CN106659138A - 具有协同吸收性能的低密度组合物 - Google Patents

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Abstract

一种组合物，包括离散颗粒的物理混合物，以使液体吸收率大于单独组分，并大于基于混合规则的预测吸收率。一种组合物，包括硅藻土，该组合物的团块强度大于75％，其中干密度可以小于880kg/m3(55lb/ft3)。该组合物表现了协同吸收、光密度、高团块强度、低粉尘，并适用于工业和家居的吸收和固化，动物用卫生砂和土壤改良。

Description

具有协同吸收性能的低密度组合物
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求享有申请号为62/041,946的美国临时专利申请的权益。
技术领域
本发明通常涉及用于吸收液体的组合物，更具体地，用于吸收和固化工业液体、家用液体、动物废物和土壤改良的组合物。
背景技术
液体洒出是常见的，并且可以是小规模或大规模的。小的洒出，例如涉及个人活动(例如烹饪或参加机动车维护的那些)可以用布或纸清理。锯屑、动物用卫生砂或其他吸收材料可用于在移除之前固化小的洒出物。由涉及大量液体的运输，从大型机器排出工作流体或用过的钻井流体的事故导致的较大的洒出可能需要特殊的真空设备、用吸收材料处理、或在液体被移除并合法处理前将其固化的其他装置。
为了清洁洒出的液体，将吸收性固体材料置于液体上，并且该材料吸收液体。吸收性固体材料也可以放置为预测与液体接触的位置。以这种性能使用的固体通常包括布、纸、锯屑和某些颗粒或粉末形式的矿物。有机材料例如玉米、小麦和核桃壳也已经用于液体吸收，特别是用于动物用卫生砂。可以使用天然存在的物质，例如砂、粉碎的陶瓷、粘土、膨胀珍珠岩和硅藻土(DE)，特别是对于大规模洒出物。吸收性固体材料在吸收了令人满意量的液体之后被收集和处理。
吸收性材料的有效性通过其吸收液体的能力(称为其吸收率)来测量。如本文所用，术语“吸收率”描述由吸收剂的单位质量吸收的液体的量。较高的吸收率可导致在运输和处置方面更好的功效和较低的聚集成本。低密度吸收剂是合乎需要的，因为在某些情况下，它们可能在单位体积更容易和更便宜地运输，处理以供使用和在使用后处置。吸收性材料的另一个合乎需要的特性是在润湿后自固化或聚集形成团块的能力。材料的聚集形成保持所吸收的液体的整体块，并且具有足够的强度以从洒出部位移除或与未污染的吸收剂分离。例如，一些动物用卫生砂在吸收尿液后聚集或自结块。然后可以容易地将所得的团块从卫生砂盒中取出，从而留下未被污染的动物用卫生砂。团块的完整性可以量化为团块强度。如本文所用，术语“团块强度”是团块的初始质量的百分比值，其在团块被机械干扰、移动或搅动之后保留。
如前所述，理想的吸收性材料将具有高吸收率、低密度和良好的聚集性以形成强的团块。尽管在大多数应用中低密度是期望的，但太低的密度可能是有问题的。例如，非常低密度的吸收剂，例如膨胀珍珠岩，可能是非常多尘的并且可以通过轻微的微风或空气流容易地分散。低密度吸收剂，例如珍珠岩或包含珍珠岩的组合物也可能不适合用作动物用卫生砂，因为在使用期间动物可能无意中将卫生砂分散或踢出卫生砂盒。此外，多尘的动物用卫生砂是不理想的，因为当使用或保持卫生砂盒时，动物和它们的所有者可能分别吸入空气中的动物用卫生砂粒。颗粒吸入是不期望的。例如，结晶二氧化硅(例如石英、方英石、鳞石英)是不希望被吸入的材料。优选最小化暴露结晶二氧化硅。含有高水平砷(As)的组合物在人或动物摄取或溶解(例如通过润湿如舔)吸收剂的情况下也是不期望的。
对于低质量的吸收剂来说，松弛或粘结是一个众所周知的问题。松弛是指吸收剂在与水接触后崩解的倾向，从而降低吸收剂的效果。与目前可用的吸收剂相关的另一个问题是密度。由于具有高吸收率和吸收水的能力，钠膨润土是一种有效的吸收剂，但由于其高密度，它不太理想。钠膨润土主要由钠蒙脱石(一种蒙脱石粘土)组成。硅藻土，也称为diatomite和kieselghur，具有低密度，但吸收率比钠膨润土低。
因此，需要一种具有优异的吸收率、低密度、低粉尘性和在高团块强度和耐松弛性方面改善的稳定性的组合物。
通常使用的吸收剂是基于粘土的材料，包括可结块和不可结块粘土，例如钠膨润土(例如，Wyo-BenTM Big粘土)和钙膨润土(例如EP(“EPM”)蓝带粘土)。锂辉石是另一种可结块粘土。可结块材料，例如钠膨润土和锂蒙脱石，颗粒体积发生膨胀或变化，颗粒体积作为被吸收的液体(例如水)的量的函数，该现象与材料的晶体结构，组成和表面性质相关。钠膨润土具有比钙膨润土高得多的单位质量吸收率(3～5×)。尽管钠膨润土具有高密度，但其仍可利用其高吸收性和良好的聚集性。尽管钙膨润土通常不能充分溶胀以有效地作为例如动物用卫生砂等中的结块剂，但是它们可以通过离子交换过程被改性以表现得像钠膨润土。这些钠处理过的钙膨润土有时也称为钠活化膨润土。为了本发明的目的，将钠膨润土定义为包括常规钠膨润土和钠处理过的钙膨润土。其它目前可用的吸收剂不具有高吸收率，并且一些在润湿后变得松弛。非粘土材料的实例包括DE和沸石。硅藻土是由硅藻骨骼残留物组成的硅质岩。沸石是天然存在的或合成的多孔铝硅酸盐材料。不可结块材料不会自然形成具有高团块强度的团块。如本文所用，“可结块”是指当被润湿时形成显示出高团块强度或完整性的团块的材料。类似地，“不可结块”是指不会自结块的材料或自结块但表现出较差团块强度的材料。差的团块强度定义为低于约75％。
理想的动物用卫生砂的特征包括高吸收率、结块能力、低密度、低粉尘、低跟踪，低松弛和气味控制。一些动物用卫生砂包括香料、除臭剂、结块剂和发泡剂。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种组合物，该组合物可以包括细吸附剂颗粒和粗颗粒。该组合物可以具有多峰粒径分布(particle size distribution,PSD)。组合物单位重量的吸收率可以超过细吸附剂颗粒和粗颗粒的加权平均吸收率10％以上。在一个改进例中，组合物单位重量的吸收率可以超过所述细吸附剂颗粒和所述粗颗粒的加权平均吸收率100％以上。在一个实施例中，组合物的单位重量的吸收率可以超过细吸附剂颗粒和粗颗粒的加权平均吸收率约10％至约400％。在另一个实施例中，组合物的单位重量的吸收率可以超过细吸附剂颗粒和粗颗粒的加权平均吸收率约50％至约350％。在上述实施例中的任一个中，粗颗粒可以为硅藻土。在一个改进例中，组合物可以是自结块的。在另一个改进例中，组合物可以具有约小于880kg/m3(55lb/ft3)的干密度。
在一个实施例中，干密度可以约小于800kg/m3(50lb/ft3)。在另一个实施例中，干密度可以约小于673kg/m3(42lb/ft3)。
在一个实施例中，组合物可以具有约大于170％的吸收。
在一个实施例中，细吸附剂颗粒可以为钠膨润土(常规的)、锂蒙脱石、钠处理过的钙膨润土或其组合。
在一个实施例中，粗颗粒可以为沸石。
根据本发明的另一方面，公开了一种组合物。该组合物可以包括硅藻土的离散颗粒。组合物可以具有约大于75％的团块强度，并可以具有约小于880kg/m3(55lb/ft3)的干密度。在一个改进例中，干密度可以约小于800kg/m3(50lb/ft3)。在另一个改进例中，干密度可以约小于673kg/m3(42lb/ft3)。
在一个实施例中，组合物可以具有约大于170％的吸收率。在另一个实施例中，组合物可以具有约为170％至约500％的吸收率。在另一个实施例中，组合物可以具有约为170％至约400％的吸收率。
在一个实施例中，组合物可以具有约小于20％的石英含量。
在一个实施例中，硅藻土的离散颗粒可以包含约5％至约50％的水分含量。
在一个实施例中，组合物可以进一步包括钠膨润土或锂蒙脱石。在另一个实施例中，组合物可以进一步包括钠处理过的钙膨润土、绿坡缕石、或其组合。
在一个实施例中，组合物可以具有约小于17ppm的砷浓度。
在一个实施例中，组合物可以进一步包括沸石。
在一个实施例中，组合物的单位重量的吸收率可以超过加权平均吸收率100％以上。在另一个实施例中，组合物的单位重量的吸收率可以超过加权平均吸收率约10％至约400％。在另一个实施例中，组合物的单位重量的吸收率超过加权平均吸收率约5％至约350％。
根据本发明的另一方面，公开了一种组合物。该组合物可以包括硅藻土的离散颗粒和钠膨润土的离散颗粒的混合物。该组合物可以是自结块的，干密度约小于800kg/m3(50lb/ft3)，吸收率为约170％至约500％的范围。在另一个实施例中，组合物的吸收率可以为约170％至约400％。在另一个实施例中，组合物的吸收率可以为约大于170％。在一个实施例中，组合物可以具有约小于15％的石英含量。
在一个实施例中，组合物可以具有约大于75％的团块强度。
在一个实施例中，组合物的单位重量的吸收率超过硅藻土的离散颗粒和纳膨润土的离散颗粒的加权平均吸收率约50％以上。
在一个实施例中，组合物可以进一步包括沸石。
在另一个实施例中，组合物可以具有约大于2.5％并约小于50％的水分含量。
以上讨论的特征、功能和优点可以在各种实施例中独立地实现或者可以与其他实施例组合实现，其进一步的细节可以参考以下描述。
具体实施方式
所公开的组合物各自包含与不可结块颗粒结合的可结块颗粒，其中该不可结块颗粒可以更细(较小尺寸)、较粗(较大尺寸)或与可结块颗粒具有相似的尺寸。如本文所用，术语颗粒是指由离散颗粒组成的一定量的材料。这种离散颗粒是单个粒子，其不聚集或不是通过团聚、挤出、涂覆等形成。
组合物是可结块和不可结块颗粒(组分)的离散颗粒的物理混合物或共混物，使得所得组合物由不通过团聚、挤出、涂覆或其他形成复合粒子的方法形成的单个粒子制成。
在一个实施例中，组合物在润湿时自结块、自固化或团聚。团块的强度使得团块在测试之后保持为单个团块。可以通过调节可结块颗粒和不可结块颗粒的比例来调节团块的强度。团块的强度还可以根据所吸收的液体的性质以及颗粒润湿和尝试去除团块之间的时间间隔而变化。在一个实施例中，组合物具有至少约75％的团块强度。在另一个实施例中，组合物具有约大于80％的团块强度。在其他实施例中，团块强度可以为约75％至约95％。在一些实施例中，组合物可以是自结块的，具有大于约75％的高团块强度，低于21％的石英含量，低于945kg/m3(59lb/ft3)的干密度，高于约170％的吸水能力。在一个实施例中，组合物的吸水能力可以为约170％至约500％。在另一个实施例中，组合物的吸水能力可以为约170％至约400％。
每种组合物是松散粒子填料的实例。在其中可结块颗粒具有比不可结块颗粒(组分)更小的粒径范围的情况下，可结块颗粒至少部分地填充组合物中不可结块粒子(不可结块颗粒的)之间的空隙。通过调节较小尺寸的可结块颗粒的量和PSD，可以控制不可结块颗粒填料的空隙或间隙体积被这种可结块颗粒的较小尺寸粒子填充的程度。较大尺寸的不可结块颗粒的松散填料可以为这种(较小粒径)可结块颗粒(组分)的膨胀提供空隙，同时限制由覆盖可结块颗粒(组分)的组合物的重量施加的应力的量。这可以使得空隙能够存储更多的液体，同时提供毛细管功能或者作为将液体输送到空隙中的载体。
在其中不可结块颗粒(组分)具有比可结块颗粒(组分)更小的粒径范围的情况下，不可结块颗粒至少部分地填充组合物中的较大尺寸的可结块颗粒(组分)之间的空隙。与上述类似，通过调节较小尺寸的不可结块颗粒的量和PSD，可以控制较大尺寸的可结块颗粒填料之间的空隙或间隙体积被较小尺寸的不可结块粒子填充的程度。
如上所述，可结块颗粒可以与更细的、更粗的或类似尺寸的不可结块颗粒结合。对于所有组合物，可结块颗粒组分的粒子体积将向外膨胀并进入组合物内的空隙中。不可结块颗粒组分的特征之一是抗压强度。不可结块颗粒提供了由单个粒子支撑的结构或框架，其在润湿后不会塌陷，并且当暴露于液体时可提供足够的空间用于可结块颗粒组分膨胀。不可结块颗粒组分用于维持孔通道，从而允许可结块颗粒的粒子在体积膨胀时接近液体。随着可结块粒子膨胀并且膨胀粒子之间的自由空间减小，可以观察到组合物占据的总几何体积的总体增加。如本领域已知的，基于颗粒的PSD，可以将颗粒分类或分级为细或粗的。如本文所公开的，在一个示例性实施例中，粗(分级)可结块颗粒可以与细或粗(分级)不可结块颗粒结合。在另一个实施例中，细的或粗的可结块颗粒组分可以与类似尺寸的不可结块颗粒组分结合。在另一个实施例中，细的可结块颗粒可以与细的或粗的(分级的)不可结块颗粒结合。例如，在一个实施例中，细颗粒可以与粗颗粒组合。细颗粒的粒径分布(PSD)为：在-10+60筛网内40％～99％，在-10+20筛网内30％～60％，在-20+60筛网内0～30％。粗颗粒可以具有<3％通过-20筛网，5％～30％在-4+6筛孔内，20％～40％在-6+10筛网内和20％-40％在-10+20筛网内。如本文所使用的，所有筛尺寸以泰勒筛目值(W.S.TylerIndustrial Group，USA)给出。在上述示例性实施例中，细颗粒可以是选自钠膨润土、绿坡缕石、锂蒙脱石、钠处理过的钙膨润土及其组合的细吸附剂颗粒，并且可以其PSD为在-10+60筛网内为40％～99％，-10+20筛网内为30％～60％，-20+60筛网内为0～30％。粗颗粒可以包括具有高抗压强度的多孔或无孔颗粒材料，并且在该示例性实施例中可以选自硅藻土、沸石、膨润土(例如钙膨润土)、蒙脱石(例如，钙蒙脱石)、粉碎的石灰石及其组合。粗颗粒的PSD可以为<3％通过-20筛网，5％～30％在-4+6筛网内，20％～40％在-6+10筛网内和20％-40％在-10+20筛网内。在一些实施例中，细(分级)吸附剂(可结块)颗粒或粗颗粒的优选PSD可以为约-4至约+60目。如上所述，可以使用其他组合。例如，在一些实施例中，DE颗粒可以与更细的颗粒混合以形成组合物。
所公开的组合物具有大于可结块或不可结块颗粒的单独吸收率的约1.1至9.6倍的令人惊讶的吸收率。所公开的组合物还表现出超出根据混合计算法则所预测的值的意想不到的吸收率。为了量化令人惊讶的吸收率的增加，使用术语“吸收效益”。通过将测量的吸收除以混合理论值的规则，然后将该值乘以100来计算吸收效益，得到百分比值。吸收效益表示高于混合规则对给定混合物预测的吸收率增益百分比。混合规则通常用于预测系统的行为，并且可以用于基于该度量的每个分量的单个值来计算特定度量的加权平均。可以基于不同的参数(例如数量、质量、体积或表面积)来考虑加权平均值。在一个实施例中，基于质量使用混合规则；然而，也基于体积观察到效果，并且还可以相对于其它基础观察到效果。例如，在一个实施例中，具有第一数量的可结块颗粒(具有单位重量的第一吸收率)和第二数量的不可结块颗粒(具有单位重量的第二吸收率)的组合物的单位重量的混合物吸收率规则为单位重量的第一和第二吸收率的加权平均值。如上所述，在一个这样的实施例中，加权可以基于每种类型的颗粒的量相对于总组合物质量的质量。
与根据混合计算法则所预测的值相反，所公开的组合物还表现出令人惊讶的干密度降低。为了量化令人惊讶的干密度降低，使用术语“密度效益”。通过从干密度的混合规则理论值中减去测量的干密度，将该差除以混合规则值，然后将该值乘以100以产生百分比值，来计算密度效益。密度效益是指从干密度的混合计算规则所预测的干密度的密度降低百分比。
在一个实施例中，所得吸收剂组合物可包括作为可结块吸附剂颗粒的钠膨润土和作为不可结块颗粒的低密度DE。低密度DE用作吸收组分、结构组分，并且其提供毛细管功能。不可结块颗粒(在这种情况下为DE)和可结块颗粒(在这种情况下为钠膨润土)的组合可产生结构支撑框架，使得不可结块颗粒组分可降低可结块组分上的压力，从而增加可结块颗粒组分的功能吸收率。此外，多孔DE的毛细管功能可以将液体输送到颗粒填料的填隙空隙中，直到它们被液体饱和或没有更多的液体可用。
令人惊奇的是，所公开的组合物产生协同吸收，其中吸收率比基于混合规则的可结块颗粒(在一个实施例中为钠膨润土)和不可结块颗粒(在一个实施例中为DE)的预测吸收率高约1～2倍。吸收率和吸收效益将根据所选择的颗粒组分的性质变化，颗粒组分的性质选自例如材料的结构、纯度、粒子尺寸、粒径分布和颗粒组分的重量比。被吸收液体的吸收和保留的速率也可以影响测量的总吸收。
在以下实施例中，提供包含可结块和不可结块颗粒组分的组合物，以说明吸收效益，其表示超过由混合规则确定的预测吸收的测量的组合物共混物的增加的水吸收。
在以下实施例中使用的粘土、DE和沸石是从天然来源获得的，因此容易发生物理性质的变化。由于加工条件，合成沸石也可具有变化。颗粒材料的形式和结构的变化可能导致观察到的和测量的行为的差异。
在下列实施例中使用的颗粒的典型特性列于表1中。使用具有泰勒筛(W.S.TylerIndustrial Group,USA)和具有0.01g分辨率的质量平衡的摇筛机来确定PSD。干密度，也称为振实密度，是材料的密堆积密度。通过用已知质量的材料填充已知体积，然后重复地敲打容器直到材料体积不再减少(例如，当不能除去更多的间隙体积)时，测量干密度。可以使用AutotapTM设备例如AT-6-110-60(Quantachrome Instruments，USA)来增加测量可重复性。使用水和浸渍法测定吸收率(吸收)。根据浸渍法，将预定质量的共混混合物(此处为20g)浸入水中20分钟，然后取出并排干20分钟。将浸渍前后的共混组合物的质量差除以初始质量并乘以100，得到百分比值。
自结块是对组合物在润湿时形成团块的能力的定性评估，并且被定性为“是”或“否”。对于自结块的“是”表示形成了单个团块，但该措施不推断关于团块的完整性的任何指示，也被描述为其团块强度。对于自结块的“否”表示在测试条件下没有形成单个团块。使用由4ml氢氧化铵(28％w/w)，775ml 0.100M氯化钙，100g尿素和一定体积的蒸馏水或去离子水组成的1升溶液合成尿测量自结块和团块强度。逐滴加入浓盐酸以达到pH约为6。为了确定组合物是否自结块，如果是，则确定其相应的团块强度，将10ml(0.34流体盎司)合成尿倒在约5cm(2英寸)厚的样品床上。静置1分钟后，取出团块(如果形成的话)称重，在摇筛机(W.S.Tyler Industrial Group，USA)中的筛子上摇动5秒钟，然后重新称重。使用6.35mm(1/4英寸)筛网。团块强度是相对于初始团块质量，在摇动之后保持的初始团块的质量的百分比。如果在测试期间团块破碎成两个或更多个块，尽管可能存在更大的块，则将零值指定为团块强度。如果没有形成初始团块，则团块强度以“N/A”给出或不适用。需要更高的团块强度值。
通过称重已知质量的金属盘中的10g材料，然后将其放置在至少105℃(221°F)但小于400℃(752°F)的温度的烘箱中至少8小时，测量颗粒的水分和这种颗粒的组合物的水分。然后，在测量之前，使盘和材料短时间冷却至室温。然后可以使用干燥前后的质量差除以初始材料质量(例如10g)再乘以100来计算由于水分而导致的质量损失百分比(“水分％”)。可以通过分析由衍射仪检测的晶体衍射图来测量石英浓度。此处，利用在D500衍射仪((now))上获得的衍射图的JADE 5软件(来自Materials DataIncorporated TM，USA的X射线衍射软件)进行分析。
通过用材料填充已知体积并在材料体积的几何表面上施加均匀的力来测量抗压强度。抗压强度被测量为将材料压缩2.5cm(1英寸)所需的力，并且以千帕(kPa)(和磅每平方英寸(psi))为单位来测量。
表1.实施例中使用的材料的典型特性
钠膨润土、锂蒙脱石、绿坡缕石、钠处理过的钙膨润土及其组合，以及其它结块粘土可用作组合物的结块颗粒。在一个示例性实施例中，可结块颗粒可以具有主要在约-4目至约+100目内的PSD。在另一个实施例中，结块颗粒可以具有主要在约-4目至约+60目内的PSD。可将不可结块颗粒研磨并分类至所需粒度级分以获得最大团块强度。
组合物的不可结块颗粒可以是具有低灰尘和低密度或其它有吸引力的性质(例如气味吸附)的材料，并且可以包括硅藻土、沸石、绿坡缕石、钙膨润土、蒙脱石、粉碎的石灰石或其他结晶或无定形矿物或合成材料。在一个实施例中，不可结块颗粒可以具有主要在约-4至约+100目内的PSD。在另一个实施例中，不可结块颗粒可以具有主要在约-4目至约+60目内的PSD，尽管其他粒径可能是有效的。
不可结块颗粒可以提供在润湿后不崩解的支持物，以使接近液体的可结块颗粒组分和粒子可以持续地体积生长。不可结块颗粒的抗压强度可以是材料的天然性质，或者可以由热处理或煅烧(～37.8℃(100°F)至～760.0℃(1400°F))产生。在一些实施例中，不可结块颗粒可以在没有助熔剂的情况下煅烧(不经助熔煅烧)。已经在没有助熔剂的情况下煅烧的不可结块颗粒的实例(尽管在一些实施例中，它们可以被加热到低于硅藻土的软化和煅烧温度的温度)包括EPM’s Floor DryTM(DE)、Blue RibbonTM(DE)、(DE)、Ultra SorbTM(DE)和Red DiamondTM(钙膨润土)。更具体地，在一个实施例中，不可结块颗粒可以是已经在约37.8℃(100°F)～760.0℃(1400°F)的温度范围下热处理的天然硅藻土。这种不可结块的DE颗粒组分还可以具有大于约50wt％的吸收率和约345kPa(50psi)至约1380kPa(200psi)的压缩强度，并且可以具有小于5％的抗松弛性。
在一个实施例中，DE颗粒组分可以不含助熔剂(未用助熔剂处理)。此外，在一个实施例中，所公开的组合物也可以不含助熔剂(组合物或其任何组分均未用助熔剂或助熔剂煅烧煅处理)。在其他实施例中，不可结块颗粒可以是未煅烧的。在另一个实施例中，可将沸石加入到组合物中作为两种其它颗粒组分之一的部分替代物。例如，作为可结块颗粒的钠膨润土和作为不可结块颗粒的硅藻土可以与作为第三组分的天然沸石组合。天然沸石也可以与可结块组分一起混合以提供气味控制。
在另一个实施例中，组合物可包含作为可结块颗粒的钠膨润土，其具有约90～185wt％的吸水能力；和作为不可结块颗粒的硅藻土，其是淡水或海洋硅藻土，并具有约15～80m2/g的Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积和约2.0～4.0ml/g的孔隙率(孔隙体积)。物理吸附是测量表面积和孔隙率的常用方法。物理吸附测量在特定温度下在一系列压力下吸附在吸附剂颗粒表面上的吸附物(通常为氮气或二氧化碳)的量。基于在吸附期间测量的气体体积，BET方程可以用于计算比表面积或单位质量的表面积。可以使用完全填充吸附剂孔的测量的气体体积和气体的密度来计算孔体积。可以在II3020分析仪(USA)上在液氮77开氏温度的沸点下测量氮气在硅藻土上的吸附。由开发的相关软件可用于计算BET表面积和孔隙率。
在另一个实施例中，组合物可具有约15:85至约85:15的不可结块颗粒与结块颗粒的重量比。
在另一个实施例中，组合物可以含有浓度约小于17ppm的元素砷。
在另一个实施例中，组合物可以包含浓度约小于20％的石英。在一些实施例中，石英含量可以约小于15％。在其它实施例中，所公开的新型组合物的石英含量可以约小于8％。
在另一个实施例中，可以通过以至少约5wt％的初始颗粒物质的额外水平向硅藻土中加入水来降低灰尘。此外，通过向不可结块硅藻土颗粒组分中加入约10-15wt％或更多的水可以减少粉尘。加入超过20wt％的水有效地抑制灰尘。可以通过将水的细雾喷洒到不可结块颗粒上或通过通常用于将水施加到颗粒材料的其它方法来实现水添加。可以应用混合机构以将喷射水混合到不可结块颗粒中。雾形式的水可以防止阻塞不可结块颗粒的细粒子，从而防止那些细颗粒变成空气传播。不可结块颗粒、可结块颗粒和所得组合物不含任何干燥或粉末状的除尘剂。更具体地，不将干燥或粉末状的除尘剂加入到组合物中，或者可结块或不可结块颗粒中。此外，所公开的组合物不含(不包括)填料粒子，填料粒子中已添加有除臭剂的水性浆料，以便将干燥或粉末状的除尘剂粘附到这种填料粒子上。
在一些实施例中，当组合物的颗粒组分之一是钠膨润土时，组合物可以完全或基本上不含钙膨润土。在一些实施例中，当组合物的颗粒组分之一是常规钠膨润土时，组合物可以完全不含或基本上不含钠处理过的钙膨润土。在一些实施例中，当组合物的颗粒组分之一是钠膨润土时，组合物可以完全或基本上不含沸石。在一些实施例中，组合物可以完全或基本上不含纤维素材料。在一些实施例中，组合物完全或基本上不含纤维素基填充材料。在其它实施例中，当组合物的颗粒组分之一是钠膨润土时，组合物完全或基本上不含纤维素基填充材料。在一个实施例中，不可结块颗粒不用(不含)聚四氟乙烯处理。在一个实施例中，所公开的组合物不含聚四氟乙烯。此外，在包括钠膨润土颗粒的一些实施例中，钠膨润土颗粒未用芳香剂浆料等处理。换句话说，尚未向钠膨润土颗粒中添加香料(钠膨润土不进行香料处理)。
在一些实施例中，所公开的组合物可以不进行香料处理。
在一些实施例中，其中组合物的颗粒组分之一是膨润土颗粒，该组合物不含有机吸附剂，例如纤维素材料，包括稻草和纤维素纤维，和聚丙烯酸酯。在一个实施例中，其中组合物的颗粒组分之一是膨润土颗粒，膨润土未使用碱金属进行离子交换处理，因此所公开的组合物是非溶胀的。
在其中组合物的颗粒组分之一是DE的一些实施例中，DE(在所得组合物中)的量可以大于15％。
在一个实施例中，组合物可以完全或基本上不含半乳甘露聚糖胶(例如瓜尔胶、刺槐豆胶及其衍生物)。在一些实施例中，当组合物的颗粒组分之一是DE时，组合物可以完全或基本上不含半乳甘露聚糖胶(例如瓜尔胶，刺槐豆胶及其衍生物)。在其它实施例中，组合物可以完全或基本上不含硼砂、黄原胶、角叉菜胶或藻酸盐中的任何一种或多种。在其它实施例中，当组合物的颗粒组分之一是DE时，组合物可以完全或基本上不含硼砂、黄原胶、角叉菜胶或藻酸盐中的任何一种或多种。在一些实施例中，但不是全部，当组合物的颗粒组分之一是绿坡缕石或蒙脱土时，组合物可以完全或基本上不含硼砂、黄原胶、角叉菜胶或藻酸盐中的任何一种或多种。在一些实施例中，当组合物的颗粒组分之一是绿坡缕石或蒙脱石时，组合物可以完全或基本上不含半乳甘露聚糖胶(例如瓜尔胶、刺槐豆胶及其衍生物)。
在一个实施例中，单位重量的组合物的吸收率可超过加权平均吸收率多于约10％(参见吸收效益)。在另一个实施例中，单位重量组合物的吸收率可超过加权平均吸收率约10％至约400％。在另一个实施例中，组合物的单位重量的吸收率可超过加权平均吸收率约50％至约350％。在另一个实施例中，单位重量的组合物的吸收率可超过加权平均吸收率约100％至约325％。
在一个实施例中，组合物可具有约大于170％的吸收率。在另一个实施例中，组合物可以具有约160％至约500％的吸收率。在另一个实施例中，组合物可具有约170％至约400％的吸收率。
以下示例性组合物通常描述了可结块和不可结块组分的可能不同的二元和三元组合；然而，组合的数量将随着组分数量的增加而增加。这些组合对于本领域技术人员是显而易见的。
实施例
实施例1.将可结块吸附剂颗粒、钠膨润土(Wyo-BenTM Big 8(BH-8))与不可结块颗粒硅藻土(EPM Blue RibbonTM)以重量比0:100、30:70、50:50、70:30和100:0充分混合。如前所述评价吸水能力、吸收效益、干密度、密度效益、水分、自结块和团块强度。结果列于表2。
表2.以不同重量比混合的钠膨润土(BH-8)和硅藻土(Blue RibbonTM)的典型性能
令人惊讶的是，每种混合物的吸收率是单个部分的吸收率的1.6～4.0倍，超过基于混合规则的预测吸收率的200％。还观察到高达约22％的密度效益，并且在纳膨润土与硅藻土的比为30:70时最大。虽然所有的混合物在润湿时结块，但在较高的钠膨润土水平下观察到较高的团块强度。在测试的比例中，在钠膨润土与硅藻土重量比为约50:50时达到最大的吸收效益，但是在70:30的重量比下达到非常高的吸收率。因此，当使用硅藻土和钠膨润土同时保持相对低的密度时，可以获得具有良好团块强度的较高吸收率。
实施例2.将可结块颗粒钠膨润土(Wyo-BenTM BH-8)与不可结块颗粒硅藻土(EPMUltra SorbTM)以0:100、30:70、50:50、70:30和100:0的比例充分混合。如前所述评价吸水能力、吸收效益、干密度、密度效益、水分、自结块和团块强度。结果示于表3中。
表3.以不同重量比混合的纳膨润土(BH-8)与硅藻土(EPM Ultra SorbTM)的典型性能
获得超过混合规则的增加的吸水能力。具体地，每种混合物的吸收率为单个部分的1.7～3.7倍，并且超过基于混合规则预测的吸收率的200％，接近300％。在测试的比例中，在膨润土与DE比为约50:50时达到最大的吸收率和吸收效益。还观察到高达约20％的密度效益，并且在50:50的钠膨润土与硅藻土比例下最大。尽管所有的混合物在润湿时结块，但是在较高的钠膨润土水平下观察到较高的团块强度。因此，当使用硅藻土和钠膨润土同时保持相对低的密度时，可以获得具有良好团块强度的较高吸收率。
实施例3.将可结块颗粒钠膨润土(Wyo-BenTM BH-8)与不可结块颗粒硅藻土(EPMFloor DryTM)以0:100、30:70、50:50、70:30和100:0的比例充分混合。如前所述评价吸水能力、吸收效益、干密度、密度效益、水分、自结块和团块强度。结果示于表4中。
表4.以不同重量比混合的纳膨润土(BH-8)与硅藻土(EPM Floor DryTM)的典型性能
获得超过混合规则的增加的吸水能力。具体地，每种混合物的吸收率为单个部分的1.6～3.4倍。测量到吸收效益超过基于混合规则预测的吸收率的200％，在一些实施例中超过300％。在测试的比例中，在膨润土与DE比为约70:30时达到最大的吸收率和吸收效益。还观察到所有混合物的密度效益约17％。因此，当使用硅藻土和钠膨润土同时保持相对低的密度时，可以获得具有良好团块强度的较高吸收率。
实施例4.不可结块颗粒，例如之前所述的DE，主要具有-4至+20目的PSD，也可以与具有主要在-10至+60目之内的较小PSD的可结块颗粒共混。将可结块的纳膨润土(Wyo-BenTMBig30(BH-30))与EPM Blue RibbonTM，Ultra SorbTM和Floor DryTM硅藻土(粗糙的不可结块颗粒)以重量比0:100、30:70、50:50、70:30和100：0混合。如前所述评价吸水能力、吸收效益、干密度、密度效益、水分、自结块和团块强度。BH-30与Blue RibbonTM、Ultra SorbTM和Floor DryTM混合的结果分别示于表5至表7中。
表5.以不同重量比混合的纳膨润土(Wyo-BenTM BH-30)与硅藻土(EPM BlueRibbonTM)的典型性能
表6.以不同重量比混合的纳膨润土(Wyo-BenTM BH-30)与硅藻土(EPM UltraSorbTM)的典型性能
表7.以不同重量比混合的纳膨润土(Wyo-BenTM BH-30)与硅藻土(EPM FloorDryTM)的典型性能
观察到对于与较粗的硅藻土混合的较细的钠膨润土，具有超过混合规则的增加的吸水能力。具体地，每种混合物的吸收率是各个部分的吸收率的1.9～3.8倍。在一个实施例中，观察到超过300％的吸收效益。在测试的比例中，在膨润土与硅藻土比例为约50:50时达到最大的吸收率和吸收效益。还观察到高达约16％的密度效益，并且在50:50的钠膨润土与硅藻土的比例下最大。因此，当使用硅藻土和钠膨润土同时保持相对低的密度时，可以获得具有良好团块强度的较高吸收率。
实施例5.将EPM与钠膨润土(Wyo-BenTM BH-8and BH-30)分别以0：100、30：70、50：50、70：30和100：0的重量比充分混合。如前所述评价吸水能力、吸收效益、干密度、密度效益、水分、自结块和团块强度。与上述混合物有关的数据列于表8和表9中。表8.以不同重量比混合的纳膨润土(Wyo-BenTM BH-8)与硅藻土(EPM)的典型性能
表9.以不同重量比混合的纳膨润土(Wyo-BenTM BH-30)与硅藻土(EPM)的典型性能
较粗和较细的钠膨润土都显示与DE颗粒的协同吸收。在测试的比例中，在膨润土对DE比为50:50和70:30观察到的最大吸收率下测量到约150％至250％的吸收效益。还观察到高达约19％的密度效益，并且在70:30的钠膨润土与硅藻土比例下最大。BH-8钠膨润土和DE混合物在润湿时结块；然而，没有一种混合物显示出高的团块强度。相比之下，BH-30钠膨润土和硅藻土混合物显示出对于所有比例的自结块，但是在钠膨润土水平为至少50％时具有高团块强度。因此，当使用硅藻土和钠膨润土同时保持相对低的密度时，可以获得具有良好团块强度的较高吸收率。
实施例6.筛分EPM Ultra SorbTM以产生包括-4+6、-6+10、-10+20、-20+30和-30+60的较窄PSD的材料。Ultra SorbTM的各个部分以0：100、30：70、50：50、70:30和100：0的重量比与钠膨润土充分混合。将各部分分别与Wyo-BenTM BH-8和BH-30混合，并如前所述评价它们的吸水能力、吸收效益、干密度、密度效益、水分、自结块和团块强度。与BH-8和BH-30混合的Ultra SorbTM部分的数据分别列于表10和表11中。
表10.以50:50的重量比混合的钠膨润土(Wyo-BenTM BH-8)和不同尺寸的硅藻土(Ultra SorbTM)的典型性能
表11.以50:50的重量比混合的钠膨润土(Wyo-BenTM BH-30)和不同尺寸的硅藻土(Ultra SorbTM)的典型性能
令人惊奇的是，已经经历等效加工的类似组合物的不可结块组分具有不同的吸收效益，这取决于相对于可结块组分的PSD的粒径。对于不同尺寸的可结块粘土，例如钠膨润土Wyo-BenTM BH-8和BH-30，当与具有与可结块组分的最大粒径相同的尺寸的窄PSD的不可结块组分混合时，吸收效益最大。随着不可结块组分的窄PSD降低，吸收效益降低。这种现象可能与不可结块组分产生松散填料以将水吸入颗粒间自由空间，并支撑整体结构的能力有关。因此，当使用硅藻土和钠膨润土时，可以获得具有良好团块强度的较高吸收率。
实施例7.不可结块组分也可以是沸石。沸石可用于其气味控制能力。由筛分至-8+14目的KMI ZeoliteTM(KMI)出售的不可结块颗粒沸石与钠膨润土以0:100、30:70、50:50、70:30和100:0的重量比充分混合。将粗沸石颗粒与Wyo-BenTM BH-8和BH-30分别混合，并如前所述评价其吸水能力、吸收效益、干密度、密度效益、水分、自结块和团块强度。结果列于表12和表13中。
表12.以不同重量比混合的钠膨润土(Wyo-BenTM BH-8)和沸石(KMI Zeolite-8+14)的典型性能
表13.以不同重量比混合的钠膨润土(Wyo-BenTM BH-30)和沸石(KMI Zeolite-8+14))的典型性能
当沸石颗粒KMI-8+14与不同尺寸的钠膨润土Wyo-BenTM BH-8和BH-30共混时，观察到协同吸收。在测试的比例中，测量超过200％的吸收效益，并且在膨润土/DE比例为70:30时观察到最大的吸收率。BH-8膨润土和沸石在润湿时结块；然而，没有一种混合物显示出高的团块强度。相反，BH-30膨润土和沸石混合物对于所有比例显示出自结块，但是在至少30％的膨润土水平时具有高团聚强度。因此，当使用沸石和钠膨润土时，可以获得具有良好团块强度的较高吸收率。
实施例8.将不可结块的颗粒，KMI’s沸石筛分至-20+50，并与钠膨润土以0：100、30：70、50：50、70:30和100：0的重量比充分混合。将沸石颗粒分别与Wyo-BenTM BH-8和BH-30混合，并如前所述评价它们的吸水能力、吸收效益、干密度、密度效益、水分、自结块和团块强度。结果列于表14和表15中。
表14.以不同重量比混合的钠膨润土(Wyo-BenTM BH-8)和沸石(KMI’s Zeolite-20+50))的典型性能
表15.以不同重量比混合的钠膨润土(Wyo-BenTM BH-30)和沸石(KMI’s Zeolite-20+50))的典型性能
当沸石颗粒KMI-20+50与不同尺寸的钠膨润土Wyo-BenTM BH-8和BH-30共混时，观察到协同吸收。在测试的比例中，测量超过200％的吸收效益，并且在膨润土/DE比例为70:30时观察到最大的吸收率。BH-8膨润土和沸石在润湿时结块；然而，没有一种混合物显示出高的团块强度。相比之下，BH-30膨润土和沸石混合物对于所有比例显示出自结块，但是在膨润土水平为至少50％时具有高的团块强度。因此，当使用沸石和钠膨润土时，可以获得具有良好团块强度的较高吸收率。
上述结果证明所公开的组合物的每种组分具有比组合物更低的吸收率，从而证明所公开的组合物的协同吸收性能。在测试的比例中，根据颗粒组合物和PSD，可结块吸附剂颗粒(钠膨润土)与不可结块颗粒(硅藻土或沸石)的比例为约50:50或70:30时表现出最大的吸收率。实施例10.当组合物由多种组分组成时，也可以观察到协同吸收。在纳膨润土与硅藻土的重量比为50:50的组合物中，作为不可结块颗粒的10wt％沸石(KMI，-8+14)代替10wt％的DE(EPM Blue RibbonTM)。可结块组分可以具有不同的尺寸，例如Wyo-BenTM BH-8或BH-30。因此，在该实施例中，所得组合物为10wt％沸石、40wt％DE和50wt％钠膨润土。如前所述评价吸水能力、吸收效益、干密度、密度效益、水分、自结块和团块强度。这些混合物和各组分的典型性能列于表16中。
表16.钠膨润土(Wyo-BenTM BH-30或BH-8)与DE(EPM Blue RibbonTM)和沸石(KMI’s Zeolite,-8+14)混合的典型性能
同样，组合物显示出显着的协同吸收性能。研究的钠膨润土、硅藻土和沸石的混合物表现出超过200％的吸收效益。还观察到高达约11％的密度效益。因此，当使用沸石、硅藻土和钠膨润土，同时保持相对低的密度时，可以获得具有良好团块强度的较高吸收率。
实施例11.可以通过水处理DE以减少材料处理期间的粉尘产生。将可结块颗粒钠膨润土(Wyo-BenTM BH-8或BH-30)与用水处理的不可结块颗粒DE(EPM)以0:100、30:70、50:50和100:0的比例充分混合。处理硅藻土使其水分含量为约11％。如前所述评价吸水能力、吸收效益、干密度、水分、自结块和团块强度。对于分别含有Wyo-BenTM BH-8或BH-30的混合物，结果显示在表17和表18中。在其它实施例中，可以用水等处理硅藻土，使得其水分含量在约5％至约50％的范围内。在其它实施例中，可以用水等处理硅藻土，使得其水分含量可以在约10％至约20％的范围内。在一些实施例中，DE(以离散颗粒的形式)和钠膨润土(以离散颗粒的形式)的新型组合物可具有大于2.5％至小于约50％的水分含量。
表17.钠膨润土(Wyo-BenTM BH-8)与含有11％水分的DE(EPM Solid-A-Sorb)混合的典型性能
表18.钠膨润土(Wyo-BenTM BH-30)与含有11％水分的DE(EPM)混合的典型性能
令人惊讶的是，即使添加水分，混合物的吸收率仍是单个部分的吸收率的约2.5倍，并且超过基于混合规则预测的吸收率的100％以上。虽然所有混合物在润湿时结块，但是对于BH-30颗粒，在较高钠膨润土水平下观察到较高的团块强度。在膨润土对DE的重量比为70:30时达到高的吸收效益和绝对吸收率。因此，当使用硅藻土和钠膨润土时，可以获得较高的吸收率和良好的团块强度。
实施例12.通过使用具有低砷浓度的颗粒，可以实现组合物中较低的砷浓度。这里，使用光谱仪(S4ExplorerTM,AXS GmbH,Germany)通过X射线荧光(XRF)测量砷浓度。砷浓度通常以百万分之几(ppm)来测量。来自美国内华达州的EPM’s Sequoya矿床的硅藻土具有低砷浓度。当与低砷钠膨润土(例如Wyo-BenTM BH-30)共混时，所得混合物保持较低的砷浓度(表19)。
表19.钠膨润土(Wyo-BenTM BH-30)与DE(EPM Sequoya矿床)混合中的典型砷浓度
实施例13.所公开的新型组合物中的较低的石英浓度可以通过使用具有低石英浓度的颗粒来实现。示例性新型组合物中使用的DE矿和DE产品(例如，EPM Blue RibbonTM,EPMUltra SorbTM,EPM Floor DryTM,EPM)含有低含量的石英(通常<1％)。当与Na-膨润土如Wyo-BenTM BH-30或BH-8(具有约8％的石英水平)共混时，所得混合物具有低石英浓度(表20)。因此，所公开的新型组合物具有约小于20％的石英含量。在一些实施例中，石英含量可以约小于15％。在一些实施例中，所公开的新型组合物的石英含量可以约小于8％。
表20.钠膨润土(Wyo-BenTM BH-30)与DE(EPM)混合的典型石英浓度
本发明还公开了制备所述组合物的方法。可以通过将可结块颗粒与不可结块颗粒混合来制备组合物。一种公开的用于制造具有协同吸收性能的低密度组合物的方法可以包括：(1)填充两个粉末箱，每个具有可结块颗粒和不可结块颗粒，所述箱配备有重量带进料箱或失重式进料器或任何用于测量颗粒流量的其他装置；(2)同时以满足最终产品的共混比例的速率计量两个颗粒箱的内容物；(3)将两种材料排放到掺和器、混合器或搅拌器中，以在设备室的第一半处实现颗粒的流化；和(4)在混合设备室的第二半中以预定的剂量率将雾化水喷射到流化材料中，以使水分均匀分布到材料中。水剂量率基于当产品从大于1米(3.28英尺)的高度倾倒时视觉上减轻灰尘的量。然后将经水处理的共混物包装在容器或袋中。
工业适用性
本文公开的组合物可特别有利于工业和家居吸收和固话，废油和钻井液的固化，动物用卫生砂(例如，猫砂)，即土壤改良。所公开的组合物的实施例可以具有低密度(低于945kg/m3)(59lb/ft3)和高水吸收率(高于170％)。
尽管仅阐述了某些实施例，但是通过以上描述，替代实施例和各种修改对本领域技术人员是显而易见的。这些和其它替换被认为是等同物，并且在本公开的精神和范围内。

Claims (24)

1.一种组合物，包括细吸附剂颗粒和粗颗粒，所述组合物具有多峰粒径分布，其中，所述组合物的单位重量吸收率超过所述细吸附剂颗粒和所述粗颗粒的加权平均吸收率10％以上。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述单位重量吸收率超过所述细吸附剂颗粒和所述粗颗粒的加权平均吸收率100％以上。
3.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述粗颗粒为硅藻土。
4.根据权利要求3所述的组合物，其特征在于，所述组合物为自结块的。
5.根据权利要求3所述的组合物，其特征在于，所述组合物具有约小于880kg/m3的干密度。
6.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述细吸附剂颗粒为钠膨润土、锂蒙脱石、钠处理过的钙膨润土或其组合。
7.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述粗颗粒为沸石。
8.一种组合物，该组合物包括硅藻土的离散颗粒，其特征在于，所述组合物的团块强度约大于75％，干密度约小于880kg/m3。
9.根据权利要求1或8所述的组合物，其特征在于，所述干密度约小于800kg/m3。
10.根据权利要求1或8所述的组合物，其特征在于，所述干密度约小于673kg/m3。
11.根据权利要求1或8所述的组合物，其特征在于，所述组合物具有约大于170％的吸收率。
12.根据权利要求8所述的组合物，其特征在于，石英含量约小于20％。
13.根据权利要求8所述的组合物，其特征在于，所述硅藻土的离散颗粒包含约5％至50％的水分含量。
14.根据权利要求8所述的组合物，其特征在于，进一步包括钠膨润土、锂蒙脱石、绿坡缕石、钠处理过的钙膨润土或其组合。
15.根据权利要求8所述的组合物，其特征在于，所述组合物具有约小于17ppm的砷浓度。
16.根据权利要求8所述的组合物，其特征在于，进一步包括沸石。
17.根据权利要求8所述的组合物，其特征在于，所述组合物的单位重量吸收率超过加权平均吸收率100％以上。
18.根据权利要求8所述的组合物，其特征在于，进一步包括钠处理过的钙膨润土、绿坡缕石或其组合。
19.一种组合物，该组合物包括硅藻土的离散颗粒和钠膨润土的离散颗粒的混合物，其特征在于，所述组合物为自结块的，干密度约小于800kg/m3，且吸收率约为170％至500％。
20.根据权利要求19所述的组合物，其特征在于，所述组合物的单位重量吸收率超过所述硅藻土的离散颗粒和钠膨润土的离散颗粒的加权平均吸收率50％以上。
21.根据权利要求19所述的组合物，其特征在于，所述组合物具有约大于75％的团块强度。
22.根据权利要求19所述的组合物，其特征在于，所述组合物具有约小于15％的石英含量。
23.根据权利要求19所述的组合物，其特征在于，进一步包括沸石。
24.根据权利要求19所述的组合物，其特征在于，所述组合物具有约大于2.5％且约小于50％的水分含量。
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