Công nghệ biến bùn thải giấy thành siêu vật liệu cao cấp được giải thưởng châu Á

Nghiên cứu đã liên tiếp giành được giải thưởng cao tại các cuộc thi từ cấp trường đến cấp khu vực như: Cuộc thi nghiên cứu khoa học của Văn phòng Đào tạo quốc tế (Đại học Bách khoa TP HCM), cuộc thi khởi nghiệp đổi mới sáng tạo Bach Khoa Innovation, Tech Planter Việt Nam. Tại cuộc thi Tech Planter khu vực châu Á 2020, dự án vinh dự là 1 trong 3 công trình đoạt giải Nhất.

PGS TS Nguyễn Đình Quân (đứng giữa) và các học trò.

Trong một lần nhóm đi thực tế ở công ty giấy, thầy Quân giới thiệu cho cả nhóm nghe về bùn giấy - loại chất thải cuối cùng của quá trình sản xuất, không thể sử dụng được vào bất cứ việc gì.

Chất thải hôi nồng nặc gồm phụ gia, phần bột giấy có sợi quá nhỏ và yếu không đảm bảo để làm thành giấy tốt.

Nhà máy thường phải tốn nhiều chi phí để đem chôn, tiêu hủy hoặc vắt nước, đốt trong lò xử lý. Trong lượng bùn thải chứa đầy tạp chất độc hại nhưng chỉ được đem đi đổ hoặc chôn lấp gây ra những hệ lụy vô cùng nguy hiểm cho môi trường. Ước tính mỗi ngày, nhà máy này thải ra hàng chục tấn bùn giấy mỗi ngày.

PGS.TS Nguyễn Đình Quân phát hiện, lượng chất thải đó chính là nguồn cellulose đã tiền xử lý, loại bỏ lignin của quá trình sản xuất giấy.

Cellulose bùn giấy được thủy phân dễ dàng bằng acid loãng. Sản phẩm đường thủy phân được vi khuẩn acetobacter xilynum chuyển hóa trở lại thành cellulose vi khuẩn.

Cellulose vi khuẩn khá tinh khiết, chúng hình thành dạng các màng dày nổi lên trên hỗn hợp. Sau đó, ta có thể lấy lớp màng này vào xử lý thành loại vật liệu, ứng dụng và sản xuất. Đây là loại vật liệu đang được ngành khoa học vật liệu thế giới ưu tiên nghiên cứu.

Quy trình tái chế bùn giấy thành vật liệu siêu bền được PGS.TS Quân mô phỏng qua sơ đồ

Chuyến đi thực tế kết thúc, PGS.TS Nguyễn Đình Quân và ThS Trần Thị Tường An đã gợi ý và hướng dẫn cho nhóm ý tưởng nghiên cứu xử lý loại bùn thải này thông qua phương pháp thủy phân màng BC để tạo ra Nano cellulose.

“Lớp màng này đem trộn với giấy thu được giấy mịn và cứng hơn hoặc có thể dùng làm đồ giả da, giả gỗ. Vật liệu sinh học nanocrystal cellulose (CNC) thu được trong quá trình trên có độ bền gấp 8 lần sợi kevla, 16 lần thép. Loại vật liệu này có nhiều đặc điểm giống thạch dừa”, PGS TS Nguyễn Đình Quân nói.

Tốc độ sinh trưởng của lớp màng gần như không có giới hạn. Chi phí cho quá trình này không cao. 

PGS-TS Nguyễn Đình Quân khẳng định, sự thành công trong đề tài của nhóm sinh viên chính là đã tạo ra lớp màng Cellulose vi khuẩn. Chi phí để thực hiện quá trình này không quá đắt, phù hợp với năng lực của các nhà máy, kể cả nhà máy nhỏ.

Nghiên cứu đã mở ra một hướng mới cho việc giữ gìn môi trường, cải tạo và xử lý chất thải, tạo ra vật liệu ứng dụng cao vào thực tiễn. 

PGS TS Nguyễn Đình Quân và nhóm sinh viên trong ngày thi Tech Planter châu Á.

Thành viên Nguyễn Long Hoàng cho biết, nhóm gồm: Nguyễn Hoàng Phong, Nguyễn Long Hoàng, Thảo Hiền, Anh Kiệt, Minh Anh.

Tất cả đều là sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm chương trình Chất lượng cao, học hoàn toàn bằng tiếng Anh của trường ĐH Bách Khoa TP.HCM.

Xuất phát từ tình yêu với nghiên cứu khoa học, mong muốn tạo ra sản phẩm có giá trị cao, thân thiện môi trường nên đã lập ra nhóm Bimass Lab từ trước khi tham gia dự án.

Để thực hiện đề tài này, nhóm liên hệ với nhà máy giấy xin bùn thải đem về phòng thí nghiệm của trường nghiên cứu và xử lý.

Bùn thải được thủy phân bằng axit loãng, sau đó đưa vi khuẩn Acetobacter xylinum vào dung dịch này để chuyển hóa thành Cellulose vi khuẩn. Đây là thành phẩm quan trọng mà đề tài của cả nhóm tạo được.

Loại cellulose vi khuẩn này có đặc tính vượt trội hơn cellulose thực vật là không chứa các tạp chất như lignin, hemicellulose, đặc biệt là dễ kết thành mảng mỏng và nổi lên trên bề mặt dung dịch rất dễ thu gom. Cellulose vi khuẩn có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

Mục tiêu trong đề tài của Biomass Lab là thủy phân Cellulose vi khuẩn thành Nano cellulose (CNC), đây được xem là một loại siêu vật liệu cao cấp nhất hiện nay trên thế giới mà khoa học vật liệu đang có nhiều nghiên cứu ứng dụng.

Cả nhóm thi trực tuyến.

Long Hoàng chia sẻ thêm, việc dự án lọt vào vòng chung kết Tech Planter châu Á 2020 là bất ngờ lớn với nhóm.

Nhóm phải đối mặt với các đối thủ nặng ký đến từ hàng trăm trường đại học, công ty có tiếng. Đề tài của họ công phu, có tính ứng dụng cao.

Lực lượng chuyên gia, giáo sư hỗ trợ của các nhóm khá hùng hậu. Nhiều giáo sư từng có công trình được công bố trên các tạp chí uy tín thế giới, đạt giải Nobel như trường hợp đội Cytomed của Singapore do GS Peter Choo (người từng học và làm việc với giáo sư người Nhật đạt giải Nobel về tế bào gốc) dẫn đầu, giới thiệu công nghệ tế bào gốc tiêu diệt tế bào ung thư.

Tại Việt Nam, có nhiều đề tài nộp dự thi nhưng chỉ chọn ra 2 đề tài tham gia vòng chung khảo tại Singapore.

Buổi chung khảo diễn ra trực tuyến. Ngày thi, cả nhóm ngồi trước màn hình máy tính, tham gia thuyết trình với hội đồng từ bên kia. 

"Ban đầu thầy động viên nhóm gửi dự thi để cọ xát và trau dồi chuyên môn, kinh nghiệm nên khi nhóm được BTC thông báo giành giải Nhất, cả nhóm rất bất ngờ. Tuy vậy, mọi người đều tự hào, vì mình lực lượng hỗ trợ mỏng, chỉ có 1 thầy, 1 cô mà giành được vị trí cao", Long Hoàng tâm sự. 

Sau khi giành được giải thưởng, nhóm của Long Hoàng quay lại với kỳ thi học kỳ. Nhóm dự định thời gian tới sẽ tiếp tục nghiên cứu chuyên sâu để hoàn thiện công trình, đưa vào ứng dụng tại các nhà máy.

Quang Sơn