Quin és el principi específic del funcionament del PVP al sòl?

El nucli de la funció del PVP (polivinilpirrolidona) al sòl rau en la seva estructura molecular (grups polars i cadenes polimèriques) i propietats físicoquímiques (solubilitat en aigua, adsorció i retenció d'aigua) . A través d'"interaccions intermoleculars" o "manipulació de la forma física" amb les partícules del sòl, l'aigua, nutrients i contaminants, millora indirectament l'estructura física del sòl, l'estat de humitat, la disponibilitat de nutrients i l'activitat dels contaminants. El mecanisme específic es desglossa segons els escenaris funcionals clau, explicant els efectes al nivell molecular i al nivell del sòl pas a pas:

1. Principi d'ajuda per prevenir la compactació del sòl: regulació de l'agregació i la unió de les partícules del sòl

L'essència de la compactació del sòl és que les partícules del sòl (especialment les partícules d'argila) estan fortament agregades a causa de l'atracció electrostàtica, l'adhesió de la pel·lícula d'aigua i altres factors, cosa que provoca una reducció de la porositat . El PVP interromp aquest procés mitjançant "la dispersió de partícules i la formació de microestructures". Els principis específics són els següents:

• Adsorció molecular i modificació de la superfície de les partícules: redueix l'adhesió directa entre partícules.
  L'anell de pirrolidona (que conté el grup amida polar -CONH-) de la cadena molecular del PVP té fortes propietats hidròfiles i d'adsorció. Pot adsorbir-se fermament a la superfície de les partícules del sòl (partícules d'argila, limus) mitjançant "enllaços d'hidrogen" o "forces de van der Waals", formant una pel·lícula protectora polimèrica ultrafina (a escala nanomètrica) :
  • Aquesta pel·lícula "aïlla" les partícules de sòl adjacents, evitant que formen grans agregats a causa de l'atracció electrostàtica (les partícules d'argila estan carregades negativament i absorben fàcilment els cations i s'acosten entre si) o l'adhesió de la pel·lícula d
  • Al mateix temps, l'"efecte estèrici d'obstacle" de la cadena molecular de PVP farà que les partícules del sòl adsorbides es repulsin entre si, redueix la probabilitat d'agregació, manté la dispersió de les partícules (similar a l'"efecte lubricant") i red
• La unió de cadenes de polímers: construir una estructura de microagregats lliures i augmentar els poros del sòl.
  L'estructura de polímers de cadena llarga el PVP (pès molecular és generalment de 10.000-1 milions de Da) pot actuar com un "pont molecular" per connectar lleugerament les partícules fines del sòl disperses (partícules de sorra, partícules de fang) en microagregats de mida de microns (diàmetre 10-100μm) :
  • Aquests microagregats no són grumolls compactes, sinó una estructura porosa formada per cadenes de PVP unides de manera feble. Entre els agregats es formen nombrosos "porus capil·lars" i "porus de ventilació". Els porus capil·lars retenen la humitat, mentre que els porus de ventilació permeten la circulació de l'aire, evitant que el sòl es torni hermètic i compacte.
  • Nota: Els microagregats són "estructures físiques temporals" amb estabilitat feble (poden desintegrar-se en cas de pluges intenses o reg freqüent). No poden substituir els "agregats estables a l'aigua" formats pels fertilitzants orgànics (formats per la cementació de matèria orgànica i resistents a l'erosió a llarg termini). Només poden alleujar temporalment la compactació.
• Retenció d'aigua i control de l'evaporació: evita que el sòl superficial s'assequi i s'endureixi.
  El grup hidròfil (grup amida) del PVP pot absorbir l'aigua lliure del sòl per formar un hidrogel (el contingut d'aigua pot arribar a 10-20 vegades el seu propi pes) i adherir-se a la superfície del sòl:
  • El hidrogel pot alliberar aigua lentament, reduint l'evaporació ràpida de l'aigua del sòl superficial (especialment en ambients de sequera o alta temperatura);
  • La causa principal de la compactació de la superfície del sòl és «la pèrdua sobtada d’aigua que provoca la contracció i adhesió de les partícules». L’efecte de retenció d’aigua del PVP pot mantenir l’estat humit del sòl superficial, reduir la formació de fissures per assecatament i prevenir indirectament la compactació.

2. Principi de retenció d’aigua al sòl: Mecanisme d’«emmagatzematge-alliberament lent» d’aigua del hidrogel

La funció de retenció d’aigua del PVP al sòl consisteix essencialment a assolir una «retenció» i un «alliberament lent» d’aigua mitjançant «adsorció física + encapsulació en gel», millorant així l’eficàcia de la humitat del sòl. Els principis concrets són els següents:

• Adsorció d’humitat a nivell molecular: Bloqueig de l’aigua lliure
  El grup amida (-CONH-) a la cadena molecular del PVP és un grup fortament hidròfil que pot combinar-se amb molècules d'aigua lliures al sòl (aigua no adsorbita per les partícules del sòl) mitjançant "enllaços d'hidrogen", "fixant" l'aigua al voltant de la cadena polimèrica per formar una "capa d'aigua vinculada";
  • Aquesta aigua vinculada no es perd fàcilment per transpiració o gravetat i pot retenir-se al sòl durant molt de temps, permetent que les arrels dels conreus l'absorbeixin lentament (evitant que l'aigua lliure ordinària s'evaporí ràpidament o penetri en capes profundes del sòl).
• Formació de macrohidrogel: construir un "dipòsit d'emmagatzematge d'aigua"
  Quan la concentració de PVP arriba a un cert llindar (normalment entre el 0,1% i el 0,5%, segons el pes sec del sòl), les cadenes moleculars de PVP, després d'absorbir aigua, s'encreuaran entre si per formar una estructura tridimensional d'hidrogel (similar a una esponja):
  • El hidrogel pot "encapsular" una gran quantitat d'aigua (que representa entre l'80% i el 90% del seu propi pes), formant un "microreservori d'aigua" al sòl;
  • Quan hi ha escassetat d'aigua a la superfície del sòl, el hidrogel allibera aigua lentament a causa de la diferència de pressió osmòtica, reomplint la solució del sòl, mantenint un entorn humit al voltant de les arrels i reduint l'estrès hídric dels conreus.
• Redueix l'evaporació de la humitat del sòl: efecte de barrera física
  El hidrogel cobreix la superfície de les partícules del sòl o omple els porus formant una "membrana semipermeable" que evita la difusió de la humitat interna del sòl a l'atmosfera i redueix la taxa d'evaporació; dades experimentals mostren que afegir un 0,3% de PVP al sòl pot reduir l'evaporació mitjana diària d'aigua entre un 15% i un 25% (comparat amb sòl sense tractar).

3. Principi de lliberació lenta de nutrients/pesticides: mecanisme de cadena polimèrica de "lliberació controlada per encapsulació-adsorció"

El PVP es pot utilitzar com a "vector de lliberació lenta" per a nutrients solubles en aigua (com ara urea, fertilitzant potàssic) o plaguicides de baixa toxicitat al sòl, reduint les pèrdues per lixiviació i allargant el període d'acció. El principi és el següent:

• Encapsulament físic: impedir la migració ràpida dels nutrients.
  La cadena polimèrica del PVP pot encapsular molècules de nutrients/plaguicides solubles en aigua dins de l’estructura tridimensional de xarxa mitjançant l’efecte "d’embolicament", formant una mena de "microcàpsula":
  • Aquest recobriment pot evitar que els nutrients/plaguicides penetrin ràpidament en profunditat al sòl amb l’aigua de pluja o de reg (evitant pèrdues per lixiviació) i també pot reduir la seva volatilització directa a l’atmosfera (com ara la volatilització d’amoni dels fertilitzants nitrogenats);
  • Només quan l'aigua del sòl penetra lentament a l'estructura d'embalatge, o quan els microorganismes degraden lleugerament les cadenes de PVP, es produirà una alliberament gradual de nutrients/pesticides a la solució del sòl perquè els cultius els absorbeixin o exerceixin la seva eficàcia.
• Adsorció química: Millora la força d'enllaç entre els nutrients i el sòl.
  Les amida el grup del PVP pot adsorbir i enllaçar amb ions nutrients (com ara NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) mitjançant "enllaços d'hidrogen" o "efectes electrostàtics", i fixar-los a la superfície de les partícules del sòl (utilitzant el PVP com a "pont"):
  • Aquesta adsorció pot reduir la "mobilitat" dels nutrients i evitar que es perdin cap avall a causa de la gravetat;
  • Quan la concentració de nutrients al sòl disminueix (absorbita i consumida pels cultius), es trenca l'equilibri d'adsorció, i els ions nutrients es desadsorbeixen lentament i tornen a entrar a la solució del sòl, aconseguint un "alliberament segons la demanda".
• Alliberament responent a l'entorn: Adaptació a les condicions del sòl
  La solubilitat en aigua i el grau de reticulació del PVP es veuen afectats per l'entorn del sòl (com ara el pH, la temperatura i la humitat):
  • Quan el sòl està humit, les cadenes de PVP s'inflen i la velocitat de l'alliberament dels nutrients encapsulats s'accelera; quan el sòl està sec, les cadenes es contreuen i la velocitat d'alliberament disminueix, evitant l'acumulació excessiva de nutrients quan el conreu no els necessita.
  • En sòls àcids (pH < 6,0), la protonació del grup amida del PVP s'incrementa, millora la capacitat d'adsorció dels nutrients catiònics (com ara K⁺) i el període de lliberació lenta és més llarg.

4. Principis de l'adsorció d'ions de metalls pesants: enllaç per coordinació i mecanisme de neutralització de càrrega

El PVP pot ajudar a remediar sòls lleugerament contaminats amb metalls pesants (com ara Pb²⁺, Cu²⁺ i Cd²⁺), reduint-ne la biodisponibilitat (reduint l'absorció per part dels conreus). Els principis són els següents:

• Enllaç per coordinació:
  L'anell de pirrolidona (que conté àtoms de nitrogen) en la molècula de PVP que fixa ions de metalls pesats té un "parell d'electrons solitaris" i pot formar un "enllaç de coordinació" estable amb cat ions de metalls pesats (com ara Pb²⁺, Cu²⁺) per formar un complex insoluble en aigua:
  • Aquest complex s'adsorbirà a la superfície de les partícules del sòl o romandrà a la superfície del sòl amb la sedimentació del PVP i no podrà ser absorbit per les arrels dels conreus (bioaccessibilitat reduïda);
  • S'ha demostrat experimentalment que un 0,5% de PVP pot reduir la bioaccessibilitat del Pb²⁺ al sòl entre un 20% i un 30% (verificat mitjançant la detecció de l'acumulació de Pb a les arrels dels conreus).
• Neutralització de càrrega: reducció de la mobilitat dels ions de metalls pesats.
  Les partícules d'argila del sòl solen estar carregades negativament i adsorben fàcilment ions de metalls pesats amb càrrega positiva (com ara Cd²⁺). Tanmateix, aquesta adsorció pot ser fàcilment substituïda per altres cations del sòl (com ara Ca²⁺ i Mg²⁺), cosa que provoca la reactivació dels metalls pesants.
  • El grup amida del PVP queda carregat positivament després de la protonació i pot combinar-se amb la càrrega negativa de les partícules d'argila. Al mateix temps, els seus ions metàl·lics pesats coordinats queden "bloquejats" al complex argila-PVP, reduint la probabilitat de ser substituïts per altres cations i disminuint la mobilitat dels metalls pesants.

Resumir

L'essència del paper del PVP al sòl és que aquest utilitza els "grups polars" i les "cadenes polimèriques" de la seva estructura molecular per fer "adsorció física", "unió química" o "regulació morfològica" amb partícules, aigua, nutrients i contaminants del sòl , assolint finalment:

• Millorar l'estructura física del sòl (ajudar a prevenir la compactació del sòl);
• Millorar l'eficàcia de l'aigua (retenció d'aigua);
• Allargar el període d'acció dels nutrients/pesticides (alliberament lent);
• Reduir el risc biològic dels metalls pesants (adsorció i immobilització).

Cal tenir en compte que aquests principis es basen tots en el paper «auxiliar» del PVP: el seu efecte depèn de l'ús en concentracions baixes, no pot substituir els fertilitzants orgànics, agents especials de retenció d'aigua, condicionadors del sòl, etc., i només és adequat per a escenaris específics (com ara el cultiu de llavors, plantes en testos i la remediació de sòls lleugerament contaminats).