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Mittel zur Verhütung der Bodenerosion Die Erfindung betrifft neue
Mittel zur Verhütung der Bodenerosion durch Einwirkung von Wasser und Wind und eine
Oberflächenbehandlung von Böden, die den Boden- nicht nur der Erosion gegenüber
beständig macht, sondern auch das Wachstum von Pflanzen auf diesen Böden nicht stört.
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Billige und leicht anwendbare Mittel und Verfahren zur Verhinderung
von Verlusten an landwirtschaftlichen Böden durch Einwirkung von Wind und Oberflächenwasser
werden seit langem gesucht. In der USA.-Patentschrift 2 625 529 wird ein
Verfahren zur Bodenverbesserung hinsichtlich besserer Landbestellung, erhöhter -'Wasserzurückhaltung
und Belüftung und Verhinderung der Verschlammung und Verkrustung vorgeschlagen,
bei dem der Boden mit einem wasserlöslichen Polyelektrolyt gemischt wird, der eine
praktisch lineare Molekularstruktur besitzt, wie sie durch Polymerisation einer
monoolefinischen Verbindung mit ungesättigten C-C-Bindungen entsteht. Um wirksam
sein zu können, müssen
diese Polymere eine genügende Zahl von Elektrolytstellen
aufweisen, um ihre Adsorption an eine große Zahl von Bodenteilchen zu ermöglichen,
wodurch die Bodenaggregate der verschlammenden und erodierenden Wirkung des Wassers
gegenüber widerstandsfähig gemacht werden. Aus einer Vielzahl solcher stabilen Aggregate
zusammengesetzte Böden weisen eine auffallende Verbesserung ihres Widerstandes gegenüber
der Erosion durch Einwirkung von Wind und Wasser auf.
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Es wurde nun gefunden, daß eine viel wirksamere Bekämpfung der Erosion
erreicht wird, wenn die wasserlöslichen Polyelektrolyte vor ihrer Aufbringung auf
die Bodenoberfläche mit einem feinpulverigen, sich dehnenden Gitterton vermischt
werden. Sich dehnende Gittertone sind solche, die sich bei Berührung mit Wasser
in einzelne plattenförmige Kristalle auflösen, die im Wasser leicht dispergiert
werden und sich ausdehnen und beim Ausbreiten die Oberfläche des Bodens mit einem
vollständigen und gleichmäßigen Tonfilm bedecken. Bei Anwendung in Gegenwart der
Polyelektrolyte wird der Tonfilm dadurch stabilisiert, daß die einzelnen Kristalle
durch Adsorption der polymeren Moleküle an einer oder mehreren Stellen an viele
verschiedene Tonteilchen gebunden sind.
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»Sich dehnende Gittertones< sind die unter dem Namen »Bentonitc,-
bekannten und technisch verwendeten Mineralien, wie Montmorillonit, Hektorit, Saponit
und Nontronit. Um zu ermitteln, ob die jeweiligen Tone zu den »sich dehnenden Gittertonen«
gehören, kann die Expansionseigenschaft durch Röntgenstrahlenbrechung gemessen werden.
Die brauchbaren Tone sind jene, in denen die c-Achsen-Abstände bei Absättigung mit
Wasser ein Maximum erreichen, das größer als a5 Ängström ist.
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Geeignete Polymere für die Durchführung der Erfindung sind die wasserlöslichen
polymeren Elektrolyte von wesentlichem Molekulargewicht, die die obenerwähnte praktisch
lineare Struktur aufweisen. Die wertvollsten Polymere sind jene, die ein mittleres
Molekulargewicht von wenigstens io ooo besitzen. Unter »Polyelektrolyte« sind organische
Verbindungen zu verstehen, die bei Berührung mit Wasser unter Bildung von organischen
Ionen wesentlicher Größe ionisieren, die an einer Vielzahl von Stellen auf dem Ion
verteilte elektrische Ladungen aufweisen. Hierzu gehören deshalb auch Polymere,
die in trockener Form nicht ionisieren, aber bei Berührung mit Wasser große organische
Ionen bilden.
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Geeignete Polyelektrolyte sind die Polyacrylsäuren, ihre Salze, Amide
und anderen wasserlöslichen Derivate, die Polymethacrylsäuren und ihre Derivate
und die durch Hydrolyse von polymeren Nitrilen entstehenden Acryl- und Methacrylsäure-Polymerisate.
Typische Beispiele sind die Polymerisate von Acryl-und Methacrylsäure, die Na-,
K-, NH4 und Ca-Salze der polymeren Acrylsäure und die entsprechenden Derivate der
Polymethacrylsäure, die Na- und K-Polyacrylate, die durch Alkalihydrolyse von Polyacrylnitril
und anderen Acrylnitrilpolymeren hergestellt werden. Brauchbar sind auch durch
N H,
Ca (O H) 2 und Säuren hydrolysierte ähnliche Polymerisate und ähnliche
Hydrolyseprodukte oder Methacrylnitrilpolymerisate.
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Andere Polyelektrolyte sind die Mischpolymerisate von Maleinsäureanhydrid
oder anderen Maleinsäurederivaten mit monoolefinischen Verbindungen, z. B. das Mischpolymerisat
von Maleinsäureanhydrid und Vinylacetat, dessen Na-Salz, das NI-1,-Salz des Mischpolymerisats
aus Malamidsäure und Isobutylen, das Mischpolymerisat aus Vinylacetat und einem
Partialalkylester der Maleinsäure, ein Ca-Salz des Mischpolymerisats aus Vinylacetat
und einem Partialmethylester der Maleinsäure und das K-Salz des Mischpolymerisats
aus Maleinsäure und Vinylmethyläther.
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Es können auch viele andere Arten von Polymerisaten mit praktisch
linearer Kohlenstoffkettenstruktur und hydrophilen Substituenten angewandt werden,
z. B. sulfoniertes Polystyrol und polymeres N-Vinylacetamid.
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Unter >>wasserlöslichen Polymerisaten« werden Polymerisate verstanden,
die mit Wasser homogene Gemische bilden, ferner die schwer löslichen Polymerisate,
die sich in Gegenwart von Wasser ausdehnen und weitgehend lösen, und selbst solche,
die offenbar in destilliertem Wasser unlöslich sind, sich aber im Bodenwasser auflösen.
Die Löslichkeit ist für die Wirksamkeit wesentlich, da sie die Bewegung der polymeren
Moleküle in der Mischung mit sich dehnenden Gittertonen nach Berührung mit Wasser
ermöglicht.
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Obwohl die meisten dieser Polyelektrolyte hydrophil sind und den Boden
nicht wasserabstoßend machen, gibt es doch einige Polymerisate, die trotz ihrer
Wasserlöslichkeit den Boden wasserabweisend machen, wenn sie in übermäßigen Mengen
angewandt werden. Solche Polymerisate besitzen ein verhältnismäßig hohes Molekulargewicht
oder eine Mindestzahl von ionisierbaren Gruppen. Obwohl Massen dieser Art von nebensächlichem
Interesse sind, sind sie zur Hervorbringung einer verbesserten Struktur ganz wirksam,
und wenn sie in sorgfältig abgemessenen Mengen zugesetzt werden, kann die unangenehme
wasserabweisende Eigenschaft der behandelten Böden gewöhnlich vermieden oder auf
ein Mindestmaß herabgesetzt werden.
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Diese polymeren Polyelektrolyte besitzen »eine praktisch lineare C-Kette«,
worunter Polymerisate verstanden werden, die gerade oder verzweigte Ketten haben.
Leicht vernetzte Polymerisate können im vorliegenden Falle benutzt werden, sind
aber nicht so wirksam wie die unvernetzten. Wenn die Vernetzung übermäßig ist, ist
die erhöhte Zahl von reaktionsfähigen Stellen wegen der Unbeweglichkeit des Polymerisats
nicht benutzbar. Übermäßige Vernetzung macht auch das Polymerisat im Wasser und
in der Bodenfeuchtigkeit unlöslich.
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Die hier benutzten Polyelektrolyte können entweder positiv oder negativ
geladene Stellen oder beides haben: Bei den meisten Tonen sind Polyelektrolyte,
die hochmolekulare, negativ geladene Ionen ergeben, am wirksamsten. Diese Polyelektrolyte
sind als polyanionisch aktive Elektrolyte bekannt, zum Unterschied von den weniger
erwünschten polykationisch aktiven Elektrolyten.
Bei dem Verfahren
zur Herabsetzung der Erosion durch Anwendung der beschriebenen Mittel können Mischungen
von polymeren Polyelektrolyten und sich dehnenden Gittertonen, vorzugsweise in fester
feinpulvriger Form, benutzt werden. Bei Anwendung in fester Form werden die sich
dehnenden Gittertone und die polymeren Polyelektrolyte in geeigneten Anteilen gemischt;
man verwendet z. B. mehr als 2°/° und bis zu. ioo °%, des Polymerisats (bezogen
auf das Gewicht des Tons). Höchst brauchbare Mischungen weisen einen Polymerisatanteil
von 3 bis 500/a des angewandten Tons auf.
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Das feste Mittel zur Erosionsbekämpfung muß vor der Anwendung in feinpulveriger
Form völlig trocken sein, um ein Gelieren der Polymerisate oder Backen der Ton-Polymerisat-Mischungen
zu verhindern. Die festen Pulver werden auf die Oberfläche des Bodens mit einer
Streumaschine aufgebracht. Das Polymerisat wird besser gleichmäßig auf die Bodenoberfläche
aufgebracht und nicht in den Boden hineingemischt. Obwohl man die Anwendung einer
Mischung von Gitterton und polymeren Polyelektrolyten bevorzugt, kann man auch jeden
der beiden Bestandteile getrennt aufbringen. Man verstreut dann zuerst den Ton auf
der Bodenoberfläche und über ihn den polymeren Polyelektrolyt. Unabhängig davon,
wie Polymerisat und Ton auf die Oberfläche des Bodens aufgebracht werden, ist es
im allgemeinen erwünscht, das Mittel nach der Aufbringung entweder künstlich oder
auf natürlichem Wege (durch Regen) anzufeuchten, um Verluste durch den Wind auf
ein Mindestmaß zu verringern und die Reaktion zwischen Mittel und Boden zu beschleunigen.
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Nach einer anderen Ausführungsform des Anwendungsverfahrens wird die
Mischung aus sich dehnendem Gitterton und polymerem Polyelektrolyt in Wasser dispergiert
und die so hergestellte Dispersion mit Hilfe einer Beregnungsapparatur auf die Bodenoberfläche
aufgebracht. Man kann sich auch eines Wasserstrahles bedienen, dem man das Gemisch
aus Ton und Polymerisat an der Ausflußöffnung zuführt. Man kann Ton und Polymerisat
auch an voneinander getrennten Stellen einspritzen. Oft ist die Abwendung der dünnen
wäßrigen Dispersion vorteilhaft, weil sie die Durchdringung der Bodenoberfläche
durch Polymer und Ton fördert und dabei alle Öffnungen, z. B. Spalten, Risse usw.,
im Boden mit den wirksamen $estandteilen gefüllt werden. Bei Verwendung der Dispersion
ist die Verteilung oft gleichmäßiger und kontinuierlicher als bei Verwendung des
festen Pulvers.
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Mit der wäßrigen Dispersion können auch noch Saatgut und Düngemittel
vermischt werden. Auf diese Weise können mit Gras zu bepflanzende Hänge in einem
einzigen Arbeitsgang besät, gedüngt und gegen Erosion beständig gemacht werden.
Im allgemeinen empfiehlt es sich, bei mit Gras zu beflanzenden Flächen rund go bis
45o kg der Mischung von Polyelektrolyt und Ton je etwa 400o qm Bodenfläche anzuwenden.
Bei Steilhängen können größere Mengen des Mittels, z. B. bis goo kg je 400o qm,
erforderlich sein. Wenn mehr als 45o kg je etwa 400o qm aufgebracht werden, bleibt
unter Umständen Keimung unl Wachstum des Grases aus. Bei Anwendung von mehr als
goo kg je 400o qm wird die Erosion unter ungünstigen Bedingungen aufgehalten, allerdings
erfolgt hierbei so gut wie keine Keimung bei Rasen, und Sämlinge gehen ein. Die
stärkere Behandlung kann durchgeführt werden, wenn Sträucher und Bäume auf den steilen
erodierten Hängen angepflanzt werden.
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Bei der Durchführung dieses Erosionsbekämpfungsverfahrens treten oft
Schwierigkeiten wegen des Reißens der Oberfläche auf, was auf die übermäßige Austrocknung
durch Sonneneinstrahlung zurückzuführen ist. Wenn dieses Reißen mit einer Zusammenziehung
einhergeht, wird die ursprüngliche Bodenoberfläche freigelegt, wodurch zumindest
ein Teil der Wirkung des Bekämpfungsmittels verlorengeht. Dieses Reißen kann auf
ein Mindestmaß verringert werden, wenn man die Polymerisat-Bentonit-Gemische unter
Zusatz einer kleinen Menge eines faserigen Materials, z. B. von Glaswolle, Sägespänen
und Papierbrei, verwendet. Dabei kann man die Fasermasse entweder dem feinpulverigen
Gemisch oder der wäßrigen Dispersion der Polymerisat-Bentonit-Mischung in Wasser-
zusetzen.
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Die Erfindung wird an Hand von Beispielen eingehender beschrieben.
Aus Dayton-Alluvial-Ton wurden Beete hergestellt. Dazu wurde der Boden gesiebt,
um Steine und andere Fremdkörper zu entfernen, und in einen Behälter gefüllt, der
mit einer Neigung von 2: 5 aufgestellt war. Die Oberfläche der Testböden wurde mit
verschiedenen Mischungen von Polymeren und Tonen durch Herstellung von 3°/°igen
Dispersionen (wenn nicht . anders angegeben) und gleichmäßiges Aufbringen der Dispersion
auf der gesamten Bodenfläche behandelt. Vergleichsversuche wurden unternommen, bei
denen der Ton oder das Polymerisat in der gleichen Menge Wasser suspendiert wurde.
Die Kontrollen ohne Polymerisat oder Ton wurden mit der gleichen Menge Wasser oberflächenbehandelt.
Die Böden wurden dann unterStandardbedingungen künstlich beregnet; es wurde eine
große Zahl ' gleich weit voneinander entfernter Tropfquellen aufgestellt, außerdem
rotierten die Böden. Alles, was von den Böden heruntergespült wurde, wurde gesammelt,
getrocknet und gewogen. Beispiele i. Jedes von zwei Beeten wurde mit einer 3°/°igen
Dispersion behandelt, die i Gewichtsteil hydrolysiertes Polyacrylsäurenitril und
io Gewichtsteile Wyoming-Bentonit enthielt. Es wurden gleiche Volumteile Dispersion
angewandt. Zwei andere Beete wurden mit der gleichen Menge Polymerisatr in der gleichen
Menge Wasser gelöst, behandelt.. Ähnlich wurden zwei weitere Beete mit Bentonit
ohne Polymerisat behandelt. Zwei weitere Beete wurden mit gleichen Volumen Wasser,
aber ohne Polymerisat und Ton behandelt. Alle Beete wurden mit 5,5 cm Wasser je
Stunde 30 Minuten lang künstlich beregnet. Aus der folgenden Tabelle ergibt sich
der in diesen Versuchen beobachtete Bodenverlust in Tonnen je 400o qm.
| Polymerisat Bentonit Bodenverlust |
| kg/4000 qm k9/4000 qm Tonnen/4ooo qm |
| 45 450 0,09 |
| 45 450 0,10 |
| 45 0 5I5 |
| 45 0 519 |
| 0 450 4,7 |
| 0 450 3,8 |
| 0 0 14,5 |
| O 0 12,2 |
2. Nach. dem gleichen Verfahren wurden Versuche durchgeführt, um die Wirkung verschieden
hoher Zusätze und die zufriedenstellende Bekämpfung der Erosion bei Anwendung von
hydrolysiertem Polyacrylsäurenitril allein zu zeigen. Die Böden wurden mit 5,3 cm
Wasser je Stunde
30 Minuten lang künstlich beregnet. Bei Mengen von Polymerisat
zu Bentonit wie- I : to wurde eine 3°/oige Dispersion verwendet. lle anderen benutzten
die gleiche Menge Wasser.
| Polymerisat Bentonit Bodenverlust |
| k9/4000 qm kg/4öoo qm Tonnen/4ooo qm |
| 45,0 450 0,03 |
| 45,0 450 0045 |
| 22,5 225 o, 18i |
| 22,5 225 0'04 |
| 0,0 o 12,9 |
| 0,0 O 12,6 |
| 200,0 O 1,1 |
| 200,0 0 o,64- |
3. Dieser Versuch zeigt die Unterschiede zwischen der Anwendung von sich
dehnenden Gittertonen, anderen Arten von Tonen und völlig anderen Mineralien, wie
Diatomeenerde. In dem Versuch wurden 45 kg hyd'olysiertes Polyacrylnitril je 40oo
qm und 450 kg des anderen Bestandteils in Form 3°/,iger Dispersionen angewandt.
Künstlich beregnet wurde in einer Menge von 5,4 cm je-Stunde
30 Minuten lang.
Aus der folgenden Tabelle ist der in Tonnen je 40oo qm ausgedrückte Bodenverlust
zu ersehen; ferner ist ein Kontrollversuch mit einem Beet angegeben, das nicht oberflächenbehandelt
wurde.
| Mineral Bodenverlust |
| in Tonnen/4ooo qm |
| Attapulgit .............. 2,00 |
| Attapulgit ................ 1,98 |
| Cellit (Diatomeenerde) ..... to,8o |
| Cellit (Diatomeenerde) ..... to,To |
| Kaolinit .................. 5,43 |
| Kaolinit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5;14 |
| Kontrolle ................. 13:4 |
| Kontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . 13,1 |
4. Diese Versuche zeigen die Wirksamkeit eines anderen Polyelektrolyts (des N H4
Salzes des Mischpolymerisats aus Maleinsäure und Isobutylen) und ferner den Unterschied
zwischen der Oberflächenbehandlung mit festem Polymerisat und mit wäßrigen Lösungen
der Polymerisate. Die Angaben über Polymerisat und Bentonit in der Tabelle bedeuten
kg/4000 qm, die des Bodenverlustes Tonnen/400o qm. Künstlich beregnet wurde in einer
Menge von 5,2 cm je Stunde 6o Minuten lang.
| Polymerisat ( Bentonit 1 Bodenverlust |
| rund 2oo,o festes |
| Poiymerisät .......... 0 2,9 |
| rund 2oo,o festes |
| Polymerisat .......... 0 2,8 |
| rund 22,5 3°/olge |
| Dispersion . . . . . . . . . . . . rund 43o o,44 |
| rund 22,5 3°/olge |
| Dispersion ....... : .... rund 43o
0155 |
| o Kontrolle ............ 0 22,3 |
| o Kontrolle ............ 0 20,2 |
5. Nach dem obigen Verfahren wurde festgestellt, welche Vorteile faserige Stoffe
in Mischungen von 9 Teilen Bentonit und 1 Teil hydrolysiertem Polyacrylsäurenitril
bieten. Bei einer Beregnung in einer Menge von 5,6 cm je Stunde
30 Minuten
lang und einer Oberflächenbehandlung mit 45o kg/4ooo qm wurden die Erosionen bestimmt,
nachdem bei einigen Versuchen wechselnde Mengen Glaswolle und Papierbrei zugesetzt
worden waren. In einem Kontrollversuch wurde nur Bentonit verwendet.
| Behandlung Ero öon |
| in /o |
| Bentonit allein (Kontrollversuch) ... too,o |
| Bentonitpolymerisat, ohne Faser- |
| material ........................ 15,0 |
| Glaswollezusatz, |
| rund 11,3 kg/40oo qm ........... 5,1 |
| Glaswollezusatz, |
| rund 45,o kg/4ooo qm ........... 1,6 |
| Papierbrei, |
| rund 11,3 kg/4ooo qm ........... 3,2 |
| Papierbrei, |
| rund 45,o kg/40oo qm ........... o,6 |