DD260931A1 - METHOD FOR PRODUCING A NEW CATIONIC WATER-SOLUBLE FLAKING AGENT - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines neuen kationischen wasserloeslichen Flockungsmittels mit hoher Trennleistung und geringer Fischtoxizitaet. Das Flockungsmittel eignet sich vorwiegend fuer Trennprozesse im Bereich der Abwasserbehandlung. Erfindungsgemaess wird zunaechst durch Umsetzung eines Halogencarbonsaeurevinylesters mit einem tertiaeren Amin ein monomerer kationischer Vinylester hergestellt, der anschliessend radikalisch polymerisiert wird. Die erhaltenen Polymere koennen durch Ausfaellen mit Aceton isoliert oder direkt als Polymerisationsloesung als Flockungsmittel eingesetzt werden.The invention relates to a process for the preparation of a novel cationic water-soluble flocculant with high separation efficiency and low fish toxicity. The flocculant is primarily suitable for separation processes in the field of wastewater treatment. According to the invention, a monomeric cationic vinyl ester is first prepared by reacting a halocarboxylic acid vinyl ester with a tertiary amine, which is subsequently polymerized by free-radical polymerization. The polymers obtained can be isolated by precipitation with acetone or used directly as a polymerization solution as a flocculant.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines neuen kationischen Flockungsmittels mit verminderter Fischtoxizität. Das Flockungsmittel eignet sich vorwiegend für Trennprozesse im Bereich der Abwasserbehandlung.The invention relates to a process for the preparation of a novel cationic flocculant with reduced fish toxicity. The flocculant is mainly suitable for separation processes in the field of wastewater treatment.
Bei der Klärung und Reinigung kommunaler und industrieller Abwässer werden zur Beschleunigung der Abtrennung suspendierter Feststoffe Flockungsmittel eingesetzt. Dabei haben wasserlösliche, kationische Polymere eine größere Bedeutung erlangt. Zu den kationischen wasserlöslichen Polymeren gehören Homopolymere, wie z. B. Poly(dimethyl-diallylammoniumchlorid) oder polymere quaternäre Ester oder Amide der Acrylsäure oder aber Copolymere, die kationische Gruppen enthalten, z. B. Copolymere des Acrylamide.In the clarification and purification of municipal and industrial wastewater flocculants are used to accelerate the separation of suspended solids. Water-soluble, cationic polymers have become more important here. The cationic water-soluble polymers include homopolymers such. As poly (dimethyl-diallylammonium chloride) or polymeric quaternary esters or amides of acrylic acid or copolymers containing cationic groups, for. B. copolymers of acrylamide.
Diese kationischen Flockungsmittel sind jedoch gegenüber Fischen akuttoxisch (Wasserschadstoffkatalog, Hrsg. vom Institut für Wasserwirtschaft, Berlin, im Auftrag des Ministeriums für Umweltschutz der DDR, 1979). Auch die sehr geringen Mengen, die nach dem Abtrennen der Feststoffe im Wasser verbleiben, verursachen Toxizitätsprobleme, wenn das behandelte Wasser in natürliche Vorfluter gelangt. Es wurde deshalb vorgeschlagen, eine Entgiftung dadurch vorzunehmen, daß das mit einem kationischen Flockungsmittel behandelte Wasser anschließend mit einem anionischen Polymeren behandelt wird (DOS 2942111). Dieses Verfahren ist jedoch durch zusätzliche Verfahrensstufen und erhöhte Kosten sehr aufwendig und letztlich unökonomisch.However, these cationic flocculants are acutely toxic to fish (Wasserschadstoffkatalog, ed. By the Institute of Water Management, Berlin, on behalf of the Ministry of Environmental Protection of the GDR, 1979). Also, the very small amounts remaining in the water after separation of the solids cause toxicity problems when the treated water enters natural receiving waters. It has therefore been proposed to detoxify by treating the water treated with a cationic flocculating agent with an anionic polymer (DOS 2942111). However, this process is very complicated and ultimately uneconomical due to additional process stages and increased costs.
Eine weitere Gruppe kationischer wasserlöslicher Polymerer sind die kationischen Vinylester. Ihre Synthese erfolgt durch Modifizierung hälogenhaltiger Polymerer. Im SCI-Monograph Nr.26, S. 131-142 wird die Herstellung eines kationischen Vinylesters durch Umsetzung von Polyvinylchloracetat mit Pyridin beschrieben. Der höchste erreichbare Quaternierungsgrad betrug jedoch nur 80%, d. h. Vs aller Kettenbausteine konnten nicht in flockungsaktive kationische Gruppen umgewandelt werden.Another group of cationic water-soluble polymers are the cationic vinyl esters. Their synthesis is carried out by modifying hemoliferous polymers. SCI monograph no. 26, pp. 131-142 describes the preparation of a cationic vinyl ester by reacting polyvinyl chloroacetate with pyridine. However, the highest attainable degree of quaternization was only 80%, ie. H. Vs of all chain building blocks could not be converted into flocculation-active cationic groups.
Derartige partiell quaternierte poylmere a-Halogencarbonsäuren wurden als Flockungsmittel eingesetzt. Dabei sollen solche Polymere am besten geeignet sein, deren Quaternierungsgrad geringer als 50%, vorzugsweise 10 bis 30%, ist (GB-PS 1073823).Such partially quaternized polymeric α-halocarboxylic acids were used as flocculants. In this case, those polymers are best suited whose Quaternierungsgrad less than 50%, preferably 10 to 30%, is (GB-PS 1073823).
Bisher wurden wasserlösliche kationische Vinylester nur durch Quaternierung von polymeren Halogencarbonsäuren hergestellt.So far, water-soluble cationic vinyl esters have only been prepared by quaternization of polymeric halocarboxylic acids.
Die radikalische Polymerisation der monomeren quaternären Salze des Vinylchloracetat wird als nicht möglich beschrieben (SCI-Monograph Nr.28, S. 141).The radical polymerization of the monomeric quaternary salts of vinyl chloroacetate is described as impossible (SCI monograph no. 28, p. 141).
Ziel der Erfindung ist eine ökonomisch günstige Herstellung eines neuen kationischen polymeren Vinylesters, der sich als Flockungsmittel für die Abwasserbehandlung eignet, wobei neben den günstigen Flockungseigenschaften das behandelte Wasser nach der Feststoffabtrennung nur eine geringe Fischtoxizität aufweist und damit weitere Nachbehandlungen entfallen.The aim of the invention is an economically favorable production of a new cationic polymeric vinyl ester, which is suitable as a flocculant for wastewater treatment, wherein in addition to the favorable flocculation properties, the treated water after solids separation has only a low fish toxicity and thus eliminates further post-treatment.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen wasserlöslichen kationischen polymeren Vinylester herzustellen, bei dem der Anteil an flockungsaktiven kationischen Gruppen 100% beträgt und der bei hoher Trennleistung eine geringe Fischtoxizität aufweist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst ein monomerer kationischer Vinylester hergestellt und anschließend radikalisch polymerisiert wird. Für die Monomersynthese wird ein Halogencarbonsäurevinylester mit einem tertiären Amin im Molverhältnis 2:1 bis 1:2 in Gegenwart von Kaliumiodid in Dimethylformamid (DMF) als Lösungsmittel bei Temperaturen von -2O0C bis +2O0C umgesetzt.The object of the invention is to produce a water-soluble cationic polymeric vinyl ester in which the proportion of flocculation-active cationic groups is 100% and which has low fish toxicity at high separation efficiency. According to the invention the object is achieved in that first prepared a monomeric cationic vinyl ester and then polymerized by free radical. For the monomer synthesis, a vinylcarboxylate is reacted with a tertiary amine in a molar ratio of 2: 1 to 1: 2 in the presence of potassium iodide in dimethylformamide (DMF) as a solvent at temperatures from -2O 0 C to + 2O 0 C.
Nach 0,5-5h wird das abgeschiedenen Produkt isoliert, mit Ethylacetat und Ether gewaschen und dann getrocknet. Als Halogencarbonsäurevinylester kommen vorzugsweise Chloressigsäurevinylester, ß-Chlorpropionsäurevinylester, γ-Chlorbuttersäure und cu-Chlorcapronsäurevinylester zur Anwendung. Als tertiäre Amine werden vorzugsweise Trimethylamin, Triethylamin, Dimethylbutylamin, Dimethylhexylamin, Dimethyloctylamin, Dimethyldecylamin, Dimethyldodecylamin, Dimethyloctadecylamin und Pyridin eingesetzt.After 0.5-5h, the deposited product is isolated, washed with ethyl acetate and ether and then dried. The preferred halogenocarboxylic acid vinyl esters are vinyl chloroacetate, vinyl-β-chloropropionate, gamma-chlorobutyric acid and cu-chloro-caproic acid vinyl ester. As tertiary amines, trimethylamine, triethylamine, dimethylbutylamine, dimethylhexylamine, dimethyloctylamine, dimethyldecylamine, dimethyldodecylamine, dimethyloctadecylamine and pyridine are preferably used.
Die monomeren kationischen Vinylester werden anschließend bei 30°C-90°C radikalisch polymerisiert. Als Initiatoren können beliebige Radikalbildner eingesetzt werden, z. B. 10~1-10~4rnol/l Azobisisobutyronitril (AIBN).-Die Polymerisation erfolgt in Konzentrationen des Monomeren von 0,1 bis3,0mol · Γ1; als Lösungsmittel werden Wasser, niedere Alkohole (Methanol, Ethanol, Propanol) oder deren Mischungen mit Wasser (Vol.-Verhältnis 1:5 bis 5:1) bzw. mit Aceton (Vol.-Verhältnis 1:5 bis 5:1) verwendet. Die Reaktionszeit beträgt 5-3Oh. Die erhaltenen Polymeren können durch Ausfällen mit Aceton isoliert werden. Für die Anwendung als Flockungsmittel kann jedoch auch die Polymerisationslösung direkt ohne Isolierung des Polymeren eingesetzt werden.The monomeric cationic vinyl esters are then polymerized at 30 ° C-90 ° C free-radically. As initiators any radical generator can be used, for. B. 10 ~ 1 -10 ~ 4 mmol / l azobisisobutyronitrile (AIBN) .- The polymerization takes place in concentrations of the monomer from 0.1 to 3.0 mol · Γ 1 ; The solvents used are water, lower alcohols (methanol, ethanol, propanol) or mixtures thereof with water (vol. ratio 1: 5 to 5: 1) or with acetone (vol. ratio 1: 5 to 5: 1) , The reaction time is 5-3Oh. The resulting polymers can be isolated by precipitation with acetone. For use as a flocculant, however, the polymerization solution can be used directly without isolation of the polymer.
Das erfindungsgemäß hergestellte Flockungsmittel weist aufgrund seines hohen Anteiles an flockungsaktiven kationischen Gruppen eine hohe Trennleistung auf und kann vielseitig zur Abtrennung von kommunalen und industriellen Abwässern eingesetzt werden, wobei diese nach der Abtrennung der Feststoffe eine geringe Fischtoxizität besitzen. Dadurch entfallen aufwendige Nachbehandlungen.Because of its high content of flocculation-active cationic groups, the flocculant produced according to the invention has a high separation performance and can be used in a variety of ways for the separation of municipal and industrial wastewaters, which have a low fish toxicity after separation of the solids. This eliminates complex post-treatments.
Für die Monomersynthese werden 0,1 Mol Chloressigsäurevinylester zusammen mit 0,1g KJ in 20 ml DMF gelöst und auf-200C gekühlt. Dazu wird 0,1 Mol Trimethylamin gegeben. Unter Kühlung wird 0,5 h gerührt. Die ausgefallenen weißen Kristalle werden abgesaugt und mit Ethylacetat und Ether gewaschen.For the monomer synthesis 0.1 mole Chloressigsäurevinylester are dissolved together with 0.1 g of KI in 20 ml DMF and cooled to 20 0 C. To this is added 0.1 mol of trimethylamine. With cooling, it is stirred for 0.5 h. The precipitated white crystals are filtered off with suction and washed with ethyl acetate and ether.
100g einer 2molaren Lösung des entstandenen Monomers in Methanol werden mit 1 · 10~2mol/l AIBN versetzt und unter N210h bei 650C polymerisiert. Anschließend wird das Polymer durch Eingießen in überschüssiges Aceton gefällt.100 g of a 2 molar solution of the resulting monomer in methanol are added to 1 × 10 -2 mol / l of AIBN and polymerised under N 2 for 10h at 65 0 C. Subsequently, the polymer is precipitated by pouring into excess acetone.
Beispiel 2-12Example 2-12
Eine Zusammenstellung der Herstellungsvarianten des erfindungsgemäßen Flockungsmittels enthalten Tabelle 1 und Tabelle 2.A list of the preparation variants of the flocculant according to the invention is given in Table 1 and Table 2.
Tabelle 1: MonomersyntheseTable 1: Monomer synthesis
Monomer Ausgangssubstanzen T tMonomer starting substances T t
Nr. Säure Amin Molverh. °C hNo acid amine Molverh. ° C h
I ChloressigsäurevinylesterI vinyl chloroacetate
Il ChloressigsäurevinylesterIl vinyl chloroacetate
IM ChloressigsäurevinylesterIn vinyl chloroacetate
IV ChloressigsäurevinylesterIV vinyl chloroacetate
V ChloressigsäurevinylesterV chloroacetic acid vinyl ester
VI ChloressigsäurevinylesterVI vinyl chloroacetate
VII ChloressigsäurevinylesterVII vinyl chloroacetate
VIII ChloressigsäurevinylesterVIII vinyl chloroacetate
IX ß-ChlorpropionsäurevinylesteIX β-chloropropionic vinyl radicals
X γ-Chlorbuttersäurevinylester Xl ω-ChlorcapronsäurevinylesterX γ-chlorobutyric acid vinyl ester XI ω-chloro-caproic acid vinyl ester
Tabelle 2: PolymerisationTable 2: Polymerization
100ml einer Suspension von Kaolin in Wasser mit einem Feststoffgehalt von 1 g/l wurde bei 20°Cin getrennten Versuchen zunächst mit einem polymeren quaternären Ester der Acrylsäure und danach mit den erfindungsgemäß hergestellten Polymeren als Flockungsmittel behandelt. Die Zusatzmenge an Flockungsmittel betrug 5mg/l. Nach Sedimentation der Feststoffe wurde das klare Abwasser, das einen pH von 8,5 hatte, abgetrennt und auf seine Toxizität gegenüber jeweils 10 Regenbogenforellen untersucht. Im Falle des polymeren quaternären Esters der Acrylsäure waren nach 100h 6 der 10 Fische tot. Im Falle der erfindungsgemäßen Polymeren waren nach der gleichen Zeit alle Fische am Leben.100 ml of a suspension of kaolin in water with a solids content of 1 g / l was treated at 20 ° C in separate experiments, first with a polymeric quaternary ester of acrylic acid and then with the polymers according to the invention prepared as a flocculant. The additional amount of flocculant was 5 mg / l. After sedimentation of the solids, the clear effluent, which had a pH of 8.5, was separated and tested for toxicity to 10 rainbow trout each. In the case of the polymeric quaternary ester of acrylic acid, 6 of the 10 fish were dead after 100 hours. In the case of the polymers according to the invention all fish were alive after the same time.
100 ml einer Suspension von Kaolin mit einem Feststoffgehalt von 0,5 g/l wurden bei 2O0C 1 mg/l der in Tabelle 3 genannten Polymeren als 0,1 %ige Lösung zugesetzt undiOminmit 200 U/min mittels eines Rührers durchmischt. Gemessen wurde die Zeit, nach der sich eine konstante Transparenz einstellte, und der erreichte Wert der Transparenz. Die Ergebnisse enthält Tabelle 3.100 ml of a suspension of kaolin having a solids content of 0.5 g / l was added at 2O 0 C 1 mg / l of said polymer in Table 3 as a 0.1% solution mixed undiOminmit 200 U / min using a stirrer. The time was measured according to which a constant transparency arose and the achieved value of the transparency. The results are shown in Table 3.
Tabelle 3: FlockungsversucheTable 3: flocculation experiments
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