蒙脱石对保水剂效率提升实验研究

2018-11-29彭丽萍张伟燕师庆东

中国农村水利水电 2018年11期

彭丽萍，张伟燕，师庆东,3

(1. 新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046；3. 新疆大学干旱生态环境研究所，乌鲁木齐 830046)

在干旱半干旱地区，水是植物生长发育的主要限制性因子，保水剂作为一种新型控水、节水技术，由于其特殊的抗旱、节水、保水作用，在作物保苗、抗旱增产、城市花木生产、生态修复等方面得到了应用[1-5]。于育英等[6]在测试保水剂的保水性能实验中发现，保水剂在受压的情况下仍然可以保持原吸水量70%的水分，并且保水剂中水分的蒸发速度也远远低于常态水的蒸发速度。但保水剂仍存在使用成本较高；其吸水、持水性能受土壤特性影响较大[7-8]；与土壤混合后，吸水倍率易受到土壤孔隙特性的影响而明显降低，且随着吸水时间的增加，降低幅度增大[9]，这些因素使保水剂大面积的推广与应用进程受到阻碍。而蒙脱石在新疆储量较大、价格较低且在黏土家族中是性质较为独特的一种，具有吸水性、膨胀性、黏着性、保水保肥性，被大范围的运用于多个领域，其中以其较强的吸附能力以及较高的稳定性和绿色无污染性而被应用于环保领域[10]。此研究在前人研究的基础上，利用蒙脱石与保水剂混合，探索蒙脱石对保水剂效率提升的效果，为今后保水剂在农用、林业的广泛应用提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验样品：①法国爱森SNF生产商提供的粒径为0.3～0.5 mm的MP3005KCE型土壤保水剂。②粒径为6～8、8～10、10～12、12～15 mm的蒙脱石。③供试土壤(壤沙土)。

实验仪器：①DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱。②电子天平。③自制的实验装置(图1)。④一次性塑料杯，杯高15 cm，上口直径6.5 cm，下口直径4 cm。

1.2 实验方法

(1)吸水倍率：吸水倍率。是无量纲物理量。测量方法[11，12]如下：准确称取待测物M1g，放入盛满蒸馏水的容器中吸水，在t时间内，用尼龙筛网(图1)滤沥静置以去除未吸附的游离水，称得待测物的质量为M2g，两者相减再除以待测物吸水前质量(M1g)即得保水剂在t时间内的吸水倍率(每组做三组重复)，计算公式如下：

(1)

式中：Q为待测物的吸水倍率，g/g；M1为待测物的干重，g；M2为吸水后待测物的重量，g。

(2)保水性测试[13]：先将供试土壤放入烘箱中在105 ℃的条件下烘48 h取出，以确保土壤中的水分的散失。用500 mL的一次性塑料杯，设置空白土样、只加保水剂土样、只加蒙脱石土样以及保水剂与蒙脱石混合土样，且每组样品做两组重复。先将一次性塑料杯中加入5 cm的土壤，然后在其上加入供试材料，再覆土大约为5 cm，所有材料装完后，加入150 mL的蒸馏水，待充分吸水饱和后，称其质量，并放入60 ℃的烘箱中，每隔24 h称其质量并记录，持续10 d左右。以不同时间的含水凝胶质量与其初始含水凝胶质量之比作为保水率的指标。

(3) 不同重力条件下保水剂吸水倍率测试：选取不同重力条件(0、32、45、58、71、84 kg/m2)，以模拟保水剂在不同土壤埋深下所受的土壤重力，测试保水剂的吸水倍率，(重力的选择根据保水剂在一次性塑料杯中所受土壤埋深5～15 cm的重力)。先将多孔有机玻璃滤板(0.485 mm(孔径)×951(孔数)，d=100 mm，h=12 mm)放置在培养皿(d=160 mm，h=22 mm)中，将一边用300目尼龙纱布封闭的有机玻璃圆筒(d=100 mm，h=90 mm)放置多孔玻璃滤板上，将称好的保水剂(蒙脱石，保水剂与蒙脱石的混合物)样品均匀放置在尼龙纱布的表面上，将尼龙圆筒(d=96 mm，h=90 mm，它可以在玻璃圆筒内自由上下滑)压载保水剂，将所需负载(不同重量的砝码)放置尼龙圆筒内，培养皿中装满蒸馏水，每隔30 min进行称量，测试不同重力下保水剂的吸水倍率[14]，每组实验做3组重复。实验装置如图1所示。

图1 重力条件下测试保水剂吸水倍率装置图Fig.1 Diagram of water absorptivity device for testing water retention agent under gravity condition

2 结果与分析

2.1 保水剂吸水倍率随时间变化

表1～表4分别是粒径为6～8、8～10、10～12、12～15 mm的蒙脱石与0.2 g保水剂混合，在一定重力条件下(84 kg/m2)，去除蒙脱石的吸水量后，单纯保水剂吸水倍率随时间的变化，蒙脱石的添加质量根据不同粒径大小蒙脱石的颗粒数及其所占尼龙滤网的比例，从少至多添加，直至不能增加保水剂的吸水倍率。保水剂的吸水倍率随时间的增加而增加，吸水初期，保水剂吸水速度较快，到2.5 h前后趋于饱和，其吸水倍率逐渐减小或增速减慢，12～15 mm的蒙脱石对提升保水剂的吸水倍率较其他三种效果较好(图2)。由表1可知添加质量范围在4.87～41.15 g的6～8 mm蒙脱石与保水剂混合(即保水剂与蒙脱石的比例为1∶24～1∶206)时，能够增加保水剂的吸水效果，当蒙脱石添加量为10.45 g(即配比为1∶52)时，保水剂的吸水倍率达到最大，为237.50 g/g。由表2可知添加范围在8.07～39.79 g的8～10 mm蒙脱石与保水剂混合(即保水剂与蒙脱石的混合比例为1∶40～1∶199)时，能够增加保水剂的吸水效果，当蒙脱石添加量为24.39 g(即配比为1∶122)时，保水剂的吸水倍率达到最大，为214.64 g/g。由表3可得添加范围在3.94～39.78 g的10～12 mm蒙脱石与保水剂混合(即保水剂与蒙脱石的比例为1∶20～1∶199)时，能够增加保水剂的吸水效果，当蒙脱石添加量为6.69 g(即配比为1∶33)时，保水剂的吸水倍率达到最大，为229.36 g/g。由表4可知添加范围在8.07～39.78 g的12～15 mm的蒙脱石与保水剂混合(即保水剂与蒙脱石的比例为1∶40～1∶199)时，能够增加保水剂的吸水效果，当蒙脱石添加量为8.07g(即配比为1∶40)时，保水剂的吸水倍率达到最大，为245.33 g/g。

表1 6～8 mm蒙脱石与保水剂混合保水剂吸水倍率随时间变化Tab.1 The water absorption ratio of 6～8 mm montmorillonite mixed with water - retaining agent changes with time

表2 8～10 mm蒙脱石与保水剂混合保水剂吸水倍率随时间变化Tab.2 The water absorption ratio of 8～10 mm montmorillonite mixed with water - retaining agent changes with time

表3 10～12 mm蒙脱石与保水剂混合保水剂吸水倍率随时间变化Tab.3 The water absorption ratio of 10～12 mm montmorillonite mixed with water - retaining agent changes with time

产生这一现象的原因可能是在重力条件下单独使用保水剂，保水剂因为受到重力的作用而不能肆意生长，限制了其生长空间[15]，从而降低了其吸水率，而加入蒙脱石可以为保水剂的溶胀支撑一定的空间，使保水剂颗粒能够溶胀的更大，从而增大了其吸水量。但蒙脱石添加量过多，反而会对保水剂溶胀起到阻碍作用，因此，蒙脱石的添加量具有一定的范围。而保水剂的吸水和溶胀并不是无限制的[16]，所以，保水剂在一定时间内会达到吸水饱和状态。

2.2 不同重力条件下保水剂吸水倍率研究

2.2.1 不同重力条件下保水剂吸水倍率随时间变化

图2(a)～图2(d) 分别是保水剂与蒙脱石在相同配比下(1∶40)，各粒径蒙脱石与保水剂混合，在不同重力条件下(0、32、45、58、71、84 kg/m2)去除蒙脱石的吸水量后，保水剂的吸水倍率随时间的变化。图4是不添加蒙脱石，单独使用保水剂在不同重力条件下保水剂的吸水倍率随时间的变化。在相同配比条件下，4种粒径蒙脱石与保水剂混合，去除蒙脱石吸水量后，保水剂吸水倍率都随时间的增加而有缓慢降低的趋势(图2)，趋于饱和后其吸水倍率几乎不变，但均大于单独使用保水剂的吸水倍率100 g/g，4种粒径蒙脱石表现出12～15 mm蒙脱石对保水剂吸水倍率提升最大。保水剂最大吸水倍率均在重力为0时，添加粒径为12～15 mm时达到最大为286 g/g，比单独使用保水剂提高了106 g/g(图3)。单独使用保水剂其吸水倍率随时间的增加而缓慢增加，到2.5 h左右趋于饱和，其吸水倍率随时间的增加几乎不变。在不同重力条件下，保水剂的吸水倍率都表现出随重力增加而减小的趋势(图2、图3)。在重力为0时，添加各粒径蒙脱石的保水剂吸水倍率均达到最大值，在重力为84 kg/m2时，保水剂的吸水倍率均为最小值；且重力在32～84 kg/m2时保水剂的吸水倍率均与重力为0时差距较大，且在有重力作用下，各重力作用间吸水倍率相差较小。

2.2.2 不同重力条件下保水剂吸水倍率随蒙脱石粒径的变化

图4分别是保水剂与蒙脱石混合吸水饱和时，各配比(1∶40，1∶80，1∶120，1∶160，1∶200，取各粒径中能够提升保水剂吸水倍率的配比的公共区间)在不同重力条件下，添加各粒径蒙脱石对保水剂吸水倍率提升的对比。去除蒙脱石的吸水量后，保水剂的吸水倍率随所添加蒙脱石粒径的增大而增大(图4)，最大可增加保水剂吸水倍率106g/g，且在不同重力作用下，保水剂吸水倍率表现出随重力增大而逐渐减小的趋势，保水剂与蒙脱石在配比为1∶40时的吸水倍率与其他配比相比较高。

图2 蒙脱石与保水剂混合，在不同重力条件下，去除蒙脱石吸水量，保水剂吸水倍率变化Fig.2 Under different gravity conditions, the water absorbance ratio changes of montmorillonite mixed with water retention agent

图3 在不同重力条件下，不添加蒙脱石保水剂吸水倍率变化Fig.3 Under different gravity conditions, the water absorbance ratio changes without montmorillonite

产生这种现象的原因可能是，蒙脱石对保水剂在受重力的情况下起到了支撑作用，使保水剂有更大的生长空间，粒径越大，撑起的空间越大。但随着重力的增大，蒙脱石的支撑作用逐渐减弱，保水剂膨胀的空间也会逐渐减小，因此其吸水倍率就会降低；在没有重力时，保水剂可以不受外在条件的影响，不断膨胀直至饱和，因此其吸水倍率较高。

2.3 各粒径蒙脱石与保水剂混合保水效果研究

图5分别表示保水剂与粒径为6～8、8～10、10～12、12～15 mm的蒙脱石按质量比1/40、1/80、1/120、1/160、1/200混合，保水剂保水效果的变化。单独使用保水剂以及加入蒙脱石的保水剂，其保水效果都随时间而减小，但加入蒙脱石的保水剂保水效果优于单独使用保水剂的保水效果。各粒径蒙脱石与保水剂混合比例均在1∶160时，混合物的保水效果最好。

选取保水性较好的各粒径蒙脱石与保水剂混合(160/1)，得出各粒径间保水剂保水效果对比图(图6)。混合物保水性随时间的增加而降低，12～15 mm的蒙脱石与保水剂混合保水性最好，第10 d混合物的保水率仍在13%。蒙脱石与保水剂混合，保水效果有所提高，可能是因为蒙脱石本身具有一定的吸水保水性[10]，同时在重力作用下，添加蒙脱石使保水剂具有更大的生长空间，能够吸收更多的水分，而单独使用保水剂因其受重力影响，膨胀较小，因此混合物的保水效果比单独使用保水剂的保水效果好。

3 结语

保水剂受土壤重力影响较大，适量添加蒙脱石，可以提高保水剂抵抗重力的能力，从而提升保水剂效率，重力大小、蒙脱石与保水剂的添加比例、蒙脱石粒径大小对保水剂的效率都有一定的影响。

图4 不同重力条件下混合物中去除蒙脱石吸水量后保水剂吸水倍率变化Fig.4 Changes in water absorbance ratio of water retaining agent after removal of water absorbance from montmorillonite under different gravity conditions