侯 銳，師慶三，師慶東，許紫峻

(1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；3.新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊 830046)

0 引 言

新疆地處亞歐大陸中部，位于中國西北邊陲，遠離海洋，受地理環(huán)境和干旱半干旱大陸性氣候影響，氣溫變化大，日照時間長，降水少而蒸發(fā)量大，屬于嚴重缺水地區(qū)，水資源的利用直接影響著新疆的發(fā)展[1]。隨著水資源的日益匱乏和節(jié)水農(nóng)業(yè)的需要，高性能保水劑的研制和應(yīng)用研究越來越受到國內(nèi)外專家的重視[2-6]。

保水劑(Super Absorbent Polymer，SAP)是一種高分子材料，其本身并不溶于水，具有吸水性極強的特點[7]。大量研究表明保水劑可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高肥料利用效率、有效抑制土壤中水分的蒸發(fā)等效果[8-14]，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護當中[15-20]。徐婉婷等[1]研究保水劑在不同濃度鹽溶液、不同PH溶液和低溫情況下對保水劑吸水倍率的影響，李景生等[21]研究保水劑在高溫下反復(fù)吸水其吸水倍率的變化趨勢，李興[22]等不同溶液對保水劑吸水倍率的影響，王洪君等[23]研究不同保水劑的吸水特性，保水劑吸水特性的研究多集中于去離子水、土壤浸提液、自來水、不同PH值溶液和低溫情況下對保水劑吸水特性的影響，但關(guān)于保水劑受到土壤等壓力對吸水倍率的影響的研究還不多見。

為進一步探明不同保水劑在壓力狀態(tài)下吸水特性的變化趨勢和鹽溶液對不同保水劑吸水倍率的影響及不同保水劑在空氣中的保水性，本文選用國外保水劑 MP3005 KCE(以下簡稱 KCE)、新疆大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院自主研制的 PAA和 AA- AH保水劑以及勝利油田長安集團聚合物有限公司自主生產(chǎn)的 WT保水劑，對比不同壓力梯度、0.9% Nacl對四種保水劑吸水特性的影響及其在空氣中的保水性，為保水劑在干旱區(qū)內(nèi)開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 實驗設(shè)材料與方法

1.1 實驗材料

本研究選出四種保水劑分別過40目標準篩，選取三種保水劑粒徑在40目的部分作為實驗材料。保水劑的基本情況如表1。

表1 試驗保水劑情況

1.2 主要試驗方法

1.2.1 保水劑吸水倍率的測試

測量方法[1,24,25]：稱取粉狀保水劑0.1 g(m1)，將稱取的粉狀保水劑放入1 L燒杯中，并加入500 mL水，靜置4 h后，待樹脂充分溶脹，用0.150 mm的篩網(wǎng)濾瀝靜置20 min后，將未吸附的游離水除去，最后稱出質(zhì)量m的吸水凝膠，按下式計算出高吸水樹脂的吸水率Q：

(1)

1.2.2 不同壓力下保水劑的吸水速率的測試

先將多孔有機玻璃濾板(d=80 mm,h=12 mm)放置在培養(yǎng)皿(d=160 mm,h=22 mm)中，將一邊用尼龍紗布封閉的有機玻璃圓筒(d=60 mm,h=50 mm)放置多孔玻璃濾板上，將稱好的保水劑(0.1 g)樣品均勻放置在尼龍紗布的表面上，將尼龍圓筒(d=56 mm,h=70 mm，它可以在玻璃圓筒內(nèi)自由上下滑)壓載保水劑，將所需的負載(不同重量的砝碼)壓力設(shè)置為0，100，600，1 200，2 000 g 放置尼龍圓筒內(nèi)，將0.9%NaCl水溶液或去離子水裝到高于多孔有機玻璃濾板的高度。溶脹到一定時間1，5，15，30，60，120，180 min，稱溶脹SAP的重量。測試保水劑在不同壓力下的吸水速率，試驗驗裝置如圖1所示。

圖1 加壓測試保水劑吸水率裝置圖

1.2.3 保水劑在空氣中的保水性測試

稱取相同質(zhì)量的四種保水劑使其充分吸水后轉(zhuǎn)移至0.150 mm的尼龍網(wǎng)袋中，懸掛于室內(nèi)，每隔24 h稱其質(zhì)量，同時記錄室內(nèi)的溫度和濕度，以不同時間凝膠樹脂的質(zhì)量與初始樹脂質(zhì)量之比作為保水率指標[26]。

1.3 數(shù)據(jù)處理試驗數(shù)據(jù)采用

Microsoft Office Excel 2007 和 SPSS17.0 進行方差分析，Origin 7.5對數(shù)據(jù)進行畫圖處理。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 試驗保水劑在不同溶液中吸水倍率結(jié)果分析

干旱區(qū)降水與蒸發(fā)量嚴重失調(diào)，導(dǎo)致大部分地區(qū)土壤鹽漬化嚴重[1]，為考察四種保水劑的耐鹽性，選取去離子水和0.9%NaCl溶液對比四種保水劑的變化趨勢(結(jié)果見圖2)，四種保水劑在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率較去離子水中均明顯降低，其中在去離子水和0.9%NaCl溶液中四種保水劑的吸水能力均表現(xiàn)為：PAA>WT>AA-AH>KCE,說明PAA保水劑的耐鹽性較其他三種保水劑好(P<0.05)。

圖2 四種保水劑在不同溶液中的吸水倍率圖

2.2 不同壓力下四種保水劑的吸水速率結(jié)果分析

保水劑在施用過程中受到來自土壤的壓力，其吸水倍率可能發(fā)生變化，為探究在受壓狀態(tài)下保水劑吸水倍率的變化趨勢，選取0、150、650、1 250和2 050 5個壓力梯度對AA-HA 、MP3005KCE、PAA和WT 四種保水劑進行測試，記錄每種保水劑在不同壓力下0、10、20、30、60、120和180 min時刻的吸水倍率(結(jié)果見圖3、4、5、6)。

由圖3可知PAA保水在去離子水和0.9%NaCl溶液中受到壓力時吸水倍率均會急速下降且皆有明顯界限，在壓力為150 g時PAA保水劑吸水倍率迅速下降當壓力為650 g后吸水倍率緩慢下降并在120 min時吸水倍率趨于平穩(wěn)。當壓力從0 g增加到2 050 g時，在去離子水中保水劑的吸水倍率下降了81.8%，而在0.9%NaCl水溶液中保水劑的吸水倍率只下降了78.9%。

圖3 PAA保水劑在不同壓力下的吸水速率

由圖4、5、6可知AA-AH、KCE和WT保水劑在去離子水受到壓力時吸水倍率均會急速下降，在0.9%NaCl水溶液中三種保水劑吸水倍率下降得比較均勻，而在去離子水中有明顯的界限，在壓力為150 g時AA-AH、KCE和WT三種保水劑吸水倍率迅速下降當壓力為650 g后吸水倍率緩慢下降并在120 min時吸水倍率趨于平穩(wěn)。當壓力從0 g增加到2 050 g時，AA-AH保水劑在去離子水中保水劑的吸水倍率下降了60.5%，而在0.9%NacL水溶液中保水劑的吸水倍率只下降了32.9%，KCE保水劑在去離子水中保水劑的吸水倍率下降了63.2%，而在0.9%NaCl水溶液中保水劑的吸水倍率只下降了35.2%，WT保水劑在去離子水中保水劑的吸水倍率下降了77.3%，而在0.9%NaCl水溶液中保水劑的吸水倍率只下降了53.8%。

圖4 AA-AH保水劑在不同壓力下的吸水速率

圖5 KCE保水劑在不同壓力下的吸水速率

圖6 WT保水劑在不同壓力下的吸水速率

綜上所述，AA-HA 、MP3005KCE、PAA和WT 四種保水劑在去離子水和0.9%NacL水溶液中受到壓力時其吸水倍率均會下降，且抗壓能力均為AA-HA>MP3005KCE>WT>PAA,這是因為當有壓力的存在時保水劑的膨脹空間會受阻，進而抑制保水劑吸水能力，從而使保水劑的吸水倍率下降，當壓力越大時，其所受到的阻力越大，對其吸水倍率影響就越大，四種保水劑在去離子水中的下降幅度大于0.9%NacL水溶液中。

2.3 不同壓力下四種保水劑吸水倍率的對比

四種保水劑進行橫向?qū)Ρ?，研究在相同的壓力下不同保水劑吸水倍率的變?結(jié)果見圖7、8)，通過對比發(fā)現(xiàn)在去離子水和0.9%NaCl溶液中AA-HA保水劑在不同壓力下的吸水倍率較其他三種保水劑好。PAA保水劑在去離子水中和0.9%NaCl 溶液中受壓力影響較其他三種保水劑大。在去離子水中PAA保水劑的吸水倍率較其他三種保水劑的吸水倍率低，這是由于PAA保水劑的凝膠強度比較弱在壓力下溶脹能力都會受阻影響其吸水倍率。在0.9%NaCl溶液中，當壓力為150 g時，其吸水倍率優(yōu)于KCE和WT保水劑，但當壓力增大時其吸水倍率小于MP3005KCE的吸水倍率，但仍然比WT保水劑的效果好。

圖7 去離子水的保水劑在不同壓力下的吸水倍率

圖8 保水劑在0.9%NaCl溶液中不同壓力下的吸水倍率

2.4 保水劑在空氣中的保水性

將試驗保水劑吸水后的凝膠樹脂置于0.150 mm的尼龍篩網(wǎng)袋中，在室溫下(平均溫度為26.2 ℃，平均濕度為24.4%)掛96 h，并且每24 h測定其質(zhì)量，以不同時間的凝膠質(zhì)量與其初始凝膠質(zhì)量之比作為保水率指標。從圖9可以看出，PAA保水劑充分吸水后的凝膠在96 h含水率下降了84.45%，而保水劑AA-HA、KCE和WT的凝膠在96 h后含水率分別下降了97.36%、98.41%和99.21%。從保水能力來看PAA>AA-HA>KCE>WT,說明PAA保水劑具有良好的保水能力和緩慢釋放水能力。

圖9 保水劑在空氣中的保水性

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

(1)保水劑在濃鹽溶液和無鹽溶液中水合時膨脹能力有所不同，在濃鹽溶液中水合時比在無鹽溶液中水合時其膨脹能力有所下降[2,3]，這與實驗中PAA、MP3005KCE和AA-HA三種保水劑在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率比去離子水中的吸水倍率下降的結(jié)果吻合，其中純丙烯酸聚合物合成的PAA保水劑在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率較其他兩種保水劑較好，結(jié)合徐婉婷等[1]研究純丙烯酸聚合物合成的HG-60保水劑在四個梯度NaCl溶液中的吸水倍率較WT和MP3005KCE保水劑好的結(jié)論，推測純丙烯酸聚合物合成的保水劑其耐鹽性較好。

(2)四種保水劑在0.9%Nacl溶液中和去離子水中的吸水倍率隨著壓力的增大而降低，與周柳茵和馬蕾等[27,28]研究表明保水劑隨著壓力增大吸水倍率降低的結(jié)論相符，說明壓力對保水劑的吸水特性確實有影響且隨著壓力的增大吸水倍率降低的趨勢，四種保水劑在壓力下吸水倍率下降的趨勢為去離子水中>0.9%NaCl溶液，根據(jù)Flory理論[29]，推測是由于四種保水劑當在吸水過程中，其親水基團與水分子將會起作用使高分子網(wǎng)絡(luò)進行伸展，網(wǎng)內(nèi)外的離子濃度差就會在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外形成滲透壓，而水分子會在滲透壓的作用下向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中滲透。當內(nèi)部離子濃度逐步增大時，在聚合物內(nèi)部與外部溶液之間形成離子濃度差將產(chǎn)生反滲透力，使水溶液進入聚合物的內(nèi)部，而保水劑在0.9%NaCl溶液吸水中產(chǎn)生的滲透壓大于在去離子水中的滲透壓，所以呈現(xiàn)出4種保水劑在壓力下吸水倍率下降的趨勢為去離子水中大于0.9%NaCl溶液的現(xiàn)象。

3.2 結(jié) 論

(1)四種保水劑在0.9%NaCl溶液中的吸水能力為：PAA>WT>AA-AH>KCE，說明PAA保水劑的耐鹽性較其他3種保水劑好(P<0.05)。

(2)AA-HA 、MP3005KCE、PAA和WT 四種保水劑在去離子水和0.9%NaCl水溶液中受到壓力時其吸水倍率均會下降并在120 min左右吸水倍率趨于平穩(wěn)，在去離子水中的四種保水劑的下降幅度大于0.9%NaCl水溶液中，其中抗壓能力均為AA-HA>MP3005KCE>WT>PAA。

(3)四種保水劑的在空氣中的保水劑均隨著時間的推移而降低，其中保水能力為：PAA>AA-HA>KCE>WT,說明PAA保水劑具有良好的保水能力和緩慢釋放水能力。

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