Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БАРЬЕРНОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к производству глинопорошков для барьерных материалов, буровых растворов, формовочных смесей и железорудных окатышей.

Изобретение относится к технологии получения глинопорошков максимально высокого качества для барьерных материалов, буровых растворов, формовочных смесей и железорудных окатышей и может быть использовано для приготовления буровых растворов, адсорбентов и носителей, для катализаторов на основе глин, для очистки нефтепродуктов масел, соков, а также в других областях использования глинопорошка.

Известен способ получения глинопорошков и технологическая линия для его осуществления, который включает подготовку глинистого сырья до заданной влажности и размера, предварительный помол, после которого сырье усредняется по размеру не более 15 мм (патент РФ № 2335477, C04B33/04, B28C1/18, опубл. 10.10.2008 г.). Техническим результатом изобретения является повышение производительности процесса и получение глинопорошков с высоким качеством. 

Недостатком указанного способа является невозможность обеспечения требуемого гранулометрического состава и низкая самоуплотняемость получаемого глинопорошка.

Известен способ получения глинопорошка для буровых растворов (Авторское свидетельство СССР 717119, С09К7/00, 25.02.1980 г.), при котором происходит приготовление глинопорошков автоклавированием водной суспензии глины с последующей распылительной сушкой полученной суспензии.

Недостатком названной технологии являются большие энергетические затраты на приготовление глинопорошка, невысокое их качество и нестабильность свойств полученных глинопорошков.

Известен способ приготовления глинопорошка, в котором происходит приготовление глинопорошка из глины бентонитовой, или палыгорскитовой, или каолинитовой структуры путем дезинтегрирования. После механической активации при дезинтегрировании дополнительно проводят термическую активацию газообразным теплоносителем путем термического удара при температуре указанного теплоносителя от 150 до 550^oС (патент РФ № 2209824, C09K7/04, C04B33/04, опубл. 10.08.2003 г.).

Недостатком данного способа являются большие энергетические затраты на приготовление глинопорошков и недостаточно высокое их качество, за счет неоднородного фракционного состава получаемого продукта и нестабильности показателей влажности продукта. Более того, проведение термической активации глины при столь высоких температурах зачастую приводит к пережогу глины, ухудшая ее качество.

Известен способ получения бентонитового порошка, в котором дробленую бентонитовую глину влажности 15-45 % измельчают помолом в мельнице до получения частиц порошка заданного размера с одновременной ее сушкой путем подачи потока горячего воздуха, нагретого до температуры 80-300^oС, в зону помола и выноса из мельницы высушенного до влажности 6-15% бентонитового порошка (патент РФ № 2214982, C04B33/04, C09K7/04, опубл. 27.10.2003 г.), выбранный в качестве прототипа. Способ позволяет улучшить качество глинопорошка за счет повышения физико-механических и коллоидно-химических свойств, при этом значительно снижается его расход в приготовлении буровых растворов, формовочных смесей и железорудных окатышей.

Недостатком указанного способа является невозможность достижения требуемого гранулометрического состава глинопорошка, что ухудшает реологические характеристики и плотность засыпки, а также невозможность получения однородного по минеральному составу глинопорошка из смеси глин, что исключает возможность его применения в качестве барьерного материала. Барьерный материал должен выполнять функцию локализации радиоактивных отходов, представляющих опасность жизнедеятельности человека, для предотвращения их дальнейшего распространения и загрязнения окружающей среды в соответствии со СанПиН 2.6.1.2523-09.

Задачей настоящего изобретения является получение однородного глинопорошка влажностью не более 5% с заданными гранулометрическим и минеральным составами, обладающего высокой текучестью и насыпной плотностью, со способностью к самоуплотнению, а также имеющего высокие сорбционные характеристики в отношении широкого спектра радионуклидов. Достигаемый при этом технический результат заключается в сокращении времени процессов перемешивания, сушки и помола за счет одностадийности процесса и достижении требуемого гранулометрического состава. Это позволит обеспечить однородность перемешивания компонентов глинопорошка, повышение физико-механических свойств таких как насыпная плотность, склонность к самоуплотнению, улучшение сорбционных и противофильтрационных свойств полученного глинопорошка.

Технический результат заключается в повышении производительности процесса, расширении диапазона применения глинопорошков в качестве сорбентов и барьерных материалов, и получении глинопорошков с максимально высоким и стабильным качеством.

Поставленная задача решается тем, что способ получения барьерного материала, включает одновременное измельчение и сушку дробленого глинистого материала до получения заданной влажности путем подачи потока воздуха в зону помола. В отличие от прототипа в качестве глинистого материала используют смесь с исходной влажностью 10-45%, содержащую природные материалы – каолинит, бентонит и вермикулит.

Измельчение, сушку и классификацию глинистой смеси осуществляют в измельчительно-сушильном агрегате, содержащем полочные классификаторы, путем подачи потока горячего воздуха, нагретого до температуры 110-250ºС. Процесс продолжают до достижения влажности смеси природного материала 0,5-5%. Затем смешивают извлеченные гранулометрические фракции механоактивированного глинопорошка в необходимых пропорциях, до получения смеси следующего гранулометрического состава, масс.%:

остаток на сите 1 – не более 15,

остаток на сите 0,5 – 10-30,

остаток на сите 0,1 – 30-40,

проход через сито 0,1 – 30-60.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием совокупности признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

В соответствии с принятой концепцией вывода из эксплуатации промышленных уран - графитовых реакторов по варианту захоронения на месте был разработан состав барьерного материала, обладающий противомиграционными свойствами и минимальной водопроницаемостью, с учетом спектра радионуклидов и уровня их активности.

По результатам электронномикроскопических исследований образцов материалов, полученных при различных условиях размола, были определены условия, при которых происходит минимальное разрушение пластинчатых минералов - слюд и каолинита, что позволило получить максимальную степень самоуплотнения материала без механического воздействия (до 1,6-1,7 кг/дм³ в течение трех месяцев) и обеспечить необходимые показатели по водно-физическим свойствам. По результатам термодинамического моделирования развития процессов техногенного минералообразования при взаимодействии природных вод с барьерным материалом при температуре 10 и 80°С, влажность 15-20% (моделировали условия длительной эксплуатации барьера) показано, что практически не происходит изменения минерального состава материала, меняется только соотношение минералов, увеличивается содержание монтмориллонита - эффективного сорбента. Расчеты проводились на основе существенно доработанного и дополненного комплекса GEOCHEQ, состоящего из базы термодинамических данных на основе SUРСRТ92 и программы вычисления равновесий СНЕМЕQ.

Исследование сорбционных свойств барьерного материала проводилось в сравнении с глинопорошком, полученным из глин Надеждинского месторождения Томской области на шаровой мельнице. Влажность глинопорошков 3-5%, фракционный состав <100мкм (85%), насыпная плотность 1,25 – 1,35 г/см³.

Для характеристики разных по механизмам сорбционных процессов применяется обобщенный показатель К_d - коэффициент межфазового распределения, равный отношению количества («сорбированного») радионуклида, содержащегося в твердой фазе, к его равновесному содержанию в жидкости.

Фактор задержки R характеризует отношение действительных скоростей перемещения в образце фронта воды и взаимодействующего с материалом образца радионуклида.

Сорбция проводилась из модельной воды поверхностного водоносного горизонта. Вода содержит (мг/л): Ca²⁺ - 94,0; Mg²⁺ - 21,6; Na⁺ - 45,4; ΣCO₃^2- + HCO₃^- - 465,4; SO₄^2- - 30,0 и Cl^- - 10,0; имеет pH 7,3. Эксперименты проводили при Т:Ж = 1:20, фазы разделяли центрифугированием. В модельные растворы, с которыми выполняли эксперименты, вносились следующие радионуклиды, моль/л (Бк/л): ⁹⁰Sr – 2,2·10^-10 (1,0·10⁵); ¹³⁷Cs – 1,1·10^-9 (5,0·10⁵); ²⁴¹Am – 3,3·10^-9 (1,0·10⁵).

Сорбционное равновесие для всех радионуклидов устанавливается в среднем за 1,5-2 дня, исключение составляет Cs, для которого равновесие достигается за 3 часа.

При определении R значение объемной плотности образца было минимальным (уплотнение породы 0,8-1,0 г/см³) при пористости 0,5, что соответствовало начальным условиям засыпки материала барьера.

В таблице 1 приведены значения Кd и R, определенные при выше указанных условиях.

Таблица 1. Сорбционные характеристики (K_d, см³/г, R) образца породы Надеждинского месторождения Томской области и барьерного материала

Анализ данных показывает, что образцы глины, отобранные непосредственно из месторождения, имеют более низкие значения Kd и, соответственно, R по сравнению с образцами барьерного материала в виде глинистой смеси на основе природного каолина, бентонита и вермикулита.

В таблице 2 приведены показатели текучести и значения насыпной плотности для партий барьерного материала, имеющих различный гранулометрический состав.

Исследования показателей текучести порошка (функция текучести) и плотности в зависимости от гранулометрического состава приведены на графиках ниже, где функция текучести - зависимость неограниченного предела текучести ("неограниченная прочность на разрушение") от напряжения уплотнения. Показатель текучести равен отношению напряжения уплотнения к неограниченному пределу текучести.

Показатели текучести и плотность определены на тестере для определения текучести порошков PFT (Brookfield).

Таблица 2. Характеристики партий глинопорошка с различным гранулометрическим составом

Результаты, представленные в таблице 2 и на фиг. 1 и 2, показывают влияние гранулометрического состава барьерного материала на показатели текучести и насыпной плотности.

Исходя из этих данных, наилучшие характеристики имеют смеси со следующим гранулометрическим составом, мас.%:

– остаток на сите 1 – не более 15,

– остаток на сите 0,5 – 10-30,

– остаток на сите 0,1 – 30-40,

–  проход через сито 0,1 – 30-60.

Ниже приведены примеры конкретного осуществления изобретения при оптимальных значениях компонентов.

Пример 1.

Согласно заявленному изобретению, способ получения барьерного материала заключается в том, что готовят дробленный глинистый материал из смеси материала на основе каолинита 80 масс. %, Хакасского бентонита 15 масс. % и вермикулита 5 масс. %, с последующим ее измельчением, обладающей исходной влажностью 20% и сушкой в измельчительно-сушильном агрегате, который содержит полочные классификаторы для получения фракций разного гранулометрического состава, при этом сушку и помол дробленой глинистой смеси производят одновременно. Измельчение осуществляют путем подачи в зону помола потока горячего воздуха, нагретого до температуры 150°С, поступающего со скоростью 20000-60000 м³/ч, и предварительно подготовленной смеси до достижения показателя влажности смеси 1%. Далее происходит смешивание в необходимых пропорциях разных фракций смеси глинопорошка, классифицированных посредством полочных классификаторов после извлечения пылевоздушной смеси из зоны помола, при следующем соотношении гранулометрического состава, мас.%:

– более 1 мм – 5,

– 0,5-0,1 мм – 25,

– 0,1-0,5 мм – 40,

– менее 0,1 мм – 30.

Пример 2.

Согласно заявленному изобретению, способ получения барьерного материала заключается в том, что готовят дробленный глинистый материал из смеси материала на основе каолинита 75 мас.%, Хакасского бентонита 20 мас.% и вермикулита 5 мас.%, с последующим ее измельчением, обладающей исходной влажностью 25% и сушкой в измельчительно-сушильном агрегате, который содержит полочные классификаторы для получения фракций разного гранулометрического состава, при этом сушку и помол дробленой глинистой смеси производят одновременно. Измельчение осуществляют путем подачи в зону помола потока горячего воздуха, нагретого до температуры 170°С, поступающего со скоростью 20000-50000 м³/ч, и предварительно подготовленной смеси до достижения показателя влажности смеси 1%. Далее происходит смешивание необходимых пропорций разных фракций смеси глинопорошка, классифицированных посредством полочных классификаторов после извлечения пылевоздушной смеси из зоны помола, при следующем соотношении гранулометрического состава, мас.%:

– более 1 мм – 10,

– 0,5-1 мм – 15,

– 0,1-0,5 мм – 30,

– менее 0,1 мм - 45.

Преимуществом заявленного изобретения является возможность получения однородных глинопорошков из различных минеральных составляющих с заданными сорбционными, противофильтрационными свойствами и заданным гранулометрическим составом, обеспечивающим высокую текучесть глинопорошка, плотность и высокую способность к самоуплотнению. Улучшение указанных характеристик позволяет применять полученные глинопорошки в качестве барьерных материалов, изолирующих радиоактивные и химические отходы от воздействий окружающей среды и препятствующих выходу вредных и радиоактивных веществ в окружающую среду.

Заявленная технология и оборудование обеспечивают возможность стабильного высокопроизводительного процесса получения механоактивированного порошка из различных видов глинистого сырья.

Предложенная технология позволяет сохранить и улучшить природные свойства глинистого сырья, получать глинопорошки с гарантированным качеством, при этом влажность порошков контролируется в пределах ± 0,5%.