腐植酸基農林保水生態治理劑及其製備方法
2023-11-06 01:36:17 1
專利名稱：腐植酸基農林保水生態治理劑及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種農林業使用的保水生態治理劑及其製備方法，更具體地說，本發明涉及一種基於腐植酸鹽-丙烯醯胺-丙烯酸鹽共聚物吸水性樹脂的保水劑及其製備方法。
背景技術：
治理水土流失和治理荒漠化是一項複雜的系統工程。在眾多的措施中，應用保水劑治理水土流失、乾旱和荒漠化是目前新的有效途徑。
保水劑是一種新型功能高分子材料，它能夠在短時間內吸收大量水分，吸水量高達自身重量幾十到上千倍，並且吸水膨脹後生成的凝膠在加壓條件下也不易析出水分。當環境相對溼度降低時，可以將水分緩慢釋放出來，在農林業被稱為植物生長的「小水庫」。因此，保水劑在抗旱保墒、固土改土、控制水土流失和土地荒漠化中顯示出廣闊的應用前景。
但是從目前實際情況看，農林用保水劑多為化工企業所生產的一般用途、沒有針對性的聚丙烯酸系保水劑。這類保水劑雖然對去離子水有較高的吸收能力，但主要存在以下方面的問題(1)其耐鹽鹼能力差，在實際應用中很難達到吸水要求，而且對硬度稍高的自來水或地下水其重複吸水能力很差。(2)在土壤中長期使用，會造成土壤板結，使植物無法正常生長。(3)價格高，通常此類保水劑的市場價格在28000-35000元/噸，無法作為農林用生產資料。其它合成系保水劑如聚丙烯醯胺、聚乙烯醇等，雖然耐電解質能力較好，但是吸水倍率低，而且生產成本高，不適於在土壤中大面積使用。
綜上所述，迫切需要針對農林用保水劑的特殊要求，研究開發具有抗旱保墒和促進植被生長等多種作用，而且生產成本較低的保水劑產品。
發明內容
本發明為了解決現有保水劑存在的耐鹽鹼能力差、板結土壤和生產成本高等問題，提出了一種以腐植酸鹽為基礎的保水劑。
具體技術方案如下。
本發明的腐植酸基農林保水生態治理劑是以腐植酸鹽、丙烯酸和丙烯醯胺為原料，在交聯劑和引發劑的存在下經溶液聚合製成。
本發明的腐植酸基農林保水生態治理劑優選由下述質量百分比的組分經水溶液聚合得到(1)腐植酸鹽，10～70％；(2)丙烯酸，5～35％；(3)丙烯醯胺，5～30％；(4)引發劑，0.05～0.50％，和(5)交聯劑，0.01～0.50％。
所述腐植酸鹽沒有特別的限定，只要能溶於水就可以，優選為腐植酸鉀、腐植酸鈉或腐植酸銨。
所述丙烯酸是用鹼中和至中和度為60～80％的丙烯酸。根據本領域的常識，所用的丙烯酸在聚合反應過程中一般要用鹼溶液中和，在本發明中選擇中和度為60～80％。所使用的鹼溶液可以是氫氧化鉀、氫氧化鈉溶液或氨水，質量百分比濃度為20.00～40.00％。
所述引發劑優選為過硫酸銨，所述交聯劑優選為N，N-亞甲基雙丙烯醯胺。
本發明的腐植酸基農林保水生態治理劑可以由下述製備方法製備，具體地它包括以下步驟(1)向反應器中加入5.00～30.00重量份的丙烯醯胺和5.00～35.00重量份的丙烯酸，然後加入一定量的濃度為20.00～40.00％鹼溶液使丙烯酸的中和度為60～80％，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入10.00～70.00重量份的腐植酸鹽，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入2.50～25.00重量份、濃度為2.00％的引發劑溶液和0.50～25.00重量份、濃度為2.00％的交聯劑溶液，並向反應體系中補充適量去離子水，使反應體系中單體總濃度控制為20％左右，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到不同粒徑的腐植酸基農林保水生態治理劑。
所述鹼性溶液優選為質量百分比濃度為20.00～40.00％的氫氧化鉀、氫氧化鈉溶液或氨水。
根據實際應用的要求，可以將本發明的保水劑粉碎成不同的粒徑，如果需要可以進行篩分。
我國具有豐富的煤炭腐植酸資源，已探明儲量超過2000億噸。低階煤腐植酸是優質、廉價腐植酸的重要來源。腐植酸是構成土壤營養成分的重要物質，其結構中分布有羧基、羥基、羰基等活性功能基團，具有刺激植物生長發育、增加作物的抗逆性、改善土壤團粒結構和植物營養狀況的功效。由於特殊的理化和生物活性，腐植酸被製成各種形式的土壤改良劑、增效劑和腐植酸肥料，並與化肥、微肥等復混後，大量應用於農林、園藝領域，取得了良好的生態效應和環境效應。本發明選取煤基腐植酸鹽為原料，將腐植酸鹽-丙烯醯胺-丙烯酸鹽共聚，獲得腐植酸基氮鉀含量高的保水劑，可在農業、林業、水利、沙產業以及高效農業等領域發揮抗旱保苗、增產增收、改良土壤、防風固沙、水土保持等多種功能。植被試驗證明，本發明的腐植酸基農林保水生態治理劑具有改善土壤理化性質和植物營養狀況以及抗旱保墒的作用，能有效促進植物生長和提高水分利用效率，並達到增產增收的效果。
本發明的腐植酸基農林保水生態治理劑表面結構中既具有離子型親水基團-COOH、-COOK(或COONa、COONH4)，又具有多種非離子型的親水基團-NH2、-NH-CO-、-COO-、-OH(醇羥基)、-OH(酚羥基)，同時還具有腐植酸的結構特徵。腐植酸基農林保水劑結構中存在三種有利於提高其吸水性能的因素①表面多樣化的親水基團的協同作用保證了較高的吸水倍率、較快的吸水速率和較強的耐電解質能力。②腐植酸對金屬離子的絡合作用有利於提高耐電解質性能；③腐植酸三維網絡結構的機械阻隔作用可防止表面凝膠化而有利於提高吸水倍率。因此，腐植酸基農林保水生態治理劑的吸水倍率高、速率快，耐電解質能力強。
本發明合成的系列腐植酸基農林保水劑的吸水倍率對去離子水吸水倍率630～2000g/g；對自來水吸水倍率100～400g/g；對濃度0.9％的NaCl溶液吸液倍率60～200g/g；對濃度為0.5％的尿素溶液吸液倍率640～2100g/g。達到飽和吸水量的時間為10min-60min。同時本發明所合成的腐植酸基農林保水生態治理劑具有良好的重複吸水性能，重複吸水20次後，仍能達到一次吸水量的50％。
另外，本發明製備腐植酸基農林保水劑所用的工業品腐植酸鹽無須經過進一步提純以除去其中所含的少量粘土礦物及無機物雜質。由於在本發明所採用的工藝條件下該類雜質不能參與反應，且可隨攪拌過程均勻的分散到保水劑膠體之中起到填充膠體孔隙的作用，如此一來既能避免提純腐植酸鹽所造成的能耗和資源浪費，又能夠改善保水劑的吸水性能，提高保水劑的凝膠強度。實驗表明，採用未經提純的腐植酸鹽所製備的保水劑比用經過提純的腐植酸鹽所製備的產品，其吸水倍率有一定的提高，且其凝膠強度顯著增大。
具體實施例方式
以實施例的方式進一步解釋本發明，但是本發明不局限於這些實施例。
實施例1(1)向反應器中加入30.20g丙烯醯胺和33.91g丙烯酸，然後加入55.53g濃度為30.00％的氫氧化鉀溶液中和丙烯酸，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入20.30g腐植酸鉀，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入3.05g、濃度為2.00％過硫酸銨溶液和1.45g、濃度為2.00％的N，N-亞甲基雙丙烯醯胺溶液，並向反應體系中補充380g去離子水，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到腐植酸基農林保水生態治理劑。
製備的保水劑的吸水倍率去離子水1900～2000g/g，自來水330～400g/g，0.9％的氯化鈉溶液190～200g/g，0.5％的尿素溶液2000～2100g/g。
實施例2(1)向反應器中加入27.74g丙烯醯胺和21.73g丙烯酸，然後加入41.07g濃度為30.00％的氫氧化鉀溶液中和丙烯酸，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入41.34g腐植酸鉀，在20～30℃下攪拌均勻；
(3)向反應器中依次加入5.40g、濃度為2.00％過硫酸銨溶液和4.60g、濃度為2.00％的N，N-亞甲基雙丙烯醯胺溶液，並向反應體系中補充425g去離子水，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到腐植酸基農林保水生態治理劑。
製備的保水劑的吸水倍率去離子水1100～1200g/g，自來水200～300g/g，0.9％的氯化鈉溶液110～120g/g，0.5％的尿素溶液1120～1220g/g。
實施例3(1)向反應器中加入4.96g丙烯醯胺和15.96g丙烯酸，然後加入29.77g濃度為30.00％的氫氧化鉀溶液中和丙烯酸，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入70.39g腐植酸鉀，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入7.60g、濃度為2.00％過硫酸銨溶液和8.05g、濃度為2.00％的N，N-亞甲基雙丙烯醯胺溶液，並向反應體系中補充436g去離子水，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到腐植酸基農林保水生態治理劑。
製備的保水劑的吸水倍率去離子水630～680g/g，自來水100～150g/g，0.9％的氯化鈉溶液60～70g/g，0.5％的尿素溶液640～690g/g。
實施例4(1)向反應器中加入24.72g丙烯醯胺和25.83g丙烯酸，然後加入46.83g濃度為30.00％的氫氧化鉀溶液中和丙烯酸，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入27.77g腐植酸鈉，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入4.05g、濃度為2.00％過硫酸銨溶液和3.45g、濃度為2.00％的N，N-亞甲基雙丙烯醯胺溶液，並向反應體系中補充359g去離子水，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到腐植酸基農林保水生態治理劑。
製備的保水劑的吸水倍率去離子水1500～1600g/g，自來水260～350g/g，0.9％的氯化鈉溶液160～170g/g，0.5％的尿素溶液1520～1620g/g。
實施例5(1)向反應器中加入25.93g丙烯醯胺和21.94g丙烯酸，然後加入41.50g濃度為30.00％的氫氧化鉀溶液中和丙烯酸，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入40.37g腐植酸鈉，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入5.65g、濃度為2.00％過硫酸銨溶液和5.35g、濃度為2.00％的N，N-亞甲基雙丙烯醯胺溶液，並向反應體系中補充412g去離子水，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到腐植酸基農林保水生態治理劑。
製備的保水劑的吸水倍率去離子水1080～1150g/g，自來水200～290g/g，0.9％的氯化鈉溶液100～115g/g，0.5％的尿素溶液1100～1200g/g。
實施例6(1)向反應器中加入15.12g丙烯醯胺和20.16g丙烯酸，然後加入35.50g濃度為30.00％的氫氧化鉀溶液中和丙烯酸，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入46.22g腐植酸鈉，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入7.25g、濃度為2.00％過硫酸銨溶液和6.50g、濃度為2.00％的N，N-亞甲基雙丙烯醯胺溶液，並向反應體系中補充383g去離子水，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到腐植酸基農林保水生態治理劑。
製備的保水劑的吸水倍率去離子水940～970g/g，自來水160～250g/g，0.9％的氯化鈉溶液80～90g/g，0.5％的尿素溶液1000～1050g/g。
實施例7(1)向反應器中加入28.37g丙烯醯胺和32.86g丙烯酸，然後加入59.60g濃度為30.00％的氫氧化鉀溶液中和丙烯酸，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入19.80g腐植酸銨，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入2.90g、濃度為2.00％過硫酸銨溶液和1.30g、濃度為2.00％的N，N-亞甲基雙丙烯醯胺溶液，並向反應體系中補充363g去離子水，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到腐植酸基農林保水生態治理劑。
製備的保水劑的吸水倍率去離子水1800～1900g/g，自來水310～380g/g，0.9％的氯化鈉溶液180～190g/g，0.5％的尿素溶液1880～1990g/g。
實施例8(1)向反應器中加入24.81g丙烯醯胺和22.89g丙烯酸，然後加入39.13g濃度為30.00％的氫氧化鉀溶液中和丙烯酸，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入39.76g腐植酸銨，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入5.85g、濃度為2.00％過硫酸銨溶液和4.10g、濃度為2.00％的N，N-亞甲基雙丙烯醯胺溶液，並向反應體系中補充410g去離子水，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到腐植酸基農林保水生態治理劑。
製備的保水劑的吸水倍率去離子水1080～1150g/g，自來水190～280g/g，0.9％的氯化鈉溶液100～115g/g，0.5％的尿素溶液1090～1160g/g。
實施例9(1)向反應器中加入11.61g丙烯醯胺和18.69g丙烯酸，然後加入33.90g濃度為30.00％的氫氧化鉀溶液中和丙烯酸，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入61.17g腐植酸銨，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入7.50g、濃度為2.00％過硫酸銨溶液和7.70g、濃度為2.00％的N，N-亞甲基雙丙烯醯胺溶液，並向反應體系中補充434g去離子水，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)取出產物，冷卻至室溫，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到腐植酸基農林保水生態治理劑。
製備的保水劑的吸水倍率去離子水730～790g/g，自來水120～190g/g，0.9％的氯化鈉溶液70～80g/g，0.5％的尿素溶液750～810g/g。
權利要求
1.一種腐植酸基農林保水生態治理劑，其特徵在於，它是以腐植酸鹽、丙烯酸和丙烯醯胺為原料，在交聯劑和引發劑的存在下經溶液聚合製成。
2.根據權利要求1所述的腐植酸基農林保水生態治理劑，其特徵在於，它由下述質量百分比的組分經水溶液聚合得到(1)腐植酸鹽，10～70％；(2)丙烯酸，5～35％；(3)丙烯醯胺，5～30％；(4)引發劑，0.05～0.50％，和(5)交聯劑，0.01～0.50％。
3.根據權利要求1或2所述的腐植酸基農林保水生態治理劑，其特徵在於，所述腐植酸鹽為腐植酸鉀、腐植酸鈉或腐植酸銨。
4.根據權利要求1或2所述的腐植酸基農林保水生態治理劑，其特徵在於，所述丙烯酸是用鹼中和至中和度為60～80％的丙烯酸及丙烯酸鹽的溶液。
5.根據權利要求1或2所述的腐植酸基農林保水生態治理劑，其特徵在於，所述引發劑為過硫酸銨，所述交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯醯胺。
6.一種權利要求1～5中任一個所述的腐植酸基農林保水生態治理劑的製備方法，其特徵在於，它包括以下步驟(1)向反應器中加入5.00～30.00重量份的丙烯醯胺和5.00～35.00重量份的丙烯酸，然後加入一定量的濃度為20.00～40.00％鹼溶液使丙烯酸的中和度為60～80％，在該過程中保持反應溶液的溫度不超過30℃；(2)向步驟(1)的溶液中加入10.00～70.00重量份的腐植酸鹽，在20～30℃下攪拌均勻；(3)向反應器中依次加入2.50～25.00重量份、濃度為2.00％的引發劑溶液和0.50～25.00重量份、濃度為2.00％的交聯劑溶液，並向反應體系中補充適量去離子水，使反應體系中單體總濃度控制為20％左右，在25～35℃下攪拌均勻；(4)將反應液升高溫度至70～80℃進行反應，反應至形成粘稠凝膠狀產物時停止反應；(5)冷卻至室溫，取出產物，切成小塊，乾燥，用粉碎機粉碎得到不同粒徑的腐植酸基農林保水生態治理劑。
7.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於，步驟(1)中所述鹼溶液為質量百分比濃度為20.00～40.00％的氫氧化鉀、氫氧化鈉溶液或氨水。
8.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於，步驟(2)中所述腐植酸鹽為腐植酸鉀、腐植酸鈉或腐植酸銨。
9.根據權利要求6所述的製備方法，其特徵在於，步驟(3)中所述引發劑為過硫酸鉀，所述交聯劑為N，N-亞甲基雙丙烯醯胺。
全文摘要
本發明公開的腐植酸基農林保水生態治理劑屬於農林業使用的保水生態治理劑的技術領域，為了解決現有保水劑存在的耐鹽鹼能力差、板結土壤和生產成本高等問題，提出以腐植酸鹽、丙烯酸和丙烯醯胺為原料，在交聯劑和引發劑的存在下經溶液聚合製備腐植酸基農林保水生態治理劑，它不僅具有較高的吸水倍率，而且具有改善土壤理化性質和植物營養狀況以及抗旱保墒的作用，能有效促進植物生長和提高水分利用效率，並達到增產增收的效果。
文檔編號C09K17/14GK1880355SQ20051010550
公開日2006年12月20日 申請日期2005年9月23日 優先權日2005年9月23日
發明者鄒立壯, 李威, 朱書全, 黃寶堂, 錢芬芬, 初茉 申請人:中國礦業大學(北京)