Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ CELLULOSE BIẾN TÍNH TỪ DĂM TRE

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA

NGUYỄN THỊ CÚC
Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CELLULOSE BIẾN TÍNH TỪ DĂM TRE

Khóa luận tốt nghiệp cử nhân sư phạm

Đà Nẵng - 2016


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA

Tên đề tài:


NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP PHỤ
CELLULOSE BIẾN TÍNH TỪ DĂM TRE
Khóa luận tốt nghiệp cử nhân sư phạm

Sinh viên thực hiện

: Nguyễn Thị Cúc

Lớp

: 12SHH

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS. Lê Tự Hải

Đà Nẵng - 2016


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VI ỆT NAM

TRƯỜNG ĐHSP

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA HÓA
NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Cúc
Lớp: 12SHH
1. Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ cellulose biến tính từ dăm tre
2. Nguyên liệu, dụng cụ và thiết bị:
- Nguyên liệu: Dăm tre
- Hóa chất: NaOH, Na2S, HCl, H2O2.
- Dụng cụ: Bình cầu, bếp điện, cân phân tích, bình đ ịnh mức, đũa khu ấy, nhiệt kế,…
3. Nội dung nghiên cứu
- Tách cellulose từ dăm tre.
- Biến tính cellulose: xác định khả năng biến tính bằng phương pháp phân tích phổ
hồng ngoại (IR) và ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM)
4. Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Lê Tự Hải
5. Ngày giao đề tài: Ngày 15 tháng 10 năm 2015

6. Ngày hoàn thành: Ngày 12 tháng 04 năm 2016
Chủ nhiệm khoa

Giáo viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ, tên)

(Ký và ghi rõ họ, tên)


Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho khoa ngày 27 tháng 04 năm 2016

Kết quả điểm đánh giá:
Ngày… tháng… năm 20..
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ, tên)


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn thể quý thầy cô ở
khoa Hóa Học – trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng đã dạy dỗ, truyền đạt vốn tri
thưc quý báu cho chúng em trong su ốt thời gian học tập tại trường. Và đặc biệt
trong bài khóa luận của mình em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của
thầy Lê Tự Hải. Thầy đã t ận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong
suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận.
Em xin được cảm ơn các anh chị, các bạn cũng như các đơn vị đo mẫu thí
nghiệm đã tạo điều kiện thuận lợi và hợp tác giúp đỡ em trong quá trình làm thực
nghiệm.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thành khóa luận một cách hoàn chỉnh
nhất, song do bước đầu làm quen với công việc nghiên cứu cũng như hạn chế về
kiến thức và kinh nghiệm nên việc mắc phải sai sót là không thể tránh khỏi, em rất
mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để bài báo cáo
của em được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin kính chúc quý thầy cô và các bạn dồi dào sức khỏe!
Trân trọng!
Đà Nẵng, ngày 10 tháng 04 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Cúc


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu: Biến tính cellulosetách từ dăm tre......................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................1
5. Ý nghĩa khoa h ọc và thực tiễn..............................................................................2
6. Cấu trúc luận văn.................................................................................................2
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................3
TỔNG QUAN .........................................................................................................3
1.1. TRE ..................................................................................................................3
1.1.1. Phân loại khoa học.........................................................................................3
1.1.2. Đặc điểm sinh thái .........................................................................................3
1.1.3. Thu hoạch và lọc nhựa ...................................................................................4
1.1.4. Thành phần hóa học.......................................................................................5
1.2. CELLULOSE ...................................................................................................7
1.2.1 Cấu trúc phân tử .............................................................................................7
1.2.2. Tính chất vật lý ..............................................................................................9
1.2.3. Tính chất hóa học ..........................................................................................9
1.2.4. Trạng thái tự nhiên.......................................................................................10
1.2.5 . Ứng dụng....................................................................................................10
1.3. PHƯƠNG PHÁP TÁCH CELLULOSE .........................................................10
1.3.1. Phương pháp tách cellulose..........................................................................10


1.3.2. Phản ứng của hydratcacbon và lignin trong môi trường kiềm.......................11
CHƯƠNG 2 ..........................................................................................................18
NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................18
2.1. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ....................................................18
2.1.1. Nguyên liệu .................................................................................................18
2.1.2. Hóa chất, dụng cụ ........................................................................................18
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................................................................18
2.2.1. Tách cellulose từ dăm tre .............................................................................18
Quy trình tách cellulose từ dăm tre được thực hiện như sau [2]: ............................18
2.2.2. Tẩy trắng bột cellulose thô...........................................................................20
2.2.3. Biến tính cellulose bằng axit citric ...............................................................22
2.2.4. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính ............................23
2.2.5. Phân tích sản phẩm cellulose biến tính từ cellulose tách từ dăm tre..............25
CHƯƠNG 3 ..........................................................................................................26
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...............................................................................26
3.1. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÁCH CELLULOSE TỪ DĂM TRE..............26
3.2. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH BIẾN TÍNH
CELLULOSE........................................................................................................32
3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit ........................................................................32
3.2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn : lỏng......................................................................33
3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian biến tính ...............................................................34
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính cellulose.....................34
3.3. PHÂN TÍCH SẢN PHẨM CELLULOSE BIẾN TÍNH...................................36
3.3.1. Phổ hồng ngoại ............................................................................................36
3.3.2. Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) ...........................................................39


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................................40
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Kế hoạch tiến hành thí nghiệm và kết quả xác định thể tích dung dịch
KMnO4 0,1N phản ứng với 0,1 gam dăm tre sau khi nấu. ......................................27
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm ở tâm.......................................................................29
Bảng 3.3. Tính mức chuyển động của các mức yếu tố ...........................................31
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm theo hướng leo dốc đứng.........................................31
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến quá trình biến tính cellulose ......32
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của tỉ lệ rắn: lỏng đến quá trình biến tính cellulose..............33
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính cellulose.....................34


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Thân tre....................................................................................................3
Hình 1.2. Cấu trúc phân tử cellulose ........................................................................7
Hình 1.3. Cấu trúc phân tử cellulose trong không gian 3 chiều ................................8
Hình 1.4.Vi sợi cellulose..........................................................................................8
Hình 1.5. Phản ứng màu của hydro–cellulose với iod ..............................................9
Hình 1.6. Phản ứng oxi hóa của hydratcacbon trong môi trường kiềm ...................12
Hình 1.7. Phản ứng thủy phân cấu trúc cacbonyl-β-glucoxy ..................................12
Hình 1.8. Phản ứng chuyển vị và tách loại hydratcacbon .......................................13
trong môi trường kiềm...........................................................................................13
Hình 1.9. Phản ứng peeling ...................................................................................14
Hình 1.10. Minh họa phản ứng thủy phân lignin trong môi trường kiềm................15
Hình 1.11. Minh họa phản ứng ngưng tụ của lignin trong môi trường kiềm ...........15
Hình 1.12. Phản ứng của cấu trúc lignin β-O-4 trong quá trình nấu bột..................16
Hình 1.13. Phản ứng của cấu trúc phenylcumaran trong quá trình nấu...................17
bột sunfat...............................................................................................................17
Hình 3.1.Ảnh hưởng của nồngđộ axit citric đến quá trình biến tính cellulose.........33
Hình 3.2.Ảnh hưởng của tỉlệ rắn:lỏng đến quá trình biến tính cellulose.................34
Hình 3.3.Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến tính cellulose ......................35
Hình 3.4.Cellulose biến tính ..................................................................................35
Hình 3.5. Phổ IR của cellulose dăm tre chưa biến tính...........................................37
Hình 3.6. Phổ IR của cellulose dăm tre biến tính ...................................................38
Hình 3.7. Ảnh SEM của cellulose chưa biến tính...................................................39
Hình 3.8. Ảnh SEM của cellulose biến tính ...........................................................39


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Tre có mặt ở nhiều nơi trên thế giới và ở khắp các làng quê Việt Nam. Từ
lâu, con người đã biết sử dụng tre để làm nhà, làm đũa, v ật dụng nông nghiệp. Tre
non làm thức ăn, tre khô làm củi đun, … Ngày nay, trong công nghiệp, tre còn đư ợc
dùng làm nguyên liệu sản xuất giấy và làm thuốc chữa các bệnh ngứa, hen suyễn,
ho, …
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay tạo điều kiện thuận lợi cho
sự phát triển của nền kinh tế xã hội, nhưng nó cũng góp phần tạo ra lượng chất thải
độc hại tác động trực tiếp đến sức khỏe con người và động thực vật. Các ngành
công nghiệp như thuộc da, điện tử, công nghiệp hóa dầu... đã gây ô nhiễm nguồn
nước vì chứa các ion kim loại độc hại như Cu, Pb, Ni, Cd, As… Xử lý nguồn nước
ô nhiễm là vấn đề cấp bách của các quốc gia trên thế giới. Hiện nay, các nhà khoa
học đang có xu hướng tìm đến các vật liệuxanh, thân thiện với môi trường, có giá
thành rẻ. Đã có nhiều vật liệu được nghiên cứu như xơ dừa, trấu, vỏ các loại đậu, bã
mía, …làm vật liệu hấp phụ, tuy nhiên chúng tôi chưa tìm thấy tài liệu về vật liệu từ
tre. Do vậy, trong đề tài nghiên cứu này chúng tôi chọn vật liệu là dăm tre với nội
dung“Nghiên cứu chế tạo vật liệu phấp phụ cellulose biến tính từ dăm tre”.
2. Mục tiêu nghiên cứu: Biến tính cellulose tách từ dăm tre
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng: Dăm tre
3.2. Phạm vi nghiên cứu: Quy mô phòng thí nghiệm.
4. Phương pháp nghiên cứu
4.1. Nghiên cứu lý thuyết
- Phân tích và tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài.
- Nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo có liên quan đến đề tài.
- Trao đổi với giáo viên hướng dẫn.
1


4.2. Nghiên cứu thực nghiệm
- Tách cellulose từ dăm tre.
- Biến tính cellulose.
- Xác định khả năng biến tính bằng:
+ Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại (IR).
+ Ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM).
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa h ọc
- Nghiên cứu biến tính cellulose tách từ dăm tre.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần cung cấp tư liệu cho những nghiên
cứu về khả năng hấp phụ ion kim loại trong nước, tạo ra hướng phát triển mới trong
việc xử lý ion kim loại bằng vật liệu rẻ tiền, thân thiện với môi trường.
6. Cấu trúc luận văn
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. TRE
1.1.1. Phân loại khoa học
Tre (Bamboo) thuộc giới Plantae, bộ Poales, họ Poaceae, phân họ
Bambusoideae, liên tông Bambusodea, tông Bambusea [6].

Hình 1.1. Thân tre
1.1.2. Đặc điểm sinh thái
Tre là nhóm thực vật thân gỗ lâu năm, được coi là lớn nhất trong bộ Hòa thảo
(Poales). Thân tre có các lóng rỗng, các bó mạch nằm rải rác khắp thân tre thay vì
sắp xếp hình trụ như gỗ.
Tre là một trong các thực vật phát triển nhanh nhất trên thế giới. Một số loài
có khả năng phát triển 100 cm (39 inch) hoặc nhiều hơn mỗi ngày do hệ thống rễ

3


độc đáo. Tuy nhiên, tỷ lệ tăng trưởng một phần phụ thuộc vào điều kiện thổ nhưỡng
và khí hậu.
Tre có nhiều ý nghĩa về kinh tế và văn hóa đáng chú ý ở khu vực Nam Á,
Đông Nam Á và Đông Á. Tre đang được sử dụng cho vật liệu xây dựng, là một
nguồn thực phẩm và là nguyên liệu linh hoạt cho nhiều sản phẩm.
1.1.3. Thu hoạch và lọc nhựa
a. Thu hoạch
Tre được sử dụng cho mục đích xây dựng phải được thu hoạch khi các cây
đạt sức mạnh lớn nhất và lượng đường trong nhựa ở mức thấp nhất, vì lư ợng đường
cao dễ gây sâu bệnh.
Thu hoạch tre thường được thực hiện theo các chu kỳ sau:
- Vòng đời của thân tre: Khi mỗi thân tre đã được 5 – 7 năm tuổi, cây lý
tưởng đạt tới độ trưởng thành trước khi thu hoạch. Chặt hết hoặc làm giảm bớt số
cây, đặc biệt là các cây lâu năm nhằm đảm bảo ánh sáng và nguồn lực cho sự phát
triển mới. Việc duy trì tốt các cụm tre có thể cho năng suất gấp 3 – 4 lần so với một
cụm hoang dã.
Tùy theo chu kỳ sống được mô tả ở trên, tre được thu hoạch 2 – 3 năm hoặc
5 – 7 năm, tùy thuộc vào loài.
- Chu kỳ hàng năm: Tất cả sự tăng trưởng của tre mới xảy ra vào mùa mưa,
gây rối các cụm trong giai đoạn này sẽ có khả năng thiệt hại vụ tới. Đồng thời lượng
nhựa trong tre cũng cao nhất vào mùa mưa và giảm dần vào mùa khô. Do đó, thời
gian thu hoạch tốt nhất là vào cuối mùa khô một vài tháng trước khi bắt đầu ẩm ướt.
- Chu kỳ hàng ngày: Ban ngày là thời gian quang hợp của tre, làm sản sinh
lượng nhựa cao nhất. Những người thu hoạch truyền thống tin rằng thời gian thu
hoạch tốt nhất là lúc bình minh hoặc hoàng hôn.

4


b. Lọc nhựa
Lọc nhựa là loại bỏ các nhựa sau khi thu hoạch. Ở nhiều vùng trên thế giới,
lượng nhựa trong tre được giảm thông qua lọc sau thu hoạch. Một số cách thường
dùng là:
- Tre cắt được nâng lên khỏi mặt đất và nghiêng so với phần còn lại của cụm
1 – 2 tuần cho đến khi lá chuyển sang màu vàng để cây tiêu thụ hết lượng nhựa.
- Một phương pháp tương tự để giảm lượng nhựa là để tre đứng trong nước,
có thể trong một cái trống lớn hoặc trong một dòng suối.
- Tre cắt được ngâm trong một suối đang chảy trong 3 – 4 tuần.
- Bơm nước qua tre tươi, đẩy nhựa cây ra ngoài.
Độ bền của tre liên quan trực tiếp với việc xử lý từ thời điểm trồng, thu
hoạch, chế biến, vận chuyển và lưu trữ.
1.1.4. Thành phần hóa học
Thành phần hóa học của tre tương tự như gỗ [Higuchi, 1957]. Các thành
phần chính của tre là cellulose, hemicellulose và lignin, các thành phần này chiếm
trên 90% khối lượng của tre. Các thành phần phụ là nhựa, tannin, sáp và muối vô
cơ. Tuy nhiên, so với gỗ thì tre có hàm lượng kiềm, tro và silica cao hơn.
Yusoff [1992] nghiên cứu thành phần hóa học của tre một, hai, ba tuổi. Kết
quả chỉ ra rằng các thành phần holocellulose không khác nhau nhiều giữa các lứa
tuổi khác nhau của tre. Hàm lượng alpha-cellulose, lignin, chất trích ly, pentosan,
tro và silica tăng theo tuổi tre.
Holocellulose bao gồm alpha-cellulose và hemicellulose. Alpha-cellulose là
thành phần chính của tre. Khoảng 40 – 50% chất khô trong tre là alpha-cellulose.
Các phân tử cellulose hoàn toàn tuyến tính và có xu hướng mạnh tạo liên kết hydro
nội phân tử và liên phân tử. Bó của các phân tử cellulose do đó tổng hợp lại với
nhau tạo thành các sợi rất nhỏ. Hemicellulose là các polisaccarit không đồng nhất.
Giống cellulose, hầu hết các chức năng của hemicellulose là hỗ trợ vật liệu trong
5


thành tế bào. Alpha-cellulose là nguồn gốc chính của các tính chất cơ học của tre và
gỗ.
Nói chung, hàm lượng alpha-cellulose trong tre là 40 – 50%, phù hợp với các
báo cáo đã biết về hàm lượng cellulose trong gỗ mềm là 40 – 52% và gỗ cứng là 38
– 56%. Hàm lượng cellulose trong phạm vi này cho thấy tre là vật liệu phù hợp
vớingành công nghiệp giấy và bột giấy.
Lượng lignin trong tre cũng khoảng từ 20 – 26%, gần giống với phạm vi báo
cáo cho gỗ mềm là 24 – 37% và gỗ cứng là 17 – 30%. Hàm lượng lignin cao của tre
góp phần giúp tre chịu nhiệt tốt và tăng độ cứng của tre làm cho nó trở thành một
vật liệu xây dựng có giá trị.
Tre còn chứa các thành phần hữu cơ khác ngoài cellulose và lignin. Tre chứa
khoảng 2 – 6% tinh bột, 2% saccarit khử, 2 – 4% chất béo và 0,8 – 6% protein. Các
thành phần cacbohydrat của tre đóng vai trò quan trọng trong độ bền và dịch vụ
cuộc sống. Độ bền của tre là chống nấm mốc tấn công và đục liên quan chặt chẽ với
thành phần hóa học của tre. Độ bền của tre thay đổi từ 1 đến 36 tháng tùy thuộc vào
loài và điều kiện khí hậu. Sự hiện diện một lượng lớn tinh bột trong tre làm cho tre
rất dễ bị tấn công do nấm, bọ cánh cứng và côn trùng. Đáng chú ý là k ể cả tre 12
tuổi cũng có tinh bột trong toàn thân tre, đặc biệt là trong các tế bào theo chiều dọc
của các mô.
Thành phần tro tre được tạo thành từ khoáng chất vô cơ, chủ yếu là silica,
canxi và kali. Mangan và magie là hai khoáng chất phổ biến khác. Thành phần silica
có cao nhất trong lớp biểu bì, rất ít trong các nút và vắng mặt trong các lóng tre.
Hàm lượng tro trong một số loại tre có thể ảnh hưởng bất lợi đến chế biến.
Số lượng các thành phần hóa học của tre thay đổi theo độ tuổi, chiều cao, lớp
và thành phần hóa học của tre tương quan với tính chất vật lý và các thuộc tính cơ
học của nó [5].

6


1.2. CELLULOSE
1.2.1 Cấu trúc phân tử
Cellulose là một polisaccarit, có phân tử lượng từ1.000.000 đến 2.400.000.
Có công thức chung là (C6H10O5)n trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000 –
14000. Mỗi phân tử cellulose gồm những đường đa được cấu tạo từ các liên kết
glucose. Các phân tử glucose nối với nhau ở vị trí β-1,4 bằng cầu nối oxi. Mỗi phân
tử cellulose có thể cấu tạo từ 200 -1000 phân tử glucose.
Cellulose có dạng hình sợi dài, nhiều sợi liên kết song song với nhau thành
chùm nhờ các liên kết hidro giữa các nhóm –OH. Mạch cellulose xếp đối song song
tạo thành các sợi có đường kính 3,5nm. Mỗi phân tử cellulose chứa khoảng 8000
gốc monosaccarit.
Cellulose có tính chất của 1 tinh thểcrystal và có tính khúc xạ kép vì do cấu
tạo mà phân tử có tính định hướng không gian 3 chiều sắp xếp song song với nhau.

Hình 1.2. Cấu trúc phân tử cellulose

7


Hình 1.3. Cấu trúc phân tử cellulose trong không gian 3 chiều
Tóm lại, nhiều phân tử glucose→ phân tử cellulose→ micel → vi sợi
(fibrille) → sợi cellulose / fibril (macrofibril).

Hình 1.4.Vi sợi cellulose

8


1.2.2. Tính chất vật lý
Cellulose không tan trong nước và các dung môi hữu cơ nhưng tan trong
dung dịch nước svayde (Cu(OH)2 trong NH3), axit vô cơ mạnh như HCl, HNO3... và
một số dung dịch muối như ZnCl2, PbCl2. Cellulose nguyên chất khó nhuộm màu,
trong phòng thí nghiệm thường nhuộm đỏ cellulose bằng carmin alune hay đỏ
Congo. Cellulose có phản ứng màu đặc sắc: ngâm mẫu vào dung dịch axit mạnh
H3PO4/ H2SO4/ ZnCl2, cellulose bị thủy giải thành hydro –cellulose, chất này gặp
iod sẽ có màu xanh.

Hình 1.5. Phản ứng màu của hydro–cellulose với iod
1.2.3. Tính chất hóa học
Tác dụng với dung dịch axit vô cơ và hữu cơ (phản ứng este hóa). Ví dụ như
đun nóng cellulose trong hỗn hợp axit nitric đặc và axit sunfuric đặc thu được
cellulose nitrat.
o

H SO , t
[C6H7O2(OH)3]n+3nHNO3 
 [C6H7O2(ONO2)3]n+ 3nH2O
2

4

Do cellulose được cấu tạo bởi các mắt xích β-D-Glucose liên kết với nhau
bằng liên kết 1,4–Glucozit, do vậy liên kết này thường không bền. Đun nóng
cellulose trong dung dịch axit vô cơ đặc nó bị thủy phân tạo ra các glucose.


o

H ,t
[C6H10O5]n+nH2O 
 nC6H12O6

9


1.2.4. Trạng thái tự nhiên
Cellulose là thành phần chủ yếu cấu tạo nên vách tế bào thực vật, tạo nên bộ
khung của cây. Cellulose là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong tự nhiên chiếm
khoảng 50% cacbon hữu cơ của khí quyển.
Cellulose chiếm khoảng 50% trong gỗ, các sợi bông vải có thể chứa cellulose
nguyên chất 100%. Trung bình cellulose chiếm từ 40-50% vách tế bào. Ngoài ra
cellulose còn có trong vi khuẩn và vài động vật bậc thấp.
1.2.5 . Ứng dụng
Cellulose có ý nghĩa kinh tế rất lớn vì tất cả hàng dệt có nguồn gốc thực vật
và giấy đều trích từ cellulose có vách tế bào thực vật. Những nguyên liệu chứa
cellulose như bông đay gai gỗ thường được dùng trực tiếp (kéo sợi dệt vải, xây
dựng, làm đồ gỗ) hoặc chế biến thành giấy.
Cellulose là nguyên liệu sản xuất tơ nhân tạo: tơ visco, tơ đồng amoniac, tơ
axetat, thuốc súng không khói và chế tạo phim ảnh. Ngày nay cellulose dùng chế
tạo các sản phẩm hữu cơ có giá trị.
1.3. PHƯƠNG PHÁP TÁCH CELLULOSE
1.3.1. Phương pháp tách cellulose
Gỗ với cấu trúc đanh chắc, cần có những quy trình chế biến thích hợp để
chuyển chúng sang dạng xơ sợi mềm mại. Quy trình xử lý nhằm mục đích làm mềm
hoặc làm hòa tan phần lignin (được xem là chất kết dính các bó sợi tạo nên cấu trúc
chặt chẽ của gỗ), từ đó các bó sợi sẽ được giải phóng. Dưới tác dụng hóa học hoặc cơ
học, các sợi cellulose được tách ra và tạo nên huyền phù đồng nhất trong nước. Từ
hai phương pháp hóa học và cơ học, ta có một số loại bột có đặc tính khác nhau như:
Phương pháp hóa học: Với phương pháp này hiệu suất bột đạt từ 45 – 55%,
các thành phần không phải cellulose đã hòa tan phần lớn trong dịch nấu. Bột giấy
chứa chủ yếu là sợi cellulose có độ bền môi trường và cơ lý cao, vì vậy bột giấy loại

10


này được gọi là bột hóa hay bột cellulose. Tùy theo hóa chất sử dụng, ta có các loại
bột giấy sau:
- Bột sođa, thuộc loại bột kiềm – dịch nấu gỗ là dung dịch NaOH.
- Bột sunfat (hoặc gọi là bột kraft), cũng thuộc loại bột kiềm – tác chất nấu là
NaOH và Na2S.
- Bột sunfit, có thể có bột sunfit axit, bột sunfit trung tính hoặc sunfit kiềm.
- Bột bán hóa, là loại bột sunfit được nấu ở chế độ khá êm dịu với NaHSO3,
sau đó sẽ hỗ trợ thêm một giai đoạn xử lý cơ h ọc để tách sợi. Với phương pháp này
hiệu suất có thể được tăng đến 80%.
Phương pháp cơ học: cho bột với hiệu suất cao, có thể đạt từ 85 – 95%. Bột
giấy loại này có thành phần tương đương như gỗ (chỉ có một tỉ lệ nhỏ các chất bị
hòa tan trong quá trình nghiền), được gọi tên là bột cơ, bột gỗ hay bột hiệu suất cao.
Với phương pháp này, quá trình phân tách s ợi chủ yếu nhờ tác động cơ học. Theo
một số cải tiến phát triển sau này, có thể hỗ trợ thêm tác động nhiệt – ta có bột nhiệt
cơ, hoặc tác động của một lượng nhỏ các chất hóa học để cho loại bột hóa nhiệt cơ.
Sau đó tùy theo yêu cầu sử dụng, bột hóa hay bột cơ sẽ được qua giai đoạn
tẩy để làm tăng độ trắng cho bột giấy trong điều kiện đảm báo giá thành và tính chất
kỹ thuật của bột giấy.
1.3.2. Phản ứng của hydratcacbon và lignin trong môi trường kiềm
Có rất nhiều loại phản ứng có thể xảy ra với thành phần hydratcacbon
vàlignin trong gỗ (hoặc tre). Tuy nhiên, phần này chỉ đề cập đến phản ứng của
hydratcabon và lignin trong môi trường kiềm, rất hay gặp trong quá trình sản xuất
hay xử lý bột cellulose.
a. Phản ứng của hydratcacbon trong môi trường kiềm
- Phản ứng oxi hóa – thủy phân hydratcacbon trong môi trường kiềm
Đây là phản ứng rất quan trọng vì luôn gặp trong quá trình nấu hay tẩy trắng
bột giấy.
11


+ Phản ứng oxi hóa
Nhóm OH ở cacbon C2, C3 hoặc C6của vòng glucose bị oxi hóa thành nhóm
cacbonyl, tạo nên những cấu trúc cacbonyl–β–glucoxy nhạy với kiềm.

CH 2OH

C H 2O H
H

O
H

OH

H

O

[O]

O

H
H

O
OH

O

O

H

OH

H

O

Hình 1.6. Phản ứng oxi hóa của hydratcacbon trong môi trường kiềm
+ Thủy phân trong môi trường kiềm
Cấu trúc cellulose bị oxi hóa tại C2 hoặc C3 khá nhạy với dung dịch kiềm. Sự
phân hủy đại phân tử cellulose được tiến hành trước tiên qua sự hình thành một ion,
rồi kế đó dịch chuyển điện tử và gây ra phản ứng cắt mạch.

CH 2OH

CH2OH
O

O

Cellulose

H

OH

Cellulose

O

OH

O

O

OH

O

O

O

C H2O H

C H2O H

H

C ellulose

O

O

O

+

OH
O
O

O
H
O

O

Hình 1.7. Phản ứng thủy phân cấu trúc cacbonyl-β-glucoxy

12


+Phản ứng tách loại và chuyển vị
Trong môi trường kiềm, các cấu trúc dicacbonyl của cellulose (loại xeton
hoặc andehit) sẽ có thể tiếp tục thay đổi bằng phản ứng chuyển vị benzylic hoặc
bằng phản ứng tách loại β.
CH2 OH

CH 2OH

CH2OH
O

H

O

O

H

Cell

Cell

O

H

O

Cell

H

H

H

OH

O

O

O

OH

C

HO
O

HO

O

Cacboxyl

Hình 1.8. Phản ứng chuyển vị và tách loại hydratcacbon
trong môi trường kiềm
- Phản ứng peeling
Sự thủy phân của cellulose trong môi trường kiềm xảy ra theo cơ chế của
phản ứng này. Nó được đặc biệt quan tâm vì đặc trưng của phản ứng là sự giảm
hiệu suất của quá trình nấu và sự giảm trọng lượng phân tử cellulose. Nó là một
phản ứng rất khó tránh vì xảy ra ngay trong giai đoạn gia nhiệt của quá trình nấu
(>80oC). Phản ứng được đặc trưng sự tách dần nhóm khử ở cuối mạch cellulose.
Những phần hydratcacbon bị tách ra thì chuyển thành các axit hữu cơ và như vậy sẽ
làm giảm nồng độ của các ion OH-.
Ví dụ: Một đơn vị đường có nhóm khử ở C1 (đồng phân pyranose), do nhóm
C=O ở cacbon C1 mà hydro của C2 có tính axit và do vậy H này bị lấy đi trong môi
trường kiềm.

13


CHO
H

R'

OH

HO

OH

OH

H

CHO

H

C

OR

H

H

OH

H

H

O
OH

OH

HO

H

C

HO

OR

H

H

OR

H

OH

-

OHOH

OR

R'

OH

R'

R'

+

H
R: mạch polysaccarit; R’: CH2OH (với cellulose và glucose), H (với xylan)
Hình 1.9. Phản ứng peeling
b. Phản ứng của lignin trong môi trường kiềm
- Phản ứng thủy phân
Trong môi trường kiềm, ở nhiệt độ cao (>100oC) lignin có thể bị thủy phân,
thực chất là sự cắt đứt các liên kết ete. Luôn có sự hình thành cấu trúc trung gian là
metylen quinon (II), lúc này liên kết α-O-4 bị bẻ gãy. Tiếp theo là phản ứng cắt
mạch của liên kết β-O-4, có sự hình thành của nhóm cacbonyl tại Cβ. Các cấu trúc
cacbonyl này trong điều kiện nấu cellulose (to cao, pH kiềm) có thể tham gia phản
ứng ngưng tụ.

OH-

R1

H3CO

H3CO
R1

R1

C-OH

CH O

CH O
HC OR2

CH+OR2

OH-

(I)OH (II)

H3CO

C O

O

CH

CH

OH-

OH

OCH3

(III)O

R1

(soda)

or OH- + SHOCH3

H3CO

OCH3

OCH3

(IV)

O

O

R1 = H hoặc CH2OH

14


R2 = H hoặc alkyl
Hình 1.10. Minh họa phản ứng thủy phân lignin trong môi trường kiềm
- Phản ứng ngưng tụ
Một số phản ứng ngưng tụ của lignin trong môi trường kiềm, cụ thể trong
quá trình nấu bột cellulose theo phương pháp kiềm.
L

L

L

L

CH

HC

+
L

OCH3 H

L

OCH3 H3CO
O

OCH3

+ CH2O

O

OCH3

L

O

O

L

OCH3
O

O

L

C
H2

OCH3
O

Hình 1.11. Minh họa phản ứng ngưng tụ của lignin trong môi trường kiềm
1.3.3. Phản ứng hóa học trong quá trình nấu bột sunfat
a. Phản ứng của hydratcacbon
Phản ứng của hydratcacbon trong quá trình nấu bột sunfat tương tự như phản
ứng của hydratcacbon trong môi trường kiềm. Nhiều nghiên cứu cho thấy ion HSkhông ảnh hưởng đến phản ứng của hydratcacbon.
b. Phản ứng của lignin
Quá trình tách lignin trong điều kiện có Na2S sẽ diễn ra nhanh hơn trong môi
trường kiềm. Phản ứng của lignin phụ thuộc vào cả ion HO- và HS-. Vai trò chính
của HS- là tăng tốc độ cho quá trình hòa tan lignin.
Như đã đề cập, một số liên kết phổ biến trong cấu trúc của lignin là β-O-4, αO-4 và α-O-4, β-5. Trong đó kiểu liên kết β-O-4 chiếm từ 50 – 60% tùy loại gỗ, loại
α-O-4 tuy hàm lượng thấp hơn nhiều nhưng đây là những cấu trúc rất hoạt động

15


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×