Оснос С.П.

Фильтры на основе базальтовых волокон

Применение базальтовых волокон для фильтров промышленных и городских отходов.

Известно, что с каждым годом возрастают требования по экологии. Промышленные предприятия и городское хозяйство должны всячески снижать вредные выбросы в окружающую среду.

Одним из важных направлений решения задач экологии является применение фильтров для снижения вредных выбросов в атмосферу и в водную среду. Наиболее перспективно применение фильтров изготовленных из базальтовых волокон. Это связано с тем, что базальты относятся к основным породам магматического происхождения, имеют высокую природную химическую и термическую стойкость. Соответственно базальтовые волокна также имеют высокая коррозионная и химическая стойкость к воздействию агрессивных сред: растворов солей, кислот, щелочей.

В таблице 1 представлены данные по химической стойкости базальтовых волокон.

Таблица 1.

Тип образца НБВ	Н2О	0.5 н Na OН	2 н Na OН	2 н HCl
№ 1	99.63	98.3	92.8	76.9
№ 2	99.7	98.9	90.7	49.9
№ 3	99.6	94.6	83.3	38.8

Как видно из таблицы 1 базальтовые волокна обладают уникальной химической стойкостью в растворах щелочей. Это свойство базальтовых волокон открывает широкие перспективы их применения для изготовления фильтров для очистки промышленных стоков и очистных сооружений городов.

Известна высокая термическая стойкость базальтовых волокон. В таблице 2 представлены данные по термической стойкости базальтовых волокон.

Таблица 2.

Температура 0С	300	400	500	600	700
Исходная удельная прочность, 100%
№ 1 234 kg/mm2	98.7	88.7	58,9	38,4	25,0
№ 2 240 kg/mm2	99.0	89.0	61.0	39.0	27.0
№ 3 254 kg/mm2	100	90,0	65,0	38,8	28,6

Как видно из приведенной таблицы материалы из базальтовых волокон могут применяться при температурах до 6000С.

Кроме того, существует ряд составов на основе базальтовых пород, обладающих более высокой термостойкостью до 8000С. Базальтовые волокна успешно применяются для изготовления фильтров для очистки отходящих газов от пылевых частиц на обогатительных и металлургических комбинатах, химических заводах, предприятиях промышленности строительных материалов и энергетики. Так на основе базальтовых волокон эксплуатируются фильтры для очистки воздуха с диапазоном рабочих температур 300 – 6500С.

Базальтовые волокна применяются для очистки и стерилизации технологического воздуха при производстве антибиотиков. Длительная эксплуатация фильтров из базальтовых волокон в производственных условиях показала, что они выдерживают стерилизацию острым паром.

На рис. 1 и 2 представлены образцы материалов для изготовления фильтров из базальтовых волокон.

Фильтры на основе базальтовых волокон с успехом применяются для фильтрации бытовых и промышленных сточных вод и ливневых вод загрязненных нефтепродуктами. Многолетнее применение фильтров на основе БВ для фильтрации промышленных стоков, ливневых вод загрязненных нефтепродуктами и для городских очистных сооружений показали их высокую эффективность.

Применение базальтовых волокон для фильтров мелиоративных систем и сооружений.
Фильтры из базальтового волокна позволяют заменить несколько переходных слоев традиционных песчано-гравийных фильтров одним слоем войлока из этого волокна или плитой толщиной 25 - 30 мм. При этом в несколько раз уменьшается количество необходимых для фильтров материалов и транспортные расходы, трудозатраты на изготовление и укладку фильтров. В результате стоимость строительства таких фильтров уменьшается не менее чем 45 - 50% по сравнению с пещано-гравийными фильтрами.
Проведенные исследования показали, что оптимальный диаметр элементарных штапельных волокон для производства мелиоративных фильтров составляет 17 - 25 мкм. Фильтрационные материалы (войлок, маты, плиты) при таких диаметрах волокон обладают достаточной прочностью, водопроницаемостью, гибкостью и жесткостью.

Химический состав базальтов для производства химическистойких БВ представлен в таблице 2.

Таблица 2.

Химический состав	SiO2	Al2 O3	Fe2 O3	FeO	CaO	MgO	TiO2	Na2 O K2 O
Минимальный %	45	12	5	6	3.0	0.9	2.5	2.0
Максимальный .%	60	19	15	12	7.0	2.0	6.0	3.5

При этом БВ для производства фильтров дренажных мелиоративных систем помимо хороших гидравлических характеристик обладает необходимой химической стойкость, устойчивостью к воздействию грунтовых вод, имеющих в составе хлоридо-сульфатные и сульфато-хлоридные соли. Кроме того, БВ не должны подвергаться химической кольматации - отложению солей на волокнах.

В таблице 3 представлены данные по химической стойкости БВ в различных средах.

Таблица 3.

Диаметр волокон 11.0 мкм.	Н2 О	0,5н NaOH	2н NaOH	HCl
Потери в весе, мг, на 5000 см2	14,8	65,2	287,2	921,2
Химическая устойчивость, %	99,53	98,3	92,8	76,9

Базальтовые штапельные волокно показало достаточно высокую устойчивость при испытаниях его в стоячей воде и непрерывной фильтрации в течение длительного времени, при многократном поочередном замораживании и оттаивании, намокании и просушивании, а также устойчивость к длительным атмосферным воздействиям.
Исследования фильтров из базальтового штапельного волокна с диаметром элементарных волокон 18 - 21 мкм при пропускании через них дренажной воды в течение 245 днейсо скоростью фильтрации Vf = 1.2 - 3.7 х 10-5 см/сек (опыты проводились в институте гидромеханики Академии наук Украины) не показали снижения прочности элементарного волокна. При длительности фильтрации 807 дней также не наблюдалось существенного снижения прочности волокна.
Проведены натурные испытания фильтров на основе БВ. Толщина фильтров в неуплотненном состоянии до засыпки дрен грунтом составляла 20 см. После засыпки дрен уложенных на глубину от 2 до 3.5 метра удельная нагрузка на фильтры составляла 0.4 - 0.6 кг/см2. Под ее действием толщина фильтра уменьшилась до 10 см. Коэффициент фильтрации при этом составлял 120 м/сутки. Расстояние между дренами 100; 150; 200 м уклоны дрен составляли 0.0015 - 0.003.

Для дрен применялись трубы, изготовленные из нитепрошивных ровинговых базальтовых рукавов с пропиткой эпоксидными смолами. Диаметр дрен - 150 мм. Перфорация дренажных труб выполнена в виде поперечных щелей: шириной 4 - 5 мм, длиной 12 мм и расстояние между щелями - 22 мм.

Испытания показали, что фильтры из БВ имеют удельный расход воды в зависимости от режима орошения составляют 0.03 до 1.8 литров/сек, а в весенний период значительно больше 2.5 - 3.0 литров/сек. Уровень грунтовых вод на данном участке, находился на глубине 0.5 - 0.8 м,, а после строительства дренажной системы понизился до 1.8 - 2.5 м.

После длительной эксплуатации фильтров из БВ в реальных условиях потери их прочности не наблюдалось. Исходная прочность элементарных штапельных волокон равнялась 58.0 кг/мм2, после двухлетней службы она составила 62.0 кг/мм2. Некоторое повышение прочности волокон объясняется отложением солей в микро трещинах волокон (солевой спайкой микро трещин в волокнах). Коррозионных изменений поверхности волокна не обнаружено.
Химический анализ БВ, прослуживших в качестве фильтров в натурных условиях в течении двух лет, не показал существенных изменений состава, т.е. кольматизации БВ не происходит.
Таким образом, фильтры их БВ могут применяться как для глубокого и мелкого горизонтального трубчатого дренажа на орошаемых и осушаемых территориях, так и для трубного и наклонного дренажа на низовых откосах земляных плотин, а также креплениями на напорных откосах земляных плотин, защитных дамб, каналов и под креплениями в нижнем бъефе за водосборными сооружениями, а также за подпорными шпунтовыми стенками портовых сооружений.