Tổng Hợp Hydrogel Từ N,N’-Dimethylacrylamide Và Maleic Acid Sử Dụng Làm Chất Mang Phân Lân

Tài liệu nghiên cứu Tổng hợp hydrogen từ n n dimethylacryamide và maleic acid sử dụng làm chất mang phân lân, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Ngô Minh Thuận
• 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: Tổng Hợp Hydrogel Từ N,N’-Dimethylacrylamide Và Maleic Acid: Ứng Dụng Trong Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về hydrogrel
• 1.2. Định nghĩa hydrogel
• 1.3. Phân loại hydrogel
• 1.4. Semi-IPN hydrogel
• 1.5. Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp
• 1.6. Đặc tính của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp
• 1.7. Phương thức hoạt động của hydrogel trong đất
• 1.8. Tác động của hydrogel đến nông nghiệp
• 1.9. Những bất lợi khi sử dụng hydrogel
• 1.10. Giới thiệu về hydrogel giải phóng phân bón chậm
• 1.11. Maleic acid (MA) Công thức cấu tạo
• 1.12. Ammonium persulfate (APS) Công thức cấu tạo
• 1.13. Một số kỹ thuật nghiên cứu homopolymer và semi-IPN hydrogel
• 1.13.1. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)
• 1.13.2. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR)
• 1.13.3. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis – TGA)
• 1.13.4. Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry – DSC)
• 1.13.5. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy – EDS)
• 1.13.6. Tốc độ và khả năng trương nở (Swelling Rate; Swelling Ratio – SR)
• 1.13.7. Các mô hình động học đánh giá việc hấp thụ và giải phóng phốt pho
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ
• 2.2. Dụng cụ
• 2.3. Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu
• 2.4. Tổng hợp homopolymer mạch thẳng PDMA
• 2.5. Tổng hợp các mẫu hydrogel. Biến tính mẫu semi-IPN
• 2.6. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)
• 2.7. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR)
• 2.8. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy – EDX)
• 2.9. Khảo sát tốc độ trương nở (Swelling Rate)
• 2.10. Khảo sát tỉ lệ trương cân bằng (Swelling Ratio – SR)
• 2.11. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric Analysis - TGA)
• 2.12. Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry – DSC)
• 2.13. Phương pháp khảo sát cơ tính
• 2.14. Khảo sát khả năng hấp thụ và giải phóng phân Lân
• 2.15. Khảo sát khả năng giải phóng phân lân
• 2.16. Đánh giá tính chất của đất theo thời gian khi sử dụng hydrogel
• 2.17. Đánh giá khả năng tái sử dụng của hydrogel trong thực tế và trong phòng thí nghiệm
• 2.18. Theo dõi sự phát triển của cây cải bẹ xanh
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tổng hợp homopolymer PDMA
• 3.2. Kết quả phổ hồng ngoại FTIR
• 3.3. Kết quả đo DLS
• 3.4. Tổng hợp các mẫu hydrogel. Kết quả phổ hồng ngoại FTIR
• 3.5. Đường kính các mẫu hydrogel
• 3.6. Kết quả chụp SEM, EDS
• 3.7. Kết quả khảo sát quá trình trương nở
• 3.8. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
• 3.9. Kết quả phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)
• 3.10. Kết quả đo lưu biến
• 3.11. Kết quả khảo sát cơ tính
• 3.12. Khảo sát khả năng hấp thụ phân lân
• 3.13. Kết quả khảo sát tính chất của đất
• 3.14. Đánh giá pH của đất
• 3.15. Đánh giá khả năng tái sử dụng của hydrogel
• 3.16. Kết quả sự theo dõi cây trồng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hydrogel Từ N N Dimethylacrylamide Và Maleic Acid

Hydrogel là một loại vật liệu polymer có khả năng hấp thụ nước cao, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nông nghiệp. Việc tổng hợp hydrogel từ N,N’-Dimethylacrylamide và Maleic Acid mang lại nhiều lợi ích cho việc cải thiện khả năng giữ nước và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các đặc tính và ứng dụng của hydrogel trong nông nghiệp.

1.1. Định Nghĩa Và Phân Loại Hydrogel

Hydrogel được định nghĩa là các polymer có khả năng hấp thụ nước và tạo thành gel. Chúng có thể được phân loại thành hydrogel tự nhiên và tổng hợp, với nhiều ứng dụng khác nhau trong nông nghiệp.

1.2. Đặc Tính Của Hydrogel Trong Nông Nghiệp

Hydrogel có khả năng giữ nước và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, giúp cải thiện độ ẩm của đất và tăng năng suất cây trồng. Các đặc tính này làm cho hydrogel trở thành một giải pháp tiềm năng cho các vấn đề về nước trong nông nghiệp.

II. Vấn Đề Thiếu Nước Trong Nông Nghiệp Hiện Nay

Thiếu nước là một trong những thách thức lớn nhất đối với nông nghiệp, đặc biệt ở các vùng khô hạn. Nhu cầu nước cho cây trồng ngày càng tăng, trong khi nguồn nước lại ngày càng khan hiếm. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải tìm kiếm các giải pháp hiệu quả để tiết kiệm nước và nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong nông nghiệp.

2.1. Tác Động Của Biến Đổi Khí Hậu

Biến đổi khí hậu đã làm gia tăng tình trạng khô hạn và thiếu nước, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ mới như hydrogel có thể giúp giảm thiểu tác động này.

2.2. Thách Thức Trong Việc Cung Cấp Nước Cho Cây Trồng

Nông nghiệp là lĩnh vực tiêu thụ nước lớn nhất, và việc cung cấp nước cho cây trồng gặp nhiều khó khăn do sự biến đổi khí hậu và quản lý nước kém. Hydrogel có thể là một giải pháp hiệu quả để cải thiện tình hình này.

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

Quá trình tổng hợp hydrogel từ N,N’-Dimethylacrylamide và Maleic Acid được thực hiện thông qua kỹ thuật trùng hợp gốc tự do. Phương pháp này cho phép tạo ra các mạng polymer có khả năng hấp thụ nước cao và tích hợp phân bón vào cấu trúc của hydrogel.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Hydrogel

Quy trình tổng hợp bao gồm việc sử dụng các monomer N,N’-Dimethylacrylamide và Maleic Acid, cùng với các chất xúc tác như APS và MBA để tạo ra mạng polymer. Các điều kiện phản ứng được tối ưu hóa để đạt được sản phẩm có chất lượng cao.

3.2. Biến Tính Hydrogel Để Tăng Cường Tính Chất

Sau khi tổng hợp, hydrogel có thể được biến tính bằng cách sử dụng các chất xúc tác khác nhau để cải thiện khả năng giữ nước và tính tương thích sinh học, từ đó nâng cao hiệu quả trong ứng dụng nông nghiệp.

IV. Ứng Dụng Hydrogel Trong Nông Nghiệp Kết Quả Nghiên Cứu

Nghiên cứu cho thấy hydrogel tổng hợp từ N,N’-Dimethylacrylamide và Maleic Acid có khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón hiệu quả. Kết quả khảo sát cho thấy hydrogel có thể cải thiện độ ẩm của đất và tăng cường sự sinh trưởng của cây trồng.

4.1. Khả Năng Hấp Thụ Phân Bón Của Hydrogel

Hydrogel có khả năng hấp thụ phân bón lên đến 779,98 mg/g, cho thấy tiềm năng lớn trong việc cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách hiệu quả và bền vững.

4.2. Tác Động Đến Sự Sinh Trưởng Của Cây Trồng

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng hydrogel giúp giảm số lần tưới nước cho cây cải bẹ xanh, từ đó tiết kiệm nước và chi phí trong sản xuất nông nghiệp.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Hydrogel Trong Nông Nghiệp

Hydrogel từ N,N’-Dimethylacrylamide và Maleic Acid không chỉ giúp cải thiện khả năng giữ nước mà còn cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Tương lai của hydrogel trong nông nghiệp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp bền vững cho vấn đề thiếu nước và dinh dưỡng cho cây trồng.

5.1. Tiềm Năng Phát Triển Hydrogel Trong Nông Nghiệp

Với những ưu điểm vượt trội, hydrogel có thể trở thành một phần quan trọng trong các giải pháp nông nghiệp bền vững, giúp cải thiện năng suất và chất lượng cây trồng.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình tổng hợp và ứng dụng hydrogel, nhằm phát triển các sản phẩm mới có hiệu quả cao hơn trong việc hỗ trợ nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về hydrogrel 1. Định nghĩa hydrogel Hydrogel được định nghĩa là một mạng polymer có cấu trúc không gian ba chiều, ưa nước, có thể trương nở trong nước mà không tan trong nước, có khả năng hấp thụ lượng nước gấp hàng nghìn lần khối lượng khô ban đầu, giúp cho vật liệu giữ được một lượng nước lớn [4]. Phân loại hydrogel Hydrogel có thể được phân loại dựa trên: Kích thước: Microhydrogel và hydrogel khối lượng phân tử lớn là những loại hydrogel riêng biệt có thể được phân biệt bằng kích thước.

Microhydrogel bao gồm các hydrogel riêng lẻ nhỏ hơn nhiều so với hydrogel được tìm thấy trong hydrogelcó khối lượng phân tử lớn. Nghiên cứu hiện tại về microhydrogel đã tập trung vào kích thước nano vì nó rất phù hợp với xúc tác, từ tính, quang học, điện và cơ học do các hiệu ứng bề mặt và lượng tử do kích thước nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn của chúng mang lại[5]. Mặt khác, hydrogel khối lượng phân tử lớn sẽ có kích thước và hình dạng cụ thể có thể nhìn thấy bằng mắt thường và được ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vực. Phản ứng với môi trường: Hydrogel có thể được phân loại thành hydrogel không phản ứng với môi trường (còn được gọi là hydrogel thông thường) hoặc hydrogel phản ứng với môi trường (hydrogel thông minh) [6].

Hydrogel không nhạy cảm với môi trường có thể duy trì cấu trúc cũng như tính chất vật lý và hóa học của chúng trong các điều kiện môi trường khác nhau. Mặt khác, hydrogel phản ứng thuận nghịch với các kích thích bên ngoài được gọi là hydrogel thông minh, hoặc nhạy cảm với môi trường. Khi hydrogel chịu các kích thích môi trường như từ trường, ứng suất, ánh sáng, nhiệt độ, điện trường, cường độ ion, pH, v., cấu trúc mạng ba chiều của hydrogel sẽ thay đổi (co lại hoặc phồng lên) hoặc chuyển đổi giữa pha loãng và pha đậm đặc[7]. Kết quả là hình dạng, tính chất quang học và tính chất cơ học của hydrogel bị thay đổi đáng kể.

Ngay sau khi kích thích bên ngoài bị 5 loại bỏ, hydrogel sẽ trở lại trạng thái ban đầu, trạng thái này có năng lượng ở trạng thái ổn định bên trong thấp hơn[8]. Khả năng phân hủy: Hydrogel có thể được phân loại là không thể phân hủy hoặc có thể phân hủy sinh học. Hydrogel không phân hủy sinh học được phân biệt bởi khả năng chống lại tác động của kích thích môi trường và khả năng bảo tồn các đặc tính hóa học, vật lý và cấu trúc của chúng trong một thời gian dài[9]. Phần lớn hydrogel tổng hợp được tạo ra bởi liên kết ngang hóa học là không thể phân hủy sinh học.

Ngược lại, phần lớn hydrogel polymer tự nhiên có thể được phân loại là hydrogel phân hủy sinh học. Các cấu trúc ba chiều của các hydrogel này dễ bị phân hủy do các hoạt động của enzyme và vi khuẩn khi tiếp xúc với môi trường tự nhiên. Các liên kết có cả trong chuỗi phân tử và giữa các chuỗi phân tử là bị cắt đứt, dẫn đến giảm sức mạnh tổng thể của hydrogel [10]. Cơ chế hình thành: Hydrogel vật lý và hydrogel hóa học có thể được phân biệt với nhau tùy theo phương pháp hình thành của cấu trúc mạng ba chiều.

Hydrogel vật lý chủ yếu là các mạng ba chiều được hình thành bởi các liên kết thứ cấp, còn được gọi là liên kết không cộng hóa trị (chẳng hạn như tương tác kỵ nước, vướng víu chuỗi, liên kết hydro và tương tác tĩnh điện), giữa các phân tử tuyến tính để tạo thành các liên kết ngang vật lý[11]. Vì chỉ cần một lượng năng lượng vừa phải để phá vỡ các tương tác này,. Không có phản ứng hóa học nào liên quan đến quá trình tạo ra chúng và các điều kiện mà chúng được điều chế thường nhẹ, vì vậy chúng rất phù hợp để sử dụng trong y sinh học. Mặt khác, hydrogel hóa học được tạo ra bởi liên kết ngang phân tử không thể đảo ngược xảy ra trong quá trình hình thành của chúng.

Hydrogel hóa học thường có tính chất cơ học tốt, cấu trúc có thể điều chỉnh và tính chất ổn định. Nguồn gốc: Hydrogel có thể được chia thành hai loại chính dựa trên nguồn vật chất của chúng: tự nhiên và tổng hợp. Hydrogel tổng hợp là các polymer liên kết ngang được phát triển trong môi trường nhân tạo bằng cách sử dụng các quá trình polymer hóa phản ứng mở vòng hoặc phản ứng cộng. So với hydrogel polymer tự nhiên, hydrogel tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học, hoạt tính sinh học và khả năng tương thích sinh học kém.

6 Tuy nhiên, lợi thế của hydrogel tổng hợp bao gồm các đặc tính được kiểm soát chính xác, dễ dàng biến đổi hóa học và sản xuất công nghệ. IPN hydrogel (Inter penetrating network) IPN được định nghĩa là sự kết hợp chặt chẽ của hai polymer, ít nhất một trong số đó được tổng hợp hoặc liên kết chéo với sự có mặt trực tiếp của polymer kia. Polymer này thường được thực hiện bằng cách ngâm hydrogel tiền trùng hợp vào dung dịch monomer và chất khơi mào. IPN hydrogel có thể khắc phục được sự không tương thích nhiệt động xảy ra do sự lồng vào nhau của các mạng lưới polymer và sự phân tách pha hạn chế trừ khi liên kết hóa học giữa chúng bị phá vỡ.

Cấu trúc lồng vào nhau của các thành phần IPN liên kết ngang được cho là đảm bảo tính ổn định của hình thái khối và bề mặt. Ưu điểm chính của IPN là có thể tạo ra các mạng lưới hydrogel tương đối dày đặc, có các đặc tính cơ học cứng hơn và cứng hơn, các tính chất vật lý có thể kiểm soát[12]. Semi-IPN hydrogel Nếu một polymer mạch thẳng và và đi xuyên qua một mạng liên kết ngang khác mà không có bất kỳ liên kết hóa học nào khác giữa chúng, thì nó được gọi là Semi-IPN. Semi-IPN có thể duy trì hiệu quả hơn tốc độ phản ứng động học nhanh chóng đối với pH hoặc nhiệt độ do không có mạng lưới đàn hồi thâm nhập hạn chế, trong khi vẫn mang lại lợi ích như kích thước lỗ xốp có thể được điều chỉnh, giải phóng các chất hấp thụ ra khỏi hydrogel chậm…[12] 1.

Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp Hydrogel được sử dụng rộng rãi ở các vùng khô hạn và bán khô hạn như một chất điều hòa đất để cải thiện các tính chất vật lý của đất, dự trữ nước và chất dinh dưỡng, trồng và cấy ghép, lớp phủ hạt để hạt nảy mầm có kiểm soát, tăng hàm lượng nước và chất diệp lục trong lá, thoáng khí đất, và khử trùng đất. Hydrogel được sử dụng phổ biến trong nông nghiệp nhờ khả năng giữ nước trong đất cao hơn trong thời gian dài hơn và giải phóng chậm nước và chất dinh dưỡng cho cây trồng, đóng vai trò là bộ đệm chống lại tình trạng hạn hán tạm thời trong điều kiện thời tiết bất lợi. Ngoài ra, để giảm nguy cơ cây con bị chết trong quá 7 trình ươm cây con, thúc đẩy sinh trưởng và phát triển của cây trồng, giảm tốc độ thoát hơi nước, thu được năng suất và chất lượng thu hoạch cao hơn[13]. Đặc tính của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp Chịu được độ mặn của đất Cải thiện tính chất vật lý, hóa học và sinh học của đất Thúc đẩy sự nảy mầm của hạt giống, sự phát triển của cây con, sự phát triển của rễ, mật độ và tăng năng suất cây trồng Nâng cao hiệu quả sử dụng nước bằng cách giảm thiểu sự bay hơi và thất thoát nước Giảm tần suất tưới tiêu, phân bón của cây trồng và chi phí tưới tiêu Không nguy hiểm cho môi trường Có thể hoạt động ở nhiệt độ cao (40 - 50°C), do đó phù hợp với khí hậu nóng và khô 1.

Phương thức hoạt động của hydrogel trong đất Hydrogel bao gồm một tập hợp các chuỗi polymer song song với nhau và được liên kết thường xuyên bởi các tác nhân liên kết ngang, do đó tạo thành một mạng lưới. Khi nước tiếp xúc với một trong các chuỗi này, nó sẽ bị thẩm thấu hút vào phân tử. Hydrogel được đặc trưng bởi điện tích âm (anion), dương (cation) hoặc trung tính. Điện tích xác định cách chúng sẽ phản ứng với chất rắn và chất hòa tan có trong đất.

Hydrogel cation thường liên kết với các thành phần đất sét và hoạt động như chất keo tụ. Hydrogel anion có thể liên kết với đất sét và các hạt tích điện âm khác thông qua các cầu nối ion như Ca2+ và Mg2+[14]. Lực hút giữa gel với các chất hòa tan xung quanh và các hạt đất càng mạnh thì khả năng hút nước, tạo kết và ổn định cấu trúc đất của gel càng lớn. Polymer càng được liên kết chéo thì mạng lưới càng chặt chẽ.

Như vậy khả năng hấp thụ có thể giảm nhưng polymer vẫn bền hơn theo thời gian. Tác động của hydrogel đến nông nghiệp 1. Lợi ích của hydrogel trong nông nghiệp Cải thiện cấu trúc của đất có kết cấu thô bằng cách thay đổi tính chất vật lý (độ xốp, mật độ khối, khả năng giữ nước, tính thấm của đất, tốc độ thẩm thấu và thẩm thấu, nhiệt độ đất, v.), hóa học và môi trường sinh học. Đạt được môi trường tăng trưởng thuận lợi cho cây trồng bằng cách giảm mật độ khối đất, cung cấp chế độ thoáng khí cho đất và độ ẩm tốt hơn để hỗ trợ khả năng tồn tại, tăng trưởng và năng suất của cây trồng.

Tăng khả năng giữ nước của đất, cung cấp nước nhiều hơn cho rễ cây và khả năng hút nước hiệu quả; giảm tần suất tưới tiêu do giảm thất thoát nước do rửa trôi và bay hơi và bảo vệ cây chống lại tình trạng thiếu nước trong đất. Hydrogel đóng vai trò là “hồ chứa nước thu nhỏ” gần vùng rễ của thực vật. Nó có thể hấp thụ cả nước tự nhiên và nước được cung cấp gấp 400 - 1500 lần trọng lượng của chính nó và giải phóng nước từ từ trong điều kiện thiếu nước bằng cơ chế hút mao dẫn của rễ[7]. Hydrogel có thể thực hiện quá trình hấp thụ và giải hấp nước theo chu kỳ, có thể cung cấp độ ẩm tối ưu cho cây trồng để hạt nảy mầm và hình thành cây con nhanh chóng, đồng thời có thể làm tăng tốc độ tăng trưởng và năng suất cao của cây trồng.

Ở những vùng lạnh giá, việc sử dụng hydrogel không làm đóng băng độ ẩm được hấp thụ trong cấu trúc và giúp cây dễ dàng tiếp cận, do đó điều chỉnh nhiệt độ sinh trưởng của cây con và ngăn ngừa chết do đóng băng[15].