Luận án nghiên cứu một số vật liệu polyme tiên tiến, thân thiện môi trường và ứng dụng trong chế tạo bầu ươm cây

MỞ ĐẦU Ngày nay, nhựa polyetylen (PE) phế thải đặt vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng gây tổn thương đến hệ sinh thái PE thường khơng phân hủy tồn dạng chất thải môi trường với thời gian dài gây hại sức khỏe người Do ưu điểm giá thành phương pháp gia công đơn giản, loại màng chất dẻo chế tạo từ polyetylen (PE) sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực như: bao gói, che phủ dùng để chế tạo bầu ươm nông nghiệp Ở Việt Nam, nhu cầu sản xuất giống bầu ươm cho ăn quả, nông lâm nghiệp ngày tăng, hầu hết loại giống trồng bầu Bầu ươm môi trường trồng chứa nguồn dinh dưỡng cẩn thiết để cung cấp cho trồng giai đoạn sinh trưởng phát triển Thành phần đặc tính bầu ươm đóng vai trị định đến số lượng, chất lượng giống thời gian lưu bầu Túi bầu ươm tự hủy chế tạo sở polyetylen tái sinh phụ gia xúc tiến oxy hóa hướng nghiên cứu góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường Đồng thời việc sử dụng túi bầu ươm đem lại ý nghĩa mặt kinh tế cao, tiết kiệm cơng xé bầu Ngồi ra, nghiên cứu sử dụng số vật liệu tiên tiến, thâm thiện với môi trường như: polyme siêu hấp thụ nước polyme liên kết đất chế tạo ruột bầu hướng nhằm cải thiện khả giữ nước, tăng lượng ẩm sẵn có vùng rễ, giữ chất dinh dưỡng, ngăn q trình rửa trơi chất dinh dưỡng đất liên kết hạt đất, giúp không làm vỡ bầu ươm vận chuyển đến nơi gieo trồng, trồng phát triển tốt, giảm số lần tưới, tiết kiệm công lao động nâng cao chất lượng giống Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, luận án tập trung vào “Nghiên cứu số vật liệu polyme tiên tiến, thân thiện môi trường ứng dụng chế tạo bầu ươm cây” với mục tiêu nội dung nghiên cứu cụ thể sau: * Mục tiêu luận án: - Nghiên cứu khả phân hủy màng chế tạo sở polyetylen tái sinh phụ gia xúc tiến oxy hóa từ chế tạo túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác - Nghiên cứu ảnh hưởng hai loại vật liệu polyme siêu hấp thụ nước polyacrylamit đến tính chất tổ hợp vật liệu chế tạo ruột bầu - Đánh giá khả ứng dụng bầu ươm tiên tiến, thân thiện môi trường cho số đối tượng trồng * Những nội dung nghiên cứu luận án: - Nghiên cứu trình phân hủy giảm cấp phân hủy điều kiện tự nhiên màng chế tạo sở polyetylen tái sinh hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa Mn(II) stearat, Fe(III) stearat, Co(II) stearat Từ đó, chế tạo túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác - Nghiên cứu khả giữ ẩm vật liệu polyme siêu hấp nước khả làm bền cấu trúc polyacrylamit Kết hợp sử dụng tổ hợp hai loại vật liệu để cải thiện số tính ruột bầu ươm - Thử nghiệm bầu ươm tiên tiến, thân thiện môi trường cho thông, keo bạch đàn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung bầu ươm Trồng cây phương pháp phổ biến giới chủ yếu nước ta Sử dụng bầu ươm để ươm giống công tác quan trọng phức tạp Chất lượng tốt hay xấu ảnh hưởng trực tiếp đến suất hiệu trồng Vai trò bầu ươm đơn vị diện tích, với thời gian ngắn sản xuất số lượng nhiều nhất, chất lượng tốt nhất, đồng thời giá thành hạ Muốn đạt mục tiêu phải giải khâu đặc tính kỹ thuật bầu ươm Bầu gieo ươm có cấu tạo gồm thành phần chính: Túi bầu ruột bầu 1.1.1 Túi bầu Ngày nay, túi bầu ươm thực trở nên phổ biến để ươm loại giống khác Chúng thường dùng để ươm ăn nông, lâm nghiệp [1] Túi bầu định nghĩa khuôn giữ cho ruột bầu định hình ổn định [2] Một số yêu cầu chung túi bầu sản xuất giống sau [3]: - Túi bầu không gây cản trở trao đổi nước khơng khí với mơi trường xung quanh - Không làm độc hại mang sâu bệnh cho - Khi bứng vận chuyển không gây vỡ bầu - Sau trồng túi bầu có khả tự hủy tốt đất - Nguyên liệu chế tạo túi bầu rẻ tiền, tiện lợi giúp giống bầu sinh trưởng phát triển tốt Túi bầu ươm có nhiều cỡ khác nhau, sử dụng tùy thuộc tốc độ sinh trưởng lồi cây, thời gian ni vườn ươm Túi bầu ươm thường sử dụng bao gồm: Bầu khơng có túi, bầu độc lập có vỏ cứng, bầu độc lập có túi mềm (polyetylen sợi xốp) Gần đây, vài sở Quảng Ninh sử dụng loại bầu vỏ cứng khay chất dẻo tổng hợp nhập từ Trung Quốc để sản xuất giống hoa, rau Loại thử nghiệm ươm giống lâm nghiệp, song hạn chế giá cao khơng thuận tiện vận chuyển lên đồi cao để trồng rừng [4] Ở Trung Bộ, Nam Bộ Tây Nguyên sử dụng loại bầu khay cứng xốp có độ chặt cao đúc thành khối với nhiều hốc hình nón cụt Hỗn hợp ruột bầu nạp đầy vào hốc nén máy Khay bầu sử dụng gieo ươm giống rau Loại túi bầu cứng độc lập từ chất dẻo tổng hợp với đường kính lớn đóng bầu máy để ươm trồng hoa rau Loại bầu khay chưa áp dụng cho giống khó vận chuyển lên đồi cao dốc, dễ đổ vỡ bầu Trong lâm nghiệp, sử dụng loại túi bầu mềm độc lập từ màng PE khó phân hủy làm thành dạng túi [5] Loại túi bầu dễ sản xuất xưởng chế biến nhựa bao bì quy mơ nhỏ Đây loại túi bầu sử dụng phổ biến nhiều sở sản xuất nước tính ưu việt là: Bền, định hình ruột bầu tốt, gọn, dễ vận chuyển [2] Tuy nhiên, túi bầu PE thường khó gỡ tách khỏi khối hỗn hợp ruột bầu, khó phân hủy đất, khó thu hồi gây nhiễm mơi trường đất Khi trồng rừng, túi bầu thường bị chôn vùi vào đất, làm cản trở rễ phát triển, tăng tỷ lệ chết, làm giảm suất trồng cản trở thấm nước vào đất [6] Theo nghiên cứu sử dụng túi bầu PE không tự phân hủy, giống ươm túi bầu có rễ phát triển theo xu hướng hình xoắn ốc hạn chế khả tăng trưởng sau gieo trồng chí làm cho giống chết sớm Bên cạnh đó, việc sử dụng túi bầu khơng có khả phân hủy sinh học phát sinh vấn đề mơi trường nghiêm trọng tồn giới [7] Do đó, chế tạo túi bầu PE có khả tự hủy nghiên cứu môi trường nhân giống khác để sản xuất loại trồng cần thiết 1.1.2 Ruột bầu ươm Ruột bầu môi trường trực tiếp nuôi [8] Nó yếu tố quan trọng ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng vườn ươm Hỗn hợp ruột bầu tốt phải đảm bảo điều kiện lý tính hóa tính giúp sinh trưởng khoẻ mạnh nhanh Một hỗn hợp ruột bầu nhẹ, thống khí, khả giữ nước cao giúp phát triển tốt Ngược lại, hỗn hợp ruột bầu có cấu trúc đất nặng, khó thấm nước thoát nước ảnh hưởng xấu đến [9] Thành phần ruột bầu thường gồm đất phân bón Đất làm ruột bầu thường sử dụng loại đất có thành phần giới nhẹ trung bình, phân bón phân hữu ủ hồi (phân chuồng, phân xanh), phân vi sinh phân vô Nguyên liệu làm ruột bầu ươm gồm nhiều loại, loại có đặc điểm tính chất khác Một số loại nguyên liệu thường sử dụng chế tạo ruột bầu ươm như: phế thải nguyên liệu nhà máy giấy, mùn xơ dừa đất mặt Trong đất mặt nguyên liệu chủ yếu để chế tạo ruột bầu ươm Ngày nay, công nghệ sản xuất bầu ươm đạt đến trình độ cao Những yêu cầu ruột bầu giâm hạt giâm cành sau: - Ruột bầu ươm phải có tính chất lý đủ chắc, đặc để cành giâm hạt phát triển, thể tích khơng giảm nhiều sau làm khơ khơng thích hợp cho - Dễ dàng thấm nước, có khả giữ ẩm tốt - Hàm lượng tổng muối vơ hịa tan không cao (không mặn) - Không chứa tác nhân gây hại (cỏ dại, tuyến trùng, vi sinh vật có hại) - Phải có khả cung cấp đủ dinh dưỡng cần thiết cho Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Hợp tác quốc tế Pháp [10] khẳng định: Thành công vườn ươm phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn môi trường rễ Do đó, ruột bầu ươm cần thoả mãn yêu cầu sau đây: (i) Tính chất vật lý hoá học phải phù hợp với yêu cầu lồi trồng; (ii) Khối lượng thể tích bầu vừa phải giúp thao tác vận chuyển dễ dàng mà đảm bảo phát triển tốt; (iii) Khơng có tuyến trùng tác nhân gây bệnh rễ khác; (iv) Nguồn nguyên liệu ổn định; (v) Giá nguyên liệu thành phẩm hợp lý Tính chất vật lý: Có tiêu thiết yếu liên quan tới tính chất vật lý bầu ươm độ xốp khả giữ nước (sức chứa ẩm) Nguyên tắc chế tạo ruột bầu ươm phải đảm bảo đủ lượng dinh dưỡng cho suốt thời kỳ vườn ươm Tuy nhiên, với số loài trồng có thờỉ gian lưu vườn ươm dài phải bổ sung dinh dưỡng (bón thúc) Mơi trường pH ruột bầu ươm phải phù hợp với yêu cầu cây, pH gần trung tính hay chua thích hợp Đất có pH thấp trung hồ vơi đơlơmit, đất có pH cao rửa nước axit hố nhờ bón phân sinh lý chua amoni sunphat Ở nước ta, theo định hướng phát triển ăn Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn, đến năm 2020 [11] tích trồng ăn nước lên đến 1.000.000 Trên diện tích nhu cầu giống năm, ước tính khoảng 20 triệu Trong sản xuất giống lâm nghiệp, theo Nguyễn Dương Tài [5], nhu cầu giống lâm nghiệp hàng năm cho trồng rừng giai đoạn 2006–2016 586 triệu giống Tuy nhiên, đảm bảo cung ứng 30% giống có chất lượng tốt cho sản xuất, số cịn lại sử dụng giống khơng rõ lai lịch Để góp phần nâng cao chất lượng giống, việc tạo loại ruột bầu ươm có vai trị quan trọng vì: giảm chi phí chuyên chở nhờ sử dụng bầu ươm nhẹ rút ngắn chu kỳ sản xuất nhờ tưới nước bón phân cân đối, hợp lý Tuy nhiên, theo kết điều tra phía Bắc [12] phần lớn ruột bầu ươm chưa đạt u cầu có tồn sau: (i) Nặng chưa có độ kết dính định; (ii) Khả giữ nước kém, chưa tiệt trùng; (iii) Thiếu dinh dưỡng cho thời gian dài; (iv) Nguồn nguyên liệu cung cấp chưa ổn định; (v) Quy cách áp dụng cho loại chưa đạt tiêu chuẩn 1.2 Túi bầu PE tự hủy chế tạo sở polyetylen tái sinh phụ gia xúc tiến oxy hóa 1.2.1 Sản xuất, tiêu thụ vấn đề ô nhiễm môi trường từ nhựa PE Chất dẻo sử dụng rộng rãi nhiều loại sản phẩm thay nhiều vật liệu gỗ, kim loại thủy tinh Ngành công nghiệp chất dẻo phát triển song song với nhu cầu tiêu thụ không ngừng tăng theo dân số ý tưởng cơng nghệ tạo vật liệu có hiệu sử dụng tối đa Sản lượng chất dẻo toàn cầu năm 2016 335 triệu tấn, 60 triệu sản xuất từ châu Âu Trung Quốc nhà sản xuất chất dẻo lớn giới dự kiến đạt 334,83 triệu vào năm 2020, tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng hàng năm (CAGR) 5,3% từ 2014 đến 2020 [13] Ở Trung Nam Mỹ dự kiến thị trường nhựa phát triển nhanh khu vực, với tốc độ tăng trưởng hàng năm (CAGR) ước tính 6,3% từ 2014 đến 2020 Nhu cầu nhựa Bắc Mỹ dự kiến tăng với tốc độ tăng trưởng hàng năm CAGR ước tính 4,3% từ 2014 đến 2020 [13] Năm 2018, Theo công ty IHS Markit, nhu cầu toàn cầu PE, loại nhựa sử dụng nhiều giới, tăng gần gấp đôi suốt 20 năm qua Nhu cầu PE toàn cầu năm 2018 vượt 100 triệu (MMT) [14] Hình 1.1: Cơ cấu sử dụng nhựa PE theo loại toàn cầu năm 2018 [14] Phế thải, rác thải từ nhựa mối đe dọa nguy hiểm thách thức toàn cầu toàn hệ sinh thái Theo thống kê Ủy ban Châu Âu (EC), ước tính khoảng 8,3 tỷ sản phẩm nhựa sản xuất năm 2018 Khoảng 6,3 tỷ nhựa trở thành rác thải; khoảng tỷ tích lũy ngồi mơi trường chôn lấp Hàng năm, tổng cộng khoảng 4,8 - 12,7 triệu chất thải nhựa xả vào đại dương Hơn nửa số rác thải nhựa từ nước Đơng Á, có Việt Nam [15] Theo báo cáo Tổ chức Bảo tồn Thiên nhiên Quốc tế (IUCN), năm có khoảng triệu rác thải nhựa đổ biển gây tác động tiêu cực đến hệ sinh thái tự nhiên Nhiều khu vực, quốc gia giới có biện pháp sách nhằm hạn chế nhu cầu tiêu dùng, sử dụng sản phẩm vật liệu từ nhựa Tại Đức, luật bao bì có hiệu lực từ năm 2019, theo Chính phủ đặt tham vọng lớn việc tái chế phế thải nhựa bao bì nhựa, với mục tiêu tái chế tăng từ 36% lên đến 60% năm 2022, đặc biệt khuyến khích sử dụng bao bì có khả tái sử dụng ngành đồ uống 70% Các doanh nghiệp sản xuất sản phẩm nhựa bao bì nhựa bị phạt đến 50,000 EUR vi phạm quy định Tại khu vực Châu Âu, với nỗ lực chấm dứt tình trạng thải mơi trường sản phẩm nhựa vốn ngày gia tăng chuỗi dây chuyền thực phẩm, ngày 28/05/2018 vừa qua, Liên minh châu Âu đề xuất cấm sản phẩm nhựa dùng lần, đồng thời kêu gọi thu gom hầu hết loại chai nhựa vào năm 2025 Cũng kể từ ngày 01/05/2018 vừa qua, tất loại cốc, đĩa đồ dùng ăn uống làm nhựa bị cấm sử dụng Tremiti, quần đảo nhỏ nằm ngồi khơi bờ biển phía Đơng Italy Bên cạnh việc nâng cao ý thức cho người dân việc sử dụng sản phẩm nhựa dùng lần, nhà khoa học nghiên cứu phát minh loại vật liệu thay nhựa thân thiện với môi trường Ở Việt Nam, thị trường bao bì nhựa có tốc độ tăng trưởng ấn tượng khoảng 16–18% năm qua, sản lượng nhựa đạt khoảng 6,8 triệu năm 2016, sức tiêu thụ loại bao bì nhựa tăng theo tính tiện dụng Mức tiêu thụ nhựa bình quân đầu người năm 2018 49 kg/người/năm [16] Trong nhựa PE sử dụng nhiều nhất, với sản lượng nhập năm 2016 khoảng 1,227 triệu [16] Tính đến năm 2018, ngành nhựa nước ta có quy mơ đạt 9,3 tỷ tính riêng hai q đầu năm 2018 Bao bì 15% 38% Xây dựng 29% Gia dụng 18% nhựa kĩ thuật Hình 1.2: Cơ cấu ngành nhựa Việt Nam theo nhóm ngành năm 2018 [17] Như vậy, Việt Nam gia tăng với tốc độ nhanh chóng, đặc biệt chi tiêu cho sản phẩm thiết yếu ngày điện thoại di động, máy tính, thực phẩm đồ uống, quần áo, xe chí thiết bị y tế phục vụ nhu cầu cá nhân Những lợi ích to lớn mà vật liệu nhựa mang lại cho giới nói chung Việt Nam nói riêng khơng thể phủ nhận Tuy nhiên đơi với lợi ích rác thải nhựa sau sử dụng lại trở thành vấn đề môi trường trầm trọng, theo thông tin trung tâm Hỗ trợ phát triển Xanh (GreenHub), năm 2017, Việt Nam nước có lượng rác thải nhựa biển lớn giới với khoảng 1,8 triệu năm Rác thải nhựa coi kẻ thù mơi trường chúng có thời gian phân hủy chậm Rác thải nhựa coi nguồn nguy gây loại bệnh tật nguy hiểm Rác thải nhựa thu gom tái chế mà phải đưa chôn lấp bãi rác, gây ô nhiễm môi trường Rác thải từ nhựa nguyên nhân gây vấn đề làm tắc đường ống dẫn nước Xuất phát từ thực tế trên, quan quản lý Nhà nước trung ương địa phương, cộng đồng quan tâm tới vấn đề chất thải túi nhựa với chiến dịch truyền thơng “Nói khơng với túi nhựa”, “Ngày khơng túi nhựa”… Tuy nhiên, hoạt động dừng lại việc “thí điểm”, hết đợt phát động, người tiêu dùng lại quay với túi nhựa thông thường Hiện nay, chương trình vận động sở tài nguyên môi trường, nhiều quan, siêu thị, chợ lớn bắt đầu ngừng phát túi nhựa cho khách hàng 1.2.2 Một số biện pháp xử lý nhựa PE phế thải Ngày nay, có nhiều kỹ thuật phương pháp phát triển để giảm thiểu tác động tiêu cực nhựa, chất thải nhựa đến môi trường tăng hiệu sử dụng nhựa Một số biện pháp sử dụng sau [18]: - Thiêu đốt chôn lấp - Tái chế - Các biện pháp tăng cường khả phân hủy nhựa polyetylen 1.2.2.1 Thiêu đốt chôn lấp Nguồn nhựa phế thải tác nhân gây ô nhiễm môi trường có nguy ảnh hưởng trầm trọng đến sức khỏe người Vì phương pháp xử lý nguồn ô nhiễm mối quan tâm sâu sắc nhiều quốc gia [19] Ở Việt Nam, rác thải nhựa chủ yếu đem chôn lấp đốt Tuy nhiên hiệu xử lí biện pháp có tính ưu việt khiêm tốn Trước hết làm giảm diện tích đất đai, làm giảm tính chất đất, dung tích hấp thụ Nhựa đem chơn lấp có thời gian phân hủy chậm Những phân tích tiến hành đất khu vực chơn lấp nhựa phế thải cho thấy có xuất loại hóa chất sử dụng để hóa dẻo di(2-etylhexyl) phtalat Xử lý phương pháp đốt cách thức phổ biển thứ hai sau biện pháp chơn lấp Đốt rác thải nói chung phế thải nhựa nói riêng khơng cần đầu tư nhiều vốn thiết bị biện pháp dễ làm Tuy nhiên với vấn đề nhiễm phát sinh Trong q trình đốt nhiều loại khí thải có hại ra, đáng nói khí HCl đốt nhựa PVC số polyme clo hóa khác Bên cạnh phát thải dioxin, loại khí độc hại có khả gây ung thư [20] 1.2.2.2 Tái chế Ở Việt Nam, năm gần có cơng trình nghiên cứu xử lý chất thải nhựa phương pháp tái chế, cụ thể năm 2003 nhóm nghiên cứu Viện Vật liệu xây dựng nghiên cứu chế tạo ván ép từ rác thải nhựa có đóng góp đáng khích lệ nghiệp bảo vệ môi trường [21] Việt Nam 10 [96] S Fontanella, S Bonhomme, M Koutny, L Husarova, J M Brusson, J P Courvavault, S Pitteri, G Samuel, G Pichon, J Lemaire, A M Delort, Comparison of the biodegradability of various polyethylene films containing pro-oxidant additives, Polymer Degradation and Stability, 2010, 95, 10111021 [97] S Zahra, S S Abbas, M.-T Mahsa, N Mohsen, Biodegradation of lowdensity polyethylene (LDPE) by isolated fungi in solid waste medium, Waste Management, 2010, 30, 396–401 128 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Một số hình ảnh phơi mẫu tự nhiên PHỤ LỤC Hình ảnh đóng bầu ươm tiên tiến PHỤ LỤC 3: Hình ảnh cơng thức thí nghiệm PHỤ LỤC Hình ảnh kiểm tra mơ hình thử nghiệm ươm Hà Giang Bầu tự hủy: Đang bất đầu vỡ, phân hủy PHỤ LỤC Hình ảnh kiểm tra đo đặc tiêu sinh trưởng bầu ươm tiên tiến, thân thiện môi trường PHỤ LỤC Một số hình ảnh phổ hồng ngoại FTIR Phổ FTIR PE3A2OX0 ban đầu Phổ FTIR PE3A2OX08 sau oxy hóa nhiệt Phổ PE3A2OX02 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm Phổ PE3A2OX06 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm Phổ FTIR mẫu PE3A2OX08 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm Phổ FTIR PE3A2OX02 sau lão hóa tự nhiên nhiên 15 10 4000 3000 20 2000 Wavenumbers (cm-1) Phổ FTIR mẫu PE3A2OX08 sau chôn đất 1464.60 45 30 724.57 1178.19 1100.56 1030.51 1413.28 1372.46 1294.48 55 778.93 60 25 1000 533.72 472.80 1627.19 1576.71 2659.81 50 1712.17 2852.13 35 3377.66 40 2912.50 %T 75 70 65 95.5 795.97 95.0 94.5 94.0 877.04 93.0 91.0 90.5 90.0 89.5 89.0 1030.50 2850.13 87.5 2921.32 88.0 1425.28 88.5 3430.00 %T 91.5 533.70 464.66 415.33 92.0 1627.37 1712.79 92.5 87.0 86.5 86.0 400 300 200 W av enu mber s ( c m- 1) Phổ FTIR mẫu PE3A2OX08 ngâm bùn hoạt tính 717.92 93.5 100 Phổ FTIR mẫu TH6 sau chôn đất ... tính chất tổ hợp vật liệu chế tạo ruột bầu - Đánh giá khả ứng dụng bầu ươm tiên tiến, thân thiện môi trường cho số đối tượng trồng * Những nội dung nghiên cứu luận án: - Nghiên cứu trình phân hủy... PAM vật liệu tiên tiến, thân thiện mơi trường có tính tốt để cải tạo đất sử dụng cho bầu ươm Chính vậy, luận án nghiên cứu chế tạo túi bầu PE có thời gian tự hủy khác kết hợp với việc sử dụng. .. khác - Nghiên cứu ứng dụng SAP PAM đến tính chất tổ hợp vật liệu ruột bầu - Ứng dụng bầu ươm tiên tiến, thân thiện môi trường cho đối tượng trồng: keo, thông bạch đàn 38 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ CÁC