CN110205137A

CN110205137A - 一种生物降解固沙剂及制备方法和应用

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Publication number: CN110205137A
Application number: CN201910501542.XA
Authority: CN
Inventors: 乔长晟; 吴桐桐; 张莹莹; 李光明; 孙银华
Original assignee: Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2019-09-06

Abstract

本发明属于固沙技术领域，尤其涉及一种生物降解固沙剂及制备方法和应用，包括如下步骤：配制γ‑聚谷氨酸发酵液溶液至完全溶解；利用步骤1的γ‑聚谷氨酸发酵液溶液与普鲁兰多糖发酵液配制混合溶液至完全溶解；向上述完全溶解的混合溶液中加入天然多糖，加热至完全溶解，降至室温得到固沙剂。本发明的有益效果是：制得的固沙剂具有很强的抗风蚀能力，容易使沙面结层，并能保水保肥，可完全被生物降解，该固沙剂的制备方法简便，原料易得，成本低廉，具有重要的实用价值。

Description

一种生物降解固沙剂及制备方法和应用

技术领域

本发明属于固沙技术领域，尤其涉及一种生物降解固沙剂及制备方法和应用。

背景技术

荒漠化已成为世界六大生态问题之首，其危害性越来越突出，中国的荒漠化土地大多为风蚀荒漠化土地和水蚀荒漠化土地。目前，主要的治沙方法包括有生物治沙技术、工程治沙技术和化学固沙技术。我国自1949年以来，经过研究人员的不断摸索，在生物固沙和工程固沙方面形成了比较成熟的治理技术和防治模式。从60年代以来，也不断出现了化学固沙的研究与试验，并取得了一定的效果。

化学固沙就是在荒漠化土地表层施用有机或无机化学材料，以提高地表沙土的稳定性和保水性，或对盐碱化土地进行脱盐处理，从而达到固定流沙、改良和治理荒漠化土地的目的。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。化学固沙剂的优点是成本低，见效快，施工简便。传统的化学固沙剂主要有水玻璃类、高分子聚合物高吸水树脂类、水泥浆类和石油产品类。与传统的固沙剂相比，新型化学固沙材料不仅使用性能好，而且还减少了资源和能源的消耗，重视了生态环境协调性，有更大的发展潜力。鉴于石油产品资源有限、生产成本高，合成高分子类的降解性问题、工艺复杂以及毒性问题，化学固沙方法中的生物质资源类的固沙剂原料易得，成本低廉，并且可以完全降解，符合环保要求，可作为新的研究方向。

其中γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是一种全天然的水溶性高分子，由D-谷氨酸或L-谷氨酸通过α-氨基和γ-羧基形成γ-酰胺键结合而成的阴离子聚合物。具有很强的吸水保水性，因其这一特点被应用到各个领域，并且还有很好的生物相容性和可降解性，具有可食用、无毒、保湿等特点，作为一种新型绿色环保的生物材料备受关注，具有广泛的应用范围。

利用γ-聚谷氨酸开发一种施用量小、保水效果好，并能保持土地肥力，且能够在自然中降解，不造成环境污染的固沙产品和方法，具有重要的实用价值。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种生物降解固沙剂及制备方法和应用，制得的固沙剂具有很强的抗风蚀能力，容易使沙面结层，并能保水保肥，可完全被生物降解，该固沙剂的制备方法简便，原料易得，成本低廉，具有重要的实用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物降解固沙剂，其特征在于该固沙剂包括的组分及各组分浓度为γ-聚谷氨酸发酵液1～15g/L、普鲁兰多糖发酵液1～15g/L、黄原胶粉末0.04～0.15g/L，卡拉胶0.08～0.5g/L，瓜尔豆胶0.04～0.15g/L，魔芋胶0.04～0.15g/L。

一种生物降解固沙剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：配制γ-聚谷氨酸发酵液溶液至完全溶解；

步骤2：利用步骤1的γ-聚谷氨酸发酵液溶液与普鲁兰多糖发酵液配制混合溶液至完全溶解；

步骤3：向上述完全溶解的混合溶液中加入天然多糖，加热至完全溶解，降至室温得到固沙剂。

优选地，所述步骤1的具体过程为：在聚谷氨酸发酵液中加入蒸馏水，配制成1～15g/L的γ-聚谷氨酸发酵液溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解；

进一步优选地，所述步骤1的具体过程为：向100ml小烧杯中加入12ml蒸馏水，再把0.012～0.18g的聚谷氨酸发酵液加入上述蒸馏水中，配制成1～15g/L的γ-聚谷氨酸发酵液溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解。

优选地，所述步骤2的具体过程为：在步骤1得到的γ-聚谷氨酸发酵液溶液中加入普鲁兰多糖发酵液0.012～0.18g，配制成1～15g/L的普鲁兰多糖发酵液混合溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解，冷却得到的浅白色粘稠状乳液即为固沙剂。

优选地，所述步骤3的具体过程为：向步骤2得到的混合溶液中加入天然多糖，将加入天然多糖的混合溶液置于温水中水浴并且手持摇晃，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解，降至室温得到固沙剂。

进一步优选地，所述步骤3的具体过程为：向步骤2得到的混合溶液中加入黄原胶粉末0.0005～0.002g，卡拉胶0.001～0.006g，瓜尔豆胶0.0005～0.002g，魔芋胶0.0005～0.002g，得到的天然多糖各组分浓度为：黄原胶粉末0.04～0.15g/L，卡拉胶0.08～0.5g/L，瓜尔豆胶0.04～0.15g/L，魔芋胶0.04～0.15g/L，将加入天然多糖的混合溶液置于温水中水浴并且手持摇晃，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解。

所述步骤3中水浴温度控制在50～65℃之间，时间在5～8分钟，涡旋仪的速度在2500rpm以上。

所述步骤1中在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

所述步骤2中在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

一种生物降解固沙剂在沙化土地农业种植、林业防风固沙或土地沙漠化治理领域中的应用。

本发明的有益效果是：本发明的固沙剂通过γ-聚谷氨酸、多糖类物质按照一定的比例配置成水溶液，通过两种物质的特性，将沙土中的沙粒粘结在一起，使团立体结构发生变化，从而起到防风固沙的效果，而这几种成分的搭配和配比在现有技术中是没有记载的，具有开拓性的意义。

本发明的固沙剂具有优良的保水性、缓释性和成膜性，应用于肥料中，有增效减量、长效缓释、保水保肥功效；对植物具有促进萌发、保水抗旱、增强抗病性等功效；并能提高土壤保水保肥能力，防止土壤板结。固沙剂使用的原料均为生物质原料，对环境无污染，能够被完全生物降解，γ-聚谷氨酸降解后为小分子氨基酸，多糖类物质降解后为二氧化碳和水，不会带来二次污染。使用本发明的固沙剂可迅速改良荒漠化土地，为植物生长创造良好的水土条件。

具体地，采用天然多糖作为粘结剂，可以加速土壤团粒结构的形成，且保湿保水性强，能促进蛋白质吸水性能，与γ-聚谷氨酸共同作用，增加其吸水保湿性能；采用γ-聚谷氨酸作为肥料增效剂，具有极强的螯合、分散、吸附作用，并对土壤有修复作用，它能有效阻止化肥中硫酸根、磷酸根、草酸根、碳酸根与钙、镁等微量元素的结合，避免产生低溶解性盐类与沉淀作用，对于Pb²⁺等重金属有极佳的螯合效果，可避免作物吸收过多土壤中有毒重金属；采用γ-聚谷氨酸作为吸水保水剂，由于其结构中存在大量的亲水基团，使其具有极强的吸水、保水能力，可以延长土壤环境对植物供水能力和时间。

本发明提供的固沙剂制备方法，形成了一整套完整的工艺流程，方法简便，用到的设备仪器简单，操作步骤紧密衔接，使得固沙剂各方面的性能俱佳，达到良好的固沙效果，而且成本低廉。

本发明中的固沙剂施用在沙土表面，会立刻形成一层固结层，使地表的沙土不易被风吹动，具有很好的抗风蚀能力，从而起到防尘固沙的作用。同时降低蒸发率，使植物更容易种植，且固沙剂具有很好的生物可降解性，优化生态环境。

具体实施方式

首先对γ-PGA的结构及性能做一下介绍。由于γ-PGA的链间存在大量氢键，因此具有良好溶解性；γ-PGA的主链上存在大量肽键，可降解成无毒的短肽和氨基酸单体，因此具有优良的生物相容性和生物可降解性；γ-PGA的主链上存在大量游离羧基，游离羧基是超强亲水性基团，能充份保持土壤中水份，因此具有强吸水保湿性，γ-PGA最大自然吸水倍数可达1000倍以上。用于漫淹土壤时，会在植株根毛表面形成一层薄膜保护根毛，是土壤中养份、水份与根毛亲密接触的最佳输送平台，有效提高肥料的溶解、储存、输送与吸收。γ-PGA作为一种具有良好生物特性的表面活性剂和螯合剂，在肥料中加入可以延长肥料在作用对象表面上的停留时间。

本发明的固沙剂可以使松散的沙粒之间联结成一个整体，高分子链之间又互相交叉缠绕、联结成网状立体结构，从而增强了沙的强度和稳定性。γ-PGA是一种多阴离子聚合物，能提高土壤的阳离子交换能力，聚集土壤中的养分，达到增加肥效的效果。而由于γ-聚谷氨酸中存在大量的亲水基团，使得固沙剂有较强的吸水性。应用于肥料中，有增效减量、长效缓释、保水保肥功效；对植物具有促进萌发、保水抗旱、增强抗病性等功效；并能提高土壤保水保肥能力，防止土壤板结。

黄原胶不仅具备独特的“低浓高黏”特性，增稠效果显著，且水溶液稳定性优异，对酸碱盐、生物酶解、高温低温及冻融过程均具备很好的耐受性，与其他溶质互配性能良好。最新研究发现，黄原胶还能够与多种人工合成或天然多糖如瓜尔胶、卡拉胶、淀粉、魔芋胶等互溶并发生协同作用，形成弱凝胶化作用。

魔芋胶溶于水，与其他胶和淀粉相比较吸水性更强；卡拉胶有较好的粘度，且随着浓度的增加粘度呈指数上升；瓜尔豆胶能与很多线性多糖，如黄原胶，卡拉胶相互作用，从而形成复合体。

下面结合实施例对本发明作进一步解释说明。

实施例1：

本发明的生物降解固沙剂包括的组分及各组分含量为：γ-聚谷氨酸发酵液1g/L，普鲁兰多糖发酵液1g/L，黄原胶粉末0.04g/L，卡拉胶0.08g/L，瓜尔豆胶0.04g/L，魔芋胶0.04g/L。

本发明的生物降解固沙剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)向100ml小烧杯中加入12ml蒸馏水，再把0.012g的聚谷氨酸发酵液加入上述蒸馏水中，配制成1g/L的γ-聚谷氨酸发酵液溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解。在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

(2)向上述得到的12mlγ-聚谷氨酸发酵液溶液中加入普鲁兰多糖发酵液0.012g，配制成1g/L的普鲁兰多糖发酵液混合溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解，在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

(3)向上述完全溶解的混合溶液中加入黄原胶粉末0.0005g，卡拉胶0.001g，瓜尔豆胶0.0005g，魔芋胶0.0005g，将混合溶液置于温水中水浴并且手持摇晃，然后置于涡旋仪上振荡直至完全溶解；其中水浴温度控制在50～65℃之间，时间在5～8分钟，涡旋仪的速度在2500rpm以上。

(4)降至室温后，得到浅白色粘稠状乳液，即本发明的固沙剂。

本发明的生物降解固沙剂可以应用在沙化土地农业种植、林业防风固沙或土地沙漠化治理领域中。

将本发明实施例1进行性能测试。

将沙土均匀放置于直径为8.5cm，高为1.5cm的培养皿中，使沙土充满培养皿，将配置好的上述固沙剂以24ml/min的速度均匀喷洒在沙土表面，静置15min后，放在60℃的烘箱内4h，4h后取出沙模测定性质。测试结果如下：

(1)结层性质：从培养皿中取出沙模，用游标卡尺测定上层沙模结层的厚度，结果形成0.5cm厚的固结层，表层无散沙；

(2)风蚀实验：经吹风机以10m/s的速度吹蚀表层的沙粒仍不脱落；

(3)水蚀实验：培养皿中的沙块与水平面呈30度倾斜，采用直径为2cm的水管，垂直向下以10ml/s的速度蚀沙土表层，沙层表面完好无损；

(4)保水效果：沙漠地区气候干燥，降水稀少，蒸发强烈。将制好的沙模放在温度为25℃，湿度为35％RH的环境中，向沙漠中喷洒固定的水量，每隔一段时间记录沙模的质量。实验表明，喷洒固沙剂的式样经过一个月后蒸发率为65.64％，比喷施同量水的式样蒸发率降低了18.65％，使得保水性得到了加强，抑制了水分的蒸发。

实施例2：

本发明的生物降解固沙剂包括的组分及各组分含量为：γ-聚谷氨酸发酵液15g/L，普鲁兰多糖发酵液15g/L，黄原胶粉末0.15g/L，卡拉胶0.5g/L，瓜尔豆胶0.15g/L，魔芋胶0.15g/L。

本发明的生物降解固沙剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)向100ml小烧杯中加入12ml蒸馏水，再把0.18g的聚谷氨酸发酵液加入上述蒸馏水中，配制成15g/L的γ-聚谷氨酸发酵液溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解。在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

(2)向上述得到的12mlγ-聚谷氨酸发酵液溶液中加入普鲁兰多糖发酵液0.18g，配制成15g/L的普鲁兰多糖发酵液混合溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解，在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

(3)向上述完全溶解的混合溶液中加入黄原胶粉末0.002g，卡拉胶0.006g，瓜尔豆胶0.002g，魔芋胶0.002g，将混合溶液置于温水中水浴并且手持摇晃，然后置于涡旋仪上振荡直至完全溶解；其中水浴温度控制在50～65℃之间，时间在5～8分钟，涡旋仪的速度在2500rpm以上。

将本发明实施例2进行性能测试。

(1)结层性质：从培养皿中取出沙模，用游标卡尺测定上层沙模结层的厚度，结果形成2cm厚的固结层，表层无散沙；

(2)风蚀实验：经吹风机以17.5m/s的速度吹蚀表层的沙粒仍不脱落；

(3)水蚀实验：培养皿中的沙块与水平面呈30度倾斜，采用直径为2cm的水管，垂直向下以10ml/s的速度冲蚀沙土表层，沙层表面完好无损；

(4)保水效果：沙漠地区气候干燥，降水稀少，蒸发强烈。将制好的沙模放在温度为25℃，湿度为35％RH的环境中，向沙漠中喷洒固定的水量，每隔一段时间记录沙模的质量。实验表明，喷洒固沙剂的式样经过一个月后蒸发率为49.84％，比喷施同量水的式样蒸发率降低了34.45％，使得保水性得到了加强，抑制了水分的蒸发。

实施例3：

本发明的生物降解固沙剂包括的组分及各组分含量为：γ-聚谷氨酸发酵液8g/L，普鲁兰多糖发酵液8g/L，黄原胶粉末0.1g/L，卡拉胶0.3g/L，瓜尔豆胶0.1g/L，魔芋胶0.1g/L。

本发明的生物降解固沙剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)向100ml小烧杯中加入12ml蒸馏水，再把0.096g的聚谷氨酸发酵液加入上述蒸馏水中，配制成8g/L的γ-聚谷氨酸发酵液溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解。在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

(2)向上述得到的12mlγ-聚谷氨酸发酵液溶液中加入普鲁兰多糖发酵液0.096g，配制成8g/L的普鲁兰多糖发酵液混合溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解，在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

(3)向上述完全溶解的混合溶液中加入黄原胶粉末0.0012g，卡拉胶0.0036g，瓜尔豆胶0.0012g，魔芋胶0.0012g，将混合溶液置于温水中水浴并且手持摇晃，然后置于涡旋仪上振荡直至完全溶解；其中水浴温度控制在50～65℃之间，时间在5～8分钟，涡旋仪的速度在2500rpm以上。

将本发明实施例3进行性能测试。

(1)结层性质：从培养皿中取出沙模，用游标卡尺测定上层沙模结层的厚度，结果形成1cm厚的固结层，表层无散沙；

(2)风蚀实验：经吹风机以13m/s的速度吹蚀表层的沙粒仍不脱落；

(4)保水效果：沙漠地区气候干燥，降水稀少，蒸发强烈。将制好的沙模放在温度为25℃，湿度为35％RH的环境中，向沙漠中喷洒固定的水量，每隔一段时间记录沙模的质量。实验表明，喷洒固沙剂的式样经过一个月后蒸发率为58.73％，比喷施同量水的式样蒸发率降低了25.56％，使得保水性得到了加强，抑制了水分的蒸发。

以上对本发明的实例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims

1.一种生物降解固沙剂，其特征在于该固沙剂包括的组分及各组分浓度为：γ-聚谷氨酸发酵液1～15g/L，普鲁兰多糖发酵液1～15g/L，黄原胶粉末0.04～0.15g/L，卡拉胶0.08～0.5g/L，瓜尔豆胶0.04～0.15g/L，魔芋胶0.04～0.15g/L。

2.一种生物降解固沙剂的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：配制γ-聚谷氨酸发酵液溶液至完全溶解；

3.根据权利要求2所述的生物降解固沙剂的制备方法，其特征在于所述步骤1的具体过程为：在聚谷氨酸发酵液中加入蒸馏水，配制成1～15g/L的γ-聚谷氨酸发酵液溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解。

4.根据权利要求2所述的生物降解固沙剂的制备方法，其特征在于所述步骤2的具体过程为：在步骤1得到的γ-聚谷氨酸发酵液溶液中加入普鲁兰多糖发酵液0.012～0.18g，配制成1～15g/L的普鲁兰多糖发酵液混合溶液12mL，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解，冷却得到的浅白色粘稠状乳液即为固沙剂。

5.根据权利要求2所述的生物降解固沙剂的制备方法，其特征在于所述步骤3的具体过程为：向步骤2得到的混合溶液中加入天然多糖，将加入天然多糖的混合溶液置于温水中水浴并且手持摇晃，置于涡旋仪上振荡直至完全溶解，降至室温得到固沙剂。

6.根据权利要求5所述的生物降解固沙剂的制备方法，其特征在于所述天然多糖的各组分及浓度为：黄原胶粉末0.04～0.15g/L，卡拉胶0.08～0.5g/L，瓜尔豆胶0.04～0.15g/L，魔芋胶0.04～0.15g/L。

7.根据权利要求5或6所述的生物降解固沙剂的制备方法，其特征在于所述步骤3中水浴温度控制在50～65℃之间，时间在5～8分钟，涡旋仪的速度在2500rpm以上。

8.根据权利要求3所述的生物降解固沙剂的制备方法，其特征在于所述步骤1中在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

9.根据权利要求4所述的生物降解固沙剂的制备方法，其特征在于所述步骤2中在涡旋仪上搅拌的速率不超过2000rpm，时间不超过1分钟。

10.一种生物降解固沙剂在沙化土地农业种植、林业防风固沙或土地沙漠化治理领域中的应用。