Способ получения водорастворимого полиэлектролита-структурообразователя почв

(51) 09 17/14 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ действием, который может найти применение в сельском хозяйстве в качестве структурообразователя почв. Получение водорастворимого полиэлектролита структрообразователя - ВРПЭ осуществляется путем радикальной сополимеризации винилацетата с акриловой кислотой при их мольном соотношении 1,02,0-6,0 в водной среде в присутствии инициатора с продуванием инертного газа, выдерживанием в течение 4-х часов при 50 С с последующей обработкой продукта сополимеризации водным раствором калиевых солей минеральных кислот 23, 23, 33 или К 3 РО 4 до достижения значения рН 8,0-8,5. Полученный ВРПЭ обладает высоким структурообразующим эффектом,содержит питательные, полезные соединения, биологически совместим, экологически безопасен и может применяться в качестве структурообразователя для предотвращения эрозии почв и пылеподавления, а также для закрепления грунтов, отвалов, подвижных песков.(72) Сулейменов Жусупбек Таширбаевич Асанов Аманкайт Асанович Цой Ирина Геннадьевна Матниязова Гульсим Кадыржановна(73) Республиканское государственное казенное предприятие Таразский государственный Университет имени М.Х. Дулати Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМОГО ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТА-СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЯ ПОЧВ(57) Изобретение относится к коллоидной химии, а именно, к получению биологически совместимого и экологически безопасного водорастворимого полиэлектролита (ВРПЭ) - структурообразователя,содержащего низкомолекулярные легко усваиваемые питательные элементы, положительно влияющие на рост, развитие, урожайность растений,обладающего высоким структурообразующим 21581 Изобретение относится к коллоидной химии, а именно, к получению биологически совместимого,экологически безопасного водорастворимого полиэлектролита (ВРПЭ) - структурообразователя,содержащего низкомолекулярные легко усваиваемые питательные вещества, положительно влияющие на рост, развитие, урожайность растений,обладающего высоким структурообразующим действием, которое может найти применение в сельском хозяйстве для структурирования почв, для предотвращения водной, ветровой и механической эрозии,для повышения плодородия,влагоудерживания и влагопоглощения, облегчения фильтрационных процессов, обеспечивающих миграцию полезных веществ, стимулирующих рост и развитие растений, а также для закрепления грунтов, отвалов, и подвижных песков, против пылеобразования и для пылеподавления с целью устранения отрицательного влияния на окружающую среду. Известен способ получения водорастворимого полимера (ВРП) рекомендованного в качестве структурообразователя бесструктурных эродированных почв, путем гидролиза полиакрилонитрила(ПАН) в водной среде в присутствии гидроксида натрия 1,2 (препарат К-4 аналог). Недостатком известного способа получения водорастворимого полимерного препарата структурообразователя является ведение процесса гидролиза в присутствии избытка , который способствует процессу засоления почв, ухудшает их экологическое состояние, а также отрицательно влияет на рост и развитие растений. Кроме того,наличие в составе ВРП избытка гидроксида натрия способствует продолжению процесса гидролиза, что приводит к частичному изменению состава функциональных групп водорастворимого полимера и, соответственно, к изменению структурообразующих свойств. Кроме того, процесс получения конечного продукта сложен и длителен. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения водорастворимого полимера путем сополимеризации винилацетата (ВА) с акриловой кислотой (АК) с последующим омылением продукта сополимеризации в среде 1,0 нормального водного раствора гидроксида калия (КОН) 3-прототип. Однако, известный способ не позволяет получить водорастворимый полимер с высоким выходом и структурообразующим действием. Причиной этого является то, что в процессе сополимеризации не установлено оптимальное соотношение мономеров ВА и АК. Увеличение количества ВА в реакционой смеси уменьшает выход и ухудшает растворимость, а увеличение АК выше оптимального приводит к повышению электроотрицательности макроиона продукта сополимеризации, вследствие чего ухудшается структурообразующая способность конечного продукта. Кроме того,сополимеризация осуществляется без удаления кислорода из реакционной системы, не определены оптимальное время и температура сополимеризации. Все это в 2 определенной мере отрицательно сказывается на достижении высокого выхода и молекулярной массы продукта сополимеризации. В связи с этим становится невозможным использовать конечный продукт без выделения из реакционной массы. Задачей данного изобретения является упрощение процесса,сокращение времени,установление оптимальных соотношений мономеров, увеличение выхода и молекулярной массы продукта сополимеризации, улучшение его растворимости в воде и структурообразующего действия,а также введение в состав водорастворимого полиэлектролита - структурообразователя полезных питательных соединений,положительно влияющих на рост, развитие,урожайность растений и сельхозкультур. Поставленная задача решается путем сополимеризации винилацетата /ВА/ с акриловой кислотой /АК/ при оптимальном мольном соотношении 1,02,0-6,0 в водной среде, с удалением кислорода, в присутствии инициатора при температуре 50 С, в течение 4-х часов и последующей обработкой продукта сополимеризации 15-ным водным раствором калиевых солей слабых минеральных кислот 23,23, 33 или К 3 РО 4 до рН 8,0-8,5. Отличительная особенность предлагаемого способа заключается в том, что сополимеризацию ведут в водной среде, с удалением кислорода, при оптимальном соотношении мономерных звеньев ВА и АК 1,02,0-6,0 при температуре 50 С, в течение 4-х часов с последующей обработкой продукта сополимеризации 15-ным водным раствором калиевых солей слабых минеральных кислот 23,23, 33 или К 3 РО 4 до рН 8,0-8,5. Положительное влияние подобранных условий заключается в том, что осуществление процесса сополимеризации в водной среде при продувании азотом при оптимальном соотношении мономеров(1,02,0-6,0 моль) улучшает радикалообразующую способность мономеров, позволяет понизить температуру и сократить время процесса сополимеризации, повысить выход и молекулярную массу продукта сополимеризации. Нейтрализация продукта сополимеризации путем добавления солей слабых минеральных кислот приводит не только к улучшению растворимости, но и к усилению структурообразующего действия за счет регулирования конформационного состояния макромолекулы в связи с е переходом от свернутого состояния к более развернутому, что приводит к росту количества активных функциональных групп,расположенных вдоль цепи макромолекулы,способных образовывать связи с поверхностью почвенных частиц, и к увеличению длины макроцепи, что оказывает положительное влияние на мостикообразующий эффект макромолекул между почвенными частицами. Наряду с этим применение для нейтрализации калиевых солей слабых минеральных кислот, особенно К 3 РО 3,К 3 РО 4 улучшает биологическую совместимость и обеспечивает экологическую безопасность, а также повышает плодородие почв и сопротивляемость 21581 растений к различным болезням, при применении в качестве структурообразователя конечного продукта сополимеризации. Для получения ВРПЭ в реакционную колбу емкостью 750 см 3 помещают необходимое количество ВА и АК, а также воду. Затем вводят персульфат калия 228,перемешивают взбалтыванием до образования гомогенного раствора. Процесс радикальной сополимеризации проводят в инертной среде при температуре 50 С в течение 4-х часов. Полученный продукт сополимеризации обрабатывают,нейтрализуя добавлением 15-ного водного раствора калиевых солей слабых минеральных кислот 23, 23,33 или К 3 РО 4 до рН 8,0-8,5. При этом установлено оптимальное мольное соотношение винилацетата (ВА) и акриловой кислоты(АК) 1,02,0-6,0,соответственно. Увеличение в составе реакционной смеси ВА приводит к помутнению раствора за счет ухудшения растворимости. Кроме того, при соотношениях мономеров 2,01,0-1,0 моль выход продукта не превышает 75-85,а состав сополимера,установленный на основании элементного анализа и по кислотному числу, не соответствует исходному составу мономеров, взятого для проведения реакции. А при соотношениях ВААК 1,08,0 и выше, хотя и образуется водорастворимый продукт,но ухудшается структурообразующий эффект продуктов сополимеризации за счт уменьшения относительного количества незаряженных,устойчивых к внешним воздействиям активных ацетатных групп, которые содержат две оксогруппы обладающие более высокой способностью образовывать связи с поверхностью почвенной частицы, и увеличением электроотрицательности макроиона, затрудняющего образование связи с поверхностью отрицательно заряженной почвенной частицы. Оптимальный выход, полученный предлагаемым способом в процессе сополимеризации ВААК при мольном соотношении мономеров 1,02,0-6,0, при температуре 50 С составляет 99,50-99,85. При этом образуется сополимер с молекулярной массой 2,5-3,5 х 105 единиц, хорошо осаждающийся при добавлении 10-ного водного раствора НС 1. Для выделения сополимера раствор разбавляют водой до 3,0-4,0 и добавляют НС 1. Для практических целей осаждение образцов сополимера необязательно. Осажденный и высушенный продукт сополимеризации растворим в слабощелочных водных растворах, нерастворим в кислых водных растворах, а также в спирте,диоксане и др., органических растворителях. Примеры выполнения способа. Пример 1. В реакционную колбу емкостью 750 г/см 3 помещают 340 мл воды, 22,44 г ВА и 37,56 г АК (соотношение мономеров 1,02,0 моль), затем 0,30 г персульфата калия. Колбу с реакционной смесью продувают азотом, герметизируют и выдерживают в течение 4-х часов при 50 С. Выход продукта сополимеризации составляет 98,0. Полученный образец условно обозначают ВААК-2 Н. Пример 2. Все как в примере 1 за исключением того, что для сополимеризации берут 13,8 г ВА и 46,2 г АК. При этом соотношение мономеров 1,04,0 моль. Выход продукта сополимеризации составляет 99,46. Полученный образец условно обозначают ВААК-3-Н. Пример 3. Все как в примере 1, только для осуществления процесса сополимеризации берется 9,96 г ВА и 50,04 г АК. При этом соотношение мономеров 1,06,0 моль. Выход продукта сополимеризации составляет 99,86. Полученный продукт сополимеризации условно обозначают ВААК-4-Н. Пример 4. Полученные продукты сополимеризации по примерам 1,2,3 ВААК-2-Н ВААК-3-Н и ВААК-4-Н обрабатывают 15 водным раствором К 3 РО 4, доводят значение рН до 8,0-8,5. Образовавшиеся продукты условно обозначают ВААК-2-К 3 РО 4, ВААК-3-К 3 РО 4 и ВААК-4-К 3 РО 4 соответственно. Получение образцов ВРПЭ ВААК-2- К 2 СО 3,ВААК-3-К 2 СО 3, ВААК-4-К 2 СО 3, ВААК-2- 23,ВААК-3- 23, ВААК-4- 23, ВААК-2- К 3 РО 3,ВААК-3- К 3 РО 3, ВААК-4- К 3 РО 3 осуществляется как в примере 4 за исключением того, что для обработки берут 15-ные растворы К 2 СО 3, 23 или К 3 РО 3, соответственно. Во всех случаях при обработке продукта сополимеризации до рН 8,0-8,5 с добавлением калиевых солей слабых минеральных кислот образуется гомогенная высоковязкая,быстрорастворимая в воде масса, отличающаяся составом сопутствующих электролитов,не требующая выделения из реакционной массы при практическом использовании. Известно 4, что структурообразующее действие ВРПЭ оценивают,определяя количество водопрочных агрегатов (ВПА, ) в бесструктурной почве. Структурообразующее действие образцов ВРПЭ,определенное известным методом,показывает, что количество ВПА изменяется в зависимости от концентрации и условий получения ВРПЭ. Как свидетельствуют экспериментальные данные, наиболее высокое структурообразующее действие проявляют образцы ВРПЭ, полученные путем обработки продукта сополимеризации ВА с АК в мольном соотношении 1,02,0-6,0 калиевыми солями слабых минеральных кислот до рН 8,0-8,5. Сравнение структурообразующего действия образцов ВРПЭ,полученных предлагаемым способом по примеру 4 с известным способом 3 прототип показало, что при обработке почвы растворами ВРПЭ, полученными предлагаемым способом, при концентрации 0,050 г/дл образуется около 54,30-53,50 ВПА (табл.). Для образования примерно такого же количества ВПА в бесструктурной почве Жамбылской области в присутствии ВРПЭ, полученного известным способом 3 прототип, необходимо использовать концентрацию 0,50 г/дл (табл.), что примерно в 10 раз больше. 3 ВРПЭ, полученный предлагаемым способом ВААК-2-К 3 РО 4 0,0 26,8 38,6 54,3 69,5 84,2 93,8 Структурообразующее действие образцов ВРПЭ,полученных предлагаемым способом, почти 3,5-4,5 раза выше, чем у К-4 4 и ПАА 5, которые рекомендованы в качестве структурообразователей почвы. Известные ВРПЭ К-4 и ПАА проявляют не только относительно слабое структурообразующее действие, но наряду с этим они содержат в своем составе ионы , которые оказывают отрицательное влияние на рост, развитие, урожайность растений и сельхозкультур, а также на окружающую среду. Результаты экспериментальных данных,свидетельствуют о том, что наиболее высоким структурообразующим эффектом обладают образцы-2-2 О 3, ВААК-3-К 2 СО 3, ВААК-4-К 23,ВААК-2-23, ВААК-3-23, К-4-23,ВААК-2-К 3 Р 3, ВААК-3-К 3 РО 3, -4-33,особенно ВААК-2-К 3 РО 4, ВАК-3-3 РО 4, ВААК-4 К 3 РО 4. К преимуществам этих образцов ВРПЭ можно отнести содержание в их составе электролитов в, которые в определенной мере усиливают структурообразующее действие, оказывают положительное влияние на плодородие почвы, рост урожайности и развитие растений, а также приводят к повышению сопротивляемости растений к различным болезням. Таким образом выявлено, что структурообразующий эффект образцов ВРПЭ полученных путем радикальной сополимеризации ВА и АК,зависит в основном от способа получения, от условий проведения реакции сополимеризации,соотношения мономеров и значения р конечного виде продукта сополимеризации, а также от вида нейтрализующего реагента. Источники информации 1. Ахмедов К.С. и др. Водорастворимые полимеры и их взаимодействие с дисперсными системами. Изд. Фан УзССР. Ташкент, 1969. -. 24-29. 2. Ахмедов К.С Зайнутдинов С.А. Авт. Свид. СССР 145597, 1962 3. Махкамов А.К., Зайнутдинов С.А., Ахмедов К.С. ДАН УзССР,8, 1972, с. 48 4. Сидорова Т.М., Ахмедова В., Ахмедов К.С. Сб. Полимерные препараты в сельском хозяйстве. Ташкент ФАН, 1961. -с. 77 5. Николаев А.Ф.,Охрименко Г.И. Водорастворимые полимеры, Л. Химия, 1979. -с. 64 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения водорастворимого полиэлектролита - структурообразователя почв путем радикальной сополимеризации винилацетата и акриловой кислоты в водной среде в присутствии инициатора 228, отличающийся тем, что процесс сополимеризации осуществляют при мольном соотношении мономеров 1,02,0-6,0, при температуре 50 С, в течение 4-х часов, с последующей обработкой продукта сополимеризации водным раствором калиевых солей слабых минеральных кислот К 2 СО 3, 2 О 3, К 3 РО 3,или К 3 РО 4 до достижения значения рН 8,0-8,5.