（应用化学专业论文）固沙抑尘剂P（VAcBA）的合成与研究.pdf

摘要 固沙抑尘剂p a c b a ) 的合成与研究 摘要 土地沙漠化是一个世界性生态环境问题，严重制约了国民经济的可持 续发展。实施化学固沙遏止沙漠化进程，对经济发展、自然生态环境保护 等均具有重要的现实意义。合成高分子类固沙抑尘材料是一种新型化学固 沙抑尘材料，它能对沙丘或沙质地表建造既能防止风力吹蚀又具有保持水 分和改良沙地性质的固结层，以达到控制和改善沙害环境，提高沙地生产 力的目的。其研究领域日益广泛，具有很好的应用前景。论文研制的固沙 抑尘剂是一种水溶性良好的醋酸乙烯酯一丙烯酸丁酯共聚物乳液。 该固沙抑尘剂的合成主要有三步反应：乳化反应、种子单体聚合反应、 剩余单体聚合反应。论文研究了固沙抑尘剂的合成方法和工艺条件，讨论 了反应单体组成、引发剂用量、保护胶体用量、乳化剂总用量及内比等因 素对固沙抑尘剂乳液性能的影响。实验结果表明：b a 质量分数为3 0 ， 引发剂质量分数为o 8 ，保护胶体聚乙烯醇质量分数为3 、乳化剂质量 分数为4 内比1 ：3 ，是最佳工艺条件。所制备的产物粘度为1 5 5 4 0 m p a s ， 作为固沙剂使用效果较好。 论文对所制备的固沙抑尘剂进行了性质表征。包括：对不同组成、不 同固含量、不同温度下的固沙抑尘剂进行了粘度测试；对固沙剂进行了红 外光谱分析和差热分析，表征了产物的特征基团和热稳定性；并采用扫描 电子显微镜对固沙抑尘剂固化后的固结层进行了外观形态表征。结果表 北京化丁人学顾。f ：研究生学位论文 明，所得产物的粘度适中，o 2 2 0 之间热稳定性好，适合固沙抑尘应用 的要求。 从实际应用角度出发，以沙土为对象，分别对固沙抑尘剂进行了保水 性能、抗水冲蚀性能、耐温性、抗风蚀性能、抗压强度等应用性能测试。 实验结果表明：固含量在3 o 以上时，固沙抑尘剂具有一定的保水能力； 按1 l m 2 用量喷洒固含量在2 o 6 o 之间的固沙剂，固结层耐水性较好； 喷洒固含量在2 o 以上的固沙剂，固结层能耐7 0 的地表温度；喷洒固 含量在6 o 以上的固沙剂乳液，沙模质量损失率低于o 1 ，抗风蚀性能 较好，沙模抗压强度达到o 8 7m p a ，并且抗压强度随着固含量的增大而 增大。从实验结果可以看出该固沙抑尘剂具有良好的固沙抑尘性能。 从固沙抑尘剂的物理化学性质表征以及应用性能测试可以看出，论文 所研制的固沙抑尘剂是一种多功能防沙固沙材料，能够满足防沙固沙的各 种要求，具有广阔的应用前景。 关键词：固沙抑尘剂，乳液聚合，醋酸乙烯酯，丙烯酸丁酯 l i 摘要 s y n t h e s i sa n dr e s e a r c ho fs a n d f i x i n ga n dd u s t s u p p r e s s a n t p n a c b a ) a b s t r a c t l a n dd e s e r t i f i c a t i o ni sb e c o m i n gaw o r l d w i d ee f i r o n m e n t a lp r o b l e mi n f e c e n ty e a r s ，w h i c hg r e a t l yr e s t r i c t st h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f t h e e c o n o m yo fo u rc o u n t r y t h ee x e c u t i o no fc h e m i c a ls a n d f i x a t i o n i sa n e f f e c t i v ea p p r o a c ht or e s t r a i nd e s e r t i f i c a t i o np r o c e s s ，w h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a l s 追n i f ：i c a n c e o ne c o n o m i c d e v e l o p m e n t a n d e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n s y n t h e t i cp o l y m e rm a t e f i a l i sak i n do fn e wc h e m i c a ls a n d f i x a t i o n a n dd u s ts u p p r e s s a n tm a t e r i a l ，i tc a nf o r ml a m e l l ao nt h es a n dd u n e so rs a n d y s u d a c ew h i c hc a np r e v e n tt h ew i n de r o s i o nb u ta l s om a i n t a i na n di m p r o v et h e n a t u r eo ft h es a n di no r d e rt oc o n t r o la n di m p r o v et h ee n v i r o n m e n t ，i n c r e a s e t h ep r o d u c t i v i t yo ft h es a n d l o t 1 1 1 i sr e s e a r c ha r e ah a ss i g n i f i c a n tf u t u r ea n d h a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h en e ws a n d - f i x a t i o nm a t e r i a lw h i c h h a sb e e nr e s e a r c h e di nt h i st h e s i si sp o l yv i n y la c e t a t e b u t y la c r ) r l a t ee m u l s i o n w h i c hh a sa9 0 0 dw a t e r - s o l u b i l i t y t h es a n d f i x a t i o na n dd u s ts u p p r e s s a n ti s p r e p a r e d i nt h r e e s t a g e i 北京化t 人学硕i 二研究生学位论义 p r o c e d u r e ，i n c l u d i n ge m u l s i f i c a t i o n ，s e e dm o n o m e rp o l y m e r 娩a t i o na n dt h e r e m a i n i n gm o n o m e fp o l y m e r i z a t i o n t h e s y n t h e t i cm e t h o da n df e a c t i o n c o n d i t i o n sw e r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s ，t h ei n f l u e n c eo ft h ep r o p o r t i o no f m o n o m e r ， t h ea m o u n to f p r o t e c t i v ec o l l o i d ， t h ea m o u n to fi n i t i a t o r ，t h e a m o u n to fe m u l s i f ：i e ra n dt h ee m u l s i f i e rr a t i oo ne m u l s i o np r o p e r t i e sw e r e d i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w i t h3 0 q u a l i t yo fb a ，o 8 q u a l i t yo f i n i t i a t o r ，3 q u a l i t yo fp r o t e c t i v ec o l l o i d ，4 m a s sc o n t e n to ft o t a le m u l s i f ：i e r i nt h e1 ：3r a t i o ，t h ev i s c o s i t yo ft h ep r o d u c ti s1 5 5 4 0 m p a 。s ，t h ep r o d u c th a s g o o ds a n df i x a t i o np e r f o r m a n c ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r so ft h es a n d - f i x a t i o na n dd u s t s u p p r e s s i o na g e n tw a sa l s oa n a i y z e d ，i n c l u d i n g ： t h ev i s c o s i t yt e s to nt h e d i f c e r e n t c o n l p o n e n t ， d i f f e r e n ts o l i dc o n t e n t ，d i 虢r e n t t e m p e r a t u r e s o f s a n d f i x a t i o na n dd u s ts u p p r e s s a n t ，f t i ra n a l y s i s ，t gt e s ta n ds e m a n a l y s i s 】ra n a l y s i sw a su s e dt ot e s tt h ec h a r a c t e r i s t i cg r o u po ft h ep r o d u c t s ；t g t e s tw a su s e dt ot e s tt h et h e r m a ls t a b i l i t yo ft h ep r o d u c t s ；s e mw a su s e dt o o b s e et h es h a p ec h a r a c t e r i s t i co ft h es a n ds h e l l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e s a m p l ew a sag o o ds a n d f i x a t i o na g e n ta n dh a ds u i t a l b l ev i s c o s i t ya n dg o o d t h e r m a ls t a b i l i t yb e t w e e no 一2 2 0 c o r d i n gt o t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no ft h es a n d f i x a t i o n a n dd u s t s u p p r e s s i o na g e n t ，t a k i n gt h es a n ds o i la sr e s e a r ho b j e c t ，w a t e rr e t e n t i o n ， w a t e rr e s i s t a n c e ，t h et o l e r a n c eo fh i g ht e m p e r a t u r e ，w i n dc o h o s i o nr e s i s t a n c e a n d c o m p r e s s i v es t r e n g t h w e r es t u d i e d 1 _ l l er e s u l t ss h o w e dt h a t ： t h e i v 摘要 s a n d f i x a t i o na n dd u s ts u p p r e s s i o na g e n th a sac e r t a i nw a t e rr e t e n t i o nw h e n t h es o l i dc o n t e n ti sm o r et h a n3 ；s p r a y i n gs a n d f i x a t i o nw i t h2 0 6 o s o l i d c o n t e n ti n1l m 2d o s a g e ，t h es a n ds h e l lh a sag o o dw a t e r r e s i s t a n c e ；s p r a y i n g s a n d - f i x a t i o nw i t hm o r et h a n2 o s o l i dc o n t e n t t h es a n ds h e l li sa b l et ob e a r t h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f7 0 ；s p r a y i n gs a n d f i x a t i o nw i t hm o r et h a n6 o s o l i dc o n t e n t ，t h es a n dm o d e ll o s sl e s st h a no 1 q u a l i t y ，h a sag o o dw i n d c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ；t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h es a n dm o d e li s u pt o o 8 7 m p a ，a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hw i l li n c r e a s ea l o n gw i t ht h ea d do f s o l i dc o n t e n t t h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h ee m u l s i o nh a sg o o dp r o p e r t i e so f s a n d f i x a t i o na n dd u s ts u p p r e s s i o n f r o mt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y t i c a lr e s u l t sa n dt h e a p p l i e dp r o p e r t i e st e s t e dr e s u n so ft h es a n d f i x a t i o na n dd u s ts u p p r e s s a n t ，w e c a ns e et h a ti ti sak i n do fm u l t i f u n c t i o ns a n d f i x a t i o nm a t e r i a la n db ea b l et o m e e ts a n d f i x a t i o nd e m a n d ，a n dh a v eaw i l da p p l i e dp r o s p e c t k e yw o r d s ：s a n df i x a t i o na n dd u s ts u p p r e s s a n t ，e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ， v i l l y la c e t a t e ，b u t y la c 巧l a t e v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 鸢垡 日期：望堕：查! 堕 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：彰堡 导师签名： 独豇墨 日期：硼p 各j 、，5 日期：堕：耻 第一章绪论 1 1前言 第一章绪论 荒漠化是当今全球最严重的环境与社会经济问题之一。我国是世界上荒漠化危害 严重的国家之_ ，尤其是我国北方的沙漠化( 沙质荒漠化) 以其面积广大和发展迅速 而引人关注。根据北方自然环境背景、人类活动与社会经济特点及其相互作用，我们 将沙漠化的概念总结为：沙漠化是在干旱、半干旱及部分半湿润地区由于人类不合理 经济活动与自然资源环境不相协调所产生的以风沙活动为主要标志的土地退化。我国 北方沙漠化的发生发展伴随着人类的文明历史，而且尤以近一个世纪以来的发展速 度为最快。沙漠化过程使土壤的风蚀风积作用加剧，破坏了土壤的理化性质，降 低乃至丧失了土地生产潜力，并使自然环境趋于恶化，给国民经济造成巨大损失，也 严重影响广大农牧区人民生活水平和生存环境。随着我国经济的发展和西部大丌发战 略的实施，我国公路、铁路、码头、矿山和水利工程等基本建设明显加快，由此也带 来了严重的土壤沙漠化、沙尘暴气候等问题。因此，人们对廉价、优质、方便易用的 防沙固沙新材料的要求同益迫切。现代固沙抑尘工程要求高效、廉价、快速、方便以 及无污染，论文所研制的水溶性高分子固沙材料在防沙治沙方面就有这样的优点。这 种水溶性高分子固沙剂可以采用工程机械化喷洒手段，喷洒后与沙土表面形成固化 层，使固化后的沙土具有一定抗压强度、抗风蚀、抗冻融及良好的渗水性能，从而实 现固沙抑尘的目的。 1 2 我国沙漠化状况及治理措施 1 2 1 土地沙漠化概念 王涛等【1 】认为沙漠化是干旱、半干旱以及部分半湿润地区主要由于人类不合理经 济活动和脆弱环境相互作用而造成土地生产力下降、土地资源丧失、地表呈现类似沙 漠景观的土地退化。但也有学者将沙漠、戈壁和风蚀地区等都归类为沙漠化土地，据 此，我国西北部地区广袤的沙漠戈壁等在人类历史之前形成的，与人类活动没有关系 的，也属于沙漠化土地。 北京化t 人学倾1 ：研究生学位论文 1 2 2 沙漠化的形成过程 沙漠的形成、发展与变化，可以说不是由单一因素造成的，而且沙漠的形成因素 也不是一成不变的，沙漠的形成是各种因素综合作用的结果，现代沙漠是一个自然一 社会的综合体f 2 _ 引。 1 1 沙漠形成原闪 f i g 1 - 1t l l ef e a s o no ft h ef b 衄a i i o no ft h ed e s e n s 从图卜1 中可以看出，沙漠的形成因素是复杂多样的，归纳起来包括自然与社会 两方面的因素。自然因素主要由地质地貌因素、气候因素、地球运动因素等作用；社 会因素主要是人类破坏性活动导致脆弱的生态系统严重失衡。其中，自然因素是基本 的、主要的；社会因素是从属的、次要的，只起促进或延缓作用。但是，在一定时空 内，往往社会因素所造成的后果远比自然因素更直接、更深刻得多。 土地沙漠化的成因虽然以人为经济活动作为诱导的因素，但也有潜在的自然因素 作为其发生的基础，只有这两者的结合j 能造成沙漠化的发生与发展。在潜在的自然 因素中：一是频繁的、超过临界起沙风( = 5 m s ) 的风力条件及其与干旱季节的时间配置 上的一致性；二是以物理性沙粒为主的地表组成物质的松散性，为沙漠化的发生发展 提供了沙源。 沙漠形成于地质历史时期，进入人类历史时期以后，已经成为复杂的自然一社会 综合体。由于人类经济活动对沙漠的形成演变产生着巨大的作用和深刻的影响，所以， 在改造治理和开发利用沙漠过程中，必须以区域自然环境为基础，以人的因素为主导， 以市场和经济规律为导向，以高科技为手段，以可持续发展为目标，恢复和建立沙漠 复合生态系统。 2 第一章绪论 1 2 3 沙漠化的危害 沙漠化不仅导致世界范围内的土地退化，而且也直接造成了巨大的经济损失。沙 漠化的危害主要表现在两个方面，其一是沙漠化造成的直接危害；其二是因为沙漠化 的发生给当地民众带来了经济上的落后，从而造成对环境的进一步破坏1 6 j 。 ( 1 ) 导致生态环境恶化，影响人民生存条件 我国干旱地区生态环境脆弱，在巨大的人口压力下，生态环境问题较为突出，荒 漠化就是其中最严重的问题。荒漠化通过地表植被的破坏极大地加剧了生态环境的恶 化。另外，风蚀荒漠化过程中产生的一系列沙尘物质等，在风力作用下对环境产生严 重污染，并可扩及风蚀荒漠化以外的广大空间，是对我国环境影响范围大、7 危害，哐重 的最大污染源。 ( 2 ) 造成农牧业减产，导致人、地矛盾激化 随着荒漠化面积的扩大和程度的增强，我国干旱、半干旱和亚湿润干旱区的农田、 草场等可利用土地面积愈来愈少。同时，荒漠化过程还因土壤侵蚀，造成土壤有机质 和养分损失严重，引起肥力下降。另外，荒漠化还对农牧业生产造成直接损害，如许 多农田每年因风蚀毁种需加放2 3 次，甚至5 6 次之多。我国耕地与粮食问题十分 严峻，由荒漠化引起的我国广大地区农牧业用地的减少和生产水平的锐减，必将进一 步激化已十分尖锐的人口与耕地问的矛盾。 ( 3 ) 毁坏生产生活设施，是致贫的根源 我国广大荒漠化地区社会经济以第一产业尤其是农牧业生产为主，荒漠化所造成 的农牧业生产减产，往往导致巨大的经济损失，使得农牧民生活比较贫困，荒漠化的 最终结果就是贫困化，目前我国6 0 以上的贫困县就集中在荒漠化地区。以西藏为例， 据不完全调查与统计，全区风蚀荒漠化所造成的年直接经济损失约为8 6 3 0 3 7 1 0 4 元，年经济损失总计高达3 4 5 1 0 8 元，人均风蚀荒漠化经济损失值为3 7 7 1 元。同 时，荒漠化发生与发展过程中，对我国广大荒漠化地区人民生活设施的危害与毁坏同 样十分严重，使得荒漠化不仅导致贫困，而且会危及到区内人民群众的安身立命，甚 至子孙后代的生存与发展。在我国受荒漠化危害的5 万多个村庄中，部分受危害严重 的村庄往往因不再适宜继续生活居住而不得不被迫废弃迁居。 ( 4 ) 破坏建设工程，是阻碍经济腾飞的重要因素 荒漠化过程中土壤侵蚀的结果也常常给水利等工程设施带来许多不良后果，泥沙 往往侵入水库、埋压灌渠等，使其难以发挥正常效益甚至遭到破坏。此外，荒漠化过 程还会对输电线路、通讯线路和输油( 气) 管线等产生一定危害，重者则会危及人身安 全，造成重大事故。荒漠化对各项建设工程的破坏和影响，已严重阻碍了当地社会经 济的发展与振兴。 ( 5 ) 潜在威胁严重，危及社会经济的稳定与发展 3 北京化t 人学颂 ：研究生学位论文 我国荒漠化的发生与发展，除了造成上述诸多危害外，还存在很大的潜在威胁， 如在生态环境方面将导致生物多样性的损失，破坏正常的地球生物化学循环，成为 全球气候变化的重要原因之一，在全球环境退化中起着同益重要的作用；在社会经济 方面，会造成食物缺乏和人口供养能力的减少，增加受影响地区经济不稳定和社会动 乱与纷争，还影响到人口特别是儿童的健康与营养状况等。荒漠化将从而危及荒漠化 地区社会经济的稳定与发展。 1 2 4 我国沙漠化危害现状及发展趋势 当今世界上许多地区已经或f 经历着沙漠化过程，它与人口、水资源一起被并列 为当代世界三大问题，不仅严重地影响和困扰着该区域工农业生产和社会经济的可持 续发展，而且也制约着周边地区乃至全球的可持续发展。 目前全球沙漠化面积占整个地球陆地面积的l 3 ，即4 5 6 0 多力k m 2 ，每年沙漠化 土地达6 0 0 多万公顷，全球2 3 的国家和地区即1 0 0 多个国家和地区、近1 0 亿人口 受到沙漠化的影响和危害，而由于沙漠化的影响所造成的经济损失每年达4 2 3 亿美元。 中国是世界上沙漠面积较大、分布较广、沙漠化危害严重的国家之一。我国沙漠 化土地东起沿海，西至内陆西北高原瓮地，从南部的海南岛直至最北部的三江平原、 呼伦贝尔和准噶尔偷地均有不同程度的分布。据第三次( 2 0 0 3 年1 1 月2 0 0 5 年4 月) 全国性沙漠化普查的结果披露【7 1 ，我国沙漠化土地总面积为2 6 3 6 2 力平方千米，占国 土面积的2 7 4 6 ，沙化土地面积为1 7 3 9 7 万平方千米，占国土面积的1 8 1 2 。严重 的土地荒漠化、沙化威胁着我国生态安全和经济社会的可持续发展，威胁着我们的生 存和发展。并且我国沙漠化土地扩展速度呈逐年加快的趋势，图1 2 给出了不同年代 沙漠化扩展的年均速度1 8 4 j 。 3 0 0 0 2 5 0 0 管 l 嚣2 0 0 0 垂1 5 0 0 蓥1 0 0 0 5 0 0 o 1 9 5 0 1 9 7 0 1 9 7 1 0 r _ 1 9 8 01 9 9 0 一1 9 9 9 图1 2 不同年代我国沙漠化扩展速度 f i 昏l - 2e j 【p a n d i l l go f d e s e r i f i c a t i o na r e ai l lc h i n ai nd i 疵他n ta g e s 4 第一章绪论 从图中可以看出，我国沙漠化土地面积的扩展正呈现愈演愈烈的趋势。已从7 0 年代的1 5 6 0 平方千米年，增加到8 0 年代的2 l o o 平方千米年和9 0 年代的2 4 6 0 平 方千米年，相当于每年有一个中等规模县的土地面积因为沙漠化而失去利用价值。 进入2 1 世纪，沙漠化扩展速度虽有下降，但也是以1 2 8 3 平方千米年的速度扩展。 我国“三北地区”( 三北防护林地区，包括中国西北大部、华北北部和东北西部) ，每 年都会有大量农开 和草场受风沙危害，数以千计的水库和大批灌渠受风沙侵袭，8 0 0 多公罩铁路和数千公晕公路经常受到风沙的侵袭和压埋( 1 0 l 。据国家林业局发布的 2 0 0 2 年沙尘天气及灾情评估报告，2 0 0 2 年3 月到5 月，我国北方地区共发生1 2 次沙尘天气过程，其中1 1 次为沙尘暴【l l - 1 2 】。并表现出强度大、单次时问长、多发区 东移和影响范围广等特点。我国共有1 0 个省( 市) 遭受强沙尘暴和沙尘暴袭击，1 8 个省( 市) 遭受浮尘和扬沙天气侵袭，累计受沙尘影响的人口达4 9 亿，沙尘天气给 经济建设和人民的生产生活造成严重的危害。土地沙化缩小了我们原本就不充裕的生 存空间，导致了土地生产力的严重衰退，加剧了生态环境的恶化。 我国沙漠化扩展的趋势之所以难以遏制，主要原因是人口增长，出于经济发展的 自然需求及沙漠防治意识的淡漠，人们以掠夺性的方式对土地和自然资源进行开发利 用，使生态环境失去自我恢复能力。 1 2 5 沙漠化危害的治理 1 2 5 1 沙漠化控制与治理的目标 沙漠化控制与治理的目标就是要维持健康生态系统，达到资源与环境的可持续利 用。实现社会效益、经济效益、环境效益的共同发展。从长远看，沙漠化防治的最终 目标是建立可持续发展的社会经济系统，也就是要创造既可使当地群众生存生活下 去，又不能破坏环境的运行模式。因此，沙漠化防治是要在生态建设的过程中协调人 地关系，使沙漠化防治真j 下成为一项社会一经济一自然的复合系统工程。 1 2 5 2 沙漠化治理的具体技术方法 目前，固沙常用技术主要有生物固沙、工程( 或物理、机械) 固沙、化学固沙及综 合固洲1 3 。1 5 1 。生物固沙是充分利用沙地的有限水分和养分，采取植树、播灌、种草等 以林业为主的手段来达到恢复植被和治理荒漠化的目的；工程固沙是采用柴、草、树 枝、粘土、卵石、板条等材料，在沙面或沙地表面设置障碍物( 如草方格、尼龙网、 水泥预制块等) 以此控制风沙流动的方向、速度、结构，改变风蚀、沙积状况，达到 防风固沙、阻沙，改变风的作用力及地貌状况等目的；化学固沙则是利用稀释了具有 5 北京化t 人学硕1 ：研究生学位论文 一定胶结性能的化学物质喷洒于松散的流沙沙地表面，水分迅速渗入到沙层以下，而 那些化学胶结物质则滞留于一定的厚度( 卜5 m m ) 的沙层问隙中，将单粒的沙子胶结成 一层保护壳，以此来隔丌气流与松散沙面的直接接触，从而起到防治风蚀的作用。 ( 1 ) 生物固沙 生物固沙是通过封育、营造植物等手段，达到防治沙漠、稳定绿洲、提高沙区环 境质量和生产潜力的一种技术措旋，是目前沙漠治理中最普遍的技术，具有经济、持 久、有效、稳定的特点，但是由于恶劣的自然环境难以提供植物赖以生存的水、土、 肥等基本要素【1 3 】。多年来，尽管国家投入大量人力、物力、财力营林造地，收效仍甚 微，树木成活率仪在3 0 左右，有的地方甚至、，草不生。 ( 2 ) 工程固沙 由于沙漠的流沙运动及造成的危害主要是由风力作用所致，其形成、发展与风力 的大小、方向有直接关系，因而，工程治沙便主要采取机械途径，通过对风沙的阻、 输、导、固工程达到减轻风沙作用，防止风沙危害的目的1 4 1 。中国近5 0 年的治沙实 践表明，利用风力本身的运动规律设置不同的治沙机械工程，将能够使工程治沙取得 明显治沙效益。这些1 程中，从阻止风沙，改变风沙运行规律着手，则有铺设沙障、 建立立体栅栏，利用各种材料网膜的技术；从输导风沙着手，则有引水拉沙，治沙造 田技术。上述二种工程技术，便基本构筑了工程治沙技术体系。 ( 3 ) 化学固沙 化学固沙是在风沙环境下，利用化学材料与工艺，对易发生沙害的沙丘或沙质地 表建造一层能够防治风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的固结层，以达到控制 和改善沙害环境，提高沙地生产力的技术措施。由此可见，化学固沙技术，包含了沙 地固结技术和保水增肥两大内容，它和植物固沙相结合可大大提高植物的成活率。化 学固沙可机械化施工，简单快速，固沙效果立竿见影。尤为适宜于缺乏工程固沙材料 和环境恶劣、降雨量稀少、不易使用生物固沙技术的地区。 ( 4 ) 固沙综合技术 各种单一的固沙措施都有其特点和局限性，工程固沙虽快速有效，但成本高且与 生物、环境相容性差；生物固沙虽有很好的生态环境保护作用，是最理想的固沙方式， 但因沙漠或沙地恶劣的气候水文条件，通常使植物无法种植或种植后无法存活；化学 固沙成本低廉、施工快速方便、生物相容性好。就大面积治理而言，现代防沙工程要 求高效廉价、快速方便、环境协调的固沙技术，由于化学固沙、工程固沙及生物固沙 各自的特点，使得固沙综合技术成为理想的固沙方式。化学固沙材料的作用使得植物 易于固定和成活，成活后的植物在次年即可起到防风固沙作用。 “化学一生物”固沙综合技术采用先栽植( 或播种) 植物后喷洒化学固沙材料的方 法，具有高效廉价、快速方便、环境协调的特点，能够满足现代防沙工程的要求。但 野外试验表明它也存在一些问题，如当野外试验地区遇到降雨量极少年份，使植物种 6 第一章绪论 籽难以出苗，则“化学一生物”固沙综合的优势难以体现，而喷洒固沙材料所形成的 沙面固结层由于得不到有一定高度的植物的保护，其局部的破坏易变成较大面积j x l 蚀，从而使处于休眠状念的植物种籽被j x l 吹走；另一方面，试验区后期维护需要试验 人员进入试验场地等也会造成固结层局部破坏。为解决以上问题，可以在试验区大块 试验阴之问及其周边采用“化学生物一工程”固沙综合技术，建立田l 日j 维护道路及 周边防护带。具体做法是：在固沙试验场地特定区域设置沙障或扎制草方格，同时喷 洒化学固沙材料。此技术使上述问题得以解决，同时也使单纯草方格固沙生物环境形 成周期较长的问题得到解决( 采用草方格固沙，要4 5 年彳能在沙面形成有利于植物 生长所需要的生物结皮1 1 6 2 0 j ，而固沙材料的使用使结皮立即形成。此技术适于固沙试 验区域的周边及田间维护道路的沙面固结，也适于更恶劣沙漠环境中的防风固沙。 1 2 5 3 我国沙漠化治理状况 近二十年来国家十分重视沙漠化的防治工作，在防治土地沙漠化工作中投入了大 量人力物力，并取得了一定成绩，局部地区沙漠化得到了治理和恢复。从“三北”防 护林工程到退耕还林、从长江中上游防护林工程到天然林保护工程，从封沙育林育草 到飞播造林种草，国家先后实施了一系列林业生态建设工程，仅2 0 0 2 年就完成退耕 还林还草4 8 9 1 1 0 5 平方公顷，荒山荒地造林种草5 4 5 3 1 0 5 平方公顷，京津风沙源 综合治理面积6 5 4 8 1 0 5 平方公顷，在一定程度上延缓了沙漠化土地的扩展【2 。我国 在沙漠化防治技术上也积累了相当的经验。根据不同地区的自然条件，建立了相应的 沙漠化治理模式，形成了沙漠化防治的理论体系，丌发了防沙治沙技术，其中有些固 沙技术如高大沙堤加机械阻沙技术、草方格沙障固沙技术、引水拉沙技术等居世界领 先水平【2 2 - 2 3 l 。 1 3 化学固沙抑尘剂的发展与应用 1 3 1 化学固沙抑尘剂的分类 沙土的固化实际上是用外掺剂对土体进行化学处理，来改变沙土的组成，改变土 体的工程性质，从而达到提高土质强度、改善土质压实的目的1 2 4 】。 化学固沙材料从其物质组成角度来看，主要有无机固沙材料、有机( 高分子) 固沙 材料两大类。无机固沙材料主要有水泥、水玻璃等两大类，有机固沙材料则包括石油 类产品( 如乳化沥青等) 、棉籽酚树脂( 棉籽榨油厂的生产废料) 、纸浆废液或草浆黑液、 水溶性高分子聚合物等。此外还有其它类型的固沙材料，如利用工业废料或废塑料等。 由于人们对防治荒漠化的重视以及科技的发展，必然会有更多实用的新产品出现。 7 北京化t 人学硕f ：研究生学位论文 1 3 1 1 无机类固沙材料 ( 1 ) 水泥类沙土固化剂 水泥浆用于固沙仅仅利用了其喷洒在沙面上凝结固化后的覆盖作用。沙漠地区气 候炎热干燥，沙面温度高，水泥浆喷洒在沙面上后，其中的水分迅速蒸发，水泥由于 缺乏足够的水分而无法完全水化，生成的水化产物量少，只能形成薄且强度很低的固 结层。同时硬化水泥浆体属于脆性材料，几乎没有柔性，在沙漠中受恶劣气候和沙丘 迁移的影响，硬化水泥浆体很快就会发生干缩、龟裂、失去固沙和保水作用，所以现 阶段很少单独使用水泥浆进行固沙i z 5 j 。 ( 2 ) 水玻璃类固沙剂 水玻璃浆液作为价廉、无毒的固沙材料使用历史已近百年。过去所采用的水玻璃 浆是由水玻璃和酸性反应剂构成的，在强碱性条件下发生胶凝固结p j 。胶凝时间不能 延长，浸透性差，固化反应不完全，固结层强度不高，易为外力所破坏，而且会受到 较强的碱性影响，使生成的s i 0 2 胶体逐渐溶出，抗水性变差，耐久性降低，并造成环 境的二次碱污染，所以目前国内外研究者都致力于各种改性水玻璃浆液的研究1 2 叫。对 水玻璃添加有机( 如乙二醛、碳酸乙烯酯等有机酸及酯) 、无机胶凝材料进行复合，获 得了适于喷洒施工的液念复合水玻璃浆液固沙剂，但是这些固沙剂有的需要双液灌 浆，胶凝时间不易控制，胶凝也不均匀，有的具有一定的毒性，有的固结强度不高。 ( 3 ) 石灰类沙土固化剂 将生石灰、硬石膏、硫酸钠和硫酸铝混合粉磨，即可得一种石灰类土壤固化剂1 2 。 该固化剂适用于固化含水率2 5 ( 占干土比例) 以下的土壤，它所固化的土壤强度比用 生石灰所固化的土壤强度有较大幅度的提高，甚至高于相同掺量的3 2 5 # 矿渣水泥。 ( 4 ) 以矿渣或矿渣组合物为主体的沙土固化剂 以矿渣或矿渣组合物为主体原料，配以适量的碱性激发剂和表面活性剂混合粉磨 至b e t 比表面积4 0 0 9 0 0 m 2 k g 制成【矧。矿渣组合物为矿渣与铬铁渣、磷渣、硅锰渣、 粉煤灰及其它工业废渣的一种或多种复合。可有效地固化砂石和泥土( 包括含泥碎石 屑、砂质土、粉土、粘土、淤泥、城市垃圾、粉煤灰、工业尾矿等) 以作建筑材料。 与传统水泥固化相比，在同等条件下，同龄期固化体的强度可提高1 0 0 ，且抗渗、 抗冻、抗化学腐蚀性能大大提高。 1 3 1 2 有机( 高分子) 类固沙材料 自2 0 世纪3 0 年代以来，人们就开始研究应用有机高分子材料来改良沙土结构， 以提高沙土的稳定性即抗风蚀能力。国内自6 0 年代起也开展了应用高分子材料固定 沙土的研究工作。综观国内外现有的研究报导，所采用的高分子材料很多，如丙烯酸 8 第一章绪论 树脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、磺化三聚氰胺脲醛树脂、高吸水树脂等。通常用于稳 定沙土的高分子材料在其分子链上都含有能与土壤无机矿物质结合的有效基团如羧 基、羟基、胺基等。 ( 1 ) 丙烯酸树脂固沙剂 一种土木工程用的土壤固化方法，此法包括6 5 的丙烯酸树脂和醋酸乙烯树脂的 共聚物、1 5 的水溶性酚醛树脂和2 0 的丙烯酰胺三种有机聚合物树脂组成的第一溶 液和包括由3 的三聚磷酸钠、硅氟化钠、硫酸钠、氢氧化钠、硬脂酸钙和氯化镁的 无机组合物的第二溶液1 2 9 】。 ( 2 ) 聚丙烯酰胺 聚丙烯酰胺是一种常用的功能高分子材料，通常是以丙烯酰胺单体为主要原料经 过自由基聚合反应制得，广泛应用于石油、采矿、造纸、水处理、食品加工等工业。 按其所带基团的离子类型不同，聚丙烯酰胺可以被进步分为阴离子型( a p a m ) 、非 离子型( n p a m ) 、和阳离子型( c p a m ) 。非离子型聚丙烯酰胺的分子结构上主要以酰胺 基团为主：阴离子型的分子结构上除了酰胺基外，尚含有部分羧酸或羧酸盐基；阳离 子型的分子结构上则含有部分季铵盐阳离子。虽然阳离子型聚丙烯酰胺对土壤的结构 改良效果较好，但其生产工艺复杂、价格昂贵，因此在土壤改良中一般采用阴离子型 和非离子型产品。作为沙土稳定材料，首先聚丙烯酰胺要有足够的分子量以便连接较 多的沙土颗粒，但是分子量过大则难以渗透到沙土内部，并且太大的分子量导致水溶 性降低，造成施用不便。研究表明，合适的分子量应该在1 0 0 万左右，用量0 1 5 0 2 可以有效地控制沙土的风蚀和水蚀【3 0 。3 。同时，聚丙烯酰胺还可以加速水分下渗、 抑制沙土水分蒸发，提高沙土持水能力【3 2 j 。因此聚丙烯酰胺是一种多功能的高效沙土 改良材料，目前影响其应用的主要问题是价格太高。 ( 3 ) 聚乙烯醇p v a 及其他合成聚合物 聚乙烯醇高分子链上含有大量的羟基，通过氢键作用可以结合在土壤颗粒上，也 是一种有效的土壤改良剂。用量0 0 5 时，沙土的水稳性团粒含量可以提高2 1 7 p 剐； 用量5 1 0 9 m 2 时，聚乙烯醇可以有效降低沙土风蚀侵害。同时，聚乙烯醇还具有 一定的生物降解性。此外酚醛树脂【3 5 】酮醛树脂【3 6 l 丁苯共聚物【3 7 1 等都曾被研究用于稳 定沙土。出于成本和能效方面的综合考虑，对这些聚合物的研究远不如聚丙烯酰胺那 样充分。 ( 4 ) 磺化三聚氰胺脲醛树脂型固沙剂 该固沙剂是一种水溶性很好的高聚物，涉及磺化树脂的合成技术，最终产品是磺 化三聚氰胺脲醛树脂【3 8 】。这种以水溶性为主的混合物可以喷洒在沙土的表面或与沙土 搅拌提高沙土的承载能力，也能提高沙土的防风防水能力。 ( 5 ) 石油产品类固沙剂 石油产品类固沙剂固沙就是喷洒适宜数量的石油产品在沙地表面，借助沙粒的粘 9 北京化t 人学硕i ：研究生学位论文 结作用使沙面固结起来【矧。用于治沙的石油产品主要有原油、重油、渣油、沥青。直 接把这些产品加热或者制成相应的乳化液喷洒在沙面即可。其中乳化沥青是当前世界 各国化学固沙应用最广泛的材料【3 9 】。使用石油产品固沙不仅能固定沙漠，而且在保持 沙漠水分的同时能吸收太阳热，起到沙地增温剂的功能，提高植物的成活率，并且其 成本较低，原料来源广泛。但是石油产品在使用中也存在许多问题。它抗老化性能差， 其中的物质和树脂易被大气中的氧、光、热、水分和微生物破坏，油分减少，这种变 化逐渐加剧并导致其性能变坏，致使固结层慢慢变脆、发硬，发生老化，以至最后丌 裂被风掏蚀。另外，由于受沙粒强烈吸附作用和电性作用，绝大部分沥青被阻挡在沙 面，渗透深度很小，只能在沙面形成极弱而薄的封闭层，所以固结强度不高、稳定性 也不好。 ( 6 ) 高吸水树脂类固沙剂 吸水树脂材料首先由美国和同本丌发成功。由于它能够吸收自身质量百倍到千倍 的水，且吸水后溶胀为凝胶，具有良好的保水性，因此受到各国的重视】。用它来治 理流沙，能使分散无结构沙粒聚合成大的富有一定弹性、不易破碎的稳定体，从而达 到稳定沙丘的目的。其固沙效果较其他普通化学材料均较显著和稳定。许多国家都在 研究开发高吸水性树脂，进行固沙试验。已丌发出的高吸水树脂有淀粉接枝丙烯腈、 淀粉接枝聚丙烯酸类、纤维素类、聚丙烯酸能类、醋酸乙烯类等。我国目前对其研 究仍处于实验室阶段，且多偏重于医疗及同用领域。在进行沙漠荒漠治理方面刚刚起 步，但也有数十家科研单位将高分子吸水树脂用于固沙。使用高分子聚合物高吸水树 脂进行固沙具有固结强度较高、吸水保水性好、耐水性好、固化迅速、粘结性好、有 的还具有良好的弹性和高温稳定性等特点。但高分子化学材料会受热易老化，发生链 断裂和交联反应。这种分子链的裂解和交联使得固结层遭到破坏以至降低治沙效果。 高分子聚合物因其成本很高、生产工艺及原料来源等方面也受到限制，未能广泛应用， 另外一些有机高分子具有