viii TÓM TẮT Trong nghiên cứu này, các công thức hỗn hợp sodium alginate-lignin SA-L có khả năng phân hủy sinh học ở các tỷ lệ L/SA khác nhau đã được phát triển làm vật liệu phủ chi phí
TỔNG QUAN
Phân nhả chậm
Hầu hết các loại phân vô cơ truyền thống đều có khả năng hòa tan trong nước mạnh nên hiệu quả sử dụng phân bón thấp Phân phủ được công nhận là phân bón giải phóng chậm, có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ sử dụng chất dinh dưỡng Cơ chế nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón là bao gồm lớp lõi và lớp phủ Tính kỵ nước của lớp phủ gốc lignin và sodium alginate khi có chất liên kết ngang có thể làm chậm quá trình hòa tan và giải phóng phân bón trong đất Trong khi đó, tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng được kiểm soát bằng cách điều chỉnh phương pháp chuẩn bị và tỷ lệ của lớp màng phủ
Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn các tương tác hóa học giữa màng SA-L và DAP [1].
Lignin
Lignin là hợp chất có mặt trong mọi loại thực vật, chủ yếu đóng vai trò trong việc hình thành tế bào gỗ (thân và vỏ gỗ) Cho đến nay công thức của lignin vẫn chưa được xác định, các mắt xích của lignin không giống nhau
Lignin được điều chế trong nghiên cứu này được trích ly từ bã mía được lấy về từ các cửa hàng xay nước mía tại Thành phố Thủ Đức
Hình 1.2: Bã mía sau khi ép nước và nghiền nhỏ thành bột
Lignin là một polyme vô định hình được cấu thành bởi khung các vòng thơm cứng và các nhóm hóa học phân cực [2] Nó là loại polymer tự nhiên phổ biến thứ hai sau cellulose Nó bao gồm từ 20% đến 30% thành tế bào thực vật thân gỗ và bằng cách hình thành một ma trận bao quanh cellulose và hemicellulose, cung cấp độ cứng cấu trúc và bảo vệ cho cây
Hình 1.3: Thành phần sinh khối lignocellulose: cellulose, hemicellulose và lignin [3]
Lignin là một đại phân tử có cấu trúc mạng ba chiều, được hình thành bởi ba monome p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol và sinapyl alcohol [3][4][5]
Hình 1.4: Ba cấu trúc monome của lignin [3]
Hình 1.5: Cấu trúc đề xuất cho lignin trong tự nhiên [6]
Các nhóm chức năng của lignin bao gồm nhóm hydroxyl aliphatic (-OH), nhóm hydroxyl phenolic (-C6H5OH), nhóm carbonyl (-C=O), nhóm carboxyl (-COOH), methoxyl (-OCH3) là những đặc điểm cấu trúc quan trọng của lignin [7]
Các kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng để chuyển đổi lignin từ kích thước lớn sang kích thước micro hoặc nano, chẳng hạn như kết tủa phản dung môi, kết tủa acid, trao đổi dung môi, bay hơi dung môi, tự lắp ráp, cắt cơ học, siêu âm, liên kết ngang bề mặt và polyme hóa
Lignin có thể được chiết xuất và phân tách bằng các quy trình khác nhau; những điều này ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của các sản phẩm lignin cuối cùng bao gồm độ hòa tan, trọng lượng phân tử và các nhóm chức
Phương trình phản ứng để thu hồi lignin được biểu diễn như sau:
Nó là một vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng tiên tiến do chi phí thấp, tính sẵn có, khả năng phân hủy sinh học, tính chất kháng khuẩn và khả năng phân hủy sinh học của nó, không độc hại và đặc tính chống oxy hóa của nó
Nhiều nghiên cứu đã được công bố gần đây báo cáo các ứng dụng mới của nanolignin, như ứng dụng hấp phụ nước, ứng dụng hấp phụ tia cực tím, sử dụng làm chất chống tác nhân oxy hóa, loại bỏ kim loại, và sử dụng cho chất độn nano chống ăn mòn.
Sodium alginate
Alginate, là một polysaccharide anion được chiết xuất từ tảo nâu và rong biển Được Stanford phát hiện vào năm 1881, nó là một chất phụ gia thực phẩm phổ biến nhưng cũng được sử dụng trong dược phẩm, in dệt và cho nhiều ứng dụng khác
Alginate được chiết xuất từ tảo bằng dung dịch kiềm Vật liệu chiết được sau đó phản ứng với acid để tạo thành acid alginic Các muối của acid alginic với các cation hóa trị một như sodium alginate đều hòa tan trong nước và có khả năng giữ một lượng lớn nước [8]
Alginate là một chất đồng trùng hợp nhị phân tuyến tính bao gồm 1,4 liên kết acid β- D-mannuronic (M) và acid α-L-guluronic (G) Cấu trúc hóa học của sodium alginate được thể hiện trong Hình 1.5
Hình 1.6: Cấu trúc Sodium alginate [9]
Alginate là copolyme tuyến tính bao gồm liên kết 1,4 glycosid giữa các monomer α-L-guluronic (G) và β-D-mannuronic (M) với các trình tự khác nhau Lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm tích điện trên chuỗi polymer góp phần tăng thêm độ cứng của chuỗi Độ cứng của chuỗi được biết là không chỉ phụ thuộc vào cường độ ion mà còn phụ thuộc vào thành phần alginate, tăng dần theo thứ tự MG < MM < GG Do đó, các tính chất cơ lý của alginate phụ thuộc mạnh mẽ vào trình tự của các khối này
Sự tạo gel alginate là kết quả của sự tương tác giữa các ion Ca 2+ và gốc G, dẫn đến sự liên kết chuỗi và hình thành các vùng tiếp giáp Người ta thấy rằng khả năng liên kết chọn lọc của Ca 2+ tăng rõ rệt khi hàm lượng gốc G trong chuỗi tăng lên, trong khi các khối poly-M và khối MG xen kẽ có độ chọn lọc đối với ion thấp hơn
Các ứng dụng công nghiệp của alginate chủ yếu được tìm thấy trong các ngành công nghiệp thực phẩm, y tế, dược phẩm và dệt may và có liên quan đến khả năng giữ nước cũng như các đặc tính tạo gel, tạo độ nhớt và ổn định của nó
Các ứng dụng công nghệ sinh học dựa trên liên kết ngang vật lý tức thời và gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như quá trình chuyển đổi sol/gel của nó với sự có mặt của các cation đa hóa trị (ví dụ Ca 2+ ) trong môi trường nước
Ngoài ra, khả năng giữ lại lượng lớn chất lỏng khiến nó rất phù hợp để vận chuyển thuốc, gen hoặc tế bào cho kỹ thuật mô và các ứng dụng trị liệu tái tạo, và phân phối đặc hiệu tại vị trí tới mô niêm mạc do tính bám dính sinh học của alginate [10]
Alginate đã được sử dụng rộng rãi làm khung cho kỹ thuật gan, xương, thần kinh và sụn Mặc dù alginate không độc hại và tương thích sinh học nhưng việc sử dụng chúng cho các ứng dụng y sinh có một số hạn chế do alginate về mặt cơ học rất yếu ở trạng thái trương nở, do đó nó phải được pha trộn, biến đổi hoặc được polyme hóa và trùng hợp với các polyme sinh học khác trước khi được sử dụng [8].
Phân DAP
Diammonium phosphate (DAP) là loại phân lân (P) được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới Nó được làm từ hai thành phần phổ biến trong ngành phân bón và nó được ưa chuộng vì hàm lượng dinh dưỡng tương đối cao và các đặc tính vật lý tuyệt vời
Phân bón amoni photphat lần đầu tiên xuất hiện vào những năm 1960 và DAP nhanh chóng trở thành loại phân bón phổ biến nhất trong loại sản phẩm này Loại phân bón DAP tiêu chuẩn là loại 18-46-0 và các sản phẩm phân bón có hàm lượng chất dinh dưỡng thấp hơn có thể không được xem là phân DAP [11]
Phân DAP có công thức hóa học (NH4)2HPO4 Nó được điều chế trong phản ứng có kiểm soát của acid photphoric (H3PO4) với amoniac (NH3) theo phương trình sau:
2NH3(g) + H3PO4(aq) → (NH4)2HPO4(s)
Tên định danh của DAP theo IUPAC là Diammonium Hydrogen Phosphate Thành phần của phân DAP gồm có 18% N, 46% P2O5 (20% P) và 0% K2O Độ hòa tan trong nước ở 20 o C là 588 g/L, là loại phân trung tính, tan nhanh trong nước
Hình 1.7: Công thức phân tử của DAP [11]
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Năm 2015, GS Nguyễn Cửu Khoa đã nghiên cứu chế tạo màng trên cơ sở tinh bột/PVA cho phân NPK nhả chậm, đã dùng một một lớp phủ màng được điều chế từ poly(vinylalcohol)/tinh bột sử dụng formaldehyde làm chất liên kết ngang để tạo màng cho phân NPK nhả chậm Việc bao phủ lớp màng lên phân NPK có khả năng giữ nước và phân bón giải phóng có kiểm soát tốt, có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường, có thể đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng nông nghiệp và làm vườn
Năm 2018, Tác giả Trần Quốc Toàn của trường Đại học Sư Phạm - Đại học Thái đã Nghiên cứu tổng hợp phân bón ure nhả chậm với vỏ phủ polyme và phụ gia có nguồn gốc thiên nhiên, đã sử dụng phân bón ure nhả chậm đã được tổng hợp bằng cách phủ polyurethan lên bề mặt viên phân ure
Năm 2019, Ths Bùi Đoàn Phượng Linh đã chế tạo màng polyme cố định bằng vi khuẩn hòa tan lân để sản xuất phân bón nhả có kiểm soát kết hợp với vi sinh vật [12] đã chỉ ra rằng sự kết hợp giữa các chất dinh dưỡng tan chậm với hoạt động của vi sinh vật trong sản phẩm phân bón có thể làm tăng hiệu quả sử dụng phân bón, hạn chế tác động của nguy cơ hóa học của phân bón đến môi trường
Một nghiên cứu khác vào năm 2021 của Tác giả Trần Quốc Toàn về Tính chất và tốc độ nhả dinh dưỡng trong đất của phân bón kali nhả chậm qua lớp phủ polyme, phân nhả chậm kali được tổng hợp bằng cách phủ polyacrylamit lên viên phân bón kali để giảm thất thoát chất dinh dưỡng của phân bón Phân kali dạng hạt được tổng hợp từ K2SO4, bentonit và polyacrylamit
Năm 2021, Hà Xuân Linh và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của phân kali nhả chậm đến sinh trưởng, phát triển và năng suất của cây dưa chuột tại Thái Nguyên[12] Nghiên cứu này được thực hiện vào vụ Đông - Xuân năm 2019 để đánh giá ảnh hưởng của phân bón kali nhả chậm đến sinh trưởng, phát triển và năng suất dưa chuột Amata765 trồng tại huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên Kết quả nghiên cứu cho thấy công thức sử dụng phân bón nhả chậm với liều lượng 84 kg K2O/ha phù hợp cho sự sinh trưởng, phát triển của cây dưa chuột tại huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên
1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Năm 1996, M C García và cộng sự đã sử dụng Lignin Kraft từ gỗ thông trong các công thức phân bón giải phóng có kiểm soát (Use of Kraft Pine Lignin in Controlled- Release Fertilizer Formulations) Đánh giá hóa lý của các loại phân bón này cho thấy hiệu quả nhất là những loại có lớp phủ bao gồm hỗn hợp các nhựa thông dimer hóa, este hóa và tự nhiên, cũng như lignin Người ta cũng chứng minh rằng hiệu quả của sản phẩm tăng lên rõ rệt khi thêm dầu hạt lanh làm chất bịt kín
Năm 1997, F Ramirez và cộng sự đã ammoxid hóa kraft lignin làm phân bón nhả chậm được thử nghiệm trên Cao lương Vulgare (Ammoxidized kraft lignin as a slow- release fertilizer tested on Sorghum vulgare) Lignin kraft được oxy hoá ammoxid hóa đã được thử nghiệm làm phân bón nhả chậm để trồng lúa miến trong các thí nghiệm trong chậu So sánh với ammonium sulfate như một loại phân bón vô cơ thông thường lignin biến đổi này là nguồn nitơ thỏa đáng khi được sử dụng với liều lượng cao, tạo ra năng suất hạt và sinh khối tương tự như đối chứng Đất được bón bằng lignin có chức năng N cho thấy lượng NO trong nước thẩm thấu về cơ bản thấp hơn so với đất được bón bằng amoni sunfat
Năm 2001, Felipe Ramírez-Cano và cộng sự đã nghiên cứu tác dụng giải phóng chậm của lignin kraft có chức năng Nito được thử nghiệm với Cao lương qua hai giai đoạn tăng trưởng (Slow-release effect of N-functionalized kraft lignin tested with Sorghum over two growth periods) Sản xuất sinh khối lúa miến làm thức ăn gia súc đã được thử nghiệm trong một thử nghiệm trên đồng ruộng trong hai giai đoạn thu hoạch trong điều kiện khí tượng tự nhiên bằng cách sử dụng lignin kraft ammoxid hóa làm phân bón nhả chậm và urê làm chất đối chiếu thông thường
Năm 2020, Shugang Zhang và cộng sự đã chế tạo Vật liệu phủ hai lớp dựa trên hỗn hợp sinh học Nanohybrid Lignin–Clay dành cho phân bón có khả năng giải phóng có thể kiểm soát (Lignin–Clay Nanohybrid Biocomposite-Based Double-Layer Coating Materials for Controllable-Release Fertilizer) Trong nghiên cứu này, SRF hai lớp được tạo ra từ hỗn hợp nano lai lignin-clay chi phí thấp để không chỉ đạt được khả năng giải phóng phân đạm chậm và có thể kiểm soát mà còn cải thiện đặc tính giữ nước Vật liệu nano lai lignin-đất sét kỵ nước và chi phí thấp được liên kết chéo với
9 alginate gốc sinh học để chuẩn bị vật liệu lớp lõi, sau đó là quy trình phủ sử dụng polyme poly(acid acrylic) (PAA) có khả năng hấp thụ nước cao để đạt được SRF hai lớp
Ngoài những nghiên cứu trên, còn các nghiên cứu khác về việc sử dụng lignin làm thành phần của phân nhả chậm như:
Năm 2011, W.J Mulder và cộng sự đã thực hiện Lớp phủ giải phóng có kiểm soát dựa trên lignin (Lignin based controlled release coatings)
Năm 2021, Vivian F Lotfy và cộng sự đã chế tạo Một cách tiếp cận xanh để bình ổn hóa lignin kraft để sản xuất gel nanocompozit nhằm kiểm soát quá trình giải phóng phân bón (A green approach to the valorization of kraft lignin for the production of nanocomposite gels to control the release of fertilizer)
Năm 2022, Patharawadee Boonying và cộng sự đã chế tạo Màng phủ tổng hợp sinh học xanh từ Lignin/Mủ cao su tự nhiên tiền lưu hóa cho phân bón urê giải phóng có kiểm soát (Green Bio-composite Coating Film from Lignin/Pre-vulcanized Natural Rubber Latex for Controlled-release Urea Fertilizer)
Năm 2022, Fatima-Zahra El Bouchtaoui và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu Phân bón tan chậm dựa trên hỗn hợp polyme sinh học lignin-sodium alginate để duy trì chất dinh dưỡng N-P (Slow-release fertilizers based on lignin–sodium alginate biopolymeric blend for sustained N–P nutrients release)
Năm 2023, Samira Morad và cộng sự đã chế tạo Tiềm năng ứng dụng các cấu trúc vi mô/nano dựa trên Lignin làm chất mang vi mô/nano trong các hệ thống phát hành có kiểm soát: Đánh giá (Potential for Application of Lignin Based Micro/Nanostructures as a Micro/Nanocarrier in the Controlled Release Systems: A Review)
THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất
Bã mía lấy từ một cửa hàng ép nước mía tại thành phố Thủ Đức, sodium alginate và Glycerol có nguồn gốc từ Trung Quốc được sử dụng làm lớp vỏ bao phân Phần nhân là phân DAP Phú Mỹ 18% N, 46% P2O5 (20% P)
Ngoài ra còn có các hóa chất khác mua tại Công ty Hóa chất Hóa Nam: NaOH, HCl,
H2SO4, NaH2PO4.2H2O, ammonium molybdate, acid ascorbic, acid tartaric, ammonium persulfate có xuất xứ từ Trung Quốc
Các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu được trình bày ở bảng 2.1 dưới đây:
Bảng 2.1: Các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu
STT Tên thiết bị Xuất xứ
1 Máy ly tâm HEERMLE Z326 Đức
2 Máy sấy đối lưu Memmert UN110 Đức
3 Máy khuấy từ gia nhiệt IKA C-MAG HS 7 Đức
4 Máy đo pH để bàn 1200 YSI Mỹ
5 Cân phân tích 4 số Ohaus PX224/E Mỹ
6 Máy lắc ngang SK-L330-Pro Trung Quốc
7 Máy đo UV-VIS Hitachi UH-5300 Nhật Bản
8 Máy thử kéo nén M350-10CT Testometric Anh
9 Bể điều nhiệt Memmert WNB 29 Đức
10 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi TM4000Plus Nhật
11 Máy quang phổ Hồng ngoại FT-IR 4700/JASCO Nhật
Quy trình thu hồi Lignin từ bã mía
Quy trình khảo sát các điều kiện ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi lignin từ bã mía theo phương pháp tiền xử lý bã mía bằng nước hoặc bằng acid của Zhu và cộng sự [13] và trích ly lignin thủy phân bằng kiềm dựa theo các nghiên cứu của Chu Thị Thanh và cộng sự [14] và có chỉnh sửa ( lấy sơ đồ bỏ ppt)
Hình 2.1: Quy trình thu hồi lignin từ bã mía
Dung dịch sau ly tâm
Chất cặn sau ly tâm
12 Để bảo quản bã mía được lâu trong quá trình làm nghiên cứu và nâng cao hiệu suất tiền xử lý và trích ly, bã mía lấy từ cửa hàng ép nước mía được phơi khô 2 ngày và được xay nhỏ thành bột
Bảng 2.2: Các giai đoạn khảo sát điều kiện điều chế lignin
Các giai đoạn Các điều kiện
Khảo sát các điều kiện điều chế lignin
Tiền xử lý bã mía Nước 1:10 (w/v)
Thời gian thủy phân 1 2 3 4 (tiếng)
Tỷ lệ NaOH/Bã mía 1:20 1:15 1:10 1:5 1:1 (w/w)
2.2.1.1 Tiền xử lý bằng nước
Cân 1g bã mía và cho vào 10ml nước cất (tỷ lệ 1:10 w/v), khuấy đều trên bếp khuấy từ ở 95 o C trong 1 tiếng để thực hiện bước tiền xử lý bằng nước rồi sau đó ly tâm, rửa bã mía về pH=7 và sấy khô Sau đó lấy bã mía đã tiền xử lý phản ứng cùng NaOH với tỷ lệ 1:10 w/w thêm 10ml nước cất, đun ở 95 o C trong 1 tiếng, ly tâm ở 6000 rpm trong 15 phút để tách bã mía ra khỏi dung dịch Chỉnh pH của dung dịch về bằng 2, ly tâm ở
6000 rpm trong 15 phút, rửa kết tủa, sấy khô và cân lignin thu hồi được
2.2.1.2 Tiền xử lý bằng acid
Tương tự với tiền xử lý bằng nước, cân 1g bã mía và cho vào dung dịch H2SO4 2% w/w ở các tỷ lệ 1:10 1:15 1:20 w/v, khuấy đều trên bếp khuấy từ ở 95 o C trong 1 tiếng để thực hiện bước tiền xử lý bằng acid rồi sau đó ly tâm, rửa bã mía về pH=7 và sấy khô Sau đó lấy bã mía đã tiền xử lý phản ứng cùng NaOH với tỷ lệ 1:10 w/w thêm 10ml nước cất, đun ở 95 o C trong 1 tiếng, ly tâm ở 6000 rpm trong 15 phút để tách bã mía ra khỏi dung dịch Chỉnh pH của dung dịch về bằng 2, ly tâm ở 6000 rpm trong 15 phút, rửa kết tủa, sấy khô và cân lignin thu hồi được
2.2.2 Xử lý bã mía bằng kiềm
Phương trình thủy phân với kiềm của bã mía như sau:
-C6H5OH↓ + NaOH → -C6H5ONa + H2O Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi lignin như sau:
2.2.2.1 Khảo sát tỷ lệ của bã mía và NaOH
Cân 1g bã mía và NaOH với các tỷ lệ khối lượng 1:20 1:15 1:10 1:5 1:1 w/w, sau đó thêm 10ml nước cất, đun ở 95 o C trong 1 tiếng, ly tâm ở 6000 rpm trong 15 phút để tách bã mía ra khỏi dung dịch Chỉnh pH của dung dịch bằng 2 bằng cách thêm acid HCl, ly tâm với tốc độ quay 6000 rpm trong 15 phút, rửa kết tủa, sấy khô ở 60 o C trong
5 tiếng và cân lignin thu hồi được
2.2.2.2 Khảo sát thời gian thủy phân
Cân 1g bã mía và NaOH với tỷ lệ 1:10 w/w, sau đó thủy phân ở các thời gian khác nhau 1h; 2h; 3h; 4h ở 95 o C Ly tâm ở 6000 rpm trong 15 phút để tách bã mía ra khỏi dung dịch Chỉnh pH của dung dịch về bằng 2, ly tâm ở 6000 rpm trong 15 phút, rửa kết tủa, sấy khô và cân lignin thu hồi được
Cân 1g bã mía và NaOH với tỷ lệ 1:10 w/w, sau đó thêm 10ml nước cất, đun ở 95 o C trong 1 tiếng, ly tâm ở 6000 rpm trong 15 phút để tách bã mía ra khỏi dung dịch Chỉnh pH của dung dịch từ 1 tới 5, ly tâm ở 6000 rpm trong 15 phút, rửa kết tủa, sấy khô và cân lignin thu hồi được
2.2.3 Phân tích phổ hồng ngoại FTIR
Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại FTIR đã được áp dụng cho việc nghiên cứu bã mía sau quá trình tiền xử lý, bã mía trích ly lignin ở các tỷ lệ khác nhau và lignin được thu hồi từ bã mía Thí nghiệm được thực hiện trong khoảng từ 4000 đến 400 cm -1 bằng máy quang phổ hồng ngoại Jasco FT/IR-4700, và dải phổ được minh họa thông qua phần mềm OriginPro 2022
Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) để minh họa những thay đổi vật lý về hình thái bề mặt của các mẫu bã mía sau quá trình tiền xử lý, bã mía trích ly lignin ở các tỷ lệ khác nhau và lignin được thu hồi từ bã mía trong bài luận văn này
2.2.5 Hiệu suất thu hồi lignin
Hiệu suất thu hồi lignin được tính theo công thức sau: H(%) = 𝑚 𝑙𝑖𝑔𝑛𝑖𝑛
Trong đó: mlignin: khối lượng lignin thu hồi (g) mbã mía : khối lượng bã mía ban đầu (g)
Quy trình tạo màng phủ phân nhả chậm
Ba công thức màng phủ chủ yếu sẽ chứa L/SA ở các tỷ lệ 1:3 1:5 1:7 w/w Đầu tiên, các lượng lignin khác nhau sẽ được hòa tan trong 50ml dung dịch NaOH 3% ở 50 o C trong 30 phút, sau đó SA được thêm dần vào trong dung dịch và được hòa tan trong 1 giờ
Sau đó, thêm một lượng glycerol bằng với 20% tổng lượng polymer có trong dung dịch Sau đó, dung dịch 1:5 được đưa về các độ pH khác nhau để khảo sát thêm các tính chất khác
Khuấy từ Đổ màng Nhỏ dung dịch L/SA
Phân DAP đã phủ màng
Hình 2.2: Quy trình tạo màng phủ phân nhả chậm
Bảng 2.3: Thành phần các chất chính có trong màng
Khối lượng SA (g) 7 5 3 Độ pH 7 10 7 4 7
Chuẩn bị các mẫu màng L/SA trong bảng 2.3 theo kích thước 3cm×1,5cm, sử dụng máy thử kéo nén M350-10CT Testometric để đo độ bền kéo và tính phần trăm kéo giãn như sau:
F: Lực tác động tối đa khi kéo màng (N)
A: diện tích chịu lực của màng (mm 2 )
𝐿 𝑛 : Độ giãn dài của màng khi kéo (mm)
𝐿 𝑜 : Chiều dài ban đầu của màng (mm)
2.3.2 Đo độ tan Độ tan của màng sẽ được tính bằng cách cân các mẫu màng khác nhau có cùng kích thước và thêm 30ml nước để ngâm trong 1 tiếng, sau đó loại bỏ dung dịch, sấy mẫu màng chưa tan và đem cân ( m k chú thích H là gì kìa) Độ tan của màng được tính theo công thức: H(%) = 𝑚 1
Trong đó: m1: khối lượng màng sau khi ngâm nước m2: khối lượng màng ban đầu
2.3.3 Xác định hàm lượng photpho trong phân hòa tan trong nước Để xác định hàm lượng photpho trong phân hòa tan trong nước, ta sử dụng phương pháp so màu dùng Ammoni Molypdate
Nguyên tắc thực hiện: Phospho được thủy phân trong acid sulfuric để chuyển hóa thành dạng orthophosphate hòa tan trong nước, và một số dạng phosphate khác được chuyển đổi thành octophosphat khi phản ứng với pesulfat Ion PO4 3- tham gia phản
17 ứng với ammonium molybdate tạo thành phức chất ở môi trường acid Phức chất này sau đó phản ứng với acid ascorbic, tạo thành dạng phức có màu xanh đậm, và độ hấp thụ của nó được đo tại bước sóng 831nm
Chuẩn bị 500ml dung dịch Mo chứa 5 g ammonium molybdate (NH4)6Mo7O24 và 0,05 g ammonium persulfate (APS)
Chuẩn bị 100ml dung dịch acid ascorbic chứa 1g acid ascorbic Dựng đường chuẩn
Pha dung dịch chuẩn gốc 500 mg/L P2O5 bằng cách hòa tan 0,5 g NaH2PO4.2H2O vào fiol 500 mL và dựng đường chuẩn từ dung dịch acid ascorbic chuẩn gốc pha loãng về
Bảng 2.4: Dung dịch dãy chuẩn gốc P2O5
Lượng dung dịch P2O5 50 ppm (mL) 0 0,5 1 1,5 2 4 6 8 10
Thêm vào fiol lần lượt lượng dung dịch P2O5 50 ppm và nước cất theo bảng 2.3 Tiếp theo thêm vào 1mL H2SO4 6 M và lắc đều để phản ứng trong 15 phút Sau đó thêm vào 5ml dung dịch Mo, lắc nhẹ hỗn hợp và đặt trong bể điều nhiệt ở 90 o C trong 30 phút, dung dịch chuyển sang màu vàng nhạt Cuối cùng, thêm 0,5ml dung dịch acid ascorbic và để trong bể điều nhiệt khoảng 5 phút, sau khi lấy ra, dung dịch có màu xanh dương đậm
Tráng cuvet nhựa bằng dung dịch xanh dương đậm và thêm vào 2/3 cuvet dung dịch xanh dương đậm, sau đó bắt đầu đo ở mật độ quang 831 nm
2.3.3.1 Xác định hàm lượng photpho của phân trong nước
Pha 30ml nước cất với 0,5g phân DAP, và đặt trên máy lắc ngang SK-L330-Pro Sau đó xác định hàm lượng photpho của các mẫu phân khác nhau tan trong nước ở các khoảng thời gian 30 phút, 1 tiếng, 2 tiếng, 3 tiếng, 4 tiếng, 5 tiếng, 6 tiếng, 7 tiếng, 8 tiếng, 9 tiếng, 10 tiếng bằng cách hút một lượng nhỏ dung dịch trên sau đó pha loãng
50 lần và thêm vào 1mL H2SO4 6 M và lắc đều để phản ứng trong 15 phút Sau đó thêm vào 5ml dung dịch Mo, lắc nhẹ hỗn hợp và đặt trong bể điều nhiệt ở 90 o C trong
30 phút, dung dịch chuyển sang màu vàng nhạt Cuối cùng, thêm 0,5ml dung dịch acid
18 ascorbic và để trong bể điều nhiệt khoảng 5 phút, sau khi lấy ra, dung dịch có màu xanh dương đậm
Tráng cuvet nhựa bằng dung dịch xanh dương đậm và thêm vào 2/3 cuvet dung dịch xanh dương đậm, sau đó bắt đầu đo ở mật độ quang 831 nm
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến hiệu suất điều chế lignin
3.1.1 Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bã mía
Hình 3.1: Mẫu bã mía tiền xử lý bằng nước cất và acid
Hình 3.2: Mẫu bã mía trích ly lignin bằng NaOH sau khi tiền xử lý bằng nước cất và acid
Các hình 1, 2 và 3 cho thấy tác động của các phương pháp, tỷ lệ các chất xử lý và trích ly sẽ ảnh hưởng tới cấu trúc của bã mía thô như thế nào và cho ra các kết quả khác nhau dựa trên kết quả SEM
3.1.1.1 Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bã mía bằng nước cất
Hình 3.3: Ảnh chụp SEM bề mặt của bã mía thô và bã mía tiền xử lý bằng nước
Mẫu thu được sau khi được tiền xử lý bằng nước (hình 3.2b), bã mía đã trương nở và các bó sợi mía được tách ra và lộ ra rõ hơn so với bã mía thô (hình 3.2a), dụa vào điều này có thể dự đoán trong quá trình tiền xử lý bã mía bằng nước cất đã loại bỏ các liên kết của hemicellulose khỏi sinh khối bã mía
Hình 3.4: Phổ FTIR tiền xử lý của mẫu: a) Bã mía thô; b) Bã mía tiền xử lý bằng nước tỷ lệ 1:15 w/v a) b)
Peak đặc trưng 2934, 1458 cm −1 là độ giãn liên kết C−H lần lượt của nhóm chức CH2 và CH3 trong phenyl propane, thành phần của lignin
Dải đặc trưng ở 1640 cm −1 là do sự dao động liên kết C=C vòng thơm của khung phenyl propan có trong lignin
Sự hấp thụ ở 1425 cm −1 được cho là có liên quan đến nhóm methoxy (−OCH3) có trong lignin Đỉnh 1323 cm −1 cho thấy các nhóm hydroxyl phenolic được tạo ra bởi sự phân tách các liên kết ete trong lignin [15]
Các đỉnh ở 894 cm −1 và 1159 cm −1 trong quang phổ được cho là do −CO kéo dài ở liên kết β−glycosid giữa các đơn vị đường của hemicellulose và cellulose Ở bã mía thô, dải 894 cm −1 không xuất hiện peak đặc trưng nào, có thể là do hemicellulose và lignin bao phủ cellulose Tuy nhiên, khi tiền xử lý bã mía, dải 894 cm −1 được lộ rõ, đó là peak đặc trưng của liên kết β−glycosid có trong cellulose Khi cellulose được lộ rõ hơn, có khả năng hemicellulose đã bị thủy phân trong quá trình tiền xử lý bằng nước
Peak 830 cm −1 là peak đặc trưng các liên kết C−H của nhóm methylene trong lignin
Các peak đặc trưng đã nêu ở trên của lignin ít bị thay đổi, cho thấy lignin còn trong bã mía, còn hemicellulose đã được loại bỏ một phần
Tất cả các tín hiệu IR này gần như trùng khớp với các báo cáo khác trong tài liệu [16][17][18][13]
3.1.1.2 Ảnh hưởng của việc tiền xử lý bã mía bằng H 2 SO 4
Hình 3.5: Ảnh chụp kết quả SEM các bề mặt: a) Bã mía thô; b) Bã mía tiền xử lý bằng H2SO4 tỷ lệ 1:10 w/v; c) Bã mía tiền xử lý bằng H2SO4 tỷ lệ 1:20 w/v
Kết quả ảnh chụp SEM của bã mía tiền xử lý bằng H2SO4 với các tỷ lệ khác nhau được trình bày trong hình 2 Bã mía được tiền xử lý với tỷ lệ 1:20 w/v đã lộ rõ các bó sợi cellulose hơn và trương nở nhiều hơn so với bã mía thô và bã mía tiền xử lý với tỷ lệ 1:10 w/v do tăng thể tích H2SO4 2% từ 10 ml lên 20 ml Điều này thể hiện sự loại bỏ hemicellulose khỏi bề mặt bã mía thô, và một phần lignin cũng đã bị loại bỏ khỏi bã mía khi xử lý với lượng acid lớn hơn (kết quả FTIR ở hình 6 sẽ nói rõ hơn về điều này) a) b) c)
Hình 3.6: Phổ FTIR tiền xử lý của mẫu: a) Bã mía thô; b) Bã mía tiền xử lý bằng H2SO4 2% tỷ lệ 1:10 w/v; c) Bã mía tiền xử lý bằng H2SO4 2% tỷ lệ 1:15 w/v; d) Bã mía tiền xử lý bằng H2SO4 2% tỷ lệ 1:20 w/v
Peak đặc trưng 1637 cm −1 có liên quan đến sự dao động liên kết C=C vòng thơm của khung phenyl propan, một nhóm chức đặc trưng của lignin, như phổ ta quan sát được, khi tăng lượng acid thì lignin gần như bị loại bỏ khỏi bã mía
Các peak đặc trưng của lignin khoảng 1598, 1509, 1454 và 1321 cm −1 cho thấy ít thay đổi ở tỷ lệ 1:10 w/v, cho thấy rằng lignin vẫn còn hiện diện trong cặn sinh khối sau khi tiền xử lý H2SO4
24 Đỉnh nhóm acetyl của hemicellulose khoảng 1243 cm −1 giảm dần sau khi xử lý trước bằng H2SO4 cho thấy việc hemicellulose được loại bỏ trong quá trình này
Sự hấp thụ ở 1425 cm −1 được cho là có liên quan đến nhóm methoxy (−OCH3) có trong lignin Ở bã mía thô, dải 896 cm −1 không xuất hiện peak đặc trưng nào, có thể là do hemicellulose và lignin bao phủ cellulose Tuy nhiên, khi sinh khối được tiền xử lý, dải 896 cm −1 được lộ rõ, đó là peak đặc trưng của liên kết β−glycosid có trong cellulose, cho thấy sự phá vỡ hemicellulose trong dung dịch [19]
Kết quả FTIR của bã mía tiền xử lý với tỷ lệ 1:15 và 1:20 w/v cho thấy cường độ dao động các peak đặc trưng của lignin suy giảm nhiều, đồng nghĩa với việc lignin đã bị loại bỏ, ít lưu lại trên bã mía, nên bước tiền xử lý với 2 tỷ lệ này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi lignin ở bã mía
Tất cả các tín hiệu FTIR này gần như trùng khớp với các báo cáo khác trong tài liệu [15][13][19][20][21][22]
3.1.2 Ảnh hưởng của độ pH
Hình 3.7: Phương pháp kết tủa acid tạo thành lignin từ bã mía thủy phân: a) Dịch vàng đen chưa thêm acid; b) Dịch vàng đã thêm acid để kết tủa lignin
Trong cấu trúc của lignin có chứa nhiều nhóm chức phenol (-C6H5OH) làm cho lignin có tính chất không tan trong nước Khi trích ly lignin từ bã mía, NaOH đã phản ứng với nhóm -C6H5OH và tạo thành -C6H5ONa có khả năng hòa tan trong nước Do đó, để thu được lignin, cần điều chỉnh dung dịch sau khi trích ly lignin từ môi trường base về môi trường acid để đưa lignin từ -C6H5ONa về dạng kết tủa -C6H5OH
Phương trình phản ứng như sau:
-C6H5ONa + H + → -C6H5OH↓ + Na + Sau khi điều chỉnh về các độ pH khác nhau, dựa theo kết quả trong Bảng 3.1, tại pH=2, lượng lignin thu hồi là cao nhất, lượng lignin thu hồi ở pH=5 là thấp nhất Điều này thể hiện rằng độ pH ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất thu hồi lignin
3.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ NaOH/bã mía
Hình 3.8: Ảnh chụp kết quả SEM các bề mặt: a) Bã mía thô; b) Bã mía xử lý với NaOH tỷ lệ 1:20 w/w; c) Bã mía xử lý với NaOH tỷ lệ 1:10 w/w; d) Bã mía xử lý với NaOH tỷ lệ 1:1 w/w; a) b) c) d)
Hình 3.7 cho thấy tác dụng của NaOH đối với bã mía, thể hiện sự loại bỏ các liên kết, chủ yếu là các liên kết của lignin và hemicellulose, dẫn đến tách dần các bó sợi bã mía thô [24] Lượng NaOH tăng dần từ hình 3b tới hình 3d, các bó sợi cellulose càng được tách rời, cho thấy hiệu suất tách lignin ra khỏi bã mía càng lớn
Màng phủ phân DAP
3.2.1 Tính chất cơ lý màng
Hình 3.12: Màng L/SA với các tỷ lệ và độ pH: a 1:5 pH; b 1:5 pH=7; c 1:5 pH=4; d 1:3 pH=7; e.1:7 pH=7 a b d e c
Hình 3.13: Các màng L/SA đã phản ứng với chất liên kết ngang bị nứt do sấy quá nhanh
Hình 3.12 thể hiện các mẫu màng chưa phản ứng với chất liên kết ngang và được sấy ở
60 o C trong 12 tiếng và hình 3.13 thể hiện các mẫu màng đã phản ứng với chất liên kết ngang CaCl2 bị nứt do sấy quá nhanh ở 60 o C trong 1 tiếng
Vì màng L/SA tỷ lệ 1:3 pH=7 quá mỏng, nên đã dính vào đĩa petri và không bóc ra được, và các màng chứa CaCl2 bị nứt nên đã không thể đem đo độ bền kéo, nên trong đồ thị 3.13 và 3.14 chỉ thể hiện kết quả độ bền kéo của các màng còn nguyên vẹn
Hình 3.14: Kết quả độ bền kéo của các màng
Hình 3.15: Kết quả phần trăm dãn dài của các màng Độ bền kéo và phần trăm dãn dài của màng khi tăng SA có sự thay đổi Cụ thể, khi tăng SA, màng dai hơn, độ bền kéo và phần trăm kéo dài của màng L/SA 1:7 tăng cao hơn độ bền kéo và phần trăm kéo dài của màng L/SA 1:5 Độ pH cũng có ảnh hưởng lớn tới độ bền kéo và phần trăm kéo dài của màng Khi pH càng tăng, thì lignin từ dạng khó tan trong nước -C6H5OH chuyển sang dạng dễ tan trong nước -C6H5ONa, từ đó, độ bền kéo và phần trăm dãn dài tăng
1:7 pH=7 0,3M 1:7 pH=7 1:5 pH=4 0,3M 1:5 pH=4 1:5 pH=7 1:5 pH
1:7 pH=7 0,3M 1:5 pH=4 0,3M 1:5 pH=4 1:5 pH=7 1:5 pH 1:7 pH=7
Khi cho màng phản ứng với chất liên kết ngang, màng trở nên cứng hơn và bền hơn
Cụ thể ta so sánh độ bền kéo và phần trăm dãn dài ở tỷ lệ L/SA 1:7 pH=7 trước và sau khi thêm CaCl2, kết quả độ bền kéo tăng cao nhưng ngược lại, do cứng hơn rất nhiều, nên khả năng dãn dài giảm so với mẫu chưa phản ứng với chất liên kết ngang
Bảng 3.2: Phần trăm tan của màng L/SA
Tỷ lệ L/SA Độ pH Nồng độ CaCl 2
Khối lượng sau sấy (g) Phần trăm tan (%)
1:7 7 0 0,3563 0,0165 95,37 Độ tan của màng ảnh hưởng bởi lượng lignin, SA, lượng CaCl2 có trong mẫu và độ pH của mẫu
Màng có hàm lượng lignin, SA và CaCl2 càng cao sẽ có độ tan trong nước càng thấp do lignin không tan trong nước và SA tạo liên kết ngang với CaCl2 Và ngược lại, màng có hàm lượng SA cao nhưng không có CaCl2 sẽ tan càng nhanh Cụ thể là ở màng L/SA với tỷ lệ 1:7 có CaCl2, độ tan của màng này thấp nhất, chỉ trong khoảng 44,42% và ngược lại màng L/SA với tỷ lệ 1:7 không có CaCl2 thì độ tan của nó lại cao nhất ở khoảng 95,37%
Theo kết quả thu được, pH càng cao thì độ tan càng cao bởi vì trong môi trường pH cao, lignin sẽ tồn tại ở dạng -C6H5ONa dễ tan trong nước Khi pH giảm nó sẽ tồn tại dạng -C6H5OH, khó tan trong nước Cụ thể khi so sánh màng L/SA tỷ lệ 1:5 tại độ pH khác nhau pH= 4, pH=7 và pH thì pH càng cao độ tan càng cao
3.2.3 Khả năng giải phóng phosphop của phân trong nước
Bảng 3.3: Kết quả độ hấp thu của dãy chuẩn P2O5.
Hình 3.16: Đồ thị đường chuẩn P2O5
Bảng 3.4: Phần trăm phospho được giải phóng trong nước
Tỷ lệ L/SA 1:7 1:5 1:3 1:5 Phân chưa bao pH 7 7 4 7 7 10 -
Theo kết quả thu được ở bảng 3.4, hàm lượng phospho có trong dịch hút sau ngâm và được xác định bằng phương pháp so màu dùng Ammoni Molypdate, thì các màng phủ với các tỷ lệ L/SA khác nhau 1:7 1:5 1:3 và được phản ứng với CaCl2 thì màng với tỷ lệ 1:7 sẽ có phần trăm giải phóng phospho là thấp nhất, vì chứa nhiều SA, sau khi phản ứng với chất liên kết ngang CaCl2 sẽ đạt được hiệu quả giải chậm phân tốt nhất
Khi ở cùng 1 tỷ lệ L/SA là 1:5, thì độ pH cũng sẽ ảnh hưởng tới khả năng giải phóng dưỡng chất Kết quả thu được thể hiện rằng độ pH càng thấp, thì phần trăm photpho được giải phóng sẽ càng thấp, vì khi ở độ pH càng cao, nhóm chức đặc trưng của lignin sẽ ở dạng dễ tan trong nước -C6H5ONa, ở độ pH thấp, nhóm chức đặc trưng sẽ ở dạng khó tan trong nước -C6H5OH, kết hợp cùng với SA và CaCl2, sẽ tạo ra màng phủ đạt được hiệu quả giải chậm phân tốt hơn khi ở các độ pH cao hơn Ở cùng 1 điều kiện tỷ lệ khảo sát màng L/SA 1:5, độ pH=7, khi ta thay đổi nồng độ chất liên kết ngang CaCl2 của SA, kết quả thu được rằng nồng độ chất liên kết ngang càng cao, màng càng bền hơn, khả năng giải phóng chậm chất dinh dưỡng càng cao