ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

NGUYỄN THỊ TUYẾT NGỌC

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ PHẨM NÔNG SẢN ĐỂ CHẾ TẠO
VẬT LIỆU CĨ TÍNH GIỮ ẨM CAO CHO CÁC ỨNG DỤNG TRONG
NƠNG NGHIỆP
Chun ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 8520301

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT HÓA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2022

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Người hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN THANH BÌNH
PGS. TS NGUYỄN ĐÌNH LÂM

Phản biện 1: TS. Phan Thế Anh
Phản biện 2: PGS.TS. Lê Minh Đức
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

kỹ thuật hóa học họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày tháng 07
năm 2022
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
− Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
− Thư viện Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Phân bón và nước là hai nhân tố quan trọng trong sản xuất nông
nghiệp. Hiện nay với sự biến đổi khí hậu đã dẫn đến tình trạng hạn
hán ở các vùng Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Trung Bộ ngày càng
gia tăng. Việc giảm nguồn nước ngọt cũng sẽ dẫn đến nguồn nước
tưới tiêu bị thiếu hụt theo, vì vậy điều quan trọng là phải sử dụng các
nguồn nước một cách hợp lý để chống lại áp lực của hạn hán cũng
như góp phần cải thiện tình trạng sa mạc hóa các vùng đất bị hạn
hán.
Vật liêu giữ ẩm trên cơ sở hydrogel là vật liệu có cấu trúc mạng
lưới ba chiều của chuỗi polyme ưa nước liên kết với nhau nhờ vào
liên kết vật lý, liên kết hóa học hoặc nhờ vào q trình polyme hóa.
Chúng có thể là mạng lưới polyme tự nhiên hoặc polyme tổng hợp có
khả năng giữ lại một lượng lớn nước lớn trên bề mặt và trong cấu
trúc mà không bị hòa tan trong nước.
Vật liệu giữ ẩm trên cơ sở hydrogel và các cấu trúc tương tự tạo

thành từ các phụ phẩm nơng nghiệp có thể được tổng hợp bằng nhiều
phương pháp khác nhau như trùng hợp dung dịch, trùng hợp huyền
phù, polyme hóa hình thành liên kết ngang bằng cách xử lý lạnh
đông, phản ứng trùng hợp bằng bức xạ điện từ. Trong những phương
pháp trên thì phương pháp xử lý lạnh đông là phương pháp thân thiện
với mơi trường và được đánh giá là có khả năng cải thiện độ bền cơ
học và độ bền nhiệt của vật liệu.
Chất tạo liên kết ngang sử dụng trong các vật liệu giữ nước trên
cơ sở hydrogel là hợp chất có thể kết nối các phân tử với nhau và cải
thiện đặc tính của vật liệu. Việc sử dụng chất tạo liên kết ngang để
hình thành mạng lưới ba chiều trong hydrogel giúp làm tăng khối

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


2

lượng phân tử, cải thiện độ ổn định và cải thiện các tính chất cơ học,
vật lý như độ đàn hồi, độ nhớt và tính khơng hịa tan của polyme.
Chất tạo liên kết ngang thường được sử dụng là N, N’ –
Methylenebiscarylamide, tuy nhiên hợp chất này có giá thành cao,
khơng thân thiện với mơi trường. Do đó, hiện nay các nghiên cứu
đang hướng đến sử dụng các axit hữu cơ đa axit làm chất tạo liên kết
ngang vì chúng tương đối rẻ tiền, không độc hại, ưa nước và có 2 – 3
nhóm –COOH có thể tạo thành liên kết hydro mạnh để cải thiện độ
trương nở và độ bền của vật liệu.
Rơm là nguồn phụ phẩm nông nghiệp phát sinh hàng triệu tấn
mỗi năm (khoảng 731 triệu tấn mỗi năm trên thế giớii. Việc đốt cháy

rơm ngay tại đồng ruộng sau mùa thu hoạch tạo ra một lượng khí thải
gây hiệu ứng nhà kính và ơ nhiễm mơi trường như CO2, CH4, CO.
Tuy nhiên, rơm là một nguồn chất thải có chứa nhiều cellulose trong
thành phần (khoảng 32 – 47%). Do đó, việc sử dụng rơm như là một
nguồn nguyên liệu có nguồn gốc sinh học để tổng hợp vật liệu giữ
ẩm sẽ góp phần làm giảm thiểu vấn đề về môi trường do chất thải
nông nghiệp phát sinh và đặc biệt là cịn góp phần vào việc duy trì độ
ẩm và cải tạo đất sau khi canh tác.
Hiện nay việc nghiên cứu sử dụng nguồn vật liệu có nguồn gốc
sinh học từ phụ phẩm nơng nghiệp như rơm, trấu, mùn cưa, vỏ dứa,
lõi bắp, … để tổng hợp các vật liệu giữ ẩm trên cơ sở hydrogel hoặc
các cấu trúc tương tự đang được các nhà khoa học quan tâm. Đã có
một số nghiên cứu cơng bố về việc sử dụng cellulose từ các phụ
phẩm nông sản này trong việc tổng hợp vật liệu giữ ẩm cho các ứng
dụng trong nông nghiệp. Kết quả cho thấy loại vật liệu này khi được
tổng hợp từ cellulose không những vẫn đảm bảo được khả năng giữ
nước mà cịn có khả năng phân hủy sinh học và tính tương thích sinh

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


3

học tốt hơn. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu này, một lượng
hemicellulose và lignin vẫn bị thải bỏ ra môi trường và và theo hiểu
biết của tác giả hiện vẫn chưa có nghiên cứu nào sử dụng tồn bộ ba
thành phần chính của rơm (gồm cellulose, hemicellulose và lignin)
để tổng hợp vật liệu giữ ẩm trên cơ sở hydrogel.

Từ các phân tích nói trên, đề tài này tập trung vào nghiên cứu
“Nghiên cứu tổng hợp vật liệu giữ ẩm trên cơ sở hydrogel từ phụ
phẩm nông nghiệp” và đánh giá khả năng ứng dụng của của chúng.
2. Mục tiêu nghiên cứu
• Nghiên cứu tổng hợp thành cơng vật liệu trên cơ sở hydrogel
từ phụ phẩm nông nghiệp bằng phương pháp xử lý lạnh
đơng.
• Đánh giá khả năng hấp thu – giải phóng nước và khả năng tái
sử dụng của vật liệu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Tổng hợp vật liệu giữ nước trên cơ sở hydrogel từ cellulose.
- Tổng hợp vật liệu giữ nước trên cơ sở hydrogel từ rơm.
- Đánh giá đặc tính và cấu trúc của vật liệu giữ nước trên cơ sở
hydrogel.
- Nghiên cứu khả năng hấp thu nước của vật liệu ở điều kiện nhiệt
độ môi trường và khả năng tái sử dụng của vật liệu.
4. Phương pháp nghiên cứu
Một số phương pháp được áp dụng như:
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM),
- Quang phổ hồng ngoại (FT – IR),
- Phương pháp phân tích nhiệt trọng trường TGA,
- Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD).
5. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4


5.1. Ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là giảm được lượng rơm phát thải
hàng năm, giảm ô nhiễm không khí do việc đốt rơm gây ra. Đây là
phương án giúp giải quyết tình trạng hạn hán cao, tăng hiệu quả sử
dụng nước, góp phần cải tạo chất lượng đất nông nghiệp cho các
vùng đất đang bị hạn hán và sa mạc hóa ở Trung Bộ, Nam Trung Bộ,
Tây Nguyên.
5.2. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu sử dụng các quy trình đơn giản có tính khả thi cao để
tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ nguồn phụ phẩm nơng
nghiệp (rơm, trấu) có khả năng giữ nước cao, phân hủy sinh học,
thân thiện với môi trường. Việc nghiên cứu giúp tìm ra được cơng
nghệ tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ phụ phẩm nông nghiệp
nhằm đáp ứng yêu cầu cấp bách về mặt khoa học, làm chủ được công
nghệ trong lĩnh vực tạo vật liệu siêu hấp thu nước phục vụ cho nền
nông nghiệp xanh.
6. Bố cục của luận văn
Nội dung của luận văn này được chia làm 3 phần chính:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1

Rơm
Rơm là phụ phẩm còn lại sau khi cây lúa được thu hoạch. Đặc

tính của rơm được chia thành 2 nhóm chính gồm các tính chất vật lý
và thành phần hóa học.


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


5

1.1.1

Tính chất vật lý

1.1.2

Tính chất hóa học

Rơm cũng giống như các nguồn sinh khối lignocellulosic khác
đều bao gồm ba thành phần chính là cellulose, hemicellulose và
lignin.
1.1.2.1

Cellulose

Cellulose khơng màu, khơng mùi, khơng hịa tan trong nước và
nhiều dung mơi hữu cơ. Do liên kết hydro giữa các phân tử cellulose
với nhau kèm theo lực Van der Waals và vùng cấu trúc tinh thể khiến
cho cellulose khó bị hịa tan. Tuy nhiên, liên kết glycosidic trong
cellulose có thể bị thủy phân trong môi trường axit.
Cấu tạo của cellulose là một homopolysaccharide mạch thẳng
chứa các mắt xích β-D-glucose. Các mắt xích được liên kết cộng hóa

trị bằng liên kết β-1,4-glycosidic giữa các nhóm hydroxyl của cacbon
C1 và C4.
Cellulose là phân tử cấu trúc chính trong thành tế bào thực vật.
Trong rơm, cellulose chiếm khoảng 32 – 47%. Đây là loại vật liệu an
toàn, chi phí thấp và thân thiện với mơi trường.
1.1.2.2

Hemicellulose

Hemicellulose là một polysaccharide có mạch liên kết β-(1-4).
Hemicellulose có cấu trúc ngẫu nhiên, vơ định hình và có độ bền
thấp. Hemicellulose dễ dàng thủy phân trong dung dịch NaOH loãng
và axit lỗng.
Vai trị quan trọng của hemicellulose là củng cố thành tế bào bằng
cách tương tác với cellulose và lignin. Trong rơm, hemicellulose
chiếm khoảng 19 – 27%.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6

1.1.2.3

Lignin

Lignin là một cấu trúc polyme vơ định hình được tạo thành bằng
liên kết ngang từ các tiểu đơn vị phenolic.

Lignin trong thực vật chủ yếu cung cấp độ cứng bằng cách tăng
cường cấu trúc của thành tế bào. Trong rơm, lignin chiếm khoảng 5 –
24%.
1.1.3

Ứng dụng của rơm

1.1.4

Các phương pháp trích xuất cellulose từ phụ phẩm nơng

nghiệp
1.1.4.1

Phương pháp cơ học

a. Phương pháp đồng nhất áp suất cao (High-Pressure
Homogenisation – HPH)
b. Siêu âm cường độ cao (High-Intensity UltraSound – HIUS)
c. Mài cắt cường độ lớn
d. Nổ hơi
1.1.4.2

Phương pháp sử dụng enzim

1.1.4.3

Phương pháp hóa học

a. Thủy phân bằng kiềm

b. Thủy phân axit
c. Sử dụng chất lỏng ion (Ionic Liquids – ILs)
Tăng khả năng phân tán của cellulose

1.1.5
1.1.5.1

NaOH/Urê

1.1.5.2

NaOH/Thiourê

1.1.5.3

Chất lỏng ion

1.2

Hydrogel

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


7

Hydrogel là một mạng lưới polyme liên kết ba chiều (3D).
Hydrogel có thể hấp thu và giữ lại một lượng lớn nước, chất dinh

dưỡng trong thời gian dài. Hydrogel thường được cấu tạo từ các
nhóm ưa nước như – OH, – COOH, – NH2, – CONH2, – SO3H hoặc
mạng lưới các polyme ưa nước. Khả năng hấp thu nước của hydrogel
do các nhóm chức ưa nước gắn với mạch chính của polyme mang lại
trong khi khả năng chống lại sự hòa tan lại lại do liên kết ngang giữa
các chuỗi mạng.
1.2.1

Những lợi ích hydrogel mang lại cho nền nơng nghiệp

1.2.1.1

Tăng khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng

1.2.1.2

Tăng năng suất vụ mùa

1.2.2

Tác động kinh tế xã hội khi sử dụng vật liệu có tính giữ ẩm

cao trên cơ sở hydrogel từ phụ phẩm nơng nghiệp
1.2.2.1

Phân tích tính kinh tế

1.2.2.2

Tác động đến mơi trường


1.2.3
1.2.3.1

Tổng hợp hydrogel
Phương pháp hóa học

a. Trùng hợp dung dịch
b. Trùng hợp nhũ tương đảo
1.2.3.2

Phương pháp vật lý

a. Phản ứng trùng hợp bởi bức xạ điện từ
b. Quá trình trùng hợp tạo liên kết ngang bằng xử lý lạnh đông
1.2.4
1.2.4.1

Kỹ thuật tạo liên kết ngang
Liên kết ngang vật lý

a. Kỹ thuật lạnh đông – rã đông
b. Kỹ thuật quang tử

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


8


c. Kỹ thuật bức xạ cảm ứng
Liên kết hóa học

1.2.4.2

a. Axit citric
b. Epichlorohydrin (ECH)
c. Glutaraldehyde
Kỹ thuật trùng hợp

1.2.4.3

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
Nguyên liệu

2.1

Trong quy trình nghiên cứu tổng hợp, tác giả đã sử dụng các hóa
chất sau: nguồn nguyên liệu cellulose tinh khiết từ bông y tế Bạch
Tuyết; axit H2SO4 64%; hệ dung môi NaOH/Urê; rơm lấy từ đồng
ruộng ở thị xã Quảng Trị, tỉnh Quảng Trị; dung dịch NaOH 2M;
polyvinylancol, axit citric 20% và nước cất.
Quy trình nghiên cứu và tổng hợp vật liệu

2.2
2.2.1

Quy trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose


Quy trình nghiên cứu và tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ
cellulose được thể hiện như Hình 2.1.

Hình 2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ
cellulose

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


9

Quá trình thủy phân cellulose bằng axit sulfuric giúp loại bỏ vùng
vơ định hình và giúp thu được các hạt tinh thể cellulose. Khi thủy
phân bằng H2SO4, bề mặt của cellulose được gắn các nhóm HSO4tích điện âm giúp ngăn cản sự kết tụ nhờ lực đẫy tĩnh điện, tạo ra một
huyền phù ổn định của các hạt tinh thể nanocellulose.
Trong nghiên cứu này, 4g cellulose được thủy phân trong 17.4ml
axit sulfuric 64% để duy trì nhiệt độ ở 50oC trong vòng 2 giờ và
khuấy liên tục với tốc độ khuấy 200 vòng/phút.
Huyền phù vi tinh thể cellulose và axit sulfuric sẽ được làm nguội
đến nhiệt độ môi trường. Sau đó huyền phù này được phân tán trong
dung dịch NaOH/Urê (10% khối lượng/11.8% khối lượng tương
ứng) trong 30 phút và khuấy liên tục với tốc độ khuấy 800
vịng/phút.
Có thể thấy trong quy trình tổng hợp này, lượng axit sulfuric sử
dụng trong q trình thủy phân cellulose khơng bị thải bỏ mà được
trung hòa bằng lượng NaOH dư trong hệ NaOH/Urê. Đây là một
điểm mới của quy trình tổng hợp được sử dụng trong nghiên cứu này
so với các nghiên cứu đã được cơng bố khi khơng tạo ra dịng thải bỏ

axit ra môi trường gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con
người.
Sol thu được sẽ tiến hành lạnh đơng trong vịng 24 giờ để thực
hiện q trình gel hóa.
Hydrogel thu được từ các vi tinh thể được xử lý bằng cách ngâm
trong dung dịch axit citric 20% trong vịng 20 giờ ở nhiệt độ mơi
trường để tăng độ bền cơ học nhờ sự hình thành các liên kết ngang
giữa axit citric với các phân tử cellulose.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


10

Vật liệu cellulose hydrogel này sau đó được thẩm tích với nước
để loại bỏ các ion tự do còn lại trong hydrogel cellulose. Sau khi
tổng hợp thành công, vật liệu được đem khảo sát các tính chất.
2.2.2

Quy trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm

Quy trình nghiên cứu và tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ
rơm được thể hiện thơng qua Hình 2.2.

Hình 2.2. Quy trình tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm
Trong đề tài này, tác giả thủy phân 4g rơm trong 64ml dung dịch
NaOH 2M sử dụng máy khuấy từ gia nhiệt Velp Arec.X như Hình
2.5 để duy trì nhiệt độ ở 90oC, trong vòng 2 giờ với tốc độ khuấy là

200 vịng/phút.

Hình 2.5. Hệ thống thực hiện q trình thủy phân rơm

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


11

Sau khi thu được huyền phù gồm cellulose, hemicellulose, lignin
và NaOH, 10ml dung dịch polyvinylancol (PVA) 4% sẽ được bổ
sung vào huyền phù thu được với tốc độ khuấy 200 vòng/phút trong
vòng 30 phút để tăng khả năng tạo gel của lignin và hemicellulose.
Sol thu được sau khi bổ sung PVA sẽ tiến hành lạnh đơng trong vịng
20 giờ để thực hiện q trình gel hóa.
Hydrogel thu được sau khi lạnh đông sẽ được xử lý bằng cách
ngâm trong dung dịch axit citric 20% trong vòng 20 giờ ở nhiệt độ
môi trường để tăng độ bền cơ học nhờ sự hình thành các liên kết
ngang giữa axit citric với các phân tử cellulose. Sau q trình lạnh
đơng 20ml dung dịch dư sẽ được thu hồi và sử dụng trong quá trình
tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel tiếp theo ở giai đoạn thủy phân
kiềm.
Vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm sau đó được thẩm tích với
nước để loại bỏ các ion tự do còn lại trong hydrogel từ rơm. Sau khi
tổng hợp thành công, vật liệu được đem khảo sát các tính chất.
2.3

Quy trình đánh giá khả năng hấp thu, giải phóng nước


và khả năng tái sử dụng của mẫu bằng phương pháp định lượng
Tác giả đã tiến hành để đánh giá khả năng hấp thu – giải phóng
nước và khả năng hấp thu nước trở lại của mẫu bằng phương pháp
định lượng dựa trên sự thay đổi khối lượng.
Khả năng hấp thu nước của 1g vật liệu trên cơ sở hydrogel (W)
theo công thức (1.1)
W=

𝑤1 −𝑤2
𝑤2

(1.1)

Khả năng hấp thu nước trở lại của 1g vật liệu trên cơ sở hydrogel
(W’) theo công thức (1.2)
W’ =

𝑤3 −𝑤2
𝑤2

(1.2)

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


12


2.4

Các phương pháp đánh giá sản phẩm

2.4.1

Nhiễu xạ tia X

2.4.1.1

Nguyên lý hoạt động

2.4.1.2

Cấu tạo

2.4.1.3

Ưu và nhược điểm của phương pháp
Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Furier (FTIR)

2.4.2
2.4.2.1

Nguyên lý hoạt động

2.4.2.2

Cấu tạo


2.4.2.3

Ưu và nhược điểm của phương pháp
Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

2.4.3
2.4.3.1

Nguyên lý hoạt động

2.4.3.2

Cấu tạo

2.4.3.3

Ưu và nhược điểm của phương pháp
Phân tích nhiệt trọng trường (TGA)

2.4.4
2.4.4.1

Nguyên lý hoạt động

2.4.4.2

Cấu tạo

2.4.4.3


Ưu và nhược điểm của phương pháp
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1
3.1.1

Tổng hợp và đánh giá đặc tính sản phẩm
Cellulose

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


13

Hình 3.1. Kết quả phổ hồng ngoại của (a) vật liệu trên cơ sở hydrogel
từ MCC, (b) axit citric và (c) urê
Kết quả cho thấy có sự tương tác liên kết hydro giữa các phân tử
được tạo ra giữa các nhóm – COOH và C = O trong q trình tổng
hợp. Dao động biến dạng N – H của urê ở 1455 cm-1 trong phổ FTIR
(gần với giá trị 1457 cm-1) của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ
cellulose cho thấy vẫn có mặt của urê tinh thể trong cấu trúc của vật
liệu. Tuy nhiên độ hấp thụ của liên kết N – H trong vật liệu trên cơ
sở hydrogel từ cellulose yếu hơn so với urê ban đầu có thể do một
phần urê đã tương tác tạo liên kết hydro liên phân tử.

Hình 3.2. Ảnh chụp SEM (A) của bơng ở độ phóng đại 100 và (B)
của vật liệu hydrogel trên cơ sở cellulose ở độ phóng đại 1000
Kết quả cho thấy cellulose ban đầu có cấu trúc dạng sợi trong khi

vật liệu trên cơ sở hydrogel tạo thành từ cellulose lại có cấu trúc
khối, hạt. Kết quả nhiễu xạ tia X của hydrogel tạo thành từ quá trình
thủy phân cellulose bằng axit đã cho thấy cấu trúc tinh thể của
cellulose, đồng thời cũng cho thấy H2SO4 dư đã được trung hịa bởi
NaOH tạo thành muối Na2SO4. Ngồi ra, dựa trên liên kết C = O tìm

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


14

thấy ở kết quả FTIR và kết quả XRD trong Hình 3.3 ta thấy trong
cấu trúc của vật liệu vẫn cịn urê tinh thể dư do đó vật liệu hydrogel
tạo thành có cấu trúc khối thay vì cấu trúc dạng sợi ban đầu của
cellulose.

Hình 3.3. Kết quả đo XRD của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ
cellulose
Kết quả cho thấy sau khi thủy phân bằng axit cho thấy rằng lượng
H2SO4 còn lại sau thủy phân đã được trung hòa bằng NaOH tạo
thành muối Na2SO4 và được giữ trong cấu trúc của vật liệu. Ngồi ra,
urê cũng được tìm thấy trong cấu trúc của vật liệu trên cơ sở
hydrogel từ MCC. Trong phổ XRD của vật liệu không thu được peak
đặc trưng của axit citric, điều này có thể thấy rằng axit citric đã phân
tán hoàn toàn trong cấu trúc của vật liệu để pham gia tạ các liên kết
ngang và khơng bị kết tinh trở lại.

Hình 3.4. Đường cong TGA của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ

cellulose

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


15

Dựa vào đường cong TGA của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ
MCC cho thấy năm giai đoạn suy thoái nhiệt chính. Giai đoạn đầu
khoảng từ 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
170oC đến 190oC tương ứng với sự phân hủy của urê tinh khiết còn
dư trong vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose. Kết quả này tương
tự với tinh thể urê tìm thấy trong vật liệu từ kết quả đo XRD, SEM
và sự phân hủy nhiệt này giống với kết quả phân hủy nhiệt của urê
tinh khiết đã được Yaolin Wang và cộng sự công bố. Lần giảm khối
lượng thứ ba trong khoảng 190oC đến 210oC có thể đến từ sự phân
hủy của urê tham gia tạo liên kết hydro liên phân tử với cellulose để
giúp tăng khả năng hòa tan của cellulose. Lần giảm khối lượng thứ tư
trong khoảng 280oC đến 310oC tương ứng với sự nhiệt phân của
cellulose tự do có mặt trong sản phẩm như đã được Lee Chiau Yeng
và cộng sự đã công bố vào năm 2015. Lần giảm khối lượng cuối
cùng trong khoảng 700 – 800oC tương ứng với quá trình phân hủy
của vật liệu tạo nên từ các liên kết ngang giữa cellulose và axit citric
trong cấu trúc vật liệu.
3.1.2
3.1.2.1


Rơm
Kết quả của quá trình thủy phân kiềm

Hình 3.5. Ảnh SEM của rơm. (C) trước khi thủy phân kiềm, (D) sau
khi thủy phân kiềm (×500)

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


16

Kết quả cho thấy quá trình thủy phân kiềm gây ra những thay đổi
trong cấu trúc. Quá trình thủy phân kiềm đã phân tách hemicellulose
và lignin để lại bề mặt gồ ghề của cellulose có dạng sợi. Kết quả
tương tự cũng được tìm thấy trong cơng bố của Damaurai và cộng sự
khi tiền xử lý rơm với NaOH. Có thể thấy quá trình thủy phân kiềm
đã giúp phân tách lignin, hemicellulose từ đó giúp tăng hiệu quả tiếp
cận đối với cellulose. Việc sử dụng kiềm đã giúp tăng diện tích bề
mặt bên trong của cellulose từ đó giúp cellulose tăng khả năng tiếp
xúc với PVA và axit citric trong quá trình tổng hợp. Kết quả này cịn
được thể hiện rõ bởi phổ hồng ngoại của mẫu rơm trước (đường màu
xanh) và sau khi thủy phân kiềm (đường màu đỏ) trong Hình 3.6.

Hình 3.6. Phổ hồng ngoại của rơm (đường màu xanh dương) và rơm
sau khi thủy phân kiềm (đường màu đỏ)
Kết quả cho thấy rơm sau khi thủy phân kiềm, cellulose được tách
khỏi lignin và hemicellulose bao bọc ban đầu dẫn đến tăng mật độ
nhóm – OH, liên kết C – H sp3, CAr – H và C – O có trong cấu trúc

của cellulose. Tương tự như kết quả XRD, kết quả FT-IR cũng cho
thấy quá trình thủy phân kiềm đã giúp phân tách lignin,
hemicellulose từ đó giúp tăng hiệu quả tiếp cận đối với cellulose.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


17

Hình 3.7. Kết quả đo XRD của rơm (đường màu đỏ) và rơm sau khi
thủy phân kiềm (đường màu xanh)
Kết quả XRD thu được của rơm trước và sau khi thủy phân kiềm
trùng với phổ của cellulose ialpha (C6H10O5)n trong phổ dữ liệu của
thiết bị nhiễu xạ tia X. Dựa trên kết quả phân tích XRD ta có thể thấy
sự gia tăng cường độ và giảm độ rộng của peak ở góc nhiễu xạ 2θ =
22.2o sau khi rơm được thủy phân kiềm so với peak đó của rơm cho
thấy dung dịch NaOH có khả năng phân tách được lignin và
hemicellulose ra khỏi bề mặt của cellulose dẫn đến việc dung dịch
thủy phân tiếp cận bề mặt cellulose đễ dàng, làm tăng khả năng thủy
phân cellulose có mặt trong rơm. Liên kết hydro trong các vùng tinh
thể cellulose bị suy giảm tạo điều kiện cho sự thủy phân liên kết
glycosidic và liên kết este có thể là ngun nhân chính dẫn đến sự
gia tăng cường độ đỉnh của rơm sau khi thủy phân kiềm.
3.1.2.2

Kết quả tổng hợp vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm

Hình 3.8. Ảnh SEM của rơm (E) sau khi bổ sung PVA, (F) vật

liệu hydrogel tạo thành từ rơm (×500)

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


18

Kết quả cho thấy khi được bổ sung thêm PVA thì PVA giúp phân
tán lignin và hemicellulose xen giữa các sợi cellulose dẫn đến việc
tăng thể tích mẫu so với rơm ban đầu. Đồng thời, PVA bám lên bề
mặt của các sợi cellulose làm mất đi sự gồ ghề của cellulose sau khi
được thủy phân kiềm. Ảnh chụp SEM (F) ở Hình 3.8 cho thấy các
mảng màu trắng được tạo thành chính là este của PVA và axit citric
giúp tạo thành khối liên kết chặt chẽ hơn giữa cellulose, lignin và
hemicellulose từ đó giúp tăng độ bền cơ học cho mẫu. Kết quả này
tương tự với kết quả thu được từ FT-IR và XRD.

Hình 3.9. Phổ hồng ngoại của rơm (đường màu xanh dương), rơm
sau khi thủy phân kiềm (đường màu đỏ) và vật liệu trên cơ sở
hydrogel từ rơm (đường màu xanh lá cây).
Kết quả cho thấy trong vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm có tạo
liên kết hydro liên phân tử giữa các nhóm – OH sau khi bổ sung
PVA và axit citric do đó làm giảm năng lượng dao động của nhóm –
OH, peak dịch chuyển về phía năng lượng thấp dẫn đến độ rộng của
peak giãn ra. So với phổ hồng ngoại của rơm và của rơm sau khi
thủy phân kiềm, có thể nhìn thấy rằng có dao động kéo giãn của liên
kết C – H sp3, CAr – H và C – O của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ
rơm có đỉnh hẹp hơn và cương độ cao hơn. Điều này có thể thấy vật


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


19

liệu trên cơ sở hydrogel có sự gia tăng mật độ liên kết C – H sp3,
CAr – H và C – O tương ứng lần PVA đã tham gia tạo liên kết hydro
với lignin, hemicellulose và cellulose trong cấu trúc khung của vật
liệu. Ngoài ra, axit citric tham gia tạo liên kết ngang cũng dẫn đến
việc gia tăng mật độ liên kết C – H sp3 và C – O trong cấu trúc của
vật liệu. Tương tự như kết quả SEM, kết quả FT-IR cũng cho thấy
PVA đã tham gia tạo liên kết hydro với lignin, hemicellulose và
cellulose để tạo thành khung của vật liệu.

Hình 3.1. Kết quả đo XRD của rơm và vật liệu trên cơ sở hydrogel từ
rơm
Dựa vào đồ thị ta có thể thấy được sự thay đổi trong cấu trúc của
rơm sau khi trải qua các giai đoạn xử lý trong quá trình tổng hợp. So
với phổ hồng ngoại của rơm và của rơm sau khi thủy phân kiềm, có
thể nhìn thấy rằng có dao động kéo giãn của liên kết C – H sp3, CAr
– H và C – O của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm có đỉnh hẹp hơn
và cường độ cao hơn. Điều này có thể thấy vật liệu trên cơ sở
hydrogel có sự gia tăng mật độ liên kết C – Hsp3, CAr – H và C – O
tương ứng lần PVA đã tham gia tạo liên kết hydro với lignin,
hemicellulose và cellulose trong cấu trúc khung của vật liệu. Ngoài
ra, axit citric tham gia tạo liên kết ngang cũng dẫn đến việc gia tăng
mật độ liên kết C – Hsp3 và C – O trong cấu trúc của vật liệu.


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


20

Hình 3.11. Đường cong TGA của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ
rơm

Hình 3.2. Đường cong TGA của rơm
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. 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.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


21


3.2

Đánh giá khả năng hấp thu và giải phóng nước của vật liệu
trên cơ sở hydrogel từ cellulose

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 mơi trường theo
thời gian của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ cellulose
Kết quả cho 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
môi trường và 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

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


22

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 mơi trường theo
thời gian của vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm
Kết quả cho 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 mơi
trường và khả năng hấp thu nước của vật liệu là 8.36g nước/g vật
liệu. Khả năng hấp thu nước gấp 4.89 lần so với rơm ban đầu.

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

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


23

giải thích là do q trình háp thu và giải phóng nước đã làm thay đổi
cấu trúc khung của vật liệu.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
➢

Kết luận


Luận văn Thạc sỹ 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 vịng 15 ngày ở
điều kiện nhiệt độ môi trường.
✓

Tổng hợp thành công vật liệu trên cơ sở hydrogel từ rơm mà

không 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 vòng 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
nghiên cứu này là cơ sở để có thể phát triển các vật liệu có tính giữ
ẩm cao từ phế phẩm nơng 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.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ