Nghiên cứu khả năng hấp phụ và giải hấp phụ nước của vật liệu siêu hấp phụ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KHOA HÓA

TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ GIẢI HẬP PHỤ
NƯỚC CỦA VẬT LIỆU SIÊU HẤP PHỤ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CỬ NHÂN SU PHẠM

Sinh viên thực hiện
Lớp
Giáo viên hướng dẫn

: Đoàn Thị Trà My
: 08SHH
: TS. Trần Mạnh Lục

Đà Nẵng - Năm 2012
SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

1

LỚP 08SHH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


KHOA HÓA

NHIỆM VỤ LÀM KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Đoàn Thị Trà My
Lớp

: 08SHH

1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ GIẢI HẤP PHỤ
NƯỚC CỦA VẬT LIỆU SIÊU HẤP PHỤ
2. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ
- Nguyên liệu: Vật liệu siêu hấp phụ
- Hóa chất: NaOH, NaCl, HCl, Na2SO4, FeCl3 , H2 SO4 , H3 PO4 , HNO3 , CH3COOH
- Dụng cụ: Cân phân tích, cốc thủy tinh, …
3. Nội dung nghiên cứu
3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ nước của vật liệu siêu hấp phụ
3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến khả năng hấp phụ nước của vật liệu siêu hấp phụ

nước
3.3. Nghiên cứu khả năng giải hấp phụ nước của vật liệu siêu hấp phụ nước
4. Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Mạnh Lục
5. Ngày giao đề tài: 15/10/2011
6. Ngày hoàn thành: 25/5/2012
Gi áo viên hướng dẫn

Chủ nhiệm khoa
(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày … tháng … năm 2012
Kết quả điểm đánh giá:

Ngày….tháng….năm 2009
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký và ghi rõ họ tên)

SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

2

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

MỞ ĐẦU
Việt Nam với đặc thù là một nước nơng nghiệp nên có nguồn nông sản rất dồi dào
và phong phú. Tuy nhiên, việc tận dụng có hiệu quả nguồn nguyên liệu tự nhiên sẵn có
cịn rất nhiều hạn chế. Biến tính các sản phẩm tự nhiên nhằm nâng cao và mở rộng tính
năng sử dụng của nó là một trong những mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu.
Trong lịch sử phát triển nông nghiệp, đã nhiều lần xuất hiện tình trạng hạn hán và
thiếu nước ở nhiều nơi trên thế giới và từ lâu đã là mối quan tâm, lo lắng của những người
trực tiếp sản xuất, của các nhà quản lý và các nhà khoa học. Để đối phó với tình hình
thiếu nước tưới cho cây trồng, trên thế giới có rất nhiều giải pháp. Về mặt hóa học, một
trong những giải pháp tỏ ra có hiệu cao là áp dụng hợp chất polyme có khả năng dự trữ
nước để cung cấp cho nhu cầu sống và phát triển của cây trồng vật. Polyme siêu hấp thụ
nước không chỉ giúp giải quyết vấn đề giữ nước cho đất khơ hạn, mà cịn giải quyết được
vấn đề ơ nhiễm mơi trường nơng nghiệp do có thể kết hợp sử dụng lượng phân bón hợp lý
tránh thất thốt ra mơi trường, nhờ đó tiết kiệm được phân bón, góp phần cải tạo và tăng
độ phì cho đất. Ngồi ra, vật liệu polyme siêu hấp thụ nước cịn góp phần làm tăng hiệu
quả kinh tế cây trồng, cải thiện thu nhập cho người nông dân.
Sản phẩm được chú ý nhiều nhất trên thị trường hiện nay là chất giữ ẩm được tổng
hợp từ phản ứng đồng trùng hợp ghép lên tinh bột.
Sự ra đời của loại vật liệu mới này đã và đang góp phần mở ra một giải pháp rất
hữu ích cho những vùng đất thường xuyên khô cạn, đất cát, đất đồi núi, những nơi nước
dễ trôi đi của Việt Nam.
Với những ý nghĩa thực tiễn trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng hấp phụ
và giải hấp phụ nước của vật liệu siêu hấp phụ” làm khóa luận tốt nghiệp.
Kết cấu của khóa luận gồm những phần sau:
Mở đầu

1 trang (trang 1)

Chương 1. Tổng quan

20 trang (trang 2  21)

Chương 2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

3 trang (Trang 22 24)

Chương 3. Kết quả và thảo luận

11 trang (trang 25  37)

Kết luận và kiến nghị

1 trang (trang 38)

SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

3

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Tinh bột
1.1.1. Giới thiệu tổng quát tinh bột [12]
Trong tự nhiên, tinh bột là loại hợp chất hữu cơ rất phổ biến và dồi dào, nó chỉ
đứng sau xenlulozo. Tinh bột có trong rể, cành, hạt, củ và quả của cây xanh. Tinh bột

được hình thành từ những hạt nhỏ trong quá trình trưởng thành và lớn lên của cây. Trong
suốt thời gian “ngủ” và nảy mầm, tinh bột là chất dự trữ năng lượng cho cây. Tinh bột
giữ chức năng sinh học giống nhau đối với con người, động vật cũng như đối với sinh vật
bậc thấp.
Trong thực vật, tinh bột thường có mặt dưới dạng khơng hịa tan trong nước nên
có thể tích tụ một lượng nước lớn trong tế bào mà không ảnh hưởng đến áp suất thẩm
thấu. Do đó, có thể thu một lượng lớn tinh bột từ nhiều nguồn nguyên liệu phong phú
trong tự nhiên mà chủ yếu là từ các cây lương thực như ngơ, khoai, lúa mì, sắn, …
1.1.2. Cấu trúc của tinh bột [11]
Cấu tạo bên trong của tinh bột khá phức tạp. Hạt tinh bột có cấu trúc lớp, trong
mỗi lớp đều có lẫn lộn các tinh thể amilozơ và amilopectin sắp xếp theo phương hướng
tâm. Hai cấu tử amilozơ và amilopectin đều được cấu tạo từ α – D – glucozơ trong chuỗi
kết hợp với nhau qua liên kết α – 1,4 – glucozit.
Ngoài cách sắp xếp bên trong như vậy, mỗi hạt tinh bột cịn có vỏ bao phía ngồi.
lớp vỏ này đặc hơn, chứa ít ẩm hơn và bền với các tác động bên ngoài. Vỏ hạt tinh bột
cũng có lỗ xốp giống như trong hạt tinh bột nhưng nhỏ và đồng đều hơn do đó các chất
hịa tan có thể thâm nhập vào trong bằng con đường khuyếch tán qua vỏ.
1.1.3. Thành phần hóa học của tinh bột [1, 6]
Tinh bột không phải là một hợp chất đồng thể mà gồm hai polysaccarit khác nhau:
Amilozơ và amilopectin. Tỉ lệ amilozơ và amilopectin trong các nguyên liệu là khác nhau
nhưng thơng thường là ¼.
Amilozơ và amilopectin đều là những cacbonhidrat có phân tử khối cao và có
cơng thức phân tử chung: (C6 H10 O5)n . Khi chế hóa với dung dịch axit hay enzim, tinh bột

SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

4

LỚP 08SHH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

bị thuỷ phân dần dần thành dextrin (hỗn hợp các polisaccarit có phân tử khối thấp) sau đó
đến mantozơ và cuối cùng là D(+)-glucozơ.
(C6 H10O5)n → (C6H10 O5)m → C12H22O11 → C6H12O6
Tinh bột

Hỗn hợp dextrin

D(+) – glucozơ

Mantozơ

Amiloza và amilopectin đều được tạo nên từ những mắt xích D(+)-glucozơ nhưng
khác nhau về kích thước và cấu tạo.
1.1.3.1. Amilozơ
* Cấu tạo
Phân tử amilozơ bao gồm nhiều chuỗi sắp xếp song song nhau. Amilozơ ở dạng
tinh thể có cấu trúc xoắn ốc, mỗi vịng xoắn gồm 6 phân tử glucozơ. Khi ở trong hạt tinh
bột, trong dung dịch hoặc trong trạng thái bị thối hóa, amilozơ thường có cấu trúc mạch
giãn, khi thêm tác nhân kết tủa vào, amilozơ mới chuyển thành dạng xoắn ốc. Ở trạng
thái xoắn ốc, amilozơ cho màu xanh với iot. Đường kính xoắn ốc là 12,97A0, chiều cao
7,91A0. Phân tử amilozơ có một đầu khử và một đầu khơng khử, trong đó đầu khử có
nhóm –OH glucozit. Các gốc của amilozơ gắn lại với nhau nhờ liên kết α – 1,4 – glucozit
tạo nên một chuỗi dài khoảng 500 – 2000 đơn vị glucozơ, phân tử lượng trung bình từ
10.000 – 300.000 đvC.
Cấu tạo phân tử amilozơ được biểu diễn như sau:

H

CH2OH
O H
.
OH H

...O

CH2OH
O H
H
.
H
HO
O

H

OH

CH2OH
O
H
.
OH H

H

O

OH

H

O...

H

OH

Hình 1.1. Cấu trúc phân tử amilozơ (mạch khơng phân nhánh)
* Tính chất
Amilozơ mạch thẳng có thể tạo màng và sợi có độ bền và độ mềm dẻo cao.
Amilozơ mới tách từ hạt tinh bột thường có độ hịa tan cao, nhưng khơng bền và
nhanh chóng bị thối hóa. Dung dịch amilozơ rất nhanh chóng tạo keo ngay cả khi ở
nhiệt độ cao.
Khi tương tác với iot, amilozơ cho phức màu xanh đặc trưng. Khi đun nóng, liên
kết hidro bị cắt đứt, chuỗi amilozơ duỗi thẳng iot bị tách ra làm dung dịch mất màu xanh.
SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

5

LỚP 08SHH


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

Amilozơ có khả năng tạo phức với rất nhiều các hợp chất hữu cơ phân cực và
không phân cực. Phức của amiloza với vitamin A thường bền và ít bị oxy hóa. Do đó, sử
dụng amilozơ để bảo vệ vitamin A trong thuốc, trong thức ăn gia súc.
1.1.3.2. Amilopectin
* Cấu tạo
Phân tử amilopectin có cấu tạo như những chùm nho, trong đó xen kẽ hai vùng:
vùng có cấu tạo chặt, sắp xếp có trật tự và có độ tinh thể do đó bị thủy phân khó khăn,
vùng thứ hai sắp xấp kém trật tự, có nhiều điểm phân nhánh và khơng có độ tinh thể nên
dễ dàng bị thủy phân.
Amilopectin có cấu trúc nhánh, các gốc glucozơ gắn với nhau không chỉ nhờ liên
kết 1–4 mà còn nhờ liên kết 1–6. Phân tử amilopectin gồm một nhánh trung tâm (chứa
liên kết 1–4), từ nhánh này phát ra các nhánh phụ có chiều dài khoảng vài chục gốc
glucozơ. Phân tử lượng của amilopectin vào khoảng 5.10 5 – 1.10 6 đvC. Amilopectin được
phân bố ở mặt ngoài của hạt tinh bột.
Cấu tạo phân tử amilopectin được biểu diễn như sau:

H

CH2OH
O H
.
OH
H

.

O
H

H

OH

CH2OH
O H
.
OH
H

...O

H

CH2
O H
H

.
HO

O

H

OH

CH2OH
O
H

.
OH H

H

O

OH

H

O...

H

OH

Hình 1.2. Cấu trúc phân tử amilopectin (mạch phân nhánh)
* Tính chất
Phân tử amilopectin phân nhánh nhiều nên không thể tạo dạng sợi nhiều như
amilozơ và màng tạo ra thì lại giòn. Khác hẳn với amilozơ, amilopectin chỉ hòa tan khi
đun nóng và tạo nên dung dịch có độ nhớt cao. Phản ứng màu của amilopectin với iot chỉ
xảy ra do kết quả của sự hình thành nên các hợp chất hấp thụ. Phản ứng với lectin là phản
ứng đặc trưng của amilopectin. Liên kết giữa lectin với monosaccarit chủ yếu là liên kết
SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

6

LỚP 08SHH

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

hidro. Các nhóm –OH ở C2, C4, C6 của gốc monosaccarit không bị thay thế mới có thể
liên kết được với lectin. Do vậy, muốn kết tủa được với lectin thì các phân tử polysaccarit
bắt buộc phải ở dạng mạch nhánh.
1.1.4. Các tính chất của tinh bột [1, 5, 6]
1.1.4.1. Tính hấp thụ
Hạt tinh bột có cấu tạo lỗ xốp nên cả bề mặt trong và bên ngồi của tinh bột đều có
khả năng tương tác với chất hấp thụ. Các ion liên kết với tinh bột thường có ảnh hưởng
lớn đến khả năng hấp thụ của tinh bột.
Khả năng hấp thụ xanh metylen của tinh bột là rất tốt. Sự hấp thụ này chịu ảnh
hưởng rất lớn bởi các cation liên kết với tinh bột. Các cation ảnh hưởng đến khả năng hấp
thụ xanh metylen của tinh bột được sắp xếp theo dãy sau: Na+ > Mg2+ > Ba2+ > Ca2+.
Đường đẳng nhiệt hấp thụ của các loại tinh bột không giống nhau. Đặc trưng của
đường đẳng nhiệt hấp thụ của tinh bột phụ thuộc vào sự khác nhau về cấu tạo bên trong
của hạt và khả năng trương nở của chúng.
Các ion chứa trong tinh bột khi xử lý tinh bột bằng các chất điện li khác nhau có
thể thay thế bằng các ion khác nhau. Dựa vào khả năng này mà người ta đưa các cation
hoặc nhóm nguyên tử vào trong phân tử tinh bột để tạo ra tinh bột có một số tính chất
mới.
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ muối của các tinh bột,
người ta thấy rằng khả năng hấp thụ của tinh bột khoai tây lớn hơn của lúa mì và ngơ. Độ
xốp của tinh bột khoai tây tạo điều kiện cho các ion xâm nhập vào trong hạt dễ dàng hơn
do đó cân bằng hấp thụ đạt được nhanh chóng hơn. Nhiệt độ tăng thì khả năng hấp thụ
của tinh bột khoai tây giảm xuống, cịn ở tinh bột lúa mì thì khả năng hấp thụ tăng đến
một nhiệt độ nhất định.
1.1.4.2. Độ hòa tan của tinh bột

Tinh bột ở trạng thái tự nhiên khơng hịa tan trong nước lạnh nhưng có thể hút tới
25-30% nước và gần như khơng bị trương. Khi trương ở nhiệt độ cao liên kết hidro bị phá
hủy làm giảm sự bền vững cấu trúc tinh bột, dần dần nước xâm nhập vào, hidrat hóa
thành các nhóm hidroxyl dọc theo phân tử tinh bột.

SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

7

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

Amilozơ mới tách từ tinh bột có độ hịa tan cao song khơng bền nên nhanh chóng
bị thối hóa trở nên khơng hịa tan trong nước. Amilozơ được tách ra dưới dạng phức với
butanol là bột xốp khơ, có thể hịa tan hồn tồn trong nuớc sơi khi nồng độ đạt đến 15%.
Amilozơ hịa tan dễ dàng trong kiềm lỗng. Điều đáng chú ý là để hịa tan amilozơ cần có
một lượng kiềm tối ưu. Nồng độ cao hơn hoặc thấp hơn điều làm cho amilozơ tạo ra keo.
Amilopectin khơng hịa tan trong nước ở nhiệt độ thường mà chỉ hòa tan trong nước
nóng.
Trong mơi trường axit tinh bột bị thủy phân tạo thành “tinh bột hịa tan”, nếu mơi
trường axit mạnh sản phẩm cuối cùng là glucozơ. Trong môi trường kiềm, tinh bột bị ion
hóa từng phần do đó sự hidrat hóa tốt hơn. Tinh bột kết tủa trong cồn, vì vậy cồn là một
dung môi tốt để tăng hiệu quả thu hồi tinh bột.
1.1.4.3. Sự trương nở và sự hồ hóa tinh bột
Khi hịa tan tinh bột vào nước do kích thước của tinh bột lớn nên đầu tiên các phân
tử nước sẽ xâm nhập vào giữa các phân tử. Tại đây chúng sẽ tương tác với nhóm hoạt

động của tinh bột làm quay cực, thay đổi phổ hồng ngoại và hàm lượng glucozơ. Lớp vỏ
nước được tạo thành làm cho lực liên kết ở các mắt xích của tinh bột bị yếu đi, do đó
phân tử tinh bột bị xê dịch và liên kết lỏng lẻo với nhau rồi bị trương phồng lên. Hiện
tượng này gọi là hiện tượng trương nở của các hạt tinh bột. Quá trình trương này ln
ln đến trước q trình hịa tan. Tuy nhiên, với tinh bột để đạt được tạng thái này còn
phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài là nhiệt độ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự trương nở và hòa tan của tinh bột là:
+ Nguồn gốc tinh bột
+ Ảnh hưởng của q trình sống
+ Sự lão hóa của tinh bột
+ Phương thức xử lý nhiệt ẩm
Khi cho tinh bột vào nước và đun nóng đến một nhiệt độ xác định các hạt tinh bột
bị phá vỡ từ trạng thái đầu có mức oxy hóa khác nhau thành dung dịch keo gọi là sự hồ
hóa tinh bột.
Mỗi loại tinh bột có một nhiệt độ hồ hóa xác định tùy thuộc vào nguồn gốc, kích
thước của hạt tinh bột và điều kiện hồ hóa. Trong mơi trường kiềm các hạt tinh bột
SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

8

LỚP 08SHH


KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

thường có nhiệt độ hồ hóa thấp hơn do kiềm làm ion hóa từng phần tinh bột cho nên quá
trình hydrat phân tử tinh bột tốt hơn.
1.1.4.4. Khả năng tạo gel và sự thối hóa gel của tinh bột

Khả năng tạo gel: Sau khi hồ hóa và để nguội ở trạng thái yên tĩnh các phân tử tinh
bột sẽ tương tác và sắp xếp lại với nhau một cách có trật tự tạo thành gel tinh bột có cấu
trúc mạng ba chiều. Trong gel tinh bột chỉ có các liên kết hidro tham gia, có thể nối trực
tiếp các mạch polyglucozit hoặc gián tiếp qua phân tử nước.
Sự thối hóa gel: Gel tinh bột khi để nguội một thời gian dài chúng sẽ co lại và một
lượng dịch thể bị tách ra, đó là sự thối hóa gel. Q trình thối hóa gel xảy ra mạnh nếu
để gel lạnh đơng rồi sau đó làm tan. Bản chất của sự thối hóa là do sự định hướng lại và
hình thành cầu hidro giữa các phân tử tinh bột. Sự thối hóa gồm ba giai đoạn sau:
-

Đầu tiên các mạch được uốn thẳng lại

-

Tiếp đến vỏ hyđrat bị mất và các mạch được định hướng

-

Các cầu hyđro được tạo thành giữa các nhóm OH
Tốc độ thối hóa sẽ tăng khi giảm nhiệt độ và đạt cực đại khi pH = 7. Tốc độ thối

hóa sẽ giảm khi tăng hoặc giảm pH. Khi pH >10 sẽ khơng có sự thối hóa, khi pH < 2 thì
tốc độ thối hóa vơ cùng bé.
1.1.4.5. Khả năng tạo hình của tinh bột
Khi tương tác với chất béo dưới tác dụng của nhiệt độ khối tinh bột sẽ tăng thể tích
lên rất lớn và trở nên rỗng xốp. Bản chất của q trình này là do: Chất béo khơng có cực,
có khả năng xuyên thấm qua các vật liệu gluxit tinh bột, xenlulozơ. Khi tăng nhiệt độ
tương tác kỵ nước giứa các phần tử phát triển rất mạnh nên chúng có khuynh hướng co tụ
lại với nhau, do đó mà chúng có khả năng xuyên qua các “cửa ải” tinh bột. Đồng thời
nhiệt độ làm cho tinh bột hồ hóa và chín, nhưng khơng khí và khí trong khối bột không

thấm qua được lớp màng tinh bột đã tẩm béo do đó sẽ làm tinh bột giãn nở và phồng nở.
Giống như các hợp chất cao phân tử khác tinh bột có khả năng tạo màng rất tốt.
Để tạo màng các phân tử tinh bột sẽ dàn phẳng ra, sắp xếp lại và tương tác trực tiếp với
nhau bằng liên kết hidro và gián tiếp qua phân tử nước.
Màng tinh bột có thể thu được từ dung dịch phân tán trong nước, sau đó hồ hóa sơ
bộ và rót thành lớp mỏng trên bề mặt phẳng kim loại gia nhiệt. Màng tinh bột thu được từ

SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

9

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

phương pháp này thường dễ trương trong nước. Ngồi ra cũng có thể thu được màng tinh
bột từ dung dịch tinh bột hòa tan trong kiềm sau đó tái sinh lại.
Để thu được màng tinh bột có tính đàn hồi cao người ta cho thêm vào các chất hóa
dẻo để làm chúng tăng khoảng cách giữa các phân tử, làm giảm lực Vanderwalls, do đó
làm yếu lực cố kết nội và làm tăng động năng của các phân tử.
1.1.4.6. Tính nhớt dẻo của hồ tinh bột
Một trong những tính chất quan trọng của tinh bột có ảnh hưởng đến chất lượng và
kết cấu của nhiều sản phẩm thực phẩm là độ nhớt và độ dẻo. Phân tử tinh bột có chứa
nhiều nhóm hidroxyl có khả năng liên kết với nhau làm cho chúng tập hợp lại thành một
phân tử có kích thước lớn hơn, giữ nhiều phân tử nước hơn khiến cho dung dịch có độ
đậm đặc, độ nhớt dẻo và độ nhớt cao hơn, do đó các phân tử di chuyển khó khăn hơn.
Tính chất này thể hiện mạnh mẽ hơn ở những tinh bột loại nếp (tinh bột giàu

amilopectin).
Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch tinh bột là đường kính biểu
kiến của phân tử hoặc các hạt phân tán. Đường kính này phụ thuộc vào các yếu tố sau:
-

Đặc tính bên trong của phân tử như khối lượng, kích thước, thể tích, cấu trúc và sự
bất đối xứng của phân tử.

-

Tương tác của tinh bột với dung môi (nước) gây ảnh hưởng đến sự trương, sự tan
và cầu hyđrat hóa bao quanh phân tử.

-

Tương tác của các phân tử tinh bột với nhau quyết định kích thước của tập hợp.
Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, ion Ca2+, tác nhân oxy hóa, các thuốc thử phá hủy

cầu hyđro đều làm cho tương tác giữa các phân tử tinh bột thay đổi do dó làm cho độ nhớt
thay đổi theo.
Độ nhớt của tinh bột tăng lên trong môi trường kiềm vì kiềm gây ion hóa các phân
tử tinh bột khiến cho chúng hyđrat hóa tốt hơn. Nồng độ muối, nồng độ đường cũng ảnh
hưởng lớn đến độ nhớt của tinh bột. Các axit béo thường làm tăng độ nhớt nhưng sự tăng
sẽ không như nhau đối với các tinh bột khác nhau. Đa số các chất hoạt động bề mặt
thường làm tăng nhiệt độ để hồ có nhớt cực đại. Trong thực phẩm người ta thường dùng
các chất hoạt động bề mặt để làm chất nhũ hóa và chất tạo bọt. Nhìn chung chất hoạt động
bề mặt dùng cho các sản phẩm thực phẩm đều tạo phức được với amilozơ.
1.1.4.7. Tính chất lưu biến của tinh bột

SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

10

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

Các phân tử amilozơ thường sắp xếp tuyến tính và đều đặn. Do đó, trong dung
dịch chúng có khuynh hướng liên kết lại với nhau để tạo ra các tinh thể. Khi sự liên kết
này xảy ra với tốc độ tối thiểu thì amilozơ sẽ tạo ra khối không tan của các hạt đã thối
hóa. Khi tốc độ cực đại thì dung dịch chuyển thành thể keo.
Keo amilozơ là một khối trắng đục, khơng thuận nghịch, khơng có hiện tượng co.
Amilozơ đã thối hóa khơng tan trong nước lạnh nhưng có khả năng liên kết với
một lượng nước lớn gấp 4 lần trọng lượng của chúng. Nếu để amilozơ với một lượng
nước ít hơn 4 lần thì tồn bộ lượng nước bị hấp thụ cịn amilozơ sẽ tạo ra keo xúc biến.

Hình 1.3. Ảnh SEM tinh bột
1.2. Tổng hợp vật liệu siêu hấp phụ [5, 7, 8, 9, 10]
Vật liệu siêu hấp phụ được điều chế dựa trên các phản ứng chuyển mạch qua
polyme, phản ứng trùng hợp một monome nào đó bằng đại gốc của monome khác hoặc
dựa trên phản ứng của các nhóm định chức trong thành phần của các polyme khác.
Về cơ bản có hai cách tổng hợp vật liệu siêu hấp phụ:
+ Dùng phản ứng tạo liên kết ngang 2 mạch polyme có kiểu khác nhau.
+ Dùng kiểu khơi mào các trung tâm hoạt động trên bộ khung polyme (P) khi các
monome có thể được ghép.

SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

11

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

Phương pháp thứ hai thu hút được sự chú ý nhiều nhất và quá trình khơi mào được
tiến hành theo cách sử dụng hóa chất và sử dụng chiếu xạ phù hợp. Phản ứng có thể theo
cơ chế trùng hợp gốc ion, trong đó phương pháp được nghiên cứu và áp dụng vào thực
tiễn nhiều hơn cả là trùng hợp gốc.
1.2.1. Đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên tinh bột
1.2.1.1. Khái niệm
Quá trình đồng trùng hợp là quá trình trùng hợp hai hay nhiều monome mà sản
phẩm polyme sinh ra có các mắt xích monome sắp xếp ngẫu nhiên (copolyme ngẫu
nhiên), sắp xếp luân phiên đều đặn hoặc các mắt xích monome khác nhau tạo thành các
đoạn mạch khác nhau trên polyme (copolyme khối) hoặc polyme có mạch nhánh tạo ra từ
monome khác loại với mạch chính (copolyme ghép). Khi trùng hợp một loại monome để
tạo nên mạch nhánh đính vào một loại polyme đã có sẵn, q trình này gọi là đồng trùng
hợp ghép, sản phẩm phản ứng là copolyme ghép.
Để tổng hợp copolyme ta có thể dùng các phương pháp: đồng trùng hợp gốc tự do,
đồng trùng hợp ion và một số phương pháp khác nhưng ở đây chúng ta quan tâm nhiều
đến phương pháp đồng trùng hợp gốc tự do. Trùng hợp ghép gốc tự do được thực hiện
trên cơ sở phản ứng chuyển mạch lên polyme. Phản ứng chuyển mạch có thể là phản ứng
chuyển mạch của các gốc tự do lên monome, dung mơi, polyme hay có thể lên các tạp
chất. Nếu các đoạn polyme tham gia phản ứng chuyển mạch với các đoạn khác thì sẽ tạo
thành copolyme ghép. Quá trình chuyển mạch được thực hiện bởi sự tương tác của gốc tự

do lên các trung tâm hoạt động trên polyme (như hydro hoạt động, halogen) và tạo ra gốc
mới.
Khi điều chế polyme nhánh thường xảy ra hai quá trình: sự đồng trùng hợp ghép
các monome thành polyme nhánh và trùng hợp của bản thân monome tạo thành
homopolyme. Sản phẩm phản ứng cuối cùng là hỗn hợp hai loại polyme, để tách chúng
cần một lượng dung môi lớn và tiến hành chiết Shoxhlet nhiều lần.
1.2.1.2. Cơ chế phản ứng
Đồng trùng hợp ghép diễn ra theo cơ chế gốc tự do được thực hiện dựa trên cơ sở
phản ứng chuyển mạch lên polyme. Giả sử trong hệ monome M và polyme -P-P-P- thì
quá trình chuyển mạch được thực hiện: các gốc tự do kết hợp (đứt mạch) với H trên -P-PSVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

12

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

P- tạo gốc tự do. Sau đó M tấn cơng vào gốc tự do mới này tạo thành copolyme ghép.
Phản ứng xảy ra gồm các giai đoạn:
* Giai đoạn khơi mào
Chất khơi mào I phân hủy theo sơ đồ:
I – I → 2I•
Gốc tự do có hoạt tính đủ lớn sẽ tác dụng tiếp với monome khởi đầu phản ứng
trùng hợp:
I• + M → I – M•
* Giai đoạn phát triển mạch homopolyme
I – M• + M → I – M – M•

I – M – M• + M → I – (M)2 – M•
…………………………………….
I – (M)n-1 – M• + M → I – (M)n – M•
* Giai đoạn chuyển mạch sang polyme
I – (M)n – M• + -P-P-P-P- → I – (M)n – M – H + -P-P-P-P-P-P-P-P- + M → -P-P-P-PM•
-P-P-P-P- + nM → -P-P-P-PM

(M) n
M●

* Giai đoạn đứt mạch gốc homopolyme theo cơ chế phân ly hay kết hợp
I – (M)n – M• + M•– (M)n – I

IMn+1 + IMm+1
IM(n+m+2)I

Trong q trình ghép xảy ra sự cạnh tranh để có được gốc tự do giữa mạch polyme
ghép đang phát triển với monome, homopolyme của monome, dung môi và những tác
nhân khác. Để đặc trưng cho sự cạnh tranh này người ta dung chỉ số chuyển mạch C và
được xác định bằng tỷ số.
C = ktr/kp
ktr: hằng số tốc độ của q trình chuyển mạch
SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

13

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

kp: hằng số tốc độ của phát triển mạch
Q trình ghép có thể được khơi mào bằng nhiệt, peroxit, hydroperoxit, hệ oxy
hóa khử hoặc bằng tia bức xạ.
Quá trình chuyển mạch từ gốc tự do lên polyme ảnh hưởng lớn đến hiệu suất ghép
thể hiện ở bản chất khơi mào, độ hoạt động của gốc tự do lên polyme trong quá trình
cộng hợp với monome.
Khi nhiệt độ tăng thì hiệu suất ghép tăng do năng lượng hoạt hóa của phản ứng
chuyển mạch cao hơn so với phản ứng ngắt mạch. Hiệu suất ghép còn tăng khi tăng nồng
độ chất khơi mào và giảm nồng độ tác nhân chuyển mạch trọng lượng phân tử thấp do có
sự cạnh tranh gốc tự do với nhau.
Các sản phẩm phản ứng được trích ly và từ đó xác định tốc độ khơi mào của quá
trình ghép.
Mặc dù, đồng trùng hợp ghép nhờ phản ứng chuyển mạch có ưu điểm là đơn giản
về mặt công nghệ nhưng nhược điểm là sinh ra hỗn hợp giữa copolyme ghép và
homopolyme.
c) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đồng trùng hợp ghép :
+ Ảnh hưởng của nồng độ monome
+ Ảnh hưởng của cấu trúc polyme
+ Ảnh hưởng của chất khơi mào
+ Ảnh hưởng của dung dịch
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ
+ Ảnh hưởng của pH
1.2.2. Tổng hợp chất giữ ẩm
Quá trình đồng trùng hợp ghép được tiến hành trong cốc 250ml. Cho một lượng
tinh bột và một thể tích H2O ứng với điều kiện đang khảo sát, nâng nhiệt độ lên 700C để
hồ hóa tinh bột. Sau khi hồ hóa hoàn toàn tinh bột (giữ nhiệt độ 70 0C trong 5 phút), giảm
nhiệt độ xuống nhiệt độ phản ứng và giữ nhiệt độ khơng đổi. Khí N 2 được sục vào hỗn

hợp phản ứng để đuổi khí O2 . Sau đó, cho (NH4 )2S2 O8 có nồng độ nhất định và acrylamit
vào. Hỗn hợp được khuấy đều để các chất phản ứng tiếp xúc tốt. Khi đạt thời gian phản
ứng theo yêu cầu thì dừng phản ứng và để nguội về nhiệt độ phịng.
SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

14

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

Tại những thời điểm xác định, phản ứng được dừng lại bằng cách thêm 1ml
hydroquinol 1%. Sản phẩm ghép được tách ra khỏi homopolyme dựa trên cơ sở sự khác
nhau về độ hòa tan của các đoạn polyme, phương pháp thường dùng là kết tủa phân đoạn.
Hỗn hợp phản ứng được rót vào 300ml etanol để kết tủa sản phẩm phản ứng, lọc kết tủa.
Để loại bỏ homopolyme sản phẩm ghép được chiết Soxhlet với etanol trong 24h sau đó
sấy ở 100 0C đến khối lượng khơng đổi thu được copolyme ghép.
Q trình tổng hợp chất giữ ẩm được thực hiện trong cốc 100ml. Cho 5g tinh bột
sắn vào cốc, thêm tiếp nước, NaOH và một lượng epi – clohydrin với tỷ lệ rắn lỏng nhất
định, khuấy đều và duy trì ở nhiệt độ phản ứng. Tiếp tục cho thêm axit acrylic (AA) và
amonipersunfat (APS), giữ hỗn hợp phản ứng trong 90 phút. Sản phẩm đem sấy ở nhiệt
độ 80 0C đến khối lượng không đổi thu được chất giữ ẩm.
Điều kiện tối ưu của quá trình đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên tinh bột trong
mơi trường nước và trong khí quyển nitơ được nghiên cứu với việc sử dụng chất khơi
mào amonifersulfat là: thời gian 60 phút; nhiệt độ phản ứng là 50 oC; thể tích H2 O = 50ml;
nồng độ dung dịch amonifersulfat 0,1%; pH = 3; khối lượng axit acrylic /tinh bột =
1,5g/3,0g; tinh bột sắn đã qua hồ hóa trong thời gian 5 phút ở 700C. Việc tối ưu hóa các

thơng số cho sản phẩm với hiệu suất ghép (%GY) = 8,2%; hiệu quả ghép (%GE) = 17,9%
và phần trăm chuyển hóa (%TC) = 91,7%. Sự tồn tại của sản phẩm ghép được xác nhận
qua ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ hồng ngoại (IR).
Điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp chất giữ ẩm từ tinh bột sắn, sử dụng chất
khơi mào (NH4)2 S2O8, tác nhân khâu mạch epiclohydrin là: thời gian phản ứng:120 phút;
thời gian để cho NaOH: 40 phút; thời gian cho epiclohydrin: 60 phút; nhiệt độ: 80 0C;
lượng NaOH: 0,5 gam; lượng epiclohydrin: 0,45 mg; lượng (NH 4)2S2O8: 0,2 gam; tỷ lệ
tinh bột/AA : 5g/ 2,5g; thể tích H2O: 30ml. Trên cơ sở các các điều kiện tối ưu thu được
đã xây dựng sơ đồ tổng hợp vật liệu giữ ẩm từ nguyên liệu tinh bột sắn cho sản phẩm là
vật liệu có khả năng hấp thụ nước > 100 lần so với khối lượng ban đầu.
1.3. Vật liệu hấp phụ nước [ 2, 3, 4, 5]
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu, tổng hợp và sản xuất các chất hấp phụ
nước để giữ ẩm cho đất và các chất dinh dưỡng cho cây trồng đã được tiến hành rộng rãi

SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

15

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

trên khắp thế giới và cả ở nước ta. Sau đây là một sản phẩm được nghiên cứu và ứng dụng
trên toàn quốc.
1.3.1. Polyme siêu hấp phụ nước
Polyme siêu hấp phụ nước là sản phẩm được tạo thành từ quá trình ghép axit
acrylic vào tinh bột, nó hoạt động giống như miếng xốp, tuy nhiên bọt xốp vẫn giữ

ngun kích thước khi có cũng như khơng có nước. Vật liệu hấp phụ nước trương và co
lại khi nó hydrat và đề hydat hóa. Nước được giữ ổn định bởi vật liệu và không thể bị tách
ra bởi áp lực đến 5 bar.
Polyme siêu hấp phụ nước là vật liệu có khả năng giữ được trên 100g nước /1g
polyme khô.
Để thực hiện khả năng giữ ẩm, vật liệu phải có khả năng trương nở. Khả năng giữ
ẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
+ Khả năng trương nở của vật liệu
+ Môi trường nước (nước cất thì khả năng trương nở là tốt nhất)
+ Cách thức tiến hành hấp phụ nước: nếu cho hấp phụ từ từ thì khả năng trương nở
lớn hơn hấp phụ nhanh
+ Khả năng giữ ẩm không tỉ lệ thuận với khối lượng vật liệu hấp phụ, khi khối
lượng tăng lên thì lượng chất giữ ẩm tính theo đơn vị chất giữ ẩm lại giảm.
+ Bản chất của chất giữ ẩm và lượng muối hịa tan
+ pH của mơi trường: pH thuận lợi nhất là từ 5-10
* Vật liệu polyme hấp phụ nước trên cơ sở tinh bột biến tính với axit acrylic có thể
tổng hợp bằng cách tạo lưới sản phẩm của quá trình đồng trùng hợp ghép tinh bột với axit
acrylic. Để tạo lưới người ta dùng các phương pháp sau:
+ Tạo lưới bằng epiclohydrin:
.

OH

+

. O CH2 CH CH2 Cl

H2C CH CH2 Cl

HO

O

. O CH2 CH CH2 Cl

NaOH

.

+

NaCl

O

HO

SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

O CH2 HC CH2

16

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
.

O CH2 HC CH2

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

+

HO

.

NaOH

. O CH2 CH CH2 O .
CH3

O

+ Tạo lưới bằng fomandehit
.

OH

+

H

C

H

+

HO

.

H+

. O

CH2 O .

O

1.3.2. Cơ chế giữ ẩm
Cấu thể keo tụ hình thành do sự giảm tính bền vững nhiệt động học của hệ phân
tán. Nếu các yếu tố trong hệ chỉ giảm đi chứ khơng mất hồn tồn, các hạt chỉ dính kết lại
thành lưới khơng gian ta có sự hình thành gel. Tại chổ tiếp xúc vẫn cịn một lớp chất lỏng
mỏng, làm cho cấu thể kém vững chắc. Cơ chế giữ nước và thoát nước của vật liệu giữ
ẩm có tính chất sol-gel thuận nghịch. Đó là khả năng của hệ khi đã bị phá vỡ lại có thể tự
ý hồi phục cấu thể trong một thời gian, tức là ta có cân bằng sol-gel.
Cơ chế giữ nước của vật liệu siêu hấp phụ (hiện tượng trương của cấu thể): mỗi
phân tử vật liệu hấp phụ gốm các hàng song song những nhóm α-1,6 glucozit với nhiều
cầu nối và mạch nhánh acrylic. Khi có sự tiếp xúc của phân tử nước với hàng ngàn phân
tử vật liệu hấp phụ thì xuất hiện một lực tĩnh diện yếu giữa các hàng. Lực tĩnh điện này sẽ
đẩy hai cực từ tích điện cùng dấu tách rời nhau và kéo các hàng xa nhau dẫn đến sự
trương phồng lớn của vật liệu hấp phụ, cho phép vật liêu hấp phụ lưu giữ một lượng nước
tối đa.
Mới đây, tạp chí Natural Materials có cơng bố cơng trình nghiên cứu của Giáo sư
Kazuki Sada từ Đại học Kyushu Nhật Bản về việc tổng hợp những polime siêu thấm khác
có khả năng trương nở hàng trăm lần khi tiếp xúc với nước hoặc các chất lỏng phân cực

khác. Tuy nhiên, gel polyelectrolyte, được biết nhiều đến trong việc hút ẩm ở bỉm trẻ em,
lại không xử lý được các chất hữu cơ, hay các dung mơi có gốc cacbon. Đó là vì cấu trúc
đặc trưng dễ sụp đổ của loại gel này bởi sự liên kết của các nguyên tử tích điện. Các nhà
khoa học Nhật Bản đã tìm cách tránh được điều đó, bằng việc bổ sung
tetraalkylammonium, tetraphenylborate – một hợp chất hấp thu dung mơi ít phân cực hơn.
Điều này cho phép gel trương nở ra thay vì sụp đổ. Loại gel này có thể trương nở tới 500
SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

17

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

lần so với kích thước ban đầu khi tiếp xúc với dung mơi – một đặc tính có thể khai thác để
hấp thu các hóa chất cơng việc độ hại rơi vãi, chảy tràn.
Cơ chế thoát nước của vật liệu hấp phụ (hiện tượng teo của cấu thể): dưới tác dụng
của nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm khơng khí, vật liệu hấp phụ tự ý giảm kích thước gel, làm
thốt mơi trường phân tán ra khỏi các mặt lưới. Giữa các cấu thể, số điểm tiếp xúc cịn
khá ít, dần dần do sự sắp xếp lại các hạt, số điểm tiếp xúc tăng lên, gel bị nén lại đẩy một
phần dung môi (nước) ra bên ngồi.
Nước cũng có thể tách khỏi vật liệu bởi sự hấp phụ trực tiếp từ rễ, chu trình hydrat
hóa và đề hydrat hóa có thể diễn ra liên tục nhiều lần.
1.3.3. Polyacryamit (PAM)
Trong khoảng thời gian nghiên cứu vật liệu siêu hấp thụ nước, viện Hóa học cũng
đã nghiên cứu qui trình sản xuất và thử nghiệm polyacryamit có khă năng giữ ẩm, chống
xói mịn.

Polyacryamit là sản phẩm trùng hợp của acryamit. Polyacryamit có dạng bột trắng
mịn, có thể hịa tan trong nước với tỷ lệ 10mg/lít rồi phun lên mặt đất sau khi trồng cây
hoặc gieo hạt. Khi đó, PAM hịa tan trong nước sẽ hoạt động như tác nhân gia cố, liên kết
các hạt đất lại với nhau. Nhờ vậy mà lớp bề mặt kết dính với lớp đất bên dưới, làm giảm
nguy cơ xói mịn đất cũng như hạn chế rửa trôi chất dinh dưỡng. Khơng những liên kết
đất, PAM cịn làm tăng độ thấm nước của đất lên đến 80%, giảm tốc độ dòng chảy trên bề
mặt. Khả năng hút nước tốt hơn sẽ làm tăng độ bền của đất, tạo điều kiện cho cây nảy
mầm và rễ cây phát triển. Mặc dù không pjair là phân bón nhưng PAM chứa khoảng 1415% N, hữu ích đối với cây trồng và vi sinh vật đất. Nếu kết hợp sử dụng với phân bón thì
lượng phân sẽ được giữ lại hiều hơn trong quá trình tưới nước hoặc mưa, tránh bị rửa trôi
và hạ giá thành sản phẩm.
Với những tính chất hữu ích như trên, PAM là vật liệu hỗ trợ cho việc trồng trọt
các loại cây trồng ở những vùng dốc cao, chống sa mạc hóa, xóa mịn và bạc màu đất. Vật
liệu vẫn còn tác dụng 12 tháng sau khi phun, với điều kiện khơng được cày xới bề mặt.
Cũng có thể sử dụng PAM ở dạng bột khô vào đất sau khi làm đất rồi mới trồng cây. Kết
quả thử nghiệm một năm trên đất dốc trồng chè và sắn tại Thạch Thất – Hà Tây, cho thấy
xóa mịn giảm 80%, năng suất cây trồng tăng 11-15%.
SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

18

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

Hiện nay, PAM được sản xuất ở qui mô thử nghiệm với công suất 70kg/ngày.
Ngun liệu chính là sản phẩm của cơng nghiệp hóa dầu, sản phẩm này được trộn với
chất xúc tác, rồi đưa vào thùng phản ứng có sự kiểm sốt chặt chẽ về thời gian, nhiệt độ,

tốc độ nạp liệu, … sản phẩm cuối cùng là PAM.
1.4. Ứng dụng của polyme siêu hấp phụ nước [2, 5]
Các loại polyme này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: sản xuất
các sản phẩm chăm sóc vệ sinh, làm phụ gia chống thấm trong xây dựng, sản xuất nước
hoa khô, đệm chống thấm, tác nhân làm đặc cho keo dán, chất giữ bụi, thấm mồ hôi, đệm
cho bệnh nhân, chất gel cho các tác nhân thơm, cho cao su trương nở, cho q trình đề
hydrat hố trong xây dựng cơ bản, tác nhân tích nhiệt, chất tẩy mùi … và đặc biệt trong
ngành nơng nghiệp nó được sử dụng để giữ ẩm và cải tạo đất, vận chuyển cây trồng đi xa,
sử dụng làm phân bón và chất phụ gia trong cây trồng. Với khả năng lưu giữ một lượng
nước lớn, hút nước và nhả nước nhiều lần, sử dụng vật liệu polyme hấp phụ nước có ý
nghĩa hết sức quan trọng trong việc đẩy mạnh sản xuất nông nghiệp, chống hạn cho cây
trồng và ổn định sinh thái. Việc đưa vào ứng dụng vật liệu này còn làm tăng cường hiệu
quả sử dụng phân bón do các ion trong thành phần phân bón có thể khuếch tán vào các lỗ
xốp của mạng lưới hoặc liên kết với nhóm –COO của axit acrylic (nhờ liên kết phối trí và
lực hút tĩnh điện …) và cung cấp cho cây trồng nhờ đó phân bón khơng bị rửa trơi và
khơng làm ơ nhiễm nguồn nước.
Ở Việt Nam, lần đầu tiên Viện Hóa học đã chế tạo thành công trên dây chuyền
công nghệ tự thiết kế và chế tạo thành công với qui mô pilôp, công suất 100 kg/ ngày.
Dây chuyền đã vận hành ổn định và kết quả tạo ra hơn 10 tấn sản phẩm. Sản phẩm đạt độ
trương nở 400 lần trong nước cất và 65 lần trong nước muối sinh lí.
Viện Hóa học đã phối hợp với Viện Địa lý, Viện Sinh thái và tài nguyên sinh vật,
Viện Thổ nhưỡng và nơng hóa để thử nghiệm polyme siêu hấp phụ nước trên diện tích
rộng, ở nhiều vùng đất khác nhau và nhiều loại cây trồng và thu được một số kết quả rất
khả quan. Thử nghiệm đối với cây lương thực ở vùng núi khơ hạn Hồng Su Phì, Hà
Giang cho thấy các chỉ tiêu năng suất sinh học của ngô và đậu tương đều cao hơn đối
chứng và các chỉ số môi trường đất như độ ẩm, hàm lượng mùn, đạm, vi sinh vật đều tốt
hơn. Đặc biệt thử nghiệm ở quần đảo Trường Sa cho thấy, khi trộn với phân chim để bón
SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

19

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

cho rau trồng, polyme siêu hấp phụ nước vừa ca tác dụng giữ nước vừa như một loại đất
tạo hiệu quả làm tăng năng suất rau xanh từ 33-35%. Đối với các loại cây trồng ở miền
Trung như Quảng Trị, Nghệ An cho thấy trong điều kiện khắc nghiệt, tỉ lệ keo lá tràm
sống sau một năm cao hơn đối chứng 21%, năng suất lạc trên vùng đất cát và vùng gò đồi
đều tăng, cây mía ở Quảng Bình phát triển đồng đều, tăng số lượng cây to… Qua các thử
nghiệm đều cho thấy, khi đưa polyme siêu hấp phụ nước vào lớp đất canh tác cho hiệu
quả rõ rệt trong việc giữ ẩm, cải tạo đất, làm bền cấu trúc đất, tránh được hiện tượng xói
mịn đất, khắc phục hạn hán, tăng khả năng nảy mầm, phát triển và năng suất cây trồng,
đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Sản phẩm có thể lưu giữ trong đất trên 18 tháng và có
khả năng phân hủy sinh học.
Sự ra đời của loại vật liệu mới này đã và đang góp phần mở ra một giải pháp rất
hữu ích cho những vùng đất thường xuyên khô cạn, đất cát, đất đồi núi, những nơi nước
dễ trôi đi của Việt Nam.
1.5. Khả năng dụng ứng nông nghiệp trong [13]
Những năm gần đây, việc sử dụng polymer có khả năng trương nở đặc biệt cho
nơng nghiệp đã tăng lên rất nhiều, nhìn chung các kết quả nghiên cứu khẳng định polymer
trương nở đặc biệt đem lại nhiều ích lợi khi sử dụng thí dụ làm giảm tỷ lệ chết của thực
vật gần 100%, giảm sự chăm sóc thực vật đến 80%. Nhiều nhà trồng trọt phát hiện rằng
sự tử vong của cây khi chuyên chở có thể bị loại trừ và vụ mùa sẽ thu hoạch trước thời
hạn 20%. Cây trồng phát triển tăng lên đáng kể, việc chuẩn bị mùa màng thuận lợi và sự
lãng phí nước giảm rõ rệt.
1.5.1. Cải thiện đất trồng

Đối với đất chứa sét nặng, sự phát triển của cây trồng có thể bị hạn chế bởi thiếu
oxy, thừa CO2 hoặc quá nhiều nước, trái lại đất có cấu trúc nhẹ cho phép lưu thơng tốt,
đầy đủ và duy trì mức nước thích hợp.
Đối với đất nặng, các hạt olyme siêu hấp thụ nước sẽ làm phồng lên làm gẫy một
phần cấu trúc đất, điều đó cho phép tăng quá trình lưu thơng và thốt nước.
Đối với các loại đất bạc màu, ít chất bùn, chất dinh dưỡng và khả năng giữ ẩm kém
như các loại đất của bãi thải khai khống. Khi bón chất olyme siêu hấp thụ nước sẽ giúp

SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

20

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

đất tăng độ phì, lưu giữ phân bón và giữ nước, tăng số vi sinh vật sống, cải thiện tính chất
của đất giúp cây trồng sống và phát triển trong điều kiện khắc nghiệt.
Chất giữ ẩm (SA) có khả năng cải thiện cấu trúc và các tính chất đặc thù của các
loại đất trên. Như đối với đất nặng, các hạt SA sẽ làm phồng lên làm gãy một phần cấu
trúc đất, điều đó cho phép tăng q trình lưu thơng và thốt nước. Đối với đất cát SA cho
khả năng giữ nước của đất tăng nhưng SA cũng có thể phồng lên cực đại cho phép thốt
nước một cách nhanh chóng. Sự có mặt của SA cịn giúp cho đất cát kết đóng lại với nhau
nhưng khơng tạo sự ứ đọng nước dẫn đến cây trồng bị chết. Tóm lại đối với hai loại đất
trên SA cải thiện sự thốt, lưu thơng và giữ nước hợp lý. Tất cả các điều này có lợi ích lớn
cho việc trồng cây.
1.5.2. Làm chất phụ gia trong việc trồng cây trong chậu

Để chuẩn bị tốt cho việc trồng cây trong chậu, cần phải quan tâm hai vấn đề chủ
yếu:
+ Thứ nhất, dung tích đất nhỏ hơn và không sâu bằng vùng đất hở. Điều này dẫn
đến nguồn dự trữ nước và chất dinh dưỡng dùng cho cây bị giảm. Để đền bù cho việc thất
thoát thơng qua tưới nước thường xun cịn cần cung cấp một lượng phân bón và nước
nhằm đạt được mức độ tăng trưởng tối ưu nhất.
+ Thứ hai, trong vùng đất hở, các rễ cây có thể phát triển tự do theo hướng của
nguồn nước. Trong khi đó cây trồng trong chậu khơng có quyền lựa chon như vậy, rễ chỉ
có thể mọc xung quanh chậu, điều này làm giảm toàn bộ sự thơng thống và thốt nước.
Việc sử dụng SA có thể giải quyết được các vấn đề trên. Thực hiện bằng cách trộn
1 kg chất polyme trương nở đặc biệt với với 1 m3 đất sau đó đưa vào chậu.
1.5.3. Chuyển chổ cây trồng
Cây hoặc khóm cây thường được chuyển chổ trồng cùng với cấu trúc rễ khô, mà sự
yêu cầu cần tưới nước để tăng cường cho hệ thống rễ cây được thiết lập lại. Tỷ lệ sử dụng
SA bình thường cho việc trồng chuyển là 1 – 1,5 kg/m3
Việc sử dụng có thể được tiến hành như sau: đưa một lượng SA tính trước vào đáy
lỗ khi đã trộn kỹ cùng với đất. Đổ nước vào lỗ đó để SA ngậm nước. Đặt cây vào đó và
lấp đất như bình thường. Tưới đủ nước cho đầy các lỗ hổng của đất và SA ngậm đầy

SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

21

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

nước. Điều quan trọng cần lưu ý SA sẽ phồng lên khi nó ngậm nước lúc đó cây trồng có
thể bị bật ra khỏi mặt đất nếu ta dùng quá nhiều SA.
SA thích hợp với tất cả các loại cây và khóm cây. Kết quả đã đạt được rất khả quan
khi trồng cao su non, cây cảnh, bonsai, cam, quýt, cây hoa quả nhiệ đới, cà phê, …
1.5.4. Vận chuyển cây trồng đi xa
Cùng với thị trường hiện đại, việc chuyển cây đến một nơi rất xa trở nên thơng
dụng, suốt q trình vận chuyển dài, chắc chắn sẽ nảy sinh vấn đề phải cung cấp đầy đủ
nước cho cây trồng. SA có thể dự trữ nước đến khoảng một tháng mà không bị đổ hoặc
tràn. Điều này đạt được khi cho 2,5cm3 Sa ngậm nước, nó tương đối cứng (ví dụ: cho 50
gam SA vào 16 lít nước), trong một hộp cứng chứa nước. Chuyển cây từ chậu và đặt
chùm rễ tiếp xúc với gel, để ổn định hơn người ta buộc xung quanh chùm rễ một lớp các
tông hay vật liệu xốp. Điều này thuận lợi trong việc di chuyển và tách cây sâu. Các rễ cây
cịn có thể vận chuyển trong vòng 14 ngày nếu rễ đặt trong gel.
1.5.5. Sử dụng như một lớp giữ ẩm và làm ẩm cho đất
SA có thể được dùng như là lớp giữ ẩm xung quanh cây và khóm cây, như vậy nó
làm giảm sự mất nước bề mặt và cải thiện khả năng sử dụng nước đối với hệ thống rễ cây
nông. Kỹ thuật này làm giảm sự bay hơi của nước tới 90% và thích hợp với tất cả các loại
cây và khóm cây có hệ thống rễ nơng. Lấy một lớp đất xung quanh gốc cây và rải Sa
ngậm nước vào vùng đó. Sử dụng một lớp gel cứng được mơ tả ở trên (50 gam SA cho 16
lít nước), đậy lớp gel bằng một lớp đất và đá. Tầng đất và đá này sẽ bảo vệ SA khỏi bị
phá hủy bởi ánh sáng mặt trời. Nếu sử dụng phân bán, nó được đạt dưới lớp gel. Cịn
được sử dụng làm ẩm đất ở nơi gieo hạt cho nảy mầm sớm, giảm sự tưới nước và chăm
sóc cho mầm cây, đặc biệt SA là kho dự trữ nước cho cây ở vùng mà sự thiếu nước xảy ra
thường xuyên.
1.5.6. Sử dụng cho sản xuất theo thời vụ
Việc sử dụng SA trong sản xuất theo vụ cho phép trồng trọt tưới nước ít nhất ở
những vùng hay bị khô hạn, ở những vùng này sự mất nước do chảy đi và bay hơi rất cao.
Đối với loại đất này, thành phần SA thường là 25 kg/ha phụ thuộc vào điều kiện đất và
nước. Rắc SA vào đất, xới đất cho vào vùng rễ cây, SA sẽ ngậm cả nước mưa tự nhiên và
nước tưới, tăng khả năng giữ nước cho đất.

SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

22

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

1.5.7. Sử dụng trong q trình tưới nước
SA có thể dùng để giảm lượng nước trong hệ thống tưới tiêu, ở đó nước bị mất do
khả năng duy trì độ ẩm của đất kém hay tỷ lệ bau hơi nước cao, thành phần SA cho đất
loại này là 25 kg/ha, do SA đặt cùng hệ thống dẫn nước nên khi tưới ra ruộng chất sẽ phân
bboos đồng đều và đem lại hiệu quả giữ nước tốt cho cây.
1.5.8. Sử dụng phân bón
SA trộn với phân bón đậm đặc, có thể sử dụng nó để phân phát từ từ cho q trình
ni cây. Các chất dinh dưỡng được thu hút bởi SA hydrat hóa sẽ nhả dần cho cây trồng.
Suốt trong quá trình mưa nhieeud chất dinh dưỡng cho cây được giữ lại trong polyme và
khơng bị thất thốt. Như vậy lượng phân bón bị mất đi ít hơn, tiết kiệm cả về mơi trường
và giá thành sản phẩm

SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

23

LỚP 08SHH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

Chương 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ
2.1.1. Nguyên liệu
Nguồn vật liệu siêu hấp phụ được sản xuất từ Viện Hóa học, Viện Khoa học và
cơng nghệ Việt Nam.
2.1.2. Hóa chất
- NaOH, NaCl, HCl, Na2SO4, FeCl3, H2SO4, H3PO4, HNO3, CH3COOH, …
- Các hóa chất thơng dụng khác.
2.1.3. Dụng cụ
- Dụng cụ thủy tinh: ống đong, cốc thủy tinh, …
- Dụng cụ thơng thường: cân phân tích, máy hút chân không, …
2.2. Phương pháp tiến hành
2.2.1. Nghiên cứu độ trương của vật liệu siêu hấp phụ trong các môi trường và các điều
kiện hấp phụ khác nhau
2.2.1.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến khả năng hấp phụ nước của vật
liệu siêu hấp phụ nước
* Ảnh hưởng của các môi trường: nước cất, NaOH, HCl, NaCl.
Lấy 0,5 g mẫu cho vào 6 cốc chứa 250 ml dung dịch 0,01M ứng với từng dung dịch
(trừ nước cất), tiến hành khảo sát ở thời gian 60 phút. Sau đó lọc khơ sản phẩm, để ráo ngồi
khơng khí rồi đem cân. Tỷ lệ khối lượng mẫu trước và sau khi hấp thụ nước chính là độ
trương của vật liệu ứng với các khoảng nồng độ được khảo sát. Tiến hành so sánh độ trương
của vật liệu trong các môi trường.
2.2.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ nước của vật
liệu siêu hấp phụ trong các môi trường khác nhau
* Ảnh hưởng của thời gian (thay đổi từ 5-90 phút) đối với nước cất, dung dịch axit,

dung dịch bazơ, dung dịch muối.
Lấy 0,5 g mẫu cho vào 6 cốc 250ml ứng với từng dung dịch, các dung dịch có nồng
độ 0,01M (trừ nước cất), tiến hành khảo sát ở các khoảng thời gian 5, 10, 20, 40, 60, 90
phút. Sau đó lọc khơ sản phẩm, để ráo ngồi khơng khí rồi đem cân.
SVTH: ĐỒN THỊ TRÀ MY

24

LỚP 08SHH


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS. TRẦN MẠNH LỤC

2.2.1.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ của môi trường đến khả năng hấp phụ
nước của vật liệu siêu hấp phụ nước
* Ảnh hưởng của nồng độ HCl: thay đổi từ 0,01-0,06M.
* Ảnh hưởng của nồng độ NaOH: thay đổi từ 0,01-0,06M.
* Ảnh hưởng của nồng độ NaCl: thay đổi từ 0,01-0,06M.
Lấy 0,5 g mẫu cho vào 6 cốc chứa 250 ml dung dịch ứng với các nồng độ 0,01; 0,02;
0,03; 0,04; 0,05; 0,06M ứng với từng dung dịch, tiến hành khảo sát ở thời gian 60 phút. Sau
đó lọc khơ sản phẩm, để ráo ngồi khơng khí rồi đem cân.
2.2.1.4. So sánh ảnh hưởng của các loại muối có cùng cation Na+
* Muối NaCl và Na2 SO4
Lấy 0,5 g mẫu cho vào 6 cốc chứa 250 ml dung dịch ứng với các nồng độ 0,01; 0,02;
0,03; 0,04; 0,05; 0,06M ứng với từng dung dịch, tiến hành khảo sát ở thời gian 60 phút. Sau
đó lọc khơ sản phẩm, để ráo ngồi khơng khí rồi đem cân. Tiến hành so sánh độ trương của
vật liệu trong các dung dịch.
2.2.1.5. So sánh ảnh hưởng của các loại muối có cùng anion Cl * Muối NaCl và FeCl3

Lấy 0,5 g mẫu cho vào 6 cốc chứa 250 ml dung dịch ứng với các nồng độ 0,01; 0,02;
0,03; 0,04; 0,05; 0,06M ứng với từng dung dịch, tiến hành khảo sát ở thời gian 60 phút.
Sau đó lọc khơ sản phẩm, để ráo ngồi khơng khí rồi đem cân. Tiến hành so sánh độ
trương của vật liệu trong các dung dịch.
2.2.1.6. So sánh ảnh hưởng của các loại axit
* Các axit HCl, H2 SO4 , HNO3 , H3 PO4 , CH3COOH.
Lấy 0,5 g mẫu cho vào 6 cốc chứa 250 ml dung dịch ứng với các nồng độ 0,01;
0,02; 0,03; 0,04; 0,05; 0,06M ứng với từng dung dịch, tiến hành khảo sát ở thời gian 60
phút. Sau đó lọc khơ sản phẩm, để ráo ngồi khơng khí rồi đem cân. Tiến hành so sánh độ
trương của vật liệu trong các dung dịch.
2.2.1.7. So sánh ảnh hưởng của các loại bazơ
* Các bazơ NaOH, KOH, NH4 OH
Lấy 0,5 g mẫu cho vào 6 cốc chứa 250 ml dung dịch ứng với các nồng độ 0,01;
0,02; 0,03; 0,04; 0,05; 0,06M ứng với từng dung dịch, tiến hành khảo sát ở thời gian 60
SVTH: ĐOÀN THỊ TRÀ MY

25

LỚP 08SHH