壓力對(duì)四種保水劑吸水特性影響的研究

侯 銳，師慶三，師慶東，許紫峻

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；3.新疆綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

0 引 言

新疆地處亞歐大陸中部，位于中國(guó)西北邊陲，遠(yuǎn)離海洋，受地理環(huán)境和干旱半干旱大陸性氣候影響，氣溫變化大，日照時(shí)間長(zhǎng)，降水少而蒸發(fā)量大，屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)，水資源的利用直接影響著新疆的發(fā)展[1]。隨著水資源的日益匱乏和節(jié)水農(nóng)業(yè)的需要，高性能保水劑的研制和應(yīng)用研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外專家的重視[2-6]。

保水劑(Super Absorbent Polymer，SAP)是一種高分子材料，其本身并不溶于水，具有吸水性極強(qiáng)的特點(diǎn)[7]。大量研究表明保水劑可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高肥料利用效率、有效抑制土壤中水分的蒸發(fā)等效果[8-14]，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)當(dāng)中[15-20]。徐婉婷等[1]研究保水劑在不同濃度鹽溶液、不同PH溶液和低溫情況下對(duì)保水劑吸水倍率的影響，李景生等[21]研究保水劑在高溫下反復(fù)吸水其吸水倍率的變化趨勢(shì)，李興[22]等不同溶液對(duì)保水劑吸水倍率的影響，王洪君等[23]研究不同保水劑的吸水特性，保水劑吸水特性的研究多集中于去離子水、土壤浸提液、自來(lái)水、不同PH值溶液和低溫情況下對(duì)保水劑吸水特性的影響，但關(guān)于保水劑受到土壤等壓力對(duì)吸水倍率的影響的研究還不多見(jiàn)。

為進(jìn)一步探明不同保水劑在壓力狀態(tài)下吸水特性的變化趨勢(shì)和鹽溶液對(duì)不同保水劑吸水倍率的影響及不同保水劑在空氣中的保水性，本文選用國(guó)外保水劑 MP3005 KCE(以下簡(jiǎn)稱 KCE)、新疆大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院自主研制的 PAA和 AA- AH保水劑以及勝利油田長(zhǎng)安集團(tuán)聚合物有限公司自主生產(chǎn)的 WT保水劑，對(duì)比不同壓力梯度、0.9% Nacl對(duì)四種保水劑吸水特性的影響及其在空氣中的保水性，為保水劑在干旱區(qū)內(nèi)開(kāi)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究選出四種保水劑分別過(guò)40目標(biāo)準(zhǔn)篩，選取三種保水劑粒徑在40目的部分作為實(shí)驗(yàn)材料。保水劑的基本情況如表1。

表1 試驗(yàn)保水劑情況

1.2 主要試驗(yàn)方法

1.2.1 保水劑吸水倍率的測(cè)試

測(cè)量方法[1,24,25]：稱取粉狀保水劑0.1 g(m1)，將稱取的粉狀保水劑放入1 L燒杯中，并加入500 mL水，靜置4 h后，待樹(shù)脂充分溶脹，用0.150 mm的篩網(wǎng)濾瀝靜置20 min后，將未吸附的游離水除去，最后稱出質(zhì)量m的吸水凝膠，按下式計(jì)算出高吸水樹(shù)脂的吸水率Q：

(1)

1.2.2 不同壓力下保水劑的吸水速率的測(cè)試

先將多孔有機(jī)玻璃濾板(d=80 mm,h=12 mm)放置在培養(yǎng)皿(d=160 mm,h=22 mm)中，將一邊用尼龍紗布封閉的有機(jī)玻璃圓筒(d=60 mm,h=50 mm)放置多孔玻璃濾板上，將稱好的保水劑(0.1 g)樣品均勻放置在尼龍紗布的表面上，將尼龍圓筒(d=56 mm,h=70 mm，它可以在玻璃圓筒內(nèi)自由上下滑)壓載保水劑，將所需的負(fù)載(不同重量的砝碼)壓力設(shè)置為0，100，600，1 200，2 000 g 放置尼龍圓筒內(nèi)，將0.9%NaCl水溶液或去離子水裝到高于多孔有機(jī)玻璃濾板的高度。溶脹到一定時(shí)間1，5，15，30，60，120，180 min，稱溶脹SAP的重量。測(cè)試保水劑在不同壓力下的吸水速率，試驗(yàn)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 加壓測(cè)試保水劑吸水率裝置圖

1.2.3 保水劑在空氣中的保水性測(cè)試

稱取相同質(zhì)量的四種保水劑使其充分吸水后轉(zhuǎn)移至0.150 mm的尼龍網(wǎng)袋中，懸掛于室內(nèi)，每隔24 h稱其質(zhì)量，同時(shí)記錄室內(nèi)的溫度和濕度，以不同時(shí)間凝膠樹(shù)脂的質(zhì)量與初始樹(shù)脂質(zhì)量之比作為保水率指標(biāo)[26]。

1.3 數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用

Microsoft Office Excel 2007 和 SPSS17.0 進(jìn)行方差分析，Origin 7.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行畫圖處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)保水劑在不同溶液中吸水倍率結(jié)果分析

干旱區(qū)降水與蒸發(fā)量嚴(yán)重失調(diào)，導(dǎo)致大部分地區(qū)土壤鹽漬化嚴(yán)重[1]，為考察四種保水劑的耐鹽性，選取去離子水和0.9%NaCl溶液對(duì)比四種保水劑的變化趨勢(shì)(結(jié)果見(jiàn)圖2)，四種保水劑在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率較去離子水中均明顯降低，其中在去離子水和0.9%NaCl溶液中四種保水劑的吸水能力均表現(xiàn)為：PAA>WT>AA-AH>KCE,說(shuō)明PAA保水劑的耐鹽性較其他三種保水劑好(P<0.05)。

圖2 四種保水劑在不同溶液中的吸水倍率圖

2.2 不同壓力下四種保水劑的吸水速率結(jié)果分析

保水劑在施用過(guò)程中受到來(lái)自土壤的壓力，其吸水倍率可能發(fā)生變化，為探究在受壓狀態(tài)下保水劑吸水倍率的變化趨勢(shì)，選取0、150、650、1 250和2 050 5個(gè)壓力梯度對(duì)AA-HA 、MP3005KCE、PAA和WT 四種保水劑進(jìn)行測(cè)試，記錄每種保水劑在不同壓力下0、10、20、30、60、120和180 min時(shí)刻的吸水倍率(結(jié)果見(jiàn)圖3、4、5、6)。

由圖3可知PAA保水在去離子水和0.9%NaCl溶液中受到壓力時(shí)吸水倍率均會(huì)急速下降且皆有明顯界限，在壓力為150 g時(shí)PAA保水劑吸水倍率迅速下降當(dāng)壓力為650 g后吸水倍率緩慢下降并在120 min時(shí)吸水倍率趨于平穩(wěn)。當(dāng)壓力從0 g增加到2 050 g時(shí)，在去離子水中保水劑的吸水倍率下降了81.8%，而在0.9%NaCl水溶液中保水劑的吸水倍率只下降了78.9%。

圖3 PAA保水劑在不同壓力下的吸水速率

由圖4、5、6可知AA-AH、KCE和WT保水劑在去離子水受到壓力時(shí)吸水倍率均會(huì)急速下降，在0.9%NaCl水溶液中三種保水劑吸水倍率下降得比較均勻，而在去離子水中有明顯的界限，在壓力為150 g時(shí)AA-AH、KCE和WT三種保水劑吸水倍率迅速下降當(dāng)壓力為650 g后吸水倍率緩慢下降并在120 min時(shí)吸水倍率趨于平穩(wěn)。當(dāng)壓力從0 g增加到2 050 g時(shí)，AA-AH保水劑在去離子水中保水劑的吸水倍率下降了60.5%，而在0.9%NacL水溶液中保水劑的吸水倍率只下降了32.9%，KCE保水劑在去離子水中保水劑的吸水倍率下降了63.2%，而在0.9%NaCl水溶液中保水劑的吸水倍率只下降了35.2%，WT保水劑在去離子水中保水劑的吸水倍率下降了77.3%，而在0.9%NaCl水溶液中保水劑的吸水倍率只下降了53.8%。

圖4 AA-AH保水劑在不同壓力下的吸水速率

圖5 KCE保水劑在不同壓力下的吸水速率

圖6 WT保水劑在不同壓力下的吸水速率

綜上所述，AA-HA 、MP3005KCE、PAA和WT 四種保水劑在去離子水和0.9%NacL水溶液中受到壓力時(shí)其吸水倍率均會(huì)下降，且抗壓能力均為AA-HA>MP3005KCE>WT>PAA,這是因?yàn)楫?dāng)有壓力的存在時(shí)保水劑的膨脹空間會(huì)受阻，進(jìn)而抑制保水劑吸水能力，從而使保水劑的吸水倍率下降，當(dāng)壓力越大時(shí)，其所受到的阻力越大，對(duì)其吸水倍率影響就越大，四種保水劑在去離子水中的下降幅度大于0.9%NacL水溶液中。

2.3 不同壓力下四種保水劑吸水倍率的對(duì)比

四種保水劑進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，研究在相同的壓力下不同保水劑吸水倍率的變?結(jié)果見(jiàn)圖7、8)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在去離子水和0.9%NaCl溶液中AA-HA保水劑在不同壓力下的吸水倍率較其他三種保水劑好。PAA保水劑在去離子水中和0.9%NaCl 溶液中受壓力影響較其他三種保水劑大。在去離子水中PAA保水劑的吸水倍率較其他三種保水劑的吸水倍率低，這是由于PAA保水劑的凝膠強(qiáng)度比較弱在壓力下溶脹能力都會(huì)受阻影響其吸水倍率。在0.9%NaCl溶液中，當(dāng)壓力為150 g時(shí)，其吸水倍率優(yōu)于KCE和WT保水劑，但當(dāng)壓力增大時(shí)其吸水倍率小于MP3005KCE的吸水倍率，但仍然比WT保水劑的效果好。

圖7 去離子水的保水劑在不同壓力下的吸水倍率

圖8 保水劑在0.9%NaCl溶液中不同壓力下的吸水倍率

2.4 保水劑在空氣中的保水性

將試驗(yàn)保水劑吸水后的凝膠樹(shù)脂置于0.150 mm的尼龍篩網(wǎng)袋中，在室溫下(平均溫度為26.2 ℃，平均濕度為24.4%)掛96 h，并且每24 h測(cè)定其質(zhì)量，以不同時(shí)間的凝膠質(zhì)量與其初始凝膠質(zhì)量之比作為保水率指標(biāo)。從圖9可以看出，PAA保水劑充分吸水后的凝膠在96 h含水率下降了84.45%，而保水劑AA-HA、KCE和WT的凝膠在96 h后含水率分別下降了97.36%、98.41%和99.21%。從保水能力來(lái)看PAA>AA-HA>KCE>WT,說(shuō)明PAA保水劑具有良好的保水能力和緩慢釋放水能力。

圖9 保水劑在空氣中的保水性

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

(1)保水劑在濃鹽溶液和無(wú)鹽溶液中水合時(shí)膨脹能力有所不同，在濃鹽溶液中水合時(shí)比在無(wú)鹽溶液中水合時(shí)其膨脹能力有所下降[2,3]，這與實(shí)驗(yàn)中PAA、MP3005KCE和AA-HA三種保水劑在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率比去離子水中的吸水倍率下降的結(jié)果吻合，其中純丙烯酸聚合物合成的PAA保水劑在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率較其他兩種保水劑較好，結(jié)合徐婉婷等[1]研究純丙烯酸聚合物合成的HG-60保水劑在四個(gè)梯度NaCl溶液中的吸水倍率較WT和MP3005KCE保水劑好的結(jié)論，推測(cè)純丙烯酸聚合物合成的保水劑其耐鹽性較好。

(2)四種保水劑在0.9%Nacl溶液中和去離子水中的吸水倍率隨著壓力的增大而降低，與周柳茵和馬蕾等[27,28]研究表明保水劑隨著壓力增大吸水倍率降低的結(jié)論相符，說(shuō)明壓力對(duì)保水劑的吸水特性確實(shí)有影響且隨著壓力的增大吸水倍率降低的趨勢(shì)，四種保水劑在壓力下吸水倍率下降的趨勢(shì)為去離子水中>0.9%NaCl溶液，根據(jù)Flory理論[29]，推測(cè)是由于四種保水劑當(dāng)在吸水過(guò)程中，其親水基團(tuán)與水分子將會(huì)起作用使高分子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行伸展，網(wǎng)內(nèi)外的離子濃度差就會(huì)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外形成滲透壓，而水分子會(huì)在滲透壓的作用下向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中滲透。當(dāng)內(nèi)部離子濃度逐步增大時(shí)，在聚合物內(nèi)部與外部溶液之間形成離子濃度差將產(chǎn)生反滲透力，使水溶液進(jìn)入聚合物的內(nèi)部，而保水劑在0.9%NaCl溶液吸水中產(chǎn)生的滲透壓大于在去離子水中的滲透壓，所以呈現(xiàn)出4種保水劑在壓力下吸水倍率下降的趨勢(shì)為去離子水中大于0.9%NaCl溶液的現(xiàn)象。

3.2 結(jié) 論

(1)四種保水劑在0.9%NaCl溶液中的吸水能力為：PAA>WT>AA-AH>KCE，說(shuō)明PAA保水劑的耐鹽性較其他3種保水劑好(P<0.05)。

(2)AA-HA 、MP3005KCE、PAA和WT 四種保水劑在去離子水和0.9%NaCl水溶液中受到壓力時(shí)其吸水倍率均會(huì)下降并在120 min左右吸水倍率趨于平穩(wěn)，在去離子水中的四種保水劑的下降幅度大于0.9%NaCl水溶液中，其中抗壓能力均為AA-HA>MP3005KCE>WT>PAA。

(3)四種保水劑的在空氣中的保水劑均隨著時(shí)間的推移而降低，其中保水能力為：PAA>AA-HA>KCE>WT,說(shuō)明PAA保水劑具有良好的保水能力和緩慢釋放水能力。

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