羧甲基纤维素-生物炭复合超吸水性水凝胶：一种用于干旱地区土壤水分管理的绿色保水剂

本研究创新性地通过优化羧甲基纤维素(CMC)、环氧氯丙烷(ECH)、NaOH和稻壳生物炭的配比，首次制备出具有3240.07 g/g超高吸水容量(WAC)的全生物基水凝胶-生物炭复合材料(CMC-H-B)。相比传统合成保水剂(如聚丙烯酸钾)，该材料在保持同等土壤持水能力(WHC/WRC)的同时，具有显著生物降解性和1%用量下对绿豆早期生长的低抑制性，为干旱地区粗质地土壤提供了一种环境友好的水分管理解决方案。

　　

Highlight

通过精确调控羧甲基纤维素(CMC)、环氧氯丙烷(ECH)、氢氧化钠(NaOH)和稻壳生物炭的配比，我们首次成功研制出具有革命性吸水性能的全生物基超吸水性水凝胶-生物炭复合材料(CMC-H-B)。这种"绿色海绵"展现出惊人的3240.07 g/g吸水容量(WAC)，远超常规生物聚合物水凝胶(<500 g/g)的性能极限。

材料与方法

实验采用分子量25万的CMC(取代度0.7)与稻壳生物炭复合，通过ECH交联构建三维网络结构。对比组包括不含生物炭的CMC-H和商用保水剂聚丙烯酸钾。通过热重分析(TGA)、红外光谱(FTIR)和场发射电镜(FESEM)进行材料表征，并系统测试了不同pH/盐度条件下的溶胀行为。

性能突破

• 吸水性能：CMC-H-B的WAC达到商用产品的3.6倍

• 机械强度：生物炭中的硅醇基与聚合物链形成额外氢键交联

• 环境响应：在pH=7时展现最佳溶胀率(SR)，高盐度下仍保持稳定

农业验证

在三种不同质地土壤中，CMC-H-B表现出与聚丙烯酸钾相当的持水能力(WHC)和保水能力(WRC)，同时具备：

? 28天生物降解率达46.7%

? 1%添加量下绿豆发芽率提升12%

? 有效改善粗质地土壤的孔隙结构

结论

这项研究为农业废弃物(稻壳)高值化利用提供了创新路径，所开发的CMC-H-B复合材料兼具超强吸水性和环境友好特性，特别适合干旱地区粗质地土壤的水分管理，标志着可持续农业保水技术的重大突破。