Luận án tiến sĩ Kỹ thuật hóa học: 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 1 PGS TS TRỊNH VĂN DŨNG 2 TS TRẦN NGHỊ

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào, dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Hữu Trung

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Phân bón thông minh (SF) hay phân bón giải phóng có kiểm soát là một trong những loại phân bón hiệu suất cao, được sử dụng ngày càng phổ biến trong sản xuất nông nghiệp hiện đại SF có khả năng kiểm soát quá trình giải phóng chất dinh dưỡng nhằm đáp ứng và phù hợp với nhu cầu sử dụng của cây trồng Vì vậy, SF không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất, tiết kiệm nguồn nguyên liệu và tài nguyên, mà còn giúp nâng cao năng suất cây trồng, chất lượng sản phẩm nông nghiệp, giảm lượng phát thải và ô nhiễm môi trường Một trong những phương pháp sản xuất phân bón thông minh là phương pháp bọc hạt phân bằng màng bọc từ vật liệu phù hợp Phương pháp này giúp nhà sản xuất chỉ cần bổ sung hệ thống bọc hạt vào hệ thống sản xuất hiện tại mà không cần thay đổi công nghệ sản xuất giúp giảm chi phí đầu tư và chi phí sản xuất Tuy nhiên, số liệu cũng như phương pháp để tính toán quá trình bọc hạt nói chung, sản xuất phân bón thông minh nói riêng còn hạn chế Vì vậy, việc bổ sung số liệu, xây dựng phương pháp tính toán quá trình bọc hạt phân bón là vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Mục tiêu của luận án là xây dựng mô hình toán học quá trình bọc hạt bằng thiết bị bọc đĩa quay để mô hình hóa, tối ưu hóa, tính toán, thiết kế, cải tiến quá trình sản xuất phân bón thông minh

Kết quả nghiên cứu đã tìm được vật liệu bọc là hỗn hợp polyme gồm polyme liên kết được tổng hợp từ tinh bột biến tính phốt phát, poly vinyl ancol, và poly acrylic axit Đây là vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có sẵn, có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường và phù hợp với công nghệ bọc ướt trên thiết bị bọc đĩa quay Bằng vật liệu này, luận án xây dựng mô hình toán thực nghiệm bằng phương pháp phân tích thứ nguyên để mô tả ba quá trình cơ bản trong quá trình bọc hạt bằng thiết bị bọc đĩa quay gồm: quá trình phun dung dịch tạo màng, quá trình bọc gồm quá trình chuyển động của hạt trên đĩa quay và hình thành màng, nhiệt động học Cơ chế giải phóng các chất dinh dưỡng qua màng cũng được kiểm chứng bằng thực nghiệm, thông qua mô hình toán mô tả quá trình giải phóng theo định luật Fick II và sự ảnh hưởng của yếu tố đến quá trình giải phóng dinh dưỡng

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

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin trân trọng cám ơn PGS.TS Trịnh Văn Dũng, TS Trần Nghị, quý Thầy, Cô bộ môn Quá trình & Thiết bị và Khoa Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ và đóng góp ý kiến quý báu trong suốt quá trình Tôi thực hiện Luận án Tiến sĩ

Tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Ban Lãnh đạo Khoa và quý Thầy, Cô Khoa Công nghệ Hóa học – Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt PGS.TS Nguyễn Văn Cường, PGS.TS Trần Nguyễn Minh Ân, ThS Trần Hoài Đức và những đồng nghiệp thân thiết trong Tổ bộ môn Máy và Thiết bị Hóa học đã giúp đỡ, động viên cả vật chất và tinh thần để Tôi có thể hoàn thành quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện Luận án

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến bạn bè, đồng nghiệp ở các Viện, Trường và Trung tâm nghiên cứu đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến giúp hoàn thiện Luận án

Tôi cám ơn tất cả các thành viên gia đình của Tôi, những người mà không có họ Tôi không thể học tập, nghiên cứu, hoàn thành chương trình học và Luận án của mình

1.1.2 Phân bón thông minh 7

1.1.3 Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng phân thông minh 9

1.2 CÔNG NGHỆ BỌC HẠT SẢN XUẤT PHÂN BÓN THÔNG MINH 13

1.2.1 Các phương pháp và thiết bị bọc hạt 13

1.2.2 Cơ chế công nghệ bọc hạt bằng phương pháp bọc ướt 15

1.2.3 Vật liệu bọc 23

1.3 KẾT LUẬN 27

CHƯƠNG 2 TỐI ƯU HÓA QUÁ 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 Vật liệu bọc 31

2.2.2 Quá trình bọc hạt trong hệ thống thiết bị đĩa quay bằng phương pháp bọc ướt 32

2.2.3 Xác định thông số công nghệ của nguyên liệu và sản phẩm bọc 35

2.2.4 Tối ưu hóa thực nghiệm quá trình bọc hạt bằng thiết bị đĩa quay 37

3.1 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÔ TẢ QUÁ TRÌNH BỌC PHÂN URÊ VÀ PHƯƠNG

PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN 62

3.1.1 Mô hình vật lý quá 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 trong thiết bị đĩa quay 73

3.3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 74

3.3.1 Mô hình hóa toán học quá trình phun dung dịch tạo màng bọc 74

3.3.2 Mô hình hóa toán học quá trình bọc hạt trong thiết bị đĩa quay 83

3.4 KẾT LUẬN 92

CHƯƠNG 4 QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG 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 và xác định tỉ lệ giải phóng urê 96

4.2.2 Mô hình toán quá trình giải phóng dinh dưỡng của 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 của các yếu tố đến quá trình giải phóng dinh dưỡng

103

4.4 KẾT LUẬN 108

KẾT LUẬN 109

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

PHỤ LỤC 128

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Sơ đồ mô tả mối quan hệ tương đối của phân bón với cây trồng 6

Hình 1.2: Sự đồng bộ giữa sự giải phóng chất dinh dưỡng của phân lý tưởng (phân thông minh) và yêu cầu chất dinh dưỡng của cây trồng 6

Hình 1.3: Mô hình giải phóng chất dinh dưỡng phân bón thông minh 10

Hình 1.4: Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng qua màng 11

Hình 1.5: Công nghệ bọc ướt 16

Hình 1.6: Sơ đồ ảnh hưởng quá trình phun đến quá trình bọc 17

Hình 1.7: Sự liên kết của giọt lỏng với bề mặt hạt vật liệu 17

Hình 1.8: Sơ đồ thông số nhiệt động học trong quá trình bọc 18

Hình 1.9: Sơ đồ của quá trình chuyển động của hạt 19

Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống của thiết bị bọc đĩa quay 21

Hình 1.11: Cơ chế chuyển động hạt trên đĩa khi 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 của hệ thống phun 34

Hình 2.3: Sơ đồ đối tượng nghiên cứu 37

Hình 2.4: Sơ đồ thuật toán tìm kiếm pareto 41

Hình 2.5: Phổ FTIR sản phẩm các giai đoạn tổng hợp dung dịch màng 43

Hình 2.6: Kết quả phân tích TGA và DSC của các loại màng polyme 45

Hình 2.7: Ảnh SEM bề mặt màng polyme 46

Hình 2.8: Khả năng thấm nước của các loại màng polyme tổng hợp 47

Hình 2.9: Phổ XRD của các loại màng polyme 49

Hình 2.10: Tỉ lệ giải phóng urê trong môi trường nước (a) và đất (b) 50

Hình 2.11: Kết quả phân tích hình ảnh xác định đường kính hạt 51

Hình 2.12: Phân bố kích thước hạt và đường kính trung bình 52

Hình 2.13: Hình ảnh phân SUF 52

Hình 2.14: Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố 55

Hình 2.15: Sự phụ thuộc tỉ lệ khối lượng màng bọc vào các biến 58

Hình 2.16: Ảnh hưởng các biến đến thời gian giải phóng 80% lượng dinh dưỡng 58

Hình 2.17: Đồ thị Pareto biểu diễn kết quả tối ưu đa mục tiêu quá trình bọc 60

Hình 3.1: Sơ đồ thực nghiệm ghi nhận hình ảnh quá trình phun 71

Hình 3.2: Thông số động học của 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 quá trình phun 76

Hình 3.6: Kết quả phân tích hình ảnh 77

Hình 3.7: Phân bố kích thước hạt tại 77

Hình 3.8: Kích thước vùng phun và SMD của giọt ở các điều kiện thực nghiệm 78

Hình 3.9: Đánh giá kết quả thực nghiệm và đường kính giọt trung bình 82

Hình 3.10: Hệ số biến thiên của các đại lượng không thứ nguyên 89

Hình 3.11: Mô phỏng bề mặt đáp ứng mối quan hệ kích thước và các đại lượng không thứ nguyên đặc trưng 91

Hình 4.1: Hình ảnh phân urê thông minh 100

Hình 4.2: Tỉ lệ giải phóng urê của các loại phân urê khác nhau 101

Hình 4.3: Đường cong mô tả quá trình giải phóng của sản phẩm 102

Hình 4.4: Kết quả thực nghiệm và tính toán ảnh hưởng độ dày đến quá trình giải phóng urê của SUF 104

Hình 4.5: Kết quả thực nghiệm và tính toán ảnh hưởng lượng hạt SUF đến quá trình giải phóng urê 105

Hình 4.6: Kết quả thực nghiệm và tính toán ảnh hưởng pH đến quá trình giải phóng

106

Hình 4.7: Kết quả thực nghiệm và tính toán ảnh hưởng nhiệt độ đến quá trình giải phóng urê 107

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Các phương pháp và sản phẩm quá trình bọc hạt 14

Bảng 2.1: Các nghiên cứu quá trình bọc bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm 29

Bảng 2.2: Thông số hoạt động của các thiết bị trong hệ thống thiết bị bọc đĩa quay 33

Bảng 2.3: Ma trận thực nghiệm tâm xoay bậc 2, ba yếu tố 39

Bảng 2.4: Thông số dung dịch vật liệu bọc ở các giai đoạn tổng hợp 42

Bảng 2.5: Thông số cơ lý của các loại màng polyme tổng hợp 47

Bảng 2.6: Thông số dung dịch hỗn hợp polyme (PS–g–PVA/PAA) 48

Bảng 2.7: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bọc 53

Bảng 2.8: Kết quả thí nghiệm theo biến thực 54

Bảng 2.9: Ma trận thực nghiệm Plackett-Burman và kết quả thực nghiệm 54

Bảng 2.10: Kết quả thực nghiệm và tính toán theo biến thực và hàm mục tiêu 56

Bảng 2.11: Giá trị hệ số hồi quy với hàm mục tiêu tổi thiểu chi phí vật liệu bọc 57

Bảng 2.12: Giá trị hệ số hồi quy với hàm mục tiêu là thời gian giải phóng 80% lượng dinh dưỡng 57

Bảng 3.1: Các thông số ảnh hưởng đến công nghệ bọc hạt trong thiết bị đĩa quay 62

Bảng 3.2: Phân loại chế độ phân tán chất lỏng 63

Bảng 3.3: Kết quả xác định kích thước vùng phun 76

Bảng 3.4: Ma trận thứ nguyên các thông số công nghệ quá trình phun dung dịch 78

Bảng 3.5: Kết quả xác định các đại lượng không thứ nguyên quá trình phun 79

Bảng 3.6: Thông số thực nghiệm và tính toán của quá trình phun 80

Bảng 3.7: Kết quả tính toán các thông số không thứ nguyên quá trình phun 81

Bảng 3.8: Kết quả tính toán hệ số phương trình chuẩn số quá trình phun chất lỏng 81

Bảng 3.9: Ma trận thứ nguyên các thông số công nghệ quá trình bọc hạt 83

Bảng 3.10: Kết quả tính toán các đại lượng không thứ nguyên quá trình bọc hạt 84

Bảng 3.11: Các đại lượng không thứ nguyên sử dụng mô tả quá trình bọc hạt trong thiết bị bọc đĩa quay 84

Bảng 3.12: Thông số thực nghiệm và kết quả tính toán quá trình phun dung dịch 86

Bảng 3.13: Thông số và kết quả thực nghiệm quá trình bọc hạt 87

Bảng 3.14: Kết quả tính toán các số đại lượng không thứ nguyên quá trình bọc hạt 88

Bảng 3.15: Kết quả tính toán hệ số phương trình chuẩn số quá trình bọc hạt 90 Bảng 4.1: Đối sánh sản phẩm phân urê thông minh với tiêu chuẩn ISO 18644:2016 103

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

4R (4 Right) 4 đúng trong sử dụng phân bón

AAPFCO (Association of American Plant Food Control Officials) Hiệp hội

quản lý kiểm soát thực phẩm, thực vật Hoa Kỳ

AS (Acetylated Starch) Tinh bột biến tính axêtat

BW (Binary Image) Ảnh nhị phân

CRF (Controlled Release Fertilizer) Phân bón giải phóng có kiểm soát

CRUF (Controlled Release Urea Fertilizer) Phân urê giải phóng có kiểm soát

CS (Cationic Starch) Tinh bột biến tính cation

DSC (Differential Scanning Calorimeter) Phân tích nhiệt quét vi sai

EEF (Enhanced Efficiency Fertilizers) Phân bón hiệu suất sử dụng cao

FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) Tổ chức lương thực thế giới

FEM (Finite Element Method) Phương pháp phần tử hữu hạn

FTIR (Fourier-Transform Infrared spectroscopy) Phổ hồng ngoại chuyển đổi

NMR (Nuclear Magnetic Resonance) Cộng hưởng từ hạt nhân

NPK Phân hỗn hợp nitơ, kali và phốt pho

OS (Oxidized Starch) Tinh bột biến tính oxy hóa

PDS (Particle Distribution Size) Phân bố kích thước hạt

PS (Phosphated Starch) Tinh bột biến tính phốt phát

PVA PAA

Poly vinyl ancol Poly acrylic axit

PVAc Poly vinyl axêtat

RGB Ảnh thực theo chuẩn Red-Green-Blue

RSD (Relative Standard Deviation) Độ lệch chuẩn tương đối

NA Natri Alginat

SEM (Scanning Electron Microscope) Kính hiển vi điện tử quét

SF (Smart Fertilizers) Phân bón thông minh

SMD (Sauter’s Mean Diameter) Đường kính trung bình (thể tích – diện tích) Sauter hay d32

SRF (Slow Release Fertilizers) Phân bón giải phóng chậm

SRUF (Slow Release Urea Fertilizers) Phân urê nhả chậm

SUF (Smart Urea Fertilizers) Phân urê thông minh

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TGA (Thermogravimetric Analyzer) Phân tích nhiệt trọng lượng

TS (Tapioca Starch) Tinh bột mì

XRD (X-Ray Diffraction) Phổ nhiễu xạ tia X

MỞ ĐẦU

Phân bón đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng nguồn lương thực, cũng là yếu tố chính tác động đến tình hình an ninh lương thực toàn cầu Năng suất sản xuất lương thực trên thế giới phụ thuộc nhiều vào lượng phân bón sử dụng và dự báo sẽ tăng lên trong tương lai Hiệu suất sử dụng phân bón của cây trồng tương đối thấp nên một lượng lớn chất dinh dưỡng thất thoát, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng sức khỏe con người, vật nuôi và hao phí nguồn tài nguyên sử dụng để sản xuất phân bón Vấn đề thách thức hiện nay là việc quản lý sản xuất và sử dụng phân bón, đất đai bền vững bằng các phương pháp sản xuất, sử dụng phân bón hiệu quả và khoa học Một khung quản lý phân bón toàn cầu đã được xây dựng với mục tiêu hướng dẫn quản lý sử dụng dinh dưỡng hiệu quả và được gọi chung là “4 đúng trong sử dụng dinh dưỡng Stewardship” Trong đó, việc nghiên cứu và phát triển các loại phân bón thông minh (SF) đang được quan tâm rất nhiều SF là loại phân bón cung cấp chất dinh dưỡng theo nguyên tắc đúng nguồn, đúng tỉ lệ, đúng thời điểm và đúng vị trí Đây là loại phân bón lý tưởng với cây trồng Ở đây, SF được hiểu là phân bón giải phóng có kiểm soát, có cấu tạo bởi màng bọc bên ngoài giúp kiểm soát quá trình giải phóng chất dinh dưỡng và được sản xuất bằng công nghệ bọc hạt Công nghệ bọc hạt là công nghệ đơn giản và không thay đổi công nghệ sản xuất hiện tại, nhà sản xuất chỉ cần bổ sung thêm công đoạn bọc hạt cho các dây chuyền sản xuất, giúp giảm chi phí đầu tư và sản xuất Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu về phân bón thông minh đã được thực hiện Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc phát triển vật liệu bọc và xây dựng, thiết lập mô hình giải phóng chất dinh dưỡng của SF Các nghiên cứu về công nghệ, thiết bị bọc hạt ứng với vật liệu bọc cụ thể và phương pháp tính toán, triển khai công nghệ bọc hạt ứng dụng vào sản xuất còn nhiều hạn chế Vì vậy, đề tài

“Nghiên cứu công nghệ bọc hạt để sản xuất phân urê thông minh” là cần thiết, nhằm

mục tiêu xây dựng, thiết lập mô hình toán thực nghiệm mô tả công nghệ bọc hạt để sản xuất phân urê thông minh phù hợp với điều kiện khí hậu, canh tác lúa nước ở Việt Nam Đối tượng chính của nghiên cứu là quy trình, công nghệ bọc hạt theo cơ chế bọc ướt bằng thiết bị đĩa quay Đây là hệ thống thiết bị bọc đơn giản, hiệu quả và phù hợp cho

việc sản xuất phân thông minh Trong đó, phạm vi nghiên cứu là quá trình bọc tạo phân urê thông minh bằng vật liệu polyme có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện môi trường Những mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm:

- Tìm kiếm vật liệu bọc phù hợp với phân urê thông minh (SUF) từ nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường

- Tối ưu hóa chế độ công nghệ bọc phân urê bằng thực nghiệm, phục vụ tính toán vận hành và thiết kế thiết bị bọc sản xuất SUF

- Phân tích, đánh giá thông số công nghệ bọc hạt trên thiết bị đĩa quay bằng phương pháp bọc ướt, từ đó tiến hành thiết lập và phát triển mô hình toán mô tả công nghệ bọc hạt

- Tiến hành khảo sát, đánh giá cơ chế và yếu tố ảnh hưởng đến quá trình giải phóng chất dinh dưỡng của SUF để định hướng cho việc đánh giá và ứng dụng sản phẩm trong nông nghiệp

Các phương pháp nghiên cứu được lựa chọn, đánh giá và sử dụng trong nghiên cứu như sau:

- Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để xác định yêu cầu, tính chất, đặc điểm, cấu trúc của các loại vật liệu bọc, từ đó đánh giá và lựa chọn loại vật liệu bọc phù hợp

- Phương pháp phân tích hình ảnh được dùng để xác định kích thước, xây dựng hàm phân bố, đường kính trung bình của giọt trong quá trình phun và kích thước hạt phân trong quá trình bọc hạt

- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố công nghệ đến quá trình bọc Phương pháp tối ưu đa mục tiêu bằng thuật toán tìm kiếm pareto (tìm kiếm mẫu) trên phần mềm MATLAB cũng được sử dụng để xác định các giá trị tối ưu của mô hình

- Xác định mô hình toán thực nghiệm của quá trình bọc hạt dạng phương trình chuẩn số dựa trên phương pháp phân tích thứ nguyên, các định lý đồng dạng và định lý π của Buckingham

- Phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá, lựa chọn mô hình giải phóng chất dinh dưỡng, từ đó xác định thông số và sự tác động của các

yếu tố ảnh hưởng đến quá trình giải phóng bằng thực nghiệm và công cụ tính toán mô phỏng

Kết quả của nghiên cứu đã có những đóng góp về khoa học, thực tiễn và những điểm mới quan trọng:

- Tìm kiếm được vật liệu bọc mới từ tinh bột biến tính phốt phát, poly vinyl ancol và poly acrylic axit có khả năng phân hủy sinh học, có các thông số vật lý phù hợp với công nghệ bọc ướt trên thiết bị bọc đĩa quay mà các nghiên cứu trước đây chưa nhắc tới

- Sử dụng các phương pháp, công cụ thu nhận hình ảnh như ghi hình tốc độ cao (1000 hình/giây), kỹ thuật phân tích hình ảnh để xác định được thông số quá trình phun, quá trình bọc nhanh chóng, tin cậy và hiệu quả

- Xây dựng mô hình toán học thực nghiệm dạng phương trình chuẩn số mô tả quá trình phun dung dịch tạo giọt và quá trình bọc hạt để sản xuất SUF, ứng dụng cho tính toán, điều chỉnh, kiểm soát và tối ưu cho hệ thống sản xuất thực tế

- Mô hình bọc hạt đã nghiên cứu có thể ứng dụng cho việc phát triển các sản phẩm khác như phân bón bổ sung vi lượng, phân bón ổn định,… và trong các lĩnh vực khác như: dược phẩm, thực phẩm và môi trường,…

Trong khi đó, hiệu suất sử dụng phân bón hiện nay là khá thấp Hiệu suất sử dụng phân bón Nitơ (N) khoảng 50%-60% ở năm đầu tiên [2] và thường trung bình từ 30% đến 50%, phụ thuộc vào mùa vụ, loại cây trồng, điều kiện thời tiết và tính chất thổ nhưỡng Hiệu suất sử dụng của phân phốt pho (P) đạt khoảng 10%-25% trong năm đầu tiên và tăng khoảng 1%-2% mỗi năm ở các mùa vụ tiếp theo [2], [3] Hiệu suất sử dụng phân phốt pho phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, độ pH của đất, loại cây trồng, vị trí và thời gian bón [4] Phân Kali có hiệu suất sử dụng trung bình ở mức 50%-60% [2], [4] Theo số liệu của Viện Nghiên cứu lúa quốc tế và tính toán của các chuyên gia trong lĩnh vực nông hóa học ở Việt Nam, hiệu suất sử dụng phân đạm mới chỉ đạt 30-45%, lân 40-45% và kali 40-50%, tuỳ theo loại đất, giống cây trồng, thời vụ, phương pháp bón và loại phân bón [5], [6]

Từ đó cho thấy, một lượng lớn phân bón không được cây trồng hấp thụ và thất thoát vào môi trường Vì vậy, việc sử dụng phân bón quá mức cần thiết đã tạo ra những tác động tiêu cực như:

- Làm suy thoái nguồn dinh dưỡng, làm chua hóa và giảm độ phì nhiêu của đất [6] - Gây ô nhiễm không khí, nguồn nước khu vực dân cư sinh sống do sự phát thải ra

các chất độc hại chưa được xử lý triệt để và các chất có mùi [5]

- Làm tăng nồng độ nitrat trong nước gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, đây là một trong những nguyên nhân gây ra bệnh giảm nồng độ oxy trong máu, bệnh ung thư dạ dày, bướu cổ, dị tật bẩm sinh, bệnh tim mạch,… [7] Ngoài ra, trong hầu hết các hệ sinh thái thủy sinh, khi hàm lượng phốt pho cao cũng làm gia tăng sinh khối của tảo, giảm lượng oxy trong nước gây chết thủy hải sản và dễ phân hủy tạo mùi [4], [8]

- Sự thất thoát nitơ vào không khí do sự dư thừa đạm trong quá trình sử dụng phân bón cho cây trồng chiếm một lượng khá lớn (khoảng từ 26 đến 60 triệu tấn nitơ/năm) được xem như một nguyên nhân chính làm tăng lượng nitơ trong bầu khí quyển Bên cạnh đó, phát thải khí nhà kính từ sử dụng phân bón cũng lên đến 607 triệu tấn CO2/năm [9] Đây là những nguyên nhân gây nên hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu

- Nhiều nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng chất lượng nông sản có xu hướng giảm khi sử dụng nhiều phân bón vô cơ Hơn nữa, sự dư thừa nitơ trong đất cũng là nguyên nhân gây hiện tượng axit hóa đất làm tăng khả năng tấn công của vi sinh vật, sâu, rầy gây bệnh trên cây trồng và gây ra ngộ độc nhôm, mangan [7] - Việc sử dụng dư thừa lượng phân bón nitơ tạo nên sự hao phí đáng kể nguồn

nguyên liệu và năng lượng để sản xuất như khí tự nhiên, dầu, naphtha, than, trong sản xuất phân urê Chi phí khai thác và chế biến phân phốt phát cũng sẽ tăng cao hơn nhiều khi phải khai thác sâu, chất lượng thấp Ngoài ra, việc khai thác quặng phốt phát cũng tạo ra hiện tượng xói mòn, thoái hóa đất sử dụng

Vì vậy, các giải pháp đồng bộ cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng phân bón trong nông nghiệp là rất cần thiết, vừa phải bảo đảm an ninh lương thực, sức khỏe người và vật nuôi vừa phải ứng phó với biến đổi khí hậu, giảm lượng khí phát thải và bảo vệ môi trường

Năm 1999, Dave và cộng sự [10] đã công bố một sơ đồ mô tả mối quan hệ giữa hàm lượng dinh dưỡng của phân bón cung cấp và nhu cầu cho sự phát triển của cây trồng trong một vụ mùa như Hình 1.1 Sơ đồ nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cung cấp chất dinh dưỡng hiệu quả nhằm cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp

Hình 1.1: Sơ đồ mô tả mối quan hệ tương đối của phân bón với cây trồng, gồm nhu cầu cây trồng (1), phân bón thông thường (2), bón bổ sung (3) và phân bón thông

minh (4)

Hình 1.2: Sự đồng bộ giữa sự giải phóng chất dinh dưỡng của phân lý tưởng (phân thông minh) và yêu cầu chất dinh dưỡng

của cây trồng [2]

Theo Hình 1.1, đường cong (2) đại diện cho mô hình cung cấp chất dinh dưỡng của phân bón thông thường trong khi yêu cầu thực tế của cây trồng được thể hiện ở đường cong (1) Trong một chu kỳ cây trồng, ở giai đoạn đầu lượng chất dinh dưỡng cung cấp của phân bón cao hơn nhu cầu của cây trồng, tạo nên sự dư thừa, nhưng sau đó là sự thiếu hụt ở giai đoạn 2, đặc trưng khu vực bóng mờ (S) Do đó, cây trồng sẽ không nhận được đủ lượng chất dinh dưỡng cần thiết vào đúng thời điểm, dẫn đến kết quả là năng suất thu hoạch, chất lượng sản phẩm kém Theo tập quán canh tác thông thường, chất dinh dưỡng sẽ được bổ sung bằng cách bổ sung phân bón ở giai đoạn 2 (bón thúc) như đường cong (3) Điều này sẽ giúp khắc phục sự thiếu hụt chất dinh dưỡng nhưng lượng chất dinh dưỡng dư thừa cũng tăng lên, lượng phân sử dụng nhiều hơn Trong khi đó, đường cong mô tả cho phân bón thông minh được thiết kế phù hợp sẽ tuân theo mô hình được biểu thị bởi đường cong (4) Một sản phẩm lý tưởng thì lượng dinh dưỡng giải phóng đáp ứng một phần hoặc hoàn toàn nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng đảm bảo đúng thời điểm, vừa đủ, hiệu quả và tránh các vùng thừa hoặc thiếu như Hình 1.2

Cho nên, việc nghiên cứu, phát triển và sử dụng các loại phân bón thông minh luôn được xem là lựa chọn ưu tiên trong sản xuất nông nghiệp hiện đại [2], [8] Phân bón thông minh không những giúp tối thiểu hóa chi phí trong sản xuất nông nghiệp mà còn giúp tăng sản lượng canh tác, chất lượng sản phẩm, tăng lợi nhuận của người nông dân, tăng cường bảo vệ môi trường và cải thiện tính bền vững đất trồng [4], [11]

1.1.2 Phân bón thông minh

Khái niệm phân bón thông minh được Lu và cộng sự giới thiệu đầu tiên năm 2013 [12] Phân bón thông minh hay còn gọi là phân bón giải phóng có kiểm soát (CRF), là một trong những loại bón hiệu suất sử dụng cao (EEF) [13] Theo Hiệp hội quản lý kiểm soát thực phẩm thực vật Hoa Kỳ (AAPFCO), phân bón hiệu suất sử dụng cao được định nghĩa là các sản phẩm phân bón với các đặc tính có thể cải thiện hiệu quả sử dụng dinh dưỡng của cây trồng và giảm nguy cơ mất chất dinh dưỡng ra ngoài môi trường như: bay hơi, rửa trôi hoặc lôi cuốn khi so sánh với một sản phẩm tham chiếu thích hợp (Official 2018) Ngoài phân bón giải phóng có kiểm soát, hai loại phân bón khác được xem là phân bón hiệu suất sử dụng cao, đó là phân bón ổn định và phân bón giải phóng chậm (SRF)

Phân bón giải phóng chậm là phân bón mà hình thức giải phóng, hoặc chuyển đổi thành chất dinh dưỡng phù hợp với cây trồng ở tốc độ chậm hơn so với một sản phẩm hòa tan được sử dụng làm tham chiếu thích hợp (AAPFCO, Official 2018) Việc làm chậm quá trình giải phóng chất dinh dưỡng từ phân bón được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như: thay đổi cấu trúc hóa học, tính chất vật lý, tăng khối lượng phân tử, tạo ma trận liên kết bền vững hoặc giảm tỉ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng của phân bón Các phương pháp này chỉ thực hiện được bằng cách sử dụng các quá trình phản ứng tổng hợp, bốc hơi – kết tinh và tạo hạt Điều này đòi hỏi phải có sự thay đổi cả quy trình công nghệ và thiết bị sản xuất, nên tiêu tốn thời gian, chi phí đầu tư và chi phí sản xuất cao Ngược lại, phân bón ổn định không có đặc tính giải phóng chậm, trên thực tế tính chất của chúng không thay đổi Phân bón ổn định là một sản phẩm phân bón đã được bổ sung với các chất phụ gia làm giảm tốc độ chuyển hóa của hợp chất trong phân bón, kéo dài thời gian cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng (AAPFCO, Official 2014) Chúng chứa các chất phụ gia thường hoạt động trên các vi khuẩn như: chất ức chế chuyển hóa

urê (Urease inhibitors) và chất ức chế nitrat hóa (Nitrification inhibitors), từ đó cho phép cung cấp chất dinh dưỡng cho cây lâu hơn và ít bị thất thoát ra môi trường hơn

Phân bón giải phóng chậm và phân bón ổn định thường chỉ giúp kéo dài thời gian giải phóng dinh dưỡng chứ không thể điều chỉnh được thời gian giải phóng và không kiểm soát được hàm lượng chất dinh dưỡng giải phóng Trong khi đó, phân bón thông minh được cấu tạo để nhằm cung cấp chất dinh dưỡng theo thời gian với tốc độ dự đoán được, trong các điều kiện cụ thể (AAPFCO, Official 2018) Phân bón thông minh được sản xuất chủ yếu bằng cách bọc lên một loại phân bón thông thường (còn gọi là nhân) với một hay nhiều lớp màng bọc với những vật liệu không tan, bán thấm hoặc không thấm nước bằng cách sử dụng quá trình bọc hạt Điều này giúp kiểm soát sự xâm nhập của nước, điều chỉnh thời gian và tốc độ giải phóng nhằm giúp cung cấp chất dinh dưỡng vừa đủ, đúng thời điểm, phù hợp với nhu cầu của cây trồng [14]

Với những ưu điểm nổi bật, phân bón thông minh đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nông nghiệp bền vững [15] SF được xem là loại phân bón hiệu quả và được sử dụng phổ biến nhất trong các loại phân bón hiệu suất sử dụng cao, chiếm hơn 57% lượng phân bón hiệu suất sử dụng cao được sử dụng tại Trung Quốc [16] Nhiều nghiên cứu, ứng dụng, phát triển và thương mại hóa SF trong sản xuất nông nghiệp đang được thúc đẩy mạnh mẽ trong những năm gần đây như: phân urê bọc lưu huỳnh (Agrium, Syncote, Sun Agro,…), phân urê bọc polyme và lưu huỳnh (TriKote, Syncote,…), phân urê hoặc NPK bọc polyme (Agroblen, Osmocote, Plantacote, Multicote, CoteN, Multigreen, Multigro, DeltaCote, Nutricote,…) [2]

Ở Việt Nam, năm 1999, PGS TS Trần Khắc Chương đã xây dựng được quy trình sản xuất phân bón nhả chậm urea, dựa trên nền zeolite để tạo viên Đề tài "Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất phân urea và NPK nhả chậm ứng dụng cho các loại cây trồng vùng Tây Nguyên" do PGS TS Nguyễn Cửu Khoa, làm chủ nhiệm đã tiến hành sản xuất phân nhả chậm kết hợp với chất giữ ẩm cho 6 loại cây đặc trưng trên địa bàn Tây nguyên Nhóm thực hiện đề tài đã nghiên cứu tổng hợp các loại màng tinh bột bao bọc phân (tinh bột-formalin, tinh bột PVA, tinh bột-chitosan,…), xác định cấu trúc và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của màng đến sự nhả chậm của phân [17]–[19] PGS TS Nguyễn Cửu Khoa và các cộng sự [20] cũng tiến hành nghiên cứu điều chế phân bón ure formandehyt

(UF) và khảo sát khả năng nhả chậm nitơ của chúng trong các môi trường nước, môi trường đất và nước, môi trường hỗn hợp đất và cát ẩm Năm 2009, Bùi Thanh Hương và cộng sự đã nghiên cứu khả năng nhả chậm chất khoáng NPK trong phân hữu cơ khoáng trên nền than bùn [21] Dự án “Xây dựng công nghệ sản xuất màng chitosan phối hợp với các hợp chất phức chelat, nano kim loại bọc phân ure và một số loại phân bón khác”, mã số UDSXTN.03/18-19 do PGS.TS Hoàng Thị Kim Dung làm chủ nhiệm đã tạo ra một loại phân bón ure mới có khả năng làm tăng hiệu quả sử dụng phân bón, hỗ trợ cho cây trồng phát triển tốt [22]

Công ty Cổ phần RYNAN Smart Fertilizers đã nghiên cứu và phát triển hơn 10 loại sản phẩm phân bón thông minh, nhãn hiệu RYNAN® sử dụng công nghệ bọc polyme đối với phân NPK bao gồm: phân bón lúa, cây ăn trái, cây công nghiệp, hoa kiểng, rau màu,… phù hợp với đặc tính của từng loại cây trồng và điều kiện canh tác ở Việt Nam [23] TS Nguyễn Trung Đức, cũng đã nghiên cứu và phát triển một loại phân bón bọc polyme, là dạng phân bón thế hệ mới, kiểm soát được thời gian giải phóng chất dinh dưỡng đều, theo chu trình phát triển của các cây trồng, nhờ điều chỉnh bề dày lớp vỏ bọc polyme Nghiên cứu đã được nhận Giải thưởng Sáng tạo Khoa học Công nghệ Việt Nam năm 2019 Tuy nhiên, sản phẩm cần phải khảo sát để thiết kế được thành phần dinh dưỡng và chiều dày lớp phủ đảm bảo phù hợp với chu kỳ sinh trưởng của các loại cây trồng [24]

Tóm lại, phân bón thông minh không chỉ giúp nâng cao năng suất và chất lượng lương thực, giảm chi phí sản xuất, đáng ứng điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay, mà còn tránh các tác động môi trường và sức khỏe, ảnh hưởng nguồn tài nguyên Hơn nữa, công nghệ sản xuất phân bón thông minh sử dụng phương pháp bọc cũng tương đối đơn giản, giúp chuyển đổi nhanh chóng công nghệ sản xuất, chi phí thấp và dễ dàng kết nối với hệ thống sản xuất sẵn có Vì vậy, SF được xem là sản phẩm phân bón hiện đại và cũng là đối tượng của nhiều nghiên cứu về phân bón trong những năm gần đây

1.1.3 Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng phân thông minh

Mục tiêu chính cho việc phát triển phân bón thông minh là lượng chất dinh dưỡng được giải phóng đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng Vì vậy, việc xác định và đánh giá một cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng của phân bón thông minh để định hướng

cho việc thiết kế sản phẩm SF phù hợp là cần thiết Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng của SF thường được dự đoán dựa vào cấu tạo, tính chất, độ bền, khả năng ưa nước của màng bọc, sự xâm nhập của nước qua lớp màng vào lõi của hạt phân bón, và sự khuếch tán chất dinh dưỡng qua lớp màng

Cơ chế giải phóng dinh dưỡng SF đầu tiên được Jarrell và Boersma [25], [26] phát triển cho phân urê bọc lưu huỳnh trong đất Lớp màng bọc lưu huỳnh thường có vết nứt hoặc lỗ nhỏ được bịt kín bằng sáp hoặc nhựa và bắt đầu xuống cấp do tác động của môi trường Điều này, cho phép nước xâm nhập vào trong hạt và urê hòa tan khuếch tán ra ngoài qua các lỗ hoặc vết nứt do sự ăn mòn của lớp màng [27] Goertz (1995) [8] đã gọi trường hợp này là cơ chế thất bại của quá trình giải phóng chất dinh dưỡng hay còn gọi là cơ chế phá vỡ Cơ chế này cho thấy quá trình giải phóng urê bao gồm 2 giai đoạn: giai đoạn giải phóng ổn định khi hạt urê rắn hòa tan và giai đoạn giảm tốc độ khi hạt urê đã hòa tan hoàn toàn [25] Vì vậy, quá trình giải phóng được xem là quá trình một chiều, sự ảnh hưởng của kích thước của hạt, bề dày lớp màng không đáng kể và yếu tố chính kiểm soát sự giải phóng chất dinh dưỡng là bề mặt lỗ xốp và sự vỡ của màng [8] Đường cong mô tả quá trình giải phóng chất dinh dưỡng theo cơ chế này được mô tả theo đường cong (1) của Hình 1.3 Cơ chế này không phù hợp với những trường hợp màng bọc polyme thường ít lỗ xốp hoặc khó bị phá vỡ, và cũng không thể giải thích sự xuất hiện khoảng thời gian “trễ” quan sát được, cũng như tính chất, cấu trúc của lớp màng

Hình 1.3: Mô hình giải phóng chất dinh dưỡng phân bón thông minh: (1) cơ chế phá vỡ, (2) cơ chế màng siêu hấp phụ và (3) cơ chế khuếch tán qua màng

Một cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng khác đã được phát triển để áp dụng cho các loại phân bón thông minh với vật liệu polyme siêu hấp phụ Giai đoạn đầu, lớp màng polyme thực hiện quá trình hấp phụ nước và trương nở Kích thước của hạt và lớp màng tăng lên nhiều lần do hình thành các liên kết và đồng thời giữ nước Chất dinh dưỡng hòa tan cũng được hấp phụ vào trong lớp màng bọc ở giai đoạn tiếp theo Sau đó, chất dinh dưỡng trong lớp màng sẽ giải phóng ra ngoài môi trường Cuối cùng, khi bề dày màng bọc vượt qua bề dày tới hạn, cùng với sự xói mòn bề mặt và tác động của áp suất sẽ tạo hiện tượng phá vỡ lớp màng Sự biến đổi hàm lượng dinh dưỡng được biểu diễn như đường cong (2) của Hình 1.3 Trong đó, khả năng trương nở, giữ nước và chất dinh dưỡng của lớp màng, giá trị bề dày tới hạn là những yếu tố quyết định đến mô hình giải phóng chất dinh dưỡng Việc điều chỉnh các thông số này để đảm bảo sự giải phóng chất dinh dưỡng theo cơ chế khuếch tán và phù hợp với tiêu chuẩn của phân bón thông minh còn nhiều khó khăn Đây là một vấn đề lớn mà các nghiên cứu tiếp theo cần phải giải quyết để có thể sử dụng được vật liệu siêu hấp phụ cho phân bón thông minh

Đường cong (3) Hình 1.3 là đường cong mô tả cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng của phân bón thông minh với màng bọc polyme như polyurethane, nhựa alkyl, poly olefin,… Cơ chế này gồm 3 giai đoạn: thấm nước, hòa tan, khuếch tán nối tiếp nhau và được mô tả như Hình 1.4 [8], [28]

- Giai đoạn thứ hai, chất dinh dưỡng hòa tan vào trong nước đạt đến trạng thái bão hòa bên trong hạt, điều này cũng gây ra sự tích tụ áp lực và tạo động lực quá trình khuếch tán

- Giai đoạn thứ ba là giai đoạn khuếch tán Nồng độ (bão hòa) không đổi mang lại một động lực không đổi nên tốc độ quá trình khuếch tán không đổi Các kết quả thực nghiệm cho thấy khối lượng hạt thực tế không đổi trong giai đoạn này, bởi vì lượng chất dinh dưỡng bị giảm do khuếch tán được thay bằng lượng nước liên tục xâm nhập vào hạt Khi lõi hạt hòa tan hoàn toàn, nồng độ của dung dịch bên trong sẽ giảm do bị pha loãng và động lực cho quá trình khuếch tán cũng giảm Tốc độ khuếch tán rất chậm tạo ra hiệu ứng đuôi kéo dài

Hình 1.3 cũng cho thấy sự biến đổi hàm lượng chất dinh dưỡng theo cơ chế phá vỡ và cơ chế màng bọc siêu hấp phụ (đường cong (1) và (2)) là tương tự nhau, chỉ khác nhau thời gian trễ và độ dốc của đường cong Sau khoảng thời gian trễ, hàm lượng chất dinh dưỡng tăng nhanh và dừng lại khi chất dinh dưỡng giải phóng hoàn toàn Điều này cho thấy, màng bọc chỉ giúp thay đổi thời điểm giải phóng chất dinh dưỡng chứ không làm thay đổi tốc độ giải phóng và hàm lượng chất dinh dưỡng Lượng chất dinh dưỡng giải phóng của SF theo hai cơ chế này khó điều chỉnh để tương thích với đường cong nhu cầu chất dinh dưỡng của cây trồng [2] Ngược lại, quá trình giải phóng chất dinh dưỡng theo cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng qua màng bọc (đường cong 3) là một đường sigma, cho thấy sự tương thích về hình dạng với đường cong nhu cầu cây trồng như Hình 1.2 Vì vậy, đây là cơ chế giải phóng dinh dưỡng phù hợp để thiết kế sản phẩm phân bón thông minh

Theo cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng qua màng bọc, giai đoạn xâm nhập của nước và hòa tan chất dinh dưỡng có tốc độ khá lớn Ngược lại, giai đoạn khuếch tán là quá trình khuếch tán phân tử qua lớp chất lỏng nằm yên trong các mao quản hay lỗ xốp, có tốc độ chậm và quyết định tốc độ chung của quá trình Do đó, thời gian và tốc độ giải phóng (hay cường độ khuếch tán) chất dinh dưỡng của phân bón thông minh phụ thuộc cấu trúc màng bọc như số lượng lỗ xốp (mao quản), kích thước lỗ xốp, bề dày màng bọc,… [29] Các đại lượng này chịu ảnh hưởng của tính chất vật liệu bọc, thiết bị và công nghệ bọc Trong đó, thiết bị và công nghệ bọc hạt đóng vai trò quyết định Thời

gian bọc, góc nghiêng, lưu lượng màng bọc và lực ly tâm làm hạt miết vào thành thiết bị hay với các hạt với nhau ảnh hưởng đến kích thước và số lượng mao quản, độ đồng đều bề dày và cấu trúc màng bọc Có thể thấy, các sản phẩm phân bón thông minh chỉ được tính toán, thiết kế hợp lý và tương thích với yêu cầu dinh dưỡng của cây trồng khi có đầy đủ các phương trình tính toán cho công nghệ bọc hạt và quá trình giải phóng dinh dưỡng Trong đó, các mô hình toán mô tả công nghệ bọc hạt là quan trọng nhất vì chúng là cơ sở quyết định đến cấu trúc và tính chất của toàn bộ sản phẩm thu được

1.2 CÔNG NGHỆ BỌC HẠT SẢN XUẤT PHÂN BÓN THÔNG MINH

1.2.1 Các phương pháp và thiết bị bọc hạt

Công nghệ bọc hạt đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: dược phẩm, mỹ phẩm, sinh học, phân bón, môi trường, hạt nhân, Mặc dù có sự giống nhau về công nghệ, thiết bị và kỹ thuật bọc hạt nhưng các sản phẩm của công nghệ bọc hạt rất phong phú đa dạng tùy theo mục đích, yêu cầu sử dụng và tính chất sản phẩm Công nghệ bọc hạt thường được sử dụng nhằm sửa đổi, cải thiện các tính chất vật lý và tính cảm quan của vật liệu, giúp tăng hiệu suất sử dụng, giảm chi phí nguyên liệu và tránh tác động đến môi trường,…

Công nghệ bọc hạt có thể tiến hành phổ biến với vật liệu rắn dạng bột, dạng hạt, dạng viên, tinh thể,… từ những hạt có kích thước nhỏ (nanomet) đến những hạt có kích thước lớn (vài mm) Lớp màng bọc có thể thay đổi từ vài nanomet (lắng hóa học) tới vài micromet (dạng màng) hoặc thậm chí là vài milimet (bọc đường) Hoạt chất có thể chứa trong nhân hoặc trong lớp bọc, hoặc kết hợp nhiều loại màng có tính chất khác nhau để thực hiện nhiều mục đích Công nghệ bọc có thể tiến hành nhiều phương pháp như bọc khô, bọc ướt, bọc nóng chảy và đóng gói hay bao phim lỏng dựa vào quá trình phân tán và bay hơi dung môi [30] Các phương pháp bọc hạt phổ biến được sử dụng cùng với nguyên vật liệu và sản phẩm tương ứng được mô tả như Bảng 1.1

Bảng 1.1: Các phương pháp và sản phẩm quá trình bọc hạt

Phương pháp bọc

hoặc

- Phương pháp bọc khô, hạt vật liệu được phủ bởi các hạt rắn có kích thước nhỏ Các hạt liên kết với nhau bằng lực hút Van der Waals hoặc bằng lực tĩnh điện Một số trường hợp, người ta phải thêm vào một lượng nhỏ chất kết dính để tăng cường độ bám dính của lớp bọc Vì vậy, kích thước hạt làm vật liệu bọc phải đủ nhỏ (thường nhỏ hơn 1m) để cho phép các lực bám dính lớn hơn các lực tác động khác Những hạt bọc được tạo ra thường có kích thước lớn và nhiều lỗ xốp, ảnh hưởng nhiều đến quá trình giải phóng các chất từ bên trong Vật liệu bọc thường sử dụng là sơn bột hoặc một số loại bột vô cơ để cải thiện tính chất của hạt - Phương pháp bọc nóng chảy không cần sử dụng dung môi, lớp bọc được hình

thành do sự chuyển pha vì vậy vai trò của chính của tác nhân ở đây là làm lạnh

chứ không phải làm khô Vật liệu màng bọc loại này thường dùng là các hợp chất cao phân tử như: poly etylen glycol, silicon, parafin, nhựa nhiệt dẻo,… hoặc có nhiệt độ nóng chảy cao như: lưu huỳnh, đường,… Quá trình này đòi hỏi công nghệ phức tạp, hiệu suất và năng suất thấp

- Bao phim lỏng các vật liệu được ứng dụng để làm tăng hoạt tính của các enzim, tế bào sống và chất xúc tác sinh học Trong quá trình bao phim lỏng, chất lỏng hoặc hạt được bao bởi một chất lỏng khác không hòa trộn vào nhau, một lớp màng được hình thành nhờ các phản ứng polyme hóa Phương pháp này đòi hỏi công nghệ phức tạp, chi phí cao và tác động môi trường Tính chất bề mặt, cấu trúc hạt vật liệu cũng dễ bị ảnh hưởng bởi các phản ứng polyme hóa

- Phương pháp bọc ướt: vật liệu bọc được hòa tan hoặc tạo huyền phù với một dung môi dễ bay hơi Hỗn hợp này được phun trên bề mặt hạt, dưới sự tác động của tác nhân sấy, dung môi bay hơi và hình thành lớp màng trên bề mặt vật liệu Phương pháp này ít gây ô nhiễm, làm việc với năng suất lớn, phạm vi ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, đòi hỏi tiêu tốn một lượng lớn nguyên vật liệu và ảnh hưởng đến sức khỏe khi dùng những dung môi có độc tính cao Hầu hết các quá trình bọc hạt trong công nghiệp hiện nay đã và đang sử dụng phương pháp này

1.2.2 Cơ chế công nghệ bọc hạt bằng phương pháp bọc ướt

Công nghệ bọc hạt phân bón đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 50 của thế kỷ XX tạo ra các loại phân bón giải phóng chậm và sau đó là phân bón giải phóng có kiểm soát [2] Trong đó, công nghệ bọc hạt bằng phương pháp bọc ướt (công nghệ bọc ướt) được sử dụng phổ biến và ứng dụng hầu hết trong sản xuất phân bón thông minh hiện tại [30] Công nghệ bọc ướt là một công nghệ phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau, với nhiều quá trình đồng thời xảy ra trong thiết bị bọc với sự tác động của nhiều yếu tố Các kết quả phân tích, đánh giá cơ chế, nguyên lý và thông số, công nghệ này được phân chia thành 3 quá trình chính như Hình 1.5 [31]–[33]:

3 Quá trình chuyển động của hạt và hình thành cấu trúc màng bọc: quyết định đến độ nén chặt, độ bền, độ đồng đều, bề dày và cấu trúc (số lỗ xốp, hình dáng kích thước lỗ xốp màng bọc

1.2.2.1 Quá trình phân tán dung dịch

Cách thức đưa vật liệu bọc vào hệ thống bọc hạt được xem như một tiêu chí ảnh hưởng chính đến công nghệ bọc hạt vì nó liên quan đến chất lượng và tính chất của sản phẩm bọc Hầu hết các trường hợp là sử dụng quá trình phun với đầu phun phù hợp Trong thời gian gần đây đã có những nghiên cứu sử dụng lực tĩnh điện trong kỹ thuật bọc hạt tuy nhiên việc ứng dụng phương pháp này trong công nghiệp còn nhiều hạn chế Sơ đồ mô tả sự ảnh hưởng quá trình phun đến quá trình bọc hạt được biểu diễn như Hình 1.6

Hình 1.6: Sơ đồ ảnh hưởng quá trình phun đến quá trình bọc

Lưu lượng phun là yếu tố ảnh hưởng để nhận thấy khi thực hiện quá trình bọc hạt Lưu lượng phun nhỏ, hạt chỉ được bọc một phần diện tích bề mặt hạt, ngược lại với lưu lượng phun lớn sẽ tạo ra hiện tượng kết dính của các hạt vì dung môi bay hơi chậm hoặc tạo ra những hạt vật liệu bọc nằm trong sản phẩm khi chế độ sấy cao Khoảng cách phun quyết định đến kích thước và tốc độ chuyển động giọt lỏng, vì vậy ảnh hưởng diện tích, góc và tốc độ tiếp xúc của giọt lỏng trên bề mặt hạt như Hình 1.7

là diện tích vùng phun Diện tích vùng phun là vùng không gian tiếp xúc giữa hạt vật liệu và giọt dung dịch bọc Diện tích vùng phun đủ lớn để dung dịch bọc có thể bao phủ toàn bộ diện tích của hạt, nhưng cũng đủ nhỏ để tránh dư thừa lượng dung dịch bọc gây nên sự kết dính các hạt vật liệu và đảm bảo thời gian lưu để các lớp màng được nén chặt, đồng đều Vì vậy, một mô hình toán học để có thể xác định được các thông số quá trình phun như: kích thước giọt, khoảng cách phun, diện tích vùng phun,… là cần thiết để giúp tính toán, điều chỉnh, kiểm soát và tối ưu thông số quá trình phun trong công nghệ bọc hạt

1.2.2.2 Nhiệt động học

Quá trình bay hơi của dung môi có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành và tính chất lớp màng bọc, sự kết dính của hạt trong công nghệ bọc ướt Quá trình này phụ thuộc vào các thông số của nhiệt động học như: lưu lượng, nhiệt độ, độ ẩm và tính chất nhiệt động của dòng không khí làm tác nhân Phương thức chuyển động của dòng khí, dòng hạt và các thông số nhiệt động tác nhân trong thiết bị bọc hạt được mô tả như Hình 1.8

Hình 1.8: Sơ đồ thông số nhiệt động học trong quá trình bọc [34]

Hình 1.8 cho thấy quá trình truyền nhiệt, truyền khối giữa hạt và không khí quyết định đến sự bay hơi của dung môi và ảnh hưởng đến tính chất, cấu trúc của lớp màng bọc thu được Động lực chính quá trình bay hơi là sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần giữa vật liệu và tác nhân sấy Động lực này phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của không khí sử dụng, trong đó nhiệt độ sấy là yếu tố có thể điều chỉnh dễ dàng hơn Việc tăng động lực quá trình sấy bằng cách tăng nhiệt độ sẽ giúp tăng cường quá trình bay hơi của dung môi, thời gian hình thành màng bọc nhanh hơn Tuy nhiên, do tốc độ bay hơi nhanh nên

dung dịch bọc sẽ bị khô trước khi trải đều và bao phủ toàn bộ bề mặt hạt, vì vậy lớp màng bọc chỉ bao phủ một phần hạt vật liệu hoặc làm cho bề dày lớp màng không đồng đều, bề mặt bị nhám và không đồng nhất Hơn nữa, thời gian hình thành màng bọc nhanh cũng làm tăng số lượng và kích thước lỗ xốp, giảm độ nén chặt trong cấu trúc lớp màng bọc, bởi vì hạt vật liệu chưa đủ thời gian đảo trộn để tạo lực miết, lực nén giữa hạt với thiết bị và giữa hạt với hạt Ngược lại, động lực quá trình nhỏ dung môi bay hơi chậm làm cho các hạt dễ kết dính với nhau hoặc kết dính với thành thiết bị

Trong một số trường hợp nhiệt độ sấy và lưu lượng tác nhân sấy lớn sẽ làm cho dung dịch bọc bay hơi rất nhanh cho nên hình thành các hạt vật liệu bọc trộn lẫn vào sản phẩm gây hao phí nguyên, vật liệu sử dụng, hoặc liên kết với hạt làm cho bề mặt hạt bị gồ ghề, độ nhám cao ảnh hưởng đến độ đồng đều của lớp màng Ngoài ra, lưu lượng tác nhân lớn và việc bố trí các dòng tác nhân vào, ra không hợp lý cũng tác động đến sự chuyển động của hạt và vùng phun trong thiết bị bọc hạt

1.2.2.3 Quá trình chuyển động của hạt và hình thành màng bọc

Quá trình chuyển động của hạt trong thiết bị bọc hạt ảnh hưởng quyết định cấu trúc của lớp màng như: số lượng và kích thước lỗ xốp, độ nén chặt, độ bền, bề dày màng, độ đồng đều ảnh hưởng đến quá trình giải phóng chất dinh dưỡng của sản phẩm Sơ đồ nguyên lý chung của quá trình chuyển động của hạt trong công nghệ bọc hạt bằng phương pháp bọc ướt được mô tả như Hình 1.9

Hình 1.9: Sơ đồ của quá trình chuyển động của hạt [35]

Khi các hạt di chuyển qua vùng phun sẽ được phủ một lớp màng, phụ thuộc vào thời gian lưu của hạt ở đó mà lớp bọc trải đều trên toàn bộ bề mặt hạt hoặc chuyển cho các

hạt khác do tiếp xúc Lớp màng bọc hình thành do sự bay hơi của dung môi dưới tác động của dòng khí nóng Chu kỳ phun, sự hình thành lớp màng và quá trình sấy khô được lặp đi lặp lại nhiều lần đến khi đạt bề dày mong muốn [35] Một mục tiêu quan trọng của quá trình bọc hạt là thúc đẩy sự di chuyển thường xuyên của hạt qua vùng phun; tuy nhiên, hạt có thể bỏ vùng phun và chuyển động tắt do lực chuyển động yếu hoặc va chạm của các hạt Dựa trên cơ sở sự chuyển động của hạt trong thiết bị bọc, kỹ thuật và thiết bị bọc hạt thường được phân chia làm hai nhóm chính:

- Kỹ thuật bọc hạt sử dụng các lực cơ học tiến hành quá trình đảo trộn, dựa trên sự chuyển động của các thiết bị chứa hạt hoặc dùng cánh đảo trộn Các thiết bị sử dụng kỹ thuật này bao gồm: thiết bị bọc đĩa quay, nồi quay, thùng quay và thiết bị trộn cánh quạt

- Kỹ thuật bọc hạt dựa trên các sự đảo trộn bằng khí nén Thiết bị nhóm này bao gồm: thiết bị bọc tầng sôi, thiết bị bọc dạng phun, thiết bị bọc Wurster,

Tùy theo từng nhu cầu, điều kiện khác nhau mà việc lựa chọn kỹ thuật và thiết bị bọc hạt sao cho hợp lý Nghiên cứu này tập trung vào các loại thiết bị bọc hạt sử dụng các lực cơ học Trong đó, thùng quay, đĩa quay và chảo quay là một trong những thiết bị bọc hạt lâu đời và đơn giản nhất được sử dụng trong sản xuất công nghiệp Các thiết bị dạng quay có tính đa dạng và linh hoạt cao, năng suất lớn, phạm vi sử dụng rộng Đặc điểm chính của các các thiết bị này là chuyển động của các hạt được duy trì trong một thùng chứa được quay bằng lực cơ học, dung dịch bọc được phun lên lớp bề mặt vật liệu, kết hợp với quá trình sấy hình thành màng bọc Mặc dù những thiết bị loại này có cấu tạo khác nhau nhưng chế độ hoạt động tương tự nhau [31] Sự khác biệt lớn duy nhất trong cấu tạo hình học giữa đĩa quay và chảo quay là khả năng hoạt động liên tục của thiết bị Trong khi, thùng quay thường được trang bị một hoặc nhiều vách ngăn và đầu phun Về hoạt động, thiết bị bọc thùng quay được xem như hệ thống gồm nhiều thiết bị bọc đĩa quay mắc nối tiếp Trong đó, mỗi đĩa quay là một thiết bị khuấy và thùng quay được mô hình hóa dạng chuỗi thiết bị khuấy nối tiếp nhau

Công nghệ bọc hạt bằng thiết bị bọc đĩa quay được xem là phù hợp hơn cả với quá trình bọc tạo phân bón thông minh Thiết bị này có tính linh hoạt, đơn giản, năng suất lớn, phạm vi ứng dụng rộng và phù hợp để bọc với các hạt kích thước lớn, từ vài mm đến

vài cm Sản phẩm được bọc từ thiết bị bọc đĩa quay cũng có màng bọc chắc chắn hơn, dễ điều chỉnh hơn so với thiết bị dạng tầng sôi (thường tạo màng dạng xốp) nên thời gian giải phóng dinh dưỡng tốt hơn Thiết bị bọc đĩa quay được sử dụng nhiều trong bọc khô và bọc ướt, có cấu tạo đơn giản, dễ tháo lắp, chi phí năng lượng, vận hành thấp Tuy nhiên, mức độ va đập của các hạt cao nên dễ dẫn đến tình trạng các hạt bị vỡ, gây bụi và độ đồng đều sản phẩm cũng không cao Thiết bị này cũng có thể thực hiện được cả hai chế độ hoạt động liên tục và gián đoạn Trong đó, đĩa quay hoạt động liên tục thích hợp cho trường hợp thời gian lưu ngắn, đối với quá trình cần thời gian lưu dài hơn hoặc đòi hỏi kiểm soát tốt hơn thì hệ thống bọc thùng quay thường được ưu tiên lựa chọn Sơ đồ hệ thống thiết bị bọc đĩa quay được mô tả như Hình 1.10

9 Hộp điều chỉnh tốc độ 10 Đầu đo nhiệt độ

Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống của thiết bị bọc đĩa quay

Hạt vật liệu được đưa vào và chuyển động trong một đĩa quay (thường có dạng hình trụ) theo các chế độ khác nhau phụ thuộc vào tốc độ quay và góc nghiêng của đĩa như Hình 1.11 Khi tốc độ đĩa quay thấp, khối hạt gần như không chuyển động, các lớp hạt dao động qua lại và tạo ra lực ma sát với nhau (Hình 1.11a) Các lớp hạt phía trên sẽ tiếp

xúc với dung dịch tạo màng, trong khi các lớp hạt phía dưới bị che nên không được bọc Khi tốc độ quay tăng lên, dưới tác dụng lực ma sát của hạt thành đĩa quay, khối hạt chuyển động và tạo một góc nghiêng (như Hình 1.11b), nhưng cũng giống như trường hợp Hình 1.11a, lực tác động chủ yếu ở đây vẫn là lực ma sát của các lớp hạt, các lớp hạt bên trong cũng bị che khuất bởi các lớp hạt bên ngoài nên khó tiếp xúc với dung dịch bọc từ đầu phun Trường hợp Hình 1.11c khi tốc độ quay đủ lớn, góc nghiêng của khối hạt tăng và đạt đến giới hạn, với tác động của trọng lực các hạt khi đạt đến chiều cao giới hạn sẽ rơi xuống Điều này, giúp cho khối hạt xáo trộn nhiều hơn, ngoài lực ma sát giữa các lớp hạt thì thêm lực ma sát với thành thiết bị và lực rơi của hạt Hầu hết các hạt dễ dàng tiếp xúc với dung dịch bọc và tác nhân sấy để tạo màng bọc Tuy nhiên các hạt bên trong vẫn khó chuyển động ra bên ngoài nên quá trình bọc không đồng đều và các hạt để bị kết dính với nhau Ngoài ra, hạt cũng dễ vỡ hơn do va đập khi rơi xuống Trong hoạt động, để tăng sự đảo trộn và hỗ trợ cho việc chuyển động của các hạt bên trong thì các thiết bị thường lắp thêm các cánh đảo Hình 1.11d mô tả cho trường hợp tốc độ quay lớn, lực ly tâm lớn hơn trọng lực, khối hạt tạo thành một lớp hạt tiếp xúc với thành thiết bị Dưới tác động lực ly tâm, lực ma sát với thành thiết bị và giữa các hạt với nhau, màng bọc sẽ được nén chặt hơn, đều hơn, số lượng và kích thước lỗ xốp nhỏ hơn và bề mặt trơn láng hơn Ngoài ra, do gần như tạo thành một lớp hạt nên các hạt tiếp xúc tốt hơn với dung dịch bọc và tác nhân sấy, bề dày của màng đồng đều hơn Tuy nhiên, nếu tốc độ quay quá lớn, thời gian một chu kỳ chuyển động ngắn sẽ không đủ thời gian lưu của các hạt ở các vùng phun và vùng sấy để tạo lớp màng bọc tốt

Hình 1.11: Cơ chế chuyển động hạt trên đĩa khi quay

Vì vậy, chế độ chuyển động của hạt trong thiết bị đĩa quay theo trường hợp Hình 1.11d là chế độ thích hợp cho công nghệ bọc hạt Ở chế độ này, cấu trúc màng bọc do được hình thành dưới tác động của các lực: chà xát hạt với thành đĩa, cọ sát giữa các hạt gây

bởi lực ly tâm, lực trọng lượng Ngoài ra lực va đập khi hạt bị văng ra, rơi do lực trọng lượng Tất cả các lực này do tốc độ quay, bán kính quay, góc nghiêng của đĩa quay, kích thước và tính chất cơ lý của hạt, lượng hạt cho vào, …

1.2.3 Vật liệu bọc

Công nghệ bọc và chất lượng sản phẩm bọc trước hết phụ thuộc vào vật liệu làm màng bọc Theo Azeem và các cộng sự [36], vật liệu bọc tạo phân bón thông minh nên được lựa chọn dựa trên một số tiêu chí sau:

- Ái lực với thành phần dinh dưỡng đủ lớn;

- Khả năng thẩm thấu nước và dung dịch dịch hòa tan thấp;

- Khả năng ngăn chặn sự thoát chất dinh dưỡng ngay lập tức khỏi bề mặt lớp vật liệu bọc tốt;

- Khả năng giải phóng dinh dưỡng theo cách đáp ứng các yêu cầu trao đổi chất của cây trồng trong một khoảng thời gian xác định;

- Phân hủy sinh học, có sẵn, dễ kiếm và rẻ tiền

Từ trước đến nay người ta đã nghiên cứu và sử dụng nhiều vật liệu khác nhau để sản xuất SUF như: lưu huỳnh, các chất khoáng vô cơ, polyme,…

1.2.3.1 Lưu huỳnh và các chất hợp chất vô cơ

Lưu huỳnh được sử dụng làm màng bọc phân bón đầu tiên tại phòng thí nghiệm Tennessee Valley Authority tạo phân urê bọc lưu huỳnh [37] và được sản xuất thương mại hóa hơn 50 năm [38] Tuy nhiên, chất lượng màng bọc bằng lưu huỳnh còn thấp bởi có sự xuất hiện nhiều lỗ xốp nhỏ, vết nứt và lớp bọc không hoàn chỉnh [39] Vì vậy, một số nhà sản xuất tiến hành bọc thêm bên ngoài một hợp chất polyme như nhựa nhiệt dẻo, tạo sản phẩm urê bọc polyme - lưu huỳnh Lớp polyme này giúp giảm khả năng giải phóng xuống gần 30% [8] Ngoài lưu huỳnh, một số hợp chất vô cơ khác cũng được sử dụng làm vật liệu bọc phân như: muối phốt phát [40], canxi sunfat (CaSO4) [41], xi măng và zeolit [42] hoặc phân phức hợp lưu huỳnh – canxi – urê [43] Các sản phẩm phân bọc với các vật liệu bọc vô cơ thường được sản xuất bằng quá trình bọc nóng chảy (như lưu huỳnh) hoặc bọc khô (như phốt phát, sunfat, …) Quá trình bọc nóng chảy xảy ra ở nhiệt độ cao và quá trình vận hành phức tạp, ngoài ra ở nhiệt độ nóng chảy cao, lưu

huỳnh, dung môi bay hơi dễ gây ngộ độc và cháy nổ Quá trình bọc khô thì chất lượng màng bọc không đồng đều, nhiều vết đứt gãy, tạo nhiều bụi, gây thất thoát nguyên liệu

và ô nhiễm môi trường

1.2.3.2 Vật liệu bọc polyme

Các loại phân bón thông minh với vật liệu bọc polyme là những loại phân bón hiệu suất sử dụng cao phổ biến nhất Sản phẩm có thể được bọc một hoặc nhiều lớp màng bọc Nhiều loại vật liệu polyme được nghiên cứu, phát triển và sử dụng làm màng bọc phân bón và được chia làm hai nhóm chính là polyme tổng hợp và polyme tự nhiên Ngoài ra, một số nghiên cứu khác thì phân chia thành các polyme không phân hủy sinh học và phân hủy sinh học

a Vật liệu polyme tổng hợp

Một số vật liệu polyme tổng hợp đã được nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa như: nhựa gốc ankyl [44], poly olefin [45]–[53], poly etylen [54]–[57], poly sulfone [58]–[62], poly vinyl clorua [63], poly styren [64]–[66], poly acrylo nitril [59], [60], polyurethane [67]–[73] Hầu hết polyme tổng hợp này thường có giá thành cao, chi phí sản xuất lớn, không có sẵn và khó tái sử dụng Các polyme này có độc tính cao hoặc thường được hòa tan trong các dung môi hữu cơ dễ bay hơi, dễ cháy nổ và ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường Màng bọc được làm từ các polyme này cũng khó phân hủy hoặc thời gian phân hủy rất dài (trừ các polyme dạng hydrogel) dẫn đến sự tích tụ trong đất gây ảnh hưởng đến môi trường, làm thay đổi tính chất của đất canh tác Ngoài ra, poly acrylamin, poly lactic, poly acrylic axit, poly vinyl acetat, poly acetat, poly vinyl ancol cũng đã được sử dụng như vật liệu bọc Tuy nhiên, màng bọc từ các vật liệu này bị phân hủy nhanh trong môi trường nước nên khả năng khuếch tán qua màng khó duy trì và thời gian giải phóng không cải thiện nhiều so với phân thông thường

Vì vậy, các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc kết hợp giữa các loại polyme tổng hợp khó phân hủy và polyme dễ phân hủy hoặc các polyme tự nhiên giúp giảm chi phí, tránh tác động đến môi trường và sức khỏe

b Vật liệu polyme tự nhiên

Vật liệu polyme tự nhiên có nhiều ưu điểm hơn so với polyme tổng hợp như không độc, chi phí thấp, có sẵn, có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường [14], [74]–[76] Các sản phẩm phân bón này còn được gọi là phân bón thân thiện với môi trường [74], [77] Các vật liệu polyme tự nhiên được sử dụng để làm vật liệu bọc được phân chia như Hình 1.12

Hình 1.12: Phân loại polyme tự nhiên sử dụng làm màng bọc CRF [74]

Một số polyme tự nhiên như chitosan, xenlulozơ, lignin, poly dopamin thường được hòa tan trong dung môi hữu cơ và sau đó phun dung dịch vào hạt phân bón, điều này không chỉ làm tăng chi phí sử dụng, thu hồi dung môi mà còn gây ra các tác động xấu đến môi trường do sự bay hơi của dung môi [36] Vật liệu bọc tổng hợp từ các phế phẩm nông nghiệp và than sinh học thường không ổn định đòi hỏi phải thay đổi các điều kiện tổng hợp và chủ yếu làm chất độn trong ma trận polyme [78] Natri alginat và tinh bột thì có khả năng tạo màng tốt nhưng màng bọc có tính chất cơ lý thấp, dễ trương nở và phá hủy màng [74] Thực tế, không thể có vật liệu đáp ứng đầy đủ các yêu cầu lý tưởng để làm vật liệu bọc Tuy nhiên, những vật liệu tổng hợp dựa trên các nguyên liệu như: tinh bột, lignin, xenlulozơ có thể được cải tiến để đạt được nhiều nhất các tính chất mong muốn Trong đó, tinh bột và các dẫn xuất của nó (tinh bột biến tính) được xem là loại vật liệu có nhiều ưu điểm để phát triển tạo màng bọc chi phí thấp, có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện môi trường, và là xu hướng mới trong các nghiên cứu hiện nay

Dựa trên khả năng phân hủy sinh học của tinh bột [79], nhiều nghiên cứu đã tiến hành kết hợp giữa các polyme không hoặc khó phân hủy sinh học nhưng ít trương nở (nhược điểm của tinh bột) và tinh bột để tạo nên vật liệu vừa có khả năng phân hủy sinh học, vừa giảm khả năng giải phóng [61], [69], [80]–[82] Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều cho thấy tốc độ giải phóng của các chất dinh dưỡng tăng lên khi thành phần tinh bột tăng Hàm lượng tinh bột cao trong thành phần vật liệu bọc làm tăng độ xốp của lớp màng bọc, tốc độ thấm nước vào bên trong và giải phóng các chất dinh dưỡng ra ngoài Điều này cho thấy, một trong những hạn chế lớn nhất của tinh bột là khả năng ưa nước do sự hiện diện của các nhóm hydroxyl trong cấu trúc của chúng Ngoài ra, độ giòn của các vật liệu dựa trên tinh bột khá cao, chủ yếu là do tương tác mạnh hơn giữa các phân tử tinh bột, hạn chế sự linh động của phân đoạn polyme [83] Singh và Nath (2012) [84] đã chỉ ra tính linh động của phân đoạn polyme của vật liệu có thể được cải thiện bằng cách pha tạp một số chất liên kết chéo và chất dẻo kỵ nước Tuy nhiên, đặc tính và phương pháp sử dụng tinh bột vẫn là yếu tố quyết định đến tính chất của vật liệu Một số trường hợp cần phải bổ sung các chất phụ gia để đạt được các đặc tính mong muốn cho lớp màng Nghiên cứu của Yong (2005) [85] đã mở đầu cho các nghiên cứu mới để sản xuất SUF đa chức năng, vừa kết hợp các yếu tố giải phóng chất dinh dưỡng có kiểm soát, vừa cải thiện tính chất giữ nước rất có lợi, đặc biệt là ở các khu vực có nguồn nước hạn chế Trong đó, tinh bột với cấu trúc nhiều nhóm hydroxyl là một vật liệu tiềm năng cho việc phát triển các polyme liên kết 3 chiều hydrophilic có khả năng hấp phụ nước cao hơn hàng trăm lần so với khối lượng của chúng, được gọi là vật liệu polyme hấp phụ, và không thể dễ dàng phân hủy ngay cả dưới áp lực lớn [64], [86]–[90] Tuy nhiên, các bước chuẩn bị phức tạp và yêu cầu nguyên liệu tốn kém Các sản phẩm được nghiên cứu cho đến nay có chi phí cao gây trở ngại lớn việc thương mại hóa Một khía cạnh khác ngăn cản sự thương mại hóa của chúng là khả năng không phân hủy sinh học của các vật liệu bọc gây ra một loại ô nhiễm đất mới Mặc dù, tinh bột tự nhiên không đủ điều kiện làm vật liệu bọc cho phân bón giải phóng có kiểm soát nhưng nó có thể cải thiện tính chất bằng cách tạo liên kết với một số polyme bằng các tác nhân tương ứng Các vật liệu này được xem là các composite sinh học [91]–[95] Việc sử dụng nhiều chất bịt kín, chất kết dính, chất hóa dẻo và chất bảo vệ để chống lại khả năng thấm nước và độ giòn của màng bọc sẽ làm tăng độ phức tạp và chi phí của quá trình, đó là lý do

tại sao việc sản xuất phân urê bọc composit sinh học chưa được phát triển mạnh Ngoài ra, tính ưa nước vẫn còn khá lớn, khả năng trương nở cao và đặc tính giải phóng có kiểm soát còn hạn chế là những điểm yếu cần khắc phục Một loạt các nghiên cứu trong những năm gần đây đã sử dụng borat làm tác nhân tạo liên kết của tinh bột để làm vật liệu bọc cho SUF [96]–[99] Sản phẩm cho thấy hiệu suất giải phóng chất dinh dưỡng tốt hơn nhiều so với các SUF sử dụng vật liệu bọc tinh bột trước đây

Các thảo luận trên cho thấy mặc dù tinh bột sau khi được điều chỉnh bằng urê và borat có thể tạo thành màng bọc tương đối tốt cho SUF nhưng sản phẩm cuối cùng vẫn có tính chất ưa nước và tốc độ giải phóng nitơ tương đối nhanh hơn tốc độ dự kiến Khuyết điểm này có thể được giải quyết bằng cách sử dụng các sản phẩm tinh bột biến tính đã được giảm bớt các nhóm hydroxyl như tinh bột biến tính cation, tinh bột biến tính phốt phát, tinh bột biến tính axetat và/hoặc kết hợp thêm các polyme có khả năng phân hủy sinh học chi phí thấp khác vào công thức vật liệu bọc

1.3 KẾT LUẬN

Từ những kết quả các khảo sát, phân tích và đánh giá như đã được mô tả trên cho thấy phân bón thông minh là sản phẩm phân bón mang lại nhiều lợi ích cho sản xuất nông nghiệp, kinh tế, môi trường, bảo vệ tài nguyên và sức khỏe Sản phẩm phân bón thông minh, cung cấp dinh dưỡng tương thích với nhu cầu của cây trồng cụ thể trong điều kiện canh tác nông nghiệp nhất định, chỉ thực hiện được khi có vật liệu bọc phù hợp, đầy đủ mô hình quá trình giải phóng dinh dưỡng và công nghệ bọc hạt [100] Theo thống kê trên hệ thống scholar.google.com [101], trong 5 năm gần đây, ngoài các nghiên cứu ứng dụng phân bón thông minh trong nông nghiệp thì hơn 3/4 các nghiên cứu tập trung vào việc phát triển vật liệu bọc, màng bọc và còn lại chủ yếu là các nghiên cứu về quá trình giải phóng dinh dưỡng [102] Trong đó, các nghiên cứu về công nghệ bọc hạt để sản xuất phân thông minh rất ít, mặc dù công nghệ bọc hạt lại có vai trò quyết định đến tính chất, đặc điểm của sản phẩm Đây cũng chính là phần còn khiếm khuyết trong các nghiên cứu về phân bón thông minh hiện tại Vì vậy, cần xây dựng các mô hình toán thực nghiệm mô tả quá trình bọc hạt phục vụ tính toán, phân tích, thiết kế, điều chỉnh, kiểm soát và tối ưu quá trình sản xuất phân thông minh

Trên cơ sở đó, mục đích của luận án là xây dựng mô hình toán học mô tả công nghệ bọc hạt theo phương pháp bọc ướt bằng thiết bọc đĩa quay để sản xuất phân urê thông minh Trong đó, phân urê được chọn làm đối tượng vì dễ tan trong nước, hiệu suất sử dụng thấp, được sử dụng nhiều trong nông nghiệp và phần thất thoát gây tác hại đến môi trường, sức khỏe lớn hơn so với các loại phân kali, phốt pho Vật liệu bọc sử dụng là polyme phù hợp với công nghệ bọc ướt Sản phẩm cũng được đánh giá đảm bảo phù hợp với tiêu chuẩn của phân thông minh và điều kiện nông nghiệp ở Việt Nam Tuy nhiên, công nghệ bọc hạt là một công nghệ phức tạp nhiều thông số, nên việc xây dựng mô hình toán mô tả công nghệ bọc hạt được tiến hành trên cơ sở việc phân tích, đánh giá, phát triển và xây dựng mô hình toán học cho từng quá trình, tiến tới phát triển một mô hình toán chung cho công nghệ bọc hạt Vì vậy, nghiên cứu đòi hỏi phải có sự kết hợp đồng bộ của nhiều nội dung và phương pháp khác nhau, cụ thể như sau:

- Lựa chọn vật liệu polyme phù hợp dùng làm vật liệu bọc sản xuất phân urê thông minh Vật liệu này không chỉ đảm bảo khả năng tạo cấu trúc màng giải phóng chất dinh dưỡng theo tiêu chuẩn của phân bón thông minh, mà còn có khả năng phân hủy sinh học, chi phí thấp, thân thiện với môi trường và phù hợp với điều kiện khí hậu, canh tác, cây trồng trong nông nghiệp Việt Nam

- Lựa chọn công nghệ, thiết bị, phương pháp bọc hạt để đưa ra mô hình công nghệ bọc hạt phù hợp với vật liệu bọc tổng hợp được

- Tiến hành lắp đặt hệ thống thiết bị bọc hạt thí nghiệm dạng đĩa quay để nghiên cứu công nghệ sản xuất SUF

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bọc hạt để xác định các thông số ảnh hưởng chính của mô hình và tối ưu hóa công nghệ bọc hạt bằng thực nghiệm - Xây dựng mô hình toán mô tả quá trình phun và quá trình bọc hạt bằng phương

pháp phân tích thứ nguyên

- Đánh giá tính chất sản phẩm, xác định cơ chế và mô hình giải phóng chất dinh dưỡng của phân urê thông minh định hướng cho việc ứng dụng sản phẩm vào nông nghiệp