基本介紹
- 中文名：化學固沙
- 化學物：瀝青等
- 原理：化學方法
- 目的：固沙
概念,原理,常見技術,瀝青乳液,瀝青化合物,油～膠乳固沙,泥炭膠固沙,高分子聚合物,相關研究合作,
概念
化學固沙是指在風沙危害地區，利用化學材料與工藝，對易產生沙害的沙丘或沙質地表建造一層能夠防止風力吹揚又具有保持水分和改良沙地性質的固結層，以達到控制和改善沙害環境，提高沙地生產力的技術措施。
化學固沙始於20世紀30年代，迄今已有近70年的歷史。1934年，前蘇聯首先開展了瀝青乳液固沙試驗，當時由於受原材料和技術的影響，發展很慢。60年代以後，隨著人工合成高分子聚合物工業的迅速發展，化學固沙才有了較快的發展和較多的套用。採用化學固沙的國家越來越多，治理規模越來越大；治沙材料日益豐富，產品種類不斷更新；化學固沙與植物固沙的結合，不僅固定了流沙，而且促進了植物的生長，改善了生態環境，化學固沙已逐步發展成為乾旱地區或有風沙危害地區防止沙害，開發利用沙區資源的重要工程技術手段之一。特別是具有豐富石油資源的一些沙漠地區國家更為突出。在我國由於化學固沙相對於其他治沙措施成本較高，常在鐵路、公路、工礦等重點建設中採用。
化學固沙始於20世紀30年代，迄今已有近70年的歷史。1934年，前蘇聯首先開展了瀝青乳液固沙試驗，當時由於受原材料和技術的影響，發展很慢。60年代以後，隨著人工合成高分子聚合物工業的迅速發展，化學固沙才有了較快的發展和較多的套用。採用化學固沙的國家越來越多，治理規模越來越大；治沙材料日益豐富，產品種類不斷更新；化學固沙與植物固沙的結合，不僅固定了流沙，而且促進了植物的生長，改善了生態環境，化學固沙已逐步發展成為乾旱地區或有風沙危害地區防止沙害，開發利用沙區資源的重要工程技術手段之一。特別是具有豐富石油資源的一些沙漠地區國家更為突出。在我國由於化學固沙相對於其他治沙措施成本較高，常在鐵路、公路、工礦等重點建設中採用。
中科院天然資源與地輿環境研究所研究員申元村說：“化學固沙收效快，多用於風沙危害能造成重大經濟損失的地區，如機場、鐵路、公路等，往往作為植物固沙的輔助性和過渡性措施。 ”
原理
利用被稀釋的具有一定膠結性的化學物質，噴灑於鬆散的流動沙地表面，水分迅速滲入到沙層以下，而化學膠結物質則滯留於一定厚度（(1～5cm）的沙層間隙中，將單粒的沙子膠結成一層保護層。以此來隔開氣流（風）與鬆散沙面的直接接觸，從而起到防止風蝕的作用。一般應具有較好的滲透性和膠結性，噴灑後能夠迅速滲入沙丘表層並粘結沙子顆粒，形成較牢固的結皮層，可有效固結沙丘表面，防止沙丘流動。
固沙劑還應有明顯的集水和保墒增溫、改善土壤結構、促進植物生長、抑制鹽漬土表層積鹽等作用，同時應提高沙土中的有機物含量，改良土壤並可以生物降解。這種作用是屬於固沙型的，只能將沙地就地固定不動，而對過境風沙流中所攜帶的沙粒卻沒有防治效能。
常見技術
瀝青乳液
①組成：瀝青乳液又叫乳化瀝青，由石油瀝青、乳化劑（用硫酸處理過的造紙廢液或油酸鈉）、水組成。瀝青乳液一號配方：乳化液的組成由亞硫酸鹽造紙廢液（pH值<7，比重1.28)12%，硫酸（工業用，比重1.83)1.2%，水86.8%；瀝青材料則為30#石油瀝青：200#石油瀝青=3:2；乳化液：瀝青材料=1:1（體積比）。
瀝青乳液二號配方：乳化液組成由硫化鈉蒸煮廢液(pH值>7，比重1.04)50%，硫酸（工業用，比重1.83)1.5%，水48.5%；瀝青材料由30#石油瀝青:200#石油瀝青=2:1組成；乳液則由乳化液：瀝青材料=1:1(體積比）組成。
②製備：瀝青乳液生產工藝的主要生產設備為狹縫式膠體磨，蒸氣鍋爐，瀝青加熱鍋，乳化液調配池，乳液貯存池。其生產過程為：按照配方將瀝青加熱至120～160℃，以降低瀝青的粘度。在另一容器內將配好的乳化液加熱到65～70℃，兩種材料經過濾後按體積比1:1的關係同時放入膠體磨的進料漏斗中，瀝青和乳化液的混合料經攪拌後。經過0.1～0.5mm的狹縫後被乳化。乳液經出口流入貯存池。
瀝青乳液的質量的好壞依賴於瀝青乳液的顏色、分散度、稀釋穩定性等指標，因此在質量檢查時應分別檢驗這些指標。瀝青乳液的顏色以棕色為最好，棕黑次之，黑棕色最差，不易使用。分散度的檢驗可用玻璃棒插入瀝青乳液中，取出時待乳液不再下滴時，觀察玻璃棒上的漆膜，如果漆膜細膩不見顆粒，則分散度高，瀝青乳液質量為佳；反之，漆膜粗糙，分散度低，瀝青顆粒不夠均勻，不成膜，則瀝青乳化不好，或未乳化，不能使用。此時應檢查配方比例是否正確或膠體磨轉速是否正常，如沒有差錯應繼續研磨。稀釋穩定性的檢驗一般在噴灑前按比例稀釋時，通過攪拌，如稀釋均勻，則穩定性好，質量高；如果不易稀釋或極不均勻，則不易使用。經過質量檢查後符合標準的乳液就是配製好的瀝青乳液，可以使用。
③噴灑：瀝青乳液用量各地不一，以每平方米幾克到每平方米幾百克都有，主要取決於當地的水文條件和風速，如果水文條件好，風較小，用量可小，否則應大。噴灑時，噴頭不要距地表過低或過高，一般lm左右為宜，否則會彩響噴灑質覺。不宜迎風和順風噴灑，迎風噴灑不易控制，並易濺得滿身瀝青，順風噴灑易使背風坡出現小蜂窩，造成質量不良，以側向略迎風噴灑為好。噴灑方式可採用全面噴灑法和帶狀噴灑法。如果噴灑瀝青與植物固沙同時進行時，應在栽上植株後立即噴灑在降水或噴水後噴灑瀝青效果更好。
④性能特點：瀝青乳液是當前各國套用化學固沙最廣泛?材料，它其有以下特點：A、用途廣泛：不僅作表層覆蓋，還可作沙地隔水層、系防滲漏層、沙地改良劑和沙地增溫劑等。B、作業簡便：在常溫下不凝固，可直接用機械施工。C、沒有毒害：對植物生長無影響。D、節約用量：與瀝青比較，一般可節省用量50～70%。E、價格較低：比一般化學治沙材料低1～2倍。但是瀝青乳液在使用中，因瀝青中的物質和樹脂易被大氣中氧、光、熱、水分和微生物等破壞，導致瀝青性能變壞，如軟化點升高，針入度下降，延伸度減少，使固結層逐漸變脆、發硬、失塑性、發生老化。以至最後開裂被風掏蝕、為了克服這些缺點，常加入改性劑如膠乳、高強度樹脂、硅藻土等，以提高它的抗性。
瀝青乳液二號配方：乳化液組成由硫化鈉蒸煮廢液(pH值>7，比重1.04)50%，硫酸（工業用，比重1.83)1.5%，水48.5%；瀝青材料由30#石油瀝青:200#石油瀝青=2:1組成；乳液則由乳化液：瀝青材料=1:1(體積比）組成。
②製備：瀝青乳液生產工藝的主要生產設備為狹縫式膠體磨，蒸氣鍋爐，瀝青加熱鍋，乳化液調配池，乳液貯存池。其生產過程為：按照配方將瀝青加熱至120～160℃，以降低瀝青的粘度。在另一容器內將配好的乳化液加熱到65～70℃，兩種材料經過濾後按體積比1:1的關係同時放入膠體磨的進料漏斗中，瀝青和乳化液的混合料經攪拌後。經過0.1～0.5mm的狹縫後被乳化。乳液經出口流入貯存池。
瀝青乳液的質量的好壞依賴於瀝青乳液的顏色、分散度、稀釋穩定性等指標，因此在質量檢查時應分別檢驗這些指標。瀝青乳液的顏色以棕色為最好，棕黑次之，黑棕色最差，不易使用。分散度的檢驗可用玻璃棒插入瀝青乳液中，取出時待乳液不再下滴時，觀察玻璃棒上的漆膜，如果漆膜細膩不見顆粒，則分散度高，瀝青乳液質量為佳；反之，漆膜粗糙，分散度低，瀝青顆粒不夠均勻，不成膜，則瀝青乳化不好，或未乳化，不能使用。此時應檢查配方比例是否正確或膠體磨轉速是否正常，如沒有差錯應繼續研磨。稀釋穩定性的檢驗一般在噴灑前按比例稀釋時，通過攪拌，如稀釋均勻，則穩定性好，質量高；如果不易稀釋或極不均勻，則不易使用。經過質量檢查後符合標準的乳液就是配製好的瀝青乳液，可以使用。
③噴灑：瀝青乳液用量各地不一，以每平方米幾克到每平方米幾百克都有，主要取決於當地的水文條件和風速，如果水文條件好，風較小，用量可小，否則應大。噴灑時，噴頭不要距地表過低或過高，一般lm左右為宜，否則會彩響噴灑質覺。不宜迎風和順風噴灑，迎風噴灑不易控制，並易濺得滿身瀝青，順風噴灑易使背風坡出現小蜂窩，造成質量不良，以側向略迎風噴灑為好。噴灑方式可採用全面噴灑法和帶狀噴灑法。如果噴灑瀝青與植物固沙同時進行時，應在栽上植株後立即噴灑在降水或噴水後噴灑瀝青效果更好。
④性能特點：瀝青乳液是當前各國套用化學固沙最廣泛?材料，它其有以下特點：A、用途廣泛：不僅作表層覆蓋，還可作沙地隔水層、系防滲漏層、沙地改良劑和沙地增溫劑等。B、作業簡便：在常溫下不凝固，可直接用機械施工。C、沒有毒害：對植物生長無影響。D、節約用量：與瀝青比較，一般可節省用量50～70%。E、價格較低：比一般化學治沙材料低1～2倍。但是瀝青乳液在使用中，因瀝青中的物質和樹脂易被大氣中氧、光、熱、水分和微生物等破壞，導致瀝青性能變壞，如軟化點升高，針入度下降，延伸度減少，使固結層逐漸變脆、發硬、失塑性、發生老化。以至最後開裂被風掏蝕、為了克服這些缺點，常加入改性劑如膠乳、高強度樹脂、硅藻土等，以提高它的抗性。
瀝青化合物
①組成：瀝青化合物是一種含有瀝青或粘油、水和礦物粉末（黃土、壤土、水泥或石灰）的暗棕色粘性混合物質。前蘇聯道路研究所哈薩克分所研製的一種固定流沙的化合物，其組成為瀝青MG～70/30或粘油30～50%；礦物粉30～40%，水30～35%。
②製備：將MG～70/30瀝青或枯油、礦物粉和水按規定的比例配好（一般30%～50%的瀝青或粘油，30%～50%的礦石粉，30%～35%的水，裝入灰漿攪拌機中進行強力攪拌即可製成）。
③噴灑：將製成的化合物進行稀釋，其稀釋比根據當地情況採用1:1～1:10，用泥漿泵噴灑在沙面上即可。噴灑量一般為6～81/m2滲入沙層厚度為10～30mm。一次用量不易太大，可分多次噴灑，間隔半月到兩月再噴。否則容易造成滲透不及或淌到低注處積聚，形成沙面瀝青沉澱不均勻。
②製備：將MG～70/30瀝青或枯油、礦物粉和水按規定的比例配好（一般30%～50%的瀝青或粘油，30%～50%的礦石粉，30%～35%的水，裝入灰漿攪拌機中進行強力攪拌即可製成）。
③噴灑：將製成的化合物進行稀釋，其稀釋比根據當地情況採用1:1～1:10，用泥漿泵噴灑在沙面上即可。噴灑量一般為6～81/m2滲入沙層厚度為10～30mm。一次用量不易太大，可分多次噴灑，間隔半月到兩月再噴。否則容易造成滲透不及或淌到低注處積聚，形成沙面瀝青沉澱不均勻。
油～膠乳固沙
①組成：油、水、乳化劑油酸、穩定劑三乙醇胺。
②油～膠乳溶液製備：將油100份，水15～30份，油酸2～4份，三乙醇胺1～2份（其中油酸和三乙醇胺分別起到乳化劑和穩定劑的作用）混合在一起裝入攪拌機中，然後以50轉/分的速度，轉動15～20分鐘。即可製成良好穩定性的油一膠乳液，這種乳液可以貯存一年半而不分離。
③噴灑：油～膠乳（OLE)固沙，目的在於以簡單的方法使少量的橡膠乳液分布在大面積的沙面上，同時還能得到強性較高的膜。另外將膠乳加入油乳液中，還能改善膠乳的工藝特性，提高噴灑時抗硬水稀釋性質和防止通過細小噴嘴時發生凝聚作用。可以直接用配製好的油～膠乳溶液向沙面上噴灑，要使流沙在6m/s風速下不發生移動現象，膠乳用量為17.5g/m2，風速較高時（(10～12m/s)，膠乳用量應增加到26.0～28.5g/m2。
②油～膠乳溶液製備：將油100份，水15～30份，油酸2～4份，三乙醇胺1～2份（其中油酸和三乙醇胺分別起到乳化劑和穩定劑的作用）混合在一起裝入攪拌機中，然後以50轉/分的速度，轉動15～20分鐘。即可製成良好穩定性的油一膠乳液，這種乳液可以貯存一年半而不分離。
③噴灑：油～膠乳（OLE)固沙，目的在於以簡單的方法使少量的橡膠乳液分布在大面積的沙面上，同時還能得到強性較高的膜。另外將膠乳加入油乳液中，還能改善膠乳的工藝特性，提高噴灑時抗硬水稀釋性質和防止通過細小噴嘴時發生凝聚作用。可以直接用配製好的油～膠乳溶液向沙面上噴灑，要使流沙在6m/s風速下不發生移動現象，膠乳用量為17.5g/m2，風速較高時（(10～12m/s)，膠乳用量應增加到26.0～28.5g/m2。
泥炭膠固沙
①組成：生泥炭、土鹼或石灰、水。
②泥炭膠液製備：製取泥炭膠液可用抽出法。取生泥炭10份，土鹼或石灰1份，水100份用鐵鍋煮2～3h，去掉殘渣得膠液。
③噴灑：每平方厘米噴灑0.2～0.35m1（每畝用量1～2噸）的泥炭膠曬乾後，在沙面上既形成1～2mm厚的暗褐色膠結層，不帶泥炭殘渣的膠液曬乾後膠結層很硬，每平方厘米抗壓力可達1300～1600g，能抵抗12.16m/s風速。
④泥炭膠固沙的特點：沙區低濕沼澤有較為豐富的泥漿資源，可把泥炭經過處理得到的有機膠液用於固沙。把這種膠液噴灑在沙丘上能獲得較好的固沙效果。由於製造泥漿膠液操作方法簡單，在有泥炭資源的地區可用於固沙。
②泥炭膠液製備：製取泥炭膠液可用抽出法。取生泥炭10份，土鹼或石灰1份，水100份用鐵鍋煮2～3h，去掉殘渣得膠液。
③噴灑：每平方厘米噴灑0.2～0.35m1（每畝用量1～2噸）的泥炭膠曬乾後，在沙面上既形成1～2mm厚的暗褐色膠結層，不帶泥炭殘渣的膠液曬乾後膠結層很硬，每平方厘米抗壓力可達1300～1600g，能抵抗12.16m/s風速。
④泥炭膠固沙的特點：沙區低濕沼澤有較為豐富的泥漿資源，可把泥炭經過處理得到的有機膠液用於固沙。把這種膠液噴灑在沙丘上能獲得較好的固沙效果。由於製造泥漿膠液操作方法簡單，在有泥炭資源的地區可用於固沙。
高分子聚合物
①組成：高分子聚合物材料屬於水溶性或油溶性化學膠結物質，通常使用的有聚丙烯酞胺、聚乙烯醇，聚酷酸乙烯乳液等多種。
②製備：根據所採用的治沙液的特徵，確定是否需要加工處理。如聚丙烯酸胺通常有粉狀和粘稠狀水溶液兩種，可按1：5或1：10的比例稀釋後直接噴灑。
③噴酒：在水源條件好的地區，可先用水或乳化劑的稀榕液濕潤沙面，以增加噴灑液的滲透深度；噴灑速度不宜太快，也不宜太慢，使噴出的溶液能均勻滲入沙層；一般在較熱季節進行噴灑，使化學藥液有較好的滲透速度和滲透深度。噴後注意保持沙面穩定，嚴禁人畜踐踏破壞。
④特點：使用高分子聚合物固定流沙，處理手續和施工簡便，可改善勞動條件和縮短工期。聚乙烯醉和聚和酸乙烯乳液溶解稀釋後即可直接用於固沙。
②製備：根據所採用的治沙液的特徵，確定是否需要加工處理。如聚丙烯酸胺通常有粉狀和粘稠狀水溶液兩種，可按1：5或1：10的比例稀釋後直接噴灑。
③噴酒：在水源條件好的地區，可先用水或乳化劑的稀榕液濕潤沙面，以增加噴灑液的滲透深度；噴灑速度不宜太快，也不宜太慢，使噴出的溶液能均勻滲入沙層；一般在較熱季節進行噴灑，使化學藥液有較好的滲透速度和滲透深度。噴後注意保持沙面穩定，嚴禁人畜踐踏破壞。
④特點：使用高分子聚合物固定流沙，處理手續和施工簡便，可改善勞動條件和縮短工期。聚乙烯醉和聚和酸乙烯乳液溶解稀釋後即可直接用於固沙。
常見化學膠結物有瀝青乳劑、油葉岩礦液、合成樹脂、合成橡膠等，也可使用一些天然有機物，如褐煤、泥炭、城市垃圾廢物、樹脂等。
相關研究合作
從材料學研究生態固沙
中國科學院成都有機化學研究所(以下簡稱成都化學所)博士生導師劉白玲研究員及其團隊致力於從材料學入手研究生態固沙，已經開發出多個結構新、效率高、成本低的綠色高分子固沙材料，能有效解決土地的沙漠化問題。在內蒙古庫布齊沙漠，成都化學所正與中石化四川維尼綸廠(以下簡稱川維)、內蒙億利資源集團聯手實施2000畝生態固沙示範工程。他們播種了多種沙漠植物種子，並在小塊試驗田裡種植了蓖麻。
生態固沙對材料要求高
2010年，劉白玲團隊首次提出將陽離子型高分子用於防沙固沙，並與中科院其他院所及地方相關院所就化學防沙固沙問題進行了深入交流，明確了研究方向、確定了固沙的實施方式。次年，團隊在前期探索基礎上正式與川維合作開展防沙固沙研究。
“固沙對材料要求很高，但大多數人對此缺乏認識。”劉白玲認為，用材料進行固沙的首要任務，就是要通過系統性的研究，建立起固沙材料的結構與其固沙性能之間的內在關係，否則在固沙材料的選擇上就會出現盲目性。“迄今化學固沙沒有得以規模化實施的原因之一，就是缺乏對固沙材料系統的了解和認識。”固沙對材料很多性能的要求又是相互矛盾的。如對使用的長期性、抗風蝕性與生物降解性的要求;對固沙的牢固性與促進植物生長的要求;對吸水性與防止水分蒸發的要求等等。“在一種材料中，是很難同時兼具上述性能的。”劉白玲指出，固沙的地方是人類要利用的區域，完全的沙丘固定、硬化是不可取的。必須要在噴灑固沙材料後繼續保持沙粒的通透性，讓植物生長出來。“最關鍵就是要有適應生態固沙要求的新型固沙材料。”
近些年來，劉白玲團隊基於新的思路，已經開發出多個結構新、效率高、成本低的綠色高分子固沙材料，系統研究並闡明了這些材料的結構與防沙固沙及促進植物生長的相互關係。“我們的主要工作就是通過分子設計和採用新的合成技術，製備出適合不同氣候、不同水文地質條件的固沙材料，改變我國目前在防沙固沙材料使用上的盲目性。”
院企合作降低固沙成本
另一重要原因是其高昂的成本。因而，必須在對防沙固沙使用材料進行系統、綜合研究的基礎上，降低材料的生產與推廣成本。與企業結合，形成“材料研發—性能評價—規模化的生產—推廣套用”的大協作模式，是減少中間環節，較大幅度地降低材料成本的必由之路。
2012年7月以來，劉白玲團隊首先對川維現有的水溶性高分子和乳液產品進行了全面的理化性能與固沙性能分析，對產品抗鹽鹼性、吸水性、對植物與沙土微生物生長的影響等也作了系統研究。同年10月，在中科院寒區旱區環境與工程研究所的支持下，劉白玲團隊在位於寧夏中衛沙坡頭的中科院荒漠化實驗站，對自主研發的新材料和川維的現有產品等40多個樣品進行了風洞試驗，對其抗風蝕性能進行了測試，初步獲得了樣品的篩選方案，並在寧夏界內的騰格里沙漠進行了小範圍的野外固沙試驗。之後，成都化學所、川維與阿拉善SEE公益治沙組織配合，在位於內蒙古阿拉善左旗巴彥浩特鎮，進行了多種水溶性高分子和乳液的固沙試驗，經過多次沙塵暴洗禮，其中多種產品都在野外試驗中表現出了優良的固沙性能。這次野外固沙試驗，還配合南京農業大學進行了梭梭植物的種植研究。
2013年5～6月，億利資源集團動用了200台推沙機，在庫布齊沙漠推平了2萬畝沙地，其中2000畝專門用於與川維和劉白玲研究團隊合作，建立生態固沙示範基地。在噴灑固沙劑一周后，田中沙生植物及小塊試驗田中的蓖麻均長勢良好，其效果明顯好於空白對照地。劉白玲說，其主要原因是沙粒被噴灑的材料固定，強風下不再被吹起，避免了長出的植物嫩芽被風沙打死。該試驗結果還引起了正在庫布齊沙漠推廣滴灌技術的以色列專家的重視，並表示了合作意向。億利資源集團則提出與川維、劉白玲團隊共同成立“沙漠治理與生態修復工程公司”，專門從事荒漠化治理技術的推廣工作，而且庫布齊的萬畝沙漠也在等待著來年的生態化治理。
終極目標是改良沙土
“防沙固沙是一項長期而艱巨的任務，需要材料學、工程學、生物學、植物學等多學科共同努力，只有生態固沙才能真正在我國的荒漠化治理與工程建設中發揮其應有的作用。”劉白玲指出，生態固沙的最終目標是改良沙土結構，使其逐漸具有土壤特徵和自我修復能力，從根本上解決土地的沙漠化問題。
未來，劉白玲希望，一是在成都化學所成立專門的生態固沙研究中心，逐步提升為中科院級乃至國家級中心，進一步加強對固沙材料的系統性研究並建立使用標準;二是對合作企業相關固沙產品性能作全面評價，與新開發的材料共同構建可用於我國荒漠化治理的材料庫;三是形成材料選擇與實地實施的成套固沙技術，適應我國不同地區、不同目的的防沙固沙要求;四是培養生態固沙的專門人才，有效推進我國荒漠化治理的實施步伐。
生態固沙劑
2014年4月22日，在住房和城鄉建設部主辦的荒漠化治理技術研討會上，中國石化展示荒漠化治理最新成果——生態固沙劑。據了解，中國石化四川維尼綸廠與相關機構合作，在國內率先開展了醋酸乙烯衍生產品用於生態固沙的研究與套用示範，研製出無毒、無害、無污染的生態固沙劑。川維廠代表介紹說，該產品在沙漠表面形成固化膜，幫助沙漠植被抵抗風沙侵蝕，並鎖住沙土中的水分，相當於給沙漠敷上了一層保濕“面膜”。該技術成功套用於內蒙古庫布其沙漠2000畝生態示範工程，固沙效果良好。
生態固沙劑的成功研製，將推動“沙變土技術”“生物固沙技術”和“防滲技術”三大關鍵技術的集成套用和成果轉化，能以較快速度營造沙漠生態綠洲，並可開發生態農業和新興產業。“這項技術的套用與推廣，將為我國荒漠化治理及其相關產業提供一條嶄新道路，實現生態效益、經濟效益和社會效益有機統一。”原建設部副部長楊慎說。
