《Gels》：Preparation of Itaconic Acid-Modified Guar Gum Composite Hydrogel for Water Retention in Mine Ecological Restoration
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为了解决退化矿区土壤保水性差以及天然聚合物水凝胶稳定性低、持水时间短的问题，研究人员以瓜尔胶（guar gum，GG）为聚合物基材，衣康酸（itaconic acid，IA）为功能单体，开发了一种衣康酸改性瓜尔胶复合水凝胶（IAGG hydrogel）。本研究
为了解决退化矿区土壤保水性差以及天然聚合物水凝胶稳定性低、持水时间短的问题，研究人员以瓜尔胶（guar gum，GG）为聚合物基材，衣康酸（itaconic acid，IA）为功能单体，开发了一种衣康酸改性瓜尔胶复合水凝胶（IAGG hydrogel）。本研究旨在通过共价-动态多重交联设计来提高基于GG的水凝胶的稳定性、保水持续时间和吸水性能，并评估其在矿山生态修复中的潜力。水凝胶网络通过IA相关的共价相互作用、环氧氯丙烷（ECH）介导的醚交联以及硼砂介导的动态相互作用构建，形成了共价-动态多重交联结构。IA引入的羧基通过氢键和离子水合作用增强了亲水性和保水性，而共价-动态交联协同作用提高了网络稳定性和干湿循环耐受性。在优化制备条件下，IAGG水凝胶在去离子水中的吸水能力达到370.7 g/g，其中I5G5水凝胶在经过10次溶胀-脱水循环后仍保持255.4 g/g的吸水能力。土壤实验表明，IAGG将矿区土壤的持水能力从13.3 g/g提高到77.6 g/g，有效保水时间从5天延长至14天，并支持了碱蓬（Suaeda salsa）的发芽及随后的幼苗发育。经过4个月的土壤掩埋，水凝胶表现出约63%的重量损失，表明在测试的土壤掩埋条件下其结构发生了显著劣化。这些结果表明IAGG作为矿山生态修复保水材料具有潜力。
论文解读：衣康酸改性瓜尔胶复合水凝胶在矿山生态修复中的应用
一、研究背景与问题提出
采矿活动导致的土壤退化已成为全球生态修复领域的核心挑战之一。无论是露天开采还是地下开采，都会严重扰动表土层，造成植被破坏、土壤结构破碎、孔隙度下降及有机质流失，进而导致土壤团聚体结构解体与持水孔隙减少，使土壤保水性能急剧下降。退化的土壤不仅难以维持植物根系生长与水分吸收，还易在降雨侵蚀下诱发水土流失、荒漠化和次生盐渍化等生态问题，形成“缺水—植被难立—进一步退化”的恶性循环。据统计，我国因采矿导致的退化土地面积已达数百万公顷，且每年仍在增加。因此，开发高效环保的土壤保水材料，提升矿区退化土壤的保水能力，对于促进矿山生态修复和区域可持续发展具有重要的现实意义与应用价值。
在众多保水材料中，聚合物水凝胶因其三维交联网络可吸收并保持自身重量数百倍的水分，并在干旱条件下缓慢释放，被视为最有前景的土壤保水剂之一。瓜尔胶作为一种来源广泛、可生物降解的天然多糖，分子链富含羟基，具有良好的土壤保水能力。然而，单一动态硼酸酯键交联的网络机械强度较低，在复杂的土壤环境中易被微生物降解、干湿循环应力及根系机械作用破坏，导致持水时间短、保水效果快速衰减。同时，纯GG水凝胶亲水基团种类单一，吸水能力和溶胀持久性有限，且在矿区盐碱土壤环境中的吸水性能易受离子屏蔽效应抑制，难以满足长期保水需求。因此，亟需引入绿色高效的功能单体对GG水凝胶进行化学改性与结构优化，通过构建共价-动态多重交联网络提高其结构稳定性和环境适应性，并引入强亲水基团增强其吸水和储水能力，从而突破现有材料在矿山生态修复中的应用限制。
二、研究内容与结论
研究人员以GG为聚合物基材，IA为功能单体，ECH为化学交联剂，十水合四硼酸钠为动态交联组分，制备了IAGG复合水凝胶。系统研究了原料配比、交联剂用量及反应温度等工艺参数对水凝胶吸水性能的影响，确定了最佳制备条件。通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重及导数热重分析（TG/DTG）和流变学测量表征了其微观结构、化学结构、热稳定性和粘弹性。进一步评估了其在矿土不同水环境（pH值和盐浓度）中的吸水行为、循环稳定性、保水性、种子萌发与幼苗发育以及土壤掩埋降解行为。研究旨在通过共价-动态多重交联设计提高GG基水凝胶的稳定性、保水持续时间和吸水性能，并评估其在矿山生态修复中的潜力。
结论表明，通过IA相关的共价相互作用、ECH介导的醚交联以及硼砂介导的动态相互作用，成功构建了具有共价-动态多重交联网络的IAGG复合水凝胶。FTIR分析支持了水凝胶网络中酯和醚相关结构的形成，而硼砂被认为有助于动态交联相互作用。SEM图像显示随着GG比例增加，三维多孔结构逐渐变得更加开放。在最优制备条件（IA/GG=5:5，pH=8，ECH 4 mL，硼砂0.2 g，70°C，4 h）下，水凝胶在蒸馏水中吸水率达370.7 g/g，在0.9% NaCl溶液中为74.5 g/g。经10次循环后，I5G5样品仍保持255.4 g/g的吸水能力。土壤应用测试表明，IAGG将矿区土壤最大持水量从13.3 g/g提高至77.6 g/g，有效保水时间从5天延长至14天。初步种植实验中，在I5G5处理的土壤中观察到了碱蓬的出苗及后续发育，而未处理对照组在整个观测期内未发芽。经4个月土壤掩埋后，水凝胶重量损失约63%，表明在土壤掩埋条件下其结构发生显著劣化。这些结果表明IAGG水凝胶作为矿山生态修复保水材料具有潜力，并为天然多糖基水凝胶的化学改性与结构设计提供了参考。
三、关键技术方法
研究中采用的主要关键技术方法包括：利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析材料官能团；采用热重分析（TGA）在氮气氛围下以10°C/min升温速率从40°C加热至800°C进行热稳定性测试，并由TGA数据获取导数热重（DTG）曲线；使用扫描电子显微镜（SEM）观察材料的微观形貌；利用旋转流变仪（平行板直径40 mm，间隙高度1000 μm，振荡频率0.01–100 Hz，振荡应力0.05 Pa，测试温度25°C）进行水凝胶的流变学分析。此外，通过吸水测试、保水性能测试、循环回收测试、种植实验以及土壤掩埋降解实验对水凝胶的性能进行了系统评估。矿区土壤样本采集自中国新疆哈密市巴里坤哈萨克自治县三塘湖矿区石头梅一号露天煤矿。
四、研究结果
2.1 形貌与理化性质表征
通过SEM观察发现，随着GG比例从I5G1增加到I5G5，IAGG水凝胶的形貌从致密块状逐渐演变为疏松多孔的三维网络结构。FTIR分析显示，I5G1–I5G5的谱图总体轮廓相似，随着GG比例增加，1725 cm-1酯羰基峰和1150 cm-1醚键峰逐渐增强，表明酯和醚相关结构发生变化。IA在1632 cm-1处的C=C特征峰基本消失，表明不饱和基团在水凝胶形成过程中被大量消耗或转化。TG/DTG分析表明，IAGG水凝胶的热分解可分为三个阶段，其中纯GG在第二阶段分解最快，而I5G5的交联网络显著延迟了主链热分解，最终残余率最高。流变学测试显示，所有水凝胶的储能模量（G′）均大于损耗模量（G″），表现出弹性主导的凝胶行为，且随着GG比例增加，G′值显著升高，其中I5G4在弹性和黏性之间展现出最佳平衡。
2.2 IAGG水凝胶的吸水性能
研究发现，随着GG比例增加，IAGG水凝胶的吸水率先降后升，I5G5达到最大值370.7 g/g。ECH用量从1 mL增至5 mL时，吸水率先增后减，4 mL时最佳。硼砂用量从0.1 g增至0.2 g时吸水率略有上升，继续增加则显著下降。反应温度从50°C升至70°C时吸水率持续增加，80°C时则显著下降。在不同水环境中，所有IAGG水凝胶在去离子水中均表现出高吸水率；在0.9% NaCl溶液中吸水率显著降低，但高GG比例的I5G5仍达74.5 g/g；在中性pH条件下吸水率达到峰值，酸性或碱性环境下均有所下降。
2.3 IAGG水凝胶的保水性能
短期12小时保水测试中，所有IAGG水凝胶的质量损失率随时间增加，高IA比例的水凝胶质量损失更快。长期14天测试中，所有水凝胶在前8天质量损失较快，后期逐渐放缓，至14天时各比例损失率接近100%。温度依赖性实验表明，质量损失率遵循40°C > 25°C > 4°C的顺序，低温更有利于水凝胶保水。
2.4 IAGG水凝胶的可重复使用性能
经10次吸水-脱水-吸水循环测试后，I5G5水凝胶的吸水能力逐渐下降，但在第十次循环后仍保持在255.4 g/g，表现出良好的可重复使用性。
2.5 IAGG水凝胶在土壤中的应用
纯土壤的最大持水能力仅为13.3 g/g，加入IAGG水凝胶后显著提升，其中I5G4组达到峰值77.6 g/g。添加水凝胶后，土壤pH值从约7.6略微降至7.1–7.3，处于中性至弱碱性范围。在14天保水测试中，I5G5组失水最少，将有效保水时间从5天延长至14天。经五次反复浇水循环后，各组改性土壤的吸水能力缓慢下降但仍保持较高水平，I5G4组每次循环均为最高，五次循环后仍保持约34 g/g。在种植实验中，未加水凝胶的矿区土壤在整个观测期内未见种子萌发，而I5G5处理的土壤在第12天观察到出苗，并在第18天和第24天继续发育出茎和叶。
2.6 IAGG水凝胶的土壤掩埋降解行为
随着降解时间从0个月延长至4个月，IAGG水凝胶的重量损失持续增加，4个月后达到约63%。初始阶段重量损失增长较慢，1至4个月期间重量损失增加更为明显，表明交联网络逐渐劣化及聚合物组分流失。FTIR分析显示，土壤掩埋后多个特征峰的强度随时间逐渐减弱，其中-OH峰、C=O相关峰和C-O-C醚键峰的强度均有所下降。
五、总结与讨论
本研究成功以GG为基材、IA为功能单体，结合IA相关的共价相互作用、ECH介导的醚交联和硼砂介导的动态相互作用，制备了具有共价-动态多重交联网络的IAGG复合水凝胶。研究结论如下：FTIR分析支持了水凝胶网络中酯和醚相关结构的形成，SEM图像显示了随GG比例增加而逐渐开放的三维多孔结构。在最优条件下，水凝胶在蒸馏水中吸水率达370.7 g/g，在0.9% NaCl溶液中为74.5 g/g。经10次循环后，I5G5样品仍保持255.4 g/g的吸水能力。土壤应用测试表明，IAGG将矿区土壤最大持水量从13.3 g/g提高至77.6 g/g，有效保水时间从5天延长至14天。在初步种植实验中，I5G5处理的土壤中观察到碱蓬出苗及后续发育，而未处理对照组未见发芽。经4个月土壤掩埋后，水凝胶重量损失约63%，表明在土壤掩埋条件下其结构发生显著劣化。这些结果表明IAGG水凝胶作为矿山生态修复保水材料具有潜力，并为天然多糖基水凝胶的化学改性与结构设计提供了参考。
