ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫЙ РЕАГЕНТ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
ANTI-ICING REAGENT AND METHOD FOR USE THEREOF

Изобретение относится к химической промышленности, в частности к антигололедным составам, и может быть использовано для снятия снежно-ледяного покрова с твердой поверхности, а именно - с твердого дорожного покрытия или взлетно-посадочных полос, кроме того, оно может быть использовано при защите плавсредств от обледенения.
Все методы борьбы с зимней скользкостью направлены на удаление с дорожного покрытия ледяного или снежного слоя с применением химических, механических, тепловых и других методов; предотвращение образования снежно-ледяного слоя или ослабления его сцепления с покрытием - профилактические методы; снижение отрицательного воздействия образовавшейся зимней скользкости.
Необходимость строгого соблюдения природоохранного законодательства, современные требования государственных и местных органов власти по существенному снижению экологического воздействия на окружающую среду: безопасных для людей и животных, снижению загрязнений рек и водоемов, негативного воздействия на почву и зеленые насаждения, повышенные требования по защите сооружений и машин от коррозии приводят к поиску более эффективных и безопасных для экологии, людей и животных средств борьбы со снегом и льдом на всех типах дорог, в том числе на сложных участках, скоростных магистралях, а также дворовых территориях, тротуарах, в парках, на остановочных комплексах, в переходах, на территориях АЗС и автостоянок, трамвайных путях и стрелочных переводах.
Антигололедные реагенты применяют как для предотвращения образования, так и разрушения уже образовавшегося льда. В качестве таких реагентов широко известны неорганические соли такие, как хлориды натрия, кальция и магния. Для эффективного удаления льда требуется высокая концентрация хлоридов, что обуславливает коррозию металлических конструкций и кузовов автомобилей.
Известен состав (Инструкция по охране природной среды при строительстве автомобильных дорог. ВСН8-89 - Минавтодор, Москва, 1989, с.14) для предотвращения наледи на дорогах, содержащий основу - речной песок и добавку - хлорид натрия. Содержащийся в такой пескосоляной смеси хлорид натрия коррозионно-активен, кроме того, при высоких концентрациях имеет свойство подавлять рост растений. Способ применения данного состава относится к комбинированному, то есть плавящее действие соли дополняется фрикционным свойством песка.
Фрикционно-химический способ борьбы с обледенением не позволяет полностью удалять толстые слои льда с дорожной поверхности, кроме того, требуемая дозировка состава составляет 200-300 г/м2, что приводит к излишнему содержанию песка на дороге, необходимости его удаления, засорению ливневой канализации, пыли на дорогах.
Известна (US, патент 4094805) водная или сухая композиция, содержащая карбамид, хлориды натрия и кальция и гидроксилсодержащее соединение - гомополимер оксида этилена.
Известна (US, патент 4512907) антигололедная композиция, содержащая карбамид и смесь хлоридов натрия и калия, в которой хлорид натрия составляет 1-3 части от хлорида калия.
Известна (US, патент 5599475) антигололедная композиция, содержащая карбамид, хлорид, абразив и адсорбент.
Известна также (GB, патент 1070169) антигололедная композиция, содержащая 10-45% карбамида, 55-90% смеси аммиачной селитры, водорастворимых фосфатов, хроматов, карбонатов.
Наличие хлоридов в выше указанных источниках информации вызывает коррозию металлических конструкций, порчу обуви людей, а также оказывает неблагоприятное влияние на экологию.
Известно (US, патент 4855071) применение в качестве антигололедного реагента водного раствора карбоксилатов щелочноземельных или щелочных металлов.
Известно также (US, патент 4448702) применение в качестве антигололедного реагента смеси карбамида с формиатом или ацетатом щелочного металла.
Оба реагента оказались неэффективными для удаления льда.
Известно (DE, патент 4034217) средство для оттаивания снега и льда, содержащее поликарбоновую кислоту, водорастворимое формиаты и/или ацетаты щелочных металлов и систему ингибиторов из водорастворимых силикатов аммония или щелочных металлов и/или карбонатов аммония и/или щелочных металлов.
Недостатком известного средства можно признать недостаточную активность при низких температурах.
Известна также (US, патент 4254166) композиция для снижения прочности льда, содержащая 5-90% водорастворимых спиртов, диолов, полиолов, кетонов, карбоновых кислот или их солей и 1-20% смеси органических или неорганических соединений, содержащих аммоний-ион, представляющих ацетат, нитрат, сульфат, формиат, карбонат, пентаборат аммония или их смесь.
Известна (US, патент 5064551) антигололедная композиция в виде водного раствора, содержащая 45-60%) щелочного карбоксилата-ацетата и/или формиата, 0,1-0,4% щелочного фосфата, 0,2-0,6% щелочного нитрита и имеющая рН 9,5-11,2.
Недостатком известных композиций следует признать содержание нитрита и недостаточная эффективность при температуре ниже 20°С.
Известна (RU, патент 2123022) антигололедная композиция на основе карбамида, нитрата кальция, нитрата магния и воды.
Эта композиция обеспечивает удаление льда и таяние снега при температуре не ниже 22°С. Кроме того, способ получения указанной композиции достаточно сложный, многостадийный и требует высокой технической оснащенности при своей реализации.
Известна также (RU, патент 2130958) антигололедная композиция на основе нитрата кальция, карбамида, нитрата магния, фосфата кальция, карбамидформальдегидного полимера и карбоната кальция. Указанная композиция при применении обеспечивает низкую коррозию металлов (до 0,03 мм/ год). Температура эвтектики продукта всего 17°С.
Известен (RU, патент 2127293) состав для предотвращения наледи на дорогах, включающий формиат натрия и/или ацетат натрия, формиат и/или ацетат кальция, а также гидроксиэтилцеллюлоза и/или концентрат сульфитно-дрожжевой бражки.
Этот состав снижает температуру образования наледи (-18°С), что не всегда бывает достаточным. Кроме того, состав имеет много компонентов, которые не удобны при транспортировке (бражка).
Наиболее близким аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2294352), антигололедный реагент, содержащий хлорид кальция, триэтаноламин, а также цеолит или природный песок при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Хлорид кальция
22,5-45,0
Цеолит (или песок)
50,0-77,0
Триэтаноламин
0,5-5,0
При этом компоненты не просто смешиваются, как в случае получения фрикционно-химических материалов, а происходит пропитывание цеолита или песка хлористым кальцием с введенным ингибитором коррозии и получение устойчивых комочков. Введение цеолита (песка) и триэтаноламина позволяет повысить эффективность состава, снизить степень коррозии, значительной снизить расход хлорида кальция за счет изменения принципа действия реагента.
Недостатком известного технического решения следует признать недостаточную эффективность, обусловленную не оптимальным составом используемых цеолитов и химических реагентов.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в повышении емкости антигололедного реагента к воде, а также к химическим загрязнениям, присутствующим на дорожном покрытии и придорожной полосе, что приводит к увеличению срока службы дорожного покрытия.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать антигололедный реагент разработанного состава. Антигололедный реагент разработанного состава содержит смесь химических реагентов, включающую формиаты, карбамид и/или хлорид калия, хлорид кальция, хлорид натрия, и модифицированный цеолит, при этом использован модифицированный цеолит фракции (0.5-1.5) мм и (2.5-5.0) мм в количестве от 0,1 до 80%, смесь химических реагентов содержит (в % масс, от общего количества реагентов):
формиаты
от 0,1 до 25
карбамид и/или хлорид калия
от 5 до 15
хлорид кальция
от 20 до 50
хлорид натрия
от 20 до 65
Предпочтительно соотношение фракций модифицированного цеолита составляет от 15:85 до 20:80.
Преимущественно использован цеолит, модифицированный путем прогрева в течение до трех часов, в зависимости от аппаратурного оформления и объема цеолита, 750-850°С.
2
Предложено наносить на дорожное покрытие реагент выше приведенного состава в количестве от 30 до 150 г/м очищаемой площади.
Разработанная композиция содержит цеолит и компоненты. Компоненты вступают в реакцию со льдом и снегом, генерируя необходимое тепло, за счет которого происходит разрыхление и плавление льда и снега.
Модифицированные цеолиты, кроме выполнения функции фрикционной составляющей антигололедного реагента, являются хорошим сорбентом - ионообменником и эффективно связывают различные загрязнения, в том числе тяжелые металлы и радионуклиды, опасные (излишки) химические вещества.
При приготовлении композиции реагента используют модифицированный цеолит двух фракций - (0.5-1.5) и (2.5-5.0) мм. Использование цеолитов более мелких фракций (менее 0,5 мм) не приводит к достижению указанного технического результата, поскольку указанная фракция представляет собой пыль. Использование цеолитов фракции свыше 5,0 мм тождественно использованию щебня на дорогах, кроме того, частицы подобного размера имеют слабые сорбционные свойства, что препятствует достижению указанного технического результата. Фракция цеолита от 1,5 до 2,5 мм при полевых испытаниях показала в совокупности с любым из составов смеси используемых химических реагентов, соответствующих диапазонам количеств компонентов, указанных в независимом пункте формулы изобретения, недостаточную эффективность как в таянии снега и льда, так и в сорбции веществ, загрязняющих поверхность и обочину дорог.
Фракции цеолита можно модифицировать прокаливанием при температуре от 80 до 300°С, при температуре менее 750°С время модификации чрезмерно увеличено, что не целесообразно экономически.
Предпочтительно, но не обязательно при реализации разработанного технического решения использовать для модификации с последующим использованием в составе антигололедного реагента природные цеолиты с содержанием клиноптилолита, глауконита, ломонтита в цеолитсодержащей породе не менее 50-65%.
Для изготовления разработанной композиции антигололедного реагента, используют две фракции природных цеолитов, первая 0.5-1.5 мм и вторую 2.5-5.0 мм. Предварительно производят их модификацию - прокаливание каждой фракции при температуре от 80 до 300°С в течение 3 часов. После прокаливания фракции модифицированного цеолита смешивают таким образом, чтобы объем первой фракции составлял 15-20% от всего объема модифицированного цеолита, в этом случае вторая фракция составляет 80-85%) от всего объема цеолита. Затем в полученную смесь добавляют твердые химические компоненты - формиаты, карбамид и/или хлорид калия, хлорид кальция, хлорид натрия при массовом соотношении: модифицированные цеолиты - до 80%, твердые активные химические компоненты - остальное. При этом соотношение химических компонентов составляет:
формиаты
от 0,1 до 25
карбамид и/или хлорид калия
от 5 до 15
хлорид кальция
от 20 до 50
хлорид натрия
от 20 до 65
Массовое соотношение модифицированный цеолит: активные химические компоненты зависит от температуры окружающего воздуха, толщины ледового и снежного покрытия, пропускной способности дороги, дворовых территорий, тротуарах, в парках, на остановочных комплексах, в переходах, на территориях АЗС и автостоянках, трамвайных путях и стрелочных переводах.
Применение цеолитов обусловлено, прежде всего, их высокой селективностью, а также химической, термической и радиационной устойчивостью. Они обладают хорошей сорбционной и ионообменной способностью. Характерным отличием природных цеолитов от других типов сорбентов является то, что они имеют сильно развитый поверхностный каркас, наличие в нем пор разного диаметра, способных взаимодействовать с находящимися в растворе ионами металлов с образованием комплексных соединений. Также сорбционные свойства цеолитов зависят от природы и физико-химических свойств (энергия гидратации, заряд, радиус иона) сорбируемых ионов, концентрации ионов в растворах, рН среды, времени контактирования сорбента с ионами, температуры. Помимо этого природный цеолит легко подвергается регенерации и может быть, повторно использован.
Экспериментально установлено, что указанный технический результат достигается в любом случае, когда используемый антигололедный реагент содержит все компоненты, перечисленные в независимом пункте формулы изобретения в указанных там количествах. При исключении хотя бы одного из указанных компонентов или при выходе количества любого из компонентов за рамки указанного для него количественного соотношения указанный технический результат не достигается.
2
2
При нанесении на снежную и/или ледяную поверхность реагента в количестве менее 30 г/м назначение реагента не достигается, снежно/ледяное покрытие не тает и срок службы дорожного полотна не увеличивается. При нанесении на снежную и/или ледяную поверхность реагента в количестве более 150 г/м назначение реагента не достигается, снежно/ледяное покрытие хотя и тает, но срок службы дорожного полотна не увеличивается из-за абразивного действия частиц цеолита, а также излишнего действия совокупности химических реагентов.
Эффективность разработанного технического решения, кроме отработки на малых экспериментальных участках, была проверена в промышленном масштабе на территории Екатеринбургского завода радиоаппаратуры.
1. Состав содержит модифицированный цеолит фракции (0.5-1.5) мм и (2.5-5.0) мм, взятых в соотношении 20:80 и смесь химических реагентов, содержащую в % масс, от общего количества реагентов:
формиаты щелочных металлов
20
карбамид и/или хлорид калия
10
хлорид кальция
30
хлорид натрия
40
при соотношении смеси фракций цеолитов и смеси химических реагентов 80:20.
2
Полученный антигололедный реагент рассыпали по территории завода в количестве 40 г/м на ледовое покрытие асфальта при температуре окружающей среды -17°С. олщина ледового покрытия составляла 8 мм. Покрытие растаяло полностью без механического воздействия, разрушающее асфальт, за 5,5 часов.
2.Состав содержит модифицированный цеолит фракции (0.5-1.5) мм и (2.5-5.0) мм, взятых в соотношении 15:85 и смесь химических реагентов, содержащую в % масс, от общего количества реагентов:
формиаты щелочных металлов
5
карбамид и/или хлорид калия
5
хлорид кальция
0
хлорид натрия
0
при соотношении смеси фракций цеолитов и смеси химических реагентов 75:25.
2
Полученный антигололедный реагент рассыпали по территории завода в количестве 50 г/м на ледовое покрытие асфальта при температуре окружающей среды -6°С. олщина ледового покрытия составляла 6 мм. Покрытие растаяло полностью без механического воздействия, разрушающее асфальт, за 3,5 часов.
Использование разработанного технического решения позволяет убирать с твердого покрытия ледовые и снежные корки без нанесения механических повреждений дорожному покрытию, а также удалять при этом с покрытия вещества, вредно влияющие на покрытие и его обочину.