不同离子和酸碱度对保水剂吸水性能的影响

2021-03-02陈加利王键王春梅卢慧波孙秀秀戚华沙郑道君

生物化工 2021年1期

陈加利，王键，王春梅，卢慧波，孙秀秀，戚华沙，郑道君＊

（1.海南省农业科学院热带园艺研究所，海南省热带特种经济植物种质资源创新利用重点实验室，海南海口 571100；2.海南大学园艺学院，海南海口 570228）

我国是世界上水资源最缺乏的国家之一，干旱半干旱地区面积有565.86万平方千米，约占国土面积58.6%，即使在降水较多的地区，也存在季节性干旱，降水时空分布不均[1]。随着我国干旱缺水问题的日趋加剧，水资源越来越成为制约农业可持续发展的重要因素之一。保水剂（Super Absorbent Polymers，SAP）作为一种新型的功能高分子材料，其可以吸收超过自身重量几百乃至几千倍的水分，而且还具有良好的保水性能[2-3]。目前，保水剂已在农林业上得到了广泛的应用，其可有效改善土壤结构，改变土壤化学性质[4-5]，增加土壤保水保肥性，降低土壤水分蒸发[6-7]，加强水分向地上部分传导[8]，从而促进作物的生长发育[9-12]，提高作物产量[13-14]，应用前景非常广阔[15-16]。但是，目前市场上的保水剂产品存在价格偏高、吸水性能不稳定、不耐盐碱等问题，严重地阻碍了保水剂在农林业及生态环境建设中的应用。在不同的土壤或离子条件下，同一保水剂的吸水性能差别明显，但目前少有学者对相关性能进行研究与比较，以致在推广使用时效果千差万别，严重影响了保水剂在农林领域的使用。此外，近年来，保水剂与不同肥料等外源物质的复合产品或复合应用技术成为研究新热点[17-18]，但针对不同外源物质复合条件下要求的保水剂基本性能的研究还不够深入。

本研究以目前市场上流通量较大、性能较好的9种农林保水剂为材料，研究不同阳离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+）、阴离子（Cl-、SO42-、CO32-、PO43-）以及不同pH值对保水剂吸水性能的影响，选出最优保水剂，为生产厂家生产高性能保水剂、不同农林业生产条件下正确选择和使用保水剂提供科学依据，为研制复合型农林保水剂奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

共收集9种不同材料和制作工艺的农林保水剂，详细信息如表1。

1.2 仪器与试剂

FA2004B电子天平（万分之一），上海平轩科学仪器有限公司；PH3520酸度计，深圳市清源环保科技有限公司。

KCl、NaCl、CaCl2、MgCl2、FeCl3、K2SO4、K2CO3、KH2PO4、NaOH及浓HCl等，分析纯，购自广州化学试剂厂；去离子水为实验室自制。

1.3 盐离子吸水倍数测定

吸水倍数（溶胀度）是衡量保水剂应用性能的主要指标，目前普遍采用自然过滤法（过筛法）[4]进行测定。每种离子设定3个不同盐溶液梯度（10 mg/L、100 mg/L、1 000 mg/L），每个处理重复3次。将配好的盐溶液分装到1 000 mL烧杯，每个烧杯1 000 mL盐溶液；称取9个不同保水剂1.000 0 g倒入烧杯中，让其充分吸收24 h。然后用纱网过滤，静置15 min，随后倾斜过滤筛一定角度，静置15 min，称其重量后再静置，直至内凝胶质量浮动在1 g/min范围内，称重，根据公式（1）计算吸水倍数。

式（1）中，Q表示吸水倍数，W2表示充分吸水后保水剂固体凝胶的重量+纱网重量，W1表示纱网重量，W0表示保水剂重量。

1.4 试验设置

1.4.1 不同阳离子对吸水倍数的影响

固定阴离子为Cl_，探究5种阳离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+）对吸水倍数的影响，根据“1.3”测定并计算吸水倍数。

1.4.2 不同阴离子对吸水倍数的影响

固定阳离子为K+，探究4种阴离子（Cl-、SO42-、CO32-、PO43-）对吸水倍数的影响，其中Cl-试验与“1.4.1”中K+试验为同一试验，根据“1.3”测定并计算吸水倍数。

1.4.3 不同pH值吸水倍数测定

设定6个pH值（3、4、6、7、8、10），pH采用HCl和NaOH进行调节，测定方法同“1.3”。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007作图，SPSS 19.0统计软件进行方差分析和多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 不同阳离子不同浓度下保水剂吸水性能差异

如图1所示，相比纯水状态下的吸水倍数，各保水剂在不同种类、不同浓度阳离子下的吸水能力均极显著下降（p＜0.01），大部分下降在300倍以下，其中下降幅度最大的是6号保水剂，但其仍保持着优于其他保水剂的吸水能力。随着阳离子浓度从10 mg/L增加到1 000 mg/L，除了阳离子为Ca2+的溶液中1～6号保水剂品种表现为先下降后上升的趋势外，所有保水剂的保水能力均表现为下降趋势。当供试的阳离子浓度在10 mg/L时，大部分保水剂的吸水能力下降率低于50%；当供试的阳离子浓度在1 000 mg/L时，所有供试品种除了在Ca2+溶液中的吸水倍数下降率在50%以上，其余均在50%以下，吸水能力受到极大限制。在供试的阳离子浓度范围内，除Ca2+溶液中7号保水剂的吸水能力变化不显著外（p=0.35），其他阳离子溶液中各保水剂品种均表现出显著或极显著差异。进一步的多重比较发现，阳离子浓度在10 mg/L和100 mg/L时，1、2、3、4、6、9号保水剂在K+溶液中的吸水能力差异不显著（p＞0.05），1～6和7号在Na+溶液中的吸水能力差异不显著（p＞0.05），7号在Ca2+溶液中的吸水能力差异不显著（p＞0.05），2和5号在Mg2+溶液中的吸水能力差异不显著（p＞0.05），6～8号在Fe3+溶液中的吸水能力差异不显著（p＞0.05）外，供试品种在其他阳离子10 mg/L和100 mg/L间差异显著；而1 000 mg/L与10 mg/L、100 mg/L间的差异均达到显著水平。

图1 阳离子对保水剂吸水倍数的影响

2.2 不同阳离子同一浓度下不同保水剂的吸水性能变化

如表2所示，为5种阳离子各浓度下吸水性能最佳的保水剂及其吸水倍数。由表2可见，6号吸水剂吸水能力普遍较好。

表2 5种阳离子各浓度下吸水性能最佳的保水剂及吸水倍数

2.3 常见阴离子不同浓度下保水剂吸水性能差异

从图2可见，纯水中加入不同浓度的4种常见阴离子（Cl-、SO42-、CO32-、PO43-）后，除了7号保水剂在3个供试的PO43-浓度溶液中的吸水倍数差异不显著外，其他情况下保水剂的吸水倍数极显著下降（p＜0.01），且是随着阴离子浓度的提高，保水剂的吸水倍数快速下降。当浓度为达到1 000 mg/L时，供试保水剂的吸水倍数达到最低值。

图2 阴离子种类对保水剂吸水倍数的影响

多重比较分析结果表明，在10 mg/L和100 mg/L浓度间，PO43-浓度对所有供试的保水剂品种吸水倍数的影响不显著，CO32-仅对8号保水剂影响差异显著，SO42-仅对6号和7号品种影响差异显著，Cl-仅对5、7和8号品种影响差异显著；1、2、3、4和9号品种在所有的供试阴离子中的差异不显著。4种阴离子的1 000 mg/L与10 mg/L和100 mg/L浓度间，除了PO43-浓度溶液对7号保水剂影响不显著外（p=0.16；p=0.23），其他情况均达到了极显著差异（p＜0.01）。

2.4 不同阴离子同一浓度下不同保水剂的吸水性能变化

如表3所示，为不同阴离子各浓度下吸水性能最佳的保水剂及吸水倍数。

表3 不同阴离子各浓度下吸水性能最佳的保水剂及吸水倍数

2.5 不同pH值溶液下保水剂吸水倍数差异

表4的方差分析结果表明，在供试的范围内，不同pH值对同一保水剂吸水能力的影响是显著或极显著，同一pH值下不同品种吸水剂吸水倍数差异也显著或极显著（p＜0.05或p＜0.01）。由图3可知，9个不同保水剂在6个不同pH值溶液中吸水倍数变化趋势基本一致，变化范围在189.03～321.73倍。2号保水剂在pH值为3时吸水倍数最小，为189.03倍，其他保水剂吸水倍数均大于200倍；6号保水剂在pH值为7和8时，吸水倍数＜260倍，其他pH值下均＞300倍，最高可达到321.73倍（pH=6）；6号保水剂在pH值为3、4、6、8和10时的吸水倍数在所有供试的保水剂品种中最大。多重比较发现，6号保水剂在pH值为3、4、6和10时的吸水倍数与其他保水剂存在显著差异。

表4 不同pH值保水剂吸水倍数方差分析

图3 pH浓度对保水剂吸水倍数的影响

保水剂是高分子电解质聚合物，当水溶液中有电解质盐类存在时，会降低保水剂吸水能力。外部电解质的种类和浓度都会影响聚合物的吸水性[19]。陈玉水[20]分析认为，土壤中的 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+等离子在介质水中都会被水包围产生水化团，从而与保水剂争夺有效水，减少保水剂周围的水分子，致使保水剂的吸水量明显降低，特别是高价离子的这种妨碍作用更为明显。为了因地使用和结合施肥使用保水剂，充分发挥保水剂的性能，并验证电解质对不同保水剂性能的影响，本文研究了9种离子对不同类型保水剂吸水性能的影响。研究结果表明，相比纯水状态下的吸水倍数，在5种不同阳离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+）和 4 种阴离子（Cl-、SO42-、CO32-、PO43-）浓度中，无论是10 mg/L、100 mg/L或1 000 mg/L浓度下，不同保水剂的吸水能力均极显著下降（p＜0.01）。

在所供试的阴阳离子中，随着浓度从10 mg/L增加至1 000 mg/L，大部分保水剂的保水能力均随之下降，且在10 mg/L、100 mg/L和1 000 mg/L溶液间的吸水倍数差异是显著或极显著的，仅7号保水剂在3个供试的Ca2+和PO43-溶液中的吸水倍数差异不显著。这与茍春林[19]、李杨[21]、岳征文[22]的研究结果一致，即保水剂吸水倍数随着各种离子浓度的增加，吸水倍数下降，二者呈显著负相关。

进一步分析发现，阳离子浓度为10 mg/L和100 mg/L时，1号、2号、3号、4号、6号和9号保水剂在K+溶液中的吸水能力差异不显著（p＞0.05），1号、2号、3号、4号、5号、6号和7号品种在Na+溶液中的吸水能力差异不显著（p＞0.05），表明K+和Na+（一价态）的浓度为10 mg/L和100 mg/L时，保水剂的吸水倍数差异不大；而其他阳离子溶液在这两个浓度间，对大部分保水剂的影响是较大的。其中，在Ca2+溶液中，仅7号品种吸水能力差异不显著（p＞0.05）；在Mg2+溶液中，仅2号和5号的吸水能力差异不显著（p＞0.05）、在Mg2+溶液中仅6、7和8号的吸水能力差异不显著（p＞0.05）外。这与杜建军[23]、张富仓等[24]的研究结果一致，即高价态阳离子对保水剂吸水性能的影响比低价态阳离子要大。与此相反，10 mg/L和100 mg/L浓度间，供试的阴离子对不同保水剂的影响普遍较小，其中PO3-4离子对所有供试的保水剂品种吸水倍数的影响不显著，1、2、3、4和9号保水剂在所有的供试阴离子中的差异不显著，而CO32-仅对8号保水剂、SO42-仅对6号和7号保水剂，Cl-仅对5、7和8号保水剂影响差异显著。