论文部分内容阅读
我国农业发展受到化肥利用率低、水分供给不足的限制,导致农业发展相关成本不断攀升,经济效益受阻,环境污染加剧。水凝胶作为农业和园艺保水材料的研究越来越受到重视,同时作为载体负载肥料可以达到水肥一体化的调控效果,以减少灌溉频率,改善土壤理化性质,提高作物产量。目前,大多数农用水凝胶缓释材料的研究倾向于基础应用,很少涉及对肥料组分释放机制的探讨。基于此,本研究以褐煤为原材料提取腐植酸,分别与海藻酸钠、聚乙烯醇接枝共聚,合成了两种腐植酸基水凝胶材料,作为尿素的释放载体加以应用。探讨了产品的制备工艺、结构表征、溶胀及释放机制、盆栽应用性能,具体研究内容如下:(1)以褐煤为原料,采用氧化-碱溶酸析结合法提取腐植酸(HA),通过响应面实验优化分析,确定了最佳工艺条件为:H2O2-煤粉液固比为5.87,KOH浓度为3.98%,反应温度为60.55℃,此时提取率为57.98%。采用红外光谱(FT-IR)、热重(TGA)、紫外-可见光谱(UV-Vis)及粒径(DLS)对其进行表征和分析,结果表明HA中含有多种官能团,与煤样的热重变化趋同,且分子量低,活性较好,最小粒径可达491nm。(2)基于腐植酸和海藻酸钠结构的相似性,且同属于生物刺激素,以腐植酸钾(KHA)、海藻酸钠(SA)、丙烯酸(AA)为原材料合成了 KHA/SA/PAA水凝胶缓释材料,最优合成条件为:AA、KHA、SA、KPS、MBA 用量分别为:10g、10%、12%、1.0%、0.12%,聚合温度60℃,AA中和度为60%。通过FT-IR、SEM分析表明,KHA、SA、PAA三者发生了接枝共聚反应,聚合物网络呈多孔的结构。在不同pH条件下材料的溶胀机制符合Scott二阶动力学模型,水分子扩散为非Fickian扩散,pH=7时平衡溶胀率高达621.46%,有较好的吸水保水能力。通过研究对尿素的吸收和释放可知,尿素扩散为非Fickian扩散,在酸性环境下释放更快,释放机制符合一级动力学方程和Higuchi方程。在30天尿素累积释放率为35.6%,腐植酸钾释放量为0.17mg/5mL(9.50%),降解速率为1.21%/天。盆栽实验表明:在14天后产品添加量为500:1时,青菜叶片可溶性蛋白含量可提高31.4%、叶绿素含量可提高33.2%,且MDA含量有21.1%降低,说明该产品能够有效地改善作物品质。(3)基于腐植酸不饱和双亲高分子结构特征,以腐植酸钾(KHA)、聚乙烯醇(PVA)、丙烯酸(AA)为原材料合成了 KHA/PVA/PAA水凝胶缓释材料,最佳合成工艺为:AA/PVA/KHA质量比、AA中和度、聚合温度、KPS用量、MBA用量分别为10:1:1、65%、80℃、0.25 g、0.06g。通过 FT-IR、XRD、SEM 分析表明,PAA 与 KHA 发生了接枝共聚反应,PVA通过氢键作用参与构建互穿网络结构,产物表面多孔。在不同pH条件下产品的溶胀、扩散机制与KHA/SA/PAA相同,但溶胀速率更快,pH=7时平衡溶胀率高达876.37g/g。尿素扩散为non-Fickian扩散,碱性条件下更利于氮素的释放,释放机制符合Higuchi方程。在30天尿素累积释放率为37.5%,KHA释放量为0.206 mg/5mL(11.2%),降解速率为1.06%/天。盆栽实验表明:在14天后产品添加量为750:1时,可以有效提高叶片可溶性蛋白含量21.9%、叶绿素含量增加23.1%,降低MDA含量30.1%,有效的提高了作物品质。