CC BY
223
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 631.412
ОПТИМИЗАЦИЯ ВЛАГООБЕСПЕЧЕННОСТИ ПОЧВ С ПОМОЩЬЮ ПОЛИМЕРНЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ П.В. Наумов, научный сотрудник Л.Ф. Щербакова, кандидат химических наук, доцент
ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет А.А. Околелова, доктор биологических наук, професор
ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный технический университет
Исследована водоудерживающая способность сильно набухающих полимерных гидрогелей, возможность регулирования с их помощью водного режима почв, повышения запасов влаги, доступной растениям в условиях водного дефицита.
Ключевые слова: влагообеспеченностъ почв, сильно
набухающие полиакриламидные гидрогели.
Оптимизация водного режима почв, сохранение в ней запасов влаги, нивелирование дефицита влаги - актуальные проблемы агроценозов, особенно аридных зон. Обеспечение оптимальной влажности почв - одно из основных условий повышения плодородия, их санитарно-защитных функций.
Г идрофильные сильно набухающие полимерные гидрогели относят к классу влагопоглотителей (суперабсорбентов). Эти вещества обладают очень высокой степенью набухания в воде (до 1 кг воды на один грамм сухого полимера) и могут быть эффективными средствами регулирования водоудерживающей способности почв. Полимерные гидрогели - это пористые, хорошо набухающие, но не растворяющиеся в воде материалы. Содержание воды в равновесно набухших гидрогелях изменяется в широком диапазоне от 10 до 95 % и больше [5]. Основная часть поглощаемой гидрогелем жидкости (до 90 %) заполняет свободное поровое пространство, занимающее основной объем образца. Вклад собственно полимерной части материала, имеющей относительно небольшую степень набухания, сравнительно мал.
Гидрогели представляют собой длинные полимерные цепи, сшитые друг с другом поперечными ковалентными связями (сшивками) в единую пространственную сетку (рис.1) [6].
В водной среде они диссоциируют с образованием заряженных звеньев и низкомолекулярных противоионов, при этом ионы одного заряда, например положительные, остаются связанными с цепью, а отрицательные (противоионы) оказываются в свободном состоянии. Одноименно заряженные звенья полимерной сетки отталкиваются друг
от друга, и поэтому цепи, изначально свернутые в клубки, сильно вытягиваются. В результате поглощения воды гель набухает и значительно увеличивается в размерах.
субцепь заряженные ионы гидрофобные агрегаты
сшивка противоионы
Рисунок 1 - Схема строения трех форм полимерного геля
Низкомолекулярные противоионы свободно перемещаются внутри геля. Его поверхность оказывается непроницаемой для противоионов, они стремятся занять как можно больший объем, создавая тем самым «распирающее» осмотическое давление, которое и вызывает значительное набухание геля. Даже при малом количестве заряженных звеньев гель набухает в основном за счет осмотического давления противоионов [1, 7, 8].
Целесообразность применения сильно набухающих полимерных гидрогелей для мелиорации почв состоит в следующем. Размещённый в почвенном слое гидрофильный сетчатый полимер обеспечивает удержание дополнительного запаса влаги, главным образом, за счёт снижения потерь на гравитационный сток и физическое испарение [3].
Эту влагу эффективно используют растения, поскольку её основная часть лежит в области биологически доступных потенциалов (4,2>pF>2,0). В результате наблюдаются значительное пролонгирование влажности почвы [3].
Нами ранее [4] произведена оценка возможности применения данного материала в экозащитных целях. В своих исследованиях мы использовали гидрогель серии ШТОКОСОРБ® марки Medium. Он является сшитым сополимером акриламида и акриловой кислоты, нерастворим в воде и органических растворителях, pH = 7,0-8,0. В сухой форме представляет собой сыпучие белые гранулы размером 0,8-2,0 мм. Температурный диапазон применения: от -21 °С до +100 °С [2].
Гидрогель является полиамфолитом, так как содержит звенья слабой кислоты и слабого основания (рис. 2).
—С Но—СН—СНо-СН—
“ I ‘ I
с=о с^о
ын2 он
п
Рисунок 2 - Сополимер акриламида и акриловой кислоты
Нами проведен модельный опыт по изучению влияния скорости и времени набухания на изменение массы и объема гидрогеля (рис. 3).
1-ш/шо; 2-У/Уо.
Рисунок 3 - Зависимость степени набухания гидрогеля от времени: то и ш - массы гидрогеля начальные и через определенный промежуток времени; Уо и V - объем гидрогеля начальный и через определенный
промежуток времени Максимальное увеличение исследуемых параметров наблюдается в первый час набухания - объем гидрогеля возрастает в 80 раз, а масса -в 73. Опытным путем нами было установлено, что исследуемый гидрогель обладает высокой способностью поглощать и удерживать
влагу, 1 г сухого вещества способен абсорбировать до 240 мл воды. Столь высокая способность поглощать воду характерна для полиэлектролитных гелей, содержащих заряженные группы.
Можно предположить, что полимерный гидрогель значительно увеличит влагоудерживающую способность почвы. Практические доказательства этому получены в результате проведенного нами эксперимента. В качестве контроля использовали образец воздушносухой серой лесной почвы п. Леонидовка Пензенской обл., в котором искусственно создавали влажность (47- 48 %), соответствующую влажности исследуемых образцов с добавлением торфа и гидрогеля. Динамика изменения влажности образцов представлена на рис. 4.
Рисунок 4 - Динамика влажности почвы в присутствии полиакриламидного гидрогеля, торфа и их комбинаций:
1 - контроль; 2 - необработанный торф; 3 - гидрогель; 4 - гидрогель и необработанный торф; 5 - гидрогель и торф, модифицированный солью железа; \У - влажность почвы, %; X - продолжительность опыта, сутки
Как видно из рисунка 4, добавление гидрогеля и торфа с солями железа способствует удержанию в почве наибольшего количества влаги, в варианте «почва - торф» - наименьшему, но влажность и здесь выше по сравнению с контролем. Преимущество варианта с добавлением данного сорбента проявляется уже через 10 суток, влажность в системе «почва -торф» к этому моменту возросла на 4,5 % и составляет 34,5 %. В системе «почва - гидрогель» влажность достигает 38 %, что превышает контроль на 15 %. Через 15 дней после начала эксперимента у почвы с добавлением гидрогеля изучаемая характеристика выше по сравнению с контролем и
комбинацией «почва - немодифицированный торф» на 35,2 и 16,7 %, а через 25 дней соответственно - на 54,3 и 26,8 %.
Проведенный эксперимент показал, что полимерный гидрогель обладает высокой водоудерживающей способностью и может обеспечить запасы влаги в почве, в том числе, и доступной растениям.
Библиографический список
1. Гросберг, А.Ю. Физика в мире полимеров [Текст]/ А.Ю. Гросберг, А.Р. Хохлов. - М. : Наука, 1989. -208 с.
2. Инструкция по применению препаратов ШТОКОСОРБ®.
3. Кузнецов, А. Ю. Влияние полимерной мелиорации на свойства чернозема выщелоченного, тепличного почвогрунта и урожайность сельскохозяйственных культур [Текст]: автореф. ... к.с-х.н. / А. Ю. Кузнецов. - Пенза, 2003 - 25 с.
4. Особенности миграции фосфорорганических поллютантов в почвах района захоронения химического оружия [Текст]/ П.В. Наумов, Л.Ф. Щербакова, Б.В. Серебренников, А.А. Околелова // Известия ВолгГУ. Серия. Реология, процессы и аппараты химической технологии. - 2011. - Вып. 4. - № 1 (74). - С. 46-48.
5. Полимерные системы для контролируемого выделения биологически активных соединений [Текст]/ Л.И. Валуев, ТА. Валуева, И.Л. Валуев, НА. Платэ // Успехи биологической химии. - 2003. - Т. 43. - С. 307-328.
6. Филиппова, О.Е. «Умные» полимерные гидрогели [Текст] / О.Е. Филиппова // Природа. - 2005. - № 8. - С.41-48.
7. Хохлов, А.Р. Восприимчивые гели [Текст]/ А.Р. Хохлов // Соросовский образовательный журнал. - 1998. - № 11. - С. 138-142.
8. Хохлов, А.Р. Самоорганизация в ион-содержащих полимерных системах [Текст]/ А.Р. Хохлов, Е.Е. Дормидонтова // Успехи физ. наук. - 1997. - Т. 167. - № 2. - С.113-128.
E-mail: [email protected]
