Diseño y evaluación de hidrogeles de acrilamida y ácido itacónico como potenciales sistemas de liberación controlada de nitrato potásico para su uso en agricultura
- Autores: María del Mar Urbano Juan
- Directores de la Tesis: María Dolores Ureña Amate (dir. tes.), María del Mar Socías Viciana (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Número de páginas: 202
- Títulos paralelos:
- Design and evaluation of acrylamide and itaconic acid hydrogels as potential controlled release systems of potassium nitrate for their use in agriculture
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Manuel Cuerda Correa (presid.), E. Ortiz Salmerón (secret.), María Francisca Alexandre Franco (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Avanzada por la Universidad de Almería
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: riUAL
- Resumen
- español
La tendencia global en aumento de las perspectivas demográficas mundiales que estima la ONU para los próximos 80 años, supone un enorme desafío para cubrir la gran demanda alimentaria, erradicar el hambre y la desnutrición, y combatir los efectos negativos del cambio climático, conservando a la vez los ecosistemas terrestres y marinos. Por ello, es necesario promover un modelo agrícola sostenible que haga un uso responsable de los recursos naturales disponibles.
Los hidrogeles son materiales poliméricos entrecruzados que pueden absorber grandes cantidades de agua sin disolverse o perder su forma, y sus componentes presentan diferentes grupos funcionales polares que proporcionan a la red polimérica distintos sitios activos que interactúan con los iones y las moléculas presentes en el medio.
Por esta razón, estos materiales se vislumbran como una potencial solución a los retos planteados en agricultura para el siglo XXI. Cuando los hidrogeles contienen un fertilizante agroquímico como principio activo, actúan como sistemas que permiten tanto su retención como su liberación continua y controlada. Este aporte regulado de fertilizante al suelo aumenta su periodo de efectividad y reduce los costes y daños medioambientales, además de incrementar la capacidad de retención de agua del suelo, favorecer el ahorro hídrico, mejorar el desarrollo de las plantas y la actividad biológica, aumentar la producción, y mejorar la estructura, propiedades y aireación del suelo, ayudando también a la recuperación de zonas semiáridas.
En el trabajo que se presenta en esta memoria, se han sintetizado hidrogeles de geometría cónica basados en acrilamida y ácido itacónico variando el tipo de agente entrecruzante (dimetacrilato de etilenglicol o N,N´-metilenbis(acrilamida)), la cantidad de N,N´-metilenbis(acrilamida) y/o la cantidad de acrilamida. Los hidrogeles han sido caracterizados utilizando las técnicas de calorimetría diferencial de barrido, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier y microscopía electrónica de barrido. Estos sistemas han sido evaluados para su potencial aplicación como sistemas de liberación controlada de nitrato potásico en diferentes condiciones experimentales (fuerza iónica y pH).
Los estudios realizados han puesto de manifiesto que los hidrogeles que contienen dimetacrilato de etilenglicol retienen la mayor cantidad de moléculas de agua, y también liberan la mayor cantidad de iones nitrato al medio, debido a que sus redes poliméricas son más flexibles y abiertas. Por otra parte, los sistemas que contienen N,N´-metilenbis(acrilamida) poseen estructuras reticulares más rígidas y cerradas por la formación de entrecruzamientos adicionales, que disminuyen sus capacidades de retención de moléculas de agua y de liberación de iones nitrato. Sin embargo, el aumento de la cantidad de acrilamida en los hidrogeles, incrementa la elongación del tamaño de sus celdas y el contenido en grupos amida disponibles para la formación de enlaces de hidrógeno, reteniendo mayor cantidad de moléculas de agua y liberando la menor cantidad de iones nitrato.
En las condiciones experimentales empleadas, se ha comprobado cómo la fuerza iónica del medio y el rango de pH seleccionado (6, 8 y 10), afectan más significativamente a la capacidad de retención de moléculas de agua de los hidrogeles que a la liberación de los iones nitrato, por lo que estos sistemas de liberación controlada podrían ser aplicados a una mayor variedad de tipologías de suelo.
Los procesos de retención de moléculas de agua y de liberación de iones nitrato se ajustan inicialmente a una cinética de primer orden (modelo de Fick), y globalmente, a una cinética de segundo orden (modelo de Schott), siendo la relajación de las cadenas poliméricas el factor limitante en el proceso de hinchamiento, mientras que el proceso de liberación está controlado únicamente por la difusión de los iones nitrato a través de las distintas estructuras reticulares.
Por tanto, el comportamiento observado para estos sistemas de liberación controlada de nitrato potásico podría cumplir con los requerimientos de un cultivo específico a lo largo de su ciclo de crecimiento, permitiendo establecer nuevas estrategias de prácticas agrícolas que afronten la contaminación del medio ambiente, protejan la salud humana, y a la vez, mejoren la fertilidad del modelo agrícola vigente.
- English
The rising global trend of the world demographic prospects estimated by the UN for the next 80 years, entails a huge challenge to meet the high food demand, eradicate hunger and malnutrition, and combat the negative effects of climate change, while conserving terrestrial and marine ecosystems. Therefore, it is necessary to promote a sustainable agricultural model that makes a responsible use of the available natural resources.
Hydrogels are crosslinked polymeric materials that can absorb large amounts of water without dissolving or losing their shape, and their components have different polar functional groups that provide the polymeric network with different active sites that interact with ions and molecules present in the medium.
For this reason, these materials are seen as a potential solution to the faced challenges in agriculture for the 21st century. When hydrogels contain an agrochemical fertiliser as an active ingredient, they act as systems that allow both its retention and its continuous and controlled release. This regulated delivery of fertiliser to the soil increases its period of effectiveness and reduces costs and environmental damage, as well as increasing the water retention capacity of the soil, favouring water saving, improving plant development and biological activity, increasing production, and improving the structure, properties and aeration of the soil, also helping to the recovery of semiarid areas.
In the work presented in this report, hydrogels of conical geometry based on acrylamide and itaconic acid have been synthesised by varying the type of crosslinking agent (ethylene glycol dimethacrylate or N,N'-methylenebis(acrylamide)), the amount of N,N'-methylenebis(acrylamide) and/or the amount of acrylamide. The hydrogels have been characterised using the techniques of differential scanning calorimetry, Fourier transform infrared spectroscopy and scanning electron microscopy. These systems have been evaluated for their potential application as controlled release systems of potassium nitrate under different experimental conditions (ionic strength and pH).
Studies have shown that hydrogels containing ethylene glycol dimethacrylate retain the highest amount of water molecules, and also release the highest amount of nitrate ions to the medium, due to their more flexible and opened polymeric networks. On the other hand, systems containing N,N'-methylenebis(acrylamide) have more rigid and closed reticular structures due to the formation of additional crosslinks, which decrease their water molecules retention and nitrate ions release capacities. However, increasing the amount of acrylamide in the hydrogels, increases the elongation of their cells size and the content of available amide groups for hydrogen bonds formation, retaining more water molecules and releasing the fewest amount of nitrate ions.
In the used experimental conditions, it has been shown that the ionic strength of the medium and the selected pH range (6, 8 and 10), affect more significantly to the water molecules retention capacity of the hydrogels than to the release of nitrate ions, so these con trolled release systems could be applied to a wider variety of soil typologies.
The processes of water molecules retention and nitrate ions release initially follow first order kinetics (Fick's model), and globally, second order kinetics (Schott's model), with the relaxation of the polymer chains being the limiting factor in the swelling process, while the release process is controlled solely by the diffusion of nitrate ions through the different reticular structures.
Therefore, the observed behaviour for these controlled release systems of potassium nitrate could meet with the requirements of a specific crop throughout its growth cycle, allowing the establishment of new strategies of agricultural practices that face environmental pollution, protect human health and, at the same time, improve the fertility of the current agricultural model.
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