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Publication number: DEM0017530MA
Authority: DE

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 26. Februar 1953 Bekanntgemacht am 12. April 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

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.

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 monoolefinisclien Verbindung mit ungesättigten C-C-Bindungen entsteht. Um wirksam sein zu können, müssen

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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 erodie-

■ 5 renden Wirkung des Wassers gegenüber widerstandsfähig gemacht werden. Aus einer Vielzahl solcher stabilen Aggregate zusammengesetzte Böden weisen eine ^l auffallende Verbesserung ihres Widerstandes gegenüber der Erosion durch Einwirkung von Wind

ίο und Wasser auf.

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 Gitterten 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 gleich-· mäßigen 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.

»Sich dehnende Gittertone« sind die unter dem Namen »Bentonite 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 25 Angström ist.

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 10 000 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.

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 NH₃, Ca(OH)₂ und Säuren hydrolysierte ähnliche Polymerisate und ähnliche Hydrolyseprodukte oder Methacrylnitrilpolymerisate. ,

Andere Polyelektrolyte sind die Mischpolymerisate von Maleinsäureanhydrid oder-anderen Maleinsäurederivaten mit monoolefinischen Verbindungen, z. B. das Mischpolymerisat von Maleinsäureanhydrid und Vinylacetat, dessen Na-SaIz, das NH₄-SaIz des Mischpolymerisats aus Malamidsäure und Isobutylen, das Mischpolymerisat aus Vinylacetat und einem Partialalkylester der Maleinsäure, ein Ca-SaIz des Mischpolymerisats aus Vinylacetat und einem Partialmethylester der Maleinsäure und das K-SaIz des Misch-Polymerisats aus Maleinsäure und Vinylmethyläther.

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.

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.

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 1.00 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.

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.

Die hier benützten 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.

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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, benützt 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°/₀ und bis zu ioo°/₀ des Polymerisats (bezogen auf das

ίο Gewicht des.Tons). Höchst brauchbare Mischungen weisen einen Polymerisatanteil von 3 bis 50% des angewandten Tons auf.

Das feste Mittel zur Erosionsbekämpfüng 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.

Nach einer anderen Ausführungsform des An-Wendungsverfahrens 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 Anwendung 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 v/irksamen Bestandteilen gefüllt werden. Bei Verwendung der Dispersion ist die Verteilung oft gleichmäßiger und kontinuierlicher als bei Verwendung des festen Pulvers.

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 90 bis 450 kg der Mischung von Polyelektrolyt und Ton je etwa 4000 qm Bodenfläche anzuwenden. Bei Steilhängen können größere Mengen des Mittels, z. B. bis 900 kg je 4000 qm, erforderlich sein. Wenn mehr als 450 kg je etwa 4000 qm aufgebracht werden, bleibt unter Umständen Keimung und Wachstum des Grases aus. Bei Anwendung von mehr als 900 kg je 4000 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.

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 feinpülverigen Gemisch oder der wäßrigen Dispersion der Polymerisat-Bentonit-Mischung in Wasser zusetzen.

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°/₀igen 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 unter Standardbedingungen 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°/_oigen Dispersion behandelt, die 1 Gewichtsteil hydrolysiertes Polyacrylsäurenitril und 10 Gewichtsteile Wyoming-Bentonit enthielt. Es wurden gleiche Volumteile Dispersion angewandt. Zwei andere Beete wurden mit der gleichen Menge Polymerisat, 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 Bodenveflust in Tonnen je 4000 qm.

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Polymerisat	Bentonit	Bodenverlust
kg/4000 qm	kg/4000 qm	Tonnen/4000 qm
45	450	0,09
45	450	0,10
45 ■	0	5.15
45	0	5.9
0	45O	4.7
0	45O	3,8
0	0	14,5
0	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 PoIyacrylsäurenitril allein zu zeigen. Die Böden wurden mit 5,3 cm Wasser je Stunde 30 Minuten lang künstlieh beregnet. Bei Mangen von Polymerisat zu Bentonit wie ι: 10 wurde eine 3°/₀ige Dispersion verwendet. Alle anderen benutzten die gleiche Menge Wasser.

Polymerisat	Bentonit	Bodenverlust
kg/4000 qm	kg/4000 qm	Tonnen/4000 qm
45.0	450	0,03
45.0	450	0,045
22,5	225	0,l8l
22,5	225	0,04
0,0	O	12,9
0,0	O	12,6
200,0	O	1,1
200,0	O	0,64

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 hydrolysiertes Polyacrylnitril je 4000 qm und 450 kg des anderen Bestandteils in Form 3°/_oiger 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 4000 qm ausgedrückte Bodenverlust zu ersehen; ferner ist ein Kontrollversuch mit einem Beet angegeben, das nicht oberflächenbehandelt wurde.

Mineral

Attapulgit

Cellit (Diatomeenerde)
Cellit (Diatomeenerde)

Kaolinit

Kontrolle ,

Kontrolle

Bodenverlust
in Tonnen/4000 qm

2,00

1,98

I0,8o

10,10

5,43
5,i4
13.4

4. Diese Versuche zeigen die Wirksamkeit. eines anderen Polyelektrolyts (des NH₄-Salzes des Misch-Polymerisats 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/4000 qm. Künstlich beregnet wurde in einer Menge von 5,2 cm je Stunde 60 Minuten lang.

Polymerisat

rund 200,0. festes

Polymerisat ...
rund 200,0 festes

Polymerisat ...
rund 22,5 3°/_oige

Dispersion

rund 22,5 3°/_oig^e

Dispersion

ο Kontrolle

Bentonit

O O rund 430

rund 430 0 ο

Bodenverlust

2,9 2,8

o,44

0,55 22,3 20,2

5. Nach dem obigen Verfahren wurde festgestellt, welche Vorteile faserige Stoffe in Mischungen von 9 Teilen Bentonit und 1 Teil hydrolysiertem PoIyacrylsäurenitril bieten. Bei einer Beregnung in einer Menge von 5,6 cm je Stunde 30 Minuten lang und einer Oberflächenbehandlung mit 450 kg/4000 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	Erosion in %
Bentonit allein (Kontrollversuch) ...	100,0
Bentonitpolymerisat, ohne Faser
material	15,0
Glaswollezusatz,
rund 11,3 kg/4000 qm	5,1
Glaswollezusatz,
rund 45,0 kg/4000 qm	1,6
Papierbrei,
rund 11,3 kg/4000 qm	3,2
Papierbrei,
rund 45,0 kg/4000 qm	0,6

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Mittel zur Verhütung der Bodenerosion, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem feinpulverigen Gemisch eines sich dehnenden Gittertons, z. B. Bentonit, mit (auf den Ton bezogen) 2 bis 100 und vorzugsweise 3 bis 5o°/₀ eines wasserlöslichen polymeren, anionisch aktiven Elektrolyts mit praktisch linearer Struktur besteht, der aus der Polymerisation einer monoolefinischen

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Verbindung mit ungesättigten C-C-Bindungen herrührt, z. B. einem Salz eines hydrolysierten Polyacrylsäiirenitrils, einem Salz eines sulfonierten Kohlenwasserstoffpolymerisats, einem Salz eines Mischpolymerisats aus ' Vinylacetat und Maleinsäure, einem Salz eines Mischpolymerisats aus Acrylsäure und Maleinsäure oder einem Salz eines Mischpolymerisats aus einem Vinylalkyläther und Maleinsäure.
2. Verfahren zur Herabsetzung der Erosion einer Bodenoberfläche auf ein Mindestmaß, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenoberfläche mit den Mitteln nach Anspruch ι überzogen wird.

Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 897 847, 893 345; belgische Patentschriften Nr. 501 725, 501 726.