Trong thực vật, kali tồn tại dƣới dạng ion trong dịch bào và một phần nhỏ tạo phức với các chất keo của tế bào chất. Kali làm tăng áp suất thẩm thấu do vậy tăng khả năng hút nƣớc của rễ, điều khiển hoạt động của khí khổng giúp cây có thể chống chịu với khô hạn. Kali tham gia vào quá trình hoạt hóa 60 loại men trong cơ thể thực vật, nó vừa đóng vai trò trực tiếp nhƣ một coenzim, vừa đóng vai trò gián tiếp nhƣ một chất xúc tác. Tỷ lệ kali trong cây từ 0,5 - 6% trọng lƣợng chất khô. Hàm lƣợng kali cao trong thân, lá và một lƣợng nhỏ trong hạt, rễ, củ. Thiếu kali làm giảm quá trình quang hợp, hô hấp, vận chuyển đƣờng, nƣớc, lá mất sức trƣơng.... giảm khả năng sống sót của cây vì vậy nghiên cứu khả năng lƣu giữ và nhả dần kali trong zeolit có những thông tin quan trọng về đặc tính này.
Bảng 3.10. Sự thay đổi hàm lƣợng kali theo thời gian. TT Thời gian Khối lƣợng zeolit (g) Hàm lƣợng K+ còn lại (mg/l) Hàm lƣợng K+ đã trao đổi (mg/l) Hàm lƣợng K+ hấp phụ (mgK/g zeolit) 1 0phút 1,003 24,6100 - - 2 1,001 24,3214 - - 3 30 phút 1,003 7,5602 17,0498 16,9988 4 1,001 7,4713 16,8501 16,8332 5 1giờ 1,003 5,0163 19,5937 19,5350 6 1,001 5,0084 19,3130 19,2937 7 3giờ 1,003 4,9624 19,6476 19,5888 8 1,001 4,8988 19,4226 19,4032 9 5giờ 1,003 4,7625 19,8475 19,7881 10 1,001 4,3261 19,9953 19,9753
Qua nghiên cứu trên ta có thể thấy zeolit hấp phụ rất tốt ion K+. Điều này rất quan trọng vì kali trong đất nằm chủ yếu trong thành phần của khoáng sét - kali dự trữ và một phần nhỏ nằm trong dung dịch đất - kali dễ tiêu. Tuy nhiên, dạng kali dễ tiêu không phản ánh đúng khả năng cung cấp kali từ đất cho cây do các ion K+ này rất dễ bị rửa trôi theo nƣớc mà cây không sử dụng đƣợc. Cây trồng hút kali từ đất ở nhiều dạng khác nhau nhƣng chủ yếu là dạng kali nằm trên bề mặt giữa các phiến tinh thể khoáng sét. Khi phân tích hàm lƣợng kali trong đất, các nhà khoa học đã nhận thấy thành phần khoáng sét trong đất có ảnh hƣởng rất rõ, đất càng giàu khoáng sét thì khả năng cung cấp kali càng cao: Đất phù sa cũ bạc màu 15,5mgK/100g đất, đất phù sa mặn ven biển 86,8mgK/100g đất [35]. Khi sử dụng phân bón có chứa zeolit, các dƣỡng chất sẽ đƣợc zeolit hấp phụ rồi nhả dần dần theo nhu cầu của cây trồng, tăng hiệu quả sử dụng phân bón, đồng thời zeolit còn gúp phần cải tạo đất, tăng độ tơi xốp và giữ ẩm cho đất.
3.2.2.8. Khả năng lưu giữ NPK.
Bảng 3.11. Khả năng lƣu giữ NPK của zeolit. STT Hàm lƣợng N (ppm) Hàm lƣợng P (ppm) Hàm lƣợng K (ppm)
Trƣớc Sau Trƣớc Sau Trƣớc Sau
1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,80 2,15 4,05 6,41 8,38 10,42 11,41 13,71 15,00 0,00 0,12 0,86 1,10 1,97 2,54 3,11 3,82 4,61 0,90 1,25 2,50 4,01 5,25 6,51 7,14 8,57 9,38 0,03 0,16 0,39 0,86 1,04 1,87 2,92 3,57 5,01 0,32 0,75 1,53 2,41 3,15 3,91 4,28 5,14 5,63 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,12 0,37
Kết quả thí nghiệm cho thấy, khả năng hấp phụ NPK của zeolit tƣơng đối tốt đặc biệt là kali, với các hàm lƣợng ban đầu khác nhau zeolit hấp phụ gần nhƣ hoàn toàn lƣợng kali trong phân bón, lƣợng đạm cũng đƣợc hấp phụ tƣơng đối lớn, thấp nhất là lân. Do zeolit có khả năng trao đổi ion và hấp phụ mao quản nên dễ dàng tạo ái lực với các phần tử mang điện dƣơng nhƣ K+
, NH4+... nên các hàm lƣợng kali và đạm đƣợc hấp phụ lên bề mặt zeolit nhiều hơn. Mặt khác K+ cũng nằm trong nhóm I bảng hệ thống tuần hoàn với Na+ nên nó có cấu trúc nguyên tử gần giống với Na+ có trong thành phần của zeolit nên dễ dàng trao đổi với Na+
trong cấu trúc do vậy lƣợng kali đƣợc hấp phụ lên bề mặt zeolit gần nhƣ hoàn toàn. Còn với lân do trong phân vô cơ, lân chỉ tồn tại dƣới dạng các ion photphat mang điện tích âm nên tạo lực đẩy tĩnh điện với các phần tử mang điện âm trong mạng nên hàm lƣợng lân đƣợc hấp phụ ít hơn, chủ yếu là hấp phụ mao quản.
3.2.3. Thủy phân vỏ trấu bằng axit photphoric.
3.2.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ axit photphoric đến khả năng thủy phân.
Bảng 3.12. Ảnh hƣởng của nồng độ axit photphoric đến khả năng thủy phân.
Kí hiệu mẫu VTA4 VTA5 VTA6 VTA7 VTAĐ
Nồng độ H3PO4 ban
đầu (%) 40,60 49,30 57,98 68,0 81,18
Nồng độ H3PO4 sau
phản ứng (%) 39,40 47,70 55,58 62,60 60,49
% H3PO4 phản ứng 1,2 1,6 2,4 5,4 20,69
Hình 3.20. Ảnh hƣởng của nồng độ axit photphoric đến khả năng thủy phân trấu. Axit photphoric là một axit vô cơ yếu, khả năng thủy phân nhỏ hơn khoảng 200 lần so với axit sunfuric [42]. Nồng độ axit nhỏ, quá trình thủy phân hầu nhƣ không xảy ra, với nồng độ axit là 40,60% thì lƣợng H3PO4 tham gia phản ứng là 1,2% và tăng dần theo sự tăng nồng độ. Hiệu quả thủy phân đạt giá trị tốt nhất khi sử dụng axit đậm đặc, nồng độ 81,18% với 20,69% lƣợng axit tham gia vào quá trình thủy phân.
3.2.3.2. Ảnh hưởng của thời gian ngâm đến mức độ thủy phân.
Bảng 3.13.Ảnh hƣởng của thời gian ngâm đến khả năng thủy phân trấu.
Kí hiệu mẫu VTO VTA05 VTA1 VTA2 VTA3 VTA5 VTA24 Thời gian ngâm
(giờ) 0 0,5 1 2 3 5 24
Nồng độ H3PO4
Hình 3.21. Ảnh hƣởng của thời gian ngâm đến khả năng thủy phân trấu. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian ngâm đến mức độ thủy phân của trấu cho thấy, giai đoạn đầu quá trình thủy phân xảy ra nhanh. Sau 0,5 giờ nồng độ H3PO4 giảm còn 60,88%. Trong giai đoạn này, quá trình thủy phân xảy ra chủ yếu ở phần vô định hình của trấu. Theo thời gian, phản ứng xảy ra chậm dần do ở vùng kết tinh của trấu có cấu trúc mạng lƣới không gian bền vững đƣợc tạo bởi các liên kết hidro giữa các chuỗi xenlulozơ, đồng thời, axit photphoric là một axit vô cơ yếu nên khả năng thủy phân ở vùng tinh thể xảy ra rất chậm.
3.2.3.3. Nhiễu xạ XRD của mẫu trấu VTAĐ.
Trên giản đồ nhiễu xạ XRD của trấu VTAĐ sau khi thủy phân bằng axit photphoric cho thấy mức độ tinh thể của vỏ trấu giảm nhiều, trên giản đồ XRD vẫn xuất hiện các pic ở 2 = 14,5; 16,7; 21; 22; 23; 240 với cƣờng độ nhỏ. Chứng tỏ rằng vỏ trấu không bị thủy phân hoàn toàn bởi axit photphoric, trên giản đồ XRD vẫn tồn tại các pha tinh thể của xenlulozơ với cƣờng độ nhỏ hơn. Dƣới tác dụng của axit photphoric 85%, một phần liên kết -1,4-glycozit trong xenlulozơ bị cắt đứt, tạo thành các hợp phần amyloit mạch ngắn, linh động, ƣa nƣớc, giảm mức độ tinh thể của xenlulozơ.
3.2.3.4. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu trấu VTAĐ.
Trên giản đồ phân tích nhiệt của mẫu trấu VTAĐ sau khi thủy phân bằng axit photphoric cũng cho thấy một quá trình nhiệt với 3 bƣớc đặc trƣng. Giai đoạn mất nƣớc cấu trúc ở 118,510
tƣơng ứng với sự mất khối 21,31%.
Hình 3.23. Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu vỏ trấu VTAĐ .
So sánh với giản đồ phân tích nhiệt mẫu vỏ trấu (hình 3.13) thấy rằng, vỏ trấu ban đầu có khả năng hút ẩm khoảng 6,73%. Sau khi thủy phân bằng axit
photphoric, sản phẩm có khả năng hấp thụ nƣớc cao hơn do quá trình thủy phân tạo thành các phân tử xenlulozơ ngắn mạch, linh động, có khả năng trƣơng nở, giãn mạch, hấp thụ một lƣợng nƣớc lớn hơn.
3.2.3.5. Phổ đồ EDX của mẫu trấu VTAĐ.
Phổ đồ EDX cho biết sự có mặt của các nguyên tố có trong mẫu nghiên cứu và tỷ lệ thành phần các nguyên tố. So sánh với phổ đồ EDX của mẫu trấu ban đầu (hình 3.12), mẫu trấu sau khi thủy phân bằng axit photphoric có khả năng hấp thụ nƣớc tốt hơn, tỷ lệ cƣờng độ pic đặc trƣng của oxi cao hơn (oxi chiếm khoảng 50%), đồng thời, xuất hiện pic đặc trƣng cho photpho có trong thành phần của axit photphoric dùng để thủy phân.
Hình 3.24. Phổ đồ EDX của mẫu trấu VTAĐ.
3.3. Ảnh hƣởng của vật liệu tổ hợp zeolit-polime tới sự phát triển và năng suất cây ngô NK66. cây ngô NK66.
3.3.1. Một số đặc trưng của phụ gia zeolit-polime X.
Hình 3.25. Hình ảnh chụp SEM của phụ gia zeolit-polime X.
Trên hình 3.25. cho thấy thành phần phụ gia zeolit-polime X có các tinh thể zeolit, sợi xenlulozơ đƣợc thủy phân ngắn mạch từ vỏ trấu, kích thƣớc tinh thể zeolit khoảng 0,5m, chiều dài sợi xenlulozơ khoảng 1-1,5m.
3.3.1.2. Giản đồ phân tích nhiệt của phụ gia zeolit-polime X.
Hình 3.26. Giản đồ phân tích nhiệt của phụ gia zeolit-polime X.
Furnace temperature /°C 0 100 200 300 400 500 600 700 TG/% -60 -30 0 30 60 d TG/% /min -30 -20 -10 HeatFlow/µV -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 Mass variation: -18.26 % Mass variation: -10.06 % Mass variation: -42.77 % Mass variation: -8.11 % Peak :122.46 °C Peak :324.09 °C Peak :446.19 °C Peak :871.44 °C Figure: 28/06/2010 Mass (mg): 22.73
Crucible:PT 100 µl Atmosphere:Air
Experiment:Po5
Procedure:RT ----> 900C (10C.min-1) (Zone 2)
Labsys TG
Trên giản đồ phân tích nhiệt của phụ gia zeolit-polime X thấy rõ 4 giai đoạn mất khối. Giai đoạn thứ nhất ở 122,460C tƣơng ứng với sự mất khối 18,26%, đây là giai đoạn mất nƣớc hấp phụ trong mạch xenlulozơ. Giai đoạn thứ hai ở 324,090C tƣơng ứng với sự mất khối 10,06%, đây là giai đoạn phân hủy các hợp chất hữu cơ trong trấu thành các chất bay hơi khối lƣợng phân tử nhỏ. Giai đoạn thứ ba ở 446,190C tƣơng ứng với sự mất khối 42,77%, đây là giai đoạn cháy toàn bộ phần hữu cơ trong thành phần của vỏ trấu. Giai đoạn thứ tƣ ở nhiệt độ 871,440C tƣơng ứng với sự mất khối 8,11%, đây là giai đoạn cháy các hợp phần hữu cơ nằm trong thành phần cấu trúc của zeolit, đề hidrat hóa nƣớc cấu trúc của zeolit.
3.3.2. Ảnh hưởng của tổ hợp zeolit-polime đến sự sinh trưởng của cây ngô.
* Ảnh hưởng tổ hợp zeolit-polime tới sự sinh trưởng của cây ngô.
Nhìn chung, các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hƣởng rõ rệt của việc bổ sung các vật liệu đến sự sinh trƣởng của cây. Thời gian nảy mầm, tỷ lệ hạt nảy mầm, chiều cao sinh trƣởng của các cây thí nghiệm đều tăng lên đáng kể so với đối chứng. Giai đoạn nảy mầm, hạt chủ yếu sử dụng chất dinh dƣỡng dự trữ trong hạt, thời gian nảy mầm và tỷ lệ hạt nảy mầm chủ yếu phụ thuộc vào độ ẩm của đất. Công thức 2, 3 mặc dù đƣợc bón với lƣợng phân bón giảm đi 10% nhƣng hạt vẫn nảy mầm tốt và chiều cao cây luôn phát triển hơn so với đối chứng do ở đây có sự bổ sung phụ gia phân bón chứa zeolit.
Bảng 3.14. Ảnh hƣởng của tổ hợp zeolit-polime đến sự sinh trƣởng của cây ngô NK66.
Chỉ tiêu sinh trƣởng CT 1 CT 2 CT 3
Thời gian nảy mầm (ngày) 4,8 4,3 4,1
Tỷ lệ hạt nảy mầm (%) 90,8 96,5 97,2
Chiều cao cây sau 7 ngày trồng (cm) 11,09 13,37 13,64 Chiều cao cây sau 14 ngày trồng (cm) 18,23 24,10 24,21
Phụ gia phân bón chứa zeolit đƣợc tổng hợp từ vỏ trấu (zeolit-polime X) với thành phần dinh dƣỡng sẵn có từ trấu gồm: Zeolit NaX tổng hợp từ thủy tinh lỏng kết hợp với nguồn silic từ trấu có tác dụng: hấp phụ và trao đổi ion, giữ ẩm, điều tiết, tránh rửa trôi phân bón, cải tạo đất, giúp rễ cây phát triển tốt hơn, hấp thu thuận lợi các dinh dƣỡng. Polime thiên nhiên đƣợc tạo thành từ quá trình thủy phân ngắn mạch xenlulozơ trong trấu bằng axit photphoric. Với cấu trúc mạch ngắn, linh động, ƣa nƣớc, xenlulozơ có khả năng hấp phụ và trao đổi cả những thành phần phân cực và kém phân cực, đồng thời cung cấp các chất dinh dƣỡng thiên nhiên khác nhƣ: protein, NPK hữu cơ, vi lƣợng có trong thành phần của vỏ trấu, đặc biệt là silic hữu cơ, là dạng silic tƣơng hợp, mà cây trồng dễ hấp thu, silic giúp cây cứng cáp, phát triển tốt, tăng cƣờng khả năng kháng sâu bệnh. Polime thiên nhiên có khả năng giữ ẩm, cung cấp nguồn dinh dƣỡng hữu cơ sẵn có từ trấu, đồng thời còn bổ sung thêm photpho, nitơ trong quá trình thủy phân vỏ trấu bằng axit photphoric và trung hòa bằng dung dịch amoniac.
Công thức 3 còn đƣợc bổ sung thêm 0,5g hidrogel khi đó hệ vật liệu là sự tổ hợp của zeolit-polime thiên nhiên và polime tổng hợp (zeolit-polime XS). Hidrogel là polime hấp thụ nƣớc tổng hợp trên cơ sở tinh bột ghép poli axit acrylic có khả năng hấp thụ nƣớc khoảng 400g/g. Vật liệu này có khả năng giữ ẩm cho đất và điều tiết vi lƣợng, giúp cho hạt nảy mầm tốt, tăng khả năng sống sót của cây trong giai đoạn đầu phát triển, thời gian hạt nảy mầm sớm hơn, tỷ lệ hạt nảy mầm cũng cao hơn công thức 2.
Nhƣ vậy, dƣới sự điều tiết của hệ vật liệu, cây trồng hấp thu thuận lợi các chất dinh dƣỡng và sinh trƣởng tốt. Mặc dù lƣợng phân bón giảm đi 10% so với đối chứng nhƣng tỷ lệ hạt nảy mầm vẫn cao do hệ vật liệu có khả năng giữ ẩm, cung cấp độ ẩm phù hợp cho hạt nảy mầm, đồng thời cung cấp và điều tiết các chất dinh dƣỡng giúp cây trồng hấp thu và phát triển tốt, tỷ lệ hạt nảy mầm và chiều cao cây ở các thời điểm thí nghiệm đều cao hơn so với đối chứng.
* Ảnh hưởng của vật liệu zeolit-polime tới thời gian héo lá.
Nhƣ chúng ta đã biết nƣớc có vai trò rất quan trọng trong đời sống cây trồng, chiếm 70 - 90% trọng lƣợng tế bào. Nƣớc chứa trong các tế bào thực vật để duy trì các hoạt động sinh lý, sinh hóa diễn ra hàng ngày. Nƣớc đƣợc xem nhƣ là một thành phần quan trọng xây dựng nên cơ thể thực vật cho nên khi có dấu hiệu thiếu nƣớc biểu hiện của cây rất nhạy trƣớc hết đó là sự héo lá. Héo lá là phản ứng của cây khi cân bằng nƣớc trong cây bị phá vỡ, sự hút nƣớc không bù đắp lại lƣợng nƣớc mà cây đã sử dụng cho các quá trình quang hợp, bay hơi... Nếu kéo dài tình trạng thiếu nƣớc lâu ngày thì cây sẽ bị chết. Trong thí nghiệm này chúng tôi tiến hành theo dõi khả năng giữ ẩm, cung cấp nƣớc cho cây của vật liệu zeolit-polime điều chế đƣợc.
Kết quả thu đƣợc rất khả quan, với cùng chế độ tƣới nƣớc và ngừng tƣới nƣớc nhƣ nhau thì các chậu cây đƣợc bổ sung zeolit-polime đều kéo dài đƣợc thời gian héo lá của cây từ 6-9 ngày. Khi đƣợc bổ sung vật liệu, lƣợng nƣớc cung cấp cho cây đƣợc giữ lại trong cấu trúc vật liệu và giải phóng dần dần cho cây sử dụng nên tránh đƣợc hiện tƣợng bay hơi từ đất, do đó nƣớc vận chuyển vào cây tăng lên, kéo dài thời gian sử dụng nƣớc của cây. Công thức 2 bổ sung zeolit-polime X giúp kéo dài thời gian héo lá 6 ngày so với đối chứng. Công thức 3 đƣợc bổ sung zeolit-polime XS giúp kéo dài thời gian héo lá của cây thêm 9 ngày so với đối chứng. Việc sử dụng kết hợp thêm các vật liệu polime siêu hấp thụ nƣớc đặc biệt có ý nghĩa đối với những vùng đất khô hạn, thiếu nƣớc canh tác.
Nhƣ vậy, hệ vật liệu có ảnh hƣởng nhất định đến sự sinh trƣởng của cây trồng, cung cấp cho cây nguồn dinh dƣỡng phong phú từ trấu, tái sử dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp phục vụ lại cho nông nghiệp, góp phần cải tạo đất, giúp cây trồng hấp thu thuận lợi các chất dinh dƣỡng dẫn đến khả năng sinh trƣởng và phát triển tốt, hứa hẹn một hƣớng đi mới, một giải pháp mới để tăng năng suất và chất