ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 6, с. 716-723
ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.4
БИОДЕСТРУКЦИЯ СИЛЬНОНАБУХАЮЩИХ ПОЛИМЕРНЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ВОДОУДЕРЖИВАЮЩУЮ
СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ*
© 2014 г. А. В. Смагин1, 2, Н. Б. Садовникова1, М. В. Смагина3
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 2Институт экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 3Институт лесоведения РАН, 143030, с. Успенское, Одинцовского р-на, Московской обл.
е-таП: smagin@list.ru Поступила в редакцию 18.09.2013 г.
На количественном уровне с использованием оригинальных математических моделей исследуется процесс биодеструкции сильнонабухающих полимерных гидрогелей как почвенных кондиционе-ров-влагоадсорбентов нового поколения. В лабораторных экспериментах получена зависимость интенсивности разложения гидрогелей от температуры и оценено влияние биодеструкции на основную гидрофизическую характеристику почвенных композиций с гидрогелями, использующуюся в качестве показателя их водоудерживающей способности. На этой основе по данным автоматизированного мониторинга температурного режима почв осуществлен прогноз потенциальной биодеструкции гидрогелей в различных климатических условиях. В аридном климате при поливном земледелии за трехмесячный вегетационный период потери гидрогелей от разложения могут превышать 30% исходного содержания, а в гумидном климате — более 10%. Таким образом, биодеструкция гидрогелей является одним из наиболее серьезных факторов снижения их эффективности в реальных почвенных условиях.
Ключевые слова: температура, моделирование, водоудерживающая способность, основная гидрофизическая характеристика.
Б01: 10.7868/80032180X14060100
ВВЕДЕНИЕ
Сильнонабухающие полимерные гидрогели (СПГ) активно используются в современном поливном земледелии, озеленении, цветоводстве для повышения водоудерживающей способности и регуляции водного режима почв и грунтов, преимущественно легкого гранулометрического состава [1, 5, 8, 9, 12, 15, 16]. Вместе с тем, в реальных почвенных средах существует ряд факторов, которые могут негативно влиять на СПГ, снижая их эффективность как супервлагоадсорбентов: уменьшение набухания СПГ в жестком поровом пространстве песчаных почв и под действием осмотического давления почвенного раствора или поливной влаги, содержащих легкорастворимые соли; старение гидрогелей (синерезис) и, наконец, их разложение под действием микроорганизмов почвы. Последний фактор практически не изучен на количественном уровне, хотя теоретически он может быть весьма существенным.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ и РФФИ проект № 12-04-00528-а.
Исходя из структурных формул мономеров большинства СПГ — акриловой кислоты и полиакри-ламида, гидрогели содержат порядка 50% углерода и до 19% азота (по массе). Поскольку СПГ активно поглощают воду, обогащены углеродом и азотом в соотношении С : N = 2.5—2.6, резонно ожидать интенсивную биодеструкцию этих веществ, особенно в аридном климате с высокими температурами почв. Ведь именно температурный фактор будет определять темпы биодеструкции в условиях оптимальной для роста микрофлоры влажности почвы, поддерживаемой в технологиях поливного земледелия.
Поэтому целью данной работы явилось изучение разложения СПГ в зависимости от температуры и моделирование этого процесса для прогноза вероятных потерь гидрогелей в различных почвенно-климатических условиях. Одновременно в экспериментах по биодеструкции оценивалось влияние этого фактора на основную гидрофизическую характеристику (ОГХ) почвенных композиций с СПГ, выбранную в качестве термодинамического показателя их водоудерживаю-
щей способности. Тем самым можно было непосредственно определить потери водоудержива-ния за счет разложения СПГ при различных исходных дозах гидрогелей и температурных условиях инкубации.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектами лабораторных экспериментов послужили образцы мономинерального кварцевого песка и полиминеральной пустынной песчаной почвы Каракумов из Репетекского биосферного заповедника (физическая глина 5—6%, удельная поверхность по воде 2—3 м2/г, плотность сложения в естественном состоянии 1.5—1.6 г/см3, плотность твердой фазы 2.57—2.62 г/см3, электропроводность паст 1.6—2.2 дСм/м). В качестве СПГ испытывался синтезированный в ИХФ РАН ра-диационно-сшитый технический полиакриламид со степенью набухания в воде 700—1000 г/г, а в солевых растворах 0.01—0.1 М концентрации не менее 250 г/г [5].
Для оценки темпов биодеструкции СПГ и снижения его эффективности был проведен пятимесячный инкубационный эксперимент. Образцы кварцевого песка и полиминеральной пустынной песчаной почвы Каракумов с гидрогелем в дозах 0.05, 0.1 и 0.2% от массы вмещающего материала выдерживали в термостатах при постоянной температуре 20, 30 и 37°С, имитирующей разные условия биодеструкции в гумидной и аридной климатических зонах. Влажность образцов при этом поддерживали оптимальной для разложения на уровне наименьшей влагоемкости и составляла от 10 до 20% в зависимости от дозы СПГ. Перед закладкой эксперимента и по его окончании в образцах определяли содержание органического углерода, а также основную гидрофизическую характеристику. Содержание углерода исследовали классическим методом Тюрина в модификации Никитина с фотокалориметрическим окончанием [2]. ОГХ оценивали методом равновесного центрифугирования в авторской модификации [8, 10, 13]. Расчет распределения пор по размерам осуществляли по ОГХ с использованием ее аппроксимации функцией ван-Генхтена по методике [8]. Анализ почвенно-энергетических констант производили методом секущих по Воронину [3] с использованием компьютерных алгоритмов поиска точек пересечения с ОГХ разработанных в [8]. Для определения влажности устойчивого завя-дания по ОГХ было выбрано критическое давление влаги (по модулю) в 1500 кПа, согласно [14].
В полевых условиях аридного (Катар, г. Доха) и гумидного (г. Москва) климатов осуществляли автоматизированный мониторинг температуры воздуха и почвы с использованием программируемых электронных датчиков DS 1921, согласно
[6]. Для статистической и математической обработки данных использовали компьютерные программы Microsoft Office Excel 2003 и S-plot 7. Численное моделирование динамики разложения СПГ в зависимости от температурного режима проводили в компьютерной среде Matlab7 с применением встроенных алгоритмов решения нелинейных дифференциальных уравнений ode 15s [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В первом варианте эксперимента исследовали тонкозернистый кварцевый песок и его композиции с СПГ в дозах 0.05, 0.1 и 0.2%. Внесение гидрогеля, как и ожидалось, существенно повышало водоудерживающую способность минерального субстрата (рис. 1). Равновесные влажности на ОГХ, величины полной (ПВ) и капиллярной (КВ) влагоемкости здесь закономерно возрастали с увеличением дозы СПГ. Так, на контроле они были равны 26.2 (ПВ) и 23.8% (КВ); при 0.05% СПГ 32.1-29.5%; при 0.1% СПГ 37.2-33.7% и при 0.2% СПГ 42.7-38.5% влаги от массы твердой фазы. То есть влагоемкость в данном диапазоне возрастала в 1.4-1.7 раза при дозах 0.1-0.2% СПГ. Не менее эффективно было внесение СПГ для повышения наименьшей (НВ) и максимальной молекулярной (ММВ) влагоемкостей. Значения этих величин варьировали на контроле в диапазоне 8.7-10.3%. При концентрации 0.05% СПГ они возросли до 10.4-12.5%; при 0.1% СПГ - до 12.4-15.3% и при максимальной дозе 0.2% СПГ - до 19.4-24.2%. То есть дозы СПГ 0.1-0.2% увеличивали влагоем-кость субстрата в области капиллярной и пленочной влаги в 1.5-2.2 раза, доводя ее до значений, свойственных в природе супесчаным и суглинистым почвам.
Эксперимент подтвердил полученный в ряде работ по гидрогелям [5, 9, 12] вывод о доступности аккумулированной посредством СПГ влаги растениям. Величина влажности завядания (ВЗ) варьировала здесь в пределах от 1.2 (контроль) до 4.3 (0.1% СПГ) и 7.6% (0.2% СПГ), в результате диапазон доступной влаги (НВ-ВЗ) закономерно увеличивался от 8.5 до 16.6%, то есть практически вдвое, как и прирост НВ. Изменения в структурной организации субстрата при смешивании с гелем сопровождались небольшим уменьшением эффективного диаметра доминирующих пор, начиная с доз 0.1% (0.04 мм вместо 0.05 в контроле) до 0.023 мм (доза 0.2%). В целом, незначительные изменения в спектре пор связаны, по-видимому, с его симметричным расширением как в сторону малых диаметров (тонкие макропоры, мезопо-ры), соответствующих приросту НВ и ММВ, так и в сторону крупных макропор, отражающих увеличение водовместимости и КВ.
И, Дж/кг 1000 |
100 =
А
0.01
0
1000 100 10 1= 1 0.1 0.01
0
1000 | 100 = 10 к 1 0.1 0.01
0
10
15
20 Б
25
30
35
40
10
15
20 В
25
30
35
40
10
о 1
20 О 2
*3
30 О 4
40
5
50
W, %
Рис. 1. Динамика ОГХ мономинерального кварцевого песка под воздействием разных доз и биодеструкции СПГ Условные обозначения: Исходная доза гидрогеля А — 0.05%, Б — 0.1%, В — 0.2%; 1 — контроль (без СПГ), 2, 3 и 4 — инкубация при температуре 37, 30 и 20°С, соответственно, 5 — исходная доза СПГ; пунктирные линии — секущие по Воронину [3]; кривые — аппроксимация данных моделью ван-Генухтена [14].
5
Эксперименты по инкубации образов с гелем в течение 6 мес. при температурах 20, 30 и 37°С выявили весьма сильную изменчивость физического состояния и водоудерживающей способности,
отражаемых ОГХ и производными от нее показателями влаго емкостей (рис. 1). Наибольшая биодеградация СПГ и соответствующее снижение водоудерживающей способности были выяв-
т, °с 70 г
20_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_
чо чо чо чо чо чо чо чо чо чо чо чо ЧО чо чо ЧО чо чо чо чо чо чо
со со ел со со ел ел ел со ел со СП ел со ел со со ел со ел СП со
<ч сК ,1ч' <ч сК 4ч' <ч ,14 СП сК 4ч' <ч ^ сК
0 0 0 0 1 1 1 1 1 2 2 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 2
5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
сч сч сч сч сч сч СЧ сч сч сч сч сч сч. сч сч сч сч сч сч СЧ сч сч.
00 сК о сч' со 1/4 Чо' г^' о ^ч" ^ч" сч' ел Чо' г^' с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.