Bộ công thơng
Tổng công ty hoá chất Việt Nam
Viện hóa học công nghiệp việt nam
Báo cáo tổng kết
khoa học công nghệ năm 2009

Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ chuyển hoá lignin
từ nguồn nớc thải của công nghiệp giấy thành
chất kích thích sinh trởng cây trồng
Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Huy Phiêu

T
giấy sẽ thải ra khoảng 4m
3
nớc chứa 15 30% lignin. Hiện tại ở
nớc ta chỉ có nhà máy giấy Bãi Bằng (Phú Thọ) đầu t xây dựng bộ phận thu
hồi xút từ lignin theo phơng pháp đốt, nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ (Thái
Nguyên) mới đầu t hệ thống xử lý nớc thải, còn phần lớn các cơ sở sản xuất
giấy khác đều cha có hệ thống xử lý nớc thải một cách hữu hiệu.
Do vậy, đề tài không những có ý nghĩa về mặt kinh tế vì sẽ sản xuất
đợc một sản phẩm mới từ nguồn nguyên liệu dồi dào mà còn góp phần giải
quyết vấn đề ô nhiễm môi trờng - một vấn đề khó giải quyết của ngành công
nghiệp giấy.

2
I. Phần tổng quan
I.1. Axit humic v các tính chất.
Axit humic là chất rắn vô định hình màu nâu hoặc đen. Axit humic là
một trong ba hợp phần của axit mùn (humus). Ngoài axit humic còn có axit
fulvic và axit hymatomelanic. Ba dạng này luôn đồng hành với nhau, trong đó
axit humic đợc quan tâm nghiên cứu nhiều hơn cả.
Axit humic có bề mặt phát triển lớn, trong phân tử cùng với phần sắp
xếp trật tự còn có những phần sắp xếp không trật tự. Phần sắp xếp trật tự có
thể là mặt lục giác của nhân thơm, còn phần không trật tự là tổ hợp của nhóm
ngoại biên liên kết với nhân thơm. Ngời ta giả thiết rằng, phân tử của axit
humic có nhiều nhánh và không đối xứng [2].
Axit humic chứa các nhóm chức cacboxyl, cacbonyl, metoxyl và
hydroxyl phenol, trong đó nhóm chức cacboxyl là chủ yếu; nhờ đó mà axit
humic có khả năng tạo chêlat với cation đa hóa trị nh Mg
2+
, Ca


3
I.2. Nghiên cứu sử dụng axit humic trong nông nghiệp.
ở Uzbekitxtan đã nghiên cứu sử dụng axit humic trong nông nghiệp từ
năm 1950 [2]. Các tác giả cho rằng axit humic có hoạt tính sinh học, thúc đẩy sự
phát triển và kết trái nên đã đợc sử dụng nh một chất hoạt tính sinh học. Khi
thay thế hoàn toàn nhóm cacboxyl bằng ion NH
4
+
sẽ đợc amôn humat chứa 2,3
mgdlg/g NH
4
+
. Phản ứng trao đổi của axit humic với cation là thuận nghịch
ArCOOMe + NH
4
+
ArCOONH
4
+ Me
+
Sử dụng chế phẩm humat làm cải thiện vi cấu trúc đất, tăng hàm lợng
phospho dễ tiêu và thúc đẩy quá trình nitrit hóa trong đất, do đó làm tăng năng
suất và chất lợng sản phẩm nông nghiệp. Ngoài khía cạnh là chất hoạt tính
sinh học, ngời ta còn thấy rằng các chế phẩm humat sử dụng riêng rẽ hay kết
hợp với phân hữu cơ còn có tác dụng làm giảm tích lũy chất độc hóa học ở
trong đất và nông sản.
ở Việt nam, từ những năm 1980 đã nghiên cứu sử dụng các dạng humat
chiết tách từ than bùn cho một số đối tợng cây trồng [6]. Các kết quả nghiên
cứu cho thấy, ngoài tác dụng tăng cờng hô hấp và quang hợp của cây, các

Ngời ta [2] đã nghiên cứu tách chiết axit humic từ than bùn bằng các
dạng kiềm khác nhau NaOH, Na
2
CO
3
, NH
4
OH với nồng độ thay đổi từ 5-20%,
ở nhiệt độ từ 30 đến 100
o
C và thời gian chiết từ 15 đến 60 phút. Các tác giả đã
đi đến kết luận: hiệu quả chiết tách của các dung dịch kiềm xếp theo thứ tự
NaOH > Na
2
CO
3
> NH
4
OH; ở nhiệt độ 100
o
C sau 30 phút hiệu suất chiết tách
của dung dịch NaOH 5% đã đạt 97,6%. Trong khi không đun nóng hiệu suất
chỉ đạt 65,1%. Ngoài ra, hiệu suất chiết tách cũng còn phụ thuộc vào kích
thớc của than ngâm chiết. Dung dịch sau ngâm chiết là muối humat, muốn
thu đợc axit humic phải axit hóa bằng axit vô cơ.
I.3.2. Tổng hợp axit humic từ lignin.
I.3.2.1. Sự hình thành axit humic trong đất.
Có 4 giả thuyết nói về sự hình thành của axit humic khi xác động thực
vật thối rữa ở trong đất [8]. Giả thuyết cổ điển đợc phổ biến bởi Waksman
(1982) cho rằng chất humic là một đặc trng của lignin bị biến tính (giả

phẩm của sự chuyển hoá vi sinh vật. Khi bổ sung amin vào nhóm aldehyt của
đờng thành dạng n-glycosylamin thay thế. Sau đó glycosylamin chuyển sang
dạng nthay thế-amino-deoxy-2ketonse. Đó là đối tợng phân giải và hình
thành aldehyt và kenton chuỗi 3-cacbon, axeton, diaxetyl.; loại nớc và
hình thành hydroxymethyl furfural. Tất cả các phần tử này có hoạt tính cao và
sẵn sàng polyme hoá khi có mặt của hợp chất amin thành sản phẩm mầu nâu.
Cơ sở của bốn giả thuyết nói trên có thể mô tả tóm tắt theo sơ đồ (hình 1) 6

Hình 1: Sơ đồ hình thành axit humic ở trong đất

I.3.2.2. Chuyển hoá lignin nhờ enzym trong công nghiệp
Có nhiều nghiên cứu về sử dụng enzym dạng laccaza trong quá trình
khử lignin tẩy trắng bột giấy [9]. Tuy nhiên một trở ngại chính là do enzym
dạng laccaza không thể xâm nhập có hiệu quả vào trong sợi do kích thớc của
chúng lớn hơn các lỗ mao quản của xơ sợi. Nhng khi có mặt chất trung
chuyển hữu cơ với phân tử lợng thấp laccaza có thể tham gia vào quá trình
khử lignin, góp phần cải thiện độ trắng của bột giấy. Một chất trung chuyển
thích hợp đối với enzym dạng laccaza là 1-hydroxybenzotriale (HBT).

hàm lợng nitơ tơng đối cao (3,88% so với 0,46% trong bột kraft) và phần
lớn nitơ có trong lignin d do có nguồn gốc từ các protein của lignin.
Sự thay đổi của hàm lợng các nhóm chức dạng cacbonyl/cacboxyl của
lignin đợc phản ảnh khá rõ nét khi nghiên cứu cấu trúc của lignin d bằng
phổ hồng ngoại. Sự thay đổi này liên quan đến cấu trúc của nhân thơm trong
quá trình khử lignin. Đối với lignin d từ bột kraft thì cờng độ hấp thụ của
các nhóm cacbonyl ở số sóng 1720 cm
-1
thấp hơn so với cờng độ hấp thụ của
các dao động C-H thuộc vòng thơm ở số sóng 1510 cm
-1
.
Khi xử lý bột giấy bằng hệ laccaza/HBT thì làm lợng các nhóm
cacbonyl và cacboxyl trong lignin tăng đáng kể. Các tác giả cho rằng sự gia
tăng này chủ yếu là do hình thành các cấu trúc thuộc axit humic.
Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy rằng các cấu trúc dạng phenol
của lignin là những vị trí hoạt tính nhất trong quá trình khử lignin bằng hệ
laccaza/HBT. Hệ quả là sau khi xử lý, hàm lợng nhóm phenol của lignin d
giảm 42% so với bột kraft. Tuy nhiên hàm lợng các nhóm phenol liên hợp
trong lignin lại tăng, hiện tợng này đợc giải thích là do tạo thành các nhóm
cacbonyl ở vị trí C

trong cấu trúc của lignin.
Nhóm methoxyl trong lignin d cũng giảm từ 13,1% trong bột gỗ
xuống 11,7% khi xử lý bột bằng hệ laccaza/HBT. Các phản ứng khử các nhóm
methoxyl đồng thời với sự phân huỷ vòng thơm của lignin tạo ra các cấu trúc
hoạt tính dạng axit humic.
Xử lý bột kraft với laccaza kết hợp với HBT cho phép phân giải lignin,
qua đó làm giảm khối lợng phân tử của lignin d. Sự giảm phân tử lợng của
lignin diễn ra đồng thời với sự gia tăng hàm lợng các nhóm

oxy hoá 0,5-3h. Để tăng cờng hoạt hoá của hỗn hợp chứa lignin với kiềm
trong điều kiện sục khí ngời ta dùng bơm tuần hoàn có ejectơ để hút không
khí, nhờ vậy có thể giảm đợc thời gian oxy hoá sơ cấp.
Sau khi oxy hoá giai đoạn 2 và làm lạnh sẽ thu đợc các muối humat và
fulvat. Muốn có sản phẩm là axit humic phải dùng axit vô cơ cho tác dụng với
muối humat. Sơ đồ điều chế muối humat và axit humic từ lignin nh sau:
T = 50 190
0
C T = 170 210
0
C
P = 0,5 3MPa P = 0,5 3MPa
pH = 10,5 12 pH = 8,5 10

Hình 2: Sơ đồ oxy hoá lignin thành axit humic
Kiềm hoá
Oxy hoá
Sơ cấp
Oxy hoá
thứ cấp
Làm lạnh
Chuyển
hoá
Li

Stawinska [5] đã tổng hợp axit humic từ axit galic. Phản ứng polyme
hoá của axit galic đợc thực hiện do tự oxy hoá trong dung dịch Na
2
CO
3
ở pH
~ 8 với thời gian 37 ngày. Dung dịch phản ứng đã đợc chống nhiễm khuẩn.
Sau đó dung dịch màu đen đợc xử lý bằng HCl đến pH ~ 2 và giữ trong 2
ngày ở 8
0
C rồi sấy khô ở 70
0
C. Mẫu axit humic đã đợc phân tích nguyên tố
C, H, O và so sánh với mẫu axit humic chuẩn, phân tích phổ hấp thụ, phổ
huỳnh quang, phổ cộng hởng từ điện tử và phổ hấp thụ hồng ngoại.
ở trong nớc cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng lignin
trong dịch kiềm đen nh sản xuất keo dán cót ép, mũ cối; làm phụ gia cho xi
măng, bê tông; điều chế phân bón vi lợng trên nền polyme từ chất thải công
nghiệp giấy [ 14]; nghiên cứu sử lý nguồn phế thải của công nghiệp giấy thành
sản phẩm phục vụ nông nghiệp [15]; nghiên cứu tổng hợp chất hoạt động bề
mặt dùng trong gia công thuốc bảo vệ thực vật [ 16]; nghiên cứu điều chế chất
kích thích sinh trởng cây trồng [17].
Các đề tài nghiên cứu nói trên chủ yếu theo phơng pháp sulfo hoá
lignin thành chất hoạt động bề mặt dùng tạo nhũ trong gia công thuốc bảo vệ
thực vật, hoặc dùng muối natri sulfonat trao đổi với các cation thích hợp dùng
để làm chất kích thích sinh trởng cây trồng nh sulfonat kali, đồng, kẽm.
Tuy nhiên các đề tài nghiên cứu chỉ thu đợc kết quả bớc đầu và lợng
sử dụng mới chỉ ở quy mô hạn chế.

10

II.1. Đối tợng nghiên cứu.
Đối tợng nghiên cứu là dịch kiềm đen của nhà máy giấy Hoà Bình, với
nguyên liệu là tre, nứa. Số lợng 2 mẫu, mỗi mẫu lấy 50 lít
II.2. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu
II.2.1. Xác định thành phần và tính chất của dịch kiềm đen.
+ Đo độ pH, tỷ trọng, hàm lợng chất khô.
II.2.2. Nghiên cứu tách lignin từ dịch kiềm đen.
+ Quá trình tách lignin từ dịch kiềm đen đợc tiến hành theo 3 phơng pháp:
- Tách bằng cách axit hoá dịch kiềm đen một giai đoạn đến pH=2-4.
- Phơng pháp 2 giai đoạn, nghĩa là axit hóa đến pH=9 rồi lọc bỏ phần
nớc lọc, sau đó tiếp tục axit hóa đến pH=2 - 4.
- Dùng hỗn hợp axit vô cơ với dung môi không trộn lẫn với nớc [11].
+ Xác định hiệu suất tách lignin, tính theo tỷ số của lợng lignin thu
đợc với lợng chất khô.
+ Phân tích cấu tạo lignin bằng phơng pháp phổ hồng ngoại và sắc ký -
khối phổ.
II.2.3. Nghiên cứu oxy hoá lignin thành axit humic bằng axit nitric
- So sánh quá trình oxy hóa lignin ở dạng rắn và dạng hoà tan bằng kiềm
NaOH, hiệu suất chuyển hoá tính theo tỷ số của tổng lợng axit humic và axit
fulvic với lợng lignin ban đầu.
- Nghiên cứu ảnh hởng của các yếu tố động học đến hiệu suất chuyển hoá
+ Nhiệt độ thay đổi 30, 60 và 90
0
C
+ Nồng độ chất oxy hoá thay đổi trong giới hạn 3,5,7%
+ Thời gian oxy hoá từ 1-3h.
- Nghiên cứu oxy hoá trực tiếp dịch kiềm đen.
II.2.4. Đánh giá chất lợng sản phẩm.
+ Hàm lợng axit humic và fulvic đợc xác định tại phòng kiểm định
chất lợng phân bón, Viện Thổ nhỡng nông hóa.

2 Mẫu số 2 3,60 10,6 1,035

Dịch kiềm đen tuy cùng nấu từ một loại nguyên liệu, nhng các mẻ nấu
khác nhau có thành phần và tính chất vật lý khác nhau. Khi độ pH cao hơn
dịch kiềm đen có tỷ trọng lớn hơn và hàm lợng chất khô cũng lớn hơn, đó là
do ở độ pH cao lợng lignin và các hợp chất khác trong nguyên liệu hoà tan
nhiều hơn. Do vậy các thí nghiệm tiến hành tiếp theo đã dùng mẫu dịch kiềm
đen số 1 làm đối tợng nghiên cứu.
III.2. Nghiên cứu tách lignin từ dịch kiềm đen.
III.2.1 Tách lignin theo các phơng pháp khác nhau
Theo phơng pháp axit hoá một giai đoạn, từ một lít dịch kiềm đen thu
đợc 44,33 gam lignin. Tuy nhiên thời gian lọc kéo dài hơn 4h
Theo phơng pháp axit hoá hai giai đoạn, từ 1 lít dung dịch kiềm đen
thu đợc 38,02 gam lignin. Thời gian lọc chỉ có 2h.
Còn theo phơng pháp dùng hỗn hợp axit vô cơ và CH
2
Cl
2
quá trình kết
tủa lignin xẩy ra gần tức thời, dễ lọc rửa. Từ 1 lít dung dịch kiềm đen thu đợc
46,70g lignin.
Hiệu xuất thu hồi lignin (so với hàm lợng chất khô trong dịch kiềm
đen) đợc ghi trên bảng 2.

14
Bảng 2: Hiệu suất thu hồi lignin
STT Phơng pháp tách Hiệu suất tách, %
1 Phơng pháp một giai đoạn 81,9
2 Phơng pháp hai giai đoạn 70,27
3 Phơng pháp kết hợp axit và dung môi 86,33

15

Hình 4. Phæ hång ngo¹i cña mÉu lignin.
Trªn s¾c ký ®å cña mÉu lignin xuÊt hiÖn 5 pic (h×nh 18).

Hình 5. Sắc ký đồ của mẫu lignin.

16
Tuy nhiên 3 pic (pic 1, 2, 3) không xác định đợc, chỉ có 2 pic (pic 4, 5)
xác định đợc qua dữ liệu của máy. Phổ khối lợng của 3 pic không xác định
có thể là C
6
H
5
CHO, C
4
H
8
OH và C
3
H
7
OH. Phổ khối lợng của 2 pic xác định
đợc tơng ứng với axit 4-hydroxy benzenepropanoic (pic 4) và para-
methylphenyl phenoxyaxetat (pic 5).
Nh vậy lignin là một polyme phân nhánh có cấu trúc phức tạp, đợc
tạo ra bởi sự liên kết của nhiều monome khác nhau, các liên kết này có thể bị
phá vỡ khi bị oxy hoá.
III.3. Nghiên cứu oxy hoá lignin thành axit humic.
III.3.1. So sánh hiệu quả oxy hoá lignin dạng rắn và dạng hoà tan

đợc ghi trên bảng số 4.
Bảng 4. ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển hoá
Nhiệt độ
Chi tiêu
30
0
C
KHM 01
60
0
C
KHM 02
90
0
C
KHM 03
Hàm lợng axit humic, % 62,84 65,08 73,12
Hàm lợng axit fulvic, % 2,37 2,07 8,86
Tổng hàm lợng axit, % 65,21 67,15 81,98
Hiệu suất chuyển hoá % 55,27 56,91 69,48

Nh vậy nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ của phản ứng oxy hoá dẫn tới
tăng mức độ chuyển hoá lignin thành axit humic. Hàm lợng axit fulvic cũng
đợc tăng lên, nh vậy một phần axit humic cũng đã chuyển thành axit fulvic.
- Nghiên cứu ảnh hởng của nồng độ chất oxy hóa đến hiệu suất
chuyển hóa.
Kết quả nghiên cứu ảnh hởng của nồng độ axit nitric đến hiệu suất
chuyển hoá lignin thành axit humic khi nhiệt độ phản ứng 90
0
C và thời gian

Bảng 6. nh hởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất chuyển hoá
Thời gian phản ứng
Chi tiêu
1h
KHM 06
2h
KHM 03
3h
KHM 012
Hàm lợng axit humic, % 68,11 73,12 72,35
Hàm lợng axit fulvic, % 7,52 8,86 10,35
Tổng hàm lợng axit, % 75,63 81,98 82,60
Hiệu suất chuyển hoá, % 64,10 69,48 70,0

Nh vậy, khi tăng thời gian phản ứng oxy hoá từ 1h đến 2h hiệu suất
chuyển hoá lignin thành axit humic và fulvic tăng khoảng 5% nhng tiếp tục
tăng thời gian phản ứng thì hiệu suất chuyển hoá tăng không đáng kể. Do vậy
thời gian phản ứng oxy hoá cần duy trì khoảng 2h.
III.3.3 Nghiên cứu oxy hoá trực tiếp dịch kiềm đen
Trên cơ sở các thông số tối u về nồng độ axit nitric (5%) nhiệt độ
(90
0
C) và thời gian phản ứng (2h) đã tiến hành loạt thí nghiệm oxy hoá trực
tiếp dịch kiềm đen, không qua giai đoạn tách lignin. Khi oxy hoá 1000ml dịch
kiềm đen chứa 5,41% chất khô thu đợc 42,07g sản phẩm (KHM 07). Kết quả
phân tích hàm lợng axit humic, axit fulvic và hiệu suất chuyển hoá lignin
thành axit humic ghi trên bảng 7.

19
Bảng 7. Hiệu suất chuyển hoá khi oxy hoá trực tiếp dịch kiềm đen

III.3.4.1. Phân tich phổ hồng ngoại của axit humic sản phẩm
Mẫu axit humic dùng để phân tích phổ hồng ngoại là mẫu KHM 05 (
bảng kết quả phân tích ở phần phụ lục) có hàm lợng axit humic là 80,58% và
axit fulvic 5,03%. Phổ hồng ngoại (hình 6) cho thấy giải hấp thụ rộng ở vùng
3450-3300 cm
-1
đặc trng cho nhóm hydroxyl.

20
Hỡnh 6. Ph hng ngoi ca mu axit humic sn phm.
Cấu trúc thơm đợc thể hiện bởi dao động khung của liên kết C = C ở
1602 cm
-1
và 1647 cm
-1
. Pic ở 1030 cm
-1
theo các tài liệu [1] có thể là cấu trúc
phenoxy ( CH thơm trong vòng thơm ). Dao động hoá trị bất đối xứng và đối
xứng của nhóm - CH
2
- thể hiện ở vùng 2925- 2935 và 2840 cm
-1
.
Giải đặc trng của phổ hồng ngoại của axit humic với cực đại ở 1720 -
1700 (dao động của nhóm cacbonyl C = O)và 1212 cm
-1
(dao động biến dạng
của nhóm hydroxyl ). Pic 1457 và1414 cm
-1

axit humic v
fulvic, %
Tng nhúm chc Nhúm cacboxyl Hydroxyl phenol
56,10
64,65
65,21
67,15
78,53
81,98
85,18
85,26
85,61
9,8
13,0
-
14,0
18,5
19,7
-
-
20,9
3,8
5,6
-
6,3
8,8
9,4
-
-
10,1

III.4. Kết quả thử nghiệm hiệu lực nông hóa với cây rau.
Dung dịch amôn humat dùng để thử nghiệm hiệu quả trên cây rau (rau
cải bắp, cải xanh và rau bí) với nồng độ 60ppm [6] đợc so sánh với đối chứng
(phun nớc lã) và so với phân bón lá của Công ty Sông Gianh. Kết quả thu
đợc ghi trên các bảng: 9, 10, 11

Bảng 9 . ảnh hởng của chế phẩm amon humat đến rau cải bắp.
Bội thu
Công thức
bón
Tỷ lệ cuộn
bắp, %
Khối lợng
bắp, kg
Năng suất
T/ha
Tấn/ha %
Đối chứng
Amôn humat
Phân bón lá
Sông Gianh
90,1
92,0

92,0
1,19
1,28

1,38
32,60

95
95

95
31,1
32,5

34,1
19,55
30,88

35,45
-
11,33

15,90
-
58,0

81,3