Công nghệ biến bùn thải nhà máy giấy thành nanocellulose và ứng dụng sản xuất giấy chất lượng cao

Mô tả sản phẩm

Giới thiệu sản phẩm:

1. Vấn đề: sự lãng phí bột giấy trong bùn thải nhà máy giấy
Sản xuất giấy là ngành công nghiệp cơ bản rất quan trọng của thế giới. Trong đó, bột giấy là nguyên liệu đầu vào để làm giấy. Bột giấy được chế biến từ lignocellulose thực vật (gỗ, bã mía, bông) bằng cách loại bỏ lignin, hemicellulose và thu cellulose, vốn chiếm 50-60% khối lượng sinh khối ban đầu. Quá trình này tiêu tốn rất nhiều năng lượng, hóa chất, và nước sạch. Vì thế, bột giấy là một nguyên liệu có giá trị. Giá thành thương mại của bột giấy là 600-1200 USD/tấn tùy theo độ trắng, cơ lý tính, và tỷ lệ tạp chất. Tuy nhiên, quá trình sản xuất giấy luôn bị thất thoát khoảng 10% bột giấy theo nước thải. Và đây là một sự lãng phí vô cùng lớn chưa có giải pháp giải quyết triệt để. Nghiên cứu ở đây nhắm đến mục đích tận dụng nguồn bột giấy thất thoát đó.
Bột giấy cũng có thể được tái tạo từ giấy cũ để làm ra giấy tái chế. Bột giấy có dạng những sợi cellulose nhỏ, mịn, được phân tán trong nước rồi trải trên lưới xeo giấy để đan xen vào nhau thành tấm giấy. Các sợi cellulose liên kết với nhau chặt chẽ bằng lực liên kết hydro thông qua quá trình ép loại bỏ nước rồi sấy. Tuy vậy, luôn có khoảng 10% bột giấy lọt qua lưới xeo giấy, phân tán lơ lửng trong nước với hàm lượng thấp. Hiện tượng này không thể nào tránh khỏi do cơ chế tạo giấy là dùng lưới xeo.
Ở cuối quá trình xử lý nước, các cặn rắn lơ lửng trong nước được bông tụ, ép tách nước và thải ra dưới dạng bùn có màu từ xám đến đen, gọi là bùn giấy. Bùn giấy có khoảng 40-60% bột giấy thất thoát qua lưới xeo giấy, còn lại là cặn bẩn và các tạp chất khác. Bùn giấy là nguồn ô nhiễm hữu cơ vì lượng bột giấy cellulose tồn dư trong đó rất dễ phân hủy gây mùi hôi thối. Các nhà máy giấy thường phải xử lý bùn giấy bằng việc vắt ép nước rồi đem bùn đi đốt tiêu hủy cùng than đá trong lò hơi hoặc chôn lấp theo quy trình riêng.
Mặc dù chứa lượng lớn bột giấy tồn dư, nhưng vì không thể thu hồi tái sử dụng, nên bùn giấy thuần túy chỉ là một chất thải gánh nặng xử lý cho nhà máy. Một số nghiên cứu trên thế giới đề xuất tận dụng bùn giấy làm nhiên liệu sinh học, làm chất độn trong vật liệu xây dựng, chất hấp phụ, lên men hoặc thiêu kết thành tro rồi tận dụng tro của bùn giấy. Tuy vậy hầu như các nghiên cứu này chỉ có tính chất học thuật và ít được ứng dụng trong thực tế.
Ước tính, một nhà máy giấy tái chế năng suất trung bình như Khôi Nguyên (Bình Dương) thải ra 4-5 tấn bùn giấy ép nước/ngày. Và toàn ngành giấy Việt Nam mỗi năm thải ra hàng trăm ngàn tấn bùn giấy chứa cellulose bột giấy quy đổi hàng trăm triệu USD. Rõ ràng, bột giấy tồn dư trong bùn giấy là một nguồn nguyên liệu có giá trị quy mô lớn, đã và đang bị lãng phí vì chưa có giải pháp xử lý phù hợp.
2. Giải pháp được đề xuất: biến bùn giấy thành nanocellulose bằng phương pháp hóa sinh
Trong giải pháp ở đây, đã được đăng ký bằng sáng chế với Cục Sở hữu Trí tuệ, nhóm nghiên cứu Biomass Lab đã chuyển hóa bùn giấy thành cellulose vi khuẩn (là dạng cellulose có hình thái nano cấu trúc 3D) bằng phương pháp hóa sinh kết hợp. Quy trình gồm hai giai đoạn khá đơn giản về mặt khoa học, nhưng đòi hỏi các biện pháp kỹ thuật sáng tạo để giải quyết thực tiễn. Ở giai đoạn đầu, bùn giấy được tiền xử lý để loại bỏ các hóa chất bông tụ trong xử lý nước (ví dụ: aluminum polyacrylate, phèn chua, vân vân) rồi thủy phân bằng acid loãng để thu dung dịch đường glucose. Dung dịch lại được trung hòa, khử muối để trở nên phù hợp cho môi trường sống của vi khuẩn Acetobacter Xylinum. Sau đó, dung dịch được lên men với vi khuẩn Acetobacter Xylinum để thu các màng cellulose vi khuẩn (BC) nổi lên bề mặt. Các màng BC này dày, chắc (tương tự thạch dừa), là dạng nanocellulose có cấu trúc 3D với nhiều tiềm năng ứng dụng.
Nhóm nghiên cứu đã áp dụng giải pháp này ở quy mô thử nghiệm pilot tại nhà máy giấy Thuận An (Bình Dương) và nhà máy giấy Khôi Nguyên (Bình Phước). Cellulose vi khuẩn thu được từ thủy phân và lên men bùn giấy đã được thu nhận và xay nhỏ rồi trộn vào bột giấy với tỷ lệ 10-20% để thu được giấy có chất lượng cải thiện đáng kể. Lí do là vì cellulose vi khuẩn có cấu trúc sợi nano 3D rất mịn nên giúp các sợi giấy bó chặt vào nhau hơn, tạo nên bề mặt giấy mịn, láng, cơ tính vượt trội.
3. Tiềm năng ứng dụng của cellulose vi khuẩn từ bùn giấy
Việc nhóm nghiên cứu thử nghiệm dùng cellulose vi khuẩn để làm phụ gia tăng cường chất liệu của giấy thành phẩm tại nhà máy Thuận An và Khôi Nguyên chỉ là một ví dụ của rất nhiều ứng dụng tiềm năng của sản phẩm này.
Cellulose vi khuẩn là dạng cellulose nano cấu trúc mạng lưới 3D không chứa các thành phần bao bọc phức tạp như lignocellulose thực vật. Để minh họa cho sự khác biệt này, ta có thể xem lignocellulose thực vật là những chùm dây đồng được bao bọc bởi rất nhiều lớp cách điện để tạo thành dây cáp điện, còn cellulose vi khuẩn là những sợi dây đồng nhỏ, mảnh, không có lớp bao bọc lignin và hemicellulose. Cellulose vi khuẩn có cơ tính vô cùng mạnh mẽ, khả năng hấp phụ rất lớn, tốc độ sinh tổng hợp bởi vi khuẩn lớn gấp hàng trăm lần cellulose thực vật. Vì vậy, các ứng dụng tiềm năng khác của cellulose vi khuẩn lên men từ bùn giấy có thể kể đến là:
- Làm bao bì, gõ nhân tạo, vải nhân tạo, da nhân tạo.
- Làm chất mang trong các cấu trúc vật liệu nanocomposite nguồn gốc sinh học.
- Vật liệu công nghệ cao trong lĩnh vực điện tử, bán dẫn.
- Vật liệu sinh học trong y tế, mỹ phẩm, hóa chất.
- Tiền chất tạo nano cellulose tinh thể, là vật liệu sinh học cao cấp nhất được ứng dụng làm áo giáp chống đạn.
Kết luận: giải pháp chuyển hóa bùn giấy nhà máy giấy thành cellulose vi khuẩn không chỉ giúp nhà máy giải quyết được một phần gánh nặng xử lý chất thải, mà còn góp phần vào nền kinh tế tuần hoàn, tái sử dụng khôn ngoan tạo sự bền vững trong sản xuất. Sản phẩm cellulose vi khuẩn là một nguyên liệu giá trị, tiềm năng có thể được tạo ra với số lượng lớn từ nguồn phế thải khổng lồ của ngành công nghiệp giấy.
Nghiên cứu này đã nhận được kinh phí nghiên cứu đặt hàng của Bộ TNMT, ĐH Quốc gia Tp.HCM. Nhóm nghiên cứu gồm các giảng viên, nghiên cứu viên và sinh viên của trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM, trường ĐH Khoa học Tự nhiên Tp.HCM, và trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Tp.HCM. Đề tài được nghiêm thu cấp cơ sở tháng 12/2023 tại trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Tp.HCM với kết quả Xuất sắc.

Tính năng cơ bản:

a. Sáng chế mới: giải pháp này là một ý tưởng mới hoàn toàn, chưa có giải pháp tương tự trên thị trường. Hai điểm nổi bật mà giải pháp hướng đến bao gồm.
- Một là: bùn giấy thải cho đến nay thực tế vẫn là một gánh nặng xử lý chất thải cho ngành giấy mặc dù rất giàu cellulose bột giấy. Việc tận dụng nguồn cellulose bột giấy trong bùn giấy thải cho đến nay chưa hiệu quả, chỉ dừng ở các nghiên cứu quy mô PTN. Mặc dù một số ý tưởng đã được nghiên cứu như dùng bùn giấy để làm vật liệu xây dựng, nhiên liệu sinh học, chất hữu cơ, vật liệu hấp phụ, vân vân, nhưng chưa có nghiên cứu nào khả thi ứng dụng thực tế vì chi phí cao và thiếu khả năng mở rộng quy mô.
- Hai là: cellulose vi khuẩn đã được nhiều nghiên cứu và bằng sáng chế (phần lớn từ Nhật Bản) cho thấy là nguyên liệu làm giấy cao cấp vì bản chất là nanocellulose nguyên chất. Cellulose vi khuẩn có thể sản xuất từ các nguồn carbohydrate đa dạng như phế phụ phẩm nông nghiệp, dịch đường, dịch nước ép từ vỏ trái cây, vân vân. Tuy nhiên, giá thành sản xuất cellulose vi khuẩn vẫn cao đáng kể và những nguồn này là những nguồn dinh dưỡng có thể có các ứng dụng khác trực tiếp hơn, đơn giản hơn. Cho đến nay, chưa có nghiên cứu nào về việc chuyển hóa cellulose tồn dư trong chất thải bùn giấy thành cellulose vi khuẩn.
Vì thế, nghiên cứu việc tận dụng bùn giấy với mục tiêu chuyển hóa cellulose bột giấy tồn dư thành cellulose vi khuẩn và ứng dụng làm nguyên liệu sản xuất giấy để giải quyết cùng lúc 2 vấn đề trên.
b. Lợi ích của kết quả nghiên cứu đối với ngành, đối với tổ chức chủ trì, đối với xã hội:
- Với ngành giấy: bùn giấy thải không còn là một chất thải thuần túy mang lại gánh nặng xử lý cho nhà máy giấy (hiện nay, hầu như tất cả nhà máy giấy tại Việt Nam đều xử lý bùn giấy bằng cách ép nước và tiêu hủy trong lò đốt), mà còn là sự lãng phí nhất định nguồn cellulose bột giấy có giá trị. Nếu bùn giấy thải được tận dụng để làm nguyên liệu giấy, thì điều này không chỉ giúp ngành công nghiệp giấy có thêm sản phẩm với giá trị gia tăng, mà còn làm bền vững quá trình sản xuất, phù hợp với xu hướng xây dựng nền kinh tế tuần hoàn.
- Với xã hội: việc sử dụng bùn giấy thải làm nguyên liệu làm giấy giúp tiết kiệm chi phí sản xuất và tài nguyên thiên nhiên. Cellulose vi khuẩn từ bùn giấy không chỉ làm nguyên liệu giấy mà còn có nhiều ứng dụng khác. Do đó, lợi ích mà nghiên cứu đem lại cho xã hội không chỉ là vấn đề kinh tế, giải quyết chất thải, mà còn góp phần xây dựng một thế giới xanh, sạch, tái tạo.

Tính sáng tạo và đổi mới:

Nghiên cứu này mang ý nghĩa cao về khái niệm kinh tế tuần hoàn, là một trong những chính sách quan trọng của nhân loại nói chung, chính phủ nước ta nói riêng đã đặt ra cho các định hướng phát triển về khoa học kỹ thuật và nền sản xuất. Một nguồn chất thải khối lượng rất lớn của một ngành công nghiệp quan trọng được chuyển hóa thành nguyên vật liệu có thể ứng dụng trở lại ngay trong quy trình sản xuất với phương thức đơn giản. Việc ứng dụng này đã được chứng minh là nâng cao chất lượng giấy. Nhưng ứng dụng để làm giáy không phải là ứng dụng duy nhất và giá trị nhất mà còn rất nhiều ứng dụng khác của cellulose vi khuẩn lên men từ bùn giấy như vật liệu nanocomposite, nhựa sinh học, vật liệu tổng hợp nguồn gốc sinh học, các loại màng lọc cao cấp, vân vân.

Nhóm nghiên cứu đối chiếu với tình hình nghiên cứu trên thế giới và từ đó rút ra hai kết luận sau về tính độc đáo, khác biệt của giải pháp:

- Chưa có nghiên cứu nào về việc tận dụng bùn giấy thải (nguồn cellulose phế thải chất lượng rất thấp) để chuyển hóa thành nguồn cellulose chất lượng cao.
- Chưa có hoặc rất ít các nghiên cứu ứng dụng BC lên men từ bùn giấy để làm nguyên liệu giấy.

Giải pháp được thử nghiệm thành công ở quy mô pilot với sự hợp tác của nhà máy giấy Khôi Nguyên (Bình Phước) và Thuận An (Bình Dương). Điều này minh chứng cho tiềm năng và khả năng triển khai ứng dụng tại Việt Nam.

Tính ứng dụng:

Nghiên cứu này đã nhận được kinh phí nghiên cứu đặt hàng của Bộ TNMT và ĐH Quốc gia Tp.HCM. Nhóm nghiên cứu gồm các giảng viên, nghiên cứu viên và sinh viên của trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM, trường ĐH Khoa học Tự nhiên Tp.HCM, và trường ĐH Tài nguyên và Môi trường Tp.HCM. Trưởng nhóm nghiên cứu là PGS.TS. Nguyễn Đình Quân, trưởng PTN Nhiên liệu Sinh học và Biomass, khoa Kỹ thuật Hóa học, trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM.
Nhóm nghiên cứu nhận được sự cộng tác và quan tâm của các đơn vị ngành giấy như:
- Nhà máy giấy An Bình (Thủ Đức, Tp.HCM).
- Nhà máy giấy Khôi Nguyên (Bình Phước)
- Nhà máy giấy Thuận An (Bình Dương)
- Nhà máy giấy Kraft of Asia (Phú Mỹ, Bà Rịa - Vũng Tàu)
- Mitsui Chemicals R&D Center (Singapore).

Giải pháp có thể ứng dụng trực tiếp tại các doanh nghiệp sản xuất giấy với sản phẩm cellulose vi khuẩn là một nguyên phụ liệu của chính quá trình sản xuất giấy, cũng như là sản phẩm mang giá trị gia tăng của quá trình sản xuất.

Tiềm năng phát triển:

Nhóm nghiên cứu là tập hợp đội ngũ các nhà khoa học của 3 trường đại học hàng đầu về khoa học công nghệ:

- Lĩnh vực kỹ thuật hóa học: trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, ĐH QG TP.HCM
- Lĩnh vực CN sinh học: trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM, ĐH QG TP.HCM
- Lĩnh vực môi trường: Đại học Tài nguyên và Môi trường Tp.HCM

Bên cạnh đó, giải pháp được sự quan tâm của nhiều doanh nghiệp ngành giấy như nhà máy giấy Khôi Nguyên (Bình Phước), nhà máy giấy Thuận An (Bình Dương), nhà máy giấy Kraft of Asia (Bà Rịa, thuộc tập đoàn Sojitz Nhật Bản), trung tâm R&D Mitsui Chemicals Singapore, vân vân.

Với lực lượng chuyên môn cao, máy móc thiết bị sẵn có (trong đó có 1 xưởng thử nghiệm pilot trị giá 1 triệu USD kế thừa của dự án JICA-JST hợp tác giữa Việt Nam - Đại học Quốc gia Tp.HCM và Nhật Bản - Đại học Tokyo), giải pháp hoàn toàn có thể phát triển sâu hơn, nghiên cứu xa hơn, để phát triển hơn nữa hiệu quả ứng dụng vào thực tiễn.

Video: