用于生態修復工程的保水材料性能對比研究

孔德剛

(中鐵科學研究院有限公司,成都 611731)

隨著我國“西部大開發戰略”和“一帶一路”發展戰略的實施，西部地區逐漸成為道路等基礎設施建設的主戰場，在帶動當地經濟發展的同時也對沿線生態環境造成一定影響，形成大量裸露的地表，若不及時修復，將會加劇地表沙化使生態環境更加惡化。目前，我國在道路沿線植被恢復研究方面，主要集中于人工建植技術的選取[1-3]，植物組合優選[4-6]和景觀設計等[7-9]，而對于建植和養護過程中保水措施研究較少，這不僅增加了養護成本，還造成大量的水資源浪費，尤其在西北干旱、半干旱地區進行人工植被建植時，如不采取相應的保水措施，還會造成植被建植困難、存活率低等問題。目前應用較為普遍的保水材料為各種類型保水劑。保水劑(SAP)是一種人工合成的高分子化合物，可以吸持是自身質量數百倍的水分[10-11]，而超吸水纖維(SAF)是一種吸水能力特別強的功能性高分子新型材料，無毒無害，能夠反復吸水、釋水[12]。目前關于保水材料的研究大多限于同類產品間的對比研究，對于不同類型保水材料之間的對比相對較少。因此，本研究選取保水劑和超吸水纖維兩種不同的保水材料，對其在不同條件下的吸水、保水性能進行對比分析，其結果可對干旱、半干旱區建植中保水材料的選用進行理論指導。

1 研究材料與方法

1.1 材料和儀器

保水劑：是高吸水性樹脂，它是一種吸水能力特別強的功能高分子材料，本研究選用任丘市輝達化工有限公司生產的農業抗旱保水劑；超吸水纖維：是一種吸液量大，吸液速度很快的新型纖維。可吸水、尿液、體液、血液等液體。它吸收液體不同于普通纖維的物理吸附，而是通過化學吸收原理吸水液體后，自身產生膨脹，而將液體封存于纖維內，并難以擠壓出來，本研究選用南通江潮纖維制品有限公司生產的超吸水纖維。

土壤水分測試儀：浙江托普儀器有限公司生產的土壤水分測試儀(TZS-3X-土壤水分測試儀)。

1.2 測試方法1.2.1 溶液中保水材料吸水倍率測定方法

對保水劑和SAF的吸水性能進行測試，分別稱取干燥狀態下保水材料，記為W1；將試樣分別放入去離子水、不同pH溶液和不同濃度電解質濃度溶液中充分浸泡12 h后取出，自然懸掛30 min，以此稱重記為W2，每個處理均重復3次，取平均值。樣品吸水倍率n計算公式如下

n=(W2-W1)/W1

(1)

1.2.2 土壤中保水性能測試

將SAF平鋪于六棱磚土壤中，土壤為選自廢棄地的表層土，并進行風干，SAF平鋪深度為8 cm；稱取與SAF相同質量的SAP，并均勻鋪設于六棱磚土壤中，深度與SAF相同；將相同質量的土壤加入至六棱磚中，進行空白對照試驗。此試驗均在室外進行測定，在六棱磚中分別加入相同量的蒸餾水，并利用土壤水分測試儀對土壤中0～8 cm范圍內平均含水率進行連續測定，于每天下午17：00進行測定，時間為2016-08-05～2016-08-10，共計6 d時間。

1.3 數據處理

數據分析采用IBM SPSS Statistics 19和Excel 2007進行單因素方差分析、相關性分析和圖表制圖處理等。

2 結果與分析

2.1 浸泡時間對吸水倍率的影響(圖1)

SAF和SAP的吸水倍率均隨著浸泡時間的增加呈逐漸升高的變化趨勢，且均成對數關系，相關性R2均大于0.8，相關性較強。當浸泡時間為1 min時，SAF和SAP的吸水倍率分別為111.87 g·g-1和22.45 g·g-1，SAF的吸水倍率為SAP的4.98倍；當浸泡時間為15～20 min時， SAF吸水倍率的基本達到最大值約為150 g·g-1，其后隨著浸泡時間的增長，SAF的吸水倍率基本穩定在同一水平。當SAP浸泡60 min時，其吸水倍率達到190.65 g·g-1，為第1 min時吸水倍率的8.5倍，當浸泡時間達到180 min時，吸水倍率基本趨于飽和達到233.29 g·g-1，之后SAP吸水倍率基本趨于穩定。

圖1 浸泡時間對保水材料吸水倍率的影響

從整體來看，SAP的飽和吸水倍率約為SAF飽和吸水倍率的1.5倍，但前期SAF的吸水倍率要明顯高于SAP吸水倍率，在1 min時，SAF的吸水倍率為SAP的5.85倍，達到111.87 g·g-1；SAF達到飽和吸水倍率所需的時間要明顯小于SAP所需時間，表明在相同浸泡時間內，SAF對水分的吸收效率要明顯高于SAP，其原因主要是由于超吸水纖維含有—OH、—COONa、—SO3Na等多種親水基團，而親水基團越多，其吸水能力越強，吸水速率越快[13-14]。

2.2 溶液酸堿度對保水材料吸水倍率的影響

本試驗中溶液的pH值通過添加HCl和NaOH來實現。試驗結果表明：隨溶液pH值的增大，SAF和SAP的吸水倍率均呈現先升高后下降的變化趨勢，吸水倍率與pH值之間均成多項式關系，且相關系數較高(圖2)。SAF和SAP在pH為6～8均能保持較好的吸水性能，吸水倍率均處于較高水平，且在pH=7時均達到最高值。當pH<5時或pH>9時，SAF和SAP的吸水倍率均呈明顯下降趨勢，當溶液pH=3時，SAF和SAP的吸水倍率分別為46.85 g·g-1和68.92 g·g-1，當pH=11時，吸水倍率則分別為98.87 g·g-1和123.57 g·g-1，表明SAF和SAP的吸水倍率受pH值影響程度較高，且在酸性溶液中表現出更強的敏感度，吸水倍率更低。分析其原因是在強酸性條件下，SAF和SAP中親水基團上陽離子被H+所替代，導致高分子網格內離子濃度下降，使得高分子網格內外滲透壓下降[15]，從而導致SAF和SAP吸水倍率下降，而在堿性溶液中則不會出現離子互換作用[16]，因此在酸性條件下SAF和SAP的吸水倍率均比在堿性條件下低。

圖2 溶液PH對保水材料吸水倍率的影響

2.3 電解質溶液對保水材料吸水倍率的影響

由圖3可知，SAF和SAP的吸水倍率均隨NaCl濃度的增加呈現逐漸下降的變化趨勢，且SAP吸水倍率下降趨勢明顯高于SAF吸水倍率的下降趨勢。在NaCl溶液濃度大于1.5%時，SAF的吸水倍率要高于SAP的吸水倍率，如在濃度為3%時，SAF和SAP的吸水倍率分別為32.69 g·g-1和20.63 g·g-1。SAF和SAP的吸水倍率均與NaCl溶液濃度之間成負指數關系，SAF：yS=119.2e-0.33x，R2=0.716；SAPyB=165.0e-0.77x，R2=0.911。說明當NaCl溶液濃度超過1%后，SAF和SAP的吸水倍率均表現出明顯的下降趨勢。分析其原因，可用Flory離子網絡理論得到解釋[12，17-18]，SAF和SAP的吸水能力主要是由高分子網格內親水基團和溶液中Na+被束縛在高分子網格內，在網格內外中形成一種滲透壓進行吸水，而隨著溶液Na+濃度的增加，滲透壓減少，SAF和SAP的吸水能力也逐漸降低。

圖3 NaCl溶液對保水材料吸水倍率的影響

2.4 保水材料在土壤中保水性能研究

LS、LB和LK中的土壤含水量均隨時間的推移呈現逐漸下降的變化趨勢，且均成對數關系，相關系數均達到0.9以上(圖4)。在前期(1～3 d)3種不同措施中的土壤含水量下降趨勢均比較快，而在后期(4～6 d)土壤含水量下降趨勢逐漸趨于平緩。第1 d，在分別加入等量的水后，LS、LB和LK中的初始土壤含水量均不相同，其中LS中土壤含水量最高為65.12%，其次是LB中，含水量為55.66%，而LK中土壤含水量僅為45.44%，且差異性顯著，P<0.05。表明LS和LB措施均能對過境水分起到有效的截留作用，但LS措施的截留效果要優于LB措施。從整體來看，在同一時刻中，不同措施中的土壤含水量排序均為：LS>LB>LK，如在第6 d LS、LB和LK中的土壤含水量分別為25.07%、15.19%和12.2%，且差異性明顯，表明LS措施的保水性能要優于LB措施，對植物的水分需求起到一定的保障作用。

總體來說，LS措施吸水性能和保水性能要優于LB措施，分析其原因是在LS措施中，SAF土壤中成面狀鋪設，在自然條件下，當水下滲至纖維層時，超吸水纖維能夠對雨水產生截留，使水分被超吸水纖維充分吸收，且當超吸水纖維吸收至飽和狀態下，也能對下滲的雨水產生阻擋，使其緩慢下滲，被土壤充分吸收。有研究表明，超吸水纖維的耐壓保水率較高，保水性能優良，而SAP的吸水速率主要受SAP的外形、顆粒大小和表面結構等因素影響[19-20]。本研究所采用的SAP為顆粒狀，在未吸水狀態下其粒徑較小，對下滲的雨水的截留效果有限，對水分的吸收率較低，因此相比于LS措施，LB措施的保水效果較差。

注：LS為六棱磚+土壤+SAF；LB為六棱磚+土+SAP；LK為六棱磚+土壤圖4 不同保水措施對土壤含水量的變化

3 結論

(1)SAF和SAP的飽和吸水倍率分別為150 g·g-1和233 g·g-1，其達到飽和吸水倍率所需的時間分別為15～20 min和180 min；在吸至飽和吸水倍率前，SAF的吸水效率要遠高于SAP。

(2)在同一pH值條件下，SAP的吸水倍率均大于SAF的吸水倍率；SAF和SAP的吸水倍率均隨pH值的增加呈倒“Λ”型變化趨勢，在中性條件下可達到最高吸水倍率。

(3)隨著NaCl溶液濃度增加，SAF和SAP的吸水倍率均呈逐漸降低的變化趨勢，而在NaCl溶液濃度高于1.5%中，SAF的吸水倍率要高于SAP的吸水倍率。

(4)在室外試驗中，SAF對入滲水的截留效果和保水性能均優于SAP，建議在實際建植應用中優先選用SAF作為保水材料，尤其是在邊坡等不利于水分存儲區，有利于建植植被的恢復。