TW202146059A - 控制鹵胺殺生物劑之生產之方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供基於直接、工序內量測氧化劑含量來控制鹵胺殺生物劑之生產以生產控制水性系統，尤其工業用水系統中微生物生長所需之鹵胺殺生物劑的方法及裝置。

Description

控制鹵胺殺生物劑之生產之方法及裝置
本發明大體上係關於基於直接、工序內量測次鹵酸鹽試劑活性物含量來控制鹵胺殺生物劑之生產之方法，該鹵胺殺生物劑控制水性系統，尤其工業用水系統中微生物之生長。
鹵胺殺生物劑在工業水性系統中之最佳用途部分依賴於達成胺溶液與次鹵酸鹽溶液之化學計量反應。
次鹵酸鹽試劑，例如次氯酸鈉之過量進料會引起所需活性物之折點降解(「Chloramine Production & Monitoring in Florida's Water Supply Systems」, McVay, Robert D., Florida Water Resources Journal, 2009年4月, 第16-26頁)。
次鹵酸鹽試劑進料不足除根據經濟觀點最佳化不足之外，會造成氨物種添加至水系統中，視所用之胺溶液而定，以及出現其他問題。舉例而言，在含有銅合金冶金之系統中，可存在腐蝕過程之增加。
開發達成化學計量反應比之方法中的挑戰為補償次氯酸鹽試劑溶液之降解速率。用於生產鹵胺之常見商業級次氯酸鹽試劑為大致12.5 wt%次氯酸鈉。據估計，在80℉下儲存10天數之後，此溶液之活性物含量將降低至約11%，且分解速率在較高儲存溫度下顯著提高。參見「Sodium Hypochlorite - Product Stewardship Manual」(Olin Corporation, 表單編號102-00553-0619PI, 2019)。
已使用各種方法來防止處理次鹵酸鹽溶液分解之問題，包括將次氯酸鹽溶液與包含溴化銨之胺源同步混合以產生鹵胺殺生物劑溶液。藉由量測所得殺生物劑溶液之pH來監測及控制該等試劑之進料速率。然而，此為所依賴之反應性變數，且繼續需要對所生產之鹵胺殺生物劑的主動控制。
生產殺生物劑之其他方法包括將次氯酸鹽氧化劑溶液與銨鹽溶液混合；及監測指示何時已達到殺生物劑之最大產量且其中控制參數不為pH。控制參數選自由以下組成之參數：氧化還原電位(ORP)、電導率、電感及氧飽和度，以使氧化劑與胺之間的比率最佳化。然而，此等方法在本質上為反應性的，且在化學使用方面效率不高。
存在描述生產含有單氯胺(MCA)與二氯胺(DCA)之摻合物之鹵胺殺生物劑的方法，該等方法藉由首先將濃縮胺添加至儲槽中且稀釋至所需濃度，將所需量之鹵素源添加至儲槽中且將pH調節至預定值，以將一部分MCA轉化為DCA。
其他方法教示使用溫差來監測且控制放熱或吸熱化學反應。反應混合物之溫度升高(例如次氯酸鈉與氨反應形成MCA)超出所需反應之預期可經偵測，且用於產生可用於調節流動速率或關閉一或多個化學品進料器件的信號。此為在生產鹵胺殺生物劑之後進行的另一反應性方法及調節。
另外其他已知方法描述非同步進料試劑，包括濃縮形式之消毒劑胺源、濃縮形式之氧化鹵素及稀釋劑，以形成氯胺殺生物組合物。用於調控試劑流量之參數包括體積量測結果、ORP、殘餘氯、pH、溫度及微生物活性。同樣，此等均為反應性方法且依賴於監測及量測，且隨後對方法進行任何必要調節。
上文所描述之所有方法均涉及基於與所生產之殺生物劑溶液相關的特性對試劑進料進行補償，且為反應性方法。另外，此等方法之效用似乎部分依賴於胺源及反應條件，諸如起始pH及補充水化學之選擇。
此外，自後續實施方式及所附申請專利範圍，連同隨附圖式及此先前技術，本發明之其他合乎需要的特徵及特性將變得顯而易見。
提供一種基於直接、工序內量測次鹵酸鹽試劑活性物生產鹵胺殺生物劑之方法。該方法涉及直接量測氧化劑濃度，且資訊連同現場遞送之胺濃度及所生產之鹵胺殺生物劑的預定或所需活性物一起輸入或以其他方式輸進可程式化邏輯控制器(PLC)。基於所量測之氧化劑濃度、胺濃度及所生產之鹵胺殺生物劑的預定活性物，PLC計算且控制達成預定或所需鹵胺殺生物劑濃度所必需的水、氧化劑及胺的所需量。
另外，亦提供一種用於直接在線製備具有預定或所需活性物之鹵胺殺生物劑的裝置。該裝置包括用於將水、氧化劑及胺遞送至添加點的構件，諸如泵，在添加點處，氧化劑與胺接觸以生產具有所需活性物之鹵胺殺生物劑。該裝置包括用於直接量測氧化劑濃度之探針，其中氧化劑濃度連同胺試劑之濃度及所生產之鹵胺殺生物劑的預定或所需活性物一起饋入可程式化邏輯控制器(PLC)。基於輸進PLC之資訊，PLC控制遞送化學品流之化學品量。舉例而言，能夠遞送受控量水之泵P1；能夠遞送受控量氧化劑之泵P2；及能夠遞送受控量胺試劑之泵P3已連接且獨立地受PLC控制。基於所量測及輸進之資訊，PLC控制一起反應之水、氧化劑及胺的量，由此生產具有預定或所需活性物之鹵胺殺生物劑。
最後，提供一種用於控制水性系統中微生物生長之方法。該方法包括提供水、氧化劑及胺之源，其中在將氧化劑與胺合併之前在線量測氧化劑濃度。氧化劑濃度連同現場遞送或純的胺濃度及所生產之鹵胺殺生物劑的預定或所需活性物一起輸入或以其他方式輸進可程式化邏輯控制器(PLC)。基於所量測之氧化劑濃度、胺及所需活性物之濃度，PLC計算且控制生產具有所需或預定活性物之鹵胺殺生物劑所必需的水、氧化劑及胺的量。隨後將鹵胺殺生物劑添加至水性系統中。
以下實施方式在本質上僅為例示性的，且並不意欲限制本發明或其應用及用途。此外，並不意欲受在前述先前技術或以下實施方式中所展示之任何理論的束縛。
出於本發明方法之目的，鹵胺定義為具有包括一或多個與胺基締合之鹵素原子且具有抗微生物活性之組成的化學品。氮可或可不鍵結至除氫外之另一原子。鹵素包括氯、溴、碘及氟。任何鹵胺可用於本文所描述之方法以處理工業製程水。較佳地，鹵胺為氯胺。
當前方法教示一種依賴於氧化劑濃度之方法，其中基於氧化劑之預定濃度遞送生產所需鹵胺殺生物劑所必需的胺量，此提供作為主動性方法而非反應性方法之較高效方法。
本文所描述之裝置及方法適用於生產具有高度抗微生物活性之鹵胺的殺微生物混合物或組合。
在當前方法之一個態樣中，將水、氧化劑及胺之源在直接在線方法中合併以生產具有預定或所需活性物之鹵胺殺生物劑。特定而言，提供用於直接量測氧化劑濃度之探針，氧化劑濃度輸進或以其他方式輸入可程式化邏輯控制器(PLC)。除氧化劑濃度之外，胺試劑之濃度、鹵胺殺生物劑之所需活性物輸進或以其他方式輸入PLC。基於此資訊，PLC獨立地控制用於控制遞送至添加點之水、氧化劑及胺之量的構件，諸如泵，鹵胺殺生物劑在添加點處生產。
在當前方法之一些態樣中，氧化劑及/或胺在合併以生產鹵胺殺生物劑之前用水稀釋。
在當前方法之其他態樣中，鹵胺包括一或多個與胺基締合之鹵化原子且具有抗微生物活性。較佳地，鹵素包括氯、溴、碘及氟且可為氯胺。
在該方法之其他態樣中，可進一步調節所得鹵胺之pH以將一部分鹵胺自單鹵胺轉化為二鹵胺。
在當前方法之其他態樣中，胺源或試劑可為但不限於氨及銨鹽，以及包含一級胺及二級胺官能基之化合物。銨鹽為具有NH4 + 陽離子及相關陰離子之鹽。銨鹽之實例包括但不限於乙酸銨、碳酸氫銨、氟化氫銨、溴化銨、胺基甲酸銨、碳酸銨、氯化銨、檸檬酸銨、氟化銨、氫氧化銨、碘化銨、鉬酸銨、硝酸銨、草酸銨、過硫酸銨、磷酸銨、硫酸銨、硫化銨、硫酸鐵銨、硫酸亞鐵銨及胺基磺酸。較佳銨鹽為碳酸氫銨、胺基甲酸銨、碳酸銨、氯化銨、氫氧化銨、硫酸銨、胺基磺酸及其混合物。
在該方法之一些態樣中，可用於與胺反應以生產鹵胺之氧化劑可包括但不限於氯、次氯酸鹽、次氯酸、二氧化氯、氯化異氰脲酸鹽、溴、次溴酸鹽、次溴酸、氯化溴、鹵化乙內醯脲、臭氧及過氧化合物，諸如過硼酸鹽、過碳酸鹽、過硫酸鹽、過氧化氫、過羧酸及過乙酸。較佳為次鹵酸鹽，包括次氯酸鹽及次溴酸鹽，最佳為次氯酸鈉。
在當前方法之一個態樣中，胺源為硫酸銨且氧化劑為次氯酸鈉，其中所得鹵胺殺生物劑為單氯胺(MCA)或其與二氯胺之協同組合(MCA/DCA)。
在該方法之其他態樣中，氧化劑選自由以下組成之群：氯、次鹵酸鹽、次氯酸、二氧化氯、氯化異氰脲酸鹽、溴、次溴酸鹽、次溴酸、氯化溴、鹵化乙內醯脲及其組合。較佳地，次鹵酸鹽選自次氯酸鈉及次溴酸鈉。
在該方法之其他態樣中，所生產之鹵胺殺生物劑為約1,000至約10,000 ppm活性氯且可為約3,000至約8,000 ppm活性氯。
在該方法之一個態樣中，次氯酸鈉及胺試劑以濃縮溶液形式進料至裝置。舉例而言，Biosperse™ CX3125殺微生物劑為標稱12.5 wt%次氯酸鈉溶液(Solenis, LLC, Wilmington DE)，且Biosperse™ CX3400氯穩定劑為40 wt%硫酸銨溶液(Solenis, LLC, Wilmington DE)。此等可在根據圖1或圖2之裝置中在水中反應，產生以氯計具有1,000-10,000 ppm活性物之鹵胺殺生物劑溶液。較佳地，殺生物劑濃度以氯計為3,000-8,000 ppm活性物。
在當前方法之一些態樣中，鹵胺殺生物劑可以閉合濃度公差生產且維持為固定變數。
本發明亦提供如圖1及圖2中所示出之用於製備鹵胺殺生物劑的方法及裝置。該裝置包括用於直接量測用於製備鹵胺殺生物劑之氧化劑濃度的探針。所量測之氧化劑濃度輸入或以其他方式輸進可程式化邏輯控制器(PLC)連同所遞送之胺之濃度及所生產之鹵胺殺生物劑之所需或預定活性物。PLC獲取輸進之氧化劑濃度且自動計算氧化劑溶液(泵P2)之流動速率以及胺溶液(泵P3)之流動速率，產生具有所需活性物或濃度之鹵胺殺生物劑。PLC可監測包括水(泵P1)之所有三種組分的流動速率，以確保維持正確的化學品濃度以生產所需鹵胺殺生物劑且裝置如所預期操作。
在裝置之其他態樣中，pH探針亦可在所產生之鹵胺殺生物劑溶液中在線安置以檢查殺生物劑之品質，且允許在必要時調節化學品之流動速率以生產所需產物。舉例而言，若經由pH快速降低偵測到鹵胺之折點分解，則PLC可經程式化以自動停止試劑進料。
在另一態樣中，pH可用於監測單氯胺(MCA)向二氯胺(DCA)之轉化，藉此提供所生產之鹵胺殺生物劑的所需濃度。
在當前裝置之其他態樣中，氧化劑濃度可能極不穩定，且在正常裝運及儲存條件下經歷快速變化。PLC自動補償氧化劑濃度之變化以維持氧化劑與胺之化學計量進料。舉例而言，在硫酸銨之情況下的所需最佳化學計量進料各別地為每莫耳硫酸銨兩莫耳漂白劑。當前裝置能夠控制化學品之進料速率以維持適當比率。
在其他態樣中，當前裝置進一步包含用於在氧化劑與胺試劑彼此接觸之前將氧化劑及/或胺試劑稀釋至所需濃度的導管。
在其他態樣中，該裝置進一步包含能夠偵測鹵胺之折點或何處氯量超過氧化劑需求的pH探針。理論上，超過「折點」導致所需消毒劑物種(如氯胺)之含量減少。
在裝置之其他態樣中，可即時量測漂白劑溶液之濃度且提供待整合於PLC中用於控制試劑之進料之信號的儀錶適用於當前方法。此類儀錶及器件之一實例為ST-600在線漂白劑監測探針(Pyxis Labs, Inc., Holliston, MA)。探針藉由使用近UV光量測漂白劑溶液之光學密度來確定漂白劑濃度而發揮作用。自零至16 wt%漂白劑按比例調整4-20毫安(mA)向PLC之輸出。
最後，提供一種用於控制水性系統中微生物生長之方法。該方法包括提供水、氧化劑及胺之源。在將氧化劑與胺合併之前在線量測氧化劑濃度，且氧化劑濃度輸入或以其他方式輸進可程式化邏輯控制器(PLC)。另外，現場遞送或純的胺濃度及所生產之鹵胺殺生物劑之預定或所需活性物輸進PLC。基於所量測之氧化劑濃度、胺及所需活性物之濃度，PLC計算且控制生產具有預定活性物之鹵胺殺生物劑所必需的水、氧化劑及胺的量。隨後將鹵胺殺生物劑添加至水性系統中。 實例
以下實例意欲說明基於直接、工序內量測次鹵酸鹽試劑活性物來控制鹵胺生產之本發明方法，且並非提出以限制本發明之範疇。實例說明本文所描述之裝置及方法如何可用於自動調節試劑進料以生產鹵胺殺生物劑溶液。舉例而言，視應用而定，可能較佳使用一種胺或胺之混合物；例如溴化銨、胺基甲酸銨、胺基磺酸及/或硫酸銨。必要時，本發明亦可用於控制試劑進料低於化學計量。實例 1
如圖2中所描述之裝置用於在多個月的試驗中處理多床爐(MHF)熱電共生(Cogen)凝結器冷卻水系統。在試驗過程中，進料裝置準確調節Biosperse™ CX3125及Biosperse™ CX3400試劑之泵速率以補償漂白劑濃度經歷之變化，且添加所需數量之殺生物劑以在返回水中達成1.5-3.0 ppm游離氯。該裝置經組態以生產單氯胺(MCA)且藉由後調節MCA之pH (經由酸添加降低)以生產MCA與二氯胺(DCA)之摻合物。使用本發明方法與已知方法(諸如連續次氯酸化/非氧化殺生物劑方法)相比，將化學品添加至系統中之本發明方法減少至每日一次大致20分鐘至40分鐘之處理，生物控制改良且銅冶金腐蝕速率降低。實例 2
能夠如圖1及圖2中所描述組態之裝置用於在多個月的試驗中處理化學加工工業(CPI)應用中的冷卻水系統。在試驗過程中，該裝置在兩種組態中準確調節Biosperse™ CX3125及Biosperse™ CX3400試劑之泵流動速率以補償漂白劑濃度經歷之變化。典型目標進料為每12至16小時添加約20分鐘之返回水中的2.5 ppm游離氯。分析自裝置排出之MCA殺生物劑溶液，且發現Biosperse™ CX3400轉化為所需產物之轉化率為93+%。此試驗說明相對於當前使用之殺生物劑程序，生物膜控制之改良轉換為較高工廠效率及較低操作成本。
儘管前述實施方式中已呈現至少一個例示性實施例，但應瞭解存在大量變體。亦應瞭解該或該等例示性實施例僅為實例，且並不意欲以任何方式限制本發明之範疇、適用性或組態。實際上，前述實施方式將為熟習此項技術者提供實施本發明之例示性實施例的方便道路圖。應理解，在不背離所附申請專利範圍中所闡述之本發明範疇的情況下，可對描述於例示性實施例中之元件之功能及配置作各種改變。
P1:泵 P2:泵 P3:泵
將在下文中結合以下圖式描述本發明，其中：
圖1：為本發明方法之控制方案的示意圖，其中次鹵酸鹽溶液及胺試劑在混合形成鹵胺殺生物劑之前經預稀釋。
圖2：為本發明方法之控制方案的示意圖，其中次鹵酸鹽溶液及胺試劑在線混合以形成鹵胺殺生物劑。
P1:泵
P2:泵
P3:泵

Claims (20)

  1. 一種生產具有預定活性物之鹵胺殺生物劑之方法，其包含： a)  提供水、氧化劑及胺之源； b)  在將該氧化劑與該胺合併之前量測該氧化劑濃度；其中所量測之氧化劑濃度連同胺之濃度及所生產之鹵胺殺生物劑之預定或所需活性物一起輸入或以其他方式輸進可程式化邏輯控制器；且其中基於所量測之氧化劑濃度及胺濃度，該可程式化邏輯控制器計算生產具有該等預定活性物之該鹵胺殺生物劑所必需的水、氧化劑及胺之量； c)  以該可程式化邏輯控制器計算出之量接觸該水、氧化劑及胺以生產具有該等預定活性物之該鹵胺殺生物劑。
  2. 如請求項1之方法，其中該氧化劑及/或胺試劑在合併之前用水稀釋。
  3. 如請求項1之方法，其中該鹵胺包括一或多個與胺基締合之鹵化原子且具有抗微生物活性。
  4. 如請求項3之方法，其中鹵素包括氯、溴、碘及氟。
  5. 如請求項4之方法，其中該鹵胺係氯胺。
  6. 如請求項1之方法，其進一步包含調節所得鹵胺殺生物劑溶液之pH以將該鹵胺之一部分自單鹵胺轉化為二鹵胺。
  7. 如請求項1之方法，其中該胺源係選自以下之群：氨及銨鹽，以及包含一級胺及二級胺官能基之化合物。
  8. 如請求項7之方法，其中該等銨鹽係具有NH4+陽離子及相關陰離子之鹽。
  9. 如請求項8之方法，其中該等銨鹽係選自以下之群：乙酸銨、碳酸氫銨、氟化氫銨、溴化銨、胺基甲酸銨、碳酸銨、氯化銨、檸檬酸銨、氟化銨、氫氧化銨、碘化銨、鉬酸銨、硝酸銨、草酸銨、過硫酸銨、磷酸銨、硫酸銨、硫化銨、硫酸鐵銨、硫酸亞鐵銨、胺基磺酸及其組合。
  10. 如請求項9之方法，其中該等銨鹽係碳酸氫銨、胺基甲酸銨、碳酸銨、氯化銨、氫氧化銨、硫酸銨、胺基磺酸及其混合物。
  11. 如請求項1之方法，其中該等氧化劑係選自由以下組成之群：氯、次鹵酸鹽、次氯酸、二氧化氯、氯化異氰脲酸鹽、溴、次溴酸鹽、次溴酸、氯化溴、鹵化乙內醯脲及其組合。
  12. 如請求項11之方法，其中該等次鹵酸鹽係選自次氯酸鈉及次溴酸鈉。
  13. 如請求項1之方法，其中該氧化劑係次氯酸鈉且該胺源係硫酸銨。
  14. 如請求項1之方法，其中所生產之鹵胺係約1,000至約10,000 ppm活性氯。
  15. 如請求項14之方法，其中所生產之鹵胺係約3,000至約8,000 ppm活性氯。
  16. 一種用於直接在線製備具有預定活性物之鹵胺殺生物劑之裝置，其包含： a)  探針，其用於直接量測氧化劑濃度， b)  可程式化邏輯控制器，其中所量測之氧化劑濃度、胺試劑濃度及所需鹵胺殺生物劑之預定活性物輸進該可程式化邏輯控制器； c)  泵P1，其能夠遞送受控量之水； d)  泵P2，其能夠遞送受控量之氧化劑；及 e)  泵P3，其能夠遞送受控量之胺試劑； 其中將該水、氧化劑及胺合併以生產具有該等預定活性物之該鹵胺殺生物劑。
  17. 如請求項16之裝置，其進一步包含用於在該氧化劑與胺試劑彼此接觸之前將該氧化劑及/或胺試劑稀釋至所需濃度的導管。
  18. 如請求項16之裝置，其進一步包含能夠偵測該鹵胺殺生物劑之折點的pH探針。
  19. 一種使用鹵胺殺生物劑控制水性系統中微生物生長之方法，其包含： a.  提供水、氧化劑及胺之源； b.  在將該氧化劑與該胺合併之前量測該氧化劑濃度；其中所量測之氧化劑濃度連同該胺之濃度及所生產之鹵胺殺生物劑之預定或所需活性物一起輸入或以其他方式輸進可程式化邏輯控制器；且其中基於所量測之氧化劑濃度及胺濃度，該可程式化邏輯控制器計算生產具有預定活性物之鹵胺殺生物劑所必需的水、氧化劑及胺之量； c.  以該可程式化邏輯控制器計算出之量接觸該水、氧化劑及胺以生產具有該等預定活性物之該鹵胺殺生物劑；及 d.  將所生產之鹵胺殺生物劑添加至該水性系統中。
  20. 如請求項19之方法，其中該氧化劑及/或胺在合併之前用水稀釋。
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