丙烯酸-膨潤土保水劑的制備及其保水效果研究

李　備， 韓占濤， 張發旺， 張　威， 宋　樂

(1.河北地質大學，河北石家莊 050031； 2.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，河北石家莊 050061；3.中國地質科學院巖溶地質研究所，廣西桂林 541004)

我國是一個干旱缺水的國家，在干旱缺水的條件下實現作物高產以及治理沙漠化都需要高效利用當地寶貴的水資源。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余年來在我國得到了大量推廣利用。但是，目前面世的保水劑以有機高分子材料為主，價格較高，并且其在土壤環境中風化較快。進一步研發價格低廉、吸水倍率高、風化慢、一次添加可具有多年保水效果的持久性保水劑，是當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物單體混合后進行聚合，所合成的復合保水劑具有較強的吸水能力、較快的吸水速度、較高的保水性能、較好的釋水性能等優點[4]，但前人研究中獲得的復合保水劑性能各異，仍需要進一步總結和優化。

本試驗在前人研究基礎上，以具有一定層間吸附性能的膨潤土與丙烯酸為原料制備礦物復合保水劑，并系統研究了膨潤土和丙烯酸的比率、合成時間等對其吸水性能的影響，最終確定出最優的保水劑配方，并驗證其在土壤中良好的保水效果。

1　材料與方法

1.1　材料

膨潤土，工業級，河北省晉州百信商貿有限公司；丙烯酸，分析純，天津市百世化工有限公司；氫氧化鈉，分析純，天津市光復科技發展有限公司；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，分析純，天津市百世化工有限公司；過硫酸銨，分析純，天津市永大化學試劑有限公司。

1.2　試驗設備

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

1.3　復合保水劑的制備

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%的氫氧化鈉溶液進行中和，中和完畢稍加攪拌，將反應物移入浸潤在溫度為65 ℃水浴鍋中的4個瓶內，加入一定量的引發劑過硫酸銨，另稱取適量膨潤土加入，同時加入適量交聯劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，便開始發生聚合反應，在預訂的時間停止合成后，將樣品移入培養皿中，放入80 ℃電熱鼓風恒溫干燥箱中干燥，至變成凝膠狀后，剪成一定粒度，繼續干燥至恒質量，粉碎備用[5-11](圖1)。

1.4　保水劑吸/釋水性能測試

1.4.1吸水性能測試稱取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量的標準試驗篩中，自然過濾20 min，稱量試驗篩和保水劑的質量。按公式(1)計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，g/g；G1表示礦物復合保水劑的質量，g；G2表示試驗篩的質量，g；G3表示試驗篩和吸水后的保水劑的質量，g。

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

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

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

2　結果與分析

2.1　合成攪拌時間對保水劑吸水倍率的影響

研究發現，在3.25～5.50 h之間，吸水倍率隨保水劑合成攪拌時間的延長而增加，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論[12-14]相同，即在一定時間范圍內，隨攪拌時間的延長，聚合物的分子鏈越長，形成了更多的吸水空間，聚丙烯酸鹽與膨潤土融合也更為充分。

2.2　不同膨潤土用量對吸水倍率的影響

隨著膨潤土用量的增加，所合成的復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論相同[15]?？赡苡捎谂驖櫷恋募尤胗绊懥吮Ｋ畡┑暮铣少|量，合成產品的吸水倍率低于根據保水劑含量計算出的理論吸水率(假設保水劑吸水，膨潤土不吸水)。

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目篩網包裹，橡皮筋包扎，稱質量后置于室溫27 ℃的實驗室進行自然風干，同時取含水量為80%的黏性土壤0.1 g，在相同條件下觀測其釋水速率進行對比(圖5)。 結果發現，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　礦物復合保水劑在土壤中保水效果

2.4.1土壤質量變化研究發現，在初始給水量為250 mL時，由于初始給水量不足，CK1、Ⅰ1和Ⅱ1三者最終質量變化基本一致，但是在整個培養周期中，Ⅰ1和Ⅱ1的蒸發量明顯小于CK1；當試驗進行至20 d左右時，CK2和CK3的重量基本恒定，可見盆栽中水分已經蒸發完畢，而Ⅰ2、Ⅰ3和Ⅱ2、Ⅱ3 盆栽蒸發量仍在增加(圖6)。說明礦物復合保水劑起到了較好的保持水分，緩解蒸發的作用。

2.4.2白菜生長情況研究發現，在白菜生長后9 d時，Ⅱ組盆栽幼苗發芽最早、長勢最好；Ⅰ3未發芽，因初始給水量過大，造成土壤含水率過高，通透性差，不利于種子萌發；CK組盆栽幼苗較Ⅱ組相比長勢略差(圖7)。由此可見，雖然在Ⅰ組盆栽中添加的較多的礦物復合保水劑可以增強土壤持水能力，但是卻抑制了種子萌發，發芽率不及CK組；添加相對少量的Ⅱ組各盆栽種子萌發效果好，且在發芽率和幼苗長勢方面均優于CK組。

在白菜生長后15 d左右時，CK組幼苗與Ⅰ組、Ⅱ組幼苗相比，長勢明顯減弱，CK1枯萎嚴重，CK2次之，CK3中土壤水分尚可維持白菜生長；在白菜生長后18 d時，CK組幼苗已經出現枯萎傾倒現象，與Ⅰ組、Ⅱ組幼苗對比明顯(圖7)，該現象表明未加入礦物復合保水劑的CK組各盆栽因土壤保水效果差導致供水不足，從而使得幼苗枯萎傾倒。

在白菜由18～25 d的生長過程中，CK組白菜已全部干枯，Ⅰ組幼苗長勢良好，Ⅱ組略顯傾倒現象，到生長后25 d時，Ⅱ組幼苗也出現干枯傾倒現象，Ⅰ2盆栽幼苗仍長勢良好。白菜繼續生長至35 d時，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(圖7)。

綜上所述，向土壤中添加保水劑并不是越多越好，添加過量，會造成土壤通透性減弱，不利于種子萌發。在植物根植層添加適量保水劑對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個微型水庫，持續為植物供水。

3　結論

礦物復合保水劑的研發試驗可知，反映時間應控制在4.5 h左右為宜；膨潤土礦物用量則根據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合保水劑吸蒸餾水倍率為300～700 g/g。礦物復合保水劑在室溫下(22 ℃，濕度68%)的水分蒸發速度非常緩慢，30 h時水分減少不足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后，吸水倍率均未受影響，可見試樣抗冷凍能力較強。應用過程中要注意施用量，以免土壤含水量過高造成通透性減弱，反而會對苗木的萌發產生不利影響。

4　發展前景

礦物復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，在其反復吸釋水的過程中還可增加土壤通透性，可用于農林業、沙漠治理等，對干旱半干旱地區水資源高效利用研究及地下水循環研究有極其重要的意義[16-21]。

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