Nghiên cứu vật liệu polyme tiên tiến và ứng dụng trong chế tạo bầu ươm cây

Vật liệu polyme thân thiện môi trường đang trở thành một giải pháp quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm và… 142 trang · Trường Đại Học Nông Nghiệp · 2023.

• Trường học: Trường Đại Học Nông Nghiệp
• Chuyên ngành: Khoa Học Cây Trồng
• Đề tài: Vật Liệu Polyme Thân Thiện Môi Trường Cho Bầu Ơm Cây
• Loại tài liệu: Luận Án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về bầu ươm cây
• 1.2. Túi bầu
• 1.3. Ruột bầu ươm
• 1.4. Túi bầu PE tự hủy chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa
• 1.5. Sản xuất, tiêu thụ và vấn đề ô nhiễm môi trường từ nhựa PE
• 1.6. Một số biện pháp xử lý nhựa PE phế thải
• 1.6.1. Thiêu đốt và chôn lấp
• 1.6.2. Tái chế

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu polyme thân thiện môi trường

Vật liệu polyme thân thiện môi trường đang trở thành một giải pháp quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường. Các loại vật liệu polyme như polyme tự phân hủy và vật liệu sinh học được nghiên cứu và phát triển nhằm thay thế cho các loại nhựa truyền thống, đặc biệt là polyetylen (PE) - một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm. Việc sử dụng vật liệu sinh học trong sản xuất bầu ươm cây không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn cải thiện chất lượng cây giống. Theo nghiên cứu, vật liệu polyme có khả năng phân hủy sinh học sẽ giúp cây phát triển tốt hơn và giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái.

1.1. Tính năng và ứng dụng của vật liệu polyme

Các vật liệu polyme như polyme siêu hấp thụ nước và polyacrylamit được sử dụng trong chế tạo bầu ươm cây nhằm cải thiện khả năng giữ nước và chất dinh dưỡng. Những vật liệu sinh học này không chỉ giúp cây phát triển tốt mà còn giảm thiểu lượng nước tưới và công lao động. Việc áp dụng công nghệ xanh trong sản xuất bầu ươm sẽ tạo ra những sản phẩm thân thiện với môi trường, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.

II. Tác động của vật liệu polyme đến môi trường

Sự gia tăng sử dụng vật liệu polyme truyền thống như polyetylen đã dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường. Theo thống kê, hàng triệu tấn rác thải nhựa được thải ra mỗi năm, gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Việc chuyển sang sử dụng vật liệu polyme thân thiện không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn tạo ra những sản phẩm có khả năng phân hủy tự nhiên. Nghiên cứu cho thấy, vật liệu tự nhiên có thể phân hủy trong thời gian ngắn, từ đó giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

2.1. Giải pháp bền vững cho nông nghiệp

Việc áp dụng vật liệu polyme thân thiện trong sản xuất bầu ươm cây không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các sản phẩm sinh thái này giúp cải thiện chất lượng cây giống, giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ hệ sinh thái. Sự phát triển của công nghệ xanh trong nông nghiệp sẽ tạo ra những sản phẩm bền vững, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường mà vẫn bảo vệ được môi trường.

III. Nghiên cứu và phát triển vật liệu polyme mới

Nghiên cứu về vật liệu polyme mới đang được tiến hành nhằm tìm ra những giải pháp hiệu quả hơn cho vấn đề ô nhiễm. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển vật liệu tự phân hủy và vật liệu sinh học có khả năng thay thế cho polyetylen. Việc sử dụng vật liệu tái chế và vật liệu sinh học trong sản xuất bầu ươm cây không chỉ giúp giảm thiểu chất thải mà còn nâng cao chất lượng cây giống. Các nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng công nghệ xanh trong sản xuất sẽ tạo ra những sản phẩm có lợi cho môi trường và hệ sinh thái.

3.1. Tương lai của vật liệu polyme trong nông nghiệp

Tương lai của vật liệu polyme trong nông nghiệp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cơ hội mới. Việc phát triển các vật liệu sinh học và vật liệu tự phân hủy sẽ giúp nông nghiệp bền vững hơn. Các sản phẩm này không chỉ giúp cải thiện chất lượng cây giống mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Sự chuyển mình của ngành nông nghiệp theo hướng công nghệ xanh sẽ tạo ra những sản phẩm thân thiện với môi trường, góp phần bảo vệ hệ sinh thái và nâng cao chất lượng cuộc sống.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Nhựa polyetylen (PE) phế thải là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng do tính bền vững, không tự phân hủy và tồn tại lâu dài trong hệ sinh thái. Trong nông lâm nghiệp, màng PE được ứng dụng phổ biến để sản xuất bầu ươm cây con nhờ giá thành thấp và quy trình gia công thuận lợi. Tại Việt Nam, nhu cầu cây giống cho nông nghiệp, lâm nghiệp và cây ăn quả liên tục gia tăng. Tuy nhiên, các loại túi bầu PE truyền thống khó phân hủy trong đất, gây cản trở sự phát triển của hệ rễ (hiện tượng rễ phát triển xoắn ốc), làm tăng tỷ lệ cây chết sau khi trồng rừng, tốn công xé vỏ bầu và gây tích tụ rác thải nhựa tại hiện trường. Song song với đó, thành phần ruột bầu truyền thống bằng đất mặt thường gặp nhược điểm: khối lượng nặng, dễ vỡ bầu khi vận chuyển, khả năng giữ nước kém và dễ bị rửa trôi chất dinh dưỡng.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định là: Mặc dù đã có các công trình nghiên cứu về vật liệu phân hủy sinh học và chất giữ ẩm, nhưng chưa có công trình nào nghiên cứu chế tạo túi bầu PE từ polyetylen tái sinh (rPE) có thể kiểm soát và thiết lập các khoảng thời gian tự hủy khác nhau phù hợp với từng chu kỳ vườn ươm của từng loài cây trồng lâm nghiệp; đồng thời chưa có giải pháp tích hợp đồng bộ giữa polyme siêu hấp thụ nước (SAP) và polyme liên kết đất polyacrylamit (PAM) để cải thiện toàn diện các tính chất cơ lý, khả năng giữ ẩm và giữ dinh dưỡng của khối ruột bầu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được văn bản xác định cụ thể gồm 3 nội dung:

1. Nghiên cứu khả năng phân hủy của màng chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa từ đó chế tạo được túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác nhau.
2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hai loại vật liệu polyme siêu hấp thụ nước và polyacrylamit đến tính chất của tổ hợp vật liệu chế tạo ruột bầu.
3. Đánh giá được khả năng ứng dụng của bầu ươm cây thân thiện môi trường cho một số đối tượng cây trồng.

Nội dung nghiên cứu chính bao gồm:

• Nghiên cứu quá trình phân hủy giảm cấp và phân hủy trong điều kiện tự nhiên của màng chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh (rPE) kết hợp với hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa gồm Mangan(II) stearat, Sắt(III) stearat và Coban(II) stearat, từ đó chế tạo túi bầu ươm có các mốc thời gian tự hủy khác nhau.
• Nghiên cứu khả năng giữ ẩm của polyme siêu hấp thụ nước (AMS-1) và khả năng làm bền cấu trúc của polyacrylamit (PAM); phối trộn tổ hợp hai vật liệu này để cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của ruột bầu ươm.
• Thử nghiệm mô hình bầu ươm hoàn chỉnh trên 3 đối tượng cây giống lâm nghiệp: cây keo lai (chu kỳ lưu bầu 6–8 tháng), cây thông Caribe (chu kỳ lưu bầu 9–11 tháng) và cây bạch đàn (chu kỳ lưu bầu 12–14 tháng).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hạt nhựa polyetylen tái sinh loại 1 (rPE), hạt nhựa polyetylen tỷ trọng thấp nguyên sinh (LDPE 260 GG), phụ gia công nghệ PPA-3MB910, chất xúc tiến oxy hóa (Mn(II) stearat, Fe(III) stearat, Co(II) stearat), polyme siêu hấp thụ nước AMS-1, polyacrylamit (PAM), hỗn hợp đất đóng bầu (đất đồi, đất màu) và 3 loài cây giống lâm nghiệp (keo lai, thông Caribe, bạch đàn).
• Phạm vi không gian và thời gian: Các thí nghiệm gia công màng, thử nghiệm cơ lý và lão hóa quang nhiệt được thực hiện tại hệ thống phòng thí nghiệm của Viện Hóa học, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Khoa học Vật liệu (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) và Công ty TNHH Công nghệ và Dịch vụ Thương mại Lạc Trung. Thử nghiệm chôn lấp màng trong đất, ngâm bùn hoạt tính và gieo ươm cây giống được tiến hành tại Trung tâm Khoa học Kỹ thuật Giống cây trồng Đạo Đức – Vị Xuyên (Hà Giang) với các mốc thời gian theo dõi thực địa từ 6 đến 14 tháng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Văn bản luận án đã hệ thống hóa các nhóm nghiên cứu liên quan đến tình hình sản xuất, sử dụng nhựa PE, các giải pháp nâng cao khả năng phân hủy của PE và ứng dụng vật liệu polyme trong cải tạo đất:

Về quy mô và tác động môi trường của nhựa PE: Luận án trích dẫn số liệu sản lượng chất dẻo toàn cầu năm 2016 đạt 335 triệu tấn, trong đó châu Âu chiếm 60 triệu tấn; Trung Quốc dự kiến đạt 334,83 triệu tấn năm 2020 với CAGR 5,3% (2014–2020) [13]. Theo IHS Markit, nhu cầu PE toàn cầu năm 2018 vượt 100 triệu tấn [14]. Theo Ủy ban Châu Âu (EC), khoảng 8,3 tỷ tấn nhựa đã được sản xuất, tạo ra 6,3 tỷ tấn rác thải và 5 tỷ tấn tích lũy trong môi trường hoặc chôn lấp; lượng rác thải nhựa xả ra đại dương đạt 4,8–12,7 triệu tấn/năm [15]. Tại Việt Nam, tiêu thụ nhựa bình quân đạt 49 kg/người/năm (2018), sản lượng PE nhập khẩu năm 2016 là 1,227 triệu tấn [16], và lượng rác nhựa thải ra biển khoảng 1,8 triệu tấn/năm theo GreenHub (2017).

Về các giải pháp xử lý và tăng cường khả năng phân hủy PE:

• Phương pháp tạo blend với polyme sinh học: Ana Paula Bilck [23] chế tạo túi bầu từ tinh bột sắn và glyxerin ươm cây nhân sâm (nguyên vẹn 60 ngày ở vườn ươm, phân hủy hoàn toàn sau 240 ngày trồng ngoài đồng). Haldankar [24] thử nghiệm kích thước túi bầu 10x14 cm và 6x8 cm trên cây xoài. Tại Việt Nam, Phạm Thế Trinh và cộng sự [25] ghép LDPE với maleic anhydrit (MA) và tinh bột sắn biến tính phốt phát hóa; PGS.TS Nguyễn Đình Mạnh và cộng sự [26] dùng chất thải rắn hữu cơ chế tạo bầu ươm; Mai Văn Tiến và cộng sự [22] chế tạo bao bì màng phủ và vỏ bầu từ tinh bột nhưng còn nhược điểm dễ rách vỡ sớm khi vận chuyển hoặc quá chậm phân hủy khi chôn xuống đất; Lê Xuân Phúc và cộng sự [27] khảo sát màng LDPE biến tính tinh bột ươm keo, thông, bạch đàn.
• Phương pháp oxo-biodegradable: Bonhomme [29] xác định PE chỉ có thể được vi sinh vật đồng hóa khi khối lượng phân tử giảm xuống dưới 500 g/mol. Jakubowicz [28] chỉ ra hỗn hợp muối kim loại chuyển tiếp xúc tiến oxy hóa hiệu quả nhất nhờ chu trình chuyển đổi hóa trị (như Mn2+/Mn3+). Roy và cộng sự [51] tổng hợp stearat của Fe, Co, Mn ở các mức hóa trị +2, +3 trên màng LDPE dày 70 µm và xác định tốc độ oxy hóa nhiệt tuân theo trật tự: Co > Mn > Fe, trong đó Fe giữ vai trò chính trong xúc tiến quang hóa, còn Co và Mn xúc tiến đồng thời cả quang hóa và nhiệt hóa. Yamada-Onodera [43] chứng minh PE xử lý quang nhiệt kết hợp axit nitric nuôi cấy với nấm có thể giảm khối lượng phân tử từ 4.000–28.000 xuống dưới 500 sau 3 tháng. Nakamura và cộng sự [44] nghiên cứu sự phân hủy của PE trong môi trường bùn hoạt tính.

Về polyme siêu hấp thụ nước (SAP) và polyacrylamit (PAM):

• Polyme siêu hấp thụ nước: Quá trình phân hủy sinh học của SAP mạng không gian 3 chiều bởi nấm que trắng Phanerochaete chrysosporium được chứng minh qua các công trình của sinh học ngoại bào [58, 59]. Tại Việt Nam, Viện Hóa học phát triển chế phẩm AMS-1 (công suất 200 tấn/năm) [60], thử nghiệm hiệu quả trên dưa hấu, lạc tại Thừa Thiên Huế (năng suất tăng 41,3%–71,6%) [61], cây đương quy và atiso tại Lào Cai (năng suất tăng 20%–22,7%) [62]; VINAGAMMA chế tạo Gam-sorb từ tinh bột sắn [63]; Viện Công nghệ Hóa học TP. Hồ Chí Minh chế tạo vật liệu VHHC từ mùn cưa và bã mía [63].
• Polyacrylamit: Là polyme tan trong nước dạng anionic có khối lượng phân tử từ 10^5 đến 10^7 g/mol [64]. Cơ chế liên kết đất thông qua lực hút tĩnh điện, lực Van der Waals và cation bắc cầu Ca2+ được Youjun Deng và các cộng sự làm rõ [68, 70]. Tại Việt Nam, Viện Hóa học thử nghiệm PAM làm giảm xói mòn > 60%, giảm dòng chảy mặt 15% tại Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Ninh Thuận [77]; thử nghiệm tại Thọ Xuân – Thanh Hóa giảm xói mòn 54,6%, tăng năng suất mía 14,05% [78]; phối hợp AMS-1 và PAM tại Chư Sê – Gia Lai cho cà phê, hồ tiêu, cao su [79].

Vị trí của luận án: Kế thừa các cơ sở lý thuyết về xúc tiến oxy hóa kim loại chuyển tiếp và polyme cải tạo đất, luận án giải quyết khoảng trống thực tiễn thông qua việc kết hợp sử dụng nguồn nhựa polyetylen tái sinh (rPE) với tổ hợp 3 muối stearat kim loại (Mn/Fe/Co theo tỷ lệ 20/4/1) để chủ động kiểm soát thời gian tự hủy của màng túi bầu theo 3 mốc (6–8 tháng, 9–11 tháng, 12–14 tháng), đồng thời phối trộn tỷ lệ tối ưu giữa AMS-1 (0,8 g/kg) và PAM (2 mg/kg) trong ruột bầu nhằm phục vụ trực tiếp cho sản xuất cây giống lâm nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

• Cơ chế phân hủy quang nhiệt và oxo-biodegradable của PE: Quá trình phân hủy chia thành 2 giai đoạn chính. Giai đoạn 1 (phân hủy giảm cấp): Dưới tác dụng của bức xạ tia cực tím (UV) và nhiệt độ, các gốc tự do hình thành, phản ứng với oxy tạo nhóm hydroperoxit (-CH-OOH). Nhóm này bị phân cắt theo cơ chế Norrish I và Norrish II tạo ra các hợp chất mạch ngắn chứa nhóm chức carbonyl, cacboxylic, ancol, este và xeton, chuyển bề mặt polyme từ kỵ nước sang ưa nước. Phụ gia stearat kim loại chuyển tiếp đóng vai trò xúc tác đẩy nhanh phản ứng phân hủy hydroperoxit. Giai đoạn 2 (phân hủy sinh học): Các oligome có khối lượng phân tử thấp (nhỏ hơn 500 g/mol) được các vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, tảo) trong đất hoặc bùn hoạt tính đồng hóa, chuyển hóa thành CO2, H2O và sinh khối.
• Cơ chế giữ nước của polyme siêu hấp thụ nước AMS-1: Dựa trên cấu trúc mạng lưới không gian 3 chiều chứa các nhóm ưa nước (-COOH, -COO-) và ion đối Na+. Khi gặp nước, các nhóm tích điện âm đẩy nhau làm giãn nở mạng lưới, ion Na+ khuếch tán tạo áp suất thẩm thấu kéo các phân tử nước vào trong gel. Lực co đàn hồi của mạng lưới ngăn cản quá trình hòa tan vô hạn, giữ nước ổn định bên trong cấu trúc.
• Cơ chế làm bền đất của polyacrylamit PAM: Dựa trên sự hình thành liên kết hydro giữa nhóm amit (-CONH2) với phân tử nước trong lớp hydrat hóa của cation khoáng sét (cầu nước), kết hợp cơ chế bắc cầu cation hóa trị hai (Ca2+, Mg2+) giữa chuỗi PAM mang điện âm và bề mặt hạt keo đất mang điện âm, tạo cấu trúc đoàn lạp bền vững chống lại lực xói mòn và lực trượt cơ học.

Nguyên vật liệu và hóa chất nghiên cứu

Tên nguyên vật liệu / Hóa chất	Thông số kỹ thuật / Đặc tính	Nguồn gốc / Đơn vị cung cấp
Nhựa PE tái sinh loại 1 (rPE)	Khối lượng riêng: 0,92 g/cm³; MFI (190°C/2,16kg) = 3,42 g/10 phút	Công ty CP Dịch vụ Môi trường Bình Minh
Nhựa LDPE nguyên sinh (LDPE 260 GG)	Khối lượng riêng: 0,922 g/cm³; MFI (190°C/2,16kg) = 3,5 g/10 phút	Malaysia
Than đen HAF N330	Diện tích bề mặt: 80–90 m²/g; Kích thước hạt: 12 µm	Công ty TNHH Hóa chất Mega Việt Nam
Phụ gia công nghệ PPA-3MB910	Khối lượng riêng: 0,98 g/cm³; Nhiệt độ nóng chảy: 140°C	Công ty Nhựa Hoàng Phát (Malaysia)
Polyme siêu hấp thụ nước AMS-1	Dạng bột trắng đục; pH: 6,5–7; Tỷ trọng: 0,72 g/cm³; Độ hấp thụ nước cất: 410 g/g; Nước muối: 72 g/g	Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KH&CN VN
Polyacrylamit (PAM)	Dạng hạt trắng đục; KLPT: 8.10⁵ g/mol; Độ tan: 6%; Độ nhớt: 850 MPa.s; Độ anion hóa: 18%	Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KH&CN VN
Bùn hoạt tính	Nồng độ bùn: Xbùn = 30.000 mg/l (30 kg/m³)	Công ty Kỹ thuật Môi trường Hà Nội
Phân bón vô cơ	Đạm Ure Hà Bắc (N ≥ 46%), Supe lân Lâm Thao (P₂O₅ ≥ 16%), NPK Lâm Thao (5:10:3)	Các công ty sản xuất phân bón trong nước

Thiết bị và phương pháp thực nghiệm

Thiết bị / Kỹ thuật	Model / Xuất xứ	Mục đích sử dụng
Máy trộn siêu tốc	Supermix BP-HS100 (Trung Quốc)	Phối trộn cơ học hạt nhựa và tổ hợp phụ gia
Máy trộn cắt hạt 2 trục vít	BP-8177-ZP (BaoPin - Trung Quốc, L/D = 40:1)	Chế tạo masterbatch phụ gia xúc tiến oxy hóa
Máy trộn kín	Brabender Plasto Graph EC plus 3	Nghiên cứu nhiệt độ, mô men xoắn tổ hợp rPE/LDPE/PPA
Thiết bị đùn thổi màng	SJ-35 (Đài Loan, L/D = 28:1) và SJ-45 (Nhật Bản)	Thổi màng thử nghiệm và gia công túi bầu ươm dày 35–40 µm
Máy thử cơ lý đa năng	INSTRON 5980	Xác định độ bền kéo đứt, độ dãn dài theo ASTM D882
Thiết bị gia tốc thời tiết	UVCON Model UV-260	Thử nghiệm lão hóa quang nhiệt gia tốc
Quang phổ kế hồng ngoại	NEXUS 670 (FTIR)	Phân tích biến đổi nhóm chức carbonyl (chỉ số CI)
Kính hiển vi điện tử quét	SEM JEOL 6490	Quan sát hình thái vi cấu trúc bề mặt màng và ruột bầu
Thiết bị đo độ bóng	Picogloss 503	Đánh giá độ bóng màng theo tiêu chuẩn ASTM D2457-03

Các tiêu chuẩn áp dụng đánh giá quá trình phân hủy gồm: ASTM D6954-04 (phân hủy kết hợp oxy hóa và sinh học), ASTM D4329-05, ASTM D5208-01, ASTM D5071-99, ASTM D5272-92, ISO 4892 (phần 1, 2, 3, 4) về phơi mẫu quang hóa; ASTM D3045-92, ASTM D5510-94, ISO 2578:1993, ISO 4577:1983 về lão hóa nhiệt; ASTM D3826 xác định điểm cuối phân hủy khi 75% số mẫu có độ dãn dài khi đứt dưới 5%.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan lý luận và cơ sở thực tiễn của đề tài gồm 4 nội dung trọng tâm:

• Khái quát về bầu ươm cây: Phân tích kết cấu 2 phần của bầu gieo ươm gồm túi bầu và ruột bầu. Đánh giá ưu nhược điểm của các loại túi bầu hiện hành (bầu không vỏ, bầu khay cứng xốp/nhựa, bầu túi PE mềm). Chỉ rõ thực trạng sử dụng túi PE khó phân hủy trong lâm nghiệp gây cản trở phát triển rễ và gây ô nhiễm đất rừng; tổng kết nhu cầu giống cây lâm nghiệp giai đoạn 2006–2016 là 586 triệu cây con/năm và 20 triệu cây ăn quả đến năm 2020. Ruột bầu truyền thống gặp 5 tồn tại chính: nặng, kém kết dính, giữ nước kém, thiếu dinh dưỡng lâu dài và chưa chuẩn hóa quy cách.
• Hiện trạng chất thải nhựa PE và công nghệ xử lý: Thống kê cơ cấu ngành nhựa Việt Nam năm 2018 (Bao bì chiếm 38%, Gia dụng 29%, Xây dựng 18%, Nhựa kỹ thuật 15%). Đánh giá hạn chế của các phương pháp xử lý truyền thống như thiêu đốt (phát thải HCl, dioxin), chôn lấp (thoát hóa chất dẻo hóa di(2-etylhexyl) phtalat, thoái hóa đất) và tái chế cơ học (giảm cấp chất lượng, phát thải khí ô nhiễm).
• Cơ chế và tiêu chuẩn phân hủy PE: Phân tích cơ chế phối trộn blend với polyme tự nhiên (tinh bột) và phương pháp oxo-biodegradable. Phân tích chi tiết chu trình phản ứng gốc tự do, phản ứng cắt mạch xúc tác bởi muối stearat của kim loại chuyển tiếp (Mn, Fe, Co) và hai cơ chế quang phân Norrish I, Norrish II. Tổng hợp hệ thống tiêu chuẩn quốc tế (ASTM, ISO) trong đánh giá lão hóa quang, nhiệt và phân hủy sinh học trong đất, bùn hoạt tính, nước biển, compost.
• Vật liệu cải tạo ruột bầu SAP và PAM: Trình bày cơ chế phản ứng trùng hợp ghép gốc tự do của AMS-1 và cơ chế đồng trùng hợp của PAM; cơ chế giữ nước, phân hủy sinh học của SAP bởi nấm Phanerochaete chrysosporium; cơ chế tương tác làm bền cấu trúc đoàn lạp đất qua cầu nước và cầu cation Ca2+ của PAM; tổng hợp các kết quả thử nghiệm thực tế của AMS-1 và PAM tại các vùng sinh thái ở Việt Nam.

Chương 2: Nội dung và các phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm, chế tạo mẫu và phương pháp đo kiểm:

• Khảo sát tổ hợp màng rPE/LDPE và phụ gia PPA: Trộn nóng chảy hạt nhựa rPE và LDPE trên máy trộn kín Brabender ở 150°C, tốc độ 35 vòng/phút trong 3 phút với các tỷ lệ rPE/LDPE khảo sát: 0/100, 75/25, 80/20, 85/15, 90/10, 95/5, 100/0. Ép tấm ở 145°C, áp lực 15 MPa trong 4 phút tạo mẫu dày 1 mm. Khảo sát hàm lượng phụ gia PPA ở các mức 0%, 1%, 2%, 3%, 4% nhằm xác định mô men xoắn, độ bền cơ lý, FTIR và SEM.
• Chế tạo masterbatch phụ gia xúc tiến oxy hóa và thổi màng rPE-oxo: Lựa chọn tỷ lệ khối lượng hỗn hợp phụ gia Mn(II) stearat / Fe(III) stearat / Co(II) stearat là 20 / 4 / 1. Trộn masterbatch với các nồng độ phụ gia: 0%, 0,02%, 0,04%, 0,06%, 0,08% trên máy đùn hai trục vít BP-8177-ZP (nhiệt độ 9 vùng đùn từ 160°C đến 175°C, tốc độ trục vít 180 vòng/phút, tốc độ nạp liệu 10 kg/h, tốc độ cắt hạt 300 vòng/phút). Thổi màng dày 35 µm trên máy SJ-35 ở dải nhiệt độ 154–176°C.
• Thử nghiệm phân hủy giảm cấp và sau giảm cấp: Mẫu màng kích thước 7x14 cm được thử nghiệm lão hóa quang nhiệt gia tốc (UVCON UV-260), lão hóa nhiệt và phơi tự nhiên. Thử nghiệm phân hủy trong đất tại Đạo Đức – Vị Xuyên (đất pH 6,5; mùn 5,4%; N tổng 0,53%; P2O5 tổng 0,06%; K2O 0,82%; bố trí 6 rãnh sâu 30 cm, rộng 15 cm, dài 3 m, độ ẩm duy trì 70%). Thử nghiệm trong bùn hoạt tính nồng độ 30 kg/m³ ở điều kiện tĩnh trong bình tối 1 lít. Định kỳ rửa axeton, sấy chân không 60°C để xác định tổn thất khối lượng, độ bền kéo và SEM.
• Chế tạo ruột bầu và thử nghiệm trên cây giống: Đóng ruột bầu theo tỷ lệ đất đồi : đất màu là 2 : 1; phân lân 2 g/kg, KCl 0,35 g/kg. Bố trí 4 công thức: Đối chứng (ĐC), AMS-1 (0,8 g/kg), PAM (2 mg/kg), và AMS-1 + PAM (0,8 g AMS-1 + 2 mg PAM/kg). Thử nghiệm trên 3 loài cây: Keo lai (túi tự hủy 6–8 tháng), Thông Caribe (túi tự hủy 9–11 tháng), Bạch đàn (túi tự hủy 12–14 tháng) theo khối ngẫu nhiên, 5 lần lặp, 100 cây/công thức/lần lặp. Theo dõi số lần tưới, tỷ lệ sống, tỷ lệ xuất vườn, chiều cao, đường kính cổ rễ và chiều dài rễ chính.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt khoa học và lý luận

• Xác lập cơ sở khoa học cho việc phối trộn hạt nhựa polyetylen tái sinh loại 1 (rPE) với LDPE và phụ gia quá trình PPA để chế tạo vật liệu màng mỏng có tính chất cơ lý đáp ứng yêu cầu gia công thổi màng.
• Xác định được tỷ lệ phối hợp tối ưu của hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa kim loại chuyển tiếp gồm Mangan(II) stearat / Sắt(III) stearat / Coban(II) stearat theo tỷ lệ khối lượng 20 / 4 / 1. Hệ phụ gia này phát huy vai trò xúc tác đồng thời quá trình phân hủy quang hóa và phân hủy nhiệt oxy hóa, cắt mạch đại phân tử rPE thành các đoạn mạch ngắn có khối lượng phân tử thấp phân cực, tạo điều kiện cho vi sinh vật đồng hóa.
• Làm rõ cơ chế tác động tương hỗ giữa polyme siêu hấp thụ nước AMS-1 và polyacrylamit PAM trong môi trường đất: AMS-1 gia tăng thể tích chứa ẩm và điều tiết nước, trong khi PAM cải thiện độ bền đoàn lạp thông qua liên kết hydro và cầu cation, giúp ruột bầu vừa có sức chứa ẩm cao vừa duy trì độ bền cơ học chống vỡ bầu.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

• Chế tạo thành công các dòng túi bầu tự hủy từ polyetylen tái sinh có khả năng điều chỉnh thời gian phân hủy phù hợp với 3 chu kỳ sinh trưởng của cây giống lâm nghiệp: dòng 6–8 tháng (cây keo lai), dòng 9–11 tháng (cây thông Caribe) và dòng 12–14 tháng (cây bạch đàn).
• Thiết lập quy trình công nghệ chế tạo ruột bầu tối ưu với công thức phối trộn: 0,8 g AMS-1/kg đất và 2 mg PAM/kg đất kết hợp đất đồi:đất màu (tỷ lệ 2:1). Công thức này giúp giảm đáng kể số lần tưới nước, hạn chế rửa trôi phân bón, giữ nguyên khối ruột bầu khi vận chuyển và loại bỏ hoàn toàn công đoạn xé rách túi bầu khi trồng cây ngoài hiện trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Luận án chỉ tập trung khảo sát trên nguồn nguyên liệu hạt nhựa tái sinh PE loại 1 (tạp chất thấp, MFI = 3,42 g/10 phút); tỷ lệ phối trộn phụ gia xúc tiến oxy hóa cố định ở tỷ lệ Mn/Fe/Co là 20/4/1; phạm vi thử nghiệm đồng ruộng và phân hủy môi trường giới hạn tại trạm thực nghiệm Đạo Đức – Vị Xuyên (Hà Giang); đối tượng cây thử nghiệm khu biệt trong 3 loài cây lâm nghiệp chính (keo, thông, bạch đàn).
• Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục khảo sát khả năng ứng dụng trên các nguồn nhựa PE tái sinh bậc thấp hơn có độ phân tán tạp chất phức tạp; mở rộng đánh giá cơ chế tự hủy và sinh trưởng cây con tại các vùng lập địa khô hạn, đất cát ven biển hoặc đất dốc xói mòn mạnh; theo dõi sinh trưởng dài hạn của rừng trồng sau giai đoạn xuất vườn khi rễ cây phát triển xuyên qua màng tự hủy trong đất tự nhiên.

Giá trị tham khảo

• Đối tượng tham khảo: Tài liệu hữu ích cho nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Công nghệ Hóa học, Vật liệu Polyme - Compocit, Kỹ thuật Môi trường và Lâm sinh; đồng thời là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư công nghệ tại các nhà máy sản xuất bao bì nhựa, các vườn ươm giống lâm nghiệp và các cơ quan quản lý tài nguyên môi trường.
• Nội dung đáng tham khảo:
  • Chương 1 cung cấp tổng quan lý thuyết hệ thống về cơ chế phân hủy oxo-biodegradable, các tiêu chuẩn kiểm tra lão hóa quốc tế (ASTM, ISO) và cơ chế hóa lý của hydrogel và polyme liên kết đất.
  • Chương 2 cung cấp các thông số công nghệ gia công chi tiết (nhiệt độ đùn, tốc độ trục vít, tỷ lệ phối trộn masterbatch), phương pháp bố trí thí nghiệm chôn lấp thực địa và quy trình phối trộn phụ gia chế tạo ruột bầu.

Câu hỏi thường gặp

1. Hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa sử dụng trong luận án gồm những chất nào và tỷ lệ phối trộn là bao nhiêu? Hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa gồm 3 loại muối stearat kim loại chuyển tiếp: Mangan(II) stearat, Sắt(III) stearat và Coban(II) stearat được phối trộn theo tỷ lệ khối lượng tương ứng là 20 / 4 / 1, với hàm lượng khảo sát trong masterbatch từ 0% đến 0,08%.

2. Thông số kỹ thuật của hai loại polyme sử dụng trong ruột bầu (AMS-1 và PAM) là gì?

• AMS-1: Dạng bột trắng đục, pH 6,5–7, khối lượng riêng 0,72 g/cm³, độ hấp thụ nước cất đạt 410 g/g, trong nước muối sinh lý đạt 72 g/g, thời gian hấp thụ cân bằng 20 phút (nước cất) và 30 phút (nước muối).
• PAM: Dạng hạt trắng đục, khối lượng phân tử 8.10⁵ g/mol, độ tan 6%, tỷ trọng 0,91 g/cm³, độ nhớt Brookfield 850 MPa.s, mức độ anion hóa 18%, thời gian lưu giữ trong đất 18 tháng.

3. Công thức phối trộn ruột bầu ươm tối ưu được xác định như thế nào? Ruột bầu được phối trộn gồm đất đồi và đất màu theo tỷ lệ thể tích 2:1, bổ sung phân lân (2 g/kg) và kali clorua (0,35 g/kg), kết hợp hàm lượng phụ gia polyme gồm 0,8 g AMS-1/kg ruột bầu và 2 mg PAM/kg ruột bầu, duy trì độ ẩm ban đầu khoảng 70%.

4. Các mốc thời gian tự hủy của túi bầu được thiết kế tương ứng với những loài cây nào? Túi bầu được chế tạo tương ứng với 3 chu kỳ vườn ươm:

• Chu kỳ 6–8 tháng: Áp dụng cho cây keo lai (trồng từ hạt).
• Chu kỳ 9–11 tháng: Áp dụng cho cây thông Caribe (trồng từ hạt).
• Chu kỳ 12–14 tháng: Áp dụng cho cây bạch đàn (trồng từ hạt).

5. Địa điểm và phương pháp đánh giá quá trình phân hủy màng trong đất được thực hiện như thế nào? Thử nghiệm phân hủy trong đất được tiến hành tại Trung tâm KHKT giống cây trồng Đạo Đức – Vị Xuyên trên nền đất có pH 6,5, mùn 5,4%, độ ẩm duy trì 70%. Mẫu màng sau lão hóa được đặt trong túi lưới chứa 0,5 kg đất, chôn trong 6 rãnh kích thước sâu 30 cm, rộng 15 cm, dài 3 m; định kỳ hàng tháng đào mẫu, rửa sạch bằng nước cất và axeton, sấy chân không ở 60°C để xác định tổn thất khối lượng và biến đổi bề mặt bằng SEM.

Kết luận

Luận án đã giải quyết đồng bộ bài toán khoa học và công nghệ trong việc tận dụng nhựa polyetylen tái sinh (rPE) kết hợp hệ phụ gia xúc tiến oxy hóa Mn/Fe/Co (tỷ lệ 20/4/1) để chế tạo túi bầu ươm có thời gian tự hủy được kiểm soát theo 3 mốc (6–8, 9–11, 12–14 tháng). Đồng thời, việc tích hợp polyme siêu hấp thụ nước AMS-1 (0,8 g/kg) và chất kết dính polyacrylamit PAM (2 mg/kg) đã cải thiện rõ rệt sức chứa ẩm, độ xốp và độ bền kết cấu của khối ruột bầu. Kết quả thử nghiệm trên cây keo lai, thông Caribe và bạch đàn tại Vị Xuyên – Hà Giang khẳng định tính khả thi của mô hình bầu ươm thân thiện môi trường trong việc nâng cao chất lượng cây giống và giảm thiểu ô nhiễm rác thải nhựa nông lâm nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về bầu ươm cây Trồng cây bằng cây con là phương pháp phổ biến trên thế giới và chủ yếu ở nước ta hiện nay. Sử dụng bầu ươm để ươm cây giống là công tác quan trọng và phức tạp. Chất lượng cây con tốt hay xấu ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và hiệu quả của cây trồng.

Vai trò của bầu ươm cây là trên một đơn vị diện tích, với thời gian ngắn nhất sản xuất được số lượng cây con nhiều nhất, chất lượng tốt nhất, đồng thời giá thành hạ. Muốn đạt được mục tiêu đó phải giải quyết các khâu về đặc tính kỹ thuật của bầu ươm. Bầu gieo ươm có cấu tạo gồm 2 thành phần chính: Túi bầu và ruột bầu. Túi bầu Ngày nay, túi bầu ươm đã thực sự trở nên phổ biến để ươm các loại cây giống khác nhau.

Chúng thường được dùng để ươm cây ăn quả và cây nông, lâm nghiệp [1]. Túi bầu được định nghĩa là khuôn giữ cho ruột bầu định hình và ổn định [2]. Một số yêu cầu chung đối với túi bầu trong sản xuất cây giống như sau [3]: - Túi bầu không gây cản trở sự trao đổi nước và không khí với môi trường xung quanh. - Không làm độc hại và mang sâu bệnh cho cây con.

- Khi bứng và vận chuyển cây con không gây vỡ bầu. - Sau khi trồng túi bầu có khả năng tự hủy tốt trong đất. - Nguyên liệu chế tạo túi bầu rẻ tiền, tiện lợi và giúp cây giống trong bầu sinh trưởng phát triển tốt. Túi bầu ươm cây có nhiều cỡ khác nhau, được sử dụng tùy thuộc tốc độ sinh trưởng của loài cây, thời gian nuôi cây ở vườn ươm.

Túi bầu ươm cây thường được sử dụng hiện nay bao gồm: Bầu không có túi, bầu độc lập có vỏ cứng, bầu độc lập có túi mềm (polyetylen hoặc sợi xốp). Gần đây, một vài cơ sở ở Quảng Ninh đã sử dụng loại bầu vỏ cứng trong 3 khay bằng chất dẻo tổng hợp nhập từ Trung Quốc để sản xuất giống hoa, rau quả. Loại này đã được thử nghiệm ươm cây giống lâm nghiệp, song rất hạn chế vì giá cao và không thuận tiện khi vận chuyển lên đồi cao để trồng rừng [4]. Ở Trung Bộ, Nam Bộ và Tây Nguyên đang sử dụng loại bầu khay cứng bằng các tấm xốp có độ chặt cao được đúc thành khối với nhiều hốc hình nón cụt.

Hỗn hợp ruột bầu được nạp đầy vào các hốc và nén bằng máy. Khay bầu được sử dụng gieo ươm cây giống rau quả. Loại túi bầu cứng độc lập từ chất dẻo tổng hợp với đường kính lớn cũng đã được đóng bầu bằng máy để ươm trồng hoa và rau quả. Loại bầu khay này chưa áp dụng được cho cây giống vì khó vận chuyển lên đồi cao và dốc, dễ đổ vỡ bầu.

Trong lâm nghiệp, hiện sử dụng loại túi bầu mềm độc lập từ màng PE khó phân hủy được làm thành dạng túi [5]. Loại túi bầu này rất dễ sản xuất tại các xưởng chế biến nhựa bao bì quy mô nhỏ. Đây là loại túi bầu hiện nay đang được sử dụng rất phổ biến ở nhiều cơ sở sản xuất cây con trong cả nước bởi vì tính ưu việt của nó là: Bền, định hình được ruột bầu tốt, gọn, dễ vận chuyển [2]. Tuy nhiên, túi bầu PE này thường khó gỡ tách khỏi khối hỗn hợp ruột bầu, khó phân hủy trong đất, khó thu hồi và gây ô nhiễm môi trường đất.

Khi trồng rừng, túi bầu thường bị chôn vùi vào trong đất, làm cản trở rễ cây phát triển, tăng tỷ lệ cây chết, làm giảm năng suất cây trồng và cản trở thấm nước vào trong đất [6].