::XET NGHIEM ADN::PHAN TICH ADN::XET NGHIEM HUYET THONG::

 NGHIÊN CỨU CHẤT GIỮ ẨM TRONG ĐẤT

ĐÁP ỨNG NHU CẦU CANH TÁC THIẾU NƯỚC

      Nông nghiệp nước ta thường xuyên phải đối mặt với tình hình thiếu nước nghiêm trọng, nhất là vào thời gian các tháng mùa khô, các vụ ít mưa. Những vùng rộng lớn ở Đồng bằng sông Cửu Long, Tây Nguyên, các tỉnh Miền Trung, Trung du và vùng núi Phía Bắc phải chịu thiệt hại do thiếu nước cho cây trồng vào thời gian đó mỗi năm lên tới trên 10000 tỷ đồng. Riêng ở Tây Nguyên 12.000 ha cafê bị mất trắng do thiếu nước tưới gây thiệt hại khoảng 3000 tỷ đồng. Còn ở những nơi khác, số tiền hỗ trợ cho việc chống hạn lên tới nhiều tỷ đồng.

      Theo dự báo, tình hình khô hạn thiếu nước sẽ là hiện tượng kéo dài và ngày càng trầm trọng trong thế kỷ tới ở nhiều vùng trên thế giới, kể cả ở Việt nam ta.

      Để đối phó với tình hình thiếu nước tưới cho cây trồng, trên thế giới có nhiều giải pháp. Về mặt hoá học, một trong những giải pháp tỏ ra có hiệu quả cao là áp dụng hợp chất polyme trương nở có khả năng dự trữ nước để cung cấp cho nhu cầu sống và phát triển của cây trồng. Đó là những polyme có trọng lượng phân tử cao, không độc hại, dễ bị phân huỷ sinh học trong đất, có thể giữ được lượng nước lớn và cung cấp dần dần cho cây trồng trong quá trình phát triển của thực vật.

       Một trong những polyme trương nở giữ ẩm là đồng trùng hợp ghép lên tinh bột . Những polyme này có khả năng giữ lượng lớn nước, dễ bị phân huỷ sinh học trong đất. Dưới đây chúng tôi trình bầy kết quả nghiên cứu phản ứng đồng trùng hợp ghép axit acrylic lên tinh bột sắn.

       Tổng hợp chất trương nở theo phản ứng đồng trùng hợp ghép là quá trình ghép mạch polyme mới được trùng hợp lên mạch cơ sở polysacarit của tinh bột. Đó là phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc tự do [1]. Để tạo thành gốc tự do cho phản ứng đồng trùng hợp, cần sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh. Nhiều công trình trong lĩnh vực này thường sử dụng muối của ceri hoá trị 4, ví dụ ceri amoni nitrat (CAN) [2,3].Trong môi trường phản ứng, khi tinh bột tiếp xúc với ion Ce⁴⁺ thì tạo thành phức [4], và khi đó ion Ce⁴⁺ bị khử thành Ce³⁺, còn trên mạch polysacarit tạo thành gốc tự do :

                    St-O-H + Ce⁴⁺ ® St-O^. + Ce³⁺ + H⁺

Trên mạch polysacarit các gốc tự do có thể được tạo thành tại nguyên tử cacbon 6 hay trên nguyên tử oxy gắn với cacbon 6, hoặc cũng có thể xảy ra sự mở vòng pyran như đã được đề nghị trong tài liệu :

THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT

      Trong giai đoạn khởi đầu của hướng nghiên cứu về công nghệ chất trương nở giữ ẩm trong đất canh tác, chúng tôi tập trung nghiên cứu những thông số chủ yếu của phản ứng đồng trùng hợp ghép lên tinh bột.

* Tinh bột sắn: nguồn từ thị trường. Phân tích chất lượng tinh bột cho thấy tinh bột có độ ẩm: 12,62%; phần khô: 87,38%. Trong phần khô, tinh bột chiếm 90,63% trong đó: Amylose 25,36%, Amylopectin 65,27%, Protein 2,57%, chất khác 6,80%.

Như vậy tinh bột sắn này có thể dùng cho phản ứng đồng trùng hợp ghép. Trọng lượng mol của tinh bột được tính bằng trọng lượng của đơn vị glucopyranosyl và bằng 162.

* Axit acrylic CH₂=CH-COOH, sản phẩm tinh khiết, tỷ trọng 1,0511.

* Xúc tác: Ce(SO₄)₂.4H₂O, M=404,3, do Viện Công nghệ Xạ hiếm cung cấp.

Dung dịch muối ceri trong axit nitric được điều chế như sau:

Cân chính xác 2,1 g Ce(SO₄)₂.4H₂O hoà tan khi đun nóng trong 5 ml HNO₃ 5M. Sau đó đem pha thành 50 ml với nước cất để có dung dịch 0,1M.

* Amoni pesulfat (NH₄)₂S₂O₈

* Dòng khí CO₂ được điều chế tại phòng thí nghiệm qua phản ứng giữa đá vôi và HCl.

Phản ứng được tiến hành trong bình cầu đáy tròn ba cổ dung tích 1 lít, có lắp sinh hàn, đường dẫn khí trơ và nhiệt kế, được gia nhiệt bằng bếp điện.

Mỗi thí nghiệm được tiến hành với lượng tinh bột cân trước (ví dụ 10 g, 0,05 mol), đem khuấy đều trong nước cất (ví dụ 480 ml).  Nâng nhiệt độ lên 85^oC và tiếp tục giữ nhiệt đó trong 1 giờ để thực hiện giai đoạn hồ hoá. Sau đó hạ nhiệt độ xuống 40-45^oC. Khi đạt nhiệt độ đó, cho thêm axit acrylic (ví dụ 20 ml, 0,29 mol), khuấy đều trong 5 phút trong dòng khí CO₂, rồi cho vào đó 1,5 ml dung dịch xúc tác đã điều chế sẵn cùng với một lượng nhỏ pesulfat. Khuấy đều và giữ nhiệt độ 35-40^oC trong 4 giờ trong dòng khí CO₂. Để yên thêm 4 giờ. Trung hoà bằng dung dịch NaOH 30% đến ph 6-7. Rửa bằng hỗn hợp etanol/nước 50/50. Sau đó đem lọc sản phẩm. Sấy sản phẩm trong không khí ở 90^oC.

Đánh giá chất lượng sản phẩm bằng cách xác định dung lượng hấp thụ nước. Phương pháp xác định như sau:

Cân chính xác một lượng sản phẩm thu được từ phản ứng đồng trùng hợp ghép nói trên (ví dụ 1 g). Đem ngâm trong nước cất (ví dụ 500 ml) đựng lrong bình nón thể tích 1000 ml có nút kín. Thời gian ngâm trong 6 giờ. Sau đó đem lọc qua phễu lọc số 4. Sau khi nước không bị hấp thụ tách ra hết, thu lấy nước tách ra và tính lượng nước đã bị hấp phụ trong mẫu sản phẩm. Kết quả được quy cho 1 g chất.

1. Ảnh hưởng của tỷ lệ tinh bột/axit acrylic (S/A):

Để khảo sát thông số này, chúng tôi đã tiến hành 6 thí nghiệm khi thay đổi tỷ số giữa tinh bột và axit acrylic, còn các điều kiện phần ứng khác được giữ cố định. Trong các thí nghiệm đều dùng 10 g tinh bột. Kết quả được trình bầy trên bảng 1 .

Từ những kết quả trên bảng 1, thấy rằng tỷ lệ giữa tinh bột và monome ghép mạch có ảnh hưởng đến lượng sản phẩm thu được và khả năng hấp thụ nước. Từ tỷ lệ 1:3 đến 1:9 đều cho kết quả tương đương với kết quả công bố trong các tài liệu, trong đó tốt nhất là kết quả thu được với tỷ s ố 1 : 8 .

Bảng 1: Sự phụ thuộc của lượng sản phẩm thu được và dung lượng hấp thụ nước vào tỷ số tinh bột/axit acrylic

+Trọng lượng mol của tinh bột được tính trên cơ sở đơn vị anhydroglucose và bằng 162.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng

Để xét ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ghép đối với lượng sản phẩm thu được và dung lượng hấp thụ nước của sản phẩm, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu phản ứng tổng hợp đồng trùng hợp ghép trong khoảng nhiệt độ từ 35 đến 70^oC. Mỗi thí nghiệm sử dụng 10 g tinh bột. Kết quả thí nghiệm được trình bầy trên bảng 2.

Từ những kết quả trên bảng 2 có thể nhận thấy rằng phản ứng đồng trùng hợp ghép không thuận lợi khi nâng nhiệt độ phản ứng lên trên 50^oC. Tại khoảng nhiệt độ 45^oC vừa thu được lượng sản phẩm lớn hơn, vừa đạt dung lượng hấp thụ cao hơn.

Bảng 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng lên lượng sản phẩm và dung lượng hấp thụ nước

3. Ảnh hưởng của lượng xúc tác ceri

Như đã trình bầy, trong điều kiện phản ứng, ion Ce⁴⁺ tạo phức với tinh bột. Do đó lượng ion ceri có ảnh hưởng đến lượng sản phẩm thu được và dung lượng hấp thụ nước của sản phẩm. Để khảo sát ảnh hưởng đó, chúng tôi đã tiến hành những thí nghiệm khi thay đổi lượng xúc tác ceri đưa vào.Mỗi thí nghiệm đã dùng 10 g tinh bột. Kết quả thí nghiệm được trình bầy trên bảng 3.

Như có thể thấy từ những kết quả thu được trên bảng 3, để thực hiện phản ứng đồng trùng hợp ghép trong điều kiện của công trình này không cần sử dụng quá nhiều xúc tác. Sử dụng xúc tác ceri ở mức 0,15 đến 0,18 mmol có thể thu được chất hấp thụ polyme vừa lớn hơn về số lượng vừa cho dung lượng hấp thụ nước cao hơn.

Từ những kết quả thu được trên đây có thể thấy rằng điều kiện thích hợp để tổng hợp đồng trùng hợp ghép trên cơ sở tinh bột sắn và axit acrylic là như sau:

    Nhiệt độ hồ hoá: 85^oC

    Nhiệt độ phản ímg: 40-45^oC

    Thời gan phản ứng: 4 giờ

    Thời gian hồ hoá : 30 phút

    Tỷ lệ tinh bột/axit acrylic= 1/8

Rửa kết tủa bằng hỗn hợp etanol/nước 50/50

Sấy trong không khí ở nhiệt độ 90^oC trong 6 giờ

Xúc tác Ce(SO₄)₄.4H₂O trong HNO₃: 3 mmol/ 1mol tinh bột.

Bảng 3. Sự phụ thuộc của lượng sản phẩm và dung lượng hấp thụ nước vào lượng xúc tác ceri