Tiết kiệm nước tưới, phân bón bằng chế phẩm giữ ẩm GAM – Sorb

Thực trạng lĩnh vực ứng dụng công nghệ

Từ lâu, người nông dân đã biết dùng than bùn, phụ phẩm nông nghiệp (như bã mía, xơ dừa, vỏ cà phê) hay cao lanh hoạt hóa làm chất giữ ẩm tự nhiên cho cây trồng. Các chất phụ phẩm này có thể giữ nước khoảng 20 lần trọng lượng của chúng, nhưng

Từ những năm 60 của thế kỷ trước, trong nông nghiệp, gel hấp thụ nước từ poliacrilamit đã được nghiên cứu và phát triển để trồng cây ở các vùng sa mạc. Polime này được tổng hợp từ khí gas thiên nhiên, có thể hấp thụ nước đến vài trăm lần trọng lượng của chúng, được ứng dụng như chất điều hòa độ ẩm đất. Khả năng hấp thụ nước của poli (axít acrylic) còn cao hơn cả poliacrilamit, lên đến hàng nghìn lần trọng lượng của chúng.

Tinh bột và xenlulo là các polime tự nhiên, có thể phân hủy sinh học nhưng không có khả năng giữ nước cao. Khi các polime này được biến tính bằng cách polime hóa, ghép hay khâu mạch bằng bức xạ hay hóa học, chúng có thể hấp thụ nước cực lớn. Quá trình bức xạ là một kỹ thuật mới để chế tạo các vật liệu dẫn xuất của tinh bột và xenlulo (như carboxymethyl tinh bột, carboxymethyl xenlulo,…) nhằm tổng hợp các vật liệu siêu hấp tụ nước ứng dụng trong nông nghiệp.

Sản phẩm GAM-Sorb S được tạo ra nhờ quá trình polime hóa ghép axít acrylic lên tinh bột sắn bằng bức xạ gamma tại 4,5 kGy theo tỉ lệ tinh bột và AAc (1/1) để sử dụng cho mục đích hấp thụ nước dùng trong nông nghiệp.

Quy trình, phương pháp tổ chức thực hiện

Nguyên vật liệu

• Tinh bột sắn
• Axít acrilic (AAc)
• KOH, methanol loại tinh khiết
• Enzim a-amylaza, 3,000 IU

Thiết bị

• Nguồn chiếu xạ Gamma, loại SV-ST Co-60/B
• Hệ chiết Sohxlet; cân phân tích HF-200; hệ điều nhiệt Certomat WR; lò sấy chân không, Salvis

Các bước thực hiện

• Ghép AAc lên tinh bột bằng phương pháp chiếu xạ đồng thời

Hồ hóa 10 g tinh bột sắn bằng 120 ml dung dịch KOH 10% ở nhiệt độ phòng trong 45 phút. Hỗn hợp này sau khi hồ hóa được để nguội tại nhiệt độ phòng. Một lượng AAc được tính toán trước thêm vào hỗn hợp trên trong khi khuấy ở tốc độ 60 rpm trong 30 phút. Hỗn hợp sau cùng được đóng gói bằng túi PE và hàn kín.

• Chiếu xạ và làm khô

Hỗn hợp được chuẩn bị ở trên chiếu xạ trong điều kiện có không khí trên nguồn gamma Co-60 ở Trung tâm VINAGAMMA tại các liều hấp thụ4,5; 11,5; 15 kGy cùng một suất liều hấp thụ 1,6 kGy/giờ. Sản phẩm sau khi ghép bức xạ được cắt nhỏ và làm khô trong lò sấy chân không tại 60⁰C trong 12 giờ, sau đó nghiền xay thành hạt có kích thước trung bình khoàng 300 mesh.

• Loại homopolime AAc (PAAc)

Cân 5 g mẫu gel khô và được chiết trong hệ Soxhlet trong dung môi methanol trong 24 giờ. Các mẫu gel sau khi chiết dung môi được làm khô trong lò sấy chân không trong 24 giờ tại 60⁰C, sau đó cân lại và tính toán theo công thức dưới đây:

Công thức tính:

• Phần trăm homopolime (%H) = [(m₁-m₂)x100]/m_s
• Phần trăm polime hóa ghép (%G) = [(m₂-m_s)x100]/m_s

Trong đó, m₁: Trọng lượng khô của mẫu đã chiếu xạ (g)

m₂: Trọng lượng khô của mẫu đã chiếu xạ sau chiết dung môi (g)

m_s: Trọng lượng khô của tinh bột (g)

Tì số trương (Độ trương):

Cân 0.5 g mâu gel khô, ngâm trong nước loại ion trong 48 giờ tại nhiệt độ phòng. Gel sau khi trương được gạn lọc, thấm khô bề mặt và cân. Tỉ số trương được xác định theo công thức: (w₂-w₁)/w₁

Trong đó, w₁: Trọng lượng của mẫu gel trương, (g)

w₂: Trọng lượng của mẫu gel khô sau khi được chiết bằng nước cất nóng (g)

Phần trăm nước giải hấp

Cân 20 g gel trương bão hòa, đặt trong một đĩa petri, quan sát tốc độ mất nước, cân lượng gel còn lại theo một khoảng thời gian nhất định tại nhiệt độ phòng (30⁰C). Phần trăm mất nước được tính theo công thức: (m₀-m₁)/m₀x100

Trong đó, m₀: Trọng lượng gel trương cân bằng ban đầu, (g)

m₁: Trọng lượng gel còn lại sau khi nước bay hơi, (g)

• Phân hủy gel bằng enzim

5 mg mẫu gel được đặt trong ống nghiệm có nắp chứa sẵn 4 ml dung dịch đệm axêtat tại pH=4,6, 1 ml dung dịch enzim a-amylaza 2% và 1 ml dung dịch CaCl₂ 0,1%. Các ống nghiệm chứa các dung dịch được chuẩn bị ở trên được lắc nhẹ trong bể ổn nhiệt tại 45 ⁰C. Trong khoảng thời gian nhất định, các mẫu bị phân hủy enzim còn lại được lấy ra, rửa nước cất, làm khô trong tủ sấy chân không tại 60⁰C trong 24 giờ và cân lại để tính toán lượng mẫu gel bị phân hủy.

• Phân hủy gel trong đất

5 g mẫu gel khô được gói trong lưới thép không rỉ, chôn cố định trong đất ở độ sâu 3 cm trong nhà kính có nhiệt độ 25-28⁰C. Theo khoảng thời gian xác định trước, các mẫu được lấy lên, rửa loại bỏ các chất bám đính bên ngoài lưới, làm khô và cân lại để xác định phân gel chưa phân hủy.

• Phân tích cấu trúc mẫu tinh bột ghép Aac

Các mẫu gel sau khi loại PAAc trong methanol được nghiền, trộn, ép với KBr và đo trên máy Quang phổ hồng ngoại Brucker-IFS8.

• Phân tích các kim loại nặng độc

Các kim loại nặng như Hg, Pb, Cd, As đựợc phân tích theo TCVN bằng phương pháp Quang phổ hấp thụ nguyên từ (AAS).

• Đánh giá độc tính cấp của mẫu gel trương khi cho chuột nuốt

Được đánh giá theo dược điển Việt Nam III.

• Xác định phần AAc còn lại trong các mẫu tinh bột ghép AAc

Mẫu gel ở thể ướt và khô được ngâm trong methanol và lắc nhẹ trong 48 giờ và được phân tích trên thiết bịsắc ký lỏng cao áp (HPLC), Shimadzu, Nhật Bản.

Kết quả

• Mối quan hệ giữa liều hấp thụ, tỉ lệ AAc/tinh bột và mức độ ghép

• Mối quan hệ giữa liều hấp thụ, tỉ lệ tinh bột/AAc và hàm lượng PAAc

• Ảnh hưởng của tỉ lệ tinh bột/AAc và thời gian trương lên độ trương của gel trong nước loại ion

• Phần trăm giải hấp nước theo thời gian (tỉ lệ tinh bột/AAc là 1/1 tại liều hấp thụ 5 kGy)

• Tốc độ thủy phân gel bằng enzim:

   Bảng:  Đánh giá khả năng phân hủy  gel bằng enzim a-amylaza tại 5 kGy

• Tốc độ phân hủy gel trong đất

        Bảng: Giảm trọng lượng gel trong đất (AAc/TB tại 2:1, 5 kGy)

• Kết quả phân tích kim loại nặng

Bảng: Phân tích kim loại nặng (AAc/TB tại 2:1, 5 kGy)

• Kết quả đánh giá độ độc cấp trên chuột

Bảng: Độc tính cấp trên chuột qua đường uống (AAc/TB tại 2:1, 5 kGy)

• Dư lượng AAc trong mẫu gel

Bảng: Phân tích dư lượng AAc trong mẫu gel tại 5 kGy

Số liệu trong b\Bảng phân tích cho thấy, dư lượng AAc trong mẫu gel ở cả thể ướt và khô thấp và cho phép sử dụng theo IPCS.  

Ưu điểm của công nghệ. Hiệu quả kinh tế

Ưu điểm

• Sản phẩm có độ trương nước 200-500 lần, thích hợp làm chất giữ ẩm và điều hòa độ ẩm đất
• Giúp giảm khả năng mất đinh dưỡng cho cây (tiết kiệm phân bón)
• Giảm tần suất tưới tiêu (tiết kiệm nước, công lao động và nhiên liệu)
• Tăng khả năng duy trì nguồn nước có sẵn cho cây ở các vùng khô hạn kéo dài hay thường xuyên hạn hán
• Là một giải pháp cần thiết trong canh tác nông nghiệp hiện đại và thích ứng với biến đổi khí hậu

Hiệu quả kinh tế

Năng suất thu hoạch tăng từ 10-30% so với đất không dùng gel cho các loại đất khác nhau:

• Đối với cây cải ngọt

Thực nghiệm trên đất xám (Huyện Hóc Môn, TP.HCM), theo phương pháp bón lót một lần trước khi trồng, với đất không có gel sử dụng 120kg N + 60kg P₂O₅ + 60kg K₂O + 5 tấn phân hữu cơ và đất dùng 40 kg gel/ha, đất dùng 30 kg gel/ha. Kết quả cho thấy, đất dùng 40 kg gel/ha tăng năng suất 15,4%, đất dùng 30 kg gel/ha tăng năng suất 10,3%.

• Đối với cây bắp (Giống: LVN-10)

Thực nghiệm trên đất xám (Huyện Đức Hòa, Long An), theo phương pháp bón lót một lần trước khi trồng, với đất không có gel sử dụng 140kg N + 90kg P₂O₅ + 120kg K₂O và đất dùng 40 kg gel/ha, đất dùng 30 kg gel/ha. Kết quả cho thấy, đất dùng 40 kg gel/ha tăng năng suất 28,8%, đất dùng 30 kg gel/ha tăng năng suất 18,8%.

• Đối với cây đậu phộng (Giống: Lỳ)

Thực nghiệm trên đất xám (Huyện Trảng Bàng, Tây Ninh), theo phương pháp bón lót một lần trước khi trồng, với đất không có gel sử dụng 50kg N + 60kg P₂O₅ + 90kg K₂O + 3 tấn phân Humix và đất dùng 40 kg gel/ha, đất dùng 30 kg gel/ha. Kết quả cho thấy, đất dùng 40 kg gel/ha tăng năng suất 21,1%, đất dùng 30 kg gel/ha tăng năng suất 16,3%.

• Đối với cây bông (Giống: VN 02-2)

Thực nghiệm trên đất xám (Huyện Trảng Bàng, Tây Ninh), theo phương pháp bón lót một lần có kết hợp với phân hữu cơ trước khi trồng, với đất không có gel sử dụng 150kg N + 75kg P₂O₅ + 90kg K₂O + 800 kg phân trùn và đất dùng 40 kg gel/ha, đất dùng 30 kg gel/ha và đất dùng 20kg gel/ha. Kết quả cho thấy, đất dùng 40 kg gel/ha tăng năng suất 31,1%, đất dùng 30 kg gel/ha tăng năng suất 24,1% và đất dùng 20 kg gel/ha tăng năng suất 9,3%.

Thông tin liên hệ chuyên gia, hỗ trợ

Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ

202 Đường số 11, Linh Xuân, Quận Thủ Đức, TP.HCM

Người liên hệ: KS. Đoàn Bình

Điện thoại: 0913.846.982