ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
NGÔ VĂN TĨNH
NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH TINH DẦU
TỪ VỎ QUẢ CAM, BƯỞI (CITRUS)
VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ RÁC THẢI XỐP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Thái Nguyên - 2014
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
NGÔ VĂN TĨNH
NGHIÊN CỨU CHIẾT TÁCH TINH DẦU
TỪ VỎ QUẢ CAM, BƯỞI (CITRUS)
VÀ ỨNG DỤNG XỬ LÝ RÁC THẢI XỐP
Chuyên ngành : Khoa học môi trường
Mã số : 6044 03 01
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Người hướng dẫn khoa học:PGS TS. Đàm Xuân Vận
Thái Nguyên - 2014
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
thực sự của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kiến thức
và sự nghiên cứu khảo sát tình hình thực tiễn và dưới sự hướng dẫn khoa học
của PGS.TS. Đàm Xuân Vận.
Các số liệu, mô hình và những kết quả trong luận văn là trung thực,
các đề xuất đưa ra xuất phát từ thực tiễn và kinh nghiệm, chưa từng được
công bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi trình, bảo vệ và công nhận
bởi Hội đồng đánh giá luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ
Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.
Thái nguyên, ngày 1 tháng 10 năm 2014
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH viii
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của luận văn 1
2. Mục tiêu tổng quát của đề tài 2
3. Mục tiêu cụ thể của đề tài 2
4. Ý nghĩa của luận văn 2
Chương 1:TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3
1.1. Cơ sở khoa học 3
1.1.1. Nguồn gốc họ Cam, Bưởi 3
1.1.2. Tổng quan về tinh dầu 9
1.2. Cơ sở thực tiễn 20
1.2.1. Tình hình nghiên cứu về tinh dầu thuộc họ citrus trên thế giới và
Việt Nam 20
1.2.2. Tình hình xử lý rác thải xốp trên thế giới và Việt Nam 24
1.2.3. Tình hình sản xuất nhựa polystyren trên thế giới và Việt Nam 26
Chương 2: NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 31
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 31
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu 31
2.2. Nội dung nghiên cứu 31
2.3. Phương pháp nghiên cứu 31
iv
2.3.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp 31
2.3.2. Phương pháp lấy mẫu 32
2.3.3. Phương pháp tách chiết tinh dầu 32
2.3.4. Phương pháp bố trí thí nghiệm 32
Ký hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
CT
Công thức
CTTNHH
Công ty trách nhiệm hữu hạn
CTR
Chất thải rắn
CTTƯ
Công thức tối ưu
ĐV
Đơn vị
LC
50
Coefficient of variation
Giá trị LC thường tham khảo với nồng độ của
một hóa chất trong không khí.
LD
50
Chemical Oxygen Demand
Liều lượng của hoá chất phơi nhiễm trong
cùng một thời điểm, gây ra cái chết cho 50%
của một nhóm động vật dùng thử nghiệm
PS
Polystyren
Polystyren
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tóm tắt một số công trình nghiên cứu tinh dầu vỏ quả họ cam,
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ô nhiễm môi trường đã và đang trở thành nỗi lo của nhân loại đặc biệt
là ô nhiễm môi trường đất. Ô nhiễm môi trường đất đáng báo động vì nó
không chỉ ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người mà còn là nguyên nhân
của ô nhiễm nguồn nước ngầm, ô nhiễm không khí… Nguyên nhân dẫn đến ô
nhiễm môi trường đất chủ yếu là do hoạt động sống của con người sử dụng
quá nhiều chất độc hại mà môi trường khó có thể phân hủy được. Một trong
những chất khó phân hủy trong điều kiện tự nhiên đó chính là rác thải xốp.
Hằng ngày, ước tính thế giới dùng từ 40- 50 ngàn tấn rác thải xốp và thải ra
môi trường phần lớn trong số đó và hiện trạng này đang trở thành vấn nạn đối
với môi trường của chúng ta.
Các vật dụng bằng xốp thường được sản xuất từ các PVC (Polyvinyl
Clorua) và PS (Poly Styrene), đây là 2 loại nhựa nguy khó phân hủy trong số
những chất liệu nhựa đang lưu thông trên thị trường. Bên cạnh đó, các loại nhựa
tái chế cũng có thể được tận dụng để sản xuất đồ dùng bằng xốp. Hầu hết các đồ
bằng xốp này được sản xuất tại các cơ sở nhỏ lẻ, điều kiện vệ sinh và kỹ thuật
kém. Phần lớn chúng sau đó đều được thải ra môi trường. Để phân hủy rác thải
xốp trong công nghiệp, lâu nay người ta vẫn dùng hóa chất aceton và toluene,
hóa chất gây hại cho con người, sinh vật và chi phí cao.
Trong vỏ quả cam, bưởi có chứa nhiều loại tinh dầu như: Flavonoids,
Isoflavonoids, Phytoestrogens, Isothiocyanates… Trong đó có hàm lượng
chất limonene rất cao chiếm 92,02%, đây là chất có thể hòa tan được xốp. Vì
vậy vỏ cam, bưởi có khả năng làm nhiên liệu cho công nghiệp tái chế xốp rẻ
tiền, vừa hiệu quả vừa bảo vệ môi trường. Việc sử dụng vỏ cam, bưởi không
những làm giảm đi lượng rác thải hữu cơ mà đồng thời làm quang cảnh trở
nên xanh- sạch-đẹp hơn.Chính vì thế việc triển khai đề tài “Nghiên cứu xử lý
rác thải xốp bằng tinh dầu chiết tách từ vỏ cam, bưởi (Citrus) và ứng dụng
xử lý rác thải xốp” là rất cần thiết và cấp bách. Đề tài sẽ tìm ra được hợp chất
Chương 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Cơ sở khoa học
1.1.1. Nguồn gốc họ Cam, Bưởi
1.1.1.1. Nguồn gốc bưởi
Bưởi có nguồn gốc từ Nam Á và Malaysia, mọc tự nhiên theo bờ sông
Fiji (tên một đảo quốc ở Thái Bình Dương) và Friendly. Bưởi đã được đưa
vào Trung Quốc khoảng 100 năm trước công nguyên. Bưởi được trồng nhiều
ở miền nam Trung Quốc (tỉnh Quảng Đông, tỉnh Quảng Tây và tỉnh Phúc
Kiến). Đặc biệt bưởi còn được trồng trên những bờ sông ở miền Nam Thái
Lan, ở Đài Loan, khắp miền nam Nhật Bản, Nam Ấn Độ, bán đảo Malaysia,
Indonesia, New Guinea và Tahiti. Người ta tin rằng những hạt giống đầu tiên
được thuyền trưởng Shaddock mang đến Châu Mỹ vào cuối thế kỷ 17. Vì vậy
bưởi còn được gọi là Shaddock [12].
1.1.1.2. Một số giống Bưởi ở Việt Nam
Hiện nay tại Việt Nam có các giống Bưởi ngon, mang lại hiệu quả kinh
tế cao như: Bưởi Năm Roi, Bưởi da xanh, Bưởi Phúc Trạch, Bưởi Đoan
Hùng, Bưởi Diễn, Bưởi Thanh Trà Sau đây là những nét khái quát chung về
một số loại Bưởi [16].
a. Bưởi Năm Roi
Bưởi Năm Roi là một trong những loại Bưởi ngon, được người tiêu
dùng đánh giá cao, và có giá trị kinh tế lớn. Bưởi Năm Roi được công nhận là
giống sạch bệnh, cho năng suất cao và chất lượng tốt, ngon nhất trong các
giống Bưởi hiện nay, thích nghi với điều kiện tại các vùng sinh thái khác nhau
ở nước ta. Tuy nhiên bưởi Năm Roi được trồng nhiều ở vùng đồng bằng sông
Cửu Long.
4
Tổng diện tích bưởi Năm Roi là 9,2 ngàn ha, phân bố chính ở tỉnh Vĩnh
Long (diện tích 4,5 ngàn ha cho sản lượng 31,3 ngàn tấn, chiếm 48,6% về
diện tích và 54,3% về sản lượng Bưởi Năm Roi của cả nước), trong đó tập
Thời gian thu hái cho cả ăn tươi và bảo quản là 210-216 ngày sau khi
đậu quả. Biểu hiện bên ngoài: Các hạt tinh dầu trên vỏ quả nở to, vỏ quả sần
sùi, dùng tay ấn nhẹ đáy quả sẽ cảm nhận được độ lún nhất định [16].
c. Bưởi Diễn
Bưởi Diễn được trồng nhiều ở Phú Diễn, Phú Minh (Từ Liên, Hà Nội).
Bưởi Diễn là một đột biến của bưởi Đoan Hùng. Bưởi Diễn quả tròn, vỏ trái
nhẵn khi chín màu vàng cam, trọng lượng trung bình từ 0,8-1 kg/trái, tỷ lệ
phần ăn được từ 60-65%, số hạt trung bình khoảng 50 hạt, múi và vách múi
dễ tách rời nhau, thịt trái màu vàng xanh, ăn giòn, ngọt, độ brix từ 12-14%.
Thời gian thu hoạch bưởi Diễn muộn hơn bưởi Đoan Hùng, thường vào
khoảng cuối tháng 12 âm lịch [16].
d. Bưởi Đoan Hùng
Huyện Đoan Hùng-Phú Thọ có hai giống Bưởi đặc sản đạt các chỉ tiêu
quốc gia đó là giống Bưởi Sửu Chí Đám và Bưởi Bằng Luân (xã Bằng Luân).
Bưởi Sửu Chí Đám, sinh trưởng và phát triển phù hợp trên phù sa sông Lô,
sông Chảy. Nguồn gốc của giống Bưởi này được người dân xã Chí Đám nhân
ra từ cây Bưởi ngon của người nông dân có tên là Sửu cách đây trên 200 năm.
Vì vậy, người dân đã lấy tên ông đặt tên cho giống Bưởi này.
Bưởi Sửu Chí Đám sau 5 năm trồng đã cho quả có chất lượng tốt, cây 15
tuổi có năng suất từ 100-150 quả. Quả có chất lượng cao, trọng lượng trung
bình 0,7-0,8 kg/quả, dạng quả cầu lồi, khi chín có màu vàng xanh, trục quả
rỗng, múi dễ tách, tép múi màu trắng xanh, thịt quả màu trắng phớt hồng,
6
mềm, mọng nước, ngọt mát, hương vị đậm. Độ brix của Bưởi từ 9-11, tỷ lệ
phần ăn được 60-65%. Bưởi Sửu Chí Đám thu hoạch vào tháng 10, tháng 11.
Quả có thể để lâu sau thu hoạch, bảo quản sau 5-6 tháng quả vẫn giữ được
chất lượng tốt.
Bưởi Bằng Luân: Tập trung ở xã Bằng Luân, thuộc vùng Tây Bắc của
huyện. Bưởi Bằng Luân có phẩm chất tốt, thích ứng rộng, cho năng suất cao,
cây 15 tuổi có chiều cao 6-7m, tán rộng 6,5-7,5m, năng suất trung bình từ
1.1.1.4. Một số giống cam tại Việt Nam
a, Canh sành
Cam sành là một giống cây ăn quả thuộc chi Cam chanh có quả gần như
quả cam, có nguồn gốc từ Việt Nam. Quả cam sành rất dễ nhận ra nhờ lớp vỏ
dày, sần sùi giống bề mặt mảnh sành và thường có màu lục nhạt (khi chín có
sắc cam), các múi thịt có màu cam, thịt trái nhiều nước, hương vị chua ngọt,
trọng lượng trung bình 275 gram/trái. Chu kỳ khai thác 10-15 năm. Phù hợp
ăn tươi, chế biến và tiêu thụ nội địa.
Cam sành Bố Hạ nổi tiếng trồng ở Bố Hạ, huyện Yên Thế, tỉnh Bắc
Giang. Cam sành Bố Hạ hợp với đất phù sa cổ, khí hậu mát ẩm. Hiện nay
vùng cam này đã bị xoá sổ do bệnh vàng lá greening.
Cam sành nước ta hiện trồng chủ yếu ở khu vực Đồng bằng sông Cửu
Long, như: Vĩnh Long, Tiền Giang, Cần Thơ được gọi chung là cam sành
Sài Gòn, giá khoảng 30.000 - 40.000 đồng/kg. Loại cam sành này khi chín vỏ
có màu xanh, sần sùi, vỏ dày, quả khá to, hơi dẹt, nặng tay, có hạt. Trong
nhóm cây ăn trái có múi vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long thì cây cam sành
giữ vị trí hàng đầu về tất cả các mặt: diện tích, sản lượng và giá trị hàng hóa.
Cam sành Hà Giang, Tuyên Quang, Yên Bái… là vùng cam chủ yếu của
các tỉnh phía Bắc Việt Nam, năng suất cao. Cam sành Hà Giang bắt đầu thu
8
hoạch vào tháng 12 dương lịch hằng năm, khi chín quả màu vàng, cùi dày, vị
ngọt thơm, có hạt. Huyện Bắc Quang là huyện có diện tích cam sành lớn nhất
tỉnh. Cam sành Bắc Quang rất dễ nhận biết với đặc điểm là vỏ dầy, sần, lõi
cam vàng, có hạt, ăn có vị ngọt khé, đậm đà. Giá cam Hà Giang khi vào mùa
cũng rẻ, nhiều khi chỉ 10.000 đồng/kg, nhưng là hàng Việt Nam nên khá an
tâm về chất lượng vì không có chất bảo quản. Tính đến cuối năm 2013, diện
tích cam sành của Hà Giang vào khoảng 2.850 ha và sản lượng ước đạt từ
11.000-13.000 tấn quả. Trong thời điểm từ tháng 1/2014, cam sành Hà Giang
đã bước vào giai đoạn chín rộ và cho thu hoạch. Với giá bán bình quân tại
vườn từ 13.000-15.000 đồng/kg, giá bán lẻ tại các chợ trên địa bàn Hà Giang
55.000- 60.000 đồng/kg.
Hiện giống cây cam Vinh cũng được một vài địa phương như Hưng Yên,
Lào Cai, Tuyên Quang, Hà Giang… đem về trồng trọt cấy ghép tạo năng suất
cao và chất lượng tốt. Cam Hưng Yên tuy có bề ngoài giống cam Vinh nhưng
vỏ dày hơn, chua và nhiều hạt. Do vỏ cam có màu vàng khá giống nhau nên
nhìn lướt qua người tiêu dùng khó mà phân biệt được đâu là cam thật, đâu là
cam giả. Chính vì vậy, rất ít người được ăn cam Vinh thật, mà thường chỉ
được ăn cam vùng khác hoặc cam nhập khẩu giả làm cam Vinh. Tuy nhiên
chỉ cần khách đã ăn cam Vinh thật rồi thì khi nếm sẽ biết ngay đó có phải là
hàng nhái hay không [15].
1.1.2. Tổng quan về tinh dầu
1.1.2.1 Khái niệm Tinh dầu [11, 12]
Tinh dầu là những chất thơm hay chất mùi có trong một số bộ phận của
cây cỏ (hạt, rễ, củ, vỏ cây, hoa, lá, quả, dầu, nhựa cây…) hay động vật (túi
tinh dầu). Hệ thực vật có tinh dầu khoảng 3000 loài, trong đó có 150-200 loài
10
có ý nghĩa công nghiệp. Tinh dầu có trong các nguồn nguyên liệu trên với
nồng độ rất khác nhau, có thể thay đổi từ phần triệu đến phần trăm và tinh dầu
tương đối dễ bay hơi.
Tinh dầu phân bố tập trung trong một số họ như họ hoa tán, học Cúc, họ
hoa môi, học Long Não, họ Sim, học Cam, họ Gừng…Tinh dầu được chiết một
số bộ phận của cây như cánh hoa, lá, cành, rễ, vỏ trái, cuống hạt, vỏ cây…
-Lá: Bạc Hà, Tràm, Bạch đàn, Hương nhu, Khuynh diệp, Húng chanh,
Tía tô, Cúc tần, lá Tràm, lá Sả, Long não, Cam, Chanh, Quýt…
-Bộ phận trên mặt đất: Bạc Hà, Hương nhu…
-Hoa: hoa Hồng, hoa Nhài, hoa Bưởi, hoa Hồi, hoa Đinh hương…
-Quả: Sa nhân, Hồi, Bưởi, Cam, Chanh, Quất, Xuyên tiêu, Thảo quả…
-Vỏ quả: Cam, Chanh, Bưởi, Quýt…
-Vỏ thân: Quế
-Gỗ: Long não, Vù hương, Trầm hương…
- Các hydrocarbon mạch dài (như tetradecanal, dodecanal).
1.1.2.3. Tính chất đặc trưng của tinh dầu [1,12]
Tinh dầu là hợp chất hữu cơ hòa tan lẫn vào nhau, có mùi đặc trưng. Tại
nhiệt độ thường, tinh dầu thường ở thể lỏng, có khối lượng riêng bé hơn 1 (trừ
một vài loại như tinh dầu Quế, Đinh Hương có khối lượng riêng lớn hơn 1).
Để xác định tính chất vật lý của tinh dầu, thông thường người ta tiến
hành xác định các chỉ số như tỷ trọng, chiết suất, tỷ lệ hòa tan trong cồn 90
0
ở
25
0
C, nhiệt độ sôi, năng suất quay cực, màu sắc… Tinh dầu không tan hoặc
12
rất ít tan trong nước nhưng chúng hòa tan tốt trong đa số các dung môi hữu cơ
như ester, cồn
Về màu sắc, tinh dầu thường không màu hoặc có màu vàng nhạt. Một số
ít tinh dầu có màu (ví dụ: tinh dầu Ngải Cứu có màu xanh lơ, tinh dầu Quế có
màu nâu sẫm…) là do sự có mặt của các hợp chất có màu được lôi kéo theo
tinh dầu trong quá trình chiết xuất (ví dụ: màu xanh do có Chlorophyll, màu
vàng do có Carotenoid,…). Còn mùi và vị của tinh dầu chủ yếu gây ra do các
cấu tử thành phần bị oxy hóa.
Mặc dù thành phần hóa học của mỗi loại tinh dầu là khác nhau, nhưng
nhìn chung, chúng có nhiệt độ sôi khoảng 100
o
C – 200
o
C, dễ bay hơi và có
mùi thơm đặc trưng. Thành phần hóa học chủ yếu trong tinh dầu là các hợp
chất Terpenoid (tức các hydrocarbon không no) nên chúng dễ bị thủy phân
(nhất là ở nhiệt độ cao) và bị phân hủy bởi ánh sáng thành các hợp chất khác.
20
= 56 – 660 .
Chỉ số Caconyl = 2,72 – 3,0.
- Thành phần chính của tinh dầu cũng thay đổi rất lớn theo loài, vùng khí
hậu, đất canh tác trồng trọt, phương pháp khai thác …
1.1.2.4. Các phương pháp sản xuất tinh dầu [10]
Có rất nhiều phương pháp để chiết rút tinh dầu nhưng dù có sử
dụng phương pháp chiết nào thì quy trình sản xuất đều có những điểm chung
sau đây:
- Tinh dầu thu được phải có mùi thơm tự nhiên như nguyên liệu.
- Quy trình khai thác phải phù hợp với đặc tính của nguyên liệu.
- Tinh dầu phải được lấy triệt để khỏi nguyên liệu với chi phí thấp nhất.
Các phương pháp ly trích tinh dầu đều dựa vào các đặc tính sau của tinh dầu:
-Dễ bay hơi.
-Lôi cuốn theo hơi nước ở nhiệt độ dưới 100
o
C.
14
-Hòa tan dễ dàng trong dung môi hữu cơ.
-Dễ bị hấp thụ khi ở thể khí.
Sau đây, chúng ta đi tìm hiểu về một số phương pháp thường hay sử
dụng để ly trích tinh dầu thực vật.
a. Phương pháp chiết (Extraction)
Cơ sở của phương pháp dựa trên hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán và
hòa tan của tinh dầu có trong các mô nguyên liệu khi tiếp xúc với dung môi
hữu cơ. Phương pháp chiết thường dùng để tách các hương liệu dễ bay hơi mà
phương pháp chưng cất tỏ ra kém hiệu quả.
Trong phương pháp này nguyên liệu được ngâm trong dung môi hữu cơ
thích hợp, sau đó cất chân không để thu hồi dung môi, phần còn lại là hỗn hợp
tinh dầu và sáp được gọi là tinh dầu cô kết (gọi là “concrete oil”). Dùng cồn
khoảng từ 12-72 giờ tùy từng loại nguyên liệu, sau đó thay lớp nguyên liệu
mới và để hấp phụ từ 10-15 lần cuối cùng thu được chất béo có mùi thơm.
Đem lắc chất béo với etanol cao độ để trích ly tinh dầu, sau đó để lạnh -10
0
C
để loại bỏ hết chất béo bị kéo theo rồi cô đuổi etanol dưới áp suất thấp để thu
tinh dầu. Kỹ thuật này thuờng được dùng để chiết hương thơm của các loài
hoa để thu sản phẩm dưới dạng tinh dầu cô đặc (“essence concentrée”) dùng
trong mỹ phẩm.
Copyright: Tài liệu đại học ©