摘要：通过室内试验比较分析了5种不同类型保水剂的吸水倍率、吸水速率、反复吸水能力和释水速率等指标，借助层次分析法辅助软件（yaahp）对各种类型的保水剂进行评价与筛选。结果表明：沃特保水剂在纯水中的吸水倍率达413 g/g，高于其他保水剂；吸水能力和释水速率也优于其他类型保水剂，前3次反复吸水能力稳定，呈线性规律。基于层次分析法建立合理的层次分析模型和判断矩阵，最终筛选出沃特保水剂进行塌陷区贫瘠耕地土壤改良的实地应用。

关键词：干旱矿区；保水剂类型；评价；筛选；层次分析

中图分类号：S157文献标志码：A文章编号：1002-1302（2014）01-0343-04

收稿日期：2013-08-08

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2012BAC10B00）。

作者简介：吉林（1989—），男，江苏扬州人，硕士研究生，研究方向为环境生态。E-mail：jingling19891223@sina.com。

通信作者：孟庆俊，博士，副教授，主要从事环境化学与环境毒理学研究。E-mail：qjmeng930@126.com。神府—东胜矿区大柳塔矿地处晋陕蒙接壤地带，在煤炭开采带来快速经济发展的同时，由其引发的地表塌陷、地裂缝等地质灾害，使耕作区土壤质量骤降，农作物产量较低，同时典型的黄土沟壑地貌在夏季强降雨的条件下加剧了水土流失，环境问题日益突出。研究区耕地主要经济作物是玉米、大豆和马铃薯，土壤呈碱性，pH值在8～8.6，土地贫瘠，作物成活率低。现场采样研究发现，该区土壤含水率低，结构松散，土壤养分淋失严重，因此为提高作物成活率和产量，采取了许多保护性种植措施（矿泉水瓶埋置法、覆膜法、保水剂法等）。保水剂（SAP）是近年来农林领域应用最广泛的一种化学改良剂，它是一种亲水性基团的三维网状结构高分子聚合物，吸水能力可达自身重量的数百倍之多[1]。它可以改善土壤结构，提高土壤持水性和作物的抗旱能力，已被广泛用于现代农林业增产等方面[2-3]。然而，保水剂的性能[4]是保水剂应用的根本保证，不同保水剂因化学类型不同而保水性能存在差异。刘亚琦等分析比较了国内外10种保水剂的基本性能，结果表明玉米淀粉-丙烯酸共聚型保水剂的吸水性能较其他类型保水剂好，聚丙烯酸-无机矿物型保水剂和聚丙烯酰胺-无机矿物型保水剂在释水速率方面要强于聚丙烯酸盐型保水剂和淀粉-丙烯酸共聚型保水剂，而反复吸水性能却没有明显规律可循[5]。陆文静等研究了非水溶性和水溶性聚丙烯酰胺型（PAM）保水剂的相对分子质量、离子类型、离子度、粒径等性状对其保水性能和寿命的影响，最后筛选出非水溶性的JB保水剂和水溶性的WSN20保水剂为最佳保水剂[6]。关于采煤塌陷影响下的贫瘠耕地土壤保水技术研究，选择保水性能强、寿命长的适宜类型保水剂是当下亟待解决的关键问题。本试验对5种不同化学类型保水剂的基本性能进行室内模拟研究，通过考察保水剂的吸水倍率、吸水速率、反复吸水能力和释水速率这4项指标，筛选出保水性能强、持续稳定吸水、受干扰少的保水剂，为其在干旱矿区耕地土壤的应用推广提供有力的理论支撑。

1材料与方法

1.1试验材料

选取5种类型保水剂，具体见表1。

1.2试验方法

对所选的5种保水剂基本性能进行测定[8]。

1.2.1吸水倍率测定称取0.5 g保水剂干样，置于预先注入0.1%NaCl溶液、0.1%CaCl2溶液、0.1%FeCl3溶液的大烧杯中（以去离子水为对照），在室温下静置吸液24 h，再用100目尼龙筛过滤，直至凝胶不再滴水为止，称取凝胶重量，按式（1）计算吸水倍率：

吸水倍率（g/g）=饱和水凝胶的重量-保水剂干样的重量1保水剂干样的重量（1）

1.2.2吸水速率测定 称取不同类型保水剂干样各0.5 g置于纱布袋中，用简易拉力计慢慢将其放入盛有足量溶液的1 000 mL量筒中（以去离子水为对照），从保水剂浸入溶液中的时刻开始计时，并观测拉力计的读数，待读数不变时，记录时间，并计算保水剂达饱和所需的时间。

1.2.3反复吸水能力保水剂在溶液中反复吸水能力的测定方法与吸水倍率测定方法相同，遵循“吸水—烘干—复吸—烘干”的规律。将保水剂置于足量的0.1% CaCl2溶液中，待其吸水饱和后称重，再将保水剂凝胶置于60 ℃的烘箱中，12 h后称重并记录。如此反复3次处理并称重、计算吸水倍率，最后将3次吸水倍率与在去离子水中吸水倍率的比值作为该条件下的反复吸水能力。

1.2.4释水速率测定释水速率是指饱和的保水剂水凝胶在单位时间内的释水量。将饱和的水凝胶称重，除去表面皿重，得水凝胶重；再将其敞口置于60 ℃的恒温烘箱内，12 h后称重并记录[9]。采用式（2）计算保水剂的释水速率：

释水速率（g/h）=饱和水凝胶重量-烘干样品重量1所耗时间（2）

2结果与分析

2.1不同阳离子盐溶液对保水剂吸水倍率的影响

保水剂的吸水倍率是指单位质量的保水剂在过量水或溶液中吸水饱和后所吸收水的重量（g/g），它表示保水剂的被动吸水能力。5种保水剂在去离子水和质量浓度均为0.1%的NaCl溶液、CaCl2溶液、FeCl3溶液中的吸水倍率如图1所示。

由图1可知，5种保水剂在去离子水中的吸水倍率是最大的，在0.1%NaCl溶液、0.1%CaCl2溶液、0.1%FeCl3溶液中的吸水倍率随着阳离子所带电荷量的增大而减小。保水剂是一类高分子电解质，容易受盐离子的破坏而变更吸附能力[10]，而沃特多功能保水剂分子中所含的无机黏土矿物对阳离子具有一定的吸附作用，从而增强了保水剂吸水能力。试验结果表明，不同保水剂的吸水倍率大小排序为沃特>安信>黑金子>汉力淼2101XM>法国AQ，可见沃特保水剂的吸水能力（413 g/g）最优，即不同化学类型保水剂按吸水倍率由大到小排序存在以下规律：凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型（413 g/g）>部分交联型水膨性丙烯酸盐-丙烯酸型（197 g/g）>腐殖酸型（169 g/g）>聚丙烯酰胺型（125 g/g）>丙烯酰胺与丙烯酸钾型（71 g/g）。endprint

由保水剂对去离子水、同浓度不同阳离子盐溶液的吸水倍率情况可知，保水剂的吸水倍率受水中电解质等多种外界因素干扰。不论是在去离子水中还是在盐溶液中，保水剂因其化学类型和组成成分不同而存在吸水倍率上的差异，主要是因为保水剂的分子结构和离子类型不同。首先，5种保水剂的分子结构分为三维网状共聚体和C-C单链线性聚合体2种类型，其中三维网状结构的保水剂具有吸水的原动力——渗透压，其锁水性较单链结构好；其次，从保水剂所属的分子类型看，离子型保水剂本身是一种高分子电解质，当水中有盐类存在时，其内部渗透压降低，水分向外扩散，保水剂吸水能力降低，而非离子型保水剂受盐分干扰较小[6]。

2.2保水剂在去离子水中的吸水速率

保水剂在水（或溶液）中的吸水速率表示保水剂在单位时间内的吸水情况，是衡量保水剂快速吸水强度的一个重要指标。相同重量的5种保水剂在去离子水中吸水达到饱和所需的时间如表2所示。

从表2可以看出，汉力淼2101XM（聚丙烯酰胺型）和安信（部分交联型水膨性丙烯酸盐-丙烯酸型）的吸水速率相对较慢，沃特（凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型）吸水速率最快，其次是法国AQ（丙烯酰胺与丙烯酸钾型），主要是因为保水剂单体颗粒的粒径大小不同。沃特保水剂是粒径<0.5 mm的粉末，在其他条件相同的情况下，其单位重量比表面积较大，吸水速率较快，吸水量较大。

2.3保水剂的反复吸水能力

保水剂在水溶液中的反复吸水能力是表征保水剂寿命的重要指标[11]。随着重复吸水次数的增加，吸水倍率的减量逐渐减小，则保水剂的反复吸水能力越来越好。试验遵循“吸水—烘干—复吸—再烘干”规律，将5种保水剂在0.1%CaCl2溶液中的反复吸水能力情况绘制如图2。

国内外研究表明，保水剂的吸水性能受到水分、介质中盐与养分离子浓度及离子价态的影响[12-13]。由图2可以看出，CaCl2溶液显著抑制了保水剂的吸水能力。5种保水剂的反复吸水能力均随着复吸次数的增加而逐渐减小。但是沃特保水剂每次吸水能力的变化是稳定的，几乎都下降11%左右，对沃特保水剂3次吸水能力进行线性拟合，得到的方程为 y =-0.115x+0.393 7，r2=0999 4，而安信、汉力淼2101XM等保水剂的变化起伏不定，说明沃特保水剂的吸水倍率受环境中阳离子的影响相对较小，且下降程度趋于稳定，在一定程度上反映了沃特保水剂的强耐盐性和高度稳定性。

2.4保水剂在去离子水中的释水速率

由图3可知，保水剂释水速率大小顺序是沃特（16.67 g/h）>黑金子（7.67 g/h）>安信（6.92 g/h）>汉力淼2101XM（4.42 g/h）>法国AQ（3.08 g/h），沃特保水剂的释水速率最快，效果明显优于其他4种保水剂。

保水剂的释水速率是反映其保水能力大小的一个重要指标，但是关于保水剂释水规律的研究少有报道[9]。有研究表明，保水剂在去离子水中吸水饱和后形成的水凝胶的释水速率会随着粒径的增大而减小。沃特保水剂是一种浅褐色粉末状的微粒，其良好的物理结构增大了吸水表面积和体积，也加快了其吸水速率和释水速率。

3保水剂的筛选

目前市场上的保水剂品种繁多，类型多样，稳定的、高强度的、寿命长的保水剂品种是发达国家保水剂的主导产品，更是土壤改良的关键，而保水剂自身的常规性能则是消费者最为关心的问题。本研究选择保水剂的吸水倍率、吸水速率、反复吸水能力和释水速率这4项指标作为保水剂性能筛选的标准，通过层次分析法辅助软件（yaahp）构建保水剂筛选模型，并以上述试验数据为基础结合专家评定指标的相对权重对其进行详细的层次分析（analytic hierarchy process，AHP），以筛选出适宜的保水剂类型，具体过程[14]如下。

3.1构建层次结构模型

保水剂筛选的层次结构模型包括目标层A、准则层B和方案层C。目标层A为典型保水剂；准则层B为保水剂的吸水倍率B1、保水剂的吸水速率B2、保水剂的反复吸水能力B3、保水剂的释水速率B4；方案层C为安信（部分交联型水膨性丙烯酸盐-丙烯酸型）C1、汉力淼2101XM（聚丙烯酰胺型）C2、法国AQ（丙烯酰胺与丙烯酸钾型）C3、黑金子（腐殖酸型）C4、沃特（凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型）C5。

3.2判断矩阵的建立

同一层次中各因素通过两两比较的方式对上一层次中某个准则的重要性进行判断，采用九级标度法[15]构成判断矩阵，结果如表3、表4、表5、表6、表7所示。其中，Wi表示相对权重，CR代表随机一致性比率，i=1，2，3，4，j=1，2，3，4，5。λmax为判断矩阵的最大特征值。

从表8可以看出，对准则层而言，B3、B1、B2占有很大的权重比例，权重分别为0.527 0、0.260 8、0.111 4，B4因素对目标层的权重值最小，为0.100 7，即准则层权重由大到小的顺序为保水剂反复吸水能力>保水剂的吸水倍率>保水剂的吸水速率>保水剂的释水速率。一般的保水剂使用寿命在 3～4年，保水剂的吸水与释水情况会随着地理气候条件的变化而变化，在保水剂吸水能力与释水能力对比的同时，还需考虑其持续吸水、释水的有效性，且持续吸水、释水性能关系到保水剂的使用寿命和使用强度，显得更为重要。

综合权重是指每个方案对最终选择的目标层的相对重要性程度，表征某个方案实施的有效性程度。各类型保水剂的综合权重由大到小的次序是C5（0.272 1）>C4（0.223 3）>C3（0.179 4）>C1（0.169 3）>C2（0.155 9），即各类型保水剂的适宜程度由强到弱的顺序为凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型>腐殖酸型>丙烯酰胺与丙烯酸钾型>部分交联型水膨性丙烯酸盐-丙烯酸型>聚丙烯酰胺型。因此，选择凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型保水剂作为适用的保水剂类型进行实地应用研究。endprint

4结语

通过对不同保水剂的吸水倍率、吸水速率、反复吸水能力和释水速率研究，得出以下结论：

保水剂的吸水倍率与水溶液的性质密切相关。保水剂在去离子水中的吸水倍率最大，可达400倍以上。而盐溶液的存在对保水剂的吸水能力有一定的抑制作用，且溶液中阳离子价态越高，对保水剂吸水能力的抑制作用越强。

保水剂的吸水速率试验结果表明，粉末状的、粒径最小（<0.5 mm）的沃特保水剂吸水最快。因此，实际应用中应选择同种类型保水剂中粒径较小的保水剂。

虽然保水剂在多次重复吸水的情况下吸水倍率有所下降，但不难看出，沃特保水剂具有稳定的反复吸水能力，且其释水速率也优于其他类型保水剂，这主要是由沃特保水剂本身所特有的稳定的网状分子结构及其无机黏土矿物的抗盐性所致。

以层次分析软件（yaahp）为基础，通过构建层次结构模型和判断矩阵，筛选出最适宜干旱矿区土壤改良的保水剂是凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型保水剂，该方法避免了主观随意性所带来的权重差异，使结论更为实际。

参考文献：

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4结语

通过对不同保水剂的吸水倍率、吸水速率、反复吸水能力和释水速率研究，得出以下结论：

保水剂的吸水倍率与水溶液的性质密切相关。保水剂在去离子水中的吸水倍率最大，可达400倍以上。而盐溶液的存在对保水剂的吸水能力有一定的抑制作用，且溶液中阳离子价态越高，对保水剂吸水能力的抑制作用越强。

保水剂的吸水速率试验结果表明，粉末状的、粒径最小（<0.5 mm）的沃特保水剂吸水最快。因此，实际应用中应选择同种类型保水剂中粒径较小的保水剂。

虽然保水剂在多次重复吸水的情况下吸水倍率有所下降，但不难看出，沃特保水剂具有稳定的反复吸水能力，且其释水速率也优于其他类型保水剂，这主要是由沃特保水剂本身所特有的稳定的网状分子结构及其无机黏土矿物的抗盐性所致。

以层次分析软件（yaahp）为基础，通过构建层次结构模型和判断矩阵，筛选出最适宜干旱矿区土壤改良的保水剂是凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型保水剂，该方法避免了主观随意性所带来的权重差异，使结论更为实际。

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4结语

通过对不同保水剂的吸水倍率、吸水速率、反复吸水能力和释水速率研究，得出以下结论：

保水剂的吸水倍率与水溶液的性质密切相关。保水剂在去离子水中的吸水倍率最大，可达400倍以上。而盐溶液的存在对保水剂的吸水能力有一定的抑制作用，且溶液中阳离子价态越高，对保水剂吸水能力的抑制作用越强。

保水剂的吸水速率试验结果表明，粉末状的、粒径最小（<0.5 mm）的沃特保水剂吸水最快。因此，实际应用中应选择同种类型保水剂中粒径较小的保水剂。

虽然保水剂在多次重复吸水的情况下吸水倍率有所下降，但不难看出，沃特保水剂具有稳定的反复吸水能力，且其释水速率也优于其他类型保水剂，这主要是由沃特保水剂本身所特有的稳定的网状分子结构及其无机黏土矿物的抗盐性所致。

以层次分析软件（yaahp）为基础，通过构建层次结构模型和判断矩阵，筛选出最适宜干旱矿区土壤改良的保水剂是凹凸棒复合丙烯酸-丙烯酰胺型保水剂，该方法避免了主观随意性所带来的权重差异，使结论更为实际。

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