vật liệu hydrogel đi từ n n methylacrylamide và maleic acid tổng hợp và ứng dụng làm chất mang phân kali

Trong đề tài này, một vật liệu hydrogel được tổng hợp từ N,N’-Dimethylacrylamide DMA và Maleic acid MA bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do với chất khâu mạng là N,N’-Methylenebisacrylam

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 NGUYỄN ANH TUẤN SVTH: ĐINH ĐỨC HUY

SKL011828

VẬT LIỆU HYDROGEL ĐI TỪ N,N’-

METHYLACRYLAMIDE VÀ MALEIC ACID

TỔNG HỢP VÀ ỨNG DỤNG LÀM CHẤT

MANG PHÂN KALI

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

N,N’-TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Phân bón là các loại hóa chất nếu được sử dụng đúng thì sẽ mang lại hiệu quả cao, tuy nhiên nếu sử dụng sai cách, phân bón sẽ là tác nhân gây ô nhiễm môi trường Vì thế, để giảm tác động không mong muốn đó, cũng như để tiết kiệm thời gian canh tác, một vật liệu hydrogel có độ trương nở cao, kiểm soát được quá trình hấp thu và giải hấp thu nước hoặc chất dinh dưỡng cần được nghiên cứu và phát triển

Trong đề tài này, một vật liệu hydrogel được tổng hợp từ N,N’-Dimethylacrylamide (DMA) và Maleic acid (MA) bằng phương pháp trùng hợp gốc tự do với chất khâu mạng

là N,N’-Methylenebisacrylamide (MBA) giúp tăng khả năng giữ nước và kiểm soát việc giải phóng và hấp thu phân bón Kali

Các hệ semi – IPN hydrogel trước (SH) và sau biến tính bằng aicd (SA) được tổng hợp và nghiên cứu Các tính chất lý hóa được nghiên cứu và đánh giá bằng các phương pháp như FTIR, SEM, EDX, khảo sát cơ tính, lưu biến, TGA, khảo sát tốc độ trương nở tại các môi trường pH khác nhau Cùng với đó, khả năng tái sử dụng của hydrogel qua nhiều chu kỳ hấp thu/giải hấp thu nước đã được nghiên cứu thông qua việc đánh giá tỉ lệ trương cân bằng qua nhiều chu kỳ trong các môi trường pH và muối khác nhau Sau đó, các mẫu

SH và SA sẽ được khảo sát khả năng hấp thụ và giải phóng KCl cho mục tiêu ứng dụng trong nông nghiệp, cụ thể là giải chậm phân bón

Cụ thể mẫu SH có tỉ lệ trương nở tăng lên tới 2680,219% tại phút thứ 530, và đạt tỉ lệ trương cân bằng 4044,529% sau 2900 phút Đối với mẫu SA tỉ lệ trương nở tăng lên tới 1513,2% tại phút thứ 510 và đạt tỉ lệ trương cân bằng 2348,74% sau 3295 phút Tốc độ trương nở của hydrogel đều cho thấy ở giai đoạn đầu tốc độ trương nở cao và giảm dần tới khi đạt cân bằng Khảo sát động học của quá trình trương nở trong nước và trong các pH 4; 7; 10, cho thấy rằng cơ chế khuếch tán của SH trong nước tuân theo theo cơ chế non-Fickian,

và quá trình trương nở của SH và SA trong các môi trường pH tuân theo cơ chế khuếch tán Fickian Hệ số khuếch tán (D) của SH và SA phù hợp với thực nghiệm Khả năng trương

nở trong nhiều chu kỳ trong các pH 4; 7; 10 và các môi trường muối đều cho kết quả tỉ lệ trương cân bằng giảm tối đa 11% sau 5 chu kỳ, cho thấy mạng hydrogel cực kỳ ổn định cho mục đích tái sử dụng Cùng với đó, khi khảo sát cơ tính, giá trị ứng suát nén của các mẫu

SH và SA lần lượt là 633,225 ± 31,715 (kPa) và 1356,29 ± 7,0158 (kPa) Điều này cho thấy

sau quá trình biến tính, cơ tính của mẫu SA đã tăng lên đáng kể, hứa hẹn tiềm năng lớn trong việc tái sử dụng vật liệu này Kết quả lưu biến cũng phù hợp với kết quả đo cơ tính Kết quả phân tích nhiệt TGA đã cho thấy sau quá trình biến tính bằng acid khả năng bền nhiệt của mẫu tăng lên, với khối lượng còn lại của SH và SA trong vùng nhiệt 50 – 900 oC lần lượt là 11,81% và 23,65%

Kết quả khảo sát quá trình hấp thụ KCl cho thấy hàm lượng hấp thụ cân bằng trên mẫu SH và SA lần lượt là 218,283 và 111,793 mg/g Kết quả khảo sát động học quá trình hấp thụ đẳng nhiệt của SH và SA thể hiện sự tương thích thực nghiệm với mô hình Langmuir (L) Kết quả quá trình khảo sát khả năng giải phóng phân bón KCl trong thời gian đầu được giải phóng nhanh và chậm dần sau 1220 phút cho tới khi đạt cân bằng Dựa trên kết quả phân tích giải hấp thu Kali cho thấy mô hình Knorsmeyer – Peppas là phù hợp với thực nghiệm

Cuối cùng khóa luận này đã đánh giá được tác động của hydrogel đến các tính chất lý – hóa của đất Cả hai mẫu SH và SA vẫn duy trì độ ẩm tốt hơn so với mẫu đất đối chứng qua cả 5 chu kỳ Thêm vào đó, sự sinh trưởng và phát triển của cây cà chua đã đạt được các điểm vượt trội khi theo dõi chiều cao và thời gian sống của cây Trong khi đó, chiều cao cây có xu hướng tăng nhanh khi được trồng trong các mẫu đất/Hydrogel/Kali Cụ thể, đối với mẫu đất chứa 0,25% và 0,7% SH/Kali, thì chiều cao cây tăng lần lượt từ 8,60 đến 16,95

cm và từ 9,65 đến 17,15 cm Trong khi đó, và với mẫu đất chứa 0,25% và 0,7% SA/Kali, kết quả cho thấy chiều cao cây tăng lần lượt từ 8,55 đến 17,40 cm và từ 10,10 đến 18,90

cm Nếu không sử dụng hydrogel thì chiều cao của cây có xu hướng tăng chậm và có xu hướng héo lá vào ngày 28, trong khi đó các mẫu được bón hydrogel thì vẫn sinh trưởng và phát triển tốt

LỜI CẢM ƠN

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy cô trong 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 tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Thời gian qua,

em đã học hỏi được rất nhiều kiến thức, kỹ năng và kinh nghiệm từ quá trình nghiên cứu, phân tích và viết báo cáo của mình

Và đặc biệt là em muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn

vì đã dành thời gian quý báu để hỗ trợ và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp Sự quan tâm, động viên và những góp ý tận tình của thầy đã giúp em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp một cách trọn vẹn nhất Tuy nhiên cũng không thể tránh khỏi những thiếu xót, rất mong nhận được sự quan tâm và góp ý của quý thầy cô để khóa luận được hoàn chỉnh hơn

Em cũng muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, những người thân và bạn bè vì đã động viên và hỗ trợ em trong suốt quá trình nghiên cứu và viết khóa luận tốt nghiệp

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô vì đã giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp Em hy vọng rằng tôi sẽ có cơ hội được tiếp tục học hỏi và phát triển trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, 25 tháng 08 năm 2023

Đinh Đức Huy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng khóa luận tốt nghiệp của tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn Tôi cam kết rằng mọi nội dung, kết quả và công trình nghiên cứu trong khóa luận này là do tôi tự thực hiện

Tôi xác nhận rằng tất cả các tài liệu, nguồn tham khảo và thông tin tham chiếu đã được ghi rõ và trích dẫn đầy đủ trong phần tài liệu tham khảo của khóa luận Những ý kiến, quan điểm và kết quả nghiên cứu được trình bày trong khóa luận này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào mà không được trích dẫn

Tôi hiểu rõ rằng việc vi phạm đạo đức nghiên cứu và vi phạm quy tắc về sao chép sẽ

có hậu quả nghiêm trọng và có thể dẫn đến hủy bỏ khóa luận tốt nghiệp của tôi hoặc các biện pháp kỷ luật khác theo quy định của trường

Tôi chịu trách nhiệm hoàn toàn về nội dung và kết quả của khóa luận tốt nghiệp này,

và tôi sẵn sàng được xem xét, đánh giá nghiêm túc từ phía ban giảng viên và hội đồng

TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Đinh Đức Huy

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH xxiii

DANH MỤC BẢNG xxxvi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xxvii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Tổng quan về hydrogel và hydrogel giải phóng phân bón chậm 6

1.1.1 Khái niệm về hydrogel 6

1.1.2 Vật liệu IPN và Semi-IPN hydrogel [17] 6

1.2 Ứng dụng của hydrogel trong nông nghiệp 7

1.2.1 Tính chất đặc trưng của hydrogel trong nông nghiệp [22] 8

1.2.2 Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất 9

1.2.3 Các ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng hydrogel 10

1.3 Tổng quan về nguyên liệu 12

1.3.1 N,N’-Dimehylacrylamide (DMA) 12

1.3.2 Poly(N,N’-Dimehylacrylamide) (pDMA) 12

1.3.3 Maleic Acid (MA) 13

1.3.4 Ammonium persulfate (APS) 13

1.3.5 N, N, N′, N′-Tetramethyl ethylenediamine (TEMED) 14

1.3.6 N,N’Methylenebisacrylamide (MBA) 16

1.3.7 Potassium Chloride (KCl) 16

1.4 Các phương pháp phân tích và đánh giá pDMA và semi-IPN hydrogel 17

1.4.1 Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC) 17

1.4.2 Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS) 18

1.4.3 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy –

FTIR) 19

1.4.4 Kính hiển vị điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDX) 19

1.4.5 Tốc độ và khả năng trương nở (Swelling Rate; Swelling Ratio – SR) 19

1.4.6 Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis – TGA) 21

1.4.7 Khảo sát ứng dụng hấp thụ và giải phóng KCl 21

1.4.8 Các mô hình động học đánh giá việc hấp thụ và giải phóng KCl 21

1.5 Tổng quan về đất, cây cà chua và các kỹ thuật bón phân 23

1.5.1 Đất trồng 23

1.5.2 Tổng quan về cây cà chua 24

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27

2.1 Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ 27

2.1.1 Nguyên liệu 27

2.1.2 Dụng cụ 27

2.1.3 Thiết bị 27

2.2 Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu 27

2.2.1 Tổng hợp homopolymer mạch thẳng pDMA 27

2.2.2 Tổng hợp Semi-IPN Hydrogel 29

2.2.3 Biến tính mẫu Semi-IPN Hydrogel bằng Acid 31

2.3 Phương pháp thực nghiệm 32

2.3.1 Sắc ký gel GPC 32

2.3.2 Tán xạ ánh sáng động DLS 32

2.3.3 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier - FTIR 32

2.3.4 Kính hiển vi điện tử quét SEM và quang phổ tán xạ năng lượng tia X EDX 32

2.3.5 Khảo sát tốc độ trương nở trong nước và trong môi trường pH 33

2.3.6 Khảo sát tỉ lệ trương cân bằng qua nhiều chu kỳ hấp thu/giải hấp thu nước 33

2.3.7 Phân tích nhiệt trọng lượng TGA 34

2.3.8 Khảo sát cơ tính 34

2.3.9 Khảo sát tính chất lưu biến 34

2.3.10 Khảo sát khả năng hấp thụ KCl 34

2.3.11 Khảo sát khả năng giải phóng KCl 35

2.3.12 Đánh giá tính chất của đất theo thời gian 36

2.3.13 Theo dõi sự phát triển của cây trồng 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 41

3.1 Tổng hợp pDMA 41

3.1.1 Tổng hợp pDMA 41

3.1.2 Kết quả phổ FTIR 41

3.1.3 Kết quả phân tích sắc ký thẩm thấu gel GPC 42

3.1.4 Kết quả phân tích DLS 43

3.2 Tổng hợp mẫu hydrogel 44

3.2.1 Kết quả phổ FTIR 44

3.2.2 Đường kính mẫu hydrogel 46

3.2.3 Kết quả SEM/EDX 49

3.2.4 Khảo sát tỉ lệ trương nở của hydrogel 51

3.2.5 Kết quả đo TGA 61

3.2.6 Kết quả đo cơ tính 62

3.2.7 Kết quả đo lưu biến 64

3.2.8 Khảo sát khả năng hấp thụ KCl 65

3.2.9 Khảo sát khả năng giải phóng KCl 73

3.3 Kết quả đánh giá tính chất của đất theo thời gian 75

3.3.1 Đánh giá khả năng giữ nước của hydrogel qua nhiều chu kỳ 75

3.3.2 Đánh giá pH của đất theo thời gian 78

3.4 Kết quả theo dõi sự phát triển của cây trồng 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

TÓM TẮT ĐỀ TÀI viii

LỜI CẢM ƠN x

LỜI CAM ĐOAN xi

MỤC LỤC xii

DANH MỤC HÌNH xxiii

DANH MỤC BẢNG xxvi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xxvii

MỞ ĐẦU 1

Hình 1 Sơ đồ khối quy trình nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Tổng quan về hydrogel và hydrogel giải phóng phân bón chậm 6

1.1.1 Khái niệm về hydrogel 6

1.1.2 Vật liệu IPN và Semi-IPN hydrogel [17] 6

1.2 Ứng dụng của hydrogel trong nông nghiệp 7

Hình 1.1 Mô tả quá trình hấp thụ và giải phóng nước và dinh dưỡng trong đất [21] 8

1.2.1 Tính chất đặc trưng của hydrogel trong nông nghiệp [22] 8

1.2.2 Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất 9

Hình 1.2 Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất [22] 9

Hình 1.3 Cơ chế giải phóng phân bón chậm của hydrogel [24] 10

1.2.3 Các ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng hydrogel 10

1.3 Tổng quan về nguyên liệu 12

1.3.1 N,N’-Dimehylacrylamide (DMA) 12

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của DMA 12

1.3.2 Poly(N,N’-Dimehylacrylamide) (pDMA) 12

1.3.3 Maleic Acid (MA) 13

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của Maleic Acid 13

1.3.4 Ammonium persulfate (APS) 13

Hình 1.6 Công thức cấu tạo của APS 13

1.3.5 N, N, N′, N′-Tetramethyl ethylenediamine (TEMED) 14

Hình 1.7 Công thức cấu tạo của TEMED 14

Hình 1.8 Cơ chế khơi mào gốc tự do của APS và TEMED [33] 15

1.3.6 N,N’Methylenebisacrylamide (MBA) 16

Hình 1.9 Công thức cấu tạo của MBA 16

1.3.7 Potassium Chloride (KCl) 16

1.4 Các phương pháp phân tích và đánh giá pDMA và semi-IPN hydrogel 17

1.4.1 Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC) 17

Hình 1.10 Sơ đồ mô tả quy luật loại trừ kích thước của sắc ký thẩm thấu gel [38] 18

1.4.2 Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS) 18

1.4.3 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR) 19

1.4.4 Kính hiển vị điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và phổ tán

xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDX) 19

1.4.5 Tốc độ và khả năng trương nở (Swelling Rate; Swelling Ratio – SR) 19

1.4.6 Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis – TGA) 21

1.4.7 Khảo sát ứng dụng hấp thụ và giải phóng KCl 21

1.4.8 Các mô hình động học đánh giá việc hấp thụ và giải phóng KCl 21

Bảng 1.1 Các mô hình động học giải phóng KCl 23

1.5 Tổng quan về đất, cây cà chua và các kỹ thuật bón phân 23

1.5.1 Đất trồng 23

1.5.2 Tổng quan về cây cà chua 24

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 27

2.1 Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ 27

2.1.1 Nguyên liệu 27

2.1.2 Dụng cụ 27

2.1.3 Thiết bị 27

2.2 Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu 27

2.2.1 Tổng hợp homopolymer mạch thẳng pDMA 27

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp linear pDMA 28

Hình 2.2 Phương trình tổng hợp linear pDMA 28

Hình 2.3 Hình minh họa quá trình lọc rửa mẫu pDMA 29

2.2.2 Tổng hợp Semi-IPN Hydrogel 29

Hình 2.4 Quá trình tổng hợp semi – IPN hydrogel 30

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình tổng hợp semi-IPN hydrogel 31

2.2.3 Biến tính mẫu Semi-IPN Hydrogel bằng Acid 31

2.3 Phương pháp thực nghiệm 32

2.3.1 Sắc ký gel GPC 32

2.3.2 Tán xạ ánh sáng động DLS 32

2.3.3 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier - FTIR 32

2.3.4 Kính hiển vi điện tử quét SEM và quang phổ tán xạ năng lượng tia X EDX 32

2.3.5 Khảo sát tốc độ trương nở trong nước và trong môi trường pH 33

2.3.6 Khảo sát tỉ lệ trương cân bằng qua nhiều chu kỳ hấp thu/giải hấp thu nước 33

2.3.7 Phân tích nhiệt trọng lượng TGA 34

2.3.8 Khảo sát cơ tính 34

2.3.9 Khảo sát tính chất lưu biến 34

2.3.10 Khảo sát khả năng hấp thụ KCl 34

2.3.11 Khảo sát khả năng giải phóng KCl 35

2.3.12 Đánh giá tính chất của đất theo thời gian 36

Hình 2.6 Thí nghiệm đánh giá tính chất của đất theo thời gian; a) Đối chứng b) SA c) SH 36

2.3.13 Theo dõi sự phát triển của cây trồng 37

Hình 2.7 Đất trồng cây đa dụng Namix 38

Hình 2.8 Hạt giống cây cà chua 38

Hình 2.9 Hạt giống được gieo lên khay ươm mầm 39

Hình 2.10 Thí nghiệm khảo sát khả năng sử dụng của hydrogel trong đất 40

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 41

3.1 Tổng hợp pDMA 41

3.1.1 Tổng hợp pDMA 41

Hình 3.1 Ngoại quan của linear pDMA 4% 41

3.1.2 Kết quả phổ FTIR 41

Hình 3.2 Kết quả phổ FTIR của monomer DMA và homopolymer mạch thẳng pDMA 42

3.1.3 Kết quả phân tích sắc ký thẩm thấu gel GPC 42

Hình 3.3 Kết quả phân tích GPC của pDMA 42

3.1.4 Kết quả phân tích DLS 43

Hình 3.4 Kết quả phân tích DLS của pDMA ở a) 25 o C và b) 45 o C 43

3.2 Tổng hợp mẫu hydrogel 44

3.2.1 Kết quả phổ FTIR 44

Hình 3.5 Kết quả phổ FTIR cho các monomer, homopolymer và hydrogel như: DMA, pDMA, MA, MBA và SH 45

Hình 3.6 Kết quả phổ FTIR của hydrogel SH và SA 46

3.2.2 Đường kính mẫu hydrogel 46

Hình 3.7 Kết quả đường kính của a) SH và b) SA lần lượt trong các môi trường pH 4; 7; 10 47

Hình 3.8 Cơ chế thủy phân của nhóm amide trong xúc tác aicd 48

3.2.3 Kết quả SEM 49

Hình 3.9 Kết quả khảo sát hình thái bề mặt của mẫu a) SH, b) SA; kết quả phân tích cấu trúc lỗ xốp của c) SH và d) SA 50

Bảng 3.1 Kết quả phân tích lỗ xốp bằng phần mềm ImageJ 50

3.2.4 Khảo sát tỉ lệ trương nở của hydrogel 51

Hình 3.10 Tỉ lệ trương nở của các mẫu hydrogel trong nước cất ở nhiệt độ phòng 51

Hình 3.11 Tỉ lệ trương nở theo thời gian của các mẫu hydrogel trong các pH = 4; 7; 10 của a) SH và b) SA ở nhiệt độ phòng 53

Hình 3.12 Động học quá trình trương nở trong nước cất của các mẫu hydrogel 54

Bảng 3.2 Kết quả tính toán động học trương nở trong nước cất 54

Hình 3.13 Động học quá trình trương nở t/S theo t trong các pH 4; 7; 10 của a) SH, b) SA 55

Bảng 3.3 Kết quả tính toán động học trương nở trong các pH 55 Hình 3.14 Đồ thị lnF theo lnt của các mẫu hdyrogel trong nước cất 56 Bảng 3.4 Kết quả tính toán động học trương nở trong nước cất của SH và SA 56 Hình 3.15 Đồ thị lnF theo lnt của các mẫu hydrogel trong các pH = 4;7;10 của a) SH, b)

SA 57 Bảng 3.5 Kết quả tính toán động học trương nở trong các pH của SH và SA 57

Bảng 3.6 Kết quả tỉ lệ trương cân bằng của hydrogel trong các môi trường pH ở nhiệt độ phòng 57

Hình 3.16 Khả năng tái sử dụng của a) SH và b) SA trong các môi trường pH 4; 7; 10 ở nhiệt độ phòng 59 Bảng 3.7 Kết quả tỉ lệ trương cân bằng của hydrogel trong các môi trường muối 59

Hình 3.17 Khả năng tái sử dụng của a) SH và b) SA trong các môi trường muối NaCl, CaCl 2 và AlCl 3 ở nhiệt độ phòng 60

3.2.5 Kết quả đo TGA 61

Hình 3.18 Kết quả TGA của các mẫu SH và SA 61 Bảng 3.8 Tóm tắt kết quả đo TGA cho các mẫu SH và SA 62

3.2.6 Kết quả đo cơ tính 62

Hình 3.19 Kết quả khảo sát cơ tính của các mẫu hydrogel 63 Bảng 3.9 Tóm tắt kết quả đo cơ tính của các mẫu hydrogel SH và SA 63

3.2.7 Kết quả đo lưu biến 64

Hình 3.20 Kết quả đo lưu biến của các mẫu hydrogel SH và SA 64

3.2.8 Khảo sát khả năng hấp thụ KCl 65

Hình 3.21 Đường chuẩn dung dịch KCl trong khoảng nồng độ 150 – 5500 mg/l 65 Hình 3.22 Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ KCl của SH và SA theo nồng độ tại 25 0 C trong 72h 66

Hình 3.23 Các mô hình động học đẳng nhiệt hấp phụ KCl của SH a) Mô hình Langmuir; b) Mô hình Freunhlich; c) Mô hình TemKin và d) Mô hình Dubinin – Radushkevich 67 Bảng 3.10 Kết quả tính toán các thông số từ các mô hình hấp thụ đẳng nhiệt 67

Hình 3.24 Các mô hình động học đẳng nhiệt hấp phụ KCl của SA a) Mô hình Langmuir; b) Mô hình Freunhlich; c) Mô hình TemKin và d) Mô hình Dubinin – Radushkevich 69 Hình 3.25 Ngoại quan của hydrogel trước và sau khi hấp thụ KCl 70 Hình 3.26 Kết quả khảo sát bề mặt của mẫu a) SH/Kali và b) SA/Kali 70

Hình 3.27 Kết quả phân tích EDX của mẫu SH/Kali tại 3 vùng a) vùng đen, b) vùng xám,

và c) vùng trắng 71

Hình 3.28 Vùng ánh xạ nguyên tố EDX của a) SH/Kali và b) SA/Kali; c), d) và e), f) lần lượt là kết quả ánh xạ nguyên tố K, Cl trong mẫu SH/Kali và SA/Kali 72

3.2.9 Khảo sát khả năng giải phóng KCl 73

Hình 3.29 Đồ thị khảo sát khả năng giải phóng KCl của hydrogel a) SH, b) SA theo thời gian 73 Bảng 3.11 Kết quả tính toán cho các mô hình động học giải phóng KCl của SH và SA 74

3.3 Kết quả đánh giá tính chất của đất theo thời gian 753.3.1 Đánh giá khả năng giữ nước của hydrogel qua nhiều chu kỳ 75

Hình 3.30 Kết quả độ ẩm của đất theo thời gian a) chu kỳ 1, b) chu kỳ 2, c) chu kỳ 3, d) chu kỳ 4 và e) chu kỳ 5 77 Hình 3.31 Ngoại quan của các mẫu hydrogel SH và SA sau 5 chu kỳ sử dụng trong đất 77

3.3.2 Đánh giá pH của đất theo thời gian 78

Hình 3.32 Kết quả theo dõi pH của đất theo thời gian trong 3 chu kỳ 78

3.4 Kết quả theo dõi sự phát triển của cây trồng 79

Hình 3.33 Kết quả ươm mầm cây cà chua trên khay ươm trong 1 tuần 79 Hình 3.34 Kết quả theo dõi chiều cao của cây trong 28 ngày khi bón các hàm lượng hydrogel khác nhau của a) SH và b) SA 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Sơ đồ khối quy trình nghiên cứu 4 Hình 1.1 Mô tả quá trình hấp thụ và giải phóng nước và dinh dưỡng trong đất [21] 8 Hình 1.2 Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất [22] 9 Hình 1.3 Cơ chế giải phóng phân bón chậm của hydrogel [24] 10 Hình 1.4 Công thức cấu tạo của DMA 12 Hình 1.5 Công thức cấu tạo của Maleic Acid 13 Hình 1.6 Công thức cấu tạo của APS 13 Hình 1.7 Công thức cấu tạo của TEMED 14 Hình 1.8 Cơ chế khơi mào gốc tự do của APS và TEMED [33] 15 Hình 1.9 Công thức cấu tạo của MBA 16 Hình 1.10 Sơ đồ mô tả quy luật loại trừ kích thước của sắc ký thẩm thấu gel [38] 18 Hình 2.1 Sơ đồ quy trình tổng hợp linear pDMA 28 Hình 2.2 Phương trình tổng hợp linear pDMA 28 Hình 2.3 Hình minh họa quá trình lọc rửa mẫu pDMA 29 Hình 2.4 Quá trình tổng hợp semi – IPN hydrogel 30 Hình 2.5 Sơ đồ quy trình tổng hợp semi-IPN hydrogel 31

Hình 2.6 Thí nghiệm đánh giá tính chất của đất theo thời gian; a) Đối chứng b) SA c) SH 36 Hình 2.7 Đất trồng cây đa dụng Namix 38 Hình 2.8 Hạt giống cây cà chua 38 Hình 2.9 Hạt giống được gieo lên khay ươm mầm 39 Hình 2.10 Thí nghiệm khảo sát khả năng sử dụng của hydrogel trong đất 40 Hình 3.1 Ngoại quan của linear pDMA 4% 41 Hình 3.2 Kết quả phổ FTIR của monomer DMA và homopolymer mạch thẳng pDMA 42

Hình 3.3 Kết quả phân tích GPC của pDMA 42 Hình 3.4 Kết quả phân tích DLS của pDMA ở a) 25 o C và b) 45 o C 43

Hình 3.5 Kết quả phổ FTIR cho các monomer, homopolymer và hydrogel như: DMA, pDMA, MA, MBA và SH 45 Hình 3.6 Kết quả phổ FTIR của hydrogel SH và SA 46

Hình 3.7 Kết quả đường kính của a) SH và b) SA lần lượt trong các môi trường pH 4; 7;

10 47 Hình 3.8 Cơ chế thủy phân của nhóm amide trong xúc tác aicd 48

Hình 3.9 Kết quả khảo sát hình thái bề mặt của mẫu a) SH, b) SA; kết quả phân tích cấu trúc lỗ xốp của c) SH và d) SA 50 Hình 3.10 Tỉ lệ trương nở của các mẫu hydrogel trong nước cất ở nhiệt độ phòng 51

Hình 3.11 Tỉ lệ trương nở theo thời gian của các mẫu hydrogel trong các pH = 4; 7; 10 của a) SH và b) SA ở nhiệt độ phòng 53 Hình 3.12 Động học quá trình trương nở trong nước cất của các mẫu hydrogel 54 Bảng 3.2 Kết quả tính toán động học trương nở trong nước cất 54 Hình 3.13 Động học quá trình trương nở t/S theo t trong các pH 4; 7; 10 của a) SH, b)

SA 55 Hình 3.14 Đồ thị lnF theo lnt của các mẫu hdyrogel trong nước cất 56 Hình 3.15 Đồ thị lnF theo lnt của các mẫu hydrogel trong các pH = 4;7;10 của a) SH, b)

Hình 3.20 Kết quả đo lưu biến của các mẫu hydrogel SH và SA 64 Hình 3.21 Đường chuẩn dung dịch KCl trong khoảng nồng độ 150 – 5500 mg/l 65

Hình 3.22 Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ KCl của SH và SA theo nồng độ tại 25 0 C trong 72h 66 Hình 3.23 Các mô hình động học đẳng nhiệt hấp phụ KCl của SH a) Mô hình Langmuir; b) Mô hình Freunhlich; c) Mô hình TemKin và d) Mô hình Dubinin – Radushkevich 67

Hình 3.24 Các mô hình động học đẳng nhiệt hấp phụ KCl của SA a) Mô hình Langmuir; b) Mô hình Freunhlich; c) Mô hình TemKin và d) Mô hình Dubinin – Radushkevich 69 Hình 3.25 Ngoại quan của hydrogel trước và sau khi hấp thụ KCl 70 Hình 3.26 Kết quả khảo sát bề mặt của mẫu a) SH/Kali và b) SA/Kali 70

Hình 3.27 Kết quả phân tích EDX của mẫu SH/Kali tại 3 vùng a) vùng đen, b) vùng xám,

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các mô hình động học giải phóng KCl 23 Bảng 3.1 Kết quả phân tích lỗ xốp bằng phần mềm ImageJ 50 Bảng 3.2 Kết quả tính toán động học trương nở trong nước cất 54 Bảng 3.3 Kết quả tính toán động học trương nở trong các pH 55 Bảng 3.4 Kết quả tính toán động học trương nở trong nước cất của SH và SA 56 Bảng 3.5 Kết quả tính toán động học trương nở trong các pH của SH và SA 57

Bảng 3.6 Kết quả tỉ lệ trương cân bằng của hydrogel trong các môi trường pH ở nhiệt độ phòng 57 Bảng 3.7 Kết quả tỉ lệ trương cân bằng của hydrogel trong các môi trường muối 59 Bảng 3.8 Tóm tắt kết quả đo TGA cho các mẫu SH và SA 62 Bảng 3.9 Tóm tắt kết quả đo cơ tính của các mẫu hydrogel SH và SA 63 Bảng 3.10 Kết quả tính toán các thông số từ các mô hình hấp thụ đẳng nhiệt 67

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Giải nghĩa

MỞ ĐẦU

Một trong những yếu tố quan trọng của nông nghiệp là quá trình tưới nước giúp cây trồng và hoa phát triển bằng cách cung cấp dinh dưỡng cho đất, quá trình tưới rất tốn kém với những vùng khô cằn Trong nông nghiệp, các yếu tố quan trọng như độ xốp của đất cao, lượng nước tưới nhiều và khả năng giữ phân bón là các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất cây trồng Việc sử dụng một lượng lớn phân bón theo cách truyền thống trong thời gian dài, nó

có thể ngấm vào mạch nước ngầm gây ảnh hưởng nguồn nước sinh hoạt của con người và tăng chi phí

Vấn đề được đặt ra, nếu hạn chế được tối đa lượng phân bón và lượng nước tưới cho cây trồng nhưng vẫn đảm bảo được sự sinh trưởng và phát triển bình thường thậm chí là tốt hơn thì sẽ giúp tiết kiệm thời gian, công sức cho một đất nước nông nghiệp như Việt Nam, đặc biệt vào mùa khô hạn

Hiện nay để đáp ứng các nhu cầu này thì một loại vật liệu hydrogel siêu hấp thụ (Superabsorbent Hydrogel - SAH) có khả năng hấp thụ một lượng nước lớn và giải phóng trong thời gian dài để cấp một lượng nước cho cây phát triển tốt mà không cần phải tưới nhiều lần Tuy nhiên, bởi vì hầu hết các SAH được tổng hợp từ các polymer đắt tiền, nếu chỉ sử dụng SAH mà không có phân bón cũng chỉ là gánh nặng kinh tế cho những người nông dân và không cải thiện đáng kể năng suất cây trồng [1] Do đó, việc tìm ra một cách tốt hơn để làm chậm quá trình giải phóng nước và phân bón là rất quan trọng, đó là kết hợp phân bón vào trong SAH Sự kết hợp này tạo ra hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow Release Fertilizer Hydrogel - SRFH), hydrogel này hoạt động bằng cách hấp thu nước và một số chất dinh dưỡng giữ chặt sau đó giải phóng từ từ trong đất SRFH mang lại nhiều giá trị như góp phần làm giảm tác động tới môi trường do sử dụng phân bón quá nhiều làm

ô nhiễm môi trường, tránh thất thất thoát do tưới nhiều làm rửa trôi hết các chất dinh dưỡng [2] Nhờ đó khi sử dụng SRFH để bón vào đất trong thời gian dài sẽ tăng khả năng giữ nước của đất, giúp cây trồng nâng cao sinh khối và tăng năng suất cả trong điều kiện khô hạn ở Việt Nam

Trong khóa luận này các nguyên liệu để tổng hợp hydrogel gồm có: Dimethylacrylamide (DMA), Maleic Acid (MA), N,N'- Methylenebisacrylamide (MBA), Ammonium Persulfate (APS), N, N, N', N'-Tetramethyl ethylenediamine (TEMED) và KCl

N,N’-DMA là monomer không ion dễ trùng hợp, khả năng phản ứng cao và nhiệt độ khơi mào tạo gốc tự do của DMA thấp vì thế DMA rất thích hợp cho quá trình đồng trùng hợp DMA cùng các hydrogel khác có cấu trúc mạng không gian ba chiều có khả năng giữ nước Phản ứng trùng hợp DMA khơi mào gốc tự do với chất khâu mạng thường được dùng để điều chế hydrogel [3] Tính ưa nước của hydrogel có thể được tăng cường bằng cách kết hợp các nhóm chức có thể ion hóa như nhóm carboxylic MA là một acid hữu cơ với 2 gốc carboxyl, gần đây đã trở nên phổ biến trong tổng hợp hydrogel do chi phí thấp, khả năng tương thích tốt và không độc hại [4] Nhờ đó khi đồng trùng hợp MA vào mạng hydrogel sẽ giúp tăng

độ trương nở nhờ các nhóm carboxylic Có 3 loại phân bón hiện nay là phân Urea, phân Lân, và phân Kali Phân Kali cũng không kém phần quan trọng, Kali giúp cho cây tăng khả năng hấp thụ dinh dưỡng giúp phát triển mầm hoa và quả Có thể thấy Kali là một ứng cử viên thích hợp để sử dụng cùng với hydrogel

Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp ra semi-IPN hydrogel và biến tính với acid

Khảo sát được tính chất và cấu trúc của vật liệu

Khảo sát khả năng trương nở qua nhiều chu kỳ trong các môi trường pH 4; 7; 10 và các môi trường muối NaCl, CaCl2 và AlCl3

Khảo sát được khả năng hấp thụ KCl của hydrogel khi ngâm hydrogel khô trong các dung dịch KCl có nồng độ từ 200 – 5500 mg/L trong 72h tại 250C Và khả năng giải phóng KCl trong các dung dịch có pH 4; 7; 10 được điều chỉnh bằng HCl và NH3 theo thời gian Đánh giá được khả năng giữ nước trong đất qua nhiều chu kỳ khi bón hydrogel thông qua độ ẩm của đất theo thời gian

Đánh giá được sự phát triển của cây cà chua khi bón hydrogel và KCl thông qua chiều cao của cây

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tổng hợp linear pDMA 4%, semi-IPN hydrogel từ DMA, Maleic Acid, MBA là chất khâu mạng, hệ chất khơi mào/xúc tác APS/TEMED

Phân bón KCl được sử dụng để đưa vào hydrogel

Địa điểm thí nghiệm: Phòng B315, 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

STT Nội dung Phương pháp nghiên cứu

1

Tổng hợp vật liệu semi-IPN hydrogel (SH) và biến tính với xúc

tác acid (SA)

Tham khảo tài liệu

2

Xác định cấu trúc, chỉ số đa phân

tán PDI và đường kính thủy động

4

Khảo sát tốc độ trương nở của SH

và SA trong 3 môi trường pH 4; 7;

10 theo thời gian

Cân khối lượng

5

Khảo sát khả năng trương cân bằng

của SH và SA qua nhiều chu kỳ

trong 3 môi trường pH và 3 môi

trường muối

Cân khối lượng

7

Khảo sát khả năng giữ nước của

hydrogel trong đất theo thời gian

qua nhiều chu kỳ Đồng thời theo

dõi độ pH của đất theo thời gian

Đo pH và độ ẩm của đất

cây trồng khi bón hydrogel

Đánh giá chiều cao của cây cà chua khi bón hydrogel và so sánh với đối chứng

Sơ đồ khối quy trình nghiên cứu

Hình 1 Sơ đồ khối quy trình nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu của khóa luận này gồm có 4 giai đoạn và được tóm tắt như trên sơ đồ hình 1

Tổng hợp linear pDMA

Đánh giá pDMA thông qua DLS, FTIR, GPC Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

Tổng hợp semi-IPN Hydrogel p(DMA-co-MA) và biến tính với acid

Đánh giá tính chất của Hydrogel (SH, SA)

Tỉ lệ trương cân bằng trong các môi trường pH và môi trường muối

Khảo sát khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón KCl của hydrogel

Đánh giá khả năng giữ nước của hydrogel trong đất qua nhiều chu kỳ

Thực nghiệm trồng cây trên đất Namix Theo dõi cây trồng được bón hydrogel và cây bình thường

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Giai đoạn 4

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu hydrogel giúp hiểu rõ hơn về tính chất và ứng dụng của nó, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các sản phẩm và công nghệ mới Đồng thời, hydrogel cũng mang lại tiềm năng trong việc giải quyết một số vấn đề xã hội, và bảo vệ môi trường

Ý nghĩa thực tiễn: Việc nghiên cứu hydrogel làm chất mang phân bón có ý nghĩa thực tiễn trong việc cải thiện hiệu suất sử dụng phân bón, tiết kiệm nước và phân bón, tăng khả năng chịu khô hạn của cây trồng Điều này giúp giảm nguy cơ ô nhiễm nguồn nước và đất đai do việc sử dụng quá nhiều phân bón Dự đoán đây sẽ là một loại vật liệu tiềm năng sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai

Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và bàn luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hydrogel và hydrogel giải phóng phân bón chậm

1.1.1 Khái niệm về hydrogel

Hydrogel siêu hấp thụ (Superabsorbent Hydrogels - SAH) là polymer mạng ba chiều (3D) được tổng hợp bởi các polymer ưa nước mạch thẳng hoặc phân nhánh Mạng polymer hydrogel có thể trương lên và giữ một lượng nước xác định bên trong mạng của nó, và hydrogel không tan trong nước [5] Khả năng hấp thụ nước của hydrogel bắt nguồn từ việc

có nhiều các nhóm chức ưa nước của polymer, và khả năng không tan bắt nguồn từ liên kết ngang [6] Và áp suất mao dẫn là tác nhân vật lý giúp cho nước lấp đầy các lỗ xốp trong cấu trúc hydrogel [7]

Các hydrogel có thể được tổng hợp bởi phản ứng của một hoặc nhiều monomer [8] Hydrogel chủ yếu gồm một hệ hai hoặc nhiều thành phần trên một mạng ba chiều và nước

sẽ lấp đầy không gian được tạo ra giữa các chuỗi mạch để thể hiện tính trương nở và giữ nước [9] Đặc tính trương nở của hydrogel phụ thuộc vào bản chất, mật độ và thành phần của monomer trong mạng polymer [10]

Hydrogel có thể chia thành hai nhóm chính dựa trên nguồn gốc của chúng:

− Nguồn gốc tự nhiên: Thường dựa trên các polysaccharide như cellulose, tinh bột, alginate và agrarose [11-14] và dựa trên các polypeptide như gelatin, collagen, [15]

− Nguồn gốc dựa trên hóa dầu như polyacrylamide, acrylic acid,…[16]

Các hydrogel dựa trên nguồn nguyên liệu tổng hợp từ hóa dầu có độ bền cơ học cao hơn so với các hydrogel tự nhiên Độ bền cơ học của hydrogel tổng hợp tốt hơn so với các hydrogel từ nguồn gốc tự nhiên nhờ đó sẽ tăng được độ bền và thời gian sử dụng, đặc biệt

là khả năng tái sử dụng sẽ giúp tiết kiệm nhiều chi phí, vì vậy các hydrogel này rất được ưa thích trong lĩnh vực nông nghiệp [6]

1.1.2 Vật liệu IPN và Semi-IPN hydrogel [17]

Đầu tiên, vật liệu IPN có thể được coi là một hỗn hợp polymer (polymer blend) Theo IUPAC định nghĩa, Interpenetrating Network Polymer (IPN) gồm hai hay nhiều mạng polymer đang xen với nhau trên qui mô phân tử polymer, và các mạng này không có liên kết hóa học với nhau, đồng thời các mạng polymer này không thể tách rời trừ khi liên kết

hóa học giữa chúng bị phá vỡ Một hỗn hợp gồm hai hoặc nhiều mạng polymer được tạo thành trước thì không phải là mạng IPN

Semi-IPN khác với IPN hydrogel vì các mạch của polymer thứ hai chỉ được phân tán vào mạng polymer thứ nhất mà không hình thành một mạng xen kẽ khác Theo IUPAC semi-IPN hydrogel là một loại polymer bao gồm một hoặc nhiều polymer có cấu trúc không gian và một hoặc nhiều polymer mạch thẳng hoặc mạch phân nhánh được đặc trưng bởi sự xâm nhập của polymer mạch thẳng hoặc mạch nhánh vào mạch không gian trên quy mô phân tử

Ngoài ra, một đặc điểm khác đã được thêm vào để nhấn mạnh sự khác biệt giữa IPN

và semi-IPN, rằng mạng lưới polymer semi-IPN được phân biệt với mạng IPN vì về nguyên tắc, các polymer mạch thẳng hoặc phân nhánh có thể được tách ra khỏi mạng polymer cấu thành mà không phá vỡ các liên kết hóa học của chúng

1.2 Ứng dụng của hydrogel trong nông nghiệp

Giới thiệu về hydrogel giải phóng phân bón chậm: Trong nông nghiệp, có những vấn

đề như độ xốp của đất cao, lượng nước tưới nhiều và khả năng lưu giữ phân bón thấp Do

đó, các vật liệu có khả năng hấp thụ một lượng nước cao và giải phóng trong một thời gian dài kết hợp với phân bón là một giải pháp khả thi cho vấn đề này Để đáp ứng những nhu cầu này, hydrogel phân bón giải phóng chậm (Slow Release Fertilizer Hydrogel - SRFH)

đã được phát triển SRFHs là sự kết hợp giữa hydrogel siêu hấp thụ (SAH) và phân bón có

cả đặc tính giữ nước và giải chậm [18]

Các polymer siêu hấp thụ làm giảm tiêu thụ nước, vì chúng có khả năng hút và giữ nước cao, do đó sẽ duy trì được độ ẩm cao trong đất Các hydrogel được bón vào đất theo

tỉ lệ xác định Sau khi tưới hoặc trời mưa, hydrogel sẽ hấp thụ nước nên được xem như là một hồ chứa nước và giải phóng nước từ từ khi đất khô thông qua quá trình khuếch tán như được thể hiện trên hình 1.1 Nhờ đó, sẽ giúp tránh thất thoát nước do tưới nhiều hoặc bay hơi Khi hydrogel trong đất hấp thụ nước và trương lên nhờ đó độ xốp của đất tăng lên giúp cung cấp oxi tốt hơn cho rễ, và tăng tốc độ phát triển của cây con, giảm xói mòn đất do đất

bị nén chặt [19] Đặc biệt hơn, hydrogel có thể hấp thụ phân bón hòa tan và giải phóng chậm cung cấp dinh dưỡng cho cây, giúp làm giảm thiểu thất thoát dinh dưỡng do rửa trôi, nhờ vậy mà hydrogel sử dụng ở các vùng khô hạn là rất hữu ích và có tác động có ích như

là tăng hiệu quả sử dụng của nước, giảm lượng phân bón giữ được chất dinh dưỡng cho cây trồng trong thời gian dài hơn là bón hàm lượng nhiều trong một lần [20]

Hình 1.1 Mô tả quá trình hấp thụ và giải phóng nước và dinh dưỡng trong đất [21]

1.2.1 Tính chất đặc trưng của hydrogel trong nông nghiệp [22]

− Chịu được độ mặn của đất

− Cải thiện các đặc tính lý, hóa, sinh của đất

− Có khả năng hấp thụ lượng nước cao và giải phóng dần chúng trong các điều kiện khô hạn

− Giúp giảm tình trạng mất cân bằng độ ẩm trong đất

− Thúc đẩy được sự nảy mầm của hạt giống, sinh trưởng và phát triển của cây trồng

− Kéo dài được sự sống cho cây trồng trong các điều kiện khí hậu khô cằn trước khi nước bốc hơi quá nhanh

− Giảm tần suất tưới, nhu cầu về phân bón và tiết kiệm giảm được chi phí

− Không gây ô nhiễm môi trường đến môi trường

− Khả năng chịu đựng và hoạt động được ở nhiệt độ cao (40 – 500C) trong các khu vực có khí hậu nóng, khô hạn

1.2.2 Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất

1.2.2.1 Cơ chế hấp thụ và giải phóng nước của hydrogel [22]

Hình 1.2 Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất [22]

Cơ chế hấp thụ và giải phóng nước của hydrogel được thể hiện trên hình 1.2 và gồm các bước như sau:

− Bước 1: Khi hydrogel tiếp xúc với nước, các nhóm chức ưa nước gắn trên chuỗi mạch polymer như acrylamide, acrylic acid, carboxylic,… sẽ có chức năng là hấp thụ nước vào mạng

− Bước 2: Khi nước thẩm thấu vào cấu trúc, sẽ diễn ra quá trình hydrate hóa và hình thành liên kết hydrogen giữa các nhóm chức ưa nước với các phân tử nước Quá trình này sẽ để lại các ion âm dọc theo chuỗi polymer và tạo lực đẩy tĩnh điện làm cấu trúc mạng giãn ra và hút nước vào bằng liên kết hydrogen

− Bước 3: Khi môi trường xung quanh vùng rễ bắt đầu bị khô do thiếu nước, hydrogel

sẽ dần dần giải phóng ra tới 95% lượng nước dự trữ để cho cây hấp thụ

− Bước 4: Trong điều kiện trời mưa hoặc tưới, hydrogel sẽ bắt đầu quá trình trữ nước tiếp tục như vòng lập tuần hoàn

1.2.2.2 Cơ chế hấp thụ và giải phóng phân bón của hydrogel

Cơ chế giải phóng của SRFHs được minh họa trong hình 1.3, quá trình này có thể được giải thích qua hai bước sau [23]:

− Bước 1: Khi nước tiếp xúc với lớp hydrogel bên ngoài, sau đó khuếch tán vào trong lõi và hòa tan phân bón bên trong hydrogel Động lực của quá trình là gradient áp suất hơi Ở bước này sẽ cân bằng ổn định giữa việc hấp thụ nước vào các lỗ xốp và

sự giải phóng chất dinh dưỡng

− Bước 2: Nước bắt đầu khuếch tán vào bên trong vật liệu Nước sẽ khuếch tán qua các lỗ xốp dựa trên cơ chế trương nở của hydrogel Quá trình giải phóng chất dinh dưỡng sẽ diễn ra hiệu quả dưới các yếu tố như pH, nhiệt độ, độ ẩm của đất, và hoạt động của vi sinh vật

Hình 1.3 Cơ chế giải phóng phân bón chậm của hydrogel [24]

1.2.3 Các ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng hydrogel

1.2.3.1 Ưu điểm

❖ Cải thiện tính chất của đất:

Có nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng hydrogel sẽ cải thiện khả năng lưu giữ nước và phân bón trong đất mà còn tăng độ thoáng khí và giảm tỉ lệ thất thoát hơi nước

Thêm vào đó, hydrogel còn ảnh hưởng đến tính thấm, mật độ, cấu trúc, kết cấu của đất, tốc

độ bay hơi, mức độ khuếch tán của nước và khả năng giữ nước của đất,… Nhờ đó tăng khả năng giữ nước sẽ tăng lên khi tăng hàm lượng hydrogel sử dụng, và khối lượng đất sẽ giảm theo hàm lượng hydrogel đã sử dụng [25], [26]

❖ Khả năng chống tình trạng khô hạn:

Tình trạng khô đo mất nước trong đất sẽ hình thành các gốc oxy hóa tự do và quá trình epoxy hóa lipid Hiện tượng này sẽ gây ra các tác động xấu đến cây gây còi cọc, héo và chết cây Hydrogel sẽ giúp cây duy trì được sự sống và sinh trưởng như bình thường [27], [28]

❖ Tăng khả năng sử dụng phân bón:

Việc sử dụng hydrogel sẽ giảm đi sự thất thoát phân bón so với bón phân truyền thống mà vẫn giữ được hiệu quả mà không mất đi dinh dưỡng Ưu điểm này sẽ góp phần vào việc phát triển ở những vùng khô hạn

để phân hủy thuốc trừ sâu còn lưu giữ trong đất [30]

1.2.3.2 Nhược điểm

Trong các nguồn phân bón và nước tưới có các thành phần như Ca2+, Mg2+ sẽ làm tăng độ cứng của nước, do đó độ trương của hydrogel trong đất sẽ giảm đi đáng kể [19] Trong trường hợp khi trời mưa quá nhỏ, lượng nước trong đất sẽ không đủ để cho hydrogel phát huy hết khả năng của chúng [22]

Hiệu quả sử dụng của hydrogel phụ thuộc vào kết cấu, thành phần của các loại đất khác nhau, phương pháp trồng, thời gian sử dụng và bản chất của các loại cây [22]

Trong một số trường hợp hydrogel chỉ hấp thụ nước và không giải phóng ra môi trường làm cho cây bị khô héo [22]