СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОСТАВА ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПОЧВ И ГРУНТОВ

Изобретение относится к области способов 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.

Известен способ получения состава для закрепления почв и грунтов путем растворения в воде отдельно полиэтиленимина (ПЭИ) и полиакриловой кислоты (ПАК), добавления в полученный раствор ПАК расчетного количества аммиака с последующим смешением полученного раствора с ранее полученным раствором ПЭИ (а.с. СССР №642411, кл. Е01С 7/36, 1979).

Известен способ получения состава для закрепления почв и грунтов путем смешения водных растворов гидролизованного полиакрилонитрила (ГИПАН) и полидиметилдиаллиламмонийхлорида (ПДМДААХ) (а.с. СССР №1507771, кл. С08L 33/00, 1989).

Наиболее близким к заявляемому является известный ранее предложенный нами способ получения состава для закрепления почв и грунтов путем смешения водосодержащих растворов анионного полиэлектролита (ПЭ) - натриевой соли ПАК (натрий-ПАК), или ГИПАН, или натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (натрий-КМЦ) и катионного полиэлектролита - ПДМДААХ и водорастворимой соли - смеси солей щелочного металла или аммония с солями кальция или магния, при этом компоненты состава смешивают при следующей исходной их концентрации, вес.%: анионный ПЭ - 0,5-3,0; катионный ПЭ - 0,3-3,0; соль щелочного металла или аммония - 1,2-2,7; соль кальция или магния - 0,3-1,0; вода - остальное (патент России №2142492, кл. С09К 17/00, 1998, - прототип).

Недостатком известного способа является то, что полученный с его помощью состав содержит достаточно много соли (1,5-3,7 вес.%) и обладает относительно высокой нормой расхода при обработке им почвы (1-2 л/м²), что неизбежно приводит к засолению почвы.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения состава для закрепления почв и грунтов с пониженным содержанием соли в составе и уменьшенной нормой расхода состава при обработке им почвы.

Предварительно были проведены эксперименты с различными ПЭ и солями, в результате которых было выявлено, что указанный технический результат достигается только тогда, когда в известном способе получения состава для закрепления почв и грунтов путем смешения водосодержащих растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ и водорастворимой соли ПЭ смешивают при общей исходной их концентрации от 1 до 10 мас.% в соотношении, при котором содержание заряженных звеньев одного ПЭ составляет от 5 до 50% от содержания заряженных звеньев другого ПЭ, и концентрации по крайней мере одной соли, выбранной из группы, включающей соль щелочного металла, соль аммония, соль кальция, соль магния, от 0,01 до 0,1 мас.%.

В предложенном способе последовательность добавления отдельных компонентов принципиального значения не имеет. Можно к водосодержащему раствору анионного ПЭ добавлять водосодержащий раствор катионного ПЭ или наоборот. Водорастворимую соль можно вводить в твердом состоянии или в виде ее водного раствора. При этом соль можно смешивать с водным раствором одного из ПЭ, или смешивать соль с водным раствором каждого ПЭ, или добавлять ее в смесь водных растворов анионного ПЭ и катионного ПЭ.

В качестве водосодержащих растворов можно использовать воду или водные растворы солей. При этом может быть использована как 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 качестве соли можно использовать по крайней мере одну водорастворимую соль, выбранную из группы, включающей соль щелочного металла, соль аммония, соль кальция, соль магния, причем соль необходимо брать в экспериментально найденном количестве, составляющем 0,01-0,1 мас.%. При меньшем, чем указано в формуле, содержании соли состав становится негомогенным, что приводит к формированию неоднородного по свойствам покрытия на обработанной поверхности почвы (грунта). Большее, чем указано в формуле, содержание соли приводит к нежелательному засолению почв, ухудшению их плодородия и постепенному выводу из сельскохозяйственного оборота.

В предлагаемом изобретении в качестве анионного ПЭ можно использовать любой водорастворимый ПЭ, например ПАК, ГИПАН, натрий-КМЦ и т.д. В качестве катионного ПЭ можно использовать любой водорастворимый катионный ПЭ, например алкилированный поли-N-винилпиридин, ПДМДААХ, полигексаметиленгуанидиний хлорид (ПГМГХ) 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 техническим решении.

В предлагаемом техническом решении экспериментально была найдена оптимальная общая исходная концентрация ПЭ, составляющая от 1 до 10 мас.%. При содержании полимерных компонентов меньше указанного нижнего предела мала эффективность закрепления, то есть состав не образует корку на поверхности почвы. При большем содержании компонентов возрастает вязкость состава и увеличивается его норма расхода для пропитки слоя почвы и достижения нужной эффективности закрепления.

Также экспериментально было установлено оптимальное содержание заряженных звеньев одного ПЭ, составляющее от 5 до 50% от содержания заряженных звеньев другого ПЭ. При этом знак заряда взятого в избытке ПЭ принципиального значения не имеет, то есть у взятых ПЭ могут преобладать как анионные звенья, так и катионные звенья. При содержании заряженных звеньев одного ПЭ менее 5% от содержания заряженных звеньев другого ПЭ ухудшаются структурообразующие свойства состава для закрепления почв и грунтов и возрастает норма расхода состава. При содержании заряженных звеньев одного ПЭ более 50% для сохранения гомогенности состава требуется вводить в него больше водорастворимой соли, что неизбежно приводит к нежелательному засолению почв и грунтов.

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 25% от содержания отрицательно заряженных звеньев натрий-ПАК необходимо брать ПДМДААХ и натрий-ПАК в соотношении (0,25×162)/94 соответственно, то есть 40,5/94. Таким образом, массовое содержание ПДМДААХ составит 40,5/(40,5+94)=40,5/134,5=0,301, или 30,1% от общей исходной массы ПЭ, а содержание натрий-ПАК будет составлять 69,9% от общей исходной массы ПЭ. Отсюда следует, что для получения, например, 10.000 г состава с 5%-ной исходной концентрацией ПЭ, необходимо взять ПДМДААХ в количестве 500×0,301=150,5 г и натрий-ПАК в количестве 349,5 г. Для получения составов другой рецептуры необходимо провести 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 согласно описанию, данному в предыдущем абзаце), а в нашем - от 5 до 50%. Таким образом, экспериментально установленный нами оптимальный интервал выходит за рамки описанного в прототипе.

Полученный с помощью предложенного способа состав наносят методом дождевания на поверхность почвы или грунта при норме расхода 0,5-0,8 л/м². При высыхании на поверхности почвы или грунта образуется почвенно-полимерная 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 способа иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1.

Смешивают 5,0 г NaCl с 3.995 г водного раствора катионного полиэлектролита натрий-КМЦ, содержащего 47,8 г полимера, затем полученный раствор смешивают с 6.000 г водного раствора анионного ПЭ поли-N-этил-4-винилпиридинийхлорида (ПВПХ), содержащего 52,2 г полимера. Получают 10.000 г состава. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 1,0 мас.%, содержание заряженных звеньев натрий-КМЦ составляет 50% от содержания заряженных звеньев ПВПХ и концентрация NaCl равна 0,05 мас.%. Получают состав, который методом дождевания наносят на поверхность образцов супесчаной почвы, находящихся в эрозионных лотках, и после высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 8,0 м/с, при норме расхода 0,8 л/м². Эффективность закрепления почвы составляет 96±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 2.

Смешивают 1.000 г водного раствора СаСl, содержащего 1 г соли, с 4.000 г водного раствора катионного полиэлектролита ПДМДААХ, содержащего 181,5 г полимера. Затем полученный раствор смешивают с 5.000 г водного раствора анионного полиэлектролита ПАК, содержащего 318,5 г полимера. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 5,0 мас.%, содержание заряженных звеньев ПДМДААХ составляет 25% от содержания заряженных звеньев ПАК и концентрация СаСl₂ составляет 0,01 мас.%. Получают 10.000 г состава, который методом дождевания наносят на поверхность образцов грунта, взятого с пляжа нефелинового хвостохранилища, находящегося в эрозионных лотках, при норме расхода 0,5 л/м². После высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 16,7 м/с. Эффективность закрепления грунта составляет 95±1%. Образующееся на поверхности грунта покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 3.

Смешивают 5,0 г MgSO₄ с 4.995 г водного раствора катионного полиэлектролита ПГМГХ, содержащего 241,2 г полимера. Затем смешивают 5,0 г MgSO₄ с 4.955 г водного раствора анионного ПЭ калиевой соли полиметакриловой кислоты (калий-ПМАК), содержащего 58,8 г полимера. После этого полученные растворы смешивают друг с другом. При этом общая исходная концентрация ПЭ составляет 3,0 мас.%, содержание заряженных звеньев калий-ПМАК составляет 35% от содержания заряженных звеньев ПГМГХ и концентрация MgSO₄ равна 0,1 мас.%. Получают 10.000 г состава, который методом дождевания наносят на поверхность образцов чернозема, находящихся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,6 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 4.

Смешивают 500 г водного раствора KСl, содержащего 1,0 г KСl, с 5.500 г водного раствора катионного ПЭ поли-N-этил-4-винилпиридинийбромида (ПВПБ), содержащего 544,2 г полимера. Затем смешивают 500 г водного раствора K₂SO₄, содержащего 1,0 г K₂SO₄, с 3.500 г водного раствора, содержащего 55,8 г анионного ПЭ калиевой соли ПАК (калий-ПАК). После этого полученные растворы смешивают друг с другом. Получают 10.000 г состава с исходной концентрацией ПЭ 6,0 мас.%, содержанием заряженных звеньев калий-ПАК 20% от содержания заряженных звеньев ПВПБ и концентрацией соли, равной 0,02 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов суглинистой почвы, находящейся 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 95±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 5.

Смешивают 850 г водного раствора катионного полиэлектролита ПДМДААХ, содержащего 25,0 г полимера, с 9.149 г водного раствора анионного полиэлектролита натрий-КМЦ, содержащего 975,0 г полимера, затем полученную смесь смешивают с 0,1 г CaCl₂ и 0,9 г NН₄Сl. Получают 10.000 г состава с общей исходной концентрацией ПЭ 10 мас.%, содержанием заряженных звеньев ПДМДААХ 5% от содержания заряженных звеньев натрий-КМЦ и концентрацией соли 0,01 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов лесной почвы, находящихся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,6 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 900 г водного раствора анионного ПЭ аммонийной соли полиакриловой кислоты (аммоний-ПАК), содержащего 60,5 г полимера, и 9.000 г водного раствора катионного полиэлектролита ПДМДААХ, содержащего 439,5 г полимера, затем в полученную смесь добавляют 100 г водного раствора NH₄Cl, содержащего 5,0 г соли. Получают 10.000 г состава с общей исходной концентрацией ПЭ 5,0 мас.%, содержанием заряженных звеньев аммоний-ПАК 25% от содержания заряженных звеньев ПДМДААХ и концентрацией соли 0,05 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов суглинистой почвы, находящихся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,6 л/м². После высыхания образцов их испытывают в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 16,7 м/с. Эффективность закрепления почвы составляет 95±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Пример 7.

Опыт проводят аналогично примеру 4, однако водный раствор катионного полиэлектролита ПВПБ смешивают с водным раствором, содержащим 0,3 г KСl и 0,7 г MgCl₂. Эффективность закрепления почвы полученным составом составляет 95±1%. Образующееся на поверхности почвы покрытие обладает хорошей водостойкостью.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенный способ действительно позволяет снизить содержание соли в составе с 1,5 мас.% (прототип) до 0,01-0,1 мас.% и уменьшить норму расхода состава с 1-2 л/м² (прототип) до 0,5-0,8 л/м².