利用玉米秸秆制备土壤保水剂

张艳 杜恬恬 蔡蝶 贾凤

摘 要：以秸秆的资源化利用为目的，制备秸秆农用保水剂。采用水溶液聚合法制备保水剂，并通过单因素实验和正交实验来确定最优的秸秆保水效果，对保水剂的吸盐倍率、吸水倍率、凝胶保水率的参数测定。结果表明：温度为70℃，去离子水的量为160mL，2%亚甲基双丙烯酰胺的用量8mL，过硫酸钾：硫代硫酸钠五水=3∶0（引发剂）与丙烯酸单体比为1%，丙烯酸的中和度为65%，反应时间1h，，干燥时间3d，过筛，1g保水剂测得吸水倍率为279g/g，吸盐倍率为41.2g/g，凝胶保水率为71.34%。

关键词：保水剂；玉米秸秆；保水

中图分类号 S482 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）08-0081-03

我国是农业大国，拥有丰富的农林资源，但秸秆等农林有机废弃物每年产量达到了8亿t以上，其中稻秸就约占27.5%。丰富的秸秆资源在我国的利用率很低[1-5]，大部分秸（壳）在田间地头或场地被焚烧还田，不仅造成了资源的严重浪费，而且带来了非常严重的环境污染和社会经济等问题。目前国内外已开展了一系列研究来探讨和实现秸秆的资源化利用，包括开发饲料、生物质能源（沼气）、生物材料以及直接粉碎还田等[6、7]。但这些利用方式存在着成本高、不稳定、技术不够成熟等问题，在一定程度上限制了秸秆的资源利用。因此，拓展秸秆资源综合利用的途径，探索秸秆低成本、高效和环保利用方式是目前非常重要和急迫的课题。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂 原料：玉米秸秆；试剂：去离子水、氢氧化钠、丙烯酸、过硫酸钾、硫代硫酸钠·五水、亚甲基双丙烯酰胺、氯化钠（溶液均为分析纯）。

1.2 仪器 水浴锅、干燥箱、粉碎机、250mL烧杯、500mL烧杯、100mL烧杯、500mL量筒、250mL量筒、玻璃棒、移液管、移液枪、洗耳球、剪刀。

1.3 保水剂的制备方法 称取12g玉米秸秆放入250mL的烧杯中，加入160mL的去离子水，90℃水浴锅活化30min。降温到70℃加入用丙烯酸中和的氢氧化钠12g，再加入过硫酸钾和硫代硫酸钠·五水，搅拌一分钟后，立即加入2%亚甲基双丙烯酰胺8mL。等待反应结束，放入70℃的水浴锅1h。然后在50℃的干燥箱干燥24h，用剪刀剪碎继续干燥48h，用粉碎机打碎，过筛。收集大小适中均匀的颗粒。利用单因素变量和正交实验确定最优的实验参数。

1.4 保水剂性能检测方法 吸水（盐水）倍率：称取1g产物于500mL的烧杯中，加入500mL的蒸馏水（0.9%氯化钠溶液）静置24h，待产物吸水饱和后，用筛过滤（过筛3min），称凝胶的重量。根据公式计算吸液倍率：吸水（盐水）倍率=（吸水后凝胶重量—吸水前干样品的重量）/吸水前干样品的重量。

凝胶保水率：取一定量的水凝胶，与等量的去离子水（空白对照）同时置于培养皿中，敞口放置于空气中，每隔24h称量一次，直至恒重，即认为保水剂已完全失水，按照以下公式计算水凝胶保水率：第n天的凝胶保水率=第n天水凝胶的质量/水凝胶蒸发前的质量。

2 结果与分析

2.1 引发剂与丙烯酸百分比对吸水倍率的影响 由图1可知，玉米秸秆制备的保水剂的吸水倍率随着引发剂与丙烯酸单体的比增加而减少，当引发剂与丙烯酸单体比为1%时，培养基的吸水倍率达到最大279g/g。

2.2 中和度对吸水倍率的影响 由图2可知，保水剂的吸水倍率一直减小，在中和度为65%～75%减小的幅度较小，在75%～80%的幅度较大，当中和度为65%时，保水剂的吸水倍率最大为220g/g。

2.3 去离子水量对吸水倍率的影响 由图3可知，保水剂的吸水倍率随着去离子水量的增加而逐渐降低，随着去离子水量的继续增加，在去离子水量为160mL的时候，保水剂的吸水倍率达到最大为260g/g，此时，随着去离子水量的继续增加，吸水倍率的体积减小。

2.4 过硫酸钾与硫代硫酸钠·五水的比对保水剂的吸水倍率的影响 由图4可知，随着过硫酸钾与硫代硫酸钠·五水的比值减小，保水剂的吸水倍率先增加后减小，当过硫酸钾与硫代硫酸钠·五水的比值为3∶1时，保水剂的吸水倍率达到最大为240g/g。随着比值的减小，保水剂的吸水倍率开始降低。过硫酸钾与硫代硫酸钠·五水是本实验过程中的引发剂。

2.6 正交实验结果 由表1可知，各因子对保水剂吸水倍率的影响大小，影响顺序依次是中和度、去离子水、过硫酸钾：硫代硫酸钠·五水、交联剂。正交实验做了4因素3水平的实验，其中：去离子水为（A），水平变量为140mL、160mL、170mL；中和度为（B），水平变量为65%、70%、80%；过硫酸钾：硫代硫酸钠·五水（C），水平变量为1∶0、3∶1、1∶1；交联剂（D），水平变量为8mL、9mL、11mL，具体见表2。

由正交实验可知，用直观分析法，以吸水倍率为结果的最优组合为A3B1C1D1，即保水剂最优条件为：去离子水170mL、中和度为65%、过硫酸钾：硫代硫酸钠·五水=1∶0、交联剂亚甲基双丙烯酰胺8mL。

2.7 保水率性能验证 测定保水剂与土混合的失水量是取一定重量的土和一定体积的蒸馏水与不同比例的保水劑混合，其中保水剂与土的总量是一个定值。每隔24h称取它的重量，计算每天的失水量。实验表明，保水剂含量多的保水效果较好些，失水量较低。但随着天数的增加，每天的失水量趋于相同，这体现含有保水剂的量多一些的土壤保水效果较好。

3 结论

采用水溶液聚合法制备保水剂，制备纤维素秸秆丙烯酸保水剂的优化工艺条件为：12g玉米秸秆，反应温度70℃，去离子水160mL，引发剂（过硫酸钾与硫代硫酸钠·五水）与丙烯酸单体比为1%，引发剂（过硫酸钾：硫代硫酸钠·五水=3∶1），交联剂（亚甲基双丙烯酰胺）8mL，反应时间1h，在50℃干燥1天后剪碎继续干燥2天，打碎过筛。在加引发剂与交联剂时，温度不能过高（超过80℃），过高容易引起暴聚；引发剂与交联剂应一起加入或者两者间隔时间短，因为时间过长（超过3min）就不能发生交联，无法形成网络结构。

参考文献

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（责编：王慧晴）