Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 2. TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH BỌC HẠT
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC CÔNG NGHỆ BỌC HẠT
CHƯƠNG 4. QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG CHẤT DINH DƯỠNG
KẾT LUẬN
Phân bón thông minh (SF) hay phân bón giải phóng có kiểm soát (CRF) được cấu
tạo bởi màng bọc bên ngoài giúp kiểm soát được thời gian, tốc độ giải phóng chất
dinh dưỡng đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng. SF giúp tiết kiệm năng
lượng, nguồn tài nguyên, giảm lượng phát thải khí nhà kính và hạn chế tác động
môi trường. Một trong những phương pháp sản xuất SF đơn giản, chi phí thấp,
không làm thay đổi công nghệ sản xuất là bọc hạt phân bón bằng màng bọc phù
hợp. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào vật liệu
bọc và mô hình giải phóng chất dinh dưỡng của SF. Các nghiên cứu về công nghệ,
thiết bị bọc hạt ứng với vật liệu bọc cụ thể và phương pháp tính toán, triển khai
công nghệ bọc hạt vào sản xuất còn nhiều hạn chế. Vì vậy, mục tiêu của đề tài là
xây dựng, thiết lập mô hình toán thực nghiệm mô tả công nghệ bọc hạt để sản
xuất phân urê thông minh (SUF) phù hợp với điều kiện nông nghiệp ở Việt Nam.
Đối tượng chính của nghiên cứu là quy trình, công nghệ bọc hạt theo cơ chế bọc
ướt bằng thiết bị đĩa quay. Trong đó, phạm vi nghiên cứu là quá trình bọc tạo SUF
bằng vật liệu polyme. Các mục tiêu cụ thể như sau:
• Tìm kiếm vật liệu bọc phù hợp với SUF từ nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có
khả năng phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường.
• Tối ưu hóa chế độ công nghệ bọc phân urê bằng thực nghiệm, phục vụ tính
toán vận hành và thiết kế thiết bị bọc sản xuất SUF.
• Phân tích, đánh giá thông số công nghệ bọc hạt, từ đó tiến hành thiết lập và
phát triển mô hình toán mô tả công nghệ bọc hạt.
• Tiến hành khảo sát, đánh giá cơ chế và yếu tố ảnh hưởng đến quá trình giải
phóng chất dinh dưỡng và định hướng ứng dụng SUF trong nông nghiệp.
Các phương pháp nghiên cứu được lựa chọn, sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:
• Kết hợp lý thuyết với thực nghiệm để xác định yêu cầu, tính chất, đặc điểm,
cấu trúc của các loại màng bọc để lựa chọn loại vật liệu bọc phù hợp.
• Phương pháp phân tích hình ảnh để xác định kích thước, hàm phân bố,
đường kính trung bình của giọt lỏng và hạt phân trong quá trình bọc hạt.2
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được sử dụng để nghiên cứu ảnh
hưởng đồng thời của nhiều yếu tố đến quá trình bọc. Phương pháp tối ưu
đa mục tiêu bằng thuật toán tìm kiếm Pareto (tìm kiếm mẫu) cũng được sử
dụng để xác định các giá trị tối ưu của mô hình.
• Xác định mô hình toán thực nghiệm của quá trình bọc hạt dạng phương
trình chuẩn số dựa trên phương pháp phân tích thứ nguyên, các định lý
đồng dạng và định lý π của Buckingham.
• Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá, lựa chọn mô hình giải
phóng chất dinh dưỡng, từ đó xác định thông số và tác động của các yếu tố
đến quá trình bằng thực nghiệm và công cụ tính toán mô phỏng
Nghiên cứu có nhiều ý nghĩa khoa học thực tiễn và những điểm mới quan trọng:
• Tìm kiếm được vật liệu bọc mới từ tinh bột biến tính phốt phát (PS), poly
vinyl ancol (PVA) và poly acrylic axit (PAA) có khả năng phân hủy sinh
học, có các thông số công nghệ phù hợp với công nghệ bọc ướt trên thiết
bị bọc đĩa quay mà các nghiên cứu trước đây chưa nhắc tới.
• Sử dụng các phương pháp, công cụ thu nhận hình ảnh như ghi hình tốc độ
cao (1000 hình/giây), kỹ thuật phân tích hình ảnh để xác định được thông
số quá trình phun, quá trình bọc nhanh chóng, tin cậy và hiệu quả.
• Xây dựng mô hình toán học thực nghiệm dạng phương trình chuẩn số mô
tả quá trình phun dung dịch tạo giọt và quá trình bọc hạt để sản xuất SUF,
ứng dụng cho tính toán, điều chỉnh, kiểm soát và tối ưu cho hệ thống sản
xuất thực tế.
• Mô hình bọc hạt đã nghiên cứu có thể ứng dụng cho việc phát triển các sản
phẩm khác như phân bón bổ sung vi lượng, phân bón ổn định,… và trong
các lĩnh vực khác như: dược phẩm, thực phẩm và môi trường,…
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Phân bón đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng
nguồn lương thực, cũng là yếu tố chính tác động đến tình hình an ninh lương thực
toàn cầu. Sản lượng lương thực trên thế giới phụ thuộc nhiều vào lượng phân bón
sử dụng và dự báo sẽ tăng trong tương lai. Hiệu suất sử dụng phân bón của cây
trồng tương đối thấp nên một lượng lớn chất dinh dưỡng thất thoát ra ngoài, gây
ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng sức khỏe và hao phí nguồn nguyên vật liệu sử
dụng. Vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển và sử dụng phân bón thông minh được
xem là lựa chọn ưu tiên trong sản xuất nông nghiệp hiện đại và bền vững, bởi vì
lượng dinh dưỡng giải phóng của SF giúp đáp ứng một phần hay hoàn toàn nhu
cầu dinh dưỡng của cây trồng đảm bảo đúng thời điểm, vừa đủ, hiệu quả và tránh
các vùng thừa hay thiếu (xem Hình 1.1 và Hình 1.2).
SF được sản xuất bằng cách bọc hạt phân bón thông thường (còn gọi là nhân)
bằng lớp màng bảo vệ từ vật liệu không tan, bán thấm hay không thấm nước với
phương pháp bọc hạt trên thiết bị bọc khác nhau, giúp kiểm soát quá trình giải
phóng và cung cấp chất dinh dưỡng. Quá trình giải phóng chất dinh dưỡng của
SF qua màng bọc gồm 3 giai đoạn: nước xâm nhập vào trong hạt, chất dinh dưỡng
hòa tan, chất dinh dưỡng khuếch tán qua màng như Hình 1.4. Quá trình này phụ
thuộc vào số lượng lỗ xốp (mao quản), kích thước lỗ xốp, bề dày và cấu trúc màng
bọc. Các đại lượng này chịu ảnh hưởng của tính chất vật liệu bọc, thiết bị và công
nghệ bọc. Trong đó, thiết bị và công nghệ bọc hạt đóng vai trò quyết định. Tuy
nhiên, hầu hết các nghiên cứu về SF tập trung vào việc phát triển vật liệu bọc, quá
trình giải phóng chất dinh dưỡng và ứng dụng phân bón trong nông nghiệp, các
nghiên cứu về công nghệ bọc hạt để sản xuất SF là rất ít. Đây cũng chính là phần
còn khiếm khuyết trong các nghiên cứu về SF hiện tại.
Trên cơ sở đó, mục đích của luận án là xây dựng mô hình toán học mô tả công
nghệ bọc hạt theo phương pháp bọc ướt bằng thiết bọc đĩa quay để sản xuất phân
urê thông minh (SUF). Trong đó, phân urê được chọn làm đối tượng vì dễ tan
trong nước, hiệu suất sử dụng thấp, được sử dụng nhiều trong nông nghiệp và4
phần thất thoát gây tác hại đến môi trường, sức khỏe lớn hơn so với các loại phân
kali, phốt pho. Vật liệu bọc sử dụng là polyme phù hợp với công nghệ bọc ướt.
Sản phẩm SUF cũng được đánh giá và đảm bảo phù hợp với tiêu chuẩn của phân
thông minh và điều kiện nông nghiệp ở Việt Nam. Tuy nhiên, công nghệ bọc hạt
là một công nghệ phức tạp nhiều thông số, nên việc xây dựng mô hình toán mô tả
công nghệ bọc hạt được tiến hành trên cơ sở việc phân tích, đánh giá, phát triển
và xây dựng mô hình toán học cho từng quá trình, tiến tới phát triển một mô hình
toán cho công nghệ bọc hạt. Vì vậy, nghiên cứu đòi hỏi phải có sự kết hợp đồng
bộ của nhiều nội dung và phương pháp khác nhau, cụ thể như sau:
• Lựa chọn vật liệu polyme phù hợp dùng làm vật liệu bọc sản xuất phân
urê thông minh. Vật liệu này không chỉ đảm bảo khả năng tạo cấu trúc
màng giải phóng chất dinh dưỡng theo tiêu chuẩn của phân bón thông
minh, mà còn có khả năng phân hủy sinh học, chi phí thấp, thân thiện với
môi trường và phù hợp với điều kiện nông nghiệp Việt Nam.
• Lựa chọn công nghệ, thiết bị, phương pháp bọc hạt để đưa ra mô hình
công nghệ bọc hạt phù hợp với vật liệu bọc tổng hợp được.
• Tiến hành lắp đặt hệ thống thiết bị bọc hạt thí nghiệm dạng đĩa quay để
nghiên cứu công nghệ sản xuất SUF.
• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bọc hạt để xác định các
thông số ảnh hưởng chính của mô hình và tối ưu hóa công nghệ bọc hạt
bằng thực nghiệm.
• Xây dựng mô hình toán mô tả quá trình phun và quá trình bọc hạt bằng
phương pháp phân tích thứ nguyên.
• Đánh giá tính chất sản phẩm, xác định cơ chế và mô hình giải phóng chất
dinh dưỡng của SUF định hướng cho việc ứng dụng sản phẩm vào nông
nghiệp.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi5
CHƯƠNG 2 TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH BỌC HẠT
2.1 Vật liệu bọc và tối ưu hóa thực nghiệm
Mục tiêu của công nghệ bọc hạt nói chung, trong sản xuất SUF nói riêng là tạo
màng bọc hạt urê với lượng vật liệu bọc nhỏ nhất và thời gian giải phóng chất
dinh dưỡng lâu nhất, phù hợp với thời gian sinh trưởng của cây trồng. Để giải
quyết tốt hai mục tiêu này trước hết cần có vật liệu bọc phù hợp, vì nó có ảnh
hưởng đáng kể đến công nghệ bọc và tính chất của SUF.
2.1.1 Tổng quan về vật liệu bọc
Lưu huỳnh được sử dụng làm màng bọc phân bón đầu tiên, nhưng chất lượng
màng bọc thấp bởi có sự xuất hiện nhiều lỗ xốp, vết nứt và lớp bọc không hoàn
chỉnh. Hiện tại, các loại SF sử dụng vật liệu bọc polyme được xem phổ biến nhất.
Nhiều loại vật liệu polyme đã được nghiên cứu, phát triển và được chia làm hai
nhóm chính: polyme tổng hợp và polyme tự nhiên. Hầu hết các polyme tổng hợp
thường có giá thành cao, không có sẵn và khó tái sử dụng. Các polyme này cũng
có nhiều độc tính hay thường dùng các dung môi hữu cơ dễ bay hơi, dễ cháy nổ
và ảnh hưởng đến sức khỏe, môi trường. Màng bọc được làm từ các polyme này
cũng khó phân hủy sinh học hay thời gian phân hủy rất dài (trừ polyme dạng
hydrogel) gây ảnh hưởng đến môi trường, đất canh tác.
Vật liệu polyme tự nhiên có nhiều ưu điểm hơn so với polyme tổng hợp để làm
vật liệu bọc và được phân chia như Hình 1.12. Những vật liệu này đòi hỏi đảm
bảo các tiêu chí như: ái lực đủ lớn với chất dinh dưỡng; khả năng thẩm thấu nước
và dinh dưỡng thấp; ngăn chặn sự thoát dinh dưỡng ngay lập tức khỏi bề mặt
màng, giải phóng dinh dưỡng theo cách đáp ứng các yêu cầu trao đổi chất của cây
trồng trong khoảng thời gian xác định; có khả năng phân hủy sinh học, có sẵn, dễ
kiếm và rẻ tiền. Thực tế, không thể có vật liệu đáp ứng đầy đủ các nhu cầu lý
tưởng này. Tuy nhiên, những vật liệu tổng hợp dựa trên tinh bột, lignin, xenlulo
được cải tiến có thể đạt nhiều nhất các tính chất mong muốn.
Tinh bột và tinh bột biến tính được xem là loại vật liệu có nhiều ưu điểm để sử
dụng làm màng bọc và là xu hướng mới trong các nghiên cứu hiện nay. Dựa trên6
khả năng phân hủy sinh học tốt, tinh bột được kết hợp với các polyme không hoặc
khó phân hủy để tăng sự phân hủy sinh học của vật liệu trong đất. Tuy nhiên, hầu
hết các nghiên cứu cho thấy tốc độ giải phóng của các chất dinh dưỡng tăng lên
khi có mặt tinh bột. Điều này cho thấy một trong những hạn chế lớn nhất của tinh
bột là khả năng ưa nước do sự hiện diện của các nhóm hydroxyl trong cấu trúc
của chúng. Ngoài ra, các vật liệu dựa trên tinh bột có độ giòn cao, do tương tác
mạnh hơn giữa các phân tử tinh bột, hạn chế sự di động của phân đoạn polyme.
Tính chất của tinh bột có thể cải thiện bằng cách tạo liên kết với một số polyme
khác tạo ra các composite sinh học. Tuy nhiên, việc sản xuất SF bọc composit
sinh học chưa được phát triển mạnh do độ phức tạp và chi phí của quá trình cao.
Ngoài ra, tính ưa nước vẫn còn khá lớn, khả năng trương nở cao và đặc tính phóng
thích có kiểm soát còn hạn chế. Gần đây, tinh bột sau khi được điều chỉnh bằng
urê và borat có thể tạo màng bọc tương đối tốt cho SF nhưng tính chất ưa nước
và tốc độ giải phóng tương đối nhanh. Khuyết điểm này có thể được giải quyết
bằng cách sử dụng tinh bột biến tính, đã được giảm bớt các nhóm hydroxyl, kết
hợp với các polyme khác có chi phí thấp vào công thức vật liệu bọc.
2.1.2 Tối ưu hóa thực nghiệm
Mô hình thống kê thực nghiệm với các phương trình hồi quy dạng đa thức dễ dàng
hơn để mô tả, tính toán, đánh giá và tối ưu hóa quá trình công nghệ. Các nghiên
cứu xây dựng mô hình thống kê bằng quy hoạch thực nghiệm để mô hình hóa quá
trình bọc trong thiết bị bọc đĩa quay được mô tả trong Bảng 2.1. Hầu hết các
nghiên cứu trên được ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm để bọc thuốc. Trong
sản xuất phân bón, quá trình bọc hạt thường chỉ được sử dụng để tạo ra phân bọc
màng phục vụ cho các nghiên cứu về tính chất vật liệu bọc và quá trình giải phóng
chất dinh dưỡng của sản phẩm.
Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, nghiên cứu tiến hành đánh giá lựa
chọn các yếu tố ảnh hưởng chính và thiết lập phương trình hồi quy cho quá trình
bọc hạt trên thiết bị bọc đĩa quay. Tối ưu đa mục tiêu cũng được sử dụng để xác
định thông số tối ưu của quá trình bọc hạt với mục tiêu tối thiểu hóa tỉ lệ khối
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi7
lượng màng bọc sử dụng và tối đa hóa thời gian giải phóng dinh dưỡng của SUF
(hay tối thiểu hóa tốc độ giải phóng chất urê).
2.2 Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
2.2.1 Tổng hợp và xác định thông số vật liệu bọc
Hồ hóa 15 g tinh bột mì hay các loại tính bột biến tính với 500 ml nước cất ở 75
°C, tốc độ khuấy 350 vòng/phút, trong 30 phút. Thêm 0,3 g Na2B4O7.10H2O và
15 g PVA, khuấy trong 30 phút, với tốc độ 450 vòng/phút. Dung dịch polyme
tổng hợp từ tinh bột phốt phát và PVA được trộn với PAA tỉ lệ 3:7 trong 20 phút
tạo hỗn hợp polyme. Các dung dịch thu được ở từng giai đoạn và hỗn hợp polyme
để nguội, xác định khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt tại 30 oC. Lấy
50 ml các dung dịch này đem tạo màng để xác định bề dày, khối lượng và các tính
chất cơ lý của màng. Cấu trúc, tính chất của lớp màng được xác định bằng thiết
bị quang phổ hồng ngoại (FTIR); thiết bị phân tích trọng lượng nhiệt (TGA) và
phân tích nhiệt quét vi sai (DSC); kính hiển vi điện tử quét (SEM). Khả năng thấm
nước, phân tán của màng được xác định bằng cách theo dõi khối lượng màng theo
thời gian trong 200 ml nước, tốc độ khuấy 250 vòng/phút. Dụng cụ, thiết bị và
phương pháp đo được mô tả cụ thể ở Phụ lục 1 và Phụ lục 2.
2.2.2 Quá trình bọc hạt trong thiết bị đĩa quay
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
CHƯƠNG 2. TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH BỌC HẠT
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC CÔNG NGHỆ BỌC HẠT
CHƯƠNG 4. QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG CHẤT DINH DƯỠNG
KẾT LUẬN
Phân bón thông minh (SF) hay phân bón giải phóng có kiểm soát (CRF) được cấu
tạo bởi màng bọc bên ngoài giúp kiểm soát được thời gian, tốc độ giải phóng chất
dinh dưỡng đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng. SF giúp tiết kiệm năng
lượng, nguồn tài nguyên, giảm lượng phát thải khí nhà kính và hạn chế tác động
môi trường. Một trong những phương pháp sản xuất SF đơn giản, chi phí thấp,
không làm thay đổi công nghệ sản xuất là bọc hạt phân bón bằng màng bọc phù
hợp. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào vật liệu
bọc và mô hình giải phóng chất dinh dưỡng của SF. Các nghiên cứu về công nghệ,
thiết bị bọc hạt ứng với vật liệu bọc cụ thể và phương pháp tính toán, triển khai
công nghệ bọc hạt vào sản xuất còn nhiều hạn chế. Vì vậy, mục tiêu của đề tài là
xây dựng, thiết lập mô hình toán thực nghiệm mô tả công nghệ bọc hạt để sản
xuất phân urê thông minh (SUF) phù hợp với điều kiện nông nghiệp ở Việt Nam.
Đối tượng chính của nghiên cứu là quy trình, công nghệ bọc hạt theo cơ chế bọc
ướt bằng thiết bị đĩa quay. Trong đó, phạm vi nghiên cứu là quá trình bọc tạo SUF
bằng vật liệu polyme. Các mục tiêu cụ thể như sau:
• Tìm kiếm vật liệu bọc phù hợp với SUF từ nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có
khả năng phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường.
• Tối ưu hóa chế độ công nghệ bọc phân urê bằng thực nghiệm, phục vụ tính
toán vận hành và thiết kế thiết bị bọc sản xuất SUF.
• Phân tích, đánh giá thông số công nghệ bọc hạt, từ đó tiến hành thiết lập và
phát triển mô hình toán mô tả công nghệ bọc hạt.
• Tiến hành khảo sát, đánh giá cơ chế và yếu tố ảnh hưởng đến quá trình giải
phóng chất dinh dưỡng và định hướng ứng dụng SUF trong nông nghiệp.
Các phương pháp nghiên cứu được lựa chọn, sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:
• Kết hợp lý thuyết với thực nghiệm để xác định yêu cầu, tính chất, đặc điểm,
cấu trúc của các loại màng bọc để lựa chọn loại vật liệu bọc phù hợp.
• Phương pháp phân tích hình ảnh để xác định kích thước, hàm phân bố,
đường kính trung bình của giọt lỏng và hạt phân trong quá trình bọc hạt.2
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được sử dụng để nghiên cứu ảnh
hưởng đồng thời của nhiều yếu tố đến quá trình bọc. Phương pháp tối ưu
đa mục tiêu bằng thuật toán tìm kiếm Pareto (tìm kiếm mẫu) cũng được sử
dụng để xác định các giá trị tối ưu của mô hình.
• Xác định mô hình toán thực nghiệm của quá trình bọc hạt dạng phương
trình chuẩn số dựa trên phương pháp phân tích thứ nguyên, các định lý
đồng dạng và định lý π của Buckingham.
• Kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá, lựa chọn mô hình giải
phóng chất dinh dưỡng, từ đó xác định thông số và tác động của các yếu tố
đến quá trình bằng thực nghiệm và công cụ tính toán mô phỏng
Nghiên cứu có nhiều ý nghĩa khoa học thực tiễn và những điểm mới quan trọng:
• Tìm kiếm được vật liệu bọc mới từ tinh bột biến tính phốt phát (PS), poly
vinyl ancol (PVA) và poly acrylic axit (PAA) có khả năng phân hủy sinh
học, có các thông số công nghệ phù hợp với công nghệ bọc ướt trên thiết
bị bọc đĩa quay mà các nghiên cứu trước đây chưa nhắc tới.
• Sử dụng các phương pháp, công cụ thu nhận hình ảnh như ghi hình tốc độ
cao (1000 hình/giây), kỹ thuật phân tích hình ảnh để xác định được thông
số quá trình phun, quá trình bọc nhanh chóng, tin cậy và hiệu quả.
• Xây dựng mô hình toán học thực nghiệm dạng phương trình chuẩn số mô
tả quá trình phun dung dịch tạo giọt và quá trình bọc hạt để sản xuất SUF,
ứng dụng cho tính toán, điều chỉnh, kiểm soát và tối ưu cho hệ thống sản
xuất thực tế.
• Mô hình bọc hạt đã nghiên cứu có thể ứng dụng cho việc phát triển các sản
phẩm khác như phân bón bổ sung vi lượng, phân bón ổn định,… và trong
các lĩnh vực khác như: dược phẩm, thực phẩm và môi trường,…
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Phân bón đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng
nguồn lương thực, cũng là yếu tố chính tác động đến tình hình an ninh lương thực
toàn cầu. Sản lượng lương thực trên thế giới phụ thuộc nhiều vào lượng phân bón
sử dụng và dự báo sẽ tăng trong tương lai. Hiệu suất sử dụng phân bón của cây
trồng tương đối thấp nên một lượng lớn chất dinh dưỡng thất thoát ra ngoài, gây
ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng sức khỏe và hao phí nguồn nguyên vật liệu sử
dụng. Vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển và sử dụng phân bón thông minh được
xem là lựa chọn ưu tiên trong sản xuất nông nghiệp hiện đại và bền vững, bởi vì
lượng dinh dưỡng giải phóng của SF giúp đáp ứng một phần hay hoàn toàn nhu
cầu dinh dưỡng của cây trồng đảm bảo đúng thời điểm, vừa đủ, hiệu quả và tránh
các vùng thừa hay thiếu (xem Hình 1.1 và Hình 1.2).
SF được sản xuất bằng cách bọc hạt phân bón thông thường (còn gọi là nhân)
bằng lớp màng bảo vệ từ vật liệu không tan, bán thấm hay không thấm nước với
phương pháp bọc hạt trên thiết bị bọc khác nhau, giúp kiểm soát quá trình giải
phóng và cung cấp chất dinh dưỡng. Quá trình giải phóng chất dinh dưỡng của
SF qua màng bọc gồm 3 giai đoạn: nước xâm nhập vào trong hạt, chất dinh dưỡng
hòa tan, chất dinh dưỡng khuếch tán qua màng như Hình 1.4. Quá trình này phụ
thuộc vào số lượng lỗ xốp (mao quản), kích thước lỗ xốp, bề dày và cấu trúc màng
bọc. Các đại lượng này chịu ảnh hưởng của tính chất vật liệu bọc, thiết bị và công
nghệ bọc. Trong đó, thiết bị và công nghệ bọc hạt đóng vai trò quyết định. Tuy
nhiên, hầu hết các nghiên cứu về SF tập trung vào việc phát triển vật liệu bọc, quá
trình giải phóng chất dinh dưỡng và ứng dụng phân bón trong nông nghiệp, các
nghiên cứu về công nghệ bọc hạt để sản xuất SF là rất ít. Đây cũng chính là phần
còn khiếm khuyết trong các nghiên cứu về SF hiện tại.
Trên cơ sở đó, mục đích của luận án là xây dựng mô hình toán học mô tả công
nghệ bọc hạt theo phương pháp bọc ướt bằng thiết bọc đĩa quay để sản xuất phân
urê thông minh (SUF). Trong đó, phân urê được chọn làm đối tượng vì dễ tan
trong nước, hiệu suất sử dụng thấp, được sử dụng nhiều trong nông nghiệp và4
phần thất thoát gây tác hại đến môi trường, sức khỏe lớn hơn so với các loại phân
kali, phốt pho. Vật liệu bọc sử dụng là polyme phù hợp với công nghệ bọc ướt.
Sản phẩm SUF cũng được đánh giá và đảm bảo phù hợp với tiêu chuẩn của phân
thông minh và điều kiện nông nghiệp ở Việt Nam. Tuy nhiên, công nghệ bọc hạt
là một công nghệ phức tạp nhiều thông số, nên việc xây dựng mô hình toán mô tả
công nghệ bọc hạt được tiến hành trên cơ sở việc phân tích, đánh giá, phát triển
và xây dựng mô hình toán học cho từng quá trình, tiến tới phát triển một mô hình
toán cho công nghệ bọc hạt. Vì vậy, nghiên cứu đòi hỏi phải có sự kết hợp đồng
bộ của nhiều nội dung và phương pháp khác nhau, cụ thể như sau:
• Lựa chọn vật liệu polyme phù hợp dùng làm vật liệu bọc sản xuất phân
urê thông minh. Vật liệu này không chỉ đảm bảo khả năng tạo cấu trúc
màng giải phóng chất dinh dưỡng theo tiêu chuẩn của phân bón thông
minh, mà còn có khả năng phân hủy sinh học, chi phí thấp, thân thiện với
môi trường và phù hợp với điều kiện nông nghiệp Việt Nam.
• Lựa chọn công nghệ, thiết bị, phương pháp bọc hạt để đưa ra mô hình
công nghệ bọc hạt phù hợp với vật liệu bọc tổng hợp được.
• Tiến hành lắp đặt hệ thống thiết bị bọc hạt thí nghiệm dạng đĩa quay để
nghiên cứu công nghệ sản xuất SUF.
• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bọc hạt để xác định các
thông số ảnh hưởng chính của mô hình và tối ưu hóa công nghệ bọc hạt
bằng thực nghiệm.
• Xây dựng mô hình toán mô tả quá trình phun và quá trình bọc hạt bằng
phương pháp phân tích thứ nguyên.
• Đánh giá tính chất sản phẩm, xác định cơ chế và mô hình giải phóng chất
dinh dưỡng của SUF định hướng cho việc ứng dụng sản phẩm vào nông
nghiệp.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi5
CHƯƠNG 2 TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH BỌC HẠT
2.1 Vật liệu bọc và tối ưu hóa thực nghiệm
Mục tiêu của công nghệ bọc hạt nói chung, trong sản xuất SUF nói riêng là tạo
màng bọc hạt urê với lượng vật liệu bọc nhỏ nhất và thời gian giải phóng chất
dinh dưỡng lâu nhất, phù hợp với thời gian sinh trưởng của cây trồng. Để giải
quyết tốt hai mục tiêu này trước hết cần có vật liệu bọc phù hợp, vì nó có ảnh
hưởng đáng kể đến công nghệ bọc và tính chất của SUF.
2.1.1 Tổng quan về vật liệu bọc
Lưu huỳnh được sử dụng làm màng bọc phân bón đầu tiên, nhưng chất lượng
màng bọc thấp bởi có sự xuất hiện nhiều lỗ xốp, vết nứt và lớp bọc không hoàn
chỉnh. Hiện tại, các loại SF sử dụng vật liệu bọc polyme được xem phổ biến nhất.
Nhiều loại vật liệu polyme đã được nghiên cứu, phát triển và được chia làm hai
nhóm chính: polyme tổng hợp và polyme tự nhiên. Hầu hết các polyme tổng hợp
thường có giá thành cao, không có sẵn và khó tái sử dụng. Các polyme này cũng
có nhiều độc tính hay thường dùng các dung môi hữu cơ dễ bay hơi, dễ cháy nổ
và ảnh hưởng đến sức khỏe, môi trường. Màng bọc được làm từ các polyme này
cũng khó phân hủy sinh học hay thời gian phân hủy rất dài (trừ polyme dạng
hydrogel) gây ảnh hưởng đến môi trường, đất canh tác.
Vật liệu polyme tự nhiên có nhiều ưu điểm hơn so với polyme tổng hợp để làm
vật liệu bọc và được phân chia như Hình 1.12. Những vật liệu này đòi hỏi đảm
bảo các tiêu chí như: ái lực đủ lớn với chất dinh dưỡng; khả năng thẩm thấu nước
và dinh dưỡng thấp; ngăn chặn sự thoát dinh dưỡng ngay lập tức khỏi bề mặt
màng, giải phóng dinh dưỡng theo cách đáp ứng các yêu cầu trao đổi chất của cây
trồng trong khoảng thời gian xác định; có khả năng phân hủy sinh học, có sẵn, dễ
kiếm và rẻ tiền. Thực tế, không thể có vật liệu đáp ứng đầy đủ các nhu cầu lý
tưởng này. Tuy nhiên, những vật liệu tổng hợp dựa trên tinh bột, lignin, xenlulo
được cải tiến có thể đạt nhiều nhất các tính chất mong muốn.
Tinh bột và tinh bột biến tính được xem là loại vật liệu có nhiều ưu điểm để sử
dụng làm màng bọc và là xu hướng mới trong các nghiên cứu hiện nay. Dựa trên6
khả năng phân hủy sinh học tốt, tinh bột được kết hợp với các polyme không hoặc
khó phân hủy để tăng sự phân hủy sinh học của vật liệu trong đất. Tuy nhiên, hầu
hết các nghiên cứu cho thấy tốc độ giải phóng của các chất dinh dưỡng tăng lên
khi có mặt tinh bột. Điều này cho thấy một trong những hạn chế lớn nhất của tinh
bột là khả năng ưa nước do sự hiện diện của các nhóm hydroxyl trong cấu trúc
của chúng. Ngoài ra, các vật liệu dựa trên tinh bột có độ giòn cao, do tương tác
mạnh hơn giữa các phân tử tinh bột, hạn chế sự di động của phân đoạn polyme.
Tính chất của tinh bột có thể cải thiện bằng cách tạo liên kết với một số polyme
khác tạo ra các composite sinh học. Tuy nhiên, việc sản xuất SF bọc composit
sinh học chưa được phát triển mạnh do độ phức tạp và chi phí của quá trình cao.
Ngoài ra, tính ưa nước vẫn còn khá lớn, khả năng trương nở cao và đặc tính phóng
thích có kiểm soát còn hạn chế. Gần đây, tinh bột sau khi được điều chỉnh bằng
urê và borat có thể tạo màng bọc tương đối tốt cho SF nhưng tính chất ưa nước
và tốc độ giải phóng tương đối nhanh. Khuyết điểm này có thể được giải quyết
bằng cách sử dụng tinh bột biến tính, đã được giảm bớt các nhóm hydroxyl, kết
hợp với các polyme khác có chi phí thấp vào công thức vật liệu bọc.
2.1.2 Tối ưu hóa thực nghiệm
Mô hình thống kê thực nghiệm với các phương trình hồi quy dạng đa thức dễ dàng
hơn để mô tả, tính toán, đánh giá và tối ưu hóa quá trình công nghệ. Các nghiên
cứu xây dựng mô hình thống kê bằng quy hoạch thực nghiệm để mô hình hóa quá
trình bọc trong thiết bị bọc đĩa quay được mô tả trong Bảng 2.1. Hầu hết các
nghiên cứu trên được ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm để bọc thuốc. Trong
sản xuất phân bón, quá trình bọc hạt thường chỉ được sử dụng để tạo ra phân bọc
màng phục vụ cho các nghiên cứu về tính chất vật liệu bọc và quá trình giải phóng
chất dinh dưỡng của sản phẩm.
Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm, nghiên cứu tiến hành đánh giá lựa
chọn các yếu tố ảnh hưởng chính và thiết lập phương trình hồi quy cho quá trình
bọc hạt trên thiết bị bọc đĩa quay. Tối ưu đa mục tiêu cũng được sử dụng để xác
định thông số tối ưu của quá trình bọc hạt với mục tiêu tối thiểu hóa tỉ lệ khối
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phi7
lượng màng bọc sử dụng và tối đa hóa thời gian giải phóng dinh dưỡng của SUF
(hay tối thiểu hóa tốc độ giải phóng chất urê).
2.2 Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
2.2.1 Tổng hợp và xác định thông số vật liệu bọc
Hồ hóa 15 g tinh bột mì hay các loại tính bột biến tính với 500 ml nước cất ở 75
°C, tốc độ khuấy 350 vòng/phút, trong 30 phút. Thêm 0,3 g Na2B4O7.10H2O và
15 g PVA, khuấy trong 30 phút, với tốc độ 450 vòng/phút. Dung dịch polyme
tổng hợp từ tinh bột phốt phát và PVA được trộn với PAA tỉ lệ 3:7 trong 20 phút
tạo hỗn hợp polyme. Các dung dịch thu được ở từng giai đoạn và hỗn hợp polyme
để nguội, xác định khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt tại 30 oC. Lấy
50 ml các dung dịch này đem tạo màng để xác định bề dày, khối lượng và các tính
chất cơ lý của màng. Cấu trúc, tính chất của lớp màng được xác định bằng thiết
bị quang phổ hồng ngoại (FTIR); thiết bị phân tích trọng lượng nhiệt (TGA) và
phân tích nhiệt quét vi sai (DSC); kính hiển vi điện tử quét (SEM). Khả năng thấm
nước, phân tán của màng được xác định bằng cách theo dõi khối lượng màng theo
thời gian trong 200 ml nước, tốc độ khuấy 250 vòng/phút. Dụng cụ, thiết bị và
phương pháp đo được mô tả cụ thể ở Phụ lục 1 và Phụ lục 2.
2.2.2 Quá trình bọc hạt trong thiết bị đĩa quay
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links