丙烯酸-膨潤(rùn)土保水劑的制備及其保水效果研究

李　備， 韓占濤， 張發(fā)旺， 張　威， 宋　樂(lè)

(1.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊 050031； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北石家莊 050061；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所，廣西桂林 541004)

我國(guó)是一個(gè)干旱缺水的國(guó)家，在干旱缺水的條件下實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)以及治理沙漠化都需要高效利用當(dāng)?shù)貙氋F的水資源。土壤保水劑作為一種可高效吸持水分，并可為作物提供水分的特殊材料，近20余年來(lái)在我國(guó)得到了大量推廣利用。但是，目前面世的保水劑以有機(jī)高分子材料為主，價(jià)格較高，并且其在土壤環(huán)境中風(fēng)化較快。進(jìn)一步研發(fā)價(jià)格低廉、吸水倍率高、風(fēng)化慢、一次添加可具有多年保水效果的持久性保水劑，是當(dāng)前保水劑研究的主要方向[1-3]。將具有一定吸水性能的礦物與有機(jī)物單體混合后進(jìn)行聚合，所合成的復(fù)合保水劑具有較強(qiáng)的吸水能力、較快的吸水速度、較高的保水性能、較好的釋水性能等優(yōu)點(diǎn)[4]，但前人研究中獲得的復(fù)合保水劑性能各異，仍需要進(jìn)一步總結(jié)和優(yōu)化。

本試驗(yàn)在前人研究基礎(chǔ)上，以具有一定層間吸附性能的膨潤(rùn)土與丙烯酸為原料制備礦物復(fù)合保水劑，并系統(tǒng)研究了膨潤(rùn)土和丙烯酸的比率、合成時(shí)間等對(duì)其吸水性能的影響，最終確定出最優(yōu)的保水劑配方，并驗(yàn)證其在土壤中良好的保水效果。

1　材料與方法

1.1　材料

膨潤(rùn)土，工業(yè)級(jí)，河北省晉州百信商貿(mào)有限公司；丙烯酸，分析純，天津市百世化工有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，分析純，天津市百世化工有限公司；過(guò)硫酸銨，分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司。

1.2　試驗(yàn)設(shè)備

水浴鍋，DK-98-Ⅱ，天津泰斯特儀器有限公司；天平，HZK-FA210型，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；精密增力電動(dòng)攪拌器，JJ-1型，江蘇省金壇市鑫鑫實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；79-1 磁力加熱攪拌器，江蘇省煙臺(tái)凱拓電爐科技有限公司；滴定管、移液管、電熱鼓風(fēng)干燥箱，101-1A型，天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3　復(fù)合保水劑的制備

稱取一定量丙烯酸于燒杯中，然后在冰水浴下邊攪拌邊緩慢加入濃度為25%的氫氧化鈉溶液進(jìn)行中和，中和完畢稍加攪拌，將反應(yīng)物移入浸潤(rùn)在溫度為65 ℃水浴鍋中的4個(gè)瓶?jī)?nèi)，加入一定量的引發(fā)劑過(guò)硫酸銨，另稱取適量膨潤(rùn)土加入，同時(shí)加入適量交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，便開(kāi)始發(fā)生聚合反應(yīng)，在預(yù)訂的時(shí)間停止合成后，將樣品移入培養(yǎng)皿中，放入80 ℃電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱中干燥，至變成凝膠狀后，剪成一定粒度，繼續(xù)干燥至恒質(zhì)量，粉碎備用[5-11](圖1)。

1.4　保水劑吸/釋水性能測(cè)試

1.4.1吸水性能測(cè)試稱取0.1 g制備好的保水劑加入 250 mL 燒杯中，再加入100 mL去離子水，放在磁力攪拌器上攪拌5 min，攪拌完畢后靜置30 min，將保水劑移入已知質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩中，自然過(guò)濾20 min，稱量試驗(yàn)篩和保水劑的質(zhì)量。按公式(1)計(jì)算保水劑的吸水倍率：

n1=(G3-G2-G1)/G1。

(1)

式中：n1表示保水劑的吸水倍數(shù)，g/g；G1表示礦物復(fù)合保水劑的質(zhì)量，g；G2表示試驗(yàn)篩的質(zhì)量，g；G3表示試驗(yàn)篩和吸水后的保水劑的質(zhì)量，g。

1.4.2保水劑釋水情況測(cè)試將吸水后的樣品放入小燒杯內(nèi)，在室溫27 ℃、濕度68%條件下自然風(fēng)干釋水，定期稱質(zhì)量后計(jì)算釋水量。

1.4.3保水劑抗冷凍試驗(yàn)干燥保水劑的抗冷凍性能測(cè)定：分別稱取0.1 g(精確到0.001 g)保水劑(膨潤(rùn)土加入量為單體質(zhì)量的150%)樣品5份裝入自封袋內(nèi)，放入-20 ℃冰箱內(nèi)冷凍。分別于0、24、48、72、96 h后取出樣品，進(jìn)行吸水性能測(cè)試(圖2-a)。含水保水劑的抗冷凍性能測(cè)定：分別稱取0.1 g(精確到0.001 g)樣品2份，吸水飽和后測(cè)質(zhì)量并記錄，而后放入 -20 ℃ 冰箱內(nèi)冷凍。分別于24、48 h后取出，常溫下解凍后，置于篩網(wǎng)上稱質(zhì)量(圖2-b)。

1.4.4保水劑在土壤中的保水效果測(cè)定向9個(gè)1 000 mL量杯中各加入800 g細(xì)沙，1個(gè)樣品作為對(duì)照樣，另外4個(gè)樣品中加入1.5 g保水劑，4個(gè)樣品中加入3 g保水劑，所使用的保水劑中膨潤(rùn)土與丙烯酸單體的質(zhì)量比為 1.5 ∶1.0。各組樣品質(zhì)量分別加入250、500、1 000 mL的去離子水，并植入相同數(shù)量的白菜種子，然后放入植物培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)箱白天光照12 h，溫度設(shè)定為26 ℃，濕度保持60%；晚上無(wú)光照12 h，溫度18℃，濕度保持在70%。每2 d觀察1次，記錄白菜發(fā)芽生長(zhǎng)情況、樣品總質(zhì)量、體積等，觀察時(shí)間為41 d。

2　結(jié)果與分析

2.1　合成攪拌時(shí)間對(duì)保水劑吸水倍率的影響

研究發(fā)現(xiàn)，在3.25～5.50 h之間，吸水倍率隨保水劑合成攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在5.50 h之后，吸水倍率曲線明顯平緩(圖3)。這與前人研究中得出的結(jié)論[12-14]相同，即在一定時(shí)間范圍內(nèi)，隨攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，聚合物的分子鏈越長(zhǎng)，形成了更多的吸水空間，聚丙烯酸鹽與膨潤(rùn)土融合也更為充分。

2.2　不同膨潤(rùn)土用量對(duì)吸水倍率的影響

隨著膨潤(rùn)土用量的增加，所合成的復(fù)合保水劑吸水倍率逐漸減小(圖4)，這與前人研究中得出的結(jié)論相同[15]?？赡苡捎谂驖?rùn)土的加入影響了保水劑的合成質(zhì)量，合成產(chǎn)品的吸水倍率低于根據(jù)保水劑含量計(jì)算出的理論吸水率(假設(shè)保水劑吸水，膨潤(rùn)土不吸水)。

2.3　保水劑釋水情況分析

稱取0.1 g保水劑樣品，使其吸水飽和后用200目篩網(wǎng)包裹，橡皮筋包扎，稱質(zhì)量后置于室溫27 ℃的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干，同時(shí)取含水量為80%的黏性土壤0.1 g，在相同條件下觀測(cè)其釋水速率進(jìn)行對(duì)比(圖5)。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，保水劑的釋水速率明顯慢于黏性土壤，充分證明了其保水效果。

2.4　礦物復(fù)合保水劑在土壤中保水效果

2.4.1土壤質(zhì)量變化研究發(fā)現(xiàn)，在初始給水量為250 mL時(shí)，由于初始給水量不足，CK1、Ⅰ1和Ⅱ1三者最終質(zhì)量變化基本一致，但是在整個(gè)培養(yǎng)周期中，Ⅰ1和Ⅱ1的蒸發(fā)量明顯小于CK1；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至20 d左右時(shí)，CK2和CK3的重量基本恒定，可見(jiàn)盆栽中水分已經(jīng)蒸發(fā)完畢，而Ⅰ2、Ⅰ3和Ⅱ2、Ⅱ3 盆栽蒸發(fā)量仍在增加(圖6)。說(shuō)明礦物復(fù)合保水劑起到了較好的保持水分，緩解蒸發(fā)的作用。

2.4.2白菜生長(zhǎng)情況研究發(fā)現(xiàn)，在白菜生長(zhǎng)后9 d時(shí)，Ⅱ組盆栽幼苗發(fā)芽最早、長(zhǎng)勢(shì)最好；Ⅰ3未發(fā)芽，因初始給水量過(guò)大，造成土壤含水率過(guò)高，通透性差，不利于種子萌發(fā)；CK組盆栽幼苗較Ⅱ組相比長(zhǎng)勢(shì)略差(圖7)。由此可見(jiàn)，雖然在Ⅰ組盆栽中添加的較多的礦物復(fù)合保水劑可以增強(qiáng)土壤持水能力，但是卻抑制了種子萌發(fā)，發(fā)芽率不及CK組；添加相對(duì)少量的Ⅱ組各盆栽種子萌發(fā)效果好，且在發(fā)芽率和幼苗長(zhǎng)勢(shì)方面均優(yōu)于CK組。

在白菜生長(zhǎng)后15 d左右時(shí)，CK組幼苗與Ⅰ組、Ⅱ組幼苗相比，長(zhǎng)勢(shì)明顯減弱，CK1枯萎嚴(yán)重，CK2次之，CK3中土壤水分尚可維持白菜生長(zhǎng)；在白菜生長(zhǎng)后18 d時(shí)，CK組幼苗已經(jīng)出現(xiàn)枯萎傾倒現(xiàn)象，與Ⅰ組、Ⅱ組幼苗對(duì)比明顯(圖7)，該現(xiàn)象表明未加入礦物復(fù)合保水劑的CK組各盆栽因土壤保水效果差導(dǎo)致供水不足，從而使得幼苗枯萎傾倒。

在白菜由18～25 d的生長(zhǎng)過(guò)程中，CK組白菜已全部干枯，Ⅰ組幼苗長(zhǎng)勢(shì)良好，Ⅱ組略顯傾倒現(xiàn)象，到生長(zhǎng)后25 d時(shí)，Ⅱ組幼苗也出現(xiàn)干枯傾倒現(xiàn)象，Ⅰ2盆栽幼苗仍長(zhǎng)勢(shì)良好。白菜繼續(xù)生長(zhǎng)至35 d時(shí)，CK組、Ⅱ組盆栽幼苗由于缺水均已干枯死亡，Ⅰ1、Ⅰ2盆栽幼苗略顯枯萎，但混入保水劑的土層仍能為其提供水分使其生長(zhǎng)(圖7)。

綜上所述，向土壤中添加保水劑并不是越多越好，添加過(guò)量，會(huì)造成土壤通透性減弱，不利于種子萌發(fā)。在植物根植層添加適量保水劑對(duì)該層土壤有極好的保水保墑的作用，加入的保水劑可以形成1個(gè)微型水庫(kù)，持續(xù)為植物供水。

3　結(jié)論

礦物復(fù)合保水劑的研發(fā)試驗(yàn)可知，反映時(shí)間應(yīng)控制在4.5 h左右為宜；膨潤(rùn)土礦物用量則根據(jù)保水倍率要求不同而變化。在不同礦物用量條件下制備的礦物復(fù)合保水劑吸蒸餾水倍率為300～700 g/g。礦物復(fù)合保水劑在室溫下(22 ℃，濕度68%)的水分蒸發(fā)速度非常緩慢，30 h時(shí)水分減少不足14%，且釋水曲線斜率逐漸變緩。未吸水和吸水飽和試樣在冷凍試驗(yàn)后，吸水倍率均未受影響，可見(jiàn)試樣抗冷凍能力較強(qiáng)。應(yīng)用過(guò)程中要注意施用量，以免土壤含水量過(guò)高造成通透性減弱，反而會(huì)對(duì)苗木的萌發(fā)產(chǎn)生不利影響。

4　發(fā)展前景

礦物復(fù)合保水劑具有良好的吸釋水性能及保水性能，加入土壤后有利于土壤水分保持，在其反復(fù)吸釋水的過(guò)程中還可增加土壤通透性，可用于農(nóng)林業(yè)、沙漠治理等，對(duì)干旱半干旱地區(qū)水資源高效利用研究及地下水循環(huán)研究有極其重要的意義[16-21]。

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