TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT PHÂN BÓN NPK NHẢ CHẬM TRÊN HỆ POLIMER TỰ NHIÊN Giảng viên hướng dẫn ThS PHẠM THÀNH TÂM Sinh viên thực.
TỔNG QUAN
Tống quan về phân bón
1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển
Ngành công nghiệp sản xuất phân bón bắt đầu hình thành vào cuối thế kỷ XVIII, nhưng chỉ thực sự bùng nổ từ những năm 60 của thế kỷ XX Từ 1961 đến 2011, dân số toàn cầu tăng từ 3 tỷ lên gần 7 tỷ người, kéo theo sản lượng ngũ cốc tăng mạnh từ 0,9 tỷ tấn lên trên 2,5 tỷ tấn Đồng thời, nhu cầu tiêu thụ phân bón cũng tăng đáng kể, từ 30 triệu tấn dinh dưỡng N – P2O5 – K2O.
Sự gia tăng dân số và sản lượng ngũ cốc hiện nay đạt 176 triệu tấn, cho thấy mối tương quan giữa chúng Tuy nhiên, sản lượng tiêu thụ phân bón lại tăng gấp đôi so với cả dân số và sản lượng ngũ cốc.
Ngành công nghiệp phân bón chủ yếu tập trung vào việc cung cấp ba chất dinh dưỡng chính cho cây trồng: nitơ (N), phospho (P) và kali (K) Nitơ được biểu thị dưới dạng nguyên tố N, trong khi phospho và kali thường được thể hiện dưới dạng oxit P2O5 và K2O hoặc dưới dạng nguyên tố P và K Ngoài ra, lưu huỳnh cũng được cung cấp với lượng lớn, chủ yếu thông qua sulfat có trong các sản phẩm như MAP và DAP Các chất dinh dưỡng thứ cấp có thể xuất hiện ngẫu nhiên trong quá trình sản xuất nguyên liệu thô, trong khi các nguyên tố vi lượng có thể được thêm vào phân bón chính hoặc cung cấp dưới dạng sản phẩm đặc chủng.
Với diện tích đất trồng trọt 1,6 tỷ ha và chỉ có thể bổ sung thêm 70 triệu ha vào năm
Để đáp ứng nhu cầu lương thực cho dân số dự kiến đạt 13,4 tỷ người vào năm 2050, cần một lượng dinh dưỡng khổng lồ từ phân bón, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu.
1.1.2 Khái niệm về phân bón
Phân bón là các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ cung cấp các nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cho cây trồng, giúp cây phát triển khỏe mạnh và đạt năng suất cao Phân bón có thể được bón trực tiếp vào đất hoặc hòa vào nước để phun lên hạt giống, rễ và cây con.
Phân bón đóng vai trò quan trọng trong việc tăng năng suất cây trồng, bảo vệ cây và cải thiện độ phì nhiêu của đất Nó bao gồm một hoặc nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho cây, được phân loại thành ba nhóm chính.
- Đa lượng: Đạm (N), Lân (P2O5), Kali (K2O)
- Trung lượng: Canxi (Ca), Magie (Mg), Lưu Huỳnh (S), Silic (Si)…
- Vi lượng: Bo (B), Sắt (Fe), Đồng (Cu), Mangan (Mn), Kẽm (Zn)……
Phân bón cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng Nếu chỉ dựa vào dinh dưỡng từ đất, cây sẽ không đủ chất dinh dưỡng cần thiết, do đó, việc bổ sung từ phân bón là rất quan trọng Phân bón chính là nguồn thức ăn nuôi sống cây trồng.
1.1.3 Vai trò của phân bón đối với cây trồng
Phân bón cung cấp các nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của cây, tham gia vào quá trình chuyển hóa vật chất Nếu thiếu một trong những nguyên tố này, cây sẽ không thể hoàn thành chu kỳ sống của mình.
Theo FAO, phân bón có khả năng tăng năng suất cây trồng từ 34-45%, đóng góp khoảng 20-35% tổng sản lượng nông nghiệp Điều này cho thấy, cứ ba người trên thế giới thì có một người phụ thuộc vào sự gia tăng năng suất cây trồng.
Các nguyên tố dinh dưỡng mà cây cung cấp chia làm 3 nhóm chính:
Các nguyên tố đa lượng bao gồm C, H, O, N, P, K, trong đó C, H, O chiếm tỷ lệ lớn trong chất khô của cây và được cung cấp từ nước và không khí, không được coi là nguyên tố khoáng Ngược lại, N, P, K được hấp thụ từ đất và được gọi là khoáng đa lượng Trong số này, nitơ là nguyên tố mà cây trồng cần nhiều nhất, tiếp theo là phospho và cuối cùng là kali.
Nitơ (N) đóng vai trò quan trọng trong sự sống của sinh vật, mặc dù chỉ chiếm tối đa 1,5% trong thực vật (tính theo chất khô) Nó là thành phần thiết yếu của diệp lục, tham gia vào quá trình quang hợp, cũng như có mặt trong protein và acid amin, cần thiết cho sự cấu tạo và phát triển tế bào Sự thiếu hụt Nitơ sẽ khiến thực vật không thể tồn tại và phát triển Nitơ chủ yếu được hấp thụ dưới dạng NH4+ và NO2-.
NO3 - Nitơ trong không khí thực vật không sử dụng được
Lân (P2O5) chiếm khoảng 1% chất khô trong cây, đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc của protein và nhân tế bào, không thể thiếu cho sự sống của cây Lân hỗ trợ phát triển mầm non, đẻ nhánh, ra hoa và đậu quả, đồng thời giúp cây chống chịu với nhiệt độ lạnh và nóng, cũng như cải thiện khả năng sống trong đất chua và kiềm Cây có khả năng hấp thụ lân không chỉ ở dạng vô cơ mà còn ở dạng hữu cơ, đặc biệt là một số cây họ đậu có khả năng hấp thụ phospho vô cơ khó tan và tích cực đưa vào chu trình phospho.
Kali (K2O) chiếm khoảng 3% chất khô trong cây, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa năng lượng và đồng hóa chất dinh dưỡng Nó giúp cây tăng cường khả năng chống chịu với điều kiện môi trường khắc nghiệt và một số loại bệnh Kali cũng góp phần nâng cao hàm lượng đường, màu sắc, mùi vị trong quả, cũng như chất bột trong củ Mặc dù cây trồng cần nhiều kali hơn nitơ, nhưng do đất thường chứa nhiều kali hơn nitơ, nhu cầu bổ sung nitơ thường được chú trọng hơn.
- Các nguyên tố trung lượng: Tồn tại trong cây với tỷ lệ thấp hơn, chỉ khoảng 1/1000 đến 1/100, bao gồm các nguyên tố: S, Mg, Ca, Si
Lưu huỳnh (S) là một thành phần quan trọng của acid amin, đóng vai trò thiết yếu trong các quá trình trao đổi chất của cây, giúp củng cố cấu trúc protein và hỗ trợ cây tích lũy chất dầu Nó đặc biệt có lợi cho các loại cây họ đậu và cây hoa màu Trong cây, lưu huỳnh thường tồn tại dưới dạng anion SO2 - và được hấp thụ dưới dạng sunfat, sunfic, sunfua, có khả năng đồng hóa khi được pha loãng.
Magie (Mg) là thành phần quan trọng trong cấu trúc phân tử diệp lục, góp phần vào hoạt động của enzyme trong chu trình acid citric và thúc đẩy enzyme kinaza Nó cũng hỗ trợ quá trình chuyển hóa và hấp thụ đường trong cây Thông thường, đất đã chứa một lượng magie dồi dào, do đó không cần bổ sung magie vào đất.
Khái niệm về phân hỗn hợp NPK
Phân bón NPK là loại phân hỗn hợp chứa ba thành phần dinh dưỡng chính: đạm (N), lân (P2O5) và kali (K) Tỉ lệ phối hợp các thành phần này được điều chỉnh để đạt được hàm lượng dinh dưỡng mong muốn, được ký hiệu là NPK.
N: Biểu thì hàm lượng Nitơ
Hình 1.3 Các loại phân bón có mặt trên thị trường hiện nay Ưu điểm của phân bón NPK so với các loại phân khác:
Khi sử dụng phân NPK, người nông dân có thể tận hưởng nhiều lợi ích, bao gồm cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng chỉ với một loại phân, đồng thời tiết kiệm đáng kể công sức và thời gian khi không phải trộn và bón nhiều loại phân khác nhau.
Khắc phục nhược điểm của phân đơn chất như tính axit của super lân và hiện tượng bay hơi, rửa trôi của một số loại phân đạm.
Chống được tổn thất khi bón do các điều kiện thiên nhiên: Mưa, gió, nắng, xói mòn…
Giảm thiểu thất thoát do bay hơi và rửa trôi so với phân đơn chất và phân dạng bột nhờ vào việc bọc áo và xử lý bề mặt, giúp phân tan từ từ.
Có thể tạo ra nhiều loại NPK khác nhau thích hợp cho từng loại đất trồng, cây trồng và từng giai đoạn phát triển của cây
Có thể đưa vào phân bón các thành phần vi lượng, chất kích thích tăng trưởng và chất cải tạo đất
Ngoài thành phần dinh dưỡng N, P, K còn có các chất trung, vi lượng, chất kích thích tăng trưởng nên hiệu quả thường cao hơn các loại phân đơn
Khi bón phân NPK, hiệu quả thường cao hơn so với phân đơn nhờ vào sự tương tác giữa các thành phần N, P, K Sự kết hợp này giúp cây hấp thụ dinh dưỡng tốt hơn, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng.
Các phương pháp sản xuất phân bón NPK
Các phương pháp sản xuất phân bón NPK phổ biến hiện nay như:
Phương pháp tạo hạt ướt sử dụng nước hoặc hơi nước để kết hợp nguyên liệu đã được nghiền mịn theo tỷ lệ N – P – K mong muốn Sau khi trộn đều, hỗn hợp được đưa vào máy tạo hạt dạng đĩa quay, nơi nước dạng sương hoặc dung dịch keo được phun vào để tạo ra các hạt lớn hơn Dưới tác dụng của lực ly tâm, các hạt sẽ tự động trào ra và lăn dọc theo vành ngoài, nơi chúng được bọc thêm lớp phụ gia mịn trước khi chuyển đến thiết bị sấy Sau quá trình sấy khô, các hạt sẽ được sàng lọc theo kích thước, trong đó các hạt lớn sẽ được nghiền mịn và hồi lưu vào máy tạo hạt Cuối cùng, các hạt đạt kích thước tiêu chuẩn sẽ được làm nguội, lưu trữ trong boongke và đóng bao trước khi đưa vào kho.
Phương pháp tạo hạt hóa học là một quy trình phức tạp hơn so với phương pháp tạo hạt bằng nước hoặc hơi nước Quá trình bắt đầu bằng việc thu được hỗn hợp lỏng từ phản ứng hóa học giữa amoniac và các loại acid như acid phosphoric, sulfuric, hoặc nitric Hỗn hợp này sau đó được phối trộn với các thành phần khác và phản ứng diễn ra trong thiết bị phản ứng dạng thùng hoặc acid để tối ưu hóa quá trình tạo hạt Các bước tiếp theo tương tự như phương pháp tạo hạt bằng hơi nước hoặc nước.
Phương pháp tạo hạt bằng lực nén bao gồm việc trộn đều các nguyên liệu dạng bột theo tỷ lệ mong muốn, sau đó chuyển hỗn hợp vào máy cán để tạo thành tấm Các tấm này sẽ được nghiền thành hạt với kích thước mong muốn, sau đó hỗn hợp nghiền sẽ được sàng để tách hạt Hạt có kích thước lớn sẽ quay lại máy nghiền, trong khi hạt nhỏ sẽ trở lại máy cán Cuối cùng, các hạt đạt kích thước yêu cầu sẽ được mài cạnh để làm tròn trước khi đóng bao hoặc chuyển đến kho chứa.
Phương pháp trộn hạt là quá trình kết hợp các loại hạt nguyên liệu có thành phần dinh dưỡng khác nhau, như DAP, Urê và KCl, sau khi đã được xử lý bề mặt, nhằm tạo ra sản phẩm có hàm lượng N, P, K theo yêu cầu Sử dụng thiết bị chảo tạo hạt, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo hạt cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả tối ưu.
Tốc độ vòng quay và góc nghiêng của chảo tạo hạt ảnh hưởng trực tiếp đến lực li tâm và trọng lực Khi tăng hoặc giảm tốc độ vòng quay, lực li tâm cũng sẽ thay đổi tương ứng Đồng thời, góc nghiêng của chảo càng lớn, tác động của trọng lực càng mạnh Giới hạn góc nghiêng hiệu quả nằm trong khoảng 45 – 60 độ so với mặt đất.
Trong quá trình sản xuất, lượng nhập liệu được điều chỉnh bằng máy theo công thức tính toán sẵn Trong nghiên cứu, việc nhập liệu được thực hiện thủ công để đảm bảo hạt đạt kích thước cần thiết và rơi ra khỏi vành ngoài Nếu lượng nhập liệu quá ít hoặc quá nhiều so với yêu cầu, hạt sẽ không đạt tiêu chuẩn kích thước từ 2 đến 4mm.
Để tạo độ dính cho các nguyên liệu và giúp mầm hạt phát triển, cần cho vào một lượng nước vừa đủ Nếu nước quá ít, nguyên liệu sẽ khô, khiến hạt thiếu độ chắc và tròn Ngược lại, nếu nước quá nhiều, nguyên liệu sẽ bị chảy rửa.
Tác động của việc sử dụng phân bón tới môi trường, sinh thái và sức khỏe
Dân số toàn cầu và nhu cầu thực phẩm đang gia tăng, dẫn đến việc sử dụng phân bón hóa học ngày càng nhiều Tuy nhiên, hiệu quả sử dụng phân bón cho cây trồng hiện tại rất thấp, với khoảng 50-60% lượng phân đạm, lân, kali không được cây hấp thụ và thải ra môi trường Điều này không chỉ làm tăng chi phí và giảm hiệu quả kinh tế mà còn gây ra ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến đất, nước và không khí.
Phân bón chưa được cây trồng sử dụng có thể bị thất thoát qua nhiều con đường, bao gồm việc rửa trôi theo nước mặt do mưa, gây ô nhiễm nguồn nước, hoặc rửa trôi xuống tầng nước ngầm Ngoài ra, một phần phân bón cũng bị bay hơi do nhiệt độ cao và quá trình phản nitrat hóa, dẫn đến ô nhiễm không khí Sự thất thoát nitơ ra ngoài không khí là nguyên nhân chính làm gia tăng lượng nitơ trong bầu khí quyển Tình trạng tích tụ nitơ và phospho ở nhiều khu vực trên thế giới có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường, sức khỏe con người và hệ sinh thái.
Lượng phân bón dư thừa thải vào nguồn nước mặt làm tăng nồng độ chất dinh dưỡng, gây ra hiện tượng phú dưỡng và tảo nở hoa có hại Khi tảo và thực vật bậc thấp chết, chúng phân hủy yếm khí, tạo ra các chất độc hại và mùi hôi, dẫn đến ô nhiễm môi trường nước Nitơ trong đất bị oxy hóa thành nitrat nhờ vi khuẩn, có thể thấm vào nước ngầm và nước mặt, làm tăng nồng độ nitrat Nồng độ nitrat cao trong nước, chủ yếu từ phân đạm, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và động vật Trong cơ thể, nitrat được chuyển hóa thành nitrit, làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu và có thể gây ra các bệnh như ung thư dạ dày, bướu cổ, dị tật bẩm sinh và bệnh tim mạch.
Sử dụng phân bón nitơ có thể dẫn đến sự bay hơi lớn của NH3, đặc biệt trong môi trường đất kiềm, gây ra sự giải phóng amoniac Điều này có thể dẫn đến sự kết tụ trong hệ sinh thái và phá hủy hệ thực vật Một lượng lớn NH3 bị oxy hóa sẽ chuyển hóa thành acid, kết hợp với H2SO4 từ khí thải công nghiệp, tạo ra mưa acid Mưa acid gây hại cho mùa màng và acid hóa các hồ chứa nước, dẫn đến tình trạng ngộ độc nhôm trong cá và thực vật.
Hình 1.5 Sự thất thoát của phân đạm thông thường khi bón
Biến đổi khí hậu và thời tiết khắc nghiệt hiện nay là nguyên nhân chính dẫn đến thất thoát phân bón Ngoài việc phân bón bị rửa trôi do mưa lớn, hiện tượng lũ lụt còn gây xói mòn đất, làm phá vỡ cấu trúc đất và gia tăng lượng phân bón bị mất Sự nóng lên toàn cầu cũng làm tăng tốc độ hòa tan của phân bón trong nước và gia tăng sự bay hơi của amoniac.
Nguồn nguyên liệu và quy trình sản xuất phân hóa học có thể chứa kim loại nặng, mà cây trồng hấp thụ và tích lũy trong sản phẩm Việc tiêu thụ lâu dài các sản phẩm này bởi con người và gia súc có thể dẫn đến nhiễm độc, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe Các kim loại như cadmium, crom, chì, uranium và radium có trong phân lân có thể tích tụ trong đất và gây ra hậu quả lâu dài.
Trong sản xuất nông nghiệp ở các nước đang phát triển, nông dân thường lạm dụng phân bón, bón gấp 2 đến 3 lần so với nhu cầu, dẫn đến thất thoát lớn, gây mất cân bằng sinh thái và ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nguồn nước ngầm Hành động này còn góp phần gây ra mưa acid, tăng hiệu ứng nhà kính, giảm độ phì nhiêu của đất và tích lũy dư lượng trong nông sản.
Việc thất thoát phân bón vào môi trường đất đã gây ra những tác động tiêu cực đến tính chất lý hóa và sinh học của đất, làm giảm tỷ lệ thông khí và phá vỡ cấu trúc đất Cụ thể, sự thất thoát amoni sunfat dẫn đến dư thừa ion SO4 2-, làm đất bị chua và giảm pH, gây chết một số vi sinh vật và tăng hàm lượng ion kim loại hòa tan như nhôm, mangan, và sắt, từ đó gây ô nhiễm đất và ảnh hưởng xấu đến cây trồng Thêm vào đó, việc thất thoát phân bón vi lượng làm tăng hàm lượng kim loại nặng như Cu, Zn, và Mn trong đất, khiến thực vật bị ô nhiễm kim loại nặng và tích lũy chúng, dẫn đến việc chúng xâm nhập vào chuỗi thức ăn của con người và động vật Ngoài ra, việc sử dụng phân bón không đúng cách còn làm gia tăng dịch bệnh, buộc người nông dân phải sử dụng nhiều thuốc bảo vệ thực vật, gây ô nhiễm môi trường.
Theo FAV, nhu cầu phân bón hóa học cho sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam vào năm 2014 ước tính khoảng 11 triệu tấn Nếu hiệu suất sử dụng các loại phân bón đạt mức trung bình, điều này sẽ ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng cây trồng.
Ngành nông nghiệp Việt Nam đang đối mặt với tình trạng lãng phí lớn, ước tính khoảng 40 – 44 nghìn tỉ đồng mỗi năm, chủ yếu do thất thoát phân bón Điều này không chỉ làm tăng chi phí đầu vào cho sản xuất nông nghiệp mà còn ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế Hiện tại, chi phí cho phân bón và thuốc bảo vệ thực vật chiếm khoảng 50% giá thành sản xuất lúa, cho thấy sự cần thiết phải cải thiện quản lý và sử dụng tài nguyên trong ngành nông nghiệp.
Phân bón nhả chậm
Trước nhu cầu ngày càng cao của thị trường trong nước và quốc tế về loại phân bón hiệu quả và thân thiện với môi trường, các nhà khoa học đã nỗ lực nghiên cứu để phát triển sản phẩm đáp ứng yêu cầu này Phân bón nhả chậm ra đời nhằm giảm thiểu ô nhiễm do thất thoát phân bón do các yếu tố tự nhiên, mang lại hiệu quả sử dụng cao hơn cho nông nghiệp.
Phân bón nhả chậm và nhả có kiểm soát chứa dinh dưỡng cho cây ở dạng có sẵn lâu hơn so với phân bón thông thường như amoni nitrat hay urê Hai loại phân này thường được gọi chung là phân nhả chậm, mặc dù không có sự khác biệt chính thức giữa chúng Các sản phẩm như urê-formaldehyt (UF) thường được xem là phân nhả chậm, trong khi các loại phân bón dạng viên hoặc bọc được phân loại là phân bón nhả có kiểm soát.
Hình 1.6 Thành phần chính của phân bón nhả chậm
Phân bón nhả chậm không kiểm soát (SRF) là loại phân bón không có vỏ bọc, và theo Ủy ban chuẩn hóa Châu Âu, để được coi là phân nhả chậm, sản phẩm phải đáp ứng ít nhất một trong ba tiêu chuẩn về việc giải phóng chất dinh dưỡng trong đất.
- Nhả không quá 15% trong 24 ngày
- Nhả không quá 75% trong 28 ngày
- Nhả ít nhất 75% trong khoảng thời gian đã định [1]
Ngoài hai loại phân bón nhả chậm trên ta còn có phân chậm tan như IBDU (Iso Butylidene DiUrê), phân bọc lưu huỳnh SCU (Sulfur Coated Urê)
1.5.2 Phân loại phân bón nhả chậm
Phân bón nhả chậm được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm cấu trúc hóa học và tính chất vật lý như độ chậm tan và khả năng cung cấp dinh dưỡng Việc kiểm soát sự tan chậm của từng loại phân bón cũng là yếu tố quan trọng trong phân loại này.
Dựa vào các yếu tố trên, phân nhả chậm được chia thành các loại, phân bón không vỏ bọc (SRF) và phân bón có vỏ bọc (CRF)
Phân không bọc nhả chậm (SRFs) là loại phân bón không có vỏ bọc, có tính tan trong nước giới hạn, thường được sản xuất dưới dạng hạt nhỏ hơn và đồng nhất, giúp dễ dàng sử dụng Khác với phân có vỏ bọc (CRF), cấu trúc của SRF không phụ thuộc vào độ dày của lớp vỏ, do đó, ngay cả khi hạt phân bị vỡ, tốc độ giải phóng dưỡng chất vẫn không thay đổi Trong khi đó, phân CRF có thể phóng thích dưỡng chất ngay lập tức nếu lớp vỏ bị hỏng.
Phân bón bọc nhả chậm (CRFs):
Phân bón chậm tan có kiểm soát (Controlled Release Fertilizer – CRF) là khái niệm mới tại Việt Nam, mặc dù đã được các nước nông nghiệp tiên tiến như Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc, và các quốc gia Đông Nam Á như Thái Lan, Malaysia, Indonesia sử dụng rộng rãi Loại phân bón này được sản xuất bằng công nghệ lý – hóa đặc biệt, chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng đa lượng, trung lượng và vi lượng, với khả năng phân giải từ từ trong khoảng thời gian từ 3 tháng đến 24 tháng Việc sử dụng phân bón chậm tan có kiểm soát giúp giải quyết hiệu quả vấn đề rửa trôi và bay hơi, tối ưu hóa việc cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng.
Hình 1.7 Các loại phân bón nhả chậm đã có mặt trên thị trường Việt Nam
Cấu tạo của một hạt phân bón chậm tan có kiểm soát bao gồm có 2 phần:
Lớp bao bọc bên ngoài của phân bón chậm tan được làm từ polimer, với độ dày tùy thuộc vào yêu cầu phân giải Phần bên trong chứa các khoáng chất như N, P, K, Mn và Boron Khi bón phân, nước thấm qua lớp polimer, hòa tan các nguyên tố khoáng chất bên trong và sau đó khuếch tán ra môi trường xung quanh, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các khoáng chất được giải phóng hoàn toàn, chỉ còn lại lớp polimer và nước Sau khoảng 1 – 2 năm, lớp polimer sẽ tự phân hủy mà không gây hại cho môi trường và đất.
Hình 1 8 Cấu tạo và quá trình phân giải hạt phân CRF
Cơ chế nhả chất dinh dưỡng từ phân bón nhả chậm
Cơ chế nhả chất dinh dưỡng của phân bón nhả chậm rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại phân, tính chất vật liệu phủ và các điều kiện nông học.
Hầu hết các nghiên cứu về cơ chế nhả chất dinh dưỡng từ phân bón nhả chậm đều cho rằng quá trình này được điều chỉnh bởi tốc độ thấm nước và hơi vào phần lõi viên thông qua lớp vỏ.
Mô hình khuếch tán chất dinh dưỡng của Liu và Shaviv là một trong những cơ chế nhả chất dinh dưỡng phổ biến, bao gồm ba giai đoạn chính.
Trong giai đoạn một, vật liệu phủ hấp thụ nước từ đất và chuyển hóa thành hydrogels, dẫn đến việc tăng kích thước các lỗ của màng phủ Quá trình này tạo ra một lớp nước giữa lớp phủ trương và phần lõi, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán chất dinh dưỡng từ lõi ra ngoài.
Trong giai đoạn hai, nước từ từ khuếch tán vào lõi viên phân, giúp hòa tan một phần chất dinh dưỡng Quá trình này cho phép chất dinh dưỡng hòa tan được giải phóng chậm rãi vào đất thông qua sự trao đổi chất nước giữa lớp màng hydrogels và đất.
- Giai đoạn 3: Các vi sinh vật trong đất sẽ bám vào phần còn lại của lớp vỏ trương và phân hủy phần còn lại của viên phân
Hình 1.9 Cơ chế nhả chất dinh dưỡng của phân bón nhả chậm
Các loại phân bón nhả chậm khác:
IBDU là một tinh thể rắn màu trắng, có ba loại kích thước: mịn (0,5 – 1 mm), thô (0,7 – 2,5 mm) và mảnh dài (2 – 3 mm) Hợp chất này chứa từ 30 – 90% nitrogen (N) dưới dạng tan trong nước, với sản phẩm thương mại thường chỉ chứa khoảng 31% N Khi tiếp xúc với nước, IBDU sẽ bị phân hủy.
Chất dinh dưỡng trong lớp vỏ bọc
Chất dinh dưỡng IBDU giải phóng urê và isobutyraldehyde, với mức độ khoáng hóa được gia tốc bởi pH thấp và nhiệt độ cao Quá trình tan của IBDU chủ yếu phụ thuộc vào nước, và tính tan chậm trong nước kiểm soát sự di chuyển của sản phẩm vào dung dịch đất Mức độ tan của IBDU bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt phân và lượng nước có sẵn Khi ở trong đất, mức độ thủy phân của IBDU cũng bị ảnh hưởng bởi pH và nhiệt độ đất Dạng bột của IBDU thường khoáng hóa nhanh hơn so với các hạt lớn trong cùng điều kiện canh tác Do sự phóng thích đạm của IBDU không phụ thuộc vào vi sinh vật, quá trình này diễn ra đều đặn ngay cả ở nhiệt độ thấp, làm cho IBDU trở thành sản phẩm ưa chuộng để bón trong mùa lạnh Những đặc tính này, cùng với sự lệ thuộc vào độ ẩm, tạo nên ưu điểm vượt trội của IBDU.
Phân bón phản ứng môi trường UF (UrêFormaldehyde)
Phân UF là công nghệ sản xuất phân đạm phóng thích có kiểm soát, ra đời vào năm 1936 và thương mại hóa năm 1955 Công nghệ này sử dụng phản ứng giữa urê và formaldehyde để tạo ra chuỗi phân tử cao phân tử, với độ dài chuỗi ảnh hưởng đến khả năng phóng thích dưỡng chất UF là loại phân bón cổ điển, ít tan trong nước và chứa ít nhất 35% đạm, trong đó 60% là N không tan trong nước lạnh Thành phần không phản ứng urê N trong UF thường dưới 15% tổng đạm Quá trình chuyển đổi thành đạm có sẵn cho cây từ UF bao gồm hòa tan và phân giải bởi vi sinh vật, diễn ra khi sản phẩm đã vào dung dịch đất.
Tổng quan về tinh bột và các loại tinh bột phổ biến
Tinh bột là một polysacarit có công thức phân tử: (𝐶 6 𝐻 10 𝑂 5 ) 𝑛
Tinh bột bao gồm hai thành phần chính là amylozơ (20-30%) và amylopectin (60-70%) Amylozơ có cấu trúc mạch không phân nhánh với các gốc 𝛼-glucose liên kết qua liên kết 𝛼-1,4-glycozit, trong khi amylopectin có cấu trúc mạch nhánh với mạch chính liên kết bằng 𝛼-1,4-glycozit và các nhánh liên kết qua 𝛼-1,6-glycozit Tính chất vật lý và thành phần hóa học của tinh bột thay đổi tùy thuộc vào nguồn gốc từ các loại cây khác nhau.
Hình 1 16 Cấu trúc phân tử amylose (glucose-α-1,4-glucose)
Phân tử amylozơ có một đầu khử và một đầu không khử, trong đó đầu khử có nhóm –
Amylozơ là một polysaccharide được cấu tạo từ các gốc glucozit liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4, tạo thành chuỗi dài từ 500 đến 2000 đơn vị glucozit, với phân tử lượng trung bình từ 10.000 đến 300.000 Amylozơ có khả năng tạo ra màng và sợi với độ bền và độ mềm dẻo cao Khi tương tác với iot, amylozơ tạo ra phức màu xanh đặc trưng Phức hợp giữa vitamin A và amylozơ có tính bền vững và ít bị oxy hóa, do đó, việc sử dụng amylozơ để bảo vệ vitamin trong thuốc và thức ăn gia súc thông qua việc tạo phức với amylozơ là rất hiệu quả.
Hình 1.17 Cấu trúc phân tử amylopectin
Trong phân tử amylopectin, các gốc glucose gắn với nhau không chỉ nhờ liên kết 1 –
Amylopectin có cấu trúc nhánh nhờ vào các liên kết 1-6, làm cho phân tử trở nên cồng kềnh hơn Chiều dài của mỗi chuỗi mạch nhánh khoảng 25-30 đơn vị glucose, và tổng số đơn vị glucose trong một phân tử amylopectin có thể lên tới 100.000.
Amylopectin là một polysaccharide có cấu trúc phân tử đặc trưng với một đầu duy nhất và một nhánh trung tâm chứa liên kết 1-4, từ đó phát triển các nhánh phụ dài khoảng vài gốc glucose Phân tử này thường được phân bố bên ngoài hạt và khác với amylozơ, amylopectin chỉ hòa tan trong nước khi được đun nóng, tạo ra dung dịch có độ nhớt cao Phản ứng với lectin là đặc trưng cho amylopectin.
1.6.1 Những tính chất vật lí của huyền phù tinh bột trong nước Độ tan của tinh bột:
Amylozơ, được chiết xuất từ tinh bột, có độ tan cao nhưng không bền, dễ dàng thoái hóa và trở nên không hòa tan trong nước Ngược lại, amylopectin khó tan trong nước ở nhiệt độ thường và chỉ tan trong nước nóng.
Khi tinh bột được ngâm trong nước, thể tích hạt tinh bột tăng lên do hiện tượng hấp thụ, dẫn đến sự trương nở của hạt Cụ thể, độ tăng kích thước trung bình của một số loại tinh bột như tinh bột ngô là 9,1% và tinh bột mì là 28,4%.
Tính chất hồ hóa của tinh bột:
Nhiệt độ hồ hóa là nhiệt độ cần thiết để phá vỡ hạt tinh bột từ trạng thái ban đầu có độ oxy hóa khác nhau thành dung dịch keo Khi nấu, phần lớn tinh bột sẽ hồ hóa và trạng thái trương nở được ưa chuộng hơn so với trạng thái tự nhiên Quá trình hồ hóa dẫn đến các biến đổi hóa lý như hạt tinh bột trương lên, gia tăng độ trong suốt và độ nhớt; các phân tử mạch thẳng và nhỏ sẽ hòa tan và tự liên hợp để tạo thành gel Nhiệt độ hồ hóa không phải là một điểm cố định mà là một khoảng nhiệt độ nhất định, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, nguồn gốc tinh bột, kích thước hạt và pH, dẫn đến sự biến đổi đáng kể trong nhiệt độ phá vỡ và trương nở của tinh bột.
Độ nhớt và độ dẻo là hai tính chất quan trọng của tinh bột, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và kết cấu của sản phẩm thực phẩm Các phân tử tinh bột với nhiều nhóm hydroxyl có khả năng liên kết, tạo thành cấu trúc tập hợp giữ nước, làm tăng độ đặc, độ dính và độ nhớt của dung dịch Yếu tố chính quyết định độ nhớt bao gồm đường kính biểu kiến của các phân tử, cùng với các đặc tính bên trong như kích thước, thể tích, cấu trúc và sự bất đối xứng Ngoài ra, nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxy hóa và các thuốc thử phá hủy liên kết hydro cũng ảnh hưởng đến tương tác giữa các phân tử tinh bột, từ đó thay đổi độ nhớt của dung dịch.
Khả năng tạo gel và sự thoái hóa gel:
Sau khi hồ hóa và làm nguội, tinh bột sẽ tương tác và sắp xếp thành gel tinh bột với cấu trúc mạng 3 chiều Để tạo gel, dung dịch tinh bột cần có nồng độ vừa phải, được hồ hóa để hòa tan và để nguội trong trạng thái yên tĩnh Gel tinh bột chủ yếu hình thành nhờ các liên kết hydro, kết nối trực tiếp các mạch polyglucozit hoặc gián tiếp qua phân tử nước.
Khi gel tinh bột để nguội lâu, nó sẽ co lại và giải phóng một lượng dịch, hiện tượng này được gọi là sự thoái hóa Quá trình thoái hóa này sẽ diễn ra mạnh mẽ hơn nếu gel được đông lạnh ở nhiệt độ thấp và sau đó được làm tan.
1.6.2 Tính chất hóa học của tinh bột
Khi tương tác với Iot, amylozơ tạo ra phức xanh đặc trưng, do đó Iot được sử dụng như thuốc thử để xác định hàm lượng amylozơ trong tinh bột qua phương pháp trắc quang Để phản ứng với Iot, các phân tử amylozơ cần có dạng xoắn óc, hình thành cấu trúc xoắn ốc bao quanh phân tử Iot Các dextrin với ít hơn 6 gốc glucose không phản ứng với Iot vì không tạo thành vòng xoắn ốc hoàn chỉnh Phản ứng màu của amylopectin với Iot xảy ra do sự hình thành hợp chất hấp phụ.
Amylozơ không chỉ có khả năng tạo phức với Iot mà còn tương tác với nhiều hợp chất hữu cơ khác, bao gồm rượu no (như izomylic, butylic, izoprotylic), rượu vòng, phenol, ceton thấp phân tử, acid béo dãy thấp và cao, cũng như este mạch thẳng và mạch vòng, và các dẫn xuất benzene có nhóm andehit Khi tạo phức, các hợp chất này chiếm vị trí bên trong xoắn ốc của amylozơ tương tự như Iot Đồng thời, amylopectin cũng phản ứng đặc trưng với lectin.
Bản chất của phản ứng này là sự tương tác giữa một protein và một polysaccarit có cấu trúc nhánh Khi lectin kết hợp với α-D-glucopiranoic ở đầu cuối không khử của amylopectin, hiện tượng kết tủa xảy ra, khiến amylopectin tách ra khỏi dung dịch Tinh bột có nhiều ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp và thực phẩm.
Tinh bột không chỉ được sử dụng làm thức ăn mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc tạo độ nhớt và sánh cho thực phẩm dạng lỏng, cũng như làm chất kết dính và làm đặc cho nhiều loại sản phẩm Nó được ứng dụng trong việc kết gắn bê tông, tăng cường tính liên kết cho đất sét và đá vôi, cũng như làm keo dính gỗ và phụ gia cho sản xuất ván ép và sơn Ngoài ra, tinh bột còn được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp giấy, dệt, chất kết dính và nhiều lĩnh vực khác.
Tinh bột vẫn còn nhiều hạn chế về tính chất và chưa đáp ứng hoàn toàn trong nhiều lĩnh vực Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển các phương pháp biến tính tinh bột nhằm thay đổi cấu trúc và tính chất của nó, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và hiệu quả kinh tế Các phương pháp biến tính thường gặp bao gồm phương pháp vật lý và hóa học, được lựa chọn tùy thuộc vào mục đích sử dụng của sản phẩm cuối.
1.6.3 Tổng quan về tinh bột ngô
Tổng quan về than bùn
Than bùn hình thành từ sự tích lũy lâu dài của các xác thực vật phân giải trong điều kiện ẩm ướt và thiếu oxy Quá trình phân giải này dẫn đến việc tạo ra một lớp chất hữu cơ, bao gồm các phần còn lại của thực vật chưa phân giải hoàn toàn, mùn mục và chất khoáng Lớp chất hữu cơ này được gọi là than bùn.
Theo vị trí, có thể chia than bùn thành ba loại: Than bùn nông, than bùn sâu và than bùn chuyển tiếp
Than bùn nông là loại than được hình thành từ sự tích tụ của xác và bã thực vật có ít dinh dưỡng, như lau, sậy và lác, tại những khu vực có địa hình tương đối cao.
Than bùn sâu được hình thành trong môi trường địa hình thấp, nơi có đầm lầy nước đọng và giàu chất dinh dưỡng Trong điều kiện này, các loại cây như cỏ sâu róm, rêu, lăn, lác, lau, sậy và nhiều cây nhỏ khác phát triển mạnh mẽ Đặc điểm nổi bật của than bùn sâu là chứa nhiều chất dinh dưỡng và có độ chua thấp, phù hợp cho việc cải tạo đất và trồng trọt.
Than bùn chuyển tiếp: Ở giữa hai loại than bùn trên Đặc điểm là ít dinh dưỡng, mức độ mùn hóa thấp và chua
Hình 1.21 a) Than bùn chưa xử lý b) Than bùn đã xử lý
Các tính chất hóa lí của than bùn:
Màu sắc: Đen, sẫm hoặc nâu nhạt
Cấu trúc: Xốp, nát bụi hoặc quyện thành bùn
Mức độ phân giải: 20% đối với loại có tỉ lệ phân giải thấp và 30 – 40% đối với loại có tỉ lệ phân giải trung bình
Than bùn ở các mỏ khác nhau có tính chất hóa lí rất khác nhau [36]
Thành phần của than bùn
Chất mùn là hợp chất cao phân tử phức tạp, có thành phần không ổn định, được hình thành từ quá trình phân hủy và mùn hóa các chất hữu cơ Hàm lượng mùn trong đất phụ thuộc vào đặc điểm và điều kiện của quá trình hình thành đất Chất mùn được chia thành hai loại chính.
Nhóm thứ nhất bao gồm các sản phẩm phân giải xác hữu cơ và sản phẩm sống của vi sinh vật, với các chất hữu cơ chưa bị mùn hóa có trong thành phần xác hữu cơ Nhóm này được gọi là nhóm mùn không đặc trưng, chiếm từ 50 – 80% trong than bùn Thành phần chính của nhóm này bao gồm hydrat cacbon, hợp chất chứa nito, lignin, lipit, nhựa, chất chát và andehit.
Nhóm thứ hai bao gồm các hợp chất hữu cơ phức tạp đã bị mùn hóa, chiếm khoảng 80-90% tổng số mùn và được gọi là nhóm mùn hóa đặc trưng Nhóm này là hệ thống các chất hữu cơ cao phân tử, chứa nitơ và có cấu trúc vòng có tính acid Với tính acid đặc trưng, nhóm mùn này bao gồm các acid mùn và dẫn xuất của chúng, cho phép tác dụng với các chất vô cơ để tạo thành các hợp chất hòa tan hoặc không hòa tan.
Người ta chia nhóm acid mùn thành hai nhóm cơ bản:
Nhóm acid humic bao gồm acid humic, acid fulvic và acid hematomelanic, với acid humic là các acid hữu cơ cao phân tử chứa nitơ và có cấu trúc vòng Chúng hòa tan tốt trong dung dịch kiềm nhưng thực tế không hòa tan trong nước và acid vô cơ, có màu nâu đen khi hòa tan Thành phần chính của acid humic bao gồm cacbon, hidro, oxy và nitơ, với tỷ lệ thay đổi tùy thuộc vào loại đất và thành phần hóa học của xác hữu cơ: C chiếm 50-60%, H 2,8-6,6%, O 31-40%, và N 2-6% Ngoài ra, acid humic còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố như P, S, Al, Fe, Si, nhưng các nguyên tố này không phải là thành phần bắt buộc của than bùn.
Acid fulvic bao gồm acid crenic và apoarenic, là một hợp chất hòa tan trong nước, dung dịch kiềm yếu, cacbonat kiềm và ammoniac Thành phần của acid fulvic chứa các nguyên tố C (40 – 52%), H (4 – 6%), O (40 – 48%) và N (2 – 6%) Nghiên cứu cấu trúc cho thấy acid fulvic có các nhóm chức cacboxyl, phenol, metoxyl và cacbonyl, cùng với các nhóm thơm vòng hoặc mạch tương tự như acid humic Tuy nhiên, acid fulvic có nhiều nhóm chức hơn và ít nhóm thơm hơn so với acid humic.
THỰC NGHIỆM
Nguyên liệu và dụng cụ thiết bị
Tinh bột ngô biến tính Cargrill, được phân phối bởi VMC Group, có thể tìm thấy tại các đại lý hoặc mua online Sản phẩm này là Acetylated Distarch Adipate E1422, với thành phần bao gồm tinh bột chiếm dưới 85%, độ ẩm 4%, tạp chất dưới 0,5%, hàm lượng tro dưới 0,2%, và hàm lượng SO2 dưới 30ppm.
Modified starch, specifically Acetylated Distarch Phosphate 1414, originates from Thailand and is available for online purchase This product contains less than 85% starch, with a moisture content of 4%, impurities below 0.5%, ash content under 0.2%, and SO2 levels not exceeding 30 ppm.
- DAP là loại phân bón phức hợp được dùng trong nông nghiệp, DAP sử dụng có xuất xứ từ Phú Mỹ, với thành phần 18%N (Nitrogen – đạm), 46% P2O5 (lân), độ ẩm < 1,8%
- KCl: KCl sử dụng là KCl công nghiệp, xuất xứ Trung Quốc Thành phần gồm K2O
>60%, Cl 45 – 47%, Na < 0,6%, Mg < 0,12%, độ ẩm < 2%
- Urê: Chứa 46% N, có màu trắng hoặc ngà vàng Urê sử dụng có xuất xứ từ Đạm Cà Mau, thành phần gồm Urê > 46%, biuret < 0,99%, độ ẩm < 0,5%
Hình 2 1 Phân Urê, DAP và KCl
- Phụ gia gồm hỗn hợp ba loại phụ gia: Cao lanh, than bùn, đất hiếm:
Cao lanh, có nguồn gốc từ Trung Quốc, mang công thức hóa học Al2O3.2SiO2.2H2O với thành phần chính là Al2O3 từ 18 – 20% và SiO2 từ 45 – 70% Nó được sử dụng làm chất độn và chất trơ trong sản xuất phân bón, đặc biệt trong kỹ thuật tạo hạt phân bón, giúp trám đều các lỗ li ti trên hạt, làm cho hạt phân cứng, tròn và chống vón cục hiệu quả.
Than bùn Kiên Giang là loại than bùn đã được hoạt hóa, có màu đen nhạt và nâu, với độ ẩm 4% Thành phần của than bùn này chứa từ 17 đến 25% hợp chất hữu cơ và có độ pH là 5,67.
Đất hiếm chứa các nguyên tố siêu vi lượng thuộc họ Lantanit, bao gồm 15 nguyên tố, được sử dụng làm phụ gia để cung cấp vi lượng cần thiết, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón.
Hình 2.2 a) Phụ gia hỗn hợp, b) Phụ gia cao lanh 2.1.2 Dụng cụ và thiết bị
Máy đo pH BP3001: Khoảng đo 0.00 - 14.00 pH, độ phân giải 0.01 pH
Bút đo nồng độ dinh dưỡng TDS-01 của thương hiệu Total Meter là thiết bị lý tưởng để đo lường các chất vô cơ và hữu cơ dạng lơ lửng của các ion Thiết bị này thường được sử dụng trong nghiên cứu để xác định thành phần dinh dưỡng được giải phóng trong quá trình phân hủy mẫu.
Hình 2.3 Máy đo pH BP3001 Hình 2.4 Bút đo dinh dưỡng TDS – 01
Mô hình chảo tạo hạt phân bón bao gồm bốn phần chính: chảo tạo hạt, thân máy, nguồn điện và bộ điều khiển Chảo tạo hạt được thiết kế với hai vành đồng tâm, trong đó vành ngoài có đường kính 50cm và bề dày 5cm, còn vành trong có đường kính 34,5cm và bề dày 6,3cm Bộ điều khiển tích hợp công tắc nguồn điện và thiết bị điều chỉnh vòng quay.
Hình 2.5 Mô hình chảo tạo hạt phân bón
Nguyên lý hoạt động của máy tạo hạt
Sau khi nghiền và phối trộn nguyên liệu theo tỷ lệ đã tính toán, nguyên liệu được đưa vào chảo tạo hạt với việc điều chỉnh độ nghiêng và tốc độ quay theo yêu cầu Trong quá trình tạo hạt, nguyên liệu liên tục tiếp xúc với dung dịch keo, và dưới tác động của trọng lực cùng lực ly tâm, mầm hạt sẽ hình thành và phát triển Khi hạt đạt kích thước mong muốn, chúng sẽ tự động văng ra khỏi chảo và rơi xuống đáy thiết bị, nơi có sàng phân loại để phân tách kích thước hạt.
2.1.3 Sử dụng than bùn đã hoạt hóa làm phụ gia cho phân bón
Mục tiêu: Sử dụng than bùn đã hoạt hóa làm phụ gia cho phân bón
Phụ gia than bùn được thêm vào trong quá trình phối trộn nguyên liệu nhập liệu cùng với KCl, DAP, Ure, cao lanh và đất hiếm, sau đó trộn đều trong 10 phút để tạo thành hỗn hợp nhập liệu Sau khi quá trình tạo hạt hoàn tất, phụ phẩm thu được có thể được tái sử dụng để tiếp tục sản xuất hạt hoặc được sử dụng như phân bón.
Hình 2.6 a) Than bùn đã hoạt hóa, b) Phụ phẩm sau khi tạo hạt
2.1.4 Tổng hợp phân bón nhả chậm trên nền polimer tự nhiên
Polimer tự nhiên được sử dụng để tạo màng bọc cho phân bón là tinh bột ngô biến tính và tinh bột mì biến tính Nghiên cứu nhằm xác định loại màng thích hợp nhất bằng cách tiến hành tạo hạt ở góc nghiêng 45 độ và tốc độ vòng quay 33 vòng/phút Sau khi tạo hạt, các mẫu được kiểm tra độ hòa tan trong 24 giờ, từ đó lựa chọn loại tinh bột biến tính với nồng độ tối ưu nhất để làm màng bọc cho phân bón.
Dung dịch tinh bột biến tính: Lấy 20g tinh bột biến tính pha trong 980ml nước nóng thu được dung dịch tinh bột biến tính 2%
Bảng 2 1 Thành phần nguyên liệu tổng hợp phân NPK 8-8-8 màng bọc tinh bột ngô biến tính
Stt Urê (g) DAP (g) KCl (g) Phụ gia (g) Tinh bột ngô (g) %Polimer
Bảng 2 2 Thành phần nguyên liệu tổng hợp phân NPK 8-8-8 màng bọc tinh bột mì biến tính
Stt Urê (g) DAP (g) KCl (g) Phụ gia (g) Tinh bột mì (g) %Polimer
2.1.5 Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay, góc nghiêng và một số yếu tố khác đến khả năng tạo hạt của phân bón
Tốc độ vòng quay và góc nghiêng là hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng tạo hạt của phân bón Ngoài ra, các yếu tố khác như lượng nước và lượng nguyên liệu nhập vào cũng cần được chú ý để tối ưu hóa quá trình sản xuất.
Mục tiêu của khảo sát là xác định tốc độ vòng quay tối ưu ở các mức 31, 33, 35, 37, 39, 41 vòng/phút và các góc nghiêng 45°, 47°, 49°, 51°, 53° Trong mỗi lần thí nghiệm, hạt được tạo ra trong thời gian 30 phút, và sản phẩm đạt tiêu chuẩn có kích thước từ 2 – 4 mm sẽ được sấy khô và cân khối lượng Qua đó, nghiên cứu nhằm tìm ra góc nghiêng và tốc độ vòng quay tối ưu nhất cho quá trình sản xuất.
Qua tính toán ta tính được lượng phối liệu cần để sản xuất 1kg phân bón: NPK tỷ lệ 8-8-8( phân bón có thành phần 8% N, 8% P 2 O 5 và 8% K 2 O)
Bảng 2 3 Thành phần nguyên liệu tổng hợp phân NPK 8-8-8 màng bọc tinh bột ngô biến tính 2%
Stt Urê (g) DAP (g) KCl (g) Phụ gia (g) Tinh bột ngô (g) %Polimer
Nguyên liệu dạng hạt như DAP được nghiền mịn và trộn với các thành phần khác Sau đó, hỗn hợp này được cho vào chảo tạo hạt, nơi mà dung dịch keo giúp hình thành hạt Khi hạt đạt kích thước 2-4mm, chúng sẽ rơi xuống đáy thiết bị có sàng phân loại Những hạt đạt yêu cầu sẽ được sấy khô ở 60°C và sau đó đóng gói, bảo quản Các hạt không đạt tiêu chuẩn sẽ được nghiền lại và tái sử dụng.
KCl DAP URÊ Phụ gia
Hình 2.7 Sơ đồ khối quy trình tạo hạt
Hình 2.8 Qui trình thực nghiệm tạo hạt phân bón 2.1.6 Khảo sát khả năng nhả chậm của phân bón
Mục tiêu: Khảo sát hàm lượng dinh dưỡng đã giải phóng của mẫu phân bón thành phẩm sau 4 giờ phân hủy mẫu
Để tiến hành thí nghiệm, bạn cần cân 5g hạt phân bón thành phẩm và hòa tan chúng trong 195 ml nước ở nhiệt độ phòng Sau đó, để yên dung dịch trong 4 giờ Cuối cùng, gạn lấy phần dung dịch và mang đi đo thành phần dinh dưỡng tại Viện Khoa Học Kỹ Thuật Nông Nghiệp miền Nam.
Hình 2.9 Phân hủy mẫu phân bón nhả chậm trong 4 giờ
2.1.7 Khảo sát khả năng sinh trưởng của cây rau muống với NPK nhả chậm có màng bọc và không có màng bọc
Tiến hành khảo sát khả năng sinh trưởng và phát triển của cây bằng cách trồng rau muống trong 4 điều kiện sống khác nhau:
Trường hợp 1: Môi trường chỉ có đất
Trường hợp 2: Môi trường gồm đất phân bón NPK phụ gia cao lanh
Trường hợp 3: Môi trường gồm đất và phân bón NPK phụ gia than bùn không màng bọc
Trường hợp 4: Môi trường bao gồm đất và phân bón NPK phụ gia than bùn có màng bọc
Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá hiệu quả của sản phẩm phân bón thông qua tốc độ và khả năng sinh trưởng, phát triển của cây trồng.
Phương pháp nghiên cứu
3.1 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ vòng quay đến hiệu suất tạo hạt ở góc nghiêng nhất định
Hình 3.1 Các mẫu phân bón ở các điều kiện tạo hạt khác nhau Bảng 3.1 Khối lượng hạt ở các tốc độ vòng quay khác nhau góc nghiêng 45 o
Tại góc nghiêng 45 độ, khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn tăng dần khi tốc độ vòng quay đạt 37 vòng/phút, sau đó giảm xuống.
Tốc độ vòng quay (vòng/phút)Góc nghiêng 45 o
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tốc độ vòng quay đến hiệu suất tạo hạt ở góc nghiêng nhất định
Hình 3.1 Các mẫu phân bón ở các điều kiện tạo hạt khác nhau Bảng 3.1 Khối lượng hạt ở các tốc độ vòng quay khác nhau góc nghiêng 45 o
Tại góc nghiêng 45 độ, khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn tăng dần đến mức tối đa ở tốc độ 37 vòng/phút, sau đó giảm xuống.
Tốc độ vòng quay (vòng/phút)Góc nghiêng 45 o
Bảng 3.2 Khối lượng hạt ở các tốc độ vòng quay khác nhau góc nghiêng 47 o
Hình 3.3 Khối lượng hạt tạo thành ở 47 o tại các tốc độ vòng quay khác nhau Ở góc nghiêng 47 o khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn tao ra ngược so với góc nghiêng ở
Bảng 3.3 Khối lượng hạt ở các tốc độ vòng quay khác nhau góc nghiêng 49 o
Ở góc nghiêng 49 độ, khối lượng hạt tạo thành đạt tiêu chuẩn cao nhất khi tốc độ vòng quay là 31 và 41 vòng/phút, với đồ thị thể hiện dạng hình chữ U.
Tốc độ vòng quay (vòng/phút) Góc nghiêng 47 o
Tốc độ vòng quay (vòng/phút)Góc nghiêng 49 o
Bảng 3.4 Khối lượng hạt ở các tốc độ vòng quay khác nhau góc nghiêng 51 o
Hình 3.5 Khối lượng hạt tạo thành ở 51 o tại các tốc độ vòng quay khác nhau Ở góc nghiêng 51 o khối lượng hạt đạt chuẩn tăng ở vòng quay 35 và 37 vòng/phút
Bảng 3.5 Khối lượng hạt ở các tốc độ vòng quay khác nhau góc nghiêng 53 o
Tại góc nghiêng 53 độ, khối lượng hạt tạo thành thay đổi không đồng đều ở các tốc độ vòng quay khác nhau, khác với sự ổn định quan sát được ở góc nghiêng 51 độ.
Tốc độ vòng quay (vòng/phút) Góc nghiêng 51 o
Tốc độ vòng quay (vòng/phút)Góc nghiêng 53 o
Hình 3.7 Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay đến khả năng tạo hạt
Kết quả nghiên cứu cho thấy, ở tốc độ vòng quay 31rpm, 41rpm và 37rpm, hiệu suất tạo hạt đạt mức cao nhất Đồ thị minh họa rằng khối lượng hạt đạt chuẩn tăng lên khi tốc độ vòng quay của chảo tạo hạt tăng Điều này xảy ra do lực ly tâm lớn và áp lực từ trọng lượng, làm tăng lực ma sát giữa hạt mầm và mặt chảo, giúp hạt mầm đạt đến độ cao nhất định trước khi lăn tròn xuống, nhờ vào chất kết dính giữa các phần tử mịn, hình thành hạt tròn.
Do đó chọn tốc độ vòng quay 31 rpm là số vòng quay của chảo tạo hạt.
Khảo sát ảnh hưởng góc nghiêng chảo quay đến khả năng tạo hạt ở tốc độ vòng quay nhất định
Bảng 3.6 Khối lượng hạt tạo thành tại tốc độ vòng quay 31 vòng/phút với các góc nghiêng khác nhau
Tại tốc độ vòng quay 31 vòng/phút, khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn tăng dần cho đến góc nghiêng 49 độ, sau đó giảm xuống khi góc nghiêng của chảo tạo hạt tăng lên.
Góc nghiêng 45 độ Góc nghiêng 47 độ Góc nghiêng 49 độ Góc nghiêng 51 độ Góc nghiêng 53 độ
Tốc độ vòng quay (rpm) Khối lượng (g)
Góc nghiêngTốc độ vòng quay 31 vòng/phút
Bảng 3.7 Khối lượng hạt tạo thành tại tốc độ vòng quay 33 vòng/phút với các góc nghiêng khác nhau
Tại tốc độ vòng quay 33 vòng/phút, khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn có sự biến đổi theo hình gợn sóng, với góc nghiêng 47 độ mang lại khối lượng lớn nhất và góc nghiêng 51 độ cho khối lượng nhỏ nhất.
Bảng 3.8 Khối lượng hạt tạo thành tại tốc độ vòng quay 35 vòng/phút với các góc nghiêng khác nhau
Tại tốc độ vòng quay 35 vòng/phút, khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn ban đầu giảm khi góc nghiêng tăng đến 49 độ, sau đó tăng trở lại ở góc nghiêng 51 độ và lại giảm tiếp.
Góc nghiêng Tốc độ vòng quay 33 vòng/phút
Góc nghiêngTốc độ vòng quay 35 vòng/phút
Bảng 3.9 Khối lượng hạt tạo thành tại tốc độ vòng quay 37 vòng/phút với các góc nghiêng khác nhau
Góc nghiêng ảnh hưởng đến khả năng tạo hạt ở tốc độ vòng quay 37 vòng/phút, với khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn ban đầu giảm xuống khi góc nghiêng đạt 49 độ, sau đó tăng trở lại ở góc nghiêng 51 độ trước khi giảm tiếp.
Cho thấy ở tốc độ vòng quay 37 và 35vòng/phút có sự tuyến tính giống nhau về khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn hình thành
Bảng 3.10 Khối lượng hạt tạo thành tại tốc độ vòng quay 39 vòng/phút với các góc nghiêng khác nhau
Góc nghiêng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng tạo hạt ở tốc độ vòng quay 39 vòng/phút Cụ thể, khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn ban đầu tăng lên tối đa tại góc nghiêng 47 độ, sau đó giảm dần khi góc nghiêng tăng lên 53 độ.
Góc nghiêng Tốc độ vòng quay 37 vòng/phút
Góc nghiêngTốc độ vòng quay 39 vòng/phút
Bảng 3.11 Khối lượng hạt tạo thành tại tốc độ vòng quay 41 vòng/phút với các góc nghiêng khác nhau
Ở tốc độ vòng quay 41 vòng/phút, khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn ban đầu giảm mạnh khi góc nghiêng đạt 47 độ, sau đó tăng lên ở góc nghiêng 49 độ trước khi giảm dần.
Hình 3.14 Ảnh hưởng của góc nghiêng tới khả năng tạo hạt
Kết quả cho thấy ở góc nghiêng 49 độ, khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn cao với tốc độ vòng quay 31 vòng/phút Hiệu suất tạo hạt giảm khi góc nghiêng tăng, do giá trị cos góc nghiêng nhỏ hơn, ảnh hưởng đến trọng lượng hạt Ở góc nghiêng thấp, hạt có kích thước lớn hơn.
Góc nghiêng Tốc độ vòng quay 41 vòng/phút
Góc nghiêng nhỏ hơn dẫn đến giá trị cos góc nghiêng cao hơn, từ đó làm tăng trọng lượng hạt Điều này có thể khiến hạt vượt quá kích thước tiêu chuẩn, gây giảm hiệu suất trong quá trình tạo hạt.
Do đó, chọn góc nghiêng 49 o và tốc độ vòng quay của chảo tạo hạt là 31 vòng/phút làm thông số tối ưu để tạo hạt.
Kết quả khảo sát độ hòa tan của hạt phân bón trên nền polimer tự nhiên
Kết quả khảo sát đồ hòa tan của phân bón trên nền polimer tự nhiên
Lấy 5g phân thành phẩm hòa tan vào 95ml nước, sau đó theo dõi độ hòa tan sau 2, 4,
3.3.1 Kết quả khảo sát độ hòa tan của phân bón NPK trên nền tinh bột mì biến tính Bảng 3.12 Kết quả độ hòa tan của phân npk nhả chậm trên nền tinh bột mì biến tính
Thời gian (giờ) Độ hòa tan (x10 ppm)
Tinh bột mì biến tính 2%
Tinh bột mì biến tính 4%
Tinh bột mì biến tính 6%
Đồ thị trong Hình 3.15 cho thấy độ hòa tan của phân NPK bọc bằng tinh bột mì biến tính, với mức độ hòa tan cao nhất ở 2%, tiếp theo là 4% và cuối cùng là 6% Sau 22 giờ, độ hòa tan của các loại phân bón này không còn tăng thêm, cho thấy chúng đã hòa tan hoàn toàn Đặc biệt, phân bón với màng tinh bột mì biến tính 2% không tăng độ hòa tan sau 18 giờ.
Sau 12 giờ, độ hòa tan có sự chuyển biến nhanh chóng, tuy nhiên sau khoảng thời gian này, mức độ hòa tan tăng chậm và khoảng cách giữa các giờ khảo sát không còn lớn.
Bảng 3.13 Giá trị độ nhớt theo nồng độ của dung dịch tinh bột mì biến tính Độ nhớt (E o ) Dung dịch tinh bột mì biến tính, nồng độ
Dựa trên kết quả từ bảng 3.12 và 3.13, chúng tôi quyết định sử dụng tinh bột mì biến tính 2% để tạo màng bọc cho phân bón Mặc dù khả năng nhả chậm của nồng độ 2% thấp hơn so với 4% và 6%, nhưng trong quá trình khảo sát, nồng độ 2% cho thấy dễ kiểm soát hơn trong việc phun sương tạo hạt và ít gây hiện tượng vón cục nguyên liệu so với nồng độ cao hơn.
3.3.2 Kết quả khảo sát độ hòa tan của phân bón NPK nhả chậm trên nền tinh bột ngô
Tinh bột mì biến tính 2% Tinh bột mì biến tính 4% Tinh bột mì biến tính 6% Độ hòa tan (ppm)
Bảng 3.14 Kết quả độ hòa tan của phân NPK nhả chậm trên nền tinh bột ngô biến tính
Hình 3.16 Đồ thị thể hiện độ hòa tan của phân NPK bọc bằng tinh bột ngô biến tính
Tinh bột ngô biến tính 2% Tinh bột ngô biến tính 4% Tinh bột ngô biến tính 6% Độ hòa tan (ppm)
Thời gian (giờ) Độ hòa tan (x10 ppm)
Tinh bột ngô biến tính 2%
Tinh bột ngô biến tính 4%
Tinh bột ngô biến tính 6%
Đồ thị cho thấy phân bón bọc bằng màng tinh bột ngô biến tính 2% có độ hòa tan cao hơn rõ rệt so với 4% và 6% Sau 18 giờ, độ hòa tan của phân bón bọc màng tinh bột ngô 2%, 4%, và 6% không tăng đáng kể đến 24 giờ.
Bảng 3.15 Giá trị độ nhớt theo nồng độ của dung dịch tinh bột ngô biến tính Độ nhớt (E o ) Dung dịch tinh bột ngô biến tính, nồng độ
Do độ nhớt thấp của dung dịch 2%, tinh bột ngô 2% được chọn làm màng bọc cho phân bón nhờ vào khả năng phun sương dễ dàng và không vón cục, phù hợp với các điều kiện khảo sát.
3.3.3 So sánh độ hòa tan của phân NPK trên nền tinh bột ngô và tinh bột mì biến tính
Bảng 3.16 Kết quả đo độ hòa tan của phân NPK
Thời gian phân hủy Độ hòa tan (x10 ppm)
Không màng bọc Tinh bột ngô biến tính 2%
Tinh bột mì biến tính 2%
Hình 3.17 Đồ thị thể hiện độ hòa tan của phân NPK trong ba trường hợp, không có màng bọc, màng bọc tinh bột mì và ngô biến tính 2%
Phân bón không sử dụng màng bọc có độ hòa tan cao hơn so với phân bón có màng bọc tinh bột biến tính Sau 18 giờ, độ hòa tan của cả hai loại phân bón đều không tăng thêm do đã tan hoàn toàn Tinh bột ngô biến tính 2% có ưu điểm hơn tinh bột mì biến tính 2% nhờ thời gian hòa tan chậm hơn, với sự bắt đầu tan chậm lại sau 16 giờ.
Từ 4 giờ đến 12 giờ là khoảng thời gian độ hòa tan có bước nhảy lớn
Khi lựa chọn giữa tinh bột ngô biến tính và tinh bột mì biến tính để làm màng bọc cho phân bón, tinh bột ngô biến tính với nồng độ 2% được ưu tiên sử dụng Lý do là vì tinh bột ngô biến tính có giá thành thấp hơn và dễ dàng tìm kiếm hơn.
Kết quả khảo sát khả năng nhả chậm của phân bón NPK có bọc màng
Lấy 5g phân bón NPK có bọc màng tinh bột ngô biến tính hòa tan vào 200ml nước ở nhiệt độ phòng Sau 4 giờ phân hủy, tiến hành lấy phần dung dịch để kiểm tra thành phần dinh dưỡng.
Bảng 3.17 Kết quả đo thành phần dinh dưỡng của mẫu sau 4 giờ phân hủy
Chỉ tiêu thử nghiệm Đơn vị Kết quả Phương pháp thử
Kết quả từ bảng 3.17 cho thấy sau 4 giờ phân hủy, phân bón không có màng bọc gần như giải phóng hoàn toàn các chất dinh dưỡng Cụ thể, các thành phần dinh dưỡng Nitrơ, P2O5, K2O trong phân bón NPK 8-8-8 đã giải phóng lần lượt là 5.878%, 1.125% và 2.625% so với tổng hàm lượng 8-8-8 Điều này cho thấy phân bón đã thành công bước đầu trong việc làm chậm khả năng giải phóng các chất dinh dưỡng.
Tinh bột mì biến tính 2%Không màng bọc
Tinh bột ngô biến tính 2% Độ hòa tan (ppm)
Kết quả khảo sát khả năng sinh trưởng của cây trong 4 trường hợp khác nhau
Môi trường chỉ bao gồm đất
Hình 3.18 Cây sinh trưởng trong môi trường đất
Môi trường bao gồm đất và phân bón NPK phụ gia cao lanh
Hình 3.19 Cây sinh trưởng trong môi trường đất có bổ sung phân NPK phụ gia cao lanh
Môi trường bao gồm đất và phân bón NPK phụ gia hỗn hợp không màng bọc
Cây sinh trưởng trong môi trường đất kết hợp với phân bón NPK phụ gia hỗn hợp không có màng bọc, trong khi môi trường bao gồm đất và phân bón NPK phụ gia hỗn hợp có màng bọc.
Hình 3.21 Cây sinh trưởng trong môi trường đất và phân bón NPK phụ gia hỗn hợp có màng bọc
Dựa vào kết quả khảo sát sự sinh trưởng của cây, ta thấy được:
Bón phân cho cây là rất quan trọng, vì cây được bón phân thường phát triển tốt hơn, với thân chắc khỏe và lá to hơn so với cây trồng trong môi trường đất mà không được bón phân.
Trong môi trường chỉ có đất, cây phát triển kém do thiếu chất dinh dưỡng, dẫn đến đất trở nên nghèo nàn sau khi cây đã hấp thụ hết Ngược lại, khi được bón phân NPK kết hợp với cao lanh, cây phát triển tốt hơn nhờ vào việc bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng.
Cây phát triển tốt nhất trong hình 3.20 và 3.21, với hình 3.21 cho thấy sự sinh trưởng vượt trội về thân và lá Sự khác biệt này được cho là do thành phần phụ gia và màng bọc polymer tự nhiên Việc sử dụng than bùn làm phụ gia đã cung cấp cho cây các chất dinh dưỡng hữu cơ và vô cơ, cùng với các nguyên tố vi lượng từ đất hiếm, cũng như đạm, lân, kali từ phân bón hóa học, tạo ra nguồn cung cấp dinh dưỡng phong phú Màng bọc polymer giúp phân tan chậm, cung cấp dinh dưỡng đều đặn và hợp lý, giúp cây tránh tình trạng thương tổn rễ hay ngộ độc phân bón Kết quả là, sau khi bón phân, cây vẫn tiếp tục sinh trưởng và phát triển mạnh mẽ.
Phân bón kết hợp phụ gia từ than bùn, đất hiếm và cao lanh mang lại hiệu quả tối ưu cho sự phát triển của cây trồng Than bùn được xem là một phụ gia tiềm năng và có khả năng ứng dụng cao trong nông nghiệp.
