материал для цементации и способ формования

Формула изобретения

1. Материал для цементации, самодиспергирующийся при его вводе в контакт с объемом водосодержащей жидкости или пульпы и затвердевающий в твердую массу после такого диспергирования, содержащий цементирующую составляющую (А), составляющую, способствующую развитию механизма разложения (В), связующую составляющую (Д), отличающийся тем, что он содержит указанные ингредиенты при следующем соотношении, вес.%:

Цементирующая составляющая - 10 - 95

Составляющая, способствующая развитию механизма разложения - 2 - 75

Связующая составляющая - 0,1 - 10,0

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит до 50 вес.%, составляющую, способствующую набуханию (С).

3. Материал по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый из компонентов А, В, С представляет собой порошок, который предпочтительно имеет средний диаметр частиц менее 25 мкм, в особенности менее 10 мкм.

4. Материал по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что он содержит, кроме указанной композиции, одну или несколько других добавок.

5. Материал по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что он имеет форму гранул или таблеток со средним диаметром или длиной более 0,5 мм.

6. Способ формования массы твердого вещества в объеме водосодержащей жидкости или пульпы путем добавления в указанные жидкость или пульпу материала для цементации в таком количестве, что он может полностью диспергироваться в указанном объеме или в его существенном слое, что позволяет материалу становиться полностью распределенным в указанном объеме и схватываться в виде твердого вещества, отличающийся тем, что в качестве материала для цементации используют материал по любому из пп.1 - 5, который вводят в жидкость или пульпу в виде таблеток.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к материалам для цементации и способам их применения.

Материалы для цементации (заливки цементным раствором) обычно используют для образования твердых жестких масс при помощи добавки порошков этих материалов в воду. Такие материалы могут быть использованы не только для производства бетона, который широко применяется при строительстве, но также и в таких специализированных применениях, как капсулирование в контейнерах, представляющих опасность веществ, таких как радиационные отходы.

Обычно при использовании материала при цементации он подвергается перемешиванию сразу же после добавления воды. Такое перемешивание может быть дорогостоящим и занимает много времени, причем в специализированных применениях оно может потребовать значительных усилий по обеспечению безопасности и контроля качества. Например, в том случае, когда производится перемешивание для капсулирования радиоактивных отходов в виде жидкости или пульпы, тогда в некоторых случаях необходимо производить перемешивание материала для цементации с отходами в виде жидкости или пульпы. В таких случаях требует производить обеззараживание оборудования для перемешивания, что является опасным, дорогостоящим и занимает много времени.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается новый материал для цементации и способ его применения, который позволяет производить добавку этого материала в содержащую воду жидкость или пульпу для образования твердой массы, например, для капсулирования, без необходимости использования традиционной операции перемешивания.

В соответствии с настоящим изобретением по первому его аспекту в нем предлагается материал для цементации с самодиспергированием при его вводе в контакт с объемом содержащей воду жидкости или пульпы, который затвердевает в твердую массу после такого диспергирования, причем этот материал содержит композицию, а именно композицию X, которая содержит следующую смесь:

Компонент A: цементирующая образующая, составляющая от 10 до 95 вес.% композиции;

Компонент B: образующая, способствующая развитию механизма разложения (дезинтегрант), составляющая от 2 до 75 вес.% композиции;

Компонент D: образующая связывания (связующее вещество), составляющая от 0,1 до 10 вес.% композиции;

Кроме того, композиция может содержать компонент C: образующую, способствующую набуханию, составляющую до 50 вес.% композиции.

Уже известен материал для цементации, который содержит компоненты A, B и D (Заявка PCT WO 92/15536, опубликованная 17.09.1992 г.), однако их соотношение в композиции иное, чем в материале в соответствии с настоящим изобретением, и, кроме того, в известной композиции не предусмотрено использование компоненты C-образующей, способствующей набуханию.

Преимущественно каждый из компонентов A, B и C представляет собой порошок, который предпочтительно имеет средний диаметр частиц менее 25 мкм, в особенности менее 10 мкм.

Материал, содержащий Композицию X, так же, как и сама Композиция X, может содержать другие необязательные добавки, такие как упрочнители, инертные наполнители, упрочняющие волокна или нитевидные монокристаллы, а также биоактивные материалы. Желательно, чтобы материал имел форму гранул или таблеток, имеющих средний диаметр или длину более 0,5 мм, например в диапазоне от 1 мм до 25 мм. Такие таблетки могут иметь форму сфер, сфероидов, кубов, кубоидов, цилиндров или другую подходящую форму. Задачей использования материала в виде таблеток является обеспечение большого пустого пространства между таблетками для увеличения полезного объема загрузки, который используется при добавлении водосодержащей жидкости или пульпы.

В соответствии с вторым аспектом в настоящем изобретении предлагается способ формования массы твердого вещества в объеме водосодержащей жидкости или пульпы, который предусматривает операции добавления таблеток указанного выше материала Композиции X в жидкость или пульпу в таком количестве, что материал может полностью диспергировать в указанном объеме или в его существенном слое, что позволяет материалу становиться полностью распределенным в указанном объеме, и допущения схватывания материала в виде массы твердого вещества.

Жидкость или пульпа могут содержать опасные вещества, например радиоактивные отходы, и могут храниться в соответствующем контейнере, например в бочке (барабане) из нержавеющей стали. Образованная при помощи указанного способа твердая масса может содержать капсулирующий слой или корпус, который преимущественно герметизирует содержимое контейнера.

Композиции, содержащие определенные выше Компоненты B, C и D, предназначенные для использования с цементами, являются уже известными из US 3579366. Однако материалы, содержащиеся в таких композициях, были использованы в качестве добавок к обычным порошкам цемента для уменьшения усадки при схватывании цемента. Такие композиции добавляют к порошкам цемента, однако затем все еще требуется производить перемешивание цемента с водой традиционным образом. Такие известные ранее композиции не подходят в качестве добавок к порошкам цемента, предназначенным для использования при капсулировании жидких отходов без перемешивания, о чем речь шла выше. Это вызвано тем, что реакция разложения будет всегда происходить одновременно с добавком жидких отходов в матрицу цемента.

Композиции X Компонента A может содержать желательный известный неорганический цементирующий материал. Такие материалы обычно содержат базовые соединения, такие как оксиды, алюминаты и силикаты металлов, таких как кальция, магния, свинца и ванадия. В качестве подходящих примеров такого материала можно указать на портландцемент, гипс, высоглиноземистый цемент или их смесь. Компонент A преимущественно равномерно распределен по объему таблетки композиции X в существенном количестве для создания подходящего цементирующего воздействия при вступлении образующих (ингредиентов) в контакт с водой.

Компонент B представляет собой агент, который создает эффект способствования дисперсии твердых веществ в объеме жидкой среды, что облегчает протекание реакции между ними. Он может содержать одну или несколько солей, которые обладают высокой степенью растворимости в воде, например нитрат кальция и/или карбонат натрия.

Компонент B может альтернативно содержать в качестве диспергирующего вещества один из материалов, высвобождающих газ, которые уже известны, причем такой материал способствует диспергированию материала композиции X за счет высвобождения газа при использовании. Например, аналогично патенту US 3579366 диспергирующее вещество может содержать по меньшей мере одно соединение, которое разлагается по меньшей мере в один газообразный продукт разложения при повышенной температуре, созданной теплотой реакции при использовании композиции X. Примеры желательных соединений такого типа включают в себя карбонат аммония, бикарбонат аммония и мочевину. Преимуществом этих соединений является их полное разложение в газообразные продукты, так что никакого остатка в гранульной композиции не остается. Эти материалы могут быть добавлены к смеси в любой момент времени ранее гранулирования или таблетирования.

В соответствии с другим механизмом диспергирующее вещество, входящее в Компонент A, может иметь вид смеси соединений, а именно одного, выбранного из группы, содержащей соли карбоната или бикартоната, и другого, выбранного из группы, содержащей слабые кислоты, такие как лимонная и винная кислота. Так как смесь этих соединений начинает вступать в реакцию практически сразу, они должны добавляться непосредственно перед гранулированием или таблетированием, так чтобы большая часть процесса разложения в газ имела место в ходе операции нагревания, вызванного теплом реакции, полученным при использовании. Другой полезный смесью, которая может быть использована в качестве Компонента B, является превращенный в мелкий порошок металл, например частицы алюминия, плюс слабая кислота, такая как лимонная и винная кислота. При использовании такая смесь будет выделять водород.

Компонент C, который может составлять от 5 до 50 вес.%, может включать в себя одно или несколько соединений типа мела или таких химикатов, как гуммиарабик. Задачей необязательного Компонента C является создание агента, вызывающего набухание, который будет поглощать воду и снижать усадку управляемым образом, чтобы получить приемлемое изделие без трещин, которое в результате позволит успешно производить капсулирование больших объемов жидкости или пульпы.

Компонент D может содержать воду и/или одну или несколько растворимых в воде органических жидкостей, например одно или несколько связующих веществ (связок), известных сами по себе, таких как соединения, которые легко растворимы в воде и не реагируют с другими ингредиентами. Примеры таких соединений включают в себя стеариновую кислоту, эфиры целлюлозы, такие как метилцеллюлоза, этилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза; полимеры и сополимеры этилен оксида, карбоксивинилполимеры, полиэтиленгликоли и поливиниловые спирты.

При формовании таблеток из материалов, содержащих композиции X, различные соединения материалов, Компоненты A - D, плюс необязательные ингредиенты смешиваются друг с другом для создания смеси. Для изготовления таблеток или гранул может быть использовано стандартное оборудование или установки для гранулирования или таблетирования. После гранулирования или таблетирования таблетки или гранулы подвергают такой обработке, как нагрев, для придания желаемых свойств. При правильном выборе диапазона размеров таблетки или гранулы, ее образующих в энергии связи между ними получают таблетку или гранулы со следующими свойствами:

(a) Достаточная прочность совместного удержания компонентов при хранении перед использованием;

(б) Наличие механизма распада, способного произвести диспергирование компонентов после контакта с жидкостью при использовании;

(в) Схватывание и упрочнение после диспергирования или распада в жидкости.

При применении таблетки или гранулы материала композиции X могут быть добавлены при помощи соответствующего распределителя к жидким отходам или пульпе, содержащей опасный материал, хранящийся в соответствующем контейнере, например в бочке из нержавеющей стали. Альтернативно, жидкость или пульпа могут быть добавлены к гранулам или таблеткам, содержащимся в контейнере. В любом случае применения после добавки контейнер оставляют в покое на значительный промежуток времени, например на 24 или 48 часов и возможно еще дольше, например до 7 дней, чтобы позволить образующим (ингредиентам) материала композиции X диспергировать по объему жидкости или пульпы и, за счет реакции с содержащейся в них водой, затвердеть (схватиться) в форме жесткой капсулированной массы. При затвердевании капсулирующее твердое вещество будет удерживать опасный материал в контейнере таким образом, чтобы препятствовать миграции или выщелачиванию такого материала в ходе последующего транспортирования, удаления или хранения контейнера капсулирования.

Далее в качестве примеров будет описаны варианты осуществления настоящего изобретения.

Пример 1.

Таблетки изготовлены соединением вместе следующих ингредиентов в указанных процентах, при помощи процесса таблетирования, который осуществляется описанным выше образом.

20 вес.% портландцемента

70 вес.% карбоната натрия

10 вес.% воды (которая добавляется прерывисто).

Полученные таблетки проходят термообработку в термостате (при температуре до 250^oC, зависящей от точной рецептуры и желательных свойств) немедленно после изготовления, а затем хранятся главным образом так, чтобы избежать их повреждения за счет воздействия влаги или двуокиси углерода, содержащейся в воздухе, например, в условиях сухого хранения в бункере или в мешках.

Пример 2.

Таблетки изготовлены описанным выше образом соединением вместе следующих ингредиентов в указанных процентах, при помощи процесса таблетирования, который осуществляется описанным выше образом.

90 вес.% портландцемента

2,5 вес.% лимонной кислоты

2,5 вес.% карбоната натрия

0,5 вес.% связующего вещества

4,5 вес.% добавки (агента), способствующей набуханию (расширению).

Полученные таблетки проходят немедленно после их изготовления термообработку в термостате, а затем хранятся так, чтобы избежать их повреждения за счет воздействия влаги или двуокиси углерода, содержащейся в воздухе.