CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHẢ CHẤT DINH DƯỠNG CỦA MỘT SỐ LOẠI PHÂN BÓN NHẢ CHẬM. LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TRẦN QUỐC TỒN CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NHẢ CHẤT DINH DƢỠNG CỦA MỘT SỐ LOẠI PHÂN BÓN NHẢ CHẬM Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã số: 62.44.01.19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Đại Lâm GS.TS Nguyễn Văn Khôi Hà Nội - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu hướng dẫn PGS.TS Trần Đại Lâm GS.TS Nguyễn Văn Khôi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học khác Một số kết luận án kết chung nhóm nghiên cứu đồng tác giả cho phép sử dụng Tác giả luận án Trần Quốc Toàn ii LỜI CẢM ƠN Luận án hồn thành Viện Hố học - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Trong q trình nghiên cứu tơi nhận nhiều giúp đỡ q báu thầy cơ, nhà khoa học, đồng nghiệp, bạn bè gia đình Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc nhất, xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Trần Đại Lâm GS.TS Nguyễn Văn Khôi – người thầy tận tâm hướng dẫn khoa học, truyền cho tri thức bảo, giúp đỡ, động viên, khích lệ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Học viện Khoa học & Công nghệ Ban lãnh đạo Viện Hóa học cán Học viện, Viện giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán phịng Vật liệu Polyme - Viện Hóa học giúp đỡ tơi q trình thực nghiệm đóng góp nhiều ý kiến q báu chun mơn việc thực hồn thiện luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Sở Khoa học Công nghệ tỉnh Thái Nguyên,các trạm khuyến nông TP Sông Công huyện Đồng Hỷ, Thái Nguyên tạo điều kiện để thử nghiệm, đánh giá sản phẩm Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Sư Phạm – Đại học Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm khoa Hóa học đồng nghiệp Khoa Hóa học tạo điều kiện tốt cho suốt trình học tập nghiên cứu Cuối xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè tin tưởng, động viên, chia sẻ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Trần Quốc Toàn iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết đầy đủ STT Chữ viết tắt ASC Axit ascorbic - C6H8O5 APS Amoni pesunfat - (NH4)2S2O8 AAm Acrylamit - C3H5NO (CH2=CH–CONH2) CRF Phân bón nhả có kiểm sốt (Controlled Release Fertilizer) CDU Ure formaldehit/Ure-crotonaldehit DAP Điamonihiđrophotphat - (NH4)2HPO4 DCD Dixyandiamide IR Phổ hồng ngoại IBDU 10 IFA Hiệp hội phân bón quốc tế 11 MAP MgNH4PO4.6H2O 12 MBA N,N'- metylenbisacrylamit - C7H10N2O2 13 MC Trộn hóa học 14 NUE Hiệu sử dụng N 15 NPK Phân chứa N, P, K 16 SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscopy) 17 SRF Phân bón nhả chậm (Slow Release Fertilizer) 18 PVA Poly vinylancol 19 PCF Phân bọc polyme 20 PSCF Phân bọc polyme lưu huỳnh 21 PU Polyurethan 22 UF Ure formaldehit 23 SA Amonisunfat (NH4)2SO4 24 SCU Phân bọc lưu huỳnh 25 MMT Montmorillonit 26 TGA Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal GravimetricAnalysis) 27 FAO Tổ chức lương thực nông nghiệp liên hợp quốc 28 FAV Hiệp hội phân bón Việt Nam Ure-isobutyraldehit iv MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Mục lục v Danh mục bảng biểu vi Danh mục hình vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vai trị phân bón sản xuất lương thực, tác động việc sử dụng phân bón tới mơi trường, sinh thái sức khoẻ 1.1.1 Vai trị phân bón sản xuất lương thực 1.1.2 Tác động việc sử dụng phân bón tới môi trường, sinh thái sức khoẻ 1.2 Giới thiệu chung phân bón nhả chậm 1.2.1 Khái niệm, phân loại ưu điểm phân bón nhả chậm 1.2.2 Công nghệ phân bón nhả chậm 10 1.2.3 Động học chế trình nhả chậm phân bón 25 1.3 Giới thiệu số nguyên vật liệu dùng chế tạo phân bón nhả chậm .32 1.3.1 Tinh bột tinh bột biến tính .32 1.3.2 Polyurethan 34 1.3.3 Polyvinyl ancol .35 1.3.4 Polyvinyl axetat 35 1.3.5 Bentonit 36 1.4 Ứng dụng phân bón nhả chậm 37 1.4.1 Sử dụng phân bón nhả chậm nơng nghiệp 37 1.4.2 Sử dụng phân bón nhả chậm lĩnh vực phi nơng nghiệp 42 1.4.3 Tình hình nghiên cứu phân bón nhả chậm Việt Nam .44 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 47 2.1 Nguyên liệu, hoá chất 47 2.2 Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu 47 2.3 Một số phương pháp phân tích phân bón 48 v 2.3.1 Xác định hàm lượng nitơ tổng số 48 2.3.2 Xác định hàm lượng photpho tổng số 49 2.3.3 Xác định hàm lượng kali tổng số 49 2.3.4 Phương pháp xác định độ rã lõi phân bón .49 2.3.5 Phương pháp xác định độ cứng lõi phân .50 2.3.6 Phương pháp phân tích số tính chất lý hóa đất 50 2.4 Phương pháp tiến hành 50 2.4.1 Nghiên cứu chế tạo lõi phân bón 50 2.4.2 Nghiên cứu chế tạo vỏ bọc cho phân bón nhả chậm 54 2.4.3 Xây dựng mơ hình động học q trình nhả chậm phân bón 56 2.4.4 Ứng dụng thử nghiệm phân bón nhả chậm cho số trồng .58 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65 3.1 Chế tạo lõi phân bón nhả chậm .65 3.1.1 Biến tính tinh bột 65 3.1.2 Lựa chọn chất kết dính cho phân bón ure nhả chậm 68 3.1.3 Lựa chọn chất kết dính cho phân bón NPK nhả chậm 70 3.2 Chế tạo vỏ bọc cho phân bón nhả chậm 73 3.2.1 Đặc trưng vật liệu lớp vỏ bọc 73 3.3 Xây dựng mơ hình động học q trình nhả chậm phân bón 78 3.3.1 Nghiên cứu q trình nhả phân bón nước 78 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả nhả dinh dưỡng phân bón 98 3.3.3 Ảnh hưởng pH đến khả nhả dinh dưỡng phân bón 100 3.3.4 Q trình nhả phân bón đất 101 3.3.5 Đánh giá khả phân hủy sinh học lớp vỏ phân bón 103 3.4 Ứng dụng phân bón nhả chậm cho số trồng 105 3.4.1 Ứng dụng phân bón nhả chậm cho bí xanh 106 3.4.2 Ứng dụng phân bón nhả chậm cho chè 113 KẾT LUẬN 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Thành phần nguyên liệu tổng hợp lõi phân ure nhả chậm (tính cho 100g) 53 Bảng 2.2 Thành phần nguyên liệu tổng hợp lõi phân bón NPK (16:16:16) .53 Bảng 2.3 Thành phần nguyên liệu tổng hợp lõi phân bón NPK (30:10:10) .54 Bảng 3.1 Ảnh hưởng thời gian biến tính tới tính chất tinh bột 65 Bảng 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng PU đến độ dày lớp vỏ tỉ lệ bọc 76 Bảng 3.3 Mơ hình động học phân ure nhả chậm với độ dày 25-30 µm 80 Bảng 3.4 Mơ hình động học phân ure nhả chậm với độ dày 40-50 µm 80 Bảng 3.5 Mơ hình động học phân ure nhả chậm với độ dày 70-80 µm 80 Bảng 3.6 Các tham số động học phương trình động học nhả N phân NPK (30:10:10) với độ dày 25-30 µm 85 Bảng 3.7 Các tham số động học phương trình động học nhả N phân NPK (30:10:10) với độ dày 40-50 µm 86 Bảng 3.8 Các tham số động học phương trình động học nhả N phân NPK (30:10:10) với độ dày 70-80 µm 86 Bảng 3.9 Các tham số động học phương trình động học nhả P phân NPK (30:10:10) với độ dày 25-30 µm 88 Bảng 3.10 Các tham số động học phương trình động học nhả P phân NPK (30:10:10) với độ dày 40-50 µm 88 Bảng 3.11 Các tham số động học phương trình động học nhả P phân NPK (30:10:10) với độ dày 70-80 µm 88 Bảng 3.12 Các tham số động học phương trình động học nhả K phân NPK (30:10:10) với độ dày 25-30 µm 90 Bảng 3.13 Các tham số động học phương trình động học nhả K phân NPK (30:10:10) với độ dày 40-50 µm 90 Bảng 3.14 Các tham số động học phương trình động học nhả K phân NPK (30:10:10) với độ dày 70-80 µm 91 Bảng 3.15 Các tham số động học phương trình động học nhả N phân NPK (16:16:16) với độ dày 25-30 µm 92 Bảng 3.16 Các tham số động học phương trình động học nhả N phân NPK (16:16:16) với độ dày 40-50 µm 93 vi Bảng 3.17 Các tham số động học phương trình động học nhả N phân NPK (16:16:16) với độ dày 70-80 µm 93 Bảng 3.18 Các tham số động học phương trình động học nhả P phân NPK (16:16:16) với độ dày 25-30 µm 95 Bảng 3.19 Các tham số động học phương trình động học nhả P phân NPK (16:16:16) với độ dày 40-50 µm 95 Bảng 3.21 Các tham số động học phương trình động học nhả K phân NPK (16:16:16) với độ dày 25-30 µm 97 Bảng 3.22 Các tham số động học phương trình động học nhả K phân NPK (16:16:16) với độ dày 40-50 µm 97 Bảng 3.23 Các tham số động học phương trình động học nhả K phân NPK (16:16:16) với độ dày 70-80 µm 98 Bảng 3.24 Ảnh hưởng phân bón ure nhả chậm đến thời gian sinh trưởng 106 Bảng 3.25 Ảnh hưởng phân bón nhả chậm đến sinh trưởng phát triển bí xanh 107 Bảng 3.26 Ảnh hưởng lượng phân bón nhả chậm đến hình thái cấu trúc bí xanh .108 Bảng 3.27 Ảnh hưởng phân bón ure nhả chậm đến suất yếu tố cấu thành suất 109 Bảng 3.28 Hiệu kinh tế thu mơ hình ứng dụng phân bón nhả chậmcho bí xanh .110 Bảng 3.30 Ảnh hưởng phân bón nhả chậm đến yếu tố cấu thành suất chè (tính trung bình lứa hái) 113 Bảng 3.31 Ảnh hưởng phân bón nhả chậm đến suất chè (tính trung bình lứa hái) 114 Bảng 3.32 Hiệu kinh tế thu mơ hình ứng dụng phân bón nhả chậm cho chè (tính lứa hái) .115 Bảng 3.33 Ảnh hưởng phân bón nhả chậm đến tính chất lý – hóa đất .116 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 So sánh bón phân thơng thường (3 lần bón) với bón phân nhả chậm (chỉ lần bón) .9 Hình 1.2 Cấu tạo hạt phân nhả chậm bọc polyme .15 Hình 1.3 Quá trình khuếch tán chất dinh dưỡng từ phân bón nhả chậm 26 Hình 1.4 Cấu trúc phân tử amylozơ (a) amylopectin (b) 33 Hình 1.5 Cấu trúc phân tử Polyurethan 34 Hình 1.6 Cấu trúc phân tử Polyvinyl ancol 35 Hình 1.7 Cấu trúc phân tử Polyvinyl axetat 36 Hình 1.8.Cấu trúc tinh thể 2:1 Montmorillonit 37 Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo lõi phân bón nhả chậm 52 Hình 2.2 Sơ đồ chế tạo vỏ phân bón nhả chậm 55 Hình 2.3 Ống PVC chứa đất, nước phân nhả chậm 58 Hình 3.1 Ảnh hưởng thời gian biến tính tinh bột đến độ rã 66 Hình 3.2 Ảnh hưởng thời gian biến tính tinh bột đến độ cứng 66 Hình 3.3 Phổ IR tinh bột 67 Hình 3.4 Phổ IR tinh bột biến tính 67 Hình 3.5 Ảnh hưởng loại chất kết dính đến độ rã lõi phân bón ure .69 Hình 3.6 Ảnh hưởng loại chất kết dính đến độ cứng lõi phân bón ure 69 Hình 3.7 Ảnh hưởng chất kết dính đến độ rã lõi phân bón NPK (16:16:16) 71 Hình 3.8 Ảnh hưởng chất kết dính đến độ cứng lõi phân bón NPK (16:16:16) 71 Hình 3.9 Ảnh hưởng chất kết dính đến độ rã lõi phân bón NPK (30:10:10) 71 Hình 3.10 Ảnh hưởng chất kết dính đến độ cứng lõi phân bón NPK (30:10:10) 72 Hình 3.11 Phổ IR lớp vỏ PU 73 Hình 3.12 Giản đồ TGA lớp vỏ PU 74 Hình 3.13 Ảnh SEM lớp vỏ PU 75 Hình 3.14 Ảnh hưởng sáp parafin đến đặc tính nhả N phân ure nhả chậm 75 Hình 3.15 Ảnh SEM lớp vỏ với độ dày khác 77 Hình 3.16 Đặc tính nhả N mẫu phân ure nhả chậm nước 78 vii Hình 3.17 Mơ tả nhả N phân ure dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc .79 Hình 3.18 Mô tả nhả N phân ure dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc .79 Hình 3.19 Mơ tả nhả N phân ure dạng tuyến tính 80 phương trình biểu kiến bậc 80 Hình 3.20 Đặc tính nhả N mẫu phân NPK (30:10:10) nhả chậm nước 81 Hình 3.21 Đặc tính nhả P mẫu phân NPK (30:10:10) nhả chậm nước 81 Hình 3.22 Đặc tính nhả K mẫu phân NPK (30:10:10) nhả chậm nước 82 Hình 3.23 Đặc tính nhả N phân bón NPK (16:16:16) nhả chậm 83 Hình 3.24 Đặc tính nhả P phân bón NPK (16:16:16) nhả chậm 83 Hình 3.25 Đặc tính nhả K phân bón NPK (16:16:16) nhả chậm 83 Hình 3.26 Mơ tả nhả N phân NPK (30:10:10) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc .84 Hình 3.27 Mơ tả nhả N phân NPK (30:10:10) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc .85 Hình 3.28 Mơ tả nhả N phân NPK (30:10:10) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 85 Hình 3.29 Mơ tả nhả P phân NPK (30:10:10) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 87 Hình 3.30 Mơ tả nhả P phân NPK (30:10:10) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 87 Hình 3.31 Mơ tả nhả P phân NPK (30:10:10) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 87 Hình 3.32 Mơ tả nhả K phân NPK (30:10:10) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 89 Hình 3.33 Mô tả nhả K phân NPK (30:10:10) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 89 Hình 3.34 Mơ tả nhả K phân NPK (30:10:10) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 90 viii Hình 3.35 Mơ tả nhả N phân NPK (16:16:16) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 91 Hình 3.36 Mô tả nhả N phân NPK (16:16:16) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 92 Hình 3.37 Mơ tả nhả N phân NPK (16:16:16) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 92 Hình 3.38 Mơ tả nhả P phân NPK (16:16:16) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 94 Hình 3.39 Mô tả nhả P phân NPK (16:16:16) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 94 Hình 3.40 Mơ tả nhả P phân NPK (16:16:16) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 94 Hình 3.41 Mơ tả nhả K phân NPK (16:16:16) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 96 Hình 3.42 Mơ tả nhả K phân NPK (16:16:16) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 96 Hình 3.43 Mơ tả nhả K phân NPK (16:16:16) dạng tuyến tính phương trình biểu kiến bậc 97 Hình 3.44 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình nhả N phân ure nhả chậm 98 Hình 3.45 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình nhả N phân NPK (16:16:16)nhả chậm .99 Hình 3.46 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình nhả P phân NPK (16:16:16) nhả chậm .99 Hình 3.47 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình nhả K phân NPK (16:16:16) nhả chậm .99 Hình 3.48 Ảnh hưởng pH đến trình nhả N phân ure nhả chậm 100 Hình 3.49 Ảnh hưởng pH đến trình nhả dinh dưỡng phân NPK (16:16:16) nhả chậm 100 Hình 3.50 Đặc tính nhả N mẫu phân ure nhả chậm đất .101 Hình 3.51 Đặc tính nhả N phân bón NPK nhả chậm đất 102 ix Hình 3.52 Đặc tính nhả P phân bón NPK nhả chậm đất 102 Hình 3.53 Đặc tính nhả dinh K phân bón NPK nhả châm đất 102 Hình 3.54 Độ giảm khối lượng vỏ phân nhả chậm đất 103 Hình 3.56 Ảnh SEM bề mặt vỏ viên phân có độ dày 50µm chơn đất 104 Hình 3.57 Ảnh SEM bề mặt vỏ viên phân có độ dày 70µm chơn đất 105 Hình 3.58 Một số hình ảnh ứng dụng phân nhả chậm cho bí xanh, chè 112 x MỞ ĐẦU Sự bùng nổ dân số dẫn đến vấn đề xúc lương thực thực phẩm Sản xuất nông nghiệp từ chỗ dựa vào đất, phân chuồng, phân sản phẩm sinh vật khác , phải dựa vào phân bón hóa học Theo Tổ chức lương thực nơng nghiệp liên hợp quốc (FAO) phân bón làm tăng suất trồng từ 35-45%, việc sử dụng phân bón giới Việt Nam tất yếu [7] Hiện nay, hiệu sử dụng phân bón Việt Nam nước giới thấp Ở Việt Nam hiệu sử dụng phân urê đạt 30%-50%, phân lân 40%-45%, kali 40%-50%, phần lại bị mát nhiều nguyên nhân bay amoniac, trình rửa trơi, xói mịn v.v Điều làm tăng chi phí, giảm hiệu kinh tế gây nhiễm cho mơi trường, đất, nước khơng khí [7] Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo loại phân bón vừa cung cấp đủ dinh dưỡng cho trồng thời gian dài, chống bị rửa trôi, vừa thân thiện với môi trường mối quan tâm đặc biệt nhà khoa học [121] Để nâng cao hiệu sử dụng phân bón, hiệu kinh tế hạn chế nhiễm mơi trường, góp phần phát triển nông nghiệp xanh, bền vững, năm gần giới Việt Nam có xu hướng áp dụng cơng nghệ vào lĩnh vực sản xuất phân bón Một hướng quan trọng nhất, có nhiều triển vọng nghiên cứu phát triển kỹ thuật nhả chậm Kỹ thuật tạo loại phân bón có khả tăng cường phát triển chất dinh dưỡng đưa vào polyme bọc vỏ polyme Chất dinh dưỡng nhả dần cho hấp thụ, tránh tượng rửa trơi phân bón, tiết kiệm sức lao động chi phí sản xuất giảm thiểu nguy ô nhiễm môi trường Các polyme sử dụng có khả phân hủy sinh học thân thiện với môi trường, không ảnh hưởng xấu đến chất lượng đất, chất lượng nông sản [121] Việt Nam nước nông nghiệp, nhu cầu sử dụng phân bón sản xuất nông nghiệp hàng năm lớn đặc biệt phân bón nhả chậm Tuy nhiên, việc nghiên cứu phân bón nhả chậm Việt Nam mới, việc sử dụng phân bón nhả chậm sản xuất nơng nghiệp cịn hạn chế giá thành phân bón nhả chậm nhập cịn cao, gây chi phí lớn sản xuất Vì vậy, luận án“ Chế tạo nghiên cứu động học trình nhả chất dinh dưỡng số loại phân bón nhả chậm” ứng dụng sản xuất nông nghiệp Việt Nam vấn đề cấp bách, giải xúc sản xuất thực tế đặt  Mục tiêu luận án: - Chế tạo số loại phân bón nhả chậm với vỏ bọc polyurethan nghiên cứu động học trình nhả chất dinh dưỡng số loại phân bón nhả chậm - Ứng dụng phân bón nhả chậm cho số trồng (cây bí xanh, chè)  Nội dung luận án: - Nghiên cứu chế tạo số loại phân bón nhả chậm (Ure, NPK) với vỏ bọc polyurethan - Xây dựng mơ hình động học q trình nhả chậm phân bón - Nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm phân bón nhả chậm cho số trồng (cây bí xanh, chè) CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Vai trị phân bón sản xuất lƣơng thực, tác động việc sử dụng phân bón tới mơi trƣờng, sinh thái sức khoẻ 1.1.1 Vai trị phân bón sản xuất lương thực Phân bón chất hữu vô chứa nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho trồng nhằm giúp chúng sinh trưởng, phát triển tốt cho suất cao, bón vào đất hay hịa vào nước phun, xử lí hạt giống, rễ [7] Hiện khoa học xác định 92 nguyên tố hóa học có cây, có 13 nguyên tố coi thiết yếu, cần cung cấp qua phân bón Dựa vào lượng chất cần sử dụng, người ta chia chất dinh dưỡng thiết yếu thành nhóm chất đa lượng, chất trung lượng chất vi lượng: - Nhóm dinh dưỡng đa lượng (NPK): chất cần với số lượng nhiều gồm chất đạm (N), lân (P) kali (K) - Nhóm dinh dưỡng trung lượng (Ca; Mg; S): chất cần với số lượng trung bình, gồm chất Canxi (Ca), Magie (Mg), Silic (Si) - Nhóm dinh dưỡng vi lượng (Fe; Zn ; Mn; Cu ; B ; Mo; Cl): chất cần với lượng ít, gồm chất Sắt (Fe), Kẽm (Zn), Mangan (Mn), Đồng (Cu), Bo (B), Molypden (Mo) Clo (Cl) Các chất dinh dưỡng thiết yếu hút dạng ion hịa tan chủ yếu từ đất phân bón Đối với trồng, nguồn dinh dưỡng cung cấp từ đất không đáng kể so với yêu cầu nên phải bổ sung qua phân bón [7] Theo tổ chức lương thực nông nghiệp liên hợp quốc (FAO) phân bón làm tăng suất trồng từ 35-45% đóng góp khoảng 30-35% tổng sản lượng trồng Cứ ba người sống hành tinh có người sống nhờ tăng suất trồng [7] Ngành cơng nghiệp sản xuất phân bón đời vào cuối kỷ 18, phát triển mạnh vào năm 60 kỷ 20 Trong giai đoạn từ 1961 đến 2011, dân số tăng từ tỷ người lên gần tỷ người sản lượng ngũ cốc tăng từ 0,9 tỷ lên 2,5 tỷ sản lượng tiêu thụ phân bón tăng từ 30 triệu dinh dưỡng N-P2O5-K2O lên 176 triệu Qua cho thấy, gia tăng dân số sản lượng ngũ cốc tương đương sản lượng tiêu thụ phân bón có tỷ lệ tăng gấp đôi so với dân số sản lượng ngũ cốc [18] Dự báo đến năm 2020, 70% sản lượng ngũ cốc phải phụ thuộc vào phân bón Nhu cầu chất dinh dưỡng tăng liên tục với tốc độ tăng trưởng dân số, đặc biệt nước phát triển [36] Với diện tích đất trồng trọt 1,6 tỷ ha, bổ sung thêm 70 triệu vào năm 2050 để sản xuất lương thực cho dân số đạt 13,4 tỷ người vào năm 2050 địi hỏi lượng dinh dưỡng lớn từ phân bón phân bón tiếp tục đóng vai trị quan trọng việc bảo đảm an ninh lương thực giới [18] Đối với Việt Nam, 30 năm qua, phân bón góp phần quan trọng phát triển ngành nông nghiệp Việt Nam Từ nước thiếu lương thực, nước ta trở thành cường quốc xuất gạo nông sản khác cà phê, hồ tiêu, chè [3] 1.1.2 Tác động việc sử dụng phân bón tới mơi trường, sinh thái sức khoẻ Dân số giới nhu cầu lương thực, thực phẩm người ngày tăng dẫn đến việc sử dụng phân bón hóa học ngày lớn Tuy nhiên, hiệu sử dụng phân bón trồng thấp Trung bình có khoảng 50-60% phân đạm, lân, kali bón vào đất không trồng sử dụng mà thải ngồi mơi trường Điều làm tăng chi phí, giảm hiệu kinh tế gây hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường đất, nước không khí [21],[121] Sự ảnh hưởng việc thất phân bón môi trường nhiều nhà khoa học từ lâu Trong số phân bón chưa trồng sử dụng, phần lại đất, phần bị rửa trôi theo nước mặt mưa, theo cơng trình thuỷ lợi ao, hồ, sông suối gây ô nhiễm nguồn nước mặt Một phần bị rửa trôi theo chiều dọc xuống tầng nước ngầm phần bị bay tác động nhiệt độ hay q trình phản nitrat hố gây nhiễm khơng khí Sự thất nitơ ngồi khơng khí nguyên nhân làm giàu lượng nitơ bầu khí Tại nhiều khu vực giới, nitơ photpho xảy tình trạng tích tụ thành lượng lớn cho phép gây ảnh hưởng lớn tới môi trường, sức khỏe hệ sinh thái [36] Khi lượng phân bón dư thừa vào nguồn nước mặt làm tăng nồng độ chất dinh dưỡng nước gây tượng phú dưỡng tảo nở hoa gây hại Mặt khác, tảo thực vật bậc thấp bị chết, xác chúng bị phân hủy yếm khí, tạo nên chất độc hại, có mùi hơi, gây nhiễm nguồn nước [84] Ở hầu hết vùng canh tác, nitơ bị oxy hóa tạo thành nitrat tác dụng vi khuẩn hoạt động bị thấm bị tách khỏi rễ vào nước ngầm, nước mặt Nồng độ nitrat nước cao (do phân đạm chứa nitrat) làm ảnh hưởng đến sức khỏe người, động vật Trong đường ruột, nitrat bị khử thành nitrit, nitrit tạo hấp thụ vào máu kết hợp với hemoglobin làm khả chuyên chở oxy máu bị giảm Nitrit nguyên nhân gây ung thư dày nhiều bệnh khác bướu cổ, dị tật bẩm sinh, bệnh tim mạch [36] Trong trình sử dụng phân bón nitơ, bay amoniac tương đối lớn, đặc biệt sử dụng chúng mơi trường đất có tính kiềm Sự giải phóng amoniac sử dụng phân bón dẫn tới q trình tích tụ chúng hệ sinh thái, nguyên nhân gây phá hủy hệ thực vật Một lượng NH3 bị oxi hóa chuyển hóa thành axit, kết hợp với axit sunfuric (từ nguồn khí thải cơng nghiệp) tạo thành mưa axit Mưa axit nguyên nhân phá hủy mùa màng axit hóa hồ chứa nước, gây tình trạng ngộ độc nhôm cá thực vật [36] Hiện nay, biến đổi khí hậu, thời tiết khắc nhiệt nguyên nhân chủ yếu gây thất thoát phân bón Ngồi việc phân bón bị mát nước mưa dư chảy tràn tượng lũ lụt, làm xói mịn đất, phá vỡ cấu trúc đất làm tăng nhanh lượng phân bón bị rửa trơi Sự nóng dần lên trái đất làm tăng tốc độ hồ tan phân bón nước, tăng bay amoniac [36] Nguồn nguyên liệu trình sản xuất phân hố học có chứa loại kim loại nặng, kim loại trồng hấp thụ tích lũy sản phẩm Người gia súc dùng sản phẩm chứa kim loại lâu ngày bị nhiễm độc, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ Ví dụ: nguyên tố Cd, Cr, Pb, Ur hay Ra có chứa phân lân tích tụ đất thời gian dài gây hậu nghiêm trọng [36] Trong sản xuất nông nghiệp, nước phát triển nông dân thường lạm dụng phân bón, có nơi người nơng dân bón phân gấp 2-3 lần so với nhu cầu làm thất lượng lớn phân bón, gây cân sinh thái, ô nhiễm môi trường, đặc biệt nguồn nước ngầm, gây mưa axit, góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính, làm giảm độ phì nhiêu đất, tích luỹ dư lượng nông sản [7] Việc thất phân bón vào mơi trường đất ảnh hưởng đến tính chất lí hố học sinh học đất, phá vỡ cấu trúc đất, giảm tỉ lệ thơng khí đất Ví dụ thất (NH4)2SO4 làm dư thừa ion SO42- làm đất bị chua, pH đất giảm, số vi sinh vật bị chết, tăng hàm lượng ion kim loại hoà tan Al, Mn, Fe gây ô nhiễm đất độc hại với trồng Khi phân bón vi lượng thất thoát làm tăng hàm lượng kim loại nặng Cu, Zn, Mn đất làm cho thực vật sinh trưởng đất bị ô nhiễm kim loại nặng tích lũy kim loại nặng thể theo chuỗi thức ăn vào thểcon người động vật Ngồi ra, sử dụng phân bón không làm tăng dịch bệnh, dẫn tới phải sử dụng nhiều thuốc bảo vệ thực vật gây ô nhiễm mơi trường [36] Theo FAV, nhu cầu phân bón hóa học cho sản xuất nơng nghiệp Việt Nam năm 2014 khoảng 11 triệu phân bón loại, hiệu suất sử dụng loại phân bón trung bình khoảng 45-50%, năm ngành nơng nghiệp lãng phí khoảng 40-44 nghìn tỷ đồng Việc thất phân bón ngun nhân làm tăng chi phí đầu vào cho sản xuất nông nghiệp Ở Việt nam, ước tính chi phí cho phân bón thuốc bảo vệ thực vật chiếm khoảng 50% giá thành sản xuất lúa [5],[21] 1.2 Giới thiệu chung phân bón nhả chậm 1.2.1 Khái niệm, phân loại ưu điểm phân bón nhả chậm 1.2.1.1 Khái niệm phân bón nhả chậm Ngành cơng nghiệp phân bón ln phải đối mặt với tồn khó tháo gỡ, vấn đề cải thiện hiệu sử dụng phân bón Bởi vậy, việc cần thiết phát triển loại phân bón Bằng nỗ lực không ngừng, nhà khoa học chế tạo thành cơng loại phân bón mới, đáp ứng u cầu đặt ra, phân bón nhả chậm (Slow Release Fertilizer -SRFs) phân bón nhả có kiểm sốt (Controlled Release Fertilizer-CRFs) [121] Phân bón nhả chậm nhả có kiểm sốt loại phân bón có chứa dinh dưỡng cho dạng a) làm chậm tính có sẵn cho hấp thu sử dụng sau đưa vào, b) dạng có sẵn cho thời gian dài nhiều so với “phân bón có sẵn dinh dưỡng” amoni nitrat hay ure, amoni photphat, kali clorua Khơng có khác biệt thức phân bón nhả chậm nhả có kiểm sốt nên thường gọi chung phân nhả chậm Tuy nhiên, sản phẩm N bị phân hủy vi khuẩn UF (Ure-Formaldehit), thương mại thường gọi phân nhả chậm sản phẩm dạng viên bọc gọi phân bón nhả có kiểm sốt Ủy ban Chuẩn hóa Châu Âu đưa số đề xuất phân bón nhả chậm đất sau:một loại phân mô tả phân nhả chậm chất dinh dưỡng chất dinh dưỡng xem nhả chậm, điều kiện định nhiệt độ 250C, phải đáp ứng ba tiêu chuẩn sau: + Nhả không 15% 24h + Nhả không 75% 28 ngày + Nhả 75% khoảng thời gian định [121] 1.2.1.2 Phân loại phân bón nhả chậm Phân nhả chậm phân loại theo nhiều cách khác theo tiêu chí khác *Dựa vào đặc điểm cấu trúc hóa học, tính chất vật lí như: độ chậm tan, khả nhả chất dinh dưỡng, phân nhả chậm chia thành hai loại: phân khơng bọc (SRF) phân có vỏ bọc (CRF) - Phân không bọc nhả chậm (SRFs): phân bón cách thuỷ phân phân huỷ sinh học tan hạn chế, chất dinh dưỡng nhả dần thời gian dài so với phân bón hồ tan nước thơng thường amoni sunfat, amoni nitrat urê [66] - Phân bọc nhả chậm (CRFs): phân bón chất dinh dưỡng kiểm soát, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng thời gian nhiệt độ xác định [66] Tuy nhiên, Trenkel [121] Shaviv [36] xác định khác biệt hai loại phân Trong trường hợp SRF, mơ hình nhả chất dinh dưỡng gần khơng thể đốn trước, thay đổi theo điều kiện khí hậu, loại đất Ngược lại với CRFs, mơ hình nhả chất dinh dưỡng, số lượng thời gian nhả chất dinh dưỡng dự đoán giới hạn định *Theo Trenkel [121] Shaviv [36] phân bón nhả chậm phân thành loại sau: - Các hợp chất hữu có độ hồ tan thấp Các hợp chất thường sản phẩm ngưng tụ từ ure Các hợp chất chia nhỏ thành chất phân huỷ sinh học urea-formaldehyde (UF), isobutylidene diurea (IBDU) urê acetaldehyde/cyclo diurea (CDU) Cơ chế nhả chậm phân không bọc dựa thủy phân từ từ nước tác động vi khuẩn đất -Phân bón bọc (kiểm sốt việc nhả dinh dưỡng lớp phủ) Nhóm gồm phân bón mà tính tan điều khiển tính chất vật lí Các loại phân bón có lõi hạt phủ vật liệu polyme hay chất làm giảm khả nhả chất dinh dưỡng Các loại phân bón phủ chia thành phân phủ vật liệu polyme hữu nhựa nhiệt dẻo phân bón bọc vật liệu vơ lưu huỳnh chất khống tan Các vật liệu polyme hữu bọc có thểlà polyme kị nước polyolefin, cao su polyme ưa nước tự nhiên ‟‟hydrogel‟‟làm chậm q trình hồ tan phân bón khả giữ nước cao Các loại ‟‟hydrogel‟‟ phổ biến so với loại phân bón phủ phát triển -Các hợp chất vơ có độ hịa tan thấp Các hợp chất vơ có độ hồ tan thấp muối amoni photphat kim loại có cơng thức tổng qt MeNH4PO4 xH2O (với Me Mg, Fe, Zn, Mg hay K), ví dụ KNH4PO4 MgNH4PO4 1.2.1.3 Ưu điểm phân bón nhả chậm - Giảm tối thiểu mát phân bón xói mịn đất, bay hay kết dính chặt vào đất nâng cao hiệu sử dụng phân bón Việc sử dụng phân bón nhả chậm giảm từ 20-30% (hoặc lớn hơn) lượng phân bón so với phân bón thơng thường mà cho suất Các chất dinh dưỡng cung cấp suốt vòng đời phát triển cây, theo giai đoạn phát triển cây, nhu cầu dinh dưỡng thời điểm cung cấp lúc, liều cách Đồng thời giúp rễ phát triển tốt sâu, góp phần tăng sức đề kháng [121] - Phân bón nhả chậm giúp cải thiện hấp thu chất dinh dưỡng thực vật thông qua việc nhả chất dinh dưỡng đầy đủ theo thời gian, làm giảm đáng kể lượng hao hụt chất dinh dưỡng, đặc biệt nitơ, nitrat qua việc rửa trôi NO3- bay NH3 Góp phần làm giảm thiểu loại khí gây hiệu ứng nhà kính N2O nguy ô nhiễm mạch nước ngầm, không khí [121]