Khóa luận tổng hợp vật liệu composite trên nền SiO2 ứng dụng làm phân nhả chậm ĐH SPKT TP.HCM

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite trên nền SiO2, MgSiO3 ứng dụng chế tạo phân bón nhả chậm, giúp kiểm soát dinh dưỡng và giảm thất thoát ra môi trường.

• Tác giả: Võ Hoàng Vũ
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học
• Đề tài: Tổng hợp vật liệu composite trên nền SiO2 ứng dụng làm phân nhả chậm
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu composite nền SiO2 làm phân nhả chậm

Vật liệu composite nền SiO2 là nhóm vật liệu vô cơ có cấu trúc xốp, diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao. Ứng dụng nổi bật nhất là làm chất mang cho phân bón nhả chậm. Đây là hướng nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Minh Tâm.

Phân bón nhả chậm (PBNC) ra đời nhằm giải quyết bài toán hiệu quả sử dụng phân bón trong nông nghiệp. Theo nghiên cứu toàn cầu, gần một nửa dân số Trái Đất được nuôi dưỡng nhờ phân bón nitơ tổng hợp. Tuy nhiên, phân bón thông thường dễ bị rửa trôi, bay hơi và gây ô nhiễm nguồn nước. PBNC kiểm soát tốc độ giải phóng chất dinh dưỡng, đồng bộ với nhu cầu của cây trồng ở từng giai đoạn sinh trưởng.

Ba loại vật liệu được tổng hợp trong nghiên cứu gồm: silica nguyên chất (SiO2), magie silicat (MgSiO3) và Mg3Al2(SiO3)6. Các vật liệu này được bổ sung chất hoạt động bề mặt với hàm lượng khác nhau để điều chỉnh tính chất hấp phụ. Kết quả mở ra triển vọng ứng dụng thực tiễn trong nông nghiệp bền vững tại Việt Nam.

1.1. Vai trò của phân bón trong nông nghiệp hiện đại

Phân bón đóng vai trò thiết yếu trong sản xuất lương thực toàn cầu. Ước tính khoảng một phần ba lượng thực phẩm hiện nay không thể sản xuất nếu thiếu phân bón bổ sung. Sự phát triển của phân bón tổng hợp đã góp phần gián tiếp vào tăng trưởng dân số và an ninh lương thực. Tuy nhiên, việc sử dụng phân bón không hiệu quả gây ra các hệ lụy nghiêm trọng như ô nhiễm đất, ô nhiễm nước ngầm và phát thải khí nhà kính. PBNC ra đời như một giải pháp kỹ thuật nhằm tối ưu hóa việc sử dụng chất dinh dưỡng trong đất.

1.2. Phân loại phân bón nhả chậm và đặc điểm từng loại

PBNC được chia thành ba nhóm chính: dạng vật lý, dạng hóa học và dạng hỗn hợp. PBNC vật lý sử dụng lớp phủ hoặc chất nền để kiểm soát tốc độ nước thẩm thấu vào lõi phân. PBNC hóa học làm chậm quá trình thủy phân bằng enzyme nhưng thời gian hiệu quả ngắn và phụ thuộc loại đất. PBNC hỗn hợp kết hợp ưu điểm của cả hai, kiểm soát hiệu quả quá trình hòa tan và chuyển hóa phân bón, đồng thời tránh được hiện tượng bùng nổ chất dinh dưỡng gây lãng phí và ô nhiễm môi trường.

II. Phân tích hạn chế của phân bón thông thường và yêu cầu đặt ra

Phân bón thông thường có nhược điểm lớn là giải phóng chất dinh dưỡng quá nhanh. Cây trồng không hấp thụ kịp, phần dư bị rửa trôi theo nước mưa hoặc thấm xuống mạch nước ngầm. Điều này gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và lãng phí chi phí đầu vào của người nông dân.

Urê, amoni sulfate (SA) và kali dihydro phosphate (KDP) là ba loại phân bón phổ biến nhất trong canh tác lúa và rau màu tại Việt Nam. Cả ba đều có tốc độ hòa tan nhanh trong nước, khiến hiệu suất sử dụng thực tế chỉ đạt 30–50%. Phần còn lại bị mất đi qua nhiều con đường khác nhau.

Nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng thay đổi theo từng giai đoạn sinh trưởng. Giai đoạn đâm chồi, ra hoa và tạo quả có nhu cầu khác nhau rõ rệt. Phân bón thông thường không thể đáp ứng sự phân phối có chọn lọc này. Đây là khoảng trống mà vật liệu composite SiO2 được thiết kế để lấp đầy thông qua cơ chế hấp phụ và nhả dần có kiểm soát.

Nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM chỉ ra rằng vật liệu SiO2 và các dẫn xuất silicat có khả năng hấp phụ vật lý tốt ở điều kiện phòng thí nghiệm thông thường, mở ra khả năng sản xuất PBNC chi phí thấp.

2.1. Tác động môi trường của phân bón hòa tan nhanh

Phân bón hòa tan nhanh gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước khi nitơ và phospho bị rửa trôi vào ao hồ, sông suối. Tảo độc phát triển mạnh, làm cạn kiệt oxy hòa tan và giết chết các sinh vật thủy sinh. Ngoài ra, khí N2O phát sinh từ quá trình phân hủy nitơ trong đất là một trong những khí nhà kính mạnh, góp phần vào biến đổi khí hậu. Sử dụng phân bón nhả chậm giảm đáng kể lượng phát thải này đồng thời cải thiện chất lượng đất canh tác lâu dài.

2.2. Hạn chế của công nghệ PBNC có lớp phủ polymer truyền thống

PBNC có lớp phủ polymer là công nghệ phổ biến nhất hiện nay, điển hình là urê phủ lưu huỳnh và urê phủ polymer tổng hợp. Tuy nhiên, chi phí sản xuất cao và màng polymer khó phân hủy sinh học gây tích lũy vi nhựa trong đất là hai nhược điểm lớn. Lớp phủ vô cơ từ vật liệu silicat như SiO2 và MgSiO3 là giải pháp thay thế thân thiện môi trường hơn, có thể phân hủy tự nhiên mà không để lại tạp chất độc hại trong đất canh tác.

III. Phương pháp tổng hợp composite SiO2 và quy trình tạo phân nhả chậm

Nghiên cứu tổng hợp ba loại vật liệu chính: SiO2 nguyên chất, MgSiO3 và Mg3Al2(SiO3)6. Quá trình tổng hợp được thực hiện theo phương pháp sol-gel hoặc kết tủa hóa học trong điều kiện phòng thí nghiệm. Chất hoạt động bề mặt được bổ sung với các hàm lượng khác nhau nhằm thay đổi tính thấm nước và khả năng hấp phụ của vật liệu.

Vật liệu sau khi tổng hợp được phân tích bề mặt và cấu trúc bằng các phương pháp hiện đại. Cấu trúc vô định hình được xác nhận thông qua phân tích nhiễu xạ tia X. Diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp được đo bằng phương pháp BET.

Quá trình tạo phân nhả chậm sử dụng hấp phụ vật lý ở điều kiện thường. Dung dịch phân bón Ure, SA và KDP được hấp phụ trực tiếp lên bề mặt vật liệu composite không cần nung nhiệt độ cao. Đây là ưu điểm lớn về chi phí năng lượng. Sau hấp phụ, vật liệu mang phân được khảo sát tốc độ nhả chậm trong môi trường nước để đánh giá hiệu quả kiểm soát phóng thích.

Sản phẩm cuối là phân nhả chậm dạng hạt, có khả năng kéo dài thời gian cung cấp dinh dưỡng so với phân bón nguyên chất, phù hợp điều kiện khí hậu nhiệt đới.

3.1. Quy trình hấp phụ phân bón lên vật liệu SiO2 và silicat

Hấp phụ vật lý là cơ chế chính trong nghiên cứu này. Phân bón dạng dung dịch được tiếp xúc với vật liệu SiO2 hoặc silicat trong điều kiện nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. Lực hút Van der Waals và liên kết hydro giữ phân tử phân bón trên bề mặt xốp của vật liệu. Hàm lượng chất hoạt động bề mặt bổ sung ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng hấp phụ. Tỷ lệ tối ưu giữa vật liệu và phân bón được xác định qua khảo sát thực nghiệm với từng loại phân bón riêng biệt.

3.2. Phương pháp phân tích hàm lượng nitơ bằng Kjeldahl

Phương pháp Kjeldahl được sử dụng để xác định hàm lượng nitơ trong mẫu nhả chậm. Quá trình gồm ba giai đoạn: phá mẫu bằng H2SO4 đặc ở 370–400°C với xúc tác đồng và kali sulfat, chưng cất thu NH3 bằng NaOH và hấp thụ vào axit boric 4%, cuối cùng chuẩn độ bằng axit tiêu chuẩn với chỉ thị hỗn hợp metyl đỏ và bromocrezol xanh. Riêng mẫu chứa ure không cần phá mẫu vì ure thủy phân trực tiếp thành NH4+ trong môi trường nước theo phương trình phản ứng đã biết.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn trong nông nghiệp bền vững

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu composite nền SiO2 có khả năng hấp phụ và nhả chậm hiệu quả cả ba loại phân bón Ure, SA và KDP. Tốc độ nhả chậm phụ thuộc vào loại vật liệu, hàm lượng chất hoạt động bề mặt và loại phân bón được hấp phụ. Vật liệu Mg3Al2(SiO3)6 cho thấy khả năng kiểm soát nhả chậm tốt hơn so với SiO2 nguyên chất trong nhiều điều kiện khảo sát.

Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này tập trung vào ba lĩnh vực chính. Thứ nhất, giảm số lần bón phân trong canh tác lúa và rau màu, từ đó giảm chi phí lao động. Thứ hai, tăng hiệu suất sử dụng phân bón, giảm lượng phân bón cần thiết trên mỗi vụ mùa. Thứ ba, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do rửa trôi và bay hơi chất dinh dưỡng.

Nghiên cứu này là tiền đề quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa tỷ lệ hấp phụ, thử nghiệm trên đất và cây trồng thực tế. Hướng mở rộng gồm kết hợp với phân hữu cơ sinh học và ứng dụng trong hệ thống tưới nhỏ giọt hiện đại. Đây là đóng góp có giá trị của ĐH SPKT TP.HCM vào ngành nông nghiệp công nghệ cao Việt Nam.

4.1. Hiệu quả nhả chậm của ba loại phân bón trên nền SiO2

Khảo sát cho thấy thời gian nhả chậm tăng đáng kể khi phân bón được hấp phụ lên vật liệu SiO2 so với phân bón nguyên chất hòa tan trong nước. KDP có thời gian nhả chậm dài hơn Ure và SA do kích thước phân tử lớn hơn và tương tác mạnh hơn với bề mặt silicat. Hàm lượng chất hoạt động bề mặt tối ưu giúp điều chỉnh độ thấm nước của vật liệu, từ đó kiểm soát tốc độ khuếch tán phân bón ra môi trường xung quanh một cách có chủ động.

4.2. Tiềm năng phát triển và định hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite SiO2 tại ĐH SPKT TP.HCM mở ra nhiều hướng phát triển triển vọng. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp để giảm chi phí sản xuất là ưu tiên hàng đầu. Thử nghiệm hiệu quả ngoài đồng ruộng với các giống lúa và rau màu phổ biến tại Việt Nam là bước tiếp theo cần thiết. Khả năng kết hợp vật liệu SiO2 với phân bón vi sinh hoặc chất kích thích sinh trưởng cũng cần được nghiên cứu thêm để tạo ra sản phẩm phân bón thế hệ mới có giá trị gia tăng cao hơn cho nông nghiệp bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu composite 1.1 Khái niệm Vật liệu composite hay còn được gọi đơn giản là composite, là vật liệu được sản xuất từ hai hoặc nhiều vật liệu cấu thành. Các vật liệu cấu thành này có các tính chất vật lý và hóa học khác nhau đáng chú ý và được hợp nhất với nhau để tạo ra một loại vật liệu có các đặc tính chuyên dụng để phù hợp với mục đích nhất định, chẳng hạn như trở nên cứng hơn, nhẹ hơn hoặc cách điện. Vật liệu composite cũng có thể được ứng dụng để cải thiện độ bền và độ cứng [3]. Về cơ bản, mỗi vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn, không liên tục và được phân tán trong một pha liên tục duy nhất.

Mỗi pha là một loại vật liệu thành phần tham gia vào trong cấu trúc của vật liệu. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu gia cường, và pha liên tục được gọi là vật liệu nền, có tác dụng liên kết các pha gián đoạn lại với nhau để cải thiện độ bền cơ học, khả năng kết dính, chống mài mòn, chống trầy xước,… 1.2 Phân loại vật liệu composite Vật liệu composite được phân loại theo nhiều cách khác nhau, dưới đây là các cách để phân loại vật liệu composite [4]: 1.1 Phân loại theo loại vật liệu nền: • Composite nền kim loại: các sợi kim loại thường có giá thành tương đối rẻ và khối lương riêng tương đối cao, chúng được ứng dụng vào vật liệu composite để gia cố với vai trò là pha nền kim loại. Một số loại sợi được sử dụng phổ biến như: thép, vonfram, boric. • Vật liệu composite nền vô cơ: người ta đã tìm ra nhiều ứng dụng từ những tính chất đặc trưng mà các thành phần trong nó mang lại.

Ví dụ, Cacbua silic được gia cố bằng sợi carbon là vật liệu composite trên nền gốm có tiềm năng sử dụng rất lớn trong các ứng dụng kết cấu ở nhiệt độ cao. Các ứng 1 dụng về loại vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ hay có mặt trong động cơ phản lực. • Vật liệu composite trên nền polymer: những polymer là những vật liệu nền lý tưởng bởi vì quá trình xử lý thuận tiện, mật độ thấp và đều hiển thị các tính năng cơ học mong muốn.2 Phân loại theo bản chất của pha phân tán: Theo cách phân loại này, có các loại vật liệu sau: • Vật liệu composite được gia cố bằng sợi liên tục. • Vật liệu composite được gia cường bằng vải sợi (vải dệt).

• Vật liệu composite gia cố dạng tấm. • Vật liệu composite được gia cố bằng hạt. • Vật liệu composite được gia cố bằng hạt nano.3 Ứng dụng trong đời sống Vật liệu composite đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực trong đời sống hiện nay, cụ thể: • Tàu vũ trụ: radar, động cơ tên lửa, trong cấu trúc của ăng-ten,… • Máy bay: bề mặt cánh quạt, động cơ phản lực, trục tua bin,… • Ô tô: các bộ phận của động cơ, thanh giằng, trục khuỷu,… • Tua bin gió. Ngoài ra, vật liệu composite còn góp mặt trong lĩnh vực nông nghiệp, cụ thể là PBNC với sự có mặt của hai thành phần chính gồm phân bón - nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cùng với vật liệu nền.2 Tổng quan về phân bón 1.1 Khái niệm Phân bón là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp được bón vào đất nhằm cung cấp một hoặc nhiều dưỡng chất cần thiết cho sự phát triển của cây trồng [5].

Phân bón giúp cải thiện độ màu mỡ tự nhiên của đất hoặc phục hồi các yếu tố dinh dưỡng mà cây trồng trước đó lấy đi từ đất. Các loại phân bón này đóng một vai trò rất quan trọng trong việc quyết định năng suất cây trồng. Tất cả các loại thực vật nói chung và cây trồng nói riêng đều sử dụng các dạng phân bón vô cơ, hữu cơ giống nhau trong đất dù có sự khác biệt về nguồn gốc [5].2 Sự ảnh hưởng của phân bón tới cây trồng Các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sống khỏe mạnh của thực vật được phân loại trên cơ sở các nguyên tố, nhưng các nguyên tố này không được sử dụng trực tiếp làm phân bón mà các hợp chất có chứa các nguyên tố này là cơ sở của phân bón. Các nguyên tố dinh dưỡng mà thực vật cần với số lượng lớn được gọi là nguyên tố đa lượng trong khi các nguyên tố dinh dưỡng mà cây cần với số lượng nhỏ được gọi là nguyên tố vi lượng.

Các chất dinh dưỡng đa lượng được cây trồng tiêu thụ với số lượng lớn hơn. Các chất dinh dưỡng này đều hiện diện trong mô thực vật với số lượng từ 0,15% đến 6,0% trên cơ sở tổng khối lượng vật chất khô (0% độ ẩm) [5]. Thực vật được tạo thành từ bốn nguyên tố chính là hydro, oxy, carbon và nitơ. Hydro, oxy và carbon sẽ có sẵn dưới dạng nước và carbon dioxide.

Nitơ được tìm thấy trong khí quyển dưới dạng nitơ không khí và không có sẵn đối với thực vật. Vì vậy, nitơ được coi là phân bón quan trọng nhất vì nitơ có trong protein, DNA và các thành phần khác như chất diệp lục. Một số vi khuẩn và cây họ đậu ký chủ của chúng có thể cố định nitơ trong khí quyển (N2) bằng cách chuyển nó thành amoniac. Ngoài nitơ, phosphate cũng đóng vai trò lớn trong cây, cụ thể phosphate cần thiết để sản xuất DNA và ATP, chất mang năng lượng chính trong tế bào, cũng như một số lipid nhất định [5].

Trong phân bón có chứa: • Ba loại nguyên tố đa lượng chính: o Nito (N): giúp cây phát triển lá. 3 o Phospho (P) : phát triển rễ, hoa, hạt và quả. o Kali (K) : giúp phát triển thân cây cứng cáp, điều khiển sự dịch chuyển của nước trong cây, thúc đẩy sự ra hoa và đậu quả. • Ba chất dinh dưỡng đa lượng thứ cấp: canxi (Ca), magiê (Mg) và lưu huỳnh (S).

• Nguyên tố vi lượng: đồng (Cu), sắt (Fe), mangan (Mn), molypden (Mo), kẽm (Zn), bo (B). Đôi khi còn có silicon (Si), coban (Co) và vanadi (V) [5]. Các chất dinh dưỡng vi lượng được cây trồng cần với hàm lượng nhỏ, tính bằng phần triệu (ppm) và có mặt tại các vị trí hoạt động của các enzym trong mô thực vật và thực hiện quá trình trao đổi chất của cây. Cần hết sức cẩn thận trong khi sử dụng phân bón vì lượng phân dư thừa có thể gây hại cho cây trồng.

Tình trạng cháy phân sẽ xảy ra khi bón thừa sẽ làm cây bị hại hoặc thậm chí chết [6]. Mặt khác, phải tối ưu quá trình cung cấp các chất dinh dưỡng để cho năng suất cây trồng đạt giá trị tối đa. Sự thiếu hụt dinh dưỡng sẽ làm cho cây còi cọc và làm giảm dần năng suất do làm chậm tiến độ của chu kỳ sinh trưởng, gây ra hiện tượng đậu quả muộn và chậm chín. Khả năng cây trồng hấp phụ các chất dinh dưỡng từ đất phụ thuộc vào hoạt động sinh học của chúng.

Thông thường sự thiếu hụt chất dinh dưỡng diễn ra trong mùa sinh trưởng và phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của đất [7]. Phân bón tăng cường sự phát triển của cây trồng theo cách truyền thống; chất phụ gia cung cấp chất dinh dưỡng hoặc bằng cách nâng cao hiệu quả của đất bằng cách điều chỉnh khả năng giữ nước và thông khí của cây [8]. Ngoài các điều kiện trên, cần phải có biện pháp xử lý cỏ dại cần thiết để việc bón phân hiệu quả và chất dinh dưỡng được sử dụng tối ưu cho cây trồng [9].3 Phân loại các loại phân bón Phân bón ngày nay được phân loại theo nhiều cách khác nhau: 1.1 Phân loại dựa trên nguồn cung cấp chất dinh dưỡng Trên cơ sở cung cấp chất dinh dưỡng, các loại phân bón có thể được phân loại thành phân bón đơn và phân phức hợp. • Phân bón đơn: Như tên gọi đã chỉ ra, phân bón đơn cung cấp một chất dinh dưỡng duy nhất cho cây trồng (ví dụ: K, P hoặc N).

4 • Phân bón đa lượng hoặc phân phức hợp: Phân đa lượng hoặc phân phức hợp cung cấp hai hoặc nhiều chất dinh dưỡng (ví dụ: N và P). Đây cũng là loại phân bón thường được sử dụng vì chúng bao gồm hai hoặc nhiều thành phần dinh dưỡng. Loại phân bón này lại được phân loại thành phân bón hai thành phần và phân bón ba thành phần hoặc phân bón NPK [10]. o Phân bón hai thành phần (NP, NK và PK): Do cung cấp cả nitơ và phốt pho cho cây nên được gọi là phân bón NP, ví dụ, mono ammonium phosphate (MAP) và di ammonium phosphate (DAP).

Thành phần hoạt tính trong MAP là NH4H2PO4 và thành phần hoạt tính trong DAP là (NH4)2HPO4. Khoảng 85% phân bón MAP và DAP hòa tan trong nước. o Phân NPK: phân có chứa nitơ, phốt pho và kali được gọi là phân bón ba thành phần hoặc phân NPK.2 Phân loại dựa trên sự có mặt hay không có carbon • Phân bón hữu cơ: Phân hữu cơ là các chất có nguồn gốc từ thực vật hoặc động vật được tái chế. • Phân bón vô cơ: Phân vô cơ hoặc phân tổng hợp được tổng hợp bằng nhiều phương pháp hóa học khác nhau [10].4 Các loại phân bón vô cơ phổ biến: Trên thị trường hiện nay, phân bón vô cơ có nhiều loại, sau đây là các loại phân vô cơ phổ biến hiện nay.1 Phân đạm Phân đạm là một trong những loại phân chiếm thị phần lớn nhất trên thị trường phân bón hiện nay, cung cấp nguyên tố dinh dưỡng chính là Nito cho cây.

Trong khí quyển, nitơ chiếm 78% dưới dạng khí dinito (N2). Tuy nhiên, ở dạng khí dinitơ, N trơ và không có sẵn trực tiếp cho cây hấp phụ và trao đổi chất. Ngoài sự có mặt trong khí quyển, nito còn có nhiều trong các hợp chất hữu cơ như nước tiểu người và động vật. Nhiều quá trình trao đổi chất ở thực vật và động vật phụ 5 thuộc vào nito.

Vì nguồn cung cấp N trong đất không đủ để tạo ra sự tăng trưởng tối ưu, hầu hết các loại phân bón được bón vào đất đều chứa nitơ. Sự di chuyển của nitơ hòa tan từ phân bón nitơ trong đất rất phức tạp. Phân đạm có vai trò rất quan trọng đối với cây trồng nói chung, đặc biệt là các loại cây ăn lá như rau nói riêng [12]. Trong công nghiệp, phân đạm được sản xuất bằng khí đốt tự nhiên hoặc than đá.