Tổng hợp semi ipn hydrogel từ n n dimethylacrylamide và maleic acid ứng dụng trong kỹ thuật nông nghiệp

Semi-IPN hydrogel là một loại vật liệu polymer có khả năng hấp thụ nước và chất… 123 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2022.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Tín
• 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 Hóa Polymer
• Đề tài: Tổng Hợp Semi-IPN Hydrogel Từ N, N'-Dimethylacrylamide Và Maleic Acid Ứng Dụng Trong Kỹ Thuật Nông Nghiệp
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về hydrogel
• 1.2. Semi-IPN hydrogel
• 1.3. Hydrogel trong lĩnh vực nông nghiệp
• 1.3.1. Các đặc tính lý tưởng của hydrogel sử dụng trong nông nghiệp
• 1.3.2. Phân loại hydrogel
• 1.3.3. Phương pháp áp dụng hydrogel trên đất trồng
• 1.3.4. Cơ chế hoạt động của hydrogel trong đất
• 1.3.5. Những tác động của hydrogel trong nông nghiệp
• 1.3.6. Các bất lợi khi sử dụng hydrogel trong nông nghiệp
• 1.4. Giới thiệu về hydrogels giải phóng phân bón chậm
• 1.4.1. Phương pháp nạp phân bón vào hydrogel
• 1.4.2. Cơ chế giải phóng phân bón chậm
• 1.5. Tổng quan về nguyên liệu
• 1.6. Một số kỹ thuật nghiên cứu homopolymer và semi-IPN hydrogel
• 1.6.1. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)
• 1.6.2. Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC)
• 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 nguyên liệu trồng cây
• 1.8. Tổng quan về cây cải bẹ xanh
• 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 PDMA
• 2.2.2. Tổng hợp các mẫu hydrogel
• 2.2.3. Biến tính mẫu semi-IPN hydrogel
• 2.3. Phương pháp thực nghiệm
• 2.3.1. Sắc ký thẩm thấu gel (Gel Permeation Chromatography – GPC)
• 2.3.2. Tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering – DLS)
• 2.3.3. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi (Fourier Transform Infrared Spectroscopy – FTIR)
• 2.3.4. 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)
• 2.3.5. Khảo sát tốc độ trương nở (Swelling Rate)
• 2.3.6. Khảo sát tỉ lệ trương cân bằng (Swelling Ratio – SR)
• 2.3.7. Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetric Analysis - TGA)
• 2.3.8. Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry – DSC)
• 2.3.9. Phương pháp khảo sát cơ tính
• 2.3.10. Khảo sát khả năng hấp thụ Urea
• 2.3.11. Khảo sát khả năng giải phóng Urea
• 2.3.12. Đánh giá tính chất của đất theo thời gian
• 2.3.13. Theo dõi sự phát triển của cây trồng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tổng hợp homopolymer PDMA
• 3.1.1. Tổng hợp PDMA
• 3.1.2. Kết quả phân tích sắc ký thẩm thấu gel GPC
• 3.1.3. Kết quả đo 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 quét 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. Độ ẩm của đất
• 3.3.2. Đánh giá pH của đất theo thời gian
• 3.4. 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 semi IPN hydrogel trong nông nghiệp

Semi-IPN hydrogel là một loại vật liệu polymer có khả năng hấp thụ nước và chất dinh dưỡng, được tổng hợp từ N,N'-Dimethylacrylamide và Maleic Acid. Vật liệu này có tiềm năng lớn trong nông nghiệp, giúp cải thiện khả năng giữ ẩm cho đất và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Việc sử dụng semi-IPN hydrogel có thể giảm thiểu tình trạng thất thoát nước và phân bón, đồng thời bảo vệ môi trường.

1.1. Định nghĩa và cấu trúc của semi IPN hydrogel

Semi-IPN hydrogel là mạng lưới polymer bán xen kẽ, được hình thành từ sự kết hợp giữa các monomer như N,N'-Dimethylacrylamide và Maleic Acid. Cấu trúc này cho phép hydrogel có khả năng hấp thụ nước và chất dinh dưỡng hiệu quả.

1.2. Lợi ích của semi IPN hydrogel trong nông nghiệp

Việc sử dụng semi-IPN hydrogel giúp cải thiện độ ẩm của đất, giảm thiểu lượng nước tưới và tăng cường khả năng cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu và tình trạng khô hạn.

II. Thách thức trong việc ứng dụng semi IPN hydrogel

Mặc dù semi-IPN hydrogel có nhiều lợi ích, nhưng việc ứng dụng chúng trong nông nghiệp vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như chi phí sản xuất, khả năng tương thích với các loại đất khác nhau và hiệu quả lâu dài của hydrogel cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

2.1. Chi phí sản xuất và khả năng tiếp cận

Chi phí sản xuất semi-IPN hydrogel có thể cao, điều này làm hạn chế khả năng tiếp cận của nông dân, đặc biệt là ở các vùng nông thôn. Cần có các giải pháp để giảm chi phí và tăng cường khả năng tiếp cận cho người nông dân.

2.2. Tương thích với các loại đất và cây trồng

Khả năng tương thích của semi-IPN hydrogel với các loại đất và cây trồng khác nhau là một yếu tố quan trọng. Cần tiến hành các nghiên cứu để xác định loại đất và cây trồng nào phù hợp nhất với việc sử dụng hydrogel.

III. Phương pháp tổng hợp semi IPN hydrogel hiệu quả

Quá trình tổng hợp semi-IPN 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 lưới polymer với tính chất cơ lý tốt, phù hợp cho ứng dụng trong nông nghiệp.

3.1. Kỹ thuật trùng hợp gốc tự do

Kỹ thuật trùng hợp gốc tự do là phương pháp chính để tổng hợp semi-IPN hydrogel. Quá trình này diễn ra dưới sự tác động của các chất xúc tác như APS và TEMED, giúp tạo ra mạng lưới polymer bền vững.

3.2. Biến tính semi IPN hydrogel

Sau khi tổng hợp, semi-IPN hydrogel có thể được biến tính bằng các chất xúc tác acid hoặc base để cải thiện tính chất vật lý và hóa học, từ đó nâng cao khả năng hấp thụ nước và dinh dưỡng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của semi IPN hydrogel trong nông nghiệp

Semi-IPN hydrogel đã được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu để cải thiện độ ẩm của đất và tăng cường sự phát triển của cây trồng. Kết quả cho thấy hydrogel này có khả năng giữ ẩm tốt và cung cấp dinh dưỡng hiệu quả cho cây trồng.

4.1. Khả năng hấp thụ và giải phóng Urea

Nghiên cứu cho thấy semi-IPN hydrogel có khả năng hấp thụ Urea lên đến 152,91 mg/g, giúp cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách hiệu quả và bền vững.

4.2. Tác động đến sự phát triển của cây trồng

Kết quả khảo sát cho thấy cây cải bẹ xanh phát triển tốt hơn khi sử dụng semi-IPN hydrogel, với chiều dài lá và thời gian sống cao hơn so với cây trồng không sử dụng hydrogel.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của semi IPN hydrogel

Semi-IPN hydrogel từ N,N'-Dimethylacrylamide và Maleic Acid có tiềm năng lớn trong nông nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới cho hydrogel này sẽ góp phần cải thiện hiệu quả sản xuất nông nghiệp và bảo vệ môi trường.

5.1. Tương lai của semi IPN hydrogel trong nông nghiệp

Với những lợi ích vượt trội, semi-IPN hydrogel có thể trở thành một giải pháp quan trọng cho các vấn đề trong nông nghiệp, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

5.2. Nghiên cứu và phát triển thêm ứng dụng

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển thêm các ứng dụng của semi-IPN hydrogel, từ việc cải thiện tính chất vật lý đến khả năng tương thích với các loại phân bón khác nhau.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp được thực hiện trong bối cảnh cuộc xung đột Nga – Ukraine bùng phát vào ngày 24/02/2022, kéo theo sự gián đoạn chuỗi cung ứng toàn cầu đối với các mặt hàng chiến lược như dầu mỏ, khí đốt và phân bón. Do Nga là quốc gia sản xuất và xuất khẩu phân bón hàng đầu thế giới, các biện pháp hạn chế xuất khẩu cùng các lệnh trừng phạt đã đẩy giá vật tư nông nghiệp và phân bón lên mức rất cao. Tại Việt Nam, ngành nông nghiệp giữ vai trò là "trụ đỡ" của nền kinh tế nhưng sản xuất trong nước lại phụ thuộc đáng kể vào nguồn phân bón nhập khẩu. Trước tình hình giá phân bón và nhiên liệu tưới tiêu tăng cao, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã khuyến cáo người dân cần áp dụng các giải pháp sử dụng phân bón tiết kiệm và hiệu quả.

Về mặt kỹ thuật canh tác, các phương thức bón phân và tưới nước truyền thống như rải, phun trực tiếp lên bề mặt đất bộc lộ nhược điểm lớn là làm thất thoát một lượng lớn đạm (Nitơ) do hiện tượng bốc hơi khí và rửa trôi khi gặp mưa hoặc tưới quá mức. Sự thất thoát này không chỉ làm tăng chi phí đầu vào mà còn gây ô nhiễm môi trường đất và nguồn nước ngầm. Nhằm giải quyết đồng thời bài toán giữ nước và kiểm soát giải phóng dưỡng chất, vật liệu polymer siêu hấp thụ tích hợp phân bón nhả chậm (Slow/Control Release Fertilizers Hydrogels – SRFHs) được nghiên cứu như một "hồ chứa nước nhỏ" tại vùng rễ cây, có khả năng điều hòa độ ẩm và giải phóng phân bón theo nhu cầu sinh trưởng của cây trồng.

Tác giả xác định 6 mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Tổng hợp mạng polymer bán xen kẽ (semi-IPN hydrogel) từ homopolymer linear PDMA, monomer Maleic acid và monomer N, N’-Dimethylacrylamide.
2. Thực hiện quá trình biến tính semi-IPN hydrogel trong môi trường xúc tác acid (HCl) và base (KOH).
3. Khảo sát các tính chất hóa lý của vật liệu bằng các phép đo: FTIR, DLS, DSC, TGA, đo lưu biến, cơ tính và ảnh SEM/EDX.
4. Nghiên cứu khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón Urea của semi-IPN hydrogel bằng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – Vis.
5. Kiểm tra và đánh giá độ ẩm cùng giá trị pH của đất theo thời gian khi phối trộn hydrogel vào đất.
6. Đánh giá sự phát triển của cây cải bẹ xanh trồng trên đất thông thường so với đất có phối trộn hydrogel hấp thụ Urea trong điều kiện ngưng tưới nước.

Đối tượng nghiên cứu là hệ vật liệu semi-IPN hydrogel được tổng hợp từ N, N’-Dimethylacrylamide (DMA), linear PDMA nồng độ 4%, Maleic acid (MA), chất nối mạng N, N’-Methylenebisacrylamide (MBA), hệ xúc tác oxy hóa khử Ammonium Persulfate (APS) / N,N,N′,N′-Tetramethylethylenediamine (TEMED), cùng các mẫu biến tính xúc tác acid (ký hiệu SA), xúc tác base (ký hiệu SB) và mẫu đối chứng hydrogel thông thường (ký hiệu CH); phân bón Urea nạp vào mạng hydrogel; đất hữu cơ Lavamix Pro và cây cải bẹ xanh (Brassica juncea).

Phạm vi thực nghiệm được tiến hành tại Khu B, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, trong mốc thời gian từ ngày 18/02/2022 đến ngày 30/07/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đề tài dựa trên định nghĩa của Liên minh Quốc tế về Hóa học cơ bản và Hóa học ứng dụng (IUPAC) về mạng polymer bán xen kẽ (semi-IPN). Theo IUPAC, semi-IPN hydrogel là hệ polymer gồm một hoặc nhiều mạng polymer không gian ba chiều đan xen với một hoặc nhiều polymer mạch thẳng hoặc phân nhánh ở quy mô phân tử, trong đó polymer mạch thẳng có thể tách khỏi mạng không gian mà không làm đứt gãy các liên kết hóa học. Các nhóm chức ưa nước trên mạch như amide (từ DMA) và carboxyl (từ Maleic acid) giúp vật liệu hấp thụ lượng nước lớn nhờ quá trình hydrat hóa, hình thành liên kết hydro và lực đẩy tĩnh điện giữa các chuỗi mang điện tích cùng dấu. Khi đất khô hạn, mạng hydrogel có thể nhượng lại đến 95% lượng nước dự trữ cho bộ rễ.

Cơ chế giải phóng phân bón chậm từ hydrogel (SRFHs) diễn ra qua 3 giai đoạn: nước tiếp xúc và khuếch tán vào lõi hòa tan phân bón dưới tác động của gradient áp suất hơi; nước trương nở mạng xốp giải phóng dần chất tan chịu ảnh hưởng của pH, nhiệt độ và độ ẩm; vỏ bọc polymer còn lại phân hủy sinh học trong đất. Về động học, quá trình trương nở và khuếch tán được mô tả qua định luật Fick và hàm lũy thừa để xác định cơ chế khuếch tán Fickian hoặc non-Fickian; động học hấp thụ đẳng nhiệt của Urea được đánh giá qua 4 mô hình: Langmuir, Freundlich, Temkin và Dubinin – Radushkevich; động học giải phóng Urea được phân tích qua 4 mô hình: Zero – Order (Z-O), First – Order (F-O), Higuchi (H) và Korsmeyer – Peppas (K-P).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm:

• Phương pháp tổng hợp hóa học: Trùng hợp gốc tự do dung dịch tạo homopolymer PDMA mạch thẳng và tổng hợp mạng semi-IPN hydrogel (SH); biến tính bề mặt và cấu trúc mạng bằng xúc tác acid HCl (mẫu SA) và base KOH (mẫu SB); tổng hợp mẫu hydrogel thông thường không có polymer mạch thẳng (CH).
• Kỹ thuật phân tích cấu trúc và hình thái: Sắc ký thẩm thấu gel (GPC) xác định phân bố khối lượng phân tử của PDMA; phép đo tán xạ ánh sáng động (DLS) khảo sát đường kính thủy động học ở 25 °C và 45 °C; phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) định danh các nhóm chức hóa học; kính hiển vi điện tử quét (SEM) và quang phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) quan sát hình thái xốp đông khô và thành phần nguyên tố.
• Phân tích nhiệt và cơ học: Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) từ 50 °C đến 800 °C trong môi trường khí trơ; phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$); đo lưu biến xác định môđun tích trữ $G'$ và môđun tổn hao $G''$; đo cơ tính nén ghi nhận đường cong ứng suất – biến dạng và môđun nén.
• Khảo sát trương nở: Cân khối lượng xác định tốc độ trương và tỷ lệ trương nở cân bằng (SR) trong nước cất, trong môi trường dung dịch đệm pH từ 2,0 đến 12,0 và môi trường muối vô cơ.
• Phân tích quang phổ: Định lượng Urea hấp thụ và giải phóng bằng phương pháp quang phổ UV – Vis ở bước sóng $\lambda = 430\text{ nm}$ dựa trên phản ứng tạo phức màu vàng lục giữa Urea và tác nhân p-dimethylaminobenzaldehyde (PDAB) trong môi trường acid (phản ứng tạo bazơ Schiff).
• Đánh giá nông học thực tế: Thử nghiệm bón đất hữu cơ Lavamix Pro theo dõi độ ẩm và pH đất theo thời gian; gieo hạt giống cải bẹ xanh, theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng (chiều dài lá, trạng thái cây) và thời gian duy trì sự sống khi ngưng cấp nước.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu là dữ liệu thực nghiệm sơ cấp, được đo đạc, ghi nhận trực tiếp từ các thiết bị phân tích và các lô thí nghiệm chậu cây tại phòng thí nghiệm của đơn vị đào tạo.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về hydrogel, mạng IPN và semi-IPN hydrogel, cùng các tài liệu khoa học về ứng dụng của vật liệu siêu hấp thụ trong nông nghiệp. Tác giả trình bày chi tiết các đặc tính lý tưởng của hydrogel nông nghiệp (chịu mặn, bền nhiệt ở 40–50 °C, cải thiện tính chất đất, thúc đẩy nảy mầm), phân loại hydrogel (tự nhiên, bán tổng hợp, tổng hợp), và hai phương pháp áp dụng vào đất: bón khô ở độ sâu 15–25 cm hoặc bón ướt phủ bề mặt với liều lượng khuyến cáo khoảng 2,5 kg/ha cho đất sét và 5,0 kg/ha cho đất cát. Tác giả tổng hợp các bằng chứng cho thấy hydrogel giúp tăng khả năng giữ nước của đất lên khoảng 50%, giảm khối lượng thể tích đất từ 5–10%, hạn chế peroxy hóa lipid khi khô hạn và hỗ trợ hoạt động của vi sinh vật đất. Chương này cũng phân tích các bất lợi thực tế như sự suy giảm độ trương nở khi có mặt các ion đa hóa trị $Ca^{2+}, Mg^{2+}$ gây tăng độ cứng của nước tưới.

Phần tiếp theo của chương đi sâu vào hydrogel giải phóng phân bón chậm (SRFHs), hai phương thức nạp phân (nạp trực tiếp khi tổng hợp hoặc ngâm hydrogel khô vào dung dịch phân bón), cơ chế giải phóng qua 3 giai đoạn và các phản ứng sinh hóa của Urea trong môi trường đất dưới tác động của enzyme urease ở các ngưỡng pH khác nhau ($pH < 8,2$ và $pH > 8,2$). Tác giả giới thiệu đặc tính lý hóa của các nguyên liệu tham gia phản ứng: monomer DMA không ion hóa, homopolymer PDMA có điểm nhiệt độ chuyển pha co cụm (LCST) lên tới 216 °C và khả năng keo tụ tạo cầu, Maleic acid chứa hai nhóm carboxyl tăng tính ưa nước, hệ khơi mào APS/TEMED, chất tạo liên kết chéo MBA, và phân bón Urea chứa 46% Nitơ. Cuối chương là nguyên lý hoạt động của các phương pháp phân tích công cụ (DLS, GPC, FTIR, TGA, DSC, SEM, EDX, UV – Vis), cơ sở toán học của các mô hình đẳng nhiệt hấp thụ (Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin – Radushkevich), 4 mô hình động học giải phóng Urea (Zero-Order, First-Order, Higuchi, Korsmeyer-Peppas), cùng đặc điểm của giá thể đất Lavamix Pro và cây cải bẹ xanh.

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết các bước tiến hành thực nghiệm và phương pháp đánh giá:

• Quy trình tổng hợp homopolymer PDMA: Monomer DMA được hòa tan trong dung môi nước cất, đuổi oxy và khơi mào trùng hợp bằng hệ APS/TEMED ở nhiệt độ thích hợp; sản phẩm được kết tủa, rửa sạch tạp chất monomer dư và làm khô.
• Quy trình chế tạo các mẫu hydrogel: Mẫu hydrogel thông thường (CH) được tổng hợp từ DMA, MBA và APS/TEMED. Mẫu semi-IPN hydrogel (SH) được chế tạo bằng cách hòa tan 4% linear PDMA vào hỗn hợp monomer DMA và Maleic acid, bổ sung tác nhân nối mạng MBA và hệ khơi mào APS/TEMED để tạo mạng lưới không gian bao bọc chuỗi PDMA.
• Biến tính semi-IPN hydrogel: Mẫu SH sau khi tổng hợp được ngâm xử lý trong dung dịch acid mạnh HCl tạo mẫu SA, và ngâm xử lý trong dung dịch base mạnh KOH tạo mẫu SB nhằm thủy phân một phần nhóm amide thành các nhóm carboxylat phân cực.
• Quy trình đo đạc hóa lý: Vận hành sắc ký GPC xác định khối lượng phân tử của PDMA; đo DLS xác định kích thước hạt ở 25 °C và 45 °C; ép viên KBr đo phổ hồng ngoại FTIR; sấy đông khô mẫu hydrogel để chụp ảnh SEM và phân tích thành phần nguyên tố EDX; cân đo độ trương nở theo thời gian trong nước cất, trong dãy dung dịch đệm pH từ 2,0 đến 12,0 và trong môi trường muối vô cơ; quét nhiệt TGA từ 50 đến 800 °C với tốc độ gia nhiệt tiêu chuẩn; quét DSC xác định $T_g$; đo lưu biến dao động theo thời gian; nén cơ học mẫu hydrogel hình trụ xác định ứng suất và độ bền nén.
• Khảo sát hấp thụ và nhả Urea: Lập đường chuẩn nồng độ Urea (100–600 mg/L) tạo phức với thuốc thử PDAB tại bước sóng 430 nm. Ngâm mẫu SB vào dung dịch Urea ở các nồng độ khác nhau trong 72 giờ tại 25 °C để đánh giá dung lượng hấp thụ và khớp dữ liệu vào các mô hình đẳng nhiệt. Tiến hành giải phóng Urea từ mẫu SB trong môi trường nước có pH 4, pH 8 và pH 12, trích mẫu định kỳ đo quang và khớp vào 4 mô hình động học giải phóng.
• Thực nghiệm trên đất và cây trồng: Phối trộn mẫu SB vào đất Lavamix Pro, theo dõi biến thiên độ ẩm (phương pháp sấy khô cân khối lượng) và pH (dung dịch huyền phù đất) định kỳ qua hai giai đoạn (0–10 ngày và 11–20 ngày). Tiến hành gieo hạt cải bẹ xanh, theo dõi chiều dài lá tại các mốc thời gian và quan sát sức sống của cây trong điều kiện ngưng tưới nước hoàn toàn so với lô đối chứng không có hydrogel.

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày toàn bộ số liệu và phân tích kết quả thu được:

• Đặc trưng homopolymer PDMA: Phân tích sắc ký GPC xác nhận sự hình thành mạch polymer PDMA; kết quả đo DLS ghi nhận đường kính thủy động học của các hạt phân tán ở hai mốc nhiệt độ 25 °C và 45 °C.
• Phân tích phổ FTIR: Xác nhận sự biến mất của các liên kết đôi $C=C$ của monomer DMA và Maleic acid, khẳng định phản ứng trùng hợp tạo mạng lưới đã diễn ra hoàn toàn. Phổ của các mẫu biến tính SA và SB ghi nhận sự chuyển dịch và thay đổi cường độ của các dải hấp thụ đặc trưng cho nhóm carbonyl và nhóm amide, đồng thời phổ của mẫu SB sau nạp Urea (SB/Urea) xuất hiện các đỉnh dao động đặc trưng của Urea, chứng minh phân bón đã được nạp thành công vào mạng lưới gel.
• Hình thái vi cấu trúc và phân tích nguyên tố: Ảnh SEM mẫu sấy đông khô cho thấy cấu trúc mạng lưới xốp ba chiều đồng nhất. Phân tích quang phổ EDX của các mẫu SH, SA và SB làm rõ sự hiện diện của các nguyên tố chính ($C, N, O$) và các nguyên tố bổ sung sau biến tính ($Cl$ ở mẫu SA và $K$ ở mẫu SB).
• Đặc tính trương nở và động học trương nở: Mẫu semi-IPN hydrogel (SH) đạt tỷ lệ trương cân bằng $2974,603%$ tại thời điểm 710 phút, vượt trội so với hydrogel thông thường (CH) chỉ đạt $2508,949%$ tại 790 phút. Trong hệ semi-IPN, mẫu SB biến tính base có tốc độ trương ban đầu nhanh nhất và độ trương cân bằng cao nhất. Tính toán động học cho thấy hệ số mũ khuếch tán $n$ dao động trong khoảng từ 0,5543 đến 0,6763, chứng minh quá trình trương nở của các hydrogel tuân theo cơ chế khuếch tán non-Fickian (khuếch tán dị thường). Hệ số khuếch tán $D$ của mẫu SB đạt giá trị cao nhất là $1,31 \times 10^{-4}\text{ cm}^2/\text{phút}$. Khảo sát ảnh hưởng của pH cho thấy độ trương thấp ở vùng acid ($pH = 2–4$) do các nhóm carboxyl bị proton hóa, tăng mạnh ở vùng trung tính và kiềm ($pH = 6–10$) do hiện tượng phân ly tạo nhóm ion mang điện tích âm $-COO^-$ gây lực đẩy tĩnh điện mở rộng mạng lưới, và giảm nhẹ ở pH 12 do hiệu ứng nén lớp điện kép. Khảo sát trong môi trường muối vô cơ cho thấy độ trương suy giảm do sự che chắn điện tích của các cation.
• Độ bền nhiệt và cơ lý: Kết quả TGA trong khoảng quét 50–800 °C cho thấy các mẫu biến tính có độ bền nhiệt cao hơn mẫu SH ban đầu; phần trăm khối lượng còn lại tại 800 °C của SH là $18,083%$, mẫu SA là $24,345%$ và mẫu SB đạt cao nhất với $34,008%$. Kết quả quét DSC chỉ ra nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$) có sự khác biệt rõ rệt sau biến tính: mẫu SH đạt $124,6^\circ\text{C}$, mẫu SB giảm xuống $108,1^\circ\text{C}$ và mẫu SA tăng lên $140,6^\circ\text{C}$. Phép thử cơ tính nén cho thấy hệ semi-IPN gia tăng độ bền cơ học so với hydrogel thông thường: ứng suất nén của CH là $136,31 \pm 3,97\text{ kPa}$, SH là $226,27 \pm 9,05\text{ kPa}$, SB đạt $259,86 \pm 3,80\text{ kPa}$ và SA đạt giá trị cao nhất là $353,57 \pm 8,84\text{ kPa}$.
• Khả năng hấp thụ và giải phóng Urea của mẫu SB: Dung lượng hấp thụ Urea cực đại của mẫu SB đo được là $152,91\text{ mg/g}$. Dữ liệu hấp thụ tương thích tốt nhất với mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($R^2 = 0,9691$), chỉ ra quá trình hấp thụ diễn ra theo cơ chế đơn lớp trên các tâm hoạt tính đồng nhất. Quá trình giải phóng Urea diễn ra nhanh trong giai đoạn đầu và chậm dần sau 1440 phút. Nồng độ giải phóng chịu ảnh hưởng mạnh bởi pH môi trường: tại pH 4 đạt cực đại $44,9%$ ở 3600 phút; tại pH 12 đạt cực đại $21,32%$ ở 3600 phút; tại pH 8 đạt độ giải phóng cao nhất lên tới $83,62%$ tại 4320 phút. Trong bốn mô hình động học khảo sát, mô hình Korsmeyer – Peppas cho hệ số tương quan cao nhất, mô tả chính xác quá trình nhả chậm phân bón.
• Ảnh hưởng đến đất và cây cải bẹ xanh: Mẫu SB giúp duy trì độ ẩm đất ổn định và cao hơn đáng kể so với mẫu đất đối chứng trong suốt 20 ngày theo dõi. Giá trị pH của đất biến động trong giới hạn an toàn cho sự phát triển của hệ rễ. Cây cải bẹ xanh trồng trên đất có phối trộn SB/Urea phát triển chiều dài lá tốt trong 14 ngày đầu, duy trì sự sống đến ngày thứ 20 và chỉ chết hoàn toàn vào ngày thứ 22 khi không được tưới nước. Ngược lại, ở chậu đất đối chứng không có hydrogel, lá cải ngừng tăng trưởng kích thước từ sau ngày thứ 6, cây bắt đầu héo rũ và chết hoàn toàn vào ngày thứ 7.

Dưới đây là bảng tổng hợp các thông số đặc trưng cơ lý và nhiệt của các mẫu hydrogel được trích xuất từ văn bản:

Tên mẫu hydrogel	Tỷ lệ trương nở cân bằng trong nước cất (%)	Thời gian đạt cân bằng trương nở (phút)	Ứng suất nén cơ học (kPa)	Nhiệt độ chuyển thủy tinh $T_g$ (°C)	Khối lượng còn lại sau phân tích TGA tại 800 °C (%)
CH (Hydrogel thông thường)	2508,949	790	136,31 ± 3,97	—	—
SH (Semi-IPN ban đầu)	2974,603	710	226,27 ± 9,05	124,6	18,083
SA (Biến tính acid HCl)	Nhỏ hơn SH	—	353,57 ± 8,84	140,6	24,345
SB (Biến tính base KOH)	Lớn nhất trong hệ	Giai đoạn đầu nhanh nhất	259,86 ± 3,80	108,1	34,008

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã tổng hợp thành công vật liệu semi-IPN hydrogel từ DMA, Maleic acid và PDMA, đồng thời biến tính thành công bằng xúc tác acid và base để tối ưu hóa tính năng ứng dụng trong nông nghiệp. Toàn bộ các kết quả đo đạc định lượng phản ánh các cải thiện vượt trội so với hydrogel thông thường:

• Tỷ lệ trương nở cân bằng của mẫu SH ($2974,603%$) cao hơn hydrogel thông thường CH ($2508,949%$), trong đó mẫu biến tính base SB thể hiện tốc độ trương nở ban đầu và tỷ lệ trương cực đại vượt trội nhất. Quá trình khuếch tán tuân theo cơ chế non-Fickian với hệ số mũ $n$ từ 0,5543 đến 0,6763; hệ số khuếch tán của SB đạt $1,31 \times 10^{-4}\text{ cm}^2/\text{phút}$.
• Cơ tính của vật liệu tăng đáng kể sau khi tạo mạng semi-IPN và biến tính, nâng ứng suất nén từ $136,31\text{ kPa}$ (ở mẫu CH) lên $226,27\text{ kPa}$ (SH), $259,86\text{ kPa}$ (SB) và $353,57\text{ kPa}$ (SA). Độ bền nhiệt cũng được nâng cao với lượng tro còn lại ở 800 °C đạt $34,008%$ đối với SB và $24,345%$ đối với SA (so với $18,083%$ của SH).
• Mẫu SB hấp thụ tối đa $152,91\text{ mg/g}$ Urea theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir ($R^2 = 0,9691$). Quá trình nhả Urea diễn ra chậm và kéo dài, đạt tỷ lệ nhả cao nhất ở môi trường trung tính hơi kiềm (pH 8 đạt $83,62%$ tại 4320 phút), phù hợp với mô hình Korsmeyer – Peppas.
• Thực nghiệm ứng dụng chứng minh SB/Urea duy trì độ ẩm đất hiệu quả, giúp kéo dài thời gian sống của cây cải bẹ xanh trong điều kiện hạn hán không tưới nước lên đến 20–22 ngày, trong khi cây đối chứng chết hoàn toàn sau 7 ngày.

Về mặt giải pháp và kiến nghị, tác giả đề xuất lựa chọn phương án biến tính base bằng dung dịch KOH (mẫu SB) nhằm tận dụng tối đa khả năng trương nở và dung lượng hấp thụ phân bón cho cây trồng. Đóng góp tự nêu của đề tài là đã nghiên cứu thành công phản ứng kết hợp giữa N, N’-Dimethylacrylamide và acid Maleic tạo mạng lưới bán xen kẽ, làm giàu thêm nguồn tư liệu nghiên cứu về polymer thông minh tại Việt Nam và cung cấp giải pháp chế tạo vật liệu phân bón nhả chậm có kiểm soát nhằm giảm thất thoát hóa chất nông nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận còn một số hạn chế gắn liền với phạm vi thực nghiệm đã thực hiện:

• Các đánh giá sinh học và nông học mới chỉ được khảo sát ở quy mô phòng thí nghiệm trên một đối tượng thực vật duy nhất là cây cải bẹ xanh trồng trong chậu đất hữu cơ Lavamix Pro, chưa được kiểm chứng trên các loại cây trồng lâu năm hoặc ngoài đồng ruộng thực tế.
• Khảo sát nhả chậm mới chỉ thực hiện độc lập đối với một loại phân bón đơn lẻ là Urea, chưa đánh giá sự cạnh tranh hấp phụ và giải phóng khi kết hợp cùng lúc nhiều loại dưỡng chất đa lượng khác.
• Thời gian nghiên cứu giới hạn trong 5 tháng (từ tháng 2/2022 đến tháng 7/2022) nên chưa thể theo dõi độ bền suy thoái sinh học lâu dài của khung polymer trong đất sau nhiều chu kỳ khô – ướt liên tục.

Về hướng nghiên cứu tiếp theo, tác giả đề xuất:

• Mở rộng ứng dụng nạp các hệ phân bón khác như phân lân (P) và phân kali (K) vào mạng lưới semi-IPN hydrogel để tạo hệ phân bón N-P-K nhả chậm hoàn chỉnh.
• Khảo sát sâu hơn khả năng của vật liệu trong việc giữ lại hoặc sàng lọc các ion kim loại nặng độc hại trong đất ô nhiễm, qua đó cung cấp nguồn nước sạch và bảo vệ an toàn cho cây trồng.

Giá trị tham khảo

Khóa luận 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, Hóa Polymer, Khoa học Vật liệu, Nông học, Thổ nhưỡng và Quản lý Môi trường.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao bao gồm:

• Quy trình chi tiết tổng hợp polymer bán xen kẽ (semi-IPN) từ monomer vinyl không ion hóa (DMA) và acid hữu cơ không no (Maleic acid) bằng hệ xúc tác oxy hóa khử nhiệt độ thường APS/TEMED.
• Phương pháp biến tính hóa học bằng dung dịch kiềm/acid để điều chỉnh mật độ nhóm chức phân cực, nhiệt độ chuyển thủy tinh ($T_g$) và độ bền nén cơ học của hydrogel.
• Phương pháp luận phân tích thực nghiệm phối hợp giữa các kỹ thuật quang phổ, phân tích nhiệt và đo lưu biến, cùng phương pháp lập công thức toán học xử lý động học trương nở, động học hấp thụ đẳng nhiệt (Langmuir, Freundlich...) và động học giải phóng chất tan (Korsmeyer – Peppas).
• Thiết kế thí nghiệm chậu thử nghiệm sinh học đơn giản nhưng chặt chẽ nhằm đánh giá tác động của vật liệu giữ ẩm đến động thái nước trong đất và sức chống chịu hạn của cây con.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ semi-IPN hydrogel trong nghiên cứu khác biệt như thế nào so với hydrogel thông thường về mặt cấu trúc và độ trương nở?
Hydrogel thông thường (CH) chỉ gồm mạng lưới không gian tạo bởi monomer DMA liên kết chéo qua MBA. Hệ semi-IPN hydrogel (SH) được bổ sung $4%$ linear PDMA và monomer Maleic acid, tạo ra các chuỗi mạch thẳng xen kẽ vào mạng không gian giúp tăng cường nhóm chức ưa nước và liên kết hydro. Kết quả đo cho thấy tỷ lệ trương nở cân bằng của SH đạt $2974,603%$ tại 710 phút, cao hơn rõ rệt so với mức $2508,949%$ tại 790 phút của CH.

2. Việc biến tính bằng acid HCl (mẫu SA) và base KOH (mẫu SB) làm thay đổi tính chất cơ lý và nhiệt của vật liệu ra sao?
Quá trình biến tính làm thay đổi cấu trúc hóa học và liên kết trong mạng gel: mẫu biến tính acid SA đạt ứng suất nén cao nhất ($353,57 \pm 8,84\text{ kPa}$) và nhiệt độ $T_g$ cao nhất ($140,6^\circ\text{C}$). Trong khi đó, mẫu biến tính base SB có ứng suất nén đạt $259,86 \pm 3,80\text{ kPa}$, $T_g$ ở mức $108,1^\circ\text{C}$, nhưng đạt độ bền nhiệt TGA cao nhất với tỷ lệ khối lượng còn lại ở 800 °C lên tới $34,008%$ (so với $18,083%$ của SH ban đầu).

3. Khả năng hấp thụ Urea của mẫu SB đạt giá trị bao nhiêu và phù hợp với mô hình đẳng nhiệt nào?
Mẫu hydrogel SB đạt dung lượng hấp thụ Urea tối đa là $152,91\text{ mg/g}$. Quá trình hấp thụ này tương thích tốt nhất với mô hình đẳng nhiệt Langmuir với hệ số xác định $R^2 = 0,9691$, chứng minh các phân tử Urea được hấp thụ đơn lớp trên bề mặt đồng nhất của vật liệu.

4. Môi trường pH ảnh hưởng như thế nào đến khả năng giải phóng Urea của hydrogel SB?
Khả năng giải phóng Urea của mẫu SB phụ thuộc chặt chẽ vào pH: ở môi trường acid (pH 4), tỷ lệ giải phóng cực đại đạt $44,9%$ tại 3600 phút; ở môi trường kiềm mạnh (pH 12), tỷ lệ giải phóng cực đại chỉ đạt $21,32%$ tại 3600 phút; trong khi ở môi trường trung tính hơi kiềm (pH 8), tỷ lệ giải phóng đạt giá trị cao nhất là $83,62%$ tại 4320 phút. Quá trình giải phóng tuân theo mô hình động học Korsmeyer – Peppas.

5. Kết quả thử nghiệm trên đất và cây cải bẹ xanh cho thấy hiệu quả chống chịu hạn cụ thể như thế nào?
Khi ngưng cấp nước hoàn toàn, mẫu SB giúp duy trì độ ẩm của đất hữu cơ Lavamix Pro cao hơn hẳn mẫu đất đối chứng. Cây cải bẹ xanh có bón SB nạp Urea duy trì sự tăng trưởng chiều dài lá trong 14 ngày, kéo dài thời gian sống đến 20 ngày và chết hẳn sau 22 ngày. Ngược lại, cây trồng trên đất đối chứng không có hydrogel ngừng phát triển lá từ ngày thứ 6, bắt đầu héo và chết hoàn toàn chỉ sau 7 ngày.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Trọng Tính đã tổng hợp và biến tính thành công hệ vật liệu polymer bán xen kẽ semi-IPN hydrogel từ N, N’-Dimethylacrylamide và Maleic acid với mạng lưới xốp có độ bền nhiệt và ứng suất nén được cải thiện rõ rệt. Mẫu biến tính kiềm SB thể hiện khả năng hấp thụ Urea đạt $152,91\text{ mg/g}$ và có khả năng giải phóng dưỡng chất có kiểm soát theo mô hình Korsmeyer – Peppas, đạt hiệu suất nhả chậm cao nhất ở môi trường pH 8. Thử nghiệm thực tế chứng minh vật liệu giúp cải thiện độ ẩm của đất và kéo dài thời gian sống của cây cải bẹ xanh từ 7 ngày lên 22 ngày trong điều kiện khô hạn ngưng tưới nước, mở ra triển vọng ứng dụng khả thi trong kỹ thuật nông nghiệp tiết kiệm tài nguyên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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].