Легкий техногенный дисперсный грунт на базе сернисто-щелочных отходов
LIGHT TECHNOGENIC DISPERSED SOIL BASED ON SULFUR-ALKALINE WASTE

Изобретение относится к области техногенных антропогенных дисперсных грунтов и может быть использовано в качестве оснований зданий и сооружений.
Известны природные дисперсные связные и несвязные грунты, состоящие из совокупности твердых частиц, зерен, обломков и др. элементов, между которыми есть физические, физико-химические или механические структурные связи.
Недостатком природных дисперсных грунтов является их высокий удельный вес – в среднем 18 КПа.
Недостатком связного дисперсного природного грунта является отсутствие сыпучести в сухом состоянии.
Недостатком несвязного дисперсного природного грунта является отсутствие сцепления.
Поиск по патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что аналоги легкого грунта на базе сернисто-щелочных отходов не обнаружены.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, – получение нового дисперсного грунта, обладающего малой плотностью, одновременно свойствами связных и несвязных дисперсных грунтов – сцеплением и сыпучестью в сухом состоянии, расширение сырьевых ресурсов, утилизация сернисто-щелочных отходов.
3
Поставленная задача была решена за счет того, что легкий техногенный грунт на базе сернисто-щелочных отходов представляет собой экологически безопасный продукт утилизации сернисто-щелочных отходов сероочистки путем совместной грануляции с аморфным оксидом кремния в соотношении 360-440 мл сернисто-щелочного раствора на 1000 г сухого  аморфного оксида кремния и последующим обжигом при температуре не ниже 700°С, обладает низкой плотностью порядка 1,53 г/см, одновременно свойствами связных и несвязных дисперсных грунтов – сцеплением и сыпучестью в сухом состоянии, является техногенным грунтом, обладающим низкой плотностью, высоким сцеплением и одновременно сыпучестью в сухом состоянии. При высоком сцеплении, грунт не обладает пластичностью
Сернисто-щелочные отходы образуются при очистке пиролитических газов от сероводорода и диоксида углерода раствором гидроксида натрия. Стоки формируются на ряде процессов: при очистке сжиженных газов, в производстве низших олефинов, при очистке керосиновых и бензиновых фракций и ряде других процессов нефтехимии. Образующиеся сернисто-щелочные отходы представляют собой водные растворы обычно желто-коричневого цвета с резким дурным запахом и щелочной реакцией среды. С химической точки зрения сернисто-щелочные отходы содержат помимо сульфида натрия, сложную смесь полисульфидных, меркаптидных и карбонатных солей натрия, фенолятов натрия, а также механических примесей и различных нефтепродуктов в растворенной или коллоидной форме.
2
n
2n-1
2
Среди серасодержащих соединений серы, присутствующих в нефтехимических продуктах, можно выделить сероводород (HS), меркаптаны (CH-SH), сероуглерод (СS), серооксид углерода (СОS), сульфиды (R-S-R) и дисульфиды (R-S-S-R), причем все эти соединения отличаются высокой токсичностью.
Соединения серы являются одними из наиболее токсичных компонентов нефтепродуктов, оказывающих негативное воздействие, как на человека, так и окружающую среду. Так, в результате анализа заболеваемости работников с временной утратой трудоспособности одного из нефтеперерабатывающих производств, достоверно установлено, что число случаев заболеваний у работающих по ряду заболеваний достоверно выше аналогичного показателя в группе сравнения.
Помимо соединений серы, в сернисто-щелочных отходах, содержится в значительных количествах гидроксид натрия, который также крайне неблагоприятно воздействует на организм человека. Кроме того, раствор гидроксида натрия в воде представляет собой сильную щелочь, а попадание щелочей в окружающую среду является недопустимым
Высокие значения рН щелочей, выше 9,2-12,8, являются причиной классификации остатка как опасного материала, что в сочетании со значительной концентрацией ионов натрия является основной причиной того, что растворы токсичны для живых организмов, а высокая концентрация щелочи делает невозможным снижение pH простым разбавлением.
Таким образом, сернисто-щелочные отходы представляют двойную экологическую опасность: они содержат токсичные соединения серы (II), преимущественно сераорганического типа и обладают высоким рН, обусловленным высоким содержанием в растворе гидроксида натрия.
Существуют различные методы обезвреживания сернисто-щелочных отходов из которых наиболее приемлемыми являются физические или безреагентные методы, химические методы и комплексные методы очистки. В результате соединения серы (+2) либо концентрируются и переводятся в менее токсичные соединения. Так окисление серосодержащих одорантов методом озонирования позволяет утилизировать их с получением менее опасных соединений.
В некоторых случаях техническое решение предполагает утилизацию сернисто-щелочных стоков, как единого материала, без последовательного преобразования в безопасные продукты соединений серы и щелочной составляющей. Примером может быть получение на основе сернисто-щелочных отходов минеральной добавки для улучшения свойств бетонов. Введение такой минеральной добавки, полученной на основе сернисто-щелочных отходов, существенно улучшает свойства бетонных композиций, а также снижает расход ресурсов на производство бетонной смеси и конструкций на ее основе.
Возможна переработка сернисто-щелочных отходов в силикатные сорбенты. При этом процесс утилизации заключается в смешении сернисто-щелочных отходов с природным аморфным оксидом кремния, трепелом и дальнейшим обжигом полученной композиции при температурах стеклообразования. В результате термической обработки сера из сераорганических соединений окисляется до серы (IV), а гидроксид натрия после отщепления воды входит в состав полученного стеклообразного ячеистого силикатного материала.
Необходимость утилизации значительных объемов сернисто-щелочных отходов сероочистки нефтехимических предприятий требует формы конечного продукта, допускающей безопасное размещение в окружающей среде больших объемов продукта переработки, который получается в результате обезвреживания сернисто-щелочных отходов. Для обезвреживания отходов и получения легкого техногенного грунта применяется технология переработки отходов, обеспечивающая сведение к минимуму миграционной способности экотоксикантов. При этом создается равновесная и долговечная структура полученного грунтоподобного материала.
Легкий техногенный дисперсный грунт получают в результате утилизации сернисто-щелочного отхода сероочистки путем совместной грануляции с аморфным оксидом кремния и последующим обжигом при температуре не ниже 700°С. Аморфный оксид кремния представлен природным минералом трепелом. Трепел был выбран, как  дешевый минеральный материал, содержащий в основе своей аморфный оксид кремния. Процесс может быть осуществлен с другими материалами, содержащими аморфный оксид кремния, например, с синтетическим материалом – силикагелем, или с природным аналогом трепела – диатомитом.
В результате окисления токсичных соединений серы(II) в оксид серы (IV) получается экологически безопасный продукт, представляющий собой легкий техногенный дисперсный грунт.
Для формирования гранул в предлагаемом процессе взято соотношение 360-440 мл сернисто-щелочного раствора на 1000 г сухого  аморфного оксида кремния. Это соотношение является оптимальным для формирования прочных гранул сферической формы.
При увеличении количества сернисто-щелочного раствора  выше 440 мл на 1000 г сухого  аморфного оксида кремния происходит слипание гранул сначала между собой, а затем в единый влажный ком.
При уменьшении количества сернисто-щелочного раствора ниже  360 мл на 1000 г сухого аморфного оксида кремния гранулы не формируются и аморфный оксид кремния остается в виде порошка.
Обжиг при температурах ниже 700°С проводить нецелесообразно, так как при этих температурах не происходит полного разложения сераорганических соединений.
Вышеизложенное поясняется следующими примерами.
Пример 1.
3
К 1000 г порошкообразного сухого трепела добавляют в тарельчатом грануляторе 400 г сернисто-щелочного раствора. В результате вращения тарели образуются плотные сферические влажные гранулы диаметром 2-50 мм. Затем гранулы обжигают при температуре 700°С, в результате чего образуется легкий техногенный грунт. При стандартном уплотнении плотность полученного техногенного грунта составила 1,53 г/см, угол внутреннего трения φ = 18°, и удельное сцепление с = 79 кПа. Полученный техногенный грунт в сухом состоянии является сыпучим
Пример 2.
К 1000 г порошкообразного сухого трепела добавляют в тарельчатом грануляторе 440 г сернисто-щелочного раствора. В результате вращения тарели образуются плотные сферические влажные гранулы диаметром 20-50 мм. Затем гранулы обжигают при температуре 710°С. Характеристики техногенного грунта аналогичны примеру 1.
Пример 3 (велико количество раствора).
К 1000 г порошкообразного сухого трепела добавляют в тарельчатом грануляторе 450 г сернисто-щелочного раствора. В результате вращения тарели образуется единый бесформенный ком массы, дальнейшая переработка которой в техногенный грунт путем обжига нецелесообразна.
Пример 4.
К 1000 г порошкообразного сухого трепела добавляют в тарельчатом грануляторе 360 г сернисто-щелочного раствора. В результате вращения тарели образуются плотные сферические влажные гранулы диаметром 2-20 мм. Затем гранулы обжигают при температуре 720°С. Характеристики полученного техногенного грунта аналогичны примеру 1.
Пример 5 (мало количество раствора).
К 1000 г порошкообразного сухого трепела добавляют в тарельчатом грануляторе 350 г сернисто-щелочного раствора. В результате вращения тарели гранулы не формируются и трепел остается в виде порошка. Дальнейшая переработка полученной порошкообразной массы в техногенный грунт путем обжига нецелесообразна.
Пример 6 (применение силикагеля).
К 1000 г силикагеля КСКГ добавляют в тарельчатом грануляторе 390 г сернисто-щелочного раствора. В результате вращения тарели образуются плотные сферические влажные гранулы диаметром 5-30 мм. Затем гранулы обжигают при температуре 700°С. Характеристики полученного техногенного грунта аналогичны примеру 1.
Пример 7 (применение диатомита).
К 1000 г порошкообразного диатомита добавляют в тарельчатом грануляторе 430 г сернисто-щелочного раствора. В результате вращения тарели образуются плотные сферические влажные гранулы диаметром 2-40 мм. Затем гранулы обжигают при температуре 720°С. Характеристики полученного техногенного грунта аналогичны примеру 1.
Пример 8 (низкая температура обжига).
К 1000 г порошкообразного сухого трепела добавляют в тарельчатом грануляторе 400 г сернисто-щелочного раствора. В результате вращения тарели образуются плотные сферические влажные гранулы диаметром 2-50 мм. Затем гранулы обжигают при температуре 690°С, в результате чего образуются гранулы, имеющие характерный слабый запах сероводорода и меркаптанов вследствие недостаточного разложения сераорганических соединений при обжиге.
3
3
3
Легкий техногенный дисперсный грунт по гранулометрическому составу соответствует песку пылеватому по ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация» (содержание частиц диаметром более 0,1 мм составляет менее 75%). Плотность частиц легкого техногенного дисперсного грунта равна 1,83 г/см, что примерно на 30% ниже, чем у природных дисперсных грунтов. При стандартном уплотнении плотность легкого грунта составила 1,53 г/см при плотности сухого грунта 0,98 г/см и влажности 56%. В соответствии с полученными результатами испытаний плотность техногенного грунта примерно на 25% ниже плотности природных грунтов, а значение оптимальной влажности, при которой достигается максимальная плотность, выше по сравнению с оптимальной влажностью природных песчаных и глинистых грунтов примерно в 4,5 и 2,5 раза соответственно. При этом характер процесса уплотнения схож с природными грунтами.
Необходимо отметить, что легкий техногенный дисперсный грунт не обладает пластичностью, характерной глинистым грунтам, то есть техногенный грунт не обладает способностью деформироваться под действием внешних давлений без нарушения сплошности и не сохраняет приданную форму после снятия нагрузки.
ф
В результате испытания был получен коэффициент фильтрации материала К = 0,013 м/сут. В соответствии с ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация» техногенный грунт может быть предварительно классифицирован как «слабоводопроницаемый». По характеристике водопроницаемости полученный продукт близок к плотным супесям и суглинкам.
3
-1
упл
oed
0
Деформационные характеристики материала были получены по результатам предварительных испытаний компрессионного сжатия. В прибор была помещена проба материала с плотностью ρ= 1,51 г/см и влажностью w=56%, что соответствует коэффициенту уплотнения К = 0,99. Нагрузка на образцы передавалась ступенями равными 25, 50, 100, 200. Переход к каждой следующей ступени осуществлялся при достижении условной стабилизации грунта, за критерий которой принималось приращение деформации, не превышающее 0,05 % за 6 часов. Характер деформирования техногенного грунта аналогичен деформированию природного грунта. В результате компрессионных испытаний было получено нормативное значение одометрического модуля деформации в интервале строительных давлений 0,1-0,2 МПа E = 5,8 МПа.В диапазоне давлений 0,1-0,2 МПа средний коэффициент сжимаемости испытанных образцов составил m = 0,34 МПа, что позволяет классифицировать грунт как сильносжимаемый.
3
упл
Прочностные характеристики легкого техногенного грунта были получены по методу одноплоскостного неконсолидированного среза, который позволяет получить значения угла внутреннего трения и удельного сцепления в нестабилизированном состоянии. Образцы для испытаний на срез были подготовлены с плотностью ρ= 1,44 г/см при влажности w=59%, что соответствует коэффициенту уплотнения К = 0,92.Испытание на срез проводилось в кинематическом режиме с заданной скоростью среза 0,5 мм/мин. Образцы испытывались при значениях нормального давления 100, 200 и 300 кПа.
В результате испытаний одноплоскостного среза были получены нормативные значения прочностных характеристик материала: угол внутреннего трения φ = 18° и удельное сцепление с = 79 кПа. Таким образом, можно сделать предварительный вывод о том, что полученный материал обладает высоким сопротивлением сдвигу, а полученные параметры прочности близки к нормативным значениям глин полутвердой консистенции согласно СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений».
3
упл
fh
Для определения степени пучинистости материала были проведены испытания на определение относительной деформации морозного пучения на приборе УПГ-МГ4 «Грунт» по ГОСТ 28622-2012. Образец материала готовился в обойме прибора методом послойного трамбования. Значение плотности составило ρ= 1,38 г/см при влажности w=62%, что соответствует коэффициенту уплотнения К = 0,87. В результате проведенного испытания относительная деформация пучения составила ε = 0,1, согласно которой техногенный грунт может быть предварительно классифицирован по ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация» как «сильнопучинистый». По степени пучинистости полученный продукт близок к глинистым грунтам.
На основании результатов проведенных предварительных испытаний, можно сделать вывод о том, что полученный материал обладает характеристиками как связного, так и несвязного грунта. Гранулометрический состав продукта близок к пылеватым пескам. С несвязным грунтом его также объединяет отсутствие пластичности. При этом техногенный грунт имеет высокие показатели прочности и низкую водопроницаемость, характерные связным грунтам. По коэффициенту сжимаемости материал сильносжимаемый, по степени пучинистости – сильнопучинистый, что также близко к связным грунтам. Плотность материала примерно на 25% ниже плотности природного грунта.
При изучении свойств техногенного грунта обращает на себя внимание также плотность частиц, которая в среднем на 30% ниже аналогичного показателя природных грунтов. Необходимо отметить, что изучаемый грунт характеризуется свойствами одновременно как несвязных, так и связных грунтов. Определенный интерес представляют прочностные характеристики этого грунта полученные в условиях неконсолидированного сдвига: угол внутреннего трения φ = 18° и удельное сцепление с = 79 кПа.
Начальный коэффициент пористости при коэффициенте уплотнения 0,99 составил 0,9, что соответствует пористости 47%. Оптимальная влажность составила 56%, что превышает средние значения этого показателя для природных песчаных и глинистых грунтов примерно в 4,5 и 2,5 раза соответственно.
Проведенные исследования показали, что легкий техногенный дисперсный грунт, полученный путем переработки сернисто-щелочных отходов газоочистки в безопасный силикатный материал может использоваться для технологических отсыпок при производстве строительных работ.
Преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет  получить  новый дисперсный грунт, обладающий, прежде всего, низкой плотностью, при  высоких механических характеристиках, одновременно свойствами связных и несвязных дисперсных грунтов - сцеплением и сыпучестью в сухом состоянии, расширить сырьевые ресурсы и эффективно утилизировать твердые коммунальные отходы. Применение легкого техногенного дисперсного грунта при устройстве земляных сооружений позволит снизить нагрузки на основания сооружений на 25%, что очень актуально при строительстве на слабых основаниях