CN101970119B - 用来从流体流中除去分散的细微颗粒物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示的是用来从流体中除去颗粒物的系统，包含通过至少一个激活基团或胺官能团的附着起作用的颗粒，其中改性颗粒与流体内的颗粒络合在其中形成可除去的络合物。颗粒物已优先与束缚剂接触、络合或反应。该系统对把颗粒物从尾料溶液中除去是特别有利的。

Description

用来从流体流中除去分散的细微颗粒物的方法
相关申请 
这份申请要求2008年2月14日申请的美国专利临时申请第61/028,717号、2008年11月25日申请的第61/117,757号和2008年12月23日申请的第61/140,525号的利益。上述申请的全部教导在此通过引证被并入。 
申请领域 
这份申请通常涉及对于从流体流中除去分散的细微颗粒物有用的颗粒。 
背景技术
从采矿活动产生的微粒物质往往被发现充分地分散在水相环境(例如，废水)中。细微分散的物质可能包括像各种不同类型的泥土物质、可回收物质、细沙和淤泥那样的固体。把这些物质与水相环境分开可能是困难的，因为它们容易保有大量的水，即使在析出的时候也如此，除非使用特殊的能源密集型脱水程序或长期沉淀法。 
高耗水量程序的例子是处理天然矿石，例如，煤和油沙。天然矿石是疏水有机分子和固体无机物的异种混合物。在处理这样的矿石期间，胶体颗粒(例如，泥土和矿物微粒)往往由于引进与碳化氢提取程序有关的机械剪切被释放到水相中。除了机械剪切 之外，有时在提取期间添加碱水，从而形成更适合胶体悬浮的环境。用来处理由此产生的包含泥土和矿物、水、氢氧化钠和少量剩余碳化氢的细微胶体悬浮液的“尾料”溶液的常见方法是将它们储存在“尾料池塘”中。这些池塘花费数年时间使污染微粒沉淀下来，从而使水不适合再循环。 
特定的工业程序使用大量的水加剧当地的供水紧张。举例来说，在油沙提取工业中，已经在排放处理用水的河流附近观察到流速下降。作为特定的例子，水的需求在阿萨巴斯卡是非常关心的，油砂沉积位于加拿北阿尔伯塔，在阿萨巴斯卡河附近。来自阿萨巴斯卡沉积物的油砂正在以大约每天100万吨的速率挖掘和处理。处理这个数量的矿石对水的需求增加到大约每年500kdam3，占该省用水量的8％。在相当多的水终止于尾料池塘的情况下，最后周围的河流将不再能维持工业对水的需求。在这种工业中水的有效的、高效率的再循环方法对它的长期生存能力是必要的。 
除此之外，特定的工业程序可能产生大颗粒无机固体的废弃流。以油砂为例，无机固体(例如，石英)保留到从油沙矿石提取碳化氢之后。因为被处理的矿石只包含大约8-12％令人想要的碳化氢，大量的大颗粒无机物在提取碳化氢之后留下来。这种残渣通常由于其大小、不溶解性和易于螯合在处理最初的分离阶段就被除去。这种废料的处理或储藏已经再一次由于许多工业程序的巨大体积变成变得油砂工业的问题。已经尝试使用这种大而粗糙的固体作为絮凝剂石渣用于尾料池塘中的纤细胶体悬浮液；然而，凝聚尚未被可持续地观察到。改性这种物质使之变成可以就地用于废水处理可能是有利的。 
使分散在水中的纤细物质结成一体的典型方法包括使用凝结剂或絮凝剂。这种技术是通过使用多价金属盐(例如，钙盐， 铝化合物，等等)或高分子聚合物(例如，部份水解的聚丙烯酰胺)把分散的颗粒连接在一起工作的。采用这些制剂的情况下，悬浮颗粒块的总尺寸有所增加；而且，它们的表面电荷被中和，所以颗粒是不稳定的。总的结果是被处理的颗粒加速沉淀。处理之后，仍然有相当大量的水被沉淀的颗粒困住。这些技术通常不把充足的水从沉淀物料中释放出来，使该物料变成机械稳定的。除此之外，供絮凝/凝结使用的物质不可能是有成本效益的，尤其当大体积的废水需要处理的时候，因为它们需要大量的絮凝剂和/或凝结剂。虽然铺沙絮凝系统已有描述，但是这些系统在充分地除去许多种类型的纤细颗粒(例如，在油沙采矿中产生的那些纤细颗粒)方面是无效率的。 
特别的需求存在于在油砂行业用来把悬浮的颗粒从流动的溶液中除去。直接从处理油砂流过来的尾料(称为“整个尾料”)能包含在碱性水溶液中悬浮的纤细泥土颗粒(称为“泥土微粒”)以及悬浮的沙子和其它颗粒物。整个尾料能通过诸如旋流分离之类的程序被分成两股流体流，其中一股流体流(被称为潜流)包含沙子，而另一股流体流(被称为溢流)包含悬浮的纤细泥土颗粒。来自漩流分离的溢流包含纤细泥土颗粒，被称为纤细尾料。纤细尾料可以被引向大的人造尾料池塘，让泥土颗粒靠地心引力逐渐地沉淀下来。该沉淀过程可能花费许多年。尾料池塘通常有四层，包括澄清沙床、上覆的浓稠液体层(叫做成熟的纤细尾料)、支撑悬浮微粒的液体层和浮在表面的清澈水层。这个水的顶层由于暴露在周围空气的温度下已被冷却能被再次用于油砂处理，但是它必须在使用之前升温到大约在50℃-80℃之间的处理温度。 
因此，对于能够快速地、便宜地和高效率地从流动的溶液中除去悬浮颗粒的处理系统，技术上仍然保留全部需求。该处理系统产生保有最少的水的回收的(或者可回收的)固体物质以便它能 被很容易地处理成机械上稳定的、有可能能够支撑重量或支持车辆交通(即，“行车”)的物质也是令人想要的。处理系统产生能为了进一步的工业应用很容易再循环的澄清的水是进一步令人想要的。 
就应用于油业而言，在引向尾料池塘之前处理整个尾料使水与悬浮固体分离是令人想要的。如果这个分离在油砂处理之后被很快地完成，那么回收的水将仍然很热，所以可以有把再循环的水加热到处理温度所需要的能量守恒。此外，处理整个尾料回收水和固体能减少必须储存在像尾料池塘那样的设施中的废料数量。 
技术上另外的需要属于现有尾料池塘的管理。以它们现在的形式，它们是未来可能需要广泛打扫的环境债务。避免它们的扩张是令人想要的。改善它们的现有状态使它们的内容物更有效地完全地沉淀是进一步令人想要的。在尾料池塘中固体物质与液体溶液的更完全和更迅速的分离可以允许在全面减少它们占用的占地面积的情况下取回可再循环的水和可不占空间的废料。 
发明内容
在此揭示的是从自流体中除去颗粒物的系统，包含通过至少一种胺官能团的附着起作用的颗粒，其中改性的颗粒与流体里面的颗粒物络合在其中形成可除去的络合物。在实施方案中，流体可能是尾料溶液。在实施方案中，颗粒物可能是石英或泥土微粒。在实施方案中，可除去的络合物比流体更稠密。在实施方案中，可除去的络合物不比流体稠密。 
另外，在此揭示的是用来把颗粒物从流体中除去的方法，该方法包括：提供包含通过至少一种胺官能团的附着起作用的颗粒 的改性颗粒，把改性颗粒分散在流体里面以便它接触颗粒物在流体中形成可除去的络合物，以及把可除去的络合物从流体中除去。在实施方案中，流体可能是尾料溶液。在实施方案中，颗粒物可能是石英或泥土微粒。在实施方案中，可除去的络合物能是通过过滤除去的。在实施方案中，可除去的络合物可以通过离心分离、重力沉淀和/或撇取浮沫除去。 
在此揭示的是用来从流体中除去颗粒物的系统的实施方案，其中包括能够附着到颗粒物上形成活性颗粒的激活物质，固着颗粒，和能够附着到固着颗粒上的束缚物质，其中束缚物质附着在固着颗粒和活性颗粒上在流体中形成可除去的络合物。在实施方案中，固着颗粒可以包含沙子。在实施方案中，束缚物质可以选自壳聚糖、聚乙烯胺(lupamin)、支链聚乙烯亚胺(BPEI)和聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDAC)。如上所述，活性颗粒可能是通过至少一种胺官能团的附着起作用的颗粒。 
在此揭示的是把颗粒物从流体中除去的方法的实施方案，其中包括提供能够附着到颗粒物上的激活物质，使激活物质附着到颗粒物上形成活性颗粒，提供固着颗粒和提供能够附着到固着颗粒上的束缚物质，以及使束缚物质附着到固着颗粒和活性颗粒上在包含颗粒物的流体中形成可除去的络合物。所揭示的方法的实践可能包含把可除去的络合物从流体中除去。在特定的实践中，可除去的络合物能通过过滤、离心分离和/或重力沉淀除去。在特定的实践中，固着颗粒可能包含沙子。在特定的实践中，束缚物质可以选自壳聚糖、lupamin、BPEI和PDAC。在特定的实践中，颗粒物可能包含石英和/或泥土微粒。另外，在此揭示的是用上述方法生产或可生产的产品的实施方案。在此进一步揭示的是以用上述方法获得或可获得的沙滩或塘底为特色的废物处理池。 
具体实施方法 
在此揭示的是通过在较粗的颗粒点阵内把它们合并提高分散的纤细物质的沉淀速率的系统和方法，所以固体能在物质有机械稳定性时从水悬浮液中除去。在此揭示的系统和方法包括三个组成部分：激活纤细颗粒，把它们束缚到固着颗粒上以及使纤细颗粒-固着颗粒络合物沉淀。 
1.激活 
依照本文的用法，术语“激活”指的是激活物质(例如，聚合物)与液体介质(例如，水溶液)中的悬浮颗粒相互作用。在实施方案中，高分子聚合物能被引进颗粒分散体，以便这些聚合物与纤细颗粒相互作用或络合。聚合物-颗粒络合物与其它相似的络合物或与其它的颗粒相互作用形成絮团。 
这个“激活”步骤能起预处理的作用为所揭示的系统和方法的后续阶段的进一步相互作用准备纤细颗粒的表面。举例来说，激活步骤能准备好纤细颗粒的表面，以便与已经理性地为在下面描述的非必选的后续的“束缚”步骤中与其相互作用设计的其它聚合物相互作用。不受理论束缚，据信当纤细颗粒被涂上一层聚合物之类激活物质的时候，这些涂层物质可能具有聚合物或其它涂料的一些表面性质。这种改变了的表面特性本身对于沉淀、固结和/或脱水可能是有利的。 
适合改性或激活的颗粒可能包括有机的或无机的颗粒或其混合物。无机颗粒可能包括一种或多种物质，例如，碳酸钙、白云石、硫酸钙、高岭土、滑石、二氧化钛、沙子、硅藻土、氢氧化铝、硅石、其它金属氧化物，等等。沙子(例如，从采矿过程本身回收的沙子)是优选的。有机颗粒可能包括一种或多种物质， 例如，淀粉、改性淀粉、聚合物球体(实心的和空心的两种)，等等。颗粒大小可能从几纳米到几百微米。在特定的实施方案中，在毫米系列的宏观颗粒可能是适当的。 
在实施方案中，颗粒(例如，用胺改性的颗粒)可能包含诸如木质纤维材料、纤维素材料，玻璃材料、胶凝材料、碳材料，塑料，弹性体材料之类的材料。在实施方案中，纤维素和木质纤维材料可能包括木材，例如，木头薄片、木纤维、废弃木材、木粉、木质素或来自木本植物的纤维。 
无机颗粒的范例包括泥土，例如，硅镁土和膨润土。在实施方案中，无机化合物可能是玻璃状的物质，例如，陶瓷颗粒、玻璃、飞尘，等等。颗粒可能是实心的或可能是部份或全部空心的。举例来说，玻璃或陶瓷微球可能被当作颗粒使用。玻璃状物质(例如，玻璃或陶瓷)也可能是作为被当作颗粒使用的纤维形成的。胶凝物质可能包括石膏、硅酸盐水泥、高炉水泥、氧化铝水泥、硅水泥，等等。含碳物质可能包括碳黑、石墨、碳纤维，碳微粒和碳纳米颗粒，举例来说，碳纳米管。 
在实施方案中，塑料物质可能作为颗粒使用。热固性和热塑性的两种树脂都可能用来形成塑料颗粒。塑料颗粒可能是作为实心体、空心体或纤维或任何其它适当的形状成形的。塑料颗粒能是由多种聚合物形成的。作为塑料颗粒有用的聚合物可能是均聚物或共聚物。共聚物可能包括嵌段共聚物、接枝共聚物和异分子聚合物。在实施方案中，适当的塑料可能包括，举例来说，加成聚合物(例如，烯键不饱和单体的聚合物)、聚酯、聚氨酯，芳纶树脂，缩醛树脂，甲醛树脂，等等。加成聚合物可能包括，举例来说，聚烯烃、聚苯乙烯和乙烯基聚合物。在实施方案中，聚烯烃可能包括利用诸如乙烯、丙烯、丁烯、双环戊二烯之类的C2-C10烯烃单体制备的聚合物。在实施方案中，可能使用多氯乙烯聚合 物、丙烯腈聚合物，等等。在实施方案中，对于颗粒的形成有用的聚合物可能是通过多羟基化合物(例如，亚烷基乙二醇、聚醚醇，等等)与一种或多种聚羧酸的缩合反应形成的。聚对苯二甲酸乙二醇酯是适当的聚酯树脂范例。聚氨酯树脂可能包括，例如，聚醚聚氨酯和聚酯聚氨酯。塑料也可能是为这些用途从废塑料(例如，消费后的废品，包括用高密度聚乙烯制作的塑料袋、容器、瓶子，食杂店用的聚乙烯袋子，等等)获得的。 
在实施方案中，塑料颗粒可能被制成可膨胀的聚合物颗粒。这样的颗粒可能有对于特定应用有用的任何几何形状，无论是球形、圆筒形、卵形还是不规则形状。可膨胀颗粒可能在使用之前预先膨胀。预先膨胀能通过把颗粒加热到它们的软化点以上的温度直到它们变形和起泡形成有特定密度和体积的松散组合物来实现。在预先膨胀之后，颗粒可能被模塑成特定的形状和大小。举例来说，它们可能用蒸气加热使它们一起熔融成大小和形状与模腔一致的轻质蜂窝材料。膨胀颗粒可能比未膨胀颗粒大2-4倍。作为范例，可膨胀的聚合物颗粒可能是利用聚苯乙烯和聚烯烃制成的。可膨胀颗粒可以按照多种未膨胀颗粒的大小购买。沿着颗粒的最长轴测量的颗粒大小以重量平均为基础可能在大约0.1毫米到6毫米的范围内。 
在实施方案中，可膨胀的颗粒可能是通过在水悬浮液中在有一种或多种膨胀剂存在的情况下使颗粒材料聚合或通过把膨胀剂添加到充分粉碎的颗粒材料的水悬浮液中形成的。膨胀剂(也叫做“发泡剂”)是不溶解可膨胀的聚合物并且在聚合物的软化点以下沸腾的气体或液体。发泡剂可能包括低级烷烃和卤代低级烷烃，例如，丙烷、丁烷、戊烷、环戊烷、己烷、环己烷、二氯二氟甲烷和三氟氯甲烷，等等。对于任何特定的未膨胀颗粒系统存在多种膨胀能力，取决于所用发泡剂的数量和膨胀技术。膨胀 能力与颗粒在加热到它的膨胀温度时能膨胀多少有关。在实施方案中，弹性体材料能作为颗粒使用。例如，可能使用天然橡胶或合成橡胶的颗粒。 
在实施方案中，颗粒可能实质上大于纤细颗粒，它正在从处理水流中分离出来。举例来说，为了除去直径小于大约50微米的颗粒物，可能选择有更大尺寸的颗粒来改性。在其它的实施方案中，颗粒可能实质上小于颗粒物，它正在从处理水流中分离出来，有许多这样的颗粒与大得多的颗粒物相互作用以便络合。颗粒也可能是为了改性使之与目标颗粒物相比有更容易沉淀而选定的，举例来说，球形颗粒可能有利地用来除去薄片型颗粒物。在其它的实施方案中，密实的颗粒可能是为改性选定的，所以它们在与处理水流中的纤细颗粒物络合的时候能快速地沉淀。在另一些实施方案中，可能为改性选择极有浮力的颗粒，以便它们在与纤细颗粒物络合之后升到流体表面，从而允许经由撇取浮沫程序而不是沉淀程序除去络合物。在以改性颗粒形成过滤器的实施方案中，如同在滤饼中那样，为改性选定的颗粒可能是由于它们的低堆积密度或多孔性而被选中。有利的是可以选择这样的颗粒，该颗粒对将发生颗粒除去程序的特定地理区域来说是本土的。举例来说，沙子可以作为通过改性用来把颗粒物从油沙采矿的废弃水流(尾料)中除去的颗粒。 
预计由改性颗粒和颗粒物形成的络合物能被回收并且被用于其它应用。举例来说，沙子作为改性颗粒使用而且它捕获尾料中的纤细泥土的时候，沙子/泥土的组合能用于邻近采矿位置的道路工程，这是因为与其它本地可得的材料相比该络合物的可压实性更小。 
“激活”步骤可能是使用絮凝剂或其它的聚合物实现的。优选的是，聚合物或絮凝剂能带电荷，包括阴离子或阳离子聚合物。 在实施方案中，阴离子聚合物能被使用，包括，举例来说，部份水解的聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸酸、璜化的聚苯乙烯，等等。适当的聚阳离子包括：带支链的聚二烯丙基二甲基氯化铵或线形的聚乙烯亚胺，聚乙烯胺，等等。适合氢键相互作用的非离子聚合物可能包括聚环氧乙烷，聚环氧丙烷，聚羟基丙烯酸乙酯，聚羟基异丁烯酸乙酯，等等。可能使用絮凝剂，例如，Ciba Specialty Chemicals在商标Magnafloc下出售的那些。 
活性颗粒也可能是靠胺起作用或改性的颗粒。依照本文的用法，术语“改性颗粒”能包括已经像在此描述的那样通过一个或多个胺官能团的附着改性的任何颗粒。颗粒表面上的官能团可能来自于使用多官能团偶联剂或聚合物的改性。多官能团偶联剂作为范例可能是氨基硅烷偶联剂。这些分子可能与颗粒表面(例如，金属氧化物表面)结合，然后呈现它们的胺基与颗粒物相互作用。在聚合物的情况下，聚合物在颗粒表面上能通过共价键与该表面结合或者利用一些其它的力(例如，静电的、疏水的或或氢键的相互作用)与颗粒和/或纤维的表面相互作用。在聚合物通过共价键与表面结合的情况下，可以使用多官能团偶联剂，如硅烷偶联剂。适当的偶联剂作为范例包括异氰基硅烷和环氧基硅烷。然后，举例来说，聚胺能与异氰基硅烷或环氧基硅烷反应。聚胺包括聚烯丙基胺，聚乙烯基胺、壳聚糖和聚乙烯亚胺。 
在实施方案中，聚胺(包含伯、仲、叔、季胺的聚合物)也能自己组装到颗粒或纤维的表面上使它们起作用不需要偶联剂。举例来说，聚胺能通过静电相互作用自己组装到颗粒表面上。举例来说，在壳聚糖的情况下，它们也能沉淀到表面上。因为壳聚糖在酸性水溶液的情况下是可溶解的，它能通过使颗粒悬浮在壳聚糖溶液中然后提高溶液pH值沉淀到颗粒表面上。 
在实施方案中，胺或大部分胺是带电荷的。一些聚胺(例如，季胺)不管pH值如何都是满电荷的。其它的胺可能是带电荷的或未带电荷的，取决于环境。聚胺能在通过用酸性溶液处理它们沉积到颗粒上之后变成带电荷的。在实施方案中，酸性溶液可能是非水的，为的是阻止聚胺在它不是通过共价键附着到颗粒上的情况下回到溶液中。 
聚合物和颗粒能经由形成一个或多个离子键、共价键、氢键及其组合络合，例如，离子络合物是优选的。 
为了获得活性纤细物质，可以通过一些不同的方法将活化剂引进液体介质。举例来说，大的混合罐可能用来把激活物质与来自油砂处理轴承细颗粒物的尾料混合在一起。作为替代，激活物质能沿着传输管道添加进去并混合，举例来说，用静态混合机或一系列折流板。活性颗粒生产出来之后，可以采用一个或多个后续的束缚和固着-分离步骤处理。 
能被激活的颗粒通常是难沉淀的纤细颗粒。能依照本发明过滤的颗粒的范例包括金属颗粒、沙子、无机颗粒或有机颗粒。本发明的方法和产品对于隔离从采矿操作(例如，油砂处理或其它矿物取回操作)产生的颗粒或其它沥青相关联的固体特别有用。颗粒是通常是纤细颗粒，例如，有小于50微米的质量平均直径的颗粒或者在过滤(例如，用325目筛过滤)之后有归于滤液的颗粒分数的颗粒。要用在此描述的程序除去的颗粒被也称为“微粒”。 
2.束缚 
依照本文的用法，术语“束缚”指的是激活的纤细颗粒和固着颗粒(下面将予以描述)之间的相互作用，以便激活的纤细颗粒被束缚、链接或附着到固着颗粒上。固着颗粒在经由束缚附着到 激活的纤细颗粒上的时候提高纤细颗粒的沉淀或除去的比率和完全性。 
依照这些系统和方法，束缚物质充当络合剂使活性颗粒附着到固着物质上。在实施方案中，沙子能作为固着物质使用，还可能有其它的一些物质，下面将有详细的陈述。在实施方案中，束缚物质可能是与激活物质强烈地互相作用并且可与固着颗粒连接的任何类型的物质。 
依照本文的用法，术语“固着颗粒”指的是促进纤细颗粒分离的颗粒。通常，固着颗粒有大于液态处理水流的密度。举例来说，密度大于1.3g/cc的固着颗粒能被使用。作为补充或替代，固着颗粒的密度可能大于纤细颗粒或活性颗粒的密度。作为替代，该密度小于分散介质即液体流或水流的密度。作为替代，固着颗粒只是比颗粒大。密度或颗粒大小的差异有利于把固体从介质中分离出来。 
举例来说，为了除去质量平均直径小于大约50微米的颗粒物，固着颗粒可能被选择有较大尺寸的，例如，质量平均直径大于70微米的。当与目标颗粒物相较了，对于给定的系统固着颗粒可能有与目标颗粒物相比更容易沉淀的形状，举例来说，球形颗粒可能适合作为固着颗粒用来把薄片或针形的颗粒除去。在其它的实施方案中，增加固着颗粒的密度可能导致更迅速的沉淀。作为替代，密度较低的固着颗粒可能提供使纤细颗粒飘浮使用撇去表面漂浮物程序除去纤细颗粒的方法。在这个实施方案中，人们可以选择密度小于大约0.5g/cc的固着颗粒把纤细颗粒从工艺水流中除去。 
有利的是可以选择对将会发生颗粒除去程序的特定的地理区域来说是本土的固着颗粒。举例来说，沙子能作为固着颗粒用于从油沙采矿的废弃水流(尾料)中除去纤细颗粒物。 
适当的固着颗粒能由有机材料或无机材料或两者的任何混合物形成。固着颗粒粒度(作为质量平均直径测量的)可能有高达几百微米的粒度，优选大于大约70微米。在特定的实施方案中，达到和大于大约1毫米的宏观固着颗粒可能是适当的。重复利用物质或废弃物，尤其是重复利用有机械强度和耐久性适合生产在筑路等方面有用的产品的物质和废弃物是特别有利的。 
作为依照这些系统和方法连同固着颗粒一起使用的束缚物质的范例，壳聚糖能沉积到沙子颗粒上，举例来说，借助pH值转变行为。壳聚糖对已被用来激活纤细颗粒的阴离子系统可能有亲和力。在一个范例中，部份水解的聚丙烯酰胺聚合物能用来激活颗粒，导致颗粒有阴离子电荷性质。壳聚糖的阳离子电荷将吸引活性颗粒的阴离子电荷，使沙子颗粒附着在激活的纤细颗粒上。 
在实施方案中，各种不同的相互作用(例如，静电、氢键或疏水特性)能用来使活性颗粒或与颗粒络合物附加到与固着颗粒络合的束缚物质上。在前面的范例中，静电相互作用能控制承载阴离子部份水解的聚合物聚丙烯酰胺的活性纤细颗粒络合物和与束缚物质壳聚糖络合的阳离子沙子颗粒的集结。 
在实施方案中，聚合物(例如，线形或支链聚乙烯亚胺)能作为束缚物质使用。人们将理解其它的阴离子或阳离子聚合物也可能作为束缚剂使用，举例来说，聚二烯丙基二甲基氯化铵。然而，束缚物质的效能可能取决于激活物质。束缚物质和激活物质之间的强亲和力能导致其间的强的和/或迅速的相互作用。 
对于束缚物质的适当选择是除了能赋予对与活化剂聚合物的强络合的形成有益的表面性质之外，还能保持对固着表面的束缚的选择。举例来说，聚阴离子活化剂能与聚阳离子束缚物质匹配或者聚阳离子活化剂能与聚阴离子束缚物质匹配。以氢键来说，氢键供体应该连同氢键受体一起使用。在实施方案中，束缚物质可能对选定的活化剂是互让的，而且在保留这种表面性质的同时两种物质能对它们各自的沉积表面拥有强大的亲和力。 
在其它的实施方案中，阳离子-阴离子的相互作用可能被安排在活性的纤细颗粒和承载束缚剂的固着颗粒之间。活化剂可能是阳离子或者阴离子物质，只要它对它要附着的纤细颗粒有亲和力。为了对用于该系统的特定固着颗粒有亲和力，可以选择互补的束缚物质。在其它的实施方案中，疏水相互作用可能用于该激活-束缚系统。 
固着颗粒材料优选以允许泥浆流动的数量添加进去。例如，该颗粒材料可能是以大于1克/公升的数量但小于造成不可流动的淤泥的数量添加的，数量在大约1克/公升到大约10克/公升之间，优选在2克/公升到6克/公升之间往往是适当的。在一些实施方案中，维持固着颗粒的浓度达20克/公升以上可能是令人想要的。固着颗粒可能是新鲜的(未用过的)物质，重复使用的清理过的石渣或重复使用的未清理过的石渣。 
3.沉淀 
预计由固着颗粒和活性颗粒物形成的络合物能被回收和供其它应用使用。举例来说，当沙子作为改性颗粒使用并且捕获尾料中微粒泥土的时候，沙子/泥土组合能用于采矿位置附近的道路工程，由于与本地可得的其它材料相比该络合物的紧密性较差。 
在实施方案中，活性的纤细颗粒和承载束缚剂的固着颗粒之间的相互作用能提高它们形成的络合物的机械性质。举例来说，活性的纤细颗粒或其聚积物能与一种或多种承载束缚剂的固着颗粒牢固地结合，所以它们不与它们在颗粒上取得的位置分离或从它们在颗粒上取得的位置移开。络合物的这种性质能使它变得机械上更稳定。 
活性的纤细物质与用适当的束缚聚合物改性的较稠密的(固着)点阵之间增大的相容性能进一步导致由此产生的复合材料的机械稳定性。这在处理采矿产生的尾料的时候变得相当重要。然后，这种复合材料能在道路建设、堤坝工程、甚至开垦荒地的计划内被进一步利用，而不是只是留在池塘以非常缓慢的速度沉淀。 
多种技术可用来从流体流中除去被激活-束缚-固着的络合物。举例来说，承载束缚剂的固着颗粒能被混合到携带活性纤细颗粒的水流之中，然后，络合物能经由沉降过程(例如，重力沉降或离心分离)分离出来。在另一种方法中，携带活性纤细颗粒的处理水流可以流过束缚剂承载固着颗粒的床或滤饼。在这些方法之中的任何方法中，改性颗粒与纤细颗粒相互作用并且把它们从悬浮液中拉出来，以便后来的分离把改性颗粒和纤细颗粒都除去。 
如同普通的技术人员将领会到的那样，多种分离程序可以用来除去改性颗粒和微粒颗粒的络合物。举例来说，如果固着颗粒有磁性，承载束缚剂的固着颗粒与激活的纤细颗粒的相互作用所形成的络合物可以使用磁场分离。作为另一个范例，如果承载束缚剂的固着颗粒是这样准备的，以致它们是导电的，那么承载束缚剂的固着颗粒和激活的纤细颗粒的相互作用所形成的络合物可以使用电场分离。 
如同普通技术人员将进一步领会到的那样，承载束缚剂的固着颗粒可能是为与特定类型的活性颗粒物络合设计的。举例来说，在此揭示的系统和方法可能用于与废弃的有机颗粒络合。其它的激活-束缚-固着系统可能是为除去包括气流在内的流体流中的悬浮颗粒物想像的。 
4.应用 
a.在线尾料处理 
从油砂中提取沥青可能涉及使用热水和适用于挖掘的油沙矿石的腐蚀剂。在这个程序期间，附在油砂矿石上的泥土颗粒物能剥落，从而产生纤细的，带正电荷的泥土颗粒(“微粒”)，该微粒在流出的流体流中保持悬浮着。流出的流体流可能被引向能把流体流分成两个组成部分(由包含纤细(＜大约50微米)的泥土颗粒的纤细废料组成的溢出流体流和包含大颗粒废料(主要是沙子)和少量纤细泥土颗粒的潜流流体流)的机械式分离器(例如，旋风分离器)。 
在实施方案中，在此被揭示的系统和方法能处理每种流体流(包括但不限于，从沥青提取方法流出的流体流)，溢出流体和/或潜流流体。活化剂(例如，上述的聚阴离子)可能优选被引进溢出流体流，在其中造成纤细颗粒的絮凝，往往形成软的海棉状块。潜流流体能用于准备承载束缚剂的固着颗粒。然而，人们将清楚也可能使用其它的固着颗粒来源(例如，沙子)。如上所述，潜流流体内的沙子能充当“固着颗粒”。如上所述，阳离子束缚剂可能被引进潜流流体，以便它自己组装到固着颗粒的表面上，形成众多承载束缚剂的固着颗粒。 
在这样处理每股流体流之后，两股流体流能以逐批、半批或连续的方式再次混合。承载束缚剂的固着颗粒能与激活的，优选絮凝的，纤细泥土颗粒相互作用(优选借助静电)，形成能轻易地从由此产生的流体混合物中除去或在由此产生的流体混合物中沉淀的固体物质的大结块。 
在实施方案中，上述的系统和方法顺应结合到现有的尾料分离系统里。举例来说，处理程序能在线地加到来自溢出和潜流流体的每股分开的流动之中；然后经处理的流体再次会聚，形成能把由此产生的结块除去的单一的流动路径。除去结块可能是通过，举例来说，过滤，离心分离或其它类型的机械分离发生的。 
在一个实施方案中，包含成团的固体的流动路径能用与造纸业使用的那些系统类似的传送带系统连续处理。在可仿效的传送带系统中，流体和由上述的静电相互作用产生的成团固体的混合物能通过流浆箱进入系统。包含机械式分离器的移动带能穿过流浆箱移动，或流浆箱的内容物被分发到移动带之上，所以湿的团块是沿着移动带分发的。一种类型的机械式分离器可能孔径小于成团颗粒的平均尺寸的过滤器。成团颗粒的大小可能改变，取决于构成固着颗粒(即，沙子)的大小。举例来说，对于沙子成份的大小在50/70目之间的系统，可以使用80目的过滤器。其它的适应关系普通技术人员能想像出来。成团颗粒能在移动带上传送和进一步脱水。从成团颗粒脱出的水和来自流浆箱已将团块除去的残留水能被全部或部份地收集在系统里面和非必选地被重复使用用于后来的油砂处理。 
在实施方案中，过滤机制可能是移动带的整体部份。在这样的实施方案中，被捕获的团块可能实际上是从移动带上移开的，以便过滤器能为进一步的活动被清理和再生。在其它的实施方案中，过滤机制可能是可从移动带上拆下来的。在这样的实施方案 中，失效的过滤器能从带子上拆下来，新的过滤器能被装上去。在这样的实施方案，失效的过滤器能非必选地充当容器用于已被除去的成团颗粒。 
有利的是，当成团的颗粒沿着移动带排开之时，它们能脱水和/或弄干。这些程序能使用，举例来说，加热、空气流或真空来完成。已经脱水和干燥的团块能形成适合于垃圾掩埋、工程等目的的大块固体。 
从愿望上说，上述的在线尾料处理将被优化，以便利用被激活的尾料和承载束缚剂的固着颗粒之间强健和高效的静电相互作用。有利的是，在尾料在线处理期间，水被很快地从新鲜尾料中除去，以便最大限度地减少热损失。这种热水再循环将节约能源：水已经是热的不需要再加热到让它达到处理操作温度，而冷水再循环(例如，在尾料池塘中发现的)需要使用可观的加热量和总能量。 
B.处理池 
在此揭示的系统和方法能以远离油沙生产设备的设备或在尾料池塘处理尾料。相似的原则包括：承载纤细尾料的流体流能用阴离子活化剂处理，优选开始絮凝。然后，承载束缚剂的固着颗粒系统能被引进活性尾料水流，或活性尾料水流能被引进承载束缚剂的固着颗粒系统。在实施方案中，包含微粒的尾料水流能用上述的活化剂处理，并且被加到静止的或移动的承载束缚剂的固着颗粒床上。举例来说，静止的承载束缚剂的固着颗粒床可能被安排成把激活的尾料水流倒在它上面的平坦的床。承载束缚剂的固着颗粒可能在容器或壳体之内，以便它们能充当过滤器截住经过它的活性尾料。在较大的规模上，承载束缚剂的固着颗粒能散布在大的表面(例如，平坦的或倾斜的表面)(例如，沙滩)上， 以便活性尾料能在它上面流动和经过它，例如，在方向上朝向池塘。 
作为范例，从潜流流体流取回的沙子颗粒能作为使阳离子束缚剂附着其上的固着颗粒使用。可以安排大量的这种承载束缚剂的固着颗粒，以便产生预期厚度的表面，形成“人造沙滩”，把激活的尾料加到或摊在该“人造沙滩”上。如同普通技术人员将领会到的那样，激活的尾料加到承载束缚剂的固着颗粒上能通过喷洒、倒、泵送、分层、流动或别的方式输送承载活性尾料的流体使之与承载束缚剂的固着颗粒接触完成。然后，活性尾料与承载束缚剂的固着颗粒发生联系，而剩余的流体横穿表面流动，进入收集池或容器。 
c.尾料池塘的补救 
在实施方案中，在此揭示的活化-束缚-固着系统可能适用于现有尾料池塘的补救。尾料池塘包含四层物质，反映新鲜尾料在该池塘中长期驻留之后重力引起的沉降。尾料池塘的顶层包含澄清的水。下一层是像微粒尾料一样的纤细泥土颗粒的流体悬浮液。第三层，叫做“成熟的纤细尾料(MFT)”，是流动纤细尾料的稳定的悬浮液，该悬浮液已经经历自重固结/脱水在沉积之后大约2或3年的时期内达到大约30到45wt％固体内容物的密度而且缺乏足以行车路面的强度。MFT的固结率实质上在最初的自量固结期之后逐渐减少，而且悬浮产生像包含还没有沉淀出来的悬浮纤细泥土颗粒的粘稠流体一样的效果。底层是以已经借助重力沉淀的沙子为主形成的。 
从愿望上说，成熟的纤细尾料(MFT)能经过处理把它们包含的水与悬浮在其中的纤细泥土颗粒分开。如果MFT能被处理，那么由此产生的清水能被抽走而固体物质能被收回。这可减少尾料 池塘的总面积或防止它们随着新鲜的未经处理的尾料注入逐渐变得更大。 
在实施方案中，在此揭示的系统和方法适合处理MFT，例如，尾料池塘中包含的MFT。因此，这些系统和方法呈现全面处理尾料池塘的机会。在某实施方案中，活化剂(例如，在此揭示的阴离子聚合物之一)可以被添加到池塘或尾料池塘内的MFT层中，例如，通过在非必选的搅和或搅动下注入。然后，可以把承载束缚剂的固着颗粒加到包含活性MFT的池塘或水层中。举例来说，承载束缚剂的固着颗粒可以从上方加到池塘中，以便它们经过激活的MFT层下降。当活性的MFT层暴露在承载束缚剂的固着颗粒之下的时候，絮凝的微粒能黏附到固着颗粒上并且被地心引力拉到池塘底部，留下澄清的水。因此，尾料池塘能被分成两个组成部分，最上面的清水层和底部的固体物质固结层。然后，最上层的清水能被循环使用，举例来说，用于进一步处理油砂。底部的固体层能被取回、脱水和用为于工程目的、垃圾掩埋，等等。 
d.用胺改性的颗粒处理废物或工艺水流 
依照这些系统和方法改性的颗粒可以添加到流体流中与悬浮在其中的颗粒物络合，以便络合物能从流体中除去。在实施方案中，改性的颗粒和颗粒物可能通过静电的、疏水的和共价的或任何其它类型的相互作用发生反应，借此改性的颗粒和颗粒物形成能够与流体流分开的络合物。改性的颗粒能使用多种技术引进工艺水流或废水流，以便它们与颗粒物络合，形成可除去的络合物。多种技术也可用来把络合物从流体流中除去。举例来说，改性的颗粒能被混合到水流之中，然后借助沉降程序(例如，重力或离心分离)分离出来。如果使用漂浮的或低密度的改性颗粒，它们能被混合到水流之中，然后通过撇取表面的浮沫把它们分离出来。在另一种方法中，工艺水流可以流过改性颗粒的过滤床或 滤饼。在这些方法之中的任何一种方法中，改性颗粒都与纤细颗粒相互作用并且把它们从悬浮液中拉出来，以便后面的分离把改性颗粒和纤细颗粒都除去。 
如同普通技术人员将领会到的那样，多种分离程序可能用来除去改性颗粒和纤细颗粒的络合物。举例来说，如果改性颗粒是这样改性的，以致它有磁性，那么改性颗粒和纤细颗粒的络合物可以使用磁场分离出来。作为另一个范例，改性颗粒是这样改性的，以致它是导电的，那么，改性颗粒和纤细颗粒的络合物可以使用电场分离出来。 
实施例
材料： 
下列的化学药品是在下面的实施例中使用的： 
水洗海沙，50+70目 
Sigma Aldrich 
St.Louis，MO 
壳聚糖CG800 
Primex 
Siglufjodur，Iceland 
支链聚乙烯亚胺(BPEI)(50％w/v) 
Sigma Aldrich 
St.Louis，MO 
聚乙烯胺-Lupamin 1595，Lupamin9095 
BASF 
Ludwigshafen，Gerany 
聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(pDAC)(20％w/v) 
Sigma Aldrich 
St.Louis，MO 
FD&C Blue#1 
Sigma Aldrich 
St.Louis，MO 
盐酸 
Sigma Aldrich 
St.Louis，MO 
来自低级焦油砂的尾料溶液 
Dicalite，硅藻土 
Grefco Minerals，Inc. 
Burney，CA 
3-异氰丙基三乙氧基硅烷 
(3-Isocyanatopropyltriethoxy silane) 
Gelest 
Morrisville，PA 
氢氧化钠 
Sigma Aldrich 
St.Louis，MO 
异丙醇(IPA) 
Sigma Aldrich 
St.Louis，MO 
          实施例1：涂上一层BPEI的硅藻土
与BPEI耦合的硅藻土(DE)颗粒是使用硅烷偶联剂产生的。100克DE连同1000毫升异丙醇(IPA)和磁性搅棒一起放进锥形瓶。1克3-异氰丙基三乙氧基硅烷被加到这个溶液中并且反应2小时。 2小时之后，添加2毫升的BPEI并且在过滤和用IPA和去离子水(DI水)冲洗颗粒之前搅拌另外的5个小时。然后，将颗粒滤出，用0.12M的HCl异丙醇(IPA)溶液冲洗，然后弄干。 
实施例2：1％壳聚糖CG800原液
壳聚糖原液是通过把10克壳聚糖(薄片)分散在1000毫升去离子水中产生的。将盐酸添加到这个溶液中直到通过在不断地监视pH值的同时慢慢地和递增地添加12M HCl使最后的pH值达到5为止。这个溶液变成用于壳聚糖沉积的原液。 
实施例3：硅藻土-1％壳聚糖涂料
把10克硅藻土连同搅拌棒一起加到100毫升去离子水中，产生10％的泥浆。把10毫升CG800的1％壳聚糖原液添加到这个泥浆中。将泥浆搅拌1小时。一旦泥浆变得均匀，就通过慢慢地添加0.1N氢氧化钠直到pH值稳定在7以上和壳聚糖沉积到硅藻土的颗粒上将聚合物从溶液中分离出来。然后，将泥浆过滤并且用0.05M的HCl异丙醇(IPA)溶液冲洗，然后干燥。 
实施例4：关于尾料溶液的颗粒性能
有涂层的和没有涂层的硅藻土颗粒被用于测试它们使分散在水溶液中的泥土微粒沉降的能力的实验。下列程序被用于每个类型的颗粒，而控制实验是在省略颗粒添加步骤的情况下完成的。 
一克颗粒被加到离心分离管中。然后，使用注射器，往离心分离管中填充45毫升包含分散的泥土的尾料溶液。另外一个管只填充尾料溶液而且没有硅藻土颗粒。用手将离心管摇动30秒，然 后放在平坦的工作台面上。然后，观察离心管十分钟让泥土微粒沉淀出来。 
结果： 
没有添加DE(控制样品)：尾料溶液在混浊程度方面没有呈现重大的进步。 
涂上一层壳聚糖的DE：尾料溶液与控制样品相比浑浊程度大大减少。 
涂上一层BPEI的DE：尾料溶液与控制样品相比浑浊程度大大减少。 
没有涂层的DE：尾料溶液在混浊度方面与控制样品相比没有呈现重大的进步。 
实施例5：准备涂上一层聚阳离子的水洗海沙
水洗海沙被涂上一层下列聚阳离子之一：壳聚糖、lupamin、BPEI和PDAC。为了实现涂层，水溶液是利用候选的聚阳离子基于它的分子量以0.01M的浓度制作的。50克水洗海沙被放在250毫升广口瓶之中，往该广口瓶中添加100毫升候选的聚阳离子溶液。然后，该广口瓶被密封并且滚动三小时。在这之后，借助真空过滤将沙子与溶液分开，而且沙子被水洗以除去过量的聚合物。然后，借助阴离子染料(FD&C Blue#1)的溶液消耗测量有涂层的海沙的阳离子含量，确认聚合物涂层的沉积和阳离子性质。然后，把涂上一层候选聚合物的海沙在与通过用活化剂处理被激活的纤细颗粒物的相互作用中当作束缚剂附着其上的固着颗粒使用。 
实施例6：使用涂上一层聚合物的海沙把纤细颗粒从溶液除去
在这个实施例中，用激活聚合物(Magnafloc LT30，70ppm)处理45毫升来自油沙尾料水流的纤细物质分散体(7％固体)。微粒与激活聚合物充分地混合。把10克依照实施例1的方法已经涂上一层PDAC的海沙添加到包含活性微粒的溶液之中。这个混合物被摇动，然后被立刻倒进70目的不锈钢过滤器。在短暂的脱水期之后，机械稳定的固体被取回。对滤液进行总固体含量分析，发现总固体含量少于1％。 
控制实施例：用没有聚合物涂层的海沙从溶液中除去纤细颗粒 
在这个实施例中，用激活聚合物(Magnafloc LT30，70ppm)处理45毫升纤细物质分散体(7％固体)。微粒与激活聚合物成份混合。把10克没有涂层的海沙添加到包含被激活的微粒的溶液中。这个混合物被摇动，然后被立刻倒入70目的不锈钢过滤器。对滤液进行总固体含量分析，发现总固体含量为2.6％。 
等同性 
虽然已经讨论了主题发明特有的实施方案，但是前面的说明书是说明性的而不是限制性的。本发明的许多变化对于熟悉这项技术的人在回顾这份说明书之时将变得明显。除非以别的方式指出，在说明书和权利要求书中表达成分数量、反应条件等等的所有数字将被理解为在所有例证中被术语“大约”修改。 
因此，除非指出相反，在此阐明的数字参数是近似值，该近似值可能改变，取决于找到的将用本发明获得的预期的性质。 

Claims (10)

1.一种把颗粒物从流体中除去的方法，其中包括：
提供能够附着到颗粒物上的激活物质；
使激活物质附着到颗粒物上以在流体中形成活性颗粒；
提供固着颗粒和提供能够附着到固着颗粒上的束缚物质；
使束缚物质附着到固着颗粒上以形成承载束缚剂的固着颗粒，以及
将所述承载束缚剂的固着颗粒与所述包括活性颗粒流体的接触，
其中所述的束缚物质附着到活性颗粒上在包含颗粒物的流体中形成可除去的络合物。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括把可除去的络合物从流体中除去。
3.根据权利要求2的方法，其中可除去的络合物是通过过滤除去的。
4.根据权利要求2的方法，其中可除去的络合物是通过离心分离除去的。
5.根据权利要求2的方法，其中可除去的络合物是通过重力沉淀除去的。
6.根据权利要求1的方法，其中固着颗粒包含沙子。
7.根据权利要求1的方法，其中束缚物质选自由壳聚糖、聚乙烯胺、支链聚乙烯亚胺BPEI和聚(二烯丙基二甲基氯化铵)PDAC所组成的组中。
8.根据权利要求1的方法，其中颗粒物包含石英和/或泥土微粒。
9.根据权利要求1的方法，其中激活物质是阴离子聚合物并且束缚物质是阳离子聚合物。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，激活物质是阳离子聚合物并且束缚物质是阴离子聚合物。
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