КОНТРОЛЬ ПЕНООБРАЗОВАНИЯ В ВОДНЫХ СРЕДАХ
CONTROL OF FOAM GENERATION IN AQUEOUS MEDIA

Настоящее изобретение относится к составам и способам контроля пенообразования, используемым для контроля пенообразования в водных средах. В частности, изобретение относится к противопенному/пеноудаляющему составу, в особенности, используемому для регулирования проблем пенообразования, возникающих при процессах, протекающих как при умеренных, так и при высоких температурах, таких как процесс Байера, процесс целлюлозно-бумажного производства и течение сточных вод.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На многих станциях очистки сточных вод и во многих производственных процессах возникают проблемы, вызванные пеной, которая образуется в виде сточных вод или потоков производственных вод, текущих через систему или процесс. Пена может возникнуть в любом водном потоке, который содержит загрязнители или добавки, понижающие поверхностное натяжение потока. Эти материалы обычно являются органическими химикатами. Они могут быть получены из природных химикатов (например, лигнина, гуминовой кислоты, танина), сточных химикатов, химикатов для очистки воды, химикатов для очистки процесса, моющих средств, очистных средств, продуктов или побочных продуктов промышленных процессов, микробиологических продуктов, и т.д. Система также может содержать другие материалы, которые стабилизируют пену после ее образования. Такие материалы включают в себя полимеры, поверхностно-активные вещества, взвешенные органические и неорганические твердые вещества, коллоидные материалы, протеины и микробиологические организмы.
Проблемы пенообразования часто возникают, когда сточные воды или потоки технологических вод подвергаются единичной операции, которая увеличивает общую площадь соприкосновения системы газ/жидкость. Такое увеличение возникает всякий раз, когда жидкость разбрызгивают или когда в жидкость вводят газ. Процессы, вызывающие эти эффекты, включают в себя: механические процессы (например, взбалтывание, перемешивание, создание турбулентного течения, откачку, аэрацию, газификацию, понижение давления, повышение температуры), биологические процессы (например, ферментацию, анаэробное дигерирование) и химические процессы (например, окисление, рекарбонизацию, газификацию, дистилляцию, отгонку растворителя и реакции газообразования).
Пена в сточных водах или в технологических водах является проблемой по многим причинам и может наносить ущерб процессам системы (например, откачке, перемешиванию, дистилляции, химической реакции, теплопередаче, испарению, седиментации и т.д.). Пена может мешать работе сенсоров и контроллеров системы (например, контроллеров уровня, pH-сенсоров, датчиков температуры) и может неблагоприятно влиять на качество и объем выхода продукта (например, на размеры и прочность кристалла, на пористость бумаги и на адгезию покрытия). Пена также может быть вредной для безопасности и здоровья (например, содержать бактерии, переносимые по воздуху, и вызывать переливание через край резервуара), особенно когда водные среды являются высококислотными или щелочными. Также может возникнуть проблема, связанная с эстетическими характеристиками (например, пенные выбросы в водоприемниках очищенных сточных вод).
2
2
3
2
2
2
2
2
3
2
2
3
Процесс Байера, повсеместно используемый процесс для производства оксида алюминия из бокситовых (алюминийсодержащих) руд, претерпевает некоторые причиняющие наибольшее беспокойство проблемы, связанные с пенообразованием из-за индивидуальных особенностей бокситовой (алюминийсодержащей) руды и процесса Байера. В процессе Байера мелкоразмолотый бокситовый рудный шлам вываривают в автоклавах примерно при 145-250°C и 100-2000 фунт/дюйм примерно в 3-7 молях раствора гидроксида натрия для растворения AlO·xHO (x=1 или 3) в течение 2 часов, с получением NaAlO. Вываренный шлам выгружают из автоклавов, затем охлаждают примерно до 100°C и доводят до атмосферного давления с помощью группы испарителей для снижения давления. Раствор отделяют от твердых частиц противоточной промывкой с помощью флокулянтов, а затем процессом фильтрации для получения раствора, не содержащего твердых примесей, называемого "насыщенным раствором". "Насыщенный раствор" пересыщают NaAlO, а затем охлаждают примерно до 70-80°C и подают в сосуды для осаждения NaAlO до AlO·3HO (кристаллов тригидрата оксида алюминия). Процесс осаждения протекает крайне медленно и может занимать до 24-50 часов. Кристаллы тригидрата оксида алюминия затем прокаливают для удаления связанной воды из кристаллов с получением конечного продукта - оксида алюминия (AlO).
В ходе вываривания в автоклавах органический материал в форме целлюлозы и лигнинов, связанных с бокситовой рудой, также извлекают из руды и подвергают окислительному воздействию в щелочном растворе с образованием «гуматов» и солей натрия различных низкомолекулярных органических кислот. Поскольку процесс Байера является процессом с замкнутым циклом, раствор в системе непрерывно рециркулирует в автоклав, где происходит дополнительная экстракция органического вещества из боксита, с возрастанием уровня органической примеси в потоке раствора, где он становится весьма значительным, с общей концентрацией органического углерода, доходящей, например, до 30 г/л.
Органика в потоке раствора вызывает значительные проблемы, связанные с пенообразованием. Пенообразование обычно возникает в любой точке после этапа вываривания, где давление вываренного шлама снижается до одной атмосферы. Пенообразование раствора в дальнейшем усугубляется механическим взбалтыванием и перемещением раствора от одного сосуда к другому. Пенообразование, в особой степени, является серьезной проблемой после выделения красного шлама перед и в ходе осаждения тригидрата окиси алюминия. Пена угрожает безопасности из-за ее крайне щелочной природы. Пена также усложняет теплорегуляцию процесса, создавая препятствия теплоотводу, нарушая рост и качество кристалла и снижая выход продукта и эффективность процесса. В свете вышеупомянутой безопасности, инженерные и экономические проблемы, вызванные наличием пены при осуществлении процесса Байера, усовершенствования, относящиеся к контролю пенообразования, являются первоочередной задачей.
В процессе кристаллизация и осаждение тригидратов гидроксида алюминия из щелочных растворов на основе алюмината натрия является важным этапом в направлении повышения экономической выгоды при получении алюминия. Операторы, выполняющие процесс Байера, при попытках достижения заданного размера кристалла или распределения кристаллов по размерам, оптимизируют свои способы осаждения в целях извлечения максимально возможного выхода из щелочных растворов согласно процессу Байера. В большинстве случаев является желательным получать кристаллы относительно крупных размеров, поскольку это является полезным для последующих процессов обработки, требующихся для получения оксида алюминия, продуктов оксида алюминия и/или алюминия. Химические добавки, такие как флокулянты и реагенты для пенообразования, могут оказывать неблагоприятные влияния на рост кристалла, распределение размеров кристалла, прочность кристалла и чистоту продукта. Поэтому любые химические добавки, привносимые в процесс, необходимо тщательно оценивать для предотвращения создания любых нежелательных побочных эффектов в системе.
Существует несколько разновидностей серийно выпускаемых продуктов для контроля пенообразования, пригодных для различных отраслей промышленности. Например, в качестве реагентов для контроля пенообразования в целлюлозно-бумажной промышленности, пищевой промышленности и лакокрасочной промышленности были использованы блок-сополимеры (патенты США № 5725815, 5538668 и 4836951). Блок-сополимер является эффективным реагентом для контроля пенообразования, но его высокая стоимость ограничивает его использование в больших количествах. Жирные спирты и соединения первичных и алкоксилированных спиртов раскрыты в патенте США № 6534550. Их действенность продемонстрирована в водной системе, входящей в состав системы бумажного производства. Хорошо известно, что хорошими противовспенивателями являются полипропиленгликоли с молекулярными массами свыше примерно 1000 из-за их ограниченной растворимости в воде. Использование водорастворимого полипропиленгликоля со средней молекулярной массой 200-600 в процессе Байера раскрыто в патенте США № 5275628. Соединения жирных спиртов и блок-сополимеров, используемые в целлюлозно-бумажной промышленности, раскрыты в патенте США № 5562862.
Общеизвестно, что использование реагентов для пенообразования дает свои результаты только на короткий период времени и активность таких продуктов снижается со временем, вследствие чего часто возникает необходимость в последовательном применении доз реагента или в их применении в течение нескольких эмпирически определенных интервалов. Является желательным, чтобы реагенты, предназначенные для контроля пенообразования, подавляли или устраняли пену на продолжительные периоды времени. В процессе Байера, например, является желательным, чтобы реагенты для контроля пенообразования добавляли в сосуды для осаждения только в начале технологического процесса, в целях эффективного контроля пены в течение, по меньшей мере, 24 часов, или, в качестве альтернативы, желательно, чтобы активность реагентов для пенообразования можно было бы поддерживать при перемещении реагентов, предназначенных для контроля пенообразования, по сообщающимся сосудам для осаждения. Продукты для контроля пенообразования, используемые для ослабления пенообразования, часто являются более эффективными в нейтральных или слабощелочных или слабокислых средах, чем в высокощелочных водных средах, таких как растворы для процесса Байера.
Эффективные противовспениватели в пенящейся среде должны быть нерастворимыми, но все же дисперсными, пригодными для регулирования пены в течение продолжительного периода времени, и не иметь отрицательного влияния на процессы, протекающие по направлению потока. Настоящее изобретение было разработано для предотвращения или регулирования вышеописанных проблем пенообразования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к составам для контроля содержания пены в водной среде, в частности в системах сбора и отведения сточных вод и системах производственных процессов. Эти системы могут обладать температурами от умеренных до высоких, а также высокой щелочностью. Настоящее изобретение также относится к способам для регулирования пены в водных средах, в частности, в системах сбора и отведения сточных вод и системах производственных процессов, за счет добавления к системам эффективного количества определенных компонентов для контроля пены.
Настоящее изобретение направлено на создание способа добавления к водной системе эффективного количества состава, содержащего полиалкиленгликоль, полиалкоксилаты жирных спиртов, блок-сополимер этоксилат/пропиоксилат, полибутен, поверхностно-активные вещества, такие как эфир полиэтиленгликоля и диалкилфталат. Состав для контроля пенообразования включает в себя, в весовом отношении: примерно 5 - 40 мас.%, более предпочтительно - примерно 10 - 30 мас.% полиалкиленгликоля; примерно 20 - 90 мас.%, более предпочтительно  примерно 40 - 60 мас.% алкоксилата жирного спирта; примерно 1 мас.% - примерно 20 мас.%, более предпочтительно примерно 2 -10 мас.% блок-сополимера этиленоксид-пропиленоксид; примерно 3 - 25 мас.%, более предпочтительно 3 - 15 мас.% полибутена; примерно 3 - 25 мас.%, более предпочтительно примерно 5 - 15 мас.% поверхностно-активного вещества, выбранного из группы, состоящей из эфира полиэтиленгликоля, эфира сорбитана и эфира полиоксиэтилена/полиоксипропилена; и примерно 3 - 25 мас.%, более предпочтительно примерно 5 - 15 мас.% диалкилфталата.
Было обнаружено, что противопенные/обеспенивающие составы по настоящему изобретению являются наилучшими для контроля пенообразования по сравнению со стандартными реагентами. Реагенты для контроля пенообразования по настоящему изобретению при накоплении пены в водной среде обеспечивают средний уровень удаления пены. Настоящее изобретение также предотвращает формирование пены при добавлении реагента до образования пены. В вышеупомянутых случаях контроль пенообразования может длиться, по меньшей мере, в течение 24 часов. Преимущества от эффекта контроля пенообразования становятся более очевидными при температурах от умеренных до высоких и при высокощелочных водных средах, таких как щелочные растворы для процесса Байера.
КРАТКОЕ ОПИСАНЕИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость высоты пены от времени, при истекшем времени 0 часов.
Фиг. 2 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость высоты пены от времени, при истекшем времени 3,5 час.
Фиг. 3 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость высоты пены от времени, при истекшем времени 24 часа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к аддукту полиалкиленгликоля, алкоксилату жирного спирта, блок-сополимеру этиленоксид-пропиленоксид, полибутену, диалкилфталату и поверхностно-активному веществу, выбранному из группы, состоящей из эфира полиэтиленгликоля, эфира сорбитана и эфира полиоксиэтилена/полиоксипропилена, для регулирования пенообразования в водных средах, в частности в системах с температурой от умеренной до высокой и с высокой щелочностью.
Полиалкиленгликоль может представлять собой, например, линейный или разветвленный полимер оксида этилена и пропилена. Полиалкиленгликоль может иметь молекулярную массу, по меньшей мере, 1000, более предпочтительно 2500-5000. Полиалкиленгликоль имеет температуру помутнения менее 60°C, предпочтительно, менее 50°C.
12
18
12
18
Компонент полиалкоксилат спирта может содержать линейные или разветвленные алкоксилаты спирта C-C, предпочтительно, алкоксилаты спирта C-C, содержащие группы этиленоксида и пропиленоксида. Количество звеньев этоксилата может составлять примерно 2-20; количество звеньев пропоксилата может составлять примерно 0-15. Компонент полиалкоксилат спирта может иметь молекулярную массу, по меньшей мере, примерно 600, более предпочтительно примерно 600-3000, а еще более предпочтительно примерно 1200-3000. Компонент полиалкоксилат спирта может иметь температуру помутнения, по меньшей мере, 16°C.
Блок-сополимер этиленоксид-пропиленоксид может иметь молекулярную массу 1000-5000, предпочтительно 3000-5000. Блок-сополимер этиленоксид-пропиленоксид может иметь температуру помутнения менее 40°C, более предпочтительно менее 15°C. Блок-сополимер этиленоксид-пропиленоксид может иметь гидрофильно-липофильный баланс, равный 1-5, более предпочтительно менее 2. Блок-сополимеры этиленоксид-пропиленоксид, используемые согласно настоящему изобретению, представляют собой жидкие высоковязкие продукты. При использовании высоковязких блок-сополимеров для диспергирования блок-сополимеров можно использовать жидкую органическую среду, например, спирты, сложные эфиры, метиленхлорид, и т.д., особенно, если в блок-сополимерах преобладают компоненты гидрофобного полипропиленоксида.
Полибутен сам по себе обладает некоторым уровнем функции регулирования пенообразования; в сочетании с другими поверхностно-активными веществами, контролирующими пенообразование, его эффективность может быть повышена. Полибутен может обладать средней молекулярной массой 300-3000, более предпочтительно примерно 300-400.
Поверхностно-активные вещества могут включать в себя (но не быть ограниченными) эфиры полиэтиленгликоля, эфиры сорбитана, полиоксиэтиленовую/полиоксипропиленовую олеиновую кислоту и полиоксиэтиленовую/полиоксипропиленовую диолеиновую кислоту. Предпочтительное поверхностно-активное вещество на основе полиэтиленгликоля представляет собой диолеат PEG 400 или диолеат PEG 600. Эфир полиоксиэтилена/полиоксипропилена можно получить из полиоксиэтиленовой/полиоксипропиленовой олеиновой кислоты или, в качестве альтернативы, полиоксиэтиленовой/полиоксипропиленовой диолеиновой кислоты.
Добавление эфира 1,2-бензолдикарбоновой кислоты, особенно диизооктилового эфира 1,2-бензолдикарбоновой кислоты (диизооктилфталата) или дитридециловго эфира 1,2-бензолдикарбоновой кислоты (дитридецилфталата) способствует быстрому воздействию поверхностно-активного вещества на границу воздух-жидкость для пеноудаляющего воздействия. Диизооктилфталат также служит в качестве вспомогательного растворителя для стабилизации продукта и придания ему светопроницаемости.
2
3
Относительные количества индивидуальных компонентов настоящего изобретения приведены в таблице 1 (значения приведены в весовых процентах). Реагенты для контроля пенообразования по настоящему изобретению были протестированы в растворе для процесса Байера. Типичные щелочные растворы для процесса Байера содержат примерно 160-200 г/л NaOH, 80-150 г/л AlO и 6-25 г/л всего органического углерода. Реагенты были протестированы вслед за процедурой, описанной ниже.
Раствор 500 мл был загружен в 1-литровый проградуированный цилиндр. Температуру поддерживали при 70°C путем помещения цилиндра в водяную баню. Пена была получена путем помещения воздухораспределительного диска из фриттованного стекла на дно цилиндра. Воздух подавали при 1200 мл/мин. При проведении измерений противовспенивающий/пеноудаляющий реагент подавали путем его впрыскивания с помощью шприца в раствор с верхнего конца цилиндра при концентрации 30 мкл/л, затем включали подачу воздуха. В цилиндре воздух циркулировал по раствору и при образовании пены перемешивал противовспенивающий агент с раствором. Высоту пены измеряли и записывали каждую минуту в течение 30 минут. Измерения для определения эффективности и постоянства противовспенивающих агентов проводили в моменты времени 0 минут, 4 часов и 24 часов. Результаты записывали в виде временной зависимости высоты пены. Наилучшим считался результат, при котором площадь под кривой была наименьшей, что означает эффективность и устойчивость противовспенивающего агента согласно изобретению по истечении заданных периодов времени (т.е. 4 и 24 часов).
Результаты исследования приведены в таблицах 2-4 и на фиг. 1-3. Без добавления противовспенивающего агента (базового количества) высота пены в градуированном цилиндре (используемом при испытаниях) достигает 1000 мл в течение 3-5 минут. Высота пены при базовых тестах, составлявшая более 160 мм, была записана в таблице 2-4. Базовые кривые на фиг. 1-3 не приведены.
ПРИМЕРЫ
Пример 1:
Полиалкиленгликоль, представляющий собой однокомпонентный состав, был протестирован первым. Было исследовано промежуточное воздействие реагента для контроля пенообразования, а высоту поддерживали при относительно низком уровне в течение более 3,5 часов (фиг. 1-2). Однако полиалкоксилатгликоль не может полностью предотвратить пенообразование, а высота пены начинает повышаться при 24 часах (таблицы 2-4 и фиг. 3).
Пример 2:
Был протестирован алкоксилат жирного спирта, являющийся однокомпонентным составом. После включения подачи воздуха в течение первых 10 минут высота пены возрастала до 15 мм, а затем, примерно при 18 минутах, падала примерно до 4 мм. В конце тестирования (24 часов), высота пены росла быстро (таблицы 2-4 и фиг. 1-3).
Пример 3:
Состав 3 содержит жирный спирт, полиалкиленгликоль и блок-сополимер, основанный на полибутене. Аналогично составу 2, высота пены в начале испытания возросла до 18 мм, плавно снизилась до нуля при 15 минутах и возросла снова в конце 24-часового испытания. Было обнаружено несколько воскообразных «частиц», плавающих на поверхности раствора в цилиндре при отключенной подаче воздуха (таблицы 2-4 и фиг. 1-3).
Пример 4:
Состав 4 имеет те же компоненты, что и состав 3, но имеет пониженное отношение жирного спирта к полиалкиленгликолю. Состав 4 обеспечивал повышенную пригодность для контроля пенообразования, но воскообразные частицы в нем также наблюдались (таблицы 2-4 и фиг. 1-3).
Пример 5:
Состав 5 представляет собой поверхностно-активное вещество, например эфир полиэтиленгликоля и диалкилфталат, которые были добавлены к составу 4. Состав 5 обеспечивает высокоэффективный контроль пенообразования, причем уровень пены понижается до нуля при 5 минутах и поддерживается при нуле до конца испытаний (таблицы 2-4 и фиг. 1-3).
Примеры 6 и 7:
В составах 6 и 7 был изменен массовый процент всех компонентов. Они обеспечивали повышенную пригодность для контроля пенообразования по сравнению с составами 1-4 (таблицы 2-4 и фиг. 1-3).
Пример 8:
Состав 8 способствовал удалению полиалкиленгликоля из состава 5. С помощью этих составов невозможно контролировать пенообразование с начала испытания, и поэтому в конце испытания высота пены была удвоенной (таблицы 2-4 и фиг. 1-3).
Итак, результаты испытаний продемонстрировали, что противовспениватель согласно настоящему изобретению (составы 5-7) значительно повышают контроль пенообразования на продолжительный период времени по сравнению с однокомпонентными составами - полиалкиленгликолем (состав 1) или алкоксилатом жирного спирта (состав 2) и другими соединениями (составы 3, 4 и 8). Большинство компонентов для контроля пенообразования представляли собой полиалкоксилаты жирных спиртов, полиалкиленгликоль и сополимеры ЭО/ПО (этиленоксид/пропиленоксид). Два сложных эфира - эфир полиэтиленгликоля и диалкилфталат, а также полибутен - способствуют диспергированию компонентов, включая сополимер ЭО/ПО и жирный спирт, а также способствуют разложению компонентов в системе с повышением эффективности продукта.
<b>Таблица 1</b><b>Протестированные противовспенивающие/пеноудаляющие составы</b><b>(в массовых процентах)</b>
Материал
Эфир полиэти-ленгликоля PEG 400
Диалкилфталат
Жирный спирт
Полигликоль
Сополимер ЭО/ПО
Полибутен
Состав 1
100
Состав 2
100
Состав 3
0
0
72
10
5
13
Состав 4
0
0
58
25
5
12
Состав 5
8
8
50
20
4
10
Состав 6
10
10
50
15
5
10
Состав 7
10
10
50
20
5
5
Состав 8
10
10
62
0
5
13
<b>Таблица 2</b><b>Высота пены (мм), начиная с истекшего времени 0 часов, протестированная при концентрации</b><b>30 мкл/л</b>
Материал
Время, начиная с 0 часов
1 мин
15 мин
30 мин
Базовый*
>160
>160
>160
Состав 1
10,8
10,8
10,8
Состав 2
14,4
7,2
3,6
Состав 3
18
0
0
Состав 4
3,6
1,8
0
Состав 5
10,8
0
0
Состав 6
10,8
1,8
0
Состав 7
10,8
1,8
1,8
Состав 8
7,2
7,2
7,2
* Достигал максимальной высоты цилиндра и переливался
<b>Таблица 3</b><b>Высота пены (мм), начиная с истекшего времени 3,5 часов, протестированная при концентрации</b><b>30 мкл/л</b>
Материал
Время, начиная с 3,5 часов
1 мин
15 мин
30 мин
Базовый
>160
>160
>160
Состав 1
10,8
10,8
10,8
Состав 2
3,6
3,6
3,6
Состав 3
0
0
3,6
Состав 4
0
0
0
Состав 5
0
0
0
Состав 6
0
0
0
Состав 7
0
0
0
Состав 8
7,2
7,2
7,2
В своем предпочтительном варианте воплощения настоящее изобретение относится к способу контроля пенообразования в водных средах, содержащему добавление к упомянутым средам эффективного количества состава, включающего:
a) примерно 5-40 мас.% полиалкиленгликоля,
b) примерно 20-90 мас.% алкоксилата жирного спирта,
c) примерно 1-20 мас.% блок-сополимера этиленоксид/пропиленоксид,
d) примерно 3-25 мас.% полибутена,
e) примерно 3-25 мас.% поверхностно-активного вещества, выбранного из группы, состоящей из эфира полиэтиленгликоля, эфира сорбитана и эфира полиоксиэтилена/полиоксипропилена, и
f) примерно 3-25 мас.% диалкилфталата, предпочтительно - диизооктилфталата. Температурный диапазон для обработки составляет примерно 50-90°C.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на его конкретные варианты воплощения, является очевидным, что многочисленные другие формы и модификации изобретения будут понятны специалистам в данной области техники. Прилагаемые пункты формулы изобретения и объем настоящего изобретения по существу следует истолковывать как охватывающие все такие очевидные формы и модификации, которые находятся в пределах подлинной сущности и объема настоящего изобретения.