第六周環(huán)境修復(fù)材料

1、第六部分：環(huán)境治理和環(huán)境修復(fù)材料概述：環(huán)境修復(fù)指對已破壞的環(huán)境進(jìn)行生態(tài)化治理，恢復(fù)被破壞的生態(tài)環(huán)境，常見的環(huán)境修復(fù)材料有防止土壤沙漠化的固沙植被材料、二氧化碳固化材料，以及臭氧層修復(fù)材料等。通常的環(huán)境問題從時間上可分為短期問題和長期問題，從空間上可分為局部的環(huán)境問題和全球的環(huán)境問題。典型的短期環(huán)境問題如一些局部污染問題，例如水污染、空氣污染等另外，局部的環(huán)境問題還有生活型環(huán)境問題，全球性的環(huán)境問題還有生產(chǎn)型環(huán)境問題，如圖6-1所示。一般地，環(huán)境修復(fù)材料和技術(shù)主要用于全球型的宏觀環(huán)境問題。圖6-1不同類型環(huán)境問題及其相互間關(guān)系示意圖一、固沙材料及沙漠植被技術(shù)沙漠?dāng)U展和土地荒漠化是當(dāng)前人類面臨的重

2、大環(huán)境問題之一。土地荒漠化指在干旱，半干旱和某些半濕潤地區(qū)，由于氣候變化和人類活動等各種因素所造成的土地退化。其結(jié)果導(dǎo)致土地生物和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)潛力減少，甚至基本喪失。引起土地荒漠化的直接過程是水土流失，其結(jié)果造成水資源短缺，農(nóng)作物投入產(chǎn)出比低下。最后導(dǎo)致全球性食物短缺，以及氣候變化，使人類生存環(huán)境全面惡化，我國是世界上土地沙漠化比較嚴(yán)重的國家之一。到20世紀(jì)90年代末，我國沙漠化面積已超過150萬km2,而且每年還以2460km2的速度擴(kuò)展。據(jù)統(tǒng)計，全國每年因土地沙漠化造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)160-250億元。圖6-2是我國沙塵暴的發(fā)生頗率統(tǒng)計示意圖，由圖可見，整個20世紀(jì)90年代才發(fā)生23次沙塵暴

3、，但2000年到2001年5月末即已發(fā)生23次沙塵暴。引起沙漠化的主要原因是人口的增長、人類的過度墾荒、無限制的砍伐等。50年代"年代冗年代闕年代如年代2財年2001年1月】日一5月22日圖6-2我國沙塵暴的發(fā)生頗率統(tǒng)計示意圖從技術(shù)方面看，保持水土是控制土地沙漠化的有效措施之一。研制、開發(fā)新型固沙植被材料，保持水土，減緩沙漠化意義重大。一般防治沙漠化的固沙技術(shù)措施有：(1) 保持水土；(2)培養(yǎng)和種植長壽命、耐寒、耐旱的植物；(3)開發(fā)新型的高分子固沙植被材料，將表面沙塵進(jìn)行粘合固化；(4)采用塑料網(wǎng)進(jìn)行表面覆蔓，再進(jìn)行種植、培養(yǎng)植物。目前的固沙植被材料主要有兩大類，一類是高吸水性樹

4、脂，一類是高分子乳液。其中高吸水性樹脂有丙烯酸型等類型，加以淀粉接枝、天然纖維接枝等措施改性，在去離子水中吸水率可達(dá)3000-5000倍?？捎糜诟鞣N土壤、沙地環(huán)境中，特別是無灌溉條件的旱地和沙地等，促進(jìn)作物、草類生長，從面保持水土。高分子乳液類固沙植被材料是把增粘劑、養(yǎng)生劑等高分子乳液和草籽、肥料、水混和在一起制成。使用時將這些乳液噴柄在沙地表面，可臨時固定沙塵。待種籽發(fā)芽生根，則草的毛根對沙塵起到永久性固定作用，達(dá)到綠化沙漠的目的。這些乳液類固沙植被材料不僅可以用于沙漠綠化。海灘綠化，也可用子沙漠公路路基表面保護(hù)層，公路、鐵路、管道沿線坡道固沙，黃土坡固定，尾礦、粉煤灰等粉料固定。二、高吸水

5、樹脂修復(fù)材料1、概述：高吸水樹脂(Super-absorbentPolymer，簡稱SAP),又稱超強吸水劑，是一類可吸收自身重量數(shù)百乃至數(shù)千倍水，且在受熱、受壓情況下具有良好水分保持性能的功能高分子材料。高吸水樹脂多為交聯(lián)的高分子聚電解質(zhì)，在醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)林抗旱保苗、肥料緩釋、環(huán)保重金屬污水處理等領(lǐng)域具有巨大前景。高吸水樹脂分為六大系：淀粉系列、纖維系列、蛋白質(zhì)系列、其他天然物及其衍生物系列、合成系列和共混物及復(fù)合物系列。2、高吸水樹脂的性能(1)吸水機(jī)理實質(zhì)是聚電解質(zhì)高分子鏈在水中“溶解”。由于高吸水樹脂中的聚電解質(zhì)高分子鏈?zhǔn)墙宦?lián)的，故而不能像線性聚電解質(zhì)高分子那樣完全游離于水中，而呈溶脹狀

6、態(tài)。高吸水樹脂在水中的溶脹是聚電解質(zhì)高分子性質(zhì)的體現(xiàn)。溶于水的聚電解質(zhì)高分子鏈上的電解質(zhì)官能團(tuán)，如：羧酸納、磺酸鈉等，其自由抗衡離子如Na+，將游離于水中，并隨濃度的稀釋而遠(yuǎn)離高分子鏈。這樣，聚電解質(zhì)高分子鏈上“失去”了抗衡粒子電解質(zhì)離子官能團(tuán)(如-COO-、-S03-等)，因帶有相同電荷而相互排斥，使其呈最大伸展?fàn)顟B(tài)(如圖6-3)。©0©e©聚電解質(zhì)稀溶液(b)聚電解質(zhì)濃溶液6-3聚電解質(zhì)溶液中高分子鏈的伸展?fàn)顟B(tài)高吸水性樹脂與水的相互作用：圖是一般高吸水樹脂親水基團(tuán)周圍的水的構(gòu)造模型。高吸水性樹脂所吸附的水也可分成三類：結(jié)合水、非正常水、自由水。其中結(jié)合水以很強

7、的配位鍵或氫鍵與聚合物離子相結(jié)合，測不出熔點，所以又稱不凍水；非正常水的熔點低于正常水；自由水的熔點與普通水相同。98%以上吸收的是自由水。機(jī)理如下：與傳統(tǒng)的吸水材料不同,SAP先通過毛細(xì)管吸附和分散作用吸收水分,接著樹脂的親水基團(tuán)通過氫鍵與水分子作用,離子型的親水基團(tuán)遇水開始解離,陰離子固定在高分子鏈上,陽離子為可移動離子。隨著親水基團(tuán)的解離,陰離子數(shù)目增多,靜電斥力增大,使樹脂網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張。同時為了維持電中性,陽離子不能向外部溶劑擴(kuò)散,而使其濃度增大,導(dǎo)致樹脂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓隨之增加,水分子進(jìn)一步滲入。隨著吸水量的增大,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓差趨向于零,并且隨網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張其彈性收縮力也在增加,逐漸抵消了

8、陰離子的靜電斥力,最終達(dá)到吸水平衡。（2）性能吸水（液）速率為單位質(zhì)量的SAP在單位時間內(nèi)吸收的液體的體積或質(zhì)量。目前，提高SAP吸水速率的方法主要有引入非離子基團(tuán)、增大SAP表面積及對SAP表面進(jìn)行親水改性等。加強SAP凝膠強度：一般而言，凝膠強度與吸水倍率互為矛盾，水凝膠的強度隨交聯(lián)度上升而提高，但交聯(lián)度太高又會降低吸水率，影響吸水保水性能。對復(fù)合材料顆粒進(jìn)行后處理如進(jìn)行表面交聯(lián)以及在SAP中引入無機(jī)礦物都可以改善SAP凝膠強度。另外，離子型的吸水樹脂與非離子型高分子進(jìn)行共混復(fù)合也可產(chǎn)生吸水后凝膠強度相當(dāng)高的材料。改善緩/控釋放性能：控制釋放是指可根據(jù)外界需求條件的變化來調(diào)整控釋體系中物質(zhì)

9、的釋放速率或釋放量。由于高吸水樹脂水凝膠的體積相變性能而使其具有一定的環(huán)境應(yīng)答功能,即可根據(jù)所處環(huán)境的溫度變化、電磁變化、光強變化、離子強度變化，而使水凝膠發(fā)生體積相變而達(dá)到控制釋放的目的。有人利用水凝膠的電磁應(yīng)答性，提出“化學(xué)閥”的設(shè)想（如圖）：將多孔性凝膠膜的邊緣固定在一個圓環(huán)上，當(dāng)加載電場時，膜就會因應(yīng)答性而產(chǎn)生收縮。由于膜的邊緣被固定，膜的孔徑就會因此而變大，一些物質(zhì)的分子、離子就能通過。通過改變電場強度，凝膠膜的孔徑能被準(zhǔn)確控制，從而可自由選擇可通過粒子的粒徑，達(dá)到分子級物質(zhì)的分離、控制釋放的目的。近年來，研制保水緩釋肥料已是肥料研究的國際方向。SAP與肥料可以通過物理混合（吸附或造

10、粒）、包膜或化學(xué)合成3種方式結(jié)合為材料與功能復(fù)合一體化的保水緩/控釋肥料，具有肥料養(yǎng)分緩釋和保水的雙重功能。通過化學(xué)聚合反應(yīng)合成了一種氮肥和保水材料在材料和功能復(fù)合一體化的凝膠保水緩釋肥料，具有肥料養(yǎng)分緩釋和保水的雙重功能。研究認(rèn)為,SAP的降解率決定了肥料的釋放速率。另外，由于土壤中離子的影響，SAP在土壤中的膨脹度低，肥料釋放緩慢，從而顯示出較好的緩釋性能。總的來說，保水劑緩釋機(jī)理仍有待人們進(jìn)一步的研究。3、高吸水樹脂的制備SAP的制備主要包括親水基團(tuán)的引入（羧化）以及不溶化處理（交聯(lián)）。制備方法有本體聚合法、溶液聚合法、懸浮及反相懸浮聚合法、乳液及反相乳液合成法、輻射聚合法等。（1）本體

11、聚合法本體聚合法指不加其它介質(zhì)，只有反應(yīng)物本身在引發(fā)劑作用下進(jìn)行的合成反應(yīng)。溶液本體聚合法在反應(yīng)過程中一方面反應(yīng)熱難以排除，加上自動加速效應(yīng)，易造成局部過熱，嚴(yán)重者發(fā)生爆聚。另一方面隨著轉(zhuǎn)化率的提高，體系粘度增加，易凝聚成為固體，聚合產(chǎn)物往往不易出料。因此，本體聚合法的應(yīng)用受到了限制。（2）溶液聚合法溶液聚合法是反應(yīng)物和添加劑（如分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑等）溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲性诠庹栈蚣訜?、輻射、引發(fā)劑（或催化劑）的作用下而進(jìn)行的合成方法。有兩種實施方法:（1）先制得聚合物，后加交聯(lián)劑法;（2）交聯(lián)劑與單體同時加入法。該法反應(yīng)速率較快適合于連續(xù)化生產(chǎn)，產(chǎn)品比表面積大，吸水快而勻，因此是目前普遍采用的方法，不

12、足的是技術(shù)要求高，一般需要有后道粉碎工序。（3）反相懸浮聚合法反相懸浮合成法以油相為分散介質(zhì)，水溶性的單體為水相液滴，親水性的或水溶性的引發(fā)劑（或催化劑）溶解在單體水相中借機(jī)械攪拌（或震蕩）和懸浮劑使單體呈液滴分散于懸浮介質(zhì)中進(jìn)行聚合反應(yīng)的方法?？山?jīng)噴霧干燥等而得到粉末產(chǎn)品，這種方法反應(yīng)較平穩(wěn)，容易控制，而且產(chǎn)品粒度可根據(jù)其用途和吸水量的要求加以調(diào)節(jié)，但只能采用間歇式生產(chǎn)，效率較低。且成本較高,難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。(4) 輻射聚合法輻射聚合是指在不加引發(fā)劑和交聯(lián)劑的情況下，利用高能的電子束或者Y射線輻照單體溶液,使之產(chǎn)生自由基聚合。近年來國內(nèi)外對微波促進(jìn)有機(jī)合成反應(yīng)的研究進(jìn)行了大量報道,微波技

13、術(shù)可以促進(jìn)溶液聚合，用于SAP制備可以大大減少反應(yīng)時間。另外還有人探索其它輔助技術(shù)，如丙烯酰胺固相超聲波合成、紫外光引發(fā)淀粉接枝丙烯腈、等離子體引發(fā)以及超臨界流體中的SAP生產(chǎn)等。4、在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用(1) 農(nóng)林方面隨著SAP的不斷發(fā)展,它在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也顯示出廣闊的前景。SAP有良好的吸水性和保水性，因此可以作為土壤和沙漠的改良劑和保水劑，不僅能很好的與土壤中的各種微量元素結(jié)合，還可以改善在土壤中形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增強土壤的透氣性和透水性，同時便于對肥料的吸收。在缺水地區(qū)，SAP在降水和灌溉期間大量吸收的水分可以在干旱時期緩慢放出，從而節(jié)約灌溉用水，減少勞動強度，抗旱保收。隨著人們對SAP研究

14、的進(jìn)一步加深，既能吸水、保水、抗旱保濕，又能給作物供給養(yǎng)分，且具有緩釋肥功能的SAP成為當(dāng)前研究的熱點。(2) 土木建筑方面SAP還可作為土木工程的止漏水或滲水材料，例如英法間的多巴海峽海底隧道、香港與新加坡的地鐵、開羅的下水道隧道、日本神田川地下調(diào)節(jié)池、各地鐵工程以及東京灣橫穿公路工程中長約15km的路段從川崎一側(cè)的9.4km隧道，其止水工程全面采用了SAP材料。用SAP和橡膠或塑料共混后加工成各種形狀的材料在防止油氣滲漏等油田化學(xué)中作密封或包裝密封得到廣泛應(yīng)用。SAP還可應(yīng)用于水泥改性，制造高強度的混凝土。利用SAP在高濕度時吸濕、低濕度時放濕的呼吸性，將它添加在清漆或涂料內(nèi)可防止墻面及天

15、花板返潮，起到防霉劑作用。(3) 醫(yī)療保健方面SAP作為吸水劑，已用于能保持部分被測溶液的醫(yī)用檢驗試片，含水量大、舒適的外用軟膏，能吸收浸出液的治傷繃帶及人工皮膚、緩釋性藥劑等。吸水性樹脂的凝膠，可抑制血漿蛋白和血小板的粘連，因而可作為抗血栓材料用于制造人工臟器。(4) 其他SAP吸濕量大、無毒、無腐蝕可用于食品、水果蔬菜的儲存與包裝。另外SAP還可作為通訊電纜的防水劑、洗滌劑中的抗再沉積組分、人造雪、濕度調(diào)節(jié)劑、凝膠傳動裝置、活性酶載體、化妝品增濕劑等。三、其他環(huán)境修復(fù)材料除污水、廢氣、固體廢棄物、噪聲、電磁波輻射、水資源短缺、土地荒漠化等環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境惡化外，全球氣候變暖、溫室效應(yīng)增加

16、，也是各國政府目前密切關(guān)注的環(huán)境問題。過量的二氧化碳排放是全球氣溫變暖的根本原因。到目前為止，專家提出的固碳技術(shù)措施有：(1)節(jié)約能源，少用能源，減少二氧化碳的排放總量，這是最積極主動的措施；(2) 開發(fā)用二氧化碳人工合成甲醇的技術(shù)并早日實用化，用合成的甲醇作燃料，燃燒后再合成甲醇，實現(xiàn)碳元素的人工循環(huán)；(3) 利用光合作用，培養(yǎng)植物，消耗二氧化碳，加強對天然植物的綜合利用；(4) 將二氧化碳進(jìn)行液化，送入海底，使之變成碳酸鹽加以儲存；(5) 利用熱管，將赤道上的熱量送到極地帶，減少寒冷地區(qū)的取暖能源消耗，等等?？刂贫趸寂欧帕?，可通過減少化石能源的消耗，改變能源消費結(jié)構(gòu)，減少二氧化碳的產(chǎn)生量，或通過保護(hù)森林植物，增加綠化面積，借助光合作用，加大二氧化碳的消耗也是一種途徑。從技術(shù)方面