Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Рациональное использование нефтебитуминозных пород и некондиционного сырья Западного Казахстана и Приаралья

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Рациональное использование нефтебитуминозных пород и некондиционного сырья Западного Казахстана и Приаралья"

^ О О Ь э т.

Московский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕФТЕБНТУМННОЗНЫХ ПОРОД И НЕКОНДИЦИОННОГО СЫРЬЯ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА И ПРИАРАЛЬЯ

11.00.11 — Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

БИШИМБАЕВ ВАЛИХАН КОЗЫКЕЕВИЧ

/

Москва — 1991

/

* / Г1

Работа выполнена в Джамбулском гндромелио-ративно-строительном институте.

/ Научный консультант — академик АН КазССР Надиров Н. К.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор В. Б. Ратинов; доктор технических наук, профессор Сюняев 3. И.; доктор технических наук, профессор Дуденков С. В.

Ведущая организация — Казахский институт минерального сырья (КазИМС).

Защита состоится ¿¿лСЫсП*^ 1991 года в Iх/ часов на заседании специализированного совета Д 053.34.11 при Московском химико-технологическом институте им. Д. И. Менделеева по -адресу: 125190, Москва, А-190, Миусская пл., 9,

южно ознакомиться в научно-информационном центре Московского химико-технологического института им. Д. И. 'Менделеева.

Автореферат разослан _ _ 1991

года.

Ученый секретарь специализированного совета

Д 053.34.11 кандидат химических наук

Н. Е. КРУЧ ИНИНА

■-Р,' ;.■:Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач на современной этапе является рациональная переработка природных ресурсов с использованием экологически обоснованных безотходных,ресурсосберегающих технологий и утилизацией всех компонентов сырья.Работа посвящена решению проблемы переработки нефтебитуминозных пород (НШ),широко распространенных в СССР и в других странах и используемых в настоящее время весьма ограниченно,а таняе переработке отходов ряда производств.Такие породы,содержащие природные битумы,представляют собой весьма перспективное сырье. В мировой практике крупнейшие и однородные по составу месторождения НШ в Канаде .Венесуэле,и СМ разрабатывают с целью получения синтетической нефти и применяют в качестве вяжущего для дороя-ных покрытий. Из-за малоизученности месторождений НШ .отсутствия эффективных технологий и недостатка информации о возможных путях их использования НШ в нашей стране практически не применяются.

Мировые запасы НШ в пересчете на органическую часть составляют 630-1050 млрд.т,запасы з налей стране оцениваются в 30-33 млрд.т, в том числе только а Западном Казахстане их более 1,5 млрд.т,Здесь эти породы залегают на небольшой глубине, что создает благоприятные условия для ¿'спесного применения НШ и яачасгае нового доступного и дерево го сырья.

При псстаногко к&стояад!! рсботы ута'^зг-лся значительны;! сгг..:т ызнен»я в производстгг строительных зрыплоз различных продуктез пз-pspiCoTÄü нефти.Еисокие трзбоганнл к глубнкэ пзрэр-ботнп нефти н pric-туцал потребность г. непользепанкп её icruc тсплипю-ЕнсрггтичзсЕсого и нефтехимического с:рья прлггли острому ггдос?:;?::}' продуктов кзфтэпз-рзрабстга и запрету их прныензга'п при гро^зЕСдстпг строэталыига кмте-рхаяоп. Та;; оалрэценио непольэозеппп п^сдугстоэ s:Ou гепзргрг.ботни чэстве дсбпЕОк при производстве искусственных пористых оплолниталой вызвало снмяенио качаствс. последних, а из-за псё возрастающего дефицита битумов потребности народного хозяйства с нём удовлетворяются ms-нзе чем на ЗОЙ. В сеязи с этим весьма актуальным является поиск альтернативных нефти и нефтепродуктом сырьевых источников битумных Еяяу-щих и комплексных добавок. В кячэство такого сырья могут Сыть использована НШ,который содержат 15-20 % ерганпч jcitoft и 80-85 % ыннераль-ной частей.

D Западном Казахстана и Приаральа рядом с месторождениями НШ имеются большие запасы глин. Здесь не размещаются различные химические производства,отходы которых серьезно усложняют и таи весьма неблагоприятную экологическую обстановку в региона.Расположение НШ.глин и промышленных отходов в непосредственной близости друг от друга создает предпосылки для их рационального совместного использования в производ-

-г -

стве строительных материалов, и которых остро нуждается этот регион.

Настоящая работа выполнена в Кзыл-Ординскоы филиале Джамбулского гидромелиоративно-строительного института (с Io.li.90 г. Кзыл-йрдин-ский институт инженеров агропромьглленного производства^ соответствие с координационным аланом важнейших научных исследований Республиканской научно-технической программы Р.0.73.01: "Разработать и освоить способы и средства разведки, переработки и транспортировки ИБП и высоковязких нефтей Западного Казахстана для использования в народном хозяйстве" на гг.

Цель работы. Разработка комплексной безотходной технологии пере» работки ИБП, глинистого сырья и отходов производств Западного Казахстана и Ириаралья для получения высококачественных строительных мате риалов широкого ассортимента.

Поставленная цепь определила следующие задачи исследований: -изучение распространенности, состояния, доступности и возможностей рациональной добычи и транспортировки ИБП Западного Казахстана и Лриаралья;

-исследование химического и минералогического состава, физико-химических и механических свойств НБП, глинистого сырья и отходов производств Западного Казахстана и Приаралвя;

-исследование коллоидно-химических свойств растворов извлечение битумных эмульсий и разработка технологии извлечения органической части НБП в виде битумных эмульсий;

-изучение влияния структурно-группового состава органической части КБП различных месторождений на коллоидно-химические и технологические свойства глинистых масс, а также на процессы обжига кервыг!

-разработка технологии получения керамзитового гравия,аглопорк л кирпича с использованием в качестве вспучивающих, корректирующих тошшвосодерхшщих добавок 11БП и эцульсий но их основе;

-поиск цутей применения НБП d дорожном и гидротехническом стро тельстве, разработка оптшалькых составов и технологии получения до рохшого и гидротехнического асфальтобетона;

-решение экологических проблем, связанных с применением добаво НБП и битумных эмульсий при производстве обжиговых строительных ua'i риалов, вопросов совместного использования НШ и отходов производс:: Западного Казахстана и Приаралья;

-изучение геологических свойств смесей НБП с отходами произво; и определение на основе полученных данных оптимальных составов мае; и технологических параметров процессов их получения;

-промышленная проверка эффективности предлагаемых технологий i работки ИБП и отходов химических производств региона и зколого-эк<)1

мическая оценка рационального их использования.

Научная новизна работы. Впервые детально проанализировал и изучен химический и минералогический состав НЕ! различны; месторождений и разработаны рациональные методы добычи этих пород.

Определен состав водно-щелочного раствора, разрушающего сложную гетерогенную систему НШ с получением битумной эмульсии, в которой ПАВ обеспечивают образование мицелл на границе раздела фаз (битуы--нинеральнал часть). Выявлен характер влияния ПАБ на поверхностное натяжение и адсорбционную способность раствора и найдена величина критической концентрации ыицеллообразования, позволявшая теоретически обосновать возможность интенсивного извлечения битума в виде эмульсин.

Установлены закономерности изменения дисперсного состава битумных змульсий с изменением условий их получения, определена корреляционная зависимость степени дисперсности эмульсий от их коллоидно-химических свойств и параметров процесса.

Впервые показано, что сложнее природное гетерогенное образование (ИБП) более эффективно п качестве комплексной добавки при производстве керамических материалов, чем традиционные добавки.

исследовано влияние НЕТ! на реологические свойства некондиционных: глин Западного 1Сазахстана и Приаралья. Установлено, что введение НЕЛ в систему способствует более полному развитию гидратных оболочек частиц глины, а это влияет на пластическую прочность коагуляционной структуры сырьевой смеси и благоприятствует развитию процессов структурооб-разования в системе.

Определен механизм воздействия НЕП на структуру и свойства кирпичных глин. Установлено, что определяющее влияние на коагуллционную структуру системы глина-вода-НЕП оказывают соотношения полярных (смолы, асфальтены) и неполярных (масла) компонентов органической части НЕТ! и минералогический состав глин.

Разработан и обоснован метод подбора вида НШ и количества добавляемой породы, обеспечивающих необходимые технологические свойства глин различного минералогического состава.

Определены особенности действия различных органических фракций и кремнеземистой части НЕП на окислительно-восстановительные процессы, протекающие при обжиге г пин. Показано, что наиболее термостойкие углеводороды органической части НЕП - асфальтены и ароматические соединения - сохраняются к моменту перехода глины в пиропластичэское состояние и участвуют в процессе вспучивания; кремнеземистая часть НЕП повышает вязкость пиропластической массы, способствуя формированию мелкоячеистой структуры керамзита с равномерно распределенными порами. При этом НШ интенсифицируют развитие восстановительных процессов, ускоряя

- А -

тем самым образованна и выделение газов и улучшая вспучиваемость глинистого сырья.

Установлено, что при использовании НБЛ для получения дорожного асфальтобетона активация поверхности каменных заполнителей сульфитно-дрожжевой бражкой способствует переводу полярных компонентов ПАВ в во-донерастворимую форму, в результате улучшается адгезия НН1 и повышается «водоустойчивость и механическая прочность дорожного асфальтобетона.

Впервые исследованы структурно-реологические свойства асфальто-вяжущего, состоящего из органической части НЕЛ и атактического полипропилена, образующегося в качестве отхода на Г^грьевском химическом заводе. Определены оптимальные составы дорожных и гидротехнических покрытий и технологические параметры процесса их получения.

Шервые изучены структурно-реологические свойства мастик, представляющих собой структурированную четырехкомпонентную систему НБП--битум(Б)-легкая пиролизная смола(ЛПС)-атактический полипропилен(АПП). Определены структурно-реологические свойства двух- и трехкомпонентнъи коллоидных систем (Б41БП, Б-ЛПС, Б-АПП, Б4!БЛ-ЛПС, Б-АППпЛПС), входящих как составные части в четырехкомпонентную и разработан метод регулирования структурообразования систем с целью получения материалов (дорожных,гидротехнических покрытий и мастик) с заданньыи свойствами.

Новизна работы защищена 10-ю авторскими свидетельствами на изобретения.

На защиту выносятся:

- анализ запасов и свойств НШ различных месторождений и методы разработки последних, позволивший обосновать применение различных способов и средств рациональной добычи;

- данные по структурно-групповому и минералогическому составу и свойствам органической и минеральной части НЕЛ, глинистого сырья и отходов производств Западного Казахстана и Приаралья;

- физико-химические и технологические аспекты процесса извлечения органической части НН1 в виде битумных эмульсий;

- технология применения НЕП и эмульсий в качестве добавок при производстве керамических материалов, комплексное влияние компонентов НШ на физико-химические процессы, протекающие при обжиге керамзита, изменение вязкости пиропластической массы, газообразование, формирование пористой структуры;

- влияние НБП на реологические и технологические свойства глин, методика подбора типа и количества добавки НБП в зависимости от структуры и химико-минералогического состава исходных глин;

- результаты, полученные при изучении возможности вовлечения серосодержащих глин совместно с НБП в производство строительных материалов

с решением вопросов защити окружаюиой среди и утилизации диоксида серы известковым молоком и поташом, данные о растворимости в системах Kj>S0g--K2C03-I^S04-H20 и l^SOg-KgCOg-HgO при С0°С и I^SOg-I^SO^IgO при 20 и 60°С;

- технология получения дорожного н гидротехнического асфальтобетона, горячих и холодных мастик на основе НЕЛ и отходов Гурьевского химического и Кзил-Ординского цэллюлозно-картонного заводов и эколого-эконо-мическая оценка эффзктивности применения НЕП и отходов производств;

- структурно-реологические характеристики НЕП и отходов производств, а также их смесей с целью оптимизации составов и свойств дородных и противофильтрационных покрытий;

- технико-экономическая оценка эффективности совместного использования НЕЛ и отходов Гурьевского химического и Кзыл-Ординского цоллю-лозно-картонного заводов в производстве строительных материалов.

Практическая ценность работы. Разработаны основные положения по рациональному использованию НЕП в производстве строительных материалов. Предложены безотходная технология переработки НБП в битумную эмульсию требуемой концентрации как в стационарных условиях, так и непосредственно па месторождении, а также агрегат для переработки НШ в битумную эмульсию. Возможность транспортирования битумной эмульсии на дальние расстояния позволяет решить проблему дефицита битумного вяжущего, а минеральную часть НШ можно использовать для получения силикатного кирпича и заполнителя для строительных растворов и бетонов. Битумная эмульсия получена и используется как пластифицируюгдя добавка к бетону в в/ч 69480.

Разработана технология применения НШ и эмульсии на их основе в качестве комплексных добавок при производства искусственных легких заполнителей для улучшения их качества - снижения насыпной плотности, расширения температурного интервала вспучивания, улучшения свойств сырьевой массы и прочности получаемых материалов. Применение НШ и эмульсии при получении керамзита по пластическому и порошково-пласти-ческому способа».? и гомогенизации НЕП с глинистой массой в шахтно-мо-лотковых мельницах осуществлены в промышленных условиях на Нукусском и Сарыагачском керамзитовых заводах. Получен керамзит марок 350, 400 и 450, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 9758-83.

Предложена технология применения НШ для высоко- и среднепластич-ных глин с относительно малым содержанием свободного кремнезема, а также эмульсии на их основе, пригодные для керамзитовых глин практически всех типов.

Разработан метод корректировки технологических свойств глинистого

- с -

сырья, позволяющий вовлекать в производство кирпича глтш, не нахо--дягае в настоящее время применения из-за недостаточно хорошего качества. Технологии введения HUT в глинистую массу и получения кирпича марки ICO прешли прсмиллечные испытания на кирпичном заводе сбъедике-ния "Ксилардаойлагрспромстр^Я'1 .

ГЪаени вопросы вовлечения в производство керамических материалов серосодержащих глин с очисткс!*. отходящих газов от диоксида серы.

Установлено, что НИ! является альтернативной нефтяному 'битуму надежной сырьевой базой для получения дорожных и гидротехнических асфальтобетонов и строительных мастик, Лспользовшше НЕТ! совместно с промышленными отходами дает чозмотость наряду с получением строительных материалов решить проблему улучеения экологической обстановки в регионе.

Изучены реологические характеристик;! гидротехнического асфальтобетона (ITA), необходимые для инженерных расчетов. Разработана технология применения НЕТ! в качество вяжущего для получешш ITA, применена которой позволяет снизить расход ценного гидравлического цемента и металла, используемых в производстве железобетонных гидротехнических плит, а в условиях острого маловодья Казахстана и Средней Азии ев» и потери воды при фильтрации.

Разработаны составы и технология получения горячих и холодных мастик с применением НЕЛ совместно с отходами Гурьевского химического завода, отвечавших требованиям эксплуатации в условиях жаркого и резкоконтинентального климата Казахстана.

Разработанные технологии получения мастик, дорожного и гидротехнического асфальтобетона используются в в/ч 745С4,Кзыл-0рдинским управлением Тордорстрсй", дорожно-строительным управлением Р 30 Кзвл-Ординского прооктно-эксплуатационного ремонтно-строительного объединения автомобильных дорог, производственно-строительны!.! объединение!.: "Кзилорди/слиорация" Минвсдхоэа Казахской ССР. Общий годовоЛ о::о::см» иэскиП эффзкт от применения НБТ в производстве строительных материале' составляет около 1,3 млн.руб.

Показана с-консмическая целесообразность сосмостного использогг.-ния ПЕЛ, глин и промышленных отходов, расположенных п непосрздстг-JH-ной близости друг от друга, для развития в Западном Казахстана и При-аралье производства легких зелелнителей, кирпича, асфальтобетонных покрытий и мастик.

Добыча выходящих на поверхность ПЕГ. и разработанные технологии их рационального использования совместно с отходами Гурьевского химического и Кзыл-Ординского целлюлозно-картонного заводов позволили существенно улучшить экологическую обстановку Западного Казахстана и

Приаралья.

Апробация работы. Отдельные этапы работ доложены на Республиканской конференции по нефтехимии (г.Гурьев, 19(34 г.), на республиканском научно-техническом совещании "Интенсификация и повышение качества сборных железобетонных изделий" (г.Бухара, 1984 г.), на Всесоюзном со-вещгаши по комплексной переработке и использованию не фте битуминозных пород (г.Гурьев, 1985 г.), Научно-технической конференции ДГМСЛ (г.Джамбул, 1965 г.), Всесоюзном научно-практическом совещании "Пути использования вторичных ресурсов при производстве строительных материалов и изделий" (г.Чимкент, I96G г.). УП Межреспубликанской конференции "Развитие технологии и повышение качества строительных материалов" (г.Киев, 1987 г.), Всесоюзном координационном совещании по вопросам комплексной переработки природных битумов и тяжелых нефтей (г.Бу-гульыа, 1987 г.), Взспубликанской конференции "Интенсификация общественного производства на основе ускорения научно-технического прогресса" (Алма-Ата, 1988 г.), Научно-технической конференции НШкерамэита (г.Куйбилев, 1988 г.), Всесоюзном координационном Совете по проблеме "Технология производства искусственных пористых заполнителей" (г.Куйбышев, 1988 г.), научно-технической конференции "Комплексное и рациональное использование земельных и водных ресурсов в низовьях р. Сыр-Дарьи" (г.Кзыл-Орда, 1988 г.), Научно-технической конференции МГМЛ (г.Москва, 1989 г.), Всесоюзном совещании "Экологические проблемы переработки вторичных ресурсов в строительные материалы и изделия" (г.Чимкент, 1990 г.).

Публикации. По результатам выполненных: исследований опубликовано 63 научные работы,включая одну монографию, получено 10 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, библиографического списка и приложения. Содержит 2Ь4 страниц машинописного текста, 75 рисунков и 78 таблиц, 351 наименования библиографии и приложение.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Впервые вопрос об исследовании НШ Западного Казахстана рассматривался в сороковых годах. В то время М.I1.Иерусалимской, В.В.Колпако-вым и В.В.Мещеряковым была составлена схема месторождений НБП в Казахской ССР и дано описанио наиболее крупних из них. С 70-х годов, благодаря усилиям Н.К.Надирова, III.А.Алтаева, В.С.Бочарова и В.Я.Стрельниковой, существенно возрос интерес к поиску, добыче и использованию. МЕЛ. В Казахской ССР на территории Актюбинской, ГУрьевсый и Мангисг

тауской областей по выходам на поверхность, в керне поисковых, струк-турно-картировочных и разведочных скважин, а также при анализе материалов геофизических исследований выявлено и зарегистрировано белее ста месторождений и проявлений НШ и высоковяэких нефтей. В настоящее врз-мя НЕЛ только частично используются в дорожном строительстве. Как известно из состояния в стройиндустрии,в производстве строительных материалов возникли большие трудности в связи с дефицитом нефтепродуктов. Таг,только для керамзитового производства ежегодно требуется около I млн.т нефтепродуктов,которые могут быть заменены НЕЛ.

В Западном Казахстане и Гриаралье рядом с месторождениями НЕМ (15-20 млрд.т) находятся больиие запасыглин (IC0-I50 млн.т), а наличие в этом же регионе отходов атаг.тического полипропилена (АЛЛ 1350 т/год), сульфитно-дрожжевой бражки (СДБ 2,3 мян.м3/год) создает предпосылки для их совместного рационального использования в производстве

Рис. i. Месторождения нефти (а), НШ (е) и глин (О)

в Западном Казахстане и Приаралье и сосредоточение отходов (ш) производств в этом регионе.

строительных материалов. Неглубокое залегание НЕП с выходом на помр* ность и сосредоточение значительных количеств отходов химических прог водств усложняет и без того напряженную экологическую обстановку в этой регионе. Карта расположения месторождений ИБП и глин в Западном Казахстане и в Приаралье приведена на рис.. I. Разработка безотходных технологий добычи и переработки НШ в сочетании с имеющимися большим запасами глинистого сырья и промышленных отходов будет способстпоЕат1 развитию экономически эффективной строительной индустрии и улучшению

состояния окружяюпрй среды в экологически сложном регионе.

Глава 2. ФЯШ0-Ш:1Ч£СЮ-Е СВОЙСТВА СИРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ

/

Анализ физико-химических своПств НЕТ месторождений Иман-Кара, Мор-тук, Колькан, Акший, Есекжал показал, что содержание органической части в породе в зависимости от месторождения колеблется от 14,2 до 17,2 % (мае.), плотность 0,9878-1,0384 г/см3, температура размягчения 20-24°С, растяжимость 25-44 си. Фракционный состав пород следующий {% мае.): керссинс-газойлевые фракции 5,8-15,7 (температура кипения ЗС0-350°С), к-асла б.7;-.12',0 (350-400°С), остаток 75,6-64,8 (выив 400°С). Структурно-групповой состав НН1 различных месторождений. Казахстана, приведенный в табл. I, характеризуется высоким содержанием смол; при этом преобладают тякалкз спирто-бензолышв смолы. -ПС- и У$ спектры показали наличие насиненных углеводородов парафинового ряда, конденсированных ароматических углеводородов, аренов различной степени замешанности и сульфокислотних групп. При этом битумы НЕЛ месторождений Иман-Кара, Мортук и Кольжан содержат несколько меньше кислородосодержащих соедине>шй и больше углеводородов парафиновой структуры. Таким образом, можно сдолать вывод о том,'что органическая часть НЕП по своим физико-химическим свойствам приближается к нефтяным битумам.

Таблица I

Структурно-групповой состав ПОТ различных месторождений % (мае.)

Компоненты Месторождение

Кольжан Иман-Кара Мортук Есекжал Акший

Масла 61,6 51,1 68,6 62,8 49,4

В том числе:

Парафино-нафтеновыэ (ПН) 36,7 30,5 43,2 28,4 9,60

Моноциклические ароматические (МЦА) 14,У 13,3 15,4 10,6 29,0

Бициклические ароматические (БЦА) 10,0 7,3 10,1 13,8 10,8

Смолы 22,6 36,4 29,3 36,4 39,6

В том числе:'

Петролейно-бензольные (ПЕ5 9,0 14,0 13,3 12,2 13,3

Спирто-бензольные (СБ) 13,е 22,4 16,0 24,2 26,3

Асфальтены 15,0 12,5 2,0 10,8 10,9

Минеральная часть ИБП указанных месторождений состоит из мелко-

песчаных, супесчано-суглинистых и глинистых частиц в основном размерами 0,071-0,25 мм. Петрографический, рентгенофазовый и химический анализ минеральной часто показал, что, кроме количественно преобладающих кварца и полобых шпатов, присутствуют железочерные агрегаты кристаллов гематита, гетита, изотропные кристаллы флюорита, кальцита и минеральные слюда.

Изучены следующие глины Западного Казахстана и Приаралья: керамзитовые месторождений Погадаовское, Сарыагачспо, Дарбазинское, Там-дамское, Заладио-Макатскои, Туксяйское, Беатюбинское и кирпичные месторождений Аусарскоз, Саздинское, Хрсмтауское, Чагалсксе. По минеральному составу исследованные глины являются пол;гминеральными. Они содержат кварц, полевые шпаты, монтмориллонит, бейделит, каолинит, гидрослюду. Глины различаются по содержанию свободного кварца (11,4-26,4 %), оксидов железа (2,29-7,58 %) и некоторых других компонентов. Для керамзитовых глин за исключением глин месторождений Погадаенекое и Сарыагач-СЕоа характерно низкое содержание органических при,(всей (0,1-1,0 %), кирпичнда глины относятся к высоко- и среднепластнчкым глинам с высоким коэффициентом чувствительности к су.аке (1,12-2,13). Поэтому для использования указанных глин необходимо введение вспучивающей и корректирующей добавок, в качестве которых могут быть использованы РЕП.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ДСШЧЛ НЕП

Горно-геологические и горш-техничзские условия для разработки разведанных месторождений НШ в Западном Казахстане благоприятны: небольшая глубина залегания (до 120 м), малая мощность покрывающих пород (до 12 м), повышенное содержание битума в породах, незначительное изменение его содержания и свойств, взрываемость пород, песчаный тип коллектора и др. С увеличением содержания битума в породе повышаются липкость, что требует больших усилий для отрыва, а также сопротивляемость пенетрации (проникновению) рабочих органов машин в массив и снижаются несущая способность пластов и вязкость. Поэтому разработка' месторождений НШ целесообразно вести способами открытой и открыто-подземной добычи. Для месторождений НШ, содержащих до 20 % битума, предлагается применять серийные добывающие и транспортные механизмы. При большем содержании битума месторождения, залегающие на небольшой глубина, следует разрабатывать с применением экскаваторов-драглайнов по схеме экскава1ор-карьер. Показано, что при этом полнота выемки иа-пасов НШ возрастает в 2 раза, а себестоимость добычи I т пород снижается на 23 %, Отдельные заглубленные участки и месторождения, а также НШ с забалансовым содержанием битума могут разрабатываться скважиннц

¡пособоы с поверхности с использование« водно-щелочного раствора (см. ■л. 4). Исследования на модельном стенде показали, что наибольшая сте-гень извлечения битума (60-80 %) достигается при напора рабочего раст-зора 1,3 МПа и температур» 70-90°С.

Разработаны тагега способ и средстЕЛ добычи НШ, содержащих до 25 f. 5итума, а виде брикетов. Сконструировано специальное устройство на база экскаватора типа обратная лопата, применение которого позволило по-иучить экономический эффект в размере 20 тыс.руб в год на одну машину, Цля разработки месторождений ИБП с содержанием битума выли 30 % предложены технология и техника непрерывной добычи НШ брикетированием. В соответствии с данной технологией ведется послойная отработка залежей 1Ш стружками, сворачиваемыми а рулоны специальным устройством. 1^лони /плотняются и покрываются изолирующим слоем из размельченной породы вскрыши, что препятствует прилипанию брикетов друг к другу и стенкам транспортных механизмов.

Вскрышные породы, как показали исследования и опыт работы, могут быть использованы для производства кирпича, аглопорита, опудривания брикетов и рекультивации карьеров. Общие затраты на рекультивацию карь-эра площадью 60 га составляют 198 тыс.руб и окупаются за 3,3 года. Рекультивация карьеров позволяет улучшить окружающую среду и использоват! земли для пастбищного скотоводства.

Глава 4. ПОЛУЧЕН!Е ,13 НШ ЕГГУМНОЙ ЭМУЛЬСИИ

Для разработки технологии получения битумных эмульсий из НЕЛ .месторождений Иман-Кара, Мор ту к, Акший, Кольдан, Есекжал была ,про,ведена серия исследований.

Битумную эмульсию из НШ указанных месторождений получали с помощью водно-щелочных растворов'. Для полной характеристики активности выбранного раствора определены изотермы поверхностного натяжения и адсорбции, а также критическая концентрация мицвллообразавания (ЮМ), которая соответствует концентрации ПАВ (0П-10), равной 1,2 %. Поверхностная активность данного ПАВ с возрастанием его концентрации повышается, достигая максимума в области 1-1,5 %, Знание ККМ позволило установить, что процесс получения эмульсии интенсивно протекает в растворе концентрацией выше 1,2 %•

Методом математического планирования эксперимента определены опти мальные условия процесса получения битумной эмульсии: температура -70°С, продолжительность обработки - 3 мин, содержание эмульгатора (0П-Ю) в растворе - 2 %, жидкого стекла - 3 %, NaOH - 0,5 %.

Изучение дисперсного состава показало, что распределение коллоид-

ных частиц по размерам в эмульсиях, полученных из ННТ разных месторо дений, различается незначительно (в основном размеры порядка 3,4*10^ ~5,5»1СЗ км). Несколько вьие содержание мелких частиц в омульсиях из К ЕЛ месторождений Акший и Икай-Кара. При повышении температуры обработки и концентрации биту;.!а в эмульсии до 40 % размер частиц уменьша ется. Изменение размера частиц битумной эмульсии в зависимости от те нологических факторсв исследовалось на специально разрабстгиноЛ уста ковке непрерывного действия методом лазерно-корреляциотюП спектроскопии.

Наибольшая степень извлечения битума из ГИ!, равная 90-99 % достигается при температуре процесса извлечения 70—СС,сС; при этсм о5ре зуется однорогая и стабильная по размерам частиц битумная эмульсия. При незначительном увеличении среднего размера частиц до 0,95-0,99-1 нм, разброс частиц но размером судаегся (с 1,35-10^ до 0,07.10^ нч). Наиболее стабильная и однородная эмульсии образуется при числе оборе тов мешалки 20-25 в секунду и онтималигом с г ста ео водно-щелочного раствора.

Исходя из структурно-группового состава орга-шческой частиц НИ (см.табл. I), межно полагать, что капельки битумной эмульсии состоят из слоялых структурных единиц (ССЕ) битума. Ядро ССЕ составляют а.с-фальтены, карбекы и гарбепды. К нему примыкают диспергированные и мг лах смолы, далее располагаются слои компонентов с более низкой моло! лярной массой (ароматические углеводороды). ССЕ в свою очередь окру? на моло!сулярной пленкой ПАВ (эмульгатора). Надо полагать, что ме?.эд> капельками битума происходят ксятактные взаимодействия, результатам которых яеляются агрегирование и гоалесценция. Сопоставление измен;-ния размеров частиц битумной эмульсии с изменением концентрации ГТАЗ её вязкости показало, что по мере роста эф^жтивного диаметра частичек эмульсии её вязкость вначале возрастает, а затем, начиная с опр деленного размера частиц, перестает изменяться. Это свидетельствует наличии граничного размера частиц, вьшю которого при заданной кенцл трации ПАВ преобладают контактны; взаимодействия, придающие дисперс ной системе ссобухэ структуру. На основании проведенных исследований разработаны способы получения битумных эмульсий из НЕЛ, которые заи щены тремя авторскими свидетельствами. Экономдаеский эффект от внед ния разработанной технологии составляет 27350 руб при производств 1000 т битумной эмульсии. Минеральная часть после извлечения битум? может быть использована для получения силикатного кирпича марки 100 а также в качестве заполнителя для бетонов и строительных растворов

Глава 5. ПРИМЕНЕН ИЗ НШ И ЭМУЛЬСИЙ НА ИХ ОСНОЕЕ В ПРОИЗВОДИТВЕ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕЕШЮВ

Глины месторождений Западного Казахстана и Прнаралья отличаются неудовлетворительными технологическими свойствами и поэтому не испол1 зуются. В то же время в регионе ощущается острая нехватка строительных материалов, что затрудняет решение социальных проблем.

Учитывая всё это, НЕП и эмульсии на их основе были использованы в качестве вспучивающих,корректирующих и топливосодержащих добавок при производстве искусственных пористых заполнителей и стеновых материалов из этих глин.

Введение НЕП и эмульсий во всех случаях позволяет снизить среднюю плотность керамзита на 0,10-0,20 г/см3. Различие химического и минерального состава глины оказывает определенное влияние на изменение средней плотности керамзита в зависимости от количества добавки. Оптимальное количество НШ колеблется от 1,5 до 8 % (мае.), эмульсии - от 0,25 до 1,5 % (мае.) (п пересчета на органическое вещество). Оптимальной является температура обжига 1150-П70°С. Положительное влияние добавок НШ к эмульсий на вспучивание керамзита заключается в совместном воздействии неорганической и органической части НШ в ходе термообработки материала. Минеральная часть способствует гомогенному распределению НБП в сырьевой смеси, повышению пи~ ропластическоЯ вязкости, расширению температурного интервала вспучивания глин и формированию пористой структуры керамзита. Органическая часть породы по мере увеличения температуры подвергается расщеплению, парафиновые и нафтеновые углеводороды разрушаются и происходит накопление ароматических углеводородов. При высоких температурах протекает также интенсивное '.(оксообразоаание, что способствует созданию условий для восстановления на важнейшей стадии формирования структуры керамзита. Установлено, что наибольший эффзкт вспучивания достигается при введении в глинистое сырье 0,75 % (мае.) органической части НШ. Средняя плотность керамзита при этом составляет 0,392 г/см3. При введении в глину органических веществ фракций, выкипающих в интервале температур 190-350°С, при температурах более 350 и 450°С получен керамзит со сродней плотностью соответственно 0,456, 0,432 и 0,428 г/см3.

Для установления взаимосвязи между изменением вязкости пиро-пластической массы и процессом развития пористости в обжигаемых- чо*-. разцах определены термовязкостные характеристики глин месторождении Бештюбинское, Заладно-Макатское, Томдинсхое и Спрыагачское без до-

бавок и с добавками КБП и эмульсин.

На рис. 2 на примере глины Сорыагачского месторождения показано, что введение НШ повышает вязкость пиропластической массы. Эмульсия, в связи с отсутствием в ней минеральной части, оказывает меньшее влияние на вязкость. Сочетание газообразования с относительно плавным снижением вязкости способствует началу образования пор в интервале 900-1С00°С, вязкость изменяется в пределах Ы0*и-2.Ю9 Па«с. В интервале ЮС0-1075°С вязкость пирспластической массы снижается до 2-10® Па.с, при этом наблюдается рост числа открытых и закрытых пор. При температуре выше Н00°С процесс порообразования протекает наиболее полно и интенсивно, Па«с

Рис. 2. Влияние температуры обжига и добавок НН1 и битумной имульсии на вязкость образцов глины Сарыагачского месторождения: I - исходная глина; 2 - глина с добавкой НЕП месторождения Иман-Кара; 3 - то же с добавкой емульсии; 4 - глина с добавкой НН1 месторождения Мортук.

Электронно-микроскопический анализ и метод малоуглового рассеяния рентгеновских лучей позволил определить изменение микроструктуры керамзита в зависимости от вид? добавок.

Для Сарыагачской глины характерно наличие крупных пор, остекло-

занныз станки которых образуют матрицу, состоящую из иелких пор (рис. !, а). Однако толщина стенок между крупными порами меньше, чем сами юры, что делает каркас слабым. Установлено, что аффективный радиус ткропор равен 30 нм, максимальный разброс по размерам составляет ',9 ны. При добавлении НЕП эффективный радиус пор уменьшается до 27,Ь гм, их количество увеличивается до 83 % и разброс по размерам снижаем :я до 7,6 нм; наблюдается качественное изменение микроструктуры (рис( 1,6). Поры имеют размеры одного порядка, происходит их усреднение, >ни приобретают в основном сферическую форму. Увеличивается количество ¡стеклованной массы, образующей прочную матрицу керамзита. Добавки »лульсии способствуют формированию более крупной пористой и матричной :труктуры центра образца при незначительном увеличении количества >стеклованной массы (рис. 3,в). При введении в образцы солярового мас-[а наблюдается взрыхление структуры с формированием различных сообщаться пустот неправильной формы (рис. 3,г). Добавление мазута приво-,ит к резкому увеличению содержания матричной крупнопористой фазы рис. 3,д).

Таким образом, НШ и эмульсия являются более эффективными добавки в сравнении с традиционными нефтепродуктами.

Электронно-микроскопическим и микрорентгеноспектральным анализа-1И уточнен состав основных и сопутствующих компонентов: это частички юнтмориллонита, мусковита, каолинита, анортита и принеси пирита, в ¡ерна кварца в ходе обжига диффундирует небольшое количество железа.

Исследовано влияние НШ на реологические свойства глин Западного лзахстана и Приаралья. Определены их структурно-механические свой-тва - пластическая прочность, быстрые и медленные эластические дефор-ации, вязкость, период истинной релаксации И др. (табл. 2). Выявлены ндивидуальные особенности поведения ГлИн с учетом '.тх минералогичес-ого состава и наличия крупнодисперсных примесей, сделано заключение механизме действия НШ, разработана методика выбора оптимальных ви-,ов НШ применительно к различным глинам. Показано, что введение НШ озволяет улучшить технологические свойства глин.

При рассмотрении реологических свойств керамзитовых глин место-ождений Сарыагачское и Бештюбинское (табл. 2) установлено, что водо-отребность и пластически прочность шихты при введении НШ снижают-я, что дает возможность ускорить процесс сушки гранул, снизить величш у усадки и повысить их прочность. Добавление оптимальных количеств Ш позволяет снизить пластическую деформацию при равном развитии ластических деформаций. Происходит снижение величины условной мощнос-и деформации Нц, что обеспечивает уменьшение расхода энергии на пе-

г.

а

л

ЧГ-т

•V

■" V

Р* .....я*

р' Ъ

.<» «* -л

—■г «в^-- . -¿Я . — . /

Рис. 3. Микроструктура керамзитового гравия из Сарыагачской глины без добавки (а), с добавкой НТП (б), эмульсии (в), солярового масла (г) в мазута (д).

Структурно-механические свойства глин

Таблица 2

Глина и добавки Ер. 7 ' <о'°. Pu. А. Ô, ГЦ 'Ю6, О fJt > 10 \

МПа мп~ МП«. Па-с к11а с с 7. */о Л«/ м3

Керамзитовые глины

Сарыагачская 2,4 3,8 1.5 13,2 3,0 0,393 S3I 0,23 29 19 52 7,0

То же + НШ Иман-Кара 0,9 0,9 0,5 5,1 1,6 0,500 1090 0,3 26 26 47 2,4

То же + 10 % 1,6 1,0 0,6 5,4 1,5 0,620 966 0,3 18 29 53 2,9

Ееатабинская 1.4 1,9 о,е 4,8 2,5 0,428 599 0,5 50 37 13 3,0

То жз + 5% НШ Иман-Кара 0,6 0,9 0,4 3,6 2,2 0,424 976 0,6 53 39 8 1,8

То жз + 10 % 0,6 0,7 0,3 2,6 1,8 0,484 799 0,7 46 43 II 1,4

Кирпичные глины

Саздинская 1,5 6,6 1,2 1,8 15 0,19 2222 0,8 77 17 6 1,1

То же + 25% НШ Мортук 1,4 1,0 0,6 1.7 9 0,59 7024 0,6 40 57 4 0,6

То же+30% НШ Донгелексор I 2,0 0,7 1,0 10 0,33 3250 I 62 33 5 0,6

То же»25% КШ Иман-Кара 1,4 1,0 0,6 1,8 4 0,60 3438 0,2 40 56 4 0,6

Хрсмтауская 0,9 2,1 0,6 1,2 2 0,30 4000 0,2 66 ' 29 5 0,6

То же + Z0% НШ Мортук 1,1 2,3 0,7 1,4 3 0,32 4179 0,2 65 30 5 0,7

То ж8+30$ НШ Донгелексор 1,3 2,4 0,8 1,4 з' 0,35 3814 0,2 62 33 5 0,8

То же+2Е$ НШ Иман-Кара 0,8 1,6 0,5 2,4 6 0,34 9917 0,3 65 33 2 0,5

Примечание: Е| и Ег - модули быстрой и медленной эластической деформаций; £Р - равновесный модуль;

- вязкость; Рк. - статический предел текучести; Л - эластичность; 6 - период истинной релаксации; Па - пластичность по Воларовичу; 6,. , - быстрыз и медленные эластические, пластические деформации; л/Е - энергия формования.

л

реработку и формование глин, а также интенсифицирует работу формовочного оборудования. Наличие НШ в сырьевой смеси позволяет компенсировать возникающие при формовке краткосрочные деформации без нарушения сплошности и разрыва контакта между частицами в системе. Это происходит из-за уменьшения модуля упругости, пластической вязкости и условного статического предела текучести.

Опытно-промышленные испытания, проведенные на Сарыагачскоы и Ну-кусскоы керамзитовых заводах, работающих по пластическому и порошково-пластическому способам подготовки сырья, показали, что полученный керамзит соответствуй маркам 350-400 (Сарыагачский керамзитовый завод) и 450 (Нукусский керамзитовый завод) и по всем физико-механическим показателям удовлетворяет требованиям ГОСТа.

Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии получения керамзита для Оарыагачского керамзитового завода превышает 250 тыс.руб при мощности производства 100 тыс.м3 керамзита в год.

На рис. 4 показано изменение оптимальной формовочной влажности (0ФВ) и пластической прочности (Р™ ) глинистых масс при добавлении в них НЕП различных месторождений.

Анализ приведенных данных показывает, что глины месторождений Хромтауское и Саздинское являются пластичными с высокой величиной оптимальной формовочной влажности - от 29 до 30 %, а глины месторождений Джалагашское, Аусар, Акжарское и Чаганское менее пластичны, их 0£В колеблется от 20 до 24 %, при этом Акжарская и Хромтауская глины характеризуются очень низкой прочностью структуры (Рга = 3-5 кПа), а значение Рт для глин Аусарского, Чаганского и Саздинского месторождений достигает примерно 16 кПа. Добавление в эти глины НШ месторождения Мортук приводит к снижению Рт при слабом изменении 0£В, а их введение в глины с малым Рт - к анАЧимяьному снижению 0$В при слабом изменении Рт (рис. 4,а). Аналогичное действие оказывают НШ месторождений Донгелексор (рис. 4,6). НН1 Мортукского месторождения значительно сильнее снижают 0ФВ глины месторождения Хромтауское, чем НШ месторождения Донгелекрор.

Введение НШ месторождения Лман-Кара приводит к снижению пластической прочности глин с высокой прочностью структуры при одновременном уменьшении 0ФВ и'некоторому повышению пластической прочности глин с малой прочностью структуры (рис. 4,в).

Приведенные данные позволяют сделать заключение о механизме действия НШ на глины различных типов. Он сводится к адсорбции органической части НШ на поверхности частиц глин, где в присутствии полярных ас^пльтокс-в идет более эффективная гидрофобизация поверхности частиц с умг'.нг-.^ечием гидратации и упрочнением системы за счет полифункциональ

О 20 IK 26 !0 ОФВ% О 10 ЗА гл JO

кпа н>

и

S

4

о го з* г» зо офь'/. о го гк г» зо ОФа%

Рис. А. Изменение оптимальной формовочной влажности (СШ) и пластической прочности глииистах масс в зависимости от вида добавляемых НЕЛ (А,В,С и Д - области для глин соответственно с высокой пластической прочностью Р и оптимальной Формовочной влажностью, с низкой Р и высокой 033, с высокой Р и низкой 05В и с низкими Р и ОФВ) Саздинского, Дкалагашского, Аусарского, Акжарского, Чаганского и Хромтауского месторождений, а, <5 и в - нт месторождений сооггпвтсвеино Мортук,

Донгелексор и 7^вн-Кара; 1_6 - глины месторождений Саздинское, Джалагашское, Аусар, Акжзрское, Чагенское и Хромтаусгое.

ных молекул асфальтенов, образующих иостики между частицами глины. Д; .Глин месторождений Аусар, Чаганское и Саздинское с сильно развитой кс агуляционной структурой и густой сетью контактов структурообразующая роль полифункциональных молекул относительно невелика и не может компенсировать ослабление взаимодействия из-за адсорбции масел на гидрофобных участках, так как число дополнительных контактов невелико. В этих условиях снижение прочности контакта может быть вызвано только уменьшением числа коагуляционных контактов в единице объема. Наблюдаемое уменьшение вязкости и некоторый рост периода истинной релаксации происходят, на наш взгляд, за счет молекул-мостиков. Снижение модуля исследованных систем указывает на увеличение медленных эластических деформаций, обусловленное повышением подвижности частиц относительно друг друга (ребро по грани) вследствие адсорбции масел и других компонентов НШ на глинистых частицах. Этот тип деформации эффективно обеспечивает релаксацию напряжений, возникающих при быстрой суа ке, и обеспечивает сохранение целостности изделий. Следовательно, для улучшения технологических свойств глинистого сырья рекомендуется вводить добавки НШ. Так, например, при добавлении к Саздинской глине 30 % НШ месторождения Мортук коэффициент чувствительности к сушке снижается с 1,61 до 1,02, формовочная влажность - с 24,45 до 19,8 %, линейная воздушная усадка - с 5,5 до 4,7 %, а общая усадка - с 9,2 дс 8,4 %. Механическая прочность образцов при этом повышается с 20,4 до 36,5 МПа. Аналогичные результаты получены и при добавлении НШ к остальным исследованным глинам. Разработана технология пр!!менения в прс изводстве кирпича из высокопластичных глин бедных НШ (4-10 % мае. о^ ганической части), что позволяет решить вопрос их рационального использования.

На Джалагашском кирпичном заводе осуществлен выпуск опытно-промышленной партии' в 10 тыс.штук кирпича М—100 с применением НШ.. Годовой экономический эффект при производительности завода 2,5 млн.штук кирпича в год составляет 13,5 тыс.руб. При использовании некондиционных глин Западнрго Казахстана и Приаралья и выпуске 50 млн.штук кирпи ча в год экономический эффект составит 250 тыс.руб.

Проведены исследования по получению аглопорита. Определены техне логические параметры процессов переработки сырья и термообработки гра нул, а также необходимые количества добавок НШ. Оптимальное содержание НШ для глин месторождений Акжарское, Хромтауское, Чаганское и Аусарское составляет 30-50 %, для глины Саэдинского месторождения -'Ь'^еш-яая насыпная плотность фракций 5-10 мм колеблется в пре--<'.40 кг/ма, фракций 10-20 мм - от 437 до 555 кг/мэ, проч-н С""-- сл--?п»'л<:8? 0,5-0,75 МПа, водопоглощение - от 14 до 16 %.

В Казахстане имеются значительные запасы легкоплавких вспучивающихся глин, пригодных для производства керамзита и аглопсрита, но не используемых из-за повышенного содержания в них серы. В связи с этим разработаны методы очистки отходящих газов от SO2 извеогковш молоком и потааом с получением сульфата калгя, пригодного для использования в качестве бесхлорного удобрения.

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ НЕП II ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПРИ ПОЛУЧЕШГ.! ДОРОШХ А ГОДЮТЕЖРЕСКИХ ПСКШТИЯ И МАСТИК

Проведенные исследования показали, что добавки сульфнтно-дрожжа-вой бражки (СДБ) -.отхода целлюлозно-карт.онного произзодства способствуют улучшению'физико-мэханичэских сгойств дорожного асфальтобетона (ДАБ), полученного с использованием НЕП месторождения Нчан-Кара, содержащих 15-19 % битума. Прочность при сжатии образцов ДАБ, полученных из сырья оптимального гранулометрического состава с содержанием СДБ 2-3 %, составляет 4,3-4,4 МЛа при 2С°С, 1,65 МПа при 50°С, во-донасьщенных образцов - от 4,22 до 4,35 МП а. Степень водонась.н-ения и набухания равна соотретстпенно 1,9-2,0 и 0,07-0,3 % (об.), коэффициент водостойкости равен 0,75-0,9, чтЗ отвечает требования!! ГОСТ 9128-84 и ТУ 2Iß КазССР 103-87 на теплый асфальтобетон.

На основании проведенных исследований было высказано предположение о возможности получения гидротехнического асфальтобетона (ГГА) с использованием добавок НШ. Для получения ГГА минеральные материалы перед добавлением НШ смешивали с атактическим полипропиленом (1-5 %) и нагревали до температуры 160-180°С. При получена:! мелкозернистого ГТА использовали НШ месторождений Нман-Кара, Беко, Донгелексор и песчаного ГТА - НШ месторождения Иман-Кара.

Проведены реологические исследования органической части НШ (на примере НШ месторождения Лман-Кара), АЛЛ и асфальтовяжущэго на их осноге. Получены зависимости скорости сдвига и вязкости от напряжения D = £ (Р) и 11 определены их реологические и структурно-

механические характеристики (табл. 3). Установлено, что при 90°С вязкость неразрушенной структуры органической части НШ ^ = 3,057 Па«с, а вязкость разрушенной структуры, которая представляет собой ньютоновскую жидкость, ^ =0,42 Па-с. АПП при этой твотературэ имеет более высокую вязкость и, следовательно, более структурирован. Определены реологические характеристики системы органическая часть НЕП-АПП с содержащем последнего 16,6-61,5 что соответствует ого количеству в ГТА 1-0 ?о. При увеличении содержания АПП в ГТА до 5 % наблюдается нн-

геологические характеристики система органическая часть НИЛ-АЛЛ при 60 и 90°С

Содержание АПП,% Рк,Па РМПа 1сЖс П^.Па-с к" 1-т ч. 1-ь Кт' И"' в интервале 60-90°Б Е,Па Р7> Т5,с

в системе в ГГА

Температура 60°С

16,6 I 376 147 2,1 6,8 0,48 70 145 10446 1030 0,014

37,5 3 1940 5521 725 1,4 1,4 0,74 537 723 4933 4924 0,147

44,4 ' 4 2089 5671 752 1,4 1,3 0,74 557 750 5292 5223 0,143

50,0 5 3788 6417 993 1,9 1,01 0,52 512 991 5980 5959 0,166

54,5 6 4029 6717 1009 2,3 0,99 0,44 439 1007 6472 6457 0,156

61,5 8 4178 7212 1020 2,8 0,98 0,36 368 1017 7182 7163 0,142

Температура 90 °С

16,6 I 49 17 1,4 59 0,74 12,3 15,4 7,0 - - -

37,5 3 505 1343 182 0,8 5 5 1,25 227 181 9,1 1199 1194 0,151

44,4 4 926 1641 227 0,9 4^4 1,07 244 226 9,1 1384 1379 0,164

50,0 5 1010 1940 288 1,0 3,5 0,99 285 287 9,5 1930 1791 0,160

54,5 6 1052 2238 309 1,1 3,2 0,90 278 308 9,5 2246 2238 0,138

61,5 8 2188 5074 617 1,2 1,62 0,81 502 616 8,7 5384 5373 0,114

8

Примечание: и - статистический и динамический пределы текучести; ^ к 1т ~ вязкость неразрушенной и разрушенной структуры; Кт - коэффициент термостойкости;Е - модуль быстрой эластической деформации; Рг - граница прочности неразрушенной структуры; ¿5 - период истинной релаксации.

тенсишый рост статического (до 3788 Па) и динамического (до 6417 Па) пределов текучести, а также структурированности системы (табл. 3). Практически постоянная величина коэффициента термочувствительности системы (9,1'10~^~9,5«10~^ ) в интервала температур 60-90°С свидетельствует о большей устойчивости высокопрочной структур«! полученного полимер битумного вяжущего по сравнению с устойчивостью структуры исходного битума НЕ31. Образование прочной структуры асфальтовяжущего связано с развитием в объеме битума ИБП коагуляцлонной структуры, цэнтра-

которой является частицы АПП. Проведенные реологические исследования позволили обосновать оптимальноо содержание ЛЛП, обеспечивающее высокие структурно-механические характеристик!* органической части ИБП и ГТЛ на их основе (табл. 4).

На свойства ГТА влияет также химический состав НЕП. Так, из-за высокого содержания масел в битуме НШ месторождения Донгелексор но удается получить ГТА с удовлетворительными свойствами при введении до 5 1? АПП. Поэтому для улучшения качества ГТА вводили тонкодисперс-ныЯ минеральный поропок, что позволяло перевести битум в пленочное состояние и способствовало тем самым повышению вязкости и прочности битума и ГТА. Введение до 10 % минерального порошка давало возможность снизить расход полимерной добавки. Определены корроэионно- и морозостойкость ГТА, коэффициент фильтрации и реологические характеристики, необходимые для инженерных расчетов покрытий.

С целью использования НШ для замены дефицитного нефтяного битума для получения мастик изучены фиэико-иоханнческие ц реологические свойства холодной и горячей мастики кровельного назначения. Для получения горячей мастики использовали НШ месторождения Иман-Кара, холодной - месторождений Иман-Кара и Мортук, а также битум ЕН-9(>10 (ГД в качестве структурирующей добавки применяли сажу, пластифицирующей -отработанное машинное масло, модифицирующей - АЛЛ, разжижителя - легкую пиролизнуп смолу (ЛИС) - отходы производства Гурьевского химического завода. Содержание компонентов в мастике оптимизировали по склеивающей способности - усилию разрыва двух склеенных полосок пергамина, адгезии к бетонному основанию и реологическим характеристика?.! композиций битум-ЛПС, битум-НЕЛ-ПС, битум-АПП-ЛПС и битум-НШ-АПП-ЛПС.

Взологические свойства мастик изучены для составов, приготовленных с применением НШ месторождения Иман-Кара. Установлено, что в системе битум-ЛПС значительно снижаются вязкость неразрушенной системы, пределы текучести, структурированность нефтяного битума и склеивающая способность при содержании ЛПС более 33 %, Введение НШ в систему битум-ЛПС несколько улучшает её реологические свойства, однако теплостойкость мастики оказывается невысокой - порядка 90°С. Введение в

уизико-мзханические свойства ГГА на основе НБ1 месторождений Иман-Кара, Беке и Донгелексор

Состав исходной сырьевой смеси, % Остаточная по-цистость, % (об.) Водо-насы-' щение. %(об.) Набухание, ■ %(об.) Предел прочности при сжатии , МЛа КВ Кр %

50°С 20°С 70°С 0°С

НШ месторовдения Иман-Кара

Грзкий-35, высевки-34.3, НЮ-35,7, . АЛ' 1-5 !'7 0,9 - 1.5 3,2 (3,1) 0,7 8,8 0,95 2,07 2,7

Гравий-35. высевки-24,3, Ш-10. НЕ1-о5,7, АПП-З 1.7 0,9 - 1.7 3,5 (3,5) I.I 9,5 1,0 2,09 2,7

Засевки-56, НШ-51, АЛЛ-4 1.0 0,9 - 1.3 3,2 (3,1) 0,7 7,0 0,97 2,0 2,2

(Требования П-20-85: 1.3 1,5 0,5 1,2-2,0 2,0-4,0 0,5-1,0 4-6 0,85 1,8-2,2 1,8-2,2

НШ месторовдения Беке

Гравий-35, высевки-33,НШ-37, АЛЛ-5 1.4 1.3 - 1,4 2,9 (2,7) 0,55 7,5 0,93 2,07 2,58

Гравий-35.высе вки-23. НШ-37, МП-Ю, АПЛ-3 1,3 1.0 НШ 2,0 месторся 4,0 (3,7) вдения Донг« 0,8 злексор 7,8 0,93 ■ 2,0 1,95

Гтвий-35. высевки-35, КЫ-35, АПП-5 1,3 0,6 - 1.0 1,8 (1,6) - 4,0 0,88 2,22 1,8

Гравий-35, Еысевки-25. НК1-35, МП-Ю, АГП-4 1,8 0,7 - 1,6 ' 3,1 (2,9) - 6,3 1,0 3,2 2,7

Примечания: I. Кв, Кт и Кэ - коэффициент водо- и термостойкости и эластичности, МП - минеральный порошок.

2. Цифры в скобках относятся к водонасыщзнным образцам. 3. ГраЕИй фракции 5-15 им, высевки- 0-5 мм

тройную смесь Б-НШ-ЛПС до 22,2 % АЛЛ способствует повышению теплостойкости композиции до 121°С, Из числа изученных четырзхкомпонентных систем (составы разработшшых холодных мастик) наибольший практический интерес представляют мастики, в которых значительное количество дефицитного нефтяного битума заменено НШ (табл. 5). Это мастики с соотношением Б:НБП = 1:1,6-2,33.

Оптимальнсз содержание компонентов при получении холодной мастики с использованием НШ месторождения Мортук составляет 32,7-48,3 % НШ, 10-25 % АГЛ, 27 % битума Ш-90/10, 13,8-15,1 % ЛПС. При содержании АЛЛ более 27 % уменьшается склеивающая способность мастики,что, по-видимому, связано с ограниченной совместимостью полипропилена с битумом. При избытке ЛИП он неполностью диспергируется в битуме. Повышенное содержание Масел в НШ месторождения Мортук обусловливает несколько меньший её расход на приготовление мастики, а также низкую теплостойкость (105—110°С) и меньшую величину адгезии к бетонному основанию (0,15-0,16 Ша), в то время как теплостойкость мастики на основе НШ Иман-Кяра составляет 120°С, величина адгезии к бетонному основан™ - 0,17-0,215 Ша, водонасыцение обоих мастик порядка 0,11-0,2 % (об.). При получении горячей мастики оптимальный состав сырьевой смеси следующий: 55-60 % НШ, 10-30,4 % АПП, 14-20 % битума Ш-90/10, 2,6-6 % саки и 3-6 % масел. Введение АПП повышает теплостойкость мастики до П0°С при водонасыцении 0,2 % (об.), прочность на отрыв от бетонного основания - от 0,2 до 0,4 Ша. Таким образом, использование НШ позволяет экономить до 50 % дефицитного нефтяного битума, необходимого для приготовления мастики.

Глава 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РАЦИОНАЛЬНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ НШ, ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ И ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА И ПРИАРАЛЬЯ

I

На основании проведенных исследований разработана принципиальная безотходная технологическая схема рационального использования НШ глин Западного Казахстана и ряда промышленных отходов (рис. 5) в производстве строительных материалов. Разработанная схема позволила включить в переработку НШ некондиционные глины, вскрышные породы, отходы химических производств. Её реализация будет способствовать ре-пению важной народнохозяйственной задачи по обеспечению региона строительными материалами и улучшению его экологической обстановки.

Годовой экономический эффект от рациональной переработки НШ глин и отходов химических производств составляет около 1,3 млн.руб, е том числе эколого-экономическая эффективность использования отходов 176,2 тыс.руб.

Реологические и физико-механические характеристики холодных мастик на основе НН1 месторождения Иман-Кара

Соотав мастики, мае.% ^ и«П. Вэологические характеристики Склеивающая способность, Н Величина адгезии через

РкгПа № ' Ц ^о 2т КТ -10 2 через 3 суток через 10 суток 5 суток, МПа

Битум 23,12

ЧН! 53,93 ЛГП1 7,62 Г,С 15133 (битум :НЙ1 = — -у33 20 90 2773 762 6413 1690 929 276 5,1 1,10 1,01 3,6 0,19 0,89 184 247 934 275 4,03 300 400 0,215

Битум 26,84

НБП 48,31 АПП 5,36 Ж1С 19,49 (бит^м^НШ = 20 90 1537 709 2020 239 568 161 4,2 1,5 3,4 6,1 0,24 0,73 135 108 564 159 3,31 260 390 0,170

Битум 24,15 нет 48,31 АПП ■ 8,05 20 1347 3788 590 4,52 1,69 0,22 130 585 265 390 0,175

ЛПС 19148 (бит^м :Нш = 90 214 553 137 1.1 7,3 0,91 124 135 3,79

МЕСТОРОНДЙНИЕ Н Б п — -.......ДОБЫЧА

И Е £ Т Е Б И Т У М И Н О 3 Н Ы Е

1

!

Зскрьшша породи

ге культи- \ ОпудЕИВГГИга

вация ! бричзтоз пЕ1 !

карьера > для -грсчспоо- ¡ — Получение ГТА-

1 тквовта ' !

ПОРОДЫ

ПОЛУЧЕНИЕ БИТУМНОЙ ЭМУЛЬСИИ

1

1

ьитумная эмульсия-

-Получение ДАБ—

!

Получение керамического кирпича, аглопорита

. Промыллетшз отходи '

Получение хо-I лодной и горя! чей мастики —

Получение | керамического кирпича

Получение аглопотата -

— СДБ -АПП

—лпс

| Получение | керамзита

Производство керамзита

Пластификатор для бетона

Стабилизация I и пылеподав- ] ление грунтов \

Дорожное __ строительство

Минеральная часть

Строительные растворы

Заполнители бетона

I

Производство

силикатного

кирпича

5, Пр;шцнпиальная технологическая схема рационального использования нзфтебитуминозных пород.

го <3

- 2В -

выводы

1. На основании данных впервые выполненного детального анализа химического и минералогического состава, физико-химических и физико-мзханических свойств НЕП, глинистого сырья и отходов химических предприятий Западного Казахстана и Приаралья разработаны безотходные технологии добычи, переработки и рационального использования НЕП как нового универсального сырья, альтернативного нефтепродуктам, для производства строительных материалов широкого ассортимента.

2. Разработана безотходная технология извлечения битума НБЛ в виде эмульсии водно-щолочным раствором в присутствии ПАВ. Установлен: корреляционные зависимости степени дисперсности эмульсии от технологических параметров процесса и коллоидно-химических свойств, позволяющие регулировать эти параметры в соответствии с требованиями, првдъ являемыми к конечной продукции.

3. Впервые на основе анализа специфических свойств составляющих НШ установлено, что последние являются более эффективной, чем нефте продукты, комплексной добавкой к шихте при получении керамических ма тариалов. Органическая часть НШ и эмульсий на их основе интенсифици руют восстановительные процессы и кинетику образования газов. Минеральная часть повышает вязкость пиропластической массы, расширяет те пературный интервал вспучивания и способствует формированию мелкояче истой структуры керамзита и аглопорита с равномерно распределенными порами.

4. Показано, что НШ улучшают реологические и технологические свойства некондиционных глин Западного Казахстана и Приаралья, что г зволяет вовлечь их в производство строительных материалов. Определяющее влияние на изменение коагуллционной структуры системы глина-во; оказывают соотношение полярных и неполярных компонентов битума НШ 1 минералогический состав глин. На основании полученных результатов р; работана методика подбора вида и количества НШ для различных глин.

5. Разработаны оптимальные сырьевые составы и эффективные техн логии рационального использования НШ и глинистых пород Западного К эахстана и Приаралья для получения остро необходимых региону матери лов: керамзита, аглопорита, кирпича с улучшенными физико-механическ ми свойствами. Предложена технология применения бедных НШ (4-10'% мае. органической части) для получения кирпича из высокопластичных глин.

6. Разработаны составы горячей и холодной кровельных мастик с пользованием НШ и отходов Гурьевского химического завода - атактт кого полипропилена и легкой пиролизной смолы. Установлены оптималы-

составы мастик, характеризующихся повышенной теплостойкостью и хорошими склеивающими свойствами и адгезией к бетонному основанию.

7. Предложена технология приготовления из НШ с добавками сульфитно-дрожжевой бражки (отхода Кзыл-Ординского цэллюлозно-картонного завода) асфальтобетона с улучшенными физико-механическими свойствами, которые достигаются за счет активации поверхности каменных материалов СДБ.

8. Впервые получен гидротехнический асфальтобетон на основе НШ с добавкой АПП и изучены его реологические свойства, определено оптимальное содержание АПП в ГТА, равное 4-5 %, Разработаны составы и способы приготовления мелкозернистого и песчаного ГТА, отвечающих по физико-механическим свойствам и гидротехническим характеристикам требованиям к противофильтрационным покрытиям. Определены реологические характеристики ГТА, требующиеся для инженерных расчетов противофильтра-ционных покрытий.

9. Разработанные технологии рационального использования НШ, глинистого сырья и отходов химических предприятий Западного Казахстана и Приаралья внедрены:

битумная эмульсия - на Сарыагачском керамзитовом заводе (в качестве вспучивающей добавки), в/ч 89480 (в качества пластификатора для бетонов), на производственном объединении "Каратау" (для устройства дорожного покрытия и пылеподавления);

НШ - на Сарыагачском и Нукусском керамзитовых заводах (в качестве вспучивающей и корректируютй добавок), на Пролетарском и Джалагаш-' ском кирпичных заводах в Ленинабадской и Кзыл-Ординской областях (в качестве корректирующей и топливосодержащей добавок), в Кзыл-Ордин-ском управлении "Гордорстрой" на Кзыл-Ординском комбинате дорожно-строительных материалов и в дорожно-строительном управлении № 30, Кзыл-Ординском областном управлении мелиорации й водного хозяйства, в/ч 745564 (в качестве вяжущего для получения ДАБ, ГТА и мастик).

Суммарный экономический эффект составляет 1,3 млн.руб/год.

10. Добыча НШ, особенно при разработке выходящих на поверхность-месторождений, и «х рациональное использование совместно с отходами ГУрьовского химического и Кзыл-Ординского целлюлозно-картонного заводов позволили существенно улучшить состояние окружающей среды в регионе с весьма неблагоприятной экологической обстановкой.

Основные материалы по томе диссертации опубликованы

в следующих работах:

I. Еишимбаев В.К., Шокин И.Н., Кузнецова А.Г. Исследование растворимости в системе ПРИ 20 и 60°С/Димия и химическая

технология. - 1971. - Вып. 12. - С. 203-205.

2. Бишимбаев В.К., Шокин H.H., Кузнецова А.Г., Ахназарова СЛ. Исследование процесса окисления в реакторе с мешалкой//Тр.Моск.хим.-технол.ин-та им.Д.И.Менделеева. - 1973. - Вып. 73. - С. 47-49.

3. Бишимбаев В.К., Макарова A.B., Бахромов М. и др. Исследование возможности применения эмульсии на основе нефтебитуминозных пород в технологии сборного желе зобе тона//Взспубликанское научно-техническое совещание. Интенсификация и повышение качества сборных железо^ бетонных изделий. - Бухара, 1984. - С. 112—113.

4. Алтаев Ш.А., Тумаков В.А., Черний Г.М., Бишимбаев В.К. 0 рационал; ном использовании битуминозных пород (Киров) Западного Казахстана //Комплексное использование минерального сырья. - 1984, - № 6. -С,72-74.

5. A.C. 1240400 СССР, МКЙ 03 В 9/00. Агрегат для переработки запесо-ченных нефтебитумных пород.

6. A.C. 1263698 СССР, МКИ С 08 95/00, ния битумной эмульсии.

7. A.C. 1315419 СССР, МКИ С 04 Б 14/12. ния аглопорита,

8. A.C. I3I5442 СССР, МКИ С 04 В 38/06. товления стеновых изделий.

9. A.C. I3I6989 СССР, МКИ С 04 В 14/12. ния керамзита.

10. A.C. 1375607 СССР, МКИ С 04 В 14/12. керамзита.

11. A.C. 1432793 СССР, МКИ В 01 11/00. Способ получения битумной эмульсии из запесоченных нефтебитуминозных пород.

12. A.C. 1392050 СССР, МКИ С 04 В 26/26. Способ приготовления асфальт бетонной смеси,

13. Бишимбаев В.К., Ходжаназаров А.Т. Кинетика процесса получения битумной эмульсии//Использование отходов промышленности в производстве строительных материалов и изделий: Сборник/ДШСИ. - Ташкент,

' 1987. - С. 28-36.

14. Техника и технология добычи и транспортировки. Серия: Нефтебитум! нозные породы /Бочаров B.C., Надиров Н.К., Бишимбаев В.К. и др. • Алма-Ата.: Наука, 1987. - 200 с.

15. Алтаев Ш.А., Асатуров А., Асатуров Ал., Бишимбаев В.К. Способы и средства добычи нефтебитуминозных пород.// Нефтебитуминозные породы: достижения и перспективы: Материалы второго Всесоюзного со-F'L-щачир по комплексной переработке и использованию НШ. - Алма-А'

С 04 В 26/26. Способ получе-Сырьевая смесь для изгоювле Керамическая масса для изго-Сирьзвоя смесь для изготовле Сырьевая смесь для получения

Наука, 1968. - С. 132-138.

16. Алтпев Ш.А., Тумаков Б.А., Бишимбяеп В.К» Совершенствование методов открытой разработки битуминозных пород (киров) Западного Казахстана//. Комплексное использование минерального сырья.-I9Ö4-. № 9~ С. 3-6.

17. Бишимбаев Б.К., Буркитбаев С.М., Кенжебаев А.Б., Ходжаназаров А.Т. Измерение дисперсности и стабильности водобитумных эмульсий методом лазерной корреляционной спектроскопии // Б кн.:Тезисы Всесоюзного совещания по высокомолекулярным соединениям нефти.-Томск, СО АН СССР, 1985. - С. 29-30.

18. Бишимбаев В.К., Нарманова P.A., Ахметжанов Б.С., Кироминеральные смеси с улучаенныыи свойствами.// Нефтебитуминозныа породы: достижения и перспективы: Материалы второго Всесоюзного совещания по комплексной переработке и использованию НБ11. - Алма-Ата: Наука, 1988. - С. 289-291.

19. Бишимбаев В.К., Ходжаназаров А.Т., Йарйсов A.M., Надиров Н.К. Агрегат для получения битумных эмульсий из нефтебитуминозных пород Западного Казахстана. // Нефтебитуыинозные породы: достижения и перспективы: Материалы второго Всесоюзного совещания по комплексной переработке и использованию НБй. - Алма-Ата.: Наука, 1988. - С. 301-304.

20. Бишимбаев В.К., Карасов A.M. Применение эмульсии иэ нефтебитумино-зной породы для улучпения свойств керамзита.// Нефтебитуминозные породы: достижения и перспективы: Материалы второго Всесоюзного совещания по комплексной переработке и использованию НБП. - Алма-Ата.: Наука, I960. - С. 301-304.

21. йарасоа А.Ы., Бизимбаев В.К. Использование нефтеби^умичозной породы о производстве искусственных пористых заполнителей// Строительные материалы. - 1988. - № ь. - С. 27-28. ■

22. Бишимбаев В.К., йарасов A.M., Ходжаназаров А.'Г. Получение эмульсии из нефтебитуминозных пород для повьшения качества кератита // Развитие технологии и повышения качества строительных материалов и • разработка молодых ученых и специалистов. - Киев, 1988. - C.I33--134.

23. Алтаев Ш.Л., Тумаков В.А., Бишимбаев В.К. и др. Способы разработки месторождений нефтебитуминозных пород Мортук // Комплексное использование минерального сырья. - 1988. -'№ 9.' - С.3-7.

24.Шомантаеэ A.A., Бишимбаев В.п., Оспанов А.Н. Противофильтрационное асфальтобетонное покрытие на основе НБП // Мелиорация и водное хозяйство, - I9Ö8. - № 12. - С. 21-22.

25. Надиров Н.К., Бишимбаев В,К., Буркитбаев С.Ы. и др. Влияние параметров экстракции па дисперсность углеводородных экульсий из неф-тебитуыинозних пород// Химия и технология тошшв и масел. - 1987.

- № 9. - С. 12-13.

26. Бишимбаев В.К., Кадашева З.И. Строительная мастика из нефтебиту-минозных пород.// Комплексное использование минерального сырья.-I9B9. - № 2. - С. 74-77.

27. Бишимбаев Б.К., Нарманова P.A. Использование нефтебитуыинозных пород и отходов химической промышленности для получения гидротехнического асфальтобетона // Комплексное использование минерального сырья. - 198Ö. - № 10. - С. Ь4-о7.

28. Бишимбаев Б.К., Ториев ЕЛ. Использование запесоченной нефтебиту-минозной породы в производстве керамического кирпича // Комплексное использование минерального сырья. - 1969. - Jib. - С. 47-49.

29. Бишимбаев Б.К. Рациональное использование нефтебитуминозных пород

- как нового вида сырья. // Экологические проблемы переработки вторичных ресурсов в строительные материалы и изделия: Тез. докл. всесоюзного-совец. - Чимкент, 1990. - С. 91-92.

uü. Екшимбаев В.К. Получение и регулирование коллоидно-химических свойств битумных эмульсий из нефтебитуминозных пород Западного Казахстана// Известия АН Каз.ССР, сер.хим. - 1991. - !Л. - С.64-67

31. Бишимбаев Б.К., йарасов A.M. Изучение структурно-механических свойств глин с добавками нефтебитуминозных пород// Совершенствование строительных материалос, конструкций и повыдеиие качества сельскохозяйственного л иодохозяйстьенного строительств:;. - Новочеркасск, 1991. - С. 28-33.

32. Бишимбаев И.К., Шомантаев АЛ'., Нарманова P.A. Определение расчетных характеристик асфальтобетона на основе нефтебитуминозных пород //Совершенствование строительных материалов, конструкций и повышение качества сельскохозяйственного и водохозяйственного строительства. - Новочеркасск, 1991. - С. 129-137.

33. Бишимбаев В.К., Ториев ЕЛ'., Ахметнанов B.C. и др. Технология получения керамических изделий из ИБП и местного сырья// Комплексно» использование минерального сырья. - 1991. - MI, - С.51-53.

24, A.C. 1ь43о02 СССР, ЫКИ С 04 В 33/00. Керамическая масса для иэгот* ления лицевого кирпича.

36. Бишимбаев Ь.К. НШ - комплексное сырье в производстве строительны: материалов. //Комплексное использование минерального сырья. - 199

- М 4. - С. 74-78.