Wat is het specifieke principe van hoe PVP in de bodem werkt?

De kern van de functie van PVP (polyvinylpyrrolidon) in de bodem ligt in zijn moleculaire structuur (polare groepen en polymeerketens) en fysisch-chemische eigenschappen (wateroplosbaarheid, adsorptie en vochthoudend vermogen) . Door middel van "intermoleculaire interacties" of "fysieke vormmanipulatie" met bodemdeeltjes, water, voedingsstoffen en verontreinigende stoffen verbetert het indirect de fysieke structuur van de bodem, het vochtgehalte, de beschikbaarheid van voedingsstoffen en de activiteit van verontreinigende stoffen. Het specifieke mechanisme wordt uitgesplitst per kernfunctie-scenario, waarbij de effecten stap voor stap op moleculair niveau en bodemniveau worden uitgelegd:

1. Principe van het helpen voorkomen van bodemverdichting: reguleren van de aggregatie en binding van bodemdeeltjes

De essentie van grondverdichting is dat graindeeltjes (vooral kleideeltjes) sterk geaggregeerd raken door elektrostatische aantrekking, waterfilmadhesie en andere factoren, wat resulteert in een verlaagde porositeit . PVP doorbreekt dit proces door "deeltjes te disperseren en microstructuren op te bouwen." De specifieke principes zijn als volgt:

• Moleculaire adsorptie en modificatie van het deeltjesoppervlak: Verminder de directe adhesie van deeltjes.
  De pyrrolidonering (met polaire amidegroep -CONH-) op de PVP-molecuulketen heeft sterke hydrofielheid en adsorptie-eigenschappen. Het kan via "waterstofbruggen" of "Van der Waals-krachten" sterk worden geabsorbeerd op het oppervlak van grondeeltjes (klei-, siltdeeltjes), waarbij een ultradunne polymeerbeschermende film (nanoschaal) wordt gevormd :
  • Deze film "isoleert" aangrenzende gronddeeltjes, waardoor voorkomen wordt dat ze grote aggregaten vormen door elektrostatische aantrekking (kleideeltjes zijn negatief geladen en nemen gemakkelijk kationen op en komen dicht bij elkaar) of hechting door waterfilm (de waterfilm verdwijnt tijdens het drogen en de deeltjes komen in direct contact).
  • Tegelijkertijd zal het "sterische hinderingseffect" van de PVP-molecuulketen ervoor zorgen dat de geabsorbeerde gronddeeltjes elkaar afstoten, de kans op agglomeratie verlagen, de dispersie van de deeltjes behouden (vergelijkbaar met het "glijmiddel"-effect) en de hardheid van de verdichting na compactering verminderen.
• Polymerketenbruggen: het opbouwen van een los micro-aggregaatstructuur en het vergroten van poriën in de grond.
  De langkettige polymerstructuur van PVP (molecuulgewicht is meestal 10.000-1 miljoen Da) kan fungeren als een "moleculaire brug" om verspreide fijne gronddeeltjes (zanddeeltjes, siltdeeltjes) licht te verbinden tot microscopisch kleine micro-aggregaten (diameter 10-100μm) :
  • Deze micro-aggresgaten zijn geen stevig geaggregeerde klonten, maar eerder een poreuze structuur gevormd door los verbonden PVP-ketens. Tussen de aggreraten ontstaan veel 'capillaire poriën' en 'ventilatieporiën'. De capillaire poriën houden vocht vast, terwijl de ventilatieporiën luchtcirculatie toelaten, waardoor wordt voorkomen dat de grond luchtdicht en verhard raakt.
  • Opmerking: De micro-aggregaten zijn 'fysische tijdelijke structuren' met zwakke stabiliteit (ze kunnen uiteenvallen bij zware regenval of frequente irrigatie). Ze kunnen de 'waterstabiele aggregaten' die worden gevormd door organische meststoffen (gevormd door de cementering van organisch materiaal en op lange termijn bestand tegen erosie) niet vervangen. Ze kunnen alleen op korte termijn verharding verminderen.
• Vochtbehoud en verdampingbeheersing: voorkom dat de bovenste grondlaag uitdroogt en hard wordt.
  De hydrofiel groep (amidgroep) van PVP kan het vrije water in de grond absorberen en vormt een hydrogel (het watergehalte kan 10 tot 20 keer zijn eigen gewicht bereiken) en hechten aan het bodemoppervlak:
  • Hydrogel kan langzaam water vrijgeven, waardoor de snelle verdamping van water uit de bovenste laag van de bodem wordt vertraagd (met name bij droogte of hoge temperaturen);
  • De belangrijkste oorzaak van verharding van de bodem is "plotseling waterverlies dat leidt tot krimp en hechting van deeltjes". Het vochtbehoudende effect van PVP kan de vochtige toestand van de bovenste bodemlaag behouden, de vorming van droogtescheuren verminderen en op die manier indirect verharding voorkomen.

2. Principe van vochtbehoud in de bodem: het "vasthouden-langzame vrijgave"-watermechanisme van hydrogel

De functie van PVP met betrekking tot vochtbehoud in de bodem komt erop neer dat water wordt vastgehouden en langzaam wordt vrijgegeven via "fysische adsorptie + gel-inkapseling", waardoor het effect van vocht in de bodem wordt verbeterd. De specifieke principes zijn als volgt:

• Vochtadsorptie op moleculair niveau: vastleggen van vrij water
  De amidegroep (-CONH-) op de PVP-moleculeketen is een sterke hydrofiele groep die kan combineren met vrije watermoleculen in de grond (water dat niet wordt geabsorbeerd door gronddeeltjes) via "waterstofbruggen", waardoor het water rond de polymeerketen wordt "gefixeerd" en een "gebonden waterlaag" vormt;
  • Dit gebonden water gaat niet gemakkelijk verloren door transpiratie of zwaartekracht en kan langdurig in de grond worden vastgehouden, zodat gewortels het geleidelijk kunnen opnemen (waardoor wordt voorkomen dat gewoon vrij water snel verdampt of doordringt naar diepere grondlagen).
• Macro-hydrogelvorming: het opbouwen van een "waterreservoir"
  Wanneer de PVP-concentratie een bepaalde drempel bereikt (meestal 0,1%-0,5%, gebaseerd op het droge gewicht van de grond), zullen de PVP-moleculeketens na het opnemen van water met elkaar crosslinken en vormen een driedimensionale netwerkstructuur van hydrogel (vergelijkbaar met een spons):
  • Hydrogel kan een grote hoeveelheid water 'insluiten' (80%-90% van het eigen gewicht), waardoor er een 'micro-waterreservoir' in de bodem ontstaat;
  • Wanneer er onvoldoende water aanwezig is op het bodemoppervlak, geeft de hydrogel langzaam water vrij vanwege het verschil in osmotische druk, waardoor de bodemoplossing wordt aangevuld, een vochtige omgeving rond de wortels wordt behouden en droogtestress bij gewassen wordt verminderd.
• Vermindering van verdamping van vocht in de bodem: fysisch barrièreeffect
  Hydrogel bedekt het oppervlak van bodemdeeltjes of vult de poriën en vormt daarmee een 'semi-permeabel membraan' dat de diffusie van vocht binnen de bodem naar de atmosfeer tegengaat en het verdampingspercentage verlaagt – experimentele gegevens tonen aan dat het toevoegen van 0,3% PVP aan de bodem de gemiddelde dagelijkse waterverdamping met 15%-25% vermindert (in vergelijking met onbehandelde bodem).

3. Principe van trage afgifte van voedingsstoffen/bestrijdingsmiddelen: polymeerketen 'insluiting-adsorptie-geregelde afgifte'-mechanisme

PVP kan worden gebruikt als een "langzaam vrijkomend dragermateriaal" voor wateroplosbare voedingsstoffen (zoals ureum, kaliummeststof) of laag-toxische pesticiden in de bodem, waardoor hun uitloging vermindert en de werkingstijd wordt verlengd. Het principe is als volgt:

• Fysische insluiting: het belemmeren van de snelle migratie van voedingsstoffen.
  De polymeerketen van PVP kan wateroplosbare voedings-/pesticidemoleculen insluiten in zijn driedimensionale netwerkstructuur via het "verstrengelings"-effect, waarbij een "microcapsule"-vorm ontstaat:
  • Deze coating kan voorkomen dat voedingsstoffen/pesticiden snel diep in de bodem doordringen met regenwater of irrigatiewater (waardoor uitloging wordt voorkomen) en kan ook hun directe verdamping in de atmosfeer verminderen (zoals ammoniakverdamping bij stikstofmeststoffen);
  • Pas wanneer water in de grond langzaam doordringt in de verpakkingsstructuur, of wanneer micro-organismen de PVP-ketens licht afbreken, worden voedingsstoffen/pesticiden geleidelijk vrijgegeven in de bodemoplossing zodat gewassen deze kunnen opnemen of hun werking kunnen uitoefenen.
• Chemische adsorptie: Versterk de bindingkracht tussen voedingsstoffen en de grond.
  De amide groep van PVP kan via "waterstofbruggen" of "elektrostatische effecten" adsorberen en binden met voedingsionen (zoals NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) en ze fixeren op het oppervlak van bodemdeeltjes (via PVP als een "brug"):
  • Deze adsorptie kan de "mobiliteit" van voedingsstoffen verminderen en voorkomen dat ze door de zwaartekracht naar beneden worden weggespoeld;
  • Wanneer de concentratie van voedingsstoffen in de grond daalt (opgenomen en verbruikt door gewassen), wordt het adsorptie-evenwicht verbroken en zullen de voedingsionen langzaam desorberen en opnieuw in de bodemoplossing terechtkomen, waardoor "vrijgave op verzoek" wordt bereikt.
• Milieuaangepaste vrijgave: Aanpassen aan bodemomstandigheden
  De wateroplosbaarheid en de mate van vernetting van PVP worden beïnvloed door het bodemmilieu (zoals pH, temperatuur en vochtgehalte):
  • Wanneer de bodem vochtig is, zwellen de PVP-ketens op en versnelt de afgifte van de ingekapselde voedingsstoffen; wanneer de bodem droog is, krimpen de ketens en vertraagt de afgiftesnelheid, waardoor overmatige ophoping van voedingsstoffen wordt voorkomen wanneer de gewassen deze niet nodig hebben.
  • In zure bodem (pH < 6,0) wordt de protonering van de amidegroep van PVP versterkt, verbetert de adsorptiecapaciteit voor kationische voedingsstoffen (zoals K⁺) en is de langzame-afgifteperiode langer.

4. Beginselen van adsorptie van zware-metalenionen: coördinatiebinding en ladingneutralisatiemechanisme

PVP kan helpen bij de sanering van licht met zware metalen (zoals Pb²⁺, Cu²⁺ en Cd²⁺) verontreinigde gronden, door hun biobeschikbaarheid te verlagen (minder opname door gewassen). De principes zijn als volgt:

• Coördinatiebinding:
  De pyrrolidonering (met stikstofatomen) in het PVP-molecuul dat zware metaalionen fixeert, heeft een "vrije elektronenpaar" en kan een stabiele "coördinatiebinding" vormen met zware metaalkationen (zoals Pb²⁺, Cu²⁺) om een wateronoploselijk complex te vormen:
  • Dit complex wordt geadsorbeerd op het oppervlak van bodemdeeltjes of blijft aanwezig aan het bodemoppervlak bij de neerslag van PVP en kan niet worden opgenomen door gewortelwortels (verlaagde biobeschikbaarheid);
  • Experimenten hebben aangetoond dat 0,5% PVP de biobeschikbaarheid van Pb²⁺ in de bodem met 20-30% kan verlagen (bevestigd door detectie van Pb-ophoping in gewortelwortels).
• Ladingsneutralisatie: vermindering van de mobiliteit van zware metaalionen.
  Bodemkleideeltjes zijn meestal negatief geladen en hechten gemakkelijk positief geladen zware metaalionen (zoals Cd²⁺). Deze adsorptie kan echter gemakkelijk worden verdrongen door andere kationen in de bodem (zoals Ca²⁺ en Mg²⁺), wat leidt tot heractivering van zware metalen.
  • De amidegroep van PVP is positief geladen na protonering en kan binden met de negatieve lading van kleideeltjes. Tegelijkertijd worden de gecoördineerde zware metaalionen "geblokkeerd" in het klei-PVP-complex, waardoor de kans op vervanging door andere kationen en de mobiliteit van zware metalen wordt verlaagd.

Samenvatten

De essentie van de rol van PVP in de bodem is dat het de "polaire groepen" en "polymeerketens" in zijn moleculaire structuur gebruikt om "fysische adsorptie", "chemische binding" of "morfologische regulatie" aan te gaan met deeltjes, water, voedingsstoffen en verontreinigingen in de bodem , uiteindelijk het volgende bereikt:

• Verbetering van de fysische bodemstructuur (helpen voorkomen dat de bodem verdicht);
• Verbetering van de watereffectiviteit (waterretentie);
• Verlenging van de werkingstijd van voedingsstoffen/bestrijdingsmiddelen (langzame afgifte);
• Vermindering van het biologische risico van zware metalen (adsorptie en immobilisatie).

Het dient te worden opgemerkt dat deze principes allemaal zijn gebaseerd op de "ondersteunende" rol van PVP – het effect is afhankelijk van gebruik in lage concentratie, en het kan organische meststoffen, speciale waterbinders, bodemverbeteraars, enzovoort niet vervangen, en is alleen geschikt voor specifieke toepassingen (zoals zaailingenteelt, potplanten en sanering van licht verontreinigde grond).