Vật liệu giữ nước từ vỏ tôm giúp chống hạn cho cây trồng

Polymer siêu hấp thụ ưa nước và có cấu trúc lưới ba chiều liên kết chéo, cho phép hấp thụ và giữ lại khối lượng nước lớn gấp hàng trăm lần trọng lượng riêng của nó. Vì thế, nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, xây dựng, công nghiệp dầu khí, vật liệu hấp phụ và các thiết bị giải phóng có kiểm soát. Tuy nhiên, hầu hết polymer siêu hấp thụ hiện được sản xuất từ tinh bột và axit acrylic, gây lãng phí nguồn lương thực.

Từ thực tế trên, các nhà khoa học tại trường Đại học Cần Thơ đã chế tạo vật liệu siêu hấp thụ từ chitosan (nguồn phế thải dồi dào) trong vỏ tôm, có thể dùng để cải tạo đất cát, đất dốc dễ thoát nước hoặc sử dụng rộng rãi để tiết kiệm nước tưới trong nông nghiệp.

Cụ thể, nguyên liệu vỏ tôm được làm sạch để chiết tách chitosan bằng dung dịch kiềm mạnh hai lần liên tiếp, giúp loại bỏ lớp acetyl trong chitin và biến nó thành chitosan tinh khiết hơn. Sau đó, chitosan được gắn các nhóm chức ưa nước để tạo thành O-carboxymethyl chitosan (O-CMCS), nhằm tăng độ tan của vật liệu trong môi trường trung tính và kiềm. Trong nghiên cứu với vỏ tôm, chitosan được gắn thêm nhóm ưa nước –CH₂COOH (carboxymethyl), thu được O-CMCS.

Sau đó, trộn O-CMCS trong nước cất, rồi lần lượt bổ sung K₂S₂O₈, axit acrylic và glutaraldehyde; tiếp theo, trung hòa bằng NaOH 3% và kết tủa bằng methanol. Đem sản phẩm thu được nghiền nhỏ, sấy ở 50°C trong 48 giờ, được vật liệu siêu hấp thụ O-CMCS-SAP dạng hạt cầu xốp.

Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu ngâm mẫu O-CMCS-SAP trong nước sạch và theo dõi khối lượng trong nhiều ngày. Kết quả, chỉ sau 15 ngày, 1 gam vật liệu có thể hút và giữ tới 658g nước, gấp hơn 650 lần trọng lượng ban đầu. Sau 30 ngày, khả năng giữ nước giảm nhẹ, do bắt đầu phân hủy sinh học, nhưng vẫn duy trì ở mức 561g nước/gam vật liệu.

Vật liệu không chỉ hút nước tốt, mà còn nhả nước từ từ. Trong 5 ngày đầu, lượng nước mất đi chỉ khoảng 2,4%. Sau ngày 15, tốc độ nhả tăng rõ rệt. Đến ngày thứ 30, vật liệu đã giải phóng gần 50% lượng nước tích trữ. Như vậy, khi có nước, O-CMCS-SAP hút vào và trữ lại; khi khô hạn, nó nhả dần để cung cấp cho cây trồng.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm sản phẩm trên cây ớt. Hai cây ớt giống nhau được gieo trong điều kiện tương tự, nhưng chỉ một cây được bổ sung O-CMCS-SAP vào đất gần rễ. Kết quả sau 8 tuần trồng, cây có O-CMCS-SAP phát triển xanh tốt, lá dày và khỏe, chiều cao tăng nhanh, thậm chí đã ra hoa. Cây đối chứng không có SAP bắt đầu héo lá, chậm lớn, sinh trưởng kém do thiếu nước. Thử nghiệm này chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu, giúp cây trồng duy trì độ ẩm, giảm stress do hạn hán và phát triển ổn định ngay cả khi lượng nước tưới không đảm bảo.

Việc chế biến vỏ tôm thải loại thành vật liệu giữ nước có giá trị, không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn mang lại giải pháp thiết thực cho nông nghiệp. Vật liệu O-CMCS-SAP có thể được ứng dụng để cải tạo đất cát, đất dốc dễ thoát nước hay những vùng thường xuyên hạn hán. Ngoài ra, khi áp dụng rộng rãi, người nông dân có thể tiết kiệm nước tưới, giảm chi phí chăm sóc, giảm tỷ lệ cây chết và tăng năng suất mùa vụ.