Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica chitosan ứng dụng làm chất kháng nấm bệnh thực vật

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica chitosan ứng dụng làm, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp

Chuyên ngành

Hóa vô cơ

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án tiến sĩ

2021

151
8
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: CẤU TẠO, TÍNH CHẤT CỦA NANO SILICA, OLIGOCHITOSAN VÀ VẬT LIỆU LAI CỦA CHÚNG

LỜI CẢM ƠN

MỞ ĐẦU

NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

2. ĐIỀU CHẾ NANO SILICA TỪ TRO VỎ TRẤU VÀ VẬT LIỆU LAI NANO SILICA/OLIGOCHITOSAN

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

5. MỘT SỐ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nano silica và tro vỏ trấu

Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu là một bước tiến quan trọng trong việc tận dụng nguồn tài nguyên nông nghiệp. Tro vỏ trấu, với hàm lượng SiO2 cao, có thể được xử lý để tạo ra nano silica có kích thước hạt nhỏ, từ đó nâng cao khả năng kháng vi sinh vật. Việc sử dụng tro vỏ trấu không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cao trong nông nghiệp. Theo thống kê, Việt Nam thải ra khoảng 150.000 tấn tro vỏ trấu mỗi năm, cho thấy tiềm năng lớn trong việc khai thác nguồn nguyên liệu này. Kết quả nghiên cứu cho thấy nano silica có khả năng kháng nhiều loại vi khuẩn và nấm bệnh, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các sản phẩm bảo vệ thực vật an toàn và hiệu quả.

II. Tính chất và ứng dụng của chitosan

Chitosan, được chiết xuất từ vỏ tôm, là một polysaccharide có hoạt tính kháng vi sinh vật mạnh mẽ. Chitosan có khả năng kích thích sản sinh enzyme kháng vi sinh vật trong cây trồng, như chitinase và glucanase. Nghiên cứu cho thấy chitosan có thể được sử dụng để kiểm soát bệnh do nấm và vi khuẩn gây hại cho cây trồng. Việc kết hợp chitosan với nano silica tạo ra vật liệu lai nano silica/oligochitosan có khả năng kháng bệnh cao hơn. Sự kết hợp này không chỉ nâng cao hiệu quả kháng vi sinh vật mà còn giúp cải thiện khả năng hấp thụ của cây trồng đối với các chất dinh dưỡng. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của chitosan trong nông nghiệp bền vững.

III. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica oligochitosan

Quá trình tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan được thực hiện thông qua hai phương pháp chính: phối trộn và kết tủa. Phương pháp phối trộn cho phép tạo ra vật liệu đồng nhất, trong khi phương pháp kết tủa giúp kiểm soát kích thước hạt và tính chất hóa lý của sản phẩm. Kết quả cho thấy vật liệu lai này có khả năng kháng bệnh cao, với hiệu quả kiểm soát bệnh đạt từ 86% đến 92% đối với các bệnh như đốm nâu trên thanh long và bệnh đạo ôn trên lúa. Việc nghiên cứu này không chỉ mở ra hướng đi mới trong việc phát triển vật liệu bảo vệ thực vật mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường thông qua việc sử dụng nguyên liệu tái chế.

IV. Đánh giá hiệu quả kháng nấm của vật liệu lai

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu lai nano silica/oligochitosan có hiệu quả kháng nấm đáng kể. Các thử nghiệm in vivo cho thấy vật liệu này có khả năng ức chế sự phát triển của nấm bệnh trên cây trồng, từ đó giảm thiểu thiệt hại do bệnh gây ra. Hiệu quả kháng nấm của vật liệu này phụ thuộc vào nồng độ hoạt chất, với nồng độ từ 100 đến 150 mg cho kết quả tốt nhất. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng nano silica kết hợp với chitosan không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe cây trồng và môi trường.

V. Triển vọng ứng dụng trong nông nghiệp

Việc phát triển vật liệu nano silica/oligochitosan mở ra nhiều triển vọng trong nông nghiệp, đặc biệt là trong việc kiểm soát bệnh hại cây trồng. Sản phẩm này có thể thay thế cho các loại thuốc bảo vệ thực vật độc hại, góp phần vào việc sản xuất nông nghiệp an toàn và bền vững. Hơn nữa, việc sử dụng tro vỏ trấuvỏ tôm trong sản xuất vật liệu này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra giá trị gia tăng cho các sản phẩm nông nghiệp. Nghiên cứu này có thể được mở rộng sang các lĩnh vực khác như bảo quản thực phẩm và sản xuất mỹ phẩm, cho thấy tính đa dạng và tiềm năng ứng dụng của vật liệu này.

25/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Cấu tạo, tính chất của nano silica, oligochitosan và vật liệu lai của chúng. Silica là một oxit của silic, công thức phân tử là SiO2, có độ cứng cao và được biết đến từ thời cổ đại. Trong tự nhiên, SiO2 không tồn tại dưới dạng phân tử riêng lẻ mà liên kết thành các phân tử lớn do phản ứng ngưng tụ giữa các nhóm silanol (Si- OH).

Silica sử dụng vào các mục đích khác nhau phụ thuộc rất nhiều vào độ tinh khiết, cấu trúc mạng tinh thể và vi cấu trúc của chúng. Silica bao gồm hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và vô định hình (Hình 1. Khoáng vật chứa silica trong tự nhiên chủ yếu có cấu trúc tinh thể (thạch anh, triđimit, cristtobalit, đá mã não,.), chúng trơ về mặt hóa học, chủ yếu được ứng dụng làm vật liệu xây dựng, công nghiệp lọc khí và công nghiệp hấp thụ,. Silica ở dạng vô định hình được tìm thấy trong tế bào tảo cát (diatom) và chủ yếu tạo ra bằng phương pháp tổng hợp nhân tạo.

Silica vô định hình linh động, hoạt động hóa học hơn silica tinh thể nên chúng có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Các loại silica có diện tích bề mặt lớn như silica cấu trúc xốp (mesoporous) [2], đặc biệt là nano silica hiện nay đã được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo bê tông cường độ cao, bê tông chống ion Cl- ăn mòn, tạo liên kết trong vật liệu polyme vô cơ (geopolyme), chất chống lắng và tạo màng cho sơn, làm phụ gia tăng cường cho vật liệu nhựa, vật liệu xây dựng và dân dụng, phụ gia chống mài mòn trong chế biến cao su, sản xuất chất hấp phụ (zeolit, than hoạt tính, .) xử lý môi trường, hấp thụ trong thu hồi dầu, sản xuất chất hút ẩm silica gel, chất bọc phủ chống đóng bánh trong sản xuất phân bón, chất phân tán thuốc bảo vệ thực vật,. Cấu trúc phân tử của silica [1]. 4 luan an Sản lượng lúa tại Việt Nam hiện nay đạt gần 45 triệu tấn/năm nên tạo ra nguồn vỏ trấu dồi dào khoảng 8 triệu tấn/năm [5].

Tro vỏ trấu là sản phẩm còn lại sau khi sử dụng trấu làm chất đốt cho các ngành công nghiệp [6]. Hàm lượng SiO2 trong vỏ trấu chiếm khoảng 14 - 25% tùy thuộc vào giống lúa, khí hậu và thổ nhưỡng của nơi canh tác [7]. Trong tro vỏ trấu, hàm lượng SiO2 tăng lên từ 60 - 90% khi hợp chất hữu cơ được phân hủy trong quá trình làm nguyên liệu đốt, silica có cấu trúc chủ yếu là vô định hình chiếm tỷ lệ từ 80 - 97% SiO2 [8, 9]. Ngoài thành phần chính SiO2, trong tro vỏ trấu chứa hàm lượng cacbon từ 10 - 40% và một lượng nhỏ các hợp chất kim loại dạng oxit như Na2O, K2O, Al2O3 Fe2O3, CaO, MgO,… tùy thuộc vào nhiệt độ đốt trấu.

Vì vậy, sử dụng tro vỏ trấu làm nguyên liệu để sản xuất nano silica có tính khả thi và hiệu quả kinh tế [10, 11]. Theo tác giả Zakharov và cs (1993) và Nian và cs (2013), hạt silica trong vỏ trấu có kích thước từ 10 - 40 nm và được phân bố giữa các lớp tế bào thực vật [12, 13]. Cây lúa hấp thụ silica ở dạng hòa tan của axit silicic (Si(OH)4), silic tích tụ giữa các hốc của tế bào xenlulo trong vỏ trấu được mô phỏng theo hình 1. Sự hấp thụ silicic trong cây lúa (a) và silica trong vỏ trấu (b).

(Nguồn Tabata và cs, 2010) Trong nông nghiệp, silica được sử dụng là phân bón, nó là dinh dưỡng trung lượng cần thiết cho cây trồng. Silica có tác dụng gia cường vách tế bào thực vật làm hạn chế sự xâm nhập gây tổn thương của các lọai côn trùng, sâu hại, nấm bệnh. Khi silica ở kích thước nanomet, theo một số nghiên cứu gần đây cho thấy chúng tỏ ra có hiệu quả kháng vi sinh vật, tăng sức đề kháng cho cây trồng vượt trội so với silica vật liệu khối [14, 15]. Khả năng kháng vi sinh vật của nano silica phụ thuộc vào kích thước hạt tức là phụ thuộc vào diện tích bề mặt và khả năng tiếp xúc.

Silica có kích thước nanomet hòa tan hoặc thẩm thấu nhanh vào tế bào thực vật giúp cây trồng hấp 5 luan an thụ silic, thúc đẩy quá trình sinh tổng hợp các hợp chất silic hữu cơ và tăng trưởng cây trồng. Oligochitosan Oligochitosan được điều chế bằng phương pháp cắt đứt liên kết β-1,4 glucozit giữa các đơn phân tử D-glucosamin trong cấu tạo phân tử của chitosan bằng các tác nhân như sinh học enzym [16], hóa học [17] và bức xạ [18] tạo thành sản phẩm có khối lượng phân tử thấp hơn. Đơn vị cấu tạo trong phân tử oligochitosan là D- glucosamin có công thức cấu tạo được biểu diễn trong hình 1. Công thức cấu tạo của chitosan.

Oligochitosan và chitosan đều có khả năng kháng vi sinh vật và tạo kháng thể giúp cây trồng chống lại sự xâm nhập của vi nấm, vi khuẩn gây bệnh. Khả năng kiểm soát vi sinh vật gây bệnh trực tiếp của chitosan giảm khi khối lượng phân tử giảm nhưng khả năng tạo kháng thể thực vật tăng [19]. Theo Đặng Xuân Dự (2015), các oligochitosan có khả năng tạo ra các phyatolexin (chitinase, glutanase,…) cao và khác biệt với chitosan khi khối lượng phân tử nhỏ hơn 10. Burkhanova và cs (2007) đã công bố tác dụng kiểm soát bệnh của oligochitosan với khối lượng phân tử 5.mol-1 đối với bệnh thối rễ của lúa mì [20], Ozeretskovskaya và cs (2006) chứng minh hiệu quả của oligochitosan (2.mol-1) kiểm soát bệnh mốc sương ở khoai tây so với chitosan có khối lượng phân tử lớn hơn [21].

Vật liệu lai nano silica/oligochitosan Vật liệu lai là vật liệu tổng hợp gồm hai thành phần trong đó có ít nhất một thành phần có cấu trúc nanomet. Trong vật liệu lai, thông thường có một chất là vô cơ, chất còn lại là hữu cơ. Việc tổng hợp vật liệu lai có thể thực hiện bằng cách phối trộn giữa hai pha để được hỗn hợp đồng nhất hoặc có thể hình thành pha vô cơ trong pha hữu cơ bằng các phản ứng hóa học hoặc hình thành cả hai pha vô cơ, hữu cơ bằng phản ứng hóa học [22]. 6 luan an Vật liệu lai nano silica/oligochitosan bao gồm các hạt nano silica phân tán trong dung dịch polyme oligochitosan, nó tương tác với nhau bằng các liên kết hydro, Van der Waals, tương tác tĩnh điện hoặc có thể có tương tác hóa học do hình thành liên kết cộng hóa trị (Hình 1.

Sự tương tác giữa thành phần vô cơ và hữu cơ quyết định tính chất của vật liệu lai khác với tính chất của vật liệu đơn lẻ. Vật liệu lai thể hiện được các đặc tính của hai pha trong vật liệu (cộng hợp) hoặc thể hiện được các đặc tính vượt trội (đồng vận) hoặc xuất hiện các đặc tính mới. Các nghiên cứu ban đầu của một số tác giả cho thấy vật liệu nano silica/oligochitosan có hiệu lực kháng vi sinh vật gây bệnh thực vật, tăng trưởng cây trồng [23-25]. Mô phỏng hình thành liên kết giữa silica và chitosan [26].

Nghiên cứu tổng hợp nano silica, oligochitosan và nano silica/oligochitosan. Tổng hợp nano silica. Cho đến nay có 02 phương pháp điều chế vật liệu nano silica từ vỏ trấu, tro vỏ trấu là phương pháp hóa học và phương pháp nhiệt phân. a) Phương pháp hóa học Nguyên lý của phương pháp hóa học điều chế nano silica là sử dụng phản ứng kết tủa SiO2 giữa dung dịch muối kiềm silicate và axit hoặc thủy phân các hợp chất hữu cơ chứa silic.

Phản ứng kết tủa điều chế nano silica: Silica có cấu trúc vô định hình từ vỏ hoặc tro vỏ trấu được tách bằng cách hòa tan trong kiềm như NaOH, Na2CO3, … và sử dụng axit (HCl, H2SO4,…) kết tủa thu SiO2 theo phương pháp sol-gel [27, 28]. Để thu được kết tủa silica kích thước nanomet có thể thực hiện trong nước thì dung dịch keo silica có hàm lượng silica thấp và nếu kết tủa trong hệ dung dịch ổn định có bổ 7 luan an sung chất chống kết tụ như chất hoạt động bề mặt, polyme thì thu được dung dịch keo có hàm lượng silica cao hơn. Phương trình phản ứng hình thành SiO2 như sau: SiO2 (Vỏ trấu, tro vỏ trấu) + 2NaOH  Na2SiO3 + H2O (1.1) SiO2 (Vỏ trấu, tro vỏ trấu) + Na2CO3  Na2SiO3 + CO2 (1.2) Na2SiO3 + H2SO4  SiO2 + Na2SO4 + H2O (1.4) Tại Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano silica sử dụng nguyên liệu vỏ trấu. Tác giả Lê Văn Hải và cs (2013) đã tổng hợp silica có kích thước nanomet theo phương pháp sol-gel từ vỏ trấu qua 3 công đoạn [29].

Công đoạn 1: Vỏ trấu được đốt ở nhiệt độ 600°C trong 4 giờ để loại hợp chất hữu cơ, tăng hàm lượng SiO2. Công đoạn 2: Tiến hành tách silica bằng dung dịch NaOH tạo thành Na2SiO3. Công đoạn 3: Kết tủa silica bằng phản ứng giữa Na2SiO3 với H2SO4 đến pH ~4 trong hỗn hợp nước/butanol và chất ổn định Cetyltrimethylammonium bromide (CTAB). Silica thu được có cấu trúc vô định hình, kích thước hạt trung bình 15 nm và có diện tích bề mặt lớn khoảng 340 m2/g (Hình 1.

Cũng bằng phương pháp này, tác giả Nguyễn Trí Tuấn và cs (2014) [30] và Nguyễn Văn Hưng và cs (2015) [31] đã điều chế thành công nano silica có kích thước hạt trung bình khoảng 15 nm: Vỏ trấu được nung trong thời gian 4 giờ ở nhiệt độ từ 500 – 700oC, hòa tan trong NaOH; bột nano silica thu được bằng phản ứng kết tủa SiO2 giữa Na2SiO3 với HCl trong dung dịch nước hoặc bổ sung ethanol tại pH ~ 6. Hạt nano silica các tác giả thu được có cấu trúc vô định hình và có xu hướng kết tụ (Hình 1. Zulkifli và cs đã sử dụng kiềm chiết xuất các hạt silica trong tro vỏ trấu đã loại bỏ các tạp chất kim loại [32]. Tro vỏ trấu ban đầu được xử lý bằng HCl trong thời gian 4 giờ ở 75°C.

Sau đó tro vỏ trấu được rửa bằng nước cất cho đến khi đạt pH trung tính và sấy khô ở 110°C trong 12 giờ. NaOH sử dụng để chiết silica thu được dung dịch Na2SiO3. Axit hóa dung dịch Na2SiO3 bằng H3PO4 3M cho đến khi tạo gel. Gel được ly tâm và rửa bằng nước cất để loại bỏ muối hòa tan, sau đó được nung để tạo ra hạt nano silica.

Liou và Yang [33] đã nghiên cứu các biến số khác nhau ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và kích thước hạt silica của nano silica sử dụng nguyên liệu tro vỏ trấu bằng phương pháp chiết kiềm. Nồng độ axit, kiềm, pH gel hóa, thời gian tạo gel và nhiệt độ đã được tối ưu hóa để điều chế các hạt nano silica.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án tiến sĩ mang tên "Chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và ứng dụng chitosan trong kháng nấm bệnh thực vật" của tác giả Lê Nghiêm Anh Tuấn, dưới sự hướng dẫn của TS. Bùi Duy Du và PGS. Nguyễn Quốc Hiến, được thực hiện tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào năm 2021. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo nano silica từ nguồn nguyên liệu tái chế là tro vỏ trấu, đồng thời khám phá ứng dụng của chitosan trong việc kháng nấm bệnh cho thực vật. Bài luận án không chỉ cung cấp những kiến thức mới về công nghệ chế tạo vật liệu nano mà còn mở ra hướng đi mới trong việc bảo vệ cây trồng, góp phần vào sự phát triển bền vững trong nông nghiệp.

Để mở rộng thêm kiến thức về các ứng dụng của vật liệu nano trong lĩnh vực nông nghiệp và hóa học, bạn có thể tham khảo các tài liệu liên quan như "Luận án tiến sĩ về cấu trúc nano vàng bạc trên silic trong nhận biết phân tử hữu cơ bằng tán xạ Raman", nơi nghiên cứu về các cấu trúc nano và ứng dụng của chúng trong nhận biết phân tử hữu cơ. Bên cạnh đó, "Luận án tiến sĩ về hoạt tính sinh học của hợp chất tử vi nấm biển tại miền Trung Việt Nam" cũng là một tài liệu thú vị, khám phá hoạt tính sinh học của các hợp chất tự nhiên, có thể liên quan đến ứng dụng trong nông nghiệp. Cuối cùng, bạn có thể tìm hiểu thêm về "Luận án tiến sĩ: Tính chất xúc tác quang của vật liệu composite TiO2 trên nền graphene và carbon nitride", nghiên cứu về các vật liệu nano và khả năng xúc tác của chúng, mở rộng thêm hiểu biết về ứng dụng của vật liệu trong các lĩnh vực khác nhau.