Состав для закрепления пылящих поверхностей
COMPOSITION FOR FIXING DUSTY SURFACES

Изобретение относится к горной, в частности, угледобывающей отрасли, и может быть использовано для пылеподавления и снижения пылепереноса от автомобильных дорог на угольных разрезах.
Известен обеспыливающий состав для обработки пылящих поверхностей (патент РФ № 2502874, опубл. 27.12.2013), содержащий водные растворы полиакрилата щелочного металла и сополимера акриламида с производными акриловой кислоты, при этом использованы сополимеры акриламида с диметиламиноэтилакрилатом, диметиламиноэтилметакрилатом или диметиламинопропилакриламидом, концентрация раствора полиакрилата щелочного металла составляет 0,1-1,0% (мас.), концентрация раствора сополимера акриламида с производными акриловой кислоты составляет 0,05-0,5% (мас.).
Недостатком состава является необходимость его поэтапного нанесения (сначала – наносят водный раствор акрилата щелочного металла, а затем – водный раствор сополимера акриламида) с выдерживанием значительного промежутка времени, зависящего от погодных условий, что увеличивает сроки и затраты на обработку поверхностей, и в условиях действующих автодорог угольных разрезов тяжело реализуемо.
Известен состав для закрепления пылящих поверхностей (патент РФ № 2148720, опубл. 10.05.2000), включающий 10-15% пластификатора адипинового щелочного (отходов производства капролактама), 15-20% келловейской порошкообразной глины, попутно извлекаемой с железной рудой, и технической воды. Концентрация приготовленного раствора изменяется от 3 до 4 л на квадратный метр обрабатываемой поверхности.
Недостатком состава является его применимость преимущественно для предотвращения пыления хвостохранилищ фабрик по обогащению железных руд, высокая стоимость, обусловленная значительной долей в составе пластификатора адипинового щелочного, который производится только в Европейской части РФ, использование редкой келловейской порошкообразной глины, добываемой преимущественно только на территории Курской магнитной аномалии.
Известен состав для закрепления пылящих поверхностей (патент РФ № 2137923, опубл. 20.09.1999), включающий акриловую дисперсию (50-60%) 1-28%, сополимер ацетата с виниловыми эфирами карбоновых кислот 2-10%, олигомер полиэтилена 1-5%, загуститель оксиэтилцеллюлоза 0,2-0,8%, поверхностно-активное вещество алкилсульфат 0,8-1,8%, вода – остальное.
Недостатками состава являются наличие в нём большого количества компонентов и высокая их концентрация, обуславливающие дороговизну технического решения, значительная продолжительность формирования закрепляющей плёнки на пылящей поверхности, достаточная эффективность пылезакрепления только на поверхностях хвостохранилищ хвостов обогащения железных руд, не подверженных значительным механическим нагрузкам автотранспорта.
Известен состав для закрепления пылящих поверхностей (патент РФ № 2014471, опубл. 12.01.1993), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %: триполифосфат калия 0,01-5,0, 5%-ный коллоидный раствор крахмала 1,0-40,0 и вода – остальное.
Приведенный состав включает в себя компоненты, не оказывающие вредного воздействия на окружающую среду и здоровье человека, имеющие потенциал к формированию длительного пылеподавляющего эффекта за счет увеличения смачивающей способности и создания закрепляющей пыль пленки.
Недостатками известного состава для закрепления пылящих поверхностей являются технологическая сложность получения коллоидного раствора крахмала с необходимыми физико-химическими свойствами, значительная зависимость от климатических условий применения (быстро разрушается при значительных суточных амплитудах температуры и легко размывается ливневыми осадками), а также высокая вариативность содержания компонентов состава, что может создать совершенно разный эффект пылеподавления.
Известен обеспыливающий состав (патент РФ № 2029775, опубл. 27.02.1995), включающий компоненты в следующих соотношениях: сульфатное мыло или омыленный талловый пек 2-10% (мас.); полиакриламид 0,05-0,20% (мас.); вода остальное, что обеспечивает водостойкость покрытия из этого состава на пылящихся поверхностях и снижение расхода реагентов.
Недостатками известного состава для закрепления пылящих поверхностей являются значительная его недолговечность при постоянной или периодической динамической нагрузке, например, со стороны движущегося автотранспорта, а также повышенная токсичность полиакриламида при его переходе в летучее состояние при механическом разрушении покрытия, сформированного на основе известного состава.
Известен смачиватель для подавления угольной пыли (патент РФ № 2689469, опуб. 28.05.2019), который выбран в качестве прототипа. Смачиватель предназначен для пылеподавления и снижения пылепереноса в угольном производстве и содержит олеиновую кислоту, гидроксид натрия, льняное масло и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %:
олеиновая кислота
0,8 - 1,0
гидроксид натрия (сода каустическая)
0,4 - 0,6
льняное масло
0,3 - 0,6
вода
остальное
Недостатками прототипа являются значительная зависимость технологии применения смачивателя от воздушного режима горной выработки, в которой осуществляется добыча угля, предусматривающая ориентацию на линейное перемещение воздушной струи, что характерно для шахтного способа добычи, а также то, что данный смачиватель ориентирован на аэрозольную витающую пыль, а не на закрепление пылящих поверхностей, подверженных постоянным деформациям, итогом действия которых являются процессы разрушения поверхностного слоя с последующим взметыванием образующейся пыли.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка нового состава для закрепления пылящих поверхностей, который обеспечивает повышение эффективности смачивания породной и угольной пыли, отлагаемой на поверхности автомобильных дорог угольных разрезов.
Для решения поставленной проблемы предложен состав для закрепления пылящих поверхностей, содержащий свекловичную мелассу, поливинилацетат, льняное масло и воду при следующем соотношении компонентов, мас. %:
свекловичная меласса
2,4 - 2,6
поливинилацетат
0,4 - 0,6
льняное масло
0,4 - 0,6
вода
остальное
Технический результат, полученный от изобретения, заключается в увеличении продолжительности эффективного действия пылезакрепляющего состава, улучшения смачиваемости поверхности частиц пыли, а также обеспечения возможности склеивания частиц пыли с образованием пленки.
Предлагаемый состав для закрепления пылящих поверхностей является оптимальным по качественному и количественному содержанию входящих в него компонентов. Это обусловлено следующим.
3
2
2
3,
2,
2
2
3
2
3
2
5
Свекловичная меласса представляет собой побочный продукт сахарного производства, имеет темно-коричневый цвет и плотность 1,35-1,40 г/см. Меласса содержит 40-55% сахарозы, 30% инертного сахара, 10% органических несахаров, 0,5-2,5% раффинозы, 1,1-1,5% азота и 6-11% золы, включающей KO, CaO, MgO, SiO, SOClNaO + FeO + AlO, FeO.Использование свекловичной мелассы в предлагаемом составе позволяет в течение длительного времени сохранить обработанную поверхность во влажном состоянии, предотвращая ее от чрезмерного высыхания и растрескивания, приводящих к пылеобразованию. Содержание в составе свекловичной мелассы менее 2,4 мас. % существенно снижает период эффективного действия, сформированного пылеподавляющего слоя, при этом срок действия снижается прямо пропорционально снижению содержания мелассы. При содержании в составе свекловичной мелассы более 2,6 мас.% не происходит существенного изменения срока эффективного действия при увеличении затрат на приготовление состава.
4
6
2
Поливинилацетат (ПВА) – твердое бесцветное прозрачное вещество с  химической формулой (CHO)n, не имеющее запаха, нетоксичное, светостойкое, обладающее хорошими адгезионными свойствами к различным поверхностям и эластичностью. ПВА хорошо растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах, кетонах, сложных эфирах, метаноле. Поливинилацетат легко гидролизуется в поливиниловый спирт в присутствии растворов кислот и щелочей. Поливинилацетат позволяет создать на пылящей поверхности эластичную и прочную пылезакрепляющую плёнку, устойчивую к атмосферным осадкам и сохраняющую свои свойства в течение длительного периода времени.
Содержание в предлагаемом составе ПВА в количестве менее 0,4 мас.% приведет к снижению адгезионной способности формируемого пыдеподавляющего слоя относительно пылящей поверхности. Содержание в предлагаемом составе ПВА в количестве более 0,6 мас.% приведет к повышенному коррозионному действию состава на металлические элементы колес карьерного автотранспорта, а также снижению вероятности естественного зарастания травой откосов карьерных автодорог и прилегающих к ним территорий, что увеличивает пылеобразование в этих зонах.
3
С целью повышения прочностных характеристик образующейся пылезакрепляющей плёнки, в том числе под действием высоких температур в составе для закрепления пылящих поверхностей использовано льняное масло. Льняное масло – это растительное масло, производимое из семян льна и представляющее собой жидкость, чаще всего, золотисто-желтого цвета. Имеет плотность 0,926-0,936 г/см и температуру застывания от -16 до -27°С. За счёт высокого содержания в составе ненасыщенных жирных кислот (44-61 % альфа-линоленовой, 15-30% линолевой, 13-29% олеиновой) льняное масло легко полимеризуется при взаимодействии с кислородом воздуха, образуя прочную прозрачную плёнку.
Содержание в предлагаемом составе льняного масла в количестве менее 0,4 мас.% приведет к сокращению срока эффективного действия пылеподавляющего слоя за счет интенсификации процесса ее высыхания и последующего его разрушения в результате ветровой эрозии или механического воздействия протекторов карьерного автотранспорта.
Содержание в предлагаемом составе льняного масла в количестве более 0,6 мас.% приведет к увеличению тормозного пути карьерного автотранспорта, проходящего по закрепленной пылящей поверхности, что увеличивает вероятность возникновения дорожно-транспортных происшествий.
Предлагаемый состав достаточно прост, все его компоненты не приносят вреда окружающей среде и здоровью человека, а также не оказывает коррозионного воздействия на резину шин колес и металлические элементы днища автомобилей.
Приготовление разработанного состава осуществляется путём дозирования и смешивания свекловичной мелассы, поливинилацетата, льняного масла и воды в соотношении по массе соответственно: 2,4-2,6 : 0,4-0,6 : 0,4-0,6 : 96,2-96,8 с использованием типового смесительного оборудования.
2
Нанесение пылезакрепляющего состава на поверхность автомобильных дорог угольных разрезов осуществляется штатными поливооросительными машинами (например, на базе КАМАЗ 55111), производящими орошение в два этапа с выдержкой в течение 0,5 часа для впитывания состава в грунт после каждой обработки. Перед распылением состава проводится очистка полотна автодороги от пыли, просыпей и грязи, и выравнивание его поверхности автогрейдером. Расход состава составляет 0,5 л/м.
Эффективность разработанного состава исследовалась на экспериментальном стенде по методике, включающей оценку периода высыхания поверхности имитируемой автодороги, покрытой различными составами, адгезионной способности раствора к пылящей поверхности, а также прилипаемости смоченного пылящего материала к колесам карьерного автотранспорта.
Период высыхания оценивался визуально при создании искусственного ветрового воздействия с помощью воздуходувки и следующих микроклиматических параметрах:
температура воздуха
23,0-25,1°С
атмосферное давление
100,5-101,2 кПа
влажность воздуха
68,0-69,5%
скорость движения воздуха
1,8-2,1 м/с
2
Исследование адгезионных свойств разработанного раствора для определения степени налипания на колеса карьерного автотранспорта и разрушения связывающего слоя осуществлялось с помощью динамометра ДОСМ-3. Для определения адгезионных свойств к динамометру была приспособлена плоская пластина площадью S = 401,94 см. Сначала производилось тарирование динамометра для определения зависимости величины деформации упругого элемента прибора от прикладываемой силы. Проводилось 4 испытания: по 2 испытания на нагрузку и на разгрузку прибора от 0 до 2 кг. На основании испытаний составлялась тарировочная таблица на нагрузку и разгрузку динамометра. Динамометр пластиной вниз помещался на модель дороги, только что покрытую исследуемым раствором. После застывания раствора производился отрыв динамометра от поверхности модели, и регистрировалось изменение показаний величины деформации в мм от начального значения, связанного с дополнительной нагрузкой на динамометр от пластины. По зарегистрированной разнице показаний и тарировочной таблице методом линейной интерполяции определялась фактическая нагрузка отрыва пластины от поверхности модели m в кг.
Прилипаемость смоченного пылящего материала к колесам оценивалась по разнице масс Δm модели БЕЛАЗа в масштабе 40:1 до эксперимента (с чистыми колесами) и после челночной езды по модели дорожного полотна в течение 30 сек через 30 мин после нанесения раствора на пылящую поверхность.
Результаты экспериментальных лабораторных исследований свойств различных пылезакрепляющих составов приведены в таблице 1.
Таблица 1 –Результаты лабораторных исследований свойств различных пылезакрепляющих составов
Исследуемый состав
Период высыхания, час
Сила отрыва, кг
Адгезия, кг/м<sup>2</sup>
Δm, г
Вода (контроль)
0,75
0,24
5,97
8,9
Меласса : Вода = 3 : 97
72
1,35
33,59
25,9
Меласса : ПВА : Вода =  2,5 : 0,5 : 97
60
2,02
50,26
19,6
Меласса : ПВА : Вода =  3 : 0,5 : 96,5
66
2,03
50,50
19,9
Меласса : ПВА : Льняное масло : Вода = 2,5 : 0,5 : 0,5 : 96,5
<i>75</i>
<i>2,05</i>
<i>51,00</i>
<i>16,7</i>
Меласса : ПВА : Льняное масло : Вода = 2,5 : 0,3 : 0,2 : 97
69
1,68
41,80
16,5
Меласса : ПВА : Льняное масло : Вода = 1,5 : 0,5 : 0,5 : 97,5
42
1,99
49,51
15,3
Меласса : ПВА : Льняное масло : Вода = 1,5 : 0,3: 0,2 : 98
36
1,53
38,06
14,6
Меласса : ПВА : Льняное масло : Вода = 3 : 0,5 : 0,5 : 96
75
2,07
51,50
18,9
При исследовании различных соотношений входящих компонентов установлено, что рациональным соотношением является «Меласса : ПВА : Льняное масло : Вода = 2,5 : 0,5 : 0,5 : 96,5», так как при этом создается максимальный период смачивающего действия (также как и для состава «Меласса : ПВА : Льняное масло : Вода = 3 : 0,5 : 0,5 : 96»), адгезионная способность незначительно меньше относительно максимально возможной (состав «Меласса : ПВА : Льняное масло : Вода = 3 : 0,5 : 0,5 : 96»), а прилипаемость к колесам ниже, чем в большинстве вариантов.
Таким образом, предлагаемый состав для закрепления пылящих поверхностей по сравнению с известными аналогами по совокупному сочетанию свойств адгезионной способности к пылящей поверхности, величины прилипаемости к колесам автотранспорта, периоду высыхания, рационален, что позволяет повысить эффективность смачивания породной и угольной пыли, отлагаемой на поверхности автомобильных дорог разрезов и снизить пылеперенос.