Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano silica sio2 với nguồn silic từ quặng cát bình định nhằm ứng dụng trong nông nghiệp

Luận văn thạc sĩ nông nghiệp nghiên cứu nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano silica sio2 với nguồn silic từ quặng cát bình định nhằm ứng dụng, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Nguyễn Hà Cẩm Phi
• Người hướng dẫn: PGS. Cao Văn Hoàng
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Nano Silica (SiO2) Từ Quặng Cát Bình Định Ứng Dụng Trong Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. VẬT LIỆU NANO
• 1.2. GIỚI THIỆU VỀ SILICA – NANO SILICA
• 1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU NANOSILICA
• 1.4. ỨNG DỤNG CỦA SILICA
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. THIẾT BỊ, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ
• 2.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NANOSILICA
• 2.2.1. Phương pháp phun khói và muội silica
• 2.2.2. Phương pháp kết tủa (silica kết tủa và silica gel)
• 2.2.3. Phương pháp sol-gel
• 2.3. TỔNG HỢP VẬT LIỆU
• 2.4. NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU VẬT LIỆU
• 2.4.1. Khảo sát kích cỡ hạt quặng silica
• 2.4.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian thực hiện quá trình nghiền quặng
• 2.4.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình phân hủy quặng
• 2.4.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình phân hủy quặng
• 2.4.5. Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến quá trình trung hòa sản phẩm sau khi thủy phân
• 2.4.6. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ nung trong quá trình
• 2.5. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.5.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.5.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.5.4. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA - DSC)
• 2.5.5. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.5.6. Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF)
• 2.5.7. Phương pháp phổ hồng ngoại FT-IR
• 2.6. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ SILICA Ở CÂY TRỒNG
• 2.6.1. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của phân bón chứa nanosilica SiO2 đến năng suất cây lúa
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU VẬT LIỆU
• 3.1.1. Khảo sát kích thước hạt quặng silica
• 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thực hiện quá trình nghiền quặng
• 3.1.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến quá trình phân hủy quặng
• 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hòa tan quặng trong NaOH
• 3.1.5. Khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ axit HCl đến quá trình trung hòa sản phẩm sau khi thủy phân
• 3.2. ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU NANOSILICA
• 3.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.2.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3.2.4. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA - DSC)
• 3.2.5. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 3.2.6. Phương pháp huỳnh quang tia X (XRF)
• 3.2.7. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 3.2.8. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (BET)
• 3.3. THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM NANO SILICA ĐỐI VỚI CÂY LÚA
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu nano và nano silica

Vật liệu nano là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học và công nghệ hiện đại. Với kích thước từ 1 đến 100 nm, vật liệu nano thể hiện các tính chất độc đáo so với vật liệu thông thường. Nano silica (SiO2) là một trong những vật liệu nano được quan tâm nhiều do tính chất ưu việt như diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp thụ cao và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Quặng cát Bình Định là nguồn nguyên liệu giàu silica, được sử dụng để tổng hợp nano silica nhằm ứng dụng trong nông nghiệp. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và khảo sát các tính chất của nano silica để ứng dụng hiệu quả trong nông nghiệp bền vững.

1.1. Phân loại và phương pháp tổng hợp vật liệu nano

Vật liệu nano được phân loại dựa trên số chiều tự do của điện tử, bao gồm vật liệu nano không chiều (hạt nano), một chiều (dây nano) và hai chiều (màng mỏng). Phương pháp tổng hợp nano silica từ quặng cát Bình Định bao gồm hai hướng chính: từ trên xuống (top-down) và từ dưới lên (bottom-up). Phương pháp từ trên xuống sử dụng kỹ thuật nghiền và biến dạng để thu nhỏ kích thước hạt, trong khi phương pháp từ dưới lên hình thành hạt nano từ các nguyên tử hoặc ion. Các phương pháp hóa học như sol-gel và kết tủa được ưu tiên do tính hiệu quả và khả năng kiểm soát kích thước hạt.

1.2. Tính chất và ứng dụng của nano silica

Nano silica có diện tích bề mặt lớn, độ xốp cao và khả năng hấp thụ mạnh, làm tăng hiệu quả sử dụng trong nông nghiệp. Silica trong nông nghiệp giúp cải thiện sức đề kháng của cây trồng, tăng khả năng chống chịu sâu bệnh và điều kiện bất lợi như hạn hán. Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng nano silica làm phân bón, giúp tăng năng suất cây trồng và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

II. Quy trình tổng hợp nano silica từ quặng cát Bình Định

Quy trình tổng hợp nano silica từ quặng cát Bình Định bao gồm các bước chính: nghiền quặng, phân hủy quặng bằng NaOH, trung hòa bằng HCl và nung để thu được silica tinh khiết. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện như kích thước hạt quặng, nồng độ NaOH, nhiệt độ và thời gian phản ứng để đạt hiệu suất cao nhất. Quá trình tổng hợp SiO2 được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và kích thước hạt nano silica phù hợp với ứng dụng trong nông nghiệp.

2.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp

Các yếu tố như kích thước hạt quặng, nồng độ NaOH, nhiệt độ và thời gian phản ứng được khảo sát để tối ưu hóa quy trình tổng hợp. Kết quả cho thấy, kích thước hạt quặng nhỏ hơn 100 µm và nồng độ NaOH 2M là điều kiện lý tưởng để đạt hiệu suất cao. Nhiệt độ phản ứng từ 80-100°C và thời gian phản ứng 2-3 giờ cũng được xác định là tối ưu.

2.2. Đặc trưng vật liệu nano silica

Các phương pháp phân tích như XRD, SEM, TEM và TGA-DSC được sử dụng để đặc trưng vật liệu nano silica. Kết quả cho thấy, nano silica có kích thước hạt từ 20-50 nm, diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao. Các tính chất này làm tăng khả năng hấp thụ và hiệu quả sử dụng trong nông nghiệp.

III. Ứng dụng nano silica trong nông nghiệp

Nano silica được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp nhờ khả năng cải thiện sức khỏe cây trồng và tăng năng suất. Phân bón silica giúp cây trồng hấp thụ chất dinh dưỡng hiệu quả hơn, tăng khả năng chống chịu sâu bệnh và điều kiện bất lợi như hạn hán. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của nano silica đến năng suất cây lúa, kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về năng suất và chất lượng hạt.

3.1. Khảo sát ảnh hưởng của nano silica đến cây lúa

Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của phân bón silica đến năng suất cây lúa cho thấy, việc bổ sung nano silica giúp tăng năng suất lên đến 20%. Cây lúa được bón silica có khả năng chống chịu sâu bệnh tốt hơn, lá đứng thẳng và quang hợp hiệu quả hơn. Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của nano silica trong nông nghiệp bền vững.

3.2. Tác dụng của silica trong nông nghiệp

Silica có vai trò quan trọng trong việc tăng cường sức đề kháng của cây trồng, giúp cây chống chịu tốt hơn với các điều kiện bất lợi như hạn hán, nhiệt độ cao và sâu bệnh. Ngoài ra, silica còn giúp cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu này góp phần làm rõ vai trò và tiềm năng ứng dụng của silica trong nông nghiệp hiện đại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai trong vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 25% khối lượng, chủ yếu tồn tại dưới dạng silica (SiO2) trong đất và khoáng vật silicat. Hàm lượng silica trong đất dao động từ 60-90%, tuy nhiên ở các vùng đất nhiệt đới bị phong hóa mạnh, lượng silica có thể giảm xuống chỉ còn khoảng 20%. Cây trồng, đặc biệt là các loại họ Hòa thảo như lúa, ngô và mía, hấp thụ silic dưới dạng ion SiO32- và silica đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường sức đề kháng, chống chịu hạn hán, sâu bệnh và cải thiện năng suất. Ví dụ, khi bón silic cho cây lúa, năng suất hạt có thể đạt tối đa 3705 kg/ha với liều lượng 329 kg SiO2/ha.

Trong bối cảnh phát triển nông nghiệp bền vững và nhu cầu nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón, vật liệu nano silica (nanosilica) được xem là giải pháp tiềm năng. Nanosilica có kích thước hạt từ 1-100 nm, mang nhiều đặc tính ưu việt như diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao và tính chất vật lý hóa học đặc biệt. Nghiên cứu này tập trung tổng hợp vật liệu nano silica từ nguồn silic tự nhiên là quặng cát Bình Định, khảo sát các điều kiện tối ưu trong quá trình tổng hợp và ứng dụng nanosilica trong nông nghiệp, đặc biệt là ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ silica của cây lúa. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và ứng dụng nanosilica trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng quy trình tổng hợp nanosilica từ quặng cát Bình Định, đánh giá đặc trưng vật liệu và khảo sát ứng dụng nanosilica trong cải thiện năng suất cây trồng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu nano ứng dụng trong nông nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón, bảo vệ môi trường và tăng năng suất cây trồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vật liệu nano và silica trong nông nghiệp:

• Lý thuyết vật liệu nano: Vật liệu nano có kích thước từ 1 đến 100 nm, thể hiện các tính chất vật lý, hóa học đặc biệt do hiệu ứng kích thước và diện tích bề mặt lớn. Phân loại vật liệu nano theo chiều kích thước (không chiều, một chiều, hai chiều) và phương pháp tổng hợp (top-down và bottom-up) được áp dụng để thiết kế quy trình tổng hợp nanosilica.

• Mô hình tổng hợp silica: Phương pháp sol-gel và kết tủa được sử dụng phổ biến để tổng hợp silica vô định hình với kích thước hạt nano. Các yếu tố như kích thước hạt quặng, nồng độ NaOH, nhiệt độ và thời gian phản ứng ảnh hưởng đến hiệu suất và đặc trưng vật liệu.

• Khái niệm về silica trong nông nghiệp: Silica là vi chất dinh dưỡng có lợi cho cây trồng, giúp tăng cường khả năng chống chịu stress sinh học và phi sinh học, cải thiện quang hợp, giảm đổ ngã và tăng năng suất. Nanosilica với kích thước nhỏ hơn có khả năng hấp thu và tác động hiệu quả hơn so với silica thông thường.

Các khái niệm chính bao gồm: silica (SiO2), nanosilica, sol-gel, kết tủa, hấp phụ silica, stress sinh học và phi sinh học, hiệu quả sử dụng phân bón.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng quặng cát Bình Định làm nguyên liệu tổng hợp nanosilica. Dữ liệu thu thập từ các phân tích đặc trưng vật liệu và thử nghiệm ứng dụng trên cây lúa.

• Phương pháp tổng hợp: Áp dụng phương pháp kết tủa và sol-gel để tổng hợp nanosilica. Các yếu tố như kích thước hạt quặng, nồng độ NaOH, nhiệt độ nung và nồng độ axit HCl được khảo sát để tối ưu hóa quy trình.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng các kỹ thuật phân tích hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD), hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phân tích nhiệt đồng thời (TGA-DSC), phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), huỳnh quang tia X (XRF), phổ hồng ngoại (FT-IR) và đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (BET) để đánh giá cấu trúc, thành phần, kích thước hạt, diện tích bề mặt và tính chất xốp của nanosilica.

• Phương pháp thử nghiệm ứng dụng: Thử nghiệm tác động của nanosilica lên cây lúa bằng cách khảo sát khả năng hấp thụ silica, ảnh hưởng đến năng suất và sức khỏe cây trồng.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo các giai đoạn: thu thập nguyên liệu và tài liệu, tổng hợp nanosilica, phân tích đặc trưng vật liệu, thử nghiệm ứng dụng trên cây lúa và đánh giá kết quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu quặng cát được lấy từ khu vực Phù Cát, Bình Định. Các mẫu nanosilica được tổng hợp và phân tích với nhiều điều kiện khác nhau để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Các phương pháp phân tích được chọn nhằm cung cấp thông tin toàn diện về cấu trúc tinh thể, hình thái bề mặt, thành phần hóa học và tính chất vật lý của nanosilica, từ đó đánh giá hiệu quả quy trình tổng hợp và ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều kiện tối ưu tổng hợp nanosilica: Kích thước hạt quặng silica ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất tổng hợp. Khi kích thước hạt quặng giảm, hiệu suất phân hủy và hòa tan silica tăng lên. Nồng độ NaOH tối ưu là khoảng 2.4 mol/L, nhiệt độ nung 550°C trong 2 giờ cho sản phẩm nanosilica có kích thước trung bình khoảng 15-30 nm với diện tích bề mặt riêng đạt 258,3 m²/g.

2. Đặc trưng vật liệu nanosilica: Phân tích XRD cho thấy nanosilica ở dạng vô định hình với đỉnh rộng tại góc 2θ khoảng 22°. SEM và TEM cho thấy hạt silica có hình cầu, kích thước đồng đều từ 15-30 nm. Phổ FT-IR xác nhận sự hiện diện của nhóm silanol và siloxan trên bề mặt hạt, góp phần vào khả năng liên kết và hấp phụ. BET cho thấy diện tích bề mặt lớn từ 900-1500 cm²/g và thể tích lỗ xốp khoảng 0,5-1,5 cm³/g, phù hợp cho ứng dụng hấp phụ.

3. Ảnh hưởng của nanosilica đến cây lúa: Thử nghiệm cho thấy việc bổ sung phân bón chứa nanosilica làm tăng năng suất cây lúa lên khoảng 10-15% so với đối chứng không bón silica. Nanosilica giúp cải thiện khả năng chống chịu hạn hán, giảm bệnh đạo ôn và tăng cường quang hợp nhờ làm cho lá cây đứng thẳng hơn, tăng diện tích hấp thụ ánh sáng.

4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả tương đồng với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về tổng hợp nanosilica từ tro trấu và quặng silica, cũng như ứng dụng nanosilica trong nông nghiệp. Ví dụ, nanosilica tổng hợp từ tro trấu tại Việt Nam có kích thước hạt khoảng 15 nm và diện tích bề mặt 340 m²/g, tương tự với kết quả nghiên cứu này. Ứng dụng nanosilica trong cải thiện năng suất cây trồng cũng được ghi nhận ở nhiều quốc gia như Ấn Độ, Indonesia và Brazil.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất tổng hợp nanosilica phụ thuộc chặt chẽ vào kích thước hạt quặng và điều kiện phản ứng như nồng độ NaOH, nhiệt độ và thời gian nung. Kích thước hạt nhỏ giúp tăng diện tích tiếp xúc, thúc đẩy quá trình phân hủy và kết tủa silica. Nồng độ kiềm cao và nhiệt độ nung thích hợp giúp tạo ra sản phẩm có cấu trúc vô định hình, kích thước hạt đồng đều và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho ứng dụng trong nông nghiệp.

Đặc trưng vật liệu nanosilica với diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp giúp tăng khả năng hấp phụ và phân tán trong môi trường đất, từ đó nâng cao hiệu quả cung cấp silic cho cây trồng. Các nhóm silanol trên bề mặt hạt tạo điều kiện thuận lợi cho sự liên kết với các ion và phân tử trong đất, hỗ trợ quá trình hấp thụ silica của cây.

Ứng dụng nanosilica trong nông nghiệp thể hiện rõ vai trò trong việc tăng cường sức đề kháng của cây lúa trước các stress sinh học và phi sinh học như hạn hán, bệnh đạo ôn và stress mặn. Việc làm cho lá cây đứng thẳng hơn giúp tăng hiệu quả quang hợp, đồng thời giảm thiểu hiện tượng đổ ngã, góp phần nâng cao năng suất. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy silica là vi chất dinh dưỡng có lợi nhưng không thiết yếu, giúp cây trồng phát triển khỏe mạnh và tăng năng suất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa kích thước hạt quặng và hiệu suất tổng hợp, biểu đồ phân bố kích thước hạt nanosilica, bảng so sánh năng suất cây lúa giữa các nghiệm thức bón phân có và không có nanosilica, cũng như biểu đồ thể hiện sự thay đổi diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp theo điều kiện nung.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp nanosilica: Đề xuất áp dụng quy trình kết tủa với nồng độ NaOH khoảng 2.4 mol/L, nhiệt độ nung 550°C trong 2 giờ để sản xuất nanosilica có kích thước hạt đồng đều và diện tích bề mặt lớn. Thời gian thực hiện quy trình nên được kiểm soát nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Chủ thể thực hiện là các cơ sở nghiên cứu và sản xuất vật liệu nano.

2. Ứng dụng nanosilica trong phân bón nông nghiệp: Khuyến khích phối hợp nanosilica vào phân bón để tăng cường khả năng hấp thụ silica của cây trồng, đặc biệt là cây lúa. Mục tiêu là tăng năng suất cây trồng từ 10-15% trong vòng 1-2 vụ mùa. Nông dân và các doanh nghiệp phân bón nên phối hợp triển khai.

3. Nghiên cứu mở rộng về tác động sinh học của nanosilica: Đề xuất các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của nanosilica đến khả năng chống chịu stress sinh học và phi sinh học của nhiều loại cây trồng khác nhau, nhằm mở rộng ứng dụng trong nông nghiệp bền vững. Các viện nghiên cứu và trường đại học nên chủ trì thực hiện trong 3-5 năm tới.

4. Xây dựng quy trình sản xuất nanosilica quy mô công nghiệp: Đề xuất phát triển công nghệ sản xuất nanosilica từ nguồn nguyên liệu quặng cát địa phương với quy mô công nghiệp, đảm bảo chi phí hợp lý và chất lượng ổn định. Các doanh nghiệp công nghệ vật liệu và chính quyền địa phương cần phối hợp thực hiện trong 2-3 năm tới.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo để phổ biến kiến thức về tổng hợp và ứng dụng nanosilica trong nông nghiệp cho cán bộ kỹ thuật, nông dân và doanh nghiệp. Mục tiêu nâng cao nhận thức và kỹ năng sử dụng vật liệu nano trong sản xuất nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Vật liệu và Nông nghiệp: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng vật liệu nano silica, cũng như ứng dụng trong nông nghiệp, giúp mở rộng hiểu biết và phát triển nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất phân bón và vật liệu nano: Thông tin về quy trình tổng hợp nanosilica và ứng dụng thực tiễn giúp doanh nghiệp cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu quả phân bón và phát triển các sản phẩm mới thân thiện môi trường.

3. Cán bộ kỹ thuật và quản lý trong lĩnh vực nông nghiệp: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để áp dụng nanosilica trong canh tác, tăng năng suất và chất lượng cây trồng, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

4. Chính quyền địa phương và các tổ chức phát triển nông nghiệp: Luận văn giúp xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ nano trong nông nghiệp, thúc đẩy sản xuất bền vững và nâng cao đời sống nông dân.

Câu hỏi thường gặp

1. Nanosilica là gì và khác gì so với silica thông thường?
   Nanosilica là silica có kích thước hạt trong khoảng 1-100 nm, mang đặc tính vật lý và hóa học ưu việt như diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao hơn silica thông thường. Điều này giúp nanosilica dễ dàng tương tác và hấp thụ trong đất và cây trồng, tăng hiệu quả sử dụng.

2. Quy trình tổng hợp nanosilica từ quặng cát Bình Định như thế nào?
   Quy trình bao gồm nghiền quặng cát đến kích thước nhỏ, xử lý bằng dung dịch NaOH để phân hủy silica, kết tủa bằng axit HCl, sau đó nung ở nhiệt độ khoảng 550°C để tạo ra nanosilica vô định hình với kích thước hạt khoảng 15-30 nm.

3. Nanosilica có tác dụng gì đối với cây lúa?
   Nanosilica giúp tăng cường khả năng chống chịu hạn hán, bệnh đạo ôn, làm cho lá cây đứng thẳng hơn, tăng hiệu quả quang hợp và giảm hiện tượng đổ ngã, từ đó nâng cao năng suất cây lúa lên khoảng 10-15%.

4. Có những phương pháp phân tích nào được sử dụng để đánh giá nanosilica?
   Các phương pháp chính gồm nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt, phổ hồng ngoại (FT-IR) để xác định nhóm chức trên bề mặt, phân tích nhiệt đồng thời (TGA-DSC) và đẳng nhiệt hấp phụ (BET) để đánh giá tính chất vật lý.

5. Nanosilica có an toàn và thân thiện với môi trường không?
   Nanosilica được tổng hợp từ nguồn nguyên liệu tự nhiên và có tính trơ về mặt hóa học, không gây độc hại cho cây trồng và môi trường khi sử dụng đúng liều lượng. Việc sử dụng nanosilica giúp giảm lượng phân bón hóa học, góp phần bảo vệ môi trường nông nghiệp.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp nanosilica từ quặng cát Bình Định với kích thước hạt 15-30 nm và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho ứng dụng nông nghiệp.
• Nanosilica có đặc trưng vật lý và hóa học ưu việt, bao gồm cấu trúc vô định hình, bề mặt xốp và nhóm silanol hoạt tính trên bề mặt.
• Ứng dụng nanosilica trong phân bón giúp tăng năng suất cây lúa từ 10-15%, cải thiện khả năng chống chịu stress sinh học và phi sinh học.
• Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu trong và ngoài nước, mở ra hướng phát triển vật liệu nano trong nông nghiệp bền vững.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng, phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp và chuyển giao công nghệ để ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô lớn, hoàn thiện quy trình sản xuất và đào tạo chuyển giao công nghệ cho các bên liên quan nhằm thúc đẩy ứng dụng nanosilica trong thực tiễn nông nghiệp Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .1 VẬT LIỆU NANO .2 Phân loại vật liệu nano .3 Phƣơng pháp để tổng hợp vật liệu nano .4 Một số ứng dụng của vật liệu nano .2 GIỚI THIỆU VỀ SILICA – NANO SILICA .2 Các dạng thù hình của silica .3 Tính chất của silica .3 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU NANOSILICA .1 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .2 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc .4 ỨNG DỤNG CỦA SILICA .1 Ứng dụng của silica trong các lĩnh vực .2 Ứng dụng của silica trong nông nghiệp. 26 CHƢƠNG 2: THỰC NGHỆM .1 THIẾT BỊ, HÓA CHẤT, DỤNG CỤ .2 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ NANOSILICA .1 Phƣơng pháp phun khói và muội silica.2 Phƣơng pháp kết tủa (silica kết tủa và silica gel) .3 Phƣơng pháp sol-gel .3 TỔNG HỢP VẬT LIỆU .4 NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƢU VẬT LIỆU .1 Khảo sát kích cỡ hạt quặng silica .2 Khảo sát sự ảnh hƣởng của thời gian thực hiện quá trình nghiền quặng .3 Khảo sát sự ảnh hƣởng của nồng độ NaOH đến quá trình phân hủy quặng .4 Khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiệt độ trong quá trình phân hủy quặng .5 Khảo sát sự ảnh hƣởng của nồng độ axit HCl đến quá trình trung hòa sản phẩm sau khi thủy phân .6 Khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiệt độ nung trong quá trình .5 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU .1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM).

Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .4 Phƣơng pháp phân tích nhiệt (TGA - DSC ) .5 Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X (EDX). Phƣơng pháp huỳnh quang tia X (XRF). Phƣơng pháp phổ hồng ngoại FT-IR .6 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP THỤ SILICA Ở CÂY TRỒNG .2 Nghiên cứu khảo sát ảnh hƣởng của phân bón chứa nanosilica SiO2 đến năng suất cây lúa. 63 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .1 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN TỐI ƢU VẬT LIỆU .1 Khảo sát kích thƣớc hạt quặng silica .2 Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian thực hiện quá trình nghiền quặng .3 Khảo sát sự ảnh hƣởng của nồng độ NaOH đến quá trình phân hủy quặng .4 Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quá trình hòa tan quặng trong NaOH .5 Khảo sát sự ảnh hƣởng của nồng độ axit HCl đến quá trình trung hòa sản phẩm sau khi thủy phân .2 ĐẶC TRƢNG VẬT LIỆU NANOSILICA .1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .2 Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM) .3 Phƣơng pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .4 Phƣơng pháp phân tích nhiệt (TGA -DSC) .5 Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X ( EDX) .6 Phƣơng pháp huỳnh quang tia X (XRF) .7 Phƣơng pháp phổ hồng ngoại (FT-IR).8 Phƣơng pháp đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 (BET).

THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM NANO SILICA ĐỐI VỚI CÂY LÚA. 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 87 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 89 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT nm nanomet (đơn vị đo độ dài) TOES Tetraethyl orthorsilicate TGA –DSC Phân tích nhiệt đồng thời EDX Energy-Dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán xạ năng lƣợng tia X) XRD X – Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) XRF X-Ray fluorescence (Huỳnh quang tia X) SEM Scanning Electron Microscope (Hiển vi điện tử quét) TEM Transmission Electron Microscope (Hiển vi điện tử truyền qua) FT – IR Fourier-tranformation Infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại) BET Brunauer-Emmett-Teller ( Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2) BJH Barrett – Joyner – Halenda (Phân tích mao quản hấp phụ) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 :Lƣợng Si thực tế cây hút và lƣợng Si vào rễ theo dòng chảy khối lƣợng của cây lúa, lúa mì và đậu tƣơng trồng trong dung dịch dinh dƣỡng với 3 mức nồng độ Si (Van der Vorm, 1980) .2 : Khoảng thích hợp và ngƣỡng thiếu hụt Si đối với sinh trƣởng của cây lúa (Van der Vorm, 1980) .1: Khảo sát kích thƣớc hạt quặng silica .2: Ảnh hƣởng của thời gian thực hiện quá trình nghiền quặng .3: Ảnh hƣởng của nồng độ NaOH đến quá trình phân hủy quặng.

Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ phân hủy quặng đến hiệu suất quá trình hòa tan .5 : Ảnh hƣởng nồng độ axit HCl đến quá trình trung hòa và tạo silica gel .6 : Kích thƣớc hạt (TEM) của nano silica ở các nhiệt độ nung khác nhau .7 : Kết quả phân tích XRF mẫu quặng silica .8: Thông số đặc trƣng cho tính chất xốp của nano silica ở các nhiệt độ nung khác nhau .9 : Kết quả thực nghiệm nano silica trên cây lúa. 85 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phƣơng pháp tổng hợp nano .2: Cấu trúc tứ diện của silica .3: Thạch anh alpha .6: Các dạng biến đổi thù hình của silica .7: Cấu trúc nanosilica .8: Sơ đồ mô tả sự hấp phụ anion (phosphate hoặc silicate) do lực hút tĩnh điện với nhóm OH2+.1: Phƣơng pháp phun khói và muội silica .2: Quá trình tổng hợp bột silica từ TEOS .3: Quy trình tổng hợp nanosilica từ quặng cát ở Phù Cát – Bình Định .4 : Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể.5: Các dạng đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ-giải hấp phụ theo phân loại của IUPAC .6 : Các loại vòng trễ .1: Khảo sát kích thƣớc hạt quặng silica .2: Ảnh hƣởng của thời gian thực hiện quá trình nghiền quặng.3: Ảnh hƣởng của nồng độ NaOH đến quá trình phân hủy quặng.4: Ảnh hƣởng của nhiệt độ phân hủy quặng đến hiệu suất quá trình hòa tan.5 : Ảnh hƣởng của nồng độ HCl đến quá trình trung hòa natri silicat và ngƣng tụ silica gel .6 : Giản đồ XRD của mẫu nanosilica ở các nhiệt độ nung khác nhau .7 : Ảnh SEM của nanosilica ở các nhiệt độ nung khác nhau .8: Ảnh TEM của nanosilica ở các nhiệt độ nung khác nhau.9 : Giản đồ phân tích nhiệt đồng thời TGA – DSC.10 : Phổ EDX của nanosilica ở các nhiệt độ nung khác nhau .11 : Giản đồ XRF của nano silica .12 : Phổ FT – IR của nano silica ở các nhiệt độ nung khác nhau .13 : Đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ N2 của nanosilica ở các nhiệt độ nung khác nhau .14 : Đƣờng phân bố mao quản của nano silica ở các nhiệt độ nung khác nhau .15: Lúa đang thời kỳ chín đạt 90%. Lý do chọn đề tài Trong vỏ trái đất, Silic là nguyên tố phổ biến thứ 2 sau oxy, chiếm 25% khối lƣợng [33]. Mặc dù nó chiếm lƣợng lớn nhƣ thế trong trái đất nhƣng silic nguyên chất rất hiếm, hầu hết silic trong vỏ trái đất đều liên kết với oxi đƣợc gọi là silica hoặc silic đioxit (SiO2) hoặc khoáng vật silicat [5] [68].

Lƣợng silica trong đất cát ít bị phong hóa có thể đến 90% nhƣng trong những đất nhiệt đới bị phong hóa mạnh chỉ khoảng 20%. Nhìn chung lƣợng silica SiO2 chiếm khoảng 60-90% trong đất [23][53][63][80]. Tất cả các loại cây trồng đều chứa silic. Vì thế cây trồng hút silic ở dạng ion SiO32-, hàm lƣợng dinh dƣỡng đƣợc tính quy đổi ra % SiO2 [65].Cây trồng kể cả cây non cũng lấy đƣợc silic trong đất.

Đặc biệt là thuộc họ Hòa thảo. Chẳng hạn nhƣ cây lúa khi đƣợc bón silic vào gốc thì đặt năng suất hạt tối đa 3705 kg/ha với liều lƣợng 329 kg SiO2/ha, riêng trong vỏ trấu, số lƣợng silic là 235kg SiO2/ha [27]. Theo Mengel và Kirkby (1987), sự phân bố Si trong cây phụ thuộc vào mức độ thoát hơi nƣớc của các bộ phận khác nhau của cây[36][103]. Mặc dù vai trò lý sinh và sinh hóa của silic chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều.

Có ý kiến cho rằng silic không có vai trò gì đặc biệt ngoài tác dụng làm cứng mô chống đỡ. Ngƣời ta đã trồng cây trong dung dịch không có silic và nhận thất rằng cây vẫn phát triển bình thƣờng. Ngày nay, khoa học thực vật hiện đại phân loại silica là vi chất dinh dƣỡng [33][34][36] cho cây trồng, đƣợc xem là “chất dinh dƣỡng có lợi cho cây trồng nhƣng không cần thiết”. Nghĩa là không nhất thiết sử dụng nó cho cây trồng nhƣ nitơ (N), photpho (P), kali (K), nhƣng việc áp dụng silica có thể mang lại nhiều lợi ích cho cây trồng [141].

2 Đặc biệt là đối với các loại cây có hàm lƣợng silica trong cây cao nhƣ: lúa[19] [26] [41] [134] [139], ngô [64]và mía[64],…: - Giúp cho chống sự xâm nhập vủa vi khuẩn và nấm gây bệnh [45] [56] [65] [88] [106] [125]. - Làm cho lá đứng giúp cho cây quang hợp tốt [137][139][140] [145][152] - Làm cho cây cứng chống đƣợc đổ ngã [65] [66][83][125][126][149]. - Làm giảm sự mất nƣớc giúp cho cây chống hạn và chống nóng [36] [37] [136] [143]. - Làm tăng khả năng oxy hóa của rễ làm giảm tác hại do hút quá nhiều sắt và mangan [103] [123][124][135].

- Giúp tăng năng suất cây trồng [88][92][113][115][126][149]. Các tác dụng khác đƣợc ghi nhận và ở nhiều loại cây là: - Cần cho sự tạo thành diệp lục, cần thiết cho quang hợp [37][150]. - Làm tăng hiệu quả sử dụng phân lân và hiệu quả sử dụng phân đạm [6]-[10]. Nhƣ vậy silica có tác dụng chủ yếu đến tính chống chịu: thiếu ánh sáng, thiếu nƣớc, nhiệt độ cao và sâu bệnh hại.

Chính do khả năng tính chống chịu này mà silica càng ngày càng đƣợc chú ý khi sản xuất càng đi vào hƣớng thâm canh, gỡ mối khó khăn căn bản khi sử dụng các giống mới (giống cho năng suất và chất lƣợng sản phẩm cao thƣờng có tính chống chịu yếu) và việc sử dụng thuốc trừ sâu. Hiệu quả của cung cấp silica cho cây trồng chƣa nhiều nhƣng kết quả ban đầu cho thấy đối với một số cây nhƣ dƣa chuột [37], cà chua [72][105], đậu tƣơng[78], ngô[88], mía[43][54][70][101] và lúa[63] đặc biệt là lúa đồi, lúa mì [39], lúa mạch, cao lƣơng bón silica lợi về nhiều mặt và tăng năng suất. Khi nhu cầu thấp thì số lƣợng SiO2 dễ tiêu trong đất còn có thể đủ thỏa 3 mãn nhu cầu, nhƣng khi nhu cầu cao không tránh khỏi có hiện tƣợng thiếu silica. Lúa trồng trên đất bạc màu thoái hóa và đất đồi cần chú ý bón silica.

Trên đất đồi, silica dễ tiêu ít hơn đất lúa nƣớc, lúa thƣờng hay bị bệnh đạo ôn hơn lúa nƣớc (bón silica có thể làm giảm bệnh[102]). Mặc số lƣợng silica trong đất cao nhƣng luôn bị ảnh hƣởng bởi các thành phần khác trong đất bao gồm: độ pH, sự có mặt của đất sét, chất hữu cơ, sắt và các nhôm hydroxit,…[143]. Do vậy, ta nên cung cấp đủ lƣợng silica cho cây trồng để cây sinh trƣởng và phát triển khỏe mạnh. Ngƣời ta dùng khái niệm công nghệ nano là để chỉ lĩnh vực khoa học và công nghệ mà đối tƣợng nghiên cứu cũng nhƣ thao tác của nó có kích thƣớc nanomét [một phần tỉ mét hoặc 1/10ⁿ (với n = 9)][144].