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 về luận án

Trong bối cảnh an ninh lương thực toàn cầu đối mặt với áp lực gia tăng dân số dự báo vượt 9 tỷ người vào năm 2050 đòi hỏi sản lượng nông nghiệp phải tăng trên 40%, phân bón đóng vai trò then chốt khi duy trì sự sống cho hơn 48% dân số thế giới (FAO, 2019). Tuy nhiên, hiệu suất sử dụng phân đạm (N) hiện nay trên toàn cầu chỉ dao động từ 30% đến 50%, riêng tại Việt Nam lượng phân bón tiêu thụ đạt mức 430 kg/ha (cao gấp 3,1 lần mức trung bình thế giới là 138 kg/ha) nhưng hiệu suất hấp thu đạm của cây lúa nước chỉ đạt 30-45%. Sự thất thoát 55-70% lượng đạm qua bay hơi amoniac ($NH_3$), rửa trôi nitrat ($NO_3^-$) và phát thải khí nhà kính oxit nitơ ($N_2O$) gây chua hóa đất, phú dưỡng hóa nguồn nước và đóng góp vào 607 triệu tấn $CO_2$ tương đương phát thải mỗi năm.

Khoảng trống nghiên cứu cốt lõi được xác định: Trong khi 85% các công bố quốc tế tập trung vào việc tổng hợp vật liệu polyme và cơ chế giải phóng dinh dưỡng ở quy mô phòng thí nghiệm tĩnh, các nghiên cứu chuyên sâu về thủy động lực học, động học tạo màng và mô hình hóa toán học quá trình bọc hạt ướt trên thiết bị đĩa quay gần như chưa được hoàn thiện. Thiếu hụt các phương trình chuẩn số mô tả quá trình phun sương phân tán và cơ chế tương tác cơ học trong buồng bọc gây cản trở nghiêm trọng quá trình chuyển giao công nghệ lên 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 (Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh, 2022) do PGS. Trịnh Văn Dũng và TS. Trần Nghị hướng dẫn, đã giải quyết khoảng trống này thông qua việc thiết lập các câu hỏi và giả thuyết khoa học:

• RQ1: Cấu trúc mạng liên kết polyme ba chiều tổng hợp từ tinh bột biến tính phốt phát (PS), poly vinyl ancol (PVA) và poly acrylic axit (PAA) kiểm soát tính thấm nước và tốc độ khuếch tán urê như thế nào?
• RQ2: Các chuẩn số không thứ nguyên nào chi phối quá trình tán sương tạo giọt lỏng và quá trình hình thành lớp màng đồng đều trên thiết bị bọc đĩa quay?
• RQ3: Tọa độ tối ưu Pareto giữa tỷ lệ khối lượng màng bọc tối thiểu và thời gian giải phóng 80% dinh dưỡng ($t_{80}$) cực đại được xác lập ra sao?
• H1: Màng bọc composite sinh học gốc PS-g-PVA/PAA biến tính bằng borat có khả năng phân hủy sinh học, triệt tiêu hiện tượng vỡ màng đột ngột, chuyển dịch cơ chế sang khuếch tán ổn định Fick II.
• H2: Mô hình toán thực nghiệm dạng phương trình chuẩn số xây dựng từ phương pháp phân tích thứ nguyên mô tả chính xác đường kính giọt trung bình Sauter ($d_{32}$) và bề dày lớp màng trong thiết bị đĩa quay.

Khung lý thuyết của nghiên cứu tích hợp nguyên lý Quản trị dinh dưỡng 4 đúng (4R Nutrient Stewardship: đúng nguồn, đúng tỷ lệ, đúng thời điểm, đúng vị trí), Định luật khuếch tán Fick II trong môi trường xốp và Định lý $\pi$ Buckingham trong cơ học thủy khí. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm thực hiện trên mẫu hạt urê kích thước 2,80–4,75 mm (7–4 mesh), vận hành hệ thống đĩa quay đường kính 200 mm, chiều cao 150 mm, góc nghiêng 30–90° và vận tốc quay đến 80 vòng/phút.

Literature Review và Positioning

Tổng quan y văn quốc tế ghi nhận ba dòng nghiên cứu chính trong công nghệ phân bón giải phóng có kiểm soát (CRF):

1. Dòng vật liệu vô cơ và lưu huỳnh: Khởi xướng từ các công trình của Tennessee Valley Authority (1968) và phát triển bởi Goertz (1995), sử dụng lưu huỳnh nóng chảy tạo lớp phủ. Tuy nhiên, màng bọc lưu huỳnh giòn, nhiều vết nứt vi mô dẫn đến cơ chế phá hủy thảm họa (catastrophic burst mechanism), làm dinh dưỡng giải phóng ồ ạt sau thời gian trễ ngắn.
2. Dòng polyme tổng hợp kỵ nước: Nhóm nghiên cứu của Lu et al. (2013) và Trenkel (2010) tập trung vào polyolefin, polyurethane, polysulfone và nhựa nhiệt dẻo. Dù kiểm soát khuếch tán tốt, các hệ này bắt buộc sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, chi phí cao và để lại vi nhựa không phân hủy trong đất canh tác.
3. Dòng polyme sinh học tự nhiên: Các nghiên cứu của Singh & Nath (2012), Azeem et al. (2014) và tại Việt Nam là nhóm Nguyễn Cửu Khoa (2008, 2010) sử dụng tinh bột, chitosan, alginat. Nhược điểm chí tử của nhóm này là độ ưa nước cao, màng trương nở quá mức gây hòa tan nhanh, không đáp ứng được tiêu chuẩn quốc tế ISO 18644:2016.

Cuộc tranh luận học thuật trung tâm nằm ở hai quan điểm đối nghịch về cơ chế giải phóng: Mô hình phá hủy màng cơ học (Jarrell & Boersma, 1979) cho rằng quá trình giải phóng xảy ra tức thời khi áp suất thẩm thấu vượt giới hạn bền của vỏ; ngược lại, Mô hình khuếch tán màng đa giai đoạn (Shaviv et al., 2003) khẳng định phân bón thông minh lý tưởng phải tuân theo đường cong chữ S (sigmoidal curve) gồm ba giai đoạn tiếp nối: thấm nước qua mao quản, hòa tan lõi bão hòa và khuếch tán phân tử ổn định qua màng.

Vị trí học thuật của luận án được xác lập thông qua việc so sánh đối chứng với hai nghiên cứu quốc tế điển hình:

• So với công trình của Da & Rocha (2018) về bọc phân urê trong thiết bị tầng sôi: Nghiên cứu của Da & Rocha chỉ tối ưu hóa các biến vận hành đơn lẻ bằng quy hoạch thực nghiệm mà không thiết lập được mô hình toán tổng quát dựa trên phân tích thứ nguyên, đồng thời màng bọc tầng sôi có độ rỗng cao hơn. Luận án vượt trội hơn khi giải quyết triệt để động lực học chuyển động hạt trong đĩa quay nhằm tạo lực nén cơ học ép chặt cấu trúc màng.
• So với nghiên cứu của Azeem et al. (2014) về vật liệu bọc composite tinh bột: Nhóm tác giả quốc tế dừng lại ở việc khảo sát khả năng giữ ẩm mà chưa tích hợp công nghệ bọc ướt với thiết bị phun tự động và chưa chuẩn hóa được phương trình chuẩn số cho kích thước giọt sương $d_{32}$.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng Định lý $\pi$ Buckingham trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học thông qua việc mô hình hóa đồng thời ba hiện tượng chuyển khối và động lực học phức tạp: quá trình tán sương dung dịch polyme phi Newton, quá trình chuyển động và va đập của hạt trên đĩa quay nghiêng, và quá trình truyền nhiệt - truyền khối bốc hơi dung môi hình thành màng.

Nghiên cứu kiểm chứng và mở rộng Định luật khuếch tán Fick II trong môi trường màng composite xốp bán thấm: $$\frac{\partial C}{\partial t} = D_{eff} \left( \frac{\partial^2 C}{\partial r^2} + \frac{2}{r} \frac{\partial C}{\partial r} \right)$$ trong đó hệ số khuếch tán hiệu dụng $D_{eff}$ không còn là hằng số tĩnh mà phụ thuộc trực tiếp vào độ xoắn mao quản, độ nén chặt cơ học và bề dày màng tạo ra từ các thông số vận hành thiết bị đĩa quay. Sự chuyển dịch mô thức (paradigm shift) được chứng minh bằng thực nghiệm: chuyển đổi hoàn toàn từ cơ chế phá vỡ màng đơn thuần sang cơ chế khuếch tán phân tử duy trì gradient nồng độ bão hòa, đồng bộ hóa hoàn hảo với đường cong nhu cầu dinh dưỡng của cây lúa theo sơ đồ lý tưởng của Dave et al. (1999).

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đa tầng lý thuyết:

• Cơ học lưu chất và phân tán pha: Ứng dụng các chuẩn số Reynolds ($Re$), Weber ($We$), Ohnesorge ($Oh$) để mô tả động lực học tia phun chất lỏng.
• Cơ học hạt rời và truyền nhiệt sấy: Tích hợp chuẩn số Froude ($Fr$), tỷ lệ hình học và gradient nhiệt độ sấy mô tả sự nén chặt màng.
• Tối ưu hóa đa mục tiêu phi tuyến: Sử dụng giải thuật Pareto Search xác lập bề mặt đáp ứng đa mục tiêu.

Điều kiện biên của khung phân tích được xác định rõ: áp dụng cho hệ hạt nhân urê hình cầu/bầu dục ($d_p = 2,80 - 4,75$ mm), dung dịch bọc có độ nhớt động lực học $\mu = 50$ mPa.s, khối lượng riêng $\rho = 982,8$ kg/m³, sức căng bề mặt $\sigma = 0,0646$ N/m, hoạt động trong dải nhiệt độ sấy 50–120°C và góc nghiêng đĩa 30–90°.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu tuân thủ chặt chẽ thế giới quan thực chứng (positivism) kết hợp suy diễn thực nghiệm (empirical-deductive). Thiết kế nghiên cứu đa tầng bao gồm:

1. Cấp độ phân tử - cấu trúc: Tổng hợp và phân tích hóa lý màng composite sinh học.
2. Cấp độ thủy động lực học: Phân tích hình ảnh tốc độ cao quá trình phun sương.
3. Cấp độ thiết bị và quá trình: Quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa chế độ bọc trên đĩa quay.
4. Cấp độ động học giải phóng: Đánh giá tốc độ nhả chậm urê trong môi trường nước và đất đối chứng.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình tổng hợp vật liệu bọc được thực hiện qua các bước nghiêm ngặt: Hồ hóa 15 g tinh bột biến tính phốt phát (PS) với 500 ml nước cất ở 75°C, tốc độ khuấy 350 rpm trong 30 phút; bổ sung 0,3 g đinatri tetraborat ($Na_2B_4O_7\cdot10H_2O$, 99,5%, Xilong) tạo liên kết chéo trong 5 phút; phối trộn từ từ 15 g PVA (PCT1316, 99%, HiMedia) ở 450 rpm trong 30 phút; dung dịch sau đó được phối trộn với poly acrylic axit (PAA 2030, Nuplex Resins) theo tỷ lệ thể tích 3:7 ở 30°C trong 20 phút.

Hệ thống thiết bị thực nghiệm gồm:

• Thiết bị bọc đĩa quay đường kính 200 mm, chiều cao 150 mm, truyền động bằng động cơ Oriental (Nhật Bản, điều khiển 0-80 rpm), thước đo góc Niigata PRT-19 (độ chính xác 0,5°).
• Cụm phun sương: súng phun tự động Prona RA-100RC-08R (béc phun đường kính 0,8 mm), bình điều áp Prona RC-2E, van điều áp Prona RP-001-G, áp suất phun cố định 0,18 MPa, khoảng cách phun chuẩn 200 mm.
• Cụm cấp nhiệt: điện trở khí 1 kW, quạt ly tâm lưu lượng 20–70 m³/h, kiểm soát nhiệt độ tác nhân sấy 50–120°C.

Kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu hình ảnh kỹ thuật số: Sử dụng máy ảnh Sony RX100 Mark V độ phân giải 20 megapixel ghi hình tốc độ cao 1000 khung hình/giây. Thuật toán xử lý ảnh trên MATLAB Image Processing Toolbox thực hiện: chuyển đổi ảnh thực (RGB) sang nhị phân (Binary - BW), lọc nhiễu nền, phân đoạn hạt và tính toán đường kính trung bình khối - diện tích Sauter Mean Diameter ($SMD - d_{32}$): $$d_{32} = \frac{\sum n_i d_i^3}{\sum n_i d_i^2}$$

Phép đo quang phổ xác định nồng độ urê: Sử dụng máy quang phổ UV-Vis GENESYS 20 tại bước sóng cực đại xác định theo tiêu chuẩn TCVN 6600:2000, tạo phức màu với thuốc thử 4-dimethylaminobenzaldehyde ($p$-DMAB, 99%, HiMedia) trong môi trường cồn - axit clohydric. Tỷ lệ giải phóng dinh dưỡng ($g_i$) được chuẩn hóa theo công thức: $$g_i = \frac{C_i}{C^} \times 100%$$ với $C_i$ là hàm lượng urê hòa tan tại thời điểm $t_i$ và $C^$ là hàm lượng urê tổng số hòa tan hoàn toàn.

Data và phân tích

Nghiên cứu áp dụng ma trận sàng lọc Plackett-Burman để loại bỏ các yếu tố không có ý nghĩa thống kê ($p > 0,05$), sau đó triển khai quy hoạch thực nghiệm tâm xoay bậc hai (Rotatable Central Composite Design - CCD) với $k = 3$ yếu tố chính:

• Số thí nghiệm cầu phương: $n_j = 2^3 = 8$
• Số thí nghiệm điểm sao: $n_\alpha = 2 \times 3 = 6$ (với cánh tay đòn $\alpha = 2^{3/4} = 1,682$)
• Số thí nghiệm tại tâm: $n_0 = 6$
• Tổng số lần chạy thực nghiệm: $N = 20$

Các biến độc lập được chuẩn hóa và mã hóa: Góc nghiêng đĩa quay ($X_1$), Lưu lượng dung dịch phun ($X_2$), Thời gian bọc ($X_3$). Hai hàm mục tiêu tối ưu gồm: Tỷ lệ khối lượng màng bọc ($Y_1, %$) và Thời gian giải phóng 80% lượng đạm ($Y_2 = t_{80}$, giờ). Phân tích hồi quy đa thức bậc hai và tối ưu hóa đa mục tiêu bằng thuật toán tìm kiếm Pareto (Pattern Search) được thực thi trên phần mềm MATLAB.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Tổng hợp thành công màng composite ba thành phần PS-g-PVA/PAA tối ưu: Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR Tensor 27) chỉ ra sự hình thành các liên kết este và liên kết hydro liên phân tử bền vững giữa nhóm hydroxyl của tinh bột phốt phát, mạch PVA và nhóm carboxyl của PAA thông qua cầu nối borat. Phân tích nhiệt TGA/DSC cho thấy màng có độ bền nhiệt ổn định đến 250°C, ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM JSM 7401F) xác nhận cấu trúc bề mặt màng đồng nhất, không có vết nứt tế vi.
2. Xác lập phương trình chuẩn số mô tả quá trình phun sương polyme: Thông qua phân tích thứ nguyên từ ma trận thứ nguyên các thông số lỏng và khí, luận án thiết lập phương trình chuẩn số xác định đường kính giọt sương Sauter: $$\frac{d_{32}}{d_0} = K \cdot Re_l^a \cdot We_l^b \cdot Oh^c$$ với hệ số xác định $R^2 > 0,95$, cho phép dự báo chính xác kích thước giọt sương và diện tích vùng phun tiếp xúc với bề mặt hạt.
3. Phát hiện chế độ chuyển động ly tâm trượt thành tối ưu: Phân tích động học hạt urê trên đĩa quay chứng minh rằng khi đĩa quay ở vận tốc đủ lớn kết hợp góc nghiêng hợp lý (chế độ chuyển động Hình 1.11d), lực ly tâm ép khối hạt tạo thành một lớp trượt đơn trên thành thiết bị. Lực ma sát và lực nén giữa các hạt triệt tiêu hoàn toàn độ xốp rỗng của màng, làm giảm bán kính mao quản và tăng mật độ nén chặt của màng polyme lên hơn 40% so với chế độ rơi tự do (cascading).
4. Tối ưu hóa Pareto đa mục tiêu công nghệ bọc: Quá trình tối ưu hóa xác định được tập nghiệm Pareto lý tưởng, giúp giảm tỷ lệ khối lượng vật liệu màng bọc xuống dưới 5-7% tổng khối lượng hạt nhưng kéo dài thời gian giải phóng 80% dinh dưỡng trong môi trường nước lên hơn 30 ngày và trong môi trường đất ẩm lên hơn 60-90 ngày.
5. Đối chuẩn chất lượng quốc tế: Sản phẩm phân urê thông minh (SUF) sản xuất từ quy trình đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn quốc tế ISO 18644:2016 về phân bón giải phóng có kiểm soát: lượng đạm giải phóng trong 24 giờ đầu không vượt quá 15%, lượng giải phóng trong 28 ngày đạt dưới 75% và thời gian giải phóng 80% dinh dưỡng ($t_{80}$) bám sát chu kỳ hấp thu 90-105 ngày của giống lúa cao sản.

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Cung cấp hệ phương trình chuẩn số tường minh cho công nghệ bọc ướt hạt phân bón, làm phong phú lý thuyết truyền khối trong kỹ thuật phản ứng và quá trình thiết bị.
• Về mặt phương pháp luận: Tiên phong tích hợp công nghệ phân tích ảnh số tốc độ cao (1000 fps) với mô hình hóa toán học thứ nguyên, thay thế các phương pháp đo đạc quang học laser đắt tiền trong nghiên cứu phân tán pha.
• Về mặt thực tiễn sản xuất: Cung cấp công nghệ bọc dạng "add-on" đơn giản, cho phép các nhà máy phân đạm hiện hữu (như Đạm Phú Mỹ, Đạm Cà Mau) tích hợp trực tiếp cụm đĩa quay vào cuối tháp tạo hạt mà không cần thay đổi dây chuyền công nghệ nền tảng.
• Về mặt chính sách và môi trường: Giảm thiểu từ 30% đến 50% lượng phân đạm thất thoát, giảm phát thải khí nhà kính nông nghiệp, hỗ trợ trực tiếp cho Đề án phát triển 1 triệu hecta lúa chất lượng cao, phát thải thấp tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn ghi nhận 4 giới hạn nghiên cứu:

1. Quy mô thiết bị: Thí nghiệm tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm gián đoạn (100 g/mẻ, đường kính đĩa 200 mm), chưa khảo sát động học dòng hạt liên tục ở quy mô pilot công nghiệp (thùng quay đường kính > 1 m).
2. Yếu tố môi trường: Mô hình Fick II mới chỉ đánh giá giải phóng dinh dưỡng dưới điều kiện nhiệt độ và độ ẩm phòng thí nghiệm ổn định (25°C, độ ẩm đất 50-60%), chưa bao hàm tác động của hệ vi sinh vật đất đa dạng và sự dao động nhiệt độ ngập úng cực đoan ngoài đồng ruộng.
3. Loại nhân hạt: Nghiên cứu tập trung chuyên biệt trên hạt urê đơn thành phần, chưa mở rộng trên các hệ hạt hỗn hợp NPK phức tạp có tính hút ẩm và độ cứng cơ học biến thiên.
4. Biến số vi khí hậu buồng bọc: Chưa tích hợp mô hình động lực học chất lưu tính toán (CFD) để mô phỏng trường vận tốc không khí và độ ẩm cục bộ bên trong buồng đĩa quay.

Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Research Agenda):

• Phát triển mô hình liên kết CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method) mô phỏng chính xác quỹ đạo va chạm hạt và phân bố độ dày màng theo thời gian thực.
• Nâng cấp hệ thống bọc hạt thùng quay liên tục (rotary drum coater) đa tầng đĩa nối tiếp phục vụ sản xuất công nghiệp quy mô 5-10 tấn/giờ.
• Tích hợp các vi chất dinh dưỡng (kẽm, bo, silic nano) trực tiếp vào cấu trúc màng polyme sinh học để tạo dòng phân bón đa chức năng.
• Thực nghiệm hiện trường (field trials) đa mùa vụ trên đất phù sa, đất phèn và đất cát ven biển để hoàn thiện cơ sở dữ liệu giải phóng dinh dưỡng in-situ.

Tác động và ảnh hưởng

• Ảnh hưởng học thuật: Dự báo công trình tạo ra tiềm năng trích dẫn lớn trong các tạp chí chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học (Chemical Engineering Science, Powder Technology) và Nông nghiệp Bền vững (Journal of Agricultural and Food Chemistry), thiết lập chuẩn mực phương pháp luận mới trong phân tích thứ nguyên quá trình bọc.
• Chuyển đổi công nghiệp: Cung cấp giải pháp công nghệ giá thành thấp, giải quyết bài toán phụ thuộc vào công nghệ màng bọc polyme nhập khẩu đắt đỏ từ Hoa Kỳ, Israel hay Nhật Bản. Giảm chi phí sản xuất phân bón thông minh xuống dưới 30% so với giá thành nhập ngoại.
• Tác động chính sách: Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng cho Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn trong việc ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về phân bón hiệu suất cao (EEF), thúc đẩy kinh tế tuần hoàn khi tận dụng nguồn tinh bột biến tính nội địa.
• Lợi ích xã hội: Giúp nông dân tiết kiệm 20-30% chi phí phân bón, giảm 1-2 lần công bón thúc trong mỗi vụ mùa, bảo vệ sức khỏe cộng đồng thông qua việc giảm thiểu ô nhiễm nitrat trong nguồn nước sinh hoạt nông thôn.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học trẻ: Tiếp cận phương pháp luận phân tích thứ nguyên kết hợp xử lý ảnh tốc độ cao và thuật toán tối ưu Pareto ứng dụng trong cơ học hạt rời và kỹ thuật tạo màng.
• Giảng viên & Viện nghiên cứu: Khung tham chiếu chuẩn mực cho việc giảng dạy và phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về thiết bị truyền khối, kỹ thuật sấy và chuyển hóa vật liệu sinh học.
• Bộ phận R&D các Tập đoàn Hóa chất & Phân bón: Bộ thông số công nghệ thực nghiệm, bản vẽ cấu tạo hệ thống đĩa quay và công thức dung dịch bọc sẵn sàng để scale-up lên quy mô pilot.
• Nhà hoạch định chính sách Nông nghiệp & Môi trường: Dữ liệu định lượng phục vụ công tác xây dựng chính sách hỗ trợ chuyển đổi xanh trong canh tác lúa nước và cây công nghiệp.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Luận án đã mở rộng Định lý $\pi$ Buckingham trong cơ học thủy khí sang việc mô hình hóa đồng bộ ba quá trình tương tác phức tạp của công nghệ bọc ướt hạt rắn: tán sương dung dịch polyme phi Newton, động lực học lớp hạt trượt ly tâm trên đĩa quay nghiêng và truyền nhiệt - truyền khối bốc hơi màng mỏng. Luận án đã chuyển hóa các biến số công nghệ rời rạc thành các phương trình chuẩn số không thứ nguyên có tính chất tổng quát hóa cao.

2. Tính đổi mới trong phương pháp nghiên cứu khi so sánh với ít nhất hai công trình quốc tế?

• So với Da & Rocha (2018): Thay vì chỉ áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm RSM cục bộ cho thiết bị tầng sôi, luận án đã kết hợp kỹ thuật phân tích ảnh số tốc độ cao (1000 fps) trên MATLAB để lượng hóa chính xác phân bố kích thước hạt Sauter ($d_{32}$) và xây dựng phương trình chuẩn số thủy động lực học.
• So với Azeem et al. (2014): Luận án không dừng lại ở phép đo độ trương nở tĩnh mà đã giải quyết triệt để mối quan hệ ghép kênh giữa lực ma sát nén chặt cơ học trong đĩa quay và sự tái cấu trúc mạng lưới polyme ba chiều PS-g-PVA/PAA.

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ dữ liệu thực nghiệm là gì?

Phát hiện về hiệu ứng "nén chặt ma sát ly tâm" (Centrifugal Rolling Compaction): Khi đĩa quay đạt vận tốc giới hạn tương ứng với góc nghiêng tối ưu, lực ma sát giữa các lớp hạt và thành thiết bị đóng vai trò như một lực nén cán màng liên tục. Hiện tượng này giúp triệt tiêu các lỗ xốp tế vi của màng tinh bột biến tính mà không cần phải lạm dụng các chất hóa dẻo kỵ nước độc hại, biến màng ưa nước thành màng kiểm soát khuếch tán Fick II hoàn hảo.

4. Quy trình lặp lại thực nghiệm (Replication Protocol) có được cung cấp đầy đủ không?

Luận án cung cấp chi tiết tuyệt đối quy trình thực nghiệm: từ thông số nguyên liệu (tinh bột biến tính phốt phát Nam Bảo Tín, PVA HiMedia, PAA Nuplex 2030, $Na_2B_4O_7\cdot10H_2O$), tỷ lệ phối trộn (3:7), áp suất phun (0,18 MPa), khoảng cách béc phun (200 mm), béc phun Prona 0,8 mm, kích thước đĩa quay ($D = 200$ mm, $H = 150$ mm) đến phương pháp định lượng urê quang phổ UV-Vis chuẩn hóa theo TCVN 6600:2000.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm (10-year Research Agenda) được vạch ra như thế nào?

Lộ trình 10 năm gồm ba giai đoạn chiến lược:

• Giai đoạn 1 (1-3 năm): Phát triển mô hình CFD-DEM dự báo động học dòng hạt và nâng quy mô lên thiết bị thùng quay liên tục pilot 500 kg/giờ.
• Giai đoạn 2 (4-6 năm): Tích hợp công nghệ cảm biến sinh học (biosensors) và hạt nano kiểm soát giải phóng theo tín hiệu pH rễ cây tiết ra.
• Giai đoạn 3 (7-10 năm): Thương mại hóa toàn diện hệ sinh thái phân bón thông minh đa chức năng phục vụ nông nghiệp tuần hoàn không phát thải cacbon.

Kết luận

1. Vật liệu polyme composite sinh học mới: Đã tổng hợp thành công màng polyme ba thành phần từ tinh bột biến tính phốt phát (PS), poly vinyl ancol (PVA) và poly acrylic axit (PAA) liên kết chéo bằng borat, có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện môi trường và giá thành thấp.
2. Làm chủ phương pháp chẩn đoán quang học tiên tiến: Đã ứng dụng thành công kỹ thuật ghi hình tốc độ cao 1000 khung hình/giây kết hợp thuật toán xử lý ảnh trên MATLAB để xác định phân bố kích thước giọt sương và đường kính hạt Sauter ($d_{32}$) một cách chính xác, tin cậy.
3. Xây dựng hệ phương trình chuẩn số tổng quát: Đã thiết lập thành công mô hình toán học thực nghiệm dạng phương trình chuẩn số mô tả quá trình phun sương và quá trình bọc hạt trên thiết bị đĩa quay bằng phương pháp phân tích thứ nguyên Buckingham $\pi$.
4. Tối ưu hóa đa mục tiêu thành công: Xác định được tập thông số công nghệ tối ưu Pareto (góc nghiêng, lưu lượng phun, thời gian bọc), tạo ra sản phẩm phân urê thông minh có tỷ lệ màng bọc chỉ từ 5-7% nhưng duy trì thời gian giải phóng dinh dưỡng kéo dài từ 30 đến 90 ngày, thỏa mãn hoàn toàn tiêu chuẩn quốc tế ISO 18644:2016.
5. Mở ra 3 hướng nghiên cứu mới: Mở đường cho hướng mô phỏng liên kết CFD-DEM trong thiết bị quay công nghiệp; hướng phát triển màng bọc nano-composite nhả chậm thông minh đáp ứng tín hiệu sinh học rễ cây; và hướng phát triển phân bón thông minh nhả chậm đa yếu tố N-P-K-TE cho nông nghiệp thích ứng biến đổi khí hậu.
6. Di sản và tầm ảnh hưởng đo lường được: Tạo nền tảng công nghệ sẵn sàng chuyển giao cho các nhà máy phân bón trong nước, đóng góp trực tiếp vào mục tiêu cắt giảm phát thải khí nhà kính nông nghiệp quốc gia và nâng cao giá trị chuỗi sản xuất lúa gạo Việt Nam trên trường quốc tế.

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. Bên cạnh đó, phát thải khí nhà kính từ sử dụng phân bón cũng lên đến 607 triệu tấn CO2/năm [9]. Đây là những nguyên nhân gây nên hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu.

- Nhiều nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng chất lượng nông sản có xu hướng giảm khi sử dụng nhiều phân bón vô cơ. Hơn nữa, sự dư thừa nitơ trong đất cũng là nguyên nhân gây hiện tượng axit hóa đất làm tăng khả năng tấn công của vi sinh vật, sâu, rầy gây bệnh trên cây trồng và gây ra ngộ độc nhôm, mangan [7]. - Việc sử dụng dư thừa lượng phân bón nitơ tạo nên sự hao phí đáng kể nguồn nguyên liệu và năng lượng để sản xuất như khí tự nhiên, dầu, naphtha, than,. trong sản xuất phân urê.

Chi phí khai thác và chế biến phân phốt phát cũng sẽ tăng cao hơn nhiều khi phải khai thác sâu, chất lượng thấp. Ngoài ra, việc khai thác quặng phốt phát cũng tạo ra hiện tượng xói mòn, thoái hóa đất sử dụng. Vì vậy, các giải pháp đồng bộ cho việc nâng cao hiệu suất sử dụng phân bón trong nông nghiệp là rất cần thiết, vừa phải bảo đảm an ninh lương thực, sức khỏe người và vật nuôi vừa phải ứng phó với biến đổi khí hậu, giảm lượng khí phát thải và bảo vệ môi trường. 5 Năm 1999, Dave và cộng sự [10] đã công bố một sơ đồ mô tả mối quan hệ giữa hàm lượng dinh dưỡng của phân bón cung cấp và nhu cầu cho sự phát triển của cây trồng trong một vụ mùa như Hình 1.

Sơ đồ nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cung cấp chất dinh dưỡng hiệu quả nhằm cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.1: Sơ đồ mô tả mối quan hệ tương Hình 1.2: Sự đồng bộ giữa sự giải phóng đối của phân bón với cây trồng, gồm nhu chất dinh dưỡng của phân lý tưởng (phân cầu cây trồng (1), phân bón thông thường thông minh) và yêu cầu chất dinh dưỡng (2), bón bổ sung (3) và phân bón thông của cây trồng [2] minh (4). Trong một chu kỳ cây trồng, ở giai đoạn đầu lượng chất dinh dưỡng cung cấp của phân bón cao hơn nhu cầu của cây trồng, tạo nên sự dư thừa, nhưng sau đó là sự thiếu hụt ở giai đoạn 2, đặc trưng khu vực bóng mờ (S). Do đó, cây trồng sẽ không nhận được đủ lượng chất dinh dưỡng cần thiết vào đúng thời điểm, dẫn đến kết quả là năng suất thu hoạch, chất lượng sản phẩm kém. Theo tập quán canh tác thông thường, chất dinh dưỡng sẽ được bổ sung bằng cách bổ sung phân bón ở giai đoạn 2 (bón thúc) như đường cong (3).

Điều này sẽ giúp khắc phục sự thiếu hụt chất dinh dưỡng nhưng lượng chất dinh dưỡng dư thừa cũng tăng lên, lượng phân sử dụng nhiều hơn. Trong khi đó, đường cong mô tả cho phân bón thông minh được thiết kế phù hợp sẽ tuân theo mô hình được biểu thị bởi đường cong (4). Một sản phẩm lý tưởng thì lượng dinh dưỡng giải phóng đáp ứng một phần hoặc hoàn toàn nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng đảm bảo đúng thời điểm, vừa đủ, hiệu quả và tránh các vùng thừa hoặc thiếu như Hình 1. 6 Cho nên, việc nghiên cứu, phát triển và sử dụng các loại phân bón thông minh luôn được xem là lựa chọn ưu tiên trong sản xuất nông nghiệp hiện đại [2], [8].

Phân bón thông minh không những giúp tối thiểu hóa chi phí trong sản xuất nông nghiệp mà còn giúp tăng sản lượng canh tác, chất lượng sản phẩm, tăng lợi nhuận của người nông dân, tăng cường bảo vệ môi trường và cải thiện tính bền vững đất trồng [4], [11].2 Phân bón thông minh Khái niệm phân bón thông minh được Lu và cộng sự giới thiệu đầu tiên năm 2013 [12]. Phân bón thông minh hay còn gọi là phân bón giải phóng có kiểm soát (CRF), là một trong những loại bón hiệu suất sử dụng cao (EEF) [13]. Theo Hiệp hội quản lý kiểm soát thực phẩm thực vật Hoa Kỳ (AAPFCO), phân bón hiệu suất sử dụng cao được định nghĩa là các sản phẩm phân bón với các đặc tính có thể cải thiện hiệu quả sử dụng dinh dưỡng của cây trồng và giảm nguy cơ mất chất dinh dưỡng ra ngoài môi trường như: bay hơi, rửa trôi hoặc lôi cuốn khi so sánh với một sản phẩm tham chiếu thích hợp (Official 2018). Ngoài phân bón giải phóng có kiểm soát, hai loại phân bón khác được xem là phân bón hiệu suất sử dụng cao, đó là phân bón ổn định và phân bón giải phóng chậm (SRF).

Phân bón giải phóng chậm là phân bón mà hình thức giải phóng, hoặc chuyển đổi thành chất dinh dưỡng phù hợp với cây trồng ở tốc độ chậm hơn so với một sản phẩm hòa tan được sử dụng làm tham chiếu thích hợp (AAPFCO, Official 2018). Việc làm chậm quá trình giải phóng chất dinh dưỡng từ phân bón được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như: thay đổi cấu trúc hóa học, tính chất vật lý, tăng khối lượng phân tử, tạo ma trận liên kết bền vững hoặc giảm tỉ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng của phân bón. Các phương pháp này chỉ thực hiện được bằng cách sử dụng các quá trình phản ứng tổng hợp, bốc hơi – kết tinh và tạo hạt. Điều này đòi hỏi phải có sự thay đổi cả quy trình công nghệ và thiết bị sản xuất, nên tiêu tốn thời gian, chi phí đầu tư và chi phí sản xuất cao.

Ngược lại, phân bón ổn định không có đặc tính giải phóng chậm, trên thực tế tính chất của chúng không thay đổi. Phân bón ổn định là một sản phẩm phân bón đã được bổ sung với các chất phụ gia làm giảm tốc độ chuyển hóa của hợp chất trong phân bón, kéo dài thời gian cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng (AAPFCO, Official 2014). Chúng chứa các chất phụ gia thường hoạt động trên các vi khuẩn như: chất ức chế chuyển hóa 7 urê (Urease inhibitors) và chất ức chế nitrat hóa (Nitrification inhibitors), từ đó cho phép cung cấp chất dinh dưỡng cho cây lâu hơn và ít bị thất thoát ra môi trường hơn. Phân bón giải phóng chậm và phân bón ổn định thường chỉ giúp kéo dài thời gian giải phóng dinh dưỡng chứ không thể điều chỉnh được thời gian giải phóng và không kiểm soát được hàm lượng chất dinh dưỡng giải phóng.

Trong khi đó, phân bón thông minh được cấu tạo để nhằm cung cấp chất dinh dưỡng theo thời gian với tốc độ dự đoán được, trong các điều kiện cụ thể (AAPFCO, Official 2018). Phân bón thông minh được sản xuất chủ yếu bằng cách bọc lên một loại phân bón thông thường (còn gọi là nhân) với một hay nhiều lớp màng bọc với những vật liệu không tan, bán thấm hoặc không thấm nước bằng cách sử dụng quá trình bọc hạt. Điều này giúp kiểm soát sự xâm nhập của nước, điều chỉnh thời gian và tốc độ giải phóng nhằm giúp cung cấp chất dinh dưỡng vừa đủ, đúng thời điểm, phù hợp với nhu cầu của cây trồng [14].