Патент на изобретение №2370511

(54) ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫЙ МАТЕРИАЛ

(57) Реферат:

Изобретение относится к применению солей и/или концентрированных солевых рассолов с концентрацией 20% и более, образующихся при опреснении или естественном испарении дренажного стока гидромелиоративных систем, хлористо-натриевого, хлористо-кальциевого и хлористо-магниевого типов в качестве противогололедного материала. Технический результат – предотвращение загрязнений различных природных объектов продуктами дренажного стока гидромелиоративных систем с использованием их для предотвращения скользкости на автомобильных дорогах и других транспортных сооружениях в зимний период. 5 табл.

Изобретение относится к дорожно-эксплуатационному производству, в частности к средствам для предотвращения скользкости на автомобильных дорогах общего пользования и других транспортных сооружениях в зимний период.

Известен способ предотвращения скольжения на дорогах путем нанесения на поверхность их покрытий хлористого натрия (см. Бялобжесский Г.В. и др. Борьба с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. – М.: Транспорт, 1975. – С.26).

К недостаткам этого способа относятся высокие затраты на производство хлористого натрия и его транспортирование к местам использования, применение вещества с широкой сферой потенциального использования в различных отраслях с большим социальным и экономическим эффектами.

Известны также химические противогололедные материалы в твердом или жидком виде:

– хлориды: хлористый кальций модифицированный (ХКМ), модифицированный хлористый магний (Биомаг), хлористый кальций фосфатированный (ХКФ), натрий хлористый технический карьерный, природные рассолы (хлористо-натриевые, хлористо-кальциево-натриевые и др.) и др.;

– ацетаты: Нордикс (на основе ацетата калия), «Антиснег-1» (на основе ацетата аммония) и др.;

– карбамиды: КАС (карбамидно-аммиачная селитра) и др.;

– нитраты: НКМ (на основе нитрата кальция и мочевины), НКММ (на основе нитрата кальция, магния и мочевины (Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. Утверждено распоряжением Минтранса РФ от 16 июня 2003 г., ОС-548-р. – М., 2003. – С.9-10).

Недостатками перечисленных противогололедных материалов являются использование для их производства ценного природного сырья, высокие затраты на производство и транспортирование к местам использования, применение веществ с широкой сферой потенциального использования в различных отраслях с большим социальным и экономическим эффектами.

Известен противогололедный реагент, содержащий смесь ацетата натрия и ацетата щелочноземельного металла, который содержит в качестве ацетата щелочноземельного металла ацетат магния в соотношении в массовых частях ацетат натрия к ацетату магния как 3:1-1:3 соответственно (RU, патент 2293157 C2, МПК⁷ E01C 11/24, C09K 3/18. Способ предотвращения скользкости дорожного покрытия, способ получения противогололедного реагента для предотвращения скользкости дорожного покрытия и противогололедный реагент для предотвращения скользкости дорожного покрытия / М.В.Ачкеева, В.П.Данилов, И.В.Морозов, Н.В.Романюк, Б.Э.Татулов, В.А.Ушков. – Заявка 2004135518/03; заявлено 07.12.2004; опубл. 10.02.2007, Бюл. 4).

К недостаткам данного реагента можно отнести использование для его производства ценного природного сырья, высокие затраты на производство и транспортирование к местам использования, применение веществ с широкой сферой потенциального использования в различных отраслях с большим социальным и экономическим эффектами.

Известен также противогололедный реагент на основе кальциево-магниевой соли уксусной кислоты, полученный из сырьевой смеси, содержащей, мас.ч.: доломит с содержанием кремниевых включений 0,2-16 мас.% или доломитовый известняк с содержанием кремниевых включений 0,2-5 мас.% 180-200, уксусная кислота 50-150, водный раствор карбоната калия или 25%-ная аммиачная вода 0,5-2, полиэтиленгликоль, или полипропиленгликоль, или их производные с биоразлагаемостью не более 30 дней, или поливиниловый спирт с биоразлагаемостью не более 60 дней 0-1. Уксусную кислоту используют ледяную или концентрированную (RU, патент 2239687 C2, МПК⁷ E01C 11/24, C09K 3/18. Способ предотвращения скользкости дорожных покрытий, сырьевая смесь для получения противогололедного реагента для предотвращения скользкости дорожных покрытий и способ его получения / М.В.Ачкеева, И.В.Морозов, В.В.Николаев, Ю.Н.Розов, П.И.Соломко. – Заявка 2002116109/03; заявлено 20.06.2002; опубл. 10.11.2004).

К недостаткам данного реагента можно отнести использование для его производства ценного сырья, высокие затраты на производство и транспортирование к местам использования, применение веществ с широкой сферой потенциального использования в различных отраслях с большим социальным и экономическим эффектами.

К недостатку данного водоприемника следует отнести то, что не используются высокоминерализованный дренажный сток и/или солевые отложения, образующиеся в результате его естественного испарения в пределах водоприемника или рассолов как остаточного продукта процесса опреснения дренажного стока.

Известен также пруд-испаритель дренажного стока, содержащий ряд отсеков. Дренажная вода из коллектора поступает в один их них и далее перепускается в последующие, концентрация солей при этом возрастает. Последний отсек служит для окончательного осаждения солей. Например, в долине Сан-Хоакин (США) построен пруд с последовательным размещением 10 отсеков (Reuse and disposal of higher salinity subsurface drainage water. – A Review by D.W.Weatcot. Agricultural Water Management. – 1988. – Vol.14. – 1-4. – P.483-511. Повторное использование и отведение высокоминерализованных дренажных вод. Перевод 1254. – М.: ЦБНТИ Минводхоза СССР, 1989. – С.36-37).

Недостатком данного пруда-испарителя является отказ от возможного полезного использования части дренажного стока с высокой минерализацией и/или солевых отложений, содержащихся в последнем отсеке.

Известен опыт проектирования, строительства и начального периода эксплуатации накопителей-испарителей дренажного стока гидромелиоративных систем в Волгоградской области, характеристика которых представлена в прилагаемой таблице 1. Параметры накопителей-испарителей определены из расчета практически полного естественного испарения всего объема дренажного стока, поступающего в них ежегодно.

Недостатком данных накопителей-испарителей является ежегодное образование в придонной зоне концентрированных рассолов и/или отложений солей, которые не используются и представляют опасность как источник загрязнений для окружающей среды.

Кроме описанных известен накопитель дренажного стока гидромелиоративных систем, включающий плотины, дамбы обвалования, отсеки, насосные станции, регулирующие сооружения, водовыпуски, трубопроводы, лоток, каналы, аэраторы и биоплато из высшей водной растительности, который снабжен подводящим каналом с датчиками минерализации и объема дренажного стока, содержащим аванкамеры, имеющие входные регулирующие сооружения с исполнительными механизмами, электрически связанными с датчиками минерализации и объема дренажного стока, и отводящими каналами с блоками химического регулирования качества дренажного стока и очистки его от пестицидов, биогенных веществ и тяжелых металлов, связанными с отсеками с противофильтрационным покрытием для дифференцированной аккумуляции дренажного стока по классам в зависимости от величины его минерализации; в условиях привязки на местности с односторонним или двухсторонним уклонами он снабжен нагорными канавами, гидравлически связанными с отсеком для аккумуляции талых и ливневых вод; отсеки накопителя гидравлически связаны между собой посредством сооружений в виде трубопроводов, насосных станций и/или водовыпусков в порядке возрастания класса воды для дополнительной корректировки минерализации воды путем смешивания; каждый отсек накопителя, для которого предварительно выбран потребитель дренажной воды определенного класса, снабжен водозабором, насосной станцией, линией в виде трубопровода, канала, лотка и других сооружений для подачи воды потребителю и установкой для предварительного опреснения дренажного стока с максимальной минерализацией; датчики минерализации и объема дренажного стока размещены в подводящем канале на расстоянии от аванкамеры, определяемом по предлагаемой математической зависимости; отсек для аккумуляции дренажного стока с максимальной минерализацией выполнен в виде естественного испарителя и имеет горизонтальное спланированное дно (RU, патент 2214486 C2, МПК⁷ E02B 11/00. Накопитель дренажного стока гидромелиоративных систем / И.И.Конторович. – Заявка 23001127349/13; заявлено 08.10.2001; опубл. 20.10.2003, Бюл. 29).

К основным недостаткам данного накопителя следует отнести образование за период эксплуатации объекта значительных объемов рассола и отложений солей в отсеке с максимальной минерализацией дренажного стока, выполненного в виде естественного испарителя, как побочного продукта функционирования опреснительной установки в специальном хранилище, который не используется и представляет опасность для окружающей природной среды в качестве потенциального источника загрязнений.

Известна установка для опреснения дренажного стока гидромелиоративных систем методом естественного вымораживания, включающая кроме других элементов испаритель остаточных от опреснения рассолов, содержащий съезд на дно и снабженный шнековым транспортером для подачи солей, центрифугой для обезвоживания солей и механизмом для фасовки солей в водонепроницаемую упаковку. Механический сбор солей и их подачу на шнековый транспортер осуществляют самоходным механизмом типа бульдозер-погрузчик (RU, патент 2218307 C1, МПК⁷ C02F 1/22. Установка для опреснения минерализованной воды / И.И.Конторович. – Заявка 2002127145/15; заявлено 10.10.2002; опубл. 10.12.2003, Бюл. 34).

Недостатком указанной установки является отказ от полезного использования солей и/или рассолов, получаемых в качестве отходов при опреснении дренажного стока гидромелиоративных систем.

Эта установка, а также известный накопитель дренажного стока гидромелиоративных систем (RU, патент 2214486) как наиболее близкие к изобретению по достигаемому результату – образование рассолов и/или солей в результате функционирования, приняты нами за ближайшие аналоги.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, – применение солей и/или концентрированных солевых рассолов, образующихся в пределах накопителей-испарителей дренажного стока гидромелиоративных систем в качестве противогололедного материала для предотвращения скользкости на автомобильных дорогах общего пользования и других транспортных сооружениях в зимний период.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, – утилизация солей и/или концентрированных солевых рассолов – отходов функционирования гидромелиоративных систем – и предотвращение зимней скользкости на автомобильных дорогах и других транспортных сооружениях.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что соли и/или концентрированные солевые рассолы, образующиеся как результат функционирования гидромелиоративных систем, применены в качестве противогололедного материала для предотвращения скользкости на автомобильных дорогах общего пользования и других транспортных сооружениях в зимний период.

За счет того что соли и/или концентрированные солевые рассолы, образующиеся при опреснении или естественном испарении дренажного стока гидромелиоративных систем, применяют в качестве противогололедного материала, достигается указанный выше технический результат.

Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения, заключаются в следующем.

Дренажный сток гидромелиоративных систем – управляемая часть подземного ирригационно-возвратного стока, перехваченная и отведенная системой дренажных сооружений в водоприемник. Дренажный сток представляет собой отход (нецелевой продукт) функционирования гидромелиоративных систем и может вызывать загрязнение и последующую деградацию различных природных объектов – водотоков и водоемов, подземных вод, почвы и т.д.

Достаточно распространенным в мировой практике способом утилизации дренажного стока является его аккумуляция в замкнутых понижениях рельефа или в искусственных накопителях с последующим естественным испарением. Накопители-испарители проектируются на срок не менее продолжительности функционирования гидромелиоративных систем, могут иметь один и более отсеков, функционировать в режиме многолетней аккумуляции дренажных вод или ежегодного практически полного испарения накопившегося объема дренажных вод. Основной вид обработки дренажного стока в накопителях – это естественное испарение как способ существенного сокращения объема или его полной ликвидации путем получения рапы, солевых отложений и солей.

Основными факторами, определяющими минерализацию и химический состав дренажного стока гидромелиоративных систем, являются:

1) характеристики дренируемой толщи почвогрунтов: степень естественной дренированности, условия питания подземных вод, минерализация и химический состав подземных вод, степень и характер засоления почв и грунтов и др.;

2) характеристики климата: атмосферные осадки, температура и влажность воздуха, скорость ветра и др.;

3) система производства продукции на мелиорируемых землях: технические характеристики гидромелиоративной системы, водозабор, водоподача и режим орошения, состав агротехнических и агрохимических мероприятий, технология их проведения и др.;

4) характеристики оросительной воды: минерализация и химический состав, температура и др.;

5) уровень фонового загрязнения орошаемых земель и прилегающих территорий за счет природных и антропогенных источников.

Предлагается применение солей и/или солевых рассолов с концентрацией 20% и более, образующихся при естественном испарении или опреснении дренажного стока гидромелиоративных систем хлористо-натриевого, хлористо-кальциевого и хлористо-магниевого типов в качестве противогололедного материала. Обязательным условием использования является соответствие физико-химических, технологических, экологических и органолептических показателей рассола и солей предъявляемым требованиям – таблица 3 (Требования к противогололедным материалам. Утверждены распоряжением Минтранса РФ от 16 июня 2003 г., ОС-548-р. – М., 2003. – С.7-8.). Указанные выше преобладающие по концентрации химические составы дренажного стока типичны для гидромелиоративных систем аридной зоны (степная, сухо-степная, полупустынная, пустынная ландшафтно-географические зоны), что подтверждают материалы таблицы 4 (см. Парфенова Н.И., Решеткина Н.М. Экологические принципы регулирования геохимического режима. – СПб: Гидрометеоиздат, 1995. – С.59-61), и именно эти соли и/или рассолы, но другого генезиса, используют в качестве протиговогололедных материалов (ОДМ «Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах». Утверждено распоряжением Минтранса РФ от 16 июня 2003 г., ОС-548-р, п.41.4). Выбор необходимой для реализации изобретения минерализации рассолов, образующихся при опреснении или естественном испарении дренажного стока гидромелиоративных систем, – 20% и более, обусловлен требованиями к жидким противогололедным материалам – таблица 3 (Требования к противогололедным материалам. Утверждены распоряжением Минтранса РФ от 16 июня 2003 г., ОС-548-р. – М., 2003. – С.7-8.).

Пример. Дренажная вода объемом 200 л была отобрана из сбросного коллектора Сарпинской обводнительно-оросительной системы в районе его впадения в озеро Сарпа (Республика Калмыкия). Исходная минерализация воды – 10,5 г/л, химический состав: HCO₃^2- – 0,234 г/л; Cl^– – 3,675 г/л; SO₄^2- – 3,120 г/л; Ca²⁺ – 0,550 г/л; Mg²⁺ – 0,510 г/л; Na⁺+K⁺ – 2,389 г/л, тип воды – хлористо-натриевый. В течение теплого периода года в результате естественного испарения минерализацию дренажной воды довели до 231,0 г/л. В таблице 5 приведены основные показатели использованного в эксперименте противогололедного материала (ПГМ) в сравнении с предъявляемыми к таким материалам требованиям (таблица 3).

Полученный таким образом рассол использовался для обработки 4 м² асфальтового покрытия автомобильной дороги Волгоград-Элиста при следующих условиях: температура воздуха – минус 10-12°С, толщина снежно-ледового отложения – 5-10 мм, норма распределения рассола – 1,0 л/м². В результате обработки наблюдалось устойчивое плавление снежно-ледовых отложений, уменьшение толщины отложений до 5 мм (через 0,5 часа после обработки) и образование водно-снежно-ледовой смеси, легко удаляемой с покрытия автодороги с помощью лопаты для уборки снега.

К основным позитивным качествам заявленного применения рассолов и/или солей в качестве противогололедных материалов следует отнести:

– полезное использование нецелевого продукта функционирования гидромелиоративных систем;

– увеличение безопасности движения на автомобильных дорогах в зимний период;

– сокращение транспортных затрат по сравнению с существующей практикой централизованных поставок промышленно изготовленных противогололедных материалов в связи с расположением гидромелиоративных систем в относительной близости от дорожной сети.

Таблица 1
Характеристика накопителей-испарителей дренажного стока с орошаемых земель в Волгоградской области (по данным АО «Волговодпроект»)
Хозяйство, район	Площадь дренажа, га	Объем дренажного стока, тыс. м3/год	Основные параметры накопителя-испарителя
Площадь, га	Объем, тыс. м3	Средняя глубина, м	Число секций, шт.
С-з «Посевной» Старополтавского района	352,5	476,05	32,0	345,0	1,1	1
С-з «Кановский» Старополтавского района	448,2	1290,0	143,0	1290,0	0,9	1
С-з «Красная заря» Старополтавского района	745,0	1055,0	110,0	1000,0	1,0	1
С-з «Тингутинский» Светлоярского района	253,0	47,0	47,0	47,0	1,0	1
С-з «Целинный» Калачевского района	640,0	967,0	110,0	1000,0	1,0	1
С-з «Парижская коммуна» Старополтавского района	655,0	876,0	60,0	876,0	1,0	1
С-з «Харьковский» Старополтавского района	700,0	806,0	107,0	900,0	1,0	1

Таблица 2
Химический состав дренажного стока с оросительных систем по регионам Российской Федерации
Регион РФ	Минерализация, г/л	Концентрация ионов (мг/л) и значение рН
HCO3–	Cl–	SO42-	Ca2+	Mg2+	Na++K+	pH
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Алтайский край	0,3-2,2	128,0-492,7	28,0-456,2	61,5-884,2	44,0-107,0	10,7-70,0	22,0-696,7	7,6
Астраханская область	0,4-1,96	77,0-421	42,0-559,0	85,0-744,0	45,0-243,0	16,0-180,0	38,0-409,0	–
Волгоградская область	0,3-24,4	68,0-737,0	14,0-5285,0	20,0-13845,0	12,0-920,0	5,0-1008,0	3,0-6110,0	6,7-9,4
Карачаево- Черкесская республика	0,3-0,6	250,3-398,0	13,8-22,7	24,5-220,0	53,7-76,1	19,4-42,6	26,4-110,4	8,2
Липецкая область	0,4-0,7	220,0-360,0	18,0-42,0	43,0-115,0	64,0-132,0	11,0-34,0	7,0-15,0	7,6-7,9
Республика Калмыкия	1,2-10,6	224,0-395,0	297,0-3850,0	432,0-4080,0	40,0-750,0	126,0-570,0	211,0-2503	7,0-8,0
Ростовская область	0,8-8,8	240,0-416,9	89,8-3905,7	452,0-1846,4	97,5-277,5	33,2-317,2	129,6-2412	7,6-8,1
Самарская область	0,3-0,4	128,0-205,0	36,0-58,0	38,0-98,0	48,0-68,0	9,0-20,0	6,0-40,0	7,3
Примечание: в ячейках таблицы указаны пределы изменения показателя (максимум – минимум).

Таблица 3
Требования к химическим противогололедным материалам
Наименование показателей	Значения показателей
Твердые ПГМ	Жидкие ПГМ
1	2	3
Физико-химические показатели
Зерновой состав, %, массовая доля частиц	не допускается
– свыше 10 мм	–
– от 5 мм до 10 мм включительно, не более	10	–
– от 1 мм до 5 мм включительно, не менее	75	–
– 1 мм и менее, не более	15	–
Массовая доля растворимых солей, % (концентрация), не менее	–	20
Температура кристаллизации, °С, не выше	-10	-10
Влажность, %, не более	5	–
Массовая доля нерастворимых в воде веществ, %, не более	2,5	–
Водородный показатель pH, ед.	5-9	5-9
Плотность, г/см3	0,8-1,15	1,1-1,3
Динамическая вязкость, сантипуаз, (кг·с)/м2, не более	4	5
Технологические показатели
Плавящая способность, г/г, не менее	5	2,5
Гигроскопичность, %/сутки	10-50	–
Слеживаемость	не допускается	–
Показатель скользкости, не более	0,2	0,2
Экологические показатели
Удельная эффективная активность естественных радионуклидов, Бк/кг, не более
– для дорог и улиц в населенных пунктах	740	740
– для внегородских дорог	1500	1500
Коррозионная активность на металл (Ст 3), мг/см2·сут, не более	0,89	0,8
Показатель агрессивности цементобетона, %, не более	0,5	0,5
Органолептические показатели
Внешний вид	гранулы, кристаллы, чешуйки	водный раствор без механических включений осадка и взвеси
Цвет	от белого до светло-серого (допускается светло-коричневый, светло-розовый)	светлый, прозрачный (допускается со слабой окраской желтого или голубого цвета)
Запах	отсутствует	отсутствует

Таблица 4
Основные гидрогеологические показатели формирования и этапы эволюционной трансформации химического состава поровых растворов и подземных вод в разных ландшафтно-географических зонах
Показатели	Ландшафтно-географическая зона
Лесостепная	Степная	Сухостепная	Полупустынная	Пустынная
Минерализация подземных вод и поровых растворов, г/л	<1	1-10	10-30	30-50	50-300
Химический состав по	HCO3-Ca-Si	HCO3-Ca	SO4-Na	SO4-Cl-Na
ведущим компонентам		HCO3-Na	SO4-Cl-Na	Cl-SO4-Na-Mg	Cl-Na-Mg
Примечание: поровые растворы и подземные воды являются основными источниками солей в дренажном стоке

Формула изобретения

Применение солей и/или концентрированных солевых рассолов с концентрацией 20% и более, образующихся при опреснении или естественном испарении дренажного стока гидромелиоративных систем, хлористо-натриевого, хлористо-кальциевого и хлористо-магниевого типов, в качестве противогололедного материала.