Tổng Hợp Hydrogel Ứng Dụng Trong Kỹ Thuật Nông Nghiệp Từ N,N'-Diethylacrylamide Và Maleic Acid

Hydrogel là một loại vật liệu polymer có khả năng hấp thụ nước và giữ ẩm cao, được… 123 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2023.

• Tác giả: Trần Hoàng Kim
• 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 Ứng Dụng Trong Kỹ Thuật Nông Nghiệp Từ N,N' – Diethylacrylamide Và Maleic Acid
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về hydrogel
• 1.2. Phân loại hydrogel
• 1.3. Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp
• 1.3.1. Các đặc tính chính của hydrogel ứng dụng trong nông nghiệp
• 1.3.2. Ưu điểm của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp
• 1.3.3. Một số nhược điểm của hydrogel khi ứng dụng trong nông nghiệp
• 1.3.4. Cơ chế hấp thụ nước của hydrogel
• 1.3.5. Phương pháp ứng dụng hydrogel trong nông nghiệp
• 1.3.6. Cơ chế hoạt động của hydrogel khi gieo trồng
• 1.4. Giới thiệu về hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow release fertilizers hydrogels – SRFHs)
• 1.4.1. Phương pháp nạp phân bón vào hydrogel
• 1.4.2. Cơ chế giải phóng phân bón
• 1.5. Tổng quan về nguyên liệu
• 1.6. Một số kỹ thuật nghiên cứu homopolymer và semi-IPN hydrogel
• 1.6.1. Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC)
• 1.6.2. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)
• 1.6.3. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR)
• 1.6.4. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal gravimetric analysis – TGA)
• 1.6.5. Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry – DSC)
• 1.6.6. 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)
• 1.6.7. Tốc độ và khả năng trương nở (Swelling Rate; Swelling Ratio – SR)
• 1.6.8. Khảo sát ứng dụng hấp thụ và giải phóng Urea bằng phương pháp UV – Vis
• 1.6.9. Các mô hình động học đánh giá việc hấp thụ và giải phóng Urea
• 1.7. Tổng quan về vật liệu tiến hành thực nghiệm
• 1.8. Tổng quan về cây trồng thực nghiệm
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ
• 2.2. Phương pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu
• 2.2.1. Tổng hợp homopolymer mạch thẳng pDEA
• 2.2.2. Tổng hợp các mẫu hydrogel
• 2.2.3. Phương pháp thực nghiệm
• 2.2.3.1. Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC)
• 2.2.3.2. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)
• 2.2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR)
• 2.2.3.4. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope – SEM)
• 2.2.3.5. Khảo sát tốc độ trương nở (Swelling Rate)
• 2.2.3.6. Khảo sát tỉ lệ trương cân bằng (Swelling Ratio – SR)
• 2.2.3.7. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric Analysis - TGA)
• 2.2.3.8. Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry – DSC)
• 2.2.3.9. Khảo sát khả năng hấp thụ Urea
• 2.2.3.10. Khảo sát khả năng giải phóng Urea
• 2.2.3.11. Đánh giá tính chất của đất theo thời gian
• 2.2.3.12. Theo dõi sự phát triển của cây trồng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tổng hợp homopolymer PDEA
• 3.1.1. Tổng hợp pDEA
• 3.1.2. Kết quả phổ FTIR của homopolymer pDEA
• 3.1.3. Kết quả phân tích sắc ký thẩm thấu gel (GPC)
• 3.1.4. Kết quả đo tán xạ ánh sáng động (DLS)
• 3.2. Tổng hợp các mẫu hydrogel
• 3.2.1. Kết quả phổ hồng ngoại FTIR
• 3.2.2. Đường kính các mẫu hydrogel
• 3.2.3. Kết quả chụp SEM
• 3.2.4. Khảo sát quá trình trương nở
• 3.2.5. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
• 3.2.6. Kết quả phân tích nhiệt vi sai (DSC)
• 3.2.7. Kết quả đo lưu biến
• 3.2.8. Kết quả khảo sát cơ tính
• 3.2.9. Khảo sát khả năng hấp thụ Urea
• 3.2.10. Khảo sát khả năng giải phóng Urea
• 3.3. Kết quả khảo sát tính chất của đất
• 3.3.1. Đánh giá pH của đất theo thời gian
• 3.4. Theo dõi sự phát triển của cây trồng
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hydrogel Ứng Dụng Trong Nông Nghiệp

Hydrogel là một loại vật liệu polymer có khả năng hấp thụ nước và giữ ẩm cao, được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp. Việc sử dụng hydrogel giúp cải thiện độ ẩm của đất, cung cấp nước và chất dinh dưỡng cho cây trồng một cách hiệu quả. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp hydrogel từ N,N'-Diethylacrylamide và Maleic Acid, nhằm tạo ra các sản phẩm có tính năng vượt trội trong việc hỗ trợ sự phát triển của cây trồng.

1.1. Đặc Điểm Của Hydrogel Trong Nông Nghiệp

Hydrogel có khả năng hấp thụ nước gấp nhiều lần trọng lượng của nó, giúp duy trì độ ẩm cho đất. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và tình trạng khan hiếm nước tưới tiêu.

1.2. Lợi Ích Của Hydrogel Đối Với Cây Trồng

Việc sử dụng hydrogel không chỉ giúp tiết kiệm nước mà còn giảm thiểu lượng phân bón cần thiết, từ đó giảm chi phí sản xuất cho nông dân. Hydrogel cũng giúp cải thiện cấu trúc đất, tăng cường khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng.

II. Thách Thức Trong Việc Ứng Dụng Hydrogel Trong Nông Nghiệp

Mặc dù hydrogel mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc ứng dụng chúng trong nông nghiệp. Các vấn đề như chi phí sản xuất, khả năng phân hủy sinh học và tác động đến môi trường cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Chi Phí Sản Xuất Hydrogel

Chi phí sản xuất hydrogel từ N,N'-Diethylacrylamide và Maleic Acid có thể cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Điều này có thể ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của nông dân.

2.2. Tác Động Môi Trường Của Hydrogel

Một số loại hydrogel có thể không phân hủy hoàn toàn trong môi trường, dẫn đến ô nhiễm đất và nước. Cần có các nghiên cứu để phát triển các loại hydrogel thân thiện với môi trường.

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

Quá trình tổng hợp hydrogel từ N,N'-Diethylacrylamide và Maleic Acid được thực hiện thông qua phương pháp trùng hợp gốc tự do. Phương pháp này cho phép tạo ra các mạng polymer với tính chất cơ lý tốt, phù hợp cho ứng dụng trong nông nghiệp.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Hydrogel

Quy trình tổng hợp bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, trộn lẫn các thành phần và thực hiện phản ứng trùng hợp dưới điều kiện kiểm soát. Kết quả là sản phẩm hydrogel có khả năng hấp thụ nước cao.

3.2. Đánh Giá Tính Chất Của Hydrogel

Sau khi tổng hợp, các mẫu hydrogel sẽ được đánh giá thông qua các phương pháp như FTIR, SEM và TGA để xác định cấu trúc và tính chất cơ lý của chúng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hydrogel Trong Nông Nghiệp

Hydrogel được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nông nghiệp, từ việc cải thiện độ ẩm của đất đến việc cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Các nghiên cứu cho thấy hydrogel có thể giúp tăng năng suất cây trồng một cách đáng kể.

4.1. Tác Động Đến Sự Phát Triển Của Cây Trồng

Nghiên cứu cho thấy cây trồng được tưới bằng hydrogel phát triển tốt hơn so với cây trồng trong đất thông thường. Điều này chứng tỏ hiệu quả của hydrogel trong việc cung cấp nước và dinh dưỡng.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Về Hydrogel

Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy hydrogel có khả năng giữ nước và phân bón tốt hơn, từ đó giúp cây trồng phát triển mạnh mẽ và bền vững hơn.

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

Hydrogel có tiềm năng lớn trong việc cải thiện sản xuất nông nghiệp bền vững. Việc nghiên cứu và phát triển các loại hydrogel mới sẽ mở ra nhiều cơ hội cho nông dân trong việc tối ưu hóa nguồn nước và phân bón.

5.1. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các loại hydrogel mới với tính năng vượt trội hơn, đồng thời đảm bảo tính thân thiện với môi trường.

5.2. Ứng Dụng Công Nghệ Mới

Việc ứng dụng công nghệ mới trong sản xuất hydrogel sẽ giúp giảm chi phí và tăng hiệu quả sử dụng, từ đó thúc đẩy sự phát triển của nông nghiệp bền vững.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sản xuất nông nghiệp giữ vai trò trụ cột trong nền kinh tế, tuy nhiên đang phải đối mặt với nhiều thách thức lớn từ biến đổi khí hậu toàn cầu và sự biến động của chuỗi cung ứng vật tư. Tình trạng khan hiếm nguồn nước tưới cùng với sự gia tăng mạnh của giá thành phân bón nhập khẩu đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật canh tác hiệu quả. Trong canh tác truyền thống, phương pháp tưới tiêu và bón phân thông thường gây thất thoát một lượng lớn nước và dinh dưỡng do hiện tượng bốc hơi, chảy tràn và rửa trôi, vừa làm tăng chi phí sản xuất vừa gây ô nhiễm môi trường đất và nguồn nước ngầm. Để giải quyết đồng thời bài toán giữ ẩm và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phân bón, vật liệu hydrogel giải phóng phân bón chậm (Slow Release Fertilizers Hydrogels – SRFHs) được nghiên cứu ứng dụng như một hệ lưu trữ và điều hòa nước kết hợp cung cấp dinh dưỡng có kiểm soát cho vùng rễ cây trồng.

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

1. Tổng hợp hydrogel thông thường (CH) và hydrogel mạng bán xen kẽ (semi-IPN hydrogel – SH) từ homopolymer pDEA, monomer Maleic Acid (MA) và monomer N,N’-Diethylacrylamide (DEA).
2. Khảo sát tốc độ trương nở và khả năng trương nở của các mẫu hydrogel trong các môi trường pH và nồng độ muối khác nhau.
3. Đánh giá các đặc tính lý - hóa và cấu trúc của vật liệu thông qua các phương pháp phân tích: GPC, FTIR, DLS, DSC, TGA, SEM, EDX, đo lưu biến và độ bền cơ tính.
4. Nghiên cứu khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón Urea của hai mẫu hydrogel bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV - Vis.
5. Kiểm tra và đánh giá sự thay đổi độ ẩm cùng giá trị pH của đất theo thời gian khi có và không có phối trộn hydrogel.
6. Đánh giá thực nghiệm khả năng sinh trưởng của cây đậu bắp trên đất thông thường và đất có bổ sung hydrogel hấp thụ Urea.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu hydrogel thông thường (CH) và semi-IPN hydrogel (SH) được tổng hợp từ N,N’-Diethylacrylamide, linear PDEA 10%, Maleic Acid, chất khâu mạng N,N’-Methylenebisacrylamide (MBA), hệ xúc tác oxy hóa - khử Ammonium Persulfate (APS) / N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TEMED); phân bón Urea; đất trồng đa dụng NAMIX và cây đậu bắp (Abelmoschus esculentus).
• Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Polymer, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Nghiên cứu được thực hiện từ ngày 18/02/2023 đến ngày 30/07/2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu được xây dựng trên cơ sở lý thuyết về vật liệu polymer hấp thụ nước, cấu trúc mạng polymer bán xen kẽ (semi-IPN) và cơ chế khuếch tán giải phóng hoạt chất:

• Khung lý thuyết và mô hình ứng dụng:

  • Hydrogel là mạng lưới polymer ba chiều ưa nước có khả năng giữ lượng nước lớn mà không bị hòa tan nhờ các liên kết chéo vật lý hoặc hóa học. Cấu trúc semi-IPN kết hợp mạng không gian của poly(DEA-co-MA) xen kẽ với các chuỗi mạch thẳng homopolymer pDEA nhằm cải thiện độ bền cơ lý và độ linh động của mạng lưới.
  • Polymer poly(N,N'-Diethylacrylamide) (pDEA) là polymer nhạy nhiệt có nhiệt độ dung dịch tới hạn dưới (LCST) xấp xỉ 31 °C; Maleic Acid đóng vai trò cung cấp nhóm chức carboxyl (-COOH) tăng cường tính ưa nước và độ nhạy pH.
  • Cơ chế nạp phân bón theo phương pháp hai lần sấy và cơ chế giải phóng hoạt chất qua 3 giai đoạn: thẩm thấu nước hòa tan lõi phân bón, biến dạng/trương nở lớp màng hydrogel và khuếch tán ra môi trường ngoài.
  • Các mô hình hấp thụ đẳng nhiệt: Langmuir, Freundlich, Temkin và Dubinin – Radushkevich.
  • Các mô hình động học giải phóng: Zero-Order (Z-O), First-Order (F-O), Higuchi (H) và Korsmeyer – Peppas (K-P).

• Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích:

  • Tổng hợp hóa học: Kỹ thuật trùng hợp gốc tự do trong pha dung dịch sử dụng cặp chất khơi mào/xúc tiến APS/TEMED và tác nhân liên kết ngang MBA; tinh chế polymer bằng phương pháp thẩm tách qua màng bán thấm.
  • Phân tích cấu trúc và hình thái: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), sắc ký thẩm thấu gel (GPC) xác định khối lượng phân tử ($M_n$, $M_w$, chỉ số đa phân tán PDI), tán xạ ánh sáng động (DLS) khảo sát phân bố kích thước hạt, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) đánh giá hình thái bề mặt và tỷ lệ lỗ xốp.
  • Phân tích nhiệt và cơ lý: Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) xác định độ bền nhiệt từ 50 °C đến 900 °C, phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$), phép đo lưu biến dao động (xác định module đàn hồi $G'$, module tổn hao $G''$, độ nhớt phức) và phép đo cơ tính thử nghiệm ứng suất - biến dạng nén.
  • Đánh giá động học trương nở và quang phổ UV - Vis: Đo khối lượng xác định tỷ lệ trương nở cân bằng ($SR$), tính toán hệ số khuếch tán theo định luật Fick; định lượng hàm lượng Urea hấp thụ và giải phóng bằng phương pháp tạo phức màu với p-Dimethylaminobenzaldehyde (PDAB) tại bước sóng cực đại $\lambda = 435\text{ nm}$ trên máy quang phổ UV - Vis.
  • Thử nghiệm đất và sinh học: Đo độ ẩm đất bằng phương pháp sấy sấy khối lượng và đo pH huyền phù đất theo thời gian; thử nghiệm gieo trồng cây đậu bắp trong chậu thí nghiệm theo dõi chiều cao và hình thái trong 35 ngày.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa các cơ sở lý thuyết về vật liệu hydrogel: định nghĩa, các tiêu chí phân loại (theo nguồn gốc, thành phần homopolymer/copolymer/IPN/semi-IPN, cấu hình vô định hình/bán tinh thể, điện tích mạng ion/không ion và liên kết lý - hóa). Tác giả làm rõ cơ chế tích trữ nước dạng "hồ chứa siêu nhỏ" ở vùng rễ cây trồng, phương pháp ứng dụng khô (bón sâu 15–25 cm) và ướt trong nông nghiệp, cùng các ưu điểm cải tạo độ xốp, giữ ẩm, chống xói mòn và nhược điểm suy giảm độ trương dưới tác động của ion kim loại ($Ca^{2+}, Mg^{2+}$). Tổng quan chi tiết về vật liệu hydrogel giải phóng phân bón chậm (SRFHs), cơ chế giải phóng qua 3 giai đoạn và hai phương pháp nạp phân bón (một lần sấy và hai lần sấy). Tiếp đó, chương phân tích cấu trúc, tính chất lý hóa của các nguyên liệu chính (monomer DEA, MA, chất khâu mạng MBA, hệ xúc tác APS/TEMED, phân đạm Urea) và nguyên lý hoạt động của các thiết bị phân tích hiện đại (GPC, DLS, FTIR, TGA, DSC, SEM, EDX, Rheometer, UV - Vis) cùng các phương trình toán học mô tả động học trương nở Fickian, bốn mô hình hấp thụ đẳng nhiệt và bốn mô hình giải phóng phân bón.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết danh mục hóa chất, thiết bị, quy trình tổng hợp và các bước tiến hành thực nghiệm:

• Quy trình tổng hợp homopolymer mạch thẳng pDEA: Trùng hợp gốc tự do dung dịch DEA trong nước với hệ xúc tác APS/TEMED ở nhiệt độ phòng, sau đó tinh chế qua màng thẩm tách loại bỏ monomer dư và sấy khô.
• Quy trình tổng hợp hydrogel CH và SH: Trộn đều dung dịch monomer DEA, MA, MBA, với sự có mặt (mẫu SH) hoặc không có mặt (mẫu CH) của homopolymer pDEA 10%, tiến hành phản ứng khâu mạng có xúc tác APS/TEMED trong khuôn định hình. Rửa sạch mẫu bằng nước cất trong nhiều ngày để loại bỏ hóa chất chưa phản ứng và sấy khô đến khối lượng không đổi.
• Quy trình khảo sát đặc tính lý hóa: Chi tiết các bước đo GPC, DLS, FTIR, SEM, TGA (50–900 °C), DSC, đo lưu biến dao động và thử nghiệm ứng suất nén cơ học.
• Quy trình khảo sát hấp thụ và giải phóng Urea: Lập đường chuẩn Urea tạo phức PDAB tại bước sóng 435 nm; ngâm hydrogel khô trong dung dịch Urea các nồng độ 100–700 mg/L để khảo sát dung lượng hấp thụ đẳng nhiệt; khảo sát giải phóng Urea trong các môi trường đệm pH 4, 6, 7, 8, 10 theo thời gian.
• Quy trình thử nghiệm trên đất và cây trồng: Phối trộn hydrogel đã nạp Urea vào đất trồng đa dụng NAMIX; bố trí các lô thí nghiệm theo dõi sự suy giảm độ ẩm đất qua 2 giai đoạn (ngày 0–12 và ngày 13–23), theo dõi biến động pH đất; gieo hạt và theo dõi sự phát triển (chiều cao, hiện tượng héo lá) của cây đậu bắp trong thời gian 35 ngày.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Trình bày và biện luận toàn bộ các số liệu thực nghiệm thu được:

• Đặc trưng homopolymer pDEA và cấu trúc hydrogel: Phổ FTIR xác nhận sự tạo thành liên kết amide và biến mất của các nối đôi vinyl $C=C$; GPC xác định phân bố khối lượng phân tử của pDEA; DLS xác định kích thước hạt; ảnh SEM chỉ ra mẫu CH có đường kính lỗ xốp $300{,}52 \pm 48{,}54\text{ }\mu\text{m}$ với tỷ lệ diện tích lỗ xốp 42,82%, trong khi mẫu semi-IPN (SH) có cấu trúc mạng đặc khít và đồng đều hơn với kích thước lỗ xốp $140{,}39 \pm 25{,}02\text{ }\mu\text{m}$ và tỷ lệ lỗ xốp 30,33%.
• Tính chất nhiệt, lưu biến và cơ tính: TGA chứng minh SH có độ bền nhiệt cao hơn CH với khối lượng tro còn lại tại 900 °C là 17,13% (so với 10,06% của CH); DSC ghi nhận nhiệt độ chuyển thủy tinh $T_g$ của SH là 111,36 °C (thấp hơn mức 120,40 °C của CH), phản ánh độ linh động cấu trúc cao hơn; thử nghiệm cơ tính nén ghi nhận ứng suất phá hủy của SH đạt $255{,}97 \pm 2{,}66\text{ kPa}$, vượt trội so với CH ($174{,}89 \pm 1{,}92\text{ kPa}$).
• Động học trương nở: Tỷ lệ trương nở cân bằng ($SR$) trong nước cất của SH đạt 2498,067% tại 2820 phút, cao hơn CH (2053,393% tại 2910 phút); quá trình hấp thụ nước của cả hai mẫu tuân theo động học khuếch tán Fickian; độ trương nở đạt cực đại ở môi trường kiềm nhẹ và giảm khi có mặt các ion kim loại ($Al^{3+} < Ca^{2+} < Na^{+}$).
• Hấp thụ và giải phóng Urea: Hàm lượng Urea hấp thụ cực đại của SH đạt 413,776 mg/g, cao hơn mẫu CH (310,714 mg/g), tương thích tốt nhất với mô hình đẳng nhiệt Langmuir; tỷ lệ giải phóng Urea cực đại của SH đạt 86,81% tại 4800 phút (mẫu CH chỉ đạt 60,66% tại 3700 phút), giải phóng tốt nhất ở môi trường pH 7 và tuân theo mô hình động học Korsmeyer – Peppas (cơ chế Quasi – Fickian).
• Thử nghiệm đất và sinh trưởng thực vật: Mẫu đất phối trộn SH giữ ẩm vượt trội qua cả hai giai đoạn thử nghiệm (giai đoạn 1 giữ ẩm 39,33% ở ngày 12; giai đoạn 2 giữ ẩm 46,912% ở ngày 23), độ pH đất duy trì ổn định trong khoảng 7,441 đến 7,977; cây đậu bắp trồng trên đất chứa 4% SH/Urea phát triển khỏe mạnh sau 35 ngày, trong khi cây đối chứng trên đất thường bắt đầu héo rũ từ ngày thứ 20.

---

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã tổng hợp thành công và so sánh toàn diện các thông số kỹ thuật giữa hai hệ vật liệu hydrogel thông thường và semi-IPN hydrogel:

Thông số đặc tính kỹ thuật	Hydrogel thông thường (CH)	Semi-IPN Hydrogel (SH)
Kích thước lỗ xốp trung bình ($\mu\text{m}$)	$300{,}52 \pm 48{,}54$	$140{,}39 \pm 25{,}02$
Tỷ lệ diện tích lỗ xốp (%)	42,82	30,33
Tỷ lệ trương nở cân bằng ($SR$) trong nước (%)	2053,393 (tại 2910 phút)	2498,067 (tại 2820 phút)
Ứng suất nén phá hủy (kPa)	$174{,}89 \pm 1{,}92$	$255{,}97 \pm 2{,}66$
Nhiệt độ chuyển thủy tinh $T_g$ (°C)	120,40	111,36
Khối lượng còn lại sau phân tích TGA 900 °C (%)	10,06	17,13
Hàm lượng hấp thụ Urea tối đa ($Q_m$, mg/g)	310,714	413,776
Tỷ lệ giải phóng Urea tối đa trong nước (%)	60,66 (tại 3700 phút)	86,81 (tại 4800 phút)
Độ ẩm đất giữ lại ở cuối giai đoạn 1 / ngày 12 (%)	Thấp hơn	39,33
Độ ẩm đất giữ lại ở cuối giai đoạn 2 / ngày 23 (%)	Thấp hơn	46,912
Thời gian duy trì sinh trưởng cây đậu bắp (ngày)	Héo từ ngày thứ 20	Sống và phát triển tốt (35 ngày)

• Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật: Đề xuất ứng dụng mẫu semi-IPN hydrogel (SH) nạp phân đạm Urea với tỷ lệ phối trộn 4% vào đất trồng nhằm thiết lập hệ giữ nước và cung cấp dinh dưỡng nhả chậm dài ngày, nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón và giảm tần suất tưới tiêu.
• Đóng góp khoa học và thực tiễn:
  • Đóng góp bộ dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về việc kết hợp monomer N,N’-Diethylacrylamide và Maleic Acid để tạo mạng bán xen kẽ semi-IPN hydrogel có cấu trúc xốp đồng đều, cải thiện độ bền cơ tính và độ bền nhiệt.
  • Chứng minh cơ chế nhả chậm Urea đạt hiệu suất cao ở môi trường trung tính (pH 7) theo mô hình Korsmeyer – Peppas, mở ra hướng ứng dụng vật liệu polymer chức năng trong kỹ thuật nông nghiệp thông minh tại Việt Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của nghiên cứu:

  • Khả năng trương nở và giữ nước của vật liệu bị suy giảm đáng kể khi có mặt các ion kim loại đa hóa trị hòa tan trong môi trường đất ($Al^{3+}, Ca^{2+}, Mg^{2+}$) do hiện tượng cạnh tranh tạo phức và làm tăng mật độ khâu mạng ion.
  • Các thử nghiệm thực tế trên cây trồng mới chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm trên chậu thử nghiệm với một loại cây trồng đơn lẻ (cây đậu bắp) trong thời gian theo dõi ngắn hạn 35 ngày.
  • Hệ vật liệu chủ yếu sử dụng các monomer tổng hợp gốc vinyl (DEA, MA), chưa tích hợp sâu các polymer sinh học tự nhiên để tối ưu hóa khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn sau chu kỳ canh tác.

• Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Đánh giá khả năng phân hủy sinh học dài hạn của semi-IPN hydrogel trong các điều kiện vi sinh vật đất tự nhiên từ 2 đến 5 năm.
  • Thử nghiệm mở rộng trên nhiều nhóm đất canh tác khác nhau (đất cát, đất sét, đất nhiễm mặn) và nhiều loại cây trồng nông nghiệp có chu kỳ sinh trưởng dài ngày hơn.
  • Tối ưu hóa quy trình tổng hợp quy mô lớn và nghiên cứu phối trộn thêm các nguồn phân bón đa lượng khác (Kali, Phốt pho) để tạo hệ phân bón nhả chậm phức hợp NPK.

---

Giá trị tham khảo

• Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên cao học, giảng viên và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa - Polymer, Khoa học Vật liệu, Nông nghiệp Công nghệ cao và Khoa học Môi trường.
• Phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
  • Quy trình chi tiết tổng hợp homopolymer mạch thẳng và kỹ thuật tạo mạng semi-IPN hydrogel bằng phản ứng trùng hợp gốc tự do dung dịch.
  • Phương pháp phân tích định lượng Urea bằng phương pháp đo quang phổ hấp thụ phân tử UV - Vis thông qua phản ứng tạo phức Schiff base với tác nhân p-Dimethylaminobenzaldehyde (PDAB).
  • Phương pháp áp dụng và xử lý toán học các mô hình đẳng nhiệt hấp thụ (Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin – Radushkevich) và mô hình động học giải phóng hoạt chất (Zero-Order, First-Order, Higuchi, Korsmeyer – Peppas).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao vật liệu semi-IPN hydrogel (SH) lại có ứng suất nén và độ bền nhiệt cao hơn hydrogel thông thường (CH)?

Sự xen kẽ của các chuỗi mạch thẳng homopolymer pDEA vào mạng lưới không gian poly(DEA-co-MA) trong cấu trúc semi-IPN giúp tăng cường các liên kết hydro bổ sung và phân tán lực tác dụng đồng đều hơn, nâng ứng suất nén từ $174{,}89\text{ kPa}$ (ở mẫu CH) lên $255{,}97\text{ kPa}$ (ở mẫu SH). Cấu trúc mạng đan xen bền vững này cũng giúp SH duy trì khối lượng còn lại cao hơn sau khi phân hủy nhiệt ở 900 °C (17,13% so với 10,06% của CH).

2. Khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón Urea của mẫu SH đạt các giá trị cụ thể nào và tuân theo mô hình nào?

Mẫu SH đạt dung lượng hấp thụ Urea tối đa là $413{,}776\text{ mg/g}$, tuân theo mô hình hấp thụ đẳng nhiệt Langmuir. Khi giải hấp, SH đạt tỷ lệ giải phóng Urea cực đại là 86,81% sau 4800 phút ở môi trường pH 7, tuân theo mô hình động học Korsmeyer – Peppas với cơ chế khuếch tán dạng Quasi – Fickian.

3. Sự hiện diện của các ion kim loại trong dung dịch ảnh hưởng như thế nào đến tỷ lệ trương nở của hydrogel?

Tỷ lệ trương nở của cả hai mẫu hydrogel đều bị suy giảm khi đặt trong môi trường dung dịch muối khoáng so với nước cất. Mức độ làm suy giảm độ trương diễn ra mạnh nhất ở ion đa hóa trị và giảm dần theo thứ tự: $Al^{3+} > Ca^{2+} > Na^{+}$. Nguyên nhân là do các cation đa hóa trị tạo ra liên kết chéo bổ sung với các nhóm carboxylate trên mạch polymer, làm co thắt mạng lưới không gian và giảm thể tích tự do chứa nước.

4. Tác động thực tế của việc phối trộn 4% SH/Urea vào đất trồng đối với sự sinh trưởng của cây đậu bắp là gì?

Đất phối trộn 4% SH/Urea giúp duy trì độ ẩm ổn định (đạt 39,33% sau 12 ngày và 46,912% sau 23 ngày thử nghiệm) và giữ pH trong ngưỡng thích hợp (7,441–7,977). Cây đậu bắp trồng trên mẫu đất này duy trì sự sống và sinh trưởng xanh tốt trong suốt 35 ngày theo dõi, trong khi cây trồng trên đất đối chứng không có hydrogel bắt đầu bị héo rũ từ ngày thứ 20 do thiếu nước và dinh dưỡng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Hoàng Kim đã tổng hợp và đặc trưng thành công hệ vật liệu polymer thông minh hydrogel thông thường và semi-IPN hydrogel trên cơ sở N,N’-Diethylacrylamide và Maleic Acid bằng kỹ thuật trùng hợp gốc tự do. Mẫu semi-IPN hydrogel (SH) thể hiện các đặc tính vượt trội về kích thước lỗ xốp đồng đều, độ bền cơ tính ($255{,}97\text{ kPa}$), tỷ lệ trương nở ($2498{,}067%$), dung lượng hấp thụ Urea ($413{,}776\text{ mg/g}$) và tỷ lệ giải phóng Urea có kiểm soát ($86{,}81%$). Kết quả thực nghiệm canh tác cây đậu bắp trong 35 ngày đã chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu trong việc cải thiện độ ẩm đất, ổn định pH và cung cấp dinh dưỡng chậm, đóng góp giải pháp kỹ thuật hữu ích cho nền nông nghiệp tiết kiệm tài nguyên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về hydrogel 1.1 Định nghĩa Hydrogel luôn được nhắc đến là một mạng polymer ba chiều không tan trong nước, với khả năng hấp thụ và giữ một lượng nước lớn trong cấu trúc của mình. Trong khi khả năng hấp thụ này của hydrogel là nhờ vào các nhóm chức ưa nước gắn trên “xương sống” của chuỗi mạch polymer thì khả năng giữ nước lại nhờ vào các liên kết chéo của mạng lưới polymer [1]. Ngoài ra, hydrogel còn có khả năng tương thích và phân hủy sinh học cao cùng độ bền và ổn định môi trường tốt, không màu, không mùi, không độc hại [2].2 Phân loại hydrogel [1] Hydrogel có thể được phân loại dựa vào nhiều cơ sở khác nhau như sau: ❖ Phân loại dựa trên nguồn gốc, bao gồm: - Hydrogel tự nhiên là loại hydrogel được tạo ra từ các hợp chất tự nhiên như collagen, chitosan, alginate, gelatin… - Hydrogel tổng hợp là loại hydrogel được tạo ra từ các hợp chất hóa học như PVA (polyvinyl alcohol), PAA (polyacrylic acid), PEG (polyethylene glycol), và một số loại polymer khác. ❖ Phân loại theo thành phần, bao gồm: - Hydrogel homopolyme là mạng polymer có nguồn gốc từ một loại monome duy nhất.

- Hydrogel copolyme bao gồm hai hoặc nhiều loại monome được sắp xếp theo cấu hình ngẫu nhiên, khối hoặc xen kẽ. - Hydrogel polymer xen kẽ (IPN) là một loại hydrogel quan trọng, được tạo thành từ hai hay nhiều mạng polymer đan xen lẫn nhau một phần hoặc toàn phần và các polymer này liên kết một cách độc lập. - Hydrogel polymer bán xen kẽ (Semi-IPN) là một loại hydrogel bao gồm một hoặc nhiều polymer mạch cấu trúc không gian kết hợp với các chuỗi polymer mạch thẳng bằng cách xâm nhập chuỗi mạch thẳng vào mạng cấu trúc không gian. Đặc biệt các mạng polymer này sẽ giữ nguyên tính chất riêng.

❖ Phân loại dựa trên cấu hình, bao gồm: 5 - Vô định hình (không kết tinh) - Bán tinh thể: Một hỗn hợp phức tạp giữa vô định và pha tinh thể. ❖ Phân loại theo điện tích mạng, bao gồm: - Không ion (trung tính) - Ionic (anion và cation) - Chất điện ly lưỡng tính (chứa cả nhóm acid và base) - Zwitterionic (cả nhóm anion và cation trong mỗi đơn vị lặp lại) ❖ Cuối cùng là phân loại theo tính chất vật lý và hóa học: - Theo tính chất vật lý: Các loại hydrogel này thường sẽ kém bền bởi các chuỗi polymer sẽ liên kết bằng lực tĩnh điện, tương tác kỵ nước, liên kết Van der Waals, liên kết điện tích có trong phức chất, liên kết hydro… các liên kết này do kém bền nên thường dễ dàng bị biến đổi khi đun nóng. - Theo tính chất hóa học: Loại hydrogel này sẽ bền hóa học tương tác kỵ nước, liên kết Van der Waals, liên kết điện tích có trong phức chất…[3].2 Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp Một trong những yếu tố cần và phải đảm bảo trong nông nghiệp chính là tưới tiêu giúp cây trồng và hoa màu phát triển. Quá trình tưới tiêu rất tốn kém, đặc biệt là ở những vùng khan hiếm nước điều này lại càng khó khăn.

Ngoài ra khi nhắc đến trồng trọt, không thể không nhắc đến việc bón phân, cung cấp chất dinh dưỡng. Công cuộc bón phân thường gây xảy ra hiện tượng chảy tràn, rửa trôi và bốc hơi, điều này làm cho sự hấp thụ phân bón của cây cũng như hiệu quả của việc bón phân giảm đi đáng kể [2]. Vì vậy để giải quyết những vật đề này, sự ra đời của SRFHs là một giải pháp thay thế hấp dẫn. Với cơ chế hấp thụ nước bằng cách trương nở sau đó giải phóng nước từ từ khi đất khô đi thông qua quá trình khuếch tán.