利用玉米秸稈制備土壤保水劑

張艷 杜恬恬 蔡蝶 賈鳳

摘 要：以秸稈的資源化利用為目的，制備秸稈農用保水劑。采用水溶液聚合法制備保水劑，并通過單因素實驗和正交實驗來確定最優的秸稈保水效果，對保水劑的吸鹽倍率、吸水倍率、凝膠保水率的參數測定。結果表明：溫度為70℃，去離子水的量為160mL，2%亞甲基雙丙烯酰胺的用量8mL，過硫酸鉀：硫代硫酸鈉五水=3∶0（引發劑）與丙烯酸單體比為1%，丙烯酸的中和度為65%，反應時間1h，，干燥時間3d，過篩，1g保水劑測得吸水倍率為279g/g，吸鹽倍率為41.2g/g，凝膠保水率為71.34%。

關鍵詞：保水劑；玉米秸稈；保水

中圖分類號 S482 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）08-0081-03

我國是農業大國，擁有豐富的農林資源，但秸稈等農林有機廢棄物每年產量達到了8億t以上，其中稻秸就約占27.5%。豐富的秸稈資源在我國的利用率很低[1-5]，大部分秸（殼）在田間地頭或場地被焚燒還田，不僅造成了資源的嚴重浪費，而且帶來了非常嚴重的環境污染和社會經濟等問題。目前國內外已開展了一系列研究來探討和實現秸稈的資源化利用，包括開發飼料、生物質能源（沼氣）、生物材料以及直接粉碎還田等[6、7]。但這些利用方式存在著成本高、不穩定、技術不夠成熟等問題，在一定程度上限制了秸稈的資源利用。因此，拓展秸稈資源綜合利用的途徑，探索秸稈低成本、高效和環保利用方式是目前非常重要和急迫的課題。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑 原料：玉米秸稈；試劑：去離子水、氫氧化鈉、丙烯酸、過硫酸鉀、硫代硫酸鈉·五水、亞甲基雙丙烯酰胺、氯化鈉（溶液均為分析純）。

1.2 儀器 水浴鍋、干燥箱、粉碎機、250mL燒杯、500mL燒杯、100mL燒杯、500mL量筒、250mL量筒、玻璃棒、移液管、移液槍、洗耳球、剪刀。

1.3 保水劑的制備方法 稱取12g玉米秸稈放入250mL的燒杯中，加入160mL的去離子水，90℃水浴鍋活化30min。降溫到70℃加入用丙烯酸中和的氫氧化鈉12g，再加入過硫酸鉀和硫代硫酸鈉·五水，攪拌一分鐘后，立即加入2%亞甲基雙丙烯酰胺8mL。等待反應結束，放入70℃的水浴鍋1h。然后在50℃的干燥箱干燥24h，用剪刀剪碎繼續干燥48h，用粉碎機打碎，過篩。收集大小適中均勻的顆粒。利用單因素變量和正交實驗確定最優的實驗參數。

1.4 保水劑性能檢測方法 吸水（鹽水）倍率：稱取1g產物于500mL的燒杯中，加入500mL的蒸餾水（0.9%氯化鈉溶液）靜置24h，待產物吸水飽和后，用篩過濾（過篩3min），稱凝膠的重量。根據公式計算吸液倍率：吸水（鹽水）倍率=（吸水后凝膠重量—吸水前干樣品的重量）/吸水前干樣品的重量。

凝膠保水率：取一定量的水凝膠，與等量的去離子水（空白對照）同時置于培養皿中，敞口放置于空氣中，每隔24h稱量一次，直至恒重，即認為保水劑已完全失水，按照以下公式計算水凝膠保水率：第n天的凝膠保水率=第n天水凝膠的質量/水凝膠蒸發前的質量。

2 結果與分析

2.1 引發劑與丙烯酸百分比對吸水倍率的影響 由圖1可知，玉米秸稈制備的保水劑的吸水倍率隨著引發劑與丙烯酸單體的比增加而減少，當引發劑與丙烯酸單體比為1%時，培養基的吸水倍率達到最大279g/g。

2.2 中和度對吸水倍率的影響 由圖2可知，保水劑的吸水倍率一直減小，在中和度為65%～75%減小的幅度較小，在75%～80%的幅度較大，當中和度為65%時，保水劑的吸水倍率最大為220g/g。

2.3 去離子水量對吸水倍率的影響 由圖3可知，保水劑的吸水倍率隨著去離子水量的增加而逐漸降低，隨著去離子水量的繼續增加，在去離子水量為160mL的時候，保水劑的吸水倍率達到最大為260g/g，此時，隨著去離子水量的繼續增加，吸水倍率的體積減小。

2.4 過硫酸鉀與硫代硫酸鈉·五水的比對保水劑的吸水倍率的影響 由圖4可知，隨著過硫酸鉀與硫代硫酸鈉·五水的比值減小，保水劑的吸水倍率先增加后減小，當過硫酸鉀與硫代硫酸鈉·五水的比值為3∶1時，保水劑的吸水倍率達到最大為240g/g。隨著比值的減小，保水劑的吸水倍率開始降低。過硫酸鉀與硫代硫酸鈉·五水是本實驗過程中的引發劑。

2.6 正交實驗結果 由表1可知，各因子對保水劑吸水倍率的影響大小，影響順序依次是中和度、去離子水、過硫酸鉀：硫代硫酸鈉·五水、交聯劑。正交實驗做了4因素3水平的實驗，其中：去離子水為（A），水平變量為140mL、160mL、170mL；中和度為（B），水平變量為65%、70%、80%；過硫酸鉀：硫代硫酸鈉·五水（C），水平變量為1∶0、3∶1、1∶1；交聯劑（D），水平變量為8mL、9mL、11mL，具體見表2。

由正交實驗可知，用直觀分析法，以吸水倍率為結果的最優組合為A3B1C1D1，即保水劑最優條件為：去離子水170mL、中和度為65%、過硫酸鉀：硫代硫酸鈉·五水=1∶0、交聯劑亞甲基雙丙烯酰胺8mL。

2.7 保水率性能驗證 測定保水劑與土混合的失水量是取一定重量的土和一定體積的蒸餾水與不同比例的保水劑混合，其中保水劑與土的總量是一個定值。每隔24h稱取它的重量，計算每天的失水量。實驗表明，保水劑含量多的保水效果較好些，失水量較低。但隨著天數的增加，每天的失水量趨于相同，這體現含有保水劑的量多一些的土壤保水效果較好。

3 結論

采用水溶液聚合法制備保水劑，制備纖維素秸稈丙烯酸保水劑的優化工藝條件為：12g玉米秸稈，反應溫度70℃，去離子水160mL，引發劑（過硫酸鉀與硫代硫酸鈉·五水）與丙烯酸單體比為1%，引發劑（過硫酸鉀：硫代硫酸鈉·五水=3∶1），交聯劑（亞甲基雙丙烯酰胺）8mL，反應時間1h，在50℃干燥1天后剪碎繼續干燥2天，打碎過篩。在加引發劑與交聯劑時，溫度不能過高（超過80℃），過高容易引起暴聚；引發劑與交聯劑應一起加入或者兩者間隔時間短，因為時間過長（超過3min）就不能發生交聯，無法形成網絡結構。

參考文獻

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（責編：王慧晴）