ستون ثابت ماهنامه بسپار/ پلیمرها در مقابله با بحران آب/ نانوآب ژل های زیست تخریب پذیر در کشاورزی، جایگزینی برای منابع آب

 بسپار/ ایران پلیمر بیابان­زایی و کمبود آب، مشکلات جدی در بسیاری از مزارع کشاورزی در نقاط مختلف جهان است. بیابان­زایی، تخریب زمین­ها در مناطق خشک، نیمه خشک و بایر است که در نتیجه عوامل مختلف از جمله تغییرات جوی و عمدتا فعالیت­های انسانی ایجاد می­شود. راه حل این مشکل، استفاده از مواد مصنوعی با ظرفیت جذب و حفظ آب مناسب تحت فشار یا دمای زیاد است. مواد این نوع سامانه­ها، بسپارهای ابرجاذب (SAPs) هستند. با توجه به خواص عالی آن­ها، SAPs اکنون به خوبی در کاربردهای مختلف مانند پوشک یکبار مصرف، نوار بهداشتی، سیمان، سامانه­های رهایش دارو، حسگرها و کشاورزی استفاده شده است. مهم­ترین اجزای این کاربردها، جاذب آب و نگهدارنده آب است. هدف مقاله حاضر، ساخت نانوبسپارهای زیست تخریب­پذیر برای ماندگاری زمین­های کشاورزی است.

مقدمه

نانوفناوری، فناوری جدیدی در کشاورزی است. عملکرد تولید محصول در مناطق خشک عمدتا تحت تاثیر مقدار و توزیع بارندگی است. 70 درصد از 143 میلیون هکتار از کل مناطق زیر کشت در هند با باران تغذیه می­شود. زمین­های خشک 42 درصد از کل تولید مواد غذایی کشور را تامین می­کند. مهم­ترین عامل شکست در برداشت دوم (second crop) پس از تولید برنج، رطوبت خاک است. بر اساس گزارشی، عامل محدودکننده براي توليد محصول در مناطق خشک و نيمه خشك، تنش ناشی از رطوبت کم و ناکافی است. مواد ابرجاذب، همتافت ­های (complexes) بسپار آب­دوست هستند که توانایی جذب حجم زیادی از سیالات آبی را در مدت کوتاه دارند و آب جذب شده را تحت تنش آزاد می­کنند. بسپار ابرجاذب، 1500-400 گرم آب در هر گرم آب­ژل خشک را نگه می­دارد. هنگامی­که این آب­ژل­ها به درستی استفاده شوند، 95 درصد از آب ذخیره شده در آن­ها برای جذب گیاه در دسترس است. در این حوزه، بسپارها به سه دسته تقسیم می­شوند: بسپارهای پیوندی (graft) نشاسته و پلی­آکریلونیتریل (هم­بسپارهای نشاسته)، هم­بسپارهای وینیل الکل-اکریلیک اسید (پلی­وینیل الکل­ها) و هم­بسپارهای آکریل ­آمید سدیم آکریلات (پلی ­آکریل­ آمیدهای شبکه­ای شده). هنگامی که این جاذب­ها با خاک مخلوط می­شوند، یک توده ژلاتینی اَریخت (آمورف) هنگام آ­ب­دار شدن (hydration) شکل می­گیرد. آن­ها قادر به جذب و واجذب چرخه­ای برای مدت زمان طولانی هستند. از این رو، این جاذب­ها به عنوان یک منبع رهایش آهسته آب و مواد مغذی خاک عمل می­کنند. بقای نهال با افزایش زمان پژمردگی (wilting) بین فواصل بارندگی افزایش می­یابد و ممکن است منجر به افزایش عملکرد در شرایط خاص شود. اثرات تنش ناشی از خشکسالی می­تواند با استفاده از بسپار ابرجاذب کاهش یابد و عملکرد گیاه و ثبات تولید محصولات کشاورزی بهبود یابد. در ارتباط با بررسی فوق، این مقاله بر ظرفیت نگهداری و جذب آب یک چندسازه (کامپوزیت) نانو خاک­رس پوشیده با کلسیم بر پایه پلی­آکریل­آمید شبکه­ای شده تمرکز کرده است.

مواد و روش­ ها

چندسازه نانوخاک­رس پوشیده با نقره (نقره­پوش) بر پایه پلی ­آکریل ­آمید شبک ه­ای شده در گروه زیست ­فناوری، دانشگاه Acharya Nagarjuna، Nagarjunanagar و موسسه فناوری Guru Nanak، Ibrahimpatnam RR Dist، Telangana در طول سال­های 2009 تا 2014 تولید شد. آب­ژل­های نقره­پوش از طریق واکنش بسپارش با 8 درصد اسید اکریلیک، 5-1 درصد آکریل­آمید، 0/9 درصد پرسولفات آمونیم به عنوان آغازگر، 12/0 درصد N، N– متیل بیس اکریلات به عنوان عامل اتصال و بارگذاری 10 درصد خاک رس در دمای 65 درجه سانتی­گراد در حضور گاز نیتروژن تهیه شد. قبل از واکنش بسپارش، 10 درصد نیترات نقره به شکل SAP نقره­پوش اضافه شد. نمونه بسپارش شده و خشک شده در یک هاون چوبی سنگین بیشتر خرد شد تا به پودر نرمی تبدیل شود. خواص جذب آب این محصول برای اهداف کشاورزی مورد آزمایش قرار گرفت.

اصلاح آب­ژل

خاک ­رس با ساختار نانو در سه شکل استفاده می­شود: به صورت پودر، تعلیق (سوسپانسیون) آبی و به شکل ژله­ای­. دربرگیری (Encapsulation) به صورت زیر انجام شد: نیترات نقره به آب در دمای 65 درجه سانتی­گراد در حال هم­زدن اضافه شد، سپس خاک­رس اضافه شده و در آخر، پس از همگن ­سازی کامل، 1 گرم آبژل خشک اضافه شد. سپس 10 دقیقه گذاشته شد تا SAP جامد تولید شود و با استفاده از یک قیف Buchner صاف شود. آن­چه از صافی به ­دست آمد درون ظرف چینی ریخته شد تا خشک شود. این روش با تعدادی از نمونه­های پوشش­دهی شده با ترکیبات مختلف تکرار شد.

تعيين درجه تورم

250 میلی­گرم از بسپار ابرجاذب تهیه شده به یک بِشر شیشه­ای حاوی 250 تا 300 میلی­لیتر آب مقطر یا 50 میلی­لیتر محلول 9/0 درصد وزنی NaCl  اضافه شد و برای بررسی درجه تورم بسپار نگه داشته شد. پس از رسیدنِ بسپار به حالت تورم متعادل، با استفاده از پارچه صافی 30 میکرون یا کاغذ صافی، تصفیه شد و وزن شد. سپس درجه تورم از نسبت وزن نمونه حاصل به وزن نمونه اولیه به صورت g/g محاسبه می­شود. هر اندازه­گیری سه بار با دقت 5± درصد انجام شد.

تعیین بخش محلول در آب (WSP)

0/5 گرم بسپار ابرجاذب متورم در بشر حاوی 500 میلی­لیتر آب مقطر و در دمای 20 درجه سانتی­گراد به مدت 16 ساعت هم­زده شد. پس از صافی ژل، WSP از تعیین مقدار جامد حاصل از صافی به­دست آمد.

نتایج و بحث

مشخصات SAP با استفاده از میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM)

تصاویرSEM  نمونه­ های SAP در شکل 1 نشان داده شده است. اندازه ذرات با افزایش درصد آکریل­آمید افزایش می­یابد. در حالی­که تعداد منافذ (pores) با افزایش آکریل­ آمید در بسپار کاهش می­یابد. هنگامی­که اتانول در طی فرایند خشک شدن از بسپار تبخیر می­شود، منافذ در بسپارها تشکیل می­شود. اختلاف در اندازه و تعداد منافذ به علت چگالی اتصالات عرضی است. آکریل­آمید، چگالی اتصالات عرضی را افزایش می­دهد و ساختار شبکه­ای محکمی (tight) در بسپار را تشکیل می­دهد. در فرایند آماده­سازی، زمانی­که اتانول از سامانه بسپاری تبخیر می­شود، فشار مورد­نیاز برای شکستن ساختار بسپار محکم باید ایجاد شود. SAP نیاز به تبخیر بیشتری برای ایجاد فشار کافی برای شکستن ساختار شبکه­ای محکم دارد. با توجه به حفظ رطوبت خاک و نیازهای ریزمغذی، یک نانوچندسازه آبژل ابرجاذب جدید با پوششی از پلی (آکریل ­آمید و اسید آکریلیک)/نقره برای مصارف کشاورزی فراورش شده است. نتایج SEM نانوذرات تولید شده نشان می­دهد که نانوذرات دارای قطر متوسط ​​200 نانومتر هستند. هم­چنین آبژل­های نقره­پوش نیز اندازه ذرات حدود 200 نانومتر را نشان می­دهند.

[EasyDNNGallery|10780|Width|600|Height|600|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1: تصاویرSEM  نانوخاک­رس ابرجاذب زیست تخریب­پذیر

جذب آب آب­ژل­ های نقره ­پوش

آهنگ جذب آب آب­ژل نقره­ پوش در آب مقطر و آب شیرین (tap water) در مقایسه با محلول 1 درصد NaCl زیاد است (شکل 2). رفتار تورم و جمع­شدگی آبژل­های نقره­پوش به شدت تحت تاثیر مشخصات محلول خارجی مانند ظرفیت بار و غلظت نمک است. حداکثر مقدار جذب آب توسط SAP نقره­ پوش 190 گرم بر گرم برای آب مقطر، 161 گرم بر گرم برای آب شیرین و 119 گرم بر گرم برای آب شور در اولین چرخه آب­دار شدن است (شکل 2). بنابراین، جذب آب توسط آبژل­های نقره­پوش در آب مقطر در مقایسه با آب شیرین و آب شور، سریع­تر یافت شد و حداکثر جذب در آب مقطر، آب شیرین و آب شور به ترتیب 25، 68 و 92 ساعت به­دست آمد. تورم بسپار در مورد آب شور به دلیل اختلاف فشار اسمزی کمتر است. افزايش فشار اسمزي محلول خارجي و غلظت محلول NaCl در سال 2014، برای نانوچند­سازه ­ای بررسی شد و گزارش شد که آهنگ تورم هميشه به مدت زمان مشخص شده از طریق سازوکار نفوذ بستگي دارد. این منجر به کاهش اختلاف فشار اسمزی بین داخل و خارج ابرجاذب می­شود، که باعث کاهش آهنگ تورم و ظرفیت تورم می­شود. در تحقیقی، آب­ژل­های تهیه شده از مخلوط N، N-متیلن بیس آکریل­آمید، نمک­های Na و K از اسید اکریلیک بررسی شد و گزارش شد حداکثر جذب آب در آب مقطر 505 گرم بر گرم و در آب شیرین 212 گرم بر گرم و در آب شور 140 گرم بر گرم در اولین چرخه آب­دار شدن بود.

برگردان: دکتر فاطمه خودکار
 

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 191ام ماهنامه بسپار که در نیمه تیرماه 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.