Сополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и n- винилпирролидона в качестве катионного флокулянта для очистки оборотных и сточных вод

 

Изобретение относится к новому химическому соединению, а именно сополимеру 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата (1,2-ДМ-5-ВПМС) и N-винилпирролидона (N-ВП), который может использоваться в качестве катионного флокулянта для ускорения процессов сгущения и фильтрации суспензий, очистки промышленных оборотных и сточных вод. Техническим результатом при использовании предлагаемого соединения является высокая степень очистки оборотных и сточных вод. Сущность изобретения: в качестве катионного флокулянта для обработки оборотных и сточных вод используется новое соединение: сополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и N-винилпирролидона, общей формулы, где n = 75-90 мол.%, m = 10-25 мол.%, с характеристической вязкостью в 2 н. растворе NaCl при 30^oC, равной 1,4-1,6 дл/г. 1 табл.

Изобретение относится к новому химическому соединению, а именно сополимеру 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата (1,2- ДМ-5-ВПМС) и N-винилпирролидона (N-ВП), который может использоваться в качестве катионного флокулянта для ускорения процессов сгущения и фильтрации суспензий, очистки промышленных оборотных и сточных вод.

Известны полимеры солей 2-метил-5-винилпиридина или сополимеры этих солей с виниловыми мономерами, в частности, сополимеры 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата с 2-метил-5-винилпиридином (МВП), с метилакрилатом (МА) (Кабанов В.А., Топчиев Д.А. Полимеризация ионизующихся мономеров. М., Химия, 1978, 184 с.) и с винилацетатом (ВАц) (А.С. СССР 364631, кл. C 08 F 7/12, опубл. 26.03.73).

Однако эти сополимеры не нашли применения в качестве флокулянтов для разделения водных дисперсий, вероятно вследствие гидрофобности второго сомономера.

Известны катионные флокулянты на основе N-винилпирролидона (N-ВП), применяемые для осветления промышленных продуктов (Небера В.П. Флокуляция минеральных суспензий. М., Недра, 1983, 288 с.).

Основной недостаток этих флокулянтов - низкая активность, а следовательно и высокая дозировка, необходимая для оптимального хлопьеобразования при разделении дисперсий, что, по-видимому, связано с отсутствием сильно заряженных катионных центров в макромолекуле полимера.

Так же известны сополимеры N-винилпирролидона с N,N-диметил-N,N-диаллиламмонийхлоридом, которые предлагается использовать в качестве добавок для очистки соков (А.С. СССР 1587056, кл. C 08 F 226/10, 2/12, опубл. 23.08.90).

Недостатком этих сополимеров является низкая молекулярная масса и, как следствие, их низкая активность как флокулянтов, а также невысокий выход продукта.

Наиболее близким к заявленному сополимеру является гомополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, получаемый полимеризацией 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата в водном растворе, в присутствии инициатора β-оксипропил-трет. -бутилпероксида (ОПП), и используемый в качестве катионного флокулянта для очистки промышленных оборотных и сточных вод (патент РФ N 2048479, МКП C 08 F 26/06, 4/40, 1995).

Однако указанное соединение проявляет недостаточную эффективность при его использовании в процессах водоподготовки: достигаемая степень очистки обрабатываемых вод составляет 82 - 87%.

Задачей данного изобретения является получение нового полимерного флокулянта с повышенной флокулирующей способностью.

Техническим результатом при использовании предлагаемого соединения является высокая степень очистки оборотных и сточных вод.

Технический результат достигается тем, что в качестве катионного флокулянта для обработки оборотных и сточных вод используется новое соединение: сополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и N-винилпирролидона (N-ВП), общей формулы: где n = 75-90 мол.%, m = 10-25 мол.%, с характеристической вязкостью в 2 н. растворе NaCl при 30^oC, равной 1,4-1,6 дл/г.

Предлагаемый нами новый сополимер 1,2-диметил-5- винилпиридинийметилсульфата и N-винилпирролидона получают радикальной сополимеризацией 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата с N-винилпирролидоном в присутствии эффективного инициатора β- оксипропил-трет.-бутилпероксида в водном растворе.

Высокая флокулирующая способность сополимера связана с введением звеньев N-винилпирролидона в структуру полимера. Гидрофильные по природе звенья N-винилпирролидона обусловливают более высокую сольватирующую способность воды по отношению к макромолекулам сополимера, которая приводит к изменению молекулярно-конформационных параметров цепи. Изменению конформационных параметров также способствует чередование в макромолекуле заряженных фрагментов четвертичной соли и незаряженных - N-винилпирролидона. Вероятно, полимерная цепь становится более развернутой, что облегчает взаимодействие активных центров макромолекулы с частицами дисперсной фазы, а следовательно, способствует более эффективной агрегации частиц. В процессе агрегации звенья N-винилпирролидона, по-видимому, взаимодействуют с частицами, не вовлеченными в процесс флокуляции звеньями четвертичной соли. Это приводит к уменьшению количества несфлокулированных частиц, и соответственно, снижению мутности очищаемой воды, что и наблюдается в ходе эксперимента. Таким образом, введение гидрофильных неионогенных звеньев N- винилпирролидона в структуру полимера может оказывать влияние на процесс агрегации частиц, увеличивая его эффективность. При этом достигается высокая степень очистки оборотных и сточных вод.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

Сополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и N-винилпирролидона получают сополимеризацией 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата с N-винилпирролидоном в водном растворе с использованием инициатора радикальных процессов β- оксипропил-трет.-бутилпероксида при температуре 0-60^oC в течение 2-24 часов.

где n = 75-90 мол.%, m = 10-25 мол.%.

По завершении сополимеризации реакционная масса представляет собой высоковязкий концентрированный раствор сополимера 1,2- диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и N-винилпирролидона в воде, который непосредственно используется при приготовлении рабочих растворов флокулянта для разделения суспензий. В сухом виде сополимер представляет собой порошок белого цвета, растворимый в воде, метаноле, ДМФА, ДМСО и других органических растворителях.

Полученные образцы сополиэлектролита имеют высокую молекулярную массу ([η]= 1,4-1,6 дл/г).

Пример 1 В стеклянный реактор объемом 250 мл загружают 49,062 г 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и 2,425 г N- винилпирролидона, приливают 70 мл дистиллированной воды, перемешивают до получения прозрачного раствора, создают в реакторе инертную атмосферу путем кратковременной (1-2 мин) продувки азотом, вносят 0,01% от массы мономеров инициатора β-оксипропил-трет.-бутилпероксида. Реакционную массу перемешивают и помещают в полиэтиленовый контейнер соответствующего объема, контейнер запаивают и оставляют при комнатной температуре. Процесс сополимеризации до полной конверсии мономеров завершается через 6 часов. Полученный сополимер полностью растворим в воде. Характеристическая вязкость в 2N растворе NaCl 1,6 дл/г, состав сополимера 90 мол.% 1,2-диметил-5- винилпиридинийметилсульфата, 10 мол.% N-винилпирролидона. Выход сополимера 98%.

Пример 2 В стеклянный реактор объемом 250 мл загружают 44,701 г 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и 4,365 г N- винилпирролидона, приливают 70 мл дистиллированной воды, перемешивают до получения прозрачного раствора, создают в реакторе инертную атмосферу путем кратковременной (1-2 мин) продувки азотом, вносят 0,01% от массы мономеров инициатора β-оксипропил- трет.-бутилпероксида. Реакционную массу перемешивают и помещают в полиэтиленовый контейнер соответствующего объема, контейнер запаивают и оставляют при комнатной температуре. Процесс сополимеризации до полной конверсии мономеров завершается через 6 часов. Полученный сополимер полностью растворим в воде. Характеристическая вязкость в 2N растворе NaCl 1,5 дл/г, состав сополимера 82 мол.% 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, 18 мол.% N-винилпирролидона. Выход сополимера 97%.

Пример 3 В стеклянный реактор объемом 250 мл загружают 40,885 г 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и 6,063 г N-винилпирролидона, приливают 70 мл дистиллированной воды, перемешивают до получения прозрачного раствора, создают в реакторе инертную атмосферу путем кратковременной (1-2 мин) продувки азотом, вносят 0,01% от массы мономеров инициатора β-оксипропил-трет.-бутилпероксида. Реакционную массу перемешивают и помещают в полиэтиленовый контейнер соответствующего объема, контейнер запаивают и оставляют при комнатной температуре. Процесс сополимеризации до полной конверсии мономеров завершается через 6 часов. Полученный сополимер полностью растворим в воде. Характеристическая вязкость в 2N растворе NaCl 1,4 дл/г, состав сополимера 75 мол. % 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата, 25 мол.% N-винилпирролидона. Выход сополимера 97%.

Флокулирующую активность сополимеров 1,2-диметил-5- винилпиридинийметилсульфата и N-винилпирролидона определяли спектротурбидиметрическим методом на модельной системе "каолин - дистиллированная вода" по показателям мутности надосадочной жидкости.

Для исследования процесса флокуляции в водную суспензию каолина с концентрацией 0,8% вводили флокулянты, концентрация которых в системе составляла C_p = 0-10 мг/л и в течение 2 мин с частотой 3 с перемешивали, не допуская попадания воздуха. Через 60 мин отбирали надосадочную жидкость и измеряли оптическую плотность (A) на приборе КФК-2 при длине волны λ = 490 нм против дистиллированной воды. В зависимости от величины A подбирали длину кюветы l= 1-50 мм. Мутность надосадочной жидкости (τ) рассчитывали по формуле: τ = 2,3·A/l.

По результатам измерений находили оптимальные концентрации образцов полиэлектролитов, обеспечивающие наибольшую степень осветления (минимальную мутность надосадочной жидкости), и рассчитывали степень осветления (D_τ) по формуле:
где τ_o, τ_min - мутность надосадочной жидкости, соответственно, в отсутствие добавок и при введении оптимальной дозы полиэлектролита.

Параметры флокуляции суспензии каолина сополимерами 1,2- диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и N-винилпирролидона и гомополимером 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата (прототип, известен в промышленности как катионный флокулянт КФ- 91) приведены в таблице.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что введение звеньев N-винилпирролидона в состав полиэлектролита на основе 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата в количестве 10-25 мол.% позволяет повысить степень очистки воды в среднем на 8-10%, по сравнению с гомополимером 1,2-диметил-5- винилпиридинийметилсульфата. При снижении содержания N- винилпирролидона менее 10 мол. % и увеличении его содержания более 25 мол.% степень осветления уменьшается.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленное изобретение при его использовании, предназначено для применения в качестве катионного флокулянта для обработки промышленных оборотных вод и бытовых стоков, а также для разделения водных дисперсий;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Сополимер 1,2-диметил-5-винилпиридинийметилсульфата и N-винилпирролидона, общей формулы

где n = 75 - 99 мол.%, m = 10 - 25 мол.%,
с характеристической вязкостью в 2н. растворе NaCl при 30^oC, равной 1,4 - 1,6 дл/г, в качестве катионного флокулянта для очистки оборотных и сточных вод.

РИСУНКИ

Рисунок 1