化学固沙材料研究

化学固沙材料研究（共6篇）

化学固沙材料研究 篇1

摘要：综述了无机类化学固沙材料、有机类化学固沙材料、有机-无机复合类化学固沙材料的研究进展,同时指出存在的问题和发展新型化学固沙材料的必要性。该领域的研究将为沙漠化治理方面开发低成本、高性能、适合植被生长、不污染环境、可降解、可大规模实施的新型化学固沙材料提供技术支撑。

关键词：固沙,无机类化学固沙材料,有机类化学固沙材料,有机-无机复合类化学固沙材料

0 引言

地球荒漠化是指由包括气候异变和人类活动在内的种种因素造成的干旱地区的土地退化,如过度地耕种土地造成土地贫瘠,牧区放牧过多毁坏草场,滥伐森林造成水土流失,以及缺乏完善的排灌系统导致土地盐碱化等。全世界陆地面积为1.49亿km2,占地球总面积的29%,其中约4800万km2是干旱、半干旱荒漠地,而且其面积正以每年大约6万km2的速度扩大。2011年1月4日发布的第四次全国荒漠化和沙化监测结果显示,截至2009年底,中国荒漠化土地面积为262.37万km2,沙化土地面积为173.11万km2,分别占国土总面积的27.33%和18.03%。2004-2009年,中国荒漠化土地面积年均减少2491km2,沙化土地面积年均减少1717km2[1]。监测表明,中国土地荒漠化和沙化呈整体得到初步遏制,荒漠化、沙化土地持续净减少,局部地区仍在扩展的局面。现今沙漠治理技术主要有3种:生物固沙技术、工程固沙技术(又称机械固沙技术)、化学固沙技术。机械固沙[2]就是根据风沙移动的规律,采用机械工程技术,阻挡沙丘移动,达到阻沙固沙的目的。其中应用较为普遍的是建立沙障,具体方法为用枝条、柴草、砾石、粘土、板条、塑板及类似材料在沙面地表设置各种形式障碍物,起到固沙、阻沙、拦沙的作用。机械固沙的防护高度有限,容易被流沙掩埋、防护时间短,因此从性能来看,它只能作为一种临时性、辅助性的固沙手段。生物固沙技术[3]是目前沙漠治理中最普遍的技术,也是一种一劳永逸的最佳固沙方法。生物固沙技术具有经济、持久、有效、稳定,能改善生态环境、土壤理化性质,促进成土过程,提供生物产品,有经济价值等特点。化学固沙技术[4]是指在荒漠化土地表层施用有机或无机沙土稳定材料,以提高沙土的稳定性和保水性,或对盐碱化土地进行脱盐处理,从而达到改良和治理荒漠化土地的目的。化学固沙技术的优点是施工简便、成本低、见效快,可迅速改良荒漠化土地,为植物生长创造良好的水土条件。

1 化学固沙技术的发展历程

首先采用化学方法进行固沙试验的国家是前苏联,其研究开始于1934年。1935年在前苏联作物栽培研究所威海试验站进行首次试验,至1940年共试验13次,总试验面积达28.18hm2。1941—1950年试验中断。1951年再次开始在土库曼的法烈里林管区和阿什哈巴德铁路沿线进行试验。1952年又在第聂伯河下游的丘鲁平斯克保护区和大库班林管局的铁路和耕地附近进行试验。这两个阶段的试验所用材料主要是沥青乳剂,喷洒面积达62.18hm2[5]。1959年用聚丙烯酞胺(AM-9)在库尔斯克沙地进行固沙试验。1963年在卡拉库姆沙漠进行烧结固沙试验,采用的方法是在850~900℃高温下烧灼固沙剂15~30min。1969—1972年又分别在卡拉库姆沙漠和克齐尔库姆沙漠采用页岩炼油副产物涅罗森进行固沙试验,试验面积高达2400hm2。目前俄罗斯每年用化学固沙的面积均为几百公顷。美国采用化学固沙始于20世纪40年代末期。第一次试验是1950年在加州的科思郡进行的,所用固沙剂是由加利福尼亚州贝斯弗尔地区的金熊公司生产的一种叫作科赫雷克斯的石油副产品乳剂,试验面积约80hm2。后来在几个空军基地的原子弹试验地进行防尘和固沙试验。近年来还尝试将此种乳剂喷洒在露天煤矿和汽车运输便道上作为防尘材料[6]。后来魏茨曼研究所和氰胺公司分别研制了尿素-甲醛、尿素-双氰胺和聚丙烯酞胺等材料进行固沙,后又有一些土壤学家对30多种有机和无机材料进行防尘试验,有的已经作为土壤结构形成剂进行使用。英国于1960年开始在澳大利亚用沥青乳固沙,并配合植树造林。1963年用石油和橡胶乳在英格兰东部成功地防止了海岸沙丘的风蚀和水蚀。1970年在西属撒哈拉的埃及阿翁附近,对长达9km的流沙区的运输线喷洒原油,2年之内畅通无阻[7]。

中国于1956年开始进行化学固沙试验研究工作[8],从20世纪60年代起着手对沥青乳液固沙的配方、喷洒工艺、机具、树种选择、植树方法等进行了综合性固沙研究,取得了一定的成效。迄今国内已有几十种乳化沥青、高分子聚合物、无机材料等化学固沙材料,其特点是防尘迅速,沙面固沙层透气性好,且具有保水保土效果好,不影响植物生长,渗透深度大,无毒无害的优点。

2 化学固沙的原理

对于化学固沙原理,结合不同研究目的和不同沙化地区,不同学者有不同的解释,但最终目的都是固沙植生,使沙漠变绿洲。来晓燕[9]认为化学固沙就是将具有一定胶凝性的化学物质喷洒于松散的流沙表面,水分迅速渗入到沙层以下,化学胶凝物质则滞留于一定厚度沙层间隙中,将单粒沙子胶凝成一层保护壳,达到避免气流与松散的沙面直接接触的目的,从而起到防止风蚀的作用。韩致文[10]认为化学固沙就是利用化学材料与工艺,在易发生沙害的沙丘或沙质地表建造能够防止风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的固结层,以达到控制和改善沙害环境,提高沙地生产力的目的,它包含沙地固结和保水增肥两方面,与植物固沙相结合可大大提高植物成活率。化学固沙可机械化施工,简单快速,固沙效果立竿见影。

3 化学固沙材料的国内外研究现状

传统化学固沙材料[11]可分为:水泥浆类、水玻璃类、石油产品类和高分子聚合物高吸水树脂类。而新型化学固沙材料及其技术在考虑固沙效果的同时,更为重视材料制备和使用过程中的生态环境协调性,使其具有使用性能好、资源与能源消耗少、与生态环境相容性好等优点。与传统的化学固沙材料相比,新型化学固沙材料具有巨大的发展潜力和实用性。新型化学固沙材料[12]包括对工农林业副产品进行改性处理的生态环境固沙材料、利用微生物技术的微生物固沙材料和有机-无机合成的复合固沙材料等几大类。

3.1 无机类固沙材料

3.1.1 水泥浆类

用于固沙的水泥浆类固沙材料[13],其喷洒在沙面上后可起到凝结固化作用,形成一层覆盖层。沙漠地区气候干燥炎热,夏季沙面温度高,把水泥浆固沙剂喷洒在沙面上后,水分会迅速蒸发掉,导致水泥浆类固沙剂缺乏足够水分而无法完全水化,只能形成强度很低且厚度很薄的固结层;硬化后水泥浆属于脆性材料,没有柔性,在沙漠中受到沙丘迁移及恶劣气候的影响,硬化水泥浆很快就会发生龟裂、干缩,失去其固沙作用和保水作用,所以现在已很少单独使用水泥浆进行固沙。

3.1.2 水玻璃类

水玻璃浆液作为价廉、无毒的固沙材料使用的历史已近百年[14]。过去所采用的水玻璃浆是由水玻璃和酸性反应剂构成的,在强碱性条件下发生胶凝固结,胶凝时间不能延长,浸透性差,固化反应不完全,固结层强度不高,易为外力所破坏,而且会受到较强的碱性影响,使生成的二氧化硅胶体逐渐溶出,抗水性变差,耐久性降低,并造成环境的二次碱污染。目前国内外研究者都致力于各种改性水玻璃浆液研究,主要是添加有机物如乙二醛、碳酸乙烯酯等进行复合以获得适于喷洒施工的液态复合水玻璃浆液固沙材料,以及在水玻璃中添加膨润土然后固化制成多孔沙漠绿化砖[15]。

3.1.3 石膏类

石膏材料[16,17]可以促进沙漠植物生长,显著提高沙漠植物的存活率,其不仅能固定流动的沙漠,而且有一定的可被植物吸收的养分,同时还具有成本较低,强度较好,吸水保水性强,耐久性好,抗冻融性稳定,耐风蚀性和耐候性良好,不污染环境,作用持久,无毒且可使植物迅速生长的特点,有利于提高沙漠固沙植生的效率。

3.2 有机类固沙材料

3.2.1 合成高分子类

合成高分子类固沙材料是20世纪60年代以来发展起来的新型化学固沙材料。使用高分子聚合物固定流沙,处理过程和施工简便,可改善劳动条件和缩短工期,其效力较其他化学材料更显著和稳定,因而引起了人们普遍重视。

中科院兰州物理化学研究所赵水侠等[18]以甲基三乙氧基硅烷为反应物,在盐酸催化下水解缩合,合成无色透明粘稠的液体有机硅氧烷预聚体,以质量分数为0.06%的NaOH-CH3OH溶液为固化剂,制得一种具有较高强度的固沙材料。王银梅等[19]通过大量的室内试验,研制了SH新型高分子化学固沙材料,采用红外光谱、扫描电镜结合电子能谱等现代分析方法,从微观上探讨了SH固沙强度形成的机理。杨万泰等[20]研制出丙烯酸-全氟辛基甲基丙烯酸酯共聚物,有效地解决了化学固沙剂固沙层水渗透率低和吸水率高的缺点。杨明坤等[21]合成了以羧甲基纤维素钠为主接枝丙烯酰胺的环保固沙剂,研究了羧甲基纤维素钠与丙烯酰胺投料比、引发剂浓度、反应时间、反应温度以及初始pH值对其性能的影响。郭凯先等[22,23,24]采用日本JCK株氏会社研制的高分子固沙材料W-OH在青海湖湖东种羊场进行了现场试验且取得了一定的治沙效果。南京工业大学杜峰等[25]以聚醚二元醇、TDI(甲苯二异氰酸酯)、DMPA(二羟甲基丙酸)、TMP(三羟甲基丙烷)、可溶性淀粉为原料合成了内交联型生物可降解水性聚氨酯固沙剂,其不仅具有保水性,还可以生物降解,缓解固沙剂废弃物对环境造成的压力。

高分子聚合物高吸水树脂具有固结强度较高、吸水保水性好、固化迅速、弹性和高温稳定性良好等特点,但高分子化学材料会发生热氧老化和光氧老化,发生链断裂和交联反应,这种分子链的裂解和交联使得固结层遭到破坏以至降低治沙效果。高分子聚合物因其成本高,生产工艺及原料来源等方面受到限制,未能广泛应用,某些有机高分子的毒性也限制了其使用。

3.2.2 石油产品类

沥青乳液是石油产品类固沙剂的代表,它是当前世界各国在化学固沙领域应用最广泛的材料[26]。沥青是从石油和煤焦油中提炼而成的副产品,其构成组分非常复杂,主要由分子质量大的高分子化合物———胶质和沥青质的混合物质组成。沥青在常温下呈固体或半固体状态,具有较高的凝点和熔点,并具有较大的粘度,这些物理特性使沥青成为一种传统的粘结、防水和防腐材料。沥青乳液是沥青在乳化剂作用下利用乳化设备制成的,可分为阳离子型、阴离子型和非离子型等几类。沥青乳液作为土壤改良剂可起到防止水土流失、改善土壤水热状况、增温保墒、减少肥料和农药流失、提高肥效等作用。作为固沙材料,沥青乳液可单独用于固沙,也可与植物和机械沙障结合固沙,与植物结合时对植物无毒害,不影响植被发芽生长,能较持久地固定于地表面。前苏联早在1935年就开始研究利用沥青乳液固沙,20世纪70年代初,塔什干铁路运输工程学院开展了这方面的研究工作并取得一定成果。中国铁道部科学研究院西北研究所曾于1967—1977年间在包头至兰州铁路沿线进行了乳化沥青固沙研究,并于1982—1992年间进行了大面积喷洒乳化沥青同时配合栽种固沙植物的试验研究[27]。

单独应用沥青乳液固沙主要有以下缺陷:(1)沥青稳定沙土的效率较低,用量大;(2)沥青本身是憎水性的,大量施用会导致土壤渗水能力下降,水流失增多,不利于植物生长;(3)中国受沥青原料来源限制,大面积推广使用成本太高。将沥青乳液与其他无机物复合,可以改善其性能,并降低成本。

3.2.3 木质素类

木质素类固沙材料是制浆废液经化学改性制备而成的一种新型固沙材料。自20世纪60年代起,前苏联就曾研究木质素磺酸盐在沙土稳定中的应用。木质素磺酸盐喷洒在沙土表面后,与表层的沙土颗粒结合,通过静电引力、氢键、络合等化学作用,在沙土颗粒之间起到架桥作用,促进沙土颗粒的聚集,使得表层沙粒彼此紧密结合,形成具有一定强度的致密固结层,从而达到固沙的目的。

1981年Zaslavsky等[28]报道了利用木质素磺酸盐与乙烯基类单体接枝共聚制备土壤改良剂的方法,试验表明该改性产物可用于抵御土壤风蚀。南京林业大学在宁夏沙化地区开展了木质素固沙与植被恢复相结合的研究,利用木质素固沙材料见效快、可降解、成本低等优点,实现了化学固沙和生物固沙的有机结合[29],实践证明该固沙材料具有较高的抗压强度、良好的抗冻融稳定性和抗老化性能。李建法等[30,31]以木质素磺酸盐为原料,通过与丙烯酸、丙烯酰胺单体的接枝及改性,制备了木素磺酸盐型固沙材料。试验结果表明,该固沙材料形成的固化沙体具有较高的抗压强度,较好的抗冻融、耐老化、抗风蚀、抗水蚀等性能,在乌兰布和沙漠的现场试验中固沙效果明显。

中国有丰富的木质素资源,以木质素(磺酸盐)为原料,制备同时具有固沙、保水、赋肥、保肥等效果的环保型多功能固沙材料,将具有广阔的应用前景。

3.2.4 废塑料改性类

随着日常生活中产生的废塑料不断增加,治理和利用废塑料迫在眉睫,国内外学者对此进行了大量研究。废塑料可用于污水处理的凝聚剂,汽车工业的汽油、柴油燃烧剂,建筑业的轻质混凝土,沙漠化防治的固沙材料等。改性废塑料类固沙材料是通过物理和化学方法对废塑料进行改性处理而得到的可以用于固沙的环保材料。包亦望等[32]以废泡沫塑料为主要原料,采用溶解法和裂解法对其进行改性处理,并加入添加剂生成白色粘稠状固沙材料,试验表明此种固沙材料使沙砾粘聚成一层坚硬柔韧的薄层,覆盖于流沙表面,有效防止沙漠迁移和大风扬沙,具有长期稳定性、良好的保水性和提高沙漠中绿色植物存活率的特性。秦玉芳等[33]利用聚乙烯废塑料为原料,采用反相乳液聚合方法,与亲水性基团的丙烯酸(AA)及其盐接枝共聚,合成吸水率为477.8g/g的高吸水性树脂。废塑料用于固沙领域的研究还很少,目前用废塑料制作高吸水性树脂用于固沙是处理废塑料的可行性方法,而对废塑料改性得到的固沙剂进行的野外试验较少,其固沙性能及成本是否优于其他固沙材料还有待考证,尤其是此类固沙材料的环境协调性还需要进一步研究。

3.2.5 微生物类

微生物类固沙材料[34]是利用沙漠生物结皮人工接种固沙或是从生物结皮中分离出可固沙的细菌,然后将制成的液体菌剂直接用于固沙的新型固沙材料。生物结皮广泛分布在世界的干旱、半干旱地区,它主要是通过藻、地衣、苔藓、菌生等同土壤颗粒相互作用,在土壤表面发育形成一层特殊表面结构,对防风固沙、区域生态环境变化以及物质能量交换都起到了很大作用。生物结皮层的胶结机理是藻体选择性地运动到黏土含量较高的微环境中,通过细胞表面高分子多聚糖的物理吸附,与土壤表面的细小颗粒形成错综复杂的网络,同时自由羧基类负电荷基团与基质中金属离子(Ca、Si、Mn、Cu等)因静电结合而胶结在一起,从而形成有机质层和无机层。

中国对生物结皮的研究开始于20世纪80年代中后期,2000年以后沙漠生物结皮研究进入快速发展时期,主要集中在沙漠生物结皮的水文特征及其对固沙植物的影响,生物结皮的胶结机理和微结构特征,生物结皮的生物组成、分布特征及其环境特征等[35]。潘惠霞等[36]从新疆古尔班通古特沙漠生物结皮的下层(沙物质层)分离出寡营养细菌,在适当的环境中培养出液体菌剂。寡营养细菌具有黏性夹膜或厚果胶质外壁,能分泌大量的黏液,即黏性多糖,通过具有黏性附属物的菌体和黏液可将矿物细粒粘结,形成球状表面团聚。他们在新疆吐鲁番盆地沙漠植物园的流沙区直接喷洒菌液,形成了约6mm的结皮层,并减慢了土壤水分蒸发的速度,起到了很好的防止流沙表面活化的作用[36]。

微生物固沙材料能够适应干旱、营养贫瘠的环境,在中国应具有很广阔的应用前景,但目前研究缺乏实用性,尤其在人工生物结皮恢复技术的研究和微生物固沙技术的沙漠化实地应用方面,需要深层次探讨。

3.3 有机-无机复合类固沙材料

有机-无机复合固沙材料是针对无机固沙材料力学性能差、缺乏保水性等缺陷,通过在无机材料中添加有机组分而形成的一类新型固沙材料。最为常用的有机组分是高吸水性树脂,其特殊的三维空间网络结构使其具有优异的吸水保水性能,与水泥水化产生的Ca2+、Al3+作用,使合成后的材料具有更高的抗折强度、粘结强度、抗冲击性和抗疲劳强度。

纪蓓等[37]以粉煤灰为骨架,添加水玻璃、膨润土、聚丙烯酸制备出固沙材料,研究表明其抗水性能、强度、抗老化性、抗冻融稳定性以及抗风蚀性等均比单一的无机或有机固沙材料有很大提高。中国石油大学与中国石油兰州石化公司合作开发出一种多功能乳状液膜固沙剂,其主要成分是重油(渣油、沥青)、膨润土、水玻璃,在此基础上加入多种功能添加剂,生产工艺和施工相对比较简单,试验结果表明:此法具有明显的集水和保墒增温、改善土壤结构、促进植物生长、抑制盐溃土表层积盐等作用。

随着中国经济的发展,工业及建筑业废料也逐年增加,对矿渣、粉煤灰、硅粉以及建筑废料的利用也比较广泛,但将这些废弃物直接用于固沙体系的研究报道较为少见。20世纪90年代初林永昌曾提出设想[38],以废弃资源粉煤灰为主料设计固沙材料,但至今仍未进入实质性研究。笔者认为,在无机废弃物中添加有机材料制成复合固沙材料是具有可行性的。这些无机废弃物具有很大的比表面积,而且在激活剂的作用下均可以和普通沙子(主要成分SiO2)发生反应,生成C-S-H凝胶。采用有机材料(乳化沥青、酚醛树脂、聚丙烯酰胺、丁苯胶乳等)用于固沙,技术相对成熟,有机固沙材料所具有的三维空间网络结构特性解决了无机材料脆性大、浸透性差以及保水性能差的问题。同时,工业和建筑业废料来源充足,与其他固沙材料的原料相比,其成本极低,便于大范围使用。

4 存在的问题与展望

迄今为止,工程中采用的化学固沙材料尚未跳出20世纪三四十年代的材料内容,有些只是在过去的材料中加以改进,使用过程中仅考虑到效果而忽略了经济效益;有些只考虑到实用性而未注重合理性。固沙材料种类的选择最终要解决的关键问题是,在为植物生长创造良好的水土环境的同时,永久性地改善生态环境,形成自然生态圈。虽然化学固沙材料能够提高地表沙土的稳定性和保水性,达到固定流沙,改良和治理荒漠化土地的目的,但很少有学者研究化学固沙材料在使用后期的处理问题。如果后期不妥善处理,滞留在地表表层的大面积固沙材料的危害不亚于沙漠化。因此,化学固沙研究应开辟新的途径,研究开发低成本、高性能、适合植被生长、不污染环境、可降解、可大规模实施的新型多用途化学固沙材料,同时考虑固沙技术的结构设计和固沙材料的大规模喷洒技术,这些将成为当今重要的研究内容。资源利用和生态环境改善对社会经济的发展具有同等重要的意义,部分可降解复合固沙材料的开发能够同时满足这两方面的要求,既能利用当地优势资源,又能在使用后营造出良好的生态环境。石膏基复合化学固沙材料不仅能使沙面表层固结,达到稳定沙丘,防止沙害的目的,而且由于固沙材料的施用和表层沙固结的影响也改变了沙丘内部温度、水分的关系,有利于固沙植物的生长,进一步开发研究及推广应用此类材料,必将对沙漠化治理产生深远影响。

化学固沙材料研究 篇2

关键词：材料化学 专业实验 科研结合

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）05（a）-0045-01

材料化学专业是一个在我国多所高校都设立的本科专业，这个专业研究材料的制备、组成、结构、性质及其应用，具有明显的交叉学科、边缘学科和应用型学科的性质。同时，材料化学专业是一门应用型理工科专业，实验教学在此专业的教学活动中占有重要的地位。实验教学开展的好坏将直接影响本专业毕业生的水平。另一方面，实验教学是高等院校理工科专业教学体系的重要一环，在培养学生创新精神和实践能力方面具有举足轻重的作用。从大的方面讲，高等院校人才培养的结果将直接影响我国的国际竞争力，因为国家间的竞争是人才的竞争，高素质的人才是一个国家创新的根本，因此，培养创新型人才就成为摆在我国高等教育面前最紧迫的任务。针对上述观点，为更好的培养我校材料化学专业本科生的实验探索能力和创新精神，结合我校在化学与材料科研方面的特点，经过多年的实验教学探索，我们建立了以前沿科学研究融入材料化学专业实验的新型实验的教学方式，以科研骨干力量作为实验指导老师，一方面强化学生的基础动手能力，强调基本功；另一方面带领学生紧跟学科发展方向，突出以学生为中心的实验教学模式，形成依托科研方向和科研项目的研究式为主的实验教学方式。

1 专业实验的基本构成

我们将专业实验课程分为材料合成、结构及性能测试实验和材料加工与设计实验两大部分，这两部分专业实验贯穿两个主旨，一个是加强学生对专业知识的理解和掌握，同时，提高学生的基本动手能力和基本实验素养，学生在学习完成无机化学、结构化学、电化学、物理化学以及其它前导课的理论课及实验课的基础上，进一步学习材料化学方面的相关理论及实践知识。这一部分包括的实验有：（1）LaCeCoNiO3钙钛矿超细粉末的制备；（2）电沉积法制备ITO/TiO2/CdS半导体复合薄膜；（3）X射线衍射粉末法物相分析；（4）染料敏化二氧化钛纳米晶薄膜电极的光电流测试；（5）TiO2/CdS半导体膜电极光电性能的测试；（6）采用比表面分析仪测定改性纳米TiO2的比表面积；（7）钙钛矿型汽车尾气三元催化剂性能的测试；（8）以SBA-16为模板电沉积Fe；（9）CVD法制备碳纳米管；（10）气敏传感器件的加工、组装及测试；（11）偶氮苯的电子结构和光谱性质的理论计算；（12）金红石相TiO2的晶体结构及相关性质的计算；（13）压力对金红石相TiO2的带系的调控作用等。通过该课程的学习，使学生对功能材料及纳米材料的制备原理、方法有深刻的理解和认识，并使学生能将化学的基本理论与功能材料有机结合起来，培养学生独立思考和创新能力来解决材料化学问题，使学生对现代材料化学的研究现状和发展趋势有所了解。另一方面，是学生科学研究能力的培养和创新能力的培养，利用实验教师的紧跟时代的科研课题，激发学生的学习热情，同时，让学生体会到在科学探究过程中的乐趣。包括有：（1）基于纳米结构TiO2光电池的组装及其性能；（2）TiO2纳米粒子的制备、表征及其光催化性能；（3）功能复合微球设计合成及性质研究等实验，这些实验的结果并不是唯一的，学生可以选择自己感兴趣的方向选择其中一个。通过材料化学实验，使学生了解无机化合物功能材料领域的最新进展，系统掌握无机纳米粒子、超微粉体的制备、分离、表征以及性质研究等方法，培养学生的综合创新能力。

2 专业实验与科研相结合

依托功能无机材料化学教育部重点实验室、光电与能源环境材料省级重点实验室、功能材料省高校重点实验室，我院教师在新型石墨烯材料、半导体光电转换电极材料、光催化材料、化学传感器、光存储材料和有机光电功能材料及器件等方面的研究已经达到了国际前沿水平，同时，承担材料专业化学专业实验教学的老师全部承担参与了国家自然科学基金项目，并且绝大多数老师都是国家自然科学基金项目的项目主持人，这些资源为给学生开展优质的材料化学专业实验提供了保证。学生根据每一位指导教师的研究方向和课题并结合学生自己的兴趣，设计和执行实验方案。在各科研团队老师的指导下，分析实验结果，对存在的问题提出解决方案，最后得出实验结论。随着科研团队研究方向的发展，实验内容每隔三、四年即会调整更新，让学生始终能跟踪材料科学发展的方向，体会到创新的乐趣，自然增加了学生的积极性。

3 为学生创造条件继续深入科研

对一些学有所长，并且有时间和精力的同学，我们对他们开放实验室，为学生创造条件。有兴趣的同学可以在课余深入到教师的科研实验室，在相关教师的指导下，进行科学探索研究。因为专业实验的老师绝大部分都是科研骨干，所以学生在上专业实验课程的时候，能够了解各个老师的研究方向并找到自己感兴趣的方向，在课余时间，学生就可以找到相关的老师，继续自己感兴趣的研究，为他们日后打下基础。进几年来，已经有几位本科生在专业实验之后，走进实验室进行科学研究，并凭借其本科阶段的研究经验成功申请到奖学金，到发达国家的大学继续攻读研究生学位。

经过这些专业实验课程的改革之后，学生的上课热情高涨，学习的积极性也极大的提高起来，而且还有一些学生迸发了进一步进行科学研究的热情。这样又倒过来推动了学生对理论课程的学习，从总体上改善了学生的学习效果，能够更好的培养创新型人才。

参考文献

[1]杨琼芬.材料化学专业实验课程体系和教学方法改革探索[J].四川职业技术学院学报，2011，21（3）：90-91.

[2]王秀华，刘莉，阙荣辉.材料化学专业实验教学中学生创新能力的培养[J].科技信息，2010（20）：453.

化学固沙材料研究 篇3

土地的沙漠化引起了一系列严重的生态环境与社会问题,对人类生存构成了巨大的威胁。我国则是沙漠化现象十分严重的国家之一,沙漠化对我国的经济发展和社会进步造成了十分严重的影响[1]。因此,沙漠化治理作为一项重要国策,受到高度重视。

沙漠化治理的关键是防沙固沙。1949年以来,我国科研工作者已摸索出了100多种沙漠化治理技术和防治模式[2],其中比较成熟的固沙方式是工程固沙和生物固沙。但是由于这些防治技术均存在成本高、收效低、劳动强度大、施工进度慢等问题,没有得到普遍推广和有效实施。近年来,化学固沙技术和新型化学固沙材料因其高效、廉价、快速、方便而日益受到关注。

化学固沙是指利用化学材料与工艺,在易于发生沙害的沙丘或沙质土地表面形成固沙、保水的固结层,从而达到控制沙害、提高沙地生产力的目的[3]。国外化学固沙的研究始于20世纪30年代,到50年代有了较大发展。迄今为止,世界上已有40多个国家研制出了150多种化学固沙材料,部分材料已投入到沙漠化治理实践当中。我国在20世纪60年代出现了化学固沙的研究与试验,并取得了一定的效果[4]。

传统的化学固沙材料可分为:水泥浆类、水玻璃类、石油产品类和高分子聚合物高吸水树脂类[3]。而新型化学固沙材料及其技术在考虑固沙效果的同时,更为重视材料制备和使用过程中的生态环境协调性,使其具有使用性能好、资源与能源消耗少、与生态环境相容性好等优点。与传统的化学固沙材料相比,新型化学固沙材料具有更大的发展潜力和实用性。新型化学固沙材料包括:对工农林业副产品进行改性处理的生态环境固沙材料、利用微生物技术的微生物固沙材料和有机-无机合成的复合固沙材料等几大类。

1 生态环境固沙材料

生态环境固沙材料(Ecological environment sand-fixing materials)是指利用工农林业副产品对其进行特殊处理,改变其物理及化学性能从而满足固沙要求的新型固沙材料。

1.1 木质素类固沙材料

木质素类固沙材料(Lignin sand-fixing materials)是制浆废液经化学改性制备而成的一种新型固沙材料。自20世纪60年代起,前苏联就曾研究木质素磺酸盐在沙土稳定中的应用。木质素磺酸盐喷洒在沙土表面后,与表层的沙土颗粒结合,通过静电引力、氢键、络合等化学作用,在沙土颗粒之间产生架桥作用,促进沙土颗粒的聚集,使得表层沙粒彼此紧密结合,形成具有一定强度的致密固结层, 从而达到固沙的目的。

1981年, Zaslavsky等报道了利用木质素磺酸盐与乙烯基类单体接枝共聚制备土壤改良剂的方法,并指出该改性产物可用于抵御土壤风蚀[5]。国内对于造纸废液(亦称黑液)的利用始于20世纪90年代,吴玉英等利用固体烧碱、苯酚和甲醛对造纸黑液进行处理,反应后最终生成木素-苯酚-甲醛缩合物,采用此固沙剂进行固沙可使沙层坚实度提高44倍,固沙后的沙层不仅不会妨碍雨水渗透,而且具有保水和抗风化性能[6]。南京林业大学经过3年在宁夏沙化地区的木质素固沙与植被恢复相结合的研究结果表明,该固沙剂具有见效快、可降解、成本低等优点, 实现了化学固沙和生物固沙的有机结合[7]。随后金永灿等[8,9,10]对木质素固沙材料进行了深入的研究,并对制浆废液、纯化碱木质素和分离半纤维素进行改性合成,纯化碱木质素与脲醛呈现出良好的交联反应性能,其合成产物用于固沙的抗压强度较好,在利用制浆废液合成固沙材料时,应将尿素质量分数控制在10%~20%。同时对固沙材料结构特性进行了分析,发现交联反应主要发生在木质素的愈创木基和对-羟基苯基结构上,并且愈创木基结构与对-羟基苯基结构发生交联反应的概率基本相同,此固沙材料的固沙强度与木质素C5位交联程度呈现良好的线性关系。在野外试验中,此固沙剂可减缓水分蒸发,对植物的发芽、生长及生物量积累均起到了良好的作用。另外,Z.Dong等对造纸废液进行浓缩分离后提取木质素磺化盐,并使用丙烯酸和甲醛与其发生接枝共聚反应生成一种新的固沙材料,此材料具有很好的水溶性和潜在的生物降解能力,与其他固沙材料相比,具有更高的抗压强度和抵抗风蚀能力[11]。

传统的碱回收废液治理方法也有诸多的问题,比如:投资大、工序多、操作复杂、运行费用高且回收率低,所以无法得到推广应用。何秀院等改进了麦草蒸煮工艺,采用氧化镁、液氨、尿素、亚硫酸等对生态环境有益的环保型原料,来代替传统的亚硫酸钠。废液中不仅含有大量的木质素、半纤维素、腐殖酸等有机质,而且还含有一定的氮、钾、镁等无机营养元素,对其进行改性处理后再复配一定的沥青乳液,制作成专用的环保型固沙保土有机肥。此固沙剂不但能够完全利用造纸废液,而且固沙效果明显、抗风蚀性能很好,由于其有机质含量近40%,能增加沙漠和沙地养分,有利于沙漠植物长期生长[12]。

目前研究的木质素固沙材料均具有很好的水溶性,适用于干旱地区,但对此类材料在短时降雨条件下的特性研究很少。作为有机高分子材料,探讨其在潮湿或是降雨环境下的力学特性将有利于木质素固沙材料的实际应用。

1.2 废塑料改性类固沙材料

改性废塑料类固沙材料(Modified waste plastic sand-fixing materials)是通过物理和化学方法对废塑料进行改性处理,生成可以用来固沙的环保材料。随着日常生活中产生的废塑料不断增加,治理和利用废塑料的问题也迫在眉睫。在废塑料的利用方面,国内外学者进行了大量的工作。废塑料可用于污水处理的凝聚剂[13],用于汽车工业的汽油、柴油燃烧剂[14],用于建筑业的轻质混凝土[15],以及用于沙漠化防治的固沙材料等。

包亦望等以废泡沫塑料为主要原料,采用溶解法和裂解法对其进行改性处理,并加入添加剂生成白色粘稠状固沙材料,实验表明,此种固沙材料使沙砾粘聚成一层坚硬柔韧的薄层,覆盖于流沙表面,可以有效防止沙漠迁移和大风扬沙,而且具有长期稳定性、良好的保水性和提高沙漠中绿色植物存活率的特性[16]。废塑料也可以用来生产用于固沙的吸水保水材料,D.S.Achilias等采用溶解和再沉淀的方法,从塑料聚合物和废弃产品中提取出低、高密度的聚乙烯和聚丙烯[17]。秦玉芳等利用聚乙烯废塑料为原料,采用反相乳液聚合方法,与亲水性基团的丙烯酸(AA)及其盐接枝共聚合成吸水率为477.8g/g的高吸水性树脂[18]。

废塑料用于固沙领域的研究还很少,目前来看,用废塑料制作高吸水性树脂用于固沙是对处理废塑料的可行性方法,而对废塑料改性处理的固沙剂进行的野外实验较少,其固沙性能以及成本是否优于其他固沙材料还有待于考证,尤其是此类固沙材料的环境协调性还需要进一步研究。

1.3 栲胶类固沙材料

栲胶(Vegetable tanning extract)为单宁水浸提物的商品名。可从兴安落叶松、红皮云杉、云杉、樟子松、油柳、黑桦、白桦山杨、蒙古古栋等树种的树皮、果壳、树叶、树根和木材中提取栲胶。从化学结构看,单宁可以分为水解单宁和缩合单宁2大类型。而多元酚结构赋予植物单宁一系列独特的化学特性,能与多种金属离子发生络合或静电作用,具有两亲结构和诸多衍生化反应活性。因此作为一种重要林副产品,可以用作鞣革剂、减水剂、水处理、气体脱硫、金属防腐、油脂抗氧化,还可以作为护壁堵漏灌浆和固沙材料[19]。葛学贵等研制的植物栲胶高分子固沙材料,初始粘度低,渗透能力强,对沙的润湿胶凝性好,在催化剂作用下,可形成不同强度的、稳定的热固性高分子型凝胶,固沙体抗压强度为1.0MPa[20]。

2 微生物类固沙材料

微生物类固沙材料(Microbe sand-fixing materials)是利用沙漠生物结皮人工接种固沙或是从生物结皮中分离出可固沙的细菌,然后将制成的液体菌剂直接用于固沙的新型固沙材料。生物结皮(Biological soil crusts)广泛分布在世界的干旱、半干旱地区,它主要是藻、地衣、苔藓、菌生等同土壤颗粒相互作用,在土壤表面发育形成的一层特殊表面结构, 对防风固沙、区域生态环境变化以及物质能量交换都起到了很大作用。生物结皮层的胶结机理是藻体选择性地运动到黏土含量较高的微环境中,通过细胞表面高分子多聚糖的物理吸附,与土壤表面的细小颗粒形成错综复杂的网络,同时自由羧基类负电荷基团与基质中金属离子(Ca,Si,Mn,Cu等)因静电结合而胶结在一起,从而形成有机质层和无机层[21,22]。

我国对生物结皮的研究开始于20世纪80年代中后期,2000年以后沙漠生物结皮的研究进入快速发展时期,主要研究集中在:沙漠生物结皮水文特征及其对固沙植物的影响;生物结皮胶结机理和微结构特征;生物结皮的生物组成、分布特征及其环境特征等[23,24]。潘惠霞等从新疆古尔班通古特沙漠生物结皮的下层(沙物质层)分离出寡营养细菌(Oligotrophic bacteria), 在适当的环境中培养出液体菌剂。寡营养细菌具有黏性夹膜或厚的果胶质外壁,能分泌大量的黏液,即黏性多糖,通过具有黏性附属物的菌体和黏液可将矿物细粒粘结,形成球状表面团聚。在新疆吐鲁番盆地沙漠植物园流沙区直接喷洒菌液,形成了约6mm的结皮层,并减慢了土壤水分蒸发的速度,起到了很好的防止流沙表面活化的作用[25]。

微生物固沙材料能够适应干旱、营养贫瘠的环境,在我国应具有很广阔的发展前景,但目前的研究缺乏实用性,尤其在人工生物结皮恢复技术的研究和微生物固沙技术的沙漠化实地应用方面,需要深层次探讨。

3 有机-无机复合固沙材料

有机-无机复合固沙材料(Organic-inorganic composite sand-fixing materials),是针对无机固沙材料力学性能差、缺乏保水性等缺陷,通过在无机材料中添加有机组分而形成的一类新型固沙材料。最为常用的有机组分是高吸水性树脂[26],其特殊的三维空间网络结构使其具有优异的吸水保水性能[27],同时又能与水泥水化产生的Ca2+、Al3+作用,使合成后的材料具有更高的抗折强度、粘结强度、抗冲击性和抗疲劳度[28]。

李臻等以水玻璃为基础,通过对其改性或添加有机、无机胶凝剂进行复合,获得适于喷洒施工的液态高效复合固沙剂,在现场固沙试验中效果明显,固沙性能优于单纯的无机材料,其抗水性能、强度、抗老化性、抗冻融稳定性以及抗风蚀等性能均有很大提高[29]。另外,据报道由中国石油大学与中国石油兰州石化公司合作开发出的一种多功能乳状液膜固沙剂,其主要成分是重油(渣油、沥青)、膨润土、水玻璃,在此基础上加入多种功能添加剂,生产工艺和施工相对比较简单,实验结果表明:此法具有明显的集水和保墒增温、改善土壤结构、促进植物生长、抑制盐溃土表层积盐等作用[30]。

随着我国经济的发展,工业及建筑业废料也逐年增加,对矿渣、粉煤灰、硅粉以及建筑废料的利用也比较广泛,但将这些废弃物直接用于固沙体系还很少见。在20世纪90年代初林永昌曾提出设想,以废弃资源粉煤灰为主料设计固沙材料[31],但至今也未进入实质性研究。笔者认为,在无机废弃物中添加有机材料制成复合固沙材料具有可行性。首先,这些无机废弃物具有很大的比表面积,而且在激活剂的作用下均可以和普通沙子(主要成分SiO2)产生反应,生成C-S-H凝胶。其次,采用有机材料(乳化沥青、酚醛树脂、聚丙烯酰胺、丁苯胶乳等)用于固沙,技术相对成熟,有机固沙材料所具有的三维空间网络结构特性解决了无机材料脆性大、浸透性差以及保水性能差的问题。第三,工业和建筑业废料来源充足,相对其他固沙材料的原料,成本极低,便于大范围使用。

4 存在的问题及其展望

无论采用何种固沙材料,最终要解决的问题是:在为植物生长创造良好的水土环境的同时,永久性地改善生态环境,形成自然生态圈。虽然化学固沙材料能够提高地表沙土的稳定性和保水性,达到固定流沙、改良和治理荒漠化土地的目的,但很少有学者研究化学固沙材料在使用后期的处理问题。目前的化学固沙材料均为无毒产品,但如果后期不妥善处理,滞留在地表表层的大面积固沙材料的危害不亚于沙漠化。这样一来,我们在设计固沙材料的时候,就必须要考虑材料在使用后期对生态环境的负面影响,因此,材料的可降解性应该作为评价化学固沙材料是否优良的标准。

可部分降解有机-无机复合固沙材料是基于生态环境协调性而提出的一种新型固沙材料,郑州大学材料科学与工程学院和天津城市建筑学院材料科学与工程系正在做这方面的工作。该材料由水泥基材料、粉煤灰、可降解高分子材料、植物纤维以及营养包组成,能够形成3套强度网络,并在使用后期具有3套崩解与降解体系。其主要特点为:利用工业废弃物粉煤灰与地表SiO2发生二次胶凝反应,提高材料粘结性;加入的高分子材料降低了水泥基材料的脆性,同时两者互补提高了早期的粘结强度;植物纤维提高了材料的保水性,并有利于后期固沙材料的崩解与降解;控制可降解高分子材料的降解速率,能够达到植物生长周期的要求。对此固沙材料的性能进行了初步研究,实验结果表明该固沙材料具有较高的强度(大于7MPa)、良好的吸水保水性能以及可部分降解性,而且材料成本很低,具有实用价值。为了能够大范围推广,对该材料还需进一步深入研究,例如材料的降解机理以及降解速率的控制等是亟待解决的问题。

化学固沙材料研究 篇4

【摘 要】在材料电极电势的科研工作中运用到氧化还原相关知识。通过对材料电极电势的研究，能发现氧化还原反应相关现象和规律。在中医药无机化学的教学中，作者根据本身的研究经历和教学经验，将材料电极电势的相关反应现象和研究结果运用到无机化学氧化还原的课堂教学中，该过程不仅利于激发学生的学习兴趣、培养学生的科研意识，还能带给学生直接的感观认识，从而达到提高教学效果的目的。

【关键词】科研；教学；学习兴趣；创新思维

根据教师的科研经历与研究成果，在教学工作中合理运用科研相关内容，是科研教学工作的重要组成部分。在教学过程中需要我们辩证的看待科研、教学在高校工作中的关系。教学与科研作为高校的两大核心工作，相辅相成、相互促进，两者共同构建高校的育人环境。科研项目是大学活力的根源，科研项目能促进教学，并提高教学质量。科研活动可以提高教学的质量、拓宽教学的广度和深度，而且可以更新教师的知识结构和文化素养，丰富课堂教学内容，增加学生的学习兴趣，达到提高教学的效果。传统认为研究生培养过程中较多的提倡教学与科研的结合，认为科研对本科生的教学影响不大，本科生教学工作主要精力应该是上好课，这是种认识上的误区。事实上，教学与科研对立且统一，两者相辅相成，是不可分割的整体。早在上世纪八十年代著名教育家和科学家、上海大学原校长钱伟长先生就提出了教学和科研之间的区别就是：大学教学需要拆除与科研之间的那堵高墙，教学如果没有科研做基础，是一种苍白无力，没有灵魂的教育方式。在打开教学与科研之间的墙后，要培养具有创新意识的学生，教师必须要有创新意识和能力，因此应该追踪学科的前沿最新突破和研究学科前沿的最新命题。在教学工作中，教育工作者进行必要的科研活动，去了解科技发展的最前沿动态，这样才能保证知识和信息的及时更新与发展。此外，作为一个优秀的科研工作者，也应当是一位出色的知识传播者和教育者。在科研工作中获得的科学认识经过教学的方式，进行知识的提升和凝炼，加强对科学规律的认识和传播，将最新的科研成果转化为知识或融入本科教学中。教学要做到温故知新，才能将教学的基础理论知识和前沿科技紧密联系起来，充分启发和调动学生学习基础知识的积极性和目的性，以达到理论指导实践的目的。随着科研促教学的教育理念发展，越来越多的高校开始关注这一重要内容，如中南大学就提出有科研基础的教授必须上讲台，这就是对科研促教学的有力措施。作为一名大学教师如何做到教学科研齐头并进，理解透彻科研促教学的教育理念，并运用到日常的教学工作中去，直接关系到教师搞好课堂教学和提高教学质量的关键问题，需要我们与时俱进、不断思考和探索。

在中医药院校中，随着交叉学科的发展和复合型人才队伍的建设，中医药的相关基础学科的科研氛围日趋浓厚。在中医药院校从事无机化学教学的教师既要从事本学科的教学工作，又要从事相关科研工作，为了更好的提升自身素质，取得良好的教学效果，需要将两者有机结合。作者从事镁合金表面防护涂层的研究工作。在镁合金材料表面化学镀沉积金属涂层时，需要研究金属材料之间的电极电势的影响，探索涂层的沉积次序。这些实验内容与氧化还原教学中的关于了解材料的电极电势来判断氧化还原反应进行的方向相关。在教学工作中，通过向学生展示、介绍和演示相关研究内容，能很好的促进课堂气氛，提高学习积极性，具体可以从以下几个方面来看：

（1）丰富教学课程。充分利用在科研工作中积累的经验，让教师对所在学科前沿动态保持充分的感知，能较好地把握学科的最新动态。同时，在教学工作中充分利用科研成果，及时补充和更新教学内容。把平时科研成果渗透到课堂，将最新的知识和信息及时的传递给学生，教学质量才能不断提高。在我们平时科研中，通过测量镁合金、Ni镀层的电极电势。在镁合金表面沉积涂层时，在溶液中存在Ni2+、H+离子时，在金属基底优先沉积出Ni层。从实验结果可以看出，电极电势较大的氧化还原对中的氧化态物质的氧化性最强，电极电势较小的氧化还原对中的还原态物质还原性最强，两者能优先发生反应。这很好了验证了课本上关于从电极电势大小来判断氧化还原对中各物质的氧化还原性。该研究结果能很好的将电极电势与氧化还原性质联系起来，从而使学生加强对这部分原理的实际认识。科研内容与成果扩大教学内涵可以表现在：第一，将科研项目成果融入课堂，我们的学生通过切身体验的研究项目、研究内容和研究方法来加深对课本上面的理论概念的理解，加深对无机化学学科内容的理解，及实际应用的了解；第二，将科研学术论文融入教学中，通过向学生展示相关科研论文，讲解相关反应机理，使学生直观地理解无机化学相关知识点，使抽象的理论知识具体化，理论应用于实践；第三，将教学改革的成果及时应用于教学中，通过应用多媒体课堂教学，在课堂上展示实验过程以及镀层样品的相关图片，增加了课堂授课的形象性、直观性，提高了课堂教学效果。

（2）改革教学方法。我们要将长期的科研实践应用到本科教学实践中，将理论和实际相结合，将所掌握的前沿动态和对科研的思维方法及成果带到教学实践中，不仅使学生掌握对所学专业知识的理解，也能改变思维方法的学习。在讲解到相关物质的氧化还原性后，要求学生理论联系实际，根据所学的理论知识，分析在医药行业中可能涉及的物质之间的反应趋势，有学生提出了高锰酸钾这些强氧化性的物质在接触电极电势较低的活性金属时，可以发生反应，影响相关物件的性能，在实际应用中应该注意，这很好的说明了学生对氧化还原反应原理的理解很透彻。开展科研工作不仅开阔了教学的视野，改善教学的手段，革新了教学技术，还大大提高了教学质量，在教学工作中起到了积极的推动作用。教学中鼓励学生针对涉及氧化还原反应的一些领域进行分析、讨论。在讲解相关课程内容的知识点时，为了巩固和运用所学的理论知识，指导学生课后分组完成关于氧化还原反应的小文章，对某一专题做充分准备，并分组进行汇报。在这些教学活动中，不仅培养了学生分工协作，思考问题、解决问题、的能力，同时也增强了学生的自信心，还锻炼了学生的口头表达能力，对于将来走上工作岗位是至关重要的，使学生得到全方面发展，培养学生正确应用所学知识的能力。

（3）发挥科研对教学的促进作用，激发学生参与科研活动的兴趣。在介绍作者研究课题时，有学生表现出对相关研究内容的兴趣，希望参与到实验中来。由此看来，通过科研在教学中的导入，可以依托教师科研课题和科研实验室，结合教师的科研选题，积极的将部分有意识的学生吸收并引导他们参加由学生支持的科研项目中来。在开放性实验课中，需要学生自己动手操作，自己设计实验方案，来进行数据处理，并对所进行的实验结果进行分析和归纳，以文字的形式将实验报告写成毕业论文，该内容最能体现教学与科研的相结合。这一过程就是培养学生思维能力、动手实践能力和创新能力的过程。这些是科研工作所必须具备的条件。通过我们在科研工作中所积累的经验，在教学过程中引导学生，使他们根据自己所掌握的基础知识，自己动手设计实验方案，并加以论证是否可行。

作者通过将从事的材料电极电势研究课题运用到中医药无机化学氧化还原章节课堂的教学中去，并观察、分析课堂教学的效果，总结发现：一方面科研成果补充和更新教学内容，充分利用课堂讲授和专题介绍的形式补充教材存在的不足。提高了课堂讲课的形象性、直观性，提高了课堂教学效果；另一方面科研开阔了教学视野，丰富教学手段，革新教学技术。针对一些重点研究领域，培养学生解决问题的能力，提高学生的表达能力，鼓励并提高学生的自信心，使我们所有的学生全面、协调地发展；不仅如此，还能激发学生学习兴趣。可以积极引导、有意识地吸收部分学生参加科研活动。学生在指导老师引导，选修实验、自主设计研究性学习实验，积极参加教师的科研和社会应用实践，也可以申请并独立完成学校所设立的创新科研项目。学会运用无机化学的基本理论，利用无机化学思维去思考相关科学问题，培养学生的科研水平和实践能力，教师们要充分调动学生积极的学习意识发挥自身对学生的引导作用。所以，教师进行科学研究，并将教师的科学研究成果运用到教学工作中，对中医药类无机化学的教学工作具有良好的促进作用。

参考文献：

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[2]袁修孝，以科研促进教学的探索与实践，高教论坛，2008，5：12-13.

[3]严善春，曹传旺，姜中珠，加强科研促进教学，努力提升本科生创新能力， 继

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[4]彭培英，崔海亭，韦玉堂，以科研促教学，提高本科教学质量，实验技术与管理， 2009，26（8）：14-16.

[5]Xizhi Fan， Yangjia Liu， Zhenhua Xu， Ying Wang， Binglin Zou， Lijian Gu.

化学固沙材料研究 篇5

土地荒漠化是地表植物遭到破坏后,威胁人类生存和影响社会发展的一个重要问题。沙漠化是土地荒漠化的主要类型,我国是世界上沙漠化最严重的国家之一。近年来,沙层暴的频繁出现,直接威胁着人们的生活环境,因此,防风固沙已被日益迫切地提出。沙漠化防治主要是通过各种方式对沙地进行固定。目前,沙漠化防治的主要措施根据其作用方式的不同,大致可以分为3大类:机械固沙、植物固沙和化学固沙。其中,机械固沙的主要方式是编织草方格,而植物固沙也称为生物固沙,包括建立人工植被或恢复天然植被、形成大型防沙阻沙固沙林带与防护林网,恢复和改善沙漠生态环境。由于这两种固沙方式都是手工操作,费时费工,操作极慢,而且造价极高,因而没有得到普遍的推广。

目前,高效、快速、方便的化学固沙已受到较大的关注。国外化学固沙的研究开始于20世纪30年代,到20世纪50年代有了较快速的发展。20世纪60年代起,国内就已开始了一些化学固沙试验和研究,近年中科院兰州沙漠所试验的聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙酸酯(PVAc)和聚丙烯酰胺(PAM)等固沙剂,都取得了一定的成效[1,2,3,4]。但很少有人对现有固沙材料的结构和其固沙性能进行系统的研究。本文旨在阐述现有固沙材料的结构与其固沙性能的内在关系。

1 化学固沙原理

沙粒的主要成分是由钙、钠、镁等阳离子组成的硅酸盐、碳酸盐、氧化物等无机矿物质,它们在沙土中的含量一般在95%以上[5]。化学固沙就是利用具有一定化学胶结性能的物质即固沙剂喷洒于松散的流沙表面,聚合物分子上的有效基团将主要与无机矿物质分子形成某种结合,并通过其分子长链的作用使多个沙土颗粒聚集形成团聚体,从而起到防风固沙的作用[6]。

具备足够的润湿性以能够与沙粒表面直接接触是化学固沙剂进行粘接的基本前提。要做到与沙粒表面充分接触,固沙剂的润湿性需要达到能够在沙粒表面进行润湿铺展的程度。沙粒的主要成分是SiO2、硅酸盐等无机盐类,属极性固体,天然具有亲水性,用于化学固沙的固沙剂大多都含有大量能与沙土颗粒结合的有效亲水基团,如羧基、羟基、氨基、磺酸基、季胺盐基等,按照这些基团的离子类型不同,可将它们分为阳离子、非离子和阴离子基团,相应地,含部分阴离子基团的固沙剂被称为阴离子型固沙剂,而只含非离子基团的固沙剂为非离子型固沙剂。一般认为,非离子基团主要通过氢键与土壤颗粒结合,阳离子基团则是与带负电的沙土颗粒通过静电引力结合,阴离子基团通过共用沙土颗粒上的多价金属阳离子相互结合[7]。

除了聚合物本身的性质外,沙土表面状况也会影响聚合物的作用效能。与聚合物和其他材料的粘接原理相同,固沙剂与沙土颗粒之间也是通过范德华力、氢键、化学键等分子间作用力连结在一起的[8]。这种作用力的大小不仅与固沙剂的性质有关,也与沙土颗粒的表面状态有关。固沙剂和沙粒表面的粘接与固沙剂在沙粒表面上的润湿程度有关,润湿程度越好,固沙剂与沙粒通过分子间力相互结合的机会越大,相互之间的连结越强。润湿程度又与固液界面张力有关,固液界面张力(γl-s)越小,越有利于润湿[9]。

与非离子型的固沙剂相比,阴离子型固沙剂上含有的羧基、磺酸基等有效基团可以降低固沙剂乳液的界面张力,有利于固沙剂乳液在沙土颗粒表面的润湿。

2 固沙材料的结构与固沙性能的关系

化学固沙材料十分丰富,产品很多,早期使用的固沙剂主要是石油产品,如乳化沥青,随着高分子化学工业及合成化学工业的发展,许多国家研制并生产了大量新型高分子及合成有机固沙材料。高分子材料所特有的结构与性能使它成为荒漠化治理的首选固沙材料。某些线形高分子可通过物理或化学作用结合在沙土颗粒上,使微细沙土颗粒通过这些大分子链相互连结起来,提高了对风蚀水蚀的抵抗力[10]。

在化学固沙中应用的高分子材料,根据来源不同大致分为石油产品类、合成高分子类、生物质资源类[11]。另外,高吸水树脂产品由于具有优良的吸水保水性能,也经常与固沙剂一起应用于沙漠综合治理[12]。

下面就常用的高分子固沙材料的结构与固沙性能作一概述。

2.1 石油产品类固沙剂

沥青乳液是石油产品类固沙剂的代表,是当前世界各国应用化学固沙最广泛的材料。它是将冷沥青加热到流动状态,然后经过机械力的作用使沥青能以一种细小的颗粒状态分散在含有一定量乳化剂的水溶液中,形成水包油(O/W)状的沥青乳液。在乳化的过程中,乳化剂分子中亲油基进入到水中后首先向沥青颗粒靠拢,然后插入到沥青颗粒中,同时乳化剂分子的亲水基则插入到了水中,这样就使得每个沥青颗粒的表面聚集了许多个乳化剂分子,把沥青颗粒包裹住,形成一层界面膜。在界面膜的外层排布的是乳化剂分子的亲水基,它能够以氢键的方式与水分子结合在一起,这样在界面膜的外层又形成了一层水合层,沥青乳液中的水相与沙土接触后,首先润湿沙土的表面,然后水相沿着毛细孔进入到沙土的内部。随着水相的移动,乳化剂分子也移动。乳化剂分子亲水基吸附在沙土表面的同时,亲油基也随之向沙土的表面靠近,这样沥青颗粒被拉向沙土的表面,沥青颗粒之间相互融合在一起使界面膜消失,沙土的表面完全被沥青包裹住,形成了一层沥青薄膜。被挤出的水分处在沥青薄膜之上,在空气中挥发掉,从而起到固沙的作用[13,14]。但是,乳化沥青在使用过程中由于环境因素,特别是在紫外线、氧气的长期作用下,老化现象极其严重。这是因为在大气中氧的作用下,乳化沥青中的碳、氮、硫元素发生氧化反应,使其羰基与亚砜基官能团含量增加,表现为乳化沥青中生成更多的酸、醛、酮以及亚砜等,使其产生老化现象。由于乳化沥青表层的老化产生的脆性,引起使用性能的下降,以至最后开裂被风掏蚀。反应历程如图1所示[15,16,17]。

氮的氧化:

硫的氧化:

2.2 合成高分子类固沙剂

合成高分子类固沙剂是20世纪60年代以来发展起来的新型化学固沙剂[18],从本质上看,属于水溶性或油溶性化学胶结物。

(1)SH固沙剂

SH固沙剂是一种成本低廉的新型高性能有机高分子化学固沙材料。目前,对于SH的化学结构仍然存在争论,但从化学结构分析,SH是一类含酚羟基、羧基、醇羟基等多种官能团的大分子芳香化合物[19]。由于SH为分子量在几万到几十万之间的聚合物,具有良好的粘接力和成膜性能。SH的主链为疏水的碳链,链上侧基为-COOH、-OH等亲水基团,所以其具有良好的亲水性能,而且具有螯合作用。沙子的主要成分是SiO2、硅酸盐类及其它盐类,沙粒表面还有少量的Si-OH、Ca2+、Mg2+等。当SH喷洒在沙粒表面后,SH含有的-OH或-COOH基团和沙粒表面的-OH基团可形成C-O···H-O氢键,即沙粒表面游离的羟基减少,氢键增加;同时SH还会和沙粒之间形成化学键合作用、螯合作用、物理吸附作用和絮凝作用。其中化学作用与螯合作用如图2所示[20,21,22]。

随着水分的蒸发,高分子链相互聚集形成薄膜,碳-碳链上的-COOH、-OH等可以与沙粒表面的Ca2+、Mg2+和Si-OH等发生络合作用,这种络合作用将使高分子链与Ca2+、Mg2+、Si4+等紧紧结合在一起,从而使沙粒与聚合物成为一个不溶性的、坚固的、网络状的整体,实质上就是沙子被包裹在高分子链之中。由于这些作用在水中的不可逆性,所以达到了固沙的目的,且在水中能继续保持固沙强度。

(2)PVAc固沙剂

PVAc固沙剂是以醋酸乙烯酯为单体,采用乳液聚合制备的高性能高分子化学固沙材料。然而,由于其耐热性差、耐水性及抗蠕变性欠佳等缺点,使其应用范围受到极大的限制[23],因此常采用共混、共聚、交联等改性手段来克服其缺点[24]。目前,彭雷等[25]将醋酸乙烯酯与丙烯酸丁酯共聚,由于BA具有一定的疏水性,可提高PVAc的耐水性能,同时,丙烯酸丁酯的引入,一方面增加了聚合物的分子量,使得聚合物的粘度有所提高,粘结性能提升,另一方面也增强了链的柔性,使得聚合物的韧性增强。由于BA的加入,聚合物体系中也生成了VAc-BA、BA-BA的聚合物,从而增强了PVAc与PBA的相容性,故稳定性提高。VAc-BA、BA-BA间的聚合物结构式如图3所示。

白龙等[26]通过VAc-BA共聚实验,研究了该共聚物的热稳定性,随着BA含量的不断增加,一方面由于BA长链侧基起到了空间位阻和保护作用,从而有效缓解了PVAc侧基的脱除反应,升高了聚合物的热分解温度,另一方面BA中的长链侧基也提高了聚合物的柔韧性,从而降低了聚合物的玻璃化温度。

在自然干燥条件下,PVAc-PBA具有良好的成膜性,这是由于线性共聚物分子的柔性所致,链上存在-COOC-极性基团,因此其既具有很高的内聚强度,又有很强的粘接力,对提高固结强度极为有利,链上的酯基也可与沙土中的无机离子发生络合作用,这进一步提高了固沙效果。

孟旭等[27]设计制备了阳离子P(VAc-BA-DMC)乳液,将其用于固沙得到良好的效果,其设计思想为阳离子乳液乳胶粒离子带有正电荷,可中和沙粒表面的负电荷形成离子键,从而减少沙粒间的相互排斥作用,促使沙粒结合在一起,这是阳离子型固沙剂静电粘接理论在固沙中的首次应用。

(3)PVA固沙剂

PVA固沙剂是以聚乙烯醇为主要基料的乳状液高分子环保固沙剂[28]。但是,由于其分子中含有大量的亲水基团羟基而导致亲水性大、耐水性差,极大地限制了该固沙剂的应用[29]。目前,可采用TDI交联[30]、硼砂改性[31]等方法来提高其耐水性能,但由于TDI具有刺激性气味及毒性,对环境造成污染;硼砂改性易形成凝胶,该过程很难得到控制,这些弊端使得该类固沙剂的使用受到限制。谭雪琴等[32]向PVA中掺入光敏剂重铬酸铵。由于重铬酸铵的掺入,减少了羟基,促进疏水结构的形成,提高了PVA的耐水性能,保证了固沙剂不会在水中溶解。同时,聚合物形成网络结构,增加了聚合物的刚性,使其固沙强度得以提高。聚合物结构如图4所示,其中M为光敏剂,其他链状结构为聚乙烯醇。PVA含有的-OH基团和沙粒表面的-OH基团可形成HO···H-O氢键,通过交叉链接形成庞大的空间体,将沙土颗粒包裹在空隙中,起到固沙作用。

(4)PAM固沙剂

PAM是一种常用的功能高分子沙土稳定材料,首先PAM足够大的分子量使其具有良好的粘接力,并且PAM大分子链上具有-CONH2极性基团,与水相互作用产生的粘聚作用能有效粘接较多的沙土颗粒。沙粒表面还有少量的Si-OH、Ca2+、Mg2+等,当PAM喷洒在沙粒表面后,PAM含有的-NH2基团和沙粒表面的-OH基团可形成H2N···H-O氢键。而且PAM分子链固定在不同的沙土颗粒表面上,各颗粒之间形成聚合物的桥,使颗粒形成聚集体[33]。陈渠昌等[34]采用室内风洞实验方法,研究了PAM对内蒙古西部干旱半干旱地区荒漠沙地的抗风蚀能力。当PAM用量为2g/m2时,可以抵御8~10m/s风速的风沙流,历时30min的吹蚀,试样未破坏;当PAM用量达4g/m2时,可以抵御10m/s风速的风沙流,历时30min的吹蚀,试样仍未破坏,使其起到了很好的固沙效果。

由于PAM还具有平面网格和立体网格结构,并极易溶于水,Lentz R D等[35]发现在几种土壤中施用PAM能增强土壤团聚体水稳性,提高土壤渗透率。唐泽军等[36]利用电子扫描显微镜,研究了在降雨情况下PAM对沙土团聚的影响,如图5所示。研究发现,在对照实验中,土壤表面结构中所见土壤颗粒几乎全是单粒级颗粒,没有发现团聚体结构;而在实验组中,均匀喷洒的PAM溶解后,形成的粘絮物质类似分子结构中的键,可以连接两个或多个沙土颗粒,形成稳定的团聚体结构。起着黏絮作用的PAM“键”在土壤表层中随处可见。

同时,PAM还具有吸水、保水作用。PAM本身具有三维空间网状结构,内部有许多亲水基(CONH2)和疏水基(-CH)。PAM在未接触水之前处于固态网束状态,当其与水接触后,疏水基可因疏水作用而转向内侧,形成不溶于水的粒状结构,亲水基团伸向外侧,通过氢键与水分子结合形成水合水,在分子表面形成厚度为0.5~0.6nm的水分子层,这就是水合作用。水合作用使PAM分子链网束展开,由于网状结构中含有一定数量的亲水离子,使三维结构网内外出现了离子浓度差,从而造成了网状结构内外产生渗透压,水分子便在渗透压的作用下进入三维结构内部,形成了网孔水,从而使得水分子的运动受到限制[37,38,39,40]。

(5)PAA固沙剂

丙烯酸与丙烯酰胺同属于丙烯酸类单体,PAA(聚丙烯酸)作为固沙剂时,分子结构上含有可以与沙土中Ca2+、Mg2+等结合的羧基。正是由于PAA的渗入,其上的羧基与沙粒表面的羟基形成氢键,使得沙粒与大分子链相互连接起来。当沙子被PAA作用之后就形成了一个整体,从而提高了对风蚀的抵抗力。沙漠中水分蒸发的特点是位于沙漠表层20cm左右的水分蒸发速率较大[41],但传统的PAA固沙剂固结的沙层坚硬,阻碍水向沙漠保水层的渗透,从而影响到植物的生长。所以采用PAA固沙剂固结的沙层仅有较好的固结效果,并不具有很好的渗水保水性,从而使得沙漠的降水大部分都被蒸发,降水的利用率差。人们利用分子设计的原理,以丙烯酸与其它单体共聚,以提高固结沙层的渗水性、降低沙层本身的吸水率。苏鹏等[42]将丙烯酸与全氟辛基甲基丙烯酸酯共聚,合成一种新的含氟共聚物,将其应用于PAA固结沙柱,可以在被PAA包裹的沙粒层再包覆一层含氟共聚物,由于此共聚物含有大量的氟基团,具有较强的疏水性,从而可以起到疏水的作用,使得降水快速地下渗到沙漠的保水层,并且同时可以降低沙层本身的吸水率,使得沙漠的降水能够最大限度地保存下来,以备沙漠植被吸收,提高了固沙剂的固沙效果。其固沙剂的作用原理图如图6所示。

(6)PU固沙剂

聚氨酯型固沙剂是由多元醇和异氰酸酯合成的一种带有活性异氰酸基(-NCO)的预聚体,其分子结构如图7所示。当聚氨酯固沙剂与水按一定比例进行稀释喷洒于沙土表面时,聚氨酯预聚体将与水进行快速的反应,首先生成不稳定的氨基甲酸,然后氨基甲酸分解成二胺和CO2,所生成的二胺会继续与预聚体发生反应生成聚脲,形成高分子聚合物,反应过程如图8所示。这种聚合物便会在沙土表面以及内部形成空间网络结构,随着水分的散失,聚合物会填充沙土中的孔隙并包裹沙土颗粒。由于PU固沙剂自身的粘结性,从而将沙土包裹在一起,在沙土和PU之间形成物理的或化学的联系。同时,聚氨酯固沙剂还具有空间网络结构的特点,并且其高分子链末端的活性基团(如羟基或羧基)可与沙土表面的Si-OH、Ca2+、Mg2+等产生物理和化学的作用,将沙土颗粒粘接成网络状的结构整体,在沙土表面形成一定厚度的固结层,提高沙土的抗风蚀能力,具有较好的固沙效果[43,44,45,46]。

2.3 生物质资源类固沙剂

木质素是一种复杂的、非结晶性的、三维网状结构的酚类高分子聚合物[47]。木质素类固沙材料是制浆废液中的木质素经化学改性制备而成的一种生物质资源类固沙剂[48]。自20世纪60年代起,前苏联就曾研究木质素磺酸盐在沙土稳定性中的应用,其分子结构式如图9所示[49]。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土表面后与沙土颗粒结合,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,从而使得表层沙粒彼此紧密结合在一起,并且分子链中含有刚性较大的苯环结构,因此形成具有一定强度的致密的固结层,达到固沙的目的[50]。

鲁小珍等以木质素作为固沙材料,对沙漠地区植被恢复情况进行了研究。 由于木质素中有机质含量超过80%[51,52,53],含有可促进植物生长的活性成分[54,55],喷洒木质素固沙材料1%~2%的浓度和2.5L/m2的剂量既可有效固沙,也可减缓水分蒸发,对植物的发芽、生长及生物量积累均起到了良好的作用[56]。

2.4 高分子吸水树脂

高分子吸水树脂是一种含强亲水性基团,并经过适度交联的功能高分子材料,具有很强吸水、保水作用[57]。目前,高分子吸水树脂已被广泛用作固沙材料。在沙土中加入高分子吸水树脂,可以大幅度提高沙子之间的粘结性,同时也可增加沙土的保水能力和有效水分含量。高吸水性树脂具有交联的三维网络结构,交联增加了产物的分子量,使得产物的粘结性能得到提高;胶结性能的提升,同时也增加了不同高分子链之间的交联性,成膜性能明显提高。此外,分子链上大量的吸水基团也可与沙粒中的无机离子发生络合作用,将明显增加固沙层的强度[58]。

詹发禄、柳明珠等[59,60]在丙烯酸待聚合液中加入磷酸氢二钠和尿素,制得了既具有吸水、保水能力,又具有肥效性且可缓释的高吸水性树脂,这种高吸水性树脂可用作固沙材料。由于它是一种轻度交联的、含有大量亲水基团的聚电解质,所以当其与水接触后,其亲水基团会发生解离,使得高分子链带有大量的负电荷。这些负电荷之间的同电排斥效应会使得高分子链伸展,从而使聚合物溶胀成凝胶,但由于分子链中交联结构的存在,其不能无限溶胀。因此,该材料表现出较强的保水性。另一方面,包埋在内的营养元素首先溶解,然后向凝胶粒子外边扩散,但溶胀的凝胶对营养元素的扩散具有一定的位阻和吸附效应,对尿素中的氮元素而言,它在固沙剂中主要以两种形式存在:一部分转换为酰胺基团键合在高分子侧链上,另一部分则以尿素的形式被包埋在PAA中。当PAA与水接触后形成凝胶,包埋在内的尿素首先被溶解,部分溶解尿素可以酰胺基团键合在PAA的侧链上;另一部分溶解的尿素随着水分子向凝胶外部扩散,但是由于溶胀的凝胶对尿素的扩散产生位阻效应,而且溶胀的凝胶可以吸附大量的尿素,从而延缓了尿素的溶出速度,使它对肥料具有比较好的缓释性,这样可以促进沙漠中植物的生长,增加了固沙效益。

关于高分子聚合物材料固沙,大多集中在宏观固沙特性的研究,就其本身结构的系统研究比较少,现就合成高分子类固沙剂的结构与性能的内在联系做了简单介绍。

3 结语

我国是世界上受土地沙漠化影响最严重的国家之一。沙漠化给生态环境和社会经济带来极大的危害,导致大面积可利用土地资源的丧失,影响工农业生产,严重制约着区域的可持续发展。沙漠化已成为全国性的重大生态环境和社会经济问题。开发低成本、高性能、环境友好的生态固沙材料是当务之急。

虽然在前期的固沙工作中,人们已取得了很多可喜的研究成果,但仍然存在着一些问题。目前常用的化学固沙材料在高盐碱沙地上容易粉化,固沙强度大幅度下降,固沙效果较不理想。解决这一问题就需要从固沙材料结构考虑:固沙材料本身与沙粒之间的粘接力;盐对固沙材料在沙粒上的解吸附力以及固沙材料分子链功能性端基的耐盐性等,从而制备出耐盐碱型的固沙材料。

化学固沙材料研究 篇6

“黄河斗水,泥沙居七”,由于暴雨集中,植被稀疏,土壤抗蚀性差,黄河中上游黄土高原和沟壑区已成为我国水土流失植物生长周期与肥料释放速度的匹配性失衡最严重的地区,流失面积占黄河中上游黄土高原的67%,严重流失区占30%,黄河下游河道年平均输泥沙量多达16亿t。大部分黄河泥沙来自占中上游农田90%的15～25°或更陡坡耕地,土壤侵蚀使我国年损失约10万亩土地,每吨土壤中含全氮0.8～1.5kg、全磷1.5kg、全钾20kg,总计要损失氮、磷、钾4000多万t,相当于全国每年化肥生产的总量。由于中上游流域泥沙大量进入黄河,造成河道淤积、河床抬高(10cm/年)、各级水库电站发电效率降低甚至报废,导致国家无休止地不断加高黄河大堤,使黄河成为世界上著名的地上悬河,存在着极大的灾害隐患,像一把利剑一直悬在下游人民的头上[1]。尽管多年来国家已投入大量的人力、财力、物力营造植被,但收效甚微,种树种草成活率低,有的地方甚至寸草不生,原因在于环境劣化和人为的因素破坏了植被赖以生存的最基本要素:水、土、肥[2,3] 。由于水、土、肥的流失,导致土层肥力降低、土地保持水分能力变差,荒漠化程度提高,黄河中游泥土流失每年给国家造成的巨额经济损失已高达25亿元,严重制约了沿河流域的社会经济发展,成为全国性的重大生态环境问题。

治理黄河主要是解决黄河上中流域的水土流失问题,即根据黄河泥沙来源区泥土流失特点进行生态性治理——恢复植被,但必须先解决由于该区域全年总降水量少带来干旱引起的林草难以生长,以及由于该区域夏季暴雨集中、沟壑纵横和土壤抗蚀性差引起冲蚀土壤、减少肥力的两个难题,即气候与植被生长、立地地理环境与植被生长的关系问题。 换言之,欲解决黄河中上游区域水土流失问题则必须培植良好的植被,但良好植被的形成又必须有良好的水、肥生长条件,这就形成了水土流失与植被恢复之间的悖论,而采用水泥基植生固沙材料可以解决这一悖论,即固沙材料可在保持水、土、肥不流失和固结泥沙的同时,使植物在植生固沙材料中快速生长。因此,研究水泥基植生固沙材料水肥释放特征及植物相容性是恢复植被和遏制泥沙流失问题的关键所在。本文主要针对植物在土壤中的生长条件,如水、土、肥等,植物(草种)需肥特性,以及本课题组所完成的固沙材料水肥释放特征及植物生长性研究进展做一综述。

1 植物生长性与水土肥的匹配性

1.1 土壤条件

土壤是植物生长的基础,为植物的生长发育提供水分和营养,其肥力直接影响植物生长性。提高土壤有机质含量是提高土壤肥力的重要途径。腐殖质是有机亲水胶体,有较大的表面积,带有大量的负电荷,能吸收大量的水分和养分,腐殖质的吸水率为500%～600%,阳离子吸收量为 3000～4000mmol/kg,是黏土的10倍左右,因此,有机质多的土壤蓄水力大,耐旱性强,有后劲。腐殖酸盐的稀溶液能改变植物体内的糖类代谢,促进还原糖的积累,提高细胞渗透压,从而增强作物的抗旱能力。腐殖酸钠是某些抗旱剂的主要成分。创造土壤团粒结构保持土壤良好的通气状况,也是提高植物生长性的有效途径之一。土壤中大小不同的矿物质及有机物质颗粒并不是单独存在的,一般通过多种途径相互结合,形成各种各样的团聚体。土壤颗粒之间不同的结合方式决定了土壤孔隙的大小、数量及相互间的比例,决定了土壤固、液、气相的比例,最终影响植物的生长发育。

砂土类土壤砂粒含量高,养分贫乏,有机质含量低,通气透水性好,但保水保肥能力差,易干旱,属热性土,种子易出苗。黏土类土壤的粘粒含量高,孔隙小,透性不良,但保水保肥能力强,养分丰富,有机质含量高,属冷性土,种子不易出苗,但后期植物生长旺盛,造成植株贪青晚熟。壤土由于砂粒、粘粒含量比例较适宜,是植物生长较为理想的质地类型。土壤理想指标为:总孔隙度 52%～55%,通气孔隙度15%～20%,毛细管孔隙度与非毛细管孔隙度之比为1∶(2～4)。从表1可看出土壤容重和孔隙率大体与多孔轻骨料混凝土的指标相当。

1.2 环境条件

(1) 温度

土壤空气组成和热量状况直接影响到植物的种子萌发、出苗、植株形成、开花结果和成熟衰老的整个生长发育过程,空气温度与土壤温度直接影响植物的分布和生长发育,生产上要根据当地气温变化特点,选择适宜的作物种植种类。一定温度范围内,只有当气温积累到一定总和时,植物才能完成生活周期,这就是积温,体现的是植物整个生长期或某一发育阶段对热量的总要求。温度对肥料和水分能起到加速释放作用。

(2) 含水量

在植物的生长过程中,植物不断地从周围环境中吸收水分,以满足其正常生命活动的需要。植物体内的一切生命活动,必须在细胞含水充足的情况下才能进行。水分的形态、数量和能量决定着物质和能量的转化强度,进一步影响着植物吸水和土壤对植物的营养和水分供应。植物每合成1g干物质,所蒸腾水分的克数称蒸腾系数。植物吸收了大量的水分,其中99%用于蒸腾作用来调节本身体温,使其正常地生长发育。各种植物的蒸腾量不同,蒸腾系数越大,说明需水量越多。从植物生育前期、中期和后期的需水量情况看,是一个由少到多再到少的变化过程。植物从出苗到拔节期是营养生长阶段,植物体积小,生长速度较慢,耗水较少;拔节到开花期,是营养生长和生殖生长同时进行的阶段,植株的体积和质量都迅速增加,耗水量急剧增加;开花以后,机体逐渐衰老,耗水量也逐渐减少。在干旱和半干旱区域农业生产常采用保水剂来达到土壤中水分与植物生长相适应的目的。

(3)pH值

大多数的植物适宜在中性偏酸性的环境中生长,这是由于对植物生长有利的微生物在中性环境下活动旺盛,同时在中性环境中,土壤的物理性质最稳定,有利于保持肥效。土壤的pH值一般在6.5～7.0之间;水泥基材料在刚搅拌完时pH值在12以上,一段时间后碱度将下降,故还应与加入低碱水泥、矿物外加剂和压碱添加剂等措施来共同压碱。

1.3 养分条件

养分是植物生长发育的基础,土壤是植物养分的主要来源,植物正常的生长发育需要从环境中不断地吸收营养物质。植物主要通过根从土壤吸取水分和溶解于土壤溶液中的无机盐类。植物对养分的吸收是有选择性的,多种离子的综合作用共同促进植物的生长发育。按照安保昭的观点,对于以草本植物为主的群落,植物所需氮、磷、钾质量比为10∶10∶10,对于以木本植物为主的群落, 植物所需氮、磷、钾质量比为6∶36∶6。

1.4 植物生长周期与水、肥的匹配性

(1)吸水剂释放特征

植物生长中期需要大量的水,对于干旱、半干旱地区须采用吸水剂。笔者曾用自制的吸水树脂做过实验[4],发现它在蒸馏水和盐水中吸液速率有明显区别,即初期吸液速率很快(30min)时就均已达到饱和吸液倍率的80%以上,随着时间的延长吸水树脂的吸液速率变慢,这是因为在吸液初期树脂内部和外部溶液间渗透压较高,此时网络内充水量少,高分子链的伸展程度不大,吸液率增加很快;随着树脂吸水量的增加,渗透压变小,树脂的吸液速度减慢,吸蒸馏水和盐水分别在60min和80min时就已达到饱和,树脂几乎不再吸水,吸水过程完成,达到饱和吸水率。研究表明该树脂的保水能力较强,在5h时,保水率均在50%以上,而且吸盐水的保水率略高于吸蒸馏水的保水率。

(2)控释肥料的释放特征

植物各生育期的营养特性应注意植物营养的阶段性和植物营养的关键期,植物营养期指的是植物通过根系从土壤中吸收养分的整个时期。植物营养阶段性,即植物不同生长阶段对营养的种类、数量和比例的要求不同。植物的营养吸收规律是低—高—低。植物对某种养分缺乏敏感且受损害,即使实施也很难纠正的时期称为营养临界期。植物对营养的需要最多、吸收最快、增产效率最高的时期为营养最大效率期。不同植物、不同营养元素的营养关键期和营养最大效率期是不同的。

(3)植物生长周期与肥料释放速度的匹配性

植物的器官或整个植物生长周期表现为慢—快—慢的规律,绝对生长量呈S形曲线。植物生长速率有昼夜的或季节的周期性变化,这是生长受环境长期影响的结果。另外植物的生长还受到生物钟的控制,这种内生的近似昼夜的节奏能被光照所调拨。影响植物生长的环境因素可分为3类,即光、温等物理因子,水、气、矿质等化学因子以及动物、植物与微生物等生物因子。

黑麦草的生长周期为3～4个月,而高羊茅为9个月。一般尿素溶解度很高,见水即溶与植物生长周期匹配性不好,发挥不了肥效,故应采用不同释放期的控释肥。从图1、图2和图3可看出黑麦草生长期与控释肥中N释放周期是吻合的[5],但P、K释放周期有待改进。

2 植生材料制备的研究进展

国家十分重视沙漠化的治理、高速公路护坡材料和绿化混凝土的研究投入,国内不少研究机构与学者已在水泥基植物环境材料的研究中取得了一些可喜的成果。

2.1 植生固沙材料

葛学贵等[6]提出一种新的化学-生物材料,即用可降解薄膜包裹“复合富水营养包”(即将缺铝型沸石粉料、肥料、SAP凝胶混合在一起,其中缺铝型沸石多孔道可吸附并缓释养分,SAP有固水、保水的作用),并随同树苗一起放入挖好的树坑,当大量树木构成林带后,即可实现立体综合治荒目标。

兰州大学承担的国家863计划研究了“固沙植被用新材料和低成本制备技术”,研制出沙漠固沙植被一体化新材料,该材料喷洒在沙粒表面实现初次表层固化, 固化后沙层有良好的透气性和保水性, 当植物种子发芽生根植被形成,实现二次深层固化[7]。青海大学铁生年教授课题组研究了一种石膏基植生固沙材料,完成了综合固沙植生结构设计和固沙材料的试验研究和模拟示范,获得了“沙漠地区防沙固沙植生方法”和“一种用石膏复合材料固沙植生的方法”两项国家发明专利。与目前已有的一些沙漠化防治措施相比,这一新技术的特点在于其所采用的材料石膏成本低,黏结性好,可大规模施工喷洒,适合植物生长,对环境和土壤无污染,并可有效防止风蚀,同时起到吸湿和减少土壤水分蒸发的作用。

2.2 高速公路绿化护坡材料

章梦涛等利用喷混绿化新技术将土壤、肥料、有机质、保水材料、植物种子、水泥等混合干料加水后喷射到岩面上,由于水泥粘结作用,该混合物可在岩石表面形成连续硬化体,种子可在其空隙中生根发芽生长,一定程度的硬化可防止雨水冲刷,并达到恢复植被、保护环境的目的[8]。张俊云等[9]对岩石边坡生态护坡进行了较系统的研究。一般把生态护坡定义为:用活的植物,单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合,以减轻护坡面的不稳定性和侵蚀。绿化网是当前日本在软弱岩石边坡生态护坡中较常用的生态材料。绿化网的构造网采用抗拉强度高的尼龙等高分子材料编织而成,分上下两层,两层网中间每隔一定间距包有肥料、草种、水稳定剂、含有机质的腐殖土等的混合物。

2.3 绿化混凝土

吉林省水利实业公司[10]利用建筑废砖石作骨料,研制出一种在保持原有防护功能的前提下,能使植草良好生长的环保型混凝土护砌材料,并对绿化混凝土上草坪植物所需营养元素及供给进行了研究。聂丽华等[11]研制出一种轻质绿化混凝土,这是一种性能介于普通混凝土和耕植土之间的新型轻质绿化混凝土材料。该材料以轻质多孔细料岩石、生物有机肥料、耕植土、减水剂等为原料,用水泥胶凝材料胶结而成,具有一定的强度和耐冲刷性能,自重轻,能形成一个个“蜂窝状”空隙,满足植物生长所需的孔隙率、保水性和渗透系数、酸碱性等要求。蒋晓峰等[12]提出了形象的“沙琪玛骨架”绿化混凝土。

2.4 水泥-土基植生固沙材料

近些年来黄河水利委员会及其所属研究机构对黄河的水文特征、流域地质地貌、河道淤积特点、泥沙来源区的分析及植被生态恢复建设的研究[13]为治理黄河中上游区域水土流失提供了很好的依据,但针对黄河中上游区域水土流失特点的植生固沙材料研究很少涉及。借鉴沙漠化学固沙方法、高速公路客土喷播技术和绿化混凝土技术[14,15,16],近期天津城市建筑学院材料科学与工程系提出了水泥-土基材料制备水肥控释型植生固沙材料新技术[5,17]。这一新型固沙材料在较长时间内具有良好的水、肥控释能力,有利于在缺水缺肥的干旱-半干旱地区植物生长。为解决水泥基材料存在的碱度高问题,课题组提出以水泥-土基材料来制备水、肥控释型植生固沙材料的低碱新方案。其中不仅土壤的pH值是中性的,而且在土壤中氨化后的NH4+将变成NO3-,硝化作用结果会形成氢离子而导致土壤的酸化,并与材料中水泥的碱中和。结果表明该材料不仅可以在较长时间内具有良好的水、肥控释能力,解决缺水缺肥干旱-半干旱地区植物水分养分的供给,而且它属于低碱性水环境,对植物生长不会产生不利影响。该固沙材料中吸水剂种类的不同对氮和钾释放影响不明显:对于撒可利肥,吸水剂SAP1的磷释放量高于吸水剂SAP2;对于奥绿肥,磷在70天前的吸水剂A的释放量高于吸水剂SAP2,但由于吸水剂SAP2的释放率大于吸水剂SAP1,导致80天后吸水剂B的释放量略高,但两者的差异不明显。对于奥绿肥和撒可利两种肥料,前者的氮、钾释放量均高于后者;前者在没有约束条件下的磷释放量比后者高,但在约束条件下后者的释放量较高。水泥-土基固沙材料中水泥含量越高,氮、磷释放量越低,但对钾的影响不显著。

3 水泥-土基植生固沙材料的水、肥释放特征

3.1 水泥-土基植生固沙材料N、P、K的吸附特性

本课题组研究发现在水中的控释肥N、P、K的释放量顺序为N>K>P,这是因为N、K易溶出,P则很难溶解;在以前的研究中发现控释肥在水泥-粉煤灰基固沙材料中N、P、K的释放量顺序为K>N>P,因水泥中含有K,故K的淋出量大于N;而在土-水泥基固沙材料中N、P、K的释放量顺序为N>K>P,与水中释放规律一致,即P淋出较少而N、K淋出较多。杜建军等[18]研究了不同介质中氮肥的溶出率,表明Luxecote肥料掺入不同介质后,N在沙、土壤+沙、土壤、土壤+沸石中的溶出率依次降低,其原因是N的溶出率与介质的吸持量(阳离子交换量)和吸持强度成正比,即N溶出率会因土壤吸附能力而变化;但熊又升[19]得出包膜尿素释放不受土壤质地影响的不同结论。颜冬云[20]研究了控释肥在土壤中的养分释放特征,发现土壤中PO42-吸附能力大于NH4+、K+的吸附能力。在水泥-土材料中PO42-极易被细粉粘土吸附固定,磷与钙作用会生成磷酸二钙和磷酸八钙,然后在多孔材料中变成羟基磷灰石而固化在其孔缝中;而土壤对NH4+和K+有一定吸附作用,即其一部分将被水泥CSH胶体吸附,一部分将与层状硅酸盐结构粘土内层间阳离子交换并与其它阳离子进行交换而成为无效约束。

3.2 水泥-土基植生固沙材料N、P、K释放约束作用

Osmocote和撒可力肥膜内外约束模型[5]见图4。

外部约束作用:控释肥在外部得到一定力学约束,即包膜控释肥在含水溶胀时受到向内约束力而延缓养分释放,而且中期由于P的溶出与钙离子形成磷酸钙加强了这种外部约束。

内部约束作用:由于控释肥本身的聚合物膜材料产生内约束力,另外对于撒可力肥其内部具有结构,肥芯内部含有吸附保水组分也会产生附加内约束力。这些共同决定了养分释放速率。

值得注意的是,与Osmocote相比,撒可力肥早期释放速度快后期释放慢,所以内部约束作用值得控释肥研究人员加以重视。

3.3 水泥-土基植生固沙材料控释肥的释放机理

在约束条件下固沙材料中控释肥释放过程是:控释肥料前期(滞后期)包膜较完整,水分通过树脂膜表面微孔及裂纹进入肥料内部并溶解养分,通过扩散作用向膜外运移。此时释放速率受膜表面微孔、裂纹数量、孔径、曲折程度影响,因此养分释放速率较低、累积量增加较慢;中期(非线性期)膜内部饱和溶液的溶胀作用,包膜肥料表面体破损或孔径增大,养分释放速率急剧增加,养分累积释放量迅速增大,并在肥芯完全溶解时达到最大值;后期(衰退期)由于肥料膜内固体养分完全溶解,使得由此时起膜内养分释放量逐渐趋近于养分最大值。

3.4 水泥-土基植生固沙材料N释放动力学数学模型

N的释放动力学已有多种数学模型[21,22,23],由表2可见在固沙材料中控释肥释放特征可采用Logistic函数来拟合“S”型曲线,其相关系数很高:Y=A/[1+exp(B-Kt)],( A为累计淋溶量;B为5天初期淋溶量;K为加速期溶出斜率)。值得注意的是撒可力肥S2的A明显低于Osmocote肥O5的,B、K高于Osmocote肥O5的。撒可力肥由于肥芯有吸水层将会延迟滞后期及非线性加速期(多峰、齿型)——肥芯完全溶解的时间,故撒可力肥的N、P、K控释放能力优于Osmocote,因而在滞后期、非线性加速期中渗入膜内的水分被矿物吸附材料所吸收并降低了膜内养分水溶肿胀的速率。

注:*式中A为N肥在128天最大累计溶出量,B为N肥5天初期溶出量,K为加速期溶出斜率;**式中A为P、K肥在70天最大累计溶出量,B为P、K肥溶出速率;***tO5,Max和tS2,Max分别为70天、60天;R值为相关系数

3.5 干-湿循环条件下水泥-土基植生固沙材料N、P、K的释放特征

本课题组研究发现干-湿循环条件下N累计淋出量初期较低和后期较高,N初期淋出率较低,随后其峰值超过正常条件下的淋出率,其累积淋出量曲线明显呈现“S”型和中期淋出率呈现“多峰”现象;P、K累计淋出量初期和后期均较低,P、K初期淋出率较低,中期淋出率峰值向后推移,P、K累积淋出量曲线呈现“L”型,P、K淋出率呈现“单峰”型分布。P、K中期淋出率峰值向后推移和土壤中P、K养分有效性降低与其溶解度较低及土壤吸附固化作用有关,而N、P、K中期出现的较高峰值与增加温度湿度提高肥料溶出量有关。干-湿循环条件下N、P、K累计释放规律可用Logistic曲线来拟合。

3.6 水泥-土基植生固沙材料的物理力学性能与植物生长性

本课题组采用盆栽试验研究了不同多孔细集料、水泥掺量和草种对水泥-土基植生固沙材料物理力学性能的影响,发现随着水胶比增加和水泥掺量减少,抗压强度逐渐降低;随着水泥用量增加,pH值增大。当珍珠岩掺量体积比为60%时,其强度达到最大值,抗压强度为0.45MPa、抗折强度为0.33MPa;随着珍珠岩掺量增加,pH值开始下降,孔隙率先增大后减小,容重先减小后增大;与其它集料相比,掺加珍珠岩和沙的植生固沙材料强度最高;加沙后增加强度可用提高集料与粘结组分弹性模量相容性来解释;植生固沙材料可按架构模型来设计。

黑麦草在不同的植生固沙材料中的生长情况表明:水泥掺量质量比为8%和膨胀珍珠岩体积比为60%时黑麦草出苗率为67%～68%;掺锯末植生固沙材料黑麦草出苗率为70%。掺膨胀珍珠岩和沙后(体积比为1∶1)植生固沙材料7天抗压强度达到最大值0.9MPa,抗折强度达到0.36MPa,pH值为9.78,但出苗率为63%;与其它草种相比,黑麦草在植生固沙材料中的出苗率最高,故应作为优选草种。

4 结语

基于上述的前期研究工作本课题组进一步提出用于恢复植被可抗干旱保肥、耐冲刷、符合植物生长周期性、满足植物相容性和环境适应性多功能的薄层植生型水泥基固沙材料新构想:保水保肥透气功能组分为多孔矿物材料、有机肥、缓控肥、吸水剂,固结功能组分为土壤、水泥、粉煤灰和植物纤维。该材料由营养土、水泥基材料、植物纤维以及营养包组成,能够形成多套强度网络,并在使用后期崩解与降解,且成本很低,具有实用价值。为了能够大范围推广,还需进一步深入研究该材料的降解机理以及植物相容性等问题。