CN108865164A

CN108865164A - 一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法

Info

Publication number: CN108865164A
Application number: CN201810952216.6A
Authority: CN
Inventors: 雷自强; 程莎; 孙煜娇; 孙晓妹; 彭辉; 杨志旺
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2018-11-23

Abstract

本发明公开了一种无机黏土‑生物胶复合保水材料的制备方法，是将生物胶加入去离子水中加热搅拌成凝胶状，再加入无机黏土充分搅拌混匀，造粒、干燥，即得无机黏土‑生物胶复合保水材料。其中无机黏土为红土和黄土的混合物，且红土与黄土的质量比为1:0.2~1:5。红土与黄土不但可降低土壤保水材料的生产成本，而且可以为植物生长提供必需的营养物质；生物胶具有很强的粘聚作用，能防止水土流失以及具有较好的抑制土壤水分蒸发性能，具有保水、保土、保肥、增产等效用；本发明制备的保水材料具有优异的保水性能，能有效减少水分流失，提高土壤生态功能，为植物生长提供良好的水土条件，促进植被或作物的生长。

Description

一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于土壤保墒的保水材料，尤其涉及一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，属于水土保持技术领域。

背景技术

淡水资源缺乏是当今世界最为严峻的问题之一。其会威胁人类的基本生存条件，制约人类的生活质量，对人类的生存和发展产生了巨大的危害。中国水资源现状尤其不容乐观。中国是一个干旱缺水严重的国家，淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1／4、美国的1／5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，中国实际可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。

我国是世界上13个贫水国之一，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个。全国城市每年缺水60亿立方米，日缺水量已超过1600万立方米。按国际上的通行标准，人均拥有水资源2000立方米为严重缺水边缘，人均有水1000立方米为起码的要求线，到2030年，我国人口将达16~17亿，按16.5亿人算，届时我国人均水量1700立方米。预计到2030年，我国年缺水量将猛增到180多亿立方米。如果我们把水的有效利用率提高10%，那么，每年可以节水400多亿立方米。工业用水重复利用率已从1980年的20%提高到现在的30%左右，有的城市已达到70%。但由于我国城市水的重复利用率较发达国家还是低很多，所以，缺水问题依然很严峻。缺水给城市工业产值造成的损失在1200亿元以上，且呈增长之势。缺水问题不仅给工业产值造成了严重损失，其给农业产值带来的影响则更为严重。

因此，研究高效、廉价和环保的化学保水材料顺应了现阶段水土保持技术的要求。有机-无机复合保水材料通过在无机材料中添加有机组分，不仅能固结土壤表层，起到固定水土和防止水土流失的作用，而且由于有机材料和土壤形成固结层的影响，应用在干旱半干旱地区能够改变土地内部的温度、水分，有利于植物的生长，所以有机-无机复合材料是一种效果良好的保水材料，是未来保水材料的主要研究方向。

生物胶具有较高的黏度和良好的吸水性、保水性以及热稳定性。它作为一种增稠剂、稳定剂、保水剂和成膜剂，在医药和食品行业有着重要的应用，但应用于保水方面的研究鲜有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法。

一、保水材料的制备

将生物胶加入去离子水中加热（45~65℃）搅拌（转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。）成凝胶状，再加入无机黏土充分搅拌（转速为300~600r/min，时间为30~60min。）混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-生物胶复合保水材料。

所述生物胶为胡麻胶（亚麻胶）、瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶、羟乙基瓜尔胶、魔芋胶、沙蒿胶、***胶、田菁胶、卡拉胶（麒麟菜胶、石花菜胶、鹿角菜胶、角叉菜胶）、香豆胶、葫芦巴胶、海藻胶、明胶、槐胶、果胶和松香胶中的至少一种。生物胶作为高分子聚合物，其显著特点是具有很强的粘聚作用，能增加土壤的入渗率，防止水土流失以及具有较好的抑制土壤水分蒸发性能，具有保水、保土、保肥、增产等效用；另外，生物胶材料具有来源广泛、可再生、生物可降解、无毒无害等优点，避免了对土壤的二次污染。

所述无机黏土为红土和黄土的混合物，且红土与黄土的质量比为1:0.2~1:5。无机黏土需经除杂质后，干燥，粉碎至100~200目。无机黏土不但可以很好的降低土壤保水材料的生产成本，而且可以为植物生长提供必需的营养物质。

为了使保水材料具有良好的保水性能和机械性能，生物胶与去离子水以1:300~1:600的质量比混合；所述生物胶加入量为无机黏土质量的0.1~6.0 %，优选：4.0~6.0%。

二、土壤保水材料的结构与性能

下面对本发明土壤保水材料的结构和性能进行分析说明，并与无添加高分子的土壤保水材料进行比较。

图1为本发明制备的无机黏土-生物胶复合保水材料的红外光谱图。a曲线（无机黏土）在1438 cm^-1处的吸收峰归因于C-OH的弯曲振动，该显著的特征吸收峰在土基生物胶土壤保水材料的红外光谱图（曲线c）中明显减弱。此外，a曲线（无机黏土）中位于1026 cm^-1处的强吸收峰是由于=Si-O的伸缩振动，该吸收峰在c曲线中出现；同时在470 cm^-1处的吸收峰为Si-O-Si的弯曲振动峰，也出现在c曲线中。b曲线（生物胶）在3427 cm^-1处出现吸收较强的宽峰，这是羟基（-OH）的伸缩振动；在2925 cm^-1处出现较弱的吸收峰为C-H的伸缩振动；在1060 cm^-1处出现的吸收峰为分子链构成中的β-糖苷键；1625 cm^-1处的吸收峰为-OH的弯曲振动峰；这些特征吸收峰在c曲线中发生偏移且明显减弱。以上结果表明，黄土、红土与生物胶发生了相互作用。

图2为未添加生物胶和添加生物胶后保水材料的扫描电镜图。其中，a、b、c、d、e、f、g、h、i分别为无机黏土、无机黏土-胡麻胶（亚麻胶）、无机黏土-魔芋胶、土混合-***胶、无机黏土-卡拉胶（麒麟菜胶、石花菜胶、鹿角菜胶、角叉菜胶）、无机黏土-葫芦巴胶、无机黏土-海藻胶、无机黏土-明胶土壤、无机黏土-果胶保水材料的扫描电镜图。从图2中可以看出，无机黏土-生物胶保水材料的表面形貌均因生物胶的加入而发生了改变，黄土和红土的表面颗粒之间相对疏松，而添加了生物胶之后，其微观表面形貌变得相对紧密，颗粒之间的粘结性增强，孔隙减小，可以在一定程度上阻碍水分子通过土基生物胶保水材料，从而达到提高保水能力的效果。

三、保水材料的保水性能

取8个规格相同（20.5×13.2×6.5cm）的塑料盒，盒底先平铺一层沙土，加入等量自来水，然后取等量所制备的土壤保水材料，加入不同质量的水并搅拌均匀，使其配成不同浓度的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在沙土的上层，以形成土基保水层。在自然条件下，每隔2~4小时用电子天平称量样品的质量，记录数据。

图3为不同剂量胡麻胶（亚麻胶）的保水材料的保水率随时间变化曲线。图3的结果显示，胡麻胶（亚麻胶）保水材料的保水效果随着浓度的上升基本呈现增加的趋势；与未添加胡麻胶的材料相比，其保水效果明显提高。不同添加量胡麻胶（亚麻胶）保水材料的保水效果为：5.0~6.0%> 3.0~4.0%>2.0~3.0%>4.0~5.0%>1.0~2.0%>0.5~1.0%>0.1~0.5%>0%。70.5h时，胡麻胶（亚麻胶）添加量为4.0~6.0%的保水材料的保水率比未添加胡麻胶（亚麻胶）的保水材料高31.08%以上。与红土、黄土相比，添加胡麻胶（亚麻胶）制备的保水材料的保水性能更加优异。

图4为不同剂量沙蒿制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图4的结果显示，沙蒿保水材料的保水效果随着浓度的上升基本呈现增加的趋势；与未添加沙蒿的材料相比，其保水效果明显提高。不同添加量沙蒿胶的保水材料的保水效果为： 5.0~6.0%>3.0~4.0%>4.0~5.0%>2.0~3.0%>1.0~2.0%>0.5~1.0%>0.1~0.5%>0%。与黄土、红土相比，添加沙蒿胶制备的保水材料的保水性能更加优异。

图5为不同剂量田菁胶制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图5的结果显示，田菁胶保水材料的保水效果随着浓度的上升基本呈现增加的趋势；与未添加田菁胶的材料相比，其保水效果明显提高。不同添加量田菁胶保水材料的保水效果为：5.0~6.0%>4.0~5.0%> 3.0~4.0%>2.0~3.0%>1.0~2.0%>0.5~1.0%>0.1~0.5%>0%。与黄土、红土相比，添加田菁胶制备的保水材料的保水性能更加优异。

图6为不同剂量葫芦巴胶制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图6的结果显示，葫芦巴胶保水材料的保水效果随着浓度的上升基本呈现增加的趋势；与未添加葫芦巴胶的材料相比，其保水效果明显提高。不同添加量葫芦巴胶保水材料的保水效果为：5.0~6.0%>4.0~5.0%> 3.0~4.0%>2.0~3.0%>1.0~2.0%>0.5~1.0%>0.1~0.5%>0%。与黄土、红土相比，添加葫芦巴胶制备的保水材料的保水性能更加优异。

图7为不同剂量香豆胶制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图7的结果显示，香豆胶保水材料的保水效果随着浓度的上升基本呈现增加的趋势；与未添加香豆胶的材料相比，其保水效果明显提高。不同添加量香豆胶的保水材料的保水效果为：5.0~6.0%>3.0~4.0%>4.0~5.0%>2.0~3.0%>1.0~2.0%>0.1~0.5%>0.5~1.0%>0%。与黄土、红土相比，添加香豆胶制备的保水材料的保水性能更加优异。

图8为不同剂量槐胶制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图8的结果显示，槐胶保水材料的保水效果随着浓度的上升基本呈现增加的趋势；与未添加槐胶的材料相比，其保水效果明显提高。不同添加量槐胶的保水材料的保水效果为：5.0~6.0%>4.0~5.0%>3.0~4.0%>2.0~3.0%>0.5~1.0%>1.0~2.0%>0.1~0.5%>0%。与黄土、红土相比，添加槐胶制备的保水材料的保水性能更加优异。

图9为不同剂量松香胶制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图9的结果显示，松香胶保水材料的保水效果随着浓度的上升基本呈现增加的趋势；与未添加松香胶的材料相比，其保水效果明显提高。不同添加量松香胶的保水材料的保水效果为：5.0~6.0%>3.0~4.0%>4.0~5.0%>2.0~3.0%>1.0~2.0%>0.1~0.5%>0.5~1.0%>0%。与黄土、红土相比，添加松香胶制备的保水材料的保水性能更加优异。

图10为不同剂量海藻胶制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图10的结果显示，海藻胶保水材料的保水效果随着浓度的上升基本呈现增加的趋势；与未添加海藻胶的材料相比，其保水效果明显提高。不同添加量海藻胶保水材料的保水效果为：5.0~6.0%>4.0~5.0%> 3.0~4.0%>2.0~.0%>1.0~2.0%>0.1~0.5%>0.5~1.0%>0%。与黄土、红土相比，添加海藻胶制备的保水材料的保水性能更加优异。

综上所述，本发明相对于现有技术具有以下优点：

1、生物胶作为高分子聚合物，其显著特点是具有很强的粘聚作用，能增加土壤的入渗率，防止水土流失以及具有较好的抑制土壤水分蒸发性能，具有保水、保土、保肥、增产等效用；

2、以无机黏土作为原料，可以很好的降低土壤保水材料的生产成本，而且可以为植物提供营养物质，使其快速的生长；

3、生物胶类材料具有来源广泛、可再生、生物可降解、无毒等优点，避免了对土壤的二次污染；

4、保水材料具有优异的保水性能，能有效减少水分流失，提高土壤生态功能，为植物生长提供更充足的水份，促进植被或作物的生长。

附图说明

图1为本发明制备的土基生物胶土壤保水材料的红外光谱图。

图2为未添加生物胶和添加生物胶后土壤保水材料的扫描电镜图图3为不同剂量胡麻胶（亚麻胶）作用下土壤保水材料保水率的随时间变化曲线。

图4为不同剂量沙蒿胶作用下土壤保水材料保水率的随时间变化曲线。

图5为不同剂量田菁胶作用下土壤保水材料的保水率随时间变化曲线。

图6为不同剂量葫芦巴胶作用下土壤保水材料的保水率随时间变化曲线。

图7为不同剂量香豆胶作用下土壤保水材料的保水率随时间变化曲线。

图8为不同剂量槐胶作用下土壤保水材料的保水率随时间变化曲线。

图9为不同剂量松香胶作用下土壤保水材料的保水率随时间变化曲线。

图10为不同剂量海藻胶作用下土壤保水材料的保水率随时间变化曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的土基生物胶土壤保水材料的制备和应用作进一步说明。

实施例一、无机黏土-胡麻胶（亚麻胶）保水材料的制备

1）将黄土和红土除杂质后以1:0.2的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；

2）将胡麻胶以1:300的质量比加入去离子水中，加热（45~65℃）搅拌（转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。）成凝胶状，再加入无机黏土（胡麻胶的质量为4.0~6.0%）充分搅拌（转速为300~600r/min，时间为30~60min。）混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-胡麻胶复合保水材料；

3）将无机黏土-胡麻胶保水材料配成浓度为0.75g/ml的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。70.5h时，无机黏土-胡麻胶保水材料的保水率比未添加胡麻胶的保水材料高31.08%以上。其水分被完全蒸发比未添加胡麻胶材料多116h。

实施例二、无机黏土-沙蒿胶保水材料的制备

1）将黄土和红土除杂质后以1:1的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；

2）将沙蒿胶以1:400的质量比加入去离子水中，加热（45~65℃）搅拌（转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。）成凝胶状，再加入无机黏土（沙蒿胶的质量为4.0~6.0%）充分搅拌（转速为300~600r/min，时间为30~60min。）混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-沙蒿胶保水材料；

3）将无机黏土-沙蒿胶保水材料配成浓度为0.75g/ml的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。72h时，无机黏土-沙蒿胶保水材料的保水率比未添加沙蒿胶的保水材料高28.81%以上。其水分被完全蒸发比未添加沙蒿胶的材料多98h。

实施例三、无机黏土-田菁胶保水材料的制备

1）将黄土和红土除杂质后以1:2的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；

2）将无机黏土-田菁胶以1:500的质量比加入去离子水中，加热（45~65℃）搅拌（转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。）成凝胶状，再加入无机黏土（田菁胶的质量为4.0~6.0%）充分搅拌（转速为300~600r/min，时间为30~60min。）混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-天菁胶复合保水材料。

3）将无机黏土-田菁胶保水材料配成浓度为0.75g/ml的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。91.5h时，无机黏土-田菁胶保水材料的保水率比未添加田菁胶的保水材料高26.40%以上。其水分被完全蒸发比未添加田菁胶材料多73h。

实施例四、无机黏土-葫芦巴胶保水材料的制备

1）将黄土和红土除杂质后以1:3的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；

2）将葫芦巴胶以1:600的质量比加入去离子水中，加热（45~65℃）搅拌（转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。）成凝胶状，再加入无机黏土（葫芦巴胶的质量为4.0~6.0%）充分搅拌（转速为300~600r/min，时间为30~60min。）混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-葫芦巴胶复合保水材料。

3）将无机黏土-葫芦巴胶保水材料配成浓度为0.75g/ml的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。75h时，无机黏土-葫芦巴胶保水材料的保水率比未添加葫芦巴胶的保水材料高27.16%以上。其水分被完全蒸发比未添加葫芦巴胶的材料多113h。

实施例五、无机黏土-香豆胶保水材料的制备

1）将黄土和红土除杂质后以1:4的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；

2）将香豆胶以1:450的质量比加入去离子水中，加热（45~65℃）搅拌（转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。）成凝胶状，再加入无机黏土（香豆胶的质量为4.0~6.0%）充分搅拌（转速为300~600r/min，时间为30~60min。）混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-香豆胶复合保水材料；

3）将无机黏土-香豆胶保水材料配成浓度为0.75g/ml的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。42.5h时，无机黏土-香豆胶保水材料的保水率比未添加香豆胶的保水材料高28.04%以上。其水分被完全蒸发比未添加香豆胶的材料多77h。

实施例六、无机黏土-槐胶保水材料的制备

2）将槐胶以1:450的质量比加入去离子水中，加热（45~65℃）搅拌（转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。）成凝胶状，再加入无机黏土（香豆胶的质量为4.0~6.0%）充分搅拌（转速为300~600r/min，时间为30~60min。）混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-槐胶复合保水材料；

3）将无机黏土-槐胶保水材料配成浓度为0.75g/ml的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。42.5h时，无机黏土-槐胶保水材料的保水率比未添加香豆胶的保水材料高28.04%以上。其水分被完全蒸发比未添加槐胶的材料多67h。

实施例七、无机黏土-松香胶保水材料的制备

1）将黄土和红土除杂质后以1:5的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；

2）将松香胶以1:350的质量比加入去离子水中，加热（45~65℃）搅拌（转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。）成凝胶状，再加入无机黏土（松香胶的质量为4.0~6.0%）充分搅拌（转速为300~600r/min，时间为30~60min。）混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-槐胶复合保水材料；

3）将无机黏土-松香胶保水材料配成浓度为0.75g/ml的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。74.5h时，无机黏土-松香胶保水材料的保水率比未添加松香胶的保水材料高31.85%以上。其水分被完全蒸发比未添加松香胶的材料多116h。

实施例八、无机黏土-海藻胶保水材料的制备

1）将黄土和红土除杂质后以1:0.5的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；

2）将海藻胶以1:550的质量比加入去离子水中，加热（45~65℃）搅拌（转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。）成凝胶状，再加入无机黏土（海藻胶的质量为4.0~6.0%）充分搅拌（转速为300~600r/min，时间为30~60min。）混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-海藻胶复合保水材料；

3）将无机黏土-海藻胶保水材料配成浓度为0.75g/ml的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。海藻胶45h时，无机黏土-松香胶保水材料的保水率比未添加松香胶的保水材料高9.27%以上。其水分被完全蒸发比未添加海藻胶的材料多48h。

Claims

1.一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，是将生物胶加入去离子水中加热搅拌成凝胶状，再加入无机黏土充分搅拌混匀，造粒、干燥，即得无机黏土-生物胶复合保水材料。

2.如权利要求1所述一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述生物胶为胡麻胶、瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶、羟乙基瓜尔胶、魔芋胶、沙蒿胶、***胶、田菁胶、卡拉胶、香豆胶、葫芦巴胶、海藻胶、明胶、槐胶、果胶、松香胶中的至少一种。

3.如权利要求1所述一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述无机黏土为红土和黄土的混合物，且红土与黄土的质量比为1:0.2~1:5。

4.如权利要求1所述一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述生物胶加入量为无机黏土质量的0.1~6.0 %。

5.如权利要求1所述一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述生物胶加入量为无机黏土质量的4.0~6.0%。

6.如权利要求1所述一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述生物胶与去离子水以1:300~1:600的质量比混合。

7.如权利要求1所述一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述无机黏土经除杂质后，干燥，粉碎至100~200目。

8.如权利要求1所述一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述生物胶与去离子水加热搅拌成凝胶状的过程，加热温度为45~65℃。

9.如权利要求1所述一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述生物胶与去离子水加热搅拌成凝胶状的过程，搅拌转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。

10.如权利要求1所述一种无机黏土-生物胶复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述凝胶状的生物胶与无机黏土搅拌混合中，搅拌转速为300~600r/min，搅拌时间为30~60min。