Đặt vấn đề Việc sử dụng phân bón cung cấp dinh dưỡng để cây phát triển bình thường và tăng năng suất nông sản là cần thiết. Ion dinh dưỡng đạm rất linh động, nên khi cây trồng chưa sử dụng hết, dễ dàng bị chuyển hoá thành dạng khí NOx hoặc NH3, bị cố định trong đất hoặc rửa trôi thất thoát ra môi trường. Trong đó, sự thất thoát do chuyển hoá thành dạng khí và rửa trôi là nguyên nhân chính làm giảm hiệu quả việc sử dụng phân bón chứa đạm. Dinh dưỡng lân và kali sẽ bị cố định trong đất hoặc bị rửa trôi khi chưa được cây trồng sử dụng, sự rửa trôi là nguyên nhân chính làm thất thoát phân bón có chứa lân và kali.
Việc thất thoát các chất dinh dưỡng do quá trình rửa trôi gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm, phá vỡ cấu trúc và ảnh hưởng đến tính chất sinh học của đất; thất thoát ra không khí gây mưa axit và hiệu ứng nhà kính. Vì vậy, việc kiểm soát việc nhả chậm các chất dinh dưỡng của phân bón NPK cần thiết cho cây hấp thu dinh dưỡng từ từ, giảm chi phí sử dụng phân bón cho người nông dân và giảm tác động xấu đến môi trường. Có nhiều phương pháp ứng dụng cho phân bón nhả chậm dinh dưỡng như bọc lõi-vỏ bằng polyme, biến tính bề mặt hạt phân bằng các phản ứng hoá học để giảm sự phóng thích chất dinh dưỡng, sử dụng các hợp chất sinh học hoặc vi sinh, phối trộn vào phân NPK vật liệu có khả năng giữ chất dinh dưỡng như zeolite, sản phẩm 2 hữu cơ, than sinh học và hydroxit kép. Trong đó, vật liệu hydroxit kép (LDH, layered double hydroxides) có cấu trúc giống các loại khoáng sét trong tự nhiên, dễ dàng ứng dụng vào phân bón nhằm kiểm soát sự nhả chậm.
Các nghiên cứu gần đây đã thử nghiệm nhả chậm phốt pho và bo từ hệ MgAl-LDH [1], [2], nhả chậm nitrat từ hệ ZnAl-LDH [3], MgZnAl-LDH [4] nhưng vẫn chưa có nghiên cứu về việc ứng dụng LDH vào phân bón nhằm nhả chậm kali. Vì vậy, nghiên cứu tổng hợp vật liệu LDH ứng dụng trong phân bón NPK nhằm nhả chậm chất dinh dưỡng đạm, lân, kali là cần thiết. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1. Mục tiêu nghiên cứu Trong đề tài này, mục tiêu quan trọng nhất là nghiên cứu làm chậm quá trình giải phóng dinh dưỡng của phân NPK, giúp ngăn chặn sự thất thoát đạm, lân và kali ra môi trường bằng cách bổ sung LDH vào công thức phối liệu hạt phân.
Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: nghiên cứu tổng quan, tìm hiểu về hydroxit cấu trúc lớp kép và sự cần thiết các loại chất dinh dưỡng cho cây trồng. Nội dung 2: nghiên cứu thực nghiệm - Thực hiện quy trình phản ứng tổng hợp MnAl-hydroxit kép và đánh giá một số tính chất hoá lý của vật liệu. - Khảo sát các công thức phối liệu sử dụng MnAl-hydroxit kép tạo hạt cho phân NPK. - Đánh giá khả năng nhả chậm các thành phần dinh dưỡng đạm, lân, và kali của vật liệu MnAl-hydroxit kép.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài Theo hiệp hội phân bón quốc tế (The International Fertilizer Association, IFA) thống kê, giá trị ngành công nghiệp sản xuất phân bón trên toàn cầu năm 2022 đạt 290 tỷ đô [5]. Ngoài ra theo báo cáo tổng hợp kết quả quang trắc môi trường năm 2017 của Sở tài nguyên và môi trường tỉnh Tiền Giang [6], kết quả các chỉ tiêu đo 3 được so với Quy chuẩn Việt Nam (QCVN) 08:2023/BTNMT cho thấy tại một số vị trí khảo sát các chỉ tiêu như ion NH4+, NO2-, NO3-, PO43- đã vượt so với quy định được cho phép và kết quả được thể hiện trong Bảng 1. Việc sử dụng phân bón nhiều hơn so với nhu cầu của cây là một trong các nguyên nhân gây nên dư thừa các chất dinh dưỡng trong đất và nước. Việc dư thừa đạm và lân trong nước uống hay thức ăn đều có tác hại đối với sức khoẻ cho con người, như thừa đạm gây chứng giảm hemoglobin trong máu (hội chứng da xanh ở trẻ em) và nguy cơ gây ung thư.
Trong khi đó, thừa phốt pho sẽ làm giảm khả năng hấp thu canxi, gây nguy cơ loãng xương. Vì vậy, việc sử dụng hiệu quả phân bón giúp tăng lợi nhuận cho người nông dân, giảm tác động xấu với môi trường. Ngoài ra, việc sử dụng phân bón có hiệu quả cũng giúp giảm phát thải CO2 [5], đó là một vấn đề hiện đang được các nước quan tâm.1: Kết quả đo chất lượng nước tại một số vị trí của tỉnh Tiền Giang năm 2017 [6] Mức cho phép theo Chỉ tiêu Hàm lượng đo STT Vị trí đo QCVN 08:2023 đo được /BTNMT Tuyến kênh giáp 2 Amoni 1 tỉnh Tiền Giang, 1,34 mg/l ≤ 0,3 mg/l (NH4+) Long An Amoni 1,59 mg/l ≤ 0,3 mg/l (NH4+) Thành phố Mỹ Nitrit 0,16 mg/l ≤ 0,05 mg/l Tho, huyện Châu (NO2-) 2 Thành và Chợ Nitrat Gạo 3,79 mg/l ≤ 2,0 mg/l (NO3-) Phốt phát 0,679 mg/l ≤ 0,5 mg/l (PO43-) Thị xã Gò Công, Amoni 3 1,59 mg/l ≤ 0,3 mg/l huyện Gò Công (NH4+) 4 Tây, Gò Công Nitrit Đông, Tân Phú 0,19 mg/l ≤ 0,05 mg/l (NO2-) Đông Amoni 1,77 mg/l ≤ 0,3 mg/l Huyện Cái bè, Cai (NH4+) 4 Lậy, Tân Phước Nitrit 0,18 mg/l ≤ 0,05 mg/l (NO2-) Vật liệu hydroxit kép (LDH, layered double hydroxide) được tổng hợp khá dễ dàng, giá rẻ, và có triển vọng ứng dụng trong phân bón nhả chậm [7], [8], [9]. Tuy nhiên, đến thời điểm hiện tại chưa có đề tài nào nghiên cứu hoàn chỉnh từ tổng hợp vật liệu hydroxit kép, đến công thức phối trộn trong phân NPK và khảo sát khả năng nhả chậm chất dinh dưỡng của phân.
Chính vì thế, trong luận văn này vật liệu đề xuất làm rõ các yếu tố trong quá trình tổng hợp vật liệu MnAl-LDH như pH của dung dịch, tỷ lệ kim loại Mn2+/Al3+, thời gian già hoá và công thức phối trộn phân NPK như % phối liệu LDH vào phân NPK, tỷ lệ dinh dưỡng đạm/dinh dưỡng lân, tỷ lệ phối liệu ure/SA để khảo sát ảnh hưởng của vật liệu MnAl-LDH đến khả năng nhả chậm chất dinh dưỡng của phân NPK. Từ các thông tin thu được, có thể thiết lập được điều kiện tổng hợp LDH và công thức phối liệu phù hợp cho ứng dụng trong phân bón nhả chậm NPK. Tổng quan về đất và phân bón Đất giúp cho thực vật sinh trưởng và phát triển được cấu thành từ các thành phần như: đá già, mềm đã hoặc đang phân huỷ là nguồn thức ăn thực vật (tỷ lệ 45% trong đất); nước hoà tan và vận chuyển các dưỡng chất cho rễ cây để cây phát triển (tỷ lệ 25% trong đất); không khí cung cấp oxy cho quá trình hô hấp của cây (tỷ lệ 25% trong đất) và xác thực vật phân huỷ giúp đất trở nên xốp, ẩm, giúp rễ cây mọc dễ dàng (tỷ lệ 5% trong đất) [10], [11]. Do đất được cấu tạo từ các loại đá, chất hữu cơ, vi sinh vật cùng kết hợp các quá trình phong hoá, tích luỹ, biến đổi và phụ thuộc vào vị trí địa lý, thời gian khác nhau nên có nhiều loại đất khác nhau.
Đất cần tơi, xốp để cho rễ cây dễ dàng phát triển và không cản trở các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của cây và các vi sinh vật có lợi trong đất. Cho nên đất tốt cho cây trồng có bốn đặc điểm sau: - Một là đất có nhiều dinh dưỡng cho cây trồng; - Hai là đất không bị axit, kiềm hay mặn có đặc tính hoá học tốt, đất tốt thường có pH trung tính trong khoảng từ 6 đến 7; - Ba là đất có đặc tính tơi xốp giúp rễ cây phát triển dễ dàng (đặc tính tự nhiên tốt); - Bốn là có nhiều vi sinh vật có lợi (đặc tính sinh học tốt). Cây trồng cần các chất dinh dưỡng để phát triển và dinh dưỡng cây trồng cần có thể chi ra làm 3 loại như Hình 2.1 biểu diễn các thành phần dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng như: - Đa lượng: đạm (N), lân (P) và kali (K). Theo pháp luật quy định hiện hành về phân bón các nguyên tố đa lượng ở dạng cây trồng hấp thu được và được quy về đạm tổng số (Nts), lân hữu hiệu (P2O5hh), kali hữu hiệu (K2Ohh) [12].
- Trung lượng: lưu huỳnh (S), canxi (Ca), magie (Mg). - Vi lượng: kẽm (Zn), đồng (Cu), bo (B), mangan (Mn), coban (Co), molipden (Mo).1: Các nguyên tố đa lượng, trung lượng, vi lượng cần thiết cho cây trồng [13] Theo thời gian, các chất dinh dưỡng trong đất được cây trồng hấp thu để phục vụ nhu cầu phát triển của cây trồng, nên lượng dinh dưỡng bị giảm dần. Ngoài ra, do tác động tiêu cực của thời tiết như nắng nóng, mưa, lũ cũng làm cho đất mất đi phần lớn chất dinh dưỡng để cây phát triển. Tuy nhiên, chỉ có một lượng nhỏ các chất dinh đưỡng được cung cấp lại cho đất từ tự nhiên như phù sa, xác động vật, thực vật phân huỷ.
Thực tế, lượng dinh dưỡng mà tự nhiên bổ sung không cân bằng với lượng cây trồng cần để sinh trưởng và phát triển, làm cho đất càng ngày càng nghèo chất dinh dưỡng. Vì vậy, cách nhà nông học, nhà kỹ sư,… đã sử dụng các nguồn nguyên liệu có sẵn chứa các nguyên tố dinh dưỡng trong thiên nhiên và chuyển hoá chúng từ dạng cây trồng không hấp thu được thành dạng dễ hấp thu, để cung cấp cho cây trồng. Đó chính là quá trình công nghiệp sản xuất phân bón. Một sơ đồ chung cho ngành sản xuất phân bón được trình bày ở Hình 2.2: Sơ đồ sản xuất phân bón ở quy mô công nghiệp [14] 7 2.
Phân loại phân bón và tác dụng của các nguyên tố dinh dưỡng 2. Phân loại phân bón Phân bón có thể được chia ra nhiều loại như theo phương thức sử dụng, theo công dụng của sản phẩm hay theo thành phần dinh dưỡng có trong phân bón. Ngoài ra, có thể chia ra phân bón làm ba loại như: phân bón vô cơ, phân hữu cơ, phân vi sinh. - Phân bón vô cơ hay phân hoá học là loại phân bón được sản xuất theo quy trình công nghiệp chuyển hoá các loại khoáng sản trong tự nhiên từ dạng cây trồng không hấp thu được sang dạng cây trồng hấp thu được.
Các loại phân chính trong phân vô cơ như: * Phân bón vô cơ đơn được biết đến nhiều tên khác nhau như phân khoáng, phân bón khoáng,. Đây là loại phân bón cung cấp chỉ một nguyên tố dinh dưỡng cho cây trồng như ure, supe lân đơn, supe lân kép, KCl,… Phân bón vô cơ đơn có hàm lượng chất dinh dưỡng nhiều hơn so với phân hữu cơ, tuy nhiên chỉ cung cấp 1 nguyên tố dinh dưỡng cho cây trồng.