ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2009 года по МПК C09K3/18 

Изобретение относится к дорожно-эксплуатационному производству, в частности к средствам для предотвращения скользкости на автомобильных дорогах общего пользования и других транспортных сооружениях в зимний период.

Известен способ предотвращения скольжения на дорогах путем нанесения на поверхность их покрытий хлористого натрия (см. Бялобжесский Г.В. и др. Борьба с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. - М.: Транспорт, 1975. - С.26).

К недостаткам этого способа относятся высокие затраты на производство хлористого натрия и его транспортирование к местам использования, применение вещества с широкой сферой потенциального использования в различных отраслях с большим социальным и экономическим эффектами.

Известны также химические противогололедные материалы в твердом или жидком виде:

- хлориды: хлористый кальций модифицированный (ХКМ), модифицированный хлористый магний (Биомаг), хлористый кальций фосфатированный (ХКФ), натрий хлористый технический карьерный, природные рассолы (хлористо-натриевые, хлористо-кальциево-натриевые и др.) и др.;

- ацетаты: Нордикс (на основе ацетата калия), «Антиснег-1» (на основе ацетата аммония) и др.;

- карбамиды: КАС (карбамидно-аммиачная селитра) и др.;

- нитраты: НКМ (на основе нитрата кальция и мочевины), НКММ (на основе нитрата кальция, магния и мочевины (Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. Утверждено распоряжением Минтранса РФ от 16 июня 2003 г., №ОС-548-р. - М., 2003. - С.9-10).

Недостатками перечисленных противогололедных материалов являются использование для их производства ценного природного сырья, высокие затраты на производство и транспортирование к местам использования, применение веществ с широкой сферой потенциального использования в различных отраслях с большим социальным и экономическим эффектами.

Известен противогололедный реагент, содержащий смесь ацетата натрия и ацетата щелочноземельного металла, который содержит в качестве ацетата щелочноземельного металла ацетат магния в соотношении в массовых частях ацетат натрия к ацетату магния как 3:1-1:3 соответственно (RU, патент №2293157 C2, МПК⁷ E01C 11/24, C09K 3/18. Способ предотвращения скользкости дорожного покрытия, способ получения противогололедного реагента для предотвращения скользкости дорожного покрытия и противогололедный реагент для предотвращения скользкости дорожного покрытия / М.В.Ачкеева, В.П.Данилов, И.В.Морозов, Н.В.Романюк, Б.Э.Татулов, В.А.Ушков. - Заявка №2004135518/03; заявлено 07.12.2004; опубл. 10.02.2007, Бюл. №4).

К недостаткам данного реагента можно отнести использование для его производства ценного природного сырья, высокие затраты на производство и транспортирование к местам использования, применение веществ с широкой сферой потенциального использования в различных отраслях с большим социальным и экономическим эффектами.

Известен также противогололедный реагент на основе кальциево-магниевой соли уксусной кислоты, полученный из сырьевой смеси, содержащей, мас.ч.: доломит с содержанием кремниевых включений 0,2-16 мас.% или доломитовый известняк с содержанием кремниевых включений 0,2-5 мас.% 180-200, уксусная кислота 50-150, водный раствор карбоната калия или 25%-ная аммиачная вода 0,5-2, полиэтиленгликоль, или полипропиленгликоль, или их производные с биоразлагаемостью не более 30 дней, или поливиниловый спирт с биоразлагаемостью не более 60 дней 0-1. Уксусную кислоту используют ледяную или концентрированную (RU, патент №2239687 C2, МПК⁷ E01C 11/24, C09K 3/18. Способ предотвращения скользкости дорожных покрытий, сырьевая смесь для получения противогололедного реагента для предотвращения скользкости дорожных покрытий и способ его получения / М.В.Ачкеева, И.В.Морозов, В.В.Николаев, Ю.Н.Розов, П.И.Соломко. - Заявка №2002116109/03; заявлено 20.06.2002; опубл. 10.11.2004).

К недостаткам данного реагента можно отнести использование для его производства ценного сырья, высокие затраты на производство и транспортирование к местам использования, применение веществ с широкой сферой потенциального использования в различных отраслях с большим социальным и экономическим эффектами.

Известен локальный водоприемник для коллекторно-дренажных вод гидромелиоративных систем, содержащий ряд параллельно расположенных сообщающихся каналов, шириной до 100 м, причем объем и площадь водной поверхности выбирают такими, чтобы обеспечить долговременный сброс дренажных вод с орошаемых земель. Часть дренажного стока из водоприемника опресняют различными способами и используют повторно, часть расходуется на фильтрацию и испарение с водной поверхности (Калантаев В.А. Мелиорация орошаемых земель и охрана окружающей среды // Вопросы рационального использования водно-земельных ресурсов Туркменской ССР / САНИИРИ. - Ташкент: САНИИРИ, 1987. - С.7-8).

К недостатку данного водоприемника следует отнести то, что не используются высокоминерализованный дренажный сток и/или солевые отложения, образующиеся в результате его естественного испарения в пределах водоприемника или рассолов как остаточного продукта процесса опреснения дренажного стока.

Известен также пруд-испаритель дренажного стока, содержащий ряд отсеков. Дренажная вода из коллектора поступает в один их них и далее перепускается в последующие, концентрация солей при этом возрастает. Последний отсек служит для окончательного осаждения солей. Например, в долине Сан-Хоакин (США) построен пруд с последовательным размещением 10 отсеков (Reuse and disposal of higher salinity subsurface drainage water. - A Review by D.W.Weatcot. Agricultural Water Management. - 1988. - Vol.14. - №1-4. - P.483-511. Повторное использование и отведение высокоминерализованных дренажных вод. Перевод №1254. - М.: ЦБНТИ Минводхоза СССР, 1989. - С.36-37).

Недостатком данного пруда-испарителя является отказ от возможного полезного использования части дренажного стока с высокой минерализацией и/или солевых отложений, содержащихся в последнем отсеке.

Известен опыт проектирования, строительства и начального периода эксплуатации накопителей-испарителей дренажного стока гидромелиоративных систем в Волгоградской области, характеристика которых представлена в прилагаемой таблице 1. Параметры накопителей-испарителей определены из расчета практически полного естественного испарения всего объема дренажного стока, поступающего в них ежегодно.

Недостатком данных накопителей-испарителей является ежегодное образование в придонной зоне концентрированных рассолов и/или отложений солей, которые не используются и представляют опасность как источник загрязнений для окружающей среды.

Кроме описанных известен накопитель дренажного стока гидромелиоративных систем, включающий плотины, дамбы обвалования, отсеки, насосные станции, регулирующие сооружения, водовыпуски, трубопроводы, лоток, каналы, аэраторы и биоплато из высшей водной растительности, который снабжен подводящим каналом с датчиками минерализации и объема дренажного стока, содержащим аванкамеры, имеющие входные регулирующие сооружения с исполнительными механизмами, электрически связанными с датчиками минерализации и объема дренажного стока, и отводящими каналами с блоками химического регулирования качества дренажного стока и очистки его от пестицидов, биогенных веществ и тяжелых металлов, связанными с отсеками с противофильтрационным покрытием для дифференцированной аккумуляции дренажного стока по классам в зависимости от величины его минерализации; в условиях привязки на местности с односторонним или двухсторонним уклонами он снабжен нагорными канавами, гидравлически связанными с отсеком для аккумуляции талых и ливневых вод; отсеки накопителя гидравлически связаны между собой посредством сооружений в виде трубопроводов, насосных станций и/или водовыпусков в порядке возрастания класса воды для дополнительной корректировки минерализации воды путем смешивания; каждый отсек накопителя, для которого предварительно выбран потребитель дренажной воды определенного класса, снабжен водозабором, насосной станцией, линией в виде трубопровода, канала, лотка и других сооружений для подачи воды потребителю и установкой для предварительного опреснения дренажного стока с максимальной минерализацией; датчики минерализации и объема дренажного стока размещены в подводящем канале на расстоянии от аванкамеры, определяемом по предлагаемой математической зависимости; отсек для аккумуляции дренажного стока с максимальной минерализацией выполнен в виде естественного испарителя и имеет горизонтальное спланированное дно (RU, патент №2214486 C2, МПК⁷ E02B 11/00. Накопитель дренажного стока гидромелиоративных систем / И.И.Конторович. - Заявка №23001127349/13; заявлено 08.10.2001; опубл. 20.10.2003, Бюл. №29).

К основным недостаткам данного накопителя следует отнести образование за период эксплуатации объекта значительных объемов рассола и отложений солей в отсеке с максимальной минерализацией дренажного стока, выполненного в виде естественного испарителя, как побочного продукта функционирования опреснительной установки в специальном хранилище, который не используется и представляет опасность для окружающей природной среды в качестве потенциального источника загрязнений.

Известна установка для опреснения дренажного стока гидромелиоративных систем методом естественного вымораживания, включающая кроме других элементов испаритель остаточных от опреснения рассолов, содержащий съезд на дно и снабженный шнековым транспортером для подачи солей, центрифугой для обезвоживания солей и механизмом для фасовки солей в водонепроницаемую упаковку. Механический сбор солей и их подачу на шнековый транспортер осуществляют самоходным механизмом типа бульдозер-погрузчик (RU, патент №2218307 C1, МПК⁷ C02F 1/22. Установка для опреснения минерализованной воды / И.И.Конторович. - Заявка №2002127145/15; заявлено 10.10.2002; опубл. 10.12.2003, Бюл. №34).

Недостатком указанной установки является отказ от полезного использования солей и/или рассолов, получаемых в качестве отходов при опреснении дренажного стока гидромелиоративных систем.

Эта установка, а также известный накопитель дренажного стока гидромелиоративных систем (RU, патент №2214486) как наиболее близкие к изобретению по достигаемому результату - образование рассолов и/или солей в результате функционирования, приняты нами за ближайшие аналоги.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - применение солей и/или концентрированных солевых рассолов, образующихся в пределах накопителей-испарителей дренажного стока гидромелиоративных систем в качестве противогололедного материала для предотвращения скользкости на автомобильных дорогах общего пользования и других транспортных сооружениях в зимний период.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - утилизация солей и/или концентрированных солевых рассолов - отходов функционирования гидромелиоративных систем - и предотвращение зимней скользкости на автомобильных дорогах и других транспортных сооружениях.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что соли и/или концентрированные солевые рассолы, образующиеся как результат функционирования гидромелиоративных систем, применены в качестве противогололедного материала для предотвращения скользкости на автомобильных дорогах общего пользования и других транспортных сооружениях в зимний период.

За счет того что соли и/или концентрированные солевые рассолы, образующиеся при опреснении или естественном испарении дренажного стока гидромелиоративных систем, применяют в качестве противогололедного материала, достигается указанный выше технический результат.

Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения, заключаются в следующем.

Дренажный сток гидромелиоративных систем - управляемая часть подземного ирригационно-возвратного стока, перехваченная и отведенная системой дренажных сооружений в водоприемник. Дренажный сток представляет собой отход (нецелевой продукт) функционирования гидромелиоративных систем и может вызывать загрязнение и последующую деградацию различных природных объектов - водотоков и водоемов, подземных вод, почвы и т.д.

Достаточно распространенным в мировой практике способом утилизации дренажного стока является его аккумуляция в замкнутых понижениях рельефа или в искусственных накопителях с последующим естественным испарением. Накопители-испарители проектируются на срок не менее продолжительности функционирования гидромелиоративных систем, могут иметь один и более отсеков, функционировать в режиме многолетней аккумуляции дренажных вод или ежегодного практически полного испарения накопившегося объема дренажных вод. Основной вид обработки дренажного стока в накопителях - это естественное испарение как способ существенного сокращения объема или его полной ликвидации путем получения рапы, солевых отложений и солей.

Основными факторами, определяющими минерализацию и химический состав дренажного стока гидромелиоративных систем, являются:

1) характеристики дренируемой толщи почвогрунтов: степень естественной дренированности, условия питания подземных вод, минерализация и химический состав подземных вод, степень и характер засоления почв и грунтов и др.;

2) характеристики климата: атмосферные осадки, температура и влажность воздуха, скорость ветра и др.;

3) система производства продукции на мелиорируемых землях: технические характеристики гидромелиоративной системы, водозабор, водоподача и режим орошения, состав агротехнических и агрохимических мероприятий, технология их проведения и др.;

4) характеристики оросительной воды: минерализация и химический состав, температура и др.;

5) уровень фонового загрязнения орошаемых земель и прилегающих территорий за счет природных и антропогенных источников.

Столь многофакторная зависимость определяет существенное разнообразие минерализации и химического состава дренажного стока - таблица 2 (Капустян А.С. Качество дренажно-сбросных вод оросительных систем / Капустян А.С., Юченко Л.В., Старостина О.А. // Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения. - Ч.1 / ФГНУ «РосНИИПМ». - Новочеркасск, 2003. - С.160-164; Конторович И.И. Дренажный сток с оросительных систем Волгоградской области как объект утилизации / И.И.Конторович // Научно-производственное обеспечение развития комплексных мелиораций Прикаспия. / ПНИИАЗ. - М.: Современные тетради, 2006. - С.195-212) и, следовательно, соответствующее разнообразие минерализации и химического состава рассолов и солей, образующихся при его естественном испарении и/или опреснении.

Предлагается применение солей и/или солевых рассолов с концентрацией 20% и более, образующихся при естественном испарении или опреснении дренажного стока гидромелиоративных систем хлористо-натриевого, хлористо-кальциевого и хлористо-магниевого типов в качестве противогололедного материала. Обязательным условием использования является соответствие физико-химических, технологических, экологических и органолептических показателей рассола и солей предъявляемым требованиям - таблица 3 (Требования к противогололедным материалам. Утверждены распоряжением Минтранса РФ от 16 июня 2003 г., №ОС-548-р. - М., 2003. - С.7-8.). Указанные выше преобладающие по концентрации химические составы дренажного стока типичны для гидромелиоративных систем аридной зоны (степная, сухо-степная, полупустынная, пустынная ландшафтно-географические зоны), что подтверждают материалы таблицы 4 (см. Парфенова Н.И., Решеткина Н.М. Экологические принципы регулирования геохимического режима. - СПб: Гидрометеоиздат, 1995. - С.59-61), и именно эти соли и/или рассолы, но другого генезиса, используют в качестве протиговогололедных материалов (ОДМ «Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах». Утверждено распоряжением Минтранса РФ от 16 июня 2003 г., №ОС-548-р, п.41.4). Выбор необходимой для реализации изобретения минерализации рассолов, образующихся при опреснении или естественном испарении дренажного стока гидромелиоративных систем, - 20% и более, обусловлен требованиями к жидким противогололедным материалам - таблица 3 (Требования к противогололедным материалам. Утверждены распоряжением Минтранса РФ от 16 июня 2003 г., №ОС-548-р. - М., 2003. - С.7-8.).

Пример. Дренажная вода объемом 200 л была отобрана из сбросного коллектора Сарпинской обводнительно-оросительной системы в районе его впадения в озеро Сарпа (Республика Калмыкия). Исходная минерализация воды - 10,5 г/л, химический состав: HCO₃ ^2- - 0,234 г/л; Cl^- - 3,675 г/л; SO₄ ^2- - 3,120 г/л; Ca²⁺ - 0,550 г/л; Mg²⁺ - 0,510 г/л; Na⁺+K⁺ - 2,389 г/л, тип воды - хлористо-натриевый. В течение теплого периода года в результате естественного испарения минерализацию дренажной воды довели до 231,0 г/л. В таблице 5 приведены основные показатели использованного в эксперименте противогололедного материала (ПГМ) в сравнении с предъявляемыми к таким материалам требованиям (таблица 3).

Полученный таким образом рассол использовался для обработки 4 м² асфальтового покрытия автомобильной дороги Волгоград-Элиста при следующих условиях: температура воздуха - минус 10-12°С, толщина снежно-ледового отложения - 5-10 мм, норма распределения рассола - 1,0 л/м². В результате обработки наблюдалось устойчивое плавление снежно-ледовых отложений, уменьшение толщины отложений до 5 мм (через 0,5 часа после обработки) и образование водно-снежно-ледовой смеси, легко удаляемой с покрытия автодороги с помощью лопаты для уборки снега.

К основным позитивным качествам заявленного применения рассолов и/или солей в качестве противогололедных материалов следует отнести:

- полезное использование нецелевого продукта функционирования гидромелиоративных систем;

- увеличение безопасности движения на автомобильных дорогах в зимний период;

- сокращение транспортных затрат по сравнению с существующей практикой централизованных поставок промышленно изготовленных противогололедных материалов в связи с расположением гидромелиоративных систем в относительной близости от дорожной сети.

Таблица 1 Характеристика накопителей-испарителей дренажного стока с орошаемых земель в Волгоградской области (по данным АО «Волговодпроект») Хозяйство, район Площадь дренажа, га Объем дренажного стока, тыс. м³/год Основные параметры накопителя-испарителя Площадь, га Объем, тыс. м³ Средняя глубина, м Число секций, шт.   С-з «Посевной» Старополтавского района 352,5 476,05 32,0 345,0 1,1 1 С-з «Кановский» Старополтавского района 448,2 1290,0 143,0 1290,0 0,9 1 С-з «Красная заря» Старополтавского района 745,0 1055,0 110,0 1000,0 1,0 1 С-з «Тингутинский» Светлоярского района 253,0 47,0 47,0 47,0 1,0 1 С-з «Целинный» Калачевского района 640,0 967,0 110,0 1000,0 1,0 1 С-з «Парижская коммуна» Старополтавского района 655,0 876,0 60,0 876,0 1,0 1 С-з «Харьковский» Старополтавского района 700,0 806,0 107,0 900,0 1,0 1

Таблица 2 Химический состав дренажного стока с оросительных систем по регионам Российской Федерации Регион РФ Минерализация, г/л Концентрация ионов (мг/л) и значение рН HCO₃ ^- Cl^- SO₄ ^2- Ca²⁺ Mg²⁺ Na⁺+K⁺ pH 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Алтайский край 0,3-2,2 128,0-492,7 28,0-456,2 61,5-884,2 44,0-107,0 10,7-70,0 22,0-696,7 7,6 Астраханская область 0,4-1,96 77,0-421 42,0-559,0 85,0-744,0 45,0-243,0 16,0-180,0 38,0-409,0 - Волгоградская область 0,3-24,4 68,0-737,0 14,0-5285,0 20,0-13845,0 12,0-920,0 5,0-1008,0 3,0-6110,0 6,7-9,4 Карачаево-
Черкесская республика 0,3-0,6 250,3-398,0 13,8-22,7 24,5-220,0 53,7-76,1 19,4-42,6 26,4-110,4 8,2 Липецкая область 0,4-0,7 220,0-360,0 18,0-42,0 43,0-115,0 64,0-132,0 11,0-34,0 7,0-15,0 7,6-7,9 Республика Калмыкия 1,2-10,6 224,0-395,0 297,0-3850,0 432,0-4080,0 40,0-750,0 126,0-570,0 211,0-2503 7,0-8,0 Ростовская область 0,8-8,8 240,0-416,9 89,8-3905,7 452,0-1846,4 97,5-277,5 33,2-317,2 129,6-2412 7,6-8,1 Самарская область 0,3-0,4 128,0-205,0 36,0-58,0 38,0-98,0 48,0-68,0 9,0-20,0 6,0-40,0 7,3 Примечание: в ячейках таблицы указаны пределы изменения показателя (максимум - минимум).

Таблица 3 Требования к химическим противогололедным материалам Наименование показателей Значения показателей Твердые ПГМ Жидкие ПГМ 1 2 3 Физико-химические показатели Зерновой состав, %, массовая доля частиц не допускается   - свыше 10 мм - - от 5 мм до 10 мм включительно, не более 10 - - от 1 мм до 5 мм включительно, не менее 75 - - 1 мм и менее, не более 15 - Массовая доля растворимых солей, % (концентрация), не менее - 20 Температура кристаллизации, °С, не выше -10 -10 Влажность, %, не более 5 - Массовая доля нерастворимых в воде веществ, %, не более 2,5 - Водородный показатель pH, ед. 5-9 5-9 Плотность, г/см³ 0,8-1,15 1,1-1,3 Динамическая вязкость, сантипуаз, (кг·с)/м², не более 4 5 Технологические показатели Плавящая способность, г/г, не менее 5 2,5 Гигроскопичность, %/сутки 10-50 - Слеживаемость не допускается - Показатель скользкости, не более 0,2 0,2 Экологические показатели Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Бк/кг, не более     - для дорог и улиц в населенных пунктах 740 740 - для внегородских дорог 1500 1500 Коррозионная активность на металл (Ст 3), мг/см²·сут, не более 0,89 0,8 Показатель агрессивности цементобетона, %, не более 0,5 0,5 Органолептические показатели Внешний вид гранулы, кристаллы, чешуйки водный раствор без механических включений осадка и взвеси Цвет от белого до светло-серого (допускается светло-коричневый, светло-розовый) светлый, прозрачный (допускается со слабой окраской желтого или голубого цвета) Запах отсутствует отсутствует

Таблица 4 Основные гидрогеологические показатели формирования и этапы эволюционной трансформации химического состава поровых растворов и подземных вод в разных ландшафтно-географических зонах Показатели Ландшафтно-географическая зона Лесостепная Степная Сухостепная Полупустынная Пустынная Минерализация подземных вод и поровых растворов, г/л <1 1-10 10-30 30-50 50-300 Химический состав по HCO₃-Ca-Si HCO₃-Ca SO₄-Na SO₄-Cl-Na   ведущим компонентам   HCO₃-Na SO₄-Cl-Na Cl-SO₄-Na-Mg Cl-Na-Mg Примечание: поровые растворы и подземные воды являются основными источниками солей в дренажном стоке

Таблица 5 Показатели противогололедного материала (ПГМ), полученного в результате естественного испарения дренажного стока и использованного в эксперименте (пример) Наименование показателей Значения показателей ПГМ Фактические Требуемые по отношению к жидким ПГМ 1 2 3 Массовая доля растворимых солей, % (концентрация) 23,1 не менее 20 Температура кристаллизации, °С -20,0 не выше -10 Водородный показатель pH, ед. 7,6 5-9 Плотность, г/см³ 1,15 1,1-1,3 Динамическая вязкость, сантипуаз, (кг·с)/м² не определялась не более 5 Технологические показатели Плавящая способность, г/г 4,3 не менее 2,5 Показатель скользкости не определялся не более 0,2 Органолептические показатели Внешний вид водный раствор без осадка и взвеси водный раствор без механических включений осадка и взвеси Цвет светло-желтый светлый, прозрачный (допускается со слабой окраской желтого или голубого цвета) Запах отсутствует отсутствует

Изобретение относится к применению солей и/или концентрированных солевых рассолов с концентрацией 20% и более, образующихся при опреснении или естественном испарении дренажного стока гидромелиоративных систем, хлористо-натриевого, хлористо-кальциевого и хлористо-магниевого типов в качестве противогололедного материала. Технический результат - предотвращение загрязнений различных природных объектов продуктами дренажного стока гидромелиоративных систем с использованием их для предотвращения скользкости на автомобильных дорогах и других транспортных сооружениях в зимний период. 5 табл.

Применение солей и/или концентрированных солевых рассолов с концентрацией 20% и более, образующихся при опреснении или естественном испарении дренажного стока гидромелиоративных систем, хлористо-натриевого, хлористо-кальциевого и хлористо-магниевого типов, в качестве противогололедного материала.