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保水剂的应用现状及发展前景
一、前言


我国是一个水资源较缺乏的国家,人均水资源占有量不足世界的1/4。目前我国45% 的地区年均降水量不足400mm,灌溉农田缺水300多亿m3。干旱与半干旱地区主要分布在西北地区,随着我国战略重点逐步向西部转移,水资源越来越成为国民经济发展的重要制约因素之一,实施高效节水农业是我国农业可持续发展的必由之路。利用土壤保水剂达到节水增产目的是目前节水研究的一种新途径和新方法。保水剂又称土壤保水剂、高吸水剂、保湿剂、高吸水性树脂、高分子吸水剂,是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物,通过改善植物根土界面环境供给植物水分。本文主要对保水剂的发展历史、作用机理、在农业上的应用及其效应进行综述。

1 保水剂的发展历史

高吸水性树脂(英文简称SAP)是具有高吸水特性的功能性高分子材料的统称。它能吸收自身重量几百倍至几千倍的去离子水,数十倍至百倍的含盐水分,而且具有反复吸水功能,吸水后膨胀为水凝胶,可缓慢释放80%~95%的所持水分供作物吸收利用。由于分子结构交联,分子网络所吸水分不能用一般物理方法挤出,故具有很强的保水性。

1969年,美国农业部北部研究中心(NRRC)首先研制出淀粉接枝聚丙烯腈类保水剂,并于70年代中期将其利用于玉米、大豆种子涂层,树苗移栽等方面。随后,美国农业部森林局和一些大学采用Terra sorb(TAB)进行了一系列试验,发现TAB用于地面撒施可节约用水50%~85% ,并在美国、西欧、中东等国家和地区得到广泛应用。1974年,保水剂在美国 Granprocessingco 公司实现了工业化生产。随后日本重金购买了其专利,相继开发了聚丙烯酸盐等一系列高吸水性树脂,成为目前世界上生产和出口保水剂最多的国家。目前世界已有30多个国家在进行着保水剂的研究和应用。

北京赛车 我国对保水剂的开发与应用研究始于80年代初期,“七五”、“八五”期间曾列为国家攻关项目。80年代初,北京化学纤维研究所研制成功SA型保水剂, 中科院兰州化学物理研究所研制成LPA 型保水剂,中科院化学研究所、长春应用化学研究所也分别研制了KH841 型和IAC13 型保水剂,并陆续应用于农林生产领域,但均未进行批量生产。90 年代以来,一批新型的保水剂产品陆续问世。1998年,河北保定市科瀚树脂公司科技人员采用生物实验技术研制成功“科瀚98”系列高效抗旱保水剂;唐山博亚高效抗旱保水剂、“永泰田”保水剂等新型保水剂产品也投入了工业化生产; 陕西杨陵惠中科技开发公司也研制出吸水率达1500倍的保水剂并投入批量生产;吉林工学院化工系与长春市君子兰工业集团吉福公司开发的一种以玉米淀粉为主要原料的有机保水剂,能吸收比植物自身重1000 倍的无离子水;2003年南京工业大学利用高科技新工艺研制成了新一代生物聚合高效吸水材料γ-聚谷氨酸(γ-PGA) ,能吸收比植物自身重1108.4倍的自然水。

在科研部门和生产企业的共同努力下,目前单一保水剂产品的生产技术已经成熟。据统计,“七五”期间在全国20多个省、区、市,60多种作物近6.67万hm2面积上进行试验,“八五”和“九五”期间,已推广到66.67万hm2。水利部曾把使用保水剂列为十大节水灌溉技术之一。

目前作为商品的高吸水性树脂主要是交联的聚丙烯酸盐、丙烯酸共聚物及淀粉-丙烯酸接枝聚合物,一般采用反相悬浮、乳液聚合和淀粉接枝聚合技术生产。

2 的作用机理、性质

2。1 保水剂的作用机理

属于高分子化合物,这种高分子化合物的分子链无限长地连接着,分子之间呈复杂的三维网状结构,使其具有一定的交联度。保水剂吸收和贮存水分就是由于其结构中的三维网络上有许多—COONa、—COOH、—OH等亲水基团,—COONa、—COOH基团遇水发生解离,产生—COO-和Na+、H+等离子,由于高分子链上的—COO-不能向水中扩散,而网络中的Na+离子浓度高于水中的Na+离子浓度,产生了浓度差,使高分子聚合物网络外部的水向网络内部渗透,以达到网络内外Na+浓度的平衡;其次,由于解离后网络上—COO-之间同性离子浓度变大,产生斥力,使网络吸水扩张,同时网络上的亲水基团—COO-、—OH、—CONH2可与H2O形成氢键,当保水剂遇水后可以迅速吸收和贮存较多的水,形成水凝胶。这与传统的吸水材料如海绵、棉花、纸浆等物理吸水机理是不同的。所以保水剂的吸水是由于高分子电解质的解离和离子排斥所引起的分子扩张与网状结构引起阻碍分子扩张相互作用所产生的结果。

从保水剂结构和吸水机理可以看到,当水中出现一定浓度外加电解质时,降低了水中离子与吸水网络的离子浓度差,特别是Ca2+离子在浓度较小时就可与吸水网络上的—COO-结合或与其上的Na+进行离子交换形成难电离物,使网络上的羧基所带负电性大大减少,从而阻止了网络的吸水膨胀,网络吸水动力变小,贮水空间减小,使保水剂吸水率降低。

高分子的聚集态同时具有线性和体型两种结构,由于链与链之间的轻度交联,线性部分可自由伸缩,而体型结构却使之保持一定的强度,不能无限制地伸缩。因此,保水剂在水中只膨胀形成凝胶而不溶解。当凝胶中的水分释放殆尽后,只要分子链未被破坏,其吸水能力仍可恢复。

2。2 保水剂的性质

2.2.1 吸水性

由于分子中含有大量的亲水基团,这些亲水基团遇水离解,使保水剂的吸水能力大、吸水速度快。保水剂能吸收自身重量几十倍、几百倍甚至几千倍的去离子水,其吸水能力与其组成、结构、粒径大小、水中盐离子浓度及pH值有关。保水剂适宜应用的pH值范围一般为5~9,pH值过大或过小都可使其吸水能力下降。保水剂所吸收的水大部分是可被植物利用的自由水。

2.2.2 保水性

由于保水剂的三维网状结构,使所吸水分被固定在网络空间内,吸水后保水剂变为水凝胶,其吸收的水分在自然条件下蒸发速度很慢,而且加压也不易离析。

北京赛车 2.2.3 有效持续性

保水剂具有反复吸水功能,即吸水——释水——干燥——再吸水。据室内测定,保水剂经过多次反复吸水,一般吸水倍数下降50%~70%后而趋于稳定,有的品种甚至失去了吸水功能。保水剂的有效持续性与其本身性质、土质及用量有关。

2.2.4 安全性

保水剂的水溶液呈弱酸性或弱碱性,无剌激性。经大量动物试验和农业试验证明:用于食品、医药卫生等方面的保水剂安全无毒;用于农林业方面的保水剂不会改变土壤的酸碱度。

2.2.5 保温性

保水剂所吸水分分散在保水剂内部,该部分水分可保持部分白天光照产生的热能,从而调节夜间温度,使土壤的昼夜温差减小,有利于植物生长。

2.2.6 保蓄养分性

保水剂表面分子有吸附、离子交换作用,保水剂对K+ NH4+和NO3-有较强的吸附作用,从而降低了其流失量,并且在一定的范围内随着保水剂用量的增加,养分流失量减少。一方面,在土壤中的养分较充分时,它吸附养分,起保蓄作用;另一方面,当植物生长需要土壤供给养分时,保水剂将其吸附的养分通过交换作用供给植物。由此可以看出,通过施用土壤保水剂,使土壤中养分的供给与植物对养分的需求更加同步。

北京赛车 但需注意的是,有些肥料元素会使保水剂失去亲水性,降低保水能力,经试验验证保水剂不能与锌、锰、镁等二价金属元素的肥料混用,可与硼、钼、钾、氮肥混用。

2.2.7 改善土壤结构性

保水剂施入土壤中,随着它吸水膨胀和失水收缩的规律性变化,可使周围土壤由紧实变为疏松,孔隙增大,从而在一定程度上使土壤的通透状况得到改善。黄占斌,张国桢等的试验表明:保水剂对土壤团粒结构的形成有促进作用,特别是可使土壤中0.5~5mm 粒径的团粒结构增加显著。同时,随着土壤保水剂含量的增加,土壤中大于1mm 的大团聚体胶结状态较多,这对稳定土壤结构,改善通透性,防止表土结皮,减少土面蒸发有重要作用。(未完待续-汇诚化工-)

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