一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法

技术领域

本发明属于土壤保水剂技术领域，具体涉及一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法。

背景技术

发展解水农业、提高水分利用率，是保障旱区农业发展的有效措施之一。保水剂是近年来发展较快的一种化学节水、高科技抗旱产品。保水剂具有快速吸收和缓慢释放水分的特性，可减少栽培基质表面积水和基质水分蒸发量。保水剂可将植物不能持续利用的重力水储存起来，有效增加基质持水量，以提高水分利用率。盐碱化土壤是植物生长过程中最常遇到的自然逆境之一，土壤的碱渍化严重限制了植物的生长，造成大片良田产量下降，逐渐成为弃地。由于盐碱土的有机质含量少，理化性状差，蓄水保肥能力低，盐碱地生态植被修复时加入保水剂可完成保水蓄墒、促进土壤团粒结构形成和降低水蒸发量，防止次生盐碱化的作用。

凹凸棒土是一种非金属矿质资源，其是一种具有土和石特性的特殊晶体。凹凸棒土中包含着许多的层状和链状结构，其本身的具有比面积较大，吸附性、悬浮性和缓释性等良好的性能。凹凸棒土本身还有纳米通道，这使得其具有较好离子交换能力。

在本发明提出之前，目前，国内外的保水剂主要分2大类，一类是丙烯酰胺-丙烯酸盐交联共聚物(聚丙烯酰胺)；另一类是淀粉接枝丙烯酸盐交联共聚物(聚丙烯酸钠、聚丙烯酸甲、聚丙烯酸胺、淀粉接枝丙烯酸盐)。目前，已有的保水剂应用于盐碱地生态植被修复存在以下几个问题：(1)生产成本较高，保水剂价格居高不下；(2)耐盐碱性差、凝胶强度低、使用寿命短。因此，现有市场缺乏适合盐碱地地理环境条件下专用保水剂。利用高效负载能力以及超顺磁性将凹凸棒土磁化，然后再利用凹凸棒土表面的功能基团与谷氨酸进行化学修饰反应，以期制备出对营养物质和水分有较高吸附能力的改性凹凸棒土保水剂。目前还未有通过对凹凸棒土的改性、修饰来提高其吸附能力制备保水剂的报道，此为本发明的创新性所在。这种新型、高效、安全、绿色、环保的新一代的保水剂，国内外鲜见报道。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法的技术方案，改性凹凸棒土保水剂可以改善作物土壤的性质比如土壤板结等问题，还可以改善土壤本身的理化性质，可以很好的提高农业生产中水分和肥料的利用率，减少其养分的流失，增加其农业生产的经济效益。改性凹凸棒土保水剂施用，在作物缺水的情况下其可以缓慢的释放吸收的雨水和肥料的养分，让作物在一定干旱程度下可以很好的生长发育。采用此改性凹凸棒土制备的保水剂是一种新型、高效、安全、绿色、环保的新一代的保水剂。

所述的一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

1)将凹凸棒土原料通过球磨机粉碎研磨至粒度为100-150μm；

2)将步骤1)得到的凹凸棒土粉，在氮气保护下，将凹凸棒土粉热解，热解产物在饱和KOH液中浸泡，烘干，再在氮气保护下，用饱和KOH液浸泡炭化产物，然后在高温下进行活化，获得碱催化改性凹凸棒土粉；

3)将步骤2)得到的碱催化改性凹凸棒土粉进行搅拌处理，再加入磁性纳米Fe

4)在步骤3)得到的磁性凹凸棒土混合物中，滴加聚乙二醇溶液，形成胶状混合物，控制温度振荡搅拌后，磁性分离，用去离子水洗涤，在冰箱里冰冻过夜，再在真空下干燥，烘干后，研磨均匀，即得磁性凹凸棒土粉；

5)先将丙烯酸与生物炭粉混合均匀，加入水控制物料温度为85-95℃，保温处理2-4h，得到糊化物。将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入引发剂和交联剂，接着继续加入N,N-二甲基丙烯酰胺和步骤4)得到的磁性凹凸棒土粉，搅拌升温至50-65℃，接着保温反应4-8h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至100-150μm，即得用于盐碱地的土壤保水剂。。

所述的一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其特征在于所述的步骤1)中凹凸棒土粉碎后的长度或直径不超过150μm。

所述的一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其特征在于所述的步骤2)中在氮气保护下，将凹凸棒土在55-65℃温度下热解，热解产物在饱和KOH液中浸泡，烘干，再在氮气保护下，用饱和KOH液浸泡炭化产物，780-820℃下进行活化，获得碱催化改性凹凸棒土粉。

所述的一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其特征在于所述的步骤3)中碱催化改性凹凸棒土粉在1100-1600r/min下搅拌1-3h。

所述的一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其特征在于所述的步骤3)中按碱催化改性凹凸棒土粉450-550重量份、磁性纳米Fe

所述的一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其特征在于所述的步骤4)按每5g磁性凹凸棒土混合物中滴加浓度为4-8％的聚乙二醇溶液30mL滴加聚乙二醇溶液，形成胶状混合物，在65-85℃温度下，以1100-1600r/min振荡搅拌1-3h后，磁性分离，用去离子水洗涤3次，在冰箱里冰冻过夜，再在真空下干燥，65-85℃烘干后，研磨均匀，即得磁性凹凸棒土。

所述的一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其特征在于所述的步骤5)中丙烯酸与生物炭粉混合比例为重量份：1：100。

所述的一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其特征在于所述的步骤5)中加入N,N-二甲基丙烯酰胺和步骤4)得到的磁性凹凸棒土粉比例为重量份：1：200。

上述的一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，设计合理，利用高效负载能力以及超顺磁性将凹凸棒土磁化，然后再利用凹凸棒土表面的功能基团与谷氨酸进行化学修饰反应，以期制备出对营养物质和水分有较高吸附能力的改性凹凸棒土保水剂，制备得到的保水性好、新型、高效、安全、绿色、环保的新一代保水剂，是发展绿色有机农业的优选。本发明可以改善作物土壤的性质比如土壤板结等问题，还可以改善土壤本身的理化性质，可以很好的提高农业生产中水分和肥料的利用率，减少其养分的流失，增加其农业生产的经济效益。

附图说明

图1为水分累积淋失率(％)；

图2为氮累积淋失率(％)。

具体实施方式

以下结合实施例来进一步说明本发明。

实施例1

一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其步骤：

1)将凹凸棒土原料通过球磨机粉碎研磨至粒度为120-150μm，凹凸棒土粉碎后的长度或直径不超过150μm；

2)将步骤1)得到的凹凸棒土粉，在氮气保护下，将凹凸棒土在55℃温度下热解，热解产物在饱和KOH液中浸泡，烘干，再在氮气保护下，用饱和KOH液浸泡炭化产物，780℃下进行活化，获得碱催化改性凹凸棒土粉；

3)将步骤2)得到的碱催化改性凹凸棒土粉在1100r/min下搅拌1h，按碱催化改性凹凸棒土粉450重量份、磁性纳米Fe

4)在步骤3)按每5g磁性凹凸棒土混合物中滴加浓度为8％的聚乙二醇溶液30mL滴加聚乙二醇溶液，形成胶状混合物，在65-85℃温度下，以1600r/min振荡搅拌3h后，磁性分离，用去离子水洗涤3次，在冰箱里冰冻过夜，再在真空下干燥，65-85℃烘干后，研磨均匀，即得磁性凹凸棒土；

5)先将丙烯酸与生物炭粉按重量份：1：100混合均匀，加入水控制物料温度为95℃，保温处理4h，得到糊化物。将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入引发剂和交联剂，接着重量份：1：200，继续加入N,N-二甲基丙烯酰胺和步骤4)得到的磁性凹凸棒土粉，搅拌升温至65℃，接着保温反应8h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至100-150μm，即得用于盐碱地的土壤保水剂。

实施例2

一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其步骤：

1)将凹凸棒土原料通过球磨机粉碎研磨至粒度为100-150μm，凹凸棒土粉碎后的长度或直径不超过150μm；

2)将步骤1)得到的凹凸棒土粉，在氮气保护下，将凹凸棒土在65℃温度下热解，热解产物在饱和KOH液中浸泡，烘干，再在氮气保护下，用饱和KOH液浸泡炭化产物，820℃下进行活化，获得碱催化改性凹凸棒土粉；

3)将步骤2)得到的碱催化改性凹凸棒土粉在1600r/min下搅拌3h，按碱催化改性凹凸棒土粉550重量份、磁性纳米Fe

4)在步骤3)按每5g磁性凹凸棒土混合物中滴加浓度为4％的聚乙二醇溶液30mL滴加聚乙二醇溶液，形成胶状混合物，在65℃温度下，以1100r/min振荡搅拌3h后，磁性分离，用去离子水洗涤3次，在冰箱里冰冻过夜，再在真空下干燥，85℃烘干后，研磨均匀，即得磁性凹凸棒土；

5)先将丙烯酸与生物炭粉按重量份：1：100混合均匀，加入水控制物料温度为85-95℃，保温处理2-4h，得到糊化物。将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入引发剂和交联剂，接着重量份：1：200，继续加入N,N-二甲基丙烯酰胺和步骤4)得到的磁性凹凸棒土粉，搅拌升温至65℃，接着保温反应6h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至100-150μm，即得用于盐碱地的土壤保水剂。

实施例3

一种用于盐碱地的改性凹凸棒土保水剂的制备方法，其步骤：

1)将凹凸棒土原料通过球磨机粉碎研磨至粒度为100-150μm，凹凸棒土粉碎后的长度或直径不超过150μm；

2)将步骤1)得到的凹凸棒土粉，在氮气保护下，将凹凸棒土在60℃温度下热解，热解产物在饱和KOH液中浸泡，烘干，再在氮气保护下，用饱和KOH液浸泡炭化产物，800℃下进行活化，获得碱催化改性凹凸棒土粉；

3)将步骤2)得到的碱催化改性凹凸棒土粉在1500r/min下搅拌2h，按碱催化改性凹凸棒土粉500重量份、磁性纳米Fe

4)在步骤3)按每5g磁性凹凸棒土混合物中滴加浓度为6％的聚乙二醇溶液30mL滴加聚乙二醇溶液，形成胶状混合物，在70℃温度下，以1500r/min振荡搅拌2h后，磁性分离，用去离子水洗涤3次，在冰箱里冰冻过夜，再在真空下干燥，80℃烘干后，研磨均匀，即得磁性凹凸棒土；

5)先将丙烯酸与生物炭粉按重量份：1：100混合均匀，加入水控制物料温度为85-95℃，保温处理3h，得到糊化物。将糊化物移入反应釜中，先通入氮气，然后加入引发剂和交联剂，接着重量份：1：200，继续加入N,N-二甲基丙烯酰胺和步骤4)得到的磁性凹凸棒土粉，搅拌升温至60℃，接着保温反应6h，反应结束后冷却干燥，最后粉碎至100-150μm，即得用于盐碱地的土壤保水剂。

试验例：

为了验证上述保水剂试验效果，试验根据我国保水剂类型，通过控释肥配施不同保水剂对土壤水肥保持能力的影响。

1、供试材料

供试肥料为：树脂包膜尿素(粒径2～5mm，N-P

供试保水剂为：商品保水剂(粒径3～5mm，SRdw：354.8g/g，SRns＝35.4g/g)。

室内模拟土柱试验在中国水稻研究所试验基地进行，供试土壤采自周边农田耕层，土壤类型为棕壤，在中国土壤系统分类中为普通简育湿润淋溶土亚类，质地为壤土，其基本理化性质为：有机质含量为31.7g/kg，全氮含量2.3g/kg，碱解氮含量142.5mg/kg，有效磷含量为21.6mg/kg，速效钾含量为138mg/kg，pH值6.73(水土比2.5︰1)，电导率186.5μS/cm(水土比5︰1)。

2、试验设计

采用土柱模拟淋溶的方法，研究不同种类保水剂对土壤保水保肥能力及土壤性质的影响，分别设置全空白作为对照处理，常用商品保水剂、实施例1保水剂作为试验处理，设置三次重复。除全空白外，每个土柱施肥量一致，具体的保水剂和肥料施用量列于表1中。

表1土柱模拟淋溶试验施肥量

3、土柱填装及灌溉方法：

模拟淋溶土柱采用聚氯乙烯材质，内径7.0cm，高度60cm，刮花内壁，防止侧渗，采用3层10目纱网封底，防止土壤漏出。称取过2mm筛的供试土1980g置于土柱，环绕压实，再称取等量供试土壤与肥料或保水剂混合均匀后置入土柱装置中并环绕压实(实测土壤容重为1.24g/cm

采用量筒测定淋滤液体积，淋滤液中的全氮采用消解-凯氏定氮法测定，全磷采用消解-钼锑抗比色法测定，全钾采用火焰光度法测定，NO

4.研究结果

土壤调理剂通过调控土壤水分吸附能力、孔隙度等参数，优化土壤理化性能，并且可以提升土壤Ca

表1土壤基本理化性状

水分淋失率可直接反应土壤调理剂持水性能。与CK相比，常规土壤调理剂的土壤水分淋失率降低了3.71个百分点，本专利研制的土壤调理剂处理的土壤水分淋失率降低了4.33个百分点(图1)。说明适宜的土壤调理剂可显著增加土壤持水性能。

土壤氮素累计淋失率与土壤水分淋失率密切相关，氮素淋失率随灌溉水量的增加而增加(图2)。对照处理的氮素淋失率随灌溉水量的增加而显著增加，40ml灌水量下土壤氮素累计淋失率继续呈线性增长关系。土壤调理剂处理的氮素累计淋失率随灌溉水量增加呈S型增长关系，灌溉水量超过30ml，土壤氮素累计淋失率即呈平稳增长状态，尤其本专利研制的土壤调理剂处理的氮素累计损失率最低。说明本专利研制的土壤调理剂具有较好的持水保肥性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。