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Polymère super absorbant pour la rétention d'eau et engrais à libération lente

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La protection de l'environnement, des plantes, des animaux et de la santé humaine au moyen de stratégies naturelles est un objectif clé pour les pays développés.

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La protection de l'environnement, des plantes, des animaux et de la santé humaine par le biais de stratégies naturelles est un objectif clé pour les nations développées. L'adoption récente de polymères absorbants et d'hydrogels dans l'agriculture a montré de nombreux avantages tels que l'amélioration de la qualité du sol, la conservation de l'eau, la réduction de la consommation de nutriments du sol, l'atténuation de la déshydratation et du stress hydrique dans les cultures, et la gestion des phytopathogènes. Les techniques d'enrobage des semences sont devenues courantes pour améliorer la protection des semences et favoriser la croissance des plantes, en utilisant des polymères absorbants, des hydrogels, des régulateurs de croissance, des pesticides, des engrais et des micro-organismes bénéfiques. Cette revue souligne l'importance de divers polymères et hydrogels superabsorbants dans une approche intégrée visant à protéger les semences, les plantes et le sol et à contrôler la libération lente d'engrais, préservant ainsi l'équilibre des écosystèmes.

L'agriculture est un pilier fondamental de son économie et une industrie primaire indispensable. Cependant, l'utilisation croissante d'engrais chimiques et de ressources en eau pour augmenter le rendement des cultures et répondre à la demande croissante de nourriture a entraîné des pertes importantes de nutriments en raison de la dissolution rapide des engrais. Cette utilisation inefficace, avec une utilisation des engrais azotés de 30 à 35 %, des engrais phosphatés de 10 à 25 % et des engrais potassiques de 30 à 45 %, entraîne des pertes économiques, un gaspillage d'énergie et des problèmes environnementaux tels que la pollution des eaux souterraines, l'eutrophisation de l'eau, la dégradation des sols et la pollution de l'air. La question de savoir comment réduire l'utilisation des engrais tout en maintenant leur efficacité est une question importante à laquelle l'industrie est actuellement confrontée.

La pénurie d'eau constitue un autre défi pour le développement agricole dans le monde, les ressources en eau par habitant ne représentant qu'un quart de la moyenne mondiale. Le monde est également confronté à une grave érosion des sols et à la désertification, aggravées par sa forte population. L'utilisation efficace des ressources limitées en terre et en eau pour nourrir durablement cette population est une préoccupation majeure pour la durabilité de l'agriculture.

La résine super absorbante est un nouveau type de matériau polymère fonctionnel développé au cours des dernières décennies [1]. Grâce à sa composition chimique spéciale, à sa structure physique et à ses propriétés d'absorption et de rétention d'eau, elle peut résister à la sécheresse, améliorer le sol et maintenir l'efficacité des engrais dans les terres agricoles. Il s'agit d'un nouveau type d'amendement du sol et d'un matériau agricole résistant à la sécheresse et permettant d'économiser l'eau. Sa combinaison avec les engrais pour préparer l'agriculture et la sylviculture avec des fonctions d'absorption et de rétention d'eau entraînera certainement un nouvel essor dans le domaine de la recherche sur les engrais [2]. Toutefois, les engrais à libération lente sont coûteux et leur application n'est pas universelle. En outre, la plupart des résines super absorbantes utilisées dans la production d'engrais à libération lente sont des polymères synthétiques de polyoléfines, qui ne sont pas biodégradables. L'application de grandes quantités d'engrais rend le sol sablonneux et il est difficile d'utiliser la terre de manière durable. Ces matériaux polluent l'environnement du sol et il est nécessaire de développer des matériaux d'enrobage biodégradables [3].

Mécanisme de rétention d'eau et de libération lente

Mécanisme de rétention d'eau

Les polymères superabsorbants (SAP) désignent généralement une nouvelle classe de matériaux polymères fonctionnels contenant des groupes hydrophiles tels que -COOH, -NH2 et -OH. Au contact de l'eau, la structure en réseau réticulé des polymères superabsorbants, riche en groupes hydrophiles puissants tels que carboxyle (-COOH) et hydroxyle (-OH), subit une ionisation et interagit avec les molécules d'eau par le biais de liaisons hydrogène. Cette interaction permet aux polymères super absorbants d'absorber des quantités substantielles d'eau. En outre, la présence d'électrolytes dans le réseau moléculaire des polymères superabsorbants crée une différence de potentiel entre la solution électrolytique interne et l'eau externe, ce qui favorise l'infiltration de l'eau dans la structure du polymère.

Le potentiel de pénétration différentiel entraîne une pénétration continue de l'eau dans les molécules de polymère, induisant une électrolyse au contact des ions du réseau. Alors que les ions positifs se libèrent, les groupes d'ions négatifs restent attachés à la chaîne du réseau, ce qui provoque une répulsion entre les ions négatifs adjacents et élargit la structure du réseau de polymères. Par conséquent, un volume important d'eau traverse les mailles de la structure du réseau moléculaire. Les méthodes d'irrigation traditionnelles souffrent d'une consommation d'eau élevée due à l'évaporation et aux fuites, ce qui se traduit par une faible efficacité de l'utilisation de l'eau. Les polymères super absorbants peuvent absorber de l'eau déionisée des centaines à des milliers de fois leur masse ou du sel physiologique des dizaines à près de cent fois leur masse, en retenant la majeure partie de l'eau absorbée pendant des périodes prolongées. L'incorporation de polymères super absorbants dans le sol améliore l'absorption effective de l'eau d'irrigation et des précipitations, améliorant ainsi la capacité de rétention d'eau du sol.

Après l'application au sol, l'eau absorbée se libère progressivement pour être absorbée par les plantes au fur et à mesure que les niveaux d'humidité externes diminuent. Les résultats de la recherche indiquent que les polymères super absorbants conservent leur capacité d'absorption de l'eau principalement dans la plage de faible succion de 10 à 50 KPa, 98 % de l'eau absorbée étant de l'eau libre facilement accessible aux plantes. En outre, la capacité maximale d'absorption d'eau des polymères super absorbants (13-14 Kgf/cm2) reste inférieure à celle des racines des plantes (17-18 Kgf/cm2), ce qui empêche le reflux de l'eau à partir du système racinaire. Ainsi, la prolongation des cycles d'irrigation pendant les périodes de sécheresse améliore la résistance des plantes à la sécheresse.

Mécanisme de libération lente

Au contact de la solution du sol, les polymères super absorbants absorbent l'eau et gonflent pour former un gel. L'engrais soluble contenu dans l'hydrogel voit sa diffusion entravée par le gonflement du gel, ce qui ralentit la libération des éléments nutritifs de l'engrais. Cet effet d'obstruction améliore l'efficacité de l'utilisation de l'engrais. Dans des conditions spécifiques, les nutriments adsorbés se diffusent lentement de l'hydrogel vers le sol à travers le système de réseau, facilitant ainsi l'absorption et l'utilisation des cultures et, en fin de compte, favorisant la croissance des plantes.

Les matériaux polymères absorbant l'eau de Qingdao SOCO fonctionnent non seulement comme des conditionneurs de sol qui absorbent et retiennent l'eau, mais facilitent également la libération progressive des nutriments des engrais. Ils combinent les excellentes performances de la résine super absorbante et de l'engrais à libération lente, et devraient déclencher une nouvelle révolution dans l'industrie des engrais. Les tendances de développement et les orientations de recherche de cet engrais sont résumées ci-dessous :

1. Avant de produire l'engrais, mélanger le polymère superabsorbant avec d'autres matières premières pour engrais (telles que l'azote, le phosphore, le potassium et d'autres nutriments). Cette méthode permet de répartir uniformément le matériau absorbant dans les granulés d'engrais, garantissant ainsi qu'il agit sur l'ensemble des granulés d'engrais. Une fois l'engrais produit, il est physiquement mélangé aux particules dans une certaine proportion.

2. Optimiser le mécanisme de libération des nutriments en modifiant la composition de la résine superabsorbante et son interaction avec l'engrais. Cette optimisation vise à adapter le schéma de libération aux besoins des cultures tout en améliorant la biodégradabilité et la tolérance au sel de la résine absorbante.

Dans l'utilisation réelle de l'agent de rétention d'eau, les types et les conditions d'application de l'agent de rétention d'eau doivent être combinés pour étudier systématiquement l'effet de divers facteurs tels que la texture du sol, les types d'engrais, les conditions climatiques, la quantité d'application, le temps d'application et la méthode d'application de l'agent de rétention d'eau dans l'effet de l'agent de rétention d'eau. Parallèlement, l'agent de rétention d'eau doit faire l'objet d'une évaluation complète en termes d'absorption et de rétention d'eau, de rétention et d'efficacité des engrais, d'amélioration du sol, de résistance aux bactéries et aux maladies et d'impact sur l'environnement.