Способ получения пластикового гранулята

 

Использование: изобретение относится к области получения пластиковых гранулятов для обработки воды на основе термопластов и минеральных и/или органических добавок. Гранулят может быть использован, например, для получения питьевой воды из обессоленной воды, для введения добавок в воду в технологических линиях по производству пищевых продуктов, для снижения жесткости воды на тепловых станциях и других процессах, связанных с обработкой воды. Сущность: способ получения пластикового гранулята для обработки воды на основе термопласта (26-70 мас. ч.) и минеральных и/или органических добавок (30-74 мас. ч. ) осуществляют путем измельчения, смешения, экструзии, причем экструзию проводят при температуре на 30-60^oC выше температуры плавления термопласта, и последующей резки гранулята с размером гранул 3,5-10,0 мм. Кроме того, минеральные и/или органические добавки с растворимостью в воде 8-1800 г/дм³ предварительно совмещают с частью термопласта при соотношении от 1:0,25 до 1:4,0 и вводят в смесь перед экструзией. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области получения пластикового гранулята для обработки воды. Гранулят состоит из термопласта и минеральных и (или) органических добавок и может быть использован, например, для получения питьевой воды из обессоленной, для введения добавок в воду в технологических линиях по производству пищевых продуктов, для снижения жесткости воды на тепловых станциях и в других процессах, связанных с обработкой воды.

Известен гранулят для обработки воды, который получают приготовлением композита из минеральных добавок (водорастворимого стекла типа полифосфата натрия и окислов типа MgO, CuO, CaO, Ag₂O), составляющих 10-6% веса композита и полимера (полиэфира, эпоксидной смолы). Размер частиц такого гранулята менее 0,1 мм. Выделение добавок из устройства, содержащего 200 г гранулята, составляет от 1 мг до 0,5 мг в секунду в течение 10 дней. Устройство позволяет защищать окружающие материалы от коррозии, биообрастания, накипеобразования.

Недостатком такого гранулята является низкая скорость выделения добавок в воду, которая недостаточна для соленасыщения воды. С помощью такого гранулята невозможно введение в воду таких ионов, как F^-, K⁺, HCO^-₃ лимонной кислоты и др.

Известен способ получения гранулята для минерализации воды, включающий насыщение гранул активированного угля хлоридами кальция и магния, сушку его и обработку сульфатом калия и гидрокарбонатом натрия, отмывку от избытка хорошо растворимых солей. Такой гранулят позволяет насыщать воду ионами Ca²⁺, Mg²⁺, SO²₄⁺ Недостатком такого способа получения гранулята для минерализации воды является низкий ресурс по насыщению воды ионами Ca²⁺, Mg²⁺, SO²₄^- ввиду недостаточного содержания соединений типа CaSO₄, MgSO₄ в порах угля, а также практическое отсутствие ресурса по минерализации воды ионами, входящими в соединения, растворимость которых в воде составляет 8-1800 г/дм³, т.е. K⁺, Na⁺, HCO^-₃ Cl^- (1-3 дм на 100 см³ гранулята). Это связано с хорошей проницаемостью активированного угля для воды и быстрым вымыванием хорошо растворимых веществ.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения пластикового гранулята для минерализации воды, включающий сушку отдельных минеральных компонентов для удаления избыточной и (или) кристаллогидратной влаги, измельчение, смешение компонентов с полиэтиленом низкого давления, экструзию смеси через фильеру диаметром 1-2 мм при температуре 210-230^oC (температура переработки превышает температуру плавления полиэтилена низкого давления на 80-100^oC) и резку экструдата на гранулы высотой 3-8 мм. Содержание термопласта в грануляте составляет около 24-26 мас.

В качестве минеральных добавок в этом пластиковом грануляте для минерализации воды использованы минеральные соли: CaSO₄, MgCO₃, Mg(OH)₂, Ag₂SO₄, KCl, NaCl, а также активированный уголь.

В результате описанных технологических операций получают пластиковый гранулят, способный при непрерывном фильтровании деминерализованной воды со скоростью 9 м/ч (60 см³/мин) через слой гранулята 10 см³ давать 6,5 литров, т.е. 650 объемов на объем гранулята (об/об) минерализованной воды при снижении содержания ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в фильтрате не более чем в 15 раз при снижении общей жесткости воды с 7 мг-экв/дм³ до 0,47 мг-экв/дм³.

Недостатком такого пластикового гранулята является низкий ресурс по минерализации воды ионами Ca²⁺, Mg²⁺, SO²₄^- и неравномерность дозирования этих ионов в воду.

К недостаткам пластикового гранулята также относится то, что скорость вымывания ионов K⁺, Na⁺, Cl^- значительно превосходит скорость вымывания ионов Ca²⁺, Mg²⁺, SO²₄^- Это подтверждается тем, что в конце ресурса по солям жесткости ионы K⁺, Na⁺, Cl^- в фильтрате отсутствуют. Ресурс по этим ионам не превышает 350 об/об. Данный пластиковый гранулят также нельзя использовать для снижения жесткости воды и насыщения отдельными хорошо растворимыми добавками, т.е. для других областей кондиционирования воды.

Целью изобретения является увеличение ресурса пластикового гранулята по обработке воды и стабилизация уровня выделения ионов и (или) добавок в воду.

Указанная цель достигается тем, что минеральные и (или) органические добавки в количестве от 30 до 74 мас. ч. и термопласт в количестве от 26 до 70 мас. ч. измельчают, смешивают с последующим экструдированием при температуре, на 30-60^oC превышающей температуру плавления термопласта. Затем экструдат режут на гранулы высотой 3,5-10 мм.

Кроме того, при получении предлагаемого пластикового гранулята можно входящие в него добавки с растворимостью в воде 8-1800 г/дм³ в смеси с частью термопласта (продукт A) вводить в конце стадии смешения перед экструзией.

Приготовление продукта A: смешение минеральных и /или органических добавок с растворимостью в воде 8-1800 г/дм³ с термопластом в соотношении от 1: 0,25 до 1:4,0, их сплавление с последующим измельчением полученного сплава до частиц размером 0,1-1,0 мм.

В качестве минеральных и /или органических добавок в предлагаемом техническом решении могут быть использованы все известные минеральные и органические соединения, имеющие разрешения на применение в пищевой промышленности и в водоподготовке.

В качестве минеральных добавок могут быть использованы соли, например, CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂, Mg₂(OH)₂, CO₃, KCl, NaF, KHCO₃ и др. оксиды и гидроксиды, например, CaO, MgO, Al₂O, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, Cu(OH)₂, NaOH и др. кислоты, например, H₃BO₃ и др. сорбенты, например, активированные угли, цеолиты, полисорбы и др. и (или) их смеси.

В качестве органических добавок могут быть использованы, например, лимонная кислота, винная кислота, бензойная кислота, глюкоза и др. органические соединения и их смеси.

В качестве термопласта могут быть использованы полиолефины (полиэтилен высокого и низкого давления, полипропилен), поликарбонаты, полисульфоны и другие полимеры или их смеси, допущенные для контакта с питьевой водой или пищевыми продуктами.

Получение пластикового гранулята представленным способом позволяет увеличить ресурсную способность конечного продукта по солям жесткости до 1200 объемов воды на объем гранулята, что в 1,85 раза выше, чем в известном техническом решении, а также стабилизировать выделение в воду ионов и (или) добавок, растворимость в воде которых составляет 8-1800 г/дм³. Содержание этих ионов в фильтрате снижается не более чем в 20 раз от начального выделения к моменту окончания ресурса по солям жесткости в отличие от известных технических решений, где стабильность выделения таких ионов полностью отсутствует.

Кроме того, получение пластикового гранулята предлагаемым способом позволяет поддерживать строгий баланс по требуемым добавкам и(или) ионам. Получаемая с помощью такого гранулята питьевая вода легко усваивается организмом. Введением определенных добавок в гранулят можно добиться профилактического и оздоровительного действия воды. Гранулят, выделяющий в воду OH^--ионы, способен в 2,0 раза снижать жесткость воды. Водородный показатель (pH) подщелаченной воды может быть восстановлен до уровня 6-9 при пропускании этой воды через гранулят, выделяющий в воду H⁺ -ионы.

Процесс получения пластикового гранулята для обработки воды включает следующие стадии: измельчение компонентов до достижения размеров частиц не более 0,25 мм, (гигроскопичные добавки и термопласты, а также содержащие кристаллогидратную влагу при необходимости сушат перед измельчением); смешение компонентов в соотношении термопласт 26-70 мас. ч. минеральные и (или) органические добавки 30-74 мас. ч. экструзию при температуре, на 30-60^oC превышающей температуру плавления термопласта, через фильеру диаметром 1-2 мм и резку экструдата на гранулы высотой 3,5-10,0 мм.

Кроме того, минеральные и(или) органические добавки с растворимостью 8-1800 г/дм³ предварительно совмещают с термопластом при соотношении от 1: 0,25 до 1:4,0 и вводят в смесь перед экструзией (продукт A), что обеспечивает дополнительную стабилизацию при выделении их в воду.

Приготовление продукта A осуществляют совмещением части термопласта с хорошо растворимыми добавками их сплавлением посредством любого известного метода, например экструзии, литья или прессования, с последующим измельчением полученного сплава до частиц размером 0,1-1,0 мм.

Анализ заявляемого способа получения пластикового гранулята для обработки воды и известных технических решений показывает, что не имеется совокупности признаков, тождественных по технической сущности заявляемым. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленное решение отличается от прототипа условиями экструдирования, размерами получаемого продукта и рецептурой.

В литературе и практике отсутствуют сведения о способе получения, идентичном предложенному, и это не следует явным образом из уровня техники. Это позволяет сделать вывод о том, что заявленное решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень". Предложенное решение обеспечивает достижение технического результата, может быть реализовано при обработке воды и обеспечивает возможность многократного воспроизведения, что позволяет сделать вывод об удовлетворении заявленного изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется примерами.

Пример 1. Активированный уголь БАУ-Б (ГОСТ 6217-74) и CaSO₄· 2H₂O высушивают при температуре 160-180^oC. Далее 40 г CaSO₄·1/2H₂O (высушенного), 15 г MgCO₃, 5 г MgO, 3 г Ag₂SO₄, 2 г NaCl, 1 г KCl, 8 г активированного угля (высушенного) измельчают до достижения размеров частиц не более 0,25 мм (контроль размеров частиц осуществляют путем просеивания через сито) и смешивают с 26 г порошкообразного полиэтилена низкого давления марки 21006-075, T пл. 130^oC (ГОСТ 16338-85) в шаровой мельнице в течение 2 часов. Экструдируют смесь через фильеру диаметром 1,2 мм при температуре 185-190^oC. Экструдат режут на гранулы высотой 5-7 мм.

Загружают 10 см³ полученного пластикового гранулята в колонку с внутренним диаметром 12 мм и пропускают дистиллированную воду со скоростью 60 см³/мин. В фильтре определяют общую жесткость, содержание ионов Ca²⁺, Mg²⁺, Ag⁺, SO²₄^- Cl^- по известным методикам. Содержание ионов K⁺, Na⁺ определяют методом ионной хроматографии. Фильтрование прекращают после достижения общей жесткости фильтрата 0,45 мг-экв/дм³. Определяют количество объемов пропущенной воды через объем гранулята. Параметры процесса и результаты испытаний представлены в таблицах 1,2.

Пример 2. Цеолит (ТУ 431.МП-001-91), CaSO₄·2H₂O высушивают при температуре 160-180^oC. Добавки: 23,5 г CaSO₄·1/2H₂O, 0,5 г Ag₂O, 5 г цеолита, 1 г NaCl измельчают до достижения размеров частиц не более 0,25 мм. Добавки в указанных количествах смешивают с 70 г порошкообразного поликарбоната ПК-5 (ТУ 6-05-1668-80) (T пл. 160^oC) в шаровой мельнице в течение 1 часа. Экструдируют смесь через фильеру диаметром 2,0 мм при температуре 220^oC. Экструдат режут на гранулы высотой 3,5-6 мм. Далее по примеру 1.

Пример 3. Минеральные добавки CaCl₂, MgSO₄, Na₂SO₄, K₂CO₃ высушивают для удаления остаточной и кристаллогидратной влаги при температуре 160-180^oC. Измельчают CaCl₂, MgSO₄, Na₂SO₄, K₂CO₃, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, AgCO₃ до достижения размеров частиц не более 0,25 мм. Малорастворимые добавки 15 г Ca(OH)₂, 7 г Mg(OH)₂, 3 г Ag₂CO₃ смешивают с 25 г полиэтилена низкого давления марки 21005-075 (T пл. 130^oC) ГОСТ 16338-85 в шаровой мельнице в течение 1,5 часов. За 5 минут до окончания смешивания в шаровую мельницу вводят продукт A и продолжают смешивание. Общее количество добавок составляет 50 мас. ч. термопласта 50 мас. ч. Полученную смесь экструдируют при температуре 175^oC через фильеру диаметром 1,2 мм. Экструдат режут на гранулы высотой 6-10 мм.

Приготовление продукта A.

Смешивают добавки: 12 г CaCl₂, 6 г MgSO₄, 5 г Na₂SO₄, 2 г K₂CO₃ и 25 г полиэтилена низкого давления марки 21006-075, T пл. 130^oC в шаровой мельнице в течение 0,5 часа. Соотношение добавка термопласт составляет 1:1. Смесь экструдируют через фильеру диаметром 1 мм при температуре 160^oC. Экструдат измельчают до достижения размеров гранул 0,5-1,0 мм, содержание фракции 0,1-0,5 мм составляет 10% Далее по примеру 1.

Пример 4. Полисульфон марки ПС-Н (ТУ 6-05-1969-84) T пл. 240^oC, активированный уголь АГС-4 (ТУ 6-16-2420-80) высушивают при температуре 140-160^oC. Полисульфон, активированный уголь, NaF, Ag₂SO₄ измельчают до достижения размеров частиц не более 0,25 мм. Добавки: 15 г активированного угля, 5 г Ag₂SO₄ смешивают с 30 г полисульфона в течение 10 минут в емкости с верхним перемешивающим устройством и вводят продукт A при общем содержании добавок 30 мас. ч. термопласта 70 мас. ч. с учетом продукта A.

Продолжают смешение еще в течение 5 минут. Далее смесь экструдируют при температуре 290-300^oC (температура экструзии превышает температуру расплава термопласта на 50-60^oC) через фильеру диаметром 2 мм. Экструдат режут на гранулы высотой 3,5-10 мм.

Приготовление продукта A: 10 г NaF смешивают с 40 г полисульфона в емкости с верхним перемешивающим устройством в течение 0,5 часа. Соотношение добавки: термопласт составляет 1:4. Смесь сплавляют в обогреваемой емкости при температуре 270-280^oC (температура сплавления превышает температуру расплава термопласта на 30-40^oC). Сплав измельчают на резательной машине до достижения размеров гранул 0,1-1,0 мм. Далее по примеру 1. За исключением того, что пропускают через гранулят не дистиллированную, а водопроводную воду и в фильтрате не определяют общую жесткость. Производят анализ выделения ионов F^-. Фильтрование прекращают после снижения концентрации одного из ионов Na⁺ или F^- более чем в 20 раз.

Пример 5. Лимонную кислоту (30 г) измельчают до достижения размеров частиц не более 0,25 мм. Смешивают с 70 г полиэтилена высокого давления марки 18102-035 (T пл. 105^oC) в шаровой мельнице в течение 1 часа. Экструдируют смесь при температуре 135^oC через фильеру диаметром 1 мм. Экструдат режут на гранулы высотой 7-10 мм. Далее по примеру 1, за исключением того, что через гранулят пропускают не дистиллированную, а водопроводную воду (pH=7,3) и в фильтрате не определяют общую жесткость. Ресурсную способность определяют по изменению pH фильтрата. Фильтрование прекращают после увеличения pH фильтрата более 7,2.

Пример 6. Активированный уголь БАУ-Б, CaSO₄·2H₂O высушивают при температуре 160-180^oC. Добавки: CaSO₄·1/2H₂O, MgCO₃, NaCl, бензойную кислоту измельчают до достижения размеров частиц не более 0,25 мм. Смешивают в шаровой мельнице в течение 2-х часов 20 г полиэтилена низкого давления марки 21006-075 с труднорастворимыми добавками 40 г CaSO₄·1/2H₂O, 21,5 г MgCO₃, 6,0 г активированного угля БАУ-Б. За 5 минут до окончания смешения вводят продукт A и продолжают смешение. Общее содержание добавок 70 мас. ч. термопласта 30 мас. ч. с учетом продукта A. Полученную смесь экструдируют при температуре 160^oC через фильеру диаметром 1,5 мм. Экструдат режут на гранулы высотой 4-8 мм.

Приготовление продукта A: 10 г полиэтилена высокого давления марки 18102-035 смешивают с 1 г NaCl, 0,5 г бензойной кислоты и 1,0 г активированного угля БАУ-Б. Соотношение добавка: термопласт составляет 1:0,25. Смесь экструдируют через фильеру диаметром 1 мм при температуре 140^oC. Экструдат измельчают до достижения размеров частиц 0,1-0,5 мм. Далее по примеру 1.

Пример 7. Активированный уголь ПАУ-СВ (ТУ 6-16-01-506-80) высушивают при температуре 160-180^oC. Добавки: активированный уголь, CaO и Ag₂O измельчают до достижения размеров частиц не более 0,25 мм. Производят смешение в течение 1 часа в емкости с верхним перемеш. устройством 26 г порошкообразного полиэтилена высокого давления марки 18102-035 (T пл. 105^oC, ГОСТ 16338-85) с 10 г активированного угля ПАУ-СВ, 62 г CaO и 2 г Ag₂O. Полученную смесь экструдируют при температуре 165^oC через фильеру диаметром 2 мм. Экструдат режут на гранулы высотой 7-10 мм.

В колонку диаметром 12 мм загружают послойно по ходу воды 10 см³ полученного пластикового гранулята и 10 см³ пластикового гранулята из примера 5. Между слоями и на выходе ставят фильтры из нетканого материала. Через колонку пропускают минерализованную воду с общей жесткостью 14 мг-экв/дм³ со скоростью 10 см³/мин. В фильтрате определяют общую жесткость. В этом примере, в отличие от ранее приведенных, наблюдается снижение солесодержания воды, т. е. общей жесткости. Фильтрование прекращают при увеличении общей жесткости более 10 мг-экв/дм³. pH воды увеличивается при этом с 7,3 до 8,5.

Пример 8 (по прототипу). Активированный уголь, CaSO₄·2H₂O высушивают при температуре 160-180^oC. Компоненты: CaSO₄·1/2H₂O, MgCO₃, MgO, Ag₂SO₄, NaCl, KCl, активированный уголь измельчают до достижения размеров частиц не более 0,25 мм. Проводят смешение в шаровой мельнице в течение 6 часов 25 г полиэтилена низкого давления (T пл. 130^oC), 16 г активированного угля, 40,6 г CaSO₄·1/2H₂, 10 г MgCO₃, 4 г MgO, 3 г AgSO₄, 1 г NaCl, 0,4 г KCl. Смесь экструдируют через фильеру диаметром 1,2-1,5 мм при температуре 220^oC. Полученный экструдат режут на гранулы высотой 3-8 мм. Далее по примеру 1 и описанию прототипа.

Из представленных примеров и таблиц видно, что в результате увеличения содержания в смеси термопласта до 26-70 вес. ч. по отношению к остальным компонентам, снижения температуры экструзии, а также изменения высоты получаемых гранул с 3-8 мм до 3,5-10,0 мм ресурсная способность пластикового гранулята по солям жесткости увеличивается в 1,85 раза. Стабилизируется выделение хорошо растворимых компонентов в воду. К моменту окончания ресурса по солям жесткости их концентрация снижается не более чем в 20 раз.

При осуществлении способа с использованием продукта A ресурс пластикового гранулята по добавкам, растворимость которых составляет 8-1800 г/см³, в 3 раза превосходит известное техническое решение. Введение различных минеральных и (или) органических добавок, а не только содержащих ионы Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, SO²₄^- Cl^-, позволяет не только минерализовать, но и кондиционировать воду.

Снижение температуры экструзии, менее чем на 30^oC превышающей температуру расплава термопласта, не позволяет получить пластиковый гранулят. Увеличение температуры переработки, которая более чем на 60^oC превышает температуру расплава термопласта, не позволяет увеличить ресурсную способность пластикового гранулята. Уменьшение высоты гранул менее 3,5 мм снижает ресурсную способность пластикового гранулята, увеличение высоты более 10,0 мм снижает механическую прочность и насыпную массу и, вследствие этого, ресурсную способность.

Использование продукта A с соотношением добавки: термопласт от 1:0,25 до 1:4,0 обусловлено тем, что с увеличением содержания термопласта в смеси выше указанного предела затрудняется последующее измельчение полученного экструдата до размеров 0,1-1,0 мм. При снижении содержания термопласта ниже указанного предела получение продукта A не влияет на ресурсную способность пластикового гранулята по компонентам, растворимость которых поставляет 8-1800 г/дм³.

Измельчение экструдата термопласта с хорошо растворимыми компонентами при получении продукта A до размеров ниже 0,1 мм не приводит к увеличению ресурсной способности по компонентам, растворимость которых составляет 8-1800 г/дм³. Измельчение сплава термопласта с компонен- тами до размеров, превышающих 1 мм, не приводит к равномерному перемешиванию смеси перед экструзией.

Из таблиц видно, что получение пластикового гранулята по предлагаемому способу способствует стабилизации выделения добавок в воду в отличие от известного технического решения.

Формула изобретения

1. Способ получения пластикового гранулята для обработки воды на основе термопласта и минеральных и/или органических добавок, включающий измельчение, смешение, экструзию и резку экструдата, отличающийся тем, что экструзию проводят при температуре на 30 60^oС выше температуры плавления термопласта при соотношении компонентов в смеси, мас.ч.

Термопласт 26 70 Минеральные и/или органические добавки 30 74 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что минеральные и/или органические добавки с растворимостью в воде 8 1800 г/дм³ предварительно совмещают с термопластом при соотношении от 1 0,25 до 1 4 и вводят в смесь перед экструзией.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что высота гранул пластикового гранулята составляет 3,5 10,0 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2