基于煤气化细渣增强吸水性能的复合高吸水性树脂研究

《Materials Today Sustainability》：Superabsorbent incorporating coal gasification fine slag for enhanced water absorption

本研究针对传统有机-无机复合高吸水性树脂界面结合弱、机械性能差的问题，创新性地利用煤气化细渣作为功能填料，通过低温煅烧活化其介孔结构，成功制备了CS-g-P(AA-co-AM)/CGFS-300复合高吸水性树脂。该材料在蒸馏水和0.9 wt.% NaCl溶液中的吸水率分别达到403.9 g/g和72.4 g/g，并展现出优异的pH适应性和循环使用性能。盆栽实验证实其能显著提升土壤保水能力和作物抗旱性，为煤气化固废的高值化利用和农业节水材料开发提供了新策略。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，开发高效节水材料已成为农业可持续发展的重要课题。高吸水性树脂（SAP）作为一种能吸收自身重量数百倍水分的功能高分子，在农业节水、荒漠化防治等领域展现出巨大潜力。然而，传统SAP存在机械强度差、耐盐性不足等缺陷，而通过添加无机填料制备的复合SAP又常因两相界面结合弱而导致性能受限。虽然表面改性技术能增强界面作用，但其工艺复杂、成本高昂，且可能引入生物相容性问题。

面对这些挑战，研究人员将目光投向工业固废资源化利用。煤气化细渣（CGFS）作为煤化工过程产生的固体副产物，具有比表面积大、结构稳定的特点，但其直接应用时因富含水分会影响聚合效率。在这项发表于《Materials Today Sustainability》的研究中，中国科学院兰州化学物理研究所的研究团队开创性地通过低温煅烧活化CGFS的介孔结构，将其作为引发剂分解的活性位点，成功制备了性能优异的复合高吸水性树脂。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过低温煅烧（200-600°C）处理CGFS以去除孔隙水分；利用自由基聚合法合成CS-g-P(AA-co-AM)/CGFS复合材料；采用电子顺磁共振（EPR）分析自由基生成机制；通过盆栽实验评估材料在三种典型土壤（正常土、盐碱土、沙土）中的保水性能；使用叶菜类作物进行为期28天的栽培验证。

3.1. CGFS的煅烧过程

研究发现300°C煅烧的CGFS-300比表面积和总孔容积比原CGFS增加约两倍，且保持了介孔结构。热重分析证实煅烧仅去除水分而未破坏CGFS骨架结构，为其作为聚合活性位点奠定了基础。

3.2. 使用CGFS-T制备SAP

FTIR和TGA分析表明，CGFS-300能有效促进聚合反应，增强聚合物网络交联度。EPR检测显示CGFS-300体系自由基信号强度（5.87×10³）显著高于未煅烧CGFS（4.70×10³），证实其孔道限域效应能促进自由基生成。扫描电镜显示复合SAP表面呈现粗糙多孔形貌，与CGFS-300良好结合。

3.3. CS-g-P(AA-co-AM)/CGFS-300在不同pH溶液中的溶胀性能

材料在pH 4-11范围内保持稳定溶胀性能，在强酸（pH < 4）和强碱（pH > 11）环境中吸水率下降，这归因于羧基离子化程度变化影响的静电斥力调节。

3.4. 阳离子类型和离子强度对溶胀的影响

材料在盐溶液中的吸水能力随离子价态和浓度增加而降低，符合Flory溶胀理论：一价 > 二价 > 三价离子。

3.5. CS-g-P(AA-co-AM)/CGFS-300的溶胀动力学和可重复使用性

材料在15分钟内可达饱和吸水率的80%，溶胀过程符合Schott二级动力学模型。经过5次溶胀-干燥循环后仍保持86%的初始吸水率，显著优于无CGFS的对照组（74%），表明CGFS-300的增强作用。

3.6. CS-g-P(AA-co-AM)/CGFS-300在土壤中的应用效果

土壤保水实验显示，添加1.0 wt.% SAP的土壤在12天（正常土）、8天（盐碱土）和7天（沙土）后仍保持水分，而对照组已完全干燥。盆栽实验中，添加1.0 wt.% SAP使白菜幼苗株高、鲜重和干重分别增加42.11%、75.17%和48.61%。土壤性质分析表明，SAP的添加使阳离子交换量（CEC）从7.5 cmol⁺/kg提升至20.2 cmol⁺/kg，显著改善土壤肥力。干旱胁迫实验证实，SAP处理组植株在停水5天后仍保持生长，而对照组已萎蔫。

该研究通过物理活化方式实现了煤气化细渣的高值化利用，制备的复合高吸水性树脂具有优异的吸水保水性能和循环稳定性。材料在多种土壤环境中均能有效改善水分利用效率，促进作物生长，为工业固废资源化利用和农业节水技术提供了创新解决方案。这种"以废治废"的策略不仅降低了SAP的生产成本，也为煤炭清洁利用过程中的固废处理开辟了新途径，对推动循环经济发展和农业可持续发展具有重要意义。