CN109906205A - 用于澄清污水以获得适用于洗衣的水的净化组合物 - Google Patents

用于澄清污水以获得适用于洗衣的水的净化组合物 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种净化组合物，其包含：i.以干物质的重量计，2至20重量％的碱度为60％至85％的氯化羟铝化合物；ii.以干物质的重量计，2至20重量％的铁絮凝剂；iii.以干物质的重量计，0.1至5重量％的分子量大于100kDa的阴离子聚丙烯酰胺；iv.以干物质的重量计，40至96重量％的颗粒状填料；其中所述氯化羟铝与所述铁絮凝剂的干重比在1:1至1:5的范围内。本发明还涉及澄清污水以获得适用于洗衣的澄清水的方法。

Description

用于澄清污水以获得适用于洗衣的水的净化组合物
技术领域
本发明涉及用于澄清天然来源的水以用于洗衣目的的净化组合物。该净化组合物包含Al基和Fe基盐两者、阴离子聚丙烯酰胺和颗粒状填料。本发明还涉及用于澄清包含悬浮固体的污水的方法，其中应用本发明的净化组合物，并且还涉及包括本发明的净化组合物的水澄清套件。
背景技术
水正在成为更加稀缺的商品，特别是在发展中国家，人们不得不行走很多公里才能到达天然水源(天然水源如湖泊、水流或水泵递送的地下水)的情形并不罕见。这些天然水源通常输送有机化合物含量低，但可能被污染，即悬浮固体(如粘土或灰分固体)含量高的水。悬浮固体为污水提供混浊外观。
这种污水不太适合用于洗涤织物，因为它降低了洗涤过程中施用的洗涤剂组合物的清洁功效。使水可用于洗涤织物的一种方式是澄清包含高含量悬浮固体的天然来源的水。
一种减少水中的悬浮固体的已知方法是通过使用絮凝技术。絮凝通常应用网罗卷带(sweep flocculation)，然后是架桥絮凝(bridging flocculation)的使用。
网罗卷带包括以下：电解质絮凝剂，例如Al基或Fe基盐，以足够的量加入，使得它们形成无定形颗粒，例如无定型Al(OH)3颗粒。这些无定形颗粒捕获悬浮固体，导致水的澄清。含有捕获的悬浮固体的这样的颗粒称为清扫絮凝物(sweep flocs)，并且尺寸在100μm或更小的范围内。在这种尺寸下，清扫絮凝物仍然难以通过例如过滤或倾析与水分离。此外，清扫絮凝物的沉降的动力学非常慢。
因此，下一步是架桥絮凝，其包括添加分子量为至少100kDa的聚合物絮凝剂。这些聚合物被认为吸附在清扫絮凝物上，从而将清扫絮凝物聚集在一起以形成更大和更强的絮凝物。这种现象称为架桥絮凝。这种架桥机制有助于提高絮凝物的沉降速度，因此有助于加快水的澄清。
应用网罗卷带的这种水净化方法通常见于工业废水净化的领域。各种工业产生废水，例如，化工品制造厂、乳品厂、罐头厂、酿酒厂、造纸厂、染色厂、污水处理厂等。这些用于工业废水的水净化方法通常需要大型水处理设备并且是耗时的工艺。
JP2007/061718描述了复合絮凝剂，用于去除溶解的污染物如金属离子和着色剂如油墨颜料并降低BOD，其不需要大量的有机聚合物絮凝剂，并且在处理沉降和分离的污泥方面简单。该复合絮凝剂含有大于60至85重量％或更少的粘土，并包含选自无机絮凝剂和有机聚合物絮凝剂的一种或多种絮凝剂，其中无机絮凝剂含有铁盐。
WO2015/062881描述了用于净化水的组合物，其具有铁化合物和铝化合物，其中总铁与总铝的比率在1:0.1至1:150的范围内，铝化合物的碱度为至少40％，并且铁化合物是未水解状态的三价铁化合物。WO2015/062881进一步描述了包括小袋的包装的水净化产品，所述小袋包括容纳上述组合物的第一隔室和容纳消毒剂的第二隔室。
WO2008/092724描述了一种水净化组合物，其包含：
i.凝结剂，其是具有三价阳离子的水溶性无机金属盐；
ii.絮凝剂，其是高分子量水溶性聚合物；
iii.吸附剂，其是钛、锆、铁、铜或锌的水不溶性氧化物、氢氧化物或氧-氢氧化物(oxo-hydroxide)；和，
iii.杀生物剂，其是卤素化合物。
根据需要澄清的水的来源和水澄清的目的，澄清方法和净化组合物需要满足不同的要求。
为了将电解质絮凝剂应用于澄清天然来源的水以用于洗衣目的的方法，需要满足多个要求。如果可以在几分钟内获得澄清，则潜在消费者将只采用这样的澄清方法。
对用于澄清天然来源的水以用于洗衣目的的方法的另外要求是铝或铁的残留水平在澄清水中应尽可能低，因为消费者将澄清水中过高水平的铝残留水平，特别是聚合氯化铝的高水平，与潜在的健康问题联系起来。此外，澄清水中过高的残留铁水平将导致用澄清水洗涤的织物变色。
潜在消费者也倾向于易于定量加料的系统，例如所有澄清组分都存在于一种单一组合物中。
本领域中用于澄清天然来源的水以用于洗衣目的的基于网罗卷带的许多净化组合物要么太慢，要么不易于定量加料或导致澄清水中过高的残留铝或铁水平。
发明内容
本发明人已经发现了用于澄清天然来源的水以用于洗衣目的的净化组合物，其克服了现有技术中的净化组合物的上述缺点。根据本发明的净化组合物对于消费者而言易于定量加料，即仅需要定量加料一种单一组合物。
在施用净化组合物后，留在澄清水中的铝和铁的残留水平完全在认为可接受的范围内。而且，使用本发明的净化组合物在若干分钟内获得天然来源的水的澄清。
更特别地，根据第一方面，本发明的净化组合物涉及包含以下的净化组合物：
i.以干物质的重量计，2至20重量％的碱度为60％至85％的氯化羟铝化合物；
ii.以干物质的重量计，2至20重量％的铁絮凝剂；
iii.以干物质的重量计，0.1至5重量％的分子量大于100kDa的阴离子聚丙烯酰胺；
iv.以干物质的重量计，40至96重量％的颗粒状填料；
其中所述氯化羟铝与所述铁絮凝剂的干重比在1:1至1:5的范围内。
根据第二方面，本发明还涉及用于澄清包含悬浮固体的污水的方法，所述方法包括以下步骤：
i.定量加料每升污水0.1至3克干物质的净化组合物以获得所述水和所述净化组合物的混合物；
ii.搅拌所述混合物以诱导絮凝物形成；
iii.将所述絮凝物与所述水分离以获得适用于洗衣的澄清水；
其中所述净化组合物是根据第一方面的净化组合物。
根据第三方面，本发明还涉及水澄清套件，其包括：
i.容纳根据第一方面的净化组合物的容器；和，
ii.指导使用者将所述净化组合物定量加料到水中以获得适于洗衣洗涤的水的使用说明书。
具体实施方式
本发明的第一方面涉及净化组合物，其包含：
i.以干物质的重量计，2至20重量％的碱度为60％至85％的氯化羟铝化合物；
ii.以干物质的重量计，2至20重量％的铁絮凝剂；
iii.以干物质的重量计，0.1至5重量％的分子量大于100kDa的阴离子聚丙烯酰胺；
iv.以干物质的重量计，40至96重量％的颗粒状填料；
其中所述氯化羟铝与所述铁絮凝剂的干重比在1:1至1:5的范围内。
本文所用的术语“絮凝”是指接触和粘附的过程，由此分散体的颗粒形成更大尺寸的簇。
本文所用的术语“浊度”是指由大量个体颗粒引起的流体的雾浊或浑浊。
本文所用的单位“NTU”是指比浊法浊度单位(NTU)，如由Merck制造的浊度计2100T测量的。浊度计优选使用仪器制造商推荐的标准福尔马肼(formazin)溶液校准。浊度计测量粒子散射聚焦在其上的光束的倾向。
本文所用的术语“碱度”是指由下式定义：100％*[OH]/(3*[Al])。
本文所用的术语“氯化羟铝”是指具有通式(AlnCl(3n-m)(OH)m)的化合物，其中所述化合物的碱度高于60％。
本文所用的术语“聚合氯化铝”是指具有通式(AlnCl(3n-m)(OH)m)的化合物，其中所述化合物的碱度等于或小于60％。
本发明的净化组合物中氯化羟铝化合物与铁絮凝剂的重量比优选在1:1.05至1:3.5的范围内，更优选在1:1.1至1:2的范围内。
本发明的净化组合物优选包含以干物质的重量计3至15重量％的氯化羟铝化合物。更优选地，净化组合物包含以干物质的重量计3.5至10重量％的氯化羟铝化合物。最优选地，净化组合物包含以干物质的重量计4至6重量％的氯化羟铝化合物。
本发明的净化组合物中的氯化羟铝化合物优选选自氯化羟铝、氯化羟铝硅酸盐、氯化羟铝硫酸盐及其组合。更优选地，氯化羟铝化合物选自氯化羟铝、氯化羟铝硫酸盐及其组合。最优选地，氯化羟铝化合物是氯化羟铝。
本发明的净化组合物中的氯化羟铝化合物的碱度优选为65％至80％。
本发明的净化组合物优选包含以干物质的重量计3至15重量％的铁絮凝剂。更优选地，净化组合物包含以干物质的重量计3.5至10重量％的铁絮凝剂。最优选地，净化组合物包含以干物质的重量计4至6重量％的铁絮凝剂。
本发明的净化组合物中的铁絮凝剂优选选自氯化铁、硫酸铁、聚铁絮凝剂及其组合。更优选地，铁絮凝剂选自氯化铁、硫酸铁及其组合。最优选地，铁絮凝剂是硫酸铁。
本发明的净化组合物优选包含以干物质的重量计0.5至4重量％的分子量大于100kDa的阴离子聚丙烯酰胺。更优选地，净化组合物包含以干物质的重量计1至3重量％的分子量大于100kDa的阴离子聚丙烯酰胺。
阴离子聚丙烯酰胺的分子量优选为100至5,000kDa，更优选250至2,000kDa，最优选500至1,000kDa。阴离子聚丙烯酰胺优选是水溶性的。
本发明的净化组合物优选包含以干物质的重量计50至94重量％的颗粒状填料。更优选地，净化组合物包含以干物质的重量计60至92重量％的颗粒状填料。最优选地，净化组合物包含以干物质的重量计70至90重量％的颗粒状填料。
本发明的净化组合物中的颗粒状填料优选密度为至少1.5kg/dm3。更优选地，颗粒状填料的密度为1.75至3.5kg/dm3，最优选颗粒状填料的密度为2至2.5kg/dm3。
本发明的净化组合物中的颗粒状填料优选选自长石、二氧化硅、膨润土、方解石、硅藻土及其组合。更优选地，颗粒状填料选自长石、膨润土及其组合。
在一个优选实施方式中，颗粒状填料是长石和膨润土的组合，其中长石与膨润土的干重比在5:1至1:5的范围内。更优选地，长石与膨润土的干重比在3:1至1:3的范围内。最优选地，长石与膨润土的干重比在2:1至1:2的范围内。
本发明的净化组合物优选具有不超过15重量％的水含量。更优选地，净化组合物具有不超过12重量％的水含量，最优选地，净化组合物具有5至10重量％的水含量。
本发明的净化组合物中的氯化羟铝化合物、铁絮凝剂、阴离子聚丙烯酰胺和颗粒状填料的组合优选以干物质的重量计构成净化组合物的至少50重量％，更优选至少70重量％，最优选至少90重量％。
本发明的净化组合物优选包含以干物质的重量计小于5重量％的碱性缓冲剂，所述碱性缓冲剂选自氧化钙、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钙、氧化镁、氢氧化镁及其组合。更优选地，净化组合物包含以干物质的重量计小于3重量％的所述碱性缓冲剂，甚至更优选以干物质的重量计小于1重量％，最优选0％的所述碱性缓冲剂。
根据本发明的净化组合物优选为颗粒形式。净化组合物优选根据以下步骤制备。优选地，按照比率称量单个成分，并使用本领域已知的合适的粉末混合装置或设备进行混合。
本发明的第二方面涉及用于澄清包含悬浮固体的污水的方法，所述方法包括以下步骤：
i.定量加料每升污水0.1至3克干物质的净化组合物以获得所述水和所述净化组合物的混合物；
ii.搅拌所述混合物以诱导絮凝物形成；
iii.将所述絮凝物与所述水分离以获得适用于洗衣的澄清水；
其中所述净化组合物是本文前文所述的净化组合物。
在本发明的方法中，净化组合物优选以每升污水0.2至1.5克干物质定量加料。更优选地，净化组合物以每升污水0.3至1克干物质定量加料。
在本发明的方法中混合物的搅拌优选进行至少5秒，更优选进行10至60秒，最优选混合物的搅拌进行15至40秒。在一种优选实施方式中，可以应用不同的搅拌模式，例如，搅拌-暂停-搅拌或搅拌-暂停或其变化。
本发明方法的步骤(i)至(iii)优选在10分钟时间内进行，更优选在8分钟时间内进行，甚至更优选在5分钟时间内进行，最优选在4分钟时间内进行。
将絮凝物与水分离优选通过过滤、倾析及其组合进行。更优选地，将絮凝物与水分离通过过滤进行。
在本发明的方法中，在定量加料净化组合物之前，污水的pH优选在5.5至8的pH范围内。更优选地，在定量加料净化组合物之前，污水的pH在6至7.5的pH范围内。
在本发明的方法中，所获得的澄清水的pH优选在5.5至8的pH范围内。更优选地，所获得的澄清水的pH在6至7.5的pH范围内。
在本发明的方法中，在定量加料净化组合物之前，污水在20℃下温育5天期间的生化需氧量(BOD)优选低于100mgO2/升污水。
在本发明的方法中，在定量加料净化组合物之前，污水的浊度优选为至少15NTU。更优选地，在定量加料净化组合物之前，污水的浊度为至少30NTU，最优选浊度为至少50NTU。
在本发明的方法中，所获得的澄清水的浊度优选低于10NTU。更优选地，所获得的澄清水的浊度低于9NTU，最优选地，所获得的澄清水的浊度低于8NTU。
在本发明的方法中，所获得的澄清水中可溶性铝的含量优选小于200ppb。更优选地，所获得的澄清水中可溶性铝的含量小于175ppb，最优选地，所获得的澄清水中可溶性铝的含量小于150ppb。
在本发明的方法中，所获得的澄清水中可溶性铁的含量优选小于200ppb。更优选地，所获得的澄清水中可溶性铁的含量小于160ppb，最优选地，所获得的澄清水中可溶性铁的含量小于120ppb。
可溶性铝和可溶性铁的含量适当地通过电感耦合等离子体发射光谱法测量。
本发明的第三方面涉及水澄清套件，其包括：
i.容纳根据本文前文所述的净化组合物的容器；和，
ii.指导使用者将所述净化组合物定量加料到水中以获得适于洗衣洗涤的水的使用说明书。
本发明的水澄清套件优选不包含选自氧化钙、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钙、氧化镁、氢氧化镁及其组合的碱性缓冲剂。
本发明通过以下非限制性实施例作进一步说明。
实施例
实施例1
比较了多种净化组合物对浊度为约35NTU且法国硬度为48FH的污水的澄清效果。
通过以等重量比充分混合氧化铁(III)和高岭石来制备模型污垢。通过以2:1的重量比向水中加入适量的Ca2+和Mg2+制备硬度为48FH的水。通过向每升硬度48FH的水加入0.2g模型污垢来制备模型污水。模型污水的pH为7.2且浊度为35NTU。
根据表1中显示的成分制备不同的水净化组合物。称量适当量的这些组分的每一种并混合以得到均匀的组合物。
表1
澄清方法
将0.5g净化组合物加入1升模型污水中。将污水和净化组合物的混合物搅拌20秒，然后暂停20秒，随后将混合物再搅拌20秒。将混合物静置2分钟以使絮凝物沉降。在这两分钟后，从顶部取出所获得的澄清水的样品。
使用浊度计Turbiquant 2100T，Merck测量每个样品的浊度。最终浊度值低于10NTU被认为是可接受的。
不同样品中的浊度测量的结果如表2所示。
表2
结果 1 2 A B C D
浊度(NTU) 7 8 13 9* 28 15
*获得的絮凝物太弱
实施例2
进行与实施例1所述类似的实验，除了使用表3所示的净化组合物来澄清模型污水并且模型污水具有不同的水硬度。在该实施例中使用的模型污水的硬度为40°FH。
表3
样品3和E中的浊度测量的结果显示在表4中。
表4
结果 3 E
浊度(NTU) 5 11
实施例3
进行与实施例1所述类似的实验，除了使用表5所示的净化组合物来澄清模型污水。将净化组合物F以适当的量加入到模型污水中以保持模型污水中的氯化羟铝、硫酸铁和PAM的浓度在与由净化组合物4(其以每升模型污水0.5克定量加料)递送的这些组分的浓度相同的水平。
表5
样品4和F中的浊度测量的结果显示在表6中。
表6
结果 4 F
浊度(NTU) 7 12
实施例4
进行与实施例1所述类似的实验，除了使用表7所示的净化组合物来澄清模型污水。此外，在所获得的澄清水中，使用ICPES分析测量可溶性铝和可溶性铁的含量。ICPES代表电感耦合等离子体发射光谱法。
表7
成分 5(重量％)
碱度为80％的氯化羟铝 5
硫酸铁 5
膨润土 48
长石 40
PAM 2
水澄清
如实施例1所述用净化组合物处理模型污水并搅拌。然后将污水和净化组合物的混合物静置2分钟。在这两分钟后，将所获得的澄清水通过滤布过滤以除去絮凝物。
可溶性铝和铁的ICPES分析
将50ml所获得的澄清水通过400微米注射器过滤器过滤，并用2ml超纯硝酸(70％)处理以溶解澄清水中存在的可溶性铝和铁。将水再次通过400微米注射器过滤器过滤，然后使用适当的铝和铁标准品用ICPES进行分析。
浊度测量和ICPES分析的结果如表8所示。
表8
标准偏差在括号中指出，测量是一式三份进行
实施例5
使用表8所示的组合物来澄清模型污水。
如实施例1所述用净化组合物处理模型污水并搅拌。然后将污水和净化组合物的混合物静置2分钟。在这两分钟后，将所获得的澄清水通过过滤器过滤以除去絮凝物。测量澄清水的浊度。
表8
基于D1的制剂
实施例6
如实施例1所述用表9所示的不同净化组合物处理模型污水的样品并搅拌。然后将污水和净化组合物的混合物静置2分钟。在这两分钟后，将所获得的澄清水通过滤布过滤以除去絮凝物。用各种组合物(制剂1至制剂5)处理后获得的澄清水用于使用3g/l Surfexcel洗涤不同织物(棉、聚酯棉和聚酯)。在5个洗涤循环后，测定织物的黄变(指示高残留铁)(表10(SRI)和表11(b-值)。对照包括用清水+3g/l Surf excel洗涤的衣服。B-值越高，黄变越大。SRI越小，织物上的污垢量越大。
表9
成分 制剂1 制剂2 制剂3 制剂4 制剂5
ACH 0.05 0.025 0.5 1.5 1.5
硫酸铁 0 0.025 0.1 0.5 1.5
长石 0.25 0.2 0 0 0
膨润土 0.19 0.24 0.5 0.45 0.45
阴离子聚丙烯酰胺 0.01 0.01 0.03 0.03 0.03
总计 0.5 0.5 1.13 2.48 3.48
ACH/Fe<sub>2</sub>(SO<sub>4</sub>)<sub>3</sub>比率 0.05:0 1:1 5:1 3:1 1:1
Fe/Al比 0.00 0.64 0.13 0.21 0.64
铝/铁比 #DIV/0！ 1.56 7.78 4.67 1.56
表10
棉 聚酯棉 聚酯
平均 STDEV 平均 STDEV 平均 STDEV
清水 99.30 0.19 96.42 0.93 99.76 0.15
1 99.18 0.04 95.81 0.99 99.91 0.03
2 98.92 0.41 95.81 0.60 99.78 0.13
3 99.82 0.00 99.44 0.17 99.39 0.27
4 73.13 0.84 73.29 4.36 77.48 0.52
5 66.88 3.47 73.81 0.95 76.55 2.24
表11
实施例7
表12所示的组合物(制剂1、2和3)用于澄清模型污水，以及测量澄清水中的砷浓度。在300ppb下测量待处理水的输入砷浓度。
表12

Claims (15)

1.一种净化组合物，其包含：
i.以干物质的重量计，2至20重量％的碱度为60％至85％的氯化羟铝化合物；
ii.以干物质的重量计，2至20重量％的铁絮凝剂；
iii.以干物质的重量计，0.1至5重量％的分子量大于100kDa的阴离子聚丙烯酰胺；
iv.以干物质的重量计，40至96重量％的颗粒状填料；
其中所述氯化羟铝与所述铁絮凝剂的干重比在1:1至1:5的范围内。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述氯化羟铝化合物与所述铁絮凝剂的重量比在1:1.05至1:3.5的范围内，更优选在1:1.1至1:2的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的组合物，其中所述组合物包含以干物质的重量计3至15重量％的氯化羟铝化合物。
4.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述组合物包含以干物质的重量计3至15重量％的铁絮凝剂。
5.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述铁絮凝剂选自氯化铁、硫酸铁、聚铁絮凝剂及其组合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述颗粒状填料选自长石、二氧化硅、膨润土、方解石、硅藻土及其组合。
7.根据权利要求6所述的组合物，其中所述颗粒状填料是长石和膨润土的组合，并且其中所述长石与膨润土的干重比在5:1至1:5的范围内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述组合物具有不超过15重量％的水含量。
9.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中氯化羟铝化合物、铁絮凝剂、阴离子聚丙烯酰胺和颗粒状填料的组合以干物质的重量计构成所述净化组合物的至少50重量％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的组合物，其中所述净化组合物以干物质的重量计含有小于5重量％的碱性缓冲剂，所述碱性缓冲剂选自氧化钙、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钙、氧化镁、氢氧化镁及其组合。
11.一种用于澄清包含悬浮固体的污水的方法，所述方法包括以下步骤：
i.每升污水定量加料0.1至3克干物质的净化组合物以获得所述水和所述净化组合物的混合物；
ii.搅拌所述混合物以诱导絮凝物形成；
iii.将所述絮凝物与所述水分离以获得适用于洗衣的澄清水；
其中所述净化组合物是根据前述权利要求中任一项所述的净化组合物。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述净化组合物以每升所述污水0.2至1.5克干物质定量加料。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所获得的澄清水的pH在5.5至8的pH范围内。
14.一种水澄清套件，其包括：
i.容纳根据权利要求1至10中任一项所述的净化组合物的容器；和，
ii.指导使用者将所述净化组合物定量加料到水中以获得适于洗衣洗涤的水的使用说明书。
15.根据权利要求14所述的水澄清套件，其中所述套件不包括选自氧化钙、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钙、氧化镁、氢氧化镁及其组合的碱性缓冲剂。
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