Xu hướng sáng chế và ứng dụng chất giữ ẩm phổ biến trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp, bảo quản thực phẩm, vật liệu xây dựng,… đặc biệt là trong nông nghiệp.
Chất giữ ẩm trong nông nghiệp
Chất giữ ẩm là loại vật liệu hút, giữ nước được dùng trong nhiều lĩnh vực như y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, xử lý nước, khai khoáng… Trước đây những chất hút nước thường có thành phần chủ yếu là xenlulo và sợi chẳng hạn như than bùn, bã mía, xơ dừa, cao lanh, v.v. .., và chỉ có khả năng giữ nước khoảng 20 lần trọng lượng của chúng. Bài viết này đề cập đến polymer siêu hấp thụ nước (SAP- Super Absorbent Polymers), là một loại chất giữ ấm phổ biến hiện nay, có thể hút và giữ một khối lượng dung dịch cực lớn (có thể gấp 400-500 lần) so với khối lượng của nó. Không chỉ có khả năng hấp thụ nước rất mạnh, SAP còn hấp thụ được nước muối sinh lý, nước tiểu, máu và các loại dung dịch khác nên được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như sản phẩm chăm sóc vệ sinh, phụ gia chống thấm trong xây dựng, nước hoa khô, đệm chống thấm, tác nhân làm đặc... Sản phẩm SAP thương mại hóa đầu tiên trên thị trường vào những năm 1970 thuộc lĩnh vực chăm sóc cá nhân.
Đối với SAP sử dụng trong nông nghiệp, đầu những năm 1960, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA - United States Department of Agriculture) đã tiến hành những nghiên cứu về vật liệu giúp tăng khả năng lưu trữ nước trong đất trồng bằng cách kết mạch polymer acrylonitrile trên sườn của phân tử tinh bột. Sau đó, USDA chuyển giao bí quyết công nghệ này cho các công ty để họ phát triển sâu hơn và đã tạo ra rất nhiều sản phẩm chất giữ ẩm khác nhau.
Ngày nay, SAP được sử dụng nhiều trong nông nghiệp để giữ ẩm và cải tạo đất, vận chuyển cây trồng đi xa, kết hợp với phân bón và phụ gia để canh tác trong chậu. Với khả năng giữ được một lượng nước lớn, hút và nhả nước nhiều lần, SAP có ý nghĩa quan trọng trong việc đẩy mạnh phát triển sản xuất nông nghiệp, chống hạn cho cây trồng, giữ ổn định sinh thái đất và đối phó với biến đổi khí hậu.
Tình hình sản xuất và ứng dụng chất giữ ẩm để nâng cao hiệu quả phân bón và tăng khả năng chống hạn cho cây trồng trên thế giới và Việt Nam nổi bật ba xu hướng chính: nghiên cứu sản xuất các vật liệu ổn định đất, giữ ẩm với các thành phần như hợp chất tự nhiên (cenlulose,..), polymer, polyacrylate, vinyl polymer…; ứng dụng chất giữ ẩm phục vụ canh tác, trồng trọt và hướng nghiên cứu kết hợp phân bón và chất giữ ẩm.
Sáng chế chất giữ ẩm phục vụ sản xuất nông nghiệp trên thế giới
Dựa trên tư liệu sáng chế (SC) tiếp cận được, chất giữ ẩm phục vụ cho nông nghiệp có SC đầu tiên đăng ký tại Mỹ năm 1974, số US3953191: Chất cải tạo đất có khả năng hấp thụ và giữ nước. Đến nay, trên thế giới có hơn 300 SC đăng ký về lĩnh vực này. Trong đó, giai đoạn từ năm 2000-2012 có 244 SC, gấp 3 lần số lượng SC giai đoạn trước đó. Đặc biệt trong những năm gần đây, vấn đề biến đổi khí hậu, hạn cục bộ được quan tâm nhiều trên thế giới nên các nghiên cứu về tiết kiệm nước canh tác, cải tạo đất trồng khô hạn cũng thể hiện trong số liệu đăng ký SC về chất giữ ẩm với hai “đỉnh” vào năm 2004 (39 SC) và 2012 (44 SC).
Tình hình đăng ký sáng chế về chất giữ ẩm trên thế giới
Nguồn: WIPS.
Hiện nay, các SC về chất giữ ẩm phục vụ sản xuất nông nghiệp được đăng ký nhiều ở các quốc gia (Trung Quốc, Nhật, Hàn Quốc, Mỹ, Nam Phi, New Zealand, Mexico, Israel, Úc ) và hai tổ chức: WO (Tổ chức Sở hữu Trí tuệ Thế giới), EP (Cơ quan Sáng chế châu Âu). Thập niên 70-80, SC về chất giữ ẩm chỉ mới được đăng ký ở Mỹ và Nhật. Thập niên 90, SC về chất giữ ẩm được đăng ký thêm ở các nước Trung Quốc, Israel và New Zealand nhưng số lượng SC tập trung chủ yếu ở Nhật. Từ năm 2000 cho đến nay, các SC về chất giữ ẩm tập trung đăng ký chủ yếu ở châu Á: Trung Quốc (172 SC) chiếm khoảng 70% tổng số SC giai đoạn này, Nhật Bản (35 SC) và Hàn Quốc (19 SC).
Tình hình đăng ký sáng chế về chất giữ ẩm ở Trung Quốc (CN), Nhật (JP) và Hàn Quốc (KR).
Nguồn: WIPS.
Phân tích theo bảng phân loại SC quốc tế (IPC – International Patent Classification) cho thấy những nghiên cứu về chất giữ ẩm thiên về vật liệu ổn định đất, đặc biệt là chất giữ ẩm với các thành phần từ hợp chất tự nhiên (cenlulose,..); tiền polymer, polyacrylate, polymethacrylate, vinyl polymer và đặc biệt là những nghiên cứu sản xuất phân bón kết hợp với chất giữ ẩm để tăng hiệu quả sử dụng.
Hướng nghiên cứu chất giữ ẩm trong nông nghiệp theo IPC
Nguồn: WIPS.
Trung Quốc có nhiều SC đăng ký, tập trung các nghiên cứu sản xuất phân bón kết kợp với chất giữ ẩm, chiếm 49% tổng SC về chất giữ ẩm. Nhật Bản, Hàn Quốc và Mỹ có nhiều SC về ứng dụng chất giữ ẩm phục vụ canh tác, trồng trọt. Nhật Bản có lượng SC về ứng dụng chất giữ ẩm phục vụ canh tác chiếm 54% trên tổng SC về chất giữ ẩm của họ; đối với Hàn Quốc thì tỷ lệ này là 47% và Mỹ là 50%.
Xu hướng đăng ký sáng chế chất giữ ẩm tại một số nước
Nguồn: WIPS.
Nghiên cứu và ứng dụng chất giữ ẩm trong nông nghiệp tại Việt Nam
Từ lâu nước ta đã có nhiều nghiên cứu chế tạo chất giữ ẩm và được ứng dụng hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp. Một số kết quả như:
- Bốn loại vật liệu có khả năng giữ ẩm cao gồm vật liệu PA tổng hợp từ nguyên liệu bã mía có khả năng hút nước cao gấp 490 lần, cấu trúc bền từ 120 – 140 ngày; vật liệu polyacrylat AA có thể hút nước cao gấp 750 lần; vật liệu Copolymer PVA-PA có thể hút nước cao gấp 506 lần; vật liệu tinh bột PA có thể hút nước cao gấp 501 lần đã được nghiên cứu và chế tạo tại TP. HCM, đề tài do Sở Khoa học và Công nghệ TP. HCM quản lý.
- AMS-1 là sản phẩm gel giữ nước từ quá trình đồng trùng hợp ghép acide acrylic với tinh bột đã được biến tính, do Viện Hóa học thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia nghiên cứu và chế biến được Bộ Khoa học Công nghệ Việt Nam công nhận là một tiến bộ kỹ thuật và được Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn lựa chọn ứng dụng vào trồng trọt. AMS-1 là một polyme siêu thấm, có khả năng trương nở và trữ nước cho cây trồng. Ước tính sau một trận mưa, đất bổ sung AMS-1 có thể giữ nước lâu hơn 10 – 15 ngày so với đất không chứa AMS-1. AMS-1 có khả năng hút 400 – 420g nước/ 1g chất khô và có khả năng trương nở gấp 400 lần khối lượng ban đầu nên còn có tác dụng cải tạo đất thịt, đất sét, giúp cho việc thoát, lưu thông và giữ nước hợp lý. AMS-1 phát huy hiệu quả tốt nhất trên những vùng canh tác phải dùng nhiều nước tưới như đất trồng cà phê, bông, đất cát, đồi núi thiếu thảm phủ thực vật, nó có khả năng giữ nước trong 2 năm và tự phân hủy sinh học sau 3 – 4 năm nên không gây hại môi trường.
- Vật liệu siêu hấp thụ nước Gam-sort, một polyme hay gel siêu hấp thụ nước (SAP) được chế tạo từ tinh bột sắn và một số hóa chất khác bằng phương pháp chiếu xạ do Trung Tâm Vinagamma TP. HCM nghiên cứu chế tạo. GAM-Sorb có thể hấp thụ lượng nước gấp 200-500 lần trọng lượng của nó, có thể phân hủy sinh học đến 70-85% trở lên trong các thí nghiệm như thủy phân bằng enzym hay chôn trong đất cho thấy khả năng ứng dụng an toàn trong nông nghiệp, giá thành rẻ hơn sản phẩm ngoại nhập cùng loại khoảng 30 lần. GAM-Sorb tiết kiệm nước tưới, phân bón và có thể ứng phó với biến đổi khí hậu.
- Vật liệu giữ nước được tổng hợp từ nguyên liệu bã mía và mùn cưa nghiền cơ học thành dạng bột, có khả năng hút nước cao, có thể giữ được 120 – 140 ngày mới phân hủy cấu trúc. Bã vật liệu sau khi phân hủy không độc hại, không ảnh hưởng xấu đến chất lượng của đất, do Viện Công nghệ Hóa học nghiên cứu và chế tạo thành công.
- Chất giữ ẩm “CH” do Viện Khoa học Vật liệu ứng dụng, TP. HCM tổng hợp bước đầu trên cơ sở các chất nền gồm acid acrylic, tinh bột, chất tạo liên kết ngang DEG-DAA và chất khơi mào tạo thành sản phẩm hút giữ nước với khối lượng từ 200 – 600 lần vật liệu nền để cung cấp nước từ từ cho cây trồng. Tuy nhiên sản phẩm nhanh phân hủy nên chỉ ứng dụng chống hạn cho cây trồng ngắn ngày.
| Tại buổi “Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ” tháng 9/2013 với chuyên đề “Sản xuất và ứng dụng chất giữ ẩm để nâng cao hiệu quả phân bón và tăng khả năng chống hạn cho cây trồng vào mùa khô” tại Trung tâm Thông tin Khoa học và Công nghệ TP. HCM (CESTI), TS. Nguyễn Đăng Nghĩa - GĐ Trung tâm Nghiên cứu Đất - Phân bón, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa VN và TS. Đoàn Bình, Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ (Vinagamma), đã trình bày chi tiết kết quả nghiên cứu của hai chế phẩm AMS-1 và GAM-Sofb, đồng thời chia sẻ | | 
TS. Nguyễn Đăng Nghĩa - GĐ Trung tâm Nghiên cứu Đất - Phân bón, Viện Thổ nhưỡng Nông hóa VN trình bày chi tiết kết quả nghiên cứu chế phẩm AMS-1. Ảnh: T.H |
thêm những thông tin và nhận định thú vị khi trao đổi với các đại biểu đến từ Long An, Đồng Nai, Bình Dương, An Giang, v.v… về những trường hợp không nên áp dụng biện pháp dùng chất giữ ẩm, xu hướng phát triển chất giữ ẩm chức năng tương tự thực phẩm chức năng, hoặc như Isarel có ít SC về chất giữ ẩm vì họ tập trung vào công nghệ tưới nhỏ giọt trong nông nghiệp.
ANH THY, STINFO Số 11/2013