Hidrogéis Biodegradáveis para agricultura

Abstract

Hydrogels are 3D networks of hydrophilic polymers that can absorb and retain significant amounts of water or aqueous solutions without dissolution. These compounds can be synthesized by any technique that leads to a crosslinked polymer, using generally three reagents: an initiator, monomers (or polymers) with water affinity and a crosslinking agent. Hydrogels can be used in several areas, such as hygiene, agriculture, industry, medicine or even in pharmaceutical. In this work the area of interest is agriculture, where the hydrogels can improve and minimize the use of water and the yield in the crop fields without adverse consequences to the environment and the natural resources. Concerning agriculture, it is important to refer the superabsorbent polymers (SAPs), an evolutionary category similar to hydrogels in almost everything except that they have the capacity to absorb greater amounts of water and other fluids (1000 times its own dry weight) in short periods of time comparing to conventional hydrogels. Most of the SAPs used in agriculture are from synthetic source and their degradation contributes for the accumulation of harmful compounds and for the contamination of soils and possibly groundwater. Thus, it would be motivating to develop more biodegradable SAPs with proprieties good enough for a possible application in agriculture, where high capability of absorption and retention of water are essentials. This work had, therefore, as the main goal, the development of a more biodegradable SAPs based in compounds of natural source, such as acrylated epoxidized soybean oil (AESO) and cellulose derivatives, carboxymethyl cellulose sodium salt (CMCss) and hydropropyl cellulose (HPC). In a first stage it was used AESO, comonomers, initiators and crosslinking agents and reaction conditions normally used in SAPs synthesis. It was possible to understand which conditions were the best and which reagents were the most suitable to obtain hydrogels with AESO in their constitution. The most promising and interesting synthesized hydrogels were then evaluated for the capacity of water absorption and it was possible to conclude that those hydrogels had a rather low swelling capacity (3-49 g water/g dry hydrogel). The second stage of this work, were realized two phases. In the first phase, it was reproduced a SAP with good features of swelling and subsequently it was modified with the aim of obtain new SAPs with improved proprieties compared with the base SAP. Among the several synthesised SAPs, the one which had better maximum capacity of absorption of water was the SAP5 with a maximum swelling of 2700 g water/g dry hydrogel. This material was fully characterized, through which it was possible to understand that even for pHs slightly acid or basic, high values for the swelling capacity were achieved. Also, it was possible to observe improvements in the retention of water in the soil caused by the presence of SAP5 and to understand the ability of this material in load high amounts of urea and thereafter to release this fertilizer in a controlled way for the surrounding medium. However it was also possible to have an idea of the negative influence of the ionic strength of the medium on the swelling properties of the SAP5. At last, it was performed the second phase, where it was used the knowledge and the methodology developed in the previous phase, to synthesize more biodegradable SAPs using carboxymethyl cellulose sodium salt and hydropropyl celloluse as comonomers. Those derivatives were also functionalized in order to occur incorporation of functional groups that could help in the synthesis and improve the proprieties of the new SAPs. Through the FTIR analysis it was possible to confirm the success of the performed functionalizations. Despite attempts made, it was not possible to obtain a more biodegradable SAP on this phase. This can be due to various reasons, such as the difficulty of ensure dissolution of the cellulose derivatives in water during the reaction and for the temperatures utilized.

Hidrogéis são uma rede tridimensional de polímeros hidrofílicos que podem absorver e reter grandes quantidades de água ou soluções aquosas, sem dissolver. Estes compostos podem ser sintetizados recorrendo a qualquer técnica que origine um polímero reticulado e utilizando normalmente 3 reagentes: iniciador, monómeros (ou polímeros) e agente reticulante. As áreas de aplicação dos hidrogéis vão desde a higiene até à agricultura, passando pela indústria, medicina e farmacêutica. Neste trabalho em concreto a área de interesse é a agricultura, área onde os hidrogéis podem melhorar e minimizar a utilização de água e a produção nos campos de cultivo sem consequências adversas para o ambiente e para os recursos naturais. Quando a aplicação se trata da agricultura é importante falar em polímeros superabsorventes, uma categoria evolutiva semelhante em tudo aos hidrogéis mas com capacidade de absorver maiores quantidades de água e outros fluidos (1000 vezes o seu peso seco), em curtos períodos de tempo, do que os hidrogéis convencionais. A maior parte dos polímeros superabsorventes utilizados na agricultura são de origem sintética e a sua degradação contribui para a acumulação de compostos prejudiciais e para a contaminação dos solos e possivelmente das águas subterrâneas. Seria interessante então desenvolver polímeros superabsorventes mais biodegradáveis e com propriedades suficientemente boas para uma possível aplicação na agricultura, onde a elevada capacidade de absorção e de retenção de água são essenciais. Este trabalho teve portanto como principal objetivo desenvolver polímeros superabsorventes mais biodegradáveis recorrendo a compostos de origem natural, como o óleo de soja acrilatado e epoxidado (AESO) e os derivados da celulose, carboximetil celulose sal de sódio (CMCss) e hidroxipropil celulose (HPC). Numa primeira etapa recorreu-se ao AESO, a comonómeros, iniciadores e agentes reticulante e a condições de reação normalmente utilizados na síntese de polímeros superabsorventes. Foi possível perceber quais as melhores condições e os reagentes mais apropriados para obter hidrogéis com AESO na sua constituição. Os hidrogéis sintetizados mais promissores e interessantes foram posteriormente avaliados através do cálculo da capacidade máxima de absorção de água e foi possível concluir que esses hidrogéis apresentam uma capacidade de inchamento bastante baixa (3-49 g água/g de hidrogel seco). Na segunda etapa do trabalho foram realizadas duas fases. Uma primeira fase onde se reproduziu um polímero superabsorvente com boas propriedades de inchamento e posteriormente se fez modificações com o objetivo de obter polímero superabsorvente com propriedades melhoradas em relação ao polímero superabsorvente base. Dos vários polímeros superabsorventes sintetizados, o que apresentou melhor capacidade máxima de absorção de água foi o SAP5 com um inchamento máximo de 2700 g água/g hidrogel seco. O material foi caracterizado de forma exaustiva, sendo possível perceber que mesmo para pHs um pouco ácidos ou um pouco básicos eram atingidos elevados valores para a capacidade de inchamento. Também foi possível observar melhorias na retenção de água no solo provocadas pela presença do SAP5 e perceber a capacidade deste composto em carregar elevadas quantidade de ureia e posteriormente libertar este fertilizante de forma controlada para o meio envolvente. No entanto, também foi possível ter uma ideia da negativa influência da força iónica do meio nas propriedades de inchamento do SAP5. Por último foi realizada uma segunda fase onde se utilizou o conhecimento e a metodologia desenvolvida na fase anterior para sintetizar polímeros superabsorventes mais biodegradáveis recorrendo à carboximetil celulose sal de sódio e a hidroxipropil celulose como comonómeros. Esses derivados também foram funcionalizados para haver incorporação de grupos funcionais que ajudassem na síntese e melhorassem as propriedades dos possíveis polímeros superabsorventes obtidos. Através da análise FTIR foi possível confirmar o sucesso das funcionalizações realizadas. Apesar de terem sido realizadas várias tentativas não foi possível obter num polímero superabsorvente mais biodegradável. Isto pode ter ocorrido devido a várias razões, tais como a dificuldade de garantir a dissolução dos derivados da celulose em água durante a reação e para as temperaturas utilizadas.