Способ получения композиционных материалов для строительства на основе переработанных отходов
Владельцы патента RU 2581178:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" (RU)
Изобретение может быть использовано при производстве композиционных материалов, которые могут быть применены в строительстве, рекультивации полигонов твердых бытовых отходов и полигонов промышленных отходов, для технической и биологической рекультивации нарушенных земель. Технический результат заключается в повышении качества переработки отходов, осуществлении процесса переработки без использования большого объема дефицитных и дорогостоящих компонентов, а также определении времени окончания процесса обработки. Способ получения композиционных материалов для строительства на основе переработанных отходов включает забор осадков предприятий теплоэнергетического комплекса, смешение осадка с золой, подготовку площадок и мешков из геотекстильного материала для обезвоживания подготовленного осадка. Полученную смесь помещают в мешки из геотекстильного материала, выдерживают смесь в мешке из геотекстильного материала до получения обезвоженного осадка, при этом смешение с золой производят перед обезвоживанием, а смесь обезвоживают до состояния 40-80% по сухому веществу, при этом в качестве обезвоживающего и упрочняющего компонента композита наряду с золой могут использоваться грунты экскавации, отходы асбоцемента, извести, доломита. 2 табл., 1 ил.
Изобретение может быть использовано при производстве композиционных материалов, которые могут быть применены в строительстве, рекультивации полигонов твердых бытовых отходов и полигонов промышленных отходов, для технической и биологической рекультивации нарушенных земель.
Известен способ переработки шлама, включающий обезвоживание исходного шлама путем введения порошкообразной натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы с последующим перемешиванием и сушкой на воздухе, причем в качестве исходного шлама используют шлам после химической очистки сточных вод теплоэлектростанций, а натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы вводят в количестве 3-15% от общей массы шлама (Патент РФ №2392234, МПК C02F 11/14, C02F 1/56, B01D 21/01, опубл. 20.06.2010).
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе предполагается введение дорогостоящей порошкообразной натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы с последующим перемешиванием, что удорожает и усложняет процесс обезвоживания.
Известен способ создания гидроизоляционного слоя котлованов, заключающийся в укладке на дно и откосы котлована слоя материала с низкой влагопроницаемостью. В качестве материала с низкой влагопроницаемостью на дно и откосы котлована укладывают шлам химической водоочистки энергетических предприятий, причем вместе со шламом химической водоочистки укладывают крупные гигроскопичные отходы, которые выбирают из крупных отходов деревообрабатывающей промышленности, отходов благоустройства, отходов корчевания пней (Патент РФ №2434996, МПК E02D 31/00, опубл. 27.11.2011).
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе вместе со шламом химической водоочистки энергетических предприятий укладывают крупные гигроскопичные отходы, что нарушает сплошность материала и ухудшает его прочностные характеристики. Кроме того, не предусмотрено предварительное обезвоживание обводненного шлама химической водоочистки энергетических предприятий.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ получения композиционных материалов для дорожно-транспортного строительства на основе переработанных осадков сточных вод предприятий коммунального хозяйства, при котором последовательно проводят забор осадка сточных вод с разбавлением его до рабочей концентрации 5% в узле приготовления осадка. В подготовленную суспензию добавляют средства для связывания ионов тяжелых металлов, дезинфекции и устранения неприятных запахов. Подготавливают обезвоживающий раствор флокулянта. Готовят площадки и оборудование для обезвоживания подготовленного осадка. Смешивают обработанный осадок с раствором флокулянта и помещают полученную смесь в мешки из геотекстильного материала. Выдерживают смесь в мешках до получения осадка, обезвоженного до состояния 25-28% по сухому веществу. Смешивают полученный осадок с песком и золой, при этом перед смешением с флокулянтом осадок проходит кавитационный смеситель (Патент РФ №2494985, МПК С04В 18/30, C02F 11/14, C02F 103/34, опубл. 10.10.2013).
Недостатком известного способа, принятого за прототип, являются необходимость использования ножа для измельчения крупного мусора, который нередко присутствует в осадке сточных вод предприятий коммунального хозяйства, что удорожает процесс переработки, высокое содержание окисляемой органики в биошламе отрицательно влияет на прочностные характеристики композитного материала, что сдерживает его применение в дорожно-транспортном строительстве, необходимость разбавления осадка до рабочей концентрации 5% в узле приготовления осадка усложняет процесс обработки, высокая конечная влажность биошлама (25-28% по сухому веществу, т.е. содержание воды 72-75%) ухудшает характеристики получаемого композитного материала и усложняет процесс смешения за счет высокого значения адгезионной прочности материала, кроме того, не определены время окончания процесса обработки и рациональные объемные соотношения компонентов композитного материала, что не обеспечивает достижения минимально возможной влажности композитов при наименьшем затраченном времени, а также не позволяет получить композиты с наилучшими прочностными характеристиками.
Задачей изобретения является удешевление процесса утилизации отходов с увеличением прочности композиционных материалов на их основе, которые могут быть применены в строительстве, рекультивации полигонов твердых бытовых отходов и полигонов промышленных отходов, для технической и биологической рекультивации нарушенных земель.
Технический результат - повышение качества переработки отходов, осуществление процесса переработки без использования большого объема дефицитных и дорогостоящих компонентов, а также определение времени окончания процесса обработки.
Указанный технический результат при осуществлении способа достигается тем, что в известном способе получения композиционных материалов для строительства на основе переработанных отходов производят забор осадков предприятий теплоэнергетического комплекса, смешивают осадок с золой, подготавливают площадки и мешки из геотекстильного материала для обезвоживания подготовленного осадка, помещают полученную смесь в мешки из геотекстильного материала, выдерживают смесь в мешке из геотекстильного материала до получения обезвоженного осадка, особенность заключается в том, что смешение с золой производят перед обезвоживанием, а смесь обезвоживают до состояния 40-80% по сухому веществу, при этом в качестве обезвоживающего и упрочняющего компонента композита наряду с золой могут использоваться грунты экскавации, отходы асбоцемента, извести, доломита и пр., а время окончания процесса обработки определяют по формуле: ,
где W - текущая влажность, %;
w - исходная влажность, %;
τ - текущее время переработки, в сутках;
Τ - постоянная времени процесса обработки, в сутках,
а время максимального обезвоживания осадков определяют по формуле: t≈3·T, где t - время, при котором процесс обработки входит в зону 5% от величины установившегося значения влажности, т.е. t - время окончания процесса обработки.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления данного изобретения с достижением вышеуказанного технического результата, получены в ходе апробации способа получения композиционных материалов для строительства на основе отходов Булатовского нефтяного месторождения Самарской области и отходов ТЭЦ г. Самара.
Пример 1
В ходе эксперимента №1 проводилось обезвоживание осадков буровых сточных вод (ОБСВ) Булатовского месторождения в мешках из геотекстильного материала с последующим изучением прочностных свойств полученных композитов [Сафонова Н.А. Обработка осадков буровых сточных вод с использованием фильтрующих текстильных оболочек: дис. … канд. тех. наук. Пенза, 2013. 135 с.].
Для интенсификации процесса обезвоживания и улучшения прочностных характеристик получаемого композита в исходный ОБСВ добавлялись отходы известняка (обезвоживающий и упрочняющий компонент) в различных массовых соотношениях. Исходный состав обрабатываемой смеси и результаты эксперимента по обезвоживанию представлены в таблице 1.
Мешок из геотекстильного материала №1 полностью заполнялся ОБСВ. Перед подачей в мешки №2-7 в осадок добавлялись отходы известняка в различных массовых соотношениях осадок/известняк от 1:0,01 до 1:0,3. Продолжительность обезвоживания составляла 120 суток.
При совместном обезвоживании ОБСВ с известняком в массовых соотношениях от 1:0,01 до 1:0,2 увеличивается эффект снижения влажности (табл. 1). Наибольший эффект наблюдается в мешке №2 (объемное соотношение ОБСВ: известняк - 1:0,01), что связано с относительно высокой начальной влажностью смеси. Также в смесях сокращается время, при котором процесс обработки входит в зону 5% от величины установившегося значения влажности. Причем продолжительность обезвоживания уменьшается с повышением содержания известняка в смеси, однако при объемном соотношении ОБСВ/известняк - 1:0,3 резко уменьшается эффект снижения влажности, что связано с понижением влажности до значений менее 80%.
Пример 2
В ходе эксперимента №2 проводилось обезвоживание осадков ТЭЦ г. Самара в мешках из геотекстильного материала с последующим изучением прочностных свойств полученных композитов [Тупицына О.В. Направления использования отходов ТЭК с получением рекультивационных материалов [Текст] / Экология и промышленность России // О.В. Тупицына, А.А. Ярыгина, Н.А. Сафонова, В.Н. Пыстин, А.А. Савельев, К.Л. Чертес. - №6. - 2014. - С. 13-17].
Для интенсификации процесса обезвоживания и улучшения прочностных характеристик получаемого композита в исходный осадок добавлялась зола (обезвоживающий и упрочняющий компонент) в различных массовых соотношениях. Исходный состав обрабатываемой смеси и результаты эксперимента по обезвоживанию представлены в таблице 2.
Мешок из геотекстильного материала №1 полностью заполнялся осадком ТЭЦ. Перед подачей в мешки №2-11 в осадок добавлялась зола в массовых соотношениях осадок/зола от 1:0,1 до 1:1 с шагом 0,1. Продолжительность обезвоживания составляла 210 суток.
При совместном обезвоживании осадка с золой увеличивается эффект снижения влажности (табл. 2). Наибольший эффект наблюдается в мешке №4 (объемное соотношение осадок:зола - 1:0,3, см. Фиг. 1). Также сокращается время, при котором процесс обработки входит в зону 5% от величины установившегося значения влажности. В мешках №2-4 продолжительность обезвоживания является минимальной и составляет 117-120 суток. Сокращение времени процесса обезвоживания связано с образованием в осадке капилляров при его смешении с золой. В мешке №11 наблюдается уменьшение эффективности обезвоживания (менее 60%), что связано с низким значением начальной влажности смеси (79%). Кроме того, обезвоживание осадка влажностью менее 80% в мешках из геотекстильного материала является нецелесообразным, так как в этом случае, как правило, применяется сушка осадка на открытом воздухе.
Изучение прочностных характеристик показало, что модуль осадки композитов, полученных на основе осадков, золы и известняка ниже, чем у чистых осадков и составляет около 20 мм/м, что соответствует средней сжимаемости строительных грунтов [Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1982. - 511 с., ил.].
Добавление в осадок золы перед обезвоживанием повышает эффект снижения влажности, увеличивает прочность получаемых композитов, а также уменьшает время обезвоживания, что позволит сократить площадь, отводимую под размещение мешков из геотекстильного материала. В промышленном эксперименте наибольший эффект снижения влажности наблюдается в смеси осадок/зола - 1:0,3. Корректировка оптимального соотношения осадка и золы (обезвоживающих и упрочняющих компонентов) может проводиться для каждого предприятия и вида отходов индивидуально в процессе проектирования, в зависимости от влажности компонентов, гранулометрического состава, сопротивления осадка фильтрации и других характеристик, влияющих на процесс обезвоживания, а также учитывая требуемые прочностные свойства получаемого материала.
Способ получения композиционных материалов для строительства на основе переработанных отходов, характеризуемый тем, что производят забор осадков предприятий теплоэнергетического комплекса, смешивают осадок с золой, подготавливают площадки и мешки из геотекстильного материала для обезвоживания подготовленного осадка, помещают полученную смесь в мешки из геотекстильного материала, выдерживают смесь в мешке из геотекстильного материала до получения обезвоженного осадка, отличающийся тем, что смешение с золой производят перед обезвоживанием, а смесь обезвоживают до состояния 40-80% по сухому веществу, при этом в качестве обезвоживающего и упрочняющего компонента композита наряду с золой могут использоваться грунты экскавации, отходы асбоцемента, извести, доломита, а время окончания процесса обработки определяют по формуле: 
где W - текущая влажность, %;
w - исходная влажность, %;
τ - текущее время переработки, в сутках;
T - постоянная времени процесса обработки, в сутках,
а время максимального обезвоживания осадков определяют по формуле: t≈3·T, где t - время, при котором процесс обработки входит в зону 5% от величины установившегося значения влажности, т.е. t - время окончания процесса обработки.
