Связующее для закрепления дисперсных систем, в том числе почв и грунтов

 

Изобретение предназначено для использования полимерных композиций в качестве связующего для укрепления грунта и закрепления пылящих поверхностей. Изобретение включает анионный полиэлектролит, катионный полиэлектролит, соль щелочного металла или аммония и воду. Согласно изобретению связующее дополнительно содержит соль двухвалентного металла при следующем соотношении компонентов, вес.%: анионный полиэлектролит 0,5 - 3, катионный полиэлектролит 0,5 - 3, соль щелочного металла или аммония 1,2 - 2,7, соль двухвалентного металла 0,3 - 1, вода остальное. Связующее, в частности, может содержать в качестве анионного полиэлектролита Na-соль карбоксиметилцеллюлозы, в качестве катионного полиэлектролита - полидиметилдиаллиламмоний хлорид, а в качестве добавки - смесь KNO₃ и CaCl₂ при следующем соотношении компонентов, вес. %: Na-соль карбоксиметилцеллюлозы 0,5 - 3, полидиметилдиаллиламмоний хлорид 0,5 - 3, KNO₃ 2,0 - 2,6. Изобретение позволяет предотвратить водную и ветровую эрозию и создать минимальное засоление грунта. 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области полимерных составов для модификации дисперсных систем, в частности для упрочнения грунтов, закрепления почв и стабилизации пылящих поверхностей, предотвращающей водную и ветровую эрозию, которая вызывает распространение загрязнений.

К настоящему времени созданы эффективные полимерные связующие, включающие два противоположно заряженных полиэлектролита, продукты взаимодействия которых - полиэлектролитные комплексы (ПЭК) являются принципиально новым типом материалов, строение и способ формирования которых предопределяет качественно новый уровень эффективности полимерной рецептуры. ПЭК формируют на поверхности дисперсной системы водонерастворимую, но влаго- и газопроницаемую корку, состоящую из поликомплекса и частиц дисперсной фазы. Такая корка приводит к локализации дисперсных систем и предотвращают пылеперенос разного рода загрязнений. При увлажнении почвенно-полимерный слой становится эластичным и способен к "самозалечиванию" возникающих в нем нарушений сплошности [1].

Известен способ защиты почвы от ветровой и водной эрозии [2], включающий последовательное нанесение на поверхность почвы растворов полиакриловой (или полиметакриловой) кислот и полиэтиленамина в эквимолярном соотношении мономерных звеньев, образующих в поверхностном слое почвы полимерный комплекс. Способ достаточно эффективно предотвращает миграцию загрязнений с поверхности почв с ветровым и водными потоками, однако последовательная двухстадийная обработка водными растворами приводит к большим экономическим затратам, связанным с высокой стоимостью используемой техники, а в случае радиоактивных загрязнений почвы и к значительному переоблучению персонала.

Известно вяжущее для поверхностного закрепления грунта [3], в состав которого входит полиакриловая кислота, полиэтиленимин, вода и аммиак, который дает возможность использовать для обработки грунта при увеличении глубины его закрепления, однако недостатком известного вяжущего являются недостаточные водостойкость, агрегирующая способность и неудовлетворительные адгезионные свойства.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому результату является полимерная композиция для укрепления грунта, закрепления пылящих поверхностей, а также для использования в качестве клеев, флокулянтов для обезвоживания суспензий [4]. Агрегирующая способность, водостойкость и адгезионные свойства композиции улучшены за счет того, что в качестве анионного полиэлектролита она содержит гидролизованный полиакрилонитрил, в качестве катионного - полидиметилдиаллиламмоний хлорид. Связующее применяют в виде водно-солевой однорастворимой рецептуры, концентрацию соли щелочного металла или аммиака рассчитывают по формуле C = α[1,54·10^-3(β+80)^1,2-1], где β - содержание в композиции воды, в мас. частях, α =8-10.

Недостатком известного связующего является высокое содержание соли в поликомплексной рецептуре (3-10 вес. %). Поэтому использование указанного связующего приводит к дополнительному засолению почв, ухудшению их плодородия и постепенному выходу из сельскохозяйственного оборота. Следовательно, проблемы экологической и агротехнической безопасности диктуют необходимость снижения содержания простых солей в разрабатываемых поликомплексных рецептурах.

Была поставлена задача разработать поликомплексное связующее, которое при сохранении эффективности закрепления почв и грунтов создавало бы минимальное засоление почв, препятствующее росту растений. Поставленная задача решается предлагаемым изобретением.

Связующее для закрепления и локализации дисперсных систем, в том числе почв и грунтов, на местности, включающее анионный полиэлектролит, катионный полиэлектролит, соль щелочного металла или аммония и воду, согласно изобретению дополнительно содержит соль двухвалентного металла при следующем соотношении компонентов, вес.%: Анионный полиэлектролит - 0,5-3 Катионный полиэлектролит - 0,5-3 Соль щелочного металла или аммония - 1,2-2,7 Соль двухвалентного металла - 0,3-1 Вода - Остальное В качестве анионного полиэлектролита связующее предпочтительно содержит Na-соль полиакриловой кислоты или гидролизованный полиакрилонитрил или Na-соль карбоксиметилцеллюлозы, а в качестве катионного полиэлектролита - полидиметилдиаллиламмоний хлорид. В качестве солей щелочных металлов или аммония связующее, например, может содержать такие соли, как NaCl, KCl, KNO₃, NH₄NO₃, а в качестве солей двухвалентных металлов - CaCl₂, MgCl₂. Приведенные примеры солей не являются исчерпывающими, могут быть использованы и другие соли щелочных металлов или аммония, а также соли двухвалентных металлов.

Связующее, в частности, может содержать в качестве анионного полиэлектролита гидролизованный полиакрилонитрил, в качестве катионного полиэлектролита - полидиметилдиаллиламмоний хлорид, а в качестве солей - смесь NaCl и CaCl₂ при следующем соотношении компонентов, вес.%: Гидролизованный полиакрилонитрил - 0,5-3,0
Полидиметилдиаллиламмоний хлорид - 0,5-3,0
NaCl - 1,7-1,9
CaCl₂ - 0,3-0,5
Вода - Остальное
Кроме того, связующее может содержать в качестве анионного полиэлектролита гидролизованный полиакрилонитрил, в качестве катионного полиэлектролита - полидиметилдиаллиламмоний хлорид, а в качестве солей - смесь KNO₃ и CaCl₂ при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Гидролизованный полиакрилонитрил - 0,5-3,0
Полидиметилдиаллиламмоний хлорид - 0,5-3,0
KNO₃ - 2,5-2,7
CaCl₂ - 0,3-0,5
Вода - Остальное
Связующее может содержать в качестве анионного полиэлектролита Na-соль карбоксиметилцеллюлозы, в качестве катионного полиэлектролита - полидиметилдиаллиламмоний хлорид, а в качестве солей - смесь NaCl и CaCl₂ при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Na-соль карбоксиметилцеллюлозы - 0,5-3
Полидиметилдиаллиламмоний хлорид - 0,5-3
NaCl - 1,3-1,8
CaCl₂ - 0,4-0,6
Вода - Остальное
Связующее может также содержать в качестве анионного полиэлектролита Na-соль карбоксиметилцеллюлозы, в качестве катионного полиэлектролита - полидиметилдиаллиламмоний хлорид, а в качестве солей - смесь KNO₃ и CaCl₂ при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Na-соль карбоксиметилцеллюлозы - 0,5-3
Полидиметилдиаллиламмоний хлорид - 0,5-3
KNO₃ - 2,0-2,6
CaCl₂ - 0,4-1,0
Вода - Остальное
В качестве полимерных компонентов связующего можно использовать промышленно выпускаемые катионный полиэлектролит полидиметилдиаллиламмоний хлорид (ПДМДААС1) (марки ВПК-402, ТУ 6-05-231-238-83) и анионный полиэлектролит - полиакриловую кислоту (ПАК, ТУ 6-01-1260-81), гидролизованный полиакрилонитрил (ГИПАН, МРТУ 6-01-166-67) и натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы.

Отличительным признаком предлагаемой полимерной композиции является то, что в качестве добавки впервые использованы смеси солей одно- и двухвалентных металлов. Вопреки сложившимся к настоящему времени представлениям об исключительно высоком "высаливающем" действии солей поливалентных металлов (например, Ca⁺⁺) на крабоксилсодержащие полиэлектролиты (за счет сшивания карбоксильных групп) неожиданно выяснилось, что введение небольших количеств солей Ca⁺⁺ позволяет существенно снизить общее количество соли, необходимое для растворения поликомплексной рецептуры. Так, например, в случае рецептуры, содержащей ГИПАН и ПДМДААС1 (1 вес.%) растворение может быть достигнуто в водном растворе KNO₃ при концентрации 5% или в растворе смеси KNO₃ и CaCl₂, содержащей 2,7% KNO₃ и 0,4% CaCl₂. Кроме того, вводимые соли двухвалентных металлов могут давать дополнительный структурообразующий эффект за счет связывания с естественными компонентами почвы. Существенно также, что уменьшение содержания соли в рецептуре за счет использования смеси солей приводит к значительному удешевлению поликомплексного связующего. Совместное использование заявляемых анионных и катионного полиэлектролитов и в качестве добавки смеси солей одновалентных и двухвалентных металлов обеспечивает эффективное подавление пыле- и водопереноса дисперсных систем без сопутствующего засоления почв и в патентной и научно-технической литературе не описано.

Отличие связующего по полимерным компонентам и в том, что расширен круг анионных полиэлектролитов за счет включения любого полимера или сополимера, содержащего карбоксильные группы (в том числе полиакриловую кислоту), а также природного полиэлектролита - карбоксиметилцеллюлозы. Использование природного полимера позволяет приспособить поликомплексные рецептуры к требованиям агрохимии и экологии.

Если содержание полимерных компонентов меньше указанного нижнего предела, то мала эффективность закрепления, т.е. связующее не образует корку на поверхности грунта, если больше верхнего предела - из-за высокой вязкости связующего требуется слишком большой расход рецептуры для пропитки слоя почвы и, соответственно, достижения нужной эффективности закрепления. Отметим, что оптимальная эффективность закрепления почв и грунтов достигается при эквимолярном соотношении анионного и катионного полиэлектролита в связующем.

Концентрацию солей в связующем необходимо поддерживать в указанных в формуле пределах. При уменьшении содержания солей связующее становится водонерастворимым, что исключает возможность его применения. При увеличении содержания солей сверх указанного в формуле связующее в зависимости от полимерного состава или вновь становится гетерогенным, или растворимость его становится слишком велика, и оно легко вымывается дождем с укрепляемой поверхности, т.е. не достигается нужной эффективности закрепления почвы.

Связующее готовят смешением водно-солевых растворов полимерных компонентов или смешением концентрированных водных растворов полимерных компонентов и водного раствора смеси солей.

Связующее наносят на поверхность почвы или любой другой дисперсной системы при норме расхода 1-2 л на кв.м. При высыхании на поверхности почвы образуется почвенно-полимерная корка, толщина которой определяется составом связующего, его расходом и соответственно глубиной пропитки.

Пример 1.

Связующее готовят смешением 55 г 18% водного раствора ГИПАН и 40 г 25% водного раствора ПДМДААС1. Полученную смесь добавляют к 905 мл водного раствора NaCl и CaCl₂, в котором концентрация NaCl составляет 2%, концентрация CaCl₂ - 0,46%.

Состав получающегося связующего, вес.%:
ГИПАН - 1
ПДМДААС1 - 1
NaCl - 1,8
CaCl₂ - 0,42
Вода - Остальное
Пример 2.

Связующее готовят смешением 27,5 г 18% водного раствора ГИПАН и 20 г 25% водного раствора ПДМДААCl. Полученную смесь добавляют к 952,5 мл водного раствора KCl и MgCl₂, в котором концентрация KCl составляет 2,1%, концентрация MgCl₂ - 0,42%.

Состав получающегося связующего, вес.%:
ГИПАН - 0,5
ПДМДААCl - 0,5
KCl - 2
MgCl₂ - 0,4
Вода - Остальное
Пример 3.

Связующее готовят смешением 165 г 18% водного раствора ГИПАН и 120 г 25% водного раствора ПДМДААCl. Получаемую смесь добавляют к 715 мл водного раствора KNO₃ и CaCl₂, в котором концентрация KNO₃ составляет 3,8%, концентрация CaCl₂ составляет 0,59%.

Состав получающегося связующего, вес.%:
ГИПАН - 3
ПДМДААCl - 3
KNO₃ - 2,7
CaCl₂ - 0,42
Вода - Остальное
Пример 4.

Связующее готовят смешением 500 г 2% водно-солевого раствора КМЦ, содержащего KNO₃ (концентрация - 2,5%) и CaCl₂ (концентрация - 0,4%) и 500 г 1,3% водно-солевого раствора ПДМДААCl с той же концентрацией солей.

Состав получающегося связующего, вес.%:
КМЦ - 1
ПДМДААCl - 0,65
KNO₃ - 2,5
CaCl - 0,4
Вода - Остальное
Пример 5.

Связующее готовят смешением 500 г 2% водно-солевого раствора КМЦ, содержащего NaCl (концентрация 1,3%) и CaCl₂ (концентрация 0,45%) и 500 г 2% такого же водно-солевого раствора ПДМДААCl.

Состав получающегося связующего, вес.%:
КМЦ - 1
ПДМДААCl - 1
NaCl - 1,3
CaCl₂ - 0,45
Вода - Остальное
Примеры 6-8.

Связующее готовят по примеру 1, однако изменяют компоненты и их содержание. Составы полученных связующих указаны в таблице.

Примеры 9, 10.

Связующее готовят по примеру 4, однако изменяют компоненты и их содержание. Составы полученных связующих указаны в таблице.

Примеры 11-16 (сравнительные).

Связующее готовят по примеру 4 с выходом концентрации компонентов за пределы заявленных значений. Как видно из таблицы, результаты испытаний показывают ухудшение свойств по сравнению с примерами 1-10.

Пример 17 (прототип).

Связующее готовили согласно прототипу. Результаты испытаний приведены в таблице.

Исследования эффективности проводили следующим образом.

Образцы почвы обработаны связующим из расчета 1,0 л/м², высушены и испытаны в аэродинамической установке при скорости потока воздуха 8,0-16,7 и в эрозионном лотке. Эффективность определена по количеству почвы, вынесенной с поверхности образца. Кроме этого определена механическая прочность защитного почвенно-полимерного покрытия.

Результаты испытаний суммированы в таблице.

Обозначения в таблице следующие.

Гомофазность:
(+) - гомофазно,
(-) - гетерофазно.

Вязкость:
(н.) - в пределах нормы,
(в.) - высокая, затрудняющая обработку грунта связующим.

Образование защитного слоя:
(+) - образуется слой толщиной 3-5 мм, механическая прочность до 5 кг/см²;
(±) - образуется слабый защитный слой с механической прочностью до 0,5 - 1,0 кг/см²;
(-) - защитный слой не образуется.

Водостойкость: высокая или низкая (сл.).

Эффективность:
(+) - эффективность свыше 95%;
(-) - низкая эффективность не менее (50%);
(±) - есть небольшой вынос почвы (5-50%).

Результаты испытаний, представленные в таблице (образцы 1-10), свидетельствуют о том, что закрепленный связующим поверхностный слой почвы устойчив по отношению к ветру и размыванию водой, следовательно, обработка связующим эффективно предотвращает пыление и связанный с этим перенос различных загрязнений.

Таким образом, как показывают результаты испытаний, разработано поликомплексное связующее, которое при сохранении эффективности закрепления почв и грунтов создает минимальное засоление почв.

Список использованных источников
1. Кабанов В.А., Зезин А.Б., Касаикин В.А., Ярославов А.А., Топчиев Д.А. Полиэлектролиты в решении экологических проблем. Успехи химии. 1991. Т. 60, вып. 3. С. 595.

2. Авт. свид. СССР N 520962, 1976, кл. C 09 K 17/00.

3. Авт. свид. СССР N 642411, 1977, кл. C 09 K 17/00.

4. Авт. свид. СССР N 1507771, 1989, кл. C 08 L 33/00.

Формула изобретения

1. Связующее для закрепления дисперсных систем, в том числе почв и грунтов, включающее анионный полиэлектролит, катионный полиэлектролит, соль щелочного металла или аммония и воду, отличающееся тем, что связующее дополнительно содержит соль двухвалентного металла при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Анионный полиэлектролит - 0,5 - 3,0
Катионный полиэлектролит - 0,5 - 3,0
Соль щелочного металла или аммония - 1,2 - 2,7
Соль двухвалентного металла - 0,3 - 1,0
Вода - Остальное
2. Связующее по п.1, отличающееся тем, что в качестве анионного полиэлектролита содержит Na-соль полиакриловой кислоты, а в качестве катионного полиэлектролита - полидиметилдиаллиламмоний хлорид.

3. Связующее по п.1, отличающееся тем, что в качестве анионного полиэлектролита содержит гидролизованный полиакрилонитрил, а в качестве катионного - полидиметилдиаллиламмоний хлорид.

4. Связующее по п.1, отличающееся тем, что в качестве анионного полиэлектролита содержит Na-соль карбоксиметилцеллюлозы, а в качестве катионного - полидиметилдиаллиламмоний хлорид.

5. Связующее по п.1, отличающееся тем, что соль щелочного металла или аммония выбрана из ряда: NaCl, KCl, KNO₃, NH₄NO₃, а соль двухвалентного металла выбрана из ряда: CaCl₂, MgCl₂.

6. Связующее по пп.1, 3 и 5, отличающееся тем, что содержит гидролизованный полиакрилонитрил, полидиметилдиаллиламмоний хлорид и смесь солей NaCl и CaCl₂ в следующем соотношении компонентов, вес.%:
Гидролизованный полиакрилонитрил - 0,5 - 3,0
Полидиметилдиаллиламмоний хлорид - 0,5 - 3,0
NaCl - 1,7 - 1,9
CaCl₂ - 0,3 - 0,5
Вода - Остальное
7. Связующее по пп.1, 3 и 5, отличающееся тем, что содержит гидролизованный полиакрилонитрил, полидиметилдиаллиламмоний хлорид и смесь солей KNO₃ и MgCl₂ при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Карбоксиметилцеллюлоза - 0,5 - 3,0
Полидиметилдиаллиламмоний хлорид - 0,5 - 3,0
KNO₃ - 2,0 - 2,6
CaCl₂ - 0,4 - 1,0
Вода - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1