DE60301502T2

DE60301502T2 - ALUM Pellets

Info

Publication number: DE60301502T2
Application number: DE60301502T
Authority: DE
Inventors: R. Charles LANDIS; Danny Oaks; P. Ricky ROTHERMEL; A. Robert HARVEY; Steven Reed Gray
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2023-05-16
Also published as: AR040015A1; AU2003227946A1; US20050000909A1; US20050121395A1; US20030213752A1; NO328373B1; DE60301502D1; CA2483176C; US20040256327A1; EP1503960A1; BR0310072A; US6960303B2; CA2483176A1; US7001534B2; EP1503960B1; WO2003097538A1; NO20045439L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Produktion von Alumpellets, einem smektitmineralhaltigen industriellen Material wie zum Beispiel Bentonit (Montmorillonit), Attapulgit, Saponit, Hectorit, Sepiolit, und Fullererde, und wahlweise Natrium- oder Kalziumcarbonat, welches konzentrierten oder gestauten Phosphaten zugeführt werden kann, die sich am Boden verschiedener Gewässer befinden. Insbesondere können die Alumpellets, das weiter oben beschriebene Smektitmineralmaterial, und wahlweise Natrium- oder Kalziumcarbonat einer weiteren Reihe von Standorten in Gewässern zugeführt werden, welche Standorte einschliessen, die als „Sedimentwasserschnittstellen" bekannt sind und einen Bereich repräsentieren, welcher allgemein als die obersten sechs Zoll eines Sediments definiert werden kann und mit den tiefsten sechs Zoll des Gewässers kombiniert ist. Ganz besonders werden die Alumpellets, ein wie weiter oben beschriebenes Smektitmineralmaterial, und wahlweise Natrium- oder Kalziumcarbonat durch das Gewässer hindurch herabgelassem, so dass das Alum freigesetzt wird, wenn das Pellet den gewünschten Standort innerhalb des Wassers erreicht, wodurch die Phosphate wirkungsvoller behandelt werden können und weniger Alum verwendet oder verbraucht wird.
Säurebildendes Metallsalz und Sulfatlösungen wie zum Beispiel Aluminiumsulfatlösung (Al₂(SO₄)₃·14H₂O), welche gewöhnlich als „Alum" bekannt sind und bezeichnet werden, werden seit langer Zeit für das Entfernen von Verfärbungen und suspendierten Partikeln sowohl wie von organischen und mikrobiologischen Verunreinigungen aus Wasser verwendet. Alum ist leicht erhältlich und kann nach Vermischen mit Oberflächenwasser als ein Fällmittel, Flockungsmittel, Ausfällungsmittel, und Emulsionsbrecher funktionieren. Als ein Fällmittel entfernt Alum den primären Nährstoff für blaugrüne Algen aus dem Wasser. Diese Funktion ist wichtig, denn diese Algen entfernen Sauerstoff aus dem Wasser (dies ist als ein biochemischer Sauerstoffbedarf oder BSB bekannt), und repräsentiert daher eine Gefahr für den Fischbestand. Alum formt außerdem ein unlösbares Ausfällungsmittel oder Flockungsmittel, d.h. einen Flock, mit den Verunreinigungen innerhalb des Wassers. Der Flock wächst, wenn er suspendierte und kolloidale Partikel sowohl wie organische Verbindungen anzieht, welche im Wasser vorhanden sind. Der Flock setzt sich außerhalb des Wassers ab und kann nach einer bestimmten Zeit mittels dem Fachmann gut bekannten Verfahren wie zum Beispiel dem Abklären oder Filtrieren entfernt werden.
Eines der schwerwiegendsten Probleme im Zusammenhang mit der Wasserverschmutzungskontrolle ist der Wuchs von Algen. Wie weiter oben schon erwähnt üben Algenorganismen einen BSB auf das Wasser aus, und dieser BSB der Algen kann oft die Sauerstoffreserven des Wassers überschreiten. Ein Algenbewuchs kann auch einen unangenehmen Geschmack und Geruch in der Wasserzufuhr verursachen. Aufgelöste Phosphatione beliefern Algen mit einer notwendigen Nährstoffquelle. Wenn diese Phosphatquelle entfernt werden könnte, würden die Algen sich in dem Wasservolumen nicht ausbreiten oder überleben, und das Wasserverunreinigungsproblem wäre gelöst. Eine weitere, mit der Behandlung von Phosphaten in Wasser assoziierte Schwierigkeit besteht daraus, dass ein Großteil dieser Phosphate (50–90%) an der Sedimentwasserschnittstelle eines Staus konzentriert ist, und aktuelle Anwendungstechniken für Alum hauptsächlich die Phosphate behandeln, die sich näher an der Oberfläche des Gewässers befinden. Außerdem haben sich aktuelle Techniken bis heute zu sehr auf eine beinahe sofortige Sorption von Phosphaten konzentriert. Als ein Resultat liefern alle existierenden Produkte und Techniken in einer ganzen Reihe von Wassersystemen keine effektive Leistung, besonders in hoch energischen und tiefen Systemen, und in Systemen, welche mehr als nur eine sofortige Phosphatsorption fordern. In dem ersten Fall wird Alum aus dem zu behandelnden Wasser herausgespült, bevor es eine Leistung erbringen kann. Im zweiten Fall wird das Alum während der Anwendung schlecht genutzt. Auch kann Alum über eine beachtliche Zeitspanne hinweg eine unerwünschte weiße Wolke im Wasser hinterlassen.
Es besteht daher ein Bedarf für einfache Zusammensetzungen, Formen und Verfahren für das Behandeln von Phosphaten in Gewässern.
Detaillierte Beschreibung
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Phosphatstau mit einer Zusammensetzung behandelt, welche Alum und ein Mitglied der Smektitfamilie von Mineralen als die zwei Hauptkomponenten umfasst. Die hierin benutzte Bezeichnung „Alum" soll sich auf Aluminiumsulfat (Al₂(SO₄)₃·14H₂O) beziehen. Eines der smektithaltigen Erze oder Industrieminerale ist Bentonit. Bentonit ist das Erz, welches in dem Smektit namens Montmorillonit aufgefunden wird. Die hierin benutzte Bezeichnung „Smektitmineralmaterial" soll sich auf Bentonit, Attapulgit, Saponit, Hectorit, Sepiolit, und Fullererde beziehen. Diese Ausführungsform umfasst wahlweise auch Natriumcarbonat oder Kalziumcarbonat. Gemäß einer zweiten Ausführungsform werden das Alum und das Smektitmineralmaterial vorzugsweise mit Hilfe von Techniken, welche dem Fachmann auf diesem Gebiet sehr gut bekannt sind, mit einem oder mehreren natürlichen organischen Nebenprodukten wie zum Beispiel Stärkemehl, auf Zucker basierten Harzen, und verschiedenen natürlichen Produktderivativen wie zum Beispiel chemischen Familien von Harzen und Stärken bedeckt oder beschichtet. Geeignete Harze und Beschichtungen schliessen Guargummi, Alginate, Polyvinylalkohol, teilweise hydrolisierte Polyacrylamide, und andere ähnliche Polymer ein, die dem Fachmann auf diesem Gebiet gut bekannt sind.
Die Zusammensetzungen dieser Ausführungsformen entfernen selektiv Phosphate aus natürlichen und künstlichen Wassersystemen. Phosphate sind ein primärer Nährstoff für die aquatische Flora/Fauna wie zum Beispiel blaugrüne Algen, welche einen unschönen grünen Schleim und Trübungen produzieren, und in Gewässern einen unerwünschten Geruch erzeugen. Durch das Entfernen der Phosphate wird den Algen der Nährstoff entzogen, und sie können sich deshalb innerhalb des Wasservolumens nicht vermehren.
Jede Komponente der Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung erfüllt eine Funktion in dem Produkt bezüglich des Ziels einer optimalen Sorption, und daher dem Entfernen von Phosphaten. Alum ist ein Wasseraufbereitungsprodukt, welches für das Entfernen von Phosphaten und anderen Verbindungen wie zum Beispiel gelösten organischen Stoffen, suspendiertem Sediment, und Metallen aus einem Gewässer angewendet wird. Der Hauptzweck des Alums ist es dabei, die Phosphate aus dem Wasser oder den Sedimenten zu sorbieren. Alum ist kommerziell allgemein von der General Chemical Corporation erhältlich.
Das Smektitmineralmaterial, vorzugsweise Bentonit, funktioniert 1), indem es das Timing der Auflösung der Zusammensetzung in dem Wasservolumen optimiert, 2) als pH-Puffer für das Wasser, welches auf eine neutrale pH-Stufe gebracht werden soll, und 3) für das Optimieren oder Kontrollieren der Dichte der Zusammensetzung, um die Aufenthaltszeit innerhalb des Wasservolumens präziser einschätzen zu können. Bentonit ist kommerziell allgemein von Bentonit Performance Minerals erhältlich.
Zusammensetzungen aus unbeschichtetem Alum und Smektitmineralmaterial behalten bis zu ungefähr 2 Minuten lang allgemein ungefähr 90% ihrer Integrität oder Form bei. Zusammensetzungen aus Alum und Smektitmineralmaterial, welche mit Hilfsadditiven wie zum Beispiel wasserlöslichen Harzen, natürlichen Polymern, und makromolekularen Nebenprodukten aus Korn und Landwirtschaftsprodukten beschichtet wurden, lösen sich in Wasser sehr viel langsamer auf als unbeschichtete Zusammensetzungen. Insbesondere behalten die beschichteten Zusammensetzungen bis zu ungefähr 24 Stunden allgemein ungefähr 90% ihrer Integrität oder Form bei. Die Konzentration der Hilfsadditive ist vorzugsweise niedriger als fünf Prozent Massenanteil der gesamten Zusammensetzung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die Zusammensetzungen vorzugsweise ein pH-Puffermittel, welches aus Natriumcarbonat (Na₂CO₃) oder Kalziumcarbonat (Ca₂CO₃) ausgewählt wird. Zusätzlich zu dem Puffern des pH-Werts des Wasservolumens fördert das pH-Puffermittel auch die Dichte der Zusammensetzung für die Anwendung in hoch energischen – schneller fließenden – Wassersystemen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Zusammensetzungen zwischen 30 und 99% Massenanteil von Alum, und zwischen 1 und 70% eines Smektitmineralmaterials. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfassen die Zusammensetzungen weiter zwischen 0 und 5% natürliche, wasserlösliche Harze und Nebenprodukte als eine Beschichtung. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Zusammensetzung weiter zwischen 0 und 30% eines pH-Puffermittels, welches aus Natriumcarbonat und Kalziumcarbonat ausgewählt wird.
Die Zusammensetzungen der vorliegenden Ausführungsform werden mit Hilfe von Techniken hergestellt und produziert, die dem Fachmann auf diesem Gebiet gut bekannt sind. Vorzugsweise werden die Zusammensetzungen der vorliegenden Ausführungsform in der Form von Sphären bis hin zu oblatenförmigen Sphäroiden, Zylindern bis hin zu Würfeln, und dreidimensionalen Rechtecken in Größen von ¼ Zoll bis 24 Zoll Durchmesser produziert. Bevorzugter werden die Zusammensetzungen der vorliegenden Ausführungsform in der Form von Tabletten, Pellets, extrudierten Nudeln, Briketts oder Bändern mit Hilfe von Geräten produziert, welche dem Fachmann auf diesem Gebiet sehr gut bekannt sind, wie zum Beispiel Extruder, Tablettisierer, Brikettierer oder Agllomeratierer. Als Teil des Formens solcher Tabletten, extrudierten Nudeln, Briketts oder Bändern wird eine jede Komponente der Zusammensetzungen in Pulver- oder Granulatform bereitgestellt, und die Komponenten dann gemischt. Vorzugsweise werden die Rohmaterialkomponenten in den oben aufgeführten Mengen miteinander geblendet und werden in den gewünschten Volumen in Tanks oder ähnlichen Behältern mit 20 bis 200 Tonnen Fassungsvermögen mit Hilfe von Schappen und Schaufeln eine vorgeschrieben Zeit lang physisch gemischt, vorzugsweise zwischen 5 Minuten und bis zu 6 Stunden im Chargenmodus, oder durch ununterbrochene bemessene Zufuhr auf einem gemeinsamen Band oder in einem gemeinsamen, ununterbrochen produzierenden Extrudierer, Pelletisierer, Tablettisierer, oder Agglomeratisierer. So weist ein typischer Extrudierer zum Beispiel die Form eines gestreckten, rechteckigen Behälters mit mindestens einem, und wahlweise zwei Schappen auf, welche parallel zu dem Boden orientiert sind, und mit welchen die Materialien physisch zu einer gleichmäßigen Mischung der Zusammensetzung gemischt werden, wonach die Zusammensetzung durch eine eingeschränkte Öffnung weitergeleitet wird, um auf diese Weise gestreckte Nudeln oder zylindrische Pellets zu formen. Herkömmliche Tablettisierer und Pelletisierer entnehmen die gemischten Materialien einem Lagertank und verdichten die Mischung mittels von Sammelziehdüsen zu sphärischen Formen und Sphäroiden von einer Größe von ¼ Zoll bis 1 Zoll Durchmesser. Kommerzielle Agglomeratisierer nehmen die Mischung als ein Pulver auf (mit einer Partikelgröße von 44 μm bis 100 μm) und kombinieren die Mischung auf eine nicht verdichtende Weise zu Sphäroiden. Die Zusammensetzung verfügt vorzugsweise über einen Feuchtigkeitsgehalt von 1 bis 15 Prozent Massenanteil. Die Zusammensetzungen werden vorzugsweise gemäß der oben aufgeführten Prozesse hergestellt und können mit Hilfsadditiven wie zum Beispiel wasserlöslichen Harzen, natürlichen Polymern, und makromolekularen Nebenprodukten von Korn und Landwirtschaftsprodukten mit Hilfe von Techniken beschichtet werden, die dem Fachmann auf diesem Gebiet sehr gut bekannt sind. Derselbe Fachmann wird außerdem erkennen, dass auch andere gut bekannte Techniken für das Herstellen der Zusammensetzungen der vorliegenden Ausführungsform angewendet werden können.
Die Zusammensetzung der vorliegenden Ausführungsform findet Verwendung auf den folgenden Wasseraufbereitungsmärkten: städtische Wasseraufbereitungsagenturen, kommerzieller) Konstruktion/Tiefbau, landwirtschaftliche Fütterungsanlagen (wie zum Beispiel auf Schweine-, Kuh-, Schaf- und Straußenzuchthöfen), Aquakultur (Fischfarmen und -brutstätten, zum Beispiel für Garnelen, Lachs und Forellen), natürliche Seen, Flußsysteme und Wasserscheiden, Freizeit- und Vergnügungsanlagen (Golfplatzteiche, Vergnügungsparks, und aquatische Zentren), Industrieabwasser-Management, und den Bergbau und Erforschung (Rückstandsbecken und Auslaßsysteme).
Die Zusammensetzungen der vorliegenden Ausführungsform ist ein über Zeit freigesetztes alumbasiertes Sorbent von Phosphaten in Wasser. Ein wesentlicher Großteil von phosphatbelasteten Wassersystemen enthält im Vergleich mit der Sedimentwasserschnittstelle nur eine Minorität von suspendierten oder gelösten Phosphaten in dem Wasservolumen. Wie hierin benutzt soll die Bezeichnung „Sedimentwasserschnittstelle" sich auf einen Bereich innerhalb eines Gewässers beziehen, welcher allgemein als die obersten sechs Zoll des Sediments, kombiniert mit den tiefsten sechs Zoll des Wassers definiert wird. In einem Großteil von Wassersystemen wie zum Beispiel Seen, Flüssen, Teichen oder Gräben ist ein Großteil der gesamten Phosphate an dieser Sedimentwasserschnittstelle vorhanden. Pulverförmiges Alum neigt dazu, suspendiert zu bleiben, und die suspendierten Phosphate, organischen Teilchen, und anderes Sediment zu entfernen, erreicht jedoch selten den angestrebten Problemzielbereich, welcher eine solche Behandlung nötig hat. Die Dichte individueller Tabletten der Zusammensetzung der vorliegenden Ausführungsform liegt vorzugsweise zwischen 1,0 und 2.0 gm/cm³. Es wird außerdem bevorzugt, dass die individuellen Pellets der Zusammensetzung der vorliegenden Ausführungsform einen Durchmesser von ¼ Zoll bis 24 Zoll aufweisen. Am bevorzugtesten weist die Zusammensetzung der vorliegenden Ausführungsform eine solche Dichte und Größe auf, dass die Zusammensetzungen sich schnell durch das Wasservolumen hindurch absetzen und dort ankommen, wo sie am meisten benötigt werden, d.h. an der Sedimentwasserschnittstelle.
Die Formel für ein solches Absetzen in Wassersystemen wird auf das seit Langem akzeptierten Stokessche Gesetz basiert, welches die Rate der Absetzung eines Partikels als auf die Dichte desselben Partikels und die Dichte des Wassers basiert beschreibt. Dieses Gesetz ist ein bewiesenes wissenschaftliches Prinzip, welches in einer Reihe von Industriebereichen angewendet wird, und kann dazu genutzt werden, Absetzungsabstände und Zeitparameter für die Zusammensetzung der vorliegenden Ausführungsform einzuschätzen. Wie oben aufgeführt wird die unbeschichtete Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ungefähr 2 Minuten lang ungefähr 90% ihrer Partikelintegrität beibehalten, was bei den oben aufgeführten Prozentwerten für Alum und Smektitmineralmaterial einem Minimum von 50 Fuß Wasservolumen entspricht.
Aus kommerzieller Sicht wird die zu bereinigende Tiefe des Wasservolumens durchschnittlich ungefähr 6 Fuß betragen, so dass das unbeschichtete Produkt die Sedimentwasserschnittstelle nach dem Stokesschen Gesetz weit vor Beginn einer wesentlichen Auflösung erreichen wird.

Claims

Eine Zusammensetzung für das Behandeln eines Phosphatstaus in einem Gewässer, umfassend: a) (Al₂(SO₄)₃·14H₂O), und b) ein Smektitmineralmaterial, wobei die Zusammensetzung in einer Form vorhanden ist, welche aus einer Tablette, einer extrudierten Nudel, einem Pellet, einem Brikett, oder einem Band ausgewählt wird.
Eine Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei welcher das Smektitmineralmaterial aus Bentonit, Attapulgit, Saponit, Hectorit, Sepiolit, und Fullererde ausgewählt wird.
Eine Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend einen pH-Puffer, welcher aus Natriumcarbonat und Kalziumcarbonat ausgewählt wird, vorzugsweise in einer Menge von bis zu 30% Massenanteil der Zusammensetzung.
Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend ein wasserlösliches Harzmaterial, welches aus Guargummi, Alginaten, Polyvinylalkohol, und teilweise hydrolisierten Polyacrylaminden ausgewählt wird, vorzugsweise in einer Menge von bis zu 5% Massenanteil der Zusammensetzung.
Eine Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zusammensetzung zwischen 30 und 99 Prozent Massenanteil von (Al₂(SO₄)₃·14H₂O) und zwischen 1 und 70 Prozent Massenanteil des Smektitmineralmaterials umfasst.
Ein Verfahren für das Behandeln eines Phosphatstaus in einem Gewässer, umfassend: das Hinzufügen einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu dem Gewässer, und das Freisetzen von (Al₂(SO₄)₃·14H₂O) aus der Zusammensetzung, wenn dieselbe Zusammensetzung durch das Gewässer hindurch fließt.
Ein Verfahren für das Behandeln eines Phosphatstaus in einem Gewässer, umfassend: das Hinzufügen einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zu dem Gewässer, und das Zuführen der Zusammensetzung zu der Sedimentwasserschnittstelle, wobei Alum an derselben Sedimentwasserschnittstelle aus der Zusammensetzung freigesetzt wird.
Ein Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem die Zusammensetzung für 2 Minuten oder 24 Stunden ungefähr 90 Prozent der Integrität ihrer Form beibehält.
Ein Verfahren nach Anspruch 6, 7, oder 8, bei welchem die Zusammensetzung in der Form einer Tablette, einer extrudierten Nudel, einem Pellet, Brikett oder Band einen Durchmesser von ¼ bis 24 Zoll aufweist.
Ein Verfahren nach Anspruch 6, 7, 8, oder 9, bei welchem die Zusammensetzung in der Form einer Tablette, einer extrudierten Nudel, einem Pellet, Brikett oder Band eine Dichte von 1,0 bis 2,0 gm/cm³ aufweist.