保水剂吸水、保肥性能研究

保水剂吸水、保肥性能研究

20世纪初，保水剂是一种具有强大吸水能力的高科技材料。它可以吸收数百倍或数千倍的水分。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。作为一类新型功能性材料,广泛应用于农业、医疗卫生、土建和食品行业。农用保水剂以其高度溶胀能力,对土壤结构的改良和对水肥的保持作用,在国内外逐渐得到广泛应用。现代高分子化学研究认为,保水剂大多是高分子电解质,其溶胀力和吸水倍率受溶液中盐类的影响。当聚合物在浓盐溶液(如给聚合物加载养分)中水合时,与它们在无盐溶液中的水合相比,其膨胀能力降低。虽然保水剂施用于土壤,土壤溶液中盐分对保水剂溶胀力和吸水倍率的影响有别于单一的纯盐溶液,但这种影响依然存在,只是程度不同而已。尽管保水剂在盐溶液中吸水能力降低,但保水剂在大量吸水的同时,由于具有高分子网状结构,具有大量亲水性基团,进入网状结构内部的分子或离子可以以交换吸附、电荷激活、配位、氢键和聚合物大分子“包裹”等形式而吸持下来,在凝胶性能和外界条件变化时又能缓慢地释放出来。如果这种盐分是营养性盐分,这种吸持作用就会对土壤或肥料养分起到一定的缓释作用。目前,有关保水剂吸水能力方面的研究多集中于对去离子水、生理盐水、人工尿等方面的研究,而对于不同浓度的盐类对保水剂吸水能力的影响研究较少。而在节水农业方面,如何根据土壤、肥料特性,选择适宜的保水剂和肥料种类,减少盐分(肥料)对保水剂的影响更是鲜见报道。本文主要研究常见的磷、钾肥料品种对保水剂吸水、保肥性能的影响,旨在为保水剂正确使用和进一步开发高吸水、高保水、耐盐性强、缓释好、寿命长、成本低的新型保水剂提供理论依据。1材料和方法1.1试验材料供试保水剂的性质见表1。供试试剂有磷酸一铵、过磷酸钙、氯化钾和硫酸钾等,除过磷酸钙为农用肥料外,其他均为分析纯试剂。1.2测量1.2.1尼龙袋的吸水性能吸水倍率测定采用茶袋法:称取保水剂0.2000g,放入约12cm×15cm的0.074mm的已知质量的尼龙袋中,用封口机把袋口封住,25℃下,放入200mL去离子水中静置12h。让保水剂充分吸水后吊起尼龙袋30min,沥尽水分,称重,并收集滤液,计算吸水倍率。吸水倍率=(W3-W1-W2)/W2W1-干尼龙袋的质量;W2-保水剂的质量;W3-吸水后凝胶与尼龙袋的总质量相对吸水倍率=(吸水倍率/保水剂在去离子水中的吸水倍率)×100%1.2.2保水剂的吸水特性测定以同体积的一定浓度系列的肥料溶液代替去离子水按1.2.1的方法在同样条件下进行测定,收集滤液,计算保水剂在不同肥料溶液中的吸水倍率,并测定滤液中的磷、钾含量,用差减法计算保水剂对磷、钾的吸持量。滤液中的磷用钒钼黄比色法测定;钾用火焰光度法测定。2磷酸一铵浓度对结果的影响预备试验中磷酸一铵在其浓度为1.6%～2.4%时,3种保水剂的吸水倍率均下降到一个比较稳定的值,所以在选择磷酸一铵浓度时最大的只设置到2.0%,浓度分别为0、0.2%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0%;由于过磷酸钙中的杂质比较多,在其浓度为0.8%、1.0%、1.2%时,3种保水剂的吸水倍率值基本无变化,故将过磷酸钙的浓度梯度设置为0、0.05%、0.1%、0.2%、0.4%和0.8%。2.1磷酸一铵对保水剂相对吸水倍率的影响磷酸一铵虽为复合肥,但其主要成分为磷素,常作为制造复合肥时的磷肥原料,故在此和过磷酸钙一起讨论。PRKM、DM、KH在磷酸一铵溶液中的相对吸水倍率以及对磷的吸持见表2。可以看出,磷酸一铵对3种保水剂相对吸水倍率的影响和氮肥不同。在肥料浓度仅为0.2%时,3种保水剂的相对吸水倍率下降到35.34%～37.54%,之后,随着肥料浓度的增加,相对吸水倍率逐渐降低。在肥料浓度为2.0%时,3种保水剂的相对吸水倍率下降到12.72%～15.68%。相对吸水倍率与肥料溶液浓度之间的相关关系可用幂函数表示如下:PRKMy=2.249x-0.4437R2=0.9771DMy=3.379x-0.3862R2=0.9971KHy=3.277x-0.3881R2=0.9986磷酸一铵对3种保水剂相对吸水倍率的影响均达到极显著水平。虽然不同浓度下3种保水剂的相对吸水倍率差异并不一致,总体来看,磷酸一铵对保水剂吸水倍率影响顺序是一致的,最大的是PRKM,其次是KH,影响最小的是DM。由于磷酸一铵溶液中既有PO43-,又有NH4+,所以保水剂在大量吸水的同时也吸持PO43-和NH4+,但是吸持PO43-和NH4+规律也不相同,随着磷酸一铵浓度的增大,3种保水剂吸持N素的量随之增大,而吸持P素的量总是先增大后减小,并且试验所用的3种保水剂在吸持P素最大量的点都是磷酸一铵溶液浓度1.2%,PRKM、DM和KH在此浓度下吸持P素(以P2O5计)分别达到656.78mg/g、578.13mg/g和543.82mg/g(表2),比PRKM、DM和KH在2.0%磷酸一铵溶液时的最小吸持量分别增加了736.24%、1238.26%和613.49%。过磷酸钙中一般副成分比较多,因而对保水剂吸水倍率的影响更显著。表3表明,低浓度的过磷酸钙溶液可使保水剂的吸水倍率发生很大的变化,过磷酸钙浓度仅为0.05%时,保水剂PRKM、DM和KH的相对吸水倍率分别为54.86%、54.70%和57.45%,但是到浓度为0.80%时,PRKM、DM和KH的相对吸水倍率分别降为9.68%、13.04%和4.55%,降幅分别为466.74%、319.48%和1162.64%,其中尤以KH变化最为剧烈。相对吸水倍率与肥料溶液浓度之间的相关关系可用幂函数表示如下:PRKMy=0.609x-0.5854R2=0.9805DMy=1.049x-0.5159R2=0.9925KHy=0.037x-0.9825R2=0.9850和保水剂在磷酸一铵溶液中对P素(以P2O5计)的吸持类似,PRKM、DM和KH对P素的吸持随着过磷酸钙溶液浓度的增大,其变化趋势是先增大后减小,均在0.20%浓度下对P素有最大的吸持量,分别为13.05、14.59和13.71mg/g。对PRKM、DM和KH这3种保水剂来说,试验浓度范围内,保水剂对P素的吸持量和吸持率均很小,相同过磷酸钙浓度下,DM相对吸水倍率下降幅度最小,PRKM次之,KH下降幅度最大,但是对P素的吸持则是PRKM的变化最小。2.2保水剂和prkm、dm和kh对氯化钾的吸水倍率和吸持效果,其符合以下情况预备试验中氯化钾和硫酸钾在其浓度为5.0%、10.0%和15.0%时,3种保水剂的吸水倍率均下降到一个比较稳定的值,所以在选择氯化钾和硫酸钾浓度时最大的只设置到10.0%,浓度分别为0、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、5.0%和10.0%。钾肥对保水剂吸水倍率以及保肥性能的影响均比较大,氯化钾和硫酸钾在很小的浓度都使试验中的3种保水剂吸水倍率下降很多。对于氯化钾来说影响最大的是KH,其次是PRKM,影响最小的是DM,在氯化钾浓度为0.5%时,KH、PRKM和DM的相对吸水倍率分别是23.76%、23.58%和24.65%,差别不大。但是在氯化钾浓度为10.0%时,DM的相对吸水倍率13.37%比PRKM和KH在此浓度下的相对吸水倍率分别高18.42%和52.45%。而硫酸钾对保水剂吸水倍率影响最大的是KH,其次是DM,最小的是PRKM,但是3者之间的差异不大,且变化趋势和氯化钾类似(表4、表5)。相对吸水倍率与肥料溶液浓度之间的相关关系可用幂函数表示如下:PRKM氯化钾:y=5.943x-0.2475R2=0.9616硫酸钾:y=6.455x-0.2455R2=0.9764DM氯化钾:y=7.822x-0.2133R2=0.9856硫酸钾:y=5.647x-0.2824R2=0.9679KH氯化钾:y=4.363x-0.3186R2=0.9934硫酸钾:y=5.615x-0.2895R2=0.9953虽然钾肥对保水剂吸水倍率影响很大,但是保水剂在钾肥溶液中对钾素的吸持却比较高,保水剂PRKM、DM和KH对氯化钾的吸持(以K2O计)分别从氯化钾溶液浓度0.5%的0.59、0.63和0.56g/g增加到浓度为10.0%时的2.67、2.67和3.08g/g,增幅分别为352.54%、323.81%和450.00%,3种保水剂在氯化钾溶液中均表现出很强的吸持潜能,尤其是KH。而保水剂PRKM、DM和KH对硫酸钾的吸持(以K2O计)分别从硫酸钾溶液浓度0.5%的0.33、0.41和0.52g/g增加到浓度为10.0%时的2.92、1.50和2.08g/g,增幅分别为784.85%、265.85%和300.00%,相对于氯化钾,保水剂PRKM和KH对硫酸钾溶液中的钾素吸持能力增幅更加明显,这可能与阴离子Cl-和SO42-对保水剂的影响有关;阴离子由于离子结构与阳离子不同,对保水剂吸水倍率与阳离子也不同,有关阴离子对保水剂吸水倍率以及对元素吸持能力的影响有待做进一步的研究。3保水剂的稳定和吸收剂根据保水剂的吸水机理,离子型保水剂与水接触后,由于离子型亲水基团的电离,造成树脂结构内外产生渗透压,是保水剂吸水的动力之一。当水溶液中有电解质盐类存在时,就会使水向树脂内部的渗透压降低,结果保水剂吸水能力降低。聚丙烯酸盐型保水剂属离子型保水剂,吸水保水性能好,溶胀速度快,但耐盐性、稳定性较差,寿命短。人们为了提高聚丙烯酸盐型保水剂的耐盐性、稳定性,常向其离子型聚合单体丙烯酸中加入一定比例的非离子型聚合单体丙烯酰胺等,制造聚丙烯酰胺-丙烯酸盐型保水剂,利用非离子型单体对电解质相对不敏感性和不同亲水性基团之间的协同作用来提高保水剂的耐盐性、稳定性。本研究所选用的3种保水剂产品,虽然它们在肥料溶液中的吸水倍率都随肥料溶液浓度的增大而降低,但聚丙烯酰胺-丙烯酸盐型保水剂DM和PRKM的降低幅度明显小于聚丙烯酸盐型保水剂KH。不同肥料溶于水后,由于电解质性质不同,对保水剂吸水能力的影响也不同。磷酸一铵、氯化钾、硫酸钾等在水中即可发生电离作用,电解质离子对保水剂的吸水倍率影响比较大,吸水倍率下降幅度大,随着肥料浓度的增大,