ES2848023T3 - Composición de barrera hidráulica y método para fabricarla - Google Patents

Abstract

Una composición de barrera hidráulica que comprende: gránulos de arcilla-polímero que comprenden una arcilla que se expanden en agua y un sistema de polímero, en donde el sistema polimérico comprende una parte polimérica reticulada y una parte polimérica lineal, el sistema polimérico comprende cadenas de polímerode bajo peso molecular que tienen un peso molecular de 6 x 105 g/mol o menos y cadenas de polímero de alto peso molecular con un peso molecular superior a 6 x 105 g/mol determinado por cromatografía de exclusión por tamaño, el sistema polimérico que comprende acrilamido-metil-propano sulfonato (AMPS), y en donde la composición tiene una conductividad hidráulica de 1 x 10-7 cm/s o menos cuando se expone a lixiviados que tienen una o más de una fuerza iónica de 0,02 mol/litro a 3 mol/litro y una relación de iones monovalentes con respecto a divalentes expresada como la molaridad de la raíz cuadrada y calculada como en la descripción de menos de 50 M1/2.

Description

DESCRIPCIÓN

Composición de barrera hidráulica y método para fabricarla

Referencia cruzada a aplicación relacionada

Por la presente se reivindica el beneficio bajo 35 U.S.C. § 119 (e) de la solicitud de patente provisional de EE.UU. n.° 61/591,834, presentada el 27 de enero de 2012.

Antecedentes

Campo de la descripción

La descripción está dirigida a una barrera hidráulica y un método para fabricarla. Más particularmente, la descripción está dirigida a una barrera hidráulica que contiene gránulos de arcilla polimérica y al método para fabricarla, la barrera hidráulica es particularmente adecuada para su uso en entornos agresivos.

Breve descripción de la tecnología relacionada

Las barreras hidráulicas se utilizan en una serie de industrias para la absorción, contención y/o retención de agua. En una variedad de industrias, por ejemplo, la industria minera, la fuente de agua a ser absorbida, contenida o retenida está presente en condiciones que son incompatibles con el uso de barreras convencionales a base de arcilla o incluso mezclas secas convencionales de arcilla y polímero que contienen barreras. Las barreras convencionales incluyen, por ejemplo, revestimientos de arcilla geosintética, que tienen una capa de arcilla, como arcilla de bentonita, soportada por un material geotextil o de geomembrana, unidos mecánicamente mediante punción, cosido o adhesivos químicos.

Las barreras convencionales han demostrado ser ineficaces o ineficaces si la fuente tiene un pH alto o bajo o contiene una alta concentración de sales solubles, y en particular iones divalentes. Se conoce comúnmente que la arcilla de bentonita se hincha bien en agua dulce, pero mal en agua que tiene condiciones de pH drásticas (pH <3 o pH> 10) y/o que contiene sales y/o metales, como agua salada, agua de mar, drenaje ácido de minería, y similares. En tales entornos, puede ser necesario prehidratar suficientemente una barrera hidráulica convencional a base de arcilla de bentonita con agua dulce antes de su uso, lo que puede ser oneroso y prohibitivo en una variedad de aplicaciones.

Se ha investigado la respuesta de conductividad hidráulica de un GCL a base de bentonita granular cuando se expone a un lixiviado de pH alto (pH> 10) obtenido de un proceso de lixiviación de aluminio. El lixiviado de bauxita tenía una fuerza iónica de 774 milimolar y una relación de cationes monovalentes con respecto a multivalentes (RMD) = 1,15 M1/2, Al y Na son los metales predominantes en solución. La conductividad hidráulica (K) de los GCL fue de aproximadamente 10-9 cm/s cuando se impregna con agua del grifo. Cuando se impregna con el lixiviado de bauxita altamente cáustico, el GCL a base de bentonita granular se vuelve mucho más permeable, con una conductividad hidráulica final que varía entre 4,2x10-7 cm/s y 1,8x10-6 cm/s.

Las barreras hidráulicas a base de arcilla-polímero como las descritas en la patente estadounidense n.° 6,737,472 y la patente estadounidense n.° 6,783,802 se han desarrollado principalmente con el uso de un polímero absorbente de agua para facilitar y mejorar la retención de la arcilla dentro del material de la estera de barrera hidráulica. Por ejemplo, la patente estadounidense n.° 6,783,802 describe un sustrato poroso, tal como un revestimiento geotextil que tiene un iniciador de polimerización o un catalizador de polimerización integrado en este. La barrera hidráulica se forma poniendo en contacto este sustrato con un monómero, agente de reticulación y cualquier otro aditivo deseado y sometiéndolo a condiciones suficientes para polimerizar el monómero dentro del sustrato. El proceso tiene como resultado una mejor retención e integración de la arcilla y el polímero dentro del material del sustrato. En tal barrera hidráulica, puede ser preferible tener polímeros altamente reticulados para asegurar que el polímero permanezca retenido y entrelazado con el sustrato durante el uso. También se creía que era necesario tener tales polímeros altamente reticulados para asegurar que los polímeros fueran insolubles en agua y, por lo tanto, permanecerían dentro del sustrato durante el uso.

WO 2008/133497 A1 se refiere a un método para producir una esmectita modificada o una sustancia que contiene esmectita capaz de absorber y volver a engrasar el agua de manera reversible. Se dice que la sustancia es útil como aislante impermeable. WO 2004/018005 se dirige a partículas de SAP que comprenden una arcilla y una resina absorbente de agua. Se dice que las partículas son útiles para producir pañales. La patente estadounidense 4,977,192 describe composiciones poliméricas granulares que tienen capacidad de absorción y desorción de agua útiles para ser incorporadas en un medio de crecimiento de plantas. A. Li et ál. "Preparation and slow-relrease property of a poly(acrylic acid)/attapulgite/sodium humate superabsorbent composite", Journal of Applied Polymer Science, vol.

103, núm. 1, 2006, páginas 37-45 investiga los efectos de la absorbencia de agua dependiente de varios grados de reticulación en un compuesto superabsorbente de poli (ácido acrílico)/atapulgita/humato de sodio. A. Li y col. "Synthesis and Properties of Clay-based Superabsorbent Composite", European Polymer Journal, vol. 41, núm. 7, 2005, páginas 1630-1637 también describe efectos sobre la absorbencia de agua de varios superabsorbentes.

Compendio

Los inventores han descubierto ventajosamente que se puede formar una barrera hidráulica de uso a largo plazo que tiene una impermeabilidad mejorada y sustancialmente inmediata en entornos agresivos mediante el uso una composición de barrera hidráulica de arcilla-polímero en la que el polímero tiene una amplia distribución de cadenas de polímero de peso molecular. Esto proporciona beneficiosamente una barrera hidráulica que se puede utilizar en entornos agresivos sin necesidad de prehidratación con agua dulce. Además, se ha descubierto que las características de rendimiento de la barrera hidráulica se pueden adaptar ajustando diversas condiciones de procesamiento en el método de formación de los gránulos de arcilla-polímero. Estas y otras ventajas de la barrera hidráulica de la descripción se describen en detalle a continuación.

La presente invención está dirigida a una composición de barrera hidráulica como se define en la reivindicación 1, a una barrera hidráulica como se define en la reivindicación 5 y a un método para fabricar la composición de barrera hidráulica de la reivindicación 7. La presente invención también está dirigida a un método para contener un lixiviado. Las realizaciones preferidas de la invención se describen en las subreivindicaciones. Según una realización de la descripción, una composición de barrera hidráulica incluye gránulos de arcilla-polímero que comprenden una arcilla que se expande en agua y un polímero. El polímero incluye una parte de polímero reticulado y una parte de polímero lineal, donde al entrar en contacto con un lixiviado acuoso al menos una parte del polímero es solvatada por el lixiviado y al menos una parte del polímero queda atrapada en al menos uno de los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas de arcilla adyacentes.

Según otra realización de la descripción, una composición de barrera hidráulica incluye gránulos de arcilla-polímero que comprenden una arcilla que se expande en agua y un polímero. El polímero incluye una parte de polímero reticulado y una parte de polímero lineal. La composición tiene una conductividad hidráulica de 1 x 10-7 cm/s o menos cuando se expone a lixiviados que tienen una o más de una fuerza iónica de 0,02 mol/litro a 3 mol/litro y una relación del valor de los iones monovalentes con respecto a divalentes (RMD) de menos de 50 M1/2.

Como alternativa, una composición de barrera hidráulica puede incluir gránulos de arcilla-polímero que comprenden una arcilla que se expande en agua y un polímero soluble en agua sulfonado. La composición puede tener una conductividad hidráulica de 1 x 10-7 cm/s o menos cuando se expone a lixiviados que tiene un pH de menos de 1,5 y una fuerza iónica de aproximadamente 0,1 mol/litro a aproximadamente 10 mol/litro.

Una composición de barrera hidráulica puede incluir

gránulos de una arcilla que se expande en agua que contiene un polímero soluble en agua o que se expande en agua capaz de ser activado por el agua, para mejorar la propiedad de barrera al agua de la arcilla que se expande en agua, dichos gránulos forman una barrera hidráulica, en donde al contacto para disolver o dispersar al menos una parte del polímero en el agua, la parte del polímero queda atrapada en al menos uno de los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas adyacentes.

Una barrera hidráulica puede incluir

gránulos que comprenden una arcilla que se expande en agua y un sistema polimérico, el sistema polimérico tiene un peso molecular medio de aproximadamente 300.000 y una amplia distribución de cadenas de polímero de alto y bajo peso molecular de modo que al menos una parte del polímero se disuelve o dispersa rápidamente en agua al entrar en contacto los gránulos con agua y al menos una parte de las cadenas de polímero de alto peso molecular, una vez disueltas o dispersas en agua, quedan atrapadas en al menos uno de los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas adyacentes de la arcilla que se expande en agua.

Una barrera hidráulica puede incluir

gránulos que comprenden una arcilla que se expande en agua y un sistema de polímero, el sistema de polímero tiene polímeros con una estructura lineal y/o ligeramente ramificada y son capaces de ser activados por el agua de tal manera que el polímero se disuelve o se dispersa al contacto de los gránulos con agua y al menos una parte del polímero queda atrapada en al menos uno de los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas adyacentes de la arcilla que se expande en agua.

Una barrera hidráulica puede incluir

primeros gránulos que comprenden una arcilla que se expande en agua y un polímero, y segundos gránulos mezclados con los primeros gránulos, los segundos gránulos comprenden una arcilla que se expanden en agua. Los primeros gránulos son capaces de ser activados por el agua para formar una barrera hidráulica, en donde al entrar en contacto los primeros gránulos con agua, el polímero se disuelve o se dispersa en agua y al menos una parte del polímero queda atrapada en los poros y/o en la arcilla. bordes de plaquetas y/o entre plaquetas adyacentes de la arcilla que se expande en agua.

Según realizaciones adicionales de la descripción, una barrera hidráulica puede incluir cualquiera de las composiciones de barrera hidráulica de acuerdo con la descripción dispuesta en un material laminar.

Según realizaciones adicionales de la descripción, una barrera hidráulica puede incluir cualquiera de las composiciones de barrera hidráulica de acuerdo con la descripción dispuestas en un primer material en hoja e incluir un segundo material en hoja unido al primer material en hoja, la composición de barrera hidráulica se dispone entre el primer y el segundo material en hoja.

Según una realización de la descripción, un método para contener un lixiviado incluye disponer la barrera hidráulica de cualquiera de las reivindicaciones anteriores en contacto con un lixiviado acuoso, en donde, al entrar en contacto con el lixiviado, la composición de barrera hidráulica se activa para contener el lixiviado, y tras la activación, al menos una parte del polímero de los gránulos de arcilla-polímero es solvatado por el lixiviado y al menos una parte del polímero queda atrapada en al menos uno de los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas de arcilla adyacentes.

Un método de fabricación de una barrera hidráulica incluye poner en contacto una suspensión que contiene arcilla con un iniciador de polimerización, en donde la suspensión que contiene arcilla comprende arcilla que se expande en agua y un monómero; iniciar la polimerización de la suspensión que contiene arcilla y el iniciador de polimerización en condiciones suficientes para polimerizar el monómero para formar una mezcla de arcilla-polímero; y triturar la mezcla de arcilla-polímero en gránulos para formar gránulos de arcilla-polímero. Los gránulos de arcilla-polímero tienen un componente de polímero lineal y un componente de polímero reticulado.

Otro método de fabricación de una barrera hidráulica incluye formar una suspensión de arcilla, agua y un monómero polimerizable y polimerizar el monómero en la suspensión para formar una mezcla de arcilla/polímero, y cizallar la mezcla de arcilla y polímero en gránulos para formar gránulos de arcilla- polímero. Al entrar en contacto los gránulos de arcilla-polímero con agua, el polímero se disuelve o se dispersa en el agua y al menos una parte del polímero queda atrapada en al menos uno de los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas adyacentes de la arcilla que se expande en agua.

Otro método más para fabricar una arcilla que contiene moléculas de polímero solubles en agua atrapadas incluye formar una suspensión de arcilla, agua y un monómero polimerizable y polimerizar el monómero en la suspensión para formar una mezcla de arcilla/polímero y triturar la mezcla de arcilla y polímero en gránulos para formar gránulos de arcilla-polímero, de modo que se reduce el peso molecular promedio del polímero y aumenta la solubilidad en agua del polímero. El polímero, después de la trituración, tiene una amplia distribución de cadenas de polímero de alto y bajo peso molecular, de manera que el polímero se disuelve o se dispersa rápidamente en agua al entrar en contacto con los gránulos con agua y al menos una parte de las cadenas de polímero de alto peso molecular, una vez disueltas o dispersas en agua, queda atrapada en al menos uno de los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas adyacentes de la arcilla que se expande en agua.

Otro método más para fabricar una barrera hidráulica incluye poner en contacto una suspensión que contiene arcilla con un iniciador de polimerización, en donde la suspensión que contiene arcilla comprende arcilla y un monómero, calentar la suspensión que contiene arcilla y el iniciador de polimerización en condiciones suficientes para polimerizar el monómero para formar una mezcla de arcilla-polímero, y triturar la mezcla de arcilla-polímero en gránulos para formar gránulos de arcilla-polímero. Las condiciones de polimerización tienen como resultado que los polímeros tengan una estructura lineal, ligeramente ramificada y reticulada. Los polímeros pueden ser activados por el agua de manera que el polímero se disuelve o dispersa al entrar en contacto con los gránulos con agua y al menos una parte del polímero queda atrapada en al menos uno de los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas adyacentes de la arcilla que se expande en agua.

Un método de uso de una barrera hidráulica incluye activar una barrera hidráulica que comprende una arcilla que se expande en agua y un polímero al poner en contacto la barrera hidráulica con agua para disolver o dispersar el polímero en agua de modo que al menos una parte del polímero quede atrapada en al menos uno de los poros de arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas adyacentes de la arcilla que se expande en agua para formar una barrera sustancialmente impermeable al agua.

Se describe, pero no se reivindica, un método para separar moléculas poliméricas solubles en agua de mayor peso molecular de moléculas poliméricas solubles en agua de menor peso molecular que incluye formar una suspensión de arcilla, agua, un monómero polimerizable, un iniciador y opcionalmente un reticulante, y polimerizar el monómero en la suspensión para formar una mezcla de arcilla/polímero, cizallar la mezcla de arcilla-polímero en gránulos para formar gránulos de arcilla-polímero, pasar agua a través de los gránulos de arcilla-polímero dando como resultado moléculas de polímero de menor peso molecular que pasan a través de la arcilla-polímero gránulos y moléculas de polímero de mayor peso molecular que quedan atrapadas en la arcilla.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es un gráfico que ilustra el RMD y la fuerza iónica de varios entornos agresivos a las barreras hidráulicas a base de arcilla.

La Figura 2 es un gráfico que ilustra la conductividad hidráulica en función de la concentración de cloruro de calcio permeado para gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con una realización de la descripción y bentonita granular convencional;

La Figura 3 es un gráfico que ilustra la conductividad hidráulica en función del porcentaje de gránulos de arcillapolímero para una mezcla de bentonita granular y gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con una realización de la descripción, impregnada con un lixiviado de cloruro de calcio 50 mmol;

La Figura 4A es un gráfico que ilustra la permeabilidad en función del pH del permeado para gránulos de arcillapolímero de acuerdo con una realización de la descripción y bentonita granular convencional;

La Figura 4B es un gráfico que ilustra la permeabilidad para gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con una realización de la descripción y bentonita granular convencional en CaCl2500 mmol, NaOH 1 M, HNO31 M.

La figura 5A es un gráfico de dispersión de luz que ilustra la distribución del peso molecular del polímero de un efluente recogido después de poner en contacto una composición de barrera hidráulica de acuerdo con una realización de la descripción con agua;

La Figura 5B es una micrografía electrónica de barrido del efluente polimérico de los experimentos de permeabilidad analizados en la Figura 5A;

La Figura 6A son cromatogramas de dispersión de luz de ángulo recto y índice de refracción de GPC y el registro (peso molecular) frente a la gráfica de volumen de retención (calculado usando análisis de dispersión de luz) del influente en contacto con una composición de barrera hidráulica de acuerdo con una realización de la descripción; La Figura 6B es el índice de refracción de GPC y los cromatogramas de dispersión de luz en ángulo recto y el registro (peso molecular) frente a la gráfica de volumen de retención (calculado usando análisis de dispersión de luz) del efluente después de pasar a través de una composición de barrera hidráulica de acuerdo con una realización de la descripción;

La Figura 7 es un gráfico que ilustra la concentración de polímero liberado de un control y gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con las realizaciones de la descripción probadas usando la prueba de elución en CaCl2500 mmol;

La Figura 8 es un gráfico que ilustra la concentración de polímero liberado de un control y gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con realizaciones de la descripción probadas usando la prueba de elución en un lixiviado de pH bajo; La Figura 9 es un gráfico que ilustra la concentración de polímero liberado de un control y gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con realizaciones de la descripción probadas usando la prueba de elución en un lixiviado de pH alto; La Figura 10 es un gráfico que ilustra la concentración de polímero liberado de un control y gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con realizaciones de la descripción probadas usando la prueba de elución en agua desionizada;

La Figura 11 es un gráfico que ilustra la permeabilidad de una composición de barrera hidráulica de acuerdo con una realización de la descripción en comparación con una barrera hidráulica que contiene arcilla bentonita en varios lixiviados; La Figura 12A es un dibujo esquemático de una barrera hidráulica que tiene una capa de gránulos de arcilla-polímero colocada después (en la dirección del flujo de fluido) una capa de arcilla granular;

La Figura 12B es un dibujo esquemático de una barrera hidráulica que tiene una capa de gránulos de arcilla-polímero colocada antes (en la dirección del flujo de fluido) una capa de arcilla granular;

La Figura 13A es una ilustración esquemática de la estructura del gránulo de polímero de arcilla-polímero de acuerdo con una realización de la descripción; y

La Figura 13B es una ilustración esquemática de la estructura molecular de una composición de arcilla-polímero de acuerdo con una realización de la descripción.

Descripción detallada

Los intervalos pueden expresarse en el presente documento desde "aproximadamente" o "alrededor de" un valor particular y/o hasta "aproximadamente" o "alrededor de" otro valor particular. Cuando se expresa tal rango, otra realización incluye desde un valor particular y/o hasta el otro valor particular. De manera similar, cuando los valores se expresan como aproximaciones mediante el uso del antecedente "aproximadamente", se entenderá que el valor particular forma otra realización.

En la presente se describe una barrera hidráulica adecuada para su uso en una variedad de entornos, incluso en entornos agresivos, en los que las barreras a base de arcilla son típicamente menos eficaces debido a la incapacidad de la arcilla para expandirse rápidamente en tales condiciones. Como se usa en este documento, "ambiente agresivo" se refiere a un sistema en el que se desea la absorción, retención o contención de agua, que tiene un pH alto o bajo, una fuerza iónica alta y una concentración alta de iones divalentes y/o multivalentes. Por ejemplo, los entornos agresivos pueden incluir sistemas de agua que tienen un pH alto, por ejemplo, un pH de 10 o más, o tienen un pH bajo, por ejemplo, un pH de 3 o menos. Los entornos agresivos pueden tener, alternativa o adicionalmente, una fuerza iónica alta, por ejemplo, una fuerza iónica superior a 10 mol dm-3. La fuerza iónica (I), expresada como mol dm-3, es una función de la concentración de todos los iones presentes en esa solución y se calcula mediante la Fórmula 1, a continuación:

en donde Ci es una concentración molar del ion ith presente en la solución y zi es su carga.

Los entornos agresivos pueden tener, alternativa o adicionalmente, altas concentraciones de iones divalentes y/o multivalentes, por ejemplo, según se define mediante un valor de RMD. El valor de RMD es la relación de iones monovalentes a divalentes (o multivalentes). La RMD de la solución, expresada como la molaridad de raíz cuadrada, se puede calcular mediante la siguiente ecuación, donde M^m y M^d son la molaridad total de los cationes monovalentes y divalentes en la solución, respectivamente. La RMD de la solución, expresada como la molaridad de raíz cuadrada, se puede calcular mediante la Fórmula 2, a continuación:

Fórmula

en donde M^m y M^d son la molaridad total de los cationes monovalentes y divalentes en la solución, respectivamente. Los entornos agresivos tienen valores de RMD bajos, por ejemplo, menos de 0,7, especialmente menos de 0,5 y particularmente menos de 0,1. Los iones divalentes y multivalentes unen las plaquetas de una arcilla, evitando que la arcilla se expenda y forme una barrera hidráulica. Por lo tanto, en entornos que tienen valores de RMD bajos, las barreras de arcilla no pueden funcionar correctamente sin una prehidratación para expandir la arcilla. Si la arcilla finalmente se seca durante el uso, la barrera se volvería significativamente más permeable y la arcilla no volvería a expandirse debido a los efectos del agua que tiene una alta concentración de iones divalentes o multivalentes.

En algunas realizaciones, el entorno agresivo incluye altas concentraciones de cloruro de calcio, por ejemplo, concentraciones de cloruro de calcio de 50 mmol o más. El ambiente agresivo puede tener una concentración de cloruro de calcio, por ejemplo, de 50 mmol o más, 100 mmol o más, 150 mmol o más, 200 mmol o más, 250 mmol o más, 300 mmol o más, 350 mmol o más, 400 mmol o más, 450 mmol o más y 500 mmol o más. La Figura 1 ilustra gráficamente la RMD y la fuerza iónica de varios ambientes agresivos en comparación con el agua de los poros del suelo (un ambiente generalmente no agresivo). Como se muestra en la Figura 1, los desechos sólidos urbanos (RSW) presentan un entorno agresivo para las barreras a base de arcilla, ya que generalmente tienen una fuerza iónica de aproximadamente 100 mM. Los residuos radiactivos de baja actividad (LLRW) también presentan un entorno agresivo para las barreras a base de arcilla, ya que tienen un valor de RMD de menos de 0,5. Los productos de combustión de carbón (CCP) son otro entorno agresivo para las barreras a base de arcilla, que tienen una alta fuerza iónica y bajos valores de RMD. El agua de hidrofractura es un ejemplo de un entorno agresivo que tiene una alta fuerza iónica. Por ejemplo, las barreras hidráulicas de la descripción se pueden usar como barrera para la extracción de lixiviados, que pueden incluir, por ejemplo, cloruro de calcio, ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, sales de cianuro y pueden ser cáusticas, por ejemplo, hidróxido de sodio.

Las barreras hidráulicas de acuerdo con las realizaciones de la descripción pueden proporcionar una permeabilidad reducida (rendimiento mejorado) a un lixiviado por unidad de peso de barrera hidráulica en comparación con los revestimientos convencionales o barreras hidráulicas como los revestimientos de arcilla geosintética (GCL) y en comparación con las barreras hidráulicas que contienen solamente polímeros, al menos en entornos agresivos. Por ejemplo, las barreras hidráulicas de acuerdo con las realizaciones de la descripción pueden tener una conductividad hidráulica en entornos agresivos de 1x10-7 cm/s o menos, por ejemplo, 1x10-10 cm/s o menos. Los términos "permeabilidad" y "conductividad hidráulica" se utilizan en la presente de forma intercambiable. Los entornos agresivos pueden incluir, por ejemplo, un valor de RMD de menos de aproximadamente 50 M1/2 y/o una fuerza iónica de aproximadamente 0,02 mol/litro a aproximadamente 3 mol/litro, o de aproximadamente 0,5 mol/litro a aproximadamente 1,2 mol/litro. Por ejemplo, los lixiviados pueden tener un valor de RMD de menos de aproximadamente 50, 40, 30, 20, 10 o 5 M1/2. El lixiviado agresivo puede tener una fuerza iónica, por ejemplo, aproximadamente de 0,2 mol/litro a aproximadamente 2,8 mol/litro, aproximadamente de 0,3 mol/litro a aproximadamente 2,7 mol/litro, aproximadamente 0,4 mol/litro a aproximadamente 2,5 mol/litro, aproximadamente 0,5 mol/litro a aproximadamente 2,3 mol/litro, aproximadamente 0,7 mol/litro a aproximadamente 2,1 mol/litro, aproximadamente 0,9 mol/litro a aproximadamente 1,9 mol/litro, aproximadamente 1 mol/litro a aproximadamente 1,7 mol/litro, aproximadamente 1,3 mol/litro hasta aproximadamente 1,5 mol/litro. Otros ejemplos de fuerzas iónicas de lixiviados pueden incluir, por ejemplo, aproximadamente 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5, 1,6, 1,7, 1,8, 1,9, 2,0, 2,1,2,2, 2,3, 2,4, 2,5, 2,6, 2,7, 2,8, 2,9. y 3 mol/litro. Las barreras hidráulicas de la descripción también pueden ser adecuadas para entornos no agresivos.

Las barreras hidráulicas de acuerdo con las realizaciones de la descripción se pueden utilizar para aplicaciones geoambientales tales como absorción de agua (o lixiviados), retención de agua (o lixiviados) y contención de agua (o lixiviados), y particularmente en aquellas industrias en las que el agua (o lixiviados) está presente en un entorno agresivo, como, por ejemplo, en las operaciones de minería y/o extracción de oro. Por ejemplo, las barreras hidráulicas de acuerdo con las realizaciones de la descripción pueden tener un uso particular en tapas de vertederos, estanques de almacenamiento de agua de fracturamiento, estanques de contención de cenizas de carbón, plataformas de lixiviación en pilas de pH bajo, soluciones de minas de pH alto y aguas que contienen niveles elevados de sal (cloruros, sulfatos). La barrera hidráulica de acuerdo con las realizaciones de la descripción también puede ser útil en impermeabilización por debajo del nivel del suelo, tal como estacionamientos subterráneos, centros comerciales y similares para evitar la intrusión de agua subterránea; vertederos de residuos; cuerpos de agua artificiales; y otras aplicaciones geoambientales donde se necesita una barrera hidráulica de baja permeabilidad. En general, las barreras hidráulicas de la descripción se pueden colocar en contacto con un lixiviado o en una región que se sospecha que está en contacto con un lixiviado para contener de ese modo el lixiviado.

Una composición de barrera hidráulica de acuerdo con las realizaciones de la descripción incluye gránulos que contienen una arcilla que se expande en agua y un polímero que se activa con agua. Como se usa en este documento, "gránulos" se refiere a partículas de un polvo o granulación. Los gránulos pueden tener un diámetro medio de aproximadamente 10 micrómetros o más.

De forma ventajosa, los gránulos se activan rápidamente por contacto con el agua, incluida el agua presente en entornos agresivos. Por ejemplo, cuando los gránulos entran en contacto con agua, al menos una parte del polímero se disuelve o dispersa rápidamente en agua para proporcionar una respuesta de barrera hidráulica más inmediata, al menos en comparación con los sistemas convencionales basados en arcilla en entornos agresivos. El polímero puede ser un polímero soluble en agua o dispersable en agua que se activa con agua al disolverse o dispersarse cuando entra en contacto con agua. El polímero puede tener una amplia distribución de pesos moleculares altos y bajos, y generalmente tiene un componente de peso molecular bajo (también denominado en el presente documento "cadenas de polímero de peso molecular bajo") y un componente de peso molecular alto (también denominado en el presente documento cadenas de polímero de peso molecular"). Como se usa en este documento, las cadenas de polímero de bajo peso molecular también pueden incluir oligómeros. Sin pretender ceñirse a la teoría, se cree que una parte del polímero inicial y rápidamente (al menos en comparación con el componente de polímero de alto peso molecular) se solvata por el lixiviado acuoso al entrar en contacto con el lixiviado para proporcionar una barrera temporal que deja tiempo suficiente para que se active la parte de mayor peso molecular. Se cree que las cadenas de polímero de bajo peso molecular y/o los oligómeros, que son más solubles en agua en virtud de su menor peso molecular, se disuelven y dispersan al entrar en contacto con el agua y viajan y quedan atrapados temporalmente en los poros de la arcilla, alrededor de las plaquetas de arcilla en los bordes de las plaquetas de arcilla y/o entre plaquetas adyacentes, bloqueando temporalmente el paso del agua u otros lixiviados a través de la barrera hidráulica. Se teoriza además que el polímero producido por polimerización en presencia de arcilla puede tener una actividad mayor que los polímeros producidos por métodos tradicionales. El polímero de bajo peso molecular también puede interactuar con otros polímeros de bajo peso molecular o polímeros de alto peso molecular para formar enlaces covalentes o no covalentes para promover adicionalmente el atrapamiento u obstrucción.

Este bloqueo temporal es particularmente ventajoso en entornos agresivos porque la arcilla no puede expandirse para evitar el paso del agua en dichos entornos. Si bien las cadenas de polímero de bajo peso molecular solo pueden quedar atrapadas temporalmente en los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquitas de arcilla y/o entre las plaquetas de arcilla, esta respuesta inicial proporcionada por las cadenas de polímero de bajo peso molecular proporciona suficiente tiempo para que las cadenas de polímero de peso molecular alto se disuelvan o se dispersen en agua y queden atrapadas en el poro de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla, entre las plaquetas de arcilla y cualquier otro conducto de agua de la barrera hidráulica, proporcionando así una barrera hidráulica más permanente y duradera. En la Figura 13 se proporciona una ilustración esquemática de la interacción polímero-arcilla y la estructura molecular de los gránulos de arcilla-polímero según la invención.

Otra posibilidad es que los polímeros lineales o ligeramente ramificados (o reticulados) puedan formar enlaces covalentes o no covalentes con la arcilla, lo que promueve el atrapamiento. En entornos ricos en calcio y otros entornos ricos en multivalentes, por ejemplo, se cree que las cadenas de polímero que inicialmente se disuelven y dispersan al entrar en contacto con el agua, se reticulan y se asocian con el calcio u otros iones multivalentes. La reticulación iónica en presencia de iones multivalentes, como el calcio, puede tener como resultado la formación de un gel que puede revestir las plaquetas de arcilla y bloquear los poros de la arcilla, mejorando así las propiedades de barrera de la barrera hidráulica. El polímero también puede funcionar para reducir la concentración de los iones divalentes y otros iones multivalentes en el sistema, que de otro modo pueden unir las plaquetas de arcilla y evitar que la arcilla se expanda. Por lo tanto, en algunos entornos agresivos, se cree que el polímero puede mejorar la capacidad de la arcilla para expandirse retirando al menos algunos de los iones divalentes o multivalentes del sistema. El polímero también puede ayudar a la funcionalidad al absorber el lixiviado agresivo y mejorar la expansión del sistema. Por consiguiente, la barrera hidráulica de la descripción proporciona ventajosamente una barrera que se puede usar en entornos agresivos sin la necesidad de expandir previamente la arcilla prehidratando con agua dulce.

Se cree además que el polímero recubre y protege, al menos parcialmente, las plaquitas de arcilla, permitiendo así el uso de los gránulos a base de arcilla en entornos típicamente dañinos y/o destructivos para la arcilla. Por ejemplo, tras la activación, el polímero puede proteger las plaquetas de arcilla de una exfoliación dañina cuando se exponen a entornos ácidos.

La composición de barrera hidráulica puede incluir además arcilla granulada que se expande en agua mezclada con los gránulos de arcilla-polímero. Por ejemplo, la mezcla puede incluir al menos 0,5 por ciento en peso (% en peso) de los gránulos de arcilla-polímero en función del peso total de la mezcla. Las ventajas de los gránulos de arcilla-polímero, incluida la resistencia e impermeabilidad a entornos agresivos, se pueden lograr con la mezcla. En una barrera hidráulica de este tipo, los gránulos de arcilla-polímero representan un componente significativamente más caro, particularmente en comparación con la arcilla granulada que se expande en agua. Por lo tanto, la mezcla permite de manera beneficiosa la producción de una barrera hidráulica para entornos agresivos a un costo menor. La entrega de la mezcla de polímeros predispersada en un gránulo de arcilla-polímero también puede ayudar a igualar la gravedad específica de la arcilla si el producto se va a mezclar, lo que puede evitar la segregación en el equipo de manipulación y ayudar a mantener una distribución uniforme del polímero en la mezcla.

Arcilla que se expande en agua

La arcilla que se expande en agua de los gránulos de arcilla-polímero y/o la arcilla granulada puede ser, por ejemplo, una arcilla esmectita que se expande en agua. Ejemplos de arcillas que se expanden en agua adecuadas incluyen, pero no se limitan a, montmorillonita, saponita, nontronita, laponita, beidelita, hierro-saponita, hectorita, sauconnita, estevensita, vermiculita y mezclas de estas. Por ejemplo, la arcilla puede ser una arcilla de esmectita, tal como arcilla de esmectita de sodio, arcilla de esmectita de calcio, arcilla de esmectita activada con sodio y preferiblemente montmorillonita de sodio y bentonita de sodio.

La arcilla puede ser de aproximadamente un 10 % en peso a aproximadamente un 99 % en peso en función del peso total de los gránulos. Otros intervalos adecuados incluyen aproximadamente 15 % en peso a aproximadamente 85 % en peso, aproximadamente 20 % en peso a aproximadamente 80 % en peso, aproximadamente 30 % en peso a aproximadamente 70 % en peso, aproximadamente 40 % en peso a aproximadamente 60 % en peso y aproximadamente 20 % en peso a aproximadamente 50 % en peso. Por ejemplo, la arcilla puede incluir aproximadamente 10, 15, 20, 24, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 o 99 % en peso basado en el total peso de los gránulos.

También se pueden añadir a los gránulos otras arcillas o rellenos que no se expanden en agua y/o se pueden añadir a la composición por separado, por ejemplo, como gránulos de relleno. Tales arcillas y rellenos incluyen, por ejemplo, carbonato de calcio, talco, mica, vermiculita, arcillas activadas con ácido (donde un ion hidrógeno ha reemplazado al sodio), caolín, dióxido de silicio, dióxido de titanio, silicato de calcio, fosfato de calcio, alúmina, cenizas volantes, carburo de silicio, lignito, arena de sílice, vidrio reciclado, sulfato de calcio, cemento y mezclas de estos. Estas arcillas y rellenos se pueden añadir en cualquier cantidad adecuada de modo que la composición de barrera hidráulica comprenda al menos 0,5 % en peso de los gránulos de arcilla-polímero.

Polímero

Las cadenas de polímero de los gránulos de arcilla de polímero generalmente tienen una estructura lineal o ligeramente ramificada. Los gránulos incluyen un sistema polimérico que tiene una parte polimérica reticulada y una parte polimérica lineal. El sistema polimérico de los gránulos puede tener una amplia distribución de peso molecular e incluir tanto cadenas de polímero de alto peso molecular como cadenas de polímero de bajo peso molecular. El peso molecular promedio del sistema polimérico puede ser de aproximadamente 300.000 g/mol. Las cadenas de polímero de bajo peso molecular tienen un peso molecular suficientemente bajo para activarse rápidamente en agua, por ejemplo, disolviéndose o dispersándose en el agua, al entrar en contacto con el agua. Una vez disueltas o dispersadas, las cadenas de polímero de bajo peso molecular pueden quedar atrapadas temporalmente en los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquitas de arcilla y entre las plaquetas de arcilla para proporcionarle a la barrera hidráulica una impermeabilidad inicial al agua. Las cadenas de polímero de bajo peso molecular, sin embargo, tienen un peso molecular suficientemente bajo como para que finalmente estas cadenas de polímero fluyan a través de la arcilla. Las cadenas de polímero de bajo peso molecular tienen un peso molecular de 6x105 g/mol o menos. Pueden ser adecuados otros pesos moleculares siempre que el polímero de bajo peso molecular se active al entrar en contacto con el agua de manera que el componente de polímero de bajo peso molecular se disuelva o se disperse rápidamente en agua y finalmente pueda pasar entre los gránulos de arcilla hidratada. Por ejemplo, los gránulos de arcilla-polímero pueden tener componentes de bajo peso molecular de modo que al menos el 5 % del polímero de bajo peso molecular disponible pueda salir del gránulo después de aproximadamente 24 horas. Además, esos polímeros también pueden interactuar con otras cadenas de polímero mediante la formación de enlaces covalentes o no covalentes para retardar su paso entre los gránulos de arcilla hidratada.

Si bien la impermeabilidad proporcionada por las cadenas de polímero de bajo peso molecular puede ser temporal, es sustancialmente simultánea con el contacto de la barrera hidráulica con el agua y proporciona tiempo suficiente para que las cadenas de polímero de alto peso molecular se disuelvan o se dispersen en el agua y queden atrapadas en los poros de la arcilla, alrededor y entre las plaquetas de arcilla, y cualquier otro paso de agua a través de la barrera hidráulica para proporcionar una barrera hidráulica permanente que tenga baja permeabilidad incluso en entornos agresivos. Las cadenas de polímero de alto peso molecular tienen un peso molecular suficientemente alto de modo que quedan atrapadas por la arcilla y no pasan a través como un efluente. Las cadenas de polímero de alto peso molecular tienen un peso molecular superior a 6x105 g/mol. En algunas realizaciones, las cadenas de polímero de alto peso molecular pueden tener un peso molecular en un intervalo de aproximadamente 6x105 g/mol a aproximadamente 1x107 g/mol.

El sistema polimérico comprende sulfonato de acrilamido-metil-propano y se puede formar con cualquier monómero o monómeros orgánicos capaces de polimerizarse para proporcionar un polímero soluble en agua o dispersable en agua. Por ejemplo, el monómero orgánico puede tener la siguiente fórmula estructural:

H2C = CH-(C=O)-O-R,

en donde R se selecciona del grupo que consiste en un metal alcalino, H, CH3, CH2CH3, CH (CH3)2 y mezclas de estos. Por ejemplo, el monómero puede seleccionarse del grupo que consiste en ácido acrílico, acrilamida, un acrilato de metal alcalino, como acilato de sodio, u otros monómeros funcionales como glicoles, aminas, alcoholes y sales orgánicas y mezclas de estos. Los monómeros adecuados incluyen, por ejemplo, alquilacrilamidas, metacrilamidas, estirenos, alilaminas, alilamonio, dialilaminas, dialilamonios, alquilacrilatos, metacrilatos, acrilatos, n-vinil formamida, vinil éteres, vinilsulfonato, ácido acrílico, sulfobetaínas, malefobetaínas. anhídrido y mezclas de estos. Por ejemplo, las mezclas pueden incluir 50-90 por ciento en moles de un acrilato de metal alcalino y 10-50 por ciento en moles de ácido acrílico, o 65-85 por ciento en moles de un acrilato de metal alcalino y 15-35 por ciento en moles de ácido acrílico, en función del total moles de monómero de ácido acrílico polimerizable.

El sistema polimérico comprende sulfonato de acrilamido-metil-propano (AMPS). Las realizaciones de la descripción en las que la composición de barrera hidráulica contiene un polímero sulfonado soluble en agua pueden ser ventajosamente adecuadas para contener lixiviados que tienen un pH de menos de 1,5 y una fuerza iónica de aproximadamente 0,1 mol/litro a aproximadamente 10 mol/litro. Tales realizaciones también son adecuadas para contener otros lixiviados agresivos, como se describió anteriormente. Los gránulos de arcilla-polímero que contienen un polímero AMPS demuestran ventajosa e inesperadamente una expansión libre satisfactoria, con baja pérdida de fluido cuando se exponen a lixiviados agresivos, tales como un lixiviado de níquel.

Método de fabricación de la composición de la barrera hidráulica

Un método para formar una composición de barrera hidráulica de acuerdo con las realizaciones de la descripción puede incluir formar una mezcla o suspensión polimerizable mezclando arcilla, un monómero orgánico y un agente de reticulación. La mezcla puede contener además agentes neutralizantes, inhibidores y aditivos adicionales, si se desea. A continuación, puede añadirse un iniciador de polimerización o un catalizador de polimerización a la mezcla polimerizable. Después, la mezcla resultante se somete a condiciones suficientes para polimerizar completamente el monómero y formar una torta de material polimerizado. A continuación, el producto resultante se granula o tritura en un granulado o polvo para formar los gránulos de arcilla-polímero. Puede usarse cualquier método conocido de granulación o formación de polvo para procesar la torta polimerizada en gránulos de arcilla-polímero.

El monómero se polimeriza en presencia de un agente de reticulación. Puede usarse cualquier agente de reticulación compatible con el monómero orgánico y capaz y adecuado para reticular el monómero orgánico. Por ejemplo, el agente de reticulación puede ser fenol formaldehído, tereftaladehído, N, N'-metil bisacrilamida (MBA) y mezclas de estos.

Puede usarse cualquier cantidad del agente de reticulación o cualquier relación del reticulante al monómero suficiente para reticular el monómero en el grado deseado. La cantidad o relación de uso del agente de reticulación variará dependiendo, entre otros factores, de las características o propiedades deseadas de la barrera hidráulica, incluida su capacidad de absorción de agua y su capacidad para activarse rápidamente en presencia de agua. Por ejemplo, se ha encontrado que a medida que aumenta la relación del agente de reticulación al monómero, disminuye la disponibilidad de polímero soluble en agua libre. Además, la solubilidad en agua del polímero absorbente resultante y la capacidad de absorción de agua del polímero absorbente tienden a disminuir. En algunas realizaciones, puede ser necesaria una cantidad suficiente de reticulante para proporcionar la distribución de peso molecular deseada y la parte deseada de cadenas de polímero de alto peso molecular. La cantidad de agente de reticulación puede usarse como un factor para adaptar la respuesta deseada de la barrera hidráulica resultante. Por ejemplo, la relación molar de agente reticulante a monómero puede ser de aproximadamente 1:100 a aproximadamente 1:2000, aproximadamente 1:500 a aproximadamente 1:2000, aproximadamente 1:700 a aproximadamente 1:1800, aproximadamente 1:800 a aproximadamente 1:1600, aproximadamente 1:900 a aproximadamente 1:1400, o aproximadamente 1:1000 a aproximadamente 1:1500.

Por ejemplo, en una realización, un método para formar los gránulos de arcilla-polímero incluye mezclar el monómero orgánico con agua y un agente neutralizante, tal como hidróxido de sodio. Por ejemplo, el monómero orgánico, el agua y el agente neutralizante se pueden mezclar antes de la adición de la arcilla para formar una solución de polimerización con el fin de efectuar más fácilmente la neutralización de al menos una parte del monómero o monómeros orgánicos polimerizables. Por ejemplo, se puede neutralizar aproximadamente un 65-85 por ciento en moles del monómero orgánico antes de la adición de arcilla. Preferiblemente, también se puede agregar un agente de reticulación. El monómero orgánico, el agua, el agente neutralizante y el agente de reticulación se pueden mezclar para formar una solución de polimerización homogénea o sustancialmente homogénea antes de añadir la arcilla a la mezcla polimerizable. Al formar tal solución de polimerización homogénea o sustancialmente homogénea antes de la adición de la arcilla, puede ser posible obtener una consistencia y homogeneidad mejoradas en la intercalación de la arcilla. Sin embargo, en realizaciones alternativas, la arcilla se puede añadir sin formar tal mezcla homogénea o sustancialmente homogénea.

La arcilla se puede añadir a la solución de polimerización para formar la mezcla polimerizable de cualquier manera. En diversas realizaciones, la mezcla de polimerización que contiene la arcilla se cizalla durante el mezclado, lo que puede intercalar una parte del monómero orgánico entre las plaquetas de arcilla para exfoliar parcialmente las plaquetas de arcilla antes o simultáneamente con la polimerización.

El grado de mezclado de la mezcla polimerizable puede depender de las características deseadas de la mezcla resultante. Por ejemplo, la arcilla se puede combinar simplemente junto con el monómero de polimerización, el iniciador y los aditivos opcionales, sin tener en cuenta el grado de mezclado u homogeneidad de la mezcla resultante. En diversas realizaciones, sin embargo, la mezcla se mezcla para formar una mezcla sustancialmente homogénea u homogénea.

Se puede usar cualquier mezclador y cualquier método de mezcla que sea capaz de mezclar la arcilla y el monómero para lograr las características deseadas de la suspensión. La etapa de mezclado puede realizarse durante cualquier período o período de tiempo suficiente para lograr las características deseadas de la suspensión. Por ejemplo, la etapa de mezcla se puede realizar durante un período de tiempo suficiente para mezclar la arcilla y la solución polimerizable de manera que la mezcla resultante sea homogénea o sustancialmente homogénea.

El monómero se polimeriza usando un catalizador o iniciador de polimerización y condiciones suficientes para promover la polimerización. El catalizador o iniciador de polimerización puede ser cualquier iniciador o catalizador adecuado dependiendo del monómero o monómeros elegidos. Por ejemplo, el iniciador puede ser un iniciador de tipo persulfato, tal como persulfato de sodio. En una realización, el monómero es ácido acrílico y el iniciador es persulfato de sodio. El iniciador se proporciona en una cantidad suficiente para la polimerización completa del monómero. Una vez que se forma la mezcla polimerizable, se pone en contacto con un catalizador o iniciador de polimerización y se somete a condiciones suficientes para polimerizar la mezcla. Por ejemplo, en una realización, la mezcla polimerizable combinada con un catalizador de polimerización o un iniciador de polimerización se transfiere a un receptáculo adecuado y se calienta a una temperatura suficiente para polimerizar el monómero.

Pueden incorporarse aditivos a la mezcla antes de la polimerización y/o unirse al esqueleto del polímero para promover la unión de las cadenas del polímero a la superficie de las plaquetas de arcilla. En algunas realizaciones, se pueden unir uno o más aditivos al esqueleto del polímero después de la polimerización. Los aditivos pueden incluir, por ejemplo, sales de fosfonio, sales de aminas cuaternarias, alquilo y arilsilanos, alcoholes, glicoles, aminas y combinaciones de estos.

Preferiblemente, la temperatura para la polimerización se acerca o se eleva durante la polimerización para estar cerca del punto de ebullición del agua, de modo que el agua se elimina de la mezcla polimerizable durante el calentamiento. Por ejemplo, la mezcla polimerizable se puede calentar a una temperatura en un intervalo de aproximadamente 100°C a aproximadamente 150°C, aproximadamente 150°C a aproximadamente 240°C, aproximadamente 160°C a aproximadamente 230°C, aproximadamente 170°C a aproximadamente 220°C, aproximadamente 180°C a aproximadamente 210°C, aproximadamente 190°C a aproximadamente 200°C. Otras temperaturas adecuadas incluyen, por ejemplo, aproximadamente 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230 y 240 °C. Pueden usarse otras energías adecuadas para la iniciación, tales como, por ejemplo, UV, IR, radiación ionizante y reacciones redox.

Cuando se usa calentamiento, la mezcla polimerizable se puede calentar cualquier cantidad de tiempo adecuada para efectuar la polimerización. Por ejemplo, la mezcla polimerizable se puede calentar durante aproximadamente 1 minuto a aproximadamente 30 minutos, aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 25 minutos, aproximadamente 8 minutos a aproximadamente 20 minutos y aproximadamente 10 minutos a aproximadamente 15 minutos. Otros tiempos adecuados incluyen aproximadamente 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 y 30 minutos.

Puede usarse cualquier calentador y cualquier proceso de calentamiento que sea capaz de calentar la mezcla para polimerizar el monómero. Por ejemplo, la mezcla polimerizable se puede pasar a través de un sobre para calentar. La mezcla polimerizable se puede pasar a través del horno a cualquier velocidad adecuada capaz de efectuar la polimerización del monómero. Por ejemplo, la mezcla polimerizable se puede pasar a través del horno a una velocidad de cinta de aproximadamente 0,0254 m/s (5 pies/min) a 0,1524 m/s (30 pies/min), aproximadamente 0,0508 m/s (10 pies/min) a 0,1016 m/s (20 pies/min), aproximadamente 0,0254 m/s (5 pies/min) a 0,0508 m/s (10 pies/min), o alrededor de 0,0762 m/s (15 pies/min) a 0,1524 m/s (30 pies/min). Otras tasas adecuadas incluyen aproximadamente 0,0254, 0,0304, 0,0355, 0.0406, 0.0457, 0.0508, 0.0558, 0.0609, 0.0660, 0.0711, 0.0762, 0.0812, 0.0863, 0.0914, 0.0965, 0.1016, 0.1066, 0.1117, 0.1168, 0.1219, 0.1270, 0.1320, 0.1371, 0.1422, 0.1473 y 0.1524 m/s (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21,22, 23, 24, 25, 26, 27 ,28 , 29 y 30 pies/min).

En algunas realizaciones, la mezcla polimerizada se mantiene a una temperatura elevada después de la etapa de calentamiento. La temperatura elevada es igual o mayor que la temperatura del paso de calentamiento. La mezcla polimerizada se puede mantener a temperatura elevada, por ejemplo, para eliminar cualquier exceso de agua de la mezcla polimerizada antes de la granulación. Por ejemplo, la temperatura elevada puede estar en un intervalo de aproximadamente 150°C a aproximadamente 250°C, aproximadamente 175°C a aproximadamente 200°C, aproximadamente 180°C a aproximadamente 230°C, aproximadamente 195°C a aproximadamente 215°C, aproximadamente 200°C a aproximadamente 250°C. Otras temperaturas adecuadas incluyen, por ejemplo, aproximadamente 150, 155, 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190, 195, 200, 205, 210, 215, 220, 225, 230, 235, 240, 245 y 250°C.

La mezcla polimerizada se puede mantener a temperatura elevada después de la etapa de calentamiento durante cualquier período de tiempo adecuado. Por ejemplo, la mezcla polimerizada se puede mantener a temperatura elevada durante aproximadamente 0,5 minutos a aproximadamente 30 minutos, aproximadamente 10 minutos a aproximadamente 25 minutos, aproximadamente 7 minutos a aproximadamente 30 minutos, aproximadamente 12 minutos a aproximadamente 20 minutos, aproximadamente 14 minutos a aproximadamente 18 minutos, o aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 30 minutos. Otros tiempos adecuados incluyen aproximadamente 0,5, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21,22. , 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 y 30 minutos.

Sin pretender imponer ninguna teoría, se cree que la polimerización del polímero en presencia de la arcilla puede mejorar beneficiosamente la estructura deseada del polímero, es decir, proporcionar polímeros que tienen estructuras lineales o ligeramente ramificadas. Se cree que la arcilla actúa como molde para las cadenas de polímero en crecimiento y las estructuras reticuladas. La interacción del monómero y la arcilla puede impartir un producto más activo. Por lo tanto, se descubrió inesperadamente que la polimerización del monómero y el reticulante en presencia de la arcilla proporciona beneficiosamente una mayor cantidad de estructuras móviles lineales y ligeramente ramificadas o reticuladas, que a su vez se ha determinado como más deseable para proporcionar una activación rápida de las barreras hidráulicas.

A continuación, la mezcla polimerizada se puede granular o triturar en un granulado o en polvo para formar los gránulos de arcilla-polímero. El polímero puede cizallarse durante el proceso de granulación, lo que puede ayudar a proporcionar gránulos de arcilla-polímero que tienen cadenas de polímero con estructuras de polímero lineales o ligeramente ramificadas. Los gránulos pueden tener cualquier tamaño adecuado, que puede depender, por ejemplo, del uso final y/o método de aplicación para su incorporación en un sustrato. Por ejemplo, los gránulos pueden tener un diámetro medio de aproximadamente 10 micrómetros o más. En algunas realizaciones, al menos el 80 % de los gránulos, en número, tienen un tamaño en un intervalo de aproximadamente 5 mesh a aproximadamente 325 mesh, aproximadamente 10 mesh a aproximadamente 300 mesh, aproximadamente 20 mesh a aproximadamente 200 mesh, aproximadamente 14 mesh a aproximadamente 200 mesh, aproximadamente mesh 14 a aproximadamente 80 mesh, aproximadamente 25 mesh a aproximadamente 100 mesh, aproximadamente 50 mesh a aproximadamente 200 mesh, aproximadamente 75 mesh a aproximadamente 175 mesh, aproximadamente 100 mesh a aproximadamente 150 mesh, aproximadamente 75 mesh a aproximadamente 100 mesh, y alrededor de 6 mesh a alrededor de 50 mesh. Otros tamaños adecuados incluyen aproximadamente 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44,46, 48, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 225, 250, 275, 300 y 325 mesh.

Se ha descubierto, de forma ventajosa e inesperada, que las propiedades de la barrera hidráulica resultante, incluida la velocidad a la que se activa la barrera en entornos agresivos, se pueden adaptar adaptando uno o más de los parámetros de procesamiento para formar los gránulos de arcilla-polímero, tales como la cantidad de agente reticulante y la temperatura a la que se polimeriza la mezcla polimerizable. Por ejemplo, se observó una actividad más alta y se puede producir una barrera hidráulica de activación rápida usando una pequeña cantidad de agente de reticulación y una temperatura más baja. Sin embargo, la temperatura debe ser suficientemente alta para polimerizar el monómero y eliminar sustancialmente toda la humedad del producto polimerizado. Sin pretender imponer ninguna teoría, se cree que el ajuste de las condiciones de polimerización, como la cantidad de agente de reticulación y la temperatura de polimerización, tiene como resultado cambios en la estructura de los polímeros (es decir, estructuras lineales o ramificadas) y la distribución del peso molecular y particularmente el contenido de cadenas de polímero de bajo peso molecular capaces de activarse rápidamente cuando se ponen en contacto con agua para proporcionar una impermeabilidad al agua sustancialmente inmediata.

Como alternativa, se puede añadir a la arcilla un polímero o una mezcla de polímeros presintetizados en lugar de la formación del polímero en presencia de la arcilla. Puede usarse cualquier polímero basado en los monómeros descritos anteriormente. El polímero o la mezcla de polímeros presintetizado tienen una amplia distribución de peso molecular. Por ejemplo, un polímero de alto peso molecular y un polímero de bajo peso molecular se pueden combinar y mezclar con la arcilla para formar los gránulos de arcilla-polímero. Por ejemplo, un polímero presintetizado de alto peso molecular puede tener un peso molecular promedio superior a 1 x106 g/mol. Por ejemplo, un polímero presintetizado de bajo peso molecular puede tener un peso molecular promedio de aproximadamente 100.000 a aproximadamente 300.000, de aproximadamente 150.000 a aproximadamente 250.000 o de aproximadamente 200.000 a aproximadamente 250.000. El polímero de bajo peso molecular puede tener un índice de polidispersidad en un rango de aproximadamente 1 a aproximadamente 7, aproximadamente 2 a aproximadamente 6, aproximadamente 3 a aproximadamente 5. Otros valores adecuados del índice de polidispersidad incluyen, por ejemplo, aproximadamente 1,2, 3 , 4 , 5, 6 y 7. El polímero de alto peso molecular también puede tener un índice de polidispersidad en un rango de aproximadamente 1 a aproximadamente 7, aproximadamente 2 a aproximadamente 6, aproximadamente 3 a aproximadamente 5. Otros valores adecuados del índice de polidispersidad incluyen, por ejemplo, aproximadamente 1,2, 3, 4, 5, 6 y 7. El polímero de alto peso molecular puede estar ligeramente reticulado.

El polímero presintetizado puede ser de aproximadamente 0,07 % en peso a aproximadamente 70 % en peso de la mezcla de arcilla-polímero, basado en el peso total de la mezcla. Otras cantidades adecuadas incluyen aproximadamente 0,1 % en peso a aproximadamente 70 % en peso, aproximadamente 10 % en peso a aproximadamente 60 % en peso, aproximadamente 20 % en peso a aproximadamente 40 % en peso, aproximadamente 30 % en peso a aproximadamente 70 % en peso. %, aproximadamente 1 % en peso a aproximadamente 10 % en peso, aproximadamente 0,5% en peso a aproximadamente 3% en peso, 0,1 % en peso a aproximadamente 0,5 % en peso, aproximadamente 0,1 % en peso a aproximadamente 1 % en peso, aproximadamente 0,2 % en peso a aproximadamente 4 % en peso, aproximadamente 0,4 % en peso a aproximadamente 3 % en peso, o aproximadamente 0,6 % en peso a aproximadamente 2 % en peso, en función del peso total de la mezcla. Otras cantidades adecuadas incluyen aproximadamente 0,07, 0,1,0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65 y 70 % en peso.

Por ejemplo, cuando se usa una mezcla de polímeros de alto y bajo peso molecular, cada uno de los polímeros se puede proporcionar, por ejemplo, en las cantidades proporcionadas anteriormente. En un aspecto, la concentración de polímero de bajo peso molecular es de aproximadamente el 25 % en peso a aproximadamente el 70 % en peso basado en el peso total del polímero en los gránulos de arcilla-polímero. En otro aspecto, el polímero de bajo peso molecular es de aproximadamente 40 % en peso a 60 % en peso basado en el polímero total en los gránulos de arcilla-polímero.

Se pueden añadir directamente a la arcilla polvos o gránulos de polímero seco. Alternativamente, una suspensión de los polímeros y arcilla se puede predispersar en agua, secar y granular o moler hasta obtener un polvo. A continuación, el polvo se puede utilizar en la barrera hidráulica.

En algunas realizaciones, la composición de barrera hidráulica consiste esencialmente en gránulos de arcilla-polímero. En otras realizaciones, la composición de barrera hidráulica puede incluir una combinación de gránulos de arcillapolímero y gránulos de relleno adicionales, tales como gránulos de arcilla. Se puede usar cualquier arcilla granular adecuada, tal como las arcillas que se expanden en agua descritas anteriormente. Los gránulos de relleno pueden incluir cualquier relleno adecuado inclusive, por ejemplo, carbonato de calcio, talco, mica, vermiculita, arcillas activadas con ácido (donde un ion hidrógeno ha reemplazado al sodio), caolín, dióxido de silicio, dióxido de titanio, silicato de calcio, fosfato de calcio, alúmina, cenizas volantes, carburo de silicio, arena de sílice, lignito, vidrio reciclado, sulfato de calcio, cemento y mezclas de estos. La composición puede incluir además tales cargas en forma no granular. Además, la composición puede incluir polímeros adicionales, no incluidos en los gránulos de arcilla-polímero. Por ejemplo, la composición puede incluir un polímero superabsorbente. Polímeros adicionales adecuados pueden incluir, por ejemplo, alquilacrilamidas, metacrilamidas, estirenos, alilaminas, alilamonio, dialilaminas, dialilamonios, alquilacrilatos, metacrilatos, acrilatos, n-vinilformamida, viniléteres, vinilsulfonato, ácido acrílico, sulfobetaínas, carboxilaminas, anhídrido maleico y mezclas y copolímeros estos.

La barrera hidráulica puede incluir al menos un 0,25 % en peso de gránulos de arcilla-polímero en función del peso total de la composición de barrera hidráulica. El porcentaje en peso restante puede ser arcilla granular o una mezcla de arcillas granulares. Otra cantidad adecuada de gránulos de arcilla-polímero cuando se combinan con arcilla adicional puede incluir aproximadamente 0,25 % en peso a aproximadamente 100 % en peso, aproximadamente 0,5 % en peso a aproximadamente 95 % en peso, aproximadamente 1 % en peso a aproximadamente 80 % en peso, aproximadamente 5 % en peso hasta aproximadamente el 70 % en peso, aproximadamente el 10 % en peso hasta aproximadamente el 60 % en peso, aproximadamente el 15 % en peso hasta aproximadamente el 50 % en peso, aproximadamente el 20 % en peso hasta aproximadamente el 40 % en peso, aproximadamente el 0,5 % en peso hasta aproximadamente el 5 % en peso, aproximadamente el 1 % en peso hasta aproximadamente el 10 % en peso, aproximadamente el 2 % en peso hasta aproximadamente el 8 % en peso, aproximadamente el 2 % en peso hasta aproximadamente el 6 % en peso, o aproximadamente el 1 % en peso hasta aproximadamente el 5 % en peso. Otras cantidades adecuadas de gránulos de arcilla-polímero incluyen aproximadamente 0,25, 0,3, 0,35, 0,4, 0,45, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5, 6, 6.5, 7, 7,5, 8, 8,5, 9, 9,5, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95 y 100 % en peso.

Método de fabricación de barreras hidráulicas

Se puede formar una barrera hidráulica incorporando la composición de barrera hidráulica en un sustrato, por ejemplo, un geotextil. La composición de barrera hidráulica puede incorporarse y retenerse en un sustrato usando cualquier método conocido, por ejemplo, punzonado con aguja, cosido, unión química, unión adhesiva y combinaciones de estos. Por ejemplo, la barrera hidráulica se puede formar perforando con agujas desde 10.000 golpes/pie2 a aproximadamente 24,00 golpes/pie2. En diversas realizaciones, se pueden usar gránulos que tienen un tamaño de malla mayor, por ejemplo, en un intervalo de 5 a 200 mesh, cuando se usa punzonado con aguja. El uso de gránulos de mayor tamaño cuando se usa punzonado con aguja puede proporcionar ventajosamente un rendimiento mejorado. Sin pretender imponer ninguna teoría, se cree que los gránulos más grandes pueden obstruir de forma más eficaz los conductos formados por la operación de punzonado. En varias realizaciones, las barreras hidráulicas formadas usando punzonado con aguja incluyen al menos aproximadamente 4 % de carga de gránulos de arcilla-polímero. Sin pretender imponer ninguna teoría, se cree que la carga adicional de los gránulos de arcilla-polímero puede ser ventajosa cuando se perfora con agujas para bloquear los pasos formados por la perforación con agujas y los haces de agujas. El sustrato puede ser cualquier sustrato que sea compatible con la composición de barrera hidráulica. Por ejemplo, el sustrato puede ser un sustrato fibroso. El sustrato puede ser absorbente de agua o absorbente de agua. El sustrato puede estar formado o incluir un material geotextil, incluidos materiales geotextiles tejidos y no tejidos. Los materiales geotextiles pueden tener cualquier peso y estar formados a partir de cualquier material adecuado para su uso en la aplicación prevista de la barrera hidráulica, por ejemplo, en entornos agresivos. El geotextil puede tener un peso unitario de aproximadamente 0,05 kg/m2 hasta aproximadamente 0,8 kg/m2, alrededor de 0,1 kg/m2 hasta aproximadamente 0,4 kg/m2, o alrededor de 0,1 kg/m2 hasta aproximadamente 0,2 kg/m2.

Además, el material geotextil puede tener cualquier forma compatible para proporcionar el material de barrera hidráulica deseado en cualquier tamaño o forma para adaptarse a cualquier área a proteger contra un contacto sustancial con el agua. En una realización, el sustrato es una hoja sustancialmente plana que comprende al menos una capa del material geotextil. Ejemplos de materiales geotextiles adecuados incluyen, entre otros, PETROMAT 4597, PETROMAT 4551 y PETROMAT 4506, disponibles de Amoco, GEO-4-REEMAY 60, un material de poliéster, disponible de Foss, Inc. y 25WN040-60 disponible de Cumulus Corp. El sustrato puede tener cualquier espesor adecuado. Por ejemplo, el material GEO-4-REEMAY 60 está disponible en 2 mm de espesor y el material 25WN040-60 está disponible en 5 mm de espesor.

La barrera hidráulica puede incluir una hoja de cubierta y/o una hoja portadora. La hoja de cubierta y/o la hoja de soporte pueden ser un material geotextil. La hoja de cubierta y/o la hoja de soporte se pueden unir al sustrato utilizando cualquier método conocido, como los utilizados para formar revestimientos de arcilla geosintética. Por ejemplo, la composición de barrera hidráulica se puede perforar con agujas, por lo que las fibras de una capa superior de material laminar no tejido se desplazan y aseguran a una capa inferior de material laminar no tejido, y las fibras de la capa inferior de material laminar no tejido se desplazan y asegurado a la capa superior de material laminar no tejido. Se puede usar cualquier otro método adecuado para adherir la hoja de cubierta, como coser o usar un adhesivo.

En algunas realizaciones de la descripción, los gránulos de arcilla-polímero se proporcionan como una capa separada de una capa de bentonita granular. Por ejemplo, se puede formar una barrera hidráulica formando una capa de los gránulos de arcilla-polímero, por ejemplo, incrustando los gránulos de arcilla-polímero en un sustrato o usando un método secuencial para agregar los gránulos de arcilla-polímero antes o después de la adición. de los gránulos de bentonita. Los gránulos de arcilla-polímero se pueden retener en un sustrato usando cualquier método adecuado. Se puede utilizar cualquier sustrato adecuado. Con referencia a la Figura 12B, la barrera hidráulica se puede formar colocando la capa granular de arcilla-polímero antes (en la dirección del flujo de fluido) de una capa de arcilla granular. La capa de bentonita granular se puede formar de cualquier forma utilizando cualquier sustrato y métodos adecuados para retener la bentonita granular en el sustrato. Por ejemplo, en una realización, los gránulos de arcilla-polímero se incrustan en una lámina de cobertura de la barrera hidráulica. La arcilla granular se incrusta en un material laminar inferior de la barrera hidráulica y se retiene en la barrera hidráulica perforando con una aguja la hoja de cubierta al material laminar inferior. En otra realización, la bentonita granular y los gránulos de arcilla-polímero se pueden formar por separado en esteras de geocompuestos usando cualquier sustrato y métodos adecuados para formar los esteras. A continuación, las esteras se pueden ensamblar en una barrera hidráulica, en donde la estera que contiene gránulos de arcilla-polímero se coloca antes (en la dirección del flujo de fluido) que la estera que contiene arcilla granular.

Los siguientes ejemplos se proporcionan a modo de ilustración y no pretenden de ninguna manera limitar el alcance de la invención.

Ejemplos

Ejemplo de referencia 1: Formación de una composición granular de arcilla-polímero

Se formaron composiciones granulares de arcilla-polímero usando los ingredientes y cantidades que se muestran en la Tabla 1, a continuación.

Tabla 1: Composición compuesta de arcilla-polímero

El MBA se disolvió en el ácido acrílico y luego se diluyó con agua desionizada y se neutralizó con la solución de NaOH.

A continuación, la arcilla se añadió lentamente mientras se mezclaba usando un Sterling Multimixer. El iniciador se añadió y se agitó usando el Multimixer. Se colocó aproximadamente 1 litro de la suspensión en una bandeja para hornear de 3 cuartos y se calentó a 190 °C durante aproximadamente 20 minutos. Después, la temperatura se redujo a 110 °C y se dejó que la mezcla polimerizada permaneciera a temperatura elevada durante la noche. El material resultante se rompió luego en trozos más pequeños y se trituró para formar los gránulos de arcilla-polímero. La Tabla 2 proporciona varios parámetros de la suspensión que se usa para formar los gránulos de arcilla-polímero.

Tabla 2: Porcentaje de elementos del análisis de la suspensión

Se evaluó la permeabilidad de los gránulos en comparación con la bentonita granular en diferentes concentraciones de cloruro de calcio (CaCL) (es decir, que representan un entorno agresivo). Los experimentos de permeabilidad se llevaron a cabo de acuerdo con ASTM D 5084 con una tensión efectiva promedio de 20 kPa y un gradiente hidráulico de 200. La concentración de cloruro de calcio del permeado se incrementó de 1 a 500 mMol/litro. La barrera hidráulica fue prehidratada en la solución de lixiviado de CaCl2 . Como se muestra en la Figura 2, los gránulos de arcilla-polímero, analizados por sí mismos, se comportaron bien contra todas las soluciones de permeado, particularmente en comparación con la bentonita granular a concentraciones de cloruro de calcio superiores a 5 mMol/litro. Los gránulos de arcilla-polímero demostraron una permeabilidad de menos de 1x10-10 cm/seg. En algunos experimentos, se observó la obstrucción de las líneas del permeámetro, lo que tuvo como resultado una disminución repentina de la permeabilidad. Se cree que el oligómero liberado de los gránulos de arcilla-polímero provocó la obstrucción. Todas las medidas de permeabilidad descritas en este documento han eliminado de la consideración las medidas de permeabilidad reducida durante la obstrucción.

Como se muestra en la Figura 3, se demostró además que la mezcla de bentonita granular con los gránulos de arcillapolímero a niveles tan bajos como 0,5 % en peso de los gránulos de arcilla-polímero también demostró una permeabilidad aceptablemente baja de menos de 1x10-8 cm/s en concentraciones de cloruro de calcio de hasta 50 mMol/litro. El control de bentonita granular, sin embargo, exhibió una permeabilidad de 2x10-5 cm/seg.

Como se muestra en la Figura 4A, los gránulos de arcilla-polímero expuestos tanto a soluciones de pH alto (NaOH 1 M) como de pH bajo (HNO 1 M3) funcionaron satisfactoriamente, exhibiendo conductividades hidráulicas de 8x10-9 cm/s y 1x10-9 cm/seg, respectivamente. La muestra analizada incluía el 100 % de los gránulos de arcilla-polímero formados de acuerdo con el Ejemplo de referencia 1, CPC-1. La Figura 4B demuestra además que, en comparación con la arcilla de bentonita sola, los gránulos de arcilla-polímero demostraron una baja conductividad hidráulica en 500 mmol de CaCl2 y 1 M de HNO3.

Los gránulos de arcilla-polímero se sometieron a estas agresivas condiciones durante aproximadamente dos años y demostraron una permeabilidad aceptablemente baja durante el transcurso de las pruebas.

El ejemplo anterior demuestra que los gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con las realizaciones de la descripción demuestran ventajosamente una baja permeabilidad en ambientes agresivos tales como altas concentraciones de cloruro de calcio y soluciones de pH alto y bajo. Los gránulos de arcilla-polímero demostraron una mejora significativa con respecto a la bentonita en tales entornos.

Ejemplo de referencia 2: Formación a gran escala de gránulos de arcilla-polímero

Los gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con las realizaciones de la descripción se sintetizaron en un horno de alimentación por cinta a gran escala utilizado para la producción de barreras hidráulicas. Las suspensiones para formar los gránulos de arcilla-polímero se formaron pesando el ácido acrílico (monómero polimerizable) en una taza de polipropileno, midiendo la metilen bisacrilamida (agente de reticulación) en un recipiente separado y agregándola al ácido acrílico, y mezclando de forma giratoria para formar una solución de ácido acrílico. El agua se midió en un recipiente de plástico separado y se añadió a la solución de ácido acrílico. Se midió el hidróxido de sodio en un recipiente separado y se añadió muy lentamente a la solución de ácido acrílico para evitar el sobrecalentamiento. El persulfato de sodio y la arcilla se agregaron como paso final junto con la solución de iniciador. Después, la mezcla se mezcló usando un multimezclador. La suspensión resultante se vació sobre una bandeja de horno Telfon y se calentó en un horno que tenía tres zonas de calentamiento y una zona de enfriamiento final. La zona de enfriamiento estaba a una temperatura de aproximadamente 93,3 °C (200 °F). La torta de arcilla-polímero resultante se granuló luego para formar los gránulos de arcilla-polímero.

Se produjo una primera serie de gránulos de arcilla-polímero a una temperatura promedio del horno de aproximadamente 135 °C (275 °F). El horno tenía tres zonas, la primera y la segunda zonas se establecieron a aproximadamente 121,1 °C (250 ° F) y la tercera zona se estableció a aproximadamente 148,8 °C (300 ° F). Las composiciones y los parámetros de procesamiento de las muestras producidas en la primera serie se muestran en la Tabla 3, a continuación.

Tabla 3: Gránulos de arcilla-polímero producidos usando una temperatura promedio del horno de aproximadamente 135 2C (275 °F)

Se produjo una segunda serie de gránulos de arcilla-polímero a una temperatura promedio del horno de aproximadamente 190,5 °C (375 °F). El horno tenía tres zonas de calentamiento, donde la primera y la segunda zona se ajustaron a aproximadamente 176,6 °C (350 °F) y la tercera zona a aproximadamente 204,4 °C (400 °F). Las composiciones y condiciones de procesamiento de las muestras producidas en la segunda serie se muestran en la Tabla 4, a continuación.

Tabla 4: Gránulos de arcilla-polímero producidos usando una temperatura promedio del horno de aproximadamente 190,5 °C (375 °F)

Ejemplo de referencia 3: Prueba de activación de polímeros

Se evaluaron la distribución del peso molecular y la capacidad de los gránulos de arcilla-polímero formados en diferentes condiciones. Los resultados demuestran que el comportamiento de los gránulos de arcilla-polímero se puede adaptar alterando las condiciones de formación. Los inventores han descubierto de forma ventajosa y sorprendente que la cantidad de agente de reticulación y la temperatura de polimerización tienen efectos significativos sobre el comportamiento de los gránulos de arcilla-polímero. Sorprendentemente, se encontró que la relación de cantidad relativa de arcilla a monómero impacta en la actividad del producto final. Sorprendentemente, los contenidos de arcilla más altos favorecen una mayor actividad en unas condiciones de polimerización dadas. También se encontró sorprendentemente que la cantidad de arcilla también afecta a la velocidad a la que puede activarse el polímero y, por tanto, al rendimiento general de los gránulos de arcilla-polímero. No se habría esperado que la arcilla promoviera la activación del polímero en la formulación, afectando la velocidad a la que una parte del polímero se solubiliza cuando entra en contacto con el agua. Sin pretender ceñirse a la teoría, se cree que la arcilla actúa como un agente dispersante físico durante la polimerización del monómero orgánico, lo que tiene como resultado cadenas de polímero que tienen estructuras lineales o ligeramente ramificadas, que pueden tener una mayor solubilidad en agua dependiendo del peso molecular.

Para demostrar la ventaja de rendimiento del compuesto de arcilla/polímero al permitir rápidamente que el polímero se disuelva y esté disponible en la barrera hidráulica, se probaron varias formulaciones de arcilla-polímero agregando 20 gramos de gránulos de arcilla-polímero a una bolsa de poliéster con dimensiones de 4 in. de ancho por 4 pulgadas de largo. La bolsa de poliéster tenía un peso de tejido de 0,035 lb/pie cuadrado. Los gránulos de arcilla-polímero se sellaron completamente dentro de la bolsa de poliéster usando un sellador térmico o adhesivo. Las bolsas se sumergieron completamente en 700 mL de agua desionizada. Se dejó que el aire escapara de la bolsa llena y se colocó una tapa o tapa sobre el recipiente para evitar la evaporación del agua. El recipiente se mantuvo a 72 °F (aproximadamente 22°C) y permaneció fuera del contacto directo con la luz solar. A intervalos de tiempo establecidos, se retiró la tapa del recipiente y se tomó una muestra de 2 ml del agua que rodeaba la bolsa llena (es decir, el efluente) se tomó con una pipeta. La absorbancia de la muestra de agua se midió mediante UV-Vis a 195 nm. El agua de la muestra se volvió a colocar en el recipiente para mantener un volumen de agua constante de 700 ml para obtener más muestras.

El valor de absorbancia medido se puede usar para calcular la concentración de oligómero usando la siguiente ecuación. La concentración de oligómero en el efluente muestreado es indicativa del rendimiento y el grado de respuesta inmediata que exhibiría una barrera hidráulica que contiene los gránulos de arcilla-polímero.

Ecuación 1. |AMJ = {ABS - 0.5)/0.0031

en donde AM es la concentración de material activo (ppm) y ABS es el valor de absorbancia de la muestra de agua a 195 nm. Las condiciones de procesamiento para formar los gránulos de arcilla-polímero junto con la absorbancia medida se muestran en la Tabla 5, a continuación.

1

1

 Las muestras CPC-1 a CPC-27 demostraron niveles aceptables de capacidad de liberación de polímero para caracterizarse como un gránulo de arcilla-polímero de activación rápida. Es aceptable una concentración de 100 PPM después de 4 horas en agua desionizada y se prefiere una concentración de > 500 PPM después de 4 horas.

Como se ilustra en las Figuras 7-10, se realizó una prueba posterior en la que se probaron formulaciones de CPC seleccionadas en lixiviados agresivos. Estas pruebas de lixiviación fueron similares a las pruebas anteriores excepto que el contenido total de polímero en el sistema se fijó en 7 gramos independientemente de la formulación del gránulo de CPC. De esta forma, las muestras de CPC podrían compararse con un control de polímero de bajo peso molecular. Se prepararon tres soluciones de lixiviación donde un pH alto, un pH bajo y 500 mmol.

En función de estas pruebas, se determinó que la cantidad de agente de reticulación y la temperatura durante la polimerización tenían el efecto más significativo sobre el rendimiento de los gránulos de arcilla-polímero. En particular, se determinó que los gránulos de arcilla-polímero se activarían más rápidamente con temperaturas de polimerización más bajas y cantidades más bajas de agente de reticulación. Sin embargo, la temperatura debe ser suficientemente alta para permitir la polimerización del monómero. Sorprendentemente, se determinó que el aumento del contenido de arcilla también promovía mayores velocidades de liberación de material activo en una composición de monómero dada. La Tabla 6 siguiente proporciona un conjunto de intervalos determinados teóricamente para la composición y las condiciones de procesamiento, que se cree que produce gránulos de arcilla-polímero que tienen una alta actividad de polímero en el ensayo de elución.

Tabla 6: Composición optimizada y condiciones de procesamiento determinadas teóricamente

En función de estas relaciones, las composiciones y las condiciones de procesamiento para formar los gránulos de arcilla-polímero se seleccionaron particularmente para lograr una alta actividad durante la prueba de elución. La Tabla 7 siguiente proporciona la composición y las condiciones de procesamiento de estos gránulos de arcilla-polímero.

Tabla 7: Gránulos de arcilla-polímero producidos para medir la actividad durante la prueba de elución

Un análisis de regresión de las variables asociadas con las condiciones de polimerización y la fórmula con la respuesta de liberación permitió el desarrollo de una función de transferencia predictiva. Esta función de transferencia permitió a los inventores calcular los valores de liberación de material activo pronosticados en 4 horas que se enumeran en la Tabla 6.

Ejemplo de referencia 4: Prueba de peso molecular

Se analizó la distribución del peso molecular de los gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con las realizaciones de la descripción. Este análisis confirma que al entrar en contacto con el agua, una parte del polímero que tiene un peso molecular bajo se disuelve o dispersa en agua y viaja a través de la arcilla, obstruyendo temporalmente los poros y las plaquetas de la arcilla para proporcionar una impermeabilidad inmediata. Las cadenas de polímero de bajo peso molecular eventualmente pasan a través de la arcilla, pero dejan suficiente tiempo para que las cadenas de polímero de alto peso molecular se disuelvan o dispersen en agua y queden atrapadas (más permanentemente) en las plaquetas y poros de la arcilla para proporcionar un efecto más permanente y duradero de impermeabilidad.

Los gránulos de CPC-1 se sometieron a una prueba de permeabilidad en agua desionizada de acuerdo con ASTM D 5084 con una tensión efectiva promedio de 20 kPa y un gradiente hidráulico de 200. El agua de salida se recogió en un acumulador de vejiga y se secó para análisis de dispersión de luz usando un zetasizador Malvern Nano-ZS. La distribución de peso molecular, que se muestra en la Figura 5A, muestra una distribución bimodal de polímeros con una gran población de muestras de bajo peso molecular y una pequeña población de especies de alto peso molecular. Este análisis confirma que al entrar en contacto con el agua, una parte del polímero que tiene un peso molecular bajo se disuelve o se dispersa en agua y viaja a través de los poros de la arcilla y las plaquetas para proporcionar una impermeabilidad inmediata. Las cadenas de polímero de bajo peso molecular eventualmente pasan a través de la arcilla, pero dejan suficiente tiempo para que las cadenas de polímero de alto peso molecular se disuelvan o dispersen en agua y queden atrapadas (más permanentemente) en las plaquetas y poros de la arcilla para proporcionar una impermeabilidad más permanente y duradera. Un análisis adicional de la muestra de polímero seco del acumulador de salida muestra la presencia de una pequeña cantidad de arcilla de aluminosilicato que es rica en azufre. Estos datos indican que pueden formarse algunos enlaces químicos entre el polímero y la arcilla para ayudar aún más en el proceso de bloqueo de los poros entre los gránulos de arcilla.

Se realizaron más pruebas de peso molecular de la muestra de CPC-1 mediante cromatografía de exclusión por tamaño en las soluciones de polímero aisladas tanto en el lado de entrada como en el de salida del experimento de permeabilidad. Los resultados del análisis se muestran en la Tabla 8, a continuación, y en las Figuras 6A y 6B. Los datos mostrados en las Figuras 6A (lado de entrada) y 6B (lado de salida) muestran que la distribución del peso molecular cambia cuando los polímeros atraviesan la barrera hidráulica. El análisis de los cromatogramas detallados en la Tabla 8 muestra que el índice de polidispersidad disminuye de 6 a 4 a medida que los polímeros atraviesan la barrera hidráulica. La comparación de las trazas de la cromatografía de exclusión por tamaño muestra que el polímero recogido en el lado de salida del experimento contenía menos especies de bajo peso molecular y de alto peso molecular.

Tabla 8: Cambio de peso molecular de influyente a efluente

Los resultados demuestran que el peso molecular del polímero efluente se atenúa, lo que indica que las cadenas de polímero de menor peso molecular se activan rápidamente al entrar en contacto con el agua. Estos polímeros son más pequeños y móviles, lo que puede permitirles interactuar con más áreas de las galerías de arcilla y aumentar su probabilidad de interactuar con los sitios de unión en la arcilla. A partir de los datos de la cromatografía de exclusión por tamaño, se cree que las cadenas de polímero que tienen un peso molecular inferior a 6x104 g/mol (es decir, "cadenas de polímero de bajo peso molecular") son fuertemente interactivas. Se esperaría que los polímeros de muy alto peso molecular se hidrataran más lentamente y también se movieran más lentamente a través de los poros de la arcilla debido a las dimensiones de sus bobinas en solución. Cadenas de polímeros con pesos moleculares superiores a 9x105 g/mol (es decir, "cadenas de polímero de peso molecular muy grande") era menos probable que se eluyeran de la barrera de arcilla. Las "cadenas de tamaño mediano" son más móviles y pueden eludir con mayor facilidad.

Ejemplo de referencia 5: Prueba de activación de polímeros en lixiviados agresivos

El ensayo de elución descrito en el Ejemplo 3 anterior se utilizó para evaluar la activación polimérica de los gránulos de arcilla-polímero en un entorno agresivo. Se usó como control un polímero de bajo peso molecular disponible comercialmente (250.000 MW NAPAA). El polímero comercial tenía un peso molecular similar al que se determinó experimentalmente como el peso molecular de las cadenas de polímero eluidas de los gránulos de arcilla-polímero durante la prueba de actividad. También se analizaron tres muestras de gránulos de arcilla-polímero. Las composiciones de las tres muestras de gránulos de arcilla-polímero se proporcionan en la Tabla 9, a continuación. Las muestras B y C se prepararon usando un horno de línea de producción por zonas que tenía una temperatura promedio de 190,5 °C (375 °F), donde la primera y segunda zonas se fijan a 176,6 °C (350 °F) y la tercera zona a 204,4 °C (400 °F). La muestra A se produjo usando un horno del tamaño de un laboratorio y se preparó como se describe en el ejemplo 1. Las muestras B y C se prepararon como se describe en el ejemplo 2. La composición y las condiciones de procesamiento para la muestra C se optimizaron como se describe en el ejemplo 3.

Tabla 9: Composición de arcilla-polímero

La Figura 7 ilustra los resultados de la prueba de elución realizada en 500 mmol de CaCl2, tomándose muestras de concentración a las 2 horas (barras negras) y 336 horas (barras blancas). Como se demuestra en la Figura 7, el control (polímero de bajo peso molecular solo) no se activó rápidamente cuando se expuso a un entorno agresivo. Los gránulos de arcilla-polímero demuestran una liberación de polímero significativamente mayor en el corto período de tiempo (medición de 2 horas) en comparación con la muestra de control. La muestra C demostró una liberación de polímero mejorada a corto y largo plazo en comparación con las muestras A y B.

La Figura 8 ilustra los resultados de la prueba de actividad para un lixiviado de pH bajo (pH = 1,5). La muestra C demostró una elución significativamente mejorada a corto y largo plazo en comparación con las otras muestras. La muestra A demostró resultados iniciales a corto plazo comparables a los del polímero de bajo peso molecular, pero mejores resultados a largo plazo. La muestra B demostró mejores resultados de elución a largo plazo en comparación con el control. Estos resultados demuestran que la composición y los parámetros de procesamiento (optimizados en la Muestra C) pueden afectar significativamente el desempeño de los gránulos de arcilla-polímero en varios ambientes agresivos.

La Figura 9 ilustra los resultados de la prueba de elución en un lixiviado de pH alto (pH = 11). Estos resultados demuestran que los gránulos de arcilla-polímero de acuerdo con las realizaciones de la invención son capaces de activarse rápidamente al entrar en contacto con un lixiviado agresivo. Estos resultados demuestran además que proporcionar un polímero de bajo peso molecular solo no da como resultado una composición que se active rápidamente. Sin pretender imponer ninguna teoría, se cree que la presencia de polímeros de alto y bajo peso molecular en los gránulos de arcilla-polímero, así como la presencia de la arcilla, da como resultado la capacidad de los gránulos para activarse rápidamente en entornos agresivos.

La Figura 10 ilustra los resultados de la prueba de elución en agua desionizada. El rendimiento más comparable de las muestras de acuerdo con las realizaciones de la invención y el control demuestra que el monómero no polimerizado en los gránulos de arcilla-polímero no es la causa del rendimiento mejorado en lixiviados agresivos. La Figura 11 es una comparación de la permeabilidad de una barrera hidráulica formada usando gránulos de la muestra A y una barrera hidráulica formada usando el control (arcilla de bentonita sin polímero). La barrera hidráulica que contiene la Muestra A demuestra una permeabilidad significativamente mejorada (es decir, menor) en una variedad de lixiviados agresivos en comparación con el control.

Ejemplo de referencia 6:

Se incorporaron gránulos de arcilla-polímero formados de acuerdo con el Ejemplo de referencia 1 en muestras de GCL y se ensayó la permeabilidad en varios lixiviados. Cada una de las muestras de GCL incluía gránulos de arcillapolímero formados de acuerdo con la Muestra C descrita en el Ejemplo de referencia 5. Los gránulos de arcillapolímero en cada muestra tenían un tamaño de aproximadamente 14 mesh a aproximadamente 200 mesh y un nivel de carga de polímero del 15 % en peso del gránulo. Además, las muestras se prepararon perforando con aguja dos hojas con la composición dispuesta entre ellas, con una densidad de perforación de aproximadamente 20.800 perforaciones/pie2. Las muestras tenían una carga de aditivo total de 444,3 kg/m2 (0,91 libras/pie2). Las tablas 10A y 10D a continuación proporcionan los resultados de las pruebas. Cada una de las composiciones de arcilla-polímero se sometió a un lixiviado y se ensayó según ASTM D6766 para determinar la permeabilidad (cm/seg) de las composiciones en el lixiviado ensayado. Las muestras se sometieron directamente al lixiviado y no se prehidrataron en agua desionizada.

En la Tabla 10A, los gránulos de arcilla-polímero se probaron en un lixiviado CCR agresivo. El lixiviado tiene un valor de RMD de 1,19, una fuerza iónica de 2,0 y un pH de 7,3. Cada una de las muestras ensayadas se formó perforando con aguja dos hojas que tenían la composición de barrera hidráulica dispuesta entre ellas. A modo de comparación, se prepararon varias muestras con polímeros disponibles comercialmente. LIQUISORB (CETCO, IL) es un polímero superabsorbente a base de acrilato de sodio disponible comercialmente. Se obtuvieron polímeros lineales de poliacrilato de sodio de bajo peso molecular (6K, 60K y 250K) de Polysciences Inc en forma de solución, que se secaron y dimensionaron hasta una malla 14-80 antes de su uso. Se obtuvo poliacrilato de sodio lineal de alto peso molecular en forma de ácido seco de Sigma Aldrich, Inc. y se neutralizó hasta aproximadamente un 60 % usando una solución de hidróxido de sodio. Los poliacrilatos de sodio lineales se incluyeron en partes equivalentes si se usaban múltiples pesos moleculares. Para las muestras de comparación que incluyen los poliacrilatos de sodio lineales, la relación de polímero reticulado a polímero lineal fue 66/34. El tamaño de malla para los aditivos utilizados como se enumera en la Tabla 10A.

Tabla 10A: Prueba de permeabilidad en lixiviados CCR

Como se demuestra en la Tabla 10A, los gránulos de arcilla-polímero según la descripción proporcionaron una permeabilidad mejorada con niveles de carga de polímero más bajos.

Como se muestra en la Tabla 10B, los lixiviados sintéticos se formularon con sustancias químicas consideradas representativas de los diversos tipos de aplicaciones de uso final. Los lixiviados A-F, Trona, CCR, FGD y de alta fuerza iónica representan los lixiviados que se podrían esperar de los subproductos de la combustión del carbón. Los lixiviados de níquel y uranio representan los licores o residuos de relaves asociados con el procesamiento de los respectivos minerales. Los lixiviados que se muestran en la Tabla 10B varían en fuerza iónica de 0,1 a 7,8 mol/litro, valores de pH de 0,9 a 10,9 y valores de RMD de 0,02 a 38,5 mol/LA0,5.

Tabla 10E: Composición química da diversos lixiviados da prueba

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La Tabla 10C muestra lixiviados de sitios reales donde se obtuvieron una solución de salmuera concentrada de un sitio minero y un licor de bauxita de una mina de aluminio. La química de los lixiviados se analizó mediante plasma acoplado inductivamente (ICP) para determinar la concentración de las principales especies catiónicas. Los datos de ICP se utilizaron para proporcionar una estimación de la RMD. La conductividad eléctrica se utilizó para proporcionar una estimación de la fuerza iónica donde la fuerza iónica (expresada en mol/L) es igual a la conductividad eléctrica (expresada en microsiemens por centímetro dividida) entre 60.800.

Tabla 10C: Composición química de los lixiviados del sitio real

La Tabla 10D proporciona los resultados de las pruebas de permeabilidad de las muestras en estos diversos lixiviados.

Tabla 10D: Prueba de permeabilidad en varios lixiviados para un GCL con un contenido de CPC del 15 % y una carga total de aditivo de 444,3 kg/m2 (0,91 lbS/pieA2)

Como se ilustra en la Tabla 10D, las barreras hidráulicas de acuerdo con la descripción proporcionan una buena permeabilidad que tiene como resultado una variedad de lixiviados, lo que demuestra que las barreras hidráulicas de acuerdo con la descripción se pueden usar en una variedad de entornos industriales agresivos.

Ejemplo 7: Disposición de la barrera hidráulica

Con referencia a las Figuras 12A y 12B, se examinó la disposición de los gránulos de arcilla-polímero con respecto a la arcilla de bentonita granular en una barrera hidráulica. Con referencia a la Figura 12A, se formó una barrera hidráulica colocando una capa de arcilla-polímero granular después (en la dirección de flujo) de la arcilla bentonita granular. Con referencia a la Figura 12B, se formó una barrera hidráulica colocando una capa de arcilla-polímero granular antes (en la dirección del flujo) de la bentonita granular. Cada una de las composiciones de barrera hidráulica incluye 2 % en peso de gránulos de arcilla-polímero y 98 % en peso de bentonita granular. Las pruebas de conductividad hidráulica se realizaron con 50 mM de CaCl2 como el lixiviado. Se observó que colocar los gránulos de arcilla-polímero antes de la bentonita granular dio como resultado una reducción (mejora) significativa de la permeabilidad. La conductividad hidráulica de la barrera hidráulica con los gránulos de arcilla-polímero colocados antes de la bentonita granular fue de 3x10-11 m/seg, mientras que la conductividad hidráulica para la barrera hidráulica que tiene los gránulos de arcilla-polímero dispuestos después de la bentonita granular fue de 4x10-8 m/seg. Se realizaron pruebas adicionales en una barrera hidráulica que tenía una mezcla de 2% en peso de gránulos de arcillapolímero y 98 % en peso de bentonita granular proporcionada como una única capa premezclada. Esta barrera hidráulica tenía una conductividad hidráulica ligeramente mejorada de 5x10-11 m/s, en comparación con la barrera hidráulica que proporciona los gránulos de arcilla-polímero como una capa separada antes de la bentonita granular.

Ejemplo 8: Gránulos de arcilla-polímero AMPS

Se formaron composiciones granulares de arcilla-polímero usando los ingredientes y cantidades que se muestran en la Tabla 11, a continuación.

Tabla 11: Composiciones de arcilla-polímero AMPS

El monómero del ácido 2-acrilamido-2-metilpropano sulfónico (AMPS) se adquirió de Sigma Aldrich, Inc. El agua de reacción se añadió a un recipiente de vidrio enfriado a 18 grados Celsius. Mientras se agitaba, se añadió el AMPS en forma de polvo al agua y se mezcló hasta que se dispersó por completo. Se añadió éter metílico de hidroquinona (MEHQ) como inhibidor junto con la N'N'metilen-bisacrilamida antes de la neutralización. La solución de NaOH se añadió en gotas mientras se mantenía la temperatura por debajo de 29 grados Celsius y luego se dejó enfriar a temperatura ambiente después de la neutralización. Para los copolímeros de ácido acrílico, se añadieron el ácido acrílico y MBA antes de la adición del monómero AMPS. A continuación, la arcilla se añadió lentamente mientras se mezclaba usando un Sterling Multimixer. El iniciador se añadió y se agitó usando el Multimixer. Se colocó aproximadamente 1 litro de la suspensión en una bandeja para hornear de 3 cuartos y se calentó hasta 190 °C durante aproximadamente 20 minutos. Después, la temperatura se redujo hasta 110 °C y se dejó que la mezcla polimerizada permaneciera a temperatura elevada durante la noche. El material resultante se rompió luego en trozos más pequeños y se trituró para formar los gránulos de arcilla-polímero. La Tabla 2 proporciona varios parámetros de la suspensión que se usa para formar los gránulos de arcilla-polímero. Los gránulos de arcilla-polímero tenían un tamaño de malla de aproximadamente 14-80. Los gránulos de arcilla-polímero se incorporaron entre dos materiales laminados a una carga total de 444,1 kg/m2 (0,91 libras/pie2). El contenido de los gránulos de AMPS CPC con respecto a la bentonita osciló entre el 9 % y el 15 % en este ejemplo. Luego, las muestras se perforaron con aguja a una densidad de punción de 20800 punzones/pie2 para formar una barrera hidráulica para la prueba.

Se evaluó la permeabilidad de los gránulos. Los experimentos de permeabilidad se llevaron a cabo de acuerdo con ASTM D 6766 con un esfuerzo efectivo promedio de 20 kPa y un gradiente hidráulico de 200. Se probaron varios lixiviados agresivos que tienen un pH bajo y fuerzas iónicas altas. Para demostrar aún más la versatilidad de los gránulos de arcilla-polímero AMPS, también se ensayó la permeabilidad en un lixiviado de estanque de salmuera de alto pH. Cada uno de los lixiviados probados a continuación representa lixiviados en los que los revestimientos de arcilla convencionales no funcionan adecuadamente y/o requieren prehidratación. Los resultados de las pruebas de permeabilidad se ilustran en la Tabla 12, a continuación:

Tabla 12: Prueba de permeabilidad de los gránulos de polímero Clay-AMPS

Los gránulos de arcilla-polímero se analizaron adicionalmente para determinar la expansión libre y la pérdida de líquido en un lixiviado de níquel agresivo. Se probaron y compararon las siguientes composiciones: 100 % de polímero AMPS (sin arcilla), gránulos de arcilla-polímero donde el polímero es 100 % (designado en la Tabla 13 como 100 % AMPS con arcilla) AMPS, gránulos de arcilla-polímero donde el polímero tiene una mezcla 50/50 de AMPS y NaPAA (referido en la Tabla 13 como 50/50 AMPS/NaPAA con arcilla) y gránulos de arcilla-polímero donde el polímero tiene una mezcla 30/70 de AMPS y NaPAA (referido en la Tabla 13 como 30/70 AMPS/NaPAA con arcilla). Las pruebas se realizaron de acuerdo con ASTM 5890, sustituyendo el lixiviado por agua. Los gránulos de arcilla-polímero AMPS demostraron un hinchamiento libre sorprendentemente bueno y una pérdida de fluido limitada en el lixiviado agresivo. Estos resultados demuestran además que el beneficio de contener tales lixiviados agresivos puede realizarse cuando se combina AMPS con otro polímero, siempre que esté presente una cantidad suficiente de AMPS. Los resultados de la prueba se ilustran en la Tabla 13, a continuación.

Tabla 13: Pruebas de pérdida de líquido y de hinchamiento libre

Si bien se han descrito anteriormente varias realizaciones, esta descripción no pretende limitarse a estas. Se pueden realizar variaciones a las realizaciones descritas que todavía están dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (25)

REIVINDICACIONES

1. Una composición de barrera hidráulica que comprende:

gránulos de arcilla-polímero que comprenden una arcilla que se expanden en agua y un sistema de polímero, en donde

el sistema polimérico comprende una parte polimérica reticulada y una parte polimérica lineal,

el sistema polimérico comprende cadenas de polímerode bajo peso molecular que tienen un peso molecular de 6 x 105 g/mol o menos y cadenas de polímero de alto peso molecular con un peso molecular superior a 6 x 105 g/mol determinado por cromatografía de exclusión por tamaño,

el sistema polimérico que comprende acrilamido-metil-propano sulfonato (AMPS), y

en donde la composición tiene una conductividad hidráulica de 1 x 10-7 cm/s o menos cuando se expone a lixiviados que tienen una o más de una fuerza iónica de 0,02 mol/litro a 3 mol/litro y una relación de iones monovalentes con respecto a divalentes expresada como la molaridad de la raíz cuadrada y calculada como en la descripción de menos de 50 M1/2.

2. La composición de barrera hidráulica de la reivindicación 1, que comprende además gránulos de relleno, los gránulos de relleno comprenden un relleno; y en donde la combinación de los gránulos de relleno y los gránulos de arcilla-polímero comprende al menos un 0,25 % en peso en función del peso total de la composición de barrera hidráulica.

3. La composición de barrera hidráulica de la reivindicación 2, en donde el relleno se selecciona del grupo que consiste en arcilla que se expande en agua, yeso, cenizas volantes, carburo de silicio, arena de sílice, lignito, vidrio reciclado, sulfato de calcio, cemento, carbonato de calcio, talco, mica, vermiculita, arcillas activadas con ácido, caolín, dióxido de silicio, dióxido de titanio, silicato cálcico, fosfato cálcico y mezclas de estos.

4. La composición de barrera hidráulica de la reivindicación 3, en donde el relleno comprende una arcilla que se expande en agua seleccionada del grupo que consiste en montmorillonita de sodio, bentonita de sodio, bentonita de calcio activada con sodio y mezclas de estas.

5. Una barrera hidráulica que comprende la composición de barrera hidráulica de la reivindicación 1 dispuesta entre un primer y un segundo material laminar unido al primer material laminar.

6. La barrera hidráulica de la reivindicación 5, en donde la composición dispuesta entre la primera y segundo material en hoja tiene una carga total de al menos 0,91 libras/pie2 (0,038 kg/m2).

7. Un método de fabricación de la composición de barrera hidráulica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, el método comprende:

proporcionar gránulos de arcilla-polímero que comprenden una arcilla que se expande en agua y un sistema de polímero, en donde el sistema de polímero comprende una parte de polímero reticulado y una parte de polímero lineal, el sistema de polímero comprende cadenas de polímero de bajo peso molecular que tienen un peso molecular de 6 x 105 g/mol o menos y cadenas de polímero de alto peso molecular con un peso molecular superior a 6 x 105 g/mol según se determina mediante cromatografía de exclusión por tamaño, y el sistema polimérico comprende sulfonato de acrilamido-metil-propano (AMPS),

en donde proporcionar los gránulos de arcilla-polímero comprende formar una mezcla o suspensión polimerizable mezclando arcilla que se expande en agua y un monómero orgánico, un agente de reticulación y, opcionalmente, un agente neutralizante y/o aditivos adicionales, añadiendo un iniciador de polimerización o catalizador de polimerización, someter la mezcla polimerizable a condiciones suficientes para polimerizar completamente el monómero y granular o triturar el producto resultante de la polimerización en un granulado o polvo para formar los gránulos de arcilla-polímero; y

formar una composición de barrera hidráulica que comprende los gránulos de arcilla-polímero.

8. El método de la reivindicación 7, en donde la arcilla que se expande en agua está presente en cantidades de 15 % en peso a 85 % en peso basado en el peso total de los gránulos de arcilla-polímero.

9. El método de la reivindicación 7, en donde la arcilla que se expande en agua comprende una arcilla esmectita que se expande en agua seleccionada del grupo que consiste en montmorillonita de sodio, bentonita de sodio y arcilla esmectita cálcica.

10. El método de la reivindicación 7, en donde al menos el 80 % de los gránulos de arcilla-polímero, en número, tienen un tamaño en un intervalo de 6 mesh (3360 gm) a 325 mesh (44 g m).

11. El método de la reivindicación 10, en donde los gránulos de arcilla-polímero usados para formar la composición de barrera hidráulica están en el rango de tamaño de 14 mesh (1410 p m) a 80 mesh (177 p m).

12. El método de la reivindicación 7, en donde están presentes gránulos de relleno, los gránulos de relleno comprenden un relleno.

13. El método de la reivindicación 7, en donde los gránulos de arcilla-polímero comprenden al menos 0,25 % en peso de gránulos de arcilla-polímero, en función del peso total de la composición de barrera hidráulica.

14. El método de la reivindicación 12, en donde el relleno se selecciona del grupo que consiste en arcilla que se expande en agua, yeso, cenizas volantes, carburo de silicio, arena de sílice, lignito, vidrio reciclado, sulfato de calcio, cemento, carbonato de calcio, talco, mica, vermiculita, arcillas activadas con ácido, caolín, dióxido de silicio, dióxido de titanio, silicato de calcio, fosfato de calcio y mezclas de estos.

15. El método de la reivindicación 14, en donde el relleno comprende arcilla esmectita que se expande en agua.

16. El método de la reivindicación 15, en donde la arcilla esmectita que se expande en agua se selecciona del grupo que consiste en montmorillonita de sodio, bentonita de sodio, bentonita cálcica activada con sodio y mezclas de estas.

17. El método de la reivindicación 7, en donde formar la composición de barrera hidráulica comprende disponer los gránulos de arcilla-polímero y opcionalmente disponer los gránulos de relleno entre un primer material en hoja y un segundo material en hoja, y unir el segundo material en hoja al primer material en hoja; en donde la primera hoja se une a la segunda hoja mediante punzonado, unión química, unión adhesiva o una combinación de estos.

18. El método de la reivindicación 7, en donde polimerizar comprende:

poner en contacto la suspensión que contiene arcilla con un iniciador de polimerización;

iniciar la polimerización de la suspensión que contiene arcilla y el iniciador de polimerización en condiciones suficientes para polimerizar el monómero para formar un compuesto de arcilla-polímero; y

en donde iniciar la polimerización comprende uno o más de calentar la suspensión que contiene arcilla y el iniciador de polimerización, exponer la suspensión que contiene arcilla y el iniciador de polimerización a radiación ultravioleta, exponer la suspensión que contiene arcilla y el iniciador de polimerización a radiación infrarroja, exponer la arcilla que contiene la suspensión y el iniciador de polimerización a una reacción redox, y exponer la suspensión que contiene arcilla a radiación ionizante.

19. El método de la reivindicación 18, en donde iniciar la polimerización comprende calentar la suspensión que contiene arcilla y el iniciador de polimerización a una temperatura de 150 °C a 240 °C.

20. El método de la reivindicación 19, que comprende además mantener el compuesto de arcilla-polímero a una temperatura elevada después del calentamiento, siendo la temperatura elevada más alta que la temperatura de la etapa de polimerización; y la temperatura elevada es de 150 °C a 250 °C.

21. El método de la reivindicación 20, que comprende calentar la suspensión que contiene arcilla y el iniciador de polimerización al pasar la suspensión que contiene arcilla y el iniciador de polimerización a través de un horno a una velocidad de 1 pie/min (30,5 cm/min) a 40 pies/min (12,19 m/min); y en donde el horno tiene una temperatura de 100 °C a 2882C.

22. El método de la reivindicación 18, en donde la suspensión que contiene arcilla comprende además un agente neutralizante.

23. Un método para contener un lixiviado, que comprende;

disponer la barrera hidráulica de cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6 en contacto con un lixiviado acuoso, en donde al entrar en contacto con el lixiviado, la composición de barrera hidráulica se activa para contener el lixiviado, y al activar al menos una parte del polímero de los gránulos de arcilla-polímero es solvatado por el lixiviado y al menos una parte del polímero queda atrapada en al menos uno de los poros de la arcilla, en los bordes de las plaquetas de arcilla y entre las plaquetas de arcilla adyacentes.

24. El método de la reivindicación 23, en donde el lixiviado tiene un pH de menos de 3 y la composición de barrera hidráulica se activa en 1 segundo a 4 horas.

25. El método de la reivindicación 23, en donde el lixiviado tiene un pH de más de 8 y la composición de barrera hidráulica se activa en 1 segundo a 4 horas.