Hva er det spesifikke prinsippet for hvordan PVP virker i jorda?

Kjernen i PVPs (polyvinylpyrrolidon) funksjon i jord ligger i dets molekylære struktur (polare grupper og polymerkjeder) og fysikalsk-kjemiske egenskaper (vannløselighet, adsorpsjon og vannholdighet) . Gjennom "intermolekylære interaksjoner" eller "fysisk formmanipulering" med jordpartikler, vann, næringsstoffer og forurensninger, forbedrer det indirekte jordens fysiske struktur, fuktnivå, tilgjengelighet av næringsstoffer og aktivitet av forurensninger. Det spesifikke mekanismen deles opp etter kjernefunksjonelle scenarier, med forklaring av effektene på molekylært nivå og jordnivå trinn for trinn:

1. Prinsipp for å hjelpe til med å forhindre jordpakking: regulering av aggregering og binding av jordpartikler

Essensen i jordkomprimering er at jordpartikler (spesielt leirepartikler) er tett aggregeret på grunn av elektrostatisk tiltrekning, vannfilms adhesjon og andre faktorer, noe som resulterer i redusert porøsitet . PVP bryter denne prosessen ved å «dispergere partikler og bygge mikrostrukturer». De spesifikke prinsippene er som følger:

• Molekylær adsorpsjon og overflatemodifisering av partikler: Reduserer direkte adhesjon mellom partikler.
  Pyrrolidonringen (som inneholder polare amidegrupper -CONH-) på PVP-molekylekjeden har sterke hydrofile og adsorptive egenskaper. Den kan festes tett til overflaten av jordpartikler (leire-, siltartikler) gjennom «hydrogenbindinger» eller «van der Waals-krefter», og danner en ekstremt tynn polymerbeskyttelsesfilm (nanoskala) :
  • Dette filmen "isolerer" tilstøtende jordpartikler og forhindrer dem i å danne store aggregater på grunn av elektrostatisk tiltrekning (leirepartikler er negativt ladede og lett opptar kationer og nærmer seg hverandre) eller vannfilmsadhesjon (vannfilmen forsvinner under tørking og partiklene kommer i direkte kontakt).
  • Samtidig vil den "steriske hindringsvirkningen" fra PVP-molekylkjeden føre til at de adsorberte jordpartiklene frastøter hverandre, redusere sannsynligheten for aggregering, opprettholde partiklenes dispersjon (liknende en "smøreeffekt") og redusere hardheten ved komprimering etter tettetting.
• Polymerkjedebruk: bygging av en løs mikroaggregatstruktur og økning av porene i jorda.
  Den langkjedete polymerstrukturen av PVP (molekylvekt er vanligvis 10 000–1 million Da) kan virke som en "molekylær bro" som svakt binder spredte fine jordpartikler (sandpartikler, siltartikler) sammen til mikronstørrelse mikroaggregater (diameter 10–100 μm) :
  • Disse mikroaggregatene er ikke tett sammenføyede klumper, men heller en porøs struktur dannet av løst bundne PVP-kjeder. Et stort antall "kapillærporer" og "ventilasjonsporer" dannes mellom aggregatene. Kapillærporene holder på fuktighet, mens ventilasjonsporene tillater luftsirkulasjon, noe som forhindrer at jorda blir lufttett og kompakt.
  • Merk: Mikroaggregatene er "fysiske midlertidige strukturer" med svak stabilitet (de kan oppløses ved kraftig regn eller hyppig vanning). De kan ikke erstatte de "vannstabile aggregatene" som dannes av organiske gjødselstoffer (dannet ved sementering av organisk materiale og resistente mot erosjon på lang sikt). De kan kun lettens kompaktjon på kort sikt.
• Vannbinding og fordampningskontroll: forhindre at overflatesjølen tørker ut og herder.
  Den hydrofile gruppen (amidgruppen) i PVP kan absorbere det frie vannet i jorda og danne et hydrogel (vanninnholdet kan nå opp til 10–20 ganger egen vekt) og festes til jordoverflaten:
  • Hydrogel kan sakte frigjøre vann og dermed senke hastigheten på rask fordampning av overflatens jordvann (spesielt i tørre eller høye temperaturmiljøer);
  • Hovedårsaken til tetting av jordoverflaten er «plutselig vann-tap som fører til partikkelkrymping og limning». Vannbindingseffekten fra PVP kan opprettholde fuktig tilstand i overflatejorda, redusere dannelsen av tørre sprekker og indirekte forhindre tetting.

2. Prinsipp for vannbinding i jord: Hydrogels «lagring–sakt frigivelse»-mekanisme for vann

Funksjonen til PVPs vannbinding i jord består i praksis av å oppnå «lagring» og «sakt frigivelse» av vann gjennom «fysisk adsorpsjon + gelinnkapsling», og dermed forbedre effekten av jordfuktighet. De spesifikke prinsippene er som følger:

• Fuktningsadsorpsjon på molekylnivå: Låser fritt vann
  Amidgruppen (-CONH-) på PVP-molekylkjeden er en sterk hydrofil gruppe som kan binde seg til frie vannmolekyler i jorda (vann som ikke er adsorbert av jordpartikler) via "hydrogenbindinger", og dermed «fikse» vannet rundt polymerkjeden for å danne et «bundet vannlag";
  • Dette bundne vannet tapes ikke lett gjennom fordampning eller tyngdekraft, og kan beholdes i jorda over lang tid, slik at avlingens røtter gradvis kan ta det opp (og dermed hindre vanlig fritt vann i å fordampe raskt eller trenge ned i dypere jordsjikt).
• Makro-hydrogel-dannelse: bygging av et «vannlager»
  Når PVP-konsentrasjonen når en viss terskel (vanligvis 0,1–0,5 %, basert på tørrvekt av jord), vil PVP-molekylkjeder etter vannopptak kryssebinde seg med hverandre og danne en tredimensjonal nettverksstruktur av hydrogel (liknende en svamp):
  • Hydrogel kan «innkapsle» en stor mengde vann (som utgjør 80–90 % av sin egen vekt) og derved danne et «mikro vannlagre» i jorda;
  • Når det er for lite vann ved overflaten av jorda, vil hydrogelen gradvis slippe ut vann på grunn av forskjellen i osmotisk trykk, supplere jordløsningen, opprettholde et fuktig miljø rundt røttene og redusere tørkebelastning for avlinger.
• Reduser fordampning av fuktighet i jorda: Fysisk barrierefelt
  Hydrogel dekker overflaten av jordpartikler eller fyller porene og danner en «halvpermeabel membran» som hindrer at fuktighet i jorda diffunderer ut i atmosfæren, og dermed reduseres fordampningshastigheten – eksperimentelle data viser at tilsetning av 0,3 % PVP i jorda kan redusere den gjennomsnittlige daglige vannfordampningen med 15–25 % (i forhold til ubehandlet jord).

3. Prinsipp for langsom frigivelse av næringsstoffer/pestisider: Polymerkjede «innkapsling-adsorpsjon-styrt frigivelse»-mekanisme

PVP kan brukes som en "langsomt frigjørende bærer" for vannløselige næringsstoffer (som urea, kaliumgjødsel) eller lavtoksiske pesticider i jorda, og dermed redusere utvasking og forlenge virkningstiden. Prinsippet er som følger:

• Fysisk innkapsling: hindrer rask migrering av næringsstoffer.
  PVPs polymerkjede kan omslutte vannløselige næringsstoffer/pesticidmolekyler i sin tredimensjonale nettverksstruktur gjennom "fletteeffekten", og derved danne en form for "mikrokapsel":
  • Dette belegget kan forhindre at næringsstoffer/pesticider raskt trenge ned i jorda sammen med regnvann eller vanning (og dermed unngå utvasking), og kan også redusere deres direkte avgassing til atmosfæren (for eksempel ammoniakkavgassing fra nitrogenholdige gjødselstoffer);
  • Kun når vann i jorda sakte trenge inn i pakkestrukturen, eller når mikroorganismer gradvis bryter ned PVP-kjedene, vil næringsstoffer/pestsider gradvis frigjøres til jordløsningen slik at avlinger kan ta dem opp eller for at de skal virke.
• Kjemisk adsorpsjon: Øk bindingen mellom næringsstoffer og jord.
  Den amid gruppe av PVP kan adsorbere og binde seg til næringsioner (som NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) via "hydrogenbindinger" eller "elektrostatiske effekter", og feste dem på overflaten av jordpartikler (gjennom PVP som en "bro":
  • Denne adsorpsjonen kan redusere "mobiliteten" til næringsstoffer og hindre at de tapes nedover på grunn av tyngdekraften;
  • Når konsentrasjonen av næringsstoffer i jorda synker (tatt opp og forbrukt av avlinger), brytes adsorpsjonsbalansen, og næringsionene vil langsomt desorbere og gå tilbake til jordløsningen, noe som gir "frigjøring etter behov".
• Miljøavhengig frigjøring: Tilpassing til jordforhold
  Vannløseligheten og tverrbindingsgraden av PVP påvirkes av jordmiljøet (som pH, temperatur og fuktighet):
  • Når jorda er fuktig, sveller PVP-kjedene og frigivelsen av de innkapslede næringsstoffene akselererer; når jorda er tørr, trekker kjedene seg sammen og frigivelseshastigheten avtar, noe som forhindrer overmåte akkumulering av næringsstoffer når avlingen ikke trenger dem.
  • I sur jord (pH < 6,0) øker protoneringen av amidegruppen i PVP, adsorpsjonsevnen for kationiske næringsstoffer (som K⁺) forbedres, og langsom-frigivelsesperioden blir lengre.

4. Prinsipper for adsorpsjon av tungmetallioner: koordinasjonsbinding og ladningsnøytralisering

PVP kan hjelpe til med rektifisering av jord som er lett forurenset med tungmetaller (som Pb²⁺, Cu²⁺ og Cd²⁺), og redusere deres biotilgjengelighet (redusere opptak i avlinger). Prinsippene er som følger:

• Koordinasjonsbinding:
  Pyrrolidonringen (som inneholder nitrogenatomer) i PVP-molekylet som binder tunge metallioner har et "fritt elektronpar" og kan danne en stabil "koordinasjonsbinding" med tungmetallkationer (for eksempel Pb²⁺, Cu²⁺) og derved danne et vannuløselig kompleks:
  • Dette komplekset vil bli adsorbert på overflaten av jordpartikler eller forbli i jordoverflaten sammen med sedimentering av PVP og kan ikke opptas av rotene til avlinger (redusert biotilgjengelighet);
  • Eksperimenter har vist at 0,5 % PVP kan redusere biotilgjengeligheten av Pb²⁺ i jord med 20–30 % (bekreftet ved måling av Pb-akkumulering i avlingsrøtter).
• Ladningsneutralisering: reduserer mobiliteten til tunge metallioner.
  Jordleire partikler er vanligvis negativt ladede og lett adsorberer positivt ladede tunge metallioner (slik som Cd²⁺). Imidlertid kan denne adsorpsjonen lett erstattes av andre kationer i jorda (slik som Ca²⁺ og Mg²⁺), noe som fører til reaktivering av tunge metaller.
  • Amidgruppen i PVP er positivt ladet etter protonering og kan kombineres med den negative ladningen til leirepartikler. Samtidig er de koordinerte tungmetallionene «låst» i leire-PVP-komplekset, noe som reduserer sannsynligheten for at de erstattes av andre kationer og reduserer mobiliteten til tungmetaller.

Oppsummer

Essensen av PVPs rolle i jorda er at det bruker «polare grupper» og «polymerkjeder» i sin molekylære struktur for å oppnå «fysisk adsorpsjon», «kjemisk binding» eller «morfologisk regulering» med partikler, vann, næringsstoffer og forurensninger i jorda , og dermed oppnå følgende:

• Forbedre jordens fysiske struktur (bidrar til å forhindre jordpakking);
• Forbedre vannutnyttelsen (vannlagring);
• Forlenge virkningstiden for næringsstoffer/pestisider (sakte frigjøring);
• Redusere det biologiske risikoen knyttet til tungmetaller (adsorpsjon og immobilisering).

Det skal bemerkes at disse prinsippene alle er basert på PVPs «hjelpe»-rolle – dens effekt avhenger av bruk i lav konsentrasjon, og den kan ikke erstatte organiske gjødselstoffer, spesielle vannbindende midler, jordforbedringsmidler osv., og er kun egnet for spesifikke scenarier (som f.eks. plantekultur, potteplanter og rensing av lett forurenset jord).