Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.4. Phân viên nhả chậm và quy trình sản xuất phân viên nhả chậm
2.4.3. Các loại phân đạm nhả chậm
2.4.3.1. Phân không bọc nhả chậm
Phân không bọc nhả chậm thường là các loại phân chứa ure. Loại phân này là sản phẩm ngưng tụ trong điều kiện thích hợp của ure với các chất hữu cơ như formaldehit (phân ure-formaldehit: UF), isobutyraldehit (phân ure- isobutyraldehit: IBDU), crotonaldehit (Ure-crotonaldehit: CDU). Cơ chế nhả chậm của phân không bọc dựa trên sự thủy phân từ từ trong nước và tác động của các vi khuẩn trong đất.
Tốc độ nhả chậm phân bón được kéo dài nhờ kiểm soát chiều dài mạch ngưng tụ, kích thước hạt phân bón, lượng nước sẵn có...Các yếu tố mơi trường ảnh hưởng tới hoạt tính vi khuẩn (như nhiệt độ, độ ẩm, pH, độ thơng thống khí của đất...) cũng có ảnh hưởng đến tốc độ nhả phân bón.Trong số các loại phân khơng bọc nhả chậm được sản xuất thì phân nhả chậm trên cơ sở UF đóng góp thị phần lớn nhất trên thế giới cịn phân IBDU và CDU có mức độ sử dụng thấp hơn do giá thành của chúng cao hơn so với phân UF.
Ngoài ra các loại phân khơng bọc cịn được tạo ra bằng nhiều cách khác như trộn các chất dinh dưỡng với vật liệu nền hay tạo hợp chất ít tan, sử dụng các vật liệu có khả năng lưu giữ chất dinh dưỡng nhằm hạn chế khả năng nhả dinh dưỡng của phân bón... Đã có nhiều vật liệu khác nhau được sử dụng làm chất nền như: cao su, vật liệu kết dính, polyme, zeolit, zeolit biến tính, khống sét..(Qingshan, 2012).
Ure-formaldehit được tạo thành nhờ phản ứng của formaldehit với ure dư trong các điều kiện được kiểm soát (pH, nhiệt độ, phần mol, thời gian phản ứng…), kết quả là thu được hỗn hợp metylen ure với chiều dài mạch khác nhau.
Nói chung phân ure-formaldehit có tốc độ giải phóng nitơ chậm và phù hợp với hầu hết các loại cây trồng. Do độ tan thấp nên chúng sẽ không làm cháy thảm thực vật cũng như không gây cản trở q trình nảy mầm. Do có hiệu quả hơn ở nhiệt độ cao nên chúng được sử dụng phổ biến hơn tại các vùng có khí hậu ấm áp (Avi, 2001).
Phân ure-isobutyraldehit/isobutylidene diurea (IBDU) – 32% N
Ure-isobutyraldehit là một sản phẩm ngưng tụ từ phản ứng của isobutyraldehit (dạng lỏng) với ure. Sản phẩm của phản ứng ngưng tụ của ure với isobutyraldehit là các oligome đơn. Để thu được tỷ lệ IBDU tối ưu thì điều quan trọng là phải dừng phản ứng bằng cách trung hòa tại điểm mà hầu hết sản phẩm là IBDU.
Hàm lượng nitơ theo lý thuyết của loại phân này là 32,18%, trong khi lượng nitơ cần thiết tối thiểu được xác định là 30%. Cơ chế nhả chậm của loại phân này dựa trên sự thủy phân từ từ của IBDU tan chậm trong nước và tạo thành ure, nó được chuyển thành ion amoni và sau đó là nitrat nhờ vi khuẩn trong đất. Tốc độ giải phóng nitơ là một hàm của kích thước hạt, độ ẩm, nhiệt độ và pH.
IBDU là một tinh thể rắn màu trắng, chứa từ 30% N đến 90% N dưới dạng tan được trong nước. Mức độ tan trong nước của IBDU bị ảnh hưởng bởi kích thước viên và lượng nước có sẵn. Vì sự giải phóng đạm của IBDU không lệ thuộc vào vi sinh vật nên nó xảy ra đều đặn tại nhiệt độ tương đối thấp. Do vậy, đây là một sản phẩm được ưa chuộng để bón cho cây trồng trong mùa lạnh (Trenkel,2010).
Phân Ure-crotonaldehit/Crotonylidene diurea (CDU) - 32,5% N
Ure-crotonaldehit là sản phẩm ngưng tụ của phản ứng giữa ure với andehit axetic có xúc tác axit. Khi hịa tan vào nước, nó sẽ phân rã từ từ thành ure và crotonaldehit. Như trường hợp IBUD, với CDU thì kích thước hạt cũng ảnh hưởng lớn đến tốc độ nhả nitơ (thường nhả rất chậm với hạt có kích thước lớn).
CDU bị phân rã bởi cả con đường thủy phân và vi khuẩn trong đất. Nhiệt độ, độ ẩm, những hoạt động sinh học có ảnh hưởng lớn đến tốc độ nhả nitơ. Mặc dù vậy, trong đất có mơi trường axit, CDU phân hủy chậm hơn so với IBDU. Các
q trình nơng hóa của CDU trong đất là tương tự như IBDU. Tại Nhật Bản và Châu Âu, CDU được sử dụng chủ yếu trong nông nghiệp đặc biệt (Avi, 2001).
Ure-Triazon
Ure-Triazon là sản phẩm của phản ứng của ure amoniac-formaldehit. Thành phần chính trong phân bón này là triazon, đây là chất có vịng sáu cạnh với 6 nguyên tử, ba trong số đó là nguyên tử N. Loại phân này chứa khoảng 28% N và được giới thiệu là loại phân bón lỏng dùng chủ yếu cho cỏ (Trenkel,2010).
*Phân trên cơ sở chất nền
Loại phân nhả chậm này thường là viên nén hay dạng bánh, trong đó các chất dinh dưỡng thường được trộn với chất kết dính hay sử dụng các vật liệu có khả năng lưu giữ và giải phóng chậm chất dinh dưỡng. Trong nhiều trường hợp, UF hoặc IBDU được thêm vào hỗn hợp. Bản chất của các sản phẩm này, trong nhiều trường hợp tương tự SRF khác, khả năng nhả của nó chủ yếu dựa trên bề mặt với tỉ lệ khối lượng các sản phẩm (tức là kích thước lớn sẽ nhả chậm hơn). SRF dựa trên chất nền được sử dụng trong thời gian hạn chế, chủ yếu cho vườn nhà.
Để giảm thiểu tác động tiêu cực của môi trường, việc sử dụng các kĩ thuật oxi hóa N trong lignin cũng đã được áp dụng để chế tạo phân đạm nhả chậm (Liebner et al., 2010) Loại phân nhả chậm này đã được áp dụng cho cây lúa trong các thí nghiệm nhỏ. So với phân bón (NH4)2SO4 thông thường, lignin tạo ra nguồn N thích hợp khi áp dụng với liều lượng cao trong sản xuất hạt giống.
Ngoài ra, các chất thải rắn giàu đạm từ ngành công nghiệp da được sử dụng như vật liệu hấp phụ P và K để làm phân bón NPK nhả chậm mới, trong đó N có nguồn gốc từ collagen. Các quá trình hấp phụ này là đa lớp, phù hợp với mơ hình Freundlich. Các thử nghiệm sơ bộ cho thấy P và K kết hợp với hỗn hợp giàu N (collagen) là một lựa chọn thú vị để sử dụng như phân NPK. Việc áp dụng các công thức NcollagenPK cho cây lúa, cho thấy kết quả nông học đầy hứa hẹn (Francisco et al., 2010).
Diwani et al ., (2007) đã sử dụng chất khống vơ cơ có độ hịa tan thấp là MgNH4PO4.6H2O (MAP) làm phân bón nhả chậm. Nghiên cứu đã sử dụng ion magie từ sản phẩm phụ của quá trình sản xuất muối với NH3 thu hồi từ nước thải công nghiệp. Hiệu quả của MAP được nghiên cứu tại pH=7-11, ở hai tỉ lệ mol khác nhau của Mg: NH4+: PO43- (1:1:1 và 1,6:0,6:1). Kết quả cho thấy pH=9,6 là tối ưu nhất.
Sharrock et al., (2009) đã nghiên cứu biến đổi chất thải từ động vật, xác chết thành phân bón nhả chậm thay cho việc chơn lấp, ủ phân hay biogas. Khi xử lí ở nhiệt độ cao các chất thải này để lại một lượng tro (gần 30%) có thành phần chủ yếu là canxi photphat và một số muốichứa Na, K, Mg. Lượng tro này được nghiên cứu chuyển thành phân bón nhả chậm bằng cách sử dụng hỗn hợp axit để hòa tan một phần lượng sản phẩm đốt cháy còn dư và tạo thành bùn. Sau đó trung hịa axit và làm đặc hỗn hợp phản ứng thu được sản phẩm cuối cùng là chất rắn tinh thể màu trắng. Kết quả cho thấy kết tủa khơng tan (thạch cao) góp phần kiểm sốt sự nhả các ion hịa tan, tỉ lệ nhả nitrat đã chậm lại.
2.4.3.2. Phân bọc nhả chậm
Theo Trenkel (2010) phân bọc nhả chậmđược tổng hợp từ nguyên liệu là phân tan truyền thống với vỏ bọc là các chất ít tan trong nước hoặc không tan trong nước, bị phân hủy bởi các tác nhân sinh học, hóa học hay vật lý...Lớp vỏ đóng vai trị là lớp bảo vệ và điều khiển quá trình thấm nước vì thế kiểm sốt tốc độ nhả dinh dưỡng của phân.
Hình 2.2. Cấu tạo hạt phân nhả chậm bọc polyme
Hiện nay, các loại vật liệu chính đang được sử dụng để làm vỏ bọc của phân nhả chậm là:
Lưu huỳnh
Polyme (ví dụ: polyolefin, polyurethan, nhựa ureformandehit, polyeste...) Muối của axit béo (ví dụ Canxistearat)
Latex, cao su, gơm guar, các chất chống kết dính có nguồn gốc từ dầu mỏ, sáp. Ca3(PO4)2 và Mg3(PO4)2, MgO, MgNH4PO4, MgKPO4
Thạch cao photpho, đá photphat, khoáng sét attapulgit.
Than bùn (viên ép được bọc trong than bùn: phân khoáng hữu cơ). Thành phần cây xoan Ấn Độ (neem).
Có ba nhóm phân bọc nhả chậm thường gặp là: phân bọc lưu huỳnh (SCU), phân bọc polyme (Polyme Coated Fertilizer- PCF), và phân bọc bằng polyme và lưu huỳnh (PSCF).
*Phân bọc lưu huỳnh(thường gặp là phân ure bọc lưu huỳnh, SCU):
Lưu huỳnh đã được sử dụng để sản xuất phân nhả chậm trong nhiều thập kỷ qua. Lưu huỳnh là nguyên tố dinh dưỡng thứ cấp của cây trồng, có giá thành rẻ, dễ kiếm, được sử dụng đầu tiên để chế tạo lớp vỏ bọc của phân ure nhả chậm. Ngồi ra, lưu huỳnh có tác dụng diệt nấm, giảm xu hướng đóng vón của nhiều loại phân bón. Lưu huỳnh có tính axit giúp trung hịa độ kiềm của đất.
Sau khi bọc hạt ure bằng lưu huỳnh, một chất kết dính dạng sáp được sử dụng để làm kín các lỗ xốp bên trong lớp lưu huỳnh. Dinh dưỡng của SCU được giải phóng nhờnước thẩm thấu qua các lỗ xốp, khe nứt nhỏ của lớp bọc lưu huỳnh hay lỗ hổng do lớp bọc khơng hồn hảo trong sản xuất. Sau đó, ure bị hoà tan từ phần lõi của viên phân và nhanh chóng được phân tán trong dung dịch đất. Tốc độ giải phóng ure được kiểm sốt bằng cách thay đổi chất lượng và chiều dày lớp vỏ lưu huỳnh (Trenkel, 2010).