聚丙烯酰胺和生物聚合物对絮凝的影响,聚合稳定性和水渗流粉砂壤土

聚丙烯酰胺和生物聚合物对絮凝的影响,聚合稳定性和水渗流粉砂壤土摘要 研究人员正在寻求更多的可再生和自然选择的水溶性阴离子聚丙烯酰胺（PAM），聚丙烯酰胺是一种在农业上用于控制水土流失和减少从无衬里的灌溉结构中水的渗透的高效的石油衍生聚合物。本研究评估了四个阴离子聚合物，包括低（0.5毫克每摩尔）或高分子量（MW）（10-20毫克每摩尔），细菌产生的多糖（生物聚合物）和低（0.2毫克每摩尔）或高分子聚合物（12-15毫克每摩尔）PAMs。我们评估了它们的影响：(1)用1毫克每升和10毫克每升的胶体絮凝剂，高分子量聚丙烯酰胺或生物聚合物的方案的速率和效果；（2）用粉砂壤土处理水1000毫克每升的这四个聚合物的方案的稳定聚集的水的百分比；（3）当水或500毫克每升的高分子量生物聚合物或聚丙烯酰胺的方案用于粉砂壤土时有效的饱和导水率（渗流损失）。1毫克每升是生物聚合物最有效絮凝的胶体浓度，但是30效果低于1毫克每升的聚丙烯酰胺和50效果低于10毫克每升聚丙烯酰胺。总的来说，这两种聚合物类型都增加了稳定土壤总量在粉砂壤土里的百分比，粒级在1到2毫米直径，虽然聚丙烯酰胺产生的稳定的总量是生物聚合物的1.35倍，88.7对比65.5。这些结果表明，和聚丙烯酰胺相比，生物聚合物庞大的分子构象限制了分子在溶液中的扩散和灵活性。140小时后，生物聚合物渗流损失降低了21，然而聚丙烯酰胺损失率相对增加1.6倍。这些数据表明，生物聚合物由于其较小的絮凝和总体稳定的潜力，其减少水侵蚀的效果低于聚丙烯酰胺。然而，就控制无衬里的灌溉运河和水库渗透来说生物聚合物比聚丙烯酰胺更可取，它可以用于较低的浓度，也被认为是更环保的，也可由有可再生资源产生的。缩写: 兆瓦,分子量,帕姆,聚丙烯酰胺关键字:聚合物;土壤团聚体;渗透;渗流1.介绍 水溶性聚合物在农业上用于控制浇灌和洒水诱导流失，抑制土壤密封形成和管理水渗透，并降低沉积物，营养和农药径流损失（Sojkaetal.2007）。聚合物可以增加或者减少进入土壤的渗透量这取决于选用的聚合物的类型和浓度，土壤类型和应用方法（Lentz,2008）。因此他们也可以用于减少水渗流单灌溉和运输渠道（Lentz and Kincaid,2008;Story et al,2009）。他们用于旱作农业土壤，建筑工地和火灾后森林景观的潜力现在也已经被认识到了（Lee et al,2010;Flanagan et al,2002;Davidson et al,2009）。由于合成的水溶性阴离子聚丙烯酰胺（PAM）线性聚合物通常用于这些农业用途。尽管聚丙烯酰胺已被证明是非常有效的和相对廉价的，其生产目前是利用不可再生碳源，最终导致大气中碳负载增加（Orts et al,2000;Sojka et al,2007）。研究者寻求自然选择与聚丙烯酰胺同样有效，但来自可再生生物质碳源并且可以更好的生物降解（Susfalk,2008;Orts et al,2000;Rehm,2010）。当聚丙烯酰胺用于灌溉运河时进一步的问题出现了，因为它包含一分钟的聚丙烯酰胺单体的数量，聚丙烯酰胺是一个疑似致癌的物质，虽然没有聚丙烯酰胺对人类致癌性有直接影响的记录（Friedman,2003;Labahn et al,2010）。在多糖的长链聚合物这一类中可能发现潜在的聚丙烯酰胺的替代物。这些可以直接来源于植物材料（如瓜尔胶）或通过使用各种生物质碳源进行细菌生产(细菌生物聚合物)。对多糖的研究表明，一些生物聚合物和土壤相互作用，和聚丙烯酰胺在很大程度上是一样的。分子量为0.2到2毫克每摩尔阳离子瓜尔胶增加渗透，渗透系数，抵抗处理的土壤的侵蚀（Ben-Hur and Letey,1989;El-Morsy et al,1991;Agassi and Ben-Hur,1992）。多年以来研究人员就知道细菌多糖可促进土壤聚合（Rennie et al,1954;Acton et al,1963）和凝聚悬浮的细菌和无机胶体（Busch and Stumm,1968）。中性（如右旋糖苷）和阴离子(如多聚半乳糖醛酸)多糖是那些拥有絮凝土悬浮液，并随多糖分子量的增加絮凝效果增强（Fuller et al,1995;Tarchitzky and Chen,2002;Orts et al,2000）评价淀粉和纤维素黄原酸和壳聚糖多糖用于降低浇灌诱导侵蚀，据报道，当它的应用标准为10毫克每升浓度时将不能像聚丙烯酰胺一样工作。为了更好的了解生物聚合物如何和土壤相互作用，我们进行了一项实验对生物聚合物和聚丙烯酰胺进行评估，并且评估了它们在农业应用上的潜力。目的是比较这两个聚合物絮凝土壤胶体，稳定土壤总量和改变通过土壤层的有效渗透系数的能力。2. 材料和方法2.1 土壤、聚合物和实验设计 用于增强稳定性和有效渗透系数评估的土壤是从位于金伯利西南1.7公里，ID（42E31N,114E22W,海拔1190米）的0到15厘米深度的波特纳夫的粉砂壤土中收集的。这土壤相当于每千克平均含有100克黏土，650克淤泥，250克砂每千，10克有机物质和50克碳酸钙。该土壤的饱和粘贴提取的电导率（EC）为0.07S每米，交换钠比例为1.5，PH位7.7（水饱和粘贴）。用于研究实验的聚合物处理的特点有表1给出。两种聚丙烯酰胺分别用于一个从Kemira水解决方案（1937西方主街道，斯坦福，CT1）中获得的中等分子量（MW）的液体产品（Aerotill）和一个从SNF（1路化工厂，Riceboro,GA）中获得的分子量非常大的粒状产品。为了方便起见分别认为这两种是低分子量和高分子量聚丙烯酰胺。这两种形式都是丙烯酸酯和丙烯酰胺的共聚物，具有连锁分子结构，缺乏分支（Barvenik,1994）。当颗粒百分之90含有剩余水时该液体含有百分之17的活性组分。高分子量聚丙烯酰胺通常用于农业应用，因为有时候低分子量产品和土壤稳定剂（Shanviv et al,1987）一样有效，所以包括低分子量产品。中分子量和高分子量的线性的生物聚合物是从NanoQuantics（5934 Windswept Blvd,Wise,VA）中获得的，特点如下（personal communication,Tim Hopkins,2011）。产品都是来自相同的细菌聚合物合成。获得的每一个产品都当做是水溶液，包含百分之2.5的中分子量产品和百分之0.1的高分子量产品。生物聚合物的分子结构不同于聚丙烯酰胺是因为他的聚合物的线性支柱包括的短侧枝总数占据总聚合物量的百分之30到40.如聚丙烯酰胺，生物聚合物的负电荷来源于羧基官能团，虽然生物聚合物电荷大多数位于侧分枝。再次为了简单起见，这两个被认为是低分子量和高分子量生物聚合物。这项研究由三个实验组成。当聚合稳定性和水力传导率实验使用随机完全区组设计时，絮凝效果实验采用完全随机设计。处理和复制的数量根据实验改变。聚合物解决方案用于各种准备使用反渗透水的问题。表1:用于絮凝，聚合稳定性和有效透水系数实验的阴离子聚合物和聚丙烯酰胺共聚物治疗解决方案的特征2.2絮凝 拥有三个复制的七个高分子量聚合物聚合物处理方案包含在两个聚丙烯酰胺浓度（1和10毫克每升）和五个生物聚合物浓度（0.5,1,10,50和100毫克每升）的实验中。这些被认为是PAM-1，PAM-10，BP-1，BP-10，BP-50和BP-100（表1）.我们利用了一个改编自Lentz et al(1996)的检测絮凝的实验，该实验应用了（1）一个科学工业模型G-560（纽约波西米亚）旋流混合器；（2）弥尔顿诺伊液体21分光光度计（纽约罗彻斯特）使用10毫米通路长度和7毫升试管比色皿（3）黏土基质（Fertegel）,一组凹凸棒石矿物产品主导的粒度分布（质量基础上N92）为b75毫米直径粒子，是从Zemex工业矿物中获得的（1040 Crown Pointe Parkway Atlanta,GA）。在过程的第一步，称量0.05克（烘干重量）Fertogel基质放入实验试管容器中，然后将5毫升容量的聚合物溶液移液到承载Fertogel的容器中，混合物会立即以最快的速度旋混。搅拌完成后迅速将试管放到分光光度计（4秒内），盖上，在接下来的5分钟内，每秒都要测量样品透光率（560纳米）。记录该过程的悬浮液的清晰度随时间的变化，这被认为是该方法的絮凝效果的指标。2.3.总体稳定 这个实验确定了聚合物种类的影响和分子量为1到2毫米的风干的波特纳夫粉砂壤土对水稳定土壤总量的影响。拥有四个复制的五种土壤团聚体方法包含在这个试验中，一个反渗透水方法，4个1000毫克每升的聚合物方法。聚合物处理方法是低分子量生物聚合物（被认为是BP-L,表1）；高分子量生物聚合物（BP-H）和高分子量聚丙烯酰胺（BP-H）。从风干土壤样品中筛分出1到2毫米大小的聚合物。取总量为4克的样品用2毫升的处理溶液（相当于0.5克聚合物每一千克土壤，假定完全吸附土壤）润湿。一开始就慢慢解决方案应用，防止总崩溃。先用几滴溶液到支撑聚合物的纸上，以便一开始就润湿来通过毛细管转移。允许处理总量在室温下风干24到48小时，使用湿法筛选决定了处理样品的稳定聚合的百分比。然而，为了评估土壤在快速润湿下的稳定性和地面灌溉的特点消除了总样本的预润湿。在湿式筛分后，1到2毫米大小的稳定土壤总量的百分比计算起来是从总土壤中划分出来的稳定土壤的质量分数的100倍。从风干样品中筛分出1到2毫米大小的聚合物，取4克聚合物样品用2毫升处理溶液润湿（相当于0.5克聚合物每一千克土壤，假定完全吸附土壤）。慢慢加入溶液，防止聚合物破坏。先用几滴溶液润湿支撑聚合物的纸，以便初始润湿是通过毛细管转移。允许室温下处理聚合物24到48小时，使用湿式筛分决定了处理样品中稳定聚合物的百分比。然而，为了评估土壤在快速润湿下的稳定性和地面灌溉的特点消除了总样本的预润湿。在湿式筛分后。1到2毫米大小的稳定土壤总量的百分比计算起来是从土壤中划分出来的稳定土壤的质量分数的100倍。2.4有效的渗透系数 实验包括三个处理方法，一个控制，一个20毫升反渗透水的应用，和两个500毫克每升的高分子量聚合物处理方法，一个20毫升生物聚合物溶液或者一个20毫升聚丙烯酰胺溶液。先前的研究表明该聚合物浓度有效的改变渗流通过土壤列，每个方法都包括5个复制。实验过程被设计用来评估聚合物抑制渗流的能力。在专门定义区域应用场景减少灌溉池塘和沟池中的渗透损失包括三个阶段：（1）用于干土衬砌池塘或运河和允许干燥的修正案的解决方案（2）未经处理的灌溉用水包含大量的输沙量以旋流流入池塘或运河（3）水填充该构造之后，随后旋流包含少量沉积物很少大幅度动荡。因为这个领域过程方法近似，测量值被称为有效的渗透系数。列准备：风干波特纳夫粉砂壤土土壤，从2毫米的筛网中筛分出来，并且将100克一部分由133毫米长的装有尼龙织物的PVC圆筒放入40毫米的地方。装入的土壤的平均风干密度是1.18克每立方厘米，模拟灌溉用水，在6到12小时内，从下到上土壤逐渐饱和。模拟灌溉用水的导电性为0.04秒每米，钠吸附比为1.3：0.5，并且准备用反渗透水稀释水至1:1.阶段1：为了模拟聚合物应用中的干土条件，1到5毫米直径，空气干燥25克覆盖的饱和土壤。波特纳夫土壤立即用用控制，BP-500或PAM-500方法处理，每列土壤允许在21度下空气干燥36到48小时，为了减少裹入的空气造成的变化，土壤饱和是之前完成的。然后我们把每列放在一个常水头装置上用于测量水的饱和电水率。一个常数为3.5厘米的真空模拟灌溉用水应用于每一列。阶段2：5分钟后流向开始流向土壤列，此后每6小时1.25毫升水泥浆大力搅拌引起大量积水产生的浓度为29克每升的沉积物。在3秒内，土壤表面本身并不直接搅拌扰动。允许沉积物来解决列之间的应用。在一天连续6小时内每隔60分钟测量每列的渗透排水。阶段3：因为剩下的实验没有介绍阻塞列水的沉积物。鉴于总测量时间为140小时，在第2到第4天内每天测每列渗透排水2次，第5天和第6天一天一次。假定渗流等于渗透，记录每小时渗透水的量。有效饱和电导率(Ksmm h1)的土壤被计算为:方程(1)Ks= 10 lv(H2H1)1L是土壤列长度(厘米);V水量(厘米吗3通过截面积)收集一个(cm2)在时间t(h);H2- h1)的区别是在上部和下部之间的水头核心边界(cm),等于水阻塞在土壤的深度。持续10在情商。(1)是一个单位转换因素。最后140 - h,列上到土壤表面的距离是衡量裁定空心杆插入-cm-diam积水并将其1.5。平足的土壤。这个测量是用来计算长度,最终,土壤的容重列。2.5统计分析 混合后我们马上检查了絮凝悬浮液的响应，此后每隔10秒检查一次。每次使用PROC混合进行一次单独的方差分析。统计模型包括作为固定效应和完全随机设计方案。两两比较的处理方法进行使用图基选项。方差分析是使用SAS PROC混合反应来分析稳定聚合的百分比。统计模型包括处理的固定效应和阻碍的随机效应，也包括正交类比较（水与聚合物，PAM和生物聚合物，低分子量聚合物和高分子量聚合物和分子类型分子量交互）。在每个测量时间的有效渗透系数，累计流出，和结束体积密度用方差分析分别进行了分析，稳定聚合分析使用同样的方法。然而，在这种情况下，使用两两比较的处理方法进行使用图基选项。所有都使用P=0.05显著性水平进行分析。3.结果与讨论3.1絮凝效果 图1显示的絮凝曲线体现了在1S内具有类似的透光率，在10S和20S时不同的值越来越多，然后在剩下的时间内有强烈的分歧值。应用生物聚合物絮凝黏土的最好的浓度为1毫克每升，生物聚合物的浓度越低产生的絮凝越少。最佳絮凝的聚合物浓度的出现通常取决于多余聚合物结合个别胶体的稳定空间和防止离子间的进一步作用。在最佳浓度时，生物聚合物沉降曲线BP-1表明在正式开始之前的前几分钟内絮凝被推迟。5分钟后，最大的透光率达到了BP-1不到PAM-1百分之30和百分之50不到PAM-10。在实验后期BP-1开始的沉降速率大于PAM曲线黏土仍用BP-1沉降分离，而大多数黏土已固定用PAM处理。这些结果表明生物聚合物絮凝物小于PAM产生的絮凝物。 与生物聚合物处理方法相比聚丙烯酰胺处理悬浮液的透光率急剧上升，表明PAM更快絮凝，形成更大的絮凝体，比形成的生物聚合物解决的更快。聚合物产生的絮凝物比那些有其他粒子聚集而成的更加结实，因为他们是有粒子的桥接在一起形成聚合物链，因为桥接聚合物是灵活的可伸缩的。聚合物在溶液中表现出最大的连锁扩展给快速絮凝沉降率。这表明生物聚合物产生的絮凝物比PAM小因为（1）溶解的生物聚合物的扩展不大，这降低了桥土壤颗粒的能力（2）生物聚合物产生的絮体更不稳定，因为生物聚合物链不太灵活。在实验中，我们指出PAM-1溶液的粘度大于BP-1,这点支持PAM分子比生物聚合物分子在溶液中表现出更大的扩展这一论点。许多多糖在溶液中采用单螺旋或双螺旋构象，这使得他们没有线性单链PAM灵活。他和Horikawa认为不观察PAM聚合物，诱导使分散的生物聚合物的稀释浓度很低会降低多糖的活性。在目前的研究中，当生物聚合物浓度降到1毫克每升以下时，我们克观察到类似的分散条件抑制絮凝。3.2总体稳定正交对比是非常重要的，这表明每一个因素包括聚合物种类分子量交互影响波特纳夫土壤聚合的水稳定性，在1到2毫米大小结构下快速润湿。总的来说，聚合物处理增加了土壤聚合的水的百分比，超过了仅仅是水处理的1.7倍。两种聚合物类型PAM平均产生的稳定总量是生物聚合物的1.35倍，88.7对比65.5.两类不同分子量的聚合物相比，高分子量聚合物产生更多的稳定聚合物比低聚合物多1.5倍，92.6比61.7。这些结果是一致的研究表明，处理的聚合物粉石壤土的聚合稳定性随着分子量增加改变，Similarly,Awadetal报道说聚丙烯酰胺和生物聚合物都增加了砂质和砂质壤土1到2毫米大小聚合构造。此外，重要的聚合物种类之间的相互作用和分子量表明生物聚合物的稳定效果相对PAM对改变分子量更敏感。生物聚合物分子量增加30倍产生的稳定聚合增加1.9倍，而PAM分子量增加70倍产生的聚合稳定仅仅增加1.3倍。有可能0.5毫克每摩尔的生物聚合物的分子量小于需要增加在这些土壤总体稳定的临界值，因此没有比低分子量处理的生物聚合物土壤稳定性更好控制的。这与描述生物聚合物作为比PAM的灵活性更小的模型相符，符合不规则的土壤表面链长度减少。另一种解释是该方法的生物聚合物浓度低于BP-L稳定土壤聚合所需的临界值。然而，每千克土壤0.5千克聚合物处理方法的速率代表相对的物质剂量，表明通过增加聚合物浓度进一步增加效益可能是不可能的。PAM聚合物提供了一种更有效的处理波特纳夫粉砂壤土稳定性方法，它包含相对少的黏土。如果PAM长度大于生物聚合物这将和预期的相符。如果这意义是正确的，那么PAM和生物聚合物可能具有相同处理黏土含量较高的效果，因为低分子量聚合物证明了高黏土稳定效果比低黏土更好。在目前研究中，分子量和电荷密度略有不同，特别是对于PPAM和生物聚合物来说。小分子量效果的不同在结果上是可以忽略的，因为它对土壤稳定性的影响相对低分子量和高分子量两种类型聚合物来说是很小的。同样，电荷密度的区别可能会轻微影响结果，因为聚合物电荷密度对土壤稳定性的相对效应随着电荷密度的增加超出了百分之25左右而降低。3.3有效的渗透系数处理的聚丙烯酰胺渗透系数和或渗流率最初呈现的趋势低于控制和修复生物聚合物土壤。然而，这种模式30小时后就反过来了。剩余的期间，PAM渗透比控制增加了超过1.3到21倍，而生物聚合物渗透相对控制减少了百分之15到百分之40。16小时和140小时的渗透率也反应了这一结果，并且表3体现了总累计渗透。因此生物聚合物就减少渗透损失比PAM更有效。PAM对渗透损失的影响是一个强烈的浓度函数。当100毫克每升PAM的解决方案是应用相同的PAM和方法时，聚合物渗透损失减少而不是增加。注意在最后控制阶段PAM轻微但显著降低测量的土壤列的整体浓度。这不是因为添加的沉积物所在的深度不同，而是因为加入每列的沉积物的量相同，使用的方法可以区分然絮凝层的厚度是不可能的。显然PAM造成的粉砂壤土的膨胀比控制或生物聚合物更大。在先前的相同的处理条件的研究中观察类似的PAM对体积浓度的影响。这些结果和其他报告是相反的，这些报道表明PAM并不通过置入黏土层之间而促进黏土膨胀，当PAM和黏土在水中混合，PAM在随后的润湿期间会减少黏土膨胀。处理渗透损失结果可以归因于以下四个主要原因：首先在土壤孔隙中出现更多的粘性PAM溶液比出现更少的粘性生物聚合物降低的导电率更多。第二，PAM和生物聚合物都增加了表面土壤的土壤聚合稳定性，并且防止聚合物分解成更小的颗粒堵塞土壤孔隙。第三，当在积水中搅拌沉积物，PAM 絮凝悬浮颗粒比生物聚合物更有效。测试生物聚合物在相同浓度下