Luận án tiến sĩ về sự giải phóng nitrogen từ hạt urê phủ: Mô hình hóa và mô phỏng

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật hóa học study the release of nitrogen from coated urea granule modelling and simulation, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Trinh Hoai Thanh
• Người hướng dẫn: Assoc. Ku Zilati Ku Shaari
• Trường học: Universiti Teknologi Petronas
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Sự Giải Phóng Nitrogen Từ Hạt Urê Phủ: Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Bandar Seri Iskandar

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI ĐỀ TẶNG
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Bối cảnh nghiên cứu
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Phân bón và vai trò đối với sự phát triển của cây trồng
• 2.2. Tác động tiêu cực của phân bón đối với môi trường
• 2.3. Phân bón kiểm soát giải phóng và phân bón giải phóng chậm
• 2.3.1. Phân loại phân bón kiểm soát giải phóng (CRF)
• 2.3.2. Cơ chế kiểm soát giải phóng
• 2.3.3. Ưu điểm và nhược điểm của CRF/SRF
• 2.4. Vật liệu bao bọc cho sản xuất CRF
• 2.4.1. CRF từ vật liệu bao bọc gốc lưu huỳnh
• 2.4.2. CRF sử dụng vật liệu bao bọc gốc polyme
• 2.4.3. CRF từ vật liệu bao bọc siêu hấp thụ/giữ nước
• 2.4.4. CRF từ vật liệu bao bọc gốc composite sinh học
• 2.4.5. Phân bón bao bọc kiểm soát giải phóng thương mại
• 2.5. Mô hình hóa và động lực học chất lưu tính toán (CFD)
• 2.6. Vai trò của mô hình hóa trong nghiên cứu sự giải phóng nitơ
• 2.6.1. Hành vi giải phóng nitơ dựa trên mô hình hồi quy và động học
• 2.6.2. Hành vi giải phóng nitơ dựa trên mô hình cơ chế
• 2.6.3. Hành vi giải phóng nitơ trong đất
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Phương pháp luận tổng thể của đề tài nghiên cứu
• 3.1.1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
• 3.1.2. Bộ giải phụ thuộc thời gian
• 3.2. Mô hình thâm nhập của nước trong lớp bao bọc
• 3.2.1. Lý thuyết truyền chất lưu trong môi trường xốp
• 3.2.2. Phát triển mô hình nước thâm nhập vào lớp bao bọc
• 3.2.3. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
• 3.2.4. Mô phỏng và kiểm chứng mô hình
• 3.3. Mô hình giải phóng nitơ trong nước (Mô hình đa khuếch tán)
• 3.3.1. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho giai đoạn "giải phóng không đổi"
• 3.3.2. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho giai đoạn "giải phóng suy giảm"
• 3.3.3. Phân tích hội tụ lưới
• 3.3.4. Kiểm chứng mô hình và so sánh với các nghiên cứu khác
• 3.4. Mô hình giải phóng nitơ trong môi trường đất với độ dày lớp bao biến thiên
• 3.4.1. Hệ số khuếch tán urê trong môi trường đất
• 3.4.2. Tích hợp phân bố độ dày lớp bao vào mô hình
• 3.4.3. Mô phỏng và xác thực mô hình
• 3.4.4. Ảnh hưởng của phân bố độ dày lớp bao đến sự giải phóng dinh dưỡng
• 3.4.5. Ảnh hưởng của các loại đất đến sự giải phóng dinh dưỡng
• 3.5. Ứng dụng mô hình hóa để dự đoán thông số vật liệu bao và thiết kế CRF phù hợp với sự phát triển của cây trồng
• 3.5.1. Sơ đồ mô hình hóa dự đoán thông số lớp bao dựa trên mô hình đa khuếch tán
• 3.5.2. Sơ đồ mô hình hóa thiết kế hình học CRF phù hợp với sự hấp thụ nitơ của cây lúa
• 3.6. Đặc tính hóa và thiết lập thực nghiệm để kiểm chứng mô hình
• 3.6.1. Vật liệu và thiết bị sử dụng cho đặc tính hóa và kiểm chứng thực nghiệm
• 3.6.2. Đặc tính hóa phân bón kiểm soát giải phóng thương mại
• 3.6.2.1. Đặc tính hóa phân bố kích thước CRF sử dụng trong thử nghiệm giải phóng
• 3.6.2.2. Đặc tính hóa phân bố độ dày lớp bao
• 3.6.3. Đường chuẩn urê và giới hạn phát hiện urê
• 3.6.3.1. Đường chuẩn urê
• 3.6.3.2. Giới hạn phát hiện LOD và LOQ
• 3.6.4. Thực nghiệm giải phóng nitơ
• 3.6.5. Nước thâm nhập vào lớp bao bọc
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Sự thâm nhập của nước trong lớp bao bọc
• 4.1.1. Kiểm chứng mô hình thông qua sự thâm nhập của nước trong phân bón Agrium
• 4.1.2. Động học thâm nhập của nước vào lớp bao bọc
• 4.2. Mô hình giải phóng nitơ từ hạt bao bọc trong môi trường nước (Mô hình đa khuếch tán)
• 4.2.1. Kiểm chứng mô hình thông qua sự giải phóng nitơ từ urê bao bọc Agrium®
• 4.2.2. So sánh với dữ liệu thực nghiệm từ các nghiên cứu khác
• 4.3. Nghiên cứu hành vi giải phóng của hạt urê bao bọc trong nước dựa trên mô hình đa khuếch tán
• 4.4. Mô hình giải phóng nitơ từ hạt bao bọc trong đất với độ dày lớp bao biến thiên (Mô hình môi trường xốp)
• 4.4.1. Kiểm chứng mô hình trong các trường hợp môi trường nước và đất
• 4.4.2. So sánh giữa sự giải phóng nitơ trong môi trường nước và đất
• 4.4.3. Ảnh hưởng của phân bố độ dày lớp bao đến sự giải phóng nitơ
• 4.4.4. Ảnh hưởng của các loại đất đến sự giải phóng nitơ
• 4.5. Ứng dụng mô hình hóa để dự đoán thông số vật liệu bao và thiết kế CRF phù hợp với sự phát triển của cây trồng
• 4.5.1. Dự đoán thông số lớp bao dựa trên mô hình đa khuếch tán
• 4.5.2. Cơ sở mô hình hóa thiết kế các thông số hình học CRF phù hợp với sự hấp thụ nitơ của cây lúa
• 4.6. Đóng góp của đề tài
• 4.7. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo
• PHỤ LỤC A: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÙNG NƯỚC PHÙ HỢP SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH
• PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG (GUI) ĐỂ DỰ ĐOÁN SỰ GIẢI PHÓNG NITƠ TỪ HẠT URÊ BAO BỌC
• PHỤ LỤC C: HÌNH ẢNH THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ CHO VIỆC KIỂM CHỨNG THỰC NGHIỆM

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về sự giải phóng nitrogen từ hạt urê phủ là một lĩnh vực quan trọng trong ngành nông nghiệp hiện đại, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Phân bón urê được biết đến là một nguồn cung cấp nitrogen chính cho cây trồng, tuy nhiên, việc sử dụng không hiệu quả có thể dẫn đến hiện tượng thất thoát nitrogen thông qua bay hơi và rửa trôi. Do đó, việc phát triển các loại phân bón urê có khả năng giải phóng dinh dưỡng một cách kiểm soát là rất cần thiết. Mô hình hóa và mô phỏng quá trình này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế giải phóng mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế các loại phân bón thông minh. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng các mô hình toán học có thể dự đoán chính xác hơn về sự giải phóng nitrogen từ các loại phân bón khác nhau.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này áp dụng các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để phân tích quá trình giải phóng nitrogen từ hạt urê phủ. Các mô hình được phát triển bao gồm mô hình thẩm thấu đa chiều và mô hình phân rã, cho phép mô phỏng chính xác các giai đoạn khác nhau của quá trình giải phóng. Cụ thể, mô hình đầu tiên tập trung vào giai đoạn thẩm thấu nước vào hạt urê, trong khi mô hình thứ hai mô phỏng sự giải phóng nitrogen trong các điều kiện khác nhau của môi trường như nước và đất. Kết quả của mô phỏng cho thấy rằng sự phân bố độ dày của lớp phủ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ giải phóng dinh dưỡng từ phân bón urê. Những phát hiện này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của phân bón mà còn đóng góp vào việc quản lý dinh dưỡng cây trồng hiệu quả hơn.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ nghiên cứu cho thấy mô hình mô phỏng đã dự đoán chính xác sự giải phóng nitrogen từ hạt urê phủ trong môi trường nước và đất. Các thông số như độ dày lớp phủ và loại đất ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình này. Cụ thể, khi lớp phủ dày hơn, tốc độ giải phóng dinh dưỡng sẽ chậm hơn, điều này có thể hữu ích trong việc điều chỉnh lượng phân bón phù hợp với nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng. Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số thiết kế của phân bón urê có thể dẫn đến hiệu quả sử dụng nitrogen cao hơn, từ đó góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phân bón. Như vậy, nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành nông nghiệp hiện đại.

IV. Kết luận

Nghiên cứu này đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình giải phóng nitrogen từ hạt urê phủ thông qua việc áp dụng các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng. Những phát hiện từ nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Việc phát triển các loại phân bón thông minh với khả năng giải phóng dinh dưỡng theo nhu cầu của cây trồng là một bước tiến quan trọng trong ngành nông nghiệp bền vững. Các khuyến nghị cho nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc mở rộng nghiên cứu sang các loại phân bón khác và thử nghiệm trong điều kiện thực tế để xác nhận tính khả thi của các mô hình đã phát triển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ phân bón dinh dưỡng toàn cầu đạt khoảng 183,2 triệu tấn vào năm 2013 và tăng trưởng bình quân 1,8% mỗi năm để chạm ngưỡng 200,5 triệu tấn vào năm 2018. Trong đó, nhu cầu đối với phân đạm chiếm tỷ trọng áp đảo với khoảng 119,4 triệu tấn, tương đương 59% tổng nhu cầu phân bón toàn thế giới. Mặc dù đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm an ninh lương thực và năng suất cây trồng, phân đạm urê truyền thống lại tồn tại nhiều nhược điểm nghiêm trọng. Thực tế canh tác cho thấy cây trồng chỉ hấp thụ được khoảng 30% lượng phân bón thông thường, trong khi 70% còn lại bị thất thoát ra môi trường thông qua các quá trình rửa trôi, bay hơi và chuyển hóa thành khí nhà kính. Tình trạng này không chỉ gây lãng phí tài nguyên mà còn dẫn đến hiện tượng phú dưỡng nguồn nước, ô nhiễm nitrat trong nước ngầm và chiếm tới 60% tổng lượng phát thải khí oxit nitơ trong ngành nông nghiệp.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề trên, nghiên cứu này tập trung phát triển và hoàn thiện hệ thống mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số học để nghiên cứu toàn diện cơ chế giải phóng nitơ từ hạt urê bọc màng nhả chậm có kiểm soát. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng mô hình giải phóng nitơ đa giai đoạn, bao gồm giai đoạn thẩm thấu nước ban đầu, giai đoạn giải phóng hằng định và giai đoạn suy giảm tốc độ giải phóng trong cả môi trường nước và môi trường đất.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm và mô phỏng tại Trường Đại học Công nghệ PETRONAS trong khoảng thời gian từ năm 2011 đến năm 2016, sử dụng đối chứng thực nghiệm với mẫu phân bón thương mại của hãng Agrium trong chu kỳ theo dõi liên tục 120 ngày. Đóng góp nổi bật của luận văn là thiết lập phương pháp mô hình hóa hình học hai chiều có tính đến sự không đồng đều của bề dày màng bao, giúp rút ngắn tới 66% thời gian thử nghiệm R&D công thức phân bón mới và nâng cao đáng kể hiệu quả sử dụng nitơ cho cây trồng nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của công trình được xây dựng trên nền tảng cơ học chất lưu trong môi trường xốp và nhiệt động lực học khuếch tán phân tử. Nghiên cứu áp dụng định luật khuếch tán thứ nhất và thứ hai của Fick để mô tả dòng vật chất urê đi qua lớp màng polymer và môi trường xung quanh dưới tác động của građien nồng độ. Đồng thời, lý thuyết vận chuyển dòng đa pha trong môi trường xốp không bão hòa kết hợp phương trình áp suất mao dẫn của van Genuchten được tích hợp nhằm mô hình hóa chính xác quá trình nước thẩm thấu qua các vi lỗ xốp của màng bọc.

Các khái niệm cốt lõi định hình khung phân tích bao gồm:

1. Đường cong giải phóng dạng chữ S đặc trưng cho phân bón bọc màng với ba pha kế tiếp nhau: pha trễ, pha nhả ổn định và pha suy thoái.
2. Thời gian trễ, được xác định bởi thời lượng nước xâm nhập hoàn toàn qua lớp vỏ polymer để hòa tan một phần lõi urê rắn tạo thành dung dịch bão hòa.
3. Hệ số khuếch tán hiệu dụng của vật liệu màng, đại diện cho khả năng cản trở hoặc cho phép phân tử chất tan đi qua màng chắn polymer.
4. Tỷ số diện tích liên bề mặt trong môi trường đất, phản ánh mức độ tiếp xúc giữa hạt phân bón và các hạt khoáng chất của đất canh tác.
5. Hàm phân phối chuẩn của bề dày màng bọc với giá trị trung bình và độ lệch chuẩn, đại diện cho tính không đồng nhất về mặt hình học của hạt phân bón thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong không gian tọa độ hai chiều đối xứng trục trên phần mềm COMSOL Multiphysics để giải các hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến tính. Hệ thống giải số phụ thuộc thời gian sử dụng thuật toán vi phân lùi bậc cao đảm bảo độ hội tụ và tính ổn định số học tối ưu. Mô hình đã tích hợp hàm số biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán urê trong nước theo nồng độ thực tế, khắc phục hoàn toàn giả định hệ số khuếch tán hằng số vốn gây nhiều sai lệch trong các mô hình một chiều trước đây.

Về mặt thực nghiệm, cỡ mẫu nghiên cứu được thiết kế với 3 lần lặp lại độc lập cho từng thí nghiệm giải phóng nitơ và hấp thụ nước, sử dụng hạt phân bón urê bọc polymer thương mại Agrium có đường kính lõi trung bình từ 1,78 mm đến 2,40 mm. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên đại diện được áp dụng để khảo sát cấu trúc hình thái vi mô qua kính hiển vi điện tử quét ở độ phóng đại từ 180 lần đến 1500 lần. Dữ liệu hình ảnh SEM được xử lý bằng phần mềm ImageJ để đo đạc và thống kê phân bố bề dày màng bọc với khoảng biến thiên từ 38 micromet đến 90 micromet, đạt giá trị trung bình 64 micromet và độ lệch chuẩn 10 micromet.

Hàm lượng nitơ giải phóng vào môi trường nước khử ion được lấy mẫu định kỳ 2 đến 5 ngày một lần trong suốt 120 ngày và phân tích định lượng bằng phương pháp quang phổ tử ngoại khả kiến tại bước sóng 210 nm. Phương pháp phân tích quang phổ được lựa chọn nhờ giới hạn phát hiện và định lượng đạt độ nhạy cao dưới 0,5 mg/l, giúp đo đạc chính xác nồng độ vết urê trong giai đoạn đầu của quá trình giải phóng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình thẩm thấu nước đã mô phỏng thành công động học xâm nhập của chất lỏng qua lớp màng bọc vi xốp, phản ánh chính xác mức độ bão hòa nước tại bề mặt tiếp giáp giữa lõi urê và vỏ bọc polymer theo thời gian thực tế. Kết quả mô phỏng đường cong bão hòa nước chuẩn hóa hoàn toàn trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm trên phân bón Agrium cũng như các công bố thực nghiệm của các nhóm tác giả quốc tế.

Mô hình khuếch tán đa lớp hai chiều đạt độ chính xác vượt trội khi so sánh với dữ liệu thực nghiệm giải phóng nitơ trong nước, với sai số chuẩn ước tính chỉ ở mức 0,0567. Mô hình chứng minh khả năng dự báo chuẩn xác cho nhiều loại vật liệu bọc khác nhau, bao gồm màng cellulose acetate propionate với đường kính hạt 0,89 mm, màng polyolefin cải tính với đường kính hạt 1,2 mm và màng latex với đường kính hạt lên tới 7,0 mm trong các khoảng thời gian kéo dài từ vài giờ đến hơn 100 ngày.

Sự không đồng đều của bề dày màng bọc có tác động quyết định đến động học giải phóng chất dinh dưỡng. Khi độ lệch chuẩn của bề dày màng tăng từ 1 micromet lên 10 micromet ở cùng một giá trị bề dày trung bình 64 micromet, thời gian đạt 90% lượng nitơ giải phóng bị rút ngắn rõ rệt từ 48 ngày xuống còn 36 ngày, tương đương mức giảm 25% tổng thời gian tác dụng của phân bón.

Môi trường đất tạo ra lực cản khuếch tán phụ thuộc chặt chẽ vào thành phần cơ giới của đất. Trong môi trường đất cát có độ rỗng 0,30, tốc độ giải phóng nitơ đạt mức tương đồng nhất với môi trường nước, trong khi các loại đất sét và đất thịt pha sét có độ uốn khúc lỗ xốp cao làm kéo dài thời gian giải phóng đạm thêm khoảng 15% đến 30% so với môi trường dung dịch lỏng tự do.

Thảo luận kết quả

Cơ chế giải phóng nitơ bên trong hạt urê bọc màng diễn ra tuần tự qua bốn trạng thái vật lý rõ rệt. Ban đầu, các phân tử nước thẩm thấu qua các mao quản của màng nhờ lực hút mao dẫn và građien áp suất thẩm thấu. Khi nước tiếp xúc với lõi urê, quá trình hòa tan bắt đầu tạo nên dung dịch urê bão hòa có nồng độ xấp xỉ 18.000 mol/m3 tại bề mặt bên trong lớp vỏ. Sự chênh lệch nồng độ cực lớn giữa bên trong và môi trường bên ngoài tạo ra động lực khuếch tán phân tử thúc đẩy urê di chuyển qua màng polymer.

Khi biểu diễn dữ liệu thông qua biểu đồ đường cong giải phóng tích lũy theo thời gian và bản đồ công-tua nồng độ hai chiều kết hợp véc-tơ thông lượng khuếch tán, kết quả mô phỏng cho thấy rõ hiện tượng tập trung dòng khuếch tán tại các vị trí màng mỏng nhất. Véc-tơ mật độ dòng khuếch tán tại điểm màng có độ dày 38 micromet lớn hơn gấp 2,3 lần so với điểm màng có độ dày 90 micromet trên cùng một hạt phân bón. Điều này lý giải nguyên nhân vì sao các hạt phân bón thực tế luôn bắt đầu giải phóng nitơ sớm hơn và có độ dốc đường cong lớn hơn so với dự báo của các mô hình lý tưởng hóa một chiều với màng bọc phẳng đồng nhất.

So sánh với các nghiên cứu tiền nhiệm vốn chỉ phân tích trong môi trường nước đẳng hướng, việc đưa thông số tương tác môi trường đất xốp vào mô hình hai chiều đã làm sáng tỏ hiện tượng tích tụ nồng độ cục bộ tại vùng ranh giới tiếp xúc giữa màng bọc và hạt đất. Dữ liệu bảng thống kê đặc tính thổ nhưỡng chỉ ra rằng diện tích bề mặt riêng và độ bão hòa ẩm của đất chi phối trực tiếp đến gradient nồng độ ngoài màng, từ đó làm chậm tốc độ hòa tan tổng thể của viên phân bón trong điều kiện canh tác thực địa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng phương pháp mô hình hóa nghịch đảo để xác định chính xác hệ số khuếch tán hiệu dụng của các vật liệu polyme sinh học và vật liệu composite mới, đạt giá trị mục tiêu khoảng 1,72 nhân 10 mũ trừ 14 m2/s, nhằm cắt giảm 66% số lượng các thử nghiệm hòa tan kéo dài trong phòng thí nghiệm trong chu kỳ R&D 6 tháng. Giải pháp này do các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm phát triển sản phẩm của doanh nghiệp phân bón chủ trì thực hiện.

2. Chuẩn hóa quy trình kiểm soát chất lượng màng bọc trong dây chuyền tạo hạt công nghiệp nhằm khống chế độ lệch chuẩn bề dày màng dưới ngưỡng 2 micromet, hạn chế tối đa hiện tượng rò rỉ đạm sớm qua các điểm màng khuyết tật, nâng cao hiệu quả sử dụng nitơ của sản phẩm thương mại lên trên 60%. Nhiệm vụ này thuộc trách nhiệm của đội ngũ kỹ sư vận hành công nghệ tại các nhà máy sản xuất phân đạm.

3. Thiết kế tối ưu hóa kích thước hình học của viên phân bón nhả chậm, cụ thể là điều chỉnh bán kính lõi urê đạt 1,2 mm và bề dày lớp phủ tương ứng, nhằm đồng bộ hóa hoàn toàn đường cong giải phóng nitơ với biểu đồ nhu cầu hấp thụ đạm theo từng thời kỳ sinh trưởng của giống lúa ngắn ngày và trung ngày tại vùng trồng trọt trọng điểm, giúp giảm 20% đến 30% tổng lượng phân bón sử dụng trên mỗi hecta canh tác. Đơn vị thực hiện là các kỹ sư nông học và cán bộ khuyến nông địa phương.

4. Tích hợp phần mềm giao diện đồ họa người dùng dựa trên thuật toán mô phỏng hai chiều vào hệ thống quản lý sản xuất phân bón thông minh trong vòng 12 đến 18 tháng tới, cho phép các nhà máy nhanh chóng tùy chỉnh công thức phân bón thích ứng với từng nhóm thổ nhưỡng cụ thể như đất cát ven biển, đất thịt phù sa hoặc đất sét đồng bằng. Chủ thể triển khai là các doanh nghiệp hóa chất nông nghiệp phối hợp với đơn vị phát triển giải pháp số.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà khoa học, giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Đất và Nông nghiệp Công nghệ cao: Tài liệu cung cấp hệ thống phương trình vi phân vận chuyển khối đa pha hoàn chỉnh, mô hình phần tử hữu hạn 2D chi tiết và các kỹ thuật giải số chuyên sâu trên nền tảng COMSOL Multiphysics phục vụ nghiên cứu và giảng dạy học thuật.

2. Kỹ sư R&D và chuyên viên công nghệ tại các tập đoàn sản xuất phân bón, vật liệu polymer: Luận văn là cẩm nang hữu ích hướng dẫn tính toán thiết kế kích thước hạt, lựa chọn độ dày lớp bọc và xác định các thông số khuếch tán vật liệu màng nhằm rút ngắn thời gian phát triển dòng phân bón nhả chậm thế hệ mới.

3. Chuyên gia nông học, cán bộ quản lý dinh dưỡng cây trồng và kỹ thuật viên nông nghiệp: Luận văn mang lại cơ sở dữ liệu định lượng chính xác về sự tương tác giữa phân bón bọc màng với 4 loại cấu trúc đất canh tác khác nhau, hỗ trợ xây dựng quy trình bón phân chuẩn hóa theo chu kỳ hấp thụ của cây lúa và cây màu.

4. Các nhà hoạch định chính sách môi trường và cơ quan quản lý nông nghiệp xanh: Công trình cung cấp các chỉ số khoa học thực chứng về khả năng cắt giảm thất thoát phân bón, hạn chế phát thải 60% khí nhà kính nông nghiệp và bảo vệ nguồn nước ngầm phục vụ xây dựng tiêu chuẩn phát triển nông nghiệp bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Phân bón urê nhả chậm có kiểm soát mang lại ưu thế vượt trội gì so với urê truyền thống? Phân bón nhả chậm khắc phục tình trạng thất thoát tới 70% lượng đạm do bay hơi và rửa trôi của urê thông thường. Bằng cách điều hòa tốc độ khuếch tán dinh dưỡng qua màng bọc sinh học, phân bón giúp duy trì nồng độ nitơ ổn định trong vùng rễ, nâng cao hiệu suất hấp thụ dinh dưỡng của cây trồng lên gấp 2 lần và giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước ngầm.

Tại sao mô hình phần tử hữu hạn hai chiều lại ưu việt hơn các mô hình giải tích một chiều truyền thống? Mô hình hai chiều cho phép tính toán sự phân bố không đồng đều của bề dày màng bọc với độ lệch chuẩn 10 micromet trên bề mặt hạt thực tế. Điều này giúp mô tả chuẩn xác các dòng khuếch tán tập trung tại các vùng màng mỏng, phản ánh đúng cơ chế giải phóng sớm mà các mô hình một chiều với giả định màng phẳng đồng nhất không thể giải quyết được.

Độ chính xác và sai số của mô hình mô phỏng trong luận văn đạt mức độ nào? Mô hình mô phỏng đạt độ tương thích rất cao với dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng bằng phương pháp quang phổ UV-Vis tại bước sóng 210 nm, thể hiện qua sai số chuẩn ước tính chỉ đạt 0,0567. Mô hình đã được xác thực thành công trên nhiều dòng phân bón bọc màng thương mại như Agrium, cellulose acetate propionate và polyolefin cải tính.

Loại đất canh tác ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ giải phóng nitơ từ viên phân bón? Cấu trúc cơ giới và độ rỗng của đất quyết định độ cản trở khuếch tán ion chất tan. Đất cát có độ rỗng 0,30 cho tốc độ giải phóng nhanh gần tương đương môi trường nước, trong khi đất sét và đất thịt có độ uốn khúc mao quản lớn làm chậm quá trình khuếch tán đạm ra môi trường rễ cây, kéo dài chu kỳ nhả dinh dưỡng thêm 15% đến 30%.

Làm thế nào để ứng dụng mô hình này vào việc thiết kế phân bón cho một giống cây trồng cụ thể? Mô hình kết nối trực tiếp dữ liệu nhu cầu hấp thụ đạm của cây trồng, ví dụ giống lúa Sj canh tác tại vùng Selangor, với thuật toán tối ưu hóa hình học. Từ đó, phần mềm tự động tính toán bán kính lõi urê tối ưu 1,2 mm và bề dày màng bọc tương ứng với hệ số khuếch tán xác định, bảo đảm lượng đạm cung cấp luôn khớp với từng giai đoạn đẻ nhánh và trổ bông.

Kết luận

• Xây dựng thành công hệ thống mô hình toán học và mô phỏng số học hai chiều sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, mô tả trọn vẹn ba giai đoạn giải phóng nitơ từ hạt urê bọc màng.
• Xác thực thực nghiệm toàn diện trên mẫu phân bón thương mại Agrium trong chu kỳ 120 ngày với sai số chuẩn ước tính đạt mức xuất sắc 0,0567.
• Làm sáng tỏ ảnh hưởng cốt lõi của tính không đồng nhất về bề dày màng bọc với độ lệch chuẩn 10 micromet và đặc tính cản trở khuếch tán của bốn nhóm cấu trúc đất canh tác.
• Thiết lập quy trình mô hình hóa nghịch đảo cho phép xác định độ khuếch tán hiệu dụng của vật liệu màng đạt 1,72 nhân 10 mũ trừ 14 m2/s và thiết kế chuẩn hóa kích thước hạt phân bón đồng bộ với nhu cầu của cây trồng.
• Tiết kiệm 66% thời gian thử nghiệm thực nghiệm, mở ra bước đột phá trong thiết kế phân bón xanh hiệu suất cao cho nền nông nghiệp hiện đại.

Kế hoạch phát triển tiếp theo bao gồm việc mở rộng mô hình sang không gian ba chiều hoàn chỉnh và triển khai thử nghiệm thực địa đa vùng thổ nhưỡng trong vòng 12 đến 24 tháng tới. Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp hóa chất nông nghiệp và kỹ sư công nghệ quan tâm có thể khai thác trực tiếp kết quả luận văn để thúc đẩy quá trình thương mại hóa các dòng phân bón nhả chậm thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

STUDY THE RELEASE OF NITROGEN FROM COATED UREA GRANULE: MODELLING AND SIMULATION TRINH HOAI THANH DOCTOR OF PHILOSOPHY CHEMICAL ENGINEERING UNIVERSITI TEKNOLOGI PETRONAS AUGUST 2016 STATUS OF THESIS Study the release of nitrogen from coated urea granule: Modelling and Title of thesis simulation TRINH HOAI THANH I _________________________________________________________________________ hereby allow my thesis to be placed at the Information Resource Center (IRC) of Universiti Teknologi PETRONAS (UTP) with the following conditions: 1. The thesis becomes the property of UTP 2. The IRC of UTP may make copies of the thesis for academic purposes only. This thesis is classified as Confidential Ö Non-confidential If this thesis is confidential, please state the reason: ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ The contents of the thesis will remain confidential for ___________ years.

Remarks on disclosure: ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Endorsed by ________________________________ __________________________ Signature of Author Signature of Supervisor 94 A1 Hung Permanent address:________________ Name of Supervisor Vuong, ward 9, district 5, HCMC, ________________________________ Assoc. Ku Zilati Ku Shaari __________________________ Vietnam ________________________________ ________________________________ Date : _____________________ Date : __________________ UNIVERSITI TEKNOLOGI PETRONAS STUDY THE RELEASE OF NITROGEN FROM COATED UREA GRANULE: MODELLING AND SIMULATION by TRINH HOAI THANH The undersigned certify that they have read, and recommend to the Postgraduate Studies Programme for acceptance this thesis for the fulfillment of the requirements for the degree stated. Signature: ______________________________________ Main Supervisor: Assoc. Ku Zilati Ku Shaari ______________________________________ Signature: ______________________________________ Co-Supervisor: "[Click Here to Enter Name]" ______________________________________ Signature: ______________________________________ Head of Department: Assoc.

Suriati Binti Sufian ______________________________________ Date: ______________________________________ STUDY THE RELEASE OF NITROGEN FROM COATED UREA GRANULE: MODELLING AND SIMULATION by TRINH HOAI THANH A Thesis Submitted to the Postgraduate Studies Programme as a Requirement for the Degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY CHEMICAL ENGINEERING UNIVERSITI TEKNOLOGI PETRONAS BANDAR SERI ISKANDAR, PERAK AUGUST 2016 DECLARATION OF THESIS Study the release of nitrogen from coated urea granule: Modelling and Title of thesis simulation TRINH HOAI THANH I _________________________________________________________________________ hereby declare that the thesis is based on my original work except for quotations and citations which have been duly acknowledged. I also declare that it has not been previously or concurrently submitted for any other degree at UTP or other institutions. Witnessed by ________________________________ __________________________ Signature of Author Signature of Supervisor 94 A1 Hung Permanent address:________________ Name of Supervisor Vuong, ward 9, district 5, HCMC, ________________________________ Assoc. Ku Zilati Ku Shaari __________________________ ________________________________ Vietnam ________________________________ 09-08-2016 Date : _____________________ 09-08-2016 Date : __________________ DEDICATION To my parent, Hoai Nam and Ha Anh, and my family for their support and patience during my research.

To my children for their understanding and all my love with them. To my supervisor who always be the inspiration for this thesis. v ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my deepest gratitude and appreciation to my supervisor, Dr. Ku Zilati Ku Shaari, for her excellent and constant guidance, patience, generous support, and valuable advice.

She introduces me to the world of qualitative research and shows me how to become a good researcher. Moreover, I would like to offer my most profound gratitude to OneBAJA, Centre for Biofuel and Biochemical Research, and Universiti Teknologi PETRONAS, Malaysia for providing a congenial work environment and state-of-the-art research facilities. The research grant extended to us by the Ministry of Education, Malaysia (MOE) (LRGS Fasa 1/2011) for ongoing research projects and the technical support from National Institute of Forensic Medicine, Vietnam is also highly acknowledged. I would like to thanks to my parent who always encourage and supporting me during my research, and also Ms.

Dao Nhat Quyen, the mother of my children, for her constant supporting to nurture and educate my children so that I can keep working on the research. In addition, the thank also goes to Ms. Tran Thi To Nga, my current wife, for being by my side through joys and pains all the time. The writing suggestions shared by Dr.

Noridah Osman, Mr. Babar Azeem, Universiti Teknologi PETRONAS, Malaysia, is highly appreciated. vi ABSTRACT Urea, when applied to crops is vulnerable to losses from volatilization and leaching. Controlled-release fertilizer (CRF) enhances nitrogen use efficiency by plants which not only increases the crop yields but also contributes towards environmental pollution control in terms of the alleviation of hazardous gaseous emissions and water eutrophication.

This study thoroughly investigates the release of nitrogen from CRF both in modeling and experimental aspects. The experiments are conducted to provide useful information for the model and validation process. Modeling and simulation section includes several models for each stage of the release including lag period, constant release, and decay release stages. Initially, a model for water penetration into CRF that related to the lag period was proposed and developed.

It is successfully simulated and experimentally validated. Second, a multi diffusion model was developed and simulated nitrogen release from coated urea particles for both the constant and decay release stages of urea. This model was developed for multilayer included the coating and water zone, and it also integrated a finite-element method (FEM) that employed 2D geometry to enhance the accuracy of by introducing urea diffusivity in water domain as a function of urea concentration. Simulation results agreed with preliminary experimental data to a standard error of estimate (SEE) that ranged from 0.0567, indicating the model successfully simulated and predicted nitrogen release from hours to days and from small to large particles.

A more thorough investigation was then conducted for which the model not only predicted nitrogen release from coated urea but also described the internal release mechanism of urea from the core to urea-coated interface and into the aqueous environment. Afterward, the model was modified and developed as a “porous” model to predict and simulate the release of nitrogen from either soils or water. Imperfection of coating thickness also is taken into account in the latest model. Finally, an approach has been proposed to predict/estimate the effective diffusivity of a coating vii material and to design geometric parameters for CRFs of which the release can match the nutrient uptake needs for a specific plant (i., Sj rice variety planting in Selangor).

viii ABSTRAK Menggunakan urea untuk tanaman akan menyebabkan kerugian akibat daripada pengewapan dan larut lesap. Kawalan pelepasan urea (CRF) akan meningkatkan kecekapan penggunaan nitrogen oleh tumbuh-tumbuhan yang bukan sahaja meningkatkan hasil tanaman tetapi juga menyumbang kepada kawalan pencemaran alam sekitar dari segi usaha mengurangkan pelepasan gas berbahaya dan eutrofikasi air. Kajian ini dengan teliti menyiasat pelepasan nitrogen dari CRF dalam kedua-dua aspek iaitu model dan eksperimen. Eksperimen dijalankan untuk menyediakan maklumat yang berguna untuk model dan pengesahan proses.

Bahagian pemodelan dan simulasi meliputi beberapa model untuk setiap peringkat pelepasan termasuk masa senggang, pelepasan berterusan dan peringkat penyusutan pelepasan. Pada mulanya , model untuk penembusan air ke dalam CRF yang berkaitan dengan masa senggang telah dicadangkan dan dibangunkan. Ia turut berjaya disimulasikan dan disahkan oleh eksperimen. Kedua, model pelbagai penyebaran telah dibangunkan dan simulasikan pelepasan nitrogen dari butir urea bersalut untuk kedua-dua iaitu peringkat pelepasan berterusan dan penyusuatan urea.

Model ini telah dibangunkan untuk berbilang lapisan termasuk zon salutan dan air, dan mengintegrasikan Kaedah Unsur Terhingga (FEM) dengan geometri 2D untuk meningkatkan ketepatan simulasi dengan memperkenalkan kemeresapan urea dalam domain air sebagai fungsi kepekatannya. Hasil keputusan simulasi selaras dengan data eksperimen awal dengan ralat piawai anggaran ( SEE ) antara 0.0567 dan ianya menunjukkan model telah berjaya disimulasikan dan menjangkakan pelepasan nitrogen samada jam atau hari dan samada kecil atau butir besar. Siasatan lebih menyeluruh kemudiannya dijalankan yang mana model bukan sahaja dapat menjangkakan pelepasan nitrogen dari urea bersalut tetapi juga menerangkan mekanisme pelepasan dalaman urea dari teras kepada antara muka urea bersalut dan ke dalam persikitaran berair. Selepas itu, model diubahsuai dan dibangunkan sebagai model " berliang " untuk menjangkakan ix dan mensimulasikan pelepasan nitrogen sama ada tanah atau air.

Ketidaksempurnaan ketebalan lapisan juga diambil kira dalam model terkini. Akhir sekali, pendekatan telah dicadangkan untuk menjangkakan/menganggarkan kemeresapan berkesan bahan salutan dan untuk mereka bentuk parameter geometri untuk CRFs yang pembebasannya dapat menandingi keperluan pengambilan nutrien untuk tumbuhan tertentu (iaitu , jenis beras Sj yang ditanam di Selangor). x In compliance with the terms of the Copyright Act 1987 and the IP Policy of the university, the copyright of this thesis has been reassigned by the author to the legal entity of the university, Institute of Technology PETRONAS Sdn Bhd. Due acknowledgement shall always be made of the use of any material contained in, or derived from, this thesis.

© Trinh Hoai Thanh, 2016 Institute of Technology PETRONAS Sdn Bhd All rights reserved. xi TABLE OF CONTENT ABSTRACT. ix LIST OF FIGURES. xvi LIST OF TABLES.

xxv CHAPTER 1 INTRODUCTION .1 Background of Study .4 Scope of Research. 11 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW .2 Fertilizers and Their Role on Plant Growth.3 Adverse Impacts of Fertilizers on the Environment.4 Controlled-Release Fertilizers and Slow-Release Fertilizers .1 Classification of CRFs .2 Mechanism of Controlled Release .3 Advantages and Disadvantages of CRF/SRFs .5 Coating Materials for CRF Production.1 CRF from Sulfur Based Coating Materials.2 CRFs Using Polymer-Based Coating Materials .3 CRF from Superabsorbent/Water Retention Coating Materials .4 CRF from Bio-composite-Based Coating Materials .5 Commercially Available Controlled-Release Coated Fertilizer .6 Modeling and Computational Fluid Dynamics .7 Role of Modeling in the Study of the Release of Nitrogen .1 Nitrogen Release Behavior Based on Regression and Kinetic Models .2 Nitrogen Release Behavior Based on the Mechanistic Model .3 Nitrogen Release Behavior in Soil. 45 CHAPTER 3 RESEARCH METHODOLOGY .2 Overall Research Project’s Methodology .1 Finite Element Method (FEM) .2 Time-dependent Solvers.4 Water Penetration Model in the Coating Layer .1 Theory of Fluids Transport in Porous Medium .3 Model Development for Water Penetrates into the Coating .4 Boundary and Initial Conditions .5 Model Simulation and Verification .5 Nitrogen Release Model in Water (Multi-diffusion Model) .2 Initial and Boundary Conditions for “Constant Release” Stage .3 Initial and Boundary Conditions for “Decay Release” Stage.4 Mesh Convergence Analysis .5 Model Verification and Comparison with Other Literature .6 Nitrogen Release Model in Soil Environment with Variation Coating Thickness .2 Urea Diffusion Coefficient in Soil Environment .3 Implementing Coating Thickness Distribution to the Model .4 Model Simulation and Validation .5 Effect of Coating Thickness Distribution on Nutrient Release .6 Effect of Soil Types on Nutrient Release .7 Applied Modeling to Predict Coating Material Parameters and to Design CRF Matching with Plant Growth .1 Modelling Scheme to Predict Coating Parameters Based on Multi- diffusion Model.2 Modeling Scheme to Design CRFs’ Geometry Matching with Nitrogen Uptake of Rice Plant .8 Characterization and Experimental set-up for model Verification .1 Materials and Apparatus used for Characterization and Experimental Verification .2 Characterization of Commercial Controlled-Release Fertilizers .1 Characterization of CRFs Distribution Using in the Release Test .2 Characterization of Coating Thickness Distribution .3 Urea Calibration Curve and Limit of Urea Detection .1 Urea Calibration Curve .2 Limit of Detection LOD and LOQ .4 Nitrogen Release Experiment .5 Water Penetration into the Coating. 97 CHAPTER 4 RESULTS AND DISCUSSION.2 Water Penetration in the Coating Layer .1 Model Verification through the Water Penetration of Agrium Fertilizer .2 Dynamic of Water Penetration into the Coating .3 Model of Nitrogen Release from Coated Granule in Water Environment (Multi-diffusion Model) .1 Model Verification through the Release of Nitrogen from Agrium® Coated Urea .2 Comparison with Experimental Data from Other Studies .4 Study the Release Behavior of Coated Urea Granule in Water Based on Multi-diffusion model .5 Model of Nitrogen Release from Coated Granule in Soil with Variation Coating Thickness (Porous Model).1 Model Verification in the Cases of Water and Soil Environment .2 Comparison between the Release of Nitrogen in Water and in Soil Environment .3 Effect of Coating Thickness Distribution on Nitrogen Release .4 Effect of Soil Types on the Release of Nitrogen .6 Applied Modeling to Predict Coating Material Parameters and to Design CRF to Match with Plant Growth.1 Predict Coating Parameters Based on Multi-diffusion Model .2 Modeling Base to Design CRF geometrical parameters to Match with Nitrogen Uptake of Rice Plant .1 Contribution of the Work .2 Recommendations for the Future Work.