本发明涉及一种固沙材料的制备方法，属于沙漠化环境治理
技术领域：
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背景技术：
：由于沙漠地区特殊的气候条件，要实现生态逆转，单纯依靠自然恢复通长是很难实现的。为了迅速改变沙漠化不断扩张的趋势，必须进行生态环境工程建设，这种通过人为因素干预，对生态环境进行恢复、改造的方法无疑是防治土地沙漠化最有效的措施，也是根本的措施。目前，较常用的固沙制备方法主要有工程（或物理）固沙、生物固沙、化学固沙以及综合固沙。工程固沙主要采用物理的方法阻止沙丘的移动，减小风速和改变风沙的吹蚀方向，使沙漠能固定沉积下来，主要方法是在沙丘上设置沙障；生物固沙的主要方法是选择合适的沙生植物以及设计有效的防风林结构，当前普遍采用的防风固沙生态体系有“乔-灌-草”三者的有效结合；化学固沙就是使用化学方法以及化学材料选择在较容易发生风沙化的沙漠地区建造沙漠固结层，此固结层能够有效地防止风沙的吹蚀和有效地保持沙地水分，从而起到防止风沙侵蚀的作用；综合固沙，是由于单一的固沙方法效果欠佳。目前常采用多种方法结合的综合固沙技术，如：“工程－植物”、“化学－植物”及“化学－植物－工程”等。就固沙材料的类型来说，目前主要包括以下6种：水泥浆类、水玻璃类、石油产品类、高分子高吸水树脂类、合成高分子类以及改性凹凸棒类。水泥浆固沙材料就是在沙面表层凝固形成固结层，从而使其覆盖在沙面表层起到固沙的作用。但是硬化后的水泥浆类固沙材料属于脆性材料，其保水能力差，硬化后易龟裂、干缩，从而对固沙和保水的效果不佳，因此，这类固沙材料具有缺乏柔性的缺点，现在已很少单独使用。水玻璃类已经使用了将近有一百年的历史，此类固沙材料的优点是廉价且无毒。过去用的水玻璃类是由水玻璃和酸性反应剂构成，在强碱条件下发生胶凝固结。但其缺点是胶凝时间短，而且造成环境的二次碱性污染。目前科研工作者对水玻璃进行了改进，添加了一些有机、无机胶凝结材料进行复合，以期获得适合喷洒便于施工的复合水玻璃固沙剂。石油产品类固沙剂是在沙漠表层喷洒石油类固沙剂，使沙粒在沙层表面固结起来。石油类常用的固沙剂是原油和沥青，把沥青和原油加热融化后，配成乳化液直接喷洒在沙层表面，把沙土表面的沙粒用固沙剂固结起来，便可起到固沙的作用，而且施工简便。目前沥青是世界各国中应用最广泛的一种固沙材料，它在常温下的状态是固体或半固体，具有较高的凝点和熔点，并具有高黏度的性能。由于沥青本身的特点和物理特性使其成为一种传统的固沙材料。这类固沙剂的特点是成本低且原料广泛，容易获得，具有防止水土流失、改善土壤水热状况、增温保墒、减少肥料和农药的流失、提高肥效等功能，所以被称之为“液态地膜”。它与植物结合时，对植物没有毒害，不影响植物的发芽生长，可以较持久地固定于地表面。目前化学固沙材料的主要研究对象之一就是高分子高吸水树脂类固沙材料。它的特点是分子量很大和粘度较高，因此，用它来固结沙粒，可使原本松散的沙粒胶结成较大的稳定体，还有较好的韧性，是近年来研究的热点。目前已开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、聚丙烯酸盐类、醋酸乙烯类等。它们的吸水和保水性能好、固结强度较高、粘结性好、固化迅速、耐水性好以及性能稳定。高分子合成材料的出现，为人类的生产和科学技术的发展开拓了广阔的道路，作为一种新型化学固沙材料，其特点是实施方便且效率高，可明显地缩短施工周期，固沙效果好且稳定，因此引起了人们的广泛关注。目前，合成高分子类固沙材料主要包括以下几类：生态环境固沙材料、微生物固沙材料、有机--无机复合固沙材料等。但生态环境固沙材料应用较多，它主要包括木质素类固沙材料和改性废塑料类。用改性的凹凸棒土制成的固沙材料，能使固沙材料在某些特定的方面表现出特殊的性能，更能体现出凹凸棒固沙剂的应用价值。例如在凹凸棒固沙材料中加入生物降解高分子材料，调整可降解高分子的用量，不但可以使固结层达到较高强度，还可以使固沙材料拥有可降解功能。改性凹凸棒与高分子材料聚合后均能牢固粘结，聚合后其粘结强度大于其自身的抗拉强度，能够更好的抵抗风压，达到抵抗风沙侵蚀的效果。由于改性的凹凸棒基高分子固沙材料具有较高的吸水性和保水性，并且具有反复吸释功能，缓慢释放水分供植物吸收利用，它的保水性应用在沙漠治理建设中可增强土壤保水性、减少水分的深层渗漏和土壤养分流失、提高水分利用率、减少水土流失，另外还可调节土壤水、热、气状况，改善土壤结构，提高土壤肥力。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题：针对现有固沙材料固沙效果不佳，会对环境产生二次污染的问题，提供了一种固沙材料的制备方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：取多孔纤维、生物炭、吸水凝胶、核桃砂、n-甲基吗啉，将多孔纤维、核桃砂和n-甲基吗啉混合，在温度为80～90℃下真空搅拌10～20min，得基体液，加入生物炭和吸水凝胶，继续搅拌30～40min，得混合浆料，将混合浆料注入模具，在压力为5～10mpa下压制成型，得坯体，在温度为50℃下用无水乙醇洗涤2～4次后，并置于-40～-50℃下冷冻干燥2～4h，即得固沙材料。所述的多孔纤维的制备步骤为：将秸秆纤维置于高压反应釜中，恒温发泡，得多孔纤维。所述的生物炭的制备步骤为：（1）按质量比1∶10∶50将牛粪发酵剂、小麦秸秆和牛粪混合发酵处理，得前驱体；（2）将前驱体置于马弗炉中，保温碳化处理，得生物炭。所述的吸水凝胶的制备步骤为：取壳聚糖、丙烯酸、十二烷基苯磺酸钠、质量分数为2%乙酸溶液、去离子水，将壳聚糖和质量分数为2%乙酸溶液混合，在搅拌速度为300～350r/min下搅拌20～30min，的混合液a，加入十二烷基苯磺酸钠和去离子水，在氮气气氛，温度为50～60℃下继续搅拌15～20min，得混合液b，加入丙烯酸，在温度为70～80℃，转速为500～600r/min下搅拌2～3h，得混合物a，用去离子水洗涤2～3次，用质量分数为1%氢氧化钠溶液中和至ph为7，过滤得沉淀，将沉淀置于温度为60～70℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，研磨，并过20～30目筛，得吸水凝胶。所述的多孔纤维、生物炭、吸水凝胶、核桃砂、n-甲基吗啉之间的比例为：按重量份数计，分别称取20～35份多孔纤维、10～15份生物炭、5～15份吸水凝胶、1～5份核桃砂、50～80份n-甲基吗啉。所述的秸秆纤维的制备步骤为：取小麦秸秆，用去离子水洗净，在室温下自然晾干，并粉碎得秸秆粉，按质量比1∶10将秸秆粉和质量分数为40%氢氧化钠溶液混合，在温度为40～60℃下煮练1～2h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼3～5次，并置于温度为80～100℃下干燥至恒重，冷却至室温即得秸秆纤维。所述的恒温发泡处理为在温度为120～150℃，压力为1～4kpa下保持3～4h后，充入比例为50%∶50%的二氧化碳和正丁醇的混合物，恒温发泡10～20min。步骤（1）所述的发酵处理步骤为：将牛粪发酵剂、小麦秸秆和牛粪混合，水分含量控制在60%～65%，在室温下堆积1～2天，得共混物，将共混物翻倒1次，升温至50～60℃下堆积18～24h，升温至65℃下，翻倒2～3次，发酵6～7天。步骤（2）所述的保温碳化处理步骤为：以1～3℃/min的升温速率，从室温升温至100～200℃，保温30～40min，以3～5℃/min的升温速率，从室温升温至400～500℃，保温40～50min，随炉温冷却，研磨并过20～30目筛。所述的壳聚糖、丙烯酸、十二烷基苯磺酸钠、质量分数为2%乙酸溶液、去离子水之间的比例为：按重量份数计，分别称取10～20份壳聚糖、10～30份丙烯酸、1～3份十二烷基苯磺酸钠、60～80份质量分数为2%乙酸溶液、10～20份去离子水。本发明与其他方法相比，有益技术效果是：（1）本发明采用从秸秆中提取秸秆纤维，经过发泡处理制得的多孔纤维作为原料，将牛粪和秸秆进行炭化处理得到的生物炭作为固沙材料的填料，壳聚糖吸水凝胶作为助填料，采用物理成孔法制备出一种海绵状纤维素固沙材料；生物炭是生物质在真空或低氧条件下炭化而成的高养分含量、疏松多孔的富碳产物，是进行土壤质量提升的良好材料，生物炭因自身具有巨大的比表面积，施入土壤后同样也増加了土壤的比表面积，从而提高了土壤的持水力，对土壤微生物群落的繁衍及土壤整体的吸附能力都有力，导致土壤的保水性能得以提高；生物炭的高度芳香化结构使其比其他形式的有机碳具有更高的生物化学及热稳定性，因此能长期保存在止壤中而不易被矿化，其分解速率慢，存在时间可达数百年甚至上千年么久，秸秆在土壤中能增加土壤有机质，将秸秆和牛粪混合碳化，形成生物炭，生物炭将生物质炭转化成稳定的土壤有机碳，自然条件下其生物与非生物氧化都相当缓慢，因此，生物炭能长期增加土壤有机碳含量；生物炭微粒进入土壤团聚体或吸附有机质而被包裹起来，从而得到土壤矿物的物理保护，减缓生物炭的矿化速率，再有自身的抵抗化学氧化和生物腐蚀的能力，或颗粒态生物炭通过自身的分室化作用来防止其内部的降解，因此生物炭能够在土壤中长期存在，制备的固沙材料固沙效果好，且作用长久；（2）本发明以壳聚糖和丙烯酸为原料，阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠胶束为孔模板，水溶液中自由基接枝聚合制备了多孔壳聚糖接枝聚丙烯酸复合高吸水凝胶，壳聚糖是甲壳素脱乙酰基产物，高分子链上含有大量的-oh和-nh2等功能基团，可直接作为重金属离子螯合剂，在复合凝胶三维网络形成时引入致孔剂，得到多孔吸附材料，十二烷基苯磺酸钠在水中自聚成胶束，此胶束在聚合物网络形成过程中作为孔模板占据一定的体积，在凝胶醇脱水过程中脱除得到多孔状结构，这种孔状结构有助于提高凝胶的平衡吸水倍率；将多孔纤维、生物炭和吸水凝胶复合，制备出一种固沙效果良好的固沙材料。具体实施方式取小麦秸秆，用去离子水洗净，在室温下自然晾干，并粉碎得秸秆粉，按质量比1∶10将秸秆粉和质量分数为40%氢氧化钠溶液混合，在温度为40～60℃下煮练1～2h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼3～5次，并置于温度为80～100℃下干燥至恒重，冷却至室温即得秸秆纤维；将秸秆纤维置于高压反应釜中，在温度为120～150℃，压力为1～4kpa下保持3～4h后，充入比例为50%∶50%的二氧化碳和正丁醇的混合物，恒温发泡10～20min，得多孔纤维；按质量比1∶10∶50将牛粪发酵剂、小麦秸秆和牛粪混合，水分含量控制在60%～65%，在室温下堆积1～2天，得共混物，将共混物翻倒1次，升温至50～60℃下堆积18～24h，升温至65℃下，翻倒2～3次，发酵6～7天，得前驱体；将前驱体置于马弗炉中，以1～3℃/min的升温速率，从室温升温至100～200℃，保温30～40min，以3～5℃/min的升温速率，从室温升温至400～500℃，保温40～50min，随炉温冷却，研磨并过20～30目筛，得生物炭；按重量份数计，分别称取10～20份壳聚糖、10～30份丙烯酸、1～3份十二烷基苯磺酸钠、60～80份质量分数为2%乙酸溶液、10～20份去离子水，将壳聚糖和质量分数为2%乙酸溶液混合，在搅拌速度为300～350r/min下搅拌20～30min，的混合液a，加入十二烷基苯磺酸钠和去离子水，在氮气气氛，温度为50～60℃下继续搅拌15～20min，得混合液b，加入丙烯酸，在温度为70～80℃，转速为500～600r/min下搅拌2～3h，得混合物a，用去离子水洗涤2～3次，用质量分数为1%氢氧化钠溶液中和至ph为7，过滤得沉淀，将沉淀置于温度为60～70℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，研磨，并过20～30目筛，得吸水凝胶；按重量份数计，分别称取20～35份多孔纤维、10～15份生物炭、5～15份吸水凝胶、1～5份核桃砂、50～80份n-甲基吗啉，将多孔纤维、核桃砂和n-甲基吗啉混合，在温度为80～90℃下真空搅拌10～20min，得基体液，加入生物炭和吸水凝胶，继续搅拌30～40min，得混合浆料，将混合浆料注入模具，在压力为5～10mpa下压制成型，得坯体，在温度为50℃下用无水乙醇洗涤2～4次后，并置于-40～-50℃下冷冻干燥2～4h，即得固沙材料。取多孔纤维、生物炭、吸水凝胶、核桃砂、n-甲基吗啉，将多孔纤维、核桃砂和n-甲基吗啉混合，在温度为80℃下真空搅拌10min，得基体液，加入生物炭和吸水凝胶，继续搅拌30min，得混合浆料，将混合浆料注入模具，在压力为5mpa下压制成型，得坯体，在温度为50℃下用无水乙醇洗涤2次后，并置于-40℃下冷冻干燥2h，即得固沙材料。多孔纤维的制备步骤为：将秸秆纤维置于高压反应釜中，恒温发泡，得多孔纤维。生物炭的制备步骤为：按质量比1∶10∶50将牛粪发酵剂、小麦秸秆和牛粪混合发酵处理，得前驱体；将前驱体置于马弗炉中，保温碳化处理，得生物炭。吸水凝胶的制备步骤为：取壳聚糖、丙烯酸、十二烷基苯磺酸钠、质量分数为2%乙酸溶液、去离子水，将壳聚糖和质量分数为2%乙酸溶液混合，在搅拌速度为300r/min下搅拌20min，的混合液a，加入十二烷基苯磺酸钠和去离子水，在氮气气氛，温度为50℃下继续搅拌15min，得混合液b，加入丙烯酸，在温度为70℃，转速为500r/min下搅拌2h，得混合物a，用去离子水洗涤2次，用质量分数为1%氢氧化钠溶液中和至ph为7，过滤得沉淀，将沉淀置于温度为60℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，研磨，并过20目筛，得吸水凝胶。多孔纤维、生物炭、吸水凝胶、核桃砂、n-甲基吗啉之间的比例为：按重量份数计，分别称取20份多孔纤维、10份生物炭、5份吸水凝胶、1份核桃砂、50份n-甲基吗啉。秸秆纤维的制备步骤为：取小麦秸秆，用去离子水洗净，在室温下自然晾干，并粉碎得秸秆粉，按质量比1∶10将秸秆粉和质量分数为40%氢氧化钠溶液混合，在温度为40℃下煮练1h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼3次，并置于温度为80℃下干燥至恒重，冷却至室温即得秸秆纤维。恒温发泡处理为在温度为120℃，压力为1kpa下保持3h后，充入比例为50%∶50%的二氧化碳和正丁醇的混合物，恒温发泡10min。发酵处理步骤为：将牛粪发酵剂、小麦秸秆和牛粪混合，水分含量控制在60%，在室温下堆积1天，得共混物，将共混物翻倒1次，升温至50℃下堆积18h，升温至65℃下，翻倒2次，发酵6天。保温碳化处理步骤为：以1℃/min的升温速率，从室温升温至100℃，保温30min，以3℃/min的升温速率，从室温升温至400℃，保温40min，随炉温冷却，研磨并过20目筛。所述的壳聚糖、丙烯酸、十二烷基苯磺酸钠、质量分数为2%乙酸溶液、去离子水之间的比例为：按重量份数计，分别称取10份壳聚糖、10份丙烯酸、1份十二烷基苯磺酸钠、60份质量分数为2%乙酸溶液、10份去离子水。取多孔纤维、生物炭、吸水凝胶、核桃砂、n-甲基吗啉，将多孔纤维、核桃砂和n-甲基吗啉混合，在温度为85℃下真空搅拌15min，得基体液，加入生物炭和吸水凝胶，继续搅拌35min，得混合浆料，将混合浆料注入模具，在压力为7mpa下压制成型，得坯体，在温度为50℃下用无水乙醇洗涤3次后，并置于-45℃下冷冻干燥3h，即得固沙材料。多孔纤维的制备步骤为：将秸秆纤维置于高压反应釜中，恒温发泡，得多孔纤维。生物炭的制备步骤为：按质量比1∶10∶50将牛粪发酵剂、小麦秸秆和牛粪混合发酵处理，得前驱体；将前驱体置于马弗炉中，保温碳化处理，得生物炭。吸水凝胶的制备步骤为：取壳聚糖、丙烯酸、十二烷基苯磺酸钠、质量分数为2%乙酸溶液、去离子水，将壳聚糖和质量分数为2%乙酸溶液混合，在搅拌速度为325r/min下搅拌25min，的混合液a，加入十二烷基苯磺酸钠和去离子水，在氮气气氛，温度为55℃下继续搅拌17min，得混合液b，加入丙烯酸，在温度为75℃，转速为550r/min下搅拌2.5h，得混合物a，用去离子水洗涤2次，用质量分数为1%氢氧化钠溶液中和至ph为7，过滤得沉淀，将沉淀置于温度为65℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，研磨，并过25目筛，得吸水凝胶。多孔纤维、生物炭、吸水凝胶、核桃砂、n-甲基吗啉之间的比例为：按重量份数计，分别称取30份多孔纤维、12份生物炭、10份吸水凝胶、3份核桃砂、65份n-甲基吗啉。秸秆纤维的制备步骤为：取小麦秸秆，用去离子水洗净，在室温下自然晾干，并粉碎得秸秆粉，按质量比1∶10将秸秆粉和质量分数为40%氢氧化钠溶液混合，在温度为50℃下煮练1.5h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼4次，并置于温度为90℃下干燥至恒重，冷却至室温即得秸秆纤维。恒温发泡处理为在温度为135℃，压力为2.5kpa下保持3.5h后，充入比例为50%∶50%的二氧化碳和正丁醇的混合物，恒温发泡15min。发酵处理步骤为：将牛粪发酵剂、小麦秸秆和牛粪混合，水分含量控制在62%，在室温下堆积1天，得共混物，将共混物翻倒1次，升温至55℃下堆积21h，升温至65℃下，翻倒2次，发酵6天。保温碳化处理步骤为：以2℃/min的升温速率，从室温升温至150℃，保温35min，以4℃/min的升温速率，从室温升温至450℃，保温45min，随炉温冷却，研磨并过25目筛。所述的壳聚糖、丙烯酸、十二烷基苯磺酸钠、质量分数为2%乙酸溶液、去离子水之间的比例为：按重量份数计，分别称取15份壳聚糖、20份丙烯酸、2份十二烷基苯磺酸钠、70份质量分数为2%乙酸溶液、15份去离子水。取多孔纤维、生物炭、吸水凝胶、核桃砂、n-甲基吗啉，将多孔纤维、核桃砂和n-甲基吗啉混合，在温度为90℃下真空搅拌20min，得基体液，加入生物炭和吸水凝胶，继续搅拌40min，得混合浆料，将混合浆料注入模具，在压力为10mpa下压制成型，得坯体，在温度为50℃下用无水乙醇洗涤4次后，并置于-50℃下冷冻干燥4h，即得固沙材料。多孔纤维的制备步骤为：将秸秆纤维置于高压反应釜中，恒温发泡，得多孔纤维。生物炭的制备步骤为：按质量比1∶10∶50将牛粪发酵剂、小麦秸秆和牛粪混合发酵处理，得前驱体；将前驱体置于马弗炉中，保温碳化处理，得生物炭。吸水凝胶的制备步骤为：取壳聚糖、丙烯酸、十二烷基苯磺酸钠、质量分数为2%乙酸溶液、去离子水，将壳聚糖和质量分数为2%乙酸溶液混合，在搅拌速度为350r/min下搅拌30min，的混合液a，加入十二烷基苯磺酸钠和去离子水，在氮气气氛，温度为60℃下继续搅拌20min，得混合液b，加入丙烯酸，在温度为80℃，转速为600r/min下搅拌3h，得混合物a，用去离子水洗涤3次，用质量分数为1%氢氧化钠溶液中和至ph为7，过滤得沉淀，将沉淀置于温度为70℃的烘箱中干燥至恒重，冷却至室温，研磨，并过30目筛，得吸水凝胶。多孔纤维、生物炭、吸水凝胶、核桃砂、n-甲基吗啉之间的比例为：按重量份数计，分别称取35份多孔纤维、15份生物炭、15份吸水凝胶、5份核桃砂、80份n-甲基吗啉。秸秆纤维的制备步骤为：取小麦秸秆，用去离子水洗净，在室温下自然晾干，并粉碎得秸秆粉，按质量比1∶10将秸秆粉和质量分数为40%氢氧化钠溶液混合，在温度为60℃下煮练2h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼5次，并置于温度为100℃下干燥至恒重，冷却至室温即得秸秆纤维。恒温发泡处理为在温度为150℃，压力为4kpa下保持4h后，充入比例为50%∶50%的二氧化碳和正丁醇的混合物，恒温发泡20min。发酵处理步骤为：将牛粪发酵剂、小麦秸秆和牛粪混合，水分含量控制在65%，在室温下堆积2天，得共混物，将共混物翻倒1次，升温至60℃下堆积24h，升温至65℃下，翻倒3次，发酵7天。保温碳化处理步骤为：以3℃/min的升温速率，从室温升温至200℃，保温40min，以5℃/min的升温速率，从室温升温至500℃，保温50min，随炉温冷却，研磨并过30目筛。所述的壳聚糖、丙烯酸、十二烷基苯磺酸钠、质量分数为2%乙酸溶液、去离子水之间的比例为：按重量份数计，分别称取20份壳聚糖、30份丙烯酸、3份十二烷基苯磺酸钠、80份质量分数为2%乙酸溶液、20份去离子水。对照例：青海某公司生产的固沙材料。将实例及对照例制备得到的固沙材料进行检测，具体检测如下：抗压强度是固沙材料力学性能的集中反映。参照《建筑石膏》（gb/t9776-2008），使用天水红山试验机有限公司产tye-300型抗压试验机对固沙材料试样进行抗压强度测试。每组实验测量3个试样，结果取其平均值。吸水性能：将固沙材料试样称重记为g1，放入装满水的磁盘内，然后将磁盘放入数控超声波清洗仪中超声1h，再在水中浸泡23h，取出称重记为g2，进行吸水性能测试。保水性能：将测试完吸水性能的固沙材料放入35℃烘箱内12h，取出称量固沙材料质量记为g3，进行保水性能测试。孔隙率：将固沙材料试样称重记为g1，放入装满煤油的磁盘内，然后将磁盘放入数控超声波清洗仪中超声1h，然后再在煤油中浸泡23h，取出称重记为g2，进行孔隙率测试。具体测试结果如表1。表1性能表征对比表检测项目实例1实例2实例3对照例抗压强度/mpa6.216.336.522.92吸水率/%50.6451.3352.1235.20保水率/%79.2379.3779.6159.08孔隙率/%45.7045.4145.2129.36由表1可知，本发明制备的固沙材料具有良好的强度、吸水保水率和孔隙率，使其具有良好的固沙能力，有利于沙生植物发芽生成。当前第1页12