TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP
HẠT HYDROGEL TỪ MMT/CHITOSAN
NANOCOMPOSITE VÀ ỨNG DỤNG
TRONG PHÂN BÓN NHẢ CHẬM

Người hướng dẫn: TS. PHAN VŨ HOÀNG GIANG
Người thực hiện: BÙI THỤC TRINH
MSSV: 61502111
Lớp: 15060203
Khóa: 19

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020



CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP

i

TS. PHAN VŨ HOÀNG GIANG

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn trường Đại học Tôn Đức Thắng, các
thầy cô khoa Khoa học ứng dụng và thầy TS. Nguyễn Quang Khuyến - chủ nhiệm
bộ môn Vật liệu hữu cơ đã tạo mọi điều kiện tốt nhất, đồng thời sẵn sàng hỗ trợ để

em hoàn thành tốt chuyên đề tốt nghiệp này.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Phan Vũ Hoàng Giang,
người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề tài khóa
luận. Thầy đã hỗ trợ tận tình, hướng dẫn em tìm ra hướng nghiên cứu, tiếp cận thực
tế, tìm kiếm tài liệu, xử lý và phân tích số liệu, giải quyết vấn đề, nhờ đó em có thể
hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này.
Trong quá trình thực hiện khóa luận này, mặc dù đã cố gắng hoàn thiện, trau
dồi kiến thức, trao đổi và tiếp thu ý kiến đóng góp từ quý thầy cô, tuy nhiên do kinh
nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong
nhận được sự thông cảm và góp ý tận tình từ quý thầy cô để có thể hoàn thiện tốt
hơn khóa luận tốt nghiệp này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ em
trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 3 năm 2020
Bùi Thục Trinh

SVTH: BÙI THỤC TRINH

NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC


LỜI CAM ĐOAN
CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được hướng
dẫn khoa học bởi TS. Phan Vũ Hoàng Giang. Các nội dung nghiên cứu, kết quả
phân tích được trình bày trong đề tài này là trung thực và chưa được công bố dưới
bất kỳ hình thức nào khác trước đây. Những số liệu có trong các bảng biểu nhằm
phục vụ cho việc tham khảo, phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tôi thu thập

từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong khóa luận tốt nghiệp này tôi còn sử dụng một số nhận xét,
đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và
chú thích nguồn gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào về nội dung khóa luận tốt
nghiệp tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Trường Đại học Tôn Đức Thắng hoàn
toàn không liên quan đến những vi phạm tác quyền hay bản quyền do tôi gây ra
trong quá trình thực hiện (nếu có).
TP. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 3 năm 2020
Bùi Thục Trinh


CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP

iii

TS. PHAN VŨ HOÀNG GIANG

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................... I
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... II
MỤC LỤC............................................................................................................. III
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................ VI
MỤC LỤC HÌNH................................................................................................ VII
MỤC LỤC BẢNG................................................................................................... X
LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................ XI
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về ngành nông nghiệp và phân bón tại Việt Nam.....................1
1.2. Phân bón nhả chậm.................................................................................... 2
1.2.1. Khái niệm, phân loại, ưu điểm và cơ chế của phân bón nhả chậm......2

1.2.2. Một số công trình nghiên cứu về phân bón nhả chậm.........................5
1.3. Hydrogel..................................................................................................... 6
1.3.1. Khái quát về hydrogel......................................................................... 6
1.3.2. Phân loại hydrogel............................................................................... 7
1.3.3. Các tính chất của hydrogel.................................................................. 9
1.3.4. Ứng dụng của hydrogel..................................................................... 10
1.4. Chitosan................................................................................................... 15
1.4.1. Nguồn gốc của Chitosan.................................................................... 15
1.4.2. Tính chất của Chitosan...................................................................... 17
1.4.3. Ứng dụng của chitosan...................................................................... 18
1.5. Montmorillonite (MMT).......................................................................... 22
1.5.1. Nguồn gốc và cấu trúc của Montmorillonite..................................... 22
1.5.2. Tính chất của Montmorillonite.......................................................... 23
1.5.3. Ứng dụng của Montmorillonite......................................................... 26
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM............................................................................ 27
2.1. Phương tiện nghiên cứu............................................................................ 27
2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất.................................................................... 27
2.1.2. Dụng cụ và thiết bị............................................................................ 27
SVTH: BÙI THỤC TRINH

NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC


CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP

iv

TS. PHAN VŨ HOÀNG GIANG

2.2. Quy trình thực nghiệm.............................................................................. 28

2.2.1. Khảo sát khả năng tải Urea của nanoclay (MMT).............................28
2.2.2. Quá trình tạo hạt hydrogel từ hệ MMT/Chitosan nanocomposit........32
2.2.3. Khảo sát các tính chất của hạt MMT/CS/GA1 hydrogel....................36
2.2.4. Khảo sát quá trình giải phóng Urea của hạt hydrogel từ
MMT/chitosan nanocomposite........................................................................ 38
2.3. Các phương pháp phân tích, đánh giá....................................................... 40
2.3.1. Phương pháp đo quang phổ UV-Vis.................................................. 40
2.3.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)....................................................... 41
2.3.3. Nhiễu xạ tia X (XRD)........................................................................ 42
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN........................................................... 45
3.1. Phân tích kết quả khảo sát khả năng tải Urea của nanoclay (MMT).........45
3.1.1. Dựng đường chuẩn của Urea............................................................. 45
3.1.2. Thực nghiệm khảo sát khả năng tải Urea của nanoclay (MMT) theo
nồng độ Urea (thí nghiệm 1)............................................................................ 45
3.1.3. Thực nghiệm khảo sát khả năng tải Urea của nanoclay (MMT) theo
thời gian (thí nghiệm 2)................................................................................... 47
3.1.4. Kết quả chụp XRD giữa hạt MMT và MMT tải Urea........................ 48
3.2. Phân tích kết quả quá trình tạo hạt hydrogel từ hệ MMT/Chitosan
nanocomposit theo 2 phương pháp...................................................................... 49
3.2.1. Quá trình tạo hạt hạt hydrogel từ hệ MMT/Chitosan nanocomposit 49
3.2.2. Kết quả tạo hạt hydrogel từ hệ MMT/Chitosan nanocomposit theo 2
phương pháp.................................................................................................... 51
3.2.3. Kết quả chụp SEM của hạt hydrogel từ hệ MMT/Chitosan
nanocomposit................................................................................................... 52
3.3. Kết quả khảo sát các tính chất của hạt MMT/CS/GA1 hydrogel...............54
3.3.1. Khảo sát khả năng trương của hạt MMT/CS/GA1 hydrogel trong dung
dịch có pH lần lượt là 3, 5.5, 7......................................................................... 54
3.3.2.Khảo sát khả năng giữa ẩm cho đất của hạt MMT/CS/GA 1 hydrogel59
3.4. Kết quả khảo sát quá trình giải phóng Urea từ hạt MMT/CS/GA hydrogel
...............................................................................................................................61


SVTH: BÙI THỤC TRINH

NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC


CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP

v

TS. PHAN VŨ HOÀNG GIANG

3.4.1. Khảo sát quá trình giải phóng Urea từ hạt MMT/CS/GA hydrogel
trong môi trường nước cất............................................................................... 61
3.4.2. Khảo sát quá trình giải phóng Urea từ hạt MMT/CS/GA hydrogel
trong môi trường đất........................................................................................ 64
3.5. Kết quả thử nghiệm phân bón nhả chậm trên cây trồng............................65
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................ 68
4.1. Kết luận.................................................................................................... 68
4.2. Kiến nghị.................................................................................................. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 71

SVTH: BÙI THỤC TRINH

NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CS: Chitosan
FAO: Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc

GA: Glutaraldehyde
MMT: Montmorillonite
SEM: Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét)
TEM: Transmission Electron Microscopy ( Kính hiển vi điện tử truyền qua)
XRD: X-Ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)


MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1: Lượng tiêu thụ phân bón trên một hecta đất canh tác các......................1
Hình 1.2: Phân bón nhả chậm trong đất................................................................ 2
Hình 1.3: Quá trình khuếch tán chất dinh dưỡng từ phân bón nhả chậm...............4
Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một mạng lưới hydrogel........................................ 6
Hình 1.5: Cấu trúc đơn giản của phân bón có kiểm soát..................................... 10
Hình 1.6: Sự linh hoạt của các loại hydrogel “thông minh”................................11
Hình 1.7: Một hydrogel “thông minh” đáp ứng kích thích để giải phóng thuốc. 12
Hình 1.8: Vật liệu khung nhân tạo từ hydrogel collagen..................................... 13
Hình 1.9: Kính áp tròng từ vật liệu silicon hydrogel........................................... 14
Hình 1.10: Nguồn gốc và cấu trúc hóa học của chitin......................................... 16
Hình 1.11: Chitosan công nghiệp........................................................................ 17
Hình 1.12: Ổi được xử lý và phủ Chitosan ở điều kiện môi trường xung quanh.
20 Hình 1.13: Hạt hydrogel Chitosan- Cu- Fe và ứng dụng xử lý.......................21
Hình 1.14: Cấu trúc không gian của Montmorillonite......................................... 23
Hình 2.1: Dung dịch Urea với những nồng độ khác nhau khi phản ứng với.......28
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình khảo sát khả năng tải Urea của nanoclay (MMT)......29
Hình 2.3: Quy trình tạo hạt MMT/CS/GA1 hydrogel bằng phương pháp “1 bước”.
...................................................................................................................................32
Hình 2.4: Hỗn hợp Chitosan/MMT được khuấy trên bếp từ................................33
Hình 2.5: Quy trình tạo hạt MMT/CS/GA2 hydrogel bằng phương pháp “2 bước”.
...................................................................................................................................34
Hình 2.6: Hạt GA1-x hydrogel ngâm trong dung dịch có pH=3............................37

Hình 2.7: Khảo sát khả năng giữa ẩm cho đất của hạt GA1-x............................... 37
Hình 2.8: Hệ thống khảo sát lượng phát hành phân bón trong đất.......................39
Hình 2.9: Máy quang phổ UV-Vis, Model 6705.................................................. 41
Hình 2.10: Kính hiển vi điện tử quét (SEM)....................................................... 41
Hình 2.11: Thiết bị phân tích nhiễu xạ tia X........................................................ 43


Hình 2.12: Nguyên tắc hoạt động của thiết bị nhiễu xạ tia X..............................43
Hình 3.1: Đồ thị đường chuẩn của Urea.............................................................. 45
Hình 3.2: Khả năng tải Urea của MMT theo từng nồng độ Urea khác nhau.......46
Hình 3.3: Khả năng liên kết giữa Urea và MMT................................................. 46
Hình 3.4: Khả năng tải Urea của MMT theo thời gian........................................47
Hình 3.5: Phổ nhiễu xạ tia X của MMT............................................................... 48
Hình 3.6: Phổ nhiễu xạ tia X của MMT tải Urea................................................. 48
Hình 3.7: Dung dịch Chitosan 5%....................................................................... 49
Hình 3.8: Hỗn hợp MMT/Chitosan..................................................................... 49
Hình 3.9: Hạt Hydrogel MMT/Chitosan trong dung dịch NaOH 1M..................50
Hình 3.10: Hạt Hydrogel MMT/Chitosan ngâm trong dung dịch Glutaraldehyde.
...................................................................................................................................50
Hình 3.11: Hạt Hydrogel từ hệ MMT/Chitosan nanocomposit............................51
Hình 3.12: Ảnh SEM của hạt Chitosan hydrogel................................................ 52
Hình 3.13: Ảnh SEM của hạt Hydrogel MMT/Chitosan..................................... 53
Hình 3.14: Ảnh SEM của hạt Hydrogel MMT/Chitosan/Glutaraldehyde............53
Hình 3.15: Độ trương của các mẫu hạt GA1-x hydrogel ở pH=3..........................55
Hình 3.16: Độ trương của các mẫu hạt GA1-x hydrogel ở pH=5.5.......................56
Hình 3.17: Độ trương của các mẫu hạt GA1-x hydrogel ở pH=7..........................58
Hình 3.18: Mẫu hạt GA1-x ngâm trong dung dịch có pH=7.................................58
Hình 3.19: Khả năng giữ ẩm cho đất của các hạt GA1-x hydrogel trong 30 ngày.
...................................................................................................................................60
Hình 3.20: Các mẫu GA1-X sau thí nghiệm khả năng giữ nước của hạt hydrogel.60

Hình 3.21: Mẫu đất sau thí nghiệm khả năng giữ nước của hạt hydrogel............61
Hình 3.22: Lượng Urea giải phóng từ hạt hydrogel trong nước cất.....................63
Hình 3.23: Lượng Urea giải phóng từ hạt hydrogel trong đất.............................65
Hình 3.24: Cây trồng không sử dụng phân bón................................................... 66
Hình 3.25: Cây trồng được bón trực tiếp phân Urea............................................ 66


Hình 3.26: Cây trồng được bón bằng hạt hydrogel từ MMT/chitosan
nanocomposite......................................................................................................... 67


MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng thống kê hóa chất sử dụng trong quá trình thực nghiệm............27
Bảng 2.2: Thành phần và điều kiện thực hiện thí nghiệm................................... 31
Bảng 2.3: Thành phần các mẫu trong khảo sát tính chất của...............................36
Bảng 2.4: Thành phần nguyên liệu của thí nghiệm............................................. 38
Bảng 2.5: Thành phần nguyên liệu của thí nghiệm............................................. 39
Bảng 3.1: Độ hấp thụ A của Urea theo từng nồng độ.......................................... 45
Bảng 3.2: Hàm lượng tải Urea của MMT theo những nồng độ Urea khác nhau .45
Bảng 3.3: Hàm lượng tải Urea của MMT theo những thời gian khác nhau.........47
Bảng 3.4: Phần trăm trương của mẫu GA1-x tại pH=3.......................................... 54
Bảng 3.5: Phần trăm trương của mẫu GA1-x tại pH=5.5....................................... 56
Bảng 3.6: Phần trăm trương của mẫu GA1-x tại pH=7.......................................... 57
Bảng 3.7: Phần trăm giữ ẩm cho đất của mẫu GA1-x............................................ 59
Bảng 3.8: Lượng phân khuếch tán ra môi trường nước tại các thời điểm............62
Bảng 3.9: Lượng phân khuếch tán ra môi trường đất tại các thời điểm...............64


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, sau thời gian bùng nổ của những ngành công nghiệp để phát

triển kinh tế, thì khi nhìn lại, chúng ta đang phải đối mặt với một vấn đề nghiêm
trọng: ô nhiễm môi trường. Ô nhiễm không khí, bụi mịn, ô nhiễm nguồn nước, đất
trồng trọt bị ô nhiễm và hậu quả là sự ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người
và đe dọa sự đa dạng sinh học trên toàn trái đất. Chính vì đó, không chỉ những nước
đã và đang phát triển mà cả những nước kém phát triển cũng đang kêu gọi, chạy đua
với thời gian để có thể áp dụng những tiến bộ khoa học vào các lĩnh vực nhằm giảm
thải lượng xả thải ra ngoài môi trường. Và nông nghiệp – ngành quan trọng bậc nhất,
cung cấp nguồn lương thực cho cả thể giới, cũng không nằm ngoài cuộc chạy đua
đó. Theo thống kê, hàng năm ngành nông nghiệp sử dụng đến 70 nghìn kg phân bón
và 40 nghìn lít thuốc trừ sâu. Tuy nhiên, lượng thuốc mà cây trồng hấp phụ được lại
rất ít chỉ khoảng 60% nito, 40% photpho và 50% kali và kết quả là trữ lượng thuốc
dư thừa dễ dàng xâm nhập vào môi trường, lâu dần thấm sâu xuống tầng nước ngầm,
lan truyền đến tầng nước mặt gây ô nhiễm nguồn nước. Có rất nhiều biện pháp được
đưa ra nhằm giảm thiểu tình trạng này và phân bón nhả chậm được coi như là một
phương án khả thi trong tình hình này.
Phân bón nhả chậm là tên gọi chung của các loại phân bón có khả năng giải
phóng chất dinh dưỡng trong một thời gian dài chỉ trong một lần bón, giúp cây có
thể hấp thụ đầy đủ các chất dinh dưỡng và không gây lãng phí ra ngoài môi trường.
Hơn nữa, phân bón nhả chậm còn làm tăng khả năng giữ ẩm cho đất, giúp cho cây
có đủ nước trong một thời gian dài (nhất là ở những vùng có khí hậu khắt nghiệt).
Ngoài ra, phân bón nhả chậm còn giúp tăng cường độ màu mỡ cho đất, đa dạng sinh
học cho toàn hệ thống và giúp giảm chi phí về nhân công.
Nhìn chung, các nghiên cứu về phân bón nhả chậm đã có từ những năm đầu
của thế kỉ 21, nhưng chỉ những năm gần đây nó mới được quan tâm và sản xuất một
cách đại trà. Quá trình phát triển của phân bón nhả chậm có thể chia thành 3 giai
đoạn chính. Ở giai đoạn đầu, phân bón nhả chậm thường chỉ là phân bón được tả


vào những chất mang có cấu trúc lỗ xốp, nhưng qua đến giai đoạn thứ hai, cùng với
sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực polymer, người ta đã biết áp dụng những

polymer tổng hợp để làm vỏ bọc cho phân, vừa làm tăng thời gian phát hành phân
vừa đảm bảo độ bền lâu dài. Đây có thể coi là một bước tiến dài trong nghiên cứu
phân bón nhả chậm, tuy nhiên, chỉ sau một thời gian ngắn các nhà khoa học đã phát
hiện sai lầm của mình. Các vỏ bọc từ polymer tổng hợp gần như không phân hủy
trong một thời gian dài và vô tình nó lại làm tăng lượng rác thải ra môi trường.
Chính vị vậy, trong những nghiên cứu gần đây, các polymer tự nhiên có khả năng
phân hủy sinh học lại được ưu tiên hơn cả. Và Chitosan cũng nằm trong số đó. Là
một polysaccharide mạch thẳng với sự hiện diện của nhóm chức hydroxyl (-OH) và
amino (-NH2) trên mạch, Chitosan có những tính chất tuyệt vời mà một vỏ bọc cần
có như khả năng trương nở trong nước giúp chất dinh dưỡng có thể thẩm thấu ra
ngoài, phân hủy sinh học và khi phân hủy chúng lại trở thành chất dinh dưỡng cho
cây. Kết hợp với tác nhân Glutaraldehyde tạo liên kết ngang để cải thiện cấu trúc và
nanoclay (MMT) - vừa là chất tải phân giúp làm chậm quá trình nhả, vừa là chất gia
cường cho vật liệu polymer, hứa hẹn một loại vật liệu mới với khả năng ứng dụng
cao cho phân bón nhả chậm.
Chính vì những lợi ích trên em đã chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu
tổng hợp hạt hydrogel từ MMT/Chitosan nanocomposite và ứng dụng trong phân
bón nhả chậm”.
Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu khả năng tải Urea của MMT, tổng hợp hạt hydrogel
nanocomposite trên cơ sở MMT/Chitosan nanocomposite và ứng dụng trong phân
bón nhả chậm cho 30 ngày.


Nội dung đề tài
Khảo sát khả năng tải Urea của nanoclay (MMT).
Nghiên cứu tạo hạt hydrogel từ hệ MMT/Chitosan/Glutaraldehyde theo các
tỷ lệ khác nhau.
Khảo


sát

các

tính

chất

đặc

trưng

của

hạt

hydrogel

từ

hệ

MMT/Chitosan/Glutaraldehyde.
Khảo

sát

quá

trình


MMT/Chitosan/Glutaraldehyd

giải

phóng

Urea

từ

hạt

hydrogel



CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP

1

TS. PHAN VŨ HOÀNG GIANG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về ngành nông nghiệp và phân bón tại Việt Nam
Là một đất nước được phát triển từ nền văn minh lúa nước, ở Việt Nam, từ
lâu ngành trồng lúa nói riêng và ngành nông nghiệp nói chung luôn đóng vai trò
quan trọng trong việc phát triển kinh tế đất nước. Muốn phát triển nông nghiệp
chúng ta cần khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn lực, chính vị vậy, phân bón –
ngành phụ trợ chính của nông nghiệp vẫn luôn được quan tâm và nghiên cứu.

Trên thế giới, lượng tiêu thụ phân bón trên một hecta đất canh tác của Việt
Nam ở mức khá cao. Năm 2016, Việt Nam tiêu thụ 430 kg phân bón trên một hecta
đất canh tác, chỉ sau một số quốc gia như New Zealand (1,717 kg/ha), Malaysia
(1,539 kg/ha), Ai Cập (645,5 kg/ha), Trung Quốc (503 kg/ha). Mức tiêu thụ tại Việt
Nam cao gấp 3,1 lần mức trung bình thế giới (138 kg/ha năm 2016) [1].

Hình 1.1: Lượng tiêu thụ phân bón trên một hecta đất canh tác các
quốc gia trong khu vực.
(Nguồn: FAO, FPTS tổng hợp)
Với mức độ tiêu thụ phân bón như dữ liệu trên, vô hình chung phân bón đã
gây nên sức ép lớn về kinh tế cho nền nông nghiệp nước ta. Hơn nữa, với sử dụng
phân bón quá mức còn gây nên những vấn đề như ô nhiễm môi trường, trữ lượng
phân trong đất quá cao, ô nhiễm mạch nước ngầm,…

SVTH: BÙI THỤC TRINH

NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC


Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo ra các loại phân bón vừa cung cấp đủ dinh
dưỡng cho cây trồng trong một thời gian dài, chống bị rửa trôi, vừa thân thiện với
môi trường đang là mối quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học.

1.2. Phân bón nhả chậm
1.2.1. Khái niệm, phân loại, ưu điểm và cơ chế của phân bón nhả chậm
1.2.1.1. Khái niệm
Phân bón nhả chậm (Slow Release Fertilizer -SRFs) và nhả có kiểm soát
(Controlled Release Fertilizer-CRFs) là các loại phân bón có chứa dinh dưỡng cho
cây ở một dạng hoặc là làm chậm tính có sẵn cho cây hấp thu và sử dụng sau khi
đưa vào, hoặc là dạng có sẵn cho cây trong thời gian dài hơn rất nhiều so với “phân

bón có sẵn dinh dưỡng” như Amoni nitrat hay Urea, Amoni photphat, Kali clorua.
Không có sự phân biệt chính thức nào giữa hai loại, tuy nhiên, các sản phẩm nhanh
bị phân hủy bởi vi khuẩn như UF (Ure-Formaldehit) trong thương mại thường được
gọi là phân nhả chậm và các sản phẩm dạng viên hoặc bọc được gọi là phân bón nhả
có kiểm soát.
Ủy ban Chuẩn hóa Châu Âu đã đưa ra một số đề xuất về phân bón nhả
chậm trong đất phải đáp ứng một trong ba tiêu chuẩn sau (ở 25oC):
•

Nhả không quá 15% trong 24h.

•

Nhả không quá 75% trong 28 ngày.

•

Nhả ít nhất 75% trong khoảng thời gian đã định [36].

Hình 1.2: Phân bón nhả chậm trong đất.


1.2.1.2. Phân loại
Dựa vào cơ chế nhả, phân bón nhả chậm có thể phân thành các loại sau đây:
Chất hữu cơ có độ hòa tan thấp: Các hợp chất này thường là các sản phẩm
ngưng tụ từ ure. Các hợp chất này được chia nhỏ thành các chất phân huỷ sinh học
như Urea acetaldehyde/cyclo diurea (CDU), U rea-formaldehyde (UF) hoặc
isobutylidene diurea (IBDU). Cơ chế nhả chậm của phân không bọc dựa trên sự
thủy phân từ từ trong nước và tác động của các vi khuẩn trong đất [36].
Phân bón bọc (kiểm soát việc nhả dinh dưỡng bằng lớp phủ): Nhóm này

gồm những phân bón mà tính tan của nó được điều khiển bởi tính chất vật lí. Các
loại phân bón có lõi hoặc hạt được phủ bằng vật liệu polyme hay như là một chất
nền làm giảm khả năng nhả chất dinh dưỡng. Các loại phân bón phủ được chia
thành phân phủ bằng vật liệu polyme hữu cơ hoặc nhựa nhiệt dẻo và phân bón bọc
bằng vật liệu vô cơ như lưu huỳnh hoặc chất khoáng ít tan. Các vật liệu polyme hữu
cơ bọc có thểlà polyme kị nước như polyolefin, cao su,...hoặc polyme ưa nước trong
tự nhiên như ‟hydrogel” làm chậm quá trình hoà tan phân bón do khả năng giữ nước
cao.
Các hợp chất vô cơ có độ hòa tan thấp: Các hợp chất vô cơ có độ hoà tan
thấp như muối amoni photphat của kim loại có công thức tổng quát là MeNH 4PO4
xH2O (với Me là Mg, Fe, Zn, Mg hay K), ví dụ KNH4PO4 và MgNH4PO4.
1.2.1.3. Ưu điềm
Bằng việc sử dụng hệ thống kiểm soát, các chất dinh dưỡng cũng được giải
phóng với tốc độ chậm hơn, nhờ đó cây trồng có thể hấp thụ đầy đủ các chất dinh
dưỡng và không gây lãng phí.
Tăng cường sự đa dạng sinh học cho toàn hệ thống (tăng hoạt tính sinh học
cho đất, tăng độ màu mỡ cho đất).
Góp phần làm giảm thiểu các loại khí gây hiệu ứng nhà kính như N 2O và
nguy cơ ô nhiễm mạch nước ngầm, không khí.


1.2.1.4. Cơ chế nhả chất dinh dưỡng của phân bón nhả chậm
Gồm 3 giai đoạn chính:
Giai đoạn 1: Vật liệu phủ trương lên do hấp thụ nước từ đất và chuyển
thành dạng hydrogels, làm tăng kích thước các lỗ trống của màng phủ, hình thành
một lớp nước giữa lớp phủ trương và phần lõi, tạo điều kiện cho quá trình khuếch
tán chất dinh 26 dưỡng từ phần lõi.
Giai đoạn 2: Nước khuếch tán chậm vào phần lõi viên phân và hòa tan một
phần chất dinh dưỡng. Phần dinh dưỡng hòa tan này nhả chậm vào đất thông qua
quá trình trao đổi nước giữa lớp màng hydrogel và đất.

Giai đoạn 3: Các vi sinh vật trong đất sẽ bám lên lớp vỏ trương và phân
hủy phần còn lại của viên phân [36].

Hình 1.3: Quá trình khuếch tán chất dinh dưỡng từ phân bón nhả chậm.


1.2.2. Một số công trình nghiên cứu về phân bón nhả chậm
1.2.2.1. Phân nhả chậm có nguồn gốc từ polymer tổng hợp
Các nghiên cứu về phân nhả chậm có nguồn gốc từ polymer tổng hợp
thường tập trung về sự tối ưu hóa các công thức và thời gian phát hành phân. Thong
và các cộng sự đã nghiên cứu sự phát hành có kiểm soát Urea từ polyacrylic acid
SAHs dựa trên phương trình toán học[6]. Kết quả cho thấy mật độ liên kết ngang và
kích thước hạt phân có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phát hành Urea [35]. Hay
Helaly và cộng sự đã tiến hành so sánh sự phát hành Urea từ acrylamide/axit maleic
(AAm/MA) và axit acrylic /axit maleic (AAc/MA) và kết quả cho thấy cả hai đều
có thể nhả Urea trong 4 tháng và phân bón nhả chậm từ AAc/MA cho kết quả nhả
nhanh hơn [13].
1.2.2.2. Phân bón nhả chậm có nguồn gốc từ tự nhiên và tổng hợp
Ngày nay, khi mà các vấn đề về môi trường được quan tâm hàng đầu thì các
nghiên cứu về phân bón nhả chậm cũng dần có xu thế thân thiện với môi trường
hơn. Ngoài những ưu điểm vốn có của polymer như độ đàn hồi tốt và dẻo dai cao
thì khả năng phân hủy sinh học cũng được tính tới khi phát triểu một vật liệu mới từ
polymer thiên nhiên. Hơn nữa, để cải thiện thêm những tính chất khác như độ cứng,
cải thiện tính chất trương nở, cơ học và tính nhiệt của polymer, đồng thời giảm chi
phí sản xuất người ta thường thêm vào các vật liệu vô cơ như khoáng sét
(attapulgite, montmorillonite, bentonite và kaolin).
Năm 2017, El-Refaie và các cộng sự đã tổng hợp hydrogel nanocompozit
dựa trên Sodium alginate-g-poly (acrylic acid-co-2-hydroxyethylmethacrylate)/
Montmorillonite và nghiên cứu nó để ứng dụng làm phân bón nhả chậm.
Montmorillonite đã được thêm vào hydrogel để tạo thành hydrogel nanocompozit

và giúp quá trình nhả phân diễn ra chậm hơn. Kết quả thử nghiệm quá trình nhả
phân Urea cho thấy có sự khác biệt về khả năng nhhar phân trong môi trường nước
cất và môi trường acid của hydrogel nanocompozit [11].


1.3. Hydrogel
1.3.1. Khái quát về hydrogel
Hydrogel là một polymer có mạng lưới không gian ba chiều ưa nước, có
khả năng trương trong nước và giữ một lượng nước lớn khi duy trì cấu trúc do liên
kết ngang hóa học hoặc vật lý của các chuỗi polymer riêng lẻ. Tính ưa nước của
hydrogel là do sự hiện diện của các nhóm ưa nước như -NH 2, -COOH, -OH, CONH2, - CONH - và -SO3H [30].
Hydrogel được hình thành qua quá trình trùng hợp sol-gel, chúng chuyển từ
trạng thái lỏng (sol) sang trạng thái rắn (gel) để đáp ứng với các kích thích vật lí và
hóa học nhất định. Các kích thích vật lí bao gồm nhiệt độ, điện trường, từ trường,
thành phần dung môi, cường độ ánh sáng và áp suất. Trong khi các kích thích hóa
học và sinh học bao gồm pH, ion và các thành phần hóa học cụ thể. Hydrogel có
những đặc tính riêng như có khả năng trương phồng trong nước, có khả năng tương
thích sinh học cao nên có thể thích nghi với các điều kiện bên trong cơ thể con
người vầ động vật. Khả năng trương nở và cơ rút của hydrogel còn phụ thuộc vào
nhiệt độ, cường độ ánh sáng, pH, dung môi và các thành phần hóa học khác,… [16],
[30].

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một mạng lưới hydrogel.


1.3.2. Phân loại hydrogel
1.3.2.1. Theo nguồn gốc
Tự nhiên: Chitin, Alginic Acid, Pectin, Xenlulozo, Collagen…
Tổng hợp: PEG, Polyhydroxyethyl Methacrylate (PHEMA), Polyvinyl
Alchohol (PVA),…

Bán tổng hợp: Collagen-Acrylate, Alginate-Acrylate,…
1.3.2.2. Theo phương pháp tổng hợp
Hydrogel homopolymer: là polymer chỉ chứa một loại monome duy nhất
trong cấu trúc của chúng, có cấu trúc tùy thuộc vào bản chất monome ban đầu và
phương pháp trùng hợp [23].
Hydrogel copolymer: bao gồm hai hoặc nhiều loại monome khác nhau với
ít nhất một thành phần ưa nước, được sắp xếp theo cấu hình ngẫu nhiên, khối hoặc
xen kẽ dọc theo chuỗi của mạng polymer [24].
Hydrogel bán đa phân tử xen kẽ (semi-IPNs): được hình thành khi một
polymer thâm nhập vào một mạng lưới liên kết ngang mà không có bất kì liên kết
hóa học nào giữa chúng. Theo cách này, sự ổn định cơ học của hydrogel thu được
có thể được cải thiện bằng các tác nhân vật lý và tương tác mạng. Hơn nữa, mạng
semi-IPNs có cấu trúc liên kết rỗng dẫn đến hydrogel có diện tích bề mặt lớn hơn
nhiều so vơi hydrogel IPNs [12], [42].
Hydrogel đa phân tử xen kẽ (IPNs): sự kết hợp của hai polyme có thể dẫn
đến sự hình thành IPNs với điều kiện là một trong số chúng có trong dung dịch và
loại còn lại được tổng hợp hoặc liên kết chéo tại chỗ. Quá trình này được thực hiện
bằng cách chuẩn bị một dung dịch monome và chất khởi đầu, sau đó nhúng
hydrogel tiền polymer hóa vào dung dịch này. Kích thước lỗ và tính chất bề mặt của
IPNs có thể được sửa đổi để kiểm soát động học của quá trình giải phóng thuốc,
tương tác môi trường của hydrogel và các tính năng cơ học của nó [12].


1.3.2.3. Theo quá trình khâu mạch
Hydrogel khâu mạch vật lý: quá trình khâu mạch trong loại hydrogel này là
do lực hấp dẫn phi hóa trị giữa các mạch polyme. Những lực này thường là tương
tác ion hoặc kỵ nước [37].
Hydrogel khâu mạch hóa học: hydrogel loại này bền hơn so với hydrogel
khâu mạch vật lí bởi liên kết ngang được tạo thành là liên kết cộng hóa trị.
Hydrogel được tạo thành bởi cách khâu mạch này thường có cấu trúc ổn định trừ

khi các yếu tố không bền được đưa vào một cách có chủ ý trong mạng lưới. Gel
khâu mạch hóa học chủ yếu được tạo thành bởi quá trình trùng hợp các monome có
mặt tác nhân khâu mạch. Ngoài ra hydrogel cũng thể tạo thành bởi quá trình khâu
mạch bằng các nhóm chức khác nhau trên mạch chính polymer hoặc enzim [15],
[17], [37], [38].
1.3.2.4. Theo cấu trúc
Hydrogel vô định hình là các là hydrogel có mạch được sắp xếp một cách
ngẫu nhiên. Hydrogel bán kết tinh là các hydrogel có những vùng tập trung các
phân tử lớn có cấu trúc.
Hydrogel liên kết là hydrogel có cấu trúc và độ ổn định của các phân tử
nước bị ảnh hưởng bởi các liên kết. Các nhóm có cực trong polymer liên kết chặt
chẽ với các phân tử nước và từ đó hình thành liên kết hydro gây ra các hiệu ứng kỵ
nước xảy ra. Những hiệu ứng kỵ nước này được khai thác làm các hydrogel có mối
nối hóa học ngang có khả năng chữa bệnh [25].
1.3.2.5. Theo điện tích mạng
Dựa trên cơ sở có hoặc không có sự hiện diện điện tích nằm trên các chuỗi
liên kết ngang mà hydrogel có thể chia làm 4 nhóm: Nonionic; Ionic (bao gồm
anion hoặc cation); Amphoteric electrolyte (ampholytic) chứa các nhóm axit và các
nhóm cơ bản; Zwitterionic (polybetaines) chứa các nhóm anion và nhóm cation
trong mỗi đơn vị cấu trúc lặp lại [12].


1.3.3. Các tính chất của hydrogel
Tính chất cơ lý: đối với những ứng dụng không phân hủy sinh học, điều
quan trọng là chất mang nền gel phải duy trì được tính bền vững cơ học và vật lý,
bởi vậy độ bền cơ học của gel là chỉ tiêu quan trọng khi thiết kế một hệ điều trị. Độ
bền của vật liệu có thể tăng cường nhờ bổ sung các tác nhân tạo lưới, comonome
cũng như tăng mức độ khâu mạch. Tuy nhiên, cần xác định một mức độ khâu mạch
tối ưu, do mức độ khâu mạch quá cao thì sẽ dẫn đến tính giòn hoặc ít đàn hồi. Tính
đàn hồi của gel cũng rất quan trọng để tạo ra độ mềm dẻo của các mạch tạo lưới,

thuận lợi cho quá trình di chuyển của các tác nhân có hoạt tính sinh học. Bởi vậy,
việc cân bằng giữa độ vững chắc hệ gel và độ mềm dẻo là cần thiết để sử dụng các
vật liệu này một cách phù hợp [41].
Tính chất tương thích sinh học: một đặc điểm quan trọng của vật liệu tổng
hợp như hydrogel là khả năng tạo ra các tương hợp sinh học và không độc để trở
thành một polyme y sinh khả dụng. Hầu hết các polyme được sử dụng cho ứng dụng
y sinh đều phải trải qua những thử nghiệm về độc tế bào và độc tính invivo. Bởi vậy,
việc đánh giá khả năng gây độc của tất cả các loại vật liệu sử dụng để tạo gel là một
phần không thể thiếu nhằm xác định tính phù hợp của gel cho những ứng dụng sinh
học [34].
Tính chất trương: khả năng trương của một hydrogel có thể được xác định
là khoảng không gian bên trong mạng hydrogel có sẵn để chứa nước. Tuy nhiên,
nền tảng cơ bản để xác định hydrogel trương bắt đầu với các lực tương tác polymenước. Về tổng thể, 3 lực: tương tác polyme-nước, tĩnh điện và thẩm thấu có tác
động làm mở rộng mạng hydrogel. Hydrogel trương, theo định nghĩa, là khả năng
hòa tan hạn chế trong nước. Nhìn theo cách khác, độ hòa tan không giới hạn của
một hydrogel được ngăn ngừa bằng các lực đàn hồi có nguồn gốc từ các mạng liên
kết chéo. Sự cân bằng của hai lực khác nhau này xác định độ cân bằng trương của
hydrogel [34].