亲水性高分子化合物防渗机理及在水田土壤应用效果研究

摘要

随着环境的不断恶化，淡水资源短缺问题越来越严峻地摆在世人面前。我国是水资源严重缺乏的国家，且水田种植面积较大，占耕地有效灌溉面积的54％左右，占农作物播种面积的18％以上。由于水田需要长期灌水，且需水量大，然而，我国水田节水技术和节水材料的研究尚处于起步阶段，没有形成完备的配套技术体系，因此，水田渗漏已成为水资源损失重要途径。加强农业节水技术、节水材料等方面的研究，对促进我国农业的高效、可持续发展，提高农业效益，缓解淡水资源不足具有重大的现实意义。 关于农田防渗问题，国内外许多专家学者多年来做了大量的理论和实践研究工作，尤其是国外从上世纪50年代开始就进行了工程和化控等方面的研究，并取得了一定的进展。但这些研究大多集中在旱田方面，几乎没有涉及水田防渗。 本文从水田防渗机理和应用2方面，对水田化控技术防渗工作开展了一定的研究和探讨，得到如下进展和成果： 1.聚丙烯可以有效防渗。 (1)聚丙烯酸钠溶液可以在土壤浅层成膜； (2)成膜与否与土壤中的交换质钙的含量密切相关，难透水层的形成对钙含量要求最少达到3meq/100g干土； (3)成膜深度可以通过调节聚丙烯酸钠的饱和度来控制，钠饱和度低时，成膜位置较浅，反之，钠饱和度高时，成膜位置相应地深些，在实际应用中可根据具体情况加以选择； (4)在聚丙烯酸溶液中添加某种纳米级材料即复合IPN化，可改进膜的物性，提高经济性。 2.膨润土复合丙烯酰胺制备高强度超强吸水树脂。 该树脂的吸水倍率和吸盐水倍率分别为890和85倍。 (1)随着BT添加量的增加，吸水率逐渐减小； (2)添加了膨润土的复合树脂与未添加膨润土的树脂，起始吸水速率明显降低，到达平衡吸水率的时间较长，平衡吸水率较低； (3)添加了膨润土，提高了树脂的保水性； (4)添加适量的膨润土可提高树脂的吸盐性。但若过量，则树脂的吸盐性会明显降低。 (5)树脂的吸水率随交联剂的用量的增加而增大，而后又随交联剂的用量的增加而减少。 (6)树脂的吸水率随交联剂的用量的增加而增大，而后又随交联剂的用量的增加而减少。 (7)树脂的吸水率随引发剂的用量的增加而先增大后减小，当引发剂与丙烯酰胺的摩尔分数为0.17％时，产物的吸水率较高。 3.淀粉接枝丙烯酸快速合成出固体超强吸水树脂。 (1)淀粉接枝丙烯酸使吸水剂的高分子网络加大，吸水能力增强；但当淀粉用量超过一定值时，由于-COOH和-COO-基团数量的减少，而导致吸水率下降。 (2)当交联剂的用量小于0.07％时，吸水率随着交联剂用量的增加而增大；当交联剂的用量大于0.07％时，随着交联剂用吸水倍率减少。因此，当引发剂用量适中时，产物的吸水率较高。 (3)当丙烯酸的中和度小于0.48时，吸水率随着中和度的增加而增大，而当中和度大于0.48时，吸水率随着中和度的增大反而下降。可以得到这样的结论：单体的中和度在0.35-0.65之间是比较适合的。 (4)吸水剂在70℃左右有最大的吸水率。温度低于70℃，吸水率明显降低，而温度高于70℃，吸水率也开始降低。 结果表明，当淀粉和丙烯酸的质量比为2/8，交联剂的用量为0.07％(占丙烯酸单体的质量分数)，引发剂的质量分数为单体的0.08％，丙烯酸的中和度为48％(丙烯酸钠占丙烯酸的质量分数)，共聚合温度为70摄氏度时，该树脂在短时间内可完全吸水膨胀，吸蒸馏水率最大为1300 g/g，且具有良好的保水性能。 4.膨润土复合丙烯酰胺SAP和淀粉接枝丙烯酸SAP的XRD、IR、SEM表征。 可以得出这样的结论：吸水率较高的SAP在微观状态下均呈现蜂窝型结构，且含有大量的亲水性基团，由于以上二者的协调作用，使得SAP能够吸收大量的水并且膨胀。 5.膨润土复合丙烯酰胺SAP和淀粉接枝丙烯酸SAP的田间实验。 (1)淀粉接枝丙烯酸SAP、膨润土复合丙烯酰胺SAP等2种防渗剂的水剂和粉剂相比较，水剂的效果优于粉剂。 (2)淀粉接枝丙烯酸SAP、膨润土复合丙烯酰胺SAP这2种防渗剂的施用量均为15％的水剂每亩33 kg和66 kg的2个处理效果较好，在淡黑钙土水田可以保水4天，在风沙土水田可保水2天，节水18％～20％，比对照增产10％左右。 (3)防渗剂对土壤理化性质产生的影响较小。对原地土壤及水质pH值没有带来显著变化，也对土壤缓冲性也没有不良影响。施用防渗剂后土壤容重略有降低、孔隙率有所增加，并未增加土壤的板结性。 (4)施用防渗剂对水田地温和水温的提高均产生积极的影响。 (5)防渗剂能增强水稻的抗旱能力，为水稻创造良好的土壤条件，提高水稻对水分和养分的利用率，促进根系生长，促进了水稻生长和发育。秧苗返青、水稻出穗可提前2-3天，水稻下部枯叶少，长势明显优于对照，水稻生育后期，茎叶保持功能的时间延长，水稻结实率、千粒重大部分都增加。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 前言

1研究的目的与意义

2工程性节水技术研究进展

2.1土壤内铺设沥青等节水材料进行工程性节水

2.2我国的砂田节水技术

2.3地膜覆盖节水技术

3化控节水技术研究现状

3.1土壤保水剂

3.2土壤蒸发抑制剂

3.3植物抗蒸腾剂

3.4植物生长调节剂

3.5土壤结构改良剂

第二章聚丙烯酸的合成与防渗机理研究

1研究方法

1.1丙烯酸的聚合

1.2聚丙烯酸分子量的测定

1.3聚丙烯酸凝胶化曲线的测定

1.4 IPN样品的合成

1.5模拟土壤成膜实验

1.6实验仪器与试剂

2实验结果与分析

2.1影响丙烯酸聚合的条件

2.2聚丙烯酸分子量与粘度的关系

2.3聚丙烯酸的凝胶化曲线

2.4 IPN化后样品的电镜实验

2.5聚丙烯酸在土壤内成膜的模拟实验

2.6难透水膜的节水效果与费用估算

3小结

第三章 膨润土复合丙烯酰胺防渗机理研究

1研究方法

1.1膨润土复合丙烯酰胺超强吸水剂的制备

1.2测定方法

1.3样品的吸水性能评定

1.4实验仪器与试剂

2结果与讨论

2.1膨润土的添加量对吸水率的影响

2.2膨润土对树脂吸水速率的影响

2.3膨润土对树脂保水性的影响

2.4膨润土对树脂吸盐性的影响

2.5交联剂的用量对树脂吸水率的影响

2.6引发剂的用量对树脂吸水率的影响

3小结

第四章淀粉接枝聚丙烯酸防渗机理研究

1研究方法

1.1淀粉接枝丙烯酸型超强吸水剂的制备

1.2测定方法

1.3实验仪器与试剂

2淀粉接枝丙烯酸型SAP的性能测定结果与讨论

2.1淀粉的理化特性和淀粉与单体(丙烯酸)的重量比对树脂吸水率的影响

2.2交联剂的用量对树脂吸水率的影响

2.3.引发剂的用量对树脂吸水率的影响

2.4单体中和度对树脂吸水率的影响

2.5共聚合温度对树脂吸水率的影响

3小结

第五章 膨润土复合丙烯酰胺SAP及淀粉接枝SAP的结构表征

1 膨润土复合丙烯酰胺SAP的表征

1.1复合树脂的XRD表征

1.2复合树脂的结构研究(IR)

1.3复合树脂的SEM表征

2淀粉接枝AA型SAP的表征

2.1淀粉接枝AA型SAP的XRD表征

2.2淀粉接枝AA型SAP的结构研究(IR)

2.3淀粉接枝AA型SAP的SEM表征

3小结

第六章亲水性高分子化合物对水田土壤的防渗效果研究

1研究方法

1.1供试材料及施用量确定

1.2试验水稻品种及试验地点

1.3试验方法

2结果与分析

2.1防渗剂施用量的确定

2.2淀粉接枝丙烯酸SAP的田间应用实验

2.3膨润土复合丙烯酰胺SAP田间应用实验

3淀粉接枝丙烯酸SAP、膨润土复合丙烯酰胺SAP的效益估算

4小结

第七章结论与展望

参考文献

附 录

致 谢

作者简历