不同離子和酸堿度對保水劑吸水性能的影響

陳加利，王鍵，王春梅，盧慧波，孫秀秀，戚華沙，鄭道君＊

（1.海南省農(nóng)業(yè)科學院熱帶園藝研究所，海南省熱帶特種經(jīng)濟植物種質(zhì)資源創(chuàng)新利用重點實驗室，海南?？?571100；2.海南大學園藝學院，海南?？?570228）

我國是世界上水資源最缺乏的國家之一，干旱半干旱地區(qū)面積有565.86萬平方千米，約占國土面積58.6%，即使在降水較多的地區(qū)，也存在季節(jié)性干旱，降水時空分布不均[1]。隨著我國干旱缺水問題的日趨加劇，水資源越來越成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。保水劑（Super Absorbent Polymers，SAP）作為一種新型的功能高分子材料，其可以吸收超過自身重量幾百乃至幾千倍的水分，而且還具有良好的保水性能[2-3]。目前，保水劑已在農(nóng)林業(yè)上得到了廣泛的應用，其可有效改善土壤結構，改變土壤化學性質(zhì)[4-5]，增加土壤保水保肥性，降低土壤水分蒸發(fā)[6-7]，加強水分向地上部分傳導[8]，從而促進作物的生長發(fā)育[9-12]，提高作物產(chǎn)量[13-14]，應用前景非常廣闊[15-16]。但是，目前市場上的保水劑產(chǎn)品存在價格偏高、吸水性能不穩(wěn)定、不耐鹽堿等問題，嚴重地阻礙了保水劑在農(nóng)林業(yè)及生態(tài)環(huán)境建設中的應用。在不同的土壤或離子條件下，同一保水劑的吸水性能差別明顯，但目前少有學者對相關性能進行研究與比較，以致在推廣使用時效果千差萬別，嚴重影響了保水劑在農(nóng)林領域的使用。此外，近年來，保水劑與不同肥料等外源物質(zhì)的復合產(chǎn)品或復合應用技術成為研究新熱點[17-18]，但針對不同外源物質(zhì)復合條件下要求的保水劑基本性能的研究還不夠深入。

本研究以目前市場上流通量較大、性能較好的9種農(nóng)林保水劑為材料，研究不同陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+）、陰離子（Cl-、SO42-、CO32-、PO43-）以及不同pH值對保水劑吸水性能的影響，選出最優(yōu)保水劑，為生產(chǎn)廠家生產(chǎn)高性能保水劑、不同農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)條件下正確選擇和使用保水劑提供科學依據(jù)，為研制復合型農(nóng)林保水劑奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

共收集9種不同材料和制作工藝的農(nóng)林保水劑，詳細信息如表1。

1.2 儀器與試劑

FA2004B電子天平（萬分之一），上海平軒科學儀器有限公司；PH3520酸度計，深圳市清源環(huán)?？萍加邢薰?。

KCl、NaCl、CaCl2、MgCl2、FeCl3、K2SO4、K2CO3、KH2PO4、NaOH及濃HCl等，分析純，購自廣州化學試劑廠；去離子水為實驗室自制。

1.3 鹽離子吸水倍數(shù)測定

吸水倍數(shù)（溶脹度）是衡量保水劑應用性能的主要指標，目前普遍采用自然過濾法（過篩法）[4]進行測定。每種離子設定3個不同鹽溶液梯度（10 mg/L、100 mg/L、1 000 mg/L），每個處理重復3次。將配好的鹽溶液分裝到1 000 mL燒杯，每個燒杯1 000 mL鹽溶液；稱取9個不同保水劑1.000 0 g倒入燒杯中，讓其充分吸收24 h。然后用紗網(wǎng)過濾，靜置15 min，隨后傾斜過濾篩一定角度，靜置15 min，稱其重量后再靜置，直至內(nèi)凝膠質(zhì)量浮動在1 g/min范圍內(nèi)，稱重，根據(jù)公式（1）計算吸水倍數(shù)。

式（1）中，Q表示吸水倍數(shù)，W2表示充分吸水后保水劑固體凝膠的重量+紗網(wǎng)重量，W1表示紗網(wǎng)重量，W0表示保水劑重量。

1.4 試驗設置

1.4.1 不同陽離子對吸水倍數(shù)的影響

固定陰離子為Cl_，探究5種陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+）對吸水倍數(shù)的影響，根據(jù)“1.3”測定并計算吸水倍數(shù)。

1.4.2 不同陰離子對吸水倍數(shù)的影響

固定陽離子為K+，探究4種陰離子（Cl-、SO42-、CO32-、PO43-）對吸水倍數(shù)的影響，其中Cl-試驗與“1.4.1”中K+試驗為同一試驗，根據(jù)“1.3”測定并計算吸水倍數(shù)。

1.4.3 不同pH值吸水倍數(shù)測定

設定6個pH值（3、4、6、7、8、10），pH采用HCl和NaOH進行調(diào)節(jié)，測定方法同“1.3”。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007作圖，SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行方差分析和多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同陽離子不同濃度下保水劑吸水性能差異

如圖1所示，相比純水狀態(tài)下的吸水倍數(shù)，各保水劑在不同種類、不同濃度陽離子下的吸水能力均極顯著下降（p＜0.01），大部分下降在300倍以下，其中下降幅度最大的是6號保水劑，但其仍保持著優(yōu)于其他保水劑的吸水能力。隨著陽離子濃度從10 mg/L增加到1 000 mg/L，除了陽離子為Ca2+的溶液中1～6號保水劑品種表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢外，所有保水劑的保水能力均表現(xiàn)為下降趨勢。當供試的陽離子濃度在10 mg/L時，大部分保水劑的吸水能力下降率低于50%；當供試的陽離子濃度在1 000 mg/L時，所有供試品種除了在Ca2+溶液中的吸水倍數(shù)下降率在50%以上，其余均在50%以下，吸水能力受到極大限制。在供試的陽離子濃度范圍內(nèi)，除Ca2+溶液中7號保水劑的吸水能力變化不顯著外（p=0.35），其他陽離子溶液中各保水劑品種均表現(xiàn)出顯著或極顯著差異。進一步的多重比較發(fā)現(xiàn)，陽離子濃度在10 mg/L和100 mg/L時，1、2、3、4、6、9號保水劑在K+溶液中的吸水能力差異不顯著（p＞0.05），1～6和7號在Na+溶液中的吸水能力差異不顯著（p＞0.05），7號在Ca2+溶液中的吸水能力差異不顯著（p＞0.05），2和5號在Mg2+溶液中的吸水能力差異不顯著（p＞0.05），6～8號在Fe3+溶液中的吸水能力差異不顯著（p＞0.05）外，供試品種在其他陽離子10 mg/L和100 mg/L間差異顯著；而1 000 mg/L與10 mg/L、100 mg/L間的差異均達到顯著水平。

圖1 陽離子對保水劑吸水倍數(shù)的影響

2.2 不同陽離子同一濃度下不同保水劑的吸水性能變化

如表2所示，為5種陽離子各濃度下吸水性能最佳的保水劑及其吸水倍數(shù)。由表2可見，6號吸水劑吸水能力普遍較好。

表2 5種陽離子各濃度下吸水性能最佳的保水劑及吸水倍數(shù)

2.3 常見陰離子不同濃度下保水劑吸水性能差異

從圖2可見，純水中加入不同濃度的4種常見陰離子（Cl-、SO42-、CO32-、PO43-）后，除了7號保水劑在3個供試的PO43-濃度溶液中的吸水倍數(shù)差異不顯著外，其他情況下保水劑的吸水倍數(shù)極顯著下降（p＜0.01），且是隨著陰離子濃度的提高，保水劑的吸水倍數(shù)快速下降。當濃度為達到1 000 mg/L時，供試保水劑的吸水倍數(shù)達到最低值。

圖2 陰離子種類對保水劑吸水倍數(shù)的影響

多重比較分析結果表明，在10 mg/L和100 mg/L濃度間，PO43-濃度對所有供試的保水劑品種吸水倍數(shù)的影響不顯著，CO32-僅對8號保水劑影響差異顯著，SO42-僅對6號和7號品種影響差異顯著，Cl-僅對5、7和8號品種影響差異顯著；1、2、3、4和9號品種在所有的供試陰離子中的差異不顯著。4種陰離子的1 000 mg/L與10 mg/L和100 mg/L濃度間，除了PO43-濃度溶液對7號保水劑影響不顯著外（p=0.16；p=0.23），其他情況均達到了極顯著差異（p＜0.01）。

2.4 不同陰離子同一濃度下不同保水劑的吸水性能變化

如表3所示，為不同陰離子各濃度下吸水性能最佳的保水劑及吸水倍數(shù)。

表3 不同陰離子各濃度下吸水性能最佳的保水劑及吸水倍數(shù)

2.5 不同pH值溶液下保水劑吸水倍數(shù)差異

表4的方差分析結果表明，在供試的范圍內(nèi)，不同pH值對同一保水劑吸水能力的影響是顯著或極顯著，同一pH值下不同品種吸水劑吸水倍數(shù)差異也顯著或極顯著（p＜0.05或p＜0.01）。由圖3可知，9個不同保水劑在6個不同pH值溶液中吸水倍數(shù)變化趨勢基本一致，變化范圍在189.03～321.73倍。2號保水劑在pH值為3時吸水倍數(shù)最小，為189.03倍，其他保水劑吸水倍數(shù)均大于200倍；6號保水劑在pH值為7和8時，吸水倍數(shù)＜260倍，其他pH值下均＞300倍，最高可達到321.73倍（pH=6）；6號保水劑在pH值為3、4、6、8和10時的吸水倍數(shù)在所有供試的保水劑品種中最大。多重比較發(fā)現(xiàn)，6號保水劑在pH值為3、4、6和10時的吸水倍數(shù)與其他保水劑存在顯著差異。

表4 不同pH值保水劑吸水倍數(shù)方差分析

圖3 pH濃度對保水劑吸水倍數(shù)的影響

保水劑是高分子電解質(zhì)聚合物，當水溶液中有電解質(zhì)鹽類存在時，會降低保水劑吸水能力。外部電解質(zhì)的種類和濃度都會影響聚合物的吸水性[19]。陳玉水[20]分析認為，土壤中的 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+等離子在介質(zhì)水中都會被水包圍產(chǎn)生水化團，從而與保水劑爭奪有效水，減少保水劑周圍的水分子，致使保水劑的吸水量明顯降低，特別是高價離子的這種妨礙作用更為明顯。為了因地使用和結合施肥使用保水劑，充分發(fā)揮保水劑的性能，并驗證電解質(zhì)對不同保水劑性能的影響，本文研究了9種離子對不同類型保水劑吸水性能的影響。研究結果表明，相比純水狀態(tài)下的吸水倍數(shù)，在5種不同陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe3+）和 4 種陰離子（Cl-、SO42-、CO32-、PO43-）濃度中，無論是10 mg/L、100 mg/L或1 000 mg/L濃度下，不同保水劑的吸水能力均極顯著下降（p＜0.01）。

在所供試的陰陽離子中，隨著濃度從10 mg/L增加至1 000 mg/L，大部分保水劑的保水能力均隨之下降，且在10 mg/L、100 mg/L和1 000 mg/L溶液間的吸水倍數(shù)差異是顯著或極顯著的，僅7號保水劑在3個供試的Ca2+和PO43-溶液中的吸水倍數(shù)差異不顯著。這與茍春林[19]、李楊[21]、岳征文[22]的研究結果一致，即保水劑吸水倍數(shù)隨著各種離子濃度的增加，吸水倍數(shù)下降，二者呈顯著負相關。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，陽離子濃度為10 mg/L和100 mg/L時，1號、2號、3號、4號、6號和9號保水劑在K+溶液中的吸水能力差異不顯著（p＞0.05），1號、2號、3號、4號、5號、6號和7號品種在Na+溶液中的吸水能力差異不顯著（p＞0.05），表明K+和Na+（一價態(tài)）的濃度為10 mg/L和100 mg/L時，保水劑的吸水倍數(shù)差異不大；而其他陽離子溶液在這兩個濃度間，對大部分保水劑的影響是較大的。其中，在Ca2+溶液中，僅7號品種吸水能力差異不顯著（p＞0.05）；在Mg2+溶液中，僅2號和5號的吸水能力差異不顯著（p＞0.05）、在Mg2+溶液中僅6、7和8號的吸水能力差異不顯著（p＞0.05）外。這與杜建軍[23]、張富倉等[24]的研究結果一致，即高價態(tài)陽離子對保水劑吸水性能的影響比低價態(tài)陽離子要大。與此相反，10 mg/L和100 mg/L濃度間，供試的陰離子對不同保水劑的影響普遍較小，其中PO3-4離子對所有供試的保水劑品種吸水倍數(shù)的影響不顯著，1、2、3、4和9號保水劑在所有的供試陰離子中的差異不顯著，而CO32-僅對8號保水劑、SO42-僅對6號和7號保水劑，Cl-僅對5、7和8號保水劑影響差異顯著。

3 結論

在9種供試保水劑中，30～60目的低交聯(lián)型聚丙烯酸88%（其中含鈉24.5%）的保水性能表現(xiàn)較好；受各種陽離子和陰離子的影響，不同保水劑的吸水能力均極顯著下降，且保水劑吸水倍數(shù)隨著各種離子濃度的增大而下降；高價態(tài)陽離子對保水劑吸水性能的影響比低價態(tài)陽離子要大，且陰離子對不同保水劑的影響普遍較小。