کاربرد پلیمرها در حفظ منابع آب

استفاده از پلیمرها و بیوپلیمرها به منظور حفظ آب و تثبیت خاک در مناطق خشک و نیمه خشک

استفاده از پلیمرها بعنوان یک افزودنی تثبیت کنندۀ خاک به طور قابل توجهی در مصارف کشاورزی با هدف کنترل تخریب خاک و بیابان زدایی و همچنین به منظور بهبود خاک های خشک و نیمه خشک گسترش یافته است. این مقاله به بررسی اثرات پلیمرها و بیوپلیمرهای مصنوعی مختلف در غلظت کم (1-0.03 درصد) در خاک خشک و نیمه خشک شمال افریقا می پردازد. پلی استایرن، پلی اکریل آمید، سلولز و مخلوط اکریل آمید با سایر پلیمرها با کمک ویسکوزیته، اسپکتروسکوپی مادون قرمز، دیفراکتومتری اشعه ایکس، تحلیل حرارتی (TG و DSC) و میکروگراف های الکترونی روبشی (SEM) تعیین شدند. نتایج حاصل شده نشان داد که کامپوزیت های پلیمری در خاک می توانند خواص فیزیکی خاک را بهبود بخشیده و حفظ آب را در خاک های خشک، در مقایسه با دیگر پلیمرها با غلظت مشابه تا 60 درصد افزایش دهند. این مقاله همچنین می تواند با استفاده از غلظت کم از بیوپلیمرهای حاصل از الیاف گیاهی و پلیمرهای حاصل از ترکیبات پلاستیک مصنوعی یا ضایعات صنایع پلاستیک به بهبود بهره وری از خاک های خشک و نیمه خشک کمک کند تا با اتصال ذرات خاک به یکدیگر تبخیر آب را کاهش داده؛ ظرفیت نگهداری آب را افزایش داده و همچنین خواص فیزیکی خاک را نیز بهبود می بخشد.

خاک خشک و نیمه خشک با بارندگی ناپایدار کم، خشکسالی های دوره ای طولانی و سطح تبخیر بالا مشخص می شود. تخریب خاک کیفیت خاک و بهره وری کشاورزی را با از دست دادن خاک با کیفیت تهدید می کند. پلیمرها و بیوپلیمرها از دیرباز بعنوان تهویه کنندۀ خاک شناخته شده اند زیرا ساختار سطح خاک و تداوم منافذ را تثبیت می کند. در دهه گذشته، پلیمرهای محلول در آب کاربرد مؤثری در جلوگیری از فرسایش خاک و افزایش نفوذپذیری آن داشتند. پلی اکریل آمید در افزایش پایداری خاکدانه و افزایش نفوذ خاک در برخی مناطق به ویژه در خاک های لوم شنی مؤثر بود. پلی اکریل آمید یک پلیمر مصنوعی با زنجیره بلند است که بعنوان یک عامل تقویت کننده عمل می کند؛ ذرات خاک را به هم متصل کرده و تثبیت خاک را افزایش می دهد اما از طرفی، پلی اکریل آمید به تنهایی نمی تواند ساختار ضعیف خاک را اصلاح کند. میکروفیبریل های سلولز هیدرولیز شده با اسید جایگزین پلی اکریل آمید برای تثبیت خاک آزمایش شدند و خوشبختانه نتایج به دست آمده امیدوارکننده بود. هدف کلی این مطالعه ارائه مجموعه ای از پلیمرها و بیوپلیمرهای کم هزینه به منظور تعیین کمیّت اثربخشی آنها بر حفظ آب و کاهش تبخیر آب، بهبود پایداری خاکدانه ها و سایر خواص ساختاری است. در اینجا، ما بر تولید محصولاتی از ضایعات پلاستیکی (پلی استایرن) و ترکیبات مصنوعی (پلی اکریل آمید) با سلولز و خاک بعنوان یک مادۀ مرکب به منظور حفظ آب و رطوبت در مناطق خشک و نیمه خشک متمرکز هستیم. استفاده از ترکیب پلی اکریل آمید- سلولز برای کاهش هزینۀ آبیاری در خاک های خشک و نیمه خشک امیدوارکننده به نظر می رسد و مواد ارزان قیمت و زیست سازگار را ارائه می دهد. مزایای زیست محیطی منابع تجزیه پذیر ممکن است به آلفا-آلفا سلولز بعنوان منبع پلی ساکاریدها برای خاک های خشک که در کل فاقد پلی ساکارید ساختاری هستند، وجهه اقتصادی بدهد. سلولز آلفا-آلفا (دوخ) گیاهی بسیار غنی از لحاظ فیبر سلولزی است و همچنین در مناطق نیمه خشک به خوبی مقاومت می کند. پلی استایرن نیز بعنوان مانع لایه زیرین غیرقابل نفوذ برای حرکت آب در حین آبیاری یا بارندگی استفاده شده و نفوذ عمیق آب را امکان پذیر می سازد.

1.تحلیل خاک

نمونه های خاک جمع آوری شده و برای آنالیز فیزیکی و شیمیایی به آزمایشگاه منتقل شدند؛ خاک ها در هوای آزاد خشک شده، خرد شده و برای جداسازی دانه های درشت (بیش از 2 میلی متر) الک شدند.

2. تحلیل عنصری

دو گرم گیاه آلفا حاوی 1.885 گرم ماده خشک، 1.22 درصد ماده معدنی و 17.78 درصد ماده آلی بود.

3. ویسکوزیته متوسط وزن مولکولی (Mv) پلیمرها

الف: ویسکوزیمتری وزن مولکولی پلی اکریل آمید

ویسکوزیمتری پلی اکریل آمید با وزن مولکولی 104758.93 گرم بر مول

ب: ویسکوزیمتری وزن مولکولی پلی استایرن

ویسکوزیمتری پلی استایرن با وزن مولکولی 142992.2 گرم بر مول

4. نقطه ذوب

نقطه ذوب با استفاده از لوله مویرگی تعیین شد که 161 درجه سلسیوس بود.

5. طیف IR

از طیف IR سلولز نوار جذب گسترده ای را در 3274، 2914، 1429برای ارتعاش CH₂ و 1160 سانتیمتر مربع برای ارتعاش سیکل را نشان داد.

6. طیف FTIR خاک نیمه خشک با (پلی اکریل آمید + سلولز) با KBr

با کمک طیف IR خاک خشک تیمار شده با (پلی اکریل آمید+ سلولز) نوارهای جذب 1000-659، 11842-1008.8، 1473.5-1427.2، 1679.6-1620.1، 3242.1، 3404.1-3487.1 و 3616.3-3544.9 سانتیمتر مربع را نشان داد.

7. کالریمتری اسکن تفاضلی DSC

تجزیه حرارتی توسط کالریمتری اسکن تفاضلی DSC تحت جریان نیتروژن مورد بررسی قرار گرفت. سلولز یک منحنی بزرگ اندوترمیک را در 80 درجه سلسیوس نشان می دهد؛ تجزیه سلولز بالاتر از 200 درجه سلسیوس است. در منحنی DSC در PAM می توانیم یک انتقال شیشه ای را در محدوده 62.39-58.5 درجه سلسیوس بعنوان یک پیک اندوترمیک در 120 درجه سلسیوس شناسایی کنیم.

نتیجه گیری

پلیمرها و بیوپلیمرهای مختلف به دلیل عملکردشان در حفظ آب، افزایش ظرفیت نگهداری آب، کاهش تبخیر آب و نفوذ عمیق آن مورد بررسی قرار گرفتند. این پلیمرهای مصنوعی و طبیعی به عنوان ترکیب و کامپوزیت در کشاورزی، به ویژه در مناطق بیابانی با هدف بهبود خواص فیزیکی خاک از طریق اتصال ذرات به یکدیگر و حفظ آب قابل استفاده هستند. از بین کامپوزیت های تهیه شده و پلیمرهای مخلوط، ترکیب پلی اکریل آمید- سلولز نتایج مثبتی از نحوۀ حفظ آب و بهبود خواص خاک نشان داد. این ترکیب در خاک های خشک و نیمه خشک می تواند احتباس آب را در برابر تبخیر افزایش دهد و همچنین، لایۀ زیرین پلی استایرن مصنوعی بعنوان مانعی برای جلوگیری از تلفات آب در اثر نفوذ عمیق عمل می کند و آب حفظ شده توسط پلیمرها می تواند توسط گیاهان استفاده شده و رشد گیاه را افزایش داده و راندمان مصرف آب را بهبود بخشد.