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Superabsorbierendes Polymer für Wasserrückhaltung und langsam freisetzenden Dünger

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Der Schutz der Umwelt, der Pflanzen, der Tiere und der menschlichen Gesundheit mit Hilfe natürlicher Strategien ist ein wichtiges Ziel für die entwickelten Länder.

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Der Schutz der Umwelt, der Pflanzen, der Tiere und der menschlichen Gesundheit mit Hilfe natürlicher Strategien ist ein wichtiges Ziel für die Industrienationen. Die jüngste Einführung von absorbierenden Polymeren und Hydrogelen in der Landwirtschaft hat zahlreiche Vorteile gezeigt, wie z. B. die Verbesserung der Bodenqualität, die Wassereinsparung, die Verringerung des Nährstoffverbrauchs im Boden, die Abschwächung von Dehydrierung und Feuchtigkeitsstress bei Nutzpflanzen und die Bekämpfung von Phytopathogenen. Saatgutbeschichtungstechniken haben sich zur Verbesserung des Saatgutschutzes und zur Förderung des Pflanzenwachstums durch den Einsatz von absorbierenden Polymeren, Hydrogelen, Wachstumsregulatoren, Pestiziden, Düngemitteln und nützlichen Mikroorganismen durchgesetzt. In dieser Übersicht wird die Bedeutung verschiedener superabsorbierender Polymere und Hydrogele in einem integrierten Ansatz zum Schutz von Saatgut, Pflanzen und Boden und zur Kontrolle der langsamen Freisetzung von Düngemitteln hervorgehoben, um das Gleichgewicht der Ökosysteme zu erhalten.

Die Landwirtschaft ist eine tragende Säule der Wirtschaft und eine unverzichtbare Grundstoffindustrie. Der zunehmende Einsatz von chemischen Düngemitteln und Wasserressourcen zur Steigerung der Ernteerträge und zur Deckung des steigenden Nahrungsmittelbedarfs hat jedoch zu erheblichen Nährstoffverlusten geführt, da sich die Düngemittel schnell auflösen. Diese ineffiziente Nutzung, bei der der Einsatz von Stickstoffdünger bei 30-35 %, von Phosphatdünger bei 10-25 % und von Kalidünger bei 30-45 % liegt, führt zu wirtschaftlichen Verlusten, Energieverschwendung und Umweltproblemen wie Grundwasserverschmutzung, Eutrophierung der Gewässer, Bodendegradation und Luftverschmutzung. Die Frage, wie der Düngemitteleinsatz bei gleichbleibender Effizienz reduziert werden kann, ist ein wichtiges Thema, mit dem sich die Industrie derzeit auseinandersetzen muss.

Wasserknappheit stellt eine weitere Herausforderung für die landwirtschaftliche Entwicklung in der Welt dar, da die Pro-Kopf-Wasserressourcen nur ein Viertel des weltweiten Durchschnitts betragen. Die Welt ist außerdem mit starker Bodenerosion und Wüstenbildung konfrontiert, was durch die hohe Bevölkerungszahl noch verstärkt wird. Die effektive Nutzung der begrenzten Land- und Wasserressourcen zur nachhaltigen Ernährung dieser Bevölkerung ist ein wichtiges Anliegen der landwirtschaftlichen Nachhaltigkeit.

Superabsorberharz ist eine neue Art von funktionellem Polymermaterial, das in den letzten Jahrzehnten entwickelt wurde [1]. Aufgrund seiner besonderen chemischen Zusammensetzung, seiner physikalischen Struktur und seiner Wasseraufnahme- und Wasserrückhalteeigenschaften kann es Trockenheit widerstehen, den Boden verbessern und die Effizienz von Düngemitteln auf landwirtschaftlichen Flächen erhalten. Es ist ein neuartiger Bodenverbesserer und ein landwirtschaftliches, trockenheitsresistentes und wassersparendes Material. Die Kombination mit Düngemitteln zur Vorbereitung von land- und forstwirtschaftlichen Flächen mit Wasseraufnahme- und Wasserrückhaltefunktionen wird sicherlich einen neuen Aufschwung in der Düngemittelforschung bewirken [2]. Allerdings sind Langzeitdünger teuer und ihre Anwendung ist nicht universell. Außerdem handelt es sich bei den meisten der für die Herstellung von Langzeitdüngern verwendeten superabsorbierenden Harze um synthetische Polymermaterialien aus Polyolefinen, die nicht biologisch abbaubar sind. Die Ausbringung großer Mengen führt zur Versandung des Bodens und erschwert die nachhaltige Nutzung der Flächen. Die Materialien verschmutzen die Bodenumgebung, und es ist notwendig, biologisch abbaubare Beschichtungsmaterialien zu entwickeln [3].

Mechanismus der Wasserrückhaltung und langsamen Freisetzung

Mechanismus der Wasserrückhaltung

Superabsorbierende Polymere (SAPs) bezeichnen eine neue Klasse funktioneller Polymermaterialien, die hydrophile Gruppen wie -COOH, -NH2 und -OH enthalten. Bei Kontakt mit Wasser wird die vernetzte Netzwerkstruktur der superabsorbierenden Polymere, die reich an stark hydrophilen Gruppen wie Carboxyl (-COOH) und Hydroxyl (-OH) ist, ionisiert und interagiert mit Wassermolekülen durch Wasserstoffbrückenbindungen. Durch diese Wechselwirkung können superabsorbierende Polymere erhebliche Mengen Wasser aufnehmen. Darüber hinaus entsteht durch das Vorhandensein von Elektrolyten innerhalb des molekularen Netzwerks der superabsorbierenden Polymere ein Potenzialunterschied zwischen der internen Elektrolytlösung und dem externen Wasser, wodurch das Eindringen von Wasser in die Polymerstruktur gefördert wird.

Das unterschiedliche Penetrationspotenzial führt zu einem kontinuierlichen Eindringen von Wasser in die Polymermoleküle und löst bei Kontakt mit den Ionen des Netzwerks eine Elektrolyse aus. Während die positiven Ionen frei werden, bleiben die negativen Ionengruppen an die Netzwerkkette gebunden, was zu einer Abstoßung zwischen benachbarten negativen Ionen führt und die Struktur des Polymernetzwerks erweitert. Folglich dringt eine beträchtliche Wassermenge durch die Maschen der molekularen Netzwerkstruktur. Herkömmliche Bewässerungsmethoden haben einen hohen Wasserverbrauch aufgrund von Verdunstung und Leckagen, was zu einer geringen Wassernutzungseffizienz führt. Superabsorber können das Hundert- bis Tausendfache ihrer Masse an deionisiertem Wasser oder das Zehn- bis Hundertfache ihrer Masse an physiologischer Kochsalzlösung aufnehmen und den größten Teil des aufgenommenen Wassers über längere Zeiträume zurückhalten. Die Einarbeitung superabsorbierender Polymere in den Boden erhöht die effektive Absorption von Bewässerungswasser und Niederschlägen durch den Boden und verbessert so die Wasserrückhaltekapazität des Bodens.

Nach der Einbringung in den Boden wird das absorbierte Wasser allmählich zur Aufnahme durch die Pflanzen freigegeben, wenn die äußere Feuchtigkeit abnimmt. Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass superabsorbierende Polymere ihre Wasseraufnahmekapazität vor allem im niedrigen Saugbereich von 10-50 KPa beibehalten, wobei 98 % des absorbierten Wassers freies, für die Pflanzen leicht zugängliches Wasser sind. Darüber hinaus ist die maximale Wasseraufnahmekapazität von Superabsorbern (13-14 Kgf/cm2) geringer als die der Pflanzenwurzeln (17-18 Kgf/cm2), wodurch ein Rückfluss von Wasser aus dem Wurzelsystem verhindert wird. Eine Verlängerung der Bewässerungszyklen in Dürreperioden erhöht somit die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegen Trockenheit.

Mechanismus der langsamen Freisetzung

Bei Kontakt mit der Bodenlösung absorbieren die superabsorbierenden Polymere Wasser und quellen zu einem gelartigen Zustand auf. Der lösliche Dünger innerhalb des Hydrogels wird durch das aufgequollene Gel an der Diffusion gehindert, was zu einer verlangsamten Freisetzung der Düngernährstoffe führt. Dieser Behinderungseffekt verbessert die Effizienz der Düngernutzung. Unter bestimmten Bedingungen diffundieren die adsorbierten Nährstoffe langsam aus dem Hydrogel durch das Netzwerksystem in den Boden, was die Aufnahme und Verwertung durch die Pflanzen erleichtert und letztlich das Pflanzenwachstum fördert.

Die wasserabsorbierenden Polymermaterialien von Qingdao SOCO fungieren nicht nur als Bodenverbesserer, die Wasser absorbieren und zurückhalten, sondern erleichtern auch die allmähliche Freisetzung von Düngernährstoffen. Es kombiniert die hervorragende Leistung von superabsorbierendem Harz und langsam freisetzendem Dünger und wird voraussichtlich eine neue Revolution in der Düngemittelindustrie auslösen. Die Entwicklungstendenzen und Forschungsrichtungen dieses Düngemittels lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Vor der Herstellung des Düngers wird superabsorbierendes Polymer mit anderen Düngerrohstoffen (wie Stickstoff, Phosphor, Kalium und anderen Nährstoffen) gemischt. Durch diese Methode wird das absorbierende Material gleichmäßig im Düngemittelgranulat verteilt und gewährleistet, dass es im gesamten Düngemittelgranulat wirkt. Nach der Herstellung des Düngemittels werden die Partikel in einem bestimmten Verhältnis physikalisch vermischt.

2. Optimieren Sie den Mechanismus der Nährstofffreisetzung, indem Sie die Zusammensetzung des superabsorbierenden Harzes und seine Wechselwirkung mit dem Düngemittel verändern. Diese Optimierung zielt darauf ab, das Freisetzungsmuster an die Bedürfnisse der Pflanzen anzupassen und gleichzeitig die biologische Abbaubarkeit und Salztoleranz des absorbierenden Harzes zu verbessern.

Bei der tatsächlichen Verwendung des Wasserrückhaltemittels sollten die Arten und Anwendungsbedingungen des Wasserrückhaltemittels kombiniert werden, um die Auswirkungen verschiedener Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, Düngemitteltypen, klimatische Bedingungen, Anwendungsmenge, Anwendungszeit und Anwendungsmethode des Wasserrückhaltemittels auf die Wirkung des Wasserrückhaltemittels systematisch zu untersuchen. Gleichzeitig sollte das Wasserrückhaltemittel in Bezug auf Wasseraufnahme und Wasserrückhaltung, Düngerrückhaltung und -effizienz, Bodenverbesserung, antibakterielle und Krankheitsresistenz sowie Umweltauswirkungen umfassend bewertet werden.