Nghiên cứu chế tạo màng tinh bột/PVA và than vỏ trấu cho phân bón nhả chậm

Ứng dụng tinh bột và than vỏ trấu chế tạo màng bọc cho phân nhả chậm. Khám phá quy trình và hiệu quả của vật liệu thân thiện môi trường.

• Tác giả: Lại Tiến Dũng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Vinh Tiến
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo màng trên cơ sở tinh bột/PVA và than vỏ trấu cho phân nhả chậm
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp Đại học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm và ý nghĩa của phân nhả chậm

Phân nhả chậm là một loại phân bón hiện đại được thiết kế để giải phóng chất dinh dưỡng một cách từng bước, kéo dài theo thời gian thay vì toàn bộ hòa tan ngay lập tức. Công nghệ này giúp cây trồng hấp thu dinh dưỡng hiệu quả hơn, giảm tổn thất và ô nhiễm môi trường. Trong bối cảnh nông nghiệp bền vững hiện nay, phân bón nhả chậm đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện năng suất cây trồng đồng thời bảo vệ sinh thái. Đặc biệt, việc chế tạo màng phân nhả chậm từ các nguyên liệu tự nhiên như tinh bột và than vỏ trấu mang lại giải pháp thân thiện với môi trường, vừa giảm chi phí sản xuất vừa tăng hiệu quả sử dụng phân bón.

1.1. Khái niệm phân nhả chậm

Phân nhả chậm là phân bón có lớp vỏ bọc kiểm soát tốc độ giải phóng dinh dưỡng. Lớp màng này cho phép chất dinh dưỡng từng được giải phóng một cách đều đặn, phù hợp với nhu cầu hấp thu của cây trồng theo từng giai đoạn phát triển.

1.2. Ý nghĩa kinh tế và môi trường

Sử dụng phân nhả chậm giúp tăng hiệu suất sử dụng phân bón lên 30-50%, giảm chi phí bón phân và tối ưu hóa năng suất nông sản. Điều này góp phần bảo vệ tài nguyên nước, giảm ô nhiễm nitrat và phosphat trong các nguồn nước.

II. Các nguyên liệu chính cho chế tạo màng phân nhả chậm

Chế tạo màng phân nhả chậm yêu cầu sự kết hợp hợp lý giữa các nguyên liệu có tính chất vật lý và hóa học phù hợp. Tinh bột là một polymer tự nhiên dễ phân hủy, có khả năng tạo thành màng mềm dẻo. Than vỏ trấu cung cấp tính chất thấm nước chứa silic, giúp kiểm soát tốc độ nhả chậm. PVA (Polyvinyl Alcohol) nâng cao độ bền cơ học của lớp vỏ bọc. Sự phối hợp giữa các nguyên liệu này tạo nên một lớp màng có độ bền và khả năng kiểm soát nhả dinh dưỡng tối ưu, vừa thân thiện với môi trường vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của sản xuất phân bón hiện đại.

2.1. Tinh bột và tinh bột biến tính

Tinh bột là polymer tự nhiên được tách chiết từ thực vật, có khả năng hoà tan trong nước nóng và hình thành màng linh hoạt. Tinh bột biến tính cải thiện tính chất cơ học, cho phép tạo ra lớp bọc có độ dẻo cao, phù hợp với quy trình sản xuất phân nhả chậm.

2.2. Than vỏ trấu nguyên liệu tái chế giá trị

Than vỏ trấu là sản phẩm phụ từ công nghiệp chế biến lúa gạo, chứa 85-90% silic. Nó giúp tạo độ thấm nước có kiểm soát, cải thiện tính thấm khí và hạn chế sự hoà tan nhanh của dinh dưỡng, tạo tác động nhả chậm hiệu quả cho phân bón.

III. Quy trình chế tạo màng phân nhả chậm

Quy trình chế tạo màng phân nhả chậm bao gồm nhiều bước công nghệ phức tạp. Đầu tiên, than vỏ trấu được xử lý nhiệt để hoạt hóa và tách chiết silic. Sau đó, tinh bột được pha trộn với PVA và than vỏ trấu để tạo dung dịch phủ. Phân DAP (Diammonium Phosphate) được bọc bằng phương pháp nhúng hoặc phun sương trên thiết bị đĩa quay. Lớp vỏ được sấy khô để hình thành màng bảo vệ hoàn chỉnh. Quá trình này yêu cầu kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, độ ẩm và thành phần hóa học để đảm bảo chất lượng và độ bền của phân bón nhả chậm.

3.1. Bước chuẩn bị nguyên liệu

Tinh bột được hoàn nguyên tính và hòa tan trong nước nóng. Than vỏ trấu được xử lý nhiệt ở 500-700°C, sau đó tách chiết silic bằng dung dịch NaOH. Các nguyên liệu được trộn lại theo tỷ lệ nhất định để tạo dung dịch phủ có độ nhập sắc phù hợp.

3.2. Phương pháp tạo lớp bọc và sấy khô

Hạt phân được bọc bằng phương pháp nhúng hoặc phun sương trên thiết bị đĩa quay chuyên dụng. Sau khi bọc, phân được sấy khô ở 60-80°C trong khoảng 2-4 giờ để ổn định lớp màng và đạt độ ẩm cuối cùng dưới 5%.

IV. Đặc tính và ứng dụng của phân nhả chậm

Phân nhả chậm chế tạo từ tinh bột và than vỏ trấu thể hiện những đặc tính vượt trội so với phân bón thông thường. Khả năng hút ẩm của lớp vỏ bọc kiểm soát tốc độ hoà tan, đảm bảo chất dinh dưỡng được giải phóng trong 90-120 ngày liên tục. Phân tích SEM cho thấy lớp màng có cấu trúc lỗ vi mô phù hợp, cho phép nước thẩm thấu dần và kinetic nhả chậm tối ưu. Ứng dụng trong nông nghiệp bao gồm trồng cây lương thực, rau xanh, hoa cảnh và cây trồng lâu năm. Hiệu quả sử dụng phân bón tăng 30-40%, chi phí bón phân giảm, năng suất cây trồng cải thiện rõ rệt.

4.1. Đặc tính vật lý và hóa học

Lớp màng PVA/tinh bột/than vỏ trấu có độ bền cơ học cao, không bị nứt trong quá trình bảo quản và vận chuyển. Hàm lượng silic hoạt tính giúp kiểm soát độ thẩm thấu nước, tạo nhả chậm có tính dự báo cao. Phân tích FTIR xác nhận sự hình thành các liên kết phân tử ổn định giữa các thành phần.

4.2. Ứng dụng và hiệu quả kinh tế

Phân nhả chậm phù hợp cho mọi loại cây trồng, đặc biệt hiệu quả trong trồng cây lâu năm và cây có giá trị cao. Giảm số lần bón từ 5-6 lần xuống 1-2 lần/vụ, tiết kiệm lao động 50-70%. Năng suất tăng 15-25%, chất lượng nông sản cải thiện do chế độ dinh dưỡng đều đặn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về phân bón 1.1 Khái niệm phân bón Phân bón đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng, giúp tăng cường sự sinh trưởng phát triển của cây. Phân bón là các chất hữu cơ hay vô cơ chứa các nguyên tố cần thiết cho cây, giúp chúng sinh trưởng và phát triển tốt cho năng suất cao, được bón vào trong đất hay hòa vào nước phun, xử lí hạt giống, rễ và cây con. Phân bón bao gồm một hay nhiều chất dinh dưỡng thiết yếu cho cây, được chia thành 3 nhóm sau [2]: - Nhóm dinh dưỡng đa lượng (NPK) bao gồm đạm (N), lân (P) và kali (K) và là những chất cây cần với số lượng nhiều. - Nhóm dinh dưỡng trung lượng (Ca, Mg, S) gồm canxi (Ca), magie (Mg) và silic (Si), được cây cần với số lượng trung bình.

- Nhóm dinh dưỡng vi lượng (Fe, Zn, Mn, Cu, B, Mo, Cl) gồm sắt (Fe), kẽm (Zn), mangan (Mn), đồng (Cu), boron (B), molypden (Mo) và clo (Cl), được cây cần với lượng ít. Các chất dinh dưỡng được cây hấp thụ dưới dạng ion hòa tan chủ yếu lấy từ đất và phân bón. Đối với cây trồng dinh dưỡng ở trong đất là không đủ, muốn cây có năng suất cao cần bổ sung qua phân bón.1 Phân loại theo nguồn gốc phân bón Có thể chia làm 2 loại: phân hữu cơ và phân vô cơ hay phân bón hóa học (phân khoáng). 2 - Phân khoáng là loại cây cung cấp trực tiếp cho cây trồng các hợp chất chứa các nguyên tố dinh dưỡng N, P, K đối với cây trồng.

Trong phân khoáng lại chia ra làm các hợp chất chứa đạm, chứa lân, chứa kali và phân vi lượng. - Phân hữu cơ là các chất hữu cơ hoặc bã thải hữu cơ như các loại phân chuồng, phân xanh… 1.2 Phân loại theo chất dinh dưỡng Có thể chia theo các loại phân đơn và phân kép. Phân đơn chứa một loại nguyên tố dinh dưỡng ở một dạng hợp chất. Ví dụ: đạm, urê, supe phốt phát.

Phân kép là phân bón chứa một vài nguyên tố dinh dưỡng khác nhau dưới dạng phức hợp do các phản ứng hóa học tạo ra hay trộn lẫn một vài loại phân, được phân hỗn hợp. Ví dụ phân phức hợp, phân đơn, phân trộn NPK, NH4H2PO4 - Monoammonium Phosphate (MAP), CO(NH2)2 – urea, (NH4)2H2PO4 - Diammonium phosphate (DAP). *Phân vi lượng: Trong phân vi lượng có các nguyên tố kích thích sự phát triển của cây trồng, mà cây cần một lượng rất nhỏ. Phân vi lượng bón cho cây trồng dưới dạng muối có chứa nguyên tố B, Mn, Cu, Zn… Việc bón phân hóa học sẽ làm ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và sinh hóa của đất.

Vì vậy tùy thuộc vào tính chất của đất và khả năng hấp thụ của cây từ đó sử dụng các cation và anion hóa học cho hợp lý, nhắm đến yếu tố quan trọng là độ pH của đất. Do đó chia các loại phân bón mang tính axit, phân bón mang tính kiềm để bón vào đất 1.3 Vai trò của phân bón với cây trồng Mỗi loại chất dinh dưỡng đề có ý nghĩa riêng đối với cây trồng [3].  Các nguyên tố đa lượng: - Đạm (N) nguyên tố này là thành phần của nguyên sinh chất tế bào thành các axit amin, các hợp chất protein, của axit nucleic (ADN và ARN), của các enzim và hạt diệp lục… Đạm có vai trò lớn trong việc thực hiện các quá trình sinh trưởng và phát triển của cây và có ảnh hưởng đến chất lượng nông sản. 3 - Lân (P) nguyên tố này là thành phần của axit nucleic, của các thể nhiễm sắc, của các hợp chất quan trọng khác trong cây như phosphatid, protein, lipid, coenzim, adenozin triphosphat (ATP)… Lân rất cần thiết cho sự phân chia tế bào, cho sự phát triển của các mô phân sinh, kích thích sự phát triển của rễ, thúc đẩy quá trình ra hoa và sự phát triển của hạt và quả.

- Kali (K) là nguyên tố này có vai trò hoạt hóa enzim tham gia vào quá trình quang hợp và việc chuyển hóa các hydrat cacbon và protein. Kali giúp cho di chuyển các chất trong cây và duy trì ổn định của các chất này. Từ đó tăng khả năng trao đổi chất của tế bào, tăng kích thước hạt, tăng khả năng chống bệnh và khả năng nảy mầm cho hạt.  Các nguyên tố trung lượng: - Canxi (Ca) là thành phần của vách tế bào, và có tham gia vào quá trình phân chia tế bào.

Đóng vai trò làm cho màng tế vào vững chắc và duy trì cấu trúc nhiễm sắc thể. Ngoài ra còn có tác dụng hoạt hóa một số enzim, đặc biệt ATP. Đóng vai trò như một chất thải độc khi trung hòa các acid hữu cơ trong cây… - Magie (Mg). Là thành phần của diệp lục trong lá cây.

Magie thúc đẩy hấp thụ và vận chuyển lân, giúp di chuyển đường giúp cây thêm cứng chắc. - Lưu huỳnh (S) có trong thành phần các amin và các amino acid, làm vững chắc cấu trúc của protein. Lưu huỳnh có vai trò trong các hoạt động trao đổi chất của các vitamin và coenzyme A. - Silic (Si) không phải nguyên tố thiết yếu cho phần lớn các cây trồng, nhưng lại rất cần thiết đối với sự phát triển khỏe mạnh của nhiều loại cây, đặc biệt những loại cây cần lượng silic cao như: lúa, ngô, mía.

Si giúp cây tăng khả năng chống chịu với nấm và sâu bệnh, giảm thoát hơi nước quá mức, giúp cây cứng cáp giảm đổ ngã.  Các nguyên tố vi lượng: - Kẽm (Zn) tham gia vào quá trình tổng hợp axit nucleic, protein và diệp lục. Đóng vai trò thúc đẩy sử dụng P và N trong cây, thúc đẩy tăng trưởng và làm tăng năng suất và chất lượng nông sản. - Đồng (Cu) là thành phần của acid ascorbic, lactase… xúc tiến quá trình hình thành vitamin A trong cây.

Cu có khả năng thay đổi hóa trị, cho nên tham gia vào nhiều phản ứng oxy hóa - khử oxy trong cây. Đồng thúc đẩy quá trình hô hấp cũng như trao đổi hydrat 4 cacbon và protein. Đồng có tác dụng làm tăng diệp lục, thúc đẩy quá trình quang hợp. Làm tăng khả năng chống bệnh nấm và vi khuẩn cho cây.

Ngoài ra sắt có vai trò trong chuyển hóa ARN, từ đó thúc đẩy sự sinh trưởng và phát triển của cây. - Bo (B) có vai trò trong hoạt động của một số enzim. Bo làm tăng khả năng thẩm thấu của màng tế bào, qua đó làm tăng quá trình vận chuyển hydrat cacbon. Là nguyên tố cần thiết đối với quá trình tổng hợp protein.

Bo có tác động đến quá trình phân chia tế bào, sử dụng canxi và tối ưu hóa tỷ lệ K/Ca trong cây - Molipden (Mo) là thành phần của enzim khử nitrat. Giúp thúc đẩy quá trình sử dụng N và quá trình cố định N của vi khuẩn nốt sần rễ cây, Từ đó tăng khả năng sử dụng đạm. - Ngoài ra còn có các nguyên tố khác có tác dụng tới quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng nhưng hàm lượng rất nhỏ như Cl, Pd, Sn… 1.4 Tác động của việc sử dụng phân bón tới môi trường và sức khỏe. Theo số liệu của Viện Khoa học nông nghiệp Việt Nam, nước ta có khoảng 26 triệu ha đất nông nghiệp, nhu cầu sử dụng phân bón trung bình mỗi năm khoảng trên 10 triệu tấn.

Kết quả điều tra của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO) cho thấy, hiệu quả sử dụng phân bón ở Việt Nam chỉ đạt 45-50%. Hiệu suất sử dụng phân đạm khi bón vào đất chỉ đạt 30-45%; phân lân 40-45%; kali 40-50% tùy theo chất đất, giống cây trồng, thời vụ, phương pháp bón, loại phân bón. Từ thực tế này, cơ quan chức năng ước tính việc sử dụng phân bón không hợp lý đang gây lãng phí 30. Đáng lo ngại hơn, một lượng không nhỏ dư lượng do không được cây trồng hấp thụ sẽ tác động tiêu cực đến hệ sinh thái nông nghiệp, làm ô nhiễm nguồn nước, đất và có thể gây đột biến gen đối với một số cây trồng [1].

Khi lượng phân bón dư thừa đi vào nguồn nước làm tăng nồng độ chất dinh dưỡng gây ra hiện tượng phú dưỡng và tảo nở hoa gây hại. Bón quá nhiều phân bón cây chưa kịp hấp thụ thì sẽ tích tụ trong nông sản và làm giảm năng suất. Khi con người và gia súc dùng các các sản phẩm này lâu ngày sẽ gây nhiễm độc, ảnh hưởng trược tiếp đến sức khỏe.2 Giới thiệu về phân bón nhả chậm 1.1 Khái niệm, phân loại và những ưu điểm của phân bón nhả chậm 1.1 Khái niệm về phân bón nhả chậm Nhu cầu lương thực ngày càng cao, việc lạm dụng phân bón hóa học để nhằm tăng năng suất ngày càng nhiều. Việc bón phân sao cho cân bằng, hợp lý và hiệu quả luôn là khó khăn với người nông dân.

Bởi vậy cần có một loại phân bón mới, đáp ứng được những yêu cầu đặt ra, những loại như phân bón nhả chậm (Slow Release Fertilizer -SRFs) hay phân bón nhả có kiểm soát (Controlled Release Fertilizer-CRFs) được phát triển [4].  SRFs là loại phân bón được thiết kế để giải phóng các chất dinh dưỡng từ từ theo thời gian. Việc giải phóng chậm này giúp tránh hiện tượng lượng dinh dưỡng bị mất quá nhanh và không thể được hấp thụ hết, tạo ra lượng dinh dưỡng ổn định và liên tục cho cây trồng suốt quá trình phát triển.  CRFs cũng tương tự như SRFs, nhưng có thêm khả năng kiểm soát việc giải phóng dinh dưỡng dựa trên các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và việc tiếp xúc với nước.

Khả năng này là nhờ lớp vỏ hay các vật liệu có thể giữ lại các chất dinh dưỡng dựa vào các yếu tố môi trường. Ủy ban tiêu chuẩn Châu Âu đã đưa ra một số đề xuất về các khái niệm về phân bón nhả chậm. Trong đó tiêu chí được quan tâm nhất là thời gian giải phóng chất dinh dưỡng trong điều kiện xác định ở 250C, phải đáp ứng một trong ba tiêu chuẩn sau [4]: - Nhả không quá 15% trong 24h. - Nhả không quá 75% trong 28 ngày.

- Nhả ít nhất 75% trong khoảng thời gian đã định.2 Phân loại phân bón nhả chậm. Phân loại được dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau.  Dựa vào các đặc điểm về cấu trúc hóa học, về tính chất vật lý: độ chậm tan, khả năng nhả các chất dinh dưỡng, phân nhả chậm được chia thành hai loại: là phân không bọc và phân có vỏ bọc.