保水劑吸水、保肥性能研究

保水劑吸水、保肥性能研究

20世紀(jì)初，保水劑是一種具有強(qiáng)大吸水能力的高科技材料。它可以吸收數(shù)百倍或數(shù)千倍的水分。由于分子結(jié)構(gòu)交聯(lián),分子網(wǎng)絡(luò)所吸水分不能用一般物理方法擠出,故具有很強(qiáng)的保水性。作為一類新型功能性材料,廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、土建和食品行業(yè)。農(nóng)用保水劑以其高度溶脹能力,對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改良和對(duì)水肥的保持作用,在國(guó)內(nèi)外逐漸得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代高分子化學(xué)研究認(rèn)為,保水劑大多是高分子電解質(zhì),其溶脹力和吸水倍率受溶液中鹽類的影響。當(dāng)聚合物在濃鹽溶液(如給聚合物加載養(yǎng)分)中水合時(shí),與它們?cè)跓o(wú)鹽溶液中的水合相比,其膨脹能力降低。雖然保水劑施用于土壤,土壤溶液中鹽分對(duì)保水劑溶脹力和吸水倍率的影響有別于單一的純鹽溶液,但這種影響依然存在,只是程度不同而已。盡管保水劑在鹽溶液中吸水能力降低,但保水劑在大量吸水的同時(shí),由于具有高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有大量親水性基團(tuán),進(jìn)入網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分子或離子可以以交換吸附、電荷激活、配位、氫鍵和聚合物大分子“包裹”等形式而吸持下來(lái),在凝膠性能和外界條件變化時(shí)又能緩慢地釋放出來(lái)。如果這種鹽分是營(yíng)養(yǎng)性鹽分,這種吸持作用就會(huì)對(duì)土壤或肥料養(yǎng)分起到一定的緩釋作用。目前,有關(guān)保水劑吸水能力方面的研究多集中于對(duì)去離子水、生理鹽水、人工尿等方面的研究,而對(duì)于不同濃度的鹽類對(duì)保水劑吸水能力的影響研究較少。而在節(jié)水農(nóng)業(yè)方面,如何根據(jù)土壤、肥料特性,選擇適宜的保水劑和肥料種類,減少鹽分(肥料)對(duì)保水劑的影響更是鮮見(jiàn)報(bào)道。本文主要研究常見(jiàn)的磷、鉀肥料品種對(duì)保水劑吸水、保肥性能的影響,旨在為保水劑正確使用和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高吸水、高保水、耐鹽性強(qiáng)、緩釋好、壽命長(zhǎng)、成本低的新型保水劑提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1試驗(yàn)材料供試保水劑的性質(zhì)見(jiàn)表1。供試試劑有磷酸一銨、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀和硫酸鉀等,除過(guò)磷酸鈣為農(nóng)用肥料外,其他均為分析純?cè)噭?.2測(cè)量1.2.1尼龍袋的吸水性能吸水倍率測(cè)定采用茶袋法:稱取保水劑0.2000g,放入約12cm×15cm的0.074mm的已知質(zhì)量的尼龍袋中,用封口機(jī)把袋口封住,25℃下,放入200mL去離子水中靜置12h。讓保水劑充分吸水后吊起尼龍袋30min,瀝盡水分,稱重,并收集濾液,計(jì)算吸水倍率。吸水倍率=(W3-W1-W2)/W2W1-干尼龍袋的質(zhì)量;W2-保水劑的質(zhì)量;W3-吸水后凝膠與尼龍袋的總質(zhì)量相對(duì)吸水倍率=(吸水倍率/保水劑在去離子水中的吸水倍率)×100%1.2.2保水劑的吸水特性測(cè)定以同體積的一定濃度系列的肥料溶液代替去離子水按1.2.1的方法在同樣條件下進(jìn)行測(cè)定,收集濾液,計(jì)算保水劑在不同肥料溶液中的吸水倍率,并測(cè)定濾液中的磷、鉀含量,用差減法計(jì)算保水劑對(duì)磷、鉀的吸持量。濾液中的磷用釩鉬黃比色法測(cè)定;鉀用火焰光度法測(cè)定。2磷酸一銨濃度對(duì)結(jié)果的影響預(yù)備試驗(yàn)中磷酸一銨在其濃度為1.6%～2.4%時(shí),3種保水劑的吸水倍率均下降到一個(gè)比較穩(wěn)定的值,所以在選擇磷酸一銨濃度時(shí)最大的只設(shè)置到2.0%,濃度分別為0、0.2%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%;由于過(guò)磷酸鈣中的雜質(zhì)比較多,在其濃度為0.8%、1.0%、1.2%時(shí),3種保水劑的吸水倍率值基本無(wú)變化,故將過(guò)磷酸鈣的濃度梯度設(shè)置為0、0.05%、0.1%、0.2%、0.4%和0.8%。2.1磷酸一銨對(duì)保水劑相對(duì)吸水倍率的影響磷酸一銨雖為復(fù)合肥,但其主要成分為磷素,常作為制造復(fù)合肥時(shí)的磷肥原料,故在此和過(guò)磷酸鈣一起討論。PRKM、DM、KH在磷酸一銨溶液中的相對(duì)吸水倍率以及對(duì)磷的吸持見(jiàn)表2?？梢钥闯?磷酸一銨對(duì)3種保水劑相對(duì)吸水倍率的影響和氮肥不同。在肥料濃度僅為0.2%時(shí),3種保水劑的相對(duì)吸水倍率下降到35.34%～37.54%,之后,隨著肥料濃度的增加,相對(duì)吸水倍率逐漸降低。在肥料濃度為2.0%時(shí),3種保水劑的相對(duì)吸水倍率下降到12.72%～15.68%。相對(duì)吸水倍率與肥料溶液濃度之間的相關(guān)關(guān)系可用冪函數(shù)表示如下:PRKMy=2.249x-0.4437R2=0.9771DMy=3.379x-0.3862R2=0.9971KHy=3.277x-0.3881R2=0.9986磷酸一銨對(duì)3種保水劑相對(duì)吸水倍率的影響均達(dá)到極顯著水平。雖然不同濃度下3種保水劑的相對(duì)吸水倍率差異并不一致,總體來(lái)看,磷酸一銨對(duì)保水劑吸水倍率影響順序是一致的,最大的是PRKM,其次是KH,影響最小的是DM。由于磷酸一銨溶液中既有PO43-,又有NH4+,所以保水劑在大量吸水的同時(shí)也吸持PO43-和NH4+,但是吸持PO43-和NH4+規(guī)律也不相同,隨著磷酸一銨濃度的增大,3種保水劑吸持N素的量隨之增大,而吸持P素的量總是先增大后減小,并且試驗(yàn)所用的3種保水劑在吸持P素最大量的點(diǎn)都是磷酸一銨溶液濃度1.2%,PRKM、DM和KH在此濃度下吸持P素(以P2O5計(jì))分別達(dá)到656.78mg/g、578.13mg/g和543.82mg/g(表2),比PRKM、DM和KH在2.0%磷酸一銨溶液時(shí)的最小吸持量分別增加了736.24%、1238.26%和613.49%。過(guò)磷酸鈣中一般副成分比較多,因而對(duì)保水劑吸水倍率的影響更顯著。表3表明,低濃度的過(guò)磷酸鈣溶液可使保水劑的吸水倍率發(fā)生很大的變化,過(guò)磷酸鈣濃度僅為0.05%時(shí),保水劑PRKM、DM和KH的相對(duì)吸水倍率分別為54.86%、54.70%和57.45%,但是到濃度為0.80%時(shí),PRKM、DM和KH的相對(duì)吸水倍率分別降為9.68%、13.04%和4.55%,降幅分別為466.74%、319.48%和1162.64%,其中尤以KH變化最為劇烈。相對(duì)吸水倍率與肥料溶液濃度之間的相關(guān)關(guān)系可用冪函數(shù)表示如下:PRKMy=0.609x-0.5854R2=0.9805DMy=1.049x-0.5159R2=0.9925KHy=0.037x-0.9825R2=0.9850和保水劑在磷酸一銨溶液中對(duì)P素(以P2O5計(jì))的吸持類似,PRKM、DM和KH對(duì)P素的吸持隨著過(guò)磷酸鈣溶液濃度的增大,其變化趨勢(shì)是先增大后減小,均在0.20%濃度下對(duì)P素有最大的吸持量,分別為13.05、14.59和13.71mg/g。對(duì)PRKM、DM和KH這3種保水劑來(lái)說(shuō),試驗(yàn)濃度范圍內(nèi),保水劑對(duì)P素的吸持量和吸持率均很小,相同過(guò)磷酸鈣濃度下,DM相對(duì)吸水倍率下降幅度最小,PRKM次之,KH下降幅度最大,但是對(duì)P素的吸持則是PRKM的變化最小。2.2保水劑和prkm、dm和kh對(duì)氯化鉀的吸水倍率和吸持效果,其符合以下情況預(yù)備試驗(yàn)中氯化鉀和硫酸鉀在其濃度為5.0%、10.0%和15.0%時(shí),3種保水劑的吸水倍率均下降到一個(gè)比較穩(wěn)定的值,所以在選擇氯化鉀和硫酸鉀濃度時(shí)最大的只設(shè)置到10.0%,濃度分別為0、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、5.0%和10.0%。鉀肥對(duì)保水劑吸水倍率以及保肥性能的影響均比較大,氯化鉀和硫酸鉀在很小的濃度都使試驗(yàn)中的3種保水劑吸水倍率下降很多。對(duì)于氯化鉀來(lái)說(shuō)影響最大的是KH,其次是PRKM,影響最小的是DM,在氯化鉀濃度為0.5%時(shí),KH、PRKM和DM的相對(duì)吸水倍率分別是23.76%、23.58%和24.65%,差別不大。但是在氯化鉀濃度為10.0%時(shí),DM的相對(duì)吸水倍率13.37%比PRKM和KH在此濃度下的相對(duì)吸水倍率分別高18.42%和52.45%。而硫酸鉀對(duì)保水劑吸水倍率影響最大的是KH,其次是DM,最小的是PRKM,但是3者之間的差異不大,且變化趨勢(shì)和氯化鉀類似(表4、表5)。相對(duì)吸水倍率與肥料溶液濃度之間的相關(guān)關(guān)系可用冪函數(shù)表示如下:PRKM氯化鉀:y=5.943x-0.2475R2=0.9616硫酸鉀:y=6.455x-0.2455R2=0.9764DM氯化鉀:y=7.822x-0.2133R2=0.9856硫酸鉀:y=5.647x-0.2824R2=0.9679KH氯化鉀:y=4.363x-0.3186R2=0.9934硫酸鉀:y=5.615x-0.2895R2=0.9953雖然鉀肥對(duì)保水劑吸水倍率影響很大,但是保水劑在鉀肥溶液中對(duì)鉀素的吸持卻比較高,保水劑PRKM、DM和KH對(duì)氯化鉀的吸持(以K2O計(jì))分別從氯化鉀溶液濃度0.5%的0.59、0.63和0.56g/g增加到濃度為10.0%時(shí)的2.67、2.67和3.08g/g,增幅分別為352.54%、323.81%和450.00%,3種保水劑在氯化鉀溶液中均表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸持潛能,尤其是KH。而保水劑PRKM、DM和KH對(duì)硫酸鉀的吸持(以K2O計(jì))分別從硫酸鉀溶液濃度0.5%的0.33、0.41和0.52g/g增加到濃度為10.0%時(shí)的2.92、1.50和2.08g/g,增幅分別為784.85%、265.85%和300.00%,相對(duì)于氯化鉀,保水劑PRKM和KH對(duì)硫酸鉀溶液中的鉀素吸持能力增幅更加明顯,這可能與陰離子Cl-和SO42-對(duì)保水劑的影響有關(guān);陰離子由于離子結(jié)構(gòu)與陽(yáng)離子不同,對(duì)保水劑吸水倍率與陽(yáng)離子也不同,有關(guān)陰離子對(duì)保水劑吸水倍率以及對(duì)元素吸持能力的影響有待做進(jìn)一步的研究。3保水劑的穩(wěn)定和吸收劑根據(jù)保水劑的吸水機(jī)理,離子型保水劑與水接觸后,由于離子型親水基團(tuán)的電離,造成樹(shù)脂結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓,是保水劑吸水的動(dòng)力之一。當(dāng)水溶液中有電解質(zhì)鹽類存在時(shí),就會(huì)使水向樹(shù)脂內(nèi)部的滲透壓降低,結(jié)果保水劑吸水能力降低。聚丙烯酸鹽型保水劑屬離子型保水劑,吸水保水性能好,溶脹速度快,但耐鹽性、穩(wěn)定性較差,壽命短。人們?yōu)榱颂岣呔郾┧猁}型保水劑的耐鹽性、穩(wěn)定性,常向其離子型聚合單體丙烯酸中加入一定比例的非離子型聚合單體丙烯酰胺等,制造聚丙烯酰胺-丙烯酸鹽型保水劑,利用非離子型單體對(duì)電解質(zhì)相對(duì)不敏感性和不同親水性基團(tuán)之間的協(xié)同作用來(lái)提高保水劑的耐鹽性、穩(wěn)定性。本研究所選用的3種保水劑產(chǎn)品,雖然它們?cè)诜柿先芤褐械奈堵识茧S肥料溶液濃度的增大而降低,但聚丙烯酰胺-丙烯酸鹽型保水劑DM和PRKM的降低幅度明顯小于聚丙烯酸鹽型保水劑KH。不同肥料溶于水后,由于電解質(zhì)性質(zhì)不同,對(duì)保水劑吸水能力的影響也不同。磷酸一銨、氯化鉀、硫酸鉀等在水中即可發(fā)生電離作用,電解質(zhì)離子對(duì)保水劑的吸水倍率影響比較大,吸水倍率下降幅度大,隨著肥料濃度的增大,