Способ утилизации отходов животноводства для получения модифицирующей добавки для дорожного битума Российский патент 2025 года по МПК B09B3/70 C09D195/00 

Изобретение относится к технологии переработки отходов животноводства (свиного навоза) для получения модификаторов для нефтяного дорожного битума.

В процессе жизнедеятельности свиньи и поросята производят твердые и жидкие отходы, в результате чего ухудшается экологический фон окружающей среды. При этом может наблюдаться загрязнение химического и микробиологического характера, так в почках и водоемах близлежащих территорий аккумулируется фосфор и азот, а патогенные микроорганизмы в навозе в виде сальмонеллы и кишечной палочки допускает высокую вероятность заражения людей и животных.

Для уменьшения экологического урона отходов свиной навоз могут переработать, например, обезвоживанием инерционным сгущением и центробежным фильтрованием (см. SU № 625651, кл. А01С 3/00, опубл. 30.09.1978). Также из практики известны технические решения по получению биопластиков из твердой фракции навоза и использованию в качестве удобрений.

Между тем известно, что свиной навоз используют в качестве дешевой замены нефти в производстве дорожного асфальта (см. https://pikabu.ru/story/svinoy_navoz_dlya_ustoychivogo_stroitelstva_dorog_4336224).

Однако известное решение предполагает проведение сложных и длительных химических процессов, представляющих собой повторный синтез клеевых структур на биологической основе.

Кроме того, по способу переработки адгезивного масла из отходов животноводства (см. US №20190112454, кл. С08К 11/005, E01C 7/35, C09D 191/00, C09D 195/00, C08L 95/00, B01D 3/10, B01D 3/40, опубл. 18.04.2019) путем термохимической конверсии получают бионефть, из легкой жидкой фракции которой получают биотопливо, из тяжелой жидкой фракции - адгезионные добавки, а из остатков получают биобитум, используемый, например, в качестве асфальтового связующего.

Недостатком известного способа является сложность технологии получения модифицирующих компонентов для битума, обусловленная, прежде всего, ее затратностью и энергоемкостью.

Известен способ утилизации хлорорганических отходов химических производств для получения модифицирующей добавки для битума (см. RU № 2376275, кл. C07C 17/25, A62D 3/00, C07G 1/00, опубл. 20.12.2009), включающий конденсацию отходов в мягких условиях в присутствии полисульфида натрия, получаемого по реакции сульфида натрия с серой и NaOH, при нагревании до температуры 60-95°С в течение 3-4 часов с гидролизным лигнином, предварительно подвергнутым активированию путем одно- или многократного хлорирования хлорной водой, содержащей 7,0-14,0 г активного хлора на 1 дм³ воды. Полученный модификатор вводят в битумную композицию на основе БНД 60/90.

Недостатками известного решения можно считать небезопасность сырья на основе техногенных отходов химических производств. Кроме того, конденсацию отходов проводят в присутствии гидролизного лигнина, содержащего твердые частицы из нерастворимых скелетных структур, пропитанных дисперсионной фазой.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является получение модифицирующей добавки для битума на основе переработки отходов животноводства, а именно, свиного навоза.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в создании способа переработки отходов свиноводства, продукты которого позволяют достигать улучшения эксплуатационных характеристик битума для строительства дорог, повышения качества дорожного покрытия и снизить экологические риски.

Для решения поставленной задачи способ утилизации отходов свиноводства для получения модифицирующих добавок для дорожного битума включает термическую обработку отходов в щелочной среде, при этом процесс обработки осуществляют в водном растворе гидроксида натрия в присутствии сульфата натрия при температуре смеси 100±5°С в течение 1±0,1 часа с последующим отделением твердых и жидких фракций, причем, жидкую фракцию подвергают выпариванию при температуре 70±5°С до достижения вязкотекучего состояния, а твердую фракцию промывают от щелочной среды и высушивают до получения постоянной массы при температуре 95±5°С, при следующем соотношении компонентов, в масс.%: дистиллированная вода 81,0±0,1; гидроксид натрия 6,5±0,1; сульфат натрия 3,0±0,1 и твердая фракция свиного навоза 9,5±0,1.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения позволяют утилизировать отходы свиноводства, а получаемые модификаторы способствуют повышению качества сцепления модифицированного битумного вяжущего с поверхностью минерального наполнителя дорожной смеси, что проявляется его способности распределяться по поверхности наполнителя, уменьшать количество непокрытых битумом частиц и улучшить консистенцию и уплотняемость смеси. Кроме того, предлагаемый способ утилизации отходов свиноводства позволяет путем несложных и малоэнергоемких операций не только перевести отходы в утилизируемый и высокопотребляемый продукт дорожного строительства, но и существенно улучшить состояние окружающей среды животноводческих предприятий.

Заявленное техническое решение заключается в выщелачивании органических веществ из отходов высококонцентрированным раствором гидроксида натрия с добавлением сульфида натрия. При этом обработка проводится при нормальном атмосферном давлении и температуре 100±5°С, продолжительность процесса не превышает 1 часа, что является сравнительно экономически выгодным и мягким условием для переработки.

Для экспериментальных работ получали водный раствор гидроксида натрия, например, марки ЧДА, с добавлением сульфата натрия 10-водного химически чистого, который помещали в коническую колбу в количестве 9,5 % по массе от количества отходов в сухом состоянии. Далее в щелочной раствор добавляли твердые отходы свиноводства, состав рабочего раствора приведен в таблице 1.

Полученную смесь выдерживали при температуре 100±5°С в течение 1±0,1 часа, нормальном атмосферном давлении и в условиях постоянного перемешивания для ускорения растворения компонентов.

После чего, с помощью воронки Бюхнера жидкую часть смеси отделяли для дальнейшей термической обработки (выпаривания), которая проводится при температуре 70±5°С в течение 1-2 часов до достижения вязкотекучего состояния. Оставшуюся в воронке твердую часть промывали теплой дистиллированной водой для удаления остатков химических компонентов (гидроксида натрия и сульфата натрия) до достижения показателя pH не более 10 единиц. Промытые твердые отходы высушивали в сушильном шкафу, например, типа ПЭ-0041 («Экоприбор», Россия), при температуре 95±5°С до полного удаления воды, например, в течение 3 часов.

Полученная жидкая фракция после этапа выпаривания может быть использована в качестве модифицирующей добавки для битума в целях улучшения адгезии и сцепления на поверхности минерального заполнителя.

Твердая фракция после этапа сушки может быть использована в качестве структурирующей добавки в битумном вяжущем для улучшения показателей эксплуатационных характеристик, например, для увеличения температуры размягчения и снижения температуры хрупкости битума.

Исследования влияния жидких и твердых фракций переработанных отходов на свойства битумных вяжущих проводили в лабораторных условиях.

1. Качество сцепления битумного вяжущего с поверхностью щебня определяли по методикам, описанным в ГОСТ Р 58406.2-2020.

Для испытаний применяли контрольный битум марки БНД 100/130 и экспериментальное битумное вяжущее с добавлением жидкой фракции переработанных отходов (жидкой модифицирующей добавки) в количестве 0,5; 1,0; 1,5; и 2,0 масс.%.

В качестве минерального материала использовали известняковый щебень Сасаабытского месторождения Республики Саха (Якутия) с размерами зерен 8-16 мм и гранитный щебень из месторождения Алданское Республики Саха (Якутия) с размерами зерен от 8 до 16 мм.

Качество сцепления оценивали визуально по степени сохранности пленки битумного вяжущего на зернах щебня основных и кислых пород, для чего, зерна щебня обвязывали нитками и прогревали в сушильном шкафу при температуре 160±10°С в течение 1,5±0,25 час. Прогретые зерна поочередно погружали на 15 секунд в битумное вяжущее, предварительно прогретое до 155-160°С, после чего, вынимали и подвешивали для стекания лишнего битумного вяжущего.

Испытания на сцепление проводили через 2,0±0,5 часа после обработки щебня вяжущим. Для чего, стакан заполняли на 70 % объема дистиллированной водой, прогревали на электрической плитке с песчаной баней и доводили до кипения, не допуская бурного кипения. Зерна щебня поочередно опускали на середину стакана, не допуская касания между собой, стенок и дна. Таким образом, щебни выдерживали в кипящей воде в течение 30±1 минут. Отделившееся от щебня битумное вяжущее и всплывшее на поверхность воды, удаляли фильтровальной бумагой. Щебни после кипячения вынимали из стакана и погружали в стакан с холодной водой, где выдерживали в течение 2±0,5 минут для закрепления оставшейся на поверхности щебня пленки битумного вяжущего. Остывшие щебни вынимали из воды и помещали на фильтровальную бумагу. В завершении поверхность зерен щебня осматривали и оценивали сцепление битумного вяжущего со щебнем по степени сохранности пленки.

В таблице 2 представлены результаты испытания битумных вяжущих.

По полученным результатам видно, что наилучшие результаты сцепления наблюдаются у образцов битумного вяжущего, содержащих 0,5 и 1,0 масс.% жидкой модифицирующей добавки. При дальнейшем увеличении содержания добавки качество сцепления, в среднем, соответствовало контрольным образцам. Считаем, что некоторое ухудшение качества снижение сцепления происходит в результате увеличения динамической вязкости битума с добавкой.

2. Для твердых фракций проводили исследования изменения температуры размягчения и температуры хрупкости модифицированного битума.

Изменение температуры размягчения и температуры хрупкости определяли методами Кольцо и Шар по ГОСТ 33142 и Фрааса по ГОСТ 33143.

Сущность метода Кольцо и Шар заключается в определении температуры, при которой битум, находящийся в кольце, размягчается и пластически деформируется под действием стального шарика, в момент касания нижней пластинки фиксируется температура размягчения.

Сущность метода Фрааса заключается в охлаждении и периодическом изгибе пластины с образцом битумного вяжущего в тонкой пленке и определении температуры, при которой происходит разрушение образца битумного вяжущего. Для чего, наносят 0,4±0,01 г битумного вяжущего на выпуклую при изгибе сторону пластинки. Для испытаний используют аппарат Фрааса, который охлаждает и деформирует пластинку. За температуру хрупкости принимают среднее значение двух определений, округленное до целого числа.

Из твердых фракций проводили исследования изменения температуры размягчения и температуры хрупкости при добавлении 5,0±2,0 масс.% от массы битума.

Результаты исследований представлены в таблице 3.

Установлено, что при использовании твердых фракций переработанных отходов температура размягчения битумного вяжущего повышается в среднем на 5,9 %, а температура хрупкости снижается на 27 %, что свидетельствует об эффективности введения твердой фракции в качестве структурирующей добавки для вяжущего.

Таким образом, использование настоящего изобретения будет способствовать улучшению эксплуатационных характеристик битумного вяжущего, а именно, повышению качества сцепления вяжущего с поверхностью минерального наполнителя при добавлении модификатора в виде жидкой фракции от переработки отходов свиноводства и снизить температуру хрупкости, увеличить температуру размягчения при армировании битума твердой фракцией от переработки отходов свиноводства и, как результат, способствовать повышению качества дорожного покрытия. Кроме того, утилизация органических отходов позволит расширить меры защиты окружающей среды, сокращая при этом объемы залежей отходов.

Таблица 1

Состав рабочего раствора

№ Наименование Содержание, % по массе 1 Дистиллированная вода 81,0±0,1 2 Гидроксид натрия 6,5±0,1 3 Сульфат натрия 3,0±0,1 4 Твердая фракция свиного навоза 9,5±0,1

Таблица 2

Оценка сцепления щебней

№ Состав минеральных заполнителей Образцы битумных вяжущих БНД 100/130 (контрольный образец) БНД 100/130 (0,5%) БНД 100/130 (1,0%) БНД 100/130 (1,5%) БНД 100/130 (2,0%) Оценка сцепления в баллах 1 Известняковый щебень размером зерен 8-16 мм 3 4 4 3 3 2 Гранитный щебень размером зерен 8-16 мм 2 4 4 3 2

Таблица 3

Температура размягчения и температура хрупкости битумного вяжущего

№ Образцы битумных вяжущих Температура размягчения КиШ, °С Температура хрупкости, °С 1 Битум марки БНД 100/130 (контрольный образец) 45,5 -26 2 Битумное вяжущее (БНД 100/130 + 5,0 масс.% твердой фракции) 48,2 -33

Изобретение относится к технологии переработки отходов животноводства. Предложен способ утилизации отходов свиноводства для получения модифицирующих добавок для дорожного битума, который включает термическую обработку отходов в щелочной среде, при этом процесс обработки осуществляют в водном растворе гидроксида натрия в присутствии сульфата натрия при температуре смеси 100±5°C в течение 1±0,1 ч с последующим отделением твердых и жидких фракций, причем жидкую фракцию подвергают выпариванию при температуре 70±5°C до достижения вязкотекучего состояния, а твердую фракцию промывают от щелочной среды и высушивают до получения постоянной массы при температуре 95±5°C, при следующем соотношении компонентов, масс.%: дистиллированная вода 81,0±0,1; гидроксид натрия 6,5±0,1; сульфат натрия 3,0±0,1 и твердая фракция свиного навоза 9,5±0,1. Технический результат – утилизация отходов свиноводства, достижение улучшения эксплуатационных характеристик битума для строительства дорог, повышение качества дорожного покрытия и снижение экологических рисков предприятий животноводства. 3 табл., 1 пр.

Способ утилизации отходов свиноводства для получения модифицирующих добавок для дорожного битума путем их термической обработки в щелочной среде, отличающийся тем, что процесс обработки осуществляют в водном растворе гидроксида натрия в присутствии сульфата натрия при температуре смеси 100±5°C в течение 1±0,1 ч с последующим отделением твердых и жидких фракций, причем жидкую фракцию подвергают выпариванию при температуре 70±5°C до достижения вязкотекучего состояния, а твердую фракцию промывают от щелочной среды и высушивают до получения постоянной массы при температуре 95±5°C, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

дистиллированная вода 81,0±0,1 гидроксид натрия 6,5±0,1 сульфат натрия 3,0±0,1 твердая фракция свиного навоза 9,5±0,1