Nghiên cứu một số vật liệu polyme tiên tiến, thân thiện môi trường và ứng dụng trong chế tạo bầu ươm cây

Ngày nay, nhựa polyetylen (PE) phế thải đã và đang đặt ra những vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và gây tổn thương đến hệ sinh thái. PE thường không phân hủy và do đó vẫn tồn tại dưới dạng chất thải trong môi trường với thời gian rất dài gây hại đối với sức khỏe con người. Do những ưu điểm về giá thành cũng như phương pháp gia công đơn giản, các loại màng chất dẻo chế tạo từ polyetylen (PE) đang được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như: bao gói, che phủ và dùng để chế tạo bầu ươm cây trong nông nghiệp. Ở Việt Nam, nhu cầu sản xuất cây giống trong bầu ươm cho cây ăn quả, cây nông lâm nghiệp ngày càng tăng, hầu hết các loại cây giống đều được trồng trong bầu. Bầu ươm là môi trường trồng cây và chứa nguồn dinh dưỡng cẩn thiết để cung cấp cho cây trồng ở giai đoạn sinh trưởng và phát triển đầu tiên. Thành phần và đặc tính của bầu ươm đóng vai trò quyết định đến số lượng, chất lượng cây giống và thời gian cây lưu bầu. Túi bầu ươm cây tự hủy chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa là một hướng nghiên cứu mới góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đồng thời việc sử dụng túi bầu ươm này đem lại ý nghĩa về mặt kinh tế cao, tiết kiệm được công xé bầu. Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng một số vật liệu tiên tiến, thâm thiện với môi trường như: polyme siêu hấp thụ nước và polyme liên kết đất trong chế tạo ruột bầu cũng là một hướng đi mới nhằm cải thiện khả năng giữ nước, tăng lượng ẩm sẵn có ở vùng rễ, giữ chất dinh dưỡng, ngăn quá trình rửa trôi chất dinh dưỡng trong đất và liên kết các hạt đất, giúp không làm vỡ bầu ươm khi vận chuyển đến nơi gieo trồng, cây trồng phát triển tốt, giảm số lần tưới, tiết kiệm được công lao động và nâng cao chất lượng cây giống. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, luận án tập trung vào “Nghiên cứu một số vật liệu polyme tiên tiến, thân thiện môi trường và ứng dụng trong chế tạo bầu ươm cây” với mục tiêu và nội dung nghiên cứu cụ thể như sau: * Mục tiêu của luận án: - Nghiên cứu khả năng phân hủy của màng chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa từ đó chế tạo được túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác nhau. - Nghiên cứu ảnh hưởng của hai loại vật liệu polyme siêu hấp thụ nước và polyacrylamit đến tính chất của tổ hợp vật liệu chế tạo ruột bầu. - Đánh giá được khả năng ứng dụng của bầu ươm cây tiên tiến, thân thiện môi trường cho một số đối tượng cây trồng. * Những nội dung nghiên cứu chính của luận án: - Nghiên cứu quá trình phân hủy giảm cấp và phân hủy trong điều kiện tự nhiên của màng chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa Mn(II) stearat, Fe(III) stearat, Co(II) stearat. Từ đó, chế tạo được túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác nhau. - Nghiên cứu khả năng giữ ẩm của vật liệu polyme siêu hấp nước và khả năng làm bền cấu trúc của polyacrylamit. Kết hợp sử dụng tổ hợp hai loại vật liệu này để cải thiện một số tính năng của ruột bầu ươm. - Thử nghiệm bầu ươm cây tiên tiến, thân thiện môi trường cho cây thông, cây keo và cây bạch đàn.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ -o0o - NGUYỄN THỊ THỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẬT LIỆU POLYME TIÊN TIẾN, THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO BẦU ƯƠM CÂY LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI - 2019 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung bầu ươm 1.1.1 Túi bầu 1.1.2 Ruột bầu ươm 1.2 Túi bầu PE tự hủy chế tạo sở PE tái sinh phụ gia xúc tiến oxy hóa 1.2.1 Sản xuất, tiêu thụ vấn đề ô nhiễm môi trường từ nhựa PE 1.2.2 Một số biện pháp xử lý nhựa PE phế thải 10 1.2.3 Các trình phân hủy polyetylen chứa chứa phụ gia xúc tiến oxy hóa 17 1.2.4 Các tiêu chuẩn đánh giá khả tự hủy polyetylen 24 1.3 Polyme siêu hấp thụ nước (SAP) polyacrylamit (PAM) sử dụng để cải tính ruột bầu ươm 26 1.3.1 Polyme siêu hấp thụ nước (SAP) ứng dụng để cải thiện độ ẩm đất 26 1.3.2 Polyacrylamit (PAM) ứng dụng làm vật liệu liên kết đất 31 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39 2.1 Nguyên vật liệu hóa chất 39 2.2 Dụng cụ thiết bị 40 2.3 Nội dung nghiên cứu 44 2.3.1 Chế tạo mẫu màng chứa hạt nhựa rPE thiết bị trộn kín brabender 44 2.3.2 Chế tạo masterbatch với hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa khác 45 2.3.3 Tiến hành thổi màng có hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa (rPE- oxo) 46 2.3.4 Chế tạo túi bầu ươm có thời gian phân hủy khác 48 i 2.3.5 Chế tạo ruột bầu ươm sử dụng vật liệu AMS-1 PAM 48 2.3.6 Thử nghiệm bầu ươm cho đối tượng trồng khác 49 2.4 Phương pháp nghiên cứu 50 2.4.1 Xác định tính chất học 50 2.4.2 Phổ hồng ngoại (FTIR) 51 2.4.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 51 2.4.4 Xác định số carbonyl (CI) 51 2.4.5 Xác định tính lưu biến chảy (mơmen xoắn) 52 2.4.6 Độ bóng vật liệu 52 2.4.7 Phân hủy oxy hóa nhiệt 52 2.4.8 Phân hủy oxy hóa quang nhiệt ẩm 53 2.4.9 Quá trình lão hóa tự nhiên 53 2.4.10 Độ ẩm đất sau tưới 53 2.4.11 Khả liên kêt đất 54 2.4.12 Tốc độ sa lắng đất 54 2.4.13 Xác định độ xốp đất 54 2.4.15 Khả bám dính đất 55 2.4.16 Xác định sức chứa ẩm cực đại đất 56 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 57 3.1 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng rPE tổ hợp vật liệu rPE /LDPE 57 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng PPA đến tính chất tổ hợp rPE /LDPE 60 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa đến trình phân hủy giảm cấp 65 3.3.1 Q trình phân hủy oxy hóa nhiệt mẫu màng 65 3.3.2 Quá trình phân hủy oxy hóa quang, nhiệt, ẩm màng rPE- oxo 72 3.3.3 Khả phân hủy màng rPE – oxo điều kiện lão hóa tự nhiên 76 3.4 Ảnh hưởng hàm lượng hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa đến trình phân hủy màng rPE - oxo điều kiện tự nhiên 81 3.4.1 Phân hủy môi trường đất 81 3.4.2 Phân hủy mơi trường bùn hoạt tính 84 3.5 Chế tạo túi bầu tự hủy từPE tái sinh hỗn hợp phụ xúc tiến oxy hóa 88 ii 3.5.1 Đơn phối liệu chế tạo túi bầu ươm tự hủy 88 3.5.2 Ảnh hưởng chế độ cơng nghệ đến đặc tính túi bầu 89 3.5.3 Đánh giá tính chất túi bầu ươm chế tạo 93 3.6 Nghiên cứu ứng dụng AMS-1 PAM đến tổ hợp vật liệu ruột bầu 97 3.6.1 Nghiên cứu khả giữ ẩm vật liệu AMS-1 97 3.6.2 Nghiên cứu khả tương tác làm bền cấu trúc đất PAM 101 3.6.3 Xác định hàm lượng AMS-1 PAM tổ hợp vật liệu ruột bầu 107 3.7 Thử nghiệm bầu ươm tiên tiến, thân thiện môi trường 110 3.7.1 Thử nghiệm bầu ươm cho keo 110 3.7.2 Thử nghiệm bầu ươm cho thông 112 3.7.3 Thử nghiệm bầu ươm cho bạch đàn 113 KẾT LUẬN 116 NHỮNG ĐIỂM MỚI VÀ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN 117 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 118 LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ASTM American Society for Testing and Hiệp hội vật liệu thử Materials nghiệm Hoa Kỳ AMS-1 Polyme siêu hấp thụ nước Viện Hóa học CAGR Compounded Annual Growth rate Tỷ lệ tăng trưởng hàng năm CI Carbonyl Index Chỉ số carbonyl CoSt2 Cobalt stearate Cobalt stearat DSC Differential scanning calorimetry Nhiệt lượng quét vi sai EPA United States Environmental Cục Bảo vệ môi trường Hoa Protection Agency Kỳ EU European Union Liên minh Châu Âu FeSt3 Ferric stearate Sắt (III) stearat FTIR Fourier Transform Spectroscopy HDPE High density polyethylene Infrared Phổ hồng ngoại Polyetylen tỷ trọng cao Hữu công nghiệp HCCN LDPE Low density polyethylene Polyetylen tỷ trọng thấp LLDPE Linear low density polyethylene Polyetylen tỷ trọng thấp mạch thẳng MFI Melt Flow Index Chỉ số chảy MnSt2 Manganese stearate Mangan stearat Mw Molecular weight Khối lượng phân tử PAM Polyacrylamide Polyacrylamit PE Polyethylene Polyetylen PPA Compatible additives Phụ gia trình rPE Recycled polyethylene Nhựa polyetylen phế thải iv Màng chế tạo sở polyetylen tái sinh phụ gia xúc tiến oxy hóa rPE – Oxo SAP Polyme siêu hấp thụ nước Superabsorbent polymers Sức chứa ẩm cực đại SCACĐ SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TGA Thermogravimetric analysis Phân tích nhiệt trọng lượng UV Ultraviolet Tia cực tím v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số mơi trường nghiên cứu q trình phân hủy sinh học 23 Bảng 1.2: Các tiêu chuẩn đánh giá trình phân hủy quang nhiệt ẩm 24 Bảng 1.3: Các tiêu chuẩn đánh giá trình phân hủy nhiệt 25 Bảng 2.1: Chỉ tiêu kỹ thuật AMS-1 40 Bảng 2.2: Chỉ tiêu kỹ thuật PAM 40 Bảng 2.3: Thông số công nghệ trình trộn cắt tạo hạt 46 Bảng 3.1: Tính chất lý tổ hợp vật liệu rPE / LDPE .57 Bảng 3.2: Kí hiệu mẫu có hàm lượng phụ gia PPA khác 60 Bảng 3.3: Tính chất lý mẫu màng có hàm PPA khác 63 Bảng 3.4: Tính chất lý mẫu có chứa phụ gia xúc tiến oxy hóa .65 Bảng 3.5: Tổn hao khối lượng mẫu chôn đất .82 Bảng 3.6: Tổn hao khối lượng mẫu ngâm bùn hoạt tính 85 Bảng 3.7: Đơn phối liệu chế tạo túi bầu ươm tự hủy 88 Bảng 3.8: Ảnh hưởng tốc độ trục vít đến chiều dày màng 89 Bảng 3.9: Ảnh hưởng tốc độ kéo đến chiều dày màng 90 Bảng 3.10: Ảnh hưởng nhiệt độ đến tính chất lý màng 90 Bảng 3.11: Tính chất lý túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác 93 Bảng 3.12: Bảng đánh giá độ thấm đất 98 Bảng 3.13: Khả trương nở AMS-1 có mặt ion kim loại .100 Bảng 3.14: Khả liên kết PAM với hạt đất 103 Bảng 3.15: Lượng chất dinh dưỡng bị sau tháng 105 Bảng 3.16: Công thức sử dụng AMS-1 PAM 107 Bảng 3.17: Tính chất túi bầu ươm thời gian ươm keo 110 Bảng 3.18: Số lần tưới phẩm chất keo công thức bầu ươm .111 Bảng 3.19: Kết chiều cao keo lần thu thập số liệu 111 Bảng 3.20: Tính chất túi bầu thời gian ươm thông 112 Bảng 3.21: Số lần tưới phẩm chất Thông 113 Bảng 3.22: Bảng tổng hợp kết chiều cao thông 113 Bảng 3.23: Tính chất túi bầu thời gian ươm bạch đàn .114 vi Bảng 3.24: Số lần tưới phẩm chất bạch đàn 114 Bảng 3.25: Kết chiều cao bạch đàn 115 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cơ cấu sử dụng nhựa PE theo loại toàn cầu năm 2018 Hình 1.2: Cơ cấu ngành nhựa Việt Nam theo nhóm ngành năm 2018 Hình 1.3: Quy trình tái chế nhựa phế thải 11 Hình 1.4: PE phân hủy sinh học sở LDPE với tinh bột 14 Hình 1.5: Cơ chế hoạt động phụ gia xúc tiến oxi hóa 17 Hình 1.6: Hình ảnh minh họa mạch phân tử loại PE 18 Hình 1.7: Quá trình phân hủy polyolefin 18 Hình 1.8: Cơ chế phân huỷ quang hố PE 20 Hình 1.9: Phân huỷ oxy hoá theo chế Norrish 20 Hình 1.10: Quá trình phân hủy PE xúc tác kim loại chuyển tiếp 21 Hình 1.11: Cơ chế phân hủy PE sau phân hủy giảm cấp 23 Hình 1.12: Cơ chế hấp thụ nước SAP 28 Hình 1.13: Mơ hình liên kết hydro nhóm amit phân tử nước 33 Hình 1.14: Mơ hình biểu diễn khả hấp thụ polyme lên khoáng sét 34 Hình 1.15: Mơ hình liên kết polyme với kim loại hóa trị II .34 Hình 1.16: Cơ chế phản ứng thủy phân PAM mơi trường axit .35 Hình 1.17: Cơ chế phản ứng thủy phân PAM môi trường kiềm .35 Hình 1.18: Cơ chế phân hủy sinh học mơi trường enzymeamidaza 36 Hình 2.1: Máy trộn siêu tốc Supermix, Model: BP-HS100 41 Hình 2.2: Thiết bị thổi màng thí nghiệm SJ-35 41 Hình 2.3: Máy trộn kín brabender 42 Hình 2.4: Máy ép mẫu thí nghiệm 42 Hình 2.5: Máy trộn cắt hạt trục vít BP-8177 42 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống đùn thổi màng SJ 45 43 Hình 2.7: Thiết bị đo lý đa INSTRON 5980 .43 Hình 2.8: Thiết bị thử nghiệm gia tốc thời tiết UVCON Model UV-260 44 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý trình thổi màng 46 Hình 2.10: Mẫu vật liệu đo tính chất học 51 Hình 3.1: Phổ FTIR nhựa LDPE nguyên sinh 58 viii Hình 3.2: Phổ FTIR nhựa PE tái sinh loại .58 Hình 3.3: Hình ảnh SEM bề mặt phẳng mẫu PE1, PE2, PE3 PE4 59 Hình 3.4: Ảnh hưởng phụ gia PPA đến mơ men xoắn .61 Hình 3.5: Độ bóng mẫu màng có hàm lượng phụ gia PPA khác 62 Hình 3.6: Hình thái học bề mặt phẳng SEM mẫu PE3A0 PE3A2 64 Hình 3.7: Độ bền kéo đứt mẫu màng sau oxy hóa nhiệt 66 Hình 3.8: Độ dãn dài đứt màng tự hủy sau oxy hóa nhiệt .67 Hình 3.9: FTIR PE3A2Ox0 bđ, PE3A2Ox0, PE3A2Ox02 sau oxy hóa nhiệt .68 Hình 3.10: FTIR PE3A2Ox04, PE3A2Ox06 PE3A2Ox08 sau oxy hóa nhiệt 68 Hình 3.11: Cơ chế phân hủy hydroperoxit 69 Hình 3.12: Phản ứng Norrish I Norrish II hình thành este 69 Hình 3.13: Chỉ số CI mẫu PE tự hủy sau 90 oxy hóa nhiệt 70 Hình 3.14: Ảnh SEM bề mặt phẳng PE3A2Ox0bđ, PE3A2Ox0, PE3A2Ox02 PE3A2Ox08 sau 90h oxy hóa nhiệt 71 Hình 3.15: Độ bền kéo đứt mẫu sau 30 ngày oxy hóa quang nhiệt ẩm 72 Hình 3.16: Độ dãn dài đứt mẫu sau oxy hóa quang nhiệt ẩm 73 Hình 3.17: FTIR PE3A2Ox0 bđ, PE3A2Ox0 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm 74 Hình 3.18: FTIR PE3A2Ox02, PE3A2Ox04 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm 74 Hình 3.19: FTIR PE3A2Ox06 PE3A2Ox08 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm 75 Hình 3.20: Ảnh SEM bề mặt phẳng PE3A2Ox0 bđ, PE3A2Ox0, PE3A2Ox04 PE3A2Ox08 sau oxy hóa quang, nhiệt, ẩm .76 Hình 3.21: Sự thay đổi độ bền kéo đứt trình lão hóa tự nhiên 77 Hình 3.22: Độ dãn dài đứt màng sau lão hóa tự nhiên 78 Hình 3.23: Phổ FTIR mẫu màng sau lão hóa tự nhiên 79 Hình 3.24: Sự thay đổi số carbonyl theo thời gian phơi mẫu .80 Hình 3.25: Ảnh SEM mẫu màng trước sau lão hóa tự nhiên 80 Hình 3.26: Phổ IR mẫu PE3A2Ox08 sau tháng chôn đất 83 Hình 3.27: Ảnh SEM PE3A2Ox02 PE3A2Ox08 sau tháng chôn đất 84 Hình 3.28: Ảnh mẫu PE08 theo thời gian ngâm bùn hoạt tính .85 Hình 3.29: FTIR PE3A2Ox08 sau tháng ngâm bùn hoạt tính 86 Hình 3.30: SEM bề mặt mẫu PE3A2Ox02 PE3A2Ox08 sau tháng ngâm ix ... Nghiên cứu số vật liệu polyme tiên tiến, thân thiện môi trường ứng dụng chế tạo bầu ươm cây với mục tiêu nội dung nghiên cứu cụ thể sau: * Mục tiêu luận án: - Nghiên cứu khả phân hủy màng chế tạo. .. nhiễm môi trường Đồng thời việc sử dụng túi bầu ươm đem lại ý nghĩa mặt kinh tế cao, tiết kiệm công xé bầu Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng số vật liệu tiên tiến, thâm thiện với môi trường như: polyme. .. ứng dụng bầu ươm tiên tiến, thân thiện môi trường cho số đối tượng trồng * Những nội dung nghiên cứu luận án: - Nghiên cứu q trình phân hủy giảm cấp phân hủy điều kiện tự nhiên màng chế tạo sở