基于溶剂肥料化再利用的纤维素水凝胶可持续合成及其农业应用研究

本研究针对全球粮食安全面临的水资源低效利用和化肥过度使用问题，开发了一种将NaOH/尿素溶剂体系转化为氮肥的新型纤维素水凝胶合成方法。通过UV自由基聚合法交联3-烯丙氧基-2-羟丙基纤维素(AHP-cellulose)，获得溶胀度达2500%的pH/盐度耐受性水凝胶，土壤持水能力提升20%，实现肥料缓释7天以上且90天内可生物降解。该研究为农业可持续发展提供了兼具节水控肥功能的环保材料解决方案。

　　

随着全球人口激增和气候变化加剧，农业用水效率低下与化肥过度使用已成为威胁粮食安全的核心问题。传统高吸水性聚合物(SAP)如聚丙烯酸钾虽具优异保水性能，但存在不可生物降解、缺乏控释功能等缺陷。而天然聚合物基水凝胶往往需要引入丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AAm)等合成单体以改善性能，偏离了可持续发展目标。在此背景下，葡萄牙科英布拉大学(University of Coimbra)CEMMPRE研究中心的研究团队创新性地开发了一种将纤维素溶剂直接转化为肥料的绿色合成策略，相关成果发表于《Carbohydrate Polymers》。

研究采用NaOH/尿素溶剂体系溶解微晶纤维素(MCC)，通过烯丙基缩水甘油醚(AGE)改性获得双键功能化的3-烯丙氧基-2-羟丙基纤维素(CellM_x)，利用紫外自由基聚合(UV-FRP)交联制备水凝胶。关键技术包括：1) 通过核磁共振(¹H/¹³C NMR)表征取代度(DS)；2) 扫描电镜(SEM)分析多孔结构；3) 电导率/比色法测定硝酸钠(SN)/尿素释放动力学；4) 土壤模拟实验评估持水性能。

3.1 纤维素大分子单体与水凝胶制备
通过调节AGE与脱水葡萄糖单元(AGU)的摩尔比(5:1至9:1)，获得DS为1.23-2.17的CellM_x。¹H NMR在5.4-6.0 ppm处出现烯烃质子特征峰，FTIR在1640 cm^-1处C=C键振动峰随交联减弱，证实成功合成。甲基乙基酮(MEK)洗涤溶剂经5次循环回收率>95%，体现工艺可持续性。

3.3 溶胀与稳定性
交联密度直接影响性能，DS=1.74的CellH_1.74在去离子水中溶胀度达2500%，且在pH 2-10和1.0 M盐溶液中保持稳定。SEM显示其具有100-163 μm的蜂窝状孔结构，壁厚随SN/尿素负载增加十倍。

3.6 肥料控释性能
中性化处理使溶剂中的NaOH转化为硝酸钠(SN)，与尿素共同构成氮肥。土壤实验中，1 wt%水凝胶使持水率提升至18%，SN和尿素分别实现84%和93%的7天缓释，符合Korsmeyer-Peppas扩散模型(n<0.45)。

3.9 环境相容性
90天内水凝胶质量损失达60%，符合速生作物(如萝卜、豌豆)生长周期。XRD显示肥料结晶峰(2θ=22.7°)，EDS证实氮/钠均匀分布，降解后无残留污染。

该研究首创性地将纤维素溶剂转化为肥料组分，通过FRP制备全纤维素基水凝胶，突破传统方法需外加合成单体的局限。MEK循环使用与溶剂肥料化策略大幅降低环境负荷，其2500%的溶胀度和7天缓释性能为干旱区农业提供双功能解决方案。未来可进一步优化交联网络以平衡力学强度与降解速率，推动其在精准农业中的实际应用。