基于有机固化材料的新型荒漠化防治、生态修复及控制技术

中国环境学会  2011年 06月22日

  吴智仁1, 3 杨才千2*吴智深2 岩下健太郎4 李润杰
  (1. 日本JCK株式会社; 2. 东南大学城市工程科学国际研究中心;
  3. 江苏艾特克环境工程设计研究院有限公司; 4.名城大学理工学部建設系统工学科;
  5.青海省水利水电科学研究所)


  摘  要:本文介绍一种新型的沙漠化防治及生态环境修复技术,该技术基于新型W-OH有机复合固化材料。该固化材料是一种生态环保型的高分子亲水性聚氨酯树脂类有机材料,可与水以任意比例反应、胶凝固结,生成具有良好弹性和一定孔隙率的固化层。而且,W-OH遇水后的固化成膜时间可以进行控制,通常固化时间在数分钟至数十分钟之间。所形成的W-OH固结层具有良好的抱水、保温和保肥性,能促进植物的快速生长。W-OH与沙土所形成的固结层具有降解可控特性,通过添加降解可控剂(W-US)可根据需要设计固结层的降解周期,降解产物无任何毒副作用,不会给周边生态带来危害。通过在青海湖周边沙漠进行现场固沙、植生试验,研究和探讨了该技术在沙漠化防治和生态环境修复及控制方面的综合效果。试验和研究结果表明基于W-OH的沙漠化治理技术的施工工艺简便,可进行规模化施工作业,而且具有良好的固沙和植生效果,具有规模化推广和应用前景。
   
  关键词:荒漠化治理;W-OH有机复合材料; W-US降解可控剂;化学固沙;生态修复
   
  1. 引言[1-10]


  现今,土地荒漠化和环境恶化已成为影响人类社会可持续发展的关键问题。据联合国环境规划署统计(1991年),全球荒漠化土地约有3600万平方公里,涉及100多个国家和地区,约占全球陆地面积的1/4,而且荒漠化面积伴随着环境的不断被破坏和人类的频繁活动而不断扩大;在亚洲,荒漠化面积占土地总面积的34% [1]。我国是世界上荒漠化较为严重的国家之一,据林业总局估计(1997年)我国荒漠化土地达262.2万平方公里,约占全国土地面积的30%,主要分布于新疆、内蒙古、西藏、青海、甘肃、河北、宁夏、陕西、山西等18个省(市、区)498个县(市、旗),包括风蚀、水蚀、盐渍化和冻融等四种类型;据《中国21世纪议程》的统计数据(1994年),我国荒漠化每年仍以2000多平方公里的速度扩大,每年因荒漠化危害造成巨大的直接和间接经济损失[2-3]。目前沙漠、戈壁和沙化土地合计165.3万平方公里,涉及18个省(区)和471个县,约占国土面积的17%。土地荒漠化不仅极大侵蚀了土地资源.使宝贵的耕地、草场进一步萎缩,而且带来了严重的环境、生态问题。如,近年来不断肆虐我国北方的沙尘暴,以及每年都有地方出现不同程度的旱、涝现象。土地荒漠化问题使人类的生存环境和空间受到严重威胁,已成为中央和各级政府以及民众的心腹之患。随着国家西部大开发战略的不断推进和荒漠化地区基础设施建设的增加,对改善生态环境的迫切要求以及对新型固沙材料与固沙技术的需求也愈来愈强。
  目前,荒漠化沙土的固化方法主要有机械固结、生物固结以及化学固化等方法。化学固化作为一种新型的荒漠化固化技术,已引起了人们的广泛关注。所谓的荒漠化化学固化就是利用化工材料与工艺,在沙丘、沙质地等荒漠化土地表面喷洒胶结物质来固定流动沙土,通过在流动沙土表面形成一层具有一定结构和强度、能够防止风蚀及沙蚀,又可保持下层水分的固结层,以达到控制流动沙土和改善荒漠化灾害环境的目的。
  在国外,用于荒漠化治理的化学固化材料及有关技术的研究始于20世纪30年代,到50年代已有较大发展;而国内始于20世纪60年代,至今40余年的历史。化学固沙材料丰富,产品种类多,早期使用的固沙物质主要是石油产品,随着高分子化学工业及合成化学工业的发展,许多国家研制并生产了大量新型高分子及合成有机固沙材料。目前,比较常用的化学固沙材料分为有机和无机材料,主要有四大类:水泥浆、水玻璃类、石油产品类和高分子聚合物高吸水树脂类。
  无机类的固沙材料主要是硅酸钠的水溶液和水泥浆体,水玻璃浆液作为价廉、无毒的固沙材料使用历史已近百年。但是,传统水玻璃浆的凝胶时间比较难控制、渗透性差,固化反应不完全,固结层的强度不高,易破损;在碱性条件下发生凝胶固结,遇水后容易溶出,抗水性变差,从而影响其耐久性和造成二次污染。所以,国内外比较注重改性水玻璃的研究。对于水泥浆,不仅影响景观而且破坏生态,目前用的很少。
  有机类固沙材料主要有石油产品类固沙剂、高分子聚合物类固沙剂和木质素磺酸盐及其改性产品的固沙剂等几类材料。用于研制固沙材料的石油产品主要有沥青、油渣、重油甚至原油。其中,乳化沥青是当前用于化学固沙的比较广泛材料。研究证明,OT阳离子和ABS阴离子沥青乳液都能有效地固定流沙。石油类固沙材料的主要优点是材料广泛、成本较低,能固定沙漠保持水分的同时能吸收太阳热,起到沙地增温剂的功能;但是,石油类固化材料在使用过程中也存在诸多问题,抗老化性能差,易被大气中的热、光及微生物破坏,这种变化逐渐加剧并导致其性能变坏,使固结层逐渐变脆、变硬,最后出现老化和风蚀。
  高分子聚合物类固沙材料是20世纪60年代以来才发展起来的新型化学固沙物质,究其实质,属于水溶性或有机溶性化学胶结物。使用高分子聚合物类固沙材料固沙,处理程序和施工工艺简便,其效力较其它化学材料显著和稳定。因而,引起世界各国的普遍关注和重视。其中,高吸水树脂类固沙材料是当今化学固沙材料的研究热点之一,能使分散的无结构沙、土粒聚合成大的富有一定弹性且不易破碎的稳定体,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。高分子聚合物高吸水树脂类固沙技术的优点为:固结沙层强度较高、吸水保水性良好、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;其主要缺陷表现在,高分子化学材料会受热氧老化和光氧老化比较严重,发生链断裂和交裂联反应,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。同时,高分子聚合物因其成本高,生产工艺及原料来源等方面也受限,未能广泛应用,另外一些有机高分子有毒也限制了其使用。
  另外,木质素磺酸盐及其改性产品也是一类用的比较多的有机固化材料。木质素磺酸盐是造纸工业的副产品,因其分子结构中含有羟基磺酸基等可与沙土颗粒结合的基团,再加上来源于可再生资源而且价格低廉,在固定沙土中得到一定的应用。然而单独使用时,其固沙能力有限,而且容易降解,达不到工程固沙材料所要求的耐候性和耐降解性。
  本文旨在介绍一种新型可用于荒漠化治理的有机高分子固化材料、其生态固化原理以及规模化施工工艺。
   
  2. W-OH有机复合固化材料及其性能


  2.1 W-OH有机复合固化材料的基本物化性能
  W-OH有机复合固化材料是一类亲水性氨基树脂,呈淡黄色乃至褐色油状体,由日本JCK株式会社研究开发,目前已进行了规模化生产,该材料具有非常广阔的用途,可用于固土、固沙、防水止漏以及防尘等功能。该材料在固沙固土等方面的研究,已经取得了突破性的进展。总体而言,该类固沙材料具有下述优异性能:①极易溶解于水,和水反应可迅速聚合形成弹性凝胶体,且不再溶解于水;②能以任何浓度与海水在内的各种水质的水发生反应;③耐久性良好,凝胶体的降解周期可控制;④与多种材质(土、沙、混凝土等)具有很强的附着力;⑤通过选择W-OH的种类及调整其浓度,可设计凝胶体的性能及用途,如固土、固沙、防尘、止水等;⑥具有高度的安全性,对植被不产生药害,对生态环境不造成二次污染。


  2.2 W-OH有机复合固化材料的固结特性
  W-OH有机复合固化材料的固结特性与其浓度和固化温度的关系如图1所示,随着温度和浓度的升高,固结速度也迅速升高,最快可以在1分钟内完成固结。随着浓度的升高,温度对固结速度的影响逐渐减小。这表明,W-OH具有良好的施工可控性,即固化速度易于调节。


  2.3 W-OH有机复合固化材料的安全性能
  W-OH有机复合固化材料与水反应固化良好且彻底,具有下述两个特点。①W-OH系列产品不含任何重金属离子,对包括鱼类在内的动、植物的安全性均得到公共权威机关的确认,图2为鱼的毒性试验照片。经公共权威机关对鱼的毒性试验和鼠的经口试验,均表明W-OH有机复合固化材料对生物不存在毒副作用。②而且,W-OH可与水以任何比例反应固结,且固结非常彻底,不会以低分子量的单体状态残留在水或土壤中。这些结果表明,利用W-OH进行荒漠化治理不会对原来环境和生态造成任何毒副危害。
   
  3. 基于W-OH有机复合固化材料的生态固化原理及施工工艺


  3.1 基于W-OH有机复合固化材料的生态固化原理
  基于W-OH有机复合固化材料,作者提出了荒漠化可持续生态治理的理念并开发了相关的应用技术。所谓的可持续治理和生态恢复,即有机化学固化和生物固化的有机结合。对于该荒漠化治理和恢复技术,主要分为两个阶段,即初期的W-OH有机化学固化和后期的生物固化。在沙土上播散植物种子和肥料并喷洒W-OH有机复合固化材料后便迅速形成具有良好弹性的多孔质固化层,这种固化层实现了对荒漠化土地的化学固化。如果只是化学固化,只能实现流沙、土的固化作用,而不可能实现可持续性生物固化·生态修复。基于W-OH有机复合固化材料的固化层的一个重要特征是确保固化层的连续孔隙,为植物的发芽和生长提供了可能。所以,为了提高W-OH固化的可持续性和生态性,在本技术中提出了第二阶段的生物固化。根据当地的具体情况,控制固沙层的分解周期。通常,喷洒W-OH有机复合固化材料后植物在两周之后发芽、生长,当植物生长2~3个生命周期后W-OH有机复合材料固化层便逐渐自然降解过渡到后期的生物自然可持续性固化。这样,便可实现对土地荒漠化和生态退化等严重的自然生态与环境问题进行可持续性治理和恢复。W-OH有机复合材料固化层的自然降解产物主要为氮气、二氧化碳和水,不会对周边自然环境造成危害。


   3.2 施工工艺及特点
  基于W-OH的生态荒漠化治理技术的施工工艺简单,不需要大型设备,便于在大型设备无法到达的荒漠化地带施工。施工工艺主要分为两个阶段,如图4所示。第一个阶段是荒漠化土地的整理,其中包括肥料、种子等的混合·撒播·平整掩埋,同时施加一定的水分;第二阶段是W-OH有机复合固化材料的喷洒,主要设备是“Y”型比例双液泵,一个泵泵送W-OH有机复合材料固化液,另一个泵按比例泵送用于固化液硬化用的水,然后在喷嘴处均匀混合,喷洒到荒漠化的地表,这个阶段实现了有机化学固化。
  基于W-OH有机复合固化材料的荒漠化治理技术仅需喷洒作业、固化迅速、施工性良好,适合大规模生态环境治理。喷洒的固化液由两部分组成,一是作为主剂的W-OH有机复合固化材料,其浓度控制在2~7%便可满足通常的固土、固沙要求;另一作为硬化剂的任意类型的水,其浓度占整个喷洒固化液的93~98%。因此,该工艺具有比较好的经济性。


  4. W-OH固化层性能研究


  4.1 固化层的形貌
  W-OH喷涂固化后形成一层具有良好弹性的固化层,并具有一定的孔隙率,以便植物的生长。固化层的厚度可以通过调整W-OH的用量进行控制,一般设定厚度在10~30mm之间。


  4.2 抗拉力学性能及风洞试验研究
  为了研究W-OH固化层的力学性能以及抗风蚀能力,分别做了不同浓度下W-OH固化层的拉伸试验和风洞试验。固化层的抗拉性能试验结果如图6所示,随着W-OH浓度的增加其力学性能也显著增加。研究表明,固化层还有很好的弹性性能。
  风洞试验的目的是研究固化层抵抗强风风蚀的目的,有机固化复合材料分别喷洒在32×40×4.5cm的不锈钢沙盘表面,如图7所示。分别研究了W-OH浓度为2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6和7%等9个不同浓度固化层在7、10、15、20和25m/s的风速下的抗风蚀能力,风向与固化层的倾角分别为0°、30°和60°。经测试沙的减少量、沙盘表面的破损和变形程度,发现试样在经过25m/s的风洞试验后未发生任何破坏,固沙效果很好,即表明W-OH固化层可抵抗8级以上的大风,完全适合荒漠化固化的风蚀要求。


  4.3固化层的耐久、耐候性及保水特性
  固化层的耐久、耐候及保水性能是固化材料在荒漠化生态治理中的首决条件,特别是在紫外线辐射强度很高的沙漠地区,一般的有机固化材料极易发生快速分解。在本研究中,通过模拟沙漠紫外线辐射的加速试验(仪器为紫外线照射装置)来研究固化层的耐久性能,试验装置与试件如图8所示。
  为提高固化层的抗紫外线降解能力,在W-OH有机复合固化材料溶液中添加了抗紫外线分解的添加剂W-US。试验的结果如图9所示。
  对于加入W-US降解可控剂的固化层,均可大幅度的抑制W-OH复合材料固化层的分解、沙化。据试验可知:加入质量百分比为0.015%的W-US分解量可降到20%(80%不沙化),加入0.05%的W-US可降到4%(96%不沙化),当W-US的加入量达到0.1%以上时,几乎可以完全抑制固化层的分解和沙化。
  如果将加入了抗紫外线可控剂的W-US用于青海湖周边的沙漠治理,据观测青海湖周边沙漠年平均紫外线照射量为607~720kJ/cm2,试验照射强度按1000w/m2计算,24小时的照射量为8.64kJ/cm2,140.6~166.7小时的照射量相当于沙漠1个半月的照射量。据此,仅浓度为3%的W-OH固化层寿命为只有1个半月左右,加入0.015% 的W-US后可提高到10个月以上,加入0.05%的W-US后耐久性提高到6年8个月,加入 0.1%的W-US后耐久性可提高到22年8个月,即W-OH有机复合材料固化层在青海湖周边的强紫外线辐射沙漠可以做到几乎不发生分解。
  为提高W-OH复合材料固化层的保水性能,在W-OH有机复合固化材料溶液中添加了保水功能剂W-BW,W-BW与抗紫外线控制W-US均为日本JCK株式会社研究开发制造的产品。试验的结果如图10所示。以浓度仅为3%的W-OH固化层为基准,加入0.06~0.5%的W-BW后保水性能可提高28~35%,加入0.5~1.0%的W-BW后保水性能可提高50%左右,由此可以见,添加1.0%以下的W-BW保水功能剂可大幅度地提高W-OH复合材料固化层的保水性能。当W-BW浓度大于0.7%时,其浓度的提高对保水性能的提高不明显,因而可以认为0.72%为W-BW保水功能剂提高浓度为3%的W-OH有机复合材料固化层保水性能的临界浓度。


  4.4 固化层的植生性能研究
  植生试验用的试件是用木框架制作而成,框架的尺寸为30×30×5cm。将豊浦标准砂(豊浦珪石鉱業株式会社生产,比重为d=2.60g/cm3)倒入木框架并填实铺平,制成沙层厚度为4.5cm、空隙率为40%(固定)的砂模型,此试验在日本JCK株式会社进行。然后,在砂型上喷洒浓度为3%的W-OH复合材料固化液,改变的参数是W-OH复合材料固化液中是否添加抗紫外线可控剂(W-US)及添加浓度。以3.0L/ 1m2的喷洒量均匀喷洒,并使之充分渗透到砂型内部。
  W-OH有机复合固化材料喷洒1个月后各种试样的植生状况如图11所示。对于所有试件,喷洒2个星期后均表现出比较好的植生效果,且随着时间的延长,植物的生长效果越好。试验还表明抗紫外线可控剂W-US及其浓度的大小,对植生效果没有影响。 
  为了进一步验证基于W-OH复合材料固化层的植生性能,在青海省水利水电科学研究所做了类似的试验,如图12所示。试验用草的种类包括缄茅草、披肩草、冷地早熟禾、中华羊茅等多个品种。


  5. 野外示范工程研究


  在多个科研项目的资助下(青海省重大科技攻关项目(青藏铁路防沙治沙关键技术研究,项目编号∶2006-N-162;三江源区沙漠化防治技术研究与示范,2006-S-1)以及日本经济产业省NEDO大型项目[10]等),作者及其团队开展了W-OH荒漠化治理关键应用技术的开发并进行了多个较大规模的示范工程,均取得了比较理想的固化和植生效果。
  图13为在日本经济产业省NEDO项目的资助下在青海省青海湖周边的一个示范区,施工面积分二年度实施,分别为6600m2和33000m2左右,该区域的气候特征是紫外线照射强度和风力比较大,属于流动沙丘地带,通常的化学固化材料极易发生分解。按上述施工工艺进行示范区的施工,施工后一年植被的生长情况如图13所示,长势良好。同时,在青海三江源玛多县和青藏铁路五道梁区段也进行了大规模的中试试验,施工三个月后便能得到良好的生态效果,而且W-OH复合材料固化层具有良好的抗紫外线性能。


   6. 主要结论


  W-OH有机复合固化材料是一种亲水性的聚氨酯树脂类固化材料,可以与任何水质的水以任意比例发生固化反应,固化反应后不再溶于水。基于W-OH有机复合材料的荒漠化施工工艺简单,反应速度快,形成的多孔质W-OH有机固化层具有良好的弹性、保水及保温性能。通过在W-OH中添加抗紫外线分解剂,可大幅度提高W-OH固化层的寿命和抗紫外线辐射能力,而且还可通过调整W-US的浓度来控制W-OH固化层的自然降解周期,降解产物对周围生态环境不产生任何危害作用。另外,在极干燥区域可考虑添加W-BW保水功能剂可大幅度地提高固化层的保水性能,加入0.06~0.7%的W-BW保水功能剂W-OH固化层的保水性能可提高30~50%。至今的研究结果表明,W-OH有机复合固化材料可以对流沙、流土起到良好的固化作用,是目前荒漠化防治及生态修复最有效技术之一。
   
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  * 通讯作者:杨才千 (1974-), 男, 副教授 ycqjxx@mx.ibaraki.ac.jp

 
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