Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và tối ưu thiết bị bọc hạt, ứng dụng sản xuất phân urê nhả chậm 4

MẪU 14KHCN 18 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4 1 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN VẬT LIỆU BỌC Thời gian phân giải chất dinh dưỡng của các loại phân bọc (Urê – B, U, T, M) gấp khoảng 3 đến 5 lần phân Urê không bọc cải thiện đáng kể khả năng phân tán urê (xem Hình 4 1) Trong đó phân Urê bọc màng bọc B cho thấy hiệu quả phân tán tốt nhất, thời gian hòa tan ở mức 75% là khoảng 13,5 phút và hoàn toàn khoảng 16 phút Hình 4 1 Hàm lượng Urê hòa tan theo thời gian của từng loại phân Với những tính chất vượt trội đó,.

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN VẬT LIỆU BỌC Tỉ lệ hàm lượng urê hòa tan (C/C*) Thời gian phân giải chất dinh dưỡng loại phân bọc (Urê – B, U, T, M) gấp khoảng đến lần phân Urê không bọc cải thiện đáng kể khả phân tán urê (xem Hình 4.1) Trong phân Urê bọc màng bọc B cho thấy hiệu phân tán tốt nhất, thời gian hòa tan mức 75% khoảng 13,5 phút hoàn toàn khoảng 16 phút 100% 80% 60% Urê-B 40% Urê-U Urê-T 20% Urê-M Urê 0% 12 16 Thời gian (phút) Hình 4.1: Hàm lượng Urê hòa tan theo thời gian loại phân Với tính chất vượt trội đó, dung dịch màng bọc gồm: tinh bột biến tính cation, PVA, Na2B4O7 glycerol xem có khả tạo màng làm sở tạo phân urea phân giải chậm (a) (b) Hình 4.2: Mẫu phân urê trước bọc (a) sau bọc (b) Sản phẩm phân urê trước sau trình bọc Hình 4.2 cho thấy sản phẩm sau q trình bọc có độ đồng kích thước hạt, màu sắc Quá trình bọc tạo sản phẩm có tính đồng cao, độ dày màng bọc ổn định, đồng Phân bố kích thước hạt 18 phân urê trước sau trình bọc mơ tả Hình 4.3 cho thấy đồng kích thước hạt sản phẩm trình bọc (a) (b) Hình 4.3: Phân bố kích thước hạt phân urê nguyên liệu (a) phân urê bọc (b) Tiến hành phân tích tính chất vật liệu tạo màng bọc phổ hồng ngoại chuyển đổi (FT-IR) cho kết Hình 4.4 Hình 4.4: Phổ FT – IR tinh bột biến tính cation (Cartionic starch) dung dịch tạo màng B Phổ FT-IR (𝜆, cm-1) dung dịch B (Màng B), không xuất mũi liên kết −CH3 (2932), C-N (1436), chứng tỏ dung dịch B có phản ứng, cấu trúc màng khơng có liên kết −CH3 có hình thành liên kết C=N (2112), C=O (1800) oxy hóa nhóm alcol bậc hai cấu trúc tinh bột biến tính Từ kết luận có tạo liên kết ngang nhóm -OH alcol PVA nhóm nitril oxy hóa cấu trúc tinh bột làm cho độ nhớt dung dịch sau tổng hợp tăng lên đáng kể Kết đo TGA DSC màng bọc B Hình 4.5 Kết phân tích FTIR TGA DSC giúp dựa đốn cơng thức cấu tạo màng B Hình 4.6 19 Hình 4.5: Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) phân tích nhiệt vi sai (DSC) màng B OHH CH3 H2C C C N+ CH3 HO H H CH3 O H HO Na2B4O7 HO HO H OH OH o o H m t =75 C, H2O O HO H H OH H O n Poly (vinylalcohol) Cationic starch H m OH O H OH HO O HO H H OH H2C C C N O H HO HO O HO H H H H OH O Cationic starch-PVA n Hình 4.6: Cơng thức cấu tạo màng B điều chế từ PVA tính bột biến tính có mặt natri tetraborat Kết SEM lớp màng bọc bề mặt hạt phân urê dung dịch tạo màng T (Hình 4.7a) cho thấy khả tạo màng, liên kết bề mặt dể dàng cho việc xâm nhập nước làm phá hủy Dung dịch B tạo bề mặt urê (Hình 4.7b) lớp màng có cấu trúc liên kết tốt, đồng khả tạo liên kết ngang tốt hơn, giúp giảm khả trương nở màng, giảm tốc độ trình khuếch tán, tăng thời gian phân tán hạt phân (a) (b) Hình 4.7: Ảnh SEM bề mặt Urê bọc với dung dịch tạo màng T (a) B (b) 20 Kết mặt cắt hạt phân sau bọc biểu thị độ dày màng bọc, giúp giải thích lý thời gian tan mẫu phân bọc dung dịch B lại dài so với dung dịch T (xem Hình 4.8): − Độ dày màng (a) khoảng 10 m, nhiên, cấu trúc màng xốp, phân tử chồng chéo lên thiếu trật tự, rời rạc, khơng có tác nhân neo giữ chúng lại với nhau, màng dễ vỡ cọ xát, va chạm phân tử dễ bị tách hòa tan vào nước, làm hòng cấu trúc màng Đồng thời nước qua khoảng trống lỗ xốp làm tan phân nhanh − Độ dày màng (b) m, thấp so với màng tạo nên từ dung dịch T Các phân tử xếp chặt chẽ, chồng khít với nhau, neo giữ bền vững có tạo liên kết ngang, khoảng trống ít, nhỏ, làm giảm bề dày màng Cấu trúc màng bền chắc, ngăn cản tối đa lượng nước vào bên trong, kéo dài thời gian tan phân (a) (b) Hình 4.8: Mặt cắt hạt urea bọc dung dịch T (a) B (b) Vật liệu bọc tổng hợp từ tinh bột biến tính, PVA với tác nhân Natri Tetraborat sản phẩm có ngườn gốc tự nhiên Polyme có khả phân hủy sinh học, phân tán tốt môi trường nước, đất, không gây ô nhiễm, thân thiện vớ môi trường 4.2 PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY 4.2.1 Lựa chọn yếu tố ảnh hưởng Sau lập kế hoạch thực nghiệm khảo sát ứng với hệ số phương trình bậc hai (8 hệ số) thực thí nghiệm khảo sát, thu kết kích thước hạt (hàm mục tiêu y), sàng lọc yếu tố ảnh hưởng đến q trình sau: Bảng 4.1: Thời gian hòa tan phân urea sau bọc thí nghiệm khảo sát STT x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 y + + − − + − + + 15 21 + + + − − + − + 26 + + + + − − + − 16 + − + + + − − + 22 + + − + + + − − 14 + − + − + + + − 28 + − − + − + + + 16 + − − − − − − − 26 Tính hiệu số trung bình mức mức cho yếu tố, lấy trị tuyệt đối hiệu số hai mức để đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố đến hiệu trình bọc (xem Bảng 4.2) Bảng 4.2: Mức độ ảnh hưởng yếu tố Yếu tố x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 Trung bình mức 17,8 23,0 17,0 19,8 21,0 18,8 19,8 Trung bình mức 23 17,75 23,75 21 19,75 22 21 Trị tuyệt đối hiệu số 5,25 5,25 6,75 1,25 1,25 3,25 1,25 Đồ thị đánh giá ảnh hưởng yếu tố đến thời gian hòa tan, sở hiệu số trung bình Hình 4.9 cho thấy yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình bọc gồm: x1 – thể tích dịch bọc, x2 - góc nghiêng x3 – lưu lượng phun Các yếu tố cịn lại có tác động khơng đáng kể đến q trình Từ đó, nhóm tác giả lựa chọn yêu tố yếu tố để tiến hành quy hoạch thực nghiệm Mức độ ảnh hưởng x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 Yếu tố ảnh hưởng Hình 4.9: Đánh giá ảnh hưởng yếu tố đến trình 22 4.2.2 Xác định hệ số phương trình hồi quy Sau tiến hành 15 thí nghiệm (8 phần, điểm sao, tâm), tiến hành đo độ tan theo thời gian mẫu phân urea sau bọc, ghi lại hàm mục tiêu y’ (thời gian phân khuếch tán hoàn toàn khỏi lớp màng bọc, phút) sau: Bảng 4.3: Kết thời gian hịa tan 15 thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm Thí nghiệm y 16.0 16.0 22.0 24.0 28.0 12.0 16.5 22.0 24.0 10 16.0 11 24.0 12 16.0 13 18.0 14 24.5 15 20.0 Từng phần (nhân) Điểm (*) Tâm (0) Từ kết trên, xác định hệ số hồi quy theo công thức: ∑N i=1 yi b0 = ; N ∑N i=1 xji yi bj = ; N bju = ∑N i=1 xji xui yi bjj = N ′ ∑N i=1 xji yi ′2 ∑N i=1 xji Xử lý, thu hệ số hồi quy (Bảng 4.4) Bảng 4.4: Giá trị hệ số hồi quy Hệ số b0 b1 b2 b3 b12 b13 b23 b123 b11 b22 b33 Giá trị 19,933 1,664 -0,254 -0,767 2,938 -1,563 -1,938 -2,438 -0,633 -0,633 0,213 23 4.2.3 Kiểm tra tính ý nghĩa hệ số hồi quy Bổ sung thí nghiệm tâm (n0 = 4), với giá trị hàm mục tiêu sau: Bảng 4.5: Giá trị thời gian hòa tan thí nghiệm bổ sung n0 y0 18 20 19 22 Xác định phương sai tái sth sau: sth ∑nu=1 (yu0 − ӯ0 )2 = n0 − Tính sth = 2.917 Giá trị độ lệch quân phương sbj, tj hệ số trình bày bảng kết (Bảng 4.6), với: sbj sth = N 2; ∑i=1 xji sbju sth = N ; ∑i=1(xj xl )2 sbjj sth = N ∑i=1 x′2ji Tính ý nghĩa hệ số kiểm định theo tiêu chuẩn Student Hệ số có ý nghĩa tj > (f2), với f2 = n0-1 = |bj | sbj tj = Tra bảng phân bố Student, mức có nghĩa p = 0.05, f = 3, suy tp=3.18 Đánh giá giữ lại hệ số có nghĩa Bảng 4.6: Đánh giá tính ý nghĩa hệ số hồi quy Hệ số b0 b2 b3 b12 b13 b23 b123 b11 b22 b33 19,933 1,664 -0,254 -0,767 2,938 -1,563 -1,938 -2,438 -0,633 -0,633 0,213 sbj 0,441 0,516 0,516 0,516 0,604 0,604 0,604 0,604 0,818 0,818 0,818 tj 45,205 3,224 0,492 1,486 4,865 2,588 3,209 4,037 0,774 0,774 0,261 Nhận Loại Loại Nhận Loại Nhận Nhận Loại Loại Loại Giá trị b1 Đánh Nhận giá Phương trình hồi quy thu với biến mã hóa: y = 19,933 + 1,664 x1 + 2,938 x1 x2 − 1,938 x2 x3 − 2,438 x1 x2 x3 4.2.4 Kiểm tra tương thích phương trình hồi quy Xác định phương sai dư: sdu = ∑N i=1(yi − ŷi ) N−l Trong đó: l số hệ số có nghĩa phương trình hồi quy xác định phần trên, l = Tính sdu = 17.424 Sự tương thích phương trình hồi quy với thực nghiệm kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher sdu 17.424 F= = = 5.974 2.917 sth Với f1 = l (l = 5), f2 = n0 – 1, tra bảng phân vị phân bố Fisher F1-p với p = 0.05 suy F1-p =9.0 Ta thấy F < F1-p (5.974 < 9.0), rút kết luận phương trình hồi quy tương thích với thực nghiệm [48] Chuyển phương trình hồi quy với biến mã hóa biến thực: 𝑦 = 231,5702 − 8,8652 𝑍1 − 6,0608 𝑍2 − 75,215 𝑍3 + 0,2538 𝑍1 𝑍2 + 2,149 𝑍2 𝑍3 + 3,4125 𝑍1 𝑍3 − 0,0975 𝑍1 𝑍2 𝑍3 4.3 TỐI ƯU HĨA MƠ HÌNH Tối ưu hóa thực nghiệm theo phương pháp luân phiên biến với “lưới” khảo sát: − Chia vùng biến thiên Z1 (20 – 40 mL) thành N1 = 40 khoảng: (Z1max − Z1min ) 40 − 20 h1 = = = 0.5(mL) N1 40 − Chia vùng biến thiên Z2 (30 – 40o) thành N2 =40 khoảng: h2 = (Z2max − Z2min ) 40 − 30 = = 0.25o N2 40 − Chia vùng biến thiên Z3 (1.5-2.5 mL/phút) thành N3 = 20 khoảng: (Z3max − Z3min ) 2.5 − 1.5 mL h3 = = = 0.05( ) N3 20 phút Hình 4.10: Đồ thị giá trị hàm mục tiêu lại Z3 = 1.5 (mL/phút) Hình 4.11: Đồ thị giá trị hàm mục tiêu lại Z3 = (mL/phút) Hình 4.12: Đồ thị giá trị hàm mục tiêu lại Z3 =2.5 (mL/phút) Đồ thị minh họa cho kết tối ưu hóa q trình Z3 =1,5; 2.0; 2.5 mL/phút biểu diễn phần mềm MatLab hình 4.7, 4.8 4.9 Kết tối ưu thu giá trị Ymax = 23,23 phút, giá trị biến thực sau: − Lượng dịch bọc: 40 mL − Góc nghiêng: 40o − Lưu lượng phun: 1,5 mL/phút Từ kết tối ưu trên, nhận xét sau: Lượng dịch bọc, lưu lượng phun góc nghiêng ảnh hưởng đến thời gian tan phân ure sau bọc Lưu lượng phun thấp, dịch bọc phun từ từ, chất lượng sấy cao, tăng độ se khít màng, lớp vật liệu phun bám lên bề mặt hạt urea khả tái tạo liên kết tăng lên Chính thế, lượng dịch bọc lớn, lưu lượng phun nhỏ mang lại khả tạo màng tốt 4.4 QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN 4.4.1 Khuếch tán phân Urê khỏi màng bọc môi trường nước Kết hàm lượng Urê phân giải loại phân Hình 5 Tỉ lệ khuếch tán 0.8 0.6 0.4 Ure bọc 0.2 Ure thường 0 10 15 Thời gian (phút) 20 25 Hình 4.13: Tỉ lệ khuếch tán loại phân theo thời gian nước Hình 4.13 cho thấy thời gian phân giải phân bọc màng bọc tinh bột biến tính liên kết ngang lớn so với urê không bọc khoảng ÷ lần Hàm lượng urê phân bọc biến đổi chậm, ổn định dể dàng cho việc điều chỉnh khả phân giải, giảm thất thoát ngồi mơi trường 4.4.2 Biến đổi hàm lượng Urê môi trường đất Kết đo hàm lượng Ure mẫu đất ứng với loại phân khác biểu diễn theo Hình 4.14 250 Tỉ lệ khuếch tán 200 150 Ure bọc 100 Ure thường 50 0 10 15 Thời gian (ngày) 20 25 Hình 4.14: Hàm lượng Ure loại phân theo thời gian môi trường đất Từ đồ thị cho thấy, phân Ure khơng bọc có thời gian phân tán hồn tồn ngày thứ 9, phân bọc màng bọc liên kết ngang tinh bột biến tính với PVA có thời gian phân tán hồn tồn dài khoảng ngày thứ 20 Hàm lượng ure đất loại phân thấp giúp hấp thu từ từ, tránh bị ngộ độc rễ nồng độ cao, thời gian trì hàm lượng ure đất lâu ổn định hơn, khơng cần bổ sung thêm phân, giảm lượng phân sử dụng Tốc độ phân tán ure môi trường đất ứng với loại phân ure hạt đụt 25,34 μg/(mL.ngày) ure bọc 13,23 μg/(mL.ngày) gần ½ lần ure hạt đụt Vì vậy, việc sử dụng giúp giảm nhiều thất thoát ure vào môi trường giúp nâng cao hiệu suất sử dụng phân, giảm chi phí tài ngun bảo vệ mơi trường ... 1,6 64 -0,2 54 -0,767 2,938 -1,563 -1,938 -2 ,43 8 -0,633 -0,633 0,213 sbj 0 ,44 1 0,516 0,516 0,516 0,6 04 0,6 04 0,6 04 0,6 04 0,818 0,818 0,818 tj 45 ,205 3,2 24 0 ,49 2 1 ,48 6 4, 865 2,588 3,209 4, 037 0,7 74. . .phân urê trước sau trình bọc mơ tả Hình 4. 3 cho thấy đồng kích thước hạt sản phẩm trình bọc (a) (b) Hình 4. 3: Phân bố kích thước hạt phân urê nguyên liệu (a) phân urê bọc (b) Tiến hành phân. .. nghiêng: 40 o − Lưu lượng phun: 1,5 mL/phút Từ kết tối ưu trên, nhận xét sau: Lượng dịch bọc, lưu lượng phun góc nghiêng ảnh hưởng đến thời gian tan phân ure sau bọc Lưu lượng phun thấp, dịch bọc phun