Влагоудерживающие материалы на основе промышленных отходов: сорбционные свойства, влияние на микрофлору почв и рост растений

В настоящее время 75% всего мирового потребления пресной воды используется в сельском хозяйстве. Многие страны мира страдают от недостатка пресной воды. Поэтому в сельском хозяйстве и при озеленении городов в развитых странах с аридным климатом сегодня широко применяются полимерные материалы, обладающие высокой степенью водопоглощения (до нескольких сотен г воды на 1 г исходного сухого полимера).

Их использование позволяет снизить расход воды на полив в 1,5-2 раза, снизить вымывание из почв питательных веществ и микроэлементов, улучшить физические характеристики почв, повысить защиту окружающей среды от засухи и загрязнения грунтовых вод, а растениям - лучше переносить засушливые климатические периоды (рис. 1).

В России и ряде стран Средней Азии широкому применению этих материалов в сельском хозяйстве, при озеленении городских и промышленных ландшафтов препятствует их высокая стоимость. Одним из наиболее эффективных путей снижения стоимости влагоудерживающих материалов является использование дешевых наполнителей, которыми могут являться промышленные отходы. Другим положительным фактором использования индивидуальных наполнителей или их смеси является возможность существенного повышения потребительских свойств влагоудерживающих материалов [1-5].

В настоящее время разработаны образцы влагоудерживающих материалов разных стоимостных групп с индивидуальными (отходы биокаталитических производств) и комбинированными наполнителями (с добавлением гуматов и микроэлементов) [5-7]. В качестве наполнителей также опробованы отходы, образующиеся в результате очистки газовых выбросов при производстве активированных углей, силикатного кирпича, деревообработки и др.

Процесс получения порошкообразных наполненных влагоудерживающих материалов заключался в полимеризации 30-50% водных растворов акриламида и 1530% водных растворов акрилата аммония или 40% водных растворов акрилата калия с окислительно-восстановительной системой инициирования. Полимеризация осуществляется на ленточном полимеризаторе с инфракрасным нагревом и сушкой.

Рассмотрено влияние наполнителей на сорбцию дистиллированной и слабоминерализованных вод, в том числе при воздействии внешнего давления почвы. Введение наполнителей приводит, как правило, к росту водосорбционных характеристик получаемых материалов, что объясняется ростом дефектности полимерной матрицы, образовании в полимерном композите микрополостей, увеличивающих количество поглощенной жидкости [6].

Наибольшее водопоглощение достигается при использовании в качестве наполнителеля (35% от массы мономеров) отработанного биокатализатора производства акриламида - 550 г воды на г сухого полимера. Полимер без наполнителя сорбирует 430 г/г воды. Добавление в отработанный биокатализатор гумата натрия (10% от массы наполнителя) приводит к снижению водопглощения на 10%.

Введение в качестве наполнителей угольной и известняковой пыли позволяет также получить композиты с водопоглощением 480 и 450 г/г соответственно. Древесный наполнитель приводит к снижению равновесной степени набухания (370 г/г), что может объясняться взаимодействием функциональных групп поверхности наполнителя с карбоксильными или амидными группами полимерной матрицы. Кроме роста водосорбционных свойств, введение наполнителей позволяет улучшить механические свойства получаемых материалов, а также снизить их себестоимость.

На рисунке 2 приведены сравнительные характеристики влагоудерживающих материалов, содержащих наполнители и существующих ненаполненных аналогов.

Влияние влагоудерживающих материалов на микрофлору почвы. Исследовано влияние ВУМ различного состава на модельные культуры почвенных бактерий в водной и почвенной среде. Показано некоторое стимулирующее действие гидрогелей на рост бактерий в водной среде (вне зависимости от наполнителя) по сравнению с контролем. Показано, что наполненные гидрогели не оказывает отрицательного воздействия на модельные почвенные бактерии.

Изучено влияние ВУМ с различными добавками (шлам биокатализатора производства акриловых мономеров; древесная мука) на содержание в почве гетеротрофных и амидгидролизующих бактерий (рисунок 3). Было показано, что внесение в почву ВУМ различного состава не оказывает на почвенную бактериальную флору влияния, достоверно отличающегося от контроля.

Исключение составил ВУМ с добавлением древесной муки, при внесении которого наблюдалось небольшое снижение общего количества гетеротрофных бактерий, вероятно, за счёт закисления среды при разложении древесины. Изучено соотношение грамотрицательных и грамположительных бактерий в почвах после внесения гидрогелей различного наполнения. Показано, что внесение в почву ВУМ различного состава приводит к повышению количества грамотрицательных бактерий.

Наибольшее количество бактериальных спор было обнаружено в образце почвы после внесения ВУМ с добавлением шлама биокатализатора R. rhodochrous, что может свидетельствовать о стимулирующем влиянии вносимой биомассы на рост аэробных бактерий рода Bacillus. Изучен количественный и качественный состав грибной микрофлоры образцов почвы, в которую были внесены ВУМ различного наполнения, через 21 день выращивания фасоли.

Показано, что во всех изученных образцах почвы количество жизнеспособных дрожжевых спор и дрожжеподобных грибов превышает количество плесневых грибов и их жизнеспособных спор. Отмечено также, что внесение в почву наполненных ВУМ не приводит к размножению токсичных для растений плесневых грибов и, как следствие, к фитотоксикозу почвы. Однако через 2 недели после внеения гидрогелей, содержащих шлам биокатализатора или древесную муку, наблюдалось повышение количества сапротрофных плесневых грибов на 21-35%.

Изучено влияние ВУМ различного наполнения на рост и развитие растений. Проведены вегетационные испытания 7 образцов наполненных гидрогелей различного типа. В качестве модельных растений использовали пшеницу и фасоль. Установлено, что в условиях переувлажнения происходит угнетение роста растений, менее выраженное в начале опыта и значительно усиливающееся через 10 дней развития, сопровождающееся увяданием растений, в то время как недостаточное увлажнение не оказывало отрицательного влияния (рисунок 4).

Показано, что присутствие ВУМ снижает угнетение роста растений в условиях дефицита влаги. Наиболее выраженное протекторное действие наблюдалось при внесении гидрогелей, наполненных шламом биокатализатора, и без наполнителя. В условиях нормального полива не обнаружено существенного влияния биокатализатора на рост пшеницы. Возможное стимулирующее действие наполнителя в первые две недели роста не проявилось, т.к. растения в этот период еще преимущественно используют компоненты, запасенные в семени.

Были проведены эксперименты по выращиванию фасоли. Показано, что по отношению к контролю масса стручков с одного растения при выращивании на почве с добавлением наполненных ВУМ была больше в 1,5-2 раза.

Таким образом, в результате проведенных работ показано, что использование промышленных отходов в качестве наполнителей позволяет создавать влагоудерживающие материалы, по водосорбционным свойствам соответствующие лучшим мировым аналогам и превосходящие их по ряду эксплуатационных факторов (физико-механические свойства, повышенная сорбция минерализованных вод и др.).

Получаемые материалы не подавляют рост средообразующей бактериальной флоры и могут служить дополнительным источником питания для почвенных бактерий. В качестве наполнителя лучшим является шлам биокатализатора производства акриловых мономеров, что позволяет одновременно достичь удешевления влагоудерживающего препарата и утилизировать отходы биотехнологического производства.