Способ защиты грунта от эрозии и создания зеленого покрытия Российский патент 2023 года по МПК B09C1/00 A01B13/16 

Изобретение относится к строительству и охране окружающей среды, в частности, к технологии инженерно-биологической защиты земляных покровов от дефляции, переувлажнения, оплывания и других процессов ветровой и водной эрозии, а также к способам рекультивации нарушенных ландшафтов - озеленению выветриваемых почв.

Известен способ защиты грунтов от эрозии (патент РФ №2267514 С1, опубл. 10.01.2006). Готовят водный раствор поливинилового спирта (ПВС) и наносят его на поверхность грунта, в который предварительно вносят порошок бентонитовой глины, семена растений, удобрения и гуматы.

Недостатком этого способа является ухудшение аэрации и увеличение гидрофобности почвы, что вызывает трудности при прорастании семян.

Известен способ защиты грунтов от эрозии (пат. РФ №2754141 С1, опубл. 30.08.2021). На поверхность укрепляемого грунта наносят водный раствор поливинилового спирта (ПВС), концентрация которого 2-10% мас. в количестве 8,0-14,0 л/м², осуществляют пропитывание, перемешивание и уплотнение грунта тяжелой техникой. После цикла замораживания – размораживания раствора ПВС образуется криогель.

Недостатком способа является то, что грунт, пропитанный большим количеством криогеля, вследствие дегидратации воды и образования жесткой полимерной корки будет деформироваться, коробиться, что приведет к ослаблению функций защиты от эрозии. Кроме того, высокий расход полимерного раствора экономически не выгоден и экологически вреден, так как синтетический полимер разлагается в течение многих лет.

Известны полимерные композиты из картофельного крахмала, ПВС и торфа для изготовления емкостей для выращивания растений (Гражулевичене В., Аугулис Л., Гражулевичюс Ю.В., Капитановас П., Ведегите Ю. Биодеградирующие композиты из крахмала, поливинилового спирта и торфа для сельскохозяйственных нужд // Журнал прикладной химии. 2007. Т. 80, № 11. С. 1904–1907).

Недостатком описанного способа является то, что композиты после биодеградации и дегидратации становятся хрупкими и механические свойства емкости ослабевают.

Наиболее близкий к предлагаемому способу защиты грунта от эрозии и создания зеленого покрытия является способ, описанный в патенте (РФ №2496588, В09С 1/00, опубл. 27.10.2013), включающий обработку грунта водным раствором поливинилового спирта, в который вводят минеральные или органические удобрения, добавляют семена многолетних трав, или хвойных растений, смешивают с грунтом, замораживают при отрицательных температурах, затем размораживают при положительных температурах. Водный раствор поливинилового спирта имеет высокую адгезию к песчаным и глинистым грунтам, а также к почвам разного состава, прочно связывая дисперсные частицы. После цикла замораживания – размораживания ПВС формируется криогель, прочность которого с каждым последующим циклом увеличивается.

Недостатком известного способа является то, что образование плотного слоя криогеля ПВС будет препятствовать прорастанию растений, негативно влиять на микрофлору и аэрацию почвы, кроме того, заявленный способ трудоемкий, предусматривает смешивание грунта с раствором ПВС. После испарения воды криогель становится жестким и будет препятствовать всхожести растений, а также поступлению воды в почву.

Задача настоящего изобретения, заключается в создании экологичного эластичного пористого композита для армирования поверхностного слоя почвы с увеличенной всхожестью растений, содержащего в своем составе биоразлагаемый компонент для защиты грунта от эрозии и создания зеленого покрова из многолетних трав.

Технический результат заключается в структурировании и стабилизации грунта, укрепления дерна за счет наличия пор в криогеле и высокой всхожестью растений, а также питания и развития более прочной и разветвленной корневой системы.

Способ защиты грунтов от эрозии и создания зеленого покрытия заключается в обработке грунта, в который предварительно вносят семена растений, водным полимерным раствором, содержащим поливиниловый спирт и крахмал (картофельный или кукурузный), замораживают при отрицательных температурах, затем размораживают при положительных температурах при следующих соотношениях компонентов,% мас.:

Поливиниловый спирт 0.088-0.245 Крахмал картофельный или кукурузный 0.105-0.262 Грунт 74.28-72.56 Семена растений 0.18-0.23 Вода Остальное

Сущность способа заключается в формировании криструктурированного, прочного и пористого слоя путем нанесения на поверхность грунта семян многолетних трав и обработке водным раствором, содержащим ПВС и крахмал, последующим замораживанием при отрицательной температуре и оттаивании при положительной температуре. Введение крахмала в криогель и его биоразложение при действии почвенной микрофлоры позволяет получить пористый, нерастворимый материал на основе полимерного каркаса из ПВС, в структуре которого образовались крупные поры, которые благоприятствуют прорастанию растений через криогелевый слой.

В предлагаемом способе, стабилизация грунта возникает сначала за счет формирования прочного поверхностного криогелевого слоя, а после высокой всхожести семян и активного развития корневой системы, формируется комплексное закрепление почвы.

Нанесение на поверхность почвы композиций из водорастворимых полимеров способствует формированию связанного слоя в результате образования межмолекулярных связей между макромолекулами полимеров, что позволяет предотвратить вынос семян из почвообразующего слоя при ветровой эрозии и осадках.

Способ приготовления: в водный раствор поливинилового спирта, при тщательном перемешивании, небольшими порциями вносят водный раствор крахмала в разных соотношениях. Далее в ячейки наполненные грунтом сеют семена многолетних трав, присыпают небольшим количеством почвы и наносят методом дождевания, пропитывая на определенную глубину, композицию, содержащую поливиниловый спирт и крахмал (картофельный или кукурузный) в разных соотношениях. Затем замораживают при температуре ниже нуля и размораживают при температуре выше нуля, после чего получают криоструктурированный слой.

В естественных условиях применяют способ в весенний – осенний период, когда ночью минусовая, а днем плюсовая температура, грунт, пропитанный полимерным раствором, за сутки проходит цикл замораживания-размораживания, в результате чего формируется криогелевый слой. Увеличение числа циклов замораживания - оттаивания приводит к упрочнению матрицы криогеля. Через несколько суток при положительных температурах окружающей среды крахмал, содержащийся в криогеле, начинает биоразлагаться под действием микрофлоры почвы, образуются поры, семена активно прорастают, образуя зеленый покров, закрепляя подвижные грунты.

Упругие свойства оценивают значением модуля упругости наполненного криогеля. Для этого образцам криогеля задают известную деформацию и определяют напряжение, возникающее в образце. Далее по закону Гука рассчитывают модуль упругости.

Биоразложение криогеля определяют путем оценки потери веса с течением времени после нахождения его в плодородной почве. Образцы с определенными размерами и массой закапывают в почву. Через 14 дней криогели извлекают из почвы, промывают дистиллированной водой и взвешивают. По разнице веса определяют степень биодеградации.

Численность микрофлоры определяют по взвеси почвы в стерильным физрастворе, после смывания с образца.

Всхожесть определяют по проросткам семян за определенное время.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Контрольный опыт. Берут контейнер с почвой (влажность 20%) площадью 0.02 м² (массой 1000 г), засевают 2 г семян белой горчицы сверху и поливают дистиллированной водой из расчета 3.75 л/м² (по 75 мл на контейнер). Состав содержит: почву 74.28%, семян 0.18%, воду 25.54%. Далее контейнер замораживают при температуре – 15°С в течение 24 часов, затем размораживают при температуре +15°С, затем определяют микрофлору. Полученные значения представлены в таблице 1 (строка 1).

Пример 2. Берут контейнер с почвой (влажность 20%) площадью 0.02 м² (массой 1000 г), засевают 2 г семян белой горчицы, сверху наносят 75 мл (из расчета 3.75 л/м²) композиции (1:1), содержащий ПВС 2.5% мас. (1.875 г), картофельный крахмал 2.5% мас. (1.875 г) и воду 95% мас. (71.25 г). Состав содержит: почву 74.28%, ПВС 0.175%, картофельный крахмал 0.175%, семян 0.180%, воду 25.19%. Далее контейнер замораживают при температуре – 15 °С в течение 24 часов, определяют упругость и биоразложение криогеля, также микрофлору почвы. Полученные значения представлены в таблице 1 (строка 2).

Пример 3. Берут контейнер с почвой (влажность 20%) площадью 0.02 м² (массой 1000 г), засевают 2 г семян белой горчицы, сверху наносят 75 мл (из расчета 3.75 л/м²) композиции (1:2), содержащий ПВС 1.5% мас. (1.125 г), картофельный крахмал 3.5% мас. (2.625 г) и воду 95% мас. (71.25 г). Состав содержит: почву 74.28%, ПВС 0.105%, картофельный крахмал 0.245%, семян 0.18%, воду 25.19%. Далее контейнер замораживают при температуре – 15 °С в течение 24 часов, определяют упругость, биоразложение и наличие пор в криогеле, а также микрофлору почвы. Полученные значения представлены в таблице 1 (строка 3).

Пример 4. Берут контейнер с почвой (влажность 20%) площадью 0.02 м² (массой 1000 г), засевают 2 г семян белой горчицы, сверху наносят 75 мл (из расчета 3.75 л/м²) композиции (1:3), содержащий ПВС 1.25% мас. (0.937 г), картофельный крахмал 3.75% мас. (2.812 г) и воду 95% мас. (71.25 г). Состав содержит: почву 74.28%, ПВС 0.088%, картофельный крахмал 0.262%, семян 0.18%, воду 25.19%. Далее контейнер замораживают при температуре – 15 °С в течение 24 часов, затем размораживают при температуре +15°С, затем определяют упругость, биоразложение и наличие пор в криогеле, а также микрофлору почвы. Полученные значения представлены в таблице 1 (строка 4).

Пример 5. Берут контейнер с почвой (влажность 20%) площадью 0.02 м² (массой 1000 г), засевают 2 г семян белой горчицы, сверху наносят 75 мл (из расчета 3.75 л/м²) композиции (2:1), содержащий ПВС 3.5% мас. (2.625 г), картофельный крахмал 1.5% мас. (1.125 г) и воду 95% мас. (71.25 г). Состав содержит: почву 74.28%, ПВС 0.245%, картофельный крахмал 0.105%, семян 0.18%, воду 25.19%. Далее контейнер замораживают при температуре – 15 °С в течение 24 часов, затем размораживают при температуре +15°С, затем определяют упругость, биоразложение и наличие пор в криогеле, а также микрофлору почвы. Полученные значения представлены в таблице 1 (строка 5).

Примеры 6-9 аналогичные примерам 2-5, только с кукурузным крахмалом, данные представлены в таблице 1 (строки 6 - 9).

Пример 10. Берут контейнер с почвой (влажность 20%) площадью 0.09 м² (массой 2000 г), засевают 5 г семян белой горчицы, сверху наносят 200 мл (из расчета 2.2 л/м²) композиции (1:1:1), содержащий ПВС 2.0% мас. (4.0 г), картофельный крахмал 2.0% мас. (4.0 г), кукурузный крахмал 2.0% мас. (4.0 г) и воду 94% мас. (188 г). Состав содержит: почву 72.56%, ПВС 0.18%, картофельный крахмал 0.18%, кукурузный крахмал 0.18% семян 0.23%, воду 26.67%. Далее контейнер замораживают при температуре – 15 °С в течение 24 часов, затем размораживают при температуре +15 °С, определяют упругость, биоразложение и наличие пор в криогеле, а также микрофлору почвы. Полученные значения представлены в таблице 1 (строка 10).

Таблица 1

Пример Состав Модуль упругости, кПа Степень биодеградации,
% Численность
почвенной
микрофлоры,% Всхожесть,% Прототип ПВС 0.625%
Почва 78.500%
Вода 11.875%
Семена 10 г/м² 125 - 105-107 95 1 Почва 74.280%
Семена 0.180%
Вода 25.540% - - - 100 2 Почва 74.280%
ПВС 0.175%
Крахмал
Картофельный
0.175%
Семена 0.180%
Вода 25.190% 280 70.7 175-255 94 3 Почва 74.280%
ПВС 0.105%
Крахмал
Картофельный
0.245%
Семена 0.180%
Вода 12.190% 255 87.5 205-355 98 4 Почва 74.280%
ПВС 0.088%
Крахмал
Картофельный
0.262%
Семена 0.180%
Вода 25.190% 198 92.5 218-457 98 5 Почва 74.280%
ПВС 0.245%
Крахмал
Картофельный
0.105%
Семена 0.180%
Вода 25.190% 354 42.9 157-225 82 6 Почва 74.280%
ПВС 0.175%
Крахмал
Кукурузный
0.175%
Семена 0.180%
Вода 25.190% 220 67,8 128-164 94 7 Почва 74.280%
ПВС 0.105%
Крахмал
кукурузный
0.245%
Семена 0.180%
Вода 25.190% 188 80,4 237-280 95 8 Почва 74.280%
ПВС 0.088%
Крахмал
Кукурузный
0.262%
Семена 0.180%
Вода 25.190% 165 87.1 300-377 96 9 Почва 74.280%
ПВС 0.245%
Крахмал
кукурузный
0.105%
Семена 0.180%
Вода 25.190% 230 40.9 120-165 84 10 Почва 72.56%
ПВС 0.180%
Крахмал
Картофельный
0.180%
Крахмал
Кукурузный
0.180%
Семена 0.230%
Вода 25.670% 297 79.3 252-306 92

Из таблицы следует, что составы под номерами 3, 4 и 7, 8 на основе криогелей, содержащие наибольшие концентрации крахмала (картофельного или кукурузного) (0.245 и 0.262%) и минимальные количества ПВС (0.105 и 0.088%) характеризуются упругостью, высокой степенью биодеградации, численностью почвенной микрофлоры, следовательно, и всхожестью растений.

Сочетая хорошие физико-механические свойства, которыми обладают криогели из синтетического полимера (ПВС), а также биоразлагаемостью природных полимеров (крахмалов), достигается синергия, и получаются полимерные материалы с улучшенными реологическими и биологическими свойствами, которые можно применять для армирования поверхностного слоя почв, с целью защиты грунта от эрозии и создания зеленого покрова из многолетних трав.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, строительства и охраны окружающей среды, эрозии, в частности к технологии инженерно-биологической защиты земляных покровов от дефляции, переувлажнения, оплывания и процессов ветровой и водной эрозии, а также к способам рекультивации нарушенных ландшафтов - озеленению выветриваемых почв. В способе грунт обрабатывают водным раствором полимеров. Водный раствор поливинилового спирта смешивают с водным раствором крахмала, наносят на поверхность грунта, содержащего семена растений, замораживают при отрицательных температурах, затем размораживают при положительных температурах при следующих соотношениях компонентов, мас.%: поливиниловый спирт - 0.088-0.245, крахмал картофельный или кукурузный - 0.105-0.262, грунт - 74.28-72.56, семена растений - 0.18-0.23, вода - остальное. Способ обеспечивает структурирование и стабилизацию грунта, укрепление дерна за счет наличия пор в криогеле, высокую всхожесть растений, а также питание и развитие более прочной и разветвленной корневой системы. 1 табл., 10 пр.

Способ защиты грунтов от эрозии и создания зеленого покрытия путем обработки грунта водным раствором полимеров, отличающийся тем, что водный раствор поливинилового спирта смешивают с водным раствором крахмала, наносят на поверхность грунта, содержащего семена растений, замораживают при отрицательных температурах, затем размораживают при положительных температурах при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Поливиниловый спирт 0.088-0.245 Крахмал картофельный или кукурузный 0.105-0.262 Грунт 74.28-72.56 Семена растений 0.18-0.23 Вода Остальное