新型環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.吉林化工學院 資源與環境工程學院，吉林 吉林 132022；2.大慶大公環境檢測有限公司，黑龍江 大慶 163000)

中國是當今世界遭受沙漠化危害程度最深的國家之一，其沙漠化狀況受到全球人民的廣泛關注，沙漠化現狀令人擔憂.沙漠化的研究和防治已經在中國開展了近半個世紀，但由于尚未找到有效合理的方法，沙漠化土地仍處于擴展的狀態.中國的沙漠化狀態尚面臨嚴峻的形勢：“局部治理，整體惡化”[1].目前，沙漠化治理主要通過固沙的方式來解決，常采用的技術主要有四大類[2-3]：工程固沙技術[4]、化學固沙技術[5]、植物固沙技術[6]和綜合固沙技術[7].

在人類當今諸多的環境問題中，土地荒漠化、沙漠化是最為嚴重的全球災難問題之一.土地荒漠化、沙漠化已損失全球1/3的耕地，嚴重威脅到了人類生產、生活和生存基礎環境.因此亟待尋求廉價、高效及環保的固沙劑來解決人類關注的熱點問題.本文旨在研發一種成本低、固沙效果好且環保的新型化學固沙材料.將木質素或木質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素磺酸鹽，減輕造紙企業污染問題,同時又達到了防風固沙的目的.另外，與其他有機固沙劑相比,木質素磺酸鹽固沙劑由天然產物制得，產品無毒無害，而且可被生物降解,因此在固沙應用過程中不會造成污染.

1 材料與方法

1.1 儀器設備

電子天平(型號為FA3204B，鄭州南北儀器設備有限公司)；酸度計(型號為PHS-3CW-UK，上海精密儀器儀表有限公司)、恒溫水浴鍋( HH-S4，上海況勝實業發展有限公司)、土壤硬度計(型號為HTS-1600，上海精密儀器儀表有限公司)、吹風機(型號為FH6257，上海飛科電器股份有限公司)、烘箱(型號為DHG9240A,上海精宏實驗設備有限公司)、傅 里 葉 紅外光譜儀(FT-IR，Vertex70型)，德國布魯克公司.

1.2 材料與試劑

木質素磺酸鈉(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.沙土來源為內蒙古自治區通遼市奈曼旗科爾沁沙漠，其性質為砂粒96.35%，粉粒1.86%，黏粒1.79%，土壤肥力偏低.

1.3 試驗方法

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30 min，然后再加入適量的尿素，反應40 min，再加入一定量的亞硫酸氫鈉，用NaOH溶液調節反應體系pH=11左右，升溫90 ℃，保溫反應90 min，然后自然降溫80 ℃，用甲酸溶液調節反應體系pH=4.5左右，升溫至85 ℃，反應30 min.用NaOH溶液調節反應體系為弱堿性，加入適量的木質素和尿素，降溫至70 ℃，反應1 h后，降溫出料.

1.4 樣品檢測

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

1.4.1 FT-IR測試

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

1.4.2 保水性測試

取上述的六個濃度梯度的固沙試樣，1 L/m2的蒸餾水進行噴灑，每隔相同時間后進行稱重，計算保水率.保水率計算公式如(1)式.

(1)

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

1.4.3 抗風性測試

取上述的六個濃度梯度的固沙試樣，稱重.模擬自然風蝕，控制一定風速，同時控制一定時間，然后計算風蝕率.風蝕計算公式如(2)式.

(2)

式中，E為風蝕率，%；S1為風蝕前的固沙試樣質量，g；S2風蝕后的固沙試樣質量，g.

1.4.4 抗壓性測試

利用土壤硬度計(型號為HTS-1600，上海精密儀器儀表有限公司)測量固沙試樣的硬度指數，每個試樣選擇3～5個測點進行測定，最后求取平均值作為最終抗壓強度.

1.4.5 耐水性測試

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

1.5 數據處理方法

本文主要利用Origin 2018 64Bi、excel數據處理、列表法和圖形法等進行試驗數據進行分析.

2 結果與討論

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 對保水性能測試

沙漠化土地水分的儲存、吸取 能力尤為重要，更是植物生長的充分條件之一，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后的水分損失就達到了50%左右，也就是說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，保水率呈現上升的狀態，這是因為合成的固沙劑具有一定的親水和保水性能，能有效防止水分蒸發，固沙劑含量越高，親水性就越好，粘結得就越緊密，保水性能就越好.

噴水時間/h圖2 不同濃度固沙劑保水率隨時間變化

2.3 對抗風性能測試

風是沙漠中最重要的環境因素，風蝕可導致沙漠化擴大，沙土在噴灑固沙劑后，形成的固結層必須具有較好的抗風蝕性.從圖3可以看出，18 m·SJ的風速相當于八級大風，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，風蝕率為20%左右，使內部松散的沙土不受吹蝕；當噴灑3%～5%的固沙劑時，風蝕率變化為0.03%～0.02%，固沙試樣抗風蝕性良好，完全滿足實際應用條件，在實際應用時，可以根據需要調整固沙劑含量，由于固沙劑含量越高，固沙劑粘度越大，粘結沙粒的能力越強，形成的固結層也越厚，所以抵抗風蝕的能力就越強.

固沙劑濃度/%圖3 不同濃度的固沙劑抗風蝕性曲線

2.4 對抗壓性能測試

固沙試樣抗壓強度越大，固結層抵抗外界侵蝕能力越強.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作用增強，壓縮強度也就越大，幾乎接近于線性關系變化，噴灑2%的固沙劑的沙模，抗壓強度10 mm左右；噴灑5%的固沙劑的沙模，抗壓強度達到25 mm；通過實地實驗結果可知，固結層平 均硬度指數對植物生長有著直接影響，當平均硬度指數在10～25 mm范圍內時，植物生長良好；而平均硬度指數在 25 mm以上時，植物根系伸長困難[12]，從圖3中可以看出，固沙劑含量為2%～5%時，就可以滿足要求，實際應用過程要考慮成本及壓縮強度等各方面因素，綜合考慮選擇合適的固沙劑含量做為實際應用.

固沙劑濃度/%圖4 不同濃度的固沙抗壓性能曲線

2.5 對耐水性能測試

耐水性能測試主要測定沙堆的質量損失率，目的在于考察固沙劑能否經受被水浸泡的考驗，結果如圖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歷多次水蝕后，質量損失就已經接近了95%以上；然而，噴灑了2%固沙劑的沙模經歷多次水蝕之后質量損失了不到45%；噴灑4%和5%固沙劑的沙模即便水蝕多次后質量仍然減少不多，其質量損失也不足5%.這表明合成的固沙劑有較強的抗耐水性能，可以有效防止水土流失，實際應用中根據具體情況選擇合適固沙劑含量.

3 結 論

采用木質素磺酸鈉、尿素、甲醛和三聚氰胺為主要原料，合成了新型環保固沙劑，有效地利用了木質素磺酸鹽，減輕造紙企業污染問題,同時又達到了防風固沙的目的.另外，與其他有機固沙劑相比,木質素磺酸鹽固沙劑由天然產物制得，產品無毒無害，而且可被生物降解,因此在固沙應用過程中不會造成污染.實驗結果表明，新型環保固沙劑具有很大的應用潛力，經濃度為4%～5%的固沙劑噴灑后的固沙試樣，保水性能、抗風蝕性、抗壓性、耐水性均可達到實際應用要求.