高吸水树脂(保水剂)的研究与应用.docx

高吸水树脂(保水剂)的研究与应用 0 高吸水树脂保水剂的作用机理 通过有效控制废水和城市生活污水的排放，我们可以有效地控制污染，尤其是由农业生产和生活造成的农业面源污染，这是水环境污染的主要来源。 中国在上述农业面源污染的主要形式中,以肥料污染的问题最为突出。中国是全球最大的化肥生产和消费国家,截止到2007年,中国化肥使用达5 107.8万t,其中氮肥2 297.2万t,磷肥773万t,钾肥533.6万t,复合肥1503万t,单位面积的使用量大于400 kg/hm 本文所探讨的高吸水树脂(保水剂)是一种人工合成的具有强吸液能力的化学制剂,其在卫生医疗、工业制造、农业生产等方面均有广泛应用。农用保水剂主要以制剂的溶胀吸液性能、使用寿命和环境效应为主要参考指标,较为常用的是淀粉接枝丙烯酸盐共聚交联物和聚丙烯酰胺类保水剂。早期的农用保水剂主要被用于作物的抗旱节水。随着新型保水剂的研制成功,其用途也越来越广,并向着集抗旱、防污、环保等多目标为一体的综合应用进行发展。聚丙烯酸、聚乙烯酸、乙烯酸、异丁烯无水顺式丁烯二酸、淀粉聚丙烯酸、聚乙烯、纤维素等高分子材料均可作为保水剂的合成材料 高吸水树脂(保水剂)防污技术是一种化学防污技术,是以防治肥料污染来减轻农业面源污染程度为指导思路,以提高水肥利用效率为技术核心,通过其高分子表面电化学作用及结构功能特性,作用于土壤和作物根系,以实现从源头上减少肥料摄入,在应用中促进肥料转化利用,在过程中降低肥料挥发和深层渗漏为目的的防污技术。研究表明,保水剂与肥料通过物理混合(吸附或造粒)、包膜或化学等多种方式结合为材料与功能复合一体化的保水缓/控释肥料可极大地提高肥料的利用效率 本文在介绍保水剂应用于农业面源污染防治作用机理及防污效能的基础上,从保水剂防污作用性能研究,在农业生产上的防污应用和新型农用防污保水剂研制3个方面展开了阐述,围绕保水剂的防污效应进行了重点探讨,最后总结了保水剂防污应用中目前还存在的问题以及未来的研究方向。 1 保水剂污染防治机械及废水处理效率 1.1 保水剂的吸液过程、其 保水剂是一种三维网状的有机高分子聚合物,分子呈高度交联状,其防污机理主要体现在提升水肥利用效率,减少肥料损失,可分为直接防污和间接防污2个方面。直接防污是保水剂分子的成键吸液和溶胀吸液使得水肥溶液首先被存留在了保水剂分子内部,再缓慢释放供给作物;间接防污是保水剂加入土壤中后形成了更多的稳定性团聚体导致土壤结构发生变化,土壤孔隙度(主要是毛管孔隙)增加使得土壤毛管溶液储存能力加大,土壤水肥蓄持能力增强,减少肥料的淋溶损失。 保水剂的直接吸液是由于高分子电解质的离子排斥所引起的分子扩张和网状结构引起阻碍分子的扩张相互作用所产生的结果 在成键吸液进行的同时,保水剂分子电离出的正离子游离于保水剂的网状结构之中,固定在网链上的相邻负离子基团则产生斥力使高分子网络结构扩张,扩张后的网络结构外部被膜结构包裹,而游离的正离子使得保水剂内部结构中的电解质溶液浓度升高,形成与外部水溶液之间的渗透势差,透势差促使外部水分子通过膜结构不断进入高分子内部直至达到浓度平衡,这个过程为保水剂溶胀吸液过程;溶解于水中的养分离子,特别是阴离子态养分,在保水剂进行溶胀吸液的同时会进入到高分子网络结构之中而被固持;此外,溶胀后的保水剂分子还能够将无机离子和养分离子暂时包裹起来,使其随着水分的释放及高分子网络结构的松弛而缓慢释放。 保水剂的间接保水、保肥是由于保水剂分子链上的亲水性基团能够增强易分散微粒间的黏结力,从而使分散的微粒团聚形成水稳性团粒。土壤团粒结构的形成增加了土体中的连通孔隙,尤其是使得土壤毛管孔隙增多,增强了土壤毛管溶液的储存能力,提升了包括无机离子和养分离子在内的土壤溶液有效存储量。 另外,保水剂所营造的根区水肥耦合区域富集了水分和营养元素,改变了作物根系生长发育的形态特征及生理机能,增强了根系吸收水肥性能 1.2 土壤肥力作用 保水剂不仅自身能够反复吸释水肥,阻截水肥深层淋溶,其防污效能也是集物理改善、化学调节、生理调控等多方面作用的综合体现。其防污效能主要表现在以下几个方面:(1)改善土壤物理结构,其分子表面的静电作用力促进了土壤团聚体形成,使毛管孔隙度增加,增强了土壤的水肥蓄持能力,从而减少了水肥的深层渗漏;(2)调节土壤生化特性,其对于土壤根域环境的影响促进了土壤有机质的分解矿化,增强了土壤微生物活性,从而提高了对土壤养分的利用效率;(3)影响土壤温度及蒸发,其分子网络结构内部吸持的水分降低了土壤干湿交替频率和蒸发强度,减少了温室气体排放,降低了肥料的挥发损失;(4)吸持水肥缓慢释放,其弹性交联网络结构对土壤溶液的反复吸持将水肥维持在土壤根系层,持续供给作物生长,在减少肥料用量和施用次数的情况下也能满足作物生长所需,从源