Hydrożele

Pośród superabsorbentów można wyróżnić dwie grupy polimerów: jonowe/ kationowe, anionowe np. usieciowany kwas poliakrylowy (poniższy wzór), polimetakrylowy i ich sole, i niejonowe (np. usieciowany poliakryloamid).W praktyce stosowania polimerów jonowych zastosowanie znalazły polimery anionowe. Monomery o charakterze kationowym są stosunkowo drogie.

Suche polimery mają postać krystaliczną, pod wpływem wody obecne w łańcuchach grupy funkcyjne ulegają solwatacji i dysocjacji. Kationy odłączają się, a ujemne ładunki związane z łańcuchami polimerowymi odpychają się pod wpływem sił elektrostatycznych, Prowadzi to do rozluźnienia polimeru, który pęcznieje i tworzy żel przypominjący bezbarwną galaretkę.

Wzrost zainteresowania związkami polimerowymi charakteryzującymi się zdolnością absorbcji wody nastąpił w latach 50 XX w. Otrzymywano wówczas hydrożele pierwszej generacji o chłonności około 80 g/g, co oznacza, że 1 g polimerów absorbuje 80 g wody. Pierwsze hydrożele wykorzystywano przede wszystkim do produkcji soczewek kontaktowych. Wkrótce powstały hydrożele drugiej generacji, charakteryzujące się większą chłonnością 40–1600 g/g, które wykorzystywano m.in.  w medycynie i farmacji oraz jako podłoże do hodowli mikroorganizmów. Na przełomie lat 70/80 XX wieku powstały żele trzeciej generacji - akrylowe  o chłonności do 3000g/g (Leciejewski 2008). Jednak w praktyce w inżynierii środowiska, rolnictwie i leśnictwie nie stosuje się absorbentów o chłonności większej niż 600 g⋅g-1, ze względu na to, że są mało odporne mechanicznie.

Wielkoskalowa produkcja hydrożeli spowodowała znaczne obniżenie ich ceny, co skłoniło laboratoria, jak też użytkowników do szukania innych zastosowań.  Obecnie są szeroko stosowane w przemyśle materiałów higienicznych,w medycynie, rolnictwie, leśnictwie i inżynierii środowiska.  Pierwsze serie doświadczeń polowych  z wykorzystaniem hydrożeli przeprowadzono w 1991, a 1995r. opracowane zostały standardy praktycznego zastosowania ich w rolnictwie (Sojka i Lent 1996).

W rolnictwie, leśnictwie i inżynierii środowiska służą  przede wszystkim zwiększeniu pojemności wodnej gleb. Przeciwdziałają stresom wodnym – zapewniają roślinom wilgoć, a także ograniczają parowanie wody z gleby. Przeciwdziałają  gwałtownym zmianom wilgotności gleby - działają jak pewnego rodzaju bufor wodny. W czasie opadów atmosferycznych czy nawodnień zapobiegają nadmiernemu przesiąkaniu wody w głębsze warstwy gleby, czy jej spływowi powierzchniowemu. Gleba wzbogacona dodatkiem hydrożeli cechuje się także mniejszym tempem przesychania, co ogranicza ubytek wody nie tylko podczas krótkotrwałego jej deficytu, ale także  podczas długotrwałej suszy. Najbardziej optymalnym okresem do wprowadzenia hydrożeli do gleby jest okres jesienny, co zmniejsza nadmierna porowatość podłoża i przesychanie gleby (Leciejewski 2008

Efekty  te obserwuje się już przy niewielkich dawkach suchego superabsorbentu zmieszanego z podłożem w ilości 0,05–0,15%, a zatrzymaną przez superabsorbent wodę rośliny mogą wykorzystać ponad 92% (Kulikowski in. 2018)

Nawodniony hydrożel na skutek oddawania wody roślinom w procesie osmozy kurczy się, powodując powstawanie przestrzeni w glebie. Poprzez wielokrotnie powtarzający się proces powiększania i zmniejszania swojej objętości poprawia strukturę gleby, powodując jej spulchnienie i napowietrzenie.

Hydrożele wpływają także na ochronę wód gruntowych i środowiska poprzez swoje zdolności immobilizujące składniki nawozowe i dodatki stymulujące wzrost i chroniące uprawy. Rozpuszczalne w wo­dzie związki chemiczne, uwięzione w polimero­wej sieci, nie są łatwo wypłukane przez wodę pochodzącą z opadów i nawodnień. Niewielkie ilości tych związków, sukcesywnie uwalniane i wchłanianie przez system korzeniowy mogą być efektywniej wykorzystane przez rośliny.

Hydrożele mają także znaczenie w otoczkowaniu i kondycjonowaniu nasion. Są nie tylko składnikiem otoczki, zapewniając w ten sposób stałą wilgotność, ale mogą stać się także matrycą nośną składników nawozowych niezbędnych dla prawidłowego kiełkowania i rozwoju roślin w początkowej fazie. Przyczyniają się na zmniejszenie ilości środków ochrony podawanych w sposób klasyczny a co za tym idzie do ochrony środowiska naturalnego.

Mają zastosowanie w uprawach leśnych i szkółkarskich, w formie uwodnionej służą do pokrywania – zabezpieczania systemu korzeniowego roślin sadzonych z odkrytym systemem korzeniowym, co ma zastosowanie w transporcie na większe odległości lub w dłuższym przechowywaniu w chłodniach, wiatach szkółkarskich czy dołach pod okapem drzew. Korzenie zanurza się w zawiesinie żelowej lub obsypuje system korzeniowy substratem torfowym, wymieszanym z hydrożelem, co skutecznie zabezpiecza je przed przesuszeniem. Hydrożele mogą być także stosowane jako nośniki szczepionek mikoryzowych- dodatek do wodnej grzybów mikoryzowych pozwala zapobiegać jej szybkiemu spływaniu i umożliwia dłuższy kontakt grzyba z systemem korzeniowym.  

Hydrożele, wymagają przechowywania w suchym i szczelnym opakowaniu, gdyż jako substancje higroskopijne wchłaniają duże ilości wody.

ŹRÓDŁO (AUTOR)

Kulikowski, Ł., Kulikowski, E., Matuszewski, A., Kiepurski, J. 2018. Hydrożele w środowisku naturalnym–historia i technologie. Inżynieria Ekologiczna, 19(6):205-2018.

Leciejewski, Piotr. 2008. Wpływ wielkości dodatku hydrożelu na zmiany uwilgotnienia i tempo przesychania gleby piaszczystej w warunkach laboratoryjnych. Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo-Leśnej 10. 316-328.

Sojka, R. E., R. D. Lentz. 1996. A brief history of PAM and PAM-related issues. PROCEEDINGS: Managing irrigation-induced erosion and infiltration with polyacrylamide. College of Southern Idaho, Twin Falls: 6-8.

Publikacje powiązane tematycznie

Powiązane tematycznie publikacje:

Bartnik, C. 2008. Wpływ hydrożelu na przeżywalność siewek i sadzonek sosny pospolitej w warunkach suszy. Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo-Leśnej, 10: 329-338

Dąbrowska, J., Lejcus, K. 2012. Charakterystyka wybranych właściwości superabsorbentów. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, (3/IV).

Leciejewski P.2008. Hydrożele.w: red. Wesoły W., Hauke M.) Szkółkarstwo leśne od A do Z. Centrum Informacyjne Lasów Państwowych:103-112.

Powiązana tematycznie strona www

/www.hydrogel.pl