新型環(huán)保固沙劑的性能研究

劉 輝，王玉偉，鄒繼穎*，孫大志，陳立波，董春欣，沈士彬，翦英紅，徐亮亮**，翁士睿**

(1.吉林化工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.大慶大公環(huán)境檢測(cè)有限公司，黑龍江 大慶 163000)

中國(guó)是當(dāng)今世界遭受沙漠化危害程度最深的國(guó)家之一，其沙漠化狀況受到全球人民的廣泛關(guān)注，沙漠化現(xiàn)狀令人擔(dān)憂.沙漠化的研究和防治已經(jīng)在中國(guó)開(kāi)展了近半個(gè)世紀(jì)，但由于尚未找到有效合理的方法，沙漠化土地仍處于擴(kuò)展的狀態(tài).中國(guó)的沙漠化狀態(tài)尚面臨嚴(yán)峻的形勢(shì)：“局部治理，整體惡化”[1].目前，沙漠化治理主要通過(guò)固沙的方式來(lái)解決，常采用的技術(shù)主要有四大類(lèi)[2-3]：工程固沙技術(shù)[4]、化學(xué)固沙技術(shù)[5]、植物固沙技術(shù)[6]和綜合固沙技術(shù)[7].

在人類(lèi)當(dāng)今諸多的環(huán)境問(wèn)題中，土地荒漠化、沙漠化是最為嚴(yán)重的全球?yàn)?zāi)難問(wèn)題之一.土地荒漠化、沙漠化已損失全球1/3的耕地，嚴(yán)重威脅到了人類(lèi)生產(chǎn)、生活和生存基礎(chǔ)環(huán)境.因此亟待尋求廉價(jià)、高效及環(huán)保的固沙劑來(lái)解決人類(lèi)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題.本文旨在研發(fā)一種成本低、固沙效果好且環(huán)保的新型化學(xué)固沙材料.將木質(zhì)素或木質(zhì)素磺酸鹽從造紙廢液提取改性制備固沙劑，既有效地利用了木質(zhì)素磺酸鹽，減輕造紙企業(yè)污染問(wèn)題,同時(shí)又達(dá)到了防風(fēng)固沙的目的.另外，與其他有機(jī)固沙劑相比,木質(zhì)素磺酸鹽固沙劑由天然產(chǎn)物制得，產(chǎn)品無(wú)毒無(wú)害，而且可被生物降解,因此在固沙應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)造成污染.

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

電子天平(型號(hào)為FA3204B，鄭州南北儀器設(shè)備有限公司)；酸度計(jì)(型號(hào)為PHS-3CW-UK，上海精密儀器儀表有限公司)、恒溫水浴鍋( HH-S4，上海況勝實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司)、土壤硬度計(jì)(型號(hào)為HTS-1600，上海精密儀器儀表有限公司)、吹風(fēng)機(jī)(型號(hào)為FH6257，上海飛科電器股份有限公司)、烘箱(型號(hào)為DHG9240A,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)、傅 里 葉 紅外光譜儀(FT-IR，Vertex70型)，德國(guó)布魯克公司.

1.2 材料與試劑

木質(zhì)素磺酸鈉(GR500g)，上海庭若化工有限公司；尿素(GR500g)、甲醛(AR37wt%)、三聚氰胺(500g)、亞硫酸氫鈉(AR500g)、甲酸(AR500ml)，均為廣州市江順化工科技有限公司.沙土來(lái)源為內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市奈曼旗科爾沁沙漠，其性質(zhì)為砂粒96.35%，粉粒1.86%，黏粒1.79%，土壤肥力偏低.

1.3 試驗(yàn)方法

將尿素、甲醛溶液和三聚氰胺按一定量置于三口燒瓶中，均勻混合后，放入水浴振蕩器中保持恒溫70 ℃，反應(yīng)30 min，然后再加入適量的尿素，反應(yīng)40 min，再加入一定量的亞硫酸氫鈉，用NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)體系pH=11左右，升溫90 ℃，保溫反應(yīng)90 min，然后自然降溫80 ℃，用甲酸溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)體系pH=4.5左右，升溫至85 ℃，反應(yīng)30 min.用NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)體系為弱堿性，加入適量的木質(zhì)素和尿素，降溫至70 ℃，反應(yīng)1 h后，降溫出料.

1.4 樣品檢測(cè)

設(shè)定不同濃度的固沙劑的水溶液，具體濃度為0%，1%，2%，3%，4%，5%六個(gè)梯度，并同設(shè)1組平行樣.取等量的沙土顆粒，用預(yù)設(shè)的六個(gè)濃度的固沙劑水溶液噴灑在固沙試樣表面，固沙溫度設(shè)定為25 ℃，時(shí)間為12 h.

1.4.1 FT-IR測(cè)試

Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀 (FT-IR，Vertex70型， 德國(guó)布魯克公司)對(duì)新型化學(xué)固沙劑進(jìn)行測(cè)試[10-11]，采用KBr涂片法，掃描范圍為400～4 000 cm-1.

1.4.2 保水性測(cè)試

取上述的六個(gè)濃度梯度的固沙試樣，1 L/m2的蒸餾水進(jìn)行噴灑，每隔相同時(shí)間后進(jìn)行稱(chēng)重，計(jì)算保水率.保水率計(jì)算公式如(1)式.

(1)

式中，B為保水率，%；C1為噴水前的固沙試樣質(zhì)量，g；C2為噴水后間隔一定時(shí)間的固沙試樣質(zhì)量，g；m為噴灑的蒸餾水質(zhì)量，g

1.4.3 抗風(fēng)性測(cè)試

取上述的六個(gè)濃度梯度的固沙試樣，稱(chēng)重.模擬自然風(fēng)蝕，控制一定風(fēng)速，同時(shí)控制一定時(shí)間，然后計(jì)算風(fēng)蝕率.風(fēng)蝕計(jì)算公式如(2)式.

(2)

式中，E為風(fēng)蝕率，%；S1為風(fēng)蝕前的固沙試樣質(zhì)量，g；S2風(fēng)蝕后的固沙試樣質(zhì)量，g.

1.4.4 抗壓性測(cè)試

利用土壤硬度計(jì)(型號(hào)為HTS-1600，上海精密儀器儀表有限公司)測(cè)量固沙試樣的硬度指數(shù)，每個(gè)試樣選擇3～5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，最后求取平均值作為最終抗壓強(qiáng)度.

1.4.5 耐水性測(cè)試

取上述的六個(gè)濃度梯度的固沙試樣，制作成錐體，然后按照10 L/m2自來(lái)水噴灑于沙錐表面，觀察其滲水性以及沙錐外觀松散程度，并且進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，然后計(jì)算沙錐的質(zhì)量損失率.

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

本文主要利用Origin 2018 64Bi、excel數(shù)據(jù)處理、列表法和圖形法等進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-IR分析

固沙劑的紅外光譜分析如圖1所示.

σ/cm圖1 新型固沙劑的FT-IR譜圖

2.2 對(duì)保水性能測(cè)試

沙漠化土地水分的儲(chǔ)存、吸取 能力尤為重要，更是植物生長(zhǎng)的充分條件之一，因此固沙劑的保水性的重要性不言而喻.由圖2可以看出，未噴灑固沙劑的沙模在1 h后的水分損失就達(dá)到了50%左右，也就是說(shuō)1 h后保水率為50%左右，5 h后保水率只有20%左右；而噴灑1%的固沙劑的沙模，在1 h后的保水率仍然在85%左右，5 h后保水率仍保持在48%左右；噴灑了5%固沙劑的沙模1 h后保水率在95%左右，5h后保水率仍保持在70%左右.從圖2中可以清楚地看到，隨著固沙劑固含量的增加，保水率呈現(xiàn)上升的狀態(tài)，這是因?yàn)楹铣傻墓躺硠┚哂幸欢ǖ挠H水和保水性能，能有效防止水分蒸發(fā)，固沙劑含量越高，親水性就越好，粘結(jié)得就越緊密，保水性能就越好.

噴水時(shí)間/h圖2 不同濃度固沙劑保水率隨時(shí)間變化

2.3 對(duì)抗風(fēng)性能測(cè)試

風(fēng)是沙漠中最重要的環(huán)境因素，風(fēng)蝕可導(dǎo)致沙漠化擴(kuò)大，沙土在噴灑固沙劑后，形成的固結(jié)層必須具有較好的抗風(fēng)蝕性.從圖3可以看出，18 m·SJ的風(fēng)速相當(dāng)于八級(jí)大風(fēng)，未噴灑固沙劑的沙模幾乎全部松散；而噴灑1%的固沙劑的沙模，風(fēng)蝕率為20%左右，使內(nèi)部松散的沙土不受吹蝕；當(dāng)噴灑3%～5%的固沙劑時(shí)，風(fēng)蝕率變化為0.03%～0.02%，固沙試樣抗風(fēng)蝕性良好，完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用條件，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)需要調(diào)整固沙劑含量，由于固沙劑含量越高，固沙劑粘度越大，粘結(jié)沙粒的能力越強(qiáng)，形成的固結(jié)層也越厚，所以抵抗風(fēng)蝕的能力就越強(qiáng).

固沙劑濃度/%圖3 不同濃度的固沙劑抗風(fēng)蝕性曲線

2.4 對(duì)抗壓性能測(cè)試

固沙試樣抗壓強(qiáng)度越大，固結(jié)層抵抗外界侵蝕能力越強(qiáng).從圖4可以看出，隨著固沙劑濃度的增加，其粘度越增大，沙粒和聚合物之間還有沙粒之間粘結(jié)作用增強(qiáng)，壓縮強(qiáng)度也就越大，幾乎接近于線性關(guān)系變化，噴灑2%的固沙劑的沙模，抗壓強(qiáng)度10 mm左右；噴灑5%的固沙劑的沙模，抗壓強(qiáng)度達(dá)到25 mm；通過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，固結(jié)層平 均硬度指數(shù)對(duì)植物生長(zhǎng)有著直接影響，當(dāng)平均硬度指數(shù)在10～25 mm范圍內(nèi)時(shí)，植物生長(zhǎng)良好；而平均硬度指數(shù)在 25 mm以上時(shí)，植物根系伸長(zhǎng)困難[12]，從圖3中可以看出，固沙劑含量為2%～5%時(shí)，就可以滿(mǎn)足要求，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程要考慮成本及壓縮強(qiáng)度等各方面因素，綜合考慮選擇合適的固沙劑含量做為實(shí)際應(yīng)用.

固沙劑濃度/%圖4 不同濃度的固沙抗壓性能曲線

2.5 對(duì)耐水性能測(cè)試

耐水性能測(cè)試主要測(cè)定沙堆的質(zhì)量損失率，目的在于考察固沙劑能否經(jīng)受被水浸泡的考驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示.

固沙劑濃度/%圖5 不同濃度的固沙耐水性能曲線

從圖5中可以看出，未噴灑固沙劑的沙模經(jīng)歷多次水蝕后，質(zhì)量損失就已經(jīng)接近了95%以上；然而，噴灑了2%固沙劑的沙模經(jīng)歷多次水蝕之后質(zhì)量損失了不到45%；噴灑4%和5%固沙劑的沙模即便水蝕多次后質(zhì)量仍然減少不多，其質(zhì)量損失也不足5%.這表明合成的固沙劑有較強(qiáng)的抗耐水性能，可以有效防止水土流失，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)具體情況選擇合適固沙劑含量.

3 結(jié) 論

采用木質(zhì)素磺酸鈉、尿素、甲醛和三聚氰胺為主要原料，合成了新型環(huán)保固沙劑，有效地利用了木質(zhì)素磺酸鹽，減輕造紙企業(yè)污染問(wèn)題,同時(shí)又達(dá)到了防風(fēng)固沙的目的.另外，與其他有機(jī)固沙劑相比,木質(zhì)素磺酸鹽固沙劑由天然產(chǎn)物制得，產(chǎn)品無(wú)毒無(wú)害，而且可被生物降解,因此在固沙應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)造成污染.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型環(huán)保固沙劑具有很大的應(yīng)用潛力，經(jīng)濃度為4%～5%的固沙劑噴灑后的固沙試樣，保水性能、抗風(fēng)蝕性、抗壓性、耐水性均可達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求.