АНТИГОЛОЛЕДНЫЙ СОСТАВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
ANTI-ICING COMPOSITION AND PREPARATION METHOD THEREOF

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к получению антигололедного состава, и может быть использовано в дорожно-эксплуатационном производстве для борьбы с гололедицей на автодорогах, тротуарах, мостах, путепроводах, а также аэродромах.
Широко известен антигололедный состав и способ его получения, включающий смешение в заданном соотношении хлоридов натрия и кальция (см. А.А.Васильев, В.М.Сиденко. Эксплуатация автомобильных дорог и организация дорожного движения. М.: Транспорт, 1990, 304 с.).
Недостаток известного состава и способа заключается в неравномерности полученной смеси, что приводит к ее сегрегации при транспортировке, хранении и при применении на дорогах и, как следствие, к снижению ее эффективности, а также большой расход, высокая коррозионная активность и загрязнение окружающей среды солями.
Известен антигололедный состав, содержащий хлорид натрия в смеси с речным песком, полученный простым смешением компонентов при следующем соотношении компонентов, мас.%: хлорид натрия 10-20; речной песок 80-90 (Технические правила ремонта и содержания автомобильных дорог: ВСН 24-88. - М.: Минавтодор, 1988. - С.101-103).
2
Недостатком известного состава является его повышенный расход при нанесении на дорожное покрытие - до 1000 г/м из-за низкой плавящей способности - 5 г/г, высокая коррозионная активность, способствующая разрушению металлических частей кузовов машин вследствие использования хлорида натрия, а также отрицательное влияние на окружающую среду из-за повышенного содержания ионов натрия.
Наиболее близким к заявляемому составу является средство для предотвращения образования льда на проезжих частях автомобильных дорог в зимний период (RU 2304193, Кл. Е01С 11/24; Е01С 7/26; Е01С 7/14, 2007 г.). Антигололедный состав содержит совместимое с покрытием проезжих частей автомобильных дорог связующее, которое содержит противогололедный реагент, заключенный в оболочку из охрупчивающегося при охлаждении материала, а также дополнительные наполнители и добавки, причем крупность частиц противогололедного реагента без оболочки составляет от 0,125 до 0,7 мм. Совместимое с покрытием проезжих частей связующее представляет собой органический материал - битум, который представлен в виде битумной эмульсии и который должен смешиваться с противогололедным реагентом, заключенным в оболочку из охрупчивающегося при охлаждении материала, только при нанесении на проезжие части автомобильных дорог или цемент. Оболочки из охрупчивающегося при охлаждении материала противогололедного реагента обладают зависящей от температуры непроницаемостью и являются отвержденной термореактивной пластмассой, например сшитая фенольная смола. Крупность частиц противогололедного реагента составляет максимум 0,3 мм.
Недостатком известного состава является высокая стоимость компонентов, сложность его получения, влияющая на его стоимость, а также использование в составе полимерных материалов, в частности фенольных смол, которые отрицательно сказываются на окружающей среде.
Прототипом является способ получения противогололедных препаратов, включающий смешение в заданных соотношениях компонентов (хлоридов металлов, в качестве которых используют концентрированные растворы хлоридов кальция или магния и измельченный хлорид натрия) с образованием суспензии, которую впоследствии подвергают термообработке в аппарате кипящего слоя. Термообработку суспензии на основе раствора хлорида магния ведут при температуре 110-140°С, термообработку суспензии на основе раствора хлорида кальция ведут при температуре 130-170°С. В суспензию до термообработки вводят антикоррозионные добавки - фосфаты металлов (RU 2278888, С09К 3/18, 2006.06.27).
Недостатком известного способа получения антигололедных препаратов является использование концентрированных растворов, которые подвергают термообработке, приводящим к высоким затратам. Данный процесс получения препаратов является энергоемким и высокозатратным. Основной компонент антигололедного препарата - хлорид кальция оказывает сильное коррозирующее действие на металлы. Еще одним недостатком является короткий срок его действия, вызывающий необходимость частой обработки обледенелой поверхности. При больших концентрациях компонентов противогололедных препаратов в почве происходит отрицательное влияние на придорожную растительность.
Задачей изобретения является разработка простого и дешевого состава и способа его получения, исключающего нанесение вреда окружающей среды и имеющего низкое коррозионное воздействие на металлические конструкции и автомобильную технику, а также расширение арсенала противогололедных композиций.
Техническим результатом изобретения является получение экологически чистого антигололедного препарата с антикоррозионными свойствами, повышенной эффективностью и многофункциональным диапазоном, обладающего высокой биодеструкцией и быстроразлагающийся микрофлорой. Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что антигололедный состав включает органические и неорганические компоненты. Согласно изобретению в качестве органического компонента используют торф влажностью 50-85%, а в качестве неорганического компонента - гидроксиды щелочных металлов и/или аммония при следующем соотношении компонентов, в мас.%: торф 30÷99, гидроксиды щелочных металлов и/или аммония 1,0÷70. При этом в качестве гидроксидов щелочных металлов преимущественно используют гидроксид калия и/или натрия. Антигололедный состав получают способом, который включает смешение компонентов с последующим их нагревом, согласно изобретению смешанные компоненты подвергают механическому диспергированию с одновременным нагревом смеси до 80-100°С, с последующим формованием гранул и их сушкой до равновесной влажности. Формование гранул производят путем экструзии или скатывания, а их сушку осуществляют при температуре 40-60°С.
Использование в антигололедном составе в качестве органического компонента торфа, а в качестве неорганического компонента - гидроксидов щелочных металлов и/или аммония позволяет при смешении с дополнительным механическим диспергированием получать антикоррозионную и экологически чистую композицию, при этом опытный подбор соотношения компонентов обеспечивает высокую биодеструкцию с быстроразлагающийся микрофлорой. При увеличении количества неорганических компонентов часть из них останется не прореагировавшей с торфом, что повлечет к засолению поверхности дороги, а при внесении недостаточного количества компонентов эффективность состава резко снизится. Использование торфа влажностью 50-85%, позволяет получать необходимое для протекания реакции между органическим веществом торфа и химическими добавками количество воды без дополнительного ее внесения. При этом при влажности меньше 50% энергетические затраты на диспергирование и формование резко возрастут, и в полученном материале останутся непрореагированные химические компоненты (недостаточное количество воды), а при увеличении влажности больше 85% происходит снижение предельного сопротивления сдвигу в полученной торфомассе, что приведет к недостаточной степени ее переработки, низкой температуре нагрева и соответственно невозможности ее последующего формования (торфомасса вытекает из формующего устройства).
Кроме этого, часть неорганических компонентов будет вымываться избыточной влагой и удаляться из формуемой массы.
Выбор в качестве неорганических компонентов гидроксидов щелочных металлов и/или аммония позволяет получать соли гуминовых кислот, которые являются ингибиторами коррозии металлов, улучшают агрохимические характеристики почв, а также структурируют песчаный грунт на откосах дорог. Кроме того, соли гуминовых кислот способствуют существенному увеличению механической прочности гранул антигололедного состава. Использование в качестве гидроксидов щелочных металлов гидроксида калия и/или натрия объясняется тем, что в этом случае образуется максимальное количество солей гуминовых кислот - гуматов калия и/или натрия.
Смешение компонентов с помощью диспергирования обеспечивает ускорение химических процессов, происходящих при смешении торфа с минеральными компонентами с одновременным выделением тепла (превращение механической энергии при трении диспергируемой массы о рабочие элементы диспергатора в тепловую), что позволит значительно сэкономить энергозатраты в процессе приготовления антигололедного состава. Выбор температурного режима нагрева смеси от 80 до 100°С объясняется тем, что при температуре до 80°С осуществляется неполный выход солей гуминовых кислот, а при температуре свыше 100°С начинают происходить процессы термической деструкции органического вещества торфа с выходом нежелательных соединений (например, битумов).
Антигололедный состав и способ его получения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
В качестве органического компонента использовали торф при влажности 65%, а в качестве неорганического компонента - гидроксид натрия (NaOH). Используемые материалы смешивали в соотношении: торф - 85 мас.% (в пересчете на абсолютно сухое вещество), а гидроксид натрия - 15%. Полученную смесь диспергировали в шнековом перерабатывающем устройстве. При диспергировании смесь за счет трения нагревалась до температуры 80°С, после чего из смеси формовали гранулы методом экструзии через цилиндрические насадки, которые потом сушили при температуре 60°С. Свойства полученного антигололедного состава приведены в таблице.
Пример 2.
Осуществление данного примера проводилось аналогично примеру 1, но в качестве неорганического компонента использовали гидроксид калия (КОН). Данные примера приведены в таблице.
Пример 3.
4
Аналогичен примеру 1, но в качестве неорганического компонента использовали гидроксид аммония (NHOH) (см. таблицу).
Таблица
Свойства гранулированного антигололедного состава
№п/п
Наименование состава
Прочность гранул, МПа
Плотность гранул, кг/м<sup>3</sup>
Насыпная плотность гранул, кг/м<sup>3</sup>
Температура применения, °С
Степень защиты от коррозии, %
Температура нагрева смеси 80°С, температура сушки 40-60°С
1
Торф низинный (85%) и гидроксид натрия (15%)
до 10
1020-1050
500-550
до - 10
60-85
2
Торф низинный (85%) и гидроксид калия (15%)
до 10
1020-1050
500-550
до - 10
60-85
3
Торф низинный (85%) и гидроксид аммония (15%)
до 10
1020-1050
500-550
до - 10
45-65
Температура нагрева смеси 90°С, температура сушки 40-60°С
4
Торф низинный (85%) и гидроксид натрия (15%)
до 8
1000-1030
490-530
до - 12
65-90
5
Торф низинный (85%) и гидроксид калия (15%)
до 8
1000-1030
490-530
до - 12
65-90
6
Торф низинный (85%) и гидроксид аммония (15%)
до 8
1000-1030
490-530
до - 12
50-70
7
Торф низинный (80%) и карбонат натрия (20%)
до 8
1000-1030
490-530
до - 8
70-90
Температура нагрева смеси 100°С, температура сушки 40-60°С
8
Торф низинный (85%) и гидроксид натрия (15%)
до 5
980-1000
470-500
до - 14
65-90
9
Торф низинный (85%) и гидроксид калия (15%)
до 5
980-1000
470 - 500
до - 14
65-90
10
Торф низинный (85%) и гидроксид аммония (15%)
до 5
980-1000
470-500
до - 14
50-70
В таблице приведены оптимальные для торфяного сырья концентрации органического и неорганических компонентов. Минимально возможная концентрация неорганических компонентов составляет 1 мас.%, в этом случае образование антигололедных реагентов при получении антигололедного состава будет минимально. Значение прочности гранул снизится до 1 МПа и меньше, а также перестанут проявляться антикоррозионные свойства.
Нельзя также повышать концентрацию неорганических компонентов выше 70 мас.%, так как удерживающей способности торфяной матрицы будет недостаточно для получения качественных формованных гранул. Кроме этого, высокая концентрация хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов формирует агрессивную коррозионную среду.
Диапазон полученных концентраций для других типов торфа будет таким же, но оптимальные концентрации неорганических компонентов могут смещаться в большую или меньшую сторону. Это зависит от группового химического состава органического вещества торфа, зольности, степени разложения, кислотности и других характеристик.
В таблице приведены свойства гранул антигололедного состава, которые получают при сушке в диапазоне от 40 до 60°С. Для сушки допустимы температуры от 20 до 40°С, однако в этом случае значительно увеличивается время сушки и уменьшается технологичность процесса их получения. Увеличение температуры свыше 60°С приводит к повышенной крошимости гранул и снижению их прочности. При использовании антигололедного состава выявлено, что он обладает антикоррозионными свойствами (см. таблицу) в отличие от известных, в которых применение солей негативно сказывается на металлических деталях машин. В представленном техническом решении за счет диспергирования (которое, по сути, является механохимическим воздействием на макро- и наноструктуры торфа) происходит не только измельчение частиц смеси, но и нагрев массы до требуемых значений за счет ее трения о рабочие органы диспергатора. При взаимодействии неорганических компонентов с органическим веществом торфа идет образование солей гуминовых кислот (гуматы калия, натрия, аммония). Они являются средством, вызывающим дополнительное таяние льда, проявляют свойства стимулятора роста растений, улучшают агрохимические (плодородие) и структурные свойства почв (укрепление откосов дорог) и обладают ярко выраженным антикоррозионным эффектом (ингибиторы коррозии).
Действие антигололедного состава иллюстрируется на чертежах, где на фиг.1 изображена схема действия противогололедного реагента на ледяную корку; на фиг.2 представлена фотография разбросанного антигололедного материала на поверхности дороги; на фиг.3 - фотография, на которой демонстрируется воздействие антигололедного состава на лед.
Гранулы 1 из антигололедного материала разбрасывается на дорогу 3 или тротуар по поверхности ледяной корки 2 (см. фиг.1, А; фиг.2). При движении автотранспорта или ходьбе пешеходов происходит частичное механическое разрушение и вдавливание гранул 1 в лед 2, проявляются фрикционные свойства материала, затрудняющие скольжение объектов по льду (увеличивается сцепление). Затем происходит подтаивание ледяной подложки (см. фиг.1, Б; фиг.3), образовавшаяся при этом вода 5 смачивает гранулу 1 и экстрагирует из нее новые порции активных компонентов, которые, в свою очередь, способствуют дальнейшему плавлению льда 2. Эффект плавления льда 2 усиливается при поступлении на поверхность дороги 3 солнечных лучей: темный цвет гранул 1 противогололедного реагента и черный цвет растаявшей воды 5 с раствором комплексных гуминовых компонентов способствует их более быстрому нагреву и увеличению зоны проталин 4. На заключительном этапе (см. фиг.1, В) талая вода 5 стекает с поверхности дороги 3 на обочины (или в ливневую канализацию), и поверхность дороги 3 или тротуара полностью освобождается ото льда 2.
2
Расход антигололедного материала составляет 0,2-0,4 кг/м, он обладает хорошей сыпучестью, что позволяет механизировать процесс его нанесения на обрабатываемые поверхности с использованием применяемого дорожными и коммунальными службами стандартного оборудования. Срок хранения материала в сухих складских помещениях или в герметичной таре практически не ограничен.
Антигололедный состав в настоящее время проходит стадию испытания. Применение его на дорогах и тротуарах доказало возможность его широкого использования в зимний период времени года.