膨润土可以种植物吗(一文了解高岭土、膨润土等粘土矿物在农林保水剂中的应用)

粘土是一类以粘土矿物为主要成分的非金属矿产，一般由硅酸盐矿物风化后形成，其矿物颗粒细小，具有可塑性、粘结性、触变性、烧结性等特点。

我国的粘土资源主要有膨润土、高岭土、凹凸棒石、海泡石、伊利石、蛭石、累托石等，其中以膨润土、高岭土资源量最大，与高吸水性树脂复合制备保水剂，具有良好的应用前景。

1、粘土矿物资源用于农林保水剂的优势

（1）粘土矿物储量丰富，一般为露天开采，开采成本低，市场供应较为充足，可以长期满足保水剂采购使用的需求。

（2）加工工艺简单，使用性能良好。粘土矿物颗粒细小，一般不进行选矿提纯加工，经粉碎后即可作为保水剂原料使用。粘土有较好的亲水性和分散性，在水中悬浮性好、团聚少，尤其是膨润土，在水中具有较强的水化膨胀作用，利于在容器中进行化学复合加工。

（3）粘土在保水剂中的添加量相对较大。高吸水树脂的吸水能力在蒸馏水中能达到1000甚至2000倍以上，而作为农林用保水剂不需要如此高的吸水能力，一般100-700倍即可。

吸水能力过大，反而对植物根系吸收和保水有不利影响。在高吸水树脂中最高可以复合添加60%左右的粘土，同时使保水剂的吸水能力仍可达到使用指标，能有效降低保水剂的生产成本。

（4）粘土对土壤无毒无害，安全性好。保水剂长期使用降解后，粘土混入土壤中同样有助于改良土壤，提高土壤的保肥、保水能力，并且对土壤中的重金属污染具有修复、固定作用，可以安全放心使用。

（5）相对于淀粉、纤维素、腐植酸等有机复合保水剂在土壤中存在快速腐败、分解失效等缺点，粘土复合保水剂热稳定性强、凝胶强度大，在土壤中不易腐败等。

2、粘土复合保水剂的吸水机理

在保水剂吸水过程中，首先是高分子链上的亲水性电解质基团发生电离。电离产生的阴离子固定在高分子链上，而阳离子则在聚合物内部移动以维持电中性。

高分子链上阴离子间的静电斥力和聚合物内外阳离子浓度差形成的渗透压使高分子链拉直扩张，更多的水进入聚合物内部。当三维交联网络扩张后产生的弹性收缩力与渗透压力平衡后，高吸水材料达到吸水平衡。水分子在水凝胶三维空间内部通过聚合物网络物理吸附被贮存，分子运动受限制而不会流失。

粘土颗粒尺寸远大于聚合物网络空间，并且与高分子链存在化学吸附关系，更不会随着吸水溶胀作用而扩散出去，只有复合保水剂表面的少量粘土颗粒在水作用下会从聚合物上脱附。

一般认为，随着粘土种类与添加量的不同，粘土与高吸水树脂之间存在三种结合形式：即一般充填式的混合、表面接枝聚合及层间或结构内的结合。

复合保水剂中的粘土颗粒由于表面吸附多条高分子链而成为高吸水树脂聚合物网络中的交联中心点，就像聚合物网络“海洋”中的“海岛”。但当粘土添加量过多时，就会破坏聚合物的交联网络，使保水剂表现出糊化和水溶性。

此外，粘土颗粒与高分子链之间的交联相对较弱，不能完全代替聚合物中交联剂的作用。不加交联剂，粘土与高吸水树脂复合形成的复合材料也具有高吸水性，但吸水后凝胶保水性差，一定时间后会发生降解。

3、粘土复合保水剂的制备方法

粘土复合保水剂的制备属于自由基聚合反应，可采用溶液聚合、反相悬浮聚合、反相乳液聚合、辐射聚合等，出于成本考虑，一般采用水溶液聚合，因此引发剂、交联剂等助剂也应选用水溶性的。

▲粘土复合保水剂制备流程简图

与粘土复合的聚合物单体一般采用丙烯酰胺和丙烯酸。丙烯酰胺制备的保水剂吸水能力较低，但耐盐性好，吸水后凝胶强度高；丙烯酸制备的保水剂吸水速度快、吸水倍数高，但吸水时易团聚，吸水后凝胶强度较低；采用丙烯酰胺与丙烯酸共聚，可兼顾两者优点。

为改善保水剂耐盐性、凝胶强度等性能，粘土复合保水剂中还可以添加淀粉、聚乙烯醇等其它辅料，对聚合物分子链进行接枝或形成互穿。

4、常见的粘土复合保水剂

（1）膨润土复合保水剂

膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的粘土矿，钠基膨润土悬浮性好于钙基膨润土，因此更适合作为保水剂原料。

周正刚等研究表明，在保水剂中加入膨润土后，吸水树脂的吸水能力下降，但吸水凝胶的耐热性和强度随膨润土添加量的增大而提高，直到膨润土添加量为单体的190%后，保水剂的强度和耐热性才开始下降。这种高膨润土含量的复合保水剂可以应用于油田调剖堵水和农业、林业等方面。

范力仁以纯度大于90%的钠化膨润土与丙烯酸为原料，膨润土添加量为30%，制备的复合材料吸水倍率为420g/g，并且与传统高分子吸水树脂相比不粘容器、抗盐性能好、凝胶强度高。

谢奕明通过对膨润土/聚丙烯酸钠复合材料的电镜形态分析认为，膨润土在复合材料中有较好的分散性，粒径在10μm的范围内；通过差热分析认为添加膨润土提高了复合材料与水的结合力，即提高了保水剂的保水性能。

Ogawa认为，聚合物单体嵌入膨润土中时，既可能通过与层间可交换阳离子结合也可能与表面氧形成氢键结合。

Lee等对比了钠基膨润土和有机改性膨润土对保水剂的影响，认为钠基膨润土在吸水倍率和吸水速率上明显好于有机改性膨润土。

（2）高岭土复合保水剂

高岭土具有较好的悬浮性和分散性。

马占兴等以聚丙烯酸钠和高岭土制备吸水材料，在高岭土占单体50%的条件下，吸水倍数为834g/g，当高岭土量与单体为1:1时，吸水倍数仍在400g/g以上，但部分聚合物呈水溶性。通过SEM分析，复合材料为典型的海-岛结构，高岭土颗粒为1~5μm，嵌入在聚合物树脂中。

李杰等发现在吸水树脂中加入高岭土可以适当降低交联剂的用量，提高吸水树脂的强度和保水性。

Kabiri等对聚丙烯酸和高岭土的复合机理进行了探讨，通过分析XRD结果表明，高岭土的晶面间距在反应前后没有发生变化，说明丙烯酸与高岭土颗粒的相互作用只发生在高岭土颗粒的表面。

（3）凹凸棒石复合保水剂

凹凸棒石有发育的微孔孔道，因而内表面积很大；同时，针状、纤维状的晶体颗粒粒径只有几十纳米，因而其外表面积也很大，较大的比表面积有利于同聚合物单体交联反应。凹凸棒石粘土中凹凸棒含量大于50%的很少，含有大量白云石、方解石、蒙脱石等伴生矿物，通过酸处理或热处理，可以改善凹凸棒石粘土的反应活性。

魏彦芳等制备的复合保水剂以凹凸棒石和聚丙烯酸钾为原料，凹凸棒石用量为15%~20%，该材料吸蒸馏水的倍率为556.2 g/g。

张俊平等发现凹凸棒复合保水剂与纯树脂保水剂相比，耐盐性明显提高。

赵娣芳通过XRD分析发现凹凸棒粘土与丙烯酸单体的接枝共聚反应发生在矿物表面，反应前后凹凸棒粘土的晶体结构并未受到破坏。

2018年8月18日，甘肃海瑞达临泽生产基地举行奠基仪式，该项目一期将于2019年建成2万吨凹凸棒石保水剂生产线一条、一万吨保水多功能肥生产线一条。该保水剂产品技术经过中科院化物所王爱勤教授近二十年的研发，产品生产技术及工艺成熟。

（4）其它粘土复合保水剂

乌兰等在聚丙烯酸接枝丙烯酰胺吸水树脂中添加12%的膨胀蛭石，徐继红等在聚丙烯酰胺接枝AMPS吸水树脂中加入20%的海泡石，均发现复合材料有更好的凝胶强度和保水性能。中国地质大学（武汉）采用伊利石、煅烧累托石制备的复合保水剂，粘土添加量在30%，吸水倍数均在300倍以上。

5、结语

粘土复合保水剂具有较好的保水性能及应用前景，但对于产品工业化仍存在某些问题，例如：

（1）粘土的种类、产地、品位、粒度等条件对复合保水剂的生产配方及产品性能有较大影响，易造成产品质量波动；

（2）添加粘土含量过高时，粘土复合保水剂的保水性降低较多，不能满足林业种植吸、释水能力持续三至五年以上的要求；

（3）粘土添加量多、粒度粗时，粘土在反应体系中会产生沉降现象等。

针对这些问题，研究者们必须要重视粘土复合保水剂的工艺路线选择，进一步研究适合的交联体系、引发体系，重视粘土复合保水剂的性能研究。同时，根据粘土矿物复合保水剂的性能特点，研究与之配套的产品标准化制备和应用技术，对保水剂应用推广和扩大市场份额也具有重要意义。

来源：粘土复合保水剂的研究现状及应用，作者：张然、冯安生、余丽秀

编辑整理：粉体技术网