植酸改性秸秆复合高吸水树脂的吸肥保肥性能研究

【摘要】：目前，秸秆焚烧引起的环境问题日益严重，水土流失以及荒漠化程度越来越大，农业上化学肥料的利用率越来越低。这些都严重影响了我国农业经济与环境的协调发展。高吸水树脂是一种具有高吸水性和良好保水能力的高分子材料，将其施入土壤中不仅可以减少水分的蒸发、提高土壤中的含水量，还可以减少肥料养分的流失、提高土壤中肥料的含量。玉米秸秆中含有大量纤维素，我们可以利用玉米秸秆为原料来合成纤维素基的高吸水树脂，进而最终使我们达到变废为宝，改善环境，实现粮食增产的目的。 为了提高玉米秸秆的高附加值综合利用水平以及化肥的利用率、减少环境污染、降低水土流失以及荒漠化的程度，本文以过硫酸铵和亚硫酸氢钠为氧化还原引发剂，采用水溶液聚合法将经过植酸改性的玉米秸秆与衣康酸、乙烯基吡咯烷酮和丙烯酰胺接枝共聚制备成了植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂（PCS-SA，phytic acid-modified corn stalk-composite superabsorbent），研究了植酸改性秸秆用量、植酸改性秸秆接枝率、衣康酸与乙烯基吡咯烷酮质量比、引发剂（过硫酸铵）用量、交联剂（N,N-亚甲基双丙烯酰胺）用量以及衣康酸中和度对PCS-SA吸肥保肥性能的影响，采用FTIR和SEM对PCS-SA的结构和形貌进行了表征。主要研究结果如下： （1）植酸改性秸秆用量为15%制备的PCS-SA对尿素吸附量为2.3626g/g，40min对尿素溶液吸肥率达到最大值（105g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中3d尿素释放率为76.70%；PCS-SA对磷酸二氢钾吸附量为0.2681g/g，40min对磷酸二氢钾溶液吸肥率达到最大值（22g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中1d磷酸二氢钾释放率为79.33%。 （2）植酸改性秸秆接枝率为12%制备的PCS-SA对尿素吸附量为2.5633g/g，50min对尿素溶液吸肥率达到最大值（151g/g），PCS-SA吸肥凝胶去离子水中3d尿素释放率为72.87%；PCS-SA对磷酸二氢钾吸附量为0.4239g/g，40min对磷酸二氢钾溶液吸肥率达到最大值（27g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中1d磷酸二氢钾释放率为76.64%。 （3）衣康酸与乙烯基吡咯烷酮质量比为70:30制备的PCS-SA对尿素吸附量为3.8936g/g，40min对尿素溶液吸肥率达到最大值（360g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中3d尿素释放率为56.58%；PCS-SA对磷酸二氢钾吸附量为0.5762g/g，50min对磷酸二氢钾溶液吸肥率达到最大值（41g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中1d磷酸二氢钾释放率为60.37%。 （4）引发剂用量为1.6%制备的PCS-SA对尿素吸附量为2.5827g/g，50min对尿素溶液吸肥率达到最大值（233g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中3d尿素释放率为62.03%；PCS-SA对磷酸二氢钾吸附量为0.3998g/g，40min对磷酸二氢钾溶液吸肥率达到最大值（36g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中1d磷酸二氢钾释放率为65.96%。 （5）交联剂用量为0.2%制备的PCS-SA对尿素吸附量为3.7137g/g，40min对尿素溶液吸肥率达到最大值（351g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中3d尿素释放率为61.26%；PCS-SA对磷酸二氢钾吸附量为0.5034g/g，40min对磷酸二氢钾溶液吸肥率达到最大值（39g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中1d磷酸二氢钾释放率为66.66%。 （6）衣康酸中和度为65%时制备的PCS-SA对尿素吸附量为3.5778g/g，40min对尿素溶液吸肥率达到最大值（350g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中3d尿素释放率为67.64%。PCS-SA对磷酸二氢钾吸附量为0.4702g/g，40min对磷酸二氢钾溶液吸肥率达到最大值（37g/g），PCS-SA吸肥凝胶在去离子水中1d磷酸二氢钾释放率为73.73%。 （7）经过聚合工艺条件的优化，得到了吸肥保肥性能最佳的PCS-SA的合成配方：植酸改性秸秆用量为15%、植酸改性秸秆接枝率为12%、衣康酸与乙烯基吡咯烷酮质量比为70：30、引发剂用量为1.6%、交联剂用量为0.2%、衣康酸中和度为65%。在此条件下制备的PCS-SA吸收尿素溶液40min达到饱和，对尿素溶液吸肥率为360.515g/g；吸收磷酸二氢钾溶液50min达到饱和，对磷酸二氢钾溶液吸肥率为40.515g/g。其吸收尿素、磷酸二氢钾分别达到3.8936g/g和0.5762g/g。吸肥料溶液饱和后的凝胶在蒸馏水中3d释放尿素56.58%，1d释放磷酸二氢钾60.37%。将此PCS-SA混入土壤中，5d后，与不加的PCS-SA土壤相比，土壤中的尿素释放率降低35.48%；3d后，与不加的PCS-SA土壤相比，土壤中的磷酸二氢钾释放率降低15.18%。该PCS-SA使肥料的释放率明显降低，提高了土壤的保肥能力。 （8）FTIR谱图出现植酸改性玉米秸秆结构单元、NVP单元、IA单元和AM单元的特征吸收峰，初步表明植酸改性玉米秸秆与VP、IA和AM发生了接枝共聚反应，得到了目标产物—PCS-SA。 （9）PCS-SA具有不规则的凹凸表面，同时存在许多微孔和沟壑，有利于水分和肥料溶液迅速渗透和扩散到高吸水树脂的网络结构中。 【关键词】：玉米秸秆 植酸 高吸水树脂 尿素 磷酸二氢钾
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ324.8;TQ440.1
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 第1章 引言12-24
• 1.1 高吸水树脂12
• 1.2 纤维素系高吸水树脂12-15
• 1.2.1 纤维素系高吸水树脂概述12-13
• 1.2.2 纤维素系高吸水树脂的研究状况13-15
• 1.3 高吸水树脂的制备方法-溶液聚合法15
• 1.4 高吸水树脂在溶液中的溶胀机理15-17
• 1.4.1 高吸水树脂溶胀理论15-16
• 1.4.2 尿素和磷酸二氢钾对高吸水树脂溶胀的影响16-17
• 1.5 高吸水树脂在农业中的发展状况17
• 1.6 高吸水树脂在农业上的使用方法17-18
• 1.7 高吸水树脂在农业中的应用18-21
• 1.7.1 作为土壤中的保水剂18
• 1.7.2 改良土壤的物理结构18-19
• 1.7.3 提高肥料的利用率19-20
• 1.7.4 促进农作物生长发育20
• 1.7.5 防止水土流失和沙漠化20-21
• 1.8 高吸水树脂（农用）的性能指标21-23
• 1.8.1 吸液（水和肥）速率21
• 1.8.2 耐盐性21
• 1.8.3 重复使用性21-22
• 1.8.4 稳定性22
• 1.8.5 可降解性22-23
• 1.9 选题背景及意义23-24
• 第2章 实验部分24-31
• 2.1 实验药品及规格24-25
• 2.2 实验仪器设备25
• 2.3 植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂的制备25-26
• 2.3.1 单体溶液的配制25
• 2.3.2 玉米秸秆的植酸改性25-26
• 2.3.3 植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂（PCS-SA）的合成26
• 2.4 植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂的吸肥保肥性能测试26-30
• 2.4.1 植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂吸肥率的测定26-27
• 2.4.2 植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂保肥率的测定27
• 2.4.3 吸肥凝胶中肥料释放量和释放率的测定27-29
• 2.4.4 土壤中肥料释放率的测定29-30
• 2.5 结构表征30-31
• 2.5.1 FTIR 红外表征30
• 2.5.2 SEM 扫描电镜30-31
• 第3章 结果与讨论31-63
• 3.1 尿素溶液浓度-吸光度标准曲线绘制31-32
• 3.2 磷酸二氢钾溶液磷浓度-吸光度标准曲线绘制32
• 3.3 植酸改性秸秆用量对植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂吸肥保肥性能的影响32-38
• 3.4 植酸改性秸秆接枝率对植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂吸肥保肥性能的影响38-42
• 3.5 衣康酸与乙烯基吡咯烷酮质量比对植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂吸肥保肥性能的影响42-46
• 3.6 引发剂用量对植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂吸肥保肥性能的影响46-51
• 3.7 交联剂用量对植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂吸肥保肥性能的影响51-55
• 3.8 衣康酸中和度对植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂吸肥保肥性能的影响55-59
• 3.9 植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂对土壤中肥料释放速率的影响59-61
• 3.10 植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂 FTIR 分析61-62
• 3.11 植酸改性玉米秸秆复合高吸水树脂的 SEM 图像62-63
• 主要结论63-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-72
• 攻读学位期间取得的学术成果72-73

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