CN111139083A

CN111139083A - 一种有机-无机复合盐碱阻隔材料及其制备方法

Info

Publication number: CN111139083A
Application number: CN202010057274.XA
Authority: CN
Inventors: 雷自强; 刘晓梅; 程莎; 吕海霞; 仇雪雁; 赵俊吉; 杨尧霞
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2020-01-19
Filing date: 2020-01-19
Publication date: 2020-05-12

Abstract

本发明公开了一种有机‑无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，是在功能化黏土（功能化坡缕石、高岭土及红土）中添加高分子材料（纤维素类、植物胶类和糊化淀粉类），混合均匀后加入蒸馏水，加热至50~80℃，机械搅拌30~60min，使其充分作用；然后压制成型，即得有机‑无机复合盐碱阻隔材料。本发明制备的有机‑无机复合盐碱阻隔材料中，高分子材料和功能化黏土之间通过弱的相互作用而发生团聚，使得功能化黏土的粘结性增强，将黏土微粒固化成较大颗粒孔隙减小，同时增强了其吸附性能，能够很好的吸附与其接触水中的盐，阻止盐碱地中各类盐分随水迁移到土壤表面，从而达到阻隔盐分的效果，为控制土地盐碱化的速度提供切实可行的途径。

Description

一种有机-无机复合盐碱阻隔材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种盐碱阻隔材料，尤其涉及一种有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，属于复合材料领域和盐碱地改良技术领域。

背景技术

目前，土壤盐碱化已成为一个全球性的问题。盐碱土地由于含有过量的盐分离子而影响植物的生长，甚至不能成活，导致盐碱区生物生产力低下，生态环境较差。而土地作为人类生活的重要资源，对保障粮食安全和满足人们对美好生活的需求具有重要的意义。因此，盐碱土地的改良利用，对于土地生态修复、增加耕地及扩展生存空间有重要意义。在水土保持和盐碱地的改良工程中，盐碱阻隔材料起到了十分重要的作用。在一些盐碱地广泛分布的地区，使用一些高分子盐碱阻隔材料，对盐碱地中的各种盐类进行调控，不仅可以提高土壤的保墒能力，改善盐碱地区的土壤的生态功能，而且，可以补充当地的土地资源，有效缓解生态系统的压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种有机-无机复合盐碱阻隔材料及其制备方法。

一、有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备

本发明有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，是在功能化黏土中添加高分子材料，混合均匀后加入蒸馏水，加热至50~80℃，机械搅拌30~60min，使其充分作用；然后压制成型，即得有机-无机复合盐碱阻隔材料。将纯化后的坡缕石、高岭土和红土分散于1~3MDEHCl溶液，在90~100℃的水浴中机械搅拌1.5~2.5 h，然后在60~80℃的真空干燥烘箱中烘干至恒重。经过处理后，矿物土的部分结构发生了变化，甚至被破坏。少量矿物质和杂质被除去，使得矿物土的结晶度降低。矿物土的微孔隙提高，使得矿物土的吸附性能增强。

高分子材料为纤维素（包括羟乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基纤维素）、植物胶（包括黄芪胶、结冷胶和文莱胶）和糊化淀粉（糊化羟乙基淀粉、糊化玉米变性淀粉和糊化红薯淀粉）。高分子材料的添加量为功能化黏土质量的0.05%~5.5%。

蒸馏水的加入量为功能化黏土质量的35~65%。

机械搅拌转速控制在300~600r/min。

本发明制备的有机-无机复合盐碱阻隔材料中，高分子材料和功能化黏土之间通过弱的相互作用而发生团聚，使得功能化黏土的粘结性增强，将黏土微粒固化成较大颗粒孔隙减小，同时增强了其吸附性能，能够很好的吸附与其接触水中的盐，阻止盐碱地中各类盐分随水迁移到土壤表面，从而达到阻隔盐分的效果，为控制土地盐碱化的速度提供切实可行的途径。

二、有机-无机复合盐碱阻隔材料的结构

图1为添加结冷胶制备的有机-无机复合盐碱阻隔层的红外光谱图。a曲线（功能化黏土）在1641cm^-1处的吸收峰归属于C-OH 的弯曲振动，该显著的特征吸收峰在有机-无机复合盐碱阻隔层的红外光谱图（曲线c）中发生偏移且明显减弱。此外，a曲线（功能化黏土）中位于1030cm^-1处的强吸收峰归属于=Si-O的伸缩振动，该吸收峰在c曲线中出现；同时在471cm^-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（结冷胶）在3407cm^-1处的吸收峰归属于-OH 的伸缩振动，2906cm^-1的吸收峰归属于C-H 的伸缩振动；这些特征吸收峰在c曲线中发生偏移且明显减弱。以上结果表明多功能吸附材料与结冷胶发生了相互作用。

图2为本发明添加甲基纤维素制备的有机-无机复合盐碱阻隔层的红外光谱图。a曲线（功能化黏土）在1437cm^-1处的吸收峰归属于C-OH 的弯曲振动，该显著的特征吸收峰在有机-无机复合盐碱阻隔层的红外光谱图（曲线c）中明显减弱。此外，a曲线（功能化黏土）中位于1084cm^-1处的强吸收峰归属于=Si-O的伸缩振动，该吸收峰在c曲线中出现；同时在467cm^-1处的吸收峰为Si-O-Si的弯曲振动峰，出现在了c曲线中。b曲线为甲基纤维素的红外光谱图，在3407cm^-1处的吸收峰为-OH的伸缩振动，在2906cm^-1的吸收峰归属于C-H 的伸缩振动，这些吸收峰在c曲线中明显减弱或消失。以上结果表明多功能吸附材料与甲基纤维素发生了相互作用。

图3为本发明添加糊化红薯淀粉制备的有机-无机复合盐碱阻隔层的红外光谱图。图3中，a曲线（功能化黏土）在1451 cm^-1处的吸收峰归属于C-OH 的弯曲振动，该显著的特征吸收峰在黏土基糊化红薯淀粉盐碱阻隔层的红外光谱图（曲线c）中明显减弱且偏移。此外，a曲线（功能化黏土）中位于1030cm^-1处的强吸收峰归属于=Si-O的伸缩振动，该吸收峰在c曲线中出现；同时在471cm^-1处的吸收峰归属于Si-O-Si的弯曲振动峰，出现在了c曲线中。b曲线为糊化红薯淀粉的红外光谱图，3433cm^-1处的宽峰为-OH 的伸缩振动，2972cm^-1的吸收峰归属于C-H 的伸缩振动，-C=O的特征峰出现在1628cm^-1，1412~598cm^-1处出现非对称的C-O-C伸缩振动、C-O伸缩及骨架振动峰、-CH₂振动吸收峰，这些吸收峰在c曲线中明显减弱或消失。以上结果表明多功能吸附材料与糊化红薯淀粉发生了相互作用。

图4为本发明制备的盐碱阻隔材料的粒径分布图。其中a、b、c、d分别为坡缕石和添加羟乙基淀粉制备的有机-无机盐碱阻隔层、红土和添加羟乙基纤维素制备的有机-无机盐碱阻隔层、坡缕石和添加黄芪胶制备的有机-无机盐碱阻隔层、高岭土和添加结冷胶制备的有机-无机盐碱阻隔层的粒径分布图。从图4中可以看出，添加了高分子后制备的有机-无机盐碱阻隔层的主要粒径分布明显变大，表明高分子和多功能吸附材料之间通过弱的相互作用发生团聚，增大了多功能吸附材料颗粒之间的体积，阻止盐碱地中各类盐分随水迁移到土壤表面，从而达到阻隔盐分的效果。

图5为未添加高分子和添加高分子后制备的有机-无机复合盐碱阻隔层的扫描电镜图。其中，a、b、c、d、e、f分别为功能化黏土、添加羟乙基纤维素制备的有机-无机复合盐碱阻隔层、添加羟乙基淀粉制备的有机-无机盐碱阻隔层、添加结冷胶制备的有机-无机盐碱阻隔层、添加文莱胶制备的有机-无机盐碱阻隔层和添加黄芪胶制备的有机-无机盐碱阻隔层的扫描电镜图。从图5中可以看出，有机-无机复合盐碱阻隔层的表面形貌均因生物胶的加入而发生了改变，纯功能化黏土的表面形貌相对疏松，而添加了生物胶之后，通过其与功能化黏土之间通过弱相互作用及其缠绕作用，其微观表面形貌变得相对紧密，发生团聚，使得多功能吸附材料颗粒之间的粘结性增强，将黏土微粒固化成较大颗粒孔隙减小，进而避免土壤中的盐分随着水分而聚集在地表。

三、有机-无机复合盐碱阻隔的性能

按照质量比为3:3:2:2，分别称取氯化钠、碳酸钠、硫酸钠、碳酸氢钠固体，置于250 mL的烧杯中，向其中加入蒸馏水，用玻璃棒搅拌，使其完全溶解，将配置好的盐溶液置于试剂瓶中，便于后续实验使用。

取9个规格相同的塑料杯，在杯底打一定数量的均匀分布的孔径为2mm的小孔；然后取等量盐碱阻隔材料样品，分别压制在样品杯中，使其表面平整光滑。放置12h后，在装样品的容器中加入100mL配制好的盐碱水溶液，用保鲜膜将容器口密封，然后将其嵌入另一个容器中，底部容器与大气相通。在自然条件下，每隔12 h称量容器中盐水渗漏的质量，记录数据。

图6为不同剂量羟丙基纤维素作用下有机-无机复合盐碱阻隔层盐水渗透率随时间变化曲线。图中，从1到9，羟丙基纤维素的添加量逐渐增加。从图6可以看出，与功能化黏土相比，添加羟丙基纤维素制备的有机-无机复合盐碱阻隔层抗盐碱的性能更加优异。而且随着羟丙基纤维素添加量的增加，复合盐碱阻隔材料的抗盐碱效果增强。

图7为不同剂量黄芪胶作用下有机-无机复合盐碱阻隔层的盐水渗透率随时间变化曲线。图中，从1到9，黄芪胶的添加量逐渐增加。从图7可以看出，与功能化黏土相比，添加黄芪胶制备的有机-无机复合盐碱阻隔层抗盐碱的性能更加优异。而且随着黄芪胶添加量的增加，复合盐碱阻隔材料的抗盐碱效果增强。

图8为不同剂量玉米变性淀粉作用下有机-无机复合盐碱阻隔层的盐水渗透率随时间变化曲线。图中，从1到9，玉米变性淀粉的添加量逐渐增加。从图8可以看出，与功能化黏土相比，添加玉米变性淀粉制备的有机-无机复合盐碱阻隔层抗盐碱的性能更加优异。而且随着玉米变性淀粉添加量的增加，复合盐碱阻隔材料的抗盐碱效果增强。

图9为不同剂量文莱胶作用下有机-无机复合盐碱阻隔层的盐水渗透率随时间变化曲线。图中，从1到9，文莱胶的添加量逐渐增加。从图9可以看出，与多功能吸附材料相比，添加文莱胶制备的有机-无机复合盐碱阻隔层抗盐碱的性能比纯多功能吸附材料的更加优异，而且随着文莱胶添加量的增加，复合盐碱阻隔材料的抗盐碱效果增强。

综上所述，本发明相对于现有技术具有以下优点：

1、本发明以天然的功能化黏土作为基本原料，来源广、成本低，制作工艺简单，成本低，可以在盐碱地区推广使用，有效阻止盐碱地中各类盐分随水迁移到土壤表面，一定程度上提高盐碱地的土壤肥力，对于土地生态修复、增加耕地及扩展生存空间有重要意义；

2、本发明采用的高分子材料具有良好的相容性，可生物降解性，不会对土壤造成二次污染，满足绿色环保的要求。

附图说明

图1为添加结冷胶制备的有机-无机复合盐碱阻隔层的红外光谱图。

图2为添加甲基纤维素制备的有机-无机复合盐碱阻隔层的红外光谱图。

图3为添加糊化红薯淀粉制备的有机-无机复合盐碱阻隔层的红外光谱图。

图4为添加高分子后制备的有机-无机复合盐碱阻隔层粒径分布图。

图5为未添加高分子和添加高分子后有机-无机复合盐碱阻隔层的扫描电镜图。

图6为不同剂量羟丙基纤维素作用下有机-无机复合盐碱阻隔层盐水渗透率随时间变化曲线。

图7为不同剂量黄芪胶作用下有机-无机复合盐碱阻隔层盐水渗透率随时间变化曲线。

图8为不同剂量糊化玉米变性淀粉作用下有机-无机复合盐碱阻隔层盐水渗透率随时间变化曲线。

图9为不同剂量文莱胶作用下有机-无机复合盐碱阻隔层盐水渗透率随时间变化曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的有机-无机复合盐碱阻隔层的制备和应用作进一步说明。

实施例1、羟丙基纤维素作用下有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备和性能测试

（1）功能化坡缕石的制备：称取一定质量的坡缕石和适量的蒸馏水于烧杯中，采用机械搅拌、静置浮沉的方法除去少量矿物质和杂质。然后将纯化后的坡缕石于 3 M的HCl溶液以固：液比为1:40，在100 ℃的水浴、500 r/min的转速下机械搅拌2 h，然后在60℃的真空干燥烘箱中烘干至恒重；

（2）复合盐碱阻隔材料的制备：取一定量的功能化坡缕石黏土，并加入其质量4~4.5%的羟丙基纤维素，混合均匀后加入功能化坡缕石黏土质量50~65%的蒸馏水，搅拌下加热至50~80℃，继续在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，然后压制成厚度为1~2cm阻隔材料；

（3）盐碱阻隔材料的性能测试：按照前述方法测试盐碱阻隔材料对盐碱的阻隔性能。42天后，该有机-无机复合盐碱阻隔层未发生盐水渗透情况，可以有效阻止盐碱地中各类盐分随水分迁移到土壤表面，从而达到阻隔盐分的目的。而未添加羟丙基纤维素制备的有机-无机复合盐碱阻隔层盐水的渗透率高达52.6%。

实施例2、黄芪胶作用下有机-无机复合盐碱阻隔层的制备和性能

（1）功能化红土的制备：称取一定质量的红土和适量的蒸馏水于烧杯中，采用机械搅拌、静置浮沉的方法除去少量矿物质和杂质。然后将纯化后的红土于 3 M的HCl溶液以固：液比为1:40，在100 ℃的水浴、500 r/min的转速下机械搅拌2 h，然后在60℃的真空干燥烘箱中烘干至恒重；

（2）复合盐碱阻隔材料的制备：取一定量的功能化红土，分别加入其质量0.05~5.5%的黄芪胶，混合均匀后加入功能化红土质量35~65%的蒸馏水，搅拌下加热至50~80℃，继续在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60 min，然后压制成厚度为1~2 cm阻隔材料；

（3）盐碱阻隔材料的性能测试：按照前述方法测试盐碱阻隔材料对盐碱的阻隔性能。42天后，该有机-无机复合盐碱阻隔层未发生盐水渗漏情况，可以有效阻止盐碱地中各类盐分随水迁移到土壤表面，从而达到阻隔盐分的目的。

实施例3、玉米变性淀粉作用下有机-无机复合盐碱阻隔层的制备和性能

（1）功能化高岭土的制备：称取一定质量的高岭土和适量的蒸馏水于烧杯中，采用机械搅拌、静置浮沉的方法除去少量矿物质和杂质。然后将纯化后的高岭土于 3 M的HCl溶液以固：液比为1:40，在100 ℃的水浴、500 r/min的转速下机械搅拌2 h，然后在60℃的真空干燥烘箱中烘干至恒重；

（2）玉米变性淀粉的糊化：将一定质量的玉米变性淀粉加入到带有机械搅拌器的250mL三口烧瓶中，再向其中加入其质量5~10%蒸馏水。在连续搅拌中，将此溶液升热至80℃加热糊化1 h，得糊化玉米变性淀粉；

（3）复合盐碱阻隔材料的制备：取一定量的功能化高岭土，分别加入其质量4.5~5.5%的糊化玉米变性淀粉，混合均匀后加入功能化高岭土质量35~65%的蒸馏水，搅拌下加热至50~80℃，继续在300~600 r/min的搅拌速度下搅拌30~60 min，然后压制成厚度为1~2 cm阻隔层；

（4）盐碱阻隔材料的性能测试：按照前述方法测试盐碱阻隔材料对盐碱的阻隔性能。42天后，该有机-无机复合盐碱阻隔层未发生盐水渗漏情况，可以有效阻止盐碱地中各类盐分随水迁移到土壤表面，从而达到阻隔盐分的目的。

实施例4、文莱胶作用下有机-无机复合盐碱阻隔层的制备和性能

（2）复合盐碱阻隔材料的制备：取一定量的功能化坡缕石黏土，并加入其质量4~4.5%的文莱胶，混合均匀后加入功能化坡缕石黏土质量50~65%的蒸馏水，搅拌下加热至50~80℃，继续在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，然后压制成厚度为1~2cm阻隔材料；

Claims

1.一种有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，是在功能化黏土中添加高分子材料，混合均匀后加入蒸馏水，加热至50~80℃，机械搅拌30~60min，使其充分作用；然后压制成型，即得有机-无机复合盐碱阻隔材料；所述功能化黏土为功能化坡缕石、高岭土及红土，所述高分子材料为纤维素、植物胶、糊化淀粉。

2.如权利要求1所述一种有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，其特征在于：高分子材料的添加量为功能化黏土质量的0.05%~5.5%。

3.如权利要求1所述一种有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，其特征在于：蒸馏水的加入量为功能化黏土质量的35~75%。

4.如权利要求1所述一种有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，其特征在于：所述纤维素为羟乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基纤维素中的至少一种。

5.如权利要求1所述一种有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，其特征在于：所述植物胶为黄芪胶、结冷胶和文莱胶中的至少一种。

6.如权利要求1所述一种有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，其特征在于：所述糊化淀粉为糊化羟乙基淀粉、糊化玉米变性淀粉、糊化红薯淀粉。

7.如权利要求1所述一种有机-无机复合盐碱阻隔材料的制备方法，其特征在于：机械搅拌转速控制在300~600r/min。