P1 Nghiên cứu tổng hợp phân Urea nhả chậm

P1 Nghiên cứu tổng hợp phân Urea nhả chậm

Chương Ì

2 Vai trò của phân bón đối với cây trắng và sẵn xuất nông nghiệp

2.1 Đối với cây trồng

Theo tổ chức FAO, trong thập niên 70 — 8O của thế kỷ XX, trên phạm vi

toàn thế giới trung bình phân bón quyết định 50% tổng sản lượng tăng thêm Ở

nước ta, cho đến năm 1990, trung bình phân bón làm tăng 35% tổng sản lượng,

bón 1 tấn chất dinh dưỡng nguyên chất thu được 13 tấn hạt ngũ cốc

2.1.1 Vai trò của các chất đa lượng

2.1.1.1 — Vai trò của nữrogen (N)

Cây hit N chi yéu 6 dang NH,” va NOy Cac dang N nay phần lớn có

trong phân nitrogen hóa học, một số ít từ phân hữu cơ Phân N rất đa dạng như: urea (CO(NH,)) , ammonium sulfate ((NH,)2SO,), ammonium nitrate

(NH,NO ), Vai trò của N đối với cây là:

— —_ Fong

N là thành phần quan trọng trong các chất hữu cơ rất cơ bản và cần thiết

cho sự sinh trưởng phát triển của cây Nó là nguyên tố tham gia vào thành phần

chính của các chất diệp lục, protite, peptite, các acid amine, các enzyme, nhiều loại vitamin trong cây và các chất điều hòa sinh trưởng

N là yếu tố chính, quyết định sự phát triển của các mô tế bào sống của cây Bón đủ N cây sinh trưởng nhanh, ra nhiều chổi, lá và cành, hoa quả nhiều và lớn tích lũy được nhiều chất nên cho năng suất cao và chất lượng tốt Người ta đã tính

cứ 1 kg N trong cây có thể cho 15 kg hạt, 10 kg đường, 70 kg khoai tây hoặc 25

kg rom ra

Do có vai trò quan trọng như trên nên N là yếu tố dinh dưỡng được cây hút

và tích lũy nhiều nhất, là yếu tố chính quyết định năng suất cây Thiếu N cây sẽ

sinh trưởng kém, còi cọc, lá vàng, ít hoa và quả, năng suất thấp

2.1.1.2 Vai trò của phosphorus (P)

Cây hút P chủ yếu dưới dạng khoáng của phosphate hóa trị I (HạPOx) và

hóa trị 2 (HPO,’) Ngoài ra cây cũng có thể hút được một số hợp chất P hữu cơ đơn giản Phân P bao gồm phân P tự nhiên và phân P nhân tạo, P có vai trò rất

quan trọng đối với cây:

P có vai trò trung tâm trong quá trình trao đổi năng lượng và tổng hợp chất

protein P là thành phần chủ yếu của các chất ADP và ATP là những chất dự trữ

năng lượng cho các quá trình sinh hóa trong cây, đặc biệt là cho quá trình quang

hợp, sự tạo thành chất béo và protein

P thúc đẩy sự phát triển của hệ rễ cây, kích thích sự hình thành nốt sẩn ở

các cây họ đậu

3 Cổng quan

P thúc đẩy sự ra hoa và hình thành quả ở cây, là yếu tố quyết định chất lượng hạt giống

P giúp cây tăng khả năng chống chịu với các điều kiện bất thuận lợi như

rét, hạn, sâu bệnh P còn có tác dụng hạn chế tác hại của việc bón thừa N P giúp

cho cây sinh trưởng tốt, cho năng suất cao và chất lượng nông sản cao

2.11.3 Vai rò của phân Kalum (K)

Cây hút K dưới dạng K”, các tế bào của cây rất đễ để dung địch K thấm qua nên K được cây hút để dang hơn các nguyên tố khác Phân K bao gồm một số

phân như: KCI, KNO¿, KaSOa, Vai trò của phân K được thể hiện như:

K tham gia tích cực vào quá trình quang hợp, tổng hợp nên các chất giucide của cây K làm tăng khả năng thấm thấu nước ở tế bào khí khổng, giúp khí khổng đóng mở thuận lợi nên điều chỉnh sự khuếch tán CO; của quá trình quang hợp, đồng thời tăng khả năng sử dụng ánh sáng cho cây trong điều kiện íL

nắng

K có trong thành phần của 60 loại men thực vật điều tiết các hoạt động sống của cây với tác dụng như một chất xúc tác

K thúc đẩy quá trình tổng hợp N trong cây, làm giảm tác hại của việc bón

quá nhiều N, phòng chống lốp để cho cây hòa thảo, thúc đẩy sự ra hoa

K tăng cường khả năng chống chịu các điều kiện bất lợi cho cây như rét,

hạn, úng, sâu bệnh,

K lầm tăng hầm lượng chất bột, đường nên làm tăng chất lượng hạt và quả

Thiếu K các lá già chuyển mầu nâu, chóp và ria lá khô dân, sau lan dan

Géng quan

2.1.2 Vai trò của các chất trung lượng

Chất trung lượng là 3 chất calcium (Ca), mangesium (Mg), sulfur (S) Tuy

số lượng yêu cầu không lớn như NPK nhưng trong đời sống cây trồng các chất

trung lượng cũng có những vai trò rất quan trọng

3.1.2.1 — Vai rò của calcuum (Ca)

Ca là một thành phần của màng tế bào cây nên rất cần thiết cho sự hình thành tế bào mới và làm màng tế bào ổn định, vững chắc Ca cần cho sự hình thành và triển hệ rễ cây

Ca có vai trò như một chất giải độc do trung hòa bớt các acid hữu cơ trong cây và hạn chế độc hại khi dư thừa một số caton như K”, NH¿'

Ca cần thiết cho sự đồng hóa dam nitrate và vận chuyển glueide từ tế bào đến các bộ phận dự trữ của cây

Ca giúp cây chịu úng tốt hơn do làm giảm độ thấm của tế bào và việc hút

nước của cây

Ngoài ra, Ca có trong vôi còn có tác dụng cải tạo đất, giảm độ chua mặn

và tăng cường độ phì nhiêu của đất, giúp cây sinh trưởng tốt,

Thiếu Ca thân cây mềm yếu, hoa rụng, nếu thiếu nặng thì đỉnh chỗi có thể

bị khô

2.1.2.2 Vaitré cla magnesium (Mg)

MẸg là thành phần cấu tạo chất diệp lục nên có vai trò quan trong trong quá trình quang hợp và tổng hợp giucide của cây

Mg tham gia trong thành phân của nhiều loại men, đặc biệt các men

chuyển hóa năng lượng, đồng hóa P, tổng hợp protein và lipid

5 ống

Mg giữ cho độ pH trong tế bào cây ở phạm vi thích hợp, tăng sức trương

của tế bào nên ổn định cân bằng nước tạo điều kiện cho các quá trình sinh học trong tế bào xảy ra bình thường

Thiếu Mg lá cây mất màu xanh bình thường và có các đốm vàng, mép lá cong lên, thiếu nặng cây có thể bị chết khô Nếu dư thừa Mg sẽ làm thiếu K

2.1.2.3 Vai tro cia sulfur (S)

Hiện nay S được coi là yếu tố dinh dưỡng thứ 4 của cây trồng sau N, P, K

S tham gia trong thành phần của các acid amine và protein có chứa S, trong đó có acid amine không thể thay thế như methionine

S có trong thành phần của men Coenzyme A xúc tiến nhiều quá trình sinh

lý trong cây như quang hợp, hô hấp và sự cố định N của vi sinh vật cộng sinh

S đóng vai trò quyết định trong việc tạo thành các chất tinh dầu và tạo mùi

vị cho các cây hành, tỏi, mù tạt

S còn cân thiết cho sự hình thành chất diệp lục, thúc đẩy quá trình chín của qủa hạt

Cây tréng hut S 6 dang SO,” cé trong đất qua rễ và SO; trong không khí qua lá, góp phần làm sạch môi trường

Cây thiếu S có biểu hiện giống như thiếu N, lá vàng lợt, cây thấp bé, chổi

kém phát triển Thừa S thì lá nhỏ, đôi khi bị cháy lá

2.1.3 Vai trò của các chất vi lượng

Các nguyên tố đinh dưỡng vi lượng có tỉ lệ rất thấp trong cây (chỉ chiếm

10 ~ 10” trọng lượng chất khô) nhưng mỗi nguyên tố đều có vai trò nhất định

không thể thay thế trong đời sống của cây Trong cây, các nguyên tố vi lượng tổn

Cổng quan

tai dudi dang ion ty do trong dịch tế bào hay kết hợp với các chất hữu cơ, các

protein tạo thành cdc men, vitamin và các chất điều hòa sinh trưởng Vai trồ chung của các nguyên tố ví lượng thể hiện ở các điểm chủ yếu sau:

Tham gia và kích thích sự hình thành các hệ thống men trong cây, qua đó xúc tiến và điều tiết toàn bộ các hoạt động sống của cây như quang hợp, hô hấp, tổng hợp và vận chuyển các chất hữu cơ trong cây, Vì vậy sử dụng đúng có thể làm tăng năng suất cây trồng trung bình từ 5 — 20% trong điều kiện thâm canh

Có ảnh hướng lớn đến chất lượng sản phẩm thông qua việc tăng chất lượn & ễ P Bq Ễ g các hợp chất có chất N, đường, bột, chất béo và các vitamin, Hàm lượng vitamin

C trong bấp cải có liên quan đến lượng Mn cung cấp

Các chất vi lượng có trong cây trồng là nguồn cung cấp vị lượng quan

trọng cho người và động vật Cây hút các nguyên tố vị lượng dưới đạng ion hòa

tan trong dung dịch đất Thiếu nguyên tố vị lượng đều ánh hướng đến sinh trưởng

cay

2.2 Đối với đất và môi trường

Bón phân làm tăng độ phì nhiêu của đất, đất tốt hơn, cân đối hơn, là biện pháp cải tạo đất hữu hiệu Ở những đất có độ phì nhiêu tự nhiên ban đầu thấp, tức

là đất xấu thì việc bón phân càng có tác dụng rõ

Việc sử dụng các chất phế thải trong các hoạt động đời sống của người và động vật, chất phế thải của công nghiệp để làm phân bón góp phần hạn chế các chất gây ô nhiễm môi trường

2.3 Đối với biện pháp kỹ thuật trồng trọt và thu nhập của người sản xuất

Sử dụng phân bón có liên quan đến hiệu lực của các biện pháp kỹ thuật

khác Thí dụ sử dụng giống mới cần kết hợp với phân bón hợp lý và đầy đủ

Cổng quan

Ngược lại, các biện pháp kỹ thuật khác cũng ảnh hưởng đến hiệu lực của phân bón Thí dụ chế độ nước không thích hợp hoặc kỹ thuật làm đất kém có thể lắm giảm 10 —- 20% hiệu lực phân bón

Đo làm tăng năng xuất và chất lượng nông sẵn nên sử dụng phân bón làm tăng thu nhập cho người trồng trọt

3 Những chất định đưỡng cần cho cây trồng

Cho đến nay người ta đã xác định được 92 nguyên tố hóa học có trong cây, trong đó có 13 nguyên tố được coi là thiết yếu, cần được cung cấp qua phân bón Các chat carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O) 1A 3 nguyên tố chiếm tới 95%

trọng lượng của cây, được cây hút trực tiếp từ nước và không khí Vì vậy thiếu

nước và không khí cây sẽ sinh trưởng kém và có thể bị chết

Các nguyên tế được coi là thiết yếu tức là nếu thiếu thì cây sẽ sinh trưởng kém và có thể khắc phục nếu được bón nguyên tố đó Những nguyên tố này phải t6n tại trực tiếp trong dung dịch định dưỡng của cây, chủ yếu là trong dụng địch đất

Tất cả các nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu đểu quan trọng như nhau đối với cây trồng, Tuy nhiên có chất cây cần nhiều, có chất cây cần íL Dựa vào số lượng cây cần sử dụng, người ta chia các chất dinh dưỡng thiết yếu thành 3 nhóm:

- Các chất đa lượng là những chất cây cần với số lượng nhiều gồm 3 chất là

nitrogen (N), phosphorus (P) va kaHum (K)

- Chất trung lượng là những chất cây cần với số lượng trung bình, gồm 3

chat 1A calcium (Ca), magnesium (Mg) va sulfur (5)

- Chất vi lượng là những chất cây cần với số lượng ít, gém 7 chất là Fe, Zn,

Mn, Cu, B, Mo va Cl

Luan guăớt thee ai Gris ite (Plucag

8 Féng quan

Ngoài ra một số chất như Na, Si, Co, A1 không phải là chất thiết yếu nhưng

là những nguyên tố có lợi cho một số cây Na có thể thay thế K đối với cây dừa,

Co có lợi cho cố định N ở cây họ đậu, AI cần cho cây chè, Si làm biểu bì lá lúa dày cứng hơn nên tăng sức chống bệnh đạo ôn

Các chất dinh dưỡng thiết yếu trên đây được cây hút ở dạng ion hòa tan trong dung dịch đất Những chất này được cung cấp cho cây chủ yếu từ đất và

phân bón, trừ một lượng N nhỏ từ nước mưa (khoảng 5kg N/ha/năm) và từ vi sinh vật cố định N

Đối với cây trồng, nguồn dinh dưỡng cung cấp từ đất không đáng kể so với yêu cầu của cây nên phải bổ sung phan lớn qua phân bón Cần cung cấp 13 nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu với số lượng đầy đủ và cân đối theo nhu

cầu của cây trong từng giai đoạn sinh trưởng phát triển thông qua việc bón phân

4 Sự phân hủy của phân urea trong đất [4]

Trong môi trường đất ẩm với sự có mặt của enzyme urease, phân urea bị phân hủy thanh ammonia (NH3) va carbondioxide (CO;) chỉ trong 2 — 4 ngày và phản ứng xảy ra nhanh hơn trong đất có pH cao và nhiệt độ cao:

O

|

HạN— C— NH; + HạO urease, 2NH; + CO,

Trong đất ẩm NH; ở dạng ion NH¿” và tiếp tục bị một chủng vi sinh

nitrosomonas chuyển hóa thành nitrite:

2NH,” + 3O; nitrosomonas 2NO, + 4H,0

Sau cùng, một chúng vi sinh khác 1a nitrobacter tiếp tục chuyển hóa nitrite

Cổng quan

2NO; : 0, nitrobacter 2NO,

Cây trồng hấp thụ các loại phân đạm chủ yếu dưới dạng ammonium NH,*

va nitrate (NO; ) NH," chiém uu thé hon NO; trong đất ngập nước, còn NO lại nhiều hơn trong đất khô

Il Giới thiệu phân bón nhả chậm

1 _ Tính chất nhả chậm của phân bón

Hàm lượng các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng được bao bọc trong các chất nền hay do liên kết của các hạt phân với 1 số chất khác sẽ được phân lưu giữ và nhả ra từ từ trong đất cho cây hấp thụ hết trong một khoảng thời gian dài Phan nha cham làm giảm thiểu khả năng thất thoát do rửa trôi hoặc bốc hơi Tùy theo mỗi loại phân mà thời gian nhả chậm sẽ khác nhau

2 Tình hình nghiên cứu về phan bon nha cham

2.1 Tình hình trên thế giới

Phân nhá chậm được sự quan tâm nghiên cứu rộng rãi của các nhà khoa

học trên thế giới trong nhiều thập niên qua Nhiều công trình nghiên cứu về các loại phân nha chậm bằng cách bao bọc các hạt phân ban dau bởi các chất nền

khác nhau hay tạo liên kết giữa các hạt phân với một số chất khác nhau đã được

công bố:

Tháng 7.1995 Ray S K và cộng sự [33] đã nghiên cứu ra phân boron (B)

nhả chậm với thành phần chính là polyborophosphate Phân được điểu chế từ

MgO phản ứng với HạPO¿ và NaH;PO¿ ở nhiệt độ 300°C Sản phẩm là một

: : ` ` 2+ 2

copolymer anion clia borax va phosphate citing hai cation la Na* va Mg* San

10 Cống quan

phẩm này có nhiều lợi ích hơn phân boron bình thường là tan chậm trong nước,

giảm sự thất thoát, giảm độc hại, tăng hiệu quả khi sử dụng

Tháng 3.2000 Geortz Harvey M và cộng sự [21] đã nghiên cứu được

loại phân nền nhẩ chậm từ nền dầu hữu cơ như dầu lanh và các loại phân: NPK,

urea hay các loại phân Ca, Mg, § Phân này có khả năng nhả chậm từ 10% (14 ngày), 11% (20 ngày) tầy loại phân

Tháng 10.2000 một phương pháp điều chế phân nhả chậm từ màng polymer bao bọc các hạt phân đã được Tijsma Edze J và cộng sự [26] nghiên

cứu Màng polymer bao bọc là chất dẻo nhiệt hay chất rắn nhiệt như nhựa vinyl,

polyolefine, polymer acrylic, polyester, alkyd, epoxy, urethane Phân sử dụng

để bao bọc là urea, KNO¿;, K;ạSO¿, NH¿NO;, KHSO,, (NH¿);PO, hay hỗn hợp

Kết quả thu được phân nhắ chậm từ 0,07% - 0,17%

Năm 2001 Mangrich A S và cộng sự [10] đã điều chế được phân K nha chậm từ cặn của dầu phiến nham ở 900°C thu được phân có độ tan 30,3% K;O (rong HCI 0,5M), 23,2% (trong acid citric 0,1M) và 6,9% (trong H;O) Sản phẩm

này tốt hơn những sản phẩm cùng loại cũ, nó tránh được vấn để chất thải và giá thành sản phẩm thấp

Tháng 2 2001 Locquenghien K H và cộng sự [17] đã nghiên cứu thành công phân bao bọc nhả chậm từ copolymer ethylene mang nhóm carboxyl (nhóm carboxyl hình thành muối của nó) bao bọc các hạt phân Copolymer ethylene mang nhóm carboxyl bao gồm 75 - 90% khối lượng ethylene, 10 - 25% khối lượng một acid alkanecarboxylic C — Cạ bất bão hòa œ-olefine Các hạt phân gồm NP, NK, PK và NPK Phân thu được có %N nhả là 4,8% sau 24h và 31% sau

7 ngày

Laer Tae thane i Fran Dite Dlutong

đã nghiên cứu về phan nha cham ty những hạt phân được bao bọc bởi nhựa nhiệt

rắn và một hợp chất ky nước Nhựa nhiệt rắn được sử dụng như nhựa epoxy, nhựa

xylene, nhựa melamine, nhựa silicon, Hợp chất ky nước như sáp động vật, sáp khoáng, sáp dầu hỏa, Phân được sử dụng để bọc bao gồm phân: urea, (NH4)2SO,,

NH,Cl, NHaNO¿, (NH¿);POy¿, Phân phosphorus: Ca3(PO,)>,

superphosphate, Phan K: KCl, KxCO3, K3PO,4, KNO3, Phan thu dude nha cham

tốt như phân urea tan 80% trong 85 ngay

Tháng 7.2001 Goertz Harvey M [22] đã nghiên cứu và sản xuất thành

công phân hỗn hợp NPK nhả chậm từ hỗn hợp dung dịch urea và formaldehyde với các chất nền khô từ nguồn phosphorus và kalium để tạo nên hỗn hợp những hạt phân đồng nhất NPK Nguồn P được sử dụng là superphosphate, Cas(PO¿)¿,

K;PO¿, (NH,);PO¿, Nguồn K được sử dụng là KHCO¿, K;ạCO¿, K;PO¿, KNO¿, KOH, K¿SO¿, và có thể sử dụng thêm hợp chất của phân trung, vi lượng Phân

hỗn hợp thu được nhả chậm tốt

Tháng 8 2001 Nakonieczny J [32] da điều chế được phân khoáng đa

thành phần nhả chậm Phân này bao gồm N ở dạng hợp chất hữu cơ và vô cơ, P ở

dạng superphosphate và trisuperphosphate và K ở dạng chloride hay sulfate Phân chứa 30 — 50% N, P;Os, KạO và 10% tỉnh bột 25 - 17% N tổn tại ở dạng urea — aldehyde Tỉ lệ N, P, K khác nhau, P + K > 0

12 Cống quan

Tháng 9 2001 Liu F va cộng sự [29] đã nghiên cứu được phan N nha

chậm từ dicyandiamite, 1,4-benzenediol, acid humic, zeolite, bột kích thích rễ và

nguyên tố vi lượng Sản phẩm thu được đã cải thiện chất lượng của mùa màng

Trộn hỗn hợp của các nguyên liệu như các loại phân N (78 - 95%), nước (0- 3%), sáp (3 — 15%), nhũ tương (0,2 - 5%) và chất tạo nhũ hóa (0 ~ 1%) dé tạo thành phân N nhả chậm đã được Wang D và cộng sự [28] (tháng 11 2001) thực hiện thành công Phân N được chọn là NH¿NO;, Ca(NO¿);, NH,Cl, NH,HCO; và (NH.);SO¿ Sáp bao gồm paraffin (30 — 100 khối lượng) và sáp microcystal

Markusch P H và cộng sự [13] (tháng 1.2002) thực hiện phản ứng giữa isocyanate hay polyisocyanate với các hạt phân tạo thành phân bao bọc polyurethane nhả chậm Phân này chứa 5,16% polyurethane và 30,16% urea hòa tan sau 8h trong nước so với phân urea là 90,2% bị hòa tan

Tháng 3.2002, một phương pháp tạo phân nhả chậm bằng cách bao bọc cũng được Markusch P H và cộng sự [14] nghiên cứu Phương pháp này bao

gồm cho vật liệu hấp thụ nước vào các hạt phân và sau đó phủ nó thấp nhất bằng

một lớp nhựa urethane Phân được sử dụng ở đây là phân N: urea, (NH¿);PO¿,

(NH4)3SO4, NH4Cl, NH4NO3, Phin P: superphosphate, Ca;(PO,); Phân K: KCI, KHCO;, K;PO¿, KNO;, K;¿SiO;, Vật liệu hấp thụ nước là các polymer như polymer acrylate, acrylic acid-vinyl alcol copolymer, isobutylene polymer, ethylene oxide polymer, liên kết với nhựa urethane tai nhóm hydroxy cuối

Ngoài ra còn sử dụng polymer tự nhiên như tỉnh bột, tỉnh bột ghép, muối

carboxymethyl cellulose Nhựa urethane được tạo thành từ polyisocyante và polyol Phân thu được có kết quả nhả chậm tốt như phân urea trong nước sau 8h tan ra từ 30 —- 90%