压力对四种保水剂吸水特性影响的研究

侯 锐，师庆三，师庆东，许紫峻

(1.新疆大学地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；3.新疆绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046)

0 引 言

新疆地处亚欧大陆中部，位于中国西北边陲，远离海洋，受地理环境和干旱半干旱大陆性气候影响，气温变化大，日照时间长，降水少而蒸发量大，属于严重缺水地区，水资源的利用直接影响着新疆的发展[1]。随着水资源的日益匮乏和节水农业的需要，高性能保水剂的研制和应用研究越来越受到国内外专家的重视[2-6]。

保水剂(Super Absorbent Polymer，SAP)是一种高分子材料，其本身并不溶于水，具有吸水性极强的特点[7]。大量研究表明保水剂可以改善土壤结构、提高肥料利用效率、有效抑制土壤中水分的蒸发等效果[8-14]，广泛应用于农业生产和生态保护当中[15-20]。徐婉婷等[1]研究保水剂在不同浓度盐溶液、不同PH溶液和低温情况下对保水剂吸水倍率的影响，李景生等[21]研究保水剂在高温下反复吸水其吸水倍率的变化趋势，李兴[22]等不同溶液对保水剂吸水倍率的影响，王洪君等[23]研究不同保水剂的吸水特性，保水剂吸水特性的研究多集中于去离子水、土壤浸提液、自来水、不同PH值溶液和低温情况下对保水剂吸水特性的影响，但关于保水剂受到土壤等压力对吸水倍率的影响的研究还不多见。

为进一步探明不同保水剂在压力状态下吸水特性的变化趋势和盐溶液对不同保水剂吸水倍率的影响及不同保水剂在空气中的保水性，本文选用国外保水剂 MP3005 KCE(以下简称 KCE)、新疆大学化学工程学院自主研制的 PAA和 AA- AH保水剂以及胜利油田长安集团聚合物有限公司自主生产的 WT保水剂，对比不同压力梯度、0.9% Nacl对四种保水剂吸水特性的影响及其在空气中的保水性，为保水剂在干旱区内开展农业生产提供参考。

1 实验设材料与方法

1.1 实验材料

本研究选出四种保水剂分别过40目标准筛，选取三种保水剂粒径在40目的部分作为实验材料。保水剂的基本情况如表1。

表1 试验保水剂情况

1.2 主要试验方法

1.2.1 保水剂吸水倍率的测试

测量方法[1,24,25]：称取粉状保水剂0.1 g(m1)，将称取的粉状保水剂放入1 L烧杯中，并加入500 mL水，静置4 h后，待树脂充分溶胀，用0.150 mm的筛网滤沥静置20 min后，将未吸附的游离水除去，最后称出质量m的吸水凝胶，按下式计算出高吸水树脂的吸水率Q：

(1)

1.2.2 不同压力下保水剂的吸水速率的测试

先将多孔有机玻璃滤板(d=80 mm,h=12 mm)放置在培养皿(d=160 mm,h=22 mm)中，将一边用尼龙纱布封闭的有机玻璃圆筒(d=60 mm,h=50 mm)放置多孔玻璃滤板上，将称好的保水剂(0.1 g)样品均匀放置在尼龙纱布的表面上，将尼龙圆筒(d=56 mm,h=70 mm，它可以在玻璃圆筒内自由上下滑)压载保水剂，将所需的负载(不同重量的砝码)压力设置为0，100，600，1 200，2 000 g 放置尼龙圆筒内，将0.9%NaCl水溶液或去离子水装到高于多孔有机玻璃滤板的高度。溶胀到一定时间1，5，15，30，60，120，180 min，称溶胀SAP的重量。测试保水剂在不同压力下的吸水速率，试验验装置如图1所示。

图1 加压测试保水剂吸水率装置图

1.2.3 保水剂在空气中的保水性测试

称取相同质量的四种保水剂使其充分吸水后转移至0.150 mm的尼龙网袋中，悬挂于室内，每隔24 h称其质量，同时记录室内的温度和湿度，以不同时间凝胶树脂的质量与初始树脂质量之比作为保水率指标[26]。

1.3 数据处理试验数据采用

Microsoft Office Excel 2007 和 SPSS17.0 进行方差分析，Origin 7.5对数据进行画图处理。

2 实验结果与分析

2.1 试验保水剂在不同溶液中吸水倍率结果分析

干旱区降水与蒸发量严重失调，导致大部分地区土壤盐渍化严重[1]，为考察四种保水剂的耐盐性，选取去离子水和0.9%NaCl溶液对比四种保水剂的变化趋势(结果见图2)，四种保水剂在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率较去离子水中均明显降低，其中在去离子水和0.9%NaCl溶液中四种保水剂的吸水能力均表现为：PAA>WT>AA-AH>KCE,说明PAA保水剂的耐盐性较其他三种保水剂好(P<0.05)。

图2 四种保水剂在不同溶液中的吸水倍率图

2.2 不同压力下四种保水剂的吸水速率结果分析

保水剂在施用过程中受到来自土壤的压力，其吸水倍率可能发生变化，为探究在受压状态下保水剂吸水倍率的变化趋势，选取0、150、650、1 250和2 050 5个压力梯度对AA-HA 、MP3005KCE、PAA和WT 四种保水剂进行测试，记录每种保水剂在不同压力下0、10、20、30、60、120和180 min时刻的吸水倍率(结果见图3、4、5、6)。

由图3可知PAA保水在去离子水和0.9%NaCl溶液中受到压力时吸水倍率均会急速下降且皆有明显界限，在压力为150 g时PAA保水剂吸水倍率迅速下降当压力为650 g后吸水倍率缓慢下降并在120 min时吸水倍率趋于平稳。当压力从0 g增加到2 050 g时，在去离子水中保水剂的吸水倍率下降了81.8%，而在0.9%NaCl水溶液中保水剂的吸水倍率只下降了78.9%。

图3 PAA保水剂在不同压力下的吸水速率

由图4、5、6可知AA-AH、KCE和WT保水剂在去离子水受到压力时吸水倍率均会急速下降，在0.9%NaCl水溶液中三种保水剂吸水倍率下降得比较均匀，而在去离子水中有明显的界限，在压力为150 g时AA-AH、KCE和WT三种保水剂吸水倍率迅速下降当压力为650 g后吸水倍率缓慢下降并在120 min时吸水倍率趋于平稳。当压力从0 g增加到2 050 g时，AA-AH保水剂在去离子水中保水剂的吸水倍率下降了60.5%，而在0.9%NacL水溶液中保水剂的吸水倍率只下降了32.9%，KCE保水剂在去离子水中保水剂的吸水倍率下降了63.2%，而在0.9%NaCl水溶液中保水剂的吸水倍率只下降了35.2%，WT保水剂在去离子水中保水剂的吸水倍率下降了77.3%，而在0.9%NaCl水溶液中保水剂的吸水倍率只下降了53.8%。

图4 AA-AH保水剂在不同压力下的吸水速率

图5 KCE保水剂在不同压力下的吸水速率

图6 WT保水剂在不同压力下的吸水速率

综上所述，AA-HA 、MP3005KCE、PAA和WT 四种保水剂在去离子水和0.9%NacL水溶液中受到压力时其吸水倍率均会下降，且抗压能力均为AA-HA>MP3005KCE>WT>PAA,这是因为当有压力的存在时保水剂的膨胀空间会受阻，进而抑制保水剂吸水能力，从而使保水剂的吸水倍率下降，当压力越大时，其所受到的阻力越大，对其吸水倍率影响就越大，四种保水剂在去离子水中的下降幅度大于0.9%NacL水溶液中。

2.3 不同压力下四种保水剂吸水倍率的对比

四种保水剂进行横向对比，研究在相同的压力下不同保水剂吸水倍率的变化(结果见图7、8)，通过对比发现在去离子水和0.9%NaCl溶液中AA-HA保水剂在不同压力下的吸水倍率较其他三种保水剂好。PAA保水剂在去离子水中和0.9%NaCl 溶液中受压力影响较其他三种保水剂大。在去离子水中PAA保水剂的吸水倍率较其他三种保水剂的吸水倍率低，这是由于PAA保水剂的凝胶强度比较弱在压力下溶胀能力都会受阻影响其吸水倍率。在0.9%NaCl溶液中，当压力为150 g时，其吸水倍率优于KCE和WT保水剂，但当压力增大时其吸水倍率小于MP3005KCE的吸水倍率，但仍然比WT保水剂的效果好。

图7 去离子水的保水剂在不同压力下的吸水倍率

图8 保水剂在0.9%NaCl溶液中不同压力下的吸水倍率

2.4 保水剂在空气中的保水性

将试验保水剂吸水后的凝胶树脂置于0.150 mm的尼龙筛网袋中，在室温下(平均温度为26.2 ℃，平均湿度为24.4%)挂96 h，并且每24 h测定其质量，以不同时间的凝胶质量与其初始凝胶质量之比作为保水率指标。从图9可以看出，PAA保水剂充分吸水后的凝胶在96 h含水率下降了84.45%，而保水剂AA-HA、KCE和WT的凝胶在96 h后含水率分别下降了97.36%、98.41%和99.21%。从保水能力来看PAA>AA-HA>KCE>WT,说明PAA保水剂具有良好的保水能力和缓慢释放水能力。

图9 保水剂在空气中的保水性

3 讨论与结论

3.1 讨 论

(1)保水剂在浓盐溶液和无盐溶液中水合时膨胀能力有所不同，在浓盐溶液中水合时比在无盐溶液中水合时其膨胀能力有所下降[2,3]，这与实验中PAA、MP3005KCE和AA-HA三种保水剂在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率比去离子水中的吸水倍率下降的结果吻合，其中纯丙烯酸聚合物合成的PAA保水剂在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率较其他两种保水剂较好，结合徐婉婷等[1]研究纯丙烯酸聚合物合成的HG-60保水剂在四个梯度NaCl溶液中的吸水倍率较WT和MP3005KCE保水剂好的结论，推测纯丙烯酸聚合物合成的保水剂其耐盐性较好。

(2)四种保水剂在0.9%Nacl溶液中和去离子水中的吸水倍率随着压力的增大而降低，与周柳茵和马蕾等[27,28]研究表明保水剂随着压力增大吸水倍率降低的结论相符，说明压力对保水剂的吸水特性确实有影响且随着压力的增大吸水倍率降低的趋势，四种保水剂在压力下吸水倍率下降的趋势为去离子水中>0.9%NaCl溶液，根据Flory理论[29]，推测是由于四种保水剂当在吸水过程中，其亲水基团与水分子将会起作用使高分子网络进行伸展，网内外的离子浓度差就会在网络结构内外形成渗透压，而水分子会在渗透压的作用下向网络结构中渗透。当内部离子浓度逐步增大时，在聚合物内部与外部溶液之间形成离子浓度差将产生反渗透力，使水溶液进入聚合物的内部，而保水剂在0.9%NaCl溶液吸水中产生的渗透压大于在去离子水中的渗透压，所以呈现出4种保水剂在压力下吸水倍率下降的趋势为去离子水中大于0.9%NaCl溶液的现象。

3.2 结 论

(1)四种保水剂在0.9%NaCl溶液中的吸水能力为：PAA>WT>AA-AH>KCE，说明PAA保水剂的耐盐性较其他3种保水剂好(P<0.05)。

(2)AA-HA 、MP3005KCE、PAA和WT 四种保水剂在去离子水和0.9%NaCl水溶液中受到压力时其吸水倍率均会下降并在120 min左右吸水倍率趋于平稳，在去离子水中的四种保水剂的下降幅度大于0.9%NaCl水溶液中，其中抗压能力均为AA-HA>MP3005KCE>WT>PAA。

(3)四种保水剂的在空气中的保水剂均随着时间的推移而降低，其中保水能力为：PAA>AA-HA>KCE>WT,说明PAA保水剂具有良好的保水能力和缓慢释放水能力。

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