CN111704477A - 超疏水沙子的制备方法及其在沙漠生态修复治理中的应用方法 - Google Patents
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Abstract
超疏水沙子的制备方法及其在沙漠生态修复治理中的应用方法涉及沙漠生态修复治理领域。主要是为解决目前沙漠中雨水高温蒸发和向地下无限量渗透等问题而发明的。把沙子与超疏水乳液充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿，然后自然晾干或烘干，待处理的沙子完全干燥后就形成了超疏水沙子。在种植沙层上方即表层铺盖一层超疏水防蒸发沙层或/和在沙漠种植沙层下方铺垫一层防止水分向下渗透的超疏水防渗沙层。优点是可抑制水分蒸发，阻止或隔断种植沙层中的水分向下渗透。
Description
技术领域
本发明涉及沙漠生态修复治理领域，具体是涉及一种超疏水沙子的制备方法及超疏水沙子在沙漠生态修复治理中的应用。
背景技术
目前防止沙漠化扩散的尝试办法很多，其中不构成污染或二次环境破坏的可持续发展的生态沙漠治理或修复是更理想的方法。在沙漠生态修复的初期，人为地创造可适合植物生长的沙漠环境，如提供最基本的植物生长所需的水分，更重要的是创造很好的沙漠保水保墒防止水分和养分流失的环境，植物经过多年的循环生长，产生大量的植物有机纤维物质等与沙子载体共同形成了保水保墒有机物沙层，并逐渐形成了植物自然生态修复和循环的良性生长环境，从而从根本上完成沙漠生态修复和治理。
植物在沙漠中生长最缺的基本要素是水，在自然降雨或人工灌溉提供有限水量的情况下，如何保水并尽可能减少水分的流失至关重要。沙漠中雨水流失的主要因素是高温蒸发和向地下无限量渗透，为减缓水分蒸发，如在表层铺盖一层超疏水沙子，以抑制内部水分的挥发，或在沙漠表层添加适量的具有很强吸水性的木质纤维或木质素或植物降解物等都可很好的抑制水分的蒸发；为防止雨水向地下渗透，目前采用的办法是在沙漠下层铺垫一层难降解的塑料薄膜或化工合成的聚合物类，这些办法主要有三个方面的缺陷，首先是薄膜不透气，不适宜植物的生长；同时塑料等聚合物给沙漠造成严重的二次污染；在沙漠高温环境下，塑料膜的使用寿命也是难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够抑制水分蒸发，又具有透气性，达到保水保墒防止渗透的功能，克服了塑料薄膜方法所产生严重缺陷的超疏水沙子的制备方法及其在沙漠生态修复治理中的应用方法。
本发明的目的是这样实现的：把100公斤沙子与10公斤超疏水乳液充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿（无干沙粒存在），然后自然晾干或烘干，烘干温度为不超过150℃，待处理的沙子完全干燥后就形成了超疏水沙子。
沙子可以是任何沙子，包括河沙，海沙，沙漠沙子，人工沙子或沙土，沙粒直径尺寸不限。
超疏水乳液有效活性物重量对沙子重量比可以是0.001%至1%的任何比例。
超疏水乳液有效活性物的使用浓度可以是0.01%至10%。
超疏水乳液与沙子的混合办法不限，直到所有沙粒被均匀浸湿。混合办法可以是在沙漠上直接喷洒乳液，均匀渗透到所需深度，无需搅拌；也可以是喷洒后使用机械搅拌，混合更均匀；或者是机械化喷洒和搅拌同时进行。
超疏水沙子用于沙漠生态修复的方法：
方法一：在种植沙层表面铺盖1-20厘米厚的超疏水防蒸发沙层，切断因种植沙层内“毛细现象”引起的水分挥发，起到抑制下层种植沙层中水分蒸发的作用，按此方法可以种植树木等植物。
方法二：在种植沙层下方铺垫一层防止水分向下渗透的超疏水防渗沙层，以阻止灌溉的水分继续往下渗透，起到保水保墒防渗的作用。用于保水保墒防渗的种植沙层下方的超疏水沙子的厚度变化范围为2厘米至30厘米，一般合适厚度在5-15厘米。
方法三：在种植沙层上方即表层铺盖一层超疏水防蒸发沙层，切断因沙层内“毛细现象”引起的水分挥发；在沙漠种植沙层下方铺垫一层防止水分向下渗透的超疏水防渗沙层，以阻止灌溉的水分继续往下渗透，起到保水保墒防渗的作用。
种植沙层即可以是普通沙子，也可以是经过处理后具有吸水更好或减缓水分蒸发或粘合沙子功能的功能性沙子，或者是这些普通沙子和功能性沙子的分层组合，比如超疏水沙层上方为普通沙子，这普通沙层上方或表层为功能性沙层。用于防止水分向下渗透的超疏水沙层上层的种植沙层的厚度为20厘米至200厘米，一般合适厚度为50厘米至100厘米。
本发明的优点是：疏水沙子具有环保无污染、保水、透气、耐高温使用寿命长等优势。
（1）当在种植沙层上方铺盖一层超疏水沙子时，即可以阻断种植沙层中水分因毛细现象向上挥发，从而达到抑制水分蒸发的作用，又具有透气性，满足根茎对空气的需求。
（2）当在种植沙层下方铺垫一层超疏水沙子时，这层超疏水沙层首先阻止或隔断了种植沙层中的水分向下渗透，从而达到保水保墒防止渗透的功能。
（3）同时超疏水沙层同普通沙子一样具有很好的透气特性，可很好地保持地下沙层和表层沙层上下呼吸的生态环境。
（4）耐高温的超疏水沙子具有更长的使用寿命。因此，超疏水沙子在沙漠保墒防渗生态治理中就完全克服了塑料薄膜方法所产生的严重缺陷。超疏水沙子技术即可应用于沙漠，也可应用于沙滩和沙土等地带，或相应的设施。
附图说明
图1是本发明中超疏水沙子用于沙漠生态修复治理的示意图；
图2是本发明试验7的水分在沙子中的挥发速度对比结果图。
具体实施方式
把100公斤沙子与10公斤超疏水乳液充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿（无干沙粒存在），然后自然晾干或加热可达150℃烘干，待处理的沙子完全干燥后就形成了超疏水沙子。
沙子可以是任何沙子，包括河沙，海沙，沙漠沙子，人工沙子或沙土，沙粒直径尺寸不限。
超疏水乳液有效活性物重量对沙子重量比可以是0.001%至1%的任何比例。
超疏水乳液有效活性物的使用浓度可以是0.01%至10%。
超疏水乳液与沙子的混合办法不限，直到所有沙粒被均匀浸湿。混合办法可以是在沙漠上直接喷洒乳液，均匀渗透到所需深度，无需搅拌；也可以是喷洒后使用机械搅拌，混合更均匀；或者是机械化喷洒和搅拌同时进行。
参见图1，方法一：在种植沙层表面铺盖1-20厘米厚的超疏水防蒸发沙层，切断因种植沙层内“毛细现象”引起的水分挥发，起到抑制下层种植沙层中水分蒸发的作用，按此方法可以种植树木等植物。
方法二：在种植沙层下方铺垫一层防止水分向下渗透的超疏水防渗沙层，以阻止灌溉的水分继续往下渗透，起到保水保墒防渗的作用。用于保水保墒防渗的种植沙层下方的超疏水沙子的厚度变化范围为2厘米至30厘米，一般合适厚度在5-15厘米。
方法三：在种植沙层上方即表层铺盖一层超疏水防蒸发沙层，切断因沙层内“毛细现象”引起的水分挥发；在沙漠种植沙层下方铺垫一层防止水分向下渗透的超疏水防渗沙层，以阻止灌溉的水分继续往下渗透，起到保水保墒防渗的作用。
种植沙层即可以是普通沙子，也可以是经过处理后具有吸水更好或减缓水分蒸发或粘合沙子功能的功能性沙子，或者是这些普通沙子和功能性沙子的分层组合，比如超疏水沙层上方为普通沙子，这普通沙层上方或表层为功能性沙层。用于防止水分向下渗透的超疏水沙层上层的种植沙层的厚度为20厘米至200厘米，一般合适厚度为50厘米至100厘米。
所述的超疏水乳液的制备方法为：由下列原料制成的：活性物、乳化剂、水；其中活性物占纳米疏水乳液总重量的1—70%，乳化剂占纳米疏水乳液总重量的0.1—10%，水占纳米疏水乳液总重量的98.9—20%；工业生产时活性物的含量可以是从1%至70%的任何溶度，实际产品应用时产品中活性物的含量取决于应用对象的要求，浓缩液可以在工厂也可以在施工现场与水以任何比例进行简单稀释。
所述的纳米疏水乳液的活性物为含氢硅氧烷聚合物（又称含氢硅油），纳米疏水乳液的活性物的含氢量为0.1%-1.7%，含氢硅氧烷聚合物的分子式为：
(R)3SiO[RHSiO]nSi(R)3 R = 1-5个碳的烷基；
所述的乳化剂由中性表面活性剂和阴离子表面活性剂组成，两类表面活性剂的混合比例不限；
所述的中性表面活性剂可以是脂肪醇类或醚类或酯类化合物，或者是它们的混合物，混合比例不限；
所述的阴离子表面活性剂为脂肪硫酸盐或脂肪磺酸盐或脂肪酸盐，或者是它们的混合物，混合比例不限；
所述的脂肪醇类可以是：至少含有1个或多个醇羟基（-OH）和含有6-30个直链或支链碳的饱和或不饱和烷烃，也可含有0-3个羧基（-COO-）衍生物。例如月桂醇，硬脂醇和棕榈醇等。
所述的醚类可以是：至少含有1个或多个醚基（C-O-C）和含有至少两个6-30个直链或支链碳的饱和或不饱和烷烃,也可以是聚乙二醇的衍生物，HO[CH2CH2O]n-H(n=100-100000)，例如月桂醇聚醚，平平加-10，聚乙二醇1000，HO[CH2CH2O]1000-H。
所述的酯类化合物可以是：含有6-30个直链或支链碳的饱和或不饱和脂肪酸脂衍生物（-COOC-），也可含有0-5个醇羟基，例如双硬脂酸甘油酯，单硬脂酸甘油酯等。
所述的酯肪酸或其盐可以是：含有6-30个直链或支链碳的饱和或不饱和脂肪酸（-COOH）或其脂肪酸盐（-COOM，M=Na、K、Ca等）或脂肪硫酸盐（ROSO3-）,或脂肪磺酸盐（RSO3-），例如油酸，月桂酸钠，月桂基硫酸钠和十二烷基磺酸钠。
所述纳米疏水乳液的制备方法：
将乳化剂按比例溶于50-80℃的热水中，机械搅拌混合物30分钟，直到形成均匀的乳液；当乳液温度降到室温25℃左右时，用少量的10%的盐酸或10%的氢氧化钠溶液调节pH值到7±1；然后用高剪切机在800至2000rpm转速下搅拌该乳液，同时缓慢加入活性物，加完后的混合物继续高速搅拌30分钟直到形成均匀的乳白色浓缩乳液。使用时该浓缩液可与水以任何比例进行简单稀释，以制备成适合不同应用的纳米疏水稀释乳液。
制备用于沙漠治理的超疏水沙层的施工方法：
方法一：简单喷洒法，可用洒水车或喷洒装置均匀可控地在沙漠表层喷洒超疏水乳液，喷洒量可控制在乳液自然向下渗透2-20厘米深，然后自然晾干。此疏水沙层可作为种植沙层上方的抑制水分蒸发的超疏水沙层；如作为种植层下方的防止水分向下渗透的超疏水沙层，可回填种植沙层，覆盖在超疏水沙层上方。
方法二：喷洒搅拌法，先用洒水车或喷洒装置均匀可控地在沙漠表层喷洒超疏水乳液，喷洒量可控制在乳液自然向下渗透2-20厘米深，然后用稳定土拌合机或农用翻耕机或旋耕机搅拌刚喷洒乳液的沙子，如还有为浸湿的沙子，再用喷洒装置喷洒乳液，再用拌合机等机械搅拌均匀，指导所有沙子都被乳液浸湿为止，最后自然晾干。作为种植层下方的防止水分向下渗透的超疏水沙层，需回填种植沙层，覆盖在超疏水沙层上方。
方法三：集中处理法，在沙漠附近建立超疏水沙子制备工厂，在工厂内混合生产线把沙子和乳液按比例充分混合，然后这处理过仍未干的沙子运到沙漠治理地带，均匀铺洒成层，然后晾干。这铺洒的超疏水沙层即可作为种植层下方的防止水分向下渗透的超疏水沙层，也可作为种植沙层上方的抑制水分蒸发的超疏水沙层。
超疏水沙子用于沙漠表面保水减缓蒸发的试验结果：
试验过程：ABCD四个容器装有同样量的普通沙子和水，C和D容器表面再覆盖一层1厘米厚的超疏水沙子，然后放入60度烘箱，定期测试总重量，测算已挥发的水分。
结果：24小时后，A和B容器中90%的水分已挥发掉，而C和D容器中仅挥发掉25%，所以，常规沙子中的水分挥发速度要比覆盖一层超疏水沙层的挥发速度快3.6倍。
结论：同样条件下，覆盖超疏水沙子后可以很好地抑制水分蒸发，起到保水的作用，同时超疏水沙层还有透气隔热功能。另外，沙子中含水量较少且温度较低（沙子内部温度小于60度）时（这是沙漠种植时更常见情况），没有覆盖超疏水沙子的普通沙子内水分蒸发速度相对更快，覆盖过的相对更慢，保水作用相对更好。
实验1，浓度为0.01%的超疏水乳液处理的河沙（有效活性物对沙子的含量为0.001%）；
把10公斤河沙与浓度为0.01%的超疏水乳液1公斤充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿，然后在80℃温度下烘干10小时，形成了疏水沙子，水珠接触角大于90度。
抗渗试验；
直径为5-10厘米、90厘米高的透明桶（玻璃或塑料），底部开孔数个，然后用纱布或棉花盖住开的孔，以防止沙子漏出去，纱布上方加入超疏水沙子至5厘米厚，振实抹平，最后加入普通沙子至80厘米厚，同样振实抹平。从上方缓慢加水直至所有普通沙子全部浸湿，水液面高于普通沙层面1厘米，此时加入的水停留在超疏水沙层表面，无法进入超疏水沙层内部，超疏水沙子仍保持干沙颜色，而普通沙子变成湿颜色。管口上方用烧杯盖住，减缓水分蒸发。准备好的试验桶保持静止不动1-10个月，观察底部是否有水渗出或两层沙子界面间干/湿水印界限的变化。保留期间如水液面降低，可适量加水补充。观察结果：1个月时底部观察到渗水现象。
实验2，浓度为0.01%的超疏水乳液处理的海沙（有效活性物对沙子的含量为0.001%）；
把10公斤海沙与浓度为0.01%的超疏水乳液1公斤充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿，然后在80℃温度下烘干10小时，形成了疏水沙子，水珠接触角大于90度。
抗渗试验；
直径为5-10厘米、90厘米高的透明桶（玻璃或塑料），底部开孔数个，然后用纱布盖住开孔，纱布上方加入超疏水沙子至5厘米厚，振实抹平，最后加入普通沙子至80厘米厚，同样振实抹平。从上方缓慢加水直至所有普通沙子全部浸湿，水液面高于普通沙层面1厘米，此时加入的水停留在超疏水沙层表面，无法进入超疏水沙层内部，超疏水沙子仍保持干沙颜色，而普通沙子变成湿颜色。管口上方用烧杯盖住，减缓水分蒸发。准备好的试验管保持静止不动1-10个月，观察底部是否有水渗出或两层沙子界面间干/湿水印界限的变化。保留期间如水液面降低，可适量加水补充。观察结果：1个月时底部出现渗水现象。
实验3；
浓度为0.1%的超疏水乳液处理的河沙（有效活性物对沙子的含量为0.01%）；
把10公斤河沙与浓度为0.1%的超疏水乳液1公斤充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿，然后在80℃温度下烘干10小时，形成了超疏水沙子，水珠接触角可达120度。
抗渗试验;
直径为5-10厘米、90厘米高的透明桶（玻璃或塑料），底部开孔数个，然后用纱布盖住开孔，纱布上方加入超疏水沙子至5厘米厚，振实抹平，最后加入普通沙子至80厘米厚，同样振实抹平。从上方缓慢加水直至所有普通沙子全部浸湿，水液面高于普通沙层面1厘米，此时加入的水停留在超疏水沙层表面，无法进入超疏水沙层内部，超疏水沙子仍保持干沙颜色，而普通沙子变成湿颜色。管口上方用烧杯盖住，减缓水分蒸发。准备好的试验管保持静止不动1-10个月，观察底部是否有水渗出或两层沙子界面间干/湿水印界限的变化。保留期间如水液面降低，可适量加水补充。观察结果：2个月时底部发现渗水现象。
实验4；
浓度为1%的超疏水乳液处理的黄沙（有效活性物对沙子的含量为0.1%）；
把100公斤黄沙与浓度为1%的超疏水乳液10公斤充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿，自然晾干后就形成了超疏水沙子，水珠接触角可达140度。
抗渗试验;
直径为5-10厘米、90厘米高的透明桶（玻璃或塑料），底部开孔数个，然后用纱布盖住开孔，纱布上方加入超疏水沙子至5厘米厚，振实抹平，最后加入普通沙子至80厘米厚，同样振实抹平。从上方缓慢加水直至所有普通沙子全部浸湿，水液面高于普通沙层面1厘米，此时加入的水停留在超疏水沙层表面，无法进入超疏水沙层内部，超疏水沙子仍保持干沙颜色，而普通沙子变成湿颜色。管口上方用烧杯盖住，减缓水分蒸发。准备好的试验管保持静止不动10个月，观察底部是否有水渗出或两层沙子界面间干/湿水印界限的变化。保留期间如水液面降低，可适量加水补充。观察结果：5个月内底部没有渗水现象，两层沙子界面间干/湿水印界限没有明显变化，水没有进入超疏水沙层内，水仍被阻止在超疏水沙层上方。
实验5；
浓度为2%的超疏水乳液处理的沙漠沙子（有效活性物对沙子的含量为0.2%）；
把100公斤沙漠沙子与浓度为2%的超疏水乳液10公斤充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿，自然晾干后就形成了超疏水沙子，水珠接触角可达140度。
抗渗试验;
直径为5-10厘米、90厘米高的透明桶（玻璃或塑料），底部开孔数个，然后用纱布盖住开孔，纱布上方加入超疏水沙子至5厘米厚，振实抹平，最后加入普通沙子至80厘米厚，同样振实抹平。从上方缓慢加水直至所有普通沙子全部浸湿，水液面高于普通沙层面1厘米，此时加入的水停留在超疏水沙层表面，无法进入超疏水沙层内部，超疏水沙子仍保持干沙颜色，而普通沙子变成湿颜色。管口上方用烧杯盖住，减缓水分蒸发。准备好的试验管保持静止不动10个月，观察底部是否有水渗出或两层沙子界面间干/湿水印界限的变化。保留期间如水液面降低，可适量加水补充。观察结果：5个月内底部没有渗水现象，两层沙子界面间干/湿水印界限没有明显变化，水没有进入超疏水沙层内，水仍被阻止在超疏水沙层上方。
试验6，浓度为8%的超疏水乳液处理的沙漠沙子（有效活性物对沙子的含量为0.8%）；
把100公斤沙漠沙子与浓度为8%的超疏水乳液10公斤充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿，自然晾干后就形成了超疏水沙子，水珠接触角可达150度。
抗渗试验：
直径为5-10厘米、90厘米高的透明桶（玻璃或塑料），底部开孔数个，然后用纱布盖住开孔，纱布上方加入超疏水沙子至5厘米厚，振实抹平，最后加入普通沙子至80厘米厚，同样振实抹平。从上方缓慢加水直至所有普通沙子全部浸湿，水液面高于普通沙层面1厘米，此时加入的水停留在超疏水沙层表面，无法进入超疏水沙层内部，超疏水沙子仍保持干沙颜色，而普通沙子变成湿颜色。管口上方用烧杯盖住，减缓水分蒸发。准备好的试验管保持静止不动10个月，观察底部是否有水渗出或两层沙子界面间干/湿水印界限的变化。保留期间如水液面降低，可适量加水补充。观察结果：10个月内底部没有渗水现象，两层沙子界面间干/湿水印界限没有明显变化，水没有进入超疏水沙层内，水仍被阻止在超疏水沙层上方。
试验7，表层抑制水分蒸发的超疏水沙层试验；
试验过程：ABCD四个同样容器装有同样量的沙子和水，C和D容器含水沙子表面再加一层1厘米厚的超疏水沙层，然后放入温度为60℃的烘箱蒸发，定期测试总重量，并测算已挥发掉的水分。
参见图2，结果：24小时后，A和B容器中90%的水分已挥发掉，而C和D容器中仅挥发掉25%，所以，常规沙子中的水分挥发速度要比覆盖一层超疏水沙层的挥发速度快3.6倍。
无超疏水沙子覆盖的A和B比有覆盖的C和D水分挥发速度快3.6倍。
24小时后，A和B中的水分已挥发掉90%，而C和D仅挥发掉25%
结论：同样条件下，覆盖超疏水沙子后可以很好地抑制水分蒸发，起到保水的作用，同时超疏水沙层还有透气隔热功能。另外，沙子中含水量较少且温度较低（沙子内部温度小于60度）时（这是沙漠种植时更常见情况），没有覆盖超疏水沙子的普通沙子内水分蒸发速度相对更快，覆盖过的相对更慢，保水作用相对更好。
Claims (10)
1.超疏水沙子的制备方法，其特征是：把沙子与超疏水乳液充分均匀混合，直到所有沙粒都被乳液浸湿，然后自然晾干或加热烘干，待处理的沙子完全干燥后就形成了超疏水沙子。
2.按照权利要求1所述的超疏水沙子的制备方法，其特征是：自然晒干或加热烘干的温度为不超过150℃。
3.按照权利要求1所述的超疏水沙子的制备方法，其特征是：沙子可以是任何沙子，包括河沙，海沙，沙漠沙子，人工沙子或沙土，沙粒直径尺寸不限。
4.按照权利要求1所述的超疏水沙子的制备方法，其特征是：超疏水乳液有效活性物重量对沙子重量比可以是0.001%至1%。
5.按照权利要求1所述的超疏水沙子的制备方法，其特征是：超疏水乳液有效活性物的使用浓度可以是0.01%至10%。
6.超疏水沙子在沙漠生态修复治理中的应用方法，其特征是：在种植沙层表面铺盖超疏水防蒸发沙层，切断因种植沙层内“毛细现象”引起的水分挥发，起到抑制下层种植沙层中水分蒸发的作用，按此方法可以种植各种树木等植物。
7.超疏水沙子在沙漠生态修复治理中的应用方法，其特征是：在种植沙层下方铺垫一层防止水分向下渗透的超疏水防渗沙层，以阻止灌溉的水分继续往下渗透，起到保水保墒防渗的作用。
8.按照权利要求6所述的超疏水沙子在沙漠生态修复治理中的应用方法，其特征是：用于保水抑制水分蒸发作用的在种植沙层上方覆盖的表层超疏水沙子的厚度变化范围为1-20厘米。
9.按照权利要求7所述的超疏水沙子在沙漠生态修复治理中的应用方法，其特征是：用于保水保墒防渗的种植沙层下方的超疏水沙子的厚度变化范围为2厘米至30厘米，一般合适厚度在5-15厘米。
10.超疏水沙子在沙漠生态修复治理中的应用方法，其特征是：在种植沙层上方即表层铺盖一层超疏水防蒸发沙层，切断因沙层内“毛细现象”引起的水分挥发；在沙漠种植沙层下方铺垫一层防止水分向下渗透的超疏水防渗沙层，以阻止灌溉的水分继续往下渗透，起到保水保墒防渗的作用。
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