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我國固沙材料研究進展與應用前景

時間:2019年09月12日 所屬分類:推薦論文 點擊次數:

提要:我國當前常用固沙材料距固沙成本低、效果好、施工方便以及生物相容性好的要求仍有一定差距,分析當前固沙材料固沙機理并進一步開展固沙新材料研究對發展我國治沙工程具有重要意義。對目前廣泛應用及處于研究階段的固沙材料進行歸納,再分別對沙障材料、

  提要:我國當前常用固沙材料距固沙成本低、效果好、施工方便以及生物相容性好的要求仍有一定差距,分析當前固沙材料固沙機理并進一步開展固沙新材料研究對發展我國治沙工程具有重要意義。對目前廣泛應用及處于研究階段的固沙材料進行歸納,再分別對沙障材料、化學固沙材料、生物固沙材料加以介紹,重點對固沙新材料的固沙機理、使用限制與應用前景展開分析,以期拓寬廣大研究人員思路,為制備性能優異的新型綠色固沙材料提供參考。

  關鍵詞:沙漠化防治;固沙材料;固沙機理;新型材料

材料導報

  我國是一個易受荒漠化影響的國家,荒漠化土地占我國國土總面積27.20%,全國共有18個省區市受到荒漠化的侵害,影響超過4億人口,荒漠化問題已成為我國最為嚴重的生態問題之一[1]。

  荒漠化類型可分為風蝕荒漠化、水蝕荒漠化、鹽漬荒漠化和凍融荒漠化四種類型,其中風蝕荒漠化土地面積占我國荒漠化土地總面積的比例高達69.93%,這嚴重威脅到我國生態安全,影響土地資源開發建設。常用固沙技術分為工程固沙技術、化學固沙技術、生物固沙技術[2],相對應的固沙材料有機械沙障、化學固沙材料、生物固沙材料。

  隨著我國生態環保建設進程的進一步加快,其中大部分材料已難以滿足當前對固沙成本、節能環保的要求,如機械沙障存在有效防護時間短、人力物力消耗多等問題,長期使用化學固沙材料對環境的影響問題,固沙植物生長周期長、早期難以適應沙漠嚴酷環境等。

  因此,結合荒漠化防治技術,研究開發固沙新材料意義重大。文中總結了我國當前固沙材料的研究進展,闡述了常用固沙材料的固沙機理、固沙效果、應用局限與使用前景。同時介紹了目前處于研發階段的新型固沙材料成果,并就新型材料研制過程中存在的問題與今后的重點研究方向加以簡要分析。

  1常用固沙材料

  1.1機械固沙材料

  機械沙障的治沙原理是依據風沙移動規律,通過布設固體障礙物增加下墊面粗糙度進而降低近地表風速、提高沙粒起動風速,改變風沙流運動規律[3]。作為最早應用于防治風沙災害的技術之一,它是自然條件惡劣地區的主要治沙措施。目前在實際工程中廣泛使用的沙障材料包括柴草、礫石、黏土、尼龍和塑料網格等[4-6]。

  通過在重沙害區合理設置不同規格、尺寸的沙障,能有效遏制風沙流、改善土壤性質,為后續治沙工程提供條件。機械沙障的缺點在于防護高度有限,有效防護時間短,且易被流沙掩埋,多數地區還存在交通運輸不便、人力物力消耗過多等問題[7-9]。

  對于不同種類的沙障材料,其缺陷各不相同:柴草沙障在設置3~4年后由于地下部分腐爛分解會逐漸喪失治沙功用[10];礫(卵)石沙障工程實際固沙作用有限,風沙災害較為嚴重地區普遍缺乏大量礫石物源,運輸成本問題造成礫(卵)石沙障難以大面積使用[11];黏土沙障由于自身強度低、易被掏蝕,對過境流沙阻攔作用不顯著[12];尼龍和塑料網格設置成本高,破損后難以降解,且其中所含對環境有害的成分會造成治理區的二次污染[13-14]。

  1.2化學固沙材料

  我國開展化學固沙研究始于上世紀50年代,目前已研制出乳化瀝青、高分子聚合物、無機材料等多種化學固沙材料。化學固沙通過噴施化學粘合劑,在流沙表面形成一層具有一定強度的剛性殼層或柔性固結層或彈性固結層以隔絕氣流與松散沙層的直接作用,同時保持沙地水分,達到防治風沙侵蝕的目的[15-16]。

  化學固沙材料粘結沙粒的前提是其本身足夠濕潤以能夠與沙粒表面充分接觸。沙粒含有硅酸鹽等無機鹽類,屬極性體,具有天然親水性。因此,用于化學固沙的固沙劑含有的大量能與沙土顆粒結合的有效親水基團,通過范德華力、氫鍵等分子間作用力與化學鍵等將固沙材料和沙土顆粒連結起來[17-18]。化學固沙材料以其施工簡便、成本低、見效快、可迅速改性荒漠土壤等典型優點被越來越多地被應用到工程實際中。

  常用化學固沙材料有:水泥漿類、水玻璃類、石油產品類、生物質資源類、合成高分子類,其固沙原理包括粘結作用、表層覆蓋作用、水化作用、沉淀作用、聚合作用。水泥漿中的游離鈣離子與沙粒中酸性二氧化硅反應生成穩定結晶物,凝固后的高強度覆蓋層可用于固定風沙顆粒。由于沙漠地區氣候干燥,噴灑水泥漿后,水分會迅速蒸發而使水泥無法充分水化,所以只形成薄而脆的固結層。另外,硬化水泥漿在沙漠環境中很快便干縮龜裂,進而失去固沙保水作用[19],故一般不單獨使用水泥漿類固沙。

  許祥俊[20]通過向水泥砂漿中添加乳化瀝青和聚丙烯酸鈉高吸水樹脂進行高性能聚合物水泥基固沙材料的研制,并得到強度優于傳統水泥砂漿、韌性明顯增強的新型固沙材料。水玻璃類固沙材料由水玻璃和酸性反應劑構成。水玻璃在反應時會滲透并填充于沙粒間隙,與反應劑在強堿性環境下發生沉淀作用。但水玻璃膠凝時間有限,固化反應時間短,使得固結層強度不高。除此之外,水玻璃固沙反應易受堿性環境影響,強堿性環境會使生成的二氧化硅膠體溶出,導致材料固沙性能變差,并造成二次堿污染[21]。

  李婷等[22]通過向水玻璃中添加氯化鋁固化劑得到高分子凝膠固沙粘結劑,其力學強度及粘結效果較改性前有較大提升,但對于水玻璃抗老化性能差等問題的研究卻罕有涉及。石油產品類固沙材料不僅能固定沙粒,而且能在保持沙漠水分、保證墑情的同時吸收太陽能,使之與植物固沙結合使用時大大提高植物成活率。常用石油產品類固沙材料為乳化瀝青[23]。

  乳化瀝青噴灑至地面后,受沙粒的強烈吸附和電性作用而僅附著在沙粒表面,形成極薄的不均勻固結層。固結層蒸發后逐漸硬化,從而保護沙面免遭侵蝕。石油產品類的不足之處在于其抗老化性能差,大量使用還會導致土體滲水能力下降,同時來源有限且固沙效率低,固沙成本過高。木質素類是應用最為廣泛的生物質資源類固沙材料,它由制漿廢液中的木質素經化學改性制備而成。木質素磺酸鹽分子中存在著大量如酚羥基、醇羥基、羧基、羰基等活性基團,木質素磺酸鹽噴灑在沙體表面后與沙顆粒結合,通過靜電引力、氫鍵和化學絡合作用,在沙土顆粒之間產生架橋作用。

  同時由于其分子鏈的三維網絡狀結構將沙土顆粒包裹在一起,促進了沙土顆粒的聚集,使表層沙粒彼此緊密結合,形成具有一定強度的致密固結層。木質素磺酸鹽溶解性好、耐水蝕性能差的特點會使其在實際應用中受到影響[24]。研究人員正試圖使用接枝、縮聚等手段對木質素類固沙材料進行改性以達到理想要求[25]。

  如李建法等[26]以禾草類木質素磺酸鹽為原料,在過氧化氫環境下分別與丙烯酸、丙烯酰胺單體進行接枝改性,獲得的新型固沙劑固沙效率明顯提高,抗水蝕能力亦有大幅度提升。趙浩等[27]利用木質素磺酸鈉對脲醛樹脂進行接枝改性制得具有良好固沙性能的水溶性固沙抑塵劑。金永燦等[28]以禾草纖維制漿廢液為主要原料,在一定條件下經羥甲基化和縮合反應后合成了新型可降解生物質材料。

  合成高分子類固沙材料利用高黏性聚合物將沙粒封閉,使沙粒由原來的無連結或弱連結變為膠結連結,進而形成強度高且具一定彈性的結構[29]。現已開發出的合成高分子類固沙材料有聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙酸酯(PVAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、SH固沙劑等。

  1.3生物固沙材料

  傳統生物固沙技術主要依賴植物固沙。植物固沙是防治土地荒漠化的最有效途徑[30]。同其他固沙技術相比,植物固沙作用持久、穩定,適于大面積應用;能有效改善沙地理化性質,充分提高沙地的生產潛力;同時能美化環境,提供飼料、木材、燃料等產品,具有多重生態和經濟效益。通常情況下,適宜特定地區生長的植物種類有限、生長周期長,沙漠的惡劣環境無法為植物成活提供有效條件,使得大量固沙植物最終無法成活,造成資源的浪費。另外,大規模植樹造林需要灌溉用水,且對于不同沙漠化地區,選用的固沙植物也應有一定針對性。

  2我國固沙新材料研究進展

  近年來,我國研究人員在固沙材料研究方面取得較大進展,其中不乏固沙性能優異,符合生態環保要求,制備施工工藝簡單、能較大節省固沙成本的固沙材料,通過總結我國近幾年固沙新材料研究成果,分析當前我國固沙新材料研究方向及不足。

  2.1機械固沙新材料

  針對傳統機械沙障之不足,研究人員開發出一系列新型沙障材料,如聚乳酸纖維沙障、HDPE防沙網等[53-54]。聚乳酸纖維(PLA)是以玉米、小麥、甜菜等含淀粉的農產品為原料,經聚合反應和熔融紡絲制成的一種生物可降解聚酯纖維,通過外界條件和微生物作用最終可分解轉化成CO2和H2O[55-56]。

  使用時將沙土就地裝入沙袋,壓實后平鋪于沙丘表面,擺成格狀沙障或帶狀沙障即可起到固沙作用。相較于傳統沙障,PLA沙障具有耐高溫、無污染、造價低、施工簡易、運輸方便、防護時間長等優點。研究人員就PLA沙障的布設方法及其與風沙的相互作用、對土壤物理性質的影響、對植被恢復的影響等開展大量研究。

  周丹丹等[57]選取裸露沙丘作為對照,跟蹤調查PLA沙障保護區內植被生長狀況,發現PLA沙障內植被生長狀況優于裸露沙丘。黨曉宏等[58]通過測定PLA沙障內不同高度風速,研究了不同規格PLA沙障防風效能、地表粗糙度與風速輪廓線特征。

  袁立敏[59]通過試驗發現沙丘在鋪設PLA沙障后,土壤容重、硬度和粒徑均有所增大,土壤表層含水率降低。李謙等[60]連續3年觀測PLA沙障和傳統麥草沙障對沙漠表層土壤含水率的影響,發現使用PLA沙障的保水效果優于麥草沙障。值得說明的是,由于PLA自身的親水性,土壤中水分會對PLA沙障施工有較大影響。

  2.2化學固沙新材料

  新型化學固沙材料包括高分子吸水樹脂、改性廢塑料類和有機-無機復合類固沙材料。高分子吸水樹脂具有優異的固結強度、保水性、粘結性、高溫穩定性且固化速度快,是替代傳統化學固沙材料的首選。現已開發出淀粉接枝丙烯腈、淀粉接枝聚丙烯酸類、纖維素類、聚丙烯酸鹽類、醋酸乙烯類等種類高吸水樹脂。高分子材料對紫外線敏感,易發生鏈斷裂和交聯反應,因此須進行改性處理,以提高其抗紫外線性能,延長固沙壽命[61]。

  陶玲等[21]研究了藍藻結皮在硫酸改性后凹凸棒基高分子固沙材料的生長狀況,發現其與風積沙以一定比例摻和后,藍藻結皮可在固沙材料中正常生長,且生理特性良好。改性廢塑料類固沙材料通過物理和化學方法對廢塑料進行改性處理,生成可以用于固沙的環保材料。包亦望等[62]分別使用溶解法和裂解法處理廢泡沫塑料和聚苯乙烯,均可得到膠結性能良好的固沙材料。

  秦玉芳等[63]將聚乙烯廢塑料和丙烯酸改性,成功合成出保水性能良好的高吸水性樹脂。利用廢塑料制備固沙材料可節約固沙成本,緩解廢物處置壓力,具有十分廣闊的研究前景。有機-無機復合類固沙材料是通過向無機固沙材料中添加有機物后形成的一類新型固沙材料[64]。

  馮恩科[65]使用瓜爾膠、丙烯酸和黃土制備新型有機-無機復合化學固沙劑開展沙樣固結試驗,固結沙樣抗壓強度得到顯著提高,且具有良好的耐紫外老化性、抗凍融性和保水性。該類材料彌補了有機固沙材料和無機固沙材料各自的缺陷,提高了材料的整體固沙性能。但由于化學治沙作用機理復雜,上述新型固沙材料的研究目前仍集中于室內研究,室外研究較為缺乏,現場應用價值有待進一步考察研究。

  2.3生物固沙新材料

  大量研究證實,借助微生物手段能夠有效改善土體性質。微生物土體改性是基于微生物可以在多孔介質中生長、運移和繁殖的特點,通過微生物代謝活動誘發或控制土體中一系列化學反應以改良土體性質[66]。近年來,國內外研究人員已就微生物土體改性開展了大量研究,重點集中在土體加固[67-68]、巖土體防滲[69]、砂土液化處置[70]、結構物表面防護[71]、土體污染治理[72-73]等領域。

  我國當前針對風積沙的微生物加固研究不甚豐富,已有研究主要包括微生物分泌多糖膠結與微生物成礦膠結兩方面。微生物分泌多糖膠結主要依靠微生物自身代謝產生的黏性多糖團聚和充填土顆粒,形成宏觀保水膠結層[74]。

  潘惠霞[75]從新疆古爾班通古特沙漠生物結皮的下層分離得到一株產黏性胞外多糖的寡營養細菌,針對其個體形態、培養特征、營養需求等特性開展研究,并將黏度為1500mPa.s的細菌培養液噴灑于流沙表面,最終形成一層具有粘結沙粒的細菌結皮。分析表明,該結皮層既能固沙防止流沙表面活化,又具有一定的保水作用,能為部分發芽速度遲緩的植物種子萌發提供水分條件。微生物成礦膠結是指利用一些特定微生物,通過為之提供金屬離子和相應營養鹽,快速形成礦物顆粒用于土體膠結。

  目前大多采用的是屬于厚壁菌門的巴氏芽孢桿菌(Sporosarcinapasteurii),它是一種產脲酶細菌。李馳等[77]使用巴氏芽孢桿菌進行風積沙室內膠結試驗,并分析了菌液濃度、巖土基質的孔隙率及顆粒級配對風積沙膠結體強度的影響。研究結果表明微生物成礦膠結可有效降低基質孔隙率,其在沙漠生物覆膜工程中的應用是可行的。

  目前微生物固沙研究仍處于室內研究階段,究其原因,主要是該方法綜合了巖土工程學、微生物學、化學等學科內容,僅以傳統微生物手段開展研究難以促進其在實際工程中的應用與推廣。同時,現階段室內研究多圍繞單一種類產脲酶細菌(如巴氏芽孢桿菌)展開,而其儲運方式及對工程環境適應性等問題的解決有待進一步探索。

  3現有固沙材料總體評價

  機械沙障由于防護高度有限,難以阻擋風沙持續侵蝕,尤其在風沙較大的沙漠地區,甚至會被風沙流掩埋,因此其只能作為一種臨時性輔助固沙手段。化學固沙材料要求材料安全環保,具有良好的耐候性、持久性,同時兼顧成本。從現有化學固沙材料來看,傳統工業生產水泥和水玻璃均存在高能耗的缺點;2017年,我國瀝青總產量占總需求量的83.87%,仍有相當一部分需要依靠進口,瀝青原料的來源問題仍是治沙工程中的難題;有機固沙材料改性是當前治沙材料研究的熱點,但單純考慮固沙效果而忽略經濟成本則對大規模使用的參考價值有限;利用有機-無機固沙材料進行固沙同樣應考慮原料來源及制備工藝問題。

  作為生態系統中的生產者,植物固沙具有經濟、持久、有效的特點,但由于受沙漠惡劣氣候條件限制,很難在短期內發揮作用。然而植物固沙產生的影響是多方面的,已不僅僅局限于單純固沙,其能在一定程度上和一定范圍內維持和調節生態系統的穩定,所以使用植物比使用其他材料更為貼近自然發展規律。由于條件限制,當前使用植物固沙必須以其他固沙方法為前提。微生物在治沙工程中同樣扮演著生產者的角色,通過微生物方法固結風積沙既能有效遏制沙粒移動,同時能改善土體自身性質。開展沙漠自源微生物固沙研究并進一步改進生產工藝將為固沙工程開辟新的道路。

  4結語與展望

  土地沙漠化嚴重阻礙我國生態、社會、經濟建設,治理土地沙漠化已成為當務之急。固沙材料的研究直接影響著土地沙漠化治理進程,事關我國生態環境建設整體布局,研究低成本、高性能、安全環保的固沙材料對我國生態、社會、經濟發展具有重要意義。使用快速、高效固沙材料為植物固沙創造最有利條件,以此遏制風沙活動并改善沙漠生態問題是研制固沙材料的最終目標。

  因此要求固沙材料不能對環境造成污染,同時不能影響植物生長。在使用固沙材料時還應注意對沙土理化性質的觀測研究,重點是固沙材料作用下沙土內部有機質含量及成分變化及微生物活動研究。同時對風沙治理區的植被配置作深入探索,就不同地理位置及不同固沙材料選取適宜的固沙植物,以實現治沙效益最大化。由于我國沙漠影響范圍廣大,新型固沙材料的生產研發必須考慮成本問題。選用來源廣泛的工農業廢棄物或副產物作為原材料生產固沙材料,并進一步改進生產工藝,擴大該材料應用范圍將成為今后固沙材料的重要研究方向。

  參考文獻

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