Thành phần và tính chất hóa lý của nano silica

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

3.2.3. Thành phần và tính chất hóa lý của nano silica

3.2.3.1. Nghiên cứu thành phần nguyên tố, xác định độ tinh khiết của nano silica.

Hàm lượng, thành phần các nguyên tố có trong nano silica thu được bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu được xác định tương đối bằng dữ liệu EDX trình bày trong hình 3.6. Trong phổ EDX của ba mẫu nano silica thu được bởi nhiệt phân ở 03 nhiệt độ 700 oC, 750 oC và 800 oC đều chứa 2 nguyên tố Si và O, chứng tỏ sản phẩm không có tạp chất khác, độ tinh khiết cao. Mẫu nano silica thu được khi nung

ở nhiệt độ 700 oC có tỉ lệ khối lượng Si/O là 46,44/53,56; mẫu nano silica thu được khi nung ở nhiệt độ 750 oC có tỉ lệ khối lượng Si/O là 46,55/53,45 và mẫu nano silica thu được khi nung ở nhiệt độ 800 oC có tỉ lệ khối lượng Si/O là 46,31/53,69. Các tỷ lệ này gần với tỉ lệ khối lượng Si/O của SiO2 tinh khiết theo lý thuyết là 46,74/53,26. Theo ghi nhận tỷ lệ khối lượng Si/O của các mẫu cho thấy, khối lượng oxy dư so với Si trong công thức SiO2, do nano silica thu được có hàm lượng ẩm nhất định nên độ tinh khiết của sản phẩm chưa đạt đến 100%. Kết quả nghiên cứu này cũng phù hợp với kết quả phân tích hàm lượng SiO2 trong nano silica bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử như trình bày trong bảng 3.3.

Hình 3.6. Phổ và dữ liệu EDX của nano silica khi nhiệt phân tại: a) 700 oC; b) 750 oC; c) 800 oC và d) nhiệt phân gel SiO2/CS.

Bảng 3.3. Hàm lượng SiO2 trong nano silica điều chế bằng nhiệt phân tro vỏ trấu.

Nhiệt độ nhiệt phân 700 oC 750 oC 800 oC

Hàm lượng SiO2 % (w/w) 99,54 99,72 99,68

Kết quả phân tích hàm lượng SiO2 trong nano silica theo TCVN 9172:2012 đạt trên 99,5 % được trình bày trong bảng 3.3. Vì vậy phương pháp nhiệt phân phế thải tro vỏ trấu điều chế nano silica sử dụng trong luận án thu được nano silica đạt độ

Element Weight% Atomic% O K 53.45 65.94 Si K 46.55 34.06 Totals 100.00

Element Weight% Atomic% O K 53.56 66.49 Si K 46.44 33.51 Totals 100.00

Element Weight% Atomic% O K 52.69 66.43 Si K 46.31 33.57 Totals 100.00

a) b)

c)

Element Weight% Atomic% O K 53.55 66.34 Si K 46.45 34.76 Totals 100.00

tinh khiết cao và tương đương với sản phẩm nghiên cứu nhiệt phân vỏ trấu của các tác giả khác [27, 41, 49, 110].

Nano silica thu được theo phương pháp nhiệt phân gel SiO2/CS với tỉ lệ khối lượng SiO2/CS ~ 4/1 cũng cho thấy có độ tinh khiết tương đối cao thể hiện qua phổ EDX (Hình 3.6d). Dữ liệu ghi phổ EDX trong hình 3.6d của mẫu nano silica chỉ chứa 02 nguyên tố Si và O với tỉ lệ khối lượng Si/O là 46,45/53,55 gần với tỉ lệ Si/O của SiO2 tinh khiết là 46,74/53,26. Độ tinh khiết của mẫu nano silica cũng được phân tích hàm lượng SiO2 theo phương pháp TCVN 9172 : 2012 là 99,62%. Như vậy, nano silica thu được từ phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel SiO2/CS có độ tinh khiết tương đương với nano silica thu được theo phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu.

3.2.3.2. Cấu trúc mạng tinh thể của nano silica.

Cấu trúc mạng tinh thể của nano silica thu được khi nhiệt phân ở 03 nhiệt độ 700, 750, 800 oC thể hiện qua giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) trong hình 3.7.

Hình 3.7. Giản đồ XRD của mẫu nano silica khi nhiệt phân tại: a) 700 oC; b) 750 oC và c) 800 oC.

Hai mẫu nano silica thu được từ nhiệt phân ở nhiệt độ nung 700 oC và 750 oC có giản đồ XRD trong hình 3.7a và 3.7b cho thấy chúng có cấu trúc hầu như là vô định hình chỉ có một đỉnh với cường độ hấp thụ thấp tại vị trí góc 2θ ~22o. Mẫu nano silica thu được khi nhiệt phân ở nhiệt độ 800 oC trong giản đồ XRD (Hình 3.7c) xuất hiện thêm các đỉnh ở vị trí 220, 311, 400, 511, 440 đặc trưng cho silica cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (fcc). Vì vậy, để thu được các nano silica hoạt động cấu trúc vô định hình, ứng dụng trong kháng vi khuẩn, kháng vi nấm cần chọn nhiệt độ nhiệt

a) b) c)

phân nhỏ hơn 800oC, tốt nhất là nhiệt độ 700 – 750 oC vì chúng đã được khảo sát có cấu trúc vô hình hình, phần lớn các hạt chủ yếu trong vùng có kích thước nhỏ hơn và sử dụng năng lượng thấp hơn.

Trong canh tác nông nghiệp, silica là một nguyên tố dinh dưỡng trung lượng, có tác dụng giúp tăng độ cứng của tế bào thực vật, chống lại sự xâm nhập của côn trùng, nấm bệnh. Tuy nhiên, cây trồng chỉ có thể sử dụng silica có cấu trúc vô định hình làm dinh dưỡng nên khi nhiệt phân tro vỏ trấu ở nhiệt độ cao trên 800 oC, silica có cấu trúc tinh thể không thích hợp sử dụng trong nông nghiệp [138]. Tại Việt Nam, vỏ trấu được sử dụng đốt để lấy nhiệt phục vụ cho các ngành sản xuất như nung gạch, gốm, sấy nông sản. Tùy vào cấu tạo của các lò nên nhiệt độ trong lò đốt khác nhau. Trong lò sấy đốt tráu, nhiệt độ thường 300 - 600 oC, hợp chất cacbon hữu cơ sẽ không được đốt cháy hoàn toàn nên cho tro vỏ trấu có màu từ xám đến đen, đây là nguồn nguyên liệu có làm lượng SiO2 cao, dồi dào, giá rẻ thích hợp cho sản xuất silica và nano silica. Trong lò nung, nếu nhiệt độ lớn hơn 850 oC thì silica sẽ chuyển hóa từ cấu trúc vô định hình sang cấu trúc tinh thể. Nếu nhiệt độ nhiệt phân cao hơn 1.300

oC thì Si sẽ phản ứng với C hữu cơ thành thành SiC (Hình 3.8a) theo phương trình phản ứng SiO2 + 3C  SiC + 2CO, một dạng vật liệu bền nhiệt [141, 142]. Nano silica có cấu trúc tinh thể ít hoạt động hóa học nên bị hạn chế khả năng ứng dụng, vì vậy tro vỏ trấu thu gom từ lò nung gạch, gốm thì có thể sử dụng làm nguyên liệu sản xuất nano silica nhưng hiệu quả không cao khi được ứng dụng trong canh tác nông nghiệp là cụ thể là sử dụng làm phân bón hoặc hoạt chất kiểm soát bệnh thực vật.

Hình 3.8. SiC - màu xám đen (a); nano silica - màu trắng (b).

Giản đồ XRD của nano silica thể hiện trong hình 3.9 cho thấy cả 3 mẫu nano silica thu được từ nhiệt phân gel với tỷ lệ khối lượng SiO2/CS từ 1/1 – 6/1 chỉ có một đỉnh hấp thụ với cường độ thấp ở vị trí 2 ~22o. Như vậy, nano silica thu được có cấu

b) a)

trúc hầu như là vô định hình tương tự như kết quả nghiên cứu điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu ở nhiệt độ 700 – 750oC.

Hình 3.9. Giản đồ XRD của nano silica phụ thuộc vào tỉ lệ: a) SiO2/CS ~ 1/1; b) SiO2/CS ~ 2/1; c) SiO2/CS ~ 4/1và d) SiO2/CS ~ 6/1.

3.2.3.3. Kết quả xác định đặc trưng liên kết hóa học trong nano silica.

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) sử dụng để nghiên cứu xác định các dao động đặc trưng liên kết có trong nano silica. Phổ FT-IR của nano silica được điều chế bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu thể hiện trong Hình 3.10.

Hình 3.10. Phổ FT-IR của mẫu nano silica khi nhiệt phân tại: a) 700 oC; b) 750 oC và c) 800 oC. a) b) d) c) a) b) c)

Phổ FT-IR của 03 mẫu nano silica điều chế ở 03 nhiệt độ 700, 750, 800 oC đều xuất hiện các đỉnh ở vị trí số sóng 468 và 802 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết Si-O và liên kết Si-O (silanol). Đỉnh ở vị trí số sóng 1.101 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết Si-O-Si bất đối xứng trong tứ diện S1O4. Liên kết O-H của silanol và O-H của nước cũng xuất hiện đặc trưng bởi dải hấp thụ ở vị trí số sóng lần lượt là 3.444 và 1.637 cm-1. Dao động của liên kết O-H của H2O ở vị trí số sóng 1.637 cm-1 cho thấy nano silica có hàm lượng [29, 27, 49, 139]. Tổng hợp dữ liệu thống kê vị trí số sóng ứng với loại liên kết của nano silica điều chế từ tro vỏ trấu thể hiện trong Bảng 3.4.

Bảng 3.4. Dữ liệu phổ FT-IR của nano silica được điều chế bằng nhiệt phân tro vỏ trấu và nhiệt phân gel SiO2/CS.

Số sóng

(cm-1) Liên kết

Khoảng giá trị xác

định của số sóng Tài liệu tham khảo

468 Liên kết Si–O 438 - 475 [29, 27, 49, 139].

802 Liên kết Si–O (silanol) 796 - 805 [27, 49, 139].

1101 Liên kết Si–O–Si trong

tứ diện S1O4 1.050 – 1.150 [42, 43, 49, 139].

1637 Liên kết O–H (silanol) 1.633 – 1.643 [29, 49, 139].

3444 Liên kết O–H của H2O 3.437 – 3.456 [29, 43, 49, 139]. Tương tự như phổ FT-IR của mẫu nano silica thu được bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu, phổ FT-IR thể hiện trong hình 3.11 của các mẫu nano silica thu được bằng phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel SiO2/CS từ tro vỏ trấu cho thấy dao động liên kết Si-O thể hiện ở đỉnh có vị trí số sóng 468 - 470 cm-1 và đỉnh có vị trí số sóng 802 – 804 cm-1 đặc trưng dao động liên kết Si-O (silanol). Tại đỉnh ở vị trí số sóng 1.101 – 1.103 cm-1 thể hiện dao động của liên kết Si-O-Si bất đối xứng của cấu trúc silicon đioxit (SiO2) trong tứ diện S1O4. Dao động liên kết của nhóm O- H (SiO-H) cũng xuất hiện tại dải hấp thụ ở vị trí số sóng khoảng 3.465 – 3.481 cm-1. [42, 47, 49, 139].

3.7.1.1. Hiệu ứng kích thích sản sinh enzyme chitinase của oligochitosan.

Hoạt độ sản sinh enzyme chitinase trên cây thanh long sau khi xử lý oligochitosan với khối lượng phân tử khác nhau ở nồng độ 150 mg.L-1 sau khi lây nhiễm nấm Neoscytalidium dimidiatum được mô tả ở mục 2.2.5 và kết quả biễu diễn ở hình 3.25.

Hình 3.25. Hoạt độ enzyme chitinase trên cây thanh long được xử lý bởi các OC3000, OC5000 và OC7000 sau khi lây nhiễm nấm Neoscytalidium dimidiatum.

Tại thời điểm 24 giờ sau lây nhiễm nấm, hoạt độ enzyme chitinase đều tăng so với thời điểm ban đầu. Tại thời điểm 24 giờ sau khi cây thanh long bị nhiễm nấm bệnh, hoạt độ enzyme chitinase ban đầu của 03 mẫu xử lý OC3000, OC5000, OC7000 lần lượt là 4,7110-3 U.g-1, 4,5410-3 U.g-1, 4,7110-3 U.g-1 tăng lên tương ứng 6,4210-3 U.g-1, 5,7410-3 U.g-1, 5,5510-3 U.g-1. Kết quả này cho thấy, khối lượng phân tử của oligochitosan càng nhỏ thì khả năng sản sinh hàm lượng chitinase càng cao. Từ thời điểm từ 24 giờ đến 120 giờ lây nhiễm nấm, hoạt độ enzyme chitinase trong cây thanh long của 03 mẫu xử lý oligohitosan có khối lượng phân tử 3.000, 5.000, 7.000 g.mol-1 đều giảm xuống lần lượt là 5,7310-3 U.g-1, 4,67  10-3 U.g-1 và 5,1410-3 U.g-1. Thời điểm này là thời điểm nấm bệnh phát triển mạnh nên chúng tôi cho rằng cây thanh long đã phải tiêu tốn một lượng enzyme để kháng lại nấm bệnh dẫn đến hoạt độ enzyme giảm. Từ thời điểm 120 giờ đến 168 giờ sau lây nhiễm nấm, hoạt độ enzyme chitinase của các mẫu xử lý OC tăng trở lại. Tại thời gian 168 giờ sau khi cây thanh long bị nhiễm nấm bệnh, hoạt độ enzyme của các mẫu: OC3000 là

5,9910-3 U.g-1, OC5000 là 4,7810-3 U.g-1 và OC7000 là 5,6110-3 U.g-1. Hoạt độ enzyme chitinase tăng trở lại trong thời kỳ này là do lượng enzyme tiếp tục sản sinh cao hơn lượng enzyme sử dụng để kháng nấm bệnh vì áp lực nấm bệnh trong thời gian này đã được kiểm soát. Như vậy, oligochitosan đã thể hiện vai trò là một chất kích kháng thực vật, thanh long được xử lý oligochitosan khi bị mầm bệnh tấn công cây trồng thì oligochitosan kích hoạt gen phòng thủ của cây trồng sản sinh enzyme chitinase để chống lại vi nấm gây bệnh. [31, 44, 45].

Ở thí nghiệm đối chứng dương (không phun oligochitosan và lây nhiễm nấm bệnh), sự xâm nhập của nấm bệnh cũng kích thích cây thanh long sản sinh enzyme chitinase, hoạt độ enzyme ban đầu tăng nhẹ từ 4,4110-3 U/g lên 4,8810-3 U/g đến thời điểm 72 giờ sau lây nhiễm nấm bệnh. Sau 72 giờ nhiễm nấm Neoscytalidium dimidiatum, bệnh phát triển mạnh trên cây thanh long, lượng enzyme chitinase sản sinh không đủ bù lại lượng enzyme tiêu tốn để kháng lại nấm bệnh nên hoạt độ enzyme giảm từ 4,8810-3 U/g xuống 3,9110-3 U/g ở thời điểm 168 giờ sau lây nhiễm. Kết quả này chứng minh oligochitosan thể hiện khả năng kích thích cây thanh long sản sinh enzyme chitinase kháng lại bệnh đốm nâu bởi vì trong thí nghiệm không xử lý oligochitosan trước khi lây nhiễm nấm thì hoạt độ enzyme do cây sản sinh ra không đủ để kháng lại sự phát triển của nấm gây bệnh trong suốt thời gian nghiên cứu.

Đối với thí nghiệm đối chứng âm (không xử lý oligochitosan và không lây nhiễm nấm bệnh), hoạt độ enzyme chitinase trong cây thanh long hầu như không có sự thay đổi vì enzyme chitinase không được sử dụng.

Khả năng kích thích thực vật tạo ra các phản ứng phòng vệ của oligochitosan của một số tác giả cho rằng oligochitosan giúp thực vật tạo ra một số protein, enzyme để kháng với nấm bệnh thực vật như glucanase, chitinase, phenylalanine ammonia lyase, v.v. Ví dụ, tác giả Rodriguez (2007) đã chứng minh rằng oligochitosan tạo ra hoạt độ enzyme phenylalanine ammonia-lyase, β-1,3-glucanase, chitinase và chitosanase trong lá cao hơn so với đối chứng khi nghiên cứu kháng bệnh đạo ôn (Pyricularia grisea) trên cây lúa sau thời gian 72 giờ sau lây nhiễm nấm [154]. Tác giả Falcon (2008) cũng chứng minh oligochitosan có khả năng kháng bệnh thối đen (Phytophthora parasitica nicotianae) [155] và Yafei (2009) công bố rằng oligochitosan làm tăng của enzyme phenylalanin amoniac-lyase, peroxidase,

chitinase và β-1,3-glucanase nhằm kháng lại sự lây nhiễm của bệnh khảm do vi rút gây ra trên cây thuốc lá theo cơ chế tạo kích kháng thực vật [156]. Hiệu ứng làm gia tăng lượng enzyme phenylalanine ammonia-lyase và tyrosine ammonia-lyase trong lá kháng bệnh do nấm gây trên cây đậu nành sau 36 giờ xử lý oligochitosan được tác giả Khan [157]. Cơ chế tạo kháng thể enzyme chitinase của oligochitosan trên thực vật chống lại nấm bệnh đã được một số tác giả công bố [25].

Nồng độ oligochitosan sử dụng trên thực vật tạo hiệu ứng kích kháng thực vật chống lại vi sinh vật gây bệnh hiệu quả phụ thuộc vào đối tượng bệnh và đối tượng cây trồng. Ví dụ trong nghiên cứu của Ben-Shalom (2003) kháng thể enzyme chitinase do oligochitosan nồng độ 50 mg.L-1 đã kiểm soát được bệnh mốc xám do nấm Botrytis cinerea gây hại trên cây dưa chuột [158]. Aziz và cs thử nghiệm oligochitosan nồng độ 75 - 200 mg.L-1 đã làm giảm đáng kể sự lây nhiễm nấm

Plasmopara viticola và B. cinerea trên lá cây nho [159, 160]. Kết quả nghiên cứu hiệu ứng kích thích sản sinh enzyme chitinase trên cây thanh long dưới tác động của oligochitosan nồng độ 150 mg.L-1 trong luận án phù hợp với công bố của tác giả Bùi Duy Du (2015), oligochitosan khối lượng phân tử ~ 5.000 g.mol-1có hiệu quả kiểm soát nấm Neoscytalidium dimidiatum gây bệnh đốm nâu trên cây thanh long [112].

3.8.1.2. Khả năng kiểm soát bệnh đốm nâu thanh long của oligochitosan

Hiệu quả kiểm soát bệnh đốm nâu trên cây thanh long khi xử lý oligochitosan nồng độ 150 mg.L-1 được xác định qua tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh. Kết quả xác định tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh đốm nâu có ý nghĩa về mặt thống kê (p < 0,05) phụ thuộc vào khối lượng phân tử oligochitosan thể hiện qua Bảng 3.10. Oligochitosan khối lượng phân tử 3.000 g.mol-1 thể hiện hiệu lực kiểm soát bệnh cao nhất do có tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh nhỏ nhất trong các công thức thí nghiệm tương tứng 3,25% và 0,84% tại thời điểm sau 168 giờ lây nhiễm.

Ở mẫu đối chứng dương lây nhiễm nấm bệnh nhưng không xử lý oligochitosan thì tỉ lệ bệnh và chỉ số bệnh tăng liên tục đến thời điểm theo dõi 168 giờ tương ứng 21,12% và 4,28%. Đối với mẫu xử lý OC5000 và OC7000 thì chỉ số bệnh lớn hơn và có sự khác biệt thống kê so với mẫu OC3000, còn mẫu đối chứng âm không có sự phát triển bệnh đốm nâu. Kết quả này chứng minh với khối lượng phân tử oligochitosan 3.000 g.mol-1 đạt hiệu quả cao nhất trong việc kiểm soát nấm bệnh so với oligochitosan 5.000 và 7.000 g.mol-1. Vì vậy luận án lựa chọn oligochosan khối