Способ распыления с использованием сопла для распыления жидких композиций на основе полимеров - RU2753538C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к соплу для распыления по меньшей мере двух жидкостей и более конкретно жидких композиций на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров.

Растворимые в воде или способные к набуханию в воде полимеры, включая, в частности, полиакриламиды, используются во множестве вариантов применения в сельском хозяйстве, таких как сдерживание эрозии почвы, обусловленной воздействием воды и ветра, контроль растрескивания почвы, чтобы таким образом способствовать прорастанию и появлению всходов сельскохозяйственных культур, не ограничиваясь только этим.

В настоящее время реализация применения этих полимеров осуществляется в основном с помощью воды для орошения. Специалист в данной области техники по сути может обратиться в качестве примера к документу под названием «Conservation Practices Standard, Anionic Polyacrylamide (PAM) Application, (Ac.), Code 450», изданному Службой охраны природных ресурсов департамента USDA. Полиакриламиды можно добавлять в форме порошка или объемной массы (документ WO 96002126) к поверхностной воде для орошения или в форме жидкой композиции в системе под давлением (документ WO 9857531).

Конечно, некоторые способы разбрасывания или распыления растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров в твердой форме позволяют исключить использование воды для орошения в качестве применяемого средства доставки, но они являются ограниченными. В сущности разбрасывание полиакриламидов в форме порошка на предназначенных для сельского хозяйства почвах предусматривает конкретные составы (документ US 7503143) или конкретные материалы (документ US 2016120130) для обеспечения однородного распределения полимера по земле.

Следовательно, способы распыления жидкости по-прежнему предпочтительны, однако остается несколько технических или экономических трудностей, которые следует преодолеть.

Распыление разбавленных растворов на основе полиакриламида

Коллоидная природа полиакриламидов с высокой молекулярной массой (> 10 миллионов Да) в водном растворе требует значительного разбавления в случае распыления с применением стандартных сопел, применяемых в сельском хозяйстве. Например, в соответствии с Kincaid, D.C and Lentz, R.D. and Lehrsch, G.A (1996) Spray patterns from fan-type nozzles for applying PAM to soil surfaces. pp. 457-466. In: Proc. Of Conf. 27. Erosion control technology… bringing it home. USA-WA-Seattle, 1996/02/27-03/01. Int. Erosion Control Assoc., Steamboat Springs, CO., их концентрация в водном растворе не должна превышать 900 ppm (0,9% по весу) в случае распыления с применением обычного опрыскивателя, применяемого в сельском хозяйстве. Кроме того, давление при распылении должно быть в значительной степени увеличено, чтобы избежать слияния струй. Следовательно, необходимые способы распыления этих водных растворов полимеров (с очень большим количеством воды) ограничены. В качестве примера, применение 10 кг полиакриламида на поверхности площадью 10000 квадратных метров (1 га) при концентрации водного раствора, составляющей 1200 ppm, приводит к использованию 8333 литров воды. Такое количество воды на единицу поверхности эквивалентно орошению (FR 3009307), что противоречит желанию исключить воду для орошения в качестве средства доставки в случае применения этих полимеров.

В этом же документе (Kincaid & al, 1996) применение полиакриламида при концентрации, составляющей 3000 ppm, требует снижения высоты распылительных сопел до уровня 38 мм от земли и удвоения числа сопел вследствие проблем со слиянием струй. При этом два распылительных сопла позволяют распылять суспензию полиакриламида только на ширину от 20 до 30 мм. Такой способ не может быть применен в промышленности, поскольку это подразумевает нанесение достаточного количества этих полимеров на предназначенную для сельского хозяйства поверхность в течение приемлемого периода времени.

Распыление концентрированных растворов на основе полиакриламида с применением распылителя

В документе FR 1357705 предложено применение конкретного оборудования в случае применения ручных центробежных распылителей, для получения мелких капель одинакового размера из концентрированной жидкой композиции на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров. Данный способ, который продемонстрировал свою эффективность, не требует разбавления раствора полимера, подлежащего распылению, большими количествами воды. Однако данный способ требует конкретного оборудования, стоимость или обслуживание которого может быть затруднением.

Распыление с помощью сопел с подачей сжатого воздуха

Специалист в данной области техники может распылять концентрированные жидкие композиции на основе полиакриламида, как описано в документе FR 1357705, с применением сопел с подачей сжатого воздуха (пример сопла: документ US 4828182). Однако небольшое количество воды, содержащейся в таких жидких композициях, будет ограничивать эффективность полиакриламидов. Действительно, в соответствии с Gabriels and De Boodt Theoretical and practical approach for determining the optimal moisture content at the moment of soil conditioning. Mitt. Deutsch Bodenkund Gesel. 15, 185-203, влага влияет на эффективность вспомогательных веществ для почв, применяемых на предназначенных для сельского хозяйства почвах. Кроме того, количество сжатого воздуха и давление, необходимое для распыления густых продуктов посредством данного типа оборудования, требуют значительных энергозатрат, которые трудно обеспечить с применением сельскохозяйственного тягача или самоходного опрыскивателя. В заключение, поскольку концентрированная жидкая композиция на основе полиакриламида характеризуется высоким уровнем содержания нелетучих твердых материалов, поток сжатого воздуха приведет к высыханию продукта во время распыления, что тем самым приведет к применению пылеобразного порошка, который к тому же за счет своей прилипаемости будет прилипать к стенкам сопла с закупориванием в конечном итоге его узких отверстий.

Ни один из вышеупомянутых способов не обеспечивает легкого применения концентрированной водной композиции на основе растворимых в воде или набухающих в воде полимеров, тем более в смеси с другими трудносмешиваемыми (или даже несмешиваемыми) веществами и/или веществами, несовместимыми с концентрированным водным раствором полимера.

Несмотря на то, что, как известно, добавление полиакриламидов в воду для орошения позволяет ограничить вымывание некоторых гербицидов (см. Oliver & al Minimising off-site movement of contaminants in furrow irrigation using polyacrylamide (PAM) I; Pesticides, Australian Journal of soil Research 2006, 44, 551-560), существует мало информации о преимуществах такой комбинации при одновременном применении полиакриламида и гербицида. Действительно, два продукта трудно смешивать из-за вязкости, а также из-за возможной нестабильности смеси.

Применение полиакриламидов в смеси со сшивающим средством позволяет обеспечить реакцию сшивания полимера in situ (документы US 3759857, US 3875697, US 3759197).

Этот метод представляет интерес, например, в случае борьбы с ветровой эрозией. Однако смесь полиакриламидов и сшивающих средств представляет собой реакционную среду, вязкость которой увеличивается в ходе процесса сшивания до получения конечного сшитого продукта, который, следовательно, характеризуется небольшой растворимостью или является нерастворимым. Соответственно, такую смесь трудно распылять. Получение смеси в распылительном сопле является перспективным решением. Однако явление сшивания с применением, например, гипохлорита натрия, представляет собой быструю реакцию, и загустение реакционной среды может происходить в статическом смесителе, расположенном непосредственно после распылительного сопла, вызывая его засорение.

В документе US 2006/064844 A1 описана машина, позволяющая очищать почвы, включая систему, позволяющую смешивать мыло с одной стороны и воду с другой стороны. Система снабжена двумя камерами, каждая из которых имеет сквозное отверстие, оси которого пересекаются, при этом они совмещены с отклонителем, расположенным после одного из 2 сквозных отверстий.

В области, также отличной от области распыления полимеров, в документе US 4361285 A описано сопло для мелкодисперсного разбрызгивания несмешиваемых материалов, имеющее две камеры, в которых текут 2 жидкости, которые смешиваются после выходного отверстия каждой из камер. Сопло дополнительно предусматривает третью текучую среду, состоящую из газа, которая вводится между отклонителем и смесью 2 жидкостей.

В области, также отличной от области распыления полимеров, в документе US 4735359 A описана комбинация двух сопел, расположенных торец к торцу, каждое из которых выполнено с возможностью распыления одной жидкости. Две жидкости смешиваются после того, как их траектория была ранее изменена отклонителем.

Следовательно, чтобы удовлетворять требование распыления растворов на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров, где содержание по весу полимера составляет преимущественно от 0,01% до 75%, Заявитель разработал сопло, которое дополнительно обеспечивает возможность их смешивания в ходе распыления с веществами, которые при этом являются несовместимыми. Простота этого сопла делает его недорогим, и его использование приводит к низкому энергопотреблению.

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу распыления смеси, содержащей по меньшей мере первую жидкость в виде жидкой композиции на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров, где содержание по весу полимера составляет преимущественно от 0,01% до 75%, и по меньшей мере вторую жидкость, с применением сопла, признаки которого приведены далее в данном документе.

Настоящее изобретение также относится к соплу как соплу для одновременного распыления по меньшей мере двух жидкостей для осуществления указанного способа, при этом сопло содержит:

корпус, снабженный первой камерой, в которой протекает первая жидкость, и второй камерой, в которой протекает вторая жидкость, при этом каждая из двух камер содержит сквозное отверстие с наружной стороны корпуса,

отклонитель, прикрепленный к корпусу, расположенный после по меньшей мере одного из сквозных отверстий в направлении потока первой и второй жидкостей, при этом указанный отклонитель выполнен с возможностью изменения направления потока первой и второй жидкостей,

при этом отверстия по сути расположены относительно друг друга таким образом, чтобы обеспечивать смешивание первой и второй жидкостей не позднее чем после их вступления в контакт с отклонителем, преимущественно не позднее их вступления в контакт с отклонителем.

В соответствии с первым признаком оси сквозных отверстий двух камер, из которых состоит корпус, пересекаются так, что первая и вторая жидкости смешиваются перед тем, как они вступают в контакт с отклонителем.

Более предпочтительно ось одного из отверстий расположена в продольном направлении корпуса.

В этом конкретном варианте осуществления отклонитель сопла расположен после отверстия, ось которого расположена в продольном направлении корпуса.

В соответствии с другим вариантом осуществления сквозные отверстия двух камер, из которых состоит корпус, расположены концентрически относительно друг друга так, что первая и вторая жидкости смешиваются не позднее чем после их вступления в контакт с отклонителем, преимущественно не позднее их вступления в контакт с отклонителем.

В данном варианте осуществления отклонитель сопла преимущественно находится в форме конуса вращения, вершина которого ориентирована в направлении сквозных отверстий, и ось которого совмещена с осью указанных отверстий.

В случае данного варианта осуществления расстояние между вершиной конуса и центром сквозных отверстий составляет преимущественно менее 20 мм, более преимущественно менее 10 мм и еще более преимущественно менее 4 мм.

Как уже отмечалось, другой аспект настоящего изобретения относится к способу распыления смеси, содержащей по меньшей мере первую жидкость в виде жидкой композиции на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров, где содержание по весу полимера составляет от 0,01% до 75%, и по меньшей мере вторую жидкость, с использованием сопла, описанного ранее. Более предпочтительно содержание по весу полимера для первой жидкости составляет от 5 до 60% и еще более предпочтительно от 10 до 50%.

И наконец, настоящее изобретение также относится к применению сопла, описанного ранее, для распыления по меньшей мере одной композиции на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров, в областях, относящихся к сельскому хозяйству, более конкретно для сдерживания эрозии почвы, при обработке дождевых и сточных вод, в способах бумажного производства и при добыче ископаемых.

Другими словами, настоящее изобретение также относится к способу распыления смеси, содержащей по меньшей мере первую жидкость в виде жидкой композиции на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров и по меньшей мере вторую жидкость, с использованием сопла, описанного ранее, в областях, относящихся к сельскому хозяйству, при обработке дождевых и сточных вод, в способах бумажного производства и при добыче ископаемых.

Настоящее изобретение и вытекающие из него преимущества станут ясны из нижеследующих примеров, подкрепленных прилагаемыми фигурами.

На фигуре 1 изображен предпочтительный вариант осуществления сопла в соответствии с настоящим изобретением, в котором корпус сопла 1 содержит две камеры 2 и 3 с выходом на отверстия 4 и 5, оси которых пересекаются с отклонителем 6. Ось отверстия 4 расположена в продольном направлении корпуса 1 и жидкости, проходящие через отверстия 4 и 5, смешиваются перед тем, как они вступают в контакт с отклонителем 6, который расположен после отверстий в направлении потока.

На фигуре 2 изображено сопло в соответствии с настоящим изобретением во втором предпочтительном варианте осуществления, где корпус сопла 1 содержит две камеры 2 и 3, сквозные отверстия 4 и 5 которого расположены концентрически по отношению друг к другу. Отклонитель 6 представлен в форме конуса вращения, вершина которого ориентирована в направлении сквозных отверстий 4 и 5, и ось которого совмещена с осью указанных отверстий так, что первая и вторая жидкости смешиваются не позднее их вступления в контакт с отклонителем.

Настоящее изобретение также относится к способу распыления смеси, содержащей по меньшей мере первую жидкость в виде жидкой композиции на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров, где содержание по весу полимера предпочтительно составляет от 0,01% до 75%, и по меньшей мере вторую жидкость с использованием сопла, описанного ранее. Более предпочтительно содержание по весу полимера для первой жидкости составляет от 5 до 60% и еще более предпочтительно от 10 до 50%.

По определению растворимый в воде полимер представляет собой полимер, который обеспечивает получение водного раствора без нерастворимых частиц при его растворении при перемешивании при 25°C и с концентрацией 50 г⋅л^-1 в воде.

Способный к набуханию в воде полимер представляет собой полимер, который набухает и обеспечивает загустение водного раствора при его помещении в воду при 25°C.

В случае способа в соответствии с настоящим изобретением вторая жидкость является жидкостью на водной или органической основе или смесью двух жидкостей данного типа.

Еще более предпочтительно вторая жидкость находится в форме эмульсии типа «вода в масле» или форме водной дисперсии частиц.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления в случае способа распыления по настоящему изобретению вторая жидкость содержит по меньшей мере одно вещество, представляющее интерес в области сельского хозяйства, или по меньшей мере одно вещество, обеспечивающее возможность улучшения развития или роста растительного материала, при этом предпочтительно вещество выбрано из удобрений, гормонов, микроорганизмов, микориз, стимуляторов роста, регуляторов роста, фитосанитарных средств, например, фунгицидов, инсектицидов, средств для защиты растений.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления в случае способа распыления в соответствии с настоящим изобретением по меньшей мере вторая жидкость содержит по меньшей мере одно сшивающее средство.

Еще более предпочтительно сшивающее средство выбрано из группы, включающей гипохлориты или гипобромиты щелочных или щелочноземельных металлов, диальдегиды формулы O=CH-(R)_n-CH=O, в которой R представляет собой насыщенную алкиленовую цепь с 1-8 атомами углерода, и n=0 или 1.

Предпочтительно в случае способа распыления по настоящему изобретению первая жидкость на основе растворимого в воде или набухающего в воде полимера находится в форме однородного водного раствора, или эмульсии типа «вода в масле», или дисперсии полимерных частиц в водной фазе.

В случае эмульсии типа «вода в масле» растворимый в воде или способный к набуханию в воде полимер находится в каплях воды во взвешенном состоянии в подвижной фазе, которая представляет собой масло.

Дисперсия полимерных частиц в водном растворе содержит частицы по меньшей мере одного способного к набуханию в воде или растворимого в воде полимера во взвешенном состоянии в водном растворе, содержащем по меньшей мере одно соединение, выбранное из минеральной соли, органической соли, органического полимера в качестве диспергирующего вещества и их смесей.

Предпочтительно в случае способа распыления по настоящему изобретению по меньшей мере один растворимый в воде или способный к набуханию в воде полимер, содержащийся в по меньшей мере первой жидкости, подлежащей распылению в соответствии со способом по настоящему изобретению, представляет собой сополимер акриламида.

Преимущественно сомономеры акриламида являются неионогенными и/или анионными мономерами.

Неионогенный мономер или мономеры могут быть выбраны, в частности, из группы, включающей растворимые в воде виниловые мономеры. Предпочтительные мономеры, относящиеся к данному классу, представляют собой, например, метакриламид, N-изопропилакриламид, N,N-диметилакриламид и N-метилолакриламид. Также возможно применение N-винилформамида, N-винилацетамида, N-винилпиридина и N-винилпирролидона, акрилоилморфолина (ACMO) и диацетонакриламида.

Анионный мономер или мономеры могут быть выбраны из акриловой кислоты, метакриловой кислоты, итаконовой кислоты, малеиновой кислоты, 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (ATBS), винилсульфоновой кислоты, винилфосфоновой кислоты, при этом указанный анионный мономер не превращен в соль, частично превращен в соль или полностью превращен в соль.

Последний аспект настоящего изобретения относится к применению сопла по настоящему изобретению для распыления по меньшей мере одной композиции на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров в областях, относящихся к сельскому хозяйству, более конкретно для сдерживания эрозии почвы, при обработке дождевых и сточных вод, в способах бумажного производства и при добыче ископаемых.

В области сельского хозяйства и более конкретно в отношении эрозии почвы растворимый в воде или способный к набуханию в воде полимер преимущественно распыляется одновременно с по меньшей мере второй жидкостью, содержащей по меньшей мере одно вещество, представляющее интерес в области сельского хозяйства, или по меньшей мере одно вещество, обеспечивающее возможность для улучшения развития или роста растительного материала.

Преимущества сопла по настоящему изобретению, способа распыления с применением данного сопла и его применение были проиллюстрированы в соответствии со следующими примерами, но не ограничиваются ими.

Пример 1. Распыление концентрированной смеси на основе полиакриламида с высокой молекулярной массой.

В соответствии со способом по настоящему изобретению концентрированные смеси на основе полиакриламида с высокой молекулярной массой распыляли с применением сопла с отражателем для двух жидкостей, оснащенного двумя отдельными выходными отверстиями.

Данное сопло (соответствующее фигуре 1) смоделировали в трех измерениях, затем напечатали с применением аддитивного способа из PET с применением принтера «Ultimaker 2+». Общая длина сопла составляла 67 мм, диаметр поперечного сечения, включая отклонитель, составлял 12 мм, диаметр отверстий камер составлял 2 мм, и, наконец, площадь поверхности отклонителя составляла 112 мм².

Затем сопло оснащали необходимыми уплотняющими прокладками перед помещением в держатель сопла модели «Airjet Bi-Fluid» фирмы Teejet. Данный держатель сопла обычно используется для распыления сжатым воздухом. Их применение было приспособлено для обеспечения возможности подачи двух жидкостей в направлении сопла, ранее начерченному и напечатанному.

Воду циркулировали в камере 3 сопла, а различные концентрированные жидкие композиции на основе полиакриламидов - в камере 2.

Полиакриламиды являются сополимерами акриламида и акрилата натрия (70/30, мол. %) с молекулярной массой, составляющей от 10 до 20 миллионов Дальтон.

Применяемые концентрированные жидкие композиции (25% по весу) описаны в следующей таблице.

Расход каждой жидкости и значения концентрации полимера в смесях, распыляемых таким образом, указаны в следующей таблице.

Авторы настоящего изобретения обеспечили распыление на однородном полотне шириной более 40 см.

В соответствии с Kincaid & al (1996) применяемые полимеры не могут быть должным образом распылены при концентрации, превышающей 900 ppm по весу (0,9% по весу). С помощью способа по настоящему изобретению было возможно распыление тех же полимеров при концентрации более чем в 30 раз выше.

Пример 2. Сшивание полиакриламида in situ.

Способ сшивания полиакриламида in situ осуществляли для стабилизации почвы, как описано в документе «Crosslinking of acrylamide polymers» US 3759857, но с применением сопла и способа распыления по настоящему изобретению.

Жидкую композицию на основе полиакриламида (молекулярная масса примерно 100000 Да) и раствор гипохлорита натрия (сшивающее средство) циркулировали в каждой из камер 2 и 3 распылительного сопла (идентичного таковому из примера 1).

Целью являлось обеспечение смешивания двух жидкостей при контакте с поверхностью отклонителя (также называемого отражателем) сопла.

В таблице ниже кратко изложены применяемые параметры распыления.

Несколько сопел были расположены на стойке для распыления для обеспечения более легкого нанесения смеси полимера и сшивающего средства на поверхность емкостей, заполненных песчаной почвой. После нанесения смеси сшивание вызывает образование стабилизирующего слоя на поверхности почвы.

Следует отметить, что распылительные сопла легко очищаются после распыления. Сшивание не происходило, и, следовательно, не было закупоривания внутри оборудования для распыления.

Реферат

Изобретение относится к соплу для распыления. Способ распыления смеси, содержащей по меньшей мере первую жидкость в виде жидкой композиции на основе растворимых в воде или способных к набуханию в воде полимеров и по меньшей мере вторую жидкость, отличающийся тем, что в нем используют сопло для одновременного распыления по меньшей мере двух жидкостей, содержащее: корпус, снабженный первой камерой, в которой протекает первая жидкость, и второй камерой, в которой протекает вторая жидкость, при этом каждая из двух камер содержит сквозное отверстие с наружной стороны корпуса, отклонитель, прикрепленный к корпусу, расположенный после по меньшей мере одного из сквозных отверстий в направлении потока первой и второй жидкостей, при этом указанный отклонитель выполнен с возможностью изменения направления потока первой и второй жидкостей. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула