一種高效保水材料制備及其邊坡綠化應(yīng)用研究★

李衛(wèi)青，劉 臻，黃 兵，袁飛云，李 聰

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074;2.四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司,四川 成都 610047; 3.四川雅康高速公路有限責(zé)任公司,四川 成都 610047)

0 引言

岸坡作為連接陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的橋梁,岸坡常常受到洪水、波浪、風(fēng)暴潮等災(zāi)害的破壞,因此,應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┘訌?qiáng)對(duì)岸坡的防護(hù)[1]。隨著水利工程新理念的傳播和發(fā)展,由于生態(tài)邊坡優(yōu)秀的抗沖刷和穩(wěn)定邊坡結(jié)構(gòu)的能力,生態(tài)護(hù)岸在實(shí)際水利工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,日益成為護(hù)岸工程的主要形式。常見(jiàn)植被修復(fù)技術(shù)主要有液壓噴播技術(shù)、客土噴播技術(shù)、植被混凝土技術(shù)、植生袋技術(shù)、三維植被網(wǎng)技術(shù)和厚層基材噴射技術(shù)等[2],這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)往往需要營(yíng)造足夠深度的土壤層為植物根系生長(zhǎng)提供環(huán)境,但其土壤層的水氣換能力與自然生境條件相比偏低,因此植被發(fā)芽率和生長(zhǎng)狀況差,表現(xiàn)為三年存活率極低[3]。尤其是港口邊坡一般地質(zhì)較硬,在硬質(zhì)邊坡生境修復(fù)過(guò)程中,營(yíng)造土壤層造價(jià)過(guò)高,效果不理想,急需開(kāi)發(fā)所需高效無(wú)土栽培技術(shù)及其配套保水材料。

環(huán)保型保水材料一般選用天然材料加工而來(lái)。張海楠[4]通過(guò)羧甲基纖維素鈉合成氣凝膠材料其最大吸水量為157.00 g/g,連續(xù)40 ℃烘干11 h的保水率為76.90%;張昌輝等通過(guò)聚乙烯醇合成水凝膠材料其最大吸水量、保水倍率分別為481.30 g/g,90.30%。另外,市場(chǎng)上以及文獻(xiàn)中常見(jiàn)的保水材料一般都為凝膠材料,雖然已經(jīng)應(yīng)用于生物相關(guān)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[5-7],但凝膠材料為半固體,流動(dòng)性差,與巖質(zhì)邊坡黏合力低,同時(shí)其制備對(duì)設(shè)備要求高,因此并不適合作為高、陡邊坡的植物修復(fù)的基質(zhì)材料。而半凝膠材料具有凝膠材料保水性,且具有較強(qiáng)的流動(dòng)性和黏附性,因此可作為高、陡邊坡的土壤基層。此外硅藻土作為一種天然礦物材料,具有人工無(wú)法模擬的孔結(jié)構(gòu),且比表面積大、吸附能力強(qiáng)、親水性好、化學(xué)穩(wěn)定性良好,在我國(guó)具有較高的儲(chǔ)備量,因此本文選用硅藻土作為復(fù)合材料的基質(zhì)。

因此,本文選用硅藻土、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉、活性炭等常用的生物環(huán)保材料制備半凝膠保水復(fù)合材料,考察制備過(guò)程中各材料配比對(duì)復(fù)合保水材料保水性能、吸水性能的影響,確定最佳制備配比。同時(shí),探究溫度、接觸面條件對(duì)材料保水性能的影響,并進(jìn)行微藻培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。復(fù)合材料可為邊坡修復(fù)的無(wú)土栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的藥劑主要為聚乙烯醇(PVA,寧夏大地循環(huán)發(fā)展股份有限公司);羧甲基纖維素鈉(CMC,上海長(zhǎng)光企業(yè)發(fā)展有限公司);硅藻泥(鄉(xiāng)居樂(lè)藝術(shù)壁材廠);活性炭(蘇州炭旋風(fēng)活性炭有限公司)。另外,適用于無(wú)土栽培的無(wú)菌綠布購(gòu)自宿遷云之道電子商務(wù)有限公司,微藻經(jīng)野外采集并擴(kuò)培獲得。

試驗(yàn)過(guò)程中使用的儀器主要有AL104電子天平(瑞士Mettler-Tdleddo公司)與 KQ2200DE型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

1.2 復(fù)合材料的制備

將電子天平量取對(duì)應(yīng)質(zhì)量比的聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉、硅藻泥、活性炭后,按照硅藻泥、黏合劑(聚乙烯醇)、增稠劑(羧甲基纖維素鈉)和光引發(fā)劑(活性炭)的順序分別加入燒杯中并用玻璃棒攪拌至黏稠后超聲震蕩均勻,得到樣品。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 吸水倍數(shù)測(cè)定

室溫下,取定量的干燥復(fù)合保水材料于燒杯中,加入定量測(cè)試液,靜置至樣品成半凝膠,之后用100目網(wǎng)篩濾掉游離水,在網(wǎng)篩上靜置20 min后稱取吸水凝膠質(zhì)量。樣品的吸水倍數(shù)為:

吸水倍數(shù)=(M1-M0)/M0。

其中,M1為吸水凝膠質(zhì)量;M0為干燥凝膠質(zhì)量。

1.3.2 5 d保水率測(cè)定

室溫下,取定量復(fù)合材料于燒杯中,加定量測(cè)試液攪拌均勻后,記錄表面皿質(zhì)量M0,然后取樣品于表面皿中記為M1,編號(hào)并保存于恒溫培養(yǎng)箱中,連續(xù)5 d記錄樣品質(zhì)量變化記為M2,M3,M4,M5。樣品的5 d保水率為:

初始含水量M水=(M1-M0)×0.925。

保水率=(M水-M′+M″)/M水。

其中,M′為M1,M2,M3,M4質(zhì)量;M″為M2,M3,M4,M5質(zhì)量,即M″=M′+1。

1.3.3 結(jié)構(gòu)表征

選取硅藻土材料和最佳配比下的保水材料作為樣品,利用掃描電鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)。試樣鍍金厚度約為25 nm,電壓為10 kV。

1.4 微植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

將適量營(yíng)養(yǎng)液和提取混合藻加入混合材料后再攪拌至黏稠后,分別敷設(shè)于適用于無(wú)土栽培的無(wú)菌紡布和仿邊坡水泥材質(zhì)上,厚度為1 cm,定期養(yǎng)護(hù),每24 h觀察微藻數(shù)量變化。微藻數(shù)量采用aaa方法計(jì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 羧甲基纖維素鈉與聚乙烯醇用量對(duì)材料保水、吸水倍數(shù)的影響

聚乙烯醇是黏合劑,增加聚乙烯醇會(huì)降低保水性能,但能夠增加復(fù)合保水材料在應(yīng)用時(shí)對(duì)纖維的黏附性。由圖1(a)可知,當(dāng)添加量為39.29%～67.86%時(shí),復(fù)合保水材料5 d時(shí)的含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為44.38%～93.01%,均可滿足微藻生長(zhǎng)要求。當(dāng)聚乙烯醇用量為46.43%時(shí)保水效果最佳,5 d后材料含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為54.51%。另外,圖1(b)結(jié)果表明,復(fù)合保水材料吸水倍數(shù)隨聚乙烯醇添加量的增加呈下降趨勢(shì)。當(dāng)聚乙烯醇用量由35.71%增加到53.57%時(shí),復(fù)合保水材料的吸水倍數(shù)顯著下降。是因?yàn)榫垡蚁┐贾械?OH與水分子形成氫鍵,但由于極性基團(tuán)-OH之間的靜電排斥作用會(huì)使得復(fù)合保水材料網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)孔變小,進(jìn)而導(dǎo)致吸水能力下降。當(dāng)聚乙烯醇用量由53.57%增加到60.71%時(shí),隨聚乙烯醇的增加而緩慢降低。原因是此時(shí)極性基團(tuán)的靜電排斥作用達(dá)到峰值。而當(dāng)聚乙烯醇添加量超過(guò)60.71%時(shí),聚乙烯醇中復(fù)合材料極性基團(tuán)起主要作用,復(fù)合材料的吸水能力隨聚乙烯醇的用量增加而緩慢上升。

羧甲基纖維素鈉是增稠劑和結(jié)構(gòu)改善劑,能夠降低復(fù)合保水材料的流動(dòng)性便于材料的附著。圖1(c)結(jié)果表明,當(dāng)羧甲基纖維素鈉用量為107.14%～192.29%時(shí),5 d后材料含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為52.01%～94.60%,連續(xù)5 d含水率受羧甲基纖維素鈉添加量影響不大,均滿足微植物培養(yǎng)所需水分要求[8]。另外,圖1(d)結(jié)果表明當(dāng)羧甲基纖維素鈉用量由107.14%上升至171.43%時(shí),復(fù)合保水材料的吸水倍數(shù)隨羧甲基纖維素鈉的增加而增加。其主要原因可能是羧甲基纖維素鈉分子中的親水性的極性基團(tuán)(—COONA)可與水分子之間形成氫鍵,羧甲基纖維素鈉投加量越高則極性基團(tuán)濃度越高,吸水倍數(shù)隨之增加。同時(shí),溶液中羧甲基纖維素鈉會(huì)隨濃度的上升逐漸由鏈?zhǔn)较蚓W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,這也是復(fù)合保水材料吸水能力增加的原因[9]。當(dāng)羧甲基纖維素鈉用量超過(guò)171.43%時(shí),吸水倍數(shù)下降。是因?yàn)閺?fù)合材料吸水能力達(dá)到峰值,繼續(xù)增加羧甲基纖維素鈉的添加量則會(huì)增加復(fù)合保水材料的交聯(lián)密度,進(jìn)而導(dǎo)致吸水能力下降。

在考慮高保水率和高吸水倍數(shù)的綜合影響下,聚乙烯醇用量為53.57%、羧甲基纖維素鈉為171.43%時(shí)復(fù)合保水材料的綜合性能最佳。

2.2 復(fù)合保水材料SEM分析

為觀察復(fù)合保水材料微觀形貌,采用掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合保水材料以及硅藻土進(jìn)行對(duì)比觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可知,原硅藻土結(jié)構(gòu)為片狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)緊密,其通氣性和容納水分的能力不強(qiáng),而圖2(b)復(fù)合保水材料電鏡結(jié)果表明硅藻土基復(fù)合保水材料是一種具有空腔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),相較于原硅藻土增加的空腔結(jié)構(gòu)為空氣和水分提供了通道,保證了水分在復(fù)合保水材料的滯留時(shí)間,增加了材料的保水性能。

2.3 接觸面與環(huán)境溫度對(duì)材料保水性能的影響

在最佳材料配比條件下(活性炭、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉用量分別為硅藻泥單體質(zhì)量的1.79%,53.6%和150%時(shí)),復(fù)合材料的保水性能受溫度等各種性質(zhì)復(fù)合影響,其中復(fù)合材料實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)影響材料實(shí)際保水性能。圖3考察了復(fù)合保水材料在栽培布面與水泥面條件下的5 d保水性能。研究表明,不同接觸面材料對(duì)復(fù)合保水材料的保水性能影響顯著,水泥面和栽培布面的5 d保水率分別為47.77%和24.60%,均低于實(shí)驗(yàn)室條件下的60%,這與外界空氣流動(dòng)造成材料表面水分散失有關(guān)。水泥面條件下5 d后含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))僅為24.60%。這是由于水泥表面存在大量孔隙,前期復(fù)合保水材料中的游離水和孔隙水一部分通過(guò)表面蒸發(fā)作用散失,另一部分進(jìn)入水泥孔隙流失,致使材料含水量大幅下降。與水泥面不同,栽培布面復(fù)合保水材料5 d后的含水率仍接近50%。這與栽培布的多層結(jié)構(gòu)相關(guān)。復(fù)合保水材料中水分流失主要是通過(guò)表面蒸發(fā)作用,同時(shí)復(fù)合材料表面與空氣水分子具有一定交互作用,因此表現(xiàn)為該條件下保水率較高。

此外環(huán)境溫度也能對(duì)材料保水性能產(chǎn)生影響。在最佳材料配比條件下(活性炭、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉用量分別為硅藻泥單體質(zhì)量的1.79%,53.6%和150%時(shí)),考察室外環(huán)境溫度(20 ℃～40 ℃)對(duì)復(fù)合保水材料保水性能的影響,結(jié)果如圖3所示。隨著環(huán)境溫度升高,復(fù)合保水材料的保水能力下降明顯,其中外界環(huán)境溫度為20 ℃時(shí),復(fù)合保水材料5 d后含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))仍有70%以上,而40 ℃時(shí)5 d后的含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下降到約45%。對(duì)種子和混合藻類而言,發(fā)芽的關(guān)鍵時(shí)間是前72 h,水分的要求則是45%以上[10]。因此本研究制備的復(fù)合保水材料即使在40 ℃條件下仍可滿足種子以及混合藻的生長(zhǎng)。

2.4 應(yīng)用

為了研究該高分子復(fù)合保水材料的微植物生長(zhǎng)效果,在室外進(jìn)行了保水材料的微植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。

室外培養(yǎng)結(jié)果由圖4所示,在溫度34 ℃、濕度40%條件下,混合了微植物的復(fù)合保水材料在栽培布面上經(jīng)過(guò)3 d定時(shí)淋洗,材料與栽培布面結(jié)合的更加緊密,再經(jīng)過(guò)2 d的淋洗材料完成消失,而微植物也已經(jīng)完成其在栽培布面上的“定居”。后續(xù)通過(guò)對(duì)布面2 d～3 d的定期養(yǎng)護(hù),微植物在栽培布面生長(zhǎng)狀況良好。實(shí)驗(yàn)研究證明該方法可直接移植到邊坡,無(wú)需覆土,采用生物可降解的栽培布即可完成微植物與邊坡的穩(wěn)定結(jié)合。

復(fù)合保水材料的高黏滯性和保水性能能夠?yàn)槲⒅参锔街蜕嫣峁┛臻g,此外復(fù)合保水材料的高流動(dòng)性也為材料的施工敷設(shè)提供便利,其生物可降解的特性也是有利于環(huán)境。此外復(fù)合保水材料對(duì)裸露巖質(zhì)邊坡的高適宜性也是本材料的一大優(yōu)點(diǎn)。但在室外施工時(shí)需保證其含水率,因此后續(xù)此材料在邊坡植被種植利用時(shí),因與適宜的養(yǎng)護(hù)相結(jié)合。

3 結(jié)論

以硅藻泥、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉、活性炭為原料,采用超聲輔助水溶液聚合法制備適用于無(wú)土栽培的保水材料。

1)當(dāng)羧甲基纖維素鈉添加量為硅藻泥單體質(zhì)量的171.43%,活性炭用量為0.18%,聚乙烯醇用量為53.57%時(shí),復(fù)合保水材料吸水率達(dá)23.45 g/g,5 d保水率為56.20%。

2)在環(huán)境溫度不高于40 ℃時(shí),種植在復(fù)合保水材料的微植物生長(zhǎng)狀況良好。

3)栽培布面上的復(fù)合保水材料在室外溫度34 ℃、濕度40%條件下能夠滿足微植物生長(zhǎng),技術(shù)為港口硬質(zhì)邊坡綠化提供了新的思路。