CN108841393A - 一种生物结皮固沙材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物结皮固沙材料的制备方法，属于环保材料技术领域。本发明利用热解油作为农林生物质快速热解的主要产物，通过将其与尿素、甲醛生成脲醛树脂作为化学固沙剂，改善土壤亲水和保水性能，通过酸改性可以使凹凸棒石表面含有的硅羟基进一步活化，凹凸棒石与脲醛树脂发生聚合接枝反应从而制备出复合高吸水性材料，并利用热解油与尿素反应产生稳定的酰胺和胺，成为有效的缓释氮肥，热解油中的木质素，是一种含腐殖酸类物质，能够使肥料中的碳返回土壤中，为微藻生物结皮的形成提供一个稳定的促生环境，使得接入一定量的荒漠藻类能够促进蓝藻结皮在流沙表面的快速形成，起到生物固沙和化学固沙结合的作用。

Description

一种生物结皮固沙材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物结皮固沙材料的制备方法，属于环保材料技术领域。

背景技术

世界陆地上的荒漠化土地约占陆地总面积的30％左右，而且荒漠化面积伴随着环境的不断破坏和人类频繁的活动而不断扩大。另一方面，世界人口不断增加，人均占地面积不断减少，人类将会面临严重的粮食危机。为了避免这种危机的出现，人类非常有必要保护好土地，并对受到破坏逐渐荒漠化的土地进行治理，以恢复其生态系统和土地的功能。

沙漠化指的是干燥地带、半干燥地带以及半干燥半湿润地带由于气候变化、人类的破坏活动等多种自然和人为原因引起的土地劣化。伴随着常年强烈风蚀，出现沙漠化现象的上地地表逐渐荒漠化，荒漠化的沙上容易随风扬起形成飞沙，随强风形成的飞沙可以掩埋地面的村庄、田地和植物，严重的情况下会形成影响范围更广、破坏力更大的沙尘暴。这种风蚀现象严重阻碍植物的生长发育，成为阻碍沙漠植生的最重要因素。

沙漠化是全世界面临的主要生态环境问题，对社会经济造成巨大的损失，严重威胁到人类的生存和进一步发展。其危害主要表现在:(1)耕土面积减少。(2)土壤变的贫瘠，农作物生长受到影响。(3)毁坏建设工程设施，埋压房屋建筑，危及生活生产设施。(4)给社会经济产生负面的影响。(5)整个生态环境的恶化严重。(6)沙漠化还加剧了沙尘暴天气。我国在全球是沙漠面积较大和危害严重的国家之一，全国沙漠化土地面积约占国土陆地面积的四分之一，经过多年的固沙治理，取得了很大的成绩，但目前的趋势是局部好转，整体恶化。因而，研究防沙治沙的综合技术措施具有重要的生态效益意义，研究沙漠化土地的控制与恢复在我国显得尤为迫切和重要。

较常用的固沙材料有水泥浆类、水玻璃类、石油产品类、高分子高吸水树脂类、合成高分子类以及改性凹凸棒类。目前固沙材料虽然比较多，但多数处于实验室研究阶段，未能用于野外沙漠化治理。主要原因有：有的固沙材料原料价格高，有的原料稀缺，有的固沙效果不佳，有的会对环境产生二次污染，所以新型的无环境污染的生物型基高分子固沙材料的研制势在必行。因此，各项防沙、治沙技术措施开发研究及新型固沙材料的研制对于沙漠化的防治具有重要的理论及实际意义。但目前制备系列生物型复合高分子固沙材料的研究近乎空白。

因此，理想的固沙材料必须具有耐水蚀、耐冻融、耐风蚀及抗紫外线辐射等性能，才能在沙漠地区发挥固沙的作用。目前，国内外的研究者开发出了上百种固沙材料，但大部分只考虑了耐水蚀、耐冻融和耐风蚀等性能，只有少部分固沙材料中加入了抗紫外线的组分，尤其是有机类的固沙材料更应该考虑耐紫外线的性能。要保证植物的生长，就要求化学固沙材料不能对环境造成污染及对植物有毒害作用，同时要求固沙层的厚度不能影响植物发芽及生长。由于需要治理的沙漠地区面积很大，所以固沙材料的成本要求低廉，利用其他产业的废弃物或副产物来生产固沙材料是一个非常好的方式。研究和开发具有耐水蚀、耐冻融、耐风蚀及抗紫外线辐射性能，对环境没有污染及对植物无副作用，成本低廉的固沙材料是今后化学固沙材料的发展方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对荒漠化的沙上容易随风扬起形成飞沙，严重的情况下会形成影响范围更广、破坏力更大的沙尘暴；现有的固沙材料原料价格高，原料稀缺，固沙效果不佳，有的会对环境产生二次污染的问题，提供了一种生物结皮固沙材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种生物结皮固沙材料的制备方法，具体制备步骤为：

（1）取凹土棒土与摩尔浓度为3~4mol/L硫酸溶液混合搅拌10~15h，反应结束后离心分离收集沉淀，将沉淀水洗干燥后研磨，过200目筛，得改性凹凸棒土；

（2）取尿素、改性凹凸棒土、1/2生物质热解油、质量分数为37%甲醛溶液装入烧杯中搅拌20~30min，并用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.0~8.5，在75~80℃下搅拌反应，再用质量分数为5%甲酸溶液调节pH为5~6，在80~85℃下保温搅拌后用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.0~8.5，并加入剩余生物质热解油，在70~75℃下保温反应，冷却得改性脲醛树脂；

（3）取液体培养基装入高压灭菌锅中灭菌处理10~15min，再用接种环挑取1~2环具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻分别接种至液体培养基中，各自培养3~5天后装入离心机中离心分离，收集上层液，得具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液；

（4）将具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液按体积比4：1混合，得复合菌液；

（5）取改性脲醛树脂加入去离子水中搅拌20~30min，再加入复合菌液，继续搅拌3~5h后出料，得生物结皮固沙材料。

步骤（1）所述凹土棒土与硫酸溶液的质量比为1：5~1：20。

步骤（2）所述原料重量份为100~200份尿素，30~60份改性凹凸棒土，120~240份生物质热解油，200~400份质量分数为37%甲醛溶液。

步骤（2）所述生物质热解油为农林生物质快速热解产物油，包括秸秆、落叶、麸皮、树枝、腐木中任意一种或多种。

步骤（3）所述培养过程为在25~27℃恒温培养箱中，以150~180r/min振荡培养3~5天。

步骤（5）所述改性脲醛树脂、去离子水、复合菌液的重量份为100~200份改性脲醛树脂，2000~4000份去离子水，10~20份复合菌液。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

本发明利用热解油作为农林生物质快速热解的主要产物，成本低廉可再生，含大量活性化学组分，含有大量的羟基、羧酸基等亲水基团和酚类化合物，通过将其与尿素、甲醛生成脲醛树脂作为化学固沙剂，改善土壤亲水和保水性能，且喷洒后所形成的固结层，能起到屏障作用防止水分的蒸发，同时利用凹凸棒石独特的吸附、热稳定性和抗盐性等物理化学性能，通过酸改性可以使凹凸棒石表面含有的硅羟基进一步活化，凹凸棒石与脲醛树脂发生聚合接枝反应从而制备出复合高吸水性材料，通过凹凸棒石吸附架桥后，更有利于水快速渗透到吸水树脂内部，将水固定在高分子链上，吸水后在其表面容易形成膜，可以阻隔水分的外逸，并利用热解油与尿素反应产生稳定的酰胺和胺，成为有效的缓释氮肥，热解油中的木质素，是一种含腐殖酸类物质，能够使肥料中的碳返回土壤中，为微藻生物结 皮的形成提供一个稳定的促生环境，使得接入一定量的荒漠藻类能够促进蓝藻结皮在流沙表面的快速形成，起到生物固沙和化学固沙结合的作用。

具体实施方式

取100~200g凹土棒土与1~2kg摩尔浓度为3~4mol/L硫酸溶液混合，并以300~400r/min持续搅拌10~15h，反应结束后离心分离收集沉淀，用去离子水洗涤沉淀至洗涤液pH为6~7，再将沉淀置于干燥箱中，在100~105℃下干燥至恒重后装入研钵中研磨，过200目筛，得改性凹凸棒土，取100~200g尿素，30~60g改性凹凸棒土，60~120g生物质热解油，200~400g质量分数为37%甲醛溶液装入烧杯中，以300~400r/min搅拌20~30min，并用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.0~8.5，在75~80℃下保温搅拌40~50min，再用质量分数为5%甲酸溶液调节pH为5~6，在80~85℃下保温搅拌40~50min后用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.0~8.5，并加入60~120g生物质热解油，在70~75℃下保温搅拌30~40min，冷却至室温得改性脲醛树脂，取液体培养基装入高压灭菌锅中，在120~125℃下灭菌处理10~15min，再用接种环挑取1~2环具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻分别接种至100~150mL液体培养基中，各自在25~27℃恒温培养箱中，以150~180r/min振荡培养3~5天后装入离心机中，以3000~4000r/min离心分离，收集上层液，得具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液，将具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液按体积比4：1混合，得复合菌液，取100~200g改性脲醛树脂，加入2~4L去离子水中，以300~400r/min搅拌20~30min，再加入10~20g复合菌液，继续搅拌3~5h后出料，得生物结皮固沙材料。

实例1

取100g凹土棒土与1kg摩尔浓度为3mol/L硫酸溶液混合，并以300r/min持续搅拌10h，反应结束后离心分离收集沉淀，用去离子水洗涤沉淀至洗涤液pH为6，再将沉淀置于干燥箱中，在100℃下干燥至恒重后装入研钵中研磨，过200目筛，得改性凹凸棒土，取100g尿素，30g改性凹凸棒土，60g生物质热解油，200g质量分数为37%甲醛溶液装入烧杯中，以300r/min搅拌20min，并用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.0，在75℃下保温搅拌40min，再用质量分数为5%甲酸溶液调节pH为5，在80℃下保温搅拌40min后用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.0，并加入60g生物质热解油，在70℃下保温搅拌30min，冷却至室温得改性脲醛树脂，取液体培养基装入高压灭菌锅中，在120℃下灭菌处理10min，再用接种环挑取1环具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻分别接种至100mL液体培养基中，各自在25℃恒温培养箱中，以150r/min振荡培养3天后装入离心机中，以3000r/min离心分离，收集上层液，得具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液，将具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液按体积比4：1混合，得复合菌液，取100g改性脲醛树脂，加入2L去离子水中，以300r/min搅拌20min，再加入10g复合菌液，继续搅拌3h后出料，得生物结皮固沙材料。

实例2

取150g凹土棒土与1kg摩尔浓度为3mol/L硫酸溶液混合，并以350r/min持续搅拌13h，反应结束后离心分离收集沉淀，用去离子水洗涤沉淀至洗涤液pH为6，再将沉淀置于干燥箱中，在103℃下干燥至恒重后装入研钵中研磨，过200目筛，得改性凹凸棒土，取150g尿素，45g改性凹凸棒土，90g生物质热解油，300g质量分数为37%甲醛溶液装入烧杯中，以350r/min搅拌25min，并用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.3，在78℃下保温搅拌40min，再用质量分数为5%甲酸溶液调节pH为5，在80℃下保温搅拌40min后用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.0，并加入60g生物质热解油，在70℃下保温搅拌30min，冷却至室温得改性脲醛树脂，取液体培养基装入高压灭菌锅中，在120℃下灭菌处理10min，再用接种环挑取1环具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻分别接种至100mL液体培养基中，各自在25℃恒温培养箱中，以150r/min振荡培养3天后装入离心机中，以3000r/min离心分离，收集上层液，得具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液，将具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液按体积比4：1混合，得复合菌液，取100g改性脲醛树脂，加入2L去离子水中，以300r/min搅拌20min，再加入10g复合菌液，继续搅拌3h后出料，得生物结皮固沙材料。

实例3

取200g凹土棒土与2kg摩尔浓度为4mol/L硫酸溶液混合，并以400r/min持续搅拌15h，反应结束后离心分离收集沉淀，用去离子水洗涤沉淀至洗涤液pH为7，再将沉淀置于干燥箱中，在105℃下干燥至恒重后装入研钵中研磨，过200目筛，得改性凹凸棒土，取200g尿素，60g改性凹凸棒土，120g生物质热解油，400g质量分数为37%甲醛溶液装入烧杯中，以400r/min搅拌30min，并用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.5，在80℃下保温搅拌50min，再用质量分数为5%甲酸溶液调节pH为6，在85℃下保温搅拌50min后用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.5，并加入120g生物质热解油，在75℃下保温搅拌40min，冷却至室温得改性脲醛树脂，取液体培养基装入高压灭菌锅中，在125℃下灭菌处理15min，再用接种环挑取2环具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻分别接种至150mL液体培养基中，各自在27℃恒温培养箱中，以180r/min振荡培养5天后装入离心机中，以4000r/min离心分离，收集上层液，得具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液，将具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液按体积比4：1混合，得复合菌液，取200g改性脲醛树脂，加入4L去离子水中，以400r/min搅拌30min，再加入20g复合菌液，继续搅拌5h后出料，得生物结皮固沙材料。

将本发明制备的生物结皮固沙材料及山东某公司生产的传统固沙材料进行检测，具体检测结果如下表表1：

检测方法：采用红外光谱和扫描电子显微镜对生物结皮固沙材料进行微观结构表征。

表1生物结皮固沙材料性能表征

由表1可知本发明制备的生物结皮固沙材料保水性能优异，风蚀率低抗压强度高，具有广阔的市场前景和应用价值。

Claims (6)

1.一种生物结皮固沙材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：

（1）取凹土棒土与摩尔浓度为3~4mol/L硫酸溶液混合搅拌10~15h，反应结束后离心分离收集沉淀，将沉淀水洗干燥后研磨，过200目筛，得改性凹凸棒土；

（2）取尿素、改性凹凸棒土、1/2生物质热解油、质量分数为37%甲醛溶液装入烧杯中搅拌20~30min，并用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.0~8.5，在75~80℃下搅拌反应，再用质量分数为5%甲酸溶液调节pH为5~6，在80~85℃下保温搅拌后用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH为8.0~8.5，并加入剩余生物质热解油，在70~75℃下保温反应，冷却得改性脲醛树脂；

（3）取液体培养基装入高压灭菌锅中灭菌处理10~15min，再用接种环挑取1~2环具鞘微鞘藻和爪哇伪枝藻分别接种至液体培养基中，各自培养3~5天后装入离心机中离心分离，收集上层液，得具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液；

（4）将具鞘微鞘藻菌液和爪哇伪枝藻菌液按体积比4：1混合，得复合菌液；

（5）取改性脲醛树脂加入去离子水中搅拌20~30min，再加入复合菌液，继续搅拌3~5h后出料，得生物结皮固沙材料。

2.如权利要求1所述的一种生物结皮固沙材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述凹土棒土与硫酸溶液的质量比为1：5~1：20。

3.如权利要求1所述的一种生物结皮固沙材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述原料重量份为100~200份尿素，30~60份改性凹凸棒土，120~240份生物质热解油，200~400份质量分数为37%甲醛溶液。

4.如权利要求1所述的一种生物结皮固沙材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述生物质热解油为农林生物质快速热解产物油，包括秸秆、落叶、麸皮、树枝、腐木中任意一种或多种。

5.如权利要求1所述的一种生物结皮固沙材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述培养过程为在25~27℃恒温培养箱中，以150~180r/min振荡培养3~5天。

6.如权利要求1所述的一种生物结皮固沙材料的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述改性脲醛树脂、去离子水、复合菌液的重量份为100~200份改性脲醛树脂，2000~4000份去离子水，10~20份复合菌液。