СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПЫЛЯЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, В ТОМ ЧИСЛЕ ПЫЛЯЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗОЛООТВАЛОВ И ХВОСТОХРАНИЛИЩ Российский патент 2025 года по МПК E21F5/06 C09K3/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области защиты окружающей среды в угольной и энергетической отраслях промышленности и может быть использовано для закрепления опасных пылящих поверхностей золоотвалов и хвостохранилищ.

Уровень техники

Известен способ обеспыливания пылящих поверхностей [RU 2542076 C1, МПК E21F 5/18, C09K 3/22 (2006.01), опубл. 20.02.2015], заключающийся в том, что разливают на пылящую поверхность битумную эмульсию, содержащую нефтяной битум, эмульгатор и воду. При этом одновременно с разливом на пылящую поверхность битумной эмульсии производят разлив суспензии, содержащей пыль пылящей поверхности и воду. Причем разлив битумной эмульсии и суспензии осуществляют, поддерживая их соотношение, % масс.: битумная эмульсия 50-60; суспензия остальное. В качестве эмульгатора битумной эмульсии используют щелочной раствор сульфанола НП-1, содержащего сульфанола НП-1 в количестве 0,6 %, едкого натра в количестве 0,05 % и воды до 100 %. Нанесение заявленного состава позволило достичь быстрого (время высыхания 5-7 мин) формирования на пылящей поверхности пленки толщиной 5-8 мм. Эффективность обеспыливания, при расходе битумной эмульсии и пылевой суспензии по 6 л/м² каждой, составляла примерно 98 %. Недостатком способа является сложность многоэтапной технологии нанесения, большой расход и дороговизна, неэкологичность применяемых реагентов, что делает ее неприменимой на территориях пылящих поверхностей с большой площадью (более гектара).

Известен способ закрепления пылящих поверхностей [RU 2151301 C1, МПК E21F 5/16, опубл. 20.06.2000], заключающийся в нанесении на пылящие поверхности хвостохранилища высокомолекулярного соединения. В качестве высокомолекулярного соединения используют поливинилбутираль, который смешивают с песком хвостохранилища. После нанесения смеси ее нагревают до температуры плавления поливинилбутираля 250-300 °C. В результате такой обработки на пылящей поверхности образуется прочная стекловидная пленка. Прочность пленки при продавливании составляла 10,3 МПа. Недостатком данного способа является необходимость прогрева нанесенной смеси до высоких температур, что неприменимо на пылящих поверхностях с большой площадью (более гектара), например, на шлакозолоотвалах.

Известен способ защиты окружающей среды от пылеобразования угля на открытом воздухе путем нанесения на пылящие поверхности пленкообразующего состава, в котором содержится: 0,25-5,0 % жидкого стекла (силиката натрия), 0,25-5,0 % поливинилового спирта (ПВС), 0,05-5,0 % полиаспарагиновой кислоты и вода в качестве растворителей. К достоинствам изобретения можно отнести использование экологически чистых компонентов, не оказывающих вредного влияния на рост растений, к недостаткам невысокую механическую прочность получаемых пленок.

Из патента RU №2754141 [МПК E02D3/12, опубл. 30.08.2021] известен способ защиты грунтов от эрозии, в котором осуществляют пропитку грунта водным раствором поливинилового спирта с последующим перемешиванием пропитанного криогелем грунта при помощи средств механизации, в котором первоначально, путем растворения поливинилового спирта в нагретой до температуры 80-95 °С воде, готовят криогель путем растворения в воде поливинилового спирта в количестве 0,2-10,0 % от объема нагретой воды, затем на поверхность укрепляемого грунта, по меньшей мере, в один цикл подают криогель в количестве 8,0-14,0 л/м², осуществляют пропитывание и перемешивание грунта с криогелем, при этом циклы внесения криогеля на поверхность грунта, его пропитывание и перемешивание осуществляют в период времени года с положительной температурой в дневное время и отрицательной температурой в ночное время, при колебании температуры окружающего воздуха в диапазоне: от +8 °С днем до -10 °С ночью. К достоинствам способа следует отнести использование недорогих и экологичных компонентов, к недостаткам большой расход реагента, многоэтапность и сложность его применения к золошлакоотвалам. Принципиальным отличием золошлакоотвалов от других поверхностей, нуждающихся в закреплении, является низкая насыпная плотность угольной золы. В таких условиях практически невозможно использовать стандартную технику для распыления состава, а тем более для осуществления его перемешивания после нанесения.

Наиболее близким аналогом изобретения, принятым за прототип, является способ закрепления пылящих поверхностей известный из заявки CN 105273691 A [МПК C09K 3/22, опубл. 27.01.2016], в котором смешивали 10 частей поливинилового спирта с 90 частями водопроводной воды, распыляли полученную смесь на поверхность, требующую уплотнения, с расходом 1,0 кг/м² и высушивали образец естественным путем. Затем образец помещали в аэродинамическую трубу. Угол сдувания составлял соответственно 0° - 30°, сдували 10 минут при скорости ветра 15-16 м/с. Вес образца уменьшался на 3 % и имел показатель эксплуатационной пригодности связующего слоя поверхности порядка 97 %.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявленного способа, являются нанесение на пылящую поверхность защитного слоя из раствора поливинилового спирта с целью обеспыливания пылящей поверхности.

Недостатком прототипа является недостаточно высокая прочность полученного покрытия пылящей поверхности.

Раскрытие сущности изобретения

Изобретение направлено на создание высокоэффективного и малозатратного способа по снижению негативных факторов пыления золоотвалов и хвостохранилищ при помощи органического полимерного состава на водной основе.

Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала способов формирования на пылящих поверхностях прочной пленки защитного действия из отечественных экологических составов, а именно упругого органического геля из поливинилового спирта.

Технический результат достигается тем, что на пылящую поверхности золы наносят водный раствора поливинилового спирта (ПВС), при этом готовят водный раствор ПВС концентрацией 5-10 % масс. путем смешивания порошка ПВС с водой, нагретой до температуры 85 °C, при постоянном перемешивании мешалкой до полного растворения; наносят полученный раствор на пылящую поверхность в количестве 1,6-2,0 кг/м²; подвергают обработанную поверхность не менее чем трем циклам замораживания при температуре -5 °C и оттаивания при температуре +5 °C, что приводит к формированию упругой и прочной пленки криогеля, связывающей частицы пыли.

Технический результат достигается также тем, что нанесение раствора ПВС на пылящую поверхность и циклы замораживания-оттаивания осуществляют в весеннее или осеннее время года, характеризующееся многократным чередованием дневных положительных и ночных отрицательных температур, когда температура окружающей среды естественным образом колеблется в диапазоне, включающем перепады от -5 °C до +5 °C.

Технический результат достигается также тем, что осуществляют закрепление пылящей поверхности золоотвалов и хвостохранилищ в весеннее или осеннее время года, характеризующееся многократным чередованием дневных положительных и ночных отрицательных температур, когда температура окружающей среды естественным образом колеблется в диапазоне в диапазоне включающем перепады от -5 °C до +5 °C.

В прототипе было показано, что водный раствор ПВС за счет формирования полимерной матрицы обеспечивает связывание частиц на пыльной поверхности и препятствует уносу мелкодисперсной пыли. Однако данных по прочности полученных пленок не приведено. Из литературы [Ферапонтов Н.Б., Гагарин А.Н., Струсовская Н.Л., Токмачёв М.Г., Тробов Х.Т., Рубин Ф.Ф. Физическая химия полимерных гелей // Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова 2015 г.] известно, что при замерзании концентрированных водных растворов поливинилового спирта (ПВС) вместо прозрачных гидрогелей образуются мутные, упругие, высокоплавкие гетерогенные гели - криогели. Структура и свойства криогелей ПВС зависят от многих факторов, включающих характеристики самого полимера (концентрация, содержание остаточных О-ацетильных группировок) и условий низкотемпературного гелеобразования (продолжительность замораживания, скорость замораживания и оттаивания, число циклов перемораживания и др.). Наиболее существенным фактором, сказывающимся на свойствах криогелей ПВС, является режим размораживания. При быстром оттаивании получается не гель, а вязкий и мутный коллоидный раствор. При медленном размораживании формируются очень упругие криогели.

Существенным отличием заявляемого изобретения от прототипа является тот факт, что процесс формирования пленки на пылящей поверхности не заканчивается распылением пылеподавляющего поливинилового спирта раствора, а включает этапы последовательно чередующейся заморозки и оттаивания, которые приводят к формированию прочной пленки криогеля, успешно реализуемые в погодных условиях весеннего/осеннего периодов средней полосы России.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Внешний вид экспериментальных образцов 1-4.

Фиг.2. Внешний вид образцов 1-4 пленки ПВС на поверхности золы, перед испытаниями на прочность и упругость.

Осуществление изобретения

Были проведены эксперименты по созданию пленок криогеля на пылящей поверхности золы в условиях, приближенных к погодным условиям весеннего/осеннего периодов. Также был изготовлен контрольный образец по технологии прототипа.

В качестве компонентов пылеподавляющих составов были использованы следующие: водопроводная вода; порошок ПВС марки 16/1 тех. по ГОСТ 10779-78; угольная зола с золоотвала ТЭЦ-5 г. Омска. В качестве пылеподавляющих составов были рассмотрены водные растворы ПВС различной концентрации, а также раствор ПВС, который обрабатывали по технологии прототипа, (Таблица 1).

Таблица 1

№п/п Компонентный состав 1 р-р ПВС 2,5 % масс. 2 р-р ПВС 5 % масс. 3 р-р ПВС 10 % масс. 4 р-р ПВС 10 % масс. формирование по прототипу

Процесс получения прочной пленки защитного действия из упругого органического геля состоял из следующих основных этапов: получение водного раствора ПВС; нанесение состава на пылящую поверхность, формирование прочной пленки криогеля циклами заморозки/оттаивания. Для приготовления водного раствора ПВС с помощью весов ViBRA AJH-420CE отвешивали необходимое количество порошка ПВС и водопроводной воды, например, 95 г воды и 5 г порошка ПВС для раствора ПВС 5 % масс. В стеклянную колбу круглодонную со шлифом (К-1-500-29/32, ТС) наливали водопроводную воду и засыпали порошок ПВС. Погружали колбу в водяную баню WB-500D, нагретую до температуры 85 °C и закрепляли ее с помощью лабораторного штатива. Лопасти центрифужные IM8 (фторопласт) мешалки DC-600 RM помещали в колбу через подшипник Bohlender PTFE. Запускали мешалку (количество оборотов 250 об/мин). По истечении 3-4 часов получали готовый водный раствор ПВС. В колбе отсутствовал осадок. Остужали готовый водный раствор ПВС до комнатной температуры (не более 26 °C). Затем пылеподавляющий состав распыляли на поверхность образца. Подготовку образцов с золой осуществляли следующим образом. В металлические емкости насыпали золу (объем золы 60 см³, высота слоя золы 3,2 см). Далее пылеподавляющие составы (Таблица 1), объемом 17,6 мл, наносили на поверхность золы в ёмкости. Полученные образцы, кроме №4, подвергались трем циклам замораживания (при -5 °C) и оттаивания (при +5 °C). Контрольный образец №4 не замораживали. Для получения образцов в высушенном состоянии использовался сушильный шкаф, образцы высушивались в течение 7 суток при 50 °C. Типичный внешний вид экспериментальных образцов представлен на Фиг.1.

Исследование характеристик, полученных образцов осуществляли как во влажном, так и в высушенном виде.

Измерение предела прочности образцов было выполнено в рамках методики с использованием гидравлического пресса Heavy Duty Shop Press 20 Ton. До и после проведения экспериментов регистрировали размеры образцов. Использовали электронный штангенциркуль ШЦЦ, выполненный по ГОСТ 166-89, с диапазоном измерения 0-150 мм, ценой деления 0,01 мм, погрешностью ±0,03 мм. Прочность образцов определяли по показаниям манометра с диапазоном измерения 0-0,1 МПа при деформации цилиндрических пеллет вдоль оси симметрии. Прикладываемое давление нарастало с постоянной скоростью 0,5 кПа/с до разрушения образца.

Измерение предела упругости образцов выполняли с использованием гидравлического пресса Heavy Duty Shop Press 20 Ton. Параметры образцов регистрировались до и после проведения экспериментов. Для измерений использовался электронный штангенциркуль ШЦЦ по ГОСТ 166-89, с диапазоном измерения 0-150 мм, ценой деления 0,01 мм и погрешностью ±0,03 мм. Образец устанавливался в гидравлический пресс, и давление на образец нарастало с постоянной скоростью 0,5 кПа/с. В процессе нагружения регистрировались размеры образца до и после приложения нагрузки. Предел упругости фиксировался в момент, когда образец начинал деформироваться пластически и не возвращался к исходной форме после снятия нагрузки. Использовался манометр с диапазоном измерения 0-0,1 МПа для регистрации давления. После снятия нагрузки проверялось возвращение образца к исходным размерам. Отклонение размеров не превышало 10 % относительно исходных значений. Этот метод позволил точно определить предел упругости исследуемого материала и оценить его способность возвращаться к первоначальной форме после снятия нагрузки, что важно для оценки его долговечности и устойчивости к деформациям.

Для образцов во влажном состоянии измерялись толщина слоя, предел прочности и предел упругости (Таблица 2), а для образцов в высушенном виде измерялись толщина слоя и предел прочности (Таблица 3).

Таблица 2

№п/п Толщина слоя, мм Предел прочности, МПа Предел упругости, кПа 1 7,22 1,2 68 2 6,48 1,4 101 3 6,01 1,5 132 4 6,00 0,5 31

В ходе исследований было выполнено 10 повторных экспериментов для каждого пылеподавляющего состава. Толщина слоя образцов пылеподавляющих составов варьировалась в зависимости от состава и способа нанесения в диапазоне 6-8 мм. Предел прочности для образцов №№1-3 во влажном состоянии варьировался в диапазоне от 1,2 до 1,5 МПа, а для контрольного образца, изготовленного по технологии прототипа был существенно ниже и составлял 0,5 МПа. Для образцов, подвергшихся обработке в сушильном шкафу, значения предела прочности для образцов №2 и №3 остались практически неизменными и составили 1,13 и 1,18 МПа, для образцов №1 и №4 предел прочности упал в несколько раз. Таким образом, было показано, что пленки криогеля, сформированные на пылящей поверхности образцов 2 и 3, обладают повышенной прочностью и устойчивостью к воздействию факторов окружающей среды, таких как высушивание.

Таблица 3

№п/п Толщина слоя, мм Предел прочности, МПа 1 6,92 0,7 2 6,32 1,13 3 5,91 1,18 4 5,80 0,3

Эксперимент в условиях, приближенных к реальным.

В соответствие с результатами, полученными в лабораторных условиях, были проведены эксперименты в условиях, приближенных к периоду весенней обработки поверхностей золошлаковых материалов (ЗШМ) раствором ПВС. Для исследования в качестве базовой была выбрана стратегия обработки, соответствующая образцу №2. Был подготовлен слой угольной золы толщиной 32 мм с рабочей поверхностью размером 92×68 см, замороженный при температуре окружающей среды -11 °C (погодные условия в г. Томск на 24.01.2024). После чего, также в условиях окружающей среды (при температуре -6 °C), поверхность ЗШМ была обработана раствором ПВС концентрацией 5 % с минимальным расходом 1,6 л/м². Далее с обработанным образцом были проведены 3 цикла заморозки (каждый в течение 8 часов) при температуре окружающей среды в диапазоне -10…-5 °C и оттаивания (каждый в течение 8 часов) при температуре в диапазоне +2…+4 °C. В результате эксперимента был получен слой криогеля толщиной 5 мм, прочно связывающий частицы золы на поверхности. Структура полученного криогеля точно соответствовала структуре образца №2. После предварительной оценки исследованный образец ЗШМ был помещен в условия, приближенные к летнему периоду эксплуатации золоотвала - помещение с температурой воздуха в пределах +20…+23 °C, относительная влажность 30 %. По выполненным оценкам, за время наблюдения (7 дней) слой криогеля незначительно уменьшился в объемах вследствие испарения части содержащейся влаги, сохранил форму, не растрескался и не деформировался. Измерения предела упругости соответствовали полученным в лабораторных условиях для образца №2.

Таким образом, функцию защиты от выветривания полученный заявляемым способом на поверхности золы слой криогеля выполняет в полном объеме, а заявленное изобретение существенно расширяет арсенал способов закрепления пылящих поверхностей, в том числе пылящих поверхностей золошлакоотвалов и хвостохранилищ.

Изобретение относится к способу закрепления пылящих поверхностей, в том числе пылящих поверхностей золоотвалов и хвостохранилищ. Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала способов формирования на пылящих поверхностях прочной пленки защитного действия из отечественных экологических составов, а именно упругого органического геля из поливинилового спирта. Способ включает нанесение на пылящую поверхность водного раствора поливинилового спирта. Готовят водный раствор ПВС концентрацией 5-10 масс. % путем смешивания порошка ПВС с водой, нагретой до температуры 85 °C, при постоянном перемешивании до полного растворения. Наносят полученный раствор на пылящую поверхность в количестве 1,6-2,0 кг/м²; подвергают обработанную поверхность не менее чем трем циклам замораживания при температуре -5 °C и оттаивания при температуре +5 °C, что приводит к формированию упругой и прочной пленки криогеля, связывающей частицы пыли. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Способ закрепления пылящих поверхностей, включающий нанесение на пылящую поверхность водного раствора поливинилового спирта - ПВС, отличающийся тем, что готовят водный раствор ПВС концентрацией 5-10 масс. % путем смешивания порошка ПВС с водой, нагретой до температуры 85 °C, при постоянном перемешивании до полного растворения; наносят полученный раствор на пылящую поверхность в количестве 1,6-2,0 кг/м²; подвергают обработанную поверхность не менее чем трем циклам замораживания при температуре -5 °C и оттаивания при температуре +5 °C, что приводит к формированию упругой и прочной пленки криогеля, связывающей частицы пыли.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нанесение раствора ПВС на пылящую поверхность и циклы замораживания-оттаивания осуществляют в весеннее или осеннее время года, характеризующееся многократным чередованием дневных положительных и ночных отрицательных температур, когда температура окружающей среды естественным образом колеблется в диапазоне, включающем перепады от -5 °C до +5  C.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что пылящими поверхностями являются поверхности золоотвалов и хвостохранилищ.