专利名称：改性粘土基引水体材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤改性材料，特别是涉及一种改性粘土基引水体材料及其制备方法。
背景技术：
我国是世界上人口最多、受荒漠化危害最为严重的发展中国家。按照联合国防治荒漠化公约推介的湿润指数的计算方法，我国旱地面积约3317032.2km2，占国土面积的34.6％，分布于全国18个省(自治区、直辖市)，470个县(市、旗)，其中亚湿润干旱区总面积为751161.9km2，占国土面积的7.8％，半干旱区总面积1139214.2km2，占国土面积的11.9％，干旱区总面积为1426656.1km2，占国土面积的14.9％。
我国的西部干旱地区年降水量不足100mm，而蒸发量却在1500mm以上。这些地区植树造林成活率与保存率都很低，这就造成植树年年搞，就是不见林的现象。这些干旱地区有一个共同的特点是地表的干土层约为1～2米厚，浇水后几天就已经蒸干。尤其是夏天地面的温度高，地下的湿度蒸发快，从而对树苗的成活率造成极为不利的影响，同样在农业生产中也存在上述的问题。
治理荒漠化迫在眉睫，要实现生态逆转，依靠自然恢复往往需要数十年，甚至数百年的时间。为了迅速扭转荒漠化趋势，必须进行人为干预(生态环境建设)，输入能量与物质(包括技术与管理)。这种通过人工措施，恢复、改造、建设、保护植被的方法无疑是防治土地荒漠化最有效、最经济、最持久、最稳定的措施，也是根本性措施。恢复植被、植树造林，进行生态恢复建设，合理的水分条件是首要条件。由于水资源缺乏，林木成活和正常生长受到严重的制约。没有水分条件，在荒漠化地区恢复植被、植树造林、进行生态治理几乎是不可能的，而水分条件既受干旱环境的制约，又受干旱灾害的影响，在这种环境中造林，苗木成活极为困难，给生态环境建设的植被重建带来巨大困难。
现有的技术高吸水树脂在无外来水源时，反而会从植物的根部吸水，造成树苗枯死与土壤的板结；另一种方法是滴渗灌技术，使用效果较好，但是此方法存在一个致命的缺点就是水的有效利用率仅为15％～20％，大部分都蒸发掉了。同时此方法还存在一次性投入成本大，维护繁琐，不适合造林使用。
粘土普遍存在于自然界，是人类自古以来就广泛利用的天然材料，与人类的生产生活息息相关。我们赖以生存的植物生长在含有粘粒的土壤里，饮食用的陶瓷餐具，居住房屋用的砖瓦水泥，作为能源之一的石油也常常在粘土质沉积岩中生成。除硅酸盐工业以外，粘土是纸张、钻井泥浆、某些润滑脂的重要组成部分，但这些工业生产中往往仅利用粘土的化学组成，而很少利用粘土矿物所特有的结构特性和化学活性。
粘土是一类含水的层状硅铝酸盐，其基本结构单元由硅氧四面体和铝氧八面体片按比例层叠构成。粘土颗粒细微，比表面积大，粘土表面存在大量-OH断键，为粘土表面改性提供了条件。如何通过物理或者化学的方法提高粘土的比表面积，是本文研究的重点。目前国内外对粘土的改性处理(提高比表面积)主要是通过化学方法。
对粘土的改性主要集中在多孔粘土材料的研究。多孔粘土材料是利用粘土矿物的层间化学活性，通过离子交换等方式把一些化合物引入其层间域，并交替形成分子级别的支柱而制成的一类孔径大、分布规则的新颖分子水平复合材料。由于粘土矿物种类繁多、支柱化合物具有可调性，这类材料的孔径大小、固体酸强度和吸附特性可以人为加以控制。因此，可以根据用途不同来进行材料制备。
正是由于粘土具有可供利用的结构特性和化学活性，对粘土的改性研究也就成为粘土矿物利用的热点，而这些利用均须先通过插层改性提高粘士的层间距和表面酸性以改善粘上层间微环境。插层方法按插层剂的不同可分为有机插层和无机插层。有机插层剂主要是一些有机阳离子，如烷基胺离子、二胺离子和一些金属有机鳌合物，这些化合物能有效的支撑开粘土片层，但热稳定性差，通常在250℃左右即分解，应用推广因热稳定性差而受限制。
用无机羟基聚多核金属阳离子作为柱化剂通过离子交换反应支撑开粘土片层是粘土作为催化剂应用的一个极其重要的转折点。它极大的提高了粘士的热稳定性，并且引入的金属氧化物柱也提离了粘土的表面酸性，使其催化活性明显提高，故此众多研究者随即展开了利用各种无机金属聚离子制备柱撑粘土，期望得到高热稳定性、大比表面积、强表面酸性以及一定范围内可调层间距的固体酸催化材料。
因粘土种类繁多，性质各有不同，而用作柱化剂的无机金属离子原则上来说只要是能够水解聚合成一定结构的金属原子都可以，故此，新型的柱撑粘土纷纷涌现出来。制备柱撑粘土的柱化剂可分为单金属核与多金属核聚离子，单金属核有Al，Zr，Cr，Ti，Ga，Fe等；多金属核有Si(Al)，Fe(Ti)，Fe(Al)，Fe(Ti)，Pt(Al)，Ni(Al)等。
随着研究工作的进一步深入，研究者开始从分子工程学上关注材料的结构与性能之间的关系。在制备柱化剂时，为获得体积大电荷高的聚阳离子，需要合理控制金属盐的浓度、溶液的pH值、制备温度、陈化温度和时间等等，并且柱化剂浓度与粘土比例要适当，要使粘土可交换阳离子与柱化离子交换后引起粘土片层间的面一面缔合，而不希望是面—边缔合或边一边缔合；而清洗阴离子的干净程度也对柱化离子在粘土层间择位分布有影响，清洗干净有利于形成较均一的孔结构。
粉煤灰是目前世界排放量最大的工业废料之一，不仅严重污染环境，大量占用土地，堵塞河道，破坏水质，导致“酸雨”危害人类的生存环境，而且制约着我国国民经济的可持续发展速度。
据资料统计，中国的粉煤灰堆积量已达到120亿吨，且每年以1.6亿吨速度增加。用这些粉煤灰堆成4m宽、4m高的城墙，长度可达80 000km，比现在万里长城长16倍多，可以绕地球2圈以上。
废弃物粉煤灰又是可以开发的资源，将其资源化是实现可持续发展，能够缓解我国能源、水、土地和矿产等资源不足的矛盾。目前我国有关粉煤灰综合利用途径已达40多种。其中用量较大的建材行业由于成本高、投资大、见效慢等原因，未能迅速发展；粉煤灰在化工领域的应用包括粉煤灰制高分子填充材料，粉煤灰制取玻璃陶瓷；粉煤灰在农业上的应用包括利用粉煤灰改善土壤，利用粉煤灰生产复合肥；在环境保护方面主要用于废水处理和废气处理。
粉煤灰疏松多孔、比表面积大，能保水、透气好，可以明显地改善土壤结构。粘质土壤施入粉煤灰后，可以明显地改善土壤结构，降低容重，增加孔隙度，提高地温，缩小膨胀率，从而显著地改善粘质土壤的物理性质，促进土壤中微生物活性，有利于养分转化，有利于保湿保墒，使水、肥、气、热趋向协调，为作物生长创造了良好的土壤环境。另外，粉煤灰可通过增加土壤＞1mm水稳性团聚体的数量，改善土壤结构。水稻盆栽试验表明每公顷施15万斤粉煤灰可使粘质土壤中＜0.01mm的物理性粘粒由44.65％降至41.97％，土壤粘粒含量随施灰量的增加而递减，呈显著的直线负相关，在亩施灰量8万斤之内，土壤孔隙度随施灰量的增加而递增，有显著的正相关性。西北农学院测定表明亩施粉煤灰1.5吨，土壤膨胀率由7.1％降为4.99％，从而有利于防止土壤流失。美国Pennsylva-nia州及Delaware州研究表明粉煤灰可以改善砂质土壤的持水性，提高其抗旱能力。
纵上所述，当前对粘土的改性主要是集中在蒙脱土等层间距大，层间活性较高的粘土，且应用领域主要集中在粘结剂、吸附剂、催化剂、絮凝剂，而细微的粘土颗粒本身的毛细作用在农业和林业领域的应用未得到充分的重视。粉煤灰在农业领域的利用主要是改善土壤，生产复合肥，而粉煤灰本身的多孔结构未得到充分的利用。
发明内容
为了解决当前粘土和粉煤灰在农业、林业领域未得到充分利用的问题，以及干旱地区和荒漠化地区植被因为严重缺水难以生存的问题，本发明提供一种粘土基引水体材料，本发明还提供所述粘土基引水体材料的制备方法。
本发明的技术方案如下本发明提供一种粘土基引水体材料，其组成成分的重量比值如下粉煤灰∶粘土＝5～25∶75～95。
所述的粘土优选为聚合羟基铝离子改性粘土。
所述的聚合羟基铝离子改性粘土中，AlCl3的摩尔数和粘土的质量比为0.25-1.0mol/g。
所述聚合羟基铝离子改性粘土是通过如下方法制备的1.制备1.0mol/L的NaOH溶液和0.5mol/L的AlCl3溶液；2.搅拌下，将配制好的NaOH溶液缓慢的滴加到等体积的AlCl3溶液中；3.在70℃下老化4小时并在室温下陈化2周，得到絮凝物交联剂；4.将粘土烘干，粉碎，过150目筛，配制浓度为15％的粘土悬浮液；5.将配制好的交联剂稀释为0.2mol·L-1的溶液，慢慢的滴加到粘土悬浮液中，室温下过夜后用离心分离机分离；6.干燥(120℃)至恒重，研磨，过150目筛。
本发明所提供的新型改性粘土的制备过程如下按所述比值称取粉煤灰和粘土，混匀即可。
本发明所实现的技术效果如下使用本发明所提供的新型改性粘土，能够有效解决当前粘土和粉煤灰在农业、林业领域未得到充分利用的问题，以及干旱地区和荒漠化地区植被因为严重缺水难以生存的问题。成功解决了垃圾的再利用和荒漠化地区缺水的问题。
图1粉煤灰改性粘土导水曲线；图2粉煤灰改性粘土导水高度随灰土比的变化；图3聚合羟基铝离子粘土导水曲线a.第一天的导水曲线，b.一天后的导水曲线；图4聚合羟基铝离子改性粘土导水高度随铝/土值的变化曲线。
具体实施例方式
实施例1本实施例所采用的配方如下粉煤灰∶粘土＝5∶95。
所述的粘土是指普通粘土。
制备方法如下按所述比值称取粉煤灰和粘土，混匀即可。
具体实验步骤如下1)在植树现场制备出所含土壤颗粒粒度小于0.15mm的泥浆；2)将塑料薄膜制成筒状的外筒。
3)将粉煤灰和土壤的混合物装入外筒中，两端封口(引水体)；4)在挖好的树坑底部向下打垂直孔至地下潮湿层；5)打开封口的引水体外筒两端后装入垂直孔中；
6)在树坑植入苗木，浇足一次水。
使用本发明所提供的新型改性粘土，能够有效解决当前粘土和粉煤灰在农业、林业领域未得到充分利用的问题，以及干旱地区和荒漠化地区植被因为严重缺水难以生存的问题。成功解决了垃圾的再利用和荒漠化地区缺水的问题。
实施例2本实施例所采用的配方如下粉煤灰∶粘土＝25∶75。
所述的粘土是指铝交联剂改性粘土。
制备方法如下按所述比值称取粉煤灰和铝交联剂改性粘土，混匀即可。
铝交联剂改性粘土的制备方法如下1)制备1.0mol/L的NaOH溶液和0.5mol/L的AlCl3溶液l；2)搅拌下，将配制好的NaOH溶液缓慢的滴加到等体积的AlCl3溶液中；3)在70℃下老化4小时并在室温下陈化2周，得到絮凝物交联剂；4)将粘土烘干，粉碎，过150目筛，配制浓度为15％的粘土悬浮液；5)将配制好的交联剂稀释为0.2mol·L-1的溶液，慢慢的滴加到粘土悬浮液中，室温下过夜后用离心分离机分离；6)干燥(120℃)至恒重，研磨，过150目筛。
具体实验步骤如下1)聚合羟基铝交联剂在实验室内制备，放置至水分蒸发完毕，交联剂变成一种固态物质，将该物质运输到造林现场之后，加水溶解，再加入细土壤颗粒，搅拌5-10小时，再经离心分离机分离，得改性后的土壤；2)将粉煤灰与聚合羟基铝交联剂改性土壤浆体机械混合均匀；3)将塑料薄膜制成筒状的外筒；4)将粉煤灰和土壤的混合物装入外筒中，两端封口(引水体)；5)挖好的树坑底部向下打垂直孔至地下潮湿层；6)打开封口的引水体外筒两端后装入垂直孔中；7)在树坑植入苗木，浇足一次水。
使用本发明所提供的新型改性粘土，能够有效解决当前粘土和粉煤灰在农业、林业领域未得到充分利用的问题，以及干旱地区和荒漠化地区植被因为严重缺水难以生存的问题。成功解决了垃圾的再利用和荒漠化地区缺水的问题。
实施例3本实施例所采用的配方如下粉煤灰∶粘土＝5∶95。
所述的粘土是指铝交联剂改性粘土。
制备方法如下按所述比值称取粉煤灰和聚合羟基铝离子改性粘土，混匀即可。
铝交联剂改性粘土的制备方法如下1)制备1.0mol/L的NaOH溶液和0.5mol/L的AlCl3溶液l；2)搅拌下，将配制好的NaOH溶液缓慢的滴加到等体积的AlCl3溶液中；3)在70℃下老化4小时并在室温下陈化2周，得到絮凝物交联剂；4)将粘土烘干，粉碎，过150目筛，配制浓度为15％的粘土悬浮液；5)将配制好的交联剂稀释为0.2mol·L-1的溶液，慢慢的滴加到粘土悬浮液中，室温下过夜后用离心分离机分离；6)干燥(120℃)至恒重，研磨，过150目筛。
具体实验步骤如下1)聚合羟基铝交联剂在实验室内制备，放置至水分蒸发完毕，交联剂变成一种固态物质，将该物质运输到造林现场之后，加水溶解，再加入细土壤颗粒，搅拌5-10小时，再经离心分离机分离，得改性后的土壤；2)将粉煤灰与聚合羟基铝交联剂改性土壤机械混合均匀；3)将塑料薄膜制成筒状的外筒；4)将粉煤灰和土壤的混合物装入外筒中，两端封口(引水体)；5)挖好的树坑底部向下打垂直孔至地下潮湿层；6)打开封口的引水体外筒两端后装入垂直孔中；7)在树坑植入苗木，浇足一次水。
使用本发明所提供的新型改性粘土，能够有效解决当前粘土和粉煤灰在农业、林业领域未得到充分利用的问题，以及干旱地区和荒漠化地区植被因为严重缺水难以生存的问题。成功解决了垃圾的再利用和荒漠化地区缺水的问题。
实施例4本实施例所采用的配方如下粉煤灰∶粘土＝25∶75。
所述的粘土是指普通粘土。
制备方法如下按所述比值称取粉煤灰和粘土，混匀即可。
具体实验步骤如下1)在植树现场制备出所含土壤颗粒粒度小于0.15mm的泥浆，将粉煤灰与泥浆机械混合均匀；2)将塑料薄膜制成筒状的外筒；3)将粉煤灰和土壤的混合物装入外筒中，两端封口(引水体)4)在挖好的树坑底部向下打垂直孔至地下潮湿层；5)打开封口的引水体外筒两端后装入垂直孔中；6)在树坑植入苗木，浇足一次水。
使用本发明所提供的新型改性粘土，能够有效解决当前粘土和粉煤灰在农业、林业领域未得到充分利用的问题，以及干旱地区和荒漠化地区植被因为严重缺水难以生存的问题。成功解决了垃圾的再利用和荒漠化地区缺水的问题。
实施例5本实施例所采用的配方如下粉煤灰∶粘土＝5∶75。
所述的粘土是指普通粘土。
制备方法如下按所述比值称取粉煤灰和粘土，混匀即可。
具体实验步骤如下1)在植树现场制备出所含土壤颗粒粒度小于0.15mm的泥浆，将粉煤灰与泥浆机械混合均匀；2)将塑料薄膜制成筒状的外筒；3)将粉煤灰和土壤的混合物装入外筒中，两端封口(引水体)4)在挖好的树坑底部向下打垂直孔至地下潮湿层；
5)打开封口的引水体外筒两端后装入垂直孔中；6)在树坑植入苗木，浇足一次水。
使用本发明所提供的新型改性粘土，能够有效解决当前粘土和粉煤灰在农业、林业领域未得到充分利用的问题，以及干旱地区和荒漠化地区植被因为严重缺水难以生存的问题。成功解决了垃圾的再利用和荒漠化地区缺水的问题。
实施例6本实施例所采用的配方如下粉煤灰∶粘土＝25∶95。
所述的粘土是指聚合羟基铝离子改性粘土。
制备方法如下按所述比值称取粉煤灰和聚合羟基铝离子改性粘土，混匀即可。
聚合羟基铝离子改性粘土的制备方法如下1)制备1.0mol/L的NaOH溶液和0.5mol/L的AlCl3溶液l；2)搅拌下，将配制好的NaOH溶液缓慢的滴加到等体积的AlCl3溶液中；3)在70℃下老化4小时并在室温下陈化2周，得到絮凝物交联剂；4)将粘土烘干，粉碎，过150目筛，配制浓度为15％的粘土悬浮液；5)将配制好的交联剂稀释为0.2mol·L-1的溶液，慢慢的滴加到粘土悬浮液中，室温下过夜后用离心分离机分离；6)干燥(120℃)至恒重，研磨，过150目筛。
具体实验步骤如下1)聚合羟基铝交联剂在实验室内制备，放置至水分蒸发完毕，交联剂变成一种固态物质，将该物质运输到造林现场之后，加水溶解，再加入细土壤颗粒，搅拌5-10小时，再经离心分离机分离，得改性后的土壤；2)将粉煤灰与聚合羟基铝离子改性土壤颗粒机械混合均匀；3)将塑料薄膜制成筒状的外筒；4)将粉煤灰和土壤的混合物装入外筒中，两端封口(引水体)；5)挖好的树坑底部向下打垂直孔至地下潮湿层；6)打开封口的引水体外筒两端后装入垂直孔中；7)在树坑植入苗木，浇足一次水。
使用本发明所提供的新型改性粘土，能够有效解决当前粘土和粉煤灰在农业、林业领域未得到充分利用的问题，以及干旱地区和荒漠化地区植被因为严重缺水难以生存的问题。成功解决了垃圾的再利用和荒漠化地区缺水的问题。
本发明所提供改性粘土的性能验证实验粉煤灰改性粘土1)确定试样总质量为250g，确定粉煤灰所占比例分别为5％，10％，15％，20％，25％。
2)秤取粉煤灰12.5g，25g，37.5g，50g，62.5g分别加入粘土颗粒至250g，混合搅拌均匀，确定试样编号分别为FT0(原样)，FT1，FT2，FT3，FT4，FT5，见表1。
3)将混合好的样品装入玻璃管，测引水体的爬高。
聚合羟基铝离子改性粘土1.制备1.0mol/L的NaOH溶液1500ml和0.5mol/L的AlCl3溶液1500ml，各分为四组，分别为150ml，300ml，450ml，600ml。
2.在室温磁力搅拌器搅拌下将配制好的NaOH溶液缓慢的滴加到等体积的AlCl3溶液中水解，控制OH/Al＝2.0。
3.在70℃下老化4h并在室温下陈化2周，得到4种不同的絮凝物交联剂。
4.将粘土烘干，粉碎，过150目筛，称取300g粘土4份，配制浓度为15％的粘土悬浮液。
5.将配制好的交联剂稀释为0.2mol·L-1的溶液，慢慢的滴加到粘土悬浮液中，控制Al/土＝0.25mmol·g-1，0.5mmol·g-1，0.75mmol·g-1，1mmol·g-1室温下过夜后用离心分离机分离，转速为4000rpm，用蒸馏水洗涤产物5次。
6.干燥(120℃)至恒重，研磨，过150目筛，确定试样编号分别为T(原样)，TA1，TA2，TA3，TA4，见表1。
7.将混合好的样品装入玻璃管，测引水体的爬高。
测定粉煤灰改性粘土导水曲线(见图1)和粉煤灰改性粘土导水高度随灰土比的变化(见图2)。随着粉煤灰比例的增加，粘土中水的爬升速度加快，也就是说，粉煤灰的加入明显改善了粘土的导水能力。12个小时后，FT0，FT1，FT2，FT3，FT4，FT5中水的爬升高度分别为56.1cm，65.7cm，69.1cm，70cm，74.2cm，70.7cm，见图3.4，按顺序排列FT4＞FT5＞FT3＞FT2＞FT1＞FT0。当粉煤灰所占比例为20％时，其对粘土导水能力改善达到最高值，随着粉煤灰比例的增加(25％)，导水能力有所下降；测定铝联剂改性粘土导水曲线(见图3)和铝交联剂改性粘土导水高度随铝/土值的变化曲线(见图4)。聚合羟基铝离子对粘土改性能够明显的提高粘土的导水能力，随着改性剂与粘土比例的增加，导水能力逐渐增加。12小时之后，T，TA1，TA2，TA3，TA4的爬升高度分别为50.5cm，63.7cm，66.7cm，73cm，67.3cm，排列顺序为TA3＞TA4＞TA2＞TA1＞T。铝交联剂改性粘土导水高度随铝/土值的变化曲线，当铝/土为0.75mmol/g时(对应TA3)，爬升高度达最大值，为147.5cm。
试样结果表1试样编号及组分
聚合羟基铝离子是铝离子水解的产物所以存在多种不同聚合程度的离子，聚合羟基铝离分子式[Al13O4(OH)24+x](H2O)12-x](7-x)+。
权利要求
1.一种粘土基引水体材料，其特征在于，组成成分的重量比值如下粉煤灰∶粘土＝5～25∶75～95。
2.根据权利要求1所述的粘土基引水体材料，其特征在于，所述的粘土为聚合羟基铝离子改性粘土。
3.根据权利要求2所述的粘土基引水体材料，其特征在于，所述的聚合羟基铝离子改性粘土中，AlCl3的摩尔数和粘土的质量比为0.25-1.0mol/g。
4.权利要求2所述的聚合羟基铝离子改性粘土的制备方法如下1)制备1.0mol/L的NaOH溶液和0.5mol/L的AlCl3溶液；2)搅拌下，将配制好的NaOH溶液缓慢的滴加到等体积的AlCl3溶液中；3)在70℃下老化4小时并在室温下陈化2周，得到絮凝物交联剂；4)将粘土烘干，粉碎，过150目筛，配制浓度为15％的粘土悬浮液；5)将配制好的交联剂稀释为0.2mol·L-1的溶液，慢慢的滴加到粘土悬浮液中，室温下过夜后用离心分离机分离；6)干燥(120℃)至恒重，研磨，过150目筛。
5.根据权利要求4所述的聚合羟基铝离子改性粘土的制备方法制备的聚合羟基铝离子改性粘土。
6.权利要求1所述的粘土基引水体材料的制备过程如下按所述比值称取粉煤灰和粘土，混匀即可。
全文摘要
本发明涉及一种土壤改性材料，特别是涉及一种改性粘土基引水体材料及其制备方法。本发明提供一种，其组成成分的重量比值如下粉煤灰∶粘土＝5～25∶75～95。本发明还提供该粘土基引水体材料的制备方法。使用本发明所提供的新型改性粘土，能够有效解决当前粘土和粉煤灰在农业、林业领域未得到充分利用的问题，以及干旱地区和荒漠化地区植被因为严重缺水难以生存的问题。成功解决了垃圾的再利用和荒漠化地区缺水的问题。
文档编号C09K105/00GK1884434SQ200610087419
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月9日 优先权日2006年6月9日
发明者张增志 申请人:中国矿业大学(北京)