseswater retention properties of growing media and plant growth. Agriculture and Agricultural
Science Procedia, 2015. 4: p. 451-458.
[23] Singh, I., R. Verma, and T. Srivastava, Growth, yield, irrigation water use efficiency, juice quality and economics of sugarcane in pusa hydrogel application under different irrigation scheduling. Sugar Tech, 2018. 20(1): p. 29-35.
[24] Khodadadi Dehkordi, D., The Effects of Superabsorbent Polymers on Soils and Plants. Pertanika Journal of Tropical Agricultural Science, 2016. 39(3).
[25] Nnadi, F. and C. Brave, Environmentally friendly superabsorbent polymers for water conservation in agricultural lands. Journal of Soil Science and Environmental
Management, 2011. 2(7): p. 206-211.
[26] Satriani, A., M. Catalano, and E. Scalcione, The role of superabsorbent hydrogel
in bean crop cultivation under deficit irrigation conditions: A case-study in Southern Italy. Agricultural Water Management, 2018. 195: p. 114-119.
[27] Talaat, H., et al., Development of a multi-component fertilizing hydrogel with relevant techno-economic indicators. Am-Euras J Agric Environ Sci, 2008. 3(5): p. 764-
70.
[28] Malladi, R., et al., Importance of agriculture and industrial waste in the field of nano cellulose and its recent industrial developments: a review. ACS Sustain. Chem.
Eng, 2018. 6: p. 2807-2828.
[29] Benavides, E.E.U., Cellulose nanocrystals properties and applications in renewable nanocomposites. 2011, Clemson University.
[30] Kaya, M., Super absorbent, light, and highly flame retardant cellulose‐based aerogel crosslinked with citric acid. Journal of Applied Polymer Science, 2017.
134(38): p. 45315.
[31] Beck-Candanedo, S., M. Roman, and D.G. Gray, Effect of reaction conditions on
the properties and behavior of wood cellulose nanocrystal suspensions.
[32] Dinh Vu, N., et al., Lignin and cellulose extraction from Vietnam’s rice straw using
ultrasound-assisted alkaline treatment method. International Journal of Polymer
Science, 2017. 2017.
[33] Huang, S., et al., Facile fabrication and characterization of highly stretchable lignin-based hydroxyethyl cellulose self-healing hydrogel. Carbohydrate polymers,
2019. 223: p. 115080.
[34] Wang, Y., et al., New insights into catalytic pyrolysis mechanisms and reaction pathways of urea pyrolysis on V–Ti catalyst surfaces. RSC advances, 2016. 6(109): p.
108000-108009.
[35] Yeng, L.C., M.U. Wahit, and N. Othman, Thermal and flexural properties of regenerated cellulose (RC)/poly (3-hydroxybutyrate)(PHB) biocomposites. Jurnal
Teknologi, 2015. 75(11).
[36] Damaurai, J., et al., Investigation of alkaline hydrogen peroxide in aqueous organic
solvent to enhance enzymatic hydrolysis of rice straw. BioEnergy Research, 2021. 14(1):
p. 122-134.
[37] Tsegaye, B., C. Balomajumder, and P. Roy, Alkali delignification and Bacillus sp.
BMP01 hydrolysis of rice straw for enhancing biofuel yields. Bulletin of the National
Research Centre, 2019. 43(1): p. 1-10.
[38] Zhang, X., et al., Preparation and properties of hydrogel based on sawdust cellulose for environmentally friendly slow release fertilizers. Green Processing and