Phản ứng đƣợc tiến hành trong cốc thủy tinh 2 lít, khuấy và điều chỉnh nhiệt độ bằng bếp khuấy từ [106, 107, 108, 109]. Cân 450g tinh bột sắn, thêm khoảng 670ml nƣớc cất, khuấy đều đƣợc hỗn dịch hồ tinh bột khoảng 40%, nhiệt độ phản ứng đƣợc duy trì ở 350C, điều chỉnh pH = 9,5 bằng dung dịch NaOH 2N. Cho từ từ 150g NaOCl (2g Cl-/100g tinh bột) vào hỗn hợp phản ứng, trong 30 phút, duy trì pH = 9,5 bằng dung dịch H2SO4 2N. Sau khi thêm NaOCl, pH đƣợc điều chỉnh 9,5 bằng dung dịch NaOH 2N. Khuấy đều trong 50 phút. Trung hòa hỗn dịch đến pH = 7 bằng dung dịch H2SO4 2N. Sản phẩm đƣợc lọc hút trên phễu Buchner, rửa bằng nƣớc cất đến khi dịch lọc không có phản ứng với AgNO3 (hết ion Cl-), kết tủa lại trong etanol và sấy trong chân không ở 500C đến khối lƣợng không đổi (48 giờ).
Tinh bột oxi hóa đƣợc cân lại để xác định hiệu suất thu hồi, khối lƣợng phân tử trung bình. Hàm lƣợng nhóm cacbonyl, cacboxyl, hình thái học bề mặt.
2.2.2. Tổng hợp hidrogel - polime hấp thụ nước trên cơ sở tinh bột ghép poli axit acrylic (Polime S).
Polime hấp thụ nƣớc đƣợc tổng hợp trên cơ sở trùng hợp ghép axit acrylic lên tinh bột với chất khơi mào amoni pesunfat (APS) và chất tạo lƣới N, N‘-metylen bis acrylamit (MBA), theo quy trình sau [51, 52, 60]:
1,4g tinh bột sắn đã biến tính đƣợc phân tán trong 40ml nƣớc cất và đƣa vào bình cầu 3 cổ 250ml. Khuấy ở 800C với tốc độ 600 vòng/phút đến khi hồ hóa hoàn toàn, đặt trong thùng điều nhiệt 800C khoảng 20 phút. Hỗn hợp AA và MBA đƣợc cho vào đồng thời (5g AA hòa tan trong 10ml nƣớc, trung hòa 40% bằng dung dịch NaOH 0,1N; 0,02g MBA), khuấy đều 15 phút, sau đó thêm chất khơi mào phản ứng APS (0,07g hòa tan trong 5ml nƣớc), hỗn dịch đặc lại trong khoảng 10-15 phút. Làm lạnh đến nhiệt độ phòng. Ngâm trong 200ml axeton để loại nƣớc, trong 3 giờ, lọc lấy gel, sấy ở 450C, trong 6 giờ đến khối lƣợng không đổi (m1). Cắt thành các mảnh nhỏ đƣờng kính 5mm, tiếp tục ngâm với 100ml axeton, sau 24 giờ các hạt vẫn không bị hòa tan, lọc và sấy khô trong tủ sấy ở 450C, trong 6 giờ (m2). Nghiền nhỏ, thu đƣợc bột polime siêu hấp thụ nƣớc. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ chất khâu mạch MBA đến độ trƣơng của hidrogel.
2.2.3. Xác định tốc độ hấp thụ cân bằng của hidrogel trong nước cất và nước muối sinh lý.
Cân chính xác các mẫu 1g hidrogel, cho vào túi vải sau đó ngâm trong cốc đựng 500ml nƣớc cất và nƣớc muối sinh lý trong các khoảng thời gian khác nhau. Xác định độ trƣơng theo công thức: Q
0 1 2 m m m
Trong đó Q: Độ trƣơng của hidrogel, g/g. m0: Khối lƣợng của hidrogel khô, g. m1: Khối lƣợng túi vải, g.
2.2.4. Khảo sát sự trương và nhả trương của hidrogel.
- Nhả trương dưới tác dụng của nhiệt độ: Cân 1g hidrogel, cho vào túi vải,
ngâm trong 500ml nƣớc cất đến trƣơng hoàn toàn. Phân tích nhiệt để xác định nhiệt độ nhả trƣơng.
- Nhả trương trong điều kiện thường: Cân 1g hidrogel, cho vào túi vải,
ngâm trong 500ml nƣớc cất đến trƣơng hoàn toàn, cân xác định độ trƣơng và nhả trƣơng của hidrogel sau những thời gian khác nhau 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 ngày. Lặp lại quá trình trƣơng và nhả trƣơng 3 lần tại các thời điểm khác nhau để xác định độ bền trƣơng của vật liệu.
2.2.5. Khảo sát khả năng hấp phụ kẽm của hidrogel .
- Khảo sát khả năng hấp phụ của hidrogel: Lấy 0,25g hidrogel ngâm trong
nƣớc cất đến trƣơng nở hoàn toàn, loại bỏ nƣớc tự do, cho vào bình tam giác. Lấy 100ml dung dịch hấp phụ có nồng độ ban đầu C0, cho vào bình tam giác. Lắc đều, trong khoảng thời gian khác nhau, lọc lấy dung dịch đem phân tích hàm lƣợng kẽm còn lại. Khả năng hấp phụ cân bằng đƣợc xác định theo công thức:
m V C C q ( 0 t) Trong đó V: Thể tích dung dịch,l. m: Khối lƣợng chất hấp phụ, g.
C0: Nồng độ dung dịch ban đầu, mg/l. Ct: Nồng độ dung dịch ở thời điểm t, mg/l. q: Khả năng hấp phụ, mg/g.
- Khảo sát khả năng nhả vi lượng: Cân 1g hidrogel, cho hấp phụ bão hòa
dung dịch Zn2+. Lọc lấy vật liệu hidrogel đã hấp phụ Zn2+, loại bỏ nƣớc tự do, cho vào bình tam giác sạch chứa 100ml nƣớc cất. Lắc đều 1giờ, lọc lấy dung dịch đem phân tích.
2.3. Chế tạo phụ gia phân bón zeolit-polime.
2.3.1. Tổng hợp zeolit NaX sử dụng nguồn silic từ vỏ trấu.
2.3.1.1. Thủy phân vỏ trấu bằng dung dịch thủy tinh lỏng.
Vỏ trấu đƣợc rửa sạch, cho vào bình chứa dung dịch thủy tinh lỏng, khuấy đều 30 phút, ngâm trong 6 giờ. Trung hòa hỗn hợp bằng dung dịch H3PO4 40% đến pH = 7, phản ứng xảy ra nhanh tạo kết tủa trắng. Đo nhiễu xạ XRD, xác định hàm lƣợng SiO2.
2.3.1.2. Tổng hợp zeolit NaX với nguồn silic từ thủy tinh lỏng và vỏ trấu.
Hòa tan Al(OH)3 vào dung dịch NaOH, đun nóng đến tan hoàn toàn để tạo dung dịch NaAlO2. Rót dung dịch NaAlO2 vào cốc chứa hỗn dịch sản phẩm vỏ trấu sau khi thủy phân bằng thủy tinh lỏng. Khuấy liên tục để đồng hóa và làm già gel. Chuyển hỗn hợp sang bình cầu cổ nhám, lắp sinh hàn không khí, kết tinh gel ở khoảng 800
C trong thùng điều nhiệt. Lọc, rửa đến pH = 8. Sấy ở 1200C. Đảm bảo tỷ lệ thành phần các cấu tử: 4Na2O.Al2O3.5SiO2.50H2O.
Nghiên cứu ảnh hƣởng của thời gian làm già với các khoảng thời gian: 14 (LG1); 16 (LG2); 18 (LG3); 20 (LG4)giờ. Thời gian kết tinh: 10 (KT1); 12(KT2); 14(KT3); 16(KT4) giờ.
2.3.1.3. Khả năng hấp phụ kẽm của zeolit.
Lấy 0,5g zeolit cho vào bình tam giác, thêm 100ml dung dịch hấp phụ có nồng độ ban đầu C0. Lắc đều trong các khoảng thời gian khác nhau, lọc lấy dung dịch đem phân tích hàm lƣợng kẽm còn lại. Khả năng hấp phụ cân bằng đƣợc xác định theo công thức. m V C C q ( 0 t) Trong đó V: Thể tích dung dịch,l. m: Khối lƣợng chất hấp phụ, g.
C0: Nồng độ dung dịch ban đầu, mg/l. Ct: Nồng độ dung dịch tại thời điểm t, mg/l. q: Khả năng hấp phụ, mg/g.
2.3.1.4. Khảo sát khả năng lưu giữ NPK.
- Khả năng trao đổi kali theo thời gian: Cân các mẫu 1g zeolit cho vào dung
dịch KCl, lắc đều. Sau các khoảng thời gian 30phút, 1giờ, 3giờ, 5giờ lấy dung dịch KCl ra để xác định hàm lƣợng còn lại bằng phƣơng pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) trên máy (AAS) ANA 182.
- Khả năng lưu giữ NPK: Cân các mẫu 1g zeolit cho vào bình tam giác. Lấy
100ml mẫu dung dịch phân bón NPK với hàm lƣợng khác nhau. Lắc đều khoảng 60phút. Lấy mẫu đem phân tích hàm lƣợng NPK trƣớc và sau khi hấp phụ.
2.3.2. Thủy phân vỏ trấu bằng dung dịch H3PO4.
Lấy vỏ trấu, nƣớc cất, axit photphoric đậm đặc với tỷ lệ 1g trấu:1ml nƣớc cất:10ml H3PO4 đậm đặc, khuấy đều, ngâm trong 2 giờ. Xác định nồng độ axit còn lại sau phản ứng. Trung hòa hỗn hợp bằng dung dịch NH4OH 23% đến pH = 7. Khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ axit photphoric đến mức độ thủy phân: 40%, 50%, 60%, 70%, 85%. Ảnh hƣởng của thời gian thủy phân: 0; 0,5; 1; 2; 3; 5; 24 giờ.
2.4. Ứng dụng của tổ hợp vật liệu zeolit-polime trên cây trồng.
2.4.1. Thí nghiệm trồng cây trong chậu.
Nghiên cứu trồng cây trong chậu với cây ngô NK 66, bố trí với 3 công thức đất trồng:
Công thức 1: Đối chứng.
Công thức 2: Đối chứng + 20g phụ gia zeolit-polime từ trấu (zeolit-polime X) Công thức 3: Đối chứng + 20g phụ gia zeolit-polime từ trấu + 0,5g polime S (zeolit-polime XS).
Các công thức có bổ sung phụ gia zeolit-polime, giảm 10% lƣợng phân bón. Các thí nghiệm đƣợc tiến hành lặp lại 3 lần. Cân và ghi lại khối lƣợng các chậu. Gieo 20 hạt giống vào mỗi chậu. Thí nghiệm đƣợc tiến hành trong nhà lƣới để tránh ảnh hƣởng của nƣớc mƣa và các yếu tố khí hậu khác. Các chậu cây đƣợc tƣới với chế độ nƣớc nhƣ nhau. Sau 10 ngày làm thƣa bớt số cây trong mỗi chậu. Sau 20 ngày ngừng tƣới hoàn toàn.
* Các chỉ tiêu theo dõi:
- Thời gian nảy mầm, tỷ lệ hạt nảy mầm.
- Chiều cao cây: Tính từ gốc đến đỉnh sinh trƣởng.
- Thời gian héo lá: Theo dõi từ thời điểm ngừng tƣới nƣớc đến khi cây héo hoàn toàn.
2.4.2. Thí nghiệm trồng cây trên ruộng.
Thí nghiệm trên cây ngô NK66. Diện tích mỗi ô thí nghiệm là 10m2. Bố trí với 10 công thức đất trồng:
Công thức 1 (M01): Đối chứng
Công thức 2 (M02): Đối chứng + 5kg phụ gia zeolit-polime X Công thức 3 (M1): Đối chứng + 2g kẽm
Công thức 4 (M2): Đối chứng + 4g kẽm Công thức 5 (M3): Đối chứng + 8g kẽm Công thức 6 (M4): Đối chứng + 10g kẽm
Công thức 7 (VL1): Đối chứng + zeolit-polime XS * + 2g kẽm Công thức 8 (VL2): Đối chứng + zeolit-polime XS * + 4g kẽm Công thức 9 (VL3): Đối chứng + zeolit-polime XS* + 8g kẽm Công thức10 (VL4): Đối chứng + zeolit-polime XS * + 10g kẽm
Các công thức có bổ sung phụ gia zeolit-polime, giảm 10% lƣợng phân bón. Mật độ trồng 7025cm. Vật liệu đƣợc đƣa vào đất cùng với quá trình bón lót. Tiến hành lặp lại 3 lần. Theo dõi sự sinh trƣởng và phát triển của cây. Lấy mẫu đất để phân tích 3 lần: Đất nền, mẫu đất lấy lần 1 khi cây đƣợc 7-9 lá thật (30 ngày sau gieo), mẫu đất lần 2 lấy khi thu hoạch. Sau khi thu hoạch, lấy mẫu hạt để đánh giá năng suất và chất lƣợng hạt.
2.5. Một số phƣơng pháp xác định cấu trúc vật liệu, phân bón và vi lƣợng.
2.5.1. Phương pháp quang phổ hấp thụ hồng ngoại (Infrared Spectroscopy IR).
Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (IR) dựa trên sự tƣơng tác của các tia sáng trong vùng hồng ngoại (400 – 4000cm-1) với các liên kết trong phân tử chất nghiên cứu. Các tia sáng với bƣớc sóng nhất định sẽ làm dao động các liên kết nhất định. Do vậy, sự hấp thụ năng lƣợng đó có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc phân tử nên phổ hồng ngoại cũng là một phƣơng pháp hữu hiệu dùng để nghiên cứu cấu trúc các chất.
Có 2 loại dao động chính là: dao động hoá trị hay dao động liên kết (Stretching Vibrations) và dao động biến dạng (Bending Vibrations). Khi chiếu các bức xạ hồng ngoại vào phân tử, những photon có năng lƣợng đúng bằng năng lƣợng chênh lệch giữa các mức năng lƣợng dao động trong phân tử sẽ đƣợc hấp thụ và thu đƣợc phổ hồng ngoại:
E = E* - E = h
Trong đó : E : Năng lƣợng ở trạng thái cơ bản.
E* : Năng lƣợng ở trạng thái kích thích.
E : Hiệu năng lƣợng. h : Hằng số Planck.
Ngƣời ta sử dụng quang phổ hồng ngoại vào cả hai mục đích: phân tích định tính và phân tích định lƣợng. Phƣơng pháp phân tích định lƣợng dựa trên định luật Lambert-Beer:
A= lgI0/ I =lC Trong đó: A: mật độ quang.
Io: Năng lƣợng bức xạ đi vào. I: Năng lƣợng bức xạ đi ra. T = I0/I: độ truyền qua.
: Hệ số hấp phụ, cm2 /mmol. l: Chiều dày cuvet, cm. C: Nồng độ chất, mol/l.
Định luật Lambert-Beer đƣa ra phƣơng trình cơ bản cho các phƣơng pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng nhƣ phân tử. Đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc giữa độ hấp thụ A vào chiều dài bƣớc sóng kích thích gọi là phổ. Mỗi đỉnh cực đại trong phổ IR đặc trƣng cho một dao động của một liên kết trong phân tử. Phổ IR đƣợc ứng dụng rộng rãi để phân tích một số cấu trúc đặc trƣng của vật liệu.
Một số phân tử khi dao động có gây ra sự thay đổi moment lƣỡng cực điện, có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại để cho hiệu ứng phổ hồng ngoại hay (phổ dao động). Theo quy tắc này, các phân tử có hai nguyên tử giống nhau không cho hiệu ứng phổ hồng ngoại.
Khi tần số dao động của nhóm nguyên tử nào đó trong phân tử ít phụ thuộc vào các thành phần còn lại của phân tử thì tần số dao động đó đựơc gọi là tần số đặc trƣng cho nhóm đó. Các tần số đặc trƣng cho nhóm (hay còn gọi là tần số nhóm) thƣờng đƣợc dùng để phát hiện các nhóm chức trong phân tử.
Dựa vào tần số đặc trƣng, cƣờng độ pic trong phổ hồng ngoại, ngƣời ta có thể phán đoán trực tiếp về sự có mặt của các nhóm chức, các liên kết xác định trong phân tử nghiên cứu, từ đó xác định đƣợc cấu trúc của chất nghiên cứu.
- Thực nghiệm: Mẫu đƣợc chụp phổ hồng ngoại ghi trên máy FT-IR - GX (Perkin Elmer) tại Khoa Hóa - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội. Mẫu đƣợc đo bằng kĩ thuật chụp phản xạ khuyếch tán, bột mẫu phân tích đƣợc trộn với chất nền KBr với tỉ lệ 2-5% mẫu/KBr, đo trong vùng 400 - 4000 cm-1.
2.5.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (Powder X-ray Diffraction - XRD).
XRD là một phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu để xác định tinh thể và tính chất cấu trúc và phát hiện ra sự khiếm khuyết tinh thể, thậm chí vật liệu mao quản trung bình trật tự và vật liệu vô định hình , nhƣng do cấu trúc mao quản đồng đều có độ trật tự cao nên vẫn có thể sử dụng nhiễu xạ tia X . Do có đƣờng kính mao quản rộng nên góc quét ở vùng góc hẹp 00< 2 < 50.
- Nguyên tắc: Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể đƣợc xây dựng từ các nguyên tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian. Mỗi mặt mạng nhƣ một lớp phản xạ các tia X khi chúng chiếu vào các mặt này. Chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lƣới thì mạng lƣới đóng vai trò nhƣ một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, ion bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ.
Hình 2.2. Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể.
Các nguyên tử, ion này đƣợc phân bố trên các mặt song song, hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau đƣợc tính theo công thức:
= 2.dhkl.sinhkl
Trong đó: : Hiệu quang trình của hai tia phản xạ.
θhkl: Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ. dhkl: Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ.
h,k,l: Chỉ số Miller.
n: Các số nguyên 0, 1, 2… chỉ các bậc phản xạ.
Khi các tia này giao thoa với nhau ta sẽ thu đƣợc các cực đại nhiễu xạ, lúc đó bƣớc sóng của tia X phải thoả mãn:
= 2.dhkl.sinθhkl = n
Đây chính là hệ thức Vulf-Bragg, là phƣơng trình cơ bản dùng để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Từ hệ thức Vulf-Bragg, khi biết các giá trị góc quét , ta có thể xác định đƣợc d. So sánh giá trị của d với d chuẩn, sẽ xác định đƣợc thành
phần, cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu (vì mỗi chất có các giá trị d đặc trƣng riêng). Vì thế phƣơng pháp nhiễu xạ tia X đƣợc sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu.
- Thực nghiệm: Phổ XRD đƣợc ghi trên máy VNU - SIMENS - 5005, với ống phát tia X bằng đồng với bƣớc sóng Kα = 1,5406 Å, góc quét 2θ tƣơng ứng với mỗi chất, tốc độ quét 0,20/s tại Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội.
2.5.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (Scaning Electron Microscopy - SEM).
Ngày nay, kính hiển vi điện tử quét đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu hình thái bề mặt mẫu, nhất là với nghiên cứu mẫu màng mỏng.
- Nguyên tắc của phƣơng pháp SEM là sử dụng tia điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu. Ảnh đó khi đến màn ảnh quang có thể đạt độ phóng đại yêu cầu. Chùm tia điện tử đƣợc tạo ra từ catot qua hai tụ quay sẽ đƣợc hội tụ lên mẫu nghiên cứu.