因此本发明的目的是提供一种絮凝剂,该絮凝剂可以使更广泛多样的固体更迅速地并且以较高的沉淀程度从悬浮液中分离出来,该絮凝剂对浊度变化的敏感性较小。
根据本发明,所述目的通过提供一种水溶性的、尤其是粉末化的聚合物组合物而得以实现,其可以通过至少一种不饱和单体的连续聚合进行制备,至少一种影响聚合的参数被以重复形式改变。
连续聚合以本领域技术人员已知的任何方法进行。聚合优选是溶液聚合。该连续聚合优选是在移动载体上进行的,如例如EP0,296,331 B1或EP 0,228,638 B1所教导的,其在此引为参考,因此并入本发明。在EP 0,296,331 B1或EP 0,228,638 B1中,所述移动的载体是运输带,在其上计量无氧的水性单体溶液,该溶液在加入催化剂下进行聚合形成固体凝胶,释放聚合热。在运输带的末端,将所述固体凝胶去掉并且优选以众所周知的程序连续地切碎、干燥、研磨和过筛。
使用的单体可以是非离子化的、阴离子的或阳离子的。优选的单体是(甲基)丙烯酸和其盐、(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙酸和其盐、烯丙基磺酸和其盐,以及二烯丙基二烷基氯化铵。尤其优选的单体是丙烯酰胺、丙烯酸和其盐、(甲基)丙烯酸二烷基氨基烷基酯和二烷基氨基烷基(甲基)丙烯酰胺,其以盐或季铵化的形式存在。
所述单体可以在溶液中单独聚合或以与其他单体的混合物方式聚合,以制备共聚和三元共聚物组合物。本领域技术人员将认识到,还可以将超过三种的单体一起聚合。
所述聚合可以被化学催化和/或高能辐射/光(例如紫外线)引发。优选的催化剂是有机的和无机的过氧-化合物例如过硫酸盐和烷基(氢)过氧化物与还原物质例如碱金属亚硫酸盐结合,任选地加入亚铁盐。优选的光引发剂是2,2’-偶氮双(2-脒丙烷)氢氯化物和/或苯偶姻衍生物。
按照本发明,至少一种影响聚合的参数以重复形式改变。
在本发明中,“以重复形式”意思指影响所述聚合的参数是以任何希望的方式改变的,但是是在有规则地重现的时间间隔内、在为本领域技术人员所熟知的范围之内,并且优选为连续方式。
所述形式优选是在可随机地选择的平均值周围的振荡。所述振荡优选是谐和或不谐和的并且优选是无衰减的。
所述参数优选是在所述聚合开始之前改变的,例如在所述优选的水性单体溶液进料到所述移动载体的过程中,以下参数优选进行变化:
a)通过以重复形式改变至少一种单体的量,改变在共聚和三元共聚物生产中所述单体溶液的组成,
b)通过以重复形式改变较高的和/或较低的浓度的一种单体的计量的量,改变所述单体溶液的浓度,
c)通过以重复形式增加和减少催化剂或催化剂体系的浓度,改变催化剂的量,
d)通过以重复形式增加和减少分子量调节剂溶液的量,改变分子量调节剂的量,
e)通过以重复形式增加和减少酸或碱计量,改变所述单体溶液的pH值。
在这些参数之中,可以同时地或时间间隔地改变一种或多种。
优选地,所述形式是在可以随机地选择的平均值周围的振荡。所述振荡的振幅和频率可以随机地选择。所述频率,即改变聚合参数的形式进行一次的时间,由所述装置部件的尺寸决定,而所述振幅,即所述连续进行的变化的水平,对于聚合物组合物的应用工艺性能是关键的。
本领域技术人员将认识到改变一种参数可能导致其他聚合参数的变化。当改变在反应器进料中计量的催化剂的量时,例如在所述单体溶液中自由基的浓度,因此,在聚合带上的聚合速率将经受连续变化,其可以在振荡的温度分布图中看到。
在尤其有利的方式中,所述根据本发明的聚合物组合物可被用于所述絮凝,优选地水生物质的絮凝和/或在悬浮液脱水中的絮凝。因此,本发明也涉及这样的用途。
本发明也涉及通过聚合至少一种不饱和单体进行的连续生产聚合物组合物的方法,其中至少一种影响所述聚合的参数以重复形式改变。
所述聚合以本领域技术人员已知的任何方法进行。聚合优选是溶液聚合。然而,该聚合优选是在移动载体上进行的,如例如EP0,296,331 B1或EP 0,228,638 B1所教导的,其在此引为参考,因此并入本发明。在EP 0,296,331 B1或EP 0,228,638 B1中,所述移动的载体是运输带,在其上计量无氧的水性单体溶液,该溶液在加入催化剂下进行聚合形成固体凝胶,释放聚合热。在运输带的末端,将所述固体凝胶去掉并且优选以众所周知的程序连续地切碎、干燥、研磨和过筛。
所述单体可以是任何单体,优选不饱和单体。然而,优选的单体是(甲基)丙烯酸和其盐、(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙酸和其盐、烯丙基磺酸和其盐,以及二烯丙基二烷基氯化铵。尤其优选的单体是丙烯酰胺、丙烯酸和其盐、(甲基)丙烯酸二烷基氨基烷基酯和二烷基氨基烷基(甲基)丙烯酰胺,其以盐或季铵化的形式存在。
所述单体可以在溶液中单独聚合或以与其他单体的混合物方式聚合,以制备共聚和三元共聚物组合物。本领域技术人员将认识到,还可以将超过三种的单体一起聚合。
所述聚合可以被化学催化和/或高能辐射/光(例如紫外线)引发。优选的催化剂是有机的和无机的过氧-化合物例如过硫酸盐和烷基(氢)过氧化物与还原物质例如碱金属亚硫酸盐的结合,任选地加入亚铁盐。优选的光引发剂是2,2’-偶氮双(2-脒丙烷)氢氯化物和/或苯偶姻衍生物。
按照本发明,至少一种影响聚合的参数以重复形式改变。
在本发明中,“以重复形式”意思指影响所述聚合的参数是以任何希望的方式改变的,但是是在有规则地重现的时间间隔内、在为本领域技术人员所熟知的范围之内,并且优选为连续方式。
所述形式优选是在可随机地选择的平均值周围的振荡。所述振荡优选是谐和或不谐和的并且优选是无衰减的。
所述参数优选是在所述聚合开始之前改变的,例如在所述优选的水性单体溶液进料到所述移动载体的过程中,以下参数优选进行变化:
a)通过以重复形式改变至少一种单体的量,改变在共聚和三元共聚物生产中所述单体溶液的组成,
b)通过以重复形式改变较高的和/或较低的浓度的一种单体的计量的量,改变所述单体溶液的浓度,
c)通过以重复形式增加和减少催化剂或催化剂体系的浓度,改变催化剂的量,
d)通过以重复形式增加和减少分子量调节剂溶液的量,改变分子量调节剂的量,
e)通过以重复形式增加和减少酸或碱计量,改变所述单体溶液的pH值。
在这些参数之中,可以同时地或时间间隔地改变一种或多种。
优选地,所述形式是在可以随机地选择的平均值周围的振荡。所述振荡的振幅和频率可以随机地选择。所述频率,即改变聚合参数的形式进行一次的时间,由所述装置部件的尺寸决定,而所述振幅,即所述连续进行的变化的水平,对于聚合物组合物的应用工艺性能是关键的。
本领域技术人员将认识到改变一种参数可能导致其他聚合参数的变化。当改变在反应器进料中计量的催化剂的量时,例如在所述单体溶液中自由基的浓度,因此,在聚合带上的聚合速率将经受连续变化,其可以在振荡的温度分布图中看到。
为进行所述工艺变化,将描述在EP 0,296,331实施例4和图2中的所述连续聚合进行改进,以使催化剂溶液的质量流量通过借助于计量阀28和30的调节器,以预选的形式在规则的时间间隔以重复方式改变。
在本发明方法优选的实施方案中,将恒定量的催化剂溶液计量入用氮气吹扫的恒定的丙烯酰胺溶液的进料物流中或丙烯酰胺和阳离子单体的单体溶液中。阳离子单体的溶液从另外的容器中计量,其量连续地以正弦曲线振荡形式改变。由于放热反应结果,所述改变的单体浓度引起在所述聚合带上的聚合物产品温度连续地变化。在干燥机的末端每隔5分钟取样清楚地显示,变化的阳离子的性能在平均值周围振荡。
在本发明方法的另一个优选的实施方案中,分子量调节剂例如甲酸、乙酸或异丙醇被计量入阳离子单体溶液并且以重复形式变化。该过程导致一种聚合物组合物,其具有从低分子量、高-阳离子直到高分子量、低-阳离子聚合物组分的分子量范围。
在本发明方法的另一个优选的实施方案中,单体溶液以定常流量提供给聚合带并且包含非离子化的和阳离子的单体以及催化剂和分子量调节剂,另外的非离子化的单体周期地改变计量加入其中。所制备的共聚物不仅在它的组成或电荷密度方面以重复形式变化,而且在它的分子量或它的溶液粘度方面变化。
本发明方法的另一个优选的实施方案是生产三元共聚物组合物。例如,将定常流量的单体溶液提供给聚合带并且由丙烯酰胺、季铵化的二甲基氨基丙基丙烯酰胺、至少一种催化剂和分子量调节剂组成,其与用量以重复形式变化的季铵化丙烯酸二甲氨基乙酯溶液一起计量。在该工艺变化中,分子量调节剂和催化剂的浓度不可避免地发生变化。为了避免这些,所述季铵化的丙烯酸二甲氨基乙酯的溶液也必须包含分子量调节剂和/或催化剂。
在另一个优选的实施方案中,聚合在两个并行操作的聚合带上进行。在所述聚合带上,影响所述聚合的参数是以相-移动方式变化的,即当在一个聚合单元上单体的量即将达到最大量时,在另一个聚合单元上的量即将达到最小。在所述聚合单元的末端,两条聚合物束、优选地聚合物凝胶只提供给一台干燥机。
借助于上述过程,提供给所述干燥机的聚合物的量将几乎是恒定的,于是避免了在所述干燥机中过度或不充分干燥。此外,由于含水率变化而在下游磨中引起的问题和因此使颗粒弹性波动得到减少。
本发明的聚合物组合物具有易于生产的优点和具有范围较宽的例如分子量和/或离子化度(ionogenicity)。本发明的聚合物组合物尤其适合作为絮凝剂和/或用于悬浮液脱水中,其中与先有技术聚合物相比,所述本发明的聚合物组合物可以使宽范围的不同固体从悬浮液中更迅速地和以更高的沉淀程度除去,并且对浊度变化的敏感性较低。大量与絮凝和脱水相关的问题可以使用很少量的聚合物组合物得以解决。
使用本发明方法,可以制造具有各种各样性能的聚合物组合物。已建方法可以容易地适应本发明的方法。用以保持特定参数恒定的昂贵的控制技术不再是必要的。
本发明将参考以下实施例进行说明,然而其不限制本发明的一般概念。
在实施例中指定的粘度和电荷密度是以下面提出的过程测定的。
粘度的测定:
将3.4±0.01g的产品称量到400ml烧杯中。其后,加入302.6±0.1g的软化水(22±3℃),使产品分散在所述溶液水中而不形成团块。然后用指形叶片式搅拌机立即搅拌所述溶液。溶解时间在200±10rpm下为60分钟。
其后,加入34±0.1g的NaCl,以300-500rpm的速度分散约1分钟并且通过另外在200±10rpm下搅拌15分钟进行溶解。在将温度调整到20±1℃之后,将心轴No.1慢慢地无搅拌地浸入所述溶液,并且在Brookfield粘度计上在10rpm下测定粘度。
电荷密度的测定
电荷密度测定是在粒子电荷检测器PCD 02上进行的,该仪器来自Mütek Co./Herrsching,德国。在聚电解质滴定(Titrator DL 21,Mettler Co.)中,使用反-聚离子(聚乙烯磺酸钠,聚二烯丙基二甲基氯化铵)进行滴定直到等电点或拐点。
所述滴定仪提供mmol聚离子/g聚合物表示的电荷密度数据。使用所用单体的摩尔量的转化提供离子化度重量百分比。
使用如下所述过程测定污泥脱水性能:
在高性能离心机上测定脱水
将500ml的0.1%聚合物溶液,用Ultra Turrax T 25 N、用分散仪器S 25 N-18G(Janke & Kunkel Co./D-79217 Staufen)在24,000rpm下,剪切60秒。将500ml淤泥与所述聚合物溶液在搅拌容器中在搅拌下、使用3-指形叶片式搅拌机于1000rpm下混合10秒钟,然后放在直径150mm和网格宽度0.2mm的筛网上。测量200ml滤液的流动时间和使用透明度光劈(wedge)的滤液透明度。
零透明度表示非澄清和透明度46表示最好的澄清。
试验至少三种加入量,例如120、140和160g聚合物/m3淤泥。依据测试结果,将所述系列沿较少或较多聚合物方向展开。
以下缩写将在实施例的描述中使用:
缩写:
ACA 丙烯酰胺
ABAH 2,2’-偶氮双(2-脒基丙烷)氢氯化物
季铵化的DIMAPA用氯代甲烷季铵化的二甲基氨基丙基丙烯酰胺
季铵化的DIMAEA用氯代甲烷季铵化的丙烯酸二甲氨基乙酯
V 80 Versenex 80(DOW Chem.Comp.)
实施例1
利用连续光致聚合作用由ACA和季铵化的DIMAPA制备本发明聚合物组合物。在365nm波长处的照度为约2000μW/cm2。
配料:
2,250 kg软水
660 kg季铵化的DIMAPA 60%
3,074 kg ACA溶液50%
1.4 kg V 80
大约1 kg硫酸50%
150 kg冲洗水
6,136.4kg单体溶液,pH:4
将用氮气(氧含量:0.6ppm)吹扫的所述单体溶液连续地以320kg/h和在0℃温度下流动到所述聚合带。借助于静态混合器向该进料1计量以下进料:
进料2:7 l/h的2% ABAH溶液
进料3:7.9 l/h的1%甲酸
进料4:60%季铵化的DIMAPA溶液,其计量速率变化为:在60分钟的周期内从11.5 kg/h平稳增加到95 kg/h和平稳减少回到11.5kg/h。该变化量形式在整个试验期内保持。
在40分钟的聚合带上停留时间后,所述固态聚合物凝胶在绞肉机中降低尺寸和在带式干燥机上于1和2区的120℃、3区的115℃和4和5区的95℃入风温度下干燥。
在干燥机的末端每隔5分钟取得的样品显示以下特征:
1.在1小时试验期之后的样品
时间(min) |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
粘度(mPa·s) |
640 |
635 |
610 |
625 |
620 |
640 |
600 |
555 |
620 |
670 |
660 |
700 |
650 |
离子化度(%) |
42.8 |
37.8 |
30.8 |
25.7 |
24.8 |
30.7 |
35.3 |
41.3 |
47.4 |
47.5 |
47 |
44.6 |
41 |
2.在6小时试验期之后的样品
时间(min) |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
粘度(mPa·s) |
710 |
610 |
640 |
630 |
650 |
635 |
605 |
610 |
655 |
650 |
650 |
620 |
660 |
离子化度(%) |
46.5 |
43.3 |
34.5 |
33.2 |
25 |
26.4 |
30.3 |
35.9 |
42.2 |
48.4 |
49.9 |
49.7 |
46.4 |
过筛至150-1000μm的研磨的竖井样品(混合试样)具有630mPa.s的粘度和40.9%的离子化度。
实施例2
从ACA和季铵化的DIMAPA制备本发明聚合物组合物是利用连续光致聚合作用进行的。在365nm波长处的照度为约2000μW/cm2。
配料:
2,120 kg软水
1,500 kg季铵化的DIMAPA 60%
2,200 kg ACA溶液50%
1.5 kg V 80
大约2 kg硫酸50%
150 kg冲洗水
5,973.5kg单体溶液,pH:3.8
将用氮气(氧含量:0.8ppm)吹扫的所述单体溶液连续地以320kg/h和在3℃温度下流动到所述聚合带。借助于静态混合器向该进料1计量以下进料:
进料2:7.8 l/h的1.5% ABAH溶液
进料3:10.9 l/h的1.0%甲酸
进料4:60%季铵化的DIMAPA溶液,其计量速率变化为:在60分钟的周期内从12.8 kg/h平稳增加到95 kg/h和平稳减少回到12.8kg/h。该变化量形式在整个试验期内保持。
在45分钟的停留时间后,所述固态聚合物凝胶在绞肉机中降低尺寸和在带式干燥机上于1和2区的115℃、3区的110℃和4和5区的95℃入口气温下干燥。
在干燥机的末端每隔5分钟取得的样品显示以下特征:
时间(min) |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
粘度(mPa·s) |
435 |
435 |
445 |
450 |
460 |
500 |
500 |
450 |
480 |
470 |
470 |
430 |
425 |
离子化度(%) |
47.6 |
48.1 |
50.3 |
53.2 |
56.3 |
58.5 |
55.1 |
54.4 |
51.5 |
51.5 |
47.1 |
45.4 |
45.8 |
过筛至150-1000μm的研磨的竖井样品(混合试样)具有470mPa.s的粘度和53%的离子化度。含水率是10.5%。
实施例3
利用连续光致聚合作用由ACA和季铵化的DIMAPA制备本发明聚合物组合物。在365nm波长处的照度为约2000μW/cm2。
配料:
2,150 kg软水
3,090 kg季铵化的DIMAPA 60%
1,230 kg ACA溶液50%
0.9 kg V 80
大约2 kg硫酸50%
150 kg冲洗水
6,522.9 kg单体溶液,pH:3.8
将350kg/h单体溶液在热交换器中冷却至2℃并且在汽提塔中通过以3m3/h通过氮气而除去溶解氧至剩余量为0.9ppm。在放在所述聚合带上之前,将如下量的溶液与上述进料1混合:
进料2:9.6 l/h的1.5% ABAH溶液
进料3:10.9 l/h的1.0%甲酸
进料4:包含250ppm V 80的50% ACA溶液,其计量速率变化为:在60分钟的周期内从17kg/h平稳增加到120kg/h和平稳减少回到17kg/h。该变化量形式在整个试验期内保持。
将40分钟后制备的聚合物凝胶以实施例2中的方式降低尺寸并且干燥。
在干燥机的末端取得的样品显示以下特征:
时间(min) |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
粘度(mPa·s) |
440 |
460 |
430 |
440 |
405 |
370 |
350 |
330 |
330 |
330 |
325 |
370 |
420 |
离子化度(%) |
50.5 |
49 |
47.5 |
49 |
52 |
52.8 |
57.7 |
53.6 |
58.4 |
55.1 |
52.3 |
50.9 |
49.5 |
最终产品的竖井样品(混合试样)具有350mPa.s的粘度和53.0重量%的离子化度。
实施例4
利用连续光致聚合作用由ACA、季铵化的DIMAPA和季铵化的DIMAEA制备本发明聚合物组合物。在365nm波长处的照度为约2000μW/cm2。
配料:
2,120 kg软水
1,500 kg季铵化的DIMAPA 60%
2,200 kg ACA溶液50%
1.5 kg V 80
大约2 kg硫酸50%
150 kg冲洗水
5,972.5 kg单体溶液,pH:3.8
该单体溶液以320kg/h组成进料1。以实施例3中的方式将其冷却和用氮气吹扫。在所述聚合带的上游,通过混合加入以下进料:
进料2:7.8 l/h的1.5% ABAH溶液
进料3:10.9 l/h的1.0%甲酸
进料4:80%季铵化的DIMAEA溶液,其计量速率变化为:在45分钟的周期内从15kg/h平稳增加到95kg/h和平稳减少回到15kg/h。在整个约18小时的试验期内,保持该变化量形式。
以实施例2中的方式,将所述在45分钟停留时间之后从聚合带去掉的凝胶降低尺寸和干燥。
在干燥机的末端以间隔时间取得的样品显示以下特征:
时间(min) | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 |
粘度(mPa·s) |
555 |
590 |
530 |
585 |
545 |
560 |
530 |
520 |
530 |
550 |
离子化度(%) |
61.3 |
61.6 |
54 |
50.6 |
48 |
46.8 |
50.3 |
53.5 |
58.6 |
61 |
在所述干燥机的下游,将所述聚合物研磨、过筛至颗粒级分为150到1000μm并进料到NAUTA混合器。来自混合器的样品具有540mPa.s的粘度和55%的离子化度。
应用-技术研究(实验室)
在该实施例中,利用来自净化厂的下水道污泥,比较加入本发明聚合物组合物与加入先有技术聚合物的脱水性能。
所述淤泥具有7.1的pH值和3.5重量%的干燥物质。
添加量1)g/m3 |
实施例3的聚合物 |
对比1Praestol644 BC2)粘度:365mPas离子化度:52% |
对比2Praestol650 BC2)粘度:370mPas离子化度:39% |
|
200ml滤液的时间(s) |
透明度透明度光劈0-46 |
200 ml滤液的时间(s) |
透明度透明度光劈0-46 |
200ml滤液的时间(s) |
透明度透明度光劈0-46 |
160170180190200220260280 |
292518 |
262729 | 272416 | 313334 | 5031 | 2630 |
1)计量自0.1%溶液。
2)非本发明聚合物:由Stockhausen GmbH & Co.KG制造的季铵化的ACA/DIMAPA。
发现,本发明聚合物组合物可以使固体的除去具有事实上恒定的滤液透明度和可比的速率,然而使用较少聚合物。
应用技术研究(净化厂)
在该实施例中,向自净化厂的淤泥加入本发明聚合物组合物和先有技术聚合物,并在离心机上脱水。
离心机: 类型: Westfalia CA 505
速度: 3520rpm下水道污泥: 量: 29m3/h
干燥物质: 2.7%
聚合物 |
聚合物溶液 |
增稠的污泥DS3)% |
SD4)% |
浓度g/l |
消耗m3/h |
来自实施例2对比3Praestol1)853 BC对比43Praestol1)A 7112 |
555 |
1.311.321.30 |
3326.929.3 |
98.698.798.7 |
1)由ACA和季铵化的DIMAPA组成的非本发明共聚物,粘度:460mPa.s,离子化度:54%;厂商:Stockhausen GmbH & Co.KG。
2)由ACA和季铵化的DIMAEA组成的非本发明共聚物,粘度:505mPa.s,离子化度:63%;厂商:Stockhausen GmbH & Co.KG。
3)DS=干燥物质
发现,本发明聚合物组合物在沉淀度和聚合物加入量不变的情况下可以获得改善的污泥增稠。