بحران آب
به نام خدا، راهکارهای مقابله با بحران کم آبیبحران آب
به نام خدا، راهکارهای مقابله با بحران کم آبینقش هیدروژل های ابرجاذب در کشاورزی ( و کاهش مصرف آب)
از کاربردهای عمده ابرجاذب ها در کشاورزی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
ـ کاهش میزان پساب (باقیمانده آبیاری) در انواع کشت ها
ـ آبیاری فضای سبز و جنگل کاری ها با استفاده بهینه از آب (کاهش هزینه های آبیاری)
ـ حفاظت خاک های حساس به فرسایش
ـ افزایش رطوبت خاک به منظور جلوگیری از تنش های ناشی از نوسانات رطوبتی
ـ کشت بدون خاک (مثل قارچ ها) و هیدروپونیک
ـ کاهش تلفات در پرورش و انتقال قلمه و نهال
ـ امکان کشت و حفظ پوشش گیاهی در سطوح شیبدار
ـ جامد سازی ادرار دام و استفاده بهینه به عنوان کود
واژه های کلیدی: بسپار- ابرجاذب - هیدروژل
مقدمه:
ایران کشوری کم آب و خشک است. با توجه به این موضوع که کل آب مصرفی در ایران حدود 5/86 میلیارد متر مکعب در سال می باشد، حدود 80 میلیارد متر مکعب آن در بخش کشاورزی مصرف می شود. از این مقدار 65 درصد آن به علت شیوه های غلط و روش های ناکارآمد سنتی آبیاری هدر می رود. خشکسالی و فجایع زیست محیطی، پیامد هدرروی بی رحمانه آب است. محدودیت منابع آب کشور ضرورت صرفه جویی در مصرف آب را روشن می سازد. اعمال مدیریت صحیح و بکارگیری تکنیک های پیشرفته به منظور حفظ ذخیره رطوبتی خاک و افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک از جمله اقدامات مؤثر برای افزایش راندمان آبیاری و در نتیجه بهبود بهره برداری از منابع محدود آب کشور می باشد. دستیابی به اهداف فوق الذکر (حفظ ذخیره رطوبتی، افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک و …) با انجام اقداماتی نظیر استفاده از کود سبز و آلی، مالچ گیاهی و مصنوعی، ایجاد پوشش گیاهی و یا استفاده از مواد اصلاح کننده نظیر تورب، پرلیت و پلیمرها میسر می باشد. برای مقابله با این مسائل و مشکلات، بکارگیری شیوه های نوین آبیاری لازم می باشد. کاربرد هیدروژل های ابرجاذب، جدیدترین شیوه های آبیاری برای مناطق خشک است که به کمک آن می توان تا 50 درصد اتلاف آب آبیاری و در نتیجه مصرف آب را کاهش داد] 1[.
بسپارها:
بشر با تلاش برای دستیابی به مواد جدید، با استفاده از مواد آلی (به طور عمده هیدروکربن ها) موجود در طبیعت موفق به تولید مواد مصنوعی شد. این مواد بطور کلی شامل عنصر کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و گوگرد بوده و به مواد بسپاری معروف هستند.
کلمه بسپار از کلمه یونانی (Poly) به معنی چندتا و (Meros) به معنای واحد یا قسمت بوجود آمده است. در این میان ساختمان بسپارها با مولکول های بسیار دراز زنجیر گونه با ساختمان فلزات کامل متفاوت است. این مولکول های بلند از اتصال و بهم پیوستن هزاران واحد کوچک مولکولی موسوم به تکپار تشکیل شده اند. بسپارها کاربردهای وسیعی، از جمله در ساخت وسایل خانگی، اسباب بازی ها، بسته بندی ها، کیف و چمدان، کفش، میز و صندلی، شلنگ ها و لوله های انتقال آب، مواد پوششی به عنوان رنگ ها برای حفاظت از خوردگی، لاستیک های اتومبیل و بالاخره به عنوان بسپارهای مهندسی با استحکام زیاد حتی در دماهای به طور نسبی بالا در ساخت اجزایی از ماشین آلات دارند. به طور کلی بسپارها خواص فیزیکی و مکانیکی نسبتاً خوب و مفیدی دارند. آن ها دارای وزن مخصوص پایین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند. بعضی از آن ها شفاف بوده و می توانند جایگزین شیشه ها شوند. اغلب بسپارها عایق الکتریکی هستند. اما بسپارهای خاصی نیز وجود دارند که تا حدودی قابلیت هدایت الکتریکی دارند.
ابرجاذب ها:
همانگونه که ذکر شد ابر جاذب ها مواد بسپاری هستند که می توانند صدها برابر وزن خود آب و محلول های آبی را جذب کنند. بر اساس منشأ یا ساختار ابرجاذب ها را به دو گروه اصلی پایه طبیعی و سنتزی تقسیم می کنند.
شکل 1- بسپارهای سنتزی
ابرجاذب های پایه طبیعی شامل پروتئین ها، پلی پپتیدها، پلی ساکوزیت ها و پلی ساکاریدها سازگاری زیادی با بدن انسان داشته و از لحاظ شیمیایی بسیار پایدارند.
بسپارهای پایه طبیعی به چند دلیل مورد توجه بوده و در سال های اخیر مورد مطالعه طیف وسیعی از صنایع قرار گرفته اند. از جمله این دلایل می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری
- استفاده از منابع تجدید پذیر مانند نفت، گاز و ذغال سنگ به جای منابع غیر قابل تجدید
- ارزان بودن بسپارهای تولید شده
- فراوانی، تنوع و گستردگی آن ها
- خواص ریولوژیکی بسیار جالب توجه آن ها.
شکل 2- تصویر بزرگنمایی شده بوسیله میکروسکوپ پویشگر الکترونی از ساختار یک ابرجاذب
کاربرد هیدروژل های ابرجاذب:
با توجه به اینکه بسپارهای ابرجاذب زیرگروه خانواده هیدروژل ها هستند، محصولات ایجاد شده از این مواد بسیار متنوع اند. بسته به ماده به کار رفته در ابرجاذب ها که باعث تفاوت در ساختار آن ها می شود، کاربرد، وظیفه و خواص متفاوتی را می توان از ابرجاذب ها انتظار داشت. با توجه به تولید سالیانه این مواد در دنیا که بیش از یک میلیون تن در سال می رسد] 2[، مصارف گسترده این دسته از ترکیبات تایید می گردد.
1- مصارف بهداشتی]3[
2- مصارف پزشکی و دارو رسانی:
2-1- رهایش کنترل شده داروها (پروتئین ها و پپتیدها)] 4[
2-2- تولید گیاهان دارویی] 5[
2-3- دارورسانی مفید
2-4- دارورسانی هوشمند[4]
2-5- لنزهای تماسی
شکل 3- لنز تماسی
2-6- تهیه پوشش برای زخم ها] 6[
2-7- تهیه چشم مصنوعی] 7[
2-8- درمان جراحی انواع اِدِم (آماس یا تجمع غیرطبیعی مایع در فضای بین یاخته ای بافت های بدن)] 8[
2-9- تجهیزات و مواد در تماس با خون
2-10- مهندسی بافت[5]
3- درمان ترک اعتیاد] 9[
4- صنایع غذایی و بسته بندی] 10[
5- صنعت بتن
6- صنعت کابل
7- جذب رطوبت از زغال سنگ] 11[
8- انفجار سنگ معدن] 10[
9- کاهش اتلاف جریان در سیالات حفاری در چاه های نفت] 12 [
10- کیسه های جاذب آب برای جداکردن آب از سوخت های هیدروکربنی و نفت] 10[
11- جداسازی فاضلاب و پساب های صنعتی و شهری
12- لاستیک های متورم شونده آبی
13- تولید ژل.های هوشمند دارای قابلیت پاسخ دهی به محرک های محیطی (تغییرات دما، میدان الکتریکی، ترکیب حلالی و pH)
14- افزایش جذب آب
15- تهیه ژل های مخصوص آتش نشانی] 10[
16- تهیه بوگیرها و خوشبو کننده های هوا] 10[
17- تغلیظ پروتئین] 13[
18- تهیه حسگرها به عنوان ماده حساس به رطوبت] 14[
19- خشکاننده در سامانه های سرمایشی
20- تولید برف مصنوعی در پیست های اسکی و فعالیت های علمی] 3[
21- زیست حسگرهای تعیین آنالیت های زیست شیمیایی
22- بهبود آب و هوا و کاهش قدرت تخریب طوفان و سیلاب ها] 15[
23- استفاده به عنوان کاتالیزور در برخی واکنش ها در ترکیب رزین های تبادل کننده یون ها] 16[
24- عامل افزایش تیکسوتروپی در خمیر پلی وینیل کلراید] 10[
25- استفاده تزئینی، دکوراسیون و سرگرمی ابرجاذب های رنگی
و ...
شکل 4- ابرجاذب های رنگی
نقش هیدروژل های ابرجاذب در کشاورزی:
از بین رفتن پوشش گیاهی باعث بروز تغییرات آب و هوایی در کره زمین گشته و گرم شدن هوا و کمبود آب، تولیدات کشاورزی را با مشکلات زیادی روبرو ساخته است. در کشور ما که در زمره مناطق خشک و نیمه خشک محسوب می شود بارندگی ها غالباً به صورت رگباری و پراکنده است که جریان های سطحی زیادی ایجاد می کند. با مدیریت صحیح آب و خاک و استفاده از فنون پیشرفته می توان از بارندگی های پراکنده و سایر منابع محدود آب در امر حفظ و ذخیره آب در خاک استفاده کرد. ابرجاذب ها ضمن بالا بردن ظرفیت نگهداری آب در خاک های سبک می توانند مشکل نفوذپذیری خاک های سنگین را نیز برطرف نمایند. از آنجائیکه ابرجاذب ها با جذب سریع آب به میزان ده ها برابر وزن خود به ژلی متورم با استحکام خوب تبدیل می شوند، در کشاورزی و باغبانی، جنگل کاری، فضای سبز و نیز در کنترل فرسایش خاک از جایگاه ویژه ای برخوردارند و می توانند به محض نیاز ریشه، آب را به سهولت در اختیار آن قرار می دهند. جذب سریع آب و حفظ آن، بازده جذب آب ناشی از بارندگی های پراکنده را بالا برده و در صورت آبیاری خاک، فواصل آبیاری را نیز افزایش می دهد. مقدار این افزایش بسته به شرایط فیزیکی خاک، آب و هوا و میزان مصرف ابرجاذب در خاک متفاوت است. علاوه بر نگهداری آب، ابرجاذب ها به علت تغییر حجم مداوم (انبساط به هنگام تورم و انقباض به هنگام از دست دادن آب) میزان هوا را نیز در خاک افزایش می دهند. ابرجاذب ها تنش های رطوبتی را از بین برده و به سازگاری نباتات کاشته شده با محیط کمک می کنند.
هیدروژل های ابرجاذب به کار رفته در کشاورزی از نوع پلی آکریل آمید می باشند. این ابرجاذب ها بی رنگ، بی بو و بدون خاصیت آلایندگی در خاک، آب های سطحی و زیرزمینی و همچنین بافت های گیاهی می باشند. از نظر بار الکتریکی نیز نوع آنیونی آن در کشاورزی دارای اهمیت ویژه ای است، زیرا علاوه بر جذب کاتیون های مفید برای رشد گیاه، از تثبیت و شستشوی آن در خاک جلوگیری می نماید. بدین ترتیب ظرفیت تبادل کاتیونی خاک را افزایش می دهد.
شکل 5- استفاده از هیدروژل ها در خاک به منظور افزایش جذب
از کاربردهای عمده ابرجاذب ها در کشاورزی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
ـ کاهش میزان پساب (باقیمانده آبیاری) در انواع کشت ها
ـ آبیاری فضای سبز و جنگل کاری ها با استفاده بهینه از آب (کاهش هزینه های آبیاری)
ـ حفاظت خاک های حساس به فرسایش
ـ افزایش رطوبت خاک به منظور جلوگیری از تنش های ناشی از نوسانات رطوبتی
ـ کشت بدون خاک (مثل قارچ ها) و هیدروپونیک
ـ کاهش تلفات در پرورش و انتقال قلمه و نهال
ـ امکان کشت و حفظ پوشش گیاهی در سطوح شیبدار
ـ جامد سازی ادرار دام و استفاده بهینه به عنوان کود
ـ امکان کشت در مناطق بیابانی از طریق جذب سریع آب ناشی از بارندگی و کاهش تبخیر سطحی (کاهش هدر رفتن و تبخیر آب از سطح خاک به دلیل خاصیت موئینگی که در نهایت از شور شدن سطح خاک جلوگیری به عمل می آورد.)
شکل 6- مقایسه رشد گیاه در شرایط کم آبی با دو نوع خاک
دارای ابرجاذب (شکل سمت چپ) و فاقد ابرجاذب (شکل سمت راست)
فهرست منابع و مراجع:
1- http://www.boloorab.com/index.php?option=com_content& view=article&id=79& Itemid=61
2- Buchholz F.L, Graham A.T; Modern Superabsorbent Polymer Technology, Wiley-VCH, New York; 2, 97-103, 132, 140, 152-158, 174-176, 187-217.
3- Buchholz F.L, Modern Superabsorbent Polymer Technology, Wiely-VCH.
4- Dorkoosh.F.A, Verhoef.J.C, Borochard.G, Tehrani.M.R, Junginger.H.E, Journal of Controlled Release, 71, 307-318.
5- Yao.K.J and Zhou.W.J, J.Appl. Polym. Sci; 53; 1533-8.
6- w.w.w.Jaeri.go.jp/english/ff/ff46/techol/html.
7- w.w.w.customocular.com/expanders.
8- Sannino.A, Esposito.A, De Rosa.A, Cozzolino.A, Ambrosio.L, Nicolais.L, Biomedical Application of a Superabsorbent Hydrogel for Body Water Elimination in the Treatment of Edemas, J.Biomed. Mater. Res., Vol.67A, 1016-1024.
9- w.w.w. Jame Jam online. ir/ archnewstext. aspx? year=1387 & month=2 & day=30 & newsnum=100938865534.
10- R.Po, J.M.S-Rev. Macromol. Chem, Phys., C34(4), 607-662.
11- Dzionmwa.G.P.T, Wood.C.J and Hill.D.J.T, Polymers for Advanced Technology, 8, 762-764.
12- Waker.C.O, U.S.Patents, 4, 664, 816, 1985.
13- Kabiri.K, Omidian.H, Hashemi.S.A, Zohuriaan.M.J, Concise Synthesis of Fast-Swell Superabsorbent Hydrogels: Effect of Initiator Concentration on Porosity and Absorption Rate, J.of.Polym.Mater.
14- Gao.D, Heimann.R.B, Lerchner.J, Seidel.J, Wolf.G, Journal of Biotechnology, 39, 157-164.
15- Cordani.P, Method of Modifying Weather, U.S.Patents 6, 315, 213.
16- Liu.Z.S, Ph.D. Thesis. University of Waterloo.Canada.
