PL213520B1 - Sposób wytwarzania polimerycznego materiału budowlanego na bazie żużla odpadowego z wytopu miedzi i siarki odpadowej - Google Patents

Abstract

Polimeryczny materiał budowlany na bazie siarki odpadowej i żużla odpadowego z wytopu miedzi zmieszanego z regulatorem odczynu pH, jakim jest fosfogips odpadowy, z dodanym do mieszaniny wypełniaczem mineralnym, przeznaczony jest do produkcji wyrobów i wylewania powierzchni w miejsce stosowanych betonów na bazie cementu budowlanego, a szczególnie tam, gdzie występują kwasy, sole, oleje oraz wymagany jest krótki czas utwardzenia. Zmieniając skład powyższej mieszaniny otrzymujemy polimeryczny materiał budowlany jako dodatek do mieszanek nawierzchniowo drogowych, który składa się z 30-50% wagowych siarki odpadowej, 10-45% wagowych żużla odpadowego z wytopu miedzi o granulacji 0-5 mn, w skład którego wchodzi około 45% krzemianów, około 12% trójtlenku glinu, około 11% trójtlenku żelaza około 6% tlenku magnezu, około 15% tlenku wapnia, około 0,2% pięciotlenku fosforu, około 0,4% miedzi. Podaje się do mieszalnika ogrzewanego olejem w kolejności najpierw siarka, a po jej roztopieniu żużel odpadowy z wytopu miedzi, zmieszany uprzednio z fosfogipsem odpadowym. W temperaturze 125-135°C zachodzi modyfikacja siarki przez zawarte w żużlu z wytopu miedzi, fosfor, metale, w tym miedź oraz siarczki metali.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania polimerycznego materiału budowlanego na bazie żużla odpadowego z wytopu miedzi i siarki odpadowej.

Uzyskany polimeryczny materiał budowlany jest materiałem podobnym do betonu tradycyjnego, lecz posiadającym znacznie lepsze właściwości użytkowe takie jak; wysoka odporność na ściskanie i zginanie, krótki czas twardnienia, niska nasiąkliwość, dobra szczelność a przede wszystkim odporność na środowiska kwaśne na które nie jest odporna większość materiałów budowlanych.

Znane są sposoby wytwarzania spoiw siarkowych: patent USA nr 4058500 i 4348313 ujawniają spoiwo siarkowe gdzie siarka jest modyfikowana węglowodorami olefinowymi, a wiec modyfikatorem organicznym.

Tak samo wytwarzane w Polsce spoiwa siarkowe bazują na modyfikatorach organicznych typu węglowodory olefinowe.

Tego typu rozwiązania są niebezpieczne w eksploatacji z uwagi na możliwość pożaru lub wybuchu przy prowadzeniu procesu modyfikacji oraz oddziaływanie toksyczne na obsługę.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania polimerycznego materiału budowlanego na bazie żużla odpadowego z wytopu miedzi i siarki odpadowej który odbywa się w urządzeniach ogrzewanych przeponowo, gdzie do ogrzewanego mieszalnika w temperaturze 125 - 135°C wprowadza się 30 - 50% wagowych siarki odpadowej korzystnie siarki płynnej, dodaje się 10 - 45% wagowych żużla odpadowego w wytopu miedzi uprzednio zmieszanego z 15 - 30% wagowych fosfogipsu odpadowego jako regulatora odczynu pH żużla odpadowego z wytopu miedzi oraz dodaje się 10 - 40% wagowych wypełniacza mineralnego, całość miesza się w temperaturze 125 - 135°C z prędkością obrotową mieszadła 16 obr/min w czasie 30 minut, następuje wymieszanie i modyfikacja siarki odpadowej zawartymi w żużlu odpadowym z wytopu miedzi metalami w tym miedzi, fosforu, ich siarczkami i tlenkami metali. Mieszalnik ogrzewany jest przeponowo przez cyrkulujący w urządzeniach olej grzewczy. Żużel odpadowy z wytopu miedzi jest o granulacji 0-5 mm.

Zaletą sposobu według wynalazku jest to że stosuje się siarkę odpadową, żużel odpadowy z wytopu miedzi oraz regulator odczyny pH żużla odpadowego z wytopu miedzi jakim jest fosfogips odpadowy.

Wpływa to na zmniejszenie ilości gromadzonych uciążliwych odpadów i pozwala na bezpieczne dla środowiska ich wykorzystanie.

Polimeryczny materiał budowlany według wynalazku powstaje przez dodanie do siarki odpadowej w stanie płynnym w temperaturze 125 - 135°C żużla odpadowego z wytopu miedzi o granulacji 0-5 mm. Żużel odpadowy z wytopu miedzi posiada odczyn pH około 8,8 dlatego poddaje się go procesowi regulacji odczynu pH za pomocą fosfogipsu odpadowego do pH około 6,0, a więc na odczyn lekko kwaśny. Żużel odpadowy z wytopu miedzi zawiera niezwykle cenne w procesie modyfikacji siarki metale w tym takie jak miedź, fosfor i ich siarczki i jest ich znacznie więcej niż w innych żużlach. Siarka jako pierwiastek o charakterze wybitnie elektroujemnym reaguje energicznie z metalami. Miedź jest już w reakcji z siarką w temperaturze pokojowej, a w podwyższonych temperaturach siarka łączy się z prawie wszystkimi pierwiastkami. Ponadto żużel odpadowy z wytopu miedzi posiada odczyn pH około 8,5 w odróżnieniu od żużla wielkopiecowego w wytopu stali, gdzie odczyn ten wynosi pH 10,5, ma to bardzo istotne znaczenie w procesie modyfikacji siarki, gdyż łatwiej osiągnąć za pomocą fosfogipsu odpadowego odczyn poniżej 7, co wpływa korzystnie na samą modyfikacją i właściwości polimerycznego materiału budowlanego powstałego w wyniku modyfikacji siarki odpadowej żużlem odpadowym z wytopu miedzi. W efekcie zawarte w żużlu odpadowym z wytopu miedzi metale takie jak fosfor, miedź oraz ich siarczki hamują proces krystalizacji siarki i stabilizują jej formę polimeryczną. W określonych warunkach technologicznych to jest w wysokiej temperaturze następuje rozpad zamkniętych pierścieni utworzonych z atomów siarki na otwarte łańcuchy powstające z rozerwania tych pierścieni w temperaturach wyższych w tym w przedziale temperatur 125 - 135°C.

W przedziale temperatur 125 - 135°C dominuje struktura łańcuchowa Sx siarki w miejsce struktury rombowej. Zawarte w żużlu odpadowym z wytopu miedzi metale i ich siarczki w tym miedź, fosfor będące modyfikatorami siarki ulegają reakcji kopolimeryzacji z siarką o strukturze łańcuchowej tworząc kopolimer o właściwościach związku wysokocząsteczkowe go jaki występuje w tworzywach polimerycznych. W trakcie mieszania roztopionej siarki z żużlem odpadowym z wytopu miedzi zachodzą również reakcje w których siarczki metali reagują z ich tlenkami tworząc czysty metal i dwutlenek siarki. W efekcie na powierzchni roztopionych składników pojawia się spienienie gazowe powodowane

PL 213 520 B1 przez dwutlenek siarki. Natomiast czysty metal jest doskonałym środkiem modyfikacji łańcuchów roztopionej siarki tworząc z nią kopolimer o właściwościach związków wielocząsteczkowych.

Polimeryczny materiał budowlany na bazie żużla z wytopu miedzi i siarki odpadowej składa się z 30-50% wagowych siarki odpadowej, 10-45% wagowych żużla odpadowego z wytopu miedzi o granulacji 0-5 mm, w skład którego wchodzi około 45% krzemianów, około 12% trójtlenku glinu, około 11% trójtlenku żelaza, około 6% tlenku magnezu, około 15% tlenku wapnia, około 0,2% pięciotlenku fosforu, około 0,4% miedzi, zmieszanego z regulatorem odczynu pH żużla odpadowego z wytopu miedzi, którym jest fosfogips odpadowy w ilości 15-30% wagowych. Fosfogips odpadowy zmieszany z żużlem odpadowym z wytopu miedzi w stosunku wagowym 1 : 1 zmienia odczyn pH żużla odpadowego z wytopu miedzi z pH około 8,5 na pH około 6,0, a więc na lekko kwaśny. Do mieszalnika 1 pokazanego na Fig. 1 załadowuje się płynną siarkę, która wcześniej zostaje upłynniona w zbiorniku 3 za pomocą grzania przeponowego olejem grzewczym. Następnie do mieszalnika 1 dozuje się odważone uprzednio ilości żużla odpadowego z wytopu miedzi zmieszanego z jego regulatorem odczynu pH jakim jest fosfogips odpadowy.

W mieszalniku 1 w temperaturze 125 - 135°C przy ciągłym mieszaniu z prędkością 16 obr/min następuje modyfikacja siarki łańcuchowej za pomocą metali i ich siarczków zawartych w żużlu odpadowym z wytopu miedzi, szczególnie cenne są związki fosforu i miedzi. Powstaje kopolimer o właściwościach związku wysokocząsteczkowego. Dodając do mieszalnika 1 określone ilości wypełniaczy mineralnych w ilości 10-40% uzyskujemy polimeryczny materiał budowlany, który w zależności od potrzeb można wlać do formy lub na określoną powierzchnię w miejsce stosowanego betonu na bazie cementów tradycyjnych lub wykorzystać do produkcji mieszanej drogowych nawierzchniowych.

Całość urządzeń ogrzewana jest olejem grzewczym co ułatwia regulacje temperaturową urządzeń ogrzewanych oraz powoduje uniknięcie otwartego ognia w procesie ogrzewania urządzeń. Z mieszalnika 1 przygotowany materiał budowlany dozowany jest do zbiornika 2 celem przeprowadzenia oceny wizualnej i temperaturowej materiału budowlanego, który następnie kierowany jest do formy lub do granulacji. Materiał budowlany w wersji jak wyżej przeznaczonej do formy lub wylania na określoną powierzchnię różni się składem procentowym od polimerycznego materiału budowlanego przeznaczonego do remontu i wykonywania nowych nawierzchni drogowych. Zmniejsza się w nim ilość wypełniacza mineralnego do 10% wagowych o granulacji 0-2 mm. Dodatek odpowiedniej ilości polimerycznego materiału budowlanego na bazie żużla odpadowego z wytopu miedzi i siarki odpadowej do mieszanek drogowych nawierzchniowych zmniejsza ilości zużytego asfaltu drogowego w tych nawierzchniach o około 3% wagowych, a więc obniża koszty budowy dróg. Dodatkowo polimeryczny materiał budowlany podwyższa temperaturę mięknienia nawierzchni drogowych zapobiegając ich koleinowaniu, co zwiększa czas eksploatacji tych dróg.

Polimeryczny materiał budowlany na bazie żużla odpadowego z wytopu miedzi i siarki odpadowej posiada bardzo dobre właściwości użytkowe to jest wytrzymałość na ściskanie około 40-50 MPa, znacznie większa od betonów tradycyjnych wytrzymałość na rozerwanie około 5 MPa, wytrzymałość na zginanie około 7 MPa, małą nasiąkliwość około 1%, dobrą mrozoodporność i właściwą szorstkość, co ma znaczenie przy formowaniu nawierzchni drogowych. Jest to polimeryczny materiał budowlany odporny na kwasy, posiada doskonałą przyczepność do podłoża oraz do materiałów mineralnych stosowanych w drogownictwie. Ponadto szczelnie wypełnia szczeliny i zagłębienia uszkodzonych nawierzchni betonowych i drogowych. Zawarte w polimerycznym materiale budowlanym takie związki jak tlenki miedzi, tlenki glinu, związki żelaza II i III wartościowego są inhibitorami emisji siarkowodoru przy mieszaniu z asfaltem jeśli nastąpiłby wzrost temperatury mieszanego asfaltu i polimerycznego materiału budowlanego powyżej temperatury 150°C, co poprawia bezpieczeństwo pracy przy sporządzaniu tych mieszanek drogowych.

Niespodziewane właściwości tak dużej poprawy wytrzymałości mechanicznej na ściskanie, odporności na media agresywne to jest kwasy, sole, oleje w porównaniu do betonu na bazie cementu portlandzkiego oraz zdolność do tworzenia mieszanek drogowych zawdzięcza żużlowi odpadowemu z wytopu miedzi, który jest źródłem metali w tym miedzi i fosforu oraz ich siarczków, które stanowią modyfikator siarki. Łańcuchy siarki powstałe w wyniku ogrzania siarki pierścieniowej tworzą z modyfikatorem kopolimer o strukturze liniowej lub usieciowanej o typowych właściwościach związku wysokocząsteczkowego jakie występują w tworzywach polimerycznych. Stosowany żużel odpadowy z wytopu miedzi o składzie około 45% wagowych krzemianów, około 12% wagowych trójtlenku glinu, około 11% wagowych trójtlenku żelaza, około 6% wagowych tlenku magnezu, około 15% wagowych tlenku wap4

PL 213 520 B1 nia, około 0,5% wagowych pięciotlenku fosforu, około 0,4% wagowych miedzi, posiada barwę szarą o granulacji 0-5 mm.

Dla zmiany jego odczynu z pH 8,5 na odczyn pH 6 miesza się go z fosfogipsem odpadowym który posiada odczyn pH około 4.

Fosfogips odpadowy jest produktem przy produkcji przemysłowej kwasu fosforowego. Siarka odpadowa jest produktem odsiarczania gazu ziemnego lub ropy naftowej, która po stopieniu przyjmuje kolor brązowy.

Sposób wytwarzania polimerycznego materiału budowlanego na bazie żużla odpadowego z wytopu miedzi i siarki odpadowej według wynalazku został bliżej określony w przykładzie wykonania na Fig. 1.

P r z y k ł a d I

Polimeryczny materiał budowlany o składzie w % wagowych do odlewania w formie lub wylewania na powierzchnie

Siarka odpadowa 30%

Żużel odpadowy z wytopu miedzi 25%

Fosfogips odpadowy jako regulator odczynu pH żużla 15% Wypełniacz mineralny 0 - 2 mm 30%

Odważone ilości siarki odpadowej A uprzednio upłynnionej w zbiorniku 3 dodajemy do mieszalnika 1 wyposażonego w mieszadło obrotowe, ogrzewanego przeponowo olejem grzewczym podgrzewanym w piecu elektrycznym 4. Do mieszalnika 1 dozuje się w temperaturze 125 - 135°C odważone ilości żużla odpadowego B zmieszanego wcześniej z regulatorem odczynu pH jakim jest fosfogips odpadowy C. W temperaturze 125-135°C w strefie roztopionej siarki następuje kontakt żużla odpadowego B z wytopu miedzi zmieszanego z fosfogipsem odpadowym C z płynną siarką A. Mieszanie składników trwa około 20 minut, następuję proces modyfikacji siarki odpadowej żużlem odpadowym z wytopu miedzi przez zawarte w nim metale w tym miedź, fosfor oraz ich siarczki. Po upływie 20 minut do mieszalnika 1 wprowadzamy materiał mineralny D jako wypełniacz i mieszamy 10 minut. Tak powstały polimeryczny materiał budowlany spuszczamy cyklicznie do mieszalnika 2 pośredniego, oceniamy wizualnie i temperaturowo wytworzony materiał budowlany i odlewamy do formy lub na określona powierzchnie, materiał jest koloru szarego, posiada dużą wytrzymałość na ściskanie 40 - 50 MPa, odporność na kwasy, oleje i sole.

P r z y k ł a d II

Polimeryczny materiał budowlany o składzie w % wagowych do sporządzania mieszanek drogowych

Siarka odpadowa 50%

Żużel odpadowy z wytopu miedzi o granulacji 0-2 mm 10%

Fosfogips odpadowy jako regulator odczynu pH żużla 30%

Wypełniacz mineralny 0 - 2 mm 10%

Sposób przygotowywania identyczny jak w przykładzie I z tą różnicą że z mieszalnika 2 pośredniego kierujemy polimeryczny materiał budowlany do granulacji.

Granulat służy do przygotowania mieszanek nawierzchniowych drogowych o podwyższonej temperaturze mięknienia wg PIK 100 - 115°C.

Sposób przygotowania mieszanki nawierzchniowej drogowej na bazie granulatu polimerowego materiału budowlanego pokazany jest na fig. 2.

Do mieszalnika 1 na otaczarni dozuje się ogrzane materiały mineralne służące do formowania nawierzchni drogowych to jest diabaz, bazalt o temperaturze nie przekraczającej 150°C. Do mieszalnika 1 dozuje się zmieszany w mieszalniku 2 asfalt drogowy z granulatem polimerycznego materiału budowlanego wytworzonego wg przykładu II. Mieszanina asfaltu i granulatu tworzy lepiszcze o składzie:

Asfalt drogowy 15% wagowych

Polimeryczny materiał budowlany 85% wagowych

Materiał do formowania nawierzchni drogowych:

Lepiszcze drogowe 25% wagowych

Diabaz 55% wagowych

Bazalt 20% wagowych

Otrzymana warstwa nawierzchniowa drogowa jest koloru czarnego i doskonale poprawia jej właściwości.

PL 213 520 B1

Legenda do Fig. 1

- mieszalnik

- mieszalnik pośredni

- zbiornik podgrzewany siarki

- podgrzewacz oleju

- pompa płynnej siarki

- pompa oleju grzewczego

- zbiornik wyrównawczy

- zasuwa spustowa

A - siarka płynna

B - żużel odpadowy

C - fosfogips odpadowy

D - materiał mineralny

- rurociąg płynnej siarki

- rurociąg oleju grzewczego

Legenda do Fig. 2 ₃

- mieszalnik V = 4 m³ ο

- mieszalnik V = 2 m³

- zasuwa spustowa

- rurociąg oleju grzewczego

Claims (3)

1. Sposób wytwarzania polimerycznego materiału budowlanego na bazie żużla odpadowego z wytopu miedzi i siarki odpadowej, znamienny tym, że odbywa się w urządzeniach ogrzewanych przeponowo, gdzie do ogrzewanego mieszalnika w temperaturze 125 - 135°C wprowadza się 30 - 50% wagowych siarki odpadowej korzystnie siarki płynnej, dodaje się 10 - 45% wagowych żużla odpadowego z wytopu miedzi, uprzednio zmieszanego z 15 - 30% wagowych fosfogipsu odpadowego jako regulatora odczynu pH żużla odpadowego z wytopu miedzi oraz dodaje się 10 - 40% wagowych wypełniacza mineralnego, całość miesza się w temperaturze 125 - 135°C z prędkością obrotową mieszadła 16 obr/min w czasie 30 minut, następuje wymieszanie i modyfikacja siarki odpadowej zawartymi w żużlu odpadowym z wytopu miedzi metalami w tym miedzi, fosforu, ich siarczkami i tlenkami metali.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszalnik ogrzewany jest przeponowo przez cyrkulujący w urządzeniach olej grzewczy.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że żużel odpadowy z wytopu miedzi jest o granu-