DE3118109C2 - Verfahren zur Beeinflußung des Wassertransports durch Erdboden - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Begünstigung des Wassertransports durch mittelkörnigen und grobkörnigen Boden beschrieben, bei dem ein Verbesserungsmittel mit weniger als 20 ppm pro Gewicht des trockenen Bodens zugeführt wird, vorzugsweise weniger als 5 ppm. Die Zusammensetzung enthält ein im wesentlichen lineares, weitgehend wasserlösliches, hydrophiles Polymeres mit einem Molekulargewicht von mehr als 50000. Ein bevorzugtes Polymeres ist Poly(-Äthylenoxid) mit einem Molekulargewicht zwischen 300000 und 7000000.

Description

Aufgabenstellung entsprechend dem Gegenstand des Patentanspruchs 2 anwendbar, wenn unsubstituiertes Polyäthylenoxid Verwendung findet Aus der US-PS 41 63 657 ist es zwar bereits bekannt, substituiertes Polyäthylenoxid in einer Menge zwischen etwa 5 und 500 ppm zu verwenden, um eine längs Lebensdauer des Bodenverbesserungsmittels in dem Erdboden zu erzielen. Die im Patentanspruch 2 enthaltene Lösung gemäß der Erfindung beinhaltet jedoch die Verwendung von unsubstituiertem Polyäthylenoxid in einer Menge zwischen minuestens 0,05 ppm und weniger als 5 ppm des trockenen Bodens.

Speziell wurde festgestellt, daß bei einer Erhöhung der Menge von dem -unteren Wert zu dem oberen Wert die Wassertransportrate (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 erfindungsgemäße 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 Chemikalien gekauft, transportiert, gespeichert und zugegeben werden müssen.

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

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

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

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

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

F i g. 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 Mengen von Verzweigungen annehmbar sind, sofern diese die Wasserlöslichkeit nicht zu weitgehend herabsetzea

Gemäß der Erfindung verwendbare Polymere sind die Polymere von Athylenoxid, nämlich die Homopolymere von Athylenoxidj(im folgenden PÄO genannt) und die Copolymeren von Athylenoxid mit geringeren Mengen von einem mehreren Comonomeren. Bevorzugte Comonomere sind diejenigen, deren Homopolymere bereits als verwendbar für Bodenverbesserung und zur Erhöhung des Zurückhaltungsvermögens für Wasser

ίο und des Durchflusses bekannt sind, beispielsweise Vinylalkohol, Vinylpyrrolidon, Vinylacetat, Acrylsäure, Oxyäthylenlauryläther, Oxyäthylen-Sorbitanmonooleat und Acrylamid.
PÄO 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.-°/o des Copolymeren und das Vorhandensein des Comonomeren oder der Comonomeren beeinträchtigt nicht die Bildung von beträchtlichen Län-

gen von reinen PÄO-Ketten.

Verwendbare Polymere sind solche, die beim Einbringen in ein hoch polares Lösungsmittel wie Wasser die Bildung ein 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 geeignete 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 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 funktionell Gruppe in der Polymerkette. Zu diesem Zweck kann das Polymere dup-h 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 funktionell Gruppe enthalten, wie beispielsweise Epichlorhydrin.

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Die bevorzugten funktionellen Gruppen sind die Enden davon angeordnet. Wenn nur eine funktionell

Amine, Amide, quaternäre Ammoniumsalze, Sulfide, Bi- Gruppe vorhanden ist, ergibt sich ein Polymerkettenab-

sulfide, Halogenide, Zyanide und Phosphate. Vorzugs- schnitt der ersten Art. Wenn zwei funktionell Gruppen

weise finden Halogenide Verwendung. Da der Zweck (eine an jedem Ende der Polymerkette) vorhanden sind,

der funktioneilen Gruppe darin besteht, daß Polymere s ergibt sich ein Polymerkettenabschnitt der zweiten Art.

mit einem Teil zu versehen, welcher das Polymere an Funktionelle Gruppen können auch unmittelbar an-

einer immobilen festen Bodenphase befestigt, wozu zu grenzend aneinander angeordnet sein (z. B. als Teil eines

bemerken ist, daß eine Vielzahl von unterschiedlichen Blockpolymeren) oder um weniger als 0,1 Mikrometer

Mechanismen vorhanden sind, die für sich oder gemein- Länge der Polymerkette. Im letzteren Falle ist jedoch

sam wirksam sind, um die funktioneile Gruppe mit der io der Teil der Polymerkette zwischen den beiden funktio-

festen Bodenphase zu verbinden, sind die verwendbaren nellen Gruppen nicht als Polymerkettenabschnitt ent-

funktionellen Gruppen nicht auf die oben aufgeführten sprechend der Erfindung qualifiziert, da sie sich nicht

Gruppen beschränkt. Gegebenenfalls wirksame Mecha- ausreichend in die wäßrige Bodenphase zur Unterstüt-

nismen sind beispielsweise Wasserstoffbindungen (be- zung des Wassertransports erstrecken kann. Deshalb

günstig! durch die Anwesenheit von hoch polaren 15 besteht der Zweck des vorzusehenden Abstands der

Gruppen oder ladungübertragenden Gruppen an den funktionellen Gruppen entlang der Polymerkette darin,

Bindungsstellen), Ligandenaustausch, Ionenaustausch, daß gewährleistet ist, daß zumindest ein Teil des PoIy-

Chemisorption (wobei eine tatsächliche chemische Re- meren (die funktionelle Gruppe) das Polymere an der

aktion zwischen dem Polymeren und der Feststoffphase Feststoffphase des Erdbodens befestigen kann, und daß

erfolgt), Nahbereiche der van der Waals-Bindekräfte 20 mindestens ein Teil (derjenige Teil der Polymerkette

(begünstigt durch Erhöhung des Molekulargewichts des zwischen zwei funktionellen Gruppen oder zwischen

Polymeren), sowie London-Wechselwirkungen. Derarti- einer funktionellen Gruppe und einem Kettenende) sich

ge zwischenmolekulare Kräfte werden oft als hydro- in die wäßrige Erdbodenphase erstrecken kann. Die ge-

phobe Bindungen bezeichnet und werden in wäßrigen wünschte Länge des Polymerkettenabschnitts wird von

Systemen mit Polymeren begünstigt, die hydrophobe 25 Größen wie der Größe der Bodenporen bestimmt, in

Teile wie langkettige gesättigte oder ungesättigte Koh- der sich dieser erstreckt, speziell von der Größe der

lenwasserstoffe, aromatische Bestandteile, etc. aufwei- Poren, auf die eine Beeinflussung erfolgen muß, um den

sen, welche mit dem hydrophoben organischen Material verbesserten Wassertransport zu erzielen,

in der Feststoffphase in Wechselwirkung treten. Vorzugsweise hat jeder Polymerkettenabschnitt eine

Deshalb sind typische funktionelle Gruppen hydro- 30 Länge von etwa 50 bis 250 Mikrometer, obwohl längere

phobe Gruppen, chemisch reaktive Gruppen, hoch po- Polymerkettenabschnitte ebenfalls verwendbar sind,

lare Gruppen, oder stark kationische Gruppen (wie qua- Die interessierenden Polymeren können mit Hilfe be-

ternäre Ammoniumsalze). Derartige Feststoffphase- kannter Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise

Bindemechanismen sind näher erläutert in »Organic kann mit Chlor substituiertes Poly(-Äthylenoxid) durch

Chemicals in the Soil Environment«, Band 1, C. A. I. Go- 35 Auflösung eines Poly(-Äthylenoxid)-Homopolymeren in

ring, Herausgeber Marcel Dekker Ine, New York 1972. Pyrridin und Reaktion der Lösung mit Phosphortrichlo-

Um ein Auswaschen des Polymeren zu verhindern, rid (PCI3) hergestellt werden. Das resultierende Produkt muß die Polymerkette einen oder mehrere Polymerket- wird getrocknet, in destilliertem Wasser gelöst, durch tenabschnitte aufweisen, die durch das Fehlen der funk- qualitatives Filterpapier filtriert und in Chloroform extionellen Gruppen gekennzeichnet sind, sowie eine mi- 40 trahiert Das Extrakt wird dann getrocknet, und genimale Länge. Wenn der Polymerkettenabschnitt an nur wünschtenfalls wieder in destilliertem Wasser aufgelöst, einem der Enden davon mit einer der funktionellen Das resultierende Produkt enthält etwa 3% des substi-Gruppen verbunden ist (wobei das andere Ende typisch tuierten Polymeren, nämlich Poly(-Äthylenoxid) mit eidas Ende der Polymerkette definiert), beträgt die mini- ner oder zwei Chlor-Endgruppen. Der Rest ist ein unmale Länge 0,1 Mikrometer. In diesem Fall ist die funk- 45 substituiertes Polymeres, nämlich Poly(-Äthylenoxid).
tionelle Gruppe (die gewöhnlich, aber nicht notwendig Ein bevorzugtes Copolymeres der interessierenden am einen Ende der Polymerkette vorhanden ist) ein Mit- Art kann durch Reaktion eines Blockpolymeren von tel zur Befestigung der Polymerkette an der Feststoff- Epichlorhydrin mit einem Äthylenepoxid gebildet werphase, wobei der Polymerkettenabschnitt in die wäßrige den, um das langkettige wasserlösliche Polymere zu Phase eintreten kann. Wenn der Polymerkettenab- 50 züchten. Die Chlorgruppen des Blockpolymeren werschnitt ar. jedem Ende davon mit einer betreffenden der den dann weiter beispielsweise mit Ammoniakalkohol, funktionellen Gruppen verbunden ist, beträgt die mini- Zyanwasserstoff, etc. zur Reaktion gebracht, um die ausmale Länge mindestens 0,2 Mikrometer. In diesem Fall gewählten speziellen Bindungsstellen zu erhalten, beibefestigen die beiden funktionellen Gruppen, die an den spielsweise Amine, Alkylgruppen oder Cyanide. Es ist zu Enden des Polymerkettenabschnitts befestigt sind, die 55 beachten, daß die Auswahl der Comonomeren durch Enden der Feststoffphase und deshalb muß der Poly- das Erfordernis beeinflußt wird, daß das resultierende merkettenabschnitt die doppelte Länge haben, die im Polymere wasserlöslich bleiben muß.
Falle der Befestigung des Polymerkettenabschnitts an Während das Vorhandensein oder Fehlen der funkeiner funktionellen Gruppe angrenzend nur an einem tionellen Gruppe an der Polymerkette in erster Linie die Ende davon beschrieben wurde, um zu ermöglichen, daß 60 Auswaschrate des Polymeren beeinflußt, ist es ein kritider Polymerkettenabschnitt sich genauso weit in die sches Merkmal der Erfindung, daß das Polymere in dem wäßrige Bodenphase erstreckt Eine gegebene Polymer- Boden mit weniger als 20 Gewichtsteilen pro einer MiI-kette kann eine Mischung von Polymerkettenabschnit- lion Teilchen des trockenen Bodens vorhanden ist, vorten enthalten, die aus einem oder mehreren der ersten zugsweise mit weniger als 5 ppm. Da 1 ppm des Polyme-Art von Polymerkettenabschnitten und/oder einem 65 ren pro Million Teilen des trockenen Bodens etwa 2^2 kg oder mehreren der zweiten Art von Polymerkettenab- des Polymeren pro ha des trockenen Bodens entspricht schnitten bestehen. Vorzugsweise hat die Polymerkette (2 lbs. pro Acre), werden beim Gegenstand der Erfindie funktionellen Gruppen am einen oder an beiden dung weniger als 44,8 kg/ha des trockenen Bodens ver-

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

Entsprechend der grafischen Darstellung in F i g. 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 10~² cm aufweist, als grobkörniger Boden, und reiner Ton, der einen inneren Porendurchmesser von etwa 10~⁴ 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, welche 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 erforderlich 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 Molekulargewicht (300 000 bis 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

ίο großen Poren ansammelt.

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 Mengen des Polymeren erforderlich, beispielsweise 5 bis 2500 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 Wasserfiime, die dünner als etwa 2 · 1O^-6Cm 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, weiche 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.

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 · 10~^e cm ist Nur kleine Materialmehgen 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 Gesamtmechanismus. Da der Oberflächeneffekt-Mechanismus und der Gesamtmechanismus völlig unterschiedlich 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 Dikke des Wasserfilms in dem Boden 1,5 · 1O^-6Cm 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 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 Reihen mit einem Abstand von 1 m ausgesägt 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 5 000 000 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 Kli

mabedingungen auszuschalten, ist in F i g. 2 die prozentuale Erhöhung der Ausbeute relativ zu einem Vergleichsversuch ohne den Zusatz eines Polymeren in Abhängigkeit von der aufgetragenen Menge pro Flächen- einheit (in Einheiten von lbs/acre = 1,1 kg/ha) angegeben. In F i g. 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 F i g. 2 und 3 zeigt, daß gemäß F i g. 2

ίο zwar eine beträchtliche Erhöhung der Ausbeute bei Mengen von mehr als 100 Einheiten (110 kg/ha) erzielbar ist, daß aber gemäß F i g. 3 bei derartig großen Mengen pro Flächeneinheit ke^!ne v'esentliche Erhöhung der prozentualen Ausbeute pro Gewichtseinheit erzielbar ist In den dem Anmeldungsgegenstand entsprechenden Bereichen mit weniger als 40 Einheiten (44 kg/ha) ergibt sich dagegen 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.

Beispie! !I

Eine Probe von sandigem Windsor-Lehmboden \> ur· de 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/cm³ (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 er- halten, deren Anstieg die Boltzmann-Transformation für den Wassertransport durch die Pore ist In F i g. 4 ist auf der Ordinaten die normierte quadratische Boltzmann-Transformation aufgetragen und auf der Abszisse die Menge des zugegebenen Materials pro ha (in Einhei ten 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 Benetzungs mittels 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 zu gesetzten Materials erkennbar, ebenso der Einfluß des Gesamtmechanismus bei nachteilig hohen Konzentrationen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist sowohl bei Brachland als auch bei kultivierten Land zur Verbesserung und Steuerung des Wassertransports anwendbar. Im Brachland soll die Ansammlung von Wasser für das folgende Erntejahr ermöglicht werden, welches Vorge-

11

hen 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 untergeordnete 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 Scheitelwerte in dem Bereich ergeben, in weichem 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

40

45

50

55

60

65

Claims (2)

1 2

difikation der Viskosität, der Oberflächenspannung, des

Patentansprüche: Kontaktwinkels, etc. und wirken deshalb völlig anders

als quervernetzte wasserunlösliche hydrophile Polyme-

1 Verfahren zur Beeinflussung des Wassertrans- re, welche zur Aggregation von Erdbodenteilchen verports durch Erdboden mit mittlerer und grober 5 wendet werden. In der genannten japanischen Patent-Korngröße, bei dem ein im wesentlichen lineares schrift wird vorgeschlagen, daß das Polyathytenoxid eui und weitgehend wasserlösliches, hydrophiles Poly- Molekulargewicht von 300 000 bis 5 000 000 bes.tzen ethylenoxid mit einem Molekulargewicht von mehr soll und zwischen 50 bis 500 ppm des Gewichts des trokals 50 000 dem Erdboden zugesetzt wird, dadurch kenen Bodens zugesetzt werden soll. In der US-PS gekennzeichnet, daß das Polyäthylenoxid in io 4163 657 wird vorgeschlagen, daß das Polymere ein einer Menge zwischen mindestens 0,05 ppm und we- Molekulargewicht von mehr als 50 000 besitzen soll und niger als 5 ppm des trockenen Bodens zugesetzt 5 bis 2500 ppm des Gewichts des trockenen Bodens zu- ^Yj₁ gesetzt werden sollen. Es wird dort ferner vorgeschla-

2 Verfahren zur Beeinflussung des Wassertrans- gen, daß innerhalb der angegebenen Bereiche die Menports durch Erdboden mit mittlerer und grober 15 ge des zu verwendenden Polymeren von der Kosten-Korngröße, bei dem ein im wesentlichen lineares analyse abhängt, welche den Preis des Polymeren und und weitgehend wasserlösliche:;, hydrophiles unsub- der Erhöhung des Wera der erhaltenen Ernte beruckstiiuiertes Polyäthylenoxid mit einem Molekularge- sichtigt Es wird also angegeben, daß größere Mengen wicht von mehr als 50 000 dem Erdboden in einer um so besser sind, zumindest bis zu einer oberen Gren-Menge von mindestens 0,05 ppm und weniger als 20 ze, die durch die relative Erhöhung des Marktwerts der 20 ppm des trockenen Bodens zugesetzt wird. Ernte im Verhältnis zur Zusatzmenge bedingt ist

Obwohl die empfohlenen Zusammensetzungen und

Mengen an sich vorteilhaft verwendbar sind, wird dabei

noch a?s nachteilig angesehen, daß die relativen Kosten 25 zur Verbesserung des Wassertransports noch verhält-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflus- nismäßig hoch sind.

sung des Wassertransports durch Erdboden mit Teil- Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren

chen mittlerer und grober Korngröße, bei dem ein im der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß wesentlichen lineares und weitgehend wasserlösliches, trotz wesentlicher Verringerung der pro Flächeneinheit hydrophiles Polyäthylenoxid mit einem Molekularge- 30 erforderlichen Menge des Bodenverbesserungsmittels wicht von mehr als 50 000 dem Erdboden zugesetzt zumindest vergleichbare Ernteertragssteigerungen erwird, zielt werden können, insbesondere auch im Hinblick auf

Die Teilchen von Erdboden enthalten eine große An- eine möglichst geringe Auswaschrate, zahl von Kapillarkanälen oder Poren, durch die Wasser Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren entspre-

hindurchtreten kann und können aufgrund ihrer Kapil- 35 chend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfinlardurchmesser eingeteilt werden. Wenn Wasser durch dungsgemäß dadurch gelöst, daß das Polyäthylenoxid in eine Kapillare hindurchströmt, ist der Durchfluß größer, einer Menge zwischen mindestens 0,05 ppm und weniwenn das Wasser die Innenfläche des Kapillarkanals ger als 5 ppm des trockenen Bodens zugesetzt wird. In benetzt In der Grenzfläche zwischen Wasser und Kapil- diesem Bereich kann es sich um substituiertes oder unlaroberfläche ist jedoch ein großer Bereich vorhanden, 40 substituiertes Polyäthylenoxid handeln, in dem Wechselwirkungen aufgrund von van der Waals- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß

Kräften auftreten. Während diese Wechselwirkung sich Mengen entsprechend weniger als 5 ppm hinsichtlich weniger als 2 ■ 10-⁸ m in das Wasser erstreckt, wird der Ertragssteigerung der Verwendung von wesentlich dadurch trotzdem die Benetzung der Kapillaroberflä- größeren Mengen gleichwertig sind, da in diesem Beche durch das Wasser verringert, so daß der Kontakt- 45 reich ein relatives Maximum der Ertragssteigerungskurwinkel zwischen dem Wasser und der Kapillaroberflä- ve vorhanden ist. Daß mit derart geringen Mengen eine ehe ansteigt und den Durchtritt von Wasser behindert. Ertragssteigerung erzielbar ist, die beispielsweise genau Während der negative Einfluß der van der Waals-Kräfte so groß wie bei einer etwa zehnfachen Menge sein kann, im Falle von größeren Leitungen wie Wasserleitungen war nicht vorhersehbar, weil nach dem eingangs gevernachlässigbar ist ist diese Wechselwirkung bei dem 50 nannten bekannten Stand der Technik davon auszuge-Durchtritt von Wasser durch Kapillarkanäle in Erdbo- hen war, daß die Ertragssteigerung direkt proportional denteilchen von großer Bedeutung. mit der Konzentration des Bodenverbesserungsmittels

Es ist bekannt, daß wasserlösliche Polymere im Erd- ansteigt.

boden den Durchtritt von Feuchtigkeit erheblich ändern Praktische Erfahrungen haben gezeigt, daß man bei

und das Zurückhaltungsvermögen für Wasser vergrö- 55 derart geringen Konzentrationen einen Maximalwert Bern. Für diesen Zweck verwendbare wasserlösliche mit Hilfe von Versuchen in Abhängigkeit von der Bo-Polymere sind Polymere mit hohem Molekulargewicht denqualität ermitteln kann, so daß die zuzusetzende wie Polyäthylenoxid, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrroli- Menge derart ausgewählt werden kann, daß der sich aus don und Polyacrylamid (hydrolisiert oder nicht). Die der zugesetzten Menge ergebende Ernteertragswert Verwendung derartiger Polymere ist beispielsweise aus 60 mindestens in der Nähe des Maximums des Ernteerder US-PS 36 33 310, 37 98 838 und 39 09 228 bekannt, tragswerts in Abhängigkeit von der Konzentration des sowie aus der JA-PS 47-2528 (1972). Aus der US-PS Bodenverbesserungsmittels liegt. Dabei ergibt sich auch 41 63 657 ist eine Zusammensetzung bekannt, die vor- der Vorteil, daß bei Ermittlung eines Ertragswerts, der zugsweise aus einem substituierten Polyäthylenoxid be- bei zwei unterschiedlichen Konzentrationen erzielbar steht und eine verbesserte Zurückhaltungszeit in dem 65 ist, das Bodenverbesserungsmittel in einer der kleineren Erdboden ermöglicht. Derartige wasserlösliche hydro- Konzentration entsprechenden Menge zugesetzt werphile Polymere steuern direkt die physikalischen Eigen- den kann, schäften des im Boden enthaltenen Wassers durch Mo- Dieser Grundgedanke ist auch auf die Lösung der