4. Cấu trúc của luận văn
1.4.1 Tình hình nghiên cứu phân bón theo công nghệ nano trên thế giới
Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu nano hydroxit lớp kép (Layered Double Hydroxides - LDHs) trong sản xuất phân bón và trong nông nghiệp:
LDHs là một trong những vật liệu nano công nghệ cao có triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Loại vật liệu này có thể chế tạo từ muối kim loại, có độ tinh khiết cao, an toàn cho sức khỏe và chi phí hợp lý. Về cấu trúc, LHDs tương tự như khoáng brucite trong tự nhiên, bao gồm 2 phiến hydroxit kim loại mang điện dương được cân bằng bởi các anion và nước nằm xen giữa. LDHs có công thức hóa học như sau:
[M(1-x) II
MxIII(OH)2]x+(An-)x/n.mH2O trong đó:
MII là ion kim loại hóa trị 2 như Mg, Ca, Ni, Zn...; MIII là ion kim loại hóa trị 3 như Al, Fe, Cr, Mn...; và
An- là anion, có thể là anion vô cơ như CO32-, SO42-, PO43-, NO3-, ClO4-, Fe(CN)64-… hoặc anion hữu cơ như acid oxalic, acid acylat...
Hình 1.3. Mô hình cấu trúc của hydroxit lớp kép
Tính chất của LDHs rất đa dạng, phụ thuộc vào loại và tỷ lệ phân tử của các cation ở phiến hydroxit, bản chất của anion nằm xen giữa 2 phiến và phụ thuộc vào điều kiện chế tạo. Đặc tính quan trọng nhất của LDHs là chúng có diện tích bề mặt và dung tích hấp thu anion lớn (2-3 meq/g), bền với nhiệt; lực liên kết của anion xen giữa tương đối yếu nên chúng có khả năng vượt trội trong việc hấp phụ các anion vô cơ và hữu cơ (Evans và Slade, 2006) [31]. Vì vậy, LDHs được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm các anion độc hại như asen, nitrat, phophat, anion hữu cơ, thuốc bảo vệ thực vật...; dùng làm chất phụ gia chống cháy trong ngành công nghiệp chất dẻo; vật liệu chiết quang trong công nghệ sản xuất kính; làm chất mang để sản xuất thuốc chống ung thư... Gần đây loại vật liệu này được nghiên cứu để làm chất mang cho phân bón nano nhả chậm (đạm, lân) và thuốc bảo vệ thực vật thân thiện với môi trường.
Theo nghiên cứu của Komarneni và cộng sự (2003) [35] về khả năng nhả chậm của một số loại phân nitrat được chế tạo từ LDHs ở các điều kiện tổng hợp khác nhau cho thấy: những vật liệu LDHs có tỷ lệ Mg:Al = 2:1 được tổng hợp ở nhiệt độ 60 oC sẽ giải phóng lần lượt 75, 86 and 100% NO3- sau khi được trao đổi với dung dịch đất mô phỏng ở các thời điểm 1; 3 và 7 ngày. Cũng vật liệu này nhưng được tổng hợp ở nhiệt độ 174 o
C sẽ giải phóng lần lượt 65; 77 và 84% NO3-
sau 1; 3 và 7 ngày. Các tác giả kết luận vật liệu sét LDHs có chứa NO3- trong mạng tinh thể có thể được sử dụng như một loại
phân bón nhả chậm vừa giúp hạn chế rửa trôi NO3- vào nước ngầm, vừa tăng hiệu quả sử dụng phân đạm. Vật liệu này có ưu thế hơn hẳn so với phức hợp zeolit-NH4, cũng là dạng phân bón nhả chậm đang được sử dụng khá phổ biến, là hàm lượng N cao hơn nhiều lần.
Torres-Dorante và cộng sự (2009) [39] đã tiến hành các thí nghiệm nhà lưới liên quan đến đánh giá khả năng hấp thu nitrat của LDH từ dung dịch đất mà không ảnh hưởng đến việc hút đạm của cây trồng. Kết quả cho thấy: Nhờ sự hấp thụ nitrat của LDH, nồng độ nitrat trong dung dịch đất sau khi cây trồng thu hoạch đã giảm 20% so với không dùng LDH. Hiệu quả hấp thu nitrat của LDH tăng đến khoảng 80% trong thời gian đất không canh tác và có thể giữ nitrat cho vụ mùa sau. Sau 15 tháng, khả năng đệm của đất đối với nitrat tăng từ 0,3 (đất không dùng LDH) đến 2,7 nếu bón 10 g LDH/kg đất. Nghiên cứu đã kết luận rằng: LDHs có thể kiểm soát sự di động của nitrat trong đất, và do đó giảm nguy cơ mất đạm trong trồng trọt.
Các nghiên cứu quy mô nhà lưới của Gillman và Noble (2005) [40], sử dụng hydrotalcite (một dạng LDH) với khả năng bão hòa 55 kg P và 55 kg S/tấn vật liệu, bón vào đất sẽ giúp hạn chế lượng lân bị cố định trong đất. Đối với cây trồng trên đất có bị cố định P cao, bón 20 kg P/ha bằng sản phẩm hydrotalcite-P sẽ cho năng suất cao hơn bón 80 kg P/ha bằng DAP. Theo Gillman (2011), sử dụng bentonite và hydrotalcite có CEC và AEC lần lượt là 100 and 350 cmol/kg bón vào đất giúp giữ 20 kg Ca, 10 kg Mg và 40 kg K với mỗi tấn vật liệu bón vào đất.