Способ получения водорастворимого реагента для очистки природных и сточных вод и разделения фаз

 

Изобретение относится к способам получения водорастворимого реагента для очистки природной и сточной воды, обладающего свойствами как флокулянта, так и коагулянта. Способ получения водорастворимого реагента для очистки природных и сточных вод и разделения фаз включает радикальную полимеризацию акриламида в присутствии инициирующей системы, причем процесс полимеризации осуществляют в растворе гидроксохлорида алюминия при массовом соотношении акриламид : раствор гидроксохлорида алюминия = (0,033 - 0,533) : 1, а инициирующая система включает оксиалкил-трет-бутилпероксид и ионы Fe(II), содержащиеся в гидроксохлориде алюминия в соотношении (0,692 - 1,022) : (0,0072 - 0,096) мас. % соответственно. Техническим результатом является упрощение способа получения водорастворимого реагента для очистки природной и сточной воды и разделения фаз, обладающего как коагуляционными, так и флокуляционными свойствами, что расширяет область его применения. Кроме того, применение предлагаемого коагулянта - флокулянта позволяет сократить время подготовки воды и увеличить степень ее очистки. 3 табл.

Изобретение предназначено для получения продукта, обладающего свойствами как коагулянта, так и водорастворимого флокулянта, который может служить для очистки сточных и природных вод от взвесей, а также в бумажной, горнорудной промышленности, при добыче нефти и т.д.

Известен способ получения гидроксохлорида алюминия (ГОХА) путем растворения металлического алюминия в хлороводородной кислоте различной концентрации (А. С. СССР N 618343, МКИ C 01 F 7/56, 1978) а также способ его применения в качестве коагулянта для очистки сточных и природных вод (А.С. Кулясова, Т.Н. Фомичева, ЖПХ. 1997, т. 70, с. 371-374).

Известен способ получения полиакриламида (ПАА) путем полимеризации водного раствора акриламида (АА) радикальными инициаторами (М.Н. Савицкая, ЖПХ, 1959, т. 32, с 1797).

Однако полученный таким образом продукт обладает только или коагуляционными или флокулирующими свойствами и не может самостоятельно применяться для очистки маломутных вод. В этом случае необходимо совместное действие коагулянта и флокулянта. Применение двух ингредиентов требует их раздельного введения в очищаемую воду. При этом сначала вводят коагулянт, а через 15-20 минут - флокулянт. Однако при добавлении флокулянта из-за интенсивного перемешивания разрушается "сетка", являющаяся структурой из продуктов гидролиза ГОХА, которая при седиментации захватывает примеси и очищает воду как подвижная мембрана, что может вызвать стабилизацию системы, т.е. может образовываться вновь устойчивая дисперсная система из продуктов гидролиза ГОХА, а это приводит к резкому уменьшению степени очистки воды.

В качестве прототипа выбран способ получения флокулянта путем полимеризации акриламида (АА) в водной среде в присутствии окислительно-восстановительной системы (персульфат калия - гидросульфид натрия с использованием триэтаноламина в качестве ускорителя полимеризации (O.3. Короткина, В.В. Магдинец, В.Е. Эскин, М.Н.Савицкая, ЖПХ, 1965, т. 48, с. 2533-2538).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относятся следующие: во-первых, полученный полиакриламид не может самостоятельно применяться для очистки природных и сточных вод в широких пределах концентрации дисперсной фазы, поскольку в зависимости от свойств очищаемой воды необходимо применять его совместно с коагулянтом; во-вторых, применяемые в качестве инициаторов персульфат калия, гидросульфид натрия и особенно триэтаноламин при их неполном разложении в процессе полимеризации загрязняют очищаемую воду вредными для здоровья компонентами; в-третьих, при его использовании в процессе водоподготовки питьевой воды не достигается высокая степень ее очистки.

В предлагаемом изобретении решается важная задача разработки экономически выгодного способа получения продукта, обладающего свойствами как флокулянта, так и коагулянта, который применяется для очистки природной и сточной воды, уплотнения осадков, уплотнения волокнистых дисперсий в производстве бумаги и древесно-волокнистых плит и т.д.

Техническим результатом является упрощение способа получения водорастворимого реагента для очистки природной и сточной воды и разделения фаз. При реализации предлагаемого способа получают продукт, обладающий как коагуляционными, так и флокуляционными свойствами, что расширяет область его применения. Кроме того, применение предлагаемого коагулянта - флокулянта позволяет сократить время подготовки воды и увеличить степень ее очистки.

Поставленный технический результат достигается в способе получения водорастворимого реагента для очистки природных и сточных вод и разделения фаз путем радикальной полимеризации акриламида в присутствии инициирующей системы, причем процесс полимеризации осуществляют в растворе гидроксохлорида алюминия при массовом соотношении акриламид: раствор гидроксохлорида алюминия = (0,033 - 0,533):1, а инициирующая система включает оксиалкил-трет-бутилпероксид и ионы Fe (II), содержащиеся в гидроксохлориде алюминия в соотношении (0,692 - 1,022):(0,0072 - 0,096) мас.% соответственно.

При добавлении к раствору ГОХА акриламида, который хорошо растворяется в нем, и при достижении гомогенного состояния вводят оксиалкил-трет-бутилпероксид. В зависимости от концентрации компонентов, особенно АА, процесс полимеризации протекает с большим выделением тепла. Полученный продукт имеет вид от вязкотекучего состояния (малая концентрация АА) до каучукоподобного (большая концентрация).

При растворении в хлороводородной кислоте металлического алюминия, содержащего примеси железа, образуются ионы Fe (II), которые совместно с вводимым пероксидом образуют окислительно-восстановительную систему, служащую инициатором полимеризации АА. При наличии в полученном водорастворимом продукте на основе ПАА электролита (ГОХА, HCl) улучшается флокулирующая способность как заряженных, так и незаряженных частиц дисперсной фазы. При этом уменьшается доза реагента, необходимая для достижения определенной степени флокуляции, расширяется зона вводимых доз реагентов для оптимальной очистки воды, увеличивается степень очистки, т.к. при этом не происходит разрушения первоначально образующейся сетки из продуктов гидролиза гидроксохлорида алюминия.

Эффект улучшения технико-экономических показателей способа получения водорастворимых флокулянтов путем полимеризации АА в ГОХА в присутствии оксиалкилпероксида приводит к получению продукта, обладающего свойствами как коагулянта, так и флокулянта. Процесс протекает без затраты энергии только за счет тепла от реакции полимеризации АА. Кроме того, из-за наличия в ГОХА ионов Fe (II) в качестве инициатора применяется только пероксид, а не три компонента, как в прототипе.

Способ осуществляют следующим образом.

В раствор ГОХА добавляют акриламид в массовом соотношении ГОХА:АА = 1: (0,033 - 0,533). После полного растворения АА в смесь вводят разное количество оксиалкил-трет-бутилпероксида, который с ионами Fe (II), содержащимися в ГОХА, образуют инициирующую систему. При этом в зависимости от содержания железа в ГОХА соотношение оксиалкил-трет-бутилпероксида и Fe (II) составляет (0,692 - 1,022): (0,0072 - 0,096) мас.%. Температура смеси достигает 60-90^oC. После окончания процесса полимеризации определяют характеристическую вязкость [η].

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В стакан емкостью 0,1 л при комнатной температуре помещают 15 г раствора ГОХА с pH 4,63 и содержащего 41,0 мас.% основного вещества, что составляет в пересчете на Al (III) 12,4 мас.%, а также 0,096 мас.% Fe (II). Затем добавляют 0,5 г АА. После полного растворения АА в смесь вводят 0,1 г оксиалкил-трет-бутилпероксида, при этом массовое соотношение АА: раствор ГОХА составляет 0,033:1, а соотношение ионов Fe (II), содержащегося в ГОХА, к оксиалкил-трет-бутилпероксиду составляет 0,096: 1,022 мас.%. Температура реакции достигает 60-90^oC. После окончания процесса определяют характеристическую вязкость. Данные приведены в табл. 1.

Примеры 2 - 6 осуществляют аналогично примеру 1. Отличием является содержание АА, оксиалкил-трет-бутилпероксида и Fe (II).

В этих примерах полимеризация акриламида в растворе гидроксохлорида алюминия, в дальнейшем ГОХА, в присутствии оксиалкил-трет-бутилпероксида обусловливает получение водорастворимого реагента на основе акриламида (АА) в массовом соотношении ГОХА: АА = 1: (0,033-0,533); Fe (II) мас.%: оксиалкил-трет-бутилпероксид, мас.% = (0,065 - 0,096): (0,69-1,02). Как видно из табл. 1, с увеличением концентрации вводимого АА характеристическая вязкость возрастает. Из табл. 1 также видно, что более высокомолекулярный продукт получается при соотношении ГОХА:АА = 1:0,533 при концентрации Fe (II) - 0,065 мас. % и пероксида 0,691 мас. %. По прототипу, а также без ионов Fe (II) процесс полимеризации не протекает.

Пример 7.

В этом примере обусловливается способ получения водорастворимого флокулянта путем полимеризации АА в ГОХА с низким содержанием ионов Fe (II). В стакан емкостью 0,1 л помещают 15 г раствора ГОХА с pH 3,2 с содержанием основного вещества 38,8 мас.% в пересчете на Al (III) 11,8 мас.% и ионов Fe (II) 0,011 мас.%. Затем добавляют 0,5 г АА. После полного растворения АА в смесь вводят 0,1 г оксиалкил-трет-бутилпероксида при массовом соотношении АА:раствор ГОХА = 0,033:1, а соотношение ионов Fe (II), содержащихся в ГОХА, к оксиалкил-трет-бутилпероксиду составляет 0,0110:1,021 мас.%. Температура реакции составляет 60 - 90^oC. После окончания процесса определяют характеристическую вязкость. Данные приведены в табл. 2.

Примеры 8-12 осуществляют аналогично примеру 7. Отличием является содержание АА, оксиалкил-трет-бутилпероксида и Fe (II).

Как видно из табл. 2, уменьшение содержания Fe (II) в растворе ГОХА приводит к увеличению степени полимеризации АА, возрастает характеристическая вязкость по сравнению с опытными данными, представленными в табл. 1. Это, возможно, связано с тем, что избыток Fe (II) приводит к частичному распаду оксиалкил-трет-бутилпероксида, и процесс полимеризации тормозится из-за нехватки инициатора. Проведенные эксперименты по увеличению концентрации вводимого инициатора не приводят к существенному увеличению характеристической вязкости. Взятый низший предел отношения ГОХА:АА = 1:0,033 объясняется тем, что из-за незначительной концентрации АА образуется низкомолекулярный ПАА, который не обладает, как оказалось, флокулирующими свойствами, что косвенно может указывать на уменьшение молекулярной массы получаемого продукта.

Взятый высший предел соотношения ГОХА:АА (1:0,533) объясняется тем, что при более высоком соотношении ГОХА: АА коагуляционные свойства ГОХА при очистке воды практически не проявляются из-за незначительной его концентрации. В то же время большая концентрация ПАА приводит к стабилизации дисперсии в очищаемой воде.

Пример 13.

В этом примере иллюстрируется применение полученных водорастворимых реагентов в качестве коагулянта - флокулянта для очистки воды от каолиновой дисперсии.

В цилиндр емкостью 1,5 литра наливают 1,0 литр воды, содержащей 300 мг каолиновой дисперсии и добавляют для очистки реагенты в количестве, указанном в табл. 3, после чего перемешивают в течение 10 - 15 с путем переворачивания цилиндров.

Как видно из табл. 3, ПАА не очищает воду при выбранной концентрации каолиновой дисперсии. Чистый гидроксихлорид алюминия хотя и дает хорошую степень очистки, однако расходуется его почти в 10 раз больше по алюминию, чем при применении полученных водорастворимых реагентов.

Механическая смесь ПАА + ГОХА также не позволяет достичь максимальной степени очистки.

Исходя из приведенных примеров, следует, что способ получения водорастворимых реагентов, заключающийся в полимеризации АА в растворе ГОХА, позволяет: во-первых, получить продукт, обладающий как свойствами коагулянта, так и флокулянта, при использовании которого степень очистки воды возрастает; во-вторых, полученный продукт обладает лучшими качествами чем только один флокулянт или коагулянт или их механическая смесь при очистки воды от дисперсии; в-третьих, полученный продукт более дешев, чем ПАА; в-четвертых, простота получения водорастворимого реагента позволяет производить его на месте потребления.

Формула изобретения

Способ получения водорастворимого реагента для очистки природных и сточных вод и разделений фаз путем радикальной полимеризации акриламида в присутствии инициирующей системы, отличающийся тем, что процесс полимеризации осуществляют в растворе гидроксохлорида алюминия при массовом соотношении акриламид : раствор гидроксохлорида алюминия (0,033 - 0,533) : 1, а инициирующая система включает оксиалкил-трет-бутилпероксид и ионы Fe(II), содержащиеся в гидроксохлориде алюминия, при этом соотношение оксиалкил-трет-бутилпероксид : Fe(II) = (0,692 - 1,022) : (0,0072 - 0,096) мас.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3