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

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Tổng hợp hydrogel ứng dụng trong kỹ thuật nông nghiệp từ n n diethylacrylamide và maleic acid, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• 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.

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.

Bằng cách này, sẽ tránh được thất thoát nước và bay hơi trong quá trình tưới mà đất sẽ luôn giữ được độ ẩm. Ngoài ra khi hydrogel hấp thụ nước chúng sẽ trương lên giúp cho độ xốp của đất cũng được tăng theo, kết quả là cung cấp được một lượng lớn oxy cho rễ. Khi được kết hợp cùng phân bón tạo ra SRFHs, giảm thiếu việc thất thoát chất dinh dưỡng nó còn có ưu điểm là cung cấp chất dinh dưỡng một cách ổn 6 định, có kiểm soát trong thời gian dài, tăng hiệu quả của phân, giảm tần suất bón, giảm tác hại của phân bón – liều lượng và độc tính [2].1 Các đặc tính chính của hydrogel ứng dụng trong nông nghiệp [4]. - Hydrogel ít bị ảnh hưởng bởi sự có mặt của muối trong đất.

- Cải thiện được tính chất vật lý và phục hồi hệ sinh vật của đất. - Thúc đẩy tỷ lệ nảy mầm của hạt và quá trình phát triển của cây con. - Cải thiện được sự phát triển của rễ và mật độ cây trồng. - Giúp duy trì độ ẩm cho đất và giữ độ ẩm kéo dài cho cây trồng sinh trưởng.

- Làm giảm thời gian hình thành vườn ươm. - Giúp giảm tần suất tưới tiêu và nhu cầu bón phân của cây trồng với hiệu quả sử dụng đầu vào được cải thiện.2 Ưu điểm của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp [4]. Trong nông nghiệp, hydrogel hoạt động như một hồ chứa nước siêu nhỏ ở rễ cây, chúng hấp thụ lượng nước tự nhiên và lượng nước được cung cấp gấp 400-500 lần trọng lượng khô của chúng và giải phóng nước từ từ giúp ngăn chặn sự mất nước trong đất do rửa trôi và bây hơi. Hydrogel có thể tạo ra một quá trình hấp thụ và giải phóng nước theo chu kỳ nhất định, nước được giải phóng có thể cung cấp độ ẩm tối ưu cho quá trình nảy mầm và trưởng thành của cây con.

Do đó, giảm tỷ lệ chết của cây con xuống nhiều lần trong vườn ươm. Ở những vùng lạnh, cây con thường chết trong quá trình nảy mầm và trưởng thành do độ ẩm bị đóng băng xung quanh khu vực rễ cây. Tuy nhiên, độ ẩm được hấp thụ trong hydrogel lại không bị đóng băng và giúp cây dễ dàng tiếp nhận, ngăn cây con chết do đóng băng. Hydrogel còn làm giảm tuần suất tưới tiêu, tiết kiệm nước và chi phí lao động, giúp đối mặt với tình trạng khô hạn.

Chúng hoạt động như chất điều hòa đất, ngăn chặn sự rửa trôi trong đất, giúp cải thiện và phục hồi hệ sinh vật. Hydrogel có thể làm giảm việc lạm dụng phân bón và thuốc trừ sâu trong canh tác. Khi phân bón được hấp thụ cùng với nước sẽ giải phóng từ từ khi cần thiết, như vậy không nhưng giúp kéo dài tuổi thọ hoạt động còn giúp hiệu quả hấp thu của rễ tăng cao. Ngoài ra hydrogel còn đóng vai trò là chất keo tụ trong đất.

Chúng liên kết chặt chẽ với đất giúp đất tơi xốp và tạo thành mùn giúp bám rễ tốt hơn. Cơ chế giải hấp thụ lặp đi lặp lại 7 ngăn chặn ngăn chặn quá trình nén chặt của các khoáng chất trong đất, tăng khả năng nhận oxy của đất. Được sử dụng một cách rộng rãi trong nông nghiệp, giúp giải quyết vấn đề của hạn hán, bảo tồn nước, giảm xói mòn đất do dòng chảy bề mặt, ngăn phân bón và thuốc trừ sâu chảy vào nước ngầm, tăng năng suất, giảm chi phí hoạt động của nông nghiệp. Xét về khia cạnh môi trường, hydrogel không gây ô nhiễm và có khả năng phân hủy sinh học.3 Một số nhược điểm của hydrogel khi ứng dụng trong nông nghiệp.

Lượng nước mà hydrogel sẽ giảm đi rất nhiều nếu xuất hiện một ion không giữ nước trong cấu trúc. Trong thực tế, đất chứa các ion từ phân bón và nước tưới như Ca2+, Mg2+ làm giảm đáng kể khả năng hấp thụ nước của hydrogel [5]. Hầu hết các loại đất có thể giữ có thể giữ một lượng nước hợp lý cho sự phát triển của cây trồng, nếu không có đủ lượng mưa, nước trong đất sẽ bị cạn kiệt. Hydrogel sẽ không giải quyết được vấn đề này [4].

Hiệu quả của hydrogel còn phụ thuộc nhiều vào kết cấu của từng loại đất và polymer, phương pháp trồng trọt, thời gian áp dụng và bản chất của các loài cây trồng [6]. Một số trường hợp hydrogel chỉ có thể hấp thụ nước mà không giải phóng nước không những không giúp cây trồng phát triển mà ngược lại còn có thể làm héo các giá thể thực vật [6].4 Cơ chế hấp thụ nước của hydrogel [6] Nhờ có các nhóm chức ưa nước trong cấu trúc mạch polymer như acrylamide, acid acrylic, acrylate, acid carboxylic… đã giúp hydrogel hấp thụ một lượng nước lớn, nước sẽ đi vào cấu trúc của hydrogel bằng cách thẩm thấu. Cơ chế này sẽ bắt đầu bằng việc, khi các chuỗi mạch polymer tương tác với các phân tử nước, các nguyên tử hydro sẽ thoát ra dưới dạng ion, quá trình này được gọi là hydrat hóa đồng thời cũng hình thành liên kết hydro. Điều này đã dẫn đến sự xuất hiện của các ion âm gắn dọc trên chuỗi mạch polymer, khi các chuỗi mạch phân tử nằm cạnh nhau và tích điện cùng dấu chúng sẽ đẩy nhau, làm cho cấu trúc phân tử được mở rộng, giúp các phân tử nước dễ dàng khuếch tán vào mạng lưới bên trong, sau đó liên kết chúng lại với nhau bằng liên kết hydro, chính điều này đã giúp hydrogel trở thành một “hồ nước nhỏ”.

8 Hydrogel có thể hấp thụ một lớn nước gấp 400-1000 lần trọng lượng khô của nó, khi cảm nhận sự khô hạn xung quanh khu vực rễ cây, chúng sẽ bắt đầu cung cấp lượng nước mà mình dự trữ, lượng nước này có thể lên đến 95% lượng dực trữ được.1 bên dưới sẽ giúp chúng ta dễ hình dung hơn về cơ chế này.1: Cơ chế hấp thụ nước của hydrogel [6] 1.5 Phương pháp ứng dụng hydrogel trong nông nghiệp [6] Có hai phương pháp để sử dụng hydrogel cho cây trồng, tùy thuộc vào mục đích mong muốn mà có thể áp dụng phương pháp phù hợp, mỗi phương pháp đều có ưu điểm riêng. ❖ Phương pháp khô: Chính là sử dụng được sấy khô sau đó bón vào lớp đất ở độ sâu 15 – 25 cm, sau đó cấp ẩm bằng cách tưới nước vào đất để hydrogel hấp thụ và trương ra. Sau khi trương, cấu trúc đất được cải thiện, khả năng thấm và giữ nước cũng tăng lên, giúp giảm lượng nước chảy tràn và xói mòn. Phương pháp này phải đợi hydrogel hấp thụ nước, không thể gieo hạt ngay.

Ngoài ra đây còn là phương pháp áp dụng cho mục đích lâu dài vì quá trình hấp và nhả nước của hydrogel sẽ diễn ra tuần hoàn và sẽ phân hủy trong đất sau 2-5 năm. ❖ Phương pháp ướt: Dung dịch polymer sẽ được tưới lên bề mặt đất ướt, sau đó làm khô để tạo một cốt liệu ổn định với nước, chống xói mòn.