多孔陶瓷滲灌材料的導(dǎo)水性能研究

張永政+張?jiān)鲋?李亞男

摘 要：本文針對(duì)嚴(yán)重的土地沙化問題提出一種可用于沙漠種植的滲灌器件。通過使用有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔陶瓷與導(dǎo)水涂層相復(fù)合，同時(shí)通過模擬沙漠環(huán)境對(duì)材料進(jìn)行導(dǎo)水性能的測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的蒙脫土MMT和濃度為0.5%聚丙烯酰胺PAM的復(fù)合導(dǎo)水涂層導(dǎo)水曲線變化趨勢(shì)最為明顯，隨著時(shí)間增加液面差減小，起到了緩控釋水的目的。

關(guān)鍵詞：多孔陶瓷；導(dǎo)水涂層；導(dǎo)水速率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.198

1 引言

土地沙漠化問題已經(jīng)成為21世紀(jì)中國面臨的環(huán)境問題之一，為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家相繼提出了噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，但是這些技術(shù)在節(jié)水方面都不是很理想，并且仍存在一些尚未解決的問題，其中最大的技術(shù)問題就是滲灌管堵塞以及灌水均勻度不一[1-3]。根據(jù)這些情況，生態(tài)功能材料研究所研究并制備一種具有緩控釋水功能的多孔陶瓷滲灌材料，直接應(yīng)用于植物的根部，在保證植物正常生長(zhǎng)的情況下達(dá)到節(jié)水的目的。

2 多孔陶瓷滲灌材料的制備

2.1 多孔陶瓷的制備

本實(shí)驗(yàn)通過有機(jī)泡沫浸漬法制備多孔陶瓷，這種陶瓷為開孔網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，具有很大的表面積，在后期制備滲灌材料過程中與聚丙烯酰胺接觸效率高[4]。主要制備過程是以經(jīng)過一系列預(yù)處理的聚氨酯海綿作為前驅(qū)體，再與陶瓷漿料進(jìn)行浸漬處理得到陶瓷坯體， 最后陶瓷坯體在一定的燒成制度下進(jìn)行燒制得到多孔陶瓷。具體的多孔陶瓷的試驗(yàn)粉體配方如表1。

2.2 導(dǎo)水膠體溶液的配置

通過黏結(jié)劑PAM 溶液與MMT 懸浮液以3種不同的比例配制成膠體溶液，具體配比如下：將PAM的含量（wt%）分別為0.3、0.5、1.0的溶液與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的50mlMMT懸浮液均勻混合，并進(jìn)行機(jī)械攪拌20min。將上面得到的多孔陶瓷與導(dǎo)水膠體溶液通過壓力注射的方法制備出多孔陶瓷滲灌材料。

3 滲灌材料的導(dǎo)水性能分析

3.1 能譜分析

本試驗(yàn)通過確定多孔陶瓷上附著物質(zhì)的成分進(jìn)而驗(yàn)證聚丙烯酰胺和蒙脫土是否均勻分布，對(duì)上述材料進(jìn)行了能譜分析，其中a-c分別為聚丙烯酰胺濃度為0.3%、0.5%、1.0%時(shí)的多孔陶瓷表面EDS數(shù)據(jù)情況。

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，幾種濃度下多孔陶瓷表面涂層所含元素均為Na、Al、Si、O四種，由于導(dǎo)水涂層中只含聚丙烯酰胺及蒙脫土兩種物質(zhì)，說明蒙脫土均勻分散在聚丙烯酰胺中并且均勻涂覆在陶瓷表面及孔隙中。

3.2 導(dǎo)水情況分析

通過在昌平生產(chǎn)試驗(yàn)基地模仿沙漠環(huán)境進(jìn)行滲水試驗(yàn)。主要方法是將多孔陶瓷接入導(dǎo)水管的一端，并將此端完全埋于含水量很少的沙子中，將導(dǎo)水管的另一端連接一個(gè)裝滿水并且?guī)Э潭鹊牟ＡЧ苤?，每隔一段時(shí)間觀察玻璃管中液面下降高度逐一記錄，在此測(cè)量過程中溫度保持在室溫20℃，沙子的初始濕度為3%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作圖如下：

從圖2可以看出，在含有相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的蒙脫土和不同濃度聚丙烯酰胺的組合中，多孔陶瓷在相同的時(shí)間內(nèi)液面下降高度有所不同。2號(hào)曲線變化趨勢(shì)最為明顯，隨著時(shí)間增加，液面差減小。這是由于隨著時(shí)間增加土壤濕度不斷增加，導(dǎo)水涂層的緩控釋水功能起到了調(diào)節(jié)水分釋放速度的目的，即聚丙烯酰胺濃度為0.5%，壓力注射方式復(fù)合可以達(dá)到最好的效果。1號(hào)曲線整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是曲線忽高忽低，沒有呈現(xiàn)像2號(hào)一樣的規(guī)律性，說明其聚丙烯酰胺濃度較低，附著在表面及內(nèi)部的導(dǎo)水顆粒蒙脫石較少，水分的導(dǎo)出還是有較大部分是依靠多孔陶瓷的孔隙滲出。3號(hào)曲線同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是下降速度較慢，很難保證植物生長(zhǎng)所需水量。4號(hào)是單純的多孔陶瓷，該曲線變化比較平緩，滲水比較均勻，沒有根據(jù)環(huán)境變化而變化，可見其內(nèi)部孔隙幾乎全為開孔，可以達(dá)到均勻滲水的目的。

4 結(jié)論

復(fù)合導(dǎo)水涂層緩控釋水作用最為顯著的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的MMT和濃度為0.5% PAM的組合，PAM濃度小于0.5%的作用效果不明顯，上下波動(dòng)比較嚴(yán)重。而當(dāng)PAM濃度大于0.5%時(shí)，雖然隨著濃度的增加緩控釋水的作用依然存在，但效果減弱，滲水量會(huì)逐漸減少，對(duì)于一般植物可能無法維持正常生長(zhǎng)，應(yīng)用范圍受到局限。

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