CN109722249A

CN109722249A - 一种荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备方法

Info

Publication number: CN109722249A
Application number: CN201811609575.8A
Authority: CN
Inventors: 陶玲; 任珺; 张晓郡; 张倩; 刘依琳
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-05-07

Abstract

本发明提供一种荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备方法，包括以下步骤：荒漠藻结皮的预处理和扩繁；凹凸棒的预处理和凹凸棒基高吸水性树脂的制备；荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备：将荒漠藻结皮和凹凸棒基高吸水性树脂进行复配，得到荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料。本发明将人工培养的荒漠藻类和合成高分子材料相结合运用于荒漠化治理，既保留了化学固沙材料见效快、固沙效果好的优点，又利用了荒漠地区的野生低等生物‑荒漠藻类的生命力顽强、对荒漠地区环境适应力强、能够改善土壤肥力等的特点，为荒漠地区流沙固定，及该区域后续植被恢复和生态演替起到了积极作用。从而有助于解决荒漠化土地植被和生产能力恢复的问题。

Description

一种荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备方法

技术领域

本发明属于防沙固沙技术领域，具体涉及一种荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备方法。

背景技术

在荒漠化治理中，固沙材料与固沙技术相辅相成，起到了同等重要的作用。目前，主流的固沙技术主要有工程固沙技术、化学固沙技术、生物固沙技术和综合固沙技术。综合固沙，是通过对常规工程固沙技术、化学固沙技术以及生物固沙技术的组合运用，取长补短，达到综合治理的目的。近几年，综合性固沙技术已经日趋成熟，众多学者已经做了大量研究，新型固沙设备和材料成为固沙技术研究的一个重要方向。“化学－生物”固沙技术也成为新的热门研究方向，化学固沙使植物更易于在沙漠中存活，成活后的植物则弥补化学固沙周期短的不足。但是普通的化学固沙剂生物相容性差，保水性能欠佳，在气候恶劣，降水量较少时，植物难以成活，进而导致化学固结层受到风力侵蚀，减弱固沙的效果。通过引入工程技术，形成“化学－生物－工程”综合技术能够有效的保护已形成的固结层，弥补植物固沙不能及时取得效益的缺点。赵正华等通过将LZU系列化学固沙材料与植物结合，并辅以工程措施，取得了良好的治沙效果。

固沙材料的研究已经经历了半个多世纪，目前，世界上已研制出成百上千种材料和化学制剂用于改善土地沙漠化状况，防风固沙。

生物质原料在自然界中分布广泛，如淀粉、木质素、纤维素等，应用这些原料制备新型固沙剂，如木质素类固沙材料，能减低成本，增强生物降解性，能满足现代综合固沙中对固沙剂的要求，具有很好的发展前景。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备方法。

本发明提供一种荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)荒漠藻结皮的预处理和扩繁：将荒漠藻结皮纯化后接种到培养基中进行扩繁；

(2)凹凸棒的预处理和凹凸棒基高吸水性树脂的制备：

a、凹凸棒的预处理：将凹凸棒石研磨后清洗除杂；

b、将步骤a得到的预处理的凹凸棒进行酸改性，得到酸改性凹凸棒石黏土；

c、凹凸棒基高吸水性树脂的制备：

将丙烯酸加入氢氧化钠溶液中，在冰水浴下中和，中和度为85％，加入丙烯酰胺，得到单体溶液；将步骤b制备的酸改性凹凸棒石黏土加入水得到酸改性凹凸棒石黏土溶液；将交联剂和引发剂溶于水，得到引发-交联剂溶液；将酸性凹凸棒石黏土溶液和引发-交联剂溶液加入到单体溶液中，搅拌均匀，在80℃下反应，得到凹凸棒基高吸水性树脂；

所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；

所述引发剂为摩尔比为1:1的过硫酸钾和亚硫酸氢钠；

(3)荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备：

将步骤(1)制备的荒漠藻结皮和步骤(2)制备的凹凸棒基高吸水性树脂进行复配，得到荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料。

作为优选，步骤(3)中，所述荒漠藻结皮和凹凸棒基高吸水性树脂的重量比为1:2。

作为优选，步骤(3)中，所述复配的方式为：将沙土与凹凸棒基高分子吸水树脂材料按10:1的质量比混合后均匀撒于需固定的沙土表面，再将荒漠藻结皮均匀撒于其上。

作为优选，步骤(3)中，所述复配时，每天浇水3次，浇水量与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的重量比为15mL：35.3g。

作为优选，步骤(1)中，扩繁时使用的培养基为BG11培养基，培养条件为25±1℃，光照强度120μE·m^-2·s^-1。

作为优选，步骤(2)中，所述酸改性的方法为：在预处理的凹凸棒中加入硫酸，室温下搅拌改性60-80h，洗涤后烘干，得到酸改性凹凸棒石黏土。

作为优选，步骤(2)中，所述单体溶液中丙烯酸和丙烯酰胺的重量比为15：4。

作为优选，步骤(2)中，所述酸改性凹凸棒石黏土溶液中酸改性凹凸棒石黏土的质量分数为10％。

作为优选，步骤(2)中，在引发-交联剂溶液中，交联剂的重量分数为0.05％，引发剂的重量分数为0.6％。

作为优选，步骤(2)中，所述在80℃下反应是在水浴条件或者是在超声功率为200W的条件下进行反应。

本发明将人工培养的荒漠藻类和合成高分子材料相结合运用于荒漠化治理，既保留了化学固沙材料见效快、固沙效果好的优点，又利用了荒漠地区的野生低等生物-荒漠藻类的生命力顽强、对荒漠地区环境适应力强、能够改善土壤肥力等的特点，为荒漠地区流沙固定，及该区域后续植被恢复和生态演替起到了积极作用。从而有助于解决荒漠化土地植被和生产能力恢复的问题，符合可持续发展的要求。

原理：凹凸棒基高分子吸水树脂材料属于化学固沙材料的一种，其固沙原理主要是以下几方面：

(1)粘结聚合作用：沙粒与沙粒之间是存在一定的间隙的，正是这些间隙的存在导致沙粒之间粘滞性不强，容易被风吹起，且加剧了水分的蒸发和下渗作用。化学固沙剂就是通过与沙粒发生粘结，形成一层固结层；或者是由于固沙剂本身具有较高的分子量，且具有一定的粘性，能够发生聚合形成一层具有一定强度的保护层，将沙粒封闭覆盖在下层。从而增加沙粒之间的相互作用，避免被风直接吹起。

(2)覆盖作用：某些固沙剂(如石油类)在喷洒到沙层表面后，能在表层形成一层具有一定强度的封闭层，从而隔绝风力对沙粒的直接吹蚀，避免沙尘产生。

本发明有益效果为：

研究结果表明，人工培养荒漠藻复配凹凸棒基高分子吸水树脂材料能够起到良好的固沙作用。先另取一定质量的沙土与凹凸棒基高分子吸水树脂材料按10:1的质量比混合后均匀撒于需固定的沙土表面，再将人工培养荒漠藻均匀撒于其上，形成的人工藻类土壤结皮虽然渗透性稍差，但具有最佳的抗压强度、耐水性、抗冲蚀能力、保水性和抗冻性，可以起到良好的固沙作用，能够提高沙土的保水性，显著减小降雨对固结层的冲蚀损害。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备与性能研究技术路线。

图2为不同复配方式对人工藻类结皮中藻类叶绿素a含量的影响。

图3为不同复配方式对人工藻类土壤结皮中藻类鲜重的影响。

图4为不同复配方式对人工藻类土壤结皮厚度的影响。

图5为不同复配方式对人工藻类土壤结皮中藻类鲜重增长速率的影响。

图6为固沙试样固结层保水性试验结果。

具体实施方式

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为市售。

本发明将人工培养荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料复配用于固沙，通过测定发育形成的人工藻类土壤结皮的生理指标，研究二者复配的最佳方式和比例，以及水分对人工藻类土壤结皮形成和发育的影响。

本发明将人工培养荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料以不同的复配比例和复配方式进行固沙，通过测定固沙试样固结层的抗压强度、渗透性、耐水性、抗冲蚀能力、保水性、抗冻性等指标，研究固沙材料的固沙效果。

实施例1

一、研究材料：

1荒漠藻结皮材料。于宁夏沙坡头腾格里沙漠南缘(北纬37°31′15″东经105°2′16″) 随机设置32个采样点(采样点尽可能选择无苔藓、地衣及其他植物共生，且距离小灌木 20cm以上的平缓处)，利用小铲子采集表面完整的野生藻类(藻种主要为蓝藻)结皮样本，采样深度1～2cm，样本保存于封口塑料袋中，带回实验室。将采集的样本过筛后用蒸馏水反复浸泡、冲洗、分离出纯净的藻体，在BG11培养基中，于25±1℃，光照强度120 μE·m^-2·s^-1的条件下置于光照培养箱中培养，备用。

表1BG11培养基组成

凹凸棒石黏土材料。采集甘肃省临泽板桥镇矿点(N39°15′，E100°16′)的凹凸棒石黏土，主要矿物含量：凹凸棒石29.7％，石英21.8％，长石14.6，白云石6.3％，蒙脱石5.3％，石膏5.1％。

2酸改性凹凸棒石黏土的制备

将采集的凹凸棒石黏土原矿经粉碎、研磨，过200目标准筛，得到原矿粉末。将粉末置于烧杯中，加入充足的蒸馏水，充分搅拌使粉末在水中均匀分散，静置30min，除去悬浮液上层杂质和底层黑色沉淀。反复洗涤，直到把底层黑色沉淀全部除去。分离并在105℃ 烘箱中烘干，研磨后过100目筛，备用。

称取一定质量的上述备用凹凸棒石黏土粉末置于烧杯中，按液固比10:1的质量比配比，加入4mol/L的硫酸，在室温下搅拌72h，然后用蒸馏水洗涤至pH为6-7，在105℃ 烘箱中烘干，研磨，过200目筛后，放入塑封袋内备用。

二、凹凸棒基高分子吸水树脂材料的制备

1普通加热法

称取一定量的氢氧化钠，用40mL蒸馏水溶解于烧杯中。另称取15mL丙烯酸(AA) 缓慢加入NaOH溶液中，在冰水浴下中和，加入完毕后中和度为85％，再加入一定量的丙烯酰胺(AM)，使得m(AA)：m(AM)＝15:4，制成单体溶液。取质量分数10％的备用酸改性凹凸棒石黏土，加30mL蒸馏水分散于烧杯中，搅拌均匀，制成酸改性凹凸棒石黏土溶液。将交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂(引发剂为过硫酸钾和亚硫酸氢钠，过硫酸钾和亚硫酸氢钠摩尔比为1∶1)，溶于10mL蒸馏水中，制成引发-交联剂溶液；在引发 -交联剂溶液中，交联剂的重量分数为0.05％，引发剂的重量分数为0.6％。

将上述制备的酸改性凹凸棒石黏土溶液和引发-交联剂溶液加入到单体溶液中，搅拌均匀，继续搅拌并将烧杯转移至水浴锅中，水浴温度为80℃，聚合10min得到半固体状产物。将产物剪碎，用1％乙醇水溶液洗涤之后，放入烘箱中于90℃下干燥，粉碎，过 100目筛，即得样品。

2超声加热法

酸改性凹凸棒石黏土溶液、单体溶液及引发-交联剂溶液的制备方法与普通加热法相同。选取最佳酸改性凹凸棒石黏土用量，设定超声功率200W，水浴温度为80℃，待温度达到设定值时，将酸改性凹凸棒石黏土溶液烧杯放入超声清洗器中，在搅拌的过程中加入单体溶液和引发-交联剂溶液，在超声清洗器中聚合反应10min，期间不断搅拌至溶液变粘稠后停止。待反应10min后，将产物剪碎，用1％乙醇水溶液洗涤，再放入烘箱中于 90℃下干燥，粉碎，过100目筛，即得样品。

三、人工培养荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的复配固沙方法

将荒漠藻滤去培养基后置于恒温干燥箱内，在30℃的条件下干燥至含水量约为20％，粉碎，备用。然后分别以不同复配方式、不同复配比例和不同水分用量进行实验，并测定叶绿素a、藻类鲜重、结皮厚度以及鲜重增长速率，以期获得最佳复配方法。

1复配方式实验。

复配方式A1：称取250g沙土平铺于的培养皿中，另取若干沙土与凹凸棒基分子吸水树脂材料按10:1的质量比混合后均匀撒于培养皿中沙土表面，再以500g/m²(鲜重)的用量取前述备用的人工培养荒漠藻均匀洒于其上，荒漠藻与凹凸棒基高吸水树脂材料的复配比例(质量比)为1:1。

复配方式A2：称取250g沙土平铺于的培养皿中，另取若干沙土、凹凸棒基分子吸水树脂材料和前述备用的人工培养荒漠藻，按10:1:1的复配比例(质量比)混合后均匀撒于培养皿中沙土表面，荒漠藻用量为500g/m²(鲜重)。

复配方式A3：称取250g沙土平铺于的培养皿中，将凹凸棒基高分子吸水树脂材料和前述备用的人工培养荒漠藻按比例混合后均匀撒于培养皿中沙土表面，荒漠藻用量为500g/m²(鲜重)。荒漠藻与凹凸棒基高吸水树脂材料的复配比例(质量比)为1:1。

复配方式A4：称取250g沙土平铺于的培养皿中，另取若干凹凸棒基分子吸水树脂材料均匀撒于沙土表面，之后再将前述备用的人工培养荒漠藻均匀洒于树脂层之上，荒漠藻用量为500g/m²(鲜重)，人工培养荒漠藻与凹凸棒基高吸水树脂材料的复配比例(质量比)为1:1。

将采用以上四种复配方式的培养皿置于光照培养箱中在28±1℃、120μE/(m²·s¹)的条件下培养60天，从第20天开始每隔10天取样一次，测定并计算单位采样面积结皮的叶绿素a含量、厚度、藻鲜重和鲜重增长速率。培养期间向培养皿中的样品每天早晨喷洒6mL蒸馏水和6mL添加有植物生长调节剂6-BA的BG11培养液；下午和晚上各喷洒 12mL蒸馏水。

2复配比例实验

称取250g沙土平铺于的培养皿中，另取若干沙土与凹凸棒基高分子吸水树脂材料按10:1的质量比混合后均匀洒于培养皿中沙土的表面，之后再将前述备用的人工培养荒漠藻均匀洒于其上，荒漠藻用量与复配方式实验相同，荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的复配质量比分别为2:1、1:0、1:1和1:2，分别称为2:1组、1:0组、1:1组和1:2组。

将采用以上四种复配比例的培养皿置于光照培养箱中在28±1℃、120μE/(m²·s¹)的条件下培养60天，从第20天开始每隔10天取样一次，测定并计算单位采样面积结皮的叶绿素a含量、厚度、藻鲜重和鲜重增长速率。培养期间向培养皿中的样品每天早晨喷洒6mL蒸馏水和6mL添加有植物生长调节剂6-BA的BG11培养液；每天下午和晚上各喷洒12mL蒸馏水。

3水分用量实验

称取250g沙土平铺于φ150mm的培养皿中，将沙土与凹凸棒基高分子吸水树脂材料按10:1的质量比混合后均匀洒于培养皿中沙土的表面，凹凸棒基高分子吸水树脂材料的重量为500g/m²，之后再将前述备用的荒漠藻均匀洒于其上(荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的质量比为1:2)，在28±1℃、120μE·m^-2·s^-1的条件下于光照培养箱中培养60天。期间每天早、中、晚各浇水1次，设置6mL/次、9mL/次、12mL/次和15mL/ 次四种浇水量梯度，分别模拟干旱、略干、潮湿和湿润的环境。其中早上浇水时，先浇6 mL BG11培养液(添加有植物生长调节剂6-BA，添加量0.5mg/L)，剩余部分用蒸馏水补齐至实验设定水量；其余时间皆浇蒸馏水。从第20天开始每隔10天取样一次，测定并计算单位采样面积结皮的叶绿素a含量、厚度、藻鲜重和鲜重增长速率。

四、人工培养荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的复配固沙实验测定方法和测定结果

1对叶绿素a含量、厚度、藻鲜重和鲜重增长速率的测定方法

1.1叶绿素a含量：把叶绿体色素提取液倒入光径1cm的比色杯内。以95％乙醇为空白，在波长665nm和649nm处测定吸光度。根据公式计算叶绿素a含量

Ca＝13.95×A665-6.88×A649

式中：Ca为叶绿素a含量，mg/L；A665为提取液在665nm波长处的吸光度；A649 为提取液在649nm波长处的吸光度。

1.2厚度：取样时，根据表面藻结皮生长情况随机均匀选取5个样点，用环形取样器(直径14.42mm)采集5份样品(视为一个单位采样面积)，用游标卡尺测定结皮层厚度，然后剥离出藻体生物层，用游标卡尺测定其厚度。

1.3藻类鲜重：利用轻微冲洗等手段分离出纯净的藻体，用滤纸轻压吸干藻体表面水分，用电子天平测定其鲜重。

1.4藻类鲜重增长速率：单位接种量藻类鲜重(叶绿素a含量)为测定时刻藻类鲜重(叶绿素a含量)除以复配固沙实验中人工培养荒漠藻的用量。

藻类鲜重增长速率的计算公式为：

式中：μt为荒漠藻第t天的鲜重增长速率；Nt为第t天鲜重，g；Nt-1为第t-1天鲜重，g；Δt为第t天至第t-1天的间隔时间，d。

2对叶绿素a含量、厚度、藻鲜重和鲜重增长速率的测定结果

2.1复配方式实验测定结果

测定结果见图2-图5。

图3为不同复配方式对人工藻类土壤结皮中藻类鲜重的影响。

图4为不同复配方式对人工藻类土壤结皮厚度的影响。

2.2复配比例实验测定结果

(1)复配比例对人工藻类土壤结皮中藻类鲜重的影响

各复配比例下形成的人工藻类土壤结皮中单位接种量藻类鲜重随培养时间的增加而增大，各组间差异性显著，其中1:2组平均值最大，1:1组次之，2:1组第三，1:0组最小，1:1组和1:2组相差较小。

(2)复配比例对人工藻类土壤结皮层厚度的影响

随着培养时间的增加，按照1:1、1:2、2:1和1:0等四种复配比例接种形成的人工藻类土壤结皮厚度均逐渐增加，其生物层的厚度也逐渐增加。其中，结皮厚度平均值1:2组最大，2:1组次之，1:1组再次，这三组的结皮厚度均显著高于1:0组；生物层平均值厚度2:1 组最大，1:2组次之，1:1组再次，1:0组最小，但1:2组和1:1组差异不显著。

(3)复配比例对人工藻类土壤结皮中藻类叶绿素a含量的影响

随着培养时间的增加，按照1:1、1:2、2:1和1:0等四种复配比例接种形成的人工藻类土壤结皮中藻类叶绿素a含量均逐渐增加。叶绿素a含量平均值2:1组最大，1:2组次之，1:1组第三，1:0组最小，1:1组和1:2组相差较小；单位接种量藻类叶绿素a含量随培养时间的增加而增加，各组之间差异性显著，其中1:2组平均值最大，1:1组次之。在培养初期(前40天左右)2:1组大于1:0组，后期则是1:0组大于2:1组。

2.3水分用量实验测定结果

(1)水分对人工藻类土壤结皮中藻类鲜重的影响

随着培养时间的增加，按照6mL/次、9mL/次、12mL/次和15mL/次四种浇水量培养形成的人工藻类土壤结皮中的藻类鲜重均逐渐增加。其中，浇水量15mL/次的藻类鲜重平均值最大，12mL/次的次之，9mL/次的第三，6mL/次的最小，12mL/次组和15mL/次组相差较小，6mL/次组和9mL/次组相差较小。

在培养第30天，浇水量15mL/次组的人工藻类土壤结皮中藻类的鲜重增长速率最大， 12mL/次组、9mL/次组和6mL/次组依次减小；在培养第60天，12mL/次组藻类鲜重增长速率最大，15mL/次组、9mL/次组和6mL/次组依次减小。浇水量9mL/次组和6mL/ 次组人工藻类土壤结皮中藻类鲜重增长速率总体随培养时间的增加而增加，但变化幅度较小；浇水量12mL/次组和15mL/次组人工藻类土壤结皮中藻类鲜重增长速率从第50天开始呈减小趋势。

(2)水分对人工藻类土壤结皮层厚度的影响

随着培养时间的增加，按照6mL/次、9mL/次、12mL/次和15mL/次等四种浇水量培养形成的人工藻类土壤结皮厚度和生物层厚度均逐渐增加。其中，结皮厚度和生物层厚度平均值均15mL/次组的最大，12mL/次组次之，9mL/次组再次，6mL/次组最小；6mL/ 次组和9mL/次组的生物层厚度差异性不显著。(3)水分对人工藻类土壤结皮中藻类叶绿素a含量的影响。

(3)水分对人工藻类土壤结皮中藻类叶绿素a含量的影响

随着培养时间的增加，按照6mL/次、9mL/次、12mL/次和15mL/次等四种浇水量培养形成的人工藻类土壤结皮中藻类叶绿素a含量均逐渐增加。其中，叶绿素a含量平均值15mL/次组的最大，12mL/次组次之，9mL/次组再次，6mL/次组最小。

3固沙试样固结层的抗压强度、渗透性、耐水性、抗冲蚀能力、保水性、抗冻性等指标的测定方法

3.1抗压强度测试：用环刀分别切取6组试样的固结层，置于3.5cm厚的沙土上，使用推拉力计进行抗压强度测试，以试样出现裂纹为破坏判据，以应力峰值计算抗压强度。

3.2渗透性测试：向培养皿中试样表层一次性倾倒50mL蒸馏水，测定水完全被吸收所需的时间。

3.3耐水性测试：向培养皿中试样表层均匀喷洒100mL蒸馏水，加盖，浸泡2天，然后在室内干燥，观察其形貌变化并测定抗压强度。

3.4降雨冲蚀测试：模拟降雨冲蚀测试。参考彭雷等的方法，稍有改动。取200mL 自来水置于容器中，于2.45m高处通过喷头向试样表面均匀喷淋，流量约为5mL/s，喷洒雨滴直径2～3mm，喷淋区域直径约15cm，每次喷淋持续1min，之后迅速倒掉培养皿里试样表层的积水，间隔15分钟，再进行下一次喷淋。如此重复3次后，称重，并将培养皿略微倾斜观察固结层状态，之后将试样在105℃的恒温干燥箱中烘干，观察固结层的变化并测定抗压强度。

3.5保水性测试：称量试样初始重量，向各培养皿中试样表层均匀喷洒50mL蒸馏水，待水分完全吸收后，将试样置于50℃的恒温干燥箱中，按照一定时间间隔取出样品称重。

3.6抗冻融性测试：向每个试样表面喷水5mL，待完全吸收后称重。将试样置于-20℃ ～-25℃冰箱中冷冻12h，称重；再于50℃的恒温干燥箱中烘干12h，称重，如此即为一个循环。在第3个循环完成后，将试样取出，称重，之后再放入100±5℃烘箱中烘干 12h，结束后观察试样变化，测定试样质量、抗压强度。

4固沙试样固结层的抗压强度、渗透性、耐水性、抗冲蚀能力、保水性、抗冻性等指标的测定结果

试验分六组：

对照组CK：

S1：复配方式为A1，荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的复配重量比为1:1。

S2：复配方式为A1，荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的复配重量比为1:2。

S3：复配方式为A1，荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的复配重量比为1:10。

S4：复配方式为A4，荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的复配重量比为1:2。

S5：复配方式为A4，荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的复配重量比为1:1。

称取250g沙土平铺于φ150mm的培养皿中，用上述六组中不同复配方式和不同复配质量比进行复配，在28±1℃、120μE·m-2·s^-1的条件下于光照培养箱中培养60天。期间每天早、中、晚各浇水1次，每次15mL。其中早上浇水时，先浇6mL BG11培养液 (添加有植物生长调节剂6-BA，添加量0.5mg/L)，剩余部分用蒸馏水补齐至实验设定水量；其余时间皆浇蒸馏水。得到固沙试样固结层。测定固沙试样固结层的抗压强度、渗透性、耐水性、抗冲蚀能力、保水性、抗冻性。

4.1表2为固沙试样固结层的抗压强度测试结果。

复配方式和凹凸棒基高分子吸水树脂材料的用量对试样固结层的抗压强度具有显著性影响。由于固沙材料撒布存在不均匀，故取样测定试样的抗压强度在一定范围内变化。结果表明，树脂材料用量越多，其形成的固结层抗压强度越大。复配方式为A1的试样(S1、 S2、S3)固结层的抗压强度要大于复配方式为A4的试样(S4、S5)。藻类生物层的存在，能够增强固结层的抗压强度。

4.2固沙试样固结层的渗透性测试结果。

实验结果表明，对照组CK渗水时间为0.14min，试样S1渗水时间为0.85～3.05min，试样S2渗水时间为0.65～7.85min，试样S3渗水时间为3.26～8.21min，试样S4渗水时间为0.75～1.99min。与对照组相比，沙土表面形成的固结层阻碍了水分的下渗，使渗水时间显著延长，渗水时间因固结层结构不同而略有不同。固结层在干燥的过程中薄弱部位会产生孔隙和裂缝，这会使水分的下渗速度加快，故测试时间存在较大的波动。

4.3表3为固沙试样固结层的耐水性测试结果。

各试样在水中浸泡2天后，对照组CK表面平整有积水，其他试样固结层吸水膨胀，表面覆盖仍然完整不易散，无积水，并未出现疏松、溶解和分散等破坏现象，试样S1触感坚硬，试样S2触感柔软，试样S3触感稍硬，试样S4触感柔软黏腻。将试样干燥后测定抗压强度和固结层厚度，结果表明，固结层的厚度和抗压强度虽较平均值有小幅减小，但仍在正常范围内，能够发挥必要的固沙作用。

4.4表4为固沙试样降雨冲蚀实验结果。

较大强度的降雨冲蚀对固结层的固沙效果有较大的负面影响，试样经过3次冲蚀后，对照组CK表面松散，倾斜有滑移；试样S1表面较硬，藻生物层有破损，结皮层稳定，倾斜无滑移；试样S2表面柔软，未见破损，固结层不稳定倾斜略有滑移；试样S3表面稍软，但比试样S2硬，未见破损，固结层稳定倾斜有滑移；试样S4表面黏腻，未见破损，固结层稳定倾斜无滑移。将经过3次冲蚀的试样干燥后测定抗压强度、固结层厚度及质量，结果表明，对照组CK的质量损失率达到了13.58％，而具有固结层的试样质量损失率均未超过1％。虽然控制组的抗压强度下降幅度较大，但还是远远高于对照组，且干燥后能够形成完整的固结层，起到固沙作用。藻类生物层的存在，能够显著减小降雨对固结层的冲蚀损害。

4.5图6为固沙试样固结层保水性试验结果。

固结层和藻类生物的存在能够显著提高沙土的保水性能，对照组CK在28h时保水率已基本为零，而保水能力较弱的试样S4的保水率依然为4.4％，保水能力最强的试样S1的保水率为30.76％。复配方式为A1的试样保水率大于复配方式为A4的试样(图3)。

4.6表5为固沙试样固结层抗冻融试验结果。

试样在经过3次冻融循环干燥后，质量均有所减小，但损失率均未超过0.5％。各组试样抗压强度均有减小，但仍在正常范围内。对照组CK基本无变化，试样S1表面完整，藻结皮有略微起皮现象；试样S2表面完整，无裂痕；试样S3表面有轻微裂纹，但上下不贯穿；试样S4表面完整，无裂痕。各试样的固结层依然完整稳定，能够起到固沙作用。

表2固结层抗压强度测试结果

表3固沙试样耐水性试验结果

表4固沙试样降雨冲蚀试验结果

表5固结层冻融试验结果

五、结论

本发明将人工培养荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料复配用于固沙，通过测定发育形成的人工藻类土壤结皮的生理指标，研究二者复配的最佳方式和比例，以及水分对人工藻类土壤结皮形成和发育的影响。结果表明，人工培养荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料具有良好的生物相容性，两者复配的最佳比例是1:2，最佳复配方式是A1(即先另取一定质量的沙土与凹凸棒基高分子吸水树脂材料按10:1的质量比混合后均匀撒于需固定的沙土表面，再将人工培养荒漠藻均匀撒于其上)，此种条件下形成的结皮叶绿素a含量、厚度及藻类鲜重最大。水分对人工藻类土壤结皮的形成有重要影响，缺乏水分的环境不利于结皮的迅速形成和生长；水分低于一定限值时，会明显抑制结皮的生长。浇水量为15mL/次时形成的结皮叶绿素a含量、厚度及藻类鲜重最大。

将人工培养荒漠藻与凹凸棒基高分子吸水树脂材料以不同的复配比例和复配方式进行固沙，通过测定固沙试样固结层的抗压强度、渗透性、耐水性、抗冲蚀能力、保水性、抗冻性等指标，研究固沙材料的固沙效果。结果表明，先另取一定质量的沙土与凹凸棒基高分子吸水树脂材料按10:1的质量比混合后均匀撒于需固定的沙土表面，再将人工培养荒漠藻均匀撒于其上，形成的人工藻类土壤结皮虽然渗透性稍差，但具有最佳的抗压强度、耐水性、抗冲蚀能力、保水性和抗冻性，可以起到良好的固沙作用。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）荒漠藻结皮的预处理和扩繁：将荒漠藻结皮纯化后接种到培养基中进行扩繁；

（2）凹凸棒的预处理和凹凸棒基高吸水性树脂的制备：

a、凹凸棒的预处理：将凹凸棒石研磨后清洗除杂；

c、凹凸棒基高吸水性树脂的制备：

将丙烯酸加入氢氧化钠溶液中，在冰水浴下中和，中和度为85%，加入丙烯酰胺，得到单体溶液；将步骤b制备的酸改性凹凸棒石黏土加入水得到酸改性凹凸棒石黏土溶液；将交联剂和引发剂溶于水，得到引发-交联剂溶液；将酸性凹凸棒石黏土溶液和引发-交联剂溶液加入到单体溶液中，搅拌均匀，在80℃下反应，得到凹凸棒基高吸水性树脂；

所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺；

所述引发剂为摩尔比为1:1的过硫酸钾和亚硫酸氢钠；

（3）荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料的制备：

将步骤（1）制备的荒漠藻结皮和步骤（2）制备的凹凸棒基高吸水性树脂进行复配，得到荒漠藻型凹凸棒基高分子固沙材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述荒漠藻结皮和凹凸棒基高吸水性树脂的重量比为1:2。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述复配的方式为：将沙土与凹凸棒基高分子吸水树脂材料按10:1的质量比混合后均匀撒于需固定的沙土表面，再将荒漠藻结皮均匀撒于其上。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述复配时，每天浇水3次，浇水量与凹凸棒基高分子吸水树脂材料的重量比为15mL：35.3g。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，扩繁时使用的培养基为BG11培养基，培养条件为25±1 ℃，光照强度120 μE·m^-2·s^-1。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述酸改性的方法为：在预处理的凹凸棒中加入硫酸，室温下搅拌改性60-80h，洗涤后烘干，得到酸改性凹凸棒石黏土。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述单体溶液中丙烯酸和丙烯酰胺的重量比为15：4。

8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述酸改性凹凸棒石黏土溶液中酸改性凹凸棒石黏土的质量分数为10%。

9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，在引发-交联剂溶液中，交联剂的重量分数为0.05%，引发剂的重量分数为0.6%。

10.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述在80℃下反应是在水浴条件或者是在超声功率为200W的条件下进行反应。