Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu một số vật liệu polyme tiên tiến, thân thiện môi trường và ứng dụng trong chế tạo bầu ươm cây

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu khả năng phân hủy của màng chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa từ đó chế tạo được túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác nhau; nghiên cứu ảnh hưởng của hai loại vật liệu polyme siêu hấp thụ nước và polyacrylamit đến tính chất của tổ hợp vật liệu chế tạo ruột bầu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Nghiên cứu một số vật liệu polyme tiên tiến, thân thiện môi trường và ứng dụng trong chế tạo bầu ươm cây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ---------------o0o--------------- NGUYỄN THỊ THỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẬT LIỆU POLYME TIÊN TIẾN, THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO BẦU ƯƠM CÂY LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌCVÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ------------- NGUYỄN THỊ THỨC NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẬT LIỆU POLYME TIÊN TIẾN, THÂN THIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO BẦU ƯƠM CÂY Chuyên ngành: Hóa hữu cơ Mã số: 9.44.01.14 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Trịnh Đức Công 2. GS.TS. Nguyễn Văn Khôi HÀ NỘI - 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và các cộng sự. Các kết quả nghiên cứu không trùng lặp và chưa từng công bố trong tài liệu khác. Hà Nội, ngày 05 tháng 10 năm 2019 Tác giả Nguyễn Thị Thức
LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Nguyễn Văn Khôi và TS.Trịnh Đức Công những người thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án, những người thầy đã truyền động lực, niềm đam mê cũng như nhiệt huyết khoa học cho tôi. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Hóa học, Học viện Khoa học và Công nghệ, các phòng chuyên môn, các cán bộ nghiên cứu phòng Vật liệu polyme – Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã ủng hộ, giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đã luôn ở bên, động viên tôi hoàn thành bản luận án này.
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. MỤC LỤC ................................................................................................................... i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................... iv DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................... 3 1.1. Giới thiệu chung về bầu ươm cây....................................................................... 3 1.1.1. Túi bầu .............................................................................................................. 3 1.1.2. Ruột bầu ươm .................................................................................................... 4 1.2. Túi bầu PE tự hủy chế tạo trên cơ sở PE tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa. .............................................................................................................................. 6 1.2.1. Sản xuất, tiêu thụ và vấn đề ô nhiễm môi trường từ nhựa PE .......................... 6 1.2.2. Một số biện pháp xử lý nhựa PE phế thải ....................................................... 10 1.2.3. Các quá trình phân hủy của polyetylen chứa chứa phụ gia xúc tiến oxy hóa 17 1.2.4. Các tiêu chuẩn đánh giá khả năng tự hủy của polyetylen .............................. 24 1.3. Polyme siêu hấp thụ nước (SAP) và polyacrylamit (PAM) sử dụng để cải tính năng của ruột bầu ươm............................................................................................ 26 1.3.1. Polyme siêu hấp thụ nước (SAP) và ứng dụng để cải thiện độ ẩm đất ........... 26 1.3.2. Polyacrylamit (PAM) và ứng dụng làm vật liệu liên kết đất .......................... 31 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............ 39 2.1. Nguyên vật liệu và hóa chất .............................................................................. 39 2.2. Dụng cụ và thiết bị ............................................................................................ 40 2.3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 44 2.3.1. Chế tạo mẫu màng chứa hạt nhựa rPE trên thiết bị trộn kín brabender ........ 44 2.3.2. Chế tạo masterbatch với hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa khác nhau ......... 45 2.3.3. Tiến hành thổi màng có hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa (rPE- oxo) .......... 46 2.3.4. Chế tạo túi bầu ươm có thời gian phân hủy khác nhau .................................. 48 i
2.3.5. Chế tạo ruột bầu ươm khi sử dụng vật liệu AMS-1 và PAM........................... 48 2.3.6. Thử nghiệm bầu ươm cây cho các đối tượng cây trồng khác nhau ................ 49 2.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 50 2.4.1. Xác định tính chất cơ học ................................................................................ 50 2.4.2. Phổ hồng ngoại (FTIR) ................................................................................... 51 2.4.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ...................................................................... 51 2.4.4. Xác định chỉ số carbonyl (CI) ......................................................................... 51 2.4.5. Xác định tính lưu biến khi chảy (mômen xoắn) .............................................. 52 2.4.6. Độ bóng của vật liệu ....................................................................................... 52 2.4.7. Phân hủy oxy hóa nhiệt .................................................................................. 52 2.4.8. Phân hủy oxy hóa quang nhiệt ẩm ................................................................. 53 2.4.9. Quá trình lão hóa tự nhiên .............................................................................. 53 2.4.10. Độ ẩm đất sau khi tưới .................................................................................. 53 2.4.11. Khả năng liên kêt đất ................................................................................... 54 2.4.12. Tốc độ sa lắng của đất ................................................................................. 54 2.4.13. Xác định độ xốp đất ...................................................................................... 54 2.4.15. Khả năng bám dính của đất .......................................................................... 55 2.4.16. Xác định sức chứa ẩm cực đại của đất ......................................................... 56 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 57 3.1. Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng rPE trong tổ hợp vật liệu rPE /LDPE ....... 57 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của PPA đến tính chất của tổ hợp rPE /LDPE ........ 60 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa đến quá trình phân hủy giảm cấp ................................................................................................... 65 3.3.1. Quá trình phân hủy oxy hóa nhiệt của các mẫu màng ................................... 65 3.3.2. Quá trình phân hủy oxy hóa quang, nhiệt, ẩm của màng rPE- oxo ............... 72 3.3.3. Khả năng phân hủy của màng rPE – oxo trong điều kiện lão hóa tự nhiên ... 76 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa đến quá trình phân hủy của màng rPE - oxo trong điều kiện tự nhiên ....................................... 81 3.4.1. Phân hủy trong môi trường đất ....................................................................... 81 3.4.2. Phân hủy trong môi trường bùn hoạt tính. ..................................................... 84 3.5. Chế tạo túi bầu tự hủy từPE tái sinh và hỗn hợp phụ xúc tiến oxy hóa ........ 88 ii
3.5.1. Đơn phối liệu chế tạo túi bầu ươm tự hủy ...................................................... 88 3.5.2. Ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến đặc tính của túi bầu ........................... 89 3.5.3. Đánh giá tính chất của túi bầu ươm chế tạo ................................................... 93 3.6. Nghiên cứu ứng dụng AMS-1 và PAM đến tổ hợp vật liệu ruột bầu ............. 97 3.6.1. Nghiên cứu khả năng giữ ẩm của vật liệu AMS-1 .......................................... 97 3.6.2. Nghiên cứu khả năng tương tác làm bền cấu trúc đất của PAM .................. 101 3.6.3. Xác định hàm lượng AMS-1 và PAM trong tổ hợp vật liệu ruột bầu ........... 107 3.7. Thử nghiệm bầu ươm tiên tiến, thân thiện môi trường ................................ 110 3.7.1. Thử nghiệm bầu ươm cho cây keo ................................................................ 110 3.7.2. Thử nghiệm bầu ươm cho cây thông ............................................................. 112 3.7.3. Thử nghiệm bầu ươm cho cây bạch đàn ....................................................... 113 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 116 NHỮNG ĐIỂM MỚI VÀ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN .................................. 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .................... 118 LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .............................................................................. 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 119 iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ Tiếng Anh Tiếng Việt viết tắt ASTM American Society for Testing and Hiệp hội vật liệu và thử Materials nghiệm Hoa Kỳ AMS-1 Polyme siêu hấp thụ nước của Viện Hóa học CAGR Compounded Annual Growth rate Tỷ lệ tăng trưởng hàng năm CI Carbonyl Index Chỉ số carbonyl CoSt2 Cobalt stearate Cobalt stearat DSC Differential scanning calorimetry Nhiệt lượng quét vi sai EPA United States Environmental Cục Bảo vệ môi trường Hoa Protection Agency Kỳ EU European Union Liên minh Châu Âu FeSt3 Ferric stearate Sắt (III) stearat FTIR Fourier Transform Infrared Phổ hồng ngoại Spectroscopy HDPE High density polyethylene Polyetylen tỷ trọng cao HCCN Hữu cơ công nghiệp LDPE Low density polyethylene Polyetylen tỷ trọng thấp LLDPE Linear low density polyethylene Polyetylen tỷ trọng thấp mạch thẳng MFI Melt Flow Index Chỉ số chảy MnSt2 Manganese stearate Mangan stearat Mw Molecular weight Khối lượng phân tử PAM Polyacrylamide Polyacrylamit PE Polyethylene Polyetylen PPA Compatible additives Phụ gia quá trình rPE Recycled polyethylene Nhựa polyetylen phế thải iv
rPE – Oxo Màng chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa SAP Superabsorbent polymers Polyme siêu hấp thụ nước SCACĐ Sức chứa ẩm cực đại SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TGA Thermogravimetric analysis Phân tích nhiệt trọng lượng UV Ultraviolet Tia cực tím v
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Một số môi trường nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học ...................23 Bảng 1.2: Các tiêu chuẩn đánh giá quá trình phân hủy quang nhiệt ẩm...................24 Bảng 1.3: Các tiêu chuẩn đánh giá quá trình phân hủy nhiệt ...................................25 Bảng 2.1: Chỉ tiêu kỹ thuật của AMS-1 ...................................................................40 Bảng 2.2: Chỉ tiêu kỹ thuật của PAM ......................................................................40 Bảng 2.3: Thông số công nghệ quá trình trộn cắt tạo hạt .........................................46 Bảng 3.1: Tính chất cơ lý của tổ hợp vật liệu rPE / LDPE .......................................57 Bảng 3.2: Kí hiệu mẫu có hàm lượng phụ gia PPA khác nhau ................................60 Bảng 3.3: Tính chất cơ lý của mẫu màng có hàm PPA khác nhau ...........................63 Bảng 3.4: Tính chất cơ lý của mẫu có chứa phụ gia xúc tiến oxy hóa .....................65 Bảng 3.5: Tổn hao khối lượng của các mẫu khi chôn trong đất ...............................82 Bảng 3.6: Tổn hao khối lượng của mẫu khi ngâm trong bùn hoạt tính ....................85 Bảng 3.7: Đơn phối liệu chế tạo túi bầu ươm tự hủy................................................88 Bảng 3.8: Ảnh hưởng của tốc độ trục vít đến chiều dày màng .................................89 Bảng 3.9: Ảnh hưởng của tốc độ kéo đến chiều dày màng ......................................90 Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ lý của màng ..........................90 Bảng 3.11: Tính chất cơ lý của túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác nhau ............93 Bảng 3.12: Bảng đánh giá độ thấm của đất ..............................................................98 Bảng 3.13: Khả năng trương nở của AMS-1 khi có mặt của ion kim loại .............100 Bảng 3.14: Khả năng liên kết của PAM với các hạt đất .........................................103 Bảng 3.15: Lượng chất dinh dưỡng bị mất sau 6 tháng ..........................................105 Bảng 3.16: Công thức sử dụng AMS-1 và PAM ...................................................107 Bảng 3.17: Tính chất túi bầu ươm trong thời gian ươm cây keo ............................110 Bảng 3.18: Số lần tưới và phẩm chất cây keo trong công thức bầu ươm ...............111 Bảng 3.19: Kết quả chiều cao cây keo trong các lần thu thập số liệu ....................111 Bảng 3.20: Tính chất của túi bầu trong thời gian ươm cây thông ..........................112 Bảng 3.21: Số lần tưới và phẩm chất cây Thông ....................................................113 Bảng 3.22: Bảng tổng hợp kết quả chiều cao cây thông .........................................113 Bảng 3.23: Tính chất của túi bầu trong thời gian ươm cây bạch đàn .....................114 vi
Bảng 3.24: Số lần tưới và phẩm chất cây bạch đàn ................................................114 Bảng 3.25: Kết quả chiều cao cây bạch đàn ...........................................................115 vii
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Cơ cấu sử dụng nhựa PE theo loại trên toàn cầu năm 2018 ......................7 Hình 1.2: Cơ cấu ngành nhựa Việt Nam theo nhóm ngành năm 2018 ......................9 Hình 1.3: Quy trình tái chế nhựa phế thải .................................................................11 Hình 1.4: PE phân hủy sinh học trên cơ sở LDPE với tinh bột ................................14 Hình 1.5: Cơ chế hoạt động của phụ gia xúc tiến oxi hóa ........................................17 Hình 1.6: Hình ảnh minh họa mạch phân tử của các loại PE ...................................18 Hình 1.7: Quá trình phân hủy của polyolefin ...........................................................18 Hình 1.8: Cơ chế phân huỷ quang hoá PE ................................................................20 Hình 1.9: Phân huỷ oxy hoá theo cơ chế Norrish ...................................................20 Hình 1.10: Quá trình phân hủy của PE xúc tác bởi kim loại chuyển tiếp ................21 Hình 1.11: Cơ chế phân hủy của PE sau phân hủy giảm cấp ...................................23 Hình 1.12: Cơ chế hấp thụ nước của SAP ................................................................28 Hình 1.13: Mô hình liên kết hydro giữa nhóm amit và phân tử nước ......................33 Hình 1.14: Mô hình biểu diễn khả năng hấp thụ polyme lên khoáng sét .................34 Hình 1.15: Mô hình liên kết giữa polyme với kim loại hóa trị II .............................34 Hình 1.16: Cơ chế phản ứng thủy phân PAM trong môi trường axit .......................35 Hình 1.17: Cơ chế phản ứng thủy phân PAM trong môi trường kiềm .....................35 Hình 1.18: Cơ chế phân hủy sinh học trong môi trường enzymeamidaza................36 Hình 2.1: Máy trộn siêu tốc Supermix, Model: BP-HS100 ......................................41 Hình 2.2: Thiết bị thổi màng thí nghiệm SJ-35 ........................................................41 Hình 2.3: Máy trộn kín brabender.............................................................................42 Hình 2.4: Máy ép mẫu thí nghiệm ............................................................................42 Hình 2.5: Máy trộn cắt hạt 2 trục vít BP-8177 .........................................................42 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống đùn thổi màng SJ 45 ........................................................43 Hình 2.7: Thiết bị đo cơ lý đa năng INSTRON 5980 ...............................................43 Hình 2.8: Thiết bị thử nghiệm gia tốc thời tiết UVCON Model UV-260 ................44 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý quá trình thổi màng ........................................................46 Hình 2.10: Mẫu vật liệu đo tính chất cơ học.............................................................51 Hình 3.1: Phổ FTIR của nhựa LDPE nguyên sinh ...................................................58 viii
Hình 3.2: Phổ FTIR của nhựa PE tái sinh loại 1.......................................................58 Hình 3.3: Hình ảnh SEM bề mặt phẳng của mẫu PE1, PE2, PE3 và PE4 ................59 Hình 3.4: Ảnh hưởng của phụ gia PPA đến mô men xoắn .......................................61 Hình 3.5: Độ bóng của mẫu màng có hàm lượng phụ gia PPA khác nhau ..............62 Hình 3.6: Hình thái học bề mặt phẳng SEM của mẫu PE3A0 và PE3A2 ................64 Hình 3.7: Độ bền kéo đứt của các mẫu màng sau khi oxy hóa nhiệt ........................66 Hình 3.8: Độ dãn dài khi đứt của màng tự hủy sau khi oxy hóa nhiệt .....................67 Hình 3.9: FTIR của PE3A2Ox0 bđ, PE3A2Ox0, PE3A2Ox02 sau oxy hóa nhiệt .....68 Hình 3.10: FTIR của PE3A2Ox04, PE3A2Ox06 và PE3A2Ox08 sau oxy hóa nhiệt ....... 68 Hình 3.11: Cơ chế phân hủy của hydroperoxit ........................................................69 Hình 3.12: Phản ứng Norrish I và Norrish II và hình thành este ..............................69 Hình 3.13: Chỉ số CI của các mẫu PE tự hủy sau 90 giờ oxy hóa nhiệt ...................70 Hình 3.14: Ảnh SEM bề mặt phẳng của PE3A2Ox0bđ, PE3A2Ox0, PE3A2Ox02 và PE3A2Ox08 sau 90h oxy hóa nhiệt ...........................................................................71 Hình 3.15: Độ bền kéo đứt các mẫu sau 30 ngày oxy hóa quang nhiệt ẩm ..............72 Hình 3.16: Độ dãn dài khi đứt của mẫu sau oxy hóa quang nhiệt ẩm ......................73 Hình 3.17: FTIR của PE3A2Ox0 bđ, PE3A2Ox0 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm ............... 74 Hình 3.18: FTIR của PE3A2Ox02, PE3A2Ox04 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm ................ 74 Hình 3.19: FTIR của PE3A2Ox06 và PE3A2Ox08 sau oxy hóa quang nhiệt ẩm ........... 75 Hình 3.20: Ảnh SEM bề mặt phẳng của PE3A2Ox0 bđ, PE3A2Ox0, PE3A2Ox04 và PE3A2Ox08 sau oxy hóa quang, nhiệt, ẩm ...............................................................76 Hình 3.21: Sự thay đổi độ bền kéo đứt trong quá trình lão hóa tự nhiên .................77 Hình 3.22: Độ dãn dài khi đứt của màng sau khi lão hóa tự nhiên ...........................78 Hình 3.23: Phổ FTIR của các mẫu màng sau khi lão hóa tự nhiên ..........................79 Hình 3.24: Sự thay đổi chỉ số carbonyl theo thời gian phơi mẫu .............................80 Hình 3.25: Ảnh SEM của mẫu màng trước và sau lão hóa tự nhiên. .......................80 Hình 3.26: Phổ IR của mẫu PE3A2Ox08 sau 5 tháng chôn trong đất ......................83 Hình 3.27: Ảnh SEM của PE3A2Ox02 và PE3A2Ox08 sau 6 tháng chôn đất ................. 84 Hình 3.28: Ảnh mẫu PE08 theo thời gian ngâm trong bùn hoạt tính .......................85 Hình 3.29: FTIR của PE3A2Ox08 sau 4 tháng ngâm trong bùn hoạt tính................86 Hình 3.30: SEM bề mặt của mẫu PE3A2Ox02 và PE3A2Ox08 sau 4 tháng ngâm ix
trong bùn hoạt tính ....................................................................................................87 Hình 3.31: Ảnh SEM của các mẫu ở các nhiệt độ gia công khác nhau ....................91 Hình 3.32: Sơ đồ quá trình chế tạo túi bầu ươm . .....................................................92 Hình 3.33: Tính chất cơ lý của mẫu túi bầu TH6, TH9, TH12 và TH15 .................93 Hình 3.34: Ảnh các mẫu màng PE0, PE08 theo thời gian chôn trong đất ................94 Hình 3.35: Phổ IR của mẫu túi bầu TH6 sau 6 tháng chôn đất ................................95 Hình 3.36: Hình thái học bề mặt túi bầu TH6 và TH15 sau khi chôn đất ................96 Hình 3.37: Tính thấm của đất khi sử dụng AMS-1 ..................................................97 Hình 3.38: Quá trình hấp thụ nước của AMS-1........................................................98 Hình 3.39: Các lớp nước có trong đất .......................................................................99 Hình 3.40: Khả năng giữ nước của đất theo thời gian ..............................................99 Hình 3.41: Cầu liên kết của AMS-1 với ion kim loại hóa trị II ..............................100 Hình 3.42: Liên kết giữa AMS-1 với ion kim loại trong đất. .................................101 Hình 3.43: Khả năng loại bỏ cặn lơ lửng theo thời gian ........................................102 Hình 3.44: Cơ chế tạo cầu hóa học của PAM và hạt lơ lửng..................................103 Hình 3.45: Liên kết giữa PAM và các ion kim loại trong đất.................................104 Hình 3.46: Phổ FTIR của PAM liên kết với ion kim loại Mg2+ .............................105 Hình 3.47: Lực hút bề mặt của PAM với các hạt đất .............................................106 Hình 3.48: Cầu nối điện tích của PAM và các ion kim loại ...................................106 Hình 3.49: Độ bám dính của đất ở các tổ hợp ruột bầu ..........................................107 Hình 3.50: Sức chứa ẩm cực đại trong các tổ hợp ruột bầu ....................................108 Hình 3.51: Độ xốp của đất trong các tổ hợp ruột bầu .............................................109 x
MỞ ĐẦU Ngày nay, nhựa polyetylen (PE) phế thải đã và đang đặt ra những vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và gây tổn thương đến hệ sinh thái. PE thường không phân hủy và do đó vẫn tồn tại dưới dạng chất thải trong môi trường với thời gian rất dài gây hại đối với sức khỏe con người. Do những ưu điểm về giá thành cũng như phương pháp gia công đơn giản, các loại màng chất dẻo chế tạo từ polyetylen (PE) đang được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như: bao gói, che phủ và dùng để chế tạo bầu ươm cây trong nông nghiệp. Ở Việt Nam, nhu cầu sản xuất cây giống trong bầu ươm cho cây ăn quả, cây nông lâm nghiệp ngày càng tăng, hầu hết các loại cây giống đều được trồng trong bầu. Bầu ươm là môi trường trồng cây và chứa nguồn dinh dưỡng cẩn thiết để cung cấp cho cây trồng ở giai đoạn sinh trưởng và phát triển đầu tiên. Thành phần và đặc tính của bầu ươm đóng vai trò quyết định đến số lượng, chất lượng cây giống và thời gian cây lưu bầu. Túi bầu ươm cây tự hủy chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa là một hướng nghiên cứu mới góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Đồng thời việc sử dụng túi bầu ươm này đem lại ý nghĩa về mặt kinh tế cao, tiết kiệm được công xé bầu. Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng một số vật liệu tiên tiến, thâm thiện với môi trường như: polyme siêu hấp thụ nước và polyme liên kết đất trong chế tạo ruột bầu cũng là một hướng đi mới nhằm cải thiện khả năng giữ nước, tăng lượng ẩm sẵn có ở vùng rễ, giữ chất dinh dưỡng, ngăn quá trình rửa trôi chất dinh dưỡng trong đất và liên kết các hạt đất, giúp không làm vỡ bầu ươm khi vận chuyển đến nơi gieo trồng, cây trồng phát triển tốt, giảm số lần tưới, tiết kiệm được công lao động và nâng cao chất lượng cây giống. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, luận án tập trung vào “Nghiên cứu một số vật liệu polyme tiên tiến, thân thiện môi trường và ứng dụng trong chế tạo bầu ươm cây” với mục tiêu và nội dung nghiên cứu cụ thể như sau: 1
* Mục tiêu của luận án: - Nghiên cứu khả năng phân hủy của màng chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa từ đó chế tạo được túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác nhau. - Nghiên cứu ảnh hưởng của hai loại vật liệu polyme siêu hấp thụ nước và polyacrylamit đến tính chất của tổ hợp vật liệu chế tạo ruột bầu. - Đánh giá được khả năng ứng dụng của bầu ươm cây tiên tiến, thân thiện môi trường cho một số đối tượng cây trồng. * Những nội dung nghiên cứu chính của luận án: - Nghiên cứu quá trình phân hủy giảm cấp và phân hủy trong điều kiện tự nhiên của màng chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và hỗn hợp phụ gia xúc tiến oxy hóa Mn(II) stearat, Fe(III) stearat, Co(II) stearat. Từ đó, chế tạo được túi bầu ươm có thời gian tự hủy khác nhau. - Nghiên cứu khả năng giữ ẩm của vật liệu polyme siêu hấp nước và khả năng làm bền cấu trúc của polyacrylamit. Kết hợp sử dụng tổ hợp hai loại vật liệu này để cải thiện một số tính năng của ruột bầu ươm. - Thử nghiệm bầu ươm cây tiên tiến, thân thiện môi trường cho cây thông, cây keo và cây bạch đàn. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về bầu ươm cây Trồng cây bằng cây con là phương pháp phổ biến trên thế giới và chủ yếu ở nước ta hiện nay. Sử dụng bầu ươm để ươm cây giống là công tác quan trọng và phức tạp. Chất lượng cây con tốt hay xấu ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và hiệu quả của cây trồng. Vai trò của bầu ươm cây là trên một đơn vị diện tích, với thời gian ngắn nhất sản xuất được số lượng cây con nhiều nhất, chất lượng tốt nhất, đồng thời giá thành hạ. Muốn đạt được mục tiêu đó phải giải quyết các khâu về đặc tính kỹ thuật của bầu ươm. Bầu gieo ươm có cấu tạo gồm 2 thành phần chính: Túi bầu và ruột bầu. 1.1.1. Túi bầu Ngày nay, túi bầu ươm đã thực sự trở nên phổ biến để ươm các loại cây giống khác nhau. Chúng thường được dùng để ươm cây ăn quả và cây nông, lâm nghiệp [1]. Túi bầu được định nghĩa là khuôn giữ cho ruột bầu định hình và ổn định [2]. Một số yêu cầu chung đối với túi bầu trong sản xuất cây giống như sau [3]: - Túi bầu không gây cản trở sự trao đổi nước và không khí với môi trường xung quanh. - Không làm độc hại và mang sâu bệnh cho cây con. - Khi bứng và vận chuyển cây con không gây vỡ bầu. - Sau khi trồng túi bầu có khả năng tự hủy tốt trong đất. - Nguyên liệu chế tạo túi bầu rẻ tiền, tiện lợi và giúp cây giống trong bầu sinh trưởng phát triển tốt. Túi bầu ươm cây có nhiều cỡ khác nhau, được sử dụng tùy thuộc tốc độ sinh trưởng của loài cây, thời gian nuôi cây ở vườn ươm. Túi bầu ươm cây thường được sử dụng hiện nay bao gồm: Bầu không có túi, bầu độc lập có vỏ cứng, bầu độc lập có túi mềm (polyetylen hoặc sợi xốp). Gần đây, một vài cơ sở ở Quảng Ninh đã sử dụng loại bầu vỏ cứng trong 3
khay bằng chất dẻo tổng hợp nhập từ Trung Quốc để sản xuất giống hoa, rau quả. Loại này đã được thử nghiệm ươm cây giống lâm nghiệp, song rất hạn chế vì giá cao và không thuận tiện khi vận chuyển lên đồi cao để trồng rừng [4]. Ở Trung Bộ, Nam Bộ và Tây Nguyên đang sử dụng loại bầu khay cứng bằng các tấm xốp có độ chặt cao được đúc thành khối với nhiều hốc hình nón cụt. Hỗn hợp ruột bầu được nạp đầy vào các hốc và nén bằng máy. Khay bầu được sử dụng gieo ươm cây giống rau quả. Loại túi bầu cứng độc lập từ chất dẻo tổng hợp với đường kính lớn cũng đã được đóng bầu bằng máy để ươm trồng hoa và rau quả. Loại bầu khay này chưa áp dụng được cho cây giống vì khó vận chuyển lên đồi cao và dốc, dễ đổ vỡ bầu. Trong lâm nghiệp, hiện sử dụng loại túi bầu mềm độc lập từ màng PE khó phân hủy được làm thành dạng túi [5]. Loại túi bầu này rất dễ sản xuất tại các xưởng chế biến nhựa bao bì quy mô nhỏ. Đây là loại túi bầu hiện nay đang được sử dụng rất phổ biến ở nhiều cơ sở sản xuất cây con trong cả nước bởi vì tính ưu việt của nó là: Bền, định hình được ruột bầu tốt, gọn, dễ vận chuyển [2]. Tuy nhiên, túi bầu PE này thường khó gỡ tách khỏi khối hỗn hợp ruột bầu, khó phân hủy trong đất, khó thu hồi và gây ô nhiễm môi trường đất. Khi trồng rừng, túi bầu thường bị chôn vùi vào trong đất, làm cản trở rễ cây phát triển, tăng tỷ lệ cây chết, làm giảm năng suất cây trồng và cản trở thấm nước vào trong đất [6]. Theo những nghiên cứu mới đây chỉ ra rằng khi sử dụng những túi bầu PE không tự phân hủy, cây giống được ươm trong túi bầu này có rễ cây phát triển theo xu hướng hình xoắn ốc sẽ hạn chế khả năng tăng trưởng của cây sau khi gieo trồng thậm chí là làm cho cây giống chết sớm. Bên cạnh đó, việc sử dụng túi bầu không có khả năng phân hủy sinh học đang phát sinh các vấn đề môi trường nghiêm trọng trên toàn thế giới [7]. Do đó, chế tạo túi bầu PE có khả năng tự hủy và nghiên cứu các môi trường nhân giống khác nhau để sản xuất các loại cây trồng hiện nay là rất cần thiết. 1.1.2. Ruột bầu ươm Ruột bầu là môi trường trực tiếp nuôi cây [8]. Nó là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến sinh trưởng cây con trong vườn ươm. 4
Hỗn hợp ruột bầu tốt phải đảm bảo những điều kiện lý tính và hóa tính giúp cây sinh trưởng khoẻ mạnh và nhanh. Một hỗn hợp ruột bầu nhẹ, thoáng khí, khả năng giữ nước cao sẽ giúp cây phát triển tốt. Ngược lại, một hỗn hợp ruột bầu có cấu trúc đất nặng, khó thấm nước và thoát nước cũng ảnh hưởng xấu đến cây con [9]. Thành phần ruột bầu thường gồm đất và phân bón. Đất làm ruột bầu thường sử dụng loại đất có thành phần cơ giới nhẹ hoặc trung bình, phân bón là phân hữu cơ đã ủ hoài (phân chuồng, phân xanh), phân vi sinh và phân vô cơ. Nguyên liệu làm ruột bầu ươm gồm nhiều loại, mỗi loại có đặc điểm và tính chất khác nhau. Một số loại nguyên liệu thường được sử dụng trong chế tạo ruột bầu ươm cây như: phế thải nguyên liệu nhà máy giấy, mùn xơ dừa và đất mặt. Trong đó đất mặt là nguyên liệu chủ yếu để chế tạo ruột bầu ươm hiện nay. Ngày nay, công nghệ sản xuất bầu ươm cây đã đạt đến trình độ cao. Những yêu cầu của ruột bầu giâm hạt và giâm cành như sau: - Ruột bầu ươm phải có tính chất cơ lý đủ chắc, đặc để cành giâm và hạt phát triển, thể tích không được giảm đi nhiều sau khi làm khô vì sẽ không thích hợp cho cây. - Dễ dàng thấm nước, có khả năng giữ ẩm tốt. - Hàm lượng tổng muối vô cơ hòa tan không quá cao (không mặn). - Không chứa tác nhân gây hại cây (cỏ dại, tuyến trùng, vi sinh vật có hại). - Phải có khả năng cung cấp đủ dinh dưỡng cần thiết cho cây. Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp và Hợp tác quốc tế của Pháp [10] khẳng định: Thành công trong một vườn ươm cây phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn môi trường ra rễ. Do đó, ruột bầu ươm cần thoả mãn các yêu cầu sau đây: (i) Tính chất vật lý và hoá học phải phù hợp với yêu cầu của từng loài cây trồng; (ii) Khối lượng và thể tích của bầu vừa phải giúp thao tác và vận chuyển dễ dàng mà vẫn đảm bảo cây phát triển tốt; (iii) Không có tuyến trùng và các tác nhân gây bệnh rễ khác; (iv) Nguồn nguyên liệu ổn định; (v) Giá cả nguyên liệu và thành phẩm hợp lý. Tính chất vật lý: Có 2 chỉ tiêu thiết yếu liên quan tới tính chất vật lý của bầu ươm là độ xốp và khả năng giữ nước (sức chứa ẩm). Nguyên tắc chế tạo ruột bầu ươm là phải đảm bảo đủ lượng dinh dưỡng cho 5
cây trong suốt thời kỳ vườn ươm. Tuy nhiên, với một số loài cây trồng có thờỉ gian lưu trong vườn ươm dài thì phải bổ sung dinh dưỡng (bón thúc). Môi trường pH của ruột bầu ươm phải phù hợp với yêu cầu của cây, pH gần trung tính hay hơi chua là thích hợp. Đất có pH thấp có thể được trung hoà bằng vôi hoặc đôlômit, đất có pH cao có thể rửa bằng nước hoặc axit hoá nhờ bón phân sinh lý chua như amoni sunphat. Ở nước ta, theo định hướng phát triển cây ăn quả của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, đến năm 2020 [11] tích trồng cây ăn quả cả nước sẽ lên đến 1.000.000 ha. Trên diện tích đó nhu cầu về cây giống mỗi năm, ước tính khoảng 20 triệu cây. Trong sản xuất cây giống lâm nghiệp, theo Nguyễn Dương Tài [5], nhu cầu giống lâm nghiệp hàng năm cho trồng rừng giai đoạn 2006–2016 là 586 triệu cây con giống. Tuy nhiên, chúng ta mới đảm bảo cung ứng được 30% cây giống có chất lượng tốt cho sản xuất, số còn lại sử dụng giống không rõ lai lịch. Để góp phần nâng cao chất lượng cây giống, việc tạo ra các loại ruột bầu ươm có vai trò rất quan trọng bởi vì: giảm được chi phí chuyên chở nhờ sử dụng bầu ươm nhẹ và rút ngắn được các chu kỳ sản xuất nhờ tưới nước và bón phân cân đối, hợp lý. Tuy nhiên, theo kết quả điều tra ở phía Bắc [12] phần lớn ruột bầu ươm cây chưa đạt yêu cầu vì có những tồn tại sau: (i) Nặng và chưa có độ kết dính nhất định; (ii) Khả năng giữ nước kém, chưa được tiệt trùng; (iii) Thiếu dinh dưỡng cho cây trong thời gian dài; (iv) Nguồn nguyên liệu cung cấp chưa ổn định; (v) Quy cách áp dụng cho từng loại cây chưa đạt tiêu chuẩn. 1.2. Túi bầu PE tự hủy chế tạo trên cơ sở polyetylen tái sinh và phụ gia xúc tiến oxy hóa. 1.2.1. Sản xuất, tiêu thụ và vấn đề ô nhiễm môi trường từ nhựa PE Chất dẻo được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại sản phẩm và thay thế nhiều vật liệu như gỗ, kim loại và thủy tinh. Ngành công nghiệp chất dẻo phát triển song song với nhu cầu tiêu thụ không ngừng tăng theo dân số cũng như những ý tưởng công nghệ mới tạo ra vật liệu có hiệu quả sử dụng tối đa. 6