DE3118109A1

DE3118109A1 - Verfahren zur beeinflussung des wassertransports durch erdboden

Info

Publication number: DE3118109A1
Application number: DE19813118109
Authority: DE
Inventors: J. Samuel 91126 Pasadena Batchelder; Evan E. 06880 Westport Koslow
Original assignee: Koslow Technologies Corp
Current assignee: Koslow Technologies Corp
Priority date: 1980-05-08
Filing date: 1981-05-07
Publication date: 1982-02-11
Also published as: IL62827A0; GB2075576A; AU7013981A; CA1158885A; DE3118109C2; GB2075576B; IL62642A; AU537511B2; IL62642A0; JPS573881A; US4301620A

Description

DlPL-PHYS. F. ENDLICK- " " aering' 6TMaI 1981 E/m PATENTANWALT

^TEL^^F°^N: MÖNCHEN 84 3β 38

TELEGRAMMADRESSE: CABLEADDRESS:

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DIPL.-PHYS. F. ENDLICH, POSTFACH, D-8034 QERMERING TELEX: 521730 pale D

Meine Akte: K-486 8

Anmelderin; Koslow Technologies Corporation, Westport, CT₇ USA

Verfahren zur Beeinflußung des Wassertransports durch Erdboden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflußung des Wassertransports durch Erdboden mit Teilchen mittlerer und grober Korngröße.

Die Teilchen von Erdboden enthalten eine große Anzahl von Kapillarkanälen oder Poren, durch die Wasser hindurchtreten kann und können aufgrund ihrer Kapillardurchmesser eingeteilt werden. Wenn Wasser durch eine Kapillare hindurchströmt,ist der Durchfluß größer,wenn das Wasser die Innenfläche des Kapillarkanals benetzt. In der Grenzfläche zwischen Wasser und Kapillaroberfläche ist jedoch ein großer Bereich vorhanden, in dem Wechselwirkungen aufgrund von van der Waals-Kräften auftreten. Während diese Wechsel-

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wirkung sich weniger als 2 χ 10 m in das Wasser erstreckt, wird dadurch trotzdem die Benutzung der Kapillaroberfläche durch das Wasser verringert, so daß der Kontaktwinkel zwischen dem Wasser und der Kapillaroberfläche ansteigt und den Durchtritt von Wasser behindert. Während der negative Einfluß der van der Waals-Kräfte im Falle von größeren Leitungen wie Wasserleitungen vernachlässigbar ist, ist diese Wechselwirkung bei dem Durchtritt von Wasser durch Kapillarkänäle in Erdbodenteilchen von großer Bedeutung.

Es ist bekannt, daß wasserlösliche Polymere im Erdboden den Durchtritt von Feuchtigkeit erheblich ändern und das Zurückhaltungs-

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vermögen für Wasser vergrößern. Für diesen Zweck verwandbare wasserlösliche Polymere sind Polymere mit hohem Molekulargewicht wie Poly (-Äthylenoxid), Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon und Polyacrylamid (hydrolisiert oder nicht). Die Verwendung derartiger Polymere ist beispielsweise aus der US-PS 3 633 310, 3 798 838 und 3 909 228 bekannt, sowie aus der JA-PS 47-2528 (1972). Aus der US-PS 4 163 657 ist eine Zusammensetzung bekannt, die vorzugsweise aus einem substituierten Poly(-Äthylenoxid), die eine verbesserte Zurückhaitungszeit in dem Erdboden ermöglicht. Derartige wasserlösliche hydrophile Polymere steuern direkt die physikalischen Eigenschaften des im Boden enthaltenen Wassers durch Modifikation der Viskosität, der Oberflächenspannung, des Kontaktwinkels, etc. und wirken deshalb völlig anders als quervernetzte wasserunlösliche hydrophile Polymere, welche zur Aggregation von Erdbodenteilchen verwendet werden. In der genannten japanischen Patentschrift wird vorgeschlagen, daß das Poly(-Äthylenoxid) ein Molekulargewicht von 300 000 bis 5 000 000 besitzen soll entsprechend 50 bis 5OO ppm des Gewichts trockener Erde zugesetzt werden soll. In der US-PS 4 163 657 wird vorgeschlagen, daß das Polymere ein Molekulargewicht von mehr als 50 000 besitzen soll und entsprechend 5 bis 2 500 ppm des Gewichts der trockenen Erde zugesetzt werden soll. Es wird dort ferner vorgeschlagen, daß innerhalb der angegebenen Bereiche die Menge des zu verwendenden Polymeren von der Kostenanalyse abhängt, welche den Preis des Polymeren und der Erhöhung des Werts der erhaltenen Ernte berücksichtigt. Es wird also angegeben, daß größere Mengen um so besser sind, zumindest bis zu einer oberen Grenze, die durch die relative Erhöhung des Marktwerts der Ernte im Verhältnis zur Zusatzmenge bedingt ist.

Obwohl die empfohlenen Zusammensetzungen und Mengen an sich vorteilhaft verwendbar sind, wird dabei noch als nachteilig angesehen, daß die relativen Kosten zur Verbesserung des Wassertransports noch verhältnismäßig hoch sind.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung des Wassertransports durch Erdboden mit Teilchen mittlrer und grober Korngröße anzugeben, durch das wesentliche Kosteneinsparungen möglich sind. Ferner soll das Verbesserungsmittel eine geringe Auswaschrate aus dem Erdboden ermöglichen, um dadurch

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- 6 weitere Kosteneinsparungen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es wurde festgestellt, daß insbesondere in dem -breiten Bereich von 5 bis 2 500 ppm und in dem bevorzugten Bereich von 5 bis ppm (US-PS 4 163 657) , für ein spezielles der vielen genannten Polymeren ein teilweise überlappender Bereich· von 0,05 bis 20 ppm vorhanden ist, in dem sich eine Bodenverbesserung hinsichtlich eines verbesserten Wassertransports bei mittleren bis groben Korngrößen ergibt, bei dem eine vergleichbare oder überlegene Verbesserung des Wassertransports mit erheblich niedrigeren Kosten erzielbar ist.

Speziell wurde festgestellt, daß bei einer Erhöhung der Menge der Zusammensetzung von dem unteren Teil des Bereichs gemäß der Erfindung zu dem oberen Teil des Bereichs gemäß der Erfindung die Wasseitransportrate (bezogen auf die prozentuale Erhöhung der Ausbeute innerhalb eines Bereichs der Steuerung) schnell einen Scheitelwert erreicht und dann stark abfällt. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Erhöhung der prozentualen Ausbeute pro Gewichtseinheit des verwendeten Polymeren stark ansteigt, und nach Erreichung eines Scheitelwerts wieder stark abfällt, falls der erfindungsgexnäße Bereich eingehalten wird. Obwohl die Erhöhung des Wassertransports (relativ zu einer Steuerung), die aus der Verwendung der Zusammensetzung gemäß der Erfindung bei Mengen resultiert, die viel größer als in dem erfindungsgemäßen Bereich sind, die absolute Erhöhung im Scheitelbereich überschreiten kann, wird die prozentuale Erhöhung pro Gewichtseinheit des Polymeren oder pro Währungseinheit für deren Kaufpreis beim Gegenstand der Erfindung wesentlich geringer. Selbst wenn beispielsweise eine gleiche Verbesserung des Wassertransports bei 250 Gewichtseinheiten pro Flächeneinheit gemäß dem bekannten Stand der Technik erzielt wird, wie bei 10 Gewichtseinheiten pro Flächeneinheiten entsprechend dem Gegenstand der Erfindung, ergibt sich für den Landwirt derselbe Vorteil für nur 4% der Kosten. Daneben ergibt sich zusätzlich der Vorteil, daß die Investitionskosten geringer sind, weil durch den Landwirt nur eine wesentlich geringere Menge der

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Chemikalien gekauft, transportiert, gespeichert und zugegeben werden müssen.

Dieser Vorteil ist sowohl bei substituierten als auch bei unsubstituierten Polymeren von Äthylenoxid mit einem Molekulargewicht von mehr als 50 000, vorzugsweise zwischen 300 000 und 7 000 000 zu erzielen, wobei das Polymere in dem Erdboden mit einer Menge von mindestens 0,05 ppm des trockenen Erdbodens, aber mit weniger als 20 ppm und vorzugsweise mit weniger als 5 ppm vorhanden ist.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Dreieck-Diagramm entsprechend der Zusammensetzung des Erdbodens, in dem in gestrichelten Linien der Bereich der Wirksamkeit des Polymeren eingetragen ist;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der prozentualen Erhöhung der Ausbeute in Abhängigkeit der Menge des Verbesserungsmittels pro Flächeneinheit;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Erhöhung der prozentualen Ausbeute pro Gewichtseinheit des Polymeren in Abhängigkeit von der zugesetzten Menge pro Flächeneinheit;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Durchflußrate in Abhängigkeit von der pro Flächeneinheit zugesetzten Menge des polymeren Materials; und

Fig. 5 eine grafische Darstellung des Ernteertrags (Tonnen pro Hektar) in Abhängigkeit von dem ppm-Zusatz des polymeren Materials.

Eine zur Bodenverbesserung dienende Zusammensetzung gemäß der Erfindung enthält im wesentlichen ein in der Hauptsache lineares, wasserlösliches hydrophiles Polymeres mit einem Molekulargewicht von mehr als 50 000. Das Polymere muß nicht vollständig linear sein, da kleine Menge von Verzweigungen annehmbar sind, sofern diese die Wasserlöslichkeit nicht zu weitgehend herabsetzen.

Gemäß der Erfindung verwendbare Polymere sind die Polymere von Äthylenoxid, nämlich die Homopolymere von Äthylenoxid (also Poly (-Äthylenoxid), im folgenden PÄO genannt) und die Copolymeren von Äthylenoxid mit geringeren Mengen von einem mehreren Comonomeren. Bevorzugte Comonomere sind diejenigen, deren Homopolymere bereits

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als verwendbar für Bodenverbesserung und zur Erhöhung des ZurückhaltungsVermögens für Wasser und des Durchflusses bekannt sind, beispielsweise Vinylalkohol, Vinylpyrrolidon, Vinylacetat, Acrylsäure, Oxyäthylenlaurylather, Oxyäthylen-Sorbitanmonooleat und Acrylamid.

PÄ"O ergibt nicht nur einen maximalen Vorteil für den Erdboden durch Verwendung der kleinsten Masse des Materials, sondern ist auch für Säugetiere praktisch nicht giftig und ohne weiteres erhältlich. Geeignete Comonomere umfassen die im folgenden genannten substituierten Comonomere. Vorzugsweise ist das Gesamtgewicht der Comonomeren (einschließlich der substituierten und nicht substituierten Comonomere) nicht größer als 5 Gewichts-% des Copolymeren und das Vorhandensein des Comonomeren oder der Comonomeren beeinträchtigt nicht die Bildung von beträchtlichen Längen von reinen PA'O-Ketten.

Verwendbare Polymere sind solche, die beim Einbringen in ein hoch polares Lösungsmittel wie Wasser die Bildung von eisförmigen Strukturen von Wasser begünstigen, welche die Polymermoleküle umgeben. Eine weitere Erläuterung dieser theoretischen Anforderung soll bei der folgenden Erläuterung der theoretischen Wirksamkeit der Erfindung erfolgen. Zahlreiche Chemikalien, die wasserlösliche , lineare Makromoleküle mit hohem Molekulargewicht und nicht ionische oberflächenaktive Mittel umfassen, wurden hinsichtlich ihrer Nützlichkeit für das Verfahren gemäß der Erfindung geprüft. Die durchgeführten Prüfungen zeigten, daß diese Polymeren und oberflächenaktiven Mittel unwirksam sind, vermutlich weil sie ein nicht ausreichendes Molekulargewicht haben, zu große Bindungskräfte (Adsorption) für die Teilchen von Erdboden, oder eine nicht geeignte molekulare Struktur. Bei zu geringem Molekulargewicht muß die Chemikalie in sehr hohen Konzentrationen zugesetzt werden, weil die Hauptmenge eindringt und in kleinen Kapillaren innerhalb des Bodens verloren geht, welche nicht wesentlich zu einem Wassertransport beitragen. Andere Probleme treten auf, wenn die Chemikalie stark an der · Oberfläche der Bodenmatrix anhaftet und nicht in die wäßrige Phase gelangen kann. In derartigen Fällen ergibt sich, daß das Polymere schnell an dem Boden anhaftet, aber nicht den langen Bereich der van der Waals-Kräfte modifiziert, die in der Flüssigkeit auftreten. Schließlich sind viele Makromoleküle

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nicht dazu geeignet, die Bildung der genannten Strukturen zu ermöglichen. Derartige Polymere haben nicht die Eigenschaft, den Wassertransport im Boden wirksam zu beeinflußen, und sind deshalb für die interessierende Bodenverbesserung nicht geeignet.

Um ein schnelles Auswaschen des Polymeren aus dem Erdboden zu verhindern, hat das Polymere vorzugsweise mindestens eine funktioneile Gruppe in der Polymerkette. Zu diesem Zweck kann das Polymere durch geeignete Substitution bei irgendeinem der Polymeren der oben beschriebenen Art hergestellt werden, oder durch Copolymerisation des Äthylenoxid-Monomeren mit einem oder mehreren substituierten Comonomeren, welche die funktionelle Gruppe enthalten, wie beispielsweise Epichlorhydrin.

Die bevorzugten funktionellen Gruppen sind die Amine, Amide, quaternäre Ammoniumsalze, Sulfide, Bisulfide, Halogenide, Zyanide und Phosphate. Vorzugsweise finden Halogenide Verwendung. Da der Zweck der funktionellen Gruppe darin besteht, daß Polymere mit einem Teil zu versehen, welcher das Polymere an einer immobilen festen Bodenphase befestigt, wozu zu bemerken ist, daß eine Vielzahl von unterschiedlichen Mechanismen vorhanden sind, die für sich oder gemeinsam wirksam sind, um die funktionelle Gruppe mit der festen Bodenphase zu verbinden, sind die verwendbaren funktionellen Gruppen nicht auf die oben aufgeführten Gruppen beschränkt. Gegebenenfalls wirksame Mechanismen sind beispielsweise Wasserstoffbindungen (begünstigt durch die Anwesenheit von hoch polaren Gruppen oder ladungübertragenden Gruppen an den Bindungsstellen) , Ligandenaustausch, Ionenaustausch, Chemisorption (wobei eine tatsächliche chemische Reaktion zwischen dem Polymeren und der Feststoffphase erfolgt), Nahbereiche der von der Waals-Bindekräfte (begünstigt durch Erhöhung des Molekulargewichts des Polymeren), sowie London-Wechselwirkungen. Derartige zwischenmolekulare Kräfte werden oft als hydrophobe Bindungen bezeichnet und werden in wäßrigen Systemen mit Polymeren begünstigt, die hydrophobe Teile wie langkettige gesättige oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe, aromatische Bestandteile, etc. aufweisen, welche mit dem hydrophoben organischen Material in der Feststoffphase in Wechselwirkung treten.

Deshalb sind typische funktionelle Gruppen hydrophobe Gruppen, chemisch reaktive Gruppen, hoch polare Gruppen oder stark

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kationische Gruppen (wie quaternäre Ammoniumsalze). Derartige Feststoffphase-Bindemechanismen sind näher erläutert in "Organic Chemicals in the Soil Environment", Band 1, C.A.I. Goring, Herausgeber Marcel Dekker Inc., New York 1972.

Um ein Auswaschen des Polymeren zu verhindern, muß die Polymerkette einen oder mehrere Polymerkettenabschnitte aufweisen, die durch das Fehlen der funktioneilen Gruppen gekennzeichnet sind, sowie eine minimale Länge. Wenn der Polymerkettenabschnitt an nur einem der Enden davon mit einer der funktionellen Gruppen verbunden ist, (wobei das andere Ende typisch das Ende der Polymerkette definiert), beträgt die minimale Länge 0,1 Mikrometer. In diesem Fall ist die funktionelle Gruppe (die gewöhnlich, aber nicht notwendig am einen Ende -^:der Polymerkette vorhanden ist) ein'Mittel, zur -Befestigung der Polymerkette an der Feststoffphase, wobei der Polymerkettenabschnitt in die wäßrige Phase eintreten kann. Wenn der Polymerkettenabschnitt an jedem Ende davon mit einer betreffenden der funktionellen Gruppen verbunden ist, beträgt die minimale Länge mindestens 0,2 Mikrometer. In diesem Fall befestigen die beiden funktionellen Gruppen, die an den Endendes Polymerkettenabschnitts befestigt sind, die Enden der Feststoffphase und deshalb muß der Polymerkettenabschnitt die doppelte Länge haben, die im Falle der Befestigung des Polymerkettenabschnitts an einer funktionellen Gruppe angrenzend nur an einem Ende davon beschrieben wurde, um zu ermöglichen, daß der Polymerkettenabschnitt sich genauso weit in die wäßrige Bodenphase erstreckt. Eine gegebene Polymerkette kann eineMischung von Polymerkettenabschnitten enthalten, die aus einem oder mehreren der ersten Art von Polymerkettenabschnitten und/oder einem oder mehreren der zweiten Art von PοIymerkettenabschnitten bestehen. Vorzugsweise hat die Polymerkette die funktionellen Gruppen am einen oder an beiden Enden davon angeordnet. Wenn nur eine funktionelle Gruppe vorhanden ist, ergibt sich ein Polymerkettenabschnitt der ersten Art. Wenn zwei funktionelle Gruppen (eine an jedem Ende der Polymerkette) vorhanden sind, ergibt sich ein Polymerkettenabschnitt der zweiten Art.

Funktionelle Gruppen können auch unmittelbar angrenzend aneinander angeordnet sein (z.B. als Teil eines Blockpolymeren) oder um weniger als 0,1 Mikrometer Länge der Polymerkette. Im letzteren Fälle ist jedoch der Teil der Polymerkette zwischen den beiden

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funktionellen Gruppen nicht als Polymerkettenabschnxtt entsprechend der Erfindung qualifiziert, da sie sich nicht ausreichend in die wäßrige Bodenphase zur Unterstüztung des Wassertransports erstrecken kann. Deshalb besteht der Zweck des vorzusehenden Abstands der funktioneilen Gruppen entlang der Polymerkette darin, daß gewährleistet ist, daß zumindest ein Teil des Polymeren (die funktioneile Gruppe) das Polymere an der Feststoffphase des Erdbodens befestigen kann, und daß mindestens ein Teil (derjenige Teil der Polymerkette zwischen zwei funktioneilen Gruppen oder zwischen einer funktioneilen Gruppe und einem Kettenende) sich in die wäßrige Erdbodenphase erstrecken kann. Die gewünschte Länge des Polymerkettenabschnitts wird von Größen wie der Größe der Bodenporen bestimmt, in der sich dieser erstreckt, speziell von der Größe der Poren, auf die eine Beeinflußung erfolgen muß, um den verbesserten Wassertransport zu erzielen.

Vorzugsweise hat jeder Polymerkettenabschnxtt eine Länge von etwa 50 bis 250 Mikrometer, obwohl längere Polymerkettenabschnxtte ebenfalls verwendbar sind.

Die interessierenden Polymeren können mit Hilfe bekannter Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann mit Chlor substituiertes Poly(-Äthylenoxid) durch Auflösung eines Poly(-Äthylenoxid)-Homopolymeren in Pyrridin und Reaktion der Lösung mit Phosphortrichlorid (PCl₃) hergestellt werden. Das resultierende Produkt wird getrocknet, in destilliertem Wasser gelöst, durch qualitatives Filterpapier filtriert und in Chloroform extrahiert. Das Extrakt wird dann getrocknet, und gewünschtenfalls wieder in destilliertem Wasser aufgelöst. Das resultierende Produkt enthält etwa 3% des substituierten Polymeren, nämlich Poly(-Äthylenoxid) mit einer oder zwei Chlor-Endgruppen. Der Rest ist ein unsubstituiertes Polymeres, nämlich Poly (-Äthlyenoxid).

Ein bevorzugtes Copolymeres der interessierenden Art kann durch Reaktion eines Blockpolymeren von Epichlorhydrin mit einem Äthylenepoxid gebildet werden, um das langkettige wasserlösliche Polymere zu züchten. Die Chlorgruppen des Blockpolymeren werden dann weiter beispielsweise mit Ammoniakalkohol, Zyanwasserstoff, etc. zur Reaktion gebracht, um die ausgewählten speziellen Bindungsstellen zu erhalten, beispielsweise Amine, Alkylgruppen oder Cyanide. Es ist zu beachten, daß die Auswahl der Comonomeren durch

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das Erfordernis beeinflußt wird, daß das resultierende Polymere wasserlöslich bleiben muß.

Während das Vorhandensein oder Fehlen der funktioneilen Gruppe an der Polymerkette in erster Linie die Auswaschrate des Polymeren beeinflußt, ist es ein kritisches Merkmal der Erfindung, daß das Polymere in dem Boden mit weniger als 20 Gewichtsteilen pro einer Million Teilchen des trockenen Bodens vorhanden ist, vorzugsweise mit weniger als 5 ppm. Da 1 ppm des Polymeren pro Million Teilen des trockenen Bodens etwa 2,2 kg des Polymeren pro ha des trockenen Bodens entspricht (2 lbs. pro Acre), werden beim Gegenstand der Erfindung weniger als 44,8 kg/ha des trockenen Bodens verwendet (40 lbs./Acre), und vorzugsweise weniger als 11,2 kg/ha. Das Verhältnis des Polymeren zum Boden basiert auf dem Gewicht des Bodens nach der Sättigung auf Feldkapazität und Entwässerung. Ein Betrag von weniger als 0,05 ppm würde eine zu geringe Verbesserung des Wassertransports bewirken, weshalb dieser Betrag die untere Grenze bildet.

In der Praxis wird die Zusammensetzung zur Bodenverbesserung in geeigneten Mengen zugegeben, um eine Konzentration in dem Boden zu erzielen, die etwa dem Scheitelwert entspricht, und vorzugsweise etwas geringer als dieser Betrag ist. Um die optimale relative Menge des Polymeren zu bestimmen, ist es lediglich erforderlich, die Standardfunktion des Ernteertragswerts für das betreffende Polymere in dem betreffenden Boden zu bestimmen. Beispielsweise können eine Anzahl von Versuchsäckern mit unterschiedlichen Mengen des Polymeren zwischen 0,05 und 20 ppm versehen werden. Die entsprechende Ausbeute bei jedem Anwendungsfall ergibt die Ernteertragsfunktion. Die optimale Menge wird durch einen gut definierten Scheitelwert bestimmt, der die höchste Ausbeute bei geringster Menge des Polymeren beinhaltet.

Obwohl es nur erforderlich ist, daß das Polymere ein Molekulargewicht von mehr als 50 000 für die Zwecke der Erfindung aufweist, werden Molekulargewichte zwischen 300 000 und 7 000 000 bevorzugt. Höhere Molekulargewichte halten die Aufnahme des Polymeren durch die kleineren Bodenporen minimal und ermöglichen deshalb, daß sich das polymere Material in den mittleren und größeren Bodenporen konzentriert, welche die Hauptmenge des Wassers transportieren

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und wo das polymere Material zur Verbesserung der gesamten Wassertransportrate am wirksamsten ist.

Entsprechend der grafischen Darstellung in Fig. 1 kann die Bodenzusammensetzung durch Punkte in einem Dreieck gekennzeichnet werden, dessen Ecken Ton, Sand bzw. Schluff betreffen. Wie durch die ausgezogenen Linien dargestellt ist, kann der Boden durch einen
der drei Textur-Klassifikationen gekennzeichnet werden, welche
durch die U.N. Food and Agricultural Organization definiert wurden. Klasse 1 (grobe Korngröße), Klasse 2 (mittlere Korngröße)
und Klasse 3 (feine Korngröße). Deshalb würde reiner feiner Sand, der einen inneren Porendurchmesser von etwa 10 cm aufweist, als grobkörniger Boden, und reiner Ton, der einen inneren Porendurch-

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messer von etwa 10 cm aufweist, als feinkörniger Boden betrachtet. Gewisse Mischungen von Ton und Sand, allein oder in Kombination mit Schluff, wird als Boden mit mittlerer Korngröße betrachtet. Aus praktischen Gründen wird Boden nicht auf der Basis der
Teilchengröße oder Korngröße als feinkörnig, mittelkörnig oder
grobkörnig betrachtet, sondern aufgrund der mehr empirischen Basis, wie schnell der Boden entwässert wird. Neben den ausgezogenen Linien sind in der Figur gestrichelte Linien enthalten, welchen den Bereich begrenzen, in dem das Polymere gemäß der Erfindung am nützlichsten ist, wobei der Bereich darunter und links davon den Bereich mit maximalem Wirkungsgrad des Polymeren beinhaltet. Gemäß der Erfindung wird das Polymere nicht bei feinkörnigem Boden verwendet, weil die Bodenporen zu klein sind. Ein Grund dafür ist darin zu sehen, daß große Mengen des Polymeren erfordere
lieh wären, um den gewünschten Effekt in allen der vielen kleinen Poren zu erzielen, so daß der Einfluß auf den Wassertransport durch eine derart große Menge des Polymeren in den kleinen Poren nur
eine geringe Wirkung auf die Gesamtmenge des transportierten Wassers hätte, weil das Volumen des durch die kleinen Poren transportierten Wassers im Vergleich zu dem durch die großen und mittleren Poren transportierten Wasser verhältnismäßig gering ist. Aus diesem Grund wird die Verwendung eines Polymeren mit einem großen
Molekulargewichts (300 OOObis 7 000 000 Einheiten) vorgezogen,
weil ein derartiges Polymeres nicht in die kleinen Poren eindringen kann und deshalb sich in der Hauptsache in den mittleren und
großen Poren ansammelt.

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Im folgenden soll eine theoretische Erläuterung des Einflusses der Bodenverbesserung hinsichtlich des Wassertransports erfolgen, obwohl die Ausführbarkeit der Erfindung nicht von der Richtigkeit dieser Theorie abhängen muß. Polymere der interessierenden Art können den Wassertransport aufgrund von zwei unterschiedlichen Mechanismen modifizieren. Der eine Mechanismus betrifft die Modifikation der Eigenschaften der Gesamtmenge des durch den Boden fließenden Wassers. Um dieses große Wasservolumen zu modifizieren, sind beträchtliche Menge des Polymeren erforderlich, beispielsweise 5 bis 2 500 ppm, wie beim bekannten Stand der Technik. Beim derartigen Mechanismus ist die Wirkung um so besser, je größer die Menge des zugesetzten Polymeren ist, um einen verbesserten Wassertransport zu erzielen, welche Mengen jedoch so groß sein können, daß die Materialkosten höher als die erzielten Kostenvorteile bei der Erhöhung des Ernteertrags sind. Da die Erfindung nicht die Verwendung des Polymeren bei Mengen entsprechend diesem Gesamtmechanismus betrifft, erscheinen weitere Erläuterungen der Wirksamkeit bei derartigen Mengen des Polymeren nicht erforderlich. Der zweite Mechanismus ist der sogenannte Oberflächeneffekt-Mechanismus. Um diesen Oberflächeneffekt zu erzielen, ist es lediglich, erforderlich, die Eigenschaften des Wassers an der Grenzfläche zwischen Wasser und Poren zu modifizieren, durch die das Wasser hindurchtritt. Deshalb sind wesentlich geringere Mengen des Polymeren erforderlich und es wird nach dem Prinzip gearbeitet, daß weniger besser ist. Zur Erläuterung des Oberflächeneffekts wird davon ausgegangen, daß eine van der Waals-Barriere vorhanden ist, wenn Wasser eine Oberfläche zu benetzen versucht, wie die Innenfläche einer Pore des Bodens. Dieser metastabile Bereich der Wasserschichtdicke bewirkt eine Behinderung des Wasserdurchflusses in porösen Medien für Wasserfilme, die dünner als etwa 2 χ 10 cm sind. Die Polymeren gemäß der Erfindung haben eine ungewöhnliche Konfiguration, so daß sie in einem hoch polaren Lösungsmittel wie Wasser die Ausbildung von eisförmigen Strukturen von Lösungsmittel begünstigen, welche das polymere Molekül umgeben. Dieser Einfluß des Polymeren auf das Wasser bewirkt eine Änderung der Dielektrizitätskonstanten des Wassers, wodurch die Wechselwirkung des Wassers mit der Porenoberfläche modifiziert wird und die van der Waals-Barriere für das Benetzen durchbrochen wird.

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Deshalb kann durch die Poren das Wasser ohne Behinderung durch van der Waals-Kräfte fließen, so daß das Wasser die Porenoberfläche selbst dann benetzt, wenn die Filmdicke weniger als 2 χ 1Ο~ cm ist. Nur kleine Materialmengen sind zur Erzielung des Oberflächeneffekts erforderlich, wodurch sich der ausgeprägte Scheitelwert ergibt. Neben der Erzeugung des gewünschten Oberflächeneffekts wird jedoch auch eine Erhöhung der Viskosität des Wassers bewirkt, und es treten verschiedene andere Effekte auf, die schließlich zu Schwierigkeiten hinsichtlich des Wasserdurchflusses führen. Wenn deshalb die Menge des Polymeren über die Menge ansteigt, die «..zur Überwindung der van der Waals-Wechselwirkungskräfte erforderlich ist, haben weitere Erhöhung der Mengen des Polymeren einen negativen Einfluß auf die Durchflußrate des Wassers, wodurch der scharfe Abfall von dem Scheitelwert bewirkt wird. An einer gewissen Stelle nach dem Scheitelwert bewirkt eine Erhöhung der Konzentration des Polymeren den Gesamtmechanismus so stark, daß teilweise die negativen Einflüsse der Erhöhung überwunden werden und die Durchflußrate wieder ansteigt, also aufgrund des zuerst beschriebenen Gesamtmechanisiaus. Da der Oberflächeneffekt-Mechanismus und deiGesamtmech ani smus völlig unter-, schiedlich sind, kann die schließlich mögliche Verbesserung der Durchflußrate aufgrund des Gesamtmechanismus weniger als, gleich wie oder größer als der maximale resultierende Effekt des Oberflächeneffekts sein. Eine gleiche Verbesserung mit Hilfe des Gesamtmechanismus wird jedoch nur durch die Verwendung einer vielfachen Materialmenge im Vergleich zu dem Fall erzielt, wenn die gleiche Verbesserung durch den Oberflächeneffekt bewirkt wird.

Es ist ersichtlich, daß weder der Oberflächeneffekt-Mechanismus noch der Gesamtmechanismus den bekannten charakteristischen Mechanismus konventioneller Benetzungsmittel betreffen. Der Wirkungsgrad der Erfindung ist am deutlichsten erkennbar, wenn die Dicke des Wasserfilms in dem Boden 1,5 χ 1O~ cm oder weniger beträgt (was in einem typischen Boden einen Gesamtwassergehalt von etwa 12,5 Gewichts-% entspricht). Bei derartigen Filmdicken wird alles durch die Bodenporen fließende Wasser stark durch die van der Waals-Wechselwirkungskräfte beeinflußt. Während also der Wasserdurchfluß durch den unbehandelten Boden bei oder unter 12,5% Wassergehalt stark behindert wird, wird oberhalb eines gewissen sehr

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niedrigen Feuchtigkeitsgehalts, wobei der Boden sehr stark das Porenwasser absorbiert, erzielt daß der mit einem Polymeren behandelte Boden eine erhöhte Fähigkeit für einen Wasserdurchlaß aufweist. Im folgenden sollen einige spezielle Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Beispiel I

Auf einem Acker mit einer Länge von etwa 65 m und einer Breite von 8 m und mit Howard 1-Lehmboden (mittelkörniger Boden der Klasse 2) wurden Lanco-Sojabohnen gepflanzt. Die Saat wurde in einem Abstand von 7,5 cm in Reihen mit einem Abstand von 1 m ausgesät. Die bei jedem Versuch verwendeten Reihen, gewöhnlich diejenige in einem Abstand von dem Rand des Ackers und getrennt voneinander durch eine Schutzreihe, wurden in neun 6,5 m Abschnitte unterteilt und jeder Abschnitt der Reihe wurde mit einer unterschiedlichen Menge Poly(-Äthylenoxid) mit einem Molekulargewicht von 5 000 behandelt. Das Material wurde als trockenes Pulver auf die Oberfläche des Bodens in einem Abstand von 0,4 m auf beiden Seiten der Reihe aufgetragen. Das Material wurde bei der Anpflanzung zugegeben. Es erfolgten übliche Behandlungen, um Nährstoffe zuzuführen und um das Entstehen von unkraut zu steuern. Das Wachstum der Pflanzen in jedem Abschnitt wurde nach der Ernte der gereiften Pflanzen aufgezeichnet. Die unterschiedlichen Konzentrationen des Materials wurden in jeweils fünf voneinander getrennten Bereichen zugegeben.

Um den Einfluß von veränderlichen Größen wie Klimabedingungen auszuschalten, ist in Fig. 2 die prozentuale Erhöhung der Ausbeute relativ zu einem Vergleichsversuch ohne den Zusatz eines Polymeren in Abhängigkeit von der aufgetragenen Menge pro Flächeneinheit (in Einheiten von lbs/acre = 1,1 kg/ha) angegeben. In Fig. 3 ist auf der Abszisse die prozentuale Erhöhung der Ausbeute pro 0,454 kg angegeben, die zur Erzielung dieser Erhöhung der Ausbeute erforderlich ist. Ein Vergleich von Fig. 2 und 3 zeigt, daß gemäß Fig. 2 zwar eine beträchtliche Erhöhung der Ausbeute bei Mengen von mehr als 100 Einheiten (110 kg/ha) erzielbar ist, daß aber gemäß Fig. 3 bei derartig großen Mengen pro Flächeneinheit keine wesentliche Erhöhung der prozentualen Ausbeute pro Gewichtseinheit erzielbar ist. In den dem Anmeldungsgegenstand entsprechenden Bereichen mit weniger als 40 Einheiten (44 kg/ha) ergibt sich da-

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- 17 gegen ein ganz beträchtlich verbesserter Wirkungsgrad.

Auch Versuche mit anderen Pflanzen bei Erdboden mit mittlerer und grober Korngröße ergaben vergleichbare Ergebnisse mit Molekulargewichten des Materials zwischen 300 000 und 7 000 000.

Beispiel II

Eine Probe von sandigem Windsor-Lehmboden wurde mit 50 ml einer Lösung gesättigt, die eine bekannte Menge von Poly(-Äthylenoxid) mit einem Molekulargewicht von 5 000 000 enthielt. Nach dem Austrocknen nach etwa einer Woche wurde die Erde in gleichförmiger Weise in einem zylindrischen Gefäß mit etwa 3,6 cm Durchmesser für eine Dichte von etwa 1,2 - 1,4 g/cm (abhängig von der Art der Probe) verpackt. Die Probe enthielt etwa 4-6% Wasser. Das zylindrische Gefäß wurde vertikal angeordnet und durch Eintauchen in Wasser wurde durch Kapillarwirkung Wasser aufgenommen. Der Vorteil der sichtbaren Benetzung entlang der Säule aus Erde wurde gegen die Wurzel der verstrichenen Zeitspanne aufgetragen, um eine Gerade zu erhalten, deren Anstieg die Boltzmann-Transformation für den Wassertransport durch die Pore ist. In Fig. 4 ist auf der Ordinaten die normierte quadratische Boltzmann-Transformation aufgetragen und auf der Abszisse die Menge des zugegebenen Materials pro ha (in Einheiten von 1,1 kg/ha). Die ausgezogene Linie betrifft ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei dem Poly(-Äthylenoxid) mit einem Molekulargewicht von 5 000 000 zugegeben wurde. Die gestrichelt dargestellte Linie betrifft die Zugabe eines bekannten Benetzungsmittels zu Vergleichszwecken.

Beispiel III

Die Versuche entsprechend Beispiel I wurden wiederholt und in Verbindung mit Getreideanbau anstelle von Sojabohnen durchgeführt. In Fig. 5 ist das Produktgewicht in t/ha in Abhängigkeit von dem Materialzusatz in ppm aufgetragen. Mit Hilfe dieser halblogarithmischen Darstellung ist die deutliche Ausbildung eines Scheitelwerts bei geringen Konzentrationen des zugesetzten Materials erkennbar, ebenso der Einfluß des Gesamtmechanismus bei nachteilig hohen Konzentrationen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist sowohl bei Brachland als auch bei kultiviertem Land zur Verbesserung und Steuerung des Wassertransports anwendbar. Im Brachland soll die Ansammlung von

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Wasser für das folgende Erntejahr ermöglicht werden, welches Vorgehen vor allem bei trockenem Land verwendet wird. Obwohl das Verfahren gemäß der Erfindung bei Brachland den Wassertransport begünstigt, ist der Hauptvorteil in Verbindung mit Brachland nicht die Begünstigung des Wassertransports, sondern die Steuerung des Wassertransports, also insbesondere die Verringerung des Wasserflusses aufgrund unproduktiver Verdampfung von der Bodenoberfläche. Während die Steuerung der Verdampfung (also die Steuerung des Wassertransports nach oben von der Bodenoberfläche) eine Hauptrolle bei der Verbesserung von Brachland durch Behandlung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung spielt, spielt sie nur eine unterge- . ordnete Rolle bei der Verbesserung von kultiviertem Boden durch Behandlung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung (wie in Treibhäusern, in denen ein Feuchtigkeitsverlust durch Verdampfung möglichst weitgehend vermieden wird). Es wird angenommen, daß die Steuerung des Wassertransports (also die Steuerung der Verdampfung) bei der vorliegenden Verbindung eng mit der Begünstigung des Wassertransports in Verbindung steht, da gemäß beiden Merkmalen der Erfindung sich ähnliche und im allgemeinen zusammenfallende Scheite lwerte in dem Bereich ergeben, in welchem vorteilhaft geringe Menge in ppm bzw. pro Flächeneinheit zugesetzt werden.

Durch die Erfindung wurde deshalb ein Verfahren geschaffen, durch das der Wassertransport durch mittelkörnigen und grobkörnigen Boden begünstigt und gesteuert wird, indem wirtschaftliche Mengen eines Bodenverbesserungsmittels verwendet werden, das gewünschtenfalls derart ausgewählt werden kann, daß sich eine geringe Auswaschrate aus dem Boden ergibt, so daß das Material sogar noch kostensparender eingesetzt werden kann. Das Verfahren ermöglicht, daß der Wasserbedarf wachsender Pflanzen wirksamer durch angrenzende oder entfernte Grundwasservorräte etc. befriedigt werden kann.

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Claims

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Meine Akte: K-486 8

Anmelderin; Koslow Technologies Corporation, Westport, CT, USA

Patentansprüche

Verfahren zur Beeinflußung des Wassertransports durch Erdboden mit mittlerer und grober Korngröße, bei dem ein Bodenverbesserungsmittel zugesetzt wird, das ein im wesentlichen lineares und weitgehend wasserlösliches, hydrophiles Polymeres aus Äthylenoxid mit einem Molekulargewicht von mehr als 50 000 enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 0,05 aber weniger als 20 Teile pro Million Gewichtsteilen des trockenen Bodens zugesetzt werden.

Verfahren nach Anspruch 1 zur Begünstigung und Steuerung des Wassertransports durch Erdboden mit mittlerer und grober Korngröße, dadurch gekennzeichnet, daß das in unterschiedlichen relativen Mengen von mindestens 0,05 aber weniger als 20 ppm des trockenen Bodens zugeführte Verbesserungsmittel einen ausgeprägten Wirkungsgrad-Scheitelwert bei einer gegebenen relativen Menge aufweist, und daß die zugeführte Menge zumindest angenähert dem Scheitelwert entspricht,

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere eine oder mehrere funktionel-Ie Gruppen aufweist, die entlang der Polymerkette angeordnet sind, daß die Polymerkette einen oder mehrere Abschnitte aufweist, die durch das Fehlen der funktioneilen Gruppe darin und eine minimale Länge gekennzeichnet sind, daß die minimale Länge

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des Polymerkettenabschnitts mindestens 0,1 Mikrometer beträgt, wenn der Polymerkettenabschnitt an keinem der funktioneilen Gruppen an jedem Ende davon oder an einer der funktioneilen Gruppen nur am einen Ende davon befestigt ist, und daß die Länge mindestens 0,2 Mikrometer beträgt, wenn der Polymerkettenabschnitt an einer betreffenden der funktionellen Gruppen an jedem Ende davon befestigt ist, wobei die fonktionelle Gruppe oder die funktioneilen Gruppen besser eine Befestigung des Polymeren an einer Feststoffphase ermöglichen als der Polymerkettenabschnitt, und wobei der Polymerkettenabschnitt dazu geeignet ist, sich in eine wäßrige Phase des Boden zu erstrecken.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere aus der Gruppe ausgewählt ist, welche substituierte oder nicht substituierte Homopolymere von Äthylenoxid und Copolymere von Äthylenoxid mit kleineren Mengen von einem oder mehreren substituierten oder nicht substituierten Comonomeren enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere substituiertes Poly(-Äthylenoxid) ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere unsubstituiertes Poly (-Äthylenoxid) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6, d a -■ durch gekennzeichnet, daß das Polymere ein Molekulargewicht zwischen 300 000 und 7 000 000 aufwdst.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 und 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere dem Boden mit einer Menge entsprechend weniger als 5 ppm zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anispruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere mit einer Menge entsprechend oder etwas unter dem Scheitelwert zugeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbesserungsmittel vor der eigentlichen Anwendung Erde derselben allgemeinen Art in unterschiedlichen relativen Mengen entsprechend mindestens 0,05 aber

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weniger als 20 ppm des trockenen Bodens zugeführt wird, um die relative Menge zu bestimmen, bei der ein ausgeprägter Scheitelwert des Wirkungsgrads vorhanden ist.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelwert durch Bestimmung der prozentualen Erhöhung der Ausbeute relativ zu einem Vergleichsversuch ermittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelwert mit Hilfe der prozentualen Erhöhung der Ausbeute pro Gewichtseinheit des zugesetzten Polymeren bestimmt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere ein Copolymeres von Äthylenoxid mit kleineren Anteilen von einem oder mehreren nichtsubstituierten Comonomeren ist.

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