Mở đầu
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TƯ NHIÊN
TRẦN ĐỨC PHƯƠNG
NGHIÊN CỨU TỔNG HP PHÂN UREA NHẢ CHẬM
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2006
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Mở đầu
MỞ ĐẦU
Từ rất lâu đời con người đã biết sử dụng phân bón. Năm 1840, sau khi nhà
bác học người Đức là Liebig đề ra thuyết dinh dưỡng khoáng của cây, việc sản
xuất và sử dụng phân bón hóa học tăng lên rất mạnh, góp phần rõ rệt nâng cao
năng xuất cây trồng.
Tuy nhiên, các nhà khoa học đã chứng minh được rằng, trong điều kiện
canh tác lý tưởng, cây trồng chỉ hấp thụ tối đa khoảng 25 – 30% tổng lượng phân
đạm được bón. Số còn lại (70 - 75%) bò mất một cách khả kháng do nhiều
nguyên nhân như chảy nước, bay hơi, bò phân hủy nhiệt, phân hủy quang hóa,
Đặc biệt do các hạt đất và các hạt nitrate đều tích điện âm, chúng đẩy nhau nên
rất dễ bò rửa trôi, tích tụ trong các nguồn nước, trong nông sản thực phẩm, rau
quả, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, gây ra nhiều bệnh ung thư đặc biệt
là bệnh methaemoglobinaemia – một loại bệnh liên quan đến quá trình trao đổi
oxygen trong máu [4].
Để tăng hiệu quả sử dụng phân bón và tránh ô nhiễm môi trường, chúng tôi
đã tiến hành nghiên cứu tổng hợp loại phân urea nhả chậm từ urea, tinh bột,
acetaldehyde và formaldehyde.
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Mở đầu
Mở đầu
Tổng quan
4. Cơ chế phản ứng ghép aldehyde trên mạch tinh bột 19
4.1. Bản chất phản ứng 19
4.2. Phản ứng qua hai giai đoạn 19
4.2.1.Sự tạo thành hemiacetal 19
4.2.2.Sự tạo thành acetal 21
IV. Giới thiệu về polymer urea–formaldehyde (UF) 22
1. Mục đích sử dụng làm keo 22
2. Mục đích sử dụng làm phân bón 22
3. Các phương pháp tổng hợp 22
4. Ứng dụng của polymer urea formaldehyde 26
Thực nghiệm
Tính cấp thiết của đề tài 27
Mục tiêu của đề tài 27
Nội dung của đề tài 28
I. Hóa chất, dụng cụ và thiết bò 29
1. Hóa chất 29
2. Dụng cụ và thiết bò 29
II. Phân urea nhả chậm trên nền tinh bột 31
1. Tổng hợp màng bao phân 31
1.1. Phương pháp tổng hợp 31
1.2. Xác đònh cấu trúc màng 32
1.2.1. Phổ IR 32
1.2.2. Phổ NMR 32
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Mở đầu
1.3. Phương pháp đo thời gian phân huỷ cấu trúc màng TB - acetaldehyde 32
1.3.1. nh hưởng củ loại tinh bột 32
1.3.2. nh hưởng của hàm lượng acetaldehyde 50% 33
2. Tạo phân urea nhả chậm 33
2.1. Phương pháp 33
2. Thử nghiệm phân urea nhả chậm UF với cây cỏ voi 48
2.1. Chuẩn bò đất trồng 48
2.2. Trồng cây cỏ voi 48
2.3. Xác đònh hàm lượng N dễ tiêu trong đất trước và sau khi trồng 49
Kết quả và biện luận
I. Phân urea nhả chậm trên nền tinh bột 50
1. Kết quả phân tích của nền bao bọc 50
1.1. Phổ IR 50
1.2. Phổ NMR 50
1.3. Khảo sát thời gain phân huỷ cấu trúc màng tinh bột – acetaldehyde 52
1.3.1.nh hưởng của loại tinh bột 52
1.3.2. nh hưởng của hàm lượng acetaldehyde 52
2. Khảo sát khả năng nhả chậm N của sản phẩm 53
2.1. Khảo sát theo hàm lượng acetaldehyde 54
2.1.1.Hàm lượng N tổng 54
2.1.2.Khả năng nhả chậm của sản phẩm 54
2.2. Khảo sát theo hàm lượng tinh bột 56
2.2.1.Hàm lượng N tổng 56
2.2.2.Khả năng nhả chậm của sản phẩm 56
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Mở đầu
2.3. Khảo sát theo hàm lượng urea 58
2.3.1.Hàm lượng N tổng 58
2.3.2.Khả năng nhả chậm của sản phẩm 58
II. Phân urea nhả chậm UF 60
1. Phổ IR của sản phẩm 60
2. Khảo sát khả năng nhả chậm của sản phẩm 60
2.1. Hàm lượng N tổng của sản phẩm 60
2.2. Khả năng nhả chậm N của sản phẩm 61
2.2.1.Độ tan của sản phẩm trong nước 61
Bảng 3.1: Số liệu phổ IR của màng bao bọc phân 50
Bảng 3.2: Số liệu phổ NMR
13
C của màng bao bọc phân 50
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của loại tinh bột đến thời gian phân hủy màng 52
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của hàm lượng acetaldehyde đến t.gian phân hủy màng. 52
Bảng 3.5: Hàm lượng N tổng (khảo sát theo hàm lượng acetaldehyde) 54
Bảng 3.6: Hàm lượng N (%) nhả (khảo sát theo hàm lượng acetaldehyde) 54
Bảng 3.7: Hàm lượng N tổng (khảo sát theo hàm lượng TB) 56
Bảng 3.8: Hàm lượng N (%) nhả (khảo sát theo hàm lượng TB) 56
Bảng 3.9: Hàm lượng N tổng (khảo sát theo hàm lượng urea) 58
Bảng 3.10: Hàm lượng N (%) nhả (khảo sát theo hàm lượng urea) 58
Bảng 3.11: Số liệu phổ IR của UF 60
Bảng 3.12: Hàm lượng N tổng trong sản phẩm UF 60
Bảng 3.13: Độ tan (%) trong nước của sản phẩm UF 61
Bảng 3.14: Hàm lượng N (%) nhả trong môi trường đất + nước 62
Bảng 3.15: Hàm lượng N (%) nhả trong môi trường đất + cát ẩm 64
Bảng 3.16: So sánh phần trăm nhả chậm của UF ở hai điều kiện phản ứng 66
Bảng 3.17: Hàm lượng N(%) dễ tiêu trong đất trước và sau khi bón phân (TB).66
Bảng 3.18: Kết quả trồng rau cải ngọt 68
Bảng 3.19: Hàm lượng N(%) dễ tiêu trong đất trước và sau khi bón phân UF 70
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Mở đầu
Bảng 3.20: Kết quả trồng cỏ voi 71
DANH MỤC ĐỒ THỊ
Đồ thò 3.1: Hàm lượng N (%) nhả (khảo sát theo hàm lượng acetaldehyde) 55
Đồ thò 3.2: Hàm lượng N (%) nhả (khảo sát theo hàm lượng TB) 57
Đồ thò 3.3: Hàm lượng N (%) nhả (khảo sát theo hàm lượng urea) 59
Đồ thò 3.4: Độ tan (%) trong nước của sản phẩm UF 62
Đồ thò 3.5: Hàm lượng N (%) nhả của sản phẩm UF trong đất + nước 63
trưởng phát triển. Nếu chỉ lấy từ đất thì cây trồng hoàn toàn không đủ chất dinh
dưỡng 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
biện pháp kỹ thuật trồng trọt, bón phân luôn là biện pháp có ảnh hưởng lớn nhất
đến năng xuất cây trồng.
Theo tổ chức FAO, trong thập niên 70 – 80 của thế kỷ XX, trên phạm vi
toàn thế giới trung bình phân bón quyết đònh 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 nitrogen (N)
Cây hút N chủ yếu ở dạng NH
4
+
và NO
3
-
. Các dạng N này phần lớn có
trong phân nitrogen hóa học, một số ít từ phân hữu cơ. Phân N rất đa dạng như:
urea (CO(NH
2
)
2
)
, ammonium sulfate ((NH
4
)
2
SO
2-
). 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 đồi 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 sần ở
các cây họ đậu.
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Mở đầu
P thúc đẩy sự ra hoa và hình thành quả ở cây, là yếu tố quyết đònh chất
lượng hạt giống.
P giúp cây tăng khả năng chống chòu 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.
2.1.1.3. Vai trò của phân Kalium (K)
Cây hút K dưới dạng K
+
, các tế bào của cây rất dễ để dung dòch K thấm
qua nên K được cây hút dễ dàng hơn các nguyên tố khác. Phân K bao gồm moat
số phân như: KCl, KNO
3
, K
2
SO
4
, Vai trò của phân K được thể hiện như:
K tham gia tích cực vào quá trình quang hợp, tổng hợp nên các chất
4
+
…
Ca cần thiết cho sự đồng hóa đạm nitrate và vận chuyển glucide từ tế bào
đến các bộ phận dự trữ của cây.
Ca giúp cây chòu 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 của đất, giúp cây sinh trưởng tốt.
Thiếu Ca thân cây mềm yếu, hoa rụng, nếu thiếu nặng thì đỉnh chồi có
thể bò khô.
2.1.2.2. Vai trò của magnesium (Mg)
Mg là thành phần cấu tạo chất diệp lục nên có vai trò quan trọng trong
quá trình quang hợp và tổng hợp glucide của cây.
Mg tham gia trong thành phần của nhiều loại men, đặc biệt các men
chuyển hóa năng lượng, đồng hóa P, tổng hợp protein và lipid.
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Mở đầu
Mg giữ cho độ pH trong tế bào cây ở phạm vi thích hợp, tăng sức trương
của tế bào nên ổn đònh 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 bò chết khô. Nếu dư thừa Mg sẽ làm thiếu K.
2.1.2.3. Vai trò của 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 đònh N của vi sinh vật cộng sinh.
S đóng vai trò quyết đònh trong việc tạo thành các chất tinh dầu và tạo
lượng các hợp chất có chất N, đường, bột, chất béo và các vitamin. Hàm lượng
vitamin C trong bắp cải có liên quan đến lượng Mn cung cấp.
Các chất vi lượng có trong cây trồng là nguồn cung cấp vi lượng quan
trọng cho người và động vật. Cây hút các nguyên tố vi lượng dưới dạng ion hòa
tan trong dung dòch đất. Thiếu nguyên tố vi lượng đều ảnh hưởng đến sinh
trưởng cây.
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.
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Mở đầu
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 lảm
giảm 10 – 20% hiệu lực phân bón.
Do làm tăng năng xuất và chất lượng nông sản nên sử dụng phân bón làm
tăng thu nhập cho người trồng trọt.
3. Những chất dinh dưỡng cần cho cây trồng
Cho đến nay người ta đã xác đònh 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 chất carbon (C), hydrogen (H), oxygen (O) là 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 bò chết.
Các nguyên tố được coi là thiết yếu tức là nếu thiếu thì cây sẽ sinh trưởng
3
) và carbondioxide (CO
2
) chỉ trong 2 – 4 ngày và
phản ứng xảy ra nhanh hơn trong đất có pH cao và nhiệt độ cao:
C NH
2
H
2
N
O
+
H
2
O
urease
NH
3
+
CO
2
2
Trong đất ẩm NH
3
ở dạng ion NH
4
+
và tiếp tục bò một chủng vi sinh
nitrosomonas chuyển hóa thành nitrite:
NH
4
+
và nitrate (NO
3
-
). NH
4
+
chiếm ưu thế hơn NO
3
-
trong đất ngập nước, còn NO
3
-
lại
nhiều hơn trong đất khô.
II. 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 phụ hết trong một khoảng thời
gian dài. Phân nhả chậm 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 phân bón nhả chậm
2.1. Tình hình trên thế giới
Phân nhả 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 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 được
công bố:
để bao bọc là urea, KNO
3
, K
2
SO
4
, NH
4
NO
3
, KHSO
4
, (NH
4
)
3
PO
4
hay hỗn hợp. Kết
quả thu được phân nhả chậm từ 0,07% - 0,17%.
Năm 2001 Mangrich A. S. và cộng sự [13] đã điều chế được phân K nhả
chậm từ cặn của dầu phiến nham ở 900
0
C thu được phân có độ tan 30,3% K
2
O
(trong HCl 0,5M), 23,2% (trong acid citric 0,1M) và 6,9% (trong H
2
O). Sản phẩm
này tốt hơn những sản phẩm cùng loại cũ, nó tránh được vấn đề chất thải và giá
K
3
PO
4
,
(NH
4
)
3
PO
4
, Ca
3
(PO
4
, Phân thu được có khả năng nhả chậm tốt.
Cũng bằng cách bao bọc, Hirano Y. và cộng sự [16] (tháng 5. 2001) cũng
đã nghiên cứu về phân nhả chậm từ những hạt phân được bao bọc bởi nhựa nhiệt
rắn và một hợp chất kỵ nước. Nhựa nhiệt rắn được sử dụng như nhựa epoxy,
nhựa xylene, nhựa melamine, nhựa silicon, Hợp chất kỵ nước như sáp động vật,
sáp khoáng, sáp dầu hỏa, Phân được sử dụng để bọc bao gồm phân: urea,
(NH
4
)
2
SO
4
, NH
4
công phân hỗn hợp NPK nhả chậm từ hỗn hợp dung dòch 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, Ca
3
(PO
4
)
2
,
K
3
PO
4
, (NH
4
)
3
PO
4
, Nguồn K được sử dụng là KHCO
3
, K
2
CO
3
, K
3
PO
4
, KNO
NO
3
, Ca(NO
3
)
2
, NH
4
Cl,
NH
4
HCO
3
và (NH
4
)
2
SO
4
. Sáp bao gồm paraffin (30 – 100 khối lượng) và sáp
microcystal.
Markusch P. H. và cộng sự [21] (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% bò hòa tan.
Tháng 3.2002, một phương pháp tạo phân nhả chậm bằng cách bao bọc
cũng được Markusch P. H. và cộng sự [22] 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
, KNO
3
, K
2
SiO
3
, 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 tại nhóm hydroxy
cuối. Ngoài ra còn sử dụng polymer tự nhiên như tinh bột, tinh bột ghép, muối
carboxymethyl cellulose. Nhựa urethane được tạo thành từ polyisocyante và
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Mở đầu
polyol. Phân thu được có kết quả nhả chậm tốt như phân urea trong nước sau 8h
tan ra từ 30 – 90%.
Tháng 5.2002, Hamada E. và cộng sự [23] đã nghiên cứu thành công phân
K nhả chậm. Thành phần chính của phân là K
2
O, SiO
2
và CaO. Ngoài ra còn có
Al
2
O
3
, MgO, MnO, Fe
2
O
3
,và FeO. Tỉ lệ nhả K
Mở đầu
chất hoạt động bề mặt để làm thành phân nhả chậm. Polyolefine được sử dụng
trong nghiên cứu này là polyethylene, polypropylene, polybutene, butene–
ethylene copolymer, ethylene–propylene copolymer, butene–propylene
copolymer. Sáp dầu hỏa: paraffin, microcrystalline, petrolatum. Phân sử dụng là
urea, NH
4
NO
3
, (NH
4
)
2
HPO
4
, NH
4
H
2
PO
4
(NH
4
)
2
SO
4
, NH
4
Cl, NaNO
hay K.
Luận văn thạc só Trần Đức Phương
Copyright: Tài liệu đại học ©