Полимер-структурообразователь для предотвращения опасных проявлений водно-эрозионных процессов и восстановления почвенно-растительного покрова техногенно-нарушенных участков Российский патент 2024 года по МПК C09K17/18 C09K17/20 C09K105/00 E02D3/12 

Изобретение относится к области биодеградируемых полимерных материалов и к их применению при закреплении почвогрунтов, оголенных или нарушенных на территории предприятий, осуществляющих добычу и транспортировку газа в различных природно-климатических условиях. Полимер-структурообразователь предназначен для предотвращения водно-эрозионных процессов и улучшения агрофизических и структурных свойств почв при добыче и транспортировке газа в различных природно-климатических условиях.

Известна композиция из влагосорбентов для защиты почв от водной эрозии, состоящая из влагосорбентов: гидрогель - 1%, глауконитовый песок -27%, сапропель - 52%, ракушечник - 20%. Сапропель сушат до влажности 10-15%, ракушечник дробят до получения частиц размером 4-7 мм, затем сапропель с размером частиц 0,2-0,7 мм и ракушечник смешивают с глауконитовым песком (размер частиц 0,25-0,05). Все указанные влагосорбенты смешивают с гидрогелем (размер гранул 0,8-2 мм) в оптимальном составе. (Патент RU 2430952 С1, Композиция из влагосорбентов для защиты почв от водной эрозии, патентообладатель - ФГНУ учреждение "Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации" (RU), опубл. 10.10.2011).

Недостатком является то, что технология приготовления композиции трудоемка, требует специального приготовления каждого компонента и энергозатратна. Основной компонент - гидрогель, основанный на сополимере акриламида и акриловой кислоты, является дорогостоящим (полимер гидрогель «Штокосорб®» немецкого производства).

Также известен порошок полимерного гидрогеля на основе полиакриламида, модифицированного ионизирующим гамма излучением до поглощенной дозы 3,0-7,0 кГц с последующей стабилизацией водой и сушкой при температуре 60-70 °С, при этом дисперсные частицы полученного полимерного гидрогеля, имеющие показатели вязкоупругих свойств: модуль упругости 20,0-23,07 Па, динамическую вязкость 3000-3754 Па при скорости сдвига 2,0-2,6-10^-4 с^-1, при водопоглощении частиц до 1000 мл на 1 г полимера, вносят в почву в количестве 50-300 кг на 1 гектар. (Патент RU 2527215 С1, СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ, патентообладатель - Аджиев Джамболат Рамазанович (RU) и др., опубл. 27.08.2014).

Недостатком данного способа является сложность исполнения метода, существенные энергозатраты на сушку, необходимость наличия и использования специального оборудования.

Задачей заявленного технического решения является создание полимера-структурообразователя для предотвращения водно-эрозионных процессов, закрепления и восстановления почвенно-растительного покрова в различных природно-климатических условиях.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, является улучшение агрофизических и структурных свойств почв, предотвращение опасных проявлений водно-эрозионных процессов, сокращение сроков, финансовых, материальных и энергетических затрат при восстановлении техногенно-нарушенных участков.

Указанный технический результат достигается за счет создания биоразлагаемого полимер-структурообразователя на водной основе, содержащего растворенные в водной фазе поливинилпирролидон и анионный полиакриламид, при этом все компоненты находятся в смеси в соотношении: поливинилпирролидон с высокой или средней молекулярной массой из расчета внесения 1,8-3,6 г на 1 м² почвы, анионный полиакриламид в диапазоне 5,4-10,7 г на 1 м² почвы, водная фаза - 10000 г на 1 м² почвы.

Биоразлагаемый полимер-структурообразователь (далее в тексте – полимер-структурообразователь) должен отвечать следующим требованиям: легко приготовляемый; доступность исходных компонентов, в качестве растворителя должна использоваться водная фаза (вода или водные растворы); добавки должны обеспечивать эффект «склеивания» почвы для предотвращения эрозии; добавки не должны быть токсичными для растений, являться стимуляторами роста семян и развития корневой системы.

Основными компонентами биоразлагаемого полимер-структурообразователя на водной основе с улучшенными характеристиками являются поливинилпирролидон (1-этенилпирролидин-2-он) в количестве 1,8-3,6 г на 1 м² почвы и анионный полиакриламид в количестве 5,4-10,7 г на 1 м² почвы, при этом растворение указанных компонентов осуществляется в водной фазе, взятой в количестве 10000 г на 1 м² почвы.

Основой композиции является растворимая в водной фазе смесь поливинилпирролидона (ПВП) с высокой или средней молекулярной массой и анионного полиакриламида (ПАА). Поливинилпирролидон (Требования к характеристикам ПВП (таблица 2)) растворяется в указанном выше количестве водной фазе из расчета внесения 1,8-3,6 г на 1 м² почвы. Водный раствор поливинилпирролидона (1-этенилпирролидин-2-он) обладает высокими адгезионными свойствами, предназначен для увеличения связывающего действия полимера-структурообразователя на частицы почвы. Поливинилпирролидон также оказывает стимулирующее действие на рост растений, развитие их корневой системы и обеспечивает их элементами питания.

Анионный полиакриламид (ПАА) (ТУ 2216-133-26447891-2016) вносится в полученный водный раствор поливинилпирролидона в диапазоне 5,4-10,7 г на 1 м² почвы. Полиакриламид уменьшает поверхностное уплотнение и образование корки, предотвращает проявление последствий эрозии. Анионный полиакриламид представляет собой отрицательно заряженный полимер, поэтому он может притягивать к себе положительно заряженные частицы грунта, глины или песка. Анионный полиакриламид обладает адгезивными свойствами и закрепляет грунт на период до прорастания семян растений.

Оба компонента растворимы в водной фазе и при концентрации 0,1-0,2 % могут использоваться совместно, не ухудшая свойств каждого из них.

Композиция используется в качестве носителя для проращивания семян травяных растений с нормой высева в интервале 100-250 кг/га. Для стимуляции роста их корневой системы может быть использована обработка стимуляторами роста. Композиция оказывает склеивающее действие на природный субстрат, способствует развитию корневой системы трав, которое усиливает взаимодействие композиции с субстратом.

Состав готовят по растворной технологии, которая представляет собой получение конечного состава последовательным растворением в водной фазе компонентов композиции.

Поливинилпирролидон (1-этенилпирролидин-2-он) растворяется при рН~7 в водной фазе (вода или водные растворы), которая не должна содержать взвешенных веществ, в полученный раствор добавляют при постоянном перемешивании анионный полиакриламид и доводят его до полного растворения.

Для выявления оптимальных концентраций веществ, входящих в состав полимер-структурообразователя, проведена серия исследований (таблица 1). Диапазон концентраций выбран на основании того, что при концентрации поливинилпирролидона менее 1,8 г/м² почвы размыв образцов грунта начинается при малых значениях скоростей потока, а при концентрации более 3,6 г/м² почвы значительного увеличения значения неразмывающей скорости потока не отмечается. Водная фаза берется из расчета 10000 г на 1 м² почвы.

Исходя из того, что ПАА является компонентом, «ответственным» за закрепление почвогрунта до появления на его поверхности травостоя с развитой корневой системой (ускоренному развитию которой способствует ПВП и другие добавки), была проанализирована связь концентрации ПАА и размывающей скорости потока для грунта, обработанного композицией полимеров, но не закрепленного растительностью. Анализ влияния концентрации ПАА на неразмывающую скорость потока показывает, что после достижения концентрацией значения 5,36 г/м² происходит резкое (более чем двукратное по сравнению с необработанным почвогрунтом) увеличение неразмывающей скорости потока до значения более 50 см/с. Однако при такой концентрации ПАА его эффективность в противоэрозионном отношении может быть уменьшена другим компонентом полимерной композиции. При опытах с концентрацией ПАА 7,14 г/м² и более неблагоприятное влияние ПВП становилось существенно менее значимым, а неразмывающая скорость потока устойчиво увеличивалась до значений, превышающих 60 см/с. При этом скорость, при которой начинается размыв, почвы, составила 66,5 см/с.

Дальнейшее увеличение концентрации ПАА приводит к увеличению неразмывающей скорости по зависимости, близкой к линейной. Исходя из принципа разумной достаточности для условий конкретного природного или техногенного объекта (скорости стекания воды по его поверхности, зависящей от крутизны и длины склонов, а также технологии их обработки и концентрации второго компонента полимерной композиции) был определен рекомендуемый диапазон концентраций ПАА: 5-10 г/м².

Увеличение рекомендуемой концентрации внесения ПАА выше значений данного диапазона нецелесообразно, как исходя из экономических соображений, так и из-за того, что при внесении избыточного количества полимера на поверхности почвогрунта образуется корка, препятствующая росту растительности и развития ее корневой системы. В то же время в ряде особых случаев (крутые длинные склоны северной экспозиции в арктических областях), где быстрое прорастание семян может быть проблематичным, концентрация ПАА может быть увеличена выше значений рекомендуемого диапазона.

Заявленный биоразлагаемый полимер-структурообразователь могут приготавливать как растворением порошкообразных компонентов в водной фазе, так и смешением порошкообразных компонентов с последующим растворением их в водной фазе. В качестве водной фазы берется либо вода, либо водные растворы, в качестве которых выступает вода с полностью растворенными в ней удобрениями и/или стимуляторами роста, например – водный раствор нитроаммофоса. Внесение удобрений способствует питанию растений и повышению плодородия почв за счет восполнения дефицита веществ, необходимых для роста и развития растений. Так, например, внесение нитроаммофоса обеспечивает растения азотом, калием и фосфором в легкодоступной для них форме. В свою очередь стимуляторы роста растений способствуют развитию подземной и наземной частей растений, повышению урожайности. Эффективность применения полимер-структурообразователя на водной основе показана в таблице 3. Для сравнения при проведении исследований эффективности заявленного полимер-структурообразователя взяли поливиниловый спирт (водный раствор) и водный раствор полиакриламида. Из таблицы 3 видно, что применение водного раствора (при использовании в заявленной композиции как воды, так и водного растворителя, указанного выше) полимер-структурообразователя позволяет достичь высоких значений проективного покрытия, обеспечить равномерное распределение всходов по всей площади, повысить суммарную долю жизнеспособных и незначительно ослабленных растений, а также в 1,5-2 раза увеличить значение средней высоты всходов, что свидетельствует о создании максимально благоприятных условий для активного роста и развития растений.

Разработка и применение заявленного биоразлагаемого полимер-структурообразователя обеспечивает улучшение агрофизических и структурных свойств почв, способствует предотвращению опасных проявлений водно-эрозионных процессов, а также обеспечивает сокращение сроков и финансовых, материальных и энергетических затрат при восстановлении техногенно-нарушенных участков.

Изобретение относится к области биодеградируемых полимерных материалов, применяемых при закреплении почвогрунтов, оголенных или нарушенных на территории предприятий, осуществляющих добычу и транспортировку газа в различных природно-климатических условиях. Полимер-структурообразователь для предотвращения опасных проявлений водно-эрозионных процессов и восстановления почвенно-растительного покрова техногенно-нарушенных участков содержит растворенные в 10000 г на 1 м² почвы водной фазы поливинилпирролидон с высокой или средней молекулярной массой и анионный полиакриламид. При этом указанный поливинилпирролидон содержится в диапазоне 1,8-3,6 г на 1 м² почвы, а анионный полиакриламид содержится в диапазоне 5,4-10,7 г на 1 м² почвы. Технический результат – улучшение агрофизических и структурных свойств почв, предотвращение опасных проявлений водно-эрозионных процессов, сокращение сроков и энергетических затрат при восстановлении техногенно-нарушенных участков. 3 табл.

Биоразлагаемый полимер-структурообразователь на водной основе для предотвращения опасных проявлений водно-эрозионных процессов и восстановления почвенно-растительного покрова техногенно-нарушенных участков, содержащий растворенные в водной фазе поливинилпирролидон и анионный полиакриламид, причем все компоненты находятся в смеси в соотношении: поливинилпирролидон с высокой или средней молекулярной массой из расчета внесения 1,8-3,6 г на 1 м² почвы, анионный полиакриламид в диапазоне 5,4-10,7 г на 1 м² почвы, водная фаза – 10000 г на 1 м² почвы.