Nanocellulose-based aerogels as urea controlled release systems

The significant climate changes of the last decade have led to a reduction in soil fertility with dramatic consequences on crops and therefore on food production. The intensive use of chemical nitrogen fertilizers has consistently contributed to the increase of nitrous oxide (N2O) in the atmosphere, a potent greenhouse gas that is the main protagonist of global warming. Nitrogen represents the primary source of nutrients for plants and ensuring its availability is essential to preserve the Earth's ecosystem. Hence the design of high efficiency fertilizers (Enhanced Efficiency Fertilizers, EEF), which release through a controlled mechanism, nutrients in the soil and, as a direct consequence, limit emissions of ammonia (NH3) into the atmosphere. The best efficiency in the use of nutrients lies in a strict conformity between the nutritional needs of crops and the release of nutrients from controlled release fertilizers. This not only allows optimal plant development but also reduces atmospheric volatilization and nutrient leaching. In this thesis work, aerogels, nanostructured with a matrix consisting of oxidized TEMPO nanocellulose fibers (NFCs) and three different crosslinkers, were studied for controlled release of urea into water. Three operational parameters during material synthesis were varied to study their influence in urea release: degree of cellulose oxidation, freezing temperature of the intermediate hydrogel, and type of crosslinker used (branched polyethyleneimine, chitosan, and Jeffamine). Through the use of a specific kit with subsequent reading of a UV spectrophotometer, an analytical method for detecting urea release for each sample was formulated. The work shows encouraging results, but subsequent studies and practical applications in soil rather than water are needed for a more complete analysis and improved release over time.

I consistenti cambiamenti climatici dell’ultimo decennio hanno portato ad una riduzione di fertilità dei suoli con conseguenze drammatiche sui raccolti e dunque sulla produzione alimentare. L’utilizzo intensivo di fertilizzanti chimici azotati ha contribuito duramente all’aumento di protossido di azoto (N2O) in atmosfera, un potente gas serra protagonista in prima linea del surriscaldamento globale. L’azoto rappresenta la fonte primaria di nutrimento per le piante e garantirne la disponibilità è fondamentale per preservare l’ecosistema terrestre. Da qui l’ideazione di fertilizzanti ad alta efficienza (Enhanced Efficiency Fertilizers, EEF), che rilascino, tramite un meccanismo controllato, i nutrienti nel suolo e che, come diretta conseguenza, limitino le emissioni in atmosfera di ammoniaca (NH3). La migliore efficienza nell'uso dei nutrienti sta in una rigida conformità tra i bisogni nutrizionali delle colture e la cessione dei nutrienti dai fertilizzanti a rilascio controllato. Ciò, oltre a permettere un ottimale sviluppo della pianta, riduce la volatilizzazione delle sostanze in atmosfera e il dilavamento dei nutrienti. In questo lavoro di tesi sono stati studiati degli aerogel nanostrutturati con una matrice costituita da fibre di nanocellulosa TEMPO ossidate e tre diversi reticolanti, per il rilascio controllato di urea in acqua. Tre parametri operativi in fase di sintesi del materiale sono stati variati per studiarne l’influenza nel rilascio di urea: grado di ossidazione della cellulosa, temperatura di congelamento dell’idrogel intermedio e tipo di reticolante utilizzato (polietilenimina ramificata, chitosano e Jeffammina). Tramite l’utilizzo di uno specifico kit con conseguente lettura di uno spettrofotometro UV, è stato messo a punto un metodo analitico per il rilevamento della concentrazione di urea rilasciata dai campioni nel tempo. L’elaborato mostra risultati incoraggianti, ma studi successivi e applicazioni pratiche nel suolo piuttosto che in acqua sono necessari per un’analisi più completa e un miglioramento del rilascio nel tempo.