ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫЙ МАТЕРИАЛ
DEICING MATERIAL

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.
7
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, МПК 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.
7
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, МПК 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.
7
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, МПК 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.
7
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, МПК 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.).
3
4
2-
-
2-
2+
2+
+
+
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: HCO  - 0,234 г/л; Cl - 3,675 г/л; SO  - 3,120 г/л; Ca - 0,550 г/л; Mg - 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).
2
2
Полученный таким образом рассол использовался для обработки 4 м 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/м. 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. м<sup>3</sup>/год
Основные параметры накопителя-испарителя
Площадь, га
Объем, тыс. м<sup>3</sup>
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
HCO<sub>3</sub> <sup>-</sup>
Cl<sup>-</sup>
SO<sub>4</sub> <sup>2-</sup>
Ca<sup>2+</sup>
Mg<sup>2+</sup>
Na<sup>+</sup>+K<sup>+</sup>
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/см<sup>3</sup>
0,8-1,15
1,1-1,3
Динамическая вязкость, сантипуаз, (кг·с)/м<sup>2</sup>, 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/см<sup>2</sup>·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
HCO<sub>3</sub>-Ca-Si
HCO<sub>3</sub>-Ca
SO<sub>4</sub>-Na
SO<sub>4</sub>-Cl-Na
ведущим компонентам
HCO<sub>3</sub>-Na
SO<sub>4</sub>-Cl-Na
Cl-SO<sub>4</sub>-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/см<sup>3</sup>
1,15
1,1-1,3
Динамическая вязкость, сантипуаз, (кг·с)/м<sup>2</sup>
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