Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)

Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp (NCKH)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ LOẠI PHÂN BÓN NHẢ CHẬM THÂN THIỆN VỚI MÔI TRƯỜNG ỨNG DỤNG

TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP

Mã số: ĐH2015-TN04-08

Chủ nhiệm đề tài: TS TRẦN QUỐC TOÀN

THÁI NGUYÊN, NĂM 2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MỘT SỐ LOẠI PHÂN BÓN NHẢ CHẬM THÂN THIỆN VỚI MÔI TRƯỜNG ỨNG DỤNG

TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP

T Họ và tên

Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên môn

Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao

1 TS Trần Quốc Toàn Khoa Hoá học – ĐHSP

ĐH Thái Nguyên Chủ nhiệm đề tài

2 TS Dương Ngọc Toàn Khoa Hoá học – ĐHSP

Họ và tên người đại diện đơn vị

Viện Hóa học- Viện Hàn

lâm KH&CN Việt Nam

Cung cấp tư liệu, trao đổi chuyên môn, hoá chất, dụng cụ và phối hợp nghiên cứu

TS Nguyễn Thanh Tùng

Viện Khoa học Vật liệu,

Viện Hàn lâm Khoa học

và Công nghệ Việt Nam

Phân tích mẫu, đo SEM

Khoa Hoá học, ĐH Sư

MỤC ỤC

Trang

Trang bìa phụ

Mục lục i

Danh mục chữ viết tắt iii

Danh mục bảng biểu iv

Danh mục các hình v

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Vai trò của phân bón đối với sản xuất lương thực, tác động của việc sử dụng phân bón tới môi trường, sinh thái và sức khoẻ 4

1.1.1 Vai trò của phân bón đối với sản xuất lương thực 4

1.1.2 Tác động của việc sử dụng phân bón tới môi trường, sinh thái và sức khoẻ 4

1.2 Giới thiệu chung về phân bón nhả chậm 6

1.2.1 Khái niệm, phân loại và những ưu điểm của phân bón nhả chậm 6

1.2.2 Công nghệ phân bón nhả chậm 8

1.3 Giới thiệu một số nguyên vật liệu dùng chế tạo phân bón nhả chậm 18

1.3.1 Tinh bột và tinh bột biến tính 18

1.3.2 Polyurethan 20

1.3.3 Polyvinyl ancol 21

1.3.4 Polyvinyl axetat 21

1.3.5 Bentonit 22

1.4 Ứng dụng của phân bón nhả chậm 23

1.4.1 Sử dụng phân bón nhả chậm trong nông nghiệp 23

1.4.2 Sử dụng phân bón nhả chậm trong lĩnh vực phi nông nghiệp 27

1.5 Tình hình nghiên cứu phân bón nhả chậm ở Việt Nam 28

Chương 2 THỰC NGHIỆM 32

2.1 Nguyên liệu, hoá chất 32

2.2 Dụng cụ, thiết bị nghiên cứu 32

2.3 Một số phương pháp phân tích phân bón 33

2.3.1 Xác định hàm lượng nitơ tổng số 33

2.3.2 Xác định hàm lượng photpho tổng số 34

2.3.3 Xác định hàm lượng kali tổng số 34

2.3.4 Phương pháp xác định độ rã của lõi phân bón 34

2.3.5 Phương pháp xác định độ cứng của lõi phân 34

2.3.6 Phương pháp phân tích một số tính chất l hóa của đất 35

2.4 Phương pháp tiến hành 35

2.4.1 Nghiên cứu chế tạo lõi phân bón 35

2.4.2 Nghiên cứu chế tạo vỏ bọc cho phân bón nhả chậm 39

2.4.3 Nghiên cứu quá trình nhả chậm phân bón 41

2.4.4 Ứng dụng thử nghiệm phân bón nhả chậm cho một số cây trồng 42

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

3.1 Chế tạo lõi phân bón nhả chậm 49

3.1.1 Biến tính tinh bột 49

3.1.2 Lựa chọn chất kết dính cho phân bón ure nhả chậm 52

3.1.3 Lựa chọn chất kết dính cho phân bón NPK nhả chậm 54

3.2 Chế tạo vỏ bọc cho phân bón nhả chậm 57

3.2.1 Đặc trưng vật liệu của lớp vỏ bọc 57

3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng parafin đến lớp phủ polyurethan 58

3.2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng polyurethan đến độ dày và tỉ lệ bọc của lớp vỏ 60

3.3 Nghiên cứu quá trình nhả chậm phân bón 62

3.3.1 Nghiên cứu quá trình nhả phân bón trong nước 62

3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng nhả dinh dưỡng của phân bón 66

3.3.3 Ảnh hưởng của pH đến khả năng nhả dinh dưỡng của phân bón 68

3.3.4 Quá trình nhả phân bón trong đất 69

3.3.5 Đánh giá khả năng phân hủy sinh học của lớp vỏ phân bón 71

3.4 Ứng dụng phân bón nhả chậm cho một số cây trồng 73

3.4.1 Ứng dụng phân bón nhả chậm cho cây bí xanh 74

3.4.2 Ứng dụng phân bón nhả chậm cho cây chè 79

KẾT LUẬN 85

TÀI IỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 ASC Axit ascorbic - C6H8O5

2 APS Amoni pesunfat - (NH4)2S2O8

3 AAm Acrylamit - C3H5NO (CH2=CH–CONH2)

4 CRF Phân bón nhả có kiểm soát (Controlled Release Fertilizer)

5 CDU Ure formaldehit/Ure-crotonaldehit

6 DAP Điamonihiđrophotphat - (NH4)2HPO4

16 SEM Hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscopy)

17 SRF Phân bón nhả chậm (Slow Release Fertilizer)

18 PVA Poly vinylancol

27 FAO Tổ chức lương thực và nông nghiệp liên hợp quốc

28 FAV Hiệp hội phân bón Việt Nam

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1 Thành phần nguyên liệu tổng hợp lõi phân ure nhả chậm (tính cho 100g) 38

Bảng 2.2 Thành phần nguyên liệu tổng hợp lõi phân bón NPK (16:16:16) 38

Bảng 2.3 Thành phần nguyên liệu tổng hợp lõi phân bón NPK (30:10:10) 39

Bảng 3.1.Ảnh hưởng của thời gian biến tính tới tính chất của tinh bột 49

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng PU đến độ dày lớp vỏ và tỉ lệ bọc 60

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của phân bón ure nhả chậm đến thời gian sinh trưởng 74

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của phân bón nhả chậm đến sinh trưởng và phát triển của cây bí xanh 75

Bảng 3.5.Ảnh hưởng của lượng phân bón nhả chậm đến hình thái cấu trúc quả bí xanh 76

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của phân bón ure nhả chậm đến năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất 77

Bảng 3.7 Hiệu quả kinh tế thu được của mô hình ứng dụng phân bón nhả chậm cho cây bí xanh 78

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của phân bón nhả chậm đến tính chất l – hóa của đất 79

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của phân bón nhả chậm đến các yếu tố cấu thành năng suất chè (tính trung bình 7 lứa hái) 80

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của phân bón nhả chậm đến năng suất chè (tính trung bình 7 lứa hái) 81

Bảng 3.11 Hiệu quả kinh tế thu được của mô hình ứng dụng phân bón nhả chậm cho cây chè (tính trong 7 lứa hái) 82

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của phân bón nhả chậm đến tính chất l – hóa của đất 83

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Cấu tạo hạt phân nhả chậm bọc polyme 12

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử của amylozơ (a) và amylopectin (b) 18

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử của Polyurethan 20

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử của Polyvinyl ancol 21

Hình 1.5 Cấu trúc phân tử Polyvinyl axetat 22

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể 2:1 của Montmorillonit 23

Hình 2.1 Sơ đồ chế tạo lõi phân bón nhả chậm 37

Hình 2.2 Sơ đồ chế tạo vỏ phân bón nhả chậm 40

Hình 2.3 Ống PVC chứa đất, nước và phân nhả chậm 42

Hình 3.1 Ảnh hưởng của thời gian biến tính tinh bột đến độ rã 50

Hình 3.2 Ảnh hưởng của thời gian biến tính tinh bột đến độ cứng 50

Hình 3.3 Phổ IR của tinh bột 51

Hình 3.4 Phổ IR của tinh bột biến tính 51

Hình 3.5 Ảnh hưởng của loại chất kết dính đến độ rã lõi phân bón ure 53

Hình 3.6 Ảnh hưởng của loại chất kết dính đến độ cứng lõi phân bón ure 53

Hình 3.7.Ảnh hưởng của chất kết dính đến độ rã lõi phân bón NPK (16:16:16) 55

Hình 3.8 Ảnh hưởng của chất kết dính đến độ cứng lõi phân bón NPK (16:16:16) 55

Hình 3.9 Ảnh hưởng của chất kết dính đến độ rã lõi phân bón NPK (30:10:10) 55

Hình 3.10 Ảnh hưởng của chất kết dính đến độ cứng lõi phân bón NPK (30:10:10) 56

Hình 3.11 Phổ IR của lớp vỏ PU 57

Hình 3.12 Giản đồ TGA của lớp vỏ PU 58

Hình 3.13 Ảnh SEM của lớp vỏ PU 59

Hình 3.14 Ảnh hưởng của sáp parafin đến đặc tính nhả N của phân ure nhả chậm 59

Hình 3.15 Ảnh SEM của lớp vỏ với các độ dày khác nhau 61

Hình 3.16 Đặc tính nhả N của các mẫu phân ure nhả chậm trong nước 62

Hình 3.17 Đặc tính nhả N của các mẫu phân NPK (30:10:10) nhả chậm trong nước 63

Hình 3.18 Đặc tính nhả P của các mẫu phân NPK (30:10:10) nhả chậm trong nước 63

Hình 3.19 Đặc tính nhả K của các mẫu phân NPK (30:10:10) nhả chậm trong nước 63

Hình 3.20 Đặc tính nhả N của phân bón NPK (16:16:16) nhả chậm 64

Hình 3.21 Đặc tính nhả P của phân bón NPK (16:16:16) nhả chậm 65

Hình 3.22 Đặc tính nhả K của phân bón NPK (16:16:16) nhả chậm 65

Hình 3.23 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình nhả N của phân ure nhả chậm 66

Hình 3.24 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình nhả N của phân NPK (16:16:16) nhả chậm 66

Hình 3.25 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình nhả P của phân NPK (16:16:16) nhả chậm 67

Hình 3.26 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình nhả K của phân NPK (16:16:16) nhả chậm 67

Hình 3.27 Ảnh hưởng của pH đến quá trình nhả N của phân ure nhả chậm 68

Hình 3.28 Ảnh hưởng của pH đến quá trình nhả dinh dưỡng của phân NPK (16:16:16) nhả chậm 68

Hình 3.29 Đặc tính nhả N của các mẫu phân ure nhả chậm trong đất 69

Hình 3.30 Đặc tính nhả N của phân bón NPK nhả chậm trong đất 70

Hình 3.31 Đặc tính nhả P của phân bón NPK nhả chậm trong đất 70

Hình 3.32 Đặc tính nhả dinh K phân bón NPK nhả châm trong đất 70

Hình 3.33 Độ giảm khối lượng vỏ phân nhả chậm trong đất 71

Hình 3.34 Ảnh SEM bề mặt vỏ viên phân có độ dày 50 µm chôn trong đất 72

Hình 3.35 Ảnh SEM bề mặt vỏ viên phân có độ dày 70 µm chôn trong đất 73

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp

Mã số: ĐH2015 – TN04 – 08

Chủ nhiệm đề tài: TS Trần Quốc Toàn

Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên

Thời gian thực hiện: 24 tháng (từ tháng 9/2015 đến tháng 9/2017)

4 Kết quả nghiên cứu

4.1 Đã nghiên cứu sử dụng tinh bột biến tính bằng NaClO trong 7 giờ làm chất kết dính cho lõi phân nhả chậm (ure, NPK (30:10:10), NPK (16:16:16)) và tìm được hàm lượng tinh bột biến tính tối ưu tương ứng cho 3 loại phân là 3,0%; 2,5%

và 6,0%

4.2 Đã chế tạo thành công phân ure nhả chậm và NPK nhả chậm bằng kĩ thuật vê viên và bọc màng bằng polyurethan Bằng cách điều chỉnh hàm lượng polyurethan (từ 3-25%) đã tạo ra lớp vỏ có chiều dày trung bình khác nhau (từ 20 đến 120 µm) Phân ure, NPK (30:10:10), NPK (16:16:16) nhả chậm với độ dày lớp vỏ 30, 50 và

70 µm đã được nghiên cứu chế tạo, thử nghiệm cho cây bí xanh và cây chè

4.3 Đã nghiên cứu quá trình nhả dinh dưỡng (N, P, K) của phân bón chế tạo được trong nước và trong đất Kết quả cho thấy tốc độ nhả dinh dưỡng phụ thuộc chiều dày lớp vỏ Với các mẫu phân có độ dày vỏ bọc trung bình lần lượt là 30, 50 và 70

µm, thời gian nhả dinh dưỡng trong môi trường nước (ở 25oC) lần lượt là khoảng

15, 40 và 75 ngày; trong môi trường đất lần lượt là khoảng 90, 180 và 270 ngày 4.4 Đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ, pH của môi trường đến khả năng nhả chất dinh dưỡng của phân bón Kết quả cho thấy tốc độ nhả dinh dưỡng tăng khi tăng nhiệt độ Trong môi trường axit (pH=4-6) và môi trường kiềm (pH=8-9) tốc độ nhả dinh dưỡng tăng dần, tuy nhiên sự ảnh hưởng này là không lớn

4.5 Bằng cách xác định độ giảm khối lượng và quan sát sự thay đổi cấu trúc bề mặt lớp vỏ cho thấy, lớp vỏ phân bón sau thời gian chôn trong đất có khả năng phân hủy sinh học

4.6 Đã ứng dụng phân bón nhả chậm có độ dày lớp vỏ trung bình 30 µm cho cây bí xanh và 70 µm cho cây chè xanh Phân nhả chậm không ảnh hưởng xấu đến tính của đất, thích hợp cho sự phát triển của cây bí xanh và cây chè Khí sử dụng phân bón nhả chậm bằng 60% so với lượng phân bón thông thường đã cho năng suất và hiệu quả kinh tế cao nhất

dạng viên‟‟, Tạp chí Hoá học, 54(6e2), tr 86-90

3 Trần Quốc Toàn, Nguyễn Văn Khôi, Nguyễn Thanh Tùng, Trần Đại Lâm, Đinh Thúy Vân (2016), „‟Nghiên cứu tương tác giữa polivinyl ancol, polivinyl

axetat với ure và bentonit Bình Thuận‟‟, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thái

Nguyên, 159(14), tr 41-44

4 Trần Quốc Toàn, Nguyễn Văn Khôi, Nguyễn Thanh Tùng, Nguyễn Trung Đức, Đỗ Công Hoan, Nguyễn Thu Hương (2016), “Ảnh hưởng của phân ure nhả

chậm đến sinh trưởng và năng suất của giống bí xanh số 1 tại Thái Nguyên‟‟, Tạp chí

Khoa học và Công nghệ Thái Nguyên, 158(13), tr 67-71

5 Trần Quốc Toàn, Nguyễn Văn Khôi, Nguyễn Thanh Tùng, Trần Đại Lâm, Ngô Thị Minh Trang, Trần Thị Thuỳ Dương (2016), “Tổng hợp và nghiên cứu tính

chất của phân ure nhả chậm trên cơ sở polivinyl ancol và khoáng sét‟‟, Kỷ yếu hội

thảo khoa học sinh viên và cán bộ trẻ các trường Đại học Sư phạm toàn quốc lần thứ VI năm 2016 tại ĐHSP TPHCM, tr 953-961

6 Trần Quốc Toàn, Nguyễn Thanh Tùng, Nguyễn Trung Đức, Đỗ Công Hoan, Nguyễn Thu Hương (2017), “Ảnh hưởng của phân bón nhả chậm tới năng suất và hiệu quả kinh tế của cây chè kinh doanh tại huyện Đồng Hỷ, Thái Nguyên‟‟,

Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thái Nguyên,161(01), tr 45-49

5.2 Sản phẩm đào tạo

1 Trần Quốc Toàn (2017), Chế tạo và nghiên cứu động học quá trình nhả

chất dinh dưỡng của một số loại phân bón nhả chậm, Luận án tiến sỹ, Học viện

Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

2 Ngô Thị Minh Trang (2015), Nghiên cứu tổng hợp phân bón ure nhả chậm

từ polivinyl ancol và bentonit, Đề tài NCKH Sinh viên, Trường Đại học Sư Phạm,

Đại học Thái Nguyên

3 Bùi Thanh Giang, Vũ Thị Hiền (2016), Tổng hợp và nghiên cứu tính chất

phân bón ure nhả chậm với vỏ bọc poliurethan và bước đầu thử nghiệm trên cây chè xanh, Đề tài NCKH Sinh viên, Trường Đại học Sư Phạm, Đại học Thái Nguyên

4 Đỗ Thị Trang Quyên, Nguyễn Thị Phượng (2016), Nghiên cứu tổng hợp

phân bón ure nhả chậm từ polyvinyl axetat, bentonit và bước đầu thử nghiệm trên cây cải ngọt, Đề tài NCKH Sinh viên, Trường Đại học Sư Phạm, Đại học Thái

Nguyên

5.3 Sản phẩm ứng dụng

09 loại phân bón nhả chậm (với độ dày lớp vỏ trung bình 30, 50 and 70 µm):

03 loại phân ure nhả chậm, 03 loại phân NPK (30:10:10) nhả chậm và 03 loại phân NPK (16:16:16) nhả chậm

6 Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu

Kết quả của đề tài có thể sử dụng trong đào tạo cử nhân tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm-Đại học Thái Nguyên và có thể ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp ở tỉnh Thái Nguyên và nhân rộng trong cả nước

Ngày 08 tháng 8 năm 2017

Tổ chức chủ trì

Chủ nhiệm đề tài

Trần Quốc Toàn

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information

Project Title: “Design of several environmentally riendly slow - release fertilizers and application for agriculture production ”

Code number: ĐH2015-TN04-08

Coordinator: Dr Tran Quoc Toan

Implementing Institution: College of Education, Thai Nguyen University Duration from: 24 months (from 9/2015 to 9/2017)

2 Objective(s)

- Successfully synthesis of several environmentally friendly polyurethane

covered slow - release fertilizers

- Initially application of slow - release fertilizer for some crops (winter melon, tea ) in agriculture production in Thai Nguyen province

3 Creativeness and innovativeness

- Successfully fabricated controlled release fertilizer (urea and NPK) by pelletizing technique and coated with polyurethane membrane

- The envelope of the fertilizer manufactured from polyurethanes capable of biodegradation; Controlled release fertilizers are not adversely affecting the physical and chemical properties of the soil

- Pre-controlled release fertilizers helped courgettes and the tea trees grow up and thrive while saved the cost of fertilizers and fertilizing time Reduced the amount of fertilizer of 40% compared to conventional fertilizers but still kept high efficiency

4 Research results

4.1 Modified starch within 7 hours is used as the bond for slow-release fertilizer core Core of ure, NPK (30:10:10) and NPK (16:16:16) has optimal

denautured starch content of 3.0%; 2.5% và 6.0% respectively

4.2 Sythesize successfully slow-release Ure and NPK by the technique of rolling ball and covering membrane by polyurethan By adjusting polyurethan content (from 3-25%), the cover layer with different average thickness of from 20 to

120 µm

4.3 The rate of nutrition release depends on the cover layer thickness At

25oC in the water, the time for nutrition release of slow-release fertilizer is about

15, 40 and 75 dayswith the average cover thickness in turn 30, 50 and 70 µm, respectively In the soil, the time for nutrition release of slow release fertilizer is about 90, 180 and 270 days with the cover thickness in turn 30, 50 and 70 µm, repectively

4.4 Effects of temperature, pH of the environment on the ability of fertilizer‟s nutritions release was studied Results showed that therate of nutrition release increased when temperature increased In acid and (pH=4-6) alkakine (pH=8-9) medium, the rateofnutrition release increased gradually, however these effects werenot considerable

4.5 By determining weight loss and SEM images, it showed that the fertilizer cover layer after the buring in the soil was able to be decomposed biologically

4.6 Apply slow-release fertilizer with the average cover layer thickness of

30 µm for green pumpkin and 70 µm for tea Slow-release fertilixzer didnot affect harful on soil characeristics and conform with development of green pumpkin and tea When using slow-release fertilizer by 60% in comparison with normal weight brings back the highest ouput and economic effects

Vietnam Journal of Chemistry, 54(6e2), pp 86-90

3 Tran Quoc Toan, Nguyen Van Khoi, Nguyen Thanh Tung, Tran Dai Lam, Dinh Thuy Van (2016), “Research interaction between polivinyl ancol, polivinyl

axetat with urea and bentonite Binh Thuan”, Journal of Science and Technology

Thai Nguyen, 159(14), pp 41-44

4 Tran Quoc Toan, Nguyen Van Khoi, Nguyen Thanh Tung, Nguyen Trung Duc, Do Cong Hoan, Nguyen Thu Huong (2016), “Effect of slow-release urea

fertilizer on growth and yield of winter melon no.1 in Thai Nguyen‟‟, Journal of

Science and Technology Thai Nguyen, 158(13), pp 67-71

5 Tran Quoc Toan, Nguyen Van Khoi, Nguyen Thanh Tung, Tran Dai Lam, Ngo Thi Minh Trang, Tran Thi Thuy Duong (2016), ''Synthesis and properties of

slow released ure fertilizer based on polyvinyl alcol and clay'', Proceedings of the

sixth national student-teacher-training conferences for students and young professionals, pp 953-961

6 Tran Quoc Toan, Nguyen Thanh Tung, Nguyen Trung Duc, Do Cong Hoan, Nguyen Thu Huong (2017), “Effects of slow-release fertilizer on the yield and economic efficiency of commercial tea plantation In Dong hy district, Thai

Nguyen province”, Journal of Science and Technology Thai Nguyen, 161(01), pp

45-49

5.2 Training products

1.Tran Quoc Toan (2017), Preparation and study the kinetics of nutrient

release some controlled release fertilizer, Ph.D dissertation, Graduate University of Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology

2 Ngo Thi Minh Trang (2015), Design slow release urea fertilizer based

from polyvinyl alcohol and clay bentonit, Subject Research Students, College of

Education, Thai Nguyen University

3 Bui Thanh Giang, Vu Thi Hien (2016), Synthesis and properties of

slow-release urea fertilizer on the polyurethane Coated and Initially application for tea ,

Subject Research Students, College of Education, Thai Nguyen University

4 Do Thi Trang Quyen, Nguyen Thi Phuong (2016), Study and synthesis of

slow release urea fertilizer based from polyvinyl alcohol, clay bentonit and Initially application for Brassica integrifolia, Subject Research Students, College of

Education, Thai Nguyen University

5.3 Applied products

09 type of controlled release fertilizers (with the average cover thickness in turn 30, 50 and 70 µm): 03 type of controlled release ure fertilizers, 03 type of controlled release NPK (30:10:10) fertilizers and 03 type controlled release NPK (16:16:16) fertilizers

6 Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results

The results of the research were used in training bachelors at the Department

of Chemistry, College of Education, Thai Nguyen university and can be applied for agriculture production in Thai Nguyen province and application for over country

MỞ ĐẦU

1 ý do chọn đề tài

Sự bùng nổ dân số hiện nay đã làm tăng nhu cầu về lương thực, thực phẩm Trong khi diện tích đất canh tác bị thu hẹp do quá trình đô thị hóa thì tăng năng suất cây trồng là con đường duy nhất để đảm bảo an ninh lương thực cho con người Phân bón là yếu tố quyết định đến việc tăng năng suất cây trồng nên việc sử dụng

phân bón trong sản xuất nông nghiệp là một tất yếu Tuy nhiên, theo kết quả điều tra

của FAO, hiệu quả sử dụng phân bón ở Việt Nam hiện nay chỉ đạt 45-50%, phần còn lại bị thất thoát vào môi trường làm giảm hiệu quả sử dụng phân bón, ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khoẻ con người và thiệt hại về kinh tế [6] Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo ra các loại phân bón vừa cung cấp đủ dinh dưỡng cho cây trồng trong một thời gian dài, chống bị rửa trôi, vừa thân thiện với môi trường đang

là mối quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học [80]

Để nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón, hiệu quả kinh tế và hạn chế ô nhiễm môi trường, góp phần phát triển nền nông nghiệp xanh, sạch và bền vững, trong những năm gần đây trên thế giới cũng như ở Việt Nam có xu hướng áp dụng công nghệ mới vào lĩnh vực sản xuất phân bón Một trong những hướng quan trọng nhất,

có nhiều triển vọng là nghiên cứu và phát triển kỹ thuật nhả chậm Kỹ thuật này tạo

ra các loại phân bón có khả năng tăng cường sự phát triển của cây khi các chất dinh dưỡng được đưa vào nền polyme hoặc bọc trong vỏ polyme Chất dinh dưỡng được nhả dần cho cây hấp thụ, do đó tránh được hiện tượng rửa trôi phân bón, tiết kiệm sức lao động và chi phí sản xuất cũng như giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường Các polyme được sử dụng có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường, không ảnh hưởng xấu đến chất lượng đất, chất lượng nông sản [80]

Việt Nam là nước nông nghiệp, do đó nhu cầu sử dụng phân bón trong sản xuất nông nghiệp hàng năm là rất lớn đặc biệt là phân bón nhả chậm Tuy nhiên, việc nghiên cứu về phân bón nhả chậm hiện nay ở Việt Nam còn rất mới, hơn nữa việc sử dụng phân bón nhả chậm trong sản xuất nông nghiệp còn rất hạn chế do giá thành của phân bón nhả chậm nhập khẩu còn cao, gây chi phí lớn trong sản xuất Vì

vậy, tôi chọn đề tài‘’Nghiên cứu chế tạo một số loại phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp ” nhằm giải quyết

những bức xúc trong sản xuất thực tế đặt ra

3.2 Đối tượng nghiên cứu

- Phân bón: ure, NPK Chất mang: bentonit Chất kết dính: PVAc, PVA, tinh bột, tinh bột biến tính Chất tạo lớp phủ là polyuethan

- Cây chè, cây bí xanh tại tỉnh Thái Nguyên

4 Giả thuyết khoa học

Nghiên cứu chế tạo lõi phân bón nhả chậm (ure, NPK) bằng cách vê viên từ các loại phân đơn dễ tan cùng với chất phụ gia (khoáng sét bentonit, chất kết dính polyme) sau đó bọc màng polyurethan cho các lõi Nghiên cứu điều chỉnh độ dày lớp màng polyurethan để tạo ra các loại phân bón nhả chậm có tuổi thọ khác nhau

Từ đó nghiên cứu lựa chọn các sản phẩm phân bón nhả chậm có hàm lượng dinh dưỡng, thời gian nhả dinh dưỡng phù hợp với chu kì phát triển của cây bí xanh và cây chè

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu chế tạo lõi phân bón nhả chậm: ure, NPK

- Nghiên cứu chế tạo vỏ bọc cho phân nhả chậm

- Ứng dụng thử nghiệm phân bón nhả chậm cho một số cây trồng (cây bí xanh, cây chè)

6 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu chế tạo một lõi phân bón nhả chậm: ure, NPK (30:10:10), NPK (16:16:16) từ khoáng sét bentonit, chất kết dính là tinh bột, tinh bột biến tính, polyvinyl ancol, polyvinyl axetat

- Nghiên cứu chế tạo vỏ bọc cho phân nhả chậm từ polyurethan

- Nghiên cứu các đặc tính nhả dinh dưỡng của phân bón trong nước, trong đất

và đánh giá khả năng phân hủy sinh học của lớp vỏ trong đất

- Thử nghiệm phân bón nhả chậm cho một số cây bí xanh, cây chè kinh doanh LDP1

7 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu chế tạo lõi phân bón bằng cách đo độ cứng, độ rã

- Nghiên cứu đặc trưng lớp vỏ bằng các phương pháp phân tích hóa học, quang phổ hấp thụ hồng ngoại (IR), phân tích nhiệt (TGA), kính hiển vi điện tử quét (SEM)

- Nghiên cứu đặc tính nhả chất dinh dưỡng của phân bón bằng phương pháp Kjeldahl, phương pháp trắc quang, phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

- Bố trí thí nghiệm ứng dụng phân bón theo phương pháp ngẫu nhiên hoàn chỉnh và xử lí số liệu theo phương pháp thống kê đồng ruộng

8 Cấu trúc và nội dung đề tài

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Vai trò của phân bón đối với sản xuất lương thực, tác động của việc sử dụng phân bón tới môi trường, sinh thái và sức khoẻ

1.1.1 Vai trò của phân bón đối với sản xuất lương thực

Phân bón là các chất hữu cơ hoặc vô cơ chứa các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng nhằm giúp chúng sinh trưởng, phát triển tốt và cho năng suất cao, được bón vào đất hay hòa vào nước phun, xử lí hạt giống, rễ và cây con [6]

Dựa vào lượng chất cây cần sử dụng, người ta chia các chất dinh dưỡng thiết yếu thành 3 nhóm là các chất đa lượng, chất trung lượng và chất vi lượng:

- Nhóm dinh dưỡng đa lượng (NPK): là những chất cây cần với số lượng

nhiều gồm 3 chất là N (đạm), P (lân) và K (kali)

- Nhóm dinh dưỡng trung lượng (Ca; Mg; S): là những chất cây cần với số

lượng trung bình, gồm 3 chất là Canxi (Ca), Magie (Mg), Silic (Si)

- Nhóm dinh dưỡng vi lượng (Fe; Zn ; Mn; Cu ; B ; Mo; Cl): là những chất

cây cần với lượng ít, gồm 7 chất là Sắt (Fe), Kẽm (Zn), Mangan (Mn), Đồng (Cu),

Bo (B), Molypden (Mo) và Clo (Cl)

Các chất dinh dưỡng thiết yếu được cây hút ở dạng ion hòa tan chủ yếu từ đất và phân bón Đối với cây trồng, nguồn dinh dưỡng cung cấp từ đất không đáng

kể so với yêu cầu của cây nên phải bổ sung qua phân bón [6]

Theo tổ chức lương thực và nông nghiệp liên hợp quốc (FAO) phân bón làm tăng năng suất cây trồng từ 35-45% và đóng góp khoảng 30-35% tổng sản lượng cây trồng [6] Dự báo đến năm 2020, hơn 70% sản lượng ngũ cốc sẽ phải phụ thuộc vào phân bón [80] Với diện tích đất trồng trọt 1,6 tỷ ha, và chỉ có thể bổ sung thêm

70 triệu ha vào năm 2050 để sản xuất lương thực cho dân số có thể đạt 13,4 tỷ người vào năm 2050 thì đòi hỏi một lượng dinh dưỡng rất lớn từ phân bón và phân bón sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo đảm an ninh lương thực thế giới [3]

1.1.2 Tác động của việc sử dụng phân bón tới môi trường, sinh thái và sức khoẻ

Sự ảnh hưởng của việc thất thoát phân bón đối với môi trường đã được nhiều nhà khoa học chỉ ra từ lâu Trong số phân bón chưa được cây trồng sử dụng, một phần còn lại ở trong đất, một phần bị rửa trôi theo nước mặt do mưa, theo các công trình thuỷ lợi ra các ao, hồ, sông suối gây ô nhiễm nguồn nước mặt Một phần bị rửa

trôi theo chiều dọc xuống tầng nước ngầm và một phần bị bay hơi do tác động của nhiệt độ hay quá trình phản nitrat hoá gây ô nhiễm không khí [80]

Khi lượng phân bón dư thừa đi vào nguồn nước mặt đã làm tăng nồng độ chất dinh dưỡng trong nước và gây ra hiện tượng phú dưỡng và tảo nở hoa gây hại Mặt khác, khi tảo và thực vật bậc thấp bị chết, xác của chúng bị phân hủy yếm khí, tạo nên các chất độc hại, có mùi hôi, gây ô nhiễm nguồn nước [80]

Ở hầu hết các vùng canh tác, nitơ bị oxy hóa tạo thành nitrat dưới tác dụng của vi khuẩn hoạt động có thể bị thấm hoặc bị tách khỏi rễ đi vào nước ngầm, nước mặt Nồng độ nitrat trong nước cao (do phân đạm chứa nitrat) làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, động vật Trong đường ruột, các nitrat bị khử thành nitrit, các nitrit được tạo ra được hấp thụ vào máu kết hợp với hemoglobin làm khả năng chuyên chở oxy của máu bị giảm Nitrit còn là nguyên nhân gây ung thư dạ dày và nhiều căn bệnh khác như bướu cổ, dị tật bẩm sinh, bệnh tim mạch [80]

Trong quá trình sử dụng phân bón nitơ, sự bay hơi của amoniac khi sử dụng chúng trong môi trường đất có tính kiềm có thể dẫn tới quá trình tích tụ chúng trong

hệ sinh thái, là nguyên nhân gây ra sự phá hủy hệ thực vật Một lượng NH3 có thể bị oxi hóa và được chuyển hóa thành axit, kết hợp với axit sunfuric (từ nguồn khí thải công nghiệp) tạo thành mưa axit phá hủy mùa màng, gây ra tình trạng ngộ độc nhôm trong cá và thực vật [80]

Hiện nay, sự biến đổi khí hậu, thời tiết khắc nhiệt cũng là nguyên nhân chủ yếu gây thất thoát phân bón Ngoài việc phân bón bị mất mát do nước mưa dư chảy tràn thì hiện tượng lũ lụt, làm xói mòn đất, phá vỡ cấu trúc của đất làm tăng nhanh lượng phân bón bị rửa trôi Sự nóng dần lên của trái đất đã làm tăng tốc độ hoà tan của phân bón trong nước, tăng sự bay hơi amoniac [80]

Trong sản xuất nông nghiệp, ở các nước đang phát triển nông dân thường lạm dụng phân bón, có nơi người nông dân bón phân gấp 2-3 lần so với nhu cầu đã làm thất thoát lượng lớn phân bón, gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nguồn nước ngầm, gây mưa axit, góp phần làm tăng hiệu ứng nhà kính, làm giảm độ phì nhiêu đất, tích luỹ dư lượng trong nông sản [6]

Việc thất thoát phân bón vào môi trường đất đã ảnh hưởng đến các tính chất

lí hoá học và sinh học của đất, phá vỡ cấu trúc của đất, giảm tỉ lệ thông khí trong đất Ngoài ra, khi sử dụng phân bón không đúng sẽ làm tăng dịch bệnh, dẫn tới phải

sử dụng nhiều thuốc bảo vệ thực vật gây ô nhiễm môi trường [80]

Theo FAV, nhu cầu phân bón hóa học cho sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam năm 2014 khoảng 11 triệu tấn phân bón các loại, nếu hiệu suất sử dụng các loại phân bón trung bình khoảng 45-50%, thì mỗi năm ngành nông nghiệp đã lãng phí khoảng 40-44 nghìn tỷ đồng Việc thất thoát phân bón là nguyên nhân chính làm tăng chi phí đầu vào cho sản xuất nông nghiệp [4]

1.2 Giới thiệu chung về phân bón nhả chậm

1.2.1 Khái niệm, phân loại và những ưu điểm của phân bón nhả chậm

1.2.1.1 Khái niệm về phân bón nhả chậm

Ngành công nghiệp phân bón luôn phải đối mặt với những tồn tại khó tháo

gỡ, đó là vấn đề cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón Bởi vậy, việc rất cần thiết là phát triển một loại phân bón mới Bằng sự nỗ lực không ngừng, các nhà khoa học

đã chế tạo thành công loại phân bón mới, đáp ứng được những yêu cầu đặt ra, đó chính là phân bón nhả chậm (Slow Release Fertilizer -SRFs) và phân bón nhả có kiểm soát (Controlled Release Fertilizer-CRFs) [80]

Không có sự khác biệt chính thức nào giữa phân bón nhả chậm và nhả có kiểm soát nên thường được gọi chung là phân nhả chậm Tuy nhiên, các sản phẩm N bị phân hủy bởi vi khuẩn như UF (Ure-Formaldehit), trong thương mại thường được gọi

là phân nhả chậm và các sản phẩm dạng viên hoặc bọc được gọi là phân bón nhả có kiểm soát

Ủy ban Chuẩn hóa Châu Âu đã đưa ra một số đề xuất về phân bón nhả chậm trong đất như sau: một loại phân được mô tả là phân nhả chậm nếu chất dinh dưỡng hoặc các chất dinh dưỡng được xem là nhả chậm, dưới những điều kiện nhất định như ở nhiệt độ 250C, phải đáp ứng một trong ba tiêu chuẩn sau:

+ Nhả không quá 15% trong 24h

+ Nhả không quá 75% trong 28 ngày

+ Nhả ít nhất 75% trong khoảng thời gian đã định [80]

1.2.1.2 Phân loại phân bón nhả chậm

Phân nhả chậm được phân loại theo nhiều cách khác nhau theo các tiêu chí khác nhau

*Dựa vào các đặc điểm về cấu trúc hóa học, về tính chất vật lí như: độ chậm tan, khả năng nhả các chất dinh dưỡng, phân nhả chậm được chia thành hai loại: là phân không bọc (SRF) và phân có vỏ bọc (CRF) [42]

- Phân không bọc nhả chậm (SRFs): là phân bón trong đó bằng cách thuỷ phân hoặc phân huỷ sinh học hoặc bằng sự tan hạn chế, các chất dinh dưỡng được nhả dần trong thời gian dài hơn so với phân bón hoà tan trong nước thông thường như amoni sunfat, amoni nitrat và ure

- Phân bọc nhả chậm (CRFs): là phân bón trong đó chất dinh dưỡng được kiểm soát, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng trong một thời gian ở nhiệt độ xác định

Tuy nhiên, Trenkel [80] đã xác định sự khác biệt giữa hai loại phân này Trong trường hợp của SRF, mô hình nhả chất dinh dưỡng gần như là không thể đoán trước, có thể thay đổi theo điều kiện khí hậu, loại đất Ngược lại với CRFs,

mô hình nhả chất dinh dưỡng, số lượng và thời gian nhả chất dinh dưỡng có thể dự đoán được và trong giới hạn nhất định

*Theo Trenkel [80] phân bón nhả chậm có thể được phân thành 3 loại sau:

- Các hợp chất hữu cơ có độ hoà tan thấp

Các hợp chất này thường là các sản phẩm ngưng tụ từ ure Các hợp chất này được chia nhỏ thành các chất phân huỷ sinh học như urea-formaldehyde (UF), isobutylidene diurea (IBDU) hoặc ure acetaldehyde/cyclo diurea (CDU) Cơ chế nhả chậm của phân không bọc dựa trên sự thủy phân từ từ trong nước và tác động của các vi khuẩn trong đất

-Phân bón bọc (kiểm soát việc nhả dinh dưỡng bằng lớp phủ)

Nhóm này gồm những phân bón mà tính tan của nó được điều khiển bởi tính chất vật lí Các loại phân bón có lõi hoặc hạt được phủ bằng vật liệu polyme hay như là một chất nền làm giảm khả năng nhả chất dinh dưỡng Các loại phân bón phủ được chia thành phân phủ bằng vật liệu polyme hữu cơ hoặc nhựa nhiệt dẻo và phân bón bọc bằng vật liệu vô cơ như lưu huỳnh hoặc chất khoáng ít tan Các vật liệu polyme hữu cơ bọc có thểlà polyme kị nước như polyolefin, cao su hoặc polyme

ưa nước trong tự nhiên như ‟‟hydrogel‟‟làm chậm quá trình hoà tan phân bón do khả năng giữ nước cao Các loại ‟‟hydrogel‟‟ trên ít phổ biến hơn so với các loại phân bón phủ và vẫn đang được phát triển

-Các hợp chất vô cơ có độ hòa tan thấp

Các hợp chất vô cơ có độ hoà tan thấp như muối amoni photphat của kim loại có công thức tổng quát là MeNH4PO4 xH2O (với Me là Mg, Fe, Zn, Mg hay K),

ví dụ KNH4PO4 và MgNH4PO4

1.2.1.3 Ưu điểm của phân bón nhả chậm

- Giảm tối thiểu sự mất mát phân bón do xói mòn đất, sự bay hơi hay do kết dính chặt vào đất và nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón Việc sử dụng phân bón nhả chậm có thể giảm từ 20-30% (hoặc lớn hơn) lượng phân bón so với phân bón thông thường mà vẫn cho năng suất như nhau Các chất dinh dưỡng được cung cấp suốt vòng đời phát triển của cây, theo từng giai đoạn phát triển của cây, giúp rễ cây phát triển tốt và sâu, góp phần tăng sức đề kháng của cây [80]

- Phân bón nhả chậm giúp cải thiện sự hấp thu các chất dinh dưỡng của thực vật thông qua việc nhả chất dinh dưỡng đầy đủ theo thời gian, làm giảm đáng kể lượng hao hụt chất dinh dưỡng, đặc biệt là mất nitơ, nitrat qua việc rửa trôi NO3- và bay hơi của NH3 Góp phần làm giảm thiểu các loại khí gây hiệu ứng nhà kính như

N2O và nguy cơ ô nhiễm mạch nước ngầm, không khí [80]

- Phân bón nhả chậm làm giảm độc tính đối với cây trồng, không gây chết cây do sốc dinh dưỡng khi mới bón, không gây thoái hoá và làm chết các vi sinh vật đất, giảm thiểu rủi ro mà phân bón gây ra đối với cây trồng và môi trường như cháy

lá, ô nhiễm nguồn nước và hiện tượng phú dưỡng Ngoài ra phân bón nhả chậm còn cải thiện chất lượng đất, tăng tỉ lệ nảy mầm cây [26]

- Giảm số lần bón phân trong một vụ, chỉ cần bón 1 lần duy nhất cho cả vụ nên tiết kiệm thời gian, công lao động và kinh tế cũng như chi phí trong sản xuất, giảm bớt sự tác động cơ học đến đất do sử dụng nhân công hoặc máy móc mỗi lần

bón phân gây nén chặt đất [47],[80]

1.2.2 Công nghệ phân bón nhả chậm

1.2.2.1 Phân không bọc nhả chậm

Phân không bọc nhả chậm thường là các loại phân chứa ure Loại phân này

là sản phẩm ngưng tụ trong điều kiện thích hợp của ure với các chất hữu cơ như formaldehit (phân ure-formaldehit: UF), isobutyraldehit (phân ure-isobutyraldehit: IBDU), crotonaldehit (Ure-crotonaldehit: CDU) Cơ chế nhả chậm của phân không bọc dựa trên sự thủy phân từ từ trong nước và tác động của các vi khuẩn trong đất

Tốc độ nhả chậm phân bón được kéo dài nhờ kiểm soát chiều dài mạch ngưng tụ, kích thước hạt phân bón, lượng nước sẵn có Các yếu tố môi trường ảnh hưởng tới hoạt tính vi khuẩn (như nhiệt độ, độ ẩm, pH, độ thông thoáng khí của đất ) cũng có ảnh hưởng đến tốc độ nhả phân bón.Trong số các loại phân không bọc nhả chậm được sản xuất thì phân nhả chậm trên cơ sở UF đóng góp thị phần lớn

nhất trên thế giới còn phân IBDU và CDU có mức độ sử dụng thấp hơn do giá thành của chúng cao hơn so với phân UF

Ngoài ra các loại phân không bọc còn được tạo ra bằng nhiều cách khác như trộn các chất dinh dưỡng với vật liệu nền hay tạo hợp chất ít tan, sử dụng các vật liệu có khả năng lưu giữ chất dinh dưỡng nhằm hạn chế khả năng nhả dinh dưỡng của phân bón Đã có nhiều vật liệu khác nhau được sử dụng làm chất nền như: cao su, vật liệu kết dính, polyme, zeolit, zeolit biến tính, khoáng sét [37],[54],[65]

* Phân ure-formaldehit (UF) -38%N

Ure-formaldehit được tạo thành nhờ phản ứng của formaldehit với ure dư trong các điều kiện được kiểm soát (pH, nhiệt độ, phần mol, thời gian phản ứng…), kết quả là thu được hỗn hợp metylen ure với chiều dài mạch khác nhau Nói chung phân ure-formaldehit có tốc độ giải phóng nitơ chậm và phù hợp với hầu hết các loại cây trồng Do độ tan thấp nên chúng sẽ không làm cháy thảm thực vật cũng như không gây cản trở quá trình nảy mầm Do có hiệu quả hơn ở nhiệt độ cao nên chúng được sử dụng phổ biến hơn tại các vùng có khí hậu ấm áp [80]

* Phân ure-isobutyraldehit/isobutylidene diurea (IBDU) – 32% N

Ure-isobutyraldehit là một sản phẩm ngưng tụ từ phản ứng của isobutyraldehit (dạng lỏng) với ure Sản phẩm của phản ứng ngưng tụ của ure với isobutyraldehit là các oligome đơn

Hàm lượng nitơ theo l thuyết của loại phân này là 32,18%, trong khi lượng nitơ cần thiết tối thiểu được xác định là 30% Cơ chế nhả chậm của loại phân này dựa trên sự thủy phân từ từ của IBDU tan chậm trong nước và tạo thành ure, nó được chuyển thành ion amoni và sau đó là nitrat nhờ vi khuẩn trong đất Tốc độ giải phóng nitơ là một hàm của kích thước hạt, độ ẩm, nhiệt độ và pH

Sự giải phóng đạm của IBDU không lệ thuộc vào vi sinh vật nên nó xảy ra đều đặn tại nhiệt độ tương đối thấp Do vậy, đây là một sản phẩm được ưa chuộng

để bón cho cây trồng trong mùa lạnh [80]

* Phân Ure-crotonaldehit/Crotonylidene diurea (CDU) - 32,5% N

Ure-crotonaldehit là sản phẩm ngưng tụ của phản ứng giữa ure với andehit axetic có xúc tác axit Khi hòa tan vào nước, nó sẽ phân rã từ từ thành ure và crotonaldehit Như trường hợp IBUD, với CDU thì kích thước hạt cũng ảnh hưởng lớn đến tốc độ nhả nitơ (thường nhả rất chậm với hạt có kích thước lớn)

CDU bị phân rã bởi cả con đường thủy phân và vi khuẩn trong đất Nhiệt độ,

độ ẩm, những hoạt động sinh học có ảnh hưởng lớn đến tốc độ nhả nitơ Mặc dù vậy, trong đất có môi trường axit, CDU phân hủy chậm hơn so với IBDU Các quá trình nông hóa của CDU trong đất là tương tự như IBDU Tại Nhật Bản và Châu

Âu, CDU được sử dụng chủ yếu trong nông nghiệp đặc biệt [80]

* Ure-Triazon

Ure-Triazon là sản phẩm của phản ứng của ure amoniac-formaldehit Thành phần chính trong phân bón này là triazon, đây là chất có vòng sáu cạnh với 6 nguyên tử, ba trong số đó là nguyên tử N Loại phân này chứa khoảng 28% N và được giới thiệu là loại phân bón lỏng dùng chủ yếu cho cỏ [80]

*Phân trên cơ sở chất nền

Loại phân nhả chậm này thường là viên nén hay dạng bánh, trong đó các chất dinh dưỡng thường được trộn với chất kết dính hay sử dụng các vật liệu có khả năng lưu giữ và giải phóng chậm chất dinh dưỡng Trong nhiều trường hợp, UF hoặc IBDU được thêm vào hỗn hợp Bản chất của các sản phẩm này, trong nhiều trường hợp tương tự SRF khác, khả năng nhả của nó chủ yếu dựa trên bề mặt với tỉ

lệ khối lượng các sản phẩm (tức là kích thước lớn sẽ nhả chậm hơn) SRF dựa trên chất nền được sử dụng trong thời gian hạn chế, chủ yếu cho vườn nhà [80]

Zeolit tự nhiên có nhiều tiềm năng làm phân bón nhả chậm, bởi chúng có khả năng lưu giữ NH4NO3và KNO3 khi các chất này được phủ lên tinh thể zeolit [65],[76] Nghiên cứu về khả năng nhả P và K từ hai loại phân bón zeolit và

KH2PO4 cho thấy phân bón từ zeolit vẫn nhả P sau hơn 70 ngày ngâm, trong khi P

từ KH2PO4 đã nhả hết sau 50 ngày Ngoài ra khả năng hấp phụ và giải phóng lưu huỳnh cũng đã được tìm thấy ở Nano-zeolit có bổ sung nguồn lưu huỳnh Loại phân bón nano này có khả năng nhả các chất dinh dưỡng trong 1000-1200 giờ, trong khi thời gian nhả của phân bón thông thường chỉ lên đến 300-350 giờ [72]

Khi biến tính zeolit bởi hexadecyltrimethylammonium tạo ra zeolit biến tính (SMZ) có khả năng hấp thụ tốt anion (NO3-, PO43-) và giải phóng chậm các anion này nên SMS có tiềm năng lớn để chế tạo phân bón nhả chậm, kiểm soát việc giải phóng NO3-, PO43- và các anion khác Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ P của SMZ tăng gấp 4,9 lần so với zeolit chưa biến tính (zeolit-A) P từ SMZ vẫn còn khả năng giải phóng sau 1080 giờ ngâm, trong khi P từ KH2PO4 đã hết sau 264 giờ [26]

Elaine I và cộng sự [37] đã điều chế phân ure nhả chậm nanocomposit dựa trên sự xen lớp của ure vào khoáng sét montmorillonit với các tỉ lệ khác nhau Các

vật liệu được tổng hợp theo ba bước: trộn, đùn và sấy khô Khoáng sét montmorillonit và ure được cân riêng và trộn sẵn, sau đó bổ sung một lượng nước thích hợp ở 250C để thu được hỗn hợp dẻo Hỗn hợp được cho vào máy ép đùn trục vít để đùn thành viên hình trụ có đường kính 3mm và dài 5 mm, sau đó sấy khô ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ Phân bón ure – nanocomposites đã được sản xuất thành công với hàm lượng ure từ 50-80% Kết quả phân tích cho thấy, ure nhả nhanh và hoàn tất trong thời gian <1 giờ, còn ure – nanocomposites với tỉ lệ khối lượng montmorillonit/ure là 1:1 nhả chậm hơn, chỉ hoàn thành nhả sau 8-10 giờ ngâm trong nước ở nhiệt độ phòng

Ni Xiaoyu, Wu Yuejin và cộng sự [63] đã giới thiệu một phương pháp mới sản xuất ure nhả chậm (S-ure), khi sử dụng bentonit và một polymer hữu cơ (OP) để tạo thành một cấu trúc mạng tinh thể ba chiều Mẫu B-ure được chuẩn bị bằng cách trộnbentonit (5%) với ure Sử dụng một lượng OP (0,15%) để thay thế bentonit để được sản phẩm (P-ure) Sản phẩm S-ure thu được bằng cách trộn OP với một tỷ lệ bentonit (từ 1% đến 5%) và ure theo cùng một phương pháp Các hỗn hợp B-ure, P-ure, S-ure đều được cho vào khuôn hình trụ dài 100mm, với đường kính 10mm để tạo viên ở nhiệt độ phòng, sau đó sấy khô ở 800C, trong thời gian 8 giờ trước khi sử dụng Các thử nghiệm nhả tĩnh trong 1 lít nước cho thấy 75% trong số 12gam mẫu S-ure nhả trong khoảng 14 giờ, dài hơn nhiều so với ure thông thường (<0,5giờ) Quá trình khuếch tán N được kiểm soát bởi cấu trúc mạng tinh thể, quá trình này có thể được tăng cường bằng cách tăng lượng bentonit

Tro bay là vật liệu tiềm năng để sản xuất phân bón nhả chậm Yoo JG và cộng sự [38] sử dụng tro bay từ than thải sản xuất phân bón K nhả chậm và cải tạo đất Các loại phân bón sản xuất từ tro bay có khả năng hấp thụ nước, đã ức chế quá trình nhả K

Solihin và cộng sự [74] đã tổng hợp chất phức hợp cao lanh-KH2PO4 và cao lanh-NH4H2PO4 bằng cách trộn cơ hóa học (MC) ứng dụng làm phân bón nhả chậm Hỗn hợp cao lanh-KH2PO4 và cao lanh-NH4H2PO4 đã được chuẩn bị với khối lượng cao lanh từ 25-75% Hỗn hợp được nghiền nhỏ trên máy nghiền bi rồi cho vào máy trộn Kết quả cho thấy quá trình MC đã được áp dụng thành công để kết hợp

KH2PO4 và NH4H2PO4 vào cấu trúc cao lanh vô định hình Trong 24 giờ ngâm trong nước, sự giải phóng K+ và PO43- từ hỗn hợp cao lanh-KH2PO4 chỉ đạt 10% còn

sự giải phóng NH4+ và PO43- từ hỗn hợp cao lanh- NH4H2PO4 đạt từ 25-40% Kết quả này cho thấy MC có thể được phát triển để cao lanh có thể được sử dụng làm chất nền cho phân bón nhả chậm chứa K+, NH4+ và PO43+

Ngoài ra, các chất thải rắn giàu đạm từ ngành công nghiệp da được sử dụng như vật liệu hấp phụ P và K để làm phân bón NPK nhả chậm mới, trong đó N có nguồn gốc từ collagen Việc áp dụng các công thức NcollagenPK cho cây lúa, cho thấy kết quả nông học đầy hứa hẹn [39]

*Các hợp chất vô cơ có độ hòa tan thấp

Yetilmezsoy K [86] đã thu hồi N từ nước thải phân gia cầm và kết tủa MAP trong loại bùn kị khí (USAB) để làm phân bón nhả chậm và thử nghiệm trên sự phát

triển của cây rau sam, cải xoong và cỏ (lolium perenne) Kết quả nghiên cứu đã

khẳng định sự phục hồi N từ UASB xử lí sơ bộ từ nước thải phân gia cầm bằng kết tủa MAP và áp dụng MAP như phân bón nhả chậm

Sharrock P [70] đã nghiên cứu biến đổi chất thải từ động vật, xác chết thành phân bón nhả chậm thay cho việc chôn lấp, ủ phân hay biogas Khi xử lí ở nhiệt độ cao các chất thải này để lại một lượng tro (gần 30%) có thành phần chủ yếu là canxi photphat và một số muối chứa Na, K, Mg Lượng tro này được nghiên cứu chuyển thành phân bón nhả chậm bằng cách sử dụng hỗn hợp axit để hòa tan một phần lượng sản phẩm đốt cháy còn dư và tạo thành bùn Sau đó trung hòa axit và làm đặc hỗn hợp phản ứng thu được sản phẩm cuối cùng là chất rắn tinh thể màu trắng Kết quả cho thấy kết tủa không tan (thạch cao) góp phần kiểm soát sự nhả các ion hòa tan, tỉ lệ nhả nitrat đã chậm lại

1.2.2.2 Phân bọc nhả chậm

Phân bọc nhả chậm được tổng hợp từ nguyên liệu là phân tan truyền thống với vỏ bọc là các chất ít tan trong nước hoặc không tan trong nước, bị phân hủy bởi các tác nhân sinh học, hóa học hay vật l Lớp vỏ đóng vai trò là lớp bảo vệ và điều khiển quá trình thấm nước vì thế kiểm soát tốc độ nhả dinh dưỡng của phân

Hình 1.1 Cấu tạo hạt phân nhả chậm bọc polyme [4]

Hiện nay, các loại vật liệu chính đang được sử dụng để làm vỏ bọc của phân nhả chậm là: lưu huỳnh, polyme, muối của axit béo, latex, cao su, gôm guar, các chất chống kết dính có nguồn gốc từ dầu mỏ, sáp hay than bùn

Có ba nhóm phân bọc nhả chậm thường gặp là: phân bọc lưu huỳnh (SCU), phân bọc polyme (Polyme Coated Fertilizer- PCF), và phân bọc bằng polyme và lưu huỳnh (PSCF) [80]

*Phân bọc lưu huỳnh (thường gặp là phân ure bọc lưu huỳnh, SCU):

Lưu huỳnh đã được sử dụng để sản xuất phân nhả chậm trong nhiều thập kỷ qua Lưu huỳnh là nguyên tố dinh dưỡng thứ cấp của cây trồng, có giá thành rẻ, dễ kiếm, được sử dụng đầu tiên để chế tạo lớp vỏ bọc của phân ure nhả chậm

Sau khi bọc hạt ure bằng lưu huỳnh, một chất kết dính dạng sáp được sử dụng để làm kín các lỗ xốp bên trong lớp lưu huỳnh Dinh dưỡng của SCU được giải phóng nhờ nước thẩm thấu qua các lỗ xốp, khe nứt nhỏ của lớp bọc lưu huỳnh hay lỗ hổng do lớp bọc không hoàn hảo trong sản xuất Sau đó, ure bị hoà tan

từ phần lõi của viên phân và nhanh chóng được phân tán trong dung dịch đất Tốc

độ giải phóng ure được kiểm soát bằng cách thay đổi chất lượng và chiều dày lớp

vỏ lưu huỳnh [80]

SCU thường có màu nâu hoặc vàng hay màu trắng, tùy vào nguồn ure được

sử dụng SCU chứa từ 30 – 40% N tính theo số lượng chất bọc N

Các điều kiện môi trường như nhiệt độ cao và việc tiếp xúc với đất tương đối khô cũng làm phân huỷ lớp vỏ và tăng tốc quá trình nhả chất dinh dưỡng Nhược điểm của loại phân này là ure có thể giải phóng nhanh ở giai đoạn ban đầu và sau đó nhanh chóng bị cạn kiệt khiến cho cây trồng bị chết và làm giảm hiệu quả phân bón

Ưu điểm của loại phân này là giá thành thấp Phân ure bọc lưu huỳnh thường được

sử dụng trong ngành công nghiệp sân gôn, bãi cỏ

Choi [40] đã chế tạo phân ure bọc lưu huỳnh bằng cách phun lưu huỳnh nóng chảy lên các hạt phân ở các điều kiện nhiệt độ áp suất nhất định Với góc phun 400

và sử dụng nhiều giá phun, đồng thời kéo dài thời gian phun để thu được lớp phủ lưu huỳnh đồng nhất, mẫu phân này có mức nhả tối thiểu là 32,8% sau 7 ngày

Một kỹ thuật khác được giới thiệu bởi Detrick [51] trong đó phân nhả chậm được phủ một lớp lưu huỳnh bên trong lớp phủ polyme Kĩ thuật mới cho phép các monome phản ứng trên bề mặt của các hạt phân đã bọc lưu huỳnh để tạo thành polyme bọc phía ngoài Lớp phủ lưu huỳnh được bảo vệ bởi lớp polyme thứ hai này

đã chứng minh khả năng chống bám dính và hạn chế sự phân rã cơ học gây ra bởi các tác động bên ngoài, sự mài mòn, vận chuyển Phân bọc lưu huỳnh và polyme thể hiện các đặc tính nhả có kiểm soát tốt khi so sánh với loại phân chỉ bọc ure Hạt ure ban đầu được làm nóng trước ở một giá phun nóng chảy và sau đó được phun phủ lưu huỳnh trong một trống quay nóng Các hạt này tiếp tục được phun với polyol diethylene glycol triethanolamine và monome diisocyanate trong một trống quay thứ hai với nhiều vòi phun Kết quả cho thấy tỉ lệ nhả chất dinh dưỡng sau 7 ngày là 38%

* Phân bọc polyme: Đây là dạng phân bón nhả chậm ưu việt nhất về mặtkỹ

thuật do nó có khả năng kiểm soát tuổi thọ của sản phẩm và sau đó là hiệu quả vận chuyển chất dinh dưỡng Trong hầu hết các hệ sinh thái nhà vườn, phân bón nhả chậm bọc polyme được dùng thay thế cho phân bọc lưu huỳnh bởi chúng cung cấp chất dinh dưỡng thường xuyên hơn và có một mô hình nhả chất dinh dưỡng phù hợp hơn Lớp phủ polyme có thể là màng bán thấm hoặc không thấm nước với lỗ xốp nhỏ Công nghệ phân bón bọc polyme tùy thuộc vào sự lựa chọn vật liệu phủ và các quy trình kỹ thuật phủ được áp dụng Việc nhả chất dinh dưỡng qua lớp màng polyme bị ảnh hưởng bởi độ dày lớp màng polyme và nhiệt độ đất, không bị ảnh hưởng bởi tính chất của đất như pH, độ mặn, kết cấu, hoạt động của vi khuẩn, khả năng trao đổi ion của đất Quá trình nhả chất dinh dưỡng của hầu hết các loại phân nhả chậm bọc polyme được quyết định bởi sự khuếch tán của nước qua lớp màng bán thấm polyme Khi nhiệt độ của đất tăng, tốc độ nhả chất dinh dưỡng tăng [80] Nhiều loại polyme đã được sử dụng làm lớp phủ phân bón như polyme nhiệt rắn, polyme nhiệt dẻo, hoặc những những chất phân hủy sinh học Những polyme tự nhiên phân hủy sinh học như: tinh bột, chitosan, lignin, natri alginat, pectin, hydroxypropylmethylcellulose, natri cacboxyl methylcellulose…đã và đang được

sử dụng để thay thế các polyme tổng hợp do chúng có giá thành thấp, có thể hạn chế xói mòn đất, độc tính thấp và khả năng phân hủy sinh học tuyệt vời, thân thiện với môi trường [40],[48],[73] Tuy nhiên các lớp phủ từ polyme tự nhiên cho tính chất

cơ l thấp, tuổi thọ ngắn, đôi khi lại không phù hợp với nhu cầu chuyển hóa của cây trồng nên được thường biến tính hay ghép với các polyme tổng hợp khác (polyvinyl ancol, acrylic Axit…) để làm tăng độ bền cơ l [34],[56],[81]

Mỗi chất tạo màng đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Việc bọc tạo màng được thực hiện bằng cách nhúng hạt phân bón vào dung dịch chất tạo màng hoặc phun phủ dung dịch nóng chảy hoặc dung dịch phân tán trong dung môi của chất tạo màng lên bề mặt hạt phân bón

Ngoài thành phần phân bón chính và vật liệu tạo màng bọc, trong thành phần của phân bón nhả chậm bọc polyme còn có chất mang Nó thường là các loại khoáng sét tự nhiên có tính chất lưu giữ và duy trì các thành phần vô cơ và hữu cơ trong đất (bentonit, diatomit ) Các loại khoáng sét này thường được biến tính để có được các tính chất về điện tích và bề mặt đáp ứng từng mục đích cụ thể Các khoáng sét này cũng có tính chất nhả chậm phân bón và tăng cường khả năng giữ nước của đất Ngoài ra, sự có mặt của khoáng sét còn làm tăng độ bền cơ học của phân bón dạng

viên [25]

-Lớp màng bao bằng nhựa polyme: Màng bao thường gồm nhiều lớp và quá

trình nhả chất dinh dưỡng được kiểm soát bằng cách điều chỉnh chiều dày của lớp màng bao Tuổi thọ sản phẩm thường từ 3 đến 16 tháng Hơi nước thẩm thấu qua các lỗ xốp vi mao quản trong lớp màng bao hoà tan phân bón tạo thành một áp suất thẩm thấu bên trong làm giãn nở lớp màng polyme mềm dẻo Quá trình này khiến cho các lỗ xốp nở ra và chất dinh dưỡng được giải phóng vào dung dịch đất [79]

- Lớp màng bao bằng nhựa nhiệt rắn: Một số polyme nhiệt rắn phổ biến như

polyurethan, nhựa epoxy, nhựa alkyd, nhựa polyeste, nhựa phenol, nhựa melamin, nhựa silicon trong đó, polyurethan (PU) được sử dụng phổ biến hơn cả do có mô hình nhả chất dinh dưỡng phù hợp với sự phát triển của cây trồng, ít phụ thuộc nhiệt

Yang [89] sử dụng polystyren phế thải làm vật liệu phủ và trộn thêm sáp và polyurethan làm chất kết dính, giúp tiết kiệm chi phí đồng thời làm tăng khả năng kiểm soát sự nhả chất dinh dưỡng trong phân bón Đầu tiên, polyurethan được tạo rabằng cách khuấy diphenylmethan diisocyanat trong etyl axetat và dầu thầu dầu, sau đó PU được trộn cùng với polystyren hòa tan trong etyl axetat Các hạt phân bón sau đó được phun phủ bằng dung dich này, sử dụng giá phun Wurster và sấy khô ở 400 C trong 24h để loại bỏ etyl axetat dư Khi lớp phủ dày hơn thì tốc độ nhả chất dinh dưỡng chậm hơn và sự có mặt của sáp trong dung dịch phủ không cho

thấy hiệu quả rõ rệt Trong khi đó, PU rất hiệu quả trong việc làm tăng khả năng kiểm soát nhả

- Lớp màng bao bằng nhựa nhiệt dẻo: Các loại nhựa nhiệt dẻo như

polyolefin, poly(vinylidenclorua), polyacrylamit, polyvinyl axetat, polyvinyl ancol, polysulfones và các copolyme của chúng cũng được sử dụng làm vật liệu bao cho phân bón nhả chậm bọc polyme [23],[81]

Nghiên cứu của Han [123] đã phát triển 3 loại phân bón nhả chậm nhằm tăng cường hiệu quả hấp thụ nitơ cho cây chè Trong nghiên cứu này, phân ure được phủ bằng Ca-Mg phostphat, polyolefin và polyolefin có thêm dicyandiamide (DCD) Các hạt phân được đặt trong một máy trộn có bề mặt trong trơn nhẵn, DCD được hòa tan trong axit photphoric loãng và được phun lên các hạt Các hạt sau khi phun được bọc trong bột Ca-Mg phostphat và được phun một lớp sáp kết dính Phân bọc polyolefin và (polyolefin+DCD) cũng được chế tạo tương tự

Tomaszewska [56] đã sử dụng polysulfone làm lớp phủ cho phân NPK để kiểm soát quá trình nhả các chất dinh dưỡng Trong 5 giờ ngâm trong nước, lớp phủ

có độ xốp 38,5% (được tạo ra từ polyme 13,5%) có 100% NH4+ được nhả, trong khi chỉ có 19,0% NH4+ được nhả với lớp phủ có độ xốp 11% Ngoài ra, việc phủ phân bón đã cải thiện độ bền viên phân, khả năng lưu giữ dinh dưỡng trung bình khoảng 40% so với phân NPK không bọc Việc bổ sung tinh bột vào lớp phủ polysulfone để cải thiện khả năng phân hủy sinh học của lớp phủ đã được tác giả nghiên cứu [58] Sau 5giờ ngâm trong nước, lớp phủ đơn polysulfone với 0,5% khối lượng tinh bộtnhả gần 65% NH4+, 48,3% PO43- và 40,3% K+ Khi thử nghiệm với 3 lớp phủ tạo

ra với cùng hàm lượng polyme cho thấy chỉ có 16% NH4+, 11,8% PO43- và 9,3% K+được giải phóng

- Lớp màng bằng vật liệu siêu hấp thụ nước: Vật liệu siêu hấp thụ nước là

những polyme ưa nước có cấu trúc mạng lưới 3 chiều, có khả năng hấp thụ lượng nước gấp hàng trăm lần so với khối lượng của chúng và không bị loại bỏ ngay cả khi tăng áp lực Chúng có nhiều ứng dụng trong nông nghiệp và trồng trọt do giảm được lượng nước tưới và tần suất tưới, đặc biệt là ở các khu vực bị hạn hán Phân bón nhả chậm bọc polyme siêu hấp thụ nước không chỉ giúp nhả chất dinh dưỡng một cách có kiểm soát mà còn cải thiện tính giữ nước, cải tạo đất trồng thông qua sự thông thoáng khí, hạn chế sự thoái hóa đất trồng, làm giảm sự mất nước do bay hơi, giảm sự ô nhiễm môi trường và giảm tỉ lệ mắc bệnh cho cây trồng [73],[85] Các vật liệu siêu hấp thụ nước thường sử dụng là các polyacrylate/polyacrylamit tạo lưới

,các copolyme ghép tạo lưới của anhydrit maleic, các copolyme ghép của polyacrylonitril tinh bột/xenluzơ thủy phân…[38],[60]

Boli Ni và cộng sự [28] đã chế tạo một loại phân bón ure gồm 2 lớp có khả năng nhả chậm và giữ nước (DSWU) Etylxenlulozơ được sử dụng làm lớp phủ bên trong và poly(acrylic axit-co-acrylamide) được sử dụng làm lớp phủ bên ngoài, có khả năng phân hủy sinh học trong đất Sản phẩm chứa 21,1% N, có khả năng hút nước gấp 70 lần khối lượng của chính nó Trong một nghiên cứu khác, Boli Ni [29]

đã tổng hợp phânbón nhả chậm trên cơ sở khoáng sét tự nhiên Attapulgit (APT), màng etylxenlulozơ và natri cacboxylmetylxenlulozơ/Hydroxyletylxenlulozơ hydrogel Các phân bón chứa N đã được sử dụng là ure, amoni sunfat và amoni clorua

Shaohua Qin [68] đã giới thiệu phân bón nitơ nhả chậm với độ thấm hút nước cao (SRNFWA) được tạo ra bởi nhiều liên kết ngang (acrylic amide axit acrylic)/ bentonit và ure Kết quả thu được phân bón nhả ít hơn 15% vào ngày thứ

ba và lên tới gần 75% sau 30 ngày trong nước cất Độ hấp thụ nước là 700g/g và 150g/g trong nước cất và trong dung dịch NaCl 0,9% tương ứng

Kĩ thuật phun phủ polyme sử dụng các dung môi hữu cơ không chỉ đòi hỏi chi phí cao cho dung môi và thu hồi dung môi, mà còn gây nhiều tác động độc hại đến môi trường Do đó, để hạn chế các vấn đề này, việc sử dụng các polyme dạng dung dịch đang được quan tâm nghiên cứu Donida đã nghiên cứu bọc phân ure bằng một loại polyme thương mại có sẵn là Eudragit L30-D55® (copolyme axit metacrylic), sử dụng giá phun 2 chiều với hướng phun cao nhất Áp suất và nhiệt độ của khí phun cao hơn sẽ tạo lớp phủ đồng nhất hơn do tạo thành các giọt nhỏ hơn và cải thiện sự phân bố của huyền phù Tuy nhiên, lớp màng phủ bên ngoài phân bón được chế tạo từ Eudragit lại không có hiệu quả với các loại đất có pH> 5.5 [57]

Yonghui Liu và cộng sự [87] đã phun lớp polyme latex vào các hạt phân bón trong một tầng sôi để sản xuất ure nhả chậm Đây là một công nghệ thân thiện môi trường vì nó không cần bất kỳ dung môi hữu cơ độc hại Quá trình phun lớp polyme latex xảy ra trong một tầng sôi với sự va chạm các hạt ure, lớp phủ các hạt ure là ngẫu nhiên, liên tục và nhiều

Chao Chen [32] đã cải thiện tính chất của màng chitosan sử dụng làm phân bón nhả chậm bằng cách sử dụng tác nhân tạo lưới suberoyl clorua để tạo liên kết ngang cho N-phthaloylchitosanacylated Kết quả cho thấy mức độ kết ngang dao động từ 0,0-7,4% Độ nhả của các chất dinh dưỡng khác nhau, bao gồm các nguyên

tố đa lượng (N, P, K), nguyên tố vi lượng (Zn2+ và Cu2+) và chất tăng trưởng thực vật (axit naphthylacetic), được điều chỉnh bằng cách thay đổi mức độ liên kết ngang trong vật liệu Khả năng tạo màng chitosan ban đầu được duy trì, trong khi tính chất

cơ học, tính kị nước và khả năng nhả chậm đã được cải thiện

Xiaozhao Han [84] đã tổng hợp màng blend tinh bột/polyvinyl ancol (PVA)

phân hủy sinh học làm lớp phủ cho phân bón dạng hạt Kết quả cho thấy thành phần tối ưu là tỉ lệ khối lượng tinh bột: PVA bằng7:3, hàm lượng chất tạo liên kết ngang formandehit là 10% khối lượng Tinh bột đã liên kết với PVA bằng các liên kết ngang, giúp cải thiện khả năng tương hợp màng tinh bột/PVA Màng tinh bột/PVA

có thể phân hủy trong môi trường đất

Suherman [75] đã tổng hợp phân ure nhả chậm bằng cách bọc màng tinh bột/

Axit acrylic Lớp màng bọc được tạo ra bằng cách trộn đều tinh bột với axít acrylic, polyetylen glicol (PEG) và nước Quá trình bọc ure dạng hạt được tiến hành bằng cách phun lên bề mặt của nó lớp mỏng dung dịch phủ Tỉ lệ nhả dinh dưỡng sẽ giảm khi giảm nhiệt độ và nồng độ tinh bột cao

Constantin Neamţu [33] đã tổng hợp phân bón nhả chậm chứa N, P, Ca và

Mg bằng cách bọc vỏ trong hệ thống urea-formaldehyde Kết quả đã tìm được mức

độ thẩm thấu nitơ phụ thuộc vào độ tan của phân bón nhả chậm là 61,19% cho hệ chất dinh dưỡng N-P-Ca và 31,97% cho hệ chất dinh dưỡng N-P-Mg Các phân bón mới N-P-Ca-Mg đã làm giảm sự mất các chất dinh dưỡng trong đất, nước và không khí, giảm các chất thải và các chất ô nhiễm cũng bảo vệ sinh quyển và sức khỏe người tiêu dùng

1.3 Giới thiệu một số nguyên vật liệu dùng chế tạo phân bón nhả chậm

1.3.1 Tinh bột và tinh bột biến tính

Tinh bột là một polysacarit có công thức phân tử là: (C6H10O5)n)

(a) Cấu trúc phân tử amylozơ (b) Cấu trúc phân tử amylopectin

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử của amylozơ (a) và amylopectin (b)

Tinh bột gồm 2 thành phần là amylozơ (chiếm khoảng 20-30%) và amylopectin (chiếm khoảng 70-80%) Amylozơ có mạch không nhánh do các gốc α -glucozơ liên kết với nhau bởi liên kết α-1,4-glycozit Amylopectin có mạch nhánh, ngoài mạch chính có liên kết α-1,4-glycozit còn có mạch nhánh liên kết với mạch chính bằng liên kết α-1,6-glycozit Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác

nhau có tính chất vật lí và thành phần hóa học khác nhau [11]

*Tính chất vật lý: Tinh bột là chất bột vô định hình, màu trắng, không tan

trong nước lạnh Khi đun sôi chỉ một phần nhỏ tinh bột tan vào nước, còn phần chủ yếu tinh bột bị trương lên tạo thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột Tinh bột có nhiệt độ hồ hóa trong khoảng 55 – 800C tùy thuộc loại tinh bột Hàm lượng amylozơ trong tinh bột sắn khoảng 8 – 29% nên có các tính chất như: độ nhớt cao,

xu hướng thoái hóa thấp, bền gel cao, khả năng tạo màng và bám dính tốt

*Tính chất hóa học: - Phản ứng thủy phân: Khi thủy phân tinh bột hoàn toàn

thu được glucozơ nhờ xúc tác axit vô cơ hoặc enzim Sự thủy phân trải qua các giai

đoạn tạo dextrin, mantozơ, và cuối cùng là tạo glucozơ

Tuy nhiên tinh bột tự nhiên vẫn còn hạn chế ở nhiều tính chất, chưa đáp ứng hoàn toàn trong nhiều lĩnh vực Vì vậy, từ lâu các nhà khoa học đã tìm cách biến tính tinh bột để thay đổi cấu trúc, tính chất của tinh bột, nhờ đó nâng cao hiệu quả

sử dụng và hiệu quả kinh tế Các phương pháp biến tính tinh bột thường gặp là phương pháp vật lí, phương pháp hóa học, tuỳ thuộc mục đích sử dụng của sản phẩm cuối [21]

Trong lĩnh vực chất kết dính, để hạ độ nhớt và tăng khả năng kết dính, tinh bột được biến tính nhằm tạo ra các mạch ngắn hơn so với cấu trúc tinh bột ban đầu,

và xuất hiện nhóm cacboxyl có khả năng kết dính cao [11] Để đạt được mục đích này có thể biến tính tinh bột bằng axit, bằng dung dịch kiềm hay bằng các chất oxi hóa trong điều kiện thích hợp như kali pemanganat, nitơ đioxit, hydropeoxit, natri hypoclorit , mỗi loại đều có ưu và nhược điểm riêng Trong số đó, natri hypoclorit

là tác nhân oxy hoá được sử dụng nhiều nhất và lâu đời nhất ở quy mô công nghiệp

do nó sẵn có trên thị trường với giá thành rất rẻ [21]

1.3.2 Polyurethan

Polyurethan (PU) là polyme chứa nhóm liên kết (-NH-CO-O-), có cấu trúc phân tử là:

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử của Polyurethan

Polyurethan được tạo nên từ phản ứng của isoxyanat với hiđro linh động

(polyol)

Tính chất của PU có thể thay đổi tùy thuộc vào hệ chất ban đầu PU tạo thành lớp phủ đặc biệt có tính chất nổi bật độ chịu mài mòn cao, bền với nước và nhiều dung môi, bám dính tốt Loại PU một thành phần đầu tiên được dựa trên đi hay triisoxyanat đóng rắn nhờ phản ứng với hiđro hoạt động trên bề mặt của chất nền Hơi nước phản ứng với nhóm isoxyanat (-NCO-) để tạo ra ure và các liên kết biuret Tiền polyme cũng được sử dụng như keo dán với hàm lượng rắn 100% hoặc keo dán một thành phần trên cơ sở dung môi…Các loại PU đóng rắn ẩm ngày nay

được sử dụng trong săm lốp, đồ gỗ và nhiều ứng dụng khác [11]

Loại PU hai thành phần được sử dụng rộng rãi khi cần tốc độ đóng rắn nhanh PU hai thành phần thông thường chứa isoxyanat tiền polyme đóng rắn với một polyol phân tử khối thấp hay polyamin Chúng có thể có 100% hàm lượng rắn hoặc trong dung môi Vì hai thành phần sẽ đóng rắn nhanh khi trộn nên chúng được

tách riêng cho tới khi sử dụng [11]

Hiện nay polyurethan đứng hàng thứ 6 trong tổng lượng tiêu thụ các loại polyme, với khoảng 6% thị trường tiêu thụ Ứng dụng lớn nhất của PU làm mút xốp mềm (khoảng 44%), mút cứng (khoảng 28%), còn lại 28% cho ứng dụng trong sơn, chất kết dính, da nhân tạo ngành sợi, gioăng phớt và dạng PU đàn hồi

Trong lĩnh vực sản xuất phân bón nhả chậm, polyurethan được biết đến là vật liệu tạo lớp vỏ bọc cho phân bón nhả chậm có tuổi thọ cao, đặc biệt có khả năng điều khiển chất dinh dưỡng theo nhu cầu cây trồng trong thời gian dài và phân hủy sinh học nên ngày càng được nghiên cứu sử dụng rộng rãi [50], [66]

1.3.3 Polyvinyl ancol

Polyvinyl ancol (PVA) là polyme tan trong nước được tổng hợp bằng phản thủy phân polyvinyl axetat, có cấu trúc phân tử là:

Hình 1.4 Cấu trúc phân tử của Polyvinyl ancol

Polyvinyl ancol (PVA) là chất rắn vô định hình, dễ tạo màng, có độ bền kéo cao, khả năng kết dính tuyệt vời, độ tan trong nước phụ thuộc vào độ thủy phân và khối lượng phân tử [11]

PVA là một polyme chứa nhiều nhóm hiđroxyl -OH, do vậy nó có tính chất của một ancol đa chức PVA có thể tham gia các phản ứng este hóa, thủy phân, phân hủy, axetan hóa, tạo phức, tạo liên kết ngang [11]

PVA là polyme ưa nước được ứng dụng rộng dãi nhất hiện nay trong công nghiệp cũng như trong đời sống PVA được dùng làm keo dán, chất kết dính hay chất tạo nhũ, được sử dụng trong sản xuất màng bao gói, trong mỹ phẩm hay được dùng làm xơ sợi trong dệt may…

1.3.4 Polyvinyl axetat

Polyvinyl axetat (PVAc) là polyme nhiệt dẻo thuộc loại polyvinyl este, có cấu trúc phân tử là:

Hình 1.5 Cấu trúc phân tử Polyvinyl axetat

PVAc dạng hạt là chất rắn màu trắng Nhũ tương PVAc là chất lỏng màu trắng sữa chứa khoảng 4-30% PVAc (theo khối lượng) PVAc không tan trong nước, CS2, xăng, xiclohexan, etanol khan, hiđrocacbon no nhưng tan trong các dung môi như: xeton, este, hiđrocacbon thơm, etanol 95%, butanol 90%, CH3Cl…[11]

PVAc có tính chất hóa học tương tự tính chất hóa học của các este Chúng tham gia các phản ứng thủy phân (môi trường axit hoặc kiềm) làm giảm khối lượng phân tử polyme Phản ứng thủy phân quan trọng nhất là tạo polyvinyl ancol

Polyvinyl axetat polyvinyl ancol

PVAc được ứng dụng làm keo dính, chất kết dính cho nhiều vật liệu như giấy, vải, gỗ, sợi, tạo màng của sơn, chất phủ giấy, làm màng bảo quản rau quả và bánh kẹo, làm chất mang trong dược phẩm Ngoài ra PVAc được dùng điều chế các polyme khác: polyvinyl ancol, poly(vinyl ancol –co- vinyl axetat)…

1.3.5 Bentonit

Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên, thuộc nhóm smectit có thành phần chính

là montmorillonit (MMT) có công thức tổng quát là Al2O3.4SiO2.nH2O Ngoài ra trong bentonit tự nhiên còn chứa một số khoáng sét, khoáng phi sét, các muối kiềm

và một số chất hữu cơ Ngoài Si và Al, thành phần của MMT còn có các nguyên tố khác như Fe, Zn, Mg, Na, K….trong đó tỷ lệ Al2O3: SiO2 thay đổi từ 1: 2 đến 1: 4

Montmorillonit là aluminosiilicat tự nhiên có cấu trúc lớp 2:1, các lớp liên kết với nhau bằng liên kết hiđro Cấu trúc tinh thể của MMT được cấu tạo từ 2 mạng lưới tứ diện liên kết với một mạng lưới bát diện ở giữa tạo lên một lớp cấu trúc Giữa các lớp cấu trúc là các cation trao đổi và nước hấp phụ Chiều dày mỗi

lớp cấu trúc của MMT là 9,2-9,8Å Khoảng cách giữa các lớp trong trạng thái trương nở khoảng từ 5-12Å tùy theo cấu trúc tinh thể và trạng thái trương nở [20]

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể 2:1 của Montmorillonit

Do đặc điểm cấu trúc mà bentonit có các tính chất đặc trưng là: trương nở, hấp phụ, trao đổi ion, kết dính, nhớt, dẻo và trơ, trong đó quan trọng nhất là khả năng trương nở, hấp phụ và trao đổi ion

Trong thực tế, bentonit được ứng dụng làm chất xúc tác, chất mang xúc tác trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ, làm chất độn trong sơn, mực in, giấy, làm tường ngăn cho các hầm chứa chất thải phóng xạ, đập chắn nước, dung dịch khoan Ngoài

ra bentonit được dùng trong lĩnh vực xử l môi trường, làm nguyên liệu điều chế sét chống, làm chất độn, chất kết dính cho thức ăn chăn nuôi, vê viên cho quặng và phân bón [20]

Trong sản xuất phân bón, bentonit được đưa vào với vai trò phụ gia, chất mang, có tính dẻo, dính, dễ dàng cho quá trình tạo viên, tăng độ bền cơ học của phân bón dạng viên Nhờ cấu trúc lớp với diện tích bề mặt và dung lượng trao đổi cation lớn, bentonit cũng giúp cải thiện khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng của đất

Ngoài ra bentonit cũng có tính chất nhả chậm phân bón [25]

núi trọc, đất bạc màu, hải đảo nơi có khả năng xói mòn lớn Phân bón nhả chậm không chỉ giúp tăng năng suất các loại cây công nghiệp dài ngày như chuối, chè, cao su, ca cao, cà phê, hồ tiêu, bông mà còn góp phần xây dựng một ngành nông nghiệp xanh, sạch và an toàn (rau sạch, lương thực và thực phẩm sạch ) Trên thế giới, Mỹ và Canada là những nước đi đầu về sử dụng phân bón nhả chậm (chiếm 70% tổng khối lượng được sử dụng của thế giới), tiếp theo là Tây Âu và Nhật Bản Những năm gần đây phân bón nhả chậm là một trong những loại phân bón tăng trưởng nhanh nhất ở Trung Quốc bởi sự tăng trưởng nhanh chóng của nền kinh tế Trung Quốc và sự cần thiết phải nâng cao hiệu quả phân bón, tăng năng suất cây trồng và giảm tác động của phân bón đến môi trường Tuy nhiên, phân bón nhả chậm có giá thành cao hơn so với các loại phân bón thông thường (từ 3-10 lần) nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế, chủ yếu ứng dụng trong các thảm cỏ, cây cảnh Khi quy mô sản xuất lớn, giá thành phân bón nhả chậm hạ sẽ tạo điều kiện ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, làm vườn, các cây trồng hàng hóa như ngô, lúa mì và khoai tây Tại Nhật Bản, CRFs được sử dụng trong nông nghiệp chủ yếu để trồng lúa, rau, cây ăn quả và chỉ có một phần nhỏ được sử dụng cho làm vườn, cây cảnh Tại Mỹ, Canada, Tây Âu, khoảng 90% phân bón nhả chậm được sử dụng cho mục đích phi nông nghiệp (sân golf, làm vườn, thảm cỏ chuyên nghiệp, cây cảnh), chỉ có khoảng 10% được sử dụng cho nông nghiệp, chủ yếu là rau, dưa hấu, dâu tây, cam, qu t và các loại trái cây khác Tuy nhiên, tốc độ tăng trưởng CRF sử dụng trong nông nghiệp gấp 2 lần tốc độ tăng trưởng tại các thị trường phi nông nghiệp Hầu hết các loại phân bón nhả chậm sử dụng trong nông nghiệp là CRFs bọc (khoảng 75%), việc sử dụng CRF bọc polyme có xu hướng tăng ổn định ở mức trung bình hàng năm là 10% Tiềm năng gia tăng sử dụng CRFs là rất lớn trong nhiều trường hợp phân bón nhả chậm đã được sử dụng để tăng sự phục hồi dinh dưỡng, duy trì năng suất cao, giảm thất thoát dinh dưỡng và giảm tác động xấu đến môi trường Tuy nhiên, việc ứng dụng phân nhả chậm còn gặp khó khăn do người

sử dụng thiếu kiến thức về phân bón và hiệu quả nông học Những năm trở lại đây việc sử dụng các CRF trở nên phổ biến hơn Các cây trồng chính sử dụng CRFs trong nông nghiệp là cây công nghiệp, chẳng hạn như dâu tây, rau, dưa hấu, cam

qu t, các loại trái cây khác và lúa [80]

Các cây trồng thâm canh có năng suất cao đã tiêu thụ một lượng lớn chất dinh dưỡng từ SRFs và CRFs Ví dụ về các cây trồng như dâu tây, các loại dưa và rau quả như ớt, cà chua, hành tây Tại Mỹ, CRFs được sử dụng để trồng cây hàng hóa chủ yếu ở Florida và California, ở các nơi khác cây được trồng trên các loại đất