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Polimero superassorbente per trattenere l'acqua e fertilizzare a lento rilascio

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Proteggere l'ambiente, le piante, gli animali e la salute umana utilizzando strategie naturali è un obiettivo fondamentale per le nazioni sviluppate.

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Proteggere l'ambiente, la salute delle piante, degli animali e dell'uomo utilizzando strategie naturali è un obiettivo fondamentale per le nazioni sviluppate. La recente adozione di polimeri assorbenti e idrogel in agricoltura ha mostrato numerosi vantaggi, come il miglioramento della qualità del suolo, la conservazione dell'acqua, la riduzione del consumo di nutrienti nel suolo, l'attenuazione della disidratazione e dello stress da umidità nelle colture e la gestione dei fitopatogeni. Le tecniche di rivestimento delle sementi sono diventate comuni per migliorare la protezione dei semi e promuovere la crescita delle piante, impiegando polimeri assorbenti, idrogel, regolatori della crescita, pesticidi, fertilizzanti e microrganismi benefici. Questa rassegna evidenzia l'importanza di vari polimeri e idrogel superassorbenti in un approccio integrato per proteggere i semi, le piante e il suolo e per controllare il lento rilascio di fertilizzanti, mantenendo così l'equilibrio degli ecosistemi.

L'agricoltura è un pilastro fondamentale dell'economia e un'industria primaria indispensabile. Tuttavia, l'uso crescente di fertilizzanti chimici e di risorse idriche per aumentare la resa delle colture e soddisfare la crescente domanda di cibo ha portato a significative perdite di nutrienti a causa della rapida dissoluzione dei fertilizzanti. Questo utilizzo inefficiente, che si aggira tra il 30 e il 35% per i fertilizzanti azotati, tra il 10 e il 25% per quelli fosfatici e tra il 30 e il 45% per quelli potassici, comporta perdite economiche, sprechi di energia e problemi ambientali come l'inquinamento delle falde acquifere, l'eutrofizzazione delle acque, il degrado del suolo e l'inquinamento atmosferico. Come ridurre l'uso dei fertilizzanti mantenendone l'efficienza è un problema importante che l'industria sta affrontando.

La scarsità d'acqua rappresenta un'altra sfida per lo sviluppo agricolo nel mondo, con risorse idriche pro capite pari solo a un quarto della media mondiale. Il mondo deve inoltre affrontare gravi fenomeni di erosione e desertificazione del suolo, aggravati dall'elevato numero di abitanti. L'utilizzo efficace delle limitate risorse di terra e acqua per nutrire in modo sostenibile questa popolazione è una delle principali preoccupazioni per la sostenibilità dell'agricoltura.

La resina superassorbente è un nuovo tipo di materiale polimerico funzionale sviluppato negli ultimi decenni [1]. Grazie alla sua particolare composizione chimica, alla struttura fisica e alle proprietà di assorbimento e ritenzione idrica, può resistere alla siccità, migliorare il suolo e mantenere l'efficienza dei fertilizzanti nei terreni agricoli. Si tratta di un nuovo tipo di ammendante e di materiale agricolo resistente alla siccità e a risparmio idrico. La sua combinazione con i fertilizzanti per la preparazione di terreni agricoli e forestali con funzioni di assorbimento e ritenzione idrica provocherà sicuramente una nuova impennata nel campo della ricerca sui fertilizzanti [2]. Tuttavia, i fertilizzanti a lento rilascio sono costosi e la loro applicazione non è universale. Inoltre, la maggior parte dei materiali in resina superassorbente utilizzati nella produzione di fertilizzanti a lento rilascio sono polimeri sintetici di poliolefine, che non sono biodegradabili. L'applicazione di grandi quantità di fertilizzanti rende il suolo sabbioso e il terreno è difficile da utilizzare in modo sostenibile. Questi materiali inquinano l'ambiente del suolo ed è necessario sviluppare materiali di rivestimento biodegradabili [3].

Ritenzione idrica e meccanismo di rilascio lento

Meccanismo di ritenzione idrica

I polimeri superassorbenti (SAP) si riferiscono tipicamente a una nuova classe di materiali polimerici funzionali contenenti gruppi idrofili come -COOH, -NH2 e -OH. A contatto con l'acqua, la struttura reticolare dei polimeri superassorbenti, ricca di forti gruppi idrofili come il carbossile (-COOH) e l'ossidrile (-OH), subisce una ionizzazione e interagisce con le molecole d'acqua attraverso un legame a idrogeno. Questa interazione consente ai polimeri superassorbenti di assorbire notevoli quantità di acqua. Inoltre, la presenza di elettroliti all'interno della rete molecolare dei polimeri superassorbenti crea una differenza di potenziale tra la soluzione elettrolitica interna e l'acqua esterna, favorendo l'infiltrazione di acqua nella struttura polimerica.

Il potenziale di penetrazione differenziale porta a un'infiltrazione continua di acqua nelle molecole del polimero, inducendo l'elettrolisi al contatto con gli ioni della rete. Mentre gli ioni positivi si liberano, i gruppi di ioni negativi rimangono legati alla catena della rete, provocando una repulsione tra gli ioni negativi adiacenti ed espandendo la struttura della rete polimerica. Di conseguenza, un volume significativo di acqua permea le maglie della struttura della rete molecolare. I polimeri superassorbenti possono assorbire acqua deionizzata da centinaia a migliaia di volte la loro massa o acqua salina fisiologica da decine a quasi cento volte la loro massa, trattenendo la maggior parte dell'acqua assorbita per lunghi periodi. L'incorporazione di polimeri superassorbenti nel suolo aumenta l'effettivo assorbimento dell'acqua di irrigazione e delle precipitazioni, migliorando così la capacità di ritenzione idrica del suolo.

Dopo l'applicazione al suolo, l'acqua assorbita viene rilasciata gradualmente per l'assorbimento da parte delle piante, man mano che i livelli di umidità esterna diminuiscono. I risultati della ricerca indicano che i polimeri superassorbenti mantengono la loro capacità di assorbimento dell'acqua principalmente nell'intervallo di bassa aspirazione di 10-50 KPa, con il 98% dell'acqua assorbita che è acqua libera facilmente accessibile alle piante. Inoltre, la capacità massima di assorbimento dell'acqua dei polimeri superassorbenti (13-14 Kgf/cm2) rimane inferiore a quella delle radici delle piante (17-18 Kgf/cm2), impedendo il riflusso dell'acqua dal sistema radicale. Pertanto, il prolungamento dei cicli di irrigazione durante i periodi di siccità aumenta la resistenza delle piante alla siccità.

Meccanismo a lento rilascio

A contatto con la soluzione del terreno, i polimeri superassorbenti assorbono l'acqua e si gonfiano in uno stato simile a un gel. Il fertilizzante solubile all'interno dell'idrogel subisce un ostacolo alla diffusione a causa del gel rigonfio, con conseguente rallentamento della velocità di rilascio dei nutrienti del fertilizzante. Questo effetto di ostruzione migliora l'efficienza di utilizzo del fertilizzante. In condizioni specifiche, i nutrienti adsorbiti si diffondono lentamente dall'idrogel al terreno attraverso il sistema di rete, facilitando l'assorbimento e l'utilizzo delle colture e favorendo la crescita delle piante.

I materiali idroassorbenti polimerici di Qingdao SOCO non solo funzionano come ammendanti del terreno che assorbono e trattengono l'acqua, ma facilitano anche il rilascio graduale dei nutrienti dei fertilizzanti. Combinando le eccellenti prestazioni della resina superassorbente e del fertilizzante a lento rilascio, si prevede di innescare una nuova rivoluzione nel settore dei fertilizzanti. Le tendenze di sviluppo e le direzioni di ricerca di questo fertilizzante sono riassunte di seguito:

1. Prima di produrre il fertilizzante, si mescola il polimero superassorbente con altre materie prime fertilizzanti (come azoto, fosforo, potassio e altri nutrienti). Questo metodo distribuisce uniformemente il materiale assorbente all'interno dei granuli di fertilizzante, assicurando che agisca in tutti i granuli di fertilizzante. Dopo che il fertilizzante è stato prodotto, si mescola fisicamente con le particelle con una certa proporzione.

2. Ottimizzare il meccanismo di rilascio dei nutrienti modificando la composizione della resina superassorbente e la sua interazione con il fertilizzante. Questa ottimizzazione mira ad adattare il modello di rilascio alle esigenze delle colture, migliorando al contempo la biodegradabilità e la tolleranza ai sali della resina assorbente.

Nell'uso effettivo dell'agente di ritenzione idrica, i tipi e le condizioni di applicazione dell'agente di ritenzione idrica dovrebbero essere combinati per studiare sistematicamente l'effetto di vari fattori come la struttura del suolo, i tipi di fertilizzante, le condizioni climatiche, la quantità di applicazione, il tempo di applicazione e il metodo di applicazione dell'agente di ritenzione idrica sull'effetto dell'agente di ritenzione idrica. Allo stesso tempo, l'agente di ritenzione idrica dovrebbe essere valutato in modo completo in termini di assorbimento e ritenzione idrica, ritenzione ed efficienza dei fertilizzanti, miglioramento del suolo, resistenza antibatterica e alle malattie e impatto ambientale.