化學固沙材料概述

韓章勇

摘 要：土地荒漠化、沙化，是當前較為嚴重的生態問題，化學固沙是一種治理措施。隨著科學技術的高速發展，新領域和新技術出現，固沙材料隨之得到發展。擬對現階段化學固沙材料的研究進行介紹，以期加強對化學治沙的認知，促進化學治沙方法及固沙材料的應用與推廣。

關鍵詞：荒漠化防治；沙害；化學固沙；固沙材料

荒漠化是一個全球問題，影響著世界生態和社會經濟發展的方方面面。據相關報道，全球荒漠化土地已達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測結果顯示，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、沙化絕不僅是生態問題，加強、加速防沙、治沙，改善生態環境，促進區域經濟協調可持續發展，更是民生問題。

傳統的沙害防治技術措施分為工程、化學和生物3方面。其中，化學固沙是指用化學材料固結沙層表面，防止風力吹蝕，同時，保持沙層的水分，改良沙地土壤性質，從而達到控制和改善沙害產生環境，提高沙地生產力的方法措施[3]。化學固沙作為一種治標措施，主要用于干旱少雨、植物治沙與地下水開發困難的地區，特別是沙害嚴重的交通、工礦與軍事要地等[4]。其施工便于機械化操作，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、過渡和補充。

化學固沙是一種極有前途的方法[4]，隨著科學技術的高速發展，新領域和新技術出現，固沙材料也隨之得到發展。本研究擬對現階段化學固沙材料的研究進行介紹，以期加強對化學治沙的認知，促進化學治沙方法的應用與推廣。

1 化學固沙基本原理

化學固沙將稀釋的、具有一定膠結性能的化學物質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）的化學膠結物質將沙顆粒膠結形成一層保護殼，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，達到控制流沙和改善沙害環境的目的。固結層一般分為剛性殼層、柔性軟結層和彈性粘結層，均系光滑表面，既可防止風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]。

沙面固結層的形成包括將化學固沙材料（固沙劑）施加在被固結沙面和使其形成固態的、連續的固結層兩個過程。化學材料的固化作用過程主要有兩種，即物理固化和化學固化。物理固化主要是隨溶劑水的揮發，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之間依靠分子間作用力或氫鍵連接膠結而固化，固結層是將離散沙粒包裹而形成的、有一定強度和韌性的連續體。化學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生化學反應而交聯或與沙面沙物質、空氣中的氧氣發生化學反應形成三維網狀結構而固結。化學固化機理的固沙劑在使用時，往往伴隨著物理固化過程[6]。

2 化學固沙材料研究概況

化學固沙的應用始于生產實踐，隨著干旱、半干旱地區工業、農業、牧業、交通、居民點以及軍事基地的發展與建設和石油工業、化學工業的發展而產生、發展起來[7]。20世紀30年代，前蘇聯開始采用化學方法進行固沙試驗，并先后進行瀝青乳化劑、聚丙烯酰胺、涅羅森（頁巖煉油副產物）等材料的實驗；美國在20世紀40年代末開始用化學方法固沙，首次使用一種稱作科赫雷克斯的石油副產品乳化劑，后來又研制出了尿素-甲醛、尿素-雙氰胺和聚丙烯酰胺等進行固沙；英國于20世紀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行海岸沙丘的防治。20世紀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品進行固沙試驗，并取得了一定成果。1956年，我國開始進行化學固沙試驗研究工作，從20世紀60年代起對瀝青乳化液固沙進行了綜合性研究，取得了一定成效。目前，世界上已有40多個國家研制出100多種化學制劑，用于不同目的的沙害防治，都取得了良好效果。

化學固沙材料種類繁多，分類方法也有差異，不同學者根據材料的原料、性能等方面對化學固沙材料進行分類。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；按原料性質分為無機膠凝材料（水硬性膠凝材料與氣硬性膠凝材料）與有機膠凝材料兩大類；按成分分為硅酸鹽類、硅鋁酸鹽類、木質素類、石油餾分類、樹脂類、橡膠乳類及植物油類7類；按形成保護層性質分為剛性結構、塑性結構和彈性結構3類；按與水作用性能分為親水性和疏水性兩類。嚴亮等[8]從化學材料制備及使用過程與生態環境的協調性能出發，將固沙材料分為對工農林業副產品進行改性處理的生態環境材料、利用微生物技術的微生物固沙材料和有機-無機合成的復合固沙材料等幾大類。

以下從幾個方面對常用的化學固沙材料作概述。

2.1 水泥漿類

水泥因具備成本低廉、水化后強度較高等特點，很早就被作為化學固沙材料應用到沙漠治理中。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，形成的固結層強度低，易龜裂、干縮，進而失去固沙作用。為此，研究者通過在固沙材料中加入具有良好吸水保水、保溫作用的有機聚合物對水泥基材料進行改性，開發出具有高強吸水保水性能、抗老化性、耐水性、抗凍融穩定性和耐風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不完全、固結層強度不高、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種改性劑，起到阻緩老化、提高抗粘結強度、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

青海大學教授鐵生年等[11]通過長期調研，借助化學治沙方法，利用近自然的石膏材料，提出一種固沙植生方法。他認為石膏材料可以促進沙漠植物的生長，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，而且其中添加的養分可被植物吸收利用，形成的固結層具有一定強度，吸水保水性能好，耐久性好，抗凍融穩定性、耐風蝕性和耐候性良好，不污染環境，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理研究和結構設計及大規模噴灑設備研發的基礎上具有推廣價值。

2.4 石油產品類

石油產品類用于固沙是將適量的石油產品噴灑在沙地表面，借助其與沙粒的粘結作用使沙面固結，主要產品包括原油、重油、渣油、瀝青等。其中，乳化瀝青作為應用較為廣泛的化學固沙材料，是在瀝青乳化劑作用下由乳化設備制成的有機化合物。20世紀80年代初期，寧夏中衛沙坡頭流動沙丘上曾進行的OT瀝青乳液和ABS瀝青的固沙試驗，表明兩者均可有效固定流沙2～3年，弱風地區在4～5年；同期，鐵道部鐵道科學研究院西北所在包蘭線實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、固結強度不高、穩定性有限。同時，原油和瀝青作為寶貴的資源，用于固沙用量大，對環境也會產生一定影響[13]。研究者在配制石油固沙液時通過加入有機、無機材料（膠乳、高強度樹脂、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）來提高其固結強度，改善其抗老化性、韌性、不龜裂性、儲存穩定性、高溫穩定性等各方面的性能，加強使用效果[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膠結物質，作為黏合固沙劑主要在20世紀60年代以后發展起來，品種很多。使用高分子聚合物固定流沙，處理手續和施工簡便，可改善勞動條件和縮短工期，固沙效果顯著且穩定[15]。20世紀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）等多種化學固沙液的流沙固定試驗，證明聚乙烯醇、聚醋酸乙烯是優良的化學固沙材料。鐵道部鐵道科學研究院西北所在包蘭鐵路沿線進行的噴灑木質素磺酸鹽試驗也取得了一定成效。蘭州大學開發研制的LD系列土工合成材料，其中LD-4在固定流沙方面表現出良好性能，在騰格里沙漠風成沙、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展[16]。對于開發出的LZU（Lanzhou University）系列固沙材料，室內及沙坡頭野外固沙綜合試驗表明其固結性能優良、水滲透性好、抗凍融、抗風蝕能力強、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，具有較高的強度、良好的耐水性、耐老化性能和抗凍融性等特點，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場試驗，也表現出明顯的固沙效果。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 木質素類

木質素是僅次于纖維素的第二大生物質資源，木質素固沙材料是制漿廢液經化學改性制備而成的一種新型固沙材料。制漿廢液木質素主要分為木質素磺酸鹽（LS）和堿木質素[包括燒堿木質素（AL）和硫酸鹽木質素（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]、縮聚改性和復配改性，其中，接枝改性方法最常用[20]。改性后的木質素材料，可提高沙子或土壤的抗壓強度、抗風蝕強度、聚集體含量等，作為固沙劑使用具有見效快、可降解、成本低等優點，既可使木質素資源得到充分利用，又有利于防沙治沙工作[21]。

2.7 其他類型化學固沙材料

高吸水保水材料是一種含強親水性基團并經過適度交聯的功能高分子材料，可在短時間內吸收其自身質量幾百倍甚至幾千倍的水，并具有良好的保水性能，是干旱地區發展節水農業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合材料，用于荒漠化土地的土壤儲水及施肥、保肥和防風固沙[22]。另外，有研究者認為可利用簡單工藝將白色污染廢料改性為固沙膠結材料用于治理沙化，可有效起到固沙防沙和防止沙中水分蒸發的作用[23]。也有學者提出利用環境礦物、SAP、化學固沙漿材，制備復合富水營養包，實現綜合治理荒漠的設想，并在室內進行了一些基本的試驗，獲得了一些初步認知，仍有眾多問題有待深入研究[24-25]。

3 結語

近年來，國際社會日益重視土地荒漠化問題，加強荒漠化防治的呼聲日益強烈，防治沙漠化成為我國新形勢下經濟與環境協調發展中亟待解決的問題。加大力度、加強沙化土地治理，是沙區社會走上生產發展、生活富裕、生態良好的文明發展道路的保障。化學固沙作為一種治標措施，在沙化土地治理中發揮著重要作用。只有采取綜合措施標本兼治，才能有效解決土地沙化問題。進行化學-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，實現生態固沙，才能最終改良沙土結構，使其逐漸具備土壤特征和自我修復能力，真正在我國的荒漠化治理與工程建設中發揮應有的作用。理想的化學固沙材料應具備一定的耐風蝕強度、耐水性、韌性、滲透性、環境協調性、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]

[1] 金銘.地球荒漠化威脅人類生存[J].生態經濟，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測結果及分析[J].林業資源管理，2016（1）：1-5.

[3] 陳廣庭.沙害防治技術[M].北京：化學工業出版社，2004.

[4] 唐麓君.治沙造林工程學[M].北京：中國林業出版社，2005.

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

[6] 衛秀成.化學固沙劑制備與性能研究[D].蘭州：蘭州大學，2004.

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

[8] 嚴亮，楊久俊.新型化學固沙材料的研究現狀及其展望[J].材料導報，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，2003.

[10] 楊柳.新型化學固沙材料的研制和應用[D].蘭州：蘭州大學，2011.

[11] 鐵生年，姜雄，汪長安.沙漠化防治化學固沙材料研究進展[J].科技導報，2013，31（增刊1）：106-111.

[12] 丁向南.渣油乳液結合植物固沙的試驗研究[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用[D].蘭州：蘭州大學，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.高分子材料在化學固沙中的應用[J].生物質化學工程，2006，40（3）：44-47.

[16] 王銀梅，韓文峰，諶文武.化學固沙材料在干旱沙漠地區的應用[J].中國地質災害與防治學報，2004，15（2）：81-84.

[17] 衛秀成，趙正華，諶文武，等.LZU固沙新材料及固沙綜合技術研究[J].蘭州大學學報（自然科學版），2007，43（1）：37-40.

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

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

[20] 葉德展，江獻財，夏超，等.制漿廢液木質素類固沙劑研究進展[J].中國造紙學報，2011，26（4）：58-62.

[21] 魯小珍，金永燦，楊益琴，等.木質素固沙材料應用于沙漠化地區植被恢復的研究[J].林業科學，2005，41（4）：67-71.

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

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

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

[25] 王銀梅，韓文峰，諶文武.對在沙漠地區應用化學固沙劑固沙的探討[J].災害學，2003，18（4）：2-6.