Nghiên Cứu Chế Tạo Nano Silica Từ Tro Vỏ Trấu Và Vật Liệu Lai Nano Silica/Chitosan

Nghiên cứu chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và vật liệu lai nano silica chitosan ứng dụng trong kháng nấm bệnh thực vật hiệu quả.

• Tác giả: Lê Nghiêm Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Duy Du
• Trường học: Viện Hàn Lâm Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam
• Chuyên ngành: Hóa Vô Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Nano Silica Từ Tro Vỏ Trấu Và Ứng Dụng Trong Kiểm Soát Bệnh Thực Vật
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP.HCM

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Chế Tạo Nano Silica Từ Tro Vỏ Trấu

Nghiên cứu sử dụng chất thải nông nghiệp như tro vỏ trấu để tạo ra nano silica đang ngày càng được quan tâm. Tro vỏ trấu chứa hàm lượng silica cao, là nguồn nguyên liệu tiềm năng và thân thiện với môi trường. Việc tận dụng phế thải nông nghiệp này không chỉ giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra vật liệu nano có giá trị ứng dụng cao. Nano silica được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nông nghiệp, nhờ vào các đặc tính vượt trội như khả năng kiểm soát bệnh thực vật và tăng cường sức đề kháng cho cây trồng. Nghiên cứu này tập trung vào quy trình chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu và đánh giá hiệu quả kiểm soát bệnh trên một số cây trồng chủ lực.

1.1. Tiềm năng ứng dụng silica từ phế thải nông nghiệp

Việt Nam là một nước nông nghiệp với sản lượng lúa gạo lớn, kéo theo đó là lượng tro vỏ trấu thải ra môi trường rất lớn. Thay vì bỏ đi, tro vỏ trấu có thể được tận dụng để sản xuất nano silica, một vật liệu nano có nhiều ứng dụng tiềm năng. Theo thống kê, Việt Nam thải ra khoảng 150.000 tấn tro vỏ trấu mỗi năm, đây là nguồn nguyên liệu dồi dào để sản xuất silica. Silica từ phế thải nông nghiệp có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, xây dựng, và công nghiệp.

1.2. Vai trò của nano silica trong nông nghiệp bền vững

Nano silica có khả năng kiểm soát bệnh thực vật hiệu quả, giúp giảm thiểu việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật. Điều này góp phần vào nông nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường. Nano silica còn có thể tăng cường sức đề kháng cho cây trồng, giúp cây chống chịu tốt hơn với các điều kiện bất lợi. Việc sử dụng nano silica trong nông nghiệp giúp nâng cao năng suất cây trồng và chất lượng nông sản.

II. Thách Thức Trong Kiểm Soát Bệnh Thực Vật Hiện Nay

Bệnh thực vật gây ra những thiệt hại lớn cho nông nghiệp, ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và chất lượng nông sản. Các phương pháp kiểm soát bệnh truyền thống thường dựa vào hóa chất bảo vệ thực vật, gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp kiểm soát bệnh mới, an toàn và hiệu quả là vô cùng cần thiết. Nano silica nổi lên như một giải pháp tiềm năng, hứa hẹn mang lại những lợi ích to lớn trong việc bảo vệ thực vật.

2.1. Tác động tiêu cực của hóa chất bảo vệ thực vật

Việc lạm dụng hóa chất bảo vệ thực vật gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng. Hóa chất có thể tồn dư trong nông sản, gây ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng. Ngoài ra, hóa chất còn gây ô nhiễm môi trường đất, nước, và không khí, ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Việc sử dụng hóa chất lâu dài còn dẫn đến tình trạng kháng thuốc của các loại bệnh thực vật, làm giảm hiệu quả kiểm soát bệnh.

2.2. Nhu cầu về giải pháp kiểm soát bệnh thân thiện môi trường

Trước những tác động tiêu cực của hóa chất bảo vệ thực vật, nhu cầu về các giải pháp kiểm soát bệnh thân thiện môi trường ngày càng tăng cao. Các giải pháp này cần đảm bảo hiệu quả kiểm soát bệnh tốt, đồng thời an toàn cho người sử dụng và môi trường. Nano silica là một trong những giải pháp tiềm năng, đáp ứng được các yêu cầu này. Vật liệu này có nguồn gốc từ phế thải nông nghiệp, có khả năng kiểm soát bệnh hiệu quả và ít gây tác động tiêu cực đến môi trường.

III. Phương Pháp Chế Tạo Nano Silica Từ Tro Vỏ Trấu Hiệu Quả

Nghiên cứu này tập trung vào hai phương pháp chính để chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu: phương pháp nhiệt phân trực tiếp và phương pháp nhiệt phân gel silica/chitosan. Phương pháp nhiệt phân trực tiếp đơn giản, dễ thực hiện, nhưng khó kiểm soát kích thước hạt. Phương pháp nhiệt phân gel silica/chitosan cho phép điều chỉnh kích thước hạt nano silica bằng cách thay đổi tỷ lệ silica/chitosan. Cả hai phương pháp đều sử dụng tro vỏ trấu làm nguyên liệu đầu vào, góp phần vào việc tái chế phế thải nông nghiệp.

3.1. Quy trình nhiệt phân trực tiếp tro vỏ trấu

Quy trình nhiệt phân trực tiếp tro vỏ trấu bao gồm các bước: xử lý tro vỏ trấu bằng axit để loại bỏ tạp chất, sau đó nung ở nhiệt độ cao (700-800°C) trong môi trường trơ. Quá trình nung sẽ loại bỏ các chất hữu cơ và tạo ra nano silica. Kích thước hạt nano silica thu được phụ thuộc vào nhiệt độ nung và thời gian nung. Theo tài liệu gốc, phương pháp này tách các hợp chất kim loại ở 700°C trong 2 giờ thu được nano silica có kích thước hạt trung bình từ 30 – 50 nm.

3.2. Ưu điểm của phương pháp nhiệt phân gel silica chitosan

Phương pháp nhiệt phân gel silica/chitosan cho phép điều chỉnh kích thước hạt nano silica bằng cách thay đổi tỷ lệ silica/chitosan. Quá trình này bao gồm các bước: hòa tan tro vỏ trấu trong dung dịch kiềm để tạo ra dung dịch silicat, sau đó kết tủa silica bằng axit. Silica kết tủa được trộn với chitosan để tạo thành gel, sau đó nung ở nhiệt độ cao để tạo ra nano silica. Theo tài liệu gốc, kích thước hạt nano silica tăng cùng chiều với tỷ lệ khối lượng silica/chitosan.

IV. Ứng Dụng Nano Silica Trong Kiểm Soát Bệnh Cây Trồng

Nano silica có khả năng kiểm soát bệnh cây trồng nhờ vào nhiều cơ chế khác nhau. Nano silica có thể tạo lớp màng bảo vệ trên bề mặt lá, ngăn chặn sự xâm nhập của mầm bệnh. Ngoài ra, nano silica còn có thể kích thích hệ thống miễn dịch của cây trồng, giúp cây tự chống lại bệnh tật. Nghiên cứu này đã chứng minh hiệu quả kiểm soát bệnh của nano silica trên một số cây trồng chủ lực như lúa, thanh long, và cao su.

4.1. Cơ chế kiểm soát bệnh của nano silica

Nano silica có thể kiểm soát bệnh cây trồng thông qua nhiều cơ chế. Một trong những cơ chế quan trọng là tạo lớp màng bảo vệ trên bề mặt lá, ngăn chặn sự xâm nhập của mầm bệnh. Ngoài ra, nano silica còn có thể kích thích hệ thống miễn dịch của cây trồng, giúp cây tự chống lại bệnh tật. Theo tài liệu gốc, nano silica có hiệu ứng kích thích sản sinh kháng thể, hiệu quả kiểm soát bệnh thực vật đối với bệnh đốm nâu gây hại cây thanh long, bệnh đạo ôn và bạc lá gây hại trên lúa, bệnh nấm hồng gây hại trên cây cao su đạt từ 86 – 92% ở nồng độ hoạt chất từ 100 – 150 mg.

4.2. Hiệu quả kiểm soát bệnh trên cây lúa thanh long cao su

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả kiểm soát bệnh của nano silica trên cây lúa, thanh long, và cao su. Trên cây lúa, nano silica giúp kiểm soát bệnh đạo ôn và bạc lá. Trên cây thanh long, nano silica giúp kiểm soát bệnh đốm nâu. Trên cây cao su, nano silica giúp kiểm soát bệnh nấm hồng. Kết quả cho thấy nano silica là một giải pháp tiềm năng để kiểm soát bệnh cây trồng một cách an toàn và hiệu quả.

V. Tiềm Năng Phát Triển và Ứng Dụng Rộng Rãi Của Nano Silica

Nano silica từ tro vỏ trấu có tiềm năng phát triển và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nông nghiệp. Việc sử dụng nano silica không chỉ giúp kiểm soát bệnh cây trồng mà còn góp phần vào nông nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường. Cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo nano silica và mở rộng ứng dụng của nó trong thực tế.

5.1. Nano silica và nông nghiệp công nghệ cao

Nano silica đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp công nghệ cao. Việc sử dụng nano silica giúp nâng cao năng suất cây trồng, chất lượng nông sản, và giảm thiểu việc sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật. Nano silica còn có thể được sử dụng trong các hệ thống tưới tiêu thông minh, giúp tiết kiệm nước và phân bón.

5.2. Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Trong tương lai, cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo nano silica từ tro vỏ trấu, giảm giá thành sản xuất, và nâng cao hiệu quả kiểm soát bệnh. Ngoài ra, cần nghiên cứu thêm về tác động của nano silica đến môi trường và sức khỏe con người để đảm bảo an toàn khi sử dụng. Việc hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp, và nông dân là cần thiết để đưa nano silica vào ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay, việc nghiên cứu sử dụng chất thải trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, chế biến thủy hải sản, … thành các vật liệu mới ứng dụng trong đời sống nhằm tiết kiệm nguồn tài nguyên hữu hạn của nhân loại là cần thiết. Nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản là những ngành kinh tế chủ lực của Việt Nam, chất thải tro vỏ trấu dồi dào từ nền nông nghiệp sản xuất lúa gạo là nguồn nguyên liệu hữu ích có thể tổng hợp thành vật liệu silica và phế thải vỏ tôm trong chế biến thủy hải sản điều chế thành vật liệu sinh học chitin, chitosan để ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Theo thống kê trung bình hàng năm, Việt Nam có khối lượng tro vỏ trấu thải ra khoảng 150.000 tấn và vỏ tôm khoảng 325. Tro vỏ trấu có hàm lượng SiO2 > 60% là nguyên liệu thích hợp dùng để điều chế silica, tùy vào phương pháp điều chế sẽ có kích thước vật liệu khối hoặc vât liệu nanomét.

Ở kích thước nanomét, silica có hoạt tính kháng nhiều loại vi khuẩn, vi nấm. Chitosan được điều chế từ vỏ tôm có hoạt tính kháng vi sinh vật phổ rộng và hiệu quả. Khi sử dụng trong canh tác cây trồng, chitosan được thực vật hấp thụ tùy thuộc vào khối lượng phân tử và thể hiện khả năng kích thích thực vật tạo ra các enzyme kháng lại vi sinh vật gây bệnh như chitinase, glucanase, … hoặc tác động trực tiếp tiêu diệt vi sinh vật. Vì các lý do trên, luận án lựa chọn và thực hiện đề tài: “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”.

Mục tiêu của luận án là điều chế một loại vật liệu nano lai có hoạt tính kháng vi sinh vật thể hiện cộng hợp tính chất của cả hai vật liệu vô cơ – hữu cơ là nano silica và chitosan có khối lượng phân tử thấp (oligochitosan) ứng dụng trong kiểm soát bệnh do vi nấm, vi khuẩn gây hại cho cây trồng. Các nghiên cứu hiệu ứng sinh học về hoạt tính kháng vi khuẩn, vi nấm và tạo kích kháng của tế bào thực vật của vật liệu nano silica/oligochitosan trong luận án này được thực hiện đối với một số bệnh trên các cây trồng chủ lực như lúa, thanh long, cao su là những loại nông sản có sản lượng, giá trị kinh tế cao tại Việt Nam. Kết quả của luận án là cơ sở khoa học mở ra hướng tổng hợp vật liệu nano lai kháng vi sinh vật từ phế thải tro vỏ trấu, vỏ tôm làm chất kiểm soát bệnh cây trồng 1 trong sản xuất nông nghiệp an toàn và mở rộng ứng dụng sang các lĩnh vực phòng trị bệnh trong nuôi trồng thủy hải sản, bảo quản nông sản, thực phẩm, … 2. Nội dung chính của luận án Luận án gồm các nội dung chính sau: Nghiên cứu điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu, gel SiO2/chitosan (SiO2 tách từ tro vỏ trấu) và xác định một số tính chất hóa lý đặc trưng của chúng.

Nghiên cứu điều chế oligochitosan khối lượng phân tử từ 3.mol- 1 bằng phương pháp xử lý chitosan bởi H2O2 nồng độ thấp kết hợp với chiếu xạ tia  Co-60. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan bằng phương pháp phối trộn nano silica với oligochitosan và phương pháp kết tủa nano silica từ dung dịch Na2SiO3 với ion H+ trong dung dịch oligochitosan. Thử nghiệm in vitro và in vivo hiệu lực kích kháng và ức chế vi nấm, vi khuẩn gây bệnh thực vật của vật liệu nano silica/oligochitosan đối với bệnh đốm nâu trên cây thanh long, bệnh đạo ôn lá và bạc lá trên cây lúa, bệnh nấm hồng trên cây cao su. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.

Ý nghĩa khoa học Kết quả của Luận án đóng góp số liệu và quy luật khoa học cho quá trình điều chế nano silica bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu và phương pháp nhiệt phân gel silica/chitosan. Phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu đã tách các hợp chất kim loại ở 700 oC trong 2 giờ thu được nano silica có kích thước hạt trung bình từ 30 – 50 nm, kích thước này lớn hơn các hạt silica kết tinh trên mạng xenlulo vỏ trấu theo các nghiên cứu đã được công bố. Phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel silica/chitosan cho phép điều chỉnh được kích thước hạt nano silica theo ý muốn bằng cách thay đổi tỷ lệ khối lượng của silica với chitosan, kích thước hạt nano silica tăng cùng chiều với tỷ lệ khối lượng silica/chitosan. Phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel silica/chitosan là cơ sở khoa học để tiếp tục nghiên cứu sử dụng các polyme có khả năng tạo gel khác với silica nhằm tối ưu về công nghệ và chi phí sản xuất.

Luận án cũng công bố kết quả điều chỉnh khối lượng phân tử chitosan từ 3.mol-1 bằng phương pháp xử lý H2O2 nồng độ 0,5% kết hợp với chiếu xạ tia  Co-60 không làm thay đổi cấu trúc đơn phân tử của mạch chitosan mà chỉ làm giảm 2 khối lượng phân tử của chitosan và giảm đáng kể liều chiếu xạ nhằm giảm chi phí. Kết quả nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai nano silica/oligochitosan chứa nano silica với oligochitosan bằng phương pháp phối trộn 02 đơn chất hoặc thực hiện phản ứng kết tủa SiO2 giữa Na2SiO3 với ion H+ trong dung dịch oligochitosan. Ý nghĩa khoa học quan trọng về hiệu lực kháng bệnh thực vật là nghiên cứu ban đầu đã chứng minh vật liệu nano silica/oligochitosan có hiệu ứng kích thích sản sinh kháng thể, hiệu quả kiểm soát bệnh thực vật đối với bệnh đốm nâu gây hại cây thanh long, bệnh đạo ôn và bạc lá gây hại trên lúa, bệnh nấm hồng gây hại trên cây cao su đạt từ 86 – 92% ở nồng độ hoạt chất từ 100 – 150 mg. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của Luận án làm cơ sở khoa học ban đầu để xây dựng quy trình tận dụng phế thải tro vỏ trấu và vỏ tôm sản xuất các loại vật liệu có giá trị gia tăng cao ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Có thể sản xuất vật liệu nano silica từ tro vỏ trấu với kích thước < 30 nm bằng phương pháp tổng hợp và nhiệt phân gel SiO2/chitosan, kích thước hạt silica có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi tỉ lệ khối lượng SiO2/chitosan. Nếu sản xuất silica có kích thước hạt từ 30 – 50 nm thì bằng phương pháp nhiệt phân tro vỏ trấu là phương pháp hiệu quả, sản phẩm sử dụng cho các nhu cầu của các ngành công nghiệp khác nhau như cao su, sơn, phụ gia xi măng,… Oligochitosan khối lượng phân tử thấp được điều chế bằng phương pháp xử lý H2O2 nồng độ 0,5% kết hợp với chiếu xạ tia  Co-60 làm giảm liều chiếu xạ và giá thành nguyên liệu cho sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, chăn nuôi, thủy sản, mỹ phẩm, y tế, bảo quản nông sản thực phẩm. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano silica/oligochitosan đáp ứng công nghệ sản xuất xanh tạo ra sản phẩm có hoạt tính kích kháng, kiểm soát nấm bệnh thực vật có tiềm năng thay thế thuốc bảo vệ thực vật độc hại ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp an toàn. 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 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.