Polymer siêu hấp thụ (SAP) là một loại polymer ưa nước, có cấu trúc mạng lưới ba chiều liên kết chéo, cho phép nó hấp thụ và giữ lại một lượng nước rất lớn, lên tới hàng trăm lần trọng lượng riêng của nó. Nhờ những tính chất vượt trội, SAP được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: sản phẩm vệ sinh, 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 các SAP được sản xuất hiện nay vẫn dựa trên tinh bột và axit acrylic, dẫn tới sự lãng phí nguồn lương thực, gây cạnh tranh với nhu cầu dinh dưỡng của người và động vật.
Xuất phát từ thực tế này, nhóm tác giả ở Trường Đại học Cần Thơ đã nghiên cứu, chế tạo vật liệu siêu hấp thụ dựa trên dẫn xuất chitosan từ vỏ tôm - nguồn phế thải dồi dào, lên đến hàng trăm nghìn tấn do ngành chế biến thủy sản ở nước ta thải ra mỗi năm.
Hạn chế lớn nhất của chitosan (CS) là khả năng hòa tan kém trong môi trường trung tính (pH khoảng 7) và kiềm (pH lớn hơn 7). Do đó, nhóm nghiên cứu đã cải biến chitosan bằng cách gắn các nhóm chức ưa nước (nhóm hóa học có khả năng tạo liên kết với nước, giúp chất đó tan hoặc giữ nước tốt hơn), tạo dẫn xuất O-carboxymethyl chitosan (O-CMCS), nhằm cải thiện độ hòa tan, từ đó tổng hợp được SAP.
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 658 gam nước – tức 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 561 gam nước/gam vật liệu.
Không chỉ hút nước tốt, vật liệu 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, O-CMCS-SAP hoạt động như một “kho chứa nước mini” trong đất: khi có nước, nó hút vào và trữ lại; khi khô hạn, nó nhả dần để cung cấp cho cây trồng.
Nhóm nghiên cứu còn tiến hành 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 tám 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.
Theo nhóm nghiên cứu, việc biến vỏ tôm – một loại phế thải gây ô nhiễm 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, nông dân có thể tiết kiệm nước tưới, giảm chi phí chăm sóc, giảm tỷ lệ cây chết và tăng năng suất mùa vụ. Việc sử dụng vật liệu này cũng phù hợp với xu hướng nông nghiệp xanh và bền vững, tận dụng phụ phẩm để tạo ra sản phẩm hữu ích.
Nghiên cứu của nhóm tác giả được công bố trên Tạp chí Đại học Quy Nhơn, Số 5/2025.
