新型环保固沙剂的性能研究

刘 辉，王玉伟，邹继颖*，孙大志，陈立波，董春欣，沈士彬，翦英红，徐亮亮**，翁士睿**

(1.吉林化工学院 资源与环境工程学院，吉林 吉林 132022；2.大庆大公环境检测有限公司，黑龙江 大庆 163000)

中国是当今世界遭受沙漠化危害程度最深的国家之一，其沙漠化状况受到全球人民的广泛关注，沙漠化现状令人担忧.沙漠化的研究和防治已经在中国开展了近半个世纪，但由于尚未找到有效合理的方法，沙漠化土地仍处于扩展的状态.中国的沙漠化状态尚面临严峻的形势：“局部治理，整体恶化”[1].目前，沙漠化治理主要通过固沙的方式来解决，常采用的技术主要有四大类[2-3]：工程固沙技术[4]、化学固沙技术[5]、植物固沙技术[6]和综合固沙技术[7].

在人类当今诸多的环境问题中，土地荒漠化、沙漠化是最为严重的全球灾难问题之一.土地荒漠化、沙漠化已损失全球1/3的耕地，严重威胁到了人类生产、生活和生存基础环境.因此亟待寻求廉价、高效及环保的固沙剂来解决人类关注的热点问题.本文旨在研发一种成本低、固沙效果好且环保的新型化学固沙材料.将木质素或木质素磺酸盐从造纸废液提取改性制备固沙剂，既有效地利用了木质素磺酸盐，减轻造纸企业污染问题,同时又达到了防风固沙的目的.另外，与其他有机固沙剂相比,木质素磺酸盐固沙剂由天然产物制得，产品无毒无害，而且可被生物降解,因此在固沙应用过程中不会造成污染.

1 材料与方法

1.1 仪器设备

电子天平(型号为FA3204B，郑州南北仪器设备有限公司)；酸度计(型号为PHS-3CW-UK，上海精密仪器仪表有限公司)、恒温水浴锅( HH-S4，上海况胜实业发展有限公司)、土壤硬度计(型号为HTS-1600，上海精密仪器仪表有限公司)、吹风机(型号为FH6257，上海飞科电器股份有限公司)、烘箱(型号为DHG9240A,上海精宏实验设备有限公司)、傅 里 叶 红外光谱仪(FT-IR，Vertex70型)，德国布鲁克公司.

1.2 材料与试剂

木质素磺酸钠(GR500g)，上海庭若化工有限公司；尿素(GR500g)、甲醛(AR37wt%)、三聚氰胺(500g)、亚硫酸氢钠(AR500g)、甲酸(AR500ml)，均为广州市江顺化工科技有限公司.沙土来源为内蒙古自治区通辽市奈曼旗科尔沁沙漠，其性质为砂粒96.35%，粉粒1.86%，黏粒1.79%，土壤肥力偏低.

1.3 试验方法

将尿素、甲醛溶液和三聚氰胺按一定量置于三口烧瓶中，均匀混合后，放入水浴振荡器中保持恒温70 ℃，反应30 min，然后再加入适量的尿素，反应40 min，再加入一定量的亚硫酸氢钠，用NaOH溶液调节反应体系pH=11左右，升温90 ℃，保温反应90 min，然后自然降温80 ℃，用甲酸溶液调节反应体系pH=4.5左右，升温至85 ℃，反应30 min.用NaOH溶液调节反应体系为弱碱性，加入适量的木质素和尿素，降温至70 ℃，反应1 h后，降温出料.

1.4 样品检测

设定不同浓度的固沙剂的水溶液，具体浓度为0%，1%，2%，3%，4%，5%六个梯度，并同设1组平行样.取等量的沙土颗粒，用预设的六个浓度的固沙剂水溶液喷洒在固沙试样表面，固沙温度设定为25 ℃，时间为12 h.

1.4.1 FT-IR测试

Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪 (FT-IR，Vertex70型， 德国布鲁克公司)对新型化学固沙剂进行测试[10-11]，采用KBr涂片法，扫描范围为400～4 000 cm-1.

1.4.2 保水性测试

取上述的六个浓度梯度的固沙试样，1 L/m2的蒸馏水进行喷洒，每隔相同时间后进行称重，计算保水率.保水率计算公式如(1)式.

(1)

式中，B为保水率，%；C1为喷水前的固沙试样质量，g；C2为喷水后间隔一定时间的固沙试样质量，g；m为喷洒的蒸馏水质量，g

1.4.3 抗风性测试

取上述的六个浓度梯度的固沙试样，称重.模拟自然风蚀，控制一定风速，同时控制一定时间，然后计算风蚀率.风蚀计算公式如(2)式.

(2)

式中，E为风蚀率，%；S1为风蚀前的固沙试样质量，g；S2风蚀后的固沙试样质量，g.

1.4.4 抗压性测试

利用土壤硬度计(型号为HTS-1600，上海精密仪器仪表有限公司)测量固沙试样的硬度指数，每个试样选择3～5个测点进行测定，最后求取平均值作为最终抗压强度.

1.4.5 耐水性测试

取上述的六个浓度梯度的固沙试样，制作成锥体，然后按照10 L/m2自来水喷洒于沙锥表面，观察其渗水性以及沙锥外观松散程度，并且进行多次重复试验，然后计算沙锥的质量损失率.

1.5 数据处理方法

本文主要利用Origin 2018 64Bi、excel数据处理、列表法和图形法等进行试验数据进行分析.

2 结果与讨论

2.1 FT-IR分析

固沙剂的红外光谱分析如图1所示.

σ/cm图1 新型固沙剂的FT-IR谱图

2.2 对保水性能测试

沙漠化土地水分的储存、吸取 能力尤为重要，更是植物生长的充分条件之一，因此固沙剂的保水性的重要性不言而喻.由图2可以看出，未喷洒固沙剂的沙模在1 h后的水分损失就达到了50%左右，也就是说1 h后保水率为50%左右，5 h后保水率只有20%左右；而喷洒1%的固沙剂的沙模，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；喷洒了5%固沙剂的沙模1 h后保水率在95%左右，5h后保水率仍保持在70%左右.从图2中可以清楚地看到，随着固沙剂固含量的增加，保水率呈现上升的状态，这是因为合成的固沙剂具有一定的亲水和保水性能，能有效防止水分蒸发，固沙剂含量越高，亲水性就越好，粘结得就越紧密，保水性能就越好.

喷水时间/h图2 不同浓度固沙剂保水率随时间变化

2.3 对抗风性能测试

风是沙漠中最重要的环境因素，风蚀可导致沙漠化扩大，沙土在喷洒固沙剂后，形成的固结层必须具有较好的抗风蚀性.从图3可以看出，18 m·SJ的风速相当于八级大风，未喷洒固沙剂的沙模几乎全部松散；而喷洒1%的固沙剂的沙模，风蚀率为20%左右，使内部松散的沙土不受吹蚀；当喷洒3%～5%的固沙剂时，风蚀率变化为0.03%～0.02%，固沙试样抗风蚀性良好，完全满足实际应用条件，在实际应用时，可以根据需要调整固沙剂含量，由于固沙剂含量越高，固沙剂粘度越大，粘结沙粒的能力越强，形成的固结层也越厚，所以抵抗风蚀的能力就越强.

固沙剂浓度/%图3 不同浓度的固沙剂抗风蚀性曲线

2.4 对抗压性能测试

固沙试样抗压强度越大，固结层抵抗外界侵蚀能力越强.从图4可以看出，随着固沙剂浓度的增加，其粘度越增大，沙粒和聚合物之间还有沙粒之间粘结作用增强，压缩强度也就越大，几乎接近于线性关系变化，喷洒2%的固沙剂的沙模，抗压强度10 mm左右；喷洒5%的固沙剂的沙模，抗压强度达到25 mm；通过实地实验结果可知，固结层平 均硬度指数对植物生长有着直接影响，当平均硬度指数在10～25 mm范围内时，植物生长良好；而平均硬度指数在 25 mm以上时，植物根系伸长困难[12]，从图3中可以看出，固沙剂含量为2%～5%时，就可以满足要求，实际应用过程要考虑成本及压缩强度等各方面因素，综合考虑选择合适的固沙剂含量做为实际应用.

固沙剂浓度/%图4 不同浓度的固沙抗压性能曲线

2.5 对耐水性能测试

耐水性能测试主要测定沙堆的质量损失率，目的在于考察固沙剂能否经受被水浸泡的考验，结果如图5所示.

固沙剂浓度/%图5 不同浓度的固沙耐水性能曲线

从图5中可以看出，未喷洒固沙剂的沙模经历多次水蚀后，质量损失就已经接近了95%以上；然而，喷洒了2%固沙剂的沙模经历多次水蚀之后质量损失了不到45%；喷洒4%和5%固沙剂的沙模即便水蚀多次后质量仍然减少不多，其质量损失也不足5%.这表明合成的固沙剂有较强的抗耐水性能，可以有效防止水土流失，实际应用中根据具体情况选择合适固沙剂含量.

3 结 论

采用木质素磺酸钠、尿素、甲醛和三聚氰胺为主要原料，合成了新型环保固沙剂，有效地利用了木质素磺酸盐，减轻造纸企业污染问题,同时又达到了防风固沙的目的.另外，与其他有机固沙剂相比,木质素磺酸盐固沙剂由天然产物制得，产品无毒无害，而且可被生物降解,因此在固沙应用过程中不会造成污染.实验结果表明，新型环保固沙剂具有很大的应用潜力，经浓度为4%～5%的固沙剂喷洒后的固沙试样，保水性能、抗风蚀性、抗压性、耐水性均可达到实际应用要求.