一種高效保水材料制備及其邊坡綠化應用研究★

李衛青，劉 臻，黃 兵，袁飛云，李 聰

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

0 引言

岸坡作為連接陸生生態系統和水生生態系統的橋梁,岸坡常常受到洪水、波浪、風暴潮等災害的破壞,因此,應當采取適當的工程措施加強對岸坡的防護[1]。隨著水利工程新理念的傳播和發展,由于生態邊坡優秀的抗沖刷和穩定邊坡結構的能力,生態護岸在實際水利工程中的應用越來越廣泛,日益成為護岸工程的主要形式。常見植被修復技術主要有液壓噴播技術、客土噴播技術、植被混凝土技術、植生袋技術、三維植被網技術和厚層基材噴射技術等[2],這些技術的實現往往需要營造足夠深度的土壤層為植物根系生長提供環境,但其土壤層的水氣換能力與自然生境條件相比偏低,因此植被發芽率和生長狀況差,表現為三年存活率極低[3]。尤其是港口邊坡一般地質較硬,在硬質邊坡生境修復過程中,營造土壤層造價過高,效果不理想,急需開發所需高效無土栽培技術及其配套保水材料。

環保型保水材料一般選用天然材料加工而來。張海楠[4]通過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40 ℃烘干11 h的保水率為76.90%;張昌輝等通過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,市場上以及文獻中常見的保水材料一般都為凝膠材料,雖然已經應用于生物相關、農業等領域[5-7],但凝膠材料為半固體,流動性差,與巖質邊坡黏合力低,同時其制備對設備要求高,因此并不適合作為高、陡邊坡的植物修復的基質材料。而半凝膠材料具有凝膠材料保水性,且具有較強的流動性和黏附性,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,具有人工無法模擬的孔結構,且比表面積大、吸附能力強、親水性好、化學穩定性良好,在我國具有較高的儲備量,因此本文選用硅藻土作為復合材料的基質。

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保材料制備半凝膠保水復合材料,考察制備過程中各材料配比對復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,探究溫度、接觸面條件對材料保水性能的影響,并進行微藻培養實驗。復合材料可為邊坡修復的無土栽培技術提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

實驗過程中的藥劑主要為聚乙烯醇(PVA,寧夏大地循環發展股份有限公司);羧甲基纖維素鈉(CMC,上海長光企業發展有限公司);硅藻泥(鄉居樂藝術壁材廠);活性炭(蘇州炭旋風活性炭有限公司)。另外,適用于無土栽培的無菌綠布購自宿遷云之道電子商務有限公司,微藻經野外采集并擴培獲得。

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

1.2 復合材料的制備

將電子天平量取對應質量比的聚乙烯醇、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 測試與表征

1.3.1 吸水倍數測定

室溫下,取定量的干燥復合保水材料于燒杯中,加入定量測試液,靜置至樣品成半凝膠,之后用100目網篩濾掉游離水,在網篩上靜置20 min后稱取吸水凝膠質量。樣品的吸水倍數為:

吸水倍數=(M1-M0)/M0。

其中,M1為吸水凝膠質量;M0為干燥凝膠質量。

1.3.2 5 d保水率測定

室溫下,取定量復合材料于燒杯中,加定量測試液攪拌均勻后,記錄表面皿質量M0,然后取樣品于表面皿中記為M1,編號并保存于恒溫培養箱中,連續5 d記錄樣品質量變化記為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質量;M″為M2,M3,M4,M5質量,即M″=M′+1。

1.3.3 結構表征

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構。試樣鍍金厚度約為25 nm,電壓為10 kV。

1.4 微植物培養實驗

將適量營養液和提取混合藻加入混合材料后再攪拌至黏稠后,分別敷設于適用于無土栽培的無菌紡布和仿邊坡水泥材質上,厚度為1 cm,定期養護,每24 h觀察微藻數量變化。微藻數量采用aaa方法計量。

2 結果與討論

2.1 羧甲基纖維素鈉與聚乙烯醇用量對材料保水、吸水倍數的影響

聚乙烯醇是黏合劑,增加聚乙烯醇會降低保水性能,但能夠增加復合保水材料在應用時對纖維的黏附性。由圖1(a)可知,當添加量為39.29%～67.86%時,復合保水材料5 d時的含水率(質量分數)為44.38%～93.01%,均可滿足微藻生長要求。當聚乙烯醇用量為46.43%時保水效果最佳,5 d后材料含水率(質量分數)為54.51%。另外,圖1(b)結果表明,復合保水材料吸水倍數隨聚乙烯醇添加量的增加呈下降趨勢。當聚乙烯醇用量由35.71%增加到53.57%時,復合保水材料的吸水倍數顯著下降。是因為聚乙烯醇中的-OH與水分子形成氫鍵,但由于極性基團-OH之間的靜電排斥作用會使得復合保水材料網狀結構的網孔變小,進而導致吸水能力下降。當聚乙烯醇用量由53.57%增加到60.71%時,隨聚乙烯醇的增加而緩慢降低。原因是此時極性基團的靜電排斥作用達到峰值。而當聚乙烯醇添加量超過60.71%時,聚乙烯醇中復合材料極性基團起主要作用,復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構改善劑,能夠降低復合保水材料的流動性便于材料的附著。圖1(c)結果表明,當羧甲基纖維素鈉用量為107.14%～192.29%時,5 d后材料含水率(質量分數)為52.01%～94.60%,連續5 d含水率受羧甲基纖維素鈉添加量影響不大,均滿足微植物培養所需水分要求[8]。另外,圖1(d)結果表明當羧甲基纖維素鈉用量由107.14%上升至171.43%時,復合保水材料的吸水倍數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(—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濃度越高,吸水倍數隨之增加。同時,溶液中羧甲基纖維素鈉會隨濃度的上升逐漸由鏈式向網狀結構轉變,這也是復合保水材料吸水能力增加的原因[9]。當羧甲基纖維素鈉用量超過171.43%時,吸水倍數下降。是因為復合材料吸水能力達到峰值,繼續增加羧甲基纖維素鈉的添加量則會增加復合保水材料的交聯密度,進而導致吸水能力下降。

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

2.2 復合保水材料SEM分析

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

2.3 接觸面與環境溫度對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量的1.79%,53.6%和150%時),復合材料的保水性能受溫度等各種性質復合影響,其中復合材料實際應用場景會影響材料實際保水性能。圖3考察了復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,不同接觸面材料對復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%,均低于實驗室條件下的60%,這與外界空氣流動造成材料表面水分散失有關。水泥面條件下5 d后含水率(質量分數)僅為24.60%。這是由于水泥表面存在大量孔隙,前期復合保水材料中的游離水和孔隙水一部分通過表面蒸發作用散失,另一部分進入水泥孔隙流失,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構相關。復合保水材料中水分流失主要是通過表面蒸發作用,同時復合材料表面與空氣水分子具有一定交互作用,因此表現為該條件下保水率較高。

此外環境溫度也能對材料保水性能產生影響。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量的1.79%,53.6%和150%時),考察室外環境溫度(20 ℃～40 ℃)對復合保水材料保水性能的影響,結果如圖3所示。隨著環境溫度升高,復合保水材料的保水能力下降明顯,其中外界環境溫度為20 ℃時,復合保水材料5 d后含水率(質量分數)仍有70%以上,而40 ℃時5 d后的含水率(質量分數)下降到約45%。對種子和混合藻類而言,發芽的關鍵時間是前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。

2.4 應用

為了研究該高分子復合保水材料的微植物生長效果,在室外進行了保水材料的微植物生長實驗。

室外培養結果由圖4所示,在溫度34 ℃、濕度40%條件下,混合了微植物的復合保水材料在栽培布面上經過3 d定時淋洗,材料與栽培布面結合的更加緊密,再經過2 d的淋洗材料完成消失,而微植物也已經完成其在栽培布面上的“定居”。后續通過對布面2 d～3 d的定期養護,微植物在栽培布面生長狀況良好。實驗研究證明該方法可直接移植到邊坡,無需覆土,采用生物可降解的栽培布即可完成微植物與邊坡的穩定結合。

復合保水材料的高黏滯性和保水性能能夠為微植物附著和生存提供空間,此外復合保水材料的高流動性也為材料的施工敷設提供便利,其生物可降解的特性也是有利于環境。此外復合保水材料對裸露巖質邊坡的高適宜性也是本材料的一大優點。但在室外施工時需保證其含水率,因此后續此材料在邊坡植被種植利用時,因與適宜的養護相結合。

3 結論

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土栽培的保水材料。

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

2)在環境溫度不高于40 ℃時,種植在復合保水材料的微植物生長狀況良好。

3)栽培布面上的復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,技術為港口硬質邊坡綠化提供了新的思路。