Ano ang tiyak na prinsipyo ng PVP sa lupa?

Ang pangunahing tungkulin ng PVP (polyvinylpyrrolidone) sa lupa ay nakasalalay sa kanyang molekular na istruktura (mga polar na grupo at polimer na mga kadena) at pisiko-kimikal na katangian (tubig na natutunaw, pagsipsip, at pag-iingat ng tubig) . Sa pamamagitan ng "intermolecular na interaksyon" o "manipulasyon ng pisikal na anyo" sa mga partikulo ng lupa, tubig, sustansya, at mga pollutan, hindi direktang pinapabuti nito ang pisikal na istruktura ng lupa, estado ng kahalumigmigan, kakayahang ma-access ng sustansiya, at aktibidad ng mga pollutan. Ang tiyak na mekanismo ay nahahati batay sa pangunahing tungkuling senaryo, na nagpapaliwanag sa epekto sa antas ng molekula at antas ng lupa nang paunlad:

1. Prinsipyo ng tulong sa pagpigil sa pagkakompakto ng lupa: regulasyon sa pag-aagregado at pagkakabond ng mga partikulo ng lupa

Ang diwa ng pagkompakto ng lupa ay ang ang mga partikulo ng lupa (lalo na ang mga partikulo ng luwad) ay mahigpit na nagkakabuod dahil sa elektrostatikong panunuot, pagdikit ng pelikulang tubig, at iba pang mga salik, na nagreresulta sa nabawasang porosity . Sinisira ng PVP ang prosesong ito sa pamamagitan ng "pagpapakalat ng mga partikulo at pagbuo ng mikro-istruktura." Ang mga tiyak na prinsipyo ay ang mga sumusunod:

• Pagsipsip ng molekula at pagbabago sa ibabaw ng partikulo: Binabawasan ang diretsahang pagdikit ng mga partikulo.
  Ang pyrrolidone ring (na naglalaman ng polar na amide group -CONH-) sa kadena ng molekula ng PVP ay may malakas na hydrophilicity at mga katangian ng pagsipsip. Maaari itong maging mahigpit na nakasipsip sa ibabaw ng mga partikulo ng lupa (mga partikulo ng luwad, silt) sa pamamagitan ng "mga hydrogen bond" o "van der Waals forces", na bumubuo ng isang napakapanipis na pelikulang proteksiyon na polymer (nasa sukat na nano) :
  • Ang pelikulang ito ay "naghihiwalay" sa magkakalapit na partikulo ng lupa, pinipigilan ang pagbuo ng malalaking aglomerasyon dahil sa elektrostatikong atraksyon (negatibong singaw ang mga partikulo ng luwad at madaling sumipsip ng mga kation at lumalapit sa isa't isa) o pandikit na dulot ng pelikula ng tubig (ang pelikula ng tubig ay nawawala habang natutuyo at ang mga partikulo ay nag-uugnay nang direkta).
  • Sa parehong oras, ang "steric hindrance effect" ng PVP na molekular na sanga ay magpapaboto sa mga nakapaloob na partikulo ng lupa na tumakas sa bawat isa, binabawasan ang posibilidad ng pag-aggregat, pinapanatili ang pagkakadisperso ng mga partikulo (tulad ng epekto ng "palankis") at binabawasan ang katigasan ng kompaksiyon matapos ikompak.
• Pagkakabit ng polimer: pagtatayo ng isang magaan na estruktura ng mikro-aggregates at pagdami ng mga butas sa lupa.
  Ang mahabang estruktura ng polimer na sanga ng PVP (karaniwang timbang ng molekula ay 10,000-1 milyong Da) ay maaaring gumampan bilang "molekular na tulay" upang bahagyang ikonekta ang mga dispersadong maliit na partikulo ng lupa (mga partikulo ng buhangin, silt) sa anyo ng mga mikro-aggregates na may sukat na micron (diametro 10-100μm) :
  • Ang mga mikro-aggregates na ito ay hindi mahigpit na pinagsamang mga bato, kundi isang porous na istruktura na nabuo mula sa magaan na konektadong mga serye ng PVP. Ang malaking bilang ng "mga capillary pores" at "mga ventilation pores" ay nabuo sa pagitan ng mga aggregates. Ang mga capillary pores ay nagtatago ng kahalumigmigan, samantalang ang mga ventilation pores ay nagpapahintulot sa hangin na lumipat, na nagbabawas ng panganib na maging impenetrable at masikip ang lupa.
  • Tandaan: Ang mga micro-aggregates ay mga "pisikal na pansamantalang istruktura" na may mahinang katatagan (maaaring mabuwag ito sa matinding ulan o madalas na pagbubuhos). Hindi nila mapapalitan ang mga "water-stable aggregates" na nabuo mula sa organikong pataba (na nabuo sa pamamagitan ng pagkakabit ng organikong bagay at matibay laban sa pagguho sa mahabang panahon). Maaari lamang nilang mapawi nang pansamantala ang pagsikip ng lupa.
• Pagpigil sa tubig at kontrol sa pag-evaporate: pigilan ang ibabaw ng lupa na mamuo at lumapot.
  Ang hydrophilic group (amide group) ng PVP ay kayang sumipsip ng libreng tubig sa lupa upang mabuo isang hydrogel (ang nilalaman ng tubig ay maaaring umabot sa 10-20 beses ang sariling timbang nito) at dumikit sa ibabaw ng lupa:
  • Maaaring unti-unting ilabas ng hydrogel ang tubig, na nagpapabagal sa mabilis na pagkawala ng tubig sa ibabaw ng lupa (lalo na sa tagtuyot o mataas na temperatura);
  • Ang pangunahing sanhi ng pagkakabihag ng ibabaw ng lupa ay ang "biglang pagkawala ng tubig na nagdudulot ng pag-urong at pagdikit ng mga partikulo." Ang epekto ng PVP sa pagretensyon ng tubig ay nakapagpapanatili ng kahalumigmigan sa ibabaw ng lupa, binabawasan ang pagbuo ng mga tuyo at bitak, at hindi sinasadyang pinipigilan ang pagsikip.

2. Prinsipyo ng Pag-iimbak ng Tubig sa Lupa: Mekanismo ng Hydrogel sa "Pag-iimbak at Unting Paglabas" ng Tubig

Ang tungkulin ng PVP sa pag-iimbak ng tubig sa lupa ay nasa esensya ay nakakamit ang "pag-iimbak" at "unti-unti paglabas" ng tubig sa pamamagitan ng "pisikal na adsorption + gel encapsulation," na nagpapabuti sa epektibidad ng kahalumigmigan ng lupa. Ang mga tiyak na prinsipyo ay ang mga sumusunod:

• Pagsipsip ng kahalumigmigan sa antas ng molekula: Pagkandado sa malayang tubig
  Ang grupo ng amida (-CONH-) sa molekular na kadena ng PVP ay isang malakas na hydrophilic na grupo na maaaring mag-ugnay sa mga malayang molekula ng tubig sa lupa (tubig na hindi nakikipag-ugnayan sa mga partikulo ng lupa) sa pamamagitan ng "mga hydrogen bond", na "nakakabit" sa tubig sa paligid ng polimer na kadena upang makabuo ng isang "nakapirming layer ng tubig";
  • Ang ganitong uri ng tubig ay hindi madaling mawala dahil sa transpiration o gravity at maaari itong manatili sa lupa nang matagal, na nagbibigay-daan sa ugat ng pananim na dahan-dahang masipsip ito (upang maiwasan ang mabilis na pag-evaporate ng karaniwang malayang tubig o ang pagbabad paibaba sa mas malalim na antas ng lupa).
• Paggawa ng makro-hydrogel: pagtatayo ng "reserbatoryo ng tubig"
  Kapag ang konsentrasyon ng PVP ay umabot sa tiyak na antala (karaniwan ay 0.1%-0.5%, batay sa tuyong timbang ng lupa), ang mga molekular na kadena ng PVP matapos sumipsip ng tubig ay mag-iinterlock sa isa't isa upang makabuo ng isang three-dimensional network structure ng hydrogel (katulad ng isang spongha):
  • Ang hydrogel ay maaaring "isakop" ang malaking halaga ng tubig (na bumubuo sa 80%-90% ng sariling timbang nito), na bumubuo ng isang "mikro reservoir ng tubig" sa lupa;
  • Kapag kulang ang tubig sa ibabaw ng lupa, unti-unting ilalabas ng hydrogel ang tubig dahil sa pagkakaiba ng osmotikong presyon, papunan muli ang solusyon sa lupa, panatilihing basa ang kapaligiran sa paligid ng ugat, at bawasan ang stress sa tuyo ng mga pananim.
• Bawasan ang pag-evaporate ng kahalumigmigan sa lupa: Epekto ng pisikal na hadlang
  Ang hydrogel ay sumasaklaw sa ibabaw ng mga partikulo ng lupa o pumupuno sa mga butas upang makabuo ng isang "semi-permeable membrane" na humihinto sa pagkalat ng kahalumigmigan sa loob ng lupa patungo sa atmospera at binabawasan ang bilis ng pag-evaporate – ang datos mula sa eksperimento ay nagpapakita na ang pagdaragdag ng 0.3% PVP sa lupa ay maaaring bawasan ang average araw-araw na pag-evaporate ng tubig ng 15%-25% (kumpara sa hindi tinrato na lupa).

3. Prinsipyo ng mabagal na paglabas ng sustansya/pestisidyo: Mekanismo ng "encapsulation-adsorption-controlled release" ng polymer chain

Maaaring gamitin ang PVP bilang "mabagal na pinalabas na tagapagdala" para sa mga sustansyang natutunaw sa tubig (tulad ng urea, pataba mula sa potasa) o mga pestisidyo na may mababang toxicity sa lupa, upang bawasan ang pagkaligtas nito at mapalawig ang tagal ng epekto. Ang prinsipyo ay ang mga sumusunod:

• Pisikal na encapsulation: pagpigil sa mabilis na paggalaw ng mga sustansya.
  Ang polimer na kuwelyo ng PVP ay maaaring i-encapsulate ang mga molekula ng sustansyang natutunaw sa tubig/mga pestisidyo sa loob ng kanyang tridimensional na estruktura sa pamamagitan ng epekto ng "pagkakabihag", na bumubuo ng hugis na "microcapsule":
  • Ang patong na ito ay maaaring pigilan ang mga sustansya/pestisidyo na mabilis na tumagos nang malalim sa lupa kasama ang tubig-ulan o tubig-irigasyon (upang maiwasan ang pagkaligtas), at maaari ring bawasan ang kanilang direktang pag-evaporate papunta sa atmospera (tulad ng pag-evaporate ng ammonia mula sa mga patabang may nitrogen);
  • Tanging kapag unti-unting pumapasok ang tubig sa lupa papasok sa istruktura ng pagpapakete, o kapag unti-unti nitong binabagsak ang mga PVP na sanga, ang mga sustansya/pestisidyo ay unti-unting mailalabas sa solusyon ng lupa para ma-absorb ng mga pananim o maisabuhay ang kanilang epekto.
• Kimikal na adsorbsyon: Palakasin ang puwersa ng pagkakabond ng mga sustansya at lupa.
  Ang amide ang grupo ng PVP ay maaaring mag-adsorb at bumuo ng bond sa mga ion ng sustansya (tulad ng NH₄⁺, K⁺, PO₄³⁻) sa pamamagitan ng "mga hydrogen bond" o "elektrostatikong epekto", at i-fixture ang mga ito sa ibabaw ng mga partikulo ng lupa (gamit ang PVP bilang "tulay"):
  • Maaaring bawasan ng adsorbsyong ito ang "mobility" ng mga sustansya at pigilan ang pagkalagas nito pababa dahil sa gravity;
  • Kapag bumaba ang konsentrasyon ng sustansya sa lupa (na-absorb at naubos ng mga pananim), masisira ang balanse ng adsorbsyon, at unti-unting mawawala ang mga ion ng sustansya at muling papasok sa solusyon ng lupa, upang makamit ang "paglabas ayon sa pangangailangan".
• Paglabas na sensitibo sa kalikasan: Umaangkop sa kondisyon ng lupa
  Naapektuhan ng kapaligiran ng lupa (tulad ng pH, temperatura, at kahalumigmigan) ang pagkakatunaw sa tubig at antas ng cross-linking ng PVP:
  • Kapag basa ang lupa, dumaranas ng paglaki ang mga sanga ng PVP at nagpapabilis ang bilis ng paglabas ng mga nakapaloob na sustansya; kapag tuyo ang lupa, natitihaya ang mga sanga at bumabagal ang bilis ng paglabas, na nagbabawal sa labis na pag-iral ng mga sustansya kapag hindi kailangan ng pananim.
  • Sa asidik na lupa (pH < 6.0), nadaragdagan ang protonasyon ng grupo ng amida ng PVP, napapabuti ang kakayahang mag-absorb ng mga cationic na sustansya (tulad ng K⁺), at mas pahaba ang panahon ng mabagal na paglabas.

4. Mga Prinsipyo ng Pag-absorb ng Mga Ion ng Mabigat na Metal: pagkakaugnay ng bono atmekanismo ng pag-neutralize ng singil

Maaaring matulungan ng PVP ang pagbawi sa mga lupaing bahagyang kontaminado ng mga mabigat na metal (tulad ng Pb²⁺, Cu²⁺, at Cd²⁺), na nababawasan ang kanilang biokakayahang ma-absorb (pinababawasan ang pagsipsip ng pananim). Ang mga prinsipyong ito ay ang mga sumusunod:

• Pagkakaugnay ng bono:
  Ang pyrrolidone ring (na naglalaman ng mga atomong nitrogen) sa molekula ng PVP na nakakapit sa mga ion ng mabigat na metal ay mayroong "mag-isang pares ng mga electron" at maaaring bumuo ng matatag na "koordinasyong ugnay" kasama ang mga kation ng mabigat na metal (tulad ng Pb²⁺, Cu²⁺) upang makabuo ng komplikadong hindi natutunaw sa tubig:
  • Ang komplikadong ito ay mai-adsorb sa ibabaw ng mga partikulo ng lupa o mananatili sa ibabaw ng lupa kasama ang pagpapatalsik ng PVP at hindi ma-absorb ng mga ugat ng pananim (nabawasan ang bioavailability);
  • Napagtanto sa mga eksperimento na ang 0.5% PVP ay maaaring bawasan ang bioavailability ng Pb²⁺ sa lupa ng 20%-30% (napatunayan sa pamamagitan ng pagtatasa ng pag-iral ng Pb sa mga ugat ng pananim).
• Neutralisasyon ng singil: nababawasan ang galaw ng mga ion ng mabigat na metal.
  Karaniwang negatibong singil ang mga partikulo ng luwad na lupa at madaling sumipsip sa positibong singil na mga ion ng mabigat na metal (tulad ng Cd²⁺). Gayunpaman, madaling mapalitan ang pagsipsip na ito ng iba pang mga cation sa lupa (tulad ng Ca²⁺ at Mg²⁺), na nagdudulot ng muling pag-aktibo ng mga mabigat na metal.
  • Ang grupo ng amide sa PVP ay positibong naka-charge pagkatapos ng protonation at maaaring mag-combine sa negatibong charge ng mga partikulo ng luwad. Sa parehong oras, ang mga heavy metal ion na naka-coordinate dito ay "nakakandado" sa loob ng clay-PVP complex, na binabawasan ang posibilidad na mapalitan ng ibang cation at binabawasan ang paggalaw ng mga heavy metal.

Ibuod

Ang esensya ng papel ng PVP sa lupa ay ito gamit ang "mga polar na grupo" at "mga polymer chain" sa istruktura nito upang makagawa ng "pisikal na adsorption", "kimikal na pagkakabit" o "regulasyon ng morpolohiya" kasama ang mga partikulo, tubig, sustansya, at mga polusyon sa lupa , na sa huli ay nakakamit:

• Pabutihin ang pisikal na istruktura ng lupa (tumutulong sa pagpigil sa pagsikip ng lupa);
• Pabutihin ang epektibidad ng tubig (pag-iimbak ng tubig);
• Pagpapahaba sa tagal ng epekto ng mga sustansya/pestisidyo (mabagal na paglabas);
• Bawasan ang biyolohikal na panganib ng mga heavy metal (adsorption at immobilization).

Dapat tandaan na ang lahat ng mga prinsipyong ito ay batay sa "pangalawang" gampanin ng PVP – ang epekto nito ay nakadepende sa paggamit ng mababang konsentrasyon, at hindi ito kayang palitan ang mga organikong pataba, espesyal na mga ahente para sa pagretensyon ng tubig, mga conditioner ng lupa, at iba pa; angkop lamang ito sa tiyak na mga sitwasyon (tulad ng pagpapalago ng punla, mga halamang nakatanim sa paso, at pagbawi ng magaan na maruming lupa).