摘要
地质聚合物是一类新型绿色无机多孔材料，具有原料来源广泛、成本低廉、环境污染小、质轻、气孔率高等诸多优点。因此，地质聚合物具有广阔的应用开发前景。目前，用于制备地质聚合物的原料主要集中在偏高岭土、粉煤灰等，其原材料的研究有待拓宽。同时，所开发的地质聚合物具有功能单一、应用局限等缺陷。黄土是一种资源丰富、廉价易得、生态环境友好的天然无机材料，黄土微粒富含羟基，粒径小、比表面积大、尺寸与形貌多样性等特点。半焦是一种工业廉价产品，常被用作工业或民用燃料，但半焦行业产能过剩、市场供过于求，这不仅造成资源的浪费，而且极易产生扬尘对环境造成严重污染。然而，目前关于半焦和黄土基功能材料的开发较少。本文选择环境友好且廉价的黄土微粒与工业廉价产品半焦为原料，成功制备了多孔地质聚合物，并首次将这类多孔地质聚合物用于负载农用肥料与农药，制备了环境友好且能缓释肥料的黄土基地质聚合物复合凝胶材料和能缓释农药的半焦基地质聚合物复合凝胶材料，研究了其在农业领域的多种性能。论文内容主要包括以下几部分： 第1章，介绍了地质聚合物的发展历史及原料的主要类型，并对地质聚合物的制备方法及发泡原理进行了总结，其中对地质聚合物的应用领域做了较详细的归纳与总结，同时对地质聚合物复合材料的发展及应用进行了简单介绍。 第2章，以黄土微粒（Lo）为主要原料，采用碱激发-H2O2发泡法制备了一种廉价的多孔黄土基地质聚合物（Lo-GP）。采用SEM、FT-IR、XRD、BET及TG对Lo-GP的结构、形貌等进行了表征。对碱性较强的Lo-GP进行了后处理方法的优化，考察了所制备的Lo-GP对金属离子（Pb2+、Cu2+、Cr2O72-）、无机阴离子（PO43-）和染料（MB、MeB、MG、FB、MO和CV）的吸附性能以及对Pb2+、PO43-、MG和MB的吸附动力学和热力学的研究。结果表明：成功合成了一种疏松多孔的黄土基地质聚合物（Lo-GP），通过优化后处理方法发现用0.3wt%的KH2PO4溶液浸洗Lo-GP能得到pH值为中性的材料；通过Lo-GP对水中常见污染物（金属离子、无机阴离子和染料）的吸附性能研究发现Lo-GP在吸附领域具有普适性，其中Lo-GP对MG和FB的去除率最高，分别为99.52%和98.21%；通过Lo-GP的吸附力学特性考察，发现Lo-GP以化学吸附和单层吸附为主。 第3章，以Lo-GP作为农业肥料载体，以生物相容高分子（淀粉、聚乙烯醇）为凝胶包膜材料，将尿素肥料（UF）进行包封，通过硼酸作为交联剂形成凝胶体，合成了一种廉价环保且能缓释肥料的多孔地质聚合物复合凝胶材料（UF@Lo-GP/Gel）。采用SEM、EDS、FT-IR、XRD及TG对UF@Lo-GP/Gelamp;nbsp;的结构与组分进行了表征。结果表明，UF@Lo-GP/Gel成功合成且保留了Lo-GP的多孔结构，形成了有机/无机复合多孔材料；吸水性能考察发现UF@Lo-GP/Gel吸水率可达660%；保水性能考察发现UF@Lo-GP/Gel组在第55d时仍含有2.9%的水分；降解性能发现UF@Lo-GP/Gel在30d内的降解率可达到18.39%；土壤酸碱性实验发现UF@Lo-GP/Gel可将酸性土壤溶液的pH值调节至适于植物生长的中性环境；考察了其对氮肥的缓释性能，发现具有较好的缓释效果（90d的缓释率仍可达到50%左右），通过植物生长试验发现UF@Lo-GP/Gel对植物具有促进生长作用，其中UF@Lo-GP/Gel组的植物总质量比空白组多2~3倍，并具有更高的叶绿素含量，因此可以推广应用于农业肥料缓释中。 第4章，首先，采用碱激发-H2O2发泡法，以半焦（SC）为主要原料，FeCl3/FeSO4为磁化剂，合成了磁性多孔半焦地质聚合物（MSC-GP）。其次，以海藻酸钠（SA）为凝胶包膜材料，CaCl2为交联剂，将负载有农药（2-甲-4-氯，MCPA）的磁性多孔半焦地质聚合物（MCPA@MSC-GP）进行孔道包封，制备了可缓释农药的磁性多孔半焦地质聚合物凝胶珠（MCPA@MSC-GP/SA）。采用SEM、EDS、FT-IR和TG对MCPA@MSC-GP/SA的结构进行了表征；考察了MCPA@MSC-GP/SA的吸水、保水、土壤中的降解性能、对土壤酸碱性的影响、对MCPA的缓释性能和对植物生长的作用等。结果表明：在SA包膜下，生成的MCPA@MSC-GP/SA凝胶珠大小均一、形貌均匀，内部保留了MSC-GP的孔状结构；性能测试表明该材料在纯水中的吸水率可达461.00%，在NaCl溶液中的溶胀率可达447.23%，在第58d时还持有4%的水分，土壤降解率在30d可达到33.04%，在第90d时对农药的累积释放率为65.20%，另外其植物生长试验证明缓释的MCPA对杂草具有抑制生长的作用。因此，MCPA@MSC-GP/SA是一种绿色环保、能够长效缓释与回收的新型缓释农药。 总之，本文分别选用廉价、资源丰富且环境友好的天然矿物（黄土微粒）和工业廉价产品（半焦）为原料，采用相对简单的工艺，成功制备了新型地质聚合物，进一步与农业肥料、农药复合，制备了可缓释肥料、农药的新型地质聚合物复合凝胶材料，并考察了复合材料对肥料和农药的缓释性能。发现地质聚合物的多孔结构有利于肥料和农药的负载与缓释，所制备的材料具有廉价、环境友好、长效缓释等特点，有望在农业种植领域推广应用。研究成果可为开发新型环保型农用材料提供借鉴。
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