JP5322879B2 - 高分子凝集剤 - Google Patents
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Description
近年、汚泥脱水処理の効率化を目的とした集約脱水処理が進む中、汚泥の脱水処理までの送泥や貯留等に長時間を要し、その結果、汚泥の腐敗が進み難脱水化が生じている。
また、スクリュープレス型脱水機が、比較的脱水しにくい有機性汚泥に対しても有効性を発揮するため、中小規模の処理場で採用されている。該スクリュープレス型脱水機では、該脱水機中の凝集槽で形成されたフロックが脱水機外筒の全面で脱水されるために、脱水ケーキの含水率が下がりやすい特徴があり、遠心脱水機、ベルトプレス脱水機等の時代から次世代に向けての脱水機として注目されている。
従来、スクリュープレス型脱水機向けにとくに開発された高分子凝集剤としては、例えば(メタ)アクリレート系カチオン性単量体を共重合させた水溶性両性高分子(例えば特許文献1参照)、ポリオキシエチレン鎖を含有する水溶性高分子(例えば特許文献2参照)、並びに、カチオン性高分子凝集剤、アニオン性高分子凝集剤および水溶性塩からなる混合物(例えば特許文献3参照)が開示されている。
本発明の目的は、難脱水性の有機性汚泥の脱水処理において、強固な粗大フロックを形成させて汚泥の脱水処理効率を大幅に向上できる高分子凝集剤を提供することにある。
CH2=C(R1)CO−Q−X−NR2R3 [1]
CH2=C(R1)CO−Q−X−N+R2R3R4 ・Z- [2]
(式中、R1はHまたはメチル基、R2、R3は炭素数1〜3のアルキルもしくはアルコキシル基、R4はH、炭素数1〜3のアルキルもしくはアルコキシル基またはベンジル基を表し、R1〜R4は同じでも異なっていてもよく、Qは酸素またはNH、Xは炭素数2〜4の、アルキレンまたはアルコキシレン基、Z-は陰イオンを表す。)
3.5×(M)+150≦(L)≦3.5×(M)+350 (1)
但し、(L):0.2重量%水溶液粘度 (mPa・s、25℃)
(M):0.5重量%塩水溶液粘度(mPa・s、25℃)
(1)有機性汚泥の脱水処理において強固な粗大フロックを形成する。
(2)形成されたフロックは破壊、再分散されにくいため凝集処理の安定性や処理速度を著しく高めることができる。
(3)脱水工程後のケーキ含水率が低く廃棄物量および焼却処理コストを低減できる。
本発明におけるビーズ状水溶性(共)重合体(A)は、下記一般式[1]または[2]で表されるカチオン性モノマー(a1)を50〜100モル%含有する水溶性不飽和モノマー(a)を構成単位とする。該(a)としては、(a1)の他に必要によりさらに、1個の不飽和基を有する、ノニオン性モノマー(a2)および/またはアニオン性モノマー(a3)を含有させることができる。
なお、ここおよび以下において水溶性不飽和モノマーもしくは水溶性(共)重合体とは、水に対する溶解度が1g/水100g(20℃)以上であるものを意味し、後述する水不溶性不飽和モノマーとは、水に対する溶解度が1g/水100g(20℃)未満であるものを意味する。
CH2=C(R1)CO−Q−X−NR2R3 [1]
CH2=C(R1)CO−Q−X−N+R2R3R4 ・Z- [2]
R4はH、C1〜3のアルキルもしくはアルコキシル基またはベンジル基を表す。アルキルもしくはアルコキシル基の炭素数が3を超えると凝集性能が悪くなる。R1〜R4については同じでも異なっていてもよい。また、Z-は陰イオンを表す。
下記のもの、これらの塩[例えば無機酸(塩酸、硫酸、リン酸および硝酸等)塩、メチルクロライド塩、ジメチル硫酸塩およびベンジルクロライド塩]、およびこれらの混合物が挙げられる。
(a11) 窒素原子含有(メタ)アクリレート[「(メタ)アクリレート」は、アクリレートまたはメタアクリレートを表す。以下同様。]
炭素数(以下、Cと略記)5〜30、例えばアミノアルキル(C2〜3)(メタ)アクリレート、N,N−ジアルキル(アルキル基はC1〜2)アミノアルキル(C2〜3)(メタ)アクリレート[N,N−ジメチルアミノエチルおよび−プロピル(メタ)アクリレート、N,N−ジエチルアミノエチルおよび−プロピル(メタ)アクリレート等]、複素環含有(メタ)アクリレート[N−モルホリノエチル(メタ)アクリレート等];
(a12) 窒素原子含有(メタ)アクリルアミド誘導体
C5〜30、例えばN,N−ジアルキル(C1〜2)アミノアルキル(C2〜3)(メタ)アクリルアミド[N,N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリルアミド等];
(a13) アミノ基を有するエチレン性不飽和化合物
C5〜30、例えばビニルアミン、ビニルアニリン、(メタ)アリルアミン、p−アミノスチレン等];
(a14) アミンイミド基を有する化合物
C5〜30、例えば1,1,1−トリメチルアミン(メタ)アクリルイミド、1,1−ジメチル−1−エチルアミン(メタ)アクリルイミド、1,1−ジメチル−1−(2’−フェニル−2’−ヒドロキシエチル)アミン(メタ)アクリルイミド。
下記のもの、およびこれらの混合物が挙げられる。
(a21)(メタ)アクリレート
C4以上かつ数平均分子量[以下Mnと略記。測定はゲルパーミエイションクロマトグラフィー(GPC)法による。]5,000以下、例えば水酸基含有(メタ)アクリレート[例えばヒドロキシエチル−、ジエチレングリコールモノ−、ポリエチレングリコール(重合度3〜50)モノ−およびポリグリセロール(重合度1〜10)モノ(メタ)アクリレート]およびアクリル酸アルキル(アルキル基はC1〜2)エステル(C4〜5、例えばアクリル酸メチル、アクリル酸エチル);
(a22)(メタ)アクリルアミドおよびその誘導体
C3〜30、例えば(メタ)アクリルアミド、N−アルキル(C1〜3)(メタ)アクリルアミド[N−メチルおよび−イソプロピル(メタ)アクリルアミド等]、N−アルキロール(メタ)アクリルアミド[N−メチロール(メタ)アクリルアミド等];
(a23) 前記(a1)以外の窒素原子含有エチレン性不飽和化合物
C3〜30、例えばアクリロニトリル、N−ビニルホルムアミド、N−ビニル−2−ピロリドン、N−ビニルイミダゾール、N−ビニルスクシンイミド、N−ビニルカルバゾールおよび2−シアノエチル(メタ)アクリレート。
下記のもの、これらの塩[アルカリ金属(リチウム、ナトリウム、カリウム等、以下同じ。)塩、アルカリ土類金属(マグネシウム、カルシウム等、以下同じ。)塩、アンモニウム塩およびアミン(C1〜20)塩等]、およびこれらの混合物が挙げられる。
(a31) 不飽和カルボン酸
C3〜30、例えば(メタ)アクリル酸、(無水)マレイン酸、フマル酸、(無水)イタコン酸、ビニル安息香酸、アリル酢酸;
(a32) 不飽和スルホン酸
C2〜20の脂肪族不飽和スルホン酸(ビニルスルホン酸等)、C6〜20の芳香族不飽和スルホン酸(スチレンスルホン酸等)、スルホン酸基含有(メタ)アクリレート[スルホアルキル(C2〜20)(メタ)アクリレート[2−(メタ)アクリロイルオキシエタン、−プロパンおよび−ブタンスルホン酸、3−(メタ)アクリロイルオキシプロパンスルホン酸、4−(メタ)アクリロイルオキシブタンスルホン酸、2−(メタ)アクリロイルオキシ−2,2−ジメチルエタンスルホン酸、p−(メタ)アクリロイルオキシメチルベンゼンスルホン酸等]、スルホン酸基含有(メタ)アクリルアミド[2−(メタ)アクリロイルアミノエタンスルホン酸、2−および3−(メタ)アクリロイルアミノプロパンスルホン酸、2−および4−(メタ)アクリロイルアミノブタンスルホン酸、2−(メタ)アクリロイルアミノ−2,2−ジメチルエタンスルホン酸、p−(メタ)アクリロイルアミノメチルベンゼンスルホン酸等]、アルキル(C1〜20)(メタ)アリルスルホコハク酸エステル[メチル(メタ)アリルスルホコハク酸エステル等]等;
(a33) (メタ)アクリロイルポリオキシアルキレン(アルキレン基はC1〜6)硫酸エステル
(メタ)アクリロイルポリオキシエチレン(重合度2〜50)硫酸エステル等。
水不溶性不飽和モノマー(x)としては、以下の(x1)〜(x5)、およびこれらの混合物が挙げられる。
(x1) C6〜23の(メタ)アクリレート
脂肪族または脂環式アルコール(C3〜20)の(メタ)アクリレート[プロピル−、ブチル−、ラウリル−、オクタデシル−およびシクロヘキシル(メタ)アクリレート等]およびエポキシ基(C4〜20)含有(メタ)アクリレート[グリシジル(メタ)アクリレート等];
モノオール(C1〜20)もしくは1価フェノール(C6〜20)のプロピレンオキシド(以下POと略記)付加物の(メタ)アクリル酸エステル[ω−メトキシPPGモノ(メタ)アクリレート、ω−エトキシPPGモノ(メタ)アクリレート、ω−プロポキシPPGモノ(メタ)アクリレート、ω−ブトキシPPGモノ(メタ)アクリレート、ω−シクロヘキシルPPGモノ(メタ)アクリレート、ω−フェノキシPPGモノ(メタ)アクリレート等]およびジオール(C2〜20)もしくは2価フェノール(C6〜20)のPO付加物の(メタ)アクリル酸エステル[ω−ヒドロキシエチル(ポリ)オキシプロピレンモノ(メタ)アクリレート等]等;
エチレン、ノネン、スチレン、1−メチルスチレン等;
(x4) 不飽和アルコール[C2〜4、例えばビニルアルコール、(メタ)アリルアルコール]のカルボン酸(C2〜30)エステル(酢酸ビニル等);
(x5) ハロゲン含有モノマー(C2〜30、例えば塩化ビニル)。
(y1) ビスポリ(2〜4またはそれ以上)(メタ)アクリルアミド
C5〜30、例えばN,N’−メチレンビス(メタ)アクリルアミド;
(y2) ポリ(2〜4またはそれ以上)(メタ)アクリレート
C8〜30、例えばエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトール[ポリ(2〜4)](メタ)アクリレート;
C4以上かつMn6,000以下、例えばジビニルアミン、多価(2〜5またはそれ以上)アミン[C2以上かつMn3,000以下、例えばエチレンジアミン、ポリエチレンイミン(C4以上かつMn3,000以下)]のポリ(2〜20)ビニルアミン、ジビニルエーテル、多価アルコール〔C2以上かつMn3,000以下、例えばアルキレン(C2〜6またはそれ以上)グリコール[エチレングリコール、プロピレングリコール、1,6−ヘキサンジオール(以下、それぞれEG、PG、HDと略記)等]、ポリオキシアルキレン[Mn2,000〜3,000、例えばポリエチレングリコール(以下、PEGと略記)(分子量106以上かつMn3,000以下)、PPG(分子量134以上かつMn3,000以下)、ポリオキシエチレン(分子量106以上かつMn3,000以下)/ポリオキシプロピレン(分子量134以上かつMn3,000以下)ブロックコポリマー]、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、(ポリ)(2〜50)グリセリン、ペンタエリスリトール、ソルビトール(以下、それぞれTME、TMP、GR、PE、SOと略記)、デンプン〕のポリ(2〜20)ビニルエーテル等;
C6以上かつMn3,000以下、例えばジ(メタ)アリルアミン、N−アルキル(C1〜20)ジ(メタ)アリルアミン、多価アミン(上記のもの)のポリ(2〜20)(メタ)アリルアミン、ジ(メタ)アリルエーテル、多価アルコール(上記のもの)のポリ(2〜20)(メタ)アリルエーテル、ポリ(2〜20)(メタ)アリロキシアルカン(C1〜20)(テトラアリロキシエタン等);
(y5) エポキシ基含有モノマー
C8以上かつMn6,000以下、例えばEGジグリシジルエーテル、PEGジグリシジルエーテル、GRトリグリシジルエーテル。
該逆相懸濁重合法としては、例えば次の方法が挙げられる。
すなわち、疎水性分散媒(b)および分散剤(c)を重合槽に仕込み、必要に応じて加熱しながら所定の重合温度(通常20〜100℃、好ましくは30〜80℃)に調整した後、槽内を不活性ガス(例えば窒素)で十分置換する。
一方、水溶性不飽和モノマー(a)、ラジカル重合開始剤(d)、および必要により連鎖移動剤(f)、並びに水不溶性不飽和モノマー(x)および/または架橋性モノマー(y)を加えたモノマー水溶液を調製し、不活性ガスで十分置換した後、撹拌下で重合槽内に投入し、懸濁させながら重合させる。
モノマー水溶液の投入方法としては、一括投入または滴下のいずれでもよい。また、その際モノマー水溶液としては、(a)、(d)および必要により加える(x)および/または(y)の均一水溶液としてもよいし、別々の水溶液とした上で、滴下直前で混合してもよいし、別々に同時滴下してもよい。モノマー水溶液等を不活性ガスで置換する方法としては、モノマー水溶液等に不活性ガスをバブリング供給する方法、滴下ライン中でスタティックミキサー等により不活性ガスをブレンドする方法等が挙げられ、重合の均一性の観点からスタティックミキサーで不活性ガスをブレンドする方法が好ましい。
(b)としては、炭化水素[脂肪族(C5〜12、例えばn−ヘキサン、n−ヘプタン
、n−オクタン、n−ノナン、n−デカン)、脂環含有(C5〜12、例えばシクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、メチルシクロヘキサン、シクロオクタン、デカリン)および芳香環含有炭化水素(C6〜12、例えばベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン)等]、ケトン[脂肪族(C3〜10、例えばメチル−n−プロピルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン)、脂環含有(C5〜10、例えばシクロペンタノン、シクロヘキサノン)および芳香環含有ケトン(C8〜13、例えばアセトフェノン、ベンゾフェノン)等]、エーテル[脂肪族(C4〜8、例えばジ−n−プロピルエーテル、ジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル)、環状(C4〜18、例えばテトラヒドロピリン)および芳香環含有エーテル(C7〜12、例えばアニソール)等]、エステル[脂肪族(C3〜10、例えば酢酸n−ブチル、酢酸イソブチル)、脂環含有(C7〜12、例えば酢酸シクロヘキシル、シクロヘキサンカルボン酸メチル)および芳香環含有エステル(C8〜13、例えば安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸n−ブチル、酢酸ベンジル、ジメチルフタレート、ジエチルフタレート、ジ−n−ブチルフタレート)等]、およびこれらの混合物が挙げられる。
これらのうち、製造時の取り扱い性、および重合時の温度制御の観点から、好ましいのは脂肪族および脂環含有炭化水素、脂肪族および脂環含有エステル、さらに好ましいのはn−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、n−ノナン、n−デカン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、酢酸n−ブチル、酢酸イソブチルおよび酢酸シクロヘキシルである。
ここにおいてHLBとは、親水性と親油性とのつり合いを表し、下記の式から求められる[「界面活性剤の合成と其応用」、501頁、1957年槇書店刊;「新・界面活性剤入門」、197−198頁、1992年三洋化成工業(株)刊、等参照]。
HLB=10×(無機性/有機性)
上記式中、( )内は有機化合物の無機性と有機性の比率を表し、該比率は上記文献に記載されている値から計算することができる。
上記(無水マレイン酸変性)エチレン・酢酸ビニル共重合体には、エチレンおよび/または無水マレイン酸変性エチレンと酢酸ビニルの共重合体、およびエチレン・酢酸ビニル共重合物を無水マレイン酸で変性したもの等が含まれる。
無水マレイン酸変性エチレンとしては、無水マレイン酸をエチレン・酢酸ビニル共重合物に付加したものが挙げられ、無水マレイン酸とエチレン・酢酸ビニル共重合物の重量比は分散安定性および反応物の分子量調整の観点から好ましくは2/98〜30/70、さらに好ましくは5/95〜20/80である。
(無水マレイン酸変性)エチレンと酢酸ビニルとの共重合体における共重合比(重量比)は、疎水性分散媒(b)への溶解性および分散安定性の観点から好ましくは50/50〜95/5、さらに好ましくは70/30〜90/10である。
(c1)と(c2)を併用する場合、粒度分布の観点から好ましい組合せは、多価アルコールの脂肪酸エステルと無水マレイン酸変性エチレン・酢酸ビニル共重合体の組合せ、さらに好ましいのはPEG脂肪酸エステルと無水マレイン酸変性エチレン・酢酸ビニル共重合体の組み合わせである。
上記過酸化物は還元剤と組み合わせてレドックス開始剤として用いてもよく、還元剤としては重亜硫酸塩(重亜硫酸ナトリウム、重亜硫酸カリウム、重亜硫酸アンモニウム等)、還元性金属塩[硫酸鉄(II)等]、遷移金属塩のアミン錯体[塩化コバルト(III)のペンタメチレンヘキサミン錯体、塩化銅(II)のジエチレントリアミン錯体等]、有機性還元剤〔アスコルビン酸、3級アミン[ジメチルアミノ安息香酸(塩)、ジメチル
アミノエタノール等]等〕が挙げられる。
また、アゾ化合物、過酸化物およびレドックス開始剤はそれぞれ単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもいずれでもよい。
(d)は、通常上記分散相(水溶液)に存在させるが、分散相(水溶液)および/または連続相(疎水性分散媒)のいずれに存在させてもよい。
連鎖移動定数の定義は、ジェー・ブランドルプおよびイー・エッチ・インマーグト編「ポリマー・ハンドブック(第4版)」、ジョン ウィレー アンド サンズ刊(J.
Brandrup and E.H.Immergut編のPolymer
Handbook fourth edition,JOHN WILEY & SONS)の97〜98頁に記載されている。
本発明における連鎖移動定数は、「高分子合成の実験法」[化学同人(株)、1993年刊行]等に記載されている一般的な方法を用いて測定される、60℃のアクリルアミドへの連鎖移動定数であるものとする。
(1)1価チオール
脂肪族チオール(C1〜20、例えばメタンチオール、エタンチオール、プロパンチオール、n−オクタンチオール、n−ドデカンチオール、ヘキサデカンチオール、n−オクタデカンチオール、2−メルカプトエタノール、メルカプト酢酸、3−メルカプトプロピオン酸、1−チオグリセロール、チオグリコール酸モノエタノールアミン、チオマレイン酸、メルカプトコハク酸、システイン、システアミン)、脂環含有チオール(C5〜20、例えばシクロペンタンチオール、シクロヘキサンチオール)、芳香環含有チオール(C6〜12、例えばベンゼンチオール、チオサリチル酸、チオクレゾール、チオキシレノール、チオナフトール)および芳香脂肪族チオール(C7〜20、例えばα−トルエンチオール)が挙げられる。
ジチオール[脂肪族ジチオール(C2〜40、例えばエタンジチオール、ジエチレンジチオール、トリエチレンジチオール、n−、i−およびsec−プロパンジチオール、1,3−および1,4−ブタンジチオール、1,6−ヘキサンジチオール、ネオペンタンジチオール、トリエチレングリコールジチオール)、脂環式ジチオール(C5〜20、例えばシクロペンタンジチオール、シクロヘキサンジチオール)、芳香族ジチオール(C6〜16、例えばベンゼンジチオール、ビフェニルジチオール)および芳香脂肪族ジチオール(C8〜20、例えばキシレンジチオール)が挙げられる。
なお、ここにおけるpHは、モノマー水溶液の原液をpHメーター[例えば、商品名「LABpHメーターM−12」、(株)堀場製作所製]を用いて室温(20℃)で測定される値である。
重合温度としては、重合速度の観点から、好ましい下限は10、さらに好ましくは30、とくに好ましくは40、最も好ましくは50、分子量および分散粒子安定性の観点から好ましい上限は95、さらに好ましくは80、とくに好ましくは70、最も好ましくは60である。また、重合中は所定重合温度を一定(例えば、所定重合温度±5℃)に保つように、適宜加熱、冷却して調節することが好ましい。
重合温度を一定に保つために、予め所定重合温度に温調した分散媒に撹拌下でモノマーを随時滴下してもよい。その際の滴下時間は、モノマー濃度、および重合反応発熱量により異なるが、通常0.5〜20時間、好ましくは1〜10時間である。
上記のモノマー濃度、重合温度、重合時間は、モノマー組成、重合法、開始剤種類等によって適宜調整することができる。
圧力の好ましい下限は5、さらに好ましくは10、とくに好ましくは15、好ましい上限は500、さらに好ましくは300、とくに好ましくは150である。
脱水方法としては、特に限定されないが、重合後、熱風乾燥、赤外線乾燥、間接加熱乾燥(真空乾燥、撹拌型の乾燥機、ドラムドライヤー)等の乾燥方法により脱水する方法、疎水性分散媒中で共沸させて減圧脱水させる方法等が考えられる。またこれらの方法は任意に併用することができる。これらのうち、局部加熱による架橋防止の観点から真空乾燥および疎水性分散媒中で共沸させ減圧脱水させる方法が好ましい。乾燥温度としては、通常20〜200℃、乾燥速度の観点から好ましい下限は30℃、さらに好ましくは40℃、架橋防止の観点から好ましい上限は150℃、さらに好ましくは120℃である。
3.5×(M)+150≦(L)≦3.5×(M)+350 (1)
3.5×(M)+180≦(L)≦3.5×(M)+320 (2)
3.5×(M)+210≦(L)≦3.5×(M)+280 (3)
すなわち、(L)が、一定の低い(M)をさらに下回る場合は、低分子量のポリマーが多くなることから、ポリマー間の絡まり度合いが低い。そのため一旦形成されたフロックのフロック径が撹拌によるせん断で小さくなりやすく、10秒時ろ過速度が遅くなるために凝集性能が悪化する;また、(L)が、一定の高い(M)をさらに上回る場合は、高分子量のポリマーが多くなることから、ポリマー間の絡まり度合いが高い。そのため、フロック形成に長時間を要し、未凝集ポリマーが増加してろ液の粘度が高まることにより10秒時ろ過速度が遅く、凝集性能が悪化する。従って、(L)と(M)との最適な関係を有する高分子凝集剤を選択すれば、優れた凝集性能を発揮することができるとの仮説に基づいたものである。
ここにおいて、安息角とは、円筒回転法で求められる値で、粉粒体を入れた円筒容器を、ゆっくり回転させ、粉粒体が安定な傾斜面を形成するときの傾斜角度で表され、三輪式安息角測定機[筒井理化学器械(株)製等]を用いて測定することができる。
該重量平均粒径(μm)は、ロータップ試験篩振とう機およびJIS Z8801−2000に規定された標準篩を用いて、ペリーズ・ケミカル・エンジニアーズ・ハンドブック第6版(マックグローヒル・ブック・カンパニー刊、1984、21頁)に記載の方法で求めることができる。
即ち、適当な目開きの上記標準篩、例えば目開きが2、1.7、1.4、1.18および1.10mm、850、710、500、425、355、300、250、180および150μmの標準篩上にそれぞれ該高分子凝集剤粒子50.0gをとり、ロータップ試験篩振とう機[例えば、(株)飯田製作所製]で1分間振とうし、各篩上に残った試料を計量する。結果を対数確率紙にプロットし、重量が50%の時の粒径(メジアン径)を重量平均粒径とする。
廃水においては、溶解性有機物等を処理するために無機凝集剤を添加することが多く、その場合、懸濁粒子表面は無機凝集剤で覆われているためプラス荷電を有していることから、凝集沈殿処理用高分子凝集剤としては、アニオン性またはノニオン性、およびこれらの混合物が好ましい。
石油の3次回収用としては、比較的大きな分子量を有するものが使用され、アニオン性またはノニオン性、およびこれらの混合物が好ましい。
製紙工程での濾水歩留向上用または紙力増強用としては、カチオン性または両性高分子凝集剤、およびこれらの混合物が好ましい。
また本発明の高分子凝集剤が両性高分子凝集剤の場合、該凝集剤中のカチオンコロイド当量値(meq/g)は、凝集性能の観点から好ましい下限は0.1、より好ましくは0.5、さらに好ましくは1.0、とくに好ましくは1.5、最も好ましくは2.0、凝集性能の観点から好ましい上限は7.0、より好ましくは6.0、さらに好ましくは5.5、とくに好ましくは5.2、最も好ましくは5.0であり;アニオンコロイド当量値(meq/g)は、凝集性能の観点から好ましい下限は−13.0、より好ましくは−10.0、さらに好ましくは−8.0、とくに好ましくは−5.0、最も好ましくは−3.0、凝集性能の観点から好ましい上限は−0.05、より好ましくは−0.1、さらに好ましくは−0.3、とくに好ましくは−0.5、最も好ましくは−1.0である。
(1)測定試料(高分子凝集剤の50ppm水溶液)の調製
試料0.2g(固形分含量換算したもの)を精秤し、200mlの三角フラスコにとり、全体の重量(試料とイオン交換水の合計重量)が100gとなるようにイオン交換水を加えた後、マグネチックスターラー(長さ40mm、直径5mmの円筒状マグネット、回転数1,000rpm)で、3時間撹拌して完全に溶解させ、0.2重量%の高分子凝集剤溶液を調製する。500mlのビーカーに該調製溶液10mlをとり、全体の重量(溶液10mlとイオン交換水の合計重量)が400gとなるようにイオン交換水を加え、再度マグネチックスターラー(1,000〜1,200rpm)で、30分間撹拌して、均一な測定試料とする。
なお、高分子凝集剤の固形分含量は、試料約1.0gをシャーレ(直径100mm、深さ10mm)に秤量(W1)して、循風乾燥機中、105±5℃で90分間乾燥させた後の残存重量を(W2)として、次式から算出した値である。
固形分含量(重量%)=(W2)×100/(W1)
(2)カチオンコロイド当量値の測定
測定試料100gを200mlのコニカルビーカーにとり、マグネチックスターラー(500rpm)で撹拌しながら徐々に0.5重量%硫酸水溶液を加え、pH3に調整する。次にトルイジンブルー指示薬(TB指示薬)を2〜3滴加え、N/400ポリビニル硫酸カリウム(N/400PVSK)試薬で滴定する。滴定速度は2ml/分とし、測定試料が青から赤紫色に変色し、赤紫色が30秒間保持される時点を終点とする。
(3)アニオンコロイド当量値の測定
測定試料100gを200mlのコニカルビーカーにとり、マグネチックスターラー(500rpm)で撹拌しながら、N/10水酸化ナトリウム水溶液0.5mlを加え、さらにN/200メチルグリコールキトサン水溶液5mlを加えた後、5分間撹拌する(その時のpH約10.5)。TB指示薬を2〜3滴加え、上記(2)と同様にして滴定する。
(4)空試験
測定試料の代わりにイオン交換水100gを用いる以外は(2)および(3)と同様の操作を行う。
(5)計算方法
カチオンまたはアニオンコロイド当量値(meq/g)=
(1/2)×(試料の滴定量−空試験の滴定量)×(N/400PVSKの力価)
止剤(B5)、酸化防止剤(B6)、紫外線吸収剤(B7)および防腐剤(B8)からなる群から選ばれる添加剤(B)を併用することができる。
キレート化剤(B2)としては、アミノカルボン酸(C6〜24、例えばエチレンジアミンテトラ酢酸、ジエチレントリアミンペンタ酢酸、ヒドロキシエチルエチレンジアミントリ酢酸、ニトリロトリ酢酸およびトリエチレンテトラミンヘキサ酢酸)、多価カルボン酸[C4以上かつMn10,000以下、例えばマレイン酸、ポリアクリル酸(Mn1,000〜10,000)およびイソアミレン/マレイン酸共重合体(Mn1,000〜10,000)]、ヒドロキシカルボン酸(C3〜10、例えばクエン酸、グルコン酸、乳酸およびリンゴ酸)、縮合リン酸(トリポリリン酸、トリメタリン酸等)およびこれらの塩[アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、アルキルアミン(C1〜20、例えばメチルアミン、エチルアミン、オクチルアミン等)塩およびアルカノールアミン(C2〜12、例えばモノ−、ジ−およびトリエタノールアミン等)塩]等;
ート、2,4−ジ−t−ブチルフェニル−3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシベンゾエート等)、ベンゾトリアゾール化合物[(2’−ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾール、(2’−ヒドロキシ−5’−メチルフェニル)ベンゾトリアゾール等]およびアクレート[エチル−2−シアノ−3,3−ジフェニルアクリレート、メチル−2−カルボメトキシ−3−(パラメトキシベンジル)アクリレート等]等;
防腐剤(B8)としては、安息香酸、パラオキシ安息香酸エステルおよびソルビン酸等が挙げられる。
(B1)〜(B8)の各添加剤の使用量は、上記と同様の重量に基づいて、(B1)は通常5%以下、好ましくは1〜3%、(B2)は通常20%以下、好ましくは2〜10%、(B3)は通常10%以下、好ましくは1〜5%、(B4)および(B5)はそれぞれ通常5%以下、好ましくは1〜3%、(B6)、(B7)および(B8)はそれぞれ通常5%以下、好ましくは0.1〜2%である。
本発明の高分子凝集剤の使用量は、下水汚泥等の種類、懸濁粒子の含有量、高分子凝集剤の分子量等により異なるが、特に限定はなく、下水汚泥等中の蒸発残留物重量(以下、TSと略記)に基づいて、通常0.01〜10%、凝集性能の観点から好ましい下限は0.1%、さらに好ましくは0.5%、とくに好ましくは1%、処理費用の観点から好ましい上限は5%、さらに好ましくは3%、とくに好ましくは2%である。
高分子凝集剤の溶解方法としては、特に限定されることはなく、例えば予め秤り取った水をジャーテスターなどの撹拌装置を用いて撹拌しながら所定量の高分子凝集剤を徐々に加え、数時間(約2〜4時間程度)かけて溶解させる方法等が採用できる。粉末状の高分子凝集剤を水に溶解させる際に、所定量の高分子凝集剤を一気に加える方法はままこを生じ、完全に水に溶解させることが困難となることから好ましくない。
無機凝結剤としては、硫酸バンド、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄、硫酸第二鉄、ポリ硫酸鉄、消石灰等;有機凝結剤としては、アニリン−ホルムアルデヒド重縮合物塩酸塩、ポリビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライド、ジメチルジ(メタ)アリルアンモニウムクロライド、(メタ)アリルアミンまたはジ(メタ)アリルアミン−マレイン酸共重合体、(メタ)アリルアミンまたはジ(メタ)アリルアミン−シトラコン酸共重合体、(メタ)アリルアミンまたはジ(メタ)アリルアミン−イタコン酸、(メタ)アリ
ルアミンまたはジ(メタ)アリルアミン−フマル酸共重合体等が挙げられる。
無機および/または有機凝結剤を併用する場合は、本発明の高分子凝集剤に予めこれらを添加した混合物で下水汚泥等を処理するか、下水汚泥等に予め無機凝結剤および/または有機凝結剤を添加して一次凝集させた後、本発明の高分子凝集剤を添加して処理するかいずれでもよいが、フロックの強度の観点から好ましいのは後者の方法である。
pHの調整方法としては、特に限定されることはなく、無機酸(硫酸、塩酸、リン酸、硝酸等)等の酸性物質や苛性アルカリ(水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等)等のアルカリ性物質を用いる方法が挙げられる。また、前記の無機または有機凝結剤を下水汚泥等に予め加えることで、上記pHに調整することもできる。
(1)水溶性不飽和モノマー
DAMQ:N,N−ジメチルアミノエチルメタクリレートのメチルクロライド塩の80
%水溶液
DAAQ:N,N−ジメチルアミノエチルアクリレートのメチルクロライド塩の70%
水溶液
AAM:アクリルアミドの50%水溶液
(2)連鎖移動剤(f)
(f−1):1−チオグリセロール
(f−2):メルカプト酢酸
(f−3):システアミン塩酸塩
(3)ラジカル重合開始剤(d)
(d−1):ジクミルパーオキサイド
(d−2):アゾビスアミジノプロパン塩酸塩の10%水溶液
(4)分散剤(c)
(c1−1):PEG(Mn300)のジステアリン酸エステル[商品名「イオネット
DS−300」、三洋化成工業(株)製、HLB7.3、Mw700)]
(c2−1):製造例1で得られた分散剤(HLB2.1、Mw15,000)
(c2−2):無水マレイン酸変性エチレン・酢酸ビニル共重合物[商品名「オレヴァ
ック9318」、アルケマ(株)製、HLB1.2、Mw12,000]
(c2−3):アルケン(C30以上)と無水マレイン酸の共重合物[商品名「ダイヤ
カルナ30」、三菱化学(株)製、HLB2.1、Mw7,500]
なお、下水汚泥等中のTS、浮遊物質(SS)、有機分(強熱減量)は、「下水試験方法」(日本下水道協会、1984年度版)記載の分析方法に準じて行った。
ジャーテスター[型式「JMD−6HS−A」、宮本理研工業(株)製、以下同じ。]に板状の塩ビ製撹拌羽根(直径5cm、高さ2cm、厚さ0.2cm)2枚を十字になるように上下に連続して撹拌棒に取り付けた撹拌装置を用い、500mLビーカーにイオン交換水499gを入れ、水温20〜25℃にて300rpmで撹拌下、固形分1.0gの高分子凝集剤試料を徐々に加えて、3時間かけて完全に溶解させる。その後、得られた水溶液の一部を200mLトールビーカーに移し、25℃の恒温槽に20分間静置して温度調整した後、B型粘度計[型式「TV−10M」、東機産業(株)製、以下同じ。]でM2ローター、30rpmにて測定開始300秒後の値を0.2重量%水溶液粘度(L)とする。
上記と同じ撹拌装置を用い、500mLビーカーにイオン交換水477.5gを入れ、水温20〜25℃にて200rpmで撹拌下、固形分2.5gの高分子凝集剤試料を徐々に加えて、4時間かけて完全に溶解させる。その後、塩化ナトリウム20gを入れ、さらに30分間撹拌して溶解させる。その後、得られた塩水溶液(塩化ナトリウムの濃度は4重量%)の一部を200mLトールビーカーに移し、25℃の恒温槽に20分間静置して温度調整した後、B型粘度計[東機産業(株)製、型式TV−10M、以下同じ。]でM1ローター、60rpmにて、測定開始300秒後の値を0.5重量%塩水溶液粘度(M)とする。
300mlのビーカーに汚泥200mlを入れ、上記(1)と同じ撹拌装置にセットする。ジャーテスターの回転数を300rpmとし、徐々に汚泥を撹拌しながら、所定の濃度の高分子凝集剤の水溶液を所定の方法で添加し、30秒間撹拌した後、撹拌を止め形成されたフロックの粒径(mm)を目視にて観察する。
続いて回転数を650rpmに変え、さらに30秒間撹拌した後、撹拌を止め形成されたフロックの粒径(mm)を再度目視にて観察する。
上記(3)における回転数300rpmおよび650rpmでのフロック粒径を比較し、フロック粒径の変化からフロック強度を下記の基準に従って評価する。
<評価基準>
◎ 非常に強固 (粒径に変化なし)
○ 強固 (ごく一部細分化)
△ やや弱い (部分的に細分化)
× 弱い (全体的に細分化)
T−1189のナイロン製ろ布[敷島カンバス(株)製、円形状、直径9cm]、ヌッチェ漏斗、および300mlが計測できるメスシリンダーを用いてろ過装置をセットする。上記(3)のフロック粒径試験後の汚泥をヌッチェろ過面上に一気に全量投入して濾過し、ストップウォッチを用いて投入直後から10秒後および60秒後までに通過したろ液量を測定する。
ろ過した汚泥の一部をスパーテルで取り出し、プレスフィルター試験機を用いて脱水試験(1kg/cm2、60秒)を行い、試験後のろ布に付着した脱水ケーキをスパーテルで剥離させる場合の脱水ケーキの剥離性を下記の基準に従って評価する。
<評価基準>
◎:非常に剥がれやすい(ろ布に付着物なし)
○:剥がれやすい (ろ布に付着物わずかにあり)
△:多少剥がれにくい (ろ布に付着物あり、わずかにろ布内部にまで付着物あり)
×:剥がれにくい (ろ布内部にまで付着物多い)
上記(6)のろ布剥離性試験後の脱水ケーキ約3gをシャーレに秤量(W3)して、循風乾燥機中、105±5℃、8時間で乾燥させた後、シャーレ上に残った乾燥ケーキの重量を(W4)として、次式からケーキ含水率を算出する。
脱水ケーキ含水率(重量%)=[(W3)−(W4)]×100/(W3)
ステンレス製オートクレーブに、エチレン−酢酸ビニル共重合体[商品名「AC−POLY−400」、Honeywell(株)製、酢酸ビニル単位含量14重量%]171部、無水マレイン酸17.1部、キシレン117.7部を100℃まで加熱して均一溶液とし、ポリマー溶液を調整した。(d−1)11.8部、キシレン11.8部、ドデシルメルカプタン0.092部を加えて均一溶解し開始剤溶液とした。150℃に加熱したポリマー溶液に開始剤溶液を0.4部/分の滴下速度で1時間かけて投入し、その後3時間反応させた。キシレンを3kPa〜20kPaの減圧下、140〜160℃、2時間でストリッピングして、分散剤(c−1)を得た。
[第1工程] DAMQ、AAM、NaH2PO4、連鎖移動剤(f)を表1に従って配合したモノマー水溶液を室温(20〜25℃)で調製した。さらにスルファミン酸を用いてモノマー水溶液のpH(20℃)をpHメーターで監視しながら3.0に調整した。得られたモノマー水溶液を十分に窒素(純度99.999%以上。以下同じ。)で置換(溶存酸素濃度100ppb以下)した後、ラジカル重合開始剤(d−2)を表1に従って加え、モノマー水溶液を調製した。
別に還流脱水配管、滴下漏斗、窒素導入管および撹拌翼(マックスブレンド翼)を備えたステンレス製オートクレーブにn−デカン、分散剤(c1−1)および(c2−1)を表1に従って加えて油相を調製し、340rpmの回転数にて撹拌しながら、反応槽内を窒素置換(気相酸素濃度10ppm以下)した後、60℃まで昇温して30分間保持した後、50℃まで冷却した。50℃に到達後、常圧(103kPa)条件下で、予め滴下漏斗内に仕込んだ前記のモノマー水溶液を反応槽中に120分間かけて全量投入し、その後120分間、50℃で撹拌を継続し逆相懸濁重合させた。
[第2工程] さらにラジカル重合開始剤(d−2)を8.7部添加して50℃で、60分間撹拌を継続し、さらに重亜硫酸ナトリウム14部およびメルカプト酢酸0.19部をイオン交換水10部に溶解し、これを反応槽中に追加投入し、55℃で30分間撹拌を継続して重合を完結させた。
その後、反応生成物を55℃で減圧(3〜20kPa)により共沸脱水した後、得られたスラリーを、減圧ろ過機に供給し固液分離を行った後、減圧乾燥機中(1.3kPa、40℃×2時間)で乾燥し、ビーズ状水溶性重合体を含有してなる高分子凝集剤(P−1)を得た。結果を表1に示す。
実施例1において、第1工程のモノマー水溶液および油相の組成を表1に示す量にする以外は表1の配合組成に従って、実施例1と同様にして、高分子凝集剤(P−2)〜(P−6)、比較の高分子凝集剤(R−1)〜(R−3)を得た。結果を表1に示す。
得られた高分子凝集剤をそれぞれイオン交換水に溶解して固形分含量0.2%の水溶液とした。消化処理したA市処理場から採取した消化汚泥[pH7.4、TS2.9%、SS2.7%、有機分65%、アルカリ度4,543mg−CaCO3/L]200部を500mLのビーカーに採り、上記高分子凝集剤の各水溶液20部を添加(この時の固形分添加量1.6%/TS)し、性能を評価した。結果を表2に示す。
Claims (5)
- 一般式[1]または[2]で表されるカチオン性モノマーを50〜100モル%含有する水溶性不飽和モノマー(a)を構成単位とし、重量平均分子量5,000未満の低分子分散剤(c1)および重量平均分子量5,000以上の高分子分散剤(c2)を併用してなる分散剤(c)を用いた逆相懸濁重合法により得られるビーズ状水溶性(共)重合体(A)を含有してなり、3〜60の0.5重量%塩水溶液粘度(mPa・s、25℃)を有し、下記式(1)を満足する高分子凝集剤。
CH2=C(R1)CO−Q−X−NR2R3 [1]
CH2=C(R1)CO−Q−X−N+R2R3R4 ・Z- [2]
(式中、R1はHまたはメチル基、R2、R3は炭素数1〜3のアルキルもしくはアルコキシル基、R4はH、炭素数1〜3のアルキルもしくはアルコキシル基またはベンジル基を表し、R1〜R4は同じでも異なっていてもよく、Qは酸素またはNH、Xは炭素数2〜4の、アルキレンもしくはアルコキシレン基、Z-は陰イオンを表す。)
3.5×(M)+150≦(L)≦3.5×(M)+350 (1)
但し、(L):0.2重量%水溶液粘度 (mPa・s、25℃)
(M):0.5重量%塩水溶液粘度(mPa・s、25℃) - さらに、ノニオン性および/またはアニオン性のモノマーを(a)に含有させてなる請求項1記載の高分子凝集剤。
- (c1)が、多価アルコールの脂肪酸エステルであり、(c2)が、アルケンとα,β−不飽和多価カルボン酸(無水物)との共重合体またはその誘導体、並びに(無水マレイン酸変性)エチレン・酢酸ビニル共重合体からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1または2記載の高分子凝集剤。
- スクリュープレス型またはベルトプレス型脱水機を用いる、有機性汚泥の脱水処理用である請求項1〜3のいずれか記載の高分子凝集剤。
- 請求項1〜4のいずれか記載の高分子凝集剤を有機性汚泥に添加、混合してフロックを形成させ、固液分離を行うことを特徴とする有機性汚泥の脱水処理方法。
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