合成煤鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

趙元鑫

（濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院能源與化學(xué)工程學(xué)院，河南 濮陽(yáng) 457000）

對(duì)常規(guī)能源的非常規(guī)應(yīng)用，是我國(guó)傳統(tǒng)能源行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的必要途徑[1-4]。我國(guó)是塑料地膜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用世界第一大國(guó)，達(dá)到了其他國(guó)家總和的1.6倍。當(dāng)前，塑料地膜的廣泛應(yīng)用，造成了以下嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境危害[5]:①降解能力差，造成白色污染；②破壞土壤物理性能，造成土壤板結(jié)、肥力下降，導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降；③鋪放效率低下，回收困難等。大分子聚合物的合成煤鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜的研究，將有助于解決日益嚴(yán)重的農(nóng)田白色污染問(wèn)題。

1 合成煤鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜

基于大分子聚合物的合成煤鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜是以富鏡質(zhì)組的高煤階煤作為原材料，制取得到的可降解液態(tài)地膜。它的本質(zhì)是將煤中鏡質(zhì)組改性為加溫、保苗、保墑的地膜使用，分解后又可以起到有機(jī)肥的作用，最終起到了多重功效。應(yīng)用此方法，以高煤階煤為原料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找最佳的交聯(lián)劑，改進(jìn)提取改性技術(shù)，使之造價(jià)降低、強(qiáng)度提高、完全降解，改變目前可降解等地膜交聯(lián)強(qiáng)度較低、力學(xué)性能不高、成膜性差、酸化土壤、降解不足的現(xiàn)狀。使其具有原料豐富、造價(jià)低廉、應(yīng)用方便、降解良好、保溫保墑、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，從而為根本解決農(nóng)業(yè)白色污染問(wèn)題提供一個(gè)切實(shí)可行的方案。

2 同類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，塑料地膜危害較多，破壞土壤的各種物理性能，導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降，破壞生態(tài)環(huán)境等。目前，同類(lèi)地膜主要包括生物可降解地膜、光降解型地膜等類(lèi)型。生物可降解地膜可以發(fā)生降解，但是加工困難。光降解型地膜只能在光照下可降解，被泥土遮擋的部分則因?yàn)椴荒芙佑|光照而無(wú)法進(jìn)行分解，且分解成為碎片后難以進(jìn)一步細(xì)化。故這種方法仍然保留了較嚴(yán)重的土壤污染問(wèn)題，無(wú)法從根本解決土壤的污染問(wèn)題，且其生產(chǎn)成本較高（光降解型地膜目前的生產(chǎn)成本高于塑料地膜），使光降解型地膜的推廣和應(yīng)用受到了很大影響，應(yīng)用較為局限。催然光或生物可降解地膜可以使地膜分解為小碎片，但無(wú)法進(jìn)行實(shí)質(zhì)上的降解。伴隨著時(shí)間的推移，這種塑料小碎片的不斷累積將產(chǎn)生較塑料薄膜更加嚴(yán)重的土壤污染，這樣的微小塑料更加難以清理，帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)面影響，影響土壤的結(jié)構(gòu)和肥力，其對(duì)土壤、農(nóng)業(yè)環(huán)境以及植物生長(zhǎng)的影響還有待進(jìn)一步研究。植物纖維地膜采用天然植物的纖維，例如闊葉樹(shù)木等許多天然原材料，但植物纖維地膜的應(yīng)用也存在一定缺陷，主要是大規(guī)模生產(chǎn)植物纖維地膜需要消耗植物纖維原料，且天然植物纖維的降解速度與作物的生長(zhǎng)周期之間存在一定的滯后性。腐殖酸可降解液態(tài)地膜，目前有一定程度應(yīng)用的近似同類(lèi)地膜。腐殖酸提取較為繁瑣，其僅僅在低階煤中存在，含量較少，分離提純代價(jià)較高。而土壤中含有較多的腐殖酸，可造成土壤酸化，腐殖酸中的腐殖酸膠體過(guò)多會(huì)造成土壤顆粒粘結(jié)成塊，導(dǎo)致土壤過(guò)砂、過(guò)黏。

3 合成煤鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)解析煤鏡質(zhì)組中官能團(tuán)類(lèi)型和數(shù)量，以此為反應(yīng)底物，來(lái)合成長(zhǎng)焰煤鏡質(zhì)組可降解地膜。通過(guò)干熱老化實(shí)驗(yàn)、田間降解實(shí)驗(yàn)，考察降解過(guò)程中各種官能團(tuán)的脫落順序，并以此來(lái)優(yōu)化降解過(guò)程，使降解時(shí)間顯著縮短。

當(dāng)前煤炭資源產(chǎn)能過(guò)剩，鏡質(zhì)組是煤中廣泛存在的顯微組分。分離提取較為容易，分離價(jià)格較為低廉，原料豐富、造價(jià)低廉。且鏡質(zhì)組降解為小分子碎片，其中含有豐富無(wú)機(jī)離子，可提高土壤肥力，改善作物生長(zhǎng)狀況。同時(shí)，地膜中加入除草劑等，一邊降解、一邊增肥除草。鏡質(zhì)組易于降解，有機(jī)官能團(tuán)可起到改良土壤的作用。相比于腐植酸地膜等，對(duì)土壤幾乎無(wú)污染，環(huán)境友好。

4 地膜的制備

高煤階煤層氣儲(chǔ)層組分以鏡質(zhì)組為主，可占組分總量的90%以上[7-8]。利用豐富的高煤階煤鏡質(zhì)組資源，是對(duì)傳統(tǒng)煤炭資源的創(chuàng)新利用。通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)手段，以科學(xué)認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)，選取環(huán)境更加友好的鏡質(zhì)組作為核心技術(shù)，縮短降解周期、降低成本。

煤鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜是以長(zhǎng)焰煤鏡質(zhì)組作為原材料。與常規(guī)地膜相比，具有降解周期短，保墑效果明顯，同時(shí)可以改善土壤肥力的作用。當(dāng)前煤炭資源產(chǎn)能過(guò)剩，由此而開(kāi)拓其顯微組分鏡質(zhì)組的應(yīng)用，可以以較為低廉的成本投入生產(chǎn)，具有明顯的效益優(yōu)勢(shì)。

5 發(fā)展價(jià)值

5.1 環(huán)境價(jià)值

我國(guó)農(nóng)林業(yè)傳統(tǒng)地膜多由聚氯乙烯等難降解物質(zhì)制成，對(duì)土壤造成污染和損害，且易造成出產(chǎn)糧食塑化劑含量高，給人們身體健康帶來(lái)危害。而鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜是利用長(zhǎng)焰煤以鏡質(zhì)組為原料，不僅能杜絕工農(nóng)業(yè)白色污染，而且可完全降解。具有改良土壤、即時(shí)造膜、保證出苗、地形環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、環(huán)境友好、增肥除草、成本低廉、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)。因煤炭資源產(chǎn)能過(guò)剩，從而原料成本低，同時(shí)分離提取難度小，更易投入生產(chǎn)。

5.2 產(chǎn)業(yè)價(jià)值

可降解液態(tài)地膜以煤炭為原料，在煤炭產(chǎn)能過(guò)剩的現(xiàn)在[1,4]，可以協(xié)助解決劣質(zhì)煤應(yīng)用等問(wèn)題，可以在保持農(nóng)田質(zhì)量的同時(shí)，提高土壤肥力，增加農(nóng)業(yè)效益；其覆蓋具有地形適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用潛力好。

5.3 科學(xué)價(jià)值

合成煤鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜是基于科學(xué)研究成果對(duì)液態(tài)地膜的改進(jìn)，其研究、科學(xué)機(jī)理、生產(chǎn)應(yīng)用、應(yīng)用效果、技術(shù)再改進(jìn)等，均具有科學(xué)意義和科學(xué)價(jià)值。

5.4 社會(huì)價(jià)值

鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜將逐漸取代傳統(tǒng)的聚氯乙烯地膜，并淘汰現(xiàn)存的腐殖酸液態(tài)地膜。隨著時(shí)代科技發(fā)展，鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜將作為新的地膜中堅(jiān)力量促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，同時(shí)不斷融入新的技術(shù)和改良辦法，使其成本更低、效率更高、廢物利用率接近百分之百、創(chuàng)收更快。在不斷發(fā)展的同時(shí)，逐漸打入國(guó)際市場(chǎng)，提高全球糧食產(chǎn)量，改善全球生存環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更高的社會(huì)價(jià)值。

6 面臨的挑戰(zhàn)

6.1 優(yōu)化降解過(guò)程，縮短降解時(shí)間

在煤微觀組構(gòu)與大分子結(jié)構(gòu)解析研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)解析煤鏡質(zhì)組中官能團(tuán)類(lèi)型和數(shù)量，以此為反應(yīng)底物來(lái)合成長(zhǎng)焰煤鏡質(zhì)組可降解地膜，通過(guò)干熱老化實(shí)驗(yàn)，田間降解實(shí)驗(yàn)來(lái)考察降解過(guò)程中各種官能團(tuán)的脫落順序并以此來(lái)優(yōu)化降解過(guò)程，縮短降解時(shí)間。

6.2 改性與優(yōu)化性能

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)討論不同溫度、濕度等條件對(duì)于腐殖酸降解性能的影響，測(cè)其抗張強(qiáng)度，結(jié)合不同增塑劑、不同甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同增強(qiáng)劑對(duì)可降解液態(tài)地膜的影響實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化地膜性能。

6.3 保證環(huán)境友好、功能多樣

將原料更改為降解不產(chǎn)生酸化現(xiàn)象的鏡質(zhì)組，保證降解不會(huì)污染土壤；系統(tǒng)研究降解過(guò)程，保證降解周期符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征，同時(shí)提高土壤肥力；原料中加入除草劑等，實(shí)現(xiàn)功能多樣化，還可以增肥、除草，增加農(nóng)業(yè)效益，帶來(lái)一場(chǎng)農(nóng)業(yè)上的新“革命”。

7 結(jié)語(yǔ)

鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜可適用于多種不同環(huán)境，除常規(guī)環(huán)境外，還適用于寒冷、干燥、丘陵等特殊地區(qū)的農(nóng)作物前期地膜鋪蓋和荒漠、鹽堿地等的整治，以及作為工程的輔助手段加以應(yīng)用，如應(yīng)用于工程護(hù)坡、綠化固沙等許多領(lǐng)域。發(fā)展基于大分子聚合物的合成煤鏡質(zhì)組可降解液態(tài)地膜，其優(yōu)勢(shì)在于充分利用當(dāng)前產(chǎn)能過(guò)剩的煤炭資源，來(lái)生產(chǎn)可降解液態(tài)地膜，縮短降解時(shí)間，同時(shí)鏡質(zhì)組有機(jī)官能團(tuán)可起到改良土壤的作用，對(duì)土壤污染極小，是一種環(huán)境友好、科技創(chuàng)新的新型技術(shù)成果。