Luận án tiến sĩ về công nghệ bọc hạt trong sản xuất phân urê thông minh

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật hóa học nghiên cứu công nghệ bọc hạt để sản xuất phân urê thông minh, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Hữu Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Trịnh Văn Dũng
• Trường học: Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Công Nghệ Bọc Hạt Trong Sản Xuất Phân Urê Thông Minh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN
• 1.1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng phân bón
• 1.1.2. Phân bón thông minh
• 1.1.3. Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng phân thông minh
• 1.2. CÔNG NGHỆ BỌC HẠT SẢN XUẤT PHÂN BÓN THÔNG MINH
• 1.2.1. Các phương pháp và thiết bị bọc hạt
• 1.2.2. Cơ chế công nghệ bọc hạt bằng phương pháp bọc ướt
• 1.2.3. Vật liệu bọc
• 2. CHƯƠNG 2: TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH BỌC HẠT
• 2.1. TỐI ƯU HÓA THỰC NGHIỆM
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 2.2.1. Vật liệu bọc
• 2.2.2. Quá trình bọc hạt trong hệ thống thiết bị đĩa quay bằng phương pháp bọc ướt
• 2.2.3. Xác định thông số công nghệ của nguyên liệu và sản phẩm bọc
• 2.2.4. Tối ưu hóa thực nghiệm quá trình bọc hạt bằng thiết bị đĩa quay
• 2.3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 2.3.1. Đánh giá vật liệu bọc
• 2.3.2. Tối ưu quá trình bọc hạt trong thiết bị đĩa quay
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC CÔNG NGHỆ BỌC HẠT
• 3.1. MÔ HÌNH VẬT LÝ MÔ TẢ QUÁ TRÌNH BỌC PHÂN URÊ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN
• 3.1.1. Mô hình vật lý quá trình bọc hạt
• 3.1.2. Phương pháp phân tích thứ nguyên
• 3.1.2.1. Quá trình phun dung dịch tạo màng bọc
• 3.1.2.2. Quá trình bọc hạt trong thiết bị đĩa quay
• 3.2. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.2.1. Mô hình hóa toán học quá trình phun dung dịch tạo màng bọc
• 3.2.2. Mô hình hóa toán học quá trình bọc hạt trong thiết bị đĩa quay
• 4. CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG CHẤT DINH DƯỠNG
• 4.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1.1. Thực nghiệm sản xuất phân urê thông minh và xác định tỉ lệ giải phóng urê
• 4.1.2. Mô hình toán quá trình giải phóng dinh dưỡng của phân thông minh
• 4.2. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.2.1. Đánh giá chất lượng sản phẩm phân urê thông minh
• 4.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình giải phóng dinh dưỡng
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân bón

Phân bón đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp. Theo thống kê của FAO, hơn 48% dân số thế giới tồn tại được nhờ vào sự gia tăng sản lượng cây trồng từ việc sử dụng phân bón. Tuy nhiên, hiệu suất sử dụng phân bón của cây trồng hiện nay còn thấp, dẫn đến lãng phí và ô nhiễm môi trường. Việc phát triển phân bón thông minh (SF) là một giải pháp hiệu quả nhằm tối ưu hóa việc sử dụng dinh dưỡng cho cây trồng. SF có khả năng kiểm soát quá trình giải phóng chất dinh dưỡng, giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao năng suất cây trồng. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ bọc hạt để sản xuất phân urê thông minh là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong sản xuất nông nghiệp.

1.1. Tình hình sản xuất và sử dụng phân bón

Sự gia tăng dân số toàn cầu đã tạo ra áp lực lớn lên sản xuất nông nghiệp. Dự báo đến năm 2050, dân số thế giới sẽ đạt trên 9 tỷ người, yêu cầu sản xuất lương thực phải tăng hơn 40% so với năm 2019. Việc sử dụng phân bón là một yếu tố quan trọng trong việc đạt được mục tiêu này. Tuy nhiên, việc quản lý và sử dụng phân bón hiệu quả vẫn là một thách thức lớn. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc phát triển phân bón thông minh có thể giúp cải thiện hiệu suất sử dụng dinh dưỡng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm tài nguyên. Do đó, việc nghiên cứu công nghệ bọc hạt để sản xuất phân urê thông minh là một hướng đi tiềm năng cho ngành nông nghiệp hiện đại.

II. Công nghệ bọc hạt sản xuất phân bón thông minh

Công nghệ bọc hạt là một phương pháp sản xuất phân bón thông minh hiệu quả, cho phép kiểm soát quá trình giải phóng chất dinh dưỡng. Phương pháp này sử dụng màng bọc từ các vật liệu phù hợp, giúp bảo vệ và kiểm soát sự giải phóng của các chất dinh dưỡng. Việc áp dụng công nghệ bọc hạt không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc phát triển vật liệu bọc và tối ưu hóa quy trình sản xuất. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế trong việc tính toán và mô hình hóa quá trình bọc hạt. Do đó, việc xây dựng mô hình toán học cho quá trình này là rất cần thiết để cải thiện hiệu suất sản xuất và ứng dụng thực tiễn của phân bón thông minh.

2.1. Các phương pháp và thiết bị bọc hạt

Có nhiều phương pháp và thiết bị khác nhau được sử dụng trong công nghệ bọc hạt. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào loại vật liệu bọc và yêu cầu sản xuất. Phương pháp bọc ướt là một trong những phương pháp phổ biến, cho phép tạo ra lớp bọc đồng đều và hiệu quả. Việc lựa chọn thiết bị bọc phù hợp cũng rất quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của phân bón thông minh. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số công nghệ trong quá trình bọc hạt có thể giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu lãng phí nguyên liệu.

III. Tối ưu hóa quá trình bọc hạt

Tối ưu hóa quá trình bọc hạt là một yếu tố quan trọng trong việc sản xuất phân urê thông minh. Việc xác định các thông số công nghệ phù hợp sẽ giúp cải thiện hiệu suất bọc hạt và chất lượng sản phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm có thể giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bọc hạt một cách hiệu quả. Bên cạnh đó, việc sử dụng mô hình toán học để mô phỏng và tối ưu hóa quá trình bọc hạt cũng là một hướng đi tiềm năng. Mô hình này không chỉ giúp cải thiện quy trình sản xuất mà còn có thể áp dụng cho các sản phẩm khác trong lĩnh vực nông nghiệp và công nghiệp.

3.1. Tối ưu hóa thực nghiệm

Tối ưu hóa thực nghiệm là một phương pháp quan trọng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ bọc hạt. Phương pháp này cho phép xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bọc hạt và tìm ra các điều kiện tối ưu cho sản xuất phân bón thông minh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp phân tích hình ảnh và ghi hình tốc độ cao có thể giúp theo dõi và đánh giá quá trình bọc hạt một cách chính xác. Kết quả từ các thí nghiệm thực nghiệm sẽ cung cấp dữ liệu quan trọng để xây dựng mô hình toán học và cải thiện quy trình sản xuất.

IV. Kết quả và bàn luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ bọc hạt có thể cải thiện đáng kể hiệu suất sản xuất phân urê thông minh. Các vật liệu bọc mới được phát triển từ polyme có khả năng phân hủy sinh học đã chứng minh được tính hiệu quả và thân thiện với môi trường. Việc tối ưu hóa quy trình bọc hạt không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Các mô hình toán học được xây dựng trong nghiên cứu này có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành nông nghiệp, mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các sản phẩm phân bón khác.

4.1. Đánh giá chất lượng sản phẩm phân urê thông minh

Đánh giá chất lượng sản phẩm là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển phân bón thông minh. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phân urê thông minh có khả năng giải phóng chất dinh dưỡng một cách hiệu quả, đáp ứng nhu cầu của cây trồng. Việc kiểm tra và đánh giá chất lượng sản phẩm không chỉ giúp đảm bảo tính hiệu quả mà còn góp phần nâng cao uy tín của sản phẩm trên thị trường. Các tiêu chí đánh giá chất lượng cần được xác định rõ ràng và thực hiện một cách nghiêm ngặt để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn cao nhất.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Theo Tổ chức Lương thực Thế giới (FAO, 2019), hơn 48% dân số thế giới duy trì sự tồn tại nhờ việc gia tăng sản lượng cây trồng thông qua sử dụng phân đạm. Đến năm 2050, khi dân số dự báo vượt 9 tỷ người, sản xuất lương thực toàn cầu phải tăng thêm hơn 40%. Tại Việt Nam, lượng phân bón tiêu thụ đạt gần 11 triệu tấn vào năm 2021 với cường độ sử dụng trung bình 430 kg/ha, cao gấp 3,1 lần mức bình quân toàn cầu (138 kg/ha). Mặc dù vậy, hiệu suất hấp thu phân đạm tại Việt Nam chỉ đạt từ 30% đến 45%, dẫn đến thất thoát lượng lớn nitơ vào khí quyển (từ 26 đến 60 triệu tấn nitơ/năm) và gia tăng phát thải khí nhà kính (khoảng 607 triệu tấn $CO_2$/năm), đồng thời gây suy thoái, chua hóa đất và ô nhiễm nguồn nước ngầm.

Khung quản lý phân bón toàn cầu "4 đúng" (4R Stewardship: đúng nguồn, đúng tỷ lệ, đúng thời điểm, đúng vị trí) xác định phân bón thông minh (Smart Fertilizers - SF) hay phân bón giải phóng có kiểm soát (Controlled Release Fertilizer - CRF) là giải pháp kỹ thuật đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng đồng bộ với chu kỳ sinh trưởng của cây trồng. Tuy nhiên, khoảng trống nghiên cứu hiện nay là phần lớn các công trình chỉ tập trung tổng hợp vật liệu bọc hoặc thiết lập mô hình giải phóng lý thuyết, thiếu hụt các dữ liệu thực nghiệm kỹ thuật, mô hình hóa toán học các quá trình động học và phương pháp tính toán công nghệ bọc hạt trên thiết bị đĩa quay để triển khai sản xuất quy mô công nghiệp. Luận án "Nghiên cứu công nghệ bọc hạt để sản xuất phân urê thông minh" của nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Trung giải quyết khoảng trống kỹ thuật này.

Mục tiêu chung của luận án là xây dựng mô hình toán học thực nghiệm mô tả công nghệ bọc hạt theo phương pháp bọc ướt bằng thiết bị đĩa quay để mô hình hóa, tối ưu hóa, tính toán, thiết kế và cải tiến quá trình sản xuất phân urê thông minh (Smart Urea Fertilizer - SUF) thích ứng với điều kiện khí hậu và tập quán canh tác lúa nước tại Việt Nam.

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

1. Tìm kiếm vật liệu bọc phù hợp với phân urê thông minh từ nguồn nguyên liệu chi phí thấp, sẵn có, có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường.
2. Tối ưu hóa chế độ công nghệ bọc phân urê bằng thực nghiệm, phục vụ tính toán vận hành và thiết kế thiết bị bọc sản xuất SUF.
3. Phân tích, đánh giá thông số công nghệ bọc hạt trên thiết bị đĩa quay bằng phương pháp bọc ướt, từ đó thiết lập và phát triển mô hình toán học mô tả công nghệ bọc hạt.
4. Tiến hành khảo sát, đánh giá cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình giải phóng chất dinh dưỡng của SUF nhằm định hướng ứng dụng sản phẩm trong nông nghiệp.

• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình, thông số công nghệ bọc hạt theo cơ chế bọc ướt trên thiết bị đĩa quay; hạt phân urê nguyên liệu thương phẩm; dung dịch polyme bọc màng gốc tinh bột biến tính.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Phạm vi không gian kỹ thuật: Hệ thống thiết bị bọc đĩa quay gián đoạn quy mô phòng thí nghiệm (đường kính đĩa 200 mm, chiều cao 150 mm) tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh; khảo sát môi trường hòa tan trong nước tinh khiết ($25^\circ C$) và môi trường đất thử nghiệm có độ ẩm kiểm soát 50% - 60%.
  • Phạm vi đối tượng vật liệu: Hạt urê rắn có phân bố kích thước sàng tuyển trong khoảng 2,80 - 4,75 mm (tương đương 7 - 4 mesh); màng bọc hỗn hợp polyme phân hủy sinh học tổng hợp từ tinh bột biến tính phốt phát (PS), poly vinyl ancol (PVA) và poly acrylic axit (PAA).
  • Phạm vi thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm, phân tích dữ liệu và hoàn thành luận án trong giai đoạn đến năm 2022.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án phân loại các hướng nghiên cứu về phân bón giải phóng có kiểm soát và công nghệ bọc hạt:

1. Khái niệm và cơ chế giải phóng dinh dưỡng: Khái niệm phân bón thông minh được Lu và cộng sự (2013) hệ thống hóa. Hiệp hội Quản lý Kiểm soát Thực phẩm Thực vật Hoa Kỳ (AAPFCO, 2014, 2018) đã chuẩn hóa định nghĩa phân bón hiệu suất sử dụng cao (EEF), phân bón giải phóng chậm (SRF) và phân bón giải phóng có kiểm soát (CRF). Dave và cộng sự (1999) xây dựng sơ đồ đồng bộ hóa giữa đường cong giải phóng dinh dưỡng lý tưởng và nhu cầu hấp thu của cây trồng. Về cơ chế, Jarrell và Boersma (1979, 1980) cùng Goertz (1995) công bố mô hình cơ chế phá vỡ màng đối với phân bọc lưu huỳnh. Cơ chế màng siêu hấp phụ được nghiên cứu qua các công trình của Yong (2005). Đối với màng polyme bán thấm không tan, cơ chế khuếch tán 3 giai đoạn (thấm nước, hòa tan nhân urê, khuếch tán qua vi lỗ mao quản) được các tác giả xác lập theo định luật Fick II.
2. Vật liệu làm màng bọc:
   • Vật liệu vô cơ: Tennessee Valley Authority phát triển phân urê bọc lưu huỳnh; các nghiên cứu bổ sung sử dụng canxi sunfat ($CaSO_4$), muối phốt phát, xi măng và zeolit. Nhược điểm là màng giòn, nhiều vết nứt vi mô, cần nhiệt độ nóng chảy cao hoặc tạo bụi.
   • Polyme tổng hợp không phân hủy: Nhựa gốc ankyl, polyetylen, polysulfone, polyvinyl clorua, polyurethan. Các vật liệu này có thời gian lưu tồn lâu dài trong đất, gây ô nhiễm thứ cấp và đòi hỏi dung môi hữu cơ bay hơi độc hại.
   • Polyme tự nhiên và biến tính: Phân loại theo Azeem và cộng sự gồm xenlulozơ, lignin, chitosan, natri alginat và tinh bột. Tinh bột tự nhiên có nhược điểm ưa nước cao và độ giòn lớn (Singh và Nath, 2012). Các nghiên cứu khắc phục bằng cách phối trộn borat tạo liên kết chéo.
3. Các nghiên cứu trong nước: Trần Khắc Chương (1999) chế tạo phân urê nhả chậm trên nền zeolit; Nguyễn Cửu Khoa và cộng sự nghiên cứu màng bọc tinh bột phối hợp formalin, PVA, chitosan và phân urê formandehyt (UF); Bùi Thanh Hương và cộng sự (2009) nghiên cứu phân khoáng NPK nhả chậm trên nền than bùn; Hoàng Thị Kim Dung nghiên cứu màng bọc chitosan phối hợp chelat nano; Công ty Cổ phần RYNAN Smart Fertilizers thương mại hóa các dòng phân NPK bọc polyme tan chậm có kiểm soát; Nguyễn Trung Đức (2019) nghiên cứu phân bón bọc polyme điều khiển bề dày vỏ bọc.
4. Mô hình hóa và tối ưu hóa công nghệ bọc hạt: Luận án tổng hợp các nghiên cứu tối ưu hóa thiết bị bọc hạt bằng quy hoạch thực nghiệm (Bảng 2.1), phần lớn bắt nguồn từ ngành dược phẩm:

Dạng mô hình quy hoạch	Biến đầu vào	Hàm mục tiêu	Trích dẫn
Quy hoạch rút gọn $2^{6-2}$ bậc 1	Tốc độ phun, áp suất phun, nhiệt độ khí vào, tốc độ quay, góc phun, vị trí phun	Độ tăng khối lượng, độ ẩm, độ bền, thời gian phân rã của hạt	[103]
Quy hoạch bậc 2	Hàm lượng chất rắn, nhiệt độ khí vào, tốc độ, áp suất phun, tốc độ quay, số đầu phun	Độ đồng đều màng, độ giảm khối lượng sau sấy, hiệu suất bọc	[104], [105]
Quy hoạch trực giao Box-Wilson bậc 2	Tốc độ phun, tốc độ quay, nhiệt độ khí vào, mức tăng khối lượng hạt	Độ lệch chuẩn tương đối (RSD) của khối lượng hạt	[106]
Quy hoạch tâm xoay bậc 2	Nhiệt độ khí vào, lưu lượng phun, áp suất phun	Hiệu suất bọc trong thiết bị tầng sôi	Da và Rocha [107]
Quy hoạch toàn phần bậc 1	Lượng vật liệu, tốc độ quay, tốc độ phun	Độ biến thiên khối lượng màng bọc	[108]
Quy hoạch rút gọn $2^{5-1}$ bậc 1	Lượng vật liệu, tốc độ quay, tốc độ phun, thời gian và áp suất phun	Độ biến thiên khối lượng màng bọc	[109]
Quy hoạch toàn phần bậc 1	Khoảng cách đầu phun, tốc độ phun, áp suất phun	Tỷ lệ lớp bọc	[113]
Quy hoạch tâm xoay bậc 2	Tốc độ phun, tốc độ quay, nhiệt độ vào	Tỷ lệ khuyết tật, hiệu suất bọc, thời gian giải phóng, độ hòa tan	[114]

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Hầu hết các công trình tối ưu hóa thực nghiệm chỉ áp dụng cho ngành bao viên dược phẩm hoặc thiết bị tầng sôi, chưa có công trình nghiên cứu hệ thống thiết lập mô hình toán học đồng thời cho 3 quá trình cơ bản (phun sương tạo giọt, chuyển động hạt - tạo màng, nhiệt động học sấy) trên thiết bị đĩa quay với vật liệu polyme sinh học biến tính ứng dụng riêng cho sản xuất phân urê thông minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Lý thuyết công nghệ bọc ướt: Phân chia quá trình bọc thành 3 phân hệ động học tương hỗ:
  1. Quá trình phân tán chất lỏng bằng vòi phun khí động: quyết định diện tích tiếp xúc, kích thước giọt trung bình Sauter ($d_{32}$) và góc va đập lên bề mặt hạt urê.
  2. Quá trình chuyển động của khối hạt và hình thành màng: khối hạt chuyển động trong đĩa quay chịu tác dụng của lực ly tâm, trọng lực và lực ma sát. Trạng thái vận hành tối ưu là trạng thái hình thành lớp hạt chuyển động áp sát thành đĩa, tạo lực chà xát và miết nén liên tục giữa các hạt với nhau và với thành thiết bị, làm giảm độ xốp, tăng độ nhẵn và độ đặc khít của màng.
  3. Quá trình nhiệt động học sấy: mô tả sự truyền nhiệt - truyền khối đồng thời giữa dòng khí nóng, màng ướt và bề mặt hạt; động lực bay hơi là chênh lệch áp suất hơi riêng phần của dung môi giữa bề mặt màng và không khí sấy.
• Phương pháp phân tích thứ nguyên và Định lý $\pi$ của Buckingham: Thiết lập các chuẩn số không thứ nguyên đặc trưng cho động học dòng phun và quá trình hình thành lớp phủ nhằm khái quát hóa các quy luật vật lý phức tạp thành các phương trình chuẩn số thực nghiệm.
• Động học giải phóng qua màng theo Định luật Fick II: Mô tả quá trình khuếch tán chất tan từ vùng nồng độ bão hòa bên trong hạt qua mạng lưới mao quản của màng polyme ra môi trường nước xung quanh theo gradien nồng độ.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

1. Quy trình tổng hợp vật liệu bọc

Hồ hóa 15 g tinh bột mì hoặc tinh bột biến tính (gồm 4 loại: oxy hóa - OS, axetat - AS, cation - CS, phốt phát - PS; cung cấp bởi Công ty Nam Bảo Tín, Việt Nam) trong 500 ml nước cất ở $75^\circ C$, tốc độ khuấy 350 vòng/phút trong 30 phút. Bổ sung 0,3 g đinatri tetraborat ($Na_2B_4O_7 \cdot 10H_2O$, 99,5%, Xilong) làm chất tạo liên kết chéo, tiếp tục khuấy 5 phút. Cho từ từ 15 g poly vinyl ancol (PVA, mã hiệu PCT1316, 99%, HiMedia, Ấn Độ), khuấy ở tốc độ 450 vòng/phút trong 30 phút. Trộn dung dịch ghép tinh bột phốt phát - PVA thu được với poly acrylic axit (PAA, mã hiệu 2030, Công ty Nuplex Resins, Việt Nam) theo tỷ lệ thể tích 3:7 trong 20 phút ở $30^\circ C$, tốc độ khuấy 450 vòng/phút để hình thành hỗn hợp polyme cuối cùng ($PS-g-PVA/PAA$).

2. Thiết bị phân tích và đo đạc thông số cơ lý

• Đo khối lượng riêng dung dịch bằng bình tỷ trọng 50 ml (Bomex, Trung Quốc).
• Đo độ nhớt bằng nhớt kế Prona RV-2 (lỗ đo 4 mm, Đài Loan).
• Đo sức căng bề mặt bằng thiết bị vòng DuNOUY CSC (chu vi vòng 60 mm, độ chính xác $\pm 0,05$ dynes/cm) tại $30^\circ C$.
• Bề dày màng xác định bằng thiết bị Tobacco Thickness Tester (Trung Quốc).
• Ứng suất kéo, độ giãn dài khi đứt, lực biến dạng đo trên máy Multitest 5-xt (Mecmesin, Anh); áp suất chịu nén đo bằng máy QC-317M (Cometech, Đài Loan).
• Phân tích cấu trúc: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR Tensor 27, Bruker Optics, Đức, dải sóng $500 - 4000\text{ cm}^{-1}$ ép viên KBr); phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và nhiệt quét vi sai (DSC) trên máy LABSYS evo - SETARAM ($30 - 600^\circ C$, tốc độ gia nhiệt $10^\circ C/\text{phút}$, môi trường khí $N_2$); chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) bằng máy JSM 7401F (JEOL); nhiễu xạ tia X (XRD-7000, Shimadzu, Nhật Bản).

3. Hệ thống thiết bị bọc đĩa quay và thông số vận hành

Bộ phận thiết bị	Nhà sản xuất / Xuất xứ	Thông số kỹ thuật danh định
Máy nén khí	Puma (Đài Loan)	Công suất 1 HP, áp suất cực đại 0,8 MPa, lưu lượng khí 185 L/phút
Van điều áp khí nén	Prona RP-001-G (Đài Loan)	Dải điều chỉnh áp suất: 0,05 - 0,85 MPa
Bình áp suất cấp dịch	Prona RC-2E (Đài Loan)	Dung tích 2 L, áp suất làm việc tối đa 0,3 MPa
Súng phun tự động	Prona RA-100RC-08R (Đài Loan)	Đường kính béc phun 0,8 mm, áp suất làm việc tối đa 0,29 MPa
Thùng đĩa quay	Chế tạo thực nghiệm	Đường kính 200 mm, chiều cao thành 150 mm
Động cơ dẫn động đĩa	Oriental (Nhật Bản)	Tốc độ điều chỉnh biến thiên tối đa 80 vòng/phút (rpm)
Thước đo góc nghiêng	Niigata PRT-19 (Nhật Bản)	Dải đo điều chỉnh góc nghiêng đĩa: $30^\circ - 90^\circ$
Cụm gia nhiệt điện trở	Chế tạo thực nghiệm	Công suất 1 kW (gồm 2 cụm chữ U), nhiệt độ sấy: $50 - 120^\circ C$
Quạt gió sấy ly tâm	Chế tạo thực nghiệm	Công suất 0,5 HP, lưu lượng cấp khí: $20 - 70\text{ m}^3/\text{h}$

4. Kỹ thuật phân tích hình ảnh và xác định thông số động học

• Kích thước giọt sương và hạt: Sử dụng camera kỹ thuật số tốc độ cao Sony RX100 Mark V (20 megapixel, tốc độ ghi nhận 1000 khung hình/giây). Ảnh thực (RGB) được chuyển sang ảnh nhị phân (BW), lọc nhiễu và xử lý biên trên phần mềm MATLAB để tính toán đường kính trung bình Sauter ($d_{32}$ hoặc SMD).
• Khối lượng riêng hạt: Xác định theo tiêu chuẩn TCVN 8554:2010 bằng bình tỷ trọng lỏng 50 ml với dầu ăn làm môi trường không hòa tan urê theo công thức: $$\rho_p = \frac{20}{50 - V}\quad (\text{g/ml})$$
• Phân tích hàm lượng urê giải phóng: Thực hiện theo TCVN 6600:2000; phản ứng tạo phức màu giữa urê và thuốc thử 4-dimethyl-amino-benzaldehyde (p-DMAB, HiMedia) trong môi trường cồn - axit clohydric; đo độ hấp thụ quang trên máy quang phổ UV-Vis GENESYS 20 ở bước sóng hấp thụ cực đại. Tỷ lệ giải phóng ($g_i$) được tính bằng tỷ số giữa nồng độ tức thời ($C_i$) và nồng độ hòa tan hoàn toàn ($C^*$).

5. Phương pháp tối ưu hóa

Áp dụng quy hoạch thực nghiệm Plackett-Burman để sàng lọc các biến có ảnh hưởng lớn nhất. Tiếp tục thiết kế ma trận thực nghiệm tâm xoay bậc 2 (Central Composite Rotatable Design - CCRD) với $k = 3$ yếu tố:

• Số thí nghiệm nhân tố: $n_j = 2^3 = 8$
• Số thí nghiệm điểm sao ($\alpha = 2^{3/4} = 1,682$): $n_\alpha = 2 \times 3 = 6$
• Số thí nghiệm tại tâm: $n_0 = 6$
• Tổng số thí nghiệm: $N = 8 + 6 + 6 = 20$
• Tối ưu hóa đa mục tiêu: Sử dụng thuật toán Pareto search trên phần mềm MATLAB nhằm xác định tập nghiệm thỏa hiệp giữa hàm mục tiêu tối thiểu hóa lượng màng bọc ($y_1$) và tối đa hóa thời gian giải phóng 80% hàm lượng dinh dưỡng ($y_2$).

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở dữ liệu về ngành phân bón và công nghệ sản xuất phân bón thông minh:

• Tình hình sử dụng phân đạm và hệ lụy môi trường: Phân tích số liệu thống kê tiêu thụ phân bón toàn cầu và Việt Nam. Chỉ rõ các thất thoát phân đạm qua quá trình bay hơi amoniac ($NH_3$), rửa trôi nitrat ($NO_3^-$), chuyển hóa thành khí nhà kính ($N_2O$). Trình bày sơ đồ của Dave và cộng sự (1999) chứng minh phân bón truyền thống luôn tạo ra hai pha bất lợi: pha dư thừa dinh dưỡng gây ngộ độc rễ/lãng phí ở đầu chu kỳ và pha thiếu hụt dinh dưỡng ở giai đoạn đẻ nhánh, trổ bông.
• Phân loại phân bón hiệu suất cao: Phân định rõ 3 nhóm sản phẩm theo tiêu chuẩn AAPFCO: phân bón ổn định (chứa chất ức chế men urease hoặc ức chế nitrat hóa), phân bón giải phóng chậm (SRF, cấu trúc mạch cao phân tử phân giải hóa học từ từ) và phân bón giải phóng có kiểm soát (CRF/SF, dùng màng nhân tạo điều tiết khuếch tán).
• Cơ chế giải phóng dinh dưỡng: Phân tích chi tiết 3 mô hình đường cong giải phóng: (1) Cơ chế phá vỡ màng; (2) Cơ chế màng siêu hấp phụ trương nở; (3) Cơ chế khuếch tán qua màng polyme bán thấm. Luận án khẳng định cơ chế khuếch tán theo đường cong chữ S (dạng sigmoid) là mô hình duy nhất tương thích hoàn toàn với chu kỳ sinh trưởng của cây lúa.
• Công nghệ bọc hạt: Khảo sát 4 phương pháp bọc: bọc khô, bọc nóng chảy, bao phim lỏng và bọc ướt. Đánh giá chi tiết công nghệ bọc ướt trên thiết bị đĩa quay với 3 phân hệ tương tác: động học dòng phun, tương tác va chạm hạt - giọt lỏng, và quá trình truyền nhiệt - truyền khối tách ẩm dung môi.
• Đánh giá vật liệu làm màng bọc: Phân tích ưu nhược điểm của các màng vô cơ, polyme tổng hợp và polyme tự nhiên. Luận án kết luận hướng đi chọn lựa tinh bột biến tính (loại bỏ bớt nhóm hydroxyl tự do nhằm hạn chế trương nở) kết hợp với các polyme phân hủy sinh học (PVA, PAA) và chất tạo liên kết chéo borat là phương án tối ưu để sản xuất SUF.

CHƯƠNG 2: TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH BỌC HẠT

Chương 2 trình bày quá trình thực nghiệm tổng hợp vật liệu bọc, khảo sát đặc trưng hóa lý và tối ưu hóa chế độ bọc trên thiết bị đĩa quay:

• Đặc tính vật liệu bọc $PS-g-PVA/PAA$:
  • So sánh 5 loại tinh bột: tinh bột sắn tự nhiên (TS) và 4 loại tinh bột biến tính (OS, AS, CS, PS). Màng từ tinh bột biến tính phốt phát (PS) phối trộn PVA và PAA cho thấy độ bền cơ lý cao nhất: ứng suất kéo đạt $18,4\text{ MPa}$, áp suất chịu nén đạt $1,42\text{ MPa}$, độ thấm nước thấp hơn đáng kể so với mẫu dùng tinh bột tự nhiên.
  • Phổ FTIR chỉ ra sự hình thành liên kết este và liên kết hydro liên phân tử giữa nhóm phosphat của tinh bột, hydroxyl của PVA và carboxyl của PAA; phổ XRD cho thấy cấu trúc vô định hình gia tăng tính mềm dẻo; phân tích TGA/DSC chứng minh màng bền nhiệt tới $230^\circ C$, đáp ứng điều kiện sấy nhiệt độ cao trong thiết bị bọc.
  • Thông số dung dịch bọc hỗn hợp: khối lượng riêng $\rho = 982,8\text{ kg/m}^3$, độ nhớt $\mu = 50\text{ mPa}\cdot\text{s}$, sức căng bề mặt $\sigma = 0,0646\text{ N/m}$.
• Quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa đa mục tiêu:
  • Sàng lọc Plackett-Burman loại bỏ các biến ít ảnh hưởng, xác định 3 yếu tố công nghệ chính: góc nghiêng đĩa quay ($Z_1$, độ), lưu lượng dung dịch phun ($Z_2$, ml/phút), và thời gian bọc hạt ($Z_3$, phút). Các biến cố định gồm: lượng hạt nạp (100 g), tốc độ quay đĩa (45 vòng/phút), nhiệt độ tác nhân sấy ($70^\circ C$), áp suất khí nén đầu phun (0,18 MPa).
  • Ma trận tâm xoay bậc 2 (20 thí nghiệm) xây dựng hai phương trình hồi quy theo biến mã hóa ($X_1, X_2, X_3$):
    • Hàm mục tiêu tỷ lệ khối lượng màng ($y_1$, %): $$y_1 = b_0 + \sum b_i X_i + \sum b_{ii} X_i^2 + \sum b_{ij} X_i X_j$$
    • Hàm mục tiêu thời gian giải phóng 80% urê ($y_2$, giờ).
  • Sử dụng thuật toán tìm kiếm Pareto trên MATLAB xây dựng tập nghiệm tối ưu thỏa hiệp: lựa chọn chế độ vận hành góc nghiêng đĩa $48^\circ$, lưu lượng phun dịch $2,8\text{ ml/phút}$, thời gian bọc $32\text{ phút}$. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng cho thấy sai số tương đối giữa mô hình dự báo và thực nghiệm dưới 5%.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC CÔNG NGHỆ BỌC HẠT

Chương 3 xây dựng hệ phương trình toán học thực nghiệm bằng phương pháp phân tích thứ nguyên kết hợp kỹ thuật phân tích hình ảnh số:

• Mô hình hóa quá trình phun dung dịch tạo giọt:
  • Quá trình tán sương chịu ảnh hưởng của các thông số: đường kính đầu phun ($d_0$), lưu lượng chất lỏng ($Q_L$), áp suất phun ($P$), độ nhớt dung dịch ($\mu$), sức căng bề mặt ($\sigma$), khối lượng riêng dung dịch ($\rho$).
  • Bằng định lý $\pi$ của Buckingham, luận án xác lập các chuẩn số không thứ nguyên: chuẩn số Reynolds ($Re$), chuẩn số Weber ($We$), chuẩn số Ohnesorge ($Oh$).
  • Thu nhận dữ liệu qua camera tốc độ cao (1000 fps) và xử lý ảnh trên MATLAB xác định kích thước vùng phun và đường kính hạt lỏng trung bình Sauter ($d_{32}$). Phương trình chuẩn số xác định đường kính giọt có dạng: $$\frac{d_{32}}{d_0} = C \cdot Re^a \cdot We^b \cdot Oh^c$$ Các hệ số thực nghiệm được hồi quy với hệ số tương quan $R^2 > 0,95$.
• Mô hình hóa quá trình tạo màng trong thiết bị đĩa quay:
  • Thiết lập ma trận thứ nguyên cho chuyển động khối hạt và truyền nhiệt tách ẩm: đường kính đĩa quay ($D$), vận tốc góc ($\omega$), góc nghiêng đĩa ($\alpha$), lưu lượng tác nhân sấy ($G$), nhiệt độ khí vào ($T$), bề dày màng bọc ($\delta$).
  • Luận án xác lập phương trình chuẩn số mô tả độ dày màng bọc tương đối ($\delta / d_p$) và độ biến thiên đồng đều khối lượng theo các chuẩn số Froude ($Fr$), Reynolds hạt ($Re_p$), tỷ số nhiệt độ không thứ nguyên. Mô hình này cho phép tính toán thiết kế mở rộng tỷ lệ thiết bị đĩa quay trong điều kiện đồng dạng động học.

CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG CHẤT DINH DƯỠNG

Chương 4 khảo sát đặc tính giải phóng urê từ sản phẩm SUF trong các môi trường khác nhau và thiết lập mô hình khuếch tán:

• Đánh giá chất lượng sản phẩm theo chuẩn quốc tế:
  • Đối sánh các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm SUF tạo thành với Tiêu chuẩn Quốc tế ISO 18644:2016 về phân bón giải phóng có kiểm soát:
    • Tỷ lệ urê giải phóng trong 24 giờ đầu: $< 12%$ (đạt yêu cầu ISO $\le 15%$).
    • Tỷ lệ urê giải phóng trong 28 ngày: $< 72%$ (đạt yêu cầu ISO $\le 75%$).
    • Thời gian giải phóng đạt 80% tổng lượng dinh dưỡng kéo dài từ 35 đến 45 ngày tùy thuộc độ dày lớp màng.
• Mô hình toán học quá trình khuếch tán:
  • Thiết lập phương trình vi phân truyền khối theo định luật Fick II trong hệ tọa độ cầu: $$\frac{\partial C}{\partial t} = D_{eff} \left( \frac{\partial^2 C}{\partial r^2} + \frac{2}{r} \frac{\partial C}{\partial r} \right)$$ với $D_{eff}$ là hệ số khuếch tán hiệu dụng của urê qua màng polyme xốp. Giải phương trình bằng phương pháp giải tích với các điều kiện biên tương ứng, xác định được $D_{eff}$ nằm trong khoảng $10^{-12} - 10^{-11}\text{ m}^2/\text{s}$.
• Ảnh hưởng của các yếu tố ngoại vi:
  • Độ dày màng bọc: Tốc độ giải phóng tỷ lệ nghịch với bề dày màng; tăng bề dày từ $25,\mu\text{m}$ lên $65,\mu\text{m}$ kéo dài thời gian nhả 80% urê từ 18 ngày lên 42 ngày.
  • Nhiệt độ môi trường: Khảo sát tại $20^\circ C, 30^\circ C, 40^\circ C$, tốc độ giải phóng tăng khi nhiệt độ tăng, tuân theo phương trình Arrhenius về năng lượng hoạt hóa khuếch tán.
  • Giá trị pH: Thử nghiệm trong các dải pH 5, 7, 9 cho thấy màng $PS-g-PVA/PAA$ bền vững trong môi trường trung tính và axit yếu, tốc độ giải phóng tăng nhẹ trong môi trường kiềm (pH 9) do sự phân ly nhóm carboxyl của PAA gây trương nở nhẹ mạng polyme.
  • Môi trường đất: Tốc độ giải phóng urê trong đất ẩm (50% - 60%) chậm hơn khoảng 15% - 20% so với môi trường nước tĩnh do sự cản trở truyền khối của các hạt đất xung quanh.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

1. Phát hiện hệ vật liệu màng bọc mới: Luận án đã tổng hợp thành công màng polyme phối trộn từ tinh bột biến tính phốt phát (PS), poly vinyl ancol (PVA) và poly acrylic axit (PAA) có liên kết chéo bằng đinatri tetraborat. Đây là vật liệu phân hủy sinh học mới, cải thiện triệt để tính ưa nước và độ giòn của tinh bột truyền thống, tạo màng bán thấm có độ bền cơ lý cao phù hợp với công nghệ bọc ướt.
2. Hệ thống phương trình chuẩn số thực nghiệm: Luận án lần đầu tiên xây dựng hoàn chỉnh hệ thống mô hình toán học thực nghiệm bằng phương pháp phân tích thứ nguyên mô tả đồng bộ:
   • Phương trình chuẩn số cho kích thước giọt phun ($d_{32}$) và diện tích vùng phun trong hệ tán sương khí động hai pha.
   • Phương trình chuẩn số mô tả động học hình thành lớp màng và tương quan truyền khối - tách ẩm trong thiết bị bọc đĩa quay.
3. Ứng dụng kỹ thuật phân tích ảnh số quang học: Thiết lập quy trình đo đạc đường kính giọt phun và kích thước hạt urê bằng camera ghi hình tốc độ cao (1000 hình/giây) kết hợp giải thuật xử lý ảnh số trên MATLAB, thay thế các phương pháp đo rây truyền thống hoặc thiết bị laser đắt tiền.

Những đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp công nghệ

1. Quy trình công nghệ chế tạo SUF chi phí thấp: Xây dựng thông số công nghệ vận hành chuẩn trên thiết bị đĩa quay (nhiệt độ khí sấy $70^\circ C$, áp suất phun 0,18 MPa, góc nghiêng $48^\circ$, lưu lượng phun $2,8\text{ ml/phút}$) sử dụng nguyên liệu có sẵn tại Việt Nam, cho phép các nhà máy sản xuất phân urê hiện hữu tích hợp thêm khâu bọc hạt mà không cần thay đổi dây chuyền tạo hạt tháp phun sẵn có.
2. Sản phẩm đạt chuẩn quốc tế: Sản phẩm phân urê thông minh tạo ra được kiểm định đạt đầy đủ các tiêu chí khắt khe của Tiêu chuẩn Quốc tế ISO 18644:2016 về cơ chế giải phóng chậm có kiểm soát.
3. Kiến nghị và giải pháp đề xuất: Luận án đề xuất áp dụng công nghệ bọc hạt màng sinh học đĩa quay vào sản xuất phân bón chuyên dụng cho các vùng canh tác lúa trọng điểm tại Đồng bằng sông Cửu Long nhằm thích ứng với biến đổi khí hậu, hiện tượng xâm nhập mặn và giảm phát thải khí nhà kính nông nghiệp.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của nghiên cứu:
  • Quy mô thiết bị thực nghiệm còn giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm (đường kính đĩa 200 mm, mẻ nạp 100 g urê), chế độ vận hành gián đoạn theo mẻ, chưa tiến hành trên hệ thống đĩa quay liên tục công nghiệp.
  • Phép thử giải phóng dinh dưỡng chủ yếu thực hiện trong môi trường nước phòng thí nghiệm và chậu đất kiểm soát độ ẩm tĩnh ($50% - 60%$), chưa tính toán đến tác động tổng hợp của hệ vi sinh vật đất thực địa, dòng chảy mặt ruộng lúa nước và các biến động thời tiết tự nhiên.
  • Chưa mở rộng khảo sát trên các dòng phân bón phức hợp khác ngoài phân đơn urê.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo:
  • Nghiên cứu thiết kế chuyển đổi quy mô (scale-up) từ thiết bị đĩa quay gián đoạn sang hệ thống thiết bị thùng quay bọc hạt liên tục công suất lớn.
  • Ứng dụng hệ vật liệu bọc $PS-g-PVA/PAA$ cho các đối tượng phân bón khác như phân kali, phân lân nung chảy và phân hỗn hợp NPK.
  • Triển khai khảo nghiệm nông học diện rộng trên các giống lúa thuần và lúa lai tại các vùng sinh thái nông nghiệp khác nhau ở Việt Nam để lượng hóa hiệu quả kinh tế và mức độ giảm phát thải khí nhà kính ngoài thực địa.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:

1. Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa cơ học chất lưu, truyền nhiệt - truyền khối, phương pháp phân tích thứ nguyên (định lý Buckingham $\pi$) và quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa Pareto trên phần mềm MATLAB.
2. Kỹ sư và nhà sản xuất phân bón: Cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết về cấu tạo hệ thống thiết bị đĩa quay, súng phun khí nén Prona, quy trình hồ hóa và phối trộn vật liệu polyme sinh học giá rẻ để ứng dụng nâng cấp dây chuyền urê hạt đục hoặc hạt trong hiện có.
3. Các nhà nghiên cứu nông hóa học và quản lý chính sách nông nghiệp: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm về động học tan rã của urê, cơ chế khuếch tán qua màng theo ISO 18644:2016, hỗ trợ xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phân bón hiệu suất cao (EEF) tại Việt Nam.
4. Phần đáng tham khảo nhất: Chương 2 (quy trình tổng hợp màng polyme và ma trận quy hoạch thực nghiệm tâm xoay) cùng Chương 3 (phương pháp thiết lập ma trận thứ nguyên và phương trình chuẩn số cho hệ phun - bọc hạt).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án lựa chọn loại vật liệu polyme nào để bọc hạt urê và vì sao vật liệu này khắc phục được nhược điểm của tinh bột tự nhiên?
Luận án sử dụng hỗn hợp polyme $PS-g-PVA/PAA$ gồm tinh bột biến tính phốt phát (PS), poly vinyl ancol (PVA) và poly acrylic axit (PAA) với chất tạo liên kết chéo đinatri tetraborat. Tinh bột tự nhiên chứa mật độ nhóm hydroxyl (-OH) tự do lớn, gây trương nở mạnh và làm màng bị đứt gãy sớm trong nước. Việc biến tính phốt phát hóa kết hợp tạo mạng lưới liên phân tử với PVA và PAA giúp giảm tính ưa nước, gia tăng độ bền kéo (đạt 18,4 MPa) và độ nén, duy trì tính bán thấm cho màng trong suốt 30 - 45 ngày.

2. Ba biến công nghệ chính được đưa vào mô hình tối ưu hóa bằng quy hoạch tâm xoay bậc 2 là gì và giá trị tối ưu tìm được là bao nhiêu?
Qua sàng lọc Plackett-Burman, 3 biến ảnh hưởng lớn nhất được lựa chọn là: góc nghiêng đĩa quay ($Z_1$), lưu lượng dung dịch phun ($Z_2$), và thời gian bọc ($Z_3$). Điểm vận hành tối ưu đa mục tiêu (xác định qua thuật toán Pareto search trên MATLAB) là: góc nghiêng đĩa $48^\circ$, lưu lượng phun $2,8\text{ ml/phút}$, thời gian bọc hạt $32\text{ phút}$, với các thông số cố định: tốc độ quay đĩa 45 rpm, nhiệt độ sấy $70^\circ C$, áp suất khí phun 0,18 MPa.

3. Phương pháp phân tích thứ nguyên được áp dụng như thế nào trong việc xây dựng mô hình toán học của công nghệ bọc hạt?
Tác giả sử dụng Định lý $\pi$ của Buckingham để gom các biến vật lý có thứ nguyên (như vận tốc, khối lượng riêng, độ nhớt, sức căng bề mặt, kích thước hình học) thành các nhóm chuẩn số không thứ nguyên đặc trưng: Reynolds ($Re$), Weber ($We$), Ohnesorge ($Oh$) cho quá trình phân tán chất lỏng, và Froude ($Fr$), tỷ số nhiệt độ cho quá trình tạo màng trong đĩa quay. Bằng phương pháp hồi quy từ số liệu thực nghiệm ghi hình tốc độ cao, tác giả xác định các số mũ và hệ số thực nghiệm, tạo ra phương trình chuẩn số tổng quát mô tả đường kính giọt Sauter ($d_{32}$) và độ dày lớp màng.

4. Sản phẩm phân urê thông minh của luận án đạt những tiêu chí nào theo Tiêu chuẩn Quốc tế ISO 18644:2016?
Theo tiêu chuẩn ISO 18644:2016 đối với phân bón giải phóng có kiểm soát, sản phẩm SUF trong luận án đạt:

• Tỷ lệ dinh dưỡng giải phóng sau 24 giờ đầu tiên đạt dưới 12% (tiêu chuẩn quy định không vượt quá 15%).
• Tỷ lệ giải phóng sau 28 ngày đạt dưới 72% (tiêu chuẩn quy định không vượt quá 75%).
• Cơ chế giải phóng tuân thủ đường cong khuếch tán Fick II, đạt mốc 80% dinh dưỡng từ ngày thứ 35 đến ngày thứ 45.

---

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Trung đã giải quyết thành công các vấn đề kỹ thuật trọng tâm trong việc chế tạo phân urê thông minh thông qua việc làm chủ công nghệ bọc hạt ướt trên thiết bị đĩa quay. Bằng việc tổng hợp hệ vật liệu màng polyme sinh học $PS-g-PVA/PAA$ thân thiện môi trường và xây dựng hệ thống phương trình chuẩn số mô tả quá trình phun sương cũng như chuyển động tạo màng, công trình đã lấp đầy khoảng trống tính toán công nghệ bọc hạt trong nước. Kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu và đối sánh động học theo tiêu chuẩn ISO 18644:2016 cung cấp luận cứ khoa học tin cậy và khả thi để triển khai ứng dụng sản xuất phân bón hiệu suất cao trong thực tiễn nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN 1.1 Tình hình sản xuất và sử dụng phân bón Theo thống kê FAO (2019), hơn 48% dân số thế giới tồn tại được do sự gia tăng sản lượng cây trồng nhờ sử dụng phân bón nitơ. Theo dự báo dân số thế giới sẽ đạt trên 9 tỷ vào năm 2050 và sản xuất lương thực phải tăng hơn 40% so với năm 2019. Trong khi đó, diện tích đất trồng, lượng nước ngọt sử dụng đang tiếp tục giảm do tốc độ đô thị hóa và biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng, vì vậy để đảm bảo tình hình an ninh lương thực toàn cầu, lượng sử dụng phân bón ngày càng nhiều. Tính đến hết năm 2019, tổng lượng phân bón vô cơ sử dụng trên toàn thế giới ước tính hơn 190,5 triệu tấn và dự đoán đến năm 2022, lượng phân bón sử dụng đạt hơn 200 triệu tấn, tăng trung bình khoảng 1,6%/năm [1].

Ở Việt Nam, lượng phân bón sử dụng tăng từ 6,5 triệu tấn năm 2002 đến gần 11 triệu tấn năm 2021 và là một trong 10 quốc gia sử dụng phân bón nhiều nhất trên thế giới. Lượng phân bón tiêu thụ trung bình ở Việt Nam là 430 kg/ha, cao gấp 3,1 lần mức trung bình của thế giới (138 kg/ha), chỉ sau một số quốc gia như New Zealand (1.717 kg/ha), Malaysia (1.539 kg/ha), Ai Cập (645,5 kg/ha), Trung Quốc (503 kg/ha) (thống kê năm 2019). Trong khi đó, hiệu suất sử dụng phân bón hiện nay là khá thấp. Hiệu suất sử dụng phân bón Nitơ (N) khoảng 50%-60% ở năm đầu tiên [2] và thường trung bình từ 30% đến 50%, phụ thuộc vào mùa vụ, loại cây trồng, điều kiện thời tiết và tính chất thổ nhưỡng.

Hiệu suất sử dụng của phân phốt pho (P) đạt khoảng 10%-25% trong năm đầu tiên và tăng khoảng 1%-2% mỗi năm ở các mùa vụ tiếp theo [2], [3]. Hiệu suất sử dụng phân phốt pho phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, độ pH của đất, loại cây trồng, vị trí và thời gian bón [4]. Phân Kali có hiệu suất sử dụng trung bình ở mức 50%-60% [2], [4]. Theo số liệu của Viện Nghiên cứu lúa quốc tế và tính toán của các chuyên gia trong lĩnh vực nông hóa học ở Việt Nam, hiệu suất sử dụng phân đạm mới chỉ đạt 30-45%, lân 40-45% và kali 40-50%, tuỳ theo loại đất, giống cây trồng, thời vụ, phương pháp bón và loại phân bón [5], [6].

4 Từ đó cho thấy, một lượng lớn phân bón không được cây trồng hấp thụ và thất thoát vào môi trường. Vì vậy, việc sử dụng phân bón quá mức cần thiết đã tạo ra những tác động tiêu cực như: - Làm suy thoái nguồn dinh dưỡng, làm chua hóa và giảm độ phì nhiêu của đất [6]. - Gây ô nhiễm không khí, nguồn nước khu vực dân cư sinh sống do sự phát thải ra các chất độc hại chưa được xử lý triệt để và các chất có mùi [5]. - Làm tăng nồng độ nitrat trong nước gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, đây là một trong những nguyên nhân gây ra bệnh giảm nồng độ oxy trong máu, bệnh ung thư dạ dày, bướu cổ, dị tật bẩm sinh, bệnh tim mạch,… [7].

Ngoài ra, trong hầu hết các hệ sinh thái thủy sinh, khi hàm lượng phốt pho cao cũng làm gia tăng sinh khối của tảo, giảm lượng oxy trong nước gây chết thủy hải sản và dễ phân hủy tạo mùi [4], [8]. - Sự thất thoát nitơ vào không khí do sự dư thừa đạm trong quá trình sử dụng phân bón cho cây trồng chiếm một lượng khá lớn (khoảng từ 26 đến 60 triệu tấn nitơ/năm) được xem như một nguyên nhân chính làm tăng lượng nitơ trong bầu khí quyển.