CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Phân nhả chậm Hầu hết các loại phân vô cơ truyền thống đều có khả năng hòa tan trong nước mạnh nên hiệu quả sử dụng phân bón thấp. Phân phủ được công nhận là phân bón giải phóng chậm, có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ sử dụng chất dinh dưỡng. Cơ chế nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón là bao gồm lớp lõi và lớp phủ. Tính kỵ nước của lớp phủ gốc lignin và sodium alginate khi có chất liên kết ngang có thể làm chậm quá trình hòa tan và giải phóng phân bón trong đất.
Trong khi đó, tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng được kiểm soát bằng cách điều chỉnh phương pháp chuẩn bị và tỷ lệ của lớp màng phủ. Sodium Alginate Lignin DAP Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn các tương tác hóa học giữa màng SA-L và DAP [1].1 Nguồn gốc Lignin là hợp chất có mặt trong mọi loại thực vật, chủ yếu đóng vai trò trong việc hình thành tế bào gỗ (thân và vỏ gỗ). Cho đến nay công thức của lignin vẫn chưa được xác định, các mắt xích của lignin không giống nhau. 1 Lignin được điều chế trong nghiên cứu này được trích ly từ bã mía được lấy về từ các cửa hàng xay nước mía tại Thành phố Thủ Đức.2: Bã mía sau khi ép nước và nghiền nhỏ thành bột.2 Cấu trúc Lignin là một polyme vô định hình được cấu thành bởi khung các vòng thơm cứng và các nhóm hóa học phân cực [2].
Nó là loại polymer tự nhiên phổ biến thứ hai sau cellulose. Nó bao gồm từ 20% đến 30% thành tế bào thực vật thân gỗ và bằng cách hình thành một ma trận bao quanh cellulose và hemicellulose, cung cấp độ cứng cấu trúc và bảo vệ cho cây.3: Thành phần sinh khối lignocellulose: cellulose, hemicellulose và lignin [3]. 2 Lignin là một đại phân tử có cấu trúc mạng ba chiều, được hình thành bởi ba monome p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol và sinapyl alcohol [3][4][5].4: Ba cấu trúc monome của lignin [3].5: Cấu trúc đề xuất cho lignin trong tự nhiên [6]. Các nhóm chức năng của lignin bao gồm nhóm hydroxyl aliphatic (-OH), nhóm hydroxyl phenolic (-C6H5OH), nhóm carbonyl (-C=O), nhóm carboxyl (-COOH), methoxyl (-OCH3) là những đặc điểm cấu trúc quan trọng của lignin [7].
3 Các kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng để chuyển đổi lignin từ kích thước lớn sang kích thước micro hoặc nano, chẳng hạn như kết tủa phản dung môi, kết tủa acid, trao đổi dung môi, bay hơi dung môi, tự lắp ráp, cắt cơ học, siêu âm, liên kết ngang bề mặt và polyme hóa. Lignin có thể được chiết xuất và phân tách bằng các quy trình khác nhau; những điều này ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của các sản phẩm lignin cuối cùng bao gồm độ hòa tan, trọng lượng phân tử và các nhóm chức. Phương trình phản ứng để thu hồi lignin được biểu diễn như sau: 2-C6H5ONa + HCl → 2-C6H5OH↓ + NaCl 1.3 Ứng dụng Nó là một vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng tiên tiến do chi phí thấp, tính sẵn có, khả năng phân hủy sinh học, tính chất kháng khuẩn và khả năng phân hủy sinh học của nó, không độc hại và đặc tính chống oxy hóa của nó. Nhiều nghiên cứu đã được công bố gần đây báo cáo các ứng dụng mới của nanolignin, như ứng dụng hấp phụ nước, ứng dụng hấp phụ tia cực tím, sử dụng làm chất chống tác nhân oxy hóa, loại bỏ kim loại, và sử dụng cho chất độn nano chống ăn mòn.1 Nguồn gốc Alginate, là một polysaccharide anion được chiết xuất từ tảo nâu và rong biển.
Được Stanford phát hiện vào năm 1881, nó là một chất phụ gia thực phẩm phổ biến nhưng cũng được sử dụng trong dược phẩm, in dệt và cho nhiều ứng dụng khác. Alginate được chiết xuất từ tảo bằng dung dịch kiềm. Vật liệu chiết được sau đó phản ứng với acid để tạo thành acid alginic. Các muối của acid alginic với các cation hóa trị một như sodium alginate đều hòa tan trong nước và có khả năng giữ một lượng lớn nước [8].2 Cấu trúc Alginate là một chất đồng trùng hợp nhị phân tuyến tính bao gồm 1,4 liên kết acid β- D-mannuronic (M) và acid α-L-guluronic (G).
Cấu trúc hóa học của sodium alginate được thể hiện trong Hình 1.6: Cấu trúc Sodium alginate [9]. Alginate là copolyme tuyến tính bao gồm liên kết 1,4 glycosid giữa các monomer α-L-guluronic (G) và β-D-mannuronic (M) với các trình tự khác nhau. Lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm tích điện trên chuỗi polymer góp phần tăng thêm độ cứng của chuỗi. Độ cứng của chuỗi được biết là không chỉ phụ thuộc vào cường độ ion mà còn phụ thuộc vào thành phần alginate, tăng dần theo thứ tự MG < MM < GG.
Do đó, các tính chất cơ lý của alginate phụ thuộc mạnh mẽ vào trình tự của các khối này. Sự tạo gel alginate là kết quả của sự tương tác giữa các ion Ca2+ và gốc G, dẫn đến sự liên kết chuỗi và hình thành các vùng tiếp giáp. Người ta thấy rằng khả năng liên kết chọn lọc của Ca2+ tăng rõ rệt khi hàm lượng gốc G trong chuỗi tăng lên, trong khi các khối poly-M và khối MG xen kẽ có độ chọn lọc đối với ion thấp hơn.3 Ứng dụng Các ứng dụng công nghiệp của alginate chủ yếu được tìm thấy trong các ngành công nghiệp thực phẩm, y tế, dược phẩm và dệt may và có liên quan đến khả năng giữ nước cũng như các đặc tính tạo gel, tạo độ nhớt và ổn định của nó. Các ứng dụng công nghệ sinh học dựa trên liên kết ngang vật lý tức thời và gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như quá trình chuyển đổi sol/gel của nó với sự có mặt của các cation đa hóa trị (ví dụ Ca2+) trong môi trường nước.
5 Ngoài ra, khả năng giữ lại lượng lớn chất lỏng khiến nó rất phù hợp để vận chuyển thuốc, gen hoặc tế bào cho kỹ thuật mô và các ứng dụng trị liệu tái tạo, và phân phối đặc hiệu tại vị trí tới mô niêm mạc do tính bám dính sinh học của alginate [10]. Alginate đã được sử dụng rộng rãi làm khung cho kỹ thuật gan, xương, thần kinh và sụn. Mặc dù alginate không độc hại và tương thích sinh học nhưng việc sử dụng chúng cho các ứng dụng y sinh có một số hạn chế do alginate về mặt cơ học rất yếu ở trạng thái trương nở, do đó nó phải được pha trộn, biến đổi hoặc được polyme hóa và trùng hợp với các polyme sinh học khác trước khi được sử dụng [8].4 Phân DAP Diammonium phosphate (DAP) là loại phân lân (P) được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Nó được làm từ hai thành phần phổ biến trong ngành phân bón và nó được ưa chuộng vì hàm lượng dinh dưỡng tương đối cao và các đặc tính vật lý tuyệt vời.
Phân bón amoni photphat lần đầu tiên xuất hiện vào những năm 1960 và DAP nhanh chóng trở thành loại phân bón phổ biến nhất trong loại sản phẩm này. Loại phân bón DAP tiêu chuẩn là loại 18-46-0 và các sản phẩm phân bón có hàm lượng chất dinh dưỡng thấp hơn có thể không được xem là phân DAP [11]. Phân DAP có công thức hóa học (NH4)2HPO4. Nó được điều chế trong phản ứng có kiểm soát của acid photphoric (H3PO4) với amoniac (NH3) theo phương trình sau: 2NH3(g) + H3PO4(aq) → (NH4)2HPO4(s) Tên định danh của DAP theo IUPAC là Diammonium Hydrogen Phosphate.
Thành phần của phân DAP gồm có 18% N, 46% P2O5 (20% P) và 0% K2O. Độ hòa tan trong nước ở 20oC là 588 g/L, là loại phân trung tính, tan nhanh trong nước.7: Công thức phân tử của DAP [11].5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 2015, GS. Nguyễn Cửu Khoa đã nghiên cứu chế tạo màng trên cơ sở tinh bột/PVA cho phân NPK nhả chậm, đã dùng một một lớp phủ màng được điều chế từ poly(vinylalcohol)/tinh bột sử dụng formaldehyde làm chất liên kết ngang để tạo màng cho phân NPK nhả chậm. Việc bao phủ lớp màng lên phân NPK có khả năng giữ nước và phân bón giải phóng có kiểm soát tốt, có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường, có thể đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng nông nghiệp và làm vườn.
Năm 2018, Tác giả Trần Quốc Toàn của trường Đại học Sư Phạm - Đại học Thái đã Nghiên cứu tổng hợp phân bón ure nhả chậm với vỏ phủ polyme và phụ gia có nguồn gốc thiên nhiên, đã sử dụng phân bón ure nhả chậm đã được tổng hợp bằng cách phủ polyurethan lên bề mặt viên phân ure. Bùi Đoàn Phượng Linh đã chế tạo màng polyme cố định bằng vi khuẩn hòa tan lân để sản xuất phân bón nhả có kiểm soát kết hợp với vi sinh vật [12] đã chỉ ra rằng sự kết hợp giữa các chất dinh dưỡng tan chậm với hoạt động của vi sinh vật trong sản phẩm phân bón có thể làm tăng hiệu quả sử dụng phân bón, hạn chế tác động của nguy cơ hóa học của phân bón đến môi trường. Một nghiên cứu khác vào năm 2021 của Tác giả Trần Quốc Toàn về Tính chất và tốc độ nhả dinh dưỡng trong đất của phân bón kali nhả chậm qua lớp phủ polyme, phân nhả chậm kali được tổng hợp bằng cách phủ polyacrylamit lên viên phân bón kali để giảm thất thoát chất dinh dưỡng của phân bón. Phân kali dạng hạt được tổng hợp từ K2SO4, bentonit và polyacrylamit.
Năm 2021, Hà Xuân Linh và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của phân kali nhả chậm đến sinh trưởng, phát triển và năng suất của cây dưa chuột tại Thái Nguyên[12]. Nghiên cứu này được thực hiện vào vụ Đông - Xuân năm 2019 để đánh giá ảnh hưởng của phân bón kali nhả chậm đến sinh trưởng, phát triển và năng suất dưa chuột Amata765 trồng tại huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu cho thấy công thức sử dụng phân bón nhả chậm với liều lượng 84 kg K2O/ha phù hợp cho sự sinh trưởng, phát triển của cây dưa chuột tại huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Năm 1996, M. García và cộng sự đã sử dụng Lignin Kraft từ gỗ thông trong các công thức phân bón giải phóng có kiểm soát.
Đánh giá hóa lý của các loại phân bón này cho thấy hiệu quả nhất là những loại có lớp phủ bao gồm hỗn hợp các nhựa thông dimer hóa, este hóa và tự nhiên, cũng như lignin. Người ta cũng chứng minh rằng hiệu quả của sản phẩm tăng lên rõ rệt khi thêm dầu hạt lanh làm chất bịt kín. Ramirez và cộng sự đã ammoxid hóa kraft lignin làm phân bón nhả chậm được thử nghiệm trên Cao lương Vulgare.