Quy trình chế tạo phân bón NPK có tính năng giữ ẩm bằng polyme siêu hấp thụ nước

khóa luận đã đưa ra quy trình chế tạo phân bón NPK có tính năng nhả chậm . đua ra phương pháp kết hợp bón phân và polyme siêu hâp sthuj nước trong canh tác cây chè kkinh doanh tại phú thọ. bài khóa luận đưa ra kết quả đạt được va fqua strinh sinh trưởng phát triển của cây chè khi sử dụng phân và polyme siêu hâp sthuj nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ

Khoa Công nghệ Hóa học

BÁO CÁO THỰC TẬP

Đề tài: Quy trình chế tạo phân bón NPK có tính năng giữ ẩm bằng

polyme siêu hấp thụ nước

Giáo viên hướng dẫn: TS Trịnh Đức Công Sinh viên thực tập: Vũ Trọng Hải

Lớp: Hữu cơ – Hóa dầu

Hà Nội, 2017

cụ thể trong quá trình thực tập tại phòng.

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người thân trong giađình, bạn bè luôn ở bên động viên, chia sẻ và giúp đỡ em về mọi mặt trongsuốt thời gian học tập và nghiên cứu vừa qua

Hà nội, ngày tháng năm 2017

Vũ Trọng Hải

MỞ ĐẦU

Sự bùng nổ dân số hiện nay đã dẫn đến những vấn đề bức xúc về lương thực thực phẩm Sản xuất nông nghiệp từ chỗ dựa vào đất, phân chuồng, phân lá và các sản phẩm sinh vật khác , hiện nay phải dựa vào phân bón hóa học Theo Tổ chức lương thực và nông nghiệp liên hợp quốc (FAO) phân bón làm tăng năng suất cây trồng từ 35-45%, cho nên việc sử dụng phân bón trên thế giới cũng như ở Việt Nam là một tất yếu.

Hiện nay, hiệu quả sử dụng phân bón ở Việt Nam và các nước trên thế giới là rất thấp Ở Việt Nam hiệu quả sử dụng phân urê đạt 30%-50%, phân lân 40%-45%, kali 40%-50%, phần còn lại bị mất mát do nhiều nguyên nhân như do sự bay hơi của amoniac, quá trình rửa trôi, xói mòn v.v Điều này làm tăng chi phí, giảm hiệu quả kinh tế và gây ô nhiễm cho môi trường, đất, nước và không khí.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.

Để nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón, hiệu quả kinh tế và hạn chế ô nhiễm môi trường, góp phần phát triển nền nông nghiệp xanh, sạch và bền vững, trong những năm gần đây trên thế giới cũng như ở Việt Nam có xu hướng áp dụng công nghệ mới vào lĩnh vực sản xuất phân bón Một trong những hướng quan trọng nhất,

có nhiều triển vọng là nghiên cứu và phát triển kỹ thuật nhả chậm Kỹ thuật này tạo

ra các loại phân bón có khả năng tăng cường sự phát triển của cây khi các chất dinh dưỡng được đưa vào nền polyme hoặc bọc trong vỏ polyme Chất dinh dưỡng được nhả dần cho cây hấp thụ, do đó tránh được hiện tượng rửa trôi phân bón, tiết kiệm sức lao động và chi phí sản xuất cũng như giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trường Các polyme được sử dụng có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường, không ảnh hưởng xấu đến chất lượng đất, chất lượng nông sản.

Vì vậy, trong đồ án tốt nghiệp này em tìm hiểu về “Quy trình chế tạo phân

bón NPK có tính năng giữ ẩm bằng polyme siêu hấp thụ nước”.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Ứng dụng của polime siêu hấp thụ nước trong nông nghiệp

Polyme siêu hấp thụ nước là một loại polyme ưa nước được tạo lưới vớicấu trúc 3 chiều, có khả năng trương, hấp thụ và giữ một lượng nước lớn gấphàng trăm lần khối lượng của chính nó Polyme siêu hấp thụ nước được sửdụng trong nhiều lĩnh vực như trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân, trồngvườn, trong nông nghiệp, hệ vận chuyển thuốc Do tinh bột là nguồnnguyên liệu rẻ tiền, lại có khả năng phân huỷ sinh học dễ dàng hơn các vinylmonome nên việc chế tạo polyme siêu hấp thụ nước từ quá trình trùng hợpghép các vinyl monome lên tinh bột vừa có ý nghĩa môi trường lại vừa giảmgiá thành sản phẩm Tổng hợp polyme siêu hấp thụ nước bằng quá trình trùnghợp ghép lên tinh bột chủ yếu thu được sản phẩm dạng răng lược Hơn nữa,tốc độ hấp thụ nước của sản phẩm sẽ nhanh hơn so với polyme siêu hấp thụnước được tổng hợp từ quá trình trùng hợp các vinyl monome nhờ chuyểnđộng tự do của các nhánh ghép Ngoài ra, để tạo cấu trúc xốp cho polyme, cóthể bổ sung các chất hoạt động bề mặt trong quá trình chế tạo, sử dụng quátrình loại nước và khô đông, đưa tác nhân tạo mao quản trong hệ trùng hợpsau đó chiết bằng dung môi phù hợp hay sử dụng kỹ thuật tạo bọt (các hợpchất cacbonat và dung môi hữu cơ) [1]

Polyme siêu hấp thụ nước từ lâu đã được biết tới là những chất đa điện

ly tổng hợp có tác dụng làm bền và gia cố cấu trúc đất, tạo một nguồn nước

dự trữ trong đất để cây trồng hấp thụ Việc sử dụng polyme siêu hấp thụ nước

để giữ ẩm và dinh dưỡng, sử dụng nước và phân bón hiệu quả ngày càng trởnên quan trọng, đặc biệt khi nguồn nước sẵn có bị hạn chế

Polyme siêu hấp thụ nước có khả năng cải tạo đất nhờ hấp thụ mộtlượng lớn nước, giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển trong đất có nguy cơ

bị hạn hán Polyme này cũng làm tăng khả năng giữ nước của đất cát và làmchậm thời điểm cây héo khi bay hơi mạnh Bổ sung polyme siêu hấp thụ nướccũng làm giảm tốc độ bay hơi của đất Nhiều tác giả thừa nhận rằng polyme

siêu hấp thụ nước có thể có các tác dụng sau: chống xói mòn đất và dòngchảy mặt, tăng khả năng thấm, tăng kích thước đoàn lạp đất, giảm dung trọngđất, tăng khả năng giữ nước, cải thiện khả năng sống sót của cây trồng chịuhạn, cải thiện khả năng hấp thu dinh dưỡng từ phân bón đã sử dụng và giảmtần suất tưới.

Nhiều nghiên cứu chứng tỏ rằng polyme siêu hấp thụ nước làm tăngkhả năng nảy mầm và phát triển, tăng khả năng sống sót của cây cũng nhưkéo dài thời hạn sử dụng của cây cảnh trong chậu Bổ sung polyme siêu hấpthụ nước vào đất có thể kích thích sự phát triển của cây dưa chuột, làm tăngkhối lượng khô của xà lách, củ cải và lúa mì trong môi trường cát Polymesiêu hấp thụ nước cũng làm tăng số hoa và khối lượng khô của cây dã yênthảo (thuốc lá cảnh) trong điều kiện khô hạn [2]

Nghiên cứu bổ sung polyme siêu hấp thụ nước vào đất nghèo giúp cảithiện khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây trồng và giảm thiểu thất thoát dinhdưỡng do rửa trôi Polyme siêu hấp thụ nước cũng hoạt động như một loạiphân bón nhả chậm chất dinh dưỡng Điều này chứng tỏ polyme siêu hấp thụnước không chỉ có khả năng giữ ẩm, tăng năng suất cây trồng mà còn giảmthiểu rửa trôi chất dinh dưỡng, nhờ đó ngăn ngừa ô nhiễm nguồn nước ngầm

Do polyme siêu hấp thụ nước được sử dụng khá phổ biến nên việc tiếpxúc của chúng với môi trường là không thể tránh khỏi Thử nghiệm độc tínhsinh thái cho thấy không có bằng chứng về ảnh hưởng có hại của các polymenày đối với các sinh vật di truyền trong nước hay thực vật và chim do tính trơ

hoá học Gần đây, người ta phát hiện ra rằng nấm que trắng Phanerochaete chrysosporium có khả năng phân huỷ các polyme siêu hấp thụ nước Nấm que

trắng là một vi sinh vật tồn tại khắp nơi, có khả năng phân huỷ nhiều loại dịsinh vật khó phân huỷ nhất [3]

Quá trình phân huỷ sinh học trong đất của 2 loại polyme siêu hấp thụnước là polyacrylat và polyacrylat/polyacrylamit, cả 2 đều được tạo lưới vàkhông tan, bởi nấm que trắng đã được nghiên cứu Cả 2 loại polyme đều bịhoà tan và khoáng hoá bởi nấm nhưng quá trình hoà tan và khoáng hoá của

copolyme nhanh hơn là polyacrylat Vi khuẩn đất hoà tan polyme kém hơn vàkhông có khả năng khoáng hoá polyme nguyên vẹn Tuy nhiên, vi khuẩn đấtkết hợp với nấm trong quá trình phân huỷ polyme trong đất, nấm hoà tanpolyme và vi khuẩn đất thúc đẩy quá trình khoáng hoá [4].

Để đánh giá quá trình hấp thụ, phân bố, tỷ lệ và con đường bài tiết, mộtloại polyme siêu hấp thụ nước polyacrylat đã được cung cấp một liều duynhất từ 26-39 mg/kg qua miệng chuột đực Khoảng 98,8% liều cung cấp đượcbài tiết qua nước tiểu trong 5 ngày và hầu hết (khoảng 88%) được bài tiếttrong 24 giờ đầu chứng tỏ polyme siêu hấp thụ nước bị hấp thụ rất ít và bị đàothải nhanh qua nước tiểu sau khi cung cấp qua miệng

Polyme siêu hấp thụ nước trên cơ sở tinh bột ghép polyacrylonitrin và cáchợp phần homopolyme không chứa tinh bột cũng có khả năng phân huỷ sinhhọc bởi một chủng vi khuẩn hình que trực khuẩn cầu thường gặp trong tựnhiên được phân lập tại chỗ và có nội bào ở vị trí trung tâm Điều này đượcchứng minh bởi khả năng phát triển của chủng trong môi trường chứa polymesiêu hấp thụ nước cũng như các hợp phần homopolyme như một nguồn nitơduy nhất Các phép đo trọng lượng cho thấy polyme siêu hấp thụ nước bịphân huỷ khoảng 94 % trong khi homopolyme polyacrylonitrin bị phân huỷkhoảng 53% sau 21 ngày nuôi cấy liên tục

Cơ chế trương và hấp thụ nước của polyme siêu hấp thụ nước polyacrylatđược minh hoạ trên hình 1.1

Hình 1.1 Cơ chế trương và hấp thụ nước của polyme siêu hấp thụ nước

Động lực của quá trình trương là chênh lệch áp suất thẩm thấu bên trong

và bên ngoài gel

Việc sử dụng hydrogel làm tăng hiệu quả sử dụng nước do nước thấm quavùng rễ sẽ bị giữ lại Trong những ngày nắng nóng, hệ rễ tóc của thực vật sẽhút và làm cạn kiệt hầu hết nước ở khu vực gần vùng rễ làm cho cây bị héo.Nhờ làm tăng lượng ẩm hữu hiệu, hydrogel giúp làm giảm áp lực nước củathực vật, nhờ đó thúc đẩy quá trình phát triển và tăng năng suất cây trồng.Hydrogel cũng làm giảm sự rửa trôi phân bón và là chất mang thuốc trừ sâu,diệt nấm và diệt cỏ [5]

Nhiều nghiên cứu chứng tỏ rằng hydrogel làm tăng khả năng nảy mầm

và phát triển, tăng khả năng sống sót của cây cũng như kéo dài thời hạn sửdụng của cây cảnh trong chậu Đối với cây đậu tương, việc áp dụng polymesiêu hấp thụ nước với tỷ lệ 225kg/ha làm tăng cả quá trình phát triển và năngsuất Năng suất hạt, chất khô tổng số, chỉ số diện tích lá, tốc độ phát triển củacây và chỉ số thu hoạch đều đạt cao nhất ở tỷ lệ này Hydrogel không nhữngtác động đến quá trình sinh trưởng và phát triển, năng suất của cây trồng màcòn ảnh hưởng có lợi đến một số đặc điểm trao đổi chất, hoạt tính các enzymetrong thực vật Mặc dù polyme ít có ảnh hưởng tới sự tích luỹ sinh khối trongđiều kiện tưới đủ và trung bình nhưng nó vẫn làm tăng sinh khối 52,7 % trongđiều kiện tưới thiếu Nghiên cứu bổ sung hydrogel vào đất nghèo giúp cảithiện khả năng hấp thu dinh dưỡng của cây trồng và giảm thiểu thất thoát dinhdưỡng do rửa trôi Hydrogel cũng hoạt động như một loại phân bón nhả chậmchất dinh dưỡng Điều này chứng tỏ hydrogel không chỉ có khả năng giữ ẩm,tăng năng suất cây trồng mà còn giảm thiểu rửa trôi chất dinh dưỡng, nhờ đóngăn ngừa ô nhiễm nguồn nước ngầm

Iran là vùng đất khô, các hệ thống sản xuất mùa màng đều phải thíchnghi với điều kiện khí hậu này Để thiết kiệm ẩm trong đất, nhiều loại vật liệu

đã được sử dụng như tàn dư thực vật, cây phủ bổi, chất thải, rác, rơm, rạ vàpolyme siêu hấp thụ nước Phân bò làm tăng sự hấp thụ Kali và photphat.Polyme siêu hấp thụ nước làm tăng sự hấp thụ N, P, K Ảnh hưởng kết hợp

của phân bón và polyme siêu hấp thụ nước làm tăng sự hấp thu dinh dưỡng,dung tích trao đổi cation (CEC) và cung cấp ẩm cho đất Sự hấp thụ tối đalàm tăng năng suất 16,2 % và hấp thu đa lượng 9,6 % ở cây ngô Năng suấthạt đạt cực đại khi sử dụng 65 % phân động vật và 35 % polyme siêu hấp thụnước Do hydrogel được sử dụng khá phổ biến nên việc tiếp xúc của chúngvới môi trường là không thể tránh khỏi Thử nghiệm độc tính sinh thái chothấy không có bằng chứng về ảnh hưởng có hại của các polyme này đối vớicác sinh vật di truyền trong nước hay thực vật và chim do tính trơ hoá học.

Gần đây, người ta phát hiện ra rằng nấm que trắng Phanerochaete chrysosporium có khả năng phân huỷ các hydrogel Nấm que trắng là một vi

sinh vật tồn tại khắp nơi, có khả năng phân huỷ nhiều loại dị sinh vật khóphân huỷ nhất

Việt Nam là một nước nông nghiệp có trình độ phát triển chưa cao,năng suất, chất lượng nông sản vẫn còn phụ thuộc nhiều vào yếu tố thời tiết.Nằm trong vành đai nhiệt đới Bắc bán cầu với lượng mưa trung bình nămtương đối cao, từ 1500-2000mm nhưng hạn hán vẫn thường xuyên xảy ra ởmột số nơi, gây thiệt hại nặng nề cho sản xuất nông nghiệp Vì vậy, việc tìm

ra một biện pháp giữ ẩm, chống hạn hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp vẫnđang là một vấn đề cấp bách Xuất phát từ thực tế đó, từ năm 2001 đến nay,nhóm nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Văn Khôi ở Viện Hóa học đã nghiêncứu và phát triển thành công công nghệ chế tạo vậy liệu polyme siêu hấp thụnước sử dụng trong nông nghiệp trên cơ sở tinh bột sắn biến tính, xây dựngđược dây chuyền công nghệ chế tạo polyme này ở quy mô công suất 100tấn/năm Sản phẩm đã được thử nghiệm cho nhiều loại cây trồng tại nhiều địaphương và trên nhiều loại đất khác nhau Các kết quả đều cho thấy đây là mộtloại vật liệu mới thân thiện môi trường, có khả năng giữ ẩm, cải tạo đất vànâng cao năng suất cây trồng [6]

Nguyễn Thanh Tùng và cộng sự tại Viện Hóa học đã nghiên cứu khảnăng lưu giữ phân bón của polyme siêu hấp thụ nước trong đất Polyme đượctổng hợp từ axit acrylic, etylenglicol dimetaacrylat, (NH4)2S2O8, NaOH và các

loại dung môi Polyme này ngoài khả năng giữ nước lớn còn lưu giữ rất hiệuquả các loại phân bón, đặc biệt là phân vi lượng [7-9].

Với những ưu điểm vượt trội của các loại phân bón hiện nay, việc chếtạo ra các loại phân bón chuyên dụng dùng cho các đối tượng cây trồng khácnhau ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, trồng vườn đặcbiệt đối với vùng đất trung du, đồi núi, cao nguyên, đất trống, đồi núi trọc, đấtbạc màu, hải đảo nơi có lượng mưa, khả năng xói mòn lớn Phân bónchuyên dụng có tính năng giữ ẩm không chỉ giúp tăng năng suất các loại câycông nghiệp dài ngày mà còn góp phần xây dựng một ngành nông nghiệpxanh, sạch và an toàn (rau sạch, lương thực và thực phẩm sạch ) Tuy nhiênviệc nghiên cứu ứng dụng polyme siêu hấp thụ nước ở nước ta mới dừng lại ởvật liệu đơn lẻ, chỉ có tính năng giữ ẩm Để nâng cao hiệu quả giữ ẩm kết hợpvới việc điều tiết chất dinh dưỡng thì cần tiếp tục phải nghiên cứu tiếp và cầnmột chiến lược với sự quan tâm, đầu tư lâu dài thông qua các nghiên cứu tăngcường Việc nghiên cứu một cách có hệ thống để chế tạo ra phân bón chuyêndụng kết hợp với khả năng giữ ẩm là hết sức cần thiết, có tính khả thi cao,góp phần nâng cao năng suất cây trồng và hiệu quả sử dụng phân bón, tránhlãng phí và bảo vệ môi trường

2.2 Vai trò của phân bón đối với sản xuất lương thực, tác động của việc

sử dụng phân bón tới môi trường, sinh thái và sức khoẻ.

2.2.1 Vai trò của phân bón đối với sản xuất lương thực.

Phân bón là các chất hữu cơ hoặc vô cơ chứa các nguyên tố dinh dưỡngcần thiết cho cây trồng nhằm giúp chúng sinh trưởng, phát triển tốt và chonăng suất cao, được bón vào đất hay hòa vào nước phun, xử lí hạt giống, rễ vàcây con [10]

Hiện nay các nhà khoa học đã xác định được 92 nguyên tố hóa học cótrong cây, trong đó có 13 nguyên tố được coi là thiết yếu, cần được cung cấpqua phân bón Dựa vào lượng chất cây cần sử dụng, người ta chia các chất

dinh dưỡng thiết yếu thành 3 nhóm là các chất đa lượng, chất trung lượng vàchất vi lượng:

- Nhóm dinh dưỡng đa lượng (NPK): là những chất cây cần với số

lượng nhiều gồm 3 chất là N (đạm), P (lân) và K (kali)

- Nhóm dinh dưỡng trung lượng (Ca; Mg; S):là những chất cây cần với

số lượng trung bình, gồm 3 chất là Canxi (Ca), Magie (Mg), Silic (Si)

- Nhóm dinh dưỡng vi lượng (Fe; Zn ; Mn; Cu ; B ; Mo; Cl):là những

chất cây cần với lượng ít, gồm 7 chất là Sắt (Fe), Kẽm (Zn), Mangan (Mn),Đồng (Cu), Bo (B), Molypden (Mo) và Clo (Cl)

Các chất dinh dưỡng thiết yếu được cây hút ở dạng ion hòa tan chủ yếu

từ đất và phân bón Đối với cây trồng, nguồn dinh dưỡng cung cấp từ đấtkhông đáng kể so với yêu cầu của cây nên phải bổ sung qua phân bón [11]

Theo tổ chức lương thực và nông nghiệp liên hợp quốc (FAO) phân bónlàm tăng năng suất cây trồng từ 35-45% và đóng góp khoảng 30-35% tổngsản lượng cây trồng Cứ ba người sống trên hành tinh này thì có một ngườisống nhờ tăng năng suất cây trồng [11]

Ngành công nghiệp sản xuất phân bón ra đời vào cuối thế kỷ 18, nhưngchỉ phát triển mạnh vào những năm 60 của thế kỷ 20 Trong giai đoạn từ 1961đến 2011, khi dân số tăng từ 3 tỷ người lên gần 7 tỷ người thì sản lượng ngũcốc tăng từ 0,9 tỷ tấn lên trên 2,5 tỷ tấn và sản lượng tiêu thụ phân bón cũngtăng từ 30 triệu tấn dinh dưỡng N-P2O5-K2O lên 176 triệu tấn Qua đó chothấy, sự gia tăng dân số và sản lượng ngũ cốc là tương đương nhau trong khisản lượng tiêu thụ phân bón có tỷ lệ tăng gấp đôi so với dân số và sản lượngngũ cốc [12]

Dự báo đến năm 2020, hơn 70% sản lượng ngũ cốc sẽ phải phụ thuộcvào phân bón Nhu cầu các chất dinh dưỡng tăng liên tục với tốc độ tăngtrưởng dân số, đặc biệt là ở các nước đang phát triển [36] Với diện tích đấttrồng trọt 1,6 tỷ ha, và chỉcó thể bổ sung thêm 70 triệu ha vào năm 2050 đểsản xuất lương thực cho dân số có thể đạt 13,4 tỷ người vào năm 2050 thì đòi

hỏi một lượng dinh dưỡng rất lớn từ phân bón và phân bón tiếp tục đóng vaitrò quan trọng trong việc bảo đảm an ninh lương thực thế giới [12].

Đối với Việt Nam, trên 30 năm qua, phân bón đã góp phần quan trọngtrong sự phát triển của ngành nông nghiệp Việt Nam Từ một nước thiếulương thực, nước ta đã trở thành cường quốc xuất khẩu gạo và các nông sảnkhác như cà phê, hồ tiêu, chè [10]

2.2.2 Tác động của việc sử dụng phân bón tới môi trường, sinh thái và sức khoẻ

Dân số thế giới và nhu cầu về lương thực, thực phẩm của con ngườingày càng tăng dẫn đến việc sử dụng phân bón hóa học ngày càng lớn Tuynhiên, hiệu quả sử dụng phân bón của cây trồng hiện nay là rất thấp Trungbình có khoảng 50-60% phân đạm, lân, kali khi bón vào đất sẽ không đượccây trồng sử dụng mà thải ra ngoài môi trường Điều này làm tăng chi phí,giảm hiệu quả kinh tế và gây hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm môi trường đất,nước và không khí [13]

Sự ảnh hưởng của việc thất thoát phân bón đối với môi trường đã đượcnhiều nhà khoa học chỉ ra từ lâu Trong số phân bón chưa được cây trồng sửdụng, một phần còn lại ở trong đất, một phần bị rửa trôi theo nước mặt domưa, theo các công trình thuỷ lợi ra các ao, hồ, sông suối gây ô nhiễm nguồnnước mặt Một phần bị rửa trôi theo chiều dọc xuống tầng nước ngầm và mộtphần bị bay hơi do tác động của nhiệt độ hay quá trình phản nitrat hoá gây ônhiễm không khí Sự thất thoát nitơ ra ngoài không khí là nguyên nhân chínhlàm giàu lượng nitơ trong bầu khí quyển Tại nhiều khu vực trên thế giới, nitơ

và cả photpho xảy ra tình trạng tích tụ thành một lượng quá lớn cho phép gâyảnh hưởng lớn tới môi trường, sức khỏe và hệ sinh thái [14]

Khi lượng phân bón dư thừa đi vào nguồn nước mặt đã làm tăng nồng

độ chất dinh dưỡng trong nước và gây ra hiện tượng phú dưỡng và tảo nở hoagây hại Mặt khác, khi tảo và thực vật bậc thấp bị chết, xác của chúng bị phânhủy yếm khí, tạo nên các chất độc hại, có mùi hôi, gây ô nhiễm nguồn nước

Ở hầu hết các vùng canh tác, nitơ bị oxy hóa tạo thành nitrat dưới tácdụng của vi khuẩn hoạt động có thể bị thấm hoặc bị tách khỏi rễ đi vào nướcngầm, nước mặt Nồng độ nitrat trong nước cao (do phân đạm chứa nitrat)làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người, động vật Trong đường ruột, cácnitrat bị khử thành nitrit, các nitrit được tạo ra được hấp thụ vào máu kết hợpvới hemoglobin làm khả năng chuyên chở oxy của máu bị giảm Nitrit còn lànguyên nhân gây ung thư dạ dày và nhiều căn bệnh khác như bướu cổ, dị tậtbẩm sinh, bệnh tim mạch [14].

Trong quá trình sử dụng phân bón nitơ, sự bay hơi của amoniac làtương đối lớn, đặc biệt là khi sử dụng chúng trong môi trường đất có tínhkiềm Sự giải phóng amoniac khi sử dụng phân bón có thể dẫn tới quá trìnhtích tụ chúng trong hệ sinh thái, là nguyên nhân gây ra sự phá hủy hệ thựcvật Một lượng NH3 có thể bị oxi hóa và được chuyển hóa thành axit, kết hợpvới axit sunfuric (từ nguồn khí thải công nghiệp) tạo thành mưa axit Mưaaxit là nguyên nhân phá hủy mùa màng hoặc axit hóa các hồ chứa nước, gây

ra tình trạng ngộ độc nhôm trong cá và thực vật [14]

Hiện nay, sự biến đổi khí hậu, thời tiết khắc nhiệt cũng là nguyên nhânchủ yếu gây thất thoát phân bón Ngoài việc phân bón bị mất mát do nướcmưa dư chảy tràn thì hiện tượng lũ lụt, làm xói mòn đất, phá vỡ cấu trúc củađất làm tăng nhanh lượng phân bón bị rửa trôi Sự nóng dần lên của trái đất

đã làm tăng tốc độ hoà tan của phân bón trong nước, tăng sự bay hơi amoniac[14]

Một số nguồn nguyên liệu sản xuất phân hoá học chứa các loại kim loạinặng, các kim loại này được cây trồng hấp thụ và tích lũy trong sản phẩm.Người và gia súc dùng sản phẩm chứa các kim loại này lâu ngày sẽ bị nhiễmđộc, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ Ví dụ: các nguyên tố như Cd, Cr, Pb,

Ur hay Ra có chứa trong phân lân có thể tích tụ trong đất trong thời gian dài

và gây hậu quả nghiêm trọng [14]

Trong sản xuất nông nghiệp, ở các nước đang phát triển nông dânthường lạm dụng phân bón, có nơi người nông dân bón phân gấp 2-3 lần sovới nhu cầu đã làm thất thoát lượng lớn phân bón, gây mất cân bằng sinh thái,

ô nhiễm môi trường, đặc biệt là nguồn nước ngầm, gây mưa axit, góp phầnlàm tăng hiệu ứng nhà kính, làm giảm độ phì nhiêu đất, tích luỹ dư lượngtrong nông sản [11]

Việc thất thoát phân bón vào môi trường đất đã ảnh hưởng đến các tínhchất lí hoá học và sinh học của đất, phá vỡ cấu trúc của đất, giảm tỉ lệ thôngkhí trong đất Ví dụkhi thất thoát (NH4)2SO4 sẽ làm dư thừa ion SO42- làm đất

bị chua, pH của đất giảm, một số vi sinh vật bị chết, tăng hàm lượng các ionkim loại hoà tan của Al, Mn, Fe gây ô nhiễm đất và độc hại với cây trồng.Khi phân bón vi lượng thất thoát sẽ làm tăng hàm lượng kim loại nặngnhưCu, Zn, Mn trong đất làm cho thực vật sinh trưởng trên đất bị ô nhiễmkim loại nặng sẽ tích lũy kim loại nặng trong cơ thể và theo chuỗi thức ăn đivào cơ thểcon người và động vật Ngoài ra, khi sử dụng phân bón không đúng

sẽ làm tăng dịch bệnh, dẫn tới phải sử dụng nhiều thuốc bảo vệ thực vật gây ônhiễm môi trường [14]

Theo FAV, nhu cầu phân bón hóa học cho sản xuất nông nghiệp ở ViệtNam năm 2014 khoảng 11 triệu tấn phân bón các loại, nếu hiệu suất sử dụngcác loại phân bón trung bình khoảng 45-50%, thì mỗi năm ngành nông nghiệp

đã lãng phí khoảng 40-44 nghìn tỷ đồng Việc thất thoát phân bón là nguyênnhân chính làm tăng chi phí đầu vào cho sản xuất nông nghiệp Ở Việt nam,ước tính chi phí cho phân bón và thuốc bảo vệ thực vật chiếm khoảng 50%giá thành sản xuất lúa hiện nay [15]

2.3 Phân bón nhả chậm có tính năng giữ ẩm

2.3.1 Phản ứng của chất giữ ẩm (AMS-1) đối với muối và phân bón cho đất

Việc đưa polyme siêu hấp thụ nước vào đất còn làm tăng hiệu quả sửdụng phân bón do các ion trong thành phần phân bón có thể khuếch tán vào các

lỗ xốp của mạng lưới polymer hoặc liên kết với các nhóm –COO của axit acrylic

(nhờ các liên kết phối trí, lực hút tĩnh điện ) và cung cấp dần cho cây trồng,nhờ đó phân bón không bị rửa trôi nên không gây ô nhiễm môi trường nước.

Phân bón thường được ứng dụng cùng với chất giữ ẩm Tuy nhiên, khảnăng giữ nước thường giảm khi đưa thêm các chất dinh dưỡng vào nước và vàodung dịch phân bón Trong các điều kiện phòng thí nghiệm, khả năng giữ nướccủa chất giữ ẩm được quyết định nhờ sử dụng nước để ion hoá Các dung dịchphân bón chứa kali và amoni (cation hoá trị 1) làm giảm tới 75% khả năng hấpthụ nước của các hydrogel; Canxi, magie làm giảm tới 90% khả năng hấp thụnước của hydrogel

Trong một số trường hợp, một loại phân bón có thể được giữ lại trongnền hydrogel-đất, nhưng với một số loại khác lại không giữ lại được Đối vớicây cà chua, amoni (NH4+) được giữ lại ở các mức cao hơn so với mẫu đốichứng không có hydrogel, nhưng khi nitrat (NO3-) được đưa vào hydrogel thìlượng bị rửa trôi là như nhau đối với hầu hết các phương pháp xử lý Cácphản ứng khác nhau đối với 2 công thức của nitơ có thể là do sự khác nhau vềđiện tích ion và do đó tạo nên sự khác biệt về khả năng tan Henderson vàHensley cũng đã nhận được các kết quả tương tự với các kiểu nitơ bị rửa trôi.Magalhaes và một số cộng sự đã nhận thấy rằng các polyme cũng giữ lại nồng

độ cation cao hơn khi chúng bị đề hydrat hoàn toàn và sau đó lại được hydratehoá lại, do đó chúng có thể giữ được ít nước hơn so với trước khi đề hydrat

Foster và Keever đã nhấn mạnh rằng việc lựa chọn loại chất giữ ẩm là hếtsức quan trọng Trong các môi trường muối thì khả năng hấp thụ nước của cáchydrogel giảm đáng kể và trong một số trường hợp làm giảm khả năng giữ nướccủa hydrogel tới mức mà nước không thể hút được từ hydrogel Mặc dù lợi íchlớn hơn khi sử dụng hydrogel tổng hợp nhưng rất nhiều nỗ lực vẫn đang đượctiến hành đối với polysaccharit bởi vì chúng có tính an toàn về mặt lâu dài hơn

so với các polyme tổng hợp Gardiner và cộng sự đã có một số thử nghiệm đối

với các polyme tự nhiên có trong quả lê gai và thấy rằng khi polysaccharit được

sử dụng cho kết quả tương tự như hydrogel tổng hợp

2.3.2 Hấp thu và nhả chất dinh dưỡng

Nước không còn là yếu tố giới hạn với nền đất khi bổ sung chất giữ ẩm

Do đó, khi đưa chất giữ ẩm vào thì chất dinh dưỡng lại trở thành yếu tố giớihạn cho sự tăng trưởng của cây Tuy nhiên, chất giữ ẩm có khả năng tăngcường sự phát triển của cây khi các chất dinh dưỡng được hấp thụ trong chấtgiữ ẩm và sau đó nhả cho cây khi cần thiết Mc.Grady và Cotter đưa phosphovào chất giữ ẩm và nhận thấy làm tăng sự phát triển của cây ớt cay Finch-Savage và Cox đã đưa natri phosphat vào chất giữ ẩm và nhận thấy làm tăngđáng kể sự phát triển của cây hành và cây rau diếp Kích thước tăng chủ yếu

là do sự dồi dào chất dinh dưỡng chứ không phải nước Myer và Mitchellnhận thấy rằng đậu tương có thể phát triển trong nền chất giữ ẩm mặc dùcanxi hoá trị hai đã làm giảm lượng nước giữ được của chất giữ ẩm tới 50%,nhưng cần phải có nhiều hơn lượng canxi cho cây trồng sử dụng so với cáccây trồng trong nền vermiculite Đo lượng rửa trôi từ hydrogel được kết hợpvào môi trường không đất thấy rằng nó có dung lượng trao đổi cation thấp,điều này chứng tỏ rằng hydrogel giữ được hầu hết chất dinh dưỡng và muốiđưa vào nền Khi bổ sung chất giữ ẩm vào đất thì cây thuỷ lạp (Trung Quốc)

có thể sống lâu hơn mà không phải tưới và tăng lượng N, K có trong mô tếbào cây Tuy nhiên, lượng magiê, canxi, sắt (các cation hoá trị 2) trong câythuỷ lạp không nhiều bằng trong môi trường không bổ sung chất giữ ẩm Sựthiếu các cation hoá trị 2 trong mô tế bào chứng tỏ chúng đang được giữ bởihydrogel và cây không thể sử dụng được

Trong các điều kiện nhất định, việc bổ sung chất giữ ẩm ít có ảnhhưởng đối với cây trồng, đặc biệt khi nồng độ chất dinh dưỡng và muối cómặt trong đất cao Swietlik đã đưa ra kết luận rằng các loại chất giữ ẩm khôngđem lại lợi ích khi trồng bưởi do lượng nước sẵn có tăng rất ít bởi nồng độ

cation trong đất Lamont và O’Connell đã nhấn mạnh rằng việc đưa chất giữ

ẩm vào các cây trồng luống có khả năng giữ nước thấp hơn bởi vì có phânbón và do đó không làm tăng khả năng sống của chúng

Trong một số trường hợp, chất giữ ẩm có thể được sử dụng với vai trò

là tác nhân nhả chất dinh dưỡng trong đất Mikkelsen đã chỉ ra rằng mặc dùcác polyme giữ chặt chất dinh dưỡng nhưng cây trồng vẫn có thể hút được vàcác hydrogel hoạt động theo cơ chế nhả chậm Ở Nam Mĩ thường không có

đủ mangan trong đất, Mikkelsen đã ứng dụng 4 công thức mangan cho đấttrồng đậu tương để xác định ảnh hưởng khi đưa một loại chất giữ ẩm vào đất.Tất cả các cây đều tăng hàm lượng mangan trong sinh khối trừ những nơikhông đưa mangan hay chất giữ ẩm vào Polyakova đã đưa các hydrogel vàotrong một vùng đất ở Nga với tỉ lệ 100, 150 và 200kg/ha và đã làm tăng sảnlượng từ 27 đến 140% so với đối chứng Tác giả đã chỉ ra rằng việc đưa cáchydrogel vào làm tăng lượng nitrat và tăng sự khử nitơ trong đất Chatzoudis

và Rigas đã bổ sung chất giữ ẩm vào trong môi trường để xác định ảnh hưởngtới sự rửa trôi kali Tổng lượng kali bị rửa trôi lớn hơn ở mẫu được xử lý vàđiều này là do tổng lượng nước tăng do đó tăng khả năng phân tán kali trongdung dịch và rửa trôi từ các mẫu Abraham và Pillai đã nhận thấy rằng ureabọc cùng với chất giữ ẩm làm giảm đáng kể lượng amoni rửa trôi từ cấu trúcđất, trái với các đáp ứng mà một số tác giả quan sát được đối với dung dịchrửa trôi nitrat

2.3.3 Thời gian tồn tại trong đất

Một mối quan tâm chính xung quanh vấn đề ứng dụng chất giữ ẩm đó làthời gian chúng tồn tại trong đất là bao lâu Scow và Alexander đã xác định rằngtốc độ phân huỷ sinh học hoàn toàn của các phân tử hữu cơ ưa nước thay đổitheo kích thước đoàn lạp đất và tổng nồng độ các phân tử hữu cơ Các tác giảcũng xác định rằng tốc độ phân huỷ sinh học giảm cùng với sự giảm oxy trongđất do giảm sự trao đổi chất của các vi khuẩn đất Ohkawa và cộng sự đã chỉ ra