一种高效保水材料制备及其边坡绿化应用研究★

李卫青，刘 臻，黄 兵，袁飞云，李 聪

(1.重庆交通大学河海学院,重庆 400074;2.四川藏区高速公路有限责任公司,四川 成都 610047; 3.四川雅康高速公路有限责任公司,四川 成都 610047)

0 引言

岸坡作为连接陆生生态系统和水生生态系统的桥梁,岸坡常常受到洪水、波浪、风暴潮等灾害的破坏,因此,应当采取适当的工程措施加强对岸坡的防护[1]。随着水利工程新理念的传播和发展,由于生态边坡优秀的抗冲刷和稳定边坡结构的能力,生态护岸在实际水利工程中的应用越来越广泛,日益成为护岸工程的主要形式。常见植被修复技术主要有液压喷播技术、客土喷播技术、植被混凝土技术、植生袋技术、三维植被网技术和厚层基材喷射技术等[2],这些技术的实现往往需要营造足够深度的土壤层为植物根系生长提供环境,但其土壤层的水气换能力与自然生境条件相比偏低,因此植被发芽率和生长状况差,表现为三年存活率极低[3]。尤其是港口边坡一般地质较硬,在硬质边坡生境修复过程中,营造土壤层造价过高,效果不理想,急需开发所需高效无土栽培技术及其配套保水材料。

环保型保水材料一般选用天然材料加工而来。张海楠[4]通过羧甲基纤维素钠合成气凝胶材料其最大吸水量为157.00 g/g,连续40 ℃烘干11 h的保水率为76.90%;张昌辉等通过聚乙烯醇合成水凝胶材料其最大吸水量、保水倍率分别为481.30 g/g,90.30%。另外,市场上以及文献中常见的保水材料一般都为凝胶材料,虽然已经应用于生物相关、农业等领域[5-7],但凝胶材料为半固体,流动性差,与岩质边坡黏合力低,同时其制备对设备要求高,因此并不适合作为高、陡边坡的植物修复的基质材料。而半凝胶材料具有凝胶材料保水性,且具有较强的流动性和黏附性,因此可作为高、陡边坡的土壤基层。此外硅藻土作为一种天然矿物材料,具有人工无法模拟的孔结构,且比表面积大、吸附能力强、亲水性好、化学稳定性良好,在我国具有较高的储备量,因此本文选用硅藻土作为复合材料的基质。

因此,本文选用硅藻土、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、活性炭等常用的生物环保材料制备半凝胶保水复合材料,考察制备过程中各材料配比对复合保水材料保水性能、吸水性能的影响,确定最佳制备配比。同时,探究温度、接触面条件对材料保水性能的影响,并进行微藻培养实验。复合材料可为边坡修复的无土栽培技术提供理论依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验过程中的药剂主要为聚乙烯醇(PVA,宁夏大地循环发展股份有限公司);羧甲基纤维素钠(CMC,上海长光企业发展有限公司);硅藻泥(乡居乐艺术壁材厂);活性炭(苏州炭旋风活性炭有限公司)。另外,适用于无土栽培的无菌绿布购自宿迁云之道电子商务有限公司,微藻经野外采集并扩培获得。

试验过程中使用的仪器主要有AL104电子天平(瑞士Mettler-Tdleddo公司)与 KQ2200DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)。

1.2 复合材料的制备

将电子天平量取对应质量比的聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、硅藻泥、活性炭后,按照硅藻泥、黏合剂(聚乙烯醇)、增稠剂(羧甲基纤维素钠)和光引发剂(活性炭)的顺序分别加入烧杯中并用玻璃棒搅拌至黏稠后超声震荡均匀,得到样品。

1.3 测试与表征

1.3.1 吸水倍数测定

室温下,取定量的干燥复合保水材料于烧杯中,加入定量测试液,静置至样品成半凝胶,之后用100目网筛滤掉游离水,在网筛上静置20 min后称取吸水凝胶质量。样品的吸水倍数为:

吸水倍数=(M1-M0)/M0。

其中,M1为吸水凝胶质量;M0为干燥凝胶质量。

1.3.2 5 d保水率测定

室温下,取定量复合材料于烧杯中,加定量测试液搅拌均匀后,记录表面皿质量M0,然后取样品于表面皿中记为M1,编号并保存于恒温培养箱中,连续5 d记录样品质量变化记为M2,M3,M4,M5。样品的5 d保水率为:

初始含水量M水=(M1-M0)×0.925。

保水率=(M水-M′+M″)/M水。

其中,M′为M1,M2,M3,M4质量;M″为M2,M3,M4,M5质量,即M″=M′+1。

1.3.3 结构表征

选取硅藻土材料和最佳配比下的保水材料作为样品,利用扫描电镜观察样品的微观结构。试样镀金厚度约为25 nm,电压为10 kV。

1.4 微植物培养实验

将适量营养液和提取混合藻加入混合材料后再搅拌至黏稠后,分别敷设于适用于无土栽培的无菌纺布和仿边坡水泥材质上,厚度为1 cm,定期养护,每24 h观察微藻数量变化。微藻数量采用aaa方法计量。

2 结果与讨论

2.1 羧甲基纤维素钠与聚乙烯醇用量对材料保水、吸水倍数的影响

聚乙烯醇是黏合剂,增加聚乙烯醇会降低保水性能,但能够增加复合保水材料在应用时对纤维的黏附性。由图1(a)可知,当添加量为39.29%～67.86%时,复合保水材料5 d时的含水率(质量分数)为44.38%～93.01%,均可满足微藻生长要求。当聚乙烯醇用量为46.43%时保水效果最佳,5 d后材料含水率(质量分数)为54.51%。另外,图1(b)结果表明,复合保水材料吸水倍数随聚乙烯醇添加量的增加呈下降趋势。当聚乙烯醇用量由35.71%增加到53.57%时,复合保水材料的吸水倍数显著下降。是因为聚乙烯醇中的-OH与水分子形成氢键,但由于极性基团-OH之间的静电排斥作用会使得复合保水材料网状结构的网孔变小,进而导致吸水能力下降。当聚乙烯醇用量由53.57%增加到60.71%时,随聚乙烯醇的增加而缓慢降低。原因是此时极性基团的静电排斥作用达到峰值。而当聚乙烯醇添加量超过60.71%时,聚乙烯醇中复合材料极性基团起主要作用,复合材料的吸水能力随聚乙烯醇的用量增加而缓慢上升。

羧甲基纤维素钠是增稠剂和结构改善剂,能够降低复合保水材料的流动性便于材料的附着。图1(c)结果表明,当羧甲基纤维素钠用量为107.14%～192.29%时,5 d后材料含水率(质量分数)为52.01%～94.60%,连续5 d含水率受羧甲基纤维素钠添加量影响不大,均满足微植物培养所需水分要求[8]。另外,图1(d)结果表明当羧甲基纤维素钠用量由107.14%上升至171.43%时,复合保水材料的吸水倍数随羧甲基纤维素钠的增加而增加。其主要原因可能是羧甲基纤维素钠分子中的亲水性的极性基团(—COONA)可与水分子之间形成氢键,羧甲基纤维素钠投加量越高则极性基团浓度越高,吸水倍数随之增加。同时,溶液中羧甲基纤维素钠会随浓度的上升逐渐由链式向网状结构转变,这也是复合保水材料吸水能力增加的原因[9]。当羧甲基纤维素钠用量超过171.43%时,吸水倍数下降。是因为复合材料吸水能力达到峰值,继续增加羧甲基纤维素钠的添加量则会增加复合保水材料的交联密度,进而导致吸水能力下降。

在考虑高保水率和高吸水倍数的综合影响下,聚乙烯醇用量为53.57%、羧甲基纤维素钠为171.43%时复合保水材料的综合性能最佳。

2.2 复合保水材料SEM分析

为观察复合保水材料微观形貌,采用扫描电子显微镜对复合保水材料以及硅藻土进行对比观察,结果如图2所示。由图2(a)可知,原硅藻土结构为片状结构,结构紧密,其通气性和容纳水分的能力不强,而图2(b)复合保水材料电镜结果表明硅藻土基复合保水材料是一种具有空腔的网状结构,相较于原硅藻土增加的空腔结构为空气和水分提供了通道,保证了水分在复合保水材料的滞留时间,增加了材料的保水性能。

2.3 接触面与环境温度对材料保水性能的影响

在最佳材料配比条件下(活性炭、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠用量分别为硅藻泥单体质量的1.79%,53.6%和150%时),复合材料的保水性能受温度等各种性质复合影响,其中复合材料实际应用场景会影响材料实际保水性能。图3考察了复合保水材料在栽培布面与水泥面条件下的5 d保水性能。研究表明,不同接触面材料对复合保水材料的保水性能影响显著,水泥面和栽培布面的5 d保水率分别为47.77%和24.60%,均低于实验室条件下的60%,这与外界空气流动造成材料表面水分散失有关。水泥面条件下5 d后含水率(质量分数)仅为24.60%。这是由于水泥表面存在大量孔隙,前期复合保水材料中的游离水和孔隙水一部分通过表面蒸发作用散失,另一部分进入水泥孔隙流失,致使材料含水量大幅下降。与水泥面不同,栽培布面复合保水材料5 d后的含水率仍接近50%。这与栽培布的多层结构相关。复合保水材料中水分流失主要是通过表面蒸发作用,同时复合材料表面与空气水分子具有一定交互作用,因此表现为该条件下保水率较高。

此外环境温度也能对材料保水性能产生影响。在最佳材料配比条件下(活性炭、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠用量分别为硅藻泥单体质量的1.79%,53.6%和150%时),考察室外环境温度(20 ℃～40 ℃)对复合保水材料保水性能的影响,结果如图3所示。随着环境温度升高,复合保水材料的保水能力下降明显,其中外界环境温度为20 ℃时,复合保水材料5 d后含水率(质量分数)仍有70%以上,而40 ℃时5 d后的含水率(质量分数)下降到约45%。对种子和混合藻类而言,发芽的关键时间是前72 h,水分的要求则是45%以上[10]。因此本研究制备的复合保水材料即使在40 ℃条件下仍可满足种子以及混合藻的生长。

2.4 应用

为了研究该高分子复合保水材料的微植物生长效果,在室外进行了保水材料的微植物生长实验。

室外培养结果由图4所示,在温度34 ℃、湿度40%条件下,混合了微植物的复合保水材料在栽培布面上经过3 d定时淋洗,材料与栽培布面结合的更加紧密,再经过2 d的淋洗材料完成消失,而微植物也已经完成其在栽培布面上的“定居”。后续通过对布面2 d～3 d的定期养护,微植物在栽培布面生长状况良好。实验研究证明该方法可直接移植到边坡,无需覆土,采用生物可降解的栽培布即可完成微植物与边坡的稳定结合。

复合保水材料的高黏滞性和保水性能能够为微植物附着和生存提供空间,此外复合保水材料的高流动性也为材料的施工敷设提供便利,其生物可降解的特性也是有利于环境。此外复合保水材料对裸露岩质边坡的高适宜性也是本材料的一大优点。但在室外施工时需保证其含水率,因此后续此材料在边坡植被种植利用时,因与适宜的养护相结合。

3 结论

以硅藻泥、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、活性炭为原料,采用超声辅助水溶液聚合法制备适用于无土栽培的保水材料。

1)当羧甲基纤维素钠添加量为硅藻泥单体质量的171.43%,活性炭用量为0.18%,聚乙烯醇用量为53.57%时,复合保水材料吸水率达23.45 g/g,5 d保水率为56.20%。

2)在环境温度不高于40 ℃时,种植在复合保水材料的微植物生长状况良好。

3)栽培布面上的复合保水材料在室外温度34 ℃、湿度40%条件下能够满足微植物生长,技术为港口硬质边坡绿化提供了新的思路。