СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ПОЧВЫ С ПОМОЩЬЮ ВОЗДУШНОГО ВНЕСЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ИЛИ СПОСОБНЫХ К РАЗБУХАНИЮ ПОЛИМЕРОВ
METHOD FOR SOIL CONDITIONING BY MEANS OF AIR INTRODUCTION OF WATER-SOLUBLE OR SWELLABLE POLYMERS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу кондиционирования почвы с помощью внесения на ее поверхность по меньшей мере одного полимера.
Кондиционирование почвы позволяет сохранить ее целостность, улучшить или сохранить ее свойства и защитить окружающую среду и людей посредством ограничения перемещения элементов гидравлическим или воздушным путем. Данные преимущества получают с помощью защиты структурной стабильности агрегатов, с помощью ограничения явления эрозии и растрескивания, что приводит к многочисленным дополнительным преимуществам.
Термин «кондиционирование почвы» охватывает контроль эрозии водным или ветровым путем, контроль образования растрескивающихся твердых поверхностных слоев, сохранение структуры агрегатов почвы, контроль просачивания воды и рассеивания, изменение гидрофобных или гидрофильных свойств почв, восстановление натриевых и щелочных почв, контроль мутности воды для затопленных сельскохозяйственных культур, контроль перемещения загрязняющих веществ, но не ограничиваясь этими применениями.
Областью техники, в которой применяют кондиционирование почвы, главным образом является сельское хозяйство, а также лесное хозяйство, строительство и гражданское проектирование, горнодобывающая промышленность, хранение и транспортировка воды, защита рек и дельты от загрязнений, охрана окружающей среды и другие области.
Предпосылки изобретения
После Второй мировой войны для стабилизации почв использовали полимеры, в основном водорастворимые. В научной литературе в 50-е годы было описано применение разнообразных полимеров для кондиционирования почвы, таких как Krilium от Monsato Chemical Company.
После этого было описано несколько других полимеров для кондиционирования почв:
- синтетические полимеры: к примеру, гомополимеры и coполимеры акриламида, акриловая кислота и ее соли, метакриловая кислота и ее соли, акрилонитрил, винилпирролидон, винилформамид, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновая кислота и ее соли, винилацетат, малеиновая кислота или этиленоксид и производные, такие как гидролизованный полиакрилонитрил, поливиниловый спирт;
- природные полимеры, природные камеди, полисахариды и их производные: галактоманнан, гуаровая камедь, камедь рожкового дерева, ксантановая камедь, аравийская камедь, хитозан, каррагинан, пектины, крахмал, разновидности модифицированного крахмала, альгинаты, разновидности целлюлозы, производные целлюлозы (эфиры целлюлозы), агар-агар;
- привитые полимеры: к примеру, сополимеры крахмал-акриламид-акрилаты, крахмал-акрилонитрил, хитозан-акриловая-кислота.
Среди всех этих полимеров полиакриламиды были в центре внимания исследований и были выбраны благодаря их эффективности в кондиционировании почвы, уменьшении эрозии почвы, улучшении качества воды после орошения и низкой стоимости.
Было доказано, что полиакриламид, добавленный к оросительной воде, значительно снижает эрозию почв. Lentz и др. вносили полиакриламид в дозе от 1 до 20 ppm в оросительную воду (бороздовое орошение) и контролировали эрозию на 96% посредством дозы 10 ppm. В литературе широко распространена данная тема, включая следующую статью: «Preventing irrigation furrow erosion with small application of polymers», напечатанную в Soil Science Society of America Journal (1992, выпуск 56, страницы 1926-1932).
Внесение полиакриламида (PAM) уменьшает перераспределение частиц мелкокомковатой почвы в оросительной или дождевой воде и предотвращает образование твердого поверхностного слоя на поверхности почвы. Образование твердого поверхностного слоя вызвано закупоркой почвенных пор мелкими фракциями почвы, что приводит к образованию непроницаемого слоя, который ограничивает движение воды и воздуха в разрез почвы. Всходам трудно преодолевать твердый поверхностный слой, что ограничивает прорастание сельскохозяйственных культур. Появление всходов можно улучшить с помощью внесения полиакриламида перед первым дождем или до начала или во время применения орошения после посадки.
Способность полиакриламида флокулировать твердые вещества из оросительной и сточной воды также предотвращает высвобождение питательных веществ и пестицидов, которые прикрепились к частицам почвы. Посредством ограничения количества почвы, питательного вещества и стока пестицида полиакриламид помогает улучшить качество воды после орошения, уменьшает мутность сточной воды и помогает улучшить «здоровье» дренажной экосистемы. По этим причинам полиакриламид является ценным средством сохранения, используемым для решения проблемы качества воды в сельскохозяйственном производстве.
Связывая меньшие частицы вместе, полиакриламид помогает увеличить размер частиц. Больший размер частиц уменьшает закупорку пор, увеличивает однородность почвы и увеличивает скорость просачивания. Все эти факторы обеспечивают лучшее увлажнение среза почвы и более эффективное применение воды, что может привести к увеличению выхода и снизить стоимость орошения.
Водорастворимые полимеры имеют несколько преимуществ, описанных выше. Однако, внесение их на почву ограничено периодами орошения и часто ограничено количеством циклов орошения во время вегетационного периода. На данный момент оросительная вода является основным способом внесения данных продуктов.
Если источником оросительной воды является вода в канале, как правило, воду в канале обрабатывают с применением сухой формы полиакриламида и вносят с применением машины для внесения гранул. Полимер дозируют в воду и воду выводят из канала.
Если оросительная вода находится в скважине, полиакриламид в форме эмульсии вводят либо в устье скважины, либо в вертикальный водовыпуск в месте эксплуатации. Вертикальный водовыпуск является местом в поле, куда доставляют воду. В большинстве случаев скважина снабжает несколько вертикальных водовыпусков, в общей сложности от 140 до 200 акров в среднем.
Доставка воды с каналов и скважин отличается по применению. В большинстве случаев орошения с применением канала для выведения воды из канала используют форму всасывающей трубки. Каждую трубку помещают либо в каждый ряд, либо через ряд. В случае скважины воду откачивают из вертикального водовыпуска с помощью «полиэтиленовой трубы». Полиэтиленовая труба является большим выдувным рулоном пластиковых труб, который проходит вдоль нагорной стороны поля. Ороситель затем проделывает отверстия в трубке для высвобождения воды. Количество отверстий и промежутков между отверстиями определены свободным интервалом между целевыми объемами. Как правило, для определения размера и количества отверстий на отрезке полиэтиленовой трубы применяют компьютерную программу.
В заявке на патент PCT/FR2014/051863 описан способ кондиционирования почвы для внесения водорастворимого или способного к разбуханию полимера в почву, который включает получение полимера в концентрированной жидкой форме и внесение данного препарата на поверхность основы, которая вращается вокруг своей оси вращения для того, чтобы образовать капли, которые будут распылены на почву. Данный способ позволяет внести полимер для кондиционирования почвы без системы орошения, но соответствующая вращающаяся основа фиксируется, например, на трактор, и поэтому для внесения требуется много времени, если необходимо обработать большие поверхности.
Решение технической задачи
Данные полимеры более эффективны, если их вносят во время первого орошения или перед дождем. В случаях, когда орошение является основным источником воды, как правило, намного легче контролировать момент внесения, но оно все еще является дорогостоящим из-за количества времени и оборудования, необходимых для дозирования полимера. Электричество не всегда доступно для питания насосов; это снижает способность правильно доставлять полимер. Полимеры часто упаковывают в баки объемом 30 галлонов или большие технологические емкости объемом 275 галлонов, с которыми сложно работать в полях, и при этом долгосрочное хранение в поле может снизить эффективность продукта. В областях, где осадки в виде дождя являются основным источником воды, возможность внесения PAM в почву после посадки, но перед дождем, практически невозможна посредством традиционного способа внесения.
Все еще существует проблема, связанная со своевременным внесением водорастворимых или способных к разбуханию полимеров, обусловленная количеством времени и оборудования.
Описание изобретения
Настоящее изобретение предназначено для решения проблемы, описанной ранее.
Объектом настоящего изобретения является способ кондиционирования почвы, который включает применение с помощью воздушного внесения в почву композиции в форме частиц, при этом указанная композиция содержит по меньшей мере водорастворимый или способный к разбуханию полимер.
В следующем описании «в форме частиц» означает порошок, гранулу, таблетку, дробинку или их смесь, характеризующиеся размером предпочтительно от 0,1 до 10 миллиметров, предпочтительно от 0,5 до 4 миллиметров.
Описание полимера
Композиция, применяемая в способе по настоящему изобретению, содержит по меньшей мере водорастворимый или способный к разбуханию полимер.
«Водорастворимый полимер» представляет собой полимер, который образует раствор без нерастворимых частиц, когда его растворяют при перемешивании при 25°C и при концентрации 50 г/л в воде.
«Полимер, способный к разбуханию в воде» представляет собой полимер, который разбухает и загущает раствор, когда его помещают в воду при 25°C.
Водорастворимые или способные к разбуханию полимеры выбраны из группы, содержащей:
- гомополимеры и coполимеры акриламида, акриловую кислоту и ее соли, метакриловую кислоту и ее соли, акрилонитрил, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновую кислоту и ее соли, винилпирролидон, винилформамид, винилацетат, малеиновую кислоту или этиленоксид и производные, такие как гидролизованный полиакрилонитрил, поливиниловый спирт;
- природные полимеры, природные камеди, полисахариды и их производные: галактоманнан, гуаровую камедь, камедь рожкового дерева, ксантановую камедь, аравийскую камедь, хитозан, каррагинан, пектины, крахмал, разновидности модифицированного крахмала, альгинаты, разновидности целлюлозы, производные целлюлозы (эфиры целлюлозы), агар-агар;
- сoполимеры крахмал-акриламид-акрилаты, крахмал-акрилонитрил, хитозан-акриловая-кислота.
Для способа по настоящему изобретению полимеры или coполимеры акриламида представляют наибольший интерес.
Полимеры по настоящему изобретению могут быть линейными, структурированными или сшитыми. Термин «структурированные полимеры» означает полимеры в разветвленной форме, в форме звезды или гребня.
Разветвленные полимеры обычно представляют собой нелинейные полимеры с боковыми цепями. Сшитые полимеры обычно представляют собой нелинейные полимеры в форме трехмерной структуры, нерастворимые в воде, но которые разбухают в воде.
Полимеры по настоящему изобретению предпочтительно являются анионными. Содержание их анионов составляет предпочтительно от 5 до 60 мол. %.
Водорастворимые или способные к разбуханию полимеры можно получить посредством обеспечения реакции мономера или смеси мономеров при полимеризации традиционными способами, известными специалистам в данной области техники.
Затем их можно получить в форме порошка, гранулы, суспензии, обратной эмульсии или жидкости.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения водорастворимые или способные к разбуханию полимеры представляют собой гомополимеры или coполимеры акриламида.
Полимеры на основе акриламида получают посредством полимеризации акриламида и других водорастворимых мономеров с этиленненасыщенным фрагментом, выбранным из следующих семейств.
- Анионные мономеры. Они предпочтительно выбраны из групп, содержащих мономеры с кислотным карбоксильным фрагментом (например, акриловой кислоты или метакриловой кислоты и их солей и т. д.), мономеров с фрагментом сульфоновой кислоты (например, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (AMPS) и ее солей и т. д.).
- Неионные мономеры. Они предпочтительно выбраны из групп, содержащих производные метакриламида, акриламида, такие как N-алкилакриламид, как например, N,N-диметилакриламид или метилолакриламид, винилформамид, N-винилпиридин, N-винилпирролидон, гидроксиалкил(мет)акрилаты и (мет)акрилаты с алкоксицепью также могут быть использованы.
- Катионные мономеры. Они предпочтительно выбраны из группы, содержащей диаллилдиалкиламмониевые соли, такие как диаллилдиметиламмонийхлорид (DADMAC) и диалкиламиноалкил(мет)акрилаты, такие как диметиламинoэтил(мет)акрилаты ((M)ADAME) и их подкисленные или кватернизованные формы, посредством способов, известных специалисту в данной области техники, а также диалкиламиноалкил(мет)акриламид и их подкисленные или кватернизованные формы, такие как (мет)акриламидпропилтриметиламмонийхлорид ((M)APTAC).
- Также можно использовать цвиттер-ионные мономеры. Анионные и катионные заряды связаны с одним мономером. Пример цвиттер-ионных мономеров: сульфобетаины, такие как сульфопропилдиметиламмонийэтилметакрилаты, сульфопропилдиметиламмонийпропилметакриламид или сульфопропил-2-винилпиридиний, фосфобетаины, такие как фосфатоэтилтриметиламмонийэтилметакрилаты и карбоксибетаины.
Предпочтительно водорастворимые или способные к разбуханию полимеры, присутствующие в композиции по настоящему изобретению, находятся в форме порошка или гранулы.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения полимеры представляют собой водорастворимые полимеры.
-1
-1
-1
Предпочтительно молекулярная масса водорастворимых полимеров составляет более 500000 г·моль и предпочтительно от 1 миллиона до 30 миллионов г·моль и более предпочтительно выше 5 миллионов г·моль.
Описание композиции
В способе по настоящему изобретению композицию применяют с помощью воздушного внесения.
Композиция находится в форме частиц и содержит по меньшей мере один водорастворимый или способный к разбуханию полимер и необязательно по меньшей мере один другой компонент.
Композиция содержит предпочтительно от 20% до 100% и предпочтительно от 50 до 100% по весу водорастворимых или способных к разбуханию полимеров.
Предпочтительно водорастворимые и способные к разбуханию полимеры находятся в форме порошка или гранулы.
Для улучшения распределения композиции, композиция находится в форме порошка и имеет размер частиц от 0,1 до 10 миллиметров, предпочтительно от 0,5 до 4 миллиметров. Размер частиц относится к среднему диаметру, измеренному с помощью лазерного устройства для измерения размера частиц, в соответствии с традиционными методиками, известными специалисту в данной области техники. Примером устройства для измерения среднего диаметра является Mastersizer от Malvern Instruments.
Композиция находится предпочтительно в форме таблетки или дробинки.
Для улучшения распределения и рассеивания полимера в почве композиция содержит наполнитель или связующее вещество.
Наполнитель выбран без ограничения из сульфата щелочного металла или хлоридных солей.
Связующее вещество не ограничено одним компонентом и может содержать функциональные компоненты. Функциональные связующие вещества включают пестициды, удобрения, мочевину, различные соли неорганических и органических кислот.
Предпочтительно композиция содержит от 1 до 80% по весу наполнителя и более предпочтительно от 10 до 50% по весу.
Предпочтительно композиция содержит от 1 до 50% связующего вещества и более предпочтительно от 5 до 30% по весу.
Другие компоненты композиции могут представлять собой сельскохозяйственные активные ингредиенты, такие как природные инсектициды, инсектициды с органическим фосфором, инсектициды с карбаматами, нематоциды, стерилизующие средства с органическим хлоридом, стерилизующие средства с органическим фосфором, другие стерилизующие средства, гербициды, родентециды.
Предпочтительно другие компоненты композиции находятся в форме порошка.
-3
-3
Для внесения композиции с воздушным потоком насыпная плотность композиции должна составлять предпочтительно от 300 до 1000 кг·м и более предпочтительно от 300 до 800 кг·м.
Кроме того, остаточное содержание воды в композиции должно быть самым низким для предотвращения агломерации частиц (полимеров и других компонентов). Предпочтительно остаточное содержание воды в композиции в форме частиц должно составлять ниже 15% по весу.
В предпочтительном варианте осуществления композиция представляет собой один компонент, который представляет собой водорастворимый или способный к разбуханию полимер в форме порошка.
Описание способа
Способ по настоящему изобретению предусматривает воздушное внесение в почву композиции в форме частиц.
Воздушное внесение означает внесение посредством любого воздушного способа, но предпочтительно внесение осуществляют с помощью самолета, вертолета, дельтаплана, планера или дрона.
Возможность вносить водорастворимые или способные к разбуханию полимеры в композиции, находящейся в форме частиц, посредством воздушного внесения позволяет производителю более легко использовать их и более своевременно вносить. Внесение обеспечивает свободу действия и уменьшает количество рабочих и оборудования, необходимых для применения данных полимеров.
Для внесения композиций в форме частиц посредством самолета распылители прикрепляют к средствам воздушного транспорта. Распылитель может представлять собой агрохимический распылитель, описанный в поданном патентном документе US4696991.
Для однородного внесения высота внесения композиции в форме частиц составляет предпочтительно ниже 50 м и более предпочтительно приблизительно 20 м.
-1
-1
-1
Количество композиции, которое применяют при каждом внесении в почву, составляет от 0,1 до 500 кг·га, предпочтительно от 1 до 100 кг·гаи более предпочтительно от 10 до 50 кг·га.
Способ по настоящему изобретению пригоден для кондиционирования почвы в сельском хозяйстве, лесном хозяйстве, строительстве и гражданском проектировании, горнодобывающей промышленности, для защиты рек и дельты от загрязнений, охраны окружающей среды, хранения и транспортировки воды.
Если воздушное внесение касается кондиционирования почвы в сельском хозяйстве, данное внесение происходит предпочтительно на полях сельскохозяйственных культур в интервале между посадкой и последующим первым дождем или орошением. Это время, в течение которого почва является наименее стабильной.
После первого воздушного внесения композиции в почву способ по настоящему изобретению предпочтительно предусматривает дополнительные внесения. В данном случае каждое воздушное внесение осуществляют через по меньшей мере 20 дней и не более чем 40 дней после предыдущего внесения.
Способ по настоящему изобретению позволяет улучшить внесение водорастворимых и способных к разбуханию полимеров для борьбы с эрозией почвы. Воздушное внесение можно осуществлять быстрее и легче, чем предыдущие способы.
Пример. Воздушное внесение полиакриламида
-3
-3
Анионный полиакриламид в форме порошка вносили с помощью самолета. Водорастворимый полимер представляет собой coполимер акрилата натрия и акриламида с 30 мол. % анионного мономера. Во время внесения использовали две партии полимера. Первая характеризовалась размером частиц в диапазоне 1 мм - 2 мм (насыпная плотность: 0,660 кг·м), а вторая – в диапазоне 3 мм - 4 мм (насыпная плотность: 0,650 кг·м).
-1
Высота при внесении с помощью самолета составляла около 20 м. Целевая норма расхода составляла 11,2 кг·га. Продукт вносили на два разных поля площадью 40 га с примерно 16,5 га обрабатываемой площади в центре каждого поля. На каждом поле на обрабатываемых и необрабатываемых участках находились датчики влажности для измерения количества инфильтрации влаги в почву.
-1
Внесение продукта на уровне 1-2 мм составляло в среднем 14,5 кг·га.
Внесение продукта на уровне 3-4 мм было также однородным, но обеспечивало меньшее покрытие из-за размера частиц. Текучесть продукта не вызывала каких-либо проблем.