способ получения состава для закрепления почв и грунтов

Формула изобретения

Способ получения состава для закрепления почв и грунтов путем смешения водосодержащих растворов анионного полиэлектролита и катионного полиэлектролита, отличающийся тем, что в качестве катионного полиэлектролита используют катионный полиэлектролит, содержащий противоионы хлора или брома, и полиэлектролиты смешивают при общей исходной их концентрации от 1 до 5 мас.% при соотношении, обеспечивающем содержание заряженных звеньев одного полиэлектролита от 51 до 60% от содержания заряженных звеньев другого полиэлектролита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области способов получения 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 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 водосодержащих растворов анионного полиэлектролита (ПЭ) - натриевой соли ПАК (натрий-ПАК) или гидролизованного полиакрилонитрила (ГИПАН), или натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (натрий-КМЦ) и катионного ПЭ - полидиметилдиаллиламмонийхлорида (ПДМДААХ) и водорастворимой соли - смеси солей щелочного металла или аммония с солями кальция или магния (патент России № 2142492, кл. С09К 17/00, 1998).

Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения состава для закрепления почв и грунтов путем смешения водосодержащих растворов анионного полиэлектролита - ГИПАН и катионного полиэлектролита - ПДМДААХ (А.С. СССР № 1507771, кл. C08L 33/00, 1989) - прототип. В данном способе смешивают 8-12 мас.% ГИПАН с 8-12 мас.% ПДМДААХ.

Недостатком известного способа является то, что полученный с его помощью состав содержит достаточно много соли (2,89 - 4,33 вес.%), образующейся в результате взаимодействия высвобождающихся противо-ионов анионного и катионного ПЭ. Кроме того, данный состав требует относительно высокой нормы 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.

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, в качестве катионного ПЭ используют катионный ПЭ, содержащий противоионы хлора или брома, и ПЭ смешивают при общей исходной их концентрации от 1 до 5 мас.% при соотношении, обеспечивающем содержание заряженных звеньев одного ПЭ от 51 до 60% от содержания заряженных звеньев другого ПЭ.

В предложенном способе 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.

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, содержащий противоионы хлора или брома, 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 5 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 расход для пропитки слоя почвы и достижения нужной эффективности закрепления.

Также экспериментально было установлено оптимальное соотношение, обеспечивающее содержание заряженных звеньев одного ПЭ от 51 до 60% 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 51% 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 60% состав становится негомогенным.

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 исходной концентрацией ПЭ равной 4,9 мас.% необходимо взять ПДМДААХ в количестве 490×0,491=240,6 г и натрий-ПАК в количестве 249,4 г. Для получения составов другой рецептуры необходимо провести соответствующий расчет.

В формуле изобретения отличительный признак - соотношение, обеспечивающее содержание заряженных звеньев одного ПЭ от содержания заряженных звеньев другого 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 29 до 100% от содержания звеньев другого ПЭ (перерасчет проведен согласно описанию, данному в предыдущем абзаце), а в нашем - от 51 до 60%. Таким образом, экспериментально установленный нами оптимальный интервал отличается от описанного в прототипе.

Полученный с помощью предложенного способа 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 способа 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 ПЭ взяты в соотношении, обеспечивающем содержание заряженных звеньев натрий-КМЦ 60% от содержания заряженных звеньев ПВПХ. Получают 10.000 г состава, в котором общая исходная концентрация ПЭ составляет 1,0 мас.%, и содержание соли NaCl, образующейся в результате взаимодействия высвобождающихся противоионов ПЭ, равно 0,10 мас.%. Состав 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 0,45 л/м ². 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 276,5 г полимера, с 5.000 г водного раствора анионного полиэлектролита ПАК, содержащего 223,5 г полимера. При этом ПЭ взяты в соотношении, обеспечивающем содержание заряженных звеньев ПДМДААХ 55% от содержания заряженных звеньев ПАК. Получают 10.000 г состава, в котором общая исходная концентрация ПЭ составляет 5,0 мас.%, и отсутствует водорастворимая неорганическая соль. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов грунта, взятого с пляжа нефелинового хвостохранилища, находящегося в эрозионных лотках, при норме расхода 0,3 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 4.500 г водного раствора катионного полиэлектролита ПГМГХ, содержащего 319,5 г полимера, с 5.500 г водного раствора анионного ПЭ калиевой соли полиметакриловой кислоты (калий-ПМАК), содержащего 130,5 г полимера. При этом ПЭ взяты в соотношении, обеспечивающем содержание заряженных звеньев калий-ПМАК 58% от содержания заряженных звеньев ПГМГХ. Получают 10.000 г состава, в котором общая исходная концентрация ПЭ составляет 4,5 мас.%, и содержание водорастворимой неорганической соли КСl равно 0,78 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 4.

Смешивают 5.000 г водного раствора катионного ПЭ поли-N-этил-4-винилпиридиний бромида (ПВПБ), содержащего 234,9 г полимера, с 5.000 г водного раствора анионного ПЭ калиевой соли ПАК (калий-ПАК), содержащего 65,1 г полимера. При этом ПЭ взяты в соотношении, обеспечивающем содержание заряженных звеньев калий-ПАК 54% от содержания заряженных звеньев ПВПБ. Получают 10.000 г состава, в котором общая исходная концентрация ПЭ составляет 3,0 мас.%, концентрация соли КВr равна 0,7 мас.%. Полученный состав методом дождевания наносят на поверхность образцов суглинистой почвы, находящейся в эрозионных лотках, при норме расхода 0,42 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 21,0 г полимера, с 7.000 г водного раствора анионного полиэлектролита натрий-КМЦ, содержащего 79 г полимера. При этом ПЭ взяты в соотношении, обеспечивающем содержание заряженных звеньев ПДМДААХ 51% от содержания заряженных звеньев натрий-КМЦ. Получают 10.000 г состава, в котором общая исходная концентрация ПЭ составляет 1 мас.%, и концентрация соли NaCl равна 0,08 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 3.000 г водного раствора анионного ПЭ аммонийной соли полиакриловой кислоты (аммоний-ПАК), содержащего 80,5 г полимера, с 7.000 г водного раствора катионного полиэлектролита ПДМДААХ, содержащего 269,5 г полимера. При этом ПЭ взяты в соотношении, обеспечивающем содержание заряженных звеньев аммоний-ПАК 54% от содержания заряженных звеньев ПДМДААХ. Получают 10.000 г состава, в котором общая исходная концентрация ПЭ составляет 3,5 мас.%, и концентрация соли NH₄Cl равна 0,48 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.

Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенный способ действительно позволяет снизить содержание соли в составе с 1,5 масс.% (прототип) до 0-0,78 мас.% и уменьшить норму расхода состава с 1-2 л/м² (прототип) до 0,3-0,45 л/м ².