Dioxit silic hữu cơ thu hồi được từ rơm rạ có thể sử dụng làm chất độn gia cường cho cao su, làm chất hấp phụ trong quá trình xử lý nước, lớp phủ hữu cơ chống ăn mòn và chất hút ẩm.

Tiềm năng từ rơm rạ

TS Thái Đình Cường - Viện Kỹ thuật Hóa học (Đại học Bách khoa Hà Nội) cho biết, sinh khối lignoxenlulo, bao gồm gỗ hay các loại thực vật phi gỗ chứa xơ sợi, trong đó tiềm năng là phế phụ phẩm cây nông nghiệp.

Đây là nguồn nguyên liệu tái sinh, đa dạng và có tính chất phù hợp để sản xuất nhiều sản phẩm có giá trị như hóa chất, các vật liệu thiết yếu trong tương lai, hay thay thế nguồn nguyên liệu hóa thạch... Sản xuất vật liệu và hóa chất xanh từ nguồn nguyên liệu lignoxenlulo là một trong những hướng nghiên cứu và phát triển công nghệ trọng tâm trên thế giới.

Nước ta là nước nông nghiệp, các loại cây nông nghiệp rất đa dạng. Hàng năm sau thu hoạch, một lượng phế phụ phẩm chứa xenlulo vô cùng lớn, như rơm rạ, thân ngô, bã mía, ước đạt hàng chục triệu tấn, có thể thu gom và tận dụng.

Tuy vậy, hiện nay các dạng nguyên liệu này vẫn chưa được sử dụng hiệu quả, do chất lượng không đồng đều, vấn đề thu gom, tồn trữ gặp khó khăn nhưng cơ bản nhất là chưa có công nghệ chế biến phù hợp đáp ứng hiệu quả kinh tế và môi trường nhất định.

Chỉ một phần nhỏ các dạng phế phụ phẩm này được tận dụng là chất đốt sinh hoạt, phân bón hữu cơ… còn lại bị vứt bỏ và phương thức xử lý chủ yếu là đốt, gây lãng phí và không ít vấn đề về bảo vệ môi trường, sức khỏe cộng đồng, nhất là đối với các vùng gần đô thị hoặc khu dân cư có mật độ cao.

Trên thế giới cũng như trong nước cũng đã có nhiều nghiên cứu sử dụng rơm rạ và thân ngô để chế tạo vật liệu xơ sợi, vật liệu composit, nhiên liệu sinh học…, nhưng chưa có hướng nghiên cứu chế tổng hợp, để tận dụng toàn bộ sinh khối hay chế biến sâu để tạo ra sản phẩm đa dạng. Trong khi nhu cầu về các sản phẩm như bột xenlulo, dioxit silic, các sản phẩm tự nhiên, chất hấp phụ, vật liệu nano là rất lớn.

Nhóm đã tiến hành nghiên cứu, chế tạo nano xenlulo và dioxit silic từ rơm lúa gạo nhằm tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp, từ đó tạo ra các sản phẩm giá trị cho quá trình sản xuất nông nghiệp cũng như làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Nhóm đã lựa chọn nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu là rơm rạ (lúa cả cây) giống Q5 vụ hè thu và thân ngô giống NK7328 thu hoạch ở xã Dân Lực, huyện Triệu Sơn, Thanh Hóa. Rơm rạ được làm sạch hạt thóc còn lại, đất cát và để khô gió, sau đó cắt thành từng đoạn 3 - 5 cm, rồi được nghiền bằng máy với sàng lỗ 7mm.

Sàng chọn lấy phần trên sàng 0,5 mm, trộn đều và bảo quản trong túi nilon kín trong điều kiện bình thường của phòng thí nghiệm. Phần qua sàng 0,5 mm là phần mùn vụn, cát, bụi được thải bỏ.

Tạo ra nhiều sản phẩm có giá trị

Theo TS Thái Đình Cường, bước đầu tiên là chuẩn bị sợi xenlulo từ nguyên liệu rơm rạ. Có nhiều phương pháp có thể sử dụng để sản xuất xenlulo từ các vật liệu lignoxenlulo khác nhau. Phương pháp khả thi nhất là nấu bằng kiềm, đang được áp dụng trên quy mô công nghiệp để sản xuất bột giấy xenlulo từ gỗ. Dịch kiềm không chỉ tách loại lignin mà còn hòa tan tốt dioxit silic có trong rơm rạ thu được xenlulo, sau đó tẩy trắng xenlulo bằng hydropeoxit thu bột xenlulo tẩy trắng.

Thông thường, sau khi nấu để thu xenlulo thì dịch đen được vứt bỏ, nhưng dịch đen nấu rơm rạ chứa một lượng lớn dioxit silic. “Vì vậy, chúng tôi đã tiến hành thu oxit silic từ dịch đen sau nấu kiềm ở bước thứ hai bằng cách kết tủa bằng axit sunfuric. Dioxit silic hữu cơ thu hồi được có thể sử dụng làm chất độn gia cường cho cao su, làm chất hấp phụ trong quá trình xử lý nước, làm lớp phủ hữu cơ chống ăn mòn, làm chất hút ẩm”, TS Thái Đình Cường cho hay.

Đặc biệt, ở bước thứ ba là chế tạo nanoxenlulo, có thể nghiên cứu các phương pháp thân thiện môi trường hơn với việc sử dụng các chất oxy hóa như hydropeoxit. Phương pháp hydropeoxit này có thể làm thay đổi cấu trúc xenlulo ở giai đoạn phân tách, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo nanoxenlulo.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, từ nguyên liệu rơm rạ, một loại phế phụ phẩm nông nghiệp đã chế tạo thu được 2 loại sản phẩm là dioxit silic và nanoxenlulo từ nguyên liệu rơm rạ. Hiệu suất thu hồi dioxit silic khoảng 9,4% so với nguyên liệu ban đầu.

Với điều kiện tổng hợp nanoxenlulo tối ưu: Mức sử dụng axit sunfuric và hydropeoxit lần lượt là 4% và 10% so với xenlulo; tỷ lệ rắn: Lỏng là 1:12 nhiệt độ xử lý 1500C; thời gian xử lý 180 phút đã thu được nanoxenlulo với hiệu suất khoảng 37,3% so với nguyên liệu ban đầu.

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành xử lý 1.000 gam nguyên liệu rơm rạ theo các điều kiện công nghệ đã chọn được để thu dioxit silic và nanoxenlulo. Kết quả thu được 92 gam dioxit silic và 368 gam nanoxenlulo. Kết quả thu được cho thấy, khi xử lý ở mẻ lớn nguyên liệu rơm rạ thì hiệu suất thu dioxit silic (9,2% so với 9,5%) và nanoxenlulo (36,8% so với 37,5%) có giảm nhẹ so với hiệu suất đã xác định được ở quy mô thí nghiệm.