Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu công nghệ bọc hạt phân urê thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU TRUNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BỌC HẠT ĐỂ SẢN XUẤT PHÂN URÊ THÔNG MINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HỮU TRUNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BỌC HẠT ĐỂ SẢN XUẤT PHÂN URÊ THÔNG MINH Ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số ngành: 62520301 Phản biện độc lập: PGS.

VĂN PHẠM ĐAN THỦY Phản biện độc lập: TS. BÙI DUY DU Phản biện: PGS. LÊ MINH VIỄN Phản biện: PGS. ĐOÀN VĂN HỒNG THIỆN Phản biện: TS.

HOÀNG TIẾN CƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TRỊNH VĂN DŨNG 2. TRẦN NGHỊ LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào, dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Hữu Trung i TÓM TẮT LUẬN ÁN Phân bón thông minh (SF) hay phân bón giải phóng có kiểm soát là một trong những loại phân bón hiệu suất cao, được sử dụng ngày càng phổ biến trong sản xuất nông nghiệp hiện đại. SF có khả năng kiểm soát quá trình giải phóng chất dinh dưỡng nhằm đáp ứng và phù hợp với nhu cầu sử dụng của cây trồng. Vì vậy, SF không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất, tiết kiệm nguồn nguyên liệu và tài nguyên, mà còn giúp nâng cao năng suất cây trồng, chất lượng sản phẩm nông nghiệp, giảm lượng phát thải và ô nhiễm môi trường.

Một trong những phương pháp sản xuất phân bón thông minh là phương pháp bọc hạt phân bằng màng bọc từ vật liệu phù hợp. Phương pháp này giúp nhà sản xuất chỉ cần bổ sung hệ thống bọc hạt vào hệ thống sản xuất hiện tại mà không cần thay đổi công nghệ sản xuất giúp giảm chi phí đầu tư và chi phí sản xuất. Tuy nhiên, số liệu cũng như phương pháp để tính toán quá trình bọc hạt nói chung, sản xuất phân bón thông minh nói riêng còn hạn chế. Vì vậy, việc bổ sung số liệu, xây dựng phương pháp tính toán quá trình bọc hạt phân bón là vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm.

Mục tiêu của luận án là xây dựng mô hình toán học quá trình bọc hạt bằng thiết bị bọc đĩa quay để mô hình hóa, tối ưu hóa, tính toán, thiết kế, cải tiến quá trình sản xuất phân bón thông minh. Kết quả nghiên cứu đã tìm được vật liệu bọc là hỗn hợp polyme gồm polyme liên kết được tổng hợp từ tinh bột biến tính phốt phát, poly vinyl ancol, và poly acrylic axit. Đây là vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm, có sẵn, có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường và phù hợp với công nghệ bọc ướt trên thiết bị bọc đĩa quay. Bằng vật liệu này, luận án xây dựng mô hình toán thực nghiệm bằng phương pháp phân tích thứ nguyên để mô tả ba quá trình cơ bản trong quá trình bọc hạt bằng thiết bị bọc đĩa quay gồm: quá trình phun dung dịch tạo màng, quá trình bọc gồm quá trình chuyển động của hạt trên đĩa quay và hình thành màng, nhiệt động học.

Cơ chế giải phóng các chất dinh dưỡng qua màng cũng được kiểm chứng bằng thực nghiệm, thông qua mô hình toán mô tả quá trình giải phóng theo định luật Fick II và sự ảnh hưởng của yếu tố đến quá trình giải phóng dinh dưỡng. ii ABSTRACT The smart fertilizers (SF) or controlled-release fertilizers was one of the enhanced efficiency fertilizers which has been increasingly used in modern agricultural production. The nutrient release of these fertilizers could be controlled to suit the needs of the crop. Therefore, they not only help reduce production costs, save raw materials, and natural resources, but also improve the productivity and quality of agricultural products, reduce emission, and avoid environmental pollution.

The smart fertilizers were produced by the particle coating technology with suitable material. The coating technology will not change the current production technology because the manufacturers simply implement this technology to the existing production system, thus reducing investment and production costs. However, the data and method of this technology in general, and coating fertilizers to produce smart fertilizers are still limited. Therefore, the addition of data and the development of the methods to calculate the coating particle process is problems which many researchers were interested.

The object of study was to develop an empirical mathematical model of particle coating process by disk coater to use for simulation, design calculations, optimization and improvement of production process. The results of study shown that the coating material is a mixed polymer which includes a cross-linked polymer synthesized from phosphate modified starch, poly vinyl alcohol, and poly acrylic acid, was biodegradable, durability, permeability, and chemical and physical properties suitable for use as coating. An empirical mathematical model was built by dimensional analysis and described all three basic processes of particle coating technology including the spray process, the movement of particles and coating formation, and the thermodynamic process. The mechanism of diffusion was also determined by experiment, thereby establishing a mathematical model of the diffusion process based on Fick's law II, calculating empirical parameters, and the influence of factors on the release of nutrients.

iii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn PGS. Trịnh Văn Dũng, TS. Trần Nghị, quý Thầy, Cô bộ môn Quá trình & Thiết bị và Khoa Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh hỗ trợ và đóng góp ý kiến quý báu trong suốt quá trình Tôi thực hiện Luận án Tiến sĩ. Tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Ban Lãnh đạo Khoa và quý Thầy, Cô Khoa Công nghệ Hóa học – Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt PGS.

Nguyễn Văn Cường, PGS. Trần Nguyễn Minh Ân, ThS. Trần Hoài Đức và những đồng nghiệp thân thiết trong Tổ bộ môn Máy và Thiết bị Hóa học đã giúp đỡ, động viên cả vật chất và tinh thần để Tôi có thể hoàn thành quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến bạn bè, đồng nghiệp ở các Viện, Trường và Trung tâm nghiên cứu đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến giúp hoàn thiện Luận án.

Tôi cám ơn tất cả các thành viên gia đình của Tôi, những người mà không có họ Tôi không thể học tập, nghiên cứu, hoàn thành chương trình học và Luận án của mình. iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. iv MỤC LỤC .v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU.

ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .1 TỔNG QUAN VỀ PHÂN BÓN .1 Tình hình sản xuất và sử dụng phân bón.2 Phân bón thông minh .3 Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng phân thông minh .2 CÔNG NGHỆ BỌC HẠT SẢN XUẤT PHÂN BÓN THÔNG MINH.1 Các phương pháp và thiết bị bọc hạt .2 Cơ chế công nghệ bọc hạt bằng phương pháp bọc ướt .3 Vật liệu bọc .27 CHƯƠNG 2 TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH BỌC HẠT .1 TỐI ƯU HÓA THỰC NGHIỆM .2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .1 Vật liệu bọc .2 Quá trình bọc hạt trong hệ thống thiết bị đĩa quay bằng phương pháp bọc ướt .3 Xác định thông số công nghệ của nguyên liệu và sản phẩm bọc .4 Tối ưu hóa thực nghiệm quá trình bọc hạt bằng thiết bị đĩa quay .3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .1 Đánh giá vật liệu bọc.2 Tối ưu quá trình bọc hạt trong thiết bị đĩa quay.61 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÓA TOÁN HỌC CÔNG NGHỆ BỌC HẠT .1 MÔ HÌNH VẬT LÝ MÔ TẢ QUÁ TRÌNH BỌC PHÂN URÊ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN .1 Mô hình vật lý quá trình bọc hạt .2 Phương pháp phân tích thứ nguyên.1 Quá trình phun dung dịch tạo màng bọc .2 Quá trình bọc hạt trong thiết bị đĩa quay .3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .1 Mô hình hóa toán học quá trình phun dung dịch tạo màng bọc .2 Mô hình hóa toán học quá trình bọc hạt trong thiết bị đĩa quay .92 CHƯƠNG 4 QUÁ TRÌNH GIẢI PHÓNG CHẤT DINH DƯỠNG .2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .1 Thực nghiệm sản xuất phân urê thông minh và xác định tỉ lệ giải phóng urê .2 Mô hình toán quá trình giải phóng dinh dưỡng của phân thông minh .3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .1 Đánh giá chất lượng sản phẩm phân urê thông minh.2 Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình giải phóng dinh dưỡng.109 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .111 TÀI LIỆU THAM KHẢO .128 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ mô tả mối quan hệ tương đối của phân bón với cây trồng.2: Sự đồng bộ giữa sự giải phóng chất dinh dưỡng của phân lý tưởng (phân thông minh) và yêu cầu chất dinh dưỡng của cây trồng .3: Mô hình giải phóng chất dinh dưỡng phân bón thông minh.4: Cơ chế giải phóng chất dinh dưỡng qua màng .5: Công nghệ bọc ướt .6: Sơ đồ ảnh hưởng quá trình phun đến quá trình bọc .7: Sự liên kết của giọt lỏng với bề mặt hạt vật liệu .8: Sơ đồ thông số nhiệt động học trong quá trình bọc.9: Sơ đồ của quá trình chuyển động của hạt .10: Sơ đồ hệ thống của thiết bị bọc đĩa quay .11: Cơ chế chuyển động hạt trên đĩa khi quay .12: Phân loại polyme tự nhiên sử dụng làm màng bọc CRF .1: Hệ thống bọc hạt.2: Sơ đồ phân phối khí nén của hệ thống phun .3: Sơ đồ đối tượng nghiên cứu .4: Sơ đồ thuật toán tìm kiếm pareto .5: Phổ FTIR sản phẩm các giai đoạn tổng hợp dung dịch màng.6: Kết quả phân tích TGA và DSC của các loại màng polyme .7: Ảnh SEM bề mặt màng polyme .8: Khả năng thấm nước của các loại màng polyme tổng hợp .9: Phổ XRD của các loại màng polyme .10: Tỉ lệ giải phóng urê trong môi trường nước (a) và đất (b) .11: Kết quả phân tích hình ảnh xác định đường kính hạt.12: Phân bố kích thước hạt và đường kính trung bình .13: Hình ảnh phân SUF .14: Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố.15: Sự phụ thuộc tỉ lệ khối lượng màng bọc vào các biến .16: Ảnh hưởng các biến đến thời gian giải phóng 80% lượng dinh dưỡng .17: Đồ thị Pareto biểu diễn kết quả tối ưu đa mục tiêu quá trình bọc .1: Sơ đồ thực nghiệm ghi nhận hình ảnh quá trình phun .2: Thông số động học của dung dịch polyme tổng hợp làm vật liệu bọc .3: Hình ảnh phân tích .4: Hình ảnh vùng phun .5: Hình ảnh quá trình phun .6: Kết quả phân tích hình ảnh .7: Phân bố kích thước hạt tại .8: Kích thước vùng phun và SMD của giọt ở các điều kiện thực nghiệm .