CC BY
23
УДК 622.693.2:622.807.2
Н.Ю.Назарова, С.С.Канашов (НИИОГР)
РАЗРАБОТКА ПЫЛЕСВЯЗЫВАЮЩЕГО СОСТАВА ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЕТРОВОЙ ЭРОЗИИ ОТКРЫТЫХ ПЫЛЯЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Процесс ветровой эрозии открытых пылящих поверхностей карьеров (уступов, отвалов, угольных складов и т.д.) ввиду значительной величины занимаемых пловрдей, наличия слоя мелких пылевых частиц, образовавшихся йследстпи* механического разрушения горных пород, а также климатических особенностей ряда регионов (малое количество осадков, сильные ветры и высокие температуры в летний период) приводит к загрязнению атмосферного воздуха и окружающей среды.
Имеющиеся в отечественной и зарубежной практике способы борьбы с ветровой эрозией путем устройства различного типа укрытий и заграждений, а также увлажнения или закрепления пылящих поверхностей химическими составами трудоемки и дороги. Кроме того, большинство закрепляющих составов хорошо смачивают породную пыль и практически не смачивают угольную.
Поэтому при разработке пылесвязывающего состава (ПСС) для борьбы с ветровой эрозией поиск его компонентов проводился в основном среди отходов производства (в целях максимального удешевления) с учетом ряда технологических и эксплуатационных требований: хороших смачивающих и адгезионных свойств по отношению к угольной и породной пыли, невысокой вязкости, водостойкости, эрозийной устойчивости, недефицитности, санитарной, экологической и пожарной безопасности и т.д.
В соответствии с этими требованиями в качестве основы состава был выбран силикат натрия, растворы которого используются в промышленности под техническим названием «жидкое стекло». Он обладает хорошими вяжущими свойствами, безвреден как в санитарно-гигиеническом, экологическом отношении, так и с точки зрения пожарной безопасности, недефицитен и может вводиться в состав в виде содержащих его отходов производства.
Прочное связывание пылевых частиц возможно лишь при высокой адгезии состава к закрепляемой поверхности. Под адгезией пони/лается взаимодействие жидкой и твердой фаз на границе их раздела. Адгезия обусловлена связью, которая возникает между твердой поверхностью (субстратом) и жидкостью (адгезивом), контактирующей с этой поверхностью. Прочность адгезионной связи обусловливает устойчивость пленки адгезива (в данном случае ПСС), образующейся на поверхности субстрата (минерального материала или угля) к воздействию внешних факторов (механических сил, ветра, солнечной радиации, воды).
Процесс образования адгезионной связи обычно делят на две стадии [3]. На первой, так называемой транспортной стадии, происходит перемещение молекул адгезива к поверхности субстрата и их определенное ориентирование в межфазном слое, в результате чего обеспечивается тесный контакт между молекулами и функциональными группами молекул адгезива и субстрата. Протеканию первой стадии процесса адгезии способствуют повышение температуры и давления, а также перевод одной из фаз (обычно адгезива) в жидкое состояние растворением или плавлением. Поэтому (а также из экономических соображений) силикат натрия используется в составе в виде водного раствора.
Вторая стадия адгезии состоит в непосредствеююм взаимодействии адгезива и субстрата, которое может быть обусловлено различными силами - от вандер Ваальсовых до химических. Силы ковалентных связей начинают действовать на расстояниях между атомами и молекулами, не превышающих 0,5 нм. Действие ионных и вандер Ваальсовых сил проявляется на более дальних расстояниях -приблизительно от 1 до 100 им [1]. Отсюда четко видна необходимость первой стадии процесса адгезии.
Максимальная адгезия между жидкостью и твердым телом может быть достигнута при обеспечении полного контакта между этими фазами. Такой контакт возможен только при
хорошем смачивании минерального материала пылесвязквающим составом.
Адгезия и смачивание - это две стороны одного и того же явления, возникающего при контакте жидкости с твердой поверхностью. Адгезия обусловливает взаимодействие меж^т твердым телом и находящейся в контакте с ним жидкостью, а смачивание - это явление, которое! имеет место в результате этого взаимодействия. В свою очередь, смачивание играет решающую! роль в обеспечении первой стадV.и процесса адгезии, в результате которой между сблизившимисх 1 молекулами адгезива и субстрата наступает адгезионное взаимодействие.
Особенно прочное связывание адгезива и субстрата достигается при химическом взаимодей-1 ствии между ними.
В зависимости от химического состава различают основные (известняки, доломиты) и кислые ] (граниты, ряд песчаников, сиениты) минеральные материалы, которые способны к активному] химическому взаимодействию с вяжущими.
Содержащие карбонат кальция минеральные материалы в веде заряжаются положительна
[2]:
- Са - СО, - Са \ т
- Са - СО, - Са | +
При взаимодействии с растворами силиката натрия, которые сильно диссоциированы в растворе
Ыа, БЮ, <-> + БЮ,* , преобладающим является химическое взаимодействие, описываемое реакцией обмена:
СаСО, + Г^Ц ЯО, = Са 510, + Ыа, СО,.
Однако эта схема несколько упрошена. Известно, что в растворах силиката натрия анион ] БЮ,2* находится не в изолированном виде, а образует цепочки полианионов различной длины. | которая зависит от концентрации и рН раствора [4]. При рН < 9.2 длина цепочек становится такой, что поликремниевая кислота выделяется в виде коллоидных частиц - образуется гель.
Цепочка поликремниевой кислоты заряжена отрицательно:
О
О
0
1
НО - - - О - Я - О - - - ОН ,
I I I ]п ООО
и, следовательно, заряд коллоидных частиц также будет отрицательным. Этим объясняется их хорошее взаимодействие с поверхностью положительно заряженных минеральных материалов с образованием прочных, водоустойчивых структур.
Иные процессы наблюдаются при взаимодействии с минеральными материалами, состоящими в основном из БЮ2 , поверхность которых под действием влаги приобретает отрицательный заряд |2|:
/ I . о I
X 1
/ ^о
При воздействии раствора силиката натрия катионы натрия движутся за счет диффузии к
отрицательно заряженной поверхности минерального материала. При этом система стремится к равновесию, описываемому равенством химических потенциалов:
у»
Na- = „„N.* „Sity- = B>lSiCy-
Модуль и рН пограничного к поверхности слоя раствора силиката натрия при этом понижаются, и происходит коагуляция кремнекислого, частицы которой имеют отрицательный заряд, вследствие чего процесс повторяется уже с более удаленным слоем раствора:
о 1 1
Si 1 «-Na*
о 1 1 «-Na^
i «-Na*
о 1 1 «-Na*
Si 1 «-Na*
о 1 1
О i «-Na* «-Na*
Таким образом, происходит твердение растворов силикатов на минеральных материалах, состоящих в основном из двуокиси кремния. Ионы натрия при этом остаются связанными с лолианионами кремниевой кислоты а при воздействии воды образуют щелочь, разрушающую пространственно-сшитые цепочки SiOa" Hn*.
Поэтому полученное покрытие обладает невысокой водоустойчивостью. Повысить водостойкость можно, введя в раствор силиката натрия небольшое количество отвердителя - вещества, прочно связывающего ионы Na*. Огвердителем могут служить как органические, так и неорганические кислоты, формам ид, фосфаты, фториды, оксиды и гидрооксиды металлов II и III групп периодической системы.
Все породы и минералы условно можно разделить на гидрофильные и гидрофобные. Поверхность первых хорошо смачивается водой и растворами силикатов, вторые же,такие, как угли, сера, сульфиды, смачиваются плохо.
Для улучшения смачивания гидрофобных материалов можно использовать вещества, обладающие поверхностно-активными свойствами. Их действие состоит в понижении поверхностного натяжения на межфазной границе. Как следствие, эти растворы лучше смачивают поверхность гидрофобных материалов и при отверждении образуют более прочные связи, что повышает эрозионную устойчивость покрытия.
В качестве реагента-смачивателя в пылесвязывающий состав введен третий компонент -щелочные стоки производства капролактама (ЩСПК), также являющийся отходом производства. В состав ЩСПК входят натриевые соли жирных кислот, обладающие выраженными поверхностно-активными свойствами, что обеспечивает хорошую смачиваемость как угольной, так и любой породной пыли.
Оптимальным по всем технологическим и экономическим показателям является состав, содержащий 3-5% силиката натрия, 0,1-1,0% отвердителя и 5-6% ЩСПК*.
После нанесения водного раствора компонентов на закрепляемую поверхность, его впитывания и испарения части воды происходит отверждение состава с образованием на обработанной поверхности прочной и водостойкой Г-ленки из поликремниевых кислот.
Проведенные исследования показали, что технологические свойства разработанного состава: вязкость 5,2-104 м2/с, температура засты^лния - 2,5°С, негорючесть и т.д. - соответствуют техническим требованиям к усчовиям его применения. Установлены хорошие смачивающие (скорость смачивания 33-50 мм/ч, краевой угол смачивания 19-38°) и адгезионные (работа адгезии 70-76 мАж/м2) свойства по отношению к углю и породе, а также высокая эрозионная
* На состав получено положительное решение по заявке на изобретение.
155
устойчивость (критическая скорость срыва пылевых частиц 18-20 м/с), водостойкость * прочностные показатели обработанного материала (прочность при раздавливании 1,6-15,5 кг/см2).
Разработана упрощенная технология приготовления состава из исходных компонентов, легко осуществимая в условиях карьеров.
Проведенные на разрезах Восточный ПО «Экибастузуголь» и Коркикский ПО «Челябинску-голь» промышленные испытания разработанного состава показали его высокую эффективность по предотвращению ветровой эрозии уступов и отвалов: срок обеспыливающего действия составил.' 20-60 суток, стоимость обеспыливания 1 м2 пылящей поверхности в десятки раз ниже, чем при. использовании для этой цели орошения водой.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. - М.: Химия, 1974. - 416 с.
2.КучмаМ.И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве.-М.: Транспорт, 198С.1 - 191 с
3. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. - Л.: Химия. 984. - 368 с.
4. Шульцс В., Тишер В., ЗНтсль В.П. Растворы и бетоны на нецементных вяжущих. - М.: Стройиздат. 1990. - 239 с
