Super Absorbent Polymer for Water Retention and Slow-release Fertilizer

Polímero superabsorbente para retención de agua y fertilizante de liberación lenta

Protecting the environment, plant, animal, and human health using natural strategies is a key objective for developed nations.

Proteger el medio ambiente, las plantas, los animales y la salud humana utilizando estrategias naturales es un objetivo clave para las naciones desarrolladas.

Protecting the environment, plant, animal, and human health using natural strategies is a key objective for developed nations. The recent adoption of absorbent polymers and hydrogels in agriculture has shown numerous advantages such as improving soil quality, conserving water, reducing soil nutrient consumption, mitigating dehydration and moisture stress in crops, and managing phytopathogens. Seed-coating techniques have become common for enhancing seed protection and promoting plant growth, employing absorbent polymers, hydrogels, growth regulators, pesticides, fertilizers, and beneficial microorganisms. This review highlights the importance of various superabsorbent polymers and hydrogels in an integrated approach to protect seeds, plants, and soil and to control the slow release of fertilizers, thus maintaining the balance of ecosystems.

Agriculture as a fundamental pillar of its economy and an indispensable primary industry. However, the increasing use of chemical fertilizers and water resources to boost crop yields and meet rising food demands has led to significant nutrient losses due to rapid fertilizer dissolution. This inefficient utilization, with nitrogen fertilizer utilization at 30-35%, phosphate fertilizer at 10-25%, and potash fertilizer at 30-45%, results in economic losses, energy wastage, and environmental issues like groundwater pollution, water eutrophication, soil degradation, and air pollution. How to reduce fertilizer use while maintaining its efficiency is an important issue currently faced by the industry.

Water scarcity poses another challenge to agricultural development in the World, with per capita water resources only a quarter of the world average. The World also faces severe soil erosion and desertification, compounded by its large population. Effectively utilizing limited land and water resources to sustainably feed this population is a major concern for agricultural sustainability.

Super absorbent resin is a new type of functional polymer material developed in recent decades [1]. Due to its special chemical composition, physical structure and water absorption and water retention properties, it can resist drought, improve soil, and maintain fertilizer efficiency in farmland. It is a new type of soil conditioner and agricultural drought-resistant and water-saving material. Combining it with fertilizers to prepare agricultural and forestry with water absorption and water retention functions will surely cause a new upsurge in the field of fertilizer research [2]. However, slow-release fertilizers are expensive and their application is not universal. In addition, most of the super absorbent resin materials used in the production of slow-release fertilizers are synthetic polymer materials of polyolefins, which are not biodegradable. Large amounts of application will make the soil sandy and the land is difficult to sustainably use. The materials pollute the soil environment, and it is necessary to develop biodegradable coating materials [3].

Water retention and slow release mechanism

Water Retention Mechanism

Superabsorbent polymers (SAPs) typically refer to a novel class of functional polymer materials containing hydrophilic groups such as -COOH, -NH2, and -OH. Upon contact with water, the crosslinked network structure of super absorbent polymers, rich in strong hydrophilic groups like carboxyl (-COOH) and hydroxyl (-OH), undergoes ionization and interacts with water molecules through hydrogen bonding. This interaction enables super absorbent polymers to absorb substantial amounts of water. Additionally, the presence of electrolytes within the molecular network ofsuper absorbent polymers creates a potential difference between the internal electrolyte solution and external water, driving water infiltration into the polymer structure.

The differential penetration potential leads to continuous water ingress into the polymer molecules, inducing electrolysis upon contact with the network's ions. While positive ions become free, negative ion groups remain tethered to the network chain, causing repulsion between adjacent negative ions and expanding the polymer network structure. Consequently, a significant volume of water permeates the mesh of the molecular network structure. Traditional irrigation methods suffer from high water consumption due to evaporation and leakage, resulting in low water use efficiency. super absorbent polymers can absorb deionized water hundreds to thousands of times their mass or physiological saline tens to nearly a hundred times their mass, retaining most of the absorbed water for extended periods. Incorporating super absorbent polymers into soil enhances soil's effective absorption of irrigation water and rainfall, thereby improving soil water retention capacity.

After application to soil, the absorbed water gradually releases for plant uptake as external moisture levels decrease. Research findings indicate that super absorbent polymers maintain their water absorption capacity primarily within the 10-50 KPa low suction range, with 98% of absorbed water being free water readily accessible to plants. Moreover, super absorbent polymers' maximum water absorption capacity (13-14 Kgf/cm2) remains lower than that of plant roots (17-18 Kgf/cm2), preventing water backflow from the root system. Thus, extending irrigation cycles during drought periods enhances plant drought resistance.

Slow-release Mechanism

Upon contact with soil solution, super absorbent polymers absorb water and swell into a gel-like state. The soluble fertilizer within the hydrogel experiences hindered diffusion due to the swollen gel, resulting in a slowed release rate of fertilizer nutrients. This obstruction effect improves fertilizer utilization efficiency. Under specific conditions, the adsorbed nutrients slowly diffuse from the hydrogel through the network system into the soil, facilitating crop absorption and utilization, and ultimately promoting plant growth.

Qingdao SOCO polymer water-absorbent materials not only function as soil conditioners that absorb and retain water, but also facilitate the gradual release of fertilizer nutrients. It combines the excellent performance of super absorbent resin and slow-release fertilizer, and is expected to trigger a new revolution in the fertilizer industry. The development trends and research directions of this fertilizer are summarized as follows:

1. Before producing the fertilizer, mixing superabsorbent polymer with other fertilizer raw materials (such as nitrogen, phosphorus, potassium and other nutrients). This method evenly distributes the absorbent material within the fertilizer granules, ensuring that it works throughout the fertilizer granules. After the fertilizer produced, physically mix with the particles with certain proportion.

2. Optimize the nutrient release mechanism by changing the composition of the superabsorbent resin and its interaction with the fertilizer. This optimization aims to tailor the release pattern to crop needs while enhancing the biodegradability and salt tolerance of the absorbent resin.

In the actual use of the water-retaining agent, the types and application conditions of the water-retaining agent should be combined to systematically study the effect of various factors such as soil texture, fertilizer types, climatic conditions, application amount, application time, and application method of water retention agent in the effect of water retention agent. At the same time, the water retention agent should be comprehensively evaluated in terms of water absorption and water retention, fertilizer retention and efficiency, soil improvement, antibacterial and disease resistance and environmental impact.

Proteger el medio ambiente, la salud de las plantas, los animales y las personas mediante estrategias naturales es un objetivo clave para las naciones desarrolladas. La reciente adopción de polímeros absorbentes e hidrogeles en la agricultura ha demostrado numerosas ventajas, como la mejora de la calidad del suelo, la conservación del agua, la reducción del consumo de nutrientes del suelo, la mitigación de la deshidratación y el estrés por humedad en los cultivos, y la gestión de fitopatógenos. Las técnicas de recubrimiento de semillas se han hecho comunes para mejorar la protección de las semillas y promover el crecimiento de las plantas, empleando polímeros absorbentes, hidrogeles, reguladores del crecimiento, pesticidas, fertilizantes y microorganismos beneficiosos. Esta revisión destaca la importancia de diversos polímeros superabsorbentes e hidrogeles en un enfoque integrado para proteger las semillas, las plantas y el suelo y controlar la liberación lenta de fertilizantes, manteniendo así el equilibrio de los ecosistemas.

La agricultura es un pilar fundamental de su economía y una industria primaria indispensable. Sin embargo, el creciente uso de fertilizantes químicos y recursos hídricos para aumentar el rendimiento de los cultivos y satisfacer la creciente demanda de alimentos ha provocado importantes pérdidas de nutrientes debido a la rápida disolución de los fertilizantes. Este uso ineficiente, con una utilización de fertilizantes nitrogenados del 30-35%, fertilizantes fosfatados del 10-25% y fertilizantes potásicos del 30-45%, provoca pérdidas económicas, derroche de energía y problemas medioambientales como la contaminación de las aguas subterráneas, la eutrofización del agua, la degradación del suelo y la contaminación atmosférica. Cómo reducir el uso de fertilizantes manteniendo su eficacia es una cuestión importante a la que se enfrenta actualmente la industria.

La escasez de agua supone otro reto para el desarrollo agrícola en el mundo, donde los recursos hídricos per cápita sólo representan una cuarta parte de la media mundial. El mundo también se enfrenta a una grave erosión del suelo y a la desertificación, agravadas por su gran población. Utilizar eficazmente los limitados recursos de tierra y agua para alimentar de forma sostenible a esta población es una de las principales preocupaciones para la sostenibilidad de la agricultura.

La resina superabsorbente es un nuevo tipo de material polimérico funcional desarrollado en las últimas décadas [1]. Gracias a su especial composición química, estructura física y propiedades de absorción y retención de agua, puede resistir la sequía, mejorar el suelo y mantener la eficacia de los fertilizantes en las tierras de cultivo. Es un nuevo tipo de acondicionador del suelo y material agrícola resistente a la sequía y ahorrador de agua. Combinarlo con fertilizantes para preparar la agricultura y la silvicultura con funciones de absorción y retención de agua seguramente causará un nuevo auge en el campo de la investigación de fertilizantes [2]. Sin embargo, los fertilizantes de liberación lenta son caros y su aplicación no es universal. Además, la mayoría de los materiales de resina superabsorbentes utilizados en la producción de fertilizantes de liberación lenta son materiales poliméricos sintéticos de poliolefinas, que no son biodegradables. Si se aplican en grandes cantidades, el suelo se vuelve arenoso y resulta difícil hacer un uso sostenible de la tierra. Estos materiales contaminan el entorno del suelo, por lo que es necesario desarrollar materiales de recubrimiento biodegradables [3].

Mecanismo de retención de agua y liberación lenta

Mecanismo de retención de agua

Los polímeros superabsorbentes (SAP) suelen referirse a una nueva clase de materiales poliméricos funcionales que contienen grupos hidrófilos como -COOH, -NH2 y -OH. Al entrar en contacto con el agua, la estructura de red reticulada de los polímeros superabsorbentes, rica en grupos fuertemente hidrófilos como el carboxilo (-COOH) y el hidroxilo (-OH), se ioniza e interactúa con las moléculas de agua mediante enlaces de hidrógeno. Esta interacción permite a los polímeros superabsorbentes absorber cantidades sustanciales de agua. Además, la presencia de electrolitos en la red molecular de los polímeros superabsorbentes crea una diferencia de potencial entre la solución electrolítica interna y el agua externa, lo que impulsa la infiltración de agua en la estructura del polímero.

El potencial de penetración diferencial provoca la entrada continua de agua en las moléculas del polímero, induciendo la electrólisis al entrar en contacto con los iones de la red. Mientras que los iones positivos se liberan, los grupos de iones negativos permanecen unidos a la cadena de la red, provocando la repulsión entre los iones negativos adyacentes y expandiendo la estructura de la red polimérica. En consecuencia, un volumen significativo de agua permea la malla de la estructura de la red molecular. Los polímeros superabsorbentes pueden absorber agua desionizada de cientos a miles de veces su masa o agua salina fisiológica de decenas a casi cien veces su masa, reteniendo la mayor parte del agua absorbida durante periodos prolongados. La incorporación de polímeros superabsorbentes al suelo mejora la absorción efectiva por éste del agua de riego y de las precipitaciones, mejorando así la capacidad de retención de agua del suelo.

Tras su aplicación al suelo, el agua absorbida se libera gradualmente para su absorción por las plantas a medida que disminuyen los niveles de humedad externa. Los resultados de la investigación indican que los polímeros superabsorbentes mantienen su capacidad de absorción de agua principalmente dentro del rango de baja succión de 10-50 KPa, y que el 98% del agua absorbida es agua libre fácilmente accesible para las plantas. Además, la capacidad máxima de absorción de agua de los polímeros superabsorbentes (13-14 Kgf/cm2) sigue siendo inferior a la de las raíces de las plantas (17-18 Kgf/cm2), lo que impide el reflujo de agua desde el sistema radicular. Así, la prolongación de los ciclos de riego durante los periodos de sequía mejora la resistencia de las plantas a la sequía.

Mecanismo de liberación lenta

Al entrar en contacto con la solución del suelo, los polímeros superabsorbentes absorben agua y se hinchan formando un gel. El fertilizante soluble dentro del hidrogel experimenta una difusión obstaculizada debido al gel hinchado, lo que resulta en una tasa de liberación lenta de nutrientes fertilizantes. Este efecto de obstrucción mejora la eficiencia de utilización del fertilizante. En condiciones específicas, los nutrientes adsorbidos se difunden lentamente desde el hidrogel al suelo a través del sistema de red, lo que facilita la absorción y utilización por parte de los cultivos y, en última instancia, favorece el crecimiento de las plantas.

Los materiales absorbentes de agua de polímero SOCO de Qingdao no sólo funcionan como acondicionadores del suelo que absorben y retienen el agua, sino que también facilitan la liberación gradual de los nutrientes de los fertilizantes. Combina el excelente rendimiento de la resina superabsorbente y el fertilizante de liberación lenta, y se espera que desencadene una nueva revolución en la industria de los fertilizantes. Las tendencias de desarrollo y las direcciones de investigación de este fertilizante se resumen a continuación:

1. Antes de producir el fertilizante, mezclar el polímero superabsorbente con otras materias primas fertilizantes (como nitrógeno, fósforo, potasio y otros nutrientes). Este método distribuye uniformemente el material absorbente dentro de los gránulos de fertilizante, asegurando que funcione en todo el gránulo de fertilizante. Una vez producido el abono, se mezcla físicamente con las partículas con cierta proporción.

2. Optimizar el mecanismo de liberación de nutrientes cambiando la composición de la resina superabsorbente y su interacción con el fertilizante. Esta optimización pretende adaptar el patrón de liberación a las necesidades de los cultivos, al tiempo que se mejora la biodegradabilidad y la tolerancia a la sal de la resina absorbente.

En el uso real del agente de retención de agua, deben combinarse los tipos y las condiciones de aplicación del agente de retención de agua para estudiar sistemáticamente el efecto de diversos factores como la textura del suelo, los tipos de fertilizante, las condiciones climáticas, la cantidad de aplicación, el tiempo de aplicación y el método de aplicación del agente de retención de agua en el efecto del agente de retención de agua. Al mismo tiempo, el agente de retención de agua debe evaluarse exhaustivamente en términos de absorción y retención de agua, retención y eficacia del fertilizante, mejora del suelo, resistencia antibacteriana y a las enfermedades e impacto medioambiental.