NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG POLYME SIÊU HẤP PHỤ NƯỚC LÀM CHẤT GIỮ ẨM TRÊN MẪU ĐẤT XÃ HÒA TIẾN, HUYỆN HÒA VANG, TP ĐÀ NẴNG

126 Trần Mạnh Lục NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG POLYME SIÊU HẤP PHỤ NƯỚC LÀM CHẤT GIỮ ẨM TRÊN MẪU ĐẤT XÃ HÒA TIẾN, HUYỆN HÒA VANG, TP ĐÀ NẴNG A STUDY OF APPLYING WATER SUPER ABSORBENT POLYMERS TO MOISTURIZE SAND-SOIL IN HOATIEN COMMUNE, HOAVANG DISTRICT, DANANG CITY Trần Mạnh Lục Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng; tranmanhluc56@gmail.com Tóm tắt - Polyme siêu hấp thụ nước (WSAP) tổng hợp phản ứng đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên tinh bột sắn tạo liên kết ngang epiclohydrin có độ hấp phụ nước bão hịa 352 lần so với trọng lượng mẫu khô Đặc tính hóa lý tinh bột sắn vật liệu WSAP đánh giá qua ảnh SEM phổ IR Vật liệu WSAP nghiên cứu thử nghiệm làm chất giữ ẩm mẫu đất thôn Cấm Nê, xã Hòa Tiến, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Kết nghiên cứu cho thấy việc sử dụng vật liệu WSAP có tác dụng làm tăng đáng kể độ ẩm đất Khi sử dụng WSAP làm chất giữ ẩm cho lớp đất canh tác với tỷ lệ g WASP cho 1,5 kg đất, sau ngày độ ẩm lớp đất độ sâu 10 – 20 cm trì mức 10 – 12 % Abstract - Water super absorbent polymers (WSAP) are prepared by grafting acrylic acid on cassava starch them crosslinking it with epiclohydrin The result is that the product has water absorbing capacity 352 times higher compared with the original amount The physiochemical features of the cassava starch and water super absorbent polymers are evaluated by image SEM and spectrum IR The water super absorbent polymer material is applied to the samples of sand soil found in Hoatien commune, Hoavang district, Danang city The results show the use of WSAP can increase the soil’s moisture significantly This moisture absorbing substance can be used for agriculture at the depth of 10-20 cm from the surface, with the amount 1g WSAP for 1.5 kg of sand soil After days, the moisture still remains at 10-12% Từ khóa - Tinh bột sắn; polyme siêu hấp phụ nước; Hòa Tiến; Hòa Vang; Đà Nẵng Key words - Cassava starch; water super absorbent polymers; Hoatien; Hoavang; Danang Đặt vấn đề Việc nghiên cứu, sản xuất, ứng dụng vật liệu giữ ẩm tự phân hủy sở phối kết hợp polymer thiên nhiên tinh bột, cenlulose với vinyl monome tổng hợp polyacrylic, polyacrylamitvà kết hợp vật liệu giữ ẩm tự phân hủy với loại phân bón nhận quan tâm đặc biệt nhà khoa học Polyme siêu hấp thụ nước (WSAP - water superabsorbent polymers) loại chất giữ ẩm phổ biến Vật liệu WSAP sử dụng nhiều nông nghiệp để giữ ẩm cải tạo đất, vận chuyển trồng xa, kết hợp với phân bón phụ gia để canh tác chậu Với khả giữ lượng nước lớn, hút nhả nước nhiều lần, WSAP có ý nghĩa quan trọng việc đẩy mạnh phát triển sản xuất nông nghiệp, chống hạn cho trồng, giữ ổn định sinh thái đất đối phó với biến đổi khí hậu Khơng có khả hấp thụ nước mạnh, WSAP hấp thụ nước muối sinh lý, nước tiểu, máu loại dung dịch khác nên sử dụng nhiều lĩnh vực sản phẩm chăm sóc vệ sinh, phụ gia chống thấm xây dựng, nước hoa khô, đệm chống thấm, tác nhân làm đặc [2, 7] Vật liệu WSAP tổng hợp từ tinh bột sắn dựa phản ứng đồng trùng hợp ghép với vinyl monome axit acrylic, acrylamit, acrylonitryl Tác nhân khơi mào tạo gốc tự cho phản ứng thường làamonipersunfat, điazoaminobenzen, tetraetylchì, hệ Fenton hay chiếu xạ Tác nhân khâu mạch dùng nhiệt, epiclohydrin hay formandehyt [1, 4, 8, 9] Mẫu đất dùng nghiên cứu lấy thôn Cấm Nê, xã Hòa Tiến, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng loại đặc trưng cho mẫu đất cát nghèo mùn vùng đất Quảng Nam – Đà Nẵng Mẫu sau xử lý sơ cách rây để loại bỏ tạp chất thô lá, rễ cây, sạn thìđể khơ tự nhiên, trộn đều, đóng gói 10 kg bao polyetylen bảo quản nơi râm mát nhiệt độ phòng Xác định độ ẩm đất: Độ ẩm mẫu đất nghiên cứu xác đinh dựa vào giảm khối lượng trước sau nung 1050C đến khối lượng không đổi Xác định độ chua đất: Cân 10 g đất cho vào cốc 100 ml, thêm vào 50 ml nước cất, khuấy 30 phút Sau đó, để lắng 30 phút đem đo pH dịch lắng pH meter Xác định hàm lượng cát: Cân 10 g đất cho vào bát sứ, nung nhiệt độ 7000C để đốt cháy hết chất hữu Mẫu sau để nguội đem hòa vào nước cất, lắng gạn lặp lại nước gạn hoàn toàn Để khô sấy 1050C đến khối lượng không đổi Hàm lượng cát tính theo cơng thức: Phương pháp tiến hành 2.1 Nguyên liệu đầu 2.1.1 Mẫu đất dùng nghiên cứu Hàm lượng cát (%) = m × 100 m0 Trong đó: m0: khối lượng đất ban đầu, m: khối lượng cát lại Xác định hàm lượng chất hữu cơ: Hàm lượng chất hữu đất xác định theo phương pháp Tiurin [3] 2.1.2 Tổng hợp vật liệu siêu hấp phụ nước (WSAP) Tinh bột sắn lấy từ nhà máy tinh bột sắn Hương An, Quế Sơn, Quảng Nam có đặc tính hóa lí sau: Độ ẩm: max 12,5%; Hàm lượng tinh bột: 96%; pH:6,8 – 7; Hàm lượng SO2: max 130ppm; Tạp chất – xơ: 0,05%; Hàm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 lượng kim loại nặng: khơng có; Tro: max 0,15%; Protein: max 0,25% Axit acrylic (Merck), Epiclohydrin (TQ), Amonifersunfat (TQ), NaOH (TQ) Vật liệu polyme siêu hấp phụ nước tổng hợp theo sơ đồ hình Tinh bột sắn + H2O t0C= 70oC Tinh bột hồ hóa Tỉ lệ R/L=5/30 Khuấy Giữ80oC (NH4)2S2O8 + Axit acrylic Tỉ lệ tinh bột/AA (NH4)2S2O8=8% AA khối lượng Hỗn hợp Khuấy đềuở 80oC; Phản ứng 40’ Tỉ lệ NaOH/(NH4)2S2O8 = 5/2 NaOH Hỗn hợp Khuấy đều, phản ứng thêm 20’ Tỉ lệ 45mg Epi/5g tinh bột Epiclohydri Hỗn hợp Khuấy đều, phản ứng thêm 60’ 80oC Sản ẩ Rửa etanol nhiều lần Sấy khô 80oC đến khối lượng khơng đổi Sản hẩ Hình Sơ đồ tổng hợp vật liệu WSAP Đặc tính nguyên liệu tinh bột sắn WSAP đánh giá qua độ hấp phụ nước, ảnh SEM, phổ IR Ảnh SEM chụp máy JSM 6409-JEOLJapan Phổ IR ghi máy GX-PerkinElmer-USA vùng 450-4000 cm-1 sử dụng kỹ thuật ép viên KBr Độ hấp thụ nước bão hòa vật liệu WSAP xác định cách: lấy 1,0 g vật liệu cho vào cốc chứa 500 ml nước cất, để yên 24 giờ, sau gạn, làm nước giấy lọc cân 2.2 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả giữ ẩm đất WSAP 2.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng độ sâu lớp đất đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian có mặt vật liệu WSAP 127 Trộn hỗn hợp gồm 10 kg mẫu đất + vật liệu WSAP (có khối lượng thay đổi cho lần là: 0,0 g 5,0 g) + thể tích nước tưới 1000 ml Tiến hành thí nghiệm chậu nhựa có đường kính mặt cm, chiều cao 20 cm, đáy chậu có lót lớp giấy lọc (mỗi chậu có 1,5 kg mẫu) Xác định độ ẩm mẫu thời điểm 0; 1; 2; 3; 4; ngày độ sâu cm (lớp bề mặt); 10 cm (lớp giữa) 20 cm (lớp đáy) 2.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng lượng vật liệu WSAP đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian Trộn hỗn hợp gồm 10 kg đất + WSAP (khối lượng thay đổi cho lần là: 0,0 g; 2,5 g; 5,0 g; 7,5 g; 10,0 g) + thể tích nước tưới 1000 ml Tiến hành thí nghiệm chậu nhựa loại A (mỗi chậu có kg đất chứa 0,0 g; 0,5 g; 1,0 g; 1,5 g; 2,0 g WSAP 250 ml nước) Xác định độ ẩm mẫu thời điểm 0; 1; 2; 3; 4; ngày độ sâu 2,0 cm; 6,0 cm 12,0 cm 2.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thể tích nước tưới đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian có mặt WSAP Trộn hỗn hợp gồm 10 kg mẫu đất + 5,0 g WSAP + thể tích nước tưới (thay đổi là: 750 ml, 1000 ml, 1000 ml, 1500 ml, 1750 ml) cho dãy thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm chậu nhựa loại A (mỗi chậu có kg đất + 1,0 g WSAP + thể tích nước tưới thay đổi là: 150 ml, 200 ml, 250 ml, 300 ml, 350 ml) Xác định độ ẩm mẫu thời điểm 0; 1; 2; 3; 4; ngày độ sâu 2,0 cm; 6,0 cm 12,0 cm Kết thảo luận 3.1 Kết xác định số vật lý mẫu đất cát vùng Cấm Nê, Hòa Tiến, Hòa Vang, Đà Nẵng Độ chua: pH =6,7 Hàm lượng hữu đất≈ 0,724 (%) Hàm lượng cát (%) = 197,3 × 100 = 96,65% 200 Kết luận:Mẫu đất lấy thơn Cấm Nê, xã Hịa Tiến, huyện Hịa Vang, thành phố Đà Nẵng chứa chủ yếu cát, có tính axit thuộc nhóm đất nghèo mùn 3.2 Kết tổng hợp WSAP đặc tính hóa lý vật liệu tổng hợp Ảnh SEM phổ IR tinh bột sắn thể hình 2, Hình Ảnh SEM mẫu tinh bột sắn Hương An, Quế Sơn, Quảng Nam 128 Trần Mạnh Lục Hình Phổ IR mẫu tinh bột sắn Hương An, Quế Sơn, Quảng Nam Vật liệu WSAP tổng hợp từ tinh bột sắn theo sơ đồ Sản phẩm thu có độ hấp thụ nước bão hịa 352 gam nước/1 gam WSAP (hình 4) Hình Mẫu vật liệu WSAP hấp phụ bão hòa nước 18 Bề mặt ½ chậu Đáy chậu 16 Độ ẩm lại đất (%) Ảnh SEM phổ IR mẫu WSAP thể hình 5, Trên ảnh SEM, tinh bột sắn ban đầu thể hệ dị thể với hạt riêng lẻ, dạng cầu với kích thước nằm khoảng 2÷10 μm, cịn sản phẩm WSAP dạng khối đồng thể cấu trúc hạt tinh bột bị phá vỡ q trình hồ hóa, đồng trùng hợp ghép với axit acrylic tạo liên kết ngang với epiclohydrin [6, 8, 9] Hình Phổ IR WSAP Trên phổ hồng ngoại, pic đặc trưng đơn vị cấu trúc ࢻ-1,4 glucozit mạch polysaccarit bảo toàn Tuy nhiên, pic đặc trưng cho dao động hóa trị O-H liên kết hydro 3359,35 cm-1 tinh bột chuyển dịch thành 3444,38 cm-1 WSAP độ rộng hẹp đáng kể Việc xuất phổ IR WSAP dải hấp phụ từ 1640-1733 cm-1 tín hiệu nhóm C=O axit acrylic ghép lên tinh bột Tương tự pic 1646,60 cm-1 thành vùng 1629,35- 1733,39cm-1 thay đổi pic vùng 1032,40-1155 cm-1 (dao động hóa trị C-O) thể trình thay đổỉ cấu trúc từ trạng thái vơ định hìnhcủa tinh bột ban đầu sang trạng thái gắn kết WSAP [5] 3.3 Kết nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả giữ ẩm đất WSAP mẫu đất cát thơn Cấm Nê, xã Hịa Tiến, huyện Hịa Vang, thành phố Đà Nẵng 3.3.1 Ảnh hưởng độ sâu lớp đất đến đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian trường hợp có khơng có WSAP Kết nghiên cứu ảnh hưởng độ sâu lớp đất đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian độ sâu 2,0 cm; 10,0 cm 20,0 cm khơng có mặt WSAP trình bày hình có mặt WSAP trình bày hình 14 12 10 0 Thời gian (ngày) Hình Ảnh SEM WSAP Hình Ảnh hưởng độ sâu lớp đất đến đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian khơng có WSAP ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(110).2017 Bề mặt 18 18 ½ chậu 16 16 Đáy chậu 14 12 10 Độ ẩm lại đất (%) Độ ẩm lại đất (%) 20 14 12 10 0 m0 : m1 : 0,5 m2 : m3 : 1,5 m4 : 2 Thời gian (ngày) 0 Hình Ảnh hưởng độ sâu lớp đất đến đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian cómặt WSAP Độ ẩm cịn lại đất (%) 18 m0 : m1 : 0,5 m2 : m3 : 1,5 m4 : 16 14 12 10 2 Thời gian (ngày) Hình Ảnh hưởng lượng WSAP đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian độ sâu 2,0 cm Thời gian (ngày) Hình 10 Ảnh hưởng lượng WSAP đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian độ sâu 10,0 cm 18 Độ ẩm cịn lại đất (%) Khi khơng sử dụng WSAP, độ ẩm đất lớp bề mặt, lớp đáy chậu giảm dần theo thời gian với mức độ tương tự nhau, độ ẩm giảm nhiều lớp bề mặt giảm lớp đáy chậu Kết độ ẩm thay đổi gần tuyến tính với thời gian độ sâu lớp đất cho thấy xảy trình bốc vật lý nước đất Đối với mẫu có WSAP lớp đất cách bề mặt từ 10-20 cm gần khác biệt độ ẩm, giảm chậm theo thời gian, sau ngày độ ẩm khoảng 12% so với 18% lúc ban đầu Điều lý giải nướcđược giữ lại WSAP giải phóng từ từ, mức độ bốc nước chậm phụ thuộc vào tốc độ giải phóng nước khỏi WSAP Riêng lớp bề mặt (độ sâu cm) ngày đầu độ ẩm giảm chậm, nhanh dần sang ngày có lẽ lớp bề mặt, vật liệu SAP nhả nước đồng thời liên kết hạt đất tạo kết cấu co cụm, vón cục, làm tăng khoảng hở dẫn đến kết nước phần thoát dễ 3.3.2 Ảnh hưởng lượng WSAPđến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian Kết nghiên cứu ảnh hưởng lượng WSAP đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian độ sâu 2,0 cm; 10,0 cm 20,0 cm trình bày hình 9, 10, 11 129 16 14 12 10 m0 : m1 : 0,5 m2 : m3 : 1,5 m4 : 2 0 Thời gian (ngày) Hình 11 Ảnh hưởng lượng WSAP đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian độ sâu 20,0 cm Ở tầng bề mặt (độ sâu cm) việc tăng khối lượng WSAP không làm tăng độ ẩm đất tăng mà ngược lại, lượng WSAP nhiều, cịn làm giảm độ ẩm đất làm tăng khả tạo kết cấu co cụm Ở độ sâu lớp đất từ 10-20 cm độ ẩm đất tăng theo tăng lượng WSAP cho vào lượng nước giữ lại trongWSAP nhiều Điều thích hợp cho việc sử dụng đất trồng trọt, canh tác lại lương thực, rau màu rễ loại phát triển tập trung chủ yếu vùng cách bề mặt 10 – 20 cm phần sát bề mặt 3.3.3 Ảnh hưởng lượng nước tưới đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian có mặt WSAP Kết nghiên cứu ảnh hưởng lượng nước tưới đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian độ sâu 2,0 cm; 10,0 cm 20,0 cm có mặt WSAP trình bày hình 12, 13, 14 130 Trần Mạnh Lục V1 = 100 ml 24 Độ ẩm lại đất (%) V2 = 150 ml V3 = 200 ml 20 V4 = 250 ml V5 = 300 ml 16 12 0 Thời gian (ngày) Hình 12 Ảnh hưởng lượng nước tưới đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian độ sâu 2,0 cm có mặt WSAP Độ ẩm lại đất (%) 24 V1 = 100ml V2 = 150ml V3 = 200ml V4 = 250ml 20 V5 = 300ml 16 12 4 Kết luận Đã tổng hợp vật liệu polyme siêu hấp phụ nước (WSAP) từ tinh bột sắn phản ứng đồng trùng ghép với axit acrylic, khơi mào amoni persunfat, khâu mạch epiclohydrin Vật liệu tổng hợp có độ hấp thụ nước bão hịa 352 gam nước/1 gam vật liệu khơ Các đặc tính hóa lý tinh bột sắn vật liệu WSAP đánh giá qua ảnh SEM phổ IR Vật liệu WSAP nghiên cứu thử nghiệm làm chất giữ ẩm mẫu đất thơn Cấm Nê, xã Hịa Tiến, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng Kết nghiên cứu cho thấy việc sử dụng vật liệu WSAP có tác dụng làm tăng đáng kể độ ẩm đất Khi sử dụng WSAP làm chất giữ ẩm cho lớp đất canh tác với tỷ lệ g WASP cho 1,5 kg đất, sau ngày độ ẩm lớp đất độ sâu 10 – 20 cm trì mức 10 – 12 % TÀI LIỆU THAM KHẢO 0 Thời gian (ngày) Hình 13 Ảnh hưởng lượng nước tưới đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian độ sâu 10,0 cm có mặt WSAP V1 = 100ml 24 V2 = 150ml Độ ẩm lại đất (%) trương mạnh, nước giữ lại nhiều dẫn đến độ ẩm lại đất cao Sự khác biệt thể lớp cách bề mặt cm, độ sâu 10 – 20 cm độ ẩm đất giảm dần theo thời gian theo giảm lượng nước cho vào V3 = 200ml 20 V4 = 250ml V5 = 300ml 16 12 0 Thời gian (ngày) Hình 14 Ảnh hưởng lượng nước tưới đến thay đổi độ ẩm mẫu đất theo thời gian độ sâu 20,0 cm có mặt WSAP Khi tăng thể tích nước tưới ngồi việc làm tăng lượng nước có đất, cịn có tác dụng làm WSAP [1] Nguyễn Thanh Tùng, Nguyễn Văn Khôi, Nguyễn Trung Đức, Đỗ Công Hoan Tổng hợp polyme siêu hấp phụ nước sở số copolyme ghép tinh bột, Tạp chí Hóa học, 49(2), 177-180 (2011) [2] Trần Thị Như Mai, Nguyễn Thị Hồng Hạnh Tổng hợp vật liệu polyme trương nở từ axit acrylic-khả trao đổi nước vi lượng, Tạp chí Hóa học ứng dụng, 7(91), 41-44 (2009) [3] Lê Văn Khoa Phương pháp phân tích đất, nước, phân bón trồng NXB Giáo dục (2001) [4] Yang Mingcheng Radiation synthesis and characteration of polyacrylic acid hydrogels, Nuclear Science and techniques, 18(2),82-85 (2007) [5] Kizil R., Irudayaraj J., Seetharaman K Characterization of irradiated starches by using FT-Raman and FTIR spectroscopy J Agric Food Chem 50(3): 3912-3918 (2002) [6] Jose mina, Alex valadez-gonzalez, Pedro Herreza-Franko, Fabio Zuluaga, Silvio Delvasto Physicochemical characterization of natural and acetylated thermoplastic cassava sarch, Dyna rev.fac.nac.minas,78(166) (2011) [7] Enas M Ahmed Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review, Journal of Advanced Research,6(2), 105121 (2015) [8] Seung Hyun Koo, Kwang Yeon Lee and Hyeon Gyu Lee, 2010 Effect of cross - linking on the physcochemical and physiological properties of corn starch Food Hydrocolloid 24: 619 – 625 [9] Woo K S and P A Seib, 2002 Cross - linked resistant starch: Preparation and properties Cereal Chemistry 79: 819 - 825 (BBT nhận bài: 23/11/2016, hoàn tất thủ tục phản biện: 30/12/2016)