بخشی از مقاله
خلاصه
هدف بررسی خواص مورفولوژی و استحکام هیدروژلها در حضور نانو رس و بررسی رهایش کود است. ابتدا هیدروژلها با درصدهای متفاوت از شبکه ساز به پلی وینیل الکل تهیه شد و رفتار تورم آزاد و تحت بار آنها بررسی شد. سپس از نانو رس مونت موریلونیت در این سیستم استفاده شد. یک هیدروژل کشاورزی باید تورم مناسب و استحکام کافی را داشته باشد. از طرفی با در نظر گرفتن رهایش کنترلشده کود، باید یک موازنه بین خواص نامبرده شده ایجاد شود. بنابراین در این پروژه استفاده از هیدروژل نانو کامپوزیت 0/5درصد با بارگذاری کود، رفتار آهسته رهش مناسبتری نسبت به عدم بارگذاری نانو رس را داشته است.
هرچند تورم آن نسبت به هیدروژل کمتر است. اما تفاوت چشمگیر نیست. همچنین نسبت به نانو کامپوزیت % 1 دارای تورم بسیار بالاتری است. این موارد موجب شده است که برای کاربرد کشاورزی با چند جنبه متفاوت بهترین گزینه هیدروژل نانو کامپوزیت 0/5 درصد باشد. نتایج SEM تخلخل نمونهها را بهدرستی تائید میکند. نتایج EDX پراکنش مناسب نانو رس و کود را تائید میکند. از نتایج TGA مقدار بارگذاری کود تعیین گردید و تأثیر بارگذاری نانو رس اثبات شد. نتایج DSC نیز تکمیلکننده نتایج تورم با توجه به Tg نمونهها و آزادی حرکت زنجیرها، قرار گرفت.
.1 مقدمه
هیدروژلها مواد آبدوستی هستند که بهصورت فیزیکی یا شیمیایی شبکهای میشوند. این دسته از مواد ظرفیت جذب آب عظیمی را دارند .[1] محدودیت منابع آب کشور ضرورت صرفهجویی در مصرف آب را روشن میسازد. اعمال مدیریت صحیح و بهکارگیری فنهای پیشرفته بهمنظور حفظ ذخیره رطوبتی خاک و افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک ازجمله اقدامات مؤثر برای افزایش راندمان آبیاری و درنتیجه بهبود بهرهبرداری از منابع محدود آب کشور است.
دستیابی به اهداف فوقالذکر حفظ ذخیره رطوبتی، افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک و غیره با انجام اقداماتی نظیر استفاده از کود سبز و آلی، پرلیت و پلیمرها میسر میباشد. برای مقابله با این مسائل و مشکلات، بهکارگیری شیوههای نوین آبیاری لازم است. کاربرد هیدروژل های ابر جاذب، جدیدترین شیوههای آبیاری برای مناطق خشک است که به کمک آن میتوان تا 50 درصد اتلاف آب آبیاری و درنتیجه مصرف آب را کاهش داد .[2]
هیدروژل ها از طریق شبکهای کردن به سه روش کلی تابشی، فیزیکی و شیمیایی تهیه میگردد .[3] در روش فیزیکی، ژلهای بازگشتپذیر به دلیل مزیت اینکه از عوامل شبکهای کننده استفاده نمیگردد حائز اهمیت است. این روش شامل سیکل تکرارشونده سرمایش-گرمایش است .[4] در روش شبکه ساز شیمیایی ورود مولکول جدید بین زنجیرهای پلیمری برای تهیه زنجیرهای اتصال عرضی شده استفاده میشود. مثالی از آن میتواند پلی وینیل الکل با نشاسته ذرت باشد که از گلوتارآلدهید بهعنوان شبکه ساز استفاده شده است .[4] در این تحقیق تاثیر نانو رس مونت موریلونیت بر خواص هیدروژل نانو کامپوزیت پلی وینیل الکل/ نانو رس با کاربرد کشاورزی بررسی شد.
.2 بخش تجربی
مواد
در این تحقیق از پلی وینیل الکل صنعتی گرید 2488 با درجه هیدرولیز 86-90 درصد استفاده شد. نانو رس مورد استفاده از شرکت SouthernClay امریکا خریداریشده است. هیدرو کلریک اسید %37 بهعنوان کاتالیزور در سنتز هیدروژل استفاده شد. همچنین از اسیدسولفوریک %98 کاتالیزور بهعنوان تهیه هیدروژلها با بارگذاری کود استفاده شد. گلوتارآلدهید یک نوع شبکه ساز با غلظت %25 وزنی در آب است که جهت تهیه هیدروژل پلی وینیل الکل استفاده شد. سدیم کلرید مورد استفاده از شرکت مرک جهت آزمون AUL مورداستفاده قرار گرفت. کود فسفیت پتاسیم دارای فرمول K2PO4 میباشد که دانسیته آن1/47 گرم بر سیسی است. این ماده محلول در آب است.
.3 آزمونهای هویت شناسی
جهت بررسی ساختار شیمیایی کود و اجزای هیدروژل با روش FT-IR از دستگاه طیفنورسنج مدل EQUINOX 55 محصول شرکت Bruker ساخت کشور آلمان استفادهشد. جهت بررسی رهایش کود از دستگاه طیف سنجی فرابنفش مرئی مدل UV-1650 - PC - 220V ساخت شرکت SHIMADZU کشور ژاپن استفاده شد. گرماسنجی روبشی تفاضلی جهت بررسی دمای انتقال شیشهای نمونههای هیدروژل استفاده شد.
این آزمون مطابق با استاندارد ASTM D3418 با استفاده از دستگاه DSC1 محصول شرکت METTLER TOLEDO کشور سوئیس صورت گرفت. برای پایداری گرمایی و تعیین دقیق دمای تخریب اجزای هیدروژلها از آزمون گرمایی وزن سنجی استفاده شد. در این پژوهش از دستگاه TGA ساخت شرکت METTLER TOLEDO، کشور سوئیس طبق استاندارد ASTM E1131 استفاده شد. آزمون SEM توسط دستگاه میکروسکوپ الکترون روبشی با مدل VEGA محصول شرکت TESCAN جمهوری چک قرار گرفتند. جهت تشخیص عناصر موجود در هیدروژلها و همچنین رسم نقشهای از توزیع این ذرات در نمونهها از آزمون EDX با دستگاهی به مدل INCA محصول شرکت Oxford instruments کشور انگلستان استفاده شد.
بهمنظور اندازهگیری AUL، ابتدا صافی شیشهای را درون ظرف پتری دیش قرار داده و توری پارچهای موردنظر را نمدار کرده سپس توسط بست فلزی به انتهای استوانهی شیشهای - به قطر داخلی 63 میلیمتر و قطر خارجی 67 میلیمتر و ارتفاع 50 میلیمتر - بسته و روی صافی شیشهای قرار میدهیم. سپس حدود 0/3 گرم از نمونه را بهطور یکنواخت درون سیلندر - روی توری پارچهای واقع بر صافی شیشهای - توزیع کرده و پیستون تفلونی، روی ذرات هیدروژل قرار میدهیم بهطوریکه فشار 0/3 psiبر آن وارد شود.
در انتها محلول آبنمک 0/9 درصد را به ظرف پتری دیش اضافه کرده بهطوریکه صافی در محلول غوطهور شود. پس از 60 دقیقه نمونه متورم شده را وزن کرده و مقدار عدد AUL از رابطه زیر محاسبه میگردد. جذب آب توسط هیدروژل با روش کیسه چای3 انجام شد. در این روش مقدار مشخصی از ماده را در کاغذ صافی قرار داده و در آب تقطیرشده برای مدت 3 ساعت در دمای اتاق قرار داده و سپس کیسهها را از آب بیرون آورده به مدت 15 دقیقه اجازه میدهیم سیال اضافی خارج شود و وزن آن را اندازهگیری میکنیم. سپس طبق فرمول زیر مقدار تورم را محاسبه میکنیم .[5]
.4 روشها
سنتز هیدروژل خالص
جهت سنتز هیدروژل، محلول 8 w/v درصد از پلی وینیل الکل تحت رفلاکس در دمای 60 درجه سانتی گراد تهیه شد. همچنین محلول 2,5 درصد وزنی از گلوتارآلدهید در آب و هیدرو کلریک اسید 0/1 مولار بهعنوان کاتالیزور تهیه شد.
تهیه هیدروژل نانو کامپوزیت
برای تهیه هیدروژل/نانو کامپوزیت، ابتدا گلوتارآلدهید و پلی وینیل الکل به مدت زمان کافی در مجاورت هم در دمای 60 درجه سانتی گراد با دور 500 rpm قرار داده شد. سپس رس اصلاحنشده اضافه شد سپس ماتریس پلیمری و شبکه ساز برهمکنش یافت. بعد از آن اسید بهعنوان کاتالیزور به محلول اضافه شد و واکنش برای تهیه هیدروژل ادامه یافت.
