1.2. Nanocellulose và ứng dụng
1.2.4. Các phương pháp chế tạo tinh thể nanocelulose
Hiện nay, một số kỹ thuật được phát triển để chế tạo nanocellulose từ vật liệu cellulose. Tùy thuộc vào phương pháp chế tạo, người ta có thể thu được nanocellulose khác nhau về loại và tính chất. Các phương pháp chế tạo cellulose
được phân loại thành 3 kỹ thuật chính bao gồm: thủy phân bằng axit, thủy phân bằng enzym và các phương pháp cơ học [10].
1.2.4.1. Thủy phân bằng axit
Đây là phương pháp phổ biến để chế tạo nanocellulose từ các loại vật liệu cellulose. Trong quá trình thủy phân, ion H3O+ xâm nhập vào vùng vô định hình của chuỗi cellulose và thúc đẩy sự phân cắt của các liên kết glycozit. Axit được sử dụng phổ biến nhất trong thủy phân cellulose là axit sunfuric. Ngoài ra một số loại axit khác cũng được nghiên cứu để chế tạo nanocellulose như axit HBr [19], axit HNO3 [20], hay axit HCl [21].
Ưu điểm của phương pháp thủy phân sử dụng axit sunfuric là nó khởi đầu quá trình este hóa bề mặt cellulose và thúc đẩy quá trình ghép các nhóm anion sunfat. Sự có mặt của các nhóm anion sunfat này tạo thành một lớp tĩnh điện trên bề mặt các tinh thể nanocellulose giúp chúng phân tán tốt trong nước. Tuy nhiên nó giảm sự kết tụ và ổn định nhiệt của các hạt nano [22]. Các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm thu được bằng phương pháp thủy phân axit là thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng và nồng độ của axit [23].
Tuy là một phương pháp đơn giản và được sử dụng lâu đời nhất để chế tạo nanocellulose, phương pháp này lại có nhược điểm là thải ra axit trong quá trình lọc rửa huyền phù nanocellulose, gây khó khăn trong quá trình xử lý nước và có thể gây ô nhiễm môi trường.
1.2.4.2. Thủy phân bằng enzym[23]
Thủy phân enzym là quá trình xử lý sinh học, trong đó sử dụng enzym để chuyến hóa sợi cellulose. Quá trình thủy phân bằng enzym không diễn ra nhanh chóng như đối với thủy phân bằng axit nên thời gian phản ứng có thể tới vài ngày hoặc lâu hơn.
Các enzym có khả năng phân hủy cellulose là một tập hợp các enzym cellulase, chúng được phân loại thành 2 nhóm:
(1) Cellulase loại A và B được gọi là cellobiohydrolase: có thể tấn công vào các vùng tinh thể của chuỗi cellulose
(2) Cellulase loại C và D, còn gọi là endoglucanase tấn công vào phần cấu trúc bị rối loạn (vùng vô định hình) của cellulose.
Để tăng hiệu quả, người ta thường kết hợp phương pháp thủy phân enzym cùng với một số phương pháp khác.
1.2.4.3. Các phương pháp cơ học
Nguyên tắc của phương pháp cơ học là sử dụng các lực cơ học tác động để phân tách các sợi cellulose. Các phương pháp cơ học được sử dụng chủ yếu là phương pháp đồng nhất ở áp suất cao, nghiền, siêu âm…[23].
Đồng nhất áp suất cao: thực hiện bằng cách đưa dung dịch huyền phù của cellulose vào bình có vận tốc và áp suất cao. Bằng cách tác động lực vào dung dịch huyền phù, cấu trúc của các sợi cellulose bị phá vỡ dần đến kích thước nanomet [24].
Phương pháp nghiền: vật liệu chứa cellulose ở dạng bột được đưa vào thiết bị nghiền. Nguyên lý của thiết bị là tạo ra lực cắt để phá vỡ các liên kết hydro và thành tế bào của sợi cellulose về kích thước nano [25].
Phương pháp siêu âm: phương pháp này sử dụng sóng siêu âm cường độ cao để tạo ra năng lượng dao động cơ học, từ đó dẫn đến sự hình thành, giãn nở và nổ các bong bóng khí siêu nhỏ khi các phân tử trong chất lỏng hấp thụ năng lượng siêu âm [23]. Sản phẩm thu được sau quá trình siêu âm là hỗn hợp các sợi có kích thước cỡ micromet và nanomet.
Các phương pháp cơ học không tạo ra chất thải độc hại nhưng lại tiêu thụ nhiều năng lượng. Do đó, phương pháp cơ học thường được kết hợp với các phương pháp khác hoặc tiến hành các phương pháp tiền xử lý để giảm thiểu năng lượng cần thiết.
Ngoài các phương pháp phổ biến đã nêu, một số phương pháp khác cũng được sử dụng trong chế tạo naocellulose bao gồm sử dụng chất lỏng ion hoặc sử
dụng TEMPO (gốc tự do 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl) trong quá trình oxy hóa [23]. Tuy nhiên, các phương pháp này thường được kết hợp đồng thời với các phương pháp tiền xử lý hóa học và cơ học khác để đạt hiệu quả cao hơn.