1.2.5.1. Zeolit X
Cụng thức hoỏ học tiờu biểu của zeolite NaX cú dạng [25]. Na86[(AlO2)86(SiO2)106].264H2O.
Zeolit X thuộc họ vật liệu faujasite, SBU là cỏc vũng kộp 6 cạnh (D6R). Đơn vị cấu trỳc cơ bản của zeolit X là sodalit. Sodalit là cỏc bỏt diện cụt gồm 8 mặt 6 cạnh và 6 mặt 4 cạnh do 24 tứ diện TO4 ghộp lại. Mỗi nỳt mạng của zeolit X đều là cỏc bỏt diện cụt và mỗi bỏt diện cụt liờn kết với 4 bỏt diện cụt khỏc ở mặt 6 cạnh thụng qua liờn kết cầu oxy. Số mặt 6 cạnh của bỏt diện cụt là 8 nờn tồn tại 4 mặt 6 cạnh cũn trống của mỗi bỏt diện trong zeolit.
Zeolit họ Faujasite kết tinh ở dạng cubic, thụng thường nhúm khụng gian Fd3m với thụng số mạng a = 24,74Å. Zeolit X Đường kớnh mao quản 7,4Å và đường kớnh động học 8,1Å.
Hỡnh 1.8. Vũng 12 oxy nhỡn theo hướng <111>
Hỡnh 1.9.Cấu trỳc khung mạng của zeolit X
(a) (b) (c)
Hỡnh 1.7. SBU d6r (a), lồng sodalit (b) và sự kết hợp cỏc lồng sodalit tạo thành zeolit X
Hỡnh 1.9 trỡnh bày cấu trỳc khung mạng của zeolit X. Theo kiểu cấu trỳc này, một ụ mạng cơ sở chứa 8 bỏt diện cụt. Do vậy, trong một ụ mạng cơ sở, tổng số tứ diện TO4 bằng 192 và chứa 384 nguyờn tử oxy.
Do cú sự ghộp nối giữa cỏc sodalit qua mặt 6 cạnh nờn trong zeolit X cú cỏc hốc lớn (hốc α) với đường kớnh khoảng 13Å. Ngoài ra, do sự liờn kết thụng qua mặt 6 cạnh nờn trong zeolit X cũng tồn tại 3 dạng cửa sổ tương
ứng với cỏc mặt thụng nhau của cỏc hốc α và β. Khi 2 hốc α thụng nhau,
cửa sổ được giới hạn bởi vũng 12 nguyờn tử oxy, cú đường kớnh 7,4Å tạo nờn một cấu trỳc mạng cú độ rỗng cao. Cỏc tõm hoạt động xỳc tỏc cho nhiều phản ứng nằm chủ yếu trong những hốc lớn này. Khi hốc α thụng với hốc β hoặc 2 hốc β thụng với nhau, cửa sổ được giới hạn bởi vũng 6 nguyờn tử oxy tạo nờn một hệ thống mao quản thứ cấp cú đường kớnh 2,2Å nhỏ hơn nhiều so với kớch thước phõn tử nờn ớt được quan tõm trong xỳc tỏc.
Khi nghiờn cứu quỏ trỡnh trao đổi cation của zeolit faujazite với dung dịch muối của kim loại đất hiếm, người ta nhận thấy rằng quỏ trỡnh chỉ xảy ra ở cỏc vị trớ trong hốc lớn. Điều này là do lớp vỏ hydrat của những ion này cú kớch thước lớn hơn cửa sổ 6 oxy của hốc sodalit. Quỏ trỡnh nung sẽ tỏch lớp vỏ hydrat và những ion này cú thể di chuyển vào bờn trong sodalit để tạo phức hydroxyl với oxy mạng lưới và khi đú zeolit đúng vai trũ như một phối tử lớn. Dạng này tạo cho vật liệu cú tớnh chất bền nhiệt và bền thủy nhiệt.
1.2.5.2. Zeolit P
Theo [1],[29] zeolit P thuộc nhúm cấu trỳc với cụng thức của một ụ mạng cơ sở là:
Na1,4Al2Si3,9O11,5.H2O
Mạng lưới tinh thể của zeolit P được hỡnh thành do cỏc tứ diện TO4
Cỏc vũng đơn này lại liờn kết với nhau qua cỏc đỉnh tạo thành cỏc vũng 8 cạnh với cỏc đỉnh là cỏc ion O2- của tứ diện TO4. Kớch thước mao quản theo hướng song song với mặt 100 (b) và 010 (c).
Hệ thống mao quản trong zeolit NaP được tạo lập bởi cỏc vũng 8 cạnh cú kớch thước 3,1x4,4Å (song song với mặt 100) và bằng 2,8x4,9Å (song song với mặt 010).
Zeolit NaP cú tỷ số Al/Si = 1,95 nờn đõy là loại zeolit trung bỡnh silic. Lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của zeolit này là dựng làm chất hấp phụ và trao đổi ion, ớt được sử dụng làm xỳc tỏc. Đặc biệt, do hệ thống mao quản cú đường kớnh động học bằng 2,6Å zeolit NaP rất thớch hợp để hấp phụ NH4+ và cỏc kim loại nặng. Do đú, việc ứng dụng zeolit NaP làm phụ gia phõn bún hoàn toàn hợp lý.
1.3. CÂY TRỒNG VÀ BIỆN PHÁP TĂNG HIỆU QUẢ SẢN XUẤT 1.3.1 Giới thiệu về cõy trồng
1.3.1.1. Cõy trồng – cỏc yếu tố dinh dưỡng
* Cõy trồng –cỏc đặc trưng:
Cõy trồng là một dạng sản phẩm nụng nghiệp của con người nhằm phục vụ cho đời sống con người và làm nguyờn liệu cho nhiều ngành cụng nghiệp liờn quan…
Hỡnh 1.10. Cấu trỳc của zeolit NaP dọc theo mặt 100 (a), kớch thước mao quản theo hướng song song với mặt 100 (b) và 010 (c)
Cõy trồng được đặc trưng là một dạng sinh vật sống, cú sự sinh trưởng phỏt triển và cũng sẽ bị chết nếu như nú khụng nhận được đầy đủ cỏc chất dinh dưỡng.
*Cỏc yếu tố dinh dưỡng của cõy:
Cũng như mọi sự sống và phỏt triển khỏc, cõy trồng muốn sống, phỏt triển và cho hiệu quả kinh tế cao thỡ nú phải nhận được đầy đủ cỏc chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sống và phỏt triển của nú.
Cỏc loại chất dinh dưỡng mà cõy cần chớnh là cỏc chất mà cõy cần để sống và thỳc đẩy mọi hoạt động bỡnh thường của cõy. Thiếu nú, cõy cú thể sẽ hộo ỳa hoặc chết, năng suất sẽ giảm. Cỏc loại chất này cú thể là đa luợng, trung lượng hoặc vi lượng dưới dạng phõn bún.
Cỏc nguyờn tố dinh dưỡng chủ yếu gọi là “chất dinh dưỡng mà cõy trồng cần là: Nitơ (N), Phốt pho (P), Kali (K), ngoài ra cũn thờm vi lượng S, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, Mo, Cl, Bo [16].
Vai trũ của cỏc loại nguyờn tố dinh dưỡng này đối với cõy trồng sẽ được đề cập đến rừ hơn ở phần vai trũ của phõn bún.
* Vai trũ của nước trong đời sống của cõy trồng:
Nước cú vai trũ quan trọng trong đời sống của cõy trồng, nước chiếm 70 – 80% trọng lượng của tế bào. Nước chứa trong cỏc tế bào thực vật để duy trỡ cỏc hoạt động sinh lý, sinh hoỏ diễn ra hàng ngày. Nước được xem như một thành phần quan trọng xõy dựng nờn cơ thể, là dung mụi đặc biệt cho phản ứng sinh lý, sinh hoỏ và cũng là nguyờn liệu quan trọng trong một số phản
ứng: Như khử CO2 tạo nờn cỏc sản phẩm hữu cơ trong quỏ trỡnh quang hợp,
nước tham gia trực tiếp vào quỏ trỡnh oxy hoỏ nguyờn liệu hụ hấp để giải phúng năng lượng, nước tham gia trực tiếp vào phản ứng thuỷ phõn tinh bột,
protein,…Nước là mụi trường hoà tan tất cả mọi khoỏng vật lấy từ đất, cỏc sản phẩm quang hợp, vitamin, enzim,…và vận chuyển đến tất cả cỏc tế bào, cỏc mụ và cỏc cơ quan trong cơ thể. Như vậy, nước đúng vai trũ lưu thụng, phõn phối điều hoà trong cơ thể thực vật đảm bảo mối quan hệ hài hoà, mật thiết giữa cỏc cơ quan trong cơ thể như một chỉnh thể thống nhất. Ngoài ra, nước cũn là yếu tố điều chỉnh nhiệt độ cho cõy trồng, nhất là khi nhiệt độ khụng khớ quỏ cao, nhờ quỏ trỡnh bay hơi nước làm giảm nhiệt độ ở bề mặt lỏ
tạo điều kiện cho quỏ trỡnh quang hợp và hoạt động sống khỏc diễn ra thuận
lợi. Nhu cầu nước của cõy khụng được đỏp ứng thỡ cõn bằng nước trong cõy bị phỏ vỡ, ảnh hưởng đến hoạt động sinh lý của cõy như quang hợp, hụ hấp, vận chuyển, tớch luỹ chất hữu cơ,...dẫn đến làm giảm năng suất cõy trồng và chất lượng nụng sản.
Đối với đất, nước cũng là nhõn tố quan trọng như: điều hoà nhiệt độ và
khụng khớ, khi thiếu nước hạn hỏn xảy ra thỡ cỏc tớnh chất cơ lý - hoỏ học của đất như: độ chặt, tớnh kết dớnh, tớnh liờn kết, tớnh trương – co, sự hoà tan chất dinh dưỡng,…sẽ thay đổi. Những thay đổi đú sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp đến cõy trồng, năng xuất cõy trồng. Trong đất cú một lượng nước và thành phần của nước trong đất cú ý nghĩa quan trọng đối với đời sống cõy trồng, nước là dung mụi để cỏc muối trong đất tham gia phản ứng hoỏ học với nhau.
1.3.1.2. Cơ chế hấp thu chất dinh dưỡng của cõy
Khi bún phõn vào đất, phõn bún dễ dàng phõn ly thành cỏc cation và cỏc anion, cỏc ion này nhanh chúng tham gia vào phản ứng trao đổi với keo đất. Vớ dụ khi bún phõn đạm vào đất, ta cú phản ứng trao đổi sau [18]:
Đạm 2 lỏ amonnitrat NH4NO3 bún vào đất bị phõn ly theo phản ứng:
Khi tỏc dụng với đất một phần NH4+ được hấp thụ, NO3− hầu như khụng được hấp thụ nờn dễ bị rửa trụi.
Ca2+ Ca2+
(KĐ) Ca2+ + 2NH4NO3 → (KĐ) 2NH4+ + Ca(NO3)2 H+ H+
Phõn kali KCl khi bún vào đất:
(KĐ) H+ + KCl → K+ + HCl Trong đú KĐ là viết tắt của keo đất.
Bún phõn kali vào đất sẽ cú sự phõn ly thành ion K+ và ion Cl−, ion K+
được đất giữ lại, Cl− ớt được đất giữ lại nờn dễ bị rửa trụi.
Như vậy bún phõn vào đất, một số ion được đất giữ lại cũn một số ion khỏc thỡ khụng được đất giữ lại, nếu khụng được cõy hấp thụ thỡ cỏc ion này tồn tại trong đất và dễ bị rửa trụi, đồng thời nú cũn làm ảnh hưởng đến đất, do vậy tuỳ loại đất mà sử dụng phõn bún, hoặc cú chế độ bún lút hợp lý.
Sau khi chất dinh dưỡng được hoà tan trong đất bởi keo đất, lỳc này cõy hỳt chất dinh dưỡng trong đất. Quỏ trỡnh này là một quỏ trỡnh sống, liờn quan chặt chẽ với quỏ trỡnh trao đổi vật chất của cõy và đặc tớnh của tế bào, gồm cú cỏc giai đoạn sau:
- Tỏc dụng hỳt ion trờn mặt rễ vào lụng hỳt. - Chuyển cỏc ion trờn vào trong rễ.
- Chuyển đến cỏc bộ phận của cõy để sử dụng.
Nguyờn sinh chất của tế bào đúng vai trũ tớch cực trong quỏ trỡnh hỳt chất dinh dưỡng, trong nguyờn sinh chất của tế bào thường cú hấp phụ với cỏc ion HCO3− và H+. Cỏc ion khỏc như Ca2+, K+, NH4+…trao đổi với H+. Cỏc
cation NO3−, SO42−, PO43−…trao đổi với HCO3−. Do đú một số chất dinh dưỡng đi vào tế bào.
Túm lại, quỏ trỡnh hỳt chất dinh dưỡng là một chuỗi quỏ trỡnh hấp thụ tiến hành trong nguyờn sinh chất của màng, của màng dịch bào và dịch tế bào. Cỏc ion được nguyờn sinh chất của màng ngoài hỳt sau đú được đẩy ra và đưa vào vi sinh chất rồi từ nguyờn sinh chất chuyển vào màng dịch bào từ đú đến dịch bào. Sau khi đi vào tế bào cỏc chất dinh dưỡng được chuyển đến cỏc mụ dẫn, từ đú theo mụ dẫn đến cỏc bộ phận của cõy và được đồng húa thành chất dinh dưỡng.
Ngay sau khi di chuyển vào tế bào rễ, một số ion cú thể qua quỏ trỡnh chuyển biến hoỏ học và trở thành hợp chất khỏc, vớ dụ: ion NO3− thành ion NH4+ ngay trong tế bào rễ, cỏc muối lõn vụ cơ thành lõn hữu cơ…
1.3.1.3. Ảnh hưởng của đất trồng đến cõy trồng
* Đất trồng – nhận dạng độ phỡ nhiờu của đất
Đất trồng là một phần của quỹ đất nụng nghiờp được dựng để trồng trọt. Tuy nhiờn cú nhiều loại đất trồng ứng với cỏc địa phương khỏc nhau thỡ chất lượng đất lại khỏc nhau. Cỏc nghiờn cứu cho biết chất lượng đất được đỏnh giỏ qua độ phỡ nhiờu của đất và độ phỡ nhiờu của đất được đo bằng cỏc yếu tố thực tế sau [16]:
- Dung tớch hấp thu của đất (CEC): Khả năng hấp thu cỏc chất khỏc của đất. CEC phụ thuộc vào: Hàm lượng chất hữu cơ chứa trong đất, tỷ lệ % cấp hạt sột.
- Độc tố trong cỏc loại đất. - Phức hệ vụ cơ - hữu cơ.
- Tớnh chất vật lý nước của đất.
- Yờu cầu thấp về lượng của dung tớch hấp thu và yờu cầu đặc trưng về Ca2+ trong dung tớch hấp thu đú.
* Cỏc chỉ tiờu dinh dưỡng đất trồng
- Độ chua của đất (pH). - Hàm lượng chất hữu cơ. - Hàm lượng Phốt pho (P2O5).
- Dung tớch hấp thu CEC.
- Độ ẩm của đất (hàm lượng H2O). - Hàm lượng Nitơ (N).
- Hàm lượng Kali (K).
* Cải tạo đất trồng:
Khi trồng trọt, cõy trồng sẽ hỳt một lượng lớn chất dinh dưỡng từ đất trồng, ngoài ra chất dinh dưỡng được cung cấp từ trước một phần sẽ bị rửa trụi và một phần bị bốc hơi. Quỏ trỡnh này diễn ra liờn tục nờn hàm lượng chất dinh dưỡng trong đất sẽ giảm dần, đất sẽ trở nờn xơ và bạc màu,…Nếu tiếp tục trồng trọt thỡ đất sẽ khụng cung cấp đủ chất dinh dưỡng cho cõy dẫn đến cõy khụng phỏt triển tốt, năng suất trồng trọt sẽ giảm xuống,…Chớnh vỡ vậy việc cải tạo đất trồng là một việc khụng thể thiếu khi tiến hành trồng trọt nếu muốn cõy trồng luụn luụn cho năng suất cao.
Việc cải tạo đất trồng sẽ được bắt đầu bằng việc kiểm tra, phõn tớch đất trồng nhằm tỡm ra cỏc nguyờn tố cần bổ sung. Người ta cú thể bổ sung trực tiếp vào trong đất bằng cỏch cho chất cải tạo đất vào (phõn bún), hoặc giỏn tiếp bằng cỏch trồng xen kẽ bổ sung cỏc loại cõy khỏc cú thể bổ sung hàm lượng nguyờn tố mà đất trồng đang thiếu (Vớ dụ: người ta cú thể trồng cõy đỗ, cõy lạc,…xen kẽ mựa vụ vào cỏc khu vực đất trồng thiếu đạm. Hoặc bổ sung chất dinh dưỡng vào ruộng lỳa bằng cỏch nuụi bốo hoa dõu trong ruộng).
1.3.2 Phõn bún – biện phỏp tăng hiệu quả sản xuất trong nụng nghiệp
1.3.2.1. Phõn bún và vai trũ của một số loại phõn
* Khỏi niệm phõn bún:
Cỏc hợp chất vụ cơ được sản xuất ra thụng qua cỏc quỏ trỡnh hoỏ học, dựng bún ruộng để cung cấp dưỡng chất cho cõy trồng được gọi là phõn vụ cơ (cũn được gọi là phõn khoỏng hay phõn hoỏ học). Tuỳ mức độ yờu cầu trong quỏ trỡnh dinh dưỡng của cõy mà chia thành phõn đa lượng, phõn trung lượng và phõn vi lượng.
* Vai trũ và tỏc dụng của một số loại phõn [11],[19]:
Nhúm phõn đa lượng: Là những phõn chứa cỏc chất dinh dưỡng mà cõy
cú nhu cầu hỳt để sinh trưởng và phỏt triển với lượng nhiều. Nhúm phõn đa lượng chủ yếu là cỏc phõn cung cấp đạm- lõn- kali (N- P- K).
+ Phõn đạm (N):
Là tờn gọi chung cho cỏc loại phõn cung cấp đạm cho cõy trồng bao gồm cỏc loại chớnh sau đõy:
- Phõn Ure (NH2)2CO. - Phõn sunphỏt amụn (NH4 )2SO4. - Phõn xianamit. - Phõn phốt phỏt amụn. - Phõn Clorua amụn NH4Cl. - Phõn Nitrat amụn NH4NO3.
Cỏc loại phõn chứa đạm là cỏc loại phõn dễ tan trong nước nờn sử dụng rất tiện lợi. Mặt khỏc N là nguyờn tố tham gia vào cỏc thành phần của diệp lục, axit amin, protein, AND, ARN, nú cũn được chứa nhiều trong cỏc bộ phận của cõy non. Chớnh vỡ vậy, đạm là yếu tố cơ bản của quỏ trỡnh đồng hoỏ
cacbon, kớch thớch sự phỏt triển của bộ rễ và lỏ cõy non, khi cõy được cung cấp đủ N sẽ giỳp cõy cú màu xanh thẫm, cõy khoẻ mạnh, chồi bỳp phỏt triển nhanh, cho năng suất và hiệu quả kinh tế cao. Khi cõy khụng được bún đủ lượng đạm, lỏ cõy sẽ cú màu vàng nhạt tỉ lệ nước cao, cõy thấp bộ dễ mắc bệnh tật. Ngược lại khi cõy dư thừa đạm, cõy phỏt triển chậm, khụng đồng đều, lỏ và thõn phỏt triển mạnh nhưng tỉ lệ củ quả ớt, tinh bột và đường trong sản phẩm giảm,… năng suất khụng cao.
+ Phõn lõn (P): Nhúm phõn cung cấp phụtpho (lõn) cho cõy trồng, cú vai
trũ quan trọng trong đời sống cõy trồng:
Tỉ lệ lõn trong cõy biến động trong phạm vi từ 0,08- 1,4% so với chất khụ. Tỉ lệ này cao trong hạt và thấp trong thõn và lỏ.
Lõn cú trong thành phần hạt nhõn tế bào nờn rất quan trọng trong việc hỡnh thành cỏc bộ phận mới của cõy.
Lõn tham gia vào thành phần cỏc enzim, cỏc protein, tham gia vào quỏ trỡnh tổng hợp axit amin.
Lõn kớch thớch tăng trưởng của rễ cõy, làm rễ ăn sõu vào lũng đất, lan rộng ra chung quanh,…Ngoài ra lõn cũn kớch thớch đẻ nhỏnh, nẩy chồi, đơm hoa, kết quả,… và tăng cường khả năng chống chịu bệnh tật của cõy.
Một số chủng loại phõn lõn: Phõn phốt phỏt, phõn apatit, phõn supe lõn,