Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu chế tạo màng cho phân NPK trên cơ sở gel Silica-Phosphate: Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ kỹ thuật hóa học

i TÓM TẮT KHÓA LUẬN Đề tài: Nghiên cứu chế tạo màng cho phân NPK trên cơ sở gel Silica – Phosphate được thực hiện dựa trên ý tưởng sử dụng thủy tinh lỏng làm nguồn cung cấp Si và dịch

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: PGS TS NGUYỄN VINH TIẾN SVTH: PHẠM ĐÌNH GIA BẢO

TP Hồ Chí Minh, tháng 8/2024NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG CHO PHÂN NPK TRÊN CƠ SỞ GEL SILICA-PHOSPHATE

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



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG CHO PHÂN NPK TRÊN CƠ SỞ GEL SILICA – PHOSPHATE

GVHD: PGS TS Nguyễn Vinh Tiến SVTH: Phạm Đình Gia Bảo

MSSV: 20128095

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2024

i

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo màng cho phân NPK trên cơ sở gel Silica – Phosphate được

thực hiện dựa trên ý tưởng sử dụng thủy tinh lỏng làm nguồn cung cấp Si và dịch hòa tan phân lân nung chảy làm nguồn cung cấp P, kết hợp với một số nguyên liệu khác là các nguồn nguyên liệu rẻ tiền và thông dụng để tạo được lớp màng bao bọc viên phân bón NPK (16-16-8) nhằm kìm hãm khả năng giải phóng chất dinh dưỡng bên trong viên phân Tính đến thời điểm khóa luận này được viết, vẫn chưa có những nghiên cứu nào liên quan đến loại gel này dùng làm phân nhả chậm được công bố Vì vậy với sự khảo sát hàm lượng các chất có trong gel để tìm được công thức gel phối trộn tốt nhất, cùng các sự kết hợp với những chất như dầu silicone, PVA, chất nhũ hóa và một số dung môi liên quan để xây dựng được quy trình tạo ra được sản phẩm là phân nhả chậm trên cơ sở gel Silica – Phosphate Với công thức gel 20% PVA, 5% H3PO4, 60% dầu silicone cùng thủy tinh lỏng và chất nhũ hóa là Tween 80 đã tạo ra lớp màng bao bọc viên phân giúp làm giảm lượng P, N giải phóng lần lượt là 60% và 40% sau 6 giờ ngâm trong nước Đồng thời lớp màng giúp cải thiện khả năng chống hút ẩm khi giảm hơn 3 lần so với phân không bọc sau 24 giờ trong môi trường

độ ẩm cao Bên cạnh đó, việc thử nghiệm phân nhả chậm tạo thành đối với cây cải bẹ xanh cũng cho thấy kết quả chiều cao cây và chiều dài lá trung bình gấp 1,50 và 1,70 lần sau 40 ngày so với cây bón phân NPK không bọc

ii

LỜI CẢM ƠN

Trải qua một khoảng thời gian ngắn thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu chế tạo màng cho phân NPK trên cơ sở gel Silica – Phosphate”, tôi đã nhận được rất nhiều

sự hỗ trợ từ người thân, thầy cô, bạn bè và những người xung quanh

Đầu tiên, bản thân tôi luôn biết ơn gia đình của mình đã luôn ủng hộ và hỗ trợ để tôi có thể

đi đến ngày hôm nay, đạt được những thứ mà cha mẹ của tôi hằng mong ước

Tiếp đó, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Vinh Tiến, người đã đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này một cách tận tình, nhiệt huyết Thầy

là người luôn hỗ trợ giải đáp các vấn đề để tôi có thể hoàn thành được khóa luận này Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Thanh Bình, Viện ứng dụng Công nghệ chi nhánh Tp

Hồ Chí Minh đã hỗ trợ và cung cấp những kiến thức cũng như các nguyên vật liệu, máy móc có liên quan đến khóa luận này

Tôi cũng rất cảm ơn các 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 tạo điều kiện

cơ sở vật chất và môi trường học tập năng động, hiệu quả

Cảm ơn các bạn lớp 20128 đã luôn giúp đỡ tôi trong suốt khoảng thời gian thực hiện khóa luận, đặc biệt là những người bạn luôn luôn bên cạnh khích lệ, động viên trong những lúc tôi gặp khó khăn, trở ngại

Vì quỹ thời gian thực hiện đề tài có hạn và do vốn kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình hoàn thành bài luận văn này, rất mong nhận được

sự góp ý của thầy cô và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, 5 tháng 8 năm 2024

Sinh viên thực hiện

iii

LỜI CAM ĐOAN

Đây là lời cam đoan của tôi về toàn bộ các kết quả nghiên cứu của mình dưới sự hướng dẫn của thầy PGS TS Nguyễn Vinh Tiến Trong quá trình hoàn thành khóa luận có sự tham khảo các kết quả, nội dung từ những nghiên cứu khoa học khác, các tài liệu trên được trích dẫn và ghi nguồn chính xác và đầy đủ theo như quy định

Các kết quả và kết luận được nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Tôi cam đoan xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Sinh viên thực hiện

iv

MỤC LỤC

TÓM TẮT KHÓA LUẬN i

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về phân bón 1

1.1.1 Khái niệm về phân bón 1

1.1.2 Phân loại phân bón 1

1.1.3 Các nguyên tố dinh dưỡng trong phân bón 2

1.1.4 Vai trò của phân bón đối với cây trồng 5

1.1.5 Tác động của việc sử dụng phân bón đến môi trường 6

1.2 Giới thiệu phân bón nhả chậm 6

1.2.1 Khái niệm về phân bón nhả chậm 6

1.2.2 Phân loại các loại phân bón nhả chậm 7

1.2.3 Ưu và nhược điểm của phân bón nhả chậm 9

1.2.4 Cơ chế của phân bón nhả chậm 10

1.3 Một số thông tin về nguyên liệu được sử dụng 11

1.3.1 Thủy tinh lỏng 11

v

1.3.2 Dầu silicone 12

1.3.3 Polyvinyl alcohol 13

1.3.4 Phân lân nung chảy 13

1.3.5 Phân NPK 16-16-8 14

1.4 Tình hình nghiên cứu lớp phủ cho phân nhả chậm 15

1.4.1 Một số nghiên cứu trên thế giới 15

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước 16

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 18

2.1 Nguyên liệu, hóa chất 18

2.2 Dụng cụ, thiết bị sử dụng 18

2.3 Quy trình thực hiện 19

2.3.1 Khảo sát hỗn hợp acid thủy phân phân lân nung chảy đến hàm lượng P sau phản ứng 20

2.3.2 Nghiên cứu thử nghiệm kết hợp phối trộn gel silica – phosphate 20

2.4 Một số phương pháp đo đạc phân tích 22

2.4.1 Quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 22

2.4.2 Quy trình thí nghiệm đo giải phóng Phosphorus trong nước 26

2.4.3 Quy trình thí nghiệm đo hàm lượng N-NH4+ trong nước 27

2.4.4 Quy trình thí nghiệm đo hàm lượng N-Urea trong nước 27

2.4.5 Khảo sát khả năng hút ẩm của phân NPK không bọc vỏ và được bọc vỏ 27

2.4.6 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 27

vi

2.4.7 Đánh giá mô hình động học giải phóng dinh dưỡng trong nước 27

2.5 Theo dõi sự phát triển của cải bẹ xanh 29

2.5.1 Đất và hạt giống sử dụng 29

2.5.2 Quy trình gieo hạt, tưới tiêu và theo dõi phát triển cải bẹ xanh 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 31

3.1 Ảnh hưởng của thời gian thủy phân phân lân nung chảy đến hàm lượng P thu được 31

3.2 Kết quả phân chỉ bọc gel Silica – Phosphate 32

3.3 Kết quả kết hợp gel Silica – Phosphate với PVA và Silicone dầu 33

3.3.1 Ảnh hưởng của hàm lượng PVA 33

3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng H3PO4 thô 34

3.3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng dầu silicone 35

3.3.4 Kết quả giải phóng trong nước của công thức gel tối ưu 36

3.3.5 Đánh giá mô hình động học giải phóng dinh dưỡng 37

3.3.6 Đánh giá mức độ hấp thụ nước của viên phân 38

3.4 Kết quả SEM hình thái của viên phân 40

3.5 Theo dõi sự phát triển của cải bẹ xanh 41

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 53

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Tên các hóa chất sử dụng và nguồn gốc 18

Bảng 2 2 Tên thiết bị, dụng cụ sử dụng và nguồn gốc 18

Bảng 2 3 Thứ tự thêm thuốc thử cho đường chuẩn P 22

Bảng 2 4 Kết quả đường chuẩn P 23

Bảng 2 5 Thứ tự thêm thuốc thử cho đường chuẩn NH4+ 23

Bảng 2 6 Kết quả đường chuẩn NH4+ 25

Bảng 2 7 Kết quả đường chuẩn Urea 26

Bảng 2 8 Các mô hình động học và phương trình tương ứng 28

Bảng 2 9 Hệ số n đến cơ chế giải phóng theo Kormeyer – Peppas 28

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Cơ chế chung cho việc giải phóng dinh dưỡng của phân nhả chậm có lớp phủ 11

Hình 1 2 Thủy tinh lỏng 12

Hình 1 3 Biểu diễn chuỗi liên kết Silic – Oxygen và nhóm thế 12

Hình 1 4 Cấu trúc phân tử PVA với R là H hoặc COCH3 13

Hình 1 5 Phân lân nung chảy Văn Điển dạng bột 14

Hình 1 6 Phân NPK 16-16-8 14

Hình 2 1 Tổng quan quy trình thực hiện nghiên cứu 19

Hình 2 2 Sơ đồ thực hiện thủy phân phân lân nung chảy bằng hỗn hợp acid 20

Hình 2 3 Sơ đồ quy trình tạo hỗn hợp gel áo phân bón 21

Hình 2 4 Đường chuẩn biểu diễn sự thay đổi độ hấp thu theo nồng độ P2O5 23

Hình 2 5 Phương trình phản ứng tạo màu indophenol 24

Hình 2 6 Đường chuẩn biểu diễn sự thay đổi độ hấp thu theo nồng độ NH4+ 25

Hình 2 7 Phương trình phản ứng tạo màu của Urea với p-dimethylaminobenzaldehyde 26 Hình 2 8 Đường chuẩn biểu diễn sự thay đổi độ hấp thu theo nồng độ Urea 26

Hình 2 9 a) giống cải bẹ xanh Mai Vàng và b) đất được sử dụng 29

Hình 3 1 Biểu diễn hàm lượng P thay đổi theo thời gian phản ứng 31

Hình 3 2 a) Gel silica – phosphate, b) Phân NPK được bọc gel silica – phosphate và c) Phân NPK bọc gel silica – phosphate sau khi ngâm trong nước khoảng 5 phút 32

Hình 3 3 Mô phỏng cấu trúc lớp vỏ gel kết hợp 33

Hình 3 4 Hàm lượng PVA thay đổi ảnh hưởng đến hàm lượng P giải phóng tích lũy trong nước 34

Hình 3 5 Hàm lượng H3PO4 thay đổi ảnh hưởng đến hàm lượng P giải phóng tích lũy trong nước 35

Hình 3 6 Hàm lượng dầu silicone thay đổi ảnh hưởng đến hàm lượng P giải phóng tích lũy trong nước 36

ix

Hình 3 7 Sự giải phóng hàm lượng a) P và b) N trong nước của phân bọc gel 20% PVA , 5% H3PO4 thô và 60% dầu silicone 36Hình 3 8 Đồ thị thể hiện sự giải phóng dinh dưỡng theo các mô hình động học a) bậc 0, b) bậc 1, c) Higuchi và d) Korsmeyer – Peppas 37Hình 3 9 a) Phân bọc gel bị hút ẩm sau 24 giờ, b) Phân không bọc vỏ bị hút ẩm sau 24 giờ

và c) Đồ thị biểu diễn khả năng hút ẩm của phân bón theo thời gian 39Hình 3 10 Ảnh SEM của viên phân (trên), bề mặt viên phân (giữa) và mặt cắt (dưới) của NPK không bọc (a,d,g), NPK bọc gel silica – phosphate (b,e,h) và NPK bọc gel tối ưu (c,f,i) 40Hình 3 11 Sau 7 ngày từ khi trồng vào đất dãy 1(a,b,c) phân NPK không bọc và dãy 2 (a,b,c) phân NPK bọc gel tối ưu 41Hình 3 12 Sau 14 ngày từ khi trồng xuống đất dãy 1(a,b,c) phân NPK không bọc và dãy 2 (a,b,c) phân NPK bọc gel tối ưu 42Hình 3 13 Lá cây bị sâu vẽ bùa tấn công 42Hình 3 14 Sau 40 ngày từ khi trồng xuống đất dãy 1(a,b,c) phân NPK không bọc và dãy 2 (a,b,c) phân NPK bọc gel tối ưu 43Hình 3 15 a) Chiều cao cây trung bình và b) chiều dài lá trung bình của các cây sau các ngày 7,14 và 40 ngày trồng 43

x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

CRF Controlled Release Fertilizer Phân nhả có kiểm soát

DAP Diammonium Phosphate Diamoni Photphat

EEF Enhanced Efficiency Fertilizer Phân bón tăng cường hiệu quả ISO International Organization for

Standardization

Tổ chức tiêu chuẩn hóa Quốc tế

LDHs Layered Double Hydroxide Hidroxit 2 lớp

MAP Monoammonium Phosphate Monoamoni photphat

PVA Polyvinyl Alcohol Polyvinyl Ancol

PVAc Polyvinyl Acetate Polyvinyl Axetat

SAP Superabsorbent Polymer Polyme siêu thấm

SRF Slow Release Fertilizer Phân bón nhả chậm

UV – Vis Ultra Violet – Visible Quang phổ hấp thụ phân tử

xi

MỞ ĐẦU

Ngành nông nghiệp của nước ta ảnh hưởng trực tiếp đến việc đảm bảo an ninh lương thực của cả đất nước cũng như sự ổn định, phát triển và đồng thời cũng mang lại nguồn ngoại tệ lớn [1] Đối mặt với việc dân số tăng trưởng liên tục như hiện nay, dự kiến sẽ tăng từ 7 tỷ năm 2014 lên xấp xỉ 9,5 tỷ người vào năm 2050 đã gián tiếp gây gánh nặng lên nhu cầu sử dụng lương thực trong thời điểm hiện tại và dự kiến trong tương lai [2] Hệ quả của việc này là hoạt động sử dụng các loại phân bón ngày càng nhiều nhằm đáp ứng được nhu cầu

sử dụng của con người Mặt khác, vì diện tích đất canh tác ngày càng giảm đi do các quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa, sa mạc hóa , cần phải tăng cường thâm canh, tăng năng suất của cây trồng thông qua việc cung cấp dinh dưỡng và cải thiện năng suất cho cây trồng, trong đó Phosphorus (P), Nitrogen (N) và Potassium (K) là các nhân tố đầu vào quan trọng Tuy nhiên, người ta thống kê rằng việc bón trực tiếp cho cây trồng cho thấy hiệu quả sử dụng chưa cao vì chỉ có khoảng 30 – 40% chất dinh dưỡng được cây hấp thụ [3] Lượng dinh dưỡng còn lại có thể đã bị thất thoát vào môi trường thông qua việc bị rửa trôi, phân hủy và bay hơi amoni trong đất gây ra ô nhiễm nước ngầm, acid hóa đất và thậm chí có thể gây nên hiện tượng phú dưỡng tại các vùng nước ngọt [4, 5]

Trong những năm trở lại đây, phân bón nhả chậm đặc biệt nhận được sự quan tâm từ các nhà khoa học Phân nhả chậm được thiết kế để giải phóng các chất dinh dưỡng một cách liên tục và từ từ phù hợp với nhu cầu tuần tự của thực vật về chất dinh dưỡng Các loại lớp phủ của phân nhả chậm đã được nghiên cứu có nguồn gốc từ polymer tổng hợp như polyurethane, polyolefin và polystyrene là không an toàn đối với môi trường vì chúng không thể phân hủy sinh học được [6] Vì lẽ đó, trọng tâm của các nghiên cứu trong tương lai có thể được thu hẹp để tập trung vào việc sử dụng và tạo thành các vật liệu phân hủy sinh học một phần hoặc hoàn toàn với chi phí thấp có nguồn gốc từ polymer tự nhiên như cellulose, lignin, chitosan hoặc từ biochar, gel silica và composite của chúng [3, 7] Những

dữ liệu được thu thập từ phòng thí nghiệm cho thấy có nhiều yếu tố tác động đến phân nhả chậm như bề dày lớp phủ, quy trình tổng hợp, điều kiện thổ nhưỡng, quy trình bón cho từng loại cây [8-10] nên tính đến nay vẫn chưa có phương pháp tiêu chuẩn nào để xác định tốc

độ giải phóng chất dinh dưỡng cho phân nhả chậm một cách thống nhất [11]

xii

Vì những vấn đề nêu trên, nên trong bài nghiên cứu này phân NPK được phủ một lớp vỏ

để kìm hãm tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng Lớp vỏ được tổng hợp từ thủy tinh lỏng làm nguồn cung cấp Si cho cây trồng vì đây là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng trong việc kích hoạt hệ thống kháng bệnh của cây, đồng thời dịch hòa tan phân lân nung chảy làm nguồn cung cấp P Mối quan hệ tương hỗ giữa Si và P có những hiệu quả tích cực đến sự sinh trưởng của cây trồng, đặc biệt là cây lúa do sự hỗ trợ chuyển hóa các dinh dưỡng và tăng khả năng chống chịu của cây trước sâu bệnh cũng như sự xâm nhập của nấm bệnh [12] Đối với phân NPK có khả năng hút ẩm rất nhanh, nhưng việc chỉ dùng thủy tinh lỏng

và dịch hòa tan phân lân nung chảy làm lớp vỏ bọc không thể cải thiện tình trạng này Do

đó, chúng tôi đã kết hợp cùng một số chất khác như chất có khả năng tạo lớp màng giúp bao bọc viên phân như PVA, tác nhân kỵ nước giúp tăng khả năng chống thấm nước cho lớp màng là dầu silicone và chất nhũ hóa Tween 80 giúp ổn định hệ nhũ tạo thành Mục đích của nghiên cứu này là tìm ra công thức phối trộn của các thành phần kể trên để tạo ra sản phẩm là phân nhả chậm phù hợp tức làm chậm được khả năng giải phóng phân cũng như làm giảm khả năng hút ẩm của phân bón tạo thành

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về phân bón

1.1.1 Khái niệm về phân bón

Phân bón được hiểu là bất kỳ chất hữu cơ hoặc vô cơ nào có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc tổng hợp được thêm vào đất canh tác nhằm bổ sung một hoặc nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng

1.1.2 Phân loại phân bón

1.1.2.1 Phân loại theo nguồn gốc

Phân bón được chia làm 3 nhóm chính là phân bón hữu cơ và phân bón vô cơ (còn gọi là phân khoáng) và phân vi sinh [13]

Nhóm phân bón hữu cơ: có nguồn gốc từ các chất hữu cơ, có chứa cả bã thải hữu cơ như một số loại phân xanh, phân chuồng Than bùn, xơ dừa là những loại chất cải tạo đất hữu

cơ được thêm vào đất và tất cả đều hoạt động tương tự do lượng dinh dưỡng đầu vào hạn chế

Nhóm phân bón vô cơ: có nguồn gốc từ các chất khoáng tự nhiên hoặc các sản phẩm hóa học Hầu hết các loại phân bón vô cơ rất giàu các nguyên tố đa lượng nitơ (N), lân (P), kali (K) Ngoài ra, phân bón còn bổ sung các chất dinh dưỡng nhỏ như canxi, lưu huỳnh, magie,

Nhóm phân bón vi sinh: có chứa các vi sinh vật mà khi bón cho cây trồng trên bề mặt hoặc đất có khả năng làm tăng thành phần dinh dưỡng của và hòa tan các ion khoáng, cung cấp chất dinh dưỡng ở dạng thực vật dễ dàng đồng hóa từ đó kích thích thực vật tăng trưởng

1.1.2.2 Phân loại theo thành phần

Có thể được chia theo 2 loại: phân đơn và phân kép

Phân đơn: là phân bón chỉ chứa một trong ba dinh dưỡng đa lượng như N hoặc P2O5 hữu

2

hiệu hoặc là K2O hữu hiệu Ví dụ: urea, supe lân,

Phân kép: là phân bón chứa hai hoặc cả 3 nguyên tố dinh dưỡng khác nhau dưới dạng phức hợp do các phản ứng hóa học tạo ra hoặc có thể do trộn lẫn một vài loại phân gọi là phân hỗn hợp Ví dụ: phân trộn NPK

1.1.2.3 Phân loại theo chức năng:

Phân bón lá: dành cho những cây trồng hấp thu dinh dưỡng qua thân hoặc lá

Phân bón rễ: dành cho những cây trồng hấp thu dinh dưỡng qua rễ bằng cách bón vào đất hoặc hòa tan

Bên cạnh đó, người ta cũng có một số phân loại khác như phân đa lượng, vi lượng,

1.1.3 Các nguyên tố dinh dưỡng trong phân bón

1.1.3.1 Dinh dưỡng đa lượng

Đạm (Nitrogen – N)

Đạm thường được bón nhiều cho hầu hết các loại cây với mục tiêu cung cấp nitơ ở dạng dễ

sử dụng cho cây trồng Đạm là thành phần tạo nên nucleic acid (DNA – Deoxyribonucleic acid và RNA – Ribonucleic acid), protein và chất diệp lục

Cây trồng thiếu đạm sẽ khiến sự sinh trưởng và phát triển của cây sẽ bị hạn chế Cây trồng hấp thu đạm dưới dạng NH4+ , NO3- và urea Các loại nguyên liệu cung cấp đạm như phân urea, ammonium sulfate (SA), ammonium chloride (Sal ammoniac), ammonium nitrate Lân (Phosphorus – P)

Tương tự như đạm, lân cũng rất quan trọng trong sự phát triển của thực vật Khi lân là thành phần của nhân tế bào, một số hợp chất quan trọng trong cây như lipid, protein, coenzyme, ATP (Adenosine triphosphate) Ngoài ra, lân giúp cho cây tăng khả năng chịu được đất chua, hạn chế ảnh hưởng của việc thừa đạm Cây sử dụng lân dưới dạng H2PO4- hoặc HPO42- Các loại nguyên liệu cung cấp lân phổ biến nhất là phân supe lân đơn, supe lân kép và một

số loại phân phức hợp như DAP và MAP

3

Kali (Potassium – K)

Không như đạm và lân, K là nguyên tố đa lượng thứ ba cho thực vật sau N và P Đóng vai trò rất quan trọng đối với nhiều quá trình sinh hóa bên trong cây như quang hợp và sinh trưởng

Cây sử dụng kali dưới dạng K+ , rễ cây dễ dàng hấp thu Kali hơn các nguyên tố khác Nếu cung cấp quá nhiều kali sẽ làm hạn chế sự hấp thu đạm, Ca, Mg, Các loại nguyên liệu cung cấp kali như KCl, K2SO4

1.1.3.2 Dinh dưỡng trung lượng

Canxi (Calcium – Ca)

Canxi giữ vai trò quan trọng trong việc cấu tạo nên thành tế bào thực vật Canxi cần thiết cho sự phát triển của hệ thống rễ cây, kích thích sự phát triển của hệ thống bộ rễ bên và các lông hút Cây trồng hấp thu canxi dưới dạng ion Ca2+

Thông thường, canxi không được sản xuất dưới dạng phân bón riêng biệt hay hỗn hợp Tuy nhiên loại nguyên tố này thường xuất hiện như là một thành phần phụ có trong các loại phân bón, nhiều nhất là phân lân Nguồn cung cấp canxi chủ yếu từ supe lân, đá vôi, dolomite Magie (Magnesium – Mg)

Magie giúp điều hòa pH nội môi với các bộ phận khác nhau bên trong từng tế bào Việc thiếu hụt magie gây ra các hiện tượng như giảm quang hợp, cây trồng còi cọc, mất màu giữa các gân lá, các mô bị hoạt tử và lá trở nên giòn Cây hấp thu magie dưới dạng Mg2+ Các nguồn cung cấp magie như dolomit, phân lân nung chảy

Lưu huỳnh (Sulfur – S)

Lưu huỳnh là nhân tố có mặt trong các quá trình chuyển hóa của cây như hình thành đường

và tinh bột cũng như amino acid hay protein Bón lưu huỳnh giúp cây tăng khả năng chống chịu với thời tiết, đẩy nhanh quá trình nhanh chín của quả Cây hấp thu lưu huỳnh dưới dạng anion sulfate SO42- Các nguồn cung cấp lưu huỳnh như (NH4HSO4), (NH4)2SO4, K2SO4

4

Silic (Si):

Tuy silic không phải là dinh dưỡng cần thiết cho thực vật nhưng silic có vai trò quan trọng với sự phát triển cơ chế kháng bệnh của hầu hết các loại cây có hàm lượng cao silic ví dụ như lúa, ngô Vì silic có khả năng ảnh hưởng đến năng suất của cây nhờ vào khả năng làm tăng sức khả năng chống chịu với nấm khuẩn hay sâu bệnh, giúp cây vững chắc và ngăn ngừa độc tính của mangan và sắt (đất phèn)

1.1.3.3 Dinh dưỡng vi lượng

Mặc dù cây nông nghiệp có nhu cầu sử dụng dinh dưỡng trung và vi lượng không nhiều nhưng sẽ góp phần tác động đến năng suất của cây Các dinh dưỡng này giống như thành phần không thể thiếu giúp cây chuyển hóa thành các hợp chất khác nhau để cây sinh trưởng Sắt (Iron – Fe)

Sắt là dinh dưỡng có vai trò trong chuyển hóa nhiều loại enzyme, từ đó thúc đẩy sự sinh trưởng của cây trồng Sắt tồn tại trong đất hầu hết ở dạng không tan Cây trồng thiếu hụt dinh dưỡng này xuất hiện phần lớn ở đất canh tác quá kiềm Để hạn chế tình trạng thiếu sắt

ở cây trồng bằng cách sử dụng phân bón chứa lưu huỳnh,

Mangan (Manganese – Mn)

Mangan giúp cây tổng hợp, chuyển hóa các chất như các nucleic acid, chất điều hòa nội môi tăng khả năng nảy mầm của hạt, ra hoa và quả Cây hấp thu mangan dưới dạng Mn2+ Trên các vùng đất đá vôi, do mangan trở thành dạng không tan nên thông thường sử dụng MnSO4 giúp cây dễ dàng hấp thu do dễ tan

Kẽm (Zinc – Zn)

Kẽm là một dinh dưỡng không thể thiếu trong một số quá trình tổng hợp các protein, diệp lục hay các nucleic acid Đóng vai trò cốt lõi trong quá trình trao đổi chất, tăng khả năng chịu bệnh và hình thành hạt và quả của cây Cây hấp thu kẽm dưới dạng Zn2+

Đồng (Copper – Cu)

Đồng giữ vai trò liên quan mật thiết cho việc tổng hợp chlorophin phục vụ quá trình quang

5

hợp tốt hơn, khử nitrate, tổng hợp các hợp chất đường và các chất cần thiết, làm tăng diệp lục Ngoài ra, tăng khả năng chống sâu bệnh và nấm khuẩn cho cây Cây hấp thu đồng dưới dạng Cu2+

Bo (Boron – B)

Bo tác động tới nhiều quá trình điều hòa sinh lý hóa của cây, tăng khả năng đậu quả và hình thành phấn hoa Bo chủ yếu được cây hấp thu ở dạng ion B4O27- , HBO32- , BO33- Các loại phân bón chứa Bo phải cẩn thận khi sử dụng vì khi lượng Bo tích lũy trong đất quá cao sẽ trở thành thuốc diệt cỏ Các loại phân bón chứa Bo như Borate 46, Borate 65, Borate Acid hay Solubor

Molipden (Molybdenum – Mo)

Molipden đóng vai trò thúc đẩy quá trình sử dụng Nitrogen từ đó tăng khả năng sử dụng đạm Cây trồng hấp thu Molipden dưới dạng muối MoO42- và molybden oxit MoO3

1.1.4 Vai trò của phân bón đối với cây trồng

Phân bón là một tác nhân cung cấp các dinh dưỡng cần thiết cũng như các chất hữu cơ, vi sinh vật có lợi cho đất canh tác giúp cải tạo đất và tăng độ phì nhiêu của đất [13] Ví dụ như phân bón vô cơ sẽ cung cấp các dinh dưỡng như đạm, lân, kali, canxi, sắt Bên cạnh đó, tập quán sử dụng phân bón trong một khoảng thời gian dài sẽ dễ khiến đất bị giảm cơ lý của đất, chai cứng, vì thế phải đồng thời bổ sung phân bón hữu cơ trong lúc sử dụng phân

vô cơ [4] Do đó, đất và phân bón có một mối liên kết chặt chẽ với nhau và đất đóng vai trò như trung gian lưu giữ dinh dưỡng từ phân bón cung cấp cho cây trồng

Việc phát huy hết các ưu điểm của phân bón cần tập trung vào các yếu tố quan trọng như nhu cầu sử dụng dinh dưỡng đối với từng loại cây trồng, điều kiện thổ nhưỡng tại nơi canh tác, những đặc điểm của đất đai (thành phần của đất, pH, độ ẩm ), khí hậu từng vùng miền,

sự phù hợp của từng loại phân bón, tập quán canh tác tại nơi đó và các giai đoạn sinh trưởng của từng loại cây trồng Vì thế, phân bón là một nhân tố vô cùng quan trọng trong nền phát triển nông nghiệp hiện đại hiện nay

6

1.1.5 Tác động của việc sử dụng phân bón đến môi trường

Hiện nay, sản lượng sử dụng các loại phân bón ở nước ta vào khoảng hơn 10,5 triệu tấn/năm, trong số đó có khoảng 7,6 triệu tấn là phân bón vô cơ [14] Với lượng phân bón sử dụng lớn như vậy có thể thấy được lượng phân bón sẽ thất thoát ra môi trường là vô cùng lớn Việc sử dụng phân bón quá mức cần thiết cùng với hiệu quả sử dụng thấp đã dẫn đến các tình trạng tiêu cực cho môi trường gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, suy thoái đất canh tác

và với lượng dư thừa phân bón cây trồng chưa kịp hấp thu dinh dưỡng sẽ tích tụ lại trong các nông sản và khi con người sử dụng các nông sản này dài ngày sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người tiêu dùng [4, 5, 15] Hơn nữa, lượng phân bón thất thoát ra nguồn nước quá nhiều có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng ảnh hưởng đến hệ sinh thái của

cả một khu vực và đột biến gen ở một số loại cây trồng [11, 15] Thậm chí tổng lượng khí nhà kính thải ra môi trường trong nông nghiệp được báo cáo bởi kết quả kiểm kê khí nhà kính năm 2010 cho thấy ở Việt Nam chỉ riêng trồng và thu hoạch lúa đã chiếm 57,5% lượng khí nhà kính thải ra của ngành nông nghiệp, đồng nghĩa với 26,1% tổng lượng phát thải khí nhà kính của cả quốc gia tương ứng là khoảng 1,78 triệu tấn Methane [16] Ngoài ra, việc

sử dụng phân bón trong ngành nông nghiệp có chứa các loại kim loại nặng có thể dẫn đến

sự tích tụ các kim loại này trong đất đến mức độ độc hại Mặc dù các chất dinh dưỡng chính của cây trồng trong phân bón bị loại bỏ và rửa trôi, kim loại nặng vẫn sẽ tiếp tục tồn tại trong đất hay nước ngầm trong một khoảng thời gian dài hơn nhiều Việc sử dụng rất nhiều phân bón vô cơ trên toàn cầu có liên quan đến sự tích tụ các chất gây ô nhiễm nên có nguy

cơ tiềm ẩn một loạt các kim loại nặng như: As, Pb, Hg, Cd tích lũy trong đất và nước [5]

1.2 Giới thiệu phân bón nhả chậm

1.2.1 Khái niệm về phân bón nhả chậm

Nhiều nhà nghiên cứu khác cho rằng tất cả những cái gọi là phân bón nhả có kiểm soát (Controlled Release Fertilizer – CRF) hoặc phân bón tăng cường hiệu quả (EEF) được phát triển cho đến nay được phân loại là phân bón nhả chậm (SRF) vì chức năng chung của chúng là làm chậm khả năng giải phóng dinh dưỡng mà không có khả năng kiểm soát hiệu suất theo nhu cầu từ các loài cây trồng cụ thể hoặc môi trường Trên thực tế, tất cả các Tiêu

7

chuẩn, bao gồm EU (Liên minh Châu Âu), ISO (Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế) và tiêu chuẩn Trung Quốc, đều xác định các loại phân bón này là Phân bón nhả chậm (Slow Release Fertilizer – SRF) Các CRF thực sự phải dựa trên khả năng đáp ứng các điều kiện cần thiết như khả năng kiểm soát việc giải phóng dinh dưỡng dựa trên các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm hay khả năng tiếp xúc với nước Nhưng cho đến nay, tất cả các sản phẩm có mặt trên thị trường hoặc kết quả nghiên cứu đều không đáp ứng được các yêu cầu này

Phân bón nhả chậm SRF được định nghĩa là phân bón làm chậm khả năng giải phóng chất dinh dưỡng của chúng đối với cây trồng sau khi bón [17] So với các loại phân bón thông thường, SRF có tỷ lệ giải phóng chất dinh dưỡng thấp, kéo dài thời gian hấp thụ chất dinh dưỡng cho cây trồng và giảm thiểu sự thất thoát, rửa trôi chất dinh dưỡng ra môi trường Năm 2001, Ủy ban tiêu chuẩn Châu Âu đã ban hành một số tiêu chuẩn cho SRF Tiêu chuẩn phân bón nhả chậm phải đáp ứng các yêu cầu sau:

+ Lượng dinh dưỡng giải phóng không quá 15% trong 24 giờ

+ Lượng dinh dưỡng giải phóng không quá 75% trong 28 ngày

+ Lượng dinh dưỡng giải phóng tối thiểu 75% trong thời gian quy định

1.2.2 Phân loại các loại phân bón nhả chậm

Hiệu suất của SRF phụ thuộc vào từng loại phân, đất, loài thực vật và khí hậu cho nên không có đánh giá hoặc thảo luận có hệ thống nào về các phương pháp khác nhau được sử dụng để đánh giá các loại SRF khác nhau và cơ chế giải phóng dinh dưỡng của chúng Trong bài này tạm thời phân loại thành 5 loại phân bón nhả chậm như sau [11]:

1.2.2.1 Tổng hợp hóa học:

Đây là một cách để làm chậm quá trình hòa tan chất dinh dưỡng từ phân bón Một trong những phương pháp lâu đời nhất là giảm khả năng hòa tan trong nước bằng cách kết hợp hóa học Ví dụ, phân bón chứa N tan chậm ban đầu được phát triển từ các sản phẩm có công thức chứa Urea, được tổng hợp hóa học theo nhiều cách khác nhau Khái niệm về sản phẩm phân bón N nhả chậm ureaformaldehyde (UF) lần đầu được khởi xướng [18] Ban đầu, có

ba nhóm sản phẩm phân bón nhả chậm này: các sản phẩm phản ứng Ureaformaldehyde

8

(UF), isobutylidene diurea (IBDU) và ureatriazone (UT) [19, 20] Gần đây, một số chất hữu

cơ và polymer đã được sử dụng để phát triển SRF bằng cách hình thành các hợp chất phức tạp như methylenediurea (MDU), dimethylenetriurea (DMTU), tri-methyleneurea (TMTU)

và tetramethylenepentaurea (TMPU)

1.2.2.2 Tải vào chất mang có cấu trúc xốp hoặc nhiều lớp:

Phần lớn các nghiên cứu theo hình thức này tập trung vào zeolite vì khả năng trao đổi cation vượt trội, độ chọn lọc cation cao và độ xốp lớn [21] Các nanocomposite zeolite được tổng hợp bằng hai bước là phương pháp đồng kết tủa và ngâm tẩm dung dịch muối [22, 23] Các SRF nanozeolite đã thành công trong việc làm chậm tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng nhưng để tạo ra các nanozeolite đòi hỏi điều kiện quy trình thực hiện tốn kém [24] Đến hiện tại, xuất hiện một vật liệu có mạng lưới cấu trúc xốp phức tạp là than sinh học được sản xuất bằng cách nhiệt phân yếm khí các chất thải công nghiệp hay cặn gỗ Than sinh học

có các ưu điểm như giá thành thấp, diện tích bề mặt riêng lớn, cấu trúc lỗ rỗng đa dạng được ứng dụng làm phân bón trong nông nghiệp do có khả năng tăng độ phì của đất, cải thiện khả năng trao đổi ion và tăng cường khả năng giữ lại chất dinh dưỡng trong đất [25-27] Ngoài ra, cũng có một số nghiên cứu về những loại vật liệu có cấu trúc nhiều lớp khác như LDHs, Graphene oxide hay Montmorillonite [28-30]

1.2.2.3 Phủ bằng vật liệu không phân hủy sinh học:

Hầu hết các vật liệu không phân hủy sinh học được tổng hợp từ polymer tổng hợp như polyethylene, polystyrene, polyacryamide hay polysulfone (PSF) đều cho thấy các kết quả đầy hứa hẹn với khả năng giải phóng dinh dưỡng ổn định trong một khoảng thời gian dài [31-33] Nhưng những vật liệu này hạn chế được sử dụng để sản xuất phân nhả chậm ở quy

mô công nghiệp do chi phí tốn kém và không phân hủy sinh học gây các vấn đề cho môi trường [34] Vì thế, hướng nghiên cứu hiện nay chuyển hướng từ vật liệu không phân hủy sang sử dụng các loại vật liệu phân hủy sinh học chi phí thấp và thân thiện với môi trường

1.2.2.4 Ứng dụng lớp phủ phân hủy sinh học:

Hiện nay đã có nhiều nhà nghiên cứu sử dụng các polymer có nguồn gốc từ thiên nhiên và chúng có khả năng phân hủy sinh học như polyvinyl alcohol (PVA), tinh bột, cellulose, lignin, chitin và một số polysaccharide khác [35, 36] Tuy các hợp chất trên rất hạn chế

9

được sử dụng ở dạng nguyên chất của chúng vì các đặc tính vốn có Nên đã có nhiều biến đổi hóa học và vật lý đã được phát triển nhằm khắc phục những hạn chế này như tinh bột biến tính, cellulose kết hợp với lignin đã được nghiên cứu [37-39] Các nhà khoa học hy vọng rằng loại vật liệu phân hủy sinh học sẽ góp phần làm giảm những tác động tiêu cực đến môi trường như các polymer thông thường gây ra

1.2.2.5 Dựa trên nền hydrogel:

Hydrogel có thể gọi là polymer siêu thấm (SAP) với khả năng hấp thụ và giữ một lượng nước gấp vài trăm đến hàng nghìn khối lượng riêng của chúng ngay cả dưới áp suất môi trường [40, 41] SAP có thể được chia thành các polymer tự nhiên, tổng hợp và tổng hợp

tự nhiên, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu của chúng Các polysaccharide tự nhiên như tinh bột, chitosan, cellulose, alginate, gelatin là những vật liệu sinh học thông dụng từ có thể được sử dụng để phát triển SAP thân thiện với môi trường [42] Một số ưu điểm của SAP trong việc sản xuất SRF như cải thiện đất, giảm thiểu suy thoái đất, giảm thất thoát do bốc hơi nước, kiểm soát ô nhiễm môi trường, giảm tỷ lệ chết của thực vật và kéo dài thời gian lưu giữ chất dinh dưỡng trong đất [42-44] Nhưng cho đến nay, chưa có SRF dựa trên hydrogel phân hủy sinh học nào chiếm ưu thế trên thị trường vì còn nhiều vấn đề khác nhau, bao gồm chi phí cao và hiệu quả kém [41]

1.2.3 Ưu và nhược điểm của phân bón nhả chậm

1.2.3.1 Một số ưu điểm khi sử dụng phân bón nhả chậm:

Như đã đề cập, tùy vào từng loại phân bón nhả chậm mà có những ưu điểm riêng Do đó, mục đích chung khi sử dụng phân nhả chậm là để giảm thất thoát các chất dinh dưỡng mà qua đó có thể nâng cao hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng có trong phân bón Khi sử dụng phân bón nhả chậm có thể giảm lượng phân bón sử dụng khoảng 20 – 30% so với lượng thường dùng mà vẫn đạt được năng suất tương tự [11] Các chất dinh dưỡng có mặt trong phân bón sẽ được giải phóng một cách chậm rãi và kịp thời vào từng giai đoạn phát triển của cây trồng tránh được hiện tượng nồng độ dinh dưỡng cao cục bộ gây tình trạng tiêu cực cho cây trồng Qua đó giúp giảm thiểu các vấn đề liên quan đến kinh tế như giảm thất thoát dinh dưỡng, giảm chi phí và nhân công lao động [45, 46] Không những thế, việc sử dụng phân bón nhả chậm một cách hợp lý sẽ giúp hạn chế các hiện tượng tiêu cực tác động cho

10

môi trường và hệ sinh thái nếu vật liệu phủ hoặc tải thân thiện với môi trường sẽ tạo tiền

đề cho sự phát triển nông nghiệp bền vững [47]

1.2.3.2 Một số nhược điểm khi sử dụng phân bón nhả chậm:

Bên cạnh các ưu điểm khi sử dụng phân nhả chậm thì những nhược điểm cũng tùy thuộc vào loại phân nhả chậm mà chúng ta sử dụng Nhưng các nhược điểm chung hàng đầu của các loại phân nhả chậm người ta quan tâm đó là giá thành sản phẩm phải không được quá cao vì sẽ làm hạn chế sự tiếp cận của người tiêu dùng [45] Ngoài ra trong quá trình sử dụng phân bón nhả chậm, các chất dinh dưỡng vẫn có thể tiếp tục giải phóng ngay cả khi không

có cây trồng do hiệu ứng “bám đuôi” Hiệu ứng này xảy ra sau khi khoảng 80 – 85% các chất dinh dưỡng đã được giải phóng và các chất dinh dưỡng này giải phóng một cách kéo dài [48] Vì thế, phải cần xem xét kỹ từng loại cây trồng phù hợp với loại phân nhả chậm nào và điều kiện sử dụng tối ưu (nhiệt độ, độ ẩm của đất, vi sinh vật trong đất,.) [6, 11, 47]

Và đặc biệt là khả năng giải phóng chất dinh dưỡng phải phù hợp với giai đoạn phát triển của cây trồng, tránh sự thiếu hụt hoặc dư thừa chất dinh dưỡng trong quá trình phân giải phóng

1.2.4 Cơ chế của phân bón nhả chậm

Cho đến nay đã có nhiều mô hình khác nhau dựa trên định luật Fick được phát triển như

mô hình thứ nhất, mô hình thứ hai, mô hình khuếch tán nhiều giai đoạn và mô hình đa khuếch tán mà chủ yếu là để xem xét hiệu quả khuếch tán chất dinh dưỡng [6] Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng của phân nhả chậm là một quá trình rất phức tạp do có liên quan đến các yếu tố như loại phân bón, vật liệu tải hoặc phủ phân bón, điều kiện thổ nhưỡng, từng loại cây trồng và vì ngày càng có nhiều hệ thống được phát triển, chẳng hạn như phân nhả chậm hydrogel và phân nhả chậm từ vật liệu phân hủy một phần hay phân hủy hoàn toàn Do đó các loại phân nhả chậm khác nhau có cơ chế khác nhau cho nên bất kỳ mô hình nào cũng không thể phù hợp với tất cả các loại như mong đợi Ví dụ, như Liu và cộng sự hay Shaviv và Mikkelsen đã nghiên cứu cơ chế hoạt động của phân bón có lớp phủ Họ đã

đề xuất rằng việc giải phóng chất dinh dưỡng nên dựa trên mô hình khuếch tán nhiều giai đoạn như hình 1.1 [49, 50]

11

Hình 1 1 Cơ chế chung cho việc giải phóng dinh dưỡng của phân nhả chậm có lớp phủ Sau khi bón phân vào đất, độ ẩm xâm nhập vào viên phân thông qua các lỗ trên vật liệu phủ hay các vi lỗ (hình 1.1a) Tiếp theo, do áp suất bên trong hạt tăng dần và các chất dinh dưỡng bên trong lõi viên phân bị nước hòa tan (hình 1.1b) Sau đó quá trình giải phóng chất dinh dưỡng có thể diễn ra theo hai cách sau:

1 ) Giải phóng đột ngột do lớp phủ vỡ ra do áp suất bên trong và toàn bộ chất dinh dưỡng bên trong phân đi vào đất

2 ) Giải phóng dần dần do áp suất bên trong hạt phân không vượt quá cường độ phủ và do

sự chênh lệch nồng độ các ion dinh dưỡng bên trong và bên ngoài lớp phủ nên khuếch tán vào đất được cây hấp thụ [34]

Giai đoạn thứ ba của mô hình khuếch tán này là sự phân rã chậm của quá trình giải phóng

Áp suất giảm bên trong hạt làm chậm quá trình giải phóng chất dinh dưỡng (hình 1.1c) cho đến khi chất dinh dưỡng cạn kiệt và quá trình giải phóng không còn xảy ra

1.3 Một số thông tin về nguyên liệu được sử dụng

1.3.1 Thủy tinh lỏng

Thủy tinh lỏng (thủy tinh nước) là một hợp chất có công thức hóa học là Na2SiO3 hoặc mNa2O.nSiO2 ở trạng thái bình thường là chất lỏng trong suốt không màu Trong cả dung dịch trung tính và kiềm thủy tinh lỏng đều ổn định Ngoài ra, nó còn được sử dụng làm nguồn nguyên liệu thuận tiện cho nhiều sản phẩm công nghiệp, làm chất kết dính, làm chất keo tụ trong các nhà máy xử lý nước và trong nhiều ứng dụng khác

và có thể có nhiều cách kết hợp khác nhau [53] Do đó, một nguyên tử silicon có thể liên kết hai nhóm gốc cùng loại (ví dụ: dimethyl-siloxane) hoặc hai nhóm khác nhau (ví dụ: phenylmethyl-siloxane)

Hình 1 3 Biểu diễn chuỗi liên kết Silic – Oxygen và nhóm thế [53]

Dầu silicon có đặc tính nổi bật đó là có tính năng ổn định nhiệt và có thể chịu được áp lực của thời tiết gây ra [52] Với các đặc điểm đó nên dầu silicone thường được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp nặng, mỹ phẩm, y tế (chất nén võng mạc) [52, 54]

13

1.3.3 Polyvinyl alcohol

Polyvinyl alcohol (PVA) là một polymer không độc hại, có thể phân hủy sinh học không gây ô nhiễm môi trường [55] Đồng thời PVA có những tính chất như độ bám dính bề mặt với vật liệu gia cường dạng sợi, hạt, tấm trong vật liệu composite rất tốt [56] Thủy phân PVAc (Polyvinyl acetate) sẽ thu được PVA ở các mức độ thủy phân khác nhau (thủy phân một phần hoặc thủy phân hoàn toàn) [57]

Trong cấu trúc của Polyvinyl alcohol có chứa nhiều nhóm hydroxyl (-OH), do đó PVA thể hiện tính chất của một alcohol đa chức PVA còn có khả năng tham gia phản ứng acetal hóa, ester hóa, tạo liên kết ngang [55]

Hình 1 4 Cấu trúc phân tử PVA với R là H hoặc COCH3 [57]

PVA là một polymer không độc hại, tồn tại dưới dạng hạt tinh thể rắn với đặc điểm dễ tạo màng có độ bền kéo cao cùng với khả năng kết dính tuyệt vời và khả năng tan trong nước phụ thuộc vào mức độ thủy phân [58] Nên PVA được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: y tế, nhựa, dược phẩm hay công trình xây dựng, xử lý nước thải [55, 56]

1.3.4 Phân lân nung chảy

Phân lân nung chảy được sản xuất bằng cách nung chảy quặng apatit ở nhiệt độ cao để chuyển lân thành các hợp chất phức tạp hòa tan được trong acid Ngoài các chất dinh dưỡng chính là lân (P) còn có thể cải tạo đất và cung cấp các chất dinh dưỡng khác cần thiết cho cây trồng như vôi (canxi), magie, silic, đồng, mangan, kẽm, molybden, cobalt [59] Phân lân nung chảy không tan trong nước vì thế điều này giúp phân lân không bị rửa trôi, hiệu quả kéo dài, thích hợp cho các loại đất chua, đất phèn [60] Phân lân nung chảy an toàn, thân thiện với môi trường do không chứa những chất độc hại, không ảnh hưởng đến sức khỏe con người và không gây ô nhiễm môi trường [59, 60]

14

Bên cạnh những ưu điểm trên thì phân lân nung chảy vẫn còn một số hạn chế như không hiệu quả trên đất kiềm do không đủ độ acid để hòa tan phân, làm giảm hiệu quả cung cấp các dưỡng chất cho cây trồng và mặc dù chứa nhiều nguyên tố vi lượng, phân lân nung chảy vẫn cần được kết hợp với các loại phân bón khác (như phân đạm, phân kali) để đảm bảo cung cấp đầy đủ dưỡng chất cần thiết cho cây trồng [59]

Hình 1 5 Phân lân nung chảy Văn Điển dạng bột

1.3.5 Phân NPK 16-16-8

Phân bón NPK 16-16-8 trong đó ba con số 16,16,8 đại diện cho tỉ lệ phần trăm dinh dưỡng của ba nguyên tố dinh dưỡng chính là Nitrogen (N), Phosphorus (P) và Potassium (K) Phân NPK cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng chính cần thiết cho sự sinh trưởng của cây trồng, giúp cây phát triển và cho năng suất cao

Hình 1 6 Phân NPK 16-16-8

15

1.4 Tình hình nghiên cứu lớp phủ cho phân nhả chậm

1.4.1 Một số nghiên cứu trên thế giới

Cho đến nay phương pháp sử dụng lớp phủ hữu cơ hay vô cơ hoặc cả hai để bao bọc lõi phân đang là một điểm nóng khiến các nhà nghiên cứu luôn tìm kiếm những vật liệu tiềm năng cho phân nhả chậm Như Dongquin Cai và các cộng sự đã tiến hành trộn rơm ngô (Corn straw – CS), chất kết dính tinh bột biến tính (Modified Starch Adhesive – MSA), Fe3O4 và Urea theo tỉ lệ 3:3:2:1, hỗn hợp được tạo hạt bằng máy tạo hạt Sau đó, các hạt được sấy khô và được phủ bằng Amino silicone oil (ASO) để thu được phân nhả chậm có

từ tính Phân nhả chậm này có thể giải phóng 80% Urea sau 75 ngày thí nghiệm trong cát

và sự tăng trưởng cây trồng có độ an toàn cao được chứng minh qua kích thước cây được trồng có chiều cao, hàm lượng chất diệp lục, trọng lượng khô, trọng lượng ướt cao hơn hẳn mẫu đối chứng Cùng với đó, nghiên cứu cũng chỉ ra tính an toàn sinh học khi khả năng tồn tại của giun đất là 100% và sau 14 ngày sử dụng phân bón trọng lượng giun đất cũng như lượng vi khuẩn có lợi Sphingomonas tăng cao hơn đối chứng lần lượt là 3,13g và 32,67% [61]

Nhóm nghiên cứu của Gunaratnam Abhiram đã thử nghiệm phân nhả chậm Urea được phủ bằng lớp polyester với chất độn là than non để hạn chế tình trạng dính bề mặt viên phân của polyester [62] Kết quả cho thấy lớp phủ này đều kéo dài thời gian giải phóng Urea lên

117 và 172 giờ tương ứng 3 và 5 số lần phủ (độ dày trung bình lớp phủ là 167,2 ± 15 𝜇m)

so với mẫu Urea không được phủ Với lớp phủ composite này đã giúp cải thiện các tính chất vật lí của lớp phủ như khả năng chịu mài mòn, sự ổn định nhiệt, độ hút nước,

Barbosa và cộng sự đã sử dụng Phosphoric acid (H3PO4) và MgO để làm giàu Nitrogen trong phân chăn nuôi nhằm sản xuất phân bón gốc than sinh học [63] Khi trộn chung với Urea theo tỉ lệ 4:5 thu được phân có hiệu quả cải thiện tỷ lệ sử dụng Nitrogen của cây trồng Đồng thời, phân bón làm từ than sinh học được tạo hạt có thể kiểm soát tốc độ giải phóng Nitrogen có lợi cho việc quản lý và canh tác cây trồng

Chao Zhao và cộng sự của mình đã nghiên cứu tạo ra phân đạm nhả chậm với tỷ lệ phân bón với than sinh học 1:9, 2:8, 3:7 với các công thức khác nhau [64] Sử dụng Urea làm lõi,

16

than sinh học làm vật liệu phủ và PVA/nano – SiO2/tinh bột làm chất kết dính Kết quả cho thấy khả năng chịu nén tăng lên 164,36%, khả năng chống mài mòn và chống ẩm của phân nhả chậm thu được cải thiện đáng kể khi lượng than sinh học tăng dần Thí nghiệm rửa qua cột đất trong nghiên cứu cũng cho thấy sự giải phóng tích lũy N, N-NH4+ và N-NO3- giảm lần lượt còn 20,45%, 25,98% và 34,19% so với phân Urea không phủ Do đó, lớp phủ là than sinh học có tác dụng đặc biệt trong quá trình hạn chế tình trạng rửa trôi Nitrate trong đất, thúc đẩy ứng dụng phân bón phủ than sinh học để nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Đến thời điểm hiện tại, lĩnh vực phân nhả chậm vẫn chưa thực sự phát triển ở nước ta thông qua việc các sản phẩm phân nhả chậm trong nước hoặc nhập khẩu đều có giá thành rất cao gây cản trở đến tay người tiêu dùng [45] Mặt khác trình độ khoa học kỹ thuật ở nước ta vẫn còn hạn chế về mặt sản xuất ở quy mô lớn chính vì thế những nghiên cứu hay bằng sáng chế trong nước và thế giới được dùng làm nguồn tham khảo và qua đó ta có cái nhìn khái quát về tình hình nghiên cứu về phân nhả chậm hiện nay

Năm 2014, Nguyễn Đoàn Tùng và cộng sự của mình đã thực hiện chế tạo được phân bón nhả chậm trên cơ sở khoáng sét và tinh bột biến tính [65] Qua các thí nghiệm đo độ rã viên phân, ảnh hưởng của hàm lượng khoáng sét, thời gian biến tính tinh bột và thời gian giải phóng chất dinh dưỡng đã cho thấy tinh bột biến tính có đặc tính kết dính tốt nhất ở thời gian là 7 giờ Đồng thời phân bón và khoáng sét có khả năng tương tác với nhau làm từ đó cải thiện độ rã cũng như có tác dụng điều tiết sự giải phóng dinh dưỡng của phân bón Tại đại học Thái Nguyên, nhà nghiên cứu Trần Quốc Toàn đã thực hiện nhiều nghiên cứu

về phân nhả chậm được bọc bằng PVA hay polyacrylamit cùng với khoáng bentonite Các nghiên cứu đều thể hiện những kết quả như mong đợi khi tốc độ giải phóng dinh dưỡng của phân bọc PVA với lõi là urea và bentonite sau 35 ngày ngâm trong đất đã giải phóng khoảng 80% Hay hàm lượng kali giải phóng tích lũy trong đất khoảng 81,25% sau 7 ngày thí nghiệm đối với phân bọc polyacrylamit [66-68]

Nhóm nghiên cứu của Lê Thị Minh Lương đã tổng hợp phân nhả chậm NPK bọc lưu huỳnh với chất nền như thạch cao, cao lanh, PVA hay Ureformaldehyde [69] Sản phẩm tạo thành