Vai trò của phân bón với cây trồng

Vai trò của phân bón với cây trồngPhân bòn là những chất hoặc hợp chất có chứa một hay nhiều chất dinhdưỡng thiết yếu đối với cây trồng, giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt,cho

CHƯƠNG I TỔNG QUAN I.1 Vai trò của phân bón với cây trồng

Phân bòn là những chất hoặc hợp chất có chứa một hay nhiều chất dinhdưỡng thiết yếu đối với cây trồng, giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt,cho năng suất cao và chất lượng cao… Có thể hiểu đơn giản phân bón là “thứcăn” do con người bổ sung cho cây trồng Phân bón đã góp phần đáng kể làmtăng năng suất cây trồng, chất lượng nông sản Theo đánh giá của Viện Dinhdưỡng Cây trồng Quốc tế (IPNI), phân bón đóng góp khoảng 30-35% tổng sảnlượng cây trồng Tuy nhiên nếu không được sử dụng đúng theo quy định, phânbón lại chính là một trong những tác nhân gây nên sự ô nhiễm môi trường sảnxuất nông nghiệp và môi trường sống

của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn từ năm 2000 đến 2007 của phân

Phân bón hóa học gồm có 3 loại là: phân đạm, phân lân và phân kali

I.2.1 Phân đạm

tăng tỉ lệ của protein thực vật Có phân đạm, cây trồng sẽ phát triển nhanh, chonhiều hạt, củ hoặc quả

Độ dinh dưỡng của phân đạm bằng hàm lượng % N trong phân

Một số loại phân đạm thường dùng: NH4Cl, NH4NO3 (đạm 2 lá),

Hiện nay ở nước ta urê được sản xuất tại nhà máy phân đạm Bắc Giang vànhà máy phân đạm Phú Mỹ

I.2.2 Phân lân

Phân lân cung cấp cho cây trồng nguyên tố photpho ở dạng ion photphat.Phân lân cần thiết cho cây ở thời kì sinh trưởng do thúc đẩy các quá trình sinhhóa, trao đổi chất và năng lượng của thực vật Phân lân có tác dụng làm cho cành

lá khỏe, hạt chắc, quả hoặc củ to

ứng với lượng photpho có trong thành phần của phân đó

Nguyên liệu để sản xuất phân lân thường là quặng apatit, photphorit

Một số loại phân lân thường gặp:

b Phân lân nung chảy

Thành phần chính của phân lân nung chảy là hỗn hợp photphat và silicat

nên cũng chỉ thích hợp cho loại đất chua

Ở nước ta, phân lân nung chảy được sản xuất ở Văn Điển (Hà Nội) và một

số địa phương khác

I.2.3 Phân kali

kali giúp cho cây hấp thụ được nhiều đạm hơn, cần cho việc tạo ra chất đường,chất bột, chất xơ và chất dầu, tăng cường sức chống bệnh, chống rét và chịu hạn

Độ dinh dưỡng của phân kali được đánh giá bằng hàm lượng % K2Otương ứng với lượng kali có trong phân đó.

I.2.4 Một số loại phân bón hóa học

Là loại phân bón có khả năng “nhả” dần các chất dinh dưỡng phù hợp với

sự hấp thụ của cây trồng và ít gây ảnh hưởng với môi trường Trong đó, phânbón nhả chậm SRF (là loại phân bón không có vỏ bọc có tính tan trong nước giớihạn) và phân bón nhả chậm có kiểm soát (CRF) được nhiều quan tâm

I.3 Ảnh hưởng của phân bón tồn dư đối với môi trường

lá….cây sẽ hấp thụ hết để nuôi cây lớn lên từng ngày mà có một lượng lớn phânbón cây trồng chưa sử dụng được Cụ thể, theo thống kê:

Phân đạm : 55 – 70% ( 1,77 triệu tấn ure)

Phân lân : 55 – 60% (2,07 triệu tấn supe lân)

Phân kali : 50 – 60% (344 nghìn tấn kali clorua)

Yếu tố này còn ùy thuộc theo chất đất, giống cây trồng, thời vụ, phương pháp bón, loại phân bón…

Lượng phân bón vô cơ chưa sử dụng hết sẽ đi về đâu?

trong các keo đất là nguồn dinh dưỡng dự trữ cho vụ sau; một phần bị rửa trôitheo nước mặt và chảy vào các ao, hồ, sông suối gây ô nhiễm nguồn nước mặt;một phần bị trực di (thấm rút theo chiều dọc) xuống tầng nước ngầm và mộtphần bị bay hơi do tác động của nhiệt độ hay quá trình phản nitrat hóa gây ô

rộng và lâu dài của phân bón là việc xảy ra hàng ngày, hàng giờ của vùng sảnxuất nông nghiệp

I.3.1 Ảnh hưởng với môi trường nước

Phân bón đi vào nguồn nước mặt gây ảnh hưởng xấu như: Gây phì hóanước và tăng nồng độ nitrat trong nước.

Phân bón bị rửa trôi theo chiều dọc xuống tầng nước ngầm chủ yếu làphân đạm vì các loại phân lân và kali dễ dàng được giữ lại trong keo đất Ngoài

thạch cao, hợp chất lưu huỳnh, Nếu như phân đạm làm tăng nồng độ nitrat

nguồn nước Nồng độ Nitrat trong nước cao (do phân đạm chứa Nitrat) làm ảnhhưởng đến sức khỏe con người, đặc biệt đối với trẻ em dưới 4 tháng tuổi Trongđường ruột, các Nitrat bị khử thành Nitrit, các Nitrit được tạo ra được hấp thụvào máu kết hợp với hemoglobin làm khả năng chuyên chở oxy của máu bịgiảm Nitrit còn là nguyên nhân gây ung thư tiềm tàng

I.3.2 Ảnh hưởng đến môi trường không khí

Phân bón trong quá trình bảo quản hoặc bón vãi trên bề mặt gây ô nhiễm

bón lên đến 15%) và gây ra mưa axit Mức độ gây ô nhiễm không khí trườnghợp này nhỏ, hẹp không đáng kể so với mức độ gây ô nhiễm của các nhà máysản xuất phân đạm nếu như không xử lý triệt để

I.3.3 Ảnh hưởng đến môi trường đất

Trong nguyên liệu sản xuất phân lân có chứa 3% flo Khoảng 50 – 60%lượng flo này nằm lại trong môi trường đất và sẽ làm ô nhiễm đất khi hàm lượngcủa nó đạt 10 mg/kg đất

Flo gây độc hại cho người và gia súc, kìm hãm hoạt động của một sốenzim, ngăn cản quá trình quang hợp và tổng hợp protein ở thực vật Bón nhiềuphân vi lượng sẽ tích lũy trong đất nhiều kim loại nặng như Cu, Zn, Mn, …nếubón nhiều phân lân làm đất tích nhiều Cd,… Bón nhiều phân vô cơ làm tăngnồng độ các chất trong dung dịch đất, nếu nồng độ tăng quá cao sẽ làm cây bịchết, nhất là trong thời kỳ khô hạn.Các loại phân bón hoạt tính chua sẽ làm chuađất, nghèo kiệt các ion bazơ và xuất hiện nhiều độc tố đối với cây trồng như

I.4 Ảnh hưởng của phân bón tồn dư đối với sinh vật và con

người I.4.1 Ảnh hưởng với thực vật

Tồn dư chất độc hại trong nông sản: Một số thành phần có hại trong phânbón hoặc được tạo ra khi cây trồng hút và đồng hoá dinh dưỡng trong phân bón

thời kỳ muộn cho rau quả sẽ làm tăng hàm lượng NO3-trong rau gây hội

chứng trẻ xanh và ung thư dạ dày

I.4.2 Ảnh hưởng với con người

Nồng độ Nitrat trong nước cao (do phân đạm chứa Nitrat) làm ảnh hưởngđến sức khỏe con người, đặc biệt đối với trẻ em dưới 4 tháng tuổi Trong đườngruột, các Nitrat bị khử thành Nitrit, các Nitrit được tạo ra được hấp thụ vào máukết hợp với hemoglobin làm khả năng chuyên chở oxy của máu bị giảm Nitritcòn là nguyên nhân gây ung thư tiềm tàng

I.5 Canxiphotphat

Canxi photphat được biết đên bởi những ứng dụng của chúng trong lĩnhvực y sinh: được dùng làm xương và răng nhân tạo hoặc làm chất vận chuyểnthuốc Gần đây, vật liệu này được chú ý đến nhiều hơn với vai trò như là chấthấp phụ bởi nó sở hữu những tính chất quan trọng: tính chất trao đổi ion, tínhhấp phụ, có khả năng liên kết với phân tử chất hữu cơ, ít tan trong nước, độ bềncao trong môi trường khử và oxi hóa, sẵn có và giá thành thấp Đặc biệt,

học và hóa học, còn thể hiện cả tính chất hấp phụ và hấp thụ, là những đặc tínhquan trọng cho những quá trình diễn ra ngoài môi trường và rất nhiều mục đíchkinh tế bao gồm sản xuất phân bón, lọc nước, giảm thiểu những chất gây ônhiễm và chế tạo gốm tương thích sinh học Prôtêin, amino axit và các chất hữu

cơ khác có thể dễ dàng bị hấp phụ lên trên bề mặt HAp, như vậy có thể thíchhợp cho sự hấp phụ vi khuẩn trên HAp [1, 2] Tuy nhiên, điều chế tinh thế nanoHAp là không dễ dàng vì chúng có khuynh hướng tích tụ lại thành những hạtlớn

Hạt nano HAp chứa những ion phốtphat trong cấu trúc và ít tan, đượcđánh giá là một trong những “ứng cử viên” tiềm năng trong ứng dụng nôngnghiệp Tuy nhiên hầu hết những bài viết gần đây về HAp đều tập trung đề cậpđến tính ứng dụng y sinh của HAp dựa trên khả năng tương thích sinh học vàkhả năng hoạt động sinh học tuyệt vời của chất này, trong khi những tiềm năngứng dụng nông nghiệp của nó chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ Tính íttan của HAp có lợi cho sự nhả chậm của ion phốtpho Việc dùng apatit nhân tạo( tổng hợp) như là nguồn phân bón cung cấp phốt pho đã được thông báo bởimột số nghiên cứu gần đây[4] Một số nhóm nghiên cứu đã dựa vào các phươngpháp khác nhau để điều chế hạt nano HAp, ví dụ như kết tủa hóa học ướt [5],phương pháp thủy nhiệt [6], phương pháp sol-gel [7, 8] và quá trình phun nhiệt

phân [9] Hình thái học và mức độ tinh thể của hạt nano phụ thuộc nhiều vàophương pháp chế tạo và điều kiện thí nghiệm Kết tủa hóa học ướt là phươngpháp đơn giản nhất để điều chế hạt nano HAp với hiệu suất cao.

CHƯƠNG II GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Từ những vấn đề về phân bón hóa học, về ô nhiễm môi trường do lượngphân bón tồn dư cây trồng không sử dụng cũng như ô nhiễm ở các cơ sở sảnxuất phân bón hóa học, một câu hỏi em đặt ra là:

Có phương pháp hóa học nào có thể giải quyết đồng thời hai bài toán môi trường trên: hạn chế lượng phân bón tồn dư ra môi trường và giảm ô nhiễm môi trường trong quá trình sản xuất phân bón?

Từ những thông tin tìm hiểu được như đã trình bày ở phần tổng quan, emthấy rằng ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới, một số loại phân bón nhảchậm đã được thử nghiệm và phát triển

Xuất phát từ những bài học phổ thông, từ những quan sát trong đời sốnghàng ngày cũng như qua tìm hiểu sách Dưới sự hướng dẫn của cô Đào Thị

Luyến và TS Nguyễn Thị Thu Hà, em đề xuất ý tưởng:

Tổng hợp nano hyđroxy apatit và ứng dụng trong phân bón vô cơ nhả chậm

Trong bối cảnh này, em tiến hành nghiên cứu phân bón nhả chậm thành phần dựa trên thành phần của phân bón N, P, K được mang trên hạt nano

hydroxyapatite (HAp) Sau đó tiến hành thử nghiệm trên các cây rau xà lách, mồng tơi và cây hoa đồng tiền, để kiểm tra hiệu quả phân đem lại

Mục tiêu hướng tới của em là:

Nghiên cứu các điều kiện tổng hợp, kiểm soát sự nhả chậm, và các đặctính giữ nước của NPK-HAp Nghiên cứu này đã làm nổi bật một sự phát triểnmới trong các ứng dụng của HAp, đó là sử dụng HAp như là một nguồn cungcấp phốt pho của phân bón NPK nhả chậm và giữ nước trong đất Cho đến nay,chưa có nghiên cứu nào công bố về việc sử dụng HAp như là một hợp phần củaphân bón nhả chậm NPK

Với kết quả mong đợi: chế tạo thành công phân bón nhả chậm chứa

các hạt nano HAp: Tối ưu quá trình phát triển của cây trồng, góp phần tăng

năng suất cây trồng: Các chất dinh dưỡng được cung cấp một cách chính xáctheo từng loại cây và nhu cầu dinh dưỡng của cây ở từng giai đoạn phát triển,giúp cây trồng phát triển tối ưu nhất; Giảm đến mức tối thiểu lượng phân bón bịmất mát do sự xói mòn đất, sự bay hơi hay do sự kết dính chặt vào trong đất

Công trình khoa học của em là tổng hợp nano hydroxyl apatit và nghiêncứu khả năng ứng dụng nó trong phân bón vô cơ nhả chậm với hai chức năng:làm chất mang giữ và nhả chậm N, K; là một thành phần cung cấp P trong phân

bón nhả chậm Tổ hợp phân bón nano này còn một ưu điểm nữa là thích hợp chonhững vùng đất chua vì khi HAp tan ra sẽ cung cấp vôi trung hòa độ chua trongđất Ngoài ra, trong tổng hợp nano HAp em còn thay thế một phần Ca bằng Fehoặc Mg là những nguyên tố vi lượng mà cây cũng cần Khi tổ hợp phân bón tan

ra cung cấp P thì cũng đồng thời cung cấp Mg và Fe cho đất và đồng thời tránhđược việc tích tụ Ca trong đất Thêm nữa, để giạ há thành của HAp, em đã tổnghợp HAp lấy nguồn Ca là vỏ trứng và đã tổng hợp thành công

CHƯƠNG III NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

III.1 Nội dung nghiên cứu

Giai đoạn 1: Tổng hợp HAp

Giai đoạn 2: Tổng hợp phân bón nhả chậm trên cơ sở HAp

- Tổng hợp HAp – NPK (ký hiệu : NPK/nano HA)

- Tổng hợp HAp-CTS-NPK (ký hiệu: HAp-CTS/NPK)

- Tổng hợp HAp-Ure (ký hiệu: HAp/Ure)

- Tổng hợp HAp-CTS-Ure (ký hiệu: HAp-CTS/Ure)

Giai đoạn 3: Các thực nghiệm khảo sát tính chất của phân bón nhả chậm

- Xác định HAp như một chất “mang” NPK và nhả chậm NPK “

- Xác định sự nhả chậm của N, P và K của các mẫu phân bón

- Xác định Nhả chậm của NPK –nano HAp trong đất

- Xác định khả năng hấp thu nước của vật liệu

- Xác định HAp như một thành phần cung cấp P của phân bón nhả chậm

Quốc

Quốc

Quốc

7 Dung dịch NH4OH Công nghiệp, Việt Nam

- Máy khuấy cơ

- Thiết bị đo phổ FTIR

- Thiết bị đo quang AAS

- Thiết bị đo SEM, TEM

- Thiết bị đo EDX

- Thiết bị đo XRD

- Máy quang phổ UV-vis

- Thiết bị đo diện tích bề mặt riêng Tri Start 3000 (Micromeritics)

III.3 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp đặc trưng vật liệu: XRD, IR, SEM-EDX, TEM

- XRD (X ray diffraction): xác định độ tinh thể và kích thước hạt tinh thể

liên kết, các nhóm chức đặc trưng cho cấu trúc tinh thể

-SEM-EDS (Scanning electron microscopy/energy dispersive X-ray

spectroscopy hiển vi điện tử quét-phổ tán sắc năng lượng): xác định hình tháihọc bề mặt và thành phần các nguyên tố hóa học trong mẫu

CHƯƠNG IV THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ IV.1 Tổng hợp HAp

IV.1.1 Tổng hợp hidroxyapatite ( HAp ) sử dụng Caxi từ vỏ trứng gà

Hàm lượng canxi được xác định nhờ phương pháp chuẩn độ complexon

a Thực nghiệm

Bước 1: 2-3 vỏ quả trứng bóc bỏ màng dính với vỏ (không để lại một tý nào).

Sau đó đem sấy khô và nghiền nhỏ

Bước 2: Chuẩn bị EDTA 0,01 M

(M=372,24) cho vào lọ nhựa khuấy, lắc mạnh, rồi định mức vào bình 500 mL

Bước 3: Chuẩn bị CaCl2 0,01 M để chuẩn hóa lại EDTA 0,01 M

Cách chuẩn: hút 25,00 mL Ca2+ 0,01 M cho vào bình eclen 250 mL ( chú ý kiểm trapH: nếu môi trường axit thì dùng NaOH chỉnh pH=7) Sau đó, thêm tiếp 10 mLdung dịch đệm NH3-NH4Cl (8,5 M) chỉnh pH=10, thêm tiếp 20,00 mL nước cất vànhỏ 2-3 giọt EriocromdenT Chuẩn độ bằng EDTA, dung dịch trong bình từ đỏ mậnchuyển tím sau đó chuyển xanh Khi gần tới điểm tương đương chú ý nhỏ chậmcuối điểm chuẩn độ, quan sát màu tím vừa mất thì ngừng chuẩn độ

Để quan sát rõ màu xanh: lấy 20,00 mL nước , 10,00 mL dung dịch đệm

Bước 4: Chuẩn độ xác định hàm lượng canxi trong vỏ trứng

Cân 0,2 gam vỏ trứng đã nghiền nhỏ ở trên hòa tan trong 20,00 mLHCl 2 M Để một thời gian đem lọc bỏ phần không tan

Phần dung dịch chuyển vào bình 250 mL và định mức tới vạch Hút25,00 mL ra và cho vào bình nón 250 mL chỉnh pH=7 ( bằng NaOH nếu cần),

Eriocromden T Cuối cùng, chuẩn độ bằng EDTA Lặp lại 3 lần

2-Tính toán: mmol Ca2+ = mmol EDTA= mmol Ca2+ trong 25,00 mL

Vậy mmol Ca2+ trong 250 mL =

Trong 0,2 gam vỏ trứng có 1,734.10-3 mol Ca2+/ 250 mL

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample vo trung ga

IV.1.2 Điều chế bột nano HAp bằng phương pháp kết tủa hóa học ướt

Bột HAp được điều chế bởi phương pháp kết tủa hóa học ướt HAp được điều từcác tiền chất khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của bản chất hóa học đến kíchthước và hình dạng của hạt HAp

IV.1.2.1 Tổng hợp nano HAp từ dung dịch Ca(OH) 2 và H 3 PO 4

mạnh

Huyền phù màu trắng sữa hình thành trong quá trình tổng hợp được lọc, rửa

HAp thu được kí hiệu là HAp (1)

IV.1.2.2 Tổng hợp nano HAp từ Ca(NO 3 ) 2 6H 2 O và (NH 4 ) 2 HPO 4 dựa trên phản ứng hóa học sau:

- Dung dịch phốtphat được nhỏ từng giọt vào dung dịch canxi ở nhiệt độ phòng.Tiếp tục khuấy trong 16h ở nhiệt độ phòng Hỗn hợp sau phản ứng được làm

24h Bột HAp tổng hợp theo cách này được kí hiệu là HAp (2)

IV.1.3 Điều chế bột nano HAp pha tạp Fe

a Chuẩn bị

Lấy tỉ lệ (Ca+Fe)/ P = 1,67 tương ứng số mol Ca là 0,113 mol và số mol Fe là

125 mL FeCl2.4H2O (0,0557 mol) tương ứng với 11,074 gam và

Kết quả: thu được 17,292 gam sản phẩm

Phổ XRD thu được như sau:

Sản phẩmthu đượcnghiềnnhỏ, mịn

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample HAp-Fe

File: Ha SP mau HAp-Fe.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 13 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi: 0.00

01-086-1203 (C) - Hydroxylapatite, syn - Ca9.04(PO4)6(OH)1.68 - Y: 78.39 % - d x by: 1 - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 9.42600 - b 9.42600 - c 6.86500 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primit

Hình 3: Phổ XRD của HAp - Fe

IV.1.4 Điều chế bột nano HAp pha tạp Mg

a Chuẩn bị

Lấy theo tỉ lệ (Ca+Mg)/P = 1,67 tương ứng số mol Ca là 0,113 mol và số mol

Mg là 0,0557 mol

b Quy trình tổng hợp

(NH4)2HPO4 Mg(NO3)2.6H2O/

Lắp hệ thống khuấy nhỏ từ từ Avào B trong 150-200 phút (tốc độ

Kết quả thu được 12,828 gam sản phẩm

Phổ XRD thu được như sau:

File: Ha SP mau HAp-Mg.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 13 s - 2-Theta: 10.000 ° - Theta: 5.000 ° - Chi: 0.00

000030713 (D) Whitlockite Ca3(PO4)2 Y: 58.09 % d x by: 1 WL: 1.5406

-Hình 4: Phổ XRD của HAp - Mg

IV.1.5 Tổng hợp hydroxyapatit (HAp) vào các hạt nano chitosan

a Chuẩn bị

- Chitosan (CTS)

(247,5 mL nước cất với 2,5 mL axit axetic 1 % khuấy từ cho tới khi hòatan chitosan)

- Pha dung dịch H3PO4 từ H3PO4 85% thành 250 mL (dung dịch A)

dịch B)

b Quy trình tiến hành

Dung dịch A(250 mL)

Dung dịch B

(250 mL)

Lắp hệ thống khuấy nhỏ từ từ

A vào B trong 150-200 phút(tốc độ 3mL/ phút) Dùng