Nghiên Cứu Vật Liệu Hydrogel Từ N,N’-Methacrylamide Và Maleic Acid Trong Ứng Dụng Nông Nghiệp

Nghiên cứu về hydrogel từ N,N’-Methacrylamide và Maleic Acid đang thu hút sự chú ý… 122 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2023.

• Tác giả: Đinh Đức Huy
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Nguyễn Anh Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Hydrogel Từ N,N’-Methacrylamide Và Maleic Acid Trong Ứng Dụng Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hydrogel và hydrogel giải phóng phân bón chậm
• 1.2. Khái niệm về hydrogel
• 1.3. Vật liệu IPN và Semi-IPN hydrogel
• 1.4. Ứng dụng của hydrogel trong nông nghiệp
• 1.5. Tính chất đặc trưng của hydrogel trong nông nghiệp
• 1.6. Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất
• 1.7. Các ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng hydrogel
• 1.8. Tổng quan về nguyên liệu
• 1.9. Các phương pháp phân tích và đánh giá pDMA và semi-IPN hydrogel
• 1.10. Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC)
• 1.11. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)
• 1.12. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR)
• 1.13. Kính hiển vị điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDX)
• 1.14. Tốc độ và khả năng trương nở (Swelling Rate; Swelling Ratio – SR)
• 1.15. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis – TGA)
• 1.16. Khảo sát ứng dụng hấp thụ và giải phóng KCl
• 1.17. Các mô hình động học đánh giá việc hấp thụ và giải phóng KCl
• 1.18. Tổng quan về đất, cây cà chua và các kỹ thuật bón phân
• 1.19. Tổng quan về cây cà chua
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ
• 2.2. Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu
• 2.3. Tổng hợp homopolymer mạch thẳng pDMA
• 2.4. Tổng hợp Semi-IPN Hydrogel
• 2.5. Biến tính mẫu Semi-IPN Hydrogel bằng Acid
• 2.6. Phương pháp thực nghiệm
• 2.7. Sắc ký gel GPC
• 2.8. Tán xạ ánh sáng động DLS
• 2.9. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier - FTIR
• 2.10. Kính hiển vi điện tử quét SEM và quang phổ tán xạ năng lượng tia X EDX
• 2.11. Khảo sát tốc độ trương nở trong nước và trong môi trường pH
• 2.12. Khảo sát tỉ lệ trương cân bằng qua nhiều chu kỳ hấp thu/giải hấp thu nước
• 2.13. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA
• 2.14. Khảo sát tính chất lưu biến
• 2.15. Khảo sát khả năng hấp thụ KCl
• 2.16. Khảo sát khả năng giải phóng KCl
• 2.17. Đánh giá tính chất của đất theo thời gian
• 2.18. Theo dõi sự phát triển của cây trồng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tổng hợp pDMA
• 3.2. Kết quả phổ FTIR
• 3.3. Kết quả phân tích sắc ký thẩm thấu gel GPC
• 3.4. Kết quả phân tích DLS
• 3.5. Tổng hợp mẫu hydrogel
• 3.6. Kết quả phổ FTIR của hydrogel SH và SA
• 3.7. Đường kính mẫu hydrogel
• 3.8. Kết quả SEM/EDX
• 3.9. Khảo sát tỉ lệ trương nở của hydrogel
• 3.10. Kết quả đo TGA
• 3.11. Kết quả đo cơ tính
• 3.12. Kết quả đo lưu biến
• 3.13. Khảo sát khả năng hấp thụ KCl
• 3.14. Khảo sát khả năng giải phóng KCl
• 3.15. Kết quả đánh giá tính chất của đất theo thời gian
• 3.16. Đánh giá khả năng giữ nước của hydrogel qua nhiều chu kỳ
• 3.17. Đánh giá pH của đất theo thời gian
• 3.18. Kết quả theo dõi sự phát triển của cây trồng
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Vật Liệu Hydrogel Trong Nông Nghiệp

Nghiên cứu về hydrogel từ N,N’-Methacrylamide và Maleic Acid đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực nông nghiệp. Hydrogel là vật liệu có khả năng giữ nước và dinh dưỡng, giúp cải thiện độ ẩm của đất. Việc sử dụng hydrogel trong nông nghiệp không chỉ giúp tiết kiệm nước mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng hydrogel có thể giải phóng từ từ các chất dinh dưỡng, từ đó hỗ trợ sự phát triển của cây trồng.

1.1. Khái niệm về Hydrogel và Ứng Dụng Nông Nghiệp

Hydrogel là vật liệu có khả năng hấp thụ nước lớn, thường được sử dụng trong nông nghiệp để cải thiện độ ẩm của đất. Chúng có thể giữ nước và dinh dưỡng, giúp cây trồng phát triển tốt hơn.

1.2. Tính Chất Vật Lý và Hóa Học Của Hydrogel

Các tính chất vật lý và hóa học của hydrogel như khả năng giữ nước, độ bền cơ học và khả năng giải phóng dinh dưỡng là rất quan trọng. Những tính chất này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng trong nông nghiệp.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Ứng Dụng Hydrogel

Mặc dù hydrogel mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc ứng dụng chúng trong nông nghiệp. Một trong những vấn đề chính là khả năng phân hủy của hydrogel trong môi trường đất. Nếu không được thiết kế đúng cách, hydrogel có thể gây ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, chi phí sản xuất cũng là một yếu tố cần xem xét.

2.1. Khả Năng Phân Hủy Của Hydrogel

Khả năng phân hủy của hydrogel trong đất là một vấn đề quan trọng. Nếu hydrogel không phân hủy đúng cách, chúng có thể tích tụ và gây hại cho môi trường.

2.2. Chi Phí Sản Xuất Hydrogel

Chi phí sản xuất hydrogel từ N,N’-Methacrylamide và Maleic Acid có thể cao, điều này ảnh hưởng đến khả năng áp dụng rộng rãi trong nông nghiệp. Cần có các nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Hydrogel Từ N N Methacrylamide Và Maleic Acid

Phương pháp tổng hợp hydrogel từ N,N’-Methacrylamide và Maleic Acid thường sử dụng phương pháp trùng hợp gốc tự do. Quá trình này giúp tạo ra các mạng lưới polymer có khả năng giữ nước tốt. Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn của hydrogel.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Hydrogel

Quy trình tổng hợp hydrogel bao gồm các bước như trùng hợp gốc tự do và khâu mạng. Các yếu tố như nhiệt độ, thời gian và nồng độ monomer cần được kiểm soát chặt chẽ.

3.2. Đánh Giá Tính Chất Của Hydrogel

Sau khi tổng hợp, hydrogel cần được đánh giá về các tính chất như khả năng giữ nước, độ bền cơ học và khả năng giải phóng dinh dưỡng. Các phương pháp như FTIR, SEM và TGA thường được sử dụng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hydrogel Trong Nông Nghiệp

Hydrogel từ N,N’-Methacrylamide và Maleic Acid đã được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu thực tiễn. Chúng không chỉ giúp cải thiện độ ẩm của đất mà còn hỗ trợ sự phát triển của cây trồng. Kết quả nghiên cứu cho thấy hydrogel có thể giải phóng từ từ phân bón, giúp cây trồng hấp thụ dinh dưỡng hiệu quả hơn.

4.1. Tác Động Đến Độ Ẩm Của Đất

Sử dụng hydrogel giúp duy trì độ ẩm của đất trong thời gian dài, từ đó giảm thiểu tần suất tưới nước. Điều này rất quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

4.2. Tác Động Đến Sự Phát Triển Của Cây Trồng

Nghiên cứu cho thấy cây trồng được trồng trong đất có chứa hydrogel phát triển tốt hơn về chiều cao và sức sống. Điều này chứng tỏ hiệu quả của hydrogel trong việc cung cấp dinh dưỡng.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu Hydrogel

Nghiên cứu về hydrogel từ N,N’-Methacrylamide và Maleic Acid mở ra nhiều triển vọng trong nông nghiệp. Hydrogel không chỉ giúp cải thiện độ ẩm của đất mà còn hỗ trợ sự phát triển của cây trồng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp bền vững cho nông nghiệp.

5.1. Triển Vọng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Nghiên cứu về hydrogel cần tiếp tục được mở rộng để tìm ra các ứng dụng mới và cải tiến quy trình sản xuất. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng trong nông nghiệp.

5.2. Hướng Đi Mới Trong Ứng Dụng Hydrogel

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các loại hydrogel mới với tính năng cải tiến, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu của nông nghiệp hiện đại.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong canh tác nông nghiệp, quá trình tưới tiêu đóng vai trò cung cấp độ ẩm và dinh dưỡng cho đất, tuy nhiên hoạt động này tiêu tốn nhiều chi phí, đặc biệt tại các khu vực khô cằn. Năng suất cây trồng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ các yếu tố như độ xốp của đất, lượng nước tưới và khả năng lưu giữ phân bón. Việc lạm dụng phân bón hóa học theo phương pháp truyền thống trong thời gian dài tiềm ẩn nguy cơ rửa trôi, ngấm vào mạch nước ngầm làm ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt và làm gia tăng chi phí sản xuất.

Để giải quyết vấn đề này, các vật liệu hydrogel siêu hấp thụ (Superabsorbent Hydrogels - SAH) với khả năng giữ một lượng nước lớn và giải phóng dần đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, phần lớn SAH tổng hợp từ các polymer đắt tiền; nếu sử dụng đơn lẻ mà không kết hợp phân bón sẽ tạo gánh nặng kinh tế mà không cải thiện tương xứng năng suất cây trồng. Giải pháp kết hợp phân bón vào mạng hydrogel để tạo ra hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow Release Fertilizer Hydrogel - SRFH) giúp giữ nước, hạn chế rửa trôi dinh dưỡng và cung cấp khoáng chất từ từ cho cây trồng trong điều kiện khô hạn.

Khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

1. Tổng hợp vật liệu semi-IPN hydrogel từ $N,N'$-Dimethylacrylamide (DMA), Maleic acid (MA) và tiến hành biến tính với xúc tác acid.
2. Khảo sát cấu trúc hóa học, hình thái bề mặt và các tính chất lý hóa của vật liệu trước và sau biến tính.
3. Khảo sát động học và tỷ lệ trương nở qua nhiều chu kỳ trong các môi trường pH (4, 7, 10) và các môi trường dung dịch muối ($NaCl, CaCl_2, AlCl_3$).
4. Khảo sát khả năng hấp thụ phân bón $KCl$ trong dung dịch có nồng độ từ 150 đến 5500 mg/L tại 25°C trong 72 giờ; khảo sát khả năng giải phóng $KCl$ theo thời gian trong các môi trường pH khác nhau.
5. Đánh giá khả năng giữ ẩm của đất qua 5 chu kỳ và theo dõi sự thay đổi pH của đất theo thời gian khi được bổ sung hydrogel.
6. Đánh giá sự sinh trưởng và phát triển của cây cà chua thông qua việc theo dõi chiều cao cây trong 28 ngày khi bón các tỷ lệ hydrogel mang phân Kali khác nhau so với mẫu đối chứng.

Đối tượng nghiên cứu bao gồm homopolymer mạch thẳng linear pDMA 4%, mạng semi-IPN hydrogel poly(DMA-co-MA) trước biến tính (kí hiệu SH) và sau biến tính bằng acid (kí hiệu SA), chất khâu mạng $N,N'$-Methylenebisacrylamide (MBA), hệ khơi mào/xúc tác Ammonium Persulfate (APS) / $N,N,N',N'$-Tetramethylethylenediamine (TEMED), và phân bón Potassium Chloride ($KCl$). Phạm vi thực nghiệm nông học được tiến hành trên đất trồng cây đa dụng Namix và cây giống cà chua tại Phòng B315, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về vật liệu polymer mạng bán xen kẽ (semi-IPN) theo định nghĩa của IUPAC, trong đó một hoặc nhiều polymer mạch thẳng/phân nhánh xen nhập vào mạng lưới polymer không gian ba chiều mà không hình thành liên kết hóa học chéo với nhau. Hệ vật liệu sử dụng monomer DMA không ion có khả năng phản ứng cao kết hợp với MA chứa hai nhóm carboxyl ($-COOH$) nhằm tăng cường mật độ nhóm chức ưa nước và khả năng phân ly ion. Quá trình trùng hợp gốc tự do được kích hoạt bởi cặp chất khơi mào APS và xúc tác amin bậc ba TEMED thông qua cơ chế chuyển giao điện tử tạo gốc tự do sulfate ($SO_4^{\bullet-}$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và các công cụ phân tích bao gồm:

• Xác định đặc trưng phân tử và cấu trúc: Sắc ký thẩm thấu gel (GPC) xác định khối lượng phân tử và chỉ số đa phân tán (PDI); Phép đo tán xạ ánh sáng động (DLS) xác định đường kính thủy động học của pDMA tại 25°C và 45°C; Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) kiểm tra các nhóm chức đặc trưng và biến đổi liên kết hóa học.
• Phân tích hình thái và thành phần: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) kết hợp phần mềm ImageJ khảo sát hình thái bề mặt và cấu trúc lỗ xốp; Quang phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) phân tích định tính và ánh xạ nguyên tố Kali ($K$) và Clo ($Cl$).
• Đánh giá cơ - lý và độ bền nhiệt: Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) từ 50°C đến 900°C; Phép đo ứng suất nén phá hủy đánh giá độ bền cơ học; Đo lưu biến xác định tính đàn nhớt của mạng gel.
• Khảo sát quá trình trương nở và giải phóng: Phương pháp khối lượng (cân) xác định tỷ lệ trương nở ($SR$) và độ trương cân bằng; Phương pháp đo độ dẫn điện (EC) quy đổi sang tổng chất rắn hòa tan (TDS) để xác định nồng độ $KCl$ hấp thụ và giải phóng.
• Mô hình hóa động học: Động học trương nở bậc hai ($t/S = A + Bt$); Định luật khuếch tán Fick xác định cơ chế khuếch tán (Fickian/non-Fickian) và hệ số khuếch tán ($D$); Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich; Các mô hình động học giải phóng Zero-Order, First-Order, Higuchi, và Korsmeyer-Peppas.
• Thực nghiệm đất và sinh học: Đánh giá độ ẩm đất theo thời gian qua 5 chu kỳ tưới - làm khô; Đo pH đất qua 3 chu kỳ; Đo chiều cao thân cây cà chua định kỳ trong 28 ngày.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về hydrogel siêu hấp thụ và hydrogel giải phóng phân bón chậm trong nông nghiệp. Tác giả phân tích cơ chế giữ và giải phóng nước qua 4 giai đoạn: tiếp xúc nhóm chức ưa nước, hydrate hóa tạo lực đẩy tĩnh điện mở rộng mạng lưới, giải phóng lượng nước dự trữ khi đất khô, và tái hấp thu khi có nước tưới. Đồng thời, cơ chế giải phóng phân bón được giải thích qua quá trình nước khuếch tán vào lõi hòa tan phân bón và phân tán ngược ra ngoài theo gradient nồng độ dưới tác động của pH, nhiệt độ và độ ẩm đất.

Chương này cũng tổng quan chi tiết tính chất vật lý, hóa học của các nguyên liệu chính gồm DMA, pDMA, MA, APS, TEMED, MBA và phân bón $KCl$. Tác giả trình bày nguyên lý của các kỹ thuật phân tích hiện đại (GPC, DLS, FTIR, SEM, EDX, TGA), công thức tính toán tỷ lệ trương nở, hệ số khuếch tán, cùng các phương trình toán học của 4 mô hình hấp phụ đẳng nhiệt và 4 mô hình động học giải phóng dưỡng chất. Phần cuối chương giới thiệu đặc điểm sinh lý cây cà chua và các yêu cầu dinh dưỡng khoáng Kali.

Chương 2: Phương pháp thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, thiết bị và quy trình tiến hành các nội dung thực nghiệm theo sơ đồ nghiên cứu 4 giai đoạn:

• Giai đoạn 1: Tổng hợp homopolymer mạch thẳng linear pDMA 4% bằng phản ứng trùng hợp gốc tự do trong dung môi nước với APS/TEMED; lọc rửa và phân tích GPC, DLS, FTIR.
• Giai đoạn 2: Tổng hợp semi-IPN hydrogel p(DMA-co-MA) với chất khâu mạng MBA tạo mẫu hydrogel SH; tiến hành phản ứng biến tính mẫu SH trong dung dịch xúc tác acid tạo mẫu SA (thủy phân các nhóm amide); khảo sát cấu trúc bằng FTIR, SEM/EDX, TGA, đo cơ tính và lưu biến.
• Giai đoạn 3: Khảo sát khả năng trương nở của SH và SA trong nước cất, trong môi trường pH 4, 7, 10 và dung dịch muối $NaCl, CaCl_2, AlCl_3$; đánh giá độ trương cân bằng qua 5 chu kỳ tái sử dụng; khảo sát khả năng hấp thụ đẳng nhiệt $KCl$ (nồng độ 150 - 5500 mg/L) trong 72 giờ tại 25°C và khả năng giải phóng $KCl$ theo thời gian.
• Giai đoạn 4: Đánh giá tính chất đất trồng Namix khi phối trộn hydrogel (độ ẩm qua 5 chu kỳ, pH qua 3 chu kỳ); tiến hành gieo ươm hạt giống cà chua và theo dõi chiều cao cây trồng trong 28 ngày với các nghiệm thức bón 0,25% và 0,7% khối lượng SH/Kali hoặc SA/Kali so với đối chứng không bón hydrogel.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả phân tích thực nghiệm và đối chiếu mô hình lý thuyết:

• Đặc trưng pDMA: Phổ FTIR xác nhận sự biến mất của liên kết đôi $C=C$ và hình thành mạch pDMA. DLS ghi nhận kích thước hạt pDMA thay đổi theo nhiệt độ (25°C và 45°C). Phân tích GPC xác định phân bố khối lượng phân tử của homopolymer.
• Cấu trúc và hình thái SH, SA: Phổ FTIR của mẫu SA thể hiện sự gia tăng cường độ nhóm carboxyl tự do do phản ứng thủy phân nhóm amide trong môi trường acid. Ảnh SEM và phân tích ImageJ cho thấy mạng lưới lỗ xốp đồng đều. Phổ EDX khẳng định sự hiện diện đồng đều của Kali và Clo trên bề mặt vật liệu sau khi hấp phụ.
• Đặc tính trương nở và động học: Mẫu SH đạt tỷ lệ trương nở 2680,219% tại phút thứ 530 và đạt cân bằng ở 4044,529% sau 2900 phút. Mẫu SA đạt 1513,2% tại phút thứ 510 và đạt cân bằng ở 2348,74% sau 3295 phút. Quá trình khuếch tán nước của SH trong nước cất tuân theo cơ chế non-Fickian, trong khi cả SH và SA trong các môi trường pH (4, 7, 10) tuân theo cơ chế Fickian. Sau 5 chu kỳ trương nở trong pH và môi trường muối, tỷ lệ trương cân bằng chỉ giảm tối đa 11%.
• Tính chất nhiệt, cơ học và lưu biến: Phân tích TGA (50 - 900°C) ghi nhận khối lượng còn lại của SH là 11,81% và SA là 23,65%, chứng minh mẫu SA có độ bền nhiệt cao hơn. Thử nghiệm cơ tính cho thấy ứng suất nén của SA đạt $1356,29 \pm 7,0158$ kPa, cao hơn đáng kể so với SH ($633,225 \pm 31,715$ kPa). Kết quả đo lưu biến hoàn toàn phù hợp với dữ liệu cơ tính.
• Hấp thụ và giải phóng $KCl$: Dung lượng hấp thụ $KCl$ cân bằng của SH đạt 218,283 mg/g và SA đạt 111,793 mg/g; số liệu thực nghiệm tương thích tốt nhất với mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Quá trình giải phóng $KCl$ diễn ra nhanh trong giai đoạn đầu và chậm dần sau 1220 phút cho đến khi đạt trạng thái cân bằng; động học giải phóng tương thích với mô hình Korsmeyer-Peppas.
• Đánh giá trên đất và cây cà chua: Cả hai mẫu SH và SA giúp đất duy trì độ ẩm vượt trội so với đối chứng qua 5 chu kỳ. Sau 28 ngày, chiều cao cây cà chua ở các mẫu đất bổ sung hydrogel/Kali tăng trưởng tốt (đạt từ 16,95 đến 18,90 cm), trong khi mẫu đối chứng không dùng hydrogel tăng trưởng chậm và xuất hiện hiện tượng héo lá vào ngày thứ 28.

---

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp thành công hai hệ vật liệu semi-IPN hydrogel trước biến tính (SH) và sau biến tính bằng acid (SA), đồng thời làm sáng tỏ sự khác biệt về cấu trúc mạng, cơ tính, khả năng giữ nước và nhả chậm phân bón $KCl$.

Thông số khảo sát	Mẫu SH (Trước biến tính)	Mẫu SA (Sau biến tính acid)
Tỷ lệ trương nở ban đầu	2680,219% (tại 530 phút)	1513,2% (tại 510 phút)
Tỷ lệ trương nở cân bằng	4044,529% (sau 2900 phút)	2348,74% (sau 3295 phút)
Cơ chế khuếch tán trong nước	Non-Fickian	Fickian
Độ suy giảm độ trương sau 5 chu kỳ	$\le 11%$ (trong pH và muối)	$\le 11%$ (trong pH và muối)
Ứng suất nén	$633,225 \pm 31,715$ kPa	$1356,29 \pm 7,0158$ kPa
Khối lượng còn lại sau TGA (900°C)	11,81%	23,65%
Dung lượng hấp thụ $KCl$ cân bằng	218,283 mg/g	111,793 mg/g
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt phù hợp	Langmuir	Langmuir
Mô hình động học giải phóng phù hợp	Korsmeyer-Peppas	Korsmeyer-Peppas

Công thức đất thử nghiệm	Chiều cao cây ban đầu (cm)	Chiều cao cây sau 28 ngày (cm)	Trạng thái cây ngày thứ 28
Đất đối chứng (không hydrogel)	-	Tăng chậm	Lá có xu hướng bị héo
Đất + 0,25% SH/Kali	8,60	16,95	Sinh trưởng tốt
Đất + 0,70% SH/Kali	9,65	17,15	Sinh trưởng tốt
Đất + 0,25% SA/Kali	8,55	17,40	Sinh trưởng tốt
Đất + 0,70% SA/Kali	10,10	18,90	Sinh trưởng tốt nhất

Về mặt giải pháp, tác giả đề xuất việc biến tính semi-IPN hydrogel bằng acid như một phương pháp hiệu quả để gia tăng độ bền cơ học (tăng hơn gấp 2 lần) và độ bền nhiệt, đáp ứng yêu cầu chịu tải cơ học và tái sử dụng nhiều chu kỳ trong đất nông nghiệp. Đóng góp của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh quy trình chế tạo vật liệu mang phân Kali từ monomer DMA và MA, cung cấp các thông số động học hấp phụ/giải phóng chính xác và chứng minh hiệu quả duy trì độ ẩm đất cũng như kích thích sinh trưởng cây cà chua trong điều kiện khô hạn.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận và phần tổng quan tài liệu đã chỉ ra một số yếu tố hạn chế mang tính đặc thù của vật liệu hydrogel:

• Độ trương nở của mạng lưới polymer có xu hướng suy giảm khi tiếp xúc với các cation đa hóa trị ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$) thường hiện diện trong nguồn nước cứng hoặc đất có độ mặn cao.
• Hiệu quả giữ và giải phóng nước phụ thuộc vào kết cấu đất, thành phần cơ giới của đất, chế độ tưới và điều kiện vi khí hậu.
• Nghiên cứu thực nghiệm sinh học mới dừng lại ở quy mô chậu thí nghiệm đối với một loại đất (đất Namix) và một đối tượng cây trồng (cây cà chua) trong khung thời gian 28 ngày.

Các hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc thử nghiệm phối trộn hydrogel với các nguồn phân bón đa lượng khác như phân Urea và phân Lân, đánh giá hoạt động phân hủy sinh học của vật liệu theo thời gian dài trong môi trường đất tự nhiên, và mở rộng thử nghiệm trên các loại cây trồng khác nhau ngoài thực địa.

---

Giá trị tham khảo

Công trình là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Vật liệu Polymer, Hóa Nông nghiệp và Nông nghiệp Công nghệ cao.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

• Quy trình tổng hợp homopolymer mạch thẳng pDMA và mạng lưới bán xen kẽ semi-IPN poly(DMA-co-MA) sử dụng hệ khơi mào APS/TEMED.
• Phương pháp biến tính hydrogel bằng xúc tác acid để điều chỉnh tính chất cơ lý và khả năng nhả chậm phân bón.
• Bộ dữ liệu thực nghiệm về động học trương nở, các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, và mô hình giải phóng Korsmeyer-Peppas.
• Phương pháp thiết kế thí nghiệm đánh giá tính chất giữ ẩm của đất và theo dõi sinh trưởng thực vật có kiểm soát đối chứng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Mẫu hydrogel SA khác biệt như thế nào so với mẫu SH về mặt cấu tạo hóa học và độ trương nở?
Mẫu SA là sản phẩm của mẫu SH sau khi được biến tính bằng dung dịch xúc tác acid, chuyển hóa một phần nhóm amide thành nhóm carboxyl tự do. Do mật độ liên kết và sự sắp xếp lại cấu trúc mạng sau biến tính, mẫu SA có tỷ lệ trương nở cân bằng là 2348,74% (đạt sau 3295 phút), thấp hơn so với tỷ lệ 4044,529% (sau 2900 phút) của mẫu SH.

2. Tại sao mẫu hydrogel SA lại có độ bền cơ học và độ bền nhiệt cao hơn mẫu SH?
Quá trình xử lý acid làm biến đổi cấu trúc nội tại của mạng semi-IPN, tăng cường tính định hình và mật độ tương tác mạng lưới. Kết quả đo cơ tính cho thấy ứng suất nén của SA đạt $1356,29 \pm 7,0158$ kPa (cao hơn gấp đôi so với $633,225 \pm 31,715$ kPa của SH), và phân tích TGA ghi nhận lượng tro còn lại ở 900°C của SA đạt 23,65% (so với 11,81% của SH).

3. Khả năng hấp thụ và động học giải phóng phân bón $KCl$ của hai mẫu hydrogel diễn ra như thế nào?
Hàm lượng hấp thụ $KCl$ cân bằng của mẫu SH đạt 218,283 mg/g và mẫu SA đạt 111,793 mg/g, đều tuân theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Quá trình giải phóng $KCl$ diễn ra nhanh trong giai đoạn đầu và chậm dần sau 1220 phút cho tới khi đạt cân bằng, tuân theo mô hình động học Korsmeyer-Peppas.

4. Khả năng tái sử dụng của vật liệu hydrogel trong các môi trường khác nhau được ghi nhận ra sao?
Qua 5 chu kỳ hấp thu và giải hấp thu nước liên tục trong các môi trường pH (4, 7, 10) cũng như trong các dung dịch muối ($NaCl, CaCl_2, AlCl_3$), tỷ lệ trương cân bằng của cả hai mẫu SH và SA chỉ suy giảm tối đa 11%, chứng minh độ ổn định cấu trúc mạng lưới cao khi tái sử dụng.

5. Bổ sung hydrogel mang Kali tác động như thế nào đến độ ẩm đất và cây cà chua sau 28 ngày?
Đất có bổ sung hydrogel duy trì độ ẩm tốt qua 5 chu kỳ so với đất đối chứng. Cây cà chua trồng trên đất chứa SA/Kali 0,7% đạt chiều cao lớn nhất (18,90 cm sau 28 ngày, tăng từ 10,10 cm), trong khi cây ở đất đối chứng không dùng hydrogel sinh trưởng chậm và bị héo lá vào ngày thứ 28.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đinh Đức Huy đã tổng hợp và đặc trưng thành công hệ vật liệu semi-IPN hydrogel đi từ DMA và Maleic acid cùng dẫn xuất biến tính bằng acid làm chất mang phân bón Kali. Quá trình biến tính acid giúp cải thiện độ bền cơ học của vật liệu lên $1356,29$ kPa và nâng cao độ bền nhiệt, đồng thời vật liệu duy trì độ ổn định cao qua nhiều chu kỳ trương nở trong các môi trường pH và dung dịch muối. Thực nghiệm nông học khẳng định vật liệu hydrogel/Kali có khả năng kiểm soát giải phóng dinh dưỡng theo mô hình Korsmeyer-Peppas, duy trì độ ẩm đất hiệu quả và hỗ trợ rõ rệt sự sinh trưởng của cây cà chua trong điều kiện hạn chế nước tưới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN. Tổng quan về hydrogel và hydrogel giải phóng phân bón chậm. Khái niệm về hydrogel. Vật liệu IPN và Semi-IPN hydrogel [17].

Ứng dụng của hydrogel trong nông nghiệp. Mô tả quá trình hấp thụ và giải phóng nước và dinh dưỡng trong đất [21]. Tính chất đặc trưng của hydrogel trong nông nghiệp [22]. Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất.

Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất [22]. Cơ chế giải phóng phân bón chậm của hydrogel [24]. Các ưu điểm và nhược điểm khi sử dụng hydrogel. Tổng quan về nguyên liệu.

Công thức cấu tạo của DMA. Công thức cấu tạo của Maleic Acid. Công thức cấu tạo của APS. Công thức cấu tạo của TEMED.

Cơ chế khơi mào gốc tự do của APS và TEMED [33]. Công thức cấu tạo của MBA. Các phương pháp phân tích và đánh giá pDMA và semi-IPN hydrogel. Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC).

Sơ đồ mô tả quy luật loại trừ kích thước của sắc ký thẩm thấu gel [38]. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS). Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR). Kính hiển vị điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy – EDX).

Tốc độ và khả năng trương nở (Swelling Rate; Swelling Ratio – SR). Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis – TGA). Khảo sát ứng dụng hấp thụ và giải phóng KCl. Các mô hình động học đánh giá việc hấp thụ và giải phóng KCl.

Các mô hình động học giải phóng KCl. Tổng quan về đất, cây cà chua và các kỹ thuật bón phân. Tổng quan về cây cà chua. 24 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.

Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ. Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu. Tổng hợp homopolymer mạch thẳng pDMA. Sơ đồ quy trình tổng hợp linear pDMA.

Phương trình tổng hợp linear pDMA. Hình minh họa quá trình lọc rửa mẫu pDMA. Tổng hợp Semi-IPN Hydrogel. Quá trình tổng hợp semi – IPN hydrogel.

Sơ đồ quy trình tổng hợp semi-IPN hydrogel. Biến tính mẫu Semi-IPN Hydrogel bằng Acid. Phương pháp thực nghiệm. Sắc ký gel GPC.

Tán xạ ánh sáng động DLS. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier - FTIR. Kính hiển vi điện tử quét SEM và quang phổ tán xạ năng lượng tia X EDX. Khảo sát tốc độ trương nở trong nước và trong môi trường pH.

Khảo sát tỉ lệ trương cân bằng qua nhiều chu kỳ hấp thu/giải hấp thu nước. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA. Khảo sát tính chất lưu biến. Khảo sát khả năng hấp thụ KCl.

Khảo sát khả năng giải phóng KCl. Đánh giá tính chất của đất theo thời gian. Thí nghiệm đánh giá tính chất của đất theo thời gian; a) Đối chứng b) SA c) SH. Theo dõi sự phát triển của cây trồng.

Đất trồng cây đa dụng Namix. Hạt giống cây cà chua. Hạt giống được gieo lên khay ươm mầm. Thí nghiệm khảo sát khả năng sử dụng của hydrogel trong đất.

40 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN. Tổng hợp pDMA. Tổng hợp pDMA. Ngoại quan của linear pDMA 4%.

Kết quả phổ FTIR. Kết quả phổ FTIR của monomer DMA và homopolymer mạch thẳng pDMA. Kết quả phân tích sắc ký thẩm thấu gel GPC. Kết quả phân tích GPC của pDMA.

Kết quả phân tích DLS. Kết quả phân tích DLS của pDMA ở a) 25 oC và b) 45 oC. Tổng hợp mẫu hydrogel. Kết quả phổ FTIR.

Kết quả phổ FTIR cho các monomer, homopolymer và hydrogel như: DMA, pDMA, MA, MBA và SH. Kết quả phổ FTIR của hydrogel SH và SA. Đường kính mẫu hydrogel. Kết quả đường kính của a) SH và b) SA lần lượt trong các môi trường pH 4; 7; 10.

Cơ chế thủy phân của nhóm amide trong xúc tác aicd. Kết quả SEM. Kết quả khảo sát hình thái bề mặt của mẫu a) SH, b) SA; kết quả phân tích cấu trúc lỗ xốp của c) SH và d) SA. Kết quả phân tích lỗ xốp bằng phần mềm ImageJ.

Khảo sát tỉ lệ trương nở của hydrogel. Tỉ lệ trương nở của các mẫu hydrogel trong nước cất ở nhiệt độ phòng. Tỉ lệ trương nở theo thời gian của các mẫu hydrogel trong các pH = 4; 7; 10 của a) SH và b) SA ở nhiệt độ phòng. Động học quá trình trương nở trong nước cất của các mẫu hydrogel.

Kết quả tính toán động học trương nở trong nước cất. Động học quá trình trương nở t/S theo t trong các pH 4; 7; 10 của a) SH, b) SA. Kết quả tính toán động học trương nở trong các pH. Đồ thị lnF theo lnt của các mẫu hdyrogel trong nước cất.

Kết quả tính toán động học trương nở trong nước cất của SH và SA. Đồ thị lnF theo lnt của các mẫu hydrogel trong các pH = 4;7;10 của a) SH, b) SA. Kết quả tính toán động học trương nở trong các pH của SH và SA. Kết quả tỉ lệ trương cân bằng của hydrogel trong các môi trường pH ở nhiệt độ phòng.

Khả năng tái sử dụng của a) SH và b) SA trong các môi trường pH 4; 7; 10 ở nhiệt độ phòng. Kết quả tỉ lệ trương cân bằng của hydrogel trong các môi trường muối. Khả năng tái sử dụng của a) SH và b) SA trong các môi trường muối NaCl, CaCl2 và AlCl3 ở nhiệt độ phòng. Kết quả đo TGA.

Kết quả TGA của các mẫu SH và SA. Tóm tắt kết quả đo TGA cho các mẫu SH và SA. Kết quả đo cơ tính. Kết quả khảo sát cơ tính của các mẫu hydrogel.

Tóm tắt kết quả đo cơ tính của các mẫu hydrogel SH và SA. Kết quả đo lưu biến. Kết quả đo lưu biến của các mẫu hydrogel SH và SA. Khảo sát khả năng hấp thụ KCl.

Đường chuẩn dung dịch KCl trong khoảng nồng độ 150 – 5500 mg/l. Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ KCl của SH và SA theo nồng độ tại 250C trong 72h. Các mô hình động học đẳng nhiệt hấp phụ KCl của SH a) Mô hình Langmuir; b) Mô hình Freunhlich; c) Mô hình TemKin và d) Mô hình Dubinin – Radushkevich. Kết quả tính toán các thông số từ các mô hình hấp thụ đẳng nhiệt.

Các mô hình động học đẳng nhiệt hấp phụ KCl của SA a) Mô hình Langmuir; b) Mô hình Freunhlich; c) Mô hình TemKin và d) Mô hình Dubinin – Radushkevich. Ngoại quan của hydrogel trước và sau khi hấp thụ KCl. Kết quả khảo sát bề mặt của mẫu a) SH/Kali và b) SA/Kali. Kết quả phân tích EDX của mẫu SH/Kali tại 3 vùng a) vùng đen, b) vùng xám, và c) vùng trắng.

Vùng ánh xạ nguyên tố EDX của a) SH/Kali và b) SA/Kali; c), d) và e), f) lần lượt là kết quả ánh xạ nguyên tố K, Cl trong mẫu SH/Kali và SA/Kali. Khảo sát khả năng giải phóng KCl. Đồ thị khảo sát khả năng giải phóng KCl của hydrogel a) SH, b) SA theo thời gian. Kết quả tính toán cho các mô hình động học giải phóng KCl của SH và SA.

Kết quả đánh giá tính chất của đất theo thời gian. Đánh giá khả năng giữ nước của hydrogel qua nhiều chu kỳ. Kết quả độ ẩm của đất theo thời gian a) chu kỳ 1, b) chu kỳ 2, c) chu kỳ 3, d) chu kỳ 4 và e) chu kỳ 5. Ngoại quan của các mẫu hydrogel SH và SA sau 5 chu kỳ sử dụng trong đất 77 3.

Đánh giá pH của đất theo thời gian. Kết quả theo dõi pH của đất theo thời gian trong 3 chu kỳ. Kết quả theo dõi sự phát triển của cây trồng. Kết quả ươm mầm cây cà chua trên khay ươm trong 1 tuần.

Kết quả theo dõi chiều cao của cây trong 28 ngày khi bón các hàm lượng hydrogel khác nhau của a) SH và b) SA. 80 xxi KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 86 xxii DANH MỤC HÌNH Hình 1.

Sơ đồ khối quy trình nghiên cứu. Mô tả quá trình hấp thụ và giải phóng nước và dinh dưỡng trong đất [21]. Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất [22]. Cơ chế giải phóng phân bón chậm của hydrogel [24].

Công thức cấu tạo của DMA. Công thức cấu tạo của Maleic Acid. Công thức cấu tạo của APS. Công thức cấu tạo của TEMED.

Cơ chế khơi mào gốc tự do của APS và TEMED [33]. Công thức cấu tạo của MBA. Sơ đồ mô tả quy luật loại trừ kích thước của sắc ký thẩm thấu gel [38]. Sơ đồ quy trình tổng hợp linear pDMA.

Phương trình tổng hợp linear pDMA. Hình minh họa quá trình lọc rửa mẫu pDMA. Quá trình tổng hợp semi – IPN hydrogel. Sơ đồ quy trình tổng hợp semi-IPN hydrogel.

Thí nghiệm đánh giá tính chất của đất theo thời gian; a) Đối chứng b) SA c) SH. Đất trồng cây đa dụng Namix. Hạt giống cây cà chua. Hạt giống được gieo lên khay ươm mầm.

Thí nghiệm khảo sát khả năng sử dụng của hydrogel trong đất. Ngoại quan của linear pDMA 4%. Kết quả phổ FTIR của monomer DMA và homopolymer mạch thẳng pDMA. Kết quả phân tích GPC của pDMA.

Kết quả phân tích DLS của pDMA ở a) 25 oC và b) 45 oC. Kết quả phổ FTIR cho các monomer, homopolymer và hydrogel như: DMA, pDMA, MA, MBA và SH. Kết quả phổ FTIR của hydrogel SH và SA. Kết quả đường kính của a) SH và b) SA lần lượt trong các môi trường pH 4; 7; 10.

Cơ chế thủy phân của nhóm amide trong xúc tác aicd. Kết quả khảo sát hình thái bề mặt của mẫu a) SH, b) SA; kết quả phân tích cấu trúc lỗ xốp của c) SH và d) SA. Tỉ lệ trương nở của các mẫu hydrogel trong nước cất ở nhiệt độ phòng. Tỉ lệ trương nở theo thời gian của các mẫu hydrogel trong các pH = 4; 7; 10 của a) SH và b) SA ở nhiệt độ phòng.

Động học quá trình trương nở trong nước cất của các mẫu hydrogel. Kết quả tính toán động học trương nở trong nước cất. Động học quá trình trương nở t/S theo t trong các pH 4; 7; 10 của a) SH, b) SA .