ستون ثابت بسپار/ استفاده از پلیمرها برای نگهداری آب و پایداری خاک در مناطق خشک و نیمه خشک

 بسپار/ ایران پلیمر استفاده از بسپارها به عنوان افزودنی پایدارکننده خاک به­ طور قابل توجهی در مصارف کشاورزی برای کنترل تخریب خاک و بیابان­ زایی و نیز بهبود خاک­های مناطق خشک و نیمه خشک افزایش یافته است. اين تحقيق با هدف تعيين اثرات بسپارهاي مصنوعي مختلف و زیست­بسپارها در غلظت کم (0/03  تا 1 درصد) بر خاک خشک و نيمه خشک انجام شده است. پلی­استایرن (PS)، پلی­آکریل آمید (PAM)، سلولز و ترکیبی از پلی ­آکریل آمید با بسپارهای دیگر از طریق گرانروی، طیف­سنجی فروسرخ، پراش­سنجی (Diffractometry) پرتو x، تجزیه گرمایی (TG و DSC) و میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) بررسی شده است. نتايج نشان داده است كه چندسازه­هاي (کامپوزیت) بسپاري (متشکل از mg/L 10 پلی­ آکریل آمید و g/L 0/5 سلولز) در خاك مي­توانند خواص فيزيكي خاك را بهبود بخشند و 60 درصد كاهش آب در خاك­هاي خشك را در مقايسه با هر يك از ساير بسپارها در همان غلظت افزايش دهند. 

 

1. مقدمه

خاک­های خشک و نیمه خشک به خاطر بارندگی کم و خشکی طولانی مدت، میزان تبخیر بیشتری دارند. تخریب خاک، کیفیت آب و بهره­وری کشاورزی را از بین می­برد. سال­هاست که بسپارها و زیست­بسپارها به عنوان کیفیت­دهنده­ی مناسب خاک شناخته شده­اند، زیرا آن­ها ساختار سطح خاک و پیوستگی منفذ (pore) را پایدار می­سازند.

در دهه اخير، بسپارهای محلول در آب به عنوان بسپارهای تقویت­کننده نفوذ (infiltration) و بازدارنده فرسایش بسیار کارامد شناخته شده­اند. پلی ­آکریل آمید در افزایش پایداری کلوخه­های خاک و افزایش نفوذ خاک در بعضی مناطق به ویژه در خاک­های شنی loam (خاک کشاورزی حاوی خاک رس، شن و مواد گیاهی مانند برگ پوسیده و غیره) موثر می­باشد. پلی­آکریل آمید یک بسپار مصنوعی با زنجیر بلند است که به عنوان عامل تقویت­کننده، اتصال ذرات خاک به هم و نگهداری خاک در محل عمل می­کند، اما پلی­آکریل آمید به تنهایی ساختار خاک را بهبود نمی­بخشد.

به منظور پایدارسازی خاک، ریزلیفچه ­های سلولزی آبکافت­شده به جای پلی­آکریل آمید آزمایش شدند و نتایج امیدوارکننده­ای را نشان دادند. هدف کلی این مقاله، تولید یک سری بسپارها و زیست­بسپارهای ارزان برای بررسی بهره­وری آن­ها در حفظ آب موجود در خاک، کاهش تبخیر، بهبود ثبات خاک و خواص ساختاری دیگر است.

کاربردهای آمیخته سلولز-پلی ­آکریل آمید برای کاهش هزینه­های نیروی انسانی برای آبیاری در خاک­های خشک و نیمه خشک امیدوارکننده به نظر می­رسد و موادی ارزان و دوست­دار محیط زیست را پیشنهاد می­کند.

سلولز آلفا-آلفا (Stipa tenacissima) به عنوان یک منبع پلی­ساکارید به خاک­های خشک که معمولا فاقد پلی­ساکارید ساختاردار است، مزایای زیست محیطی می­دهد. هم­چنین سلولز آلفا-آلفا یک گیاه بسیار غنی از الیاف سلولز است و هم­چنین در مناطق نیمه خشک، در برابر خشکی بسیار مقاوم است. قابل تجدید بودن سالانه و دسترسی فراوان از دیگر مزایای این گیاه است. به طور کلی، پلی­استایرن به عنوان یک زیرلایه ناتراوا (impermeable)، لایه­ای سدگر برای جابه­جایی آب در هنگام آبیاری یا بارندگی ایجاد کرده که مانع فرورفت (percolation) عمیق آب می­شود.

 

2. مواد و روش­ها

استایرن (آلدریچ 99 درصد) و آکریل آمید (مِرک) تهیه شده و از طریق بلورینگی با متانول داغ تصفیه شده است. بلورها به وسیله صافی جدا شده و سپس تحت خلاء در دمای 30 درجه سانتی­گراد خشک شدند. پرسولفات پتاسیم نیز به همین روش تصفیه شد. آب به عنوان حلال استفاده شد و قبل از مصرف با استفاده از KMnO₄ دوبار تقطیر شد.

متانول 215 (Romil-SPS 9/99 درصد)، اتیل بنزن (Carlo Erba، Chimica Milano)، تولوئن (BDH chemicals LTD)، استون (Romil-SA)، بنزوئیل پراکسید (98٪) (سیگما – آلدریچ) همان­طور که دریافت شدند، مورد استفاده قرار گرفتند.

 

1.2 استخراج سلولز از گیاه آلفا-آلفا

با استفاده از مخلوط تولوئن/ اتانول (به نسبت حجمی 2 به 1) به مدت 6 ساعت در سوکسله، سلولز از محلول آلفا استخراج شد و با استفاده از NaOH 1 مولار به مدت 8 ساعت در دمای 25 درجه سانتی­گراد قرار گرفت.

 

2.1.2 تهیه پلی­آکریل آمید

پلی­آکریل آمید از طریق بسپارش رادیکالی در یک محلول آبی با آکریل آمید به عنوان تکپار تهیه شد. 8 گرم تکپار در 260 میلی­لیتر آب دوبار تقطیر شده، حل شد. پرسولفات پتاسیم (0/4گرم در 10 میلی­لیتر آب مقطر) به عنوان آغازگر استفاده شد و واکنش به مدت 5 ساعت در دمای ثابت تحت نیتروژن انیدرید خنثی طول کشید. به منظور ایجاد شرایط همگن محلول به شدت همزده شد.

محلول بسپار به دست آمده با استفاده از Rota Vapor تا یک سوم حجم اولیه تغلیظ و سپس در محلول متانول (به نسبت حجمی 1/7) ته­نشین شد و با استفاده از Buchner صاف شد. پلی­آکریل آمید حاصل از طریق حل کردن آن در آب دوبار تقطیر شده خالص شد، سپس برای دومین بار در متانول ته­ نشین شد تا رد تمام آغازگرها و تکپارها حذف شود و بعد در Buchner صاف شد و با استفاده از جو نیتروژن خنثی (N₂ انیدرید) تحت خلاء در دمای 30 درجه سانتی­گراد خشک شد.

 

3.1.2 تهیه پلی­ استایرن

پلی­استایرن از طریق بسپارش رادیکالی در دمای ثابت 60 درجه سانتی­گراد تهیه شد و بنزوئیل پراکسید به عنوان یاریگر (کاتالیزور) و تولوئن به عنوان حلال مورد استفاده قرار گرفت:

واکنشگاه حاوی محلول استایرن و تولوئن (به نسبت حجمی 1 به 3) در حمام با دمای 60 درجه سانتی­گراد غوطه­ور شد و به آرامی بنزیل پراكسید (^3-10 مول بر لیتر در 10 میلی­لیتر تولوئن) اضافه شد. این واکنش به مدت 8 ساعت در دمای ثابت تحت نیتروژن انیدرید خنثی طول کشید و به طور مداوم همزده شد.

محلول بسپار تا یک سوم حجم اولیه تغلیظ شد و سپس در محلول متانول (به نسبت حجمی 1/7 ) ته­ نشین شد و با استفاده از Buchner صاف شد و مواد جامد حاصل با متانول شسته شد.

 

4.1.2 گرانروی­سنجی و جرم مولکولی پلی­آکریل آمید و پلی­استایرن

اندازه­گیری گرانروی محلول­های رقیق شده پلی­آکریل آمید و پلی­استایرن در گرانروی­سنج موی­لوله­ای (گرانروی­سنج Ubbelohde) انجام شد. زمان­های شارش با دقت 0/01 ثانیه از زمان خروج اندازه­ گیری شد. گرانروی ویژه (η_sp) در غلظت­های مختلف محاسبه شد. گرانروی ذاتی [η] با رسم گرانروی کاهش یافته [η_sp/C] برحسب غلظت­های محلول (C) طبق معادله Mark-Houwink (، که در آن، K و α ثوابت مربوط به سامانه دما/بسپار/حلال است) تعیین شد. گرانروی پلی­آکریل آمید در آب دوبار تقطیر شده در دمای 30 درجه سانتی­گراد با مقدار K، ^2-10×65/0 و α، 0/8 تعیین شد و گرانروی پلی­استایرن در اتیل بنزن با مقدار K، ^3-10×17/6 و α، 0/68 در دمای 25 درجه سانتی­گراد تعیین شد.

 

5.1.2 تهیه آمیخته و چندسازه از بسپارها

آمیخته­سازی بسپار روشی برای ترکیب خواص مطلوب بسپارهای مختلف در یک ماده است. آمیخته­ها با روش­های محلول­سازی و اختلاط فیزیکی تهیه شدند. چندسازه­های مختلف پلی­آکریل آمید و سلولز با اختلاط محلولی تهیه شدند:

الف) آمیخته پلی­آکریل آمید-سلولز با پراکنش الیاف سلولز در محلول پلی­آکریل آمید به مدت 10 تا 15 دقیقه با استفاده از فراصوت (اولتراسونیک) تهیه شدند. افزایش زمان و زمان بیش از 15 دقیقه موجب افزایش پراکنش الیاف سلولز می­شود.

ب) مخلوط پلی­آکریل آمید-سلولز با پراکنش الیاف سلولز در محلول استون تهیه شد، سپس محلول پلی­آکریل آمید با همزدن پیوسته اضافه شد.

ج) مخلوط ساده محلول پلی­آکریل آمید و سلولز با همزدن مداوم تهیه شد.

آمیخته­­های مختلف پلی­آکریل آمید و سلولز با غلظت 0 تا 20 میلی­گرم بر لیتر پلی­آکریل آمید و غلظت 0 تا 0/5 گرم بر لیتر سلولز تهیه شدند.

 

6.1.2 تهیه زیرلایه پلی استایرن

روش ریخته­گری (casting) برای تهیه فیلم پلی­استایرن استفاده شد. ضخامت فیلم پلی­استایرن را می­توان با غلظت بسپار کنترل کرد:

4-2 درصد جرمی فیلم پلی ­استایرن با حل کردن 10-5 گرم پلی­استایرن در 250 میلی­لیتر تولوئن تحت همزدن مداوم (300 دور بر دقیقه) تهیه شد. پس از تصفیه، بسپار در دمای 60-50 درجه سانتی­گراد ریخته­گری شد و سپس از قالب خارج شد و در دمای 2 ± 23 درجه سانتی­گراد نگهداری شد.

 

7.1.2 ضخامت فیلم زیرلایه

ضخامت فیلم زیرلایه در 3 نقطه مختلف با دقت 0/1 میکرون با استفاده از ریزسنج اندازه­گیری شد.

 

8.1.2 آماده­سازی نمونه­های خاک

برای این مطالعه، دو نوع خاک خشک و نیمه خشك از لايه سطحی (20-0 سانتی­متر) برداشته شد و خواص فیزیکی و شیمیایی خاک در جدول 1 آورده شده است. نمونه­ها با بسپارها و زیست­بسپارهای مختلف آمایش (treat) شدند. آمیخته پلی­آکریل آمید-سلولز پاشش شد و در سطح خاك خشک و نیمه خشک مخلوط شد (جدول 2).

[EasyDNNGallery|11077|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]
 

9.1.2 خواص حفظ آب

پنجاه گرم خاک خشك و نیمه خشك كه با مقداری بسپار (پلی­آكریل آمید و سلولز) آمایش شده، در ظرف پلاستیکی (با قطر 6 سانتی­متر و عمق 7 سانتی­متر) مشابه با زیرلایه پلی­استایرن قرار گرفت تا از اتلاف آب ناشی از فرورفت عمیق آب جلوگیری کند. سپس 20 میلی­لیتر آب شیرین به ظرف اضافه شد. برای شبیه­سازی شرایط بیابان، تمام ظروف در دمای 30 درجه سانتی­گراد و باد 1/2 بار در طول روز قرار گرفت و سپس روی میزهایی در دمای ثابت اتاق (25 درجه سانتی­گراد و رطوبت نسبی هوا 20 درصد) در طول شب قرار گرفت، مقدار آب هر نمونه خاك با استفاده از نمونه کوچکی از ظرف هر 24 ساعت، گرفته شد و در دماي 105 درجه سانتي­گراد به مدت 24 ساعت در گرمخانه بیش از حد خشک شد تا كاهش جرم تعيين شود.

 

3. مشخصات

بسپارها و چندسازه­ها با روش­های طیف­سنجی IR، تجزیه گرمایی، میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) و  پراش­سنجی پرتو x شناسایی شدند.

 

1.3 تجزیه و تحلیل عنصری

برای تعیین جزء آلی، معدنی و ماده خشک از تجزیه و تحلیل عنصری گیاه آلفا-آلفا استفاده شد.

 

2.3 تجزیه و تحلیل FTIR

طیف FTIR در محدوده cm^-1 4000-400 اندازه­گیری شد. قرص­های KBr تهیه شد و با استفاده ریخته­گری از طریق تبخیر، فیلم نازکی از محلول بسپار­ها روی آن تهیه شد.

 

3.3 تجزیه و تحلیل گرمایی

تجزیه و تحلیل گرماسنجی (TGA) و گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) از تمام نمونه­ها در دمای اتاق تا 600 درجه سانتی­گراد، تحت نیتروژن گرفته شد. در تمام موارد، آهنگ گرمایش 10 درجه بر دقیقه و سرعت جریان نیتروژن 30 میلی­لیتر بر دقیقه حفظ شد.

 

4.3 پراش­سنجی پرتو x (XRD)

نمونه بسپار پودر شده درون سوراخی به قطر 2 میلی­متر در یک ظرف کوچک ساخته شده از perpex با ضخامت حدود 1/5 میلی­متر فشرده شدند. برای تولید تابش CuKα، زاویه پراکندگی (scattering) (θ2) از 10 تا 45 درجه متغیر بود.

 

5.3 میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM)

ریزنگاشت SEM با استفاده از دستگاه Philips XL20 گرفته شد و نمونه­ ها قبل از آزمایش با طلا پوشیده شدند.

 

4. نتایج و بحث

1.4 تجزیه و تحلیل خاک

نمونه­های خاك با هوا خشك شد، با هاون خرد شد و برای حذف خرده­های درشت (بیش از 2 میلی­متر) الک شد. توزیع اندازه ذرات به روش آب­سنجی (هیدرومتر) تعیین شد.

 

2.4 تجزیه و تحلیل عنصری

دو گرم گیاه آلفا، 1/885 گرم مواد خشک، 1/22 درصد مواد معدنی و 17/78 درصد مواد آلي دارد.

 

3.4 جرم مولکولی (Mv) متوسط بسپارها به روش​​ گرانروی

الف) جرم مولکولی پلی­آکریل آمید به روش گرانروی­سنجی: g/mol 104758/93 (شکل 1).

ب) جرم مولکولی پلی­استایرن به روش گرانروی­سنجی: g/mol 142992/2(شکل 2)

[EasyDNNGallery|11078|Width|800|Height|800|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

(ادامه دارد …)

 

متن کامل این مقاله را در شماره 191ام ماهنامه بسپار که در نیمه مردادماه منتشر شده است بخوانید. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکارخانم ارشاد .تماس بگیرید. امکان اشتراک آنلاین بر روی صفحه اصلی همین سایت وجود دارد.