本發(fā)明涉及一種超疏水-鈍化雙功能涂層及其制備方法與應(yīng)用，屬于水污染控制和礦山污染源頭防控領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、礦山開(kāi)采過(guò)程中，地層、圍巖中的含硫鐵礦物(如硫鐵礦fes2等)曝露并與氧氣、水接觸，伴隨微生物活動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大量的酸性礦山廢水(amd)。amd的ph值低、硫酸鹽和鐵含量高，造成的酸浸環(huán)境致使其他重金屬離子溶出，是典型的礦山污染問(wèn)題，對(duì)水土環(huán)境的破壞極為嚴(yán)重。amd處理技術(shù)主要有中和沉淀、吸附、膜分離、濕地、滲透性反應(yīng)墻(prb)和硫酸鹽生物反應(yīng)器(sbr)等。然而，末端治理往往難以根除環(huán)境問(wèn)題，其效果易受時(shí)空限制的影響，且存在二次污染。相較而言，源頭控制是一種更具成本效益的綠色礦山建設(shè)策略。針對(duì)amd的源頭控制，應(yīng)著眼于阻斷含硫鐵礦物與水和氧化介質(zhì)的接觸途徑，抑制產(chǎn)酸，控制硫酸根釋放。

2、含硫鐵礦物氧化后，會(huì)在表面自生成氧化物膜，有助于減緩礦物內(nèi)部的進(jìn)一步氧化。這種表面變?yōu)椴换顫姂B(tài)或抗氧化態(tài)的情況被稱為表面鈍化。不過(guò)，自生成氧化物膜的鈍化性能不穩(wěn)定，通常需要外加鈍化劑提升鈍化效果。常見(jiàn)的鈍化劑包括磷酸鹽、硅酸鹽、有機(jī)胺、腐殖酸、纖維素和硅烷等多種，它們?cè)诔赡l件、使用成本和環(huán)境適應(yīng)性等方面各有不同。例如，磷酸鹽類、硅酸鹽類在使用時(shí)會(huì)涉及化學(xué)預(yù)氧化環(huán)節(jié)，制膜成本較高；有機(jī)胺類存在一定的環(huán)境毒性，不適于在相對(duì)密閉、通風(fēng)不良的場(chǎng)所大面積使用；腐殖酸類、纖維素類的生物相容性高，易滋生微生物，加速鈍化保護(hù)對(duì)象的生物化學(xué)反應(yīng)；硅烷類含有機(jī)硅化合物，附著力強(qiáng)、抗氧化性高，但成膜過(guò)程大多需要揮發(fā)性有機(jī)溶劑參與，不適于防火防爆要求高的場(chǎng)合使用。此外，鑒于含硫鐵礦物氧化的產(chǎn)酸特性，在鈍化體系中加入堿性材料，中和酸度，提供活性位點(diǎn)與硫鐵礦物絡(luò)合，促成與基底緊密貼合的鈍化涂層，可防止重金屬離子和硫酸根溢出。然而，大多數(shù)表面鈍化劑不具備疏水功能或是疏水性較弱，無(wú)法適應(yīng)礦物地下開(kāi)采的濕潤(rùn)環(huán)境。超疏水(接觸角＞150°)涂層具有極強(qiáng)的拒液性，可高效隔離水溶液侵蝕，有利于阻止含硫鐵礦物與礦井水接觸，從而減少amd產(chǎn)量?？墒牵杷繉拥闹苽湟渤Ｐ枰獡]發(fā)性有機(jī)溶劑的參與，且涂層的耐用性有待提高。

3、水泥基材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是應(yīng)用最廣泛的建材之一，有助于增強(qiáng)薄膜涂層強(qiáng)度，但它的多孔性和親水性易致外界cl-、so42-等腐蝕性離子入侵，造成水泥基材料的耐久性退化。超疏水改性是加強(qiáng)水泥基材料的抗?jié)櫇裥院妥郧鍧嵞芰Φ闹匾侄?，其主要包括表面超疏水改性和整體超疏水改性兩種方式。前者通過(guò)超疏水漿液的滲透，提升水泥基材料表面的疏水性，甚少影響材料的力學(xué)性能。相較而言，后者因疏水材料的內(nèi)摻，會(huì)延緩水泥水化反應(yīng)，降低材料整體的力學(xué)強(qiáng)度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種超疏水-鈍化雙功能涂層及其制備方法與應(yīng)用。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的一種超疏水-鈍化雙功能涂層的制備方法，包括以下步驟：

3、(1)按照硅氧化物、硅烷、粘結(jié)劑、堿性材料和水的質(zhì)量比為(0.5-1.0)：(0.3-0.6)：(0.5-1.5)：(0.2-0.5)：20，稱取各原料；將硅氧化物分散在水中，調(diào)節(jié)溶液ph值在7-11，再將硅烷和粘結(jié)劑加入混勻，得到超疏水漿液；

4、(2)在步驟(1)所得的超疏水漿液中，加入堿性材料，混合均勻，得到超疏水-鈍化雙功能漿液；

5、(3)在基底上涂覆步驟(2)的超疏水-鈍化雙功能漿液，固化、干燥。

6、作為改進(jìn)的，所述硅氧化物為顆粒狀，粒徑范圍為10-50nm。

7、作為改進(jìn)的，所述硅烷采用中長(zhǎng)鏈烷氧基硅烷及其衍生物中的任一種，純度>95％。

8、作為改進(jìn)的，所述粘結(jié)劑為聚氨酯及其衍生物中的任一種，粘度為300-1500mpa·s，固含量為20-40％。

9、作為改進(jìn)的，所述堿性材料為含鈣礦物、含鈣鹽類、含鎂鈣礦物、含鎂鈣鹽類中的任一種，粒徑大于75μm。

10、本發(fā)明的第二方面，還提供了一種超疏水-鈍化雙功能涂層，采用所述的制備方法制得。

11、本發(fā)明的第三方面，還提供了一種所述制備方法制得的或所述的超疏水-鈍化雙功能涂層的應(yīng)用，用于阻斷礦山中硫和重金屬元素的溶出與氧化；其中，礦山中重金屬元素為fe、cu、pb、zn、cd等中的至少一種；

12、所述超疏水-鈍化雙功能涂層涂覆于礦物基底表面，所述礦物基底與所述超疏水-鈍化雙功能涂層之間設(shè)有水泥基支撐層，所述超疏水-鈍化雙功能涂層設(shè)有不少于1層，所述水泥基支撐層設(shè)有0-1層。

13、作為改進(jìn)的，所述水泥基支撐層包括以下原料：水泥、骨料和水，所述水泥、骨料的質(zhì)量比為(70-50)：(30-50)，水灰比0.5-0.8。

14、作為改進(jìn)的，所述骨料為煤矸石，粒徑為45-75μm；所述水泥為抗硫酸鹽水泥。

15、作為改進(jìn)的，包括以下步驟：

16、(1)將硅氧化物分散在水中，調(diào)節(jié)溶液ph值在7-11，再將硅烷和粘結(jié)劑加入混勻，得到超疏水漿液；

17、(2)在步驟(1)所得的超疏水漿液中，加入堿性材料，混合均勻，得到超疏水-鈍化雙功能漿液；

18、(3)將水泥、骨料和水混合均勻，得到水泥基漿液；

19、(4)在含硫鐵礦物基底上涂覆步驟(3)的水泥基漿液，固化后形成水泥基支撐層，在所述水泥基支撐層上，涂覆步驟(2)的超疏水-鈍化雙功能漿液，固化、干燥；當(dāng)不包括水泥基支撐層時(shí)，直接在基底上涂覆步驟(2)的超疏水-鈍化雙功能漿液，固化、干燥。

20、本發(fā)明的機(jī)理：

21、通過(guò)硅烷水解產(chǎn)生疏水性基團(tuán)，與硅氧化物交聯(lián)形成具有si-o-si的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生的團(tuán)聚體，在粘結(jié)劑的作用下，于基底表面形成低表面能的微納粗糙結(jié)構(gòu)，其具有優(yōu)異的超疏水性；摻入的堿性材料進(jìn)一步增強(qiáng)si-o-si的交聯(lián)作用，并促成金屬元素(如fe)與h-o-si的替換枝連，產(chǎn)生fe-o-si鍵，使得涂層在含硫鐵礦物表面形成更加致密均一的包裹，阻斷含硫鐵礦物被浸潤(rùn)氧化及重金屬浸出的途徑。

22、從涂層結(jié)構(gòu)看，水泥基支撐層強(qiáng)化了整體涂層的力學(xué)性能，其包含的抗硫酸鹽水泥和矸石骨料可提升鈍化容量；且水泥基支撐層的表面粗糙度大，利于增強(qiáng)超疏水-鈍化雙功能涂層的附著力，同時(shí)，超疏水-鈍化雙功能漿液滲入水泥基支撐層固化后，形成具有一定厚度的超疏水包封，保護(hù)支撐層免受侵蝕，并進(jìn)一步隔絕含硫鐵礦物的反應(yīng)渠道。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

24、1)本發(fā)明的超疏水-鈍化雙功能涂層，通過(guò)有機(jī)、無(wú)機(jī)組分的協(xié)同配伍，兼具超疏水和鈍化兩種作用，抑酸控硫，促進(jìn)amd的源頭防治。

25、2)本發(fā)明的超疏水-鈍化雙功能涂層和水泥基支撐層的功能耦合，顯著提高了整體涂層的耐久性和穩(wěn)定性。

26、3)本發(fā)明提供的涂層漿液在水溶劑中制得，不需要有機(jī)溶劑參與，對(duì)環(huán)境友好，適用于防火防爆要求高、空間相對(duì)密閉的場(chǎng)所。

27、4)本發(fā)明的涂層的制備方法簡(jiǎn)單易行，條件溫和，操作方便，成本低廉，可大面積使用。

28、5)本發(fā)明提供的涂層可高效阻斷硫和重金屬元素的溶出與氧化，遏制amd產(chǎn)生，助力綠色礦山建設(shè)。