稳定砂质土壤的方法与流程

[0001]
本发明涉及一种稳定砂质土壤以抵抗风蚀现象的新方法。这种方法特别适用于在干旱、半干旱和干燥次湿润地区稳定移动沙丘和抑制可能影响基础设施、居住区和农业区的砂迁移。


背景技术：

[0002]
已经试验了众多措施以试图抵抗砂质土壤的风蚀现象。
[0003]
对于沙丘的固定，存在几种主要的固定技术：
[0004]-通过栅栏、防风物和网减慢风速并阻止砂运送来使沙丘机械稳定。
[0005]-通过天然或人造防护屏障(其均匀地覆盖沙丘的砂)来使沙丘机械稳定。
[0006]-旨在利用风的速度和运载能力的空气动力学方法，其通过如下方式实现：要么(i)通过提高与不想要的砂沉积物接触的速度的过程使风排散该不想要的砂沉积物(例如，在某些萨赫勒地区居民点与主要风的取向平行的街道的取向；沿着要清除的沙丘峰顶彼此隔开进行石头铺设)，并确保其不会遇到任何障碍，从而将砂沉积物运走；要么(ii)剖析载砂风所遇到的障碍，使之不降低速度，反而增加其速度；这些障碍物对风流动具有空气动力学的影响。发生压缩使得风速得以加速而不会引起涡流效应(其会导致砂堆积)。这种加速或保持风速的原理稳定或提高了风的负载能力，并因此增加了其驱动力。然后，风将希望清理的砂完全扫除。这与通过栅栏减慢风速的原理相反。
[0007]
沙丘也可以通过设置多年生树木和草本植物的生物固定来稳定。
[0008]
至于使用防护屏障的稳定技术，可以使用许多产品。例如，在所有这些产品当中，包括水硬性粘结剂(水泥)，沥青乳液，胶乳(例如：苯乙烯丁二烯乳液)，变压器油，基于脲和甲醛或脲和双氰胺的聚合物，聚丙烯酰胺，聚乙二醇，环氧树脂，羟丙基甲基纤维素(hpmc)，用丙烯酸甲酯和乙酸乙烯酯接枝的hpmc，基于乙酸乙烯酯的聚合物，由聚丙烯酰胺接枝的瓜尔胶。
[0009]
用防护屏障稳定砂质土壤通常涉及大量的材料和高应用成本，从而使得其应用在经济上不可行。有时，某些产品必须在其即将应用之前直接混合，这在现场可能是复杂的。一些稳定过程在实验室中表现良好，但是需要将产品溶液与砂进行机械混合，这出于后勤原因(使用例如用于移动沙丘的大型建筑机械)而受到限制。此外，某些产品溶液的高粘度使其难以喷涂。最后，为了形成防护屏障，产品溶液必须能够快速渗透砂的表面，尤其是当该表面在斜坡上时(溶液不得从表面流下)。


技术实现要素：

[0010]
本发明涉及一种稳定砂质土壤的方法，包括向砂质土壤的表面一次性施加0.5-5l.m-2
的包含小于2000ppm的至少一种水溶性聚合物a的水溶液s，所述聚合物a包含烯属不饱和单体，其0.01-20％摩尔由至少一种式(i)h
2
c＝cr
1
r
2
的羟烷基化单体构成，其中r
1
为氢原子或甲基并且r
2
为包含至少一个侧基oh和任选的至少一个在烃链中的杂原子n或o的烃
基；r
2
不同于c(＝o)-oh基团，其他单体是与式(i)的单体不同的非离子和/或阴离子和/或阳离子单体。
[0011]
特别有利地，本发明的溶液s具有足够低的粘度以进行喷雾以迅速渗透土壤的表面，并具有足够的反应性以固化这些土壤的表面，并且因此获得保护层。此外，与其他更昂贵的砂质土壤固定技术相比，其低浓度可实现容易且廉价的应用。
[0012]
在本发明的上下文中，术语“烯属不饱和单体”被理解为是指包含至少一个ch
2
＝c官能团的单体。
[0013]
根据定义，砂质土壤包含70％或更多的砂。其是易于识别的，因为不可能将一把这种土聚集成不会碎裂的球状物。
[0014]
在本发明的上下文中，水溶性聚合物是指下述这样的聚合物：当在25℃下并以在水中50g.l-1
的浓度在搅拌下溶解4小时时，该聚合物提供无不溶性颗粒的水溶液。
[0015]
优选地，该水溶性聚合物a包含0.01-5％摩尔的至少一种式(i)h
2
c＝cr
1
r
2
的羟烷基化单体。该羟烷基化单体优选选自丙烯酸羟烷基酯；甲基丙烯酸羟烷基酯；羟烷基丙烯酰胺(例如：甲基丙烯酸羟乙酯(hema)或n-羟甲基丙烯酰胺(nma))；羟烷基甲基丙烯酰胺；甲基丙烯酰胺基丙基二甲基-2,3-二羟丙基硫酸铵；甲基丙烯酸2,3-二羟丙酯；氨基醇丙烯酸酯；氨基醇甲基丙烯酸酯；烷基是指包含1-6个碳原子的线性烷基基团。
[0016]
该水溶性聚合物a还包含与所述式(i)的羟烷基化单体不同的非离子和/或阴离子和/或阳离子单体。
[0017]
可以在本发明的上下文中使用的该一种或多种非离子单体可特别地选自可溶于水的乙烯基单体。属于这一类的优选单体例如是丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺，n-异丙基丙烯酰胺，n,n-二甲基丙烯酰胺和。而且，可以使用n-乙烯基甲酰胺，n-乙烯基乙酰胺，n-乙烯基吡啶和n-乙烯基吡咯烷酮，丙烯酰基吗啉(acmo)和双丙酮丙烯酰胺。优选的非离子单体是丙烯酰胺。
[0018]
可以在本发明的上下文中使用的该一种或多种阳离子单体可特别地选自具有季铵官能团的丙烯酰胺、丙烯酸系、乙烯基、烯丙基或马来酸系类型的单体。可以特别地且非限制性地提及季铵化的丙烯酸二甲基氨基乙基酯(adame)，季铵化的甲基丙烯酸二甲基氨基乙基酯(madame)，二甲基二烯丙基氯化铵(dadmac)，丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵(aptac)和甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵(maptac)。
[0019]
该一种或多种阴离子单体可选自丙烯酸，甲基丙烯酸，衣康酸，马来酸，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(atbs)，乙烯基磺酸，所述阴离子单体是未盐化的、部分或全部盐化的，以及3-磺丙基甲基丙烯酸的盐。优选地，该单体选自丙烯酸，甲基丙烯酸，衣康酸，马来酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(atbs)，所述单体处于酸形式、部分或全部盐化的。
[0020]
有利地，该水溶性聚合物a包含小于20％摩尔、甚至更优选小于5％摩尔的阳离子单体。
[0021]
更有利地，该聚合物a仅包含与所述羟烷基化单体不同的非离子和/或阴离子单体。
[0022]
该水溶性聚合物a优选具有有利的高分子量。术语“高分子量”表示至少0.1百万g.mol-1
、优选0.5-40百万g.mol-1
、更优选1-30百万g.mol-1
的分子量。该分子量是指重均分子量。其通过测量特性粘度进行测量(mark-houwink公式)。
[0023]
该水溶性聚合物a是聚合物或共聚物。
[0024]
通常，该水溶性聚合物a可以使用本领域技术人员众所周知的任何聚合技术来获得。它特别可以是自由基聚合，溶液聚合；凝胶聚合；沉淀聚合；乳液聚合(水性或反相乳液)；悬浮液聚合；反应性挤出聚合；或胶束聚合。
[0025]
该水溶性聚合物a通常通过自由基聚合，优选通过反相乳液聚合或通过凝胶聚合而获得。自由基聚合包括使用uv、偶氮、氧化还原或热引发剂的自由基聚合，以及受控自由基聚合(crp)或基质聚合技术。这些方法是本领域技术人员众所周知的。
[0026]
根据本发明，该水溶性聚合物可具有线性、支化、星形、梳状或嵌段形结构。这些结构可通过选择引发剂、转移剂、聚合技术、引入结构单体、浓度等来获得，所述聚合技术例如是受控自由基聚合，被称为raft(可逆加成断裂链转移)、nmp(氮氧自由基介导聚合)或atrp(原子转移自由基聚合)。
[0027]
根据本发明，该水溶性聚合物a有利地是线性的或结构化的。结构化的聚合物是指非线性的聚合物，其具有侧链以便当该聚合物溶于水时获得强缠结状态，从而导致非常高的低梯度粘度。优选地，根据本发明的溶液s的粘度在2至200cps之间，它们通过本领域技术人员已知的任何方法并且优选地通过具有lv1模块的布氏粘度计在60rpm和25℃下测量。根据本发明的水溶性聚合物通常不交联。
[0028]
根据本发明，该水溶性聚合物a在其制备包括干燥步骤如喷雾干燥、转鼓式干燥、辐射干燥如微波干燥或者甚至流化床干燥时可以为液体、凝胶或固体的形式。
[0029]
优选地，该水溶性聚合物a为油包水反相乳液的形式，该乳液中的聚合物浓度相对于该乳液的重量计优选为5-60％重量，更优选为15-40％重量。
[0030]
根据另一种优选方案，该水溶性聚合物a为水性分散体的形式。该水性分散体包含该水溶性聚合物a的颗粒和至少一种选自以下的化合物：无机盐、有机盐、有机分散性聚合物及其混合物。
[0031]
施加到砂质土壤表面上的水溶性聚合物a的溶液s包含小于2000ppm、优选100-2000ppm的水溶性聚合物a。更优选地，溶液s包含300-2000ppm的聚合物a。
[0032]
本领域技术人员将知道如何选择最合适的技术来制备水溶性聚合物a的溶液s。
[0033]
有利地，溶液s还包含至少一种农学上有益的物质或至少一种能够改善植物材料的发育或生长的物质，优选选自以下的物质：肥料，激素，微生物，菌根，生长刺激剂，生长调节剂，植物检疫产品如杀真菌剂，杀虫剂，植物保护剂。优选地，当存在时，这些有益的物质以溶液s的5-150g.l-1
的量被包含在溶液s中。
[0034]
优选地，溶液s还包含至少一种无机或有机阳离子盐。例如，它可以是钠、钾、钙、铵盐。优选的盐是钾盐和钙盐。优选地，当存在时，所述盐以5-50g.l-1
的量被包含在溶液s中。
[0035]
可以使用许多技术将溶液s施加到砂质土壤的表面。在这些措施当中，可以提及可移动陆地系统如可移动喷灌加农炮，前喷杆，带有末端加农炮的搅拌器喷灌枢轴，无末端加农炮的搅拌器喷灌枢轴，固定式陆地系统如地面滴灌，埋藏式滴灌，微喷灌，该施加也可通过喷雾来实施。该施加也可以通过空中途径，例如借助于飞机、直升机、悬挂式滑翔机或无人驾驶飞机来实施。
[0036]
优选通过喷雾将溶液s施加到砂质土壤的表面。甚至更优选地，它借助于喷枪或喷洒车通过喷杆(rampes)施加。
[0037]
根据另一优选方案，可通过由飞机、直升机、悬挂式滑翔机或无人驾驶飞机进行的空中喷雾将溶液s施加到砂质土壤的表面。
[0038]
其目的是形成浸有溶液s的砂质土壤层，其厚度有利地为0.1mm-15cm，更有利地为5mm-3cm。
[0039]
不希望受限于任何理论，砂质土壤表面的高热量(特别是对于沙漠中的沙丘来说)会将浸有溶液s的层转变成对风蚀或太阳辐射(uv)不太敏感的刚性壳。
[0040]
例如，在tucson沙漠中在13点的太阳下砂的热梯度为：0-2cm：71.5℃，4cm：50℃，10cm处：35.5℃，30cm处：28.7℃。
[0041]
通过本发明方法获得的用于砂质土壤的防护屏障(
é
cran protecteur)在沙漠地区特别有效。沙漠地区可以是超干旱地区(降雨量：10-15mm水/年)，干旱地区(50-15mm/年)，半干旱地区(200-400mm/年)或干燥次湿润地区(最高600mm/年)。在沙漠地区，抑制砂迁移，其可能影响基础设施、居住区和农业区。
具体实施方式
[0042]
从以下的实施例可以显见本发明及其所产生的优点。
[0043]
实施例
[0044]
对于以下所有实施例，水溶性聚合物a
n
(n＝0-4)通过反相乳液聚合获得。它们被用作油包水反相乳液。待喷雾的溶液s通过将这种乳液添加到保持搅拌的所需量的水中来制备。
[0045]
聚合物：
[0046]
a
0
：丙烯酸钠和丙烯酰胺的共聚物(30/70％摩尔)-对比实施例
[0047]
a
1
：丙烯酸钠、丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯(hema)的三元共聚物(30/68/2％摩尔)
[0048]
a
2
：丙烯酸钠、丙烯酰胺和hema的三元共聚物(30/68/0.2％摩尔)
[0049]
a
3
：丙烯酸钠、丙烯酰胺和hema的三元共聚物(30/68/0.4％摩尔)
[0050]
a
4
：丙烯酸钠、丙烯酰胺和hema的三元共聚物(30/68/0.6％摩尔)
[0051]
实施例1：保护层和机械抗性(r
é
sistance m
é
canique)
[0052]
由500ppm的水溶性聚合物a
0
、a
1
、a
2
和a
4
制备四种单独的水溶液。在制备含有a
4
的溶液期间，加入5g.l-1
的可溶性npk肥料(20/20/20)。
[0053]
然后将这些溶液中的每一种施加到装有7mm的50-70目标准砂层的单独杯子的表面上。
[0054]
然后将杯子放在70℃的烘箱中4小时，以模拟热沙漠表面的热量。如此形成的外壳用andilog商标的标准化实验室针入度计破碎。
[0055]
当用于形成保护层的水溶性聚合物为a
1
时，测得的抗压强度为0.25kg.cm-2
，对于a
2
而言为0.65kg.cm-2
，对于包含混合物a
4
和npk的溶液而言为1.21kg.cm-2
。
[0056]
比较而言，当从由a
0
制备的溶液获得保护层时，抗压强度为0.16kg.cm-2
。
[0057]
根据本发明的方法形成的保护层是最具抗性的。
[0058]
实施例2：
[0059]
由500ppm的水溶性聚合物a
4
制备五种单独的水溶液b
0
至b
4
，其中添加阳离子盐(b
1
至b
4
)
[0060]
b
0
：500ppm的a
4
[0061]
b
1
：500ppm的a
4
，20g.l-1
的nacl
[0062]
b
2
：500ppm的a
4
，20g.l-1
的cacl
2
[0063]
b
3
：500ppm的a
4
，20g.l-1
的kcl
[0064]
b
4
：500ppm的a
4
，20g.l-1
的(nh
4
)
2
so
4
[0065]
然后将这些溶液中的每一种施加到装有7mm的50-70目标准砂层的单独杯子的表面上。
[0066]
然后将杯子放在70℃的烘箱中4小时，以模拟热沙漠表面的热量。如此形成的外壳用andilog商标的标准化实验室针入度计破碎。
[0067]
测得的抗压强度为：
[0068]
溶液b
0
为0.69kg.cm-2
[0069]
溶液b
1
为1.61kg.cm-2
[0070]
溶液b
2
为1.76kg.cm-2
[0071]
溶液b
3
为1.76kg.cm-2
[0072]
溶液b
4
为1.72kg.cm-2
[0073]
实施例3：抗风蚀性
[0074]
制备分别含有500ppm水溶性聚合物a
0
和a
4
的两种水溶液，然后将其施加到装有7mm的50-70目标准砂层的单独杯子的表面上。然后将杯子放在70℃的烘箱中4小时，以模拟热沙漠表面的热量(如实施例1)。
[0075]
安装鼓风机设备，以模拟载有或未载有砂颗粒的风的作用。已知沙漠的砂粒从5m.s-1
的风开始可移动，因此施加12m.s-1
的风来模拟沙漠中可能存在的阵风。作为参考，无论风中是否载有砂，遭受这种风的未经处理的砂杯都会在短短10分钟内损失其95％的质量。
[0076]
未载有砂的12m.s-1
的热风(70℃)被同样地施加到由聚合物溶液a
4
获得的保护层的表面。1小时后，未观察到保护层的侵蚀，并且所述杯保持了其砂的质量。
[0077]
相比之下，由水溶性聚合物a
0
处理过的杯子在1小时内损失了其2％的质量。
[0078]
在1小时内砂载荷为10g.min-1
.cm-2
的12m.s-1
的热风(70℃)(砂的磨蚀作用会增加表面的侵蚀速度)被同样地施加到由聚合物溶液a
4
获得的保护层的表面。1小时后，未观察到保护层的侵蚀，并且所述杯保持了其砂的质量。
[0079]
相比之下，由水溶性聚合物a
0
处理过的杯子在1小时内损失了其15％的质量。
[0080]
根据本发明的方法，由a
4
聚合物溶液形成的保护层强烈抵抗来自载有砂的风(例如沙漠风)的风蚀。
[0081]
实施例4：粘度测量
[0082]
由500ppm的水溶性聚合物a
0
、a
2
、a
3
和a
4
制备四种单独的水溶液。这些溶液的粘度分别为54、16、10和6厘泊。使用具有lv1模块的布氏粘度计在60rpm和25℃下测量粘度。
[0083]
由a
0
制备的溶液与由a
4
制备的溶液的粘度之间的比率几乎为10。
[0084]
实施例5：聚合物溶液的稳定性
[0085]
将包含500ppm聚合物a
4
的水溶液放入50℃的烘箱中7小时，以模拟可能的在喷雾
罐中的储存。
[0086]
然后将该溶液施加到标准砂(50-70目)上，然后送回烤箱(按照实施例1的操作程序)。测得的抗压强度(使用针入度计)为0.62kg.cm-2
。
[0087]
当将hema基聚合物喷雾溶液储存在沙漠环境中观察到的温度下时，砂保护层的强度不会受到影响。
[0088]
实施例6：聚合物溶液在砂表面的渗滤速率
[0089]
制备分别含有500ppm的水溶性聚合物a
0
和a
4
的两种水溶液，然后分别施加到刻度玻璃烧杯中所含的标准砂表面。砂表面渗滤持续时间随时间进行测量。聚合物溶液a
4
在40秒内达到5cm的阈值，而聚合物溶液a
0
在170秒内达到5cm的阈值。
[0090]
实施例7：可移动沙丘的稳定
[0091]
制备含有500ppm的水溶性聚合物a
4
的水溶液，以填充位于沙漠地区的10m
3
的槽。然后将本地种子添加到槽中。使用离心泵和喷枪将所得溶液均匀地喷雾到可移动沙丘的表面上，以施加1l.m-2
的溶液。
[0092]
几个小时后，在沙丘表面上形成深度为3mm的保护层。几个月后，保护层仍然存在，沙丘未迁移，降雨使植被在沙丘空间定植。
[0093]
实施例8：铁路路肩的稳定
[0094]
制备含有500ppm的水溶性聚合物a
4
的水溶液，以填充沙漠地区的54m
3
的罐车。将本地种子添加到槽中。使用离心泵和喷枪将所得溶液均匀地喷雾到铁路轨道的路肩的表面上，以施加1l.m-2
的溶液。
[0095]
几个小时后，在路肩的表面上形成深度达到3mm的保护层。几个月后，保护层仍然存在，路肩未迁移，并被植被定植。铁路没有被沙淤塞。
[0096]
实施例9：具有防护目的的人工沙丘的稳定
[0097]
制备含有500ppm的水溶性聚合物a
4
的水溶液，以填充沙漠地区20m
3
的槽。使用离心泵和喷枪将所得溶液均匀地喷雾到用作防护屏障的人工沙丘的表面上，以施加1l.m-2
的溶液。
[0098]
几个小时后，深度为3mm的保护层在人工沙丘的表面上形成，并且阻止其迁移。人造沙丘因此被稳定。

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