Ngành công nghiệp giấy có lượng chất thải và nước thải rất lớn. Được lắng nổi từ nước thải và ép vắt nước, lượng bùn giấy của một nhà máy trung bình lên đến hàng tấn/ngày với thành phần chính là cellulose bột giấy rửa trôi trong quá trình xeo giấy. Bùn giấy sau ép nước có màu đen xám, không có ứng dụng nào đáng kể.

Quy trình tái chế bùn giấy thành vật liệu siêu bền được Nguyễn Đình Quân mô phỏng qua sơ đồ

Từ thực trạng trên, để chuyển hóa bùn giấy thải thành vật liệu có giá trị cao, PGS.TS Nguyễn Đình Quân, Trưởng phòng Thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh đứng đầu nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài nghiên cứu nhằm tạo ra nhiều sản phẩm ứng dụng làm bao bì, giấy, màng bọc, thậm chí cả vải chống đạn… từ bùn thải nhà máy giấy.

Chuyển hóa cellulose trong bùn giấy thành cellulose vi khuẩn (BC) và từ BC tạo ra cellulose nano tinh thể (CNC) là công nghệ duy nhất ở Việt Nam và trên thế giới hiện nay. PGS.TS Nguyễn Đình Quân nhận thấy vật liệu này có nhiều tạp chất hóa học, đặc biệt là kim loại nặng, không dùng được cho thực phẩm dù khi trồng, nấm vẫn sinh trưởng tốt. PGS.TS Nguyễn Đình Quân chuyển hướng tận dụng làm vật liệu độn bê tông, ép làm vỉ bao bì, vỉ trứng, nhưng cũng không khả quan. Tác giả cũng nghĩ đến việc thủy phân bùn thải nhà máy giấy cho lên men thành sản phẩm dễ ứng dụng, rẻ tiền. Các nghiên cứu về chuyển hóa cellulose bùn giấy thành nguyên vật liệu như ethanol, butanol, acid acetic… không mới, nhưng sản phẩm sau chuyển hóa phải trích ly, chưng cất, xử lý phức tạp, tốn dung môi và năng lượng. Do đó nhóm nghiên cứu nghĩ đến việc thủy phân bùn giấy rồi lên men thành màng cellulose vi khuẩn (BC), bản chất tương tự như thạch dừa. Đây là dạng cellulose tự do, có cấu trúc mạng lưới 3D sợi nano rất dai và bền. Ở giải pháp này, BC có thể dễ dàng thu nhận bằng cách vớt ra khỏi dung dịch và làm sạch sơ chế. BC là loại nguyên liệu sinh học mới mà nhiều nơi trên thế giới dùng sản xuất bao bì, giấy, vải, màng lọc, vật liệu composite, sơn phủ...

Bùn giấy chứa 60 - 70% là cellulose bột giấy đã trải qua quá trình “nấu” nên rất dễ thủy phân. Nhận thấy sự thuận lợi này, nhóm nghiên cứu đã dùng acid loãng để thủy phân thành đường glucose, sau đó dùng vi khuẩn Acetobacter Xylinum (vi khuẩn làm thạch dừa) lên men đường thành màng BC. Kết quả thủy phân và lên men bùn giấy ép nước của Nhà máy giấy An Bình cho thấy, hiệu suất chuyển hóa cellulose trong bùn giấy thành BC lên đến 72%. Điều thú vị là việc tạo cellulose vi khuẩn từ bùn giấy để rồi có thể dùng chính sản phẩm đó làm nguyên phụ liệu sản xuất giấy giúp làm tăng sự bền vững của quá trình sản xuất, tăng thêm giá trị, giảm gánh nặng xử lý nguồn thải của nhà máy.

Bên cạnh BC, việc thủy phân cellulose để thu các hạt cellulose tinh thể kích thước nano (CNC) được nhóm nghiên cứu tính đến. CNC là vật liêu sinh học cao cấp nhất, nhẹ như gỗ nhưng lại có độ bền cứng gấp hàng chục lần thép, được quân đội Hoa Kỳ nghiên cứu ứng dụng làm áo giáp chống đạn. Theo TS Quân, quy trình thủy phân BC để thu CNC đơn giản hơn nhiều so với thủy phân cellulose thực vật như các công ty sản xuất CNC trên thế giới thường làm. Hầu hết các nhà sản xuất cellulose nano tinh thể hiện nay trên thế giới đều dùng cellulose thực vật. Ví dụ tập đoàn sản xuất giấy Nippon (Nhật Bản) dùng lignocellulose từ gỗ, trải qua các công đoạn tiền xử lý phức tạp mới thu được cellulose để từ cellulose đó mới làm ra nanocellulose tinh thể. Quy trình của nhóm nghiên cứu có thể đơn giản hơn rất nhiều vì không phải tiền xử lý nguyên liệu cellulose.

Trước đây, Công ty CP Giấy An Bình phải chi một khoản tiền khá lớn để xử lý nước thải và bùn thải. Theo giá thị trường, để xử lý 1 tấn bùn thải, mất từ 20.000 - 500.000 đồng. Lượng bùn thải của công ty mỗi ngày khoảng 35 - 50 tấn. Nếu áp dụng công nghệ này, chi phí xử lý giảm từ 50 - 70%. Thay vì phải xử lý rồi vận chuyển, đổ bỏ, bùn thải đã được tái sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, cao cấp nhất là nguyện liệu sử dụng làm áo chống đạn.

Nghiên cứu này của PGS.TS Phạm Đình Quân và cộng sự vừa nhận giải Ba cuộc thi Sáng tạo khởi nghiệp công nghệ Asian Entrepreneur Award 2021 tổ chức tại Nhật Bản.

NASATI