TÓM TẮT:
Vấn đề ô nhiễm môi trường và nhu cầu năng lượng tái tạo ngày càng trở nên cấp thiết trong bối cảnh dân số và tiêu thụ thực phẩm tăng cao. Vỏ cam, chanh và các loài cây họ Citrus chiếm 20-30% khối lượng quả, tạo ra lượng lớn phế thải hữu cơ sau chế biến. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành phân loại, xử lý và nhiệt phân vỏ quả họ Cam ở nhiều điều kiện khác nhau nhằm tạo ra hợp chất kiềm hữu cơ và than sinh học. Kết quả cho thấy, các hợp chất amin, alkaloid, phenolic và muối carboxylat được hình thành ở điều kiện nhiệt phân khử oxy (100-600°C). Các mẫu nhiệt phân ở 500°C cho thấy đặc tính kiềm mạnh, hàm lượng cacbon cao (81,80%) và năng lượng đạt 25,73 MJ/kg, mở ra triển vọng ứng dụng trong dược phẩm, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm và năng lượng sinh học. Nghiên cứu chứng minh tiềm năng biến rác thải vỏ cam thành nguồn tài nguyên tái tạo giá trị, góp phần giảm ô nhiễm và thúc đẩy phát triển kinh tế tuần hoàn.
Từ khóa: kiềm hữu cơ, vỏ cam, nhiệt phân, biochar, tái chế sinh khối, phát triển bền vững.
1. Đặt vấn đề
Trong bối cảnh toàn cầu đối diện với khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu, việc tận dụng rác thải hữu cơ để sản xuất năng lượng và hóa chất xanh trở thành xu hướng tất yếu. Tại Việt Nam mỗi ngày thải ra hơn 60.000 tấn rác, trong đó rác hữu cơ chiếm tỷ lệ lớn. Cây họ cam (Citrus spp.) với sản lượng hàng triệu tấn mỗi năm tạo ra lượng vỏ bỏ đi khổng lồ. Thành phần hóa học của vỏ cam bao gồm tinh dầu (limonene, citral, linalool), flavonoid, pectin, carotenoid, acid hữu cơ và một số hợp chất đắng như limonin. Đây là nguồn nguyên liệu dồi dào để khai thác cho nhiều ứng dụng công nghiệp.
Các nghiên cứu quốc tế cho thấy, việc nhiệt phân vỏ quả họ cam có thể tạo ra biochar và các hợp chất có tính kiềm, tuy nhiên tại Việt Nam lĩnh vực này còn ít được quan tâm. Nghiên cứu này hướng tới việc tạo kiềm hữu cơ từ vỏ quả cam, chanh bằng các phương pháp nhiệt phân và đánh giá tiềm năng ứng dụng trong đời sống.
Hình 1: Vỏ bưởi
2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Nguyên liệu
- Vỏ cam, chanh, bưởi được thu gom từ hộ gia đình và chợ địa phương.
- Xử lý sơ bộ: rửa sạch, cắt nhỏ, phơi hoặc sấy khô.
2.2. Tìm hiểu về quy trình cơ bản tạo ra kiềm hữu cơ
2.2.1. Phân loại và thu gom vỏ quả cây họ Cam
Nhiệm vụ: Phân loại và thu gom vỏ quả cây họ Cam.
- Tìm hiểu về các hoạt chất có trong vỏ quả cây họ Cam...
- Tìm hiểu đặc điểm và ứng dụng của các hợp chất có trong vỏ quả cây họ Cam.
- Tìm hiểu về sự biến đổi tính chất vật lí hóa học của các hợp chất khi phơi, sấy ở các nhiệt độ khác nhau.
2.2.2. Tạo kiềm hữu cơ từ vỏ quả cây họ Cam
Nhiệm vụ: tạo ra hợp chất kiềm hữu cơ từ vỏ quả cây họ Cam.
- Tìm hiểu về hợp chất hữu cơ có tính kiềm[1]…
- Tìm hiểu về cơ sở tạo ra kiềm hữu cơ từ vỏ quả cây họ Cam.
- Tìm hiểu về cách phân tích và đọc dữ liệu phổ để nhận ra nó chứa hợp chất hữu cơ có tính kiềm.
- Tìm hiểu về ứng dụng của các hợp chất hữu cơ có tính kiềm trong đời sống và sản xuất.
2.3. Tìm hiểu ảnh hưởng của các các điều kiện sản xuất như nhiệt độ, thời gian,… đến hiệu suất thu nhận và chất lượng của kiềm hữu cơ
Tiến hành thử nghiệm tạo ra kiềm hữu cơ từ vỏ quả cây họ Cam ở các điều kiện nhiệt độ và môi trường không khí khác nhau.
Các mẫu:
- M1: Vỏ phơi khô dưới ánh nắng → nghiền.
- M2: Vỏ sấy bằng lò vi sóng → nghiền.
- M3: Vỏ gia nhiệt 100°C, môi trường khử oxy → nghiền.
- M4: Vỏ gia nhiệt 300°C, môi trường khử oxy → nghiền.
- M5: Vỏ gia nhiệt 600°C, môi trường khử oxy → nghiền.
Mẫu được phân tích bằng phổ hồng ngoại (FTIR), phổ khối và so sánh với các hợp chất kiềm hữu cơ chuẩn. (Hình 2)
Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống
2.4. Nhiệt phân tạo biochar
Hình 3: Hệ thống lò gia nhiệt dạng ống
- Lò hình ống, nhiệt độ 300-700°C, tốc độ gia nhiệt 5°C/phút, môi trường nitơ.
- Khối lượng mẫu: 25 g/mẻ, duy trì 1 giờ.
- Sản phẩm biochar được làm nguội và phân tích cấu trúc, thành phần.
Quá trình nhiệt phân sinh khối vỏ cam quýt khô được tiến hành trong lò hình ống (Carbolite, CTF12/100/900) được trang bị ống làm việc bằng thép không gỉ (Hình 4). Đối với mỗi thí nghiệm nhiệt phân, 25g mẫu được đặt trên một khay thép không gỉ được nạp vào giữa ống làm việc bằng thép không gỉ. Các thí nghiệm nhiệt phân được thực hiện ở 300, 400, 500, 600 và 700◦C, ở tốc độ gia nhiệt là 5 độ C/phút trong 1 giờ, trong môi trường khí nitơ. Khí nitơ được đưa vào ở đầu vào của ống làm việc và lưu lượng dòng chảy thanh lọc được duy trì ở mức 30 mL/phút cho tất cả các thí nghiệm. Mỡ chân không được sử dụng để bịt kín tất cả các mặt và điểm kết nối để ngăn khí thoát ra khỏi ống làm việc trong quá trình nhiệt phân. Sau 1 giờ gia nhiệt ở nhiệt độ mục tiêu, nguồn cung cấp nhiệt cho lò ống bị cắt. Mẫu được để bên trong lò ống và để nguội đến nhiệt độ phòng. Mẫu biochar tạo ra được dán nhãn phân biệt và đem đi phân tích. (Hình 4)
Hình 4(a): Vỏ cam, chanh, buổi cắt nhỏ Hình 4(b): Mẫu sau khi gia nhiệt
Vỏ cam quýt được nhiệt phân ở nhiệt độ 300; 400; 500; 600 và 700oC thông qua quá trình nhiệt phân chậm tạo được sản phẩm than sinh học Biochar dạng nhiên liệu rắn. Kết quả cho thấy, nhiệt độ nhiệt phân ở nhiệt độ 500oC hoặc cao hơn cho sản phẩm có tính ổn định cháy và cấu trúc tốt. Hàm lượng cacbon và năng lượng của biochar được tăng phát hiện là tăng theo nhiệt độ nhiệt phân. Nhiệt độ nhiệt phân tăng từ 300 đến 500oC thì hàm lượng cacbon tăng từ 72.11% lên 81.80% và lượng năng lượng tăng từ 24.01 lên 25,73 MJ/kg. Sản phẩm được làm ở nhiệt độ 500oC có hàm lượng cacbon cao nhất trong số các công thức nhiệt độ khảo sát, đặc tính xốp và ổn định cháy gần tương đương nhất so với than hóa thạch cho thấy tiềm năng đầy hứa hẹn để tái tạo và sử dụng vào quá trình chuyển đổi năng lượng xanh. Quan sát hình ảnh SEM được chụp độ phóng đại 1500 lần. Cấu trúc bề mặt sinh khối của vỏ cam chanh thô hơi xốp. Lý do giải thích cho điều này có thể do một lượng nhỏ vật chất bay hơi bị mất đi trong quá trình sấy chuẩn bị mẫu. (Hình 5)
Hình 5: Ảnh quyết SEM các mẫu
2.5. Kết quả và thảo luận
2.5.1. Thành phần kiềm hữu cơ
M1, M2: chứa amin, alkaloid, phenolic → tính kiềm yếu, phù hợp ứng dụng thực phẩm và dược liệu.
M3: hình thành muối carboxylat kim loại mạnh → tính kiềm mạnh, an toàn.
M4, M5: chủ yếu muối vô cơ gốc acid yếu và than sinh học → ứng dụng trong nông nghiệp.
2.5.2. Biochar từ vỏ cam
Ở 500°C: hàm lượng C đạt 81,8%, năng lượng 25,73 MJ/kg.
SEM cho thấy cấu trúc xốp, ổn định cháy, gần tương đương than hóa thạch.
Ứng dụng: xử lý đất nông nghiệp, hấp phụ chất ô nhiễm, nhiên liệu sinh học.
2.5.3. Ý nghĩa thực tiễn
Giảm lượng rác thải hữu cơ, góp phần bảo vệ môi trường.
Tạo sản phẩm kiềm hữu cơ phục vụ dược phẩm, thực phẩm, mỹ phẩm.
Biochar làm vật liệu xanh thay thế than hóa thạch.
3. Kết luận
Nghiên cứu đã chứng minh khả năng tạo kiềm hữu cơ và biochar từ vỏ cam, chanh bằng phương pháp nhiệt phân. Kết quả cho thấy, điều kiện 500°C trong môi trường khử oxy cho sản phẩm tối ưu với hàm lượng cacbon cao và tính kiềm mạnh. Đề tài mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong dược phẩm, nông nghiệp và năng lượng tái tạo, đồng thời góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững.
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. Alice H. Amsden, (1992), Asia’s Next giant: South Korea and late industrialization.
2. Antonio Andreoni, Ha-Joon Chang, (2019), The political economy of industrial policy: Structural interdependencies, policy alignment and conflict management.
3. Biden White House, CHIPS and Science Act Implementation Guidelines, (2022)
4. Châu Ngọc Hoa, (2012), Triệu chứng học nội khoa, NXB Y Dược TP. Hồ Chí Minh.
5. Đinh Quang Báo và cộng sự, (2024), SGK KHTN lớp 8, 9 (Cánh diều), NXB Giáo dục Việt Nam.
6. Đỗ Tất Lợi, Nguyễn Đạt Anh, Đỗ Gia Tuyển và cộng sự, (2020), Triệu chứng học nội khoa, NXB Y học Hà Nội.
7. Phạm Mạnh Hùng, (2014), Bệnh tim mạch và các biện pháp phòng chống, NXB Thế giới.
8. Phạm Mạnh Hùng, (2019), Điều dưỡng trong bệnh tim mạch can thiệp, NXB Y học Hà Nội.
9. Jan Emblemsvag, (2005), Kicking away the ladder: Development strategy in historical perspective. On the Horizon, 13 (3): 186-191. https://doi.org/10.1108/10748120510618222
10. Karl Aiginger, Dani Rodrik, (2020), Rebirth of industrial policy and an agenda for the Twenty-first century. Journal of Industry, Competition and Trade. https://link.springer.com/article/10.1007/s10842-019-00322-3
11. Simone Tagliapietra, Reinhilde Veugelers, (2023), Industrial policy in Europe: past and future. https://www.bruegel.org/sites/default/files/private/2023-07/Bruegel%20Blueprint%2033_chapter%201.pdf
12. Paul Triolo (2024). China’s Semiconductor Industry Advances despite U.S. Export Controls. The Center for Strategic and International Studies (CSIS), https://www.csis.org/analysis/chinas-semiconductor-industry-advances-despite-us-export-controls.
PRODUCTION OF ORGANIC ALKALINE COMPOUNDS FROM CITRUS PEEL
(CITRUS SPP.): POTENTIAL APPLICATIONS FOR GREEN MANUFACTURING
AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT
• NGUYEN TRUNG KIEN1
• DUONG TUE LAM2
• DUONG QUOC TRONG3
1Lecturer, Hanoi University of Science and Technology
2Teacher, Bac Giang Specialized High School
3Teacher, Le Quy Don Secondary School
ABSTRACT:
Environmental pollution and the growing demand for renewable energy have become increasingly pressing issues amid global population growth and rising food consumption. Citrus processing generates substantial organic waste, as orange, lemon, and other citrus peels account for 20–30% of total fruit mass. This study investigates the classification, treatment, and pyrolysis of citrus peels under varying conditions to produce organic alkaline compounds and biochar. The experimental results indicate that amine, alkaloid, phenolic, and carboxylate salt compounds were formed under deoxygenated pyrolysis conditions ranging from 100°C to 600°C. Samples pyrolyzed at 500°C exhibited strong alkalinity, a high carbon content (81.80%), and an energy yield of 25.73 MJ/kg, demonstrating significant potential for applications in pharmaceuticals, agriculture, the food industry, and bioenergy. The findings highlight the feasibility of converting citrus peel waste into valuable renewable materials, thereby contributing to pollution reduction and advancing the circular economy.
Keywords: organic alkaline, orange peel, pyrolysis, biochar, biomass recycling, sustainable development.
