Polyvinyl alcohol (PVA) 應用於環境復育之初期評估swcdis.nchu.edu.tw/AllDataPos/AdvancePos/8096042004/Polyvinyl... · Haenel 共同合成得到的水溶性高分子

1

Polyvinyl alcohol (PVA) 應用於環境復育之初期評估

Polyvinyl alcohol (PVA) 應用於環境復育之初期評估

報告學生：江孟玲896420042011/03/18

報告學生：江孟玲896420042011/03/18

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研究動機(Statement of the problem)前人研究(Literature review)1.物理化學性質2.生物性質3.農業應用材料與方法(Materials and Methods)結果與討論(Results and Discussion)

報告大綱報告大綱

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研究動機(Statement of the problem)

研究動機(Statement of the problem)

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生物高分子聚合物(Biopolymer)生物高分子聚合物(Biopolymer)§ 1. New生物高分子聚合物，爲生物可分解材料(Biodegradable Materials)，已成爲許多產業未來研發的趨勢。

§ 2. Safe以天然的生物材料爲基質，如：微生物、植物與動物等。生物可分解材料於使用後，可用堆肥的方式回歸於大自然

§ 3.Has been used除了已經應用在食品科學、化妝品、生物醫學、材料，許多關於環境汙染的新研究。

§ 4.Improve soil and water Conservation 應用於水土保持、環境復育

§ 1. New生物高分子聚合物，爲生物可分解材料(Biodegradable Materials)，已成爲許多產業未來研發的趨勢。

§ 2. Safe以天然的生物材料爲基質，如：微生物、植物與動物等。生物可分解材料於使用後，可用堆肥的方式回歸於大自然

§ 3.Has been used除了已經應用在食品科學、化妝品、生物醫學、材料，許多關於環境汙染的新研究。

§ 4.Improve soil and water Conservation 應用於水土保持、環境復育

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5

聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol)聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol)§ 在西元1924年由德國的科學家Dr. Hermann與Dr. Haenel共同合成得到的水溶性高分子化合物。

§ PVA是一個無毒、高結晶性及可溶於水的高分子聚合物，具有很好的薄膜性與親水性. (PVA is a nontoxic, highly crystalline, and water-soluble polymer and has good film-forming and high hydrophilic properties.)。

§ 在西元1924年由德國的科學家Dr. Hermann與Dr. Haenel共同合成得到的水溶性高分子化合物。

§ PVA是一個無毒、高結晶性及可溶於水的高分子聚合物，具有很好的薄膜性與親水性. (PVA is a nontoxic, highly crystalline, and water-soluble polymer and has good film-forming and high hydrophilic properties.)。



6

§ PVA從1930年代就開使廣泛運用在商業、醫藥和食品，包括作為樹脂、塗料、外科手術用品與食品添加劑。(PVA are used since the early 1930s in a wide range of industrial, commercial, medical and food applications including resins, lacquers, surgical threads and food-contact applications.)

§ PVA從1930年代就開使廣泛運用在商業、醫藥和食品，包括作為樹脂、塗料、外科手術用品與食品添加劑。(PVA are used since the early 1930s in a wide range of industrial, commercial, medical and food applications including resins, lacquers, surgical threads and food-contact applications.)



7

§ 現在，PVA的主要用途在紡織工業上作為塗膠和完工試劑。PVA也可結合水溶性纖維成為可自然降解的衣物、醫院使用的袋子、抹布、海綿、被單、遮蓋物等生理衛生產品。 (Now, the majority of PVA is used in the textile industries as a sizing and finishing agent. PVA can also be incorporated into a water-soluble fabric in the manufacture of degradable protective apparel, laundry bags for hospitals, rags,sponges, sheets, covers, as well as physiological hygiene products.)

§ 現在，PVA的主要用途在紡織工業上作為塗膠和完工試劑。PVA也可結合水溶性纖維成為可自然降解的衣物、醫院使用的袋子、抹布、海綿、被單、遮蓋物等生理衛生產品。 (Now, the majority of PVA is used in the textile industries as a sizing and finishing agent. PVA can also be incorporated into a water-soluble fabric in the manufacture of degradable protective apparel, laundry bags for hospitals, rags,sponges, sheets, covers, as well as physiological hygiene products.)



8

§ 以PVA改性的水溶性纖維之可水溶性，及在活性污泥中的生物降解性，符合人們日益關注的環境保護要求。

§ 因此近20年日本對水溶性PVA纖維的開發應用處於世界領先。

§ 以PVA改性的水溶性纖維之可水溶性，及在活性污泥中的生物降解性，符合人們日益關注的環境保護要求。

§ 因此近20年日本對水溶性PVA纖維的開發應用處於世界領先。



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前人研究(Literature review)前人研究(Literature review)



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物理化學性質物理化學性質

§ Structure§ Structure

partially hydrolyzed Fully hydrolyzed

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§ 1. 外觀：白色到微黃色，顆粒（或粉狀）。§ 2. 比重：1.26~1.31 。§ 3. 水溶性：能溶解於水。隨著水溫的提高和濃度的降低其水溶性就相對的提高。能溶解於含有羥基的極性溶液（如甘油、乙二醇、醋酸、乙醛、苯酚）中，但易於凝膠；而不溶於一般非極性有機溶劑，亦不溶解於無機酸中，如硫酸、鹽酸等溶液。水是聚乙烯醇的最好溶劑。

§ 1. 外觀：白色到微黃色，顆粒（或粉狀）。§ 2. 比重：1.26~1.31 。§ 3. 水溶性：能溶解於水。隨著水溫的提高和濃度的降低其水溶性就相對的提高。能溶解於含有羥基的極性溶液（如甘油、乙二醇、醋酸、乙醛、苯酚）中，但易於凝膠；而不溶於一般非極性有機溶劑，亦不溶解於無機酸中，如硫酸、鹽酸等溶液。水是聚乙烯醇的最好溶劑。



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§ 4. 水溶液溶解度：與水解度和聚合度有關。水解度在88％左右的PVA，水溶性最好，過高過低的水解度，其水溶性反而變差。

普通PVA具有較高的聚合度和水解度，在碳主鏈上含有大量羥基(OH)，分子間和分子內形成大量氫鍵，物理交聯點多，密度高，導致PVA纖維結晶度高，不利於水分子的滲入。若提高水溶性必須減弱大分子間的親和力，其一般方法有兩種：降低羥基含量；增加羥基間的距離。

§ 4. 水溶液溶解度：與水解度和聚合度有關。水解度在88％左右的PVA，水溶性最好，過高過低的水解度，其水溶性反而變差。

普通PVA具有較高的聚合度和水解度，在碳主鏈上含有大量羥基(OH)，分子間和分子內形成大量氫鍵，物理交聯點多，密度高，導致PVA纖維結晶度高，不利於水分子的滲入。若提高水溶性必須減弱大分子間的親和力，其一般方法有兩種：降低羥基含量；增加羥基間的距離。

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§ PVA隨著DP (聚合度)的增加，纖維疏水性增加，水溶溫度相應提高。 (PVA的DP與其水溶性關係如右圖)。

§ PVA隨著DP (聚合度)的增加，纖維疏水性增加，水溶溫度相應提高。 (PVA的DP與其水溶性關係如右圖)。



14

§ 5.黏度：完全水解級的聚乙烯醇的溶液黏度隨著時間增長而提高，而部分水解級則較穩定。

在一定溫度條件下，黏度和濃度的關係成正比。

在一定濃度條件下，黏度和溫度成反比，在一般情況下。

他們之間往往是可逆的。

§ 5.黏度：完全水解級的聚乙烯醇的溶液黏度隨著時間增長而提高，而部分水解級則較穩定。

在一定溫度條件下，黏度和濃度的關係成正比。

在一定濃度條件下，黏度和溫度成反比，在一般情況下。

他們之間往往是可逆的。



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§ 6. 耐化學性：在常溫下，溶液的pH 值在7.5 左右，黏度很穩定；在弱酸弱鹼中，黏度也較穩定，但長時間加熱至80〜100℃以上，則出現析出現象，在強酸如濃硫酸中則被水解。

§ 7. 耐熱性：受熱軟化，加熱至130〜140℃時性質幾乎不變，唯色澤變黃。在160℃下長期加熱，顏色變深，200℃時分子間脫水，使水溶性降低。200℃以上分子內脫水；在250℃左右熔融；接近300℃分解成水、醋酸、乙醛、巴豆醛。

§ 6. 耐化學性：在常溫下，溶液的pH 值在7.5 左右，黏度很穩定；在弱酸弱鹼中，黏度也較穩定，但長時間加熱至80〜100℃以上，則出現析出現象，在強酸如濃硫酸中則被水解。

§ 7. 耐熱性：受熱軟化，加熱至130〜140℃時性質幾乎不變，唯色澤變黃。在160℃下長期加熱，顏色變深，200℃時分子間脫水，使水溶性降低。200℃以上分子內脫水；在250℃左右熔融；接近300℃分解成水、醋酸、乙醛、巴豆醛。



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§ 8.解聚分解：聚乙烯醇能為過氧化物（如過氧化氫、過硫酸銨、過磷酸銨等）、UV解聚分解。

§ 8.解聚分解：聚乙烯醇能為過氧化物（如過氧化氫、過硫酸銨、過磷酸銨等）、UV解聚分解。



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生物性質：Toxicity生物性質：Toxicity

§ Acute toxicity (急性毒性 )： PVA的急性毒性值非常的低，LD50s在 15–20 g/kg之間。

§ Repeated dosing (subacute) toxicity (亞急性毒性 )：口服餵食的實驗時,PVA在腸胃道的吸收非常少，不會累積在生物體內.

§ Subchronic toxicity (亞慢毒性 ) ： NOAELs (無有害作用值)為5000 mg/kg 體重/天,連續餵食 90天,此為實驗的最大餵食量。

§ Carcinogenicity (致癌性 )：無PVA致癌性的研究報告§ Genotoxicity (基因毒性 )： PVA不會造成基因致變劑或染色體毀損

§ Acute toxicity (急性毒性 )： PVA的急性毒性值非常的低，LD50s在 15–20 g/kg之間。

§ Repeated dosing (subacute) toxicity (亞急性毒性 )：口服餵食的實驗時,PVA在腸胃道的吸收非常少，不會累積在生物體內.

§ Subchronic toxicity (亞慢毒性 ) ： NOAELs (無有害作用值)為5000 mg/kg 體重/天,連續餵食 90天,此為實驗的最大餵食量。

§ Carcinogenicity (致癌性 )：無PVA致癌性的研究報告§ Genotoxicity (基因毒性 )： PVA不會造成基因致變劑或染色體毀損



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農業應用農業應用

§ 可做土壤保水劑和改良劑，無土栽培等。

例如作為Chemical soil conditioners，低濃度的PVA即可增加團粒的穩定度，並預防結塊的產生. (Low concentrations of PVA improve aggregate stability and also prevent crust formation.)

§ 可做土壤保水劑和改良劑，無土栽培等。

例如作為Chemical soil conditioners，低濃度的PVA即可增加團粒的穩定度，並預防結塊的產生. (Low concentrations of PVA improve aggregate stability and also prevent crust formation.)



19

§ 土壤分散率是指土壤在水的浸泡下懸浮分散難易的指標。

§ 取土壤懸濁液1000mL，震盪20次，再測定其分散的粉砂與黏粒含量並與機械分析所得粉砂與黏粒含量相比，所得的百分數即為分散率。

§ F＝(m＋n) / (M＋N) × 100％§ 分散率越大，土壤越易流失。§ 米德爾頓1930年測定，分散率5.2％-15％時是耐蝕性土壤；分散率15％-66％時屬易蝕土壤，大陸黃土地區的分散率為23％-60％，屬於易蝕性土壤。

§ 土壤分散率是指土壤在水的浸泡下懸浮分散難易的指標。

§ 取土壤懸濁液1000mL，震盪20次，再測定其分散的粉砂與黏粒含量並與機械分析所得粉砂與黏粒含量相比，所得的百分數即為分散率。

§ F＝(m＋n) / (M＋N) × 100％§ 分散率越大，土壤越易流失。§ 米德爾頓1930年測定，分散率5.2％-15％時是耐蝕性土壤；分散率15％-66％時屬易蝕土壤，大陸黃土地區的分散率為23％-60％，屬於易蝕性土壤。



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PVA對土壤分散率的影響PVA對土壤分散率的影響

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21

材料與方法(Materials and Methods)

材料與方法(Materials and Methods)



22

§ PVA因在製作過程中水解程度的不同而形成性質的差異，在國際市場上，PVA 的商品品種就有100 餘種，其中主要的差別是聚合度和水解度。

§ 例如日本合成化學工業公司的PVA 就有§ N 型(完全水解Fully Hydrolyzed)、§ K 型(部分水解Partially Hydrolyzed)和H 型(聚合度大於1500)、

§ M 型(聚合度1000-1500)及§ L 型(聚合度1000 以下)等幾個等級的水解度和聚合度產品。

§ PVA因在製作過程中水解程度的不同而形成性質的差異，在國際市場上，PVA 的商品品種就有100 餘種，其中主要的差別是聚合度和水解度。

§ 例如日本合成化學工業公司的PVA 就有§ N 型(完全水解Fully Hydrolyzed)、§ K 型(部分水解Partially Hydrolyzed)和H 型(聚合度大於1500)、

§ M 型(聚合度1000-1500)及§ L 型(聚合度1000 以下)等幾個等級的水解度和聚合度產品。



23

§ 在我國，長春化工是惟一生產PVA的廠商。

§ 其所生產的PVA分為§ Fully Hydrolyzed的編號為BF§ Partially Hydrolyzed的編號為BP§ Sub- Partially Hydrolyzed的編號為BC§ Fine Particle Grades, S-grades的編號為BP--S

§ 在我國，長春化工是惟一生產PVA的廠商。

§ 其所生產的PVA分為§ Fully Hydrolyzed的編號為BF§ Partially Hydrolyzed的編號為BP§ Sub- Partially Hydrolyzed的編號為BC§ Fine Particle Grades, S-grades的編號為BP--S



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§ PVA§ 水解度：87-90％§ 聚合度：以分子量表示30000-70000

§ 熔點：200℃§ 比重：1.269§ 產地：USA§ 價格：2000元/250克

§ PVA§ 水解度：87-90％§ 聚合度：以分子量表示30000-70000

§ 熔點：200℃§ 比重：1.269§ 產地：USA§ 價格：2000元/250克



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MaterialsMaterials

00100000

0.501000.50110.551000.5510

0.541000.549

0.531000.538

0.521000.527

0.511000.516

05100055

04100044

03100033

02100022

01100011

三仙膠％PVA％水溶液三仙膠PVAA

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26

§ 土樣：濁水溪河口，自然風乾。

§ 面積：300cm2

深度：10cm

§ 發芽試驗：百喜草種子

§ 土樣：濁水溪河口，自然風乾。

§ 面積：300cm2

深度：10cm

§ 發芽試驗：百喜草種子

參考



27

MethodsMethods§ 1. 以100mL的試藥均勻澆淋處理(A0-A11)§ 2. 測量土樣處理前後的pH值§ 3. 土樣處理滲入深度。§ 4.發芽試驗：發芽百分率(G%)G = 100 × N / SS：供試種子總數， N：發芽種子總數。

§ 5.入滲時間測量：1cm高度滴入0.05克去離子水，測量水滴完全入滲所需時間。

§ 1. 以100mL的試藥均勻澆淋處理(A0-A11)§ 2. 測量土樣處理前後的pH值§ 3. 土樣處理滲入深度。§ 4.發芽試驗：發芽百分率(G%)G = 100 × N / SS：供試種子總數， N：發芽種子總數。

§ 5.入滲時間測量：1cm高度滴入0.05克去離子水，測量水滴完全入滲所需時間。



28

結果與討論(Results and Discussion)

結果與討論(Results and Discussion)



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處理前後pH值之變化處理前後pH值之變化

7.137.067.087.087.107.117.057.067.077.077.097.15

pH

0.990.730.870.880.920.980.750.880.921.111.121.31

滲入深度cm

000

0.50110.5510

0.549

0.538

0.527

0.516

055

044

033

022

011

三仙膠％

PVA％A § 1.以PVA處理過的土壤，pH稍有降低，但是影響不大。

§ 2.以PVA和三仙膠混合處理的土壤，pH值的改變更小。

§ 3.濃度增加使處理劑滲入深度降低。

§ 1.以PVA處理過的土壤，pH稍有降低，但是影響不大。

§ 2.以PVA和三仙膠混合處理的土壤，pH值的改變更小。

§ 3.濃度增加使處理劑滲入深度降低。

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30

1.發芽率隨著PVA的濃度增加而減低。這可能是因為高濃度的PVA反而膠結種子，造成不易發芽。2.低濃度的PVA(A1)最後的發芽率比未處理土壤(A0)的發芽率好。這可能是因為土壤水分逐漸蒸發所造成，低濃度的PVA能提供保水的功能

1.發芽率隨著PVA的濃度增加而減低。這可能是因為高濃度的PVA反而膠結種子，造成不易發芽。2.低濃度的PVA(A1)最後的發芽率比未處理土壤(A0)的發芽率好。這可能是因為土壤水分逐漸蒸發所造成，低濃度的PVA能提供保水的功能

0

2

4

6

8

10

12

14

16

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1 2 3 5 7 9 10 12

A0

A1

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A0

累積發芽率

A3A4A5

A2

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3.只以三仙膠處理的土樣，其發芽率最高，這可能是因為三仙膠分解後成為養分有關。

3.只以三仙膠處理的土樣，其發芽率最高，這可能是因為三仙膠分解後成為養分有關。

0

5

10

15

20

25

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1 2 3 5 7 9 10 12

A6

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0

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A6

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A11

A6

A11

A7A8 A9A10

累積發芽率



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4. 1％PVA的A1和A6，在初期時的發芽率A6較低，可能是因為A6有添加三仙膠，膠結黏稠使種子不易發芽，隨著三仙膠的分解，發芽率提升。

4. 1％PVA的A1和A6，在初期時的發芽率A6較低，可能是因為A6有添加三仙膠，膠結黏稠使種子不易發芽，隨著三仙膠的分解，發芽率提升。

0

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累積發芽率



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低濃度PVA處理的土壤試樣，不影響水滴的滲入。代表低濃度的PVA處理的土壤不影響降雨時雨水的入滲。低濃度PVA處理的土壤試樣，不影響水滴的滲入。代表低濃度的PVA處理的土壤不影響降雨時雨水的入滲。

0

5

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0 1 2 3 4 5

PVA濃度%

入滲時間

(min

)

0%

0.50%

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34

結語結語

§ 聚乙烯醇(Polyviny alcohol，PVA)是一種被廣泛使用的的高分子，具有易成膜、高親水性(hydrophilic)、良好的化學穩定性及熱穩定性、在不同的pH 值及一些有機溶劑中也有很好的穩定性，此外還具有生物可相容性(biocompatible)、無毒等諸多優點。

§ 除了上述的工業和農業及一般的用途之外，聚乙烯醇薄膜在精密工業及醫藥工業上都有十分廣泛的應用：在精密工業上，主要用來進行微過濾(microfiltration)或超過濾，例如:生化產業利用PVA 膜來分離細胞、微生物及蛋白質;電子產業利用PVA膜來濾除水及空氣中的微粒;在醫藥工業方面，PVA 孔洞膜常用來於血液透析、藥物控制與釋放及血液分離等用途，近年來也被用於包覆或培養細胞，進行人工器官及組織工程的研究。

§ 聚乙烯醇(Polyviny alcohol，PVA)是一種被廣泛使用的的高分子，具有易成膜、高親水性(hydrophilic)、良好的化學穩定性及熱穩定性、在不同的pH 值及一些有機溶劑中也有很好的穩定性，此外還具有生物可相容性(biocompatible)、無毒等諸多優點。

§ 除了上述的工業和農業及一般的用途之外，聚乙烯醇薄膜在精密工業及醫藥工業上都有十分廣泛的應用：在精密工業上，主要用來進行微過濾(microfiltration)或超過濾，例如:生化產業利用PVA 膜來分離細胞、微生物及蛋白質;電子產業利用PVA膜來濾除水及空氣中的微粒;在醫藥工業方面，PVA 孔洞膜常用來於血液透析、藥物控制與釋放及血液分離等用途，近年來也被用於包覆或培養細胞，進行人工器官及組織工程的研究。



35

§ 在精密工業及醫藥工業上的PVA要求極高的純度，但在一般農業與環境復育上的需求量高，因此必須尋求低價位工業用的PVA。

§ 在精密工業及醫藥工業上的PVA要求極高的純度，但在一般農業與環境復育上的需求量高，因此必須尋求低價位工業用的PVA。



36

§ 美國工業用PVA規格中粉狀型Celvol 203s 或205s的聚合度，確認能於冷水中溶解，符合所需，但代理商亞中實業

已經停止進口。

§ 美國工業用PVA規格中粉狀型Celvol 203s 或205s的聚合度，確認能於冷水中溶解，符合所需，但代理商亞中實業

已經停止進口。



37

§ 目前長春石化是台灣唯一生產廠商，年產能12萬。§ 其產品規格中的BP-03s規格與Celvol 203s相同； BP-05s規格與Celvol 205s。§ 目前已與經銷商訂購 Celvol 203s ：其價位為1995元/20公斤。(含稅)

§ 目前長春石化是台灣唯一生產廠商，年產能12萬。§ 其產品規格中的BP-03s規格與Celvol 203s相同； BP-05s規格與Celvol 205s。§ 目前已與經銷商訂購 Celvol 203s ：其價位為1995元/20公斤。(含稅)

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38

§ 部分物理化學性質重新測量。

§ 掃描式電子顯微鏡。

§ 紅外線光譜掃描。

§ 風洞試驗。

§ 以協助揚塵處理為目的，進行現地施作處理的試驗。

§ 部分物理化學性質重新測量。

§ 掃描式電子顯微鏡。

§ 紅外線光譜掃描。

§ 風洞試驗。

§ 以協助揚塵處理為目的，進行現地施作處理的試驗。



39

敬請指教敬請指教



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0.96％15.70％

19.44％

64.86％

有機質％clayslitsand返回



43

有機物對土壤分散率的影響有機物對土壤分散率的影響



44

CaCO3對土壤分散率的影響CaCO3對土壤分散率的影響

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