tổng hợp hydrogen từ n n dimethylacryamide và maleic acid sử dụng làm chất mang phân lân

Chưa dừng lại ở đó, vật liệu này còn được nghiên cứu khả năng tích hợp phân bón vào trong cấu trúc để tạo ra một loại vật liệu gọi là hydrogel giải phóng phân bón chậm Slow/Co

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

GVHD: TS HUỲNH NGUYỄN ANH TUẤN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

SVTH: NGÔ MINH THUẬN

SKL011825

TỔNG HỢP HYDROGEN TỪ

N,N’-DIMETHYLACRYAMIDE VÀ MALEIC ACID

SỬ DỤNG LÀM CHẤT MANG PHÂN LÂN

Trang 2

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

SỬ DỤNG LÀM CHẤT MANG PHÂN LÂN

SVTH: Ngô Minh Thuận MSSV: 19128079

GVHD: TS Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2023

TỔNG HỢP HYDROGEN TỪ DIMETHYLACRYAMIDE VÀ MALEIC ACID

Trang 10

N,N’-TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Tên đề tài: TỔNG HỢP HYDROGEL TỪ N,N’-DIMETHYLACRYAMIDE VÀ

MALEIC ACID SỬ DỤNG LÀM CHẤT MANG PHÂN LÂN

Trong đề tài này, semi-IPN hydrogel (SH) được tổng hợp từ homopolymer PDMA, monomer N, N’-Dimethylacrylamide và monomer Maleic acid theo kỹ thuật trùng hợp gốc

tự do có sự tham gia của chất xúc tác APS ở tỷ lệ 1% so với tổng số mol monomer, và chất khâu mạng MBA ở tỷ lệ 0,8% so với tổng số mol monomer Mẫu SH sau khi tổng hợp được biến tính với base mạnh là KOH (SB) trong nhiệt độ thích hợp Sau đó, mẫu SH và

SB sẽ được đánh giá bằng các phương pháp lý – hóa như phép đo lưu biến, phép đo cơ tính, DLS, FTIR, DSC, TGA, SEM, EDX, tốc độ trương nở trong nước, trong các môi trường

pH khác nhau và trong các dung dịch muối có hóa trị khác nhau

Kết quả cho thấy mẫu semi-IPN hydrogel sau khi biến tính với xúc tác base có những đặc tính tốt hơn so với hydrogel ban đầu Cụ thể, tỉ lệ trương nở trương cân bằng của SB là 5451,75% sau 1350 phút và SH là 3022,23 % sau 1440 phút Trong khi đó, tốc độ trương

nở trong thời gian đầu thì mẫu SB vượt trội hơn rất nhiều so với SH Khảo sát động học của quá trình trương nở trong nước cho thấy hệ số mũ khuếch tán n của các hydrogel có giá trị 0,45 < n < 0,89, điều này cho thấy quá trình trương nở của hydrogel tuân theo cơ chế khuếch tán non – Fickian Đối với kết quả phân tích DSC có sự biến đổi về nhiệt độ chuyển thủy tinh cụ thể Tg của mẫu SH và SB lần lượt là 129,6 oC và 106,4 oC Sau khi biến tính mẫu SB có khả năng bền nhiệt hơn so với semi-IPN thông thường, điều này chứng minh qua kết quả TGA với khối lượng còn lại của mẫu SH là 11,9037 % khối lượng ban đầu và mẫu SB là 15,3036% khối lượng ban đầu trong vùng nhiệt khảo sát từ 50 – 900 oC

Từ những kết quả so sánh trên, đề tài đã chứng minh được SB có các tính chất vượt trội và

có thể được ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp trong ứng dụng làm chất mang phân bón Trong đề tài này, phân lân được chọn làm đối tượng nghiên cứu để khảo sát khả năng hấp phụ và giải phóng phân theo thời gian Kết quả khảo sát cho thấy hàm lượng phân lân hấp phụ tối đa vào hydrogel là 779,98 mg/g tại 72 h Mô hình toán học mô tả khả năng hấp phụ là mô hình Freunhlich với R2 = 0,9972 Kết quả khảo sát giải phóng phân lân cho thấy hàm

Trang 11

lượng phân lân giải phóng nhanh và chậm dần sau 4500 phút Tại các môi trường pH khác nhau lượng phân lân đều giải phóng cực đại tại mốc thời gian 5400 phút Sau khoảng thời gian này không ghi nhận lượng phân lân tiếp tục giải phóng ra môi trường nghiên cứu Ngoài ra, kết quả khảo sát còn cho thấy lượng phân lân giải phóng tại các pH 4, pH 6, pH

8, pH 10 lần lượt là 34,07 %, 55,33 %, 81,66 %, 23,30%.Kết quả khảo sát động học quá trình giải phóng phân lân cho thấy quá trình này phù hợp với mô hình của Korsmeyer–Peppas

Kết quả khảo sát đánh giá sự tác động của các mẫu hydrogel SB và SH đến các tính chất

cơ bản của đất cho thấy mẫu SB có khả năng duy trì độ ẩm của đất tốt hơn Ngoài ra, các mẫu hydrogel hầu như không ảnh hưởng đến pH của đất Kết quả khảo sát khả năng tái sử dụng mẫu SH tỉ lệ trương nở ban đầu là 3000,54% sau 10 chu kỳ thì tỉ lệ này còn 2575,29

% khả năng trương nở giảm 14,17 %, còn đối với mẫu SB tỉ lệ trương nở ban đầu là 5401,65

% sau 10 chu kỳ thì tỉ lệ này còn 4686,68 % khả năng trương nở giảm 13,24 % Cuối cùng, đề tài đã tiến hành khảo sát sự tác động của hydrogel chứa phân lân (SB/phân lân) đến sự sinh trưởng của cải bẹ xanh Số lần tưới cho chậu cải trồng trên đất SB/phân lân là 7 lần/40 ngày, đất bình thường là 15 lần/40 ngày gần gấp đôi số lần tưới so với đất có hydrogel Do

đó việc sử dụng hydrogel sẽ tiết kiệm được nguồn nước, chi phí tưới tiêu trong sản xuất nông nghiệp

Trang 12

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tận tâm giảng dạy những kiến thức chuyên ngành, chỉ dạy những kinh nghiệm quý báu cho em trong thời gian qua đồng thời tạo cơ hội rất lớn cho em thực hiện khóa luận này

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn vô cùng sâu sắc đến thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn người thầy hướng dẫn luận văn cho em Thầy là người dẫn dắt, chỉ dạy em rất nhiều thứ từ việc thực hiện luận văn, những kinh nghiệm khi đi làm đến những kinh nghiệm sống khi bước vào xã hội Được làm việc với thầy là một cơ hội để em thể hiện điểm mạnh của mình và những thiếu sót của mình để thầy góp ý, cũng là một cơ hộiquý giá để em học hỏi, trang bị thêm những kiến thức cùng những kỹ năng bổ ích để em tự tin hoàn thành khóa luận tốt nghiệp một cách chỉn chu và trọn vẹn nhất Thầy là một người thầy tuyệt vời của bao thế

hệ, thật may mắn khi em là một trong những thế hệ mà thầy dẫn dắt! Cảm ơn thầy!

Tiếp đến, tôi xin cảm ơn các bạn trong lớp chuyên ngành Polymer đã hỗ trợ tôi trong quá trình làm khóa luận tại phòng B315 Ngoài ra thời gian làm khóa luận chung với các bạn thật sự rất là vui, rất nhiều kỷ niệm với nhau, còn có những chuyến đi chơi xa cùng nhau với biết bao kỷ niệm đáng nhớ, thật sự cảm ơn các bạn rất nhiều Thanh xuân thời sinh viên của tôi thật đẹp khi có các bạn đồng hành!

Cuối cùng con xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, những người đã hỗ trợ con từ vật chất đến tinh thần, hy sinh tất cả để con có được ngày hôm nay Con sẽ mãi khắc ghi công ơn của ba

mẹ Cảm ơn ba mẹ!

Em cũng đã cố gắng trau dồi kiến thức, cải thiện được nhiều hạn chế và trình bày nội dung logic, rõ ràng hơn Nhưng thời gian có hạn, cũng như vẫn còn hạn hẹp rất nhiều về mặt kiến thức nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em kính mong sẽ nhận được những ý kiến đánh giá và sửa chữa chân thành đến từ quý thầy cô để khóa luận em có thể được hoàn thiện hơn

Cuối lời em xin kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe, thực hiện tốt được nhiều dự

án và thành công trong sự nghiệp giảng dạy

Trang 13

LỜI CAM ĐOAN

Khóa luận tốt nghiệp là thành quả từ sự nghiên cứu hoàn toàn thực tế trên cơ sở các số liệu thực tế được thực hiện độc lập bởi tôi với sự cố vấn của thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn Mọi sự tham khảo sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn từ các nguồn tài liệu đã được công bố và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định, đồng thời nội dung của khóa

luận là hoàn toàn trung thực

TP Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 07 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Ngô Minh Thuận

Trang 14

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG xv

DANH MỤC HÌNH xvi

DANH MỤC VIẾT TẮT xviii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Giới thiệu chung về hydrogrel 5

1.1.1 Định nghĩa hydrogel 5

1.1.2 Phân loại hydrogel 5

1.1.3 IPN hydrogel (Inter penetrating network) 7

1.1.4 Semi-IPN hydrogel 7

1.2 Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp 7

1.2.1 Đặc tính của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp 8

1.2.2 Phương thức hoạt động của hydrogel trong đất 8

1.2.3 Tác động của hydrogel đến nông nghiệp 9

1.2.3.2 Những bất lợi khi sử dụng hydrogel 10

1.3 Giới thiệu về hydrogel giải phóng phân bón chậm 10

1.4 Nguyên liệu 12

1.4.1 N, N’-Dimethylacrylamide (DMA) 12

1.4.2 Poly(N, N’-Dimethylacrylamide) 13

1.4.3 Maleic acid (MA) Công thức cấu tạo: 14

1.4.4 Ammonium persulfate (APS) Công thức cấu tạo: 15

1.4.5 N, N, N′, N′-Tetramethylethylenediamin(TEMED) 16

1.4.7 Superphosphat 18

1.5 Một số kỹ thuật nghiên cứu homopolymer và semi-IPN hydrogel 23

1.5.1 Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS) 23

1.5.2 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR) 23 1.5.3 Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis – TGA) 24

1.5.4 Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimentry – DSC) 24

1.5.5 Phép đo lưu biến 24

Trang 15

1.5.6 Kính hiển vị điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và quang phổ

tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy – EDS) 25

1.5.7 Tốc độ và khả năng trương nở (Swelling Rate; Swelling Ratio – SR) 25

1.5.9 Các mô hình động học đánh giá việc hấp thụ và giải phóng phốt pho 28

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 37

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ 37

2.1.1 Nguyên liệu 37

2.1.2 Dụng cụ 37

2.1.3 Thiết bị 37

2.2 Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu 38

2.2.1 Tổng hợp homopolymer mạch thẳng PDMA 38

2.2.2 Tổng hợp các mẫu hydrogel 39

2.2.3 Biến tính mẫu semi-IPN 41

2.2.4 Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS) 41

2.2.5 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR) 41 2.2.6 Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy – EDX) 42

2.2.7 Khảo sát tốc độ trương nở (Swelling Rate) 42

2.2.8 Khảo sát tỉ lệ trương cân bằng (Swelling Ratio – SR) 42

2.2.9 Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric Analysis - TGA) 43

2.2.10 Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry – DSC) 43

2.2.11 Lưu biến (Rheological Measurement) 43

2.2.12 Phương pháp khảo sát cơ tính 43

2.2.13 Khảo sát khả năng hấp thụ và giải phóng phân Lân 44

2.2.14 Khảo sát khả năng giải phóng phân lân 45

2.2.15 Đánh giá tính chất của đất theo thời gian khi sử dụng hydrogel 45

2.2.16 Đánh giá khả năng tái sử dụng của hydrogel trong thực tế và trong phòng thí nghiệm 46 2.2.17 Theo dõi sự phát triển của cây cải bẹ xanh 47

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 51

3.1 Tổng hợp homopolymer PDMA 51

Trang 16

3.1.1 Kết quả phổ hồng ngoại FTIR 51

3.1.2 Kết quả đo DLS 52

3.2 Tổng hợp các mẫu hydrogel 53

3.2.1 Kết quả phổ hồng ngoại FTIR 53

3.2.2 Đường kính các mẫu hydrogel 54

3.2.3 Kết quả chụp SEM, EDS 56

3.2.4 Kết quả khảo sát quá trình trương nở 58

3.2.5 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 63

3.2.6 Kết quả phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) 64

3.2.7 Kết quả đo lưu biến 65

3.2.8 Kết quả khảo sát cơ tính 66

3.2.9 Khảo sát khả năng hấp thụ phân lân 67

3.3 Kết quả khảo sát tính chất của đất 75

3.3.1 Độ ẩm của đất 75

3.3.2 Đánh giá pH của đất 76

3.3.3 Đánh giá khả năng tái sử dụng của hydrogel 78

3.4 Kết quả sự theo dõi cây trồng 82

KẾT LUẬN 85

KIẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

Trang 17

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các mô hình động học đánh giá khả năng giải phóng phân Lân 31

Bảng 3.1 Kết quả SEM cho các mẫu hydrogel 57

Bảng 3.2 Kết quả tính toán động học tỉ lệ trương nở 59

Bảng 3.3 Kết quả tính toán động học tỉ lệ trương nở trong nước cất 60

Bảng 3.4 Kết quả đo TGA cho các mẫu Semi-IPN hydroge 64

Bảng 3.5 Kết quả nhiệt Tg của các mẫu hydrogel 64

Bảng 3.6 Kết quả đo cơ tính cho các mẫu hydrogel 66

Bảng 3.7 Kết quả tính toán các thông số từ các mô hình hấp thụ đẳng nhiệt 72

Bảng 3.8 Kết quả tính toán các thông số từ các mô hình hấp thụ đẳng nhiệt 74

Bảng 3.9 Kết quả theo dõi độ ẩm của đất 76

Bảng 3.10 Giá trị pH của đất theo dõi theo thời gian 77

Bảng 3.11 Giá trị độ ẩm của đất theo thời gian 80

Bảng 3.12 Kết quả theo dõi tỉ lệ trương nở của hydrogel qua nhiều chu kỳ 80

Bảng 3.13 Kết quả theo dõi thời gian tưới nước trên hai mẫu đất trồng cải 84

Trang 18

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cơ chế giải phóng phân bón của SHRFs 12

Hình 1.2 Công thứ cấu tạo DMA 12

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của Maleic acid 14

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của APS 15

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của TEMED 16

Hình 1.6 Cơ chế xúc tác, xúc tiến của APS và TEMED 17

Hình 1.7 Công thức cấu tạo của MBA 18

Hình 2.1 Sơ đồ tổng hợp homopolymer PDMA 38

Hình 2.2 Phương trình tổng hợp PDMA 39

Hình 2.4 Sơ đồ tổng hợp semi-IPN hydrogel 40

Hình 2.5 Phản ứng hóa học trong quá trình tổng hợp semi-IPN hydrogel 41

Hình 2.6 Hạt giống cải bẹ xanh 47

Hình 2.7 Đất hữu cơ Namix 49

Hình 2.8 Cây cải con sau 4 ngày gieo hạt 49

Hình 3.1 Kết quả phổ FTIR của các monomer, hompolymer và hydrogel như: DMA, PDMA, Maleic Acid, MBA, và SH 51

Hình 3.2 Kết quả đo đường kính thủy động học của PDMA tại nhiệt độ 25℃ và 45℃ 52

Hình 3.3 Kết quả phổ FTIR của các mẫu: SH, SB, Phân lân, 54

và SB/phân lân 54

Hình 3.4 Đường kính của các mẫu hydrogel ở trạng thái trương cân bằng a) SH, b) SB.54 Hình 3.5 Cơ chế thủy phân DMA trong xúc tác KOH 55

Hình 3.6 Kết quả khảo sát hình thái bề mặt các mẫu a) SH; b) SB và c) SB/phân lân 56

Hình 3.7 Ảnh chụp SEM của các mẫu sấy đông khô a) SH, b) SB 57

Hình 3.8 Quang phổ EDX của các mẫu hydrogel a) SH; b) SB 58

Hình 3.9 Tốc độ trương nở của hydrogel 59

Hình 3.10 Động học quá trình trương nở t/S theo t 60

Hình 3.11 Đồ thị lnF theo lnt của các mẫu hydrogel 61

Hình 3.12 Khả năng trương nở của hydrogel trong các môi trường pH 61

Hình 3.13 Khả năng trương nở của các hydrogel trong các môi trường muối 62

Hình 3.14 Kết quả TGA của các mẫu semi-IPN 63

Trang 19

Hình 3.15 Kết quả DSC cho các mẫu hydrogel 65

Hình 3.16 Đồ thị thể hiện hai giá trị G’, G’’ theo thời gian của các mẫu hydrogel 66

Hình 3.17 Đường cong ứng suất – biến dạng của các mẫu hydrogel 67

Hình 3.18 Kết quả khảo sát bước sóng của dung dịch phân lân 67

Hình 3.19 Đường chuẩn của dung dịch phân Lân trong khoảng nồng độ 1 – 20 mg/L 69

Hình 3.20 Dãy chuẩn dung dịch phân Lân được chuẩn bị theo dãy nồng độ 1 – 20 mg/L 69

Hình 3.21 Khảo sát khả năng hấp thụ phân lân của SB theo nồng độ 70

trong thời gian 24h, 48h, 72h, 96h 70

Hình 3.22 Các mô hình động học đẳng nhiệt hấp thụ phân Lân a) Mô hình Langmuir;

b) Mô hình Freunhlich; c) Mô hình TemKin và d) Mô hình Dubinin – Radushkevich 72

Hình 3.23 Kết quả giải phóng phân lân theo theo thời gian trong các pH khác nhau 73

Hình 3.24 Kết quả theo dõi độ ẩm của đất 75

Hình 3.25 Đồ thị biễu diễn pH của đất theo dõi theo thời gian 77

Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn tỉ lệ trương nở của các mẫu hydrogel qua chiều chu kỳ 79

Hình 3.27 Kết quả theo dõi độ ẩm của đất trong bốn chu kỳ a) chu kỳ 1, b) chu kỳ 2, 80

c) chu kỳ 3, d) chu kỳ 4 80

Hình 3.28 Kết quả theo dõi sự phát triển của cây cải bẹ xanh trên mẫu đất bình thường tại các mốc thời gian từ ngày 0 đến ngày 40 82

Hình 3.29 Kết quả theo dõi sự phát triển của cây cải bẹ xanh trên mẫu đất có bón SB/phân lân vào đất tại các mốc thời gian từ ngày 0 đến ngày 40 83

Trang 20

DANH MỤC VIẾT TẮT

Từ viết tắt Giải nghĩa

APS Ammonium Persulfate

DLS Phép đo tán xạ ánh sáng động DMA N, N’ – Dimethylacrylamide DSC Phép đo nhiệt lượng quét vi sai EDX Quang phổ tán xạ năng lượng tia X

F – O Mô hình Fist – Order FTIR Phép đo hổ hồng ngoại biến đổi Fourier

H Mô hình Higuchi IPN Mạng polymer xen kẽ

IUPAC Liên minh Quốc tế về Hóa học cơ bản và Hóa học ứng dụng

K – P Mô hình Knorsmeyer – Peppas

MA Acid Maleic MBA N, N’- Methylenebisacrylamide PDAB p – Dimethylaminobenzaldehyde PDMA Poly(Dimethylacryamide)

SEM Kính hiển vi điện tử quét Semi-IPN Mạng lưới polymer bán xen kẽ

SR Swelling ratio – tỷ lệ trương nở SRFHs Hydrogel giải phóng phân bón chậm TEMED N,N,N′,N′-Tetramethyl ethylenediamine

TGA Phân tích nhiệt trọng lượng

Z – O Mô hình Zero – Order

Trang 21

MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu nước trên thế giới ngày càng tăng, kết hợp với tác động của biến đổi khí hậu, tình trạng thiếu nước đã trở thành vấn nạn ở một số khu vực khô hạn và bán khô hạn Trong khi đó, lĩnh vực nông nghiệp được coi là một trong những lĩnh vực tiêu thụ nước nhiều nhất Nước là một trong những yếu tố quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến sự tăng trưởng và năng suất của cây trồng Trên toàn cầu, hơn 70% nước ngọt được sử dụng cho nông nghiệp, các quốc gia nằm trong vùng khô hạn đang cần một lượng nước lớn để cung cấp cho nhu cầu của cây trồng hàng ngày [1] Nông nghiệp ở Việt Nam là ngành kinh tế trọng điểm, cũng như các nước đang phát triển trên thế giới thì nông nghiệp Việt Nam có nhiều yếu tố gây trở ngại đến sự phát triển của cây trồng và sản lượng thu hoạch như: khả năng lưu giữ nước thấp, tốc độ thoát hơi nước cao đã dẫn đến việc mất cân bằng độ ẩm trong đất, thêm vào đó là sự tấn công của một số bệnh học thực vật

Việc sử dụng các công nghệ mới nhất để tăng cường khả năng sử dụng nước và chất dinh dưỡng có thể trở nên rất cần thiết theo thời gian, đặc biệt là ở các vùng khô hạn với nguồn nước hạn chế Gần đây, polymer siêu hấp thụ đã nổi lên như một ứng viên tiềm năng cho lĩnh vực nông nghiệp bởi những ưu điểm vô cùng nổi trội Chúng có khả năng dự trữ và sau đó giải phóng ra một lượng nước vô cùng lớn trong một khoảng thời gian đủ dài đảm bảo cho cây trồng phát triển và sinh trưởng tốt mà không cần phải tưới tiêu liên tục Chưa dừng lại ở đó, vật liệu này còn được nghiên cứu khả năng tích hợp phân bón vào trong cấu trúc để tạo ra một loại vật liệu gọi là hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow/Control Release Fertilizers Hydrogels – SRFHs)[2]. Để đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của cây trồng thì phân bón là một yếu tố không bao giờ thiếu Trong đó, phân lân được đánh giá là một trong những nhân tố quan trọng giúp thúc đẩy các quá trình sinh tưởng, phát triển của cây Phân lân là một dạng phân bón vô cơ phổ biến và cần thiết cho cây trồng, có chứa nguyên tố dinh dưỡng chính là phốt pho, thành phần dinh dưỡng này tồn tại dưới dạng ion phốt phát PO43- là dạng ion mà cây trồng có thể hấp thụ được Thiếu hay thừa lân đều để lại hậu quả không tốt cho cây trồng Những phương pháp bón phân truyền thống như bón rải trên mặt đất, hoà vào nước phun lên lá, bón phân kết hợp với tưới nước,…

Trang 22

có thể làm cho lượng phân mà cây trồng chưa kịp hấp thụ sẽ bị rửa trôi nếu mưa xuống hoặc lượng nước tưới tiêu không hợp lý Chính vì thế, vật liệu SRFHs có thể khắc phục được tình trạng thiếu nước ở các khu vực khô hạn và bán khô hạn cũng như khắc phục được tình trạng dư thừa phân bón trong đất

Trong nghiên cứu này các nguyên liệu được sử dụng để tổng hợp SRFHs bao gồm: N, N’ - Dimethylacrylamide, Maleic acid, MBA, APS, TEMED Trong khi, Ca(H2PO4)2 được dùng trong các nghiên cứu có liên quan đến phân lân

N, N’-Dimethylacrylamide là monomer không ion hóa, dễ trùng hợp và khả năng phản ứng cao, nhiệt độ khơi mào phản ứng thấp tạo ra sự thuận lợi cho quá trình đồng trùng hợp PDMA là một polymer ưa nước, do các đặc tính vượt trội của nó, chẳng hạn như khả năng hòa tan trong nước và khả năng tương thích sinh học, nó rất hữu ích trong các ứng dụng y sinh bao gồm hỗ trợ polymer để tổng hợp protein, vận chuyển thuốc có kiểm soát,… Maleic acid là một hợp chất hữu cơ đa chức, có các đặc tính độc đáo về khả năng tạo liên kết chéo liên kết ester, tăng cường tính ưa nước của mạng polymer, cải thiện khả năng tương thích và tạo các liên kết hydro bổ sung cho cấu trúc mạng[3] Trong các loại phân bón, phân lân supe kép được sử dụng phổ biến với hàm lượng Phốt pho khoảng 26,5 % cao nhất trong các loại phân lân, giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt

Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp semi-IPN hydrogel từ linear DMA, monomer acid Maleic và monomer N, N’- Dimethylacrylamide

Khảo sát biến tính semi-IPN hydrogel trong xúc tác base và đánh giá các tính chất hóa lý của vật liệu qua các phương pháp: FTIR, DLS, DSC, TGA, đo lưu biến, cơ tính, SEM/EDX, khả năng trương nở

Nghiên cứu khả năng hấp phụ và giải phóng phân lân của semi-IPN hydrogel

Đánh giá khả năng tái sử dụng của semi-IPN hydrogel trong phòng thí nghiệm và trong thực tế

Đánh giá sự tác động của hydrogel đến sự sinh trưởng của cây cải bẹ xanh

Trang 23

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tổng hợp các mẫu semi-IPN hydrogel từ N, N’-Dimethylacrylamide, linear PDMA 4%, acid Maleic, MBA, APS, TEMED Ca(H2PO4)2 được sử dụng như là phân bón được đưa vào hydrogel

Thời gian thực hiện khóa luận: 12/12/2022 – 30/6/2023

Địa điểm thí nghiệm: Khu B, khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Phương pháp nghiên cứu

Giai đoạn 1: Nghiên cứu lý thuyết tổng quan và lý thuyết thực nghiệm

Giai đoạn 2: Tổng hợp homopolymer PDMA

Giai đoạn 3: Tổng hợp hydrogel thông thường, IPN hydrogel và biến tính mẫu

semi-IPN trong xúc tác base

Giai đoạn 4: Khảo sát các tính chất của vật liệu dựa trên các phương pháp: FTIR, DLS,

DSC, TGA, đo lưu biến, cơ tính, SEM/EDX, tỷ lệ trương nở Đồng thời theo dõi và đánh giá độ ẩm, pH của đất theo thời gian khi có và không có sử dụng hydrogel

Giai đoạn 5: Khảo sát khả năng hấp thụ và giải phóng phân lân của hydrogel

Giai đoạn 6: Khảo sát khả năng tái sử dụng hydrogel trong phòng thí nghiệm Giai đoạn 7: Thực nghiệm trồng cải bẹ xanh trên đất bình thường và đất có kết hợp

hydrogel

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:Đề tài cung cấp thông tin về khả năng sử dụng N, N’-Dimethylacrylamide và acid Maleic trong việc tổng hợp semi-IPN hydrogel, sự thay đổi các tính chất lý hóa của hydrogel sau khi biến tính trong xúc tác base Bên cạnh đó, đề tài cũng cung cấp cơ chế của

sự hấp thu, giải hấp thu của nước và phân lân đối với vật liệu hydrogel tổng hợp được

Trang 24

Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu ứng dụng semi – IPN hydrogel trong khả năng hấp thụ, giải phóng nước và chất dinh dưỡng cho cây trồng như một loại phân nhả chậm kết hợp với những nghiên cứu về hydrogel hấp thụ các loại phân bón khác như đạm, kali Trong tương lai, đây có thể sẽ là một loại vật liệu được lựa chọn hàng đầu để ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp

Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Trang 25

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về hydrogrel

1.1.1 Định nghĩa hydrogel

Hydrogel được định nghĩa là một mạng polymer có cấu trúc không gian ba chiều, ưa nước,

có thể trương nở trong nước mà không tan trong nước, có khả năng hấp thụ lượng nước gấp hàng nghìn lần khối lượng khô ban đầu, giúp cho vật liệu giữ được một lượng nước lớn [4]

1.1.2 Phân loại hydrogel

Hydrogel có thể được phân loại dựa trên:

Kích thước: Microhydrogel và hydrogel khối lượng phân tử lớn là những loại hydrogel

riêng biệt có thể được phân biệt bằng kích thước Microhydrogel bao gồm các hydrogel riêng lẻ nhỏ hơn nhiều so với hydrogel được tìm thấy trong hydrogelcó khối lượng phân tử lớn Nghiên cứu hiện tại về microhydrogel đã tập trung vào kích thước nano vì nó rất phù hợp với xúc tác, từ tính, quang học, điện và cơ học do các hiệu ứng bề mặt và lượng tử do kích thước nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn của chúng mang lại[5] Mặt khác, hydrogel khối lượng phân tử lớn sẽ có kích thước và hình dạng cụ thể có thể nhìn thấy bằng mắt thường và được ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vực

Phản ứng với môi trường: Hydrogel có thể được phân loại thành hydrogel không phản ứng

với môi trường (còn được gọi là hydrogel thông thường) hoặc hydrogel phản ứng với môi trường (hydrogel thông minh) [6] Hydrogel không nhạy cảm với môi trường có thể duy trì cấu trúc cũng như tính chất vật lý và hóa học của chúng trong các điều kiện môi trường khác nhau Mặt khác, hydrogel phản ứng thuận nghịch với các kích thích bên ngoài được gọi là hydrogel thông minh, hoặc nhạy cảm với môi trường Khi hydrogel chịu các kích thích môi trường như từ trường, ứng suất, ánh sáng, nhiệt độ, điện trường, cường độ ion,

pH, v.v., cấu trúc mạng ba chiều của hydrogel sẽ thay đổi (co lại hoặc phồng lên) hoặc chuyển đổi giữa pha loãng và pha đậm đặc[7] Kết quả là hình dạng, tính chất quang học và tính chất cơ học của hydrogel bị thay đổi đáng kể Ngay sau khi kích thích bên ngoài bị

Trang 26

loại bỏ, hydrogel sẽ trở lại trạng thái ban đầu, trạng thái này có năng lượng ở trạng thái ổn định bên trong thấp hơn[8]

Khả năng phân hủy: Hydrogel có thể được phân loại là không thể phân hủy hoặc có thể

phân hủy sinh học Hydrogel không phân hủy sinh học được phân biệt bởi khả năng chống lại tác động của kích thích môi trường và khả năng bảo tồn các đặc tính hóa học, vật lý và cấu trúc của chúng trong một thời gian dài[9] Phần lớn hydrogel tổng hợp được tạo ra bởi liên kết ngang hóa học là không thể phân hủy sinh học Ngược lại, phần lớn hydrogel polymer tự nhiên có thể được phân loại là hydrogel phân hủy sinh học Các cấu trúc ba chiều của các hydrogel này dễ bị phân hủy do các hoạt động của enzyme và vi khuẩn khi tiếp xúc với môi trường tự nhiên Các liên kết có cả trong chuỗi phân tử và giữa các chuỗi phân tử là bị cắt đứt, dẫn đến giảm sức mạnh tổng thể của hydrogel [10]

Cơ chế hình thành: Hydrogel vật lý và hydrogel hóa học có thể được phân biệt với nhau

tùy theo phương pháp hình thành của cấu trúc mạng ba chiều Hydrogel vật lý chủ yếu là các mạng ba chiều được hình thành bởi các liên kết thứ cấp, còn được gọi là liên kết không cộng hóa trị (chẳng hạn như tương tác kỵ nước, vướng víu chuỗi, liên kết hydro và tương tác tĩnh điện), giữa các phân tử tuyến tính để tạo thành các liên kết ngang vật lý[11] Vì chỉ cần một lượng năng lượng vừa phải để phá vỡ các tương tác này, Không có phản ứng hóa học nào liên quan đến quá trình tạo ra chúng và các điều kiện mà chúng được điều chế thường nhẹ, vì vậy chúng rất phù hợp để sử dụng trong y sinh học Mặt khác, hydrogel hóa học được tạo ra bởi liên kết ngang phân tử không thể đảo ngược xảy ra trong quá trình hình thành của chúng Hydrogel hóa học thường có tính chất cơ học tốt, cấu trúc có thể điều chỉnh và tính chất ổn định

Nguồn gốc: Hydrogel có thể được chia thành hai loại chính dựa trên nguồn vật chất của

chúng: tự nhiên và tổng hợp Hydrogel tổng hợp là các polymer liên kết ngang được phát triển trong môi trường nhân tạo bằng cách sử dụng các quá trình polymer hóa phản ứng

mở vòng hoặc phản ứng cộng [8] So với hydrogel polymer tự nhiên, hydrogel tổng hợp

có khả năng phân hủy sinh học, hoạt tính sinh học và khả năng tương thích sinh học kém

Trang 27

Tuy nhiên, lợi thế của hydrogel tổng hợp bao gồm các đặc tính được kiểm soát chính xác, dễ dàng biến đổi hóa học và sản xuất công nghệ

1.1.3 IPN hydrogel (Inter penetrating network)

IPN được định nghĩa là sự kết hợp chặt chẽ của hai polymer, ít nhất một trong số đó được tổng hợp hoặc liên kết chéo với sự có mặt trực tiếp của polymer kia Polymer này thường được thực hiện bằng cách ngâm hydrogel tiền trùng hợp vào dung dịch monomer và chất khơi mào IPN hydrogel có thể khắc phục được sự không tương thích nhiệt động xảy ra do

sự lồng vào nhau của các mạng lưới polymer và sự phân tách pha hạn chế trừ khi liên kết hóa học giữa chúng bị phá vỡ Cấu trúc lồng vào nhau của các thành phần IPN liên kết ngang được cho là đảm bảo tính ổn định của hình thái khối và bề mặt Ưu điểm chính của IPN là có thể tạo ra các mạng lưới hydrogel tương đối dày đặc, có các đặc tính cơ học cứng hơn và cứng hơn, các tính chất vật lý có thể kiểm soát[12]

1.1.4 Semi-IPN hydrogel

Nếu một polymer mạch thẳng và và đi xuyên qua một mạng liên kết ngang khác mà không

có bất kỳ liên kết hóa học nào khác giữa chúng, thì nó được gọi là Semi-IPN Semi-IPN có thể duy trì hiệu quả hơn tốc độ phản ứng động học nhanh chóng đối với pH hoặc nhiệt độ

do không có mạng lưới đàn hồi thâm nhập hạn chế, trong khi vẫn mang lại lợi ích như kích thước lỗ xốp có thể được điều chỉnh, giải phóng các chất hấp thụ ra khỏi hydrogel chậm…[12]

1.2 Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp

Hydrogel được sử dụng rộng rãi ở các vùng khô hạn và bán khô hạn như một chất điều hòa đất để cải thiện các tính chất vật lý của đất, dự trữ nước và chất dinh dưỡng, trồng và cấy ghép, lớp phủ hạt để hạt nảy mầm có kiểm soát, tăng hàm lượng nước và chất diệp lục trong

lá, thoáng khí đất, và khử trùng đất Hydrogel được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp nhờ khả năng giữ nước trong đất cao hơn trong thời gian dài hơn và giải phóng chậm nước và chất dinh dưỡng cho cây trồng, đóng vai trò là bộ đệm chống lại tình trạng hạn hán tạm thời trong điều kiện thời tiết bất lợi Ngoài ra, để giảm nguy cơ cây con bị chết trong quá

Trang 28

trình ươm cây con, thúc đẩy sinh trưởng và phát triển của cây trồng, giảm tốc độ thoát hơi nước, thu được năng suất và chất lượng thu hoạch cao hơn[13]

1.2.1 Đặc tính của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp

Chịu được độ mặn của đất

Cải thiện tính chất vật lý, hóa học và sinh học của đất

Thúc đẩy sự nảy mầm của hạt giống, sự phát triển của cây con, sự phát triển của rễ, mật độ và tăng năng suất cây trồng

Nâng cao hiệu quả sử dụng nước bằng cách giảm thiểu sự bay hơi và thất thoát nước

Giảm tần suất tưới tiêu, phân bón của cây trồng và chi phí tưới tiêu

Không nguy hiểm cho môi trường

Có thể hoạt động ở nhiệt độ cao (40 - 50°C), do đó phù hợp với khí hậu nóng và khô

1.2.2 Phương thức hoạt động của hydrogel trong đất

Hydrogel bao gồm một tập hợp các chuỗi polymer song song với nhau và được liên kết thường xuyên bởi các tác nhân liên kết ngang, do đó tạo thành một mạng lưới Khi nước tiếp xúc với một trong các chuỗi này, nó sẽ bị thẩm thấu hút vào phân tử Hydrogel được đặc trưng bởi điện tích âm (anion), dương (cation) hoặc trung tính Điện tích xác định cách chúng sẽ phản ứng với chất rắn và chất hòa tan có trong đất Hydrogel cation thường liên kết với các thành phần đất sét và hoạt động như chất keo tụ Hydrogel anion có thể liên kết với đất sét và các hạt tích điện âm khác thông qua các cầu nối ion như Ca2+ và Mg2+[14] Lực hút giữa gel với các chất hòa tan xung quanh và các hạt đất càng mạnh thì khả năng hút nước, tạo kết và ổn định cấu trúc đất của gel càng lớn Polymer càng được liên kết chéo thì mạng lưới càng chặt chẽ Như vậy khả năng hấp thụ có thể giảm nhưng polymer vẫn bền hơn theo thời gian

Trang 29

1.2.3 Tác động của hydrogel đến nông nghiệp

1.2.3.1 Lợi ích của hydrogel trong nông nghiệp

Cải thiện cấu trúc của đất có kết cấu thô bằng cách thay đổi tính chất vật lý (độ xốp, mật độ khối, khả năng giữ nước, tính thấm của đất, tốc độ thẩm thấu và thẩm thấu, nhiệt độ đất, v.v.), hóa học và môi trường sinh học

Đạt được môi trường tăng trưởng thuận lợi cho cây trồng bằng cách giảm mật độ khối đất, cung cấp chế độ thoáng khí cho đất và độ ẩm tốt hơn để hỗ trợ khả năng tồn tại, tăng trưởng và năng suất của cây trồng

Tăng khả năng giữ nước của đất, cung cấp nước nhiều hơn cho rễ cây và khả năng hút nước hiệu quả; giảm tần suất tưới tiêu do giảm thất thoát nước do rửa trôi và bay hơi và bảo vệ cây chống lại tình trạng thiếu nước trong đất Hydrogel đóng vai trò là “hồ chứa nước thu nhỏ” gần vùng rễ của thực vật Nó có thể hấp thụ cả nước tự nhiên và nước được cung cấp gấp 400 - 1500 lần trọng lượng của chính nó và giải phóng nước từ từ trong điều kiện thiếu nước bằng cơ chế hút mao dẫn của rễ[7]

Hydrogel có thể thực hiện quá trình hấp thụ và giải hấp nước theo chu kỳ, có thể cung cấp độ ẩm tối ưu cho cây trồng để hạt nảy mầm và hình thành cây con nhanh chóng, đồng thời

có thể làm tăng tốc độ tăng trưởng và năng suất cao của cây trồng Ở những vùng lạnh giá, việc sử dụng hydrogel không làm đóng băng độ ẩm được hấp thụ trong cấu trúc và giúp cây dễ dàng tiếp cận, do đó điều chỉnh nhiệt độ sinh trưởng của cây con và ngăn ngừa chết do đóng băng[15]

Làm giảm độ ẩm thẩm thấu của đất, tiết kiệm nước tưới, nhân công và chi phí sản xuất; giảm nhu cầu tưới tiêu cho cây trồng; giảm thiểu tình trạng khô hạn; ngăn chặn sự rò rỉ và chảy tràn nước và chất dinh dưỡng; cải thiện hiệu quả sử dụng nước và chất dinh dưỡng trong cây trồng; và phục hồi các vi sinh vật đất và enzyme[16]

Trang 30

1.2.3.2 Những bất lợi khi sử dụng hydrogel

Độ cứng của nước có một số ảnh hưởng đến sự hấp thụ nước của hydrogel Với độ cứng tăng lên do nồng độ các ion Ca2+ và Mg2+ chủ yếu đến từ phân bón và nguồn nước tưới tăng, khả năng hấp thụ nước của hydrogel giảm đáng kể Khi hydrogel hấp thụ nước, các ion này sẽ phản ứng với các vị trí âm trong chuỗi polyme dẫn đến sự hình thành các muối không hòa tan ngăn chặn các vị trí ion âm Sự tắc nghẽn này tăng lên khi độ mặn của nước tăng lên và các chu kỳ làm ướt và làm khô tiếp theo[14]

Hầu hết các loại đất có thể giữ một lượng nước hợp lý cho sự phát triển của cây trồng Nếu

có lượng mưa ít ỏi, nước trong đất sẽ cạn kiệt và hydrogel sẽ không giải quyết được vấn đề Tương tự như vậy, trong điều kiện lượng mưa phân bố tốt trong suốt thời vụ trồng trọt, hydrogel hầu như không có tác dụng

Hiệu quả của hydrogel phụ thuộc vào kết cấu đất, loại polymer, phương pháp và thời gian

áp dụng cũng như bản chất của các loài cây trồng Nói chung, các polymer nên được bón vào đất gần vùng rễ ở độ sâu 10 cm thông qua việc xới đất Vô số bằng chứng cho thấy rằng không có hoặc có rất ít tác động tiêu cực và tích cực của hydrogel đối với việc cải tạo đất liên quan đến bảo tồn độ ẩm và cải thiện năng suất ở một số loại cây trồng Trong điều kiện thiếu nước, thay vì cung cấp nước cho cây trồng, đôi khi hydrogel hấp thụ nước mà không thể giải phóngvgây ra hiện tượng khô héo của cây trồng[16]

1.3 Giới thiệu về hydrogel giải phóng phân bón chậm

Phân bón và nước là những yếu tố chính hạn chế sản xuất nông nghiệp, vì vậy điều rất quan trọng là cải thiện việc sử dụng tài nguyên nước và chất dinh dưỡng phân bón Phân lân là một trong loại phân đa lượng rất cần thiết cho cây trồng Có nhiều loại phân Lân, trong đó supe Lân được sử dụng phổ biến vì hàm lượng phốt pho chiếm đến và dễ tan trong nước Hầu như trong sản xuất nông nghiệp lượng phân bón thất thoát đi khá nhiều do quá trình tưới tiêu, mưa… rửa trôi đi lượng phân làm tăng chi phí sản xuất đông thời gay ảnh hưởng đến môi trường Vì thế tìm ra một giải pháp mới để giảm tình trạng mất nước và thất thoát phân bón đang là vấn đề nan giải Phân bón nhả chậm (SRF) hay phân bón nhả có kiểm

Trang 31

soát (CRF) là loại phân bón giải phóng chất dinh dưỡng đã và đang là xu hướng phân bón tiên tiến được nghiên cứu áp dụng cải thiện các vấn đề nêu trên[17]

Ngày nay, sự kết hợp giữa phân nhả chậm và hydrogel là xu hướng mới nhất trong nghiên cứu về hydrogel Sự kết hợp này tạo ra hydrogel phân bón giải phóng chậm (SRFH), chủ yếu được tạo ra để cải thiện dinh dưỡng cây trồng và giảm tác động môi trường của phân bón thông thường, giảm thất thoát do bay hơi và tần suất tưới tiêu SRFH hoạt động bằng cách hấp thụ một số nước và chất dinh dưỡng, giữ chặt chúng và giải phóng chúng một cách từ từ Điều này có thể được mô tả như một “hồ chứa nhỏ”, cung cấp nước và phân bón cho cây trồng thông qua chênh lệch áp suất thẩm thấu Kết quả là cây trồng nước và phân bón trong thời gian dài, dẫn đến tỷ lệ hiệu suất được cải thiện và tăng trưởng[18]

Cơ chế giải phóng phân bón chậm

Cơ chế giải phóng của SRFHs được minh họa như hình 1.1, quá trình này được giải thích qua ba giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1: Nước sẽ tiếp xúc với lớp vật liệu bọc ngoài và sau đó khuếch tán vào trong lõi và hòa tan phân bón Động lực chính của quá trình này là gradient áp suất hơi và chúng sẽ kiểm soát sự giải phóng chất dinh dưỡng Ở giai đoạn này sẽ thiết lập nên một

hệ ổn định giữa việc hấp thụ nước vào các lỗ xốp và sự giải phóng chất dinh dưỡng

- Giai đoạn 2: Nước bắt đầu xâm nhập vào bên trong vật liệu Lớp vật liệu bọc ngoài có thể bị ảnh hưởng bởi các môi trường xung quanh và hình thành các vết nứt, hỏng lớp phủ Nếu vật liệu bao phủ là hydrogel chúng có thể chống lại sự ảnh hưởng này và nước

có thể khuếch tán vào trong qua các lỗ xốp dựa trên cơ chế trương nở trong nước của hydrogel Quá trình giải phóng chất dinh dưỡng diễn ra hiệu quả dưới các tác động của bởi pH, nhiệt độ, độ ẩm của đất, độ mặn và hoạt động của vi sinh vật

- Giai đoạn 3: Khi việc khuếch tán các loại chất dinh dưỡng diễn ra gần như hoàn toàn để lại phần vỏ bọc bên ngoài Lớp vỏ bọc này sẽ được các vi sinh vật trong đất phân hủy dưới các điền kiện thích hợp

Trang 32

Hình 1.1 Cơ chế giải phóng phân bón của SHRFs[18]

1.4 Nguyên liệu

1.4.1 N, N’-Dimethylacrylamide (DMA)

Công thức cấu tạo:

Hình 1.2 Công thứ cấu tạo DMA Danh pháp UIPAC: N, N’-dimethylprop-2-enamide

Tên gọi khác: NNDMAA, DMAA, DMA

Công thức phân tử: C5H9NO

1.4.1.1 Tính chất vật lí

Trạng thái tự nhiên: Chất lỏng, không màu

Trang 33

Khối lượng phân tử: 99,13 g/mol

Khối lượng riêng: 0,962 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy: -40 ℃

Nhiệt độ sôi 80 – 81 ℃

Trong thương mại, DMA ở dạng lỏng không màu hoặc hơi vàng, dễ hút ẩm, tan trong nhiều dung môi như nước, rượu, acetone, benzene, toluene, …

1.4.1.2 Tính chất hóa học

DMA là một monomer không ion hóa, dễ trùng hợp Khả năng phản ứng cao và nhiệt độ khơi mào phản ứng thấp của DMA tạo ra sự thuận lợi cho quá trình đồng trùng hợp DMA thường được ứng dụng trong việc tổng hợp hydrogel tạo ra cấu trúc mạng không gian có khả năng ưa nước lớn[19] Ngoài ra, DMA hydrogel có thể được ứng dụng để loại bỏ các ion kim loại độc hại từ nước thải vì các tính chất đặc trưng bền hóa và khả năng hấp phụ cao

có khả năng tạo hiệu ứng bắt cầu Chúng được tạo thành ở các chuỗi mạch polymer dài có thể tiếp xúc với các hạt keo lơ lửng trong dung dịch và hình thành một chuỗi mạch phân tử dài hơn Hiệu ứng này phụ thuộc vào cấu trúc của polymer Do không tồn tại những liên kết hydro nội phân tử nên PDMA có khả năng keo tụ và hình thành hiệu ứng bắt cầu dễ dàng [21]

Trang 34

PDMA có điểm LSCT rất cao thường lớn hơn 100℃ và gần đây một số nghiên cứu đã đưa ra các báo cáo về điểm LSCT của chúng lên đến 216℃ bằng phương pháp kết hợp giữa phân tích vi lượng đẳng nhiệt và xác định điểm mây (cloud point) [22]

1.4.3 Maleic acid (MA)

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của Maleic acid Danh pháp UIPAC: (Z)-Butenedioic acid

Tên gọi khác: cis-butenedioic acid, malenic acid, maleinic acid, toxilic acid

Công thức phân tử: C4H4O4

1.4.3.1 Tính chất vật lí

Trạng thái tự nhiên: Chất rắn, không màu, mùi khai

Nhiệt độ nóng chảy: 139 – 140 oC

Độ tan: 788 g/L

Acid maleic là chất rắn kết tinh không màu, có mùi khai, dễ bắt lửa Chúng được sử dụng làm nguyên liệu công nghiệp để sản xuất acid glyoxylic bằng phương pháp ozonolysis Acid maleic và fumaric là hai dạng đồng phân cis, trans của acid butenedioic Trên các nghiên cứu về nhiễu xạ X-ray đã chứng minh rằng sự hình thành liên kết hydro trong phân tử maleic acid loại bỏ các proton trên nhóm carboxyl khá dễ dàng và hằng số phân ly của

Trang 35

maleic nhỏ hơn đối với fumaric acid Hai loại đồng phân trên tồn tại song song trong tinh thể phân tử acid maleic dưới sự hiện diện của lưới đối xứng giả (lattice pseudosymmetries) Những phân tử acid mạch thẳng này có khả năng tạo thành chuỗi mạng lớn hơn thông qua các nhóm carboxyl hình thành những liên kết -OHￚH tạo thành các cặp vòng [23]

Trong mạch chính của acid maleic có chứa hai nhóm carboxyl, đây là nhóm chức ưa nước ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp thụ nước của hydrogel Càng nhiều nhóm chức ưa nước khả năng hấp thụ nước càng ưu việt điều này dẫn đến tiềm năng cho việc nghiên cứu polymer siêu hấp thụ Ngoài ra, trong mạch chính của acid maleic còn chứa liên kết π giúp cho chúng có thể dễ dàng trùng hợp thành polymer[24]

1.4.4 Ammonium persulfate (APS)

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của APS Danh pháp IUPAC: Ammonium persulfate

Tên gọi khác: Ammonium peroxydisulfate, APS

Công thức phân tử: (NH4)2S2O8

1.4.4.1 Tính chất vật lý

Trạng thái tự nhiên: Tinh thể, không màu

Nhiệt độ nóng chảy: 120oC

Trang 36

1.4.4.2 Ứng dụng

Ammonium persulfate (APS) là thuốc thử được sử dụng rộng rãi trong hóa – sinh để tổng hợp các loại gel polyacrylamide APS tạo thành các gốc oxy hóa tự do có mặt của base trong dung dịch Các xúc tác base đó phổ biến là N, N, N’, N’-Tetramethylethylenediamine (TEMED), 3-Dimethylaminopropionitrile (DMAPN),… Ngày nay chúng còn được ứng dụng là tác nhân liên kết ngang trong việc tổng hợp hydrogel có khả năng phân hủy sinh học APS còn có một số ứng dụng như sản xuất aniline, mạ điện, tẩy màu, khử mùi dầu,

Tên gọi khác: TEMED, TMEDA, 1,2-Bis(dimethylamino)ethane

Công thức phân tử: (CH3)2NCH2CH2N(CH3)2

Khối lượng phân tử: 116,21

Khối lượng riêng: 0,776 g/mL

Trạng thái tự nhiên: Dung dịch không màu

Mùi: Mùi tanh, cá thối rửa

Trang 37

Hình 1.6 Cơ chế khơi màu, xúc tiến của APS và TEMED[26]

TEMED được sử dụng cùng với APS hoặc riboflavin làm một cặp xúc tác – xúc tiến trong phản ứng polymer hóa Hệ xúc tác – xúc tiến APS – TEMED được sử dụng rất nhiều trong nghiên cứu do hệ này dễ tan trong dung môi nước, là hệ xúc tác/xúc tiến phù hợp nhất để tổng hợp các monomer có chứa gốc vinyl

Cơ chế xúc tác – xúc tiến gồm ba giai đoạn được thể hiện trên hình 1.7 [26]:

Giai đoạn 1: APS bị thủy phân trong nước phân ly ra NH4+ và S2O82-

Giai đoạn 2: Các ion S2O8 2- sẽ tác động vào Hydro linh động của nhóm CH3 liên kết trực tiếp với Nitơ tạo ra gốc SO42-

Giai đoạn 3 và 4: Quá trình tạo ra 2 gốc tự do

Trang 38

Tên gọi khác: Bis[acryloylamino] methane, MBA, MBAA

Công thức phân tử: C7H10N2O2

Trạng thái tự nhiên: Bột màu trắng

Nhiệt độ nóng chảy: 185 oC

Mùi: Không mùi

1.4.6.2 Ứng dụng

MBA được sử dụng để tạo liên kết chéo giữa acrylamide để tạo gel polyacrylamide điện

di Tỷ lệ MBA so với acrylamide ảnh hưởng đến đặc điểm xốp của gel polyacrylamide [38]

1.4.7 Superphosphat

Danh pháp IUPAC: Calcium dihydrogenphosphate

Công thức cấu tạo: Ca(H2PO4)2

Trang 39

Tên gọi khác: Calcium diorthophosphate, Calcium biphosphate, Calcium superphosphate, Monobasic calcium phosphate, Monocalcium orthophosphate,…

Công thức phân tử: CaH4P2O8

Trạng thái tự nhiên: Rắn, màu trắng

Độ tan: 1080 g/L

1.4.7.2 Ứng dụng

Photpho tạo nên nhân tế bào nên rất cần cho sự hình thành bộ phận mới của cây, thúc đẩy cây nhanh ra mầm, đẻ nhánh, phân cành, ra hoa, đậu quả Nó cũng tham gia vào quá trình phát triển bộ rễ, quá trình quang hợp và hô hấp của cây Phân lân ảnh hưởng đến sự vận chuyển đường, bột tích lũy về hạt và các bộ phận của chất nguyên sinh, giúp cho cây chống được lạnh, nóng Đồng thời tăng khả năng chống chịu với các điều kiện bất thuận khác như hạn hán, ngập úng, sâu bệnh[27]

1.4.7.3 Sự chuyển hóa Phốt pho (P) trong đất

Khi phốt pho hiện diện trong đất, các tiến trình sau đây có thể xảy ra: khoáng hóa, hấp thu sinh học (tương tự Nitơ hữu cơ), và quá trình cố định phốt pho trong đất[28]

Khoáng hóa Phốt pho

Khoáng hóa là sự chuyển đổi các chất hữu cơ thành các ion lân mà cây trồng có thể hấp thu Quá trình này được thực hiện chủ yếu bằng các enzyme phosphatase và phytases, tạo

ra bởi vi sinh vật và rễ cây

Chất hữu cơ trong đất chứa khoảng 1% phốt pho Phốt pho hữu cơ được giải phóng dưới dạng vô cơ hữu dụng cho cây trồng Các yếu tố ảnh hưởng đến khoáng hóa P tương tự như khoáng hóa N, đó là: họat động của vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn), nhiệt độ,

Trang 40

ẩm độ, độ thoáng, pH, hàm lượng dinh dưỡng, dư thừa thực vật… enzymes Phosphatase giải phóng các orthophosphate ions

Phốt pho hữu cơ trong đất, có đến 50% dạng inositol phosphates, Phospholipids, nucleic acids <10%, khoảng 50% P hữu cơ chưa xác định được tính chất Inositol phosphates,

C6H6(OH)6 = inositol Gốc -OH được thay thế bởi phosphate[29]

Hấp thu sinh học P

Ngược lại với tiến trình khoáng hóa, vi sinh vật hấp thu P vô cơ từ đất và hình thành P hữu

cơ trong cơ thể, vi sinh vật hấp thu HPO4 2- hay H2PO4

-Cân bằng giữa khoáng hóa và hấp thu sinh học, phụ thuộc vào tỉ lệ Cacbon-Lân (C:P) Tỉ

lệ này có thể hạn chế sự phân giải chất hữu cơ, tương tự như tỉ lệ cacbon-nito (C:N) Sự khoáng hóa P cũng có thể bị hạn chế bởi tỉ lệ C:N Khi tỉ lệ C:P cao, vi sinh vật sử dụng P

có sẳn trong đất, làm kiệt quệ nguồn P cung cấp cho cây trồng, và khi nồng độ P trong dung dịch đất thấp, sinh trưởng của vi sinh vật bị hạn chế và sự phân giải chất hữu cơ chậm[30] Tỉ lệ C:P của chất hữu cơ trong đất khoảng 100:1, tỉ lệ C:P thay đổi nhiều hơn tỉ lệ C:N Tỉ

lệ C:N:P ~120:10:1.3

Khi C:P >300, hay dư thừa thực vật <0.2% P, hấp thu sinh học P > khoáng hóa P,

Khi C:P = 200 – 300, hay dư thừa thực vật 0.2-0,3% P, hấp thu sinh học P = khoáng hóa P Khi C:P < 200, hay dư thừa thực vật >0,3% P, hấp thu sinh học P < khoáng hóa P

Cố định P trong đất

Các cơ chế làm P không hòa tan trong đất

Cố định lân là sự chuyển hóa ion lân trở lại thành các dạng hữu cơ Các phản ứng này được xúc tác bởi vi sinh vật hoạt động trong đất và là hệ quả của các quá trình dị hóa và đồng hóa của vi sinh vật dị dưỡng

P được khoáng hóa từ chất hữu cơ, hoặc được bón từ phân P hòa tan, hay P được giải phóng

từ các phản ứng hòa tan khác xảy ra trong đất sẽ trải qua các phản ứng sau

- Hấp phụ P, P được giữ trên bề mặt các khoáng

- Kết tủa hình thành nên các khoáng P thứ sinh

Cố định P là 1 chuỗi phản ứng liên tục, phức tạp, không có ranh giới rõ ràng giữa các phản ứng hấp phụ và kết tủa Kiểu cố định P khác nhau tùy lọai đất, đặc biệt là pH của dung dịch

Tiêu đề	Tổng hợp Hydrogen từ N,N’Dimethylacryamide và Maleic Acid sử dụng làm chất mang phân lân
Tác giả	Ngô Minh Thuận
Người hướng dẫn	TS. Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	10,16 MB