СОСТАВ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПОЧВ И ГРУНТОВ Российский патент 2013 года по МПК C09K17/40 C08L33/00 E01C7/36 

Изобретение относится к области составов для химического закрепления почв и грунтов и может быть использовано в сельском хозяйстве для борьбы с водной и ветровой эрозией, а также при строительстве дорог и других земляных сооружения.

Известен состав для закрепления почв и грунтов на основе воды, полиэтиленимина (ПЭИ), полиакриловой кислоты (ПАК) и аммиака при следующем соотношении компонентов (мас.ч.):

ПАК 1 ПЭИ 1,5-2,5 аммиак 1,6-1,8

(А.С. СССР №642411, кл. Е01С 7/36, 1979).

Известен состав для закрепления почв и грунтов на основе гидролизованного полиакрилонитрила (ГИПАН), полидиметидиаллиламмоний хлорида (ПДМДААХ) и воды при следующем соотношении компонентов (мас.ч.):

ГИПАН 8-12 ПДМДААХ 8-12 вода остальное

(А.С. СССР №1507771, кл. С08L 33/00, 1989).

Наиболее близким к заявляемому является известный ранее предложенный нами состав для закрепления почв и грунтов в виде водного раствора катионного и анионного полиэлектролитов (ПЭ), водорастворимой соли (смеси солей щелочного металла или аммония с солью кальция или магния) и воды при следующем соотношении компонентов, вес.%:

анионный ПЭ 0,5-3,0 катионный ПЭ 0,5-3,0 соль щелочного металла или аммония 1,2-2,7 соль двухвалентного металла 0,3-1,0 вода остальное

(патент России №2142492, кл. С09К 17/00, 1999) - прототип.

Недостатками известного состава являются достаточно высокое содержание в нем соли и относительно высокая его норма расхода при обработке почвы (1-2 л/м²), что неизбежно приводит к засолению почвы.

Технической задачей изобретения является разработка состава для закрепления почв и грунтов с пониженным содержанием соли и пониженной нормой расхода.

Указанный технический результат достигается только тогда, когда в известном составе для закрепления почв и грунтов в виде водного раствора катионного и анионного ПЭ, водорастворимой соли и воды, состав содержит соль щелочного металла или аммония и заряженный полиэлектролитный комплекс, являющийся продуктом взаимодействия водосодержащих растворов катионного ПЭ, содержащего противоионы хлора или брома, и анионного ПЭ, выбранного из группы, включающей натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (натрий-КМЦ), соль щелочного металла или аммония полиакриловой кислоты или полиметакриловой кислоты, взятых в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев одного ПЭ составляет от 51 до 60% от содержания заряженных звеньев другого ПЭ, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

заряженный полиэлектролитный 0,90-4,62 комплекс   водорастворимая соль 0,08-0,87 вода остальное

В предлагаемом техническом решении в качестве анионного ПЭ можно использовать любой водорастворимый анионный ПЭ, выбранный из группы, включающей натрий-КМЦ, натриевую соль ПАК (натрий-ПАК), калиевую соль ПАК (калий-ПАК), аммонийную соль ПАК (аммоний-ПАК), натриевую соль ПМАК (натрий-ПМАК), калиевую соль ПМАК (калий-ПМАК), аммонийную соль ПМАК (аммоний-ПМАК). В качестве катионного ПЭ можно использовать любой водорастворимый катионный ПЭ, содержащий противоионы хлора или брома, например, ПДМДААХ, полигексаметиленгуанидиний хлорид (ПГМГХ), алкилированный поли-М-винилпиридин и т.д. При этом молекулярная масса полимеров может варьироваться в широких пределах, например, от одного килодальтона до нескольких тысяч килодальтон. Нерастворимые в воде полимеры не могут быть использованы в данном техническом решении.

Предлагаемый состав может быть получен путем смешения водосодержащих растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ. При этом ПЭ смешивают при общей исходной их концентрации от 1 до 5 мас.% в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев одного ПЭ составляет от 51 до 60% от содержания заряженных звеньев другого ПЭ.

При получении заявляемого состава последовательность добавления отдельных компонентов принципиального значения не имеет. Можно к водосодержащему раствору анионного ПЭ добавлять водосодержащий раствор катионного ПЭ или наоборот. При этом может быть использована обычная водопроводная, колодезная или артезианская вода, так и специальным образом подготовленная, например, дистиллированная вода. Смешение сухих анионного ПЭ и катионного ПЭ или смешение суспензии этих компонентов в органических средах не приводит к образованию продукта.

В данном изобретении можно использовать продукт взаимодействия водосодержащих растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ при экспериментально найденном оптимальном содержании заряженных звеньев одного ПЭ по отношению к содержанию заряженных звеньев другого ПЭ от 51 до 60%. При этом знак заряда полученного ПЭ принципиального значения не имеет, то есть в ПЭ могут преобладать как анионные звенья, так и катионные звенья. Массовую пропорцию между исходными анионным и катионным ПЭ можно определить расчетным путем, исходя из общей исходной их концентрации, требуемого соотношения противоположно заряженных звеньев ПЭ и молекулярной массы заряженных звеньев. Приводим пример расчета массовой пропорции для катионного полиэлектролита ПДМДААХ с молекулярной массой заряженного звена 162 дальтона и анионного полиэлектролита натрий-ПАК с молекулярной массой заряженного звена 94 дальтона. Для получения из них требуемого продукта с содержанием положительно заряженных звеньев ПДМДААХ 56% от содержания отрицательно заряженных звеньев натрий-ПАК необходимо брать ПДМДААХ и натрий-ПАК в соотношении (0,56×162)/94 соответственно, то есть 90,7/94. Таким образом, массовое содержание ПДМДААХ составит 90,7/(90,7+94)=90,7/184,7=0,491, или 49,1% от общей исходной массы ПЭ, а содержание натрий-ПАК будет составлять 50,9% от общей исходной массы ПЭ. Отсюда следует, что для получения, например, 10.000 г состава с 4.9%-ной исходной концентрацией ПЭ необходимо взять ПДМДААХ в количестве 490×0,491=240,6 г и натрий-ПАК в количестве 249,4 г. В ходе образования продукта взаимодействия водосодержащих растворов катионного ПЭ и анионного ПЭ в системе в результате взаимодействия высвобождающихся противоионов хлора и натрия будет образовываться соль NaCl. Количество этой соли будет равно массе полиэлектролита - ПДМДААХ, звенья которого взяты в недостатке (240,6 г), умноженной на молекулярную массу NaCl (58,5 дальтона) и деленной на молекулярную массу заряженного звена этого ПЭ, то есть на 162 дальтона. Таким образом, в ходе получения состава образуется (240,6×58,5)/162=86,9 г NaCl или 0,87 мас.%. Масса продукта взаимодействия водосодержащих растворов катионного ПЭ и анионного ПЭ будет равна общей исходной массе ПЭ за вычетом количества образовавшейся соли, то есть 490-86,9=403,1 г или 4,03 мас.%. Таким образом, будет получено 10.000 г состава с содержанием продукта взаимодействия водосодержащих растворов катионного ПЭ и анионного ПЭ 4,03 мас.%, содержанием водорастворимой соли NaCl 0,87 мас.% и содержанием воды 95,1 мас.%. Для получения составов другой рецептуры необходимо произвести соответствующий расчет.

В формуле изобретения отличительный признак - соотношение заряженных звеньев взятых ПЭ введен в отличительную часть формулы. Правомерность такого введения обусловлена тем, что в известном техническом решении, выбранном в качестве прототипа, содержание заряженных звеньев одного ПЭ составляет от 7,2 до 100% от содержания звеньев другого ПЭ (перерасчет проведен аналогично описанию, данному в предыдущем абзаце), а в нашем - от 51 до 60%. Таким образом, экспериментально установленный нами оптимальный интервал является другим.

При содержании заряженных звеньев одного ПЭ менее 51% от содержания заряженных звеньев другого ПЭ резко ухудшаются структурообразующие свойства состава для закрепления почв и грунтов и возрастает норма расхода состава. При содержании заряженных звеньев одного ПЭ в продукте более 60% состав становится негомогенным.

В предлагаемом техническом решении экспериментально было найдено оптимальное содержание продукта взаимодействия водосодержащих растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ с составе от 0,90 до 4,62 мас.%. При меньшем, чем заявлено, содержании продукта мала эффективность закрепления. При большем содержании продукта возрастает вязкость состава и увеличивается норма его расход для пропитки слоя почвы и достижения нужной эффективности закрепления.

Наличие в составе именно продукта взаимодействия водосодержащих растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ, а не просто механической смеси растворенных вышеназванных полимеров подтверждается результатами следующих экспериментов. В соответствии с формулой изобретения готовят водный раствор продукта взаимодействием водных растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ. Помещают полученный образец в ячейку ультрацентрифуги и подбирают скорость вращения ротора ультрацентрифуги таким образом, чтобы обеспечить количественное (полное) осаждение продукта. Убеждаются в том, что надосадочная жидкость (супернатант) не содержит ни свободного анионного ПЭ, ни свободного катионного ПЭ. После этого проводят четыре контрольных эксперимента: в первом центрифугируют раствор анионного ПЭ в водном растворе соли, во втором - водный раствор анионного ПЭ в воде, в третьем центрифугируют раствор катионного ПЭ в водном растворе соли, во втором - водный раствор катионного ПЭ в воде. Концентрации ПЭ в контрольных экспериментах берут равными концентрации этих компонентов при формировании продукта. Центрифугирование растворов по отдельности взятых ПЭ проводят при той же скорости вращения ротора, при которой наблюдалось полное осаждение продукта. При этом убеждаются, что в указанных условиях ни отдельно взятый анионный ПЭ, ни отдельно взятый катионный ПЭ не осаждаются из раствора. Совокупность полученных результатов однозначно свидетельствует о том, что смешение водосодержащих растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ при заявленном в формуле изобретения соотношении противоположно заряженных звеньев ПЭ сопровождается образованием нового продукта, в который количественно входят оба ПЭ.

Данный продукт является интерполиэлектролитным комплексом, однако точно описать его строение и состав не представляется возможным.

Особо следует отметить, что в данном изобретении мы заявляем истинный состав для закрепления почв и грунтов, а не перечень отдельных компонентов, необходимых для получения такого состава.

Предлагаемый состав наносят методом дождевания на поверхность почвы или грунта при норме расхода 0,30-0,45 л/м². При высыхании на поверхности почвы или грунта образуется почвеннополимерная корка, толщина которой определяется содержанием компонентов в составе, его расходом и соответственно глубиной проникания. Образцы почвы и грунта, обработанные предлагаемым составом и находящиеся в эрозионных лотках, были высушены и испытаны в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 8,0-16,7 м/с. Эффективность закрепления почвы определяли по количеству почвы, вынесенной с поверхности образца.

Преимущества предложенного состава иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1.

Смешивают 4.000 г водного раствора анионного ПЭ натрий-КМЦ, содержащего 52 г полимера, с 6.000 г водного раствора катионного ПЭ поли-N-этил-4-винилпиридиний хлорида (ПВПХ), содержащего 48 г полимера. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 1 мас.%, и ПЭ взяты в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев Na-КМЦ составляет 60% от содержания заряженных звеньев ПВПХ. Получают 10.000 г состава, в котором содержание заряженного ПЭ, являющегося продуктом взаимодействия водосодержащих растворов катионного ПЭ и анионного ПЭ, составляет 0,90 мас.%. Содержание водорастворимой соли NaCl равно 0,10 мас.% и содержание воды равно 99 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов супесчаной почвы, находящихся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,45 л/м² и испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 8,0 м/с. Эффективность закрепления почвы составляет 96±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 2.

Смешивают 5.000 г водного раствора катионного полиэлектролита ПДМДААХ, содержащего 240,6 г полимера, с 5.000 г водного раствора анионного полиэлектролита натрий-ПАК, содержащего 249,4 г полимера. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 4,9 мас.% и ПЭ взяты в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев катионного ПЭ составляет 56% от содержания заряженных звеньев анионного ПЭ. Получают 10.000 г состава, в котором содержание заряженного ПЭ, являющегося продуктом взаимодействия водосодержащих растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ, составляет 4,03 мас.%, содержание водорастворимой соли (NaCl) равно 0,87 мас.% и содержание воды равно 95,1 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов грунта, взятого с пляжа нефелинового хвостохранилища и находящегося в эрозионных лотках, при норме расхода 0,35 л/м². После высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 16,7 м/с. Эффективность закрепления грунта составляет 96±1%. Образующееся на поверхности грунта покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 3.

Смешивают 3.000 г водного раствора анионного полиэлектролита аммоний-ПАК, содержащего 80,5 г полимера, с 7.000 г водного раствора катионного полиэлектролита ПДМДААХ, содержащего 269,5 г полимера. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 3,5 мас.% и ПЭ взяты в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев анионного ПЭ составляет 54% от содержания заряженных звеньев катионного ПЭ. Получают 10.000 г состава, в котором содержание заряженного ПЭ, являющегося продуктом взаимодействия водосодержащих растворов катионного ПЭ и анионного ПЭ, составляет 3,02 мас.%, содержание водорастворимой соли (NH₄Cl) равно 0,48 мас.% и содержание воды равно 96,5 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов суглинистой почвы, находящихся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,4 л/м². После высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 16,7 м/с. Эффективность закрепления почвы составляет 96±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 4.

Смешивают 5.000 г водного раствора катионного ПЭ поли-N-этил-4-винилпиридиний бромида (ПЭПБ), содержащего 234,9 г полимера, с 5.000 г водного раствора анионного полиэлектролита калий-ПАК, содержащего 65,1 г полимера. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 3,0 мас.% и ПЭ взяты в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев анионного ПЭ составляет 54% от содержания заряженных звеньев катионного ПЭ. Получают 10.000 г состава, в котором содержание заряженного ПЭ, являющегося продуктом взаимодействия водосодержащих растворов катионного ПЭ и анионного ПЭ, составляет 2,3 мас.%, содержание водорастворимой соли (KBr) равно 0,42 мас.%, и содержание воды равно 97 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов суглинистой почвы, находящихся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,7 л/м². После высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 10 м/с. Эффективность закрепления почвы составляет 96±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 5.

Смешивают 3.000 г водного раствора катионного полиэлектролита ПДМДААХ, содержащего 21 г полимера, с 7.000 г водного раствора анионного полиэлектролита натрий-КМЦ, содержащего 79 г полимера. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 1 мас.% и ПЭ взяты в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев катионного ПЭ составляет 51% от содержания заряженных звеньев анионного ПЭ. Получают 10.000 г состава, в котором содержание заряженного ПЭ, являющегося продуктом взаимодействия водосодержащих растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ, составляет 0,92 мас.%, содержание водорастворимой соли (NaCl) равно 0,08 мас.% и содержание воды равно 99 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов лесной почвы, находящихся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,43 л/м². После высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 8,0 м/с. Эффективность закрепления почвы составляет 96±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 6.

Смешивают 4.500 г водного раствора катионного полиэлектролита ПГМГХ, содержащего 319,5 г полимера, с 5.500 г водного раствора анионного полиэлектролита калий-ПМАК, содержащего 130,5 г полимера. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 4,5 мас.% и ПЭ взяты в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев анионного ПЭ составляет 58% от содержания заряженных звеньев катионного ПЭ. Получают 10.000 г состава, в котором содержание заряженного ПЭ, являющегося продуктом взаимодействия водосодержащих растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ, составляет 3,72 мас.%, содержание водорастворимой соли (KCl) равно 0,78 мас.% и содержание воды равно 96,5 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов чернозема, находящихся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,4 л/м². После высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 12,0 м/с. Эффективность закрепления чернозема составляет 96±1%. Образующееся на поверхности чернозема покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 7.

Смешивают 4.000 г водного раствора катионного полиэлектролита ПВПБ, содержащего 78,9 г полимера, с 6.000 г водного раствора анионного полиэлектролита натрий-ПМАК, содержащего 71,1 г полимера. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 1,5 мас.% и ПЭ взяты в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев катионного ПЭ составляет 56% от содержания заряженных звеньев анионного ПЭ. Получают 10.000 г состава, в котором содержание заряженного ПЭ, являющегося продуктом взаимодействия водосодержащих растворов катионного Пэи анионного ПЭ, составляет 1,12 мас.%, содержание водорастворимой соли NaBr равно 0,38 мас.% и содержание воды равно 88,5 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов суглинистой почвы, находящихся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,45 л/м². После высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 8,0 м/с. Эффективность закрепления почвы составляет 96±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 8.

Смешивают 4.000 г водного раствора катионного полиэлектролита ПВПХ, содержащего 236,6 г полимера, с 6.000 г водного раствора анионного полиэлектролита аммоний-ПМАК, содержащего 243,4 г полимера. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 4,8 мас.% и ПЭ взяты в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев катионного ПЭ составляет 59% от содержания заряженных звеньев анионного ПЭ. Получают 10.000 г состава, в котором содержание заряженного ПЭ, являющегося продуктом взаимодействия водосодержащих растворов катионного ПЭ и анионного ПЭ, составляет 4,05 мас.%, содержание водорастворимой соли NH₄Cl равно 0,75 мас.%, и содержание воды равно 95,2 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов дерново-подзолистой почвы, находящейся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,35 л/м². После высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 10 м/с. Эффективность закрепления почвы составляет 95±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 9.

Опыт проводят аналогично примеру 5, однако состав получат смешением водных растворов, содержащих 105 г ПДМДААХ и 395 г натрий-КМЦ. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 5 мас.% и ПЭ взяты в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев катионного ПЭ составляет 51% от содержания заряженных звеньев анионного ПЭ. Получают 10.000 г состава, в котором содержание заряженного ПЭ, являющегося продуктом взаимодействия водосодержащих растворов катионного ПЭ и анионного ПЭ, составляет 4,62 мас.%, содержание водорастворимой соли NaCl равно 0,38 мас.%, и содержание воды равно 95 мас.%. Эффективность закрепления почвы при норме расхода состава 0,3 л/м² составляет 97±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенный состав действительно дает возможность эффективно закреплять почвы и грунт от ветровой эрозии и позволяет существенно снизить содержание соли с 1,5-3,7 мас.% (прототип) до 0,08-0,87 мас.%, а также уменьшить норму расхода состава с 1-2 л/м² (прототип) до 0,3-0,45 л/м².

Изобретение относится к составам для химического закрепления почв и грунтов и может быть использовано в сельском хозяйстве для борьбы с водной и ветровой эрозией, а также при строительстве дорог и других земляных сооружений. Предложенный водный состав для закрепления почв и грунтов содержит 0,90-4,62 мас.% заряженного полиэлектролитного комплекса и 0,08-0,87 мас.% соли щелочного металла или аммония. Заряженный полиэлектролитный комплекс в указанном составе является продуктом взаимодействия водосодержащих растворов катионного полиэлектролита, содержащего противоионы хлора или брома, и анионного полиэлектролита из группы, включающей натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, соль щелочного металла или аммония полиакриловой кислоты или полиметакриловой кислоты, взятых в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев одного полиэлектролита составляет от 51 до 60% от содержания заряженных звеньев другого полиэлектролита. По сравнению с ближайшим аналогом предложенный состав обеспечивает эффективное закрепление почвы и грунтов от ветровой эрозии при снижении содержания соли в составе с 1,5-3,7 мас.% до 0,08-0,87 мас.% и нормы расхода состава с 1-2 л/м² до 0,3-0,45 л/м². 9 пр.

Состав для закрепления почв и грунтов в виде водного раствора катионного и анионного полиэлектролитов, содержащий водорастворимую соль - соль щелочного металла или аммония, воду и заряженный полиэлектролитный комплекс, являющийся продуктом взаимодействия водосодержащих растворов катионного полиэлектролита, содержащего противоионы хлора или брома, и анионного полиэлектролита, выбранного из группы, включающей натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, соль щелочного металла или аммония полиакриловой кислоты или полиметакриловой кислоты, взятых в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев одного полиэлектролита составляет от 51 до 60% от содержания заряженных звеньев другого полиэлектролита при следующем соотношении компонентов, мас.%:
заряженный полиэлектролитный комплекс 0,90-4,62 водорастворимая соль 0,08-0,87 вода остальное