高吸水树脂(保水剂)的研究与应用

高吸水树脂(保水剂)的研究与应用

0高吸水树脂保水剂的作用机理通过有效控制废水和城市生活污水的排放，我们可以有效地控制污染，尤其是由农业生产和生活造成的农业面源污染，这是水环境污染的主要来源。中国在上述农业面源污染的主要形式中,以肥料污染的问题最为突出。中国是全球最大的化肥生产和消费国家,截止到2007年,中国化肥使用达5107.8万t,其中氮肥2297.2万t,磷肥773万t,钾肥533.6万t,复合肥1503万t,单位面积的使用量大于400kg/hm本文所探讨的高吸水树脂(保水剂)是一种人工合成的具有强吸液能力的化学制剂,其在卫生医疗、工业制造、农业生产等方面均有广泛应用。农用保水剂主要以制剂的溶胀吸液性能、使用寿命和环境效应为主要参考指标,较为常用的是淀粉接枝丙烯酸盐共聚交联物和聚丙烯酰胺类保水剂。早期的农用保水剂主要被用于作物的抗旱节水。随着新型保水剂的研制成功,其用途也越来越广,并向着集抗旱、防污、环保等多目标为一体的综合应用进行发展。聚丙烯酸、聚乙烯酸、乙烯酸、异丁烯无水顺式丁烯二酸、淀粉聚丙烯酸、聚乙烯、纤维素等高分子材料均可作为保水剂的合成材料高吸水树脂(保水剂)防污技术是一种化学防污技术,是以防治肥料污染来减轻农业面源污染程度为指导思路,以提高水肥利用效率为技术核心,通过其高分子表面电化学作用及结构功能特性,作用于土壤和作物根系,以实现从源头上减少肥料摄入,在应用中促进肥料转化利用,在过程中降低肥料挥发和深层渗漏为目的的防污技术。研究表明,保水剂与肥料通过物理混合(吸附或造粒)、包膜或化学等多种方式结合为材料与功能复合一体化的保水缓/控释肥料可极大地提高肥料的利用效率本文在介绍保水剂应用于农业面源污染防治作用机理及防污效能的基础上,从保水剂防污作用性能研究,在农业生产上的防污应用和新型农用防污保水剂研制3个方面展开了阐述,围绕保水剂的防污效应进行了重点探讨,最后总结了保水剂防污应用中目前还存在的问题以及未来的研究方向。1保水剂污染防治机械及废水处理效率1.1保水剂的吸液过程、其保水剂是一种三维网状的有机高分子聚合物,分子呈高度交联状,其防污机理主要体现在提升水肥利用效率,减少肥料损失,可分为直接防污和间接防污2个方面。直接防污是保水剂分子的成键吸液和溶胀吸液使得水肥溶液首先被存留在了保水剂分子内部,再缓慢释放供给作物;间接防污是保水剂加入土壤中后形成了更多的稳定性团聚体导致土壤结构发生变化,土壤孔隙度(主要是毛管孔隙)增加使得土壤毛管溶液储存能力加大,土壤水肥蓄持能力增强,减少肥料的淋溶损失。保水剂的直接吸液是由于高分子电解质的离子排斥所引起的分子扩张和网状结构引起阻碍分子的扩张相互作用所产生的结果在成键吸液进行的同时,保水剂分子电离出的正离子游离于保水剂的网状结构之中,固定在网链上的相邻负离子基团则产生斥力使高分子网络结构扩张,扩张后的网络结构外部被膜结构包裹,而游离的正离子使得保水剂内部结构中的电解质溶液浓度升高,形成与外部水溶液之间的渗透势差,透势差促使外部水分子通过膜结构不断进入高分子内部直至达到浓度平衡,这个过程为保水剂溶胀吸液过程;溶解于水中的养分离子,特别是阴离子态养分,在保水剂进行溶胀吸液的同时会进入到高分子网络结构之中而被固持;此外,溶胀后的保水剂分子还能够将无机离子和养分离子暂时包裹起来,使其随着水分的释放及高分子网络结构的松弛而缓慢释放。保水剂的间接保水、保肥是由于保水剂分子链上的亲水性基团能够增强易分散微粒间的黏结力,从而使分散的微粒团聚形成水稳性团粒。土壤团粒结构的形成增加了土体中的连通孔隙,尤其是使得土壤毛管孔隙增多,增强了土壤毛管溶液的储存能力,提升了包括无机离子和养分离子在内的土壤溶液有效存储量。另外,保水剂所营造的根区水肥耦合区域富集了水分和营养元素,改变了作物根系生长发育的形态特征及生理机能,增强了根系吸收水肥性能1.2土壤肥力作用保水剂不仅自身能够反复吸释水肥,阻截水肥深层淋溶,其防污效能也是集物理改善、化学调节、生理调控等多方面作用的综合体现。其防污效能主要表现在以下几个方面:(1)改善土壤物理结构,其分子表面的静电作用力促进了土壤团聚体形成,使毛管孔隙度增加,增强了土壤的水肥蓄持能力,从而减少了水肥的深层渗漏;(2)调节土壤生化特性,其对于土壤根域环境的影响促进了土壤有机质的分解矿化,增强了土壤微生物活性,从而提高了对土壤养分的利用效率;(3)影响土壤温度及蒸发,其分子网络结构内部吸持的水分降低了土壤干湿交替频率和蒸发强度,减少了温室气体排放,降低了肥料的挥发损失;(4)吸持水肥缓慢释放,其弹性交联网络结构对土壤溶液的反复吸持将水肥维持在土壤根系层,持续供给作物生长,在减少肥料用量和施用次数的情况下也能满足作物生长所需,从源头上减少肥料摄入;(5)促进作物生长发育,其所营造的水肥耦合微域增强了作物根系生理机能,提升了作物对水氮的吸收能力,从而降低了养分的损失和淋溶污染。1.2.1土壤的团聚体保水剂能够促进土壤团粒结构的形成,对土壤中0.5~5mm粒径的团粒结构形成最为明显,且当土壤中保水剂在0.005%~0.01%范围时,土壤团聚体增加量明显1.2.2聚合物网络的松弛速率水分子向保水剂内的扩散过程属于nonFickian扩散,水分子的扩散速率与聚合物网络的松弛速率基本上在同一个数量级或溶剂的扩散速率大于聚合物网络的松弛速率1.2.3影响土壤持水力、提高土壤热容量水分子具有较高的比热,保水剂吸水后可以起到缓冲作用,减小土壤温度的升降幅度。保水剂可提高土壤持水力,使土壤热容量增加,减缓蒸发,使土壤热损失减少。保水剂的强吸附性,使其能够聚合电解质离子,对于极性分子也会有较大的影响。水分子是极性分子,其形态和能态受到保水剂的影响,保水剂使土壤水压降低,水分的蒸发强度也随之降低1.2.4控制和消除过水、在水中通过各种溶剂等自然条件下的过程中淋溶保水剂具有吸收和保蓄水肥的作用,其分子表面能够进行离子吸附和交换,可以通过包裹或络合等方式将溶于水中的肥料固定其中并缓慢释放,在一定程度上减少了可溶性养分的淋溶损失,提高水肥的利用率。同时,土壤中施入保水剂能够促进土壤中微生物的活动,从而提高了土壤养分的利用效率1.2.5农艺植物的生长保水剂促进作物生长发育主要体现在其对于根系生长发育状况的影响。保水剂加入到作物根区土壤后,形成了水肥耦合微域,根系分布和发育均受到影响,其水肥吸持性能得到提升,作物能够通过光合作用合成更多的干物质。保水剂能够降低根系质膜透性,增加根系活力,根系质量增大,且在土壤内分布较为合理,土壤深层根系衰减较慢,利于作物均衡生长2保水剂主要用于预防和研究2.1保水剂、分子保水剂一般是施入到土壤中,土壤溶液成分复杂,含有大量电解质离子、分子,对保水剂溶胀吸液性能的影响比较明显。黄占斌等合成材料的种类、配比,交联剂和引发剂种类以及合成方法等对保水剂溶胀吸液性能也会产生较大的影响。MudiyanselageTK等2.2人员关注的问题保水剂在吸水的同时也能吸持无机离子和养分离子,并使其缓慢释放以供作物生长所需。在中国北方地区,由于干旱和农业面源污染问题的同时存在,保水剂水肥缓释特性及反复吸释性能等也成为了目前研究人员关注的重点。何绪生等选择合适的复配材料对于提高保水剂缓释肥肥效和缓释性能有重要影响。纤维素、秸秆、丙烯酸、丙烯酰胺等材料均是较为理想的载体物质,能够较好地同矿质离子和作物养分进行复配合成。尿素是较为合适的肥源,而磷保水剂缓释肥、氮保水剂缓释肥、氮/磷混合保水剂缓释肥等的也都有应用报道。ZhanFalu等随着研究的不断深入,保水剂已经从原来单纯应用于节水抗旱走向了更加广阔的应用空间。保水剂缓释肥的应用,能够有效地减少肥料的施入,这在利用保水剂进行农业面源污染防治方面具有十分显著的作用,能够直接减少污染物的摄入,实现从源头上减少污染的目的。2.3保水剂一些用量对溶胀吸液性能的影响保水剂的施入层位一般在土壤根区附近,其本身的溶胀吸液性能受到土壤质地的影响会发生较大的改变,针对不同的土壤类型来选定保水剂剂型对保水剂效能的充分发挥具有很大意义。闫永利等3保水剂对作物养分供给的影响农作物种植是保证粮食供应的关键,肥料供应决定着作物的生长状况。但大量的肥料投入导致了农业面源污染,对地区的生态环境产生了较大影响。保水剂吸持水肥后缓慢释放供作物生长所需,减少了肥料跟随雨水和灌溉水的淋溶流失,同时保证了作物在生育期内充足、及时的养分供给。司东霞等保水剂施入土壤中以后,使作物的水肥利用效率得到提升,对作物的光合作用也会产生一定影响,促进产量和品质的提高。杨永辉等此外,保水剂在温室蔬菜种植、苗木育种移栽等方面也有大量的应用,其防污和增产效果比较明显。崔娜等4高效保水剂的研制保水剂在聚合过程中可以添加入不同的复配材料,从而使保水剂表现出不同的功能特性。淀粉、纤维素、作物秸秆、凹凸棒黏土等材料的添加使保水剂具有较好的反复溶胀性能和较高的吸液倍率,研究人员在此基础上通过新的合成工艺复配入矿质元素和作物养分,制成保水剂缓释肥,极大地提高了肥料的利用效率,使其更适用于农业防污应用。刘瑞凤等低成本、高性能、多功能、环保型复合保水剂的研制是目前研究的热点问题。近年来,石墨烯、瓜尔胶、壳聚糖等越来越多新的材料被用于复合保水剂的研制,使保水剂性能得到了极大提升,其功能更加多样。LiuJianghua等新型保水剂研究思路从单纯的追求高吸液倍率转变为集抗旱、防污、环保为一体的多功能产品的研制,这对于减少肥料的施用从而控制农业面源污染有重要的意义。5农业面源污染的防治对策与展望农业面源污染是目前北方地区农业生产所面临最为严峻的问题之一。保水剂特殊的结构形式和功能特性能够有效地改变土壤性状,增强土壤水肥保蓄能力,影响土壤水肥的时空分布,并能直接作用于土壤根区微域,提升根域微生物活性及根系生长机能,从而提升水肥利用效率,增加农业产量,同时减少肥料的淋溶流失,在一定程度上缓解农业面源污染状况。应该说,保水剂在中国的生产应用前景广阔,特别是新型复合型保水剂的成功研制,对于保水剂乃至化学防污技术在农业生产区的推广都具有十分重要的意义。目前,围绕保水剂防污性能及应用效果的研究很多,但由于保水剂种类较多且性能各异,这些研究结果仍然不能全面的揭示保水剂的作用效应,保水剂的研制和应用也没有形成一套成熟的综合技术规范,加之现阶段保水剂的价格仍然较高,所以保水剂在大面积推广应用方面还有一定阻力。针对农业面源污染的防治要求和