CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Giới thiệu chung về hydrogel 1.1 Định nghĩa Hydrogel hay còn gọi là hydrophilic gels: Là một mạng polymer có cấu trúc không gian ba chiều, giàu các nhóm ưa nước. Chúng có ái lực hấp thụ nước hay dung môi hữu cơ rất lớn có thể lên đến hàng nghìn lần khối lượng khô của chúng mà không bị hòa tan trong dung dịch hấp thụ, do sự hiện diện của các liên kết ngang vật lý hay hóa học trong cấu trúc của chúng [8]. Hydrogel là một chất siêu hấp thụ do đặc tính trương nở phi thường của cấu trúc xốp. Áp suất mao dẫn là tác nhân vật lý hỗ trợ việc điền đầy nước vào các lỗ xốp trong cấu trúc [8].
Hydrogel có thể được phân thành hai nhóm chính theo tính chất vật lý và hóa học: - Nhóm thứ nhất là hydrogel kém bền: Trong đó các chuỗi polymer sẽ liên kết bằng lực tĩnh điện, liên kết hydro, tương tác kỵ nước, liên kết Van der Waals, liên kết điện tích có trong phức chất (polyelectrolyte complexation),. Chúng có đặc điểm là tính ổn định cấu trúc kém và dễ dàng bị biến đổi thành hỗn hợp polymer như gelatin, thạch,… bằng cách đun nóng. - Nhóm thứ hai là hydrogel bền hóa học: Trong đó các chuỗi polymer được liên kết bằng các liên kết cộng hóa trị bền vững có tính chất cơ học tốt như tinh bột với các monomer chứa nhóm vinyl hay acrylic acid, acrylamide, acrylonitrile, polyvinyl alcohol…[9] 1.2 IPN hydrogel Vật liệu IPN có thể được coi là một hỗn hợp polymer (polymer blend). Theo IUPAC định nghĩa, Interpenetrating Network Polymer (IPN) gồm hai hay nhiều mạng polymer đang xen lẫn nhau, trên qui mô phân tử polymer thì các mạng này không có liên kết hóa trị với nhau, đồng thời các mạng polymer này không thể tách rời trừ khi liên kết hóa học giữa chúng bị phá vỡ.
Một hỗn hợp gồm hai hoặc nhiều mạng polymer được tạo thành trước không phải là IPN [10].3 Semi-IPN hydrogel Semi-IPN khác với IPN hydrogel vì các chuỗi của polymer thứ hai chỉ được phân tán vào mạng polymer thứ nhất mà không tạo thành một mạng xen kẽ khác. Theo IUPAC semi-IPN hydrogel là “Một loại polymer bao gồm một hoặc nhiều polymer mạch cấu trúc không gian và một hoặc nhiều polymer mạch thẳng hoặc mạch nhánh được đặc trưng bởi sự xâm nhập của polymer mạch thẳng hoặc mạch nhánh vào mạch không gian trên quy mô phân tử”. Ngoài ra, một lưu ý đã được thêm vào để nhấn mạnh sự khác biệt giữa IPN và bán IPN, rằng “mạng lưới polymer bán xen kẽ được phân biệt với mạng polymer xen kẽ bởi vì về nguyên tắc, các polymer mạch thẳng hoặc phân nhánh có thể được tách ra khỏi (các) mạng polymer cấu thành mà không phá vỡ các liên kết hóa học của chúng” [10]. Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp Trong nông nghiệp có nhiều yếu tố gây trở ngại đến sự phát triển của cây trồng và sản lượng thu hoạch.
Cụ thể hơn là ở khả năng lưu giữ nước thấp, tốc độ thoát hơi nước cao đã dẫn đến việc mất cân bằng độ ẩm trong đất, thêm vào đó là sự tấn công của một số bệnh học thực vật. Đứng trước những vấn đề này thì việc ứng dụng hydrogel vào đất trồng đã mang đến những hiệu quả đáng kể trong việc cải thiện chất lượng đất, chống lại sự khô hạn trong đất, lưu trữ nước và giảm tần suất tưới tiêu, giảm tỷ lệ chết cây con ở vườn ươm, hạn chế việc lạm dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật trên đồng ruộng. Hydrogel có thể được ứng dụng rộng rãi trong các khu vực trồng rừng, trồng cây công nghiệp, làm vườn thành phố, những khu vực khô hạn cần bảo tồn nguồn nước, …[9] 1.1 Các đặc tính lý tưởng của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp [11] - Chịu được độ mặn của đất. - Cải thiện các đặc tính vật lý, hóa học và sinh học của đất.
- Khả năng hấp thụ lượng nước cao và giải phóng dần chúng trong các điều kiện khô hạn. - Cắt giảm tình trạng mất cân bằng độ ẩm trong đất. - Thúc đẩy được sự nảy mầm của hạt giống, sinh trưởng và phát triển ở cây trồng - Kéo dài được sự sống cho cây trồng các điều kiện khô cằn nước bốc hơi quá nhanh. 6 - Giảm tần suất tưới, nhu cầu về phân bón và cắt giảm được chi phí.
- Không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường. - Khả năng chịu đựng và hoạt động được ở nhiệt độ cao (40 – 50oC) trong các khu vực có khí hậu nóng, khô hạn.2 Phân loại hydrogel [11] Trên nhiều nguồn tài liệu thì hydrogel trong nông nghiệp có thể phân thành 3 loại chính: - Hydrogel tự nhiên. - Hydrogel bán tổng hợp. - Hydrogel tổng hợp.
Ngày nay, hydrogel tổng hợp từ các loại polymer có nguồn gốc từ dầu mỏ hay nhân tạo đã được tổng hợp và bán trên thị trường, trong đó có ba loại phổ biến: - Starch-polyacrylonitrile graft polymers (starch copolymers). - Vinyl alcohol-acrylic acid copolymers (polyvinyl alcohols). - Acrylamide sodium acrylate copolymers (chất khâu mạng: polyacrylamides).3 Phương pháp áp dụng hydrogel trên đất trồng [11] Tỉ lệ hydrogel sử dụng phụ thuộc vào đặc điểm của từng loại đất. Trên các nghiên cứu đã đưa ra các tỉ lệ sử dụng đối với đất sét là 2,5 kg/ha ở độ sâu 6 - 8’’ và đất cát là 5,0 kg/ha ở độ sâu 4’’.
Sau đây là hai phương pháp chính để áp dụng hydrogel trên đất trồng: - Bón ở dạng khô: Polymer được sấy khô sau đó đem bón ở độ sâu 15 - 25 cm, cuối cùng tưới nước vào đất cho chúng trương ra. - Bón ở dạng ướt: Dung dịch polymer được tưới trên bề mặt đất ướt. Sau khi nước ổn định trong cốt liệu và bề mặt khô thoáng thì ngay lập lức gieo hạt. Phương pháp ướt này có thể giảm thiểu được việc lãng phí nước, giảm xói mòn đất, tăng độ dẫn thủy lực cho đất.4 Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất Những nhóm ưa nước gắn trên chuỗi mạch polymer như acrylamide, acrylic acid, acrylate, carboxylic acid, …Chúng có khả năng hấp thụ lượng nước rất lớn.
Khi polymers tương tác 7 với nước sẽ xảy ra quá trình hydrat hóa và hình thành các liên kết hydro. Quá trình này làm cho các nhóm chức ưa nước gắn trên chuỗi mạch chính mang điện âm. Vì thế, khi các chuỗi mạch phân tử cạnh nhau tích điện cùng dấu sẽ tạo ra một lực đẩy làm mở rộng cấu trúc phân tử tạo điều kiện cho các phân tử nước khuếch tán vào dễ dàng [11]. Sau khi các vùng rễ cây bắt đầu có hiện tượng khô do thiếu nước trong môi trường đất thì các viên hydrogel sẽ giải phóng chậm và cung cấp cho cây trồng một lượng nước có thể lên đến 95% khối lượng nước chúng trữ được bên trong mạng [11].
Khi có sự cung cấp nước từ việc tưới tiêu hay mưa xuống, hydrogel bắt đầu hoạt động tích trữ và tiếp tục quá trình cung cấp nước theo một vòng lặp tuần hoàn. Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất được mô tả như hình 1.1: Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất [11] 1.5 Những tác động của hydrogel trong nông nghiệp.1 Cải tạo đất Có nhiều nghiên cứu thú vị đã báo cáo rằng việc sử dụng hydrogel không những cải thiện khả năng lưu giữ nước và phân bón trong đất mà còn tăng độ thoáng khí cho đất và giảm tỉ lệ thoát hơi nước. Ngoài ra, chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tính thấm, mật độ, cấu trúc, kết cấu của đất, tốc độ bay hơi, mức độ khuếch tán của nước và khả năng giữ nước của đất,… 8 Qua đó khả năng năng giữ nước của đất sẽ tăng lên khoảng 50% theo liều lượng hydrogel áp dụng cụ thể cho từng loại đất [12]. Thêm vào đó mật độ khối lượng của đất sẽ bị giảm xuống theo tỷ lệ hydrogel áp dụng khoảng 5 –10% [9].
Hiệu quả của loại vật liệu này trong đất đã được nghiên cứu trong báo cáo Barakat về việc sử dụng hydrogel vào đất trồng trọt có thể giải quyết được các vấn đề tưới tiêu thông thường gặp phải [13]. Vài nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra ý nghĩa của hydrogel có thể giúp hấp thụ, trữ được lượng nước lớn, ngăn chặn quá trình thất thoát nước và chúng hoạt động như một “hồ chứa nước” ở khu vực gần rễ cây trồng [14] 1.2 Chống chịu được tình trạng khô hạn. Tình trạng khô hạn do lượng nước trong đất bị mất quá lớn có thể dẫn đến việc sản sinh ra các gốc oxy hóa tự do và quá trình peroxy hóa lipid [15]. Hiện tượng này có thể gây ra các tác động xấu đến hình thái cây trồng như còi cọc, héo hay chết cây.
Do đó, việc sử dụng hydrogel trong điều kiện khí hậu bất lợi có thể giúp cây trồng vẫn duy trì tốt được sự sống và năng suất không bị ảnh hưởng [16].3 Tăng hiệu quả sử dụng phân bón Việc sử dụng hydrogel sẽ giảm tình trạng thất thoát so với bón phân kiểu truyền thống mà không ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất cây trồng và giảm giá trị dinh dưỡng. Phân bón sẽ được giữ lại trong mạng hydrogel không thể ngay lập tức bị nước rửa trôi mà dần dần được giải phóng vào đất và sau đó được cây trồng hấp thụ. Ưu điểm này của hydrogel sẽ góp phần vào việc phát triển nông nghiệp bền vững ở vùng khô hạn và bán khô hạn [9].4 Quá trình sinh trưởng của cây trồng Nảy mầm là giai đoạn đầu vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của cây trồng. Nó phụ thuộc lớn vào lượng nước cung cấp cho cây trồng mà tình trạng này thường gặp khó khăn ở những khu vực khô hạn và bán khô hạn do sự thiếu hụt nước khiến độ ẩm của đất rất thấp.
Hydrogel hấp thụ nước và giải phóng nước dần vào đất, góp phần làm tăng khả năng sống sót của thực vật dưới áp lực thiếu nước, giảm tỷ lệ rụng trái, tăng sản lượng và trọng lượng trái trong các điều kiện khắc nghiệt khác nhau. 9 Hơn nữa, đường kính thân cây qua các nghiên cứu và khảo sát cũng tăng lên điều này được giải thích là do hydrogel trong đất đã cung cấp nước đầy đủ cho các vùng rễ của cây một cách đều đặn dẫn đến cây luôn phát triển tốt. Cụ thể trong nghiên cứu của Konzen đã báo cáo rằng việc sử dụng hydrogel có thể cải thiện được chiều cao của cây, đường kính thân cây và các vấn đề hữu cơ của cây con M. scabrella được trồng trong điều kiện nhà kính [17].