Hoàn thiện công nghệ sản xuất vật liệu polyme siêu hấp thụ nước và ứng dụng chúng để giữ ẩm và cải tạo đất

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HÓA HỌC

BÁO CÁO TỔNG KẾT DỰ ÁN CẤP NHÀ NƯỚC

HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VẬT LIỆU POLYME

SIÊU HẤP THỤ NƯỚC VÀ ỨNG DỤNG CHÚNG

ĐỂ GIỮ ẨM VÀ CẢI TẠO ĐẤT

MÃ SỐ KC 02.DA01/06-10

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS. NGUYỄN VĂN KHÔI

7463

27/7/2009

HÀ NỘI – 2008

Môc lôc

Trang

Më ®Çu............................................................................................................. 1

PhÇn 1. Giíi thiÖu chung vÒ polyme siªu hÊp thô n−íc: c«ng nghÖ

chÕ t¹o vµ øng dông........................................................................................ 3

1.1. Tæng quan t×nh h×nh nghiªn cøu, chÕ t¹o polyme siªu hÊp thô n−íc... 3

1.1.1. Trªn thÕ giíi.................................................................................. 3

1.1.1.1. Trïng hîp dung dÞch............................................................. 4

1.1.1.2. Trïng hîp huyÒn phï............................................................ 7

1.1.2. Trong n−íc.................................................................................... 8

1.2. ChÕ t¹o polyme siªu hÊp thô n−íc tõ tinh bét....................................... 9

1.2.1. Tæng hîp c¸c copolyme ghÐp tinh bét.......................................... 9

1.2.2. Kh¬i mµo trïng hîp ghÐp gèc tù do............................................. 12

1.2.2.1. Kh¬i mµo nhê ion Ce(IV)..................................................... 12

1.2.2.2. Kh¬i mµo b»ng muèi pesunfat.............................................. 15

1.2.2.3. Kh¬i mµo b»ng c¸c hÖ oxy ho¸ khö..................................... 16

1.2.2.4. Kh¬i mµo nhê chiÕu x¹......................................................... 20

1.2.3. Polyme siªu hÊp thô n−íc trªn c¬ së copolyme ghÐp tinh bét...... 21

1.3. øng dông cña polyme siªu hÊp thô n−íc trong n«ng nghiÖp................. 23

1.3.1. ¶nh h−ëng cña polyme siªu hÊp thô n−íc tíi tÝnh chÊt ®Êt.......... 23

1.3.2. ¶nh h−ëng cña polyme siªu hÊp thô n−íc tíi tû lÖ n¶y mÇm....... 24

1.3.3. ¶nh h−ëng cña polyme siªu hÊp thô n−íc tíi sù ph¸t triÓn vµ

n¨ng suÊt c©y trång................................................................................ 24

1.3.4. Kh¶ n¨ng ph©n huû sinh häc vµ ®éc tÝnh cña polyme siªu hÊp

thô n−íc ................................................................................................. 25

PhÇn 2. C¸c néi dung hoµn thiÖn c«ng nghÖ................................................. 28

2.1. Oxy ho¸ tinh bét s¾n............................................................................ 28

2.1.1. §Æt vÊn ®Ò..................................................................................... 28

2.1.2. Néi dung thùc hiÖn........................................................................ 28

2.1.2.1. Nguyªn liÖu, ho¸ chÊt........................................................... 28

2.1.2.2. Ph−¬ng ph¸p tiÕn hµnh.......................................................... 28

2.1.2.3. X¸c ®Þnh c¸c tÝnh chÊt cña s¶n phÈm.................................... 29

2.1.3. KÕt qu¶ vµ th¶o luËn..................................................................... 30

2.1.3.1. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é vµ thêi gian ph¶n øng.................... 30

2.1.3.2. ¶nh h−ëng cña pH................................................................ 32

2.1.3.3. ¶nh h−ëng cña tû lÖ tinh bét/pha láng................................. 33

2.1.3.4. ¶nh h−ëng cña tû lÖ clo ho¹t ®éng/tinh bét.......................... 34

2.1.3.5. Mét sè ®Æc tr−ng lý ho¸ cña tinh bét oxy ho¸...................... 35

2.1.4. KÕt luËn........................................................................................ 37

2.2. Nghiªn cøu qu¸ tr×nh trïng hîp ghÐp axit acrylic lªn tinh bét............. 37

2.2.1. §Æt vÊn ®Ò.................................................................................... 37

2.2.2. Néi dung thùc hiÖn....................................................................... 38

2.2.2.1. Nguyªn liÖu, ho¸ chÊt........................................................... 38

2.2.2.2. Ph−¬ng ph¸p tiÕn hµnh.......................................................... 38

2.2.2.3. X¸c ®Þnh c¸c tÝnh chÊt cña s¶n phÈm.................................... 38

2.2.3. KÕt qu¶ vµ th¶o luËn..................................................................... 39

2.2.3.1. ¶nh h−ëng cña c¸c hÖ kh¬i mµo........................................... 39

2.2.3.2. ¶nh h−ëng cña träng l−îng ph©n tö tinh bét........................ 46

2.2.3.3. ¶nh h−ëng cña tû lÖ khèi l−îng monome/tinh bét............... 47

2.2.3.4. ¶nh h−ëng cña tû lÖ pha láng/tinh bét................................. 48

2.2.3.5. ¶nh h−ëng cña tû lÖ c¸c chÊt kh¬i mµo................................ 48

2.2.3.6. ¶nh h−ëng cña kiÓu vinyl monome...................................... 50

2.2.3.7. C¸c ®Æc tr−ng lý ho¸ cña s¶n phÈm ghÐp.............................. 50

2.2.4. KÕt luËn........................................................................................ 55

2.3. ChÕ t¹o polyme siªu hÊp thô n−íc........................................................ 56

2.3.1. §Æt vÊn ®Ò.................................................................................... 56

2.3.2. Néi dung thùc hiÖn....................................................................... 56

2.3.2.1. Nguyªn liÖu, ho¸ chÊt........................................................... 56

2.3.2.2. Ph−¬ng ph¸p tiÕn hµnh......................................................... 56

2.3.2.3. X¸c ®Þnh tÝnh chÊt cña s¶n phÈm.......................................... 57

2.3.3. KÕt qu¶ vµ th¶o luËn..................................................................... 58

2.3.3.1. ¶nh h−ëng cña kiÓu chÊt kh¬i mµo vµ nhiÖt ®é ph¶n øng... 58

2.3.3.2. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng chÊt kh¬i mµo............................ 60

2.3.3.3. ¶nh h−ëng cña l−îng chÊt.................................................... 61

2.3.3.4. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng chÊt t¹o l−íi.............................. 62

2.3.3.5. ¶nh h−ëng cña träng l−îng ph©n tö tinh bét........................ 63

2.3.3.6. ¶nh h−ëng cña hµm l−îng tinh bét...................................... 63

2.3.3.7. ¶nh h−ëng cña møc ®é trung hoµ......................................... 64

2.3.3.8. ¶nh h−ëng cña t¸c nh©n trung hoµ....................................... 65

2.3.3.9. ¶nh h−ëng cña kiÓu monome.............................................. 66

2.3.3.10. ¶nh h−ëng cña tû lÖ acrylic/acrylamit................................ 66

2.3.3.11. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é vµ thêi gian sÊy............................ 67

2.3.3.12. ¶nh h−ëng cña kÝch th−íc h¹t ®Õn qu¸ tr×nh hÊp thô......... 72

2.3.4. KÕt luËn........................................................................................ 72

2.4. X©y dùng quy tr×nh c«ng nghÖ chÕ t¹o polyme siªu hÊp thô n−íc

c«ng suÊt 100 tÊn/n¨m................................................................................ 73

2.4.1. LuËn cø thiÕt kÕ d©y chuyÒn c«ng nghÖ s¶n xuÊt c«ng suÊt

100 tÊn/n¨m........................................................................................... 73

2.4.2. ThiÕt kÕ d©y chuyÒn c«ng nghÖ s¶n xuÊt c«ng suÊt 100tÊn/n¨m.. 73

2.4.2.1. HÖ thèng thiÕt bÞ s¶n xuÊt 50kg s¶n phÈm kh«/mÎ............... 73

2.4.2.2. HÖ thèng thiÕt bÞ c¾t m¹ch tinh bét s¾n................................ 74

2.4.2.3. HÖ thèng thiÕt bÞ t¹o sîi s¶n phÈm tr−íc khi sÊy.................. 74

2.4.2.4. HÖ thèng thiÕt bÞ sÊy s¶n phÈm............................................ 75

2.4.2.5. HÖ thèng thiÕt bÞ nghiÒn vµ sµng s¶n phÈm.......................... 75

2.4.2.6. HÖ thèng ®ãng gãi s¶n phÈm................................................ 75

2.4.3. ThuyÕt minh quy tr×nh c«ng nghÖ s¶n xuÊt polyme siªu hÊp

thô n−íc................................................................................................... 75

2.4.4. H¹ch to¸n kinh tÕ s¶n xuÊt 100kg polyme siªu hÊp thô n−íc....... 82

2.4.5. X©y dùng tiªu chuÈn c¬ së ®¸nh gi¸ chÊt l−îng s¶n phÈm

polyme siªu hÊp thô n−íc ...................................................................... 85

2.5. Ph©n tÝch tµi chÝnh cña Dù ¸n............................................................... 88

PhÇn 3. KÕt qu¶ ®¸nh gi¸ chÊt l−îng s¶n phÈm, triÓn khai øng dông....... 89

3.1. KÕt qu¶ ®¸nh gi¸ chÊt l−îng s¶n phÈm polyme siªu hÊp thô n−íc....... 89

3.2. øng dông polyme siªu hÊp thô n−íc ®Ó gi÷ Èm vµ c¶i t¹o ®Êt.............. 89

3.2.1. Thö nghiÖm cho c©y b«ng ë §ång Nai........................................ 89

3.2.2. Thö nghiÖm cho c©y chÌ ë H¶i Hµ- Qu¶ng Ninh......................... 93

3.2.3. Thö nghiÖm cho mét sè c©y rau, hoa mµu vµ d−îc liÖu t¹i

miÒn §«ng Nam Bé vµ T©y Nguyªn...................................................... 96

3.2.4. Thö nghiÖm cho c©y cá s÷a ë Thanh Ba- Phó Thä....................... 105

3.2.5. Thö nghiÖm cho c©y nho ë B×nh ThuËn........................................ 108

3.2.6. Thö nghiÖm cho c©y cµ phª ë §¾c N«ng...................................... 111

3.2.7. Thö nghiÖm trång c©y phôc håi b·i th¶i........................................ 118

3.2.8. Thö nghiÖm ®Ó −¬m c©y trång rõng............................................. 123

3.2.9. Thö nghiÖm ®Ó trång rau s¹ch...................................................... 128

3.3. X©y dùng tiªu chuÈn c¬ së vÒ quy tr×nh sö dông polyme siªu hÊp

thô n−íc AMS-1 cho mét sè ®èi t−îng c©y trång........................................ 131

3.3.1. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång b«ng......................................................................................... 131

3.3.2. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång chÌ........................................................................................... 133

3.3.3. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång cµ phª....................................................................................... 136

3.3.4. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång, ch¨m sãc vµ thu ho¹ch døa..................................................... 139

3.3.5. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång c¶i ngät.................................................................................... 142

3.3.6. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång c©y c¶nh trong chËu................................................................. 144

3.3.7. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång c¶i b¾p...................................................................................... 146

3.3.8. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång bÝ xanh...................................................................................... 149

3.3.9. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång c©y c¶i t¹o vµ phñ xanh b·i th¶i............................................... 151

3.3.10. Quy tr×nh kü thuËt sö dông polyme siªu hÊp thô n−íc AMS-1

®Ó trång nho............................................................................................ 157

PhÇn 4. Mét sè kÕt qu¶ kh¸c cña Dù ¸n....................................................... 160

4.1. KÕt qu¶ ho¹t ®éng s¶n xuÊt vµ kinh doanh.......................................... 160

4.2. KÕt qu¶ vÒ ®µo t¹o................................................................................ 161

4.3. Nh÷ng c«ng tr×nh khoa häc ®· ®−îc c«ng bè....................................... 161

4.4. Mét sè h×nh ¶nh vÒ ho¹t ®éng s¶n xuÊt, qu¶ng b¸ vµ giíi thiÖu

s¶n phÈm.......................................................................................................163

PhÇn 5. KÕt luËn.............................................................................................. 166

Tµi liÖu tham kh¶o......................................................................................... 168

Phô lôc. Mét sè hîp ®ång cung cÊp s¶n phÈm cho c¸c ®¬n vÞ.................... 177

Tãm t¾t

Dù ¸n SXTN cÊp Nhµ n−íc “Hoµn thiÖn c«ng nghÖ s¶n xuÊt vËt liÖu

polyme siªu hÊp thô n−íc vµ øng dông chóng ®Ó gi÷ Èm vµ c¶i t¹o ®Êt”, m· sè

KC02.DA01/06-10 thuéc Ch−¬ng tr×nh KH&CN träng ®iÓm vÒ Nghiªn cøu, ph¸t

triÓn vµ øng dông c«ng nghÖ vËt liÖu ®−îc thùc hiÖn trong thêi gian 24 th¸ng (tõ

th¸ng 11/2006 ®Õn th¸ng 11/2008). C¸c néi dung chÝnh cña Dù ¸n lµ hoµn thiÖn

vµ x©y dùng quy tr×nh c«ng nghÖ s¶n xuÊt polyme siªu hÊp thô n−íc c«ng suÊt

100tÊn/n¨m; s¶n xuÊt thö s¶n phÈm phôc vô thö nghiÖm vµ th−¬ng m¹i ho¸; x©y

dùng quy tr×nh sö dông s¶n phÈm cho c¸c ®èi t−îng c©y trång vµ vïng ®Êt kh¸c

nhau.

Nhãm nghiªn cøu ®· tiÕn hµnh hoµn thiÖn quy tr×nh c«ng nghÖ s¶n xuÊt

polyme siªu hÊp thô n−íc gåm c¸c c«ng ®o¹n: oxy ho¸ tinh bét s¾n, hå ho¸ tinh

bét, trïng hîp ghÐp axit acrylic lªn tinh bét, trïng hîp ghÐp cã mÆt chÊt t¹o l−íi,

t¹o sîi vµ sÊy, nghiÒn sµng vµ ph©n lo¹i s¶n phÈm...tõ ®ã ®· x©y dùng ®−îc c«ng

nghÖ s¶n xuÊt polyme siªu hÊp thô n−íc víi c«ng suÊt vµ chÊt l−îng ®¹t tiªu

chuÈn ®¨ng ký. Trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn, Dù ¸n ®· s¶n xuÊt ®−îc 75 tÊn s¶n

phÈm vµ cung cÊp mét khèi l−îng lín ra thÞ tr−êng. Nhãm nghiªn cøu ®· tiÕp tôc

phèi hîp víi c¸c ®Þa ph−¬ng vµ c¬ quan chøc n¨ng tiÕn hµnh øng dông polyme

siªu hÊp thô n−íc trªn quy m« lín ®Ó gi÷ Èm vµ c¶i t¹o ®Êt. S¶n phÈm polyme

siªu hÊp thô n−íc víi tªn th−¬ng m¹i lµ AMS-1 ®· ®−îc ®¨ng ký chÊt l−îng t¹i

Së NN&PTNT Hµ Néi. Nhãm nghiªn cøu còng ®· biªn so¹n vµ c«ng bè 11 Tiªu

chuÈn c¬ së (TCCS) vÒ ®¸nh gi¸ chÊt l−îng s¶n phÈm vµ c¸c quy tr×nh kü thuËt

h−íng dÉn sö dông s¶n phÈm cho c¸c ®èi t−îng c©y trång kh¸c nhau.

Ngoµi c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vµ triÓn khai c«ng nghÖ, s¶n xuÊt kinh

doanh kÓ trªn, Dù ¸n còng tham gia ®µo t¹o ®¹i häc vµ Sau ®¹i häc, c«ng bè 7

c«ng tr×nh khoa häc, tham gia c¸c ho¹t ®éng triÓn l·m, qu¶ng b¸ s¶n phÈm vµ

xóc tiÕn th−¬ng m¹i.

C¸c kÕt qu¶ cô thÓ cña Dù ¸n sÏ ®−îc tr×nh bµy trong B¸o c¸o tæng kÕt

khoa häc vµ kü thuËt, B¸o c¸o tãm t¾t vµ c¸c b¸o c¸o kh¸c.

1

më ®Çu

Trong n«ng nghiÖp, n−íc vµ ph©n bãn lµ hai yÕu tè v« cïng quan träng

quyÕt ®Þnh ®Õn n¨ng suÊt, chÊt l−îng n«ng s¶n vµ ®é ph× nhiªu cña ®Êt. Bëi vËy,

tõ l©u con ng−êi ®· chó ý ®Õn viÖc t−íi tiªu vµ bãn ph©n cho c©y trång, ®Æc biÖt

lµ c¸c biÖn ph¸p cung cÊp n−íc thuËn tiÖn, hiÖu qu¶ vµ kinh tÕ.

ViÖt Nam lµ mét n−íc n«ng nghiÖp cã tr×nh ®é ph¸t triÓn ch−a cao, n¨ng

suÊt, chÊt l−îng n«ng s¶n vÉn cßn phô thuéc nhiÒu vµo yÕu tè thêi tiÕt. N»m

trong vµnh ®ai nhiÖt ®íi B¾c b¸n cÇu víi l−îng m−a trung b×nh n¨m t−¬ng ®èi

cao, tõ 1500-2000mm nh−ng h¹n h¸n vÉn th−êng xuyªn x¶y ra ë mét sè n¬i, g©y

thiÖt h¹i nÆng nÒ cho s¶n xuÊt n«ng nghiÖp. V× vËy, viÖc t×m ra mét biÖn ph¸p

gi÷ Èm, chèng h¹n hiÖu qu¶ trong s¶n xuÊt n«ng nghiÖp vÉn ®ang lµ mét vÊn ®Ò

cÊp b¸ch. XuÊt ph¸t tõ thùc tÕ ®ã, n¨m 2001, ViÖn Ho¸ häc ®· ®−îc giao chñ tr×

thùc hiÖn ®Ò tµi “Nghiªn cøu chÕ t¹o vµ øng dông vËt liÖu polyme siªu hÊp thô

n−íc” thuéc Ch−¬ng tr×nh Khoa häc C«ng nghÖ träng ®iÓm cÊp Nhµ n−íc, m· sè

KC02.10. KÕt thóc ®Ò tµi, chóng t«i ®· chÕ t¹o thµnh c«ng polyme siªu hÊp thô

n−íc trªn c¬ së tinh bét s¾n biÕn tÝnh, x©y dùng ®−îc d©y chuyÒn c«ng nghÖ chÕ

t¹o polyme nµy ë quy m« pilot c«ng suÊt 100kg/ngµy. S¶n phÈm ®· ®−îc thö

nghiÖm cho nhiÒu lo¹i c©y trång t¹i nhiÒu ®Þa ph−¬ng vµ trªn nhiÒu lo¹i ®Êt kh¸c

nhau. C¸c kÕt qu¶ ®Òu cho thÊy ®©y lµ mét lo¹i vËt liÖu míi th©n thiÖn m«i

tr−êng, cã kh¶ n¨ng gi÷ Èm, c¶i t¹o ®Êt vµ n©ng cao n¨ng suÊt c©y trång. Kh«ng

nh÷ng ®−îc sö dông hiÖu qu¶ trong n«ng nghiÖp, polyme siªu hÊp thô n−íc cßn

cã nhiÒu c«ng dông kh¸c trong ®êi sèng nh− trang trÝ, c¾m hoa t−¬i, trång c©y

c¶nh...

Víi nh÷ng kÕt qu¶ ®¹t ®−îc vµ xuÊt ph¸t tõ nhu cÇu thùc tÕ, ViÖn Ho¸ häc

tiÕp tôc ®−îc Bé Khoa häc vµ C«ng nghÖ giao chñ tr× thùc hiÖn Dù ¸n s¶n xuÊt

thö nghiÖm cÊp Nhµ n−íc, m· sè KC02.DA01/06-10 “Hoµn thiÖn c«ng nghÖ

s¶n xuÊt vËt liÖu polyme siªu hÊp thô n−íc vµ øng dông chóng ®Ó gi÷ Èm vµ

c¶i t¹o ®Êt”.

2

Môc tiªu cña Dù ¸n:

- Hoµn thiÖn d©y chuyÒn c«ng nghÖ hiÖn cã, x©y dùng quy tr×nh c«ng

nghÖ s¶n xuÊt polyme siªu hÊp thô n−íc c«ng suÊt 100tÊn/n¨m ho¹t ®éng æn

®Þnh nh»m t¹o ra s¶n phÈm cã chÊt l−îng cao h¬n, gi¸ thµnh hîp lý, phï hîp víi

®iÒu kiÖn ViÖt Nam.

- S¶n xuÊt thö s¶n phÈm polyme siªu hÊp thô n−íc, cung cÊp s¶n phÈm

cho c¸c ®¬n vÞ cã nhu cÇu.

- TiÕp tôc thö nghiÖm vµ ®Ò xuÊt quy tr×nh sö dông polyme siªu hÊp thô

n−íc cho c¸c lo¹i c©y, trªn c¸c lo¹i ®Êt kh¸c nhau.

Néi dung cña Dù ¸n:

- Hoµn thiÖn qui tr×nh c¾t m¹ch tinh bét s¾n b»ng natri hypoclorit nh»m

lµm gi¶m khèi l−îng ph©n tö, t¨ng ®é ph©n cùc, ®¸p øng yªu cÇu biÕn tÝnh.

- Hoµn thiÖn c«ng nghÖ chÕ t¹o chÊt gi÷ Èm tõ tinh bét s¾n gåm c¸c giai

®o¹n: hå ho¸, trïng hîp ghÐp vinyl monome lªn tinh bét, trïng hîp ghÐp cã mÆt

chÊt t¹o l−íi, t¹o sîi vµ sÊy, nghiÒn sµng vµ ph©n lo¹i s¶n phÈm.

- S¶n xuÊt 70 tÊn s¶n phÈm polyme siªu hÊp thô n−íc vµ 50 tÊn gel mµu

sinh häc.

- Phèi hîp víi c¸c ®¬n vÞ thö nghiÖm nh»m ®−a ra qui tr×nh sö dông s¶n

phÈm ®èi víi mét sè lo¹i c©y trång.

3

PhÇn 1. giíi thiÖu chung

vÒ polyme siªu hÊp thô n−íc: c«ng nghÖ

chÕ t¹o vµ øng dông

1.1. Tæng quan t×nh h×nh nghiªn cøu, chÕ t¹o polyme siªu hÊp thô n−íc

1.1.1. Trªn thÕ giíi

Polyme siªu hÊp thô n−íc th−êng ®−îc chÕ t¹o tõ qu¸ tr×nh ®ång trïng hîp

axit acrylic, natri hoÆc kali acrylat cã mÆt chÊt t¹o l−íi. Ph¶n øng ®−îc kh¬i mµo

gèc tù do, hÖ kh¬i mµo oxy ho¸- khö hay c¸c hÖ kh¬i mµo hçn hîp. Tuy nhiªn,

tia γ, tia tö ngo¹i hay c¸c bøc x¹ n¨ng l−îng cao kh¸c còng ®−îc sö dông ®Ó kh¬i

mµo ph¶n øng. T¸c nh©n t¹o l−íi th−êng lµ c¸c hîp chÊt divinyl cã 2 liªn kÕt ®«i

ë ®Çu m¹ch. Tr−íc tiªn mét liªn kÕt ph¶n øng víi gèc ®ang ph¸t triÓn trong khi

liªn kÕt cßn l¹i ph¶n øng víi mét gèc ®ang ph¸t triÓn kh¸c t¹o thµnh cÊu tróc

m¹ng l−íi 3 chiÒu. Polyme ph¶i ®−îc t¹o l−íi phï hîp ®Ó t¨ng tèi ®a kh¶ n¨ng

hÊp thô n−íc mµ vÉn ng¨n chÆn ®−îc sù hoµ tan cña c¸c m¹ch kh«ng ®−îc t¹o

l−íi. Hµm l−îng chÊt t¹o l−íi ®ãng vai trß quan träng ®èi víi kh¶ n¨ng hÊp thô

n−íc cña s¶n phÈm. Ngoµi ra, c¸c th«ng sè kh¸c nh− kiÓu chÊt t¹o l−íi, tû lÖ c¸c

monome, lo¹i chÊt kh¬i mµo, nhiÖt ®é vµ ph−¬ng ph¸p trïng hîp còng ¶nh

h−ëng tíi tÝnh chÊt s¶n phÈm [1].

Polyme siªu hÊp thô n−íc cã thÓ ®−îc chÕ t¹o trong m«i tr−êng n−íc b»ng

qu¸ tr×nh trïng hîp dung dÞch hoÆc trong m«i tr−êng hydrocacbon, trong ®ã

monome ®−îc ph©n t¸n d−íi d¹ng huyÒn phï hoÆc nhò t−¬ng. §èi víi trïng hîp

nhò t−¬ng, s¶n phÈm thu ®−îc ë d¹ng côc ®−îc c¾t, sÊy vµ nghiÒn tr−íc khi sö

dông. Qu¸ tr×nh trïng hîp huyÒn phï thu ®−îc c¸c h¹t cã kÝch th−íc phô thuéc

®é nhít cña monome vµ mét sè yÕu tè kh¸c. §Ó c¶i thiÖn ®é xèp vµ cÊu tróc

m¹ng l−íi cña polyme siªu hÊp thô n−íc, ®«i khi ng−êi ta sö dông c¸c phô gia

®Æc biÖt nh− t¸c nh©n t¹o bät, chÊt chuyÓn m¹ch, t¸c nh©n t¹o phøc, ion kim lo¹i

vµ c¸c chÊt bÉy gèc tù do. Qu¸ tr×nh biÕn tÝnh polyme siªu hÊp thô n−íc sau

ph¶n øng ®Ó t¹o l−íi bÒ mÆt còng c¶i thiÖn kh¶ n¨ng hÊp thô n−íc [2].

4

1.1.1.1. Trïng hîp dung dÞch

Qu¸ tr×nh trïng hîp axit acrylic (AA) vµ natri acrylat (SA) lµ ph¶n øng to¶

nhiÖt vµ ®éng häc qu¸ tr×nh lµ mét hµm cña nhiÒu biÕn sè. §iÒu nµy cïng víi vai

trß cña chÊt t¹o l−íi khiÕn cho hÖ trë nªn phøc t¹p.

Scott vµ Peppas [3] chøng tá r»ng h»ng sè ®éng häc cña qu¸ tr×nh trïng

hîp AA phô thuéc nhiÖt ®é, pH dung dÞch, cÊu h×nh m¹ch, nång ®é monome,

hµm l−îng chÊt t¹o l−íi vµ ®é chuyÓn ho¸ nèi ®«i. Scott vµ Peppas [4] còng sö

dông kü thuËt nhiÖt vi sai ®Ó nghiªn cøu ®éng häc vµ x¸c ®Þnh ¶nh h−ëng cña

viÖc thay ®æi pH dung dÞch. Rintoul vµ Wandrey [5] ®· nghiªn cøu ®éng häc vµ

c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh ®ång trïng hîp gèc tù do AA vµ AM trong dung m«i ph©n

cùc. Mét bé d÷ liÖu chÝnh x¸c vÒ ®éng häc qu¸ tr×nh ®ång trïng hîp trong

kho¶ng tæng nång ®é monome thÊp theo mét hµm cña pH, nång ®é monome,

nång ®é chÊt kh¬i mµo vµ tû lÖ c¸c monome ®· ®−îc giíi thiÖu. pH vµ tæng nång

®é monome cã t¸c ®éng m¹nh tíi gi¸ trÞ h»ng sè ®ång trïng hîp. §Æc biÖt, khi

tæng nång ®é monome kh«ng ®æi lµ 0,4 mol/l, T= 313K, h»ng sè ®ång trïng hîp

cña AM t¨ng tõ 0,54 ë pH 1,8 lªn 3,04 ë pH 12. Ng−îc l¹i, h»ng sè ®ång trïng

hîp cña AA gi¶m tõ 1,08 cßn 0,32. §iÓm giao c¾t t¹i pH = 4,2. HiÖu øng tÜnh

®iÖn do thay ®æi møc ®é ion ho¸ AA chøng tá ¶nh h−ëng chñ yÕu cña ®éng häc.

Khi tæng nång ®é monome t¨ng tõ 0,2 ®Õn 0,6 mol/l t¹i pH = 12 kh«ng ®æi th×

h»ng sè ®ång trïng hîp cña AM vµ AA t−¬ng øng gi¶m tõ 4,01 xuèng 2,13 vµ

t¨ng tõ 0,25 lªn 0,47. Bé d÷ liÖu chÝnh x¸c lµ ®iÒu kiÖn tiªn quyÕt cho mét

ph−¬ng ph¸p míi tÝnh to¸n thµnh phÇn copolyme trong tr−êng hîp kh¶ n¨ng

ph¶n øng cña monome thay ®æi. Paril vµ céng sù [6] còng x¸c ®Þnh c¸c h»ng sè

®ång trïng hîp cña AA vµ AM vµ thÊy r»ng c¸c gi¸ trÞ nµy phô thuéc chñ yÕu

vµo pH cña m«i tr−êng. Sù chuyÓn dÞch thµnh phÇn trong qu¸ tr×nh ph¶n øng

chøng tá r»ng ë pH 5, AM tham gia nhiÒu h¬n vµo copolyme, vµ ë pH 2, AA

chiÕm tû lÖ cao h¬n. H»ng sè ®ång trïng hîp ë pH 5 lµ rAM = 1,88 ± 0,17, rAA =

0,80 ± 0,07 vµ ë pH 2 lµ rAM = 0,16 ± 0,04, rAA = 0,88 ± 0,08.

Henton [7] ®· nghiªn cøu n¨ng l−îng ho¹t ho¸ vµ h»ng sè tèc ®é cña qu¸

tr×nh ph©n huû natri pesunfat cã mÆt AA víi thµnh phÇn ®Æc tr−ng cho hçn hîp

®−îc sö dông trong qu¸ tr×nh tæng hîp polyme siªu hÊp thô n−íc. So víi ®iÒu

5

kiÖn dung dÞch ®−îc ®Öm, tèc ®é ph©n huû cña natri pesunfat t¨ng 2-7 lÇn khi cã

mÆt AA, hµm l−îng AA trung hoµ thÊp hay hµm l−îng AA cao víi møc ®é trung

hoµ thÊp do c¬ chÕ ph©n huû bëi monome. Tuy nhiªn nång ®é cao cña AA trung

hoµ mét phÇn lµm gi¶m tèc ®é ph©n huû cña pesunfat so víi khi cã mÆt AA

(kh«ng trung hoµ).

Cutie vµ céng sù [8] x¸c ®Þnh n¨ng l−îng ho¹t ho¸ cho tèc ®é trïng hîp

AA sö dông 1

H-NMR lµ luü thõa 3/2 ®èi víi nång ®é monome vµ luü thõa 1/2

®èi víi nång ®é natri pesunfat (SPS). Tèc ®é trïng hîp dung dÞch AA thay ®æi

theo c¨n bËc 2 nång ®é chÊt kh¬i mµo [3]. Do sù ph©n huû cña pesunfat ®−îc

t¨ng tèc khi cã mÆt AA nªn viÖc lùa chän chÊt kh¬i mµo rÊt quan träng. Lo¹i

chÊt t¹o l−íi, mét sè monome vµ hÖ kh¬i mµo còng cã ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ tíi

tÝnh chÊt cña polyme siªu hÊp thô n−íc. ¶nh h−ëng cña metyletyl hydroquinon

(MEHQ), th−êng ®−îc bæ sung ®Ó øc chÕ trïng hîp AA trong qu¸ tr×nh b¶o

qu¶n, ®· ®−îc nghiªn cøu bëi Cutie vµ céng sù [9]. KÕt qu¶ cho thÊy MEHQ lµm

gi¶m tèc ®é trïng hîp AA nh−ng kh«ng lµm gi¶m khèi l−îng ph©n tö cña s¶n

phÈm.

§Ó chÕ t¹o polyme siªu hÊp thô n−íc chÞu muèi, poly(acrylamit-co-acrylic

axit) ®−îc tæng hîp b»ng ph−¬ng ph¸p trïng hîp dung dÞch. §Ó c¶i thiÖn c¸c

tÝnh chÊt cña s¶n phÈm nh− ®é bÒn, ®é ®µn håi vµ ph©n t¸n, copolyme ®−îc t¹o

l−íi bÒ mÆt b»ng etylenglycol diglycidyl ªte vµ sau ®ã ®−îc trén cïng víi

Al2(SO4)3 vµ Na2CO3. Ph¶n øng thuû ph©n gi÷a Al3+ vµ CO3

2- diÔn ra trong m«i

tr−êng n−íc, khi Al3+ vµ CO3

2- ®−îc khuÕch t¸n vµo m¹ng l−íi hydrogel,

Al(OH)3 tËp hîp víi bÒ mÆt cña hydrogel b»ng c¸ch t¹o liªn kÕt phèi trÝ víi c¸c

nhãm –COO-

, -O- vµ -OH liªn kÕt víi m¹ng l−íi hydrogel vµ lµm cho nã t¹o l−íi

tiÕp, tr¸nh sù hoµ tan cña c¸c m¹ch polyme ph©n ly vµ tho¸t ra ngoµi m«i tr−êng

n−íc tù do [10].

C¸c h¹t ®¬n ph©n tö cña polyme siªu hÊp thô n−íc cã thÓ ®−îc tæng hîp

trªn thiÕt bÞ sÊy phun tõ dung dÞch n−íc cña polyme lo·ng. ¶nh chôp kÝnh hiÓn

vi ®iÖn tö quÐt cho thÊy c¸c h¹t kh« nµy cã ®−êng kÝnh trong kho¶ng 1-4µm.

Quan s¸t trªn ¶nh chôp kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua, trªn c¬ së tÝnh to¸n thÓ

tÝch liªn quan ®Õn khèi l−îng ph©n tö cña polyme, cã thÓ thÊy r»ng mçi h¹t nµy

6

bao gåm mét m¹ch ®¬n ph©n tö [11].

Trong nghiªn cøu cña Weiqing vµ céng sù [12], polyme siªu hÊp thô n−íc

®−îc tæng hîp tõ qu¸ tr×nh ®ång trïng hîp axit acrylic vµ kali acrylat chiÕu x¹ tö

ngo¹i. Møc ®é trung hoµ AA b»ng KOH ®Ó ®¹t kh¶ n¨ng hÊp thô n−íc cao lµ

80%. Sö dông chÊt kh¬i mµo quang Irgacure 651, mét chÊt kh¬i mµo quang hiÖu

qu¶ cao, víi thêi gian tiÕp xóc ng¾n 5-10 phót cã thÓ thu ®−îc polyme siªu hÊp

thô n−íc víi tÝnh chÊt tèt nh− thêi gian tiÕp xóc ng¾n nh−ng kh¶ n¨ng hÊp thô

n−íc cao vµ hµm l−îng nèi ®«i thÊp.

Trong c«ng nghiÖp, polyme siªu hÊp thô n−íc th−êng ®−îc chÕ t¹o trªn c¬

së trïng hîp vµ ®ång trïng hîp axit acrylic vµ dÉn xuÊt. Polyme siªu hÊp thô

n−íc cã thÓ ®−îc s¶n xuÊt liªn tôc ë d¹ng kh« b»ng c¸ch tiÕn hµnh ph¶n øng

trïng hîp dung dÞch hoÆc trïng hîp huyÒn phï hay nhò t−¬ng ng−îc trong thiÕt

bÞ trïng hîp kÝn. Polyme t¹o thµnh ®−îc lµm kh« trªn b¨ng t¶i chuyÓn ®éng liªn

tôc trong lß sÊy. §iÒu nµy tr¸nh ®−îc viÖc ph¶i sö dông c¸c thïng chøa trung

gian [13]. §Ó s¶n xuÊt liªn tôc polyme siªu hÊp thô n−íc còng cã thÓ tiÕn hµnh

ph¶n øng trong hÖ thèng cã Ýt nhÊt 3 vïng. Vïng thø nhÊt lµ vïng khëi ®Çu, ë ®ã

viÖc n¹p liÖu ®−îc tiÕn hµnh. Vïng thø hai lµ vïng pha gel. Vïng thø 3 lµ vïng

pha h¹t (vÈy). Trong mçi vïng thø 2 vµ 3 cã Ýt nhÊt mét trôc quay. Cã thÓ cã

thªm vïng thø 4 lµ vïng kÕt thóc qu¸ tr×nh trïng hîp vµ l−u gi÷ polyme tr−íc khi

xö lý. Th«ng th−êng th× nªn ®−a chÊt t¹o l−íi vµ chÊt kh¬i mµo vµo trong

monome ban ®Çu [14].

§Ó c¶i thiÖn kh¶ n¨ng hÊp thô cña polyme siªu hÊp thô n−íc tõ acrylic,

Henderson vµ céng sù [15] ®· cho SAP vµo mét dung dÞch cã chøa monome

acrylic, cã hoÆc kh«ng cã chÊt t¹o l−íi theo tØ lÖ SAP/dung dÞch monome tõ 1:1

®Õn 1:10, sau ®ã ®iÒu chØnh m«i tr−êng, ch¼ng h¹n nhiÖt ®é trong kho¶ng 100-

1500

C, ®Ó trïng hîp monome thªm vµo trong SAP, t¹o cho SAP cã tÝnh chÊt hÊp

thô cao h¬n vµ kÝch th−íc h¹t lín h¬n. Ph−¬ng ph¸p nµy cho hiÖu suÊt cao h¬n,

dung l−îng hÊp thô cña gel cao h¬n nh−ng chi phÝ l¹i lín h¬n. Còng cã thÓ c¶i

thiÖn tèc ®é hÊp thô n−íc cña polyme siªu hÊp thô n−íc trªn c¬ së acrylic b»ng

c¸ch cho thªm t¸c nh©n t¹o nang khÝ. T¸c nh©n nµy cã thêi gian thæi t¹o khÝ lµ

40 gi©y hoÆc Ýt h¬n víi hµm l−îng tõ 0,05 ®Õn 10% khèi l−îng. T¸c nh©n t¹o khÝ

7

nµy th−êng lµ c¸c muèi cacbonat, bicacbonat hoÆc muèi amoni [16].

GÇn ®©y, Flohr [17] ®· chÕ t¹o polyme siªu hÊp thô n−íc acrylic cã chÊt

t¹o l−íi bÒ mÆt lµ t¸c nh©n ho¹t ®éng bøc x¹. Tr−íc ®©y ®Ó tr¸nh hiÖn t−îng gel￾blocking, tøc lµ hiÖn t−îng c¸c khe hë trong h¹t polyme siªu hÊp thô n−íc bÞ bÝt

kÝn sau khi hót vµ nh¶ n−íc d−íi t¸c ®éng c¬ häc th× biÖn ph¸p t¹o l−íi bÒ mÆt

®· ®−îc ¸p dông. Tuy nhiªn qu¸ tr×nh nµy th−êng kÐo dµi khiÕn chÊt t¹o l−íi bÒ

mÆt cã thÓ th©m nhËp vµo h¹t polyme siªu hÊp thô n−íc. MÆt kh¸c qu¸ tr×nh chÕ

t¹o ®−îc thùc hiÖn trong ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é cao g©y ra nh÷ng ph¶n øng phô

kh«ng mong muèn. Flohr ®· c¶i tiÕn ph−¬ng ph¸p nµy, sö dông chÊt t¹o l−íi bÒ

mÆt ho¹t ®éng bøc x¹, cung cÊp n¨ng l−îng ho¹t ho¸ b»ng chiÕu x¹ ®Ó ph¶n øng

x¶y ra nhanh h¬n vµ ë nhiÖt ®é thÊp h¬n.

1.1.1.2. Trïng hîp huyÒn phï

Tæng hîp polyme siªu hÊp thô n−íc b»ng c¸ch ph©n t¸n monome trong

pha hydrocacbon phï hîp ®−îc gäi lµ trïng hîp huyÒn phï hay trïng hîp nhò

t−¬ng. Hai kh¸i niÖm nµy ®−îc sö dông ®èi víi kÝch th−íc h¹t lín hay nhá cña

pha ph©n t¸n. Kh«ng gièng nh− trïng hîp dung dÞch, s¶n phÈm trong qu¸ tr×nh

nµy thu ®−îc ë d¹ng bét, nhê ®ã tr¸nh ®−îc viÖc ph¶i nghiÒn. Monome vµ chÊt

kh¬i mµo ®−îc ph©n t¸n trong pha hydrocacbon nh− mét hçn hîp ®ång thÓ. KÝch

th−íc vµ h×nh d¹ng h¹t s¶n phÈm ®−îc ®iÒu chØnh theo ®é nhít dung dÞch

monome, tèc ®é khuÊy, kiÓu ph©n t¸n.

ChÊt kh¬i mµo trïng hîp th−êng ®−îc ph©n t¸n trong pha n−íc nh−ng

nh÷ng chÊt kh¬i mµo tan trong pha dÇu còng ®−îc sö dông nh»m thu ®−îc s¶n

phÈm cã c¸c ®Æc tÝnh kh¸c nhau [18].

Benda [19] ®· nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña giai ®o¹n øc chÕ tíi qu¸ tr×nh

trïng hîp nhò t−¬ng ng−îc AM vµ muèi natri, amoni cña axit acrylic. Khi thùc

hiÖn c¸c phÐp ®o ®éng häc liªn quan ®Õn giai ®o¹n øc chÕ, c¸c tÝnh chÊt gièng

nhau cña 3 monome ®−îc quan s¸t. KÕt qu¶ ¶nh h−ëng cña giai ®o¹n øc chÕ tíi

tèc ®é trïng hîp vµ träng l−îng ph©n tö cña polyme lµ do sù ph©n ly kh«ng hiÖu

qu¶ cña chÊt kh¬i mµo amoni pesunfat trong giai ®o¹n øc chÕ. Do ®ã, gi¶m tèc

®é trïng hîp chØ lµ do gi¶m nång ®é chÊt kh¬i mµo ë cuèi giai ®o¹n øc chÕ, cã

nghÜa lµ b¾t ®Çu trïng hîp. Giai ®o¹n øc chÕ chÞu ¶nh h−ëng bëi nång ®é c¸c

8

thµnh phÇn trong hÖ, nhiÖt ®é vµ trong tr−êng hîp muèi cña axit acrylic, lµ pH

cña pha trong. Gi¶m giai ®o¹n øc chÕ trong tr−êng hîp t¨ng nång ®é chÊt t¹o

nhò cã thÓ lµ do ph¶n øng cña chÊt øc chÕ oxy víi phÇn −a dÇu cña chÊt t¹o nhò.

Tèc ®é trïng hîp nhò t−¬ng ng−îc cña muèi AA còng phô thuéc nhiÒu vµo gi¸

trÞ pH cña dung dÞch monome. ¶nh h−ëng nµy ®−îc gi¶i thÝch bëi qu¸ tr×nh

trïng hîp dung dÞch lo·ng AA diÔn ra víi sù ®Èy gèc tÜnh ®iÖn ë pH thÊp vµ sù

h×nh thµnh cÆp ion ë 2 ®Çu gèc ®¹i ph©n tö ®ang ph¸t triÓn ë pH cao. Khi x¸c

®Þnh bËc tèc ®é, gi¸ trÞ pH cña pha trong vµ thêi gian cña giai ®o¹n øc chÕ ph¶i

®−îc duy tr× kh«ng ®æi trong toµn bé kho¶ng nång ®é ®o ®−îc. B»ng c¸ch nµy,

c¸c kÕt qu¶ ®éng häc thu ®−îc kh«ng bÞ mÐo mã vµ phï hîp h¬n víi c¬ chÕ

trïng hîp ®−îc gi¶ thiÕt.

Trong c«ng nghiÖp, polyme siªu hÊp thô n−íc cã thÓ ®−îc chÕ t¹o b»ng

ph−¬ng ph¸p trïng hîp kÐp [20]. Qu¸ tr×nh trïng hîp tr¶i qua c¸c b−íc sau: t¹o

huyÒn phï ng−îc trong dung m«i h÷u c¬ víi sù cã mÆt cña chÊt nhò ho¸ cã chØ

sè HLB tõ 8-12, trong pha monome ®· cã s½n chÊt t¹o l−íi; trïng hîp huyÒn phï

ng−îc acrylic thµnh gel; hÊp thô thªm mét l−îng monome acrylic vµo khèi gel

thu ®−îc, tØ lÖ monome thªm vµo/monome ban ®Çu lµ 1 ®Õn 1,2; ®−a chÊt ho¹t

®éng bÒ mÆt cã HLB 2-5 vµo m«i tr−êng trïng hîp; vµ trïng hîp l−îng monome

hÊp thô vµo gel. Ph−¬ng ph¸p nµy cho s¶n phÈm bÒn, chi phÝ thÊp do tiÕt kiÖm

®−îc c¸c b−íc, tuy nhiªn dung l−îng hÊp thô kh«ng cao.

1.1.2. Trong n−íc

NÒn n«ng nghiÖp ViÖt Nam vÉn ë tr×nh ®é ph¸t triÓn ch−a cao. ViÖc t−íi

n−íc phô thuéc chñ yÕu vµo m−a, c¸c hÖ thèng t−íi tiªu hiÖn ®¹i ch−a nhiÒu nªn

h¹n h¸n vÉn lµ mèi lo ng¹i t¹i nhiÒu ®Þa ph−¬ng trong c¶ n−íc. Víi kh¶ n¨ng gi÷

n−íc ®Æc biÖt, ®−a polyme siªu hÊp thô n−íc vµo s¶n xuÊt n«ng nghiÖp lµ mét

biÖn ph¸p chèng h¹n rÊt cÇn thiÕt vµ hiÖu qu¶. Víi môc ®Ých ®ã, mét sè ®¬n vÞ

trong n−íc ®· vµ ®ang nghiªn cøu chÕ t¹o vËt liÖu nµy ®i tõ nh÷ng nguyªn liÖu

®Çu kh¸c nhau vµ víi nh÷ng c«ng nghÖ kh¸c nhau.

ViÖn Ho¸ häc- ViÖn KH&CN ViÖt Nam b¾t ®Çu nghiªn cøu vÒ polyme

siªu hÊp thô n−íc tõ nh÷ng n¨m 1997-1998. §Õn n¨m 2001 triÓn khai thµnh ®Ò

tµi KHCN träng ®iÓm cÊp Nhµ n−íc. S¶n phÈm ®−îc chÕ t¹o trªn c¬ së qu¸ tr×nh