潜在的纤维素基高吸水性树脂水凝胶作为水库的农业

文摘

目前的工作处理一个可生物降解的高吸水性树脂水凝胶的发展,基于纤维素衍生物,为优化水资源在农业、园艺,更多的在一般情况下,灌输智慧和精明的用水方法。提出的水凝胶的吸附能力是首先评估,与特定的关于两个变量可能在土壤环境中扮演着重要角色,也就是说,此外,离子强度和博士初步评价水库的水凝胶的潜在农业使用水凝胶是由实验温室,种植的番茄。工程水土保持曲线,在不同水凝胶的存在,也进行了分析。初步结果表明,该材料允许一个有效的存储和持续释放的水土壤和植物的根。虽然进一步的调查应该执行完全描述水凝胶和土壤之间的相互作用,这些发现表明,大规模水凝胶的设想使用可能产生革命性影响农业水资源管理的优化。

1。介绍

高吸水性树脂水凝胶是一个特定类的高分子凝胶,通过化学稳定的亲水聚合物在三维网络,分散相的水,在大数量。目前,高吸水性树脂水凝胶被广泛用作吸收剂对卫生产品的核心(例如婴儿尿布),这个有吸引力的商业动机的兴趣对新技术的发展,跨国公司与专注于“化学定义”和这些材料的生产流程(1- - - - - -5]。

然而,当前市场上大多数的高吸水性树脂acrylate-based产品;因此,它们不能被生物降解的,最重要的是,他们担忧存在一些毒性用于农业或任何应用程序相关的人类食用。结果,新的机构和公众对环境的注意了hydrogel-based产品制造商考虑可生物降解的高吸水性树脂的发展(6- - - - - -13]。

Sannino和同事开发和专利的小说类纤维素基聚电解质水凝胶,完全可生物降解和生物相容性,其膨胀性能可以通过调整一些合成调制参数(14- - - - - -20.]。这种水凝胶可能因此吸收水或水溶液1公升每克干材料。材料可以生产的干燥状态以粉末形式或作为一个体积与一个定义良好的形状(在这方面,值得注意的是,它的形状的物质表现出强烈的记忆后肿胀)。此外,可以含有小分子水凝胶,例如,营养,以一种受控制的方式发布,这取决于swelling-deswelling转换(13]。

本研究的目的是调查潜在的纤维素基水凝胶,通过一个水溶性碳化二亚胺交联,作为水的持续释放系统(和营养)植物根系,干旱和沙漠地区的农业和园艺。这类水凝胶的生物相容性已确认(17,18并建议他们可能在农业中的应用。水凝胶的设想是粉末的生产形式,可能负责营养和/或植物制药、和混合在邻近植物根系的土壤。种植时(通过浇水灌溉或降雨),水凝胶吸收和保留了水,从而避免快速水由于蒸发损失和排水。随着土壤蒸发,水凝胶释放存储水以持续的方式通过扩散机制,保持土壤或基质湿润在相当长的一段时间。进一步利用混合土壤的水凝胶,凝胶颗粒(在干燥的形式有几乎相同的维数的基质颗粒)增加大小后肿胀,从而增加土壤孔隙度,并提供一个更好的植物根系氧化,图的图示1。

在这项研究中,聚电解质合成了纤维素基水凝胶,检测在不同的环境条件(即膨胀能力。,different values of ionic strength and pH of the external solution), which might significantly affect the hydrogel swelling and deswelling occurring in the soil. The application of the hydrogel for the cultivation of “cherry tomatoes,” typical of Southern Italy, was also investigated in a pilot study.

2。材料和方法

2.1。水凝胶的合成

羧甲基纤维素钠盐(CMCNa)和hydroxyethylcellulose (HEC)被用作水凝胶的合成前体。特别是,CMCNa (Blanose 7霍夫,MW哒,DS = 0.7,粘度1000 - 2800 cp (1%, 25°C))和高等商学院(Natrosol 250小时,10 MW⁶哒,女士= 2.5,粘度1500 - 2500 cp (1%, 25°C)),食品和制药应用,买来Eigenmann Veronelli,米兰,意大利。(使用的交联剂是1-ethyl-3) - 3-dimethylaminopropyl碳化二亚胺盐酸盐(WSC) (Sigma-Aldrich、米兰、意大利)。三种不同的水凝胶配方合成(表1),通过改变总纤维素浓度聚合物溶液开始(3、4和5 wt %)。交联剂的量(2.5 wt %)和CMCNa / HEC重量比(3/1)保持不变,根据获得的结果在以前的作品(14- - - - - -20.]。

CMCNa和HEC首次在室温下搅拌溶解在蒸馏水,直到一个明确的解决方案。首先,HEC很容易分散,之后CMCNa是补充道。CMCNa浓度采用溶解缓慢,需要24小时。一旦得到纤维素溶液,溶液中柠檬酸1% (w / v)的添加作为催化剂。碳化二亚胺终于允许添加和溶解在整个解决方案和分配均匀。交联反应发生在几个小时在室温下,淡黄色的水凝胶的形成。除去未反应的化学物质,部分肿胀的水凝胶样品被浸泡在大量蒸馏水,直到达到平衡。在这个阶段,水凝胶样品是完全明确的和透明的。洗后阶段,干浆果,获得的产品热处理的水凝胶样品通过对流烤箱在45°C。Powder-like终于通过研磨样品。 The final powder size distribution was in the range 0.1–1 mm.

2.2。肿胀测量

水凝胶溶胀能力在蒸馏水首先评估。平衡和动力学进行了测量,持水量和水凝胶的吸附率都是重要的设想在农业中的应用。平衡溶胀能力测量通过仔细权衡前后样品浸泡在蒸馏水大约24小时。茶叶袋是用来轻松操纵水凝胶样品后肿胀。肿胀率(SR)定义如下: 在哪里水凝胶和肿胀的重量吗是干燥的样品的重量。

水凝胶吸附率是评估通过监测体重增加的样品浸泡在蒸馏水后不同时间长度(5、10、15、20、25、30、60、120和180分钟),表示为SR变化。

平衡膨胀研究在不同离子强度也执行,准备四水解决方案的氯化钠浓度的10⁻³,10⁻²,10⁻¹,1米。干燥的样品称重和沉浸在水溶液,直到平衡程度。采用相同的程序分析的膨胀能力在不同的pH值(pH值的范围在2 - 10)。在这种情况下,适量的氯化钠添加到缓冲解决方案使用,为了获得相同的离子强度(0.04米)的价值。

所有的肿胀测量,在蒸馏水和水的解决方案,进行了在室温下使用电子微量天平(缝匠肌)的准确性g。报道的水吸收值为每个不同的水凝胶成分是五个测量长度的平均值。

2.3。试点研究水凝胶在农业上的应用

目的是进一步探索水库的水凝胶的可能应用在农业和园艺,其直接影响种植的樱桃番茄,“专业评估了来自意大利南部的实验温室。水凝胶干粉类型的“B”,选择了基于肿胀的结果分析,混合在土壤(红壤)植物根系区域封闭。不同数量的水凝胶被添加到土壤,浓度0.2%,0.5%和1% (wt %)的土壤。水凝胶的土壤没有修正案被用作控制。然后土壤浇水和湿度(表示为%体积)经常通过一个定制的传感器监控,已经描述在文献[21,22),它利用水凝胶本身作为一个高度敏感的检测系统。这样的传感器,能够测量土壤中的水凝胶的湿度条件,尤其有用确定的最佳时间点需要灌溉的土壤。

不同水凝胶的效应量(0.5%,1%,和2%)土壤水分保持曲线也进行调查,通过一个定制的设计压力板仪(23]。

3所示。结果与讨论

3.1。肿胀测量

平衡溶胀测试在蒸馏水显示示例B (4 wt %纤维素)显示高膨胀率与样品相比(3 wt %纤维素)和C (5 wt %纤维素)(图2)。纤维素浓度前驱溶液因此发现显著影响水凝胶吸附性能、吸附能力达到最高的纤维素浓度的中间值。这个行为可以解释为考虑两种竞争机制所扮演的角色。一方面,高分子浓度开始的解决方案(例如,5 wt %)导致的形成大量的身体纠缠,而化学交联后,作为进一步交联,从而减少水凝胶膨胀能力。另一方面,聚合物浓度较低(例如,3 wt %)降低交联反应的功效,由于低浓度溶液中的反应性网站,从而导致松散交联网络吸附能力较差。这可能是为什么最佳溶胀能力显示了示例B,从前体溶液获得的纤维素浓度的中间值。水凝胶B因此选择进行进一步的分析。

动能肿胀测量在蒸馏水显示快速吸收的水凝胶配方(图3)。30分钟后,所有的样品几乎达到平衡溶胀比的值。事实上一个稳定的“高原”区域可以观察到在30到180分钟之间的时间框架。略有增加的溶胀比B可以检测样品,虽然溶胀比达到30分钟是非常接近平均平衡值(图2)。因此一次30分钟的长度是视为一个合理的和可接受的期限完成水凝胶肿胀,当应用在农业水凝胶。

离子强度的影响外部解决方案的平衡吸附性能的水凝胶图所示4。正如预期的那样,所有的样品检测被发现对离子强度的变化特别敏感,由于聚电解质的存在CMCNa聚合物网络,这是导致“唐南式”的建立平衡凝胶和周围的解决方案。显然,对于每一个样本,增加外部溶液的离子强度降低离子物种的浓度之间的区别在凝胶和外部解决方案,因此,水吸收。样品离子强度的影响尤为明显,B,,然而,显示最高的膨胀能力即使在高离子强度值(例如,0.1)。

关于水凝胶对pH值的变化敏感,溶胀比的增加可以观察到当增加外部溶液的pH值(图5)。这是相关的离解羧基组出现在CMCNa链,这显然取决于周围环境的pH值。外部溶液的pH值降低,负电荷拴在聚合物骨架的数量减少,由于H⁺离子将相关CMCNa带来的羧基组。这减少了离子“唐南类型”贡献水凝胶平衡溶胀能力,从而导致降低肿胀比率。H的供应⁺离子从主干上的分离群体,然而,有限的。这表明,在一定的高价值的pH值,所有的羧基团体将会分离,形成一个完全充电网络,从而导致膨胀能力的最大价值。

3.2。初步研究和初步观察

水库的水凝胶的使用培养的“樱桃番茄”(即一个小圆西红柿)在实验温室(图6)被发现是非常有利的水的持续释放到土壤和植物的根。

土壤中的含水量,监控在几天后最初的灌溉,确实是影响水凝胶的存在,高含水量检测到选择的时间点,当水凝胶浓度增加(图7)。

特别有趣的是要注意,在小水凝胶的数量最多(1%),土壤保持湿润的时间长度几乎一式三份,关于土壤缺乏水凝胶。此外,初始湿度,浇水之后,更高的土壤水凝胶被添加,从而确认其水库或存储能力。事实上,相对快速膨胀的水凝胶粉允许将灌溉用水有效地保留在土壤中,而不是自然失去了通过蒸发和/或排水。值得一提的是,水的蒸发取决于气候条件。然而,高分子水凝胶的蒸发明显低于自由水的蒸发土壤暴露在大气中,由于大分子网络障碍和水和聚合物分子之间的相互作用。在周围的土壤含水量减少,然后慢慢地吸收水释放的水凝胶,通过扩散驱动机制。

控制和持续释放的水使植物生存好几天不需要进一步的治疗。尤其是番茄栽培在这项研究中被发现枯萎,当土壤湿度达到值范围10 - 20%(或降低)。这些价值在9天左右达到当时只有0.2%的水凝胶添加到土壤中。相反,一个更长的植物存活时间,等于22天,水凝胶时达到1%(图7)。从长远来看,如果设想出一个高效、大规模的使用提出了水凝胶在农业、hydrogel-based传感器开发监测土壤湿度可能也被集成与一个特定的计算机软件,可以激活自动灌溉系统作为水凝胶的湿度和土壤达到临界水平低。

为了确认水库水凝胶的作用提出了上述报道结果,额外的测量吸潜在的土壤进行。正如预期,hydrogel-amended土壤表现出更高的保水能力hydrogel-free控制相比,和水储存数量显著增加更高的水凝胶(图使用8)。

虽然进一步的调查应该执行评估水凝胶降解土壤中的化学和动力学,以及评估最优水凝胶量用于种植不同的植物物种,这个试点研究的初步结果显示承诺可能使用的纤维素基水凝胶,通过碳化二亚胺交联,水库农业。关于水凝胶降解,分析目前在进步似乎表明水凝胶降解发生在大约6个月,没有显著改变土壤化学。

4所示。结论

在这工作,聚电解质纤维素基水凝胶从纤维素衍生品药品获得年级进行了农业作为潜在的水库。准备几个配方,纤维素浓度的不同前体溶液,使用作为一个无毒的水溶性碳化二亚胺交联剂。膨胀能力测试在不同的环境条件,也就是说,离子强度和pH值,会严重影响设想应用在土壤中。基于膨胀数据,一个特定的水凝胶配方(获得纤维素浓度等于4%)被选中作进一步分析,因为它显示最高的持水量。聚电解质,选定的水凝胶对离子强度和pH值变化也敏感,虽然膨胀能力相当高在所有不同的条件下测试。一个试点研究集中在番茄的栽培与hydrogel-amended土壤表明水凝胶可以显著提高土壤的保水能力,以及允许水的持续释放植物持续一段时间,没有额外的需要浇水。深入分析水凝胶的降解及其对土壤性质的影响应该在未来解决调查。然而,这项研究的初步结果表明,提出的水凝胶可能是一个强大的手段来优化农业水管理,这是特别至关重要的地区水资源短缺是一个严重的问题。

确认

作者希望博士承认Francesco Serio科学研究所的粮食生产的国家研究委员会ISPA-CNR(意大利)和皮特Santamaria巴里大学的博士(意大利)在执行试点研究的帮助支持hydrogel-amended土壤及其效应在实验温室种植的番茄。这次调查部分COL.GEL赠款资助的项目,从意大利教育部大学和研究(MIUR)。

引用

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