蒙脫石對保水劑效率提升實驗研究

彭麗萍，張偉燕，師慶東,3

(1. 新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046；2.新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊 830046；3. 新疆大學干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046)

在干旱半干旱地區(qū)，水是植物生長發(fā)育的主要限制性因子，保水劑作為一種新型控水、節(jié)水技術，由于其特殊的抗旱、節(jié)水、保水作用，在作物保苗、抗旱增產、城市花木生產、生態(tài)修復等方面得到了應用[1-5]。于育英等[6]在測試保水劑的保水性能實驗中發(fā)現(xiàn)，保水劑在受壓的情況下仍然可以保持原吸水量70%的水分，并且保水劑中水分的蒸發(fā)速度也遠遠低于常態(tài)水的蒸發(fā)速度。但保水劑仍存在使用成本較高；其吸水、持水性能受土壤特性影響較大[7-8]；與土壤混合后，吸水倍率易受到土壤孔隙特性的影響而明顯降低，且隨著吸水時間的增加，降低幅度增大[9]，這些因素使保水劑大面積的推廣與應用進程受到阻礙。而蒙脫石在新疆儲量較大、價格較低且在黏土家族中是性質較為獨特的一種，具有吸水性、膨脹性、黏著性、保水保肥性，被大范圍的運用于多個領域，其中以其較強的吸附能力以及較高的穩(wěn)定性和綠色無污染性而被應用于環(huán)保領域[10]。此研究在前人研究的基礎上，利用蒙脫石與保水劑混合，探索蒙脫石對保水劑效率提升的效果，為今后保水劑在農用、林業(yè)的廣泛應用提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗樣品：①法國愛森SNF生產商提供的粒徑為0.3～0.5 mm的MP3005KCE型土壤保水劑。②粒徑為6～8、8～10、10～12、12～15 mm的蒙脫石。③供試土壤(壤沙土)。

實驗儀器：①DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱。②電子天平。③自制的實驗裝置(圖1)。④一次性塑料杯，杯高15 cm，上口直徑6.5 cm，下口直徑4 cm。

1.2 實驗方法

(1)吸水倍率：吸水倍率。是無量綱物理量。測量方法[11，12]如下：準確稱取待測物M1g，放入盛滿蒸餾水的容器中吸水，在t時間內，用尼龍篩網(wǎng)(圖1)濾瀝靜置以去除未吸附的游離水，稱得待測物的質量為M2g，兩者相減再除以待測物吸水前質量(M1g)即得保水劑在t時間內的吸水倍率(每組做三組重復)，計算公式如下：

(1)

式中：Q為待測物的吸水倍率，g/g；M1為待測物的干重，g；M2為吸水后待測物的重量，g。

(2)保水性測試[13]：先將供試土壤放入烘箱中在105 ℃的條件下烘48 h取出，以確保土壤中的水分的散失。用500 mL的一次性塑料杯，設置空白土樣、只加保水劑土樣、只加蒙脫石土樣以及保水劑與蒙脫石混合土樣，且每組樣品做兩組重復。先將一次性塑料杯中加入5 cm的土壤，然后在其上加入供試材料，再覆土大約為5 cm，所有材料裝完后，加入150 mL的蒸餾水，待充分吸水飽和后，稱其質量，并放入60 ℃的烘箱中，每隔24 h稱其質量并記錄，持續(xù)10 d左右。以不同時間的含水凝膠質量與其初始含水凝膠質量之比作為保水率的指標。

(3) 不同重力條件下保水劑吸水倍率測試：選取不同重力條件(0、32、45、58、71、84 kg/m2)，以模擬保水劑在不同土壤埋深下所受的土壤重力，測試保水劑的吸水倍率，(重力的選擇根據(jù)保水劑在一次性塑料杯中所受土壤埋深5～15 cm的重力)。先將多孔有機玻璃濾板(0.485 mm(孔徑)×951(孔數(shù))，d=100 mm，h=12 mm)放置在培養(yǎng)皿(d=160 mm，h=22 mm)中，將一邊用300目尼龍紗布封閉的有機玻璃圓筒(d=100 mm，h=90 mm)放置多孔玻璃濾板上，將稱好的保水劑(蒙脫石，保水劑與蒙脫石的混合物)樣品均勻放置在尼龍紗布的表面上，將尼龍圓筒(d=96 mm，h=90 mm，它可以在玻璃圓筒內自由上下滑)壓載保水劑，將所需負載(不同重量的砝碼)放置尼龍圓筒內，培養(yǎng)皿中裝滿蒸餾水，每隔30 min進行稱量，測試不同重力下保水劑的吸水倍率[14]，每組實驗做3組重復。實驗裝置如圖1所示。

圖1 重力條件下測試保水劑吸水倍率裝置圖Fig.1 Diagram of water absorptivity device for testing water retention agent under gravity condition

2 結果與分析

2.1 保水劑吸水倍率隨時間變化

表1～表4分別是粒徑為6～8、8～10、10～12、12～15 mm的蒙脫石與0.2 g保水劑混合，在一定重力條件下(84 kg/m2)，去除蒙脫石的吸水量后，單純保水劑吸水倍率隨時間的變化，蒙脫石的添加質量根據(jù)不同粒徑大小蒙脫石的顆粒數(shù)及其所占尼龍濾網(wǎng)的比例，從少至多添加，直至不能增加保水劑的吸水倍率。保水劑的吸水倍率隨時間的增加而增加，吸水初期，保水劑吸水速度較快，到2.5 h前后趨于飽和，其吸水倍率逐漸減小或增速減慢，12～15 mm的蒙脫石對提升保水劑的吸水倍率較其他三種效果較好(圖2)。由表1可知添加質量范圍在4.87～41.15 g的6～8 mm蒙脫石與保水劑混合(即保水劑與蒙脫石的比例為1∶24～1∶206)時，能夠增加保水劑的吸水效果，當蒙脫石添加量為10.45 g(即配比為1∶52)時，保水劑的吸水倍率達到最大，為237.50 g/g。由表2可知添加范圍在8.07～39.79 g的8～10 mm蒙脫石與保水劑混合(即保水劑與蒙脫石的混合比例為1∶40～1∶199)時，能夠增加保水劑的吸水效果，當蒙脫石添加量為24.39 g(即配比為1∶122)時，保水劑的吸水倍率達到最大，為214.64 g/g。由表3可得添加范圍在3.94～39.78 g的10～12 mm蒙脫石與保水劑混合(即保水劑與蒙脫石的比例為1∶20～1∶199)時，能夠增加保水劑的吸水效果，當蒙脫石添加量為6.69 g(即配比為1∶33)時，保水劑的吸水倍率達到最大，為229.36 g/g。由表4可知添加范圍在8.07～39.78 g的12～15 mm的蒙脫石與保水劑混合(即保水劑與蒙脫石的比例為1∶40～1∶199)時，能夠增加保水劑的吸水效果，當蒙脫石添加量為8.07g(即配比為1∶40)時，保水劑的吸水倍率達到最大，為245.33 g/g。

表1 6～8 mm蒙脫石與保水劑混合保水劑吸水倍率隨時間變化Tab.1 The water absorption ratio of 6～8 mm montmorillonite mixed with water - retaining agent changes with time

表2 8～10 mm蒙脫石與保水劑混合保水劑吸水倍率隨時間變化Tab.2 The water absorption ratio of 8～10 mm montmorillonite mixed with water - retaining agent changes with time

表3 10～12 mm蒙脫石與保水劑混合保水劑吸水倍率隨時間變化Tab.3 The water absorption ratio of 10～12 mm montmorillonite mixed with water - retaining agent changes with time

產生這一現(xiàn)象的原因可能是在重力條件下單獨使用保水劑，保水劑因為受到重力的作用而不能肆意生長，限制了其生長空間[15]，從而降低了其吸水率，而加入蒙脫石可以為保水劑的溶脹支撐一定的空間，使保水劑顆粒能夠溶脹的更大，從而增大了其吸水量。但蒙脫石添加量過多，反而會對保水劑溶脹起到阻礙作用，因此，蒙脫石的添加量具有一定的范圍。而保水劑的吸水和溶脹并不是無限制的[16]，所以，保水劑在一定時間內會達到吸水飽和狀態(tài)。

2.2 不同重力條件下保水劑吸水倍率研究

2.2.1 不同重力條件下保水劑吸水倍率隨時間變化

圖2(a)～圖2(d) 分別是保水劑與蒙脫石在相同配比下(1∶40)，各粒徑蒙脫石與保水劑混合，在不同重力條件下(0、32、45、58、71、84 kg/m2)去除蒙脫石的吸水量后，保水劑的吸水倍率隨時間的變化。圖4是不添加蒙脫石，單獨使用保水劑在不同重力條件下保水劑的吸水倍率隨時間的變化。在相同配比條件下，4種粒徑蒙脫石與保水劑混合，去除蒙脫石吸水量后，保水劑吸水倍率都隨時間的增加而有緩慢降低的趨勢(圖2)，趨于飽和后其吸水倍率幾乎不變，但均大于單獨使用保水劑的吸水倍率100 g/g，4種粒徑蒙脫石表現(xiàn)出12～15 mm蒙脫石對保水劑吸水倍率提升最大。保水劑最大吸水倍率均在重力為0時，添加粒徑為12～15 mm時達到最大為286 g/g，比單獨使用保水劑提高了106 g/g(圖3)。單獨使用保水劑其吸水倍率隨時間的增加而緩慢增加，到2.5 h左右趨于飽和，其吸水倍率隨時間的增加幾乎不變。在不同重力條件下，保水劑的吸水倍率都表現(xiàn)出隨重力增加而減小的趨勢(圖2、圖3)。在重力為0時，添加各粒徑蒙脫石的保水劑吸水倍率均達到最大值，在重力為84 kg/m2時，保水劑的吸水倍率均為最小值；且重力在32～84 kg/m2時保水劑的吸水倍率均與重力為0時差距較大，且在有重力作用下，各重力作用間吸水倍率相差較小。

2.2.2 不同重力條件下保水劑吸水倍率隨蒙脫石粒徑的變化

圖4分別是保水劑與蒙脫石混合吸水飽和時，各配比(1∶40，1∶80，1∶120，1∶160，1∶200，取各粒徑中能夠提升保水劑吸水倍率的配比的公共區(qū)間)在不同重力條件下，添加各粒徑蒙脫石對保水劑吸水倍率提升的對比。去除蒙脫石的吸水量后，保水劑的吸水倍率隨所添加蒙脫石粒徑的增大而增大(圖4)，最大可增加保水劑吸水倍率106g/g，且在不同重力作用下，保水劑吸水倍率表現(xiàn)出隨重力增大而逐漸減小的趨勢，保水劑與蒙脫石在配比為1∶40時的吸水倍率與其他配比相比較高。

圖2 蒙脫石與保水劑混合，在不同重力條件下，去除蒙脫石吸水量，保水劑吸水倍率變化Fig.2 Under different gravity conditions, the water absorbance ratio changes of montmorillonite mixed with water retention agent

圖3 在不同重力條件下，不添加蒙脫石保水劑吸水倍率變化Fig.3 Under different gravity conditions, the water absorbance ratio changes without montmorillonite

產生這種現(xiàn)象的原因可能是，蒙脫石對保水劑在受重力的情況下起到了支撐作用，使保水劑有更大的生長空間，粒徑越大，撐起的空間越大。但隨著重力的增大，蒙脫石的支撐作用逐漸減弱，保水劑膨脹的空間也會逐漸減小，因此其吸水倍率就會降低；在沒有重力時，保水劑可以不受外在條件的影響，不斷膨脹直至飽和，因此其吸水倍率較高。

2.3 各粒徑蒙脫石與保水劑混合保水效果研究

圖5分別表示保水劑與粒徑為6～8、8～10、10～12、12～15 mm的蒙脫石按質量比1/40、1/80、1/120、1/160、1/200混合，保水劑保水效果的變化。單獨使用保水劑以及加入蒙脫石的保水劑，其保水效果都隨時間而減小，但加入蒙脫石的保水劑保水效果優(yōu)于單獨使用保水劑的保水效果。各粒徑蒙脫石與保水劑混合比例均在1∶160時，混合物的保水效果最好。

選取保水性較好的各粒徑蒙脫石與保水劑混合(160/1)，得出各粒徑間保水劑保水效果對比圖(圖6)。混合物保水性隨時間的增加而降低，12～15 mm的蒙脫石與保水劑混合保水性最好，第10 d混合物的保水率仍在13%。蒙脫石與保水劑混合，保水效果有所提高，可能是因為蒙脫石本身具有一定的吸水保水性[10]，同時在重力作用下，添加蒙脫石使保水劑具有更大的生長空間，能夠吸收更多的水分，而單獨使用保水劑因其受重力影響，膨脹較小，因此混合物的保水效果比單獨使用保水劑的保水效果好。

3 結 語

保水劑受土壤重力影響較大，適量添加蒙脫石，可以提高保水劑抵抗重力的能力，從而提升保水劑效率，重力大小、蒙脫石與保水劑的添加比例、蒙脫石粒徑大小對保水劑的效率都有一定的影響。

圖4 不同重力條件下混合物中去除蒙脫石吸水量后保水劑吸水倍率變化Fig.4 Changes in water absorbance ratio of water retaining agent after removal of water absorbance from montmorillonite under different gravity conditions

圖5 不同粒徑蒙脫石與保水劑混合保水性隨時間變化Fig.5 The water retention changes with time of different particle size of montmorillonitem mixed with water retention agent

圖6 不同粒徑蒙脫石與保水劑混合保水性對比Fig.6 Comparison of water retention between montmorillonite of different particle sizes mixed with water retention agent

(1)在一定重力條件下，保水劑與粒徑為6～8、8～10、10～12、12～15 mm的蒙脫石添加比例分別為1∶24～1∶206、1∶40～1∶199、1∶20～1∶199、1∶40～1∶199時，能夠提升保水劑的吸水倍率且其吸水倍率都隨時間的增加而增加，待吸水飽和時，吸水倍率增速緩慢。

(2)蒙脫石與保水劑混合對土壤重力有一定的抵抗作用，表現(xiàn)在隨重力的增加保水劑的吸水倍率減小，但均高于單獨使用保水劑的吸水倍率106 g/g，12～15 mm蒙脫石較其他3種粒徑，對提升保水劑在重力作用下的吸水能力的效果最好。

(3)各粒徑蒙脫石與保水劑混合較單獨使用保水劑，保水性具有一定的提升，其保水率都隨時間的增加而逐漸降低，各粒徑都表現(xiàn)為保水劑與蒙脫石配比為1/160時保水性較好，12～15 mm的蒙脫石與保水劑混合保水性較其他3種粒徑最好。

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