ИЗОЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ИМ-ЭКОДОР
INSULATING MATERIAL IM-ECODOR

Изобретение относится к изолирующим материалам, и новая технология его изготовления может быть использована при захоронении токсичных промышленных отходов 3 и 4-го класса опасности, в том числе твердых бытовых отходов (ТБО). Этот универсальный материал также может быть использован при строительстве оснований автомобильных дорог, полигонов ТБО.
В России в качестве изолирующего материала для ТБО, а также в качестве материала при строительстве оснований автомобильных дорог широко используют природную глину. (Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО. Министерство строительства РФ: Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Панфилова, - М.: 1966 г.).
Существенный недостаток глин - их высокий коэффициент фильтрации (Кф=0,08-0,15) м/сутки.
Известен изолирующий материал, патент РФ №2 469 806, который включает глину и дополнительно содержит порошкообразный состав из отходов «пыль черных металлов металлургического производства и доломитовой муки», смешанных в соотношении 1:3. Добавки повышают коэффициент фильтрации основного компонента - глины, а также усиливают водопроницаемость с нижних горизонтов в верхнее полотно дороги.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению в качестве слабопроницаемого материала является изолирующий материал ИМ, патент РФ №2271882.
Известный ИМ содержит природный грунт - глину, известковые отходы теплоэлектростанций (осадок гашеной извести или шлам химводоочистки), а также нефтяной шлам (плавающий, донный) или загрязненный нефтепродуктом грунт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нефтяной шлам
25-50
Отработанный известковый материал
15-40
Глина
10-60
Изолирующий материал ИМ производится серийно в соответствии ТУ 5717-001-48855-219-2004. ИМ должен соответствовать требованиям технических условий:
1. Коэффициент фильтрации (Кф), не более 0,864 м/сутки.
3
2. Коэффициент уплотнения, не менее 0,98 г/см
3. Коэффициент морозостойкости не менее 0,65.
Коэффициент фильтрации является главным показателем для полигонов ТБО, так как на слой (1,0-1,5 м) ТБО размещают слой ИМ высотой 0,3-0,5, затем снова засыпают слой ТБО высотой 1,0-1,5 и т.д.
Низкие коэффициенты уплотнения и морозостойкости ИМ в качестве промежуточного слоя в ТБО несущественны.
При строительстве оснований автодорог использование ИМ с низким коэффициентами уплотнения и морозостойкости недопустимо.
ИМ готовят на полигонах путем перемешивания компонентов фрезой или бульдозером. Технология производства ИМ из отходов подконтрольна Федеральной службе Росприроднадзора, при этом выполняют большой объем подготовительных работ, и заключается в следующем:
1. Подготавливают Постановление администрации по отводу земли для полигона;
2. Производят отвод земли;
3. Производят инженерно-гидрологические изыскания полигона;
4. Осуществляет проектирование полигона;
5. Согласовывают проект с надзорными органами (Пожарная безопасность ФГУЗ - федеральное государственное учреждение здравоохранения «Центр эпидемиологии и гигиены»);
6. Проводят экологическую экспертизу;
7. Получают разрешение на строительство полигона;
8. Производят строительство полигона;
9. Осуществляют государственную приемку;
10. Осуществляют регистрацию в регистрационной палате;
11. Получают лицензию на выполнение экологических работ;
12. Получают лимиты на размещение отходов на полигоне.
Выполнение работ по пп.1-12 происходит в течении 3-х лет, в результате эффективность и производительность труда экологических работ снижается.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества ИМ, расширение диапазона полезного действия с целью использования ИМ при строительстве автодорог с новым наименованием ИМ-ЭКОДОР, а также сокращение времени изготовления на мобильной передвижной установке.
Изобретение решает техническую задачу улучшения качества изолирующего материала ИМ-ЭКОДОР, снижение коэффициента фильтрации, повышение коэффициента уплотнения и морозостойкости, сокращение вредных выбросов в атмосферу за счет изготовления ИМ-ЭКОДОР на мобильной передвижной установке.
Указанная задача решается тем, что ИМ-ЭКОДОР включает природный грунт, известковый материал, буровой шлам и нефтяной шлам при следующем содержании компонентов, вес.части.
I. Природный грунт
1,0
II. Известковый материал
0,5-5,0
III. Буровой шлам
0,5-3,0
IV. Нефтяной шлам
0,5-7,0
2
2
3
I. В качестве природного грунта ИМ-ЭКОДОР содержит глину, при этом имеется четыре группы. На фиг.1 приведена зависимость коэффициента фильтрации глин от соотношения оксида кремния SiO к оксиду алюминия AlO. В глине с повышением оксидов кремния возрастает коэффициент фильтрации.
II. В качестве известкового материала ИМ-ЭКОДОР содержит один из следующих компонентов или их смеси.
1. Технологические отходы тепловых электростанций (ТЭЦ) - осадок гашеной извести (недопал), который образуется при производстве известкового молока. Для этого используют кальциевую быстрогасящуюся известь с содержанием активного вещества СаО 65-85%.
3
3
4
2
3
2
Осадок гашеной извести (недопал) представляет собой светло-серого цвета смесь частиц различного размера с включением темных неокатанных частиц карбоната кальция, так называемого «недопала» извести. Гранулометрический состав пробы недопала, отобранного из шламонакопителя ТЭЦ, приведен в табл.1. Минералогический состав: CaO+MgO - 75,3; SO- 2,0; NH - 1,36; PO - 0,76; NaCO ~ 2,97; NaOH - 2,24; NaCl - 0,53; SiO - 3,45;
Содержание активной окиси кальция и магния составляет 75,3%.
2
2
3
3
4
3
2
3
4
2
3
4
2
+2
+2
2. Шлам химводоочистки (ХВО) образуется при известковании природной воды. Процесс известкования производится в аппаратах-осветлителях, куда подают подогретую воду и реагенты - известковую воду Са(ОН), коагулянты и флокулянты: NaCO, NaPO, анионы которых образуют с катионами Са и Mg труднорастворимые соединения: СаСО, Mg(OH), Са(PO), Mg(PO), которые отделяются от умягченной воды сначала в виде осадка в осветлителях, а затем в остветлительных фильтрах.
Объем образующегося шлама ХВО зависит от качества речной воды и изменяется в пределах от 0,1 до 0,5 кг на кубометр очищенной воды. Объемы накопления шламов ХВО в Уфе составляет, в тыс.т: ТЭЦ 2 - 80,0; ТЭЦ 3 - 88,0; ТЭЦ 4 - 120,0; Приуфимская ТЭЦ - 5,7.
2
Шлам ХВО представляет собой пасту красно-коричневого цвета с высокой удельной поверхностью (до 800 м/г). Химический и гранулометрический составы ХВО приведены в таблицах 2 и 3.
Фазовый состав ХВО из осветлителя представлен в основном карбонатом кальция - большой эндотермический эффект при 780-920°С - и гидроокисью магния - эндотермический эффект его дегидрации при 390-445°С.
Таким образом, в шламе ХВО преимущественно содержится карбонат кальция и гидрооксид магния.
3. Зола сжигания каменных углей.
2
2
3
2
3
Зола на крупных ГРЭС содержит пылеватые частицы фракции 0,2 мм и менее - 82,0%. В золе отсутствуют фракции 1 мм и выше. Минералогический состав золы от сжигания каменных углей составляет: SiO от 50 до 65%; AlO 20,0-31,0%; FeO 3-12%; CaO 0,4-2,5%; MgO 0,1-0,5%; сумма оксидов других элементов 0,5-3,0%. Основными компонентами золы являются оксиды кремния и алюминия, и их соотношение равно 2,5-2,1. Зола ГРЭС согласно фиг.1 по коэффициенту фильтрации равноценна глинам первой группы.
4. Дисперсный природный мергель является промежуточным звеном образования известняка. Мергель по природе образования равнозначен торфу, который проходит стадии:
растительность → торф → каменный уголь.
2
2
3
2
3
Минералогический состав мергеля: SiO - 16,5%; MgO+CaO - 60,0%; AlO - 17,0%; FeO+FeO - 3,5%.
Огромные запасы мергеля находятся в Республике Башкортостан в предгорьях Урала. Растворимость мергеля в воде в несколько раз выше, чем известняка, что способствует образованию многочисленных карст как надземных, так и подземных.
Известковые материалы (осадок гашеной извести, шлам ХВО, зола сжигания каменных углей, дисперсный природный мергель) благодаря их высокой дисперсности и удельной поверхности способствуют адсорбции нефтепродуктов и нейтрализации их соединениями кальция и магния.
3
III. Буровой шлам представляет собой суспензию, выходящую из ствола строящегося подземного перехода для трубопроводов через реки и озера. Плотность бурового шлама составляет 1,12-1,17 г/см. Состав бурового шлама приведен в табл.4.
В состав глинистых минералов входят монтмориллонит (высококачественная глина 1-й группы), каолинит и др. В состав песка - пирит, кварц, известняк и т.п. Обезвоженный буровой шлам представляет собой порошок с включениями песка грязно-коричневого цвета.
IV. Нефтяной шлам является основным компонентом ИМ-ЭКОДОР. При хранении нефтешламы расслаиваются на три слоя: плавающий, эмульсионный и донный.
Плавающий нефтешлам - это самый верхний слой отхода, содержащий до 92% нефтепродуктов, 6,5% воды и 1,5% мехпримесей. Плавающий нефтешлам по составу близок к уловленным на очистных сооружениях нефтепродуктам, так называемой ловушечной нефти, и содержит фракции до -350°С в количестве до 60%.
Эмульсионный нефтешлам обычно находится на глубине 0,8-2,0 м, содержит воды до 50%, 5-10% мехпримесей и 40-50% нефтепродуктов с содержанием фракций 100-350°С в количестве до 40%.
Верхний и эмульсионный нефтешламы не пригодны для ИМ-экодор вследствие высокой пожароопасности. На нефтеперерабатывающих заводах их подвергают центрифугированию и возвращают на повторную переработку.
Донный нефтяной шлам (ДНШ) является нижним слоем и отличается значительным содержанием механических примесей (20-60%), воды (30-50%) и до 25% тяжелых нефтепродуктов.
По классу токсичности донный нефтешлам является малоопасным для окружающей среды (4-й класс опасности) и, следовательно, может быть вовлечен в дорожное строительство.
Состав донного нефтешлама с пруда-отстойника размером 300-700 м и глубиной 5 м (два пруда) ОАО Уфанефтехим представлен в табл.5, объем накоплений составляет 2000000 куб.м. Из таблицы видно, фракции (дизельные) до 360°С значительно меньше и менее пожароопасны.
Все типы донного нефтешлама после отбора из пруда представляют пасту темного цвета с запахом нефтепродукта.
В табл.6 приведены физические свойства исследованных типов ДНШ.
ДНШ 15 не обладает пластическими свойствами, а ДНШ 10 и ДНШ 3 по физическим свойствам практически не отличаются от обычных глинистых грунтов.
Различное содержание нефтяной фракции в ДНШ влияет на его физические свойства как грунта. Если в составе ДНШ содержится 10% и менее нефтяной фракции, его физические свойства близки к глине с числом пластичности 19-24%.
В производстве изолирующего материала также используют загрязненный нефтепродуктом грунт, в составе которого компоненты могут варьироваться в широком диапазоне: нефтяная часть до 10%, механические примеси 50-80%, воды до 20%.
Строительство автомобильных дорог ведут согласно СНиП 2.05.02.85; 3.06.03.85; 2.02.02.85 и др., но в этих документах отсутствуют сведения о влиянии водонепроницаемости на полотно дороги. Из практики известно о том, что на дорогах, расположенных на заболоченных местах, вода по капиллярам проникает снизу вверх и разрушает полотно вследствие снижения коэффициента уплотнения.
3
3
3
3
В табл.7 приведены качество компонентов для изготовления ИМ-ЭКОДОР. По уплотняемости (1,45-1,67 г/см) глины соответствуют первому классу автодорог, но коэффициент их фильтрации (0,08-0,152 м/сутки) недостаточен для дорог в заболоченных местах. Недопал, мергель имеют высокую уплотняемость (1,85-1,91 г/см) при высокой фильтрации воды (5-10 м/сутки). Буровой шлам с низким коэффициентом фильтрации (0,00003 м/сутки) уплотнить удается до 1,24 г/см, донный нефтешлам уплотняют до 0,74-1,26 г/см.
Подбирая оптимальный состав компонентов, удается получить ИМ-ЭКОДОР. Примеры приготовления ИМ-ЭКОДОР в лабороторных условиях приведены в табл.8. Изолирующий материал ИМ-прототип (поз.1 и 2), содержащий глину 1 ч. (41,6%), донный нефтешлам 0,8 ч. (33,2%), известковый материал 0,6 ч. (25,0%), имеет следующие показатели:
• коэффициент фильтрации 0,0015-0,002 м/сутки;
3
• коэффициент уплотнения 1,20-1,27 г/см;
• коэффициент морозостойкости 0,68;
• предел прочности при сжатии водонасыщенных образцов 4,2 МПа.
3
3
Опытные образцы ИМ (поз.3-10) по качеству как ИМ значительно превосходят ИМ-прототип. Лабораторные образцы 3-6, 8-10 соответствуют ИМ-ЭКОДОРу и могут применяться как товарный продукт для ТБО и в дорожном строительстве. Изолирующий материал (поз.7) не пригоден для дорожного строительства ввиду низкого коэффициента уплотнения 1,05 г/см. ИМ (поз.11), содержащий 5 вес.частей грунта, загрязненного нефтепродуктом, имеет наименьший коэффициент уплотнения 0,95 г/см. Это вызвано тем, что в грунте большое содержание органических веществ, например чернозем, который практически не поддается уплотнению.
Опытные образцы (поз.3-10) обладают морозостойкостью. Причина такой устойчивости к циклическому замораживанию - оттаиванию заключена в гидрофобности нефтяных компонентов ИМ-ЭКОДОРа и их способности образовывать стойкие водяные эмульсии, которые заполняют объем пор неориентированным способом, препятствуют водопроницаемости в заболоченных местах снизу вверх, при этом сохраняя уплотненность грунта в первоначальном виде.
Уплотненный при оптимальной влажности до максимальной плотности ИМ-ЭКОДОР (поз.10) является слабоводопроницаемым грунтом, степень засоленности 10.
Анализ фильтрата после прохождения образца водопроводной воды при градиенте напора 50 показал наличие водорастворимых солей не более 0,3 г/л, что соответствует степени засоленности грунта не более 7% и исследуемые образцы (поз.3-9), уплотненные при оптимальной влажности до максимальной плотности, являются незасоленными. При проникновении в грунт влаги практически исключается вымывание водорастворимых соединений в окружающие грунтовые слои.
Вовлечение в строительство полигонов ТБО и автодорог отходов производства позволит снизить их объемы, а также существенно уменьшить потребление природных глинистых материалов, это вдвойне благоприятно для экологии.
Изолирующий материал ИМ-ЭКОДОР по предлагаемому изобретению получают на предприятиях-хранилищах собственников отходов. Предприятия-собственники отходов имеют лицензию для хранения отходов и им завозят необходимые компоненты для производства ИМ-ЭКОДОР.
В смесительный барабан, например автобетоносмеситель на шасси КамАЗ, загружают природный грунт, донный нефтешлам, известковый материал, буровой шлам, приводят барабан во вращательное движение в течение нормативного времени.
Полученный в автобетоносмесителе товар, изолирующий материал ИМ-ЭКОДОР, не подконтролен Росприроднадзору. Готовый продукт вывозят потребителю.
Для внедрения ИМ-ЭКОДОР по предлагаемому изобретению необходимо выполнить значительно меньший объем работ:
- Согласовать технологию изготовления изолирующего материала в автобетоносмесителе с пожарной охраной и ФГУЗ «Центр эпидемиологии и гигиены»;
- Провести экологическую экспертизу технологии;
- Получить лицензию на работу с опасными отходами,
в результате чего сокращается срок подготовительных экологических работ с 3-х лет до 1 года.
Таблица 1
Гранулометрический состав недопала
Размер частиц, мм
Содержание частиц, %
<1010-55-22-11-0,50,5-0,250,25-0,1>0,1
34,513,815,712,95,78,66,21,9
Таблица 2
Химический состав шлама ХВО
п.п.п.
СаО
MgO
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
SO<sub>3</sub>
Na<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
общ.
Актив.
36,45
28,04
2,15
26,58
2,41
1,78
1,78
0,18
3,46
Таблица 3
Гранулометрический и микроагрегатный состав шлама ХВО
Размер фракций в мм, кол-во, %
>0,1
0,005
0,05-0,01
0,01-0,005
0,005-0,001
0,001
0,4-1,0
0,4-2,0
76-84
13-4
4,0
6,0-5,0
Таблица 4
Состав бурового шлама
Компоненты
Содержание компонентов, %
Вода
90,00
Бентонит (глина)
7,00
Песок
1,57
Na-карбоксиметилцеллюлоза очищенная (CMC HV, CMC LV)
0,60
Полиакриламид частично гидрализованный (ИКСТАБ L(S))
0,20
Бактерицид (ИКБАК-0, ИКБАК 11 L, ИКБИОЦИД)
0,02
Буровой детергент (ИКД)
0,10
Натрий гидроксид
0,05
Карбонат натрия
0,05
Эклологически чистая смазочная добавка (ИКЛУБ)
0,40
Пеногаситель (ИКДЕФОРМ)
0,01
Таблица 5
Состав донных нефтешламов
Наименование компонента
Содержание компонентов, % с глубины
3 м
5 м
Нефтепродукты
25
15
Вода
35
25
Механические примеси
40
60
Углеводородный состав нефтяной части, %
Парафино-нафтеновыеАроматическиеСмолыАсфальтены
31,021,634,013,4
28,225,037,09,8
Фракционный состав нефтяной части
До 360°С выкипает, % масс.
15,0
7,8
Таблица 6
Физические характеристики ДНШ
Наименование показателя
Значение показателя
ДНШ 15
ДНШ 10
ДНШ 3
Содержание нефтепродуктов, %Влажность, %Удельный вес, г/см<sup>3</sup>Число пластичностиПористость, %Наименование грунта по ГОСТ 25100-95
1546,31,25-44
1040,51,9518,657глина мягкопластичная
326,02,0024,037твердая
Таблица 7
Основные показатели компонентов для производства ИМ-ЭКОДОР
Наименование компонентов
Показатели
Кф, м/сутки
Pdmax, г/см<sup>3</sup>
Wopt, % не более
1. Природный грунт:- 1 гр., глина- 2 гр., глина- 3 гр., глина (суглинок)- 4 гр, глина(суглинок)
0,080,0870,0950,152
1,451,531,601,67
36302624
2. Известковый материал:- недопал- мергель- ХВО- зола
5100,0150,0082
1,851,911,140,94
1520,035,070,0
3. Буровой шлам
0,00003
1,24
7,0
4. Донный нефтешлам с содержанием:- 3% нефтепродукта- 10% нефтепродукта- 15% нефтепродукта
0,0090,0200,09
1,260,920,74
26,040,050,0
Кф - коффициент фильтрации, м/суткиPd - плотность грунта после уплотнения (коэффициент уплотнения), г/см<sup>3</sup>Wopt - оптимальная влажность, при которой достигается максимальный коэффициент уплотнения, % мас.Примечание: С повышением влажности (W) выше оптимальной (Opt) компоненты превращаются в жижу.