Vật liệu siêu hút nước từ lá dứa: “Giải khát” cho những cánh đồng

Với sản lượng nằm trong top 10 thế giới, trái dứa có đóng góp không nhỏ cho nền kinh tế Việt Nam nhưng cũng đặt ra bài toán lớn về môi trường: “Mỗi cân dứa khi thu hoạch sẽ tương ứng với 2-3 kg lá dứa bị bỏ đi. Theo diện tích hiện nay, tổng lượng lá dứa bỏ đi ở Việt Nam hằng năm rơi vào khoảng 3 triệu tấnm hầu hết được xử lí bằng cách đốt bỏ, gây ảnh hưởng cho môi trường. Cũng có một số giải pháp khác như ủ phân nhưng chỉ xử lí được một phần rất nhỏ”, PGS.TS. Văn Phạm Đan Thủy ở khoa Công nghệ, trường ĐH Cần Thơ cho biết. Lá dứa vốn cứng và nhiều gai, nên một số nơi còn thuê máy băm nhỏ lá dứa để phân hủy tự nhiên trên cánh đồng, dẫn đến bốc mùi và ô nhiễm. Để đẩy nhanh thời gian xử lí chuẩn bị cho mùa vụ mới, có người còn phun thuốc diệt cỏ cho lá dứa nhanh khô để đốt, ảnh hưởng lớn đến môi trường và sức khỏe. Do vậy, giải quyết lá dứa sau thu hoạch là bài toán gắn liền với người trồng, nếu muốn tiếp tục có nguồn thu từ dứa trong tương lai.

Dưới góc nhìn của một nhà khoa học vật liệu như chị Thủy, những phụ phẩm nông nghiệp bị coi là rác như lá dứa lại là nguồn cellulose đầy tiềm năng. “Lá dứa có hàm lượng cellulose cao, ở các nước phát triển còn trồng cỏ để sản xuất cellulose, tại sao mình có hệ thực vật rất phong phú mà không tận dụng?”.

Vậy cellulose trong lá dứa có thể dùng để làm gì khác? Chị và các cộng sự đã tìm thấy hướng đi cho riêng mình sau khi tìm hiểu nhu cầu thực tế: vật liệu polymer siêu hút nước (SAP) từ lá dứa.

Xuất phát từ những ý tưởng trên, nhóm nghiên cứu đã bắt tay vào chế tạo vật liệu polymer siêu hút nước từ lá dứa. “Mục tiêu của chúng tôi hướng đến là tìm ra một loại vật liệu có khả năng hút nước cao, độ bền tốt và thân thiện với môi trường”, theo nhóm nghiên cứu.

Đi tìm “công thức bí mật”

Nghiên cứu polymer siêu hút nước không phải là chủ đề mới ở Việt Nam. Tuy nhiên, tổng hợp polymer siêu hút nước từ cellulose tự nhiên như lá dứa phức tạp hơn nhiều so với thông thường. Về bản chất, polymer siêu hút nước là kết quả của phản ứng đồng trùng hợp giữa axit acrylic với cellulose. Tuy nhiên, “hầu hết các nghiên cứu và sản xuất vật liệu siêu hút nước trên ở Việt Nam và thế giới không sử dụng cellulose từ các loại thực vật mà dùng các loại dẫn xuất của cellulose như carboxymethyl cellulose (một chất phụ gia thường dùng để điều chỉnh độ nhớt, làm đặc hoặc chất nhũ hóa trong thực phẩm, y tế,...) bởi nó dễ hòa tan trong hệ phản ứng hơn. Trong khi đó, cellulose tự nhiên rất khó hòa tan, dẫn đến không gắn kết được vào trong mạch polymer, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp”, PGS.TS. Văn Phạm Đan Thủy giải thích.

Trong quá trình tìm cách gắn cellulose tự nhiên trong hệ phản ứng, nhóm nghiên cứu đã chú ý đến hai yếu tố: chất khơi mào azobisisobutyronitrile (AIBN) và chất khâu mạng ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA). “Đây là cách tiếp cận mới mà một số nơi đã sử dụng để thúc đẩy tính ổn định và khả năng hút nước của vật liệu polymer siêu hút nước”, chị cho biết. “AIBN giúp khơi mào phản ứng polymer hóa axit acrylic, sau đó EGDMA đóng vai trò là chất khâu mạng, tạo cầu nối giữa các mạng polymer. Ưu điểm của AIBN là có hiệu suất phản ứng polymer hóa cao, còn EGDMA lại có khả năng tạo ra mạng liên kết rất bền”.

Với kinh nghiệm nhiều năm trong lĩnh vực tổng hợp polymer, PGS.TS. Văn Phạm Đan Thủy và các cộng sự biết rằng điểm mấu chốt để hai thành phần này phát huy hiệu quả trong tổng hợp polymer siêu hút nước là tìm ra điều kiện phản ứng tối ưu. Quá trình này đòi hỏi họ phải thiết kế rất nhiều thử nghiệm để xác định được nồng độ các chất khơi mào, liên kết mạng, áp suất, nhiệt độ, tỉ lệ và thời điểm đưa cellulose vào phản ứng,... Có lẽ đây là công đoạn phức tạp nhất, vì điều kiện phản ứng để tạo ra tính chất “siêu hút nước”, “độ bền cao” và “thân thiện với môi trường” lại khá mâu thuẫn với nhau. Chẳng hạn, “khi sử dụng EGDMA với hàm lượng thấp thì độ hút nước của vật liệu sẽ rất cao, tuy nhiên cấu trúc lại không bền. Để tăng hàm lượng thân thiện với môi trường, chúng tôi đã tăng lượng cellulose, nhưng khi đó vật liệu lại bị vỡ cấu trúc sớm, độ bền vật liệu kém. Bởi vì cellulose tạo mật độ khâu mạng cao, nhưng chỉ cao ở mức cục bộ nên nó sẽ rất dễ bị vỡ”, chị giải thích.

Sau quá trình dài mày mò, nhóm nghiên cứu đã tìm ra “công thức bí mật” để tổng hợp polymer siêu hút nước từ lá dứa. Với nguồn nguyên liệu thu thập ở Hậu Giang - một trong những vùng trồng dứa lớn nhất cả nước, nổi tiếng với chỉ dẫn địa lý dứa Cầu Đúc, họ đã xử lí lá dứa bằng nước, NaOH và NaClO để tách cellulose trước khi kết hợp với axit acrylic, AIBN và EGDMA. Tất cả thành phần nhóm nghiên cứu lựa chọn đều hướng đến một quy trình “xanh” nhất có thể: “Chúng tôi có thêm bước xử lí lá dứa với nước để nguyên liệu bông tơi ra, sau đó xử lí bằng NaOH sẽ hiệu quả hơn, lượng NaOH cần dùng sẽ ít hơn. Các dung dịch này có thể thu hồi và tái sử dụng sau quá trình sản xuất”, chị cho biết.

Điểm đáng chú ý là vật liệu được tạo ra theo công thức này có độ bền và khả năng hút nước vô vùng vượt trội: “Kết quả thử nghiệm cho thấy nó có thể hút được lượng nước cao gấp 1900 lần so với trọng lượng của chính nó và giữ được cấu trúc trong 20 ngày”, nhóm nghiên cứu hào hứng. Trong khi đó, vật liệu polymer siêu hút nước thông thường chỉ cần tồn tại trong 3-5 ngày, với khả năng hút nước từ 500-800 lần đã được coi là đạt. Kết quả nghiên cứu càng được khẳng định thông qua việc công bố trên tạp chí Carbohydrate Polymers - một tạp chí uy tín thuộc nhóm Q1 và có thứ hạng cao trong lĩnh vực khoa học vật liệu.

Ứng dụng “xanh” cho nông nghiệp

Không ít người bất ngờ khi biết rằng nghiên cứu này được thực hiện hoàn toàn ở Việt Nam, đặc biệt là ở một đơn vị nằm xa trung tâm như trường ĐH Cần Thơ. “Một điều may mắn là chúng tôi có các thành viên giàu kinh nghiệm như PGS.TS. Đoàn Văn Hồng Thiện, cũng như lực lượng sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh rất mạnh. Ngoài ra, cơ sở vật chất và trang thiết bị ở trường ĐH Cần Thơ cũng đáp ứng được điều kiện nghiên cứu”, chị cho biết.

Với đội ngũ nhân lực có năng lực chuyên môn tốt, nguồn nguyên liệu lá dứa dồi dào và điều kiện sản xuất phù hợp với Việt Nam, có lẽ con đường thương mại hóa sản phẩm polymer siêu hút nước từ lá dứa không còn xa? “Việc có được quy trình sản xuất hoàn thiện không quá khó. Chúng tôi cũng đang hướng đến thương mại hóa, bởi mục tiêu của cả nhóm là đem lại sản phẩm thực sự hữu ích trong thực tế và nâng cao giá trị cho lá dứa”, PGS.TS. Văn Phạm Đan Thủy cho biết.