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      仿上水石材料的制備及導(dǎo)水性能研究

      2020-04-03 11:27:18叢中卉劉文超中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京機(jī)電與信息工程學(xué)院北京100083
      化工管理 2020年7期
      關(guān)鍵詞:水石發(fā)泡劑導(dǎo)水

      叢中卉 劉文超(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京 100083)

      0 引言

      由于沙漠地區(qū)[1,2]降水量少,蒸發(fā)量又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量,以至于沙漠中沒有足夠的水分來滿足植物正常生長(zhǎng)的用水需求。在沙漠的地層結(jié)構(gòu)中[3],既存在表面干沙層,也存在濕沙層,而且濕沙層位于表面干沙層以下約20~40cm。拜格諾[4]論述了濕沙層現(xiàn)象,他指出沙漠氣溫的變化對(duì)濕沙層溫度的影響微乎其微,濕沙層溫度的均勻性阻礙了水分蒸發(fā),使得濕沙層的水分得以保存數(shù)年。通常情況下,傳統(tǒng)澆水、保水措施成本高、效率低,但如果能夠把濕沙層的水通過一種導(dǎo)水材料運(yùn)送至樹苗的根部,那么就可以為植物提供其生長(zhǎng)所需用水,并提高植物存活率。

      自然界中的上水石,又稱吸水石,具有“水往高處流”的引水特性,其主要成分為碳酸鈣,表面為黃灰白色,質(zhì)較疏松、多孔、重量較輕[5]。通過對(duì)上水石的研究,制備出一種仿上水石材料,并將其作為導(dǎo)水材料應(yīng)用到沙漠植物的生長(zhǎng)中,從而節(jié)約大量水資源。

      1 實(shí)驗(yàn)部分

      1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

      材料:沙漠沙子[6];水泥[7],北京金隅水泥廠;粉煤灰[8,9],河南遠(yuǎn)恒環(huán)保工程有限公司;石膏,河南遠(yuǎn)恒環(huán)保工程有限公司;發(fā)泡劑[10-12],國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑廠;蒸餾水。

      儀器:電子天平,PL403,梅特勒托利多廠;鼓風(fēng)干燥箱,DHG-9023A,上海一恒科技;電動(dòng)攪拌器,DJ1C-200,金壇大地自動(dòng)化廠;有機(jī)玻璃管,Φ20×1mm,華夏塑料廠;透明塑料杯,20ml,鴻運(yùn)誠(chéng)興廠。

      1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

      首先稱取80g 沙子、10g 水泥、10g 粉煤灰和1g 石膏,放入燒杯中進(jìn)行混合攪拌,以375r/min 的速度先慢攪30s,再以750r/min的速度快攪120s;然后量取30ml H2O 和0.5ml H2O2于燒杯中混合并攪拌4~5s;將上述兩種混合物再次混合攪拌,先慢攪15s,攪拌速度為750r/min,再快攪30s,速度為1500r/min;將攪拌所得漿料注入底端包有紗布的帶有刻度的有機(jī)玻璃管和塑料杯中,在40℃下充分發(fā)泡30min;最后在60℃下干燥3 天,所得即為仿上水石材料。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 仿上水石材料的孔隙特征

      如圖1 所示,仿上水石材料既有閉孔,也有完全貫通的開孔,也有半開半閉的孔;一般情況下,閉孔孔隙尺寸比開孔大;且在孔壁上形成的孔隙通常是凝膠孔和毛細(xì)孔,孔隙較小,均為開孔,在孔隙內(nèi)形成的孔通常有閉孔和開孔,孔隙較大,開孔通常貫通于閉孔內(nèi)部,類似于一個(gè)鑲嵌同心圓。

      圖1 仿上水石的孔隙形貌和開孔孔徑尺寸

      仿上水石材料以沙子作為主要基體材料,添加水泥作為凝膠材料,提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度,利用粉煤灰增加活性,選用30%的H2O2作為發(fā)泡劑產(chǎn)生孔隙,同時(shí)石膏可以延緩漿料稠化速度使充分發(fā)氣[13]。上水石的導(dǎo)水性能取決于其孔結(jié)構(gòu),而孔結(jié)構(gòu)的形成與發(fā)泡劑量和水料比有關(guān),發(fā)泡劑少會(huì)使?jié){料無法膨脹成孔,過多則會(huì)導(dǎo)致斷層塌?,F(xiàn)象的出現(xiàn),同時(shí),水料比過高也會(huì)影響漿料成型,頂部出現(xiàn)泌水溢流的現(xiàn)象,水料比過低則影響最終試樣的力學(xué)強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)仿照天然上水石孔隙的形成機(jī)理,探索了原料的最佳配比,制備了具有優(yōu)良導(dǎo)水性能的仿上水石材料。

      2.2 仿上水石材料的吸水率

      吸水率是指材料試樣吸收水的質(zhì)量與原試樣的質(zhì)量之比,仿上水石材料的吸水率在一定程度上反映了材料的導(dǎo)水能力,利用浸泡介質(zhì)法測(cè)量上水石的吸水率,公式如下:

      式中:φ為吸水率;M為完全浸泡介質(zhì)后的試樣在空氣中的質(zhì)量;m為干燥試樣在空氣中的質(zhì)量。

      經(jīng)過計(jì)算得出仿上水石材料的吸水率為44%,材料的吸水率反映了材料在單位時(shí)間內(nèi)的吸水量,材料的吸水率越大,則水在多孔材料上下區(qū)間的濃度差就越,這種濃度差將導(dǎo)致底部水在孔隙內(nèi)源源不斷地向上運(yùn)動(dòng),而且吸水率大,可以保證材料底部有水源的充足。在毛細(xì)孔的范圍內(nèi),所制備出的仿上水石材料的導(dǎo)水性能與吸水率有關(guān)且吸水率越大的導(dǎo)水效果越好。

      2.3 仿上水石材料的導(dǎo)水性能

      固定仿上水石材料并將其底部浸入水中,用秒表計(jì)時(shí)并記錄水的爬升高度,將最終結(jié)果繪制成曲線,并與天然上水石和過篩后的沙漠沙子做比對(duì)。導(dǎo)水測(cè)試的裝置示意圖和導(dǎo)水性能曲線如圖2 所示。導(dǎo)水性能是仿上水石材料最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo),只有導(dǎo)水性能好才具有實(shí)際應(yīng)用的意義。

      圖2 仿上水石材料的導(dǎo)水測(cè)試

      由圖2 可以看出,仿上水石材料的水分爬升效果跟天然上水石幾乎無異,且因?yàn)榉律纤牧系目紫陡鼮榫鶆?,其?dǎo)水效果在前期表現(xiàn)得更為優(yōu)秀。多孔材料的導(dǎo)水過程是一個(gè)動(dòng)力學(xué)過程,既與多孔材料的吸水率有關(guān),也與水在孔隙內(nèi)的受力有關(guān)。水在孔隙內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),通常會(huì)受到三個(gè)力[14],即毛細(xì)力、離子間作用力和自身重力。其中自身重力是阻力,而離子間作用力和毛細(xì)力是水向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力,毛細(xì)力和孔徑大小有關(guān),而且是與開孔的孔徑有關(guān),孔徑越小,毛細(xì)力越大,即導(dǎo)水性能越好。

      3 結(jié)語(yǔ)

      反重力引水材料對(duì)于沙漠地區(qū)生態(tài)恢復(fù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值,本文以上水石作為研究對(duì)象,開展了仿上水石材料的制備及其導(dǎo)水性能的研究。最終所制備的仿上水石材料具有良好的反重力引水能力,為荒漠化地區(qū)植物用水提供一種新的思路和技術(shù),具有一定的參考意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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