复合高吸水树脂的制备及性能研究

以过硫酸铵为引发剂,以丙烯酸和丙烯酰胺为单体,以高岭土为无机填料,采用反相悬浮法制备高岭土复合淀粉接枝丙烯酰胺—丙烯酸高吸水树脂。探讨了单体质量比、高岭土添加量等因素对产品性能的影响,研究了产品的保水能力,并对产品的结构进行了分析和表征。研究结果表明,该高吸水性树脂具有一定的凝胶强度、流变性,且成本相对较低,可以将其应用到建筑混凝土等材料中,通过树脂的吸水及保水能力从而提高混凝土的保水性,在水土保持边坡防护方面具有很好的应用前景。     

甘薯淀粉接枝共聚高吸水树脂的合成及在种子包衣上的应用研究

以甘薯淀粉为原料,高锰酸钾为引发剂合成高吸水树脂,并研究高吸水树脂作为种子包衣剂对种子发芽率的影响.通过正交试验,探讨了引发剂浓度、催化剂浓度等因素及皂化条件对高吸水树脂吸水率的影响.研究结果表明,接枝共聚的最佳条件是:淀粉1 g,丙烯酰胺7.5 g,糊化水100 mL,催化剂1.54×10-2 mol/L,引发剂1.5×10-3 mol/L.最佳皂化条件为:氢氧化钠用量26 mL/(g单体),100℃水浴,皂化3 h.用制备的高吸水树脂做玉米种子包衣剂,初步试验结果表明可有效提高种子发芽率.     

两种农用高吸水树脂的制备工艺及其土壤保水效果

针对中国目前农用高吸水树脂的研制和应用相对落后的现状，通过自行设计的工艺流程合成了两种淀粉接枝型高吸水树脂(SA和SAM)，利用正交试验设计优化了反应条件。用红外光谱和扫描电镜对接枝共聚物进行了表征，光谱分析证实了接枝共聚物的存在，扫描电镜显示了其多孔网状结构。两种接枝产物在蒸馏水及0.9%氯化钠湿基水溶液中均表现出较高的吸水能力。土壤蒸发试验结果表明，两种吸水树脂能够显著抑制土壤表面的水分蒸发，抑制蒸发作用随着树脂施用量的增加而增强，三元吸水树脂SAM优于二元SA的抑制效果。     

辐照制备两种淀粉基高吸水树脂的性能研究

本文以小麦淀粉和玉米淀粉为原料,在常温常压下,通过60Co γ射线辐照接枝共聚制备淀粉基高吸水树脂(SAP).对制得的两种SAP的吸液性能研究表明:小麦淀粉基SAP对去离子水、自来水和生理盐水的吸液率分别为755g·g-1、249g·g-1和80g·g-1;而玉米淀粉基SAP的对应吸液率则分别为747g·g-1、238g·g-1和84g·g-1.两种高吸水树脂产品的吸液倍率皆随着盐水浓度的增加,先快速下降后逐渐趋于平缓;在去离子水条件下,pH值(4 ～11)和温度变化(4～60℃)对吸液倍率的影响不显著;在高温和加压条件下保水性能良好.     

离子交换树脂及其在农业和环境科学研究中的应用

离子交换树脂在土壤养分有效性与环境检测等方面的研究日趋增多。离子交换树脂种类繁多,如何选用一个恰当的树脂体系是研究工作者首要考虑的问题。本文叙述了:(一)交换树脂在农业及环境研究方面的简史,(二)离子交换树脂的类型及其性质,(三)二种树脂体系在土壤等方面研究中的应用,(四)选择恰当的离子交换树脂体系的重要性与某些原则,以及小珠型离子交换树脂体系的近期研究进展和其定型产品一交换树脂丸球,作为一种通用土壤养分提取剂及环境枪测方面的商业应用价值。     

聚合物/膨润土复合材料的水肥调控特性研究

通过淋溶和蒸发试验研究了聚合物／膨润土复合材料在土壤中的水肥调控性能。结果表明，聚合物／膨润土复合材料具有显著的保水性能，但要在充分吸水的情况下才能充分发挥作用；与不含膨润土的高吸水树脂相比，含0．5倍膨润土(相对于聚合物)的复合材料在土壤中表现出相近的持水能力；复合材料通过减少水分的流失而达到减少养分流失的目的；膨润土复合材料可明显减少钾的流失。     

聚丙烯酸钠农用高吸水树脂的辐射制备与性能测试

本文提出了一种特殊的丙烯酸 (钠 )水溶液辐射聚合方法制备高吸水树脂 :丙烯酸水溶液与有机溶剂形成稳定的O W乳化体系 ,将该乳化体系按常规方式进行辐射聚合。小试结果表明 ,该聚合方式具有工艺简单、生产成本低、利于规模化生产等优点 ,克服了单纯水溶液聚合反应热难以排除、干燥十分困难的缺点。在常温常压下 ,该树脂可吸蒸馏水 1 2 0 0ml g,吸自来水 5 60ml g,吸 0 9%NaCl水溶液 1 2 0ml g ;且吸液速度快 ,1min内可达饱和吸水量 ;压力及常温下常压且保水性能优良 ;完全能够满足农业抗旱保水的需要。     

改良荒漠化土壤的多功能高分子复合材料的制备及其应用

荒漠化土壤恢复与改良急需解决的两个关健问题是土壤保水保肥能力的提高和土壤中有植物生长所需的养分。为此,用高分子黏结剂将高吸水树脂和高分子化肥有机地结合起来,制备成多功能高分子复合材料用于沙土的改良。对多功能高分子复合材料的性能测定和应用于沙土种植试验的结果表明:在沙土中施用0.5%的多功能高分子复合材料,可提高沙地土壤的保水能力和土壤肥力,使土壤环境得到改善、种植的植物生产量获得大幅度增加。     

高吸水性树脂包膜尿素的水肥一体化调控效果研究

以不同类型和吸水倍率的高吸水性树脂为包膜材料，以大颗粒尿素和改性矿物包膜尿素为核心肥料，研制出高吸水性树脂单层包膜尿素、高吸水性树脂复式包膜尿素系列产品。通过盆栽玉米试验，在养分淋失和水分胁迫条件下研究了肥料的水肥一体化调控效果。结果表明：在高吸水性树脂与核心肥料配比为6∶100、9∶100时，高吸水性树脂包膜尿素能显著延缓氮素释放速率，减少淋溶损失量，降低耗水量，玉米生物量、水分利用效率和氮肥利用效率较核心肥料均显著提高。高吸水性树脂包膜尿素的水肥一体化调控效果主要与肥料包膜状况、内膜材料的性质、高吸水     

~(60)Co γ射线辐照淀粉接枝丙烯酸制备高吸水树脂

利用60Coγ射线辐照引发淀粉接枝丙烯酸合成高吸水树脂,探讨糊化温度、丙烯酸中和度、辐照剂量、丙烯酸用量和交联剂用量等因素对吸水树脂吸水率的影响。正交试验结果表明,制备树脂较好的工艺条件为:淀粉3g,初始加入蒸馏水21ml,90℃下糊化15min,丙烯酸中和度80%,丙烯酸与淀粉的比例(V/W)为3:1,0.9%的N,N,-亚甲基双丙烯酰胺0.5ml,辐照处理3kGy,真空干燥温度60℃。在上述条件下制备的树脂可吸蒸馏水766ml/g,吸自来水278ml/g,吸0.9%NaCl水溶液64ml/g。     

保水包膜尿素肥料理化特征

保水肥料是缓/控释肥料剂一个新的发展方向。本文中作者对研发的一种保水缓释包膜尿素肥料的包膜物理化学特征,养分缓释机制进行了研究。电镜观察显示,保水材料包膜上存在网状孔隙,膜厚度0.12mm~0.30mm,是水分贮存的物理空间。红外光谱分析表明,保水材料与尿素表面存在着氢键作用,这种氢键作用使保水包膜材料对尿素有一定吸附作用,这是保水包膜尿素具有养分缓释的一种机制。吸水倍率测定表明,保水包膜材料吸水倍率在70倍以上,吸水达饱和的时间为1.4小时,在盐水中还有一定的吸水倍率,pH为6.87。因此,保水包膜尿素肥料是水肥复合一体化的缓释肥料。     

吸水树脂用作土壤持水保墒剂的试验研究

传统高吸水性树脂的耐盐性较差,在实际应用中(尤其在农业应用中)往往造成实际吸水倍率远小于试验室中测定结果的状况.采用新型木质素磺酸钙接枝丙烯酸/丙烯酰胺吸水树脂进行土壤性能试验,木质素磺酸钙含有大量亲水性基团,如磺酸基,羧基等,同时木质素磺酸钙价格低廉.将丙烯酸接枝到木质素磺酸钙既提高吸水倍率,又可降低吸水树脂的成本.试验结果表明,该新型吸水树脂吸自来水倍率230 g/g,与传统吸水树脂相比,在保水时间上延长了10 d,保水量提高50%,土壤的渗透性得到明显增加,并且具有反复吸水的功能,同时具有良好的膨胀性,能减少蒸发,特别是对增加土壤有效持水,提高地温、提高土壤渗透性有明显作用.     

连续失水-复水中不同粒径保水剂对土壤结构和水分特性的影响

为明确土壤干湿交替环境下保水剂与土壤颗粒之间的作用方式及保水剂对土壤结构和水分有效性的影响。通过土柱模拟试验,研究连续失水—复水条件下,不同粒径(0.85,0.6～0.85,0.30～0.45 mm)保水剂对土壤水分特性、土壤团聚体分布和结构稳定性的作用,以及保水剂—土壤混合体价键结构的微观变化特征。结果表明:第1次(T1)和第2次(T2)失水取样阶段,除T2阶段的最小粒径处理外,其余各粒径保水剂促使土壤相对含水量较对照显著增加72.9%以上(P0.05)。保水剂粒径大小和土壤水分状况均会影响保水剂对土壤供水能力的作用效果,粒径最小的保水剂改变土壤持续吸水和供水的能力较差,促进土壤水稳性大团聚体组成和团聚结构稳定的性能最优。在连续的干湿交替影响下,保水剂与土壤的作用加剧,壤土中的Si-O-Si键、-OH、蒙脱石和石英等矿物胶体会进入到保水剂网状结构中,反应的剧烈程度会影响土壤水稳性大团聚体的形成和稳定性。初步分析认为,随着反复失水—复水进程,更多黏粒矿物对保水剂分子结构的破坏,是减弱保水剂吸持水性能的主要因素之一。     

不同肥料对高吸水性树脂吸水倍率的影响及养分吸持研究

通过对高吸水性树脂在不同肥料溶液中吸水倍率和肥料养分吸持量的测定,研究了不同吸水倍率的聚丙烯酰胺型、聚丙烯酸盐型、淀粉接枝型高吸水性树脂与氮、磷、钾肥料的相互影响。结果表明:化学肥料能显著降低高吸水性树脂的吸水倍率,并随肥料浓度的增加,高吸水性树脂吸水倍率显著降低。但不同肥料品种对高吸水性树脂吸水倍率的影响程度不同:供试肥料对高吸水性树脂的影响程度依过磷酸钙、磷酸一铵、硫酸钾、氯化铵、硫酸铵、氯化钾、尿素顺序递减。高吸水性树脂在水中溶胀时,在吸收大量水的同时,也吸持溶解在水中的肥料分子或离子,吸持量的大小因高吸水性树脂和肥料种类而不同。肥料浓度达到一定值后,随着高吸水性树脂吸水倍率的降低,吸持量也随之降低。聚丙烯酰胺型和聚丙烯酸盐型的高吸水性树脂在肥料溶液中的稳定性较淀粉接枝型要强。     

不同材质保水剂对玉米生长综合效率的DEA模型分析

为进一步促进保水剂在干旱区农业生产和生态修复中的合理应用,利用数据包络分析(Data Envelopment Analysis,DEA)模型评价不同材质保水剂施用在干旱区荒漠土壤时对生物生长促进的综合效率,从而确定在该环境中最具效率的保水剂品种。本研究选取AA-AH,KCE和PAA3种保水剂,首先测试了3种保水剂在模拟当地自然环境基本特征条件下的基本特性,其次将它们应用于室内玉米盆栽种植试验,最后在上述试验结果的基础上使用DEA模型分析了3种不同保水剂在荒漠土壤中对生物生长的促进作用,结果表明:(1)PAA的耐盐性能较好,而AA-AH的环境持久性最好,AA-HA保水剂的施用对土壤的副作用最小;(2)3种保水剂都有显著提高玉米出苗率和土壤持水能力,其中AA-HA对增加土壤持水性能的效果最好,PAA促进玉米株高的效果最好,保水剂浓度的增加并不能显著改善土壤持水性能,但不同保水剂功效在同等浓度下表现也不同,如KCE在20g/m~2浓度下增加玉米地面生物量的效果最好,而AA-AH则在40g/m~2下表现最佳。综合评价表明3种保水剂在0.6g浓度时玉米生长的综合效率都达到DEA有效值,当浓度增加到1.2g时玉米生长的综合效率均下降,降幅为:PAAKCEAA-HA,说明AA-HA在低浓度使用量下在荒漠土壤环境中使用时效率最佳的。综上所述保水剂在干旱荒漠地区的农业生产和荒漠生态修复方面有很好的应用前景。面对品种繁多的保水剂产品,DEA模型可以用来分析评价最适合当地应用环境的品种,本研究为提高保水剂对植物生长综合效率及合理选用保水剂提供了理论方法。     

应用保水剂对黄绵土水分特征的影响研究

为了探求保水剂在黄绵土中的作用规律,选取了三种国内外不同的保水剂,利用离心机法测定了不同浓度保水剂作用下黄绵土水分特征曲线。从保水剂种类、浓度对土壤含水量的影响、不同保水剂对土壤吸释水及效率的影响、保水剂品种比选等方面系统进行了研究。结果表明:（1）浓度对黄绵土土壤饱和含水率的影响显著,且0.75%是明显的分界线。（2）土壤含水量随保水剂浓度增加而增大,随着土壤水吸力的增大而减小,且这种改变作用在低吸力段（0.01～0.8MPa）明显高于高吸力段（0.8～1.5MPa）,在0.01～0.05MPa之间尤其显著。（3）保水剂在黄绵土中的应用效果来看,钾-聚丙烯酸酯-聚丙烯酰胺共聚物类保水剂最好,其次是聚丙烯酸盐类保水剂,再次是丙烯酰胺与丙烯酸钾共聚物类保水剂,主要表现在提高土壤有效水分吸收效率和吸收数量两个方面。     

保水剂在尿素和阳离子溶液中的吸水性能及养分吸附特征

【目的】电解质种类和浓度影响保水剂的吸水性能。探明保水剂与尿素、不同价态阳离子间的相互作用,对于正确使用和开发水肥调控性能优越的缓释材料具有重要意义。【方法】试验选用聚丙烯酰胺–丙烯酸盐型保水剂[P(AA-AM)]和聚丙烯酸盐型保水剂 (PAA)。以分析纯盐酸盐和尿素分别配置了浓度1～256 mmol/L的尿素、NH₄+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Fe3+、Al3+溶液。称取保水剂0.3000 g于75 μm尼龙袋中,分别置于以上各系列溶液和去离子水300 mL中,静置12 h。取出保水剂袋,沥水30 min,以差减法测定保水剂吸水倍率和对溶质的吸附量。【结果】在溶质浓度从1 mmol/L增加到256 mmol/L时,尿素溶液中保水剂的吸水倍率没有显著下降,而各阳离子溶液中保水剂的吸水倍率显著下降,保水剂的相对吸水倍率与尿素、各种离子浓度之间呈显著幂函数的减函数关系,最终下降幅度由小到大依次为尿素、一价阳离子、二价阳离子、三价阳离子。保水剂对溶液中尿素和各种阳离子的吸附量随溶液浓度的增加而增加,P(AA-AM) 的最大吸附量:尿素64.66 mmol/g、Na+ 45.24 mmol/g、K+ 34.26 mmol/g、NH₄+ 32.63 mmol/g、Mg2+ 30.09 mmol/g、Ca2+ 23.96 mmol/g、Fe3+ 8.07 mmol/g、Al3+ 12.74 mmol/g。保水剂对尿素和一、二价阳离子的吸附特征可用Freundlich等温吸附模型表征,对三价阳离子的吸附特征可用Langmuir等温吸附模型表征。尿素和二、三价阳离子对P (AA-AM) 吸水倍率的影响均小于其对PAA的影响（P < 0.05）,一价阳离子对P (AA-AM) 和PAA影响差异不明显（P > 0.05）。P (AA-AM) 吸附尿素和阳离子的能力要大于 PAA（P＜0.05）。【结论】保水剂对尿素的吸附量远高于阳离子,而尿素浓度基本不影响保水剂的保水性能。三价、二价和一价阳离子可显著降低保水剂的吸水倍率,阳离子浓度与保水剂的吸水倍率之间呈幂函数关系。保水剂对一价阳离子的最大吸附量大于对二价阳离子的吸附量,也远大于对三价阳离子的吸附量。聚丙烯酰胺–丙烯酸盐型保水剂[P(AA-AM)]对溶质的吸附性能大于聚丙烯酸盐型保水剂 (PAA)。因此,把保水剂作为缓释包膜材料包裹尿素比较适宜,但不适宜包裹盐类肥料。     

保水剂对作物生长的不利影响及发生机制

施用保水剂是提高作物抗旱能力的有效措施,但其用量稍多即导致种子发芽率下降、产量减少、根系生长受阻等不利影响。究其原因,既可能是保水剂与作物竞争“土壤水分”、降低土壤“通气性”等间接影响,也可能是保水剂对作物生长的直接抑制作用。农用保水剂中不可避免地残留着丙烯酸、钠等水溶性成分,丙烯酸对动物具有生物毒性,其在正常水分条件下,可以很快降解。但是,如果保水剂在土壤中吸水形成凝胶,就会大大降低丙烯酸的降解速率,可能对作物造成伤害。由于绝大多数研究都是在常规土壤水分条件下进行得到的结果,因此,在干旱条件下安全有效使用保水剂还需从机理和技术两方面开展研究,主要研究内容包括:不同保水剂在干旱条件下的安全阈值研究;聚合物单体成分在干旱条件下的降解特征及其降解产物对动植物的生物毒性;保水剂中有害组分在不同土壤条件下的降解、稀释扩散特征,有害组分对作物生长不同时期不利影响的发生与其降解动态的关系。另外,在应用技术方面,现行“农林保水剂”行业标准对单体残留量尚无限制,还缺乏对安全使用保水剂的指导。在以上研究基础上,今后应筛选单体生物毒性低的聚合物,优化单体合成参数,减少单体残留,以实现保水剂的安全高效使用。     

Effect of super absorbent polymer sodium polyacrylate on the bacterial community and associated chemistry of loessial soil

ABSTRACT

Super absorbent polymers (SAPs) have been applied as soil conditioners to reduce soil water loss, but there are few studies about how SAPs affect structures of soil bacterial community, and these associated chemical residues are uncertain. Treatments under different soil moisture conditions by application of sodium polyacrylate in repacked soil columns were used to investigate their effects on the soil bacterial community structures by Illumina MiSeq sequencing. Alpha diversity analysis showed that adding SAPs had an impact on bacterial diversity. On phylum level, adding SAPs significantly reduced the amount of Actinobacteria (1.9–2.4-fold), Bacteroidetes (1.1–2.1-fold) while increased the amount of Firmicutes (1.9–4.6-fold). At genus level, effects of SAPs on the soil bacterial community structures varied with the soil moisture conditions. Under water deficit, SAPs reduced the soil pH, which promoted the proliferation of Lactobacillus (9.9–29.1-fold), and acid production by these bacteria might further promote the reduction of pH, potentially inhibiting growth of Acidobacteria (1.3–1.8-fold) and Chloroflexi (1.6–2.3-fold). The pyrolysis analysis showed that some substances such as methanesulfonyl chloride, long-chain amides and esters, were only derived from water-saturated soil treated with SAPs, which might subsequently have negative impacts on the environment and associated agriculture.     

Effects of super absorbent polymers on soil microbial properties and Chinese cabbage (Brassica chinensis) growth

Purpose

New water retention materials, super absorbent polymers (SAPs), have shown the potential to improve some soil physicochemical properties and promote growth of some crop species in arid and semi-arid areas. However, the impacts of SAPs on soil microbial properties are unclear. This study was conducted to clarify the effects of two SAPs on soil microbial properties and Chinese cabbage (Brassica chinensis) growth under different water conditions in the greenhouse.

Materials and methods

Experimental conditions included different irrigation conditions and different quantities of SAPs. Chinese cabbage was harvested after 1-month growth in the greenhouse. Meanwhile, soil samples were collected and sieved (<2-mm mesh). Some of the soils were kept at ?4 °C for analysis of soil physicochemical properties, and some at ?20 °C for analysis of soil microbial properties. Chinese cabbage samples were thoroughly washed with deionized water for the measurement of fresh weight, shoot length, and root length.

Results and discussion

The effects from SAPs were not obvious under water sufficient (WC1, watered every 2 days, and WC2, watered every 4 days) since plant properties were smaller in some SAP treatments than those in control. However, under water deficit (WC3, watered every 8 days), there were significant differences in plant shoot length and fresh weight between SAP treatments. There were also significant differences in relative soil water content between water condition (WC) or SAP treatments. The SAPs were beneficial for the formation of large aggregates. Under WC3, the soil organic matter (SOM) increased by 16.9 and 11.5 %, soil microbial biomass C (SMBC) by 32.5 and 19.3 %, and soil microbial respiration (SMR) by 52.1 and 37.2 % with Jaguar C (JC) and Jaguar S (JS), respectively. Under WC1 and WC2, significantly higher copy numbers of AOA in bulk treatment of JC were found compared with control treatment in this study. Under water deficit, the abundance of bacteria was significantly increased by application of SAPs. For almost every property of soil and plant, JC was showing better effects than JS.

Conclusions

Our results showed that cabbage growth was restricted under water-deficit conditions and the application of SAPs could conserve soil water and be useful for increasing cabbage growth under water deficit, improving SOM, SMBC, and SMR under different WC, and stimulating amoA gene AOA copy numbers and bacterial gene copy numbers. Thus, there should be no adverse effects of SAP application on soil microbial environment and Chinese cabbage growth.