化學(xué)固沙材料概述

韓章勇

摘 要：土地荒漠化、沙化，是當(dāng)前較為嚴(yán)重的生態(tài)問題，化學(xué)固沙是一種治理措施。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，新領(lǐng)域和新技術(shù)出現(xiàn)，固沙材料隨之得到發(fā)展。擬對現(xiàn)階段化學(xué)固沙材料的研究進(jìn)行介紹，以期加強(qiáng)對化學(xué)治沙的認(rèn)知，促進(jìn)化學(xué)治沙方法及固沙材料的應(yīng)用與推廣。

關(guān)鍵詞：荒漠化防治；沙害；化學(xué)固沙；固沙材料

荒漠化是一個全球問題，影響著世界生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方方面面。據(jù)相關(guān)報(bào)道，全球荒漠化土地已達(dá)4 000萬km2，占整個地球陸地面積的1/4，全世界受荒漠化影響的國家有100多個，全球現(xiàn)有12億多人受荒漠化的直接威脅[1]。我國是世界上荒漠化、沙化面積最大的國家，第五次全國荒漠化和沙化土地監(jiān)測結(jié)果顯示，截至2014年，我國荒漠化土地面積為261.16萬km2，沙化土地面積為172.12萬km2，分別占國土總面積的27.20%和17.93%[2]。土地荒漠化、沙化絕不僅是生態(tài)問題，加強(qiáng)、加速防沙、治沙，改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，更是民生問題。

傳統(tǒng)的沙害防治技術(shù)措施分為工程、化學(xué)和生物3方面。其中，化學(xué)固沙是指用化學(xué)材料固結(jié)沙層表面，防止風(fēng)力吹蝕，同時，保持沙層的水分，改良沙地土壤性質(zhì)，從而達(dá)到控制和改善沙害產(chǎn)生環(huán)境，提高沙地生產(chǎn)力的方法措施[3]?；瘜W(xué)固沙作為一種治標(biāo)措施，主要用于干旱少雨、植物治沙與地下水開發(fā)困難的地區(qū)，特別是沙害嚴(yán)重的交通、工礦與軍事要地等[4]。其施工便于機(jī)械化操作，簡單快速，固沙效果立竿見影，亦可作為其他治沙措施的輔助、過渡和補(bǔ)充。

化學(xué)固沙是一種極有前途的方法[4]，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，新領(lǐng)域和新技術(shù)出現(xiàn)，固沙材料也隨之得到發(fā)展。本研究擬對現(xiàn)階段化學(xué)固沙材料的研究進(jìn)行介紹，以期加強(qiáng)對化學(xué)治沙的認(rèn)知，促進(jìn)化學(xué)治沙方法的應(yīng)用與推廣。

1 化學(xué)固沙基本原理

化學(xué)固沙將稀釋的、具有一定膠結(jié)性能的化學(xué)物質(zhì)噴灑于松散的流沙地表，水分迅速滲入到沙層以下，滯留于沙層、具有一定厚度（1～5 mm）的化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)將沙顆粒膠結(jié)形成一層保護(hù)殼，以此阻斷氣流與松散沙面的直接接觸，從而將流沙就地固定，達(dá)到控制流沙和改善沙害環(huán)境的目的。固結(jié)層一般分為剛性殼層、柔性軟結(jié)層和彈性粘結(jié)層，均系光滑表面，既可防止風(fēng)沙流對原地表沙粒的吹蝕，又可形成輸沙面，使過境沙粒不易堆積[5]。

沙面固結(jié)層的形成包括將化學(xué)固沙材料（固沙劑）施加在被固結(jié)沙面和使其形成固態(tài)的、連續(xù)的固結(jié)層兩個過程?；瘜W(xué)材料的固化作用過程主要有兩種，即物理固化和化學(xué)固化。物理固化主要是隨溶劑水的揮發(fā)，固沙劑高分子的分子鏈或聚合物乳膠粒自身之間或與噴灑面沙物質(zhì)之間依靠分子間作用力或氫鍵連接膠結(jié)而固化，固結(jié)層是將離散沙粒包裹而形成的、有一定強(qiáng)度和韌性的連續(xù)體?；瘜W(xué)固化則是指將固沙劑噴灑于沙面后，固沙劑自身組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而交聯(lián)或與沙面沙物質(zhì)、空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而固結(jié)?；瘜W(xué)固化機(jī)理的固沙劑在使用時，往往伴隨著物理固化過程[6]。

2 化學(xué)固沙材料研究概況

化學(xué)固沙的應(yīng)用始于生產(chǎn)實(shí)踐，隨著干旱、半干旱地區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、交通、居民點(diǎn)以及軍事基地的發(fā)展與建設(shè)和石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生、發(fā)展起來[7]。20世紀(jì)30年代，前蘇聯(lián)開始采用化學(xué)方法進(jìn)行固沙試驗(yàn)，并先后進(jìn)行瀝青乳化劑、聚丙烯酰胺、涅羅森（頁巖煉油副產(chǎn)物）等材料的實(shí)驗(yàn)；美國在20世紀(jì)40年代末開始用化學(xué)方法固沙，首次使用一種稱作科赫雷克斯的石油副產(chǎn)品乳化劑，后來又研制出了尿素-甲醛、尿素-雙氰胺和聚丙烯酰胺等進(jìn)行固沙；英國于20世紀(jì)60年代在澳大利亞使用瀝青乳化劑固沙以配合植樹造林，后來又成功使用石油和橡膠乳進(jìn)行海岸沙丘的防治。20世紀(jì)60年代以后，印度、東德、法國、伊朗、阿爾及利亞、伊拉克等國都曾使用石油及石油副產(chǎn)品進(jìn)行固沙試驗(yàn)，并取得了一定成果。1956年，我國開始進(jìn)行化學(xué)固沙試驗(yàn)研究工作，從20世紀(jì)60年代起對瀝青乳化液固沙進(jìn)行了綜合性研究，取得了一定成效。目前，世界上已有40多個國家研制出100多種化學(xué)制劑，用于不同目的的沙害防治，都取得了良好效果。

化學(xué)固沙材料種類繁多，分類方法也有差異，不同學(xué)者根據(jù)材料的原料、性能等方面對化學(xué)固沙材料進(jìn)行分類。陳廣庭[3]按原料來源將其分為天然材料、人工配制材料和合成材料這3類；按原料性質(zhì)分為無機(jī)膠凝材料（水硬性膠凝材料與氣硬性膠凝材料）與有機(jī)膠凝材料兩大類；按成分分為硅酸鹽類、硅鋁酸鹽類、木質(zhì)素類、石油餾分類、樹脂類、橡膠乳類及植物油類7類；按形成保護(hù)層性質(zhì)分為剛性結(jié)構(gòu)、塑性結(jié)構(gòu)和彈性結(jié)構(gòu)3類；按與水作用性能分為親水性和疏水性兩類。嚴(yán)亮等[8]從化學(xué)材料制備及使用過程與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性能出發(fā)，將固沙材料分為對工農(nóng)林業(yè)副產(chǎn)品進(jìn)行改性處理的生態(tài)環(huán)境材料、利用微生物技術(shù)的微生物固沙材料和有機(jī)-無機(jī)合成的復(fù)合固沙材料等幾大類。

以下從幾個方面對常用的化學(xué)固沙材料作概述。

2.1 水泥漿類

水泥因具備成本低廉、水化后強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，很早就被作為化學(xué)固沙材料應(yīng)用到沙漠治理中。這種直接將水泥漿噴灑在沙面的固沙方法，由于沙漠氣候的特殊性，水泥漿的水化作用往往不充分，形成的固結(jié)層強(qiáng)度低，易龜裂、干縮，進(jìn)而失去固沙作用。為此，研究者通過在固沙材料中加入具有良好吸水保水、保溫作用的有機(jī)聚合物對水泥基材料進(jìn)行改性，開發(fā)出具有高強(qiáng)吸水保水性能、抗老化性、耐水性、抗凍融穩(wěn)定性和耐風(fēng)蝕能力的新型聚合物水泥基固沙材料[9]。

2.2 水玻璃類

水玻璃作為價(jià)廉無毒的固沙材料，已有較長的使用歷史。但由于水玻璃固化反應(yīng)不完全、固結(jié)層強(qiáng)度不高、抗水性差、耐久性低等問題，研究者多致力于各種改性水玻璃的研究。例如在水玻璃中添加一種或數(shù)種改性劑，起到阻緩老化、提高抗粘結(jié)強(qiáng)度、提高水玻璃抗水性、改善水玻璃潰散性等作用。主要的化學(xué)改性方法有以下幾種：按一定比例混合兩種或兩種以上的鈉水玻璃、鉀水玻璃、鋰水玻璃和季銨水玻璃；加入一定量的無機(jī)化合物，如磷酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽和鋯酸鹽等；加入一定量的多元醇，如山梨醇、丁四醇、戊五醇等；加入少量的水溶性高分子，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇等[10]。

2.3 石膏類

青海大學(xué)教授鐵生年等[11]通過長期調(diào)研，借助化學(xué)治沙方法，利用近自然的石膏材料，提出一種固沙植生方法。他認(rèn)為石膏材料可以促進(jìn)沙漠植物的生長，顯著提高沙漠植物的存活率，使用此材料不僅能固定流動沙漠，而且其中添加的養(yǎng)分可被植物吸收利用，形成的固結(jié)層具有一定強(qiáng)度，吸水保水性能好，耐久性好，抗凍融穩(wěn)定性、耐風(fēng)蝕性和耐候性良好，不污染環(huán)境，作用持久，無毒性，有利于提高沙漠固沙植生的效率。該類材料在固沙植生機(jī)理研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及大規(guī)模噴灑設(shè)備研發(fā)的基礎(chǔ)上具有推廣價(jià)值。

2.4 石油產(chǎn)品類

石油產(chǎn)品類用于固沙是將適量的石油產(chǎn)品噴灑在沙地表面，借助其與沙粒的粘結(jié)作用使沙面固結(jié)，主要產(chǎn)品包括原油、重油、渣油、瀝青等。其中，乳化瀝青作為應(yīng)用較為廣泛的化學(xué)固沙材料，是在瀝青乳化劑作用下由乳化設(shè)備制成的有機(jī)化合物。20世紀(jì)80年代初期，寧夏中衛(wèi)沙坡頭流動沙丘上曾進(jìn)行的OT瀝青乳液和ABS瀝青的固沙試驗(yàn)，表明兩者均可有效固定流沙2～3年，弱風(fēng)地區(qū)在4～5年；同期，鐵道部鐵道科學(xué)研究院西北所在包蘭線實(shí)施了噴灑渣油乳液配合植物固沙，也取得了良好成效[12]。但是，石油產(chǎn)品在使用中存在諸多問題，如抗老化性能差、滲透深度有限、固結(jié)強(qiáng)度不高、穩(wěn)定性有限。同時，原油和瀝青作為寶貴的資源，用于固沙用量大，對環(huán)境也會產(chǎn)生一定影響[13]。研究者在配制石油固沙液時通過加入有機(jī)、無機(jī)材料（膠乳、高強(qiáng)度樹脂、硫胺、唾吩、亞硫酸廢液、燒堿粉末、水泥、石灰、黃土、硅藻土、膨潤土、泥炭土等）來提高其固結(jié)強(qiáng)度，改善其抗老化性、韌性、不龜裂性、儲存穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性等各方面的性能，加強(qiáng)使用效果[14]。

2.5 高分子聚合物類

高分子聚合物材料屬于水溶性或油溶性化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)，作為黏合固沙劑主要在20世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來，品種很多。使用高分子聚合物固定流沙，處理手續(xù)和施工簡便，可改善勞動條件和縮短工期，固沙效果顯著且穩(wěn)定[15]。20世紀(jì)80年代初，中科院蘭州沙漠研究所在沙坡頭開展的聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAA）、聚醋酸乙烯（PVAC）及聚丙烯腈（PAN）等多種化學(xué)固沙液的流沙固定試驗(yàn)，證明聚乙烯醇、聚醋酸乙烯是優(yōu)良的化學(xué)固沙材料。鐵道部鐵道科學(xué)研究院西北所在包蘭鐵路沿線進(jìn)行的噴灑木質(zhì)素磺酸鹽試驗(yàn)也取得了一定成效。蘭州大學(xué)開發(fā)研制的LD系列土工合成材料，其中LD-4在固定流沙方面表現(xiàn)出良好性能，在騰格里沙漠風(fēng)成沙、金川公司尾礦沙及敦煌鳴沙山流動沙丘等工程加固中取得一定進(jìn)展[16]。對于開發(fā)出的LZU（Lanzhou University）系列固沙材料，室內(nèi)及沙坡頭野外固沙綜合試驗(yàn)表明其固結(jié)性能優(yōu)良、水滲透性好、抗凍融、抗風(fēng)蝕能力強(qiáng)、植物生長適宜性良好[17]。另有SH高分子固沙材料，為新型高分子材料，具有較高的強(qiáng)度、良好的耐水性、耐老化性能和抗凍融性等特點(diǎn)，成本低、噴灑工藝方便簡單[16]，其在莫高窟崖頂及鳴沙山的現(xiàn)場試驗(yàn)，也表現(xiàn)出明顯的固沙效果。其他常見的高分子材料如脲醛樹脂、聚酯樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸鈣樹脂、棉籽酚樹脂、合成丁二烯-苯乙烯橡膠乳等均可用作固沙材料[7]。

2.6 木質(zhì)素類

木質(zhì)素是僅次于纖維素的第二大生物質(zhì)資源，木質(zhì)素固沙材料是制漿廢液經(jīng)化學(xué)改性制備而成的一種新型固沙材料。制漿廢液木質(zhì)素主要分為木質(zhì)素磺酸鹽（LS）和堿木質(zhì)素[包括燒堿木質(zhì)素（AL）和硫酸鹽木質(zhì)素（KL）]等兩大類，若直接將其作為固沙劑使用，固沙效果并不理想，研究者通常對其進(jìn)行一定的改性后再使用[18]。常用的改性方法包括接枝改性[19]、縮聚改性和復(fù)配改性，其中，接枝改性方法最常用[20]。改性后的木質(zhì)素材料，可提高沙子或土壤的抗壓強(qiáng)度、抗風(fēng)蝕強(qiáng)度、聚集體含量等，作為固沙劑使用具有見效快、可降解、成本低等優(yōu)點(diǎn)，既可使木質(zhì)素資源得到充分利用，又有利于防沙治沙工作[21]。

2.7 其他類型化學(xué)固沙材料

高吸水保水材料是一種含強(qiáng)親水性基團(tuán)并經(jīng)過適度交聯(lián)的功能高分子材料，可在短時間內(nèi)吸收其自身質(zhì)量幾百倍甚至幾千倍的水，并具有良好的保水性能，是干旱地區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和治沙造林的理想材料。研究者通過一定程序的制作工藝，制備出能固沙保水保肥的復(fù)合材料，用于荒漠化土地的土壤儲水及施肥、保肥和防風(fēng)固沙[22]。另外，有研究者認(rèn)為可利用簡單工藝將白色污染廢料改性為固沙膠結(jié)材料用于治理沙化，可有效起到固沙防沙和防止沙中水分蒸發(fā)的作用[23]。也有學(xué)者提出利用環(huán)境礦物、SAP、化學(xué)固沙漿材，制備復(fù)合富水營養(yǎng)包，實(shí)現(xiàn)綜合治理荒漠的設(shè)想，并在室內(nèi)進(jìn)行了一些基本的試驗(yàn)，獲得了一些初步認(rèn)知，仍有眾多問題有待深入研究[24-25]。

3 結(jié)語

近年來，國際社會日益重視土地荒漠化問題，加強(qiáng)荒漠化防治的呼聲日益強(qiáng)烈，防治沙漠化成為我國新形勢下經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展中亟待解決的問題。加大力度、加強(qiáng)沙化土地治理，是沙區(qū)社會走上生產(chǎn)發(fā)展、生活富裕、生態(tài)良好的文明發(fā)展道路的保障。化學(xué)固沙作為一種治標(biāo)措施，在沙化土地治理中發(fā)揮著重要作用。只有采取綜合措施標(biāo)本兼治，才能有效解決土地沙化問題。進(jìn)行化學(xué)-生物固沙一體化研究，研制長效、成本低且在其表面可長出植物的固沙材料，實(shí)現(xiàn)生態(tài)固沙，才能最終改良沙土結(jié)構(gòu)，使其逐漸具備土壤特征和自我修復(fù)能力，真正在我國的荒漠化治理與工程建設(shè)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。理想的化學(xué)固沙材料應(yīng)具備一定的耐風(fēng)蝕強(qiáng)度、耐水性、韌性、滲透性、環(huán)境協(xié)調(diào)性、抗凍融性、抗老化性、植物生長的適宜性、可控自然降解性、施工便利性等特性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 金銘.地球荒漠化威脅人類生存[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2012（9）：12-17.

[2] 屠志方，李夢先，孫濤.第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測結(jié)果及分析[J].林業(yè)資源管理，2016（1）：1-5.

[3] 陳廣庭.沙害防治技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[4] 唐麓君.治沙造林工程學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2005.

[5] 韓致文，胡英娣，陳廣庭，等.化學(xué)工程固沙在塔里木沙漠公路沙害防治中的適宜性[J].環(huán)境科學(xué)，2000，21（5）：86-88.

[6] 衛(wèi)秀成.化學(xué)固沙劑制備與性能研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2004.

[7] 張奎壁，鄒受益.治沙原理與技術(shù)[M].北京：中國林業(yè)出版社，1990.

[8] 嚴(yán)亮，楊久俊.新型化學(xué)固沙材料的研究現(xiàn)狀及其展望[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（3）：51-54.

[9] 許祥俊.聚合物水泥基固沙材料的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2003.

[10] 楊柳.新型化學(xué)固沙材料的研制和應(yīng)用[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2011.

[11] 鐵生年，姜雄，汪長安.沙漠化防治化學(xué)固沙材料研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2013，31（增刊1）：106-111.

[12] 丁向南.渣油乳液結(jié)合植物固沙的試驗(yàn)研究[J].中國沙漠，1992，12（2）：50-55.

[13] 王銀梅.新型高分子固化材料在治沙工程中的應(yīng)用[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2004.

[14] 范維玉.一種多功能液膜固沙劑的制備方法：CN201010271257.2[P].2010-12-15.

[15] 王丹，宋湛謙，商士斌，等.高分子材料在化學(xué)固沙中的應(yīng)用[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2006，40（3）：44-47.

[16] 王銀梅，韓文峰，諶文武.化學(xué)固沙材料在干旱沙漠地區(qū)的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2004，15（2）：81-84.

[17] 衛(wèi)秀成，趙正華，諶文武，等.LZU固沙新材料及固沙綜合技術(shù)研究[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，43（1）：37-40.

[18] 李建法，宋湛謙.木質(zhì)素磺酸鹽及其接枝產(chǎn)物作沙土穩(wěn)定劑的研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2002，22（1）：17-20.

[19] 王丹，宋湛謙，商士斌.改性木質(zhì)素磺酸鹽固沙劑的性能及應(yīng)用研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2005，25（增刊1）：59-63.

[20] 葉德展，江獻(xiàn)財(cái)，夏超，等.制漿廢液木質(zhì)素類固沙劑研究進(jìn)展[J].中國造紙學(xué)報(bào)，2011，26（4）：58-62.

[21] 魯小珍，金永燦，楊益琴，等.木質(zhì)素固沙材料應(yīng)用于沙漠化地區(qū)植被恢復(fù)的研究[J].林業(yè)科學(xué)，2005，41（4）：67-71.

[22] 劉潔.固沙保水復(fù)合材料的研究與改良荒漠化土地的應(yīng)用[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[23] 包亦望，蘇盛彪，黃鵬飛.利用白色污染廢料研制開發(fā)固沙膠結(jié)材料治理沙漠化[J].中國建材，2001（9）：54-56.

[24] 葛學(xué)貴，黃少云，馬廣偉，等.環(huán)境礦物、SAP、化學(xué)固沙漿材綜合治理荒漠初探[J].巖石礦物學(xué)雜志，2001，20（4）：511-514.

[25] 王銀梅，韓文峰，諶文武.對在沙漠地區(qū)應(yīng)用化學(xué)固沙劑固沙的探討[J].災(zāi)害學(xué)，2003，18（4）：2-6.