干旱礦區耕地保水劑的篩選

摘要：通過室內試驗比較分析了5種不同類型保水劑的吸水倍率、吸水速率、反復吸水能力和釋水速率等指標，借助層次分析法輔助軟件（yaahp）對各種類型的保水劑進行評價與篩選。結果表明：沃特保水劑在純水中的吸水倍率達413 g/g，高于其他保水劑；吸水能力和釋水速率也優于其他類型保水劑，前3次反復吸水能力穩定，呈線性規律。基于層次分析法建立合理的層次分析模型和判斷矩陣，最終篩選出沃特保水劑進行塌陷區貧瘠耕地土壤改良的實地應用。

關鍵詞：干旱礦區；保水劑類型；評價；篩選；層次分析

中圖分類號：S157文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）01-0343-04

收稿日期：2013-08-08

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAC10B00）。

作者簡介：吉林（1989—），男，江蘇揚州人，碩士研究生，研究方向為環境生態。E-mail：jingling19891223@sina.com。

通信作者：孟慶俊，博士，副教授，主要從事環境化學與環境毒理學研究。E-mail：qjmeng930@126.com。神府—東勝礦區大柳塔礦地處晉陜蒙接壤地帶，在煤炭開采帶來快速經濟發展的同時，由其引發的地表塌陷、地裂縫等地質災害，使耕作區土壤質量驟降，農作物產量較低，同時典型的黃土溝壑地貌在夏季強降雨的條件下加劇了水土流失，環境問題日益突出。研究區耕地主要經濟作物是玉米、大豆和馬鈴薯，土壤呈堿性，pH值在8～8.6，土地貧瘠，作物成活率低。現場采樣研究發現，該區土壤含水率低，結構松散，土壤養分淋失嚴重，因此為提高作物成活率和產量，采取了許多保護性種植措施（礦泉水瓶埋置法、覆膜法、保水劑法等）。保水劑（SAP）是近年來農林領域應用最廣泛的一種化學改良劑，它是一種親水性基團的三維網狀結構高分子聚合物，吸水能力可達自身重量的數百倍之多[1]。它可以改善土壤結構，提高土壤持水性和作物的抗旱能力，已被廣泛用于現代農林業增產等方面[2-3]。然而，保水劑的性能[4]是保水劑應用的根本保證，不同保水劑因化學類型不同而保水性能存在差異。劉亞琦等分析比較了國內外10種保水劑的基本性能，結果表明玉米淀粉-丙烯酸共聚型保水劑的吸水性能較其他類型保水劑好，聚丙烯酸-無機礦物型保水劑和聚丙烯酰胺-無機礦物型保水劑在釋水速率方面要強于聚丙烯酸鹽型保水劑和淀粉-丙烯酸共聚型保水劑，而反復吸水性能卻沒有明顯規律可循[5]。陸文靜等研究了非水溶性和水溶性聚丙烯酰胺型（PAM）保水劑的相對分子質量、離子類型、離子度、粒徑等性狀對其保水性能和壽命的影響，最后篩選出非水溶性的JB保水劑和水溶性的WSN20保水劑為最佳保水劑[6]。關于采煤塌陷影響下的貧瘠耕地土壤保水技術研究，選擇保水性能強、壽命長的適宜類型保水劑是當下亟待解決的關鍵問題。本試驗對5種不同化學類型保水劑的基本性能進行室內模擬研究，通過考察保水劑的吸水倍率、吸水速率、反復吸水能力和釋水速率這4項指標，篩選出保水性能強、持續穩定吸水、受干擾少的保水劑，為其在干旱礦區耕地土壤的應用推廣提供有力的理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗材料

選取5種類型保水劑，具體見表1。

1.2試驗方法

對所選的5種保水劑基本性能進行測定[8]。

1.2.1吸水倍率測定稱取0.5 g保水劑干樣，置于預先注入0.1%NaCl溶液、0.1%CaCl2溶液、0.1%FeCl3溶液的大燒杯中（以去離子水為對照），在室溫下靜置吸液24 h，再用100目尼龍篩過濾，直至凝膠不再滴水為止，稱取凝膠重量，按式（1）計算吸水倍率：

吸水倍率（g/g）=飽和水凝膠的重量-保水劑干樣的重量1保水劑干樣的重量（1）

1.2.2吸水速率測定 稱取不同類型保水劑干樣各0.5 g置于紗布袋中，用簡易拉力計慢慢將其放入盛有足量溶液的1 000 mL量筒中（以去離子水為對照），從保水劑浸入溶液中的時刻開始計時，并觀測拉力計的讀數，待讀數不變時，記錄時間，并計算保水劑達飽和所需的時間。

1.2.3反復吸水能力保水劑在溶液中反復吸水能力的測定方法與吸水倍率測定方法相同，遵循“吸水—烘干—復吸—烘干”的規律。將保水劑置于足量的0.1% CaCl2溶液中，待其吸水飽和后稱重，再將保水劑凝膠置于60 ℃的烘箱中，12 h后稱重并記錄。如此反復3次處理并稱重、計算吸水倍率，最后將3次吸水倍率與在去離子水中吸水倍率的比值作為該條件下的反復吸水能力。

1.2.4釋水速率測定釋水速率是指飽和的保水劑水凝膠在單位時間內的釋水量。將飽和的水凝膠稱重，除去表面皿重，得水凝膠重；再將其敞口置于60 ℃的恒溫烘箱內，12 h后稱重并記錄[9]。采用式（2）計算保水劑的釋水速率：

釋水速率（g/h）=飽和水凝膠重量-烘干樣品重量1所耗時間（2）

2結果與分析

2.1不同陽離子鹽溶液對保水劑吸水倍率的影響

保水劑的吸水倍率是指單位質量的保水劑在過量水或溶液中吸水飽和后所吸收水的重量（g/g），它表示保水劑的被動吸水能力。5種保水劑在去離子水和質量濃度均為0.1%的NaCl溶液、CaCl2溶液、FeCl3溶液中的吸水倍率如圖1所示。

由圖1可知，5種保水劑在去離子水中的吸水倍率是最大的，在0.1%NaCl溶液、0.1%CaCl2溶液、0.1%FeCl3溶液中的吸水倍率隨著陽離子所帶電荷量的增大而減小。保水劑是一類高分子電解質，容易受鹽離子的破壞而變更吸附能力[10]，而沃特多功能保水劑分子中所含的無機黏土礦物對陽離子具有一定的吸附作用，從而增強了保水劑吸水能力。試驗結果表明，不同保水劑的吸水倍率大小排序為沃特>安信>黑金子>漢力淼2101XM>法國AQ，可見沃特保水劑的吸水能力（413 g/g）最優，即不同化學類型保水劑按吸水倍率由大到小排序存在以下規律：凹凸棒復合丙烯酸-丙烯酰胺型（413 g/g）>部分交聯型水膨性丙烯酸鹽-丙烯酸型（197 g/g）>腐殖酸型（169 g/g）>聚丙烯酰胺型（125 g/g）>丙烯酰胺與丙烯酸鉀型（71 g/g）。endprint

由保水劑對去離子水、同濃度不同陽離子鹽溶液的吸水倍率情況可知，保水劑的吸水倍率受水中電解質等多種外界因素干擾。不論是在去離子水中還是在鹽溶液中，保水劑因其化學類型和組成成分不同而存在吸水倍率上的差異，主要是因為保水劑的分子結構和離子類型不同。首先，5種保水劑的分子結構分為三維網狀共聚體和C-C單鏈線性聚合體2種類型，其中三維網狀結構的保水劑具有吸水的原動力——滲透壓，其鎖水性較單鏈結構好；其次，從保水劑所屬的分子類型看，離子型保水劑本身是一種高分子電解質，當水中有鹽類存在時，其內部滲透壓降低，水分向外擴散，保水劑吸水能力降低，而非離子型保水劑受鹽分干擾較小[6]。

2.2保水劑在去離子水中的吸水速率

保水劑在水（或溶液）中的吸水速率表示保水劑在單位時間內的吸水情況，是衡量保水劑快速吸水強度的一個重要指標。相同重量的5種保水劑在去離子水中吸水達到飽和所需的時間如表2所示。

從表2可以看出，漢力淼2101XM（聚丙烯酰胺型）和安信（部分交聯型水膨性丙烯酸鹽-丙烯酸型）的吸水速率相對較慢，沃特（凹凸棒復合丙烯酸-丙烯酰胺型）吸水速率最快，其次是法國AQ（丙烯酰胺與丙烯酸鉀型），主要是因為保水劑單體顆粒的粒徑大小不同。沃特保水劑是粒徑<0.5 mm的粉末，在其他條件相同的情況下，其單位重量比表面積較大，吸水速率較快，吸水量較大。

2.3保水劑的反復吸水能力

保水劑在水溶液中的反復吸水能力是表征保水劑壽命的重要指標[11]。隨著重復吸水次數的增加，吸水倍率的減量逐漸減小，則保水劑的反復吸水能力越來越好。試驗遵循“吸水—烘干—復吸—再烘干”規律，將5種保水劑在0.1%CaCl2溶液中的反復吸水能力情況繪制如圖2。

國內外研究表明，保水劑的吸水性能受到水分、介質中鹽與養分離子濃度及離子價態的影響[12-13]。由圖2可以看出，CaCl2溶液顯著抑制了保水劑的吸水能力。5種保水劑的反復吸水能力均隨著復吸次數的增加而逐漸減小。但是沃特保水劑每次吸水能力的變化是穩定的，幾乎都下降11%左右，對沃特保水劑3次吸水能力進行線性擬合，得到的方程為 y =-0.115x+0.393 7，r2=0999 4，而安信、漢力淼2101XM等保水劑的變化起伏不定，說明沃特保水劑的吸水倍率受環境中陽離子的影響相對較小，且下降程度趨于穩定，在一定程度上反映了沃特保水劑的強耐鹽性和高度穩定性。

2.4保水劑在去離子水中的釋水速率

由圖3可知，保水劑釋水速率大小順序是沃特（16.67 g/h）>黑金子（7.67 g/h）>安信（6.92 g/h）>漢力淼2101XM（4.42 g/h）>法國AQ（3.08 g/h），沃特保水劑的釋水速率最快，效果明顯優于其他4種保水劑。

保水劑的釋水速率是反映其保水能力大小的一個重要指標，但是關于保水劑釋水規律的研究少有報道[9]。有研究表明，保水劑在去離子水中吸水飽和后形成的水凝膠的釋水速率會隨著粒徑的增大而減小。沃特保水劑是一種淺褐色粉末狀的微粒，其良好的物理結構增大了吸水表面積和體積，也加快了其吸水速率和釋水速率。

3保水劑的篩選

目前市場上的保水劑品種繁多，類型多樣，穩定的、高強度的、壽命長的保水劑品種是發達國家保水劑的主導產品，更是土壤改良的關鍵，而保水劑自身的常規性能則是消費者最為關心的問題。本研究選擇保水劑的吸水倍率、吸水速率、反復吸水能力和釋水速率這4項指標作為保水劑性能篩選的標準，通過層次分析法輔助軟件（yaahp）構建保水劑篩選模型，并以上述試驗數據為基礎結合專家評定指標的相對權重對其進行詳細的層次分析（analytic hierarchy process，AHP），以篩選出適宜的保水劑類型，具體過程[14]如下。

3.1構建層次結構模型

保水劑篩選的層次結構模型包括目標層A、準則層B和方案層C。目標層A為典型保水劑；準則層B為保水劑的吸水倍率B1、保水劑的吸水速率B2、保水劑的反復吸水能力B3、保水劑的釋水速率B4；方案層C為安信（部分交聯型水膨性丙烯酸鹽-丙烯酸型）C1、漢力淼2101XM（聚丙烯酰胺型）C2、法國AQ（丙烯酰胺與丙烯酸鉀型）C3、黑金子（腐殖酸型）C4、沃特（凹凸棒復合丙烯酸-丙烯酰胺型）C5。

3.2判斷矩陣的建立

同一層次中各因素通過兩兩比較的方式對上一層次中某個準則的重要性進行判斷，采用九級標度法[15]構成判斷矩陣，結果如表3、表4、表5、表6、表7所示。其中，Wi表示相對權重，CR代表隨機一致性比率，i=1，2，3，4，j=1，2，3，4，5。λmax為判斷矩陣的最大特征值。

從表8可以看出，對準則層而言，B3、B1、B2占有很大的權重比例，權重分別為0.527 0、0.260 8、0.111 4，B4因素對目標層的權重值最小，為0.100 7，即準則層權重由大到小的順序為保水劑反復吸水能力>保水劑的吸水倍率>保水劑的吸水速率>保水劑的釋水速率。一般的保水劑使用壽命在 3～4年，保水劑的吸水與釋水情況會隨著地理氣候條件的變化而變化，在保水劑吸水能力與釋水能力對比的同時，還需考慮其持續吸水、釋水的有效性，且持續吸水、釋水性能關系到保水劑的使用壽命和使用強度，顯得更為重要。

綜合權重是指每個方案對最終選擇的目標層的相對重要性程度，表征某個方案實施的有效性程度。各類型保水劑的綜合權重由大到小的次序是C5（0.272 1）>C4（0.223 3）>C3（0.179 4）>C1（0.169 3）>C2（0.155 9），即各類型保水劑的適宜程度由強到弱的順序為凹凸棒復合丙烯酸-丙烯酰胺型>腐殖酸型>丙烯酰胺與丙烯酸鉀型>部分交聯型水膨性丙烯酸鹽-丙烯酸型>聚丙烯酰胺型。因此，選擇凹凸棒復合丙烯酸-丙烯酰胺型保水劑作為適用的保水劑類型進行實地應用研究。endprint

4結語

通過對不同保水劑的吸水倍率、吸水速率、反復吸水能力和釋水速率研究，得出以下結論：

保水劑的吸水倍率與水溶液的性質密切相關。保水劑在去離子水中的吸水倍率最大，可達400倍以上。而鹽溶液的存在對保水劑的吸水能力有一定的抑制作用，且溶液中陽離子價態越高，對保水劑吸水能力的抑制作用越強。

保水劑的吸水速率試驗結果表明，粉末狀的、粒徑最小（<0.5 mm）的沃特保水劑吸水最快。因此，實際應用中應選擇同種類型保水劑中粒徑較小的保水劑。

雖然保水劑在多次重復吸水的情況下吸水倍率有所下降，但不難看出，沃特保水劑具有穩定的反復吸水能力，且其釋水速率也優于其他類型保水劑，這主要是由沃特保水劑本身所特有的穩定的網狀分子結構及其無機黏土礦物的抗鹽性所致。

以層次分析軟件（yaahp）為基礎，通過構建層次結構模型和判斷矩陣，篩選出最適宜干旱礦區土壤改良的保水劑是凹凸棒復合丙烯酸-丙烯酰胺型保水劑，該方法避免了主觀隨意性所帶來的權重差異，使結論更為實際。

參考文獻：

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4結語

通過對不同保水劑的吸水倍率、吸水速率、反復吸水能力和釋水速率研究，得出以下結論：

保水劑的吸水倍率與水溶液的性質密切相關。保水劑在去離子水中的吸水倍率最大，可達400倍以上。而鹽溶液的存在對保水劑的吸水能力有一定的抑制作用，且溶液中陽離子價態越高，對保水劑吸水能力的抑制作用越強。

保水劑的吸水速率試驗結果表明，粉末狀的、粒徑最小（<0.5 mm）的沃特保水劑吸水最快。因此，實際應用中應選擇同種類型保水劑中粒徑較小的保水劑。

雖然保水劑在多次重復吸水的情況下吸水倍率有所下降，但不難看出，沃特保水劑具有穩定的反復吸水能力，且其釋水速率也優于其他類型保水劑，這主要是由沃特保水劑本身所特有的穩定的網狀分子結構及其無機黏土礦物的抗鹽性所致。

以層次分析軟件（yaahp）為基礎，通過構建層次結構模型和判斷矩陣，篩選出最適宜干旱礦區土壤改良的保水劑是凹凸棒復合丙烯酸-丙烯酰胺型保水劑，該方法避免了主觀隨意性所帶來的權重差異，使結論更為實際。

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4結語

通過對不同保水劑的吸水倍率、吸水速率、反復吸水能力和釋水速率研究，得出以下結論：

保水劑的吸水倍率與水溶液的性質密切相關。保水劑在去離子水中的吸水倍率最大，可達400倍以上。而鹽溶液的存在對保水劑的吸水能力有一定的抑制作用，且溶液中陽離子價態越高，對保水劑吸水能力的抑制作用越強。

保水劑的吸水速率試驗結果表明，粉末狀的、粒徑最小（<0.5 mm）的沃特保水劑吸水最快。因此，實際應用中應選擇同種類型保水劑中粒徑較小的保水劑。

雖然保水劑在多次重復吸水的情況下吸水倍率有所下降，但不難看出，沃特保水劑具有穩定的反復吸水能力，且其釋水速率也優于其他類型保水劑，這主要是由沃特保水劑本身所特有的穩定的網狀分子結構及其無機黏土礦物的抗鹽性所致。

以層次分析軟件（yaahp）為基礎，通過構建層次結構模型和判斷矩陣，篩選出最適宜干旱礦區土壤改良的保水劑是凹凸棒復合丙烯酸-丙烯酰胺型保水劑，該方法避免了主觀隨意性所帶來的權重差異，使結論更為實際。

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