Mikä on tarkka periaate, jolla PVP toimii maassa?

PVP:n (polyvinyylipyrrolidonin) toiminnan ydin maaperässä perustuu sen molekyylihierarkiaan (pooliset ryhmät ja polymeeriketjut) ja fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin (vesiliukoisuus, adsorptio ja kosteudenpidätys) . "Intermolekulaaristen vuorovaikutusten" tai "fysikaalisen muodon manipuloinnin" kautta maapartikkeleihin, veteen, ravinteisiin ja saasteisiin, se vaikuttaa epäsuorasti maaperän fysikaaliseen rakenteeseen, kosteusolosuhteisiin, ravinteiden saatavuuteen ja saastepitoisuuksien aktiivisuuteen. Tarkan mekanismin selitetään olevan jaettu keskeisiin toiminnallisiin skenaarioihin, jotka selittävät vaikutukset molekyylitasolla ja maaperätasolla vaihe vaiheelta:

1. Periaate avustaa maan tiivistymisen estämisessä: säätelee maapartikkelien aggregoitumista ja sitoutumista

Maan tiivistymisen olewus on siinä, että maapartikkelit (erityisesti savepartikkelit) aggregoituvat tiiviisti sähköstaattisen vetovoiman, vesikalvon adheesion ja muiden tekijöiden vuoksi, mikä johtaa huokosuuden vähenemiseen . PVP rikkoo tämän prosessin 'hajottamalla partikkelit ja rakentamalla mikrorakenteita'. Tarkemmat periaatteet ovat seuraavat:

• Molekyylien adsorptio ja partikkelipinnan modifiointi: Vähentää partikkeleiden suoraa adheesiota.
  Pyrrolidoni-silmukka (jossa on poolinen amidiryhmä -CONH-) pVP:n molekyyliketjussa on vahva hydrofiilisyys ja adsorptioominaisuudet. Se voi kiinnittyä tiiviisti maapartikkeleiden (saven, hiukkasten) pintaan 'vetysidoksilla' tai 'van der Waalsin voimilla', muodostaen erittäin ohuen polymeerisuojakalvon (nanomittakaavassa) :
  • Tämä kalvo 'eristää' vierekkäiset maan hiukkaset, estäen niiden yhdistymisen suuriksi aggregaateiksi elektrostaattisen vetovoiman (savehiukkaset ovat negatiivisesti varautuneet ja ne helposti absorboivat kationeja ja lähestyvät toisiaan) tai vesikalvon adheesion vuoksi (vesikalvo haihtuu kuivumisen aikana ja hiukkaset tulevat suoraan kosketuksiin).
  • Samanaikaisesti PVP-molekyyliketjun 'tilallinen esteilyvaikutus' saa adsorboituneet maahiukkaset hylkimään toisiaan, vähentää aggregoitumisen todennäköisyyttä, ylläpitää hiukkasten dispersiota (samankaltainen 'voiteluvaikutus') ja vähentää tiivistymisen jälkeistä kovuutta.
• Polymeeriketjun siltavaikutus: löyseän mikroaggregaattirakenteen muodostaminen ja maan huokosten lisääminen.
  Pitkäketjuinen polymeerirakenne pVP:stä (molekyylipaino on tyypillisesti 10 000–1 miljoonaa Da) voi toimia 'molekyyli­silta', joka yhdistää hienojakoisia, hajallaan olevia maahiukkasia (hiekkahiukkaset, silttihiukkaset) mikron kokoisiksi mikroaggregaatiksi (halkaisija 10–100 μm) :
  • Nämä mikroaggregaatit eivät ole tiiviisti sidottuja lumpsuja, vaan muodostuvat löysesti yhteen liittyneistä PVP-ketjuista huokoisesta rakenteesta. Aggregaattien väliin muodostuu runsaasti "kapillaariporeja" ja "ilmanvaihtoporeja". Kapillaariporot säilyttävät kosteutta, kun taas ilmanvaihtoporot mahdollistavat ilman kiertämisen, mikä estää maan tulemasta ilmatiiviiksi ja tiivistymästä.
  • Huomautus: Mikroaggregaatit ovat "fysikaalisia tilapäisiä rakenteita", joilla on heikko stabiilius (ne voivat hajota voimakkaiden sateiden tai usean kastelukerran jälkeen). Niitä ei voida käyttää orgaanisten lannoitteiden muodostamien "vesikestävien aggregaattien" korvikkeena (joita muodostuu orgaanisen aineksen sidevaikutuksesta ja jotka kestävät eroosiota pitkällä aikavälillä). Ne voivat ainoastaan lievittää tiivistymistä lyhyellä tähtäimellä.
• Vedenpidätys ja haihdunnan hallinta: estää pinnan maan kuivumista ja kovettumista.
  PVP:n hydrofiilinen ryhmä (amidiryhmä) voi imeä maan vapaan veden muodostaakseen hydrogeelin (vesipitoisuus voi saavuttaa 10–20-kertaisen oman painonsa) ja tarttuvat maan pintaan:
  • Hydrogeeli voi vapauttaa vettä hitaasti, hidastaen pintamaan veden nopeaa haihtumista (erityisesti kuivuuden tai korkean lämpötilan ympäristöissä);
  • Pintamaan tiivistymisen pääasiallinen syy on "yhtäkkinen veden menetys, joka johtuu hiukkasten kutistumiseen ja tarttumiseen toisiinsa". PVP:n kosteuspito-ominaisuudet voivat ylläpitää pintamaan kosteutta, vähentää kuivien halkeamien muodostumista ja epäsuorasti estää tiivistymistä.

2. Maan vedenpidätysperiaate: Hydrogeelin ”pidätys-hidas vapautus” -veden mekanismi

PVP:n vedenpidätysominaisuus maassa perustuu oleellisesti veden "pidättämiseen" ja "hitaaseen vapauttamiseen" käyttäen "fysikaalista adsorptiota + geelinkapselointia", parantaen näin maan kosteuden hyödyntämistehokkuutta. Tarkemmat periaatteet ovat seuraavat:

• Molekyylitasoinen kosteuden adsorptio: Vapaiden vesimolekyylien lukitseminen
  PVP:n molekyyliketjun amidiryhmä (-CONH-) on vahva hydrofiilinen ryhmä, joka voi yhdistyä maaperän vapaaseen veteen (maapartikkelien sitomaton vesi) vetysidosten kautta sitoen veden polymeeriketjun ympärille muodostaen sidotun vesikerroksen;
  • Tätä sidottua vettä ei haihdu helposti eikä se valuu painovoiman vaikutuksesta, vaan se pysyy maaperässä pitkään, minkä ansiosta kasvien juuret voivat ottaa sen hitaasti käyttöön (estäen tavallisen vapaan veden nopeaa haihtumista tai tunkeutumista syvemmälle maakerroksiin).
• Suurmolekyylihydrogeelin muodostus: ”vesivaraston” rakentaminen
  Kun PVP-pitoisuus saavuttaa tietyn kynnysarvon (yleensä 0,1–0,5 % kuivapainosta laskettuna), vettä imeväneet PVP-molekyyliketjut muodostavat ristisidoksia keskenään kolmiulotteisen verkostorakenteen, joka muistuttaa hydrogeeliä (samankaltaista kuin sieni):
  • Hydrogeeli voi "kapseloida" suuren määrän vettä (80–90 % oman painostaan), muodostaen maahan "mikrokosteusvarannon";
  • Kun maan pinnalla on liian vähän vettä, hydrogeeli vapauttaa hitaasti vettä osmoottisen paine-eron vuoksi, täydentää maan nestettä, ylläpitää kostea ympäristöä juurien ympärillä ja vähentää kasvien kuivuusstressiä.
• Vähennä maan kosteuden haihtumista: Fyysisen esteen vaikutus
  Hydrogeeli peittää maan hiukkasten pinnan tai täyttää huokoset muodostaen "puoliläpäisevän kalvon", joka estää kosteuden diffuusion maasta ilmakehään ja vähentää haihtumisnopeutta – kokeelliset tiedot osoittavat, että 0,3 %:n PVP:n lisääminen maahan voi vähentää keskimääräistä päivittäistä vesihaihtumista 15–25 % (vertailussa käsittelemättömään maahan).

3. Ravinteiden/hyönteismyrkkyjen hidas vapauttaminen: Polymeeriketjun "kapselointi-adsorptio-ohjattu vapauttaminen" -mekanismi

PVP:ta voidaan käyttää "hidasvapautusaineena" veteen liukoisille ravinteille (kuten urea, kaliumlannoite) tai vähämyrkyllisille torjunta-aineille maaperässä, mikä vähentää niiden huuhtoutumishäviötä ja pidentää vaikutusjaksoa. Periaate on seuraava:

• Fyysinen kapselointi: estää ravinteiden nopeaa siirtymistä.
  PVP:n polymeeriketju voi kääriä veteen liukoiset ravinteet/hyönteismyrkkyjen molekyylit kolmiulotteiseen verkkorakenteeseennsa "sotkeutumis"-ilmiön avulla, muodostaen "mikrokapseleita":
  • Tämä päällyste estää ravinteiden/torjunta-aineiden nopean tunkeutumisen syvemmälle maaperään sadeveden tai kasteluveden mukana (välttää huuhtoutumishäviöt) ja voi myös vähentää niiden suoraa haihtumista ilmakehään (kuten typen lannoitteista tuleva ammoniakin haihtuminen);
  • Vasta kun vesi hitaasti tunkeutuu maaperästä pakkausrakenteeseen tai kun mikro-organismit hajottavat hieman PVP-ketjuja, ravinteet/hyönteismyrkkyjen vaikuttavat aineet vapautuvat vähitellen maan liuokseen kasvien imettäväksi tai vaikutuksen toteuttamiseksi.
• Kemiallinen adsorptio: Parantaa ravinteiden ja maaperän välisen sitoutumisvoiman.
  The amidi pVP:n amidiryhmä voi adsorboida ja sitoutua ravinteiden ioneihin (kuten NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) ”vetysidoksilla” tai ”sähköstaattisilla vaikutuksilla” sekä kiinnittää ne maapartikkelien pinnalle (käyttäen PVP:tä ”siltautumisena”):
  • Tämä adsorptio voi vähentää ravinteiden ”liikkuvuutta” ja estää niiden peseytymistä alaspäin painovoiman vaikutuksesta;
  • Kun ravinteiden pitoisuus maassa laskee (kasvit imevät ja kuluttavat ne), adsorptiotasapaino rikkoutuu, ja ravinteiden ionit irtoavat hitaasti uudelleen maan liuokseen, saavuttaen näin ”tarpeen mukaan tapahtuvan vapautumisen”.
• Ympäristöön reagoiva vapautuminen: Mukautuminen maan olosuhteisiin
  PVP:n vedenliukoisuus ja ristisidontaste on riippuvainen maaperäympäristöstä (kuten pH, lämpötila ja kosteus):
  • Kun maa on kostea, PVP-ketjut paisuvat ja kapseloitujen ravinteiden vapautumisnopeus kiihtyy; kun maa on kuiva, ketjut kutistuvat ja vapautumisnopeus hidastuu, mikä estää ravinteiden liiallisen kertymisen silloin, kun kasvi ei niitä tarvitse.
  • Happamassa maassa (pH < 6,0) PVP:n amidiryhmän protonointi lisääntyy, kationisten ravinteiden (kuten K⁺) adsorptiokyky paranee ja hitaasti vapauttava vaihe kestää pidempään.

4. Raskasmetallien ionien adsorptioperiaatteet: koordinaatiobondisidos ja varauksenkompensaatiomekanismi

PVP voi auttaa lievästi raskasmetalleilla (kuten Pb²⁺, Cu²⁺ ja Cd²⁺) saastuneen maan kunnostamisessa vähentäen niiden bio saatavuutta (vähentäen kasvien absorptiota). Periaatteet ovat seuraavat:

• Koordinaatiobondisidos:
  PVP-molekyylin pyrrolidoni-rengas (jossa on typpeä sisältäviä atomeja), joka sitoo raskasmetalli-ioneja, sisältää "vapaita elektronipareja" ja voi muodostaa stabiilin "koordinaatiobondin" raskasmetallikationien (kuten Pb²⁺, Cu²⁺) kanssa muodostaakseen veteen liukenemattoman kompleksin:
  • Tämä kompleksi adsorboituu maan hiukkasten pinnalle tai jää maan pinnalle PVP:n sedimentoitumisen myötä eikä sitä voida ottaa kasvinjuurissa kiinni (vähentynyt bio saatavuus);
  • Kokeet ovat osoittaneet, että 0,5 %:n PVP voi vähentää Pb²⁺:n bio saatavuutta maassa 20–30 %:lla (varmistettu mittaamalla Pb:n kertyminen kasvinjuuriin).
• Varauksen neutralisointi: raskasmetalli-ionien liikkuvuuden vähentäminen.
  Maan savehiukkaset ovat yleensä negatiivisesti varautuneita ja ne helposti adsorboivat positiivisesti varautuneita raskasmetalli-ioneja (kuten Cd²⁺). Tämä adsorptio voidaan kuitenkin helposti korvata muilla kationeilla maassa (kuten Ca²⁺ ja Mg²⁺), mikä johtaa raskasmetallien uudelleenaktivoitumiseen.
  • PVP:n amidiryhmä on positiivisesti varautunut protonoinnin jälkeen ja voi yhdistyä savehiukkasten negatiivisen varauksen kanssa. Samanaikaisesti sen koordinoituneet raskasmetalli-ionit jäävät 'lukituiksi' save-PVP-kompleksiin, mikä vähentää niiden korvaantumisen todennäköisyyttä muiden kationien toimesta ja raskasmetallien liikkuvuutta.

Tiivistä.

PVP:n roolin perusta maaperässä on se, että se käyttää molekyyliinsä kuuluvia 'poolisia ryhmiä' ja 'polymeeriketjuja' 'fysikaaliseen adsorptioon', 'kemialliseen sidontaan' tai 'muodolliseen säätelyyn' hiukkasten, veden, ravinteiden ja saasteiden kanssa maaperässä , saavuttaen lopulta:

• Paranna maan fysikaalista rakennetta (auttaa estämään maan tiivistymistä);
• Paranna veden tehokkuutta (vesipitoisuus);
• Pidennä ravinteiden/hyönteismyrkkyjen vaikutusjaksoa (hidas vapautus);
• Vähennä raskasmetallien biologista riskiä (adsorptio ja immobilisaatio).

On huomattava, että nämä periaatteet perustuvat kaikki PVP:n "apuvaikutukseen" – sen vaikutus riippuu alhaisesta käyttöpitoisuudesta, eikä sitä voida käyttää orgaanisten lannoitteiden, erityisten vedenpitäjien, maanparannusaineiden jne. korvikkeena, vaan se soveltuu vain tiettyihin skenaarioihin (kuten istutusten kasvatukseen, ruukkikasveihin ja kevästi saastuneen maaperän kunnostukseen).