用于生態(tài)修復(fù)工程的保水材料性能對(duì)比研究

孔德剛

(中鐵科學(xué)研究院有限公司,成都 611731)

隨著我國(guó)“西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略”和“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)逐漸成為道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，在帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也對(duì)沿線生態(tài)環(huán)境造成一定影響，形成大量裸露的地表，若不及時(shí)修復(fù)，將會(huì)加劇地表沙化使生態(tài)環(huán)境更加惡化。目前，我國(guó)在道路沿線植被恢復(fù)研究方面，主要集中于人工建植技術(shù)的選取[1-3]，植物組合優(yōu)選[4-6]和景觀設(shè)計(jì)等[7-9]，而對(duì)于建植和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中保水措施研究較少，這不僅增加了養(yǎng)護(hù)成本，還造成大量的水資源浪費(fèi)，尤其在西北干旱、半干旱地區(qū)進(jìn)行人工植被建植時(shí)，如不采取相應(yīng)的保水措施，還會(huì)造成植被建植困難、存活率低等問(wèn)題。目前應(yīng)用較為普遍的保水材料為各種類型保水劑。保水劑(SAP)是一種人工合成的高分子化合物，可以吸持是自身質(zhì)量數(shù)百倍的水分[10-11]，而超吸水纖維(SAF)是一種吸水能力特別強(qiáng)的功能性高分子新型材料，無(wú)毒無(wú)害，能夠反復(fù)吸水、釋水[12]。目前關(guān)于保水材料的研究大多限于同類產(chǎn)品間的對(duì)比研究，對(duì)于不同類型保水材料之間的對(duì)比相對(duì)較少。因此，本研究選取保水劑和超吸水纖維兩種不同的保水材料，對(duì)其在不同條件下的吸水、保水性能進(jìn)行對(duì)比分析，其結(jié)果可對(duì)干旱、半干旱區(qū)建植中保水材料的選用進(jìn)行理論指導(dǎo)。

1 研究材料與方法

1.1 材料和儀器

保水劑：是高吸水性樹(shù)脂，它是一種吸水能力特別強(qiáng)的功能高分子材料，本研究選用任丘市輝達(dá)化工有限公司生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)抗旱保水劑；超吸水纖維：是一種吸液量大，吸液速度很快的新型纖維。可吸水、尿液、體液、血液等液體。它吸收液體不同于普通纖維的物理吸附，而是通過(guò)化學(xué)吸收原理吸水液體后，自身產(chǎn)生膨脹，而將液體封存于纖維內(nèi)，并難以擠壓出來(lái)，本研究選用南通江潮纖維制品有限公司生產(chǎn)的超吸水纖維。

土壤水分測(cè)試儀：浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的土壤水分測(cè)試儀(TZS-3X-土壤水分測(cè)試儀)。

1.2 測(cè)試方法1.2.1 溶液中保水材料吸水倍率測(cè)定方法

對(duì)保水劑和SAF的吸水性能進(jìn)行測(cè)試，分別稱取干燥狀態(tài)下保水材料，記為W1；將試樣分別放入去離子水、不同pH溶液和不同濃度電解質(zhì)濃度溶液中充分浸泡12 h后取出，自然懸掛30 min，以此稱重記為W2，每個(gè)處理均重復(fù)3次，取平均值。樣品吸水倍率n計(jì)算公式如下

n=(W2-W1)/W1

(1)

1.2.2 土壤中保水性能測(cè)試

將SAF平鋪于六棱磚土壤中，土壤為選自廢棄地的表層土，并進(jìn)行風(fēng)干，SAF平鋪深度為8 cm；稱取與SAF相同質(zhì)量的SAP，并均勻鋪設(shè)于六棱磚土壤中，深度與SAF相同；將相同質(zhì)量的土壤加入至六棱磚中，進(jìn)行空白對(duì)照試驗(yàn)。此試驗(yàn)均在室外進(jìn)行測(cè)定，在六棱磚中分別加入相同量的蒸餾水，并利用土壤水分測(cè)試儀對(duì)土壤中0～8 cm范圍內(nèi)平均含水率進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，于每天下午17：00進(jìn)行測(cè)定，時(shí)間為2016-08-05～2016-08-10，共計(jì)6 d時(shí)間。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用IBM SPSS Statistics 19和Excel 2007進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析和圖表制圖處理等。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸泡時(shí)間對(duì)吸水倍率的影響(圖1)

SAF和SAP的吸水倍率均隨著浸泡時(shí)間的增加呈逐漸升高的變化趨勢(shì)，且均成對(duì)數(shù)關(guān)系，相關(guān)性R2均大于0.8，相關(guān)性較強(qiáng)。當(dāng)浸泡時(shí)間為1 min時(shí)，SAF和SAP的吸水倍率分別為111.87 g·g-1和22.45 g·g-1，SAF的吸水倍率為SAP的4.98倍；當(dāng)浸泡時(shí)間為15～20 min時(shí)， SAF吸水倍率的基本達(dá)到最大值約為150 g·g-1，其后隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，SAF的吸水倍率基本穩(wěn)定在同一水平。當(dāng)SAP浸泡60 min時(shí)，其吸水倍率達(dá)到190.65 g·g-1，為第1 min時(shí)吸水倍率的8.5倍，當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到180 min時(shí)，吸水倍率基本趨于飽和達(dá)到233.29 g·g-1，之后SAP吸水倍率基本趨于穩(wěn)定。

圖1 浸泡時(shí)間對(duì)保水材料吸水倍率的影響

從整體來(lái)看，SAP的飽和吸水倍率約為SAF飽和吸水倍率的1.5倍，但前期SAF的吸水倍率要明顯高于SAP吸水倍率，在1 min時(shí)，SAF的吸水倍率為SAP的5.85倍，達(dá)到111.87 g·g-1；SAF達(dá)到飽和吸水倍率所需的時(shí)間要明顯小于SAP所需時(shí)間，表明在相同浸泡時(shí)間內(nèi)，SAF對(duì)水分的吸收效率要明顯高于SAP，其原因主要是由于超吸水纖維含有—OH、—COONa、—SO3Na等多種親水基團(tuán)，而親水基團(tuán)越多，其吸水能力越強(qiáng)，吸水速率越快[13-14]。

2.2 溶液酸堿度對(duì)保水材料吸水倍率的影響

本試驗(yàn)中溶液的pH值通過(guò)添加HCl和NaOH來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨溶液pH值的增大，SAF和SAP的吸水倍率均呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢(shì)，吸水倍率與pH值之間均成多項(xiàng)式關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)較高(圖2)。SAF和SAP在pH為6～8均能保持較好的吸水性能，吸水倍率均處于較高水平，且在pH=7時(shí)均達(dá)到最高值。當(dāng)pH<5時(shí)或pH>9時(shí)，SAF和SAP的吸水倍率均呈明顯下降趨勢(shì)，當(dāng)溶液pH=3時(shí)，SAF和SAP的吸水倍率分別為46.85 g·g-1和68.92 g·g-1，當(dāng)pH=11時(shí)，吸水倍率則分別為98.87 g·g-1和123.57 g·g-1，表明SAF和SAP的吸水倍率受pH值影響程度較高，且在酸性溶液中表現(xiàn)出更強(qiáng)的敏感度，吸水倍率更低。分析其原因是在強(qiáng)酸性條件下，SAF和SAP中親水基團(tuán)上陽(yáng)離子被H+所替代，導(dǎo)致高分子網(wǎng)格內(nèi)離子濃度下降，使得高分子網(wǎng)格內(nèi)外滲透壓下降[15]，從而導(dǎo)致SAF和SAP吸水倍率下降，而在堿性溶液中則不會(huì)出現(xiàn)離子互換作用[16]，因此在酸性條件下SAF和SAP的吸水倍率均比在堿性條件下低。

圖2 溶液PH對(duì)保水材料吸水倍率的影響

2.3 電解質(zhì)溶液對(duì)保水材料吸水倍率的影響

由圖3可知，SAF和SAP的吸水倍率均隨NaCl濃度的增加呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢(shì)，且SAP吸水倍率下降趨勢(shì)明顯高于SAF吸水倍率的下降趨勢(shì)。在NaCl溶液濃度大于1.5%時(shí)，SAF的吸水倍率要高于SAP的吸水倍率，如在濃度為3%時(shí)，SAF和SAP的吸水倍率分別為32.69 g·g-1和20.63 g·g-1。SAF和SAP的吸水倍率均與NaCl溶液濃度之間成負(fù)指數(shù)關(guān)系，SAF：yS=119.2e-0.33x，R2=0.716；SAPyB=165.0e-0.77x，R2=0.911。說(shuō)明當(dāng)NaCl溶液濃度超過(guò)1%后，SAF和SAP的吸水倍率均表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。分析其原因，可用Flory離子網(wǎng)絡(luò)理論得到解釋[12，17-18]，SAF和SAP的吸水能力主要是由高分子網(wǎng)格內(nèi)親水基團(tuán)和溶液中Na+被束縛在高分子網(wǎng)格內(nèi)，在網(wǎng)格內(nèi)外中形成一種滲透壓進(jìn)行吸水，而隨著溶液Na+濃度的增加，滲透壓減少，SAF和SAP的吸水能力也逐漸降低。

圖3 NaCl溶液對(duì)保水材料吸水倍率的影響

2.4 保水材料在土壤中保水性能研究

LS、LB和LK中的土壤含水量均隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢(shì)，且均成對(duì)數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上(圖4)。在前期(1～3 d)3種不同措施中的土壤含水量下降趨勢(shì)均比較快，而在后期(4～6 d)土壤含水量下降趨勢(shì)逐漸趨于平緩。第1 d，在分別加入等量的水后，LS、LB和LK中的初始土壤含水量均不相同，其中LS中土壤含水量最高為65.12%，其次是LB中，含水量為55.66%，而LK中土壤含水量?jī)H為45.44%，且差異性顯著，P<0.05。表明LS和LB措施均能對(duì)過(guò)境水分起到有效的截留作用，但LS措施的截留效果要優(yōu)于LB措施。從整體來(lái)看，在同一時(shí)刻中，不同措施中的土壤含水量排序均為：LS>LB>LK，如在第6 d LS、LB和LK中的土壤含水量分別為25.07%、15.19%和12.2%，且差異性明顯，表明LS措施的保水性能要優(yōu)于LB措施，對(duì)植物的水分需求起到一定的保障作用。

總體來(lái)說(shuō)，LS措施吸水性能和保水性能要優(yōu)于LB措施，分析其原因是在LS措施中，SAF土壤中成面狀鋪設(shè)，在自然條件下，當(dāng)水下滲至纖維層時(shí)，超吸水纖維能夠?qū)τ晁a(chǎn)生截留，使水分被超吸水纖維充分吸收，且當(dāng)超吸水纖維吸收至飽和狀態(tài)下，也能對(duì)下滲的雨水產(chǎn)生阻擋，使其緩慢下滲，被土壤充分吸收。有研究表明，超吸水纖維的耐壓保水率較高，保水性能優(yōu)良，而SAP的吸水速率主要受SAP的外形、顆粒大小和表面結(jié)構(gòu)等因素影響[19-20]。本研究所采用的SAP為顆粒狀，在未吸水狀態(tài)下其粒徑較小，對(duì)下滲的雨水的截留效果有限，對(duì)水分的吸收率較低，因此相比于LS措施，LB措施的保水效果較差。

注：LS為六棱磚+土壤+SAF；LB為六棱磚+土+SAP；LK為六棱磚+土壤圖4 不同保水措施對(duì)土壤含水量的變化

3 結(jié)論

(1)SAF和SAP的飽和吸水倍率分別為150 g·g-1和233 g·g-1，其達(dá)到飽和吸水倍率所需的時(shí)間分別為15～20 min和180 min；在吸至飽和吸水倍率前，SAF的吸水效率要遠(yuǎn)高于SAP。

(2)在同一pH值條件下，SAP的吸水倍率均大于SAF的吸水倍率；SAF和SAP的吸水倍率均隨pH值的增加呈倒“Λ”型變化趨勢(shì)，在中性條件下可達(dá)到最高吸水倍率。

(3)隨著NaCl溶液濃度增加，SAF和SAP的吸水倍率均呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，而在NaCl溶液濃度高于1.5%中，SAF的吸水倍率要高于SAP的吸水倍率。

(4)在室外試驗(yàn)中，SAF對(duì)入滲水的截留效果和保水性能均優(yōu)于SAP，建議在實(shí)際建植應(yīng)用中優(yōu)先選用SAF作為保水材料，尤其是在邊坡等不利于水分存儲(chǔ)區(qū)，有利于建植植被的恢復(fù)。