專利名稱：一種高效低成本膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種治理沙漠及沙漠化土地的固沙材料及其制備方法，特別涉及一種利用自然界廣泛分布、儲量豐富的天然非金屬礦物—膨潤土為主要成分，與少量水溶性聚合物以及大量的水復(fù)合配伍形成的高效低成本液態(tài)固沙材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著全球環(huán)境、氣候的惡化和人類社會化生產(chǎn)的開展，水土流失和土地荒漠化已成為世界性的嚴(yán)重問題。我國在此方面存在的問題尤其突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國共有沙漠及沙漠化土地約150多萬平方千米，約占國土面積的16％，而且近幾十年來，我國的沙漠化土地以年均超過1000平方千米的速度不斷擴(kuò)大，土地荒漠化波及全國13個省市自治區(qū)，對相關(guān)地區(qū)的環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的生活構(gòu)成了極大的危害和威脅，嚴(yán)重影響到我國國土上人口的合理分布和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。近年來經(jīng)常肆虐的沙塵暴對我國更廣大地區(qū)的氣候、環(huán)境和人民生活造成了很大的危害和不便。這些現(xiàn)象早已引起了我國政府的高度重視，對水土流失及土地荒漠化的治理、實(shí)施水土保持已成為我國的一項(xiàng)基本國策。因此，研究開發(fā)合理、經(jīng)濟(jì)、高效的固沙材料來固沙植被、治理沙漠及沙漠化土地具有非常重要的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)意義。
我國已在較長時間內(nèi)開展了固沙的研究開發(fā)和實(shí)際應(yīng)用，采用的方法主要有機(jī)械固沙、植物固沙和固沙材料固沙等幾種。機(jī)械固沙(如編制草方格)、植物固沙(如栽種沙生植物等)人力物力投入大、成本高，施工慢且成效不顯著，因此近幾十年來，固沙材料固沙的方法得到了較快的發(fā)展。固沙材料可分為化學(xué)固沙材料和復(fù)合固沙材料兩大類。化學(xué)固沙材料采用純化學(xué)制劑或原油及其產(chǎn)品、副產(chǎn)品進(jìn)行固沙，如已授權(quán)的中國專利ZL91104881.2、ZL00108062.8和已公開的中國專利97108194.8、90108191.4等對此進(jìn)行了描述?；瘜W(xué)固沙材料盡管固沙效果不錯，但其造價高、固沙成本大，不易普遍推廣，且有些化學(xué)固沙材料長期使用會給固沙地帶造成不同程度的化學(xué)污染，帶來新的環(huán)境污染問題。近年來，復(fù)合固沙材料得到研究和開發(fā)，總體上看，這種材料或多或少克服了化學(xué)固沙材料存在的缺陷，但其自身也存在著一些其它問題。如中國專利ZL00109093.3描述了一種聚丙烯酰胺和膨潤土組成的粉末固沙劑，利用聚丙烯酰胺和膨潤土的吸水性來進(jìn)行固沙。對于該固沙劑，姑且不論聚丙烯酰胺因其分子量極大，是一種高吸水性樹脂，在常規(guī)狀態(tài)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勻的分散相，而沙漠及沙漠化地區(qū)的降雨量極少且遠(yuǎn)低于其地表蒸發(fā)量，用此粉末固沙劑在沙漠和沙漠化地區(qū)固沙無異于空中樓閣、海市蜃樓，僅就專利中描述的人工飽和澆水灌溉形成固沙層而言，其固結(jié)層厚度未加描述，固結(jié)強(qiáng)度僅為0.02～0.05MPa，難以達(dá)到穩(wěn)定固沙的要求。已公開的中國專利01127432.8、01105652.5、01128709.8、02123949.5描述了用各類有機(jī)和(或)無機(jī)材料制成各種類型的復(fù)合固沙材料，有固態(tài)制劑也有液態(tài)制劑，這些專利均描述了其各自的成分配方，但它們和上述授權(quán)專利ZL00109093.3都存在一些共同的缺陷，即缺乏對這些復(fù)合固沙材料的固沙性能如固結(jié)強(qiáng)度、抗風(fēng)蝕性、抗凍融性、抗老化性的測試數(shù)據(jù)，因而無法評估其固沙效果。另外，這些專利也未對其材料的成本進(jìn)行核算，因此也無法對其在經(jīng)濟(jì)上是否可行進(jìn)行評價。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了研制出一種既有高效的固沙效果、又造價低廉、便于推廣的新型復(fù)合液態(tài)固沙材料。
本發(fā)明的另一目的是研制一種制備上述新型復(fù)合液態(tài)固沙材料的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述第一目的，本發(fā)明復(fù)合液態(tài)固沙材料采用的技術(shù)方案是一種高效低成本膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料，該復(fù)合液態(tài)固沙材料組合物含有下列組份和含量膨潤土 0.5～5％重量；聚乙烯醇 0.2～1％重量；水 94～99％重量。
上述技術(shù)方案的有關(guān)內(nèi)容解釋如下1、為了進(jìn)一步提高效果，上述方案中還可以含有聚丙烯酸鹽 0.01～0.7％重量。
2、為了進(jìn)一步提高效果，上述方案中，聚乙烯醇選擇分子量為1000～3000；聚丙烯酸鹽選擇分子量為2000～5000。
3、上述方案中，所述固沙材料中的膨潤土包括下列各種屬型之一或一種以上的組合鈉基、鈣基、鈉鈣基、鈣鈉基、鋰基、鎂基、氫基屬型的膨潤土。
為實(shí)現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明復(fù)合液態(tài)固沙材料制備方法采用的技術(shù)方案是一種高效低成本膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料的制備方法，其內(nèi)容為(1)、對膨潤土原料進(jìn)行預(yù)處理A、將膨潤土原料加水及改型劑，經(jīng)攪拌或擠壓對其進(jìn)行改型、分散；B、然后加入無機(jī)鹽和水進(jìn)行分級、純化，得到粒度95％以上≤5μm的純化膨潤土礦漿；(2)、復(fù)配將純化后的膨潤土礦漿、聚乙烯醇水溶液和水，按比例置于容器中混合攪拌、反應(yīng)，進(jìn)行復(fù)合配伍，配制成膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙劑。
上述技術(shù)方案中的有關(guān)內(nèi)容解釋如下1、按照配方，如果膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙劑中含有聚丙烯酸鹽，則在上述膨潤土處理的B步中，還加入聚丙烯酸鹽；在復(fù)配時，也加入聚丙烯酸鹽。
2、上述方案中，所述改型劑和無機(jī)鹽均為無機(jī)鈉鹽。所述無機(jī)鈉鹽選擇下列各種無機(jī)鈉鹽中的一種或一種以上的組合硫酸鈉、氯化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氟化鈉、六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、多聚磷酸鈉。
3、上述方案中，所述改型、分散、分級、純化等概念為非金屬礦提純和深加工過程中的現(xiàn)有工藝。
本發(fā)明原理和效果如下本發(fā)明人長期從事非金屬礦物的選礦提純和深加工研究工作，對非金屬礦物的特性有深入、透徹的了解。本發(fā)明復(fù)合液態(tài)固沙材料中的主要成分膨潤土是一種天然的硅酸鹽粘土礦物，按其自然產(chǎn)出狀態(tài)，可分為鈉基、鈣基、鈉鈣基、鈣鈉基、鋰基、鎂基、氫基等各種屬型的膨潤土。膨潤土特殊的2∶1型層狀晶體結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的吸附性、粘結(jié)性、吸水性、保水性、離子交換性、凝膠性、穩(wěn)定性等特性，并且有一定的濕壓、干壓和熱濕拉強(qiáng)度，膨潤土的這些特性使其在各種領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，因而獲得了“萬能粘土”的別稱。膨潤土作為冶金工業(yè)的鑄造型砂粘結(jié)劑、鐵礦球團(tuán)粘結(jié)劑、特種鑄造涂料及脫模劑，建材工業(yè)的水泥沙漿添加劑、防水阻隔材料的廣泛應(yīng)用證明其優(yōu)良的粘結(jié)性和保水性，作為石油、食品、日用化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用的鉆井泥漿、無機(jī)礦物凝膠、化肥及農(nóng)藥載體等則證明了其優(yōu)良的吸水性和吸附性。但在自然狀態(tài)下膨潤土的某些特性難以正常體現(xiàn)，需要對之進(jìn)行相應(yīng)的加工和處理，才能使其發(fā)揮其某一方面或多方面的特性。本發(fā)明利用膨潤土所具有的這些特性，通過對各種屬型的膨潤土進(jìn)行分散、改型、純化等加工后，與某些有機(jī)聚合物復(fù)合配伍制成對沙粒具有良好的粘結(jié)性、吸水性高、對滲入沙表層下的水保水性好、固沙效果明顯的復(fù)合固沙材料。
本發(fā)明復(fù)合液態(tài)固沙材料的另一成分為聚乙烯醇、聚丙烯酸鹽類的有機(jī)聚合物，這兩類有機(jī)聚合物均能溶于水，易于配制，其中聚乙烯醇分子量為1000～3000，聚丙烯酸鹽分子量為2000～5000，二者皆無毒性，且在自然狀態(tài)下數(shù)年內(nèi)能自行降解，因此不會對環(huán)境造成污染。本發(fā)明的復(fù)合液態(tài)固沙材料中單獨(dú)使用聚乙烯醇或復(fù)合使用聚乙烯醇和聚丙烯酸鹽這兩類有機(jī)聚合物的目的一方面是能進(jìn)一步使純化后的膨潤土在高吸水狀態(tài)下有效懸浮、保持復(fù)合液態(tài)固沙材料的穩(wěn)定性，另一方面也利用這兩類物質(zhì)良好的滲透性和對沙粒的粘結(jié)性，使固沙后的固沙層具有更好的固結(jié)強(qiáng)度，并有助于減小固結(jié)層下水分的蒸發(fā)速度。
本發(fā)明復(fù)合液態(tài)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處理后的膨潤土的制造成本、保持膨潤土和聚合物的合適含量，便于噴灑和固沙的快速施工、降低綜合固沙成本，另一方面可為被固沙地帶注入并保存適當(dāng)?shù)乃郑瑸樵诒还躺车貛纬芍脖欢峁┍匾乃帧?br> 基于上述性能、特點(diǎn)的描述，本發(fā)明的復(fù)合液態(tài)固沙材料是由經(jīng)分散、改型、純化等加工處理后的膨潤土與聚乙烯醇、聚丙烯酸鹽類有機(jī)聚合物以及水共同復(fù)合配伍和完美結(jié)合的產(chǎn)物。
本發(fā)明復(fù)合液態(tài)固沙材料的制備技術(shù)和工藝過程如圖1所示。制備出的復(fù)合液態(tài)固沙材料的粘度為10～300mPa·s，易于噴灑和固沙的快速施工。
將上述復(fù)合液態(tài)固沙材料置于普通噴灑器具中使之成霧狀噴灑在沙層上，由于沙層上沙粒間的微隙一般在8～10μm，前期噴出的固沙材料中的膨潤土因其粒度95％以上≤5μm，可隨粒度一般為0.5μm的聚乙烯醇和聚丙烯酸鹽快速滲入沙層內(nèi)部，隨著噴灑量的增加，本固沙材料中的膨潤土不斷填充于沙粒縫隙中，與聚乙烯醇、聚丙烯酸鹽一道將松散的沙粒相互粘連在一起，在沙表層上形成一層厚度1～10mm(根據(jù)含量和噴灑量的不同而變化)的固結(jié)層，經(jīng)自然蒸發(fā)和風(fēng)干后，該固結(jié)層逐漸變硬，最終形成一層具有一定強(qiáng)度的堅(jiān)實(shí)固結(jié)層，起到有效固定松散沙粒、防止其在風(fēng)力作用下流動的效果。而風(fēng)干后的固結(jié)層中由于含有膨潤土、聚乙烯醇、聚丙烯酸鹽等充填于沙粒之間的縫隙中，使縫隙變小直至完全填塞，使隨本固沙材料的噴灑而滲入下部沙層中的水分難以或不能通過這些被填充的縫隙而蒸發(fā)，從而使固結(jié)層下的水分有效保持較長的時間。因而使本復(fù)合液態(tài)固沙材料如上所述起到固沙和保水的作用。
將本發(fā)明的復(fù)合液態(tài)固沙材料按每平方米2～6Kg的用量噴灑在沙層上，可使沙粒表層形成1～10mm厚的固結(jié)層，干燥后的固結(jié)層具有較好的抗壓強(qiáng)度、一般可達(dá)0.1～0.3MPa；固結(jié)層具有良好的抗風(fēng)蝕性能，在風(fēng)速≥25m/s的條件下，持續(xù)兩個月時，固沙材料的質(zhì)量損失率＜50％，最好時只有20～30％；固結(jié)層具有良好的抗凍融性能，在25個凍融循環(huán)下，其強(qiáng)度損失率≤30％，質(zhì)量損失率≤2％；固結(jié)層由于填充了無機(jī)非金屬礦物膨潤土而同時具有良好的抗老化性能，在紫外光連續(xù)照射300小時下，其強(qiáng)度損失率≤30％，外形無明顯變化，能滿足繼續(xù)使用的要求。噴灑了本復(fù)合液態(tài)固沙材料后的沙層根據(jù)材料噴灑量的不同，在自然狀態(tài)下，其保水時間為1～6個月或更長。在前述噴灑量為2～6Kg/m2的情況下，本固沙材料中膨潤土成分按用量計(jì)算所占的制造成本為0.02～0.15元，聚乙烯醇按用量計(jì)算所占的成本為0.14～0.42元/m2，聚丙烯酸鹽按用量計(jì)算所占的成本為0～0.06元/m2，水按用量計(jì)算所占成本不足0.01元/m2(可忽略不計(jì))，本固沙材料按用量計(jì)算的總成本為0.16～0.63元/m2，因而本發(fā)明的固沙材料是一種真正高效低成本的復(fù)合液態(tài)固沙材料。


附圖1為本發(fā)明復(fù)合液態(tài)固沙材料的制備技術(shù)和工藝過程方框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述
實(shí)施例1一種高效低成本膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料，按以下步驟進(jìn)行制備(1)、將鈉基膨潤土原料加水及改型劑(碳酸鈉)，經(jīng)攪拌或擠壓對其進(jìn)行改型、分散，然后加入聚丙烯酸鹽、無機(jī)鹽(六偏磷酸鈉)和水進(jìn)行分級、純化，得到粒度95％以上≤5μm的純化膨潤土礦漿；(2)、聚乙烯醇配成常規(guī)濃度的水溶液；(3)、將純化后的膨潤土礦漿、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯酸鹽和水，按比例置于容器中混合攪拌、反應(yīng)，進(jìn)行復(fù)合配伍，配制成含鈉基膨潤土1.5％、聚乙烯醇0.3％、聚丙烯酸鹽0.02％、水98.18％、吸水54.2倍的膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙劑。
將該膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料0.6Kg噴灑于面積為0.1m2、厚度為200mm的沙層上，形成一厚度為6mm左右的固結(jié)層，風(fēng)干后取樣測試其抗壓強(qiáng)度為0.12MPa，抗腐蝕強(qiáng)度為風(fēng)速25m/s持續(xù)2小時質(zhì)量損失率為0.04％，抗凍融性為25個凍融循環(huán)下，抗壓強(qiáng)度為0.09MPa、強(qiáng)度損失率為25.00％，質(zhì)量損失率為0.15％，抗老化性為紫外光連續(xù)照射300小時下，抗壓強(qiáng)度為0.093MPa，強(qiáng)度損失率為22.50％，外形無明顯變化。該條件下材料的用量成本為0.24元/m2。固結(jié)層下的水分6個月后仍未完全蒸發(fā)。
實(shí)施例2按實(shí)施例1方法，制備成含鈣基膨潤土2.0％、聚乙烯醇0.4％、聚丙烯酸鹽0.01％、水97.59％、吸水45.7倍的膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料。其中，改型劑為碳酸氫鈉，無機(jī)鹽為多聚磷酸鈉。
將該膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料0.5Kg噴灑于面積為0.1m2、厚度為200mm的沙層上，形成一厚度為5mm左右的固結(jié)層，風(fēng)干后取樣測試其抗壓強(qiáng)度為0.14MPa，抗腐蝕強(qiáng)度為風(fēng)速25m/s持續(xù)2小時質(zhì)量損失率為0.03％，抗凍融性為25個凍融循環(huán)下，抗壓強(qiáng)度為0.11MPa、強(qiáng)度損失率為21.43％，質(zhì)量損失率為0.2％，抗老化性為紫外光連續(xù)照射300小時下，抗壓強(qiáng)度為0.106MPa，強(qiáng)度損失率為24.29％，外形無明顯變化。該條件下材料的用量成本為0.31元/m2。固結(jié)層下的水分2個月后仍未完全蒸發(fā)。
實(shí)施例3按實(shí)施例1方法，制備成含鈉鈣基膨潤土2.8％、聚乙烯醇0.5％、聚丙烯酸鈉0.04％、水96.66％、吸水28.9倍的膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料。其中，改型劑為氟化鈉，無機(jī)鹽為六偏磷酸鈉。
將該膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料0.3Kg噴灑于面積為0.1m2、厚度為200mm的沙層上，形成一厚度為3mm左右的固結(jié)層，風(fēng)干后取樣測試其抗壓強(qiáng)度為0.11MPa，抗腐蝕強(qiáng)度為風(fēng)速25m/s持續(xù)2小時質(zhì)量損失率為0.02％，抗凍融性為25個凍融循環(huán)下，抗壓強(qiáng)度為0.09MPa、強(qiáng)度損失率為18.18％，質(zhì)量損失率為0.2％，抗老化性為紫外光連續(xù)照射300小時下，抗壓強(qiáng)度為0.87MPa，強(qiáng)度損失率為20.19％，外形無明顯變化。該條件下材料的用量成本為0.20元/m2。固結(jié)層下的水分2個月后仍未完全蒸發(fā)。
實(shí)施例4按實(shí)施例1方法，制備成含鈣基膨潤土3.5％、聚乙烯醇0.66％、聚丙烯酸鹽0.03％、水95.81％、吸水24.1倍的膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料。其中，改型劑為碳酸氫鈉，無機(jī)鹽為焦磷酸鈉。
將該膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料0.6Kg噴灑于面積為0.1m2、厚度為200mm的沙層上，形成一厚度為8mm左右的固結(jié)層，風(fēng)干后取樣測試其抗壓強(qiáng)度為0.27MPa，抗腐蝕強(qiáng)度為風(fēng)速25m/s持續(xù)2小時質(zhì)量損失率為0.01％，抗凍融性為25個凍融循環(huán)下，抗壓強(qiáng)度為0.205MPa、強(qiáng)度損失率為24.07％，質(zhì)量損失率為0.2％，抗老化性為紫外光連續(xù)照射300小時下，抗壓強(qiáng)度為0.210MPa，強(qiáng)度損失率為22.22％，外形無明顯變化。該條件下材料的用量成本為0.52元/m2。固結(jié)層下的水分3個月后仍未完全蒸發(fā)。
權(quán)利要求
1.一種高效低成本膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料，其特征在于該復(fù)合液態(tài)固沙材料組合物含有下列組份和含量膨潤土 0.5～5％重量；聚乙烯醇0.2～1％重量；水 94～99％重量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固沙材料，其特征在于還含有聚丙烯酸鹽或丙烯酸鹽 0.01～0.7％重量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固沙材料，其特征在于聚乙烯醇的分子量為1000～3000；聚丙烯酸鹽的分子量為2000～5000。
4.根據(jù)權(quán)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潤土包括下列各種屬型之一或一種以上的組合鈉基、鈣基、鈉鈣基、鈣鈉基、鋰基、鎂基、氫基屬型的膨潤土。
5.一種高效低成本膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料的制備方法，其特征在于(1)、對膨潤土原料進(jìn)行預(yù)處理A、將膨潤土原料加水及改型劑，經(jīng)攪拌或擠壓對其進(jìn)行改型、分散；B、然后加入無機(jī)鹽和水進(jìn)行分級、純化，得到粒度95％以上≤5μm的純化膨潤土礦漿；(2)、復(fù)配將純化后的膨潤土礦漿、聚乙烯醇水溶液和水，按比例置于容器中混合攪拌、反應(yīng)，進(jìn)行復(fù)合配伍，配制成膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于在上述膨潤土處理的B步中，還加入聚丙烯酸鹽；在復(fù)配時，也加入聚丙烯酸鹽。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于所述改型劑和無機(jī)鹽均為無機(jī)鈉鹽。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于所述無機(jī)鈉鹽選擇下列各種無機(jī)鈉鹽中的一種或一種以上的組合硫酸鈉、氯化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氟化鈉、六偏磷酸鈉、焦磷酸鈉、多聚磷酸鈉。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高效低成本膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料及其制備方法。該固沙材料利用自然界廣泛分布、儲量豐富的天然非金屬礦物膨潤土，經(jīng)過對之進(jìn)行分散、改型、純化等加工處理后，與少量有機(jī)聚合物如聚乙烯醇、聚丙烯酸鹽等進(jìn)行復(fù)合配伍，得到一種具有高吸水性和保水性、易于噴灑施工、固沙后的固結(jié)層具有良好的抗壓強(qiáng)度、抗腐蝕、抗凍融和抗老化性能、制造和使用成本低廉的膨潤土復(fù)合液態(tài)固沙材料。
文檔編號C09K17/40GK1563275SQ200410014510
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者郁建國, 唐靖炎, 王學(xué)群, 蔡建, 于陽輝 申請人:蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司