固沙用热解油脲醛树脂合成工艺与性能研究

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中国是受沙漠化严重危害的国家之一,防沙治沙已成为国家生态环境建设的一项重要内容。脲醛树脂(Urea-formaldehyde Resin,简称UF)由于价格低廉、制备工艺简单,并且还存在能为植物生长提供营养物质的有机氮,是具有广阔发展潜力的一种化学固沙材料。然而,UF作为固沙材料还存在粘度大、水溶性差、固沙性能不佳、游离甲醛含量高等问题。林木生物质快速热裂解获得的热解油中含有较多羟基、羧酸基等亲水性基团以及能与甲醛反应的酚类物质,利用这些特性对UF进行改性,将有望改善UF存在的以上不足,为固沙提供一种优质材料。本论文主要研究了热解油脲醛树脂(Bio-oil Urea-formaldhyde Resin,简称BUF)合成工艺、结构与性能及其固沙效果。首先,采用正交试验方法考察了甲醛/尿素(F/U)摩尔比、热解油加入量(相对尿素总量)和初始pH值等因素对固沙性能的影响,优化了BUF合成工艺;然后,采用红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析仪(TGA)等手段对UF、BUF的结构与性能进行对比分析;最后,考察了不同浓度BUF固沙材料对其固沙效果的影响,并对BUF进行经济效益分析。论文主要结论如下:  (1)固沙用BUF优化合成工艺条件为:F/U摩尔比为1.8、热解油加入量为60%、初始pH值为8.5。制备出的树脂粘度小、水溶性好,所形成的固结层平均厚度值超过6mm,相比于UF,抗风蚀性增强25倍,保水性提高11%,游离甲醛含量降低30%。  (2) FTIR分析表明,热解油中的酚类物质与甲醛反应,通过苯环结构,嵌入到树脂结构中;SEM分析表明,BUF能够与沙土颗粒紧密粘结起来,形成较大的团聚体结构;TGA分析表明,利用热解油对UF进行改性,有利于减少热损失,在100℃以下树脂热稳定好,满足实际应用要求。  (3)综合考虑固沙效果与成本最低化原则,BUF固沙材料最适浓度为8%。此时,固结层抗风蚀性、保水性、抗压强度均满足实际应用要求,有机质含量达到一般耕层水平,相对于空白样,种子发芽率提高约50%。  (4)固沙用BUF的原料生产成本约为1700元/t,按照BUF固沙材料浓度为8%进行计算,其平均成本约为0.38元/m2。
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