CN109294591A - 一种天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法 - Google Patents

一种天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法 Download PDF

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刘瑾
张哲�
彭辉
杨志旺
周小中
孙煜娇
孙晓妹
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Abstract

本发明公开了一种天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，是将提纯的天然土（黏土与黄土的混合土）粉碎，过60目筛，在水中与高分子生物胶（沙蒿胶、角豆胶、羟丙基瓜尔胶、羟乙基瓜尔胶、亚麻胶、田菁胶、葫芦巴胶、明胶、槐胶、果胶和松香胶）机械搅拌混合，再于5℃~50℃下搅拌反应0.5~5h；然后造型、干燥，即得天然土基生物胶土壤防水蚀材料。本发明以环境友好天然土为基本原料，通过化学反应和物理反应，复配高分子生物胶制备的防水蚀材料具有良好的水蚀稳定（抗冲刷性、水稳定性、保水性），具有能够抗暴雨和洪水冲刷，同时由于具有良好的透气性有利于植物发芽和生长利于植物生长，还能够辅助季节性降雨或季节性洪水的利用。

Description

一种天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种土壤防水蚀材料制备，尤其涉及一种天然土基生物胶土壤防水蚀材料制备方法，属于水土保持领域。
背景技术
我国是世界上水土流失及沙漠化最为严重的国家之一，全国现有水土流失面积已超过350万平方千米，占国土面积的38.2%，大面积的水土流失给我国造成了巨大的经济损失，并且影响到我国的生态安全、粮食种植、洪涝防治以及地下水安全等工作。据统计，我国每年平均的土壤侵蚀量高达50亿吨，占全球土壤流失总量的1/5。黄土高原地区水蚀面积达到45.4万平方千米，其中年侵蚀模数大于15000吨/平方公里的剧烈水蚀面积为3.67万平方千米，占全国同类面积的89 %。水蚀造成当地土地荒漠化，洪水期使黄河处于危险状态，威胁国家生态、环境及人民生命安全。
目前，治理水土流失主要从工程措施、生物措施、农业措施等方面着手，但都存在投资大、周期长、见效慢、污染环境等问题。近年来，化学措施防治水蚀、提高雨水利用率在国内外已有许多研究。高分子聚合物以其独特的结构和多样的功能以及廉价的价格成为人们关注的重点，使用高分子材料来改良土壤结构，增加土壤入渗，减少水蚀是非常有效的。如在土壤中添加土壤调理剂聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、脲醛树脂、聚丙烯酸等以调节土壤结构，增加土壤入渗率，防止土壤结皮形成，减少径流量，达到防治水土流失，减少土壤侵蚀的目的。但在实际应用中，地形特征、土壤质地、使用时机和使用方法对其实际效果均有影响，许多方面还需进一步改进。综上所述，目前研究出的固土材料对水蚀都具有显著的效果，但存在固化时间短、添加化学物质较多、成本相对较高、环境风险和操作复杂等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对现有防水蚀材料存在的耐水蚀时间短、添加化学物质较多、成本相对较高等一些问题，提供一种天然土基生物胶土壤防水蚀材料制备方法。
一、天然土基生物胶土壤防水蚀材料
本发明天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备，是将提纯的天然土粉碎，过60目筛，在水中与高分子生物胶机械搅拌混合，再于5℃~50℃下搅拌反应0.5~5h，使生物胶功能基团（羟基、羧基等）与天然土中的活性位点（金属离子、羟基等）充分反应；然后造型、干燥，即得天然土基生物胶土壤防水蚀材料。
为了使生物胶与土充分反应，先将高分子生物胶先溶解于自来水中，再加入到天然土中，然后加入水机械搅拌混合。
所述天然土为黏土与黄土的混合土，黏土为红土或坡缕石；且黏土与黄土按1:7~1: 0.6的质量比进行配比，优选配比：红土与黄土质量比为5:3（1.67: 1），坡缕石与黄土的质量比为3:5（1: 1.67）。
所述高分子生物胶为沙蒿胶、胡麻胶、羟丙基瓜尔胶、羟乙基瓜尔胶、田菁胶、角豆胶、槐胶、松香胶，优选：沙蒿胶、胡麻胶、田菁胶、角豆胶。高分子生物胶的其添加量为天然土质量的0.05%~10%，优选浓度：5%。
水可用自来水，水的用量为天然土质量的10%~60%，优选质量：40%。
机械搅拌混合的搅拌速度为300~600r/min，搅拌时间为30~60min。
二、土基生物胶土壤防水蚀材料的结构表征
下面对本发明土基生物胶土壤防水蚀材料的结构和性能进行分析说明，并与未添加生物胶的黏土基材料进行比较。
1、红外光谱表征
图1和图2为本发明制备的土基生物胶土壤防水蚀材料的红外光谱图。a曲线（黄土、红土）在1438 cm-1处的吸收峰归因于C-OH 的弯曲振动，该显著的特征吸收峰在土基生物胶土壤防水蚀材料的红外光谱图（曲线c）中明显减弱。此外，a曲线（黄土、红土）中位于1026 cm-1处的强吸收峰是由于=Si-O的伸缩振动，该吸收峰在c曲线中出现；同时在470 cm-1处的吸收峰为Si-O-Si的弯曲振动峰，也出现在c曲线中。b曲线（生物胶）在3427 cm-1处出现吸收较强的宽峰，这是羟基（-OH）的伸缩振动；在2925 cm-1处出现较弱的吸收峰为C-H的伸缩振动；在1060 cm-1处出现的吸收峰为分子链构成中的β-糖苷键；1625 cm-1处的吸收峰为-OH的弯曲振动峰；这些特征吸收峰在c曲线中发生偏移且明显减弱。以上结果表明天然土与生物胶发生了化学反应。
2、扫描电镜表征
图3和图4为添加不同种生物胶后土基生物胶土壤防水蚀材料的扫描电镜图。其中，从a到h分别为黄土基沙蒿胶防水蚀材料、黄土基亚麻胶（胡麻胶）防水蚀材料、黄土基田菁胶防水蚀材料、黄土基角豆胶防水蚀材料的扫描电镜图；从a＇到h＇分别为红土基沙蒿胶防水蚀材料、红土基亚麻胶（胡麻胶）防水蚀材料、红土基田菁胶防水蚀材料、红土基角豆胶防水蚀材料的扫描电镜图。从图中可以看出，土基生物胶土壤防水蚀材料的表面形貌均因生物胶的加入而发生了改变，无机黏土的表面颗粒之间相对疏松，而添加了生物胶之后，其微观表面形貌变得相对紧密，颗粒之间的粘结性增强，孔隙减水小，可以在一定程度上阻碍水分子通过土基生物胶土壤防水蚀材料，从而达到提高土壤抗侵蚀保水能力的效果。
3、粒径分布
图5为天然土基生物胶防水蚀材料的粒径分布图。其中， a纯黄土、b黄土基沙蒿胶防水蚀材料、c黄土基亚麻胶（胡麻胶）防水蚀材料、d黄土基田菁胶防水蚀材料、e纯红土、f红土基沙蒿胶防水蚀材料、g红土基亚麻胶（胡麻胶）防水蚀材料、h红土基田菁胶防水蚀材料。从图5可以看出，改性前黄土和红土颗粒主要分布在200nm~300nm和400nm~600nm处；添加生物胶改性后黄土颗粒分布在600nm~1800nm；添加生物胶改性后红土颗粒分布在1000nm~3500nm，并且随着生物胶浓度的增加，黄土或红土颗粒明显团聚变大。这是由于生物胶的大分子主、侧链上含有大量的羟基、羧基等活性基团，与黄土或红土表面的羟基、硅氧键等亲水基团通过分子间相互作用形成氢键，同时生物胶的黏结作用，使黄土或红土颗粒形成良好的团粒结构，增大了颗粒的体积。
4、微观结构表征
图6是土基生物胶土壤防水蚀材料的微观结构示意图。其中，a为黄土与高分子链作用微观结构图，b为黏土与高分子链作用微观结构图。从图6中可以看出，黏土表面的Ca2+、Mg2 +，-OH和Si-O-等亲水基团能够很好的与生物胶中的-OH和COOH-等亲水基团通过分子间弱相互作用反应，形成紧密的网状结构，减少了水分子的通过，从而达到防水蚀的效果。
三、土基生物胶土壤防水蚀材料的抗水蚀性能
下面对本发明黏土或黄土基生物胶土壤防水蚀材料的抗水蚀性能进行分析说明，并与纯黏土或黄土进行比较。
将防水蚀材料制备成直径5cm、高1.5cm的圆饼状模型，40℃干燥24h，得到防水蚀材料样品。采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行斜坡面冲刷试验，降雨强度控制在25mL/s左右，冲刷槽长80cm，宽6cm，高4cm，坡度为6~60°，冲刷高度0.02~1m，下端设有出水口，盛接被侵蚀材料。降雨前测定样品质量，降雨中每隔一定的时间测定剩余样品的质量、观察表面破坏情况并记录全部冲蚀的时间。
图7为沙蒿胶以不同配比浓度与黄土混合对比纯黄土的坡面冲刷试验质量损失数据图。其中，沙蒿胶浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%，5——4%，随着沙蒿胶浓度增大，材料最大抗水蚀时间增大，沙蒿胶与黄土的优选比例为3%，当浓度大于3%时，最大抗水蚀时间达到12小时。
图8为沙蒿胶以不同配比浓度与红土混合对比纯红土的坡面冲刷试验质量损失数据图。其中，沙蒿胶浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%，5——4%，随着沙蒿胶浓度增大，材料最大抗水蚀时间增大，沙蒿胶与红土的优选比例为4%，当浓度大于4%时，最大抗水蚀时间达到12小时。
图9为田菁胶以不同配比浓度与黄土混合对比纯黄土的坡面冲刷试验质量损失数据图。其中，田菁胶浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%，5——4%，6——5%，7——6%，随着田菁胶浓度增大，材料最大抗水蚀时间增大，田菁胶与黄土的优选比例为5%，当浓度大于5%时，最大抗水蚀时间达到12小时。
图10为田菁胶以不同配比浓度与红土混合对比纯红土的坡面冲刷试验质量损失数据图。其中，田菁胶浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%，5——4%，6——5%，7——6%，随着田菁胶浓度增大，材料最大抗水蚀时间增大，田菁胶与红土的优选比例为6%，当浓度大于6%时，最大抗水蚀时间达到8小时。
图11角豆胶以不同配比浓度与黄土混合对比纯黄土的坡面冲刷试验质量损失数据图。其中，角豆胶浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%，5——4%，6——5%，7——6%，随着角豆胶浓度增大，材料最大抗水蚀时间增大，角豆胶与黄土的优选比例为6%，当浓度大于6%时，最大抗水蚀时间达到5小时。
图12角豆胶以不同配比浓度与红土混合对比纯红土的坡面冲刷试验质量损失数据图。 其中，角豆胶浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%，5——4%，6——5%，随着角豆胶浓度增大，材料最大抗水蚀时间增大，角豆胶与红土的优选比例为5%，当浓度大于5%时，最大抗水蚀时间达到8小时。
图13为亚麻胶（胡麻胶）以不同配比浓度与黄土混合对比纯黄土的坡面冲刷试验质量损失数据图。亚麻胶（胡麻胶）浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%，5——4%，6——5%，7——6%，随着亚麻胶（胡麻胶）浓度增大，材料最大抗水蚀时间增大，亚麻胶（胡麻胶）与黄土的优选比例为5%，当浓度大于5%时，最大抗水蚀时间达到9小时。
图14为亚麻胶（胡麻胶）以不同配比浓度与红土混合对比纯红土的坡面冲刷试验质量损失数据图。亚麻胶（胡麻胶）浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%，5——4%，6——5%，7——6%，随着亚麻胶（胡麻胶）浓度增大，材料最大抗水蚀时间增大，亚麻胶（胡麻胶）与红土的优选比例为6%，当浓度大于6%时，最大抗水蚀时间达到11小时。
图15为将黄土与红土按照不同配比混合制成模型进行斜坡面冲刷试验。其中，黄土与红土按照配比1——8:0，2——7:1，3——6:2，4——5:3，5——4:4, 6——3:5。从图15可以得出纯黄土材料最大抗冲蚀时间为5分钟，材料中添加红黏土，其抗水蚀时间增加，当红土与黄土最优配比为5:3时，抗水蚀性能最优。
图16为将黄土与坡缕石（凹凸棒）按照不同配比混合制成模型进行斜坡面冲刷试验。其中，黄土与坡缕石按照配比 1——8:0，2——7:1，3——6:2，4——3:5，5——4:4,6——5:3。从图16可以得出纯黄土材料最大抗冲蚀时间为5分钟，材料中添加坡缕石，其抗水蚀时间增加，当坡缕石与黄土最优配比为3:5时，抗水蚀性能最优。
图17为黄土与红土以最佳配比混合后添加高分子聚合物的坡面冲刷试验数据。其中浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%。随着高分子聚合物浓度的增大，材料最大抗水蚀时间增大，高分子聚合物优选比例为3%，当浓度大于3%时，最大抗水蚀时间达到15小时。
图18为黄土与坡缕石以最佳配比混合后添加高分子聚合物的坡面冲刷试验数据。其中浓度比例分别为1——0%，2——1%，3——2%，4——3%。随着高分子聚合物浓度的增大，材料最大抗水蚀时间增大，高分子聚合物优选比例为3%，当浓度大于3%时，最大抗水蚀时间达到20小时。
从抗水蚀数据图可以得出，黄土与坡缕石（凹凸棒黏土）配比抗水蚀性能优于黄土与红土配比材料，并且添加生物胶后抗水蚀时间达到20小时，因此是一种性能优良的土壤防水蚀材料制备方法。
综上所述，本发明以环境友好的黏土（红土和凹凸棒等）与黄土为基本原料，通过化学反应和物理反应，复配高分子生物胶制备的防水蚀材料具有良好的水蚀稳定（抗冲刷性、水稳定性、保水性），具有能够抗暴雨和洪水冲刷，同时由于具有良好的透气性有利于植物发芽和生长利于植物生长，还能够辅助季节性降雨或季节性洪水的利用。
附图说明
图1黄土基生物胶防水蚀材料的红外谱图。
图2红土基生物胶防水蚀材料的红外谱图。
图3黄土基生物胶防水蚀材料的扫描电镜图。
图4红土基生物胶防水蚀材料的扫描电镜图。
图5土基生物胶防水蚀材料的粒径分布图。
图6土基生物胶防水蚀材料的微观结构示意图。
图7沙蒿胶以不同配比浓度与黄土混合对比纯黄土的坡面冲刷试验质量损失数据图。
图8沙蒿胶以不同配比浓度与红土混合对比纯红土的坡面冲刷试验质量损失数据图。
图9田菁胶以不同配比浓度与黄土混合对比纯黄土的坡面冲刷试验质量损失数据图。
图10田菁胶以不同配比浓度与红土混合对比纯红土的坡面冲刷试验质量损失数据图。
图11角豆胶以不同配比浓度与黄土混合对比纯黄土的坡面冲刷试验质量损失数据图。
图12角豆胶以不同配比浓度与红土混合对比纯红土的坡面冲刷试验质量损失数据图。
图13亚麻胶以不同配比浓度与黄土混合对比纯黄土的坡面冲刷试验质量损失数据图。
图14亚麻胶以不同配比浓度与红土混合对比纯红土的坡面冲刷试验质量损失数据图。
图15为黄土与红土以不同配比混合的坡面冲刷试验质量损失数据图数据。
图16为黄土与坡缕石以不同配比混合的坡面冲刷试验质量损失数据图数据。
图17为黄土与红土以最佳配比混合后添加高分子聚合物的坡面冲刷试验数据。
图18为黄土与坡缕石以最佳配比混合后添加高分子聚合物的坡面冲刷试验数据。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的黏土（红土、坡缕石）或黄土基生物胶土壤防水蚀材料的制备和应用作进一步说明。
实施例一
防水蚀材料的制备：取提纯的红土250g，黄土150g，沙蒿胶12g，石膏20g，保水剂20g（聚丙烯酸），加入到160mL自来水中，机械搅拌混合（500r/min下搅拌30min），于20℃反应1.5h。然后制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在40℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨中每隔一定的时间测定剩余样品的质量、观察表面破坏情况并记录全部冲蚀的时间。高分子沙蒿胶优选比例为3%，当浓度大于3%时，最大抗水蚀时间达到15小时。
实施例二
防水蚀材料的制备：取提纯的坡缕石150g，黄土250g，沙蒿胶12g，石膏20g，保水剂20g（聚丙烯酸），加入到160mL自来水中，机械搅拌混合（500r/min下搅拌30min），于20℃反应1.5 h。然后制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在40℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨中每隔一定的时间测定剩余样品的质量、观察表面破坏情况并记录全部冲蚀的时间。高分子沙蒿胶优选比例为3%，当浓度大于3%时，最大抗水蚀时间达到20小时。
实施例三
防水蚀材料的制备：取提纯的黄土400g，田菁胶20g，石膏20g，保水剂20g（聚丙烯酸），加入到160mL自来水中，机械搅拌混合（500r/min下搅拌30min），于20℃反应1.5 h。然后制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在40℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨中每隔一定的时间测定剩余样品的质量、观察表面破坏情况并记录全部冲蚀的时间。田菁胶与黄土的优选比例为5%，当浓度大于5%时，最大抗水蚀时间达到12小时。
实施例四
防水蚀材料的制备：取提纯的红土400g，田菁胶24g，石膏20g，保水剂20g（聚丙烯酸），加入到160mL自来水中，机械搅拌混合（500r/min下搅拌30min），于20℃反应1.5 h。然后制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在40℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨中每隔一定的时间测定剩余样品的质量、观察表面破坏情况并记录全部冲蚀的时间。田菁胶与红土的优选比例为6%，当浓度大于6%时，最大抗水蚀时间达到8小时。
实施例五
防水蚀材料的制备：取提纯的黄土400g，角豆胶24g，石膏20g，保水剂20g（聚丙烯酸），加入到160mL自来水中，机械搅拌混合（500r/min下搅拌30min），于20℃反应1.5 h。然后制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在40℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨中每隔一定的时间测定剩余样品的质量、观察表面破坏情况并记录全部冲蚀的时间。角豆胶与黄土的优选比例为6%，当浓度大于6%时，最大抗水蚀时间达到5小时。
实施例六
防水蚀材料的制备：取提纯的红土400g，田菁胶20g，石膏20g，保水剂20g（聚丙烯酸），加入到160mL自来水中，机械搅拌混合（500r/min下搅拌30min），于20℃反应1.5 h。然后制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在40℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨中每隔一定的时间测定剩余样品的质量、观察表面破坏情况并记录全部冲蚀的时间。角豆胶与红土的优选比例为5%，当浓度大于5%时，最大抗水蚀时间达到8小时。
实施例七
防水蚀材料的制备：取提纯的黄土400g，胡麻胶20g，石膏20g，保水剂20g（聚丙烯酸），加入到160mL自来水中，机械搅拌混合（500r/min下搅拌30min），于20℃反应1.5 h。然后制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在40℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨中每隔一定的时间测定剩余样品的质量、观察表面破坏情况并记录全部冲蚀的时间。胡麻胶与黄土的优选比例为5%，当浓度大于5%时，最大抗水蚀时间达到9小时。
实施例八
防水蚀材料的制备：取提纯的红土400g，胡麻胶24g，石膏20g，保水剂20g（聚丙烯酸），加入到160mL自来水中，机械搅拌混合（500r/min下搅拌30min），于20℃反应1.5 h。然后制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在40℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨中每隔一定的时间测定剩余样品的质量、观察表面破坏情况并记录全部冲蚀的时间。胡麻胶与红土的优选比例为6%，当浓度大于6%时，最大抗水蚀时间达到11小时。

Claims (9)

1.一种天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，是将提纯的天然土粉碎，过60目筛，在水中与高分子生物胶机械搅拌混合，再于5℃~50℃下搅拌反应0.5~5h；然后造型、干燥，即得天然土基生物胶土壤防水蚀材料。
2.如权利要求1所述天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，其特征在于：先将高分子生物胶先溶解于自来水中，再加入到天然土中，然后加入水机械搅拌混合。
3.如权利要求1或2所述天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，其特征在于：所述天然土为黏土与黄土的混合土，且黏土与黄土按1:7~1: 0.6 的质量比进行配比。
4.如权利要求3所述天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，其特征在于：黏土为红土或坡缕石。
5.如权利要求4所述天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，其特征在于：且红土与黄土质量比为1.67: 1。
6.如权利要求4所述天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，其特征在于：坡缕石与黄土的质量比为1: 1.67。
7.如权利要求1或2所述天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，其特征在于：所述高分子生物胶为沙蒿胶、胡麻胶、羟丙基瓜尔胶、羟乙基瓜尔胶、田菁胶、角豆胶、槐胶、松香胶，且高分子生物胶的其添加量为天然土质量的0.05%~10%。
8.如权利要求1或2所述天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，其特征在于：水的用量为天然土质量的10%~60%。
9.如权利要求1或2所述天然土基生物胶土壤防水蚀材料的制备方法，其特征在于：机械搅拌混合的搅拌速度为300~600r/min，搅拌时间为30~60min。
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