УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ТОРФА

Предложенное решение относится к проведению механохимических реакций различных масс и смесей, изготовлению, например, сорбентов на основе торфа.
К числу наиболее эффективных методов ликвидации нефтезагрязнений с поверхности воды относится сорбционная очистка. Преимуществами метода можно считать возможность удаления загрязнений различной природы практически до любой остаточной концентрации, хорошую управляемость процессом, отсутствие вторичного загрязнения. Анализ технических условий сбора нефтепродуктов с поверхности воды и физико-химических закономерностей сорбции позволил сформулировать основные требования к нефтесорбенту: хорошая нефтеемкость и плавучесть, умеренная влагоемкость. В настоящее время в зависимости от требований к процессу сорбции используется широкий спектр синтетических и природных неорганических, органических и органоминеральных материалов.
Однако торф занимает среди них особенное место, что связано с большим разнообразием сырьевых баз и многообразием свойств данного материала. Преимущества нефтяных сорбентов на основе торфа перед другими видами сорбентов - дешевизна, доступность и возможность утилизации отработанного материала путем сжигания, что позволяет ликвидировать вторичное загрязнение воды, неизбежное при их регенерации. Другой особенностью торфа является возможность модификации его структуры в результате обработки различными органическими и неорганическими веществами, что также влияет на свойства конечного продукта. Известно, что кроме всех прочих параметров, влияющих на сорбционную способность торфа, важное значение имеет размер частиц, который оказывает влияние как на количество, так и на скорость поглощения нефти с поверхности воды.
В рамках представленного проекта будет проведена механоактивация торфа с целью измельчения исходного сырья, что также позволит повлиять на изменение его структуры, компонентного состава и свойств в результате механохимических превращений. Преимуществом механоактивации является то, что в результате данного воздействия происходят изменения в пористой надмолекулярной структуре, физическом состоянии и свойствах торфов, что, в дальнейшем приведет к созданию эффективных сорбентов. В ходе выполнения проекта получены новые данные о влиянии механоактивации на структуру и свойства торфов. Показана возможность регулирования сорбционных свойств торфа методом механоактивации, дана оценка эффективности использования полученных данным способом торфяных сорбентов для очистки воды от нефти и нефтепродуктов, а также проведено сравнение с существующими аналогами. По результатам данной работы можно представить алгоритм создания модели эффективного сорбента на базе торфа, который будет обладать высокой нефтеемкостью, плавучестью и другими соответствующими параметрами. Кроме того, результаты работы будут являться научной основой при разработке технологической схемы производства сорбентов с заданными качественными показателями. Использование в данном проекте всех необходимых мероприятий по подбору сырья, его подготовке - сушка, измельчение и дальнейшая обработка - механоактивация, позволят получить качественные торфяные сорбенты с высокой сорбционной способностью. Данные сорбенты будут отличаться дешевизной производства, исключат вторичное загрязнение окружающей среды и экологически безопасны.
Известно техническое решение, которое относится к переработке отходов, преимущественно от карьерного производства в виде отсева. Обработка проводится путем использования отсева, например, гранитно-щебеночного, для производства продукции методом шнековой экструзии.
Задачей решения является предложение утилизации отходов горнодобывающих и горноперерабатывающих предприятий и улучшение экологии окружающей среды.
Техническим результатом - использование шнек-пресса для приготовления смеси из отсевов (отходов), особенно в мобильном варианте, с возможностью заливки площади для размещения на них технологического оборудования в производственных целях, а также заполнения изготавливаемой смесью монолитных каркасов при строительстве многоэтажных сооружений.
Экструдирование в шнек-прессе основано на принципе непрерывной подачи формовочной массы вдоль оси пресса и возврате избыточной массы по зазору между наружной поверхностью шнека и внутренней поверхностью «рубашки». В зависимости от вязкости, пластичности и состава формовочной массы в зоне экструдирования устанавливается постоянное давление для конкретного состава массы. Изменение вязкости в сторону уменьшения, а пластичности массы в сторону увеличения в процессе экструдирования может привести к остановке процесса экструдирования. Предложен шнек-пресс, включающий корпус, вращающийся от привода вал, приемную емкость для исходного материала, смеситель, витки шнека и мундштук, характеризующийся тем, что корпус шнек-пресса выполнен с зазором между наружной поверхностью шнека и внутренней поверхностью рубашки, шнек выполнен с уменьшением шага винтовой поверхности шнека в направлении перемещения формовочной массы, причем пространство между витками образуют зоны обработки, рубашка выполнена с ребрами по всей длине для возврата формовочной массы при непрохождении ее через мундштук, мундштук выполнен съемным, в последней зоне обработки имеется источник УЗ.
На выходе из шнек-пресса в четвертой зоне на заготовку воздействуют ультразвуком для гомогенизации формовочной смеси в полуфабрикате.
Форма полуфабриката продукции в виде непрерывно выходящей из мундштука шнек-пресса заготовки определяется контуром и размерами поперечного сечения самого мундштука, являющегося сменным элементом машины (1).
Известен способ проведения механохимических реакций при сжатии, температуре, давлении и обработке ультразвуком исходного материала в реакторе, при этом обрабатывают массу с помощью шнека, отличающийся тем, что обрабатываемая масса в объеме 10-90% реверсивно поступает по каналам реактора в зону многократного сжатия, а обработка ультразвуком происходит с помощью двухчастотного кольцевого ультразвукового концентратора, частоты которого отличаются друг от друга на 0,01-15%.
Способ получения солей гуминовых кислот из смеси торфа и щелочи в механохимическом реакторе характеризуется тем, что используется механохимический реактор, включающий корпус, вращающийся от привода вал, приемную емкость исходного материала, шнек, мундштук и ультразвуковой генератор, корпус реактора выполнен в виде многогранника с каналами вдоль оси корпуса, при этом в каналах расположены гребенки, ультразвуковой генератор представляет собой кольцевой ультразвуковой концентратор, а щелочь составляет 10-20% от массы торфа по весу в сухом эквиваленте.
Механохимический реактор, включающий корпус, вращающийся от привода вал, приемную емкость исходного материала, шнек, мундштук и ультразвуковой генератор, харктеризуется тем, что корпус реактора выполнен в виде многогранника с каналами вдоль оси корпуса, при этом в каналах расположены гребенки, а ультразвуковой генератор представляет собой кольцевой ультразвуковой концентратор (2).
Источник информации 2 - патент РФ №2426722, Способ проведения механохимических реакций и реактор для осуществления этого способа - является наиболее близким решением относительно заявляемого решения.
Однако, устройства, описанные в приведенных источниках 1,2 недостаточно эффективны с точки зрения качества и производительности сорбентов из торфяного материала. Актуальны требования, предъявляемые к технологии обработки и оборудованию для массового производства сорбентов из природного сырья, преимущественно, торфяных сорбентов.
Описание полезной модели:
Задачей решения является повышение качества и сокращение расходов при изготовлении гидрофобного сорбента за счет комплексного использования органических свойств торфа и минералов, таких, как глауконит, палыгорскит, цеолит, перлит, вермикулит, шунгит и т.д., способом механоактивации и многостадийного контролируемого процесса термообработки, управления составом и давлением атмосферы в герметичной емкости для термообработки и обеспечение автономности энергообеспечения процесса.
Поставленная задача решается получением гидрофобного сорбента, включающего:
- Механоактивацию торфа, NaOH и минерала;
- Предварительное измельчение;
- Сушку полученной органоминеральной активированной смеси;
- Термообработку без доступа воздуха в три стадии в герметичной емкости-механоактиваторе (на первой стадии при 140-150°C, на второй при 270-300°C, на третьей при до 350°C);
- Охлаждение выделяющейся парогазовой составляющей с раздельным сбором образующегося конденсата и несконденсированных газов;
- Охлаждение продукта в той же емкости - механоактиваторе до 50-100°C;
- Компенсации падения давления в емкости при охлаждении продукта осуществляется подачей в емкость несконденсированных газов;
- Время каждой стадии зависит от количества и влажности исходного сырья и заканчивается при снижении скорости образования конденсации парогазовой смеси;
- Собранный водный конденсат содержит гуминовые кислоты, которые можно использовать при производстве удобрений.
Весь процесс контролируется АСУ (Автоматизированной Системой Управления) на основе, например, контроллеров «МЗТА».
Основа сорбентов - природные материалы, абсолютно безопасные для окружающей среды и человека (торф, глауконит, палыгорскит, цеолит, перлит, вермикулит, шунгит и т.д.).
Предложено устройство для механоактивации.
Устройство для механоактивации торфа, включающее корпус, вращающийся от привода вал, приемную емкость исходного материала, шнековый пресс, мундштук, характеризуется тем, что шнековый пресс выполнен от приемной емкости к мундштуку с переменным межвитковым шагом вдоль оси и уменьшением межвиткового пространства, с зазором между наружной поверхностью шнекового пресса и внутренней поверхностью его рубашки, винтовая поверхность шнека изготовлена с качеством обработки выше на несколько классов, чем рубашка, а внутренняя поверхность рубашки шнекового пресса изготовлена с ребрами по всей длине.
Устройство характеризуется также тем, что оно снабжено УЗ концентратором.
В предложенном устройстве проводят механоактивацию торфа при сжатии, температуре, давлении исходного материала, при этом обрабатывают массу с помощью шнекового пресса, в котором масса реверсивно поступает по каналам в зону многократного сжатия, характеризующийся тем, что проводят термообработку органоминеральной смеси, состоящей из торфа, NaOH и минерала, сушку без доступа воздуха в три стадии 140-150°C, 270-300°C и 350°C, при давлении 3-5 Мпа, выделяющуюся парогазовую смесь охлаждают, собирают раздельно конденсат и несконденсированные газы, продукт охлаждают до 50-100°C, компенсацию падения давления осуществляют подачей в пресс несконденсированных газов, время каждой стадии термообработки контролируют и оно обусловлено снижением интенсивности выделения парогазовой смеси. Уплотнение органоминеральной смеси в устройстве для механоактивации обеспечивают за счет уменьшения шага винтовой поверхности шнекового пресса в направлении перемещения смеси, а степень сжатия смеси зависит от отношения начального и конечного объема межвиткового пространства шнекового пресса, в котором расположен объем смеси, заключенный в межвитковом пространстве с переменным шагом, при этом степень сжатия смеси увеличивается. Перемещение органоминеральной смеси вдоль оси шнекового пресса осуществляют при соблюдении условия, когда коэффициент трения формовочной массы по винтовой плоскости шнекового пресса меньше, чем коэффициент трения смеси относительно внутренней поверхности рубашки пресса.
Устройство механоактивации иллюстрируется на фиг.1.
Позициями на фигуре обозначено: 1 - рубашка устройства механоактивации, 2 - вал шнекового пресса, 3 - витки пресса, 4 - УЗ концентратор, 5 - источник питания, 6 - мундштук, 7 - электродвигатель, 8 - редуктор, 9 - приемная емкость, 10 -органоминеральная смесь.
Работает устройство следующим образом.
Электродвигатель 7 вращает вал 2 через редуктор 8 (фиг.1). Предварительно перемешанные в смесителе (на чертеже не показан) исходные материалы (торф, NaOH и минерал) загружаются в приемную емкость 9, откуда по виткам 3 шнека перемещаются в зоны сжатия и смешения (перетирания), в которых образуется упомянутые выше давление и температура. Смесь неоднократно подвергается механохимической обработке (до 50% смеси возвращается на повторную обработку).
Следует отметить, что УЗ концентратор вводится в перечень составных частей по требованию заказчика.
Уплотнение органоминеральной смеси в шнековом прессе обеспечивается за счет уменьшения шага винтовой поверхности шнека в направлении перемещения смеси (см. фиг.1). Степень сжатия смеси зависит от отношения начального и конечного объема межвиткового пространства шнекового пресса, в котором расположен объем смеси, заключенный в межвитковом пространстве шнекового пресса с переменным шагом, при этом степень сжатия смеси увеличивается.
Перемещение органоминеральной смеси вдоль оси устройства механоактивации происходит только при соблюдении следующих условий:
Коэффициент трения органоминеральной смеси по винтовой плоскости шнекового пресса должен быть меньше, чем коэффициент трения смеси относительно внутренней поверхности рубашки пресса (трубы в которой размещается шнек). Конструктивно требуемые условия выполняются следующим образом:
Винтовая поверхность пресса изготавливается с качеством обработки выше на несколько классов, чем рубашка.
Внутренняя поверхность рубашки пресса изготавливается с ребрами по всей длине.
Экструдирование в шнековом прессе основано на принципе непрерывной подачи уплотненной органоминеральной смеси вдоль оси пресса и возврате избыточной смеси по зазору между наружной поверхностью механоактиватора и внутренней поверхностью его рубашки. В зависимости от вязкости, пластичности и состава органоминеральной смеси в зоне экструдирования устанавливается постоянное давление для конкретного состава смеси. Изменение вязкости в сторону уменьшения, а пластичности смеси в сторону увеличения в процессе экструдирования может привести к остановке процесса экструдирования.
Производительность шнекового пресса может составить 15 тонн/час.
По органолептическим и физико-химическим показателям сорбент должен соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 1 ниже.
По внешнему виду сорбент - дисперсный порошок, нерастворимый в воде.
Таблица 1
Физико-химические характеристики сорбента
Наименование Показателя
Значение показателя для продукта
1
2
Внешний вид
Дисперсный зернистый порошок
Массовая доля влаги, %, не более
10,0
Размер гранул (фракционный состав), мм
0,1-0,6
Межзерновая пористость, %
60-72
Насыпная плотность, кг/м<sup>3</sup>
1300-1400
Статистическая сорбционная емкость, не менее мг/г, в т.ч.:
по бензину
350
по дизельному топливу
350
по минеральному моторному маслу
350
по ПБХ (совтол)
400
по НДМГ
50
Статистическая сорбционная емкость по фенолу, не менее мг/г
1000
Бактериальный препарат
В виде лиофильно высушенного порошка
Массовая доля биопрепарата, %, не менее
5
Кислотность, рН не более
7
Активность бактериального препарата
Клеточный титр 10<sup>9</sup>-10<sup>11 </sup>колониеобразующих единиц в 1 г. препарата
Гигиенические и радиологические показатели водной вытяжки
Должна соответствовать СанПиН2.1.4.1074-01
Эффективная удельная активность природных радионуклидов, Бк/кг, не более
370
Удельная активность техногенных радионуклидов<sup>3</sup>, цезий-137 (A<sub>Cs</sub>) и стронций-90 (A<sub>Sr</sub>); A<sub>Cs</sub> /45+A<sub>Sr</sub>/30, отн. ед, не более
1
Условия работы
Влажность почвы при внесении сорбента 60-80%, температура от +40 до +5°C
Утилизация отработанного сорбента
Не требуется
Источники информации
1. Патент РФ №80395, Шнек-пресс, B30B 11/22, опубл. 10.02.2009
2. Патент РФ №2426722, Способ проведения механохиических реакций и реактор для осуществления этого способа, C07C 63/00, B01J 3/00, 19/10, опубл. 20.08.2011