沙漠的沙产业

华中科技大学，徐长发，2018.1.30

茫茫沙漠，苍凉荒芜，人类渴望改造它利用它。其中的想法之一就是，沙漠中的沙子怎么利用，在什么方向努力才能发挥出沙漠沙的价值呢？

秦升益是1984年中专铸造专业的毕业生，但是他敏而好学，他认为“留心处处皆学问”，他一直研究沙子，取得了不少成就，并在北京创建了一个“仁创科技集团有限公司”，专门研究沙漠沙的资源开发，专门从事沙产业。

一．用沙漠沙造出“覆膜砂”，替代进口“锆英砂”，用于精密铸造

要铸造精密零件，复杂构件，例如汽车的缸体、水泵、液压构件等，对铸件的质量要求是较高的；若要求铸件内腔不仅符合尺寸精度，还要求内腔表面光滑，这就要求铸芯的外表面使用特殊的铸造用砂；若要求铸件的外表面有尺寸精度和光滑度，就要求铸型的内表面使用特殊的铸造用砂。对这些特殊铸造用砂的要求是：颗粒细（保证铸件表面的光洁要求），耐高温且有一定强度（能承受浇注时高温铁水的冲击，且保证铁水冷却成型后的精度要求），特别要求膨胀性小（保证铸件的尺寸精度要求）。由于特殊铸造用砂的要求高，所以在以前铸造精密铸件时都采用外国进口的“锆英砂”，可是价格高。

能不能用硅砂（沙漠沙）来代替锆英砂呢？沙漠沙是硅砂，颗粒细，耐高温，可就是膨胀系数大，不能直接使用。有办法克服吗？秦升益想了个办法，在沙子外面裹上一层耐高温的树脂膜，这种树脂膜在高温下是收缩的；在高温下，硅沙的膨胀正好抵消了树脂膜的收缩，保证了铸件的精度要求；于是他们发明出了“覆膜砂”。

秦升益及其团队，用内蒙古沙漠上的风积沙为原料制成覆膜砂，实践证明，覆膜砂用于精密铸造，各方面的性能很好，完全可以取代锆英砂。还有，覆膜砂的成本低于锆英砂成本的一半。

这种覆膜砂技术，经中国机械工业联合会鉴定达到国际先进水平。“仁创科技集团”生产的覆膜砂系列产品已经在一汽、东风、沈阳航天、三菱等数十家汽车制造企业里得到了广泛应用，大大提高了铸件的生产技术和质量标准。   

二．用沙漠沙制成“孚盛砂”， 亲油拒水，为石油开采助力

开采石油的深井钻成后，石油会从多个岩层缝隙流入深井，可是存在一个问题，这些出油的缝隙有可能会闭合，其原因是多样的，主要是当地下的压力发生变化时，岩层的出油层的结构有可能会发生变化，出油口闭合，影响出油。为解决这个问题，目前普遍采用“压裂法”，也就是，先准备好小直径的“陶粒”，随着高压水进入岩石裂缝中，陶粒停留在裂缝中并起到了“支撑”作用，这样，岩层的出油缝隙被撑开，出油通道就不会堵塞和闭合了。    

“压裂法”对陶粒支撑剂提出较高的要求，1）要有足够的抗压强度和抗磨损的能力，有效地支撑岩石裂缝。2）颗粒直径要符合不同油井的设计要求，一般为0.4-0.8mm，要求颗粒均匀，表面光滑，随高压水流进入缝隙的导流性要好。3）抗腐蚀性能要好，有效使用时间要长。4）价格要便宜。压裂一口油井的施工费用需要花费几十万，甚至上百万元，支撑剂的费用在其中占的比例并不大，然而，支撑剂的质量对压裂后的出油效果起着至关重要的作用。

附带说一下，陶粒是用石英砂、铝矾土等材料，经破碎、配料、粉磨、制球、煅烧制备出来的，它的表面有一层硬壳。陶粒的用途非常广泛。在建筑材料方面，陶粒骨料可广泛应用于各类型的预构件和现浇的混凝土；陶粒骨料可生产多孔砖；陶粒还可应用于管道保温、炉体隔热和隔音吸声等其它建筑材料。在园林方面，陶粒可用于无土种植的基床材料；它的多孔、轻质、透气、无粉尘的特点 ，在观赏植物的养殖中被广泛使用。在民用卫生的过滤材料方面，陶粒可用于过滤饮用水，附带产生的活性物质有利于健康；过滤洗浴水并能产生一定的活性物质，有利于健康，一举多得。在饮用水的深度处理方面，陶粒能够吸附水体中的有害元素、细菌，能矿化水质，是活性生物降解有害物质的效果最好的滤料。在工业废水处理方面，陶粒也是非常好的滤料。

石油开采时还有另外一个问题，从油井中抽出的液体含有很多水。如果含水率低于20%就称为低含水；介于20%～70%就称为中含水；介于70%～98%为高含水；当含水率达到98%时，油田就失去了经济开采价值。另外，从油井中抽出的液体也要在专门的装置中进一步油气水分离，之后才能得到我们通常所说的原油。油气水分离要耗费很多能源。分离出来的水还要处理干净，不能污染环境。

针对石油开采中的上述问题，秦升益及其团队发明了一种亲油拒水性质的“孚盛砂”，它的原材料是沙漠的风积沙，在每颗沙粒的外面裹上一层高强度的有机树脂，这种树脂是亲油（减小了油的表面张力）拒水（增大了水的表面张力）的。做一个简单实验，让石油和水的混合物通过孚盛砂，结果是油通过了，水不能通过，透油不透水的效果十分明显。

“孚盛砂”可用作油气田的压裂支撑剂。它具有亲油拒水、抗破碎能力强、圆球度高、流动性好、化学惰性好、耐低温等特点。陶粒做支撑剂的主要作用是承受压力，但既可以透油，也可以透水；孚盛砂不仅撑住了岩石裂缝，只让油渗出，阻止水的渗出，提高了裂缝的导流能力，也有效地防止了支撑剂的返吐现象，延长了压裂方法采油的有效期。

2008年，孚盛砂首先在大庆油田应用，石油产量大幅提高。其后的推广效果都非常好。目前，孚盛砂已经在17家油田1000多口油井中使用，平均增产原油15%以上，有的甚至能增产两倍；平均降低含水率在2.3%以上。

孚盛砂可制作滤油装置。从油井中抽取出来的是油水汽混合物，还要做油水分离处理。传统的处理方法有：离心分离法，在高速旋转下，油和水产生不同的离心力，从而油和水基本上分开。电脱分离法，电场波动会促进水滴碰撞，合并成更大的水滴，这样油水就可以分离了。还有其它一些油水分离方法，但这些方法的分离效果都在65%左右。

用孚盛砂过滤油水汽混合液，设备很简单，只要做几个过滤桶就行，可是过滤效果可达到95%以上。

三．用沙漠沙制成“防渗透气砂”，利于沙漠保水种植

以沙治沙最好的方法是让沙漠变绿洲，这是人类的梦想，但实现起来却极其困难。沙漠种植的最大难点是缺水，水保持不住，植树难，种植农作物更难。

秦升益及其仁创集团发明了一种防渗透气砂，他们用沙漠沙为原料，在沙子外面裹上一层拒水的树脂材料，具体见作者的科普文章“防渗透气砂”。

现在，采用防渗透气砂在沙漠中种树变得简单了。先挖植树坑，在坑底和四周，围上十几公分厚度的防渗透气砂，把树种上，最后在植树坑的露天位置再用防渗透气砂盖住。这样，植树用水可保持在植树坑中并防止蒸发，让树苗慢慢吸收水分；另一方面，这种防渗透气砂是透气的；在既透气又保持水分的条件下，树苗的成活率达到百分百，用水量大为节省。这是沙漠植树的一种高效率方法，解决了沙漠种植的难题。

同样，在沙漠中种植小面积的农作物，使用防渗透气砂也是可行的，只需在农田底部铺设一层防渗透气砂即可，实际效果也非常好。当然，种植农作物需要适度灌溉，要有一定的水源才行。但是应该看到，在沙化沙漠的边缘往往是有适度水源的，就是因为沙化地不能保水，才造成沙化地扩大；如果在这些地方一边植树一边种植农作物，就可以方便生活，增加经济收入，就可以进让沙漠化的地方改善生态环境，近一步加快治沙的成效和速度。

可以设想在沙漠边缘建一个“隐形水库”，该水库的四周铺设用防渗透气砂做成的“砂墙”，丰雨期以及丰水期的水就可以储存起来，因为水库四周透气，所以储存水是保鲜的。这样在沙漠种植时，就可把“隐形水库”的水用来浇灌了。

四．用沙漠沙制成“生泰砂基滤水砖”，利于海绵城市建设

“生泰砂基透水砖”是仁创集团的又一个新产品，把它铺在路面上，可把降落下来的大量雨水全部吸收，路面不湿不滑 。生泰砂基透水砖是以沙漠的风积沙为原料，把沙子与水性的硅酸盐水泥（一种常用的亲水的无机粘接剂）和水性的环氧树脂（一种高强度的亲水的有机粘接剂）一起，经搅拌、振压，就做成高强度的多孔隙的透水砖。这种透水砖具有多项优势：一是所选原材料来自沙漠，将荒沙变为可用资源，化害为利；二是良好的透水性能，为建设海绵城市发挥作用，使城市地下和周边的水流循环畅通，降低城市热岛效应，优化生态环境；三是产品自洁、耐污、防滑、行走有弹性；四是抗冲击、抗压力、耐冻融、耐磨损等物理性能符合铺路砖标准。现在，国家正在推广这种节能省地型建筑材料。

生泰砂基透水砖问世后不足3年，就已在300多个工程中得到应用，数量达 到100万平方米。特别是奥运水立方、奥林匹克公园景观大道、上海世博会中国馆的万人广场等标志性重大工程的10多个场馆设施，都使用了生泰砂基透水建材产品。

仁创泉- 砂基雨水利用收集系统，是仁创集团的又一个利用沙漠沙的创意。该系统的地面铺设砂基透水砖；雨水渗入滤水井过滤；再流入储水窖；特别是滤水井和储水窖是用防渗透气砂围成的，不是用钢筋水泥砌成的，这样过滤和储存的水是透气保鲜不变质的。

该创意已经实际应用在“水立方”场馆，馆外地面铺设的全都是生泰砂基透水砖，实现了“下雨洒水地不湿，渗水回收再利用”的理想效果，受到国际上的一致好评。下面的图片中，室外广阔的场地都是用生泰砂基透水砖铺设的，地下还有配套的雨水收集系统。

五．沙漠沙制成“生态砂基过滤膜”，在污水处理回收方面效果显著

仁创集团用沙子做成“膜片”来滤水，替代现在常用的滤水真空纤维膜。二者原理相同，都是孔径0.1微米，只让水分子通过，脏物质通不过。把这两种滤水材料相比较：1)真空纤维膜是用高分子材料拉成“丝”再织成“布”，这种做法成本高、工艺难度大、投资大、运行费用高、寿命短；生态砂基过滤膜片则是由沙子做成，成本低，消耗资源少，寿命也超过真空纤维膜。2)生泰砂基过滤膜的制造成本降低30%，能源消耗降低30%，污水处理量提高一倍，使用寿命提高5倍。

目前，中国有300多个城市缺水，北京更是严重缺水，怎样以沙治水呢？秦升益认为有三条途径：一是雨水收集利用，二是污水处理回收，三是海水淡化。

对于雨水收集利用，他们做出了生泰砂基透水砖，也配套实施了雨水收集系统；对于污水处理回收，他们做出了生态砂基过滤膜；对于海水淡化处理，他们正在努力试验中。

六．用沙漠沙制成具有防火隔热透气保温功能的涂料，建造节能房屋

这种新型涂料还是用沙子做原料，在沙子的表面裹上一层耐高温的有机膜，再做成砖块和涂料，达到防火隔热透气保温的效果。这种材料在建筑方面的应用非常广泛。

用沙子作为原料，构建生态住房，冬天不用取暖。通常，房子的墙体用砖块砌成，传热快，到了冬天要取暖，到了夏天又要降温。特别是在我国北方，冬天的温度很低，建造住宅能不取暖吗？

解决这个问题的关键是住宅的保温性能要好，有效保护室内温度，可以做到不用取暖。

仁创集团的创意是：1)住宅的框架仍然是正常的框架结构，仍然用钢筋混凝土做框架。2)围护结构，例如，墙体材料、吊顶材料、地面材料，包括所有的门，都是采用沙子制成的保温建材做成。3)墙体外侧贴一层防火保温板，这也是用硅砂改性做成的。4)屋顶也采用防火保温建材。也就是说，这样的住宅基本上是沙子做的，是沙子生态住宅，整体透气、保温、防火、冬天不用取暖。

靠什么防火？靠的是防火保温板材料。做个实验，取用3种防火材料，水泥板、岩棉板和硅砂改性的防火保温板，用喷火枪对着某板材一侧烧灼10分钟，再测试这种板材另一侧的温度。结果是，水泥板47.2℃，岩棉板直接被烧穿了，硅砂保温板22℃。这充分说明硅砂改性板防火性能好。

靠什么保温？靠的是这种硅砂改性保温板的传热性能差。做个实验，取用3种保温板，水泥板、普通保温板、硅砂改性保温板，把这3种板材的一个表面放在摄氏零下二十五度的制冷源上，1小时后再来测试它们另一个表面的温度。结果是，水泥板零下20.7℃，普通保温板零下6.9℃，硅砂改性保温板零下1.9℃。这充分说明硅砂改性保温板的传热性能差，保温性能好。由于住宅内外充分利用了这种硅砂改性保温板，所以住宅的整体保温性能很好。

靠什么透气？靠的是沙粒之间自然的孔隙。房屋墙体用的是透气不透水的沙砖材料，既保温又透气；用沙子做成的保温板和防火板也透气。

这种用沙子构建的住宅整体效果如何？经过全年的监测，在室内没有任何制热源和制冷源的情况下，冬暖夏凉，全年温度都能保持在12℃—16℃之间。非常理想。

如今，在内蒙古奈曼地区，很多居民已经住上了这种用沙子做的房子，就算外面是零下二三十度，室内依旧温暖如春。在最冷的时候，只要利用太阳能补充一点点室内热度，不需要取暖设备，就能轻易度过寒冷的冬天。

这种用沙子构建的住宅，会给人们带来福音，现在正在推广。

最后，作为文章结束，作者认为，沙漠的沙产业的确是变废为宝、改造环境、造福人类的新兴产业，值得重视。可喜的是，现在已经有一些公司就设在沙漠附近，就是生产经营沙基透水砖的。也有一些公司，把沙漠沙作为钢筋混凝土的填充料，在掺入一些其他材料和严格把握配比的条件下，生产沙漠沙混凝土，效果也相当好，他们也把沙漠的沙产业向前推进了。

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