Biến bùn thải nhà máy giấy thành vật liệu sản xuất áo chống đạn

Chuyên môn sâu về nhiên liệu sinh học, PGS.TS Nguyễn Đình Quân, Trưởng Phòng Thí nghiệm Nhiên liệu sinh học và Biomass, Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP HCM nhiều năm trăn trở giải bài toán chất thải nhà máy giấy.

Ông cho biết, ngành công nghiệp giấy có lượng chất thải và nước thải rất lớn. Lượng bùn của một nhà máy trung bình lên đến hàng tấn/ngày với thành phần chính là cellulose bột rửa trôi trong quá trình xeo giấy. Bùn giấy sau ép nước có màu đen xám, không có ứng dụng nào đáng kể, tuy nhiên, ông Quân nhận thấy những sợi cellulose bột giấy trong nước thải tận dụng được.

PGS.TS Nguyễn Đình Quân (ngoài cùng bên phải) cùng nhóm nghiên cứu về bùn thải trong phòng thí nghiệm. Ảnh: NVCC

PGS Quân cùng cộng sự đã tìm cách chuyển hóa bùn giấy thải thành vật liệu có giá trị cao. “Chuyển hóa cellulose trong bùn giấy thành cellulose vi khuẩn (BC), từ đó tạo ra cellulose nano tinh thể (CNC) là công nghệ duy nhất ở Việt Nam và trên thế giới hiện nay”, ông Quân cho biết.

Kế lại quá trình nghiên cứu, tác giả cho biết, ban đầu, nhóm nghĩ bùn thải phù hợp để làm giá thể trồng nấm. Nhưng thử nghiệm xong, TS Quân phát hiện ra 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. Anh chuyển hướng tận dụng làm vật liệu độn bê tông, ép làm vỉ bao bì, vỉ trứng, nhưng cũng không khả quan.

TS Quân 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 anh chuyển sang hướng thủy phân bùn giấy và 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…

Năm 2019, GS Hoàng Mạnh (Đại học Victoria, Australia) là Trưởng phòng R&D của Công ty CP Giấy An Bình (TP Thủ Đức) đặt vấn đề hợp tác nghiên cứu, tìm đầu ra ứng dụng cho bùn thải của nhà máy. TS Quân đã phối hợp cùng Công ty An Bình ứng dụng công nghệ chuyển hóa cellulose trong bùn giấy thành BC. Kết quả, lượng cellulose trong bùn giấy thành BC lên đến 72%, có thể dùng làm nguyên phụ liệu sản xuất giấy giúp làm tăng sự bền vững của quá trình sản xuất, tăng thêm giá trị.

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 liệu sinh học cao cấp nhất, nhẹ như gỗ nhưng có độ bền cứng gấp hàng chục lần thép, được quân đội Mỹ 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 chúng tôi có thể đơn giản hơn rất nhiều vì không phải tiền xử lý nguyên liệu cellulose”, TS Quân cho biết.

Ông Mai Văn Phúc, Trưởng Phòng quản lý Chất lượng, Công ty CP Giấy An Bình cho biết, trước đây, công ty phải chi một khoản tiền khá lớn để xử lý nước thải và bùn thải. Theo giá thị trường, để xử lý một tấn bùn thải, mất từ 20.000 đến 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 đến 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.

“Lượng cặn bùn không thể tái sử dụng, chúng tôi tận dụng để sản xuất vỉ trứng. Như vậy, bùn thải gần như được tái sử dụng hết, đem lại hiệu quả rất lớn”, ông Phúc nói.

Nghiên cứu này của PGS.TS Nguyễn 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. Nhóm mong muốn được mở rộng hợp tác với các doanh nghiệp ngành giấy hoặc các đơn vị quan tâm đến ý tưởng giải pháp.

Như Ngọc