本發(fā)明屬于材料學(xué)領(lǐng)域，涉及一種保水劑，具體來是一種可用于土壤重金屬污染修復(fù)的緩釋型保水劑及制備方法。
背景技術(shù)：
干旱缺水和肥料利用率低已經(jīng)成為制約當(dāng)前干旱半干旱地區(qū)農(nóng)林業(yè)發(fā)展的瓶頸。由于盲目過量、不合理施肥而引發(fā)的土壤硝酸鹽積累，土壤重金屬與有毒元素增加，進(jìn)而破壞土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤酸化，降低土壤微生物活動(dòng)，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，土壤農(nóng)化污染日趨加劇。因此，抗旱節(jié)水、保水保肥以及土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的研發(fā)已成為農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。
保水劑在設(shè)施基質(zhì)栽培中的保水節(jié)水效果顯著，已在許多國家得到廣泛應(yīng)用。因保水劑具有特殊的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，可迅速吸收自身質(zhì)量數(shù)百倍甚至上千倍的水分，具有特殊的保水、節(jié)水和反復(fù)吸水性等特點(diǎn)釋水肥等特性，從而降低土壤水分蒸發(fā)，改善土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物生長發(fā)育。此外，還能吸收土壤中無機(jī)離子和養(yǎng)分，提高養(yǎng)分利用率。利用保水劑這一特點(diǎn)，將不同養(yǎng)分元素或者微量元素與其復(fù)合應(yīng)用是一種有效提高土壤水肥利用效率、緩解農(nóng)田環(huán)境污染的新途徑。
但是由于目前的高分子保水劑主要以石油化工產(chǎn)品為原料合成，存在資源短缺、成本較高、難生物降解等問題，一定程度上限制了其應(yīng)用推廣。因此，采用天然聚合物（如纖維素、殼聚糖、淀粉、蛋白質(zhì)、瓊脂等）為原料制備保水劑具有吸水倍率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和環(huán)境友好等特點(diǎn)，在降低環(huán)境污染的同時(shí)也能夠取得一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但仍需要解決耐鹽堿性差、吸水后強(qiáng)度低以及功能單一等難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種可用于土壤重金屬污染修復(fù)的緩釋型保水劑及制備方法，所述的這種可用于土壤重金屬污染修復(fù)的緩釋型保水劑及制備方法要解決現(xiàn)有技術(shù)中的保水劑耐鹽堿性差、吸水后強(qiáng)度低以及功能單一的技術(shù)問題。
本發(fā)明提供了一種可用于土壤重金屬污染修復(fù)的緩釋型保水劑，由如下質(zhì)量百分比的原料制備而成：
預(yù)處理后的秸稈粉末 10~20%；
納米蒙脫土 5~25%；
丙烯酰胺 15~30%；
氮磷營養(yǎng)鹽 20~50%；
引發(fā)劑 2~10%；
交聯(lián)劑 1~5%；
所述的氮磷營養(yǎng)鹽為磷酸二氫鉀、磷酸鈣、尿素、氨水、碳酸氫銨中的一種或兩種以上的組合；所述的引發(fā)劑為過硫酸銨或者過硫酸鉀；所述的交聯(lián)劑為N,N-亞甲基雙丙烯酰胺。
本發(fā)明還提供了上述的一種可用于土壤重金屬污染修復(fù)的緩釋型保水劑，包括如下步驟：
1)包括一個(gè)對(duì)秸稈預(yù)處理的步驟，將粉碎后的秸稈粉末浸泡于蒸餾水中，于40~80℃水浴 6~12 h，過濾；然后加入水解液，所述的水解液和前述秸稈的物料比為10 ml:1~2g，在室溫下攪拌3~6 h，用蒸餾水洗滌后烘干；
2)按照質(zhì)量百分比稱取預(yù)處理后的秸稈粉末、納米蒙脫土、丙烯酰胺、氮磷營養(yǎng)鹽、引發(fā)劑、交聯(lián)劑；
3)將預(yù)處理后的秸稈粉末加入蒸餾水中，攪拌分散，然后依次加入納米蒙脫土、丙烯酰胺、氮磷營養(yǎng)鹽、引發(fā)劑和交聯(lián)劑混合，所述的預(yù)處理后的秸稈粉末、納米蒙脫土、丙烯酰胺、氮磷營養(yǎng)鹽、引發(fā)劑和交聯(lián)劑的質(zhì)量之和與蒸餾水的物料比為1 g: 5~10 ml；然后于40~70℃水浴條件下攪拌反應(yīng)2~6h，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水洗滌，在60~80℃下烘干至恒重，粉碎，即得可用于土壤重金屬污染修復(fù)的緩釋型保水劑。
進(jìn)一步的，所述的粉碎后的秸稈粉末的粒徑為100目。
進(jìn)一步的，所述的水解液由KOH、NaBH4和H2O組成，KOH、NaBH4和H2O的質(zhì)量比為24：1：75。
本發(fā)明采用廉價(jià)的農(nóng)作物秸稈、納米蒙脫土和丙烯酰胺作為保水劑的主要原料，添加氮磷營養(yǎng)鹽、引發(fā)劑和交聯(lián)劑，在水浴中經(jīng)過引發(fā)聚合、交聯(lián)、洗滌、干燥、粉碎制成多功能緩釋型保水劑。
秸稈在我國儲(chǔ)量豐富，通過一系列預(yù)處理手段可從中提取可生物降解的纖維素和木質(zhì)素。以其作為原料制備廉價(jià)的保水劑，不僅制備方法簡單，而且產(chǎn)品具有吸水倍率高、可生物降解和環(huán)境友好等特點(diǎn)，十分有利于生物質(zhì)資源的高效低成本應(yīng)用。納米蒙脫土是一種具有較高陽離子交換容量和大量-OH活性基團(tuán)的層狀硅鋁酸鹽黏土礦物，由于其較高的面內(nèi)強(qiáng)度、剛度以及長徑比而被廣泛應(yīng)用吸附劑、催化劑、涂層劑等多種領(lǐng)域。將納米蒙脫土引入高分子保水劑中制備有機(jī)-無機(jī)復(fù)合保水劑可有效提高其保水性、耐鹽性、吸水后強(qiáng)度以及熱穩(wěn)定性等綜合性能，并可進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本。此外，將氮磷營養(yǎng)鹽添加于保水劑中可充分利用其緩釋功能，為作物提供生長所需的營養(yǎng)成分，同時(shí)其緩釋的磷酸鹽還能與土壤重金屬離子形成較為穩(wěn)定的金屬磷酸鹽沉淀或使土壤pH上升而使重金屬離子轉(zhuǎn)化為向相對(duì)活性較低形態(tài)，從而降低其生物有效性。
本發(fā)明的營養(yǎng)緩釋型保水劑以農(nóng)作物秸稈為原料，來源豐富且成本低廉。通過納米蒙脫土的添加大大提升其機(jī)械強(qiáng)度以及耐鹽堿性能。本發(fā)明的緩釋型保水劑集植物生長營養(yǎng)成分供給與保水功能于一體。能夠快速吸水，緩慢釋放，不僅節(jié)水保肥性能好，而且具有營養(yǎng)鹽緩釋功能，可有效補(bǔ)充土壤中的氮磷元素，提高土壤生產(chǎn)力，還能充分發(fā)揮緩釋磷酸鹽對(duì)土壤重金屬的同步鈍化穩(wěn)定作用，有效實(shí)現(xiàn)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)阻控。
本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明利用農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，不僅能夠降低成本，實(shí)現(xiàn)秸稈的高附加值利用，而且所得緩釋型保水劑無毒無二次污染，環(huán)境友好，可生物降解。本發(fā)明的復(fù)合保水劑富含氮磷營養(yǎng)元素，在吸收和保持水分的同時(shí)可通過氮磷營養(yǎng)鹽的長效緩釋化技術(shù)，減少化學(xué)肥料施用的二次污染，并能充分發(fā)揮緩釋磷酸鹽對(duì)土壤重金屬的同步鈍化穩(wěn)定作用，有效實(shí)現(xiàn)土壤污染風(fēng)險(xiǎn)阻控。因此，本發(fā)明是一種利用農(nóng)作物秸稈制備低成本、高降解性，并且集保水性、營養(yǎng)鹽緩釋、土壤重金屬修復(fù)功能與一體的多功能保水劑。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的一種可用于土壤重金屬污染修復(fù)的緩釋型保水劑的制備流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步地詳細(xì)闡述，所述實(shí)施例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。下述實(shí)施例中所使用的試驗(yàn)方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所使用的材料、試劑等，如無特殊說明，為可從商業(yè)途徑得到的試劑和材料。
實(shí)施例1
將10g粉碎后的秸稈粉末（100目）浸泡于500ml蒸餾水中，于40℃水浴 12 h 后過濾；然后加入 100 mL水解液，在室溫下攪拌3 h，用蒸餾水洗滌后烘干。
進(jìn)一步的，所述的水解液由KOH、NaBH4和H2O組成，KOH、NaBH4和H2O的質(zhì)量比為24：1：75。（下述實(shí)施例也采用上述的水解液）。
將1.0 g預(yù)處理后的秸稈粉末加入50mL蒸餾水中不斷攪拌分散，然后依次加入2.5g納米蒙脫土、3.0 g丙烯酰胺、1.2 g尿素、0.8 g磷酸二氫鉀、1.0 g過硫酸鉀和0.5 g N,N-亞甲基雙丙烯酰胺混合，于40℃水浴條件下攪拌反應(yīng)6h，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水洗滌，在65℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能緩釋型保水劑。
實(shí)施例2
將10g粉碎后的秸稈粉末（100目）浸泡于500ml蒸餾水中，于60℃水浴 8 h 后過濾；然后加入 80 mL水解液，在室溫下攪拌4 h，用蒸餾水洗滌后烘干。
將1.2 g預(yù)處理后的秸稈粉末加入50mL蒸餾水中不斷攪拌分散，然后依次加入1.2 g納米蒙脫土、2.4 g丙烯酰胺、2.4 g 氨水、2.0g 磷酸二氫鉀、0.6g過硫酸銨和0.2 gN,N-亞甲基雙丙烯酰胺混合，于60℃水浴條件下攪拌反應(yīng)3 h，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水洗滌，在60℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能緩釋型保水劑。
實(shí)施例3
將10g粉碎后的秸稈粉末（100目）浸泡于500ml蒸餾水中，于80℃水浴 6 h 后過濾；然后加入50 mL水解液，在室溫下攪拌6 h，用蒸餾水洗滌后烘干。
將1.5g預(yù)處理后的秸稈粉末加入50mL蒸餾水中不斷攪拌分散，然后依次加入0.9 g納米蒙脫土、1.9 g丙烯酰胺、3.5 g尿素、1.5 g磷酸鈣、0.3 g過硫酸銨和0.4g N,N-亞甲基雙丙烯酰胺混合，于70℃水浴條件下攪拌反應(yīng)2h，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水洗滌，在70℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能緩釋型保水劑。
實(shí)施例4
將10g粉碎后的秸稈粉末（100目）浸泡于500ml蒸餾水中，于50℃水浴 10 h 后過濾；然后加入 100 mL水解液，在室溫下攪拌3 h，用蒸餾水洗滌后烘干。
將1.8 g預(yù)處理后的秸稈粉末加入50mL蒸餾水中不斷攪拌分散，然后依次加入2.3 g納米蒙脫土、1.5 g丙烯酰胺、1.0 g碳酸氫銨、2.4 g磷酸二氫鉀、0.7 g過硫酸鉀和0.3 g N,N-亞甲基雙丙烯酰胺混合，于65℃水浴條件下攪拌反應(yīng)3 h，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水洗滌，在80℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能緩釋型保水劑。
實(shí)施例5
將10g粉碎后的秸稈粉末（100目）浸泡于500ml蒸餾水中，于70℃水浴 8 h 后過濾；然后加入 80 mL水解液，在室溫下攪拌4 h，用蒸餾水洗滌后烘干。
將2.0 g預(yù)處理后的秸稈粉末加入50mL蒸餾水中不斷攪拌分散，然后依次加入2.5 g納米蒙脫土、2.0 g丙烯酰胺、1.3 g磷酸鈣、1.2 g氨水、0.9 g過硫酸銨和0.1 g N,N-亞甲基雙丙烯酰胺混合，于50℃水浴條件下攪拌反應(yīng)4 h，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水洗滌，在75℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能緩釋型保水劑。
實(shí)施例6
將10g粉碎后的秸稈粉末（100目）浸泡于500ml蒸餾水中，于60℃水浴 10 h 后過濾；然后加入 60 mL水解液，在室溫下攪拌6 h，用蒸餾水洗滌后烘干。
將1.4 g預(yù)處理后的秸稈粉末加入50mL蒸餾水中不斷攪拌分散，然后依次加入0.5 g納米蒙脫土、3.0 g丙烯酰胺、3.0 g磷酸鈣、1.0 碳酸氫銨、0.6 g過硫酸銨和0.5 g N,N-亞甲基雙丙烯酰胺混合，于45℃水浴條件下攪拌反應(yīng)5 h，反應(yīng)結(jié)束后用蒸餾水洗滌，在70℃下烘干至恒重，粉碎得到多功能緩釋型保水劑。
分別測定實(shí)施例1-6制備的各種保水劑的吸水倍率、吸鹽水倍率、在土壤中30天的氮磷累積釋放率及土壤重金屬浸出率等指標(biāo)，結(jié)果見表1。
表1
由上表測試可知，該保水劑吸收蒸餾水的倍數(shù)為418~624 g/g，吸收0.9%NaCl溶液的倍數(shù)為53~82 g/g，其在土壤中30天的氮磷累積釋放率為45~65 %，并且施用后土壤重金屬的浸出率低于10%。