一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂、植生袋及制备方法

技术领域

本发明属于固废利用技术领域，涉及一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂、植生袋及制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

近年来我国地下工程建设规模逐渐扩大，数目越来越多，在地下工程的建设中，盾构机在掘进过程中产生大量土体，与泥水混合形成泥浆，通过排浆泵或管道输送至地面再进一步处理，泥水盾构的出浆量一般为隧道挖土体积的2～3倍，伴随着隧道盾构施工产生大量的废弃泥浆。由于城市储存场地有限、人员密度大，如果处置不当，会造成环境污染、侵占土地等问题，甚至对整个城市的正常运行产生巨大影响。

目前，处理废弃泥浆的方法有直接排放法、焚烧法、机械处理法、化学絮凝沉淀法和化学固化法。直接排放法和焚烧法将泥浆排至废渣场，会对环境造成污染且无法回收利用；机械处理法的处理范围有限，只能处理分离出来的渣土，且设备造价昂贵；化学絮凝沉淀法对高密度的泥浆处理效果较差，泥浆固相不易絮凝沉淀；化学固化处理法直接在泥浆中加入固化剂，改善泥浆性质并资源化再利用。现有固化研究主要针对钻井泥浆、软土、污泥等，对盾构隧道废弃泥浆固化研究相对较少。

另外，对于隧道和矿山等地下工程掘进机开挖过程中存在的污泥处理问题，与城市污水处理不同，由于自然条件和周边环境的限制，通过实践，针对地下工程自身的环境特点对污泥处理提出了相应要求：(1)应因地制宜地，充分适应地下工程复杂多变的环境。(2)要保证达到稳定的处理效果的同时，减少运输和处理成本。为此，针对隧道及煤矿开挖过程中存在的污泥处理问题，急需研发一种快速稳定、成本低廉的绿色化学材料，建立集污泥处理与生态修复为一体的系统化处理体系。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂、植生袋及制备方法。本发明的固化剂具有绿色无污染、吸水性强，可有效固化土壤、提高土壤含水率的特点。

为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂，其原料由以下组分组成：

共聚物、交联剂、丙烯酸、引发剂和表面交联剂；

其中，所述共聚物为聚乙烯醇、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或丙烯腈；

所述交联剂选自聚乙二醇二缩水甘油醚、乙氧基化甘油三丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或多种。

第二方面，本发明提供所述将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂的制备方法，包括如下步骤：

将共聚物、交联剂和丙烯酸混合、进行聚合反应；

向聚合反应后的溶液中加入引发剂，升温搅拌后得到水凝胶，将水凝胶绞碎后得到凝胶颗粒；

将表面交联剂喷洒到凝胶颗粒表面，烘干，即得泥水固化剂。

第三方面，本发明提供一种植生袋的制备方法，包括如下步骤：

将所述泥水固化剂与待处理泥浆混合均匀；

将生物质、微生物肥料和混合后的泥浆混合，制备植生袋。

第四方面，本发明提供一种植生袋，由以上制备方法制备而成。

与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：

(1)本发明的泥水固化剂能够有效对泥浆及其他废弃污泥进行改性，并将其制成植生袋，不仅节约资源，保护环境，而且成本低，节约了运输的费用。

(2)本发明的泥水固化剂不仅能够有效处理土壤中水分将其变成优含水率土壤，还能够促进土壤颗粒在固化剂中的分散，增加粘结效率，形成优良的土壤团聚体，促进植被发育。

(3)本发明的泥水固化剂能够使土粒和粘结物之间以化学键的作用结合，同时，还具有物理固定和静电作用，不仅有助于防水，也有助于提高抗压强度，保证土壤结构的稳定。

(4)本发明制备的泥水固化剂是一种颗粒状固体固化剂，吸水速率极快，其使用方法操作简单且效果明显。

(5)本发明的植生袋为微生物肥料植生袋，与传统植生袋相比，不仅土壤肥力更高，而且能够改善土壤结构，提高土壤抗侵蚀能力。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例植生袋制作过程图；

图2为实施例1制备的泥水固化剂的SEM图；

图3为本发明实施例泥浆与固化剂混合固化过程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

第一方面，本发明提供一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂，其原料由以下组分组成：

共聚物、交联剂、丙烯酸、引发剂和表面交联剂；

其中，所述共聚物为聚乙烯醇、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或丙烯腈；

所述交联剂选自聚乙二醇二缩水甘油醚、乙氧基化甘油三丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种或多种。

共聚物包括聚乙烯醇、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或丙烯腈。这些高吸水性树脂价格低廉、来源丰富，而且吸水性能优异，可以加强材料的吸水能力，具有一定的防腐防变能力，能够长期保存。

表面交联剂的作用是用于提高泥水的处置速率，表面交联剂可使树脂颗粒内部交联度低，而表面交联度高，这样可以使共聚物内部的吸水能力强的同时表面有较高的胶凝强度。

在一些实施例中，所述丙烯酸的质量浓度为25-45％。试验表明：共聚物的吸水倍率随着单体浓度的增加有不同程度的下降，当单体浓度低于25％时，难以聚合形成凝胶。

进一步的，共聚物、交联剂、引发剂和丙烯酸的质量比为：0.5-20：0.5-1.2：0.1-0.7：100。

树脂的吸水能力随交联度的增大而降低，但是吸水后的树脂显示出橡胶的弹性行为，其凝胶强度与交联度成正比，降低交联度会导致凝胶强度下降，因此，本发明将交联剂的用量控制在0.5％-1.2％之间，既保证了一定的凝胶强度，又尽可能提高其吸水倍率。

在一些实施例中，所述引发剂为无机过氧化物引发剂、偶氮类引发剂和氧化还原引发剂三者的组合物。

进一步的，无机过氧化物引发剂、偶氮类引发剂和氧化还原引发剂的质量比为1-5：1-5：1-7。

进一步的，所述无机过氧化物引发剂为过硫酸钠；所述偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈，所述氧化还原类引发剂为过硫酸铵/亚硫酸氢钠。

所述“/”前的物质表示氧化类引发剂，“/”后物质表示还原类引发剂，每一组氧化还原引发剂同时使用。

更进一步的，所述氧化还原类引发剂中氧化类引发剂与还原类引发剂的质量比为1：3-8。

引发剂可以直接影响聚合反应过程能否顺利进行，也会影响聚合反应速率，还会影响产品储存期。引发剂可以直接影响聚合反应过程能否顺利进行，也会影响聚合反应速率，还会影响产品储存期，用量过多时，分解自由基增多，聚合速率加快，导致交联密度增加、相对分子质量降低、吸水倍率下降。

在一些实施例中，所述表面交联剂选自水、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和多价金属化合物中的一种或多种。

第二方面，本发明提供所述将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂的制备方法，包括如下步骤：

将共聚物、交联剂和丙烯酸混合，进行聚合反应；

向聚合反应后的溶液中加入引发剂，升温搅拌后得到水凝胶，将水凝胶绞碎后得到凝胶颗粒；

将表面交联剂喷洒到凝胶颗粒表面，烘干，即得泥水固化剂。

在一些实施例中，聚合反应的时间为1-1.5h。

在一些实施例中，制备水凝胶的升温过程为：反应温度从0℃逐步上升至85℃。引发剂为热分解引发剂，在一定的温度下，化合物受热分解为自由基，用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合。

在一些实施例中，烘干的温度为100-120℃，烘干的时间为20-60min。

在一些实施例中，表面交联剂的添加比例为凝胶颗粒质量的3-6％。

第三方面，本发明提供一种植生袋的制备方法，包括如下步骤：

将所述泥水固化剂与待处理泥浆混合均匀；

将生物质、微生物肥料和混合后的泥浆混合，制备植生袋。

在一些实施例中，泥水固化剂的添加质量为待处理泥浆质量的0.25-10％。

在一些实施例中，所述生物质为草、花或/和灌木种子。

在一些实施例中，所述微生物肥料选自固氮菌剂、硅酸盐菌剂、溶磷菌剂、光合菌剂、有机物料腐熟剂、复合菌剂、微生物产气剂、农药残留降解菌剂、水体净化菌剂中的一种或多种。

进一步的，所述微生物肥料与泥水固化剂的质量比为1-2:1。

优良的土壤团聚体构成，可以促进植被发育，保证土壤结构的稳定，提高土壤的抗侵蚀能力，添加固化剂正是由于其具有极强的吸水能力，可将游离水转化为结晶水，利用生成高结晶水的物质消耗土壤中的游离水分，同时有效形成的包裹结构增强与土粒的键合，将土粒包裹镶嵌起来，将土壤中的碎小颗粒粘结成粒径较大的水稳定性团聚体。而微生物会分解土壤中的有机质，降解固化剂中的高分子聚合物，故土壤水稳定性团聚体含量会随微生物含量增加而逐渐减小。但土壤中微生物数量的增加，可提升土壤的固氮、抗病毒能力，同时改善土壤结构，促进土壤中有机质的分解和土壤养分的循环，因此，本发明将微生物肥料的用量控制在固化剂质量的2-1倍之间。

其次，本发明公开上述制备方法得到的新型泥水固化剂，其特点是：该材料具有核壳结构。其中，外壳是由加入的表面交联剂形成的。其作用为提高泥水的处置速率。

第四方面，本发明提供一种植生袋，由以上制备方法制备而成。

本发明将废弃泥浆处置成土壤的固化剂，并制备成植生袋用于环境修复的技术方法。植生袋常被用于光秃岩石边坡、堤坝、水库、河道等的植被景观恢复，施工铺设简便，质量轻便，方便运输，草种的成活率高且分布均匀，可根据需要更换不同草种，同时植生袋抗拉强度高，无需担心草种纸带被撕破，后期草种长出后，玻璃纤维土工格栅作为一层加固层，即使冬季草死亡后也能达到护坡的功效，有效冬季减少水土流失，故能够有效解决各种边坡绿化护坡工程的需求，近年来应用越来越广泛。

将植生袋覆上一层抗老化绿网，袋口扎紧垛放在工作面上，在植生袋上浇水并保持湿润，十天左右出苗，可以在无土的岩石或山体滑坡后留下的裸露部位、高速公路和铁路的无土砂石斜坡部位、垂直的山崖部位、严重盐碱地段、无土屋顶等无法种植和移植草坪的地段施工。

正如背景技术所介绍的，隧道掘进过程中产生的泥浆大多都是直接丢弃和焚烧，对环境造成严重污染，而现有的处理设备造价高昂且大都存在短板，而隧道盾构产生的泥浆本身成分对环境无污染，因此回收利用变废为宝是最佳的泥浆处理方式。因此，本发明一种将隧道掘进机产生的废弃泥浆再处理制备植生袋的泥水固化剂及制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1

一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂、植生袋及制备方法，包括如下步骤：

(1)用去离子水稀释丙烯酸单体，得到浓度为25％的丙烯酸溶液500g，然后在丙烯酸溶液中加入2.5g聚乙二醇二缩水甘油醚，用磁力搅拌器搅拌10min；然后加入2.5g聚乙烯醇聚合反应1h，得到溶液A；

(2)将过硫酸钠：偶氮二异丁腈：过硫酸铵/亚硫酸氢钠按照质量比为5:1:1配制，得到引发剂，将0.5g该引发剂加入溶液A中，逐步将温度从0℃升至85℃(速率2℃/min)，搅拌得到水凝胶，将水凝胶绞碎得到凝胶颗粒B；

(3)将水：碳酸乙烯脂质量比100:30的比例配制，得到表面交联剂，将该表面交联剂喷洒到凝胶颗粒B表面，所述表面交联剂的添加比例为凝胶颗粒B质量的3％，然后将树脂放于120℃烘箱中，通风干燥20min，即得颗粒状的泥水固化剂；

(4)取50g的泥水固化剂和20kg需要处理的泥浆搅拌均匀，即得优含水率土壤，泥浆的含水率为70％；

(5)取100g微生物肥料与草、花、灌木种子加入处理完成的土壤中，用机器制备成植生袋。

实施例2

一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂、植生袋及制备方法，包括如下步骤：

(1)用去离子水稀释丙烯酸单体，得到浓度为45％的丙烯酸溶液500g，然后在丙烯酸溶液中加入2.5g聚乙二醇二缩水甘油醚，用磁力搅拌器搅拌10min；然后加入2.5g聚乙烯醇聚合反应1h，得到溶液A；

(2)将过硫酸钠：偶氮二异丁腈：过硫酸铵/亚硫酸氢钠按照质量比为1:5:1配制，得到引发剂，将0.5g该引发剂加入溶液A中，逐步将温度从0℃升至85℃(速率2℃/min)，搅拌得到水凝胶，将水凝胶绞碎得到凝胶颗粒B；

(3)将水：碳酸乙烯脂质量比100:30的比例配制，得到表面交联剂，将该表面交联剂喷洒到凝胶颗粒B表面，所述表面交联剂的添加比例为凝胶颗粒B质量的6％，然后将树脂放于100℃烘箱中，通风干燥60min，即得颗粒状的泥水固化剂；

(4)取100g的泥水固化剂和20kg需要处理的泥浆搅拌均匀，泥浆的含水率为60％，即得优含水率土壤；

(5)取200g微生物肥料与草、花、灌木种子加入处理完成的土壤中，用机器制备成植生袋。

实施例3

一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂、植生袋及制备方法，包括如下步骤：

(1)用去离子水稀释丙烯酸单体，得到浓度为25％的丙烯酸溶液500g，然后在丙烯酸溶液中加入6g聚乙二醇二缩水甘油醚，用磁力搅拌器搅拌10min；然后加入100g聚乙烯醇聚合反应1.5h，得到溶液A；

(2)取0.5g过硫酸钠加入溶液A中，逐步将温度从0℃升至85℃(速率2℃/min)，搅拌得到水凝胶，将水凝胶绞碎得到凝胶颗粒B；

(3)将水：碳酸乙烯脂质量比100:30的比例配制，得到表面交联剂，将该表面交联剂喷洒到凝胶颗粒B表面，所述表面交联剂的添加比例为凝胶颗粒B质量的3％，然后将树脂放于120℃烘箱中，通风干燥20min，即得颗粒状的泥水固化剂；

(4)取200g的泥水固化剂和20kg需要处理的泥浆搅拌均匀，即得优含水率土壤，泥浆的含水率为65％；

(5)取200g微生物肥料与草、花、灌木种子加入处理完成的土壤中，用机器制备成植生袋。

实施例4

一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂、植生袋及制备方法，包括如下步骤：

(1)用去离子水稀释丙烯酸单体，得到浓度为45％的丙烯酸溶液500g，然后在丙烯酸溶液中加入2.5g聚乙二醇二缩水甘油醚，用磁力搅拌器搅拌10min；然后加入100g聚乙烯醇聚合反应1.5h，得到溶液A；

(2)将过硫酸钠：偶氮二异丁腈：过硫酸铵/亚硫酸氢钠按照质量比为5:1:1配制，得到引发剂，将3.5g该引发剂加入溶液A中，逐步将温度从0℃升至85℃(速率2℃/min)，搅拌得到水凝胶，将水凝胶绞碎得到凝胶颗粒B；

(3)将水作为表面交联剂喷洒到凝胶颗粒B表面，所述表面交联剂的添加比例为凝胶颗粒B质量的6％，然后将树脂放于120℃烘箱中，通风干燥60min，即得颗粒状的泥水固化剂；

(4)取400g的泥水固化剂和20kg需要处理的泥浆搅拌均匀，即得优含水率土壤，泥浆的含水率为62％；

(5)取800g微生物肥料与草、花、灌木种子加入处理完成的土壤中，用机器制备成植生袋。

实施例5

一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂、植生袋及制备方法，包括如下步骤：

(1)用去离子水稀释丙烯酸单体，得到浓度为45％的丙烯酸溶液2.5kg，然后在丙烯酸溶液中加入12.5g乙氧基化甘油三丙烯酸酯，用磁力搅拌器搅拌10min；然后加入250g聚乙烯醇聚合反应1.5h，得到溶液A；

(2)将过硫酸钠：偶氮二异丁腈：过硫酸铵/亚硫酸氢钠按照质量比为5:5:1配制，得到引发剂，将2.5g该引发剂加入溶液A中，逐步将温度从0℃升至85℃(速率2℃/min)，搅拌得到水凝胶，将水凝胶绞碎得到凝胶颗粒B；

(3)将水：碳酸乙烯脂质量比100:30的比例配制，得到表面交联剂，将该表面交联剂喷洒到凝胶颗粒B表面，所述表面交联剂的添加比例为凝胶颗粒B质量的3％，然后将树脂放于100℃烘箱中，通风干燥60min，即得颗粒状的泥水固化剂；

(4)取1kg的泥水固化剂和20kg需要处理的泥浆搅拌均匀，即得优含水率土壤，泥浆的含水率为60％；

(5)取2kg微生物肥料与草、花、灌木种子加入处理完成的土壤中，用机器制备成植生袋。

实施例6

一种将工程泥浆制备植生袋的泥水固化剂、植生袋及制备方法，包括如下步骤：

(1)用去离子水稀释丙烯酸单体，得到浓度为25％的丙烯酸溶液2.5kg，然后在丙烯酸溶液中加入30g聚乙二醇二缩水甘油醚，用磁力搅拌器搅拌10min；然后加入12.5g甲基丙烯酰胺聚合反应1.5h，得到溶液A；

(2)将过硫酸钠：偶氮二异丁腈：过硫酸铵/亚硫酸氢钠按照质量比为5:5:7配制，得到引发剂，将17.5g该引发剂加入溶液A中，逐步将温度从0℃升至85℃(速率2℃/min)，搅拌得到水凝胶，将水凝胶绞碎得到凝胶颗粒B；

(3)将水：碳酸乙烯脂质量比100:30的比例配制，得到表面交联剂，将该表面交联剂喷洒到凝胶颗粒B表面，所述表面交联剂的添加比例为凝胶颗粒B质量的6％，然后将树脂放于120℃烘箱中，通风干燥40min，即得颗粒状的泥水固化剂；

(4)取2kg的泥水固化剂和20kg需要处理的泥浆搅拌均匀，即得优含水率土壤，泥浆的含水率为66％；

(5)取2kg微生物肥料与草、花、灌木种子加入处理完成的土壤中，用机器制备成植生袋。

性能测试：

1、对实施例1制备的泥水固化剂材料在扫描电镜下观察微观结构，结果如图2所示，从图2中可以看出，本发明制备的泥水固化剂材料呈现出了明显的核壳结构，其中，得到的凝胶颗粒B为内核，添加的表面交联剂形成了外壳,外壳大多已经完全将内核包覆在了内部。

2、对实施例1-6制备的植生袋效果进行测试，结果如表1所示：

表1

说明：

(1)新型泥水固化剂不仅能够有效处理土壤中水分将其变成优含水率土壤，促进土壤中微生物活动,提高土壤养分的利用效率，还能够增加土壤粘结效率，形成优良的土壤团聚体，提高土壤渗透系数，有效改善土壤状况，促进植被发育。

(2)泥水固化剂吸水倍率计算方法：取1g泥水固化剂装入茶包中，浸入水中，一天后取出，用离心机甩干残余水分，记录吸水质量变化情况。溶胀比Sw由下式计算：

(3)合格的普通自然土壤(含水率21％)制成的植生袋7天出苗率65％以上，30天出苗率90％以上。

(4)从表1中可以看出，泥浆处理后制成的植生袋出苗率均能达到合格标准，且适当的固化剂添加比例促进植被生长，成苗率较高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。