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我国固沙材料研究进展与应用前景

时间:2019年09月12日 所属分类:推荐论文 点击次数:

提要:我国当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,分析当前固沙材料固沙机理并进一步开展固沙新材料研究对发展我国治沙工程具有重要意义。对目前广泛应用及处于研究阶段的固沙材料进行归纳,再分别对沙障材料、

  提要:我国当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,分析当前固沙材料固沙机理并进一步开展固沙新材料研究对发展我国治沙工程具有重要意义。对目前广泛应用及处于研究阶段的固沙材料进行归纳,再分别对沙障材料、化学固沙材料、生物固沙材料加以介绍,重点对固沙新材料的固沙机理、使用限制与应用前景展开分析,以期拓宽广大研究人员思路,为制备性能优异的新型绿色固沙材料提供参考。

  关键词:沙漠化防治;固沙材料;固沙机理;新型材料

材料导报

  我国是一个易受荒漠化影响的国家,荒漠化土地占我国国土总面积27.20%,全国共有18个省区市受到荒漠化的侵害,影响超过4亿人口,荒漠化问题已成为我国最为严重的生态问题之一[1]。

  荒漠化类型可分为风蚀荒漠化、水蚀荒漠化、盐渍荒漠化和冻融荒漠化四种类型,其中风蚀荒漠化土地面积占我国荒漠化土地总面积的比例高达69.93%,这严重威胁到我国生态安全,影响土地资源开发建设。常用固沙技术分为工程固沙技术、化学固沙技术、生物固沙技术[2],相对应的固沙材料有机械沙障、化学固沙材料、生物固沙材料。

  随着我国生态环保建设进程的进一步加快,其中大部分材料已难以满足当前对固沙成本、节能环保的要求,如机械沙障存在有效防护时间短、人力物力消耗多等问题,长期使用化学固沙材料对环境的影响问题,固沙植物生长周期长、早期难以适应沙漠严酷环境等。

  因此,结合荒漠化防治技术,研究开发固沙新材料意义重大。文中总结了我国当前固沙材料的研究进展,阐述了常用固沙材料的固沙机理、固沙效果、应用局限与使用前景。同时介绍了目前处于研发阶段的新型固沙材料成果,并就新型材料研制过程中存在的问题与今后的重点研究方向加以简要分析。

  1常用固沙材料

  1.1机械固沙材料

  机械沙障的治沙原理是依据风沙移动规律,通过布设固体障碍物增加下垫面粗糙度进而降低近地表风速、提高沙粒起动风速,改变风沙流运动规律[3]。作为最早应用于防治风沙灾害的技术之一,它是自然条件恶劣地区的主要治沙措施。目前在实际工程中广泛使用的沙障材料包括柴草、砾石、黏土、尼龙和塑料网格等[4-6]。

  通过在重沙害区合理设置不同规格、尺寸的沙障,能有效遏制风沙流、改善土壤性质,为后续治沙工程提供条件。机械沙障的缺点在于防护高度有限,有效防护时间短,且易被流沙掩埋,多数地区还存在交通运输不便、人力物力消耗过多等问题[7-9]。

  对于不同种类的沙障材料,其缺陷各不相同:柴草沙障在设置3~4年后由于地下部分腐烂分解会逐渐丧失治沙功用[10];砾(卵)石沙障工程实际固沙作用有限,风沙灾害较为严重地区普遍缺乏大量砾石物源,运输成本问题造成砾(卵)石沙障难以大面积使用[11];黏土沙障由于自身强度低、易被掏蚀,对过境流沙阻拦作用不显着[12];尼龙和塑料网格设置成本高,破损后难以降解,且其中所含对环境有害的成分会造成治理区的二次污染[13-14]。

  1.2化学固沙材料

  我国开展化学固沙研究始于上世纪50年代,目前已研制出乳化沥青、高分子聚合物、无机材料等多种化学固沙材料。化学固沙通过喷施化学粘合剂,在流沙表面形成一层具有一定强度的刚性壳层或柔性固结层或弹性固结层以隔绝气流与松散沙层的直接作用,同时保持沙地水分,达到防治风沙侵蚀的目的[15-16]。

  化学固沙材料粘结沙粒的前提是其本身足够湿润以能够与沙粒表面充分接触。沙粒含有硅酸盐等无机盐类,属极性体,具有天然亲水性。因此,用于化学固沙的固沙剂含有的大量能与沙土颗粒结合的有效亲水基团,通过范德华力、氢键等分子间作用力与化学键等将固沙材料和沙土颗粒连结起来[17-18]。化学固沙材料以其施工简便、成本低、见效快、可迅速改性荒漠土壤等典型优点被越来越多地被应用到工程实际中。

  常用化学固沙材料有:水泥浆类、水玻璃类、石油产品类、生物质资源类、合成高分子类,其固沙原理包括粘结作用、表层覆盖作用、水化作用、沉淀作用、聚合作用。水泥浆中的游离钙离子与沙粒中酸性二氧化硅反应生成稳定结晶物,凝固后的高强度覆盖层可用于固定风沙颗粒。由于沙漠地区气候干燥,喷洒水泥浆后,水分会迅速蒸发而使水泥无法充分水化,所以只形成薄而脆的固结层。另外,硬化水泥浆在沙漠环境中很快便干缩龟裂,进而失去固沙保水作用[19],故一般不单独使用水泥浆类固沙。

  许祥俊[20]通过向水泥砂浆中添加乳化沥青和聚丙烯酸钠高吸水树脂进行高性能聚合物水泥基固沙材料的研制,并得到强度优于传统水泥砂浆、韧性明显增强的新型固沙材料。水玻璃类固沙材料由水玻璃和酸性反应剂构成。水玻璃在反应时会渗透并填充于沙粒间隙,与反应剂在强碱性环境下发生沉淀作用。但水玻璃胶凝时间有限,固化反应时间短,使得固结层强度不高。除此之外,水玻璃固沙反应易受碱性环境影响,强碱性环境会使生成的二氧化硅胶体溶出,导致材料固沙性能变差,并造成二次碱污染[21]。

  李婷等[22]通过向水玻璃中添加氯化铝固化剂得到高分子凝胶固沙粘结剂,其力学强度及粘结效果较改性前有较大提升,但对于水玻璃抗老化性能差等问题的研究却罕有涉及。石油产品类固沙材料不仅能固定沙粒,而且能在保持沙漠水分、保证墒情的同时吸收太阳能,使之与植物固沙结合使用时大大提高植物成活率。常用石油产品类固沙材料为乳化沥青[23]。

  乳化沥青喷洒至地面后,受沙粒的强烈吸附和电性作用而仅附着在沙粒表面,形成极薄的不均匀固结层。固结层蒸发后逐渐硬化,从而保护沙面免遭侵蚀。石油产品类的不足之处在于其抗老化性能差,大量使用还会导致土体渗水能力下降,同时来源有限且固沙效率低,固沙成本过高。木质素类是应用最为广泛的生物质资源类固沙材料,它由制浆废液中的木质素经化学改性制备而成。木质素磺酸盐分子中存在着大量如酚羟基、醇羟基、羧基、羰基等活性基团,木质素磺酸盐喷洒在沙体表面后与沙颗粒结合,通过静电引力、氢键和化学络合作用,在沙土颗粒之间产生架桥作用。

  同时由于其分子链的三维网络状结构将沙土颗粒包裹在一起,促进了沙土颗粒的聚集,使表层沙粒彼此紧密结合,形成具有一定强度的致密固结层。木质素磺酸盐溶解性好、耐水蚀性能差的特点会使其在实际应用中受到影响[24]。研究人员正试图使用接枝、缩聚等手段对木质素类固沙材料进行改性以达到理想要求[25]。

  如李建法等[26]以禾草类木质素磺酸盐为原料,在过氧化氢环境下分别与丙烯酸、丙烯酰胺单体进行接枝改性,获得的新型固沙剂固沙效率明显提高,抗水蚀能力亦有大幅度提升。赵浩等[27]利用木质素磺酸钠对脲醛树脂进行接枝改性制得具有良好固沙性能的水溶性固沙抑尘剂。金永灿等[28]以禾草纤维制浆废液为主要原料,在一定条件下经羟甲基化和缩合反应后合成了新型可降解生物质材料。

  合成高分子类固沙材料利用高黏性聚合物将沙粒封闭,使沙粒由原来的无连结或弱连结变为胶结连结,进而形成强度高且具一定弹性的结构[29]。现已开发出的合成高分子类固沙材料有聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙酸酯(PVAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、SH固沙剂等。

  1.3生物固沙材料

  传统生物固沙技术主要依赖植物固沙。植物固沙是防治土地荒漠化的最有效途径[30]。同其他固沙技术相比,植物固沙作用持久、稳定,适于大面积应用;能有效改善沙地理化性质,充分提高沙地的生产潜力;同时能美化环境,提供饲料、木材、燃料等产品,具有多重生态和经济效益。通常情况下,适宜特定地区生长的植物种类有限、生长周期长,沙漠的恶劣环境无法为植物成活提供有效条件,使得大量固沙植物最终无法成活,造成资源的浪费。另外,大规模植树造林需要灌溉用水,且对于不同沙漠化地区,选用的固沙植物也应有一定针对性。

  2我国固沙新材料研究进展

  近年来,我国研究人员在固沙材料研究方面取得较大进展,其中不乏固沙性能优异,符合生态环保要求,制备施工工艺简单、能较大节省固沙成本的固沙材料,通过总结我国近几年固沙新材料研究成果,分析当前我国固沙新材料研究方向及不足。

  2.1机械固沙新材料

  针对传统机械沙障之不足,研究人员开发出一系列新型沙障材料,如聚乳酸纤维沙障、HDPE防沙网等[53-54]。聚乳酸纤维(PLA)是以玉米、小麦、甜菜等含淀粉的农产品为原料,经聚合反应和熔融纺丝制成的一种生物可降解聚酯纤维,通过外界条件和微生物作用最终可分解转化成CO2和H2O[55-56]。

  使用时将沙土就地装入沙袋,压实后平铺于沙丘表面,摆成格状沙障或带状沙障即可起到固沙作用。相较于传统沙障,PLA沙障具有耐高温、无污染、造价低、施工简易、运输方便、防护时间长等优点。研究人员就PLA沙障的布设方法及其与风沙的相互作用、对土壤物理性质的影响、对植被恢复的影响等开展大量研究。

  周丹丹等[57]选取裸露沙丘作为对照,跟踪调查PLA沙障保护区内植被生长状况,发现PLA沙障内植被生长状况优于裸露沙丘。党晓宏等[58]通过测定PLA沙障内不同高度风速,研究了不同规格PLA沙障防风效能、地表粗糙度与风速轮廓线特征。

  袁立敏[59]通过试验发现沙丘在铺设PLA沙障后,土壤容重、硬度和粒径均有所增大,土壤表层含水率降低。李谦等[60]连续3年观测PLA沙障和传统麦草沙障对沙漠表层土壤含水率的影响,发现使用PLA沙障的保水效果优于麦草沙障。值得说明的是,由于PLA自身的亲水性,土壤中水分会对PLA沙障施工有较大影响。

  2.2化学固沙新材料

  新型化学固沙材料包括高分子吸水树脂、改性废塑料类和有机-无机复合类固沙材料。高分子吸水树脂具有优异的固结强度、保水性、粘结性、高温稳定性且固化速度快,是替代传统化学固沙材料的首选。现已开发出淀粉接枝丙烯腈、淀粉接枝聚丙烯酸类、纤维素类、聚丙烯酸盐类、醋酸乙烯类等种类高吸水树脂。高分子材料对紫外线敏感,易发生链断裂和交联反应,因此须进行改性处理,以提高其抗紫外线性能,延长固沙寿命[61]。

  陶玲等[21]研究了蓝藻结皮在硫酸改性后凹凸棒基高分子固沙材料的生长状况,发现其与风积沙以一定比例掺和后,蓝藻结皮可在固沙材料中正常生长,且生理特性良好。改性废塑料类固沙材料通过物理和化学方法对废塑料进行改性处理,生成可以用于固沙的环保材料。包亦望等[62]分别使用溶解法和裂解法处理废泡沫塑料和聚苯乙烯,均可得到胶结性能良好的固沙材料。

  秦玉芳等[63]将聚乙烯废塑料和丙烯酸改性,成功合成出保水性能良好的高吸水性树脂。利用废塑料制备固沙材料可节约固沙成本,缓解废物处置压力,具有十分广阔的研究前景。有机-无机复合类固沙材料是通过向无机固沙材料中添加有机物后形成的一类新型固沙材料[64]。

  冯恩科[65]使用瓜尔胶、丙烯酸和黄土制备新型有机-无机复合化学固沙剂开展沙样固结试验,固结沙样抗压强度得到显着提高,且具有良好的耐紫外老化性、抗冻融性和保水性。该类材料弥补了有机固沙材料和无机固沙材料各自的缺陷,提高了材料的整体固沙性能。但由于化学治沙作用机理复杂,上述新型固沙材料的研究目前仍集中于室内研究,室外研究较为缺乏,现场应用价值有待进一步考察研究。

  2.3生物固沙新材料

  大量研究证实,借助微生物手段能够有效改善土体性质。微生物土体改性是基于微生物可以在多孔介质中生长、运移和繁殖的特点,通过微生物代谢活动诱发或控制土体中一系列化学反应以改良土体性质[66]。近年来,国内外研究人员已就微生物土体改性开展了大量研究,重点集中在土体加固[67-68]、岩土体防渗[69]、砂土液化处置[70]、结构物表面防护[71]、土体污染治理[72-73]等领域。

  我国当前针对风积沙的微生物加固研究不甚丰富,已有研究主要包括微生物分泌多糖胶结与微生物成矿胶结两方面。微生物分泌多糖胶结主要依靠微生物自身代谢产生的黏性多糖团聚和充填土颗粒,形成宏观保水胶结层[74]。

  潘惠霞[75]从新疆古尔班通古特沙漠生物结皮的下层分离得到一株产黏性胞外多糖的寡营养细菌,针对其个体形态、培养特征、营养需求等特性开展研究,并将黏度为1500mPa.s的细菌培养液喷洒于流沙表面,最终形成一层具有粘结沙粒的细菌结皮。分析表明,该结皮层既能固沙防止流沙表面活化,又具有一定的保水作用,能为部分发芽速度迟缓的植物种子萌发提供水分条件。微生物成矿胶结是指利用一些特定微生物,通过为之提供金属离子和相应营养盐,快速形成矿物颗粒用于土体胶结。

  目前大多采用的是属于厚壁菌门的巴氏芽孢杆菌(Sporosarcinapasteurii),它是一种产脲酶细菌。李驰等[77]使用巴氏芽孢杆菌进行风积沙室内胶结试验,并分析了菌液浓度、岩土基质的孔隙率及颗粒级配对风积沙胶结体强度的影响。研究结果表明微生物成矿胶结可有效降低基质孔隙率,其在沙漠生物覆膜工程中的应用是可行的。

  目前微生物固沙研究仍处于室内研究阶段,究其原因,主要是该方法综合了岩土工程学、微生物学、化学等学科内容,仅以传统微生物手段开展研究难以促进其在实际工程中的应用与推广。同时,现阶段室内研究多围绕单一种类产脲酶细菌(如巴氏芽孢杆菌)展开,而其储运方式及对工程环境适应性等问题的解决有待进一步探索。

  3现有固沙材料总体评价

  机械沙障由于防护高度有限,难以阻挡风沙持续侵蚀,尤其在风沙较大的沙漠地区,甚至会被风沙流掩埋,因此其只能作为一种临时性辅助固沙手段。化学固沙材料要求材料安全环保,具有良好的耐候性、持久性,同时兼顾成本。从现有化学固沙材料来看,传统工业生产水泥和水玻璃均存在高能耗的缺点;2017年,我国沥青总产量占总需求量的83.87%,仍有相当一部分需要依靠进口,沥青原料的来源问题仍是治沙工程中的难题;有机固沙材料改性是当前治沙材料研究的热点,但单纯考虑固沙效果而忽略经济成本则对大规模使用的参考价值有限;利用有机-无机固沙材料进行固沙同样应考虑原料来源及制备工艺问题。

  作为生态系统中的生产者,植物固沙具有经济、持久、有效的特点,但由于受沙漠恶劣气候条件限制,很难在短期内发挥作用。然而植物固沙产生的影响是多方面的,已不仅仅局限于单纯固沙,其能在一定程度上和一定范围内维持和调节生态系统的稳定,所以使用植物比使用其他材料更为贴近自然发展规律。由于条件限制,当前使用植物固沙必须以其他固沙方法为前提。微生物在治沙工程中同样扮演着生产者的角色,通过微生物方法固结风积沙既能有效遏制沙粒移动,同时能改善土体自身性质。开展沙漠自源微生物固沙研究并进一步改进生产工艺将为固沙工程开辟新的道路。

  4结语与展望

  土地沙漠化严重阻碍我国生态、社会、经济建设,治理土地沙漠化已成为当务之急。固沙材料的研究直接影响着土地沙漠化治理进程,事关我国生态环境建设整体布局,研究低成本、高性能、安全环保的固沙材料对我国生态、社会、经济发展具有重要意义。使用快速、高效固沙材料为植物固沙创造最有利条件,以此遏制风沙活动并改善沙漠生态问题是研制固沙材料的最终目标。

  因此要求固沙材料不能对环境造成污染,同时不能影响植物生长。在使用固沙材料时还应注意对沙土理化性质的观测研究,重点是固沙材料作用下沙土内部有机质含量及成分变化及微生物活动研究。同时对风沙治理区的植被配置作深入探索,就不同地理位置及不同固沙材料选取适宜的固沙植物,以实现治沙效益最大化。由于我国沙漠影响范围广大,新型固沙材料的生产研发必须考虑成本问题。选用来源广泛的工农业废弃物或副产物作为原材料生产固沙材料,并进一步改进生产工艺,扩大该材料应用范围将成为今后固沙材料的重要研究方向。

  参考文献

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  [2]龚伟,臧运晓,谢浩,等.现有固沙材料的结构与性能内在关系的研究进展[J].材料导报,2015,29(21):47-52.

  [3]高永,邱国玉,丁国栋,等.沙柳沙障的防风固沙效益研究[J].中国沙漠,2004,24(3):365-370.

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