tổng hợp hydrogel ứng dụng trong kỹ thuật nông nghiệp từ n n diethylacrylamide và maleic acid

Tất cả nguyên liệu trên sẽ được sử dụng bằng đơn phối liệu phù hợp để tạo ra một vật liệu vô cùng tiềm năng cho nông nghiệp hiện đại với khả năng cấp nước và phân bón một cách tối ưu, hi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD: TS HUỲNH ANH TUẤN SVTH: TRẦN HOÀNG KIM

SKL011839

TỔNG HỢP HYDROGEL ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT

NÔNG NGHIỆP TỪ N,N’ – DIETHYLACRYLAMIDE VÀ MADELIC ACID

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

MALEIC ACID

SVTH: Trần Hoàng Kim MSSV: 19128042

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Tên đề tài: TỔNG HỢP HYDROGEL ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT NÔNG

NGHIỆP TỪ N,N -DIETHYLACRYLAMIDE VÀ MALEIC ACID

Nông nghiệp luôn là bệ đỡ của nền kinh tế chính vì vậy mà phát triển nông nghiệp được xem là yếu tố cốt lõi để phát triển kinh tế Các vật liệu hydrogel ứng dụng trong nông nghiệp cũng từ nhu cầu trên mà ra đời, để giải quyết các vẫn đề như cung cấp nước và chất dinh dưỡng cho cầy trồng một cách hiệu quả, không gây lãng phí Bên cạnh đó, để đạt được những tính chất cần thiết cho các ứng dụng trong nông nghiệp, semi-IPN hydrogel có thể

là một vật liệu hữu ích

Trong khóa luận này, các vật liệu hydrogel thông minh bao gồm hydrogel thông thường (CH) và semi – IPN hydrogel (SH) đã được tổng hợp dựa trên N, N’-Diethylacrylamide và Maleic acid theo kỹ thuật trùng hợp gốc tự do Sau khi tổng hợp, các vật liệu được đánh giá bằng phương pháp lý – hóa bởi các phép đo như FTIR, đo lưu biến, cơ tính, DSC, TGA, SEM, EDX, tốc độ trương nở và tỉ lệ trương nở trong các môi trường pH khác nhau Cả hai mẫu hydrogel thông thường (CH) và semi – IPN hydrogel (SH) đều được tiến hành khảo sát khả năng hấp thụ và giải phóng Urea, tìm ra mẫu có đáp ứng cao để hướng đến ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp

Từ kết quả nghiên cứu cho thấy, mẫu semi – IPN hydrogel có những đặc tính tốt hơn hydrogel thông thường Cụ thể, kết quả SEM của CH và SH cho thấy sự khác nhau về kích thước và tỉ lệ lỗ xốp với giá trị lần lượt là 300,52 + 48,54 μm với 42,82% lỗ xốp và 140,39 + 25,02 μm, với 30,33% lỗ xốp Điều này cũng đã trực tiếp ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ nước của các mẫu hydrogel, với SR của hai mẫu SH, CH lần lượt là 2498,067% tại

2820 phút và 2053,393% tại 2910 phút, SH có tốc độ trương trong nước nhanh và tỉ lệ trương cân bằng lớn hơn so với CH Thêm vào đó, qua kết quả khảo sát động học cho thấy nước hấp thụ vào hydrogel tuân theo định luật Fickian. Kết quả nghiên cứu cơ tính cho thấy, các mẫu semi-IPN hydrogel có cơ tính cao hơn hydrogel thông thường với ứng suất nén đo được trên các mẫu SH và CH lần lượt là 255,97 + 2,66 kPa và 174,89 + 1,92 kPa

Sự linh hoạt trong cấu trúc của semi – IPN hydrogel được chứng minh bằng kết quả DSC, thông qua sự chênh lệch về giá trị Tg của các mẫu, với giá trị Tg của CH là 120,40oC và SH

là 111,36oC thấp hơn so với CH Kết quả phân tích TGA, đã thể hiện tính bền nhiệt của mẫu semi – IPN hydrogel so với hydrogel thông thường với khối lượng còn lại là 17,13% trong khi hydrogel thông thường chỉ còn lại 10,06% trong vùng nhiệt độ khảo sát 50 –

900oC

Đối với đánh giá khả năng hấp thụ và giải phóng Urea hydrogel cho thấy hàm lượng Urea được hấp thụ tối đa bởi CH và SH lần lượt là 310,714 và 413,776 mg/g Mô hình hấp thụ đẳng nhiệt Langmuir thể hiện sự tương thích cao đối với cơ chế hấp thụ Urea của hydrogel Khi khảo sát khả năng giải hấp thu Urea kết quả cho thấy lượng Urea lớn nhất được giải phóng từ CH và SH là 60,66% tại 3700 phút và 86,81% tại 4800 phút, cả hai đều đạt kết quả giải phóng cao nhất ở môi trường pH 7 và giảm dần từ pH 10 đến pH4 Để đánh giá khả năng giải phóng phân bón Urea của các mẫu hydrogel, bốn mô hình động học là Zero – Order (Z-O), First – Order (F-O), Higuchi (H) và Korsmeyer – Peppas (K-P) được nghiên cứu Từ kết quả khảo sát các mô hình động học thấy rằng mô hình K – P có sự tương thích cao và nhận định rằng quá trình giải phóng Urea diễn ra theo Quasi – Fickian

Sự tác động của vật liệu hydrogel khi nằm trong đất trồng bao gồm độ ẩm và pH cũng đã được nghiên cứu Đối với độ ẩm, nhận thấy rằng độ ẩm của mẫu đất/SH có xu hướng giảm chậm nhất với giá trị 72,90% ở ngày 1 và còn lại 39,33% ở ngày kết thúc của giai đoạn 1;

ở giai đoạn 2, mẫu đất/SH có độ ẩm đạt được giữ lại lớn nhất trong các mẫu khảo sát với 79,845% tại ngày 13 và 46,912% ở ngày 23 Bên cạnh đó, kết quả giá trị pH theo dõi luôn nằm ổn định trong khoảng 7,441 < pH < 7,977

Dựa vào các kết quả đã khảo sát trên, khóa luận đã chứng minh SH/Urea có các tính chất vượt trội Từ đó đưa vào ứng dụng khảo sát tác động của nó đến sự phát triển của cây đậu bắp Kết thúc quá trình khảo sát trong 35 ngày nhận thấy rằng đối với những mẫu đất có chứa SH/Urea cây vẫn tiếp tục sống và phát triển tốt khi được trồng trong mẫu đất chứa 4% SH/Urea Trong khi đó, cây trồng ở mẫu đất thông thường bắt đầu giai đoạn héo ở ngày thứ

20

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận tốt nghiệp là những kiến thức và kỹ năng quý báu được tích lũy trong nhiều năm đại học Chính vì vậy, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể quý thầy cô bộ môn Công nghệ Hóa học, khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian ngồi trên ghế giảng đường

Em xin trân trọng cảm ơn thầy hướng dẫn – TS Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn đã luôn hỗ trợ, giúp em định hướng cách tư duy và làm việc khoa học Cho em những góp ý vô cùng bổ ích, không chỉ trong quá trình thực hiện khóa luận này mà còn là hành trang tiếp bước cho

em trong quá trình học tập và lập nghiệp sau này

Và cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người luôn chia sẻ, cổ vũ, động viên để em có nhiều động lực vượt qua những khó khăn và hoàn thành khóa luận một cách trọn vẹn nhất Cũng cảm ơn bản thân vì những cố gắng và nổ lực trong nhiều tháng vừa qua

Dù vốn kiến thức còn hạn chế và gian thực hiện khóa luận không quá dài nhưng em

đã cố gắng trau dồi và nghiên cứu thêm nhiều tài liệu trong lĩnh vực khoa học cùng với những góp ý và nhận xét từ thầy hướng dẫn, em đã hoàn tất bài luận với nội dung được trình bày logic, rõ ràng Tuy nhiên, vẫn không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình của quý thầy cô và các bạn đọc để khóa luận của em được hoàn thiện hơn

Xin chúc những điều tốt đẹp nhất sẽ luôn đồng hành với mọi người

Em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2023 Sinh viên thực hiện

Trần Hoàng Kim

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung và kết quả trình bày trong bài khóa luận tốt nghiệp của

mình là do tôi tự tìm hiểu, thực hiện và phân tích một cách khách quan, trung thực, dưới sự

cố vấn của thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn Thêm vào đó, các tài liệu tham khảo được sử

dụng để giải thích và so sánh kết quả với thực nghiệm trong khóa luận này đều có nguồn

gốc rõ ràng và được tôi trích dẫn đầy đủ, chính xác

TP Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 07 năm 2023 Sinh viên thực hiện

Trần Hoàng Kim

MỤC LỤC

MỤC LỤC xii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xvi

DANH MỤC BẢNG xix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xx

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Giới thiệu chung về hydrogel 5

1.1.1 Định nghĩa 5

1.1.2 Phân loại hydrogel [1] 5

1.2 Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp 6

1.2.1 Các đặc tính chính của hydrogel ứng dụng trong nông nghiệp [4] 7

1.2.2 Ưu điểm của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp [4] 7

1.2.3 Một số nhược điểm của hydrogel khi ứng dụng trong nông nghiệp 8

1.2.4 Cơ chế hấp thụ nước của hydrogel [6] 8

1.2.5 Phương pháp ứng dụng hydrogel trong nông nghiệp [6] 9

1.2.6 Cơ chế hoạt động của hydrogel khi gieo trồng [7] 10

1.3 Giới thiệu về hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow release fertilizers hydrogels – SRFHs) 11

1.3.1 Phương pháp nạp phân bón vào hydrogel [10] 11

1.3.2 Cơ chế giải phóng phân bón [11] 12

1.4 Tổng quan về nguyên liệu 14

1.4.1 N, N’-Diethylacrylamide (DEA) 14

1.4.2 Poly(N, N’ -Diethylacrylamide) 14

1.4.3 Acid Maleic (MA) 15

1.4.4 Ammonium persulfate (APS) 16

1.4.5 N, N, N′, N′-Tetramethyl ethylenediamine (TEMED) 17

1.4.6 N,N’ – Methylenebisacrylamide (MBA) 18

1.4.7 Urea 19

1.5 Một số kỹ thuật nghiên cứu homopolymer và semi-IPN hydrogel 20

1.5.1 Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC) 20

1.5.2 Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS) 21

1.5.3 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR) 22

1.5.4 Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis – TGA) 22

1.5.5 Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimentry – DSC) 22

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 – EDX) 23

1.5.7 Lưu biến (Rheology) 24

1.5.8 Tốc độ và khả năng trương nở (Swelling Rate; Swelling Ratio – SR) 24

1.5.9 Khảo sát ứng dụng hấp thụ và giải phóng Urea bằng phương pháp UV – Vis 25

1.5.10 Các mô hình động học đánh giá việc hấp thụ và giải phóng Urea 26

1.6 Tổng quan về vật liệu tiến hành thực nghiệm 28

1.6.1 Đất trồng 28

1.6.2 Tổng quan về cây trồng thực nghiệm 29

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ 32

2.2.2 Dụng cụ 32

2.2.3 Thiết bị 32

2.2 Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu 33

2.2.1 Tổng hợp homopolymer mạch thẳng pDEA 33

2.2.2 Tổng hợp các mẫu hydrogel 35

2.3 Phương pháp thực nghiệm 39

2.3.1 Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC) 39

2.3.2 Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS) 39

2.3.3 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR) 39

2.3.4 Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) 39

2.3.5 Khảo sát tốc độ trương nở (Swelling Rate) 40

2.3.6 Khảo sát tỉ lệ trương cân bằng (Swelling Ratio – SR) 40

2.3.7 Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric Analysis - TGA) 40

2.3.8 Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry – DSC) 40

2.3.9 Đo lưu biến (Rheological Measurement) 41

2.3.10 Đo cơ tính 41

2.3.11 Khảo sát khả năng hấp thụ Urea 41

2.3.12 Khảo sát khả năng giải phóng Urea 42

2.3.13 Đánh giá tính chất của đất theo thời gian 42

2.3.14 Theo dõi sự phát triển của cây trồng 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 47

3.1 Tổng hợp hompolymer PDEA 47

3.1.1 Tổng hợp pDEA 47

3.1.2 Kết quả phổ FTIR của homopolymer pDEA 47

3.1.3 Kết quả phân tích sắc ký thẩm thấu gel (GPC) 48

3.1.4 Kết quả đo tán xạ ánh sáng động (DLS) 49

3.2 Tổng hợp các mẫu hydrogel 50

3.2.1 Kết quả phổ hồng ngoại FTIR 50

3.2.2 Đường kính các mẫu hydrogel 53

3.2.3 Kết quả chụp SEM 54

3.2.4 Khảo sát quá trình trương nở 56

3.2.5 Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 62

3.2.6 Kết quả phân tích nhiệt vi sai (DSC) 65

3.2.7 Kết quả đo lưu biến 66

3.2.8 Kết quả khảo sát cơ tính 67

3.2.9 Khảo sát khả năng hấp thụ Urea 69

3.2.10 Khảo sát khả năng giải phóng Urea 76

3.3 Kết quả khảo sát tính chất của đất 81

3.3.1 Đo độ ẩm đất 81

3.3.2 Đánh giá pH của đất theo thời gian 84

3.4 Theo dõi sự phát triển của cây trồng 85

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cơ chế hấp thụ nước của hydrogel [6] 9

Hình 1.2: Quy trình hoạt động của hydrogel khi gieo trồng [7] 10

Hình 1.3: Quá trình nạp phân bón theo phương pháp 2 lần sấy 12

Hình 1.4: Cơ chế giải phóng phân bón 13

Hình 1.5: Công thức cấu tạo của DEA 14

Hình 1.6: Công thức cấu tạo của MA 15

Hình 1.7: Công thức cấu tạo của APS 16

Hình 1.8: Công thức cấu tạo của TEMED 17

Hình 1.9: Cơ chế xúc tác xúc tiến của APS và TEMED [15] 18

Hình 1.10: Công thức cấu tạo của MBA 18

Hình 1.11: Công thức cấu tạo của Urea 19

Hình 1.12: Mô phỏng kết quả đo GPC 21

Hình 1.13: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét (SEM) [21] 23

Hình 1.14: Phản ứng tạo phức của dung dịch tạo phức Urea [30] 26

Hình 2.1: Phương trình tổng hợp homopolymer pDEA 33

Hình 2.2: Cách lắp đặt thí nghiệm tổng hợp homopolymer pDEA 33

Hình 2.3: Sơ đồ quy trình tổng hợp homopolymer pDEA 34

Hình 2.4: Mẫu thẩm tách và quy trình rửa mẫu 35

Hình 2.5: Sơ đồ quy trình tổng hợp semi – IPN hydrogel 36

Hình 2.6: Sơ đồ minh họa cho quá trình tổng hợp semi – IPN hydrogel 37

Hình 2.7: Phản ứng minh họa cho quá trình tổng hợp semi – IPN hydrogel 38

Hình 2.8: Mẫu hydrogel được rửa trong thực tế 38

Hình 2.9: Đất trồng cây đa dụng NAMIX 44

Hình 2.10: Hạt giống cây đậu bắp 44

Hình 2.11: Khay ươm mầm 45

Hình 2.12: Cây con sau khi được chuyển sang chậu lớn 46

Hình 3.1: Ngoại quan của pDEA 47

Hình 3.2: Kết quả phổ FTIR của các monomer DEA và hompolymer pDEA 48

Hình 3.3: Đồ thị phân tích kết quả đo GPC của pDEA 49

Hình 3.5: Ngoại quan của pDEA 0,5% tại 25 oC và 45 oC 50

Hình 3.6: Kết quả phổ FTIR của Maleic Acid, MBA, CH và SH 51

Hình 3.7: Kết quả FTIR của các mẫu CH, SH, Urea, CH/Urea và SH/Urea 53

Hình 3.8: Đường kính của các mẫu hydrogel ở trạng thái trương cân bằng trong nước tại 25 ℃ a) CH; b) SH 53

Hình 3.9: Kết quả khảo sát bề mặt các mẫu a) CH và b) SH 54

Hình 3.10: Ảnh SEM ở các độ phóng đại X20 và X60 của mẫu SH (a, b) và CH (c, d) 55

Hình 3.11: Tốc độ trương nở theo thời gian của hydrogel 56

Hình 3.12: Động học quá trình trương nở t/S theo t 58

Hình 3.13: Đồ thị lnF theo lnt của mẫu CH và SH 59

Bảng 3.3: Kết quả tính toán động học trương nở 60

Hình 3.14: Khả năng trương nở của mẫu SH và CH trong các giá trị pH 4, 6, 7, 8, 10 tại 25 ℃ 60

Hình 3.15: Khả năng trương nở của hydrogel trong các môi trường muối khác nhau 61

Hình 3.16: Kết quả TGA của mẫu semi – IPN hydrogel và hydrogel thông thường 63

Hình 3.17: Kết quả phân tích nhiệt vi sai của SH và CH 65

Hình 3.18: Đồ thị G’, G’’ và độ nhớt theo thời gian của CH và SH 66

Hình 3.19: Đường cong ứng suất – biến dạng của các mẫu hydrogel 68

Hình 3.21: Dãy chuẩn dung dịch tạo phức của Urea được chuẩn bị theo nồng độ từ 100 –

700 mg/L 70

Hình 3.22: Đường chuẩn của dung dịch Urea trong khoảng nồng độ 100 – 700 mg/L 70

Hình 3.23: Kết quả khảo sát hấp thụ Urea theo nồng độ ban đầu của SH và CH tại 25 oC trong 72 giờ 71

Hình 3.24: Các mô hình động học đẳng nhiệt hấp phụ Urea của CH a) Mô hình Langmuir; b) Mô hình Freunhlich; c) Mô hình TemKin và d) Mô hình Dubinin – Radushkevich 72

Hinh 3.25: Các mô hình động học đẳng nhiệt hấp thụ Urea của CH a) Mô hình Langmuir; b) Mô hình Freunhlich; c) Mô hình TemKin và d) Mô hình Dubinin – Radushkevich 75

Hình 3.26: Đồ thị khảo sát khả năng giải phóng Urea tại 25 ℃ của mẫu CH 76

Hình 3.27: Đồ thị khảo sát khả năng giải phóng Urea tại 25 ℃ của mẫu SH 77

Hình 3.28: Kết quả khảo sát độ ẩm của đất trong hai giai đoạn thử nghiệm a) Từ ngày 0 đến ngày 12; b) Từ ngày 13 đến ngày 23 81

Hình 3.29: Mẫu đất đo pH được chuẩn bị dưới dạng dung dịch huyền phù 84

Hình 3.30: Đồ thị biễu diễn pH của đất theo dõi theo thời gian 84

Hình 3.31: Đồ thị theo dõi kích thước cây đậu bắp trong 35 ngày a) Chiều cao cây; 87

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Các mô hình động học đánh giá khả năng giải phóng của Urea 28

Bảng 2.1: Thành phần nguyên liệu sử dụng tổng hợp hydrogel 37

Bảng 3.1: Kích thước lỗ xốp và phần trăm diện tích lỗ xốp của hydrogel 56

Bảng 3.2: Kết quả tính toán động học tỉ lệ trương nở trong nước cất ở 25 ℃ 59

Bảng 3.3: Kết quả tính toán động học trương nở 60

Bảng 3.4: Tỉ lệ trương nở trong dung dịch AlCl3, CaCl2, NaCl của SH và CH tại 25 oC 62

Bảng 3.5: Kết quả đo TGA của mẫu semi – IPN hydrogel và hydrogel thông thường 64

Bảng 3.6: Nhiệt độ chuyển thủy tinh của semi-IPN hydrogel và hydrogel thông thường 65 Bảng 3.7: Kết quả đo cơ tính cho các mẫu hydrogel 68

Bảng 3.8: Thông số của các mô hình hấp thụ đẳng nhiệt của SH và CH 74

Bảng 3.9: Kết quả tính toán cho các mô hình động học giải phóng Urea của SH và CH 80

Bảng 3.10: Kết quả theo dõi độ ẩm của đất 83

Bảng 3.11 Kết quả theo dõi sự phát triển của cây trồng ở các mẫu đất khác nhau trong 35 ngày 85

Bảng 3.12: Kích thước các mẫu cây đậu bắp 89

N, N’ – Diethylacrylamide Phép đo tán xạ ánh sáng động Phép đo nhiệt lượng quét vi sai Quang phổ tán xạ năng lượng tia X

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

Mô hình Higuchi Liên minh Quốc tế về Hóa học cơ bản và Hóa học ứng dụng

Mô hình Knorsmeyer – Peppas

Acid Maleic

N, N’- Methylenebisacrylamide

p – Dimethylaminobenzaldehyde

Semi-IPN Hydrogel Kính hiển vi điện tử quét Mạng lưới polymer bán xen kẽ Swelling ratio – tỷ lệ trương nở Hydrogel giải phóng phân bón chậm N,N,N′,N′-Tetramethyl ethylenediamine Phân tích nhiệt trọng lượng

Mô hình Zero – Order

MỞ ĐẦU

Ảnh hưởng của đại dịch Covid – 19 đã dẫn đến sự gián đoạn chuỗi cung ứng trên toàn thế giới khi hàng loạt các công ty, tập đoàn bị phá sản, biến mất khỏi thị trường Cuộc xung đột giữa Nga – Ukraine đã đẩy giá năng lượng và hàng hóa tăng nhanh, các vấn này như bắt thang cho lạm phát leo cao, tăng vọt

Trong bức tranh kinh tế toàn cầu ảm đạm bao phủ bởi nguy cơ suy thoái, nhiều quốc gia trên thế giới đang phải giải một bài toán đau đầu để tìm ra phương pháp kinh tế hiệu quả, thông minh

Đối với nền kinh tế Việt Nam cần có nhiều đổi mới để thích khi với bối cảnh hiện nay, đặc biệt là đối với sản xuất nông nghiệp khi từ lâu đã được xem là lĩnh vực sản xuất quan trọng nhất đối với sự phát triển của Việt Nam Là ngành trọng yếu nhưng lại đi đôi với nhiều khó khăn, khó khăn lại càng chồng chéo với những “thách thức” của kinh tế hiện nay Các nghiên cứu mới đây cho thấy “bão” lạm phát đã dẫn đến giá cả phân bón tăng mạnh do đây

là mặt hàng vừa nhập khẩu thành phẩm, vừa nhập khẩu nguyên liệu về để sản xuất trong nước Tương tự như vậy, tác động của biến đổi khí hậu trên toàn cầu đã dẫn đến tình trạng nước tưới đang ngày càng trở nên khan hiếm mà nhu cầu về nước lại ngày càng tăng cao Tại các vùng nông nghiệp, việc tưới tiêu và bón phân một cách hợp lý đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc duy trì độ phì nhiêu của đất, cải thiện chất lượng thu hoạch và tăng năng suất Tuy nhiên đối với phương pháp tưới tiêu và bón phân truyền thống đã làm thất thoát một lượng nước đáng kể cũng như lượng phân được bón cho cây trồng do bay hơi và rửa trôi điều này không những làm tăng chi phí nông nghiệp mà còn dẫn đến ô nhiễm môi trường

Bài toán khó gần như đã có lời giải với sự xuất hiện của vật liệu hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow Release Fertilizers Hydrogels – SRFHs) vật liệu này như “cứu tinh” cho tình hình nông nghiệp hiện nay, sự ra đời của nó không những chỉ giải quyết về vấn đề kinh

tế mà còn cải thiện được môi trường đất SRFHs là sự kết hợp hoàn hảo giữa hydrogel siêu hấp thụ (Super Absorption Hydrogel – SAH) và phân bón SAH có khả năng hấp thụ một lượng nước lớn sau đó giữ lượng nước này trong cấu trúc rồi giải phóng chúng từ từ dưới điều kiện thích hợp như pH, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất thẩm thấu… Khi kết hợp cùng với

năng thất thoát nước của đất, tăng hiệu quả sử dụng nước, cải thiện khả năng giữ nước của các loại đất khác nhau, tăng tính thấm của đất Ngoài ra nó cò nhả ra một lượng phân bón phù hợp với nhu cầu không gây lãng phí, tiết kiệm cho nông dân về nhiều mặt

Trong bài nghiên cứu này SRFHs sẽ được tổng hợp từ các nguyên liệu chính như: N, N’ – Diethylacrylamide, Maleic Acid, MBA, APS, TEMED và Urea

N, N’ – Diethylacrylamide – DEA là nguyên liệu chính để tổng hợp vật liệu SRFHs, dễ dàng trùng hợp để tạo ra pDEA, với khả năng phản ứng cao, lại không quá đắt tiền nên được dùng trong nhiều ứng dụng PDEA được biết đến là một polymer nhạy nhiệt điển hình

do cấu trúc có nhóm amide ưa nước và nhóm diethyl kỵ nước, pDEA có nhiệt độ dung dịch tới hạn - LCST khoảng 31oC Khi vượt quá nhiệt độ LCST, nhóm diethyl kỵ nước và trải qua quá trình chuyển pha từ cấu trúc duỗi thẳng chuyển sang cấu trúc xoắn đây cũng là nguyên nhân làm cho mẫu sau khi tổng hợp ở trạng thái trắng đục PDEA được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do của monomer DEA bằng dung dịch khơi mào và chất xúc tác phù hợp trong bài nghiên cứu này sẽ sử dụng APS và TEMED Ngoài ra còn

có 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 MBA là nguyên liệu không thể thiếu trong quá trình tổng hợp đóng vai trò là chất khâu mạng Nguyên liệu cuối cùng chính là phân bón, cái tên được chọn là Urea một loại phân quá quen thuộc với nhà nông, chiếm hơn 60% các loại phân đạm sản xuất và tiêu thụ trên thế giới với hàm lượng đạm Nitơ lên đến 45-47%, giúp cho cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt Tất cả nguyên liệu trên sẽ được sử dụng bằng đơn phối liệu phù hợp để tạo ra một vật liệu vô cùng tiềm năng cho nông nghiệp hiện đại với khả năng cấp nước và phân bón một cách tối ưu, hiệu quả, mang đến kết quả cũng như năng suất cao cho người dân, vật liệu đó chính là “Hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow Release Fertilizers Hydrogels – SRFHs)”

Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp hydrogel thông thường và semi-IPN hydrogel từ homopolymer pDEA, monomer Maleic Acid, monomer N, N’-Diethylacrylamide

Khảo sát tốc độ trương nở, khả năng trương nở trong các pH và muối khác nhau của hydrogel thông thường và semi-IPN hydrogel

Khảo sát các tính chất của vật liệu bởi các các phương pháp: GPC, FTIR, DLS, DSC, TGA, SEM/EDX , đo lưu biến, cơ tính

Nghiên cứu khả năng hấp thụ và giải phóng Urea của hydrogel thông thường và semi-IPN hydrogel bằng phương pháp đo UV – Vis

Kiểm tra và đánh giá độ ẩm, pH của đất khi sử dụng hydrogel trong đất theo thời gian Đánh giá sự phát triển của cây đậu bắp trên đất bình thường và đất có chứa hydrogel hấp thụ urea theo thời gian

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tổng hợp các mẫu hydrogel thông thường và semiIPN hydrogel từ N, N’ Diethylacrylamide, linear PDEA 10%, acid Maleic, MBA là tác nhân khâu mạng, hệ xúc tác oxy hóa khử APS/TEMED Urea được sử dụng như là phân bón được đưa vào hydrogel trong đề tài này

-Thời gian thực hiện khóa luận: 18/2/2023 – 30/7/2023

Địa điểm thí nghiệm: Phòng thí nghiệm Polymer, 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: Đọc, tìm hiểu và nghiên cứu các tài liệu về lý thuyết tổng quan cũng như lý

thuyết thực nghiện liên quan đến đề tài

Giai đoạn 2: Tổng hợp homopolymer PDEA, hai mẫu hydrogel là hydrogel thông thường,

semi-IPN hydrogel từ đó khảo sát kết quả thu được

Giai đoạn 3: Khảo sát các tính chất của vật liệu dựa trên các phương pháp: tỷ lệ trương nở,

đo lưu biến, cơ tính, GPC, FTIR, DLS, DSC, TGA, SEM/EDX

Giai đoạn 4: Khảo sát khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón urea của hydrogel bằng

phương pháp đo UV-VIS

Giai đoạn 5: Theo dõi và đánh giá độ ẩm, pH của đất theo thời gian khi có và không có sử

dụng hydrogel

Giai đoạn 6: Thực nghiệm trên đất bình thường và đất có sử dụng hydrogel

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu các tính chất giữa hydrogel thông thường và semi-IPN

phú nguồn tài liệu về lĩnh vực nghiên cứu về polymer thông minh cho nền khoa học nước nhà

Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu và so sánh các tính chất, khả năng hấp thụ, giải phóng nước

và phân bón cho cây trồng của hydrogel thông thường và semi – IPN hydrogel Tạo ra được một vật liệu có thể giúp đỡ cho nông dân và góp phần phát triển nền nông nghiệp Việt Nam

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

Ngoài ra, hydrogel còn có khả năng tương thích và phân hủy sinh học cao cùng độ bền và

ổn định môi trường tốt, không màu, không mùi, không độc hại [2]

1.1.2 Phân loại hydrogel [1]

Hydrogel có thể được phân loại dựa vào nhiều cơ sở khác nhau như sau:

❖ Phân loại dựa trên nguồn gốc, bao gồm:

- Hydrogel tự nhiên là loại hydrogel được tạo ra từ các hợp chất tự nhiên như collagen, chitosan, alginate, gelatin…

- Hydrogel tổng hợp là loại hydrogel được tạo ra từ các hợp chất hóa học như PVA (polyvinyl alcohol), PAA (polyacrylic acid), PEG (polyethylene glycol), và một số loại polymer khác

❖ Phân loại theo thành phần, bao gồm:

- Hydrogel homopolyme là mạng polymer có nguồn gốc từ một loại monome duy nhất

- Hydrogel copolyme bao gồm hai hoặc nhiều loại monome được sắp xếp theo cấu hình ngẫu nhiên, khối hoặc xen kẽ

- Hydrogel polymer xen kẽ (IPN) là một loại hydrogel quan trọng, được tạo thành từ hai hay nhiều mạng polymer đan xen lẫn nhau một phần hoặc toàn phần và các polymer này liên kết một cách độc lập

- Hydrogel polymer bán xen kẽ (Semi-IPN) là một loại hydrogel bao gồm một hoặc nhiều polymer mạch cấu trúc không gian kết hợp với các chuỗi polymer mạch thẳng bằng cách xâm nhập chuỗi mạch thẳng vào mạng cấu trúc không gian Đặc biệt các mạng polymer này sẽ giữ nguyên tính chất riêng

- Vô định hình (không kết tinh)

- Bán tinh thể: Một hỗn hợp phức tạp giữa vô định và pha tinh thể

- Kết tinh

❖ Phân loại theo điện tích mạng, bao gồm:

- Không ion (trung tính)

- Ionic (anion và cation)

- Chất điện ly lưỡng tính (chứa cả nhóm acid và base)

- Zwitterionic (cả nhóm anion và cation trong mỗi đơn vị lặp lại)

❖ Cuối cùng là phân loại theo tính chất vật lý và hóa học:

- Theo tính chất vật lý: Các loại hydrogel này thường sẽ kém bền bởi các chuỗi polymer

sẽ liên kết bằng lực tĩnh điện, tương tác kỵ nước, liên kết Van der Waals, liên kết điện tích có trong phức chất, liên kết hydro… các liên kết này do kém bền nên thường dễ dàng bị biến đổi khi đun nóng

- Theo tính chất hóa học: Loại hydrogel này sẽ bền hóa học tương tác kỵ nước, liên kết Van der Waals, liên kết điện tích có trong phức chất…[3]

1.2 Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp

Một trong những yếu tố cần và phải đảm bảo trong nông nghiệp chính là tưới tiêu giúp cây trồng và hoa màu phát triển Quá trình tưới tiêu rất tốn kém, đặc biệt là ở những vùng khan hiếm nước điều này lại càng khó khăn Ngoài ra khi nhắc đến trồng trọt, không thể không nhắc đến việc bón phân, cung cấp chất dinh dưỡng Công cuộc bón phân thường gây xảy

ra hiện tượng chảy tràn, rửa trôi và bốc hơi, điều này làm cho sự hấp thụ phân bón của cây cũng như hiệu quả của việc bón phân giảm đi đáng kể [2]

Vì vậy để giải quyết những vật đề này, sự ra đời của SRFHs là một giải pháp thay thế hấp dẫn Với cơ chế hấp thụ nước bằng cách trương nở sau đó giải phóng nước từ từ khi đất khô đi thông qua quá trình khuếch tán Bằng cách này, sẽ tránh được thất thoát nước và bay hơi trong quá trình tưới mà đất sẽ luôn giữ được độ ẩm Ngoài ra khi hydrogel hấp thụ nước chúng sẽ trương lên giúp cho độ xốp của đất cũng được tăng theo, kết quả là cung cấp được một lượng lớn oxy cho rễ Khi được kết hợp cùng phân bón tạo ra SRFHs, giảm thiếu việc thất thoát chất dinh dưỡng nó còn có ưu điểm là cung cấp chất dinh dưỡng một cách ổn

định, có kiểm soát trong thời gian dài, tăng hiệu quả của phân, giảm tần suất bón, giảm tác hại của phân bón – liều lượng và độc tính [2]

1.2.1 Các đặc tính chính của hydrogel ứng dụng trong nông nghiệp [4]

- Hydrogel ít bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của muối trong đất

- Cải thiện được tính chất vật lý và phục hồi hệ sinh vật của đất

- Thúc đẩy tỷ lệ nảy mầm của hạt và quá trình phát triển của cây con

- Cải thiện được sự phát triển của rễ và mật độ cây trồng

- Giúp duy trì độ ẩm cho đất và giữ độ ẩm kéo dài cho cây trồng sinh trưởng

- Làm giảm thời gian hình thành vườn ươm

- Giúp giảm tần suất tưới tiêu và nhu cầu bón phân của cây trồng với hiệu quả sử dụng đầu vào được cải thiện

1.2.2 Ưu điểm của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp [4]

Trong nông nghiệp, hydrogel hoạt động như một hồ chứa nước siêu nhỏ ở rễ cây, chúng hấp thụ lượng nước tự nhiên và lượng nước được cung cấp gấp 400-500 lần trọng lượng khô của chúng và giải phóng nước từ từ giúp ngăn chặn sự mất nước trong đất do rửa trôi

và bây hơi

Hydrogel có thể tạo ra một quá trình hấp thụ và giải phóng nước theo chu kỳ nhất định, nước được giải phóng có thể cung cấp độ ẩm tối ưu cho quá trình nảy mầm và trưởng thành của cây con Do đó, giảm tỷ lệ chết của cây con xuống nhiều lần trong vườn ươm

Ở những vùng lạnh, cây con thường chết trong quá trình nảy mầm và trưởng thành do độ

ẩm bị đóng băng xung quanh khu vực rễ cây Tuy nhiên, độ ẩm được hấp thụ trong hydrogel lại không bị đóng băng và giúp cây dễ dàng tiếp nhận, ngăn cây con chết do đóng băng Hydrogel còn làm giảm tuần suất tưới tiêu, tiết kiệm nước và chi phí lao động, giúp đối mặt với tình trạng khô hạn Chúng hoạt động như chất điều hòa đất, ngăn chặn sự rửa trôi trong đất, giúp cải thiện và phục hồi hệ sinh vật

Hydrogel có thể làm giảm việc lạm dụng phân bón và thuốc trừ sâu trong canh tác Khi phân bón được hấp thụ cùng với nước sẽ giải phóng từ từ khi cần thiết, như vậy không nhưng giúp kéo dài tuổi thọ hoạt động còn giúp hiệu quả hấp thu của rễ tăng cao

Ngoài ra hydrogel còn đóng vai trò là chất keo tụ trong đất Chúng liên kết chặt chẽ với đất

ngăn chặn ngăn chặn quá trình nén chặt của các khoáng chất trong đất, tăng khả năng nhận oxy của đất

Được sử dụng một cách rộng rãi trong nông nghiệp, giúp giải quyết vấn đề của hạn hán, bảo tồn nước, giảm xói mòn đất do dòng chảy bề mặt, ngăn phân bón và thuốc trừ sâu chảy vào nước ngầm, tăng năng suất, giảm chi phí hoạt động của nông nghiệp

Xét về khia cạnh môi trường, hydrogel không gây ô nhiễm và có khả năng phân hủy sinh học

1.2.3 Một số nhược điểm của hydrogel khi ứng dụng trong nông nghiệp

Lượng nước mà hydrogel sẽ giảm đi rất nhiều nếu xuất hiện một ion không giữ nước trong cấu trúc Trong thực tế, đất chứa các ion từ phân bón và nước tưới như Ca2+, Mg2+ làm giảm đáng kể khả năng hấp thụ nước của hydrogel [5]

Hầu hết các loại đất có thể giữ có thể giữ một lượng nước hợp lý cho sự phát triển của cây trồng, nếu không có đủ lượng mưa, nước trong đất sẽ bị cạn kiệt Hydrogel sẽ không giải quyết được vấn đề này [4]

Hiệu quả của hydrogel còn phụ thuộc nhiều vào kết cấu của từng loại đất và polymer, phương pháp trồng trọt, thời gian áp dụng và bản chất của các loài cây trồng [6]

Một số trường hợp hydrogel chỉ có thể hấp thụ nước mà không giải phóng nước không những không giúp cây trồng phát triển mà ngược lại còn có thể làm héo các giá thể thực vật [6]

1.2.4 Cơ chế hấp thụ nước của hydrogel [6]

Nhờ có các nhóm chức ưa nước trong cấu trúc mạch polymer như acrylamide, acid acrylic, acrylate, acid carboxylic… đã giúp hydrogel hấp thụ một lượng nước lớn, nước sẽ đi vào cấu trúc của hydrogel bằng cách thẩm thấu Cơ chế này sẽ bắt đầu bằng việc, khi các chuỗi mạch polymer tương tác với các phân tử nước, các nguyên tử hydro sẽ thoát ra dưới dạng ion, quá trình này được gọi là hydrat hóa đồng thời cũng hình thành liên kết hydro Điều này đã dẫn đến sự xuất hiện của các ion âm gắn dọc trên chuỗi mạch polymer, khi các chuỗi mạch phân tử nằm cạnh nhau và tích điện cùng dấu chúng sẽ đẩy nhau, làm cho cấu trúc phân tử được mở rộng, giúp các phân tử nước dễ dàng khuếch tán vào mạng lưới bên trong, sau đó liên kết chúng lại với nhau bằng liên kết hydro, chính điều này đã giúp hydrogel trở thành một “hồ nước nhỏ”

Hydrogel có thể hấp thụ một lớn nước gấp 400-1000 lần trọng lượng khô của nó, khi cảm nhận sự khô hạn xung quanh khu vực rễ cây, chúng sẽ bắt đầu cung cấp lượng nước mà mình dự trữ, lượng nước này có thể lên đến 95% lượng dực trữ được Hình 1.1 bên dưới sẽ giúp chúng ta dễ hình dung hơn về cơ chế này

Hình 1.1: Cơ chế hấp thụ nước của hydrogel [6]

1.2.5 Phương pháp ứng dụng hydrogel trong nông nghiệp [6]

Có hai phương pháp để sử dụng hydrogel cho cây trồng, tùy thuộc vào mục đích mong muốn mà có thể áp dụng phương pháp phù hợp, mỗi phương pháp đều có ưu điểm riêng

❖ Phương pháp khô: Chính là sử dụng được sấy khô sau đó bón vào lớp đất ở độ sâu 15

– 25 cm, sau đó cấp ẩm bằng cách tưới nước vào đất để hydrogel hấp thụ và trương ra Sau khi trương, cấu trúc đất được cải thiện, khả năng thấm và giữ nước cũng tăng lên, giúp giảm lượng nước chảy tràn và xói mòn Phương pháp này phải đợi hydrogel hấp thụ nước, không thể gieo hạt ngay Ngoài ra đây còn là phương pháp áp dụng cho mục đích lâu dài vì quá trình hấp và nhả nước của hydrogel sẽ diễn ra tuần hoàn và sẽ phân hủy trong đất sau 2-5 năm

❖ Phương pháp ướt: Dung dịch polymer sẽ được tưới lên bề mặt đất ướt, sau đó làm khô

để tạo một cốt liệu ổn định với nước, chống xói mòn Phương pháp này đặc biệt phù hợp

với việc gieo hạt ngay, giúp giảm lượng nước tiêu thụ trong hệ thống tưới tiêu gây ra do khả năng giữ nước kém của đất

Tùy vào từng loại đất canh tác mà lượng hydrogel sử dụng sẽ khác nhau Trên các nghiên cứu đã đưa ra các tỉ lệ sử dụng đối với đất sét là 2,5 kg/ha ở độ sâu 6 - 8’’ và đất cát là 5,0 kg/ha ở độ sâu 4’’

1.2.6 Cơ chế hoạt động của hydrogel khi gieo trồng [7]

Đây là quy trình hoạt động của hydrogel khi gieo trồng bằng phương pháp khô Hydrogel khô sau khi được bón dưới đất sâu thông qua quá trình tưới tiêu hoặc trời đổ mưa lượng nước từ mặt đất sẽ từ từ đi sâu vào lớp đất bên dưới, lúc này hydrogel khô sẽ hấp thụ lượng nước đến độ trương cân bằng và giữ lượng nước bên trong cấu trúc của mình, điều này đã giúp giảm sự thất thoát, lãng phí nước Sau khi độ ẩm trong đất mất đi, sự chênh lệch áp suất thẩm thấu sẽ làm nước từ bên trong cấu trúc hydrogel đi ra ngoài để cung cấp cho cây trồng, sự giải phóng này sẽ diễn ra một cách từ từ đảm bảo cho đất ẩm một cách phù hợp

và cây trồng không bị thiếu nước Quá trình này sẽ diễn ra như một vòng lặp, khi tưới tiêu hay mưa xuống hydrogel sẽ bắt đầu hoạt động tích trữ, khi cảm nhận khô hạn chúng sẽ cung cấp nước từ từ Quy trình hoạt động này của hydrogel sẽ được mô tả cụ thể như hình 1.2 bên dưới

Hình 1.2: Quy trình hoạt động của hydrogel khi gieo trồng [7]

1.3 Giới thiệu về hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow release fertilizers

hydrogels – SRFHs)

Phân bón nhả chậm (Slow release fertilizers – SRF) hay nhả chậm có kiểm soát (Control release fertilizers – CRF) là những vật liệu gần đây được lĩnh vực nông nghiệp quan tâm khá nhiều bởi những lợi ích đáng khen của chúng như giảm thất thoát chất dinh dưỡng và nâng cao hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng Việc sử dụng CRF và SRF còn làm giảm lượng phân bón sử dụng từ 20 đến 30% so với tỷ lệ khuyến nghị của phân bón thông thường trong khi vẫn đạt được năng suất tương tự Ngoải ra nó còn giảm thiểu rủi ro liên quan đến phân bón như cháy lá, ô nhiễm nước và phú dưỡng (một quá trình mà các vùng nước nhận được chất dinh dưỡng dư thừa) Tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng chậm có thể giữ cho nồng độ chất dinh dưỡng có sẵn trong đất ở mức thấp hơn, giảm thất thoát nước và rửa trôi Giảm chi phí ứng dụng và lao động, loại bỏ các ứng dụng phân bón bổ sung tiết kiệm cho nông, tránh bón phân vào giai đoạn sinh trưởng muộn sẽ giúp loại bỏ thiệt hại cho cây trồng [8] Nitơ được biết một trong những nguyên tố đa lượng cần thiết cho sự phát triển của các loại cây trồng Trong khi, Urea là loại phân được sử dụng phổ biến nhất với hàm lượng Nitơ lên đến khoảng 46% [9] Nhưng việc bón một lượng urea lớn trong thời gian dài sẽ dẫn đến tình trạng làm tăng độ chua của đất urea Vì vậy việc sử dụng phân bón chậm là vô cùng cần thiết để giảm thiểu lượng dư thừa [8]

Với mong muốn tạo ra các vật liệu ngày càng “thông minh” hơn, giới khoa học đã nghiên cứu và đưa ra sự kết hợp tuyệt vời giữa phân bón nhả chậm và hydrogel để tạo thành hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow release fertilizers hydrogels – SRFHs) với khả năng không những cung cấp nước mà còn có thể bổ sung chất dinh dưỡng cho cây trồng [10]

1.3.1 Phương pháp nạp phân bón vào hydrogel [10]

Trong nhiều phương pháp đưa phân bón vào bên trong cấu trúc hydrogel để tạo ra hydrogel giải phóng phân bón chậm – SRFHs, hai phương pháp dưới đây là được đánh giá cao và thường xuyên áp dụng:

- Phương pháp thứ nhất (một lần sấy): Phân bón được đưa trực tiếp vào hydrogel trong quá trình tổng hợp

- Phương pháp thứ hai (hai lần sấy): Phân bón được đưa vào bằng cách cho hydrogel đã được tổng hợp và sấy khô vào ngâm trong dung dịch phân bón được pha lỏng

- Cả hai phương pháp trên đều có ưu và nhược điểm riêng, đối với phương pháp đầu tiên

ưu điểm nằm ở sự đơn giản hóa vì chỉ cần một bước làm khô, điều này làm giảm chi phí sấy và thời gian Tuy nhiên, quá trình tổng hợp phải được kiểm soát chặt chẽ cho đến khi kết thúc để tránh các vật liệu không phản ứng Còn đối với phương pháp thứ hai, có đến 2 giai đoạn sấy khô, trước và sau khi nạp phân bón Phương pháp này gây tổn thất hơn so với phương pháp đầu tiên nhưng nó có thể kiểm soát tốt quá trình hình thành SRFHs vì nó có thể loại bỏ các phản ứng phụ trong quá trình tổng hợp Hình 1.3 bên dưới đã mô tả quá trình nạp phân bón vào hydrogel bằng phương pháp thứ hai

Hình 1.3: Quá trình nạp phân bón theo phương pháp 2 lần sấy

1.3.2 Cơ chế giải phóng phân bón [11]

Cơ chế giải phóng phân bón của hydrogel sẽ bao gồm 3 giai đoạn, các giai đoạn này được

mô tả cụ thể như hình 1.4 bên dưới:

Hình 1.4: Cơ chế giải phóng phân bón

- Giai đoạn đầu: Trong giai đoạn này là khởi đầu cho quá trình giải phóng phân bón ra bên ngoài bằng việc nước bắt đầu tiếp xúc với lớp vỏ của vật liệu, sau đó đi vào lõi bên trong

và hòa tan phân bón Quá trình này xảy ra nhờ vào gradient áp suất hơi, ngoài ra nó còn giúp kiểm soát sự giải phóng chất dinh dưỡng, một trạng thái ổn định cũng được thiết lập giữa việc chất dinh dưỡng di chuyển ra bên ngoài và nước đi vào lắp đầy khoảng trống

- Giai đoạn thứ hai: Tiếp tục quá trình giải phóng, nước bắt đầu xâm nhập vào cấu trúc bên trong của vật liệu Lớp vỏ của vật liệu sẽ ảnh hưởng trực tiếp bởi tác động của môi trường xung quanh, tác động này có thể làm hỏng lớp vỏ và tạo ra các vết nứt Một ưu điểm của vật liệu giải phóng phân bón nhả chậm có lớp bao phủ là hydrogel vì nó có khả năng chống lại các tác động xấu của môi trường Mô hình giải phóng bị ảnh hưởng đáng

kể bởi pH, nhiệt độ, độ ẩm của đất, độ mặn và vi sinh vật trong đất

- Giai đoạn cuối: Quá trình khuếch tán phân bón sẽ diễn ra ở giai đoạn này, khi lượng phân bón đã được khuếch tán hoàn toàn ra bên ngoài sẽ để lại lớp vỏ vật liệu Lớp vỏ bọc này sẽ được các vi sinh vật trong đất phân hủy dưới các điền kiện thích hợp

1.4 Tổng quan về nguyên liệu

Trạng thái tự nhiên: Chất lỏng, không màu – vàng nhạt

Khối lượng phân tử: 127,19 g/mol

Khối lượng riêng: 0,925 g/cm3

1.4.2 Poly(N, N’ -Diethylacrylamide)

Trong số các polymer có khả năng chuyển pha thuận nghịch ở nhiệt độ nhất định bao gồm các amide bậc ba trong cấu trúc với gốc kỵ nước khác nhau, poly(N,N’ –Diethylacrylamide)

(pDEA) là một trong những polymer được đánh giá cao nhất với đặc tính tiếp xúc bề mặt

và khả năng thấm hút nước tốt hơn so với các polymer cùng họ như poly(N,N’ propylacrylamide) (pDAP) Hơn nữa, amide bậc ba của pDEA dẫn đến nhiễu loạn trong mạng lưới polymer với nước thông qua liên kết hydro là thấp hơn so với pDPA

-Cấu trúc phân tử của pDEA bao gồm một xương sống kỵ nước C=C giống như pDMA hay pDAP, nhưng pDEA có một amide bậc ba bao phủ bởi hai gốc etyl kỵ nước, điều này sẽ khiến cho pDEA có Tcg thấp hơn so với các polymer cùng họ khác [13]

Ngoài ra, LCST của pDEA đã được tìm thấy ở khoảng 31 oC, cùng với đặc tính chuyển pha thuận nghịch tại nhiệt độ tới hạn LCST, pDEA được đánh giá cao và trở thành ứng cử viên sáng giá trong nhiều ứng dụng như y sinh, phân phối thuốc có kiểm soát và kỹ thuật mô [14]

1.4.3 Acid Maleic (MA)

Công thức cấu tạo:

Hình 1.6: Công thức cấu tạo của MA Danh pháp IUPAC: (2Z)-But-2-enedioic acid

Tên gọi khác: maleinic acid, maleic acid, cis-butenedioic acid, (Z) – Butenedioic acid Công thức phân tử: C4H4O4

1.4.3.1 Tính chất vật lý

Trạng thái tự nhiên: Chất rắn, màu trắng

Khối lượng phân tử: 116,07 g/mol

Khối lượng riêng: 1,59 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy: 130 – 139 oC

Độ tan trong nước: 788 g/L

Maleic acid tồn tại dưới dạng bột màu trắng, có điểm nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 130 – 139 oC, khi nhiệt độ tăng maleic acid sẽ chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng Maleic acid không tồn tại ở nhiệt độ sôi thông thường mà nó phân hủy thành anhydrid malic (C4H2O3)

khả năng tạo liên kết hydro với phân tử nước, giúp nó tan trong nước tạo thành dung dịch aicd Độ tan của MA trong nước tăng khi nhiệt độ tăng

1.4.3.2 Tính chất hóa học

MA có tính acid mạnh và có khả năng tác dụng với các chất base để tạo ra muối Nó cũng

có khả năng tác dụng với các chất oxi hóa và chất khử Maleic acid cũng có thể tạo thành hợp chất với các chất khác như amine để tạo ra hợp chất có tính chất chalation Ngoài ra, trong mạch chính của MA còn chứa hai nhóm carboxyl, đây là nhóm chức ưa nước, nhóm chức này ảnh hưởng và quyết định phần lớn khả năng hấp thụ nước của hydrogel Trong mạch chính của maleic acid còn chứa liên kết π giúp chúng dễ dàng trùng hợp thành polymer

1.4.4 Ammonium persulfate (APS)

Công thức cấu tạo:

Hình 1.7: Công thức cấu tạo của APS

Danh pháp IUPAC: Ammonium persulfate

Tên gọi khác: APS, Ammonium peroxydisulfate

Công thức phân tử: (NH4)2S2O8

1.4.4.1 Tính chất vật lý

Trạng thái tự nhiên: Tinh thể, không màu

Khối lượng phân tử: 228,18 g/mol

Khối lượng riêng: 1,98 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy: 120 oC

APS tồn tại dưới dạng chất rắn tinh thể, khi đạt nhiệt độ nóng chảy nó sẽ chuyển từ dạng rắn sang lỏng APS cũng có khả năng tan trong nước và tạo thành dung dịch persulfuric acid Ngoài ra, APS còn là một chất oxi hóa mạnh, có khả năng tác động và oxi hóa các chất khác nên thường được sử dụng trong các quá trình oxi hóa khử ứng dụng trong thí nghiệm và công nghiệp

1.4.4.2 Tính chất hóa học

APS được xem như chất “khởi động” cho quá trình polymer hóa, chúng tạo ra các radical

tự do khi phân hủy, các radical này tác động lên các đơn vị monomer tạo ra các liên kết hóa học giữa chúng và tăng tốc quá trình polymer hóa Chính vì vậy APS được xem như một chất xúc tác trong quá trình polymer hóa, ứng dụng như là chất liên kết ngang trong 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, …

1.4.5 N, N, N′, N′-Tetramethyl ethylenediamine (TEMED)

Công thức cấu tạo:

Hình 1.8: Công thức cấu tạo của TEMED Danh pháp IUPAC: N,N,N’,N’ – Tetramethylethane – 1,2 – diamine

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

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

1.4.5.1 Tính chất vật lý

Trạng thái tự nhiên: Chất lỏng, không màu

Khối lượng phân tử: 116,21 g/mol

Khối lượng riêng: 0,776 g/mL

Nhiệt độ nóng chảy: 121 oC

TEMED tồn tại dưới dạng một chất lỏng, không màu và có mùi đặc trưng, có thể bay hơi

dễ dàng TEMED hòa tan tốt trong nước và các dung môi hữu cơ khác như ethanol, methanol, acetonitrile và chloroform, nó còn hòa tan trong dung môi không phân cực như benzen và toluen

1.4.5.2 Tính chất hóa học

TEMED có khả năng tăng tốc quá trình polymer hóa bằng cách gia tăng tốc độ phân hủy của APS, chính vì vậy TEMED được xem như chất xúc tiến trong phản ứng polymer hóa

APS và TEMED là một hệ xúc tác – xúc tiến phù hợp nhất để tổng hợp các monomer có chứa gốc vinyl

Hình 1.9: Cơ chế xúc tác xúc tiến của APS và TEMED [15]

Cơ chế xúc tác – xúc tiến của APS và TEMED diễn ra theo 4 giai đoạn được thể hiện trên hình 1.9 [16]

Giai đoạn 1: APS bị thủy phân trong nước sau đó phân ly thành NH4+ và S2O8 2-

Giai đoạn 2: Sau khi phân ly tạo ra 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

1.4.6 N,N’ – Methylenebisacrylamide (MBA)

Công thức cấu tạo:

Hình 1.10: Công thức cấu tạo của MBA