电影属性、保水性和增长促进导数羧甲基纤维素材料从棉花秸秆

文摘

三种衍生物羧甲基纤维素(DCMC)材料,CMC-Na CMC-K, CMC-NH₄准备从棉花秸秆纤维。它们的化学结构、电影形态、保水性、生物降解性,和经济增长促进了与红外光谱(IR)、扫描电子显微镜(SEM)和现场实验。结果表明,这三种材料的红外吸收峰是相同的。发现了DCMC材料可以形成电影后喷量的4.00 g / m²和12.00 g / m²和膜厚度在CMC-K的顺序显示,CMC-NH₄,CMC-Na。最大持水量DCMC喷洒在土壤后显著增加。CMC-Na的保水性,CMC-K, CMC-NH₄各自增长了47.74%,72.85%和61.40%,而喷洒12.00 g / m²与对照组(CK)相比,和保水率增加6.93,9.75,和8.67倍,分别,第七天。土壤微生物的总数增加了DCMC材料喷涂;在上层的数量增加了92.31%,123.08%,和138.46%,分别比CK。这三个材料被用于玉米田时100.00公斤/ hm的数量²玉米产量增加了33.11%,70.93%,和50.60%,分别。DCMC材料,作为唯一碳源,可以通过土壤微生物降解。NH等营养元素₄⁺的材料可能会进一步促进微生物的生长和农作物。这项研究可能提供一种新的方式应用随DCMC在土壤保水性、土壤改良剂、高附加值转型吸管在干旱地区。

1。介绍

黄土高原西北部的中国是一个干旱和半干旱地区约有640000平方公里。宽松的土壤质地和缺水(每年仅为200 ~ 500毫米降雨量)限制植物的良好增长(1,2]。保水材料处理上述问题中起着重要的作用[3]。目前,有三种主要类型的常用保材料淀粉、合成树脂和纤维素4- - - - - -6]。聚丙烯酰胺(PAM)是广泛用于土壤保水性7,8]。然而,丙烯酰胺(AM)中残存的PAM和PAM后退化是剧毒,会造成致命的影响大多数环境微生物9,10]。是单体的生物降解是缓慢的,这使得它容易积累和成果在人类神经系统中毒11]。长期接触会损害皮肤,也可能导致致突变性和致癌性12,13]。因此,PAM对生态环境和人体健康有害。迫切需要寻求新的环保保水材料在干旱地区农业发展。

据不完全估计,稻草的年产量约为8.76亿吨(在中国14]。粗纤维含量的小麦、玉米、棉花、和其他吸管可以达到30.00% - -40.00%,这可能与多种用途(可再生资源15]。目前,吸管是主要用于肥料、饲料、燃料、基础材料、建筑材料(16]。相比之下,许多农作物稻草仍每年燃烧或闲置,造成资源的巨大浪费。

羧甲基纤维素(CMC)是一种材料后获得carboxymethylation纤维素(17]。秸秆纤维素的化学结构包含许多羟基和具有某些特殊功能通过引入特定的官能团可以增加一致性、乳化和保水性18]。CMC是主要应用于食品生产、医药、废水处理等。19- - - - - -21]。使用棉浆为原料,Hokkanen等人准备CMC与不同程度的替代水凝胶纤维,和蒸馏水的吸湿性可以达到71.20%22]。邓用稻草为原料准备保水剂通过水溶液聚合,和保水率达到了71.34%23]。锁水复合材料是由张等人与羧甲基纤维素/壳聚糖(CMC / CS)。它的最大保水性模拟干旱的气候条件下可以达到60.00%(5小时24]。李等人发现,当羧甲基纤维素的亲水聚合物用于砂,其可用的含水量增加了四倍比CK (25]。

迄今为止所有的研究集中在纤维素材料的制备技术和理化性质的测定。然而,几乎没有报道土壤纤维素材料中的应用,尤其是系统的应用效果研究纤维素材料在土壤表面喷洒。因此,三种DCMC材料,包括CMC-Na CMC-K, CMC-NH₄本研究中使用。其中,CMC-Na和CMC-K羧甲基纤维素钠或钾获得稻草纤维素碱化和醚化后,而CMC-NH₄缩氨酸和氨的羧甲基纤维素钠。这三个材料准备从棉花秸秆纤维探索它们的化学结构、电影形态、水潴留,生物降解性,和增长促进后喷洒在土壤表面,为应用程序提供一种新的方式稻草纤维素材料在干旱地区土壤保水性和土壤改良剂如黄土高原。

2。材料和方法

2.1。DCMC材料和土壤

三种DCMC材料、羧甲基纤维素钠(CMC-Na),钾(CMC-K)、羧甲基纤维素和羧甲基纤维素(CMC-NH铵₄),是由我们组从棉花秸秆纤维(图1)。材料属性如表所示1。CMC-Na是白色粉末;CMC-K和CMC-NH₄白絮凝物。

本研究中使用的土壤是来自Nangou村,亚洲地区,延安城市,陕西,中国(纬度,经度:109.300362:36.597649)。土壤有机碳、总氮,磷,钾和可用1.07%、0.05%,0.37克/公斤,分别和12.49克/公斤。土壤pH值为8.10。

2.2。红外光谱扫描

DCMC的三种材料的化学结构被解释为特征的红外光谱(IR)。记录了红外傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪的那些时光Nexus的Nicolet 410(美国的那些时光公司热Nicolet)在波数扫描4000 - 400厘米¹识别CMC-Na的功能结构,CMC-K, CMC-NH₄。

2.3。粘度测定DCMC材料

一个统一的解决方案的三个材料准备到烧杯与质量分数为0%,0.50%,1.00%,1.50%,和2.00%,然后,新的DV1粘度计(Brookfield)应用于测量粘度在20°C,然后,粘度曲线图表在不同浓度。

2.4。表面和侧面的电影材料的形态

一个实验建立了花盆的内径8.00厘米和10.00厘米的高度。每个收集土壤样本的220.00 g Nangou村庄被放到一个花盆。0.50%溶液三种DCMC材料分别用自来水,和4.00 g / m的材料²,8.00 g / m²和12.00 g / m²在花盆里的土壤表面喷洒。CK是同样体积的自来水处理。这些花盆放置在室内平均温度25 - 28°C和37% - -42%的相对湿度7天不浇水。实验设置在三个相似的形态学观察电影,比较微观表面轮廓形态、覆盖率,和膜厚度与日立s - 4800场发射扫描电镜观察。

2.5。测量最大持水率和土壤保水性

220.00克干土样来自Nangou村,延安城市,被每一个花盆,每个花盆土壤(标记为 )是加权。这些锅喷三种DCMC材料为4.00 g / m²,8.00 g / m²和12.00 g / m²分别和CK处理只有自来水。然后,水慢慢地添加到土壤表面,直到饱和(标记为 )。这些花盆被放置在室内平均温度25 - 28°C和37% - -42%的相对湿度7天不浇水,让水自然蒸发。总重量(标记为 )这些花盆每天测量。最大的土壤持水率(WH)计算方程(1)和土壤保水率(WR)计算使用方程(2)。

2.6。DCMC土壤微生物降解的材料

10.00 g收集土壤溶解在90毫升无菌水;然后,1毫升的上层清液被吸引到一个包含50毫升瓶无机盐的液体介质(ISLM)和震动。三个DCMC材料和聚丙烯酰胺(PAM)分别添加到ISLM为0.50%,1.00%,1.50%,和2.00%的质量分数,分别。CK组没有DCMC和PAM处理。实验设置3相似之处。样本种植在160 r / min摇晃孵化器和30 0°C, 5、10天来测量光密度( )。然后,DCMC和PAM的降解效果进行比较,和一个可行的利用三DCMC材料作为唯一碳源对土壤微生物会提出。

ISLM的组件如下:氯化钠0.20 g,在北半球₄没有₃2.00 g, KH₂阿宝₄0.50 g、K₂HPO₄0.50 g, MgSO₄h·7₂O 0.20 g, MnSO₄0.01 g, FeSO₄h·7₂O 0.01 g, CaCl₂0.10克、水1 L。

2.7。现场试验DCMC材料对土壤微生物的增长

现场试验是在Nangou村,延安城市。三个DCMC材料准备0.50%水解决方案和喷洒土壤表面的斜率。每一块20.00米²喷了DCMC材料喷涂量的4.00 g / m²。CK情节是喷洒同样体积的水。土壤微生物数量是记录在一个月。

1.00 g的土壤样本与无菌生理盐水稀释10¹,10²,10³梯度悬挂,和100年μL上层清液涂在牛肉膏蛋白胨(cep)固体培养基。然后,微生物在板的数量是24小时的观察和统计。微生物的总数(NM)计算

代表可数平板上的菌落形成单位数量,土壤样本的稀释因子,代表土壤样本的重量。

cep组件的固体培养基牛肉膏5.00 g,蛋白胨10.00 g,氯化钠5.00 g,琼脂12.00克、水1 L。

2.8。现场试验对玉米产量DCMC材料

八场实验情节设置面积25.00²在Nangou村。玉米播种5月2日,2019年。根据电影特性的三个DCMC SEM(扫描电子显微镜),材料的喷涂率为10.00 g / m²选择在每个实验的阴谋与相同数量的自来水对照组(CK)。2019年7月3日,三个DCMC材料准备的浓度0.50%,喷洒在土壤表面上100.00公斤/ hm的数量²。鲜重和脱水重量的玉米穗轴和内核测量10月10日,2019年。

2.9。数据处理方法

Microsoft Excel 2010是用来组织和图形数据。SPSS 20.0软件被用来测试的平均数量的意义治疗的水平 。

3所示。结果

3.1。DCMC材料的结构表征

三个DCMC材料的红外光谱(图2)有相同的趋势,吸收和特征官能团的位置关系密切。信号在3420 ~ 3442厘米¹对应的-哦组吸收,而信号在1590 ~ 1610厘米¹对称和非对称振动吸收峰对应的C = O的首席运营官^{- - - - - -}组和信号在1310 ~ 1420厘米¹与切断的伸缩振动和地平面变形振动和ch^{- - - - - -}吸收峰附近的2910厘米¹。它已经表明,振动振幅CMC-K CMC-NH₄羧基的吸收峰值略高于CMC-Na。

3.2。DCMC材料的粘度

三个DCMC材料的粘度与不同浓度图所示3。粘度范围是18 - 380 mPa·年代,14 - 950 mPa·s,和32 - 840 mPa·s,分别CMC-Na质量分数时,CMC-K, CMC-NH₄是0.50% - -2.00%。取代度(DS)的CMC-Na, CMC-K, CMC-NH₄0.85 - -0.95,0.60 - -0.80和0.78,分别。其中,CMC-Na DS最高和最低粘度。粘度的哟₂COO-R材料也与R取代基组的类型密切相关。这与文献报道结果一致(26]。粘度随着浓度增加。在相同的浓度下,粘度CMC-K > CMC-NH强度显示的顺序₄> CMC-Na。

3.3。从DCMC形态分析成膜

成膜效果是由扫描电镜观察三DCMC材料后喷洒在土壤表面4.00 g / m²和12.00 g / m²,分别。采用扫描电镜观察DCMC材料喷涂后的膜的形成。这部电影表面覆盖土壤之间的差距和部分填充块和增加土壤颗粒之间的凝聚力,形成较大的骨料,这是符合周等人的发现。27]。图4显示了俯瞰SEM图像与110和800倍的放大。很明显,这三个DCMC材料形式的电影。在4.00 g / m CMC-K形成电影²和12.00 g / m²均匀,而CMC-NH₄只是形式完全覆盖电影12.00 g / m²。这意味着CMC-K成膜效果最好,其次是CMC-NH₄在同样的喷洒浓度。

SEM图像放大(图15005)表明,膜厚度CMC-K CMC-NH₄,CMC-Na是2.00 - -20.00μ1.00 - -6.00米,μ米,-3.00和0.50μm,分别在4.00 g / m²-12.00克/米²,膜厚度与喷涂量增加。比较三个DCMC材料喷涂的厚度的12.00 g / m²,有一个顺序CMC-K > CMC-NH₄> CMC-Na。此外,它已被发现,DCMC材料的成膜特性与粘度有关。在相同浓度下,CMC-K最高粘度,形成最好的电影,而CMC-Na最小的粘度和最薄的电影。根据上面的扫描结果中,有不同的成膜特性与不同DCMC材料。

3.4。DCMC材料的保水性能

的保水性三DCMC材料测量,最大持水率(WH)。数据显示的三种DCMC材料可能会增加WH(图6(一))添加了额外的数量增加。在12.00 g / m²的WH CMC-Na、CMC-K CMC-NH₄分别可以达到36.02%,42.14%,39.35%,47.74%,72.85%,比CK高61.40%。有一个顺序的WH CMC-K > CMC-NH4 > CMC-Na喷涂量。土壤保水率(WR)测量the7th天不用教。结果表明,土壤WR添加了DCMC材料仍高于CK(数据6 (b)- - - - - -6 (d))。三种DCMC材料的车手可能达到81.62%,87.69%,和84.32%,分别在模拟干旱和nonwatering条件下。与CK相比,或者说是三个DCMC材料增加了6.93、9.75和8.67倍,分别12.00 g / m²喷涂的第七天。这个数字高于文献中羧甲基cellulose-modified材料的保水率(CMC / CS)是60.00%25]。有一个订单或者说是身份CMC-K > CMC-NH₄> CMC-Na,与粘度的顺序一致。这表明,车手的粘度呈正相关,DCMC材料和与电影的顺序是一致的覆盖和厚度。因此,DCMC材料扮演了一个角色在减少土壤水分蒸发,保留水。

3.5。DCMC材料的生物降解

两三个DCMC材料和PAM作为唯一碳源来测试他们的可能性被意味着测量的生物降解价值。结果(图7)表明,这三个材料不仅可以使用土壤微生物也促进微生物的生长。相反,PAM不能使用。最高的CMC-K, CMC-Na, CMC-NH₄分别为1.08,0.25和1.06的浓度为1.5%。ISLM这包含每个材料的粘度下降了95.39%,79.80%,和94.47%,分别PAM的价值从0.10减少到0.06十天后,观察和PAM粘度降低。PAM增长很难被微生物由于其unbiodegradable特性和有害的微生物。这个结果符合马等人的发现报道,PAM土壤微生物的降解率很低(28]。索伊卡和条目也报道说,帕姆的有害微生物,减少总微生物生物量(29日]。上面的数据可以得出结论,三个DCMC比PAM可生物降解的环保材料。

3.6。DCMC材料对土壤微生物的影响

图8显示了不同土壤的微生物(NM)层喷涂CMC-Na之后,CMC-K, CMC-NH₄在4.00 g / m的内容²。表面的纳米层分别为92.31%,123.08%和138.46%高于CK喷洒自来水。与此同时,纳米在5厘米地下土壤为40.91%,81.82%,比CK高54.55%。土壤中的纳米喷洒三DCMC材料明显高于CK。透露,喷洒了DCMC材料促进土壤微生物的生长,因为其保水性和营养的供给。

3.7。DCMC材料对玉米产量的影响

图9显示的影响喷涂CMC-Na、CMC-K CMC-NH₄玉米产量。发现所有字段喷洒三DCMC材料可以收获一个好的收益。干玉米内核是4398.30,5648.04,和4976.29公斤/嗯²33.11%,70.93%,比CK高50.60%。这是符合应用程序的结果在文献中报道的保水材料黑麦草的生长增加了44.50%在干旱条件下(30.]。

3.8。DCMC材料的刺激机制

三个DCMC材料来源于稻草纤维素交错和聚合长链分子。他们可能在土壤表面形成多孔网络覆盖土壤,然后吸收并储存大量的水,直到成为凝胶状态,土壤块之间的部分填补空缺,增加土壤颗粒之间的凝聚力,最后干燥后形成薄膜。然后,形成电影可能会关闭,或多或少,土壤表面上的漏洞,防止土壤水分蒸发。与此同时,多分子的网络上的亲水性基团,如-COONa⁺,-COONH₄⁺,做饭⁺,-哦,K⁺,Na⁺,NH₄⁺,可能导致减少的水蒸发由于缓慢释放甚至固定化。

此外,DCMC材料生物降解的。退化的膜材料可以提供碳源和一些营养物质如K⁺,Na⁺,NH₄⁺将返回到土壤,改善土壤微环境,促进微生物的数量扩张和作物生长。膜的形成机制、保水性和增长促进如图10。三个DCMC材料作为一种新型的保水材料的优势被生物降解,环保,无污染。同时,这项研究可能提供一种新的理念和方法,将秸秆资源转换为一系列喷膜材料。

4所示。结论

三种CMC-Na DCMC材料、CMC-K CMC-NH₄是由棉花秸秆。都可以形成一个电影后喷洒在土壤有效防止土壤水分蒸发,提高土壤持水量和水潴留率,显著提高土壤水分的影响。的水潴留属性三个DCMC材料有关的膜厚度和成膜过程与粘度有关。总的来说,0.05%的浓度范围为-2.00%,喷雾量越高,膜厚度越大,保水效果就越好。三国DCMC材料,CMC-K最高粘度、最好的成膜性能,保水效果最好,其次是CMC-NH₄。所有DCMC材料可以促进经济增长的土壤微生物降解,提高玉米产量。因此,基于作物秸秆的CMC材料修改可能是一个环保的方法在干旱地区水潴留和领域有广阔的应用前景的高附加值利用农作物秸秆。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究是国家重点支持的R & D项目中国(2017 yfd0800504)。

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