Một loại phân bón kali nhả chậm đã được tổng hợp bằng cách phủ polyacrylamit lên viên phân bón kali để giảm thất thoát chất dinh dưỡng của phân bón. Phân kali dạng hạt được tổng hợp từ K2SO4, bentonit và polyacrylamit. Cấu trúc và đặc tính giải phóng chất dinh dưỡng của phân bón qua lớp phủ polyacrylamit đã được nghiên cứu bởi FTIR, TGA và EDX.
ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 208(15): 215 - 220 TÍNH CHẤT VÀ TỐC ĐỘ NHẢ DINH DƯỠNG TRONG ĐẤT CỦA PHÂN BÓN KALI NHẢ CHẬM QUA LỚP PHỦ POLYME Trần Quốc Toàn Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Một loại phân bón kali nhả chậm tổng hợp cách phủ polyacrylamit lên viên phân bón kali để giảm thất chất dinh dưỡng phân bón Phân kali dạng hạt tổng hợp từ K2SO4, bentonit polyacrylamit Cấu trúc đặc tính giải phóng chất dinh dưỡng phân bón qua lớp phủ polyacrylamit nghiên cứu FTIR, TGA EDX Kết cho thấy mẫu phân bón có tỷ lệ khối lượng K2SO4: bentonit: PAM 80: 20: 0,25, lớp phủ khoảng 1% polyacrylamit, đất nhả khoảng 81,25%K tuần Nghiên cứu động học cho thấy tốc độ nhả kali phân bón kali nhả chậm biểu diễn phương trình biểu kiến bậc 250C với R2 ~ Từ khóa: phân bón, kali sunfat, nhả chậm, polyme, đất Ngày nhận bài: 12/8/2019; Ngày hoàn thiện: 28/11/2019; Ngày đăng: 29/11/2019 PROPERTIES AND NUTRITION RELEASE RATE IN THE SOIL OF SLOWRELEASE POTASSIUM FERTILIZER VIA POLYMER COATING LAYER Tran Quoc Toan University of Education – TNU ABSTRACT A slow-release potash fertilizer was prepared by coating polyacrylamitde onto granular potash fertilizer, which could minimize nutrient loss Granular potash has been synthesized from conventional K2SO4, bentonite and polyacrylamitde The structure and nutrient release characteristics of it via polyacrylamide coating layer were investigated by FTIR, TGA and EDX The results revealed that the sample with mass ratio of K2SO4 : bentonit : polyacrylamitde of 80:20:0,25, coating layer of about 1% of polyacrylamitde released 81,25% potash in soil, in weeks The kinetic study showed that the potash release rate from the granular slow-release potash fertilizers could be represented by pseudo-first-order equation at 250C with R2 ~1 Keywords: fertilizer, potash sulphate, slow-release, polymer, soil Received: 12/8/2019; Revised: 28/11/2019; Published: 29/11/2019 * Corresponding author Email: tranquoctoan@dhsptn.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 215 Trần Quốc Toàn Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Mở đầu Phân bón có vai trò quan trọng việc nâng cao suất chất lượng nông sản Tuy nhiên việc lạm dụng phân bón hay sử dụng phân bón không cách nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Phân bón nhả chậm giải pháp hữu hiệu, kĩ thuật tiên tiến cung cấp chất dinh dưỡng cho trồng Khi chất dinh dưỡng phân bón nhả chậm thiết kế nhả từ từ cho hấp thụ, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng trồng, giảm thiểu thất phân bón bảo vệ mơi trường [1] Phân bón nhả chậm phủ (bọc) polyme (PCRF) loại phân kiểm sốt tốt q trình nhả dinh dưỡng phân bón thơng qua lớp phủ polyme Bản chất độ dày lớp phủ polyme đóng vai trò kiểm sốt q trình nhả chất dinh dưỡng PCRF So với loại phân bón nhả chậm khơng có lớp phủ (thường ure nhả chậm: ure-formaldehit, ure-isobutyraldehit ), PCRF ngày nghiên cứu ứng dụng nhiều chúng có khả điều khiển chất dinh dưỡng đa dạng (N,P, K ), không bị ảnh hưởng tính chất đất [2-5] Hiện nay, polyme thân thiện với môi trường polyacrylamit, chitosan, lignin…đang quan tâm, nghiên cứu sử dụng làm lớp phủ để thay cho polyme tổng hợp chúng có giá thành thấp, hạn chế xói mòn đất khả phân hủy sinh học tuyệt vời [1] Đã có nghiên cứu cho thấy PCRF khơng làm giảm thất dinh dưỡng, mà làm biến đổi động học trình nhả dinh dưỡng, từ cung cấp chất dinh dưỡng cho trồng phù hợp với nhu cầu trao đổi chất chúng [6-9] Như với loại phân bón nhả chậm phát triển việc nghiên cứu tính chất, tốc độ nhả mơ hình nhả chất dinh dưỡng chúng quan trọng để đánh giá hiệu loại phân bón thiết kế loại phân bón phù hợp với giai đoạn phát triển trồng Mặc dù có nhiều phương pháp, mơ hình dự báo q trình 216 208(15): 215 - 220 nhả chất dinh dưỡng phát triển, chưa có phương pháp, mơ hình phù hợp chuẩn hóa cơng nhận Các kết mơ hình hóa dựa giả thiết q trình giải phóng chất dinh dưỡng từ phân bón phủ polyme kiểm sốt cách đơn giản khuếch tán chất tan qua lớp phủ [9] Ở báo trước, trình tổng hợp phân bón kali nhả chậm dạng viên đặc tính nhả chậm nước công bố [10] Trong báo chúng tơi nghiên cứu tính chất tốc độ nhả dinh dưỡng đất phân bón kali nhả chậm với lớp phủ polyacrylamit làm sở cho việc chế tạo ứng dụng sản phẩm phân bón kali nhả chậm Thực nghiệm 2.1 Nguyên liệu hóa chất Polyacrylamit (PAM) dạng hạt màu trắng có trọng lượng phân tử 3,8.105 (g/mol), Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Khống sét Bentonit Tuy Phong - Bình Thuận (B), hàm lượng montmorillonit từ 49-51%, kích thước hạt < 20 µm, độ ẩm < 5% K2SO4 dạng hạt màu trắng, hàm lượng K2O ≥ 50%, S ≥ 17%, Trung Quốc Đất thí nghiệm lấy Hóa Trung, Đồng Hỷ, Thái Nguyên (pHKCl: 4,25, CEC: 11,81 meq/100g, OM: 3,17%) phơi khơ khơng khí, sàng lấy hạt có kích thước nhỏ mm 2.2 Các phương pháp phân tích Phổ hồng ngoại mẫu phân bón đo quang phổ kế hồng ngoại biến đổi Shimadzu IR prestige 21 vùng 4000400cm-1 kỹ thuật ép viên với KBr Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) vật liệu lớp phủ thực thiết bị DTG60H-Shimadzu khí Argon từ nhiệt độ phòng đến 700oC, tốc độ gia nhiệt 100C/phút Phổ tán xạ lượng EDX đo thiết bị Jeol 6490 JED http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Ngô Thị Lan Anh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Hàm lượng kali xác định phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS novAA 400P – Analytik jena 2.3 Tổng hợp phân bón kali nhả chậm Lõi phân bón chuẩn bị cách trộn hạt K2SO4 với chất mang bentonit lượng dung dịch chất kết dính PAM theo tỉ lệ khối lượng K2SO4: bentonit: PAM 80:20:0,25 [10] Hỗn hợp sau đùn thành sợi cắt thành viên hình trụ có đường kính trung bình mm, dài mm Các viên hình trụ vo thành viên tròn có đường kính trung bình 3-4 mm thiết bị vo viên thuốc dạng chảo nghiêng, sau làm khơ tủ sấy Lõi phân bón dạng viên tròn đưa vào thiết bị trống quay tự chế tạo gia nhiệt đến 50-70oC, sau phun dung dịch poliacrylamit lên bề mặt hạt phân bón thời gian 45 phút để tạo lớp phủ cho phân bón với tỉ lệ 50 g dung dịch PAM 2,5% cho 100 g lõi phân bón Sản phẩm làm khơ đến khối lượng khơng đổi bảo quản bình hút ẩm Tỉ lệ bọc lớp phủ [7] tính theo cơng thức sau: Kết thu viên phân bón kali có tỉ lệ bọc PAM 1,0% 2.4 Đặc tính nhả kali đất phân bón Chuẩn bị ống nhựa PVC có đường kính 80 mm, dài 30 cm, đáy ống có van xả, đầu có nắp đậy Cho 10 gam phân nhả chậm trộn với 1000 gam đất (đã làm sạch, phơi khô, nghiền nhỏ) vào ống PVC, thêm 500 ml nước cất vào ống Sau khoảng thời gian xác định, nước ống PVC hút máy hút chân không thay 500 ml nước cất Hàm lượng kali dung dịch xác định phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử Tất mẫu thực lặp lại lần, giá trị trung bình coi hàm lượng K mẫu Thời gian nhả K phân http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 208(15): 215 - 220 nhả chậm coi thời gian mà trình nhả tích lũy đạt tới 80% tổng lượng K [1] 2.5 Động học trình nhả chất dinh dưỡng phân bón đất Để nghiên cứu động học q trình nhả chất dinh dưỡng phân bón nhả chậm đất, ba mơ hình động học biểu kiến khảo sát [1] * Mơ hình động học biểu kiến bậc 0: Ct = k0.t (1) * Mơ hình động học biểu kiến bậc 1: ln(Cb-Ct)= -k1.t –ln(Cb-Ci) (2) * Mơ hình động học biểu kiến bậc : 1 k2 t Cb Ct Cb Ci (3) Trong Cb: nồng độ chất dinh dưỡng thời điểm cân (mg/l) Ct: nồng độ chất dinh dưỡng thời điểm t (mg/l) Ci : nồng độ chất dinh dưỡng thời điểm đầu, t=0 k0: số tốc độ nhả bậc biểu kiến k1: số tốc độ nhả bậc biểu kiến (ngày-1) k2: số tốc độ nhả bậc hai biểu kiến (l.mg-1.ngày-1) Từ giá trị thực nghiệm xác định giá trị Ct (mg/l) thời điểm t (ngày) Cb (mg/l) trình nhả đạt cân Từ phương trình mơ hình động học xây dựng được, xác định số nhả k0, k1, k2 hệ số tương quan R2 Kết thảo luận 3.1 Đặc trưng vật liệu lớp phủ PAM phân bón 3.1.1 Phổ hồng ngoại lớp phủ PAM (IR) Kết đo phổ hồng ngoại lớp phủ PAM (hình 1) cho thấy dải hấp thụ đặc trưng PAM chứng tỏ PAM hình thành lõi phân bón Dải hấp thụ tần số 3461,20cm-1 với cường độ mạnh đặc trưng cho dao động hóa trị nhóm -NH2 217 Trần Quốc Tồn Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN CONH2 Dải hấp thụ có tần số vùng 1553,63cm-1-1649,35cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị nhóm –C=O CONH2 Dải hấp thụ có tần số 1106,75 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị C-C [7] 92 1386.67 91 90 87 86 618.15 1637.95 %T 88 437.47 1110.50 89 85 84 83 3446.18 82 81 4000 3000 2000 1000 Wavenumbers (cm-1) Hình Phổ IR lớp phủ PAM phân bón 3.1.2 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) Giản đồ phân tích nhiệt trọng lượng lớp phủ PAM trình bày hình Hình Giản đồ TGA lớp phủ PAM Kết phân tích hình cho thấy, lớp phủ PAM bị phân hủy khoảng nhiệt độ từ 500C đến 6000C với tổn hao trọng lượng tổng số 81,72% Tại vùng nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 133oC giai đoạn bay nước (a) 208(15): 215 - 220 tạp chất dễ bay Từ 1330C đến 3150C giai đoạn xảy q trình imit hóa; H2O, NH3 lượng nhỏ CO2 giải phóng dạng sản phẩm phụ trình tạo thành imit phân hủy Tại vùng nhiệt từ 3150C đến 6000C xảy trình phân hủy imit để tạo thành nitrin giải phóng hợp chất dễ bay CO2 H2O, mạch bị đứt phần Kết phù hợp với tài liệu công bố độ bền nhiệt PAM chứng tỏ phân kali phủ PAM bền nhiệt điều kiện thường [11] 3.2 Phổ tán xạ lượng sản phẩm Để kiểm tra có mặt K2SO4 PAM bentonit tiến hành chụp phổ tán xạ lượng (EDX) bentonit mẫu phân bón (sau phủ PAM) thu kết hình Kết phổ EDX bentonit (hình 3.a) cho thấy thành phần bentonit O, Si, Al, C ngồi có lượng nhỏ Fe, Ca, N, K, Ba Mẫu phân bón có thành phần K, S, O, C ngồi có lượng nhỏ Al, Fe, Si, N (hình 3.b) Trong hàm lượng N, C mẫu phân bón cao so với mẫu bentonit Điều chứng tỏ bổ sung K2SO4 PAM vào bentonit thành công Riêng Ca, Mg, Ba không thấy xuất pic đặc trưng mẫu phân bón chúng có hàm lượng nhỏ nên gây sai số kết phân tích [2,7] (b) Hình Phổ EDX bentonit Bình Thuận (a) mẫu phân bón (b) 218 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Ngơ Thị Lan Anh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 208(15): 215 - 220 3.3 Đặc tính nhả kali sản phẩm đất Kết khảo sát khả nhả chậm sản phẩm đất (hình 4) cho thấy, tuần phân nhả khoảng 16,33% K tăng nhanh tuần tiếp theo, đạt 81,25% tuần Như sản phẩm phân bón tổng hợp thỏa mãn điều kiện phân bón nhả chậm theo tiêu chuẩn Ủy ban chuẩn hóa Châu Âu [1] Kết sở cho việc thiết kế mơ hình ứng dụng phân kali nhả chậm theo chu kì sinh trưởng trồng Hình Đồ thị biểu diễn hà lượng kali nhả đất nước theo thời gian 3.4 Động học trình nhả chất dinh dưỡng phân bón đất Kết mơ tả động học trình nhả chất dinh dưỡng phân kali nhả chậm biển diễn hình tổng hợp bảng Hình Động học nhả Kali đất dạng tuyến tính theo phương trình biểu kiến bậc (a), bậc (b) bậc (c) Bảng Mơ hình động học q trình nhả chất dinh dưỡng mẫu phân bón kali nhả chậm Bậc phản ứng Bậc Bậc Bậc Mơ hình động học biểu kiến Ct=467,34.t +632,99 Ln(Cb-Ct)=-0,5298.t +8,1699 1/(Cb-Ct)=6.10-4.t – 0,00003 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hằng số nhả 632,99 8,1699 ngày-1 3.10-5 g.l-1.ngày-1 R2 0,896 0,976 0,807 219 Trần Quốc Tồn Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Giá trị tham số mơ hình động học biểu kiến thu từ bảng cho thấy hệ số tương quan R2 mơ hình động học biểu kiến bậc đạt giá trị lớn (là 0,976) so với mơ hình động học biểu kiến bậc 0, bậc (có giá trị tương ứng 0,896 0,807) Như mơ hình động học biểu kiến bậc phù hợp để mô tả q trình nhả chất dinh dưỡng phân bón kali nhả chậm qua lớp phủ PAM (R2 1) Kết nghiên cứu hoàn toàn phù hợp với giả thiết mơ hình khuếch tán nhiều giai đoạn đề cập [1] Theo mơ hình này, bỏ qua ảnh hưởng nhiệt độ, chiều dày lớp phủ, q trình nhả chất dinh dưỡng phân bón kali nhả chậm chia làm giai đoạn Đầu tiên, K bề mặt lõi phân bón khuếch tán qua lớp phủ polyme ngồi mơi trường, sau K hòa tan bên lõi phân bón khuếch tán đến bề mặt lõi viên phân để chuẩn bị cho trình khuếch tán Kết luận Viên phân bón kali nhả chậm chế tạo có phần lõi chứa K2SO4, bentonit, PAM (với tỉ lệ khối lượng 80:20:0,25) lớp phủ PAM (chiếm 1% khối lượng viên phân) bền ỏ nhiệt độ thường Trong đất phân nhả khoảng 81,25%K tuần Tốc độ nhả kali phân bón kali nhả chậm tn theo mơ hình khuếch tán nhiều giai đoạn, biểu diễn phương trình động học biểu kiến bậc (ở 250C) Kết nghiên cứu sở ứng dụng loại phân bón kali nhả chậm có thời gian nhả dinh dưỡng thích hợp với nhu cầu dinh dưỡng trồng, làm tăng hiệu sử dụng phân bón bảo vệ mơi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trenkel M.E, Slow-and Controlled - release and Stabilized Fertilisers: An Option for Enhancing Nutrient Use Efficiency in Agriculture International Fertilizer Industry Association, Paris, 2010 220 208(15): 215 - 220 [2] Hai-lianWang, Ya-fanBi, HaoXia,HuixingXie, MoWang, Wang-wangLi, “Study on Preparation of Sustained-Release Potassium Fertilizer with Bentonite as Carrier and Slow Release Performance of Potassium”, 2013 Third International Conference on Intelligent System Design and Engineering Applications, pp.13481351, 2013 [3] Yanle Guo, Zhiguang Liu, Min Zhang, Xiaofei Tian, Jianqiu Chen, and Lingli Sun, ”Synthesis and Application of UreaFormaldehyde for Manufacturing a ControlledRelease Potassium Fertilizer”, Ind Eng Chem Res., 57 (5), pp 1593–1606, 2018 [4] Ch V Subbarao, G Kartheek, and D Sirisha, “Slow Release of Potash Fertilizer Through Polymer Coating”, International Journal of Applied Science and Engineering, 11(1), pp 2530, 2013 [5] Lan Wu, Mingzhu Liu, “ Slow-Release Potassium Silicate Fertilizer with the Function of Superabsorbent and Water Retention”, Ind Eng Chem Res.,46 (20), pp 6494–6500, 2007 [6] Trần Quốc Toàn, Nguyễn Thanh Tùng, Nguyễn Trung Đức, Phạm Thị Thu Hà, “Tốc độ nhả nitơ phân bón ure nhả chậm mơi trường đất”, Tạp chí Phân tích Hóa, Lý Sinh học, 23(3), tr 41-47, 2018 [7] Trần Quốc Toàn, Chế tạo nghiên cứu động học trình nhả chất dinh dưỡng số loại phân bón nhả chậm Luận án Tiến sĩ Hóa học, Học viện KH&CN, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2017 [8] N.K.Brar, D.S.Benipal and B.S.Brar, „„Potassium Release Kinetics in Soils of a Long – Term Fertilizer Experiment”, Indian Journal of Ecology, 35(1), pp 9-15, 2008 [9] Shaviv, A.; Raban, S.; Zaidel, E, „„Modeling Controlled Nutrient Release from a Population of Polymer Coated Fertilizers: Statistically Based Model for Diffusion Release”, Environ Sci Technol, 37, pp 2257–2261, 2003 [10] Trần Quốc Tồn, Ma Thị Bích Vân, Hồng Việt Duy, Hoàng Như Ngọc, „„Ảnh hưởng chất phụ gia tới độ bền động thái nhả dinh dưỡng phân bón kali nhả chậm dạng viên”, Tạp chí Khoa học Công nghệ , Đại học Thái Nguyên, 185(09), tr 199-204, 2018 [11] Marcus J Caulfield, Greg G Qiao, and David H Solomon, “Some Aspects of the Properties and Degradation of Polyacrylamides”, Chem Rev., 102, pp 3067−3083, 2002 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn ... nhả chậm phủ (bọc) polyme (PCRF) loại phân kiểm sốt tốt q trình nhả dinh dưỡng phân bón thơng qua lớp phủ polyme Bản chất độ dày lớp phủ polyme đóng vai trò kiểm sốt q trình nhả chất dinh dưỡng. .. công bố [10] Trong báo nghiên cứu tính chất tốc độ nhả dinh dưỡng đất phân bón kali nhả chậm với lớp phủ polyacrylamit làm sở cho việc chế tạo ứng dụng sản phẩm phân bón kali nhả chậm Thực nghiệm... nhả đất nước theo thời gian 3.4 Động học trình nhả chất dinh dưỡng phân bón đất Kết mơ tả động học q trình nhả chất dinh dưỡng phân kali nhả chậm biển diễn hình tổng hợp bảng Hình Động học nhả Kali