3.4. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG CỦA VHCKK-2000 ĐẾN BỀ MẶT HẠT URÊ
3.4.5. Cơ chế tác động của VHCKK-2000 trong xử lý chống kết khối urê
trên bề mặt hạt sau khi biến tính
Dựa vào các kết quả nghiên cứu theo các phương pháp khác nhau nhưng có giá trị hỗ trợ để giải thích và minh chứng lẫn nhau từ thí nghiệm 17 đến thí nghiệm 22, có thể nhìn nhận về cơ chế tác động của VHCKK-2000 đến tính chất hóa-lý của lớp tinh thể trên bề mặt hạt urê sau khi biến tính một cách đầy đủ và trọn vẹn như sau:
- Chất biến tính VHCKK-2000 đã thúc đẩy quá trình kết tinh lại của urê theo xu hướng kết tinh khối đồng loạt, tạo ra các tinh thể nhỏ tự hoàn thiện về hình thái cấu trúc và mức năng lượng riêng bề mặt một cách độc lập nên hạn chế phát triển thành tinh thể có kích thước lớn hơn; không tạo ra các liên kết tiếp xúc pha mới là nguyên nhân của hiện tượng kết khối xảy ra giữa các bề mặt hạt với nhau. Như vậy, chất biến tính VHCKK-2000 đã trực tiếp tác động vào một nguyên nhân cơ bản của hiện tượng kết khối urê – đó là nguyên nhân xuất phát từ quá trình tái kết tinh.
- Lớp tinh thể nhỏ hình thành trên bề mặt hạt sau quá trình hút ẩm/hòa tan/tái kết tinh được chứng minh rằng có cấu trúc xốp và bề mặt riêng phát triển; có tính hút ẩm và giữ ẩm cao nên sẽ tạo ra lớp màng cấu trúc xốp có tác dụng cân bằng độ ẩm giữa bên ngoài và bên trong hạt; từ đó hạn chế sự hình thành dung dịch bề mặt hạt - nguyên nhân gây nên hiện tượng chảy rữa, dính bết, tái kết tinh nhiều lần làm cho sản phẩm bị kết khối. Như vậy, chất biến tính VHCKK-2000 đã trực tiếp tác động vào một nguyên nhân cơ bản khác của hiện tượng kết khối urê – đó là nguyên nhân xuất phát từ hiện tượng chảy rữa, dính bết và hút ẩm/hòa tan.
- Cũng bởi lớp tinh thể urê kết tinh lại từ dung dịch bão hòa trên bề mặt hạt dưới tác động của VHCKK-2000 có năng lực hút ẩm rất cao và giữ được lượng nước tự do đã hút trong cấu trúc xốp theo nguyên lý dâng mao quản và ngưng tụ mao quản nên lớp tinh thể urê kết tinh lại trong trường hợp này có tính chất tương đương với tính chất của chất biến tính ưa nước.
- Liên hệ với thực tế, nếu hạt urê được xử lý biến tính bề mặt bằng VHCKK-2000 trước khi bảo quản thì quá trình hút ẩm/hòa tan hình thành dung dịch bề mặt vẫn có thể xảy ra nếu sản phẩm tiếp xúc trực tiếp với không khí có độ ẩm cao hơn độ ẩm tương đối tới hạn của urê. Tuy nhiên, quá trình tái kết tinh sau đó sẽ xảy ra theo xu hướng tạo ra lớp tinh thể trên bề mặt hạt với các tính chất đã được đề cập. Lớp tinh thể xốp trên bề mặt hạt có khả năng hấp phụ và giữ nước rất cao đóng vai trò cân bằng giữa độ ẩm của môi trường bên ngoài hạt với độ ẩm bên trong hạt, ngăn cản quá trình khuếch tán của nước từ lớp bề mặt vào sâu trong thể tích hạt; vì vậy có tác dụng ức chế hiện tượng hòa tan tiếp dẫn đến biến dạng, kết tụ, tái kết tinh nhiều lần và kết khối trên sản phẩm. Như vậy, sản phẩm urê sau khi được biến tính bề mặt có độ hút ẩm cao hơn so với trước đó song hiện tượng kết khối lại được hạn chế nhiều.
Vấn đề tưởng như mâu thuẫn này về bản chất đúng như những vướng mắc chưa giải thích được trong một số công trình nghiên cứu nước ngoài đã trình bày ở phần tổng quan.
- Dựa vào tính chất của lớp tinh thể xốp hình thành trên bề mặt hạt sau khi biến tính, có thể biện luận để làm rõ hơn về khái niệm về“hàng rào kỵ nước” mà nhiều tác giả đã nhắc đến khi bàn về cơ chế tác động của CHĐBM phân tử lượng thấp và trung bình trong biến tính chống kết khối phân bón như sau:
+ Trước tiên, “hàng rào kỵ nước” đã nói không có tính chất kỵ nước theo cách hiểu thông thường. Phân bón là chất ưa nước, hút ẩm nên khi CHĐBM hấp phụ lên bề mặt ưa nước, đầu tiên trên bề mặt cũng sẽ hình thành lớp hấp phụ đơn phân tử với các nhóm phân cực ưa nước hướng về phía pha rắn còn các nhóm không phân cực có tính kỵ nước hướng về phía pha lỏng; bề mặt khảo sát từ ưa nước sẽ trở thành kỵ nước. Tuy nhiên trên bề mặt kỵ nước vừa tạo ra tiếp tục hình thành lớp hấp phụ thứ hai, trong đó nhóm không phân cực hướng về lớp hấp phụ thứ nhất còn nhóm phân cực ưa nước hướng về phía pha lỏng. Kết quả là bề mặt ưa nước thoạt tiên trở nên kỵ nước còn sau đó lại tiếp tục mang tính ưa nước như ban đầu vì quá trình hấp phụ chỉ dừng lại ở lớp hấp phụ thứ hai. Điều này cũng đã được xác nhận trong nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới [9].
+ Trong trường hợp này, chất biến tính VHCKK-2000 chứa các CHĐBM tan hoặc phân tán tốt trong nước nên khi hấp phụ lên bề mặt hạt urê, bề mặt ưa nước này không dễ dàng trở thành bề mặt kỵ nước được, trừ trường hợp quá trình hấp phụ kết thúc ngay sau khi hoàn thành lớp hấp phụ đơn phân tử và lớp đơn phân tử này phải có khả năng dính kết cao đối với bề mặt pha
rắn. Để bề mặt urê ưa nước trở thành kỵ nước, nó phải được bao phủ bởi một lớp đơn phân tử từ các CHĐBM ghét nước theo một phương pháp xử lý khác chứ không phải phương pháp hấp phụ lớp.
+ Như vậy, “Hàng rào kỵ nước” mà nhiều tác giả đã giả thiết và đề cập đến trong các công trình của họ, trong trường hợp này có bản chất là lớp tinh thể thứ cấp trên bề mặt hạt với các đặc trưng hóa-lý đã được chứng minh qua kết quả nghiên cứu nói trên.
3.4.5.2. Tác động phối hợp của VHCKK-2000 trong xử lý chống kết khối urê theo phương pháp biến tính bề mặt hạt urê
Các kết quả nghiên cứu về vấn đề hạn chế kết khối urê theo phương pháp biến tính bề mặt hạt bằng VHCKK-2000 từ mục 3.4.1 đến 3.4.5 cho phép ta hình dung cụ thể hơn về cơ chế tác động của CHĐBM với vai trò là chất chống kết khối phân đạm urê trong từng trường hợp cụ thể như sau:
- Urê được xử lý bề mặt bằng VHCKK-2000 sẽ trở nên linh động hơn do kết quả của việc giảm lực ma sát giữa các bề mặt hạt có tiếp xúc với nhau đồng thời với việc giảm lực liên kết kết dính giữa các hạt thành phần bởi lực Van der Walls, do đó sẽ hạn chế bị kết khối theo cơ chế ‘’vón cục”.
- Trong quá trình bảo quản tiếp theo, sự biến đổi của nhiệt độ và độ ẩm của môi trường tiếp xúc với hạt sẽ làm gia tăng các hiện tượng hút ẩm/hòa tan/tái kết tinh urê trên bề mặt hạt. VHCKK-2000 có tác dụng kích thích quá trình kết tinh lại xảy ra theo hướng hình thành các tinh thể có kích thước rất nhỏ và sớm ổn định về nhiệt động, không phù hợp để phát triển thành các tinh thể có kích thước lớn nên hạn chế được hiện tượng kết khối do các liên kết tiếp xúc pha rắn dưới dạng các cầu tinh thể.
- Các tinh thể lớp bề mặt được chứng minh rằng có kích thước nhỏ, bề mặt riêng lớn nên đã tạo ra lớp vỏ có cấu trúc xốp, có khả năng hút ẩm và giữ nước cao nên đã có tác dụng cân bằng độ ẩm giữa bên trong và bên ngoài hạt, hạn chế quá trình khuếch tán của hơi nước từ môi trường bên ngoài vào sâu trong thể tích hạt, do đó hạn chế được sự hình thành dung dịch muối tan trên bề mặt hạt và sự chảy rữa, biến dạng của hạt, tức là hạn chế được hiện tượng kết khối do liên kết tiếp xúc pha lỏng.
- Lớp tinh thể bề mặt hạt được xem như một lớp biến tính bề mặt bằng vật liệu ưa nước từ chính các tinh thể nhỏ nhất hình thành nên cấu trúc hạt.
Phương pháp này trở nên hoàn hảo hơn đối với urê do nó không làm thay đổi hình thức ngoại quan của sản phẩm urê truyền thống.
- Nếu như các CHĐBM phân tử lượng cao, không tan trong nước tạo ra hàng rào kỵ nước trực tiếp trên bề mặt hạt thì các VHCKK-2000 chứa các CHĐBM phân tử lượng thấp và trung bình lại tạo ra “hàng rào kỵ nước” gián tiếp thông qua tác dụng hút ẩm và cân đối, phân bố độ ẩm một cách điều hòa giữa môi trường bên ngoài hạt, trên bề mặt hạt và phần thể tích bên trong hạt.
Cơ chế này hoàn toàn phù hợp về mặt lý thuyết và phù hợp để lý giải các tồn tại chưa giải thích được mà nhiều tác giả đã đề cập đến khi nghiên cứu về hiện tượng kết khối phân bón.
- Có thể nói, việc biến tính bề mặt hạt urê bằng các CHĐBM là phương pháp chống kết khối urê hiệu quả nhất với phương châm 3 trong 1 tức là đồng thời hạn chế được hiện tượng kết khối theo cả 3 cơ chế: liên kết tiếp xúc kết dính, liên kết tiếp xúc pha lỏng và liên kết tiếp xúc pha rắn.