CN114467680B - 矿山复绿用无土喷播基质及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山复绿用无土喷播基质及其制备方法，属于植物栽培技术领域。所述矿山复绿用无土喷播基质包括喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液。所述喷播基础料由蛭石粉40‑120份、珍珠岩60‑160份、东北黑炭土100‑200份、植物纤维600‑1000份配制而成；所述粘合剂溶液由尿素5‑50份、水1000‑10000份、棉籽粕100‑400份、柠檬酸5‑50份配制而成；所述保水剂溶液由海藻酸钠30‑200份、水1500‑10000份、多价金属离子10‑50份配制而成。本发明植物培养基具有良好的粘着力、可耐雨水冲刷、良好的保水能力和抗蒸腾能力、基材质地柔软、不易板结，并具有良好的透气性能。

Description

矿山复绿用无土喷播基质及其制备方法

技术领域

本发明涉及矿山修复领域，具体涉及一种用于矿山复绿、能牢固附着在裸露岩壁、耐雨水冲刷、并具有良好吸水和保水能力的无土基质的制备方法。

背景技术

矿产资源的开采和利用带来了一些地质环境问题，矿山开采过程破坏了地形地貌和植被，造成了土地资源损毁，由于失去了水土保持、涵养水源、防风固沙的植被，导致了大气、土壤和水体的污染，水土流失等一系列生态环境问题。要解决矿产资源开采带来的生态环境问题，则需要对矿山废弃地进行生态修复。

矿山复绿是指通过采用工程、生物等技术手段对因矿山开采引起的地质环境问题进行综合治理，使矿山地质环境达到稳定、生态环境得以恢复的过程，是实现采矿废弃地生态修复的主要途径。喷播绿化技术是指将植物种子混合在植物培养基料内，通过高压设备和喷射机按设计厚度均匀喷到工程坡面，通过合理的养护管理植物生长达到快速绿化稳固工程坡面的目的。喷播绿化技术因施工简便、快捷、高效，成为矿山复绿技术研究和实践的热点领域。

CN111296152A发明了一种客土喷播绿化基材及边坡生态防护施工方法。喷播基材主要由种植土、有机纤维、有机质、肥料、粘合剂、保水剂和土壤改良剂组成。粘合剂由乳化沥青、聚乙烯醇、甲醛胶和硅酸盐水泥组成。保水剂主要采用丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物。在施工过程中，首先对工程破面进行清理，然后设置截、排水沟，之后依次喷播底层基质、中间层基质和表层基质，而后在喷播的表层基质上覆盖无纺布膜，对喷播破面进行不间断养护，保持客土基质湿润，待幼苗长到5-6厘米或2-3片叶时揭掉无纺布。客土喷播的优势在于可以根据地质和气候条件进行基质和种子配方，从而具有广泛的适应性。客土与坡面的结合牢固，土层的透气性和肥力好，抗旱性较好。该方法的劣势在于仅适用于坡度较小的坡面，不耐雨水冲刷。无纺布覆膜与揭膜过程需要大量的人力和物力。并且取用客土过程中也会对取土地的生态环境造成破坏。

CN110367080A发明了一种无土喷播基质，主要由干化污泥、粉煤灰、铁尾矿、火山灰、缓释肥、淀粉接枝丙烯酰胺聚合物、脲醛树脂、聚乙烯醇等组成。与传统客土喷播方法相比，该技术避免了因取用客土而造成的二次土地破坏。施工过程包括基质层的配置与喷播、种植层配置与喷播、养护管理。与传统客土喷播方法相比，此种无土基质具有良好的吸水性和保水性，对工程坡面具有良好的黏附力，不会带来扬尘等问题，无需覆盖无纺布膜，施工过程更加简便。但是，此发明所使用的粘合剂为脲醛树脂，其中含有大量的甲醛单元，甲醛单元在环境中缓慢释放，对环境带来一定的危害。

无论是客土喷播基质还是无土喷播基质都需要使用粘合剂和保水剂。粘合剂可将喷播基质中的各种组分粘结起来，提高喷播基质在工程破面的黏着力，提高喷播破面的耐冲刷性。保水剂可提高喷播基质的抗旱性，有效降低太阳光照射下基材失水率，提高基材的抗蒸腾能力，有效长久地保持基材内水分含量，减轻养护压力。目前所采用的粘合剂有聚丙烯酰胺类高分子材料(CN102986418A，CN113349016A)、乳化沥青/聚乙烯醇缩甲醛/硅酸盐水泥(CN111296152A)、脲醛树脂(CN110367080A)、聚丙烯酸钠(109673407A)、水玻璃(CN109169151A)等。目前所采用的保水剂有聚丙酰胺和丙烯酸钠类高分子材料(CN109169151A，109673407A)，淀粉接枝丙烯酰胺聚合物(CN110367080A)等。由此可知，所采用的粘合剂和保水剂多是人工合成的高分子材料，虽然聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠类材料可在环境中缓慢降解，但其仍存在合成源头污染严重的问题。聚乙烯醇缩甲醛和脲醛树脂类物质含有大量的甲醛单元，会在环境中缓慢释放甲醛分子，带来环境污染问题。硅酸盐水泥和水玻璃等无机材料会引起喷播基材的板结，从而影响植被的生长和存活。

本发明提出采用天然化合物作为粘合剂和保水剂制备无土喷播基质，天然化合物不仅不存在合成源头污染问题，不会释放危害环境的组分，而且在使用过程中会被分解成植物生长所需要的肥料。所发明的无土喷播基质对工程坡面具有良好的粘着力，可耐雨水冲刷；具有良好的保水能力和抗蒸腾能力，减轻了养护压力；基材质地柔软、不易板结，具有良好的透气性能，为植被生长营造良好的生存环境。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种矿山复绿用无土喷播基质及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种矿山复绿用无土喷播基质，由喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液配制而成；其中，所述喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液的质量比为800-1480:1110-10500:1540-10250。

优选的，所述喷播基础料包括以下重量份的组份：蛭石粉40-120份、珍珠岩60-160份、东北黑炭土100-200份、植物纤维600-1000份；其中，所述植物纤维为蔗渣纤维、棉花秸秆纤维粉末、水苔纤维粉末、水稻秸秆纤维、绿藻纤维、椰糠纤维、杨柳树纤维中的一种或多种。

优选的，所述粘合剂溶液由以下组份配制而成：尿素5-50份、水1000-10000份、棉籽粕100-400份、柠檬酸5-50份。

优选的，所述保水剂溶液由以下组份配制而成：海藻酸钠30-200份、水1500-10000份、多价金属离子10-50份；其中，所述多价金属离子为氯化钙、氯化钡、硝酸铁、硝酸铝、氯化钡中的一种或多种。

矿山复绿用无土喷播基质的制备方法，包括以下步骤：

S1、配制喷播基础料：将40-120份蛭石粉、60-160份珍珠岩、100-200份东北黑炭土和600-1000份的植物纤维加入到搅拌机内搅拌，获得混合均匀的喷播基础料。

S2、制备粘合剂溶液：取5-50份尿素溶解到1000-10000份自来水中，搅拌均匀，促使尿素全部溶解，再加入100-400份棉籽粕，搅拌反应10-240分钟，然后加入5-50份柠檬酸，继续搅拌反应10-400分钟。

S3、配置保水剂溶液：取30-200份海藻酸钠加入到1500-10000份水中，在10-100℃条件下搅拌10-480分钟，促使海藻酸钠全部溶解，然后加入10-50份多价金属离子，并在10-100℃条件下继续搅拌10-200分钟，促使金属离子全部溶解，并与海藻酸钠的钠离子进行离子交换，形成网络交联结构的保水剂溶液。

S4、将喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液加入到搅拌罐内，并在10-100℃条件下搅拌10-200分钟，在搅拌过程中，与海藻酸钠螯合的多价金属离子与植物纤维表面的酚羟基、改性棉籽粕内的植酸、棉酚、以及改性棉籽粕内残留纤维素表面酚羟基进一步螯合，形成联系紧密的网络结构的矿山复绿用无土喷播基质。

优选的，步骤S1中，所述蛭石粉的细度在60-80目之间；所述珍珠岩颗粒的直径在3-5毫米之间。

优选的，步骤S1中，所述植物纤维的长度在1-10毫米之间，长径比在4-20之间；所述植物纤维为蔗渣纤维、棉花秸秆纤维粉末、水苔纤维粉末、水稻秸秆纤维、绿藻纤维、椰糠纤维、杨柳树纤维中的一种或多种。

优选的，步骤S2中，取5-50份尿素溶解到1000-10000份自来水中，在10-100℃条件下搅拌反应10-50分钟，促使尿素全部溶解，再加入100-400份棉籽粕，并在10-100℃条件下搅拌反应30-200分钟，然后加入5-50份柠檬酸，并在10-100℃条件下继续搅拌反应60-400分钟。

优选的，步骤S3中，所述多价金属离子为氯化钙、氯化钡、硝酸铁、硝酸铝水溶液中的一种或多种。

优选的，步骤S4中，步骤S4中，所述将喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液按照质量比800-1480:1110-10500:1540-10250加入到搅拌罐内。

本发明具有以下技术效果：

本发明一种矿山复绿用无土喷播基质包括蛭石、珍珠岩、东北黑炭土、植物纤维、海藻酸钠、改性棉籽粕粘合剂、多价金属离子盐。其中，植物纤维作为骨架材料可织构一个疏松多孔的主体结构，为植被根系发育提供良好的生存环境。棉籽粕中一般残留较多的植酸、棉酚以及纤维素。植物纤维表面含有大量的酚羟基。利用植酸、棉酚和纤维素表面的酚羟基与多价金属离子的螯合作用，可将棉籽粕粘合剂、海藻酸钠保水剂和植物纤维交联起来，交织成严密的网络结构，从而提高喷播基质的粘合能力，抗雨水冲刷能力和保水能力。蛭石能够有效地促进植物根系的生长和小苗的稳定发育，长时间提供植物生长所必需的水分及营养，并能保持根阳光温度的稳定，促进植物较快生长，增加产量。珍珠岩具有储水和防止培养基板结的作用，还可增加培养基的透气性，为植物根系提供蔓延生长空间。东北黑炭土含有大量可供植物吸收的营养成分，具有良好的保水性。海藻酸钠是一种天然材料，与植物纤维有良好的相容性，具有良好的吸水性和保水性，是形成水凝胶的主体材料，并且不会产生环境污染的问题。当添加多价金属离子时，海藻酸钠的钠离子与多价金属离子发生离子交换反应，形成交联网络结构，从而形成水凝胶。海藻酸钠除了自身形成交联网络，还会通过与之螯合的多价金属离子进一步与植物纤维表面的酚羟基、改性棉籽粕粘合剂内的植酸和棉酚螯合，从而形成更加坚韧的整体吸水网络。

本发明采用了独特的生物质粘合剂：改性棉籽粕粘合剂。我国年产棉籽800-1000万吨，棉籽经预压浸提或直接溶剂浸提取油后的副产物为棉籽粕，棉籽粕中含有40%以上的蛋白质。通过对蛋白质改性可将棉籽粕转变为具有网状交联结构的粘合剂(CN112920771A)。尿素是一种有效的蛋白质变性剂。氢键是维持二级蛋白质构象的主要作用力。尿素中的氢和氧原子可以主动攻击蛋白质中的氢键，并破坏蛋白质的二级构象。柠檬酸可通过羧基与蛋白质中的氨基反应，提高蛋白质的交联程度和黏附能力(F.Li,X.P.Li,W.H.Wang.Soy flour adhesive modified with urea,citric acid and boric acid,Pigment&Resin Technology,2010,39(4):223-227.)。本发明提出采用尿素和柠檬酸改性的棉籽粕作为喷播基质的粘合剂，本发明采用的改性棉籽粕粘合剂是一种天然的生物质基粘合剂。尿素可打破棉籽粕中蛋白质的二级构象，促使蛋白质形成舒展、发散的网络结构。柠檬酸的羧基可以与蛋白质的氨基相互作用，提高蛋白质分子间的交联程度，提高棉籽粕粘合剂的粘着力。改性棉籽粕粘合剂可将无土喷播基质中的各个组分粘结起来，并附着于工程破面上，提高喷播基质的耐雨水冲刷性。改性棉籽粕内残留的植酸和棉酚可参与到与多价金属离子的螯合作用中，从而与海藻酸钠、植物纤维形成紧密的网络结构。

多价金属离子盐，包括氯化钙、氯化钡、硝酸铁、硝酸铝、氯化钡等，为海藻酸钠聚合物链段之间，以及海藻酸钠聚合物链段与植物纤维、改性棉籽粕粘合剂的植酸和棉酚之间，提供链接点。一个多价金属离子可以螯合多个羧基或酚羟基，而一个钠离子只能螯合一个酸性位点。因此加入多价金属离子之后，多价金属离子与海藻酸钠的钠离子发生离子交换，并且进一步与植物纤维表面的酚羟基、植酸、棉酚等螯合，从而起到链接、锁定海藻酸钠高分子链段，强化海藻酸钠高分子链段与植物纤维以及改性棉籽粕粘合剂之间的纠缠作用。

实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

首先，配制喷播基础料：将40份蛭石粉、60份珍珠岩、105份东北黑炭土和615份的植物纤维加入到卧式搅拌机内搅拌30-300分钟，获得混合均匀的喷播基础料。所述蛭石粉的细度在60-80目之间。所述珍珠岩颗粒的直径在3-5毫米之间。植物纤维的长度在1-10毫米之间，长径比在4-20之间。

然后，制备粘合剂溶液：取6份尿素溶解到1000份自来水中，在10-100℃条件下搅拌反应10-50分钟，促使尿素全部溶解。然后加入100份棉籽粕，并在10-100℃条件下继续搅拌反应10-240分钟。然后加入7份柠檬酸，并在10-100℃条件下继续搅拌反应10-400分钟。

之后，配置保水剂溶液：取35份海藻酸钠加入到1600份水中，在10-100℃条件下搅拌10-480分钟，促使海藻酸钠全部溶解。然后加入12份氯化钙，并在10-100℃条件下继续搅拌10-200分钟，促使金属离子全部溶解，并与海藻酸钠的钠离子进行离子交换，形成网络交联结构。

最后，将喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液按照质量比800-1480:1110-10500:1540-10250加入到搅拌罐内，并在10-100℃条件下搅拌10-200分钟，获得可喷播的无土喷播基质。在此搅拌过程中，与海藻酸钠螯合的多价金属离子与植物纤维表面的酚羟基、改性棉籽粕内的植酸、棉酚、以及改性棉籽粕内残留纤维素表面酚羟基进一步螯合，形成联系紧密的网络结构。

实施例

首先，配制喷播基础料：将60份蛭石粉、80份珍珠岩、120份东北黑炭土和700份的植物纤维加入到卧式搅拌机内搅拌30-300分钟，获得混合均匀的喷播基础料。所述蛭石粉的细度在60-80目之间。所述珍珠岩颗粒的直径在3-5毫米之间。植物纤维的长度在1-10毫米之间，长径比在4-20之间。

然后，制备粘合剂溶液：取13份尿素溶解到2000份自来水中，在10-100℃条件下搅拌反应10-50分钟，促使尿素全部溶解。然后加入210份棉籽粕，并在10-100℃条件下继续搅拌反应30-200分钟。然后加入15份柠檬酸，并在10-100℃条件下继续搅拌反应60-400分钟。

之后，配置保水剂溶液：取50份海藻酸钠加入到2400份水中，在10-100℃条件下搅拌120-480分钟，促使海藻酸钠全部溶解。然后加入19份氯化钙，并在10-100℃条件下继续搅拌20-200分钟，促使金属离子全部溶解，并与海藻酸钠的钠离子进行离子交换，形成网络交联结构。

最后，将喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液按照质量比800-1480:1110-10500:1540-10250加入到搅拌罐内，并在10-100℃条件下搅拌60-200分钟，获得可喷播的无土喷播基质。在此搅拌过程中，与海藻酸钠螯合的多价金属离子与植物纤维表面的酚羟基、改性棉籽粕内的植酸、棉酚、以及改性棉籽粕内残留纤维素表面酚羟基进一步螯合，形成联系紧密的网络结构。

实施例

首先，配制喷播基础料：将85份蛭石粉、125份珍珠岩、150份东北黑炭土和820份的植物纤维加入到卧式搅拌机内搅拌30-300分钟，获得混合均匀的喷播基础料。所述蛭石粉的细度在60-80目之间。所述珍珠岩颗粒的直径在3-5毫米之间。植物纤维的长度在1-10毫米之间，长径比在4-20之间。

然后，制备粘合剂溶液：取30份尿素溶解到6000份自来水中，在10-100℃条件下搅拌反应10-50分钟，促使尿素全部溶解。然后加入290份棉籽粕，并在10-100℃条件下继续搅拌反应30-200分钟。然后加入31份柠檬酸，并在10-100℃条件下继续搅拌反应60-400分钟。

之后，配置保水剂溶液：取120份海藻酸钠加入到6500份水中，在10-100℃条件下搅拌120-480分钟，促使海藻酸钠全部溶解。然后加入31份硝酸铁，并在10-100℃条件下继续搅拌10-200分钟，促使金属离子全部溶解，并与海藻酸钠的钠离子进行离子交换，形成网络交联结构。

最后，将喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液按照质量比800-1480:1110-10500:1540-10250加入到搅拌罐内，并在10-100℃条件下搅拌60-200分钟，获得可喷播的无土喷播基质。在此搅拌过程中，与海藻酸钠螯合的多价金属离子与植物纤维表面的酚羟基、改性棉籽粕内的植酸、棉酚、以及改性棉籽粕内残留纤维素表面酚羟基进一步螯合，形成联系紧密的网络结构。

实施例

首先，配制喷播基础料：将100份蛭石粉、150份珍珠岩、180份东北黑炭土和950份的植物纤维加入到卧式搅拌机内搅拌30-300分钟，获得混合均匀的喷播基础料。所述蛭石粉的细度在60-80目之间。所述珍珠岩颗粒的直径在3-5毫米之间。植物纤维的长度在1-10毫米之间，长径比在4-20之间。

然后，制备粘合剂溶液：取45份尿素溶解到9600份自来水中，在10-100℃条件下搅拌反应10-50分钟，促使尿素全部溶解。然后加入385份棉籽粕，并在10-100℃条件下继续搅拌反应30-200分钟。然后加入47份柠檬酸，并在10-100℃条件下继续搅拌反应60-400分钟。

之后，配置保水剂溶液：取180份海藻酸钠加入到9400份水中，在10-100℃条件下搅拌120-480分钟，促使海藻酸钠全部溶解。然后加入46份硝酸铝，并在10-100℃条件下继续搅拌20-200分钟，促使金属离子全部溶解，并与海藻酸钠的钠离子进行离子交换，形成网络交联结构。

最后，将喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液按照质量比800-1480:1110-10500:1540-10250加入到搅拌罐内，并在10-100℃条件下搅拌60-200分钟，获得可喷播的无土喷播基质。在此搅拌过程中，与海藻酸钠螯合的多价金属离子与植物纤维表面的酚羟基、改性棉籽粕内的植酸、棉酚、以及改性棉籽粕内残留纤维素表面酚羟基进一步螯合，形成联系紧密的网络结构。

性能评价

分别取出实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的喷播基质，涂抹在倾斜角度大于70°小于90°的粗糙石面上，观察喷播基质能否黏附在石面表面，若喷播基质接触石面后不会因自身重力而缓慢向下流延，则表面所配置的喷播基质对石面具有良好的黏着力。然后将其置于太阳光下充分晒干，观察其是否板结变硬。在充分干燥的植物培养基表面喷洒自来水，观察其吸水能力。

其性能评价结果如表1所示：

表1 实施例1-4性能评价表

以上实施例仅起到解释本发明技术方案的作用，本发明所要求的保护范围并不局限于上述实施例的实现系统和具体实施步骤。对上述实施例进行的替换和改进，均应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种矿山复绿用无土喷播基质的制备方法，其特征在于：所述制备方法为：

S1、配制喷播基础料：将100份蛭石粉、150份珍珠岩、180份东北黑炭土和950份的植物纤维加入到搅拌机内搅拌，获得混合均匀的喷播基础料；

所述蛭石粉细度在60-80目之间；所述珍珠岩颗粒的直径在3-5毫米之间；植物纤维的长度在1-10毫米之间，长径比在4-20之间；

S2、制备粘合剂溶液：取45份尿素溶解到9600份自来水中，搅拌均匀，促使尿素全部溶解，再加入385份棉籽粕，搅拌反应30-200分钟，然后加入47份柠檬酸，继续搅拌反应60-400分钟；

S3、配置保水剂溶液：取180份海藻酸钠加入到9400份水中，在10-100℃条件下搅拌120-480分钟，促使海藻酸钠全部溶解，然后加入46份硝酸铝，并在10-100℃条件下继续搅拌20-200分钟，促使金属离子全部溶解，并与海藻酸钠的钠离子进行离子交换，形成网络交联结构的保水剂溶液；

S4、将所述喷播基础料、粘合剂溶液、保水剂溶液按照质量比800-1480:1110-10500:1540-10250加入到搅拌罐内，并在10-100℃条件下搅拌60-200分钟，在搅拌过程中，与海藻酸钠螯合的多价金属离子与植物纤维表面的酚羟基、改性棉籽粕内的植酸、棉酚、以及改性棉籽粕内残留纤维素表面酚羟基进一步螯合，形成联系紧密的网络结构的矿山复绿用无土喷播基质。

2.根据权利要求1所述的矿山复绿用无土喷播基质的制备方法，其特征在于：所述植物纤维为蔗渣纤维、棉花秸秆纤维粉末、水苔纤维粉末、水稻秸秆纤维、绿藻纤维、椰糠纤维、杨柳树纤维中的一种或多种。