หลักการทำงานเฉพาะของ PVP เมื่อใช้ในดินคืออะไร

หัวใจหลักของหน้าที่ของพีวีพี (โพลีไวนิลไพโรลิโดน) ในดินอยู่ที่ โครงสร้างโมเลกุล (หมู่ขั้วและโซ่โพลิเมอร์) และ คุณสมบัติทางกายภาพและเคมี (ความสามารถในการละลายน้ำ การดูดซับ และการกักเก็บน้ำ) โดยผ่าน "ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล" หรือ "การปรับเปลี่ยนรูปแบบทางกายภาพ" กับอนุภาคดิน น้ำ สารอาหาร และมลพิษ ทำให้ช่วยปรับปรุงโครงสร้างทางกายภาพ สถานะความชื้น ความสามารถในการใช้ประโยชน์จากสารอาหาร และกิจกรรมของมลพิษในดินได้โดยอ้อม กลไกเฉพาะเจาะจงจะถูกแยกออกตามสถานการณ์การใช้งานหลัก เพื่ออธิบายผลกระทบในระดับโมเลกุลและระดับดินอย่างเป็นขั้นตอน:

1. หลักการช่วยป้องกันการแน่นตัวของดิน: การควบคุมการรวมตัวและการยึดเกาะของอนุภาคดิน

สาระสำคัญของการอัดตัวของดินคือ อนุภาคดิน (โดยเฉพาะอนุภาคดินเหนียว) มีการรวมตัวกันอย่างแน่นหนาเนื่องจากแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิต การยึดเกาะของฟิล์มน้ำ และปัจจัยอื่น ๆ ส่งผลให้รูพรุนลดลง พีวีพี (PVP) ทำลายกระบวนการนี้โดย "การกระจายอนุภาคและสร้างโครงสร้างจุลภาค" หลักการเฉพาะมีดังนี้:

• การดูดซับโมเลกุลและการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของอนุภาค: ลดการยึดติดกันโดยตรงของอนุภาค
  วงแหวนไพร์โรลิโดน (ที่มีหมู่แอมายด์โพลาร์ -CONH-) บนสายโซ่โมเลกุลของพีวีพีมีคุณสมบัติในการดูดซับน้ำและดูดซับได้ดีมาก สามารถยึดเกาะแน่นกับพื้นผิวของอนุภาคดิน (อนุภาคดินเหนียว อนุภาคตะกอน) ผ่าน "พันธะไฮโดรเจน" หรือ "แรงเวนเดอร์วาลส์" จนเกิดเป็น ฟิล์มป้องกันโพลิเมอร์บางเฉียบ (ระดับนาโน) :
  • ฟิล์มนี้ "แยก" อนุภาคดินที่อยู่ติดกัน ป้องกันไม่ให้อนุภาคเหล่านั้นรวมตัวกันเป็นก้อนขนาดใหญ่ เนื่องจากแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิต (อนุภาคดินเหนียวมีประจุลบและดูดซับแคทไอออนได้ง่าย ทำให้อนุภาคเข้าใกล้กัน) หรือการยึดติดของฟิล์มน้ำ (ฟิล์มน้ำจะหายไปในระหว่างการแห้ง ทำให้อนุภาคสัมผัสกันโดยตรง)
  • ในเวลาเดียวกัน ผล "อิเล็กทรอนิกส์ขัดขวางทางกายภาพ" ของโซ่โมเลกุล PVP จะทำให้อนุภาคดินที่ถูกดูดซับเกิดการผลักกัน ลดโอกาสในการรวมตัว รักษาการกระจายตัวของอนุภาค (คล้ายกับผลของ "สารหล่อลื่น") และลดความแข็งของดินหลังจากการอัดแน่น
• การเชื่อมโยงด้วยโซ่โพลิเมอร์: การสร้างโครงสร้างไมโครแอคกรีเกตแบบหลวม และเพิ่มรูพรุนในดิน
  โครงสร้างโซ่ยาวของโพลิเมอร์ ของ PVP (น้ำหนักโมเลกุลโดยทั่วไปอยู่ที่ 10,000-1 ล้าน Da) สามารถทำหน้าที่เป็น "สะพานโมเลกุล" เพื่อเชื่อมต่ออนุภาคดินละเอียดที่กระจายตัว (อนุภาคทราย อนุภาคซิลต์) เข้าด้วยกันอย่างอ่อนๆ ให้กลายเป็น ไมโครแอคกรีเกตขนาดไมครอน (เส้นผ่านศูนย์กลาง 10-100μm) :
  • ไมโครแอกกรีเกตเหล่านี้ไม่ใช่ก้อนที่รวมตัวกันแน่น แต่เป็นโครงสร้างพรุนที่เกิดจากโซ่พีวีพี (PVP) ที่เชื่อมต่อกันอย่างหลวม ๆ มีการเกิด "รูพรุนแบบแคปิลลารี" และ "รูพรุนระบายอากาศ" จำนวนมากระหว่างก้อนแอกกรีเกต รูพรุนแบบแคปิลลารีจะช่วยกักเก็บความชื้น ในขณะที่รูพรุนระบายอากาศทำให้อากาศสามารถไหลเวียนได้ ป้องกันไม่ให้ดินกลายเป็นดินแข็งและอัดแน่น
  • หมายเหตุ: ไมโครแอกกรีเกตเป็น "โครงสร้างชั่วคราวทางกายภาพ" ที่มีความเสถียรต่ำ (อาจสลายตัวได้ในกรณีฝนตกหนักหรือการให้น้ำบ่อยครั้ง) ซึ่งไม่สามารถแทนที่ "แอกกรีเกตที่มั่นคงต่อการชะล้างด้วยน้ำ" ที่เกิดจากปุ๋ยอินทรีย์ (เกิดจากการประสานของสารอินทรีย์และทนต่อการกัดเซาะในระยะยาว) ได้ แต่สามารถบรรเทาปัญหาดินอัดแน่นได้เพียงในระยะสั้นเท่านั้น
• การกักเก็บน้ำและการควบคุมการระเหย: ป้องกันไม่ให้ดินผิวด้านบนแห้งและแข็งตัว
  หมู่ไฮโดรฟิลิก (หมู่แอมายด์) ของพีวีพี (PVP) สามารถดูดซับน้ำอิสระในดินเพื่อสร้าง ไฮโดรเจล (มีปริมาณน้ำได้ถึง 10-20 เท่าของน้ำหนักตัวเอง) และยึดติดกับพื้นผิวดิน:
  • ไฮโดรเจลสามารถค่อยๆ ปลดปล่อยน้ำออกมาอย่างช้าๆ ซึ่งช่วยชะลอการระเหยของน้ำในดินชั้นผิวได้อย่างรวดเร็ว (โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่แห้งแล้งหรืออุณหภูมิสูง);
  • สาเหตุหลักของการแน่นตัวของดินชั้นผิวคือ "การสูญเสียน้ำอย่างฉับพลัน ทำให้อนุภาคหดตัวและจับตัวกัน" ประสิทธิภาพในการเก็บรักษาน้ำของ PVP สามารถคงสภาพความชื้นของดินชั้นผิวไว้ ลดการเกิดรอยแตกจากความแห้ง และป้องกันการแน่นตัวของดินโดยทางอ้อม

2. หลักการเก็บรักษาน้ำในดิน: กลไกการ "เก็บรักษา-ปลดปล่อยช้า" ของไฮโดรเจล

หน้าที่ในการเก็บรักษาน้ำของ PVP ในดิน คือการบรรลุเป้าหมาย "การเก็บรักษา" และ "การปลดปล่อยช้า" น้ำ โดยผ่านกระบวนการ "การดูดซับทางกายภาพ + การห่อหุ้มด้วยเจล" ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของความชื้นในดิน หลักการเฉพาะมีดังนี้:

• การดูดซับความชื้นในระดับโมเลกุล: การล็อกน้ำอิสระ
  หมู่แอมายด์ (-CONH-) บนสายโมเลกุลของ PVP เป็นหมู่ที่ดูดซับน้ำได้ดีมาก สามารถจับกับโมเลกุลน้ำอิสระในดิน (น้ำที่ไม่ถูกดูดซับโดยอนุภาคดิน) ผ่านพันธะไฮโดรเจน ทำให้ "ตรึง" น้ำไว้รอบๆ สายโพลิเมอร์และสร้างเป็น "ชั้นน้ำที่ยึดเหนี่ยว"
  • น้ำที่ถูกยึดเหนี่ยวนี้ไม่สูญเสียไปง่ายจากกระบวนการคายน้ำหรือแรงโน้มถ่วง และสามารถคงอยู่ในดินได้นาน ทำให้รากพืชสามารถดูดซึมได้อย่างช้าๆ (ป้องกันไม่ให้น้ำอิสระระเหยเร็วหรือซึมลงไปยังชั้นดินลึก)
• การเกิดไมโครไฮโดรเจล: การสร้าง "แหล่งกักเก็บน้ำ"
  เมื่อความเข้มข้นของ PVP สูงถึงระดับหนึ่ง (โดยทั่วไป 0.1%-0.5% โดยน้ำหนักแห้งของดิน) สายโมเลกุลของ PVP หลังจากดูดซับน้ำแล้ว จะเชื่อมโยงข้ามกันเองจนเกิด โครงสร้างเครือข่ายสามมิติของไฮโดรเจล (คล้ายกับฟองน้ำ):
  • ไฮโดรเจลสามารถ "ห่อหุ้ม" น้ำในปริมาณมาก (คิดเป็น 80%-90% ของน้ำหนักตัวเอง) สร้างเป็น "แหล่งกักเก็บน้ำขนาดเล็ก" ในดิน;
  • เมื่อพื้นผิวดินมีปริมาณน้ำไม่เพียงพอ ไฮโดรเจลจะค่อยๆ ปลดปล่อยน้ำออกมาเนื่องจากความแตกต่างของแรงดันออสโมซิส เติมน้ำลงในสารละลายในดิน ช่วยรักษาระดับความชื้นรอบรากพืช และลดความเครียดจากภาวะขาดน้ำของพืช
• ลดการระเหยของความชื้นในดิน: ผลของการเป็นอุปสรรคทางกายภาพ
  ไฮโดรเจลเคลือบผิวของอนุภาคดินหรือเติมเต็มรูพรุนจนเกิดเป็น "เยื่อกึ่งซึมผ่านได้" ซึ่งป้องกันการแพร่กระจายของความชื้นภายในดินสู่บรรยากาศ และช่วยลดอัตราการระเหย - ข้อมูลจากการทดลองแสดงให้เห็นว่า การเติม PVP 0.3% ลงในดินสามารถลดการระเหยของน้ำเฉลี่ยต่อวันได้ 15%-25% (เมื่อเทียบกับดินที่ไม่ได้รับการบำบัด)

3. หลักการปลดปล่อยสารอาหาร/ยาฆ่าแมลงอย่างช้าๆ: กลไกการปลดปล่อยแบบควบคุมโดยการ "ห่อหุ้มและการดูดซับ" ของโซ่โพลิเมอร์

PVP สามารถใช้เป็น "ตัวพาที่ปล่อยช้า" สำหรับสารอาหารที่ละลายน้ำได้ (เช่น ยูเรีย ปุ๋ยโพแทส) หรือยาฆ่าแมลงที่มีพิษต่ำถึงปานกลางในดิน ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียจากการชะล้างและยืดระยะเวลาการทำงานออกไป หลักการคือดังนี้:

• การห่อหุ้มทางกายภาพ: ขัดขวางการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของสารอาหาร
  โซ่โพลิเมอร์ของ PVP สามารถห่อหุ้มโมเลกุลของสารอาหาร/ยาฆ่าแมลงที่ละลายน้ำได้ภายในโครงสร้างเครือข่ายสามมิติโดยอาศัยผลของการ "พันกัน" จนเกิดรูปร่างคล้าย "ไมโครแคปซูล":
  • ชั้นเคลือนี้สามารถป้องกันไม่ให้สารอาหาร/ยาฆ่าแมลงซึมลึกลงไปในดินอย่างรวดเร็วด้วยน้ำฝนหรือน้ำเพาะ irrigation (หลีกเลี่ยงการสูญเสียจากการชะล้าง) และยังช่วยลดการระเหยโดยตรงเข้าสู่บรรยากาศ (เช่น การระเหยของแอมโมเนียจากปุ๋ยไนโตรเจน)
  • เฉพาะเมื่อน้ำในดินซึมเข้าสู่โครงสร้างบรรจุภัณฑ์อย่างช้าๆ หรือเมื่อจุลินทรีย์ย่อยสลายสายโซ่ของ PVP อย่างเล็กน้อย สารอาหาร/ยาฆ่าแมลงจะค่อยๆ ปลดปล่อยออกมาในสารละลายดิน เพื่อให้พืชดูดซึมหรือแสดงฤทธิ์ได้
• การดูดซับทางเคมี: เพิ่มแรงยึดเหนี่ยวระหว่างสารอาหารกับดิน
  The แอมายด์ หมู่ของ PVP สามารถดูดซับและจับกับไอออนของสารอาหาร (เช่น NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) ผ่าน "พันธะไฮโดรเจน" หรือ "ผลทางไฟฟ้าสถิต" และตรึงไว้ที่ผิวของอนุภาคดิน (โดยใช้ PVP เป็น "สะพาน"):
  • การดูดซับนี้สามารถลด "การเคลื่อนตัว" ของสารอาหาร และป้องกันไม่ให้สูญเสียไปตามแรงโน้มถ่วง
  • เมื่อความเข้มข้นของสารอาหารในดินลดลง (ถูกพืชดูดซึมและใช้ไป) สมดุลของการดูดซับจะถูกรบกวน และไอออนของสารอาหารจะหลุดตัวออกอย่างช้าๆ แล้วกลับเข้าสู่สารละลายดิน ทำให้เกิดการ "ปลดปล่อยตามความต้องการ"
• การปลดปล่อยที่ตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม: ปรับตัวตามสภาพดิน
  ความสามารถในการละลายน้ำและการสร้างพันธะข้าม (cross-linking degree) ของ PVP ได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อมของดิน (เช่น pH อุณหภูมิ และความชื้น):
  • เมื่อดินมีความชื้น โซ่โมเลกุลของ PVP จะบวมและอัตราการปลดปล่อยสารอาหารที่ถูกห่อหุ้มจะเร่งขึ้น; เมื่อดินแห้ง โซ่โมเลกุลจะหดตัวและอัตราการปลดปล่อยช้าลง ซึ่งช่วยป้องกันการสะสมของสารอาหารมากเกินไปในช่วงที่พืชไม่ต้องการ
  • ในดินที่มีความเป็นกรด (pH < 6.0) การจับโปรตอนของหมู่แอมายด์ (amide group) ของ PVP จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความสามารถในการดูดซับธาตุอาหารแบบแคตไอออน (เช่น K⁺) ดีขึ้น และช่วงเวลาการปลดปล่อยช้าลงนานขึ้น

4. หลักการดูดซับไอออนของโลหะหนัก: การจับตัวด้วยพันธะโคออร์ดิเนชันและการทำให้ประจุเป็นกลาง

PVP สามารถช่วยฟื้นฟูดินที่ปนเปื้อนโลหะหนักในระดับเล็กน้อย (เช่น Pb²⁺, Cu²⁺ และ Cd²⁺) โดยลดความสามารถในการดูดซึมของสิ่งมีชีวิต (ลดการดูดซึมโลหะโดยพืช) ตามหลักการดังต่อไปนี้:

• การจับตัวด้วยพันธะโคออร์ดิเนชัน:
  วงแหวนไพรโรลิโดน (ที่มีอะตอมของไนโตรเจน) ในโมเลกุลของ PVP ซึ่งจับไอออนของโลหะหนัก มี "คู่ของอิเล็กตรอนเดี่ยว" และสามารถสร้างพันธะ "โคออร์ดิเนชัน" ที่มีเสถียรภาพกับแคทไอออนของโลหะหนัก (เช่น Pb²⁺, Cu²⁺) เพื่อสร้างสารประกอบที่ไม่ละลายน้ำ:
  • สารประกอบนี้จะถูกดูดซับอยู่บนผิวของอนุภาคดิน หรือคงอยู่ที่ผิวดินร่วมกับการตกตะกอนของ PVP และไม่สามารถถูกดูดซึมโดยรากพืชได้ (ลดความสามารถในการใช้ประโยชน์ทางชีวภาพ);
  • การทดลองแสดงให้เห็นว่า PVP ความเข้มข้น 0.5% สามารถลดความสามารถในการใช้ประโยชน์ทางชีวภาพของ Pb²⁺ ในดินได้ 20%-30% (ยืนยันโดยการตรวจวัดปริมาณการสะสมของ Pb ในรากพืช)
• การประจุเป็นกลาง: ลดการเคลื่อนที่ของไอออนโลหะหนัก
  อนุภาคดินเหนียวในดินมักมีประจุลบและดูดซับไอออนของโลหะหนักที่มีประจุบวก (เช่น Cd²⁺) ได้ง่าย อย่างไรก็ตาม การดูดซับนี้สามารถถูกแทนที่ได้ง่ายโดยแคทไอออนอื่นในดิน (เช่น Ca²⁺ และ Mg²⁺) ส่งผลให้โลหะหนักกลับมามีฤทธิ์อีกครั้ง
  • กลุ่มอะไมด์ของ PVP มีพลังงานบวกหลังจากโปรโตเนชั่น และสามารถรวมกับพลังงานลบของอนุภาคดิน ในเวลาเดียวกันไอออนโลหะหนักที่ประสานกันของมันถูก "ล็อค" ในซับซ้อนดิน-PVP ลดความน่าจะเป็นที่จะถูกเปลี่ยนโดยคาเทียนอื่น ๆ และลดความเคลื่อนไหวของโลหะหนัก

สรุป

หลักของบทบาทของ PVP ในดินคือ ใช้ "กลุ่มขั้วโลก" และ "โซ่พอลิมเลอร์" ในโครงสร้างโมเลกุลของมันเพื่อ "การสับสับสนทางกายภาพ" "การผูกพันทางเคมี" หรือ "การกําหนดรูปร่าง" กับอนุภาค น้ํา อาหารและสารปนเปื้อนในดิน , ในที่สุดจะบรรลุได้:

• ปรับปรุงโครงสร้างทางกายภาพของดิน (ช่วยป้องกันการบดดิน)
• การปรับปรุงประสิทธิภาพของน้ํา (การเก็บน้ํา)
• การขยายระยะเวลาการกระทําของสารอาหาร/ยาฆ่าแมลง (ปล่อยช้า)
• ลดความเสี่ยงทางชีววิทยาของโลหะหนัก (การซึมซับและการกักตัว)

ควรสังเกตว่าหลักการเหล่านี้ทั้งหมดถูกสร้างขึ้นจากบทบาท "ช่วย" ของ PVP - ผลของมันขึ้นอยู่กับการใช้ปริมาณปริมาณต่ํา และมันไม่สามารถแทนที่ปุ๋ยอินทรีย์, สารยึดน้ําพิเศษ, เครื่องปรับดิน, ฯลฯ และเหมาะสําหรับกรณีเฉพาะเจ