Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano silica (sio2) với nguồn silic từ quặng cát bình định nhằm ứng dụng trong nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN HÀ CẨM PHI NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO SILICA (SiO2) VỚI NGUỒN SILIC TỪ QUẶNG CÁT BÌNH ĐỊNH NHẰM ỨNG DỤNG TRONG NƠNG NGHIỆP Chun ngành: Hóa lý thuyết hóa lý Mã số: 8440119 Ngƣời hƣớng n:1- PGS.TS Cao Văn Hoàng 2TS Mai Hùng Thanh Tùng LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình kết nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình nghiên cứu LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Cao Văn Hoàng TS Mai Huỳnh Thanh Tùng – ngƣời tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, bảo động viên em hoàn thành tốt luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Th.S Nguyễn Văn Lƣợng có đóng góp định hƣớng giúp em hồn thiện luận văn Trong q trình thực luận văn, em nhận đƣợc nhiều quan tâm tạo điều kiện Thầy, Cơ khoa Khoa học tự nhiên Trung tâm thí nghiệm thực hành A6 – Trƣờng Đại học Quy Nhơn Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới quý Thầy, Cô Em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tập thể lớp Cao học Hóa K21 ln động viên, khích lệ tinh thần suốt trình học tập nghiên cứu khoa học Mặc dù cố gắng thời gian thực luận văn nhƣng cịn hạn chế kiến thức nhƣ thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc thơng cảm ý kiến đóng góp quý báu từ quý Thầy, Cô để luận văn đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong vỏ trái đất, Silic nguyên tố phổ biến thứ sau oxy, chiếm 25% khối lƣợng [33] Mặc dù chiếm lƣợng lớn nhƣ trái đất nhƣng silic nguyên chất hiếm, hầu hết silic vỏ trái đất liên kết với oxi đƣợc gọi silica silic đioxit (SiO2) khoáng vật silicat [5] [68] Lƣợng silica đất cát bị phong hóa đến 90% nhƣng đất nhiệt đới bị phong hóa mạnh khoảng 20% Nhìn chung lƣợng silica SiO2 chiếm khoảng 60-90% đất [23][53][63][80] Tất loại trồng chứa silic Vì trồng hút silic dạng ion SiO32-, hàm lƣợng dinh dƣỡng đƣợc tính quy đổi % SiO [65].Cây trồng kể non lấy đƣợc silic đất Đặc biệt thuộc họ Hòa thảo Chẳng hạn nhƣ lúa đƣợc bón silic vào gốc đặt suất hạt tối đa 3705 kg/ha với liều lƣợng 329 kg SiO 2/ha, riêng vỏ trấu, số lƣợng silic 235kg SiO2/ha [27] Theo Mengel Kirkby (1987), phân bố Si phụ thuộc vào mức độ thoát nƣớc phận khác cây[36][103] Mặc dù vai trò lý sinh sinh hóa silic chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều Có ý kiến cho silic khơng có vai trị đặc biệt ngồi tác dụng làm cứng mơ chống đỡ Ngƣời ta trồng dung dịch khơng có silic nhận thất phát triển bình thƣờng Ngày nay, khoa học thực vật đại phân loại silica vi chất dinh dƣỡng [33][34][36] cho trồng, đƣợc xem “chất dinh dƣỡng có lợi cho trồng nhƣng không cần thiết” Nghĩa không thiết sử dụng cho trồng nhƣ nitơ (N), photpho (P), kali (K), nhƣng việc áp dụng silica mang lại nhiều lợi ích cho trồng [141] Đặc biệt loại có hàm lƣợng silica cao nhƣ: lúa[19] [26] [41] [134] [139], ngơ [64]và mía[64],…: - [65] Giúp cho chống xâm nhập vủa vi khuẩn nấm gây bệnh [45] [56] [88] [106] [125] - Làm cho đứng giúp cho quang hợp tốt [137][139][140] [145] - Làm cho cứng chống đƣợc đổ ngã [65] [66][83][125][126][149] - Làm giảm nƣớc giúp cho chống hạn chống nóng [36] [152] [37] [136] [143] - Làm tăng khả oxy hóa rễ làm giảm tác hại hút nhiều sắt mangan [103] [123][124][135] - Giúp tăng suất trồng [88][92][113][115][126][149] - Cần cho tạo thành diệp lục, cần thiết cho quang hợp [37][150] - Làm tăng hiệu sử dụng phân lân hiệu sử dụng phân đạm [6]-[10] Nhƣ silica có tác dụng chủ yếu đến tính chống chịu: thiếu ánh sáng, thiếu nƣớc, nhiệt độ cao sâu bệnh hại Chính khả tính chống chịu mà silica ngày đƣợc ý sản xuất vào hƣớng thâm canh, gỡ mối khó khăn sử dụng giống (giống cho suất chất lƣợng sản phẩm cao thƣờng có tính chống chịu yếu) việc sử dụng thuốc trừ sâu Hiệu cung cấp silica cho trồng chƣa nhiều nhƣng kết ban đầu cho thấy số nhƣ dƣa chuột [37], cà chua [72][105], đậu tƣơng[78], ngơ[88], mía[43][54][70][101] lúa[63] đặc biệt lúa đồi, lúa mì [39], lúa mạch, cao lƣơng bón silica lợi nhiều mặt tăng suất Khi nhu cầu thấp số lƣợng SiO2 dễ tiêu đất cịn đủ thỏa mãn nhu cầu, nhƣng nhu cầu cao không tránh khỏi có tƣợng thiếu silica Lúa trồng đất bạc màu thối hóa đất đồi cần ý bón silica Trên đất đồi, silica dễ tiêu đất lúa nƣớc, lúa thƣờng hay bị bệnh đạo ôn lúa nƣớc (bón silica làm giảm bệnh[102]) Mặc số lƣợng silica đất cao nhƣng bị ảnh hƣởng thành phần khác đất bao gồm: độ pH, có mặt đất sét, chất hữu cơ, sắt nhôm hydroxit,…[143] Do vậy, ta nên cung cấp đủ lƣợng silica cho trồng để sinh trƣởng phát triển khỏe mạnh Ngƣời ta dùng khái niệm công nghệ nano để lĩnh vực khoa học công nghệ mà đối tƣợng nghiên cứu nhƣ thao tác có kích thƣớc nanomét [một phần tỉ mét 1/10ⁿ (với n = 9)][144] Khi chuyển sang kích cỡ nano, kim loại có tính chất chức đƣợc tăng cƣờng tính vốn có để đạt tới thâm nhập đƣợc vào khu vực khác Vật liệu nano có kích thƣớc đủ nhỏ để sâu vào quan, tế bào mà không làm ảnh hƣởng đến chức chúng, Ví dụ: Kích thƣớc virus từ 20-500 nm, tế bào từ 10-100 m, protein từ 5-50 nm, gen có nm chiều rộng 10-100 nm chiều dài Error! Reference source not found Nhiều vật liệu kích thƣớc đƣợc thu nhỏ xuống dƣới 100nm bắt đầu thể hàng loạt tính chất độc đáo sở tuân theo luật lực học lƣợng tử mà lực xuất mức độ nguyên tử (khác lực VanderWaals) Nhƣ vậy, hạt nano nhỏ dƣới 100 nm (đặc biệt dƣới 50nm) không tuân theo đầy đủ luật cổ điển mà theo luật lƣợng tử Sự gia tăng bề mặt cấp độ hàng triệu lần đến tỷ lần vật chất thu nhỏ từ mức vĩ mô, trung mơ (m, cm, mm, µm) đến cấp nanomét làm thay đổi lý tính, quang tính, từ tính đặc tính nhiệt động học vật chất Error! Reference source not found Sản xuất phân bón theo công nghệ nano công nghệ đƣợc áp dụng số quốc gia phát triển nhƣ Đức [144], Trung Quốc [76] [148], Nhật[135][137], Mỹ [56][58][130] Trong quy trình cơng nghệ sản xuất loại phân bón có kích cỡ nhỏ từ 100- 500 nm, loại phân có nhiều tính vƣợt trội so với hiệu lực chƣa xử lý[42][47] Khả hấp thu qua qua hệ thống rễ đƣợc tăng mạnh sử dụng phân bón theo cơng nghệ nano vừa có hiệu lực Nơng học, Hiệu kinh tế, lại bảo đảm không gây tồn dƣ tổn hại đến mơi trƣờng Vì vậy, việc sử dụng tiết kiệm phân bón nhƣng đảm bảo suất chất lƣợng nông sản, đảm bảo hiệu kinh tế bảo vệ môi trƣờng thông qua việc tăng hiệu sử dụng phân bón việc làm cần thiết Vì lí trên, tơi tiến hành đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano silica (SiO2) với nguồn silic từ quặng cát Bình Định nhằm ứng dụng nơng nghiệp” nhằm tổng hợp vật liệu nano silica nghiên cứu khảo sát ứng dụng vào nơng nghiệp Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu quy trình tổng hợp nano silica - Nghiên cứu ứng dụng nano silica nông nghiệp - Khảo sát yếu tố (tính chất) ảnh hƣởng đến khả hấp thụ silica trồng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu: - Vật liệu nano silica - Silica có đất trồng (lúa) 3.2 Phạm vi nghiên cứu: - Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến trình tổng hợp silica - Khảo sát ứng dụng silica nông nghiệp Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1 Phƣơng pháp nghiên cứu lí thuyết: - Thu thập, tổng hợp, nghiên cứu phân tích tài liệu có liên quan đến vật liệu silica, công nghệ silica, nano silica, vai trò silica trồng, ứng dụng silica nơng nghiệp Xây dựng quy trình thực - Kế thừa, phát triển vận dụng số phƣơng pháp tổng hợp silica, nano silica 4.2 Phƣơng pháp thực nghiệm: - Phƣơng pháp điều chế tổng hợp nano silica - Tiến hành khảo sát tính chất đặc trƣng vật liệu điều chế - Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng nano silica trồng - Ứng dụng để công nghệ silica nông nghiệp 4.3 Phƣơng pháp phân tích, đánh giá: - Phân tích đặc trƣng vật liệu điều chế: thành phần hoá học, cấu trúc, khoảng cách bản, diện tích bề mặt vật liệu phƣơng pháp phân tích lý hoá đại nhƣ: TGA-DCS, EDX, XRD, XRF, SEM, TEM , FTIR - Đánh giá trình hấp thụ silica trồng (BET-BJH) - Đánh giá ứng dụng silica lúa Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp xác định đặc trƣng, tính chất nano silica - Thực nghiệm ứng dụng vật liệu nơng nghiệp - Đánh giá vai trị silica trồng Cấu trúc luận văn Chƣơng TỔNG QUAN Chƣơng THỰC NGHIỆM Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 VẬT LIỆU NANO 1.1.1 Khái niệm Vật liệu nano loại vật liệu có cấu trúc hạt, sợi, ống, mỏng,… có kích thƣớc đặc trƣng khoảng nm đến 100 nm Đây đối tƣợng nghiên cứu khoa học nano cơng nghệ nano, liên kết hai lĩnh vực với Tính chất vật liệu nano bắt nguồn từ kích thƣớc chúng Đây lý cho tên gọi vật liệu Error! Reference source not found Kích thƣớc vật liệu nano trải khoảng từ vài nm đến vài trăm nm phụ thuộc vào chất tính chất chất cần nghiên cứu Error! Reference source not found 1.1.2 Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thƣớc nanomet Về trạng thái vật liệu, ngƣời ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng khí Vật liệu nano đƣợc tập trung nghiên cứu nay, chủ yếu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí Về hình dáng vật liệu, ngƣời ta phân thành loại sau: Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều có kích thƣớc nano, khơng cịn chiều tự cho điện tử), ví dụ: đám nano, hạt nano Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thƣớc nano, điện tử đƣợc tự chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ: dây nano, ống nano Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thƣớc nano, hai chiều tự do, ví dụ: màng mỏng ... nguồn silic từ quặng cát Bình Định nhằm ứng dụng nơng nghiệp? ?? nhằm tổng hợp vật liệu nano silica nghiên cứu khảo sát ứng dụng vào nơng nghiệp Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu quy trình tổng hợp. .. pháp nghiên cứu lí thuyết: - Thu thập, tổng hợp, nghiên cứu phân tích tài liệu có liên quan đến vật liệu silica, cơng nghệ silica, nano silica, vai trị silica trồng, ứng dụng silica nông nghiệp. .. Vật liệu nano silica - Silica có đất trồng (lúa) 3.2 Phạm vi nghiên cứu: - Khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến trình tổng hợp silica - Khảo sát ứng dụng silica nông nghiệp Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1