一种生物基固沙保水降解材料体系及其制备和使用方法与流程

本发明涉及高分子材料，具体为一种生物基固沙保水降解材料体系及其制备和使用方法，为实现可持续的沙漠固沙提供一种更有效的解决方案。

背景技术：

1、我国西部地区沙化严重，为提高土地利用价值同时治理沙尘天气，最为治标治本的方案就是对沙地进行固化甚至土壤化。为了科学治理荒漠化，我国自20世纪80年代起开展了化学固沙的研究工作，化学固沙技术是指在荒漠化土地表层施用有机或无机沙土稳定材料，以提高沙土的稳定性和保水性，或对盐碱化土地进行脱盐处理，从而达到改良和治理荒漠化的目的；

2、目前使用的大部分化学固沙产品都是有机高分子产品，通常采用水溶性或有机溶性化学胶结物，具有固沙效果明显、施工方便、渗透性能好、抗压强度高、固结层弹性好、保水性好等优点，施用后虽然可以起到防风固沙的目的，但是由于它们自身都难以在自然界降解，会对沙漠地区造成不可逆的环境变化，有些甚至会造成周边环境的污染，而且在大规模施用时其成本往往过高，这在很大程度上限制了化学固沙的发展和应用。

3、因此，近几十年间，生物基固沙剂以及化学-生物复合固沙剂成为人们研究的热点。这一类固沙剂通常以生物基材料为基础，如木质素、淀粉、纤维素等。如果以这类材料作为固沙剂，可以达成降解性能优异、环境友好、经济效益较高的效果，兼顾工程固沙、化学固沙和生物固沙等特点，具有良好的应用前景。通常情况下，该类固沙剂固沙性能以及效率比传统的化学固沙材料偏低，但是更有利于沙漠的土壤化及植物在上面的生长，更具可持续性。因此可通过使用该类生物基材料制备固沙-保水-降解三位一体的施用型沙漠治理材料，用于改善沙漠地区的环境生态问题。

4、目前在生物基固沙材料方面已有一些进展，如专利cn201310223389.1、cn201310224650.x、cn201310223404.2及相关专利均选择采用纤维素及其衍生物作为固沙剂主体，但需要注意的是很多水溶性纤维素如羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素等在衍生化后其降解性能远远比不上原有的纤维素，另外上述专利通常需要将固沙剂与沙土提前配好形成固结沙土之后再于沙上进行覆盖，可操作性差，效率低下，不适合大规模应用推广。专利cn202210958337.8则采用秸秆、草木灰、畜禽粪发酵物与淀粉及各种助剂结合制备固沙剂，但需要指出的是，上述材料淀粉由于其本身未能与其它添加剂进行化学键合形成化学交联网络，其保水能力较差。

5、通常认为只有木质素具有最高的效益，因为木质素通常是造纸工业中的废弃物，而且在造纸过程中已经完成改性，无需再进行改性直接使用，比如酸法造纸的木质素废弃物为木质素磺酸盐，十分适合用于固沙。虽然我国现在多数采用碱法造纸，但是在俄罗斯仍有大量酸法造纸企业，市场上大部分木质素磺酸盐为俄罗斯进口，价格极低，我国沙漠化地区集中于西北，离俄罗斯更近，因此木质素磺酸盐的价格将会很长时间维持一个较低水平，十分适合固沙产业对于材料价格的严苛要求。专利cn201910524482.3采用木质素磺酸盐作为固沙剂，但其中还需加入昂贵的聚氨酯以及高毒性的苯酚和甲醛形成酚醛树脂，酚醛树脂难以降解，这样的固化剂体系基本上完全抵消木质素磺酸盐的两大特点：廉价易得和可降解特性。另一个专利cn202211450546.8采用木质素磺酸钠-pva-季铵盐固沙体系，该体系确为环保型固沙体系，只是经济性仍旧不够，pva的价格目前还比较高。

技术实现思路

1、为解决现有技术的缺点和不足之处，提供一种兼具低成本、可降解、固沙保水效果好、操作简单的生物基固沙保水降解材料体系，可有效用于沙漠保水固沙以及土地荒漠化的可持续治理，本发明涉及生物基固沙保水降解材料体系设计及其制备和使用方法。

2、本发明提供的生物基固沙保水降解材料体系的制备方法，由聚阴离子酸盐和阳离子聚合物按照一定比例反应制备，二者之间通过静电相互作用进行静电络合，自组装形成离子聚合物复配体系；

3、聚阴离子酸盐为木质素磺酸盐，阳离子聚合物为脲淀粉卤酸盐、或聚胺的卤酸盐、或聚季铵盐。

4、优选的，木质素磺酸盐与阳离子聚合物，按照正负电荷化学计量比1.0:(0.75～1.5)，配制得到。

5、优选的，木质素磺酸盐为木质素磺酸钠、木质素磺酸钾、木质素磺酸钙中的一种或几种；木质素磺酸盐水溶液浓度为1～50wt.％。

6、优选的，脲淀粉卤酸盐由脲淀粉与卤酸盐水溶液搅拌获得；脲淀粉为淀粉与尿素反应的改性物；

7、脲淀粉卤酸盐水溶液浓度为1％-20％。

8、优选的，脲淀粉的具体制备步骤为：将尿素及淀粉加入三口瓶中，搅拌，在140℃-170℃油浴中加热持续搅拌至反应充分，冷却后加水溶解，用乙醇沉淀，过滤，滤渣经干燥后得到纯脲淀粉；

9、尿素和淀粉加入量的质量比为(2.0～4.0):2.7。

10、优选的，纯脲淀粉直接溶于水作为脲淀粉水溶液使用，或溶于稀卤酸形成脲淀粉卤酸盐—脲淀粉的卤酸盐溶液后使用。

11、优选的，聚季铵盐为聚二烯丙基二甲基氯化铵(pdadmac)、m550(聚季铵盐-7)中的一种或几种；

12、聚季铵盐溶液浓度为0.1～10wt.％。

13、优选的，聚胺及聚胺的卤酸盐为超支化聚乙烯亚胺、ε-聚赖氨酸盐酸盐、壳聚糖、三聚氰胺中的一种或几种；

14、聚胺及聚胺的卤酸盐溶液浓度为0.1～10wt.％。

15、一种生物基固沙保水降解材料体系，根据上述任何一项的生物基固沙保水降解材料体系的制备方法制得。

16、优选的，施用过程采取连续喷洒不同组分的两步法工艺：先加入木质素磺酸盐溶液滴加于沙漠沙中，渗透完全之后，再加入阳离子聚合物溶液，形成离子聚合物复配体系。

17、本发明提供了一种生物基固沙保水降解材料体系及其制备和使用方法。具备以下有益效果：

18、(1)本发明的生物基固沙保水降解材料体系，是兼顾固沙保水降解三位一体的沙漠固沙材料，通过静电络合生成离子聚合物复配体系，保留了木质素磺酸盐及淀粉原有的高降解性，消除常用化学固沙过程中的降解能力问题。

19、同时，由于离子聚合物复配体系是由带不同电荷的聚合物组成的,聚合物吸附于不同电性的土壤颗粒表面之后，离子聚合物复配体系会以合适的构象形成网状结构，对沙土具有包覆固结作用，同时该结构的亲水性可以吸收并保持水分，防止土壤水分流失。因此离子聚合物复配体系在达到固沙目的同时还有优异的保水性能。

20、(2)本发明所采用木质素磺酸盐通过离子静电络合与带相反电荷的聚电解质聚胺盐相互作用形成离子聚合物复配体系，其中，生物基固沙水凝胶体系仅需简单静电络合反应即可得到，常温常压下即可完成反应。产品制作工艺简单，操作快捷高效，十分适合大量使用与大面积沙漠治理。

21、(3)本发明所用的生物质木质素储量丰富价格低廉，天然具备环保特别是降解特性，脲淀粉中残余的尿素可以在治沙的同时提供植物生长所需的养分，可谓后续生物固沙沙漠植物种植提供条件，有利于实现“固沙-保水-降解-供肥”四位一体的效果，有利于可持续治沙。