CN1249200C - 一种高效低成本膨润土复合液态固沙材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效低成本膨润土复合液态固沙材料及其制备方法。该固沙材料利用自然界广泛分布、储量丰富的天然非金属矿物膨润土，经过对之进行分散、改型、纯化等加工处理后，与少量有机聚合物如聚乙烯醇、聚丙烯酸盐等进行复合配伍，得到一种具有高吸水性和保水性、易于喷洒施工、固沙后的固结层具有良好的抗压强度、抗风蚀、抗冻融和抗老化性能、制造和使用成本低廉的膨润土复合液态固沙材料。

Description

一种高效低成本膨润土复合液态固沙材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种治理沙漠及沙漠化土地的固沙材料及其制备方法，特别涉及一种利用自然界广泛分布、储量丰富的天然非金属矿物-膨润土为主要成分，与少量水溶性聚合物以及大量的水复合配伍形成的高效低成本液态固沙材料及其制备方法。

背景技术

随着全球环境、气候的恶化和人类社会化生产的开展，水土流失和土地荒漠化已成为世界性的严重问题。我国在此方面存在的问题尤其突出。据不完全统计，我国共有沙漠及沙漠化土地约150多万平方千米，约占国土面积的16％，而且近几十年来，我国的沙漠化土地以年均超过1000平方千米的速度不断扩大，土地荒漠化波及全国13个省市自治区，对相关地区的环境、工农业生产和人民的生活构成了极大的危害和威胁，严重影响到我国国土上人口的合理分布和社会经济的发展。近年来经常肆虐的沙尘暴对我国更广大地区的气候、环境和人民生活造成了很大的危害和不便。这些现象早已引起了我国政府的高度重视，对水土流失及土地荒漠化的治理、实施水土保持已成为我国的一项基本国策。因此，研究开发合理、经济、高效的固沙材料来固沙植被、治理沙漠及沙漠化土地具有非常重要的战略意义和现实意义。

我国已在较长时间内开展了固沙的研究开发和实际应用，采用的方法主要有机械固沙、植物固沙和固沙材料固沙等几种。机械固沙(如编制草方格)、植物固沙(如栽种沙生植物等)人力物力投入大、成本高，施工慢且成效不显著，因此近几十年来，固沙材料固沙的方法得到了较快的发展。固沙材料可分为化学固沙材料和复合固沙材料两大类。化学固沙材料采用纯化学制剂或原油及其产品、副产品进行固沙，如已授权的中国专利ZL91104881.2、ZL00108062.8和已公开的中国专利97108194.8、90108191.4等对此进行了描述。化学固沙材料尽管固沙效果不错，但其造价高、固沙成本大，不易普遍推广，且有些化学固沙材料长期使用会给固沙地带造成不同程度的化学污染，带来新的环境污染问题。近年来，复合固沙材料得到研究和开发，总体上看，这种材料或多或少克服了化学固沙材料存在的缺陷，但其自身也存在着一些其它问题。如中国专利ZL00109093.3描述了一种聚丙烯酰胺和膨润土组成的粉末固沙剂，利用聚丙烯酰胺和膨润土的吸水性来进行固沙。对于该固沙剂，姑且不论聚丙烯酰胺因其分子量极大，是一种高吸水性树脂，在常规状态下需在其本身重量100倍以上的水中才能溶解，500倍以上的水中才能形成均匀的分散相，而沙漠及沙漠化地区的降雨量极少且远低于其地表蒸发量，用此粉末固沙剂在沙漠和沙漠化地区固沙无异于空中楼阁、海市蜃楼，仅就专利中描述的人工饱和浇水灌溉形成固沙层而言，其固结层厚度未加描述，固结强度仅为0.02～0.05MPa，难以达到稳定固沙的要求。已公开的中国专利01127432.8、01105652.5、01128709.8、02123949.5描述了用各类有机和(或)无机材料制成各种类型的复合固沙材料，有固态制剂也有液态制剂，这些专利均描述了其各自的成分配方，但它们和上述授权专利ZL00109093.3都存在一些共同的缺陷，即缺乏对这些复合固沙材料的固沙性能如固结强度、抗风蚀性、抗冻融性、抗老化性的测试数据，因而无法评估其固沙效果。另外，这些专利也未对其材料的成本进行核算，因此也无法对其在经济上是否可行进行评价。

发明内容

本发明的目的是为了研制出一种既有高效的固沙效果、又造价低廉、便于推广的新型复合液态固沙材料。

本发明的另一目的是研制一种制备上述新型复合液态固沙材料的方法。

为实现上述第一目的，本发明复合液态固沙材料采用的技术方案是：

一种高效低成本膨润土复合液态固沙材料，该复合液态固沙材料组合物含有下列组份和含量：

膨润土       0.5～5％重量；

聚乙烯醇     0.2～1％重量，分子量为1000～3000；

水           94～99％重量。

上述技术方案的有关内容解释如下：

1、为了进一步提高效果，上述方案中还可以含有：

聚丙烯酸盐或丙烯酸盐0.01～0.7％重量，其中，聚丙烯酸盐的分子量为2000～5000。

2、上述方案中，所述固沙材料中的膨润土包括下列各种属型之一或一种以上的组合：

钠基、钙基、钠钙基、钙钠基、锂基、镁基、氢基属型的膨润土。

为实现上述第二目的，本发明复合液态固沙材料制备方法采用的技术方案是：一种高效低成本膨润土复合液态固沙材料的制备方法，其内容为：

(1)、对膨润土原料进行预处理：

A、将膨润土原料加水及改型剂，经搅拌或挤压对其进行改型、分散；

B、然后加入无机盐和水进行分级、纯化，得到粒度95％以上≤5μm的纯化膨润土矿浆；

C、所述改型剂和无机盐均为无机钠盐，所述无机钠盐选择下列各种无机钠盐中的一种或一种以上的组合：

硫酸钠、氯化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氟化钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、多聚磷酸钠。

(2)、复配：

A、复配配方

膨润土      0.5～5％重量；

聚乙烯醇    0.2～1％重量，分子量为1000～3000；

水          94～99％重量；

B、复配方法

将纯化后的膨润土矿浆、聚乙烯醇水溶液和水，按比例置于容器中混合搅拌、反应，进行复合配伍，配制成膨润土复合液态固沙剂。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、按照配方，如果膨润土复合液态固沙剂中含有聚丙烯酸盐，则在上述膨润土处理的B步中，还加入聚丙烯酸盐；在复配时，也加入聚丙烯酸盐。

2、上述方案中，所述改型、分散、分级、纯化等概念为非金属矿提纯和深加工过程中的现有工艺。

本发明原理和效果如下：

本发明人长期从事非金属矿物的选矿提纯和深加工研究工作，对非金属矿物的特性有深入、透彻的了解。本发明复合液态固沙材料中的主要成分膨润土是一种天然的硅酸盐粘土矿物，按其自然产出状态，可分为钠基、钙基、钠钙基、钙钠基、锂基、镁基、氢基等各种属型的膨润土。膨润土特殊的2∶1型层状晶体结构使其具有优良的吸附性、粘结性、吸水性、保水性、离子交换性、凝胶性、稳定性等特性，并且有一定的湿压、干压和热湿拉强度，膨润土的这些特性使其在各种领域都得到了广泛应用，因而获得了“万能粘土”的别称。膨润土作为冶金工业的铸造型砂粘结剂、铁矿球团粘结剂、特种铸造涂料及脱模剂，建材工业的水泥沙浆添加剂、防水阻隔材料的广泛应用证明其优良的粘结性和保水性，作为石油、食品、日用化工、农业、医药等领域应用的钻井泥浆、无机矿物凝胶、化肥及农药载体等则证明了其优良的吸水性和吸附性。但在自然状态下膨润土的某些特性难以正常体现，需要对之进行相应的加工和处理，才能使其发挥其某一方面或多方面的特性。本发明利用膨润土所具有的这些特性，通过对各种属型的膨润土进行分散、改型、纯化等加工后，与某些有机聚合物复合配伍制成对沙粒具有良好的粘结性、吸水性高、对渗入沙表层下的水保水性好、固沙效果明显的复合固沙材料。

本发明复合液态固沙材料的另一成分为聚乙烯醇、聚丙烯酸盐类的有机聚合物，这两类有机聚合物均能溶于水，易于配制，其中聚乙烯醇分子量为1000～3000，聚丙烯酸盐分子量为2000～5000，二者皆无毒性，且在自然状态下数年内能自行降解，因此不会对环境造成污染。本发明的复合液态固沙材料中单独使用聚乙烯醇或复合使用聚乙烯醇和聚丙烯酸盐这两类有机聚合物的目的一方面是能进一步使纯化后的膨润土在高吸水状态下有效悬浮、保持复合液态固沙材料的稳定性，另一方面也利用这两类物质良好的渗透性和对沙粒的粘结性，使固沙后的固沙层具有更好的固结强度，并有助于减小固结层下水分的蒸发速度。

本发明复合液态固沙材料的另一主要成分是大量的水，添加水的作用一方面可降低加工处理后的膨润土的制造成本、保持膨润土和聚合物的合适含量，便于喷洒和固沙的快速施工、降低综合固沙成本，另一方面可为被固沙地带注入并保存适当的水分，为在被固沙地带形成植被而提供必要的水分。

基于上述性能、特点的描述，本发明的复合液态固沙材料是由经分散、改型、纯化等加工处理后的膨润土与聚乙烯醇、聚丙烯酸盐类有机聚合物以及水共同复合配伍和完美结合的产物。

本发明复合液态固沙材料的制备技术和工艺过程如图1所示。制备出的复合液态固沙材料的粘度为10～300mPa·s，易于喷洒和固沙的快速施工。

将上述复合液态固沙材料置于普通喷洒器具中使之成雾状喷洒在沙层上，由于沙层上沙粒间的微隙一般在8～10μm，前期喷出的固沙材料中的膨润土因其粒度95％以上≤5μm，可随粒度一般为0.5μm的聚乙烯醇和聚丙烯酸盐快速渗入沙层内部，随着喷洒量的增加，本固沙材料中的膨润土不断填充于沙粒缝隙中，与聚乙烯醇、聚丙烯酸盐一道将松散的沙粒相互粘连在一起，在沙表层上形成一层厚度1～10mm(根据含量和喷洒量的不同而变化)的固结层，经自然蒸发和风干后，该固结层逐渐变硬，最终形成一层具有一定强度的坚实固结层，起到有效固定松散沙粒、防止其在风力作用下流动的效果。而风干后的固结层中由于含有膨润土、聚乙烯醇、聚丙烯酸盐等充填于沙粒之间的缝隙中，使缝隙变小直至完全填塞，使随本固沙材料的喷洒而渗入下部沙层中的水分难以或不能通过这些被填充的缝隙而蒸发，从而使固结层下的水分有效保持较长的时间。因而使本复合液态固沙材料如上所述起到固沙和保水的作用。

将本发明的复合液态固沙材料按每平方米2～6Kg的用量喷洒在沙层上，可使沙粒表层形成1～10mm厚的固结层，干燥后的固结层具有较好的抗压强度、一般可达0.1～0.3MPa；固结层具有良好的抗风蚀性能，在风速≥25m/s的条件下，持续两个月时，固沙材料的质量损失率＜50％，最好时只有20～30％；固结层具有良好的抗冻融性能，在25个冻融循环下，其强度损失率≤30％，质量损失率≤2％；固结层由于填充了无机非金属矿物膨润土而同时具有良好的抗老化性能，在紫外光连续照射300小时下，其强度损失率≤30％，外形无明显变化，能满足继续使用的要求。喷洒了本复合液态固沙材料后的沙层根据材料喷洒量的不同，在自然状态下，其保水时间为1～6个月或更长。在前述喷洒量为2～6Kg/m2的情况下，本固沙材料中膨润土成分按用量计算所占的制造成本为0.02～0.15元，聚乙烯醇按用量计算所占的成本为0.14～0.42元/m2，聚丙烯酸盐按用量计算所占的成本为0～0.06元/m2，水按用量计算所占成本不足0.01元/m2(可忽略不计)，本固沙材料按用量计算的总成本为0.16～0.63元/m2，因而本发明的固沙材料是一种真正高效低成本的复合液态固沙材料。

附图说明

附图1为本发明复合液态固沙材料的制备技术和工艺过程方框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

一种高效低成本膨润土复合液态固沙材料，按以下步骤进行制备：

(1)、将钠基膨润土原料加水及改型剂(碳酸钠)，经搅拌或挤压对其进行改型、分散，然后加入聚丙烯酸盐、无机盐(六偏磷酸钠)和水进行分级、纯化，得到粒度95％以上≤5μm的纯化膨润土矿浆；

(2)、聚乙烯醇配成常规浓度的水溶液；

(3)、将纯化后的膨润土矿浆、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯酸盐和水，按比例置于容器中混合搅拌、反应，进行复合配伍，配制成含钠基膨润土1.5％、聚乙烯醇0.3％、聚丙烯酸盐0.02％、水98.18％、吸水54.2倍的膨润土复合液态固沙剂。

将该膨润土复合液态固沙材料0.6Kg喷洒于面积为0.1m2、厚度为200mm的沙层上，形成一厚度为6mm左右的固结层，风干后取样测试其抗压强度为0.12MPa，抗风蚀强度为风速25m/s持续2小时质量损失率为0.04％，抗冻融性为25个冻融循环下，抗压强度为0.09MPa、强度损失率为25.00％，质量损失率为0.15％，抗老化性为紫外光连续照射300小时下，抗压强度为0.093MPa，强度损失率为22.50％，外形无明显变化。该条件下材料的用量成本为0.24元/m2。固结层下的水分6个月后仍未完全蒸发。

实施例2：

按实施例1方法，制备成含钙基膨润土2.0％、聚乙烯醇0.4％、聚丙烯酸盐0.01％、水97.59％、吸水45.7倍的膨润土复合液态固沙材料。其中，改型剂为碳酸氢钠，无机盐为多聚磷酸钠。

将该膨润土复合液态固沙材料0.5Kg喷洒于面积为0.1m2、厚度为200mm的沙层上，形成一厚度为5mm左右的固结层，风干后取样测试其抗压强度为0.14MPa，抗风蚀强度为风速25m/s持续2小时质量损失率为0.03％，抗冻融性为25个冻融循环下，抗压强度为0.11MPa、强度损失率为21.43％，质量损失率为0.2％，抗老化性为紫外光连续照射300小时下，抗压强度为0.106MPa，强度损失率为24.29％，外形无明显变化。该条件下材料的用量成本为0.31元/m2。固结层下的水分2个月后仍未完全蒸发。

实施例3：

按实施例1方法，制备成含钠钙基膨润土2.8％、聚乙烯醇0.5％、聚丙烯酸钠0.04％、水96.66％、吸水28.9倍的膨润土复合液态固沙材料。其中，改型剂为氟化钠，无机盐为六偏磷酸钠。

将该膨润土复合液态固沙材料0.3Kg喷洒于面积为0.1m2、厚度为200mm的沙层上，形成一厚度为3mm左右的固结层，风干后取样测试其抗压强度为0.11MPa，抗风蚀强度为风速25m/s持续2小时质量损失率为0.02％，抗冻融性为25个冻融循环下，抗压强度为0.09MPa、强度损失率为18.18％，质量损失率为0.2％，抗老化性为紫外光连续照射300小时下，抗压强度为0.87MPa，强度损失率为20.19％，外形无明显变化。该条件下材料的用量成本为0.20元/m2。固结层下的水分2个月后仍未完全蒸发。

实施例4：

按实施例1方法，制备成含钙基膨润土3.5％、聚乙烯醇0.66％、聚丙烯酸盐0.03％、水95.81％、吸水24.1倍的膨润土复合液态固沙材料。其中，改型剂为碳酸氢钠，无机盐为焦磷酸钠。

将该膨润土复合液态固沙材料0.6Kg喷洒于面积为0.1m2、厚度为200mm的沙层上，形成一厚度为8mm左右的固结层，风干后取样测试其抗压强度为0.27MPa，抗风蚀强度为风速25m/s持续2小时质量损失率为0.01％，抗冻融性为25个冻融循环下，抗压强度为0.205MPa、强度损失率为24.07％，质量损失率为0.2％，抗老化性为紫外光连续照射300小时下，抗压强度为0.210MPa，强度损失率为22.22％，外形无明显变化。该条件下材料的用量成本为0.52元/m2。固结层下的水分3个月后仍未完全蒸发。

Claims (5)

1、一种高效低成本膨润土复合液态固沙材料，其特征在于该复合液态固沙材料组合物含有下列组份和含量：

膨润土       0.5～5％重量；

聚乙烯醇     0.2～1％重量，分子量为1000～3000；

水           94～99％重量。

2、根据权利要求1所述的固沙材料，其特征在于还含有：

聚丙烯酸盐或丙烯酸盐0.01～0.7％重量，其中，聚丙烯酸盐的分子量为2000～5000。

3、根据权利要求1或2所述的固沙材料，其特征在于：固沙材料中的膨润土包括下列各种属型之一或一种以上的组合：

钠基、钙基、钠钙基、钙钠基、锂基、镁基、氢基属型的膨润土。

4、一种高效低成本膨润土复合液态固沙材料的制备方法，其特征在于：

(1)、对膨润土原料进行预处理：

A、将膨润土原料加水及改型剂，经搅拌或挤压对其进行改型、分散；

B、然后加入无机盐和水进行分级、纯化，得到粒度95％以上≤5μm的纯化膨润土矿浆；

C、所述改型剂和无机盐均为无机钠盐，所述无机钠盐选择下列各种无机钠盐中的一种或一种以上的组合：

硫酸钠、氯化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氟化钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、多聚磷酸钠。

(2)、复配：

A、复配配方

膨润土           0.5～5％重量；

聚乙烯醇         0.2～1％重量，分子量为1000～3000；

水               94～99％重量；

B、复配方法

将纯化后的膨润土矿浆、聚乙烯醇水溶液和水，按比例置于容器中混合搅拌、反应，进行复合配伍，配制成膨润土复合液态固沙剂。

5、根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在上述膨润土处理的B步中，还加入聚丙烯酸盐；在复配时，也加入聚丙烯酸盐。