FI75861C - Kol/vattendispersion. - Google Patents

Description

1 75861

Hiili/vesi-dispersio

Esillä oleva keksintö kohdistuu hiili/vesi-disper-sioon, joka on erittäin stabiili varastoitaessa ja sovel-5 tuu kuljetettavaksi sekä energian tuotantoon. Tarkemmin sanottuna keksintö kohdistuu dispersioon, joka sisältää vettä, jauhettua hiiltä ja lisäaineita, jolloin hiilipitoisuus on alueella 60-80 paino-%.

Hiilidispersio saastuttaa ympäristöä huomattavasti 10 vähemmän ja sitä voidaan käsitellä helpommin kuin kiinteää hiiltä ja vältytään eräiltä kuljetukseen ja varastointiin liittyviltä vaaratekijöiltä. Tällainen dispersio on myös edullinen taloudelliselta näkökohdalta tarkasteltuna.

Syy hiilidispersioiden käyttöön on hiilen käytön 15 suunniteltu kasvu perusenergialähteenä sekä suurissa että pienissä laitoksissa sähkön ja lämmön tuottamiseksi. Kiinteän hiilen käyttö tässä yhteydessä on vaikeaa useista syistä ja siten hiilen muuttamista nestemäiseen muotoon pidetään yleensä mielenkiintoisena menetelmänä. Hiilen ke-20 miallinen muutto nestemäiseksi tuotteeksi, ns. nesteytys, ei vielä voi kilpailla öljyn kanssa ja oletetaan tämän menetelmän vaikuttavan maailmanlaajuiseen energiantuotantoon vain marginaalisesti ennen vuotta 2000. Hiilen kemiallinen muuttaminen kaasumaiseksi tuotteeksi, ns. kaasuunnus, vai-25 kuttaa olevan tuottavampi menetelmä kivihiilen hyödyntämiseksi. Kuitenkin myös tässä menetelmässä on merkittäviä teknillisiä vaikeuksia, vaikka suuria rahamääriä on kulutettu teknilliseen kehitykseen.

Fysikaalinen muuttaminen on toinen tapa muuttaa hii-30 li nestemäiseen muotoon ja keksintö kohdistuu tähän menetelmään. Siinä sovelletaan hiilen dispergoimista nesteeseen, joka voi olla jotain orgaanista polttoainetta, kuten lämmitysöljyä, metanolia jne. tai vettä.

Jauhemaisen hiilen vesidispersioiden vaikeutena on 35 pääasiassa dispersioiden tekeminen stabiileiksi pienellä viskositeetillä. Hiiliosaset eivät saa laskeutua varastoi- 2 75861 taessa tai kuljetettaessa hiilidispersioita. Lisäksi hii-lidispersion pumpattavuuden täytyy olla hyvä ja sen Teologisten ominaisuuksien täytyy soveltua polttoa varten käyttäen tavanomaista menetelmää, jota mahdollisesti on 5 jonkin verran modifioitu.

Aikaisemmista ehdotuksista hiili/vesi-dispersioiden stabiloimiseksi mainittakoon ehdotus, joka on esitetty venäläisessä julkaisussa Khim. Perab. Topi. 1975 30(2) 19-29 ja josta on esitetty tiivistelmä julkaisussa Chemical 10 Abstracts 87: 55532b. Tässä tapauksessa polykarboksyyliha-pon suoloja ja polyfosfaatteja käytetään muiden muassa stabiloivina aineina. Optimaalisen seoksen viskositeetti on noin 0,5 Pas kivihiilipätoisuudella 57-63 % ja tästä seuraa, että tämä dispersio ei täytä vaatimuksia. Lisäksi 15 stabiilisuus laskeutumista vastaan on riittämätön.

SE-kuulutusjulkaisusta 7805632-2 tunnetaan hiili/-vesi-dispersio, jossa stabiilisuusvaikutus laskeutumista vastaan saavutetaan tavanomaisten polyelektrolyyttien, mm. polyfosfaatin avulla samojen periaatteiden mukaan, jotka 20 on esitetty edellä mainitussa julkaisussa. Myöskään tässä tapauksessa stabiilisuus laskeutumista vastaan ei ole tyydyttävä .

US-patentissa 4 242 098 esitetään hiili/vesi-disper-sio, jossa stabilointi saavutetaan lisäämällä erilaisia ve-25 siliuko.isia polymeerejä (polyetyleenioksidia, polakryyli-amideja jne.). Tämä dispersio edustaa parannusta edellä mainittuihin dispersioihin verrattuna.

Teoriaa dispersioiden stabiilisuudesta on viime aikoina huomattavasti tarkennettu. Teoriaa on kehitetty kä-30 eittämään väkevämpiä järjestelmiä, mutta ennen kaikkea on osoitettu uusi vuorovaikutustyyppi. Aikaisemmin käsiteltyjen vaikutustapojen lisäksi, kuten sähköstaattinen stabilointi pinta-aktiivisten aineiden ja polyelektrolyyttien avulla sekä eteerinen stabilointi polymeerien avulla, muo-35 dostavat keskeisen vaikutuksen myös ns. hydrataatiovoimat. Näiden voimien olemassaolo on äskettäin osoitettu ja ne on 3 75861 selitetty teoreettisesti. Hydrataatiovoimat mahdollisesti yhdessä muiden vuorovaikutustyyppien kanssa muodostavat esillä olevan keksinnön pääasiallisen perustan, jolloin saadaan edellä esitettyä tyyppiä olevia pitkäikäisiä sta-5 biileja hiili/vesi-dispersioita, jotka soveltuvat hyvin suoraan poltettaviksi käytettävissä olevia menetelmiä käyttäen mahdollisesti pienin muutoksin. Tällaisia dispersioita saadaan esillä olevan keksinnön avulla.

Keksintö koskee dispersiosta, joka muodostuu vedes-10 tä, jauhetusta hiilestä ja lisäaineista, jolloin hiilipitoisuus on 60-80 paino-%. Menetelmälle on tunnusomaista, että dispersio sisältää lesitiiniä tai muuta kahtaisionista pinta-aktiivista ainetta, joka on absorboitunut hiiliosas-ten pinnalle, ja lisäksi tämän kanssa yhdessä vaikuttavia 15 polymeerejä, joista vähintään yksi sisältää sekä hydrofobisen että hydrofiilisen luonteen omaavia segmenttejä.

Dispersion Teologiset ominaisuudet sallivat dispersion pumppaamisen ja siirtämisen putkistojen kautta kitkan ollessa huomattavasti alentunut ja ennen kaikkea sen sta-20 biilisuus höytälöitymistä sekä laskeutumista vastaan on merkittävästi parantunut.

Jos hiili/vesi-dispersioita, jotka määritelmän mukaan ovat termodynaamisesti epästabiileja, stabiloidaan, laskeutumis- ja aggregoitumisnopeudet alenevat estokerrok-25 sen muodostumisen vaikutuksesta, joka vastustaa osasten välisiä vetovoimia. Tämä hylkivä vaikutus voidaan saavuttaa kolmen perusperiaatteen avulla: sähköstaattinen stabiloituminen, eteerinen stabiloituminen ja stabiloituminen hydrataatiovoimien vaikutuksesta. Stabiloituminen muuttaa 30 osasten energiaa ja/tai muodostaa voimakkaamman estokerrok-sen, joka vastustaa osasten välistä vetovoimaa. Näihin periaatteisiin perustuen on mahdollista stabiloida hiiliosas-ten suuria pitoisuuksia vesiliuoksessa lisäämällä pieniä määriä orgaanisia lisäaineita.

35 Uusien kolloidisten järjestelmien muodostamiseksi on välttämätöntä antaa järjestelmille sellaisia ominaisuuk- 4 75861 siä, että osasten väliset vetovoimat minimoituvat ja muodostuu estokerros höytälöitymistä ja sitä seuraavaa laskeutumista vastaan. Eräät steerisen stabiloinnin muodot hydrofiilisten polymeerien avulla muodostavat edulliset 5 olosuhteet hiili/vesi-dispersioiden pitkäaikaista stabilointia varten.

Tutkittaessa laminaarisia neste/kide-faaseja ionis-ten pinta-aktiivisten aineiden järjestelmissä, on osoitettu, että nämä faasit voivat turvota ja sisältää suuria 10 määriä vettä. Tämä selittyy repulsiolla vierekkäisten pinta-aktiivisten kerrosten välissä olevan vesikerroksen kautta ja sen voidaan katsoa kuuluvan sähköstaattisiin kaksois-kerrosvoimiin. Kahtaisionisilla aineilla, kuten fosfolipi-dilesitiinillä turpoaminen on vähemmän havaittavaa, mutta 15 kuitenkin erittäin selvä. Tämä osoittaa, että myös ilman nettovarausta esiintyy huomattavaa repulsiota. Tämä repul-siovoima, ns. hydrataatiovoima, muuttuu likimain eksponentiaalisesti etäisyyden mukaan 2-3 nm:n deklinaatiolla. Voiman luonne on yleinen eikä se vaihtele alkyyliketjun 20 pituuden tai ketjujen (nestemäisten tai kiinteiden) fysikaalisen tilan mukaan ja on myös läsnä, jos jokin määrä varattuja pinta-aktiivisia aineita lisätään järjestelmään. Hydrataatiovoimia on osoitettu myös mittaamalla suoraan voimat muutaman 1/10-n nm:n etäisyydellä toisistaan olevien 25 pintojen välillä. Äskettäin on kehitetty teoreettinen malli hydrataatiovoimille ja siten on ollut mahdollista saattaa nämä voimat vastaamaan ns. peilivarausten läsnäoloa rajapinnoilla, joissa tehollinen dielektrisyysvakio muut tuu. Nämä peilivaraukset kahtaisionisilla ryhmillä ovat 30 yleisiä mikro- ja makroheterogeenisissä järjestelmissä.

Niitä käytetään hyödyksi tämän keksinnön mukaan haluttujen ominaisuuksien aikaansaamiseksi korkean dielektrisyyden vakion omaavan aineen suspensioon. Täten kahtaisionista pinta-aktiivista ainetta, kuten lesitiiniä, voidaan adsor-35 boida kiinteiden osasten pinnoille. Tällöin esiintyy voimakkaita repulsiovoimia osasten välillä lyhyillä etäisyyk- 5 75861 sillä. Periaate on siten erikoisen käyttökelpoinen väke-vöityjä dispersioita vastaan.

Keksintöä esitellään yksityiskohtaisemmin seuraa-vassa esimerkin avulla.

5 Esimerkki 1. Misellejä muodostamatonta, kahtaisionista aktiivista ainetta, kuten lesitiiniä tai alkyylibetaiinia, joka täten liukenee verrattain vaikeasti veteen, liuotetaan ensin orgaaniseen liuottimeen. Liuotin voi olla esimerkik- 10 si oktanolia, heksadekeenia tai metanolia ja se voidaan ottaa talteen sopivalla tavalla tai se voi muodostaa merkityksettömän osuuden dispersion painosta.

2. Pinta-aktiivinen valmiste lisätään jauhetun hiilen ja veden dispersioon. Sopivat hiilijakeet ovat alueel- 15 la 1-200 mikrometriä (edullisesti 150 yum) ja niiden koko-jakautuma on laaja (polydispergoitu hiilijauhe). Osasten koko ja kokojakauma voidaan valita halutun stabiilisuuden mukaan. Mitä pienempi on osaskoko, sitä parempi on stabiilisuus, mutta hiilen jauhaminen mikrometriä pienempään osas-20 kokoon on kallista. Osasten pitoisuus voi vaihdella laajalla alueella. Taloudellisten ja teknillisten näkökohtien mukaan osasten pitoisuus täytyisi optimoida tapauksesta toiseen. Hiili/vesi-dispersiot, joiden kuiva-ainepitoisuus on välillä 65-75 paino-%, ovat erikoisen mielenkiintoisia, 25 koska näiden dispersioiden reologiset ominaisuudet ovat hyvät, esimerkiksi siirtoa varten putkistoissa. Suurimman mahdollisen hiilipitoisuuden saamiseksi (70-80 paino-%) on osaskokojakauma otettava erikoisesti huomioon. Normaalitapauksessa tämä voidaan tehdä yksinkertaisten geometristen 30 tarkastelujen mukaan, kuten vapaan tilan minimoiminen pakattaessa eri kokoisia osasia.

Adsorptiovaiheen jälkeen dispersioon lisätään vähintään yhtä anionista tai ei-anionista polymeeriä, joka vaikuttaa yhdessä pinta-aktiivisen aineen kanssa ja sisältää 45 luonteeltaan sekä hydrofobisia että hydrofiilisiä segmenttejä, jonkin asteisen steerisen estokerroksen saamiseksi 6 75861 ja osasten välisen kitkan pienentämiseksi. Valinta voidaan tehdä esimerkiksi polyeetterien, polysakkaridien, kuten ksantaanikumin tai guarkumin, polyalkoholien ja po-lyakrylaattien välillä. Erikoisen sopivia keksinnön mu-5 kaan ovat polyetyleenioksidi, polypropyleenioksidin ja polyetyleenioksidin kopolymeerit, joissa polyetyleeniok-sidin määrä on vallitseva. Kopolymeerin molekyylipaino on edullisesti 5000-50000 ja edullisinta on, että kopolymee-ri sisältää vähintään 70 paino-% polyetyleenioksidia, jol-10 loin molekyylipaino on 8000-15000. Polymeerien pitoisuutta painoprosentteina kokonaispainosta laskettuna voidaan vaihdella välillä 0,1 - 5 %, mutta taloudellinen optimi on noin 0,5 %. Lisäaineiden kokonaismäärä on edullisesti alle 2 paino-%.

15 Dispersion saamiseksi miellyttävämmäksi saastumatto man öljyn korvikkeena voidaan dispersioon lisätä hieman al-kalimetallien tai maa-alkalimetallien suoloja. Edullisesti suola on kalsiumhydroksidi tai dolomiittijauhe. Suola neutraloi happamat kaasuaineosat, joita muodostuu polttoaineen 20 hapettuessa ja se voidaan ottaa talteen osasten saostus-laitteessa .

Veden haihtumisen estämiseksi hiili/vesi-dispersios-ta voidaan siihen lisätä ainetta, joka muodostaa monomole-kyläärisen kerroksen rajapinnalle. Tällainen aine on setyy-35 lialkoholi tai heksadekanoli.

Keksintö antaa huomattavia etuja verrattuna aikaisempiin menetelmiin kivihiiliosasten stabiloimiseksi vesiliuoksessa. Erinomaisen laskeutumisstabiilisuuden ja pumpattavuuden suhteen erinomaisten Teologisten ominaisuuk-30 sien ansiosta saatu dispersio soveltuu hiilen siirtämiseksi asianmukaisella tavalla johdoissa ja putkistoissa käytettäväksi esimerkiksi kemian teollisuudessa tai suoraan energian tuotantoon.

Polttokokeet kattiloissa, jotka on suunniteltu ras-35 kasta öljyä varten, ovat osoittaneet, että dispersio soveltuu erittäin hyvin öljyn korvaamiseen täysin tai osittain .

Claims (7)

7 75861

1. Dispersio, joka muodostuu vedestä, jauhetusta hiilestä ja lisäaineista, jolloin hiilipitoisuus on 60-80 5 paino-%, tunnettu siitä, että dispersio sisältää lesitiiniä tai muuta kahtaisionista pinta-aktiivista ainetta, joka on adsorboitunut hiiliosasten pinnalle, ja lisäksi tämän kanssa yhdessä vaikuttavia polymeerejä, joista vähintään yksi sisältää sekä hydrofobisen että hyd-10 rofiilisen luonteen omaavia segmenttejä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen dispersio, tunnettu siitä, että yksi polymeereistä on polypropylee-nioksidin ja polyetyleenioksidin kopolymeeri, jossa poly-etyleenioksidin määrä on vallitseva.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen dispersio, tun nettu siitä, että kopolymeerin molekyylipaino on 5 000 - 50 000.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen dispersio, tunnettu siitä, että kopolymeeri sisältää vähintään 70 20 paino-% polyetyleenioksidia ja että molekyylipaino on 8 000 - 15 000.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen dispersio, tunnettu siitä, että yksi polymeereistä on polysakkaridi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen dispersio, t u n -25 n e t t u siitä, että polysakkaridi on ksantaanikumi tai guarkumi.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen dispersio, tunnettu siitä, että lisäaineiden kokonaismäärä on pienempi kuin 2 paino-%.