ИЗОЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ИМ-ЭКОДОР Российский патент 2015 года по МПК B09B1/00 B09B3/00 C02F101/32 C04B28/00 C04B111/76 C04B111/27 

Изобретение относится к изолирующим материалам, и новая технология его изготовления может быть использована при захоронении токсичных промышленных отходов 3 и 4-го класса опасности, в том числе твердых бытовых отходов (ТБО). Этот универсальный материал также может быть использован при строительстве оснований автомобильных дорог, полигонов ТБО.

В России в качестве изолирующего материала для ТБО, а также в качестве материала при строительстве оснований автомобильных дорог широко используют природную глину. (Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО. Министерство строительства РФ: Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Панфилова, - М.: 1966 г.).

Существенный недостаток глин - их высокий коэффициент фильтрации (Кф=0,08-0,15) м/сутки.

Известен изолирующий материал, патент РФ №2 469 806, который включает глину и дополнительно содержит порошкообразный состав из отходов «пыль черных металлов металлургического производства и доломитовой муки», смешанных в соотношении 1:3. Добавки повышают коэффициент фильтрации основного компонента - глины, а также усиливают водопроницаемость с нижних горизонтов в верхнее полотно дороги.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению в качестве слабопроницаемого материала является изолирующий материал ИМ, патент РФ №2271882.

Известный ИМ содержит природный грунт - глину, известковые отходы теплоэлектростанций (осадок гашеной извести или шлам химводоочистки), а также нефтяной шлам (плавающий, донный) или загрязненный нефтепродуктом грунт при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нефтяной шлам 25-50 Отработанный известковый материал 15-40 Глина 10-60

Изолирующий материал ИМ производится серийно в соответствии ТУ 5717-001-48855-219-2004. ИМ должен соответствовать требованиям технических условий:

1. Коэффициент фильтрации (Кф), не более 0,864 м/сутки.

2. Коэффициент уплотнения, не менее 0,98 г/см³

3. Коэффициент морозостойкости не менее 0,65.

Коэффициент фильтрации является главным показателем для полигонов ТБО, так как на слой (1,0-1,5 м) ТБО размещают слой ИМ высотой 0,3-0,5, затем снова засыпают слой ТБО высотой 1,0-1,5 и т.д.

Низкие коэффициенты уплотнения и морозостойкости ИМ в качестве промежуточного слоя в ТБО несущественны.

При строительстве оснований автодорог использование ИМ с низким коэффициентами уплотнения и морозостойкости недопустимо.

ИМ готовят на полигонах путем перемешивания компонентов фрезой или бульдозером. Технология производства ИМ из отходов подконтрольна Федеральной службе Росприроднадзора, при этом выполняют большой объем подготовительных работ, и заключается в следующем:

1. Подготавливают Постановление администрации по отводу земли для полигона;

2. Производят отвод земли;

3. Производят инженерно-гидрологические изыскания полигона;

4. Осуществляет проектирование полигона;

5. Согласовывают проект с надзорными органами (Пожарная безопасность ФГУЗ - федеральное государственное учреждение здравоохранения «Центр эпидемиологии и гигиены»);

6. Проводят экологическую экспертизу;

7. Получают разрешение на строительство полигона;

8. Производят строительство полигона;

9. Осуществляют государственную приемку;

10. Осуществляют регистрацию в регистрационной палате;

11. Получают лицензию на выполнение экологических работ;

12. Получают лимиты на размещение отходов на полигоне.

Выполнение работ по пп.1-12 происходит в течении 3-х лет, в результате эффективность и производительность труда экологических работ снижается.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества ИМ, расширение диапазона полезного действия с целью использования ИМ при строительстве автодорог с новым наименованием ИМ-ЭКОДОР, а также сокращение времени изготовления на мобильной передвижной установке.

Изобретение решает техническую задачу улучшения качества изолирующего материала ИМ-ЭКОДОР, снижение коэффициента фильтрации, повышение коэффициента уплотнения и морозостойкости, сокращение вредных выбросов в атмосферу за счет изготовления ИМ-ЭКОДОР на мобильной передвижной установке.

Указанная задача решается тем, что ИМ-ЭКОДОР включает природный грунт, известковый материал, буровой шлам и нефтяной шлам при следующем содержании компонентов, вес.части.

I. Природный грунт 1,0 II. Известковый материал 0,5-5,0 III. Буровой шлам 0,5-3,0 IV. Нефтяной шлам 0,5-7,0

I. В качестве природного грунта ИМ-ЭКОДОР содержит глину, при этом имеется четыре группы. На фиг.1 приведена зависимость коэффициента фильтрации глин от соотношения оксида кремния SiO₂ к оксиду алюминия Al₂O₃. В глине с повышением оксидов кремния возрастает коэффициент фильтрации.

II. В качестве известкового материала ИМ-ЭКОДОР содержит один из следующих компонентов или их смеси.

1. Технологические отходы тепловых электростанций (ТЭЦ) - осадок гашеной извести (недопал), который образуется при производстве известкового молока. Для этого используют кальциевую быстрогасящуюся известь с содержанием активного вещества СаО 65-85%.

Осадок гашеной извести (недопал) представляет собой светло-серого цвета смесь частиц различного размера с включением темных неокатанных частиц карбоната кальция, так называемого «недопала» извести. Гранулометрический состав пробы недопала, отобранного из шламонакопителя ТЭЦ, приведен в табл.1. Минералогический состав: CaO+MgO - 75,3; SO₃ - 2,0; NH₃ - 1,36; PO₄ - 0,76; Na₂CO₃ ~ 2,97; NaOH - 2,24; NaCl - 0,53; SiO₂ - 3,45;

Содержание активной окиси кальция и магния составляет 75,3%.

2. Шлам химводоочистки (ХВО) образуется при известковании природной воды. Процесс известкования производится в аппаратах-осветлителях, куда подают подогретую воду и реагенты - известковую воду Са(ОН)₂, коагулянты и флокулянты: Na₂CO₃, Na₃PO₄, анионы которых образуют с катионами Са⁺² и Mg⁺² труднорастворимые соединения: СаСО₃, Mg(OH)₂, Са₃(PO₄)₂, Mg₃(PO₄)₂, которые отделяются от умягченной воды сначала в виде осадка в осветлителях, а затем в остветлительных фильтрах.

Объем образующегося шлама ХВО зависит от качества речной воды и изменяется в пределах от 0,1 до 0,5 кг на кубометр очищенной воды. Объемы накопления шламов ХВО в Уфе составляет, в тыс.т: ТЭЦ 2 - 80,0; ТЭЦ 3 - 88,0; ТЭЦ 4 - 120,0; Приуфимская ТЭЦ - 5,7.

Шлам ХВО представляет собой пасту красно-коричневого цвета с высокой удельной поверхностью (до 800 м²/г). Химический и гранулометрический составы ХВО приведены в таблицах 2 и 3.

Фазовый состав ХВО из осветлителя представлен в основном карбонатом кальция - большой эндотермический эффект при 780-920°С - и гидроокисью магния - эндотермический эффект его дегидрации при 390-445°С.

Таким образом, в шламе ХВО преимущественно содержится карбонат кальция и гидрооксид магния.

3. Зола сжигания каменных углей.

Зола на крупных ГРЭС содержит пылеватые частицы фракции 0,2 мм и менее - 82,0%. В золе отсутствуют фракции 1 мм и выше. Минералогический состав золы от сжигания каменных углей составляет: SiO₂ от 50 до 65%; Al₂O₃ 20,0-31,0%; Fe₂O₃ 3-12%; CaO 0,4-2,5%; MgO 0,1-0,5%; сумма оксидов других элементов 0,5-3,0%. Основными компонентами золы являются оксиды кремния и алюминия, и их соотношение равно 2,5-2,1. Зола ГРЭС согласно фиг.1 по коэффициенту фильтрации равноценна глинам первой группы.

4. Дисперсный природный мергель является промежуточным звеном образования известняка. Мергель по природе образования равнозначен торфу, который проходит стадии:

растительность → торф → каменный уголь.

Минералогический состав мергеля: SiO₂ - 16,5%; MgO+CaO - 60,0%; Al₂O₃ - 17,0%; Fe₂O₃+FeO - 3,5%.

Огромные запасы мергеля находятся в Республике Башкортостан в предгорьях Урала. Растворимость мергеля в воде в несколько раз выше, чем известняка, что способствует образованию многочисленных карст как надземных, так и подземных.

Известковые материалы (осадок гашеной извести, шлам ХВО, зола сжигания каменных углей, дисперсный природный мергель) благодаря их высокой дисперсности и удельной поверхности способствуют адсорбции нефтепродуктов и нейтрализации их соединениями кальция и магния.

III. Буровой шлам представляет собой суспензию, выходящую из ствола строящегося подземного перехода для трубопроводов через реки и озера. Плотность бурового шлама составляет 1,12-1,17 г/см³. Состав бурового шлама приведен в табл.4.

В состав глинистых минералов входят монтмориллонит (высококачественная глина 1-й группы), каолинит и др. В состав песка - пирит, кварц, известняк и т.п. Обезвоженный буровой шлам представляет собой порошок с включениями песка грязно-коричневого цвета.

IV. Нефтяной шлам является основным компонентом ИМ-ЭКОДОР. При хранении нефтешламы расслаиваются на три слоя: плавающий, эмульсионный и донный.

Плавающий нефтешлам - это самый верхний слой отхода, содержащий до 92% нефтепродуктов, 6,5% воды и 1,5% мехпримесей. Плавающий нефтешлам по составу близок к уловленным на очистных сооружениях нефтепродуктам, так называемой ловушечной нефти, и содержит фракции до -350°С в количестве до 60%.

Эмульсионный нефтешлам обычно находится на глубине 0,8-2,0 м, содержит воды до 50%, 5-10% мехпримесей и 40-50% нефтепродуктов с содержанием фракций 100-350°С в количестве до 40%.

Верхний и эмульсионный нефтешламы не пригодны для ИМ-экодор вследствие высокой пожароопасности. На нефтеперерабатывающих заводах их подвергают центрифугированию и возвращают на повторную переработку.

Донный нефтяной шлам (ДНШ) является нижним слоем и отличается значительным содержанием механических примесей (20-60%), воды (30-50%) и до 25% тяжелых нефтепродуктов.

По классу токсичности донный нефтешлам является малоопасным для окружающей среды (4-й класс опасности) и, следовательно, может быть вовлечен в дорожное строительство.

Состав донного нефтешлама с пруда-отстойника размером 300-700 м и глубиной 5 м (два пруда) ОАО Уфанефтехим представлен в табл.5, объем накоплений составляет 2000000 куб.м. Из таблицы видно, фракции (дизельные) до 360°С значительно меньше и менее пожароопасны.

Все типы донного нефтешлама после отбора из пруда представляют пасту темного цвета с запахом нефтепродукта.

В табл.6 приведены физические свойства исследованных типов ДНШ.

ДНШ 15 не обладает пластическими свойствами, а ДНШ 10 и ДНШ 3 по физическим свойствам практически не отличаются от обычных глинистых грунтов.

Различное содержание нефтяной фракции в ДНШ влияет на его физические свойства как грунта. Если в составе ДНШ содержится 10% и менее нефтяной фракции, его физические свойства близки к глине с числом пластичности 19-24%.

В производстве изолирующего материала также используют загрязненный нефтепродуктом грунт, в составе которого компоненты могут варьироваться в широком диапазоне: нефтяная часть до 10%, механические примеси 50-80%, воды до 20%.

Строительство автомобильных дорог ведут согласно СНиП 2.05.02.85; 3.06.03.85; 2.02.02.85 и др., но в этих документах отсутствуют сведения о влиянии водонепроницаемости на полотно дороги. Из практики известно о том, что на дорогах, расположенных на заболоченных местах, вода по капиллярам проникает снизу вверх и разрушает полотно вследствие снижения коэффициента уплотнения.

В табл.7 приведены качество компонентов для изготовления ИМ-ЭКОДОР. По уплотняемости (1,45-1,67 г/см³) глины соответствуют первому классу автодорог, но коэффициент их фильтрации (0,08-0,152 м/сутки) недостаточен для дорог в заболоченных местах. Недопал, мергель имеют высокую уплотняемость (1,85-1,91 г/см³) при высокой фильтрации воды (5-10 м/сутки). Буровой шлам с низким коэффициентом фильтрации (0,00003 м/сутки) уплотнить удается до 1,24 г/см³, донный нефтешлам уплотняют до 0,74-1,26 г/см³.

Подбирая оптимальный состав компонентов, удается получить ИМ-ЭКОДОР. Примеры приготовления ИМ-ЭКОДОР в лабороторных условиях приведены в табл.8. Изолирующий материал ИМ-прототип (поз.1 и 2), содержащий глину 1 ч. (41,6%), донный нефтешлам 0,8 ч. (33,2%), известковый материал 0,6 ч. (25,0%), имеет следующие показатели:

• коэффициент фильтрации 0,0015-0,002 м/сутки;

• коэффициент уплотнения 1,20-1,27 г/см³;

• коэффициент морозостойкости 0,68;

• предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов 4,2 МПа.

Опытные образцы ИМ (поз.3-10) по качеству как ИМ значительно превосходят ИМ-прототип. Лабораторные образцы 3-6, 8-10 соответствуют ИМ-ЭКОДОРу и могут применяться как товарный продукт для ТБО и в дорожном строительстве. Изолирующий материал (поз.7) не пригоден для дорожного строительства ввиду низкого коэффициента уплотнения 1,05 г/см³. ИМ (поз.11), содержащий 5 вес.частей грунта, загрязненного нефтепродуктом, имеет наименьший коэффициент уплотнения 0,95 г/см³. Это вызвано тем, что в грунте большое содержание органических веществ, например чернозем, который практически не поддается уплотнению.

Опытные образцы (поз.3-10) обладают морозостойкостью. Причина такой устойчивости к циклическому замораживанию - оттаиванию заключена в гидрофобности нефтяных компонентов ИМ-ЭКОДОРа и их способности образовывать стойкие водяные эмульсии, которые заполняют объем пор неориентированным способом, препятствуют водопроницаемости в заболоченных местах снизу вверх, при этом сохраняя уплотненность грунта в первоначальном виде.

Уплотненный при оптимальной влажности до максимальной плотности ИМ-ЭКОДОР (поз.10) является слабоводопроницаемым грунтом, степень засоленности 10.

Анализ фильтрата после прохождения образца водопроводной воды при градиенте напора 50 показал наличие водорастворимых солей не более 0,3 г/л, что соответствует степени засоленности грунта не более 7% и исследуемые образцы (поз.3-9), уплотненные при оптимальной влажности до максимальной плотности, являются незасоленными. При проникновении в грунт влаги практически исключается вымывание водорастворимых соединений в окружающие грунтовые слои.

Вовлечение в строительство полигонов ТБО и автодорог отходов производства позволит снизить их объемы, а также существенно уменьшить потребление природных глинистых материалов, это вдвойне благоприятно для экологии.

Изолирующий материал ИМ-ЭКОДОР по предлагаемому изобретению получают на предприятиях-хранилищах собственников отходов. Предприятия-собственники отходов имеют лицензию для хранения отходов и им завозят необходимые компоненты для производства ИМ-ЭКОДОР.

В смесительный барабан, например автобетоносмеситель на шасси КамАЗ, загружают природный грунт, донный нефтешлам, известковый материал, буровой шлам, приводят барабан во вращательное движение в течение нормативного времени.

Полученный в автобетоносмесителе товар, изолирующий материал ИМ-ЭКОДОР, не подконтролен Росприроднадзору. Готовый продукт вывозят потребителю.

Для внедрения ИМ-ЭКОДОР по предлагаемому изобретению необходимо выполнить значительно меньший объем работ:

- Согласовать технологию изготовления изолирующего материала в автобетоносмесителе с пожарной охраной и ФГУЗ «Центр эпидемиологии и гигиены»;

- Провести экологическую экспертизу технологии;

- Получить лицензию на работу с опасными отходами,

в результате чего сокращается срок подготовительных экологических работ с 3-х лет до 1 года.

Таблица 1 Гранулометрический состав недопала Размер частиц, мм Содержание частиц, % <10
10-5
5-2
2-1
1-0,5
0,5-0,25
0,25-0,1
>0,1 34,5
13,8
15,7
12,9
5,7
8,6
6,2
1,9

Таблица 2 Химический состав шлама ХВО п.п.п. СаО MgO SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ SO₃ Na₂O₃ общ. Актив. 36,45 28,04 2,15 26,58 2,41 1,78 1,78 0,18 3,46

Таблица 3 Гранулометрический и микроагрегатный состав шлама ХВО Размер фракций в мм, кол-во, % >0,1 0,005 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 0,001 0,4-1,0 0,4-2,0 76-84 13-4 4,0 6,0-5,0

Таблица 4 Состав бурового шлама Компоненты Содержание компонентов, % Вода 90,00 Бентонит (глина) 7,00 Песок 1,57 Na-карбоксиметилцеллюлоза очищенная (CMC HV, CMC LV) 0,60 Полиакриламид частично гидрализованный (ИКСТАБ L(S)) 0,20 Бактерицид (ИКБАК-0, ИКБАК 11 L, ИКБИОЦИД) 0,02 Буровой детергент (ИКД) 0,10 Натрий гидроксид 0,05 Карбонат натрия 0,05 Эклологически чистая смазочная добавка (ИКЛУБ) 0,40 Пеногаситель (ИКДЕФОРМ) 0,01

Таблица 5 Состав донных нефтешламов Наименование компонента Содержание компонентов, % с глубины 3 м 5 м Нефтепродукты 25 15 Вода 35 25 Механические примеси 40 60 Углеводородный состав нефтяной части, % Парафино-нафтеновые
Ароматические
Смолы
Асфальтены 31,0
21,6
34,0
13,4 28,2
25,0
37,0
9,8 Фракционный состав нефтяной части До 360°С выкипает, % масс. 15,0 7,8

Таблица 6 Физические характеристики ДНШ Наименование показателя Значение показателя ДНШ 15 ДНШ 10 ДНШ 3 Содержание нефтепродуктов, %
Влажность, %
Удельный вес, г/см³
Число пластичности
Пористость, %
Наименование грунта по ГОСТ 25100-95 15
46,3
1,25
-
44 10
40,5
1,95
18,6
57
глина мягкопластичная 3
26,0
2,00
24,0
37
твердая

Таблица 7 Основные показатели компонентов для производства ИМ-ЭКОДОР Наименование компонентов Показатели Кф, м/сутки Pdmax, г/см³ Wopt, % не более 1. Природный грунт:
- 1 гр., глина
- 2 гр., глина
- 3 гр., глина (суглинок)
- 4 гр, глина(суглинок) 0,08
0,087
0,095
0,152 1,45
1,53
1,60
1,67 36
30
26
24 2. Известковый материал:
- недопал
- мергель
- ХВО
- зола 5
10
0,015
0,0082 1,85
1,91
1,14
0,94 15
20,0
35,0
70,0 3. Буровой шлам 0,00003 1,24 7,0 4. Донный нефтешлам с содержанием:
- 3% нефтепродукта
- 10% нефтепродукта
- 15% нефтепродукта 0,009
0,020
0,09 1,26
0,92
0,74 26,0
40,0
50,0 Кф - коффициент фильтрации, м/сутки
Pd - плотность грунта после уплотнения (коэффициент уплотнения), г/см³
Wopt - оптимальная влажность, при которой достигается максимальный коэффициент уплотнения, % мас.
Примечание: С повышением влажности (W) выше оптимальной (Opt) компоненты превращаются в жижу.

Изобретение относится к области экологии. Предложенный изолирующий материал включает глину, известковый материал, нефтяной шлам и буровой шлам при следующем содержании компонентов, вес. ч.:

глина 1,0 известковый материал 0,5-5,0 буровой шлам 0,5-3,0 нефтяной шлам 0,5-7,0

Изобретение обеспечивает уменьшение потребления природных глин, снижает отходы производства при строительстве автодорог и полигонов твердых бытовых отходов, повышает качество конечного продукта. 2 з.п. ф-лы,1 ил., 8 табл.

1. Изолирующий материал, включающий глину, известковый материал, нефтяной шлам, отличающийся тем, что дополнительно содержит буровой шлам, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:
глина 1,0 известковый материал 0,5-5,0 нефтяной шлам 0,5-7,0 буровой шлам 0,5-3,0

2. Изолирующий материал по п.1, отличающийся тем, что известковый материал содержит технологические отходы теплоэлектростанций - остаток гашеной извести, либо шлам химводоочистки, либо золу сжигания каменных углей, либо дисперсный природный мергель.

3. Изолирующий материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве нефтяного шлама содержит донный нефтяной шлам или загрязненный нефтепродуктом грунт.