Состав для пылеподавления
Владельцы патента RU 2766337:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» (RU)
Изобретение относится к составам, предназначенным для борьбы с пылеобразованием на карьерах, автодорогах и предотвращения пыления различных мелкозернистых материалов (зола, уголь, шлаки, калийные и другие удобрения и т.п.). Может применяться для пылеподавления в горнорудной, угольной, строительной и других отраслях промышленности. Пылеподавитель предназначен для борьбы с пылеобразованием на карьерах, автодорогах и предотвращения пыления различных мелкозернистых материалов (зола, уголь, шлаки, калийные и другие удобрения, и т.п.). Состав для пылеподавления включает поливинилацетат, который представляет собой сополимер винилацетата с участием этилена, акриловой кислоты, пирролидона, акрилата, винилового спирта, акриламида, дигалоидэтана либо сочетания вышеперечисленного. Дополнительно содержит полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль - 0,95-1; поливинилацетат - 0,12 – 0,24; вода - остальное. Использование предлагаемого состава для пылеподавления позволяет снизить пыление мелкозернистых материалов (строительные материалы, зола, уголь, шлаки, удобрения и т.п.) до 98% по сравнению с необработанными материалами. За счет высокой пылеподавляющей способности и образования на поверхности полимерной пленки исключается возможность повторного пыления. Изобретение обеспечивает повышение пылеподавляющей способности состава и долговременный эффект закрепления поверхности. 2 ил., 2 пр., 2 табл.
Изобретение относится к составам, предназначенным для борьбы с пылеобразованием на карьерах, автодорогах и предотвращения пыления различных мелкозернистых материалов (зола, уголь, шлаки, калийные и другие удобрения, и т.п.). Может применяться для пылеподавления в горнорудной, угольной, строительной и других отраслях промышленности.
Известен смачиватель для подавления угольной пыли (патент РФ 2495250, опубл. 23.04.2012), содержащий алкилбензосульфокислоту, гидроксид натрия, неонол, этиловый спирт, карбамид, хлорид кальция, бишофит, отдушку и воду.
Недостатком данного смачивателя является то, что компоненты состава оказывают негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека, в частности, бишофит может вызывать аллергические реакции и проблемы с дыхательной системой.
Известен состав для предотвращения смерзаемости сыпучих материалов и для борьбы с пылеобразованием (патент РФ 2485156, опубл. 24.10.2011) на основе хлорида кальция и(или) хлорида магния, содержащий ингибирующую добавку, с целью замедления коррозии металлов, он содержит смесь метиленового синего и дигидрофосфата натрия и(или) дигидрофосфата калия.
Недостатки составаявляются слабая устойчивость состава к атмосферным воздействиям, возможное засоление и ухудшение свойств почв при вымывании компонентов состава за счет высокого содержания легкорастворимых солей.
Известен пылеподавитель для обработки мелкозернистых материалов (патент РФ № 2690925,опубл. 23.08.2018) с гликольсодержащим реагентом, причем в качестве гликольсодержащего реагента используют пылеподавитель калийных солей, кроме того, пылеподавитель дополнительно содержит формальдиоксановый спирт, карбоксиметилцеллюлозу и смачиватель ОП-10.
Недостатками данного пылеподавителя являются многокомпонентность состава и большое различие в молекулярных массах компонентов, приводящие к необходимости постоянного перемешивания состава.
Известен смачиватель (патент РФ 2689469, опубл. 26.09.2018) для подавления угольной пыли, содержащий олеиновую кислоту, гидроксид натрия, льняное масло и воду.
Недостатком является возможное негативное влияние на состояние водных объектов за счет попадания в них маслянистых компонентов состава и создания на поверхности воздухонепроницаемой пленки.
Известен пылеподавитель мелкозернистых сыпучих материалов (патент РФ № 2220182, опубл. 13.12.2000) на основе оксиэтилированных соединений, он содержит смесь монометиловых эфиров полиэтиленгликолейформулыСН3О(CH2CH2O)nH, где n - целое число от 2 до 8,средней молекулярной массы 175-195.
Недостатком пылеподавителя является многокомпонентность состава, приводящая к необходимости постоянного перемешивания состава и неравномерности его распыления при нанесении.
Известен состав для контроля пылевыделения и усовершенствования операций с материалом (патент РФ 2704183, опубл. 24.10.2019) принятый за прототип, содержащий: дисперсный материал, поливинилацетат, глицерин, в котором весовое соотношение поливинилацетата к глицерину составляет от 100:1 до 1:100.
Недостатком состава является неэффективность глицерина в качестве средства для контроля пылевыделения, поскольку он неспособен оказывать на дисперсный материал связующее действие.
Техническим результатом является повышение пылеподавляющей способности состава и долговременный эффект закрепления поверхности.
Технический результат достигается тем, что дополнительно содержит полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль и воду при следующем соотношении компонентов, масс.%:
| полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль | 0,95-1; |
| поливинилацетат | 0,12 - 0,24; |
| вода | остальное. |
Состав для пылеподавления поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - график динамики пыления образцов в лабораторных условиях;
фиг. 2 -график динамики пыления образцов в природных условиях.
Заявляемый состав для пылеподавления, включает в себя следующие реагенты и товарные продукты, их содержащие, % масс.:
| - полиэтиленгликоль молекулярной | |
| массой 400 г/моль | - 0,95-1, выпускаемый |
| по ТУ 2483-167-0575787-2000; | |
| - поливинилацетат | 0,12 - 0,24, выпускаемый |
| по ГОСТ 18992-80; |
| - вода | остальное, выпускаемая |
| по ГОСТ 17.1.1.04-80. |
Полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль СН3О(CH2CH2O)nHc представляет собой бесцветную вязкую жидкость, с температурой замерзания от -10°С. Неограниченно растворим в воде, нетоксичен, обладает высокой гигроскопичностью, вследствие чего хорошо удерживает влагу и замедляет высыхание пылящих поверхностей. Добавление полиэтиленгликоля молекулярной массой 400 г/моль обеспечивает контроль текстуры и вязкости состава.
Поливинилацетат CH2CH(OCOCH3)n представляет собой сополимер винилацетата с участием этилена, акриловой кислоты, пирролидона, акрилата, винилового спирта, акриламида, дигалоидэтана либо сочетания вышеперечисленных. Поливинилацетат нетоксичен и биоразлагаем, устойчив к старению в атмосферных условиях, обладает высокой адгезией к различным поверхностям, в том числе к пыли; обладает хорошими оптическими свойствами, стоек к действию света при повышенной температуре до 100°С и к температурным воздействиям, износостоек. Молекулярная масса колеблется от 10 000 до 1600 000 в зависимости от условий полимеризации.
Вода должна соответствовать требованием технической воды и не содержать механических примесей.
Поливинилацетат молекулярной массой 400 г/моль как полярный полимер набухает и равномерно распределяется в воде, образуя устойчивую дисперсную фазу. Поливинилацетатная дисперсия выдерживает не менее четырех циклов замораживания - оттаивания при температуре до -40°С. Пленка, образующаяся при высыхании дисперсии, обладает высокой светостойкостью. Несмотря на то, что под действием ультрафиолета и происходит частичная деструкция полимера, она сопровождается рекомбинацией образующихся макрорадикалов и реакциями переноса цепи, в результате чего увеличивается молекулярная масса и соответственно прочность полимерной пленки. Также пленка отличается прозрачностью, хорошей адгезией к различным поверхностям, стойкостью к старению.
Водная дисперсия данных взаимно нерастворимых полимеров приводит к образованию гетерофазной системы - дисперсии поливинилацетата молекулярной массой 400 г/моль в матрице полиэтиленгликоля. Повышенная вязкость смесей полимеров в условиях эксплуатации обеспечивают высокую стабильность таких гетерофазных систем. Данный раствор на основе смесей полимеров характеризуется большей долговечностью, чем у растворов на основе индивидуальных полимеров.
На пылящие поверхности растворы полиэтиленгликоля и поливинилацетата молекулярной массой 400 г/моль могут наноситься с помощью дренчерной установки.
Способ поясняется следующими примерами. В качестве доказательства эффективности разработанных составов для пылеподавления использовались три различных пылящих фракции отобранные с карьера по добычи строительного камня: фракция 1 (1 - 100 мкм); фракция 2 (10 - 1000 мкм) и фракция 3 (80 - 2000 мкм).
Пример 1. С использованием лабораторной установки в аккредитованном Центре коллективного пользования Горного университета проводился ряд экспериментов с различными концентрациями поливинилацетата молекулярной массой 400 г/моль и полиэтиленгликоля, а также контрольный эксперимент с использованием воды, без добавок смеси полимеров с различными фракциями пылящего материала: 1 - 100 мкм; 10 - 1000 мкм и 80 - 2000 мкм.
Для определения эффективности использования состава для пылеподавления использовалась специально разработанная на базе Горного университета экспериментальная установка. Установка включает в себя экспериментальный бункер-пылеподавитель размерами 120×100×150 см, в который нагнетается воздух для моделирования движения воздушных масс различными скоростями. Степень запыленности воздуха в бункере определяется с помощью анализатора пыли атмосферного мониторинга DustTrak 8533, принцип работы которого основан на методе лазерной нефелометрии.
Составами для пылеподавления обрабатывали образцы трех различных фракций: 1 - 100 мкм; 10 - 1000 мкм и 80 - 2000 мкм. Расход составлял 100 мл/м2. Эксперимент проводился при следующих условиях среды: температура воздуха +22°С, давление 770 мм рт.ст., влажность воздуха 35%, скорость воздушного потока до 3 м/с.
В качестве контрольного образца использовалась вода(без добавок). Пылеподавление водой имеет краткосрочный эффект. По мере ее высыхания в течение одного - двух часов концентрации пыли в воздухе достигают показателей сухих образцов, за счет отсутствия у воды эффекта закрепления поверхности.
В ходе эксперимента навеска пылифракции №1(1 - 100 мкм)массой 10 г равномерно распределялась по площадке 25×25 см, расположенной в центре бункера, на нее распылителемнаносилсяисследуемый состав для пылеподавления, бункер герметично закрывался и одновременно с подачей воздуха запускался в работу анализатор пыли. Длительность каждого эксперимента составляет 60 минут, что позволяет определить не только мгновенную эффективность снижения запыленности воздуха в бункере, но и проследить динамику изменения запыленности воздуха по мере испарения выбранного состава для пылеподавления. При экспериментах с фракцией №1 наблюдается наиболее сильное пыление за счет очень мелкого размера частиц, которые долгое время остаются взвешенными в воздухе.
Для следующего эксперимента навеска пылифракции №2(10 - 1000 мкм) массой 10 г равномерно распределялась по площадке 25×25 см, расположенной в центре бункера, на нее распылителем наносился исследуемый состав для пылеподавления, бункер герметично закрывался и одновременно с подачей воздуха запускался в работу анализатор пыли. Длительность каждого эксперимента составляет 60 минут, что позволяет определить не только мгновенную эффективность снижения запыленности воздуха в бункере, но и проследить динамику изменения запыленности воздуха по мере испарения выбранного состава для пылеподавления.
Третья серия экспериментов проводилась с фракцией №3 (80 - 2000 мкм). Для этого навеска пыли массой 10 г равномерно распределялась по площадке 25×25 см, расположенной в центре бункера, на нее распылителем наносился исследуемый состав для пылеподавления, бункер герметично закрывался и одновременно с подачей воздуха запускался в работу анализатор пыли. Длительность каждого эксперимента составляет 60 минут, что позволяет определить не только мгновенную эффективность снижения запыленности воздуха в бункере, но и проследить динамику изменения запыленности воздуха по мере испарения выбранного состава для пылеподавления. При экспериментах с фракцией №3 наблюдается наименее сильное пыление за счет крупного размера частиц, которые практически не поднимаются в воздух.
Результаты лабораторного эксперимента представлены в таблице 1. На фигуре 1 показано изменение концентрации пыли на протяжении всего лабораторного эксперимента.
Таблица 1 - Результаты эксперимента в лабораторных условиях
| № п/п | Состав | Пылящая фракция, мкм | Средний размер частиц, мкм | Концентрация пыли, мг/м3 | Эффективность по сравнению с сухими образцами, % | Эффективность по сравнению с водой, % |
| 1 | поливинилацетат (0,06%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (0,95%), вода - остальное |
1 - 100 | 51 | 3,38 | 87,74 | 41,71 |
| 2 | поливинилацетат (0,12%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (0,95%), вода - остальное |
1 - 100 | 51 | 1,74 | 98,84 | 75,14 |
| 3 | поливинилацетат (0,12%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (1%), вода - остальное | 10 - 1000 | 96 | 0,99 | 98,34 | 74,26 |
| 4 | поливинилацетат (0,12%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (1%), вода - остальное | 80 - 2000 | 208 | 0,75 | 98,51 | 75,08 |
| 5 | поливинилацетат (0,24%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (0,95%), вода - остальное |
1 - 100 | 51 | 1,48 | 99,01 | 78,85 |
| 6 | поливинилацетат (0,24%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (1%), вода - остальное | 10 - 1000 | 96 | 0,82 | 98,65 | 78,66 |
| 7 | поливинилацетат (0,24%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (1%), вода - остальное | 80 - 2000 | 208 | 0,64 | 98,87 | 78,92 |
| 8 | Вода (контроль) | 1 - 100 | 51 | 7,01 | 85,32 | 0 |
В соответствии с представленными выше результатами, наилучшую эффективность закрепления пылящих поверхностей показывает раствор с концентрацией поливинилацетата 0,12-0,24% и 0,95-1% полиэтиленгликоля молекулярной массой 400 г/моль.
Пример 2. Эксперимент в природных условиях проводился с такими же концентрациями поливинилацетата и полиэтиленгликоля молекулярной массой 400 г/моль как в примере 1. Эксперимент проводился при следующих условиях среды: температура воздуха +12°С, давление 765 мм рт.ст., влажность воздуха 62%, скорость воздушного потока до 4 м/с.
В качестве экспериментальной площадки при эксперименте с фракцией №1 (1 - 100 мкм) использовалась промышленная площадка дробильно-сортировочного цеха. Обработка поверхности проводилась с использованием дренчерной установки. Обработке составом для пылеподавления подвергался участок площадью 10×10 м. Расход состава для пылеподавления составлял 200 мл/м2.
В качестве экспериментальной площадки при эксперименте с фракцией №2(10 - 1000 мкм) использовалсяучасток внутрикарьерных дорог. Обработка поверхности проводилась с использованием дренчерной установки. Обработке составом для пылеподавления подвергался участок площадью 10×10 м. Расход состава для пылеподавления составлял 200 мл/м2.
В качестве экспериментальной площадки при эксперименте с фракцией №3 (80 - 2000 мкм)использовалась площадка на отвале отсевов. Обработка поверхности проводилась с использованием дренчерной установки. Обработке составом для пылеподавления подвергался участок площадью 10×10 м. Расход состава для пылеподавления составлял 200 мл/м2.
Результаты эксперимента представлены в таблице 2. На фигуре 2 показано изменение концентрации пыли в воздухе на протяжении всего промышленного эксперимента.
Таблица 2 - Результаты эксперимента в полевых условиях
| № п/п | Состав | Пылящая фракция, мкм | Средний размер частиц, мкм | Средняя концентрация пыли, мг/м3 | Эффективность по сравнению с сухими образцами, % | Эффективность по сравнению с водой, % |
| 1 | поливинилацетат (0,06%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (0,95%), вода - остальное | 1 - 100 | 51 | 5,39 | 69,52 | 41,03 |
| 2 | поливинилацетат (0,12%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (0,95%), вода - остальное | 1 - 100 | 51 | 2,76 | 88,73 | 67,15 |
| 3 | поливинилацетат (0,12%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (1%), вода - остальное | 10 - 1000 | 96 | 2,13 | 88,34 | 66,86 |
| 4 | поливинилацетат (0,12%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (1%), вода - остальное | 80 - 2000 | 208 | 1,77 | 88,17 | 66,19 |
| 5 | поливинилацетат (0,24%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (0,95%), вода - остальное | 1 - 100 | 51 | 2,49 | 90,12 | 70,28 |
| 6 | поливинилацетат (0,24%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (1%), вода - остальное | 10 - 1000 | 96 | 1,94 | 89,65 | 69,65 |
| 7 | поливинилацетат (0,24%), полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль (1%), вода - остальное | 80 - 2000 | 208 | 1,62 | 88,97 | 69,83 |
| 8 | Вода 100% (контроль) | 1-100 | 51 | 9,28 | 63,71 | - |
В соответствии с представленными выше результатами, наилучшую эффективность закрепления пылящих поверхностей показывает состав для пылеподавления с концентрацией поливинилацетата 0,12-0,24% и 0,95-1 % полиэтиленгликоля молекулярной массой 400 г/моль.
Эффективность пылеподавления при концентрации поливинилацетата менее 0,12% почти в два раза ниже и при концентрации 0,06% эффективность пылеподавления достигает лишь 41%.
Использование предлагаемогосостава для пылеподавления позволяет снизить пыление мелкозернистых материалов (строительные материалы, зола, уголь, шлаки, калийные и другие удобренияи т.п.) до 98% по сравнению с необработанными материалами. За счет высокой пылеподавляющей способности и образовании на поверхности полимерной пленки исключается возможность повторного пыления.
Состав для пылеподавления, включающий поливинилацетат, представляет собой сополимер винилацетата с участием этилена, акриловой кислоты, пирролидона, акрилата, винилового спирта, акриламида, дигалоидэтана либо сочетания вышеперечисленного, отличающийся тем, что дополнительно содержит полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| полиэтиленгликоль молекулярной массой 400 г/моль | 0,95-1 |
| поливинилацетат | 0,12 – 0,24 |
| вода | остальное |
