CN104845640A - 具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集节水、调温、固沙功能为一体的多功能黏土基固沙材料，属于治沙固沙领域。本发明的固沙材料以黏土、生物质废弃物、动物骨头、动物粪便、珍珠岩、乳酸、氢氧化钾、磷酸、天然乳化剂、纤维素为原料，按一定的工艺制备而成。使用时用喷洒设备直接喷洒于沙漠表面即可，结皮厚度控制在5~10mm。实验表明，本发明产品集调温、节水、固沙于一体，而且原料均为天然产物，成本低廉，制备工艺简单，使用后不会对环境造成任何二次污染，对沙漠地区植被恢复重建具有积极地作用。

Description

具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料

技术领域

本发明涉及一种黏土基固沙材料，尤其涉及一种具有节水、调温、固沙功能的黏土基固沙材料，属于治沙固沙领域。

背景技术

土地沙漠化是一个世界性的生态环境问题。据联合国环境规划署(UNEP)统计，全球已经受到和预计会受到荒漠化影响的地区占全球土地面积的35%。我国是世界上荒漠化严重的国家之一。全国沙漠、戈壁和沙化土地普查及荒漠化调研结果表明，我国荒漠化土地面积为262.2万平方公里，占国土面积的27.4%，近4亿人口受到荒漠化的危害，每年因荒漠化危害造成的直接经济损失达1200亿元，生态，社会和经济均受到了严重的影响。

解决沙漠地区生态恢复重建问题，首要问题是解决沙粒的移动问题。在不同的地区，流沙区的治理措施不同，但主要有工程固沙、生物固沙、化学固沙3 种。对比实际效果发现，大部分工程固沙（如使用尼龙方格）和化学固沙（如使用水玻璃）是失败的，并会对沙区环境带来严重的二次污染。近年来，随着人们环保意识的提高，采用植物固沙为主、工程措施固沙（使用环境友好材料）为辅的固沙方法被大量推广。其次，恢复植被重建。植被的生存，离不开营养和水分，但流沙恰好提供不了这两类物质，因此，如何长久有效的为固沙植物提供营养和水分，是生态恢复建设的重要条件。另外，沙漠昼夜温差大，温度骤升骤降现象对沙区植物的存活也有重要的影响。所以，开发一种绿色环保的固沙剂显得尤为重要。

目前，固沙剂的研究较为广泛，报道最多的就是化学固沙剂，例如内交联型可生物降解水性聚氨酯固沙剂，淀粉接枝丙烯酸/醋酸乙烯酯固沙剂，高分子有机固沙剂，生物质废弃物与化学试剂结合制备的固沙剂，无机盐类固沙剂等。化学固沙剂的主要优点是制备方便，耐候性好，但其缺点也是致命的，大部分化学固沙剂在流沙表面喷洒后，造成沙生植物大面积死亡，雨水的通过性也不好，更重要的是一旦沙面被破坏后，留在沙漠中的化学固沙剂会对环境造成二次污染，很难降解清理。

在众多的固沙剂中，淀粉基固沙剂、生物质废弃物基固沙剂及黏土基固沙剂是完全环保可降解的，也可以给沙生植物提供生长的营养，但淀粉基固沙剂要用到大量的淀粉，会造成成本的提高，也对粮食的供应造成了潜在的危险。生物质废弃物及黏土基固沙剂从根本上可以解决这两个问题，是近年来固沙剂领域的研究热点。

中国专利（CN 102229804 A）中提到了一种黏土基固沙材料，该黏土基复合固沙材料以黏土、水玻璃、路易斯酸、有机高分子等为原料，按一定的比例混合，加水配制成一定浓度的溶液后，喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮；或先将黏土和沙子按一定的比例混合均匀，堆放成格子，再在其表面喷洒由水玻璃，路易斯酸、有机高分子和水配成的溶液，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮，制备成防沙固沙薪土格。该发明的缺点是原料中大量使用了水玻璃及有机高分子材料，这样的固沙剂对环境仍然会造成二次危害。中国专利（CN 103289017 A）以黏土为主要原料，接枝共聚丙烯酰胺类、生物胶得到的固沙剂，虽然该发明提到了保水保温的效果，但是大量使用聚丙烯酰胺提高了材料的成本，降低了材料的降解能力。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料。

一、黏土基固沙材料

本发明具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，是以黏土、生物质废弃物、动物骨头、动物粪便、珍珠岩、氢氧化钾、磷酸、乳酸、天然乳化剂、纤维素为原料制备而成。其具体原料配比和制备工艺如下：

原料配比：以重量份计

黏土60~85份，生物质废弃物15~8份，动物骨头5~2份，动物粪便5~1份，珍珠岩2~1份，乳酸3~1份，氢氧化钾3~0.3份，磷酸1~0.1，天然乳化剂1~0.6份，纤维素5~1份。

制备工艺：

（1）将生物质废弃物、动物粪便干燥，粉碎，过400目筛后混合，并用水配置成质量分数为55~80%的悬浮液；加入氢氧化钾后，在55~100℃下活化5~15h，再加入磷酸中和，得到活化的生物质废弃物和动物粪便悬浮液；

（2）将动物骨头粉碎、过400目筛后用水配置成质量分数为2~10%的悬浮液，并在35~100℃下活化2~5h，得到活化的动物骨头凝胶状固体；

（3）将活化的生物质废弃物和动物粪便悬浮液，活化的动物骨头凝胶状固体，黏土，珍珠岩粉末，乳酸，纤维素及天然乳化剂混合后高速搅拌（搅拌速度是800~1500r/min，时间是1~3h），然后加水配置成质量分数为10~30%的乳液，即得本发明的固沙材料。

其中黏土为黄土，红土，白土，黑土，坡缕石，蒙脱土，高岭土等；其粒径在200目以上。黏土的主要作用是形成黏土结皮的，并起到保温作用，同时为植物提供营养。

生物质废弃物采用植物秸秆（玉米秸秆，水稻秸秆，花生秸秆，小麦秸秆，马铃薯秸秆，高粱秸秆，谷物秸秆，向日葵秸秆，荞麦秸秆，锯末，树叶），马铃薯废渣等。生物质废弃物主要是增强黏土结皮抗压抗风蚀的作用，另外生物质废弃物可以是黏土结皮内部疏松，增加植物根部的透气性。

天然乳化剂可以是卵磷脂、羊毛脂、羊毛醇、羊毛酸、蜂蜡中的至少一种；天然乳化剂的作用是分散水溶液中的各组分，使各组分能够更加均匀的混合，并且使得固沙材料在运输使用过程中减少相分离。

所述珍珠岩的粒径在400~800目；珍珠岩主要是协同黏土，增加固沙材料的温度调控作用。

纤维素可以甲基纤维素，羟丙基甲基纤维素，羟乙基纤维素。纤维素在溶液状态时，起到润滑的作用，使得溶液的喷洒更为顺畅；在固沙材料结皮后，该材料在固体状态能够提高黏土结皮的抗风蚀能力。

动物骨头可以是任何动物的骨骼，其作用主要是发挥天然胶黏剂的作用，添加该物质后，结皮形成的时间能够大大缩短，从而使得固沙材料的效率。

动物粪便任何动物的粪便，其为植物提供天然营养元素的作用；另外该物质中含有大量的微生物，能够调控结皮的疏松程度，更利于植物的生长。结皮过于紧密，不利于植物的生长。

氢氧化钾主要是对生物质废弃物进行活化，使其能够更好的和其它组分相容，从而提高结皮的抗风蚀能力，并为植物引入生长必须的钾元素。

磷酸主要是中和氢氧化钾带来的碱性问题，并为植物引入生长必须的磷元素。

上述固沙材料的使用方法：使用喷洒设备直接喷洒于沙漠表面即可，结皮厚度控制在5~10mm。

二、固沙材料性能测试

选择了巴丹吉林和腾格里两大沙漠交界的地方，具体位置在甘肃省民勤县西渠镇煌辉村。该区域稀疏的存活着一些固沙植物梭梭及沙蒿，除此外几乎无其它植物存活。大风天气多发，且伴有高温，扬沙天气十分频繁，对植物固沙及环境修复极为不利。地貌特征为流动性中等，沙粒中几乎不含土壤成分，无法给植物供给营养。

1、温度调节能力测试

试验方法：在同一环境下选择两块100m²的试验地，在其中一块试验区喷洒5mm厚度的本发明制备的固沙剂产品，利用地表温度计测试不同沙漠深度的温度变化情况。

图1为试验区沙漠不同深度温度随时间变化曲线。 图1的结果显示，试验区在14:00时，沙漠温度最高，沙漠表面温度可以达到52℃，而20~25cm深处的沙漠温度变化不大。图2为 喷洒本发明固沙剂产品后对沙漠温度的影响（B为未喷洒本产品的温度变化，C为喷洒了本产品后沙漠的温度变化情况）。由图2可以看出，在沙漠表面喷撒本产品后，对沙漠表面的温度调节能力是非常明显的，这样就减少了沙漠表面高温对植物的炙烤，对植物的存活率有很大的提高。

2、节水能力测试

取100个600×200×5mm大小的不锈钢长方体容器（沙盘），该容器底部开有若干直径1mm的孔方便水渗出。将试验区的流沙放入该试验容器中（流沙放置量以恰好装满容器为宜），并使其饱和吸水，之后在任意的50个沙盘表面喷洒5mm厚的本发明产品（记录最初每隔沙盘的重量），之后每隔一段时间称量沙盘的重量，从而计算本发明固沙剂的节水能力（节水能力测试全部是在实验沙漠区域完成）。

测试结果：未喷洒本产品的沙盘在2小时后基本水分全部蒸发，失水率近100%；喷洒了本发明固沙剂的沙盘失水率不到20%；8小时后沙盘失水率不到30%；沙盘100%失水需要130小时。因此本发明固沙剂具有良好的节水能力，可为该区域植物保留更多的水资源。

3、固沙能力测试

采用对抗风蚀风洞试验测试进行测试。

试验一（刚喷洒后抗风蚀能力）：在尺寸为600×200×5mm不锈钢模型（沙盘）内，装满试验区流沙并将之摊平，将两种市售化学固沙剂1、2及本发明固沙剂喷洒在沙盘上，喷洒厚度为5mm，自然风干后，将模型固沙试样均置于实验段，并使之分别与风洞底部相平和与底部成30°角两种方式放置，在10 m/s，20m/s 的净风和饱和风沙流状态下进行吹蚀实验。测试结果件表1。

试验二（喷洒固沙剂后，在沙漠试验区放置60天后抗风蚀能力）：测试方法同试验一。测试结果件表2。

表1、2的结果表明，喷洒本发明制备的固沙剂后模型在不同风速下的吹蚀量远远小于市售固沙剂1、2，表明本发明制备的固沙剂具有很好的抗风蚀能力，因而具有良好的固沙能力及较好的持久固沙效果。

综上所述，本发明相对于对现有技术具有以下特点：

1、本发明产品集调温节水固沙于一体，对沙漠地区植被恢复重建具有积极地作用；

2、本发明固沙剂所有原料均为天然产物（不使用任何人工合成的化工原料），使用后不会对环境造成任何二次污染；

3、本发明将碱活化生物质废弃物后的产品变成了含有营养元素的物质，不仅避免了碱液的再处理，而且给固沙剂添加了一定的营养成分，更有助于植物的生长；

4、本发明原料来源广泛，制备工艺简单，成本低廉，极易推广应用。

附图说明

图1为试验区沙漠不同深度温度随时间变化曲线。

图2为喷洒本发明固沙剂产品后对沙漠温度的影响。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明固沙材料的制备及性能做进一步说明。

实施例1

原料配比：以重量份计

黏土60份，生物质废弃物15份，动物骨头5份，动物粪便5份，珍珠岩2份，乳酸3份，氢氧化钾3份，磷酸1份，卵磷脂1份，甲基纤维素5份；

制备工艺：

将粉碎的生物质废弃物和动物粪便混合后放置于在反应釜中，添加自来水，配置成质量分数为75%的悬浮液；加入氢氧化钾，在100℃下活化15h，然后加入磷酸进行中和，得到活化的生物质废弃物和动物粪便混合悬浮液；

将动物骨头粉碎、过400目筛，加入水中配置成10%的悬浮液，放入反应釜中，在100℃下活化2h，得活化的动物骨头悬浮液；

将活化的生物质废弃物和动物粪便悬浮液，活化动物骨头悬浮液，黏土，珍珠岩粉末（400~800目），乳酸，纤维素及天然乳化剂混合，高速（800r/min）搅拌1h时间，并加水配置成质量百分数20%的乳液。

实施例2

原料配比：以重量份计

黏土60份，生物质废弃物10份，动物骨头5份，动物粪便5份，珍珠岩2份，乳酸3份，氢氧化钾3份，磷酸1份，羊毛脂1份，羟丙基甲基纤维素5份；

制备工艺：

将粉碎的生物质废弃物和动物粪便混合后放置于在反应釜中，添加自来水，配置成质量分数为65%的悬浮液；加入氢氧化钾，在95℃下活化15h，然后加入磷酸进行中和，得到活化的生物质废弃物和动物粪便混合悬浮液；

将动物骨头粉碎、过400目筛，加入水中配置成5%的悬浮液，放入反应釜中，在55℃下活化5h，得活化的动物骨头悬浮液；

将活化的生物质废弃物和动物粪便悬浮液，活化动物骨头悬浮液，黏土，珍珠岩粉末，乳酸，纤维素及天然乳化剂混合，高速（1000r/min）搅拌2h时间，并加水配置成质量百分数15%的乳液。

实施例3

原料配比：以重量份计

黏土85份，生物质废弃物8份，动物骨头2份，动物粪便1份，珍珠岩1份，乳酸1份，氢氧化钾0.3份，磷酸0.1，羊毛醇0.6份，羟乙基纤维素1份；

制备工艺：

将粉碎的生物质废弃物和动物粪便混合后放置于在反应釜中，添加自来水，配置成质量分数为55%的悬浮液；加入氢氧化钾，在85℃下活化15h，然后加入磷酸进行中和，得到活化的生物质废弃物和动物粪便混合悬浮液；

将动物骨头粉碎、过400目筛，加入水中配置成8%的悬浮液，放入反应釜中，在65℃下活化5h，得活化的动物骨头悬浮液；

将活化的生物质废弃物和动物粪便悬浮液，活化动物骨头悬浮液，黏土，珍珠岩粉末，乳酸，纤维素及天然乳化剂混合，高速（800r/min）搅拌3h时间，并加水配置成质量百分数25%的乳液。

实施例4

原料配比：以重量份计

黏土75份，生物质废弃物10份，动物骨头3份，动物粪便3份，珍珠岩2份，乳酸2份，氢氧化钾1.5份，磷酸0.5，蜂蜡0.8份，甲基纤维素3份；

制备工艺：

将粉碎的生物质废弃物和动物粪便混合后放置于在反应釜中，添加自来水，配置成质量分数为55%的悬浮液；加入氢氧化钾，在55℃下活化15h，然后加入磷酸进行中和，得到活化的生物质废弃物和动物粪便混合悬浮液；

将动物骨头粉碎、过400目筛，加入水中配置成2%的悬浮液，放入反应釜中，在35℃下活化5h，得活化的动物骨头悬浮液；

将活化的生物质废弃物和动物粪便悬浮液，活化动物骨头悬浮液，黏土，珍珠岩粉末，乳酸，纤维素及天然乳化剂混合，高速（1500r/min）搅拌1h时间，并加水配置成质量百分数30%的乳液。

上述各实施例中，黏土为黄土，红土，白土，黑土，坡缕石，蒙脱土，高岭土等，生物质废弃物采用植物秸秆（玉米秸秆，水稻秸秆，花生秸秆，小麦秸秆，马铃薯秸秆，高粱秸秆，谷物秸秆，向日葵秸秆，荞麦秸秆，锯末，树叶），马铃薯废渣等。黏土和生物质废弃物可根据各地的具体资源就地选材。

Claims (9)

1.具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，是以黏土、生物质废弃物、动物骨头、动物粪便、珍珠岩、氢氧化钾、磷酸、乳酸、天然乳化剂、纤维素为原料制备而成。

2.如权利要求1所述具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，其特征在于：所述各原料按以下重量份配比：

黏土60~85份，生物质废弃物15~8份，动物骨头5~2份，动物粪便5~1份，珍珠岩2~1份，乳酸3~1份，氢氧化钾3~0.3份，磷酸1~0.1，天然乳化剂1~0.6份，纤维素5~1份。

3.如权利要求1所述具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，其特征在于：制备工艺包括以下步骤：

（1）将生物质废弃物、动物粪便干燥，粉碎，过400目筛后混合，并用水配置成质量分数为55~80%的悬浮液；加入氢氧化钾，在55~100℃下活化5~15h，再加入磷酸中和，得到活化的生物质废弃物和动物粪便悬浮液；

（2）将动物骨头粉碎、过400目筛后用水配置成质量分数为2~10%的悬浮液，并在35~100℃下活化2~5h，得到活化的动物骨头凝胶状固体；

（3）将活化的生物质废弃物和动物粪便悬浮液，活化的动物骨头凝胶状固体，黏土，珍珠岩粉末，乳酸，纤维素及天然乳化剂混合后高速搅拌，然后加水配置成质量分数为10~30%的乳液，即得本发明的固沙材料。

4.如权利要求1所述具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，其特征在于：所述黏土为黄土，红土，白土，黑土，坡缕石，蒙脱土，高岭土中的至少一种，粒径在200目以上。

5.如权利要求1所述具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，其特征在于：所述生物质废弃物为植物秸秆、马铃薯废渣、树叶、树皮、稻壳、花生壳、果壳。

6.如权利要求1所述具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，其特征在于：所述天然乳化剂为卵磷脂、羊毛脂、羊毛醇、羊毛酸、蜂蜡中的至少一种。

7.如权利要求1所述具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，其特征在于：所述纤维素甲基纤维素，羟丙基甲基纤维素，羟乙基纤维素。

8.如权利要求1所述具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，其特征在于：所述珍珠岩的粒径在400~800目。

9.如权利要求1所述具有节水调温固沙功能的黏土基固沙材料，其特征在于：所述高速搅拌速度是800~1500r/min，搅拌时间是1~3h。