一种环境友好型角蛋白基固沙剂及其制备方法与流程

本发明属于化学固沙防尘技术领域，具体涉及一种环境友好型角蛋白基固沙剂及其制备方法。

背景技术：

土地荒漠化已经成为影响人类社会生存和发展的重大全球性生态环境问题。据联合国环境规划署(unep)统计，全球已经受到和预计会受到荒漠化影响的地区占全球土地面积的35%，更为严重的是，全球荒漠化程度及危害也以较快的速度扩大，世界平均每年约有5～7万平方公里土地荒漠化。

中国是荒漠化形势最严重的国家之一。我国有风蚀荒漠化、水蚀荒漠化、冻融荒漠化、盐渍荒漠化、盐碱荒漠化等5种类型的荒漠化土地。其中以风蚀荒漠化，即沙漠化，面积最大、分布最广。土地沙漠化的具体危害表现为：1）导致土地退化，可利用土地资源的减少。沙漠化会导致土壤理化性能的降低和损失，使得土地的生产能力下降，这会使得人类所拥有的有效土地面积损失；2）导致生物群落退化，打破生态环境的平衡性。土地沙漠化后，由于风沙的危害，会严重影响到沙漠周边环境的生态平衡，在沙漠化不断扩展的过程中，可能使得空气中的污浊物增加，生物的多样性遭到威胁，生物群落退化，严重破坏了生态环境的平衡性，对整个地球生态环境造成不可逆的损害；3）影响人类正常的生产和社会活动，破坏人类的生活环境，制约人类生活质量的提高，也制约了经济发展；4）自然灾害加剧，如沙尘暴、粉尘污染等频繁发生；5）导致人类加大对自然的索取程度，进一步加快沙漠化进程，形成恶性循环。因此，有效的预防措施和沙漠化治理是目前所需要解决的重要问题。

目前，普遍采用的固沙技术有工程固沙、生物固沙和化学固沙。工程固沙，又称机械固沙，即采用机械工程技术，阻挡沙丘移动。工程固沙包括两大类，即机械阻沙和沙障固沙。工程固沙主要包含风沙和地貌处理两个途径，一方面对风沙进行有效的疏导，另一方面改变沙体地貌的粗糙程度，加大抗风能力。工程固沙虽然工期短、见效快，但是建设投资大、费用高。生物固沙，也称植物固沙，是充分利用沙地的有限水分和养分，采取植树、播灌、种草等以林业为主的手段来达到防止沙漠、恢复植被、增加粗糙度目的，改善沙漠环境并提高其生产潜力。生物固沙可以从根本上改善沙漠化问题，而且成本低、稳定、环保，但由于沙漠的生长环境极为恶劣，在沙土地区能生长下来的只有极稀少的植物，过低的成活率和过长的生长周期，使得植物固沙受到严重的限制。化学固沙是指在流动沙丘（地）上喷洒化学粘结材料，在流沙表面形成覆盖层，从而防止风力对沙粒的吹扬和搬运，达到固定流沙、防止沙害的目的。同时化学固沙具有使用方便、成本低、见效快，固沙效果显著等优点，近几年来发展迅速，已成为目前最有前景的固沙治沙方法。

化学固沙剂主要包括以下3大类：传统无机类、有机类和有机-无机复合类。虽然很多固沙剂都达到较好的固沙效果，固化层也表现出较好的沙漠适应能力，但也存在以下缺陷：1)成本、稳定性、固沙性能不可兼得；2)固沙剂的滞留问题，由于部分固沙剂为合成高分子类，难以降解，在固沙后期如果不及时清理掉，会对环境造成较大的影响。生物质原料在自然界中分布广泛，无毒无污染、成本低、可降解，如淀粉、木质素、纤维素等，应用这些原料制备固沙剂，不但复合绿色可持续的发展理念，同时降低了化学固沙剂的成本，具有广阔的发展前景。

畜禽毛作为一种固体废弃物，自然条件下难以降解，传统的处理方法为焚烧和填埋处理，虽然这种处理方法成本较低，但焚烧后产生的有害气体，包括sox、nox等，以及填埋后造成的土地侵蚀，对人类健康和环境造成威胁。畜禽毛是一种丰富的可再生角蛋白资源，采用合适的化学方法提取的角蛋白具有较好的力学性能和热力学特性及生物降解性等，如果将其应用于固沙领域可以改善沙土的结构和理化性质，提高微生物活性，降解后生成的小分子物质，可以促进沙漠植物的生长，培肥地力，实现了经济、社会和环境的可持续发展。

公告号为(cn109749752a)的发明专利文件中公开了一种固沙材料的制备方法。该发明采用从秸秆中提取秸秆纤维，经过发泡处理制得的多孔纤维作为原料，将牛粪和秸秆进行炭化处理得到的生物炭作为固沙材料的填料，壳聚糖吸水凝胶作为助填料，采用物理成孔法制备出一种海绵状纤维素固沙材料。采用生物炭可以提升土壤质量，增加土壤有机碳含量，巨大的比表面积可以提高土壤的持水力，固沙效果好，作用长久。但该专利工艺较复杂，成本高。

公告号为(cn110819356a)的发明专利文件中公开了一种高抗压型纤维素接枝共聚固沙材料的制备方法。该发明专利将氢氧化物中和丙烯酸制得丙烯酸单体溶液，将纤维素接枝到单体中，在交联剂、引发剂、水玻璃和硅溶胶作用下，通过共聚反应制备固沙材料。以高分子树脂为骨架，纤维素为接枝单体，提高了的提高了固沙材料的吸水保水性能和可降解性。水玻璃和硅溶胶可以提高固结层的抗压强度。但该专利工艺较繁琐，成本高。

公告号为(cn108329108a)的发明专利文件中公开了一种将乙烯醇(pva)、聚天冬氨酸(pasp)、玉米淀粉、双氰胺粉剂及水进行混合制得多功能螯合液，将低品位油页岩、油页岩灰渣、糠醛渣，进行干燥、粉碎、过筛加入搅拌机中，喷入多功能螯合液搅拌制备的一种固沙剂。所制备的固沙剂养分丰富，提高风沙土肥力水平，降低了低品位油页岩及灰渣土地占用量。但该专利工艺较繁琐，不能完全降解，固沙性能有待提高。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种环境友好型角蛋白基固沙剂及其制备方法，解决目前化学固沙材料成本高，强度，耐风蚀性能差，降解性能差的问题，本发明制得的固沙剂成本低、具有良好的生物降解性和稳定性，同时抗水、抗风蚀效果显著，实现了环境保护和废弃畜禽毛的资源化利用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种环境友好型角蛋白基固沙剂，按质量质量份数，包括以下原料组份：畜禽毛15～35份；0.2～4份的碱；5～25份的30%h2o2；木质磺酸钙40～80份；丙烯酸120～160份；n,n-亚甲基双丙烯酰胺0.05～0.5份；引发剂1～5份。

所述的畜禽毛与水的固液比为1:5～15；所述的碱为koh或naoh；所述的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵或过硫酸钠。

一种环境友好型角蛋白基固沙剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，制备角蛋白水解液；

步骤2，根据步骤1制备的角蛋白水解液制备a液；

步骤3，将步骤2制得的a液调节为中性，得到固沙剂(ksfa)；

步骤4，将步骤3制得的固沙剂，按所需质量分数进行稀释，喷洒在沙土表面。

所述的步骤1，其具体过程为：取畜禽毛15～35份加入反应容器中，固液比1：5～15，再向反应容器中加入0.2～4份的koh或naoh，5～25份的30%h2o2，在85～95℃下反应搅拌3～5h，停止加热，冷却，出料，制得角蛋白水解液。

所述的步骤2，其具体过程为：分别取角蛋白水解液80～120份、木质磺酸钙40～80份，丙烯酸120～160份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺0.05～0.5份、引发剂1～5份加入反应容器中，在65℃～75℃的温度下搅拌0.5～1.5h，制得a液；

所述的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，或过硫酸钠。

所述的步骤3，其具体过程为：采用25%～28%氨水调节a液的ph至中性，得到固沙剂。

所述的氨水可采用苏打或小苏打替代。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种环境友好型角蛋白基固沙剂，将处理畜禽毛废弃物与治理沙尘污染结合起来，既解决了化学固沙剂滞留和成本高的问题，也为畜禽毛固体蛋白资源化利用提供了新思路。所制备的固沙剂具有良好的抗风蚀和抗水蚀性能，同时角蛋白降解后生成的小分子物质，可以改善沙土的结构和理化性质，培肥地力，安全环保，符合环境绿色发展理念，实现了生态、社会、经济建设的可持续发展。

附图说明

图1为本发明实施例6所制备的不同浓度固沙剂喷洒在沙堆模型上的扫描电镜图。

图2为本发明实施例6所制备的不同浓度固沙剂喷洒在沙堆模型上抗风蚀曲线图。

图3为本发明实施例6所制备的不同浓度固沙剂喷洒在沙堆模型上经抗水蚀后固结层的状态图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种环境友好型角蛋白基固沙剂，由包含以下质量份数的原料制得：畜禽毛15份；固液比为1:5；0.2份的koh；5份的30%h2o2；木质磺酸钙40份；丙烯酸120份；n,n-亚甲基双丙烯酰胺0.05份；引发剂（过硫酸钾）1份。

实施例2

一种环境友好型角蛋白基固沙剂，由包含以下质量份数的原料制得：畜禽毛35份；固液比为1:15；4份的koh（naoh）；25份的30%h2o2；木质磺酸钙80份；丙烯酸160份；n,n-亚甲基双丙烯酰胺0.5份；引发剂（过硫酸铵）5份。

实施例3

一种环境友好型角蛋白基固沙剂，由包含以下质量份数的原料制得：畜禽毛25份；固液比为1:10；2份的koh；15份的30%h2o2；木质磺酸钙60份；丙烯酸140份；n,n-亚甲基双丙烯酰胺0.25份；引发剂（过硫酸钠）2.5份。

一种环境友好型角蛋白基固沙剂的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1，取畜禽毛15～35份加入反应容器中，畜禽毛与水的固液比1：5～15，再向反应容器中加入0.2～4份的koh或naoh，5～25份的30%h2o2，在85～95℃下反应搅拌3～5h，停止加热，冷却，出料，制得角蛋白水解液；

步骤2，分别取角蛋白水解液80～120份、木质磺酸钙40～80份，丙烯酸120～160份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺0.05～0.5份、引发剂1～5份加入反应容器中，在65℃～75℃的温度下搅拌0.5～1.5h，制得a液；所述的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵或过硫酸钠；

步骤3，将步骤2制得的a液调节为中性，采用25%～28%氨水调节a液的ph至中性，得到固沙剂(ksfa)；所述的氨水可用苏打或小苏打替代。

步骤4，将步骤3制得的固沙剂(ksfa)，按所需质量分数进行稀释，喷洒在沙土表面。

实施例4

一种环境友好型角蛋白基固沙剂的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1，取畜禽毛15份加入反应容器中，固液比1：5，再向反应容器中加入0.2份的koh，5份的30%h2o2，在85℃下反应搅拌3h，停止加热，冷却，出料，制得角蛋白水解液；

步骤2，分别取角蛋白水解液80份、木质磺酸钙40份，丙烯酸120份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺0.05份、过硫酸钾1份加入反应容器中，在65℃℃的温度下搅拌0.5h，制得a液；

步骤3，采用25%氨水（或苏打或小苏打）调节a液的ph至中性，得到固沙剂(ksfa)；

步骤4，将步骤3制得的固沙剂(ksfa)，按所需质量分数进行稀释，喷洒在沙土表面。

实施例5

一种环境友好型角蛋白基固沙剂的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1，取畜禽毛35份加入反应容器中，固液比1：15，再向反应容器中加入4份的naoh，25份的30%h2o2，在95℃下反应搅拌5h，停止加热，冷却，出料，制得角蛋白水解液；

步骤2，分别取角蛋白水解液120份、木质磺酸钙80份，丙烯酸160份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺0.5份、过硫酸铵5份加入反应容器中，在75℃的温度下搅拌1.5h，制得a液；

步骤3，采用28%氨水（或苏打或小苏打）调节a液的ph至中性，得到固沙剂(ksfa)；

步骤4，将步骤3制得的固沙剂(ksfa)，按所需质量分数进行稀释，喷洒在沙土表面。

实施例6

一种环境友好型角蛋白基固沙剂的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1，取畜禽毛25份加入反应容器中，固液比1：10，再向反应容器中加入2份的koh，15份的30%h2o2，在90℃下反应搅拌4h，停止加热，冷却，出料，制得角蛋白水解液；

步骤2，分别取角蛋白水解液100份、木质磺酸钙60份，丙烯酸140份、n,n-亚甲基双丙烯酰胺0.25份、过硫酸钠2.5份加入反应容器中，在70℃的温度下搅拌1h，制得a液；

步骤3，采用26%氨水（或苏打或小苏打）调节a液的ph至中性，得到固沙剂(ksfa)；

步骤4，将步骤3制得的固沙剂(ksfa)，按所需质量分数进行稀释，喷洒在沙土表面。

参见图1为所制备的不同质量分数的固沙剂，将其喷洒在沙堆模型上形成一层固结层，取部分固结层喷金处理，通过扫描电镜观察其形貌。（a）～（f）分别对应ksfa质量分数为0%，1%，3%，5%，7%，10%。由图可以看出，当质量分数为0%时，沙粒表面颗粒分散，沙粒间存在着许多空隙。而喷洒ksfa形成固结层之后，沙粒表面由于ksfa的固沙作用被粘起来，并且随着质量分数的增加，沙粒之间粘合变得紧密。当质量分数达到10%时，可以看出此时沙粒之间已经完全被固沙剂粘合，沙粒表面变光滑且沙粒之间没有缝隙。由此可以看出，喷洒ksfa于沙样后，通过其胶粘性使分散的沙粒胶粘在了一起，从而形成稳定的固结层，进而说明ksfa具有良好的固沙性能。

参见图2为本发明一种环境友好型角蛋白基固沙剂的制备方法实施例6所制备的不同浓度固沙剂，将其喷洒在沙堆模型上，在风速为15m/s时，与沙样表面呈45°连续吹一段时间进行抗风蚀实验，并记录沙样的质量。当风速调整为15m/s时，喷施ksfa的沙样模型的抗风蚀作用随固沙剂质量分数的增加而显著增加。当质量分数大于1%，沙堆模型的质量改变较小，表明，ksfa均匀喷洒于沙层模型的表面形成的固结层具有较好的抗风蚀性，可用于防止沙粒被风吹散。

图3为本发明一种环境友好型角蛋白基固沙剂的制备方法实施例6所制备的不同浓度固沙剂，将其喷洒在沙堆模型上，在模拟人工小型降雨进行抗水蚀实验后，固结层的状态。自然环境中，中雨和小雨的降水量分界为10mm，即10l/m²。模拟人工中小型降雨。由图可知随着ksfa质量分数的增加，沙堆模型中的沙粒损失量明显减少，抗水蚀性能增加。当ksfa的质量分数超过5%时，淋水前后样品模型的重量和状态基本保持不变，这表明将一定量ksfa均匀地喷在沙子表面时，可表现出良好的抗水蚀性能，可以有效防止水土流失。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护范围内。