Nghiên cứu công nghệ bọc hạt để sản xuất phân urê thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU TRUNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BỌC HẠT ĐỂ SẢN XUẤT PHÂN URÊ THÔNG MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU TRUNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BỌC HẠT ĐỂ SẢN XUẤT PHÂN URÊ THÔNG MINH Ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số ngành: 62520301 Phản biện độc lập: PGS TS VĂN PHẠM ĐAN THỦY Phản biện độc lập: TS BÙI DUY DU Phản biện: PGS TS LÊ MINH VIỄN Phản biện: PGS TS ĐOÀN VĂN HỒNG THIỆN Phản biện: TS HOÀNG TIẾN CƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS TRỊNH VĂN DŨNG TS TRẦN NGHỊ LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn nào, hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Hữu Trung i TĨM TẮT LUẬN ÁN Phân bón thơng minh (SF) hay phân bón giải phóng có kiểm sốt loại phân bón hiệu suất cao, sử dụng ngày phổ biến sản xuất nơng nghiệp đại SF có khả kiểm sốt q trình giải phóng chất dinh dưỡng nhằm đáp ứng phù hợp với nhu cầu sử dụng trồng Vì vậy, SF khơng giúp giảm chi phí sản xuất, tiết kiệm nguồn nguyên liệu tài nguyên, mà giúp nâng cao suất trồng, chất lượng sản phẩm nông nghiệp, giảm lượng phát thải ô nhiễm môi trường Một phương pháp sản xuất phân bón thơng minh phương pháp bọc hạt phân màng bọc từ vật liệu phù hợp Phương pháp giúp nhà sản xuất cần bổ sung hệ thống bọc hạt vào hệ thống sản xuất mà không cần thay đổi công nghệ sản xuất giúp giảm chi phí đầu tư chi phí sản xuất Tuy nhiên, số liệu phương pháp để tính tốn q trình bọc hạt nói chung, sản xuất phân bón thơng minh nói riêng cịn hạn chế Vì vậy, việc bổ sung số liệu, xây dựng phương pháp tính tốn q trình bọc hạt phân bón vấn đề nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Mục tiêu luận án xây dựng mơ hình tốn học trình bọc hạt thiết bị bọc đĩa quay để mơ hình hóa, tối ưu hóa, tính tốn, thiết kế, cải tiến q trình sản xuất phân bón thơng minh Kết nghiên cứu tìm vật liệu bọc hỗn hợp polyme gồm polyme liên kết tổng hợp từ tinh bột biến tính phốt phát, poly vinyl ancol, poly acrylic axit Đây vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có sẵn, có khả phân hủy sinh học thân thiện với môi trường phù hợp với công nghệ bọc ướt thiết bị bọc đĩa quay Bằng vật liệu này, luận án xây dựng mơ hình tốn thực nghiệm phương pháp phân tích thứ ngun để mơ tả ba q trình trình bọc hạt thiết bị bọc đĩa quay gồm: trình phun dung dịch tạo màng, trình bọc gồm trình chuyển động hạt đĩa quay hình thành màng, nhiệt động học Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng qua màng kiểm chứng thực nghiệm, thông qua mơ hình tốn mơ tả q trình giải phóng theo định luật Fick II ảnh hưởng yếu tố đến q trình giải phóng dinh dưỡng ii ABSTRACT The smart fertilizers (SF) or controlled-release fertilizers was one of the enhanced efficiency fertilizers which has been increasingly used in modern agricultural production The nutrient release of these fertilizers could be controlled to suit the needs of the crop Therefore, they not only help reduce production costs, save raw materials, and natural resources, but also improve the productivity and quality of agricultural products, reduce emission, and avoid environmental pollution The smart fertilizers were produced by the particle coating technology with suitable material The coating technology will not change the current production technology because the manufacturers simply implement this technology to the existing production system, thus reducing investment and production costs However, the data and method of this technology in general, and coating fertilizers to produce smart fertilizers are still limited Therefore, the addition of data and the development of the methods to calculate the coating particle process is problems which many researchers were interested The object of study was to develop an empirical mathematical model of particle coating process by disk coater to use for simulation, design calculations, optimization and improvement of production process The results of study shown that the coating material is a mixed polymer which includes a cross-linked polymer synthesized from phosphate modified starch, poly vinyl alcohol, and poly acrylic acid, was biodegradable, durability, permeability, and chemical and physical properties suitable for use as coating An empirical mathematical model was built by dimensional analysis and described all three basic processes of particle coating technology including the spray process, the movement of particles and coating formation, and the thermodynamic process The mechanism of diffusion was also determined by experiment, thereby establishing a mathematical model of the diffusion process based on Fick's law II, calculating empirical parameters, and the influence of factors on the release of nutrients iii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn PGS.TS Trịnh Văn Dũng, TS Trần Nghị, quý Thầy, Cô môn Q trình & Thiết bị Khoa Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ đóng góp ý kiến q báu suốt q trình Tôi thực Luận án Tiến sĩ Tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Ban Lãnh đạo Khoa q Thầy, Cơ Khoa Cơng nghệ Hóa học – Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt PGS.TS Nguyễn Văn Cường, PGS.TS Trần Nguyễn Minh Ân, ThS Trần Hoài Đức đồng nghiệp thân thiết Tổ mơn Máy Thiết bị Hóa học giúp đỡ, động viên vật chất tinh thần để Tơi hồn thành q trình học tập, nghiên cứu hồn thiện Luận án Tơi xin gửi lời cám ơn đến bạn bè, đồng nghiệp Viện, Trường Trung tâm nghiên cứu giúp đỡ, đóng góp ý kiến giúp hồn thiện Luận án Tôi cám ơn tất thành viên gia đình Tơi, người mà khơng có họ Tơi khơng thể học tập, nghiên cứu, hồn thành chương trình học Luận án iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT LUẬN ÁN ii ABSTRACT iii LỜI CÁM ƠN iv MỤC LỤC .v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN 1.1.1 Tình hình sản xuất sử dụng phân bón 1.1.2 Phân bón thơng minh 1.1.3 Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng phân thơng minh 1.2 CÔNG NGHỆ BỌC HẠT SẢN XUẤT PHÂN BĨN THƠNG MINH 13 1.2.1 Các phương pháp thiết bị bọc hạt 13 1.2.2 Cơ chế công nghệ bọc hạt phương pháp bọc ướt .15 1.2.3 Vật liệu bọc .23 1.3 KẾT LUẬN 27 CHƯƠNG TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH BỌC HẠT 29 2.1 TỐI ƯU HÓA THỰC NGHIỆM .29 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 31 2.2.1 2.2.2 ướt 2.2.3 2.2.4 Vật liệu bọc .31 Quá trình bọc hạt hệ thống thiết bị đĩa quay phương pháp bọc 32 Xác định thông số công nghệ nguyên liệu sản phẩm bọc 35 Tối ưu hóa thực nghiệm q trình bọc hạt thiết bị đĩa quay 37 2.3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 42 2.3.1 Đánh giá vật liệu bọc .42 2.3.2 Tối ưu trình bọc hạt thiết bị đĩa quay 51 2.4 KẾT LUẬN 61 CHƯƠNG HẠT XÂY DỰNG MƠ HÌNH HĨA TỐN HỌC CƠNG NGHỆ BỌC 62 v 3.1 MƠ HÌNH VẬT LÝ MƠ TẢ Q TRÌNH BỌC PHÂN URÊ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN .62 3.1.1 Mơ hình vật lý q trình bọc hạt .62 3.1.2 Phương pháp phân tích thứ nguyên 68 3.2 THỰC NGHIỆM 71 3.2.1 Quá trình phun dung dịch tạo màng bọc 71 3.2.2 Quá trình bọc hạt thiết bị đĩa quay 73 3.3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 74 3.3.1 Mơ hình hóa tốn học q trình phun dung dịch tạo màng bọc 74 3.3.2 Mơ hình hóa tốn học q trình bọc hạt thiết bị đĩa quay .83 3.4 KẾT LUẬN 92 CHƯƠNG QUÁ TRÌNH GIẢI PHĨNG CHẤT DINH DƯỠNG .94 4.1 TỔNG QUAN 94 4.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 96 4.2.1 Thực nghiệm sản xuất phân urê thông minh xác định tỉ lệ giải phóng urê 96 4.2.2 Mơ hình tốn q trình giải phóng dinh dưỡng phân thông minh 96 4.3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 100 4.3.1 Đánh giá chất lượng sản phẩm phân urê thông minh 100 4.3.2 Đánh giá ảnh hưởng yếu tố đến q trình giải phóng dinh dưỡng 103 4.4 KẾT LUẬN 108 KẾT LUẬN 109 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 113 PHỤ LỤC 128 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ mơ tả mối quan hệ tương đối phân bón với trồng Hình 1.2: Sự đồng giải phóng chất dinh dưỡng phân lý tưởng (phân thông minh) yêu cầu chất dinh dưỡng trồng Hình 1.3: Mơ hình giải phóng chất dinh dưỡng phân bón thơng minh 10 Hình 1.4: Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng qua màng 11 Hình 1.5: Cơng nghệ bọc ướt 16 Hình 1.6: Sơ đồ ảnh hưởng trình phun đến trình bọc 17 Hình 1.7: Sự liên kết giọt lỏng với bề mặt hạt vật liệu 17 Hình 1.8: Sơ đồ thơng số nhiệt động học trình bọc .18 Hình 1.9: Sơ đồ trình chuyển động hạt .19 Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống thiết bị bọc đĩa quay 21 Hình 1.11: Cơ chế chuyển động hạt đĩa quay 22 Hình 1.12: Phân loại polyme tự nhiên sử dụng làm màng bọc CRF .25 Hình 2.1: Hệ thống bọc hạt 32 Hình 2.2: Sơ đồ phân phối khí nén hệ thống phun 34 Hình 2.3: Sơ đồ đối tượng nghiên cứu 37 Hình 2.4: Sơ đồ thuật tốn tìm kiếm pareto 41 Hình 2.5: Phổ FTIR sản phẩm giai đoạn tổng hợp dung dịch màng .43 Hình 2.6: Kết phân tích TGA DSC loại màng polyme 45 Hình 2.7: Ảnh SEM bề mặt màng polyme 46 Hình 2.8: Khả thấm nước loại màng polyme tổng hợp 47 Hình 2.9: Phổ XRD loại màng polyme 49 Hình 2.10: Tỉ lệ giải phóng urê mơi trường nước (a) đất (b) 50 Hình 2.11: Kết phân tích hình ảnh xác định đường kính hạt .51 Hình 2.12: Phân bố kích thước hạt đường kính trung bình 52 Hình 2.13: Hình ảnh phân SUF .52 Hình 2.14: Mức độ ảnh hưởng yếu tố .55 Hình 2.15: Sự phụ thuộc tỉ lệ khối lượng màng bọc vào biến 58 Hình 2.16: Ảnh hưởng biến đến thời gian giải phóng 80% lượng dinh dưỡng 58 Hình 2.17: Đồ thị Pareto biểu diễn kết tối ưu đa mục tiêu trình bọc .60 Hình 3.1: Sơ đồ thực nghiệm ghi nhận hình ảnh trình phun 71 Hình 3.2: Thơng số động học dung dịch polyme tổng hợp làm vật liệu bọc 74 Hình 3.3: Hình ảnh phân tích 75 Hình 3.4: Hình ảnh vùng phun 75 Hình 3.5: Hình ảnh trình phun 76 Hình 3.6: Kết phân tích hình ảnh 77 Hình 3.7: Phân bố kích thước hạt .77 Hình 3.8: Kích thước vùng phun SMD giọt điều kiện thực nghiệm 78 vii Hình 3.9: Đánh giá kết thực nghiệm đường kính giọt trung bình 82 Hình 3.10: Hệ số biến thiên đại lượng không thứ nguyên 89 Hình 3.11: Mơ bề mặt đáp ứng mối quan hệ kích thước đại lượng khơng thứ nguyên đặc trưng .91 Hình 4.1: Hình ảnh phân urê thông minh 100 Hình 4.2: Tỉ lệ giải phóng urê loại phân urê khác 101 Hình 4.3: Đường cong mơ tả q trình giải phóng sản phẩm .102 Hình 4.4: Kết thực nghiệm tính tốn ảnh hưởng độ dày đến q trình giải phóng urê SUF 104 Hình 4.5: Kết thực nghiệm tính tốn ảnh hưởng lượng hạt SUF đến q trình giải phóng urê .105 Hình 4.6: Kết thực nghiệm tính tốn ảnh hưởng pH đến q trình giải phóng 106 Hình 4.7: Kết thực nghiệm tính tốn ảnh hưởng nhiệt độ đến q trình giải phóng urê 107 viii DAnh gi6 tinh ch6t, co chti vd m6 hinh gi6i ph6ng ur6 cria ph6n urO th6ng minh, dinh huong cho viQc ung dUng sin phAm vdo sin xudt Vd chdt lugmg cdc cdng trinh dii c6ng b6 c6 li0n quan tt6n tufn Li6n quan dtin nQi dung dd tdi Lufln vdn Tirin sit6c gii r{n: vd tfp th6 nghi€n criu dd c6ng bti: bdi b6o Qutic t6, bai b6o trdn tpp chi nu6c, b6o c6o ky yi5u h6i nghi nu6c C6c c6ng trinh c6 chdt lugng vd mang tinh khoa hgc cao C6c c6ng trinh trdn d6u c6 nQi dung li6n quan d6n c6c v6n d0 dd n€u lufln an T6m tit lu$n {n c6 phr{n rinh trung thgc nQi dung co bin cria lu$n 6n: Bin t6m t'it tuan 6n trinh bey dAy dri, trung thyc nQi dung dd trinh bdy lufln 6n X6t lu$n vd viQc luin 6n c6 rl{p ring y6u ciu cria mQt LATS truri,c hQi tldng chdm lufn 6n cdpKhoa hay kh6ng? Lu4n rin c16p tmg y0u cAu cta m6n Lufn 6n Titin si d6ng ch6m Lu4n 6n c6p Truong Xdc nh$n cria co quan hoic co s& dio t4o n vi g{^,a- gAcH'xxoe c6 th6 ttua Thdnh phii Hd Chf Minh, 28 thdng I0 Ngutri nhin x6t // \ h'/ -;'-r\ i-) '' ,1/ PGS.TS Le bio v0 c6 th6 dua bdo v0 trudc h6i ffiurnudnc KT, TRUdNG PHONG DAOTAO SEH vi _ ThiKim Phgng ndm 2022 DAI HQC QUOC GIA THANH PHO HO CHi MINH CQNG HOAXA HQI cHU NGHIA VIET NAM DQc lSp - Tg - Hgnh phfc rRr./dNG DAr HQc BACH KHOA NHAN Cria nghiOn cr?u sinh: xEr LUAN AN rrnn si Nguy6n Hiru Trung T€n de tei: Nghidn cr?u c6ng nghQ bqc h4t dii san xu6t ph6n urea th6ng minh Chuy€n ngdnh: K! thuft H6a Hgc H9 tdn ngudi nhfln Chric danh: xdt: Bii Duy Du NCVC Chuy6n ngdnh: Co quan c6ng Ma s6: 62520301 NAm b6 nhiQm: 2017 si N6m bdo vQ: 2009 H6a v6 co t6c: ViQn Khoa hgc Vdt ligu vd C6ng nghQ ViCt f Sg Hoc vf : Ti6n xrfN l/ng dgng - ViQn Han l6m Khoa hgc Nam cin thi6t vi tfnh thdi sg, 1f nghia khoa ///t/KHOA H( i:/ | xEr NHAN hgc ,a )t)C v^ //, -. -t/ / vrEN vt€r,t //t vi \ thrlc ti6n cfra tld tii: 'r'\ Vi vQy vi6c bgc h4t \i\i - < bing mdng polymer phAn hriy gifp ti6t ki6m dinh dudng, di6u titit dinJr duOng c6 kidm so6t, gidm thAi n}i6m m6i truong D€ tdi c6 y nghia khoa hgc vd thqc ti6n Sr3 kh6ng trtng l4p cfra tld tii: MEc dn cric nghidn crtu bgc urea, phdn NPK bing c6c mdng polymer nhu PVA, PVC, chitosan, ddu Tween ., dd dugc nghidn ciru, nhi6n r: i " l4p cira dC tdi ld nghi€n ciru qu6 trinh vd cric bi€n s0 SU phi hqp giira 6Lnh sr,r kh6ng trung hu&ng tdi qu6 trinh ten dA $ti vni nQi dung, gifra nQi dung vrfi chuy6n nginh vir ma-^, so cnuyen ngann: TCn dd tdi vd nQi dung nghi€n ciru phir hqp chuyCn ngdnh vd md s6 chuy6n ngdnh phn hgp SF hqp f dQ tin ciy cria phuong phip nghiGn cri'u: r-t€ \\/,"\UNG ouN Urea ld loai phdn b6n tan nhanh, vi vdy viQc b6n phdn thucrng bi rua tr6i vd th6t thodt bay hoi Yir Cdc phuong ph6p H6a llf chpp 6nh SEM, sir dqng c6c m6 hinh tinh to6n hiQn d4i, phuong ph6p phAn tich sit dung c6 dQ tin cQy cfing nhu phtr hqp vdi thuc ti6n' Nhilng tt6ng g6p mfi cfra luin 6n: X6c dinh dugc phucrng trinh hdi quy sg phg thuQc ktrt5i lugng ch6t bgc vdo c6c y6u t6 anh huong nhu lugng vat lieu bqc, kh6 n6ng nh& dung dich, dQ ddy giii ph6ng dinh du6,rg, dQ mang ld tinh m6i cta luQn 6n Ifu nhugc tli6m vA nQi dung, t