СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМОГО РЕАГЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД И РАЗДЕЛЕНИЯ ФАЗ

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМОГО РЕАГЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД И РАЗДЕЛЕНИЯ ФАЗ


RU (11) 2288181 (13) C1

(51) МПК
C02F 1/58 (2006.01)
B01D 21/01 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2005117496/15 
(22) Дата подачи заявки: 2005.06.07 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2005.06.07 
(45) Опубликовано: 2006.11.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2174105 C1, 27.09.2001. RU 2158327 C1, 27.10.2000. RU 001135454 А, 10.07.2003. US 6136219 А, 24.10.2000. GB 2366576 А, 13.03.2002. DE 3908054 А1, 20.09.1990. JP 08-243568 A, 24.09.1996. 
(72) Автор(ы): Радченко Станислав Сергеевич (RU); Новаков Иван Александрович (RU); Радченко Филипп Станиславович (RU); Мельникова Татьяна Валерьевна (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU) 
Адрес для переписки: 400131, г.Волгоград, пр-т Ленина, 28, ВолгГТУ, Отдел интеллектуальной собственности 

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРАСТВОРИМОГО РЕАГЕНТА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД И РАЗДЕЛЕНИЯ ФАЗ
Изобретение относится к способам получения водорастворимых реагентов, используемых для очистки природных и сточных вод от взвесей и загрязнений минерального и органического происхождения. Реагент может быть использован как для очистки маломутных вод для хозяйственно-питьевых нужд, так и для очистки промышленных и хозбытовых стоков. Реагент получают взаимодействием соли алюминия, в качестве которой берут пентагидроксохлорид алюминия состава с мольным отношением Cl-/Al3+=0,46-0,52, с полиакриламидом с молекулярной массой 3·105 -2·106, причем взаимодействие осуществляют путем смешения водного коллоидного раствора пентагидроксохлорида алюминия с 0,1-1,0%-ным водным раствором полиакриламида при мольном отношении Al3+: звено полиакриламида, равном (2÷4):1, при температуре 20-30°С. Способ обеспечивает получение водорастворимого реагента, обладающего высокой активностью при разделении как маломутных дисперсий, так и концентрированных суспензий. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 5 табл. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к способам получения водорастворимых реагентов, используемых для очистки природной и сточных вод от взвесей, нефтепродуктов, жировых, белковых и других загрязнений минерального и органического происхождения. Предполагаемый реагент может применяться как для очистки маломутных вод, например при подготовке воды хозяйственно-питьевого назначения из природных поверхностных источников, так и при очистке сточных вод с высоким содержанием дисперсной фазы, например при очистке промышленных сточных вод и при очистке хозбытовых сточных вод. В реагентной технологии водоподготовки и водоочистки эффективность процесса определяется степенью очистки воды от примесей, длительностью процесса осаждения примесей, продолжительностью цикла фильтрования очищаемой воды и другими факторами. Одним из основных является доза реагента, которая должна быть минимальной для достижения достаточной степени очистки, что определяется не только экономическими соображениями, но и требованиями инспектирующих органов к качеству очищенной воды как хозяйственно-питьевого назначения, так и к водам оборотного цикла, а также направляемых на биологическую очистку.

Величина потребной дозы реагента зависит от его активности, связанной с химическим строением реагента и с механизмом его взаимодействия с коллоидными примесями. К наиболее распространенным водорастворимым реагентам относятся неорганические соли железа и алюминия, а также водорастворимые полимеры органической природы [Запольский А.К., Баран А.Л. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. Л.: Химия, 1987].

Первые, нейтрализуя поверхностный заряд коллоидных частиц, дестабилизируют дисперсную систему, которой являются природные поверхностные воды и большинство сточных вод, что приводит к образованию "первичных" частиц в очищаемой воде.

Вторые, водорастворимые органические полимеры объединяют частицы в крупные флокулы, способствуя ускорению их оседания. Однако раздельное применение этих двух реагентов в процессе очистки связано с рядом технических трудностей и может сопровождаться как синергетическим, так и антагонистическим эффектом при очистке [В.А.Мягченков, Г.В.Булидорова. Хим. и технол. воды. 1997. Т.17. №5. С.583]. Одним из путей решения этой проблемы является создание композиционных реагентов, сочетающих в себе свойства неорганического коагулянта и органического полимерного флокулянта.

Известен способ получения композиционного реагента путем добавления водного раствора соли железа или алюминия к водному раствору органического катионактивного полимера, перемешивания при повышенной температуре реакционной массы в течение определенного времени и последующего охлаждения продукта взаимодействия [Pat. 2322128 GBC 02 F 1/56 1998].

Недостатками способа являются проведение процесса в заданных технологических параметрах, неопределенность химического состава композиционного реагента, неустановленная активность его в процессах очистки воды. Заявленное содержание катионного полимера в композиции - 0,1-10% позволяет предположить, что данный реагент может работать только в маломутных дисперсиях, т.е. как коагулянт. Взаимодействие же положительно заряженного катиона металла из состава неорганической соли с цепью катионного полимера приводит к компактизации макромолекул полимера, что приведет к снижению активности при использовании реагента в качестве флокулянта для концентрированных дисперсий.

Известно использование композиций хлористого алюминия с одним из водорастворимых катионоактивных полимеров аминного типа для очистки воды с низким содержанием взвеси (менее 0,1%) [Pat. 341357 EPO С 02 F 1/52 1989].

Недостатком способа является использование хлорида алюминия и органического полимера, которые по токсическим свойствам не могут применяться для подготовки воды хозпитьевого назначения, а отмеченный синергетический эффект при коагуляции наблюдается только в случае маломутных дисперсий (4,0-4,5 единиц мутности).

Наиболее близким является способ получения водорастворимого реагента путем полимеризации акриламида под действием радикального инициатора в водном растворе гидроксохлорида алюминия. Процесс проводится при температурах 60-90°С в определенном интервале отношений оксиалкил-трет-бутилпероксид-железо и при содержании акриламида в растворе оксихлорида алюминия от 3,2% мас. до 34,9% мас. [Пат. 2174105 РФ С 02 F 1/52 2001]. К недостаткам данного способа относятся следующие:

во-первых, реакция получения реагента проводится при повышенной температуре, что требует применения теплообменного оборудования, использование теплоносителя, а сам процесс является энергозатратным;

во-вторых, реакция полимеризации акриламида чувствительна к содержанию железа, определяющего скорость распада инициатора, и таким образом зависит от качества гидроксохлорида алюминия, состав которого может меняться в зависимости от исходного материала для получения гидроксохлорида алюминия;

в-третьих, реакция полимеризации виниловых мономеров и акриламида, в частности очень чувствительна к присутствию примесей, которые могут быть в составе водного раствора гидроксохлорида алюминия, что может привести к образованию низкомолекулярных продуктов полимеризации;

в-четвертых, образующийся полимерный продукт имеет невысокую молекулярную массу, о чем свидетельствует значение характеристической вязкости [ ] 2,85;

в-пятых, недостаточно высокая молекулярная масса продукта может быть причиной малой эффективности реагента в процессах флокуляции суспензий.

В предлагаемом изобретении решается важная задача получения водорастворимого реагента технически простым способом, без энергозатрат, без использования вспомогательных реагентов, обладающего высокой активностью в процессах очистки маломутных водных дисперсий, типа природной воды, а также при разделении концентрированных суспензий в виде сточных вод различного происхождения.

При реализации предлагаемого способа получения водорастворимого реагента получают следующий результат:

во-первых, реакция образования водорастворимого реагента - полимер-коллоидного комплекса (ПКК) происходит при механическом смешении раствора высокоосновного пентагидроксохлорида алюминия (ПГХА) с водным раствором полиакриламида (ПАА) за счет кооперативных взаимодействий функциональных групп полимера с гидратированными ионами алюминия в составе полиядерного комплекса (коллоидной частицы) ПГХА;

во-вторых, реакция между водорастворимым полимером и ПГХА протекает при нормальных условиях в гомогенной среде без образования новой фазы и практически без теплового эффекта, т.е. не требует подвода или отвода тепла;

в-третьих, в реакции образования водорастворимого реагента можно использовать полиакриламид с высокой молекулярной массой, что способствует получению реагента с повышенной флокулирующей способностью;

в-четвертых, полимер-коллоидный комплекс ПГХА и полиакриламида, получаемый при определенном мольном отношении, является гибридным реагентом, сочетающим свойства неорганического коагулянта и высокомолекулярного флокулянта и в силу этого проявляет высокую эффективность при разделении как низкоконцентрированных дисперсий, так и высококонцентрированных суспензий;

Поставленный технический результат достигается в способе получения водорастворимого реагента для очистки природных и сточных вод и разделений фаз при использовании соли алюминия, причем в качестве соли алюминия берут пентагидроксохлорид алюминия в виде водного коллоидного раствора и осуществляют взаимодействие ее с полиакриламидом с молекулярной массой 3·105 -2·106, взятом в виде водного 0,1-1,0%-ного раствора, путем их смешения при мольном отношении Al3+: звено полиакриламида, равном (2÷4):1 при температуре 20-30°С. При этом берут пентагидроксохлорид алюминия состава, в котором мольное отношение Cl-/Al3+ равно 0,46-0,52.

Причиной образования полимер-коллоидного комплекса (ПКК) являются донорно-акцепторные кооперативные связи, возникающие между атомами AI3+ в составе ПГХА и атомами азота в макромолекуле ПАА. Прочность подобных комплексов объясняется кооперативным (суммированным) характером такого взаимодействия, что связано с полимерной природой частиц ПГХА. Другие соли алюминия или низкоосновные хлориды алюминия не способны к образованию прочных самостоятельно существующих поликомплексов.

Причиной высокой эффективности и гибридного характера полимер-коллоидного комплекса при разделении дисперсий является то, что в образующемся поликомплексе положительно заряженные частицы ПГХА располагаются по периферии макромолекулярного клубка ПАА. Увеличение мольного отношения Al3+:звено ПАА приводит к тому, что количество частиц ПГХА, связанных с макромолекулой ПАА, возрастает и силы кулоновского отталкивания между частицами ПГХА увеличиваются, следствием чего является рост размеров макромолекулярных клубков полимер-коллоидного комплекса.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. В этом примере обусловлено влияние природы соли на возможность образования полимер-коллоидного комплекса с ПАА.

В колбу на 500 мл помещали 100 мл 1%-ного водного раствора ПАА ([ ]=5,07 дл/г) и добавляли при перемешивании навеску соли алюминия в виде 3%-ного водного раствора. Использовали соли: нитрат алюминия, сульфат алюминия, 1/3-оксихлорид алюминия, 2/3-оксихлорид алюминия и 5/6-оксихлорид алюминия (ПГХА).

Значения навесок солей соответствовали мольному отношению Al3+: звено ПАА, равному 2:1, и представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Значения навесок солей алюминия, взятых в реакцию комплексообразования с ПАА. 
№№ пп Соль Формула Масса, г 
1. Сульфат алюминия Al2(SO4 )3 4,81 
2. Нитрат алюминия Al(NO3)3 5,99 
3. 1/3 оксихлорид алюминия (ОХА) Al(OH)Cl 2 8,94 
4. 2/3 оксихлорид алюминия(ОХА) Al(OH)2Cl 7,24 
5. 5/6 оксихлорид алюминия(ПГХА) Al2(OH) 5Cl 6,33 


Полученные смеси были высажены в 2-кратный избыток метанола и высушены до постоянного веса. Метанол был выбран в качестве осадителя потому, что в его водных растворах растворимы все вышеназванные соли. Переосажденные образцы анализировали на содержание алюминия и хлора (табл. 2).

Таблица 2.

Элементный анализ продуктов взаимодействия растворов ПАА с солями алюминия 
№№ пп Соль Элементный состав Отношение 
Al Cl Cl/Al3+ мольн. 
1. Al2(SO 4)3 0 0 - 
2. Al(NO3) 3 0 0 - 
3. Al(OH)Cl 2 0 0 - 
4. Al(OH) 2Cl 0 0 - 
5. Al 2(OH)5Cl 14,4 8,71 0,46-0.52 


Из данных таблицы 2 следует, что полимер-коллоидный комплекс образуется только с ПГХА, а мольное отношение Cl -/Al3+ близко к данному отношению в самом ПГХА, что свидетельствует о взаимодействии ПАА с полимерными частицами ПГХА - [Al2(OH)5Cl]n.

Пример 2. В этом примере обусловлено влияние соотношения реагентов на состав образующегося полимер-коллоидного комплекса ПГХА с ПАА. Реакцию образования полимер-коллоидного комплекса проводили аналогично примеру 1, изменяя мольное отношение Al3+:звено ПАА в исходной смеси реагентов.

Полученные поликомплексы высаживали в метанол, высушивали и анализировали на содержание алюминия, хлора и азота (табл.3).

Таблица 3.

Влияние соотношения реагентов на состав образующегося ПКК. 
№№ пп Отношение Al3+ :звено ПАА в Элементный состав поликомплекса, % 
исходной смеси, мольн. Al Cl N 
1. 0,5 9,1 5,5 12,1 
2. 1 14,4 8,7 8,5 
3. 2 19,1 11,5 5,5 
4. 4 23,2 13,8 5,6 
5. 6 23,1 14,0 5,6 
6. 8 23,3 13,9 5,4 


Из данных таблицы 3 следует, что увеличение содержания ПГХА в исходной смеси при образовании ПКК сопровождается ростом содержания Al и Cl в поликомплексе вплоть до отношения Al3+: звено ПАА=4.

Пример 3. В этом примере обусловлено применение полимер-коллоидных комплексов в качестве флокулянтов при разделении концентрированных дисперсий. Для оценки эффективности реагентов применяли спектрофотометрический метод, при котором измеряется оптическая плотность надосадочной жидкости после определенного времени отстоя дисперсии с добавлением флокулянта и без него. После этого рассчитывался безразмерный параметр - эффект осветления - Эосв. [Новаков И.А., Радченко С.С., Радченко Ф.С. Журнал прикладной химии. 2004. Т.77. №10. С.1699].

Флокуляцию каолиновой дисперсии проводили в режиме свободного осаждения (концентрация дисперсной фазы - 0,6 мас.%). Флокуляцию проводили при дозе флокулянта - 6 мг/л.

Таблица 4.

Зависимость эффекта осветления от состава ПКК 
№№ п п Отношение Al3+ : звено ПАА (мольн.) в ПКК Эосв 
1. 0,5:1 61 
2. 1:1 120 
3. 2:1 205 
4. 4:1 145 


Из данных таблицы 4 следует, что наибольшим эффектом обладают поликомплексы состава 2:1 и 4:1.

Пример 4. В этом примере обусловлено влияние молекулярной массы полиакриламида на эффективность получаемого на его основе ПКК при флокуляции концентрированной дисперсии. Для получения ПКК состава Al3+:звено ПАА=2:1 использовали ПАА различной молекулярной массы. ПКК получали аналогично примеру 1. Флокуляцию проводили аналогично примеру 3 (табл.5).

Таблица 5.

Зависимость эффекта осветления каолиновой дисперсии (СD=0,6 мас.%) от молекулярной массы ПАА, использованного для получения ПКК (состава Al3+:звено ПАА-2:1). 
Мол. масса ПАА в составе ПКК Эосв 
3·105 88 
5·10 5 105 
1·106 120 
2·106 132 


Доза реагента - 4 мг/л.

Из данных таблицы 5 следует, что использование более высокомолекулярного ПАА для получения ПКК приводит к повышению эффективности последнего при флокуляции.

Пример 5. В этом примере обусловлено применение ПКК в процессе коагуляции низкоконцентрированной дисперсии, имитирующей природную воду. Дисперсию готовили на основе 0,8%-ной каолиновой дисперсии, которую отстаивали в течение 24 часов. Верхний слой декантировали и проводили седиментационный анализ, по данным которого содержание дисперсной фазы в дисперсии составляло 30-40 мг/дм3, размер частиц дисперсной фазы лежал в интервале 1,6-2,5 мкм. Эффективность коагулянтов оценивали по изменению мутности воды после обработки ее реагентами. Для сравнения использовали наиболее известные реагенты в процессах очистки воды: ПГХА, ПАА, Praestol-650 и Zetag-92. На графике представлены кривые изменения мутности каолиновой дисперсии в зависимости от типа и дозы коагулянта.

Из данных графика следует, что типичные флокулянты: ПАА-(1), Praestol-650-(2) и Zetag-92-(3) в этих условиях неактивны. ПГХА-(4) является эффективным коагулянтом при дозах 10 мг/л и более. При малом содержании Al 3+ полимер-коллоидный комплекс не эффективен (ПКК-0,5)-(5), однако при составе Al3+:звено ПАА=2:1 (ПКК-2)-(6) ПКК является эффективным коагулянтом, превосходящим по результатам очистки известный из практики подготовки воды пентагидроксохлорид алюминия.

Таким образом, способ получения полимер-коллоидного комплекса, заключающийся во взаимодействии коллоидных частиц полиядерных комплексов алюминия с макромолекулами полиакриламида при мольном их отношении (2:4):1, происходящем при смешении водного раствора пентагидроксохлорида алюминия с мольным отношением Cl -/Al3+=0,46-0,52 с 0,1-1,0%-ным водным раствором полиакриламида при температуре 20-30°С, позволяет получать водорастворимый реагент, обладающий одновременно высокими коагулирующими и флокулирующими свойствами.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Способ получения водорастворимого реагента для очистки природных и сточных вод и разделения фаз с использованием соли алюминия, отличающийся тем, что в качестве соли алюминия берут пентагидроксохлорид алюминия в виде водного коллоидного раствора и осуществляют взаимодействие с полиакриламидом молекулярной массы 3·105-2·106, взятым в виде водного 0,1-1,0%-ного раствора, путем их смешения при мольном соотношении Al+3: звено полиакриламида, равном (2-4):1, при температуре 20-30°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что берут пентагидроксохлорид алюминия состава, в котором мольное отношение Cl-/Al3+=0,46-0,52.






ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Воздухо- и водоочистка. Опреснительные установки






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "и" означает, что будут найдены только те страницы, где встречается каждое из ключевых слов. Например, при запросе "очистка воды" будет найдено словосочетание "очистка воды". При использовании режима "или" результатом поиска будут все страницы, где встречается хотя бы одно ключевое слово ("очистка" или "воды").

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+очистка -воды".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "сток" будут найдены слова "стоков", "стоки" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу "сток!".


Устройства и способы водоочистки | Опреснительные установки. Дистилляторы | Устройства и способы воздухоочистки


Рейтинг@Mail.ru