PBAT生物降解地膜在农田土壤和模拟土壤环境的降解行为研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.12.013

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (12): 84-90.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.12.013

PBAT生物降解地膜在农田土壤和模拟土壤环境的降解行为研究

霍占斌, 付烨(), 翁云宣

北京工商大学轻工科学与工程学院，北京 100048

收稿日期:2023-06-21 出版日期:2023-12-26 发布日期:2023-12-26
通讯作者: 付烨，fuye@btbu.edu.cn
E-mail:fuye@btbu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFD1700700);国家自然科学基金(52203115);北京市自然科学基金(2222053)

Degradation behaviors of PBAT biodegradable mulch film in farmland soil and simulated soil environments

HUO Zhanbin, FU Ye(), WENG Yunxuan

School of Light Industry Science and Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China

Received:2023-06-21 Online:2023-12-26 Published:2023-12-26
Contact: FU Ye E-mail:fuye@btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

研究了以聚对苯二甲酸⁃己二酸丁二酯（PBAT）为主要原料的生物降解地膜在农田土壤环境和模拟土壤环境中的生物降解行为，探究了聚酯相对分子质量、有机填料等因素对两种土壤环境中地膜降解速率的影响。结果表明，降解过程中，生物降解地膜PBAT分子链酯键断裂、结晶度升高，LN⁃1、LN⁃3、LN⁃5的O/C元素含量比分别增加54 %、105 %、184 %；相同环境中较低相对分子质量聚酯降解更快；有机填料淀粉能够加快地膜物理崩解和生物降解过程。利用羰基指数变化建立土壤环境降解程度—时间一次、指数以及幂函数方程，其中幂函数方程决定系数最高、相关性最强，并据此建立农田土壤环境与模拟土壤环境地膜降解时间对应幂函数方程关系，实验室模拟了华北平原夏收后翻入农田地膜的降解行为。

关键词: 聚对苯二甲酸?己二酸丁二酯, 地膜, 土壤, 降解

Abstract:

This present work focuses on the biodegradation behavior of poly（butylene adipate⁃co⁃terephthalate）（PBAT） biodegradable mulch film in farmland soil and simulated soil environments. The effects of polyester relative molecular weight and organic fillers on the degradation rate of mulch film in two soil environments were investigated. During the degradation process， the breakage of ester bond in PBAT molecular chain occurred， and meanwhile the crystallinity of PBAT increased. The O/C content ratio of the samples LN⁃1， LN⁃3 and LN⁃5 increased by 54 %， 105 % and 184 %， respectively. The lower molecular weight polyester degraded faster in the same environment. Organic filler starch can accelerate the physical disintegration and biodegradation process of the mulch film. The linear， exponential， and power function equations for the degradation degree⁃time relationship was established by using carbonyl index changes， in which the power function equation performed the highest coefficient of determination and strongest correlation. Accordingly， a power function equation relationship between the degradation time of the mulch film in farmland and simulated soil environments was obtained. The degradation behavior of the mulch film converted into soil after summer harvest in North China Plain was simulated in the laboratory.

Key words: poly（butylene adipate?co?terephthalate）, mulch film, soil, degradation

中图分类号:

TQ321

霍占斌, 付烨, 翁云宣. PBAT生物降解地膜在农田土壤和模拟土壤环境的降解行为研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(12): 84-90.

HUO Zhanbin, FU Ye, WENG Yunxuan. Degradation behaviors of PBAT biodegradable mulch film in farmland soil and simulated soil environments[J]. China Plastics, 2023, 37(12): 84-90.

图/表 10

图1 PBAT的化学结构式

Fig.1 Chemical structure of PBAT

样品编号	PBAT		淀粉含量/%	碳酸钙含量/%
样品编号	M_n /kDa	含量/%	淀粉含量/%	碳酸钙含量/%
LN⁃1	57	90	—	10
LN⁃2	57	80	10	10
LN⁃3	48	90	—	10
LN⁃4	48	80	10	10
LN⁃5	43	90	—	10
LN⁃6	43	80	10	10

表1 不同生物降解地膜的配方表

Tab.1 Formulation of different biodegradable mulch

图2 农田土壤环境和模拟土壤环境中生物降解地膜降解过程的外观变化

Fig.2 Appearance change of biodegradable mulch film during the biodegradation in farmland soil and simulated soil environment

图3 生物降解地膜在农田土壤环境和模拟土壤环境中降解前后的SEM照片

Fig.3 SEM images of biodegradable mulch film before and after degradation in farmland soil and simulated soil environment

样品	降解前			农田土壤环境降解60天			模拟土壤环境降解90天
样品	T_d，_{5 %}/℃	T_d，_max/℃	灰分含量/%	T_d，_{5 %}/℃	T_d，_max/℃	灰分含量/%	T_d，_{5 %}/℃	T_d，_max/℃	灰分含量/%
LN⁃1	351	415	10	332	413	36	322	412	27
LN⁃2	320	415	11	318	413	41	316	412	48
LN⁃3	348	413	9	319	412	53	300	411	52
LN⁃4	322	413	9	321	412	36	314	410	33
LN⁃5	338	412	9	320	408	41	310	408	42
LN⁃6	331	412	10	323	407	22	323	408	27

表2 生物降解地膜在农田土壤环境和模拟土壤环境中降解前后的热降解参数

Tab.2 Thermal degradation parameter of biodegradable mulch film before and after degradation in farmland soil and simulated soil environment

样品	降解前结晶率/%	降解30天结晶率/%	降解60天结晶率/%
LN⁃1	12.88	18.02	23.04
LN⁃2	11.00	11.36	17.32
LN⁃3	11.56	18.81	25.50
LN⁃4	10.38	13.02	29.22
LN⁃5	15.88	17.27	18.86
LN⁃6	13.80	22.88	26.88

表3 生物降解地膜在模拟土壤环境中降解不同时间时结晶度的变化

Tab.3 Change of crystallinity of biodegradable mulch degradated for different time in simulated soil environment

样品	0天		30天		60天
样品	M_n/kDa	PDI	M_n/kDa	PDI	M_n/kDa	PDI
LN⁃1	57	1.9	47	2.0	40	2.0
LN⁃2	57	1.7	44	1.9	30	1.9
LN⁃3	48	1.9	37	2.0	36	2.0
LN⁃4	49	1.9	35	2.0	31	2.0
LN⁃5	43	1.6	32	1.7	31	1.7
LN⁃6	42	1.7	30	1.8	29	1.8

表4 生物降解地膜在模拟土壤环境中降解不同时间的数均分子量和多分散性指数

Tab. 4 Numerical mean molecular weight and polydispersity index of biodegradable mulch film degradated for different time in simulated soil environment

图4 生物降解地膜在农田土壤环境和模拟土壤环境中降解前后表面的C1s谱图

Fig.4 C 1s core⁃level spectra of biodegradable mulch film before and after degradating in farmland and simulated soil environment

图5 生物降解地膜LN⁃3、LN⁃4在农田土壤环境和模拟土壤环境中降解不同时间的FTIR谱图、羰基指数变化图和两环境降解时间对应关系曲线图

Fig.5 Fourier infrared spectra and carbonyl index change curves of biodegradable mulch filmdegradated for different time in farmland and simulated soil environment， and correspondence curves of degradation time between the two environments

环境	类型	LN⁃3		LN⁃4
环境	类型	方程	R²	方程	R²
农田土壤	线性方程	y=0.138 2t+0.711 4	0.969	y=0.208 1t+3.855 4	0.965
	指数方程	y=100（1-e^{-0.001 58}^t ）	0.969	y=100（1-e^{-0.002 99}^t ）	0.760
	幂函数方程	y=0.522 26t^{0.706 71}	0.988	y=6.498 44t^{0.247 98}	0.998
模拟土壤	线性方程	y=0.512 5t+0.939 8	0.994	y=0.5145t+1.930 3	0.953
	指数方程	y =100（1-e^-0.0062^t ）	0.999	y=100（1-e^{-0.006 58}^t ）	0.969
	幂函数方程	y =0.928 04t^{0.856 6}	0.999	y=1.630 25t^{0.721 65}	0.971

表5 生物降解地膜LN⁃3、LN-4在农田土壤环境和模拟土壤环境中的3种回归方程曲线决定系数比较

Tab.5 Comparison of curve determination coefficients of three regression equations of biodegradable mulching film LN⁃3 and LN⁃4 in farmland and simulated soil environment

参考文献 12

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