Tài liệu Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của phân bón nhả chậm

Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HÓA HỌC -------------------- MAI THỊ LOAN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA PHÂN BÓN URE NHẢ CHẬM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hóa công nghệ môi trƣờng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS. NGUYỄN THANH TÙNG HÀ NỘI – 2012 Mai Thị Loan 1 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Khóa luận này đƣợc hoàn thành tại phòng vật liệu polyme - Viện Hóa học – Viện KH&CN Việt Nam. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn: TS. Nguyễn Thanh Tùng và ThS. Lê Cao Khải đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này. Em xin trân trọng cảm ơn tập thể khoa học phòng Công nghệ vật liệu polyme – Viện Hóa học - Viện KH&CN Việt Nam và các thầy cô trong khoa Hóa học trƣờng ĐHSP Hà Nội 2 đã tạo mọi điều kiện để em hoàn thành khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2012 Sinh viên Mai Thị Loan Mai Thị Loan 2 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Mai Thị Loan AAm : acrylamit ASC : axit ascobic APS : amoni pesunfat CDU : Ure-crotonaldehit CRFs : Phân bón nhả có kiểm soát IBDU : Ure-isobutyraldehit MBA : N,N’ - metylenbisacrylamit PAM : Polyacrylamit PSCU : Phân ure bọc bằng lƣu huỳnh và polyme PVAc : Polyvinylaxetat SCU : Lƣu huỳnh bọc ure UF : Ure formandehit 3 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ....................................................................... 3 1.1. Giới thiệu chung về vai trò của phân bón, tình hình sản xuất và sử dụng phân bón ............................................................................................ 3 1.1.1.Vai trò của phân bón .......................................................................... 3 1.1.1.1.Vai trò của phân chứa nitơ ............................................................. 3 1.1.1.2.Vai trò của phân chứa photpho....................................................... 4 1.1.1.3.Vai trò của phân kali ....................................................................... 4 1.1.2.Tình hình sản xuất và sử dụng phân bón trên thế giới ...................... 5 1.1.3. Thực trạng về việc sử dụng phân bón ở nước ta............................... 6 1.1.4. Những vấn đề thách thức khi sử dụng phân bón truyền thống ........ 7 1.2. Tổng quan về phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát ....... 9 1.2.1. Định nghĩa về phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát .. 9 1.2.2. Tình hình nghiên cứu phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát .11 1.2.2.1. Trên thế giới .................................................................................. 11 1.2.2.2. Trong nước .................................................................................... 13 1.2.3.Ưu, nhược điểm của phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát.....14 1.2.3.1. Ưu điểm .......................................................................................... 14 1.2.3.2. Nhược điểm .................................................................................... 15 1.2.4. Các loại phân nhả chậm .................................................................. 16 1.2.4.1. Phân ngưng tụ ure và andehit (metylen ure) ................................ 16 1.2.4.2. Phân bọc nhả chậm ........................................................................ 18 1.2.5. Các phương pháp sản xuất phân bón nhả chậm và nhả có kiểm soát ........................................................................................................... 20 1.3. Phân bón nhả chậm siêu hấp thụ nƣớc và giữ ẩm ................................ 21 CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM .................................................................. 26 Mai Thị Loan 4 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp 2.1. Hoá chất, dụng cụ, thiết bị nghiên cứu ................................................ 26 2.1.1. Hoá chất, dụng cụ ............................................................................. 26 2.1.2. Thiết bị nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng ............................................... 26 2.2. Phƣơng pháp thực nghiệm và nội dung nghiên cứu ............................ 27 2.2.1. Phương pháp thực nghiệm ................................................................ 27 2.2.1.1. Tổng hợp phân ure nhả chậm trên cơ sở polyacrylamit tạo lưới bằng MBA ............................................................................................................. 27 2.2.1.2. Đo tỷ lệ trương của các polyme ..................................................... 27 2.2.1.3. Nghiên cứu quá trình nhả ure của sản phẩm trong môi trường nước ..................................................................................................................... 27 2.2.1.4. Nghiên cứu quá trình nhả ure của sản phẩm trong đất ................. 28 2.2.2. Nội dung nghiên cứu ......................................................................... 28 2.2.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo lưới MBA ............................. 28 2.2.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào APS ............................ 28 2.2.2.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ ure/AAm ....................................................... 28 2.2.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới khả năng nhả ure của sản phẩm trong đất. ..28 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 29 3.1. Tổng hợp phân ure nhả chậm - hấp thụ nƣớc ...................................... 29 3.1.1. Ảnh hưởng của hàm lượng chất tạo lưới MBA ................................. 29 3.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng chất khơi mào APS ................................ 30 3.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ ure/AAm đến tỷ lệ trương của sản phẩm ......... 32 3.1.4. Phổ hồng ngoại ................................................................................. 33 3.1.5. Hình thái học bề mặt ........................................................................ 34 3.2. Nghiên cứu khả năng nhả ure trong các môi trƣờng ............................ 35 3.2.1. Khả năng nhả ure trong nước ........................................................... 35 3.2.2. Khả năng nhả ure trong đất .............................................................. 36 3.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ tới quá trình nhả ure trong đất ...................... 38 Mai Thị Loan 5 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp KẾT LUẬN ................................................................................................. 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 41 MỞ ĐẦU Ông cha ta có câu “Nhất nƣớc, nhì phân, tam cần, tứ giống”. Điều này đã khẳng định vai trò to lớn của nƣớc và phân bón trong sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là với một nƣớc mà hơn 80% dân số làm nông nghiệp nhƣ Việt Nam. Tuy nhiên, việc sử dụng phân bón quá nhiều nhƣ hiện nay không những gây lãng phí mà còn ảnh hƣởng không tốt tới môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời. Vì thế, việc nghiên cứu để tạo ra các loại phân bón vừa đảm bảo cung cấp đủ dinh dƣỡng cho cây trồng trong một thời gian dài, vừa không ảnh hƣởng tới môi trƣờng đang là mối quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học. Trong những năm gần đây, việc ứng dụng các công nghệ mới vào lĩnh vực sản xuất phân bón là một trong những biện pháp hữu hiệu nhằm tăng hiệu quả sử dụng phân bón và cải thiện năng suất cây trồng. Kỹ thuật nhả có kiểm soát tạo ra các loại phân bón có khả năng tăng cƣờng sự phát triển của cây khi các chất dinh dƣỡng đƣợc đƣa vào nền polyme hoặc bọc trong vỏ polyme. Sau đó, chất dinh dƣỡng đƣợc nhả dần cho cây hấp thụ, do đó tránh đƣợc hiện tƣợng rửa trôi phân bón, tiết kiệm sức lao động và chi phí sản xuất cũng nhƣ giảm thiểu nguy cơ ô nhiễm môi trƣờng. Nitơ, chất dinh dƣỡng thực vật đƣợc áp dụng rộng rãi nhất, thƣờng đƣợc coi là yếu tố quyết định năng suất cây trồng [1]. Gần đây, nitơ đƣợc phát hiện là có tác dụng không tốt với môi trƣờng cũng nhƣ sức khỏe của con ngƣời và động vật [2]. Trong số các loại phân chứa nitơ, ure đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn cả vì hàm lƣợng nitơ cao nhất (46% nitơ) dễ sử dụng và có giá thành thấp hơn so với các sản phẩm khác [3]. Tuy nhiên, lƣợng ure Mai Thị Loan 6 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp bị mất vào môi trƣờng lên tới 40 - 70% kéo theo nhiều vấn đề nghiêm trọng nhƣ: phá hủy tầng ozon, ô nhiễm nguồn nƣớc, hiện tƣợng phú dƣỡng của sông hồ. Với những lí do trên chúng tôi đã lựa chọn đề tài “Tổng hợp và nghiên cứu tính chất của phân bón ure nhả chậm”. Nhiệm vụ cụ thể của khóa luận là: - Tổng hợp phân ure nhả chậm siêu hấp thụ nƣớc trên cơ sở polyacrylamit với chất tạo lƣới MBA, hệ khơi mào oxi hóa khử APS/ASC. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ hàm lƣợng chất khơi mào, chất tạo lƣới, tỷ lệ ure/AAm tới tỷ lệ trƣơng của polyme. - Nghiên cứu quá trình nhả ure của sản phẩm trong môi trƣờng nƣớc, đất. - Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ tới khả năng nhả ure của sản phẩm trong môi trƣờng đất. Mai Thị Loan 7 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về vai trò của phân bón, tình hình sản xuất và sử dụng phân bón [4] 1.1.1. Vai trò của phân bón Phân bón là các chất hữu cơ hoặc vô cơ chứa các nguyên tố dinh dƣỡng cần thiết cho cây trồng, đƣợc bón vào đất hay hòa vào nƣớc phun, xử lí hạt giống, rễ và cây con. Phân bón cung cấp chất dinh dƣỡng cho cây trồng sinh trƣởng, phát triển. Nếu chỉ lấy từ đất thì cây trồng hoàn toàn không đủ chất dinh dƣỡng mà phải lấy thêm phần lớn từ phân bón. Phân bón chính là thức ăn nuôi sống cây trồng. Điều tra tổng kết ở khắp nơi trên thế giới đều cho thấy trong các kĩ thuật trồng trọt, bón phân luôn có ảnh hƣởng lớn nhất tới năng suất cây trồng. Theo tổ chức FAO, trong những thập niên 70-80 của thế kỷ 20, trên phạm vi toàn thế giới, phân bón quyết định 50% sản lƣợng tăng thêm. Ở nƣớc ta, cho đến năm 1990, phân bón làm tăng trung bình 35% tổng sản lƣợng. Đối với đất và môi trƣờng, 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 vùng đất có độ phì nhiêu ban đầu thấp, tức là đất xấu thì việc bón phân càng có tác dụng rõ. Việc sử dụng các phế thải trong các hoạt động đời sống của con ngƣời, chất thải của công nghiệp để làm phân bón góp phần hạn chế ô nhiễm môi trƣờng. 1.1.1.1. Vai trò của phân chứa nitơ Cây hút N chủ yếu dƣới dạng NH+4 và NO3- . Phân nitơ rất đa dạng nhƣ: ure, amoni sunfat, amoni nitrat…N là thành phần quan trọng và cần thiết cho sự phát triển của cây. Nó là nguyên tố tham gia vào thành phần chính của các Mai Thị Loan 8 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp chất diệp lục, protit, peptit, các axit amin, các enzim, nhiều loại vitamin và các chất điều hòa sinh trƣởng… N là yếu tố chính quyết định sự phát triển của các mô tế bào sống của cây. Bón đủ N cây sinh trƣởng nhanh, ra nhiều chồi, lá và cành, hoa quả nhiều, tích lũy đƣợc nhiều chất nên cho năng suất cao và chất lƣợng tốt. Do đó, N là yếu tố dinh dƣỡng đƣợc cây hút và tích lũy nhiều nhất, là yếu tố quyết định năng suất của cây. Thiếu N, cây sẽ sinh trƣởng kém, còi cọc, vàng lá, ít hoa quả và năng suất thấp. 1.1.1.2. Vai trò của phân chứa photpho Cây hút P chủ yếu dƣới dạng khoáng của photphat hóa trị 1 và hóa trị 2. P có vai trò rất quan trọng với cây. P có vai trò trung tâm trong quá trình trao đổi năng lƣợng và tổng hợp protein. P là thành phần chủ yếu của các chất ADP và ATP là những chất dự trữ năng lƣợng cho quá trình sinh hóa của cây, đặc biệt là quá trình quang hợp, sự tạo thành chất béo và protein. P thúc đẩy sự phát triển của bộ rễ cây, kích thích sự hình thành nốt sần ở cây họ đậu, thúc đẩy sự ra hoa và hình thành quả ở cây, là yếu tố quyết định chất lƣợng hạt giống. P giúp cây tăng khả năng chống chịu với các điều kiện bất lợi nhƣ rét, hạn, sâu bệnh. P còn có tác dụng hạn chế tác hại của việc bón thừa N, P giúp cây sinh trƣởng tốt, năng suất cao và chất lƣợng nông sản cao. 1.1.1.3. Vai trò của phân kali Cây hút K dƣới dạng K+, các tế bào của cây rất dễ để dung dịch K thấm qua nên K đƣợc cây hút dễ dàng hơn các nguyên tố khác. Phân kali bao gồm một số phân nhƣ: KCl, KNO3, K2SO4… K tham gia tích cực vào quá trình quang tổng hợp nên các chất gluxit của cây. K làm tăng khả năng thẩm thấu nƣớc ở tế bào, điều chỉnh sự khuếch tán CO2 của quá trình quang hợp, đồng thời tăng khả năng sử dụng ánh sáng cho cây trong điều kiện ít nắng. K thúc đẩy quá trình tổng hợp N trong cây, làm giảm tác hại của việc bón quá nhiều Mai Thị Loan 9 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp N, thúc đẩy sự ra hoa, tăng cƣờng khả năng chống chịu điều kiện bất lợi, làm tăng hàm lƣợng chất bột nền, do đó làm tăng chất lƣợng hạt và quả. Thiếu K, các lá già chuyển màu nâu, chóp và rìa lá khô dần, cây phát triển chậm, mềm yếu, dễ đổ ngã. 1.1.2. Tình hình sản xuất và sử dụng phân bón trên thế giới Nhu cầu phân bón trên thế giới phụ thuộc vào các yếu tố chính đó là sự phát triển dân số và kinh tế thế giới, tốc độ phát triển của ngành nông nghiệp, chính sách quản lý của nhà nƣớc ở mỗi quốc gia. Sự gia tăng dân số thế giới đã đẩy nhu cầu về lƣơng thực, thực phẩm tăng nhanh. Sự phát triển của dân số và nền kinh tế thế giới rõ ràng là hai nguyên nhân trực tiếp làm tăng nhu cầu về lƣơng thực, các sản phẩm nông nghiệp và nhu cầu phân bón. Cụ thể nhu cầu về phân đạm hàng năm trên thế giới tăng khoảng 1,4% tính tới năm 2011/2012 tƣơng ứng với khoảng 7,3 triệu tấn. Trong đó, khu vực tiêu thụ chủ yếu loại phân này là Đông Á, Nam Á, Bắc Mỹ và Tây Âu. Đối với phân lân thì nhu cầu sử dụng tăng khoảng 2% mỗi năm, trong đó phần lớn nhu cầu sử dụng thuộc về châu Á với 71% và châu Mỹ với 21%. Phần đóng góp chính của sự gia tăng nhu cầu dùng phân lân đối với các khu vực cụ thể là Nam Á chiếm 35,8%, Đông Á 33,8%, Mỹ La tinh chiếm 18,3%. Ngoài hai loại phân bón chính trên thì phân kali cũng đóng một vai trò hết sức quan trọng và sản lƣợng loại phân này hàng năm tăng khoảng 2,4% tƣơng đƣơng với 3,6 triệu tấn. Trên thế giới, khu vực tiêu thụ loại phân này nhiều nhất vẫn là châu Á với 68% và thứ hai là châu Mỹ với 26%. Do nhu cầu phân bón ngày một tăng, lƣợng phân đƣợc cung cấp hàng năm cũng tăng khoảng 30 triệu tấn tƣơng đƣơng với khoảng 3%. Theo ƣớc tính, lƣợng phân đạm tăng khoảng 23,1 triệu tấn trong năm 2011/2012 so với năm 2007/2008. Sản lƣợng phân lân trong năm 2011/2012 tăng khoảng 3,2% tƣơng ứng với khoảng 6,3 triệu tấn. Khu vực sản xuất phần lớn lƣợng phân Mai Thị Loan 10 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp bón vẫn sẽ là khu vực Đông Á, Bắc Mỹ và châu Phi, trong đó châu Phi và Bắc Mỹ là hai khu vực xuất khẩu lớn nhất. Đối với phân kali thì sự gia tăng sản lƣợng vào khoảng 2,4% mỗi năm. Khu vực sản xuất chính là Bắc Mỹ, Đông Âu, Trung Á (EECA) và Tây Âu, trong đó khu vực EECA, Bắc Mỹ, Tây Á và Tây Âu là những khu vực xuất khẩu chủ yếu. Ƣớc tính cho tới năm 2020 thì nhu cầu phân bón của thế giới sẽ vào khoảng 208 triệu tấn, trong đó nhu cầu sử dụng phân bón của các nƣớc phát triển là khoảng 86 triệu tấn, trong khi ở các nƣớc đang phát triển là khoảng 122 triệu tấn [4]. 1.1.3. Thực trạng về việc sử dụng phân bón ở nước ta Tính từ năm 1985 tới nay, diện tích gieo trồng ở nƣớc ta chỉ tăng 57,7%, nhƣng lƣợng phân bón sử dụng tăng tới 517%. Theo tính toán, lƣợng phân vô cơ sử dụng tăng mạnh trong vòng 20 năm qua, tổng các yếu tố dinh dƣỡng đa lƣợng N + P2O5 + K2O năm 2007 đạt trên 2,4 triệu tấn, tăng gấp hơn 5 lần so với lƣợng sử dụng của năm 1985. Ngoài phân bón vô cơ, hàng năm, nƣớc ta còn sử dụng khoảng 1 triệu tấn phân hữu cơ, hữu cơ sinh học, hữu cơ vi sinh các loại. Cho đến năm 2010, tổng diện tích gieo trồng ở nƣớc ta vào khoảng 12.285.500 ha, trong đó, cây có thời gian sinh trƣởng hàng năm là 9.855.500 ha và cây lâu năm khoảng 2.431.000 ha. Để thoả mãn nhu cầu phân bón cho các loại cây trồng trên các diện tích này, đến hết năm 2010, ta có 2.100.000 tấn phân ure, 300.000 tấn phân DAP, 3.000.000 tấn phân NPK các loại, 1.400.000 tấn phân lân dạng supe nung chảy và 400.000 tấn phân kali. Ở nƣớc ta, nguồn phân đạm hiện nay do hai nhà máy Đạm Hà Bắc có công suất 180.000 tấn ure/năm và nhà máy Đạm Phú Mỹ có công suất 740.000 tấn ure/năm cung cấp. Hiện cả hai nhà máy này có khả năng đáp ứng đƣợc một nửa nhu cầu đạm trong nƣớc. Theo số liệu tính toán của các chuyên gia trong lĩnh vực nông hoá học ở Việt Nam, hiện nay, hiệu suất sử dụng phân đạm mới chỉ đạt từ 30-45%, lân Mai Thị Loan 11 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp từ 40-45% và kali từ 40-50%, tuỳ theo chân đất, giống cây trồng, thời vụ, phƣơng pháp bón, loại phân bón…Nhƣ vậy, còn 60-65% lƣợng đạm tƣơng đƣơng với 1,77 triệu tấn ure, 55-60% lƣợng lân tƣơng đƣơng với 2,07 triệu tấn supe lân và 55-60% lƣợng kali tƣơng đƣơng với 344 nghìn tấn kali clorua (KCl) đƣợc bón vào đất nhƣng chƣa đƣợc cây trồng sử dụng. Trong số phân bón chƣa đƣợc cây sử dụng, một phần còn lại ở trong đất, một phần bị rửa trôi theo nƣớc mặt do mƣa, theo các công trình thuỷ lợi ra các ao, hồ, sông suối gây ô nhiễm nguồn nƣớc mặt. Một phần bị rửa trôi theo chiều dọc xuống tầng nƣớc ngầm và một phần bị bay hơi do tác động của nhiệt độ hay quá trình phản nitrat hoá gây ô nhiễm không khí. Xét về mặt kinh tế thì khoảng 2/3 lƣợng phân bón hàng năm cây trồng chƣa sử dụng đƣợc, đồng nghĩa với việc 2/3 lƣợng tiền ngƣời nông dân bỏ ra mua phân bón bị lãng phí, với tổng thất thoát lên tới khoảng 30 nghìn tỷ đồng tính theo giá phân bón hiện nay. Xét về mặt môi trƣờng, trừ một phần các chất dinh dƣỡng có trong phân bón đƣợc giữ lại trong các keo đất là nguồn dinh dƣỡng dự trữ cho vụ sau, hàng năm một lƣợng lớn phân bón bị rửa trôi hoặc bay hơi đã làm xấu đi môi trƣờng sản xuất nông nghiệp và môi trƣờng sống, đó cũng là những tác nhân gây ô nhiễm nguồn nƣớc, không khí. Trong số đó, phân do sản xuất lúa gây ra đối với việc ô nhiễm môi trƣờng là vấn đề đáng đƣợc quan tâm nhất, vì hàng năm một lƣợng lớn phân bón đƣợc dành cho sản xuất lúa. 1.1.4. Những vấn đề thách thức khi sử dụng phân bón truyền thống Năm 1998, Smil [5] đã dự đoán những vấn đề tiềm ẩn về môi trƣờng do sự dƣ thừa đạm trong quá trình cung cấp phân bón cho cây trồng. Tổng lƣợng phân đạm bón vào là khoảng 80 triệu tấn/năm. Sự thất thoát nitơ ra ngoài không khí chiếm một lƣợng khá lớn và đƣợc xem nhƣ một nguyên nhân chính làm giàu lƣợng nitơ trong bầu khí quyển. Tầng nƣớc ngầm và nƣớc bề mặt Mai Thị Loan 12 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp nhận đƣợc khoảng từ 32 đến 45 triệu tấn nitơ thấm vào mỗi năm. Tại nhiều khu vực trên thế giới, nitơ và cả photpho xảy ra tình trạng tích tụ thành một lƣợng quá lớn cho phép gây ảnh hƣởng lớn tới môi trƣờng, sức khỏe và hệ sinh thái. Ở hầu hết các vùng canh tác, nitơ bị oxy hóa tạo thành nitrat dƣới tác dụng của vi khuẩn hoạt động. Kết quả là một phần tƣơng đối lớn nitơ có thể bị thấm hoặc bị tách khỏi rễ đi vào nƣớc ngầm, nƣớc mặt. Một lƣợng lớn nitrat tích tụ lại trong hệ khí quyển cũng rất đáng lo ngại, đây cũng là một trong những nguyên nhân gây ra bệnh giảm nồng độ khí oxy trong máu do nguồn nƣớc uống chứa quá nhiều nitrat, gây bệnh cho loài động vật nhai lại, là một trong những nguyên nhân gây bệnh ung thƣ dạ dày. Đây cũng là thủ phạm gây ra nhiều căn bệnh khác nữa nhƣ: bƣớu cổ, dị tật bẩm sinh, bệnh tim mạch. Để đảm bảo an toàn cho sức khỏe con ngƣời, hàm lƣợng nitrat chuẩn đƣợc quy định tại Mỹ là dƣới 10mg N/lit hay tại liên minh châu Âu là dƣới 50mg NO3 /lit [6]. Trong quá trình sử dụng phân bón nitơ, sự bay hơi của amoniac cũng rất đáng kể, đặc biệt là khi sử dụng chúng trong môi trƣờng đất có tính kiềm [7]. Quá trình bay hơi của amoniac đƣợc quyết định bởi yếu tố đất, môi trƣờng và tỷ lệ thuận với hàm lƣợng amoni trong đất. Sự giải phóng amoni từ lĩnh vực sử dụng phân bón có thể dẫn tới quá trình tích tụ chúng trong hệ sinh thái và là nguyên nhân gây ra sự phá hủy hệ thực vật [8]. Một lƣợng NH3 có thể bị oxy hóa và đƣợc chuyển hóa thành axit, kết hợp với axit sunfuric (từ nguồn khí thải công nghiệp) tạo thành mƣa axit. Mƣa axit là nguyên nhân phá hủy mùa màng hoặc axit hóa các hồ chứa nƣớc, gây ra tình trạng ngộ độc nhôm trong cá và thực vật [9]. Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do phân photpho gây ra cũng rất đáng lo ngại, đó là sự dƣ thừa nồng độ của N, P hay C và một số các vi nguyên tố Mai Thị Loan 13 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp khác trong nƣớc [10]. Trong hệ thủy sinh, sự tích tụ của photpho là rất đáng quan tâm [11]. Tác động sơ cấp của hiện tƣợng phú dƣỡng làm tăng sinh khối của tảo, điều này dẫn tới hàm lƣợng oxy bị thiếu hụt, làm chết cá, xuất hiện và gia tăng mùi thối, gây ô nhiễm và mất mĩ quan môi trƣờng. Lƣợng lớn photpho thải vào môi trƣờng cũng bắt nguồn từ chất thải công nghiệp, phân bón trong nông nghiệp, nƣớc, bùn thải và chất tẩy uế. Mặc dù không trực tiếp tác động đến hệ sinh thái nhƣng các nguyên tố nhƣ Cd, Cr, Pb, Ur hay Ra có chứa trong phân lân có thể tích tụ trong đất trong thời gian dài [12] và gây hậu quả nghiêm trọng. 1.2. Tổng quan về phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát 1.2.1. Định nghĩa về phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát Ngành công nghiệp phân bón luôn phải đối mặt với những tồn tại khó tháo gỡ, đó là vấn đề cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón. Bởi vậy, việc rất cần thiết là phát triển một loại phân bón mới. Nhƣng nhiệm vụ này là không hề dễ dàng do cơ chế hấp thụ dinh dƣỡng của thực vật là phức tạp. Bằng sự nỗ lực không ngừng, các nhà khoa học đã chế tạo thành công loại phân bón mới, đáp ứng đƣợc những yêu cầu đặt ra, đó chính là phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát [13]. Tổng số lƣợng phân bón nhả chậm tiêu thụ trên toàn thế giới năm 1996 - 1997 là khoảng 560.000 tấn [14]. Lƣợng tiêu thụ lớn nhất là ở Mỹ và Canada, chiếm khoảng 70% tổng số lƣợng đƣợc sử dụng. Các nƣớc châu Âu và Nhật Bản tiêu thụ phần còn lại khá ngang nhau. Tại Nhật Bản, hầu hết các CRFs đƣợc sử dụng trong nông nghiệp, chủ yếu là trồng lúa, rau và cây ăn quả, và chỉ một phần nhỏ đƣợc sử dụng cho đồng cỏ và làm vƣờn cảnh. Tại Mỹ, Canada và châu Âu, khoảng 90% tổng tiêu thụ đƣợc sử dụng cho mục đích phi nông nghiệp (sân gôn, vƣờn, thảm cỏ chuyên nghiệp, cảnh quan), chỉ có khoảng 10% đƣợc sử dụng cho nông nghiệp, chủ yếu là rau, dƣa hấu, dâu Mai Thị Loan 14 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp tây, quả có múi và các loại cây ăn quả khác. Tuy nhiên, tốc độ tăng trƣởng của việc sử dụng của phân bón nhả chậm trong nông nghiệp hơn gấp đôi tốc độ tăng trƣởng trong thị trƣờng phi nông nghiệp [14]. Phân bón nhả chậm và nhả có kiểm soát là các loại phân bón có chứa một chất dinh dƣỡng cho cây ở một dạng hoặc là a) làm chậm tính có sẵn cho cây hấp thu và sử dụng sau khi đƣa vào, hoặc là b) dạng có sẵn cho cây trong thời gian dài hơn rất nhiều so với “phân bón dinh dƣỡng có sẵn” nhƣ amoni nitrat hay ure, amoni photphat, kali clorua. Không có sự khác biệt chính thức nào giữa phân bón nhả chậm và nhả có kiểm soát nên thƣờng đƣợc gọi chung là phân nhả chậm. Tuy nhiên, các sản phẩm N bị phân hủy bởi vi khuẩn nhƣ UF (Ure-Formaldehit), trong thƣơng mại thƣờng đƣợc gọi là phân nhả chậm và các sản phẩm dạng viên hoặc bọc đƣợc gọi là phân bón nhả có kiểm soát. Ủy ban Chuẩn hóa Châu Âu đã đƣa ra một số đề xuất về phân bón nhả chậm trong đất nhƣ sau: - Nhả: Quá trình chuyển hóa của một chất hóa học thành một dạng dinh dƣỡng có sẵn cho cây (ví dụ quá trình hòa tan, thủy phân, phân hủy v.v.). - Nhả chậm: Tỉ lệ nhả của một chất hóa học thành một dạng dinh dƣỡng có sẵn cho cây, nói chung đƣợc xác định là thấp hơn so với tỉ lệ nhả từ việc áp dụng một chất dinh dƣỡng có sẵn cho cây (ví dụ đối với nitơ nhả chậm, tỉ lệ nhả/ứng đáp của thực vật với việc áp dụng ure, amoni hay dung dịch nitrat); - Quy định: Một loại phân đƣợc mô tả là phân nhả chậm nếu chất dinh dƣỡng hoặc các chất dinh dƣỡng đƣợc xem là nhả chậm, dƣới những điều kiện nhất định nhƣ ở nhiệt độ 250C, phải đáp ứng một trong ba tiêu chuẩn sau: + Nhả không quá 15% trong 24h. + Nhả không quá 70% trong 28 ngày. Mai Thị Loan 15 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp + Nhả ít nhất 70% trong khoảng thời gian đã định. 1.2.2. Tình hình nghiên cứu phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát 1.2.2.1. Trên thế giới Phân nhả chậm đƣợc 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 nhả chậm bằng cách bao bọc các hạt phân ban đầu bởi các chất nền khác nhau hay tạo liên kết giữa các hạt phân với một số chất khác nhau đã đƣợc công bố. Ray S.K và cộng sự [15] đã nghiên cứu ra phân chứa B nhả chậm với thành phần chính là polyborophotphat. Sản phẩm này có nhiều lợi ích hơn phân chứa B bình thƣờng là tan chậm trong nƣớc, giảm sự thất thoát, giảm độc hại, tăng hiệu quả khi sử dụng. Geortz Harvey M. và cộng sự [16] đã nghiên cứu đƣợc một loại phân nhả chậm từ nền dầu hữu cơ nhƣ dầu lanh và các loại phân: NPK, ure hay các loại phân Ca, Mg, S. Phân này có khả năng nhả chậm từ 10% (14 ngày), 11% (20 ngày)…. Mangrich A. S. và cộng sự [17] đã tổng hợp đƣợc phân K nhả chậm từ cặn dầu phiến nham ở 9000C thu đƣợc phân có độ tan 30,3% K2O (trong HCl 0,5M), 23,2% (trong axit citric) và 6,9% (trong nƣớc). Fujita T. và cộng sự [18] cũng đã tổng hợp phân nhả chậm đƣợc bao bọc bằng polyme đƣờng (glucozo, fructozo) hay dẫn xuất của nó. Phân đƣợc bọc là ure, NH4Cl, KCl, KNO3, NaNO3, K3PO4… Goertz Harvey M [16] đã nghiên cứu và sản xuất thành công hỗn hợp NPK nhả chậm từ hỗn hợp dung dịch ure và formaldehit với chất nền khô từ nguồn P (supephotphat, apatit…) và K (KHCO3, K2CO3, K3PO4…) để tạo nên hỗn hợp đồng nhất NPK. Mai Thị Loan 16 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp Nakonieczny J. [19] đã tổng hợp đƣợc phân bón đa thành phần nhả chậm. Phân này bao gồm N ở dạng hợp chất hữu cơ và vô cơ, P ở dạng supephophat, trisupephotphat, K ở dạng clorua và sunphat. Phân chứa 30 – 50 % N, P2O5, K2O và 10% tinh bột. 17 – 25% N tồn tại ở dạng ure – andehit. Liu F và cộng sự [20] đã nghiên cứu đƣợc phân N nhả chậm từ dicyandiamit; 1,4 – benzendiol; axit humic, zeolit, bột kích thích rễ và nguyên tố vi lƣợng. Sản phẩm thu đƣợc đã cải thiện chất lƣợng mùa màng. Markusch P. H. và cộng sự [21] đã thực hiện phản ứng giữa isocyanat với các hạt phân tạo thành phân bọc ure nhả chậm. Hamada E. và cộng sự [22] đã nghiên cứu thành công phân K nhả chậm. Thành phần chính của phân là: K2O, SiO2, và CaO. Tỉ lệ nhả K2O đƣợc kiểm tra bởi tỉ lệ khối lƣợng của K2O tổng số và K2O trong nƣớc. Zhu Zhenliu và cộng sự [23] đã tổng hợp đƣợc phân ure nhả chậm từ cyanamit Ca và dung dịch ure đậm đặc hay ure nóng chảy. Sản phẩm thu đƣợc có hiệu quả cao và giá thành thấp. Setani M [24] đã tổng hợp ure formaldehit với sự hiện diện của kiềm, axit mạnh và dung dịch amoni hay amin. Sản phẩm thu đƣợc có độ tan trong nƣớc nóng là 15% về khối lƣợng và sản phẩm phân rã là đều đặn. Haeberle K. và cộng sự [25] đã nghiên cứu phân N nhả chậm từ việc bao bọc các hạt phân bằng huyền phù của polyure. Việc bao bọc này ngăn chặn vón cục, tan chậm trong nƣớc và bị vi khuẩn phân hủy. Bagdasarov V. R. và cộng sự [26] sử dụng zeolit (6-24%) và amoni nitrat hay ure (79-94%) để tổng hợp phân nhả chậm. Du C. và cộng sự [27] đã nghiên cứu thành công phân N, P, K nhả chậm trên các chất mang nhƣ metacrylic axit, PAM, PVA, polyetylenglycol hay từ chitosan từ thiên nhiên và dẫn xuất hay hỗn hợp của hơn một chất Mai Thị Loan 17 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp mang cùng những chất tạo liên kết ngang nhƣ formandehit, etylendiamin, glutaraldehit, borat hay ZnO. Zhan F. và cộng sự [28] đã tổng hợp thành công polyme siêu hấp thụ đồng thời mang phân P nhả chậm. Sản phẩm đƣợc điều chế từ phản ứng este hóa của PVA với H3PO4. Sản phẩm thu đƣợc chứa 31,2% P2O5. 1.2.2.2. Trong nước Ở Việt Nam, phân nhả chậm chƣa đƣợc các nhà chuyên môn quan tâm, nghiên cứu nhiều. Tuy nhiên, cũng có một số loại phân nhả chậm đã đƣợc nghiên cứu: Trần Khắc Trung và Mai Hữu Khiêm – Khoa Công nghệ Hoá học và dầu khí – Trƣờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh [29] đã nghiên cứu và sản xuất thành công phân nhả chậm ure – zeolit từ ure và zeolit NaX. Phân đã đƣợc thử nghiệm qua hai vụ lúa tại trại thực nghiệm lúa Long Phú (Sóc Trăng) cho thấy loại phân này có tác dụng đến 50 ngày và tiết kiệm đến 30% do không bị rửa trôi. Một ƣu thế khác, khi giảm lƣợng phân bón đi 30% so với phân ure thông thƣờng thì năng suất thu đƣợc tƣơng đƣơng và phẩm chất gạo có chiều hƣớng cao hơn so với ô ruộng đối chứng. Thời gian hấp thụ kéo dài đã giảm số lần bón phân từ ba xuống hai, giảm chi phí đầu tƣ cho ngƣời nông dân. Không chỉ thành công trên lúa, phân ure nhả chậm còn đƣợc áp dụng với các loại cây trồng khác nhƣ dƣa hấu, đậu phộng...cho kết quả khả quan. Phạm Hữu Lý và cộng sự [30] đã nghiên cứu đƣợc phân ure nhả chậm với polyme nền gelatin, ure và amoni bicromat theo tỉ lệ xác định bằng hai phƣơng pháp: phƣơng pháp cán trộn cơ học và phƣơng pháp dung dịch. Sản phẩm thu đƣợc có polyme nền là một polyme động vật dễ bị phân hủy sinh học và không ô nhiễm môi trƣờng. Nguyễn Thanh Tùng và cộng sự [31] đã nghiên cứu khả năng lƣu giữ phân bón của polyme siêu hấp thụ nƣớc trong đất. Polyme đƣợc tổng hợp từ Mai Thị Loan 18 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp axit acrylic, etylenglicol dimetaacrylat, (NH4)2S2O8, NaOH và các loại dung môi. Polyme này ngoài khả năng giữ nƣớc lớn còn lƣu giữ rất hiệu quả các loại phân bón, đặc biệt là phân vi lƣợng. Tuy nhiên, các loại sản phẩm đƣợc nghiên cứu ở Việt Nam trên đều có những hạn chế nhƣ: thời gian nhả chậm của phân còn ngắn chƣa đáp ứng đƣợc với những cây trồng dài ngày và chƣa kiểm soát đƣợc thời gian nhả chậm. 1.2.3. Ưu, nhược điểm của phân bón nhả chậm và phân bón nhả có kiểm soát 1.2.3.1. Ưu điểm - Phân bón nhả chậm làm giảm độc tính trong cây (đặc biệt là cây trồng từ hạt), bắt nguồn từ nồng độ ion cao trong đất, đó cũng chính là kết quả của quá trình hòa tan với tốc độ nhanh của phân bón truyền thống và vì thế góp phần cải thiện tính an toàn trong nông nghiệp [32]. - Do quá trình giảm độc tính và hàm lƣợng muối của chất nền đã giúp chúng có nhiều ứng dụng hữu ích hơn so với phân bón truyền thống, giúp giảm đáng kể công lao động, thời gian và năng lƣợng cũng nhƣ thuận tiện hơn trong quá trình sử dụng phân bón, đó chính là những ƣu điểm lớn nhất của phân nhả chậm. - Góp phần cải thiện chƣơng trình quản lý phân bón và hệ thống canh tác tiên tiến [18]. - Cho phép tập trung đầy đủ lƣợng dinh dƣỡng cần thiết của cây trồng dƣới màng phủ nilon. - Chúng làm giảm đáng kể lƣợng hao hụt dinh dƣỡng, đặc biệt là mất nitơ, nitrat trong quá trình sử dụng và hấp thụ của thực vật thông qua cách thức nhả dinh dƣỡng từ từ. Chúng cũng làm giảm sự bay hơi của amoniac, đồng thời giảm tác động gây ô nhiễm môi trƣờng [33]. - Góp phần làm giảm thiểu các loại khí khác gây hiệu ứng nhà kính nhƣ N2O [34]. Mai Thị Loan 19 K34B – SP Hóa Trường ĐHSP Hà Nội 2 Khóa luận tốt nghiệp 1.2.3.2. Nhược điểm - Không có một phƣơng pháp chuẩn đủ tin cậy để định lƣợng lƣợng dinh dƣỡng đƣợc giải phóng. Vẫn có một sự thiếu tƣơng quan giữa những số liệu thu đƣợc từ phòng thí nghiệm và thực tế. Hơn thế nữa, các điểm ƣu việt của phân nhả chậm so với phân truyền thống thì không phải lúc nào loại phân này cũng đƣợc so sánh với những loại phân tốt nhất [35]. - Đối với phân nhả chậm đƣợc bọc lƣu huỳnh, lƣợng dinh dƣỡng ban đầu có thể đƣợc giải phóng quá nhanh gây thiệt hại cho cây trồng cộng với giá thành của nó cũng cao hơn so với cùng một lƣợng phân thông thƣờng. Ngoài ra, một số phân dạng viên bọc lƣu huỳnh thƣờng đƣợc phủ một lớp vỏ quá dày có thể dẫn tới hiện tƣợng dinh dƣỡng trong phân bón không thể giải phóng ra trong thời gian cần thiết cho cây trồng. - Sử dụng phân bọc nhả chậm có thể làm tăng độ axit của đất. Có thể nói đến phân ure nhả chậm bọc lƣu huỳnh khi sử dụng với lƣợng lớn, cả lƣu huỳnh và ure đều góp phần làm tăng độ axit của đất. - Vỏ bọc phân nhả chậm từ polyme có thể là nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm do sự tích tụ của loại vật liệu tổng hợp này sau quá trình sử dụng trên đồng ruộng. Một số loại polyme trong lớp vỏ bọc của phân thông thƣờng có tốc độ phân hủy cực kỳ chậm hoặc không hoàn toàn trong đất. Việc sử dụng chúng dẫn tới hiện tƣợng tích tụ đáng kể của nhựa (vƣợt quá 50kg/ha/năm) [36]. Tuy nhiên vẫn có quá trình phân hủy lƣợng chất thải không mong muốn này. Nếu tính trong vòng 10 năm cho lƣợng 500kg/ha thì hàm lƣợng của nó trong đất khô cũng chỉ còn 200ppm. Hơn thế nữa, nếu các mảnh polyme không phân hủy thì kích thƣớc của chúng vẫn nhỏ hơn so với hạt đất, và do đó là một phần của đất. Mai Thị Loan 20 K34B – SP Hóa