DE60304203T2 - Produkt zur behandlung von wasser und abwasser sowie verfahren zur herstellung des produkts - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Produkt für die Behandlung von Wasser und Abwasser und ein Verfahren zur Erzeugung des Produkts.
• Die chemische Behandlung von Abwasser umfasst die Koagulation und die Ausflockung. In der Koagulationsphase können Teilchen durch elektrostatische Neutralisation der Teilchenoberfläche destabilisiert werden und einige Teilchen sammeln sich in Mikroflocken an. Durch die Ausflockung bilden größere Aggregate von Mikroflocken Makroflocken, die schnell von der Wasserphase beispielsweise durch Sedimentation oder Flotation getrennt werden können.
• In städtischen und industriellen Behandlungsfabriken wird ein Hauptteil der chemischen Behandlung mit anorganischen Metallsalzen (Eisenchlorid, Eisensulfat, Aluminiumchlorid, präpolymerisiertem Aluminiumchlorid, usw.) durchgeführt. Zusätzlich werden synthetische kationische Polymere, wie beispielsweise Polyamin und Polydiallyldimethylammoniumchlorid (Poly-DADMAC) als Koagulanz allein oder in Kombination mit Metallsalzen verwendet. Außerdem werden einige kationische Biopolymere, wie beispielsweise Chitosan als Koagulanzien verwendet. Die Einstellung des pHs und die Zugabe anorganischer Teilchen wird ebenfalls verwendet, um eine Koagulation und Ausflockung zu erreichen. Varianten kationischer, anionischer und nicht-ionischer Materialien und Polyacrylamide werden als Ausflockungshilfe verwendet.
• Metallsalze haben den Nachteil, dass die Metallionen mit Wasser reagieren und Metallhydroxid bilden. Beispielsweise wird Fe³⁺ Fe(OH)₃ bilden, was zu einem signifikanten Anstieg der Schlammbildung sowohl im Volumen als auch in Feststoffen führen wird. Eine erzeugte Schlammbildung führt zu erhöhten Kosten im bezug auf die Schlammbehandlung, Bearbeitung und eventuelle Entsorgung. Schlamm, der mit Metallsalzen gebildet ist, ist aufgrund von möglichen Schwermetallresten und der kovalenten Bildung von Phosphat an die Metallionen weniger als Erdverbesserungsmittel in der Landwirtschaft geeignet. Metallsalze können auch nicht die erwünschten Wirkungen auf einige Wasser- und Abwassereigenschaften ergeben, aufgrund beispielsweise pH, Alkalinität, Fett/Öl-Gehalt und suspendierten Feststoffeigenschaften. In einigen Situationen ist eine unvernünftig hohe Dosis an Metallsalzen nötig, um die erwünschte Wirkung zu erreichen.
• Metallchloride sind korrosiv und führen zu erhöhten Kosten in Bezug auf die Korrosion im Pflanzen- und Leitungssystem. Metallsulfate können zu Problemen im Hinblick auf biologische Wasserstoffsulfidbildung unter anaeroben Bedingungen führen. In einigen Situationen gibt es auch Regulierungen im Hinblick auf die Ausgabe von Sulfat- und Chloridionen. Aluminiumionen sind in zu hohen Konzentrationen schädlich.
• Es gibt Fragen im Hinblick auf die Verwendung synthetischer Polymere aufgrund ökotoxikologischer Wirkungen auf die Umwelt wie auch Gesundheit und Sicherheit in Bezug auf die Behandlung dieser Produkte. Synthetische Polymere, wie beispielsweise Polyamin und Poly-DADMAC werden u.U. nicht ausreichend abgebaut und hohe Konzentrationen im Schlamm können eine negative Wirkung auf die Erdstruktur und durch Aufnahme von Pflanzen, wenn der Schlamm als Erdverbesserungsmittel verwendet wird, ausüben. Zusätzlich sind die Produkte relativ teuer.
• Polyacrylamid hat allgemein eine relativ hohe Resistenz gegen einen biologischen Abbau und kommerzielle Produkte können als carcinogen bezeichnet werden, und zwar aufgrund der Acrylamidreste in den Produkten.
• Die Behandlung von Wasser und Abwasser mit Stärke ist auf dem Gebiet bekannt und es wäre von Interesse, modifizierte kationische Stärke zu verwenden. Modifizierte Stärke wird aus nativer Stärke hergestellt, wobei es sich um ein reines und erneuerbares Naturprodukt handelt. Durch Kationisierung geladene Gruppen sind an die native Stärke gebunden, was sie als Koagulanz/Ausflockungsmittel geeignet macht und kationische Stärke kann auch biologisch abgebaut werden. Dies macht sie geeigneter als synthetische Polymere und Metallsalze, wenn Schlamm als Erdverbesserungsmittel verwendet wird und ergibt auch bessere Bedingungen für die Entsorgung von behandeltem Wasser zu dem Empfänger. Die Modifikation der kationischen Stärke verleiht der Stärke eine bessere Effizienz und ist aufgrund der niedrigeren Dosis eine kostengünstige Lösung im Vergleich zu synthetischen Polymeren und auch im Vergleich zu Metallsalzen aufgrund der reduzierten Schlammproduktion. Die modifizierte Stärke zeigt auch eine bessere Gesamtleistung als synthetische Polymere und Metallsalze auf einige Wasser- und Abwasserqualitäten. Sie scheint sowohl als Koagulanz als auch als Ausflockungsmittel zu wirken.
• Wenn Stärkepulver in einer Wasserphase dispergiert wird, schwellen die Stärketeilchen anfänglich durch die Befeuchtung und Absorption von Wasser an. Dies ist ein langsamer Prozess, der durch hohe Temperaturen verstärkt wird. Normalerweise wird Stärke durch Kochen bei 95°C für 30 bis 60 Minuten gelöst. Wenn die Stärketeilchen gut angeschwollen sind, beginnen die individuellen Polymerketten sich zu entwinden und die Lösung wird mehr oder weniger klar erscheinen. Wenn die Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt ist, kann dieser Prozess teilweise umgekehrt werden, was zu einem opaquen Erscheinungsbild der Lösung führt. Da es große Ausgaben in bezug auf Erwärmen und Kochen der Lösung wie auch benötigte Zeit und Volumina gibt, wäre es von Interesse, ein Verfahren zu finden, um die Stärke zu modifizieren ohne die Stärkelösung erwärmen/kochen zu müssen, da dies die Verwendung der kationischen Stärke als Koagulanz zu einer einfacheren und ökonomischeren Lösung machen würde.
• Die EP 0 737 210 B1 betrifft ein Verfahren zur Erzeugung kationischer Stärkederivate in Wasserlösungsform, wobei die Stärkemolekülstruktur durch Oxidation vor dem Kationisierungsschritt modifiziert ist. Die Feststoffe der Reaktionsmischung während der Kationisierungsreaktion werden bei über 50 %, vorteilhafterweise über 55 % gehalten. Die Stärke wird der Reaktionsmischung in pulverisierter Form oder in Form einer Aufschlämmung vor dem Kationisierungsschritt zugegeben und das Aufspalten der Stärke wird mit Hilfe eines Oxidationsmittels (Peroxid) durchgeführt. Die kationisierende Chemikalie ist vorzugsweise 2,3-Epoxypropyltrimethylammoniumchlorid. Das in diesem Patent beschriebene Verfahren führt zu relativ hohen Produktionskosten und ist nicht umweltfreundlich, da Chemikalien verwendet werden, um die Stärkemoleküle zu oxidieren. Während dem Kationisieren wird NaOH zugefügt und dies führt zu einem Endprodukt mit einem hohen pH, das dann mit Vorsicht zu behandeln ist.
• Die WO 99/61377 betrifft ein Verfahren zur Behandlung wässriger Ströme, umfassend Biofeststoffe. Ein Verfahren wird bereitgestellt, das verwendet werden kann, um im wesentlichen wässrige Ströme aus Nahrungsmittelverarbeitungsbetrieben aufzuklären und optional Biofeststoffe abzutrennen, insbesondere Proteine, wobei dies das Kontaktieren eines wässrigen Stroms, umfassend Biofeststoffe mit einem anionischen Kolloid und einem organischen Polymer umfasst, um die Biofeststoffe auszuflocken. Kationische Stärke kann in Kombination mit Metallsalzen und/oder aktiviertem Siliciumdioxid verwendet werden, jedoch ist die Stärke vor der Verwendung nicht modifiziert.
• Remmer, J. und Eklund, D., Wochenbl. Papierfabr. 119, Nr. 21; 855 – 859 (15. Nov. 1991) beschreiben die Absorption von Stärke bei der Oberflächenklassierung. Der Hauptparameter, der die dynamische Absorption der Stärkegröße während der Oberflächenklassierung beeinflusst ist die Viskosität der Stärkelösung, unabhängig von dem Verfahren der Viskositätseinstellung (Trocknen oder Modifikation der makromolekularen Kettenlänge). Viskosität ist auch die vorherrschende temperaturabhängige Variable.
• Es war die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung bei einem Produkt für die Behandlung von Wasser und Abwasser anzulangen, dass eine verbesserte Behandlung von Wasser und Abwasser ergeben würde und so eine verbesserte Qualität des Wassers.
• Es war eine andere Aufgabe, dass das Produkt eine natürliche Basis haben, umweltfreundlich und bioabbaubar sein sollte.
• Es war eine weitere Aufgabe, dass das Produkt sicher zu behandeln, pH-neutral sein und keine toxischen Komponenten selbst oder durch Abbau enthalten sollte.
• Es war eine weitere Aufgabe ein Produkt zu erhalten, das niedrige Behandlungskosten ergeben würden.
• Es war auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Produkts für die Behandlung von Wasser und Abwasser zu erhalten, das zu niedrigen Produktionskosten führen würde.
• Diese und andere Aufgaben der Erfindung wurden durch das Produkt und das Verfahren wie unten beschrieben erhalten. Die Erfindung ist weiter durch die Patentansprüche gekennzeichnet.
• Das Produkt besteht aus einem sehr kationischen Stärkepulver mit mehr als 10 % Ladungsdichte (Substitutionsgrad), gelöst in Solelösung. Im Prinzip kann jede native Stärke verwendet werden. Es wurde festgestellt, dass das Stärkepulver vorzugsweise Kartoffelstärke sein könnte und die besonders bevorzugte Konzentration erwies sich als bei 15 bis 25 Gew.% liegend. Es wurde überraschend festgestellt, dass, wenn Salze mit zwei-valenten Ionen verwendet wurden, es möglich war, die gewünschte Stärkelösung zu erhalten. Die Solelösung kann Seewasser, CaCl₂, Ca(NO₃)₂, MgCl₂, usw. oder Mischungen daraus sein. Die Viskosität sollte bei weniger als 10.000 cP (mPa·s) bei Temperaturen von mehr als 15°C liegen. Je höher die Konzentration der Solelösung desto einfacher wird sich das Stärkepulver lösen.
• Die sehr konzentrierte Stärkelösung sollte vorzugsweise mehr als 10 g/l Mineralsalze aus Seewasser, CaCl₂, Ca(NO₃)₂, MgCl₂, usw. oder Mischungen daraus umfassen und mehr als 5 Gew.% Stärkepulver mit einer Ladungsdichte (Substitutionsgrad) von mehr als 10 %. Die Stärkelösungen hatten einen pH im Bereich von 4 bis 8.
• Die Produktqualität wurde durch Endviskosität und Funktionalität als Koagulanz und Ausflockungsmittel zur Entfernung von Teilchen bei der Abwasserbehandlung kontrolliert. Die Funktionalitätstests wurden durch übliche Gefäßtests (jar-tests) durchgeführt, wobei zu 1 l einer Abwasserprobe spezifizierte Mengen der Stärkelösung zugefügt und die Trübheit oder der Gehalt an suspendiertem Feststoff der klaren Wasserphase nach Ausflockung und Absetzen gemessen wurde. Die Gefäßtestbedingungen waren 30 Sekunden Mischen bei hoher Geschwindigkeit (500 Upm), 10 Minuten Mischen bei niedriger Geschwindigkeit (50 Upm) und 15 Minuten Absetzen.
• Es wurde festgestellt, dass ein Hoch-Schermischer zum Mischen des Stärkepulvers und einer Solelösung verwendet werden konnte, um eine sehr konzentrierte Stärkelösung mit ausgezeichneten Eigenschaften als Koagulanz/Ausflockungsmittel für die Wasserbehandlung zu ergeben. Das Stärkepulver wurde graduell der Solelösung unter Verwendung des Hoch-Schermischers zugefügt.
• Die Behandlung mit einem Hoch-Schermischer wurde anfänglich verwendet, um die Polymerketten in kürzere Einheiten zu schneiden, da es sich in frühren Studien zeigte, dass dies für synthetische Koagulanzien günstig war. Die Wirkung des Hoch-Schermischers wird als reduzierte Viskosität auf die Polymerlösung beobachtet und es wird angenommen, dass dies durch den Abbau der Makromoleküle ausgelöst wird. Der Hoch-Schermischer kann auch andere Wirkungen haben und eine davon kann diejenige sein, dass der Auflösungsprozess unterstützt wird. Wenn dies so ist, könnte es sein, dass das Kochen der Stärkelösung nicht notwendig ist und die Verwendung kationischer Stärke als Koagulanz wird dann einfacher und zu einer ökonomischeren Lösung.
• Die Funktion des Hoch-Schermischers war die Erzeugung eines effizienten Koagulanz durch Zerkleinern der Stärkemakromolekülkette, um die Viskosität der Lösung auf ein praktisches Niveau für die Anwendung (<10.000 cP (mPa·s)) zu reduzieren.
• Die Funktion der Solelösung war eine einfachere Auflösung der Stärke, damit die hoch-konzentrierte Lösung erzeugt werden konnte, damit ein positiver Effekt auf die Produktstabilität erreicht wird und ein positiver Effekt auf die Produktfunktion als Koagulanz.
• Die Funktion der graduellen Zufuhr von Pulver war das Optimieren der Funktion der Hoch-Schermaschine, indem die Viskosität auf einem Niveau gehalten wird, das zu einem effizienten Stärkezerkleinern führen würde und eine hochkonzentrierte Lösung ergeben würde.
• Die vorliegende Erfindung wird in ihrem breitesten Umfang ein Produkt für die Behandlung von Wasser und Abwasser umfassen, wobei das Produkt sehr kationisches Stärkepulver und eine Solelösung umfasst, umfassend Seewasser und/oder Salze, umfassend zwei-valente Ionen. Das Salz kann CaCl₂ und/oder Ca(NO₃)₂ und/oder MgCl₂ sein. Die Konzentration der Solelösung liegt bei 5 bis 50 g/l, vorzugsweise 10 bis 40 g/l. Das kationische Stärkepulver hat mehr als 10 Ladungsdichte (Substitutionsgrad). Das Stärkepulver ist vorzugsweise Kartoffelstärke und die Stärkekonzentration liegt bei 5 bis 25 Gew.%, vorzugsweise bei 15 bis 25 Gew.%. Die Viskosität liegt bei 300 bis 10.000 cP (mPa·s), vorzugsweise 1.000 bis 5.000 cP (mPa·s).
• Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Erzeugung eines Produkts für die Behandlung von Wasser und Abwasser, wobei ein sehr kationisches Stärkepulver und eine Solelösung, umfassend Seewasser und/oder Salze, umfassend zwei-valente Ionen, in einem Hoch-Schermischer vermischt werden, um die Viskosität bei weniger als 10.000 cP (mPa·s) bei Temperaturen von mehr als 15°C zu halten. Die Viskosität wird vorzugsweise bei 1.000 bis 5.000 cP (mPa·s) gehalten. Die Pulver-zu-Flüssigkeit-Zufuhrrate liegt bei mehr als 100 kg/m³h. Die Produktionstemperatur liegt bei 50 bis 100°C, vorzugsweise 60 bis 80°C.
• Die Erfindung wird in den folgenden Figuren und Beispielen weiter beschrieben und erklärt.
• 1 zeigt ein System zur Erzeugung einer hochkonzentrierten Stärkelösung.
• 2 zeigt die Beziehung zwischen der Stärkekonzentration und der Viskosität bei unterschiedlichen Temperaturen.
• 3 zeigt einen Vergleich der Funktionalität verschiedener Stärkelösungen (5 bis 20 Gew.%) in Seewasser bzw. CaCl₂.
• 4 zeigt einen Vergleich der Funktionalität einer 18 Gew.% Stärkelösung, erzeugt in großtechnischem Maßstab mit einem In-line-Mischer und einer 0,5-gew.%ige Lösung, erzeugt im Laborumfang in einem 1 l-Becherglas.
• 5 zeigt die Beziehung zwischen der Behandlungszeit, Temperatur und Viskosität für eine Produktion in großtechnischem Maßstab einer 15-gew.%igen Stärkelösung.
• 1 zeigt eine Produktionsfabrik für die Erzeugung hochkonzentrierter Stärkelösungen. Stärkepulver wird von einem großen Pulverlagersystem 1 zu einem Hoch-Schermischer 2 geführt, wo sie graduell in eine Solelösung gegeben wird, die zu dem Hoch-Schermischer 2 von einem Misch/Haltetank 3, ausgerüstet mit einem Mischer 4 und einer Kühlvorrichtung 5, geführt wird. Der zentrale Teil der Produktionsfabrik ist der Hoch-Schermischer 2. Der Hoch-Schermischer 2 sollte vorzugsweise ein In-line-Turbomischer mit hohen Scherkräften sein, worin Flüssigkeit und Pulver sofort und effizient vermischt werden. Die Scherkräfte müssen ausreichen, um die Viskosität bei weniger als 10.000 cP (mPa·s) bei Temperaturen von mehr als 15°C mit einer Pulver-zu-Flüssigkeit-Zufuhrrate von mehr als 100 kg/m³h zu halten. Dies macht einen Hoch-Schermischer mit einer Leistung von mehr als 15 kW nötig. Die Temperatur der Stärkelösung steigt mit steigender Konzentration bei der Produktion. Die Produktionsvorrichtung, die den Hoch-Scher-Mischer 2 beinhaltet, dazu in der Lage sein bei Temperaturen von 70 bis 100°C zu arbeiten. Eine erhöhte Temperatur ist für die Auflösungseffizienz und Produktstabilität positiv. Die Produktionstemperatur sollte bei mehr als 50°C, vorzugsweise 60 bis 80°C liegen.
• Die Stärkelösung wird über den Hoch-Schermischer 2 über den Misch/Haltetank 3 rezirkuliert. Die Rezirkulation kann durch den Hoch-Schermischer 2 oder durch eine Extrapumpe 6 erleichtert werden. In den Misch/Haltetank 3 muss die Flüssigkeit kräftig vermischt werden, damit eine homogene Lösung erreicht wird und sichergestellt wird, dass das gesamte Flüssigkeitsvolumen ausreichend durch den Hoch-Schermischer 2 behandelt wird. Der Rezirkulationsfluss muss groß genug sein, um das gesamte Volumen durch die Hoch-Scherpumpe 6 mehr als 50-mal zu pumpen. Die Produktion kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Die hergestellte Stärkelösung wird von dem Misch/Haltetank 3 zu einem größeren Lagertank 7 geführt.
• Die Behandlungszeit mit dem Hoch-Schermischer 2 sollte allgemein 5 Minuten oder mehr für eine Stärkekonzentration von 5 Gew.% betragen und allgemein 1 Stunde oder mehr für eine Stärkekonzentration von 25 Gew.%. Die notwendige Modifikationszeit wird für ein kontinuierliches Verfahren etwas länger sein als für ein diskontinuierliches Verfahren.
• BEISPIEL 1
• Ein Test im Laborumfang wurde durchgeführt, wobei Stärkelösungen sowohl statisch hergestellt wurden, wobei kationisches Stärkepulver graduell einem Becherglas mit einem Hoch-Schermischer zugefügt wurde als auch In-line, wobei kationisches Stärkepulver graduell einer Lösung zugefügt wurde, die durch einen Hoch-Schermischer gepumpt wurde. Im statischen Modus wurde das gesamte Flüssigkeitsvolumen kontinuierlich vermischt. Im In-line-Modus musste man sicherstellen, dass ausreichend Durchläufe im Hoch-Schermischer stattfanden, damit die erwünschten Wirkungen erreicht wurden. Der Test wurde durchgeführt, um den Unterschied zwischen statischen und In-line-Systemen im Hinblick auf die notwendige Modifikationszeit und Modifikationseffizienz zu bewerten.
• Kationisches Kartoffelstärkepulver wurde mit Seewasser vermischt. Die Stärkekonzentrationen wurden variiert und Viskositätsveränderungen wurden als Funktion der Zeit gemessen. Die Produktionstemperatur lag bei ungefähr 60 bis 80°C und nach Vermischen wurden die Lösungen auf 20°C abgekühlt. Die Produkte wurden als Koagulanzien/Ausflockungsmittel auf Pulpe- und Papierabwasser unter Verwendung von Gefäßtests durchgeführt. Die Gefäßtestbedingungen lagen bei 30 Sekunden Mischen bei hoher Geschwindigkeit (500 Upm), 10 Minuten Mischen bei niedriger Geschwindigkeit (50 Upm) und 15 Minuten Absetzen. Die Stärkemodifikationsbedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
• Tabelle 1 zeigt Testbedingungen und Ergebnisse von einem Test im Laborumfang (statisches und In-line-System) mit Beziehungen zwischen Stärkekonzentration, verschiedenen Modifikationszeiten, Endviskosität bei 20°C und Ergebnisse von Tests im Hinblick auf die Stärkeproduktqualität als Koagulanz Ausflockungsmittel auf ein Pulpe- und Papierabwasser.
• Tabelle 1

  
• Wie man aus der Tabelle ablesen kann, stieg die benötigte Modifikationszeit mit steigender Konzentration des Stärkepulvers. Die notwendige Modifikationszeit war etwas länger bei einem In-line-Mischer, wobei die Stärkelösung durch den Hoch-Schermischer rezirkuliert wurde als bei einem statischen Hoch-Schermischsystem. Die Tabelle zeigt, dass eine unzureichende Modifikationszeit, gemessen durch die Produktqualität als Koagulanz/Ausflockungsmittel, zu höherer Viskosität führt. Die gewünschte Modifikationszeit bei einer Produktionsfabrik in großtechnischem Maßstab wird durch das Produktionssystem, Produktfunktionalität und die Produktverarbeitung reguliert.
• BEISPIEL 2
• Stärkemodifikationstests wurden in einem 1 l-Becherglas mit einem statischen Mischer mit einer ausreichenden Behandlungszeit durchgeführt, um die gewünschte Stärkequalität im Hinblick auf die Wirkung als Koagulanz/Ausflockungsmittel zu erreichen, die als "ausgezeichnet" in Beispiel 1 bezeichnet wurde. Kationisches Kartoffelstärkepulver wurde graduell zu Seewasser zugefügt, bis Konzentrationen von ungefähr 5 Gew.%, 10 Gew.% und 17 bis 20 Gew.% erreicht wurden. Die Produktionstemperatur lag bei ungefähr 60 bis 80°C. Die Lösungen wurden auf 40, 30 und 20°C abgekühlt und bei jeder Temperatur wurde die Viskosität für die unterschiedlichen Lösungen gemessen.
• 2 zeigt die Beziehung zwischen der Stärkekonzentration und Viskosität bei 20, 30 und 40°C mit Seewasser, das als Solelösung verwendet wurde. Wie aus der Figur abgelesen werden kann, ergibt eine Stärkekonzentration von ungefähr 10 Gew.% Viskositäten im Bereich von 300 bis 600 cP (mPa·s). Stärkekonzentrationen von ungefähr 17 bis 20 Gew.% ergeben Viskositäten im Bereich von 2.000 bis 7.000 cP (mPa·s). In demselben Stärkekonzentrationsbereich ist die Viskosität am höchsten, wenn die Temperatur 20°C beträgt und die niedrigste Viskosität wurde bei 40°C erreicht. Im allgemeinen steigt die Viskosität mit abnehmenden Temperaturen.
• BEISPIEL 3
• Drei unterschiedliche Konzentrationen von Stärkelösungen wurden durch Vermischen von kationischem Kartoffelstärkepulver mit Seewasser hergestellt. Die Konzentrationen der Stärkelösungen waren 10 Gew.%, 15 Gew.% und 20 Gew.%. Zwei unterschiedliche Stärkelösungen wurden durch Vermischen des kationischen Kartoffelstärkepulvers mit einer 20 g/l CaCl₂-Lösung hergestellt. Die Stärkelösungskonzentrationen waren 15 und 20 Gew.%. Die Funktionalität dieser fünf Stärkelösungen wurden durch Gefäßtests an Abwasser von einer Pulpe- und Papiermühle verglichen. Gefäßtests wurden in 1 l-Bechergläsern mit 30 Sekunden Mischen (500 Upm), 10 Minuten Ausflocken (50 Upm) und 15 Minuten Absetzen durchgeführt. Die Dosierungen der Stärkelösungen korrespondierten zu 20 bis 120 ppm als Stärke (nicht als ppm der Lösungen).
• Die Stärkelösungen wurden 20 bis 40 Minuten in 1 l-Bechergläsern mit einem Hoch-Schermischer verarbeitet. Die Temperatur während des Mischens lag bei ungefähr 60 bis 80°C. Je länger die Verarbeitungszeit, desto effizienter würde das Stärkeprodukt sein, da die Modifikation der Stärkemakromoleküle kompletter sein würde. Oberhalb einer bestimmten Modifikationszeit werden keine Verbesserungen mehr erreicht. Mit ausreichender Verarbeitungszeit, die von der Konzentration und dem Produktionssystem abhängt, sollte allgemein kein Unterschied zwischen den Stärkeprodukten vorliegen, die mit unterschiedlichen Solelösungen erzeugt werden. Nach der Modifikation wurden die Lösungen auf Raumtemperatur (20°C) abgekühlt und die Produkte wurden als Koagulantien/Ausflockungsmittel auf ein Pulpe- und Papierabwasser unter Verwendung eines Gefäßtests getestet.
• 3 zeigt die Ergebnisse der Gefäßtests auf Pulpe- und Papierabwasser, wobei 10-, 15- und 20-gew.%ige Stärkelösungen mit Seewasser bzw. 15- und 20-gew.%ige Stärkelösungen mit CaCl₂ (20 g/l) erzeugt wurden. Die Trübheit nach Koagulation/Ausflockung und Absetzen (FAU) ist als eine Funktion der Stärkedosis (ppm) dargestellt.
• Die Ergebnisse zeigen, dass die Trübheit effektiv bereits bei 20 ppm reduziert wird und dass eine optimale Behandlungseffizient bei einer Dosis von 40 bis 60 ppm Stärke erreicht wird, was relativ zu der Verwendung von Metallsalzen sehr günstig ist. Es gibt keinen signifikanten Unterschied in der Produktqualität als Koagulans/Ausflockungsmittel, wenn Seewasser oder CaCl₂ als Solelösung verwendet werden. Die Variation in der Trübheit zwischen den unterschiedlichen Produkten ist vermutlich ein Ergebnis einer unzureichenden Modifikation der kationischen Stärke.
• BEISPIEL 4
• Ein Test wurde durchgeführt, um die Funktionalität von Stärkelösungen zu vergleichen, erzeugt in einem 1 l-Becherglas mit einem statischen Mischer gegenüber einer Stärkelösung, erzeugt in großtechnischem Maßstab mit einem In-line-Mischer. Zusätzlich waren die Stärkekonzentrationen signifikant unterschiedlich um zu untersuchen, wie dies die Funktionalität des Stärkeprodukts als Koagulans/Ausflockungsmittel beeinflusste. Eine 0,5-gew.%ige Stärkelösung wurde mit einem statischen Mischer in einem 1 l-Becherglas erzeugt und eine 18-gew.%ige Stärkelösung wurde in-line in einer Fabrik in großtechnischem Maßstab, wie illustriert in 1, erzeugt. Eine 0,5-gew.%ige Stärkelösung wurde getestet, obwohl eine solche niedrige Konzentration nicht für die praktische Verwendung geeignet sein würde. Bei beiden Lösungen wurden kationisches Kartoffelstärkepulver mit Seewasser vermischt und die Modifikationszeit war ausreichend, um die optimale Funktionalität des Produkts als Koagulanz/Ausflockungsmittel zu erreichen, ungefähr 2 Minuten für die 0,5-gew.%ige Lösung im Laborumfang und ungefähr 1 Stunde für die 18-gew.%ige Lösung bei der Fabrik in großtechnischem Maßstab. Die Temperatur während des Mischens lag bei ungefähr 60 bis 80°C und nach dem Vermischen wurden die Lösungen auf Raumtemperatur (20°C) abgekühlt und als Koagulantien/Ausflockungsmittel auf ein Pulpe- und Papierabwasser mit Gefäßtests getestet.
• 4 zeigt die Ergebnisse von den Gefäßtests mit Abwasser von einer Pulpe- und Papiermühle, wobei die 18-gew.%ige Stärkelösung mit einem Inline-Mischer in großtechnischem Maßstab (in-line) erzeugt wurde und die 0,5-gew.%ige Stärkelösung in einem 1 l-Becherglas mit einem statischen Mischer (Laborumfang, diskontinuierlich) erzeugt wurde. Die Trübheit nach dem Ausflocken und Absetzen (FAU) ist als Funktion der Stärkedosis (ppm) dargestellt. Wie man aus der Figur ablesen kann stimmen die Stärkeprodukte, erzeugt im Laborumfang und in großtechnischem Maßstab mit signifikant unterschiedlichen Konzentrationen, gut überein. Dies bedeutet, dass die Produktfunktionalität gegenüber dem Produktionsverfahren und der Stärkelösungskonzentration nicht sensitiv ist.
• BEISPIEL 5
• Ein Test wurde in einer Fabrik in großtechnischem Maßstab durchgeführt (wie dargestellt in 1), um die Wirkung der Zufuhr des kationischen Stärkepulvers und der Behandlungszeit auf Viskosität und Temperatur zu untersuchen. Eine 15-gew.%ige Stärkelösung wurde aus einem kationischen Kartoffelstärkepulver und Seewasser erzeugt. Das kationische Kartoffelstärkepulver wurde der Lösung chargenweise zugefügt. Die Lösung wurde nach jeder Zugabe von Stärkepulver abgekühlt.
• 5 zeigt die Beziehung zwischen Behandlungszeit (Minuten), Temperatur (°C) und Viskosität (cP (mPa·s)) bei der Produktion einer 15-gew.%igen Stärkelösung in Seewasser. Aus 5 kann abgelesen werden, dass die Viskosität mit jeder Zugabe von Stärkepulver steigt und dass sie recht schnell als Ergebnis der Hoch-Scher-Mischens abfällt. Die Temperatur steigt graduell mit der Behandlungszeit, steigt jedoch generell mehr bei höherer Viskosität bei Zugabe von Stärkepulver. Bei einer Fabrik in großtechnischem Maßstab wird es wichtig sein, die richtige Balance zwischen der Stärkepulverzufuhrrate, Viskosität und dem Temperaturanstieg zu finden.
• Das erfindungsgemäße Produkt ist als Koagulanz/Ausflockungsmittel für die Wasser- und Abwasserbehandlung allein oder in Kombination mit anderen Chemikalien ausgezeichnet geeignet. Für die städtische Abwasserbehandlung kann das Produkt typischerweise mit einer minimalen Dosis von Metallsalzen (Eisen oder Aluminium) kombiniert werden, um gute Ergebnisse bei einer niedrigeren Schlammproduktion zu ergeben. Für Pulpe- und Papierausflussströme funktioniert es gut allein oder kann mit einem Ausflockungsmittel, z.B. Polyacrylamid oder aktiviertem Siliciumdioxid für eine erhöhte Schlammabtrennung kombiniert werden. Für Milchprodukt-Ausflussströme und ölhaltiges Wasser zeigt es eine ausgezeichnete Leistung zusammen mit aktiviertem Siliciumdioxid.
• Die Vorteile des Produkts und Produktionsverfahrens sind niedrigere Behandlungskosten im Vergleich zu anderen verfügbaren auf Stärke basierenden Produkten. Das Produkt ergibt eine verbesserte Behandlung von Wasser und Abwasser. Das Produkt ist außerdem umweltfreundlich, bioabbaubar und sicher zu verarbeiten, pH-neutral und umfasst keine toxischen Komponenten.

Claims (11)

1. Produkt für die Behandlung von Wasser und Abwasser, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt sehr kationisches Stärkepulver umfaßt, gelöst in einer Solelösung umfassend Meerwasser und/oder Salze, umfassend zweiwertige Ionen, wobei die gelösten Stärkepolymerketten in kürzere Einheiten geschnitten werden.
2. Produkt gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Salze CaCl₂ und/oder Ca(NO₃)₂ und/oder MgCl₂ sind.
3. Produkt gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Solelösung 5 bis 50 g/l, vorzugsweise 10 bis 40 g/l, beträgt.
4. Produkt gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kationische Stärkepulver >10 Ladungsdichte (Substitutionsgrad) aufweist.
5. Produkt gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stärkepulver Kartoffelstärke ist.
6. Produkt gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärkekonzentration 5 bis 25 Gew.%, vorzugsweise 15 bis 25 Gew.%, beträgt.
7. Produkt gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität 300 bis 10.000 cp (mPa·s), vorzugsweise 1.000 bis 5.000 cP (mPa·s), beträgt.
8. Verfahren zur Erzeugung eines Produkts für die Behandlung von Wasser und Abwasser, dadurch gekennzeichnet, daß ein sehr kationisches Stärkepulver und eine Solelösung umfassend Meerwasser und/oder Salze, umfassend zweiwertige Ionen, in einem Hochschermischer vermischt werden, wobei die gelösten Stärkepolymerketten in kürzere Einheiten geschnitten werden, um die Viskosität <10.000 cP (mPa·s) bei Temperaturen >15°C zu halten.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität bei 1.000 bis 5.000 cP (mPa·s) gehalten wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulver-zu-Flüssigkeit-Zufuhrrate >100 kg/m³ h beträgt.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Produktionstemperatur 50 bis 100°C, vorzugsweise 60 bis 80°C, beträgt.