丙烯酸-膨润土保水剂的制备及其保水效果研究

李　备， 韩占涛， 张发旺， 张　威， 宋　乐

(1.河北地质大学，河北石家庄 050031； 2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061；3.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林 541004)

我国是一个干旱缺水的国家，在干旱缺水的条件下实现作物高产以及治理沙漠化都需要高效利用当地宝贵的水资源。土壤保水剂作为一种可高效吸持水分，并可为作物提供水分的特殊材料，近20余年来在我国得到了大量推广利用。但是，目前面世的保水剂以有机高分子材料为主，价格较高，并且其在土壤环境中风化较快。进一步研发价格低廉、吸水倍率高、风化慢、一次添加可具有多年保水效果的持久性保水剂，是当前保水剂研究的主要方向[1-3]。将具有一定吸水性能的矿物与有机物单体混合后进行聚合，所合成的复合保水剂具有较强的吸水能力、较快的吸水速度、较高的保水性能、较好的释水性能等优点[4]，但前人研究中获得的复合保水剂性能各异，仍需要进一步总结和优化。

本试验在前人研究基础上，以具有一定层间吸附性能的膨润土与丙烯酸为原料制备矿物复合保水剂，并系统研究了膨润土和丙烯酸的比率、合成时间等对其吸水性能的影响，最终确定出最优的保水剂配方，并验证其在土壤中良好的保水效果。

1　材料与方法

1.1　材料

膨润土，工业级，河北省晋州百信商贸有限公司；丙烯酸，分析纯，天津市百世化工有限公司；氢氧化钠，分析纯，天津市光复科技发展有限公司；N，N-亚甲基双丙烯酰胺，分析纯，天津市百世化工有限公司；过硫酸铵，分析纯，天津市永大化学试剂有限公司。

1.2　试验设备

水浴锅，DK-98-Ⅱ，天津泰斯特仪器有限公司；天平，HZK-FA210型，赛多利斯科学仪器有限公司；精密增力电动搅拌器，JJ-1型，江苏省金坛市鑫鑫实验仪器有限公司；79-1 磁力加热搅拌器，江苏省烟台凯拓电炉科技有限公司；滴定管、移液管、电热鼓风干燥箱，101-1A型，天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3　复合保水剂的制备

称取一定量丙烯酸于烧杯中，然后在冰水浴下边搅拌边缓慢加入浓度为25%的氢氧化钠溶液进行中和，中和完毕稍加搅拌，将反应物移入浸润在温度为65 ℃水浴锅中的4个瓶内，加入一定量的引发剂过硫酸铵，另称取适量膨润土加入，同时加入适量交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺，便开始发生聚合反应，在预订的时间停止合成后，将样品移入培养皿中，放入80 ℃电热鼓风恒温干燥箱中干燥，至变成凝胶状后，剪成一定粒度，继续干燥至恒质量，粉碎备用[5-11](图1)。

1.4　保水剂吸/释水性能测试

1.4.1吸水性能测试称取0.1 g制备好的保水剂加入 250 mL 烧杯中，再加入100 mL去离子水，放在磁力搅拌器上搅拌5 min，搅拌完毕后静置30 min，将保水剂移入已知质量的标准试验筛中，自然过滤20 min，称量试验筛和保水剂的质量。按公式(1)计算保水剂的吸水倍率：

n1=(G3-G2-G1)/G1。

(1)

式中：n1表示保水剂的吸水倍数，g/g；G1表示矿物复合保水剂的质量，g；G2表示试验筛的质量，g；G3表示试验筛和吸水后的保水剂的质量，g。

1.4.2保水剂释水情况测试将吸水后的样品放入小烧杯内，在室温27 ℃、湿度68%条件下自然风干释水，定期称质量后计算释水量。

1.4.3保水剂抗冷冻试验干燥保水剂的抗冷冻性能测定：分别称取0.1 g(精确到0.001 g)保水剂(膨润土加入量为单体质量的150%)样品5份装入自封袋内，放入-20 ℃冰箱内冷冻。分别于0、24、48、72、96 h后取出样品，进行吸水性能测试(图2-a)。含水保水剂的抗冷冻性能测定：分别称取0.1 g(精确到0.001 g)样品2份，吸水饱和后测质量并记录，而后放入 -20 ℃ 冰箱内冷冻。分别于24、48 h后取出，常温下解冻后，置于筛网上称质量(图2-b)。

1.4.4保水剂在土壤中的保水效果测定向9个1 000 mL量杯中各加入800 g细沙，1个样品作为对照样，另外4个样品中加入1.5 g保水剂，4个样品中加入3 g保水剂，所使用的保水剂中膨润土与丙烯酸单体的质量比为 1.5 ∶1.0。各组样品质量分别加入250、500、1 000 mL的去离子水，并植入相同数量的白菜种子，然后放入植物培养箱中培养。培养箱白天光照12 h，温度设定为26 ℃，湿度保持60%；晚上无光照12 h，温度18℃，湿度保持在70%。每2 d观察1次，记录白菜发芽生长情况、样品总质量、体积等，观察时间为41 d。

2　结果与分析

2.1　合成搅拌时间对保水剂吸水倍率的影响

研究发现，在3.25～5.50 h之间，吸水倍率随保水剂合成搅拌时间的延长而增加，在5.50 h之后，吸水倍率曲线明显平缓(图3)。这与前人研究中得出的结论[12-14]相同，即在一定时间范围内，随搅拌时间的延长，聚合物的分子链越长，形成了更多的吸水空间，聚丙烯酸盐与膨润土融合也更为充分。

2.2　不同膨润土用量对吸水倍率的影响

随着膨润土用量的增加，所合成的复合保水剂吸水倍率逐渐减小(图4)，这与前人研究中得出的结论相同[15]。可能由于膨润土的加入影响了保水剂的合成质量，合成产品的吸水倍率低于根据保水剂含量计算出的理论吸水率(假设保水剂吸水，膨润土不吸水)。

2.3　保水剂释水情况分析

称取0.1 g保水剂样品，使其吸水饱和后用200目筛网包裹，橡皮筋包扎，称质量后置于室温27 ℃的实验室进行自然风干，同时取含水量为80%的黏性土壤0.1 g，在相同条件下观测其释水速率进行对比(图5)。 结果发现，保水剂的释水速率明显慢于黏性土壤，充分证明了其保水效果。

2.4　矿物复合保水剂在土壤中保水效果

2.4.1土壤质量变化研究发现，在初始给水量为250 mL时，由于初始给水量不足，CK1、Ⅰ1和Ⅱ1三者最终质量变化基本一致，但是在整个培养周期中，Ⅰ1和Ⅱ1的蒸发量明显小于CK1；当试验进行至20 d左右时，CK2和CK3的重量基本恒定，可见盆栽中水分已经蒸发完毕，而Ⅰ2、Ⅰ3和Ⅱ2、Ⅱ3 盆栽蒸发量仍在增加(图6)。说明矿物复合保水剂起到了较好的保持水分，缓解蒸发的作用。

2.4.2白菜生长情况研究发现，在白菜生长后9 d时，Ⅱ组盆栽幼苗发芽最早、长势最好；Ⅰ3未发芽，因初始给水量过大，造成土壤含水率过高，通透性差，不利于种子萌发；CK组盆栽幼苗较Ⅱ组相比长势略差(图7)。由此可见，虽然在Ⅰ组盆栽中添加的较多的矿物复合保水剂可以增强土壤持水能力，但是却抑制了种子萌发，发芽率不及CK组；添加相对少量的Ⅱ组各盆栽种子萌发效果好，且在发芽率和幼苗长势方面均优于CK组。

在白菜生长后15 d左右时，CK组幼苗与Ⅰ组、Ⅱ组幼苗相比，长势明显减弱，CK1枯萎严重，CK2次之，CK3中土壤水分尚可维持白菜生长；在白菜生长后18 d时，CK组幼苗已经出现枯萎倾倒现象，与Ⅰ组、Ⅱ组幼苗对比明显(图7)，该现象表明未加入矿物复合保水剂的CK组各盆栽因土壤保水效果差导致供水不足，从而使得幼苗枯萎倾倒。

在白菜由18～25 d的生长过程中，CK组白菜已全部干枯，Ⅰ组幼苗长势良好，Ⅱ组略显倾倒现象，到生长后25 d时，Ⅱ组幼苗也出现干枯倾倒现象，Ⅰ2盆栽幼苗仍长势良好。白菜继续生长至35 d时，CK组、Ⅱ组盆栽幼苗由于缺水均已干枯死亡，Ⅰ1、Ⅰ2盆栽幼苗略显枯萎，但混入保水剂的土层仍能为其提供水分使其生长(图7)。

综上所述，向土壤中添加保水剂并不是越多越好，添加过量，会造成土壤通透性减弱，不利于种子萌发。在植物根植层添加适量保水剂对该层土壤有极好的保水保墒的作用，加入的保水剂可以形成1个微型水库，持续为植物供水。

3　结论

矿物复合保水剂的研发试验可知，反映时间应控制在4.5 h左右为宜；膨润土矿物用量则根据保水倍率要求不同而变化。在不同矿物用量条件下制备的矿物复合保水剂吸蒸馏水倍率为300～700 g/g。矿物复合保水剂在室温下(22 ℃，湿度68%)的水分蒸发速度非常缓慢，30 h时水分减少不足14%，且释水曲线斜率逐渐变缓。未吸水和吸水饱和试样在冷冻试验后，吸水倍率均未受影响，可见试样抗冷冻能力较强。应用过程中要注意施用量，以免土壤含水量过高造成通透性减弱，反而会对苗木的萌发产生不利影响。

4　发展前景

矿物复合保水剂具有良好的吸释水性能及保水性能，加入土壤后有利于土壤水分保持，在其反复吸释水的过程中还可增加土壤通透性，可用于农林业、沙漠治理等，对干旱半干旱地区水资源高效利用研究及地下水循环研究有极其重要的意义[16-21]。

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