способ получения противофильтрационного экрана

Формула изобретения

1. Способ получения противофильтрационного экрана, включающий подготовку экранируемой поверхности, нанесение на подготовленную поверхность дисперсного минерального слоя, выполненного из глины, и дренажного слоя, отличающийся тем, что дисперсный минеральный слой выполняют из последовательно уложенных слоя природной бентонитовой глины в кальциевой форме высотой не менее 10 см и слоя активирующей добавки высотой не менее 2,5 см, обрабатывают его 2%-ным водным раствором лигносульфоната, наносят на сформированный дисперсный минеральный слой дренажный слой высотой 10-20 см и слой ионообменного материала высотой не менее 1,5 см.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активирующей добавки используют глинисто-солевой шлам - отход калийного производства.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве дренажного слоя используют отходы производства пластмасс или резиновую крошку - эластомеры, образуемую при переработке шин.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве ионообменного материала используют диатомит.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что слои экрана: природная бентонитовая глина в кальциевой форме : активирующая добавка : дренажный слой : слой ионообменного материала выполняют в массовом соотношении: 400:250:200:5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам предотвращения загрязнения грунтов и подземных вод токсическими химическими веществами, в частности к созданию противофильтрационных экранов полигонов захоронения и складирования промышленных отходов, преимущественно твердых отходов химических и силикатных производств и топливно-энергетических комплексов.

Известен способ получения защитного экрана из глины с коэффициентом фильтрации не более 10^-8 см/сут и толщиной слоя 500-1000 мм, которая укладывается на заранее приготовленное основание и при этом должна быть тщательно примята [СНиП 2.01.2885 «Полигоны по обеззараживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию», пп.6.7].

Данный способ не обеспечивает необходимую гидроизоляцию сооружений. При длительной эксплуатации минералы глин под воздействием температуры и агрессивного минерализованного фильтрата (кислого или щелочного) изменяют структурное состояние, что приводит к растворению карбонатных минералов (в кислом фильтрате) или глинистых минералов (в кислом или щелочном фильтрате) и увеличивает коэффициент фильтрации. Таким образом, экран, имея первоначально высокую прочность, постепенно теряет ее. Необходимо также учитывать неравномерность первоначального уплотнения грунта по толщине укладываемого слоя.

Известен способ создания противофильтрационных герметичных экранов из полимерных листов [СНиП 2.01.2885 «Полигоны по обеззараживанию и захоронению токсичных промышленных отходов. Основные положения по проектированию», пп.6.9]. Способ заключается в том, что на основание шламохранилища наносится слой песка или несвязного грунта, далее укладываются полимерные листы и защитный грунтовый слой.

Сплошность полимерного экрана достигается обычно соединением отдельных полотнищ (лент) путем их сваривания или склеивания. Однако качественное выполнение этих операций в производственных условиях не всегда может быть обеспечено, в результате чего в стыках полотнищ возникают разрывы (чаще всего вследствие непровара или пережога). Полимерное покрытие по мере заполнения полигона отходами испытывает возрастающие нагрузки, что приводит к нарушению сплошной основы, разрывам, ухудшению эксплуатационных свойств покрытия и является недопустимым. При длительной эксплуатации полигона происходит старение полимерных материалов, что обуславливает снижение прочности и устойчивости гидроизоляционного покрытия.

Известен способ создания противофильтрационных гидроизоляционных покрытий из отходов нефтедобычи (асфальтопарафинистые смолоотложения АСПО) и отходов полиэтилена в виде гранул и пленки [Патент РФ № 2211817, МПК С04В 26/26, E02D 3/12, от 2003.09.10], заключающийся в перемешивании компонентов при нагревании до температуры 130°С в течение 45 минут с последующим охлаждением на воздухе в течение 3 часов.

При взаимодействии с высокоминерализованным фильтратом возможна экстракция из состава экрана токсичных элементов, в частности, нефтепродуктов, что приводит к снижению прочности покрытия, повышению водопоглощения и фильтрационной способности.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ получения противофильтрационного экрана, заключающийся в том, что готовят изолируемую поверхность, на подготовленную изолируемую поверхность укладывают слой дисперсного минерального материала толщиной 5-7 см. Дисперсный минеральный материал выполняют из смеси, содержащей мелкозернистый песок, порошковую глину (преимущественно, гидрослюдистую, или монтмориллонитовую, или их смесь), известь и минеральные или химические комплексообразующие добавки. Поверх слоя дисперсного минерального материала последовательно располагают слой водонепроницаемого гибкого защитного материала и дренирующий слой песка толщиной 10-15 см. В качестве минеральной комплексообразующей добавки используют кальцийсодержащий компонент, выбранный из ряда молотый известняк, доломит, гипс или мел. В качестве химической комплексообразующей добавки используют хлорное железо [см. Заявка на патент РФ № 2007104751/03, МПК Е02В 3/16, E02D 3/00, от 07.02.2007]. Данный способ принят за прототип.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является повышенная водопроницаемость глины вследствие использования в качестве химической комплексообразующей добавки хлорного железа, приводящей к коагуляции глинистых частиц. Известно, что наименьшей фильтрующей способностью обладают активированные бентонитовые глины в натриевой форме. Использование молотой негашеной извести (молотый известняк, доломит, гипс или мел) создает условия для протекания процесса деактивации глинистого слоя. При разработке экранов для полигонов ПО и золоотвалов необходимо учитывать их ионообменную способность и возможность поглощения тяжелых металлов. Высокое содержание инертного материала (песка) в составе экрана будет приводить к снижению его сорбционной способности.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, - подготовка экранируемой поверхности, нанесение на подготовленную поверхность дисперсного минерального слоя, выполненного из глины, и дренажного слоя.

Задачей изобретения является повышение противофильтрационного эффекта и сорбционной способности экрана для предотвращения загрязнения грунтов и подземных вод токсичными химическими веществами.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе получения противофильтрационного экрана, включающем подготовку экранируемой поверхности, нанесение на подготовленную поверхность дисперсного минерального слоя, выполненного из глины, и дренажного слоя, дисперсный минеральный слой выполняют из последовательно уложенных слоя природной бентонитовой глины в кальциевой форме высотой не менее 10 см и слоя активирующей добавки высотой не менее 2,5 см, обрабатывают его 2% водным раствором лигносульфоната, наносят на сформированный дисперсный минеральный слой дренажный слой высотой 10-20 см и слой ионообменного материала высотой не менее 1,5 см. При этом в качестве активирующей добавки используют глинисто-солевой шлам - отход калийного производства, в качестве дренажного слоя используют отходы производства пластмасс или резиновую крошку, образующуюся при переработке шин, в качестве ионообменного материала используют диатомит. Слои экрана: природная бентонитовая глина в кальциевой форме : глинисто-солевой шлам : дренажный слой : диатомит выполняют в массовом соотношении 400:250:200:5.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - выполнение дисперсного минерального слоя из последовательно уложенных слоя природной бентонитовой глины в кальциевой форме и слоя активирующей добавки; обработка дисперсного минерального слоя 2% водным раствором лигносульфоната; нанесение слоя ионообменного материала на дренажный слой или дисперсный минеральный слой; использование в качестве активирующей добавки глинисто-солевого шлама - отхода калийного производства; использование в качестве дренажного слоя отходов производства пластмасс или резиновой крошки, образующейся при переработке шин; использование в качестве ионообменного материала диатомита; а также выбор определенной высоты слоев и оптимально подобранного их соотношения.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют повысить противофильтрационный эффект и сорбционную способность экрана.

При взаимодействии бентонитовой глины с раствором лигносульфоната в присутствии глинисто-солевого шлама и воды протекают процессы структуризации, гидрофобизации глинистого материала и его активации (перевод щелочноземельной формы бентонита в щелочную (Na⁺-K⁺), что повышает противофильтрационные и пластичные свойства экрана.

Использование отходов синтетических полимеров в виде волокон является дополнительным полимерным экраном, способным к деформации.

Использование диатомита в качестве ионообменного материала позволяет сорбировать ионы тяжелых металлов.

Способ получения противофильтрационного экрана осуществляют следующим образом.

Готовят экранируемую поверхность. Для этого проводят культуртехнические работы, снимают растительный грунт, планируют основания (засыпка канав, создание уклона) и уплотняют верхний слой глинистых грунтов при помощи катков-уплотнителей. На подготовленную экранируемую поверхность последовательно укладывают слой природной бентонитовой глины в кальциевой форме высотой не менее 10 см и слой глинисто-солевого шлама высотой не менее 2,5 см. Далее уложенные слои обрабатывают 2% водным раствором лигносульфоната. Выдерживают в течение суток для активации глинистого слоя. Затем на сформированный дисперсный минеральный слой наносят слой эластомера высотой 10-20 см, используемого в качестве дренажа, и слой диатомита высотой не менее 1,5 см, используемого в качестве ионообменного материала. Слои экрана: природная бентонитовая глина в кальциевой форме : активирующая добавка : дренажный слой : слой ионообменного материала выполняют в массовом соотношении 400:250:200:5.

По описанному способу были получены образцы экранов с различным соотношением компонентов, состав трех представлен в таблице 1. Для сравнения полученных данных был синтезирован образец, взятый за прототип. Полученные экраны прошли лабораторные испытания. На основании проведенных лабораторных испытаний выбрано оптимальное соотношение высот слоев экрана. Увеличение высоты слоев приводит к повышению эксплуатационных расходов без изменения достигаемого результата при оптимальном соотношении. Снижение заявляемого соотношения приводит к увеличению водопоглощения и фильтрационной способности, снижению прочности и срока безаварийной эксплуатации. По стандартным методикам определяли коэффициент фильтрации полученных образцов.

Таблица 1
Номер образца	Массовое соотношение компонентов (г)	Коэффициент фильтрации, см/сут
бентонитовая глина	диатомит	2% раствор лигносульфоната	глинисто-солевой шлам
Прототип		6,5·10 -7
1	1000	12,5	1125	250	7,87·10 -8
2	1000	12,5	1125	500	8,05·10 -8
3	1000	25	1125	1000	8,0·10 -8

Из представленных в таблице 1 результатов экспериментов следует, что полученные противофильтрационные экраны по предложенному способу, по сравнению с прототипом, имеют низкий коэффициент фильтрации.

Для подтверждения эффективности противофильтрационных экранов при детоксикации фильтрационных вод полигонов ПО и золоотвалов на полученных образцах были проведены исследования по извлечению тяжелых металлов из растворов, образующихся при водной экстракции золы ТЭЦ. Результаты экспериментов представлены в таблице 2. В качестве кальцийсодержащего компонента использовался мел.

Таблица 2
Анализируемый образец	Содержание металлов, мг/л
железо	медь	хром	никель	цинк
Исходный состав раствора	2,0	4,2	4,1	2,06	8,0
Прототип	1,5	3,35	3,5	1,8	3,2
Образец № 2	0,4	0,15	0,05	0,03	0,21
Образец № 3	0,3	0,1	0,05	0,02	0,1

Как видно из таблицы 2, полученные противофильтрационные экраны обладают повышенной сорбционной способностью.

Таким образом, предлагаемый способ получения противофильтрационного экрана позволяет повысить противофильтрационный эффект и сорбционную способность экрана для предотвращения загрязнения грунтов и подземных вод токсичными химическими веществами. Кроме того, позволяет снизить экологическую нагрузку, уменьшить гидростатическое давление на поверхность экрана, а следовательно, уменьшить расход фильтрующейся через него жидкости; обеспечить длительный срок эксплуатации экрана при сохранении первоначальных физико-химических характеристик.