一種稻殼炭基保水劑的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種稻殼炭基保水劑的制備方法，制備而成的保水劑主要用于植物的栽培中，能夠?qū)μ烊挥晁M(jìn)行保水，屬于農(nóng)業(yè)、林業(yè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高吸水性樹脂的出現(xiàn)是從1961年美國農(nóng)務(wù)省北方研究所的“淀粉接枝丙烯腈”成功開始。70年代中期，日本開展了以纖維素為原料制造高吸水劑的研究。1978年日本三洋化成公司擔(dān)憂丙烯腈單體殘留在聚合物中有毒，開發(fā)出了淀粉，丙烯酸，交聯(lián)性的單體接枝共聚反應(yīng)的合成方法，80年代人們又開始用其他天然化合物如海藻酸鹽、蛋白質(zhì)、殼聚糖及其衍生物等制備高吸水樹脂。這些新方法為新型吸水劑的開發(fā)研究開闊了思路。我國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行高吸水性樹脂的研究開發(fā)工作。研究主要集中在吸水樹脂的合成和性質(zhì)方面，研究內(nèi)容涉及到天然、合成及復(fù)合型高吸水材料，主要產(chǎn)品集中在聚丙烯酸鹽、淀粉接枝丙烯腈共聚水解物淀粉接枝丙烯酰胺、淀粉/丙烯酸鹽類等系列上。研究的主要目標(biāo)是如何開發(fā)出高吸水倍數(shù)的吸水材料，并研究出吸水率最高達(dá)4000-5000ml/g的吸水材料。主要成果大部分為實驗室成果，而且所研究出的吸水材料的吸水倍率對水質(zhì)要求較高，研究成果中實驗的水質(zhì)多為PH中性的蒸餾水或去離子水，因此與實際應(yīng)用距離較遠(yuǎn)。近年也有針對高鹽含量水質(zhì)吸水材料的研究，但并有相關(guān)專利報道。
[0003]近年極端天氣頻發(fā)，尤其是我國華東、華南地區(qū)夏季高溫干旱，和短時間內(nèi)暴雨急降的強(qiáng)對流和臺風(fēng)天氣交錯發(fā)生，從而造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的旱澇交替，對產(chǎn)量影響較大。雨水水質(zhì)含鹽量較小，但PH變化范圍較大。
[0004]雖然公開日為2012年07月18日，公開號為CN102585835A的中國專利中，公開的一種利用農(nóng)作物秸桿的炭化產(chǎn)物制成的土壤保水劑中也涉及到稻殼炭用于保水材料制備，但是存在如下不足之處:其僅將稻殼炭粉碎過60目篩，并與丙烯酰胺成品混合，因此所試制的保水劑材料只是將炭材料與丙烯酰胺簡單混合，但兩者實際處于游離狀態(tài)，兩者并未有基團(tuán)結(jié)合而達(dá)到改性吸水材料的效果。
[0005]綜上所述，目前還沒有一種可對較寬pH值水質(zhì)擁有較佳吸附能力，能夠針對天然雨水的稻殼炭基保水劑的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，而提供一種利用稻殼炭與丙烯酸共混聚合生成一種可對酸堿度范圍較大的雨水進(jìn)行吸附的農(nóng)業(yè)用吸水材料，可對較寬PH值水質(zhì)擁有較佳吸附能力，能夠針對天然雨水的稻殼炭基保水劑的制備方法。
[0007]本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是:該稻殼炭基保水劑的制備方法的特點在于:所述制備方法的步驟如下:將丙烯酸單體用去離子水稀釋到質(zhì)量百分濃度為50%，得到水溶性丙烯酸單體；將稻殼炭化后粉碎得到稻殼炭粉，在攪拌轉(zhuǎn)速為550-800r/min且有惰性氣體保護(hù)的條件下，將稻殼炭粉與水溶性丙烯酸單體混合，混合10分鐘之后得到混合物，稻殼炭粉的用量為丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.5-2% ;在25°C的水浴條件下，向混合物中加入質(zhì)量百分濃度為40%的NaOH溶液進(jìn)行中和，水溶性丙烯酸單體的中和度為60-80%，然后向混合物中依次投加添加劑、交聯(lián)劑和引發(fā)劑，添加劑為丙烯酰胺，添加劑的用量為丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的15-20%，交聯(lián)劑是N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺，交聯(lián)劑的用量為丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.05-0.2%，引發(fā)劑為過硫酸銨，引發(fā)劑的用量為丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.25-1%，在70-80°C的溫度下進(jìn)行聚合，聚合時間為30-45分鐘，得到聚合物，將聚合物置于85°C的烘箱內(nèi)使聚合反應(yīng)完全，反應(yīng)時間為3小時，將聚合反應(yīng)完全后的所得物粉碎，并過60目篩，得到灰白色的稻殼炭基保水劑。由此使得稻殼炭通過聚合接枝到丙烯酸吸水樹脂上，對丙烯酸吸水樹脂進(jìn)行了改性，使得最終得到的稻殼炭基保水劑可對較寬PH值水質(zhì)擁有較佳的吸附能力。
[0008]作為優(yōu)選，本發(fā)明將稻殼炭化后粉碎得稻殼炭粉的步驟為:稻殼在溫度為280-400以及氧氣體積含量小于5%的條件下，炭化30-90分鐘得到炭化物，將所得炭化物粉碎，過200目篩，得到稻殼炭粉。
[0009]作為優(yōu)選，本發(fā)明用于中和水溶性丙烯酸單體的質(zhì)量百分濃度為40%的NaOH溶液的用量為丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的33-44%。
[0010]作為優(yōu)選，本發(fā)明所述惰性氣體為高純氮氣。
[0011]作為優(yōu)選，本發(fā)明所述添加劑的用量為丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的15%。
[0012]作為優(yōu)選，本發(fā)明所述交聯(lián)劑的用量為丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.1%。
[0013]作為優(yōu)選，本發(fā)明所述引發(fā)劑的用量為丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.5%。
[0014]作為優(yōu)選，本發(fā)明所述水溶性丙烯酸單體的中和度為60%。
[0015]作為優(yōu)選，本發(fā)明所述水溶性丙烯酸單體的中和完成后，當(dāng)溫度控制在40°C以內(nèi)時，再向混合物中依次投加添加劑、交聯(lián)劑和引發(fā)劑。
[0016]作為優(yōu)選，本發(fā)明所述炭化溫度為280-400°C，所述炭化時間為45分鐘。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果:以稻殼炭接枝改性丙烯酸吸水樹月旨，以N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，以過硫酸銨為引發(fā)劑，制得的稻殼炭基保水劑可對pH2.89-12.75的水體進(jìn)行高效吸附，大大促進(jìn)了保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用范圍；同時，本發(fā)明的生產(chǎn)工藝簡單，操作方便，有利于實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
[0018]稻殼炭是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剩余物稻殼在無氧或缺氧條件下經(jīng)高溫裂解形成的一種物質(zhì)，具有高度的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的吸附性能。將稻殼炭用于丙烯酸高吸水樹脂的改性，從而達(dá)到具有對不同酸堿度雨水良好吸附能力的目的，其產(chǎn)品具有良好的生態(tài)和實際運(yùn)用價值。高溫裂解后的稻殼炭PH呈堿性，因此將其加入丙烯酸可與其COO基團(tuán)結(jié)合，本發(fā)明的目的在于將稻殼炭用于改良丙烯酸聚合吸水樹脂對廣譜PH水質(zhì)的吸附能力，這有利于對農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼的生態(tài)利用，又有利于保水材料在農(nóng)業(yè)運(yùn)用的實際效能。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實施例的稻殼炭基保水劑的制備方法中所用的四口玻璃反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是稻殼炭的紅外光譜示意圖。
[0021]圖3是本發(fā)明實施例中稻殼炭改性丙烯酸吸水樹脂后的紅外光譜示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明實施例中改性丙烯酸吸水樹脂對不同pH度水質(zhì)吸收性能的曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以下實施例是對本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實施例。
[0024]實施例1。
[0025]參見圖1至圖4，本實施例中稻殼炭基保水劑的制備方法的步驟如下。
[0026]本實施例中的吸水樹脂是在四口玻璃反應(yīng)Il內(nèi)進(jìn)行的，具體裝置示意圖參見圖1。先將丙烯酸單體用去離子水稀釋至質(zhì)量百分濃度為50%后，加入反應(yīng)釜內(nèi)。再將粉碎且過200目篩的稻殼炭加入反應(yīng)釜內(nèi)，通氮氣，并打開攪拌槳，攪拌轉(zhuǎn)速為550-800r/min較為經(jīng)濟(jì)。并保持10分鐘。隨后從加料口用分液漏斗緩緩滴入質(zhì)量百分濃度為40%的NaOH水溶液，由于丙烯酸與NaOH中和為放熱反應(yīng)，因此水浴裝置中通入常溫水(25°C )用于冷卻，根據(jù)溫度計反應(yīng)出反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)溫度，從而控制質(zhì)量百分濃度為40%的NaOH水溶液的滴加速度，以控制反應(yīng)釜內(nèi)的溫度低于40°C。質(zhì)量百分濃度為40%的NaOH水溶液的添加量為丙烯酸單體中和度60-80%的用量，若丙烯酸單體的中和度高，吸水性能較好，但中和度過高會造成樹脂水溶性增大，吸水性能下降，因此中和度以60%較佳。稻殼炭是稻殼在氧含量小于體積百分含量5%的條件下，在280-400°C下炭化30-90分鐘后所得的炭化物；該炭化物的性能穩(wěn)定，其pH值為8.8-9.3 (按GB / T 12496.7—1999《木質(zhì)活性炭檢驗方法pH值的測定》)。若炭化溫度越高，炭化時間越長，則炭化所得物的pH值越高，同時炭化得率也變低，炭化物的灰份含量也變高，炭化物的灰份含量將會影響吸水材料的吸水特性，因此較佳的炭化溫度為350°C，炭化時間為45分鐘。
[0027]待丙烯酸單體的中和反應(yīng)完成后，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度控制在40 °C以內(nèi)時，依次向反應(yīng)釜內(nèi)添加如下物質(zhì):先添加用量為丙烯酸單體質(zhì)量百分比15-20%的丙烯酰胺作為添加劑，用于提高吸水樹脂的強(qiáng)度和耐鹽性；添加量以丙烯酸單體質(zhì)量百分比15%為佳；再加入用量為丙烯酸單體質(zhì)量百分比0.05-0.2%的N，N’ -亞甲基雙丙烯酰胺做為交聯(lián)劑，交聯(lián)劑用量大，樹脂交聯(lián)度好，但吸水性能弱，而交聯(lián)劑用量少，則樹脂力學(xué)性能差，交聯(lián)劑用量以丙烯酸單體質(zhì)量百分比的0.1%為佳；最后加入過硫酸銨做為引發(fā)劑，引發(fā)劑的加入量為丙烯酸單體質(zhì)量百分比的0.25-1%，在反應(yīng)體系中引發(fā)劑的用量少，則反應(yīng)慢，引發(fā)劑的用量大，則反應(yīng)迅速，過程不可控，且最終生成的樹脂交聯(lián)度大，吸水率低，因此引發(fā)劑的用量為丙烯酸單體質(zhì)量百分比的0.5%為佳。
[0028]待添加劑、交聯(lián)劑和引發(fā)劑添加完成后，將水浴裝置升溫到70_8(TC，進(jìn)行聚合，聚合時間為30-45分鐘。此時反應(yīng)液變黏稠，從加料口將反應(yīng)液取出，并放置到85 °C的烘箱內(nèi)讓聚合反應(yīng)完全，放置時間為3小時。然后將所得物粉碎，過60目篩，得灰白色稻殼炭基保水劑。
[0029]本實施例中制得的殼炭基保水劑是由稻殼炭通過聚合接枝到丙烯酸吸水樹脂上形成的，圖2為稻殼炭的紅外光譜圖，圖3為本實施例中制得的殼炭基保水劑紅外光譜圖，即稻殼炭改性丙烯酸吸水樹脂的紅外光譜圖，對照圖2和圖3中的譜圖可知，圖2中的譜圖中在IlOOcm 1處有很強(qiáng)的S1-O-Si反對稱伸縮峰，這是稻殼炭的特征吸收峰，波數(shù)為798cm 1處為S1-O-Si對稱伸縮峰，波數(shù)為466 cm 1處為PO 4對稱變角峰。對比圖3中稻殼炭特征吸收峰消失，說明稻殼炭參于了接枝共聚反應(yīng)。
[0030]本實施例中制得的稻殼炭基保水劑可對較寬pH值水質(zhì)擁有較佳吸附能力，圖4是本施例中制得的稻殼炭基保水劑對不同PH度水質(zhì)吸收性能的曲線圖，由圖4可知，純丙烯酸樹脂對去離子蒸餾水吸附倍率最高，表明稻殼炭接枝改性丙烯酸樹脂對純水的吸附性能有所降低，但對偏酸和偏堿水質(zhì)吸附性能大大改善。同時也可知當(dāng)?shù)練ぬ刻砑恿看笥诒┧釂误w質(zhì)量5%時，稻殼炭基丙烯酸樹脂對不同水質(zhì)吸附性都有較大降低。因此稻殼炭添加量以丙烯酸單體質(zhì)量的0.5-2%為宜。
[0031]實施例2。
[0032]本實施例中稻殼炭基保水劑的制備方法的步驟如下:將過200目篩的稻殼炭以丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)